(57)【要約】【課題】小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンクにする。【解決手段】高圧タンク１のライナー２外周面を被覆する補強繊維層２３を、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５と、破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層２６とで構成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の金属製ライナーと、該ライナー外周面を被覆する補強繊維層とを備え、
上記補強繊維層は、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層と、
破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層とで構成されていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項２】
請求項１に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクにおいて、
内側繊維層は、フープ巻き繊維層とヘリカル巻き繊維層との複合層であり、
外側繊維層は、ハイアングルヘリカル巻き繊維層であることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクにおいて、
補強繊維層を構成する各繊維層は、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項４】
請求項１に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクにおいて、
ライナーは、金属製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構成され、
該ガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大していることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項５】
請求項４に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクにおいて、
ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周には、金属製の筒状補強カラーが嵌着されていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項６】
請求項５に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクにおいて、
補強カラーは、ガス取出筒部に嵌着される筒部と、該筒部の一端から外側方に張り出す張出部とからなり、該張出部裏面には、リング状膨出部が膨出して形成され、
一方、鏡部のガス取出筒部との境目近傍における外周には、上記補強カラーを上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着した状態で、上記膨出部が嵌入するリング状嵌合凹部が形成されていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項７】
ヤング率３００ＧＰａ以上、引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で筒状の金属製ライナー外周面に巻き付けて内側繊維層を形成し、
次いで、破断時の伸び２％以上の繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記内側繊維層外周面に巻き付けて外側繊維層を形成して、該外側繊維層と上記内側繊維層とで構成された補強繊維層で上記ライナー外周面を被覆し、
その後、上記補強繊維層で被覆されたライナーを乾燥室に搬入して加熱し、補強繊維層に含浸している熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法において、
乾燥室に搬入されたライナーを内外から加熱することを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車用水素燃料タンク等に適用される高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の高圧タンクは、アルミニウム合金等の金属製ライナー外周面を炭素繊維等からなる補強繊維層で被覆して構成されている。この補強繊維層は、フィラメントワインディング法により、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維等の繊維をライナー外周面に巻き付け、上記熱硬化性樹脂を硬化させることによって構成される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２９２８９９号公報（第３頁、図１，４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１の高圧タンクは、高圧タンクとはいっても、精々２０ＭＰａ程度のガス充填圧クラスであり、これを例えば自動車の水素燃料タンクとして適用した場合、１回のガス充填で走行できる距離は実用レベルに達していない。因みに、容量１００リットルの高圧タンクに水素ガスを２５ＭＰａ充填した場合、走行距離は約１８０ｋｍで、実用レベルである５００ｋｍにはほど遠いのが現実である。
【０００５】
そこで、１回のガス充填で走行距離を長くするには、タンク容量を大きくするか、あるいはガス充填圧を高くする必要がある。
【０００６】
しかし、タンク容量を大きくすると積載重量が増大して好ましくなく、また、占有空間が大きくなるため、設置スペースに限界がある自動車には不向きである。
【０００７】
一方、ガス充填圧を高めるには、タンク本体を構成するライナーの厚みを厚くする必要があるが、この場合も、積載重量が増大するため好ましくない。
【０００８】
この発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンクを開発することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明は、ライナーの外周面を被覆する補強繊維層を強化したことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、この発明は、補強繊維層に高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１１】
すなわち、請求項１ないし６に記載の発明は、前者の高剛性繊維を用いた高圧タンクに関するものであり、そのうち、請求項１に記載の発明は、筒状の金属製ライナーと、該ライナー外周面を被覆する補強繊維層とを備え、上記補強繊維層は、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層と、破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層とで構成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成により、請求項１に記載の発明では、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維は、ライナーに３５〜７５ＭＰａの高圧が加わっても伸び難いため、この高剛性繊維からなる内側繊維層がガス充填圧によってライナーに作用する引張応力に十分に抗し得てライナーの耐疲労性が向上する。この伸び難い高剛性繊維は反面、耐衝撃性に劣るが、内側繊維層の外周面を取り巻く外側繊維層の破断時の伸び２％以上の繊維により耐衝撃性が確保される。
【００１３】
したがって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄くても、３５〜７５ＭＰａの高圧ガスの充填が可能になり、小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンクが実現される。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、内側繊維層は、フープ巻き繊維層とヘリカル巻き繊維層との複合層であり、外側繊維層は、ハイアングルヘリカル巻き繊維層であることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成により、請求項２に記載の発明では、フープ巻き繊維層によりライナーの径方向の耐力が向上するとともに、ヘリカル巻き繊維層によりライナーの中心線方向の耐力が向上し、さらに、ハイアングルヘリカル巻き繊維層により外部からの耐衝撃性が向上する。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、補強繊維層を構成する各繊維層は、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されていることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成により、請求項３に記載の発明では、一般に、高剛性繊維は硬いため、紐状の形態では滑り易くてライナーに巻き難く、弛みが生じてライナーに作用する引張応力を全繊維に均等に分配し辛いが、この発明では、特に、高剛性繊維を偏平なテープにして用いるため、ライナーに沿わせ易く、ライナーに弛みなく巻き付けることが可能で上記引張応力が全繊維に均等に分配され、ライナーの耐疲労性向上が容易に実現される。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ライナーは、金属製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構成され、該ガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大していることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成により、請求項４に記載の発明では、ガス取出筒部が胴部の３倍以上の厚みに設定され、そこから鏡部が漸次薄くなって胴部に続いているため、上記ガス取出筒部及び鏡部の強度が確保され、上述の補強繊維層によるライナーの耐疲労性向上及び耐衝撃性確保と相俟って、３５〜７５ＭＰａの高圧に十分に耐え得る高圧タンクとなる。また、上記胴部が薄くてもガス取出筒部及び鏡部が厚くなって強度が確保されるため、胴部が薄い分だけ高圧タンク全体の重量が軽減し、かつ材料費もあまり掛からない。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周には、金属製の筒状補強カラーが嵌着されていることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成により、請求項５に記載の発明では、応力が集中し易いガス取出筒部及びその近傍の鏡部の実質的な厚みが補強カラーの厚みにより増大して当該箇所の強度がさらに確保され、３５〜７５ＭＰａの高圧に一層耐え得る高圧タンクとなる。また、補強カラーがライナー全体ではなく、応力が集中し易い鏡部及びガス取出筒部にだけ部分的に嵌着されているため、高圧タンクの重量がそれほど増加せず軽量化が図られるとともに、加工の簡易化、低価格化が図られる。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、補強カラーは、ガス取出筒部に嵌着される筒部と、該筒部の一端から外側方に張り出す張出部とからなり、該張出部裏面には、リング状膨出部が膨出して形成され、一方、鏡部のガス取出筒部との境目近傍における外周には、上記補強カラーを上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着した状態で、上記膨出部が嵌入するリング状嵌合凹部が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成により、請求項６に記載の発明では、補強カラーの膨出部がライナーの嵌合凹部に嵌入することで、両者の嵌合状態が確実になる。また、上記膨出部があることで当該部分の補強カラーの厚みが増大し、その分だけ強度アップとなる。
【００２４】
請求項７及び８に記載の発明は、後者の高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法に関するものであり、そのうち、請求項７に記載の発明は、ヤング率３００ＧＰａ以上、引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で筒状の金属製ライナー外周面に巻き付けて内側繊維層を形成し、次いで、破断時の伸び２％以上の繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記内側繊維層外周面に巻き付けて外側繊維層を形成して、該外側繊維層と上記内側繊維層とで構成された補強繊維層で上記ライナー外周面を被覆し、その後、上記補強繊維層で被覆されたライナーを乾燥室に搬入して加熱し、補強繊維層に含浸している熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする。
【００２５】
上記の構成により、請求項７に記載の発明では、繊維をまとめてテープ状の形態でライナーに巻き付けることから、巻付け作業が簡単に行われる。
【００２６】
また、繊維をウェットワインディング法でライナー外周面に巻き付ける場合は、液状の熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちて作業環境が悪化するが、この発明では、熱硬化性樹脂がある程度硬化してプリプレグ状態（Ｂ状態）となった繊維テープをライナーに巻き付けるため、熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちず、作業環境が悪化しない。
【００２７】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、乾燥室に搬入されたライナーを内外から加熱することを特徴とする。
【００２８】
上記の構成により、請求項８に記載の発明では、補強繊維層の熱硬化性樹脂を外側からのみ加熱する場合には、熱硬化性樹脂は外側から内側へと順に硬化し、硬化に伴って収縮する。この際、内側の未硬化樹脂は外側の硬化樹脂から圧縮力を受け、上記内側の未硬化樹脂が絡まっている繊維に弛みが生ずる。このように、繊維に弛みが生ずると、ガス充填圧によってライナーに作用する引張応力を全繊維に均等に配分できず、早期破断に至るが、この発明では、補強繊維層の熱硬化性樹脂は、層内外両側からほぼ同時に硬化するため、内側の繊維に弛みが生ずる事態が極力回避され、引張応力が全繊維に均等に分配されて早期破断に至らない。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図１及び図２はこの発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンク１を示す。この高圧タンク１は、水素ガス等の３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填されるタンク本体であるライナー２を備え、該ライナー２は、横断面円形の筒状胴部３の一端に椀状鏡部４を介して小径で横断面円形のガス取出筒部５が一体に突設され、このガス取出筒部５側から高圧ガスを高圧タンク１（ライナー２）内に充填したり、あるいは高圧タンク１（ライナー２）から取り出したりするようになっている。上記ガス取出筒部５にはネジ孔６が形成され、このネジ孔６にバルブ装置７が装着されている。該バルブ装置７は、図示しないが開閉バルブと減圧バルブとを備えたバルブ機構８がカプセル９内に収容されて構成され、フランジ１０を上記ガス取出筒部５の開口端に当接させて上記カプセル９（バルブ機構８）を高圧タンク１内に収容した内蔵タイプ、いわゆるインタンクバルブである。このバルブ装置７の高圧タンク１外には、高圧タンク１に低圧ガス配管を接続するための配管接続部１１が突設されている。一方、上記胴部３の他端にも、椀状鏡部１２を介して小径で横断面円形の筒部１３が一体に突設され、該筒部１３にもネジ孔１４が形成され、このネジ孔１４に高圧ガスに対する気密性を保持するための盲プラグ１５が装着され、これにより、ライナー２内に高圧ガスを収容する密閉された中空部１６が形成されている。
【００３１】
上記高圧タンク１は、例えば、ＪＩＳ  Ａ  ６０６１やＪＩＳ  Ａ  ６０６２等のアルミニウム合金からなる金属製で、成形後にＴ６処理等の熱処理が施されてなるものであり、短筒状ブランク材を塑性変形させて成形され、上記鏡部４，１２、ガス取出筒部５及び筒部１３は胴部３の３倍以上の厚みに形成されている。特に、上記鏡部４，１２は、胴部３からガス取出筒部５及び筒部１３に近づくに従って胴部３の厚みからガス取出筒部５及び筒部１３の厚みに漸次増大しており、これにより、応力が集中し易い鏡部４，１２を強化している。
【００３２】
上記ライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周には、焼ばめにより金属製の筒状補強カラー１８が一体に嵌着されている。この補強カラー１８は、上記ガス取出筒部５及び筒部１３とほぼ厚みが等しい横断面円形の筒部１９と、該筒部１９の一端に一体に形成されて外側方に張り出した張出部２０とからなり、該張出部２０の厚みは外端に近づくに従って薄くなっており、これにより、張出部２０外端が段差なく鏡部４，１２外表面に沿うようになっている。また、上記補強カラー１８の内部には、上記筒部１９及び張出部２０を上下に貫通する嵌合孔２２が形成されている。この補強カラー１８は、例えば、ＳＮＣＭ４４０、ＳＣＭ４４０、ＳＫＤ６１等の合金鋼又はチタン合金からなる金属製で、鍛造成形や旋削加工されてなるものであるが、これに限定されず、強度／重量比がアルミニウムよりも高いものであればよく、これによれば、重量軽減に大きく貢献することができる。そして、上記補強カラー１８は、その嵌合孔２２に上記ライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３を挿入した状態で、上記筒部１９が焼ばめによりガス取出筒部５及び筒部１３に一体に外嵌合されているとともに、上記張出部２１が鏡部４，１２外表面に一体に接合されている。
【００３３】
上記ライナー２外周面は補強繊維層２３で被覆されている。該補強繊維層２３は、ライナー２外周面に繊維を巻き付けることによって形成される。この補強繊維層２３は、上記ライナー２の胴部３外周面と接触し胴部３を被覆する第１内側繊維層２４と、該第１内側繊維層２４外周面から筒部１９にかけて接触しライナー２のほぼ全体を被覆する第２内側繊維層２５と、該第２内側繊維層２５外周面と接触しライナー２の胴部３から鏡部４，１２の途中にかけてを被覆する外側繊維層２６とで構成されている。
【００３４】
この発明の特徴の１つとして、上記第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５は共に、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸硬化されている。上記高剛性繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料にした下記の炭素繊維を挙げることができる。この高剛性繊維は伸び難く、相当の高圧であっても十分に耐え得る。
【００３５】
＜東レ製  高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）  Ｍ４６ＪＢ＞
ヤング率          ４３６ＧＰａ
引張強度          ４．２ＧＰａ
破断時の伸び      １．０％
また、この発明の別の特徴として、上記外側繊維層２６は、破断時の伸び２％以上の繊維からなり、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸硬化されている。この繊維としては、例えば、下記の繊維である。この繊維は上記の高剛性繊維に比べて伸び易いという性質を備えており、高剛性繊維が伸び難いことの裏返しとして低下する耐衝撃性を補うことができる。
【００３６】
＜東レ製  高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）  Ｔ７００＞
ヤング率          ２３０ＧＰａ
引張強度              ５ＧＰａ
破断時の伸び      ２．１％
上記第１内側繊維層２４は、繊維をライナー２の胴部３外周面にライナー中心線方向と直交する円周方向に巻き付けたフープ巻き繊維層であり、上記第２内側繊維層２５は、繊維をライナー２外周面ほぼ全体にライナー中心線方向に螺旋状に巻き付けたヘリカル巻き繊維層であり、上記外側繊維層２６は、繊維をライナー２外周面の胴部３から鏡部４，１２の途中にかけてライナー中心線に対して７５°前後で巻き付けたハイアングルヘリカル巻き繊維層である。
【００３７】
また、上記補強繊維層２３を構成する各繊維層２４，２５，２６は、繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されている。上記プリプレグ状態とは、熱硬化性樹脂がある程度硬化を進めて生乾きした状態でＢ状態といわれる状態であり、このようなプレプレグ状態の繊維テープは、使用するまでは乾燥しないように冷蔵室等で保管しておく。
【００３８】
次に、上述の如く構成された高圧タンク１の製造要領の一例を図３に基づき説明する。
【００３９】
まず、パイプカット工程Ｓ１で、アルミニウム合金製の長尺パイプ材Ｐを所定寸法に切断して両端が開口した短筒状ブランク材Ｂを形成する。
【００４０】
次いで、フローフォーミング工程Ｓ２で、図示しないが、上記短筒状ブランク材Ｂをマンドレルに外嵌合して取り付け、該マンドレルをその軸心回りに回転させて短筒状ブランク材Ｂを一体に回転させ、成形ローラを上記短筒状ブランク材Ｂ外周面に圧接させることで回転させながら短筒状ブランク材Ｂ外周面を軸心方向にしごき、短筒状ブランク材Ｂをフローフォーミングする。これにより、短筒状ブランク材Ｂが塑性変形して長筒状ブランク材Ｂ′が成形される。この段階で、開口端から所定領域を除いた長筒状ブランク材Ｂ′の厚みが、完成品としての高圧タンク１のライナー２の胴部３の厚みと等しくなっている。また、上記長筒状ブランク材Ｂ′の開口端から所定領域は、開口端に近づくに従って厚みが漸次増大している。
【００４１】
その後、スピニング工程Ｓ３で、図示しないが、上記長筒状ブランク材Ｂ′をチャック装置で保持してその軸心回りに回転させ、成形ローラを長筒状ブランク材Ｂ′の一方の開口端近傍から開口端にかけて傾けて圧接させることで回転させながら長筒状ブランク材Ｂ′の軸心に対して斜めに移動させてしごき、長筒状ブランク材Ｂ′の一方の開口端から所定領域をスピニングにより口絞りする。これにより、長筒状ブランク材Ｂ′の開口端から所定領域が塑性変形して筒状胴部３の一端に椀状鏡部４を介してガス取出筒部５が一体に突設される。そして、上述の如きスピニングによる口絞り成形により、鏡部４の厚みが胴部３からガス取出筒部５に近づくに従って漸次増大するように成形され、かつガス取出筒部５は胴部３の３倍以上厚みに設定されている。長筒状ブランク材Ｂ′の他方の開口端側も、同様のスピニングによる口絞り成形を行い、胴部３の他端に椀状鏡部１２を介して筒部１３が一体に突設され、ここでも、鏡部１２の厚みが胴部３から筒部１３に近づくに従って漸次増大するように成形され、かつ筒部１３は胴部３の３倍以上厚みに設定されている。これにより、一端にガス取出筒部５が他端に筒部１３が突設されたライナー２が得られる。
【００４２】
一方、別途鍛造成形や旋削加工した合金鋼製又はチタン合金製等の補強カラー１８を用意する。この補強カラー１８は、上述の如く筒部１９の一端に張出部２０が一体に形成されているとともに、内部に筒部１９及び張出部２０を上下に貫通する嵌合孔２２が形成されている。この嵌合孔２２の内径は、ガス取出筒部５及び筒部１３の外径との関係において焼ばめによる締め代を考慮して設定されている。
【００４３】
次に、補強カラー焼きばめ工程Ｓ４で、上述の如く構成された補強カラー１８をライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３にそれぞれ外嵌合させ、焼ばめにより上記補強カラー１８をライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周にそれぞれ一体に嵌着させる。
【００４４】
これに引き続いて、ワインディング工程Ｓ５で、ヤング率３００ＧＰａ以上、引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記ライナー２の胴部３外周面にフープ巻きして第１内側繊維層２４を形成した後、これと同じ高剛性繊維からなる繊維テープを第１内側繊維層２４の上からライナー２のほぼ全体にヘリカル巻きして第２内側繊維層２５を形成し、さらに、その上に破断時の伸び２％以上の繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記第２内側繊維層２５の上からライナー２の胴部３から鏡部４，１２の途中にかけての外周面にライナー中心線に対して７５°前後でハイアングルヘリカル巻きして外側繊維層２６を形成して、該外側繊維層２６と上記第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５とで構成された補強繊維層２３で上記ライナー２外周面を被覆する（各繊維層２４，２４，２５は図１に表れる）。この補強繊維層２３の厚みは、タンク容量やガス充填圧によって決まるが、例えば、タンク容量約３４リットル、ライナー２の胴部３の厚み４．０ｍｍ、ライナー２の外径２８０ｍｍ、ライナー２の長さ８３０ｍｍ、ガス充填圧７０ＭＰａの場合に、約９ｍｍである。また、第１内側繊維層２４を形成した後に第２内側繊維層２５を形成する場合に限らず、第１内側繊維層２４と第２内側繊維層２５とを交互に形成してもよい。
【００４５】
その後、乾燥工程Ｓ６で、上記補強繊維層２３で被覆されたライナー２を乾燥室２７に搬入し、ライナー２の外側及びライナー２内側に配置されたヒーター２８の放射熱で、ライナー２を回転させながら内外から加熱して補強繊維層２３に含浸している熱硬化性樹脂を加熱硬化させ、ライナー２外周面に繊維が巻き付けられて該ライナー２外周面が補強繊維層２３で被覆された高圧タンク１を得る。なお、ヒーター２８の代わりに熱風をライナー２の内外に導入してライナー２を回転させながら内外から加熱して補強繊維層２３に含浸している熱硬化性樹脂を加熱硬化させてもよい。
【００４６】
このようにして製造された高圧タンク１に対して、バルブ装置７をガス取出筒部５に装着するとともに、盲プラグ１５を筒部１３に装着して完成品とする。
【００４７】
このように、この実施の形態では、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５と、破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層２６とで構成された補強繊維層２３をライナー２外周面に被覆していることから、高剛性繊維からなる第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５でガス充填圧によってライナー２に作用する引張応力に十分に抗し得てライナー２の耐疲労性を向上させることができるとともに、その耐衝撃性に劣る欠点を伸びのある繊維からなる外側繊維層２６で補うことができる。したがって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄くても、３５〜７５ＭＰａの高圧ガスを充填することができ、小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンク１を実現することができる。
【００４８】
また、第１内側繊維層２４をフープ巻きにするとともに、第２内側繊維層２５をヘリカル巻きにし、さらに、外側繊維層２６をハイアングルヘリカル巻きにしていることから、フープ巻きである第１内側繊維層２４によりライナー２の径方向の耐力を向上させることができるとともに、ヘリカル巻きである第２内側繊維層２５によりライナー２の中心線方向の耐力を向上させることができる。さらに、ハイアングルヘリカル巻きである外側繊維層２６により外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
【００４９】
さらに、補強繊維層２３を構成する各繊維層２４，２５，２６を、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成していることから、硬い高剛性繊維を滑り易くてライナー２に巻き難く弛みが生じてライナー２に作用する引張応力を全繊維に均等に分配し辛い紐状の形態で用いる場合に比べ、高剛性繊維が偏平なテープ状の形態であってライナー２に沿わせ易く、ライナー２に弛みなく巻き付けることができて上記引張応力を全繊維に均等に分配して、ライナー２の耐疲労性向上を容易に実現することができる。
【００５０】
加えて、ガス取出筒部５及び筒部１３を胴部３の３倍以上の厚みに設定し、そこから鏡部４，１２を漸次薄くして胴部３に続かせていることから、上記ガス取出筒部５、筒部１３及び鏡部４，１２の強度を確保することができ、上述の補強繊維層２３によるライナー２の耐疲労性向上及び耐衝撃性確保と相俟って、３５〜７５ＭＰａの高圧に一層に耐え得る高圧タンク１とすることができる。また、上記胴部３が薄くてもガス取出筒部５、筒部１３及び鏡部４，１２を厚くして強度を確保しているので、胴部３が薄い分だけ高圧タンク１全体の重量を軽減することができ、かつ材料費もあまり掛けないようにすることができる。
【００５１】
さらに、ライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周に補強カラー１８を嵌着していることから、応力が集中し易いガス取出筒部５、筒部１３及びその近傍の鏡部４，１２の実質的な厚みを上記補強カラー１８の厚みにより増大させて当該箇所の強度を十分に確保することができ、３５〜７５ＭＰａの高圧に一段と耐え得る高圧タンク１とすることができる。また、補強カラー１８をライナー２全体ではなく、応力が集中し易い鏡部４，１２、ガス取出筒部５及び筒部１３にだけ部分的に嵌着させているので、高圧タンク１の重量をそれほど増加させず軽量化を図ることができるとともに、加工の簡易化、低価格化を図ることができる。
【００５２】
さらにまた、繊維をまとめてテープ状の形態でライナー２に巻き付けることから、巻付け作業を簡単に行うことができる。また、熱硬化性樹脂がある程度してプリプレグ状態（Ｂ状態）となった繊維テープをライナー２に巻き付けるため、液状の熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちて作業環境が悪化するウェットワインディング法の場合に比べ、熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちず、作業環境の悪化を防止することができる。
【００５３】
また、乾燥室２７に搬入されたライナー２を内外から加熱するので、補強繊維層２３の熱硬化性樹脂が層内外両側からほぼ同時に硬化し、これにより、補強繊維層２３の熱硬化性樹脂を外側からのみ加熱する場合において、熱硬化性樹脂が外側から内側へと順に硬化収縮して内側の未硬化樹脂が外側の硬化樹脂から圧縮力を受けて繊維に弛みが生ずる事態を回避することができ、ガス充填圧によってライナー２に作用する引張応力を全繊維に均等に分配して早期破断に至らないようにすることができる。
【００５４】
（実施の形態２）
図４はこの発明の実施の形態２に係る高剛性繊維を用いた高圧タンク１を示す。この高圧タンク１は補強カラー１８の形状が実施の形態１と異なっている。つまり、上記補強カラー１８の張出部２０の裏面にリング状膨出部２１が一体に膨出して形成されている。これに伴い、ライナー２における鏡部４のガス取出筒部５との境目近傍における外周にリング状嵌合凹部１７が形成されている。そして、上記補強カラー１８の張出部２０は、その膨出部２１を上記鏡部４の嵌合凹部１７に嵌入した状態で焼ばめにより鏡部４外表面に一体に接合されている。図示しないが、反対側の鏡部１２の筒部１３にも同様に補強カラー１８を嵌合している。そのほかは、実施の形態１と同様に構成されているので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５５】
したがって、この実施の形態２では、上記の実施の形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００５６】
加えて、この実施の形態２では、補強カラー１８の張出部２０に膨出形成したリング状膨出部２１を、鏡部４，１２のガス取出筒部５及び筒部１３との境目近傍における外周に形成したリング状嵌合凹部１７に嵌入して焼ばめにより接合しているので、補強カラー１８とライナー２とを確実に嵌合させることができる。また、上記膨出部２１があることで当該部分の補強カラー１８の厚みが増大し、その分だけ強度アップを図ることができる。
【００５７】
なお、上記の実施の形態１，２では、フローフォーミングに供する短筒状ブランク材Ｂとして、両端が開口した円筒体のものを例示したが、有底筒状のものであってもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の伸び難い高剛性繊維により、３５〜７５ＭＰａの高圧がライナーに掛かることによって生ずる引張応力に十分に抗し得てライナーの耐疲労性を向上させることができる。また、高剛性繊維であるがために劣る耐衝撃性をその外側の破断時の伸び２％以上の繊維により補うことができる。したがって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄くて小型で軽量の３５〜７５ＭＰａの高圧ガスに耐え得る高圧タンクとすることができる。
【００５９】
請求項２に係る発明によれば、フープ巻き繊維層によりライナーの径方向の耐力を向上させることができ、ヘリカル巻き繊維層によりライナーの中心線方向の耐力を向上させることができる。さらには、ハイアングルヘリカル巻き繊維層により外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
【００６０】
請求項３に係る発明によれば、特に、硬くて巻き難い高剛性繊維を偏平なテープ状の形態として用いているので、繊維を弛みなくライナーに巻き付けて引張応力を全繊維に均等配分してライナーの耐疲労性を向上させることができる。
【００６１】
請求項４に係る発明によれば、ガス取出筒部を円筒形の胴部の３倍以上の厚みに設定し、そこから椀状鏡部を漸次薄くして胴部に続かせているので、上記ガス取出筒部及び鏡部の強度を確保でき、３５〜７５ＭＰａの高圧に十分に耐え得る高圧タンクとすることができる。また、上記胴部が薄くてもガス取出筒部及び鏡部を厚くして強度を確保できるので、胴部が薄い分だけ高圧タンクを軽量化できるとともに、コストダウンを図ることができる。
【００６２】
請求項５に係る発明によれば、ライナーの応力が集中し易い鏡部及びガス取出筒部に補強カラーを嵌着したので、上記ガス取出筒部及びその近傍の鏡部の厚みを補強カラーの厚みで補って当該箇所を十分に強化して、３５〜７５ＭＰａの高圧に一段と耐え得る高圧タンクとすることができる。また、上記補強カラーをライナーに部分的に嵌着するだけなので、高圧タンクの軽量化、加工の簡易化及び低価格化を達成することができる。
【００６３】
請求項６に係る発明によれば、補強カラーの膨出部をライナーの嵌合凹部に嵌入させたので、両者を確実に嵌合させることができる。また、上記膨出部があることで当該部分の補強カラーの厚みを増大してその分だけ強度アップを図ることができる。
【００６４】
請求項７に係る発明によれば、繊維をまとめてテープ状の形態でライナーに巻き付けるので、巻付け作業を簡単に行うことができる。また、繊維に含浸する熱硬化性樹脂を液状ではなく硬化がある程度進行したプリプレグ状態にしているので、熱硬化性樹脂が作業場に滴下することによる作業環境の悪化を防止することができる。
【００６５】
請求項８に係る発明によれば、乾燥室でライナーを内外から加熱して、補強繊維層の熱硬化性樹脂の硬化を層内外両側からほぼ同時に進行させるので、内側の繊維を弛まないようにすることができ、引張応力を全繊維に均等分配して早期破断を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンクのガス取出筒部側を拡大して示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンク全体の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造工程図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る高剛性繊維を用いた高圧タンクの図１相当図である。
【符号の説明】
１            高圧タンク
２            ライナー
３            胴部
４            鏡部
５            ガス取出筒部
１７            嵌合凹部
１８            補強カラー
１９            筒部
２０            張出部
２１            膨出部
２３            補強繊維層
２４            第１内側繊維層
２５            第２内側繊維層
２６            外側繊維層
２７            乾燥室
２８            ヒーター
Ｂ′          長筒状ブランク材
【図１】
2004293571.tif 000003
【図２】
2004293571.tif 000004
【図３】
2004293571.tif 000005
【図４】
2004293571.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成15年10月1日(2003.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】アルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構成され、該ガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大していて３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される筒状の金属製ライナーと、
上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着された金属製の筒状補強カラーと、
上記ライナー外周面を被覆する補強繊維層とを備え、
上記補強繊維層は、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層と、
破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層とで構成され、
上記内側繊維層は、フープ巻き繊維層とヘリカル巻き繊維層との複合層であり、
上記外側繊維層は、ハイアングルヘリカル巻き繊維層であり、
上記各繊維層は、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項２】請求項１に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクにおいて、
補強カラーは、ガス取出筒部に嵌着される筒部と、該筒部の一端から外側方に張り出す張出部とからなり、該張出部裏面には、リング状膨出部が膨出して形成され、
一方、鏡部のガス取出筒部との境目近傍における外周には、上記補強カラーを上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着した状態で、上記膨出部が嵌入するリング状嵌合凹部が形成されていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンク。
【請求項３】アルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構成され、該ガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大し、かつ上記ガス取出筒部から鏡部にかけての外周に金属製の筒状補強カラーが嵌着されて３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される筒状の金属製ライナーを用意し、
ヤング率３００ＧＰａ以上、引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記ライナー外周面にフープ巻きとヘリカル巻きとに巻き付けて複合層の内側繊維層を形成し、
次いで、破断時の伸び２％以上の繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記内側繊維層外周面にハイアングルヘリカル巻きに巻き付けて外側繊維層を形成して、該外側繊維層と上記内側繊維層とで構成された補強繊維層で上記ライナー外周面を被覆し、
その後、上記補強繊維層で被覆されたライナーを乾燥室に搬入して加熱し、補強繊維層に含浸している熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法において、
乾燥室に搬入されたライナーを内外から加熱することを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車用水素燃料タンク等に適用される高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の高圧タンクは、アルミニウム合金等の金属製ライナー外周面を炭素繊維等からなる補強繊維層で被覆して構成されている。この補強繊維層は、フィラメントワインディング法により、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維等の繊維をライナー外周面に巻き付け、上記熱硬化性樹脂を硬化させることによって構成される（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２９２８９９号公報（第３頁、図１，４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１の高圧タンクは、高圧タンクとはいっても、精々２０ＭＰａ程度のガス充填圧クラスであり、これを例えば自動車の水素燃料タンクとして適用した場合、１回のガス充填で走行できる距離は実用レベルに達していない。因みに、容量１００リットルの高圧タンクに水素ガスを２５ＭＰａ充填した場合、走行距離は約１８０ｋｍで、実用レベルである５００ｋｍにはほど遠いのが現実である。
【０００５】
そこで、１回のガス充填で走行距離を長くするには、タンク容量を大きくするか、あるいはガス充填圧を高くする必要がある。
【０００６】
しかし、タンク容量を大きくすると積載重量が増大して好ましくなく、また、占有空間が大きくなるため、設置スペースに限界がある自動車には不向きである。
【０００７】
一方、ガス充填圧を高めるには、タンク本体を構成するライナーの厚みを厚くする必要があるが、この場合も、積載重量が増大するため好ましくない。
【０００８】
この発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンクを開発することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明は、ライナーの外周面を被覆する補強繊維層を強化したことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、この発明は、補強繊維層に高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１１】
すなわち、請求項１及び２に記載の発明は、前者の高剛性繊維を用いた高圧タンクに関するものであり、そのうち、請求項１に記載の発明は、アルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構成され、該ガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大していて３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される筒状の金属製ライナーと、上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着された金属製の筒状補強カラーと、上記ライナー外周面を被覆する補強繊維層とを備え、上記補強繊維層は、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層と、破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層とで構成され、上記内側繊維層は、フープ巻き繊維層とヘリカル巻き繊維層との複合層であり、上記外側繊維層は、ハイアングルヘリカル巻き繊維層であり、上記各繊維層は、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されていることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成により、請求項１に記載の発明では、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維は、ライナーに３５〜７５ＭＰａの高圧が加わっても伸び難いため、この高剛性繊維からなる内側繊維層がガス充填圧によってライナーに作用する引張応力に十分に抗し得てライナーの耐疲労性が向上する。この伸び難い高剛性繊維は反面、耐衝撃性に劣るが、内側繊維層の外周面を取り巻く外側繊維層の破断時の伸び２％以上の繊維により耐衝撃性が確保される。
【００１３】
したがって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄くても、３５〜７５ＭＰａの高圧ガスの充填が可能になり、小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンクが実現される。
【００１４】
また、フープ巻き繊維層によりライナーの径方向の耐力が向上するとともに、ヘリカル巻き繊維層によりライナーの中心線方向の耐力が向上し、さらに、ハイアングルヘリカル巻き繊維層により外部からの耐衝撃性が向上する。
【００１５】
さらに、一般に、高剛性繊維は硬いため、紐状の形態では滑り易くてライナーに巻き難く、弛みが生じてライナーに作用する引張応力を全繊維に均等に分配し辛いが、この発明では、特に、高剛性繊維を偏平なテープにして用いるため、ライナーに沿わせ易く、ライナーに弛みなく巻き付けることが可能で上記引張応力が全繊維に均等に分配され、ライナーの耐疲労性向上が容易に実現される。
【００１６】
加えて、ガス取出筒部が胴部の３倍以上の厚みに設定され、そこから鏡部が漸次薄くなって胴部に続いているため、上記ガス取出筒部及び鏡部の強度が確保され、上述の補強繊維層によるライナーの耐疲労性向上及び耐衝撃性確保と相俟って、３５〜７５ＭＰａの高圧に十分に耐え得る高圧タンクとなる。また、上記胴部が薄くてもガス取出筒部及び鏡部が厚くなって強度が確保されるため、胴部が薄い分だけ高圧タンク全体の重量が軽減し、かつ材料費もあまり掛からない。
【００１７】
さらにまた、応力が集中し易いガス取出筒部及びその近傍の鏡部の実質的な厚みが補強カラーの厚みにより増大して当該箇所の強度がさらに確保され、３５〜７５ＭＰａの高圧に一層耐え得る高圧タンクとなる。また、補強カラーがライナー全体ではなく、応力が集中し易い鏡部及びガス取出筒部にだけ部分的に嵌着されているため、高圧タンクの重量がそれほど増加せず軽量化が図られるとともに、加工の簡易化、低価格化が図られる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、補強カラーは、ガス取出筒部に嵌着される筒部と、該筒部の一端から外側方に張り出す張出部とからなり、該張出部裏面には、リング状膨出部が膨出して形成され、一方、鏡部のガス取出筒部との境目近傍における外周には、上記補強カラーを上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着した状態で、上記膨出部が嵌入するリング状嵌合凹部が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上記の構成により、請求項２に記載の発明では、補強カラーの膨出部がライナーの嵌合凹部に嵌入することで、両者の嵌合状態が確実になる。また、上記膨出部があることで当該部分の補強カラーの厚みが増大し、その分だけ強度アップとなる。
【００２０】
請求項３及び４に記載の発明は、後者の高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法に関するものであり、そのうち、請求項３に記載の発明は、アルミニウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構成され、該ガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大し、かつ上記ガス取出筒部から鏡部にかけての外周に金属製の筒状補強カラーが嵌着されて３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される筒状の金属製ライナーを用意し、まず、ヤング率３００ＧＰａ以上、引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記ライナー外周面にフープ巻きとヘリカル巻きとに巻き付けて複合層の内側繊維層を形成し、次いで、破断時の伸び２％以上の繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記内側繊維層外周面にハイアングルヘリカル巻きに巻き付けて外側繊維層を形成して、該外側繊維層と上記内側繊維層とで構成された補強繊維層で上記ライナー外周面を被覆し、その後、上記補強繊維層で被覆されたライナーを乾燥室に搬入して加熱し、補強繊維層に含浸している熱硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする。
【００２１】
上記の構成により、請求項３に記載の発明では、繊維をまとめてテープ状の形態でライナーに巻き付けることから、巻付け作業が簡単に行われる。
【００２２】
また、繊維をウェットワインディング法でライナー外周面に巻き付ける場合は、液状の熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちて作業環境が悪化するが、この発明では、熱硬化性樹脂がある程度硬化してプリプレグ状態（Ｂ状態）となった繊維テープをライナーに巻き付けるため、熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちず、作業環境が悪化しない。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、乾燥室に搬入されたライナーを内外から加熱することを特徴とする。
【００２４】
上記の構成により、請求項４に記載の発明では、補強繊維層の熱硬化性樹脂を外側からのみ加熱する場合には、熱硬化性樹脂は外側から内側へと順に硬化し、硬化に伴って収縮する。この際、内側の未硬化樹脂は外側の硬化樹脂から圧縮力を受け、上記内側の未硬化樹脂が絡まっている繊維に弛みが生ずる。このように、繊維に弛みが生ずると、ガス充填圧によってライナーに作用する引張応力を全繊維に均等に配分できず、早期破断に至るが、この発明では、補強繊維層の熱硬化性樹脂は、層内外両側からほぼ同時に硬化するため、内側の繊維に弛みが生ずる事態が極力回避され、引張応力が全繊維に均等に分配されて早期破断に至らない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。
【００２６】
（実施の形態１）
図１及び図２はこの発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンク１を示す。この高圧タンク１は、水素ガス等の３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填されるタンク本体であるライナー２を備え、該ライナー２は、横断面円形の筒状胴部３の一端に椀状鏡部４を介して小径で横断面円形のガス取出筒部５が一体に突設され、このガス取出筒部５側から高圧ガスを高圧タンク１（ライナー２）内に充填したり、あるいは高圧タンク１（ライナー２）から取り出したりするようになっている。上記ガス取出筒部５にはネジ孔６が形成され、このネジ孔６にバルブ装置７が装着されている。該バルブ装置７は、図示しないが開閉バルブと減圧バルブとを備えたバルブ機構８がカプセル９内に収容されて構成され、フランジ１０を上記ガス取出筒部５の開口端に当接させて上記カプセル９（バルブ機構８）を高圧タンク１内に収容した内蔵タイプ、いわゆるインタンクバルブである。このバルブ装置７の高圧タンク１外には、高圧タンク１に低圧ガス配管を接続するための配管接続部１１が突設されている。一方、上記胴部３の他端にも、椀状鏡部１２を介して小径で横断面円形の筒部１３が一体に突設され、該筒部１３にもネジ孔１４が形成され、このネジ孔１４に高圧ガスに対する気密性を保持するための盲プラグ１５が装着され、これにより、ライナー２内に高圧ガスを収容する密閉された中空部１６が形成されている。
【００２７】
上記高圧タンク１は、例えば、ＪＩＳ Ａ ６０６１やＪＩＳ Ａ ６０６２等のアルミニウム合金からなる金属製で、成形後にＴ６処理等の熱処理が施されてなるものであり、短筒状ブランク材を塑性変形させて成形され、上記鏡部４，１２、ガス取出筒部５及び筒部１３は胴部３の３倍以上の厚みに形成されている。特に、上記鏡部４，１２は、胴部３からガス取出筒部５及び筒部１３に近づくに従って胴部３の厚みからガス取出筒部５及び筒部１３の厚みに漸次増大しており、これにより、応力が集中し易い鏡部４，１２を強化している。
【００２８】
上記ライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周には、焼ばめにより金属製の筒状補強カラー１８が一体に嵌着されている。この補強カラー１８は、上記ガス取出筒部５及び筒部１３とほぼ厚みが等しい横断面円形の筒部１９と、該筒部１９の一端に一体に形成されて外側方に張り出した張出部２０とからなり、該張出部２０の厚みは外端に近づくに従って薄くなっており、これにより、張出部２０外端が段差なく鏡部４，１２外表面に沿うようになっている。また、上記補強カラー１８の内部には、上記筒部１９及び張出部２０を上下に貫通する嵌合孔２２が形成されている。この補強カラー１８は、例えば、ＳＮＣＭ４４０、ＳＣＭ４４０、ＳＫＤ６１等の合金鋼又はチタン合金からなる金属製で、鍛造成形や旋削加工されてなるものであるが、これに限定されず、強度／重量比がアルミニウムよりも高いものであればよく、これによれば、重量軽減に大きく貢献することができる。そして、上記補強カラー１８は、その嵌合孔２２に上記ライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３を挿入した状態で、上記筒部１９が焼ばめによりガス取出筒部５及び筒部１３に一体に外嵌合されているとともに、上記張出部２１が鏡部４，１２外表面に一体に接合されている。
【００２９】
上記ライナー２外周面は補強繊維層２３で被覆されている。該補強繊維層２３は、ライナー２外周面に繊維を巻き付けることによって形成される。この補強繊維層２３は、上記ライナー２の胴部３外周面と接触し胴部３を被覆する第１内側繊維層２４と、該第１内側繊維層２４外周面から筒部１９にかけて接触しライナー２のほぼ全体を被覆する第２内側繊維層２５と、該第２内側繊維層２５外周面と接触しライナー２の胴部３から鏡部４，１２の途中にかけてを被覆する外側繊維層２６とで構成されている。
【００３０】
この発明の特徴の１つとして、上記第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５は共に、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸硬化されている。上記高剛性繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料にした下記の炭素繊維を挙げることができる。この高剛性繊維は伸び難く、相当の高圧であっても十分に耐え得る。
【００３１】
＜東レ製  高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）  Ｍ４６ＪＢ＞
ヤング率          ４３６ＧＰａ
引張強度          ４．２ＧＰａ
破断時の伸び      １．０％
また、この発明の別の特徴として、上記外側繊維層２６は、破断時の伸び２％以上の繊維からなり、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸硬化されている。この繊維としては、例えば、下記の繊維である。この繊維は上記の高剛性繊維に比べて伸び易いという性質を備えており、高剛性繊維が伸び難いことの裏返しとして低下する耐衝撃性を補うことができる。
【００３２】
＜東レ製  高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）  Ｔ７００＞
ヤング率          ２３０ＧＰａ
引張強度              ５ＧＰａ
破断時の伸び      ２．１％
上記第１内側繊維層２４は、繊維をライナー２の胴部３外周面にライナー中心線方向と直交する円周方向に巻き付けたフープ巻き繊維層であり、上記第２内側繊維層２５は、繊維をライナー２外周面ほぼ全体にライナー中心線方向に螺旋状に巻き付けたヘリカル巻き繊維層であり、上記外側繊維層２６は、繊維をライナー２外周面の胴部３から鏡部４，１２の途中にかけてライナー中心線に対して７５°前後で巻き付けたハイアングルヘリカル巻き繊維層である。
【００３３】
また、上記補強繊維層２３を構成する各繊維層２４，２５，２６は、繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されている。上記プリプレグ状態とは、熱硬化性樹脂がある程度硬化を進めて生乾きした状態でＢ状態といわれる状態であり、このようなプレプレグ状態の繊維テープは、使用するまでは乾燥しないように冷蔵室等で保管しておく。
【００３４】
次に、上述の如く構成された高圧タンク１の製造要領の一例を図３に基づき説明する。
【００３５】
まず、パイプカット工程Ｓ１で、アルミニウム合金製の長尺パイプ材Ｐを所定寸法に切断して両端が開口した短筒状ブランク材Ｂを形成する。
【００３６】
次いで、フローフォーミング工程Ｓ２で、図示しないが、上記短筒状ブランク材Ｂをマンドレルに外嵌合して取り付け、該マンドレルをその軸心回りに回転させて短筒状ブランク材Ｂを一体に回転させ、成形ローラを上記短筒状ブランク材Ｂ外周面に圧接させることで回転させながら短筒状ブランク材Ｂ外周面を軸心方向にしごき、短筒状ブランク材Ｂをフローフォーミングする。これにより、短筒状ブランク材Ｂが塑性変形して長筒状ブランク材Ｂ′が成形される。この段階で、開口端から所定領域を除いた長筒状ブランク材Ｂ′の厚みが、完成品としての高圧タンク１のライナー２の胴部３の厚みと等しくなっている。また、上記長筒状ブランク材Ｂ′の開口端から所定領域は、開口端に近づくに従って厚みが漸次増大している。
【００３７】
その後、スピニング工程Ｓ３で、図示しないが、上記長筒状ブランク材Ｂ′をチャック装置で保持してその軸心回りに回転させ、成形ローラを長筒状ブランク材Ｂ′の一方の開口端近傍から開口端にかけて傾けて圧接させることで回転させながら長筒状ブランク材Ｂ′の軸心に対して斜めに移動させてしごき、長筒状ブランク材Ｂ′の一方の開口端から所定領域をスピニングにより口絞りする。これにより、長筒状ブランク材Ｂ′の開口端から所定領域が塑性変形して筒状胴部３の一端に椀状鏡部４を介してガス取出筒部５が一体に突設される。そして、上述の如きスピニングによる口絞り成形により、鏡部４の厚みが胴部３からガス取出筒部５に近づくに従って漸次増大するように成形され、かつガス取出筒部５は胴部３の３倍以上厚みに設定されている。長筒状ブランク材Ｂ′の他方の開口端側も、同様のスピニングによる口絞り成形を行い、胴部３の他端に椀状鏡部１２を介して筒部１３が一体に突設され、ここでも、鏡部１２の厚みが胴部３から筒部１３に近づくに従って漸次増大するように成形され、かつ筒部１３は胴部３の３倍以上厚みに設定されている。これにより、一端にガス取出筒部５が他端に筒部１３が突設されたライナー２が得られる。
【００３８】
一方、別途鍛造成形や旋削加工した合金鋼製又はチタン合金製等の補強カラー１８を用意する。この補強カラー１８は、上述の如く筒部１９の一端に張出部２０が一体に形成されているとともに、内部に筒部１９及び張出部２０を上下に貫通する嵌合孔２２が形成されている。この嵌合孔２２の内径は、ガス取出筒部５及び筒部１３の外径との関係において焼ばめによる締め代を考慮して設定されている。
【００３９】
次に、補強カラー焼きばめ工程Ｓ４で、上述の如く構成された補強カラー１８をライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３にそれぞれ外嵌合させ、焼ばめにより上記補強カラー１８をライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周にそれぞれ一体に嵌着させる。
【００４０】
これに引き続いて、ワインディング工程Ｓ５で、ヤング率３００ＧＰａ以上、引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記ライナー２の胴部３外周面にフープ巻きして第１内側繊維層２４を形成した後、これと同じ高剛性繊維からなる繊維テープを第１内側繊維層２４の上からライナー２のほぼ全体にヘリカル巻きして第２内側繊維層２５を形成し、さらに、その上に破断時の伸び２％以上の繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記第２内側繊維層２５の上からライナー２の胴部３から鏡部４，１２の途中にかけての外周面にライナー中心線に対して７５°前後でハイアングルヘリカル巻きして外側繊維層２６を形成して、該外側繊維層２６と上記第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５とで構成された補強繊維層２３で上記ライナー２外周面を被覆する（各繊維層２４，２４，２５は図１に表れる）。この補強繊維層２３の厚みは、タンク容量やガス充填圧によって決まるが、例えば、タンク容量約３４リットル、ライナー２の胴部３の厚み４．０ｍｍ、ライナー２の外径２８０ｍｍ、ライナー２の長さ８３０ｍｍ、ガス充填圧７０ＭＰａの場合に、約９ｍｍである。また、第１内側繊維層２４を形成した後に第２内側繊維層２５を形成する場合に限らず、第１内側繊維層２４と第２内側繊維層２５とを交互に形成してもよい。
【００４１】
その後、乾燥工程Ｓ６で、上記補強繊維層２３で被覆されたライナー２を乾燥室２７に搬入し、ライナー２の外側及びライナー２内側に配置されたヒーター２８の放射熱で、ライナー２を回転させながら内外から加熱して補強繊維層２３に含浸している熱硬化性樹脂を加熱硬化させ、ライナー２外周面に繊維が巻き付けられて該ライナー２外周面が補強繊維層２３で被覆された高圧タンク１を得る。なお、ヒーター２８の代わりに熱風をライナー２の内外に導入してライナー２を回転させながら内外から加熱して補強繊維層２３に含浸している熱硬化性樹脂を加熱硬化させてもよい。
【００４２】
このようにして製造された高圧タンク１に対して、バルブ装置７をガス取出筒部５に装着するとともに、盲プラグ１５を筒部１３に装着して完成品とする。
【００４３】
このように、この実施の形態では、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の高剛性繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５と、破断時の伸び２％以上の繊維からなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層２６とで構成された補強繊維層２３をライナー２外周面に被覆していることから、高剛性繊維からなる第１内側繊維層２４及び第２内側繊維層２５でガス充填圧によってライナー２に作用する引張応力に十分に抗し得てライナー２の耐疲労性を向上させることができるとともに、その耐衝撃性に劣る欠点を伸びのある繊維からなる外側繊維層２６で補うことができる。したがって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄くても、３５〜７５ＭＰａの高圧ガスを充填することができ、小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンク１を実現することができる。
【００４４】
また、第１内側繊維層２４をフープ巻きにするとともに、第２内側繊維層２５をヘリカル巻きにし、さらに、外側繊維層２６をハイアングルヘリカル巻きにしていることから、フープ巻きである第１内側繊維層２４によりライナー２の径方向の耐力を向上させることができるとともに、ヘリカル巻きである第２内側繊維層２５によりライナー２の中心線方向の耐力を向上させることができる。さらに、ハイアングルヘリカル巻きである外側繊維層２６により外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
【００４５】
さらに、補強繊維層２３を構成する各繊維層２４，２５，２６を、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成していることから、硬い高剛性繊維を滑り易くてライナー２に巻き難く弛みが生じてライナー２に作用する引張応力を全繊維に均等に分配し辛い紐状の形態で用いる場合に比べ、高剛性繊維が偏平なテープ状の形態であってライナー２に沿わせ易く、ライナー２に弛みなく巻き付けることができて上記引張応力を全繊維に均等に分配して、ライナー２の耐疲労性向上を容易に実現することができる。
【００４６】
加えて、ガス取出筒部５及び筒部１３を胴部３の３倍以上の厚みに設定し、そこから鏡部４，１２を漸次薄くして胴部３に続かせていることから、上記ガス取出筒部５、筒部１３及び鏡部４，１２の強度を確保することができ、上述の補強繊維層２３によるライナー２の耐疲労性向上及び耐衝撃性確保と相俟って、３５〜７５ＭＰａの高圧に一層に耐え得る高圧タンク１とすることができる。また、上記胴部３が薄くてもガス取出筒部５、筒部１３及び鏡部４，１２を厚くして強度を確保しているので、胴部３が薄い分だけ高圧タンク１全体の重量を軽減することができ、かつ材料費もあまり掛けないようにすることができる。
【００４７】
さらに、ライナー２のガス取出筒部５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周に補強カラー１８を嵌着していることから、応力が集中し易いガス取出筒部５、筒部１３及びその近傍の鏡部４，１２の実質的な厚みを上記補強カラー１８の厚みにより増大させて当該箇所の強度を十分に確保することができ、３５〜７５ＭＰａの高圧に一段と耐え得る高圧タンク１とすることができる。また、補強カラー１８をライナー２全体ではなく、応力が集中し易い鏡部４，１２、ガス取出筒部５及び筒部１３にだけ部分的に嵌着させているので、高圧タンク１の重量をそれほど増加させず軽量化を図ることができるとともに、加工の簡易化、低価格化を図ることができる。
【００４８】
さらにまた、繊維をまとめてテープ状の形態でライナー２に巻き付けることから、巻付け作業を簡単に行うことができる。また、熱硬化性樹脂がある程度してプリプレグ状態（Ｂ状態）となった繊維テープをライナー２に巻き付けるため、液状の熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちて作業環境が悪化するウェットワインディング法の場合に比べ、熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ちず、作業環境の悪化を防止することができる。
【００４９】
また、乾燥室２７に搬入されたライナー２を内外から加熱するので、補強繊維層２３の熱硬化性樹脂が層内外両側からほぼ同時に硬化し、これにより、補強繊維層２３の熱硬化性樹脂を外側からのみ加熱する場合において、熱硬化性樹脂が外側から内側へと順に硬化収縮して内側の未硬化樹脂が外側の硬化樹脂から圧縮力を受けて繊維に弛みが生ずる事態を回避することができ、ガス充填圧によってライナー２に作用する引張応力を全繊維に均等に分配して早期破断に至らないようにすることができる。
【００５０】
（実施の形態２）
図４はこの発明の実施の形態２に係る高剛性繊維を用いた高圧タンク１を示す。この高圧タンク１は補強カラー１８の形状が実施の形態１と異なっている。つまり、上記補強カラー１８の張出部２０の裏面にリング状膨出部２１が一体に膨出して形成されている。これに伴い、ライナー２における鏡部４のガス取出筒部５との境目近傍における外周にリング状嵌合凹部１７が形成されている。そして、上記補強カラー１８の張出部２０は、その膨出部２１を上記鏡部４の嵌合凹部１７に嵌入した状態で焼ばめにより鏡部４外表面に一体に接合されている。図示しないが、反対側の鏡部１２の筒部１３にも同様に補強カラー１８を嵌合している。そのほかは、実施の形態１と同様に構成されているので、同一の構成箇所には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５１】
したがって、この実施の形態２では、上記の実施の形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００５２】
加えて、この実施の形態２では、補強カラー１８の張出部２０に膨出形成したリング状膨出部２１を、鏡部４，１２のガス取出筒部５及び筒部１３との境目近傍における外周に形成したリング状嵌合凹部１７に嵌入して焼ばめにより接合しているので、補強カラー１８とライナー２とを確実に嵌合させることができる。また、上記膨出部２１があることで当該部分の補強カラー１８の厚みが増大し、その分だけ強度アップを図ることができる。
【００５３】
なお、上記の実施の形態１，２では、フローフォーミングに供する短筒状ブランク材Ｂとして、両端が開口した円筒体のものを例示したが、有底筒状のものであってもよい。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明によれば、ヤング率３００ＧＰａ以上で引張強度３ＧＰａ以上の伸び難い高剛性繊維により、３５〜７５ＭＰａの高圧がライナーに掛かることによって生ずる引張応力に十分に抗し得てライナーの耐疲労性を向上させることができる。また、高剛性繊維であるがために劣る耐衝撃性をその外側の破断時の伸び２％以上の繊維により補うことができる。したがって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄くて小型で軽量の３５〜７５ＭＰａの高圧ガスに耐え得る高圧タンクとすることができる。
【００５５】
また、フープ巻き繊維層によりライナーの径方向の耐力を向上させることができ、ヘリカル巻き繊維層によりライナーの中心線方向の耐力を向上させることができる。さらには、ハイアングルヘリカル巻き繊維層により外部からの耐衝撃性を向上させることができる。
【００５６】
特に、硬くて巻き難い高剛性繊維を偏平なテープ状の形態として用いているので、繊維を弛みなくライナーに巻き付けて引張応力を全繊維に均等配分してライナーの耐疲労性を向上させることができる。
【００５７】
さらに、ガス取出筒部を円筒形の胴部の３倍以上の厚みに設定し、そこから椀状鏡部を漸次薄くして胴部に続かせているので、上記ガス取出筒部及び鏡部の強度を確保でき、３５〜７５ＭＰａの高圧に十分に耐え得る高圧タンクとすることができる。また、上記胴部が薄くてもガス取出筒部及び鏡部を厚くして強度を確保できるので、胴部が薄い分だけ高圧タンクを軽量化できるとともに、コストダウンを図ることができる。
【００５８】
加えて、ライナーの応力が集中し易い鏡部及びガス取出筒部に補強カラーを嵌着したので、上記ガス取出筒部及びその近傍の鏡部の厚みを補強カラーの厚みで補って当該箇所を十分に強化して、３５〜７５ＭＰａの高圧に一段と耐え得る高圧タンクとすることができる。また、上記補強カラーをライナーに部分的に嵌着するだけなので、高圧タンクの軽量化、加工の簡易化及び低価格化を達成することができる。
【００５９】
請求項２に係る発明によれば、補強カラーの膨出部をライナーの嵌合凹部に嵌入させたので、両者を確実に嵌合させることができる。また、上記膨出部があることで当該部分の補強カラーの厚みを増大してその分だけ強度アップを図ることができる。
【００６０】
請求項３に係る発明によれば、繊維をまとめてテープ状の形態でライナーに巻き付けるので、巻付け作業を簡単に行うことができる。また、繊維に含浸する熱硬化性樹脂を液状ではなく硬化がある程度進行したプリプレグ状態にしているので、熱硬化性樹脂が作業場に滴下することによる作業環境の悪化を防止することができる。
【００６１】
請求項４に係る発明によれば、乾燥室でライナーを内外から加熱して、補強繊維層の熱硬化性樹脂の硬化を層内外両側からほぼ同時に進行させるので、内側の繊維を弛まないようにすることができ、引張応力を全繊維に均等分配して早期破断を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンクのガス取出筒部側を拡大して示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンク全体の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造工程図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る高剛性繊維を用いた高圧タンクの図１相当図である。
【符号の説明】
１            高圧タンク
２            ライナー
３            胴部
４            鏡部
５            ガス取出筒部
１７            嵌合凹部
１８            補強カラー
１９            筒部
２０            張出部
２１            膨出部
２３            補強繊維層
２４            第１内側繊維層
２５            第２内側繊維層
２６            外側繊維層
２７            乾燥室
２８            ヒーター
Ｂ′          長筒状ブランク材