JP2012045826A

JP2012045826A - 圧力容器の製造方法

Info

Publication number: JP2012045826A
Application number: JP2010190465A
Authority: JP
Inventors: Takuya Yamamoto; 拓矢山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】所望の耐圧性能を有する圧力容器を精度よく作製する。
【解決手段】円筒状の直胴部３８と、直胴部３８の両端に接続され、その頂部に口金部３６，３７を有するドーム部４０，４１と、を備えるライナ３２の外周上に、樹脂液を含浸させた繊維束を、口金部３６，３７間の距離を調整しながら巻き付ける工程を含む。口金部３６，３７間の距離は、支持部４２に設けられた口金部可動機構５０により調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力容器の製造方法に関する。

一般に、天然ガスや水素ガスなどの常温常圧では気体の物質を高圧で圧縮し、充填した高圧タンクなどの圧力容器が知られている。天然ガス自動車や燃料電池自動車などの車両には、燃料となる天然ガスや水素ガスなどに圧力を付加して充填し、貯留した圧力容器が搭載される。車両に搭載する圧力容器には、一般に、燃費の向上などのために軽量化が望まれており、このため、例えば炭素繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）やガラス繊維強化プラスティック（ＧＦＲＰ）などの繊維強化プラスティック（ＦＲＰ）製の圧力容器が好適に採用されている。

図５は、一般的なＦＲＰ製圧力容器の構成の概略を説明するための図である。図５に例示する圧力容器３０は、中空形状のライナ３２と、ライナ３２の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）３４とを備え、構成されている。圧力容器３０の端部にはまた、少なくとも一つの口金部３６を有する。口金部３６は、図示しないバルブを接続可能に構成されており、このバルブの開閉動作により圧力容器３０の内外への流体の流通を制御することができる。ライナ３２には、例えば、６−ナイロン、６，６−ナイロンなどのナイロン樹脂やポリプロピレン樹脂などの高いガスバリア性を有する熱可塑性樹脂に、必要に応じてエラストマーを添加して構成される。

繊維強化樹脂層３４は一般に、例えばガラス繊維、炭素繊維、ケブラ繊維などからなる、長く連続した糸状の繊維を複数束ねた繊維束（フィラメント）に、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂を含む樹脂液を含浸させながら、あるいは該樹脂液を乾燥および／または半硬化させたいわゆるプリプレグ繊維を予め作製した後に、ライナ３２の外周上に、繊維束またはプリプレグ繊維を巻きつける工程（フィラメントワインディング（ＦＷ）工程）、次いで、該樹脂液を硬化させる工程（硬化工程）を経て形成することができる。このとき、ライナ３２の材質および／または厚みの他、例えば、繊維強化樹脂層３４を構成する繊維または繊維束の太さやプリプレグ繊維の巻き数等を調整し、繊維強化樹脂層３４の厚みを調整することにより、圧力容器３０の耐圧性および耐衝撃性、その他の設計強度を所望のものとすることができる。また、必要に応じて、ライナ３２と繊維強化樹脂層３４との間、および／または口金部３６と繊維強化樹脂層３４との間に図示しない連通層または連通孔を設け、圧力容器内部に残留する残留ガスを排出させる構成とすることもできる。

図６は、一般的なフィラメントワインディング装置の構成の概略を例示する図である。図６に示すフィラメントワインディング装置は、巻出しボビン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからそれぞれ巻き出されるプリプレグ繊維１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを並行するように搬送させる搬送部１４と、プリプレグ繊維１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに適切な圧力を加えて挟み込み、拡幅させる拡幅ローラ１６，１７と、プリプレグ繊維１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを送り出す幅および方向を調整し、ここでは図示しないライナ支持装置に支持されたライナの適切な位置にガイドするためのプリプレグ繊維ガイド１８と、を含み、構成されている。搬送部１４には、テンションローラ２０やアクティブダンサー２２、図示しないアキュームレータなどの張力緩和機構その他の搬送補助機構が含まれ得て、必要に応じて各装置または機構を適切な箇所に配設することができる。

図７は、図６に示すフィラメントワインディング装置を適用し得るライナおよび該ライナを支持するための従来のライナ支持装置の構成について例示した図である。図７において、ライナ３２は一般に、断面径がほぼ均一な円筒状の直胴部３８と、直胴部３８の両端に接続され、その頂部に口金部３６，３７を有するドーム部４０，４１と、を有する。ライナ支持装置２００には、ライナ３２の両端部を軸支するための支持部４２，４３が設けられている。支持部４２，４３は、ライナ３２の両端部に設けられた口金部３６，３７に対して着脱可能に構成されており、ライナ３２の軸７０を中心に回転可能に、ライナ３２を支持することができる。支持部４２，４３の少なくとも一方には、モータ（図示せず）が接続されており、このモータの回転により、ライナ３２を、軸７０を中心に回転させることができる。

特開２００４−１４８７７７号公報特開２００６−０６２３５５号公報

一般に、ライナ３２の表面に繊維束またはプリプレグ繊維を複数回巻き付けて積層構造を形成した場合、ライナ３２に近い内側部分に巻き付けられた繊維束またはプリプレグ繊維が撓み、その張力がライナ３２から遠い外側部分と比較して低下する傾向にある。このため、例えば、繊維束またはプリプレグ繊維の巻き付け回数に応じて内圧や巻き付け時に付与する張力を段階的に調整する等により、巻き付けた繊維束またはプリプレグ繊維がＦＲＰ層３４（図５参照）の全体にわたり適切な張力分布となるように制御されている。

ライナ３２の直胴部３８では、主として、軸７０に対して垂直な方向に繊維束またはプリプレグ繊維を巻き付けるフープ巻きにより巻き付けられる。このため、ライナ３２の直胴部３８では、巻き付けられた繊維束またはプリプレグ繊維によりライナ３２の径方向に圧縮する力が加えられる。一方、ライナ３２のドーム部４０（および４１）では、主として、軸７０に対して傾斜させた方向に繊維束またはプリプレグ繊維を巻き付けるヘリカル巻きにより巻き付けられる。このため、ライナ３２のドーム部４０（および４１）では、巻き付けられた繊維束またはプリプレグ繊維によりライナ３２の径方向よりはむしろ軸方向に圧縮する力が働く。

図８に示すように、直胴部３８では内圧５２を調整するとともに周方向に適度に外圧５４が生じるように張力を適度に加えることでつりあいが取れるため、内圧５２と外圧５４との適切な調整が比較的容易である。しかしながら、ドーム部４０に巻き付けられる繊維束またはプリプレグ繊維に付与された張力に伴う、軸方向に圧縮する力（例えば、図８の５５〜５８）は、ドーム部４０の形状に応じて巻き付け回数が異なる場合もあり、差異が生じ得る。このため、ライナ３２内部の全体にわたり均等に付与される内圧５２と繊維束またはプリプレグ繊維に付与される張力とを調整するだけでは、ドーム部４０に巻き付けられる繊維束またはプリプレグ繊維から受ける外圧５４と内圧５２とを適切につりあわせることが困難な場合があり得る。このため、ライナ３２に部分的に負荷がかかった状態で圧力容器が作製される場合があり得て、作製した圧力容器の安定した耐圧性の確保が懸念される場合があり得た。

本発明は、所望の耐圧性能を有する圧力容器を精度よく作製することを目的とする。

本発明は、円筒状の直胴部と、前記直胴部の両端に接続され、その頂部に口金を有するドーム部と、を備えるライナの外周上に、樹脂液を含浸させた繊維束を、該口金間の距離を調整しながら巻き付ける工程を含む、圧力容器の製造方法である。

所望の耐圧性能を有する圧力容器を精度よく作製することができる。

ライナおよび該ライナを支持するためのライナ支持装置の一例について、その構成の概略について説明するための図である。口金部可動機構の構成の概略について説明するための断面図である。ライナにヘリカル巻きを施す場合の制御方法について説明するための図である。ライナにフープ巻きを施す場合の制御方法について説明するための図である。圧力容器の構成の概略を説明するための図である。フィラメントワインディング装置の一例について、その要部の構成の概略を説明するための図である。ライナおよび該ライナを支持するための従来のライナ支持装置の構成について例示した図である。フィラメントワインディングに伴う外圧と内圧との関係について説明するための図である。

以下、図面を用いて詳細に説明する。各図面において、同様の構成には同じ符号を付し、その説明を省略する場合があるが、その形状は必ずしも同一とは限らない。

図１は、本発明の実施の形態における圧力容器の製造方法のうち、特にＦＷ工程において好適に利用され得るライナ支持装置の構成の概略を説明するための図である。図１に示すライナ支持装置１００は、ここでは図示しない口金部可動機構を備えることを除き、図７に示すライナ支持装置と同様の構成を有している。

図２に示すように、第１の支持部４２に形成された口金部可動機構５０は、第１の口金部３６（可動側口金部）の内壁面に形成された、バルブ接続用の雌ネジ部４４と螺合するように切り欠かれている。また、第１の支持部４２の端部には、ベアリング機構４６が設けられており、第２の口金部３７（固定側口金部）の内部にはめ込まれて固定されている。軸７０を回転軸として第１の支持部４２を回転させることにより、口金部可動機構５０の作用により雌ネジ部４４が軸方向に進退し、これに伴い第１の口金部３６もライナ３２の軸方向に進退する。このため、口金部３６，３７の間の距離を調整するとともに、第１の口金部３６に近いドーム部４０（図１参照）の形状を適度に変形させることが可能となる。

例えばライナ３２のドーム部４０，４１や、軸方向の補強を目的としてヘリカル巻きを施す場合には、特にこの口金部可動機構５０と、ヘリカル巻きを施す繊維束またはプリプレグ繊維１０の張力とを適切に調整することにより、ライナ３２および／またはＦＲＰ層３４が受ける完成時の張力が最適になるように設計することができる（図３参照）。また、必要に応じて、ライナ３２の内圧を調整することも好適である。

一方、例えばライナ３２の直胴部３８や、径方向または周方向の補強を目的としてフープ巻きを施す場合には、フープ巻きを施す繊維束またはプリプレグ繊維１０の張力とライナ３２の内圧とを適切に調整することにより、ライナ３２および／またはＦＲＰ層３４が受ける完成時の張力が最適になるように設計することができる（図４参照）。また、必要に応じて、口金部可動機構５０を作用させて口金部３６，３７の間の距離を調整することも好適である。

このように、本発明の実施の形態によれば、ライナ３２の軸方向に受ける、内圧と外圧とを適度に調整するために口金部可動機構５０を作用させることにより、特にライナ３２のドーム部４０，４１に対応する圧力容器の成形精度を向上させることができるため、所望の耐圧性能を有する圧力容器を精度よく作製することができる。

本発明は、樹脂液を含浸させた繊維束またはプリプレグ繊維をライナの外周上に巻き付けるフィラメントワインディング工程を含むＦＲＰ製の圧力容器の作製に利用することが可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄプリプレグ繊維、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄボビン、１４搬送部、１６，１７拡幅ローラ、１８プリプレグ繊維ガイド、２０テンションローラ、２２アクティブダンサー、３０圧力容器、３２ライナ、３４繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）、３６，３７口金部、３８直胴部、４０，４１ドーム部、４２，４３支持部、４４雌ネジ部、４６ベアリング機構、５０口金部可動機構、５２内圧、５４外圧、７０軸、１００，２００ライナ支持装置。

Claims

円筒状の直胴部と、前記直胴部の両端に接続され、その頂部に口金部を有するドーム部と、を備えるライナの外周上に、樹脂液を含浸させた繊維束を、該口金部間の距離を調整しながら巻き付ける工程を含むことを特徴とする圧力容器の製造方法。