JP7087907B2 - 高圧タンクおよび高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、高圧タンクに関する。

従来、圧縮水素が充填される高圧タンクが存在する（特許文献１）。特許文献１の高圧タンクは、ライナーと、補強層と、保護層と、口金と、を備える。 ライナーは、内部空間に充填された水素等が外部に漏れないように遮断する性質（いわゆるガスバリア性）を有する。補強層は、ライナーの外表面全体と、口金の一部を覆うように形成されている。補強層は、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔiｃｓ）から成り、耐圧性を有する。保護層は、補強層上に形成されている。保護層は、ガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔiｃｓ）から成り、補強層よりも高い耐衝撃性を有する。

特開２０１８－１００７６８号公報

特許文献１に記載された高圧タンクについて、高温多湿の環境下でガスの充填と放出を繰り返し行うと、保護層の一部が剥離し、まくれることを、本願の発明者は発見した。さらに、本願の発明者は、そのような剥離が、保護層のうちガラス繊維がヘリカル巻きされている層とガラス繊維がフープ巻きされている層との間において生じていることを発見した。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
高圧タンクであって、
炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂層の上に設けられているヘリカル層であって、ヘリカル巻きされているガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い第１の繊維と、前記第１の繊維を固定している第１の樹脂と、を含むヘリカル層と、
前記ヘリカル層に対して前記高圧タンクの外側に位置するフープ層であって、フープ巻きされているガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い第２の繊維と、前記第２の繊維を固定している第２の樹脂と、を含むフープ層と、
前記ヘリカル層と前記フープ層の間に位置する中間層であって、前記第１の繊維と前記第２の繊維の少なくとも一方よりも細いガラス繊維である第３の繊維と、前記第３の繊維と前記ヘリカル層の前記第１の繊維と前記フープ層の前記第２の繊維とを固定している第３の樹脂と、を含む中間層と、を備える、高圧タンク。
高圧タンクの製造方法であって、
高圧タンクの半製品に設けられており炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂層の上に、樹脂を含浸させたガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い繊維を、ヘリカル巻きすることによりヘリカル層を形成する工程と、
樹脂を含浸させたガラス繊維である繊維を前記ヘリカル層の上に配することにより中間層を形成する工程と、
樹脂を含浸させたガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い繊維を、前記中間層の上にフープ巻きすることにより、フープ層を形成する工程と、を備え、
前記中間層の前記繊維は、前記ヘリカル層の前記繊維と前記フープ層の前記繊維の少なくとも一方よりも細い、高圧タンクの製造方法。

（１）本開示の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、ヘリカル巻きされている第１の繊維と、前記第１の繊維を固定している第１の樹脂と、を含むヘリカル層と、前記ヘリカル層に対して前記高圧タンクの外側に位置するフープ層であって、フープ巻きされている第２の繊維と、前記第２の繊維を固定している第２の樹脂と、を含むフープ層と、前記ヘリカル層と前記フープ層の間に位置する中間層であって、前記第１の繊維と前記第２の繊維の少なくとも一方よりも細い第３の繊維と、前記第３の繊維と前記ヘリカル層の前記第１の繊維と前記フープ層の前記第２の繊維とを固定している第３の樹脂と、を含む中間層と、を備える。
このような態様とすれば、第１の繊維と第２の繊維の少なくとも一方よりも細い第３の繊維によって、ヘリカル層の最外層を形成する第１の繊維と、フープ層の最内層を形成する第２の繊維と、の間の隙間を、小さくすることができる。このため、ヘリカル層の最外層を形成する第１の繊維と、フープ層の最内層を形成する第２の繊維と、の間の隙間を埋めて、第１の繊維と第２の繊維を固定している第３の樹脂における亀裂の発生を抑制することができる。その結果、フープ層がヘリカル層から剥離する可能性を小さくすることができる。
（２）上記形態の高圧タンクにおいて、前記第３の繊維は、前記第３の樹脂を含浸されて、第１の向きと、前記第１の向きとは異なる第２の向きと、に配されて、シートを形成している、態様とすることもできる。
このような態様とすれば、第１の繊維がさまざまな向きに配されているヘリカル層の最外層と、フープ層の最内層の第２の繊維との間の隙間を、ヘリカル層の最外層における第１の繊維の向きによらず、第３の繊維によって小さくすることができる。
（３）上記形態の高圧タンクにおいて、円筒部と、前記円筒部の両端に配されるドーム部と、を備えるライナーであって、前記ライナーを囲むように、前記ヘリカル層が形成されているライナーを備え、前記第３の繊維は、前記円筒部を囲むように配される１枚の前記シートＦ３を形成している、態様とすることもできる。
このような態様とすれば、円筒部の周りについて、均一にフープ層とヘリカル層を接合することができる。
（４）本開示の他の形態によれば、高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、樹脂を含浸させた繊維を高圧タンクの半製品の上にヘリカル巻きすることによりヘリカル層を形成する工程と、樹脂を含浸させた繊維を前記ヘリカル層の上に配することにより中間層を形成する工程と、樹脂を含浸させた繊維を、前記中間層の上にフープ巻きすることにより、フープ層を形成する工程と、を備え、前記中間層の前記繊維は、前記ヘリカル層の前記繊維と前記フープ層の前記繊維の少なくとも一方よりも細い。
このような態様とすれば、ヘリカル層の繊維とフープ層の繊維の少なくとも一方よりも細い繊維によって、ヘリカル層の最外層を形成する繊維と、フープ層の最内層を形成する繊維と、の間の隙間を、小さくすることができる。このため、ヘリカル層の最外層を形成する繊維と、フープ層の最内層を形成する繊維と、の間の隙間を埋めて、両者を固定する樹脂における亀裂の発生を抑制することができる。その結果、フープ層がヘリカル層から剥離する可能性を小さくすることができる。
（５）上記形態の高圧タンクの製造方法において、前記中間層を形成する工程は、前記中間層の前記繊維が、第１の向きと、前記第１の向きとは異なる第２の向きと、に配されているシートＦ３を、前記ヘリカル層の上に配する工程を含む、態様とすることもできる。
このような態様とすれば、繊維を巻き付けることによって中間層の繊維を配する態様に比べて、短時間で、中間層の繊維を配することができる。
（６）上記形態の高圧タンクの製造方法において、前記高圧タンクの半製品は、円筒部と、前記円筒部の両端に配されるドーム部と、を備えるライナーを含み、前記シートＦ３を前記ヘリカル層の上に配する工程は、１枚の前記シートＦ３を、前記円筒部を囲むように配する工程である、態様とすることもできる。
このような態様とすれば、円筒部の周りについて、均一にフープ層とヘリカル層を接合することができる。
本開示は、高圧タンク以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンクの製造方法、その製造方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

本開示技術の一実施形態としての高圧タンクの概略構成を示す断面図である。 円筒部１０２に位置する保護層２５の断面の拡大図である。 高圧タンク１００の製造方法を示すフローチャートである。 図３のステップＳ３２０において、タンク本体に巻き付けられたヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１の状態を表す、説明図である。 図３のステップＳ３４０において、ヘリカル層２５２の上に配された中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２の状態を表す、説明図である。 図３のステップＳ３６０において、中間層２５６の上に巻き付けられたフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２の状態を表す、説明図である。 中間層２５６を有さない比較形態の高圧タンク１００ｃについて、高温多湿の環境下でガスの充填と放出を繰り返し行った結果を示す、写真である。 図７に示した構成のうち補強層２０の一部と保護層２５を示す、拡大図である。 比較形態の高圧タンク１００ｃにおいて、ヘリカル層２５２とフープ層２５４との間において、剥離が生じるしくみを示す説明図である。 本実施形態の高圧タンク１００において、ヘリカル層２５２とフープ層２５４との間において、剥離の発生が抑制されるしくみを示す説明図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．高圧タンクの構成：
図１は、本開示技術の一実施形態としての高圧タンクの概略構成を示す断面図である。高圧タンク１００は、中空容器であり、内部に圧縮水素が充填されるガスタンクである。高圧タンク１００は、燃料電池に水素を供給するために、燃料電池自動車に搭載される。

高圧タンク１００は、その構成部分として、円筒部１０２と、一対のドーム部１０４と、を有する。高圧タンク１００の円筒部１０２は、略円筒状の形状を有する。高圧タンク１００のドーム部１０４は、円筒部１０２の半径と同じ半径を有する略半球状の形状を有する。ドーム部１０４は、円筒部１０２の両端に、それらの円形の開口が円筒部１０２側を向くように、配されている。図１においては、円筒部１０２とドーム部１０４との境界を、破線で示す。円筒部１０２と、ドーム部１０４とは、以下で説明する高圧タンク１００の各構成要素をまとめて、高圧タンク１００における部位によって分類する概念である。

高圧タンク１００は、ライナー１０と、補強層２０と、保護層２５と、口金３０と、口金４０と、を備える。

ライナー１０は、高圧タンク１００において、最も内側の層を構成する。ライナー１０は、ナイロン樹脂で構成される。ライナー１０は、ライナー１０の内部空間に充填された水素等が外部に漏れないように遮断する性質（いわゆるガスバリア性）を有する。なお、ライナー１０の構成部分も、円筒部１０２に属する部分と、ドーム部１０４に属する部分とに分けることができる。

口金３０は、ライナー１０のうち、一対のドーム部１０４のうちの一方に対応する部分の頂部に配されている。ドーム部１０４の「頂部」とは、ドーム部１０４と、高圧タンク１００の中心軸ＣＡとの交点である。口金３０は、貫通孔を有する。口金３０の貫通孔は、高圧タンク１００の内部と外部とを接続している。口金３０を介して、高圧タンク１００に、配管やバルブが取りつけられる。

口金４０は、ライナー１０のうち、一対のドーム部１０４のうちの他方に対応する部分の頂部に配されている。口金３０，４０は、補強層２０および保護層２５を形成する際に、タンク本体をフィラメントワインディング装置へ取り付けるための取付部としても機能する。本明細書において、口金３０および口金４０が取付けられたライナー１０を、「タンク本体」とも称する。なお、タンク本体の構成部分も、円筒部１０２に属する部分と、ドーム部１０４に属する部分とに分けることができる。

補強層２０は、タンク本体の外表面を覆うように形成されている。より具体的には、補強層２０は、ライナー１０の外表面全体と、口金３０の一部および口金４０の一部を覆うように形成されている。補強層２０は、高圧タンク１００の耐圧性を強化する機能を奏する。補強層２０は、エポキシ樹脂と炭素繊維との複合材料である炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔiｃｓ）で構成されている。補強層２０における炭素繊維の直径は、２～１０μｍの範囲に含まれる一定の値である。なお、補強層２０の構成部分も、円筒部１０２に属する部分と、ドーム部１０４に属する部分とに分けることができる。

補強層２０における炭素繊維の直径は、後に説明する保護層２５のガラス繊維の直径よりも小さい。このような構成とすることにより、補強層２０において、保護層２５のガラス繊維よりも密に炭素繊維を配することができる。このため、補強層２０における繊維の直径が保護層２５の直径以上である態様に比べて、より高圧タンク１００の耐圧性を強化することができる。

保護層２５は、補強層２０上に形成されている。保護層２５は、熱硬化性樹脂とガラス繊維との複合材料であるガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔiｃｓ）で構成されている。その結果、保護層２５は、補強層２０よりも高い耐衝撃性を備える。

図２は、円筒部１０２に位置する保護層２５の断面の拡大図である。図１および図２において、高圧タンク１００の中心軸ＣＡから外側に向かう向きを矢印Ｄｏで示す。図２は、技術内容を説明するための説明図であり、各部の寸法を正確に表すものではない。

保護層２５は、ヘリカル層２５２と、フープ層２５４と、中間層２５６と、を有する。ヘリカル層２５２と、フープ層２５４と、中間層２５６とは、それぞれガラス繊維強化樹脂で構成されている。ヘリカル層２５２と、フープ層２５４と、中間層２５６とにおいては、使用されるガラス繊維の太さと、ガラス繊維が配される向きと、の少なくとも一方が異なっている。ヘリカル層２５２と、フープ層２５４と、中間層２５６とがそれぞれ含む熱硬化性樹脂は、同一のエポキシ樹脂である。

ヘリカル層２５２は、補強層２０上に形成されている。すなわち、ヘリカル層２５２は、補強層２０の下のライナー１０を囲むように、形成されている。ヘリカル層２５２は、ヘリカル巻きされているガラス繊維Ｆ１と、ガラス繊維Ｆ１を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ１と、を含む。「ヘリカル巻き」とは、タンク本体の中心軸ＣＡに対して垂直な平面と交わる向きで、繊維が巻き付けられる、繊維の巻き付け方法である。ヘリカル層２５２におけるガラス繊維Ｆ１の直径は、１０～２０μｍの範囲に含まれる一定の値である。ヘリカル層２５２の構成部分も、円筒部１０２に属する部分と、ドーム部１０４に属する部分とに分けることができる。

フープ層２５４は、ヘリカル層２５２に対して高圧タンク１００の外側に位置する（矢印Ｄｏ参照）。フープ層２５４は、高圧タンク１００ののうち、円筒部１０２に設けられている。フープ層２５４は、フープ巻きされているガラス繊維Ｆ２と、ガラス繊維Ｆ２を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ２と、を含む。「フープ巻き」とは、タンク本体の中心軸ＣＡに対して垂直な平面と略平行な向きで、繊維が巻き付けられる、繊維の巻き付け方法である。フープ層２５４におけるガラス繊維Ｆ２の直径は、１０～２０μｍの範囲に含まれる一定の値である。より具体的には、フープ層２５４におけるガラス繊維Ｆ２の直径は、ヘリカル層２５２におけるガラス繊維Ｆ１の直径と同じである。このような構成とすることにより、同一の巻き付け装置および同一の繊維を使用して、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２とを、タンク本体に巻き付けることができる。

中間層２５６は、ヘリカル層２５２とフープ層２５４の間に位置する。中間層２５６は、高圧タンク１００ののうち、円筒部１０２に設けられている。中間層２５６は、２方向に配されているガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２と、ガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ３と、を含む。

中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２の直径は、２～１０μｍの範囲に含まれる一定の値である。ただし、中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２の直径は、ヘリカル層２５２およびフープ層２５４に含まれるガラス繊維Ｆ１，Ｆ２の直径よりも小さい。中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、第１の向きＤ１と、第１の向きＤ１とは異なる第２の向きＤ２と、に配されて、不織布のシートＦ３を形成している。中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２のシートＦ３は、ライナー１０のうちの円筒部１０２に相当する部分（図１参照）を囲むように配される１枚のシートである。シートＦ３の構成については、後にさらに説明する。

中間層２５６におけるエポキシ樹脂Ｒｅ３は、中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２と、ヘリカル層２５２の最外層に含まれるガラス繊維Ｆ１と、フープ層２５４の最内層に含まれるガラス繊維Ｆ２と、を固定している。なお、図２においては、技術の理解を容易にするために、ヘリカル層２５２と中間層２５６の境界を直線で示し、中間層２５６とフープ層２５４の境界を直線で示している。しかし、実際には、各層を構成するエポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２，Ｒｅ３の境界は、視認できるとは限らないではない。

図３は、高圧タンク１００の製造方法を示すフローチャートである。ステップＳ１００において、ライナー１０が準備される。ステップＳ２００において、ライナー１０の上に補強層２０を形成する。より具体的には、エポキシ樹脂Ｒｅ１が含浸された炭素繊維が、フィラメントワインディング装置によって、ライナー１０に巻き付けられることにより、補強層２０が形成される。なお、ステップＳ２００の段階では、補強層２０に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ１は硬化されていない。

ステップＳ３００において、補強層２０の上に保護層２５が形成される。ステップＳ３００は、ステップＳ３２０，Ｓ３４０，Ｓ３６０を含む。

ステップＳ３２０において、補強層２０が形成されたタンク本体の上に、ヘリカル層２５２が形成される。より具体的には、エポキシ樹脂Ｒｅ１が含浸されたガラス繊維Ｆ１が、フィラメントワインディング装置によって、ヘリカル巻きで、補強層２０の上に巻き付けられる。その際、ガラス繊維Ｆ１は、タンク本体の円筒部１０２とドーム部１０４の上に、巻き付けられる（図１参照）。その結果、タンク本体の円筒部１０２とドーム部１０４に、ヘリカル層２５２が形成される。なお、ステップＳ３２０の段階では、ヘリカル層２５２に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ１は硬化されていない。

図４は、図３のステップＳ３２０において、タンク本体に巻き付けられたヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１の状態を表す、説明図である。図４は、技術内容を説明するための説明図であり、各部の寸法を正確に表すものではない。実際には、ヘリカル層２５２は曲面の上に構成される。しかし、図４においては、技術の理解を容易にするために、ヘリカル層２５２が平面の上に構成されているように、ガラス繊維Ｆ１の状態を示す。図５および図６においても同様である。

ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１は、タンク本体の中心軸ＣＡ（図１参照）に対して垂直な平面と交わる向きで、巻き付けられる。タンク本体は球体ではないため、１本のガラス繊維Ｆ１がそのような巻き方で巻き付けられ、タンク本体上の同一点を再び通過するときには、前回とは異なる向きでタンク本体上に配される。図４において、そのようにヘリカル巻きされるガラス繊維Ｆ１のうち、先に配された部分を繊維部分Ｆ１１で示し、後に配された部分を繊維部分Ｆ１２で示す。

図３のステップＳ３４０において、円筒部１０２に位置するヘリカル層２５２の上に、中間層２５６が形成される。より具体的には、ガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２が、第１の向きＤ１と、第１の向きＤ１とは異なる第２の向きＤ２と、に配された長方形の１枚のガラス繊維シートＦ３が準備される。ガラス繊維シートＦ３の一辺の長さは、中心軸ＣＡに沿った円筒部１０２（図１参照）の長さと略同一である。ガラス繊維シートＦ３の他の一辺の長さは、ヘリカル層２５２が形成された円筒部１０２の円周方向の長さと略同一である。そのガラス繊維シートＦ３にエポキシ樹脂Ｒｅ３が含浸され、その後、ガラス繊維シートＦ３が、ヘリカル層２５２を覆うように、円筒部１０２に相当するヘリカル層２５２の上に巻き付けられる。その結果、タンク本体の円筒部１０２に、中間層２５６が形成される。なお、ステップＳ３４０の段階では、中間層２５６に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ３は硬化されていない。

このような態様とすることにより、繊維を巻き付けることによって中間層２５６のガラス繊維を配する態様に比べて、短時間で、中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２を配することができる。保護層２５の高い耐衝撃性は、主としてヘリカル層２５２およびフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２によって実現される。そして、中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、保護層２５の耐衝撃性に対して、ヘリカル層２５２およびフープ層２５４のガラス繊維Ｆ１，Ｆ２ほどには寄与しない。このため、ガラス繊維シートＦ３を巻き付けることによって中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２を配しても、保護層２５の耐衝撃性は、担保される。

図５は、図３のステップＳ３４０において、ヘリカル層２５２の上に配された中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２の状態を表す、説明図である。図５は、技術内容を説明するための説明図であり、各部の寸法を正確に表すものではない。第１の向きＤ１に沿って配されるガラス繊維をＦ３１で示す。第２の向きＤ２に沿って配されるガラス繊維をＦ３２で示す。ガラス繊維Ｆ３１とガラス繊維Ｆ３２とは、あらかじめ不織布のシートＦ３を構成している。

図３のステップＳ３６０において、円筒部１０２に位置する中間層２５６の上に、フープ層２５４が形成される。より具体的には、エポキシ樹脂Ｒｅ２を含浸させたガラス繊維Ｆ２が、フィラメントワインディング装置によって、フープ巻きで、中間層２５６の上に巻き付けられる。その結果、タンク本体の円筒部１０２に、フープ層２５４が形成される。なお、ステップＳ３６０の段階では、フープ層２５４に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ２は硬化されていない。

図６は、図３のステップＳ３６０において、中間層２５６の上に巻き付けられたフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２の状態を表す、説明図である。図６は、技術内容を説明するための説明図であり、各部の寸法を正確に表すものではない。フープ層２５４のガラス繊維Ｆ２は、タンク本体の中心軸ＣＡに対して垂直な平面と略平行な向きで、巻き付けられる（図１参照）。タンク本体の円筒部１０２を覆うようにガラス繊維Ｆ２を巻き付けるために、ガラス繊維Ｆ２は、中心軸ＣＡ方向に沿って徐々に位置をずらして、中間層２５６の上に巻き付けられる。図６において、そのようにフープ巻きされる、ガラス繊維Ｆ２の互いに異なる繊維部分を、Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３で示す。

図３のステップＳ４００において、補強層２０および保護層２５に含まれているエポキシ樹脂を加熱して、補強層２０および保護層２５に含まれているエポキシ樹脂を硬化させる。その結果、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１は、エポキシ樹脂Ｒｅ１によって、相互に固定される。フープ層２５４のガラス繊維Ｆ２は、エポキシ樹脂Ｒｅ２によって、相互に固定される。中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、エポキシ樹脂Ｒｅ３によって、相互に固定される。さらに、ヘリカル層２５２の最外層のガラス繊維Ｆ１と、フープ層２５４の最内層のガラス繊維Ｆ２とは、エポキシ樹脂Ｒｅ３によって、中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２に対して固定される。

以上のような工程を経て、高圧タンク１００が製造される。

図７は、中間層２５６を有さない比較形態の高圧タンク１００ｃについて、高温多湿の環境下でガスの充填と放出を繰り返し行った結果を示す、写真である。図７は、比較形態の高圧タンク１００ｃの中心軸（図１参照）を含む平面における、比較形態の高圧タンク１００ｃの断面を示す。比較形態の高圧タンク１００ｃの構成は、中間層２５６（図２および図６参照）を有さない点以外は、本実施形態の高圧タンク１００の構成と同じである。図７より、高温多湿の環境下でガスの充填と放出を繰り返し行った結果、保護層２５において剥離およびまくれが生じていることが分かる。なお、このような剥離は、高圧タンク１００ｃの円筒部１０２において生じたが、ドーム部１０４においては生じなかった。

図８は、図７に示した構成のうち補強層２０の一部と保護層２５を示す、拡大図である。図８において、ガラス繊維がフープ巻きされているフープ層２５４においては、真円に近い形状のガラス繊維の断面が表れている（図６も参照）。ガラス繊維がヘリカル巻きされているヘリカル層２５２においては、横方向に長い形状のガラス繊維の断面が表れている。図８より、保護層２５のヘリカル層２５２とフープ層２５４との間において、剥離が生じていることが分かる。

図９は、比較形態の高圧タンク１００ｃにおいて、ヘリカル層２５２とフープ層２５４との間において、剥離が生じるしくみを示す説明図である。図９は、比較形態の高圧タンク１００ｃの中心軸（図１参照）を含む平面における、比較形態の高圧タンク１００ｃの断面を示す。図６にも示されているように、フープ層２５４においては、ガラス繊維Ｆ２の各部分Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３がほぼ平行に配されるのに対して、ヘリカル層２５２においては、ガラス繊維Ｆ１の各部分Ｆ１１，Ｆ１２は、さまざまな向きに配される。このため、ヘリカル層２５２上に、中間層２５６を介さずにフープ層２５４が配される高圧タンク１００ｃにおいては、ヘリカル層２５２の最外層のガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４の最内層のガラス繊維Ｆ２との接触点の間隔は広くなり、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２との間には大きな隙間ＩＳが生じる。フープ層２５４のガラス繊維Ｆ２は、互いにほぼ平行に配されるため（図６も参照）、図９に示した隙間ＩＳは、比較形態の高圧タンク１００ｃにおいて、円筒部１０２の外周方向に沿って連続して存在する。このヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２との間の隙間ＩＳは、エポキシ樹脂Ｒｅ１またはエポキシ樹脂Ｒｅ２によって充填される。

ヘリカル層２５２の最外層を形成するガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４の最内層を形成するガラス繊維Ｆ２との間においては、保護層２５にかかる応力は、隙間ＩＳを埋めて、両者を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２によって支えられる。エポキシ樹脂の破壊強度は、ガラス繊維に比べて大幅に低い。さらに、高温多湿の環境下では、エポキシ樹脂が膨潤する。エポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２の塊の体積が大きい場合には、ガラス繊維Ｆ２，Ｆ３との間でエポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２の膨潤による寸法差が大きいため、エポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２がガラス繊維Ｆ２，Ｆ３から剥離しやすくなる。その結果、高温多湿の環境下でガスの充填と放出を繰り返し行った場合、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２との間において、エポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２で構成される部分の内部やエポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２とガラス繊維Ｆ１，Ｆ２の界面において、亀裂が生じやすい。

また、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２との間の隙間ＩＳが大きいと、エポキシ樹脂Ｒｅ１，Ｒｅ２が充填されていない空隙ＢＤが生じやすい。ガスの充填と放出を繰り返し行った場合、そのような空隙ＢＤを起点として、亀裂ＣＲが生じやすい。

なお、比較形態の高圧タンク１００ｃにおいて、補強層２０とヘリカル層２５２の最内層との間には、剥離は生じなかった（図８参照）。補強層２０のエポキシ樹脂と、ヘリカル層２５２のエポキシ樹脂Ｒｅ１と、フープ層２５４のエポキシ樹脂Ｒｅ２とは、同一の組成の樹脂である。一方、補強層２０における炭素繊維の直径は、ヘリカル層２５２およびフープ層２５４におけるガラス繊維Ｆ２の直径よりも小さい。補強層２０における炭素繊維の直径が小さいため、補強層２０とヘリカル層２５２との間には、ヘリカル層２５２とフープ層２５４との間における大きな隙間ＩＳに起因する上述の問題が生じることがなく、剥離が生じなかったと考えられる。

図１０は、本実施形態の高圧タンク１００において、ヘリカル層２５２とフープ層２５４との間において、剥離の発生が抑制されるしくみを示す説明図である。図１０は、本実施形態の高圧タンク１００の中心軸ＣＡ（図１参照）を含む平面における、本実施形態の高圧タンク１００の断面を示す。図６にも示されているように、本実施形態においては、フープ層２５４のガラス繊維Ｆ２の各部分Ｆ２１，Ｆ２２，Ｆ２３と、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１の各部分Ｆ１１，Ｆ１２との間には、それらより細いガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２が配される。このため、ヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１と中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２との接触点、および中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２とフープ層２５４のガラス繊維Ｆ２との接触点の間隔は、比較形態の高圧タンク１００ｃにおける接触点の間隔に比べて狭くなる。すなわち、ガラス繊維Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３１，Ｆ３２の間の隙間は、比較形態の高圧タンク１００ｃにおけるガラス繊維Ｆ１，Ｆ２の間の隙間よりも、小さい。その結果、保護層２５にかかる応力がエポキシ樹脂Ｒｅ３によって支えられる構成部分は、小さくなり、亀裂の起点となる空隙も生じにくくなる。このため、そのような隙間を埋めて、ヘリカル層２５２の最外層を形成するガラス繊維Ｆ１とフープ層２５４の最内層を形成するガラス繊維Ｆ２を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ３における亀裂の発生が抑制される。その結果、フープ層２５４がヘリカル層２５２から剥離する可能性が、比較形態の高圧タンク１００ｃに比べて小さい。

本実施形態においては、中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、第１の向きＤ１と、第１の向きＤ１とは異なる第２の向きＤ２と、に配されて、シートＦ３を形成している（図６参照）。このため、ガラス繊維Ｆ１がさまざまな向きに配されているヘリカル層２５２の最外層と、フープ層２５４の最内層のガラス繊維Ｆ２との間の隙間を、ヘリカル層２５２の最外層におけるガラス繊維Ｆ１の向きによらず、小さくすることができる。

本実施形態においては、中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、補強層２０およびヘリカル層２５２が形成されたライナー１０の円筒部１０２を囲むように配される１枚のシートＦ３を形成している（図３のＳ３４０および図５参照）。このため、円筒部１０２の周りについて、均一にフープ層２５４とヘリカル層２５２を接合することができる。

ヘリカル層２５２の最外層に含まれるガラス繊維Ｆ１と、フープ層２５４の最内層に含まれるガラス繊維Ｆ２よりもサイズの小さい構造物を配することにより、ガラス繊維Ｆ１，Ｆ２および追加された構造物の間の接触点の間隔を小さくして、隙間を小さくする方法としては、以下のような方法も考えられる。すなわち、ガラス繊維Ｆ１，Ｆ２の直径よりも直径が小さい粒子の入った熱硬化性樹脂をヘリカル層２５２の上に塗布し、その上からフープ層２５４を設けることにより、理論的には、構造の間の接触点の間隔を小さくすることができる。しかし、そのような態様においては、重力がある環境下で、円筒部１０２のヘリカル層２５２全体の上に粒子の入った樹脂を保持することが難しい。すなわち、粒子の入った樹脂が、重力に引かれて、円筒部１０２のヘリカル層２５２の表面からしたたり落ちる。

しかし、本実施形態においては、樹脂を含浸させたガラス繊維シートＦ３を円筒部１０２のヘリカル層２５２の上に巻き付けている。このため、ガラス繊維Ｆ１，Ｆ２よりもサイズの小さい構造としてのガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２と、ガラス繊維Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３１，Ｆ３２を固定するための熱硬化性樹脂とを、容易に円筒部１０２のヘリカル層２５２の上に配することができる。このため、中間層２５６を容易に構成することができる。

本実施形態におけるヘリカル層２５２のガラス繊維Ｆ１を、「第１の繊維」とも呼ぶ。ヘリカル層２５２のエポキシ樹脂Ｒｅ１を、「第１の樹脂」とも呼ぶ。フープ層２５４のガラス繊維Ｆ２を、「第２の繊維」とも呼ぶ。フープ層２５４のエポキシ樹脂Ｒｅ２を、「第２の樹脂」とも呼ぶ。中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２を、「第３の繊維」とも呼ぶ。中間層２５６のエポキシ樹脂Ｒｅ３を、「第３の樹脂」とも呼ぶ。口金３０および口金４０が取付けられたライナー１０であるタンク本体を、「高圧タンクの半製品」とも呼ぶ。

Ｂ．他の実施形態：
Ｂ１．他の実施形態１：
（１）上記実施形態においては、ライナー１０は、ナイロン樹脂から構成される。しかし、ライナーは、ポリエチレン系樹脂等のガスバリア性を有する他の合成樹脂や、ステンレス鋼等の金属を用いて作製されてもよい。

（２）上記実施形態においては、ヘリカル層２５２におけるガラス繊維Ｆ１の直径は、１０～２０μｍの範囲に含まれる一定の値である。フープ層２５４におけるガラス繊維Ｆ２の直径は、１０～２０μｍの範囲に含まれる一定の値である。より具体的には、フープ層２５４におけるガラス繊維Ｆ２の直径は、ヘリカル層２５２におけるガラス繊維Ｆ１の直径と同じである。そして、中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２の直径は、２～１０μｍの範囲に含まれる一定の値である。

しかし、ヘリカル層における繊維の直径は、５μｍ、８μｍ、などの１０μｍ未満の値であってもよい。ヘリカル層における繊維の直径は、２５μｍ、３８μｍ、などの２０μｍより大きい値であってもよい。また、フープ層における繊維の直径は、５μｍ、８μｍ、などの１０μｍ未満の値であってもよい。フープ層における繊維の直径は、２５μｍ、３８μｍ、などの２０μｍより大きい値であってもよい。さらに、中間層における繊維の直径は、０．５μｍ、１μｍ、などの２μｍ未満の値であってもよい。中間層における繊維の直径は、１２μｍ、１５μｍ、などの１０μｍより大きい値であってもよい。すなわち、各層に含まれる繊維の直径は、他の値とすることもできる。そして、ヘリカル層に含まれる繊維、フープ層に含まれる繊維とは、太さが異なる繊維であってもよい。

中間層に含まれる繊維は、ヘリカル層に含まれる繊維と、フープ層に含まれる繊維とのいずれかよりも細い繊維であればよい。中間層に含まれる繊維の直径は、ヘリカル層の繊維の直径とフープ層の繊維の直径のうち、小さい方の直径の１／２以下であることが好ましく、１／３以下であることがより好ましく、１／５以下であることがさらに好ましい。なお、中間層に含まれる繊維は、ヘリカル層に含まれる繊維と、フープ層に含まれる繊維とのいずれかよりも太い繊維を含んでいてもよい。

（３）上記実施形態においては、ヘリカル層２５２に含まれる繊維、フープ層２５４に含まれる繊維、および中間層２５６に含まれる繊維として、ガラス繊維Ｆ１、Ｆ２，Ｆ３１，Ｆ３２が使用されている。しかし、ヘリカル層に含まれる繊維、フープ層に含まれる繊維、および中間層に含まれる繊維としては、炭素繊維など、素材や構成が異なる他の繊維が使用されることもできる。ただし、各層に含まれる繊維としては、耐熱温度が２００～３００℃であることが好ましい。また、各層に含まれる繊維としては、柔軟性があり、伸びやすいものであることが好ましい。ヘリカル層に含まれる繊維、フープ層に含まれる繊維、および中間層に含まれる繊維は、互いに異なっていてもよいし、それらの一部または全部が同一であってもよい。

（４）上記実施形態においては、ヘリカル層２５２に含まれる繊維、フープ層２５４に含まれる繊維、および中間層２５６に含まれる樹脂として、エポキシ樹脂が使用される。しかし、ヘリカル層に含まれる樹脂、フープ層に含まれる樹脂、および中間層に含まれる樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂等、他の熱硬化性樹脂が使用されることもできる。また、ヘリカル層に含まれる樹脂、フープ層に含まれる樹脂、および中間層に含まれる樹脂は、互いに異なっていてもよいし、それらの一部または全部が同一であってもよい。

ただし、各層において使用される繊維の素材と樹脂の素材の組み合わせは、各層において、使用される繊維に対する使用される樹脂の接触角が５０°以下のものであることが好ましい。なお、繊維の素材の接触角は、次のような手続で測定する。すなわち、繊維をガラス板に平行に隙間なく配して固定し、その上に樹脂を滴下する。接触角は、繊維の長手方向に垂直な方向から見たときの、樹脂の滴下後６０秒後の時点の接触角とする。

（５）上記実施形態においては、中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１の第１の向きＤ１とガラス繊維Ｆ３２の第２の向きＤ２とは、いずれも、フープ層２５４に含まれるガラス繊維Ｆ２の向きとは平行ではない。しかし、中間層における少なくとも一部の繊維の向きは、フープ層の繊維の向きと一致していてもよい。

（６）上記実施形態においては、高圧タンク１００は、内部に圧縮水素が充填され、燃料電池車に搭載される。しかし、高圧タンクは、電気自動車、ハイブリッド自動車等の他の車両に搭載されてもよいし、船舶、飛行機、ロボット等の他の移動体に搭載されてもよい。また、高圧タンクは、住宅、ビル等の定置設備に備えられてもよい。そして、高圧タンクは、窒素やヘリウムなど、水素以外の気体が充填されてもよい。

Ｂ２．他の実施形態２：
（１）上記実施形態においては、中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、第１の向きＤ１と、第１の向きＤ１とは異なる第２の向きＤ２と、に配されて、不織布のシートＦ３を形成している（図５および図６参照）。しかし、中間層に含まれる繊維の向きは互いに平行であってもよく、シートは、平行な繊維が接着剤によって互いに固定されている不織布であってもよい。

（２）上記実施形態においては、中間層２５６におけるガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、第１の向きＤ１と、第１の向きＤ１とは異なる第２の向きＤ２と、に配されて、不織布のシートＦ３を形成している（図５参照）。しかし、中間層の繊維は、繊維が織られることにより構成される織布であるシートを形成していてもよい。ただし、中間層の繊維は、複数の繊維が面を構成するように配されていることが好ましい。

（３）上記実施形態においては、中間層２５６が形成される際には、ガラス繊維シートＦ３にエポキシ樹脂Ｒｅ３が含浸され、その後、ガラス繊維シートＦ３が、ヘリカル層２５２を覆うように、円筒部１０２に相当するヘリカル層２５２の上に巻き付けられる（図３のＳ３４０および図５参照）。しかし、中間層において、樹脂が中間層の繊維に含浸されていない態様とすることもできる。

Ｂ３．他の実施形態３：
上記実施形態においては、中間層２５６のガラス繊維Ｆ３１，Ｆ３２は、補強層２０およびヘリカル層２５２が形成されたライナー１０の円筒部１０２を囲むように配される１枚のシートＦ３を形成している（図３のＳ３４０および図５参照）。しかし、中間層を構成する際に使用される第３の繊維のシートは、２枚や３枚、５枚など、２枚以上であってもよい。

本開示は、上述の実施形態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…ライナー、２０…補強層、２５…保護層、３０…口金、４０…口金、１００，１００ｃ…高圧タンク、１０２…円筒部、１０４…ドーム部、２５２…ヘリカル層、２５４…フープ層、２５６…中間層、ＢＤ…空隙、ＣＡ…中心軸、ＣＲ…亀裂、Ｄ１…第１の向き、Ｄ２…第２の向き、Ｄｏ…高圧タンクの外側に向かう向きを表す矢印、Ｆ１…ガラス繊維、Ｆ１１，Ｆ１２…ガラス繊維の部分、Ｆ２…ガラス繊維、Ｆ２１～Ｆ２３…ガラス繊維の部分、Ｆ３…ガラス繊維シート、Ｆ３１，Ｆ３２…ガラス繊維、ＩＳ…ガラス繊維間の隙間、Ｒｅ１…ヘリカル層のエポキシ樹脂、Ｒｅ２…フープ層のエポキシ樹脂、Ｒｅ３…中間層のエポキシ樹脂

Claims (6)

1. 高圧タンクであって、
   炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂層の上に設けられているヘリカル層であって、ヘリカル巻きされているガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い第１の繊維と、前記第１の繊維を固定している第１の樹脂と、を含むヘリカル層と、
   前記ヘリカル層に対して前記高圧タンクの外側に位置するフープ層であって、フープ巻きされているガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い第２の繊維と、前記第２の繊維を固定している第２の樹脂と、を含むフープ層と、
   前記ヘリカル層と前記フープ層の間に位置する中間層であって、前記第１の繊維と前記第２の繊維の少なくとも一方よりも細いガラス繊維である第３の繊維と、前記第３の繊維と前記ヘリカル層の前記第１の繊維と前記フープ層の前記第２の繊維とを固定している第３の樹脂と、を含む中間層と、を備える、高圧タンク。
2. 請求項１記載の高圧タンクであって、
   前記第３の繊維は、前記第３の樹脂を含浸されて、第１の向きと、前記第１の向きとは異なる第２の向きと、に配されて、シートを形成している、高圧タンク。
3. 請求項２記載の高圧タンクであって、
   円筒部と、前記円筒部の両端に配されるドーム部と、を備えるライナーであって、前記ライナーを囲むように、前記ヘリカル層が形成されているライナーを備え、
   前記第３の繊維は、前記円筒部を囲むように配される１枚の前記シートを形成している、高圧タンク。
4. 高圧タンクの製造方法であって、
   高圧タンクの半製品に設けられており炭素繊維を含む炭素繊維強化樹脂層の上に、樹脂を含浸させたガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い繊維を、ヘリカル巻きすることによりヘリカル層を形成する工程と、
   樹脂を含浸させたガラス繊維である繊維を前記ヘリカル層の上に配することにより中間層を形成する工程と、
   樹脂を含浸させたガラス繊維であり前記炭素繊維よりも太い繊維を、前記中間層の上にフープ巻きすることにより、フープ層を形成する工程と、を備え、
   前記中間層の前記繊維は、前記ヘリカル層の前記繊維と前記フープ層の前記繊維の少なくとも一方よりも細い、高圧タンクの製造方法。
5. 請求項４記載の高圧タンクの製造方法であって、
   前記中間層を形成する工程は、前記中間層の前記繊維が、第１の向きと、前記第１の向きとは異なる第２の向きと、に配されているシートを、前記ヘリカル層の上に配する工程を含む、高圧タンクの製造方法。
6. 請求項５記載の高圧タンクの製造方法であって、
   前記高圧タンクの半製品は、円筒部と、前記円筒部の両端に配されるドーム部と、を備えるライナーを含み、
   前記シートを前記ヘリカル層の上に配する工程は、１枚の前記シートを、前記円筒部を囲むように配する工程である、高圧タンクの製造方法。

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