JP6571582B2 - タンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンクの製造に関する。

高圧流体用タンクの製造方法として、タンクの基材であるライナに、熱硬化性樹脂または紫外線硬化性樹脂を含浸させたカーボン繊維を幾重にも巻き付けた後に熱または紫外線により硬化させ、ライナの外周面に高強度の繊維強化樹脂層を形成する、いわゆるフィラメントワインディング（Filament Winding）法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）が知られている。このＦＷ法におけるライナへのカーボン繊維の巻き付け方法として、ライナの軸線に対してほぼ垂直に巻くフープ巻きが用いられることがある。フープ巻きでは、カーボン繊維からなる繊維層が、ライナ表面に近い側から遠い側へと順次積層して形成される。このとき、カーボン繊維には所定の張力が加えられ、ライナ上または既に形成されている繊維層の上に巻き付けられる。

フープ巻きにおいて既に形成されている繊維層の上にさらにカーボン繊維を巻き付ける際に、巻き付けるカーボン繊維が繊維層に押し付けられ、その押し付け力によって繊維層を構成するカーボン繊維が横滑りして配置位置がずれるおそれがある。このようなカーボン繊維の位置ずれが発生すると、カーボン繊維がタンクの設計時に予め定めた位置からずれることになるため、繊維強化樹脂層の強度が低下するおそれがある。そこで、繊維層の端部においてカーボン繊維を複数回巻き付けて突出部を設け、かかる突出部により、その繊維層の上に形成される繊維層の端部の位置ずれを抑制する方法が提案されている（下記特許文献１参照）。

特開２０１４−１３３３０４号公報

特許文献１の方法では、繊維層の端部を形成する際に、所定の幅だけ他の部分に比べて高い巻き付け張力で複数回巻き付ける必要がある。このため、巻き付ける繊維の位置の制御および巻き付け張力の制御が複雑となり、生産効率が低下する又は歩留まりが低下する等の問題が生じ得る。かかる問題は、カーボン繊維に限らず、任意の繊維をフープ巻きする場合に起こり得る。また、高圧流体用タンクに限らず、任意の用途で用いられるタンクに繊維を巻き付ける場合に起こり得る。このようなことから、フープ巻きにより形成される繊維の位置ずれを抑制しつつ、繊維の巻き付けに係る制御が複雑になることを抑制可能な技術が望まれている。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、タンクの製造方法が提供される。このタンクの製造方法は、前記タンクの基材であるライナにフープ巻により繊維を巻き付けることにより、前記ライナの外周面に近い側から遠い側に向かって前記繊維からなる繊維層を順次積層する繊維巻き付け工程を備え、前記繊維巻き付け工程は、前記ライナの外周面に近い側から数えて第Ｎ＋１（Ｎは１以上の整数）番目の前記繊維層である第Ｎ＋１層を形成する際に、第Ｎ番目の前記繊維層である第Ｎ層において前記ライナの軸線方向に沿った端から前記軸線方向に沿って第１の所定距離だけ前記ライナの中心に向かった位置が、前記第Ｎ＋１層における前記軸線方向に沿った端の位置に、前記軸線方向と垂直な方向において対応するように、前記第Ｎ＋１層を形成し；前記第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の前記繊維を巻き付ける際に、該繊維によって前記第Ｎ層が前記軸線方向に沿って押出される押出力が、前記第Ｎ層において該繊維の巻き付け位置よりも前記軸線方向に沿って端側の領域の合計摩擦力以下となるように、該繊維を前記第Ｎ層上に巻き付ける；工程を含む。

この形態のタンクの製造方法によれば、第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の繊維を巻き付ける際に、繊維によって第Ｎ層が押出される押出力が、第Ｎ層において繊維の巻き付け位置よりも軸線方向に沿って端側の領域の合計摩擦力よりも小さくなるように繊維が第Ｎ層上に巻き付けられるので、繊維の巻き付けに起因する第Ｎ層を構成する繊維の位置ずれを抑制できる。加えて、かかる位置ずれを抑制するために、例えば、繊維の巻き付け位置を精密に制御したり、端部近傍においてのみ複数回周回させる等の複雑な制御を行ったりせずに済み、繊維の巻き付けに係る制御が複雑になることを抑制できる。

（２）上記形態のタンクの製造方法において、前記押出力が前記合計摩擦力以下となるように前記繊維を前記第Ｎ層上に巻き付ける工程は、前記第Ｎ＋１層を形成することとなる繊維のうち、第１層の端から前記軸線方向に沿って第２の所定距離だけ前記ライナの中心に向かった位置までの各前記繊維層からなる領域である端部領域に含まれる前記繊維を対象に実行されてもよい。この形態のタンクの製造方法によれば、押出力が合計摩擦力以下となるように繊維を第Ｎ層上に巻き付ける工程は、一般的に位置ずれが生じ易い端部領域に含まれる繊維を対象に実行されるので、端部領域を対象にかかる工程が実行されない構成に比べて、繊維の位置ずれの発生をより確実に抑制できる。

（３）上記形態のタンクの製造方法において、前記繊維巻き付け工程は、前記端部領域に含まれる前記第Ｎ＋１層の前記繊維を、いずれも同じ力で前記第Ｎ層上に巻き付ける工程を含んでもよい。この形態のタンクの製造方法によれば、端部領域に含まれる繊維がいずれも同じ力で第Ｎ層に巻き付けられるので、端部領域を形成する際の巻き付けに係る制御を簡易化できる。

（４）上記形態のタンクの製造方法において、前記繊維巻き付け工程は、前記第Ｎ＋１層を形成する前記繊維のうち、前記端部領域よりも前記軸線方向に沿って前記ライナの中心側の中心領域に含まれる前記繊維を、前記端部領域に含まれる前記繊維よりも大きな力で前記第Ｎ層上に巻き付ける工程を含んでもよい。この形態のタンクの製造方法によれば、一般的に位置ずれが生じ易い端部領域に含まれる繊維の位置ずれを抑制できることに加え、中心領域に含まれる繊維が端部領域に含まれる繊維よりも大きな力で第Ｎ層に巻き付けられるので、フープ巻きにより形成される繊維層の強度を向上できる。

（５）上記形態のタンクの製造方法において、前記繊維巻き付け工程は、前記第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の前記繊維を巻き付ける際に、該繊維に対して前記軸線方向と垂直な方向において対応する前記第Ｎ層における前記繊維が巻き付けられた際の力よりも小さな力で、該繊維を前記第Ｎ層上に巻き付ける工程を含んでもよい。この形態のタンクの製造方法によれば、第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の繊維が巻き付けられる際に、該繊維に対して軸線方向と垂直な方向において対応する第Ｎ層における繊維が巻き付けられた際の力よりも小さな力で巻き付けられるので、第Ｎ層までの各繊維層およびライナの巻き締まりを抑制してタンクの変形を抑制できる。

本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、繊維の巻き付け方法、繊維の巻き付け装置、タンク等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのタンクの製造方法により製造されたタンクの構成を示す断面図である。 フープ層において軸線に沿った一方の端部を含む領域を拡大して示す説明図である。 タンクの製造に用いられる繊維巻き付け装置の概略構成を示す斜視図である。 第１実施形態におけるタンクの製造方法を示す工程図である。 繊維巻き付け工程の詳細手順を示す工程図である。 第２層の形成開始直後の端部の領域の様子を模式的に表わす説明図である。 繊維を巻き付ける際の押出力と摩擦力とを模式的に表す説明図である。 第１層の繊維の位置ずれが発生しない条件を模式的に示す説明図である。 第２実施形態における繊維巻き付け工程の詳細手順を示す工程図である。 フープ層における端部領域および中心領域を示す説明図である。 図１０における端部の領域を拡大して模式的に示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．タンクの構成：
図１は、本発明の一実施形態としてのタンクの製造方法により製造されたタンクの構成を示す断面図である。図１では、説明の便宜上、タンク１０の最外層に相当するガラス繊維強化プラスチック層（ＧＦＲＰ層：Glass Fiber Reinforced Plastics層）を省略している。また、図１では、タンク１０の軸線であって後述のライナ（ライナ１１）の軸線ＣＸを含む断面を表している。

タンク１０は、高圧水素ガスなどの高圧流体を貯蔵するために用いられるタンクであり、タンク１０の基材であるライナ１１と、２つの口金部１３，１４と、補強層１２とを備えている。

ライナ１１は、中空状の基材であり、本実施形態では、低密度ポリエチレン（ＬＰＤＥ；Low Density Polyethylene）により形成されている。なお、低密度ポリエチレンに代えて、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ；High Density Polyethylene）およびリニアポリエチレン（Ｌ−ＬＤＰＥ；Linear Low density Polyethylene）などの他の樹脂材料により形成されてもよい。ライナ１１は、円筒部１１ａと、円筒部１１ａの両端に連なる２つのドーム部１１ｂとを備える。円筒部１１ａは円筒状の外観形状を有する。円筒部１１ａの軸線は、ライナ１１の軸線ＣＸと一致し、また、タンク１０の軸線と一致する。なお、図１では、軸線ＣＸと平行にＸ軸が設定され、Ｘ軸と直交してＹ軸が設定されている。２つのドーム部１１ｂは、それぞれドーム状の外観形状を有する。一方のドーム部１１ｂの頂部には口金部１３が取り付けられ、他方のドーム部１１ｂの頂部には口金部１４が取り付けられている。

口金部１３は、軸線ＣＸと一致する軸線を有する軸孔が形成された筒状の外観形状を有し、タンク１０（ライナ１１）内の中空部分と外部とを連通する。口金部１３には、配管又は弁が取り付けられる。口金部１４は、口金部１３と同様な形状を有するが、口金部１３とは異なり、軸孔は閉塞されている。

補強層１２は、ライナ１１の外周面および２つの口金部１３，１４の外周側面を覆うように形成されている。補強層１２は、カーボン繊維強化プラスチック層（ＣＦＲＰ層：Carbon Fiber Reinforced Plastics層）であり、熱硬化性樹脂が含浸されたカーボン繊維（以下、単に「繊維」とも呼ぶ）が幾重にも巻き付けられ、かかる繊維からなる層が複数積層された構造を有する。繊維は、直径が数μｍ（マイクロメートル）程度のカーボン製の単繊維を多数、例えば２万本束ねて構成されている。本実施形態では、単繊維として、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維を用いる。なお、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維に代えて、レーヨン系カーボン繊維やピッチ系カーボン繊維など、他の任意の種類のカーボン繊維を用いてもよい。また、各単繊維には、熱硬化性樹脂に代えて紫外線硬化性樹脂が含浸されていてもよい。

補強層１２は、フープ層１７と、ヘリカル層１９とからなる。フープ層１７は、円筒部１１ａの外周面を覆う。フープ層１７は、フープ巻により巻き付けられた繊維からなる層が複数積層されて形成されている。フープ巻とは、繊維を軸線ＣＸに略直交する巻角度で、所定の巻き付け張力にて円筒部１１ａに巻き付けつつ、軸線ＣＸと平行に巻き付け位置をずらしていく巻き付け方法を意味する。ヘリカル層１９は、円筒部１１ａ上に形成された上述のフープ層１７に加えて、ドーム部１１ｂの外周面と、２つの口金部１３，１４の外周側面とを覆う。ヘリカル層１９は、ヘリカル巻により巻き付けられた繊維からなる層が複数積層されて形成されている。ヘリカル巻とは、０°よりも大きく９０°よりも小さい巻角度で、軸線ＣＸに沿った巻き付け方向でライナ１１全体に螺旋状に巻き付けつつ、ドーム部１１ｂにおいて巻き付け方向を折り返し、再び０°よりも大きく９０°よりも小さい巻角度で螺旋状にライナ１１全体に巻き付ける方法を意味する。フープ層１７およびヘリカル層１９は、後述のタンクの製造方法において形成される。上述のフープ層１７において、軸線ＣＸに沿った両方の端部１７Ｅは、各層が１段を形成する階段状の外観形状を有し、ライナ１１（円筒部１１ａ）に近いほど軸線ＣＸに沿った幅（長手方向の長さ）が大きくなるように形成されている。

図２は、フープ層１７において軸線ＣＸに沿った一方の端部を含む領域Ａｒ１を拡大して示す説明図である。領域Ａｒ１は、フープ層１７における＋Ｘ方向の端部１７Ｅを含む領域である。なお、図２では、図１に示す領域Ａｒ１のうち、＋Ｙ方向および−Ｙ方向の一部を省略している。以降では、フープ巻きにより形成された繊維層（以下、単に「繊維層」とも呼ぶ）を、ライナ１１に近い側から遠い側に向かって順番に、第１層、第２層、第３層、・・・第Ｎ層、第Ｎ＋１層と呼ぶ。図２では、第１層Ｌ１、第２層Ｌ２、および第３層Ｌ３を含む部分を模式的に表している。

第１層Ｌ１は、図１に示す＋Ｘ方向側のドーム部１１ｂと円筒部１１ａとの境界近傍から−Ｘ方向に向かってライナ１１の外周面に沿って延設されている。具体的には、最も＋Ｘ方向に位置する繊維断面Ｗ１１（１周回分の繊維断面）から順に、多数の周回分の繊維断面が−Ｘ方向に並ぶようにライナ１１の外周面に巻き付けられている。

第２層Ｌ２は、第１層Ｌ１に接して第１層Ｌ１の上側（＋Ｙ方向側）に配置されている。第２層Ｌ２も、第１層Ｌ１と同様に、最も＋Ｘ方向に位置する繊維断面Ｗ２１（１周回分の繊維断面）から順に、多数の周回分の繊維断面が−Ｘ方向に並ぶように第１層Ｌ１の外周面に巻き付けられている。繊維断面Ｗ２１は、第１層Ｌ１の＋Ｘ方向の端からＸ軸（軸線ＣＸ）に沿った方向（以下、「軸線方向」と呼ぶ）に所定距離ａ（以下、「第１の所定距離ａ」と呼ぶ）だけ−Ｘ方向に向かった位置に配置されている。換言すると、第１層Ｌ１において軸線方向に沿って距離ａだけライナ１１の中心ｃｐに向かった位置が、第２層Ｌ２の＋Ｘ方向の端に、軸線方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）において対応するように、第２層Ｌ２が形成されている。所定距離ａは、任意の距離に設定してもよい。例えば、繊維の直径分の距離であってもよい。また、例えば、１５周回分の繊維の幅に相当する距離であってもよい。

第３層Ｌ３は、第２層Ｌ２に接して第２層Ｌ２の上側（＋Ｙ方向側）に配置されている。第３層Ｌ３も、第２層Ｌ２と同様に、最も＋Ｘ方向に位置する繊維断面Ｗ３１（１周回分の繊維断面）から順に、多数の周回分の繊維断面が−Ｘ方向に並ぶように第２層Ｌ２の外周面に巻き付けられている。繊維断面Ｗ３１は、第２層Ｌ２の＋Ｘ方向の端から軸線方向に第１の所定距離ａだけ−Ｘ方向に向かった位置に配置されている。換言すると、第２層Ｌ２において軸線方向に沿って距離ａだけライナ１１の中心ｃｐに向かった位置が、第３層Ｌ３の＋Ｘ方向の端に、軸線方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）において対応するように、第３層Ｌ３が形成されている。

なお、第４層以上の各層も、上述した３つの繊維層Ｌ１〜Ｌ３と同様な構成を有する。また、フープ層１７における−Ｘ方向側の端部１７Ｅの構成は、上述した＋Ｘ方向側の端部１７Ｅの構成と同様である。

上述の補強層１２（フープ層１７およびヘリカル層１９）を形成するために、繊維をライナ１１に巻き付ける繊維巻き付け装置の構成を、図３を用いて説明する。

Ａ２．繊維巻き付け装置の構成：
図３は、タンク１０の製造に用いられる繊維巻き付け装置の概略構成を示す斜視図である。繊維巻き付け装置１００は、４つのボビン１０１〜１０４と、１１個のローラｒ１〜ｒ１１と、張力調整装置３０と、アクティブダンサ３１と、繊維繰出部４０と、巻付部５０とを備えている。ボビン１０１には、予め繊維ｆ１が巻き付けられている。同様に、ボビン１０２には予め繊維ｆ２が、ボビン１０３には予め繊維ｆ３が、ボビン１０４には予め繊維ｆ４が、それぞれ予め巻き付けられている。ローラｒ１は、ボビン１０１から繊維ｆ１を繰り出してローラｒ５に導く。同様に、ローラｒ２はボビン１０２から繊維ｆ２を繰り出して、ローラｒ３はボビン１０３から繊維ｆ３を繰り出して、ローラｒ４はボビン１０４から繊維ｆ４を繰り出して、それぞれローラｒ５に導く。

ローラｒ５〜ｒ１１は、それぞれ、繊維ｆ１〜ｆ４の搬送方向を変更しつつ、繊維ｆ１〜ｆ４を搬送方向の下流側に送る。

張力調整装置３０は、ローラｒ６に接続されており、繊維ｆ１〜ｆ４の張力を調整する。かかる張力の調整により、繊維のライナ１１に巻き付ける際の巻き付け張力が調整される。

アクティブダンサ３１は、ローラｒ７と接続されており、搬送される繊維ｆ１〜ｆ４の張力を一定に保つ。例えば、繊維の巻き付けが止まった際や、巻き付け速度が変化した際にも、搬送途中の繊維ｆ１〜ｆ４の張力が一定となるように調整する。

繊維繰出部４０は、４つの繊維ｆ１〜ｆ４を束ねてライナ１１へと繰り出す。繊維繰出部４０は、図示しないリニアアクチュエータ等の機構により、軸線ＣＸと平行に往復移動する。繊維繰出部４０から繰り出された繊維束は、巻付部５０に予めセットされているライナ１１に巻き付けられる。繊維繰出部４０の往復移動およびその移動量が調整されるにより、繊維繰出部４０から繰り出された繊維束のライナ１１での巻き取られ方が制御される。巻付部５０は、セットされているライナ１１を、軸線ＣＸを回転軸として回転させる。

このような構成を有する繊維巻き付け装置１００を用いて後述のタンクの製造方法を実行することにより、完成後のタンク１０において、フープ層１７において繊維の位置ずれが抑制され、且つ、繊維巻き付けに係る制御が複雑になることが抑制される。

Ａ３．タンクの製造：
図４は、第１実施形態におけるタンク１０の製造方法を示す工程図である。まず、ライナ１１および繊維が準備される（工程Ｐ１０５）。なお、ライナ１１には、予め２つの口金部１３，１４が取り付けられている。続いて、繊維巻き付け工程（工程Ｐ１１０）が実行される。

図５は、繊維巻き付け工程の詳細手順を示す工程図である。まず、フープ巻きによりライナ１１上に第１層Ｌ１が形成される（工程Ｐ２０５）。第１層Ｌ１を巻き始めるときの開始位置は予め設定されている。また、第１層Ｌ１の端の位置、すなわち、上述した図２に示す繊維断面Ｗ１１の位置も予め設定されている。

第Ｎ層の端から第１の所定距離ａだけ軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かった位置を、第Ｎ＋１層の端として繊維の巻き付けを開始する（工程Ｐ２１０）。この工程Ｐ２１０は、繊維繰出部４０から繰り出される繊維がライナ１１に対して所定の位置となるようにセットする工程ともいえる。この工程Ｐ２１０は、後述するように繰り返し実行され、工程Ｐ２０５において第１層Ｌ１が形成された直後に実行されるときには、Ｎ＝１である。

繊維による第Ｎ層の押出力が、第Ｎ層における端側の領域の合計摩擦力以下となるように、各周回分の繊維を第Ｎ層上に巻き付けて、第Ｎ＋１層を形成する（工程Ｐ２１５）。この工程Ｐ２１５も、繰り返し実行され、第１層Ｌ１について上述の工程Ｐ２１０が実行された直後に実行されるときには、Ｎ＝１であり、各周回分の繊維が第１層Ｌ１上に巻き付けられて、第２層Ｌ２が形成されることとなる。

図６は、第２層Ｌ２の形成開始直後の領域Ａｒ１の様子を模式的に表わす説明図である。図６において、上段は、第２層Ｌ２について、工程Ｐ２１５が実行されて第１周回目の繊維が巻き付かれた様子を示し、下段は、第２層Ｌ２について、工程Ｐ２１５が実行されて第２周回目の繊維が巻き付けられた様子を示す。

図６上段に示すように、工程Ｐ２１０では、第１層Ｌ１の端から第１の所定距離ａだけ軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かった位置を第２層Ｌ２の端として、繊維断面Ｗ２１に相当する繊維の巻き付け位置がセットされる。また、図６上段に示すように、かかるセットされた位置から第１周回目の繊維が巻き付けられて、繊維断面Ｗ２１が現われる。その後、図６下段に示すように、第２周回目の繊維が巻き付けられると、繊維断面Ｗ２１の−Ｘ方向に隣接して第２周回分の繊維断面Ｗ２２が現われる。

図７は、繊維を巻き付ける際の押出力と摩擦力とを模式的に表す説明図である。図７では、上述の工程Ｐ２１５が実行される際の第１層Ｌ１および第２層Ｌ２を模式的に表している。なお、図７では、第１層Ｌ１および第２層Ｌ２の−Ｘ方向の一部を省略している。図７では、説明の便宜上、上述の繊維断面Ｗ１１，Ｗ２１に加えて、繊維断面Ｗ１２を追加して示している。繊維断面Ｗ１２は、繊維断面Ｗ１１の−Ｘ方向に隣接する繊維断面である。この繊維断面Ｗ１２は、第１層Ｌ１について第２周回目の繊維が巻き付けられて形成されて現れる。なお、各層Ｌ１，Ｌ２の各周回分で巻き付けられた繊維の直径ｂは、互いに同じである。

第１層Ｌ１を構成する各周回分の繊維は、それぞれ巻き付け張力Ｔ（１）で巻き付けられ、かかる巻き付け張力Ｔ（１）は、第１層Ｌ１を構成する各周回分の繊維に残留している。第２層Ｌ２を構成する第１周回目の繊維は、それぞれ巻き付け張力Ｔ（２）で巻き付けられる。このとき、第１層Ｌ１は、第２層Ｌ２の第１周回目の繊維（繊維断面Ｗ２１）に対して軸線方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に対応する位置を中心として、＋Ｘ方向および−Ｘ方向に押し出される。このときの押出力は、＋Ｘ方向および−Ｘ方向に、それぞれ巻き付け張力Ｔ（２）の１／２の力（Ｔ（２）／２）となる。工程Ｐ２１５では、かかる押出し力（Ｔ（２）／２）が、第１層Ｌ１において、かかる繊維の巻き付け位置（第２層Ｌ２の第１周回目の繊維の巻き付け位置）よりも軸線方向に沿って端側（＋Ｘ方向側）の領域ＥＡの合計摩擦力よりも小さくなるように、第２層Ｌ２の第１周回目の繊維が巻き付けられる。

図８は、第１層Ｌ１の繊維の位置ずれが発生しない条件を模式的に示す説明図である。領域ＥＡの垂直抗力（ライナ１１から受ける＋Ｙ方向の力）Ｎは、下記式（Ａ）に示す値となる。下記式（Ａ）において、Ｔ（１）は、第１層Ｌ１の各周回の繊維を巻き付けた際の巻き付け張力を示す。また、ａは第１の所定距離を、ｂは巻き付けられた繊維の直径を、それぞれ示す。
Ｎ＝Ｔ（１）×ａ／ｂ ・・・（Ａ）

上述の押出力に抗する領域ＥＡにおける合計摩擦力Ｆは、下記式（Ｂ）に示す値となる。下記式（Ｂ）において、μは、摩擦係数を示す。
Ｆ＝μ×Ｎ＝μ×Ｔ（１）×ａ／ｂ ・・・（Ｂ）

したがって、第２層Ｌ２の第１周回目の繊維の巻き付けによって第１層Ｌ１を構成する繊維の位置ずれが発生しないためには、上述の押出力（Ｔ（２）／２）が、合計摩擦力Ｆよりも小さければよい。すなわち、下記式（Ｃ）が成り立てばよい。
Ｔ（２）／２≦μ×Ｔ（１）×ａ／ｂ ・・・（Ｃ）

このため、第２層Ｌ２について工程Ｐ２１５が実行される際には、第２層Ｌ２の第１周回目の繊維を巻き付ける際の巻き付け張力Ｔ（２）が下記式（Ｄ）を満たすように、繊維を巻き付けることにより、第２層Ｌ２の第１周回目の繊維の巻き付けによって第１層Ｌ１を構成する繊維の位置がずれることを抑制できる。
Ｔ（２）≦２×μ×Ｔ（１）×ａ／ｂ ・・・（Ｄ）

上述の式（Ｄ）を満たすような巻き付け張力Ｔ（２）、第１層Ｌ１を形成する際の巻き付け張力Ｔ（１）、および所定の距離ａが予め実験等により求められて繊維巻き付け装置１００に設定されている。そして、張力調整装置３０によって、繊維ｆ１〜ｆ４の張力が設定されたＴ（２）となるように調整される。なお、上記式（Ｄ）は、第１層Ｌ１および第２層Ｌ２について適用されるだけでなく、第Ｎ層および第Ｎ＋１層についても適用される。したがって、上記式（Ｄ）は、下記式（Ｅ）のように一般化される。

Ｔ（Ｎ＋１）≦２×μ×Ｔ（Ｎ）×ａ／ｂ ・・・（Ｅ）

図５に示すように、第Ｎ＋１層が形成された後、所定層数分の繊維層が形成されたか否かが判定され（工程Ｐ２２０）、所定層数分の繊維層が形成されていないと判定された場合（工程Ｐ２２０：ＮＯ）、上述の工程Ｐ２１０に戻る。したがって、その後、前回の工程Ｐ２１０および工程Ｐ２１５により形成された繊維層の上に、さらに繊維層が積層して形成される。これに対して、所定層数分の繊維層が形成されたと判定された場合（工程Ｐ２２０：ＹＥＳ）、所定層数分のヘリカル巻きが実行され（工程Ｐ２２５）、繊維巻き付け工程は終了する。

図４に示すように、上述の繊維巻き付け工程（工程Ｐ１１０）の完了後、ガラス繊維がヘリカル層１９の表面に巻き付けられる（工程Ｐ１１５）。このガラス繊維には、上述の繊維（カーボン繊維）と同様に、熱硬化性樹脂が含浸されている。なお、かかる熱硬化性樹脂としては、上述の繊維（カーボン繊維）に含浸されている樹脂と同様な樹脂を用いることができる。また、ガラス繊維には、熱硬化性樹脂に代えて紫外線硬化性樹脂が含浸されていてもよい。

ガラス繊維が巻き付けられた後、繊維およびガラス繊維が巻き付けられたライナ１１全体を加熱して硬化させる繊維硬化工程が実行される（工程Ｐ１２０）。かかる繊維硬化工程により、ライナ１１に巻き付けられた繊維（カーボン繊維）およびガラス繊維に含まれる熱硬化性樹脂が硬化して、ライナ１１の外周面に補強層１２（ＣＦＲＰ層）およびＧＦＲＰ層が形成されてタンクが完成する。

以上説明したタンクの製造方法によれば、第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の繊維を巻き付ける際に、繊維によって第Ｎ層が押出される押出力（Ｔ（２）／２）が、第Ｎ層において繊維の巻き付け位置よりも軸線方向に沿って端側の領域ＥＡの合計摩擦力（Ｆ）よりも小さくなるように繊維が第Ｎ層上に巻き付けられるので、繊維の巻き付けに起因する第Ｎ層を構成する繊維の位置ずれを抑制できる。かかる位置ずれが発生した場合、フープ層において繊維の蛇行が起こったり、その上にヘリカル巻きにて巻き付ける繊維の蛇行が起こったりし得る。また、例えば、端部の繊維が軸線方向に沿って外側にずれて、ドーム部１１ｂ側に移動した場合、残留していた巻き付け張力が開放されて、フープ層の強度が低下するおそがある。しかしながら、上述のように、第１実施形態のタンクの製造方法によれば、繊維の位置ずれを抑制できるので、繊維の蛇行の発生やタンクの強度の低下を抑制できる。

また、上記式（Ｅ）に示す巻き付け張力による繊維の巻き付けは、一般的に位置ずれが生じ易い端部の繊維も対象として実行されるので、かかる繊維の位置ずれを抑制できる。加えて、繊維の位置ずれを抑制するために、例えば、繊維の巻き付け位置を精密に制御したり、各繊維層の端部近傍においてのみ複数回周回させる等の複雑な制御を行ったりせずに済み、繊維の巻き付けに係る制御が複雑になることを抑制できる。

加えて、繊維巻き付け工程Ｐ１１０では、同じ繊維層の各周回分の繊維を巻き付ける際に、いずれも同じ巻き付け張力にて繊維を巻き付けるので、巻き付けに係る制御を簡易化できる。

なお、本実施形態により製造されたタンク１０においては、繊維の位置ずれが抑制されているため、各層の端の近傍において、繊維の位置ずれが抑制されている。このため、各層の端の近傍において、巻き付けられた繊維の蛇行は生じていない。加えて、第Ｎ層と第Ｎ＋１層とで、隣接する繊維同士の間の距離（以下、「繊維離間距離」と呼ぶ）が互いに略等しくなるように予め設定されて巻き付けられている場合には、完成されたタンク１０の各層の端の近傍において、位置ずれが抑制されるために、第Ｎ層と第Ｎ＋１層とで繊維離間距離が互いに略等しく測定されることとなる。

Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における繊維巻き付け工程の詳細手順を示す工程図である。第２実施形態において、タンクの構成および繊維巻き付け装置の構成は、第１実施形態におけるタンク１０の構成および繊維巻き付け装置１００の構成と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形態におけるタンクの製造方法は、繊維巻き付け工程の詳細手順において、第１実施形態におけるタンクの製造方法と異なる。具体的には、図９に示すように、第２実施形態における繊維の巻き付け工程は、工程Ｐ２１５に代えて、工程Ｐ２１１および工程Ｐ２１２を実行する点において、第１実施形態における繊維の巻き付け工程と異なる。第２実施形態における繊維の巻き付け工程のその他の手順（工程）は、第１実施形態における繊維の巻き付け工程と同じであるので、同一の手順（工程）には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

図９に示すように、工程Ｐ２１０完了後、繊維による第Ｎ層の押出力が、第Ｎ層における端側の領域の合計摩擦力以下となるように、端部領域（後述の端部領域１７１）の各周回分の繊維を巻き付ける（工程Ｐ２１１）。この工程Ｐ２１１は、形成しようとする層のうちの一部の領域（端部領域）のみを対象として繊維を巻き付ける点において、上述の第１実施形態における工程Ｐ２１５と異なる。

図１０は、フープ層１７における端部領域および中心領域を示す説明図である。図１１は、図１０における領域Ａｒ２を拡大して模式的に示す説明図である。図１１では、上述の３つの繊維層Ｌ１〜Ｌ３に加えて、最も外側の繊維層ＬＥも併せて表している。

図１０に示すように、本実施形態において、フープ層１７には、２つの端部領域１７１と中心領域１７２とが予め設定されている。中心領域１７２は、フープ層１７においてＸ軸方向に沿って中央部に連続する領域であり、端部領域１７１は、中心領域１７２の両端からそれぞれフープ層１７の端まで連なる領域である。

図１１に示すように、＋Ｘ方向側の端部領域１７１は、第１層Ｌ１の＋Ｘ方向の端から、軸線方向に沿って所定距離ｃ（以下、「第２の所定距離ｃ」とも呼ぶ）だけ−Ｘ方向に向かった位置（ライナ１１の中心ｃｐに向かった位置）までの各繊維層からなる領域である。この領域１７１に含まれる各周回分の繊維は、上述の式（Ｅ）を満たすような巻き付け張力にて巻き付けられる。なお、上述の工程Ｐ２１１では、＋Ｘ方向の端部領域１７１と、−Ｘ方向の端部領域１７１とに、それぞれ繊維が巻き付けられる。第２の所定距離ｃは、任意の距離に設定してもよい。例えば、端部領域１７１の−Ｘ方向の端が、繊維層ＬＥの＋Ｘ方向の端から５０ｍｍ（ミリメートル）だけ−Ｘ方向に向かった位置となるような距離に設定してもよい。

図９に示すように、工程Ｐ２１１の完了後、端部領域１７１の各周回分の繊維よりも大きな力で、中心領域１７２の各周回分の繊維が巻き付けられる（工程Ｐ２１２）。例えば、図１１に示す中心領域１７２において＋Ｘ方向の端に位置する繊維断面Ｗ１Ｘ，Ｗ２Ｘ，Ｗ３Ｘ，ＷＥＸは、いずれも、それぞれ対応する繊維層の端部領域１７１の各周回分の繊維よりも大きい巻き付け張力にて巻き付けられる。図９に示すように、工程Ｐ２１２の完了後、上述の工程Ｐ２２０および工程Ｐ２２５が実行されて繊維巻き付け工程は終了する。

以上説明した第２実施形態のタンクの製造方法は、第１実施形態のタンク製造方法と同様な効果を有する。すなわち、一般的に位置ずれが生じ易い端部領域１７１に含まれる繊維の位置ずれを抑制できる。加えて、中心領域１７２の各周回分の繊維を巻き付ける際には、端部領域１７１の各周回分の繊維を巻き付けるときの力よりも大きな力で繊維が巻き付けられるので、フープ層１７の強度を向上できる。なお、中心領域１７２の各周回分の繊維を巻き付ける場合、形成しようとする繊維層の１つ下の繊維層において、巻き付けようとする繊維に対応する位置から端側までの間に存在する繊維は非常に多い。このため、合計摩擦力が非常に大きくなるので、端部領域に比べて大きな力で中心領域の各周回分の繊維を巻き付けても、端部領域の繊維の位置ずれ発生は抑制される。

Ｃ．変形例：
Ｃ１．変形例１：
上記式（Ｅ）を満たすような巻き付け張力で繊維を巻き付ける対象となる繊維（周回）は、第１実施形態では全ての周回の繊維であり、第２実施形態では、端部領域１７１に含まれる周回分の繊維であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、端から所定の周回数分の繊維までは、上記式（Ｅ）を満たさない巻き付け張力で繊維を巻き付け、それよりも軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かう側の周回分の繊維を、上記式（Ｅ）を満たすような巻き付け張力で巻き付けてもよい。このような構成においても、少なくとも上記式（Ｅ）を満たすような巻き付け張力で巻き付けられた繊維に対応する下層の繊維について、各実施形態と同様な効果を奏する。

Ｃ２．変形例２：
第１実施形態では、同一の繊維層を形成することとなる各周回分の繊維層は、互いに同じ力で巻き付けられていた。また、第２実施形態においても、端部領域１７１および中心領域１７２において、それぞれ同一の繊維層をすることとなる各周回分の繊維層は、互いに同じ力で巻き付けられていた。しかしながら、本発明はこれらに限定されない。例えば、第１実施形態においては、軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かうにつれて次第に大きな力で繊維を巻き付けてもよい。また、これとは反対に、第１実施形態において、軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かうにつれて次第に小さな力で繊維を巻き付けてもよい。また、第２実施形態においては、端部領域１７１および中心領域１７２のうちの少なくとも一方において、軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かうにつれて次第に大きな力で繊維を巻き付けてもよい。また、これとは反対に、第２実施形態において、端部領域１７１および中心領域１７２のうちの少なくとも一方において、軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かうにつれて次第に小さな力で繊維を巻き付けてもよい。また、所定数の周回ごとに軸線方向に沿ってライナ１１の中心ｃｐに向かうにつれて繊維を巻き付ける力が次第に大きくなることと次第に小さくなることとが交互に生じるように、繊維を巻き付けてもよい。

Ｃ３．変形例３：
第２実施形態では、中心領域１７２の各周回分の繊維を巻き付ける際の力は、端部領域１７１の各周回分の繊維よりも大きな力であったが、本発明は、これに限定されない。第２実施形態とは反対に、中心領域１７２の各周回分の繊維を巻き付ける際の力を、端部領域１７１の各周回分の繊維よりも小さな力としてもよい。

Ｃ４．変形例４：
各実施形態において、第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の繊維を巻き付ける際に、かかる繊維に対して軸線方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）において対応する第Ｎ層における繊維が巻き付けられた際の力よりも小さな力で、繊維を巻き付けてもよい。このような構成によれば、第Ｎ層までの各繊維層およびライナの巻き締まりを抑制してタンク１０の変形を抑制できる。

Ｃ５．変形例５：
第２実施形態では、工程Ｐ２１１において、＋Ｘ方向の端部領域１７１と、−Ｘ方向の端部領域１７１とに、それぞれ繊維が巻き付けられた後に、工程Ｐ２１２において、中心領域１７２に繊維が巻き付けられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、＋Ｘ方向の端部領域１７１に繊維を巻き付けた後、中心領域１７２に繊維を巻き付け、その後に、−Ｘ方向の端部領域１７１に繊維を巻き付けてもよい。この構成においても、＋Ｘ方向の端部領域１７１および−Ｘ方向の端部領域１７１のそれぞれにおいて、上述の工程Ｐ２１１と同様な処理が実行され、中心領域１７２において、上述の工程Ｐ２１２と同様な処理が実行されることにより、第２実施形態と同様な効果を奏する。

Ｃ６．変形例６：
各実施形態において、ライナ１１に巻き付けられる繊維は、カーボン繊維およびガラス繊維であったが、本発明はこれに限定されない。金属や樹脂からなる繊維など、任意の繊維をライナ１１に巻き付けてもよい。また、各実施形態において、タンク１０は、高圧流体用タンクのタンクであったが、高圧流体用に限らず任意の用途で用いられるタンクであってもよい。

本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…タンク
１１…ライナ
１１ａ…円筒部
１１ｂ…ドーム部
１２…補強層
１３…口金部
１４…口金部
１７…フープ層
１７Ｅ…端部
１９…ヘリカル層
３０…張力調整装置
３１…アクティブダンサ
４０…繊維繰出部
５０…巻付部
１００…装置
１０１〜１０４…ボビン
１７１…端部領域
１７２…中心領域
Ａｒ１，Ａｒ２…領域
ＣＸ…軸線
ＥＡ…領域
Ｌ１…第１層
Ｌ２…第２層
Ｌ３…第３層
ＬＥ…繊維層
Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１Ｘ，Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２Ｘ，Ｗ３１，Ｗ３Ｘ，ＷＥ１，ＷＥＸ…繊維断面
ａ…第１の所定距離
ｂ…直径
ｃ…第２の所定距離
ｃｐ…ライナの中心
ｆ１〜ｆ４…繊維
ｒ１〜ｒ１１…ローラ

Claims (6)

1. タンクの製造方法であって、
   前記タンクの基材であるライナにフープ巻により繊維を巻き付けることにより、前記ライナの外周面に近い側から遠い側に向かって前記繊維からなる繊維層を順次積層する繊維巻き付け工程を備え、
   前記繊維巻き付け工程は、
   前記ライナの外周面に近い側から数えて第Ｎ＋１（Ｎは１以上の整数）番目の前記繊維層である第Ｎ＋１層を形成する際に、第Ｎ番目の前記繊維層である第Ｎ層において前記ライナの軸線方向に沿った端から前記軸線方向に沿って第１の所定距離だけ前記ライナの中心に向かった位置が、前記第Ｎ＋１層における前記軸線方向に沿った端の位置に、前記軸線方向と垂直な方向において対応するように、前記第Ｎ＋１層を形成し、
   前記第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の前記繊維を巻き付ける際に、該繊維によって前記第Ｎ層が前記軸線方向に沿って押出される押出力が、前記第Ｎ層において該繊維の巻き付け位置よりも前記軸線方向に沿って端側の領域の合計摩擦力以下となるように、該繊維を前記第Ｎ層上に巻き付ける、工程を含む、
   タンクの製造方法。
2. 請求項１に記載のタンクの製造方法において、
   前記押出力が前記合計摩擦力以下となるように前記繊維を前記第Ｎ層上に巻き付ける工程は、前記第Ｎ＋１層を形成することとなる繊維のうち、第１層の端から前記軸線方向に沿って第２の所定距離だけ前記ライナの中心に向かった位置までの各前記繊維層からなる領域である端部領域に含まれる前記繊維を対象に実行される、
   タンクの製造方法。
3. 請求項２に記載のタンクの製造方法において、
   前記繊維巻き付け工程は、前記端部領域に含まれる前記第Ｎ＋１層の前記繊維を、いずれも同じ力で前記第Ｎ層上に巻き付ける工程を含む、
   タンクの製造方法。
4. 請求項３に記載のタンクの製造方法において、
   前記繊維巻き付け工程は、前記第Ｎ＋１層を形成する前記繊維のうち、前記端部領域よりも前記軸線方向に沿って前記ライナの中心側の中心領域に含まれる前記繊維を、前記端部領域に含まれる前記繊維よりも大きな力で前記第Ｎ層上に巻き付ける工程を含む、
   タンクの製造方法。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のタンクの製造方法において、
   前記繊維巻き付け工程は、前記第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の前記繊維を巻き付ける際に、該繊維に対して前記軸線方向と垂直な方向において対応する前記第Ｎ層における前記繊維が巻き付けられた際の力よりも小さな力で、該繊維を前記第Ｎ層上に巻き付ける工程を含む、
   タンクの製造方法。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のタンクの製造方法において、
   前記繊維巻き付け工程は、前記第Ｎ＋１層に含まれることとなる１周回分の前記繊維を巻き付ける際の該繊維の巻き付け張力Ｔ（Ｎ＋１）を、式（Ｅ）を満たす張力となるように調整する工程を含み、
   前記式（Ｅ）は、
   Ｔ（Ｎ＋１）≦２×μ×Ｔ（Ｎ）×ａ／ｂ ・・・（Ｅ）
   であり、
   前記式（Ｅ）において、μは摩擦係数を示し、Ｔ（Ｎ）は前記第Ｎ層に含まれることとなる１周回分の前記繊維を巻き付ける際の該繊維の巻き付け張力を示し、ａは前記第１の所定距離を示し、ｂは前記繊維の直径を示す、
   タンクの製造方法。

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