JP2017140809A - タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ライナー１０に繊維強化樹脂からなる筒状部４を成形しても、筒状部４の肉厚により形成された段差に起因して、タンク１の強度が低下することを抑えることができるタンク１の製造方法を提供する。【解決手段】タンク１の製造方法では、ライナー１０の胴体部２に、１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを胴体部２の軸心ＣＬに対して直交する方向から複数回巻き付けることにより、筒状部４を成形し、筒状部４が成形されたライナー１０の両側の側端部３に亘って、樹脂が含浸された連続繊維６１でヘリカル巻きすることにより、補強層６を成形する。筒状部４を成形する工程において、強化繊維樹脂シート４Ａとして、繊維強化樹脂シート４Ａを巻きける際の胴体部２の軸心方向に亘る繊維強化樹脂シート４Ａの幅が、繊維強化樹脂シート４Ａを巻き付けるに従って狭くなるシートを用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス等を貯蔵するに好適なタンクの製造方法に関する。

たとえば、天然ガス自動車または燃料電池自動車などには、燃料ガスを貯蔵するタンクが利用されている。この種のタンクは、軽量化および高強度化を図るべく、タンクの形状に応じたライナーに、繊維強化樹脂が被覆されている。

このようなタンクの製造方法として、たとえば、特許文献１には、以下に示すタンクの製造方法が提案されている。この製造方法では、まず、筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部と、を有したライナーを準備する。次に、ライナーに、樹脂が含浸された連続繊維をヘリカル巻きした第１ヘリカル層を成形する。次に、ヘリカル層の表面に、シート状の繊維強化樹脂を巻回してフープ層（筒状部）を成形する。さらに、第１ヘリカル層が筒状部から露出した部分と、筒状部とに、樹脂が含浸された連続繊維をヘリカル巻きした第２ヘリカル層（補強層）を成形する。

特開２０１０−２６５９３１号公報

しかしながら、特許文献１に示す製造方法では、筒状部を成形した際に、筒状部の肉厚により、筒状部の表面と、筒状部から露出した第１ヘリカル層の表面との間に段差が形成されてしまう。このような段差が形成された部分に補強層を成形した場合、補強層と段差が形成された部分に空洞が形成されてしまい、この空洞によりタンクの強度が低下することが想定される。またこのような段差を無くすため、筒状部の両周縁を削り取ると、筒状部内の強化繊維が切断され、この部分のタンク強度が低下してしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、ライナーに繊維強化樹脂からなる筒状部を成形しても、筒状部の肉厚による段差に起因した、タンク強度の低下を抑えることができるタンクの製造方法を提供することにある。

前記課題を鑑みて、本発明に係るタンクの製造方法は、筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部と、を有するライナーを少なくとも備えたタンクの製造方法であって、前記胴体部に、１枚の繊維強化樹脂シートを前記ライナーの前記胴体部の軸心に対して直交する方向から複数回巻き付けることにより、筒状部を成形する工程と、前記筒状部が成形されたライナーの両側の側端部に亘って、樹脂が含浸された連続繊維でヘリカル巻きすることにより、補強層を成形する工程と、を含み、前記筒状部を成形する工程において、前記強化繊維樹脂シートとして、前記繊維強化樹脂シートを巻きける際の前記胴体部の軸心方向に亘る前記繊維強化樹脂シートの幅が、前記繊維強化樹脂シートを巻き付けるに従って狭くなるシートを用いることを特徴とする。

本発明によれば、筒状部を成形する工程において、強化繊維樹脂シートとして、繊維強化樹脂シートを巻きける際の胴体部の軸心方向に亘る繊維強化樹脂シートの幅が、繊維強化樹脂シートを巻き付けるに従って狭くなる強化繊維樹脂シートを巻き付ける。これにより、筒状部の周縁部の肉厚を端部に進むに従って薄くすることができ、筒状部とライナーとの間に段差が形成されることを抑えることができる。

これにより、筒状部が成形されたライナーの両側の側端部に亘って、樹脂が含浸された連続繊維でヘリカル巻きした補強層を成形したとしても、ライナーと補強層との間に空洞が形成され難いため、これが起因となるタンクの強度低下を抑えることができる。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態に係るタンクの製造方法を説明するための図である。 図１（ｃ）に示す工程を説明するための図である。 （ａ）は、図１で示された製造方法により製造されたタンクの模式的斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。

以下に、本発明の実施形態に係るタンクの製造方法を、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、本発明の実施形態に係るタンク１の製造方法を説明するための図である。図２は、図１（ｃ）に示す工程を説明するための図である。図３（ａ）は、図１で示された製造方法により製造されたタンク１の模式的斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図である。なお、図３（ｂ）は、タンク１の胴体部２の軸心と直交する断面である。

１．ライナー１０を成形する工程
本実施形態に係るタンク１は、例えば７０ＭＰａ程度の高圧水素ガスを収容（充填）するタンクである。まず、本実施形態では、図１（ａ）に示すように、タンク１を構成するライナー１０を準備する。

図１（ａ）に示すよう、ライナー１０は、円筒状の胴体部２と、胴体部２の両側に形成されたドーム状の一対の側端部３と、を有している。ライナー１０の胴体部２の外径（外周面２３の直径）は、幅ａに亘って略同じであり、胴体部２の両端から側端部３に進むに従って、その外径が小さくなっている。胴体部２の内部には、上述した高圧水素ガスを収容する収容空間Ｓの一部が形成されている。

側端部３は、ドーム状本体３１と、ドーム状本体３１の頂部に形成された管状部３２とを備えている。管状部３２には、外部と収容空間Ｓとを連通するように、空間貫通孔３３が形成されている。ドーム状本体３１と管状部３２とは、後述する樹脂により一体的に成形されていてもよいが、例えば、管状部３２に相当する部分を口金とし、ドーム状本体３１を樹脂で成形してもよい。

ライナー１０の材料には、例えば、熱可塑性樹脂を挙げることができる。たとえば、熱可塑性樹脂として、ポリエステル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂（例えば６−ナイロン樹脂または６，６−ナイロン樹脂）、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、またはＡＢＳ系樹脂などを挙げることができる。またこの他のも、アルミニウム合金、ステンレス鋼などの金属であってもよい。このような材料を用いることにより、収容空間Ｓに収容された水素ガスが透過することを防止することができる。

２．繊維強化樹脂シート４Ａを準備する工程
次に、図１（ｂ）に示す、繊維強化樹脂シート４Ａを準備する。繊維強化樹脂シート４Ａは、後述するように、筒状部４を成形するためのシート材である。繊維強化樹脂シート４Ａは、強化繊維に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が含浸されたシートであり、繊維強化樹脂シート４Ａの巻き始めの部分４ａの幅Ａは、ライナー１０の胴体部２の外周面２３の幅ａと略同じである（図１（ａ），（ｂ）参照）。

繊維強化樹脂シート４Ａは、強化繊維に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が含浸されたシートであり、繊維強化樹脂シート４Ａは、後述するように、ライナー１０の胴体部２に巻き付けられる。繊維強化樹脂シート４Ａは、その巻き始めの部分４ａから巻き終わりの部分４ｂに進むに従って、その幅が狭くなっている。したがって、繊維強化樹脂シート４Ａの巻き始めの部分４ａの幅Ａは、巻き終わりの部分４ｂの幅Ｂよりも狭い。

繊維強化樹脂シート４Ａの強化繊維４２は、連続強化繊維であり、一方向に引き揃えられた開繊繊維であり、各強化繊維４２には、繊維強化樹脂シート４Ａの幅方向と直交する方向に沿って延在している。これにより、後述するように繊維強化樹脂シート４Ａを胴体部２に巻き付けたときに、胴体部２の軸心ＣＬと直交する方向に、連続して強化繊維４２を配向させることができる。

強化繊維４２として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、天然繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができる。

繊維強化樹脂シート４Ａに含まれる樹脂が、熱可塑性樹脂である場合には、上述したライナー１０の材料で例示した熱可塑性樹脂を挙げることができる。繊維強化樹脂シート４Ａに含まれる樹脂が、熱硬化性樹脂である場合には、例えば、エポキシ系樹脂、ビニルエステル樹脂に代表される変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂を挙げることができる。

３．筒状部４を成形する工程
次に、図１（ａ），（ｃ）に示すように、胴体部２の外周面２３にシートワインディング法により筒状部４を成形する。具体的には、図２に示すように、ライナー１０を回転させながら、１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを、胴体部２の軸心ＣＬに対して直交する方向から、胴体部２の外周面２３に複数回巻き付ける。

より具体的には、繊維強化樹脂シート４Ａの巻き始めの部分４ａを胴体部２の外周面２３に合わせて、繊維強化樹脂シート４Ａを胴体部２の外周面２３に複数回巻き付ける。本実施形態では、図１（ｃ）および図２に示すように、繊維強化樹脂シート４Ａを巻きける際の胴体部２の軸心方向に亘る繊維強化樹脂シート４Ａの幅が、繊維強化樹脂シート４Ａを巻き付けるに従って狭くなる。

これにより、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、成形された筒状部４の本体４３の外径は、繊維強化樹脂シート４Ａの巻き終わりの部分４ｂの幅Ｂと同じ幅ｂの範囲で軸心方向に沿って同じ外径となる。

一方、筒状部４の両側の周縁部４４では、その端部４６に進むに従ってその肉厚を薄くすることができ、周縁部４４の外径をその端部４６に進むに従って小さくすることができる。筒状部４の端部４６では、筒状部４の端部４６の外径をライナー１０（具体的には隣接する側端部３の部分）の外径と略等しくすることができるため、筒状部４とライナー１０との間に段差が形成されることを抑えることができる。

繊維強化樹脂シート４Ａの樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、図２に示すヒータ７，７で繊維強化樹脂シート４Ａを熱可塑性樹脂の軟化点以上に加熱し、熱可塑性樹脂を溶融する。繊維強化樹脂シート４Ａの熱可塑性樹脂が溶融した状態で、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー１０の円筒状の胴体部２に複数回巻き付ける。巻き付いた状態の繊維強化樹脂シート４Ａは、放冷または強制冷却により冷却され、熱可塑性樹脂は、軟化点未満となって固まる。

繊維強化樹脂シート４Ａの樹脂が、熱硬化性樹脂である場合には、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー１０に巻き付けた後、これを加熱することにより、熱硬化性樹脂を硬化させる。

成形された筒状部４は、図３（ｂ）に示すように、胴体部２の外周面２３の両側に亘って、胴体部２の軸心ＣＬに直交する方向から１つのシート状の繊維強化樹脂層４ｃが、複数回周回した部分となる。このように、シート状の繊維強化樹脂層４ｃを複数回周回させた筒状部４を設けることにより、タンク１の胴体部１１は、その軸心ＣＬに直交する断面において、より均一な耐圧性を有することができる。

４．補強層６を成形する工程
次に、図１（ｄ）に示すように、筒状部４が成形されたライナー１０の両側の側端部３，３に亘って、樹脂が含浸された連続繊維６１のフィラメントで、フィラメントワインディング法によりヘリカル巻きする。これにより、筒状部４が成形されたライナー１０に、図３（ａ），（ｂ）に示す如き補強層６を成形する。

具体的には、本実施形態では、ライナー１０の両側の側端部３，３間において、連続繊維６１が、胴体部２の軸心ＣＬの周りを一周する前に、各側端部３において、連続繊維６１の巻き付け方向が折り返されるように巻き付ける。

また、この他の巻き付け方法として、ライナー１０の両側の側端部３，３間において、連続繊維６１が、胴体部２の軸心ＣＬの周りを少なくとも複数回した後に、各側端部３において、連続繊維６１の巻き付け方向が折り返されるように巻き付けてもよい。

連続繊維６１に含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、加熱しながら、熱可塑性樹脂を軟化させた状態で、連続繊維６１を巻き付ける。一方、連続繊維６１に含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、連続繊維６１を巻き付けた後、（未硬化の）熱硬化性樹脂を加熱して、これを硬化させる。

このようにして、図３（ａ），（ｂ）に示すタンク１を製造することができる。本実施形態では、上述したように筒状部４を成形しても、ライナー１０の表面に筒状部４の肉厚に応じた段差の形成を抑えることができるので、樹脂が含浸された連続繊維６１でヘリカル巻きした補強層６を成形したとしても、ライナー１０と補強層６との間に空洞が形成され難い。このような結果、このような空洞が起因となるタンク１の強度低下を抑えることができる。

以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：タンク、１０：ライナー、２：胴体部、２２：端縁、３：側端部、４：筒状部、４Ａ：繊維強化樹脂シート、６：補強層、６１：連続繊維、７：ヒータ、ＣＬ：軸心、Ｓ：収容空間。

Claims (1)

1. 筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部と、を有するライナーを少なくとも備えたタンクの製造方法であって、
   前記胴体部に、１枚の繊維強化樹脂シートを前記ライナーの前記胴体部の軸心に対して直交する方向から複数回巻き付けることにより、筒状部を成形する工程と、
   前記筒状部が成形されたライナーの両側の側端部に亘って、樹脂が含浸された連続繊維でヘリカル巻きすることにより、補強層を成形する工程と、を含み、
   前記筒状部を成形する工程において、前記強化繊維樹脂シートとして、前記繊維強化樹脂シートを巻きける際の前記胴体部の軸心方向に亘る前記繊維強化樹脂シートの幅が、前記繊維強化樹脂シートを巻き付けるに従って狭くなるシートを用いることを特徴とするタンクの製造方法。

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