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JP3534743B1 - 高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法 - Google Patents

高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法

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JP3534743B1
JP3534743B1 JP2003275438A JP2003275438A JP3534743B1 JP 3534743 B1 JP3534743 B1 JP 3534743B1 JP 2003275438 A JP2003275438 A JP 2003275438A JP 2003275438 A JP2003275438 A JP 2003275438A JP 3534743 B1 JP3534743 B1 JP 3534743B1
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Abstract

【要約】 【課題】 小型で軽くしかも耐圧性に優れた高圧タンク
にする。 【解決手段】 高圧タンク１のライナー２外周面を被覆
する補強繊維層２３を、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破
断時の伸び０．７％以上の高剛性繊維をフープ巻きして
なり熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層２４と、
ヤング率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で破断時の
伸び１．５％以上２．０％未満の繊維をヘリカル巻きし
てなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された中間繊維層２５
と、ヤング率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰａ未満で破断
時の伸び２．０％以上の繊維をハイアングルヘリカル巻
きしてなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された外側繊維層２
６とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】 【技術分野】
【０００１】この発明は、自動車用水素燃料タンク等に
適用される高剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造
方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】この種の高圧タンクは、アルミニウム合金
等の金属製ライナー外周面を炭素繊維等からなる補強繊
維層で被覆して構成されている。この補強繊維層は、フ
ィラメントワインディング法により、エポキシ樹脂等の
熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維等の繊維をライナー
外周面に巻き付け、上記熱硬化性樹脂を硬化させること
によって構成される（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−２９２８９９号公報（第３
頁、図１，４）
【発明の開示】 【発明が解決しようとする課題】
【０００３】ところで、上記の特許文献１の高圧タンク
は、高圧タンクとはいっても、精々２０ＭＰａ程度のガ
ス充填圧クラスであり、これを例えば自動車の水素燃料
タンクとして適用した場合、１回のガス充填で走行でき
る距離は実用レベルに達していない。因みに、容量１０
０リットルの高圧タンクに水素ガスを２５ＭＰａ充填し
た場合、走行距離は約１８０ｋｍで、実用レベルである
５００ｋｍにはほど遠いのが現実である。
【０００４】そこで、１回のガス充填で走行距離を長く
するには、タンク容量を大きくするか、あるいはガス充
填圧を高くする必要がある。
【０００５】しかし、タンク容量を大きくすると積載重
量が増大して好ましくなく、また、占有空間が大きくな
るため、設置スペースに限界がある自動車には不向きで
ある。
【０００６】一方、ガス充填圧を高めるには、タンク本
体を構成するライナーの厚みを厚くする必要があるが、
この場合も、積載重量が増大するため好ましくない。
【０００７】この発明はかかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、小型で軽くしかも耐
圧性に優れた高圧タンクを開発することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】上記の目的を達成するため、この発明は、
ライナーの外周面を被覆する補強繊維層を強化したこと
を特徴とする。
【０００９】具体的には、この発明は、補強繊維層に高
剛性繊維を用いた高圧タンク及びその製造方法を対象と
し、次のような解決手段を講じた。
【００１０】すなわち、請求項１及び２に記載の発明
は、前者の高剛性繊維を用いた高圧タンクに関するもの
であり、そのうち、請求項１に記載の発明は、アルミニ
ウム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴
部の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて
構成され、このガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚
みに設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行く
に従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大
していて３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される筒状
の金属製ライナーと、上記ライナーのガス取出筒部から
鏡部にかけての外周に嵌着された金属製の筒状補強カラ
ーと、上記ライナー外周面を被覆する補強繊維層とを備
え、上記補強繊維層は、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破
断時の伸び０．７％以上の高剛性繊維をフープ巻きして
なり熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層と、ヤン
グ率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で破断時の伸び
１．５％以上２．０％未満の繊維をヘリカル巻きしてな
り熱硬化性樹脂が含浸硬化された中間繊維層と、ヤング
率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰａ未満で破断時の伸び
２．０％以上の繊維をライナー中心線に対する繊維角度
が上記中間繊維層の繊維角度よりも大きくなるようにハ
イアングルヘリカル巻きしてなり熱硬化性樹脂が含浸硬
化された外側繊維層とで構成され、上記補強繊維層を構
成する各繊維層は、繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂
を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付けて
上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成されていることを特
徴とする。
【００１１】上記の構成により、請求項１に記載の発明
では、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７
％以上の高剛性繊維からなるフープ巻きの内側繊維層
は、ライナーに３５〜７５ＭＰａの高圧が加わっても伸
び難いため、この高剛性繊維からなる内側繊維層がガス
充填圧によってライナーに作用するライナー径方向の引
張応力に十分に抗し得てライナーの耐疲労性が向上す
る。この伸び難い高剛性繊維は反面、耐衝撃性に劣る
が、その外側のヤング率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰａ
未満で破断時の伸び２．０％以上の繊維からなるハイア
ングルヘリカル巻きの外側繊維層により、耐衝撃性が確
保される。さらに、ヤング率２８０ＧＰａ以上３５０Ｇ
Ｐａ未満で破断時の伸び１．５％以上２．０％未満の繊
維からなるヘリカル巻きの中間繊維層により、ライナー
の中心線方向の耐力が向上する。しかも、このヘリカル
巻きの中間繊維層は、フープ巻きの内側繊維層に比べて
荷重分担が約半分でよいので、それほど高剛性は要求さ
れず、巻き易さとコスト面を考慮して内側繊維層と外側
繊維層との中間の剛性に設定しているため、必要以上に
層厚を厚くしなくてよい。したがって、タンク容量が小
さくかつライナーの厚みが薄くても、３５〜７５ＭＰａ
の高圧ガスの充填が可能になり、小型で軽くしかも耐圧
性に優れた高圧タンクが実現される。
【００１２】また、一般に、高剛性繊維は硬いため、紐
状の形態では滑り易くてライナーに巻き難く、弛みが生
じてライナーに作用する引張応力を全繊維に均等に分配
し辛いが、この発明では、特に、高剛性繊維を偏平なテ
ープにして用いるため、ライナーに沿わせ易く、ライナ
ーに弛みなく巻き付けることが可能で上記引張応力が全
繊維に均等に分配され、ライナーの耐疲労性向上が容易
に実現される。
【００１３】さらに、ガス取出筒部が胴部の３倍以上の
厚みに設定され、そこから鏡部が漸次薄くなって胴部に
続いているため、上記ガス取出筒部及び鏡部の強度が確
保され、上述の補強繊維層によるライナーの耐疲労性向
上及び耐衝撃性確保と相俟って、３５〜７５ＭＰａの高
圧に十分に耐え得る高圧タンクとなる。また、上記胴部
が薄くてもガス取出筒部及び鏡部が厚くなって強度が確
保されるため、胴部が薄い分だけ高圧タンク全体の重量
が軽減し、かつ材料費もあまり掛からない。
【００１４】加えて、応力が集中し易いガス取出筒部及
びその近傍の鏡部の実質的な厚みが補強カラーの厚みに
より増大して当該箇所の強度がさらに確保され、３５〜
７５ＭＰａの高圧に一層耐え得る高圧タンクとなる。ま
た、補強カラーがライナー全体ではなく、応力が集中し
易い鏡部及びガス取出筒部にだけ部分的に嵌着されてい
るため、高圧タンクの重量がそれほど増加せず軽量化が
図られるとともに、加工の簡易化、低価格化が図られ
る。
【００１５】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、補強カラーは、ガス取出筒部に嵌着さ
れる筒部と、この筒部の一端から外側方に張り出す張出
部とからなり、この張出部裏面には、リング状膨出部が
膨出して形成され、一方、鏡部のガス取出筒部との境目
近傍における外周には、上記補強カラーを上記ライナー
のガス取出筒部から鏡部にかけての外周に嵌着した状態
で、上記膨出部が嵌入するリング状嵌合凹部が形成され
ていることを特徴とする。
【００１６】上記の構成により、請求項２に記載の発明
では、補強カラーの膨出部がライナーの嵌合凹部に嵌入
することで、両者の嵌合状態が確実になる。また、上記
膨出部があることで当該部分の補強カラーの厚みが増大
し、その分だけ強度アップとなる。
【００１７】請求項３及び４に記載の発明は、後者の高
剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法に関するもので
あり、そのうち、請求項３に記載の発明は、アルミニウ
ム合金製の短筒状ブランク材を塑性変形させて筒状胴部
の一端に椀状鏡部を介してガス取出筒部が突設されて構
成され、このガス取出筒部は上記胴部の３倍以上の厚み
に設定され、上記鏡部は胴部からガス取出筒部に行くに
従って胴部の厚みからガス取出筒部の厚みに漸次増大
し、かつ上記ガス取出筒部から鏡部にかけての外周に金
属製の筒状補強カラーが嵌着されて３５〜７５ＭＰａの
高圧ガスが充填される筒状の金属製ライナーを用意し、
まず、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７
％以上の高剛性繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含
浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上記ライナー外
周面にフープ巻きして内側繊維層を形成し、次いで、ヤ
ング率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で破断時の伸
び１．５％以上２．０％未満の繊維を偏平に集束して熱
硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で
上記内側繊維層外周面にヘリカル巻きして中間繊維層を
形成し、その後、ヤング率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰ
ａ未満で破断時の伸び２．０％以上の繊維を偏平に集束
して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ
状態で上記中間繊維層外周面にライナー中心線に対する
繊維角度が上記中間繊維層の繊維角度よりも大きくなる
ようにハイアングルヘリカル巻きして外側繊維層を形成
して、上記内側繊維層、中間繊維層及び外側繊維層で構
成された補強繊維層により上記ライナー外周面を被覆
し、しかる後、上記補強繊維層で被覆されたライナーを
乾燥室に搬入して加熱し、補強繊維層に含浸している熱
硬化性樹脂を硬化させることを特徴とする。
【００１８】上記の構成により、請求項３に記載の発明
では、繊維をまとめてテープ状の形態でライナーに巻き
付けることから、巻付け作業が簡単に行われる。また、
繊維をウェットワインディング法でライナー外周面に巻
き付ける場合は、液状の熱硬化性樹脂が作業場に滴り落
ちて作業環境が悪化するが、この発明では、熱硬化性樹
脂がある程度硬化してプリプレグ状態（Ｂ状態）となっ
た繊維テープをライナーに巻き付けるため、熱硬化性樹
脂が作業場に滴り落ちず、作業環境が悪化しない。
【００１９】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、乾燥室に搬入されたライナーを内外か
ら加熱することを特徴とする。
【００２０】上記の構成により、請求項４に記載の発明
では、補強繊維層の熱硬化性樹脂を外側からのみ加熱す
る場合には、熱硬化性樹脂は外側から内側へと順に硬化
し、硬化に伴って収縮する。この際、内側の未硬化樹脂
は外側の硬化樹脂から圧縮力を受け、上記内側の未硬化
樹脂が絡まっている繊維に弛みが生ずる。このように、
繊維に弛みが生ずると、ガス充填圧によってライナーに
作用する引張応力を全繊維に均等に配分できず、早期破
断に至るが、この発明では、補強繊維層の熱硬化性樹脂
は、層内外両側からほぼ同時に硬化するため、内側の繊
維に弛みが生ずる事態が極力回避され、引張応力が全繊
維に均等に分配されて早期破断に至らない。
【発明の効果】
【００２１】請求項１に係る発明によれば、ヤング率３
５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７％以上の伸び難い
高剛性繊維からなるフープ巻きの内側繊維層により、３
５〜７５ＭＰａの高圧がライナーに掛かることによって
生ずるライナー径方向の引張応力に十分に抗し得てライ
ナーの耐疲労性を向上させることができる。また、高剛
性繊維であるがために劣る耐衝撃性をその外側のヤング
率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰａ未満で破断時の伸び
２．０％以上の繊維からなるハイアングルヘリカル巻き
の外側繊維層により補うことができる。さらに、ヤング
率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で破断時の伸び
１．５％以上２．０％未満の繊維からなるヘリカル巻き
の中間繊維層によりライナー中心線方向の耐力を層厚を
必要以上に厚くしないで向上させることができる。した
がって、タンク容量が小さくかつライナーの厚みが薄く
て小型で軽量の３５〜７５ＭＰａの高圧ガスに耐え得る
高圧タンクとすることができる。
【００２２】特に、硬くて巻き難い高剛性繊維を偏平な
テープ状の形態として用いているので、繊維を弛みなく
ライナーに巻き付けて引張応力を全繊維に均等配分して
ライナーの耐疲労性を向上させることができる。
【００２３】さらに、ガス取出筒部を円筒形の胴部の３
倍以上の厚みに設定し、そこから椀状鏡部を漸次薄くし
て胴部に続かせているので、上記ガス取出筒部及び鏡部
の強度を確保でき、３５〜７５ＭＰａの高圧に十分に耐
え得る高圧タンクとすることができる。また、上記胴部
が薄くてもガス取出筒部及び鏡部を厚くして強度を確保
できるので、胴部が薄い分だけ高圧タンクを軽量化でき
るとともに、コストダウンを図ることができる。
【００２４】加えて、ライナーの応力が集中し易い鏡部
及びガス取出筒部に補強カラーを嵌着したので、上記ガ
ス取出筒部及びその近傍の鏡部の厚みを補強カラーの厚
みで補って当該箇所を十分に強化して、３５〜７５ＭＰ
ａの高圧に一段と耐え得る高圧タンクとすることができ
る。また、上記補強カラーをライナーに部分的に嵌着す
るだけなので、高圧タンクの軽量化、加工の簡易化及び
低価格化を達成することができる。
【００２５】請求項２に係る発明によれば、補強カラー
の膨出部をライナーの嵌合凹部に嵌入させたので、両者
を確実に嵌合させることができる。また、上記膨出部が
あることで当該部分の補強カラーの厚みを増大してその
分だけ強度アップを図ることができる。
【００２６】請求項３に係る発明によれば、繊維をまと
めてテープ状の形態でライナーに巻き付けるので、巻付
け作業を簡単に行うことができる。また、繊維に含浸す
る熱硬化性樹脂を液状ではなく硬化がある程度進行した
プリプレグ状態にしているので、熱硬化性樹脂が作業場
に滴下することによる作業環境の悪化を防止することが
できる。
【００２７】請求項４に係る発明によれば、乾燥室でラ
イナーを内外から加熱して、補強繊維層の熱硬化性樹脂
の硬化を層内外両側からほぼ同時に進行させるので、内
側の繊維を弛まないようにすることができ、引張応力を
全繊維に均等分配して早期破断を防止することができ
る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】以下、この発明の実施の形態について図面
に基づいて説明する。
【００２９】（実施の形態１） 図１及び図２はこの発明の実施の形態１に係る高剛性繊
維を用いた高圧タンク１を示す。この高圧タンク１は、
水素ガス等の３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される
タンク本体であるライナー２を備え、このライナー２
は、横断面円形の筒状胴部３の一端に椀状鏡部４を介し
て小径で横断面円形のガス取出筒部５が一体に突設さ
れ、このガス取出筒部５側から高圧ガスを高圧タンク１
（ライナー２）内に充填したり、あるいは高圧タンク１
（ライナー２）から取り出したりするようになってい
る。上記ガス取出筒部５にはネジ孔６が形成され、この
ネジ孔６にバルブ装置７が装着されている。このバルブ
装置７は、図示しないが開閉バルブと減圧バルブとを備
えたバルブ機構８がカプセル９内に収容されて構成さ
れ、フランジ１０を上記ガス取出筒部５の開口端に当接
させて上記カプセル９（バルブ機構８）を高圧タンク１
内に収容した内蔵タイプ、いわゆるインタンクバルブで
ある。このバルブ装置７の高圧タンク１外には、高圧タ
ンク１に低圧ガス配管を接続するための配管接続部１１
が突設されている。一方、上記胴部３の他端にも、椀状
鏡部１２を介して小径で横断面円形の筒部１３が一体に
突設され、この筒部１３にもネジ孔１４が形成され、こ
のネジ孔１４に高圧ガスに対する気密性を保持するため
の盲プラグ１５が装着され、これにより、ライナー２内
に高圧ガスを収容する密閉された中空部１６が形成され
ている。
【００３０】上記高圧タンク１は、例えば、ＪＩＳ Ａ
６０６１やＪＩＳ Ａ ６０６２等のアルミニウム合金か
らなる金属製で、成形後にＴ６処理等の熱処理が施され
てなるものであり、短筒状ブランク材を塑性変形させて
成形され、上記鏡部４，１２、ガス取出筒部５及び筒部
１３は胴部３の３倍以上の厚みに形成されている。特
に、上記鏡部４，１２は、胴部３からガス取出筒部５及
び筒部１３に近づくに従って胴部３の厚みからガス取出
筒部５及び筒部１３の厚みに漸次増大しており、これに
より、応力が集中し易い鏡部４，１２を強化している。
【００３１】上記ライナー２のガス取出筒部５及び筒部
１３から鏡部４，１２にかけての外周には、焼ばめによ
り金属製の筒状補強カラー１８が一体に嵌着されてい
る。この補強カラー１８は、上記ガス取出筒部５及び筒
部１３とほぼ厚みが等しい横断面円形の筒部１９と、こ
の筒部１９の一端に一体に形成されて外側方に張り出し
た張出部２０とからなり、この張出部２０の厚みは外端
に近づくに従って薄くなっており、これにより、張出部
２０外端が段差なく鏡部４，１２外表面に沿うようにな
っている。また、上記補強カラー１８の内部には、上記
筒部１９及び張出部２０を上下に貫通する嵌合孔２２が
形成されている。この補強カラー１８は、例えば、ＳＮ
ＣＭ４４０、ＳＣＭ４４０、ＳＫＤ６１等の合金鋼又は
チタン合金からなる金属製で、鍛造成形や旋削加工され
てなるものであるが、これに限定されず、強度／重量比
がアルミニウムよりも高いものであればよく、これによ
れば、重量軽減に大きく貢献することができる。そし
て、上記補強カラー１８は、その嵌合孔２２に上記ライ
ナー２のガス取出筒部５及び筒部１３を挿入した状態
で、上記筒部１９が焼ばめによりガス取出筒部５及び筒
部１３に一体に外嵌合されているとともに、上記張出部
２１が鏡部４，１２外表面に一体に接合されている。
【００３２】上記ライナー２外周面は補強繊維層２３で
被覆されている。この補強繊維層２３は、ライナー２外
周面に繊維を巻き付けることによって形成される。この
補強繊維層２３は、上記ライナー２の胴部３外周面と接
触し胴部３を被覆する内側繊維層２４と、この内側繊維
層２４外周面から筒部１９にかけて接触しライナー２の
ほぼ全体を被覆する中間繊維層２５と、この中間繊維層
２５外周面と接触しライナー２の胴部３から鏡部４，１
２の途中にかけてを被覆する外側繊維層２６とで構成さ
れている。
【００３３】この発明の特徴として、上記内側繊維層２
４は、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７
％以上の高剛性繊維をフープ巻きしてなり、エポキシ樹
脂等の熱硬化性樹脂が含浸硬化されている。上記高剛性
繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡ
Ｎ）を原料にした下記の炭素繊維を挙げることができ
る。この高剛性繊維は伸び難く、相当の高圧であっても
十分に耐え得る。
【００３４】＜東レ製 高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）
Ｍ４６ＪＢ＞ ヤング率 ４３６ＧＰａ 引張強度 ４．２ＧＰａ 破断時の伸び １．０％ また、上記中間繊維層２５は、ヤング率２８０ＧＰａ以
上３５０ＧＰａ未満で破断時の伸び１．５％以上２．０
％未満の繊維をヘリカル巻きしてなり、エポキシ樹脂等
の熱硬化性樹脂が含浸硬化されている。上記繊維として
は、例えば、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）を原料に
した下記の炭素繊維を挙げることができる。この繊維の
剛性は、ヘリカル巻きが可能になるように上記高剛性繊
維よりは低いが、コスト面から層厚を必要以上に厚くし
なくてもよいように外側繊維層２６よりは高くなってい
る。つまり、このヘリカル巻きの中間繊維層２５は、フ
ープ巻きの内側繊維層２４に比べて荷重分担が約半分で
よいので、それほど高剛性は要求されず、したがって、
巻き易さとコスト面を考慮して内側繊維層２４と外側繊
維層２６との中間の剛性に設定しているのである。
【００３５】＜東レ製 高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）
Ｔ８００ＨＢ＞ ヤング率 ２９４ＧＰａ 引張強度 ５．４９ＧＰａ 破断時の伸び １．９％ さらに、上記外側繊維層２６は、ヤング率２３０ＧＰａ
以上２８０ＧＰａ未満で破断時の伸び２．０％以上の繊
維をライナー中心線に対する繊維角度が上記中間繊維層
の繊維角度よりも大きくなるようにハイアングルヘリカ
ル巻きしてなり、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸
硬化されている。上記繊維としては、例えば、ポリアク
リロニトリル（ＰＡＮ）を原料にした下記の炭素繊維
や、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢ
Ｏ）を原料とした下記の繊維を挙げることができる。こ
れら繊維は上記の内側繊維層２４を構成する高剛性繊維
に比べて伸び易いという性質を備えており、高剛性繊維
が伸び難いことの裏返しとして低下する耐衝撃性を補う
ことができる。
【００３６】＜東レ製 高性能炭素繊維トレカ（Ｒ）
Ｔ７００＞ ヤング率 ２３０ＧＰａ 引張強度 ４．９ＧＰａ 破断時の伸び ２．１％ ＜東洋紡製 ＺＹＬＯＮ−ＨＭ（Ｒ）＞ ヤング率 ２７０ＧＰａ 引張強度 ５．８ＧＰａ 破断時の伸び ２．５％ 上記内側繊維層２４は、繊維をライナー２の胴部３外周
面にライナー中心線方向と直交する円周方向にフープ巻
きした繊維層であり、上記中間繊維層２５は、繊維をラ
イナー２外周面ほぼ全体にライナー中心線方向に螺旋状
にヘリカル巻きした繊維層であり、上記外側繊維層２６
は、繊維をライナー２外周面の胴部３から鏡部４，１２
の途中にかけてライナー中心線に対して７５°前後でハ
イアングルヘリカル巻きした繊維層である。
【００３７】また、上記補強繊維層２３を構成する各繊
維層２４，２５，２６は、繊維を偏平に集束してエポキ
シ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリ
プレグ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて
構成されている。上記プリプレグ状態とは、熱硬化性樹
脂がある程度硬化を進めて生乾きした状態でＢ状態とい
われる状態であり、このようなプレプレグ状態の繊維テ
ープは、使用するまでは乾燥しないように冷蔵室等で保
管しておく。
【００３８】次に、上述の如く構成された高圧タンク１
の製造要領の一例を図３に基づき説明する。
【００３９】まず、パイプカット工程Ｓ１で、アルミニ
ウム合金製の長尺パイプ材Ｐを所定寸法に切断して両端
が開口した短筒状ブランク材Ｂを形成する。
【００４０】次いで、フローフォーミング工程Ｓ２で、
図示しないが、上記短筒状ブランク材Ｂをマンドレルに
外嵌合して取り付け、該マンドレルをその軸心回りに回
転させて短筒状ブランク材Ｂを一体に回転させ、成形ロ
ーラを上記短筒状ブランク材Ｂ外周面に圧接させること
で回転させながら短筒状ブランク材Ｂ外周面を軸心方向
にしごき、短筒状ブランク材Ｂをフローフォーミングす
る。これにより、短筒状ブランク材Ｂが塑性変形して長
筒状ブランク材Ｂ′が成形される。この段階で、開口端
から所定領域を除いた長筒状ブランク材Ｂ′の厚みが、
完成品としての高圧タンク１のライナー２の胴部３の厚
みと等しくなっている。また、上記長筒状ブランク材
Ｂ′の開口端から所定領域は、開口端に近づくに従って
厚みが漸次増大している。
【００４１】その後、スピニング工程Ｓ３で、図示しな
いが、上記長筒状ブランク材Ｂ′をチャック装置で保持
してその軸心回りに回転させ、成形ローラを長筒状ブラ
ンク材Ｂ′の一方の開口端近傍から開口端にかけて傾け
て圧接させることで回転させながら長筒状ブランク材
Ｂ′の軸心に対して斜めに移動させてしごき、長筒状ブ
ランク材Ｂ′の一方の開口端から所定領域をスピニング
により口絞りする。これにより、長筒状ブランク材Ｂ′
の開口端から所定領域が塑性変形して筒状胴部３の一端
に椀状鏡部４を介してガス取出筒部５が一体に突設され
る。そして、上述の如きスピニングによる口絞り成形に
より、鏡部４の厚みが胴部３からガス取出筒部５に近づ
くに従って漸次増大するように成形され、かつガス取出
筒部５は胴部３の３倍以上厚みに設定されている。長筒
状ブランク材Ｂ′の他方の開口端側も、同様のスピニン
グによる口絞り成形を行い、胴部３の他端に椀状鏡部１
２を介して筒部１３が一体に突設され、ここでも、鏡部
１２の厚みが胴部３から筒部１３に近づくに従って漸次
増大するように成形され、かつ筒部１３は胴部３の３倍
以上厚みに設定されている。これにより、一端にガス取
出筒部５が他端に筒部１３が突設されたライナー２が得
られる。
【００４２】一方、別途鍛造成形や旋削加工した合金鋼
製又はチタン合金製等の補強カラー１８を用意する。こ
の補強カラー１８は、上述の如く筒部１９の一端に張出
部２０が一体に形成されているとともに、内部に筒部１
９及び張出部２０を上下に貫通する嵌合孔２２が形成さ
れている。この嵌合孔２２の内径は、ガス取出筒部５及
び筒部１３の外径との関係において焼ばめによる締め代
を考慮して設定されている。
【００４３】次に、補強カラー焼きばめ工程Ｓ４で、上
述の如く構成された補強カラー１８をライナー２のガス
取出筒部５及び筒部１３にそれぞれ外嵌合させ、焼ばめ
により上記補強カラー１８をライナー２のガス取出筒部
５及び筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周にそれ
ぞれ一体に嵌着させる。
【００４４】これに引き続いて、ワインディング工程Ｓ
５で、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７
％以上の高剛性繊維を偏平に集束してエポキシ樹脂等の
熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態
で上記ライナー２の胴部３外周面にフープ巻きして内側
繊維層２４を形成する。
【００４５】その後、ヤング率２８０ＧＰａ以上３５０
ＧＰａ未満で破断時の伸び１．５％以上２．０％未満の
繊維からなる繊維テープを内側繊維層２４の上からライ
ナー２のほぼ全体にヘリカル巻きして中間繊維層２５を
形成する。
【００４６】さらに、その上にヤング率２３０ＧＰａ以
上２８０ＧＰａ未満で破断時の伸び２．０％以上の繊維
を偏平に集束してエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸
させた繊維テープをプリプレグ状態で上記中間繊維層２
５の上からライナー２の胴部３から鏡部４，１２の途中
にかけての外周面にライナー中心線に対して７５°前後
でハイアングルヘリカル巻きして外側繊維層２６を形成
して、これら内側繊維層２４、中間繊維層２５及び外側
繊維層２６で構成された補強繊維層２３により上記ライ
ナー２外周面を被覆する（各繊維層２４，２４，２５は
図１に表れる）。
【００４７】この補強繊維層２３の厚みは、タンク容量
やガス充填圧によって決まるが、例えば、タンク容量約
３４リットル、ライナー２の胴部３の厚み４．０ｍｍ、
ライナー２の外径２８０ｍｍ、ライナー２の長さ８３０
ｍｍ、ガス充填圧７０ＭＰａの場合に、約９ｍｍであ
る。なお、内側繊維層２４と中間繊維層２５とを交互に
形成してその外側に外側繊維層２６を形成してもよい。
【００４８】しかる後、乾燥工程Ｓ６で、上記補強繊維
層２３で被覆されたライナー２を乾燥室２７に搬入し、
ライナー２の外側及びライナー２内側に配置されたヒー
ター２８の放射熱で、ライナー２を回転させながら内外
から加熱して補強繊維層２３に含浸している熱硬化性樹
脂を加熱硬化させ、ライナー２外周面に繊維が巻き付け
られてライナー２外周面が補強繊維層２３で被覆された
高圧タンク１を得る。なお、ヒーター２８の代わりに熱
風をライナー２の内外に導入してライナー２を回転させ
ながら内外から加熱して補強繊維層２３に含浸している
熱硬化性樹脂を加熱硬化させてもよい。
【００４９】このようにして製造された高圧タンク１に
対して、バルブ装置７をガス取出筒部５に装着するとと
もに、盲プラグ１５を筒部１３に装着して完成品とす
る。
【００５０】このように、この実施の形態では、ヤング
率３５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７％以上の高剛
性繊維からなるフープ巻きの内側繊維層２４と、ヤング
率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で破断時の伸び
１．５％以上２．０％未満の繊維からなるヘリカル巻き
の中間繊維層２５と、ヤング率２３０ＧＰａ以上２８０
ＧＰａ未満で破断時の伸び２．０％以上の繊維からなる
ハイアングルヘリカル巻きの外側繊維層２６とで構成さ
れた補強繊維層２３をライナー２外周面に被覆している
ことから、高剛性繊維からなる内側繊維層２４でガス充
填圧によってライナー２に作用するライナー径方向の引
張応力に十分に抗し得てライナー２の耐疲労性を向上さ
せることができるとともに、その耐衝撃性に劣る欠点を
伸びのある繊維からなる外側繊維層２６で補うことがで
き、さらには、ヘリカル巻きの中間繊維層２５により、
ライナー中心線方向の耐力を必要以上に層厚を厚くする
ことなく向上させることができる。したがって、タンク
容量が小さくかつライナーの厚みが薄くても、３５〜７
５ＭＰａの高圧ガスを充填することができ、小型で軽く
しかも耐圧性に優れた高圧タンク１を実現することがで
きる。
【００５１】さらに、補強繊維層２３を構成する各繊維
層２４，２５，２６を、繊維を偏平に集束して熱硬化性
樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で巻き付
けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成していることか
ら、硬い高剛性繊維を滑り易くてライナー２に巻き難く
弛みが生じてライナー２に作用する引張応力を全繊維に
均等に分配し辛い紐状の形態で用いる場合に比べ、高剛
性繊維が偏平なテープ状の形態であってライナー２に沿
わせ易く、ライナー２に弛みなく巻き付けることができ
て上記引張応力を全繊維に均等に分配して、ライナー２
の耐疲労性向上を容易に実現することができる。
【００５２】また、ガス取出筒部５及び筒部１３を胴部
３の３倍以上の厚みに設定し、そこから鏡部４，１２を
漸次薄くして胴部３に続かせていることから、上記ガス
取出筒部５、筒部１３及び鏡部４，１２の強度を確保す
ることができ、上述の補強繊維層２３によるライナー２
の耐疲労性向上及び耐衝撃性確保と相俟って、３５〜７
５ＭＰａの高圧に一層に耐え得る高圧タンク１とするこ
とができる。また、上記胴部３が薄くてもガス取出筒部
５、筒部１３及び鏡部４，１２を厚くして強度を確保し
ているので、胴部３が薄い分だけ高圧タンク１全体の重
量を軽減することができ、かつ材料費もあまり掛けない
ようにすることができる。
【００５３】加えて、ライナー２のガス取出筒部５及び
筒部１３から鏡部４，１２にかけての外周に補強カラー
１８を嵌着していることから、応力が集中し易いガス取
出筒部５、筒部１３及びその近傍の鏡部４，１２の実質
的な厚みを上記補強カラー１８の厚みにより増大させて
当該箇所の強度を十分に確保することができ、３５〜７
５ＭＰａの高圧に一段と耐え得る高圧タンク１とするこ
とができる。また、補強カラー１８をライナー２全体で
はなく、応力が集中し易い鏡部４，１２、ガス取出筒部
５及び筒部１３にだけ部分的に嵌着させているので、高
圧タンク１の重量をそれほど増加させず軽量化を図るこ
とができるとともに、加工の簡易化、低価格化を図るこ
とができる。
【００５４】さらにまた、繊維をまとめてテープ状の形
態でライナー２に巻き付けることから、巻付け作業を簡
単に行うことができる。また、熱硬化性樹脂がある程度
してプリプレグ状態（Ｂ状態）となった繊維テープをラ
イナー２に巻き付けるため、液状の熱硬化性樹脂が作業
場に滴り落ちて作業環境が悪化するウェットワインディ
ング法の場合に比べ、熱硬化性樹脂が作業場に滴り落ち
ず、作業環境の悪化を防止することができる。
【００５５】また、乾燥室２７に搬入されたライナー２
を内外から加熱するので、補強繊維層２３の熱硬化性樹
脂が層内外両側からほぼ同時に硬化し、これにより、補
強繊維層２３の熱硬化性樹脂を外側からのみ加熱する場
合において、熱硬化性樹脂が外側から内側へと順に硬化
収縮して内側の未硬化樹脂が外側の硬化樹脂から圧縮力
を受けて繊維に弛みが生ずる事態を回避することがで
き、ガス充填圧によってライナー２に作用する引張応力
を全繊維に均等に分配して早期破断に至らないようにす
ることができる。
【００５６】（実施の形態２） 図４はこの発明の実施の形態２に係る高剛性繊維を用い
た高圧タンク１を示す。この高圧タンク１は補強カラー
１８の形状が実施の形態１と異なっている。つまり、上
記補強カラー１８の張出部２０の裏面にリング状膨出部
２１が一体に膨出して形成されている。これに伴い、ラ
イナー２における鏡部４のガス取出筒部５との境目近傍
における外周にリング状嵌合凹部１７が形成されてい
る。そして、上記補強カラー１８の張出部２０は、その
膨出部２１を上記鏡部４の嵌合凹部１７に嵌入した状態
で焼ばめにより鏡部４外表面に一体に接合されている。
図示しないが、反対側の鏡部１２の筒部１３にも同様に
補強カラー１８を嵌合している。そのほかは、実施の形
態１と同様に構成されているので、同一の構成箇所には
同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００５７】したがって、この実施の形態２では、上記
の実施の形態１と同様の作用効果を奏することができ
る。
【００５８】加えて、この実施の形態２では、補強カラ
ー１８の張出部２０に膨出形成したリング状膨出部２１
を、鏡部４，１２のガス取出筒部５及び筒部１３との境
目近傍における外周に形成したリング状嵌合凹部１７に
嵌入して焼ばめにより接合しているので、補強カラー１
８とライナー２とを確実に嵌合させることができる。ま
た、上記膨出部２１があることで当該部分の補強カラー
１８の厚みが増大し、その分だけ強度アップを図ること
ができる。
【００５９】なお、上記の実施の形態１，２では、フロ
ーフォーミングに供する短筒状ブランク材Ｂとして、両
端が開口した円筒体のものを例示したが、有底筒状のも
のであってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６０】この発明は、小型で軽量でありながら３５
〜７５ＭＰａの高圧ガスに耐え得る自動車用水素燃料タ
ンク等の高圧タンクとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用
いた高圧タンクのガス取出筒部側を拡大して示す断面図
である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用
いた高圧タンク全体の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る高剛性繊維を用
いた高圧タンクの製造工程図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る高剛性繊維を用
いた高圧タンクの図１相当図である。
【符号の説明】
【００６２】 １ 高圧タンク ２ ライナー ３ 胴部 ４ 鏡部 ５ ガス取出筒部 １７ 嵌合凹部 １８ 補強カラー １９ 筒部 ２０ 張出部 ２１ 膨出部 ２３ 補強繊維層 ２４ 内側繊維層 ２５ 中間繊維層 ２６ 外側繊維層 ２７ 乾燥室 ２８ ヒーター Ｂ′ 長筒状ブランク材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阪口 直樹 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90746，カーソン，イースト ドミンゲ ス ストリート 1130 サムテック イ ンターナショナル インコーポレーテッ ド内 (72)発明者 山本 猛 アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90746，カーソン，イースト ドミンゲ ス ストリート 1130 サムテック イ ンターナショナル インコーポレーテッ ド内 (56)参考文献 特開 平６−213398（ＪＰ，Ａ) 特開2002−5397（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−220691（ＪＰ，Ａ) 米国特許5499739（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F17C 1/00 - 13/12 B29C 70/16

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウム合金製の短筒状ブランク材
    を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガ
    ス取出筒部が突設されて構成され、このガス取出筒部は
    上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部
    からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取
    出筒部の厚みに漸次増大していて３５〜７５ＭＰａの高
    圧ガスが充填される筒状の金属製ライナーと、上記ライナーのガス取出筒部から鏡部にかけての外周に
    嵌着された金属製の筒状補強カラーと、 上記 ライナー外周面を被覆する補強繊維層とを備え、 上記補強繊維層は、ヤング率３５０ＧＰａ以上で破断時
    の伸び０．７％以上の高剛性繊維をフープ巻きしてなり
    熱硬化性樹脂が含浸硬化された内側繊維層と、 ヤング率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で破断時の
    伸び１．５％以上２．０％未満の繊維をヘリカル巻きし
    てなり熱硬化性樹脂が含浸硬化された中間繊維層と、 ヤング率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰａ未満で破断時の
    伸び２．０％以上の繊維をライナー中心線に対する繊維
    角度が上記中間繊維層の繊維角度よりも大きくなるよう
    にハイアングルヘリカル巻きしてなり熱硬化性樹脂が含
    浸硬化された外側繊維層とで構成され、 上記補強繊維層を構成する各繊維層は、繊維を偏平に集
    束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレ
    グ状態で巻き付けて上記熱硬化性樹脂を硬化させて構成
    され ていることを特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タ
    ンク。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の高剛性繊維を用いた高
    圧タンクにおいて、 補強カラーは、ガス取出筒部に嵌着される筒部と、この
    筒部の一端から外側方に張り出す張出部とからなり、こ
    の張出部裏面には、リング状膨出部が膨出して形成さ
    れ、 一方、鏡部のガス取出筒部との境目近傍における外周に
    は、上記補強カラーを上記ライナーのガス取出筒部から
    鏡部にかけての外周に嵌着した状態で、上記膨出部が嵌
    入するリング状嵌合凹部が形成されていることを特徴と
    する高剛性繊維を用いた高圧タンク。
  3. 【請求項３】 アルミニウム合金製の短筒状ブランク材
    を塑性変形させて筒状胴部の一端に椀状鏡部を介してガ
    ス取出筒部が突設されて構成され、このガス取出筒部は
    上記胴部の３倍以上の厚みに設定され、上記鏡部は胴部
    からガス取出筒部に行くに従って胴部の厚みからガス取
    出筒部の厚みに漸次増大し、かつ上記ガス取出筒部から
    鏡部にかけての外周に金属製の筒状補強カラーが嵌着さ
    れて３５〜７５ＭＰａの高圧ガスが充填される筒状の金
    属製ライナーを用意し、 ヤング率３５０ＧＰａ以上で破断時の伸び０．７％以上
    の高剛性繊維を偏平に集束して熱硬化性樹脂を含浸させ
    た繊維テープをプリプレグ状態で上記ライナー外周面に
    フープ巻きして内側繊維層を形成し、 次いで、ヤング率２８０ＧＰａ以上３５０ＧＰａ未満で
    破断時の伸び１．５％以上２．０％未満の繊維を偏平に
    集束して熱硬化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプ
    レグ状態で上記内側繊維層外周面にヘリカル巻きして中
    間繊維層を形成し、 その後、ヤング率２３０ＧＰａ以上２８０ＧＰａ未満で
    破断時の伸び２．０％以上の繊維を偏平に集束して熱硬
    化性樹脂を含浸させた繊維テープをプリプレグ状態で上
    記中間繊維層外周面にライナー中心線に対する繊維角度
    が上記中間繊維層の繊維角度よりも大きくなるようにハ
    イアングルヘリカル巻きして外側繊維層を形成して、上
    記内側繊維層、中間繊維層及び外側繊維層で構成された
    補強繊維層により上記ライナー外周面を被覆し、 しかる後、上記補強繊維層で被覆されたライナーを乾燥
    室に搬入して加熱し、補強繊維層に含浸している熱硬化
    性樹脂を硬化させることを特徴とする高剛性繊維を用い
    た高圧タンクの製造方法。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の高剛性繊維を用いた高
    圧タンクの製造方法において、 乾燥室に搬入されたライナーを内外から加熱することを
    特徴とする高剛性繊維を用いた高圧タンクの製造方法。
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