JP2015214087A - タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメントワインディング法におけるヘリカル巻きの場合に、複数のフィラメントを整然と配列させること。
【解決手段】タンク１０のＲ部には、主にヘリカル巻きによって補強層が形成される。ヘリカル巻きの場合、１巻きで巻き付けるフィラメントｆ１〜ｆ４を、巻き付ける面に積層させて巻き付ける。
【選択図】図１３

Description

本発明は、タンクの製造方法に関する。

タンクの製造において、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）によって、ライナにフィラメントを巻き付け、補強層を形成することがある。ＦＷ法では、フープ巻きとヘリカル巻きとを組み合わせて、フィラメントを巻き付ける。

フープ巻きを実施する際に、同時に巻き付ける複数のフィラメントを、巻き付ける面に沿って配列する手法が知られている。巻き付ける面に沿って配列することによって、フィラメント同士が積層せずに、つまり重なり合わずに、巻き付けられる（例えば特許文献１）。

特開２００９−０６１７２１号公報

一般的に、タンクのＲ部（鏡板）には、主にヘリカル巻きによって巻き付けが実施される。しかし、Ｒ部に対する巻き付けは、巻き付ける面が平坦でないので、従来技術のように、同時に巻き付ける複数のフィラメントを、巻き付ける面に沿って配列する手法を用いるとフィラメントの配列が乱れやすい。フィラメントの配列が乱れると、生産性の低下などを引き起こす虞があった。この他、構成の簡素化や、低コスト化、省資源化、小型化等が望まれていた。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、フープ巻きの工程およびヘリカル巻きの工程を含むフィラメントワインディング法を用い、複数のフィラメントをまとめてライナに巻き付けることによって、タンクを製造する方法が提供される。この製造方法においては、前記フープ巻きの工程の場合、前記複数のフィラメントそれぞれを巻き付ける面に接触させて巻き付け、前記ヘリカル巻きの工程の場合、前記複数のフィラメントを前記巻き付ける面に積層させて巻き付ける。この形態によれば、フープ巻きの場合は、複数のフィラメントそれぞれを巻き付ける面に接触させて巻き付けるので、一度に巻き付けられる面積が広く、巻き付けが効率的になる。ヘリカル巻きの場合は、巻き付ける面に積層させて巻き付けるので、配列の乱れが抑制され、積層された状態で整然と配列する。なお、「フィラメントをライナに巻き付ける」とは、ライナの表面に既に巻き付けられたフィラメントの上に、更にフィラメントを巻き付けることを含む。

（２）上記形態において、前記複数のフィラメントそれぞれは、表面処理剤によってコーティングされてもよい。この形態によれば、フィラメントを配列させる際に、フィラメント同士が絡まることを抑制できる。

（３）上記形態において、フィラメントを前記表面処理剤によってコーティングする工程と；前記コーティングされたフィラメントに樹脂を含浸する工程とを含み；前記巻き付けられるフィラメントは、前記樹脂が含浸されたフィラメントでもよい。この形態によれば、コーティングに加え、樹脂の含浸をフィラメントに施すことができる。

（４）上記形態において、前記コーティングされるフィラメントは、サイジング剤とシランカップリング剤との少なくとも何れかによって処理されたフィラメントでもよい。この形態によれば、フィラメントの構造が安定する。

（５）上記形態において、フープ巻きの工程及びヘリカル巻きの工程とで、前記複数のフィラメントをまとめるためのアイ口の形状を変更することによって、前記巻き付ける面に接触させる巻き付けと、前記巻き付ける面に積層させる巻き付けとを実現してもよい。この形態によれば、それぞれの巻き付け方を容易に実現できる。

本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、上記製造方法を実現するためのプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。また、タンクとして実現できる。この他、フィラメントワインディング法による巻き付けを含まない方法として上記のコーティングをする方法や、この方法を実施するためのコーティング装置として実現できる。

タンクの外観図。 フープ層の一部を示す図。 ヘリカル層の一部を示す図。 タンクの製造工程図。 コーティング工程を示す工程図。 コーティング工程に用いられるコーティング装置の概略図。 フィラメントワインディング装置の概略図。 収束部の拡大図（フープ巻きの場合）。 収束部付近の断面図（フープ巻きの場合）。 収束部の拡大図（ヘリカル巻きの場合）。 収束部付近の断面図（ヘリカル巻きの場合）。 タンクの銅板の拡大断面図。 タンクのＲ部の拡大断面図。 実施形態２のコーティング装置の概略図。

実施形態１を説明する。図１は、タンク１０を示す。タンク１０は、高圧の水素を貯留するための圧力容器であり、燃料電池自動車に搭載される。タンク１０は、樹脂成形で製造されたライナ１１（図２）の表面に、補強層として、フィラメントｆが幾重にも巻き付けられた構造をしている。ライナ１１は、タンク本体として、水素を貯留するための内部空間を形成する。

補強層は、フープ巻きによるフープ層と、ヘリカル巻きによるヘリカル層とによって構成されている。補強層を構成するフィラメントｆは、複数の単繊維が束になって形成されている。

図２は、フープ層の一部を示す。フープ層とは、図２に示すように、フィラメントｆがライナ１１の中心軸ＣＸに対して略直交する方向に巻き付けられた層である。

図３は、ヘリカル層の一部を示す。ヘリカル層とは、図３に示すように、フィラメントｆがライナ１１の中心軸ＣＸに対して、様々な方向に巻き付けられた層である。

図４は、タンク１０の製造工程図を示す。まず、フィラメントにサイジング処理を施す（工程Ｐ３１０）。本実施形態では、サイジング剤にエポキシ樹脂を用いる。これによって、フィラメントが単繊維の束として安定する。

次に、コーティング工程を実施し、フィラメントをコーティングする（工程Ｐ３２０）。工程Ｐ３２０を図５，図６と共に説明する。図５は、コーティング工程を示す工程図である。図６は、コーティング工程に用いられるコーティング装置２００を示す。コーティング装置２００は、押出ラミネートを実施する装置である。

まず、ボビン２０から基材を繰り出す（工程Ｐ３２１）。この基材は、工程Ｐ３１０でサイジングを施したフィラメントである。次に、コータ２４によって、基材に接着剤を塗布する（工程Ｐ３２３）。コータ２４は、接着剤槽２２に貯留された接着剤を、回転を利用して基材に塗布する。

続いて、基材に塗布された接着剤を、乾燥機２６によって乾燥させる（工程Ｐ３２５）。次に、押出機２８によって、溶融状態のポリエチレンフィルムを、基材にコーティングする（工程Ｐ３２７）。工程Ｐ３２７によって、基材全体が物理的にコーティングされる。最後に、コーティングされたフィラメントを、ボビン２９に巻き取る（工程Ｐ３２９）。

次に、上記コーティングを施したフィラメントに、樹脂を含浸する（工程Ｐ３３０）。本実施形態における含浸には、エポキシ樹脂によるドライ工法を用いる。

続いて、含浸したフィラメントを、ＦＷ法によってライナ１１に巻き付ける（工程Ｐ３４０）。ライナ１１には、予め口金などが形成されている。

図７は、工程Ｐ３４０に用いられるフィラメントワインディング装置３００を示す。工程Ｐ３３０によって処理されたフィラメントは、フィラメントｆとしてボビン１０１〜１０４に巻き取られる。本実施形態のＦＷ法は、ライナ１１をマンドレル（型）として使用した後、ライナ１１を脱型せず、タンク１０の一部にする手法である。なお、図７に示すように、ライナ１１の中心軸ＣＸと平行方向をＸ軸方向とし、右手系によるＸＹＺ軸を定義する。図７に示すように、ライナ１１は、回転可能に軸方向両端において支持されており、モータの駆動によって中心軸ＣＸを中心に回転する。

ボビン１０１に巻き取られたフィラメントｆをフィラメントｆ１と呼ぶ。ボビン１０２，１０３，１０４についても同様に、フィラメントｆ２，ｆ３，ｆ４と呼ぶ。

ボビン１０１〜１０４に巻き取られたフィラメントｆ１〜ｆ４は、ライナ１１の回転によって繰り出される。ライナ１１は、巻付部５０にセットされ、巻付部５０が発生するトルクによって回転する。

ボビン１０１〜１０４から繰り出されたフィラメントｆ１〜ｆ４は、図７に示すように、それぞれ別のローラｒ１〜ｒ４による搬送の後、同一のローラｒ５に搬送される。フィラメントｆ１〜ｆ４は、ローラｒ５以降、Ｘ軸方向について所定の間隔を空けて搬送される。

張力調整部３０は、フィラメントｆ１〜ｆ４の張力を、ローラｒ６をＺ軸方向に変位させることによって調整する。フィラメントｆ１〜ｆ４は、ローラｒ６を通過すると、ローラｒ７〜ｒ１１を経て、収束部４０に搬送される。フィラメントｆ１〜ｆ４は、ローラｒ７〜ｒ１１によって搬送される際に、Ｚ軸方向に圧縮力を受け、Ｘ軸方向に拡幅する（図９，図１１参照）。

収束部４０は、内部に形成されたアイ口にフィラメントｆ１〜ｆ４を通すことによって、フィラメントｆ１〜ｆ４が１つの束になるように収束させる。収束部４０は、Ｘ軸方向に延びた搬送軸に沿って、リニアアクチュエータ等の機構によって往復移動する。収束部４０は、Ｘ軸方向に往復移動することによって、フィラメントｆ１〜ｆ４の巻き付けられ方を制御する。この制御によって、フープ巻き及びヘリカル巻きがそれぞれ実現される。

本実施形態では、フープ巻きとヘリカル巻きとで、収束部４０による収束のさせ方を変更する。図８は、図７におけるＡ矢視図であり、フープ巻きの場合を示す図である。図９は、図８のＢ−Ｂ断面図を示す。

フープ巻きを実施する場合、図８，図９に示すように、収束部４０として収束部４０ａを用いる。図８，図９に示すように、収束部４０ａに設けられたアイ口４２ａは、フィラメントｆ１〜ｆ４をＸ軸方向に配列させる。ここでいう配列とは、図９に示すように、仮想断面としてのＺＸ平面において、複数のフィラメントｆがなす列の方向のことである。

一方、ヘリカル巻きを実施する場合、図１０，図１１に示すように、収束部４０として収束部４０ｂを用いる。図１０は、図７におけるＡ矢視図であり、ヘリカル巻きの場合を示す図である。図１１は、図１０のＢ−Ｂ断面図を示す。図１０，図１１に示すように、収束部４０ｂに設けられたアイ口４２ｂは、フィラメントｆ１〜ｆ４をＺ軸方向に配列させる。

フィラメントｆ１〜ｆ４は、アイ口４２ａ，４２ｂにおいて、Ｚ軸方向の負の向きに張力を受けるので、図８〜１１に示したように安定的に配列する。収束部４０ａと収束部４０ｂとの交換は、手動で実行してもよいし、自動で実行する機構を設けてもよい。

図１２は、タンク１０の銅板の断面を拡大した図ある。銅板とは、タンク１０の円筒部分のことである。図１２の拡大図では、フィラメントｆについて、フープ巻きによる１巻き分のみを示す。

フープ巻きの場合、先述したようにアイ口４２ａによって、フィラメントｆ１〜ｆ４がＸ軸方向に配列する。フィラメントｆ１〜ｆ４は、このように配列した状態で巻き付けられることによって、中心軸ＣＸ方向に配列して、ライナ１１又は既に巻きけられたフィラメントｆの外側（以下「巻き付け面」という）に巻き付けられる。つまり、巻き付け面に沿った方向に配列して巻き付けられる。この結果、フィラメントｆ１〜ｆ４それぞれが、巻き付け面に対して接触する。巻き付け面に沿った方向とは、ライナ１１の胴板の母線と略平行な方向である。ここでいう母線とは、中心軸ＣＸを含む仮想面によって巻き付け面を切断することで現れる直線または曲線のことである。この母線は、巻き付け面がライナ１１の胴板の外表面であれば略直線であり、巻き付け面がフィラメントｆによって形成されていれば曲線になる場合がある。フィラメントｆ１〜ｆ４の配列の方向は、例えば「フィラメントｆの長手方向と直交する断面の代表点（重心など）をフィッティングした仮想線の方向」と定義してもよい。

図１３は、タンク１０のＲ部の断面を拡大した図である。タンク１０のＲ部は、タンク１０の中心軸ＣＸ方向の両端部に設けられ、鏡板とも呼ばれる。図１３の拡大図では、フィラメントｆについて、ヘリカル巻きによる１巻き分のみを示す。図２，図３に示したように、Ｒ部においては、主にヘリカル巻きによって補強層が形成される。

ヘリカル巻きの場合、先述したようにアイ口４２ｂによって、フィラメントｆ１〜ｆ４がＺ軸方向に配列する。この配列によって、巻き付けられたフィラメントｆ１〜ｆ４は、巻き付け面に積層する。つまり、巻き付けられたフィラメントｆ１〜ｆ４は、巻き付け面に対し交差する方向（理想的には略直交する方向）に配列する。この結果、フィラメントｆ４のみが巻き付け面に接触する。この配列は、例えば「フィラメントｆの長手方向と直交する断面の代表点を仮想直線でフィッティングすると、この仮想直線は、フィラメントｆ４との接触部位における接平面と交差する（理想的には略直交する）」と表現することもできる。ここでいう接平面とは、フィラメントｆ４とＲ部との接点に仮想的に接する平面のことである。

このようにしてフィラメントｆを巻き付けた後、フィラメントｆにコーティングされたポリエチレンを、フィラメントｆに結合させる（工程Ｐ３５０）。この結合は、フィラメントｆを加熱して、コーティングされたポリエチレンを溶融させ、その後、冷却することによって実現する。

以上に説明した実施形態１によれば、少なくとも以下の効果を得ることができる。
（ａ）Ｒ部におけるヘリカル層を、フィラメントｆを整然と配列させて形成できる。先述したようにヘリカル巻きでは、フィラメントｆ１〜ｆ４を積層させて巻き付ける。このように巻き付ければ、各フィラメントｆが拡幅されても、フィラメントｆ同士の間に隙間ができることがない。この結果、配列の乱れが抑制され、ひいては上記効果を奏する。

（ｂ）各フィラメントｆがポリエチレンによってコーティングされているので、アイ口４２ａ，４２ｂによって収束される際に、フィラメントｆ１〜ｆ４が絡まり合うことが抑制される。これによって、上記の配列が安定的に実現される。

（ｃ）フープ巻きを効率的に実施できる。フープ巻きの場合、フィラメントｆを巻き付け面に広げて配列するので、１巻きによって巻き付ける面積が広いからである。

実施形態２を説明する。実施形態２は、工程Ｐ３２０において使用するコーティング装置が、実施形態１のものと異なる。その他の工程の手法は、実施形態１と同じである。

図１４は、実施形態２のコーティング装置２００ａを示す。コーティング装置２００ａは、実施形態１のコーティング装置２００の代わりに用いられることができる装置であり、ドライラミネートを実施する装置である。ボビン２０、接着剤槽２２、コータ２４、乾燥機２６及びボビン２９は、コーティング装置２００と同じなので、説明を省略する。

コーティング装置２００ａは、ポリエチレンフィルム用ボビン２８０を備える。乾燥機２６を通過した基材は、ポリエチレンフィルム用ボビン２８０から繰り出されたポリエチレンフィルムと、接着剤によって貼り合わせられる。これによって、ポリエチレンによるコーティング（ドライラミネート）が実現される。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。例えば以下のものを挙げることができる。

サイジング剤の樹脂の主成分は、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルピロリドン樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂などでもよいし、これらを２種以上組み合わせて用いてもよい。
含浸に用いる樹脂も、上に列挙したものに変更してもよい。

サイジング剤の代わりに、シランカップリング剤を用いて処理してもよい。この場合、アミノシランは、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−（２−アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシラン、３−(フェニルアミノ)プロピルトリメトキシシラン、３−（２−アミノエチル）アミノプロピルメチルジメトキシシラン等でもよい。エポキシシランは、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、３−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン等でもよい。ビニルシランは、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリス（２−メトキシエトキシ）シラン、ビニルトリアセトキシシラン等でもよい。

工程Ｐ３２０（工程Ｐ３２７）のコーティングで使用される表面処理剤は、ポリエチレンでなくても、ポリプロピレン等の他の熱可塑性樹脂でもよいし、他のものでもよい。
フィラメントの含浸処理に、ウェット工法を用いてもよい。この場合、フィラメントをライナに巻き付ける直前に、含浸処理を実行してもよい。

アイ口の形状の変更を、収束部の変形によって実現してもよい。このようにすれば、収束部を交換しなくて済む。収束部の変形は、例えば、Ｘ軸方向に伸縮する機構を収束部に設けることによって実現してもよい。
フープ巻き及びヘリカル巻きの少なくとも何れかについて、２列以上で配列してもよい。
収束させるフィラメントの本は、４本でなくても、何本でもよい。
コーティング工程や含浸の工程は、実施しなくもよい。

タンクの用途は、燃料電池自動車用でなくても、他の輸送用機器に搭載される燃料電池用でもよいし、据え置き型の燃料電池用でもよいし、燃料電池以外の用途（例えば水素ロータリーエンジン用）でもよい。
タンクに貯蔵される流体は、高圧水素でなくても、ＬＮＧ等、どのような流体でもよい。

１０…タンク
１１…ライナ
２０…ボビン
２２…接着剤槽
２４…コータ
２６…乾燥機
２８…押出機
２９…ボビン
３０…張力調整部
４０…収束部
４０ａ…収束部
４０ｂ…収束部
４２ａ…アイ口
４２ｂ…アイ口
５０…巻付部
１０１〜１０４…ボビン
２００…コーティング装置
２００ａ…コーティング装置
２８０…ポリエチレンフィルム用ボビン
３００…フィラメントワインディング装置
ｆ…フィラメント
ｆ１〜ｆ４…フィラメント
ｒ１〜ｒ１１…ローラ
ＣＸ…中心軸

Claims (5)

1. フープ巻きの工程およびヘリカル巻きの工程を含むフィラメントワインディング法を用い、複数のフィラメントをまとめてライナに巻き付けることによって、タンクを製造する方法であって、
   前記フープ巻きの工程の場合、前記複数のフィラメントそれぞれを巻き付ける面に接触させて巻き付け、前記ヘリカル巻きの工程の場合、前記複数のフィラメントを前記巻き付ける面に積層させて巻き付ける
   タンクの製造方法。
2. 前記複数のフィラメントそれぞれは、表面処理剤によってコーティングされている
   請求項１に記載のタンクの製造方法。
3. フィラメントを前記表面処理剤によってコーティングする工程と、
   前記コーティングされたフィラメントに樹脂を含浸する工程とを含み、
   前記巻き付けられるフィラメントは、前記樹脂が含浸されたフィラメントである
   請求項２に記載のタンクの製造方法。
4. 前記コーティングされるフィラメントは、サイジング剤とシランカップリング剤との少なくとも何れかによって処理されたフィラメントである
   請求項３に記載のタンクの製造方法。
5. 前記フープ巻きの工程及び前記ヘリカル巻きの工程とで、前記複数のフィラメントをまとめるためのアイ口の形状を変更することによって、前記巻き付ける面に接触させる巻き付けと、前記巻き付ける面に積層させる巻き付けとを実現する
   請求項１から請求項４までの何れか一項に記載のタンクの製造方法。

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