JP2019056415A - 高圧タンクの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維が厚く積層されたプリフォームに樹脂を含浸する場合に、樹脂の射出による圧力によって引き起こされる不具合の抑制。【解決手段】プリフォーム１００を金型２５内に配置する。駆動機構８０が、上型２０を半締めにする。次に、真空ポンプ５０が、真空脱気を開始する。続いて、回転機構３２が回転を開始する。回転機構３２が回転すると、支持機構３４に支持されたプリフォーム１００が回転する。次に、樹脂Ｊを金型２５内に射出する。樹脂Ｊの充填が完了したら、上型２０を締める。その後、樹脂Ｊが硬化する前に、プリフォーム１００の回転を停止する。その後、樹脂Ｊが硬化した後、制御装置７０は、駆動機構８０を駆動させて、上型２０を開く。樹脂Ｊが硬化したことによって、プリフォーム１００は、高圧タンクになる。最後に、作業者が高圧タンクを取り出す。【選択図】図３

Description

本開示は、繊維によって補強された高圧タンクの製造、特に繊維に対する樹脂の含浸および硬化に関する。

特許文献１は、ＦＲＰ製タンクの製造方法を開示している。この製造方法では、金属製の中子に繊維を巻き付けて被覆する被覆工程を実行した後、繊維に樹脂を含浸させる含浸工程を行う。その後、樹脂を含浸させた繊維を加熱することによって、樹脂を硬化させる。

特開２００８−１３２７１７号公報

上記の手法を、高圧タンクの製造に適用することが考えられる。具体的には、被覆工程として、ライナに繊維を厚く積層することでプリフォームを用意し、このプリフォームとしての繊維層に樹脂を含浸させる。但し、繊維が厚く積層されていると、表面から深い位置にある繊維には樹脂が含浸し難い。そこで、含浸を促進するために、樹脂を高圧で射出することが考えられる。しかし、樹脂を高圧で射出すると、ゲート直下の一点に高圧が掛かり、繊維やライナが変形する等の不具合が発生するおそれがある。

本開示は、上記を踏まえ、高圧タンクを製造するために、繊維が厚く積層されたプリフォームに樹脂を含浸する場合に、樹脂の射出による圧力によって引き起こされる不具合の抑制を解決課題とする。

本開示の一形態は、高圧タンクの内部空間を形成するライナの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを金型内に配置し；前記金型内に配置された前記プリフォームに向けてゲートから樹脂を射出しながら、前記プリフォームの中心軸線を回転中心にして、前記プリフォームを前記金型内で周方向に回転させる高圧タンクの製造方法である。この形態によれば、樹脂の射出時にプリフォームが回転しているので、ゲートから射出された樹脂の圧力が、プリフォームの特定箇所に集中することを回避できる。さらに、樹脂の射出時にプリフォームが回転しているので、樹脂の実質的な流動長さが短くなる。この結果、低い射出圧力でも、金型とプリフォームとの間に樹脂を充填することができる。ひいては、ゲートから射出された樹脂の圧力による不具合が抑制される。

上記形態において、前記射出の方向は、前記中心軸線とねじれの位置にあり；前記射出された樹脂が前記プリフォームの表面に衝突する位置において、前記プリフォームの接平面方向についての前記樹脂の射出による速度成分は、前記プリフォームの回転による周方向の速度と逆向きであってもよい。この形態によれば、プリフォームの表面に衝突する位置において、ゲートから射出された樹脂が、繊維層の深くまで含浸されやすくなる。さらに、ゲートから射出された樹脂が、プリフォームの表面において拡散しやすくなるので、ウェルドラインの発生が抑制される。

上記形態において、前記金型は、第１の型と第２の型とを含み；前記ゲートは、前記第１の型に設けられており；前記射出時において、前記第２の型と前記プリフォームとの間の隙間よりも大きい隙間を、前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けてもよい。この形態によれば、ゲートから、第１の型とプリフォームとの間に樹脂が流れ込みやすくなる。ひいては、更に低い射出圧力でも、樹脂を充填することができる。

上記形態において、前記射出時における前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けられた隙間は、第１の隙間であり；前記金型内への前記樹脂の充填が完了した後、前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けられた隙間を、前記第１の隙間よりも狭い第２の隙間にするために、前記第１の型を締めてもよい。この形態によれば、金型内への樹脂の充填が完了した後、第１の型を締めることによる圧力の増大によって、含浸を進行させることができる。且つ、樹脂が含浸されたプリフォームの表面を、第１及び第２の型に沿って滑らかにすることができる。

上記形態において、前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり；前記金型内への前記樹脂の射出時において、前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度以上に設定してもよい。この形態によれば、射出から短時間で樹脂を硬化させることができる。

上記形態において、前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり；前記金型内への前記樹脂の射出開始時における前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度未満に設定し；前記金型内への前記樹脂の充填完了後における前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度以上に設定してもよい。この形態によれば、射出時において、樹脂の粘度が増大することを抑制できるので、低い射出圧力で樹脂を充填することができる。

本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記の製造方法を実行する製造装置等の形態で実現できる。

高圧タンクの製造装置にプリフォームが配置された様子を示す断面図。 高圧タンクの製造方法を示すフローチャート。 樹脂を射出しながらプリフォームを回転させている様子を示す断面図。 図３に示された４−４断面図。 プリフォームに衝突した樹脂が拡散する様子を示す図。 上型が締められた様子を示す断面図。 高圧タンクの製造方法を示すフローチャート（実施形態２）。

図１は、製造装置１０に、プリフォーム１００が配置された様子を概略的に示す断面図である。但し、プリフォーム１００は、断面ではなく、表面によって示されている。製造装置１０は、プリフォーム１００から高圧タンクを製造する装置である。

プリフォーム１００は、ライナと、ライナの外表面に形成され、ライナと一体になった繊維層とを含む。ライナは、高圧タンクの内部空間を形成する中空の部材である。繊維層は、１５ｍｍ〜３０ｍｍ程度の厚みを有する。繊維層は、フィラメントワインディング法によって、ライナの外表面に繊維が幾重にも巻き付けられることによって形成される。

製造装置１０は、ＲＴＭ法を用いて、プリフォーム１００を構成する繊維層に樹脂Ｊ（符号は図３等に図示）を含浸させ、さらに、含浸させた樹脂Ｊを硬化させることによって、高圧タンクを製造する。ＲＴＭは、Resin Transfer Moldingの頭字語である。

製造装置１０は、金型２５と、回転機構３２と、支持機構３４と、温度制御装置４０と、真空ポンプ５０と、加圧装置６０と、バルブ６２と、樹脂溜まり６４と、制御装置７０と、駆動機構８０とを備える。金型２５は、上型２０と下型３０とを備える。これらの構成要素については、高圧タンクの製造方法と共に説明する。

図２は、高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。まず、温度制御装置４０が、金型２５を所定温度に保温する（Ｓ２０５）。この所定温度は、樹脂Ｊの硬化温度以上の温度である。樹脂Ｊは、２液系の熱硬化性のエポキシ樹脂である。

なお、本実施形態で説明する製造方法は、量産のための方法であり、図２に示す一連の手順が繰り返し実行される。Ｓ２０５は、１つのステップとして示したが、一連の手順が繰り返し実行される間、継続して実行される。このように所定温度に保温された状態で、一連の手順が繰り返し実行されるため、１つの高圧タンクの製造が完了した後、直ちに、次の高圧タンクの製造を開始できる。この結果、単位時間当たりに製造できる高圧タンクの数を増やすことができる。

続いて作業者が、プリフォーム１００を金型２５内に配置する（Ｓ２１０）。具体的には、作業者が、プリフォーム１００を、支持機構３４に支持させる。支持機構３４は、下型３０に対して、回転可能に支持されている。支持機構３４は、樹脂Ｊが上型２０と下型３０との間から漏れ出さないようにするためのゴム製のシール部材を備える。Ｓ２１０の実行時においては、図１に示された様子とは異なり、上型２０は開いている。

次に、駆動機構８０が、制御装置７０の制御に従って、上型２０を仮締めする（Ｓ２２０）。作業者は、Ｓ２１０の後、制御装置７０に設けられたスイッチを操作する。制御装置７０は、スイッチが操作されると、製造装置１０の各部を制御することによって、Ｓ２２０〜Ｓ２８０を自動で実行する。

仮締めとは、上型２０が開いた状態と、本締めの状態との中間的な状態として、図１に示すように、上型２０とプリフォーム１００との間に隙間が空く位置に移動させることである。この隙間は、下型３０とプリフォーム１００との隙間よりも大きい。

なお、後述するＳ２６０において上型２０を本締めしても、上型２０とプリフォーム１００との間に隙間ができる。この隙間の大きさは、下型３０とプリフォーム１００との隙間の大きさとほぼ同じである。このような隙間の寸法は、樹脂Ｊの充填および含浸によって、プリフォーム１００の体積よりも、完成した高圧タンクの体積の方が大きくなることを考慮して設計されている。

次に、真空ポンプ５０が、制御装置７０の制御に従って、真空脱気を開始する（Ｓ２３０）。なお、真空脱気を終了するタイミングは、後述する樹脂の射出の終了タイミングとほぼ同じである。続いて、図３に示すように、回転機構３２が、制御装置７０の制御に従って回転を開始する（Ｓ２４０）。

回転機構３２が回転すると、支持機構３４に支持されたプリフォーム１００が周方向に回転する。プリフォーム１００の回転中心は、プリフォーム１００の中心軸線Ｏである。プリフォーム１００は、中心軸線Ｏに直交する断面の外形が、ほぼ円であるので、金型２５内に配置された状態で回転することができる。なお、先述したように、下型３０とプリフォーム１００との間に隙間が空いているため、プリフォーム１００が回転しても、プリフォーム１００と下型３０とが擦れることは殆どない。

次に、樹脂Ｊを金型２５内に射出する（Ｓ２５０）。具体的には、制御装置７０は、バルブ６２を開き、樹脂溜まり６４に貯留されている樹脂Ｊを、加圧装置６０によって加圧する。これによって、上型２０に設けられたランナー２２内を樹脂Ｊが流れ、ゲート２４から、プリフォーム１００に向けて樹脂Ｊが射出される。

樹脂Ｊの射出時にプリフォーム１００が回転していることによって、プリフォーム１００が回転していない場合に比べ、ウェルドラインの発生が抑制される。なぜなら、プリフォーム１００が回転していない場合に比べ、樹脂Ｊの実質的な流動長さが短くなるからである。仮にプリフォーム１００が無回転であれば、プリフォーム１００の円周方向の流動長さは、おおよそ、プリフォーム１００の外周面の半周分になる。

これに対して、プリフォーム１００が回転していれば、回転によって樹脂Ｊが移動するので、その分、実質的な流動長さが短くなる。実質的な流動長さが短くなれば、ゲート２４から射出された後、異なる方向に流れた樹脂Ｊ同士が、樹脂Ｊの硬化が進行する前に合流するので、ウェルドラインの発生が抑制される。

さらに、実質的な流動長さが短くなることによって、ゲート２４における射出圧力を低い値に設定しても、樹脂Ｊを十分に充填することができる。この結果、ゲート２４から射出された樹脂Ｊがプリフォーム１００に衝突する部位において、繊維層やライナの変形等の不具合が抑制される。

図４は、図３に示された４−４断面を示す。図１，図３では、図示の都合で、ゲート２４が中心軸線Ｏの直上に位置するように示されていたが、実際には図４に示すように、中心軸線Ｏの直上からずれた位置にある。さらに、図４に示すように、ゲート２４から樹脂Ｊが射出される方向は、鉛直方向である。また、下型３０は、水平面に設置されている。このため、射出の方向は、中心軸線Ｏとねじれの位置にある。

射出の方向が、中心軸線Ｏとねじれの位置にあるため、ゲート２４から射出された樹脂Ｊは、プリフォーム１００の表面に対して斜めに衝突する。つまり、ゲート２４から射出された樹脂Ｊは、プリフォーム１００に衝突する際に、プリフォーム１００の接平面Ｔ方向の速度成分を有する。なお、本実施形態における速度は、ベクトル量である。この速度成分の向きは、図４に示すように、回転によるプリフォーム１００の周方向の速度と逆向きである。以下、このような速度の関係を、カウンターフローという。

カウンターフローであることによって、プリフォーム１００の表面の速度と、射出された樹脂Ｊとの相対速度が速くなる。この結果、ゲート２４から射出された樹脂Ｊは、プリフォーム１００の表面に衝突した際、繊維層の深くに位置する繊維にまで含浸しやすくなる。

図５は、プリフォーム１００に衝突した樹脂Ｊが、拡散する様子を示す。先述したように、プリフォーム１００に衝突した樹脂Ｊの一部は繊維層の内部に含浸する一方で、残りの樹脂Ｊはプリフォーム１００と上型２０との間を流動する。プリフォーム１００と上型２０との間を流動する樹脂Ｊは、カウンターフローであるため、プリフォーム１００の回転に沿った向きの流れと、プリフォーム１００の回転に対して逆向きの流れとに分かれて、プリフォーム１００と下型３０との間に流れ込む。図５に示されているのは、プリフォーム１００の回転に対して逆向きの流れである。

図５に示されたように樹脂Ｊが拡散するのは、プリフォーム１００の回転に対して逆向きに流れると、下型３０に向かう勢いが弱まり、さらに、後から射出される樹脂Ｊによる圧力を受ける結果、樹脂Ｊから中心軸線Ｏの両端に向かって流れやすくなるからである。

上記のように樹脂Ｊが拡散することによって、更にウェルドラインの発生が抑制される。なぜなら、拡散している樹脂Ｊと、回転の向きに沿って流れて拡散していない樹脂Ｊが合流しても、拡散の程度や流れの速度が異なるため、ラインが形成されにくいからである。

また、上記したように樹脂Ｊの射出時においては、上型２０が仮締めであるため、上型２０とプリフォーム１００との隙間の流動抵抗が小さい。このため、射出された樹脂Ｊは、上型２０とプリフォーム１００との隙間の全体に、素早く充填される。この結果、樹脂Ｊの硬化が進行する前に、樹脂Ｊの充填が完了するため、更にウェルドラインの発生が抑制され、且つ、プリフォーム１００と金型２５との隙間全体に樹脂が均一に充填されやすくなる。

樹脂Ｊの充填が完了した後、制御装置７０は、駆動機構８０を駆動して、上型２０を本締めする（Ｓ２６０）。つまり、上型２０を、仮締めの状態から更に締める。図６は、上型２０が本締めされた様子を示す。Ｓ２６０の実行によって、樹脂Ｊが金型２５から受ける圧力が増大する。この圧力の増大によって、含浸が促進されると共に、繊維層の表面付近に位置する樹脂Ｊが均されて、表面が滑らかになる。

その後、樹脂Ｊの硬化が完了する前に、制御装置７０は、プリフォーム１００の回転を停止する（Ｓ２７０）。その後、樹脂Ｊが硬化した後、制御装置７０は、駆動機構８０を駆動して、上型２０を開く（Ｓ２８０）。なお、Ｓ２６０，Ｓ２７０，Ｓ２８０を実行するタイミングは、Ｓ２５０の開始からの経過時間で管理されている。

樹脂Ｊの硬化が完了すると、高圧タンクが得られる。最後に、作業者が高圧タンクを取り出す（Ｓ２９０）。

以上に説明したように、本実施形態によれば、射出された樹脂Ｊの圧力がゲート２４直下の一点に集中することによる不具合の抑制、ウェルドラインの発生の抑制、製造時間の短縮、及び、樹脂Ｊの均一な充填および含浸が実現される。

実施形態２を説明する。実施形態２の説明は、実施形態１と異なる点を主な対象とする。特に説明しない点については、実施形態１と同じである。

図７は、実施形態２における高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。実施形態１と異なるのは、Ｓ２０５が変更されている点と、Ｓ２６５が追加されている点である。

本実施形態におけるＳ２０５においては、温度制御装置４０が、金型２５の温度を、樹脂Ｊの硬化温度未満の温度に設定する。

Ｓ２６５は、Ｓ２６０の後、且つ、Ｓ２７０の前に実行される。Ｓ２６５では、金型２５の温度を、樹脂Ｊの硬化温度以上の温度に設定する。

このため、樹脂Ｊの注入時（Ｓ２５０）における金型２５の温度は、樹脂Ｊの硬化温度未満であり、樹脂Ｊの充填完了後における金型２５の温度は、樹脂Ｊの硬化温度以上である。本実施形態でいう樹脂Ｊの充填完了後とは、充填が完了した直後という意味ではなく、樹脂Ｊの充填が完了してから所定時間が経過した時点のことである。本実施形態においては、樹脂Ｊの充填が完了した直後における金型２５の温度は、樹脂Ｊの硬化温度未満である。他の実施形態においては、樹脂Ｊの射出を開始してから金型２５の昇温を開始して、樹脂Ｊの充填が完了した直後における金型２５の温度が、樹脂Ｊの硬化温度以上になるようにしてもよい。なお、本実施形態においては、Ｓ２７０，Ｓ２８０のタイミングは、Ｓ２６５からの経過時間で管理されている。

本実施形態によれば、樹脂Ｊの注入時において、樹脂Ｊの粘度が増大することを抑制できる。この結果、更に低い射出圧力に設定でき、且つ、ウェルドラインの発生を更に抑制できる。

本開示は、本明細書の実施形態や実施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、実施例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先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、組み合わせができる。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、削除できる。例えば、以下の実施形態が例示される。

ゲート２４は、中心軸線Ｏの直上に位置してもよいし、樹脂Ｊの射出の方向は、中心軸線Ｏと交差してもよい。

ゲート２４から樹脂が射出される方向は、鉛直方向でなくてもよい。つまり、ゲート２４から樹脂が射出される方向は、斜めでもよい。

上型２０を本締めにした状態で、樹脂Ｊを射出してもよい。或いは、樹脂Ｊの射出開始時点では上型２０を仮締めにし、充填完了前に上型２０を本締めしてもよい。

ランナー２２及びゲート２４は、下型３０に設けられていてもよい。

下型３０は、水平面に設置されてなくてもよい。

プリフォーム１００の接平面Ｔ方向の速度成分の向きは、回転によるプリフォーム１００の周方向の速度と同じ向きでもよい。

樹脂は、熱硬化性樹脂でなくてもよく、例えば、熱可塑性樹脂でもよいし、光硬化性樹脂でもよい。

１０…製造装置
２０…上型
２２…ランナー
２４…ゲート
２５…金型
３０…下型
３２…回転機構
３４…支持機構
４０…温度制御装置
５０…真空ポンプ
６０…加圧装置
６２…バルブ
６４…樹脂溜まり
７０…制御装置
８０…駆動機構
１００…プリフォーム
Ｊ…樹脂
Ｏ…中心軸線
Ｔ…接平面

Claims (12)

1. 高圧タンクの内部空間を形成するライナの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを金型内に配置し、
   前記金型内に配置された前記プリフォームに向けてゲートから樹脂を射出しながら、前記プリフォームの中心軸線を回転中心にして、前記プリフォームを前記金型内で周方向に回転させる
   高圧タンクの製造方法。
2. 前記射出の方向は、前記中心軸線とねじれの位置にあり、
   前記射出された樹脂が前記プリフォームの表面に衝突する位置において、前記プリフォームの接平面方向についての前記樹脂の射出による速度成分は、前記プリフォームの回転による周方向の速度と逆向きである
   請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
3. 前記金型は、第１の型と第２の型とを含み、
   前記ゲートは、前記第１の型に設けられており、
   前記射出時において、前記第２の型と前記プリフォームとの間の隙間よりも大きい隙間を、前記第１の型と前記プリフォームとの間に空ける
   請求項１から請求項２までの何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
4. 前記射出時における前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けられた隙間は、第１の隙間であり、
   前記金型内への前記樹脂の充填が完了した後、前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けられた隙間を、前記第１の隙間よりも狭い第２の隙間にするために、前記第１の型を締める
   請求項３に記載の高圧タンクの製造方法。
5. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
   前記金型内への前記樹脂の射出時において、前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度以上に設定する
   請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
6. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
   前記金型内への前記樹脂の射出開始時における前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度未満に設定し、
   前記金型内への前記樹脂の充填完了後における前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度以上に設定する
   請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
7. 高圧タンクの内部空間を形成するライナの外表面に繊維層が形成されたプリフォームに、樹脂を含浸するための金型と、
   前記金型の温度を制御する温度制御装置と、
   前記金型内において、前記プリフォームを支持する支持機構と、
   前記金型内を真空脱気する真空ポンプと、
   樹脂を加圧することによって、前記金型に設けられたゲートから、前記プリフォームに向けて樹脂を射出する加圧装置と、
   前記支持機構によって支持された前記プリフォームを、前記樹脂の射出時に、前記プリフォームの中心軸線を回転中心にして周方向に回転させる回転機構と、
   を備える高圧タンクの製造装置。
8. 前記射出の方向は、前記中心軸線とねじれの位置にあり、
   前記射出された樹脂が前記プリフォームの表面に衝突する位置において、前記プリフォームの接平面方向についての前記樹脂の射出による速度成分は、前記プリフォームの回転による周方向の速度と逆向きである
   請求項７に記載の高圧タンクの製造装置。
9. 前記金型は、第１の型と第２の型とを含み、
   前記ゲートは、前記第１の型に設けられており、
   前記金型内への前記樹脂の射出時において、前記第２の型と前記プリフォームとの間の隙間よりも大きい隙間を、前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けるために、前記第１の型が開いた状態から前記第１の型を締める駆動機構を備える
   請求項７から請求項８までの何れか一項に記載の高圧タンクの製造装置。
10. 前記射出時における前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けられた隙間は、第１の隙間であり、
    前記駆動機構は、前記金型内への前記樹脂の充填が完了した後、前記第１の型と前記プリフォームとの間に空けられた隙間を、前記第１の隙間よりも狭い第２の隙間にするために、前記第１の型を締める
    請求項９に記載の高圧タンクの製造装置。
11. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
    前記温度制御装置は、前記金型内への前記樹脂の射出時において、前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度以上に設定する
    請求項７から請求項１０までの何れか一項に記載の高圧タンクの製造装置。
12. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
    前記温度制御装置は、前記金型内への前記樹脂の射出開始時における前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度未満に設定し、前記金型内への前記樹脂の充填完了後における前記金型の温度を前記樹脂の硬化温度以上に設定する
    請求項７から請求項１０までの何れか一項に記載の高圧タンクの製造装置。

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