JP2017129193A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の低下が抑制された高圧タンクの製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】高圧タンクの製造方法であって、口金を長手方向の両端部に取り付けられたライナーを準備する工程と、弾性を有したキャップに設けられた突出片を、前記ライナーと前記口金との隙間の一部に挿入して、前記キャップにより前記隙間の全体が覆われるように前記ライナーに前記キャップを装着する工程と、前記口金及びキャップと共に前記ライナーの外周を、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回させて繊維層を形成する工程と、を備え、前記突出片は、弾性圧縮されて前記隙間内に嵌合する、又は前記隙間内に設けられた係合部に係合する。
【選択図】図４

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

特許文献１では、高圧タンクの製造方法に関して、ライナーと口金との隙間とその周辺に液状のＦＩＰＧ（Formed In Place Gasket）を塗布し、このＦＩＰＧを硬化させる技術が開示されている。

特開２０１４−１４２０１７号公報

しかしながら、液状のＦＩＰＧをライナーと口金との隙間内に十分に塗布するには時間を要する。更に、ＦＩＰＧの硬化にも時間を要する。以上のように、高圧タンクの製造に時間を要するため、高圧タンクの生産性が低下する可能性がある。

そこで本発明は、生産性の低下が抑制された高圧タンクの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は、高圧タンクの製造方法であって、口金を長手方向の両端部に取り付けられたライナーを準備する工程と、弾性を有したキャップに設けられた突出片を、前記ライナーと前記口金との隙間の一部に挿入して、前記キャップにより前記隙間の全体が覆われるように前記ライナーに前記キャップを装着する工程と、前記口金及びキャップと共に前記ライナーの外周を、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回させて繊維層を形成する工程と、を備え、前記突出片は、弾性圧縮されて前記隙間内に嵌合する、又は前記隙間内に設けられた係合部に係合する、高圧タンクの製造方法によって達成できる。

生産性の低下が抑制された高圧タンクの製造方法を提供できる。

図１Ａは、本実施例の高圧タンクの外観図、図１Ｂは、図１Ａの部分断面図である。 図２は、図１Ｂの拡大図であり、繊維層が形成される前のライナー、口金、及びキャップを示している。 図３Ａは、口金を取り付けたライナーにキャップが装着された状態の正面図であり、図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ、ライナーに装着される前のキャップの正面図及び側面図である。 図４は、ライナーへの装着前後でのキャップの状態を示している。 図５は、第１変形例のキャップの説明図である。 図６は、第２変形例のキャップの説明図である。

本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１Ａは、本実施例の高圧タンク１００の外観図、図１Ｂは、図１Ａの部分断面図である。尚、図１Ａには、高圧タンク１００の中心軸Ａを示している。高圧タンク１００は、高圧の水素を貯蔵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が、高圧タンク１００の用途はこれに限定されない。

高圧タンク１００は、ライナー１０、口金１６、キャップ２０、及び繊維層１０２を有する。ライナー１０は、中空のタンク容器であり、水素透過性が低い合成樹脂製であり、例えば、ナイロン等である。口金１６は、アルミ等の金属製であり、ライナー１０の長手方向の両端に設けられている。口金１６は、高圧タンク１００へのガスの充填、あるいは、高圧タンク１００からのガスの放出のために用いられる。尚、ライナー１０と口金１６の間には、Ｏリングｗが装着されている。高圧タンク１００では、Ｏリングｗにより、内部に収容される流体がライナー１０と口金１６の間の隙間から流出することを防止している。

キャップ２０は、ライナー１０と口金１６との隙間周辺を覆ってライナー１０に装着されている。キャップ２０は、弾性を有した合成ゴム製、又は弾性を有した合成樹脂製であり、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコンゴム（ＶＱＭ）、ポリプロピレン系エラストマー樹脂、ナイロン系エラストマー樹脂、ポリエチレン系エラストマー樹脂等である。キャップ２０については詳しくは後述する。

繊維層１０２は、口金１６の先端部を除いて、口金１６と共にライナー１０の外周を被覆している。繊維層１０２は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維をフィラメントワインディング工法（以下、ＦＷ法と称する）により口金１６と共にライナー１０の外周に巻回させることで形成されている。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂等である。また、ライナー１０の外周に巻回させる繊維は、例えばガラス繊維や、カーボン繊維、アラミド繊維等である。

図２は、図１Ｂの拡大図であり、繊維層１０２が形成される前のライナー１０、口金１６、及びキャップ２０を示している。ライナー１０は、円筒状のシリンダー部１２と、シリンダー部１２の両側に連続した半球面状のドーム部１４とを有する。ドーム部１４は、滑らかに湾曲した外側面１４ｆを有している。また、ライナー１０は、その中心軸Ａの方向の両端部に、口金１６の装着用の窪み部１４ｒが形成されている。窪み部１４ｒの中央には、貫通孔１４ｈが形成されている。この貫通孔１４ｈに口金１６の基端部１６ｔが嵌合している。

口金１６は、筒状の本体部１６ｍと、本体部１６ｍから径方向外側に突出して窪み部１４ｒに挿入されたフランジ部１６ｆと、フランジ部１６ｆからライナー１０内に突出した基端部１６ｔと、バルブ接続孔１６ｈとを有する。基端部１６ｔは、ライナー１０の貫通孔１４ｈに嵌合される。バルブ接続孔１６ｈは、口金１６の中央を貫通している。高圧タンク１００の両端部にある口金１６の一方は、バルブ接続孔１６ｈをタンク内部で閉じられている。

フランジ部１６ｆは、本体部１６ｍに連続してライナー１０の外側を向いた外側面１６ｆｆ、外側面１６ｆｆに連続した外周面１６ｆｅを含む。フランジ部１６ｆは、外側面１６ｆｆの中心付近から外周面１６ｆｅに近づくほど厚みが薄くなっており、外側面１６ｆｆは滑らかに湾曲している。外周面１６ｆｅと窪み部１４ｒの内周面１４ｒｓとの間には、隙間ＣＲ１が形成される。隙間ＣＲ１内には、キャップ２０の突出片２２が嵌合している。隙間ＣＲ１については詳しくは後述する。

キャップ２０は、外側に凸となるように湾曲した外面２１ａと、外面２１ａの裏面に相当する内面２１ｂを含む。突出片２２は、内面２１ｂから突出している。突出片２２は所定の厚みを有している。また、キャップ２０は、突出片２２よりも径方向外側の外側部２４、突出片２２よりも径方向内側の内側部２６を有している。外側部２４及び内側部２６は、それぞれドーム部１４の外側面１４ｆ及びフランジ部１６ｆの外側面１６ｆｆに密着している。

次に、キャップ２０と隙間ＣＲ１について詳細に説明する。図３Ａは、口金１６を取り付けたライナー１０にキャップ２０が装着された状態の正面図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれ、ライナー１０に装着される前のキャップ２０の正面図及び側面図である。キャップ２０は、正面視で略円環状であり、側面視で略截頭円錐状である。突出片２２は、周方向に略等角度間隔を空けて複数形成されている。また、これら突出片２２は、キャップ２０の中心からの距離が一定である。

図３Ａに示すように、隙間ＣＲ１及びＣＲ２は、ライナー１０の中心軸Ａ周りに交互に連続的に形成されている。隙間ＣＲ１及びＣＲ２を画定する、フランジ部１６ｆの外周面１６ｆｅと窪み部１４ｒの内周面１４ｒｓとは、スプライン状に形成されている。従って隙間ＣＲ１は、隙間ＣＲ２よりも中心軸Ａに近い位置に形成されている。隙間ＣＲ１は、隙間ＣＲ２よりも径方向の大きさが若干大きく形成されており、キャップ２０の突出片２２は、隙間ＣＲ２ではなく隙間ＣＲ１に嵌合されている。また、この隙間ＣＲ１及びＣＲ２全体は、キャップ２０により覆われている。

上述のように、フランジ部１６ｆの外周面１６ｆｅと窪み部１４ｒの内周面１４ｒｓとがスプライン状に形成されている。このため、ライナー１０に取り付けられた口金１６を回転することによって、口金１６側及びライナー１０側のスプライン歯の側面同士が接触して、口金１６に伴ってライナー１０を回転させることができる。従って、後述するライナー１０の外周に繊維層１０２を形成する工程においては、口金１６を回転させることによりライナー１０を回転させて、ライナー１０の外周に繊維を巻回させることができる。尚、キャップ２０の突出片２２はスプライン歯の側面同士の間を避けて隙間ＣＲ１に挿入されているため、上記のように口金１６を回転させた場合であっても、突出片２２が大きな圧縮力を受けることが回避されている。

尚、隙間ＣＲ１及びＣＲ２は同じ大きさであってもよい。また、隙間ＣＲ１よりも隙間ＣＲ２の方を若干大きく形成し、キャップ２０の突出片２２が隙間ＣＲ２に嵌合できる位置に形成してもよい。また、突出片２２は、キャップ２０のライナー１０からの脱落を抑制するために、少なくとも２つ以上設けられていることが望ましい。隙間ＣＲ１及びＣＲ２の全体の形状は、このようなスプライン状ではなくてもよく、例えば円形状であってもよい。この場合、口金１６を回転させることによりライナー１０を回転させるために、例えば、フランジ部１６ｆと窪み部１４ｒとの接触面に互いに係合する凹凸を設けてもよい。

図４は、ライナー１０への装着前後でのキャップ２０の状態を示している。ライナー１０に装着する前のキャップ２０の外側部２４は、外側部２４が接触するドーム部１４の外側面１４ｆの曲率よりも小さく湾曲している。同様に、ライナー１０に装着する前のキャップ２０の内側部２６は、内側部２６が接触するフランジ部１６ｆの外側面１６ｆｆの曲率よりも小さく湾曲している。このため、キャップ２０をライナー１０に装着した際に、外側部２４及び内側部２６は弾性復元力によりそれぞれ外側面１４ｆ及び１６ｆｆに密着する。これによって、隙間ＣＲ１及びＣＲ２周辺が外側部２４及び内側部２６により覆われる。これにより、ライナー１０へのキャップ２０の装着後に行われる繊維層１０２を形成する工程において、繊維に含浸した熱硬化性樹脂が隙間ＣＲ１及びＣＲ２内に流入することが抑制される。

例えば、隙間ＣＲ１又はＣＲ２内に流入した熱硬化性樹脂によりライナー１０と口金１６とが接着された高圧タンク１００を、低温環境下で使用した場合を想定する。この場合には、合成樹脂製であるライナー１０は金属製である口金１６よりも線膨張係数が大きいため、ライナー１０が収縮しようとするが、ライナー１０と熱硬化性樹脂によって接合されている口金１６によって収縮できずに、ライナー１０に応力が加わる可能性がある。本実施例では、このような可能性を低減できる。

また、突出片２２の厚みは、ライナー１０に対する口金１６の組み付け精度やライナー１０及び口金１６の成形精度を考慮した隙間ＣＲ１の幅の許容最大値よりも、若干厚く形成されている。従って、ライナー１０に口金１６が取り付けられた状態で、隙間ＣＲ１内にキャップ２０の突出片２２を挿入することにより、突出片２２は隙間ＣＲ１内で弾性圧縮された状態で嵌合する。これにより、突出片２２の弾性復元力が内周面１４ｒｓと外周面１６ｆｅとに作用して、突出片２２が隙間ＣＲ１から抜け落ちることが抑制される。

次に、高圧タンク１００の製造方法について説明する。まず、口金１６が取り付けられたライナー１０を準備する。具体的には、口金１６が取り付けられる前のライナー１０を中心軸Ａの中央で分割されたライナー１０の半体を２つ用意する。次に、ライナー１０の半体のそれぞれのドーム部１４の窪み部１４ｒに、口金１６のフランジ部１６ｆを入り込ませるようにして、ドーム部１４の貫通孔１４ｈに口金１６の基端部１６ｔを嵌合させる。次に、ライナー１０の半体同士を、レーザー融着する。このようにして、両端部に口金１６が取り付けられたライナー１０を準備する。

次に、口金１６とライナー１０との隙間の一部である隙間ＣＲ１にキャップ２０の突出片２２を挿入して、ライナー１０の両端部にキャップ２０を装着する。これにより、口金１６とライナー１０との隙間ＣＲ１及びＣＲ２全体がキャップ２０により覆われる。

次に、ライナー１０の外周に、ＦＷ法により繊維層１０２を形成する。具体的には、上述したように口金１６を回転させつつ、エポキシ樹脂を含浸させた繊維を、口金１６と共にライナー１０の周囲に繰り返し巻回する。その後、ライナー１０を、加熱炉にて加熱して、繊維に含まれたエポキシ樹脂を硬化させる。エポキシ樹脂が硬化すると、繊維層１０２が形成され、高圧タンク１００が完成する。

以上のように、高圧タンク１００の製造工程において、予め成形されたキャップ２０をライナー１０に装着する。これにより、例えば液状のＦＩＰＧを隙間ＣＲ１及びＣＲ２内及びその周辺に塗布してこのようなキャップを形成する場合と比較して、塗布作業やＦＩＰＧの硬化時間を省くことができ、短時間で高圧タンク１００を製造できる。これにより高圧タンク１００の生産性の低下が抑制されている。また、予め成形された同一形状のキャップ２０を複数用意して、複数の高圧タンク１００を製造できるため、液状のＦＩＰＧを塗布する場合と比較して、製品のバラつきを抑制できる。

また、予め成形されたキャップ２０をライナー１０に装着するため、繊維層１０２が形成される前の製造工程では、ライナー１０に装着されたキャップ２０を取り外すこともできる。これにより、ライナー１０にキャップ２０が装着された後に、例えばライナー１０、キャップ２０又は口金１６に何らかの不良が発見された場合には、これらを分解して不良のある部品を交換することもできる。これにより、製造コストの増大を抑制できる。

次に、第１変形例のキャップ２０ａについて説明する。同一の構成については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。図５は、第１変形例のキャップ２０ａの説明図である。キャップ２０ａの突出片２２ａは、隙間ＣＲ１ａよりも厚みが薄く形成されている。また、突出片２２ａは、根本部から直線状に延び、先端部２２ａ１はキャップ２０ａの径方向内側に突出している。また、口金１６ａの外周面１６ｆｅａの、窪み部１４ｒの底面側には、階段状の段部１６ｆｇａが形成されている。突出片２２ａの先端部２２ａ１は、段部１６ｆｇａに係合している。これにより、キャップ２０ａがライナー１０から脱落することが抑制される。段部１６ｆｇａは、係合部の一例である。尚、係合部の形状は、階段状に限らず、例えば凹部状であってもよい。

第１変形例では、先端部２２ａ１が径方向内側に突出してフランジ部１６ｆａに段部１６ｆｇａが形成されているがこれに限定されない。例えば先端部２２ａ１が径方向外側、即ち、図５において上方側に突出しており、ドーム部１４の窪み部１４ｒの内周面１４ｒｓ側に係合部が設けられていてもよい。即ち、係合部は隙間ＣＲ１ａ内にあれば、ライナー１０側又は口金１６側の何れかに形成されていればよい。

次に、第２変形例のキャップ２０ｂについて説明する。図６は、第２変形例のキャップ２０ｂの説明図である。キャップ２０ｂの外側部２４及び内側部２６の内面には、リブ部２４ｂ１及び２６ｂ１が形成されている。リブ部２４ｂ１及び２６ｂ１は、それぞれキャップ２０ｂの外周縁及び内周縁に沿って周方向に延びている。また、ライナー１０ｂのドーム部１４ｂと口金１６ｂのフランジ部１６ｆｂのそれぞれには、リブ部２４ｂ１及び２６ｂ１が係合する溝部１４ｂ１及び１６ｂ１が形成されている。溝部１４ｂ１及び１６ｂ１は、リブ部２４ｂ１及び２６ｂ１と同様に周方向に延びている。ここで、溝部１４ｂ１及び１６ｂ１はそれぞれリブ部２４ｂ１及び２６ｂ１よりも大きく形成されている。このため、キャップ２０ｂを装着した状態では、溝部１４ｂ１及び１６ｂ１内には、それぞれリブ部２４ｂ１及び２６ｂ１によって埋められない空間が確保される。このため、繊維層１０２を形成する際に、繊維に含まれた熱硬化性樹脂がキャップ２０ｂとドーム部１４ｂとの間やフランジ部１６ｆｂとの間に流れたとしても、溝部１４ｂ１及び１６ｂ１内の空間に溜まり、隙間ＣＲ１及びＣＲ２への熱硬化性樹脂の流入を抑制できる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１０ ライナー
１４ ドーム部
１６ 口金
１６ｆｇａ 段部
２０ キャップ
２１ａ 外面
２１ｂ 内面
２２ 突出片
２２ａ１ 先端部
２４ 外側部
２６ 内側部
ＣＲ１、ＣＲ１ａ 隙間
１００ 高圧タンク
１０２ 繊維層

Claims (1)

1. 高圧タンクの製造方法であって、
   口金を長手方向の両端部に取り付けられたライナーを準備する工程と、
   弾性を有したキャップに設けられた突出片を、前記ライナーと前記口金との隙間の一部に挿入して、前記キャップにより前記隙間の全体が覆われるように前記ライナーに前記キャップを装着する工程と、
   前記口金及びキャップと共に前記ライナーの外周を、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回させて繊維層を形成する工程と、を備え、
   前記突出片は、弾性圧縮されて前記隙間内に嵌合する、又は前記隙間内に設けられた係合部に係合する、高圧タンクの製造方法。

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