JP7196871B2 - 高圧タンク - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンクに関する。

たとえば、天然ガス自動車または燃料電池自動車等には、燃料ガスを貯蔵する高圧タンクが利用されている。この種の高圧タンクは、燃料ガスを気密保持するためのライナーと、ライナーの外面を覆う補強層とを備えている。

このような高圧タンクとして、例えば、特許文献１には、筒状の胴体部と、胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部とを有するライナーを備えた高圧タンクが開示されている。高圧タンクは、ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層を備えている。

特開２０１７－１４１９４７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の高圧タンクでは、樹脂製のライナーは、繊維強化樹脂製の補強層よりも伸縮し易い。高圧タンク使用時のガスの充填または放出の際により、タンク内のガスが断熱膨張および断熱圧縮されると、補強層に拘束されたライナーが熱変化により伸縮し、ライナーが破損するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、ライナーが伸縮した際のライナーの破損を防止することができる高圧タンクを提供することを課題とする。

前記課題を鑑みて、本発明に係る高圧タンクは、筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部とを有したライナーと、前記ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層と、を少なくとも備えた高圧タンクであって、前記補強層は、前記胴体部を覆う筒部材と、前記側端部を覆うように前記筒部材の両側に接合されたドーム部材とを有し、前記ライナーは、ガスを収容する収容空間が形成された第１樹脂層と、前記第１樹脂層と少なくとも前記筒部材との間に形成された第２樹脂層とを有し、前記第２樹脂層を構成する第２樹脂の引張弾性率は、前記第１樹脂層を構成する第１樹脂の引張弾性率より低いことを特徴とする。

本発明によれば、ライナーの胴体部は、第１樹脂層と第２樹脂層との２層構造を有している。第２樹脂層を構成する第２樹脂の引張弾性率は、第１樹脂層を構成する第１樹脂の引張弾性率より低いため、第２樹脂は第１樹脂に比べて柔らかく変形し易い。したがって、第１樹脂層と少なくとも筒部材との間に形成された第２樹脂層を、第１樹脂層の伸縮により発生する熱応力を緩衝する緩衝層として機能させることができる。これにより、第１樹脂層の伸縮により第１樹脂層が損傷することを防止することができるとともに、ライナー内にガスを安定して保持することができる。

より好ましくは、前記第２樹脂層は、前記第１樹脂層を覆うように前記第１樹脂層と前記ドーム部材との間にも形成されている。上述したライナーの伸縮は、ライナーの胴体部とライナーの側端部との境界部分でも発生し易いところ、これらの境界部分も含めた側端部に、緩衝層となる第２樹脂層が配置されているため、第１樹脂層の損傷をより確実に防止することができる。

本発明によれば、ライナーが伸縮した際のライナーの破損を防止することができる。

本発明の一実施形態に係る高圧タンクの構造を示す模式的断面図である。 図１に示す高圧タンクの構造を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る高圧タンクの製造方法の工程を説明するフロー図である。 図３に示す準備工程において、筒部材の形成方法を説明するための模式的断面図である。 図３に示す準備工程において、ドーム部材の形成方法を説明するための部分断面図である。 図３に示す準備工程において、形成されたドーム部材を説明するための模式的断面図である。 図３に示す準備工程において、図４に示す筒部材に樹脂層を被覆した筒部材を説明する模式的断面図である。 図３に示す準備工程において、図６に示すドーム部材に樹脂層を被覆したドーム部材を説明する模式的断面図である。 図３に示す接合工程を説明するための模式的斜視図である。 図３に示す接合工程を説明するためのドーム部材と筒部材との部分断面図である。 図３に示す接合工程後の第１補強層および第２樹脂層を説明する模式的断面図である。 図３に示す第２補強層形成工程および第１樹脂層形成工程を説明する模式的断面図である。 図１に示す高圧タンクの変形例１を説明するための模式的断面図である。 図２に示す高圧タンクの変形例２を説明するための部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る高圧タンク１の実施形態およびその変形例について説明する。

以下では、高圧タンク１を、燃料電池車両に搭載される高圧の水素ガスが充填されるタンクとして説明するが、その他の用途についても適用することができる。また、高圧タンク１に充填可能なガスとしては、高圧の水素ガスに限定されず、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他のガスを挙げることができる。

１．高圧タンク１について
図１および図２に示すように、高圧タンク１は、両端がドーム状に丸みを帯びた略円筒形状の高圧ガス貯蔵容器である。高圧タンク１は、ガスバリア性を有するライナー２と、ライナー２の外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強部３と、を備える。補強部３は、ライナー２の外面を覆う第１補強層３０と、第１補強層３０の外面を覆う第２補強層３４と、を有する。高圧タンク１の一方端には、開口部が形成されており、開口部周辺には口金４が取り付けられている。

ライナー２は、高圧の水素ガスが充填される収容空間５を形成する樹脂製の部材である。ライナー２は、胴体部２ａと、胴体部２ａの両側に形成された側端部２ｂ、２ｃとを有している。胴体部２ａは、高圧タンク１の軸方向Ｘに沿って所定の長さで延在しており、円筒状の形状を有している。各側端部２ｂ、２ｃは、胴体部２ａの両側に連続して形成されており、ドーム状の形状を有している。側端部２ｂ、２ｃは、胴体部２ａから遠ざかるに従って縮径しており、一方の側端部２ｂには、最も縮径した部分に管状部２ｄが形成されており、この管状部２ｄには貫通穴２ｅが形成されている。

口金４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属材料を所定形状に加工したものである。口金４には、収容空間５に対して水素ガスを充填および排出するためのバルブ６が取り付けられている。バルブ６には、後述するドーム部材３２の突出部３２ｂにおいてライナー２の（第１樹脂層２４の）内面に接して高圧タンク１の収容空間５を封止するシール部材６ａが設けられている。

補強部３は、ライナー２を補強して高圧タンク１の剛性や耐圧性等の機械的強度を向上させる機能を有し、強化繊維（連続繊維）に樹脂が含浸された繊維強化樹脂により構成されている。本実施形態では、上述した如く、補強部３は、ライナー２の外面を覆う第１補強層３０と、第１補強層３０の外面を覆う第２補強層３４と、を有している。第１補強層３０は、ライナー２の胴体部２ａを覆う円筒状の筒部材３１と、側端部２ｂ、２ｃを覆うように筒部材３１の両側に接合されたドーム部材３２、３３とを有し、これらの部材により、一体的に形成されている。本実施形態の第１補強層３０が、本発明に係る「補強層」に相当する。

第１補強層３０は、強化繊維に樹脂が含浸された繊維強化樹脂層を複数積層した部材である。筒部材３１の強化繊維は、筒部材３１の軸方向Ｘに対して略直交する角度で周状に配向されており、言い換えると、筒部材３１の強化繊維は、筒部材３１の周方向に配向されている。ドーム部材３２、３３の強化繊維は、筒部材３１の周方向に配向されておらず、頂部近傍からその周端部３２ａ、３３ａに向かって、周方向と交差する様々な方向に延在している。

本実施形態では、筒部材３１の強化繊維と、ドーム部材３２、３３の強化繊維とは連続していない（繋がっていない）。これは、後述するように、筒部材３１とドーム部材３２、３３とを別々に形成した後、筒部材３１の両端にドーム部材３２、３３を取り付けているためである。

第１補強層３０（すなわち、筒部材３１およびドーム部材３２、３３）を構成する強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、および炭素繊維等を用いることができ、特に、軽量性や機械的強度等の観点から炭素繊維を用いることが好ましい。

第１補強層３０の強化繊維に含浸される樹脂（マトリクス樹脂）としては、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、たとえば、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルファイド、ポリアクリル酸エステル、ポリイミド、ポリアミド、ナイロン６、またはナイロン６，６等を挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、たとえば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、またはエポキシ樹脂等を挙げることができる。特に、機械的強度等の観点からエポキシ樹脂を用いることが好ましい。エポキシ樹脂は、未硬化状態では流動性があり、熱硬化後は強靭な架橋構造を形成する。

第２補強層３４は、強化繊維に樹脂が含浸された繊維強化樹脂層を複数積層した層である。第２補強層３４は、第１補強層３０の外面を覆うように形成されている。すなわち、本実施形態では、第２補強層３４は、筒部材３１の外面と、ドーム部材３２、３３の外面と、を覆う層である。

具体的には、第２補強層３４は、２つのドーム部材３２、３３に亘って繊維が配向された繊維強化樹脂からなる層である。第２補強層３４の強化繊維は、樹脂を含浸した繊維束のヘリカル巻きにより、筒部材３１の軸方向Ｘに対して傾斜するように配向されている。この強化繊維により、筒部材３１にドーム部材３２、３３を拘束することができる。このため、高圧タンク１の使用の際に、ガス圧によってドーム部材３２、３３が筒部材３１から軸方向Ｘにそって、外方に外れるのを防止することができる。

第２補強層３４を構成する強化繊維としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができる。

本実施形態では、ライナー２は、第１樹脂からなる第１樹脂層２４と、第２樹脂からなる第２樹脂層２０との２層構造を有する。具体的には、ライナー２は、ガスを収容する収容空間５が形成された第１樹脂層２４と、第１樹脂層２４と第１補強層３０（補強部３）との間に形成された第２樹脂層２０とを有する。第１樹脂層２４は、収容空間５側に配置されており、一方、第２樹脂層２０は、補強部３の第１補強層３０側に配置されている。

第１樹脂層２４は、ガスを収容する収容空間５を形成しており、収容空間５内で高圧ガスを保持する層である。第１樹脂層２４を構成する第１樹脂としては、充填されるガスを収容空間５内に保持する性能、即ち、ガスバリア性が良好な樹脂であることが好ましい。

第２樹脂層２０は、第１樹脂層２４を覆うように、第１樹脂層２４と第１補強層３０との間に形成されている。本実施形態では、第２樹脂層２０は、第１樹脂層２４と筒部材３１との間に形成された胴体領域２１と、第１樹脂層２４とドーム部材３２、３３との間に形成されたドーム状の側端領域２２、２３と、を備えている。胴体領域２１の両側には側端領域２２、２３が連続して形成されており、第２樹脂層２０は、胴体領域２１および側端領域２２、２３により１つの連続した層になっている。

ここで、本実施形態では、第２樹脂層２０を構成する第２樹脂の引張弾性率は、第１樹脂層２４を構成する第１樹脂の引張弾性率より低い。なお、ここでいう引張弾性率とは、ヤング率のことであり、縦弾性係数のことである。上述した引張弾性率の条件を満たすことを前提として、第１樹脂層２４を構成する第１樹脂と、第２樹脂層２０を構成する第２樹脂としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を挙げることができる。

第１樹脂および第２樹脂の熱可塑性樹脂としては、たとえばポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂（例えばナイロン６またはナイロン６，６）、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエチレン系樹脂、エチレン－ビニルアルコール共重合樹脂（ＥＶＯＨ）、ポリエステル系樹脂、および液晶ポリマー等を挙げることができる。

第１樹脂および第２樹脂の熱硬化性樹脂としては、たとえば、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、およびエポキシ樹脂等を挙げることができる。ここで、第１および第２樹脂の引張弾性率の関係は、上述した樹脂から異なる樹脂を選定することにより満たされるが、たとえば、樹脂に添加される添加剤等（熱硬化性樹脂の場合には、硬化剤の種類および添加量）等を調整することにより、これらの弾性率の関係を満たすことができる。たとえば、エポキシ樹脂の場合には、硬化剤の種類および添加量を調整することにより、引張弾性率を１０００ＭＰａ～９０００ＭＰａの範囲に調整することができ、上述した引張弾性率の関係を満たすように、第１樹脂と第２樹脂を選定することができる。

第２樹脂層２０を構成する第２樹脂の引張弾性率は、第１樹脂層２４を構成する第１樹脂の引張弾性率より低いため、第２樹脂は第１樹脂に比べて柔らかく変形し易い。したがって、第１樹脂層２４と少なくとも筒部材３１との間に形成された第２樹脂層２０を、第１樹脂層２４の伸縮により発生する熱応力を緩衝する緩衝層として機能させることができる。これにより、第１樹脂層２４の伸縮により第１樹脂層２４が損傷することを防止することができ、ライナー２内にガスを安定して保持することができる。

特に、ライナー２の伸縮は、ライナー２の胴体部２ａとライナー２の側端部２ｂ、２ｃとの境界部分でも発生し易い。そのため、第２樹脂層２０は、第１樹脂層２４を覆うように、第１樹脂層２４と筒部材３１との間とともに、第１樹脂層２４とドーム部材３２、３３との間にも、形成されていることが好ましい。このような構成にすれば、上述した境界部分も含めた側端部２ｂ、２ｃに、緩衝層となる第２樹脂層２０が配置されるため、第１樹脂層２４の損傷をより確実に防止することができる。特に、このような効果が発現し易い条件として、第２樹脂の引張弾性率と、第１樹脂の引張弾性率との差は、３００～５００ＭＰａの範囲であることが好ましい。

また、第２樹脂層２０を構成する第２樹脂の線膨張率は、第１樹脂層２４を構成する第１樹脂の線膨張率よりも低いことが好ましい。これにより、繊維強化樹脂からなる第１補強層３０、第２樹脂からなる第２樹脂層２０、第１樹脂からなる第１樹脂層２４の順に、熱により膨張および収縮し難いため、熱膨張および熱収縮により、第１樹脂層２４と第２樹脂層２０との界面にせん断応力が発生し難い。たとえば、第２樹脂がエポキシ樹脂（線膨張係数４．５～６．５×１０^－５／Ｋ）である場合には、第１樹脂にナイロン６（線膨張係数５．９～１０×１０^－５／Ｋ）、ナイロン６，６（線膨張係数８．０～１０×１０^－５／Ｋ）を挙げることができる。

第１樹脂のガス透過性は、第２樹脂のガス透過性よりも高い。すなわち、第２樹脂は、第１樹脂に比べてガスバリア性が高い。これにより、収容空間５に充填されたガスが第１樹脂層２４を透過した場合には、通過したガスが、第１樹脂層２４および第２樹脂層２０の界面に溜まることなく、第２樹脂層２０から補強部３を介して外部へ放出される。この結果、第１樹脂層２４および第２樹脂層２０の界面に溜まったガスに起因して、第１樹脂層２４および第２樹脂層２０が剥離することを防止することができる。

樹脂のガス透過性の程度は、例えば、ＪＩＳ Ｋ ７１２６等により、その樹脂のガス透過量を測定することにより、特定することができる。第１樹脂および第２樹脂のガス透過性の関係は、上に例示した樹脂から適宜選定することにより、満たすことができる。さらに、熱可塑性樹脂の場合には、モノマーの平均分子量、モノマーからポリマーへの樹脂の重合度等を調整すること等により、設定することができる。一方、熱硬化性樹脂の場合には、未硬化の熱硬化性樹脂の平均分子量、硬化剤の種類および量を調整することにより、設定することができる。

第１樹脂層２４を構成する第１樹脂と、第２樹脂層２０を構成する第２樹脂とは、ＳＰ値が近いことが好ましい。ここで、ＳＰ値とは、溶解度パラメータもしくは溶解性パラメータのことであり、樹脂同士のＳＰ値が近いほど相溶性（親和性）が高くなる。本実施形態では、第１樹脂層２４と第２樹脂層２０との樹脂のＳＰ値の差（絶対値）が７以下であることがより好ましい。

ＳＰ値の差を７以下とすることにより、第１樹脂層２４および第２樹脂層２０の相溶性が高まり、第１樹脂層２４と第２樹脂層２０との密着性が向上する。密着性が向上することにより、高圧タンク１を使用する際に、温度変化に起因した第１樹脂層２４と第２樹脂層２０との伸縮量の相違により、第１樹脂層２４と第２樹脂層２０とが剥離することを防止することができる。たとえば、エポキシ樹脂の場合には、ＳＰ値は、９．７～１０．９の範囲にあり、ナイロン６の場合には、１１．６程度であり、ナイロン６，６の場合には、ＳＰ値は、１３．６である。したがって、第１樹脂および第２樹脂にこれらの樹脂を選定すれば、ＳＰ値は、上述した関係を満たすことができる。

なお、第１樹脂および第２樹脂のＳＰ値の関係は、上に例示した樹脂から適宜選定することにより、満たすことができる。熱硬化性樹脂では、熱硬化性樹脂に含まれる硬化剤の種類や添加量等を調整することにより、所望のＳＰ値に設定することができる。一方、熱可塑性樹脂では、平均分子量等を調整することにより、所望のＳＰ値に設定することができる。

たとえば、第１補強層３０の繊維強化樹を構成する樹脂が、エポキシ樹脂である場合には、第２樹脂層２０の第２樹脂は、エポキシ樹脂であり、第１樹脂層２４の第１樹脂は、ナイロン６、またはナイロン６，６が好ましい。これにより、上述した第１および第２樹脂の引張弾性率の関係を満たすばかりでなく、上述した第１および第２樹脂の線膨張係数の関係、ＳＰ値の関係等を満たし易い。この他にも、第２樹脂層２０の第２樹脂は、ナイロン６，６である場合には、第１樹脂層２４の第１樹脂は、ナイロン６であることが好ましい。

第２樹脂層２０は、胴体領域２１と側端領域２２、２３とが同じ種類の第２樹脂で構成されていてもよく、胴体領域２１と側端領域２２、２３とが異なる種類の第２樹脂で構成されていてもよい。

２．高圧タンク１の製造方法について
次に、本実施形態に係る高圧タンク１の製造方法について説明する。図３は、高圧タンク１の製造方法の工程を説明するフロー図である。高圧タンク１の製造方法は、図３に示すように、準備工程Ｓ１と、接合工程Ｓ２と、第２補強層形成工程Ｓ３と、第１樹脂層形成工程Ｓ４とを含んでいる。

２－１．準備工程Ｓ１
準備工程Ｓ１においては、第２樹脂層２０となる樹脂層を被覆した、筒部材３１およびドーム部材３２、３３を別途準備してもよく、以下に説明するように、筒部材３１およびドーム部材３２、３３を形成した後に、これらに樹脂層を被覆してもよい。

（筒部材・ドーム部材形成）
筒部材３１の形成と、ドーム部材３２、３３の形成とは、互いに独立して行うため、並行して行ってもよいし、いずれか一方を先に行ってもよい。まず、以下に筒部材３１の形成方法について説明する。

図７に示す筒部材３１の形成方法では、図４に示すように、たとえば、円柱状のマンドレル１００の外面に、繊維シートＦ１を巻き付けることによって、筒部材３１を形成する。マンドレル１００の外径は、筒部材３１の内径に相当する外径であり、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａの最外位置における内周の径に相当する。マンドレル１００の材質は、特に限定されるものではないが、繊維シートＦ１を巻き付ける際に変形しない強度を確保するためには、金属であることが好ましい。

筒部材３１を形成する際には、回転機構（図示せず）によりマンドレル１００を周方向に回転させながら、巻出された繊維シートＦ１を、マンドレル１００に複数回巻き付ける。繊維シートＦ１は、一方向に引き揃えられた強化繊維に樹脂が含浸されたシートであり、強化繊維がマンドレル１００の周方向に配向されるように、繊維シートＦ１をマンドレル１００に巻き付ける。これにより、周方向に強化繊維が配向された筒部材３１が形成される。

繊維シートＦ１としては、たとえば、一方向に揃えられた複数の繊維束が拘束糸で編み込まれた所謂ＵＤ（Ｕｎｉ－Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）シートを用いたが、単一方向に揃えられた複数の繊維束とこの複数の繊維束に交差する、たとえば直交する複数の繊維束とが編み込まれた繊維シート等を用いてもよい。

繊維シートＦ１の強化繊維は、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを用いることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができる。

繊維シートＦ１の樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、未硬化の熱硬化性樹脂が完全に硬化した状態となるように、マンドレル１００に巻き付いた状態の繊維シートＦ１を加熱する。ここでは、「完全に硬化した状態」とは、未硬化の熱硬化性樹脂の重合反応が完了した状態をいい、加熱により、それ以上硬化しない状態のことをいう。但し、筒部材３１の保形性が確保されるのであれば、未硬化の熱硬化性樹脂が完全に硬化していない状態となるように、マンドレル１００に巻き付いた状態の繊維シートＦ１を加熱する。

ここでは、「完全に硬化していない状態」とは、加熱により、未硬化の熱硬化性樹脂の重合反応が進み、後の工程において保形性が確保することができるよう、熱硬化性樹脂の流動性が低下している状態をいう。なお、以下の明細書では、完全に硬化した状態を本硬化といい、完全に硬化していない状態を予備硬化といい、これらを総称して熱硬化という。

一方、繊維シートＦ１に含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、軟化した状態の熱可塑性樹脂を冷却し、繊維シートＦ１の樹脂を固化する。このようにして、筒部材３１の各周端部３１ａには、突き合わせ用の端面３１ｄが形成される。

樹脂の熱硬化または固化後、筒部材３１をマンドレル１００から取り外す。樹脂の熱硬化または固化により、筒部材３１の保形性が高まる。このため、マンドレル１００から筒部材３１を容易に脱型可能となり、マンドレル１００から筒部材３１を取り外す際の筒部材３１の変形を抑制することができる。

なお、ここでは、マンドレル１００の外面に繊維シートＦ１を巻き付けて筒部材３１を形成する例について説明した。しかしながら、マンドレル１００の外面にＦＷ法により樹脂が含浸された繊維束をフープ巻きすることによって、筒部材３１を形成してもよい。あるいは、その他の方法としては、回転するマンドレル１００の内面に繊維シートを貼り付ける、所謂ＣＷ（Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ Ｗｉｎｄｉｎｇ）法により筒部材３１を形成してもよい。

次に、図６に示すドーム部材３２、３３の形成方法では、図５に示すように、たとえばフィラメントワインディング法（ＦＷ法）により、樹脂が含浸された繊維束Ｆ２をマンドレル２００の外面に巻回する。具体的には、マンドレル２００は、本体部２０１と、本体部２０１の一端から外側に延在するシャフト部２０２と、を有する。

本体部２０１は、シャフト部２０２の軸方向から見て円形状に形成されている。本体部２０１の軸方向中央の外周面には、周方向に１周にわたって延在する溝部２０１ａが形成されている。マンドレル２００の外面は、ライナー２の胴体部２ａを除いてドーム状の側端部２ｂ、２ｃを繋ぎ合わせた形状であり、その繋ぎ目に相当する位置に溝部２０１ａが形成されている。シャフト部２０２は、回転機構（図示せず）に回転可能に支持されている。

ドーム部材３２、３３を形成する際には、まず、マンドレル２００を回転させることにより、マンドレル２００の外面を被覆するように繊維束Ｆ２を巻き付けて、巻回体３５を形成する。このとき、シャフト部２０２の外面にも繊維束Ｆ２を巻き付けることによって、図６に示すように、貫通穴３２ｃを有する円筒状の突出部３２ｂが形成される。繊維束Ｆ２を、シャフト部２０２の軸方向に対してたとえば３０～５０°で交差する角度で巻き付ける。なお、マンドレル２００の材質は、特に限定されるものではないが、繊維束Ｆ２を巻き付ける際に変形しない強度を確保するためには、金属であることが好ましい。

繊維束Ｆ２の強化繊維は、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを用いることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができる。繊維束Ｆ２の樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、熱可塑性樹脂を加熱して軟化させた状態で、マンドレル２００に繊維束Ｆ２を巻き付ける。一方、繊維束Ｆ２の樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、熱硬化性樹脂が未硬化の状態で、マンドレル２００に繊維束Ｆ２を巻き付ける。

次に、マンドレル２００の外面に巻回された巻回体３５を、カッター２１０（図５参照）を用いて２個に分割する。その後、図５に示すように、分割した巻回体３５をマンドレル２００から分離することによって一対のドーム部材３２、３３を形成する。

具体的には、図５に示した状態から、突出部３２ｂの外面に口金４を取り付ける。巻回体の繊維束Ｆ２に含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、予備硬化または本硬化の条件（加熱温度および加熱時間）で巻回体３５を熱硬化する。一方、巻回体３５の繊維束Ｆ２に含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、軟化した状態の熱可塑性樹脂を冷却し、繊維束Ｆ２の樹脂を固化する。

このように繊維束Ｆ２に含浸された樹脂を熱硬化または固化した状態で、マンドレル２００を回転させながら、カッター２１０の刃先をマンドレル２００の溝部２０１ａに挿入する。これにより、カッター２１０で繊維束Ｆ２が切断され、巻回体を２つに分割することができる。分割された巻回体をマンドレル２００から分離することによって、２つのドーム部材３２、３３を形成する。これにより、各ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａに、突き合わせ用のリング状の端面３２ｄ、３３ｄが形成される。なお、カッター２１０としては、特に限定されるものではないが、たとえば回転円盤の外周面に刃が形成されたものや、薄板の側面に刃が形成されたものや、レーザ光により繊維束Ｆ２を切断するものを用いることができる。

繊維束Ｆ２に含浸された樹脂を熱硬化または固化した状態で、カッター２１０により切断するので、切断時の繊維束Ｆ２の変形を抑制することができるとともに、マンドレル２００から取り外す際の２つのドーム部材３２、３３の変形を抑制することができる。

また、ここでは、繊維束Ｆ２の樹脂を熱硬化または固化した状態でカッター２１０により切断する例を示したが、繊維束Ｆ２の樹脂を熱硬化または固化することなくカッター２１０により切断してもよい。この場合には、繊維束Ｆ２をカッター２１０により切断した後に熱硬化または固化させてもよい。

なお、ここでは、樹脂が含浸された繊維束Ｆ２をマンドレル２００の外面に巻回する例を示したが、樹脂が含浸されていない繊維束Ｆ２をマンドレル２００の外面に巻回することで巻回体を形成した後、これに樹脂を含浸させてもよい。

また、ここでは、マンドレル２００の外面に繊維束Ｆ２を巻回した後に突出部３２ｂの外面に口金４を取り付ける例について説明したが、マンドレル２００の本体部２０１とシャフト部２０２との接続部に予め口金を取り付けておき、その状態でマンドレル２００の外面とともに口金の一部を繊維束Ｆ２で巻回してもよい。この場合には、口金の一部が繊維束Ｆ２に覆われて拘束された状態になるので、繊維束Ｆ２によって口金を強固に固定することができる。

（樹脂層の被覆）
図７および図８に示すように、上述したように形成した筒部材３１および２つのドーム部材３２、３３の内面を樹脂層２１Ａ～２３Ａで被覆する。この内面は、ライナー２の外面に接触する接触面３１ｆ～３３ｆであり、高圧タンク１の内側に位置する面である。具体的には、図７に示すように、筒部材３１の接触面３１ｆに被覆される樹脂層２１Ａは、図１に示す第２樹脂層２０の胴体領域２１に相当する。図８に示すように、ドーム部材３２、３３の接触面３２ｆ、３３ｆに被覆される樹脂層２２Ａ、２３Ａは、図１に示す第２樹脂層２０の側端領域２２、２３に相当する。

樹脂層２１Ａ～２３Ａの形成方法としては、樹脂層２１Ａは、液状または軟化した第２樹脂を、接触面３１ｆに塗布することにより形成してもよく、例えば、第２樹脂からなるシートを貼着することにより形成してもよい。同様に、各樹脂層２２Ａ、２３Ａは、液状または軟化した第２樹脂を、接触面３２ｆ、３３ｆに塗布することにより形成してもよく、例えば、第２樹脂からなるシートを貼着することにより形成してもよい。

第２樹脂としては、第２樹脂層２０と同様の材料を挙げることができる。本実施形態では、樹脂層２１Ａ～２３Ａを個別に形成するため、樹脂層２１Ａ～２３Ａを構成する第２樹脂を異なる種類の樹脂にすることが簡単にできる。

さらに、樹脂層２１Ａ～２３Ａの形成方法としては、接触面３１ｆ～３３ｆに、エポキシ樹脂などの２液混合型の熱硬化性樹脂を塗布し、これを乾燥させて、各樹脂層２１Ａ～２３Ａを形成してもよい。この他にも、ε－カプロラクタムなどの熱可塑性樹脂モノマーと触媒とを含む樹脂を接触面３１ｆ～３３ｆに塗布し、熱可塑性樹脂モノマーの重合反応が開始する温度以上で加熱することで、ナイロン６などの熱可塑性樹脂からなる樹脂層２１Ａ～２３Ａを形成してもよい。

第２樹脂が、熱硬化性樹脂である場合には、熱硬化性樹脂は未硬化であってもよく、熱硬化性樹脂が完全に硬化していない状態になるように、加熱により樹脂を予備硬化してもよく、完全に硬化した状態となるように、加熱により樹脂を本硬化してもよい。なお、第２樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、熱可塑性樹脂は固化した状態である。

本実施形態では、第２樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）は、筒部材３１およびドーム部材３２、３３の強化繊維に含浸されるマトリクス樹脂のＴｇよりも低いことが好ましい。これにより、樹脂層２１Ａ～２３Ａを、筒部材３１およびドーム部材３２、３３のマトリクス樹脂のＴｇよりも低い温度で、形成することができるため、筒部材３１およびドーム部材３２、３３の保形性を確保することができる。なお、熱硬化性樹脂では、熱硬化性樹脂に含まれる硬化剤の種類や添加量、等を調整することにより、所望のＴｇに設定することができる。さらに、熱可塑性樹脂の場合には、モノマーの平均分子量、モノマーからポリマーへの樹脂の重合度等を調整すること等により、所望のＴｇに設定することができる。

なお、本実施形態では、筒部材・ドーム部材形成と樹脂層の被覆とを個別に行ったが、たとえば、これらを同時に行ってもよい。具体的には、図４に示すマンドレル１００の表面に上述した方法で樹脂層を形成した後、この樹脂層の上に、筒部材３１を形成してもよい。同様に、図５に示すマンドレル２００の表面に上述した方法で樹脂層を形成した後、この樹脂層の上に、巻回体３５を形成した後、この巻回体３５を切断して、ドーム部材３２、３３を形成してもよい。

２－２．接合工程Ｓ２
接合工程Ｓ２では、図９および図１０に示すように、筒部材３１の両側の各周端部３１ａと、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを接合する。さらに、筒部材３１に被覆された樹脂層２１Ａと、ドーム部材３２、３３に被覆された樹脂層２２Ａ、２３Ａとを接合する。

この際には、筒部材３１の各周端部３１ａの端面３１ｄと、各ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａの端面３２ｄ、３３ｄとを突き合わせることにより、筒部材３１とドーム部材３２、３３との接合と、樹脂層２１Ａと樹脂層２２Ａ、２３Ａとの接合を行う。

これにより、図１１に示すように、筒部材３１および２つのドーム部材３２、３３を有する第１補強層３０と、胴体領域２１および側端領域２２、２３を有する第２樹脂層２０とを同時に形成することができる。なお、樹脂層２１Ａが、第２樹脂層２０の胴体領域２１となり、樹脂層２２Ａ、２３Ａが第２樹脂層２０の側端領域２２、２３となる。

ここで、筒部材３１とドーム部材３２、３３とを、例えば接着剤を介して接合してもよい。接着剤は、筒部材３１とドーム部材３２、３３とを構成する繊維強化樹脂に含浸された樹脂と同種の接着剤であることが好ましい。この他にも、筒部材３１とドーム部材３２、３３を構成する繊維強化樹脂の樹脂が、熱硬化性樹脂である場合、上述した如く、熱硬化性樹脂を予備硬化した状態でこれらを突き合わせ、熱硬化性樹脂を加熱により本硬化させて、これらを接合してもよい。

筒部材３１とドーム部材３２、３３とを構成する繊維強化樹脂の樹脂が、熱可塑性樹脂である場合、筒部材３１の各周端部３１ａの端面３１ｄと、各ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａの端面３２ｄ、３３ｄとを加熱し、熱可塑性樹脂が溶融した状態で、これらを突き合わせて熱融着（接合）してもよい。

筒部材３１を被覆した樹脂層２１Ａと、ドーム部材３２、３３を被覆した樹脂層２２Ａ、２３Ａとを、上述した接着剤を介して接合してもよい。接着剤は、筒部材３１とドーム部材３２、３３とを構成する繊維強化樹脂に含浸された樹脂と同種の接着剤であることが好ましいが、たとえば、樹脂層２１Ａ～２３Ａの樹脂と同種の樹脂からなる接着剤であってもよい。この他にも、樹脂層２１Ａ～２３Ａの樹脂が、熱硬化性樹脂である場合、熱硬化性樹脂を未硬化の状態または予備硬化の状態でこれらを突き合わせた状態で、熱硬化性樹脂を加熱により本硬化させて、これらを接合してもよい。樹脂層２１Ａ～２３Ａの樹脂が、熱可塑性樹脂である場合が、樹脂層２１Ａ～２３Ａの各端部を加熱し、熱可塑性樹脂が溶融した状態で、これらを突き合わせて熱融着（接合）してもよい。

２－３．第２補強層形成工程Ｓ３
第２補強層形成工程Ｓ３において、図１２に示すように、第１補強層３０の外面を覆うように第２補強層３４を形成する。

この工程では、第２補強層３４となる樹脂が含浸された繊維束を、ＦＷ法で、第１補強層３０の表面に、ヘリカル巻きで層状に巻き付ける。ヘリカル巻きは、ドーム部材３２、３３に亘って、筒部材３１の軸方向Ｘに対して斜め（１０°以上６０°以下の範囲）に巻き進む巻き方である。巻き付けられた繊維束の層数は、第２補強層３４の強度が確保されるのであれば、特に限定されるものではないが、たとえば２～１０層程度である。

繊維束の強化繊維は、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができ、強化繊維に含浸される樹脂としては、第１補強層３０で例示した材料と同様のものを挙げることができる。

２－４．第１樹脂層形成工程Ｓ４
次に、第１樹脂層形成工程Ｓ４において、図１２に示すように、樹脂が未硬化または軟化した状態の第２補強層３４が第１補強層３０の表面を覆うように形成された状態で、第２樹脂層２０の表面を覆うように第１樹脂層２４を形成する。第１樹脂層２４は、第１樹脂を塗布することにより形成する。

第１樹脂を塗布する方法は、第２樹脂層２０の表面に第１補強層３０を形成することができる方法であれば、特に限定されるものではない。たとえば、図１２に示すように、第２樹脂層２０の内部空間と外部空間とを連通している貫通穴３２ｃを介して、ノズル３００を挿入し、ノズル３００から第１樹脂を吐出する。吐出する際、ノズル３００を軸方向Ｘに沿って移動させるとともに、第１補強層３０を周方向に回転させる。これにより、第２樹脂層２０の全面に第１樹脂を塗布する。塗布後、貫通穴３２ｃを介して、ノズル３００を内部空間から引き出す。第１樹脂としては、上述した第１樹脂層２４を構成する樹脂として例示した樹脂と同様のものを挙げることができる。

本実施形態では、第１樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）は、第２樹脂層２０を構成している第２樹脂のＴｇよりも低いことが好ましい。これにより、第１樹脂を塗布した際に、本硬化または固化した第２樹脂層２０の第２樹脂が過度に流動化することを防止することができる。なお、上述したように、熱硬化性樹脂では、熱硬化性樹脂に含まれる硬化剤の種類や添加量、等を調整することにより、所望のＴｇに設定することができる。さらに、熱可塑性樹脂の場合には、モノマーの平均分子量、モノマーからポリマーへの樹脂の重合度等を調整すること等により、所望のＴｇに設定することができる。

また、第２樹脂層２０を構成している第２樹脂が未硬化または予備硬化の熱硬化性樹脂の場合、第１樹脂のゲル化温度は、第２樹脂のゲル化温度よりも１０℃以上低いことが好ましい。これにより、第１樹脂層２４および第２樹脂層２０を本硬化する際には、第１樹脂がまず本硬化するため、ライナー２の形状を保持し易い。また、同様の観点から、第１樹脂は、第２樹脂層２０の雰囲気温度（具体的には、常温）で本硬化する樹脂を用いることが好ましい。第１樹脂が第２樹脂層２０の表面に塗布された際に、第１樹脂が硬化するため、ライナー２の形状を保持し易い。

第２補強層３４に含まれる樹脂および第１樹脂が熱可塑性樹脂の場合には、樹脂を冷却して固化する。なお、熱可塑性樹脂が、熱可塑性樹脂モノマーとこれを重合反応させる触媒である場合、重合反応の開始温度以上で加熱することにより第２補強層３４および第１樹脂層２４を形成することができる。一方、第２補強層３４に含まれる樹脂および第１樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、加熱により、樹脂を本硬化する。この際、第１補強層３０および第２樹脂層２０の樹脂が完全に硬化していない場合には、これらの樹脂も本硬化させる。なお、第１補強層３０および第２樹脂層２０が完全に硬化している場合には、第２補強層３４および第１樹脂の本硬化は、第１補強層３０の樹脂が流動化しない条件、および、第２樹脂層２０の樹脂が多少流動化してもよいが、過度に流動化しない条件で行うことが好ましい。

なお、樹脂を本硬化または固化する際、収容空間５内を加圧してもよい。これにより、第１樹脂層２４と第２樹脂層２０との接着性を向上することができる。

図１に示すように、第１樹脂層２４が形成されることにより、第１樹脂層２４と第２樹脂層２０とを有するライナー２を形成することができる。また、第１樹脂層２４が形成されることにより、第２樹脂層２０の胴体領域２１と側端領域２２、２３との継ぎ目が第１樹脂層２４で覆われるため、ライナー２の気密性を確保することができる。一方、第２補強層３４が形成されることにより、第１補強層３０と第２補強層３４とを有する補強部３を形成することができる。また、第２補強層３４が形成されることにより、筒部材３１にドーム部材３２、３３を拘束することができる。

このようにして、第１樹脂層２４とともに、第２補強層３４とを形成した後、図１に示すように、口金４にバルブ６を取り付けることによって、高圧タンク１が完成する。

なお、ここでは、第１補強層３０の表面に、繊維束でヘリカル巻きをした後に、第２樹脂層２０の表面に、第１樹脂を塗布する例を説明したが、第２樹脂層２０の表面に第１樹脂を塗布した後に、第１補強層３０の表面に繊維束でヘリカル巻きを行ってもよい。

また、ここでは、第２補強層３４および第１樹脂層２４の固化または本硬化を同時に行ったが、第２補強層３４および第１樹脂層２４のいずれか一方を先に固化または本硬化して、その後、他方を固化または本硬化してよい。

図１３は、本実施形態の変形例１に係る高圧タンク１の構造を示す模式的断面図である。図１３に示す変形例１が本実施形態とは異なる点は、ライナー２は、胴体部２ａのみに第２樹脂層２０を有する点である。よって、以下に主として相違点について説明し、本実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

変形例１の高圧タンク１では、ライナー２は、第１樹脂層２４と、第１樹脂層２４および筒部材３１の間のみに形成された第２樹脂層２０との２層構造である。したがって、第２樹脂層２０は、胴体領域２１のみからなる。

ところで、ライナー２の胴体部２ａは、側端部２ｂ、２ｃよりも表面積が大きいため、ライナー２が伸縮した際に、側端部２ｂ、２ｃよりも胴体部２ａの方が、第１補強層３０に拘束され易い。これにより、胴体部２ａは、側端部２ｂ、２ｃよりも破損し易い。そこで、変形例１では、第１補強層３０に拘束され易い胴体部２ａのみに第２樹脂層２０を有することにより、ライナー２が伸縮した際に、第１補強層３０の拘束に起因した第１樹脂層２４の破損を効果的に防止することができる。

変形例１の高圧タンク１の製造方法が上述した図３に示す製造方法とは異なる点を以下に説明する。図３に示す準備工程Ｓ１において、準備するドーム部材３２、３３は、図６に示す、樹脂層２２Ａ、２３Ａで被覆していないものである。具体的には、図５および図６に示すようにドーム部材３２、３３を形成した後、ドーム部材３２、３３の接触面３２ｆ、３３ｆを樹脂層２２Ａ、２３Ａで被覆しない。図３に示す接合工程Ｓ２では、樹脂層２１Ａで被覆した筒部材３１の両側の各周端部３１ａと、樹脂層２２Ａ、２３Ａで被覆していない状態のドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを接合する。図３に示す第１樹脂層形成工程Ｓ４では、ドーム部材３２、３３の接触面３２ｆ、３３ｆおよび第２樹脂層２０（ここでは、側端領域２１）の表面を覆うように、第１樹脂層２４を形成する。このようにして、第１樹脂層２４と、第１樹脂層２４および筒部材３１の間のみに形成された第２樹脂層２０とを有するライナー２を形成することができる。

図１４は、本実施形態の変形例２に係る高圧タンク１の構造を示す部分的断面図である。図１４に示すように、変形例２が本実施形態とは異なる点は、筒部材３１の各周端部３１ａ、３１ａと、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとが嵌合している点である。よって、以下に主として相違点について説明し、本実施形態と同じ部材および部分に関しては、同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。

変形例２では、筒部材３１とドーム部材３２、３３とは、軸方向Ｘの周端部３１ａ、３２ａ、３３ａの厚みが、端部に進むに従って徐々に薄くなるように、形成されている。このような形状とすることにより、筒部材３１の周端部３１ａ、３１ａと、各ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを重ね合わせた際、筒部材３１の外面とドーム部材３２、３３の外面との接続部分に段差が形成され難くなる。

変形例２の高圧タンク１の製造方法が上述した図３に示す製造方法とは異なる点を以下に説明する。図３に示す準備工程Ｓ１において、筒部材３１の軸方向Ｘの両端の厚みを徐々に薄く形成するために、図４に示す繊維シートＦ１の軸方向Ｘ（幅方向）の端部の繊維束の厚みが徐々に薄くなるように繊維束が編み込まれていてもよく、繊維シートＦ１の巻き付け幅を徐々に狭くしてもよい。この他にも、筒部材３１の軸方向Ｘの両端をローラー等で押さえつけることによって厚みを徐々に薄くしてもよい。なお、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａも、ローラー等で押さえつけることにより、他の部分に比べて厚みを薄くしてもよい。

また、図３に示す接合工程Ｓ２では、筒部材３１の各周端部３１ａ、３１ａに、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａを接合する。具体的には、筒部材３１の周端部３１ａと、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとの一方を内側にし、他方を外側にして嵌め合せる。これにより、筒部材３１とドーム部材３２、３３との接合をより強固にすることができるため、ガス圧によってドーム部材３２、３３と筒部材３１とが外れるのをより確実に防止することができる。

なお、変形例２でも、第２樹脂層２０が、変形例１と同様に、第１樹脂層２４および筒部材３１の間のみに形成されていてもよい。

また、図面には示していないが、本実施形態の変形例３に係る高圧タンク１として、筒部材３１と、ドーム部材３２、３３との間に接合部材を備えていてもよい。このような構成にすれば、筒部材３１と、ドーム部材３２、３３との接着性を向上することができるため、ガス圧によってドーム部材３２、３３と筒部材３１とが外れるのをより確実に防止することができる。さらに、胴体領域２１と、側端領域２２、２３との間にも接合部材が配置されているため、この接合部材をシール材として作用することができる。これにより、ライナー２内に収容された高圧ガスの気密性を高めることができる。

接合部材は、胴体領域２１を含む筒部材３１の各周端部３１ａと、側端領域２２、２３を含むドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとの間に配置されている。接合部材は、第２樹脂層２０を含む端面３１ｄ～３３ｄに応じたリング状の形状であってもよく、周端部３１ａおよび周端部３２ａ、３３ａに嵌合するような形状であってもよい。接合部材は、樹脂からなり、筒部材３１および各ドーム部材３２、３３を構成する繊維強化樹脂の樹脂、または、第２樹脂層２０の樹脂、と同じ樹脂であることが好ましい。なお、変形例３でも、第２樹脂層２０が、変形例１と同様に、第１樹脂層２４および筒部材３１の間のみに形成されていてもよい。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、ライナーの胴体部および筒部材の形状は、円筒状であったが、樹脂層で被覆された筒部材の両端のそれぞれに、樹脂層で被覆されたドーム部材を接合することが可能であれば、円筒状に限定されるものではない。たとえば、ライナーの胴体部および筒部材の形状は、扁平した形状（楕円形状）、多角形の形状等でもよい。

また、上記実施形態では、いずれか一方のドーム部材のみに貫通穴を設けるとともに、高圧タンクのいずれか一方端に口金を設ける例について説明したが、本発明はこれに限らず、ドーム部材の両方に貫通穴を設けるとともに、高圧タンクの両方に口金を設けてもよい。

また、上記実施形態では、３つの部材（筒部材、ドーム部材）によって第１補強層を形成する例について示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、４つ以上の部材（２つ以上の筒部材、ドーム部材）によって第１補強層を形成してもよい。この場合には、２つ以上の筒部材を互いに接合した後に、その両端にドーム部材を接合してもよい。また、ドーム部材に筒部材を１つずつ接合した後に、それらを接合してもよい。

１：高圧タンク、２：ライナー、２ａ：胴体部、２ｂ、２ｃ：側端部、５：収容空間、２０：第２樹脂層、２４：第１樹脂層、３０：補強層（第１補強層）、３１：筒部材、３２、３３：ドーム部材

Claims (2)

1. 筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部とを有したライナーと、
   前記ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂からなる補強層と、を少なくとも備えた高圧タンクであって、
   前記補強層は、前記胴体部を覆う筒部材と、前記側端部を覆うように前記筒部材の両側に接合されたドーム部材とを有し、
   前記ライナーは、ガスを収容する収容空間が形成された第１樹脂層と、前記第１樹脂層と少なくとも前記筒部材との間に形成された第２樹脂層とを有し、
   前記第２樹脂層を構成する第２樹脂の引張弾性率は、前記第１樹脂層を構成する第１樹脂の引張弾性率より低いことを特徴とする高圧タンク。
2. 前記第２樹脂層は、前記第１樹脂層を覆うように前記第１樹脂層と前記ドーム部材との間にも形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高圧タンク。

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