JP2018173098A - 燃料タンク製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】タンク容器を短時間で均一に加熱できる燃料タンク製造装置を提供する。
【解決手段】燃料タンク製造装置１は、タンク容器１０を加熱する熱硬化炉２と、熱風を発生する熱風発生機３を備える。熱硬化炉２の内部にはタンク容器１０の表面に熱風を噴射するノズル２２２が設けられており、熱硬化炉２の外部にはタンク容器１０をその中心軸回りに回転させる回転部２１が配置されている。タンク容器１０の中心軸Ｌ方向から見たとき、ノズル２２２はタンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向に対して左側にずれた位置に配置されている。回転部２１は、ノズル２２２からの熱風の噴射方向と逆向きにタンク容器１０を回転させるように設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料タンク製造装置に関する。

燃料電池自動車や水素自動車等に搭載される水素タンクなどの燃料タンクには、高圧に耐えるために十分な強度を有すること、及び軽量であることが要求されている。このような燃料タンクの製造方法として、円筒状のライナーを回転させながら、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維を該ライナーの表面に繰り返し巻き付けてタンク容器を作製し、その後に熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法（すなわち、フィラメントワインディング法）が知られている。

上述の製造方法に適する製造装置として、例えば下記特許文献１に記載のように、タンク容器を該タンク容器の中心軸回りに回転させる回転部と、タンク容器の全体を加熱する熱硬化炉と、局所加熱によりタンク容器の表面に生じる気泡を除去する気泡除去部とを備えるものが挙げられる。このように構成された燃料タンク製造装置によれば、気泡除去部で熱風を噴射して気泡を除去することで、気泡によるタンクの寸法及び意匠性への影響を防止することができる。

特開２０１０−２６４７１８号公報

しかし、上述の燃料タンク製造装置では、タンク容器周辺の雰囲気温度でタンク容器を加熱するので、加熱に時間がかかる問題があった。また、ノズルによる局所的な加熱のみでは、タンク容器を均一に加熱することができない問題もあった。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、タンク容器を短時間で均一に加熱できる燃料タンク製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料タンク製造装置は、タンク容器を該タンク容器の中心軸回りに回転させる回転部と、前記タンク容器の表面にガスを噴射するノズルとを備える燃料タンク製造装置であって、前記回転部は、前記ノズルからのガスの噴射方向と逆向きに前記タンク容器を回転させるようにされており、前記タンク容器の中心軸方向から見たとき、前記ノズルは、前記タンク容器の中心軸の鉛直方向に対してずれた位置に配置されていることを特徴としている。

本発明に係る燃料タンク製造装置では、回転部はノズルからのガスの噴射方向と逆向きにタンク容器を回転させるようにされているため、タンク容器とノズルから噴射されるガスとの接触時間を長くすることで、熱効率を高めることができる。しかも、タンク容器の中心軸方向から見たとき、ノズルはタンク容器の中心軸の鉛直方向に対してずれた位置に配置されているため、ノズルから噴射されるガスをタンク外周に沿って一方向に流すことができ、熱効率を高めることができる。その結果、タンク容器を短時間で均一に加熱することができる。

また、本発明に係る燃料タンク製造装置において、前記ノズルは、前記タンク容器の中心軸方向に沿って延設されており、その噴射口が前記タンク容器の中心軸方向に沿って連続的に形成されていることが好ましい。このようにすれば、タンク容器を均一に加熱することができる。

更に、本発明に係る燃料タンク製造装置において、前記タンク容器の中心軸方向の端部に設けられた口金部を加熱する加熱部を更に備えることが好ましい。このようにすれば、口金部の熱伝導を利用し、タンク容器の内側からも該タンク容器を加熱することができるので、加熱に要する時間を一層短縮することができる。

本発明によれば、タンク容器を短時間で均一に加熱することができる。

第１実施形態に係る燃料タンク製造装置を示す斜視図である。 熱硬化炉の内部構造を示す正面模式図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 タンク容器の構造を示す概略断面図である。 第２実施形態に係る燃料タンク製造装置の熱硬化炉を示す正面模式図である。 第３実施形態に係る燃料タンク製造装置の熱硬化炉を示す正面模式図である。 タンク容器内部における熱の伝達ルートを示す概略断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料タンク製造装置の実施形態について説明する。図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、重複説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る燃料タンク製造装置を示す斜視図である。本実施形態の燃料タンク製造装置１は、熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂層を有するタンク容器１０を加熱し、繊維強化樹脂層を熱硬化させて燃料タンクを製造するのに用いられる装置である。この燃料タンク製造装置１は、架台６に支持固定され、タンク容器１０を加熱するための熱硬化炉２と、熱硬化炉２の外部に設置され、熱風を発生するための熱風発生機３と、熱風発生機３で発生した熱風を熱硬化炉２に供給するための吸気ダクト４と、熱硬化炉２からの排気を熱風発生機３に戻すための排気ダクト５とを備えている。

ここで、図２及び図４を参照してタンク容器１０の構造を説明する。タンク容器１０は、半径が略均一である円筒状の胴体部１１と、胴体部１１の両端に設けられた凸曲面形状のドーム部１２とを有する中空の容器である。タンク容器１０の中心軸Ｌ方向の両端部（図２では左右両端部）には、金属製の軸支シャフト１３がそれぞれ着脱可能に取り付けられている。タンク容器１０は、軸支シャフト１３を介して後述の回転部２１の軸受部材２１０に回転可能に支持されながら、回転モータ２１１の回転駆動でその中心軸Ｌ回りに回転する。

このタンク容器１０は、内部に燃料を貯留するための貯留空間を有するライナー１０ａと、ライナー１０ａの外壁と密着する繊維強化樹脂層１０ｂと、バルブ側口金部１０ｃと、エンド側口金部１０ｄとから構成されている。ライナー１０ａは、例えば樹脂材料やアルミニウム等の軽金属材料によって形成されている。繊維強化樹脂層１０ｂは、ライナー１０ａの外表面を覆う補強層であり、ライナー１０ａの外表面に巻き付けられる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）等の強化繊維と、その強化繊維同士を結着する熱硬化性樹脂とで形成されている。

ライナー１０ａ及び繊維強化樹脂層１０ｂの中心軸Ｌ方向の左右両端部は、それぞれ開口されており、一方（図２においては左側）の端部にはバルブ側口金部１０ｃ、他方（図２においては右側）の端部にはエンド側口金部１０ｄがそれぞれ内挿されている。そして、バルブ側口金部１０ｃ及びエンド側口金部１０ｄは、上述の軸支シャフト１３に着脱可能に連結されている。そして、バルブ側口金部１０ｃ及びエンド側口金部１０ｄは、例えば熱伝導性を有するステンレスやアルミニウムなどの金属部材、或いは高い強度を有する樹脂材料によって形成されている。

図２は熱硬化炉の内部構造を示す正面模式図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２において、内部構造をより理解し易くするために、前側（すわなち、手前）の炉壁２４を省略する。

熱硬化炉２は、内部にタンク容器１０を収容する空間が設けられ、全体略箱状を呈する。この熱硬化炉２は、例えば金属製の枠体の四周に耐熱性及び保温性を有する炉壁２４を取り付けることにより形成されている。熱硬化炉２の左右両側の炉壁２４には、炉壁２４を貫通する貫通孔２３がそれぞれ設けられている。そして、タンク容器１０の左右両端部に取り付けられた軸支シャフト１３の先端部は、それぞれ貫通孔２３に挿通されるとともに、回転部２１の軸受部材２１０に挿入固定されている。

熱硬化炉２の外部には、タンク容器１０をその中心軸回りに回転させるための回転部２１が配置されている。回転部２１は、熱硬化炉２の炉壁２４の外側に固定されるとともに上述の軸支シャフト１３を軸支する一対の軸受部材２１０と、一対の軸受部材２１０の片側に配置された回転モータ２１１とを有するように構成されている。このように回転部２１を熱硬化炉２の外部に配置することで、熱硬化炉２の内部空間を小さくすることができるので、熱硬化炉２全体のコンパクト化を図ることが可能になる。また、回転部を熱硬化炉の内部に配置する場合と比べて、回転部によって吸収される熱がなくなるので、省エネの効果も奏する。

熱硬化炉２の天井には、熱吸排気ボックス２６が取り付けられている。熱吸排気ボックス２６の内部には、吸気ダクト４と後述の熱風吹付部２２とを連通する吸気路２６１と、排気ダクト５と熱硬化炉２内部と連通する排気路２６２とがそれぞれ設けられている（図３参照）。

熱吸排気ボックス２６の下方には、タンク容器１０の表面に熱風を吹き付ける熱風吹付部２２が吊設されている。熱風吹付部２２は、タンク容器１０の中心軸Ｌの方向に沿って延びる扁平箱状の熱風整流室２２０と、熱風整流室２２０の上方に設けられて該熱風整流室２２０と熱吸排気ボックス２６とを接続する２本の接続管２２１と、熱風整流室２２０の下方に設けられてタンク容器１０の表面に熱風を噴射する一体型のノズル２２２とを有する。

２本の接続管２２１は、熱風整流室２２０の長手方向（すなわち、タンク容器１０の中心軸Ｌ方向）に沿って等間隔で配置されている。一方、一体型のノズル２２２は、スリット形状を呈しており、タンク容器１０の中心軸Ｌ方向に沿って延設されている。例えば、一体型のノズル２２２は、胴体部１１の一端から他端まで延設されている。この一体型のノズル２２２は、別体ノズルを複数接続してなる構造ではなく、全体として一つの噴射口を有する構造となっている。そして、ノズル２２２の噴射口は、タンク容器１０の胴体部１１の長手方向（すなわち、タンク容器１０の中心軸Ｌ方向）に沿って連続的に形成されており、胴体部１１の表面に熱風を噴射する。このように一体型のノズル２２２を用いることによって、胴体部１１の表面をムラなく均一に加熱することができる。なお、接続管２２１の数は、上述の説明及び図示に制限されずに、必要に応じて適宜増減しても良い。また、ノズル２２２は、例えば複数の別体ノズルを等間隔で直線状に配置しても良い。

本実施形態において、タンク容器１０の中心軸Ｌ方向から見たとき、ノズル２２２は、タンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向に対してずれた位置に配置されている。具体的には、図３に示すように、ノズル２２２は、タンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向（すなわち、上下方向）に対して左側にずれた位置に配置されている。換言すれば、ノズル２２２は、水平方向においてタンク容器１０の中心より左側に偏心する。

また、本実施形態において、回転部２１は、ノズル２２２からの熱風の噴射方向と逆向きにタンク容器１０を回転させるように設定されている。具体的には、図３に示すように、ノズル２２２がタンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向に対して左側にずれた位置に配置されるので、ノズル２２２から噴射される熱風は、タンク容器１０の表面に沿って反時計回り（矢印Ｆ１参照）に流れる。これに対し、タンク容器１０は回転部２１によって時計回り（白塗り矢印Ｆ２参照）に回転される。

以上の構成を有する燃料タンク製造装置１では、ノズル２２２でタンク容器１０の表面に熱風を直接噴射してタンク容器１０の繊維強化樹脂層を加熱するので、タンク容器１０を短時間で加熱することが可能になる。また、回転部２１はノズル２２２からの熱風の噴射方向と逆向きにタンク容器１０を回転させるように設定されるので、ノズル２２２から噴射される熱風をタンク容器１０の周囲に拡散させながら、タンク容器１０と熱風との接触時間を長くすることで、熱効率を高めることができる。

しかも、タンク容器１０の中心軸Ｌ方向から見たとき、ノズル２２２はタンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向に対して左側にずれた位置に配置されているため、ノズル２２２から噴射される熱風をタンク外周に沿って反時計回りの一方向に流すことができるので、熱効率を更に高めることができる。その結果、短時間でタンク容器１０を均一に加熱することができ、タンク容器１０の硬化品質を安定させることができる。

また、このように熱効率を高めることにより、タンク容器周辺の雰囲気温度で加熱する従来の燃料タンク製造装置と比べて、大容量の熱風循環装置や整流スペースを省くことができ、装置全体のコンパクト化、コスト削減を図ることができる。更に、ノズル２２２でタンク容器１０に直接加熱することで、タンク容器１０周辺の無駄なスペースを排除することができるので、熱硬化炉２内部のコンパクト化を実現することが可能になる。

また、上述のように構成された熱硬化炉２によれば、急昇温に対応することができるので、例えば炭素繊維に含浸されたエポキシなどの熱硬化性樹脂の硬化反応状態による樹脂粘度に合わせて、タンク容器１０の回転速度を可変させながら、温度プロファイルを詳細に設定して温度制御を行うことにより、熱硬化時間の短縮と硬化品質の両立を図ることができる。

＜第２実施形態＞
図５は第２実施形態に係る燃料タンク製造装置の熱硬化炉を示す正面模式図である。本実施形態の熱硬化炉２Ａは、タンク容器１０のドーム部１２に熱風を吹き付けるドーム部熱風吹付部２９を更に有する点において、上述の第１実施形態と相違するが、その他の構造は第１実施形態と同様である。ここで、その相違点のみを説明する。

図５に示すように、タンク容器１０の胴体部１１に対応する熱風吹付部２２の左右両側には、タンク容器１０の左右ドーム部１２にそれぞれ対応するドーム部熱風吹付部２９が配置されている。ドーム部熱風吹付部２９は、熱吸排気ボックス２６の下方に吊設されており、熱吸排気ボックス２６の吸気路２６１と接続される接続管２９１と、該接続管２９１経由で供給される熱風を整流するための熱風整流室２９０と、熱風整流室２９０で整流された熱風をドーム部１２に向かって噴射する一体型のノズル２９２とを有するように構成されている。

ドーム部熱風吹付部２９は、ドーム部１２の形状に沿って配置されている。より具体的には、一体型のノズル２９２は、ドーム部１２の凸曲面に熱風を垂直に噴射するように、ドーム部１２の凸曲面形状に沿って配置高さ及び噴射角度が変化して配置されている。ノズル２９２の噴射口は、ドーム部１２の凸曲面形状に沿って湾曲しながら連続的に形成されている。このように一体型のノズル２９２を用いることによって、ドーム部１２の表面をムラなく均一に加熱することができる。また、ドーム部熱風吹付部２９の熱風整流室２９０は、ドーム部１２の凸曲面形状に沿って湾曲するように形成されている。

ここで、ドーム部熱風吹付部２９のノズル２９２から噴射される熱風の温度または風速は、胴体部１１に対応するノズル２２２から噴射される熱風の温度または風速と同じに設定されても良く、異なるように設定されても良い。図４に示すように、胴体部１１よりもドーム部１２の繊維強化樹脂層１０ｂが厚い場合、例えばノズル２９２から噴射される熱風の温度をノズル２２２から噴射される熱風の温度より高くまたは風速を速く設定することで、厚さの違いで生じる熱硬化時間のばらつきを低減し、タンク容器１０全体の加熱時間の短縮を図り易くなる。

このように構成された燃料タンク製造装置１Ａは、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、タンク容器１０の左右ドーム部１２に対応するドーム部熱風吹付部２９を更に有するので、ドーム部１２の表面にも直接熱風を噴射してドーム部１２を加熱することができる（図５の矢印Ｆ３参照）。このようにタンク容器１０の胴体部１１への直接加熱に加えてドーム部１２も直接加熱することで、タンク容器１０を均一に加熱することができ、加熱時間を更に短縮することが可能になる。

＜第３実施形態＞
図６は第３実施形態に係る燃料タンク製造装置の熱硬化炉を示す正面模式図である。本実施形態の熱硬化炉２Ｂは、タンク容器１０の口金部を加熱する口金加熱部２８を更に有する点において、上述の第１実施形態と相違するが、その他の構造は第１実施形態と同様である。ここで、その相違点のみを説明する。

図６に示すように、熱風吹付部２２の左右両側には、軸支シャフト１３を介してタンク容器１０のバルブ側口金部１０ｃ又はエンド側口金部１０ｄを加熱する口金加熱部２８がそれぞれ配置されている。口金加熱部２８は、熱吸排気ボックス２６の下方に吊設されており、熱吸排気ボックス２６の吸気路２６１と接続される接続管２８１と、該接続管２８１経由で供給される熱風を整流するための熱風整流室２８０と、熱風整流室２８０で整流された熱風を軸支シャフト１３に向かって噴射するノズル２８２とを有するように構成されている。

図６において熱風吹付部２２の左側に配置された口金加熱部２８（以下、左側口金加熱部２８という）は、タンク容器１０の左端部に取り付けられた軸支シャフト１３の鉛直上方に位置しており、該軸支シャフト１３を介してバルブ側口金部１０ｃを加熱する。なお、本実施形態では、軸支シャフト１３は熱伝導性を有するステンレスなどの金属部材により形成され、バルブ側口金部１０ｃ及びエンド側口金部１０ｄはそれぞれアルミニウムによって形成されている。

そして、図６及び図７の矢印Ｆ４に示すように、左側口金加熱部２８からの熱のうち、一部は軸支シャフト１３及びバルブ側口金部１０ｃを経由して、ドーム部１２側の繊維強化樹脂層１０ｂに伝達され、一部は軸支シャフト１３、バルブ側口金部１０ｃ及びライナー１０ａを経由して、胴体部１１側の繊維強化樹脂層１０ｂに伝達される。

一方、図６において熱風吹付部２２の右側に配置された口金加熱部２８（以下、右側口金加熱部２８という）は、タンク容器１０の右端部に取り付けられた軸支シャフト１３の鉛直上方に位置しており、該軸支シャフト１３を介してエンド側口金部１０ｄを加熱する。図６及び図７の矢印Ｆ４に示すように、右側口金加熱部２８からの熱のうち、一部は軸支シャフト１３及びエンド側口金部１０ｄを経由して、ドーム部１２側の繊維強化樹脂層１０ｂに伝達され、一部は軸支シャフト１３、エンド側口金部１０ｄ及びライナー１０ａを経由して、胴体部１１側の繊維強化樹脂層１０ｂに伝達される。

ここで、口金加熱部２８のノズル２８２から噴射される熱風の温度または風速は、熱風吹付部２２のノズル２２２から噴射される熱風の温度または風速と同じに設定されても良く、異なるように設定されても良い。図４及び図７に示すように、胴体部１１よりもドーム部１２の繊維強化樹脂層１０ｂが厚い場合、例えばノズル２８２から噴射される熱風の温度をノズル２２２から噴射される熱風の温度より高くまたは風速を速く設定することで、厚さの違いで生じる熱硬化時間のばらつきを低減し、タンク容器１０全体の加熱時間の短縮を図り易くなる。

このように構成された燃料タンク製造装置１Ｂは、上述の第１実施形態と同様な作用効果を得られるほか、タンク容器１０の口金部を加熱する口金加熱部２８を更に有するので、軸支シャフト１３及びバルブ側口金部１０ｃ又はエンド側口金部１０ｄを介し、タンク容器１０の内部からも該タンク容器１０を加熱することができる。その結果、タンク容器１０の加熱に要する時間を一層短縮することができる。

なお、口金加熱部は、上述したノズルを有するタイプに限らずに、必要に応じて赤外線加熱、誘導加熱、非接触タイプの熱源を用いた加熱部であって良い。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態では、タンク容器１０を回転させるための回転部２１が熱硬化炉２の外部に配置される例を挙げて説明したが、必要に応じて回転部２１を熱硬化炉２の内部に配置しても良い。

また、上述の実施形態において、タンク容器１０の中心軸Ｌ方向から見たとき、ノズル２２２がタンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向に対して左側にずれた位置に配置される例を説明したが、ノズル２２２がタンク容器１０の中心軸Ｌの鉛直方向に対して右側にずれた位置に配置されても良い。このとき、ノズル２２２から噴射される熱風はタンク容器１０の外周に沿って時計回りに流れるので、回転部２１は反時計回りにタンク容器１０を回転させるように設定されることになる。

１，１Ａ，１Ｂ 燃料タンク製造装置
２，２Ａ，２Ｂ 熱硬化炉
３ 熱風発生機
４ 吸気ダクト
５ 排気ダクト
１０ タンク容器
１０ａ ライナー
１０ｂ 繊維強化樹脂層
１０ｃ バルブ側口金部
１０ｄ エンド側口金部
１１ 胴体部
１２ ドーム部
１３ 軸支シャフト
２１ 回転部
２２ 熱風吹付部
２３ 貫通孔
２４ 炉壁
２６ 熱吸排気ボックス
２８ 口金加熱部
２９ ドーム部熱風吹付部
２１０ 軸受部材
２１１ 回転モータ
２２０，２８０，２９０ 熱風整流室
２２１，２８１，２９１ 接続管
２２２，２８２，２９２ ノズル
Ｌ 中心軸

Claims (3)

1. タンク容器を該タンク容器の中心軸回りに回転させる回転部と、前記タンク容器の表面にガスを噴射するノズルとを備える燃料タンク製造装置であって、
   前記回転部は、前記ノズルからのガスの噴射方向と逆向きに前記タンク容器を回転させるようにされており、
   前記タンク容器の中心軸方向から見たとき、前記ノズルは、前記タンク容器の中心軸の鉛直方向に対してずれた位置に配置されていることを特徴とする燃料タンク製造装置。
2. 前記ノズルは、前記タンク容器の中心軸方向に沿って延設されており、その噴射口が前記タンク容器の中心軸方向に沿って連続的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料タンク製造装置。
3. 前記タンク容器の中心軸方向の端部に設けられた口金部を加熱する加熱部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料タンク製造装置。

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