JP2011245744A

JP2011245744A - 高圧タンクの製造装置、高圧タンクの製造方法および繊維束の拡幅装置

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Publication number: JP2011245744A
Application number: JP2010121241A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hatta; 健八田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-05-27
Also published as: JP5707738B2

Abstract

【課題】ライナへの繊維束の巻き付けの際の繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる高圧タンクの製造装置を提供する。
【解決手段】ライナとライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備える高圧タンクの製造装置である。
【選択図】図４

Description

本発明は、高圧タンクの製造装置、高圧タンクの製造方法および繊維束の拡幅装置に関する。

燃料電池自動車や天然ガス自動車等には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガス等を貯蔵する高圧タンクが搭載される。高圧タンクとして、樹脂製または金属製タンク（ライナ：内容器）の外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）等を巻き付けて補強した高圧タンクが知られている。このような高圧タンクを製造する際、例えばフィラメントワインディング法のように炭素繊維等の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。

フィラメントワインディング法で高圧タンクを製造する場合、炭素繊維等の繊維束をできるだけ拡幅した状態（幅を拡げた状態）でライナに巻き付けた方が、高圧タンクの強度等の点で好ましい。

繊維束の拡幅が少ないと、ライナに繊維を巻く際、繊維層間に空隙や繊維折れ等が発生して、タンク強度低下の原因となることがある。また、例えば、ライナに繊維を巻き付ける前に拡幅ローラ等によって繊維東を押し付けて繊維束を拡幅する方法があるが、拡幅率（拡幅前の繊維束の幅に対する拡幅後の繊維束の幅の比率）が充分ではない。また、フィラメントワインディング法における繊維束のライナへの巻き付け方、張力等の影響により、拡幅量が安定せず、ばらつきの問題が生じる場合がある。

例えば、特許文献１には、成形しようとするＦＲＰ製管状体の外径や強化繊維束の積層状態を、容易に目標値に設定するために、複数のボビンから繰り出される複数の強化繊維糸を引き揃えて強化繊維束となし、該強化繊維束に樹脂を含浸させた後マンドレルに巻き付けてＦＲＰ製管状体を製造するに際し、ボビンから繰り出される強化繊維糸の撚数を制御しながら引き揃えて強化繊維束とするＦＲＰ製管状体の製造方法が記載されている。

しかし、特許文献１の技術では、繊維束の拡幅量が変動し、ばらつきが生じる可能性がある。

特開平７−２０５３１２号公報

本発明は、ライナへの繊維束の巻き付けの際の繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法である。

また、本発明は、繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる繊維束の拡幅装置である。

本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備える高圧タンクの製造装置である。

また、前記高圧タンクの製造装置において、前記スリットを揺動させる揺動手段を備えることが好ましい。

また、前記高圧タンクの製造装置において、前記繊維束を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。

また、前記高圧タンクの製造装置において、拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測手段と、前記計測手段により計測した結果に基づいて前記拡幅手段を制御する制御手段と、を備えることが好ましい。

また、本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅する拡幅工程を含む高圧タンクの製造方法である。

また、前記高圧タンクの製造方法において、前記拡幅工程において、スリットを揺動させることが好ましい。

また、前記高圧タンクの製造方法において、前記繊維束を加熱する加熱工程を含むことが好ましい。

また、前記高圧タンクの製造方法において、拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測工程と、前記計測工程において計測した結果に基づいて前記拡幅工程を制御する制御工程と、を含むことが好ましい。

複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備える繊維束の拡幅装置である。

本発明では、複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅することにより、ライナへの繊維束の巻き付けの際の繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法を提供する。

また、本発明では、複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅することにより、繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる繊維束の拡幅装置を提供する。

本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成を示す概略図である。本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例を示す概略図である。本発明の実施形態における高圧タンクの製造方法における高圧タンクの軸方向の断面を示す概略図である。本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における拡幅装置の構成の一例を示す概略図である。本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における拡幅バーの構成の一例を示す概略断面図である。本発明の実施形態における繊維束の拡幅の状態を示す概略断面模式図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成の概略を図１に示す。また、本実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例の概略を図２に示す。

図１に示すように、高圧タンクの製造装置１は、繊維巻き付け装置１０を備える。繊維巻き付け装置１０は、ライナ２２を支持するための回転支持部１２を有する。また、高圧タンクの製造装置１は、繊維束２６を拡幅するための拡幅手段として拡幅装置１４を備える。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクの製造装置１の動作について説明する。

図１，２に示すように、ライナ２２は、繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に設置される。例えば、略円柱状のライナ２２は図３に示すようなライナ２２の軸を通したシャフト２８によって、図２に示すように回転支持部１２に支持される。回転支持部１２によってライナ２２が回転され、図１のボビン１６から繰り出された繊維束２６が拡幅装置１４により拡幅された（拡幅工程）後、ライナ２２の外面に巻き付けられる。繊維束２６は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂が含浸されたものであり、図２に示すように繊維ガイド部１９で角度調整されて、ライナ２２に巻き付けられる。こうして、ライナ２２の外面に繊維束２６が拡幅された状態で所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される（繊維層形成工程）。

ここで、繊維束を拡幅するとは、図６に示すように、繊維束２６を構成する繊維４０を拡げて繊維束２６を略扁平な状態にすることを意味する。

なお、回転支持部１２に、例えば空気等のガスを供給するガスボンベに通じるガス供給管が接続されて、空気等のガスをガス供給管および回転支持部１２を通じてライナ２２内に供給して、ライナ２２内を加圧状態として繊維を巻き付けてもよい。これにより、繊維束２６の巻き付けによりライナ２２が変形するのを防止することができる。

繊維束２６の巻き付け工程後、高圧タンク２０は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク２０は、例えば１３０℃程度で、１０〜１５時間程度加熱される。この加熱により、熱硬化性樹脂等が含浸された繊維束２６が熱硬化され（硬化工程）、図３に示すような補強層２４が形成される。その後、高圧タンク２０は冷却される。このようにして、ライナ２２の外面に補強層２４が形成された高圧タンク２０が製造される。

図４に本実施形態に係る繊維束の拡幅装置である拡幅装置１４の一例の構成の概略を示す。拡幅装置１４は、拡幅バー３０を備える。また、案内用のローラバー３２，３４を備えていてもよい。拡幅バー３０、ローラバー３２，３４は、それらの回転軸にそれぞれ通したシャフト等により筐体３６の内部に支持されて収容されている。筐体３６には繊維束２６の入口と出口が設けられている。拡幅バー３０は、図５に回転軸に垂直方向でスリット３８の部分を通る断面図を示すように、繊維束２６を通して拡幅するためのスリット３８を有する。スリット３８は、拡幅バー３０の回転軸方向において、繊維束２６の所望の拡幅量に応じた幅を有する。拡幅バー３０は曲率を変更可能であり、それによりスリット３８も曲率を変更可能である。

図１のボビン１６から繰り出されて拡幅装置１４の筐体３６内に導入された繊維束２６は、図４に示すように、ローラバー３２を経由した後、拡幅バー３０のスリット３８を通され、ローラバー３４を経由して、筐体３６外に排出される。拡幅バー３０は、例えば硬質シリコン等の弾性部材等により構成されており、その曲率が変更可能なものとなっている。例えば、拡幅バー３０は、そのシャフト等に応力が加えられ、拡幅バー３０を筐体３６の底面に押し付けること等によって下方向に湾曲して、その曲率が変化し、スリット３８の曲率も変化する。

拡幅バー３０およびスリット３８の曲率が変化することによって、スリット３８の中を通された繊維束２６が図６に示すように拡幅される。また、スリット３８が所望の拡幅量に応じた幅を有するため、繊維束２６のずれが防止され、拡幅量の変動が抑制される。

拡幅バー３０を構成する材料としては、その曲率が容易に変更可能なものであればよく特に制限はないが、例えば硬質シリコン、ウレタン等の弾性部材等が挙げられる。必要に応じて、拡幅バー３０とスリット３８を別部材で構成してもよい。また、スリット３８の内面を表面処理してもよい。

拡幅バー３０の形状としては、スリットを形成可能であればよく特に制限はなく、ローラ形状（円柱形状）に限らず、四角柱等の多角柱形状等でもよい。

拡幅バー３０の曲率変化の方向としては、通常は回転軸の下方向であるが、回転軸の上方向であってもよい。

拡幅バー３０の曲率を変化させる方法としては、特に制限はないが、例えば、拡幅バー３０の回転軸に通したシャフトに応力をかける方法、拡幅バー３０を筐体３６の底面に押し付ける方法、拡幅バー３０の両端を加圧する方法等が挙げられる。

スリット３８の拡幅バー３０の回転軸方向における幅は、繊維束２６の所望の拡幅量に応じて設定すればよい。設定するスリット３８の幅により、繊維束２６の拡がりが規制され、拡幅量の変動が抑制される。

スリット３８の高さとしては、繊維束２６が通過可能であればよく特に制限はないが、繊維束２６を通したときに繊維束２６の上方に例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度の隙間があればよい。

拡幅バー３０におけるスリット３８の位置としては、拡幅バー３０の上流側から下流側へ繊維束２６を通すことが可能な位置であればよく、特に制限はない。例えば、図４，５に示すように拡幅バー３０の回転軸の下方側において、拡幅バー３０の上流側から下流側へ繊維束２６を通すようにスリット３８を設ければよい。拡幅バー３０の回転軸の下方側に設けることにより、拡幅率をより効率良く上げることができる。

筐体３６を構成する材料としては、特に制限はなく、例えば、樹脂、金属等が挙げられる。

このように、繊維束２６を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリット３８に通して拡幅することにより、ライナ２２への繊維束２６の巻き付けの際の繊維束２６の拡幅量の変動を抑制することができ、品質の安定した高圧タンクを製造することができる。また、繊維巻き付け装置１０の上流側で通常の拡幅ローラ等の拡幅手段により繊維東を押し付けて拡幅した状態で巻き付ける場合以上に、拡幅量、拡幅率を向上することができる。フィラメントワインディング法によりライナ２２に繊維束２６を巻き付ける際に、繊維束２６の拡幅率が向上することにより、繊維層間の空隙や繊維折れ等の発生が抑制され、得られる高圧タンクの強度および疲労強度等が向上し、かつ、良好な品質で高圧タンクを製造することができる。

また、巻き付ける繊維束２６が樹脂や接着剤等を含浸している場合、樹脂等の粘度等により拡幅しにくい傾向にあるが、曲率を変更可能なスリット３８に繊維束２６を通して拡幅することにより、繊維束２６がより拡幅しやすくなる。また、曲率を変更可能なスリット３８に繊維束２６を通して拡幅させるために、繊維束２６の張力を必要以上に上昇させなくてもよいので、繊維の折損等の損傷を防止することができる。

拡幅装置１４において、拡幅の際に拡幅バー３０を揺動させて、スリット３８を揺動させることが好ましい。例えば、図４に示すように、回転軸を中心に拡幅バー３０を揺動させて、スリット３８を揺動させればよい。これにより、繊維束２６の拡幅量がより向上される。

揺動の幅としては、繊維束２６を拡幅させる程度であればよく、特に制限はないが、例えば、通常の位置を基準として−３０度〜３０度程度であればよい。

揺動手段としては、回転軸を中心に拡幅バー３０を揺動させる構成のものであればよく、特に制限はなく、公知の構成のものを用いればよい。

拡幅装置１４において、繊維束２６を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。例えば、拡幅バー３０の上流側のローラバー３２を加熱して（加熱工程）、スリット３８を通す前に繊維束２６を加熱すればよい。これにより、繊維束２６の拡幅量がより向上される。特に、繊維束２６が、樹脂や接着剤等が含浸されたものである場合に樹脂等の粘度等により拡幅しにくい傾向にあるが、加熱することによって樹脂等の粘度が低下し拡幅量がより向上されるため効果的である。また、繊維束２６の加熱とともに拡幅可能なため、生産性が低下しない。なお、拡幅バー３０に加熱手段を設けて加熱してもよい。

加熱温度としては、例えば、繊維束２６に含浸されている熱硬化性の樹脂や接着剤等の硬化温度等より低い温度に応じて設定すればよい。

繊維束２６を加熱する加熱手段としては、繊維束２６を加熱するものであればよく、特に制限はない。例えば、電熱線等の発熱体を用いる方式、温水等の熱媒を用いる方式等によりローラバー、拡幅バー等を加熱する方法、温風等を繊維束２６に吹き付ける方法等が挙げられる。

高圧タンクの製造装置１は、図１に示すように、拡幅装置１４によって拡幅した後の繊維束２６の拡幅量等を計測する計測手段としてセンサ１８等を備えていてもよい。また、センサ１８等により計測した結果に基づいて、拡幅装置１４を制御する制御手段（図１において図示せず）を備えていてもよい。センサ１８等により拡幅後の繊維束の拡幅量等を計測し（計測工程）、計測した結果に基づいて拡幅装置１４を制御する（制御工程）。センサ１８等により計測した拡幅量や拡幅率等の結果に基づいて、拡幅装置１４をフィードバック制御することにより、繊維束２６の拡幅量がより向上され、拡幅量が安定化される。よって、得られる高圧タンクの強度および疲労強度等がより向上し、かつ、より良好な品質で、また品質のより安定した高圧タンクを製造することができる。例えば、センサ１８等により計測した拡幅量や拡幅率等の結果に基づいて、拡幅装置１４における、拡幅バー３０およびスリット３８の曲率、拡幅バー３０の揺動幅、揺動速度、ローラバー３２等の加熱温度等をフィードバック制御すればよい。

計測手段としては、繊維束２６の拡幅量等を計測することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、レーザセンサ等が挙げられる。

制御手段は、例えば、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。

以上のような構成により、繊維束２６の拡幅量の変動を抑制することができ、拡幅量、拡幅率を向上させることができる。

繊維束２６の拡幅率は、拡幅前の繊維束の幅に対する拡幅後の繊維束の幅の比率（％）として定義されるが、本実施形態に係る製造装置および製造方法によって繊維束２６を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリット３８に通して拡幅することにより、例えば、拡幅率として１５０％以上、あるいは２００％以上にまで向上させることができる。

高圧タンク２０は、ライナ（内容器）２２、補強層（外層）２４を含んで構成されている。また、高圧タンク２０は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。

ライナ２２は、略円柱状等に形成されてなり、例えば高圧水素ガスなどの媒体をその内部に収容するためのものであり、水素ガス等のガスに直接接触する層である。ライナ２２の形状、サイズ、厚みは使用目的、仕様等に応じたものを任意に選択することができる。ライナ２２の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。

ライナ２２は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ２２を構成する樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。ライナを構成する金属としては、アルミ合金等の金属が挙げられる。ライナの肉厚やライナを構成する材料の種類は、ライナ２２に要求される強度、気密性、成形性等に応じて適宜選択することができる。これらのうち、強度や耐ガス透過性等の点からナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。

樹脂材料から構成されるライナ２２は、例えば、上記樹脂の射出成形により成形される。例えば、金型にポリアミド樹脂等の樹脂を流し込んで、略半円柱体を２つ成型し、それらをレーザ等により溶着して樹脂のライナ２２が成形される。この射出成形により、厚みが略均一なライナ２２が成形される。

補強層２４は、ライナ２２の外側を覆うように設けられてライナ２２を補強する層であり、例えば、繊維およびマトリックス樹脂を含んで構成される。補強層２４を構成する繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維等が挙げられる。

また、補強層２４を構成するマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、強度、接着性、耐ガス透過性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。

補強層２４は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた状態でライナ２２の外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて形成することができる。

補強層２４の厚みは、巻き付ける繊維束２６の層数等により調整することができ、例えば、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲である。繊維束２６の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。

繊維束２６は、例えば、上記繊維が１０，０００〜４０，０００本程度束ねられたものである。

通常、繊維束２６の巻き付け方向は、ライナ２２の回転軸に対して垂直方向、または斜め方向である。

繊維束２６としては、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の樹脂を予め含浸させたプリプレグを用いてもよいし、拡幅装置１４の上流側で、繊維束２６に樹脂を含浸したものを用いてもよい。

本実施形態に係る高圧タンク２０は、例えば、移動体に搭載され、内部に高圧ガスを貯蔵する高圧タンクである。また、高圧タンク２０は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。

ここで、移動体としては、二輪の車両、バスや乗用車等の四輪以上の自動車のほか、電車、船舶、航空機、ロボットなどが挙げられ、特に燃料電池車両である。高圧ガスとしては、水素ガスや圧縮天然ガスなどが挙げられる。

本実施形態に係る高圧タンクの製造装置、高圧タンクの製造方法および繊維束の拡幅装置により得られる繊維束は、樹脂溶液を含浸させて硬化した繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ材）等として、各種素材の強化材等に用いることができる。例えば、炭素繊維の場合、炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）として、高圧タンク、自動車用シャフト、航空機の胴体、部品等の補強材として用いることができる。

１高圧タンクの製造装置、１０繊維巻き付け装置、１２回転支持部、１４拡幅装置、１６ボビン、１８センサ、１９繊維ガイド部、２０高圧タンク、２２ライナ（内容器）、２４補強層（外層）、２６繊維束、２８シャフト、３０拡幅バー、３２，３４ローラバー、３６筐体、３８スリット、４０繊維。

Claims

ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、
複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
請求項１に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記スリットを揺動させる揺動手段を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
請求項１または２に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記繊維束を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置であって、
拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測した結果に基づいて前記拡幅手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅する拡幅工程を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。
請求項５に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記拡幅工程において、スリットを揺動させることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
請求項５または６に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記繊維束を加熱する加熱工程を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。
請求項５〜７のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法であって、
拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測工程と、
前記計測工程において計測した結果に基づいて前記拡幅工程を制御する制御工程と、
を含むことを特徴とする高圧タンクの製造装置。
複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備えることを特徴とする繊維束の拡幅装置。