JP2020175564A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリカル巻きからフープ巻きに移行したとしても、繊維束の滑りを抑えることができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンク１の製造方法は、繊維強化樹脂層４の成形時に、巻付角度を増加させながら、繊維束Ｆの巻回方法をヘリカル巻きからフープ巻きに移行する移行工程と、移行工程後、フープ巻きで、胴体部３１を覆うように繊維強化樹脂層４の胴部最外層４６を成形する最外層成形工程と、を含む。移行工程において、ライナ３の一方の端部側からライナ３の他方の端部側まで胴体部３１に繊維束Ｆを巻回する間に、ヘリカル巻きで設定された繊維束Ｆの巻付角度を、フープ巻きで設定された巻付角度まで増加させながら、繊維束Ｆの巻回を行い、最外層成形工程において、移行工程で巻き付けられた繊維束Ｆを覆うように、繊維強化樹脂層４の胴部最外層４６をフープ巻きで成形する。【選択図】図３

Description

本発明は、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束を樹脂製のライナに巻回することにより、ライナに繊維強化樹脂層が形成された高圧タンクの製造方法に関する。

従来、水素等の貯蔵・供給に用いられる高圧タンク（高圧ガス貯蔵容器）として、タンク本体と、そのタンク本体の長手方向の開口端部に取り付けられた口金とを備えている高圧タンクが知られている。タンク本体は、たとえば、水素ガスを気密保持するためのライナと、その外周面に繊維強化樹脂からなる繊維束を巻回して強化した繊維強化樹脂層と、を含んでいる。

高圧タンクの製造方法としては、たとえば、フィラメントワインディング法によりライナの外周面に繊維束を巻回して未硬化の繊維強化樹脂層を成形し、その後、繊維強化樹脂層を加熱して硬化させる方法が知られている。繊維強化樹脂層を成形する際には、ライナの軸心の周りに回転させながら、繊維束をライナの軸心に対して設定された巻付角度でライナに巻回している。

たとえば、特許文献１には、繊維強化樹脂層の成形時に、繊維束の巻付角度を変更する（増加する）ことで、繊維束の巻回方法をヘリカル巻きからフープ巻きに移行する点が開示されている。移行する際には、ヘリカル巻きの巻付角度からフープ巻きの巻付角度に変化させ、ヘリカル巻きとフープ巻きとの中間の巻回方法で繊維束が巻回されるため、この巻回方法は、コンビネーション巻きと称されることがある。このコンビネーション巻きの際には、ライナの一方の端部と他方の端部との区間で繊維束を往復させながら、繊維束の巻付角度を徐々に増加させている。

特開２０１８−７９６２２号公報

しかしながら、特許文献１の高圧タンクの巻回方法では、ライナの一方の端部と他方の端部との区間で繊維束を往復させながら、繊維束の巻付角度を徐々に増加させているため、ライナのドーム状の端部では、巻付角度が増加するに従って、繊維束が滑りやすくなる。このように、繊維束が滑ると、未硬化の熱硬化性樹脂の樹脂だまりが発生し、高圧タンクの表面に凹凸が発生することがあり、高圧タンクの表面を平滑化しなければならない場合もある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、ヘリカル巻きからフープ巻きに移行したとしても、繊維束の滑りを抑えることができる高圧タンクの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を鑑みて、本発明に係る高圧タンクの製造方法は、筒状の胴体部の両側にドーム状の端部が形成されたライナを、前記ライナの軸心の周りに回転させながら、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束を、前記軸心に対して予め設定された巻付角度で前記ライナに巻回することにより、前記ライナに繊維強化樹脂層を成形する高圧タンクの製造方法であって、前記製造方法は、前記繊維強化樹脂層の成形時に、前記巻付角度を増加させながら、前記繊維束の巻回方法をヘリカル巻きからフープ巻きに移行する移行工程と、前記移行工程後、前記フープ巻きで前記胴体部を覆うように前記繊維強化樹脂層の最外層を成形する最外層成形工程と、を含み、前記移行工程において、前記ライナの一方の端部側から前記ライナの他方の端部側まで前記胴体部に前記繊維束を巻回するまでの間に、前記ヘリカル巻きで設定された前記繊維束の巻付角度を、前記フープ巻きで設定された前記巻付角度まで増加させながら、前記繊維束の巻回を行い、前記最外層成形工程において、前記移行工程で巻き付けられた前記繊維束を覆うように、前記繊維強化樹脂層の前記最外層を前記フープ巻きで成形することを特徴とする。

本発明では、ライナの胴体部を覆うように、繊維強化樹脂層の最外層を成形する際には、ヘリカル巻きからフープ巻きに移行した後（すなわち移行工程後）、フープ巻きで最外層を成形する。この際、移行工程において、ライナの一方の端部側からその他方の端部側まで、胴体部に繊維束を巻回する間に、ヘリカル巻きで設定された繊維束の巻付角度を、フープ巻きで設定された巻付角度まで増加させながら、繊維束の巻回を行う。これにより、ヘリカル巻きの巻付角度からその巻付角度が増加するような繊維束の巻回は、ライナのドーム状の端部ではなくライナの胴体部で行われるため、繊維束の滑りを抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る製造方法により作製される高圧タンクの構造を示す斜視図であり、胴部最外層がフープ巻きで形成された繊維強化樹脂層を示す図である。 図１に示す高圧タンクの軸方向に沿った断面図である。 図１に示す高圧タンクの製造方法において、ヘリカル巻きからフープ巻きに移行する移行工程における、繊維束の巻き付け状態を説明するための模式的斜視図である。 従来の高圧タンクの製造方法において、ヘリカル巻きからフープ巻きに移行する移行工程における、繊維束の巻き付け状態を説明するための模式的斜視図である。

以下に、図１〜図４を参照しながら、本発明の実施形態の高圧タンク１の製造方法について説明する。なお、図３および図４は、ヘリカル巻の層を省略した模式的斜視図である。

図１に示すように、高圧タンク１は、車載用の燃料電池システムで燃料電池に燃料ガスとして水素ガスを貯蔵する燃料タンクである。なお、高圧タンク１は、燃料電池システム以外の任意の用途で使用されてもよく、燃料ガスとして水素ガスの他に、たとえば、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）等の各種圧縮ガス、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化石油ガス）等の各種液化ガス、その他の各種加圧物質が充填されてもよい。

高圧タンク１は、水素ガスが充填される樹脂製のライナ３と、ライナ３の両端に取付けられた金属製の口金２Ａ、２Ｂと、ライナ３の外周面と口金２Ａ、２Ｂの一部の外周面を被覆するように、繊維強化樹脂の繊維束Ｆが巻回された繊維強化樹脂層４と、を備えている。

ライナ３は、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂により形成されている。ライナ３の樹脂材料としては、たとえば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンポリアミド、またはエチレンビニルアルコール共重合体等の熱可塑性樹脂を挙げることができる。

ライナ３は、筒状の胴体部３１と、胴体部３１の両側に連続して形成された一対のドーム状の端部３２Ａ、３２Ｂと、を備えている。ライナ３の内部には、水素ガスを貯蔵する（充填する）ための貯蔵空間３４が形成されている。

具体的には、胴体部３１は、高圧タンク１の図２に示すライナ３の軸心Ｃに沿って、所定の長さを有して延在する円筒状部分である。なお、ライナ３の軸心Ｃと、高圧タンク１の軸心は、一致している。端部３２Ａ、３２Ｂは、胴体部３１の両側に連続し、半球状に膨出した形状を有している。端部３２Ａ、３２Ｂの頂部は開口しており、各端部の開口には、金属製の口金２Ａ、２Ｂが取り付けられている。

一方の口金２Ａは、アルミニウムまたはその合金等の金属製であり、本体となる筒状部２１Ａと、その外周に形成されたフランジ部２２Ａを備えている。口金２Ａのフランジ部２２Ａは、一方の端部３２Ａの外面に押し当てられた状態で、ライナ３とともに繊維強化樹脂層４の繊維強化樹脂の繊維束Ｆが巻回されている。一方の口金２Ａにはバルブ（図示せず）が取り付けられており、バルブによって高圧タンク１内の水素ガスの放出および流入が行われる。

他方の口金２Ｂは、一方の口金２Ａと同様に、アルミニウムまたはその合金等の金属製であり、本体となる筒状部２１Ｂと、その外周に形成されたフランジ部２２Ｂを備えている。他方の口金２Ｂのフランジ部２２Ｂは、他方の端部３２Ｂの外面に押し当てられた状態で、ライナ３とともに繊維強化樹脂層４の繊維強化樹脂の繊維束Ｆが巻回されている。他方の口金２Ｂの筒状部２１Ｂの内部は、図２に示す状態からさらに閉塞されており、他方の口金２Ｂによって貯蔵空間３４が密閉される。

繊維強化樹脂層４は、一方向に引き揃えられた強化繊維の繊維束Ｆ（フィラメント）に未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維強化樹脂（ＦＲＰ）で形成されている。本実施形態では、熱硬化性樹脂が含浸された繊維束Ｆをフープ巻きおよびヘリカル巻きで、ライナ３の外周面と口金２Ａ、２Ｂの露出した外周面に複数の層が形成されるように、繊維束Ｆが連続して巻回されている。

なお、これらの強化繊維は、上述したように、熱硬化性樹脂が含浸された繊維束Ｆの状態で巻回される。上述した強化繊維の他に、たとえば、強化繊維として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、天然繊維、または高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができる。

また、本実施形態では、繊維強化樹脂層４の強化繊維の繊維束Ｆに含浸される未硬化の熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂に代表される変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂を挙げることができる。

図１に示すように、繊維強化樹脂層４の胴部最外層４６は、層厚方向に少なくとも１層、好ましくは、２層以上で構成されたフープ巻きの層である。このフープ巻きにより形成された胴部最外層４６は、ライナ３の軸心Ｃに対して、直交する方向から僅かに傾斜した角度で、繊維束Ｆの幅方向の縁部がオーバーラップするように巻回された層である。

したがって、本実施形態では、胴部最外層４６の繊維束Ｆの強化繊維は、ライナ３の軸心Ｃの周りに、軸心Ｃと略直交する方向に配向される。なお、フープ巻きでは、ライナの軸心Ｃに対して巻付角度が８０°〜１００°（好ましくは、８５°〜９５°）の範囲の一定の巻付角度となるようにして、繊維束Ｆがライナ３に巻回されている。

端部３２Ａ、３２Ｂを覆う端部最外層４７Ａ、４７Ｂは、ヘリカル巻きにより形成された層である。ヘリカル巻きはライナ３の軸心Ｃに対して巻付角度が１０°〜６０°の範囲の一定の巻付角度で、両側の端部３２Ａ、３２Ｂをわたすように、繊維束Ｆを巻き付けた層である。

このように、繊維強化樹脂層４は、高圧タンク１の両端では、ヘリカル巻きの層４７の一部が端部最外層４７Ａ、４７Ｂとして露出しており、ヘリカル巻きの層４７を覆うようにフープ巻きの層である胴部最外層４６が形成されている。なお、図１には示していないが、ヘリカル巻きの層４７と、フープ巻きの層である胴部最外層４６との間には、ヘリカル巻きの巻付角度からフープ巻きの巻付角度に巻付角度が変化した繊維束Ｆが巻回されている（図３参照）。なお、ヘリカル巻きの層４７は、同じ巻回方法で巻かれた１層以上の層のことをいう。

以下に、本実施形態の高圧タンク１の製造方法を説明する。本実施形態の製造方法では、まず、樹脂製のライナ３の各端部３２Ａ、３２Ｂに形成された開口部３３に、口金２Ａ、２Ｂを取り付ける。

次に、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束Ｆを準備する。準備した繊維束Ｆは、紐状（テープ状）である。この繊維束Ｆに所定の巻き張力をかけながら、口金２Ａ、２Ｂを取り付けたライナ３の表面に、軸心Ｃに対して設定された巻付角度で層状に繊維束Ｆを巻回する。繊維束Ｆの巻回は、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）により、フープ巻きおよびヘリカル巻きで行う。

なお、これらの巻回において、１つ層を形成するフープ巻きにおける巻付角度は一定であり、１つの層を形成するヘリカル巻きにおける巻付角度は一定である。また、フープ巻きからヘリカル巻きに移行する際、または、ヘリカル巻きからフープ巻きに移行する際には、巻付角度を変化させながら、繊維束Ｆを巻回する。

本実施形態では、ライナ３の胴体部３１を覆うように、繊維強化樹脂層４の胴部最外層４６を成形する際には、巻回方法をヘリカル巻きからフープ巻きに移行した後（すなわち移行工程後）、フープ巻きで胴部最外層４６を成形する。なお、この移行工程では、繊維強化樹脂層４の成形時に、ヘリカル巻きで設定された繊維束Ｆの巻付角度を、フープ巻きで設定された巻付角度まで増加させながら、繊維束Ｆを巻回する（図３参照）。

これまでは、このような移行工程では、図４に示すように、ライナ３の一方の端部３２Ａとライナの他方の端部３２Ｂとの間で、繊維束Ｆを往復動させながら巻付角度を徐々に増加させ、繊維束Ｆの巻回を行っていた。この結果、ヘリカル巻きの巻付角度からその巻付角度が増加するような繊維束Ｆの巻回は、ライナ３のドーム状の端部３２Ａ、３２Ｂ（を覆う繊維強化樹脂層の部分）でも行われるため、端部３２Ａ、３２Ｂの形状に起因して、繊維束Ｆが滑ることがあった。

このような点を鑑みて、本実施形態では、図３に示すように、ライナ３の一方の端部３２Ａ側からライナの他方の端部３２Ｂ側まで、胴体部３１に繊維束Ｆを巻回するまでの間に、ヘリカル巻きで設定された繊維束Ｆの巻付角度を、フープ巻きで設定された巻付角度まで増加させながら、繊維束Ｆの巻回を行う。

これにより、ヘリカル巻きの巻付角度からその巻付角度が増加するような繊維束Ｆの巻回は、ライナ３のドーム状の端部３２Ａ、３２Ｂではなくライナ３の胴体部３１で行われるため、繊維束Ｆの滑りを抑えることができる。

次に、移行工程後、フープ巻きで胴体部３１を覆うように繊維強化樹脂層４の胴部最外層４６を成形する（最外層成形工程）。具体的には、移行工程で巻き付けられた繊維束Ｆを覆うように、繊維強化樹脂層４の胴部最外層４６をフープ巻きで成形する。ライナ３を軸心Ｃの周りに回転させながら、繊維束Ｆの縁部が重なるように、繊維束Ｆの巻付位置をライナ３の軸心方向に沿って往復動させる。

繊維束Ｆの巻回後、高圧タンク１の外側から、マトリクス樹脂の硬化温度で高圧タンク１を加熱し、未硬化のマトリクス樹脂を硬化させる。このようにして、表面に樹脂だまりによる凹凸が少ない高圧タンク１を製造することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、本実施形態では、端部最外層と胴部最外層との成形を、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）により、それぞれヘリカル巻きとフープ巻きで行い、他の層の成形を、ヘリカル巻きとフープ巻きとを組み合わせることにより行った。ここで他の層の成形においても、ヘリカル巻きからフープ巻きに移行する際に、最外層と同じようにして、繊維束を巻回してもよい。

１：高圧タンク、３：ライナ、３１：胴体部、３２Ａ，３２Ｂ：端部、４：繊維強化樹脂層、４６：胴部最外層（最外層）、Ｃ：軸心、Ｆ：繊維束

Claims (1)

1. 筒状の胴体部の両側にドーム状の端部が形成されたライナを、前記ライナの軸心の周りに回転させながら、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維束を、前記軸心に対して予め設定された巻付角度で前記ライナに巻回することにより、前記ライナに繊維強化樹脂層を成形する高圧タンクの製造方法であって、
   前記製造方法は、前記繊維強化樹脂層の成形時に、前記巻付角度を増加させながら、前記繊維束の巻回方法をヘリカル巻きからフープ巻きに移行する移行工程と、
   前記移行工程後、前記フープ巻きで前記胴体部を覆うように前記繊維強化樹脂層の最外層を成形する最外層成形工程と、を含み、
   前記移行工程において、前記ライナの一方の端部側から前記ライナの他方の端部側まで前記胴体部に前記繊維束を巻回する間に、前記ヘリカル巻きで設定された前記繊維束の巻付角度を、前記フープ巻きで設定された前記巻付角度まで増加させながら、前記繊維束の巻回を行い、
   前記最外層成形工程において、前記移行工程で巻き付けられた前記繊維束を覆うように、前記繊維強化樹脂層の前記最外層を前記フープ巻きで成形することを特徴とする高圧タンクの製造方法。

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