高圧ガスタンク、及び高圧ガスタンクの製造方法
【課題】タンクライナを透過したガスに起因するガス放出音を抑制することが可能な高圧ガスタンクを提供する。
【解決手段】この高圧ガスタンク１は、タンクライナ２の外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層３を形成してなるものであり、繊維強化樹脂層３は、タンクライナ２側に形成された内側層３ａと、その外周に形成された外側層３ｂとを有し、内側層３ａは緻密な層として形成する一方で、外側層３ｂは、内側層３ａよりも多数の空隙を内在させたことにより、密度の低い層として形成されている。
【解決手段】この高圧ガスタンク１は、タンクライナ２の外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層３を形成してなるものであり、繊維強化樹脂層３は、タンクライナ２側に形成された内側層３ａと、その外周に形成された外側層３ｂとを有し、内側層３ａは緻密な層として形成する一方で、外側層３ｂは、内側層３ａよりも多数の空隙を内在させたことにより、密度の低い層として形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガスタンクに関し、特に、タンクライナの外周が繊維強化樹脂層で覆われた構造の高圧ガスタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高圧ガスタンクのタンクライナの外周を、繊維強化樹脂で覆うことが行われている。そして、特許文献１には、タンクライナを透過し、タンクライナと繊維強化樹脂との間に閉じ込められた滞留ガスが、放出音を伴って一気に外部に放出されてしまうことを防止するため、繊維強化樹脂にガス抜き孔を形成させる技術が開示されている。
【０００３】
更に特許文献２には、繊維強化樹脂層の最外周部に形成された熱硬化樹脂層を溶剤によって溶かし、滞留ガスが熱硬化樹脂層を透過しやすくすることで、滞留ガスの放出音の発生を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１６１３３号公報
【特許文献２】特開２００９−１９１９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載のガス抜き孔形成方法は、タンクライナと繊維強化樹脂層との間に常用圧以上のガスを注入することにより、微小クラックを発生させることで繊維強化樹脂層にガス抜き孔を形成するとしている。しかしながらかかる方法では、微小クラックの発生位置をコントロールすることが難しく、繊維強化樹脂層全体において均等にガス抜き孔を形成することが困難であった。繊維強化樹脂層の一部においてガス抜き孔が形成されない範囲が存在すると、かかる範囲においてガス放出音が発生する。従って、ガス放出音を抑制しようとすれば、ガス放出孔の分布を検査し、ガス放出孔が適切に分散したタンクのみを選別する工程が別途必要となってしまい、製造にかかる時間とコストが増大する。
【０００６】
また、特許文献２に記載の製造方法は、繊維強化樹脂層の最外周部に形成された熱硬化樹脂層を溶剤で溶かすものである。この製造方法では、最終的な熱硬化樹脂層の厚さを均等に形成することが困難であった。このため、熱硬化樹脂層が厚く形成された部分において、局所的に滞留ガスを閉じ込めてしまう場合があり、放出音を伴って一気に外部に放出してしまう現象を、完全に防止することができないものであった。
【０００７】
さらに、タンクライナから外部に透過するガスが局所的に多く発生した場合には、熱硬化樹脂層を透過できるガスの許容量を超えてしまうため、当該部分における放出音の発生を防止できるものではなかった。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、タンクライナを透過したガスに起因するガス放出音を抑制することが可能な高圧ガスタンク、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明に係る高圧ガスタンクは、タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクであり、前記繊維強化樹脂層は、前記タンクライナ側に形成された内側層と、その外周に形成された外側層と、を有し、前記内側層は、緻密な層として形成される一方で、前記外側層は、前記内側層よりも密度の低い層として形成されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、タンクライナの外側に形成される繊維強化樹脂層を、内側層と外側層に分けて形成するので、それぞれの特徴を異ならせることで、繊維強化樹脂層全体の機能を高めることができる。具体的には、内側層を緻密な層として形成することで、タンクライナ側から作用する大きな力に耐えうる強度を確保することができる。このように内側層を緻密に形成しても、タンクライナ内に収容するガスは高圧であるため、ガスが内側層から外側層に透過する。そこで本発明では、外側層を内側層よりも密度の低い層として形成することで、透過したガスが低密度である外側層全体に分散させるものとしている。外側層を内側層よりも密度の低い層とするためには、例えば、外側層に多数の空隙を内在させることが好ましい。このように外側層に多数の空隙を内在させることで、透過したガスがその多数の空隙間を移動し、外側層全体に分散する。このように外側層全体にガスを分散させることで、局所的なガス放出を低減することができ、ガス放出音を十分に抑制することが可能となる。
【００１１】
更に、タンクライナから外部に透過するガスが局所的に多く発生した場合であっても、繊維強化樹脂層における外側層の密度が低いため、ガスは一か所に集中せず、分散してから表面樹脂層に到達する。その結果、ガスは表面樹脂層を透過して高圧ガスタンク外部に流出するため、ガス放出音の発生が確実に抑制される。
【００１２】
また本発明に係る高圧ガスタンクでは、前記外側層の肉厚は、前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成されていることも好ましい。
【００１３】
上述したように本発明では、内側層は強度確保を主な役割とし、外側層は内側層側から透過したガスの分散を主な役割としている。そこでこの好ましい態様では、外側層の肉厚を内側層の肉厚よりも薄くすることで、内側層の厚みを確保し十分な強度確保を可能なものとしている。
【００１４】
上述した課題を解決するために、本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法は、タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの製造方法であって、前記タンクライナを準備する準備工程と、前記タンクライナに対し、前記繊維を巻きつけて内側未硬化層を形成する第一形成工程と、前記内側未硬化層に対し、前記繊維を巻きつけて外側未硬化層を形成する第二形成工程と、加熱により、前記内側未硬化層及び前記外側未硬化層における前記熱硬化性樹脂を硬化させ、それぞれ内側層及び外側層と成して前記繊維強化樹脂層を形成する硬化工程と、を備える。前記第一形成工程において前記内側未硬化層を緻密に形成する一方で、前記第二形成工程において前記外側未硬化層に多数の空隙を内在させることで、前記内側層を緻密なものとする一方で、前記外側層を前記内側層よりも密度の低い層とする。
【００１５】
本発明によれば、第一形成工程における内側未硬化層の形成態様と、第二形成工程における外側未硬化層の形成態様とを異ならせることで、それぞれ特徴の異なる内側層と外側層とを有する繊維強化樹脂層を形成している。このように、タンクライナの外側に形成される繊維強化樹脂層を、内側層と外側層に分けて形成するので、それぞれの特徴を異ならせることが極めて容易なものとなり、容易に繊維強化樹脂層全体の機能を高めることができる。具体的には、内側層を緻密な層として形成することで、タンクライナ側から作用する大きな力に耐えうる強度を確保することができる。このように内側層を緻密に形成しても、タンクライナ内に収容するガスは高圧であるため、ガスが内側層から外側層に透過する。そこで本発明では、外側層を内側層よりも密度の低い層として形成することで、透過したガスが低密度である外側層全体に分散させるものとしている。外側層を内側層よりも密度の低い層とするためには、例えば、外側層に多数の空隙を内在させることが好ましい。このように外側層に多数の空隙を内在させることで、透過したガスがその多数の空隙間を移動し、外側層全体に分散する。このように外側層全体にガスを分散させることで、局所的なガス放出を低減することができ、ガス放出音を十分に抑制することが可能となる。
【００１６】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の巻き数を、前記第一形成工程における前記繊維の巻き数よりも減じて前記外側未硬化層を形成することで、前記外側層の肉厚を前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成することも好ましい。
【００１７】
上述したように本発明では、内側層は強度確保を主な役割とし、外側層は内側層側から透過したガスの分散を主な役割としている。そこでこの好ましい態様では、外側未硬化層の巻き数を内側未硬化層の巻き数よりも減ずることで、外側層の肉厚を内側層の肉厚よりも薄くしている。従って、巻き数を変化させるという簡単な手法で、内側層の厚みを確保し十分な強度確保を可能なものとしている。
【００１８】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の巻き張力を前記第一形成工程におけるものより低くすることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることも好ましい。
【００１９】
繊維の巻き張力を低くすると、その巻きつけ部分には緩みが生じ、この緩みに起因して、確実に空隙が発生する。そこでこの好ましい態様では、第二形成工程において繊維の巻き張力を第一形成工程よりも低くすることで、簡便且つ確実に外側層に空隙を多数形成している。
【００２０】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の巻き方向を前記第一形成工程におけるものとは異ならせることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることも好ましい。
【００２１】
この好ましい態様では、第二形成工程において、前記繊維の巻き方向を前記第一形成工程におけるものとは異ならせることで、例えば、タンクライナの軸心に対し小さい角度で巻回するヘリカル巻きを採用することができる。このように外側未硬化層を形成する際にヘリカル巻きを採用することにより、繊維の側端部に空隙を発生させることができる。
【００２２】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の間に隙間材を介在させることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることも好ましい。
【００２３】
この好ましい態様では、第二形成工程において、例えば、繊維を巻きつける際にガラス繊維等の隙間材を入れることで、確実に外側層に多数の空隙を内在させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、タンクライナを透過したガスに起因するガス放出音を抑制することが可能な高圧ガスタンク、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの断面図である。
【図２】図１におけるＡ部の構造を拡大して示した断面図である。
【図３】図１におけるＢ部の構造を拡大して示した断面図である。
【図４】本実施形態に係る高圧ガスタンクの製造工程を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態における巻き工程の詳細を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態における巻き工程の変形例を示すフローチャートである。
【図７】図６に示す変形例による巻き工程によって形成した場合の、外側層の構造を示した断面図である。
【図８】本実施形態における巻き工程の変形例を示すフローチャートである。
【図９】図８に示す変形例による巻き工程によって形成した場合の、外側層の構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２７】
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクについて説明する。図１は、本実施形態に係る高圧ガスタンク１の断面図である。図１では、高圧ガスタンク１の軸方向（長手方向）に直交し高圧ガスタンク１の中央近傍を通る平面における断面を示している。
【００２８】
図１に示すように、高圧ガスタンク１は、タンクライナ２、繊維強化樹脂層３、表面樹脂層５、及び口金６を備えている。タンクライナ２は、最も内側に配置されるものであって、水素ガスといったガスをその内部に保持できるように両端が閉じられて筒状を成す部材である。
【００２９】
口金６は、タンクライナ２の長手方向の一端部に取り付けられ、タンクライナ２内へのガスの導入口として機能するものである。より具体的には、口金６は、略円筒形状をなし、タンクライナ２の開口部に嵌入されている金属部品である。口金６は、高圧ガスタンク１内の水素をタンク外に供給する際において、外部のガス供給ラインとの接続を行うために使用されるものである。
【００３０】
繊維強化樹脂層３は、タンクライナ２の外周に繊維を巻きつけることによって形成される層である。繊維強化樹脂層３は、内側層３ａと、外側層３ｂとを有している。内側層３ａは、タンクライナ２の外周に隣接し緻密な層として形成されている。一方、外側層３ｂは、内側層３ａの外周側に隣接し多数の空隙を内在させた、密度の低い層として形成されている。
【００３１】
表面樹脂層５は、繊維強化樹脂層３の最外周に、繊維を含まない樹脂のみの層として形成されている。
【００３２】
続いて、繊維強化樹脂層３を構成する内側層３ａ及び外側層３ｂについて、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、図１におけるＡ部の構造を拡大して示した断面図であって、外側層３ｂの詳細を示すものである。図３は、図１におけるＢ部の構造を拡大して示した断面図であって、内側層３ａの詳細を示すものである。
【００３３】
図２に示すように、外側層３ｂは、カーボン繊維７が積層されてなり、図に明示しないエポキシ樹脂によって隣接するカーボン繊維７がバインドされ、全体としてＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｒａｓｔｉｃｓ）構造体として構成されている。
【００３４】
外側層３ｂでは、カーボン繊維７（バインドするエポキシ樹脂を含む、以下同じ）の間に、空隙８ａが形成されている。空隙８ａは、外側層３ｂの全体に満遍なく多数形成されている。従って、外側層３ｂは、その内部に空隙８ａを多数内在させたものとなっている。
【００３５】
一方、図３に示すように、内側層３ａも、カーボン繊維７が積層されてなり、図に明示しないエポキシ樹脂によって隣接するカーボン繊維７がバインドされ、全体としてＣＦＲＰ構造体として構成されている。
【００３６】
しかしながら、内側層３ａでは、カーボン繊維７の間に空隙が形成されておらず、カーボン繊維７が互いに密接に接合した状態となっている。従って、内側層３ａは、空隙がほとんど内在しておらず、緻密な層として形成されている。
【００３７】
上述したように本実施形態では、タンクライナ２の外側に形成される繊維強化樹脂層３を、内側層３ａと外側層３ｂに分けて形成しているので、それぞれの特徴を異ならせることで、繊維強化樹脂層３全体の機能を高めている。具体的には、内側層３ａを緻密な層として形成することで、タンクライナ２側から作用する大きな力に耐えうる強度を確保することができる。このように内側層３ａを緻密に形成しても、タンクライナ２内に収容するガスは高圧であるため、ガスが内側層３ａから外側層３ｂに透過する。そこで、外側層３ｂに内側層３ａよりも多数の空隙８ａを内在させ、外側層３ｂを密度の低い層とすることで、透過したガスがその多数の空隙８ａ間を移動することで外側層３ｂ全体に分散させるものとしている。このように外側層３ｂ全体にガスを分散させることで、局所的なガス放出を低減することができ、ガス放出音を十分に抑制することが可能となる。
【００３８】
更に、タンクライナ２から外部に透過するガスが局所的に多く発生した場合であっても、繊維強化樹脂層３の外側層３ｂには多数の空隙８ａが分布しており、外側層３ｂの密度が低いため、ガスは一か所に集中せず、空隙８ａの分布に沿って分散してから表面樹脂層５に到達する。その結果、ガスは表面樹脂層５を透過して高圧ガスタンク外部に流出するため、ガス放出音の発生が確実に抑制される。
【００３９】
また本実施形態では、外側層３ｂの肉厚は、内側層３ａの肉厚よりも薄くなるように形成されている。上述したように本実施形態では、内側層３ａは強度確保を主な役割とし、外側層３ｂは内側層３ａ側から透過したガスの分散を主な役割としている。そこで、外側層３ｂの肉厚を内側層３ａの肉厚よりも薄くすることで、内側層３ａの厚みを確保し十分な強度確保を可能なものとしている。
【００４０】
続いて、本実施形態に係る高圧ガスタンク１の製造方法について説明する。図４は、本実施形態に係る高圧ガスタンク１の製造方法を示すフローチャートである。図４に示すように、高圧ガスタンク１の製造方法は、タンクライナ・口金組付工程Ｓ１０と、巻き工程Ｓ２０と、熱硬化工程Ｓ３０と、加圧検査工程Ｓ４０とを備える。
【００４１】
タンクライナ・口金組付工程Ｓ１０では、準備工程の一環として、口金６をタンクライナ２に組み付けたものを準備する。この場合、口金６は、特殊なものではなく一般的な形態ものが用いられる。
【００４２】
タンクライナ・口金組付工程Ｓ１０に続く巻き工程Ｓ２０では、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグ（炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させ、エポキシ樹脂を半硬化させたものであって、リボン状の形態をなすもの）を巻き付け、熱硬化させることによって繊維強化樹脂層３となる未硬化繊維強化樹脂層を形成する。
【００４３】
巻き工程Ｓ２０の詳細を、図５を参照しながら説明する。図５は、巻き工程Ｓ２０の詳細なステップを示したフローチャートである。まず、ステップＳ２１（第一形成工程）で、熱硬化させることによって内側層３ａとなる内側未硬化層を形成する。具体的には、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグをフィラメントワインディング法によって、巻き張力Ｆ１で巻きつける。
【００４４】
このときの所定の巻き張力Ｆ１としては、例えば６０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。この程度の張力で巻きつけると、ＣＦＲＰプリプレグを緩み無く巻きつけることができ、緩みに起因した空隙の発生が抑制される。なお、内側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ１は、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は下限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００４５】
ＣＦＲＰプリプレグの巻き付け方向は、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向とし、所謂フープ巻きとすることが望ましい。フープ巻きとすることにより、ＣＦＲＰプリプレグの側端部において空隙が発生してしまう現象を抑制することができる。
【００４６】
ステップＳ２１に続くステップＳ２２では、内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達したか判断する。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達していなければ、巻き付けを継続し、ステップＳ２２の判断を続ける。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達すれば、ステップＳ２３に進む。所定の厚さとは、高圧ガスタンク１がその使用時において、内圧に耐えうる強度を有するために必要となる厚さであって、適宜設定されるものである。
【００４７】
ステップＳ２３（第二形成工程）では、ステップＳ２１における巻き張力Ｆ１よりも低い巻き張力Ｆ２で、ＣＦＲＰプリプレグの巻き付けを継続する。内側未硬化層の形成時と同様に、フィラメントワインディング法によってＣＦＲＰプリプレグを巻きつけることにより外側未硬化層が形成される。このときの巻き張力は、内側未硬化層を形成する際における巻き張力Ｆ１よりも低い巻き張力Ｆ２とし、Ｆ２を保ちながら外側未硬化層を形成していく。
【００４８】
外側未硬化層を形成する際における所定の巻き張力Ｆ２としては、Ｆ１の１／２以下、例えば３０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。このように、巻き張力Ｆ２を低く設定しながら外側未硬化層を形成することにより、巻きと同時に空隙（熱硬化後に空隙８ａとなりうる空隙）が形成される。従って、外側未硬化層の形成が終了した時点において、確実に、外側未硬化層の全体に空隙が内在し、外側未硬化層は密度の低い状態となる。
【００４９】
外側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ２は、内側未硬化層の形成時における巻き張力Ｆ１と同様に、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は上限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００５０】
なお、本実施形態では、第二形成工程（ステップＳ２３）において、ＣＦＲＰプリプレグの巻き数を、第一形成工程（ステップＳ２１）における巻き数よりも減じている。このため、外側未硬化層の肉厚は内側未硬化層の肉厚よりも薄く形成され、硬化後においては、外側層３ｂの肉厚は、内側層３ａの肉厚よりも薄く形成される。
【００５１】
図４に戻って、説明を続ける。巻き工程Ｓ２０に続く熱硬化工程Ｓ３０では、加熱により未硬化層における熱硬化性樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂層３を形成する。上述したように、巻き工程Ｓ２０が完了した時点においては、タンクライナ２の外周が、相対的に強い巻き張力で巻きつけられることにより空隙が殆ど内在していない内側未硬化層と、相対的に弱い巻き張力で巻きつけられることにより全体に空隙が多数内在している外側未硬化層との二層により覆われた状態となっている。
【００５２】
この状態で、全体を加熱することにより熱硬化樹脂を硬化させる熱硬化工程Ｓ３０を経ると、外側未硬化層のみに多数の空隙が内在した状態のまま、内側未硬化層、及び外側未硬化層の熱硬化性樹脂が硬化し、それぞれ内側層３ａ、外側層３ｂとなる。これにより、繊維強化樹脂層３が形成される。
【００５３】
熱硬化工程Ｓ３０に続く加圧検査工程Ｓ４０では、高圧ガスタンク１が所定の強度を有しているかを確認するための加圧検査が行われる。既に外側層３ｂには多数の空隙が形成されている状態なので、従来のようにこの加圧検査工程で空隙を改めて形成する必要はなく、通常の加圧検査が行われる。
【００５４】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１の製造方法では、第二形成工程（図５のステップＳ２１）において、繊維（ＣＦＲＰプリプレグ）の巻き張力を第一形成工程（図５のステップＳ２３）におけるものより低くすることにより、外側層３ｂに多数の空隙を内在させている。
【００５５】
具体的には、内側未硬化層においては、ＣＦＲＰプリプレグが高い巻き張力Ｆ１で巻かれているため、ＣＦＲＰプリプレグが相互に接触する界面にできた隙間が、ＣＦＲＰプリプレグの変形によって埋められるため、空隙は残っていない。
【００５６】
これに対し、外側未硬化層においては、ＣＦＲＰプリプレグが、Ｆ１の１／２以下である弱い巻き張力Ｆ２で巻かれているため、ＣＦＲＰプリプレグの変形が少ない。このため、ＣＦＲＰプリプレグが相互に接触する界面にできた隙間が埋められることなく、空隙としてそのまま残留している。
【００５７】
このように、ＣＦＲＰプリプレグの巻き張力を低くすると、その巻きつけ部分には緩みが生じ、この緩みに起因して、確実に空隙が発生する。そこで、第二形成工程（図５のステップＳ２１）において繊維の巻き張力を第一形成工程（図５のステップＳ２３）よりも低くすることで、簡便且つ確実に外側層３ｂに空隙８ａを多数形成している。
【００５８】
本実施形態では、内側層３ａを緻密な層として形成する一方、外側層３ｂに内側層３ａよりも多数の空隙を内在させるための方法として、内側層３ａと外側層３ｂとで巻き張力を異ならせる例を説明した。しかし、巻き張力ではなく、巻き方向を異ならせることによっても、外側層３ｂに多数の空隙を形成し内在させることができる。以下、巻き方向を異ならせる例を、変形例として説明する。
【００５９】
図６は、変形例における巻き工程（図４に示す巻き工程Ｓ２０に相当する）の詳細を示すフローチャートである。本例においては、巻き工程の内容のみが上述した実施形態と異なっており、他は上述した実施形態と同様である。
【００６０】
まず、ステップＳ２４（第一形成工程）で、熱硬化させることによって内側層３ａとなる内側未硬化層を形成する。具体的には、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグをフィラメントワインディング法によって、巻き張力Ｆ１で巻きつける。この場合のＣＦＲＰプリプレグの巻き付け方向は、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向とし、所謂フープ巻きとする。フープ巻きとすることにより、ＣＦＲＰプリプレグの側端部において空隙が発生してしまう現象を抑制することができる。
【００６１】
このときの所定の巻き張力Ｆ１としては、例えば６０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。この程度の張力で巻きつけると、ＣＦＲＰプリプレグを緩み無く巻きつけることができ、緩みに起因した空隙の発生が抑制される。なお、内側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ１は、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は下限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００６２】
ステップＳ２４に続くステップＳ２５では、内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達したか判断する。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達していなければ、巻き付けを継続し、ステップＳ２５の判断を続ける。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達すれば、ステップＳ２６に進む。所定の厚さとは、高圧ガスタンク１がその使用時において、内圧に耐えうる強度を有するために必要となる厚さであって、適宜設定されるものである。
【００６３】
ステップＳ２６（第二形成工程）では、ステップＳ２１における巻き張力Ｆ１と同等の張力で、ＣＦＲＰプリプレグの巻き付けを継続する。ステップＳ２６では、巻き方向を、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向に巻いて行くフープ巻きから、タンクライナ２の軸心に対し小さな角度で巻いて行くヘリカル巻きに変更する。
【００６４】
このように、外側未硬化層を形成する際に巻き方向をヘリカル巻きとしたことにより、ＣＦＲＰプリプレグ同士が重なり合う際において、ＣＦＲＰプリプレグの側端部には隙間が形成されやすい。従って、巻き張力を強く保ちながら巻きつけたとしても、当該隙間は消滅せず、空隙として残留することとなる。
【００６５】
図７は、図６を参照しながら説明した巻き工程によって形成した高圧ガスタンクの、外側層３ｂの構造を示した断面図である。外側層３ｂにおいては巻き方向をヘリカル巻きとしたことにより、カーボン繊維７同士が重なり合う際において、カーボン繊維７の側端部には隙間が形成されやすく且つそのまま残留し、空隙８ｂが形成されている。
【００６６】
続いて、巻き張力ではなく、隙間材を用いることによって外側層３ｂに多数の空隙を形成し内在させる例を、変形例として説明する。
【００６７】
図８は、変形例における巻き工程（図４に示す巻き工程Ｓ２０に相当する）の詳細を示すフローチャートである。本例においては、巻き工程の内容のみが上述した実施形態と異なっており、他は上述した実施形態と同様である。
【００６８】
まず、ステップＳ２７（第一形成工程）で、熱硬化させることによって内側層３ａとなる内側未硬化層を形成する。具体的には、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグをフィラメントワインディング法によって、巻き張力Ｆ１で巻きつける。この場合のＣＦＲＰプリプレグの巻き付け方向は、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向とし、所謂フープ巻きとする。フープ巻きとすることにより、ＣＦＲＰプリプレグの側端部において空隙が発生してしまう現象を抑制することができる。
【００６９】
このときの所定の巻き張力Ｆ１としては、例えば６０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。この程度の張力で巻きつけると、ＣＦＲＰプリプレグを緩み無く巻きつけることができ、緩みに起因した空隙の発生が抑制される。なお、内側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ１は、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は下限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００７０】
ステップＳ２７に続くステップＳ２８では、内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達したか判断する。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達していなければ、巻き付けを継続し、ステップＳ２８の判断を続ける。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達すれば、ステップＳ２９に進む。所定の厚さとは、高圧ガスタンク１がその使用時において、内圧に耐えうる強度を有するために必要となる厚さであって、適宜設定されるものである。
【００７１】
ステップＳ２９（第二形成工程）では、ステップＳ２１における巻き張力Ｆ１と同等の張力で、ＣＦＲＰプリプレグの巻き付けを継続する。ステップＳ２９では、ＣＲＦＰプリプレグを巻きつける際に、隙間材としてガラス繊維９を入れながら外側未硬化層を形成していく。
【００７２】
このように、外側未硬化層を形成する際に隙間材としてガラス繊維９を入れることにより、ＣＦＲＰプリプレグ同士が重なり合う際において、ガラス繊維９の近傍に隙間が形成されやすい。従って、巻き張力を強く保ちながら巻きつけたとしても、当該隙間は消滅せず、空隙として残留することとなる。
【００７３】
図９は、図８を参照しながら説明した巻き工程によって形成した高圧ガスタンクの、外側層３ｂの構造を示した断面図である。外側層３ｂにおいては隙間材としてガラス繊維を入れたことにより、カーボン繊維７同士が重なり合う際において、ガラス繊維９の近傍には隙間が形成されやすく且つそのまま残留し、空隙８ｂが形成されている。
【００７４】
以上に示した実施形態及び各変形例では、第二形成工程における巻き張力、巻き方向、隙間材の有無、のいずれか一つを、第一形成工程におけるものとは異ならせることにより、外側未硬化層に多数の空隙を内在させるものであった。しかし、本発明はこれに限らず、第二形成工程における巻き張力、巻き方向、隙間材の有無を、第一形成工程におけるものと複数同時に異ならせてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１：高圧ガスタンク
２：タンクライナ
３：繊維強化樹脂層
３ａ：内側層
３ｂ：外側層
５：表面樹脂層
６：口金
７：カーボン繊維
８ａ、８ｂ、８ｃ：空隙
９：ガラス繊維
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガスタンクに関し、特に、タンクライナの外周が繊維強化樹脂層で覆われた構造の高圧ガスタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、高圧ガスタンクのタンクライナの外周を、繊維強化樹脂で覆うことが行われている。そして、特許文献１には、タンクライナを透過し、タンクライナと繊維強化樹脂との間に閉じ込められた滞留ガスが、放出音を伴って一気に外部に放出されてしまうことを防止するため、繊維強化樹脂にガス抜き孔を形成させる技術が開示されている。
【０００３】
更に特許文献２には、繊維強化樹脂層の最外周部に形成された熱硬化樹脂層を溶剤によって溶かし、滞留ガスが熱硬化樹脂層を透過しやすくすることで、滞留ガスの放出音の発生を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１６１３３号公報
【特許文献２】特開２００９−１９１９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載のガス抜き孔形成方法は、タンクライナと繊維強化樹脂層との間に常用圧以上のガスを注入することにより、微小クラックを発生させることで繊維強化樹脂層にガス抜き孔を形成するとしている。しかしながらかかる方法では、微小クラックの発生位置をコントロールすることが難しく、繊維強化樹脂層全体において均等にガス抜き孔を形成することが困難であった。繊維強化樹脂層の一部においてガス抜き孔が形成されない範囲が存在すると、かかる範囲においてガス放出音が発生する。従って、ガス放出音を抑制しようとすれば、ガス放出孔の分布を検査し、ガス放出孔が適切に分散したタンクのみを選別する工程が別途必要となってしまい、製造にかかる時間とコストが増大する。
【０００６】
また、特許文献２に記載の製造方法は、繊維強化樹脂層の最外周部に形成された熱硬化樹脂層を溶剤で溶かすものである。この製造方法では、最終的な熱硬化樹脂層の厚さを均等に形成することが困難であった。このため、熱硬化樹脂層が厚く形成された部分において、局所的に滞留ガスを閉じ込めてしまう場合があり、放出音を伴って一気に外部に放出してしまう現象を、完全に防止することができないものであった。
【０００７】
さらに、タンクライナから外部に透過するガスが局所的に多く発生した場合には、熱硬化樹脂層を透過できるガスの許容量を超えてしまうため、当該部分における放出音の発生を防止できるものではなかった。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、タンクライナを透過したガスに起因するガス放出音を抑制することが可能な高圧ガスタンク、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明に係る高圧ガスタンクは、タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクであり、前記繊維強化樹脂層は、前記タンクライナ側に形成された内側層と、その外周に形成された外側層と、を有し、前記内側層は、緻密な層として形成される一方で、前記外側層は、前記内側層よりも密度の低い層として形成されることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、タンクライナの外側に形成される繊維強化樹脂層を、内側層と外側層に分けて形成するので、それぞれの特徴を異ならせることで、繊維強化樹脂層全体の機能を高めることができる。具体的には、内側層を緻密な層として形成することで、タンクライナ側から作用する大きな力に耐えうる強度を確保することができる。このように内側層を緻密に形成しても、タンクライナ内に収容するガスは高圧であるため、ガスが内側層から外側層に透過する。そこで本発明では、外側層を内側層よりも密度の低い層として形成することで、透過したガスが低密度である外側層全体に分散させるものとしている。外側層を内側層よりも密度の低い層とするためには、例えば、外側層に多数の空隙を内在させることが好ましい。このように外側層に多数の空隙を内在させることで、透過したガスがその多数の空隙間を移動し、外側層全体に分散する。このように外側層全体にガスを分散させることで、局所的なガス放出を低減することができ、ガス放出音を十分に抑制することが可能となる。
【００１１】
更に、タンクライナから外部に透過するガスが局所的に多く発生した場合であっても、繊維強化樹脂層における外側層の密度が低いため、ガスは一か所に集中せず、分散してから表面樹脂層に到達する。その結果、ガスは表面樹脂層を透過して高圧ガスタンク外部に流出するため、ガス放出音の発生が確実に抑制される。
【００１２】
また本発明に係る高圧ガスタンクでは、前記外側層の肉厚は、前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成されていることも好ましい。
【００１３】
上述したように本発明では、内側層は強度確保を主な役割とし、外側層は内側層側から透過したガスの分散を主な役割としている。そこでこの好ましい態様では、外側層の肉厚を内側層の肉厚よりも薄くすることで、内側層の厚みを確保し十分な強度確保を可能なものとしている。
【００１４】
上述した課題を解決するために、本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法は、タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの製造方法であって、前記タンクライナを準備する準備工程と、前記タンクライナに対し、前記繊維を巻きつけて内側未硬化層を形成する第一形成工程と、前記内側未硬化層に対し、前記繊維を巻きつけて外側未硬化層を形成する第二形成工程と、加熱により、前記内側未硬化層及び前記外側未硬化層における前記熱硬化性樹脂を硬化させ、それぞれ内側層及び外側層と成して前記繊維強化樹脂層を形成する硬化工程と、を備える。前記第一形成工程において前記内側未硬化層を緻密に形成する一方で、前記第二形成工程において前記外側未硬化層に多数の空隙を内在させることで、前記内側層を緻密なものとする一方で、前記外側層を前記内側層よりも密度の低い層とする。
【００１５】
本発明によれば、第一形成工程における内側未硬化層の形成態様と、第二形成工程における外側未硬化層の形成態様とを異ならせることで、それぞれ特徴の異なる内側層と外側層とを有する繊維強化樹脂層を形成している。このように、タンクライナの外側に形成される繊維強化樹脂層を、内側層と外側層に分けて形成するので、それぞれの特徴を異ならせることが極めて容易なものとなり、容易に繊維強化樹脂層全体の機能を高めることができる。具体的には、内側層を緻密な層として形成することで、タンクライナ側から作用する大きな力に耐えうる強度を確保することができる。このように内側層を緻密に形成しても、タンクライナ内に収容するガスは高圧であるため、ガスが内側層から外側層に透過する。そこで本発明では、外側層を内側層よりも密度の低い層として形成することで、透過したガスが低密度である外側層全体に分散させるものとしている。外側層を内側層よりも密度の低い層とするためには、例えば、外側層に多数の空隙を内在させることが好ましい。このように外側層に多数の空隙を内在させることで、透過したガスがその多数の空隙間を移動し、外側層全体に分散する。このように外側層全体にガスを分散させることで、局所的なガス放出を低減することができ、ガス放出音を十分に抑制することが可能となる。
【００１６】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の巻き数を、前記第一形成工程における前記繊維の巻き数よりも減じて前記外側未硬化層を形成することで、前記外側層の肉厚を前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成することも好ましい。
【００１７】
上述したように本発明では、内側層は強度確保を主な役割とし、外側層は内側層側から透過したガスの分散を主な役割としている。そこでこの好ましい態様では、外側未硬化層の巻き数を内側未硬化層の巻き数よりも減ずることで、外側層の肉厚を内側層の肉厚よりも薄くしている。従って、巻き数を変化させるという簡単な手法で、内側層の厚みを確保し十分な強度確保を可能なものとしている。
【００１８】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の巻き張力を前記第一形成工程におけるものより低くすることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることも好ましい。
【００１９】
繊維の巻き張力を低くすると、その巻きつけ部分には緩みが生じ、この緩みに起因して、確実に空隙が発生する。そこでこの好ましい態様では、第二形成工程において繊維の巻き張力を第一形成工程よりも低くすることで、簡便且つ確実に外側層に空隙を多数形成している。
【００２０】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の巻き方向を前記第一形成工程におけるものとは異ならせることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることも好ましい。
【００２１】
この好ましい態様では、第二形成工程において、前記繊維の巻き方向を前記第一形成工程におけるものとは異ならせることで、例えば、タンクライナの軸心に対し小さい角度で巻回するヘリカル巻きを採用することができる。このように外側未硬化層を形成する際にヘリカル巻きを採用することにより、繊維の側端部に空隙を発生させることができる。
【００２２】
また本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法では、前記第二形成工程において、前記繊維の間に隙間材を介在させることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることも好ましい。
【００２３】
この好ましい態様では、第二形成工程において、例えば、繊維を巻きつける際にガラス繊維等の隙間材を入れることで、確実に外側層に多数の空隙を内在させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、タンクライナを透過したガスに起因するガス放出音を抑制することが可能な高圧ガスタンク、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの断面図である。
【図２】図１におけるＡ部の構造を拡大して示した断面図である。
【図３】図１におけるＢ部の構造を拡大して示した断面図である。
【図４】本実施形態に係る高圧ガスタンクの製造工程を示すフローチャートである。
【図５】本実施形態における巻き工程の詳細を示すフローチャートである。
【図６】本実施形態における巻き工程の変形例を示すフローチャートである。
【図７】図６に示す変形例による巻き工程によって形成した場合の、外側層の構造を示した断面図である。
【図８】本実施形態における巻き工程の変形例を示すフローチャートである。
【図９】図８に示す変形例による巻き工程によって形成した場合の、外側層の構造を示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２７】
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクについて説明する。図１は、本実施形態に係る高圧ガスタンク１の断面図である。図１では、高圧ガスタンク１の軸方向（長手方向）に直交し高圧ガスタンク１の中央近傍を通る平面における断面を示している。
【００２８】
図１に示すように、高圧ガスタンク１は、タンクライナ２、繊維強化樹脂層３、表面樹脂層５、及び口金６を備えている。タンクライナ２は、最も内側に配置されるものであって、水素ガスといったガスをその内部に保持できるように両端が閉じられて筒状を成す部材である。
【００２９】
口金６は、タンクライナ２の長手方向の一端部に取り付けられ、タンクライナ２内へのガスの導入口として機能するものである。より具体的には、口金６は、略円筒形状をなし、タンクライナ２の開口部に嵌入されている金属部品である。口金６は、高圧ガスタンク１内の水素をタンク外に供給する際において、外部のガス供給ラインとの接続を行うために使用されるものである。
【００３０】
繊維強化樹脂層３は、タンクライナ２の外周に繊維を巻きつけることによって形成される層である。繊維強化樹脂層３は、内側層３ａと、外側層３ｂとを有している。内側層３ａは、タンクライナ２の外周に隣接し緻密な層として形成されている。一方、外側層３ｂは、内側層３ａの外周側に隣接し多数の空隙を内在させた、密度の低い層として形成されている。
【００３１】
表面樹脂層５は、繊維強化樹脂層３の最外周に、繊維を含まない樹脂のみの層として形成されている。
【００３２】
続いて、繊維強化樹脂層３を構成する内側層３ａ及び外側層３ｂについて、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、図１におけるＡ部の構造を拡大して示した断面図であって、外側層３ｂの詳細を示すものである。図３は、図１におけるＢ部の構造を拡大して示した断面図であって、内側層３ａの詳細を示すものである。
【００３３】
図２に示すように、外側層３ｂは、カーボン繊維７が積層されてなり、図に明示しないエポキシ樹脂によって隣接するカーボン繊維７がバインドされ、全体としてＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｒａｓｔｉｃｓ）構造体として構成されている。
【００３４】
外側層３ｂでは、カーボン繊維７（バインドするエポキシ樹脂を含む、以下同じ）の間に、空隙８ａが形成されている。空隙８ａは、外側層３ｂの全体に満遍なく多数形成されている。従って、外側層３ｂは、その内部に空隙８ａを多数内在させたものとなっている。
【００３５】
一方、図３に示すように、内側層３ａも、カーボン繊維７が積層されてなり、図に明示しないエポキシ樹脂によって隣接するカーボン繊維７がバインドされ、全体としてＣＦＲＰ構造体として構成されている。
【００３６】
しかしながら、内側層３ａでは、カーボン繊維７の間に空隙が形成されておらず、カーボン繊維７が互いに密接に接合した状態となっている。従って、内側層３ａは、空隙がほとんど内在しておらず、緻密な層として形成されている。
【００３７】
上述したように本実施形態では、タンクライナ２の外側に形成される繊維強化樹脂層３を、内側層３ａと外側層３ｂに分けて形成しているので、それぞれの特徴を異ならせることで、繊維強化樹脂層３全体の機能を高めている。具体的には、内側層３ａを緻密な層として形成することで、タンクライナ２側から作用する大きな力に耐えうる強度を確保することができる。このように内側層３ａを緻密に形成しても、タンクライナ２内に収容するガスは高圧であるため、ガスが内側層３ａから外側層３ｂに透過する。そこで、外側層３ｂに内側層３ａよりも多数の空隙８ａを内在させ、外側層３ｂを密度の低い層とすることで、透過したガスがその多数の空隙８ａ間を移動することで外側層３ｂ全体に分散させるものとしている。このように外側層３ｂ全体にガスを分散させることで、局所的なガス放出を低減することができ、ガス放出音を十分に抑制することが可能となる。
【００３８】
更に、タンクライナ２から外部に透過するガスが局所的に多く発生した場合であっても、繊維強化樹脂層３の外側層３ｂには多数の空隙８ａが分布しており、外側層３ｂの密度が低いため、ガスは一か所に集中せず、空隙８ａの分布に沿って分散してから表面樹脂層５に到達する。その結果、ガスは表面樹脂層５を透過して高圧ガスタンク外部に流出するため、ガス放出音の発生が確実に抑制される。
【００３９】
また本実施形態では、外側層３ｂの肉厚は、内側層３ａの肉厚よりも薄くなるように形成されている。上述したように本実施形態では、内側層３ａは強度確保を主な役割とし、外側層３ｂは内側層３ａ側から透過したガスの分散を主な役割としている。そこで、外側層３ｂの肉厚を内側層３ａの肉厚よりも薄くすることで、内側層３ａの厚みを確保し十分な強度確保を可能なものとしている。
【００４０】
続いて、本実施形態に係る高圧ガスタンク１の製造方法について説明する。図４は、本実施形態に係る高圧ガスタンク１の製造方法を示すフローチャートである。図４に示すように、高圧ガスタンク１の製造方法は、タンクライナ・口金組付工程Ｓ１０と、巻き工程Ｓ２０と、熱硬化工程Ｓ３０と、加圧検査工程Ｓ４０とを備える。
【００４１】
タンクライナ・口金組付工程Ｓ１０では、準備工程の一環として、口金６をタンクライナ２に組み付けたものを準備する。この場合、口金６は、特殊なものではなく一般的な形態ものが用いられる。
【００４２】
タンクライナ・口金組付工程Ｓ１０に続く巻き工程Ｓ２０では、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグ（炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させ、エポキシ樹脂を半硬化させたものであって、リボン状の形態をなすもの）を巻き付け、熱硬化させることによって繊維強化樹脂層３となる未硬化繊維強化樹脂層を形成する。
【００４３】
巻き工程Ｓ２０の詳細を、図５を参照しながら説明する。図５は、巻き工程Ｓ２０の詳細なステップを示したフローチャートである。まず、ステップＳ２１（第一形成工程）で、熱硬化させることによって内側層３ａとなる内側未硬化層を形成する。具体的には、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグをフィラメントワインディング法によって、巻き張力Ｆ１で巻きつける。
【００４４】
このときの所定の巻き張力Ｆ１としては、例えば６０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。この程度の張力で巻きつけると、ＣＦＲＰプリプレグを緩み無く巻きつけることができ、緩みに起因した空隙の発生が抑制される。なお、内側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ１は、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は下限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００４５】
ＣＦＲＰプリプレグの巻き付け方向は、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向とし、所謂フープ巻きとすることが望ましい。フープ巻きとすることにより、ＣＦＲＰプリプレグの側端部において空隙が発生してしまう現象を抑制することができる。
【００４６】
ステップＳ２１に続くステップＳ２２では、内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達したか判断する。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達していなければ、巻き付けを継続し、ステップＳ２２の判断を続ける。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達すれば、ステップＳ２３に進む。所定の厚さとは、高圧ガスタンク１がその使用時において、内圧に耐えうる強度を有するために必要となる厚さであって、適宜設定されるものである。
【００４７】
ステップＳ２３（第二形成工程）では、ステップＳ２１における巻き張力Ｆ１よりも低い巻き張力Ｆ２で、ＣＦＲＰプリプレグの巻き付けを継続する。内側未硬化層の形成時と同様に、フィラメントワインディング法によってＣＦＲＰプリプレグを巻きつけることにより外側未硬化層が形成される。このときの巻き張力は、内側未硬化層を形成する際における巻き張力Ｆ１よりも低い巻き張力Ｆ２とし、Ｆ２を保ちながら外側未硬化層を形成していく。
【００４８】
外側未硬化層を形成する際における所定の巻き張力Ｆ２としては、Ｆ１の１／２以下、例えば３０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。このように、巻き張力Ｆ２を低く設定しながら外側未硬化層を形成することにより、巻きと同時に空隙（熱硬化後に空隙８ａとなりうる空隙）が形成される。従って、外側未硬化層の形成が終了した時点において、確実に、外側未硬化層の全体に空隙が内在し、外側未硬化層は密度の低い状態となる。
【００４９】
外側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ２は、内側未硬化層の形成時における巻き張力Ｆ１と同様に、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は上限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００５０】
なお、本実施形態では、第二形成工程（ステップＳ２３）において、ＣＦＲＰプリプレグの巻き数を、第一形成工程（ステップＳ２１）における巻き数よりも減じている。このため、外側未硬化層の肉厚は内側未硬化層の肉厚よりも薄く形成され、硬化後においては、外側層３ｂの肉厚は、内側層３ａの肉厚よりも薄く形成される。
【００５１】
図４に戻って、説明を続ける。巻き工程Ｓ２０に続く熱硬化工程Ｓ３０では、加熱により未硬化層における熱硬化性樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂層３を形成する。上述したように、巻き工程Ｓ２０が完了した時点においては、タンクライナ２の外周が、相対的に強い巻き張力で巻きつけられることにより空隙が殆ど内在していない内側未硬化層と、相対的に弱い巻き張力で巻きつけられることにより全体に空隙が多数内在している外側未硬化層との二層により覆われた状態となっている。
【００５２】
この状態で、全体を加熱することにより熱硬化樹脂を硬化させる熱硬化工程Ｓ３０を経ると、外側未硬化層のみに多数の空隙が内在した状態のまま、内側未硬化層、及び外側未硬化層の熱硬化性樹脂が硬化し、それぞれ内側層３ａ、外側層３ｂとなる。これにより、繊維強化樹脂層３が形成される。
【００５３】
熱硬化工程Ｓ３０に続く加圧検査工程Ｓ４０では、高圧ガスタンク１が所定の強度を有しているかを確認するための加圧検査が行われる。既に外側層３ｂには多数の空隙が形成されている状態なので、従来のようにこの加圧検査工程で空隙を改めて形成する必要はなく、通常の加圧検査が行われる。
【００５４】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１の製造方法では、第二形成工程（図５のステップＳ２１）において、繊維（ＣＦＲＰプリプレグ）の巻き張力を第一形成工程（図５のステップＳ２３）におけるものより低くすることにより、外側層３ｂに多数の空隙を内在させている。
【００５５】
具体的には、内側未硬化層においては、ＣＦＲＰプリプレグが高い巻き張力Ｆ１で巻かれているため、ＣＦＲＰプリプレグが相互に接触する界面にできた隙間が、ＣＦＲＰプリプレグの変形によって埋められるため、空隙は残っていない。
【００５６】
これに対し、外側未硬化層においては、ＣＦＲＰプリプレグが、Ｆ１の１／２以下である弱い巻き張力Ｆ２で巻かれているため、ＣＦＲＰプリプレグの変形が少ない。このため、ＣＦＲＰプリプレグが相互に接触する界面にできた隙間が埋められることなく、空隙としてそのまま残留している。
【００５７】
このように、ＣＦＲＰプリプレグの巻き張力を低くすると、その巻きつけ部分には緩みが生じ、この緩みに起因して、確実に空隙が発生する。そこで、第二形成工程（図５のステップＳ２１）において繊維の巻き張力を第一形成工程（図５のステップＳ２３）よりも低くすることで、簡便且つ確実に外側層３ｂに空隙８ａを多数形成している。
【００５８】
本実施形態では、内側層３ａを緻密な層として形成する一方、外側層３ｂに内側層３ａよりも多数の空隙を内在させるための方法として、内側層３ａと外側層３ｂとで巻き張力を異ならせる例を説明した。しかし、巻き張力ではなく、巻き方向を異ならせることによっても、外側層３ｂに多数の空隙を形成し内在させることができる。以下、巻き方向を異ならせる例を、変形例として説明する。
【００５９】
図６は、変形例における巻き工程（図４に示す巻き工程Ｓ２０に相当する）の詳細を示すフローチャートである。本例においては、巻き工程の内容のみが上述した実施形態と異なっており、他は上述した実施形態と同様である。
【００６０】
まず、ステップＳ２４（第一形成工程）で、熱硬化させることによって内側層３ａとなる内側未硬化層を形成する。具体的には、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグをフィラメントワインディング法によって、巻き張力Ｆ１で巻きつける。この場合のＣＦＲＰプリプレグの巻き付け方向は、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向とし、所謂フープ巻きとする。フープ巻きとすることにより、ＣＦＲＰプリプレグの側端部において空隙が発生してしまう現象を抑制することができる。
【００６１】
このときの所定の巻き張力Ｆ１としては、例えば６０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。この程度の張力で巻きつけると、ＣＦＲＰプリプレグを緩み無く巻きつけることができ、緩みに起因した空隙の発生が抑制される。なお、内側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ１は、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は下限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００６２】
ステップＳ２４に続くステップＳ２５では、内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達したか判断する。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達していなければ、巻き付けを継続し、ステップＳ２５の判断を続ける。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達すれば、ステップＳ２６に進む。所定の厚さとは、高圧ガスタンク１がその使用時において、内圧に耐えうる強度を有するために必要となる厚さであって、適宜設定されるものである。
【００６３】
ステップＳ２６（第二形成工程）では、ステップＳ２１における巻き張力Ｆ１と同等の張力で、ＣＦＲＰプリプレグの巻き付けを継続する。ステップＳ２６では、巻き方向を、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向に巻いて行くフープ巻きから、タンクライナ２の軸心に対し小さな角度で巻いて行くヘリカル巻きに変更する。
【００６４】
このように、外側未硬化層を形成する際に巻き方向をヘリカル巻きとしたことにより、ＣＦＲＰプリプレグ同士が重なり合う際において、ＣＦＲＰプリプレグの側端部には隙間が形成されやすい。従って、巻き張力を強く保ちながら巻きつけたとしても、当該隙間は消滅せず、空隙として残留することとなる。
【００６５】
図７は、図６を参照しながら説明した巻き工程によって形成した高圧ガスタンクの、外側層３ｂの構造を示した断面図である。外側層３ｂにおいては巻き方向をヘリカル巻きとしたことにより、カーボン繊維７同士が重なり合う際において、カーボン繊維７の側端部には隙間が形成されやすく且つそのまま残留し、空隙８ｂが形成されている。
【００６６】
続いて、巻き張力ではなく、隙間材を用いることによって外側層３ｂに多数の空隙を形成し内在させる例を、変形例として説明する。
【００６７】
図８は、変形例における巻き工程（図４に示す巻き工程Ｓ２０に相当する）の詳細を示すフローチャートである。本例においては、巻き工程の内容のみが上述した実施形態と異なっており、他は上述した実施形態と同様である。
【００６８】
まず、ステップＳ２７（第一形成工程）で、熱硬化させることによって内側層３ａとなる内側未硬化層を形成する。具体的には、タンクライナ２の外表面に、ＣＦＲＰプリプレグをフィラメントワインディング法によって、巻き張力Ｆ１で巻きつける。この場合のＣＦＲＰプリプレグの巻き付け方向は、タンクライナ２の軸心に対しほぼ垂直な方向とし、所謂フープ巻きとする。フープ巻きとすることにより、ＣＦＲＰプリプレグの側端部において空隙が発生してしまう現象を抑制することができる。
【００６９】
このときの所定の巻き張力Ｆ１としては、例えば６０Ｎ程度の大きさとすることが好ましい。この程度の張力で巻きつけると、ＣＦＲＰプリプレグを緩み無く巻きつけることができ、緩みに起因した空隙の発生が抑制される。なお、内側未硬化層を形成する際の巻き張力Ｆ１は、常に一定とする場合に限られるものではなく、所定の巻き張力の大きさを中心又は下限とした範囲内で、巻き数に応じて適宜変更してもよい。
【００７０】
ステップＳ２７に続くステップＳ２８では、内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達したか判断する。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達していなければ、巻き付けを継続し、ステップＳ２８の判断を続ける。内側未硬化層の厚さが所定の厚さに到達すれば、ステップＳ２９に進む。所定の厚さとは、高圧ガスタンク１がその使用時において、内圧に耐えうる強度を有するために必要となる厚さであって、適宜設定されるものである。
【００７１】
ステップＳ２９（第二形成工程）では、ステップＳ２１における巻き張力Ｆ１と同等の張力で、ＣＦＲＰプリプレグの巻き付けを継続する。ステップＳ２９では、ＣＲＦＰプリプレグを巻きつける際に、隙間材としてガラス繊維９を入れながら外側未硬化層を形成していく。
【００７２】
このように、外側未硬化層を形成する際に隙間材としてガラス繊維９を入れることにより、ＣＦＲＰプリプレグ同士が重なり合う際において、ガラス繊維９の近傍に隙間が形成されやすい。従って、巻き張力を強く保ちながら巻きつけたとしても、当該隙間は消滅せず、空隙として残留することとなる。
【００７３】
図９は、図８を参照しながら説明した巻き工程によって形成した高圧ガスタンクの、外側層３ｂの構造を示した断面図である。外側層３ｂにおいては隙間材としてガラス繊維を入れたことにより、カーボン繊維７同士が重なり合う際において、ガラス繊維９の近傍には隙間が形成されやすく且つそのまま残留し、空隙８ｂが形成されている。
【００７４】
以上に示した実施形態及び各変形例では、第二形成工程における巻き張力、巻き方向、隙間材の有無、のいずれか一つを、第一形成工程におけるものとは異ならせることにより、外側未硬化層に多数の空隙を内在させるものであった。しかし、本発明はこれに限らず、第二形成工程における巻き張力、巻き方向、隙間材の有無を、第一形成工程におけるものと複数同時に異ならせてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１：高圧ガスタンク
２：タンクライナ
３：繊維強化樹脂層
３ａ：内側層
３ｂ：外側層
５：表面樹脂層
６：口金
７：カーボン繊維
８ａ、８ｂ、８ｃ：空隙
９：ガラス繊維
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクにおいて、
前記繊維強化樹脂層は、前記タンクライナ側に形成された内側層と、その外周に形成された外側層と、を有し、
前記内側層は、緻密な層として形成される一方で、
前記外側層は、前記内側層よりも密度の低い層として形成されることを特徴とする高圧ガスタンク。
【請求項２】
前記外側層の肉厚は、前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の高圧ガスタンク。
【請求項３】
タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの製造方法において、
前記タンクライナを準備する準備工程と、
前記タンクライナに対し、前記繊維を巻きつけて内側未硬化層を形成する第一形成工程と、
前記内側未硬化層に対し、前記繊維を巻きつけて外側未硬化層を形成する第二形成工程と、
加熱により、前記内側未硬化層及び前記外側未硬化層における前記熱硬化性樹脂を硬化させ、それぞれ内側層及び外側層と成して前記繊維強化樹脂層を形成する硬化工程と、を備え、
前記第一形成工程において前記内側未硬化層を緻密に形成する一方で、前記第二形成工程において前記外側未硬化層に多数の空隙を内在させることで、前記内側層を緻密なものとする一方で、前記外側層を前記内側層よりも密度の低い層とすることを特徴とする、高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項４】
前記第二形成工程において、前記繊維の巻き数を、前記第一形成工程における前記繊維の巻き数よりも減じて前記外側未硬化層を形成することで、前記外側層の肉厚を前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成することを特徴とする、請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項５】
前記第二形成工程において、前記繊維の巻き張力を前記第一形成工程におけるものより低くすることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることを特徴とする請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項６】
前記第二形成工程において、前記繊維の巻き方向を前記第一形成工程におけるものとは異ならせることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることを特徴とする請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項７】
前記第二形成工程において、前記繊維の間に隙間材を介在させることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることを特徴とする、請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項１】
タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクにおいて、
前記繊維強化樹脂層は、前記タンクライナ側に形成された内側層と、その外周に形成された外側層と、を有し、
前記内側層は、緻密な層として形成される一方で、
前記外側層は、前記内側層よりも密度の低い層として形成されることを特徴とする高圧ガスタンク。
【請求項２】
前記外側層の肉厚は、前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の高圧ガスタンク。
【請求項３】
タンクライナの外周に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻きつけることにより繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの製造方法において、
前記タンクライナを準備する準備工程と、
前記タンクライナに対し、前記繊維を巻きつけて内側未硬化層を形成する第一形成工程と、
前記内側未硬化層に対し、前記繊維を巻きつけて外側未硬化層を形成する第二形成工程と、
加熱により、前記内側未硬化層及び前記外側未硬化層における前記熱硬化性樹脂を硬化させ、それぞれ内側層及び外側層と成して前記繊維強化樹脂層を形成する硬化工程と、を備え、
前記第一形成工程において前記内側未硬化層を緻密に形成する一方で、前記第二形成工程において前記外側未硬化層に多数の空隙を内在させることで、前記内側層を緻密なものとする一方で、前記外側層を前記内側層よりも密度の低い層とすることを特徴とする、高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項４】
前記第二形成工程において、前記繊維の巻き数を、前記第一形成工程における前記繊維の巻き数よりも減じて前記外側未硬化層を形成することで、前記外側層の肉厚を前記内側層の肉厚よりも薄くなるように形成することを特徴とする、請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項５】
前記第二形成工程において、前記繊維の巻き張力を前記第一形成工程におけるものより低くすることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることを特徴とする請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項６】
前記第二形成工程において、前記繊維の巻き方向を前記第一形成工程におけるものとは異ならせることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることを特徴とする請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【請求項７】
前記第二形成工程において、前記繊維の間に隙間材を介在させることにより、前記外側層に多数の空隙を内在させることを特徴とする、請求項３に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１３０５（Ｐ２０１３−１１３０５Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４４３６６（Ｐ２０１１−１４４３６６）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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