JP2012096381A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面における凹凸の発生を低減することができる高圧タンクの製造方法を提供すること。
【解決手段】この製造方法は、ライナを配置するライナ配置工程と、ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付ける巻付け工程と、その巻き付けた繊維強化プラスチック材料ｆａの外側に加熱によって収縮する熱収縮体ｓｔを配置する収縮体配置工程と、繊維強化プラスチック材料ｆａと熱収縮体ｓｔとを加熱して繊維強化プラスチック層と成す硬化工程と、を備え、巻付け工程において、巻き付けた繊維強化プラスチック材料ｆａの外側表面に凹部ｒａを形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

高圧タンクとして、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなるものが知られている。このような高圧タンクの製造方法として、下記特許文献１に記載のものが提案されている。下記特許文献１に記載の製造方法は、タンクを構成する繊維強化樹脂層のボイドを低減することができるとともに、繊維含有率を高められて強度を向上させることができるタンクを提供するものである。具体的には、タンクは、略円筒状の貯蔵部と、貯蔵部の両端にそれぞれ設けられた口金部とを有する形状に形成されている。そして、貯蔵部は、最も内側に位置するとともにガスバリア性を有するライナと、ライナの外面を被覆する繊維強化樹脂層と、繊維強化樹脂層の外面を被覆する熱収縮チューブとからなるものである。繊維強化樹脂層は、複数層の繊維束層の樹脂を硬化して構成されている。熱収縮チューブは、繊維強化樹脂層の外表面に沿った形状に形成されるとともに、その熱収縮温度が繊維束層に含浸されている樹脂の硬化温度より低く、かつ、樹脂のプリキュア温度の範囲内である。

特開２００８−３０９２１９号公報

ところで、上記熱収縮チューブには、複数の通気孔が設けられており、繊維強化樹脂層に含まれる空気を外部に逃がすことを意図している。繊維強化樹脂層内にボイドが残っていると、熱硬化時に膨張してしまい、タンクの表面に凹凸が発生する恐れがあるため、ボイドを極力除去することを意図しているものである。しかしながら、単に通気孔を設けた熱収縮チューブで覆っても、繊維強化樹脂層内の空気を有効に除去することは困難であることを本発明者らは見出したものである。

繊維強化樹脂層内の空気を効果的に外部に逃がすために、熱収縮チューブに設ける通気孔の間隔を狭めると、確かに空気の通り道は増えることになる。しかしながら、熱収縮チューブの熱収縮力が弱まってしまい、繊維強化樹脂層内の空気を押し出しきることができなくなってしまう恐れがある。一方、熱収縮チューブの収縮力を高めるために、熱収縮チューブに設ける通気孔の間隔を広げると、確かに繊維強化樹脂層内の空気を押し出す力は強めることができる。しかしながら、繊維強化樹脂層内から熱収縮チューブの通気孔に至る経路が長くなってしまい、繊維強化樹脂層内の空気を押し出しきることができなくなってしまう恐れがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなる高圧タンクの製造方法であって、表面における凹凸の発生を低減することができる高圧タンクの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る高圧タンクの製造方法は、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなる高圧タンクの製造方法であって、ライナを配置するライナ配置工程と、前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻き付ける巻付け工程と、その巻き付けた繊維強化プラスチック材料の外側に加熱によって収縮する熱収縮体を配置する収縮体配置工程と、前記繊維強化プラスチック材料と前記熱収縮体とを加熱して繊維強化プラスチック層と成す硬化工程と、を備え、前記巻付け工程において、巻き付けた繊維強化プラスチック材料の外側表面に凹部を形成することを特徴とする。

本発明では、巻付け工程において巻き付けた繊維強化プラスチック材料の外側表面に凹部を形成し、その凹部を覆うように熱収縮体を配置するものである。この状態で繊維強化プラスチック材料と前記熱収縮体とを加熱し、繊維強化プラスチック材料を硬化させるので、繊維強化プラスチック材料内のボイドを形成している空気は外側に押し出される。繊維強化プラスチック材料を孔が形成されていない熱収縮体で覆っているので、外側に押し出された空気は凹部に留まることになる。このように熱収縮体で締め付けた状態で繊維強化プラスチック材料を硬化させるので、完成した高圧タンクの外側に凹凸ができることがない。

また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記巻付け工程において、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料同士を離隔させることで前記凹部を形成することも好ましい。

この好ましい態様では、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料同士を離隔させることで凹部を形成するので、凹部を所望の容積で容易に形成することができる。

また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記巻付け工程において、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料の間隔を、前記ライナ側に巻き付ける繊維強化プラスチック材料の間隔よりも広げることで、前記凹部を形成することも好ましい。

この好ましい態様では、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料の間隔を、ライナ側に巻き付ける繊維強化プラスチック材料の間隔よりも広げることで、凹部を形成するので、最外層における凹部を所望の容積で容易に形成することができる。

また本発明に係る高圧タンクの製造方法では、前記巻付け工程において、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料を、前記ライナの主軸方向に交差させたヘリカル巻きで巻き付けることも好ましい。

この好ましい態様では、凹部を高圧タンクの主軸方向と周方向とに分散させて形成することができる。

本発明によれば、表面における凹凸の発生を低減することができる高圧タンクの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である高圧タンクの製造方法によって製造される車両搭載用高圧タンクの一例を示す断面図である。 本発明の実施形態である高圧タンクの製造方法において、繊維強化プラスチック材料の巻きつけ方を示す図である。 本発明の実施形態である高圧タンクの製造方法において、各工程における気泡の動きを説明するための図である。 本発明の実施形態である高圧タンクの製造方法において、繊維強化プラスチック材料の巻きつけ方を示す図である。 本発明の実施形態である高圧タンクの製造方法において、各工程における気泡の動きを説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、本発明の実施形態である高圧タンクの製造方法によって製造される車両搭載用高圧タンクについて説明する。図１は、車両搭載用高圧タンク１０の断面図である。図１に示すように、車両搭載用高圧タンク１０は、全体として密閉円筒状の容器本体２と、容器本体２の長手方向の両端部に取り付けられた口金１０２ａ，１０２ｂと、を具備している。容器本体２の内部は、各種のガスを貯留する貯留空間５となっている。車両搭載用高圧タンク１０は、常圧のガスを充填することもできるし、常圧に比して圧力が高められたガスを充填することもできる。すなわち、本発明の車両搭載用高圧タンク１０は、高圧ガス容器として機能することができる。

例えば、燃料電池システムでは、高圧の状態で用意された燃料ガスを減圧して、燃料電池の発電に供している。車両搭載用高圧タンク１０は、高圧の燃料ガスを貯留するのに適用することができ、燃料ガスとしての水素や、圧縮天然ガス（ＣＮＧガス）などを貯留することができる。車両搭載用高圧タンク１０に充填される水素の圧力としては、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａであり、ＣＮＧガスの圧力としては、例えば２０ＭＰａである。

容器本体２は、ガスバリア性を有する内側のライナ１０１と、ライナ１０１の外周に配置された繊維強化プラスチック層１０３と、の二層構造を有している。繊維強化プラスチック層１０３は、例えば炭素繊維とエポキシ樹脂を含むＦＲＰからなり、ライナ１０１の外表面を被覆するように構成されている。

口金１０２ａ，１０２ｂは、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属で形成され、容器本体２の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金１０２ａ，１０２ｂの開口部の内周面には雌ネジが刻設されており、配管やバルブアッセンブリ１４（バルブボデー）などの機能部品の雄ネジをこの雌ネジと螺合させることで、機能部品を口金１０２ａ，１０２ｂにねじ込み接続可能となっている。なお、図１では、口金１０２ａにのみバルブアッセンブリ１４を設けた例を二点鎖線で示した。

例えば、燃料電池システム上の車両搭載用高圧タンク１０は、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだバルブアッセンブリ１４を介して、貯留空間５と図示省略した外部のガス流路との間が接続され、貯留空間５に水素が充填されると共に貯留空間５から水素が放出される。

ライナ１０１は、長手方向の中央で二分割された一対の略同形状からなるライナ構成部材１０１ａ，１０１ｂを、レーザ溶着により接合して構成されている。すなわち、半割り中空体のライナ構成部材１０１ａ，１０１ｂ同士をレーザ溶着により接合することで、中空内部のライナ１０１が構成されている。

続いて、本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法について図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、繊維強化プラスチック層１０３となる繊維強化プラスチック材料ｆａの巻き付け方法を説明するための図であって、（Ａ）はライナ１０１に繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付けた状態を示すものであり、（Ｂ）は（Ａ）の部分的な拡大図である。図３は、車両搭載用高圧タンクの製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は巻付け工程を示し、（Ｂ）は収縮体配置工程を示し、（Ｃ）は硬化工程を示し、（Ｄ）は硬化が終了した車両搭載用高圧タンクの状態を示している。

まず、図１に示すライナ１０１を準備し、フィラメントワインディング装置（図示せず）に配置する（ライナ配置工程）。そのライナ１０１の周囲に繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付ける。図２及び図３に示す例では、繊維強化プラスチック材料ｆａはヘリカル巻きで巻き付けられている。フィラメントワインディング装置は、フィラメントワインディング法によって、圧力タンク等の中空容器及びパイプ等を製造する公知の装置である。フィラメントワインディング法は、繊維束である繊維強化プラスチック材料ｆａをライナ１０１に巻き付けて製造物である車両搭載用高圧タンク１０を製造するものである。フィラメントワインディング装置は、ヘッド部（図示せず）から繰り出される繊維強化プラスチック材料ｆａをライナ１０１に巻き付ける。ヘッド部は、フープ巻で巻き付けるフープ巻ヘッド、ヘリカル巻で巻き付けるヘリカル巻ヘッドからなるものである。フープ巻は、ライナ１０１の軸方向に対して略直角に繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付けるものである。ヘリカル巻は、ライナ１０１の軸方向に対して所定の角度で繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付けるものである。

図２に示すように、本実施形態では、最外層を形成する繊維強化プラスチック材料ｆａを互いに離隔させ、凹部ｒａを形成している（図２の（Ｂ）のＡ部分）。図３の（Ａ）に示すように、ライナ１０１側に巻き付けられた繊維強化プラスチック材料ｆａは内側層４０においては密に巻き付けられている。一方、最外層４１に巻きつけられている繊維強化プラスチック材料ｆａは、互いに離隔されており、凹部ｒａが形成されている。

図３の（Ｂ）に示すように、巻き付けた繊維強化プラスチック材料ｆａの外側に加熱によって収縮する熱収縮体ｓｔを配置する。熱収縮体ｓｔは、繊維強化プラスチック材料ｆａの硬化温度において収縮するシート状のものである。

図３の（Ｃ）に示すように、繊維強化プラスチック材料ｆａを硬化させて繊維強化プラスチック層１０３と成すために加熱すると、内側層４０内の気泡ｂａが最外層４１側に移動する。最外層４１の外側には熱収縮体ｓｔが配置されているので、気泡ｂａは最外層４１内に留まり、凹部ｒａ内に留まったまま硬化過程が進行する。その結果、気泡ｂａを含む樹脂が凹部ｒａにおいて硬化する。

図３の（Ｄ）に示すように、熱収縮体ｓｔを除去すると、凹部ｒａ内に微細気泡ｂｂが分散した状態で繊維強化プラスチック層１０３（図１参照）が形成される。

上述したように、本実施形態に用いるフィラメントワインディング装置は、フープ巻きも可能であるから、繊維強化プラスチック材料ｆａをフープ巻きにした例を図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、繊維強化プラスチック層１０３となる繊維強化プラスチック材料ｆａの巻き付け方法を説明するための図である。図５は、車両搭載用高圧タンクの製造方法を説明するための図であって、（Ａ）は巻付け工程を示し、（Ｂ）は収縮体配置工程を示し、（Ｃ）は硬化工程を示し、（Ｄ）は硬化が終了した車両搭載用高圧タンクの状態を示している。

まず、図１に示すライナ１０１を準備し、フィラメントワインディング装置（図示せず）に配置する（ライナ配置工程）。そのライナ１０１の周囲に繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付ける。図４に示すように、大径となるように繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付けた大径領域ｆｓａと、大径領域ｆｓａに対して小径となるように繊維強化プラスチック材料ｆａを巻き付けた小径領域ｆｓｂとが、軸方向において交互に配置されるように形成する。従って、小径領域ｆｓｂは、本発明の凹部として機能する。

図５の（Ａ）に示すように、ライナ１０１側に巻き付けられた繊維強化プラスチック材料ｆａは内側層４２においては一様に巻き付けられている。一方、最外層４３に巻きつけられている繊維強化プラスチック材料ｆａは、大径領域ｆｓａと凹部としての小径領域ｆｓｂとが形成されるように巻き付けられている。

図５の（Ｂ）に示すように、巻き付けた繊維強化プラスチック材料ｆａ（大径領域ｆｓａ）の外側に加熱によって収縮する熱収縮体ｓｔを配置する。熱収縮体ｓｔは、繊維強化プラスチック材料ｆａの硬化温度において収縮するシート状のものである。

図５の（Ｃ）に示すように、繊維強化プラスチック材料ｆａ（大径領域ｆｓａ及び小径領域ｆｓｂ）を硬化させて繊維強化プラスチック層１０３と成すために加熱すると、内側層４２内の気泡ｂａが最外層４３側に移動する。最外層４３の外側には熱収縮体ｓｔが配置されているので、気泡ｂａは最外層４３内に留まり、凹部としての小径領域ｆｓｂ内に留まったまま硬化過程が進行する。その結果、気泡ｂａを含む樹脂が小径領域ｆｓｂにおいて硬化する。

図５の（Ｄ）に示すように、熱収縮体ｓｔを除去すると、小径領域ｆｓｂ内に微細気泡ｂｂが分散した状態で繊維強化プラスチック層１０３（図１参照）が形成される。

尚、上述した本実施形態の凹部ｒａ及び小径領域ｆｓｂの容積は、本実施形態のような対策を施していない高圧タンクを成型硬化し、気泡の発生分の体積を算出することで決定されることが好ましいものである。最外層４１，４３の５０〜８０％が凹部ｒａ又は小径領域ｆｓｂとなるように形成される。

上述した本実施形態で製造した車両搭載用高圧タンク１０の繊維強化プラスチック層１０３は、気泡を最外層４１，４３に保持した状態で製品となる。すなわち、最外層４１，４３は空気層を積層した状態であるともいえる。この場合、最外層４１，４３は、外部からの入力（飛び石など）に対して保護層として機能することが期待される。また、最外層４１，４３は、車両搭載用高圧タンク１０の内部から生じる音が外部へ伝わることを抑制するインシュレータとして機能することも期待される。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

２：容器本体
５：貯留空間
１０：車両搭載用高圧タンク
１４：バルブアッセンブリ
１０１：ライナ
１０１ａ，１０１ｂ：ライナ構成部材
１０２ａ，１０２ｂ：口金
１０３：繊維強化プラスチック層

Claims (4)

1. ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなる高圧タンクの製造方法であって、
   ライナを配置するライナ配置工程と、
   前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻き付ける巻付け工程と、
   その巻き付けた繊維強化プラスチック材料の外側に加熱によって収縮する熱収縮体を配置する収縮体配置工程と、
   前記繊維強化プラスチック材料と前記熱収縮体とを加熱して繊維強化プラスチック層と成す硬化工程と、を備え、
   前記巻付け工程において、巻き付けた繊維強化プラスチック材料の外側表面に凹部を形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
2. 前記巻付け工程において、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料同士を離隔させることで前記凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
3. 前記巻付け工程において、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料の間隔を、前記ライナ側に巻き付ける繊維強化プラスチック材料の間隔よりも広げることで、前記凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
4. 前記巻付け工程において、最外層に巻き付ける繊維強化プラスチック材料を、前記ライナの主軸方向に交差させたヘリカル巻きで巻き付けることを特徴とする請求項２又は３に記載の高圧タンクの製造方法。

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