JP2017155768A - タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】側端部の強度を高めたタンクを簡単に製造することができる、タンクの製造方法を提供する。
【解決手段】ライナー２の胴体部２１の外周面２５のうち、胴体部の長手方向と直交する断面の形状および大きさと、同じ形状および大きさの外周面６１を有した一対の治具６，６を、胴体部２１の長手方向から見て前記胴体部２１の外周面２５と治具６の外周面６１とが一致するように、ライナー２の両側に配置する。次に、一対の前記治具６，６の外周面６１と共に胴体部２１の外周面２５に、１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを複数回巻き付ける。ライナー２に巻き付いた状態の繊維強化樹脂シート４Ａを、ライナー２の胴体部２１と治具６との間で捩じることにより、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー２の側端部２２に倣わせる。次に、ライナー２と治具６との間で、繊維強化樹脂シート４Ａを切断する。
【選択図】図４

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、フィラメントワインディング法で、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に示す製造方法は、シート状の繊維強化樹脂から筒状部を成形した際には、筒状部は、タンク（ライナー）のドーム状の側端部を覆わないため、筒状部では、タンクの補強を十分にすることができない。

したがって、タンクのドーム状の側端部を補強するために、特許文献１に示すように、フィラメントワインディング法で、厚みの厚いヘリカル層（第２ヘリカル層）を成形せねばならず、タンクの製造時間が長くなり、タンクの製造コストが高くなってしまう。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、側端部の強度を高めたタンクを簡単に製造することができる、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、前記ライナーの前記胴体部の外周面のうち、前記胴体部の長手方向と直交する断面の形状および大きさと、同じ形状および大きさの外周面を有した一対の治具を、前記胴体部の長手方向から見て前記胴体部の外周面と、前記治具の外周面とが一致するように、前記ライナーの両側に配置する工程と、前記一対の治具の少なくとも一部の外周面と共に前記胴体部の外周面に、１枚の繊維強化樹脂シートを複数回巻き付ける工程と、前記ライナーに巻き付いた状態の繊維強化樹脂シートを、前記ライナーの胴体部と前記治具との間で捩じることにより、前記繊維強化樹脂シートを前記側端部に倣わせる工程と、前記ライナーと前記治具との間で、前記繊維強化樹脂シートを切断する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、ライナーの胴体部から側端部まで、１枚の繊維強化樹脂シートが複数回巻き付いた繊維強化樹脂層で覆うことができるので、側端部の強度を高めることができる。また、フィラメントワインディング法のみで側端部の強度を高める場合に比べて、簡単にタンクを製造することができる。ここで、「胴体部の長手方向」とは、一方側の側端部から他方側の側端部へ向かう方向のことをいい、胴体部が円筒状である場合には、胴体部の軸心に沿った方向のことをいう。

より好ましい態様としては、前記繊維強化樹脂シートは、前記繊維強化樹脂シートの幅方向に沿って配向された第１強化繊維と、前記繊維強化樹脂シートの長さ方向に沿って、前記長手方向に沿った前記胴体部の幅に応じた幅で配向された第２強化繊維と、を有しており、前記繊維強化樹脂シートを巻き付ける工程において、前記第１強化繊維が、前記胴体部および前記治具の長手方向に沿って配置され、前記第２強化繊維が、前記胴体部の長手方向に亘って前記胴体部を周回するように、前記繊維強化樹脂シートを、前記一対の前記治具と共に前記胴体部に巻き付ける。ここで、繊維強化樹脂シートの「幅方向」とは、繊維強化樹脂シートを巻き付けた状態における胴体部の長手方向（一方側の側端部から他方側の側端部へ向かう方向）のことをいい、繊維強化樹脂シートの「長さ方向」とは、この幅方向に対して直交する方向のことをいう。

この態様によれば、繊維強化樹脂シートを側端部に倣わせる工程において、捩られる繊維強化樹脂シートの部分に存在する強化繊維は、長手方向に沿って配置された第１強化繊維からなる。これにより、繊維強化樹脂シートを捩じり易く、繊維強化樹脂シートを側端部に倣わせ易い。

本発明によれば、側端部の強度を高めたタンクを簡単に製造することができる。

本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたタンクの模式的斜視図である。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。 （ａ）は、図２のＢ−Ｂ線矢視断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す断面の第２強化繊維の状態を示した図である。 ライナーの両側に一対の治具を配置する工程を説明するための図である。 図４に示す工程後、治具とともにライナーの胴体部に繊維強化樹脂シートを巻き付ける工程を説明するための模式的斜視図である。 図５に示す工程により、ライナーの胴体部および一対の治具に繊維強化樹脂シートが巻き付いた状態を示した模式的斜視図である。 図６に示す状態から、繊維強化樹脂シートをライナーの側端部に倣わせる工程を説明するための模式的斜視図である。 図１に示すタンクに対して、ヘリカル巻きにより補強層を成形する工程を説明するための図である。 図８に示す工程後のタンクの模式的斜視図である。 図９のＣ−Ｃ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。
１．タンク１について
図１は、本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたタンク１の模式的斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。図３（ａ）は、図２のＢ−Ｂ線矢視断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す断面図の第２強化繊維４２の配置状態を示した図である。なお、図２および図３（ａ）では、説明上、図１に示す繊維強化樹脂層４の厚さよりも、その厚さを厚く描いている。

図１および図２に示すように、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が収容（充填）するタンクである。タンク１は、ライナー２を備えている。ライナー２は、タンク１と略同形状であり、円筒状の胴体部２１と、胴体部２１の両側に形成されたドーム状の側端部２２とを備えている。ライナー２の内部には、高圧水素ガスを収容する収容空間Ｓが形成されている。

ライナー２の材料は、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系樹脂などの熱可塑性樹脂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。

本実施形態では、ライナー２の両側には、ライナー２の側端部２２を収容空間Ｓ側に折り返すようにして、口金３，３が取り付けられている。各口金３には、管状部３１が形成されており、管状部３１には、貫通孔３２が形成されている。

タンク１を使用する際には、一方の口金３に形成された貫通孔３２を封止し、他方の貫通孔３２から、収容空間Ｓに水素ガスの供給および排出を行う。口金３の材料は、アルミニウム合金等の金属からなるが、この他にも、ライナー２の材料で例示した熱可塑性樹脂であってもよい。

ライナー２および一対の口金３,３の表面には、これらを覆うように繊維強化樹脂層４が形成されている。具体的には、繊維強化樹脂層４は、１つのシート状の層であり、ライナー２の胴体部２１、その両側の側端部２２，２２、および各側端部２２に取付けられた口金３，３に亘って、これらの表面を、胴体部２１の軸心ＣＬに直交する方向から複数回周回している（例えば図２および３（ａ）参照）。

このように、タンク１に、複数回周回させた１つのシート状の繊維強化樹脂層４を設けることにより、タンク１は、その軸心ＣＬに直交する断面（すなわち胴体部２１の長手方向と直交する断面）において、より均一な耐圧性を有することができる。

繊維強化樹脂層４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状の層である。強化繊維は、短繊維、長繊維、または連続した繊維（連続強化繊維）、布状繊維であってもよいが、本実施形態では、繊維強化樹脂層４の強化繊維は、胴体部２１の軸心ＣＬの方向に配置された第１強化繊維４１と、胴体部２１を周回する第２強化繊維４２からなる。

後述する製造方法からも明らかなように、第１強化繊維４１は、タンク１の両側に配置された口金３，３に亘って連続した強化繊維である。一方、第２強化繊維４２は、図３（ｂ）に示すように、胴体部２１の周方向に沿って引き揃えられた連続強化繊維であり、第２強化繊維４２は、胴体部２１の軸心ＣＬと直交する方向に配向している。

より具体的には、第２強化繊維４２は、胴体部２１の軸心ＣＬに対して直交した断面で、胴体部２１の軸心ＣＬの周りを連続して複数回周回している。すなわち、第２強化繊維４２の巻き付き方向は、繊維強化樹脂層４の巻き付き方向に一致している。

これにより、タンク１の胴体部１１には、タンク１の内圧により胴体部１１にフープ応力が作用する方向に、第２強化繊維４２が連続して複数回周回することになるので、タンク１の胴体部１１の強度を高めることができる。

ここで、第１および第２強化繊維４１，４２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。

繊維強化樹脂層４に含まれる樹脂が、熱可塑性樹脂である場合、上述したライナー２の材料で例示した熱可塑性樹脂を挙げることができる。繊維強化樹脂層４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、熱硬化性ポリイミドを挙げることができる。

２．タンク１の製造方法について
以下に、図１に示すタンク１の製造方法を、図４〜図７を参照しながら説明する。
まず、図４に示すように、ライナー２の胴体部２１の外周面２５のうち、胴体部２１の長手方向と直交する断面（切断面）における形状および大きさと同じ形状および大きさの外周面６１を有した一対の治具６，６を準備する。

具体的には、本実施形態では、各治具６，６は、円筒状または円柱状の治具本体６２と、ライナー２に連結される連結シャフト６３と、を備えており、治具本体６２は、ライナー２の円筒状の胴体部２１の外周面２５の直径と同じ直径の外周面６１を有している。連結シャフト６３は、治具本体６２の端面から治具６の軸心ＣＨに沿って延在している。

次に、ライナー２の一方側の側端部２２から他方側の側端部２２を見たときに（すなわち、胴体部２１の長手方向から見たときに）、胴体部２１の外周面２５と、治具６，６の外周面６１とが一致するように、一対の治具６，６をライナー２の両側に配置する。本実施形態では、胴体部２１は円筒状であり、治具本体６２は円筒状または円柱状であるので、一対の治具６，６を、ライナー２の胴体部２１の軸心ＣＬと、治具６の軸心ＣＨとが一致するように、ライナー２の両側に配置する。具体的には、治具６の連結シャフト６３を、ライナー２に取付けられた口金３の貫通孔３２に取付ける。

例えば、図示しないが、口金３の貫通孔３２に雌ネジ部を形成し、連結シャフト６３の先端に、この雌ネジ部に螺着する雄ネジ部を形成すれば、ライナー２の胴体部２１の軸心ＣＬと、治具６の軸心ＣＨとを簡単に一致させることができる。

次に、図５に示すように、繊維強化樹脂シート４Ａを準備する。なお、巻き付け後の繊維強化樹脂シート４Ａは、繊維強化樹脂層４に相当する。図５に示すように、繊維強化樹脂シート４Ａは、上述した第１強化繊維４１と第２強化繊維４２とを有し、これらの強化繊維に樹脂が含浸されている。

第１強化繊維４１は、繊維強化樹脂シート４Ａの幅方向に沿って配向されており、第２強化繊維４２は、繊維強化樹脂シート４Ａの長さ方向（胴体部２１に巻き付く方向）に沿って、胴体部２１の長手方向に沿った胴体部２１の幅に応じた幅で配向されている。本実施形態では、第１強化繊維４１と第２強化繊維４２とは、直交しており、第１強化繊維４１と第２強化繊維４２とは、織り込まれていてもよく、これらが重ね合わさっていてもよい。

次に、ライナー２および一対の治具６，６をマンドレルとして、ライナー２が軸心ＣＬの周りを回転するように、これらを巻付機（図示せず）に取付ける。次に、ライナー２を回転させながら、ライナー２の胴体部２１の軸心ＣＬに対して直交する方向から、一対の治具６，６の外周面６１，６１の一部と共にライナー２の胴体部２１の外周面２５に１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを複数回巻き付ける。

具体的には、第１強化繊維４１が、胴体部２１および治具６の軸心ＣＬ，ＣＨの方向に沿って配置され、第２強化繊維４２が、胴体部２１の長手方向に亘って胴体部２１を周回するように、繊維強化樹脂シート４Ａを、一対の治具６，６と共に胴体部２１に巻き付ける。

本実施形態では、上述したように、ライナー２の胴体部２１の外周面２５のうち、胴体部２１の長手方向と直交する切断面の形状および大きさ（すなわち直径）と、治具６の外周面６１のうち、治具６の長手方向と直交する切断面の形状および大きさ（すなわち直径）とを同じにした。これにより、図６に示すように、繊維強化樹脂シート４Ａが弛むことなく、繊維強化樹脂シート４Ａを、ライナー２の胴体部２１と治具６とに複数回巻き付けることができる。このような結果、筒状の繊維強化樹脂シート４Ａを簡単に成形することができる。

繊維強化樹脂シート４Ａに含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合、ヒータ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する。加熱した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２および治具６に複数回巻き付ける。巻き付けた状態の繊維強化樹脂シート４Ａを、放冷または強制冷却により冷却し、熱可塑性樹脂の温度を軟化点未満とし、熱可塑性樹脂を固化させてもよく、後述する図７に示す工程後に、これを固化させてもよい。

一方、繊維強化樹脂シート４Ａに含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー２に巻き付け、この時点では、繊維強化樹脂シート４Ａを加熱せず、熱硬化性樹脂を硬化させない。

次に、図７に示すように、図６に示す状態から繊維強化樹脂シート４Ａをライナー２の側端部２２に倣わせる。具体的には、ライナー２に巻き付いた状態の繊維強化樹脂シート４Ａを、ライナー２の胴体部２１と治具６との間で、治具６の軸心ＣＨの周りに捩じることにより、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー２の側端部２２に倣わせる。

より具体的には、図６に示すように、ライナー２の胴体部２１に巻き付いた繊維強化樹脂シート４Ａの部分４５に対して、治具６に巻き付いた繊維強化樹脂シート４Ａの部分４６を軸心ＣＨの周りに回動する。ライナー２は、連結シャフト６３を介して治具６に連結されているので、ライナー２の胴体部２１の軸心ＣＬと治具６の軸心ＣＨとがずれることなく、このような作業を容易に行うことができる。

さらに、本実施形態では、治具６，６の軸心ＣＨ周りに捩られる繊維強化樹脂シート４Ａの部分４７に存在する強化繊維は、治具６の軸心ＣＨの方向に沿って配置された第１強化繊維４１からなる。これにより、繊維強化樹脂シート４Ａをこの部分４７で捩じり易く、繊維強化樹脂シート４Ａを、ライナー２の側端部２２に簡単に倣わせることができる。

ここで、繊維強化樹脂シート４Ａに含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合、必要に応じて繊維強化樹脂シート４Ａを加熱して、熱可塑性樹脂を軟化させた状態で、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー２の側端部２２に倣わせる。その後、繊維強化樹脂シート４Ａを冷却し、熱可塑性樹脂を固化させる。

一方、繊維強化樹脂シート４Ａに含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合、繊維強化樹脂シート４Ａをライナー２の側端部２２に倣わせた後、繊維強化樹脂シート４Ａを加熱する。これにより、熱硬化性樹脂を硬化させる。

次に、図７に示す状態から、ライナー２と治具６との間で、繊維強化樹脂シート４Ａを切断する。具体的には、口金３の端面に沿って、繊維強化樹脂シート４Ａを切断する。これにより、図１に示すタンク１を得ることができる。

本実施形態では、ライナー２の胴体部２１から側端部２２まで１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを巻きけて、繊維強化樹脂層４を成形している。これにより、フィラメントワインディング法のみで、ライナー２の側端部２２を補強する場合に比べて、安価かつ短時間で、側端部１２の強度を高めたタンク１を製造することができる（図１、図２参照）。

さらに、本実施形態では、口金３にも、１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを巻きけて繊維強化樹脂層４を成形しているので、口金３に作用する軸心ＣＬの方向のタンク１の内圧に対して、タンク１の強度を高めることができる。

ここで、図１に示すタンク１に対して、必要に応じて、ヘリカル巻きにより補強層５をさらに成形してもよい。具体的には、図８に示すように、タンク１に対して、樹脂が含浸された連続繊維５Ａ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し、図９に示す如き補強層５を成形する。

本実施形態では、タンク１の側端部１２，１２間において、連続繊維５Ａが、タンク１の胴体部１１の軸心ＣＬの周りを一周する前に、各側端部１２において、連続繊維５Ａの巻き付け方向が折り返されるように巻き付ける。このようにして、図９に示すように、樹脂が含浸された連続繊維５Ａのフィラメントが、タンク１の両側の側端部１２，１２をわたすように、ヘリカル巻で巻き付いた補強層５を成形することができる。

また、この他の巻き付け方法として、タンク１の側端部１２，１２間において、連続繊維５Ａが、胴体部１１の軸心ＣＬの周りを少なくとも複数回巻き付した後に、各側端部１２において、連続繊維５Ａ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５Ａに含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合、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５Ａを巻き付ける。一方、連続繊維５Ａに含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合、連続繊維５Ａ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９，１０に示すように、補強層５が形成されたタンク１’を製造することができる。タンク１’のライナー２の側端部２２には、上述した繊維強化樹脂層４が形成されているので、タンク１’の側端部１２を補強する補強層５の厚みを薄くすることができ、安価かつ短時間に補強層５を形成することができる。

本実施形態では、ライナー２の胴体部２１から側端部２２まで、１枚の繊維強化樹脂シート４Ａを複数回巻き付けた繊維強化樹脂層４で覆われているので、その表面には段差等がない。これにより、繊維強化樹脂層４と補強層５との間に、段差等に起因した空孔が形成され難く、タンク１’の強度の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。

本実施形態では、治具の連結シャフトにライナーを連結した状態で、繊維強化樹脂シートをライナーと治具に巻き付けたが、繊維強化樹脂シートにライナーと治具を巻き付けることができるのであれば、治具がライナーに連結されていなくてもよい。

本実施形態では、一対の治具を、ライナーの両側に配置したが、治具の代わりに同じ形状のライナーを軸心方向に配置して、これらのライナーに繊維強化樹脂シートを巻き付けた後、繊維強化樹脂シートを側端部に倣わせてもよい。

本実施形態では、胴体部が円筒状であるので、ライナーの胴体部の外周面のうち、胴体部の長手方向と直交する切断面の形状および大きさと、治具の外周面のうち、治具の長手方向と直交する切断面の形状および大きさと、を同じにした。しかしながら、胴体部の外周面の切断面の形状が多角形状、楕円形状などの形状であってもよく、この場合には、治具の外周面のうち、治具の長手方向と直交する切断面の形状および大きさを、胴体部のものと同じにすればよい。

１，１’：タンク、１１：胴体部、１２：側端部、２：ライナー、２１：胴体部、２２：側端部、３：口金、３１：管状部、３２：貫通孔、４：繊維強化樹脂層、４Ａ：繊維強化樹脂シート、４１：第１強化繊維、４２：第２強化繊維、５：補強層、５Ａ：連続繊維、６：治具、６２：治具本体、６３：連結シャフト、ＣＬ，ＣＨ：軸心、Ｓ：収容空間

Claims (2)

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、
   前記ライナーの前記胴体部の外周面のうち、前記胴体部の長手方向と直交する断面の形状および大きさと、同じ形状および大きさの外周面を有した一対の治具を、前記胴体部の長手方向から見て前記胴体部の外周面と、前記治具の外周面とが一致するように、前記ライナーの両側に配置する工程と、
   前記一対の治具の少なくとも一部の外周面と共に前記胴体部の外周面に、１枚の繊維強化樹脂シートを複数回巻き付ける工程と、
   前記ライナーに巻き付いた状態の繊維強化樹脂シートを、前記ライナーの胴体部と前記治具との間で捩じることにより、前記繊維強化樹脂シートを前記側端部に倣わせる工程と、
   前記ライナーと前記治具との間で、前記繊維強化樹脂シートを切断する工程と、を少なくとも含むことを特徴とするタンクの製造方法。
2. 前記繊維強化樹脂シートは、前記繊維強化樹脂シートの幅方向に沿って配向された第１強化繊維と、前記繊維強化樹脂シートの長さ方向に沿って、前記長手方向に沿った前記胴体部の幅に応じた幅で配向された第２強化繊維と、を有しており、
   前記繊維強化樹脂シートを巻き付ける工程において、前記第１強化繊維が、前記胴体部および前記治具の長手方向に沿って配置され、前記第２強化繊維が、前記胴体部の長手方向に亘って前記胴体部を周回するように、前記繊維強化樹脂シートを、前記一対の前記治具と共に前記胴体部に巻き付けることを特徴とする請求項１に記載のタンクの製造方法。

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