JP2016223569A - タンクの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】シート繊維を用いてタンクを精度よく形成することのできる技術を提供する。【解決手段】ライナーを備えるタンクの製造方法は、（Ａ）ライナーよりも強度が高いマンドレルに、樹脂が含浸されたシート状の繊維を巻回して加熱硬化させてシート層を形成する工程と、（Ｂ）シート層からマンドレルを抜く工程と、（Ｃ）工程（Ｂ）の後に、シート層にライナーを嵌める工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、タンクの製造方法に関する。
天然ガス自動車や燃料電池自動車などに用いられる燃料を貯蔵する高圧タンクの製造方法として、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と呼ぶ）が知られている。ＦＷ法によるタンクの製造方法では、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が含浸されている強化繊維をライナーの外周に巻き付け、その熱硬化性樹脂を加熱して硬化させて補強層を形成する。例えば、特許文献１に開示された技術では、ＦＷ法によってライナー上に繊維束をヘリカル巻きにより巻回し、その上から、シート状の繊維（以下、シート繊維という）を巻回して補強層を形成している。
特開２０１０−２６５９３１号公報 特開平９−３２３３６５号公報
ここで、シート繊維のたわみを抑制するために、シート繊維の巻回時にシート繊維に対して大きな張力をかけると、その張力がライナーの剛性を超えることによって、ライナーが変形してしまうおそれがある。そのため、シート繊維を用いた場合においてタンクを精度よく形成することのできる技術が求められている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、ライナーを備えるタンクの製造方法が提供される。この製造方法は、（Ａ）前記ライナーよりも剛性が高いマンドレルに、樹脂が含浸されたシート状の繊維を巻回して加熱硬化させてシート層を形成する工程と；（Ｂ）前記シート層から前記マンドレルを抜く工程と；（Ｃ）前記工程（Ｂ）の後に、前記シート層内に前記ライナーを嵌める工程と；を備える。このような形態の製造方法であれば、ライナーよりも剛性の高いマンドレルにシート状の繊維を巻回するので、シート状の繊維をライナーに巻回する場合よりも大きな張力でシート状の繊維を巻回することができる。そのため、シート層にたわみが生じることを抑制することができ、タンクを精度よく形成することができる。
（２）上記形態の製造方法において、前記ライナーは、円筒状のストレート部と、前記ストレート部の端部に設けられた曲面状のドーム部と、を有し、（Ｄ）前記工程（Ａ）の後に、前記シート層の端部を、前記ドーム部の外表面の形状に沿った形状に加工する工程を備えてもよい。このような形態の製造方法であれば、シート層の端部がドーム部の外表面の形状に沿った形状に加工されるので、タンクの形状精度を高めることができる。
（３）上記形態の製造方法は、（Ｅ）前記工程（Ｃ）の後に、前記ライナー内に圧力を加えて、前記ライナー上に繊維束を巻回する工程を備えてもよい。このような形態の製造方法であれば、繊維束を巻回する際に、ライナーをその内側から圧力によって支持することができるので、タンクの形状精度を高めることができる。
本発明は、上述したタンクの製造方法としての形態に限らず、種々の形態で実現することが可能である。例えば、タンクそのものや、タンクの製造装置等の形態で実現することができる。
タンクの概略構成を示す断面図である。 タンクの製造方法を示す工程図である。 シート層形成工程の説明図である。 シート繊維にかける張力を示す図である。 マンドレルが抜かれたシート層の断面図である。 端部加工工程後のシート層の断面図である。 シート層内にライナーが嵌められた様子を示す模式図である。 ヘリカル層が形成された様子を示す模式図である。
Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における製造方法によって製造されるタンク１０の概略構成を示す断面図である。本実施形態におけるタンク１０には、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧の水素ガスが貯蔵される。タンク１０は、ライナー２０と補強層３０とを備えている。
ライナー２０は、樹脂製の中空ライナーである。ライナー２０は、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂によって形成されている。ライナー２０は、ストレート部２１とドーム部２２，２３と口金１３，１４とを備えている。ストレート部２１は、円筒形状を有している。ドーム部２２，２３は、ストレート部２１の両端に設けられており、ライナー２０の外側に向けて凸となる曲面状に形成されている。ドーム部２２，２３の頂点には、それぞれ、アルミニウムやステンレス鋼等の金属によって形成された口金１３，１４が設けられている。一方の口金１３は、貫通孔１５を備えており、タンク１０内からのガスの取り出しまたはタンク１０内へのガスの補充に用いられる。他方の口金１４は、ライナー２０の補強ないし補強層形成時におけるライナーの回転のために用いられる。口金１４は省略することも可能である。
補強層３０は、ライナー２０の周囲を覆う層であり、ライナー２０を補強するための層である。補強層３０は、シート層３２とヘリカル層３４とを備えている。シート層３２のことを内層、ヘリカル層３４のことを外層と呼ぶこともできる。
シート層３２は、ライナー２０のストレート部２１の外表面に、シート繊維を複数回巻回させて積層することによって構成されている。本実施形態におけるシート繊維は、一方向に方向の揃ったガラス繊維や炭素繊維にエポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させることによって形成したシート状の繊維である。本実施形態では、シート繊維中の繊維は、シート繊維の巻回方向、すなわち、ストレート部２１の周方向に方向が揃えられている。なお、シート繊維は、シート繊維の巻回方向に交差する方向を向く繊維を含んでもよい。「シート層」のことを、「フープ層」と呼ぶことも可能である。
ヘリカル層３４は、シート層３２およびドーム部２２，２３に繊維束をヘリカル巻きすることによって構成されている。本実施形態における繊維束は、ガラス繊維や炭素繊維を１００００〜４００００本程度束ね、エポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させることによって形成されている。
シート層３２の厚みとヘリカル層３４の厚みとは、それぞれ、タンク１０に求められる耐圧性能や強度に応じて適宜設定される。
図２は、タンク１０の製造方法を示す工程図である。本実施形態の製造方法では、まず、ライナー２０よりも剛性が高いマンドレル（芯金）にシート繊維を巻回してシート層３２を形成する工程が行われる（工程Ｐ１０）。工程Ｐ１０のことを、シート層形成工程ともいう。
図３は、シート層形成工程の説明図である。シート層形成工程では、まず、シート層３２の型となるマンドレル４０が用意される。マンドレル４０は、ステンレスや鉄、銅などの金属によって形成された円柱状の形状を有している。マンドレル４０の外径は、ライナー２０のストレート部２１の外径よりも若干（例えば、０．５ｍｍ程度）大きい。また、マンドレル４０の軸ＡＸに沿った長さは、ライナー２０のストレート部２１の長さよりも長い。本実施形態では、マンドレル４０の剛性は、ライナー２０の剛性よりも高い。より具体的には、マンドレル４０を、樹脂製のライナー２０よりもヤング率の大きい金属によって構成することによって、マンドレル４０の剛性をライナー２０よりも高くしている。その他、マンドレル４０の構造を中実にするなど、マンドレル４０の断面積をライナー２０の断面積よりも大きくすることによっても、マンドレル４０の剛性をライナー２０よりも高めることができる。この場合、ライナー２０とマンドレル４０の素材が同じであっても、マンドレル４０の剛性をライナー２０よりも高めることが可能である。
マンドレル４０が用意されると、続いて、マンドレル４０の周方向に沿って、シートワインディング法（以下、「ＳＷ法」という）によってシート繊維５０が巻回される。本実施形態では、シート繊維５０の幅は、ライナー２０のストレート部２１の軸ＡＸ方向における長さと同じである。また、シート繊維５０の厚みは、約０．４ｍｍである。本実施形態では、このシート繊維５０を３０回、マンドレル４０に巻回することによって約１２ｍｍの厚みを有するシート層３２が形成される。
図４は、シート繊維５０の巻回時にシート繊維５０にかける張力を示す図である。本実施形態では、ＳＷ法において、シート繊維５０にかける単位幅あたりの張力を、一般的なＦＷ法において繊維束にかける張力の２倍程度とする。更に、本実施形態では、シート層３２の外層ほど、張力が低くなるようにシート繊維５０を巻回する。つまり、シート繊維５０の巻き初めが最も張力が高く、巻き終わりが最も張力が低くなるようにシート繊維５０を巻回する。
シート層形成工程では、シート繊維５０をマンドレル４０に巻回した後、シート繊維５０を加熱硬化させることによってシート層３２が完成する。
シート層３２の完成後、続いて、シート層３２からマンドレル４０を抜く工程が行われる（図２の工程Ｐ２０）。この工程Ｐ２０のことを引き抜き工程ともいう。
図５は、引き抜き工程によってマンドレル４０が抜かれたシート層３２の断面図である。図５に示すように、マンドレル４０が引き抜かれた後のシート層３２は、円筒状になっている。
引き抜き工程後、シート層３２の端部３６，３７を、ライナー２０のドーム部２２，２３の外表面の形状に沿った形状に加工する工程が行われる（図２の工程Ｐ３０）。この工程Ｐ３０のことを、端部加工工程ともいう。
図６は、端部加工工程後のシート層３２の断面図である。端部加工工程では、円筒状のシート層３２の両端（端部３６，３７）が、ライナー２０のドーム部２２，２３の外表面に沿った形状に加工される。この加工は、例えば、切削加工や研削加工によって行われる。シート層３２の端部３６，３７の加工面は、ドーム部２２，２３の外表面に概ね沿った形状であればよく、ドーム部２２，２３の曲率と曲率が正確に一致するほどの精度でなくてもよい。加工面は、例えば、斜面状であってもよい。
シート層３２に対して端部加工が施された後、シート層３２内にライナー２０を嵌める工程が行われる（図２の工程Ｐ４０）。この工程Ｐ４０のことを、嵌め工程ともいう。
図７は、嵌め工程によってシート層３２内にライナー２０が嵌められた様子を示す模式図である。本実施形態では、ライナー２０のストレート部２１の外径よりも若干外径の大きいマンドレル４０を用いてシート層３２が形成されているため、ライナー２０を容易にシート層３２内に嵌めることができる。なお、例えば、ライナー２０のストレート部２１の外径とシート層３２の内径とが同程度の場合には、ライナー２０を予め冷却し、収縮させておいてシート層３２に挿入してもよい。
嵌め工程後、口金１３を通じてライナー２０の内部を加圧してライナー２０のストレート部２１の外表面をシート層３２の内面に密着させる工程が行われる（図２の工程Ｐ５０）。この工程Ｐ５０のことを、加圧工程ともいう。
加圧工程後、ライナー２０の内部を加圧した状態のまま、ライナー２０上に繊維束を巻回する工程が行われる（工程Ｐ６０）。この工程Ｐ６０のことを、ヘリカル層形成工程ともいう。ヘリカル層形成工程では、ＦＷ法によって、ライナー２０上に繊維束をヘリカル巻きによって巻回することによりヘリカル層３４が形成される。このヘリカル巻きでは、繊維束が、タンク１０の軸ＡＸに対して０〜３０度の巻回角度でドーム部２２，２３およびシート層３２を含む範囲に巻回される。つまり、このヘリカル層形成工程では、シート層３２上と、ライナー２０のうちのドーム部２２，２３上と、に繊維束が巻回される。
図８は、ヘリカル層形成工程によってヘリカル層３４が形成された様子を示す模式図である。図８には、タンク１０の一部の断面を示している。本実施形態では、上記端部加工工程によってシート層３２の端部３６，３７がドーム部２２，２３の外表面に沿った形状に加工されているので、シート層３２とライナー２０の境界において、繊維束が段差無く巻回される。
ヘリカル層形成工程が行われた後、シート層３２およびヘリカル層３４を一体的に加熱硬化させるための熱硬化処理が行われる（図２の工程Ｐ７０）。熱硬化処理が行われた後、ライナー２０に対する加圧が解除される（工程Ｐ８０）。以上で説明した一連の工程により、タンク１０は完成する。
以上で説明した本実施形態のタンク１０の製造方法では、樹脂製のライナー２０よりも剛性の高い金属製のマンドレル４０にシート繊維５０を巻回するので、ライナー２０にシート繊維５０を巻回する場合よりも、大きな張力を加えながらシート層３２を形成することができる。そのため、シート繊維５０にたわみが生じることが抑制される。この結果、タンク１０の形状精度を向上させることができ、タンク１０の強度も高めることも可能になる。
また、本実施形態では、シート繊維５０を用いて補強層３０の内面を形成するので、補強層３０の内面に凹凸が生じることを抑制することができる。そのため、タンク１０の容積にばらつきが生じることを抑制することができる。
また、本実施形態では、補強層３０の形成にあたり、まず、シート繊維５０によってシート層３２を形成するので、ヘリカル層３４が接触する面（つまり、シート層３２の外面）を滑らかに形成することができる。そのため、ヘリカル層３４の形成時において、繊維束が蛇行することを抑制することができる。この結果、ドーム部２２，２３に対しても精度よく繊維束を巻回することが可能になり、ドーム部２２，２３を含め、タンク１０全体の強度を高めることができる。
更に、本実施形態では、シート繊維５０の巻回時に、シート繊維５０に加える張力を外層ほど弱めていくので、シート層３２の内層側にしわが寄ることを抑制することができる。そのため、タンク１０の形状精度を高めることができる。
また、本実施形態では、シート層３２の端部３６，３７を、ライナー２０のドーム部２２，２３の外表面の形状に沿った形状に加工するので、シート層３２とライナー２０の境界において、繊維束を段差無く巻回することができる。そのため、タンク１０の形状精度を高めることができる。
また、本実施形態では、シート層３２の端部３６，３７を、ライナー２０のドーム部２２の外表面の形状に沿った形状に加工するので、繊維束をヘリカル巻きするときに、シート層３２とライナー２０との境界部分に応力が集中することを抑制することができる。そのため、タンク１０全体の強度を高めることができる。
また、本実施形態では、シート層３２を形成した後に、シート層３２内にライナー２０を挿入してライナー２０に内圧を加える。そのため、ヘリカル層３４の形成時に、ライナー２０を内側から圧力によって支持することができ、タンク１０の形状精度をより高めることができる。
また、本実施形態では、補強層３０の一部をシート繊維５０によって形成するので、補強層３０の全てをＦＷ法によって形成するよりも、補強層３０の形成時間を大幅に短縮することができる。例えば、ＦＷ法によってシート層３２に相当する厚みの層（フープ層）を形成するのに１時間かかるとすると、シート繊維５０を用いてシート層３２を形成するのには２分程度で済む。そのため、タンク１０の製造効率を大幅に高めることができる。
また、本実施形態では、シート層３２は、シート繊維５０を用いて形成するため、シート層３２内において繊維束間に隙間が生じることや繊維束同士で不要な重なりが生じることがない。そのため、タンク１０の強度を向上させることができる。
Ｂ．変形例：
上記実施形態において、シート層３２に対する端部加工工程（図２の工程Ｐ３０）は省略してもよい。例えば、シート繊維５０を台形状に形成し、それを巻回することによっても、シート層３２の端部３６，３７を傾斜させることが可能である。
上記実施形態では、シート層３２からマンドレル４０を引き抜いた後に端部加工工程を行っているが、シート層３２をマンドレル４０から引き抜く前に端部加工工程を行ってもよい。
上記実施形態では、ライナー２０として、樹脂製のライナー２０を用いているが、アルミニウムや鉄などの金属製のライナー２０を用いてもよい。
上記実施形態では、ヘリカル層３４を形成しているが、タンク１０に求められる強度あるいはライナー２０の強度によっては、シート層３２のみを形成し、ヘリカル層３４の形成を省略してもよい。この場合、ライナー２０のストレート部２１の外径とシート層３２の内径とを同程度にして、ライナー２０を予め冷却し、収縮させておいてシート層３２に挿入してもよい。また、ライナー２０内に常に圧力を加えて、ライナー２０とシート層３２とが密着する状態でタンクを使用してもよい。
上記実施形態では、シート層３２にライナー２０を挿入した後に、ライナー２０に内圧をかけてヘリカル層３４を形成しているが、ライナー２０の強度によっては、内圧をかけずにヘリカル層３４を形成してもよい。
上記実施形態では、補強層３０は、シート層３２とヘリカル層３４とを備えているが、ヘリカル層３４の外層側に、更に、シート層やフープ層を備えてもよい。また、例えば、マンドレル４０上にＦＷ法によってフープ層あるいはヘリカル層を形成してから、その上にＳＷ法によってシート層を形成してもよい。
上記実施形態では、ヘリカル層形成工程において、シート層３２とドーム部２２，２３との上から繊維束が巻回されるが、シート層３２上にのみに繊維束が巻回されてもよい。
本発明は、上述の実施形態や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または変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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。
１０…タンク
１３，１４…口金
１５…貫通孔
２０…ライナー
２１…ストレート部
２２，２３…ドーム部
３０…補強層
３２…シート層
３４…ヘリカル層
３６，３７…端部
４０…マンドレル
５０…シート繊維

Claims (3)

  1. ライナーを備えるタンクの製造方法であって、
    （Ａ）前記ライナーよりも剛性が高いマンドレルに、樹脂が含浸されたシート状の繊維を巻回して加熱硬化させてシート層を形成する工程と、
    （Ｂ）前記シート層から前記マンドレルを抜く工程と、
    （Ｃ）前記工程（Ｂ）の後に、前記シート層内に前記ライナーを嵌める工程と、
    を備える製造方法。
  2. 請求項１に記載のタンクの製造方法であって、
    前記ライナーは、円筒状のストレート部と、前記ストレート部の端部に設けられた曲面状のドーム部と、を有し、
    （Ｄ）前記工程（Ａ）の後に、前記シート層の端部を、前記ドーム部の外表面の形状に沿った形状に加工する工程を備える、製造方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載のタンクの製造方法であって、
    （Ｅ）前記工程（Ｃ）の後に、前記ライナー内に圧力を加えて、前記ライナー上に繊維束を巻回する工程を備える、製造方法。
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