圧力容器及び水素貯蔵タンク並びに圧力容器の製造方法
【課題】ドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる圧力容器を提供する。
【解決手段】圧力容器11は、筒部12の両端にドーム部13を有する形状に形成され、ドーム部13の中心に口金部14備えている。圧力容器11は、ガスバリア性を有する円筒状の胴部15ａの両端にドーム部15ｂを有するとともにドーム部15ｂの中心に口金部14を備えたライナ15と、その外側に樹脂含浸繊維束を巻き付けて硬化することにより形成された外殻16とを備えている。ドーム部13には内側に巻き付けられた繊維束層17ａを覆う形状補正部材18が設けられ、形状補正部材18の外側にも繊維束層17ｂが形成されている。
【解決手段】圧力容器11は、筒部12の両端にドーム部13を有する形状に形成され、ドーム部13の中心に口金部14備えている。圧力容器11は、ガスバリア性を有する円筒状の胴部15ａの両端にドーム部15ｂを有するとともにドーム部15ｂの中心に口金部14を備えたライナ15と、その外側に樹脂含浸繊維束を巻き付けて硬化することにより形成された外殻16とを備えている。ドーム部13には内側に巻き付けられた繊維束層17ａを覆う形状補正部材18が設けられ、形状補正部材18の外側にも繊維束層17ｂが形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力容器及び水素貯蔵タンク並びに圧力容器の製造方法に係り、詳しくはガスバリア性を有するライナと、樹脂含浸繊維束を前記ライナの外側に巻き付けて硬化することにより形成された繊維強化樹脂製の外殻とを備え、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともに前記ドーム部の中心に口金部を備えた圧力容器及び水素貯蔵タンク並びに圧力容器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）等を収容する圧力容器は、一般にスチールやアルミニウム合金等の金属製のため重量が重い。また、近年、地球温暖化を抑制する意識が高まり、特に車両から排出される二酸化炭素の低減を目的として燃料電池電気自動車や水素エンジン自動車等の水素を燃料とした水素自動車の開発が盛んである。水素自動車としては、水素供給源として水素ガスが充填された水素タンクを搭載するものが一般的である。この場合、燃料タンクとなる圧力容器の重量が重いと燃費が悪くなる。この不都合を解消するため、ガスバリア性を有するライナを耐圧性の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の外殻で覆ったガスボンベが提案されている。
【０００３】
ＦＲＰ製の外殻はフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法と言う場合もある。）でライナ上に巻き付けられた樹脂含浸繊維層が硬化されることによって形成されている。薄肉回転対称体形状の圧力容器の主応力方向は軸方向と周方向で、繊維強化複合材においては繊維を主応力方向に配列するのが最適な繊維配列である。そのため、従来、圧力容器５０のドーム部５１に対しては図９に示すようなインプレーン巻（平面巻）又は図示しないヘリカル巻が行われ、円筒部５２に対してはインプレーン巻又はヘリカル巻とフープ巻の組合せで繊維Ｆが配列されて圧力容器５０が製造されている。
【０００４】
しかし、通常のインプレーン巻やヘリカル巻の場合、繊維は全て圧力容器５０の両端の口金５３に接して折り返しているので、口金５３近傍の肉厚すなわち口金５３に接する繊維または繊維束による繊維層の肉厚が厚く、肩部（ドーム部と円筒部との境界付近）の肉厚が薄い構造となり、口金５３の近傍に余分な繊維Ｆが存在する。この傾向は円筒部径と口金径の比が大きくなるほど顕著になる。このような繊維配列構成では、口金付近に繊維が集中し、形状不良となるとともに、繊維に無駄ができてコスト高となる。
【０００５】
口金近傍の厚みがドーム部の他の部分に比べて過剰に厚くなるのを防止するため、図１０に示すように、ＦＷ法により繊維強化層が形成された圧力容器５０のドーム部５１において、強化用の繊維Ｆが周回を重ねる毎に極点近傍を通る軌道から低緯度を通る軌道へ移行しながら巻かれている圧力容器５０が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。強化用の繊維Ｆはエポキシ樹脂を含浸させながら、アルミニウム製のライナの円筒部に巻付け角度２０°でヘリカル巻を行い、このとき、極点近傍から低緯度方向へ所定の角度まで軌道をずらせながらワインディングを行い、さらに円筒部５２にフープ巻きを行うことが開示されている。
【０００６】
また、ドーム部の口金付近に集中する不要な繊維を無くすとともに、容器全体の繊維量を減らすことができ、しかも繊維の巻付け時に繊維が横滑りせずに製造が容易となる圧力容器が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この圧力容器は、ライナの外側を覆う外殻を構成する繊維のドーム部における配列軌道が、口金に接する軌道と、口金に接しない軌道の２種類存在する。口金に接する軌道を通るように配列される巻付け繊維はインプレーン巻で巻き付けられている。図１１に示すように、口金５３に接しない軌道を通る巻付け繊維５４の大部分は、円筒部５２の端部で測地線の近くを通り配列角度が次第に大きくなるヘリカル巻５５を経て、円筒部５２に配列されるフープ巻５６に連続するように配列されている。また、口金５３に接しない軌道を通る巻付け繊維５４は、ドーム部５１における巻付け部の頂点とライナの軸線を含む平面上で前記頂点を通る接線Ｌに対して直交する平面上に位置するように配列される。
【特許文献１】特開平５−７９５９８号公報（明細書の段落［０００６］、［０００９］、図１）
【特許文献２】特開２０００−３３７５９４号公報（明細書の段落［００１３］、［００１４］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、圧力容器として高圧（例えば、２０ＭＰａ以上）でガスが充填される場合、ヘリカル巻きやインプレーン巻きを用いて、口金部を通るように配列されて圧力容器の軸方向の強度を高めるのに寄与する繊維（繊維束）の量を増やすのが効果的である。前述した通りこの様に配列すると、口金部近傍の繊維束層の厚さがライナの胴部に近い位置に比較して増加する。
【０００８】
この場合、口金部に厚く巻き付けられた繊維束層の上にさらに繊維束を巻き付ける際に繊維の滑りの問題や、形状不良の問題が発生し、口金部を通るように配列することが困難になる。また、口金部近傍から肩部にかけての部分で、前に巻き付けられた（配列された）繊維束を押圧する力が弱くなる。
【０００９】
この対策として口金部近傍から肩部にかけての部分（低緯度部分）で繊維束を多く巻いて形状を補正する必要が生じる。この部分に巻かれる繊維束は軸方向の強度を高めるのにあまり寄与せず、ドーム部に巻く繊維束が増えた分円筒部においても余計に繊維を巻くこととなる。従って繊維量が増え、円筒部外径も大きくなる。
【００１０】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的はドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる圧力容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ガスバリア性を有するライナと、樹脂含浸繊維束を前記ライナの外側に巻き付けて硬化することにより形成された繊維強化樹脂製の外殻とを備え、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともに前記ドーム部の中心に口金部を備えた圧力容器である。そして、前記外殻は前記樹脂含浸繊維束により形成される少なくとも２層の繊維束層を有し、前記ドーム部上の繊維束層間のうち少なくとも１つに形状補正部材が設けられている。
【００１２】
この発明では、形状補正部材がドーム部に巻き付けられた繊維束層を覆う状態で配置され、その外側に繊維束が巻き付けられる構成のため、ドーム部に巻き付けられる繊維束は口金部を通るようにさらに配列することが可能となり、また、前に巻き付けられた（配列された）繊維束を充分押圧するように緊張状態で巻き付けられる。その結果、ドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記形状補正部材は、ライナ側に隣接する繊維束層の前記ライナの胴部に対応する部分の外径より小さな外径である。この発明では、形状補正部材の外径が前記部分の外径より大きな場合に比較して、形状補正部材の外側への繊維束の巻き付け（配列）が容易になる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナ側の面の形状が、ライナ側に隣接する繊維束層の表面に沿った形状に形成され、前記圧力容器の軸を含む断面における前記表面の凹部を埋めるように配置されている。
【００１５】
従って、この発明では、ライナ側に隣接する繊維束層の表面を埋めるように配置された形状補正部材の存在により、そのライナと反対側の面に巻き付けられる繊維束は形状補正部材のライナと反対側の面に沿って確実に緊張された状態で配列され、圧力容器の強度が高くなる。また、形状補正部材のライナ側の面の形状がライナ側に巻き付けられた繊維束層の表面に沿った形状のため、ライナと反対側の面に繊維束が巻き付けられる際に既にライナ側に巻き付けられた繊維束層の繊維が形状補正部材を介して緊張され、また、既に巻き付けられた繊維束層の含浸樹脂のボイド発生が抑制されて圧力容器の強度アップに寄与する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナと反対側の面が前記ライナのドーム部外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されている。この発明では、形状補正部材のライナと反対側の面の曲率がライナのドーム部外面の曲率より大きな場合に比較して、ドーム部の形成により適切な形状となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記形状補正部材は、前記繊維束層の異なる層の間に配置された状態で複数設けられている。この発明では、ドーム部の形状を所望の形状に近い状態にすることが容易になる。また、圧力容器の強度を高めるために繊維束層の厚さを厚くする場合、容易に対応することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記形状補正部材は、ライナ側がライナと反対側より柔らかく形成されている。この発明では、形状補正部材がライナ側に巻き付けられた繊維束層を覆うように配置された状態で、そのライナと反対側に繊維束が巻き付けられる際、形状補正部材がライナ側の繊維束層に密着し易くなり、形状補正部材と繊維束層の間に空隙が生じ難くなる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の圧力容器を使用した水素貯蔵タンクである。従って、この発明では、同じ耐圧性の水素貯蔵タンクにおいて軽量化を図ることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともにドーム部の中心に口金部を備え、かつガスバリア性を有するライナの外側に、樹脂含浸繊維束がフィラメントワインディングで巻き付けられた圧力容器の製造方法である。前記ライナをフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に固定し、前記ドーム部に形成される繊維束層の形状を整える環状の形状補正部材を、予め前記回転支持部と、前記ライナとの間のフィラメントワインディングに支障を来さない退避位置に準備した状態でフィラメントワインディングを行う。そして、前記繊維束の巻付け途中で、前記退避位置に準備した形状補正部材を移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層に接触する位置に配置した後、フィラメントワインディングを再開することを少なくとも１回行う。
【００２１】
この発明では、ライナがフィラメントワインディング装置の回転支持部に支持された状態で、樹脂含浸繊維束がライナの外側に巻き付けられて繊維束層が形成される。そして、ライナを回転支持部から取り外すことなく、形状補正部材をドーム部に形成された繊維束層の適切な位置に配置することができる。従って、形状補正部材の配置及び配置後のフィラメントワインディングの再開に手間がかからない。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図５に従って説明する。図１は圧力容器の模式断面図、図２（ａ）はヘリカル巻の繊維束の配列状態を示す模式図、（ｂ）はフープ巻の繊維束の配列状態を示す模式図、図３はヘリカル巻の繊維束のドーム部における配列状態（配列軌道）を示す模式図である。図４はフィラメントワインディング装置（以下、ＦＷ装置と称す。）の巻き取り部の模式側面図、図５はＦＷ装置の模式平面図である。
【００２４】
図１に示すように、圧力容器１１は、筒部１２の両端にドーム部１３を有する形状に形成され、ドーム部１３の中心に口金部１４備えている。圧力容器１１は、ガスバリア性を有するライナ１５と、ライナ１５の外側を覆う繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の外殻１６とを備えている。
【００２５】
ライナ１５は、円筒状の胴部１５ａの両端にドーム部１５ｂを有する形状に形成されるとともに前記ドーム部１５ｂの中心に口金部１４を備えている。圧力容器１１を水素貯蔵タンクとして使用する場合、ライナ１５は、例えばアルミニウム合金を材質として形成される。口金部１４には配管のプラグ等を螺合するためのねじ孔１４ａが形成されている。
【００２６】
外殻１６は、樹脂含浸繊維束（以下、単に繊維束と言う場合もある。）をライナ１５の外側に巻き付けて硬化することにより形成されている。この実施形態では、ＦＲＰの強化繊維に炭素繊維が使用され、樹脂にはエポキシ樹脂が使用されている。
【００２７】
ドーム部１３には先に巻き付けられた繊維束層１７ａと、後から巻き付けられた繊維束層１７ｂとの間（繊維束層間）に形状補正部材１８が設けられている。即ち、形状補正部材１８は、繊維束層１７ａ及び繊維束層１７ｂに挟まれた状態に配置されている。形状補正部材１８は、繊維束層１７ａのライナ１５の胴部１５ａに対応する部分の外径より小さな外径で、外面が該形状補正部材１８の外側に巻き付けられる繊維束がくい込まない硬さに形成されている。また、形状補正部材１８はその中央に繊維束層１７ａの口金部１４近傍の部分の径と同じか、僅かに大きい径の孔が設けられている。この実施形態では形状補正部材１８はエポキシ樹脂で形成されている。形状補正部材１８は、該形状補正部材１８のライナ１５側の面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成され、圧力容器１１の軸を含む断面における前記表面の凹部１９を埋めるように配置されている。形状補正部材１８は、ライナ１５と反対側の面は凸でありその曲率がライナ１５のドーム部１５ｂの外面の曲率より小さな曲面で形成されている。また、繊維束層１７ａの口金部１４近傍の部分と肩部を滑らかに結ぶ曲面で構成されている。
【００２８】
外殻１６を構成する繊維束はライナ１５の外面に連続的に巻き付けられて所定の厚さの繊維束層に形成されている。繊維束２０は図２（ａ）に示すようにヘリカル巻で巻き付けられるものと、図２（ｂ）に示すようにフープ巻で巻き付けられるものとの２種類が存在する。フープ巻は胴部１５ａと対応する箇所にのみ巻き付けられている。
【００２９】
ヘリカル巻を形成する繊維束２０は、ドーム部１３（１５ｂ）における配列軌道が、図３に実線で示すように口金部１４の接線方向に延びる状態あるいは、図３に鎖線で示すように口金部１４に僅かに巻付いた状態となるように配列されている。ヘリカル巻を構成する繊維束２０の巻付け角度は、圧力容器１１に要求される耐圧性にもよるが、例えば１０度〜２５度の範囲が好ましい。巻付け角度とは、筒部１２において繊維束２０と軸線方向との成す角度を意味する。
【００３０】
次に前記のように構成された圧力容器１１の製造方法を説明する。圧力容器１１を製造する際は、ＦＷ装置を使用する。図４に示すように、ＦＷ装置３１はライナなどの被巻付け部材を回転可能に支持する回転支持部としての一組のチャック３２を備えている。また、図５に示すように、ＦＷ装置３１は、繊維束供給部３３、樹脂含浸装置３４、繊維束ガイド３５及び繊維束供給ヘッド３６を備えている。繊維束供給ヘッド３６は、チャック３２に支持された被繊維束巻付け部材（この実施形態ではライナ１５）の長手方向（図５における左右方向）に沿って往復移動可能に構成されている。繊維束供給ヘッド３６は、複数のボビンＢから供給される繊維束２０を１本にまとめるとともに扁平なリボン状にしてライナ１５に巻き付けるように構成されている。
【００３１】
繊維束供給ヘッド３６を往復移動させるアクチュエータ３７には、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体３７ａを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。移動体３７ａ上には、図示しない昇降用アクチュエータが固定され、繊維束供給ヘッド３６は昇降用アクチュエータに取り付けられている。
【００３２】
繊維束供給部３３は、繊維束２０が巻かれた複数（この実施形態では３つ）のボビンＢが、張力調整装置（図示せず）に連結された支軸３３ａに支持される構成になっている。張力調整装置には例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸３３ａに負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。繊維束２０は、例えば、炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。
【００３３】
樹脂含浸装置３４は、樹脂槽３４ａ及び塗布ローラ３４ｂを備え、樹脂槽３４ａの上方にはボビンＢから引き出された繊維束２０を樹脂槽３４ａの所定位置に案内するローラと、樹脂槽３４ａで樹脂が含浸された後の繊維束２０を案内するローラ（いずれも図示せず）とが設けられている。繊維束ガイド３５は複数のボビンＢから引き出された繊維束２０がそれぞれ分離された状態で樹脂含浸作用を受けるように案内するため、櫛歯状のガイド部（図示せず）を備えている。
【００３４】
チャック３２は被繊維束巻付け部材をその軸心を中心に回転可能に支持し、可変速モータにより回転駆動される。そして、制御装置（図示せず）により可変速モータが制御されて、繊維束供給ヘッド３６の移動速度と可変速モータの回転を同期させることにより、繊維束２０の被繊維束巻付け部材に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。
【００３５】
そして、ライナ１５をＦＷ装置３１のチャック３２に一体回転可能に支持し、形状補正部材１８をチャック３２と、ライナ１５との間のフィラメントワインディングに支障を来さない図４に示す退避位置に準備する。この実施形態では、形状補正部材１８を一時的に支持する支持部材３９が、ＦＷ装置３１の両側においてチャック３２上方を通ってチャック３２に支持されるライナ１５の口金部１４付近まで延びるように設けられている。そして、各支持部材３９の先端部３９ａが形状補正部材１８の退避位置となり、形状補正部材１８は支持部材３９の先端部３９ａに掛けられた状態で支持される。
【００３６】
この実施形態では、ライナ１５は口金部１４がチャック３２に直接支持されるのではなく、ロッド３８を介してライナ１５がチャック３２に支持される。ロッド３８は、先端に口金部１４のねじ孔１４ａと螺合する小径の雄ねじ部を有し、雄ねじ部がライナ１５の口金部１４に螺着されることにより口金部１４が延長された状態となる。
【００３７】
次に作業者は、繊維束供給部３３から繊維束２０を引き出し、樹脂含浸装置３４、繊維束ガイド３５等を経て繊維束供給ヘッド３６に導き、繊維束供給ヘッド３６に挿通した後、繊維束２０の端部をライナ１５の所定位置に固定する。繊維束２０の端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。また、作業者は、フィラメントワインディング時の回転速度、繊維束供給ヘッド３６の巻付け時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置（図示せず）に入力する。そして、その状態でフィラメントワインディングが行われる。
【００３８】
先ずヘリカル巻で繊維束２０が口金部１４に接触する状態で配列されるとともに、両側のドーム部１５ｂを経て１往復毎に巻付け位置がずれるようにして、ドーム部１５ｂの全体が繊維束２０で覆われるまで巻き付けられて、各ドーム部１５ｂに１層分のヘリカル巻層が、胴部１５ａに２層分のヘリカル巻層が形成される。次にフープ巻層が胴部１５ａに所定層形成される。
【００３９】
次に再びヘリカル巻が行われ、ドーム部１５ｂにヘリカル巻が所定量巻き付けられると、フィラメントワインディングが中断されて、繊維束層１７ａの巻付けが完了する。ここで、所定量とはドーム部１５ｂに巻き付けられた繊維束層において、口金部１４近傍の厚さと、口金部１４から離れた部分の厚さとの比が、繊維束２０の巻付けを継続した場合、該繊維束２０が前に巻き付けられた繊維束２０に接しないか、接しても接圧力が小さくなる量を意味する。この量は、予め試験などで求められている。ヘリカル巻が所定量に達した状態では、繊維束層１７ａの表面（外面）の口金部１４近傍は、圧力容器１１の軸を含む断面においてライナ１５の内側方向に凸の曲面となっており、凹部１９が形成されている。その結果、繊維束層１７ａの表面に巻き付けられる繊維束２０は、口金部１４寄りにおいて、繊維束層１７ａに接しないか、接しても接圧力が小さくなる。なお、前記繊維束層の厚さとは、ドーム部１５ｂの表面の法線方向における前記繊維束層の長さを意味する。
【００４０】
次に退避位置に準備された形状補正部材１８をロッド３８に沿って移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層１７ａに接触する位置に配置する。形状補正部材１８は、そのライナ１５側面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成され、凹部１９を埋めるように配置される。その後、フィラメントワインディングが再開され、前記と同様にヘリカル巻による巻き付けが行われ、繊維束層１７ｂが形成される。そして、要求される耐圧性を確保するのに必要な厚さの繊維束層１７ｂが形成されて繊維束２０の巻付けが終了する。
【００４１】
巻付けが終了した後、ライナ１５とともに成形体がＦＷ装置３１から取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は８０〜１８０℃程度である。加熱硬化によりＦＲＰ製の外殻１６が形成される。冷却後、バリ等の除去が行われた後、口金部１４のねじ孔１４ａに、水素充填及び排出用配管を接続するためのプラグ等が螺合されて圧力容器１１が完成する。
【００４２】
ドーム部１５ｂを有するライナ１５の外側に巻き付けられる繊維束２０のドーム部１５ｂにおける配列軌道が口金部１４に接するようにフィラメントワインディングによってヘリカル巻あるいはインプレーン巻で巻き付けられる場合、繊維束層の厚さがライナ１５の胴部１５ａに近い位置に比較して、口金部１４近傍で厚くなる。そして、ドーム部１５ｂに巻き付けられた繊維束層が増えると、口金部１４近傍の繊維束２０の割合が増加して、繊維束層表面の形状が圧力容器１１の軸を含む断面において全体として外側に凸の曲面ではなく、口金部１４近傍に凹部１９を有する形状となる。そのため、後から巻き付けられる繊維束２０が、前に巻き付けられた（配列された）繊維束層を押圧する力が弱くなる。しかし、この実施形態では、形状補正部材１８が凹部１９を埋める状態で配置され、その外側に巻き付けられる繊維束２０は、形状補正部材１８のライナ１５と反対側の面である外側に凸の面に巻き付けられる構成のため、繊維束２０はドーム部１５ｂに緊張状態で巻き付けられる。その結果、圧力容器１１の強度が高くなる。
【００４３】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）圧力容器１１は、ガスバリア性を有するライナ１５の外側に繊維強化樹脂製の外殻１６を備え、筒部１２の両端にドーム部１３を有する形状でドーム部１３の中心に口金部１４を備えている。そして、ドーム部１３上の繊維束層１７ａ、１７ｂ間に形状補正部材１８が設けられている。従って、ドーム部１３を構成する繊維束は口金部を通るようにさらに配列することが可能となり、また、前に巻き付けられた（配列された）繊維束を充分押圧するように緊張状態で巻き付けられる。その結果、ドーム部１３に巻き付けられる繊維束２０が口金部１４を通るように配列しても、口金部１４近傍から肩部にかけて圧力容器１１の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができ、軽量化及び筒部１２の薄肉化が可能になる。また筒部１２の薄肉化により圧力容器の小径化も可能となる。
【００４４】
（２）ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂは、口金部１４に接する状態で巻き付けられた繊維束２０のみによって構成されている。従って、ドーム部１３を構成する全ての繊維束２０が圧力容器１１の軸方向強度に効率よく寄与する。
【００４５】
（３）形状補正部材１８は、該形状補正部材１８のライナ１５側面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成され、前記表面の凹部１９を埋めるように配置されている。従って、繊維束層１７ａの表面を埋めるように配置された形状補正部材１８の存在により、その外側に巻き付けられる繊維束２０は形状補正部材１８のライナ１５と反対側の面に沿って確実に緊張された状態で配列され、圧力容器１１の強度が高くなる。また、外側の繊維束２０が巻き付けられる際に既に内側に巻き付けられた繊維束層１７ａの繊維が形状補正部材１８を介して緊張され、また、既に巻き付けられた繊維束層１７ａの含浸樹脂のボイド発生が抑制されて圧力容器１１の強度アップに寄与する。
【００４６】
（４）形状補正部材１８は、ライナ１５と反対側の面がライナ１５のドーム部１５ｂ外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されている。従って、形状補正部材１８のライナ１５と反対側の面の曲率がライナ１５のドーム部１５ｂ外面の曲率より大きな場合に比較して、圧力容器１１のドーム部１３の形成（繊維束２０の巻付け）により適切な形状となる。
【００４７】
（５）形状補正部材１８は、ライナ１５側面の繊維束層１７ａの胴部１５ａに対応する部分の外径より小さな外径である。従って、外側に繊維束２０を巻き付けやすい。
（６）形状補正部材１８を用いることにより、ドーム部１５ｂに繊維束２０が巻き付けられた状態から更に繊維束２０を巻き付ける際に、ドーム部１５ｂにおける繊維束２０の配列軌道を予測するのが容易となり、設計が容易になる。
【００４８】
（７）圧力容器１１を製造する際、ライナ１５をＦＷ装置３１のチャック３２に一体回転可能に固定し、ドーム部１５ｂに形成される繊維束層の形状を整える環状の形状補正部材１８を、予めチャック３２と、ライナ１５との間のフィラメントワインディングに支障を来さない退避位置に準備した状態でフィラメントワインディングを行う。そして、繊維束２０の巻付け途中で、前記退避位置に準備した形状補正部材１８を移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層１７ａに接触する位置に配置した後、フィラメントワインディングを再開する。従って、フィラメントワインディングを中断して、形状補正部材１８を繊維束層１７ａに接触する位置に配置する際、ライナ１５をチャック３２から取り外すことなく、形状補正部材１８を繊維束層１７ａの適切な位置に配置することができ、形状補正部材１８の配置及び配置後のフィラメントワインディングの再開に手間がかからない。
【００４９】
（８）形状補正部材１８を挿入することにより、外観形状が良くなる。従って、外観形状を整えるための繊維束２０が少なくなり、軽量、コンパクトにでき、繊維束２０の使用量が減って製造コストを低下することができる。
【００５０】
（９）ライナ１５をＦＷ装置３１のチャック３２で支持する際、口金部１４を直接支持するのではなく、ねじ孔１４ａに螺着されるロッド３８を介して支持する。従って、口金部１４の長さとして、ドーム部１３を構成する繊維束２０の巻付けに必要な長さと、チャック３２で支持するのに必要な長さとの合計の長さに形成して、外殻１６が形成された後に、圧力容器１１として不要な部分を切断除去する手間がなくなる。また、ライナ１５の製造に必要な材料を少なくできる。
【００５１】
（１０）繊維束２０に炭素繊維が使用され、マトリックス樹脂にエポキシ樹脂が使用されているため、自動車の燃料タンクとして使用される強度を確保して、軽量化及びコンパクト化をより高めることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図６に従って説明する。この実施形態は、形状補正部材１８がドーム部１３を構成する繊維束層の異なる層の間に配置された状態で複数設けられている点が前記第１の実施形態と異なっており、その他の構成は同じである。前記第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。なお、図６において、繊維束層１７ａ，１７ｂ及び形状補正部材１８の区別を分かり易くするため、形状補正部材１８の断面部分をハッチング（斜線）ではなくドットを付して表している。
【００５３】
図６に示すように、圧力容器１１のドーム部１３は、３層の繊維束層１７ａと、３個の形状補正部材１８と、外層の繊維束層１７ｂとを備えている。各形状補正部材１８は、その厚さが第１の実施形態の形状補正部材１８の厚さより薄く形成されている。ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂの合計の厚さは、使用される繊維束２０の太さ、繊維の強度、圧力容器１１に要求される耐圧性等によって異なる。従って、圧力容器１１に要求される耐圧性に必要な繊維束層１７ａ，１７ｂの合計の厚さが薄くて良ければ、第１の実施形態のように１個の形状補正部材１８を使用するだけでよい場合もある。
【００５４】
しかし、必要な繊維束層１７ａ，１７ｂの合計の厚さが厚い場合は、１個の形状補正部材１８を使用しただけでは、フィラメントワインディングの途中で繊維束２０の巻付けを中断するとともに、形状補正部材１８を繊維束層１７ａに接するように配置して繊維束２０の巻付け部の形状を補正しても、口金部１４近傍の繊維量が過剰になる。その結果、同じ巻付け量において繊維束２０による圧力容器１１の軸方向への強度の寄与が少なくなるため、圧力容器１１に要求される耐圧性を確保するのに必要な繊維束２０の量が多くなるとともに、ドーム部１３の形状の外観が悪くなる。しかし、この実施形態の構成では、形状補正部材１８を複数使用することにより、繊維束２０を圧力容器１１の軸方向への強度の寄与が効果的に発揮される状態で巻き付けることができ、ドーム部１３の形状の外観が良くなるとともに、必要な繊維束２０の量が少なくなる。
【００５５】
従って、この実施形態においては、前記第１の実施形態の効果（１）〜（１０）と同様の効果を有する他に次の効果を有する。
（１１）形状補正部材１８は、ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂの異なる層の間に配置された状態で複数設けられている。従って、ドーム部１３の形状を所望の形状に近い状態にすることが容易になり、設計がより容易になるとともに外観上も良好になる。また、圧力容器１１の強度を高めるためにドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂの合計厚さを厚くする場合、容易に対応することができる。
【００５６】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 形状補正部材１８は、ライナ１５側の面の形状が滑らかな形状に限らない。例えば、図７に示すように、内径部分から外径部分に延びる溝（凹部）１８ａを形成してもよい。この場合、圧力容器１１の製造時に形状補正部材１８を繊維束層１７ａの表面と接する位置に配置した後、形状補正部材１８の上に繊維束２０を巻き付ける際、繊維束層１７ａから染み出した樹脂液を形状補正部材１８の外径部分まで導き易くなり、形状補正部材１８が繊維束層１７ａの表面に密着し易くなる。
【００５７】
○ 図７に示すように、形状補正部材１８に孔１８ｂを形成してもよい。孔１８ｂが存在すると、圧力容器１１の製造時に形状補正部材１８を繊維束層１７ａの表面と接する位置に配置した後、形状補正部材１８の上に繊維束２０を巻き付ける際、繊維束層１７ａから染み出した樹脂液が孔１８ｂから形状補正部材１８の外側に排出され易くなり、形状補正部材１８が繊維束層１７ａの表面に密着し易くなる。図７に示すように、形状補正部材１８に溝１８ａ及び孔１８ｂの両者を形成してもよい。
【００５８】
○ 形状補正部材１８は、ライナ１５側の面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成されていなくてもよい。例えば、自由状態では一部が繊維束層１７ａから浮いた状態となる形状であっても、形状補正部材１８の外側に巻き付けられる繊維束２０の張力によって繊維束層１７ａの表面密着するように変形可能であればよい。
【００５９】
○ 形状補正部材１８は、ライナ１５と反対側の面がライナ１５のドーム部１５ｂ外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されているものに限らず、ドーム部１５ｂ外面の曲率以上の曲率の曲面で形成されていてもよい。しかし、ドーム部１５ｂ外面の曲率より小さな曲率の曲面の方がドーム部１３の外観が良好になるとともに、繊維束２０を巻き付ける際に繊維束２０に適切な張力が加わる状態となり易い。
【００６０】
○ 形状補正部材１８の材質はエポキシ樹脂に限らない。例えば、形状補正部材１８をエポキシ樹脂以外の樹脂で形成したり、繊維強化樹脂で形成したり、あるいは金属やセラミックスで形成したりしてもよい。しかし、金属やセラミックスに比較して樹脂の方が軽量化のためには好ましい。
【００６１】
○ 形状補正部材１８は全体が同じ硬さではなく、ライナ１５側がライナ１５と反対側より柔らかく形成されたものであってもよい。例えば、形状補正部材１８をライナ１５と反対側部分とライナ１５側部分とが異なる硬さの材質で形成された２層構造としてもよい。例えば、ライナ１５側にエラストマー層を設けてもよい。この場合、圧力容器１１の製造時に、形状補正部材１８のライナ１５と反対側に繊維束２０が巻き付けられる際、形状補正部材１８がライナ１５側の繊維束層１７ａに密着し易くなり、形状補正部材１８と繊維束層１７ａの間に空隙が生じ難くなる。その結果、圧力容器１１の強度が向上する。
【００６２】
○ 形状補正部材１８を熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）製とする場合、フィラメントワインディングの終了後、繊維束２０に含浸された熱硬化樹脂が加熱炉で加熱されて硬化されるまでは、ライナ１５側とライナ１５と反対側とで異なる硬さとしてもよい。例えば、ライナ１５と反対側は完全硬化された熱硬化性樹脂で形成し、ライナ１５側を半硬化状態の同じ熱硬化性樹脂で形成してもよい。この場合も形状補正部材１８のライナ１５と反対側に繊維束２０が巻き付けられる際、形状補正部材１８がライナ１５側の繊維束層１７ａに密着し易くなり、形状補正部材１８と繊維束層１７ａの間に空隙が生じ難くなる。
【００６３】
○ 形状補正部材１８は、ライナ側に隣接する繊維束層のライナの胴部１５ａに対応する部分の外径より小さな外径に限らず、前記部分の外径以上であってもよい。しかし、外径より小さい方が好ましい。
【００６４】
○ 形状補正部材１８を径の異なる大きさの複数のリング（環状部材）で構成してもよい。
○ 形状補正部材１８を複数の部材を組み合わせて環状となるように構成してもよい。この場合、フィラメントワインディングの際に、ＦＷ装置３１のチャック３２とライナ１５との間の退避位置に形状補正部材１８を予め準備しておかなくても、繊維束層１７ａの表面（外面）に接する位置に容易に配置できる。
【００６５】
○ ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂは、ヘリカル巻のみで構成されるものに限らず、ヘリカル巻で形成される繊維束層とインプレーン巻で形成された繊維束層とを組み合わせて構成されたものとしても、インプレーン巻のみで構成されたものとしてもよい。繊維束２０がドーム部１３に口金部１４に接する状態で巻き付けられた場合、ライナ１５の胴部１５ａ外径と口金部１４外径との比が大きい程、口金部１４付近の繊維束層の厚さが他の部分の厚さより厚くなる。従って、胴部１５ａ外径と口金部１４外径との比と、圧力容器１１に要求される耐圧性とにより、ドーム部１３を構成する繊維束２０をどの巻き方とするか適宜選択される。
【００６６】
○ 実施の形態では、ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａはヘリカル巻層が形成され次にフープ巻層が形成され次に再びヘリカル巻が行なわれて形成され、また繊維束層１７ｂはヘリカル巻が行なわれて形成されているが、この構成に限らない。巻き方の順番を入れ替えても良いし、さらに別の巻層を形成しても良いし、繊維束層１７ａのヘリカル巻層を１層省略してもよい。口金部１４を通るように繊維束２０が巻かれた巻層が形状補正部材１８のライナ側に隣接する繊維束層にあればよい。
【００６７】
○ ドーム部１３に巻き付けられる繊維束２０は、口金部１４を通る軌道のみに限らない。口金部１４を通らない低緯度巻きがあってもよい。
○ 第２の実施形態で３つの繊維束層間全てに形状補正部材１８を配置したが、全てでなくても良い。少なくとも１つ配置されていればよい。
【００６８】
○ 繊維束層は４層以上であってもよく、その場合も形状補正部材１８は隣接する繊維束層間全てに配置される必要はなく、少なくとも１つの形状補正部材１８が配置されていればよい。
【００６９】
○ 圧力容器１１は、ライナ１５の内部に熱交換器を備えた構成としてもよい。ガスを圧力容器１１内に高圧で充填する場合、圧縮による発熱のため短時間で充填するにはガスを冷却しながら充填する必要がある。特に圧力容器１１を水素貯蔵タンクとして使用するとともに、内部に水素貯蔵物質（例えば、水素吸蔵合金）を充填した構成では、圧縮容器内部の冷却が必要になる。その場合、ライナ１５内に熱交換器を内蔵することが好ましい。ライナ１５内に熱交換器を内蔵する構成として、図８に示すように、ライナ１５のドーム部１５ｂとして、蓋部２１を備えた構成としてもよい。例えば、ライナ１５は一端側（図８に示されている部分）が分割式となっており、ドーム部１５ｂに熱交換器２２の外径より大きな径の開口部２３が形成されるとともに、開口部２３を覆うとともに熱交換器２２が一体に構成された蓋部２１を備えている。蓋部２１は、胴部１５ａ側にねじ２４により固定されている。熱交換器２２は熱媒管２５、エンドプレート２６、伝熱フィン２７及び円筒状のフィルタ２８を備えるとともに、エンドプレート２６及び伝熱フィン２７の間に水素吸蔵合金（図示せず）が充填されている。
【００７０】
○ ライナ１５の内部に熱交換器を備えた圧力容器１１は、ライナ１５を分割式にしなくてもよい。例えば、一端側のドーム部１５ｂ側に熱交換器を固定した後、他端側を絞り加工する。その後、フィラメントワインディング及び加熱硬化により外殻１６を形成する。
【００７１】
○ ライナ１５はアルミニウム合金製に限らず、ステンレス鋼や銅等の他の金属製としたり、金属製に代えてガスバリア性を有する樹脂製としたりしてもよい。ライナ１５を樹脂製とする場合は、ドーム部１５ｂの中心部に金属製の口金部１４を固着した構成とする。ライナ１５を樹脂製とした場合、金属製に比較して軽量化に寄与できる。
【００７２】
○ ＦＷ装置３１のチャック３２にライナ１５を支持する際、ロッド３８を介して支持する構成に代えて、口金部１４をドーム部１５ｂに巻き付けられる繊維束２０の巻付け位置より長く形成する。そして、ライナ１５を口金部１４でチャック３２に支持し、繊維束２０の巻付け完了及び樹脂硬化後に、不要な部分を切断除去してもよい。
【００７３】
○ 外殻１６を構成するＦＲＰのマトリックス樹脂として、圧力容器に要求される性能に合わせて、エポキシ樹脂に限らず他の熱硬化性樹脂（例えば、ポリイミド樹脂）や、曲げ弾性率の高い熱可塑性樹脂（例えばポリエーテルエーテルケトン）等を使用してもよい。また、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の他の樹脂を使用してもよい。この場合樹脂の価格がエポキシ樹脂より安いのでコスト低減を図れる。
【００７４】
○ 予め炭素繊維に樹脂が含浸されたプリプレグ繊維を使用してもよい。この場合、樹脂含浸装置が不要のため、工数低減ができるとともに、樹脂含浸装置のスペース分、装置全体の設置スペースを狭くできる。
【００７５】
○ 繊維束２０の材質は炭素繊維に限らず、圧力容器に要求される性能に合わせて、ガラス繊維等の他の無機繊維やポリアラミド繊維等の高強度、高弾性率の有機繊維を使用してもよい。
【００７６】
○ ライナ１５の胴部１５ａは円筒状に限らず、断面楕円形や多角形の筒状であってもよい。但し、繊維束２０が胴部１５ａ及びほぼ半球状のドーム部１５ｂにわたって滑らかに連続して巻き付けられる形状とする必要がある。
【００７７】
○ マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂に代えて紫外線硬化樹脂を使用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記ドーム部を構成する繊維束層は、前記口金部に接する状態で巻き付けられた繊維束のみによって構成されている。
【００７８】
（２）請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記ドーム部に巻き付けられた繊維束層は、前記口金部に接する状態でかつヘリカル巻で巻き付けられた繊維束のみによって構成されている。
【００７９】
（３）筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともにドーム部の中心に口金部を備え、かつガスバリア性を有するライナの外側に、樹脂含浸繊維束がフィラメントワインディングで巻き付けられた圧力容器の製造方法であって、前記ライナをフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に固定した状態でフィラメントワインディングを行い、前記ドーム部に巻き付けられた繊維束によって形成される繊維束層の外形が、その外側に巻き付けられる繊維束からの押圧力が予め設定された値以下になる形状になると、それまでに巻き付けられた繊維束層の外側に形状補正部材を配置してその上から繊維束を再び巻き付けて繊維束層を形成する圧力容器の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施形態における圧力容器の断面図。
【図２】（ａ）はヘリカル巻の繊維束の配列状態を示す模式図、（ｂ）はフープ巻の繊維束の配列状態を示す模式図。
【図３】ヘリカル巻の繊維束のドーム部における配列状態（配列軌道）を示す模式図。
【図４】ＦＷ装置の巻き取り部の模式側面図。
【図５】ＦＷ装置の模式平面図。
【図６】第２の実施形態における圧力容器の部分断面図。
【図７】別の実施形態の形状補正部材を裏側から見た図（背面図）。
【図８】別の実施形態における圧力容器の部分断面図。
【図９】インプレーン巻の繊維の配列状態を示す模式図。
【図１０】従来技術の圧力容器におけるドーム部の繊維の配列状態を示す模式図。
【図１１】別の従来技術におけるヘリカル巻の配列状態を示す模式図。
【符号の説明】
【００８１】
１１…圧力容器、１２…筒部、１３，１５ｂ…ドーム部、１４…口金部、１５…ライナ、１５ａ…胴部、１６…外殻、１７ａ，１７ｂ…繊維束層、１８…形状補正部材、１９…凹部、２０…繊維束、３１…ＦＷ装置、３２…回転支持部としてのチャック。
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力容器及び水素貯蔵タンク並びに圧力容器の製造方法に係り、詳しくはガスバリア性を有するライナと、樹脂含浸繊維束を前記ライナの外側に巻き付けて硬化することにより形成された繊維強化樹脂製の外殻とを備え、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともに前記ドーム部の中心に口金部を備えた圧力容器及び水素貯蔵タンク並びに圧力容器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）等を収容する圧力容器は、一般にスチールやアルミニウム合金等の金属製のため重量が重い。また、近年、地球温暖化を抑制する意識が高まり、特に車両から排出される二酸化炭素の低減を目的として燃料電池電気自動車や水素エンジン自動車等の水素を燃料とした水素自動車の開発が盛んである。水素自動車としては、水素供給源として水素ガスが充填された水素タンクを搭載するものが一般的である。この場合、燃料タンクとなる圧力容器の重量が重いと燃費が悪くなる。この不都合を解消するため、ガスバリア性を有するライナを耐圧性の繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の外殻で覆ったガスボンベが提案されている。
【０００３】
ＦＲＰ製の外殻はフィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法と言う場合もある。）でライナ上に巻き付けられた樹脂含浸繊維層が硬化されることによって形成されている。薄肉回転対称体形状の圧力容器の主応力方向は軸方向と周方向で、繊維強化複合材においては繊維を主応力方向に配列するのが最適な繊維配列である。そのため、従来、圧力容器５０のドーム部５１に対しては図９に示すようなインプレーン巻（平面巻）又は図示しないヘリカル巻が行われ、円筒部５２に対してはインプレーン巻又はヘリカル巻とフープ巻の組合せで繊維Ｆが配列されて圧力容器５０が製造されている。
【０００４】
しかし、通常のインプレーン巻やヘリカル巻の場合、繊維は全て圧力容器５０の両端の口金５３に接して折り返しているので、口金５３近傍の肉厚すなわち口金５３に接する繊維または繊維束による繊維層の肉厚が厚く、肩部（ドーム部と円筒部との境界付近）の肉厚が薄い構造となり、口金５３の近傍に余分な繊維Ｆが存在する。この傾向は円筒部径と口金径の比が大きくなるほど顕著になる。このような繊維配列構成では、口金付近に繊維が集中し、形状不良となるとともに、繊維に無駄ができてコスト高となる。
【０００５】
口金近傍の厚みがドーム部の他の部分に比べて過剰に厚くなるのを防止するため、図１０に示すように、ＦＷ法により繊維強化層が形成された圧力容器５０のドーム部５１において、強化用の繊維Ｆが周回を重ねる毎に極点近傍を通る軌道から低緯度を通る軌道へ移行しながら巻かれている圧力容器５０が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。強化用の繊維Ｆはエポキシ樹脂を含浸させながら、アルミニウム製のライナの円筒部に巻付け角度２０°でヘリカル巻を行い、このとき、極点近傍から低緯度方向へ所定の角度まで軌道をずらせながらワインディングを行い、さらに円筒部５２にフープ巻きを行うことが開示されている。
【０００６】
また、ドーム部の口金付近に集中する不要な繊維を無くすとともに、容器全体の繊維量を減らすことができ、しかも繊維の巻付け時に繊維が横滑りせずに製造が容易となる圧力容器が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この圧力容器は、ライナの外側を覆う外殻を構成する繊維のドーム部における配列軌道が、口金に接する軌道と、口金に接しない軌道の２種類存在する。口金に接する軌道を通るように配列される巻付け繊維はインプレーン巻で巻き付けられている。図１１に示すように、口金５３に接しない軌道を通る巻付け繊維５４の大部分は、円筒部５２の端部で測地線の近くを通り配列角度が次第に大きくなるヘリカル巻５５を経て、円筒部５２に配列されるフープ巻５６に連続するように配列されている。また、口金５３に接しない軌道を通る巻付け繊維５４は、ドーム部５１における巻付け部の頂点とライナの軸線を含む平面上で前記頂点を通る接線Ｌに対して直交する平面上に位置するように配列される。
【特許文献１】特開平５−７９５９８号公報（明細書の段落［０００６］、［０００９］、図１）
【特許文献２】特開２０００−３３７５９４号公報（明細書の段落［００１３］、［００１４］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、圧力容器として高圧（例えば、２０ＭＰａ以上）でガスが充填される場合、ヘリカル巻きやインプレーン巻きを用いて、口金部を通るように配列されて圧力容器の軸方向の強度を高めるのに寄与する繊維（繊維束）の量を増やすのが効果的である。前述した通りこの様に配列すると、口金部近傍の繊維束層の厚さがライナの胴部に近い位置に比較して増加する。
【０００８】
この場合、口金部に厚く巻き付けられた繊維束層の上にさらに繊維束を巻き付ける際に繊維の滑りの問題や、形状不良の問題が発生し、口金部を通るように配列することが困難になる。また、口金部近傍から肩部にかけての部分で、前に巻き付けられた（配列された）繊維束を押圧する力が弱くなる。
【０００９】
この対策として口金部近傍から肩部にかけての部分（低緯度部分）で繊維束を多く巻いて形状を補正する必要が生じる。この部分に巻かれる繊維束は軸方向の強度を高めるのにあまり寄与せず、ドーム部に巻く繊維束が増えた分円筒部においても余計に繊維を巻くこととなる。従って繊維量が増え、円筒部外径も大きくなる。
【００１０】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的はドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる圧力容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、ガスバリア性を有するライナと、樹脂含浸繊維束を前記ライナの外側に巻き付けて硬化することにより形成された繊維強化樹脂製の外殻とを備え、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともに前記ドーム部の中心に口金部を備えた圧力容器である。そして、前記外殻は前記樹脂含浸繊維束により形成される少なくとも２層の繊維束層を有し、前記ドーム部上の繊維束層間のうち少なくとも１つに形状補正部材が設けられている。
【００１２】
この発明では、形状補正部材がドーム部に巻き付けられた繊維束層を覆う状態で配置され、その外側に繊維束が巻き付けられる構成のため、ドーム部に巻き付けられる繊維束は口金部を通るようにさらに配列することが可能となり、また、前に巻き付けられた（配列された）繊維束を充分押圧するように緊張状態で巻き付けられる。その結果、ドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記形状補正部材は、ライナ側に隣接する繊維束層の前記ライナの胴部に対応する部分の外径より小さな外径である。この発明では、形状補正部材の外径が前記部分の外径より大きな場合に比較して、形状補正部材の外側への繊維束の巻き付け（配列）が容易になる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナ側の面の形状が、ライナ側に隣接する繊維束層の表面に沿った形状に形成され、前記圧力容器の軸を含む断面における前記表面の凹部を埋めるように配置されている。
【００１５】
従って、この発明では、ライナ側に隣接する繊維束層の表面を埋めるように配置された形状補正部材の存在により、そのライナと反対側の面に巻き付けられる繊維束は形状補正部材のライナと反対側の面に沿って確実に緊張された状態で配列され、圧力容器の強度が高くなる。また、形状補正部材のライナ側の面の形状がライナ側に巻き付けられた繊維束層の表面に沿った形状のため、ライナと反対側の面に繊維束が巻き付けられる際に既にライナ側に巻き付けられた繊維束層の繊維が形状補正部材を介して緊張され、また、既に巻き付けられた繊維束層の含浸樹脂のボイド発生が抑制されて圧力容器の強度アップに寄与する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナと反対側の面が前記ライナのドーム部外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されている。この発明では、形状補正部材のライナと反対側の面の曲率がライナのドーム部外面の曲率より大きな場合に比較して、ドーム部の形成により適切な形状となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記形状補正部材は、前記繊維束層の異なる層の間に配置された状態で複数設けられている。この発明では、ドーム部の形状を所望の形状に近い状態にすることが容易になる。また、圧力容器の強度を高めるために繊維束層の厚さを厚くする場合、容易に対応することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記形状補正部材は、ライナ側がライナと反対側より柔らかく形成されている。この発明では、形状補正部材がライナ側に巻き付けられた繊維束層を覆うように配置された状態で、そのライナと反対側に繊維束が巻き付けられる際、形状補正部材がライナ側の繊維束層に密着し易くなり、形状補正部材と繊維束層の間に空隙が生じ難くなる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の圧力容器を使用した水素貯蔵タンクである。従って、この発明では、同じ耐圧性の水素貯蔵タンクにおいて軽量化を図ることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともにドーム部の中心に口金部を備え、かつガスバリア性を有するライナの外側に、樹脂含浸繊維束がフィラメントワインディングで巻き付けられた圧力容器の製造方法である。前記ライナをフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に固定し、前記ドーム部に形成される繊維束層の形状を整える環状の形状補正部材を、予め前記回転支持部と、前記ライナとの間のフィラメントワインディングに支障を来さない退避位置に準備した状態でフィラメントワインディングを行う。そして、前記繊維束の巻付け途中で、前記退避位置に準備した形状補正部材を移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層に接触する位置に配置した後、フィラメントワインディングを再開することを少なくとも１回行う。
【００２１】
この発明では、ライナがフィラメントワインディング装置の回転支持部に支持された状態で、樹脂含浸繊維束がライナの外側に巻き付けられて繊維束層が形成される。そして、ライナを回転支持部から取り外すことなく、形状補正部材をドーム部に形成された繊維束層の適切な位置に配置することができる。従って、形状補正部材の配置及び配置後のフィラメントワインディングの再開に手間がかからない。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ドーム部に巻き付けられる繊維束が口金部を通るように配列しても、口金部近傍から肩部にかけて圧力容器の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図５に従って説明する。図１は圧力容器の模式断面図、図２（ａ）はヘリカル巻の繊維束の配列状態を示す模式図、（ｂ）はフープ巻の繊維束の配列状態を示す模式図、図３はヘリカル巻の繊維束のドーム部における配列状態（配列軌道）を示す模式図である。図４はフィラメントワインディング装置（以下、ＦＷ装置と称す。）の巻き取り部の模式側面図、図５はＦＷ装置の模式平面図である。
【００２４】
図１に示すように、圧力容器１１は、筒部１２の両端にドーム部１３を有する形状に形成され、ドーム部１３の中心に口金部１４備えている。圧力容器１１は、ガスバリア性を有するライナ１５と、ライナ１５の外側を覆う繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の外殻１６とを備えている。
【００２５】
ライナ１５は、円筒状の胴部１５ａの両端にドーム部１５ｂを有する形状に形成されるとともに前記ドーム部１５ｂの中心に口金部１４を備えている。圧力容器１１を水素貯蔵タンクとして使用する場合、ライナ１５は、例えばアルミニウム合金を材質として形成される。口金部１４には配管のプラグ等を螺合するためのねじ孔１４ａが形成されている。
【００２６】
外殻１６は、樹脂含浸繊維束（以下、単に繊維束と言う場合もある。）をライナ１５の外側に巻き付けて硬化することにより形成されている。この実施形態では、ＦＲＰの強化繊維に炭素繊維が使用され、樹脂にはエポキシ樹脂が使用されている。
【００２７】
ドーム部１３には先に巻き付けられた繊維束層１７ａと、後から巻き付けられた繊維束層１７ｂとの間（繊維束層間）に形状補正部材１８が設けられている。即ち、形状補正部材１８は、繊維束層１７ａ及び繊維束層１７ｂに挟まれた状態に配置されている。形状補正部材１８は、繊維束層１７ａのライナ１５の胴部１５ａに対応する部分の外径より小さな外径で、外面が該形状補正部材１８の外側に巻き付けられる繊維束がくい込まない硬さに形成されている。また、形状補正部材１８はその中央に繊維束層１７ａの口金部１４近傍の部分の径と同じか、僅かに大きい径の孔が設けられている。この実施形態では形状補正部材１８はエポキシ樹脂で形成されている。形状補正部材１８は、該形状補正部材１８のライナ１５側の面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成され、圧力容器１１の軸を含む断面における前記表面の凹部１９を埋めるように配置されている。形状補正部材１８は、ライナ１５と反対側の面は凸でありその曲率がライナ１５のドーム部１５ｂの外面の曲率より小さな曲面で形成されている。また、繊維束層１７ａの口金部１４近傍の部分と肩部を滑らかに結ぶ曲面で構成されている。
【００２８】
外殻１６を構成する繊維束はライナ１５の外面に連続的に巻き付けられて所定の厚さの繊維束層に形成されている。繊維束２０は図２（ａ）に示すようにヘリカル巻で巻き付けられるものと、図２（ｂ）に示すようにフープ巻で巻き付けられるものとの２種類が存在する。フープ巻は胴部１５ａと対応する箇所にのみ巻き付けられている。
【００２９】
ヘリカル巻を形成する繊維束２０は、ドーム部１３（１５ｂ）における配列軌道が、図３に実線で示すように口金部１４の接線方向に延びる状態あるいは、図３に鎖線で示すように口金部１４に僅かに巻付いた状態となるように配列されている。ヘリカル巻を構成する繊維束２０の巻付け角度は、圧力容器１１に要求される耐圧性にもよるが、例えば１０度〜２５度の範囲が好ましい。巻付け角度とは、筒部１２において繊維束２０と軸線方向との成す角度を意味する。
【００３０】
次に前記のように構成された圧力容器１１の製造方法を説明する。圧力容器１１を製造する際は、ＦＷ装置を使用する。図４に示すように、ＦＷ装置３１はライナなどの被巻付け部材を回転可能に支持する回転支持部としての一組のチャック３２を備えている。また、図５に示すように、ＦＷ装置３１は、繊維束供給部３３、樹脂含浸装置３４、繊維束ガイド３５及び繊維束供給ヘッド３６を備えている。繊維束供給ヘッド３６は、チャック３２に支持された被繊維束巻付け部材（この実施形態ではライナ１５）の長手方向（図５における左右方向）に沿って往復移動可能に構成されている。繊維束供給ヘッド３６は、複数のボビンＢから供給される繊維束２０を１本にまとめるとともに扁平なリボン状にしてライナ１５に巻き付けるように構成されている。
【００３１】
繊維束供給ヘッド３６を往復移動させるアクチュエータ３７には、ボールネジを使用するとともに、ナットと一体移動可能な移動体３７ａを１軸方向に移動させる構成の公知のものが使用されている。移動体３７ａ上には、図示しない昇降用アクチュエータが固定され、繊維束供給ヘッド３６は昇降用アクチュエータに取り付けられている。
【００３２】
繊維束供給部３３は、繊維束２０が巻かれた複数（この実施形態では３つ）のボビンＢが、張力調整装置（図示せず）に連結された支軸３３ａに支持される構成になっている。張力調整装置には例えばパウダーブレーキや、渦電流により支軸３３ａに負荷を加える構成の所謂パーマトルクが使用されている。繊維束２０は、例えば、炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜９６０００本程度である。
【００３３】
樹脂含浸装置３４は、樹脂槽３４ａ及び塗布ローラ３４ｂを備え、樹脂槽３４ａの上方にはボビンＢから引き出された繊維束２０を樹脂槽３４ａの所定位置に案内するローラと、樹脂槽３４ａで樹脂が含浸された後の繊維束２０を案内するローラ（いずれも図示せず）とが設けられている。繊維束ガイド３５は複数のボビンＢから引き出された繊維束２０がそれぞれ分離された状態で樹脂含浸作用を受けるように案内するため、櫛歯状のガイド部（図示せず）を備えている。
【００３４】
チャック３２は被繊維束巻付け部材をその軸心を中心に回転可能に支持し、可変速モータにより回転駆動される。そして、制御装置（図示せず）により可変速モータが制御されて、繊維束供給ヘッド３６の移動速度と可変速モータの回転を同期させることにより、繊維束２０の被繊維束巻付け部材に対する巻付け角度を任意の角度に設定して巻き付けることができるようになっている。
【００３５】
そして、ライナ１５をＦＷ装置３１のチャック３２に一体回転可能に支持し、形状補正部材１８をチャック３２と、ライナ１５との間のフィラメントワインディングに支障を来さない図４に示す退避位置に準備する。この実施形態では、形状補正部材１８を一時的に支持する支持部材３９が、ＦＷ装置３１の両側においてチャック３２上方を通ってチャック３２に支持されるライナ１５の口金部１４付近まで延びるように設けられている。そして、各支持部材３９の先端部３９ａが形状補正部材１８の退避位置となり、形状補正部材１８は支持部材３９の先端部３９ａに掛けられた状態で支持される。
【００３６】
この実施形態では、ライナ１５は口金部１４がチャック３２に直接支持されるのではなく、ロッド３８を介してライナ１５がチャック３２に支持される。ロッド３８は、先端に口金部１４のねじ孔１４ａと螺合する小径の雄ねじ部を有し、雄ねじ部がライナ１５の口金部１４に螺着されることにより口金部１４が延長された状態となる。
【００３７】
次に作業者は、繊維束供給部３３から繊維束２０を引き出し、樹脂含浸装置３４、繊維束ガイド３５等を経て繊維束供給ヘッド３６に導き、繊維束供給ヘッド３６に挿通した後、繊維束２０の端部をライナ１５の所定位置に固定する。繊維束２０の端部の固定作業は作業者が手作業で行い、例えば粘着テープを使用して行われる。また、作業者は、フィラメントワインディング時の回転速度、繊維束供給ヘッド３６の巻付け時の往復移動幅等の巻付け条件を制御装置（図示せず）に入力する。そして、その状態でフィラメントワインディングが行われる。
【００３８】
先ずヘリカル巻で繊維束２０が口金部１４に接触する状態で配列されるとともに、両側のドーム部１５ｂを経て１往復毎に巻付け位置がずれるようにして、ドーム部１５ｂの全体が繊維束２０で覆われるまで巻き付けられて、各ドーム部１５ｂに１層分のヘリカル巻層が、胴部１５ａに２層分のヘリカル巻層が形成される。次にフープ巻層が胴部１５ａに所定層形成される。
【００３９】
次に再びヘリカル巻が行われ、ドーム部１５ｂにヘリカル巻が所定量巻き付けられると、フィラメントワインディングが中断されて、繊維束層１７ａの巻付けが完了する。ここで、所定量とはドーム部１５ｂに巻き付けられた繊維束層において、口金部１４近傍の厚さと、口金部１４から離れた部分の厚さとの比が、繊維束２０の巻付けを継続した場合、該繊維束２０が前に巻き付けられた繊維束２０に接しないか、接しても接圧力が小さくなる量を意味する。この量は、予め試験などで求められている。ヘリカル巻が所定量に達した状態では、繊維束層１７ａの表面（外面）の口金部１４近傍は、圧力容器１１の軸を含む断面においてライナ１５の内側方向に凸の曲面となっており、凹部１９が形成されている。その結果、繊維束層１７ａの表面に巻き付けられる繊維束２０は、口金部１４寄りにおいて、繊維束層１７ａに接しないか、接しても接圧力が小さくなる。なお、前記繊維束層の厚さとは、ドーム部１５ｂの表面の法線方向における前記繊維束層の長さを意味する。
【００４０】
次に退避位置に準備された形状補正部材１８をロッド３８に沿って移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層１７ａに接触する位置に配置する。形状補正部材１８は、そのライナ１５側面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成され、凹部１９を埋めるように配置される。その後、フィラメントワインディングが再開され、前記と同様にヘリカル巻による巻き付けが行われ、繊維束層１７ｂが形成される。そして、要求される耐圧性を確保するのに必要な厚さの繊維束層１７ｂが形成されて繊維束２０の巻付けが終了する。
【００４１】
巻付けが終了した後、ライナ１５とともに成形体がＦＷ装置３１から取り外されて加熱炉に入れられ、所定温度で樹脂が硬化される。硬化温度は樹脂により異なるが、例えばエポキシ樹脂の場合は８０〜１８０℃程度である。加熱硬化によりＦＲＰ製の外殻１６が形成される。冷却後、バリ等の除去が行われた後、口金部１４のねじ孔１４ａに、水素充填及び排出用配管を接続するためのプラグ等が螺合されて圧力容器１１が完成する。
【００４２】
ドーム部１５ｂを有するライナ１５の外側に巻き付けられる繊維束２０のドーム部１５ｂにおける配列軌道が口金部１４に接するようにフィラメントワインディングによってヘリカル巻あるいはインプレーン巻で巻き付けられる場合、繊維束層の厚さがライナ１５の胴部１５ａに近い位置に比較して、口金部１４近傍で厚くなる。そして、ドーム部１５ｂに巻き付けられた繊維束層が増えると、口金部１４近傍の繊維束２０の割合が増加して、繊維束層表面の形状が圧力容器１１の軸を含む断面において全体として外側に凸の曲面ではなく、口金部１４近傍に凹部１９を有する形状となる。そのため、後から巻き付けられる繊維束２０が、前に巻き付けられた（配列された）繊維束層を押圧する力が弱くなる。しかし、この実施形態では、形状補正部材１８が凹部１９を埋める状態で配置され、その外側に巻き付けられる繊維束２０は、形状補正部材１８のライナ１５と反対側の面である外側に凸の面に巻き付けられる構成のため、繊維束２０はドーム部１５ｂに緊張状態で巻き付けられる。その結果、圧力容器１１の強度が高くなる。
【００４３】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）圧力容器１１は、ガスバリア性を有するライナ１５の外側に繊維強化樹脂製の外殻１６を備え、筒部１２の両端にドーム部１３を有する形状でドーム部１３の中心に口金部１４を備えている。そして、ドーム部１３上の繊維束層１７ａ、１７ｂ間に形状補正部材１８が設けられている。従って、ドーム部１３を構成する繊維束は口金部を通るようにさらに配列することが可能となり、また、前に巻き付けられた（配列された）繊維束を充分押圧するように緊張状態で巻き付けられる。その結果、ドーム部１３に巻き付けられる繊維束２０が口金部１４を通るように配列しても、口金部１４近傍から肩部にかけて圧力容器１１の軸方向の強度を高めるのにあまり寄与しない繊維を少なくできるとともに、同じ耐圧性を確保するのに必要な繊維量を減らすことができ、軽量化及び筒部１２の薄肉化が可能になる。また筒部１２の薄肉化により圧力容器の小径化も可能となる。
【００４４】
（２）ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂは、口金部１４に接する状態で巻き付けられた繊維束２０のみによって構成されている。従って、ドーム部１３を構成する全ての繊維束２０が圧力容器１１の軸方向強度に効率よく寄与する。
【００４５】
（３）形状補正部材１８は、該形状補正部材１８のライナ１５側面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成され、前記表面の凹部１９を埋めるように配置されている。従って、繊維束層１７ａの表面を埋めるように配置された形状補正部材１８の存在により、その外側に巻き付けられる繊維束２０は形状補正部材１８のライナ１５と反対側の面に沿って確実に緊張された状態で配列され、圧力容器１１の強度が高くなる。また、外側の繊維束２０が巻き付けられる際に既に内側に巻き付けられた繊維束層１７ａの繊維が形状補正部材１８を介して緊張され、また、既に巻き付けられた繊維束層１７ａの含浸樹脂のボイド発生が抑制されて圧力容器１１の強度アップに寄与する。
【００４６】
（４）形状補正部材１８は、ライナ１５と反対側の面がライナ１５のドーム部１５ｂ外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されている。従って、形状補正部材１８のライナ１５と反対側の面の曲率がライナ１５のドーム部１５ｂ外面の曲率より大きな場合に比較して、圧力容器１１のドーム部１３の形成（繊維束２０の巻付け）により適切な形状となる。
【００４７】
（５）形状補正部材１８は、ライナ１５側面の繊維束層１７ａの胴部１５ａに対応する部分の外径より小さな外径である。従って、外側に繊維束２０を巻き付けやすい。
（６）形状補正部材１８を用いることにより、ドーム部１５ｂに繊維束２０が巻き付けられた状態から更に繊維束２０を巻き付ける際に、ドーム部１５ｂにおける繊維束２０の配列軌道を予測するのが容易となり、設計が容易になる。
【００４８】
（７）圧力容器１１を製造する際、ライナ１５をＦＷ装置３１のチャック３２に一体回転可能に固定し、ドーム部１５ｂに形成される繊維束層の形状を整える環状の形状補正部材１８を、予めチャック３２と、ライナ１５との間のフィラメントワインディングに支障を来さない退避位置に準備した状態でフィラメントワインディングを行う。そして、繊維束２０の巻付け途中で、前記退避位置に準備した形状補正部材１８を移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層１７ａに接触する位置に配置した後、フィラメントワインディングを再開する。従って、フィラメントワインディングを中断して、形状補正部材１８を繊維束層１７ａに接触する位置に配置する際、ライナ１５をチャック３２から取り外すことなく、形状補正部材１８を繊維束層１７ａの適切な位置に配置することができ、形状補正部材１８の配置及び配置後のフィラメントワインディングの再開に手間がかからない。
【００４９】
（８）形状補正部材１８を挿入することにより、外観形状が良くなる。従って、外観形状を整えるための繊維束２０が少なくなり、軽量、コンパクトにでき、繊維束２０の使用量が減って製造コストを低下することができる。
【００５０】
（９）ライナ１５をＦＷ装置３１のチャック３２で支持する際、口金部１４を直接支持するのではなく、ねじ孔１４ａに螺着されるロッド３８を介して支持する。従って、口金部１４の長さとして、ドーム部１３を構成する繊維束２０の巻付けに必要な長さと、チャック３２で支持するのに必要な長さとの合計の長さに形成して、外殻１６が形成された後に、圧力容器１１として不要な部分を切断除去する手間がなくなる。また、ライナ１５の製造に必要な材料を少なくできる。
【００５１】
（１０）繊維束２０に炭素繊維が使用され、マトリックス樹脂にエポキシ樹脂が使用されているため、自動車の燃料タンクとして使用される強度を確保して、軽量化及びコンパクト化をより高めることができる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図６に従って説明する。この実施形態は、形状補正部材１８がドーム部１３を構成する繊維束層の異なる層の間に配置された状態で複数設けられている点が前記第１の実施形態と異なっており、その他の構成は同じである。前記第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。なお、図６において、繊維束層１７ａ，１７ｂ及び形状補正部材１８の区別を分かり易くするため、形状補正部材１８の断面部分をハッチング（斜線）ではなくドットを付して表している。
【００５３】
図６に示すように、圧力容器１１のドーム部１３は、３層の繊維束層１７ａと、３個の形状補正部材１８と、外層の繊維束層１７ｂとを備えている。各形状補正部材１８は、その厚さが第１の実施形態の形状補正部材１８の厚さより薄く形成されている。ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂの合計の厚さは、使用される繊維束２０の太さ、繊維の強度、圧力容器１１に要求される耐圧性等によって異なる。従って、圧力容器１１に要求される耐圧性に必要な繊維束層１７ａ，１７ｂの合計の厚さが薄くて良ければ、第１の実施形態のように１個の形状補正部材１８を使用するだけでよい場合もある。
【００５４】
しかし、必要な繊維束層１７ａ，１７ｂの合計の厚さが厚い場合は、１個の形状補正部材１８を使用しただけでは、フィラメントワインディングの途中で繊維束２０の巻付けを中断するとともに、形状補正部材１８を繊維束層１７ａに接するように配置して繊維束２０の巻付け部の形状を補正しても、口金部１４近傍の繊維量が過剰になる。その結果、同じ巻付け量において繊維束２０による圧力容器１１の軸方向への強度の寄与が少なくなるため、圧力容器１１に要求される耐圧性を確保するのに必要な繊維束２０の量が多くなるとともに、ドーム部１３の形状の外観が悪くなる。しかし、この実施形態の構成では、形状補正部材１８を複数使用することにより、繊維束２０を圧力容器１１の軸方向への強度の寄与が効果的に発揮される状態で巻き付けることができ、ドーム部１３の形状の外観が良くなるとともに、必要な繊維束２０の量が少なくなる。
【００５５】
従って、この実施形態においては、前記第１の実施形態の効果（１）〜（１０）と同様の効果を有する他に次の効果を有する。
（１１）形状補正部材１８は、ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂの異なる層の間に配置された状態で複数設けられている。従って、ドーム部１３の形状を所望の形状に近い状態にすることが容易になり、設計がより容易になるとともに外観上も良好になる。また、圧力容器１１の強度を高めるためにドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂの合計厚さを厚くする場合、容易に対応することができる。
【００５６】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 形状補正部材１８は、ライナ１５側の面の形状が滑らかな形状に限らない。例えば、図７に示すように、内径部分から外径部分に延びる溝（凹部）１８ａを形成してもよい。この場合、圧力容器１１の製造時に形状補正部材１８を繊維束層１７ａの表面と接する位置に配置した後、形状補正部材１８の上に繊維束２０を巻き付ける際、繊維束層１７ａから染み出した樹脂液を形状補正部材１８の外径部分まで導き易くなり、形状補正部材１８が繊維束層１７ａの表面に密着し易くなる。
【００５７】
○ 図７に示すように、形状補正部材１８に孔１８ｂを形成してもよい。孔１８ｂが存在すると、圧力容器１１の製造時に形状補正部材１８を繊維束層１７ａの表面と接する位置に配置した後、形状補正部材１８の上に繊維束２０を巻き付ける際、繊維束層１７ａから染み出した樹脂液が孔１８ｂから形状補正部材１８の外側に排出され易くなり、形状補正部材１８が繊維束層１７ａの表面に密着し易くなる。図７に示すように、形状補正部材１８に溝１８ａ及び孔１８ｂの両者を形成してもよい。
【００５８】
○ 形状補正部材１８は、ライナ１５側の面の形状が、繊維束層１７ａの表面に沿った形状に形成されていなくてもよい。例えば、自由状態では一部が繊維束層１７ａから浮いた状態となる形状であっても、形状補正部材１８の外側に巻き付けられる繊維束２０の張力によって繊維束層１７ａの表面密着するように変形可能であればよい。
【００５９】
○ 形状補正部材１８は、ライナ１５と反対側の面がライナ１５のドーム部１５ｂ外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されているものに限らず、ドーム部１５ｂ外面の曲率以上の曲率の曲面で形成されていてもよい。しかし、ドーム部１５ｂ外面の曲率より小さな曲率の曲面の方がドーム部１３の外観が良好になるとともに、繊維束２０を巻き付ける際に繊維束２０に適切な張力が加わる状態となり易い。
【００６０】
○ 形状補正部材１８の材質はエポキシ樹脂に限らない。例えば、形状補正部材１８をエポキシ樹脂以外の樹脂で形成したり、繊維強化樹脂で形成したり、あるいは金属やセラミックスで形成したりしてもよい。しかし、金属やセラミックスに比較して樹脂の方が軽量化のためには好ましい。
【００６１】
○ 形状補正部材１８は全体が同じ硬さではなく、ライナ１５側がライナ１５と反対側より柔らかく形成されたものであってもよい。例えば、形状補正部材１８をライナ１５と反対側部分とライナ１５側部分とが異なる硬さの材質で形成された２層構造としてもよい。例えば、ライナ１５側にエラストマー層を設けてもよい。この場合、圧力容器１１の製造時に、形状補正部材１８のライナ１５と反対側に繊維束２０が巻き付けられる際、形状補正部材１８がライナ１５側の繊維束層１７ａに密着し易くなり、形状補正部材１８と繊維束層１７ａの間に空隙が生じ難くなる。その結果、圧力容器１１の強度が向上する。
【００６２】
○ 形状補正部材１８を熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）製とする場合、フィラメントワインディングの終了後、繊維束２０に含浸された熱硬化樹脂が加熱炉で加熱されて硬化されるまでは、ライナ１５側とライナ１５と反対側とで異なる硬さとしてもよい。例えば、ライナ１５と反対側は完全硬化された熱硬化性樹脂で形成し、ライナ１５側を半硬化状態の同じ熱硬化性樹脂で形成してもよい。この場合も形状補正部材１８のライナ１５と反対側に繊維束２０が巻き付けられる際、形状補正部材１８がライナ１５側の繊維束層１７ａに密着し易くなり、形状補正部材１８と繊維束層１７ａの間に空隙が生じ難くなる。
【００６３】
○ 形状補正部材１８は、ライナ側に隣接する繊維束層のライナの胴部１５ａに対応する部分の外径より小さな外径に限らず、前記部分の外径以上であってもよい。しかし、外径より小さい方が好ましい。
【００６４】
○ 形状補正部材１８を径の異なる大きさの複数のリング（環状部材）で構成してもよい。
○ 形状補正部材１８を複数の部材を組み合わせて環状となるように構成してもよい。この場合、フィラメントワインディングの際に、ＦＷ装置３１のチャック３２とライナ１５との間の退避位置に形状補正部材１８を予め準備しておかなくても、繊維束層１７ａの表面（外面）に接する位置に容易に配置できる。
【００６５】
○ ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａ，１７ｂは、ヘリカル巻のみで構成されるものに限らず、ヘリカル巻で形成される繊維束層とインプレーン巻で形成された繊維束層とを組み合わせて構成されたものとしても、インプレーン巻のみで構成されたものとしてもよい。繊維束２０がドーム部１３に口金部１４に接する状態で巻き付けられた場合、ライナ１５の胴部１５ａ外径と口金部１４外径との比が大きい程、口金部１４付近の繊維束層の厚さが他の部分の厚さより厚くなる。従って、胴部１５ａ外径と口金部１４外径との比と、圧力容器１１に要求される耐圧性とにより、ドーム部１３を構成する繊維束２０をどの巻き方とするか適宜選択される。
【００６６】
○ 実施の形態では、ドーム部１３を構成する繊維束層１７ａはヘリカル巻層が形成され次にフープ巻層が形成され次に再びヘリカル巻が行なわれて形成され、また繊維束層１７ｂはヘリカル巻が行なわれて形成されているが、この構成に限らない。巻き方の順番を入れ替えても良いし、さらに別の巻層を形成しても良いし、繊維束層１７ａのヘリカル巻層を１層省略してもよい。口金部１４を通るように繊維束２０が巻かれた巻層が形状補正部材１８のライナ側に隣接する繊維束層にあればよい。
【００６７】
○ ドーム部１３に巻き付けられる繊維束２０は、口金部１４を通る軌道のみに限らない。口金部１４を通らない低緯度巻きがあってもよい。
○ 第２の実施形態で３つの繊維束層間全てに形状補正部材１８を配置したが、全てでなくても良い。少なくとも１つ配置されていればよい。
【００６８】
○ 繊維束層は４層以上であってもよく、その場合も形状補正部材１８は隣接する繊維束層間全てに配置される必要はなく、少なくとも１つの形状補正部材１８が配置されていればよい。
【００６９】
○ 圧力容器１１は、ライナ１５の内部に熱交換器を備えた構成としてもよい。ガスを圧力容器１１内に高圧で充填する場合、圧縮による発熱のため短時間で充填するにはガスを冷却しながら充填する必要がある。特に圧力容器１１を水素貯蔵タンクとして使用するとともに、内部に水素貯蔵物質（例えば、水素吸蔵合金）を充填した構成では、圧縮容器内部の冷却が必要になる。その場合、ライナ１５内に熱交換器を内蔵することが好ましい。ライナ１５内に熱交換器を内蔵する構成として、図８に示すように、ライナ１５のドーム部１５ｂとして、蓋部２１を備えた構成としてもよい。例えば、ライナ１５は一端側（図８に示されている部分）が分割式となっており、ドーム部１５ｂに熱交換器２２の外径より大きな径の開口部２３が形成されるとともに、開口部２３を覆うとともに熱交換器２２が一体に構成された蓋部２１を備えている。蓋部２１は、胴部１５ａ側にねじ２４により固定されている。熱交換器２２は熱媒管２５、エンドプレート２６、伝熱フィン２７及び円筒状のフィルタ２８を備えるとともに、エンドプレート２６及び伝熱フィン２７の間に水素吸蔵合金（図示せず）が充填されている。
【００７０】
○ ライナ１５の内部に熱交換器を備えた圧力容器１１は、ライナ１５を分割式にしなくてもよい。例えば、一端側のドーム部１５ｂ側に熱交換器を固定した後、他端側を絞り加工する。その後、フィラメントワインディング及び加熱硬化により外殻１６を形成する。
【００７１】
○ ライナ１５はアルミニウム合金製に限らず、ステンレス鋼や銅等の他の金属製としたり、金属製に代えてガスバリア性を有する樹脂製としたりしてもよい。ライナ１５を樹脂製とする場合は、ドーム部１５ｂの中心部に金属製の口金部１４を固着した構成とする。ライナ１５を樹脂製とした場合、金属製に比較して軽量化に寄与できる。
【００７２】
○ ＦＷ装置３１のチャック３２にライナ１５を支持する際、ロッド３８を介して支持する構成に代えて、口金部１４をドーム部１５ｂに巻き付けられる繊維束２０の巻付け位置より長く形成する。そして、ライナ１５を口金部１４でチャック３２に支持し、繊維束２０の巻付け完了及び樹脂硬化後に、不要な部分を切断除去してもよい。
【００７３】
○ 外殻１６を構成するＦＲＰのマトリックス樹脂として、圧力容器に要求される性能に合わせて、エポキシ樹脂に限らず他の熱硬化性樹脂（例えば、ポリイミド樹脂）や、曲げ弾性率の高い熱可塑性樹脂（例えばポリエーテルエーテルケトン）等を使用してもよい。また、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の他の樹脂を使用してもよい。この場合樹脂の価格がエポキシ樹脂より安いのでコスト低減を図れる。
【００７４】
○ 予め炭素繊維に樹脂が含浸されたプリプレグ繊維を使用してもよい。この場合、樹脂含浸装置が不要のため、工数低減ができるとともに、樹脂含浸装置のスペース分、装置全体の設置スペースを狭くできる。
【００７５】
○ 繊維束２０の材質は炭素繊維に限らず、圧力容器に要求される性能に合わせて、ガラス繊維等の他の無機繊維やポリアラミド繊維等の高強度、高弾性率の有機繊維を使用してもよい。
【００７６】
○ ライナ１５の胴部１５ａは円筒状に限らず、断面楕円形や多角形の筒状であってもよい。但し、繊維束２０が胴部１５ａ及びほぼ半球状のドーム部１５ｂにわたって滑らかに連続して巻き付けられる形状とする必要がある。
【００７７】
○ マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂に代えて紫外線硬化樹脂を使用してもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記ドーム部を構成する繊維束層は、前記口金部に接する状態で巻き付けられた繊維束のみによって構成されている。
【００７８】
（２）請求項１〜請求項５に記載の発明において、前記ドーム部に巻き付けられた繊維束層は、前記口金部に接する状態でかつヘリカル巻で巻き付けられた繊維束のみによって構成されている。
【００７９】
（３）筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともにドーム部の中心に口金部を備え、かつガスバリア性を有するライナの外側に、樹脂含浸繊維束がフィラメントワインディングで巻き付けられた圧力容器の製造方法であって、前記ライナをフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に固定した状態でフィラメントワインディングを行い、前記ドーム部に巻き付けられた繊維束によって形成される繊維束層の外形が、その外側に巻き付けられる繊維束からの押圧力が予め設定された値以下になる形状になると、それまでに巻き付けられた繊維束層の外側に形状補正部材を配置してその上から繊維束を再び巻き付けて繊維束層を形成する圧力容器の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】第１の実施形態における圧力容器の断面図。
【図２】（ａ）はヘリカル巻の繊維束の配列状態を示す模式図、（ｂ）はフープ巻の繊維束の配列状態を示す模式図。
【図３】ヘリカル巻の繊維束のドーム部における配列状態（配列軌道）を示す模式図。
【図４】ＦＷ装置の巻き取り部の模式側面図。
【図５】ＦＷ装置の模式平面図。
【図６】第２の実施形態における圧力容器の部分断面図。
【図７】別の実施形態の形状補正部材を裏側から見た図（背面図）。
【図８】別の実施形態における圧力容器の部分断面図。
【図９】インプレーン巻の繊維の配列状態を示す模式図。
【図１０】従来技術の圧力容器におけるドーム部の繊維の配列状態を示す模式図。
【図１１】別の従来技術におけるヘリカル巻の配列状態を示す模式図。
【符号の説明】
【００８１】
１１…圧力容器、１２…筒部、１３，１５ｂ…ドーム部、１４…口金部、１５…ライナ、１５ａ…胴部、１６…外殻、１７ａ，１７ｂ…繊維束層、１８…形状補正部材、１９…凹部、２０…繊維束、３１…ＦＷ装置、３２…回転支持部としてのチャック。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスバリア性を有するライナと、樹脂含浸繊維束を前記ライナの外側に巻き付けて硬化することにより形成された繊維強化樹脂製の外殻とを備え、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともに前記ドーム部の中心に口金部を備えた圧力容器であって、
前記外殻は前記樹脂含浸繊維束により形成される少なくとも２層の繊維束層を有し、
前記ドーム部上の繊維束層間のうち少なくとも１つに形状補正部材が設けられている圧力容器。
【請求項２】
前記形状補正部材は、ライナ側に隣接する繊維束層の前記ライナの胴部に対応する部分の外径より小さな外径である請求項１に記載の圧力容器。
【請求項３】
前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナ側の面の形状が、ライナ側に隣接する繊維束層の表面に沿った形状に形成され、前記圧力容器の軸を含む断面における前記表面の凹部を埋めるように配置されている請求項１又は請求項２に記載の圧力容器。
【請求項４】
前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナと反対側の面が前記ライナのドーム部外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されている請求項３に記載の圧力容器。
【請求項５】
前記形状補正部材は、前記繊維束層の異なる層の間に配置された状態で複数設けられている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の圧力容器。
【請求項６】
前記形状補正部材は、ライナ側がライナと反対側より柔らかく形成されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の圧力容器。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の圧力容器を使用した水素貯蔵タンク。
【請求項８】
筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともにドーム部の中心に口金部を備え、かつガスバリア性を有するライナの外側に、樹脂含浸繊維束がフィラメントワインディングで巻き付けられた圧力容器の製造方法であって、
前記ライナをフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に固定し、前記ドーム部に形成される繊維束層の形状を整える環状の形状補正部材を、予め前記回転支持部と、前記ライナとの間のフィラメントワインディングに支障を来さない退避位置に準備した状態でフィラメントワインディングを行い、前記繊維束の巻き付け途中で、前記退避位置に準備した形状補正部材を移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層に接触する位置に配置した後、フィラメントワインディングを再開することを少なくとも１回行うことを特徴とする圧力容器の製造方法。
【請求項１】
ガスバリア性を有するライナと、樹脂含浸繊維束を前記ライナの外側に巻き付けて硬化することにより形成された繊維強化樹脂製の外殻とを備え、筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともに前記ドーム部の中心に口金部を備えた圧力容器であって、
前記外殻は前記樹脂含浸繊維束により形成される少なくとも２層の繊維束層を有し、
前記ドーム部上の繊維束層間のうち少なくとも１つに形状補正部材が設けられている圧力容器。
【請求項２】
前記形状補正部材は、ライナ側に隣接する繊維束層の前記ライナの胴部に対応する部分の外径より小さな外径である請求項１に記載の圧力容器。
【請求項３】
前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナ側の面の形状が、ライナ側に隣接する繊維束層の表面に沿った形状に形成され、前記圧力容器の軸を含む断面における前記表面の凹部を埋めるように配置されている請求項１又は請求項２に記載の圧力容器。
【請求項４】
前記形状補正部材は、該形状補正部材のライナと反対側の面が前記ライナのドーム部外面の曲率より小さな曲率の曲面で形成されている請求項３に記載の圧力容器。
【請求項５】
前記形状補正部材は、前記繊維束層の異なる層の間に配置された状態で複数設けられている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の圧力容器。
【請求項６】
前記形状補正部材は、ライナ側がライナと反対側より柔らかく形成されている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の圧力容器。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の圧力容器を使用した水素貯蔵タンク。
【請求項８】
筒部の両端にドーム部を有する形状に形成されるとともにドーム部の中心に口金部を備え、かつガスバリア性を有するライナの外側に、樹脂含浸繊維束がフィラメントワインディングで巻き付けられた圧力容器の製造方法であって、
前記ライナをフィラメントワインディング装置の回転支持部に一体回転可能に固定し、前記ドーム部に形成される繊維束層の形状を整える環状の形状補正部材を、予め前記回転支持部と、前記ライナとの間のフィラメントワインディングに支障を来さない退避位置に準備した状態でフィラメントワインディングを行い、前記繊維束の巻き付け途中で、前記退避位置に準備した形状補正部材を移動させて、それまでに巻き付けられた繊維束層に接触する位置に配置した後、フィラメントワインディングを再開することを少なくとも１回行うことを特徴とする圧力容器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−１３２７４６（Ｐ２００６−１３２７４６Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３２５３４０（Ｐ２００４−３２５３４０）
【出願日】平成１６年１１月９日（２００４．１１．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月９日（２００４．１１．９）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]