(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温タンクであって、
前記低温タンクの貯蔵空間を形成する金属ライナと前記金属ライナの外周面に巻きつけられた繊維強化プラスチックからなる壁部材とを含む容器本体
を備え、
前記金属ライナは、その表面上で互いに交差する二方向に延伸し且つ前記貯蔵空間に向けて突出するように湾曲する湾曲部を含み、
前記湾曲部と前記壁部材との間には充填材が充填されている
低温タンク。
【請求項２】
前記充填材は、前記壁部材の焼結温度において充填時の形状を維持する弾性体からなる
請求項１に記載の低温タンク。
【請求項３】
前記充填材は、常温で充填時の形状を維持し且つ前記壁部材の焼結温度以下で収縮する材料からなる
請求項１に記載の低温タンク。
【請求項４】
前記金属ライナは、前記壁部材と接着する部分に凹凸構造を有する
請求項１〜３の何れか一項に記載の低温タンク。
【請求項５】
低温タンクの製造方法であって、
その表面上で互いに交差する２つの方向に延伸し且つマンドレルに向けて突出するように湾曲する湾曲部を含む金属ライナを前記マンドレルに巻き付け、
前記湾曲部に充填材を充填し、
前記マンドレルに巻き付けられた前記金属ライナの外周面に、繊維強化プラスチックからなる壁部材を巻き付け、
前記壁部材を焼結し、
前記マンドレルを前記金属ライナから外すことを含む
低温タンクの製造方法。
【請求項６】
前記充填材は、前記壁部材の焼結温度において充填時の形状を維持する弾性体からなる
請求項５に記載の低温タンクの製造方法。
【請求項７】
前記充填材は、常温で充填時の形状を維持し且つ前記壁部材の焼結温度以下で収縮する材料からなる
請求項５に記載の低温タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、極低温の液体を貯蔵する低温タンク及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケット等の飛翔体では構成部材の軽量化が常に求められている。推進薬を貯蔵するタンクも例外ではなく、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いた複合材による軽量化が提案されている。これに関連して、特許文献１は極低温の液体を貯蔵するタンクを開示している。このタンクは、金属ライナによって形成されたタンク本体と、タンク本体に巻回された複合材とを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５９４８３３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
金属ライナの線膨張率と、炭素繊維強化プラスチックなどの複合材の線膨張率は大きく異なっている。従って、これらを極低温の液体を貯蔵する低温タンクの構成部材として併用した場合、液体の充填や消費に伴う熱収縮や熱膨張によって金属ライナが複合材から剥離するおそれがある。【０００５】
本開示はこのような事情を鑑みて成されたものであって、容器の構成部材である金属ライナが複合材から剥離することを防止できる低温タンク及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の第１の態様は低温タンクであって、低温タンクの貯蔵空間を形成する金属ライナと前記金属ライナの外周面に巻きつけられた繊維強化プラスチックからなる壁部材とを含む容器本体を備え、前記金属ライナは、その表面上で互いに交差する二方向に延伸し且つ前記貯蔵空間に向けて突出するように湾曲する湾曲部を含み、前記湾曲部と前記壁部材との間には充填材が充填されている。
【０００８】
本開示の第２の態様は低温タンクの製造方法であって、その表面上で互いに交差する２つの方向に延伸し且つマンドレルに向けて突出するように湾曲する湾曲部を含む金属ライナを前記マンドレルに巻き付け、前記湾曲部に充填材を充填し、前記マンドレルに巻き付けられた前記金属ライナの外周面に、繊維強化プラスチックからなる壁部材を巻き付け、前記壁部材を焼結し、前記マンドレルを前記金属ライナから外すことを含む。
【００１０】
前記充填材は、前記壁部材の焼結温度において充填時の形状を維持する弾性体からなっていてもよい。【００１１】
前記充填材は、常温で充填時の形状を維持し且つ前記壁部材の焼結温度以下で収縮する材料からなっていてもよい。【００１２】
前記金属ライナは、前記壁部材と接着する部分に凹凸構造を有してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本開示によれば、容器の構成部材である金属ライナが壁部材から剥離することを防止できる低温タンク及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本開示の実施形態に係る低温タンクの断面図及び部分拡大図である。
【図２】（ａ）は本開示の実施形態に係る金属ライナの部分拡大図であり、（ｂ）は金属ライナと壁部材の伸縮を示す断面図である。
【図３】本開示の実施形態に係る低温タンクの製造工程を示す図である。
【図４】（ａ）は本開示の実施形態に係る低温タンクの変形例、（ｂ）はその変形例の製造工程を示す図である。
【図５】本開示の実施形態に係る金属ライナの変形例を示す図であり、（ａ）は第１変形例、（ｂ）は第２変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本開示の実施形態に係る低温タンク及びその製造方法について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、本実施形態に係る低温タンクの断面図及び部分拡大図である。本実施形態の低温タンクは、例えばロケット等の飛翔体に搭載される。ただし、本実施形態の低温タンクの適用対象は飛翔体に限られず、車両、船舶、貯蔵施設などにも適用可能である。従って、本実施形態の低温タンクが貯蔵（収容）する極低温の液体は、液体水素、液体酸素、液化天然ガスなどの推進薬に限られず、汎用の冷媒である液体窒素や液体ヘリウムなどでもよい。
【００１７】
図１に示すように、低温タンクは中空の容器本体１０を備えている。容器本体１０は、例えば上部と下部に液体の注入あるいは排出を行うための口金部１１、１１を有している。口金部１１、１１は、後述する金属ライナ１３に溶接等で接合している。
【００１８】
容器本体１０は、低温タンクにおける液体の貯蔵空間１２を形成する金属ライナ１３と、金属ライナ１３の外周面１３ａに巻きつけられた壁部材１４とを備えている。金属ライナ１３は貯蔵空間１２からの液体の漏洩を防止する。壁部材１４は金属ライナ１３の形状を維持すると共に、低温タンク全体の機械的強度を確保する。
【００１９】
金属ライナ１３は薄肉の金属板である。金属ライナ１３は軽量で、適当な展延性があることが望ましい。従って、金属ライナ１３の材質は、例えばアルミニウム、マグネシウム、及び、これらの金属のうちの少なくとも１つを含む合金である。金属ライナ１３の厚さは、要求される重量、加工性に応じて設定され、例えば０．５ｍｍ程度に設定される。
【００２０】
一方、壁部材１４は、マトリクスとしての樹脂と、樹脂に含浸される繊維とを含む複合材（即ち、繊維強化プラスチック）によって構成される。焼結前のマトリクスは粘着質であるため、金属ライナ１３の外周面１３ａに接着する。複合材はその後に焼結され、これにより容器本体１０は、壁部材１４と金属ライナ１３の二重壁構造を有することになる。
【００２１】
複合材の繊維は軽量で、極低温度下でも十分な強度を持ち、且つ、化学的に安定なものが望ましい。このような条件を満たす繊維は、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維である。複合材は最も強度の高い炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）であることが望ましい。しかしながら、上記の条件を満たす限り、複合材は他の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）でもよい。
【００２２】
図１及び図２に示すように、金属ライナ１３は、湾曲部１３ｂと、接着部１３ｃとを有する。湾曲部１３ｂは、金属ライナ１３の表面上で互いに交差する二方向に延伸し且つ貯蔵空間１２に向けて突出するように湾曲している。換言すれば、湾曲部１３ｂは、容器本体１０の内部に向けて突出するように湾曲している。湾曲部１３ｂは、例えば金属ライナ１３に対するプレス加工によって形成される。一方、接着部１３ｃは、金属ライナ１３において湾曲部１３ｂ以外の部分（表面）であり、例えば滑らかな平面或いは曲面である。接着部１３ｃは、互いに隣接する湾曲部１３ｂを連結すると共に、壁部材１４の巻回によって当該壁部材１４に接着する。
【００２３】
上述の通り、金属の線膨張率と複合材の線膨張率は大きく異なっている。具体的には、金属の線膨張率が複合材の線膨張率よりも１桁程度大きい。従って、低温タンクが、極低温の液体の充填や消費に伴って熱収縮と熱膨張を繰り返す場合、この熱収縮と熱膨張の繰り返しによって金属ライナ１３が壁部材１４から剥離するおそれがある。本実施形態では、接着部１３ｃが壁部材１４から剥離するおそれがある。
【００２４】
これに対して、湾曲部１３ｂはそれ自体の変形によって、剥離を促す金属ライナ１３の内部応力を緩和する。図１に示すように、湾曲部１３ｂは壁部材１４に接着していない。従って、容器本体１０が熱膨張或いは熱収縮するとき、湾曲部１３ｂは壁部材１４との接着による干渉を受けることなく、変形（伸縮、湾曲）することができる。その結果、金属ライナ１３と壁部材１４の接合部（接合領域）に発生する応力が緩和され、金属ライナ１３が壁部材１４から剥離することを防止できる（図２（ｂ）参照）。
【００２５】
湾曲部１３ｂの二つの方向に延伸している。この延伸方向は、例えば低温タンクの回転対称軸（中心軸）を極座標系の基準軸に一致させた時のθ方向（極方向）とφ方向（方位方向）である（図１参照）。この場合、二つの延伸方向は直交する。ただし、上述の剥離を回避できる金属ライナ１３の適切な伸縮が得られる限り、交差する二方向の成す角度は９０°でなくともよい。
【００２６】
次に、本実施形態に係る低温タンクの製造方法について説明する。図３（ａ）〜図３（ｄ）は、本実施形態に係る低温タンクの製造工程を示す図である。これらの図に示すように、本実施形態の低温タンクは例えばマンドレル（円筒部材）２０を用いて製造される。
【００２７】
まず、図３（ａ）に示すように、金属ライナ１３がマンドレル２０に巻き付けられる（ステップＳ１）。湾曲部１３ｂは貯蔵空間１２に向けて突出するように湾曲している必要がある。従って、金属ライナ１３は、湾曲部１３ｂがマンドレル２０に向けて突出するように、マンドレル２０の外周面に巻き付けられる。なお、巻き付けの際に互いに接した金属ライナ１３の縁は溶接等により接合される。
【００２８】
次に、図３（ｂ）に示すように、マンドレル２０に巻き付けられた金属ライナ１３の外周面１３ａに、壁部材１４が巻き付けられる（ステップＳ２）。この時の壁部材１４はまだ加熱されておらず、壁部材１４を構成する複合材のマトリクスは固化していない。従って壁部材１４は粘着性を有しており、一層目の複合材は金属ライナ１３の接着部１３ｃに接着する。壁部材１４の複合材は、許容される重量の範囲内で所定の強度が得られるまで、金属ライナ１３の外周面１３ａに複数回巻きつけられる（図３（ｃ）参照）。なお、複合材の巻回方向は、所定の巻回数（層数）毎に変えてもよい。これにより、壁部材１４の厚さ方向からみた繊維の長手（延伸）方向が互いに交差するため、壁部材１４の強度が向上する。
【００２９】
次に、金属ライナ１３に巻き付けられた壁部材１４が、所定のバーナや加熱炉によって焼結される（ステップＳ３）。この時の温度はマトリクスが固化する温度であり、例えば３００℃である。これにより、壁部材１４を構成する複合材のマトリクスが固化し、全体の形状が維持される。
【００３０】
壁部材１４は焼結後、例えば常温に達するまで放冷される。この放冷時の収縮に伴って壁部材１４には多数の、極めて微小な隙間（割れ）が形成される。これにより壁部材１４の通気性が得られる。その後、図３（ｄ）に示すように、マンドレル２０が金属ライナ１３から外される（ステップＳ４）。さらに、口金部１１などの接合が行われ、低温タンクが形成される。低温タンクの形状やサイズに応じて、上述の工程を経た金属ライナ及び壁部材との更なる接合を行ってもよい。
【００３１】
図４（ａ）は本開示の実施形態に係る低温タンクの変形例、図４（ｂ）はその変形例の製造工程を示す図である。これらの図に示すように、低温タンクは、湾曲部１３ｂと壁部材１４との間に充填される充填材１５を更に備えてもよい。上述の通り、金属ライナ１３の外周面１３ａに壁部材１４が巻き付けられるとき、壁部材１４を構成する複合材のマトリクスは固化していない。従って、金属ライナ１３の湾曲部１３ｂにマトリクスが流入する可能性がある。湾曲部１３ｂに流入したマトリクスは湾曲部１３ｂに接着するため、このマトリクスが固化した場合は湾曲部１３ｂの変形を妨げてしまう。
【００３２】
充填材１５は、湾曲部１３ｂにマトリクスが流入することを阻止する。図４（ｂ）に示すように、充填材１５は、ステップＳ１の金属ライナ１３がマンドレル２０に巻き付けられた後で、ステップＳ２の壁部材１４が巻き付けられる前に、湾曲部１３ｂに充填（塗布）される（ステップＳ１´）。
【００３３】
充填材１５は、壁部材１４の焼結温度において充填時の形状を維持する弾性体からなる。また、充填材１５は、湾曲部１３ｂの変形に干渉しない程度の弾性を有する。このような弾性体は例えばフッ素樹脂である。
【００３４】
なお、充填材１５は、常温で充填時の形状を維持し且つ壁部材１４の焼結温度以下で収縮する材料からなっていてもよい。即ち、充填材１５は、ステップＳ２´の充填時において図４（ａ）に示す形状を維持することで湾曲部１３ｂにマトリクスが流入することを阻止し、ステップＳ３の焼結時において収縮する。このような材料は例えば発泡スチロールである。充填材１５は収縮後に残留する可能性もあるが、その場合でも金属ライナ１３の容器としての機能や壁部材１４の機械的強度の維持に影響しない。
【００３５】
なお、焼結後の壁部材１４は気密性をもたない。換言すれば、焼結後の壁部材１４は通気性を有する。従って、焼結温度以下で収縮する材料を充填材１５として用いた場合でも、その蒸発成分やその他の膨張気体は壁部材１４を介して外部に放出される。従って、充填材１５の収縮は固化した壁部材１４の形状維持に影響しない。
【００３６】
図５（ａ）は金属ライナ１３の第１変形例、（ｂ）は金属ライナ１３の第２変形例を示す図である。これらの図に示すように、金属ライナ１３は、接着部１３ｃに凹凸構造１３ｄを有してもよい。凹凸構造１３ｄは、例えば図５（ａ）に示すように、細かな複数の溝や起伏である。このような構造は、スクラッチやブラスト等の粗面加工を施すことで形成される。あるいは、凹凸構造１３ｄは、例えば図５（ｂ）に示すように、壁部材１４に向けて突出する突部でもよい。何れの場合も、壁部材１４（複合材）に対する接着部１３ｃの接触面積が増大し、接着部１３ｃと壁部材１４（複合材）の接着強度を向上させることができる。
【００３７】
本実施形態によれば、金属ライナ１３が極低温の液体を貯蔵する気密性を確保する。低温タンクの熱収縮や熱膨張が発生した場合、金属ライナ１３の湾曲部１３ｂが、熱収縮や熱膨張に伴って発生した剥離を生じさせる、金属ライナ１３と壁部材１４の接合部（接合領域）に発生する応力を緩和する。従って、金属ライナ１３が壁部材１４から剥離することを防止できる。一方、壁部材１４は低温タンクの機械的強度を確保する。壁部材１４は複合材によって構成されているため、低温タンク全体の重量は、壁部材として金属やコンクリートを用いた低温タンクと比べて遥かに軽い。従って、ロケットのような熱収縮と熱膨張を繰り返す過酷な環境にも耐えられ、軽量且つ十分な強度を有する低温タンクが得られる。また、金属ライナ１３が気密性を確保しているため、壁部材１４には気密性が求められない。従って、本実施形態の製造方法では、各構成部材の取扱いや壁部材１４の焼結時の温度制御の厳密性が、複合材に気密性を求める製造方法に比べて緩和される。つまり、製造工程が簡略化され、製造コストも抑制できる。
【００３８】
なお、本開示は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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