JP7111049B2

JP7111049B2 - 繊維構造体及び圧力容器

Info

Publication number: JP7111049B2
Application number: JP2019074831A
Authority: JP
Inventors: 勇人福井; 隆太神谷
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: JP2020172970A; WO2020209034A1

Description

本発明は、ライナにおける胴体部及びドーム部を外側から覆う繊維強化基材を有する繊維構造体及び圧力容器に関する。

近年、天然ガスを燃料とする自動車が低公害車として注目されており、より低公害のものとして、燃料電池を動力源とする自動車も注目されている。燃料電池の燃料として水素ガスを燃料タンクに収容する自動車もあるが、燃料タンクとなる圧力容器の重量が重く燃費が悪くなる。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（内殻）を耐圧性の繊維強化複合材層で覆った圧力容器が提案されている。

このような圧力容器において、一般に、ライナは円筒状の胴体部の中心軸線の延びる方向（以下、軸方向とする）の両端側に曲面状のドーム部を有する形状である。圧力容器内には数十ＭＰａの圧力になるようにガスが充填されるが、繊維強化複合材層により、ライナが補強されている。

このような圧力容器において、使用時に高圧のガスが充填されるとライナには大きな内圧が作用する。この内圧によりライナに荷重が加わるが、胴体部とドーム部では、加わる荷重の大きさ、荷重の加わる方向が異なるため、胴体部とドーム部の境界付近で繊維強化複合材層に歪みが生じやすい。この歪みにより、繊維強化複合材層の各層の間に層間せん断応力が生じ、繊維強化複合材層の層間剥離が生じて、圧力容器の強度が低下する虞がある。この層間剥離を原因とした圧力容器の強度の低下を抑制するために、例えば、特許文献１では、胴体部とドーム部との境界付近に、繊維強化複合材層を貫通するピンを設け、層間剥離を抑制している。

特開２０１０－２４９１４６号公報

ところが、特許文献１においては、繊維強化複合材層における層間剥離を抑制するためのピンを必要とし、部品点数が増加して製造コストが嵩んでしまっている。
本発明の目的は、部品を増やさずに繊維強化複合材層における層間剥離を抑制できる繊維構造体及び圧力容器を提供することにある。

上記問題点を解決するための繊維構造体は、円筒状の胴体部と、前記胴体部の中心軸線の延びる軸方向に沿って前記胴体部に連続し、前記中心軸線に向けて先すぼみする形状のドーム部と、前記ドーム部の先すぼみした先端に設けられる口金部と、を有するライナを備えるとともに、前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う繊維強化基材を有する繊維構造体であって、前記繊維強化基材にマトリックス樹脂を含浸硬化させた繊維強化複合材層によって前記ライナを補強する圧力容器を構成し、前記繊維強化基材は、前記ライナの周方向へ糸主軸方向が延びるように前記胴体部及び前記ドーム部に配列された第１繊維束と、前記第１繊維束と織物を形成する第２繊維束とを有し、前記軸方向に沿う前記胴体部と前記ドーム部との境を境界とした場合、前記繊維強化基材は、前記第１繊維束として、他の第１繊維束よりも弾性率の高い高弾性繊維束を有するとともに、他の第１繊維束として、前記高弾性繊維束よりも弾性率の低い低弾性繊維束を有し、前記高弾性繊維束は前記境界を含んで前記胴体部に配列されていることを要旨とする。

これによれば、ライナの境界付近において、軸方向に沿った境界から胴体部寄りの部分は、ライナの軸方向に直交する方向（以下、径方向とする）への寸法がドーム部より大きく、内圧応力が大きく作用する部分であり、しかも、ライナの径方向への寸法がドーム部から変化する場所であり、内圧を受けて変形し易い部分である。この変形し易い境界を含むように高弾性繊維束を配列することで、圧力容器の繊維強化複合材層における、胴体部付近の剛性を高め、当該繊維強化複合材層により、内圧を受けたときのライナの変形を抑制できる。

また、軸方向に沿った境界よりもドーム部寄りの部分は、ライナの径方向への寸法が胴体部よりも小さくなる部分であり、胴体部と比べると、内圧を受けて変形し難い部分である。

よって、ライナの境界付近において、境界を含むように胴体部に高弾性繊維束を配列し、この高弾性繊維束によって、ライナが内圧を受けたときの変形を抑制することで、境界を境にして胴体部とドーム部とで変形量に大きな差が生じることを抑制し、境界付近を曲げようとする力を抑制できる。その結果として、境界付近に発生するモーメントを抑え、モーメントに起因して繊維強化複合材層に発生する層間せん断応力を抑制でき、繊維強化複合材層に層間剥離が発生することを抑制できる。

したがって、繊維強化基材を形成する第１繊維束の弾性率を調節するだけで、繊維強化複合材層における層間剥離の発生を抑制でき、例えば、層間剥離を抑制するためのピンや、繊維層の追加を必要とせず、繊維強化複合材層における層間剥離の発生を抑制できる。

また、繊維構造体について、前記低弾性繊維束は、前記高弾性繊維束よりも弾性率が低い第１低弾性繊維束、及び、前記第１低弾性繊維束よりも弾性率が高く、かつ前記高弾性繊維束よりも弾性率が低い第２低弾性繊維束を有し、前記繊維強化基材において、前記ドーム部には、前記軸方向に沿って前記高弾性繊維束に隣り合う前記低弾性繊維束として前記第１低弾性繊維束が配列され、前記胴体部には、前記軸方向に沿って前記高弾性繊維束に隣り合う前記低弾性繊維束として前記第２低弾性繊維束が配列され、前記ドーム部において、前記軸方向に沿って前記第１低弾性繊維束に隣り合う前記低弾性繊維束として前記第２低弾性繊維束が配列されていてもよい。

これによれば、ライナの境界は、ライナの径方向への寸法が胴体部よりも小さくなり、しかも、ライナの径方向への寸法が変化する場所であり、内圧を受けて変形し難い部分である。この変形し難い部分に、低弾性繊維束の中でも、第２低弾性繊維束よりも弾性率の低い第１低弾性繊維束を配列し、内圧を受けたときの変形を許容するようにした。よって、圧力容器において、内圧を受けたとき、境界を挟んだ両側でのライナの変形量に大きな差が生じることを抑制し、境界付近を曲げようとする力を抑制できる。その結果として、境界付近に発生するモーメントを抑え、モーメントに起因して繊維強化複合材層に発生する層間せん断応力を抑制でき、繊維強化複合材層に層間剥離が発生することを抑制できる。

また、ライナの胴体部及びドーム部において、高弾性繊維束及び第１低弾性繊維束が配列された部分以外は、第２低弾性繊維束が配列され、この第２低弾性繊維束により、ライナを径方向に補強できる。

また、繊維構造体について、前記繊維強化基材において、前記軸方向に沿って前記境界を挟んだ前記胴体部及び前記ドーム部に前記高弾性繊維束が配列され、前記胴体部及び前記ドーム部の残りの部分において前記低弾性繊維束が配列されていてもよい。

これによれば、軸方向に沿って境界を挟んだ両側に高弾性繊維束を配列した。境界付近は、ライナの径方向への寸法が変化する場所であり、内圧を受けて変形し易い部分である。圧力容器において、変形し易い部分に高弾性繊維束を配列して繊維強化複合材層の剛性を高め、内圧を受けたときの変形を抑制できる。

また、繊維構造体について、前記繊維強化基材において、前記軸方向に沿って前記胴体部から前記口金部に至るまで前記高弾性繊維束が配列されるとともに、前記胴体部に前記低弾性繊維束が配列されていてもよい。

これによれば、高弾性繊維束と低弾性繊維束との２種類で繊維強化基材を構成するため、簡単な構成で繊維強化複合材層に層間剥離が発生することを抑制できる。
また、繊維構造体について、前記繊維強化基材は、前記第１繊維束と、前記第２繊維束とを織って製織された織物を前記ライナに捲回した構造であってもよい。

これによれば、ライナの外側に繊維強化基材を製造する方法として、フィラメントワインディングがある。この方法では、繊維束を１本ずつライナに巻いていくため、生産性が低い。しかし、第１繊維束と第２繊維束で織物を製織しつつ、織物をライナに巻き付けていく方法であれば、フィラメントワインディングと比べると、生産性を高めることができる。

上記問題点を解決するための圧力容器は、円筒状の胴体部と、前記胴体部の中心軸線の延びる軸方向に沿って前記胴体部に連続し、前記中心軸線に向けて先すぼみする形状のドーム部と、前記ドーム部の先すぼみした先端に設けられる口金部と、を有するライナを備えるとともに、前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う繊維強化基材を有する繊維構造体を有し、前記繊維強化基材にマトリックス樹脂を含浸硬化させた繊維強化複合材層によって前記ライナを補強する圧力容器であって、前記繊維構造体が請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載の繊維構造体であることを要旨とする。

また、軸方向に沿った境界よりもドーム部寄りの部分は、ライナの径方向への寸法が胴体部よりも小さくなる部分であり、胴体部と比べると、内圧を受けて変形し難い部分であり、変形量の小さい部分である。

よって、圧力容器において、軸方向に沿った境界を含む胴体部に高弾性繊維束を配列し、この高弾性繊維束によって、ライナが内圧を受けたときの変形を抑制することで、境界を境にして胴体部とドーム部とで変形量に大きな差が生じることを抑制し、境界付近を曲げようとする力を抑制できる。その結果として、境界付近に発生するモーメントを抑え、モーメントに起因して繊維強化複合材層に発生する層間せん断応力を抑制でき、繊維強化複合材層に層間剥離が発生することを抑制できる。

本発明によれば、部品を増やさずに繊維強化複合材層における層間剥離を抑制できる。

高圧タンクを模式的に示す断面図。繊維構造体を模式的に示す斜視図。繊維強化基材を模式的に示す正面図。高圧タンクの胴体部及びドーム部を示す図。高圧タンクの胴体部及びドーム部を示す断面図。織機による繊維構造体の製造方法を模式的に示す図。（ａ）は緯糸を緯入れした状態を模式的に示す図、（ｂ）は筬打ち動作後の状態を模式的に示す図、（ｃ）はライナに繊維強化基材を巻き取った状態を模式的に示す図。別例の高圧タンクの胴体部及びドーム部を示す図。別例の高圧タンクの胴体部及びドーム部を示す断面図。別例の高圧タンクの胴体部及びドーム部を示す図。別例の高圧タンクの胴体部及びドーム部を示す断面図。

以下、繊維構造体、及び圧力容器を高圧タンクに具体化した一実施形態を図１～図７に従って説明する。
図１に示すように、圧力容器としての高圧タンク１０は、細長中空状のライナ１２と、ライナ１２の外側を覆う繊維強化基材１９と、を有する繊維構造体２１における繊維強化基材１９にマトリックス樹脂（ドットハッチングで示す）を含浸硬化させて構成されている。高圧タンク１０は、マトリックス樹脂が含浸硬化した繊維強化基材１９よりなる繊維強化複合材層１１によってライナ１２を補強し、高圧タンク１０の耐圧性（機械的強度）を確保している。

ライナ１２は、樹脂製であり、細長中空状である。ライナ１２の中心軸線Ｌの延びる方向を軸方向Ｙとする。ライナ１２は、円筒状の胴体部１３を備える。胴体部１３の中心軸線はライナ１２の中心軸線Ｌと一致する。ライナ１２は、胴体部１３の軸方向Ｙ両端にドーム部１４を有する。ドーム部１４の軸方向は、ライナ１２の軸方向と一致する。また、ライナ１２は、各ドーム部１４の先端側に口金部１５を備える。

繊維構造体２１は、この実施形態では炭素繊維を強化繊維として備える。なお、強化繊維は炭素繊維に限らず、ガラス繊維や炭化ケイ素系セラミック繊維やアラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等を使用してもよい。

図２又は図３に示すように、繊維構造体２１は、第１繊維束としての複数本の経糸２２と、第２繊維束としての複数本の緯糸２３とを平織りして製織された織物２４を捲回し、積層した構造である。経糸２２と緯糸２３は互いに直交して配列されている。複数本の経糸２２は、ライナ１２の軸方向Ｙへ互いに平行な状態で胴体部１３及び各ドーム部１４に配列されている。各経糸２２の糸主軸方向Ｘ１は、胴体部１３及びドーム部１４においてライナ１２の周方向Ｘへ直線的に延びている。なお、ライナ１２において、ライナ１２の中心軸線Ｌに直交する方向を径方向Ｚとする。

複数本の緯糸２３は、ライナ１２の周方向Ｘへ互いに平行な状態で配列されている。経糸２２と緯糸２３は直交して配列され、経糸２２の糸主軸方向Ｘ１の延びる方向をライナ１２の周方向Ｘに一致させることで、ライナ１２を径方向Ｚに補強し、緯糸２３の糸主軸方向Ｘ２をライナ１２の軸方向Ｙに一致させることで、ライナ１２を軸方向Ｙに補強している。

図１に示すように、各ドーム部１４は、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って各ドーム部１４の先端に向かうに従い先すぼみとなる形状である。ライナ１２は、当該ライナ１２の軸方向Ｙに沿った胴体部１３と各ドーム部１４との境に、ライナ１２の周方向全体に亘って存在する境界Ｒを有する。径方向Ｚに沿ったライナ１２の寸法を、ライナ１２の外径とする。境界Ｒは、胴体部１３からドーム部１４に向かう方向において、ライナ１２の外径が小さくなる位置に存在する。

各口金部１５は金属製（例えばステンレス製）である。各口金部１５は、ドーム部１４との接続部１５ａを備えるとともに、ライナ１２内の空間と連通する孔部１５ｂを備える。ライナ１２の軸方向Ｙ一端側の口金部１５の孔部１５ｂにはバルブ（図示せず）が装着され、ライナ１２の軸方向Ｙ他端側の口金部１５の孔部１５ｂには螺子（図示せず）が螺合され、閉塞されている。各口金部１５の接続部１５ａの外面は曲面状であり、接続部１５ａの外面はドーム部１４の外面の一部を構成している。

図２の破線又は図４の破線に示すように、繊維強化基材１９は、境界Ｒを含むように位置するように胴体部１３に配列された経糸２２として高弾性経糸２２ａを有する。高弾性経糸２２ａは、炭素繊維の中でも弾性率の高い繊維束であり、ライナ１２を覆う他の炭素繊維よりも弾性率の高い高弾性繊維束である。高弾性経糸２２ａとしては、弾性率３００～３５０ＧＰａの繊維束を用いるのが好ましい。高弾性経糸２２ａを配列する範囲は、ライナ１２が内圧を受けて荷重が加わったときの変形を抑制できる範囲であればよく、具体的には境界Ｒを含んでいればよい。そして、繊維強化基材１９は、胴体部１３に高弾性経糸２２ａが配列された部分として、高弾性経糸部Ｋ１を有する。

図４の１点鎖線に示すように、繊維強化基材１９は、軸方向Ｙに沿って高弾性経糸部Ｋ１から口金部１５に向けたドーム部１４の一部分に配列された経糸２２として第１低弾性経糸２２ｂを有する。第１低弾性経糸２２ｂは、高弾性経糸２２ａよりも弾性率が低い炭素繊維よりなる低弾性繊維束である。第１低弾性経糸２２ｂとしては、弾性率２００～２８０ＧＰａの繊維束を用いるのが好ましい。

第１低弾性経糸２２ｂは、軸方向Ｙに沿って高弾性経糸２２ａに隣り合い、かつ境界Ｒからドーム部１４の一部分に亘って配列されている。そして、繊維強化基材１９は、ドーム部１４の一部分に第１低弾性経糸２２ｂが配列された部分として、第１低弾性経糸部Ｋ２を有し、第１低弾性経糸部Ｋ２は、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って高弾性経糸部Ｋ１に連続する。そして、境界Ｒを挟んだ軸方向Ｙの両側に高弾性経糸部Ｋ１と第１低弾性経糸部Ｋ２が位置している。

図４の実線に示すように、繊維強化基材１９は、ライナ１２において高弾性経糸２２ａ及び第１低弾性経糸２２ｂが配列された部分以外に配列された経糸２２として第２低弾性経糸２２ｃを備える。第２低弾性経糸２２ｃは、ドーム部１４において、第１低弾性経糸２２ｂが配列された部分から口金部１５に至るまでのドーム部１４の残りの部分に配列され、軸方向Ｙに沿って第１低弾性経糸部Ｋ２の第１低弾性経糸２２ｂに隣り合うように配列されている。また、第２低弾性経糸２２ｃは、胴体部１３において、ライナ１２の軸方向Ｙ両側の高弾性経糸２２ａ同士の間の部分に配列され、各高弾性経糸部Ｋ１の高弾性経糸２２ａに隣り合うように配列されている。

第２低弾性経糸２２ｃは、第１低弾性経糸２２ｂよりも弾性率が高く、かつ高弾性経糸２２ａよりも弾性率が低い炭素繊維よりなる低弾性繊維束である。第２低弾性経糸２２ｃとしては、弾性率２８０～３００ＧＰａの繊維束を用いるのが好ましい。そして、繊維強化基材１９は、胴体部１３の一部分及びドーム部１４の一部分に第２低弾性経糸２２ｃが配列された部分として、第２低弾性経糸部Ｋ３を有する。胴体部１３に設けられた第２低弾性経糸部Ｋ３は、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って高弾性経糸部Ｋ１に連続し、ドーム部１４に設けられた第２低弾性経糸部Ｋ３は、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って第１低弾性経糸部Ｋ２に連続する。

図５に示すように、本実施形態では、高圧タンク１０は、軸方向Ｙの一端から他端に向けて、第２低弾性経糸部Ｋ３、第１低弾性経糸部Ｋ２、高弾性経糸部Ｋ１、第２低弾性経糸部Ｋ３、高弾性経糸部Ｋ１、第１低弾性経糸部Ｋ２及び第２低弾性経糸部Ｋ３の順序で経糸部が並んでいる。そして、軸方向Ｙにおける両境界Ｒよりも胴体部１３寄りの一部分が、高弾性経糸２２ａによって最も剛性が高く、両境界Ｒよりもドーム部１４寄りの一部分が、第１低弾性経糸２２ｂによって最も剛性が低くなっている。

次に、高圧タンク１０の製造方法を説明する。
高圧タンク１０を製造する際は、経糸２２としての高弾性経糸２２ａ、第１低弾性経糸２２ｂ、及び第２低弾性経糸２２ｃと、緯糸２３を平織りしつつ、製職された織物２４をライナ１２に巻き付けていく。なお、以下の説明では、高弾性経糸２２ａ、第１低弾性経糸２２ｂ、及び第２低弾性経糸２２ｃを纏めて経糸２２として説明する場合と、必要に応じて、経糸２２を高弾性経糸２２ａ、第１低弾性経糸２２ｂ、及び第２低弾性経糸２２ｃと明記して説明する場合とがある。

図６に示すように、織物２４の製織は、例えば、経糸２２のうち、上下に分かれて配列された経糸２２の開口を行う２枚の綜絖枠３１ａ，３１ｂを備えた平織織機で行う。なお、図７（ａ）に示すように、経糸２２は、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って複数配列されているが、その複数の経糸２２のうち、高弾性経糸部Ｋ１を形成する部分には高弾性経糸２２ａが配列され、第１低弾性経糸部Ｋ２を形成する部分には第１低弾性経糸２２ｂが配列されている。さらに、複数の経糸２２のうち、第２低弾性経糸部Ｋ３を形成する部分には第２低弾性経糸２２ｃが配列されている。

図６に示すように、平織織機は、上下のうちの一方の経糸２２を供給する経糸ビーム３２と、上下のうちの他方の経糸２２を供給する経糸ビーム３３とが上下に配置された構造を有する。一方の経糸ビーム３２から送り出される経糸２２は一方の綜絖枠３１ａにより開口動作が行われ、他方の経糸ビーム３３から送り出される経糸２２は他方の綜絖枠３１ｂにより開口動作が行われるようになっている。なお、綜絖枠３１ａ，３１ｂの目は図において黒丸で示されている。筬３４は綜絖枠３１ａ，３１ｂと織り前３５との間に配置されている。緯糸２３は、上下に分かれた経糸２２同士の開口に対して緯入れ機構（図示せず）により緯入れ（挿入）されるようになっている。経糸２２の送り出し方向において、織り前３５よりも先にはライナ１２が回転可能に支持されている。ライナ１２は、中心軸線Ｌを回転中心として回転する。

上記の平織織機で繊維強化基材１９を製織する場合、図７（ａ）に示すように、経糸ビーム３２，３３から引き出された複数本の経糸２２の端部をライナ１２の外周面に、例えば粘着テープ製の固定部材３６によって固定する。経糸２２は、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って胴体部１３及びドーム部１４に配列される。詳細には、経糸２２は、ライナ１２の軸方向Ｙ一端から中央部まで、第２低弾性経糸２２ｃ、第１低弾性経糸２２ｂ、高弾性経糸２２ａ及び第２低弾性経糸２２ｃの順序で配列され、軸方向Ｙの中央部から軸方向Ｙ他端まで、第２低弾性経糸２２ｃ、高弾性経糸２２ａ、第１低弾性経糸２２ｂ、及び第２低弾性経糸２２ｃの順序で配列されている。

ライナ１２を回転させない状態で、綜絖枠３１ａ，３１ｂを交互に上下方向に移動させることにより、一方の綜絖枠３１ａと、他方の綜絖枠３１ｂとが逆方向に移動される。そして、経糸２２は隣接するもの同士で交互に上下に開き、その都度形成される経糸開口３７に対して、緯糸２３が緯入れ（挿入）される。

そして、緯糸２３が緯入れされて、筬３４の筬打ち動作が行われ、綜絖枠３１ａ，３１ｂが逆方向に移動されて開口状態が変更されて、次の緯入れ動作が行われる。これらの動作が繰り返されて経糸２２と緯糸２３とが平織された織物２４の一部が製織されるとともに、ライナ１２に織物２４の一部が一体化された状態が形成される。

図７（ｂ）に示すように、緯糸２３は筬３４の筬打ち動作により固定部材３６に向けて送り込まれる。
その後、図７（ｃ）に示すように、ライナ１２を中心軸線Ｌを回転中心に回転させて織物２４をライナ１２に巻き取らせつつ、続けて、上記と同様に織物２４の製織を行う。その結果、ドーム部１４及び胴体部１３の全体を覆う状態で織物２４がライナ１２に巻き付けられていく。そして、織物２４が所要する積層数となるまで巻き付けられることで、ライナ１２の外周面に繊維強化基材１９が製造されるとともに、ライナ１２の外面を繊維強化基材１９で覆った繊維構造体２１が製造される。

繊維構造体２１の繊維強化基材１９については、境界Ｒを含んだ胴体部１３寄りの一部分に高弾性経糸部Ｋ１が形成され、この高弾性経糸部Ｋ１に隣り合うように口金部１５寄りのドーム部１４の一部分に第１低弾性経糸部Ｋ２が形成される。さらに、ライナ１２における高弾性経糸部Ｋ１及び第１低弾性経糸部Ｋ２以外の部分に第２低弾性経糸部Ｋ３が形成される。

上記のように構成された繊維構造体２１にマトリックス樹脂を含浸硬化させることにより、繊維強化基材１９にマトリックス樹脂が含浸硬化し、繊維強化複合材層１１がライナ１２の外側に形成され、ライナ１２の外側が繊維強化複合材層１１で覆われた高圧タンク１０が製造される。マトリックス樹脂の含浸硬化は、例えば、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行なわれる。

次に、高圧タンク１０の作用を説明する。
高圧タンク１０は、例えば燃料電池自動車の燃料電池の水素源として使用される。高圧タンク１０は図示しない配管がバルブに連結された状態で使用され、水素ガスの充填時には充填用の配管から水素ガスが高圧タンク１０に充填される。高圧タンク１０内には例えば数十ＭＰａの圧力になるように水素ガスが充填される。

高圧タンク１０に水素ガスが充填されると高圧タンク１０内の圧力が高くなり、ライナ１２が内側から押圧される。ライナ１２には軸方向Ｙ及び径方向Ｚへの荷重が加わり、内圧応力が発生する。この実施形態では、緯糸２３により、ライナ１２は軸方向Ｙへ補強され、経糸２２により、ライナ１２は径方向Ｚに補強されており、高圧タンク１０の変形が抑止される。

上記実施形態によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
（１）ライナ１２における境界Ｒ付近のうち、軸方向Ｙに沿う境界Ｒよりも胴体部１３寄りの部分は内圧による荷重が加わって変形しやすい部分である。この変形しやすい部分において、境界Ｒを含むように高弾性経糸２２ａを配列して高弾性経糸部Ｋ１を設け、繊維強化複合材層１１における剛性を高め、ライナ１２の変形を抑制するようにした。一方、軸方向Ｙに沿う境界Ｒよりもドーム部１４寄りの部分は、胴体部１３寄りの部分と比べて変形し難い部分である。このため、境界Ｒ付近において、高弾性経糸部Ｋ１により、胴体部１３とドーム部１４とで変形量に大きな差が生じることを抑制し、境界Ｒ付近を曲げようとする力を抑制できる。その結果として、境界Ｒ付近に発生するモーメントを抑制し、モーメントに起因した繊維強化複合材層１１における層間せん断応力を抑制でき、繊維強化複合材層１１に層間剥離が発生することを抑制できる。

（２）境界Ｒ付近のうち、ドーム部１４寄りの部分は内圧を受けて変形し難い部分である。この変形し難い部分に第１低弾性経糸部Ｋ２を設け、ライナ１２の変形を強く抑制しないようにした。そして、高弾性経糸部Ｋ１と第１低弾性経糸部Ｋ２を境界Ｒを挟んで設けることで、ライナ１２の変形量に大きな差が生じることを抑制し、境界Ｒ付近を曲げようとする力を抑制できる。その結果として、境界Ｒ付近に発生するモーメントを抑制し、モーメントに起因した繊維強化複合材層１１における層間せん断応力を抑制でき、繊維強化複合材層１１に層間剥離が発生することを抑制できる。

（３）胴体部１３及びドーム部１４に第２低弾性経糸２２ｃを配列した第２低弾性経糸部Ｋ３を設けた。この第２低弾性経糸部Ｋ３により、ライナ１２において高弾性経糸部Ｋ１及び第１低弾性経糸部Ｋ２以外の部分を補強できる。

（４）ライナ１２の外側に繊維強化基材１９を備える繊維構造体２１を製造する方法として、フィラメントワインディングがある。しかし、この方法では、糸を１本ずつライナ１２に巻いていくため、生産性が低い。本実施形態では、経糸２２と緯糸２３で織物２４を製織しつつ、その経糸２２の種類を高弾性経糸２２ａ、第１低弾性経糸２２ｂ、及び第２低弾性経糸２２ｃに変えながら織物２４をライナ１２に巻き付けていくため、フィラメントワインディングと比べると、生産性を高めることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 図８又は図９に示すように、繊維強化基材１９は、境界Ｒよりも胴体部１３寄りの一部分から口金部１５に至るまで配列された高弾性経糸２２ａを有する。高弾性経糸２２ａは、軸方向Ｙに沿って胴体部１３から境界Ｒを越えて口金部１５に至るまで配列されており、境界Ｒを含むように配列されている。そして、繊維強化基材１９は、境界Ｒよりも胴体部１３寄りの部分から口金部１５に至るまで高弾性経糸部Ｋ１を有する。また、繊維強化基材１９は、ライナ１２の軸方向Ｙ両側の高弾性経糸部Ｋ１に挟まれた部分に配列された第２低弾性経糸２２ｃを有し、高弾性経糸部Ｋ１以外の部分に、第２低弾性経糸２２ｃで構成された第２低弾性経糸部Ｋ３を有する。

このように構成した場合であっても、ライナ１２において変形しやすい境界Ｒを含むように高弾性経糸部Ｋ１を配列して剛性を高め、境界Ｒ付近での変形を抑制するようにした。このため、境界Ｒ付近において、胴体部１３とドーム部１４とで変形量に大きな差が生じることを抑制し、境界Ｒ付近で曲げが発生することを抑制できる。その結果として、境界Ｒ付近にモーメントが発生することを抑制し、モーメントに起因した繊維強化複合材層１１における層間せん断応力の発生を抑制でき、繊維強化複合材層１１に層間剥離が発生することを抑制できる。

また、経糸２２として、高弾性経糸２２ａと第２低弾性経糸２２ｃを用い、ライナ１２の軸方向Ｙ両側で高弾性経糸２２ａと第２低弾性経糸２２ｃに分けて配列する必要がないため、繊維構造体２１の製造が容易となる。

○ 図１０又は図１１に示すように、繊維強化基材１９は、境界Ｒを挟んで胴体部１３寄りの一部分とドーム部１４寄りの一部分に亘って配列された高弾性経糸２２ａを有し、その高弾性経糸２２ａの配列された部分に高弾性経糸部Ｋ１を有する。高弾性経糸２２ａは、軸方向Ｙに沿ってドーム部１４における境界Ｒ寄りの一部分から境界Ｒを越えて胴体部１３における境界Ｒ寄りの一部分にかけて配列されている。つまり、高弾性経糸２２ａは、境界Ｒを含むように配列されている。また、繊維強化基材１９は、高弾性経糸部Ｋ１以外の部分に配列された第２低弾性経糸２２ｃを有し、高弾性経糸部Ｋ１以外の部分に、第２低弾性経糸２２ｃで構成された第２低弾性経糸部Ｋ３を有する。

○ 繊維構造体２１を製造する方法として、平織織機で、高弾性経糸２２ａ、及び高弾性経糸２２ａより低弾性率の低弾性繊維束を含む織物を製織した後、フィラメントワインディングによって織物の外側に強化繊維を巻き付けて繊維強化基材１９を製織してもよい。

○ 繊維構造体２１を製造する方法として、高弾性経糸２２ａ及び高弾性経糸２２ａより低弾性率の低弾性繊維束を含む経糸２２をライナ１２にフープ巻きして高弾性経糸部Ｋ１及び低弾性経糸部を形成した後、それらの外側に、緯糸２３を積層したり、経糸２２及び緯糸２３を巻き付けて繊維強化基材１９を製織してもよい。

○ 繊維強化基材１９は多層織りによって製織された多層織物であってもよい。例えば、繊維強化基材１９は、経糸２２が互いに平行に配列された複数の経糸層と、緯糸２３が互いに平行に配列された複数の緯糸層と、経糸層と、緯糸層とを積層方向に結合する結合糸と、を備える。経糸層を製造する際、高弾性経糸２２ａ、及び高弾性経糸２２ａより低弾性率の低弾性繊維束を用いる。

○ 実施形態では、繊維強化基材１９は、平織りして製織された織物２４を積層して構成したが、これに限らない。例えば、繊維強化基材１９は、朱子織り又は綾織りして製織された織物を積層した構造であってもよい。

○ 実施形態では、第１繊維束を経糸２２とし、第２繊維束を緯糸２３としたが、第１繊維束を緯糸２３とし、第２繊維束を経糸２２としてもよい。
○ ライナ１２は、胴体部１３の軸方向Ｙの一端側にドーム部１４が連続し、胴体部１３の軸方向Ｙの他端側には平坦面な底壁が連続した形状であってもよい。この場合、口金部１５はドーム部１４の存在する軸方向Ｙ一端側のみに存在する。

○ ライナ１２全体をアルミニウム製とする代わりにアルミニウム合金製としたり、口金部１５の材質をステンレスとは異なる金属で形成したりしてもよい。
○ ライナ１２は、別体である胴体部１３とドーム部１４とを溶接して一体化したものでもよい。

○ ライナ１２及び口金部１５を金属で一体形成してもよい。
○ 高圧タンク１０は燃料電池搭載電気自動車の水素源として搭載されて使用するものに限らず、例えば、水素エンジンの水素源やヒートポンプ等に適用してもよい。また、家庭用電源の燃料電池の水素源として使用してもよい。

○ 圧力容器として水素を貯蔵する高圧タンクに限らず、例えば窒素、圧縮天然ガス等の他のガスを貯蔵す圧力容器に適用してもよい。

Ｌ…中心軸線、Ｒ…境界、Ｘ…周方向、Ｙ…軸方向、Ｚ…径方向、Ｘ１，Ｘ２…糸主軸方向、１０…圧力容器としての高圧タンク、１１…繊維強化複合材層、１２…ライナ、１３…胴体部、１４…ドーム部、１５…口金部、１９…繊維強化基材、２１…繊維構造体、２２…第１繊維束としての経糸、２２ａ…高弾性繊維束としての高弾性経糸、２２ｂ…低弾性繊維束としての第１低弾性経糸、２２ｃ…低弾性繊維束としての第２低弾性経糸、２３…第２繊維束としての緯糸、２４…織物。

Claims

円筒状の胴体部と、
前記胴体部の中心軸線の延びる軸方向に沿って前記胴体部に連続し、前記中心軸線に向けて先すぼみする形状のドーム部と、
前記ドーム部の先すぼみした先端に設けられる口金部と、を有するライナを備えるとともに、
前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う繊維強化基材を有する繊維構造体であって、
前記繊維強化基材にマトリックス樹脂を含浸硬化させた繊維強化複合材層によって前記ライナを補強する圧力容器を構成し、
前記繊維強化基材は、前記ライナの周方向へ糸主軸方向が延びるように前記胴体部及び前記ドーム部に配列された第１繊維束と、前記第１繊維束と織物を形成する第２繊維束とを有し、
前記軸方向に沿う前記胴体部と前記ドーム部との境を境界とした場合、
前記繊維強化基材は、前記第１繊維束として、他の第１繊維束よりも弾性率の高い高弾性繊維束を有するとともに、他の第１繊維束として、前記高弾性繊維束よりも弾性率の低い低弾性繊維束を有し、前記高弾性繊維束は前記境界を含んで前記胴体部に配列されていることを特徴とする繊維構造体。
前記低弾性繊維束は、前記高弾性繊維束よりも弾性率が低い第１低弾性繊維束、及び、前記第１低弾性繊維束よりも弾性率が高く、かつ前記高弾性繊維束よりも弾性率が低い第２低弾性繊維束を有し、
前記繊維強化基材において、
前記ドーム部には、前記軸方向に沿って前記高弾性繊維束に隣り合う前記低弾性繊維束として前記第１低弾性繊維束が配列され、
前記胴体部には、前記軸方向に沿って前記高弾性繊維束に隣り合う前記低弾性繊維束として前記第２低弾性繊維束が配列され、
前記ドーム部において、前記軸方向に沿って前記第１低弾性繊維束に隣り合う前記低弾性繊維束として前記第２低弾性繊維束が配列されている請求項１に記載の繊維構造体。
前記繊維強化基材において、前記軸方向に沿って前記境界を挟んだ前記胴体部及び前記ドーム部に前記高弾性繊維束が配列され、
前記胴体部及び前記ドーム部の残りの部分において前記低弾性繊維束が配列されている請求項１に記載の繊維構造体。
前記繊維強化基材において、前記軸方向に沿って前記胴体部から前記口金部に至るまで前記高弾性繊維束が配列されるとともに、前記胴体部に前記低弾性繊維束が配列されている請求項１に記載の繊維構造体。
前記繊維強化基材は、前記第１繊維束と、前記第２繊維束とを織って製織された織物を前記ライナに捲回した構造である請求項１～請求項４のうちいずれか一項に記載の繊維構造体。
円筒状の胴体部と、
前記胴体部の中心軸線の延びる軸方向に沿って前記胴体部に連続し、前記中心軸線に向けて先すぼみする形状のドーム部と、
前記ドーム部の先すぼみした先端に設けられる口金部と、を有するライナを備えるとともに、
前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う繊維強化基材を有する繊維構造体を有し、
前記繊維強化基材にマトリックス樹脂を含浸硬化させた繊維強化複合材層によって前記ライナを補強する圧力容器であって、
前記繊維構造体が請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載の繊維構造体であることを特徴とする圧力容器。