JP7359167B2 - 高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法に関する。

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、繊維強化樹脂からなる補強層と、ガスを収容する収容空間とを有している。

たとえば、このような高圧タンクとして、特許文献１には、ライナの外表面に形成され、繊維強化樹脂からなる第１補強層と、第１補強層を覆うように形成され、繊維強化樹脂からなる第２補強層とを有する高圧タンクが提案されている。特許文献１に記載の高圧タンクでは、ガスバリア性を有するライナが、ガスを収容する収容空間を形成している。

特開２０１２－１４９７３９号公報

ところで、高圧タンクでは、出荷前に、高圧タンクの収容空間に水を充填することで耐圧検査が実施されるが、検査後、充填された水が収容空間から十分に除去されず、除去されなかった水が収容空間に残存することがある。また、高圧タンクの使用の際、温度変化に起因して収容空間に結露水が発生することがある。このような水は、使用時における高圧タンクの姿勢から、高圧タンクの筒部分（胴体部）の内面に溜りやすい。

しかしながら、特許文献１に記載の高圧タンクでは、胴体部にガスの透過を抑制するライナ（樹脂層）が形成されているため、胴体部のライナが水に直接接触してしまう。そのため、ライナ（樹脂層）の材質によっては、水に起因してライナが劣化するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、本発明として、ガスの透過を抑制する樹脂層が、水に接触することに起因して劣化することを防止する高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法を提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る高圧タンクは、繊維強化樹脂からなる第１補強層と、前記第１補強層を覆うように形成され、繊維強化樹脂からなる第２補強層とを有し、ガスを収容する収容空間が形成された高圧タンクであって、前記第１補強層は、筒部材の両端部に一対のドーム部材が接合された層であって、前記筒部材の内周面は、前記収容空間に露出しており、前記第２補強層は、前記第１補強層の前記一対のドーム部材をわたすように、樹脂を含浸した繊維束がヘリカル巻きで巻回された層であり、前記第１補強層と、前記第２補強層との間において、前記筒部材を覆うように、樹脂層が形成されており、前記樹脂層は、前記第１補強層に比べて、厚さ方向において、前記ガスの透過性が低いことを特徴とする。

本発明によれば、筒部材を覆う樹脂層は、第１補強層に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低い（すなわち、ガスバリア性が高い）ので、第１補強層の筒部材を透過するガスが、第２補強層を介して、外部に漏洩することを抑えることができる。さらに、樹脂層は、収容空間を形成していないので、収容空間に水があっても、その水が、樹脂層に直接接触することはない。したがって、水に接触することに起因した樹脂層の劣化を抑えることができる。

好ましい態様としては、前記筒部材の外側から各ドーム部材が前記筒部材に嵌合しており、前記筒部材と前記各ドーム部材とが嵌合した嵌合部において、前記筒部材と前記各ドーム部材との間に、前記樹脂層の一部が形成されていてもよい。

この態様によれば、筒部材と各ドーム部材とが嵌合した嵌合部では、収容空間からのガスが漏洩し易いところ、筒部材と各ドーム部材との間に、樹脂層の一部が形成されているので、筒部材とドーム部材との間からのガスの漏洩を抑えることができる。

本明細書では、上述した高圧タンクの製造方法を開示する。本発明の高圧タンクの製造方法は、繊維強化樹脂からなる第１補強層と、前記第１補強層を覆うように形成され、繊維強化樹脂からなる第２補強層とを有し、ガスを収容する収容空間が形成された高圧タンクの製造方法であって、前記製造方法は、前記第１補強層となる接合体であり、筒部材の両端部に一対のドーム部材が接合した接合体を準備する工程と、準備した前記接合体に対して、前記一対のドーム部材をわたすように、樹脂を含浸した繊維束をヘリカル巻きで巻回することで、前記第２補強層を形成する工程と、を含み、前記準備する工程において、前記接合体として、前記筒部材の内周面が、前記収容空間に露出した接合体であって、前記筒部材を覆うように、樹脂層が形成された接合体を準備し、前記樹脂層は、前記第１補強層に比べて、厚さ方向において、前記ガスの透過性が低いことを特徴とする。

本発明によれば、筒部材を覆う樹脂層は、第１補強層に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低いので、第１補強層の筒部材を透過するガスが、第２補強層を介して、外部に透過することを抑えた高圧タンクを製造することができる。したがって、筒部材の内周面に、ガスバリア性の高いライナを形成しなくてもよい。さらに、樹脂層は、収容空間を形成していないので、収容空間に水があっても、その水が、樹脂層に直接接触することはない。したがって、樹脂層が水に接触することによる劣化を抑えることができるため、水に劣化し易い樹脂等、使用可能な樹脂層の材料の選択の幅が広がる。

好ましい態様としては、前記準備する工程において、外周面に前記樹脂層が覆われた前記筒部材に対して、前記筒部材の外側から前記各ドーム部材を嵌合することにより、前記筒部材と前記ドーム部材とが嵌合した嵌合部において、前記筒部材と前記各ドーム部材との間に、前記樹脂層の一部を形成してもよい。

この態様によれば、筒部材とドーム部材との間に、樹脂層の一部が形成された高圧タンクを得ることができるので、筒部材とドーム部材との間から、ガスの漏洩を抑えることができる。

本発明の高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法によれば、ガスの透過を抑制する樹脂層が、水に接触することに起因して劣化すること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。 図１に示す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に示す部材形成工程において、筒部材の形成方法を説明するための断面図である。 図３に示す部材形成工程において、一対の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に示す部材形成工程において、形成された一対のドーム部材の断面図である。 図３に示す部材形成工程において、図６に示す一対のドーム部材に第２樹脂層を形成した一対のドーム部材の断面図である。 図３に示す第１樹脂層形成工程を説明するための断面図である。 図３に示す第１補強層形成工程を説明するための模式的斜視図である。 図３に示す第１補強層形成工程において、形成された接合体の断面図である。 図１に示す高圧タンクの変形例の構造を示す断面図である。 図１１に示す高圧タンクの構造を示す部分断面図である。 図１１に示す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１３に示す第１補強層形成工程を説明するための模式的斜視図である。 図１３に示す第１樹脂層形成工程において、形成された接合体の断面図である。

以下に、図１～図１５を参照しながら本発明に係る実施形態およびその変形例について説明する。

１．高圧タンク１について
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。

図１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ガスバリア部２と、繊維強化樹脂からなる補強部３と、を少なくとも備えている。ガスバリア部２は、第１樹脂層２１および第２樹脂層２２、２３を有し、補強部３は、第１補強層３０および第２補強層３４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。また、高圧タンク１には、ガスを収容する収容空間５が形成されている。高圧タンク１は、使用時には、高圧タンク１の（後述する筒部材３１）の軸線が水平方向に沿うように、平置きで設置される。

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、ガスバリア部２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。

ガスバリア部２は、収容空間５に収容されたガスが外部に漏洩すること抑制する層であり、上述したように、第１樹脂層２１と、第２樹脂層２２、２３とを有する。なお、本実施形態の第１樹脂層２１が、本発明に係る「樹脂層」に相当する。第１樹脂層２１と、第２樹脂層２２、２３については、後述する。

補強部３は、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。補強部３は、第１補強層３０と、第１補強層３０の外面を覆うように形成された第２補強層３４と、を有している。第１補強層３０は、円筒状の筒部材３１と、筒部材３１の両端部３１ａ、３１ａに接合された一対のドーム部材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。

第１補強層３０は、強化繊維に樹脂（マトリクス樹脂）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。一対のドーム部材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、各ドーム部材３２（３３）の頂部近傍から各ドーム部材の周端部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、一対のドーム部材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と一対のドーム部材３２、３３とを別々に形成した後、筒部材３１の両端に一対のドーム部材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および一対のドーム部材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ことができる。

第２補強層３４は、強化繊維に樹脂（マトリクス樹脂）が含浸された繊維強化樹脂層を複数積層した層である。本実施形態では、第２補強層３４は、筒部材３１に形成された第１樹脂層２１の表面と、ドーム部材３２、３３の外面とを覆うように形成されている。

具体的には、第２補強層３４は、一対のドーム部材３２、３３をわたすように、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、マトリクス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に沿って、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マトリクス樹脂としては、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、ガスバリア部２の第１樹脂層２１は、第１補強層３０と、第２補強層３４との間において、筒部材３１を覆うように形成されている。たとえば、第１樹脂層２１の厚さは、第１補強層３０の厚さよりも薄く、第１樹脂層２１の厚さは、０．０５ｍｍ～５ｍｍの厚さであり、第１補強層３０の厚さは、１０ｍｍ以上であってもよい。ここで、第１樹脂層２１は、第１補強層３０に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低い（すなわち、ガスバリア性が高い）。

これにより、第１補強層３０を透過するガスが、第２補強層３４を介して、外部に漏洩することを抑えることができる。特に、ガスの透過量は、高圧タンク１の表面積が大きくなると増加するところ、本実施形態では、筒部材３１の表面積は、一対のドーム部材３２、３３の表面積よりも大きいため、筒部材３１の方がドーム部材３２、３３よりもガスの透過量が大きい。そこで、筒部材３１に第１樹脂層２１を形成することにより、第１補強層３０を透過するガスが、第２補強層３４を介して外部に漏洩することを、効果的に抑えることができる。

ここで、「第１樹脂層２１は、第１補強層３０に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低い」とは、筒部材３１の径方向において、第１補強層３０に比べて、第１樹脂層２１の方が、ガスが透過し難い（ガスバリア性が高い）ことをいう。なお、これらのガス透過性の関係は、第１樹脂層２１と同じ厚さのテストピースと、第１補強層３０と同じ厚さのテストピースとを作製し、これらのテストピースに対する、ガス（収容するガス）の透過量を測定することにより、検証することができる。たとえば、第１樹脂層２１の樹脂が、第１補強層３０の強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂よりも、ガス透過性が低い樹脂を用いてもよい。

さらに、第１樹脂層２１は、第１補強層３０および第２補強層３４に対して、接着性を有することが好ましい。これにより、高圧タンク１を使用する際に、第１補強層３０と第２補強層３４との間で剥離が発生することを防止することができ、高圧タンク１の耐疲労強度を維持することができる。

たとえば、第１樹脂層２１を構成する樹脂と、第１補強層３０を構成する繊維強化樹脂の樹脂とが、架橋反応または重合反応等の化学反応により、化学的に結合されていることが好ましい。

第１樹脂層２１の材料としては、母材としてのガスバリア性を有した合成樹脂と、接着性を向上させるエラストマとを含む樹脂材料を用いてもよい。ガスバリア性を有した合成樹脂としては、マトリクス樹脂よりガスバリア性が高い樹脂であれば、特に限定されるものではなく、たとえば、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、たとえば、ポリエステル系樹脂またはポリビニルアルコール系樹脂等を挙げることができる。高ガスバリア性を考慮すると、ポリエステル系樹脂としては、ポリエチレンナフタラート（ＰＥＮ）が好ましく、ポリビニルアルコール系樹脂としては、エチレン－ビニル－アルコール共重合体（ＥＶＯＨ）が好ましい。

エラストマとしては、接着性を向上させるものであれば、特に限定されるものではなく、たとえば、ゴム、または、ゴムの表面に官能基を有するように改質された改質ゴムを用いることができる。ゴムとしては、エチレン－ブテン共重合体（ＥＢＲ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）等を挙げることができる。

改質ゴムの官能基としては、第１補強層３０および第２補強層３４に対して接着性を向上させる官能基であれば特に限定されるものではない。たとえば、第１補強層３０および第２補強層３４のマトリクス樹脂がエポキシ樹脂である場合には、改質ゴムの官能基は、エポキシ基に反応する官能基であればよく、たとえば、カルボキシル基、水酸基、またはアミノ基等を挙げることができる。

このような樹脂材料の例としては、ＰＥＮと、カルボキシル基もしくはアミノ基を有する改質ゴムとを含む樹脂材料、または、ＥＶＯＨと、カルボキシル基もしくはアミノ基を有する改質ゴムとを含む樹脂材料等を挙げることができる。

また、第１樹脂層２１の材料としては、３層構造を有するシート材料またはフィルム材料を用いてもよい。具体的には、ガスバリア性を有したバリア層の両面に、接着性を有した接着層が形成されたシート材料またはフィルム材料を用いてもよい。バリア層の樹脂としては、上述したガスバリア性を有した合成樹脂と同様の樹脂を挙げることができ、たとえば、ＥＶＯＨまたはＰＥＮ等を挙げることができる。接着層の樹脂として、たとえば、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂またはポリアミド（ＰＡ）樹脂等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。

このようなシート材料またはフィルム材料の例としては、ＥＶＯＨからなるバリア層の両面に、ＰＰからなる接着層が形成されたシート材料またはフィルム材料を挙げることができる。この他にも、ＥＶＯＨからなるバリア層の両面にＰＡからなる接着層が形成されたシート材料等を挙げることができる。

この他にも、第１樹脂層２１の材料として、ウレタン樹脂に無機材料等のフィラーが添加された接着材料を用いてもよい。ウレタン樹脂を用いることにより、第１樹脂層２１に、低温で高い伸び特性を発現することができ、フィラーを添加することにより、第１樹脂層２１のガスバリア性を高めることができる。この他にも、高ガスバリア性を有するとともに、低温で高い伸び特性を有する点から、第１樹脂層２１の材料として、変性エポキシ樹脂からなる接着材料を用いてもよい。

本実施形態では、図１に示すように、第２樹脂層２２、２３は、一対のドーム部材３２、３３の高圧タンク１の内側に位置する内面３２ｆ、３３ｆ（図６を参照）をそれぞれ覆うように、形成されている。しかしながら、第２樹脂層２２、２３の形成は、図１に示す態様に限定されるものではなく、第２樹脂層２２、２３は、第１補強層３０と、第２補強層３４との間において、一対のドーム部材３２、３３をそれぞれ覆うように、形成されていてもよい。

第２樹脂層２２、２３の材料としては、第１樹脂層２１の材料として例示した樹脂材料、シート材料等、または接着材料を用いてよい。なお、第１樹脂層２１および第２樹脂層２２、２３の材料は、同じ種類の材料を用いてもよく、異なる種類の材料を用いてもよい。

本実施形態の高圧タンク１では、図１に示すように、筒部材３１の内周面３１ｂは、収容空間５に露出しており、収容空間５は、筒部材３１の内周面３１ｂと第２樹脂層２２、２３とにより形成されている。したがって、第１樹脂層２１は、収容空間５を形成していないので、いわゆる平置きされた高圧タンク１の筒部材３１の内周面３１ｂに水が溜ったとしても、その水が第１樹脂層２１に直接接触することはない。結果として、水に接触することによる第１樹脂層２１の劣化を抑えることができる。

たとえば、ＰＥＮおよびＥＶＯＨ等のような高ガスバリア性を有する樹脂は、分子内に極性基を有するところ、極性基に起因して、加水分解し易くまたは水による膨潤が発生し易い結果、ガスバリア性が低減することがある。しかしながら、本実施形態では、上述の如く、第１樹脂層２１が水に直接接触しないため、第１樹脂層２１の高ガスバリア性を確保することができる。

また、本実施形態の高圧タンク１では、図２に示すように、筒部材３１の外側から各ドーム部材３２（３３）が筒部材３１に嵌合している。詳細には、筒部材３１の外側から、各ドーム部材３２（３３）の周端部３２ａ（３３ａ）が、筒部材３１の各端部３１ａに嵌合している。ここで、筒部材３１の外周面３１ｃ（図４を参照）には第１樹脂層２１が被覆されている。

このような筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）とが嵌合した嵌合部３０ａでは、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間に、第１樹脂層２１の一部が形成されている。これにより、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）とが嵌合した嵌合部３０ａでは、収容空間５からのガスが漏洩し易いところ、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間からのガスの漏洩を抑えることができる。

さらに、本実施形態では、各ドーム部材３２（３３）の内面３２ｆ（３３ｆ）には第２樹脂層２２（２３）が被覆されている。嵌合部３０ａでは、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間に、第１樹脂層２１の一部とともに、第２樹脂層２２（２３）の一部が形成され、第１樹脂層２１の一部と第２樹脂層２２（２３）の一部とが重なり合っている（接合している）。これにより、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間からのガスの漏洩を効果的に抑えることができる。

２．高圧タンク１の製造方法について
次に、本発明の一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、部材形成工程Ｓ１１と、第１樹脂層形成工程Ｓ１２と、第１補強層形成工程Ｓ１３と、第２補強層形成工程Ｓ１４とを含んでいる。なお、部材形成工程Ｓ１１と、第１樹脂層形成工程Ｓ１２と、第１補強層形成工程Ｓ１３とが、本発明でいう「接合体を準備する工程」に相当する。

２－１．部材形成工程Ｓ１１について
図３に示すように、高圧タンク１の製造方法では、まず、部材形成工程Ｓ１１を行う。この工程では、筒部材３１の形成と、第２樹脂層２２、２３を被覆した一対のドーム部材３２、３３の形成とを行う。この工程を省略し、筒部材３１と、第２樹脂層２２、２３を被覆した一対のドーム部材３２、３３とを別途準備してもよい。

（筒部材３１の形成方法）
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Ｄ１は、筒部材３１の内径に相当する外径であり、筒部材３１の外側から各ドーム部材３２（３３）が筒部材３１に嵌合することができる大きさに設定されることが好ましい。

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マトリクス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マトリクス樹脂としては、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。

筒部材３１は、図４に示すように、軸方向Ｘの各端部３１ａ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の両端部３１ａ、３１ａと、ドーム部材３２、３３の周端部３２ａ、３３ａとを、それぞれ重ね合わせた際、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。

筒部材３１の軸方向Ｘの両端部３１ａ、３１ａの厚みを徐々に薄く形成するために、繊維シートＦ１の巻き付け幅を徐々に狭くしてもよく、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、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の外面にフィラメントワインディング法（ＦＷ法）によりマトリクス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。

マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、マンドレル１００に巻き付いた状態の繊維シートＦ１を加熱し、未硬化の熱硬化性樹脂を硬化させる。一方、マトリクス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。マトリクス樹脂の硬化または固化後、筒部材３１をマンドレル１００から取り外す。なお、熱硬化性樹脂を用いた場合には、後述する第１樹脂層形成工程Ｓ１２まで行った後、マトリクス樹脂を硬化させるとともに、第１樹脂層２１の樹脂と化学反応（架橋反応または重合反応等）させてもよい。これにより、筒部材３１と第１樹脂層２１との接着性を高めることができる。

（第２樹脂層付き一対のドーム部材３２、３３の形成方法）
第２樹脂層２２、２３を被覆した一対のドーム部材３２、３３の形成方法では、まず、図６に示す一対のドーム部材３２、３３を形成する。この形成方法では、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、マトリクス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は、一対のドーム部材３２、３３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。

一対のドーム部材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度で交差する角度で巻き付ける。

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マトリクス樹脂としては、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のマトリクス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のマトリクス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。

なお、各ドーム部材３２（３３）の周端部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、巻回体３５の繋ぎ目に相当する位置の近傍をローラー等で押さえつけてよい。

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６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、巻回体３５を硬化する。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、一対のドーム部材３２、３３を形成する。

次に、図６および図７に示すように、形成した一対のドーム部材３２、３３の内面３２ｆ、３３ｆに第２樹脂層２２、２３をそれぞれ形成する。具体的には、第１樹脂層２１の材料として例示した樹脂材料または接着材料を使用する場合には、液状または軟化したこれらの材料を、内面３２ｆ、３３ｆに塗布し、これを硬化または固化することにより、第２樹脂層２２、２３をそれぞれ形成してもよい。あるいは、第１樹脂層２１の材料として例示したシート材料等を使用する場合には、シート材料等を内面３２ｆ、３３ｆに貼着することにより、第２樹脂層２２、２３をそれぞれ形成してもよい。

本実施形態では、一対のドーム部材３２、３３の形成と第２樹脂層２２、２３の被覆とを個別に行ったが、これらを同時に行ってもよい。この場合には、図５に示すマンドレル２００の表面に第２樹脂層２２、２３となる樹脂層を形成した後、この樹脂層の上に、巻回体３５を形成する。次いで、この巻回体３５を切断して、第２樹脂層２２、２３付の一対のドーム部材３２、３３を形成してもよい。

ここでは、ドーム部材３２、３３の内面３２ｆ、３３ｆに第２樹脂層２２、２３をそれぞれ形成する場合を説明したが、これに限定されず、一対のドーム部材３２、３３の高圧タンク１の外側に位置する外面３２ｇ、３３ｇ（図６を参照）に第２樹脂層２２、２３をそれぞれ形成してもよい。この場合、ドーム部材３２、３３の内面３２ｆ、３３ｆを、収容空間５に露出してもよい。

２－２．第１樹脂層形成工程Ｓ１２について
次に、図３に示すように、第１樹脂層形成工程Ｓ１２を行う。この工程では、図４および図８に示すように、準備した筒部材３１の外周面３１ｃを覆うように第１樹脂層２１を形成する。ここで、第１樹脂層２１は、第１補強層３０に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低い。また、第１樹脂層２１は、第１補強層３０および第２補強層３４に対して、接着性を有することが好ましい。

第１樹脂層２１を形成する際、材料として、上述した如く、母材としてのガスバリア性を有した合成樹脂と、接着性を向上させるエラストマとを含む樹脂材料を用いる場合には、液状または軟化した樹脂材料を筒部材３１の外周面３１ｃに塗布してもよい。

ここで、第１樹脂層２１（または母材の合成樹脂）が、熱可塑性樹脂であり、第２補強層３４のマトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合、第１樹脂層２１の樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）は、第２補強層３４のマトリクス樹脂の硬化の温度よりも低いことが好ましい。

これにより、後述する第２補強層３４のマトリクス樹脂を加熱により硬化する際に、第１樹脂層２１の熱可塑性樹脂を軟化（溶融）し、第２補強層３４に第１樹脂層２１が密着する。さらに、第１樹脂層２１と第２補強層３４のマトリクス樹脂とを、架橋反応または重合反応等の化学反応により、化学的に結合してもよい。この結果、第１樹脂層２１を介した第１補強層３０および第２補強層３４の接着性を向上することができる。なお、熱可塑性樹脂では、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補強層３４のマトリクス樹脂がエポキシ樹脂である場合には、上述した樹脂材料に含まれるエラストマは、エポキシ樹脂のエポキシ基に反応する官能基を表面に有するように改質された改質ゴムであることが好ましい。官能基としては、カルボキシル基、水酸基、またはアミノ基等を挙げることができる。これにより、第２補強層３４のマトリクス樹脂を加熱により硬化する際に、第２補強層３４のエポキシ樹脂と改質ゴムの官能基とを化学結合する。この結果、第１補強層３０および第２補強層３４の接着性を向上することがきる。

また、第１樹脂層２１を形成する際、材料として、上述した如く、ガスバリア性を有したバリア層の両面に、接着性を有した接着層が形成されたシート材料またはフィルム材料を、筒部材３１の外周面３１ｃに、少なくとも１回周回するように貼着してもよい。

なお、接着層が熱可塑性樹脂であり、第２補強層３４のマトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、第２補強層３４のマトリクス樹脂を硬化する温度条件で、熱可塑性樹脂がマトリクス樹脂と化学的に結合することが好ましい。

この他にも、第１樹脂層２１となる材料として、上述した接着材料を用いる場合には、接着材料を外周面３１ｃに塗布してもよい。第１樹脂層２１の材料に含まれる樹脂材料または接着材料が、熱硬化性樹脂である場合には、樹脂を熱により硬化させる。なお、熱硬化性樹脂を用いた場合には、第２補強層形成工程Ｓ１４で、第２補強層３４のマトリクス樹脂とともに第１樹脂層２１の熱硬化性樹脂を硬化させてもよい。これにより、第１樹脂層２１および第２補強層３４の接着性を高めることができる。

なお、本実施形態では、マンドレル１００に筒部材３１を形成した状態で、第１樹脂層２１を続けて形成したが、たとえば、マンドレル１００から筒部材３１と取り外した後、第１樹脂層２１を形成してもよい。

２－３．第１補強層形成工程Ｓ１３について
次いで、図３に示すように、第１補強層形成工程Ｓ１３を行う。この工程では、図９および図１０に示すように、筒部材３１の両端部３１ａ、３１ａに、一対のドーム部材３２、３３を接合する。具体的には、筒部材３１の各端部３１ａに、各ドーム部材３２（３３）の周端部３２ａ（３３ａ）を接合する。これにより、第１補強層３０となる接合体３０Ａを形成することができる。

ここで、本実施形態では、筒部材３１は外周面３１ｃに第１樹脂層２１が形成された状態であり、一対のドーム部材３２、３３は、内面３２ｆ、３３ｆに第２樹脂層２２、２３が形成された状態である。このような筒部材３１と一対のドーム部材３２、３３を接合することにより、図１０に示すように、第１補強層３０とガスバリア部２とを有する接合体３０Ａを形成することができる。

接合する際、外周面３１ｃに第１樹脂層２１が覆われた筒部材３１に対して、筒部材３１の外側から各ドーム部材３２（３３）を嵌合する。これにより、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）とが嵌合した嵌合部３０ａ（図２を参照）において、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間に、第１樹脂層２１の一部を形成する。この結果、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間に、第１樹脂層２１の一部が形成された高圧タンク１を得ることができるので、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間から、ガスの漏洩を抑えることができる。

なお、本実施形態では、嵌合部３０ａでは、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間に、第１樹脂層２１の一部とともに、第２樹脂層２２（２３）の一部が形成されている。そのため、接合の際、第１樹脂層２１の一部と第２樹脂層２２（２３）の一部とが重なり合うように、これらを接合する。

筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との接合は、嵌合部３０ａに形成された第１および第２樹脂層２１～２３を介して接合してもよい。第１および第２樹脂層２１～２３を構成する樹脂が熱可塑性樹脂の場合には、嵌合部３０ａを加熱して、熱可塑性樹脂を溶融させて、嵌合部３０ａを熱融着（接合）してもよい。一方、第１および第２樹脂層２１～２３を構成する樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、嵌合部３０ａを加熱により硬化させて嵌合部３０ａを接合してもよい。

この他にも、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）を構成するマトリクス樹脂が、熱可塑性樹脂の場合には、筒部材３１の各端部３１ａと、各ドーム部材３２（３３）の周端部３２ａ（３３ａ）とを加熱し、熱可塑性樹脂が溶融した状態で、これらを嵌合させて熱融着（接合）してもよい。一方、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）を構成するマトリクス樹脂が、熱硬化性樹脂の場合には、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）とが嵌合した状態で、熱硬化性樹脂を加熱により硬化させてこれらを接合してもよい。

このようにして準備した接合体３０Ａでは、図１０に示すように、筒部材３１の内周面３１ｂが、収容空間５に露出しており、筒部材３１の内周面３１ｂと第２樹脂層２２、２３とにより、収容空間５が形成されている。つまり、第１樹脂層２１は、収容空間５を形成していない。

さらに、接合体３０Ａでは、筒部材３１の外周面３１ｃは、第１樹脂層２１で覆われている。これにより、後述する第２補強層３４を形成する際、第１補強層３０と第２補強層３４との間において、筒部材３１を覆うように、第１樹脂層２１を形成することができる。このような第１樹脂層２１は、上述した如く、第１補強層３０に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低い。

２－４．第２補強層形成工程Ｓ１４について
次に、図３に示すように、第２補強層形成工程Ｓ１４を行う。この工程では、図１０および図１に示すように、準備した接合体３０Ａに対して、一対のドーム部材３２、３３をわたすように、樹脂（マトリクス樹脂）を含浸した繊維束をヘリカル巻きで巻回することで、第２補強層３４を形成する。

具体的には、第２補強層３４となるマトリクス樹脂が含浸された繊維束を、ＦＷ法で、接合体３０Ａの表面に、ヘリカル巻きで層状に巻き付ける。ここで、本実施形態では、上述の如く、接合体３０Ａでは、筒部材３１の外周面３１ｃは、第１樹脂層２１で覆われているため、繊維束を、第１樹脂層２１の表面およびドーム部材３２、３３の外面３２ｇ、３３ｇに巻き付ける。

ヘリカル巻きは、ドーム部材３２、３３にわたって、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マトリクス樹脂としては、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。

繊維束を接合体３０Ａの外面に巻き終えた後、繊維束に含浸されたマトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合、この樹脂を硬化させる。この際、第１補強層３０のマトリクス樹脂と、第１および第２樹脂層２１～２３の樹脂とが、熱硬化性樹脂で、完全に硬化していない場合、これらの樹脂も硬化させる。一方、繊維束に含浸されたマトリクス樹脂が熱可塑性樹脂の場合、この樹脂を、放冷または強制冷却によって冷却して固化させる。この際、第１補強層３０のマトリクス樹脂と、第１および第２樹脂層２１～２３の樹脂とが熱可塑性樹脂で、完全に固化していない場合には、これらの樹脂も冷却して固化させる。

このようにして、第２補強層３４を形成することにより、第１補強層３０および第２補強層３４を有する補強部３を形成することができる。補強部３では、第１補強層３０と第２補強層３４との間において、筒部材３１を覆うように、第１樹脂層２１が形成されている。これにより、第１樹脂層２１を介して、第１補強層３０と第２補強層３４との接着性を向上することができるため、第１補強層３０と第２補強層３４との間に空隙が発生し難い。

第２補強層３４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。

本実施形態によれば、上述したように、第１補強層３０と第２補強層３４との間で、筒部材３１を覆う第１樹脂層２１は、第１補強層３０に比べて、厚さ方向において、ガスの透過性が低い。このため、第１補強層３０を透過するガスが、第２補強層３４を介して、外部に漏洩することを抑えた高圧タンク１を製造することができる。したがって、筒部材３１の内周面３１ｂに、ガスバリア性の高いライナを形成しなくてもよい。

さらに、上述したように、第１樹脂層２１は、収容空間５を形成していないので、収容空間５に水があっても、その水に直接接触することはない。したがって、第１樹脂層２１が水に接触することによる劣化を抑えることができるため、水で劣化し易い樹脂等も使用可能となる結果、使用可能な樹脂層の材料の選択の幅が広がる。たとえば、官能基として親水基を有する樹脂（たとえば、ＰＥＮ、ＥＶＯＨ、またはウレタン）等を好適に採用することができる。

３．本実施形態の変形例について
図１１～図１５を参照して本実施形態の変形例について説明する。以下では、相違点について主に説明し、上述した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。

上述の実施形態の高圧タンク１では、嵌合部３０ａにおいて、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との間に、第１樹脂層２１の一部が形成されている例を説明したが、嵌合部３０ａの構造はこれに限定されるものではない。

たとえば、図１１、１２に示す本変形例の高圧タンク１の如く、嵌合部３０ｂにおいて、各ドーム部材３２（３３）の外面３２ｇ（３３ｇ）の少なくとも一部を覆うように、第１樹脂層２１が連続して形成されていてもよい。具体的には、後述する筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）とを接合した接合体３０Ｂ（図１５参照）の外周面において、筒部材３１と各ドーム部材３２（３３）との境界部分を覆うように、第１樹脂層２１が延在している。これにより、この境界部分からのガスの漏れを、第１樹脂層２１で抑制することができる。

図１３に示すように、本変形例の高圧タンク１の製造方法では、第１補強層形成工程と、第１樹脂層形成工程の順序が、上述した実施形態とは異なり、相違点のみ、以下に説明する。なお、部材形成工程Ｓ２１、第１補強層形成工程Ｓ２２、および第１樹脂層形成工程Ｓ２３が本発明でいう「接合体を準備する工程」に相当する。

本変形例の高圧タンク１の製造方法では、部材形成工程Ｓ２１は、上述した実施形態の部材形成工程Ｓ１１と同様である。第１補強層形成工程Ｓ２２では、図１４に示すように、第１樹脂層２１を形成する前に、筒部材３１の両端部３１ａ、３１ａに、一対のドーム部材３２、３３を接合し、接合体３０Ｂを作製する。

次いで、図１３に示すように、第１樹脂層形成工程Ｓ２３を行う。この工程では、図１５に示すように、上述した実施形態の第１樹脂層形成工程Ｓ１２と同様にして、接合体３０Ｂの状態で、筒部材３１の外周面３１ｃに、第１樹脂層２１を形成する。具体的には筒部材３１の外周面３１ｃとともに、各ドーム部材３２（３３）を周端部３２ａ（３３ａ）の外周面を覆うように、第１樹脂層２１を形成する。

次いで、図１３に示すように、第２補強層形成工程Ｓ２４を行う。この工程では、図１５および図１１に示すように、上述した実施形態の第２補強層形成工程Ｓ１４と同様にして、第２補強層３４を形成する。このようして、本変形例に係る高圧タンク１を得ることができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１：高圧タンク、５：収容空間、２１：樹脂層、３０：第１補強層、３０ａ：嵌合部、３０Ａ、３０Ｂ：接合体、３１：筒部材、３１ａ：端部、３１ｂ：内周面、３１ｃ：外周面、３２、３３：一対のドーム部材、３４：第２補強層

Claims (4)

1. 繊維強化樹脂からなる第１補強層と、前記第１補強層を覆うように形成され、繊維強化樹脂からなる第２補強層とを有し、ガスを収容する収容空間が形成された高圧タンクであって、
   前記第１補強層は、筒部材の両端部に一対のドーム部材が接合された層であって、前記筒部材の内周面は、前記収容空間に露出しており、
   前記第２補強層は、前記第１補強層の前記一対のドーム部材をわたすように、樹脂を含浸した繊維束がヘリカル巻きで巻回された層であり、
   前記第１補強層と、前記第２補強層との間において、前記筒部材を覆うように、樹脂層が形成されており、
   前記樹脂層は、前記第１補強層に比べて、厚さ方向において、前記ガスの透過性が低いことを特徴とする高圧タンク。
2. 前記筒部材の外側から各ドーム部材が前記筒部材に嵌合しており、
   前記筒部材と前記各ドーム部材とが嵌合した嵌合部において、前記筒部材と前記各ドーム部材との間に、前記樹脂層の一部が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。
3. 繊維強化樹脂からなる第１補強層と、前記第１補強層を覆うように形成され、繊維強化樹脂からなる第２補強層とを有し、ガスを収容する収容空間が形成された高圧タンクの製造方法であって、
   前記製造方法は、前記第１補強層となる接合体であり、筒部材の両端部に一対のドーム部材が接合した接合体を準備する工程と、
   準備した前記接合体に対して、前記一対のドーム部材をわたすように、樹脂を含浸した繊維束をヘリカル巻きで巻回することで、前記第２補強層を形成する工程と、を含み、
   前記準備する工程において、前記接合体として、前記筒部材の内周面が、前記収容空間に露出した接合体であって、前記筒部材を覆うように、樹脂層が形成された接合体を準備し、前記樹脂層は、前記第１補強層に比べて、厚さ方向において、前記ガスの透過性が低いことを特徴とする高圧タンクの製造方法。
4. 前記準備する工程において、外周面に前記樹脂層が覆われた前記筒部材に対して、前記筒部材の外側から前記各ドーム部材を嵌合することにより、前記筒部材と前記ドーム部材とが嵌合した嵌合部において、前記筒部材と前記各ドーム部材との間に、前記樹脂層の一部を形成することを特徴とする請求項３に記載の高圧タンクの製造方法。
   

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