JP2005106227A

JP2005106227A - 耐圧容器製造方法

Info

Publication number: JP2005106227A
Application number: JP2003342937A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Matsuoka; 誠一松岡
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-04-21
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: JP4431351B2

Abstract

【課題】製造時間の短縮及び製造コストの節減が可能なブレイディング法の利点を生かしながら高強度の耐圧容器を得ることができる耐圧容器製造方法を提供する。
【解決手段】ライナ１０の外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、樹脂未含浸の大径繊維束である第１繊維束２０と、小径繊維束３１を熱可塑性樹脂３２で被覆した第２繊維束３０と、を調製する工程と、ブレイダを用いて第１繊維束２０と第２繊維束３０とを組み上げることによりライナ１０の外周に組成体４０を形成する工程と、第１繊維束２０に加える張力を第２繊維束３０に加える張力よりも大きくしながら、第２繊維束３０に含まれる熱可塑性樹脂３２を加熱して溶融させて第１繊維束２０に含浸させ硬化させることにより外殻を形成する工程と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、耐圧容器製造方法に関し、特に、ライナを繊維強化複合材で被覆して補強した耐圧容器の製造方法に関する。

現在、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）やＣＨＧ（Compressed Hydrogen Gas）等の加圧ガスや低温ガスを貯蔵・輸送するための耐圧容器が実用化されている。従来は、高強度でガスバリア性に優れる金属製の耐圧容器が主流であったが、金属製の耐圧容器は重量が大きいため、軽量化が求められる自動車や宇宙航行体の燃料タンクに適用することが困難であった。このため、近年においては、中空円筒状のライナの外周にＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層を形成してなる比較的軽量のＦＲＰ外装耐圧容器が提案されている。

中空円筒状のライナの外周にＦＲＰ層を形成する方法としては、ＦＷ（Filament Winding）法やＴＷ（Tape Winding）法がある。ＦＷ法は、繊維束に予め樹脂を含浸させてトウ状のプリプレグを調製し、このトウ状のプリプレグをライナに巻き付けてＦＲＰ層を成形する方法（又は繊維束を所定の方向に送出して樹脂を含浸させた上でライナに巻き付けてＦＲＰ層を成形する方法）である。ＴＷ法は、テープ状のプリプレグをライナに巻き付けてＦＲＰ層を成形する方法である。これらＦＷ法やＴＷ法を採用すると、比較的軽量でかつ高い強度を有するＦＲＰ外装耐圧容器を得ることが可能となる。

しかし、ＦＷ法やＴＷ法を採用すると、トウ状又はテープ状の連続したプリプレグをライナに巻き付ける作業に長時間を要してしまうという問題がある。例えば、乗用者に搭載される２００気圧用ＣＮＧタンク（直径４００ｍｍ長さ１０００ｍｍ）を製造するには、８時間近い時間を要してしまう。

このような問題を解決するために、近年においては、ブレイダを用いて複数の繊維束を組み上げてライナの外周に組成体を形成し、この組成体に樹脂を含浸させ硬化させてＦＲＰ層を形成する方法（ブレイディング法）が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。このブレイディング法を採用すると、ＦＷ法やＴＷ法を採用した場合と比較して、ＦＲＰ外装耐圧容器の製造時間の短縮と製造コストの節減とを実現させることができる。
特開平１１−５８５４０号公報（第３頁、第４図）特開平７−２５６７７１号公報（第２頁、第２図）

しかし、従来のブレイディング法においては、複数の繊維束を交差させるため、この交差部分で繊維束が屈曲して弛んだ状態となる。このため、従来のブレイディング法を採用して形成したＦＲＰ層は、ＦＷ法やＴＷを採用して形成したＦＲＰ層と比較すると、強度が低くなるという問題がある。

本発明の課題は、ブレイディング法の利点（製造時間の短縮及び製造コストの節減）を生かしながら高強度の耐圧容器を得ることができる耐圧容器製造方法を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、ライナの外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、樹脂未含浸の大径繊維束である第１繊維束と、小径繊維束を熱可塑性樹脂で被覆した第２繊維束と、を調製する繊維束調製工程と、ブレイダを用いて前記第１繊維束と前記第２繊維束とを組み上げることにより、前記ライナの外周に組成体を形成する組成体形成工程と、前記第２繊維束に含まれる熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて前記第１繊維束に含浸させ硬化させることにより前記外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、を備え、前記組成体形成工程及び／又は前記樹脂含浸硬化工程において、前記第１繊維束に加える張力を前記第２繊維束に加える張力よりも大きくすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ブレイダを用いて、樹脂未含浸の大径繊維束である第１繊維束と、小径繊維束を熱可塑性樹脂で被覆した第２繊維束と、を組み上げることにより、ライナの外周に組成体を形成する（組成体形成工程）。その後、第２繊維束に含まれる熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて第１繊維束に含浸させ硬化させて、繊維強化複合材製の外殻を形成する（樹脂含浸硬化工程）。そして、組成体形成工程及び／又は樹脂含浸硬化工程において、第１繊維束に加える張力を第２繊維束に加える張力よりも大きくする。

従って、大径繊維束である第１繊維束の弛みを除去することができる。また、第２繊維束に含まれる小径繊維束を第１繊維束に絡ませて、隣接する第１繊維束同士を束ねて離れ難くすることができる。従って、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。なお、熱可塑性樹脂を第１繊維束（樹脂未含浸の大径繊維束）に含浸させる場合には、熱可塑性樹脂を繊維束に押し込むための成形圧力が必要となるが、第１繊維束と、第２繊維束に含まれる小径繊維束と、が張力を与えられた状態で交差しているため、必要な成形圧力を加えることができる。

本発明によれば、ブレイダを用いて２種類の繊維束（第１繊維束及び第２繊維束）を組み上げて組成体を形成した後、第２繊維束に含まれる熱可塑性樹脂を溶融させて第１繊維束に含浸させ硬化させて繊維強化複合材製の外殻を形成する。この際、第１繊維束に加える張力を第２繊維束に加える張力よりも大きくするので、第１繊維束の弛みを除去するとともに、第２繊維束に含まれる小径繊維束を第１繊維束に絡ませて、隣接する第１繊維束同士を束ねて離れ難くすることができる。この結果、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ブレイディング法の利点（製造時間の短縮・製造コスト節減）を生かしながら高強度の耐圧容器を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態においては、ライナ１０（図１参照）の外周に繊維強化複合材製の外殻を形成してＣＮＧタンクを製造する方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法で製造されるタンクは、数１００気圧のＣＮＧを充填することができる耐圧容器である。

まず、ガスバリア性に優れた材料でライナ１０を成形する（ライナ成形工程）。本実施の形態においては、ガスバリア性に優れるとともに寸法安定性・耐薬品性に優れる液晶樹脂を用いてブロー成形法によりライナ１０を成形している。ライナ１０は、図１に示すように、円筒部１１と、この円筒部１１の両端に形成されたドーム部１２と、を有しており、ドーム部１２の頂部には、金属製の口金１３が取り付けられている。

次いで、大径の炭素繊維束（大径繊維束）のみからなる第１繊維束２０と、小径の炭素繊維束（小径繊維束）を無数の繊維状の熱可塑性樹脂で囲むように被覆してなる第２繊維束３０と、を調製する（繊維束調製工程）。

本実施の形態においては、約１２０００本の炭素繊維を束にすることにより、直径Ｄ₁の第１繊維束２０を調製している（図２（ａ）参照）。また、本実施の形態においては、約１０００本の炭素繊維を束にして調製した直径ｄ₂の炭素繊維束３１を繊維状の熱可塑性樹脂３２で被覆することにより、直径Ｄ₂の第２繊維束３０を調製している（図２（ｂ）参照）。

また、本実施の形態においては、第１繊維束２０の直径Ｄ₁と第２繊維束３０の直径Ｄ₂とをほぼ同一の値に設定するとともに、大径の炭素繊維束である第１繊維束２０の直径Ｄ₁と、第２繊維束３０に含まれる小径の炭素繊維束３１の直径ｄ₂と、の比（Ｄ₁：ｄ₂）を１２：１に設定している。第２繊維束３０を構成する熱可塑性樹脂３２としては、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイト、ポリエチレンテレフタレート、等を採用することができる。第１繊維束２０及び第２繊維束３０は、ブレイダのボビン１００（図１参照）に巻き付けられ、後述する組成体形成工程で使用される。

次いで、図１に示すようにライナ１０を軸方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）に往復移動させながら、ライナ１０の周囲に配置されたブレイダのボビン１００から第１繊維束２０及び第２繊維束３０を連続的に供給して組み上げることにより、ライナ１０の外周に組成体４０を形成する（組成体形成工程）。組成体４０の部分拡大図を図２（ａ）に示している。また、組成体４０を構成する第２繊維束３０の拡大断面図を図２（ｂ）に示している。

この組成体形成工程の手順について具体的に説明する。最初に、ライナ１０の円筒部１１の周方向に沿って配置された複数のボビン１００から第１繊維束２０及び第２繊維束３０を供給し、これら繊維束の端部を、ライナ１０の円筒部１１の軸方向略中央部に取り付ける。この際、第２繊維束３０の端部の熱可塑性樹脂を加熱溶融して粘着性を発現させ、この粘着性を有する第２繊維束３０の端部に第１繊維束２０の端部を重ねることにより、第１繊維束２０を第２繊維束３０とともに取り付けるようにする。

その後、ライナ１０を軸方向（矢印Ａ方向）に移動させながら、ボビン１００から第１繊維束２０及び第２繊維束３０を連続的に供給して組み上げることにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に組成体４０を形成する。そして、組成体４０がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点で、ライナ１０の移動を停止させ、各ボビン１００をライナ１０の周方向に略半周回転させる。

このように各ボビン１００をライナ１０の周方向に略半周回転させて、各ボビン１００を、回転前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナ１０を逆方向（矢印Ｂ方向）に移動させながら組成体４０の形成を続行する。以上のような手順を繰り返すことにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側全体に所定厚さの組成体４０を形成する。

また、組成体形成工程による組成体４０の形成と同時に、ライナ１０の周囲に配置された環状ヒータ２００（図３参照）を用いて組成体４０を加熱することにより、図４（ａ）に示すように第２繊維束３０の熱可塑性樹脂３２を溶融させて、第１繊維束２０に含浸させる。その後、自然冷却により熱可塑性樹脂３２を硬化させることにより、繊維強化複合材製の外殻を形成する（樹脂含浸硬化工程）。

なお、樹脂含浸硬化工程において第１繊維束２０に充分な張力を加えない場合には、図４（ｂ）に示すように第１繊維束２０が屈曲してしまう。このため、本実施の形態においては、ブレイダのボビン１００に設けられた（図示されていない）張力調整手段を用いて第１繊維束２０に充分な張力を加えることにより、第１繊維束２０の屈曲（弛み）を除去するようにする。

また、本実施の形態においては、ブレイダのボビン１００に設けられた（図示されていない）張力調整手段を用いて、第２繊維束３０に加える張力を第１繊維束２０に加える張力よりも小さい値に設定する。このように張力を設定することにより、第２繊維束３０に含まれていた小径の炭素繊維束３１を第１繊維束２０に絡ませることができる（図４（ａ）、（ｃ）参照）。

以上の工程群を経ることにより、耐圧容器であるＣＮＧタンクを得ることができる。得られたＣＮＧタンクの繊維強化複合材製の外殻は、大径の炭素繊維束である第１繊維束２０を略同一方向に巻き付けるようにして形成したものとなるので、ＦＷ法を採用して形成した外殻のように高い強度を有するものとなる。

以上説明した実施の形態に係る製造方法においては、ブレイダを用いて、樹脂未含浸の大径の炭素繊維束のみからなる第１繊維束２０と、小径の炭素繊維束３１を熱可塑性樹脂３２で被覆してなる第２繊維束３０と、を組み上げることにより、ライナ１０の外周に組成体４０を形成する（図１参照）。そして、第２繊維束３０に含まれる熱可塑性樹脂３２を加熱して溶融させ（図３及び図４（ａ）参照）、この溶融させた熱可塑性樹脂３２を第１繊維束２０に含浸させ硬化させて、繊維強化複合材製の外殻を形成する。この際、第１繊維束２０に加える張力を第２繊維束３０に加える張力よりも大きくする。

従って、大径の炭素繊維束のみからなる第１繊維束２０の弛みを除去することができる（図４（ａ）、（ｃ）参照）。また、第２繊維束３０に含まれる小径の炭素繊維束３１を第１繊維束２０に絡ませて、隣接する第１繊維束２０同士を束ねて離れ難くすることができる（図４（ａ）、（ｃ）参照）。従って、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、ＣＮＧタンクの強度を高めることができる。なお、第２繊維束３０は、熱可塑性樹脂３２のみではなく炭素繊維束３１を含むため、組成体形成工程や樹脂含浸硬化工程で張力を加えられても切断されることがない。

なお、以上の実施の形態においては、液晶樹脂を用いてライナ１０を調製した例を示したが、ライナ１０の材料は液晶樹脂に限られるものではない。例えば、高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂やアルミニウム合金等の金属材料を用いてライナ１０を調製することもできる。また、以上の実施の形態においては、ブロー成形法によりライナ１０を成形した例を示したが、射出成形法等を採用してライナ１０を成形することもできる。

また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、大径の炭素繊維束である第１繊維束２０の直径Ｄ₁と、第２繊維束３０に含まれる小径の炭素繊維束３１の直径ｄ₂と、の比（直径比Ｄ₁：ｄ₂）を１２：１に設定した例を示したが、この直径比は適宜変更することができる。例えば、ＣＮＧタンクの外殻の強度をより一層高めるために、第１繊維束２０の直径を相対的に大きくして、この直径比Ｄ₁：ｄ₂を約２４：１程度に設定することもできる。

また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、炭素繊維を用いて第１繊維束２０及び第２繊維束３０を調製した例を示したが、ガラス繊維やアラミド繊維等の他の強化繊維を用いて第１繊維束２０及び第２繊維束３０を調製することもできる。また、第１繊維束２０や第２繊維束３０を構成する炭素繊維の外部を、ガラス繊維等で被覆して保護することもできる。

本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の組成体形成工程を説明するための説明図である。（ａ）は、本実施の形態に係る耐圧容器製造方法で用いられる第１繊維束と第２繊維束とを組み上げて形成した組成体の一部拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した組成体を構成する第２繊維束の径方向の拡大断面図である。本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の樹脂含浸硬化工程を説明するための説明図である。（ａ）は、図２（ａ）に示した組成体の第２繊維束の熱可塑性樹脂が溶融した状態を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した組成体の第１繊維束が屈曲した状態を示す説明図であり、（ｃ）は、（ａ）に示した組成体の第１繊維束に張力を付加した状態を示す説明図である。

符号の説明

１０ライナ
２０第１繊維束
３０第２繊維束
３１熱可塑性樹脂
３２小径の炭素繊維束（小径繊維束）
４０組成体

Claims

ライナの外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、
樹脂未含浸の大径繊維束である第１繊維束と、小径繊維束を熱可塑性樹脂で被覆した第２繊維束と、を調製する繊維束調製工程と、
ブレイダを用いて前記第１繊維束と前記第２繊維束とを組み上げることにより、前記ライナの外周に組成体を形成する組成体形成工程と、
前記第２繊維束に含まれる熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて前記第１繊維束に含浸させ硬化させることにより前記外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、を備え、
前記組成体形成工程及び／又は前記樹脂含浸硬化工程において、前記第１繊維束に加える張力を前記第２繊維束に加える張力よりも大きくすることを特徴とする耐圧容器製造方法。