(57)【要約】【課題】高圧タンクにおける省スペース化と疲労耐久性の向上を図る。【解決手段】ライナをセットし（Ｓ１０）、繊維束間に半硬化状態の熱硬化性樹脂が含浸されたプリプレグを用いて１〜１０層に対するフィラメントワインディング成形を行う（Ｓ１２）。続いて、液状の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束を用いて１１〜３６層に対するフィラメントワインディング成形を行う（Ｓ１４）。そして、加熱により熱硬化性樹脂を硬化させて高圧タンクを製造する（Ｓ１６）。プリプレグでは熱硬化性樹脂の粘性が高く繊維間からの浸み出しが少ないため、内層における繊維密度の低下が防止される。【選択図】図３
2008286297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のライナの外周に、複数の繊維からなる第１繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第１繊維強化複合材を巻回し、第１繊維強化複合材層を積層形成するステップと、
前記第１繊維強化複合材層の外周に、複数の繊維からなる第２繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第２繊維強化複合材を巻回し、第２繊維強化複合材層を積層形成するステップと、
前記第１繊維強化複合材層及び前記第２繊維強化複合材層が積層形成された後に、加熱により前記熱硬化性樹脂を硬化させるステップと、
を含み、
巻回時においては、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性は、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性に比べて高く設定されていることを特徴とする高圧タンク製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンク製造方法において、
巻回時においては、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂は、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂に比べて硬化が進行した半硬化状態にあり、これにより、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性は、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性に比べて高く設定されていることを特徴とする高圧タンク製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高圧タンク製造方法において、
前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂は、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂と同じ組成をもち、巻回時には液状に保たれた樹脂であり、これにより、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性が、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性に比べて高く設定されていることを特徴とする高圧タンク製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材を巻回して製造される高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
ライナの外側に繊維強化複合材を複数層にわたって巻回することにより、高圧タンクを製造する技術が知られている。
【０００３】
下記特許文献１には、繊維強化複合材を巻回して高圧タンクを製造する過程で、巻き締め張力に起因して内側の層から樹脂が絞り出され、これにより内層あるいは外層の繊維強化複合材が蛇行してしまう問題が記載されている。また、この問題を解決するために、繊維強化複合材に含まれる樹脂量や巻回時の張力を制御して、絞り出される樹脂量を所定の値に管理する技術も記載されている。
【０００４】
なお、下記特許文献２には、自動車用ドライブシャフトや、フィルム搬送用・印刷用のロール等に使用されるプラスチックパイプについての技術が記載されている。この技術では、マンドレルに対し、熱硬化性樹脂をマトリクスとするプリプレグシートを巻回し、その外層に熱可塑性樹脂テープを巻回した後に、熱硬化性樹脂の硬化条件で熱硬化・熱圧着を行うことにより、パイプ表面にある程度の厚みをもった樹脂を設けている。
【０００５】
また、下記特許文献３には、ゴルフシャフトや釣り竿などで使用され、捻り破壊強度、曲げ強度、衝撃強度などが高い管を、繊維強化樹脂層を積層して製造する技術が開示されている。具体的には、マンドレルの周囲に傾斜して巻回された炭素繊維強化プリプレグの外周に、プリプレグテープ部材などを所定の張力で巻き付け、さらにその外周に炭素繊維強化プリプレグを巻き付けた後に、プリプレグを加熱硬化する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−６６６３７号公報
【特許文献２】特開平７−８０９７３号公報
【特許文献３】特開平５−１８５５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載されたように、繊維強化複合材では、その外側に巻回される繊維強化複合材による巻き締めの効果などにより、繊維束間に満たされる樹脂が浸み出してしまうため、内層（ライナ側の層）ほど、繊維密度（あるいは繊維体積含有率Ｖｆ）が高くなる（樹脂が少なくなる）傾向にある。特に、高圧タンクの使用圧を高める場合には、強度を確保するために繊維強化複合材層を増やす必要があり、内層におけるＶｆ上昇が顕著となる。
【０００８】
一般に、Ｖｆが高い繊維強化複合材層では、亀裂が生じやすくなるなど疲労耐久性能が低下することが知られている。特に、高圧タンクに高圧の気体や液体を充填した場合には、内層側の繊維強化複合材層ほど大きな応力が作用する傾向にあり、高圧タンクの疲労耐久性を高め、寿命を延ばすためには、内層におけるＶｆを比較的低くすることが望ましい。
【０００９】
しかしながら、単純に高圧タンク全体でＶｆを低くしたのでは、樹脂が多くなる分だけ外径が大きくなってしまう。また、上記特許文献１の技術では、繊維強化複合材の選択や、巻回時における張力設定などの制約が多く、必ずしも所望の高圧タンクを得ることができない。また、上記特許文献２，３の管の製造技術においても、内層と外層の樹脂特性の差異に着目した記載はなされていない。
【００１０】
本発明の目的は、高圧タンクにおける省スペース化と疲労耐久性の向上を図ることにある。
【００１１】
本発明の別の目的は、車載用の利便性を向上させた高圧タンクを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、中空のライナの外周に、複数の繊維からなる第１繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第１繊維強化複合材を巻回し、第１繊維強化複合材層を積層形成するステップと、前記第１繊維強化複合材層の外周に、複数の繊維からなる第２繊維束と各繊維間に非硬化状態で設けられた熱硬化性樹脂とを含む第２繊維強化複合材を巻回し、第２繊維強化複合材層を積層形成するステップと、前記第１繊維強化複合材層及び前記第２繊維強化複合材層が積層形成された後に、加熱により前記熱硬化性樹脂を硬化させるステップと、を含み、巻回時においては、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性は、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性に比べて高く設定されている。
【００１３】
高圧タンクは、気体（ガス）あるいは液体を高圧で保持可能な容器であり、耐圧タンクや圧力容器などとも呼ばれる。また、ライナは高圧タンクの内筒として用いられる容器であり、典型的には内部に充填されるガスあるいは液体の保持力が高い樹脂あるいは金属などにより作られる。繊維強化複合材は、複数の繊維が束ねられた繊維束と、これらの繊維間に設けられるマトリクスとしての熱硬化性樹脂とを含む素材であり、ライナの外周に巻回されて高圧タンクの強度を高める。繊維束は複数の繊維が単に寄せ集められたものであってもよいし、複数の繊維が織り上げられたものであってもよい。また、繊維束を構成する繊維は連続したもの（巻回される一端から他端まで途切れていない）であってもよいし、不連続なものであってもよい。繊維の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などを挙げることができる。また、繊維間に設けられる熱硬化性樹脂の例としては、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂などを挙げることができる。樹脂に対しては、硬化温度等を制御するための付与剤（例えば硬化剤、可撓性付与剤など）を添加することがある。
【００１４】
第１繊維強化複合材に含まれる熱硬化性樹脂、及び、第２繊維強化複合材に含まれる熱硬化性樹脂は、巻回時には非硬化状態にある。非硬化状態とは塑性変形が可能な状態を指す。そして、少なくとも巻回時には、第１繊維強化複合材に含まれる熱硬化性樹脂は、第２繊維強化複合材に含まれる熱硬化性樹脂に比べて、粘性が高く設定されている。粘性の高低は、典型的には、粘性係数の大小により評価される。粘性は、例えば、樹脂の組成を変えたり、熱硬化を進行度合いを変えたりして制御することができる。なお、第１繊維強化複合材中で、あるいは、第２繊維複合強化材中で、粘性が一様である必要はないが、第１繊維強化複合材において最も粘性が低い樹脂は、第２繊維強化複合材において最も粘性が高い樹脂よりも高い粘性をもつように設定される。
【００１５】
第１繊維強化複合材は、ライナの外周に巻回されて第１繊維強化複合材層を形成する。第１繊維強化複合材層は、ライナの外周を全面的（開口部や把手部などの特異な箇所はこの限りではない）に覆うように形成される。この第１繊維強化複合材層は、典型的には、第１繊維強化複合材を厚さ方向（ライナから遠ざかる方向）に複数回巻くことで形成される。同様にして、第２繊維強化複合材は、第１繊維強化複合材層の外周に巻回されて第２繊維強化複合材層を形成する。第２繊維強化複合材層は、基本的には、第１繊維強化複合材層の外周を全面的に覆うように形成され、また、厚さ方向に複数回巻くことで形成される。
【００１６】
第１繊維強化複合材層は、ライナと接するように、あるいは、ライナの外表面に設けられた別の部材と接するように設けられる。言い換えれば、第１繊維強化複合材層は、繊維強化複合材層としては、最も内側に位置するように設けられる。また、第２繊維強化複合材層は、第１繊維強化複合材層よりも外側に設けられる。典型的には、第２繊維強化複合材層は、第１繊維強化複合材層と接するように設けられるが、第１繊維強化複合材層との間に別の部材が挟まれていてもよい。なお、第１繊維強化複合材と第２繊維強化複合材は、不連続な素材（つまり樹脂や繊維が物理的に繋がっていない素材）であってもよいが、連続した素材（樹脂あるいは繊維の少なくとも一方が物理的に繋がっている素材）であって連続的に巻回されるものであってもよい。
【００１７】
第１繊維強化複合材層が形成される内層付近では、一般に、外層に比べて巻き締めにより樹脂の浸み出し量が大きくなる傾向にあり、また、高圧タンクに気体あるいは液体を充填した際に大きな応力が作用する傾向にある。そこで、この付近に巻回される前記第１繊維強化複合材の粘性を、少なくとも巻回時においては、前記第２繊維強化複合材の粘性に比べて高く設定している。これにより、巻回された第１繊維強化複合材層から漏れ出す樹脂の量を比較的少なくすることができるため、巻回前の第１繊維強化複合材と第２繊維強化複合材の粘性を同じにした場合に比べて、少なくとも第１繊維強化複合材層の繊維密度が第２繊維強化複合材層の繊維密度より高くなる度合いが抑制される。
【００１８】
なお、第１繊維強化複合材における繊維密度と第２繊維強化複合材における樹脂の粘性の調整、あるいは、巻回する際の張力の調整などを行うことで、第１繊維強化複合材層の繊維密度と第２繊維強化複合材層の繊維密度を同程度に設定してもよいし、第１繊維強化複合材層の繊維密度を第２繊維強化複合材層の繊維密度よりも低く設定してもよい。第１繊維強化複合材層の繊維密度と第２繊維強化複合材層の繊維密度をどの程度に設定するかは、高圧タンクの強度、疲労耐久性、大きさなどを考慮した上で、実験的あるいは理論的根拠に基づいて決めることができる。いずれにせよ、本構成によれば、繊維強化複合材層を比較的薄くして省スペース化を図るとともに、繊維強化複合材層の疲労耐久性を高めることが可能となる。この省スペース化は、例えば、移動体（例えば車両、船舶、航空機）のように利用可能な空間が限られた状況下で特に有効となる。
【００１９】
本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、巻回時においては、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂は、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂に比べて硬化が進行した半硬化状態にあり、これにより、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性は、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性に比べて高く設定されている。ここで、熱硬化性樹脂の硬化が進行した半硬化状態とは、樹脂の重合などにより樹脂分子の結合が進行し、流動性が相対的に低下した状態を指すものであり、プリプレグと呼ばれることもある。半硬化状態では、一般に、粘性が高くなるため、高い圧力が作用した場合にも、繊維強化複合材層から浸み出す量が低下することになる。
【００２０】
本発明の高圧タンク製造方法の一態様においては、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂は、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂と同じ組成をもち、巻回時には液状に保たれた樹脂であり、これにより、前記第１繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性が、前記第２繊維強化複合材に設けられた熱硬化性樹脂の粘性に比べて高く設定されている。ここで、液状とは、例えば、滴となってしたたり落ちる程度の流動性が確保された状態をいう。同じ組成をもち、硬化の進行度合いが異なる樹脂を使用することで、硬化段階において、第１繊維強化複合材層と第２繊維強化複合材層とを滑らかに結合する効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に本発明の実施の形態を例示する。
【００２２】
図１は、本実施の形態にかかる高圧タンク１０の概略的な断面図である。高圧タンク１０では、円筒形状に作られた樹脂製のライナ１２の外周に、繊維強化複合材としての炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が巻回されたＣＦＲＰ層１４が形成されており、さらにＣＦＲＰ層１４の外周には保護層としてのガラス層１６が形成されている。そして、ライナ１２の両端には、金属製の口金１８，２０が取り付けられている。
【００２３】
この高圧タンク１０は、水素あるいは天然ガスなどの燃料ガスを高圧で貯蔵する容器である。高圧タンク１０は据え置き型として用いられても良いし、移動体に搭載されて用いられても良い。例えば、燃料電池車に搭載されて使用される場合には、典型的には全長が８００〜１５００ｍｍ、直径が２００〜５００ｍｍ程度の高圧タンク１０が用意され、満タン時には数十ＭＰａ〜１００ＭＰａ程度の圧力の燃料ガスが充填される。
【００２４】
図２は、図１に符号２２で示した高圧タンク１０の側面の断面構造を示す図である。高圧タンク１０では、最も内側にライナ１２があり、その外側にＣＦＲＰ層１４が設けられ、さらに、その外側にガラス層１６が設けられている。ＣＦＲＰ層１４は、複数（例えば数千本〜数万本）の炭素繊維を含む束状のＣＦＲＰが巻回され多層化（例えば１０層程度から数十層程度）されたものである。このＣＦＲＰ層１４のうち、内層２４は、プリプレグと呼ばれる半硬化状態の樹脂が含まれたＣＦＲＰを巻回して製造されており、外層２６は液状の樹脂が含まれたＣＦＲＰを巻回して製造されている。
【００２５】
続いて図３，４を用いて、高圧タンク１０の製造方法について説明する。図３は、高圧タンク１０の製造手順を示したフローチャートであり、ここでは、３６層のＣＦＲＰ層１４を形成するものとして説明を行う。また、図４は、ＣＦＲＰ層１４を形成する過程を示した模式図である。
【００２６】
製造過程においては、まず、口金を取り付けたライナ１２が回転軸３０にセットされる（Ｓ１０）。そして、内側の層（例えば１〜１０層）に対しては、直径が７μｍである炭素繊維が２万本程度束ねられ、この炭素繊維間に半硬化状態の樹脂が設けられたた繊維束３２（プリプレグ）を用いて、ＣＦＲＰ層１４がフィラメントワインディング成形（以下ＦＷ成形と呼ぶことがある）される（Ｓ１２）。ここで、フィラメントワインディング成形とは、樹脂を含浸させた繊維束を巻回する成形方法を指す。繊維束の幅が比較的広い場合には、テープワインディング成形と呼ばれることもある。繊維束は例えば、幅方向に数ｍｍ、厚み方向に０．０１ｍｍ〜数ｍｍ程度に設定される。
【００２７】
プリプレグは、例えば、ボビンから送られる繊維束３２に対し、液状のエポキシ樹脂が蓄えられた含浸バスに浸すことで樹脂の含浸を行い、その後に緩やかな加熱により樹脂を半硬化状態にまで重合させることで製造することができる。また、高圧タンクの製造とは別にプリプレグを製造することも可能であり、例えば、一般に流通しているプリプレグを利用するようにしてもよい。
【００２８】
なお、巻回の方法は特に限定されるものではなく、例えば、フープ巻き（図４に示すように、繊維束３２を回転軸３０にほぼ垂直にセットし、徐々に巻回箇所をずらしていく巻き方）であっても、ヘリカル巻き（繊維束３２を回転軸３０に対して斜めにセットし、巻回箇所を大きくずらしていく巻き方）であってもよいし、また、複数の繊維束を編み上げて（ブレイディング）から巻回を行ってもよい。
【００２９】
プリプレグがＦＷ成形された外側の層（１１〜３６層）には、液状の樹脂が含浸された繊維束３２がＦＷ成形される（Ｓ１４）。この方式は、プリプレグを用いる方式と区別して、ＷＥＴ方式と呼ばれることがある。具体的には、繊維束３２は、液状の含浸バスに浸されてエポキシ樹脂が含浸された後に、半硬化処理を行われることなく、高圧タンク１０の周囲に巻回される。ＷＥＴ方式において使用する繊維束３２の成分、本数、大きさや、含浸させる樹脂の成分、温度などは、プリプレグによる方式と同じようにすることも可能であるし、異ならせてもよい。
【００３０】
３６層までＦＷ成形が終了すると、ＣＦＲＰ層１４のエポキシ樹脂を硬化させるため、高圧タンク１０は加熱処理される（Ｓ１６）。その後、高圧タンク１０の表面に対して、保護層としてのガラス層を形成する処理が行われる（Ｓ１８）。
【００３１】
図５は、このようにして製造された高圧タンク１０のＣＦＲＰ層１４における繊維体積含有率Ｖｆについて模式的に説明する図である。図５においては、横軸はＶｆを表し、縦軸はＣＦＲＰ層１４の層を表している。そして、図５（ａ）は、参考として全層に対してＷＥＴ方式によるＦＷ成形を行った場合を示しており、図５（ｂ）は、１〜１０層にプリプレグを用い、１１〜３６層にＷＥＴ方式を採用した場合を示している。
【００３２】
図５（ａ）の例では、内側の層ほどＶｆの値が大きくなる。これは、巻回する前の繊維束においてはＶｆの値は一定であるが、巻回にともなう張力を多く受ける内側の層では、樹脂が浸み出して樹脂含浸量が低下する（繊維の比率が高まる）ためである。同様に、図５（ｂ）の例でも、１〜１０層と１１〜３６層の中では、内側の層ほどＶｆが高くなっている。しかし、図５（ｂ）の例では、１１〜３６層におけるＶｆは図５（ａ）の場合と同様に内層ほど急激に値を高める分布を示しているが、１〜１０層におけるＶｆは内層ほどやや値が大きくなるものの外層に比べれば一定とみなせる分布を示している。これは、プリプレグでは、樹脂の流動性が相対的に小さく、樹脂の浸み出し量が少なくなるためである。しかも、この樹脂の浸み出し量は、外層に対するＦＷ成形の張力の大きさによっては、あまり変化しない。つまり、プリプレグを用いた場合には、巻回時の張力の設定などによらず、巻回前のプリプレグにおける繊維体積含有率Ｖｆに近い値をもつＣＦＲＰ層１４を形成することができる。例えば、図５（ｂ）に示した例では、１〜１０層のＶｆが１１層のＶｆと同程度かやや小さくなるようにプリプレグの樹脂量が設定されている。
【００３３】
以上の説明においては、１〜１０層までをプリプレグでＦＷ成形し、１１〜３６層までをＷＥＴでＦＷ成形する例について説明した。しかし、プリプレグによるＦＷ成形を何層にするかは様々に設定可能であり、一例としては、１〜４層をプリプレグ、５〜３６層をＷＥＴでＦＷ成形する態様を挙げることができる。また、樹脂の硬化の度合いを複数段階に設定した巻回を行うことも可能である。一例としては、１〜４層には相対的に最も硬化が進行した樹脂を含む繊維束を使用し、５〜１０層には硬化の進行が中程度の樹脂を含む繊維束を使用し、１１〜３６層には硬化が最も進行していない樹脂（例えば、全く硬化させていない樹脂）を含む繊維束を使用する態様を挙げることができる。さらには、ＷＥＴからプリプレグへと、連続的に変化させることも可能である。例えば、液状の樹脂が含浸された繊維束に対する加熱の度合いを徐々に緩めることで、プリプレグからＷＥＴへと連続的に変化するＦＷ成形を行うことができる。具体的な設定は、例えば、内側の層において必要となる疲労耐久性能を満足し、かつ、必要強度を与えるＣＦＲＰ層１４が所定の厚さに収まるとの条件の下で、理論的あるいは実験的に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施の形態にかかる高圧タンクの断面図である。
【図２】図１の高圧タンクの側面の断面構造を示す図である。
【図３】高圧タンクの製造手順を例示したフローチャートである。
【図４】高圧タンクの製造過程を説明する模式図である。
【図５】高圧タンクのＣＦＲＰ層における繊維体積含有率を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  高圧タンク、１２  ライナ、１４  ＣＦＲＰ層、１６  ガラス層、１８，２０  口金、２４  内層、２６  外層、３０  回転軸、３２  繊維束。
【図１】
2008286297.tif 000003
【図２】
2008286297.tif 000004
【図３】
2008286297.tif 000005
【図４】
2008286297.tif 000006
【図５】
2008286297.tif 000007