JP2009168111A - タンク及びタンク製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内容器への繊維の巻きつけの処理を簡素化し、巻きつけの自動化に対応することのできるタンク及びその製造方法を提供する。
【解決手段】磁石を備えた内容器６０と、内容器６０の外周面に巻着された巻着体６１と、を備え、巻着体６１は、強磁性体材料を含み磁石によって内容器６０の表面に止着される先端部６１Ａと、該先端部６１Ａに連結し樹脂が含浸された繊維からなる繊維部６１Ｂと、から構成されているタンクを構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内容器の外周面に巻着体が巻着されたタンクおよびその製造方法に関するものである。

近年、燃料電池システム等に用いられる高圧ガスを貯蔵するタンクの開発が進んでいる。特に、車載用の燃料電池システムにおいては、強度の確保や軽量化等の観点からＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）タンクが有力視されている。

ＦＲＰ製のタンクは、例えば、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」という）を用いて製造される。ＦＷ法においては、未硬化（液体状またはゲル状）の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維（例えば、炭素繊維）を回転する内容器（ライナ）の周囲に数層から数十層巻きつけたのち加熱することにより樹脂を熱硬化させる。これにより、繊維及び熱硬化樹脂からなるＦＲＰ層が形成される（例えば、特許文献１）。
特開２００６−３０７９４７号公報

しかしながら、従来の繊維の巻きつけにおいては、巻き始めの繊維の先端部を、例えばタンクの長手方向の側部の口金部に作業者が結んで固定していた。そして、結び目等の余分な繊維があれば巻きつけの途中で作業者が除去する必要があった。このため、繊維の巻きつけの処理が煩雑になり、また巻きつけの自動化にも対応できなかった。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、内容器への繊維の巻きつけの処理を簡素化し、巻きつけの自動化に対応することのできるタンク及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、磁石を備えた内容器と、前記内容器の外周面に巻着された巻着体と、を備え、前記巻着体は、強磁性体材料を含み前記磁石によって前記内容器の表面に止着される先端部と、該先端部に連結し樹脂が含浸された繊維からなる繊維部と、から構成されているタンクを構成する。

また、本発明の他の構成として、内容器の外周面に巻着体が巻着されたタンクの製造方法であって、前記内容器は磁石を備え、前記巻着体は強磁性体材料を含む先端部と該先端部に連結し樹脂が含浸された繊維からなる繊維部とから構成されており、前記巻着体の先端部を前記磁石によって前記内容器の表面に止着する止着工程と、前記止着工程後、前記巻着体の繊維部を前記内容器の外周面に沿って巻着する巻着工程と、を備える。

上記構成によれば、強磁性体材料を含む先端部は磁石を含む内容器の表面に簡単に止着でき、巻きつけの際に巻着体の先端部をタンクに結んで固定する必要がなくなる。そのため、繊維の巻きつけの処理が簡素化でき、また先端部を結ぶための人手が要らないため巻きつけの自動化にも対応できるようになる。

尚、本発明において、繊維とは、繊維一本を意味するだけではなく、複数の繊維を撚ってなる繊維束や、さらに複数の繊維束をひねってなる繊維束をも含む。

また、上記タンクにおける前記内容器は、円筒状の胴部と、該胴部の両端部に接続したドーム状の側部とを有し、前記磁石は、前記側部に配置されているようにしてもよい。

また、上記タンクの製造方法における前記内容器は、円筒状の胴部と、該胴部の両端部に接続し、前記磁石が配置されたドーム状の側部とを有し、前記止着工程において、前記先端部を前記ドーム状の側部に止着するようにしてもよい。

上記構成によれば、繊維の巻きつけの開始位置を内容器の側部から行うことができる。

また、上記タンクにおける前記先端部は、樹脂含浸繊維の表面に金属粉が固着して形成されているようにしてもよい。

また、上記タンクの製造方法における前記先端部を、樹脂含浸繊維の表面に金属粉が固着して形成する。

上記構成によれば、樹脂含浸繊維の先端に金属粉を固着させることで、磁性体材料を含む巻着体の先端部が簡単に形成できる。

また、上記タンクにおける前記先端部は、金属テープにより形成されているようにしてもよい。

また、上記タンクの製造方法における前記先端部を、金属テープから形成するようにしてもよい。

上記構成によれば、金属テープに樹脂含浸繊維を連結することで先端に磁性体材料を含む巻着体を簡便に形成することができる。

本発明によれば、内容器への繊維の巻きつけの処理を簡素化し、巻きつけの自動化に対応することのできるタンク及びその製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るタンク及びタンクの製造方法について以下の順番で説明する。尚、各図面において、同一の部品には同一の符号を付している。
１．ＦＲＰタンクの製造システム
２．ＦＲＰタンクの製造方法
３．変形例

１．ＦＲＰタンクの製造システム
はじめに、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係るＦＲＰタンクの製造システムについて説明する。ここで、図１は、ＦＲＰタンクの製造システムを示す模式図である。該システムは、フィラメント・ワインディング（ＦＷ）法により内容器の周囲に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を形成するシステムであり、繊維束供給部１０と、張力測定器２０と、樹脂含浸部３０と、金属粉噴射部４０と、繊維束ガイド（アイロ）５０と、内容器６０と、制御部７０とを備えている。

繊維束供給部１０には、繊維束ｆ１〜ｆ３が巻き付けられた複数（図１においては３つ）のボビン１１ａ〜１１ｃが備えられている。繊維束ｆ１〜ｆ３としては、本実施形態においては、カーボン繊維を用いる。繊維束供給部１０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を調整して張力測定器２０に送り出す。

張力測定器２０は、繊維束ｆ１〜ｆ３の張力を測定し、その測定結果を制御部７０に出力する。

樹脂含浸部３０は、未硬化の状態（液体又はゲル状）の熱硬化性の樹脂が貯留された樹脂槽３１と、繊維束ｆ１〜ｆ３を樹脂槽３１の所定の位置に案内する含浸ローラ３２〜３４とを備えており、繊維束ｆ１〜ｆ３に樹脂槽３１内の樹脂を含浸させる。熱硬化性の樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。

金属粉噴射部４０は、樹脂含浸部３０にて樹脂が含浸された繊維束ｆ１〜ｆ３の先端部分に金属粉を噴射し固着させる。本実施の形態においては、金属粉としては室温でも強磁性を示す鉄、コバルト、ニッケル等から選択される。また、金属粉が固着される長さは、内容器６０に巻着される樹脂含浸繊維層のほぼ一層分の長さである。

繊維束ガイド５０は、樹脂を含浸しかつ先端に金属粉が固着した繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これを内容器６０に案内する。繊維束ガイド５０は、内容器６０の長手方向及びそれに垂直な方向に往復可能であり、且つ、内容器６０に対する角度を変更できるように回転可能な状態で設置されている。

内容器６０は、円筒状の胴体部と、該胴体部の両端部に設けられ、ドーム状の口金部（側部）とから構成されており、金属や、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂によって形成されている。また、後述する内容器６０への繊維束Ｆの止着処理のために、口金部の内側には、磁石シートが埋め込まれている。本実施の形態においては、内容器６０は、高圧ガスタンク用のライナである。

内容器６０は、その軸心を中心に回転可能となるように、支持部６２を介して回転駆動部６３に取り付けられている。回転駆動部６３は可変速モータを有しており、このモータによって内容器６０を回転駆動する。

加圧ポンプ６４は、樹脂含浸繊維層６１の形成中に内容器６０が凹むのを防ぐために、内容器６０の内部を加圧する。

制御部７０は、ＦＲＰタンクの製造システムの運転を制御するプログラムを備えている。制御部７０は、このプログラムに従って、例えば、繊維束供給部１０の供給、樹脂含浸部３０の回転、金属粉噴射部４０の噴射、繊維束ガイド５０の位置、内容器６０の回転等、ＦＲＰタンクの製造システム全体を制御するようになっている。

２．ＦＲＰタンクの製造方法
次に、上記のように構成されたＦＲＰタンクの製造システムを用いたＦＲＰタンクの製造方法について図１、図２を用いて説明する。ここで、図２（Ａ）は、ＦＲＰタンク製造方法における止着工程時のＦＲＰタンクを示す模式図、（Ｂ）は、樹脂含浸繊維層の先端部近傍を示す模式図である。

はじめに、内容器６０を、支持部６２を介して回転駆動部６３に取り付ける。ここで、図２（Ａ）に示すように、内容器６０は、円筒状の胴体部６０Ａと、胴体部６０Ａの両端部に設けられたドーム状の口金部６０Ｂとから構成されており、口金部６０Ｂの一方の内側には、シート状の磁石（図示せず）が埋め込まれている。

次に、繊維束ガイド５０を巻きつけ開始位置に配置する。そして、繊維束供給部１０から繰り出された繊維束ｆ１〜ｆ３を、張力測定器２０、樹脂含浸部３０、金属粉噴射部４０を経て繊維束ガイド５０に導く。このとき、繊維束ｆ１〜ｆ３は、樹脂含浸部３０にて樹脂が含浸されるとともに、繊維束ｆ１〜ｆ３の先端部分には、金属粉噴射部４０にて金属粉が固着される。

次に、繊維束ガイド５０にて、樹脂を含浸しかつ先端に金属粉が固着した繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねることにより繊維束Ｆを形成し、これを内容器６０に止着する。より具体的には、内容器の一方の口金部６０Ｂに埋め込まれたシート状の磁石による磁力を用いて、図２（Ａ）に示すように、金属粉が固着した繊維束Ｆの先端を口金部６０Ｂに止着させる（止着工程）。そして金属粉が固着した繊維束Ｆを内容器６０に巻きつけていくことで、樹脂含浸繊維層６１を形成する（巻着工程）。樹脂含浸繊維層６１は、図２（Ｂ）に示すように、樹脂含浸繊維に金属粉が固着した先端部６１Ａと、先端部６１Ａに連結する繊維部６１Ｂとから構成される。ここで、先端部６１Ａの長さは、樹脂含浸繊維層６１の一層分の長さとなっている。従って、樹脂含浸繊維層６１の一層目は、金属粉を含む樹脂含浸繊維となる。以降、回転駆動部６３のモータによって内容器６０を回転駆動するとともに、繊維束ガイド５０の往復運動とを同期させることにより、繊維束Ｆを内容器６０に所定のパターンで巻き付け、複数層からなる樹脂含浸繊維層６１を形成する（巻着工程）。巻き終わりには、繊維束Ｆの後端部を内容器６０に固着した後、この固定部分から繊維束ガイド５０に連なる繊維束Ｆを切断する。繊維束Ｆの巻き方（パターン）については特に限定されず、例えば、フープ巻きやヘリカル巻きや、それらを組み合わせた巻き方であっても良い。

次に、樹脂含浸繊維層６１が巻着された内容器６０を、支持部６２から取り外し、加熱炉に入れ、所定温度で樹脂を硬化させる。これにより、ＦＲＰタンクが形成される。

以上のように、繊維束Ｆの先端部に金属粉を固着させかつ内容器６０の口金部６０Ｂに磁石シートを設けているので、繊維束Ｆの先端部を口金部６０Ｂ表面に磁力により簡単に止着できる。これにより、巻きつけの際に繊維束Ｆの先端部をタンクに結んだり接着剤で付けたりといった固定のための別のプロセスが不要になる。そのため、繊維の巻きつけの処理が簡素化でき、また先端部を結んだりするための人手が要らないため巻きつけの自動化にも対応できるようになる。また、樹脂含浸繊維層６１は、一層目が金属粉を含んでいるため樹脂含浸繊維層６１の熱伝導率が全体として向上する。

尚、本実施の形態において製造されたＦＲＰタンクは、例えば、各種移動体や定置型の燃料電池システム等において、水素ガスや圧縮天然ガス等を貯蔵する高圧タンクとして好適に用いることができる。

３．変形例
以上本発明の実施形態を示したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能である。例えば以下のような変形例が可能である。

上記実施の形態では、樹脂を含浸した繊維束ｆ１〜ｆ３の先端部に金属粉噴射部４０にて金属粉を固着させることで、強磁性体材料を含む先端部を形成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、カーボン繊維の先端に金属テープを連結することで、強磁性体材料を含む先端部を形成するようにしてもよい。また先端部６１Ａの長さについても上記実施の形態では、樹脂含浸繊維層６１の一層分の長さとしているが、これに限定されるものではない。ＦＲＰタンクの熱伝導率がさほど問題にならなければ、先端部６１Ａは口金部６０Ｂへ止着するのに足りる長さ（例えば、内容器６０の一巻き分）だけでも十分であるし、熱伝導率をさらに上げる必要があれば、先端部６１Ａを樹脂含浸繊維層６１の複数層分の長さにしてもよい。

また、上記実施の形態では、繊維束ｆ１〜ｆ３は、繊維束供給部１０から繰り出された後に、樹脂含浸部３０にて樹脂が含浸されるが、カーボン繊維を、例えば、ボビン１１ａ〜１１ｃに巻回されているときから樹脂が含浸されている状態（いわゆるプリプレグ状態）としてもよい。この場合、金属粉は、最初からカーボン繊維に固着されていてもよいし、上記実施の形態のように後から金属粉噴射部４０にて固着されるようにしてもよい。

また、上記実施の形態においては、シート状の磁石を内容器６０の口金部６０Ｂの一方に埋め込むようにしたが、その位置や埋め込む形態は自由に変更可能である。例えば、口金部６０Ｂの双方に磁石を埋め込んでもよい。この場合、口金部６０Ｂの一方に繊維束の先端部を磁石により止着させ、さらに、繊維束の後端部にも金属粉を固着させることで、口金部６０Ｂの他方に繊維束の後端部を磁石により止着させるようにしてもよい。これにより、繊維束の繊維の巻き終わりの処理も簡素化できる。

本発明の実施の形態に係るＦＲＰタンクの製造システムを示す模式図。 （Ａ）は、同実施の形態に係る止着工程時のＦＲＰタンクを示す模式図、（Ｂ）は、同実施の形態にかかる巻着体の先端部近傍を示す模式図。

符号の説明

１０ ……繊維束供給部
１１ａ……ボビン
１１ｂ……ボビン
１１ｃ……ボビン
２０ ……張力測定器
３０ ……樹脂含浸部
３１ ……樹脂槽
３２ ……含浸ローラ
３３ ……含浸ローラ
３４ ……含浸ローラ
４０ ……金属粉噴出部
５０ ……繊維束ガイド
６０ ……内容器
６０Ａ……胴体部
６０Ｂ……口金部（側部）
６１ ……樹脂含浸繊維層（巻着体）
６１Ａ……先端部
６１Ｂ……繊維部
６２ ……支持部
６３ ……回転駆動部
６４ ……加圧ポンプ
７０ ……制御部
ｆ１ …繊維束
ｆ２ …繊維束
ｆ３ …繊維束
Ｆ …繊維束

Claims (8)

1. 磁石を備えた内容器と、
   前記内容器の外周面に巻着された巻着体と、を備え、
   前記巻着体は、強磁性体材料を含み前記磁石によって前記内容器の表面に止着される先端部と、該先端部に連結し樹脂が含浸された繊維からなる繊維部と、から構成されているタンク。
2. 前記内容器は、円筒状の胴部と、該胴部の両端部に接続したドーム状の側部とを有し、
   前記磁石は、前記側部に配置されている請求項１に記載のタンク。
3. 前記先端部は、樹脂含浸繊維の表面に金属粉が固着して形成されている請求項１または請求項２に記載のタンク。
4. 前記先端部は、金属テープにより形成されている請求項１または請求項２に記載のタンク。
5. 内容器の外周面に巻着体が巻着されたタンクの製造方法であって、
   前記内容器は磁石を備え、前記巻着体は強磁性体材料を含む先端部と該先端部に連結し樹脂が含浸された繊維からなる繊維部とから構成されており、
   前記巻着体の先端部を前記磁石によって前記内容器の表面に止着する止着工程と、
   前記止着工程後、前記巻着体の繊維部を前記内容器の外周面に沿って巻着する巻着工程と、を備えた、タンクの製造方法。
6. 前記内容器は、円筒状の胴部と、該胴部の両端部に接続し、前記磁石が配置されたドーム状の側部とを有し、
   前記止着工程において、前記先端部を前記ドーム状の側部に止着する請求項５に記載のタンクの製造方法。
7. 前記先端部を、樹脂含浸繊維の表面に金属粉が固着して形成する請求項５または請求項６に記載のタンクの製造方法。
8. 前記先端部を、金属テープから形成する請求項５または請求項６に記載のタンクの製造方法。

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