WO2010116528A1 - タンクおよびその製造方法 - Google Patents

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基弘 水野
弘和 大坪
野村　慎一
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Definitions

  • a tank used for storing hydrogen or the like a tank having an FRP layer in which hoop layers and helical layers are alternately stacked on the outer periphery of a liner is used (see, for example, Patent Document 1).
  • the hoop layer is a layer formed by hoop-wrapping a bundle of fibers (for example, carbon fibers) (how to wind the tank body portion substantially perpendicularly to the tank axis), and the helical layer is made of CF (carbon fiber) or the like.
  • the fiber bundle is a layer formed by helical winding (which is substantially parallel to the tank axis and wound to the tank dome) (see FIG. 2 of the present application).
  • the fatigue strength of the layer adjacent to the outer side is reduced due to the step of the surface of the helical layer located in the inner layer of the FRP layer, particularly the innermost helical layer. There is a problem of lowering.
  • the present invention has made it possible to avoid the phenomenon that the fatigue strength of the layer adjacent to the outside (particularly the hoop layer) is reduced due to the step difference of the surface of the helical layer located in the inner layer in the FRP layer. It is an object of the present invention to provide a tank having a structure and a manufacturing method thereof.
  • the present inventor has made various studies and found that the fatigue strength in the hoop layer is reduced when the structural bending of the fiber bundle of the hoop layer is large. That is, when the FRP layer is formed by stacking the hoop layer and the helical layer, if the helical layer itself adjacent to the hoop layer has irregularities, the irregularities are transferred to the adjacent hoop layer, thereby The fiber bundle of the layer itself meanders to cause undulations, and bending (undulations) due to the structure occurs in the hoop layer.
  • the present invention is based on such knowledge, and is a tank having a liner, and an FRP layer composed of a hoop layer and a helical layer that are alternately formed by winding a fiber bundle around the outer periphery of the liner, the FRP layer In at least one of the plurality of helical layers located in the inner layer, the cross-sectional area of the fiber bundle constituting the helical layer is equal to the cross-sectional area of the fiber bundle constituting the other layer formed outside the helical layer. Is smaller than that.
  • the helical layer is wound so as to be substantially parallel to the tank axis and folded back at the tank dome (see FIG. 2), so as to eliminate a gap between adjacent fiber bundles. Since winding is not specifically considered, it is fundamentally difficult. In general, the helical layer is wound in a disorderly manner without considering the overlapping and arrangement of fiber bundles, and conventionally, for example, the phase of the reinforcing fiber bundles of each helical layer is shifted in the circumferential direction of the cylinder.
  • the cross-sectional area of the fiber bundle constituting the helical layer is set to the other layer formed outside the helical layer.
  • the unevenness in the helical layer is reduced. That is, when a helical layer is formed using a fiber bundle having a small cross-sectional area in this way, the thickness of the fiber bundle is reduced to that extent, and the height of the fiber bundle is lowered accordingly. Moreover, the gap between the fiber bundles is also reduced.
  • a conventional helical layer (referred to as a helical layer that has not been subjected to a smoothing process and has irregularities on its surface, indicated by reference numeral 70B in FIGS. 11 and 12). It is possible to reduce the bending of the structural fiber bundle as described above. Therefore, by suppressing the structural bending (undulation) of the fiber bundle of the layer (for example, the hoop layer) formed outside the helical layer, The fatigue strength of the fiber bundle itself can be improved. It is also possible to improve the burst strength by reducing the thickness of the helical layer and the layer (for example, the hoop layer) formed outside the helical layer and increasing the Vf (fiber volume content).
  • the helical layer located in the inner layer is preferably the innermost helical layer.
  • the fiber bundle layer (helical layer, hoop layer) has a greater contribution to the tank strength as the inner layer (layer closer to the liner).
  • the innermost helical layer is constituted by a fiber bundle having a small cross-sectional area as in the present invention
  • the layer adjacent to the outer side of the innermost helical layer is wound more smoothly. Therefore, the structural bending (undulation) of the fiber bundle of the layer can be suppressed and the tank strength can be improved.
  • the cross-sectional area of the fiber bundle is preferably changed by changing the number of fibers constituting the fiber bundle. In the case where a plurality of fibers are bundled to form a fiber bundle, if the number of fibers is reduced, the cross-sectional area of the fiber bundle can be reduced accordingly.
  • the thickness of the fiber bundle in the stacking direction of the FRP layer is reduced by increasing the tension with respect to the fiber bundle constituting the helical layer. If the thickness of the fiber bundle is reduced and flattened, the unevenness in the helical layer is reduced accordingly, and the unevenness is transferred to another layer (for example, a hoop layer) formed outside the helical layer. It becomes possible to suppress.
  • a fiber bundle composed of a fiber bundle having a diameter larger than that of the fiber bundle constituting the other layers as the fiber bundle constituting the other layer formed outside the helical layer.
  • the manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing a tank having a liner and an FRP layer composed of a hoop layer and a helical layer that are alternately formed by winding a fiber bundle around the outer periphery of the liner.
  • a cylinder according to the present invention is a cylinder having an FPR layer composed of hoop layers and helical layers alternately formed by winding a fiber bundle, and a plurality of helical layers located in an inner layer of the FRP layer
  • the cross-sectional area of the fiber bundle constituting the helical layer is smaller than the cross-sectional area of the fiber bundle constituting the other layer formed outside the helical layer.
  • the present invention it is possible to avoid the phenomenon that the fatigue strength of the layer adjacent to the outside (particularly the hoop layer) is reduced due to the step difference of the surface of the helical layer located in the inner layer in the FRP layer. Become.
  • FIG. 1 to 4 show an embodiment of a tank and a manufacturing method thereof according to the present invention.
  • the tank (henceforth a high pressure tank) 1 concerning this invention is applied to the high pressure hydrogen tank as a hydrogen fuel supply source.
  • the hydrogen tank can be used in a fuel cell system or the like.
  • the high-pressure tank 1 has, for example, a cylindrical tank body 10 having both ends substantially hemispherical, and a base 11 attached to one end of the tank body 10 in the longitudinal direction.
  • the substantially hemispherical portion is referred to as a dome portion
  • the cylindrical body portion is referred to as a straight portion, which are denoted by reference numerals 1d and 1s, respectively (see FIGS. 1 and 2).
  • the high pressure tank 1 shown by this embodiment has the nozzle
  • the tank body 10 has, for example, a two-layer wall layer, and has a liner 20 that is an inner wall layer and, for example, an FRP layer 21 that is a resin fiber layer (reinforcing layer) that is an outer wall layer on the outer side.
  • the FRP layer 21 is formed of, for example, only the CFRP layer 21c, or the CFRP layer 21c and the GFRP layer 21g (see FIG. 1).
  • the liner 20 is formed in substantially the same shape as the tank body 10.
  • the liner 20 is made of, for example, polyethylene resin, polypropylene resin, or other hard resin.
  • the liner 20 may be a metal liner formed of aluminum or the like.
  • a folded portion 30 that is bent inward is formed on the tip end side of the liner 20 having the base 11.
  • the folded portion 30 is folded toward the inside of the tank body 10 so as to be separated from the outer FRP layer 21.
  • the folded portion 30 has, for example, a reduced diameter portion 30a that gradually decreases in diameter as it approaches the folded tip, and a cylindrical portion 30b that is connected to the distal end of the reduced diameter portion 30a and has a constant diameter.
  • the cylindrical portion 30b forms an opening of the liner 20.
  • the base 11 has a substantially cylindrical shape and is fitted into the opening of the liner 20.
  • the base 11 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy, and is manufactured in a predetermined shape by, for example, a die casting method.
  • the base 11 is fitted into an injection-molded split liner. Further, the base 11 may be attached to the liner 20 by insert molding, for example.
  • the base 11 has a valve fastening seat surface 11a formed on the tip side (outside in the axial direction of the high pressure tank 1), for example, and on the rear side (inside in the axial direction of the high pressure tank 1) of the valve fastening seat surface 11a.
  • An annular recess 11 b is formed with respect to the axis of the high-pressure tank 1.
  • the dent 11b is convexly curved on the shaft side and has an R shape.
  • the vicinity of the tip of the R-shaped FRP layer 21 is in airtight contact with the recess 11b.
  • the surface of the recess 11b that contacts the FRP layer 21 is provided with a solid lubricating coating C such as a fluorine-based resin. Thereby, the friction coefficient between the FRP layer 21 and the recessed part 11b is reduced.
  • the rear side of the recessed portion 11b of the base 11 is formed to fit, for example, the shape of the folded portion 30 of the liner 20, and for example, a flange portion (crest portion) 11c having a large diameter is formed continuously from the recessed portion 11b.
  • a cap cylindrical portion 11d having a constant diameter is formed rearward from the flange portion 11c.
  • the reduced diameter portion 30a of the folded portion 30 of the liner 20 is in close contact with the surface of the flange portion 11c, and the cylindrical portion 30b is in close contact with the surface of the cap cylindrical portion 11d. Seal members 40 and 41 are interposed between the cylindrical portion 30b and the base cylindrical portion 11d.
  • the valve assembly 50 controls supply / discharge of fuel gas between an external gas supply line (supply path 22) and the inside of the high-pressure tank 1. Seal members 60 and 61 are interposed between the outer peripheral surface of the bubble assembly 50 and the inner peripheral surface of the base 11.
  • the FRP layer 21 is formed by winding a fiber bundle (reinforcing fiber bundle) 70 impregnated with resin around the outer peripheral surface of the liner 20 and the recessed portion 11b of the base 11 by, for example, FW molding (filament winding molding), and curing the resin. It is formed by.
  • a fiber bundle (reinforcing fiber bundle) 70 impregnated with resin around the outer peripheral surface of the liner 20 and the recessed portion 11b of the base 11 by, for example, FW molding (filament winding molding), and curing the resin. It is formed by.
  • the resin of the FRP layer 21 for example, an epoxy resin, a modified epoxy resin, an unsaturated polyester resin, or the like is used.
  • the fiber bundle 70 a bundle of carbon fiber (CF), metal fiber, or the like is used.
  • the fiber bundle 70 can be wound around the outer peripheral surface of the liner 20 by moving the guide of the fiber bundle 70 along the tank axis direction while rotating the liner 20 around the tank axi
  • the high-pressure tank 1 is formed by winding a fiber bundle (for example, a carbon fiber bundle) 70 around the outer periphery of the liner 20 and curing the resin.
  • a fiber bundle for example, a carbon fiber bundle
  • the hoop layer (indicated by reference numeral 70P in FIGS. 4 and 5, etc.) is formed by the layer in which the resin is hoop-wound, and the helically wound by the layer wound in the helical manner.
  • Layers are respectively formed.
  • the fiber bundle 70 is wound around the straight portion (tank body portion) of the high-pressure tank 1 like a coil spring, and the portion is tightened. Force to counteract the force to spread) to the liner 20.
  • the latter helical winding is a winding method mainly intended to wind the dome portion in the tightening direction (inward in the tank axis direction), and the fiber bundle 70 is hooked on the dome portion to hold the fiber bundle 70 in the high-pressure tank 1.
  • the overall wrapping contributes mainly to improving the strength of the dome.
  • an acute angle (of which an acute angle is formed) between a string 70 of a fiber 70 wound like a coil spring (a thread line in a screw) and a center line of the tank 1 (tank shaft 12). 2) is the “winding angle with respect to the tank shaft (12)” of the fiber 70 referred to in the present specification, which is indicated by the symbol ⁇ in FIG.
  • the hoop winding is a method in which the fiber bundle 70 is wound substantially perpendicularly to the tank axis in the straight portion, and the specific winding angle at that time is, for example, 80 to 90 ° (see FIG. 2). ).
  • Helical winding (or impregnation winding) is a winding method in which the fiber bundle 70 is wound around the dome portion, and the winding angle with respect to the tank shaft is smaller than that in the case of hoop winding (see FIG. 2). If the helical winding is roughly divided into two types, there are two types, a high angle helical winding and a low angle helical winding.
  • the high angle helical winding has a relatively large winding angle with respect to the tank shaft. ⁇ 80 °.
  • the low-angle helical winding has a relatively small winding angle with respect to the tank shaft, and a specific example of the winding angle is 5 to 30 °.
  • a helical winding at a winding angle of 30 to 70 ° between them may be referred to as a medium angle helical winding.
  • the helical layers formed by the high angle helical winding, the medium angle helical winding, and the low angle helical winding are referred to as a high helical layer, a middle helical layer (indicated by reference numeral 70MH), and a low helical layer (indicated by reference numeral 70LH), respectively.
  • the folded portion in the tank axial direction in the dome portion 1d of the high angle helical winding is referred to as a folded portion (see FIG. 2).
  • the hoop winding is a winding method in which the fiber bundles 70 are wound spirally while adjoining each other, and the fiber bundles 70 are not stacked, so that unevenness is not generated.
  • the helical winding is mainly intended to tighten the dome portion, and it is difficult to reduce the stacking and unevenness of the fiber bundle 70, or it is considered enough to reduce them. It is not how to wind.
  • the hoop winding and the helical winding are appropriately combined according to specifications such as the axial length and diameter of the high-pressure tank 1, and the hoop layer 70P and the helical layer 70H are stacked around the liner 20 (see FIG. 1 and the like).
  • the unevenness of the helical layer 70H is transferred to the hoop layer 70P, and the fiber bundle 70 of the hoop layer 70P may be bent (undulated).
  • the cross-sectional area of the fiber bundle 70 constituting the helical layer 70H is determined as the helical layer. It is made smaller than the cross-sectional area of the fiber bundle 70 which comprises the other layer formed in the outer side of 70H (refer FIG. 4).
  • any of the plurality of helical layers 70H located in the inner layer can be targeted, but among these, the innermost helical layer (helical layer closest to the liner 20) 70H is targeted. It is preferable (see FIG. 6).
  • the cross-sectional area of the fiber bundle 70 constituting the helical layer 70H is reduced. That is, when the helical layer 70H is formed using the fiber bundle 70 having a small cross-sectional area, the thickness t of the fiber bundle 70 itself becomes thinner than the conventional thickness t '(see FIGS. 4 and 5). Further, the wound fiber bundle 70 has a flat cross-sectional shape due to tension at the time of winding, pressure from other layers, and the like, and since the cross-sectional area is small, the interval between the fiber bundles 70 is larger than the conventional one.
  • the state is narrowed (see FIG. 4). Therefore, since the helical layer 70H constituted by such a fiber bundle 70 has small irregularities on the surface thereof, other layers (in the case of the present embodiment, the hoop layer 70P) formed outside the helical layer 70H. ) Can be suppressed from being transferred (see FIG. 4). According to this, a conventional helical layer (referred to as a helical layer that has not been subjected to a smoothing process and has irregularities on its surface, indicated by reference numeral 70B in FIGS. 11 and 12). Therefore, the structural bending of the fiber bundle 70 of the layer (in the present embodiment, the hoop layer 70P) formed outside the helical layer 70H can be reduced.
  • a conventional helical layer referred to as a helical layer that has not been subjected to a smoothing process and has irregularities on its surface, indicated by reference numeral 70B in FIGS. 11 and 12. Therefore, the structural bending of the fiber bundle 70 of the layer (in
  • the surface of the helical layer 70P may not be smooth as a result of the overlapping of the fiber bundles 70 having relatively large cross-sectional areas (see FIG. 6).
  • the surface of the helical layer 70H can be made smoother (see FIG. 4).
  • the structural bending (undulation) of the hoop layer 70P formed outside the helical layer 70H is clearly smaller than in the conventional case (see FIGS. 4 and 5).
  • Vf represents the fiber volume content.
  • Vf value the fiber content increases and the resin content decreases. If the value of Vf is too high, fatigue durability deteriorates. If the value is too low, the outer shape of the tank becomes large.
  • the innermost layer (innermost helical layer 70H) among the plurality of helical layers 70H located in the inner layer is targeted, so that there is an advantage that the tank strength can be further improved. That is, generally, the hoop layer 70P and the helical layer 70H (particularly the hoop layer 70P) formed by winding the fiber bundle 70 contribute to the tank strength as the inner layer (that is, the layer closer to the liner 20). Therefore, when the innermost helical layer 70H is constituted by the fiber bundle 70 having a small cross-sectional area as described above, a layer adjacent to the outer side of the innermost helical layer 70H (in the case of the present embodiment, a hoop layer). 70P) can be wound more smoothly. Thereby, structural bending (undulation) of the fiber bundle 70 which comprises the said hoop layer 70P can be suppressed, and it can contribute further to the improvement of tank strength.
  • the “inner layer” in this specification refers to a layer closer to the liner 20 when the FRP layer 21 is divided into a plurality of parts.
  • the inner layer when the FRP layer 21 is divided into three layers with the same thickness being 1/3 is called the inner layer
  • the outer layer is the outer layer
  • the intermediate layer is the inner layer. Called the middle layer.
  • each layer is expressed as “outer”, “middle”, and “inner”.
  • the cross-sectional area of the fiber bundle 70 can be changed by changing the number of fibers constituting the fiber bundle 70, for example.
  • a fiber bundle (small tow) 70 having a small number of fibers is used for the helical layer 70H located in the inner layer of the FRP layer 21, and the other layers (the middle layer, the outer helical layer 70H, and the hoops of the entire layer) are used.
  • the surface of the target helical layer 70H can be made smoother.
  • An example of the arrangement of the fiber bundle 70 will be described as follows (see Tables 1 and 2).
  • a fiber bundle 70 composed of 6k (6,000) fibers is used for the helical layer 70H located in the inner layer of the FRP layer 21, and the other layers (medium layer, outer layer helical layer)
  • the fiber bundle 70 composed of 12k (12,000) fibers is used for 70H and the entire hoop layer 70P.
  • the cross-sectional area of the fiber bundle 70 may be reduced for all of the helical layers 70H located in the inner layer, or the cross-sectional area of the fiber bundle 70 may be reduced for some of them.
  • a fiber bundle 70 composed of 12k (12,000) fibers is used for the helical layer 70H located in the inner layer of the FRP layer 21, and other layers (the middle layer and the outer layer) are used.
  • a fiber bundle 70 composed of 24k (24,000) fibers is used for the helical layer 70H and the entire hoop layer 70P. Even in this case, it is possible to appropriately change whether to reduce the cross-sectional area of the fiber bundle 70 for all of the helical layers 70H located in the inner layer or to reduce the cross-sectional area of the fiber bundle 70 for a part of them. is there.
  • the mode of arrangement of the fiber bundle 70 described above is merely an example, and the number of fibers may be changed as appropriate.
  • the cross-sectional area of the fiber bundle 70 of the target helical layer 70H is equal to the fiber bundle 70 of the other layers.
  • the cross-sectional area is preferably 2/3 or less.
  • the fiber bundle 70 is arranged after selecting so that the number of fibers of the fiber bundle 70 of the layer other than the target is 1.5 times or more than the number of fibers of the fiber bundle 70 of the target helical layer 70H. It is preferable to do.
  • the thickness of the fiber bundle 70 in the stacking direction of the FRP layer 21 can be reduced by increasing the tension with respect to the fiber bundle constituting the helical layer 70H. In such a case, the fiber bundle 70 spreads in the width direction and becomes flatter, and the level difference is reduced and the surface of the helical layer 70H becomes smoother.
  • the tension of the fiber bundle 70 is about 20 N at present (see FIG. 8), while the tension of the innermost helical layer 70H with respect to the fiber bundle 70 is 40 ⁇ . It is increased to about 50N (see FIG. 7).
  • the fiber bundle 70 wound more strongly with an increase in tension has a flattened cross-sectional shape and a reduced thickness (thickness t ′ ⁇ t).
  • the surface of the helical layer 70H becomes smoother by reducing the level difference (see FIG. 7).
  • the thickness of the fiber bundle 70 and the thickness of the helical layer 70H are reduced by about 20%, and the surface is made smoother by reducing the unevenness. be able to.
  • the tension when the tension is increased as described above to smooth the helical layer 70H, it is also preferable to increase the diameter of the fiber bundle 70 of the layer formed outside the helical layer 70H.
  • the fiber bundle diameter of another layer for example, the hoop layer 70P
  • the bending displacement in the fiber bundle is reduced, and the shear stress is reduced. It is possible to relax (see FIG. 9).
  • a bending angle of, for example, 6 to 7 ° has occurred due to the unevenness of the helical layer 70H (see FIG. 10).
  • the bending angle can be reduced to about 4.2 to 5.5 ° only by increasing the diameter of the fiber bundle 70 (see FIG. 9). That is, when the wire diameter of the fiber bundle 70 of the hoop layer 70P is increased in this way, the rigidity per fiber decreases, so that even when the same force is applied, the bending angle is reduced and the bending angle is reduced.
  • the FW device 80 shown in FIGS. 13 and 14 reciprocates a guide device (referred to as an “eye opening”) 81 of the fiber bundle 70 along the tank axis direction while rotating the liner 20 around the tank axis.
  • the fiber bundle 70 is wound around the outer periphery of the liner 20.
  • the winding angle of the fiber bundle 70 can be changed by changing the relative speed of the movement of the guide device 81 with respect to the rotational speed of the liner 20.
  • the guide device 81 is operably supported by a jig, for example.
  • the unevenness and the structural bending that can be transferred to the layer adjacent to the outside of the helical layer 70H are reduced by reducing the unevenness on the surface of the helical layer 70H.
  • the helical layer 70H is configured using the fiber bundle 70 having a small number of fibers and a relatively small cross-sectional area as described above, or the fiber bundle 70 It is effective to reduce the thickness t of the fiber bundle 70 by increasing the tension. It is also possible to increase the amount of fiber wound per unit time and improve the productivity of the high-pressure tank 1.
  • the hoop layer 70P adjacent to the smooth helical layer 70H itself is made to have a high Vf (fiber volume content)
  • the resin pool is reduced accordingly, so that it is used in the FRP layer 21. This leads to a decrease in the amount of resin.
  • the amount of resin decreases, it is possible to reduce the weight of the high-pressure tank 1.
  • the FRP layer 21 has a high Vf and the amount of resin decreases, the amount of heat generated by curing (heat generated by reaction heat during heat curing of the resin) decreases.
  • the peak temperature at the time of thermosetting is high, problems such as bonding (a state in which the liner 20 and the FRP layer 21 are bonded partially or entirely after FW molding and resin curing) and liner material deterioration may occur.
  • the high-pressure tank 1 of the present embodiment that can reduce the amount of heat generated by curing, it is possible to suppress these problems.
  • the tank strength can be greatly improved. That is, reducing the structural bending of the fiber bundle 70 of the hoop layer 70 ⁇ / b> P is preferable in that it contributes to improving the fatigue strength of the straight portion 1 s of the high-pressure tank 1. Further, reducing the structural bending of the fiber bundle 70 of the helical layer 70H is preferable in that it contributes to improving the fatigue strength of the dome portion 1d of the high-pressure tank 1. In general, both the helical layer 70H and the hoop layer 70P have a greater contribution to the tank strength as the layers located closer to the inner side (layers closer to the liner 20), and in particular, the straight portion 1s is wound to sufficiently exert pressure resistance.
  • the role of the innermost hoop layer 70P is great.
  • a layer adjacent to the outer side of the smooth helical layer 70H (for example, the hoop layer 70P) can be formed smoothly.
  • the layer (for example, the hoop layer 70P) can greatly contribute to the improvement of the tank strength.
  • the above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
  • the innermost helical layer 70H is a smooth helical layer (innermost smooth helical layer)
  • the same effect as described above can be realized also in the helical layer 70H.
  • the case where the outer layer of the helical layer is the hoop layer 70P has been mainly described (see FIG. 4 and the like).
  • the present embodiment is also applicable when the outer layer of the helical layer 70H is the helical layer 70H.
  • the invention can be applied.
  • the present invention is applied to a hydrogen tank that can be used in a fuel cell system and the like.
  • the present invention is applied to a tank for filling a fluid other than hydrogen gas.
  • a fluid other than hydrogen gas Of course it is also possible to do.
  • the present invention can be applied to things other than a tank (pressure vessel), for example, a cylinder (including a cylindrical part) such as a long object or a structure having an FRP layer.
  • a tank pressure vessel
  • a cylinder including a cylindrical part
  • the fiber bundle 70 is wound around a mandrel (such as a mandrel) or a mold by helical winding or hoop winding to form the FRP layer 21 having the helical layer 70H or the hoop layer 70P
  • the helical layer 70H is formed, the same action as in the above-described embodiment, such as reducing the structural bending of the fiber bundle 70, improving the fatigue strength, and reducing the thickness per layer. An effect can be realized.
  • the layer adjacent to the hoop layer is the other hoop layer 70 ⁇ / b> P or the smooth helical layer 70 ⁇ / b> H. Or it is also one of the preferable aspects to make the layer adjacent to the uneven
  • the present invention is suitable for application to a tank having an FRP layer, and to a cylinder such as a long object or a structure.

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Abstract

　ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層の表面の段差の影響により、その外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下するという現象を回避する。これを実現するため、ライナ（２０）と、該ライナ（２０）の外周に繊維束（７０）が巻回されて交互に形成されるフープ層（７０Ｐ）およびヘリカル層（７０Ｈ）からなるＦＲＰ層（２１）と、を有するタンク（１）であって、ＦＲＰ層（２１）の内層に位置する複数のヘリカル層（７０Ｈ）のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層（７０Ｈ）を構成する繊維束（７０）の断面積が、当該ヘリカル層（７０Ｈ）の外側に形成される他の層を構成する繊維束（７０）の断面積よりも小さくされている。このように断面積が小さい繊維束（７０）を用いてヘリカル層（７０Ｈ）を形成した場合、当該ヘリカル層（７０Ｈ）における凹凸が小さくなり、当該ヘリカル層（７０Ｈ）の外側に形成される他の層（一例として、フープ層（７０Ｐ））に凹凸が転写されるのを抑制することができる。

Description

タンクおよびその製造方法
　本発明は、タンクにおよびその製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、水素ガス等が高圧で充填されるタンクにおける構造の改良に関する。
　水素等の貯蔵に利用されるタンクとして、ライナの外周にフープ層とヘリカル層とが交互に積層されたＦＲＰ層を備えるものが利用されている（例えば特許文献１参照）。フープ層は、繊維（例えば炭素繊維）の束がフープ巻（タンク胴体部においてタンク軸にほぼ垂直に巻く巻き方）されて形成された層であり、ヘリカル層は、ＣＦ（炭素繊維）等の繊維束がヘリカル巻（タンク軸にほぼ平行であり、タンクドーム部まで巻く巻き方）されて形成された層である（本願の図２参照）。
特開２００８－０３２０８８号公報
　しかしながら、上述のごとき従来技術においては、ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層、特に最も内側に位置するヘリカル層の表面の段差により、その外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下するという問題がある。
　そこで、本発明は、ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層の表面の段差の影響により、その外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下する、という現象を回避できるようにした構造のタンクおよびその製造方法を提供することを目的とする。
　かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行い、上述したフープ層の繊維束の構造的曲げが大きいと当該フープ層における疲労強度が低下することを知見した。すなわち、フープ層およびヘリカル層が積層されてＦＲＰ層が形成されている場合、フープ層に隣接するヘリカル層自体に凹凸が生じていると、隣接するフープ層に当該凹凸が転写され、これによってフープ層の繊維束自体が小さく蛇行して起伏を生み、構造に起因した曲げ（起伏）が当該フープ層に生じてしまう。
　このような状況下、フープ層の繊維束に生じうる構造的な曲げ（起伏）をいかに低減させるかについて検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクであって、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい、というものである。
　構造に起因するフープ層の繊維束の曲げ（起伏）を低減させるための手段としては、隣接するヘリカル層の凹凸を低減させて当該凹凸が転写しないようにすることが考えられる。ところが、上述したようにヘリカル層はタンク軸に対してほぼ平行となるように、尚かつタンクドーム部で折り返すように巻かれており（図２参照）、隣接する繊維束間の隙間をなくすような巻きは特に考慮されていないため根本的に難しい。一般的には、ヘリカル層は繊維束どうしの重なりや並びなどは考慮されずにいわば無秩序に巻回されており、従来、例えば各ヘリカル層の強化繊維束の筒体周方向における位相をずらすといったことが提案されているものの、凹凸が皆無あるいは少ないヘリカル層を形成するという提案や着眼はなかった。
　この点、本発明では、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積を、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さくすることにより、当該ヘリカル層における凹凸を低減させることとしている。すなわち、このように断面積が小さい繊維束を用いてヘリカル層を形成した場合、当該繊維束の厚みがそのぶん小さくなり、これに伴って繊維束の高さが低くなる。また、繊維束どうしの間における隙間も小さくなる。したがって、これに伴い当該ヘリカル層における凹凸も小さくなり、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層（一例として、フープ層）に凹凸が転写されるのを抑制することができる。これによれば、凹凸ヘリカル層（平滑にするための処理がなされておらず表面に凹凸が生じているヘリカル層のことをいい、図１１、図１２において符号７０Ｂで示す）に起因する従来のような構造的な繊維束の曲げを低減することが可能となるから、当該ヘリカル層の外側に形成される層（例えばフープ層）の繊維束の構造的な曲げ（起伏）を抑えることにより当該繊維束自体の疲労強度を向上させることができる。また、当該ヘリカル層および該ヘリカル層の外側に形成される層（例えばフープ層）を薄肉化、高Ｖｆ（繊維体積含有率）化してバースト強度を向上させることも可能となる。
　本発明にかかるタンクにおいて、内層に位置するヘリカル層は、最内層のヘリカル層であることが好ましい。一般に、繊維束の層（ヘリカル層、フープ層）は、内側に位置する層（ライナ寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きい。この点、本発明のごとく最内層のヘリカル層を断面積の小さな繊維束によって構成した場合には、当該最内ヘリカル層の外側に隣接する層（例えばフープ層）をより平滑に巻回することが可能となり、当該層の繊維束の構造的な曲げ（起伏）を抑えてタンク強度の向上に寄与させることができる。
　また、本発明にかかるタンクにおいて、繊維束の断面積は、繊維束を構成する繊維数を変化させて行うことが好ましい。複数の繊維が束ねられて繊維束が構成されている場合、繊維数を少なくすればこれに伴い繊維束の断面積を小さくすることができる。
　あるいは、本発明にかかるタンクにおいて、ヘリカル層を構成する繊維束に対する張力を増大させることによりＦＲＰ層の積層方向における当該繊維束の厚みを減少させていることも好ましい。繊維束の厚みを減少させて扁平にすれば、これに伴い当該ヘリカル層における凹凸を小さくし、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層（例えばフープ層）に凹凸が転写されるのを抑制することが可能となる。
　また、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束として、それ以外の層を構成する繊維束よりも太い径の繊維束で構成されたものを用いていることも好ましい。このようにヘリカル層の外側に形成される他の層の繊維束の径を太くすることにより、当該繊維束の曲げ変位を減少させ、作用するせん断応力を緩和させることが可能となる。
　本発明にかかる製造方法は、ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクの製造方法において、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つを、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい断面積の繊維束を巻回することによって形成する、というものである。
　また、本発明にかかる筒体は、繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＰＲ層を有する筒体であって、ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい、というものである。
　本発明によれば、ＦＲＰ層中の内層に位置するヘリカル層の表面の段差の影響によりその外側に隣接する層（特にフープ層）の疲労強度が低下する、という現象を回避することが可能となる。
本発明の一実施形態におけるタンクの構造を示す断面図および部分拡大図である。 本発明の一実施形態におけるタンクの構造を示す断面図である。 タンクの口金付近の構造例を示す断面図である。 ＦＲＰ層のヘリカル層およびフープ層の構造例を示す部分拡大図である。 従来のタンクにおけるＦＲＰ層のヘリカル層およびフープ層の構造例を参考として示す部分拡大図である。 従来のタンクにおけるＦＲＰ層の最内ヘリカル層およびその外側のフープ層の構造例を参考として示す部分拡大図である。 本発明の他の実施形態におけるヘリカル層の断面形状例を示す図である。 従来のタンクにおけるヘリカル層の断面形状例を参考として示す図である。 本発明の他の実施形態におけるヘリカル層およびフープ層の構造例を示す図である。 従来のタンクにおけるヘリカル層およびフープ層の構造例を参考として示す図である。 従来のヘリカル巻の一例を参考として示す斜視図である。 従来のヘリカル巻の一例を参考として示す、タンク軸方向に沿った投影図である。 ＦＷ（フィラメントワインディング）装置の一例を示す図である。 ＦＷ装置の繊維ガイド装置を使ってライナの外周に繊維束を巻き付ける様子を示す図である。
　以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
　図１～図４等に本発明にかかるタンクおよびその製造方法の実施形態を示す。以下では、本発明にかかるタンク（以下、高圧タンクともいう）１を水素燃料供給源としての高圧水素タンクに適用した場合を例示しつつ説明する。水素タンクは、燃料電池システム等において利用可能なものである。
　高圧タンク１は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金１１を有する。なお、本明細書では略半球状部分をドーム部、筒状胴体部分をストレート部といい、それぞれ符号１ｄ，１ｓで表す（図１、図２等参照）。また、本実施形態で示す高圧タンク１は両端に口金１１を有するものであるが、説明の便宜上、当該高圧タンク１の要部を示す図３中のＸ軸の正方向（矢示する方向）を先端側、負方向を基端側として説明を行う。このＸ軸に垂直なＹ軸の正方向（矢示する方向）がタンク外周側を指している。
　タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としての例えばＦＲＰ層２１を有している。ＦＲＰ層２１は、例えばＣＦＲＰ層２１ｃのみ、あるいは該ＣＦＲＰ層２１ｃおよびＧＦＲＰ層２１ｇによって形成されている（図１参照）。
　ライナ２０は、タンク本体１０とほぼ同じ形状に形成される。ライナ２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。あるいは、ライナ２０はアルミニウムなどで形成された金属ライナであってもよい。
　ライナ２０の口金１１のある先端側には、内側に屈曲した折返し部３０が形成されている。折返し部３０は、外側のＦＲＰ層２１から離間するようにタンク本体１０の内側に向けて折り返されている。折返し部３０は、例えば折り返しの先端に近づくにつれて次第に径が小さくなる縮径部３０ａと、当該縮径部３０ａの先端に接続され径が一定の円筒部３０ｂとを有している。この円筒部３０ｂによりライナ２０の開口部が形成されている。
　口金１１は、略円筒形状を有し、ライナ２０の開口部に嵌入されている。口金１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。口金１１は射出成形された分割ライナに嵌め込まれている。また、口金１１は例えばインサート成形によりライナ２０に取り付けられてもよい。
　また、口金１１は、例えば先端側（高圧タンク１の軸方向の外側）にバルブ締結座面１１ａが形成され、そのバルブ締結座面１１ａの後方側（高圧タンク１の軸方向の内側）に、高圧タンク１の軸に対して環状の凹み部１１ｂが形成されている。凹み部１１ｂは、軸側に凸に湾曲しＲ形状になっている。この凹み部１１ｂには、同じくＲ形状のＦＲＰ層２１の先端部付近が気密に接触している。
　例えばＦＲＰ層２１と接触する凹み部１１ｂの表面には、例えばフッ素系の樹脂などの固体潤滑コーティングＣが施されている。これにより、ＦＲＰ層２１と凹み部１１ｂとの間の摩擦係数が低減されている。
　口金１１の凹み部１１ｂのさらに後方側は、例えばライナ２０の折返し部３０の形状に適合するように形成され、例えば凹み部１１ｂに連続して径の大きい鍔部（ツバ部）１１ｃが形成され、その鍔部１１ｃから後方に一定径の口金円筒部１１ｄが形成されている。上記ライナ２０の折返し部３０の縮径部３０ａは、鍔部１１ｃの表面に密着し、円筒部３０ｂは、口金円筒部１１ｄの表面に密着している。円筒部３０ｂと口金円筒部１１ｄとの間には、シール部材４０、４１が介在している。
　バルブアッセンブリ５０は、外部のガス供給ライン（供給路２２）と高圧タンク１の内部との間で燃料ガスの給排を制御するものである。バブルアッセンブリ５０の外周面と口金１１の内周面との間には、シール部材６０、６１が介在されている。
　ＦＲＰ層２１は、例えばＦＷ成形（フィラメントワインディング成形）により、ライナ２０の外周面と口金１１の凹み部１１ｂに、樹脂を含浸した繊維束（補強繊維束）７０を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２１の樹脂には、例えばエポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。また、繊維束７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維などの束が用いられる。ＦＷ成形の際には、タンク軸を中心としてライナ２０を回転させながら繊維束７０のガイドをタンク軸方向に沿って動かすことにより当該ライナ２０の外周面に繊維束７０を巻き付けることができる。
　次に、高圧タンク１における繊維束（例えば炭素繊維ＣＦの束）７０の構造的曲げを低減するための繊維巻き構造について説明する（図２等参照）。
　上述したように、高圧タンク１は、ライナ２０の外周に繊維束（例えば炭素繊維束）７０を巻き付け、樹脂を硬化させることにより形成されている。ここで、繊維束７０の巻き付けにはフープ巻とヘリカル巻があり、樹脂がフープ巻された層によってフープ層（図４、図５等において符号７０Ｐで示す）が、ヘリカル巻された層によってヘリカル層（図４、図５等において符号７０Ｈで示す）がそれぞれ形成される。前者のフープ巻は、高圧タンク１のストレート部（タンク胴体部分）に繊維束７０をコイルスプリングのように巻くことによって当該部分を巻き締め、気体圧によりＹ軸正方向へ向かう力（径方向外側へ拡がろうとする力）に対抗するための力をライナ２０に作用させるものである。一方、後者のヘリカル巻はドーム部を巻き締め方向（タンク軸方向の内側向き）に巻き締めることを主目的とした巻き方であり、当該ドーム部に引っ掛かるようにして繊維束７０を高圧タンク１に対し全体的に巻き付けることにより、主として当該ドーム部の強度向上に寄与する。なお、コイルスプリングのように巻かれた繊維７０の弦巻（つるまき）線（ネジにおけるネジ山の線）と、当該タンク１の中心線（タンク軸１２）とのなす角度（のうちの鋭角のほう）が、図２において符号αで示す、本明細書でいう繊維７０の「タンク軸（１２）に対する巻角度」である（図２参照）。
　これら種々の巻き付け方のうち、フープ巻は、ストレート部において繊維束７０をタンク軸にほぼ垂直に巻くものであり、その際の具体的な巻角度は例えば８０～９０°である（図２参照）。ヘリカル巻（または、インプレ巻）は、ドーム部にも繊維束７０を巻き付ける巻き方であり、タンク軸に対する巻角度がフープ巻の場合よりも小さい（図２参照）。ヘリカル巻を大きく２つに分ければ高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻の２種類があり、そのうち高角度ヘリカル巻はタンク軸に対する巻角度が比較的大きいもので、その巻角度の具体例は７０～８０°である。一方、低角度ヘリカル巻は、タンク軸に対する巻角度が比較的小さいもので、その巻角度の具体例は５～３０°である。なお、本明細書においては、これらの間となる３０～７０°の巻角度でのヘリカル巻を中角度ヘリカル巻と呼ぶ場合がある。さらに、高角度ヘリカル巻、中角度ヘリカル巻、低角度ヘリカル巻により形成されるヘリカル層をそれぞれ高ヘリカル層、中ヘリカル層（符号７０ＭＨで示す）、低ヘリカル層（符号７０ＬＨで示す）と呼ぶ。また、高角度ヘリカル巻のドーム部１ｄにおけるタンク軸方向の折り返し部分を折返し部と呼ぶ（図２参照）。
　一般的に、フープ巻は、それ自体、繊維束７０どうしを隣接させながら螺旋状に巻き、繊維束７０の積み重ねをなくして凹凸を生じさせないようにすることが可能な巻き方である。一方、ヘリカル巻は、一般的にはドーム部を巻き締めることを主目的としており、繊維束７０の積み重なりや凹凸を減らすことは困難であるか、あるいはこれらを低減させることについて十分には考慮されていない巻き方である。これらフープ巻とヘリカル巻は、当該高圧タンク１の軸長、直径などの仕様に応じて適宜組み合わされ、ライナ２０の周囲にフープ層７０Ｐおよびヘリカル層７０Ｈが積層される（図１等参照）。このとき、フープ層７０Ｐにヘリカル層７０Ｈが隣接していると、当該ヘリカル層７０Ｈの凹凸がフープ層７０Ｐに転写し、当該フープ層７０Ｐの繊維束７０に曲げ（起伏）が生じることがある。
　この点、本実施形態では、ＦＲＰ層２１の内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうちの少なくとも１つのヘリカル層７０Ｈに関し、該ヘリカル層７０Ｈを構成する繊維束７０の断面積を、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される他の層を構成する繊維束７０の断面積よりも小さくしている（図４参照）。この場合、内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうちのいずれをも対象とすることが可能であるが、これらのうち最内層のヘリカル層（もっともライナ２０寄りのヘリカル層）７０Ｈを対象とすることが好ましい（図６参照）。
　このように、ＦＲＰ層２１の内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうちの少なくとも１つ（好ましくは最内ヘリカル層）において、該ヘリカル層７０Ｈを構成する繊維束７０の断面積を小さくすれば、以下のような作用効果が得られる。すなわち、断面積の小さい繊維束７０を用いてヘリカル層７０Ｈを形成した場合、当該繊維束７０自体の厚みｔが従来の厚みｔ’よりも薄くなる（図４、図５参照）。また、巻回された繊維束７０は、巻回時の張力や他の層からの圧力などにより扁平した断面形状となり、尚かつ、断面積が小さいことから繊維束７０どうしの間隔を従来よりも狭めた状態となる（図４参照）。したがって、このような繊維束７０によって構成されるヘリカル層７０Ｈは、その表面における凹凸が小さくなることから、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される他の層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）に凹凸が転写されるのを抑制することができる（図４参照）。これによれば、凹凸ヘリカル層（平滑にするための処理がなされておらず表面に凹凸が生じているヘリカル層のことをいい、図１１、図１２において符号７０Ｂで示す）に起因する従来のような構造的な繊維束の曲げを低減することが可能となるから、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）の繊維束７０の構造的な曲げ（起伏）を抑え、当該繊維束７０自体の疲労強度を向上させることができる。具体的には、従来のヘリカル層７０Ｐにおいては、断面積が比較的大きな繊維束７０が重なり合う結果、当該ヘリカル層７０Ｐの表面が平滑でない場合があるが（図６参照）、本実施形態においては、当該ヘリカル層７０Ｈの表面をより平滑とすることができる（図４参照）。加えて、本実施形態の場合、ヘリカル層７０Ｈの外側に形成されるフープ層７０Ｐの構造的な曲げ（起伏）が従来の場合よりも明らかに小さい（図４、図５参照）。さらに、当該ヘリカル層７０Ｈ自体、および該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）を薄肉化、高密度化することによって高Ｖｆ化させ、バースト強度を向上させることも可能となる。なお、Ｖｆは繊維体積含有率を表し、その値（Ｖｆ値）が大きくなると繊維の含有率が高くなり、樹脂の含有率が小さくなる。このＶｆの値が高すぎると疲労耐久性が悪化し、値を下げすぎるとタンク外形が大きくなる。
　しかも、本実施形態では、内層に位置する複数のヘリカル層７０Ｈのうち最内層のもの（最内ヘリカル層７０Ｈ）を対象としていることから、タンク強度をより大きく向上させうるという利点がある。すなわち、一般に、繊維束７０を巻回して形成されるフープ層７０Ｐおよびヘリカル層７０Ｈ（特に、フープ層７０Ｐ）は、内側に位置する層（つまりライナ２０寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きいことから、上述のごとく最内層のヘリカル層７０Ｈを断面積の小さな繊維束７０によって構成した場合には、当該最内ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接する層（本実施形態の場合、フープ層７０Ｐ）をより平滑に巻回することが可能となる。これにより、当該フープ層７０Ｐを構成する繊維束７０の構造的な曲げ（起伏）を抑えてタンク強度の向上にさらに寄与させることが可能となる。
　なお、本明細書でいう「内層」とは、ＦＲＰ層２１を複数に分けた場合のライナ２０寄りの層をいう。例えば本実施形態の場合には、ＦＲＰ層２１をほぼ同じ厚みに１／３にして３層に分けた場合の内側の層を内層と呼び、併せて、外側の層を外層、中間の層を中層と呼ぶ。後に示す表１、表２においては各層を「外」、「中」、「内」と表記する。
　また、上述のように繊維束７０の断面積を小さくするにあたっては、例えば当該繊維束７０を構成する繊維の数を変化させることによって当該断面積を変えることができる。具体的には、ＦＲＰ層２１の内層に位置するヘリカル層７０Ｈには繊維数が少ない繊維束（スモールトウ）７０を用い、それ以外の層（中層、外層のヘリカル層７０Ｈ、および全層のフープ層７０Ｐ）にそれよりも繊維数が多い繊維束（ラージトウ）を用いることにより、対象とするヘリカル層７０Ｈの表面をより平滑にすることができる。繊維束７０の配置の態様を例示して説明すれば以下のとおりである（表１、表２参照）。
　以下に示す表１では、ＦＲＰ層２１の内層に位置するヘリカル層７０Ｈには６ｋ（６，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用い、それ以外の層（中層、外層のヘリカル層７０Ｈ、および全層のフープ層７０Ｐ）には１２ｋ（１２，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用いている。この場合、内層に位置するヘリカル層７０Ｈのすべてについて繊維束７０の断面積を小さくしてもよいし、そのうちの一部について繊維束７０の断面積を小さくしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　また、以下に示す表２では、ＦＲＰ層２１の内層に位置するヘリカル層７０Ｈには１２ｋ（１２，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用い、それ以外の層（中層、外層のヘリカル層７０Ｈ、および全層のフープ層７０Ｐ）には２４ｋ（２４，０００）本の繊維で構成された繊維束７０を用いている。この場合においても、内層に位置するヘリカル層７０Ｈのすべてについて繊維束７０の断面積を小さくするか、あるいはそのうちの一部について繊維束７０の断面積を小さくするかは適宜変更することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　以上説明した繊維束７０の配置の態様はあくまでも例示にすぎず、繊維数は適宜変更して構わない。ただし、対象とするヘリカル層７０Ｈの表面を平滑にして上述した作用効果を十分に発現させるには、当該対象とするヘリカル層７０Ｈの繊維束７０の断面積が、それ以外の層の繊維束７０の断面積の２／３以下となるようにすることが好ましい。換言すれば、対象以外の層の繊維束７０の繊維数が、対象とするヘリカル層７０Ｈの繊維束７０の繊維数の１．５倍以上となるように選定したうえで当該繊維束７０を配置することが好ましい。
　ここまで、一部のヘリカル層７０Ｈについて繊維束７０の断面積を小さくすることについて説明したが、これ以外の手段によって当該ヘリカル層７０の表面を平滑にすることもできる。例示すれば、ヘリカル層７０Ｈを構成する繊維束に対する張力を増大させることによりＦＲＰ層２１の積層方向における当該繊維束７０の厚みを減少させることができる。こうした場合、繊維束７０が幅方向に広がってより扁平した状態となり、そのぶん段差が減少して当該ヘリカル層７０Ｈの表面がより平滑となる。従来、ヘリカル層７０Ｈの表面の凹凸の影響により、当該ヘリカル層７０Ｈの外側の層（例えばフープ層）の繊維束７０に曲げによるせん断応力が生じ（図１０中の想像線で囲んだ部分を参照）、破断が進行して疲労強度が低下することが起こりえたが、本実施形態によればこのような影響を抑制して疲労強度低下を回避することが可能となる。
　例えば図７等に示す本発明の他の実施形態では、繊維束７０の張力が現状でおよそ２０Ｎであるのに対し（図８参照）、最内ヘリカル層７０Ｈの繊維束７０に対する張力を４０～５０Ｎ程度にまで増大させている（図７参照）。こうした場合、張力の増加に伴いより強く巻回される当該繊維束７０はさらに扁平した断面形状となって厚みを減少させる（厚みｔ’→ｔ）。この結果、当該ヘリカル層７０Ｈの表面は、段差が少なくなることによってより平滑となる（図７参照）。例えば上述のように張力を２０Ｎから４０～５０Ｎ程度にまで増大させた場合、繊維束７０の厚み、およびヘリカル層７０Ｈの厚みを２０％程度減少させ、凹凸を少なくして表面をより平滑にすることができる。
　また、上述のように張力を増大させてヘリカル層７０Ｈを平滑する際、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に形成される層の繊維束７０の線径を太くすることも好ましい。このようにしてヘリカル層Ｈの外側に形成される他の層（例えばフープ層７０Ｐ）の繊維束径を例えば２０～３０％太くすることにより、当該繊維束における曲げ変位を減少させ、せん断応力を緩和させることが可能となる（図９参照）。一例を挙げると、従来、ヘリカル層７０Ｈの外側のフープ層７０Ｐにおいては、ヘリカル層７０Ｈの凹凸の影響で例えば６～７°の曲げ角度が生じていたところ（図１０参照）、フープ層７０Ｐの繊維束７０の線径を太くすることのみによって当該曲げ角度を４．２～５．５°程度にまで低減させることが可能となる（図９参照）。すなわち、このようにフープ層７０Ｐの繊維束７０の線径を太くした場合には繊維一本当たりの剛性が下がるため、同じ力を加えても曲がる角度が小さくなって曲げ角度が低減する。
　なお、以下に、繊維束７０を巻くためのＦＷ（フィラメントワインディング）装置の一例について簡単に説明しておく。図１３、図１４に示すＦＷ装置８０は、タンク軸を中心としてライナ２０を回転させながら、繊維束７０のガイド装置（「アイ口」などと呼ばれる）８１をタンク軸方向に沿って往復動させることにより当該ライナ２０の外周に繊維束７０を巻き付けるものである。ライナ２０の回転数に対するガイド装置８１の動きの相対速度を変化させることによって繊維束７０の巻角度を変えることができる。ガイド装置８１は、例えば治具によって動作可能に支持されている。
　以上説明したように、本実施形態では、ヘリカル層７０Ｈの表面の凹凸を低減させることにより、当該ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接する層（例えばフープ層７０Ｐ）に転写されうる凹凸や構造的曲げを低減させ、これによって疲労強度が低下するのを回避できるようにしている。この場合、ヘリカル層７０Ｈの表面の凹凸を低減させる手段としては、上述したような、繊維数が少なく断面積が比較的小さい繊維束７０を用いてヘリカル層７０Ｈを構成することや、繊維束７０の張力を増大させて当該繊維束７０の厚みｔを薄くすること等が有効である。また、単位時間あたりの繊維巻き量を増加させ、高圧タンク１の生産性を向上させることも可能である。
　また、平滑なヘリカル層７０Ｈ自体はもちろん、これに隣接するフープ層７０Ｐが高Ｖｆ（繊維体積含有率）化することは、これに伴って樹脂溜まりが少なくなることから、ＦＲＰ層２１において使用する樹脂量が少なくなることにつながる。このように樹脂量が少なくなれば、そのぶん高圧タンク１の軽量化を図ることも可能になる。
　さらに、上述のようにＦＲＰ層２１が高Ｖｆ化して樹脂量が少なくなれば、硬化発熱量（樹脂の熱硬化中の反応熱による発熱）が下がる。一般に、熱硬化時におけるピーク温度が高いと、ボンディング（ＦＷ成形および樹脂硬化の後、ライナ２０とＦＲＰ層２１とが一部分または全部において接着した状態）やライナ材劣化といった問題が生じるおそれがあるが、このように硬化発熱量を低下させうる本実施形態の高圧タンク１においては、これらの問題を抑えることも可能である。
　しかも、本実施形態によればタンク強度を大きく向上させうるという利点もある。すなわち、フープ層７０Ｐの繊維束７０の構造的な曲げを低減することは、高圧タンク１のストレート部１ｓの疲労強度の向上に寄与するという点で好ましい。また、ヘリカル層７０Ｈの繊維束７０の構造的な曲げを低減することは、高圧タンク１のドーム部１ｄの疲労強度の向上に寄与するという点で好ましい。一般に、ヘリカル層７０Ｈ、フープ層７０Ｐとも、内側に位置する層（ライナ２０寄りの層）ほどタンク強度への寄与度が大きく、特に、ストレート部１ｓを巻き締めて耐圧力を十分に作用させるという点において最内層のフープ層７０Ｐの役割が大きい。この点、上述した実施形態では、少なくとも最も内側のヘリカル層７０Ｈの表面を平滑とすることにより、該平滑ヘリカル層７０Ｈの外側に隣接する層（例えばフープ層７０Ｐ）をも平滑に形成することを可能とし、当該層（例えばフープ層７０Ｐ）をタンク強度の向上に大きく寄与させることができる。
　なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述した各実施形態では、最も内側のヘリカル層７０Ｈを平滑ヘリカル層（最内平滑ヘリカル層）とする場合について説明したが、平滑ヘリカル層７０Ｈを形成した場合の種々の作用効果を鑑みれば、他のヘリカル層７０Ｈの表面を平滑にする処理をすることも好ましい。また、中層や外層におけるヘリカル層７０Ｈを平滑とすることで、当該ヘリカル層７０Ｈにおいても上述したものと同様の作用効果を実現させることが可能である。
　また、上述した実施形態ではヘリカル層の外側の層がフープ層７０Ｐである場合を主に説明したが（図４等参照）、ヘリカル層７０Ｈの外側の層がヘリカル層７０Ｈである場合にも本発明を適用することが可能である。
　また、ここまでの実施形態では、燃料電池システム等において利用可能な水素タンクに本発明を適用した場合を例示して説明したが、水素ガス以外の流体を充填するためのタンクに本発明を適用することももちろん可能である。
　さらに、本発明を、タンク（圧力容器）以外の物、例えば、ＦＲＰ層を有する長尺物や構造物などの筒体（筒状の部分を含む）に適用することも可能である。一例を挙げれば、心棒（例えばマンドレルのようなもの）や型の外側にヘリカル巻やフープ巻によって繊維束７０を巻き付けてヘリカル層７０Ｈやフープ層７０Ｐを有するＦＲＰ層２１を形成する場合に、平滑なヘリカル層７０Ｈを形成することとすれば、繊維束７０の構造的曲げを低減させる、疲労強度を向上させる、１層あたりの厚みを薄くする、といった、上述した実施形態におけるのと同様の作用効果を実現することが可能となる。
　また、このように本発明を筒体１’に適用する場合においては、フープ層に隣接する層を他のフープ層７０Ｐまたは平滑ヘリカル層７０Ｈとすることは好ましい態様の一つである。あるいは、凹凸ヘリカル層７０Ｈに隣接する層を平滑ヘリカル層とすることも好ましい態様の一つである。なお、筒体１’の具体例としては、ゴルフクラブのシャフトやカーボンバットといった運動用具、釣竿等のレジャー用具、さらにはプラント設備等のエンジニアリング製品、建築資材などの構造物といったものを挙げることができる。
　本発明は、ＦＲＰ層を有するタンク、さらには長尺物や構造物などの筒体に適用して好適なものである。
１…高圧タンク（タンク）、１’…筒体、２０…ライナ、２１…ＦＲＰ層、７０…繊維束、７０Ｈ…ヘリカル層、７０Ｐ…フープ層、ｔ，ｔ’…（ヘリカル層７０Ｈの）厚み

Claims (8)

  1. 　ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクであって、
    　前記ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい、タンク。
  2. 　前記内層に位置するヘリカル層は、最内層のヘリカル層である、請求項１に記載のタンク。
  3. 　前記ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該繊維束を構成する繊維数を変化させることにより変化している、請求項１に記載のタンク。
  4. 　前記ヘリカル層を構成する繊維束に対する張力を増大させることにより前記ＦＲＰ層の積層方向における当該繊維束の厚みを減少させている、請求項１から３のいずれか一項に記載のタンク。
  5. 　当該ヘリカル層の外側に形成される前記他の層を構成する繊維束として、それ以外の層を構成する繊維束よりも太い径の繊維束で構成されたものを用いている、請求項１から４のいずれか一項に記載のタンク。
  6. 　前記繊維束の断面積が小さいヘリカル層の外側に隣接して形成される他の層がフープ層である、請求項１から５のいずれか一項に記載のタンク。
  7. 　ライナと、該ライナの外周に繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＲＰ層と、を有するタンクの製造方法において、
    　前記ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つを、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい断面積の繊維束を巻回することによって形成する、タンクの製造方法。
  8. 　繊維束が巻回されて交互に形成されるフープ層およびヘリカル層からなるＦＰＲ層を有する筒体であって、
    　前記ＦＲＰ層の内層に位置する複数のヘリカル層のうちの少なくとも１つにおいて、該ヘリカル層を構成する繊維束の断面積が、当該ヘリカル層の外側に形成される他の層を構成する繊維束の断面積よりも小さい、筒体。
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