JP2020085199A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】繊維をムラなく樹脂に含浸させることができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】高圧タンク１０の製造方法は、円筒状の胴部１２Ａと、胴部１２Ａの端部に半球状に形成されたドーム部１２Ｂと、ドーム部１２Ｂから軸方向に延在された首部１２Ｃとを含んで構成された容器本体１２を形成する容器形成工程と、容器本体１２の外周面に繊維を巻付けて容器本体１２の径方向に複数の繊維層１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを形成する巻付工程と、繊維が巻付けられた容器本体１２を金型内に配置し、首部１２Ｃへ軸方向に樹脂を注入することで繊維を樹脂に含浸させる注入工程と、を有する。【選択図】図４

Description

本開示は、高圧タンクの製造方法に関する。
特許文献１には、容器本体に繊維を巻付けた後、繊維に樹脂を含浸させることで圧力容器を製造する方法が開示されている。この特許文献１では、繊維が巻付けられた容器本体を拡径させた状態で、容器本体を真空フィルムで覆って繊維に樹脂を含浸させている。
特開２０１２−０５２５８８号公報
しかしながら、容器本体の外周面に繊維を巻付けることで、容器本体の径方向に複数の繊維が重なって繊維層が形成されるため、繊維をムラなく樹脂に含浸させる観点で改善の余地がある。
本開示は上記事実を考慮し、繊維をムラなく樹脂に含浸させることができる高圧タンクの製造方法を得ることを目的とする。
第１態様に係る高圧タンクの製造方法は、円筒状の胴部と、該胴部の端部に半球状に形成されたドーム部と、該ドーム部から軸方向に延在された首部とを含んで構成された容器本体を形成する容器形成工程と、前記容器本体の外周面に繊維を巻付けて前記容器本体の径方向に複数の繊維層を形成する巻付工程と、前記繊維が巻付けられた前記容器本体を金型内に配置し、前記首部へ軸方向に樹脂を注入することで前記繊維を樹脂に含浸させる注入工程と、を有する。
第１態様に係る高圧タンクの製造方法では、容器形成工程で容器本体が形成される。ここで、容器本体は、円筒状の胴部と、この胴部の端部に半球状に形成されたドーム部と、ドーム部から容器本体の軸方向に延在された首部とを含んで構成されている。また、巻付工程では、容器本体の外周面に繊維が巻付けられる。さらに、注入工程では、容器本体を金型内に配置し、樹脂を注入して繊維を樹脂に含浸させる。これにより、容器本体の外周面に繊維強化樹脂層が形成されて容器本体を補強することができる。
また、注入工程では、容器本体の首部へ軸方向に樹脂が注入される。これにより、巻付工程で容器本体の径方向に複数の繊維層が形成されている場合であっても、容器本体に近い奥の層まで樹脂で含浸させることができる。
第２態様に係る高圧タンクの製造方法は、第１態様において、前記巻付工程では、前記胴部及び前記ドーム部よりも前記首部における前記繊維層の厚みが厚くなるように前記繊維を巻付ける。
第２態様に係る高圧タンクの製造方法では、高圧タンクの首部の耐圧強度を向上させることができる。また、首部における繊維層の厚みが厚くなった場合でも、効果的に繊維を樹脂に含浸させることができる。
第３態様に係る高圧タンクの製造方法は、第１態様又は第２態様において、前記首部に口金を組み付け、さらに高圧タンク同士を連結するための連結部材を組み付ける組付工程を備え、前記連結部材には、組付け状態で軸方向から見て前記繊維層と重なるように軸方向に貫通した貫通孔が形成されており、前記注入工程では、前記連結部材の前記貫通孔から樹脂を注入させる。
第３態様に係る高圧タンクの製造方法では、連結部材の貫通孔から樹脂を注入させることにより、金型自体に樹脂射出用の貫通孔を形成する場合と比較して、確実に繊維層に対して軸方向に樹脂を注入させることができる。また、貫通孔の形状や孔径を変更するだけで樹脂の注入量等を変更することができ、金型の設計変更が不要となる。
第４態様に係る高圧タンクの製造方法は、第１態様〜第３態様の何れか１の態様において、前記金型における前記容器本体の軸方向一方側には樹脂の注入部が設けられ、軸方向他端側には真空ポンプが接続されており、前記注入工程では、前記注入部から樹脂を注入しつつ、前記真空ポンプによって減圧させる。
第４態様に係る高圧タンクの製造方法では、注入工程で真空ポンプによって減圧させることにより、樹脂中の気泡を除去することができ、ボイドの発生を抑制することができる。
以上説明したように、本開示に係る高圧タンクの製造方法では、繊維をムラなく樹脂に含浸させることができる。
実施形態に係る巻付工程を説明するための全体構成図である。 実施形態に係る高圧タンクを拡大して示す拡大図である。 実施形態に係る注入工程を説明するための全体構成図である。 実施形態に係る注入工程を説明するための説明図であり、高圧タンクを拡大して示す拡大図である。
先ず、実施形態に係る高圧タンク１０について図面を参照して説明し、その後に高圧タンク１０の製造方法について説明する。なお、図２〜４に適宜示す矢印ＣＬは、高圧タンク１０の中心軸を示している。また、単に軸方向と記載した場合は、中心軸ＣＬに沿った方向を示すものとし、径方向と記載した場合は、高圧タンク１０の径方向に沿った方向を示すものとする。
（高圧タンクの全体構成）
図２に示されるように、本実施形態の高圧タンク１０は、燃料電池車両に搭載される水素タンクとして用いられる容器であり、主として、容器本体１２、繊維強化樹脂層１４、口金１６及び連結部材１８を含んで構成されている。また、容器本体１２は、胴部１２Ａとドーム部１２Ｂと首部１２Ｃとを含んで構成されている。なお、本実施形態では一例として、容器本体１２をアルミ合金によって形成しているが、これに限定されない。例えば、強化樹脂によって容器本体１２を形成してもよい。
容器本体１２の胴部１２Ａは、略円筒状に形成されており、軸方向を長手方向として延在されている。また、胴部１２Ａにおける軸方向の両端部にはドーム部１２Ｂが一体に形成されており、このドーム部１２Ｂは、略半球状に形成されている。
ドーム部１２Ｂにおける胴部１２Ａとは反対側の端部から軸方向へ首部１２Ｃが延在されている。首部１２Ｃは、胴部１２Ａよりも小径で軸方向に一定の径で延在されている。
容器本体１２の外周面には繊維強化樹脂層１４が設けられている。換言すれば、容器本体１２は、繊維強化樹脂層１４によって被覆されており、この繊維強化樹脂層１４によって容器本体１２が補強されている。
繊維強化樹脂層１４は、胴部１２Ａの外周面を覆う第１補強層１４Ａと、ドーム部１２Ｂの外周面を覆う第２補強層１４Ｂと、首部１２Ｃの外周面を覆う第３補強層１４Ｃとを含んで構成されている。また、本実施形態の繊維強化樹脂層１４は、炭素繊維強化樹脂（CFRP ：carbon fiber reinforced plastic）によって形成されており、第１補強層１４Ａよりも第３補強層１４Ｃの方が径方向の厚みが厚く形成されている。さらに、第２補強層１４Ｂは、第１補強層１４Ａ側から第３補強層１４Ｃ側へ向かうにつれて徐々に径方向の厚みが厚くなるように形成されている。
容器本体１２における首部１２Ｃの径方向外側には口金１６が設けられている。口金１６は、略円筒状に形成されて首部１２Ｃに組み付けられており、この口金１６の外周面は、図示しないネジ溝が形成された係合部１６Ａとされている。そして、口金１６の係合部１６Ａは、連結部材１８に形成された被係合部１８Ａと係合されている。
連結部材１８は、口金１６に取り付けられて容器本体１２の開口を塞ぐ形状に形成されており、軸方向の一方側には凹部が形成されている。そして、この凹部の周面が口金１６の係合部１６Ａと係合される被係合部１８Ａとなっている。この被係合部１８Ａは、例えば、雌ねじであり、口金１６に形成された係合部１６Ａとしての雄ねじが捩じ込まれることで係合される構造であってもよい。
連結部材１８における凹部の中央部から容器本体１２側へ挿入部が突出されており、連結部材１８が口金１６に組み付けられた状態で、挿入部が容器本体１２の内部へ挿入されている。そして、この挿入部には流路１８Ｂが形成されている。
ここで、本実施形態の連結部材１８は、容器本体１２の軸方向と直交する方向を長手方向として延在されており、複数の容器本体１２を連結できるように構成されている。すなわち、連結部材１８には、長手方向に沿って複数の被係合部１８Ａが形成されており、それぞれの被係合部１８Ａに各容器本体１２の係合部１６Ａが係合されるように構成されている。
流路１８Ｂは、連結部材１８の長手方向に沿って延在されており、この流路１８Ｂによって複数の容器本体１２の内部空間が連通される。また、連結部材１８には図示しないバルブが取り付けられる。
ここで、連結部材１８の軸方向他端側には、複数の貫通孔１８Ｃが形成されている。貫通孔１８Ｃは、容器本体１２の軸方向に貫通されており、容器本体１２側へ向かうにつれて徐々に縮径するテーパ状に形成されている。
また、貫通孔１８Ｃは、軸方向から見て第３補強層１４Ｃと重なる位置に形成されている。そして、本実施形態では、連結部材１８の周方向に沿って間隔をあけて複数の貫通孔１８Ｃが形成されている（図２では２つの貫通孔１８Ｃのみが図示されている）。
（高圧タンクの製造方法）
次に、本実施形態の高圧タンク１０の製造方法について説明する。
先ず、プレスなどによって容器本体１２を形成する（容器形成工程）。例えば、二枚の金属板をそれぞれプレスによって半円筒状に形成し、これらの部材同士を接合して容器本体１２を形成する方法などがある。
次に、容器本体１２の外周面に繊維を巻き付ける（巻付工程）。図１に示されるように、本実施形態の巻付工程は、フィラメントワインディング装置３０（以下、適宜「ＦＷ装置３０」と称する）を用いて行われる。ＦＷ装置３０は、繊維束３６を高速で供給して容器本体１２に巻き付けるための装置である。
ＦＷ装置３０は、ボビン３２、巻出ローラ３４、結束ローラ３８、アクティブダンサ４０、搬送ローラ４２、４４、４６及びアイクチ部４８を含んで構成されている。
ボビン３２は、ＦＷ装置３０の最も上流側に複数配置されており、本実施形態では４つのボビン３２が配設されている。それぞれのボビン３２には繊維束３６が巻かれており、この繊維束３６は、樹脂が含浸されていない所謂ドライ炭素繊維束である。
それぞれのボビン３２の上方側には巻出ローラ３４が配設されている。すなわち、本実施形態では４つの巻出ローラ３４が配設されている。巻出ローラ３４にはそれぞれ、ボビン３２から巻き出された繊維束３６が掛けられており、この巻出ローラ３４によって繊維束３６が結束ローラ３８へ搬送される。
結束ローラ３８は、ボビン３２から巻き出された繊維束３６を揃えて、アクティブダンサ４０へ巻き出す。アクティブダンサ４０は、上下に移動することによって、繊維束３６の張力を調整する。そして、張力が調整された繊維束３６は、搬送ローラ４２、搬送ローラ４４及び搬送ローラ４６を経由して、アイクチ部４８に搬送される。
アイクチ部４８では、４束の繊維束３６が集められ、適切な圧力を加えて繊維束３６の形状が整えられる。そして、アイクチ部４８で形状が整えられた繊維束３６が容器本体１２に巻き付けられることで、図２に示されるように容器本体１２の外周面に繊維層が形成される。図示はしないが、繊維層は、容器本体１２の径方向に複数形成される。
このとき、胴部１２Ａ及びドーム部１２Ｂよりも首部１２Ｃにおける繊維層の厚みが厚くなるように繊維束３６が巻付けられる（第１補強層１４Ａ、第２補強層１４Ｂ及び第３補強層１４Ｃ参照）。
巻付工程で容器本体１２に繊維束３６が巻付けられた後、容器本体１２に口金１６及び連結部材１８が組み付けられる（組付工程）。具体的には、容器本体１２の首部１２Ｃに口金１６が組み付けられる。その後、口金１６が連結部材１８に組み付けられることで、容器本体１２が口金１６を介して連結部材１８に組み付けられる。
口金１６及び連結部材１８が組み付けられた容器本体１２は、図３に示されるように、金型５０にセットされる。そして、金型５０内に樹脂を注入することで繊維束３６を樹脂に含浸させて繊維強化樹脂層１４を成形する（注入工程）。
注入工程では、金型５０を構成する下型の所定の位置に容器本体１２がセットされる。その後、上型５４が下ろされる。ここで、本実施形態では、上型５４における容器本体１２の軸方向一方側には樹脂の注入部５６が設けられており、注入部５６と上型５４とが配管６０で連結されている。一方、上型５４における容器本体１２の軸方向他端側には真空ポンプ５８が設けられており、真空ポンプ５８と上型５４とが配管６２で連結されている。
上型５４が下ろされた状態では、注入部５６から延びた配管６０の先端が図４に示される連結部材１８と対応する位置に配置されるように構成されている。そして、注入工程では、注入部５６から配管６０を通じて容器本体１２の首部１２Ｃへ軸方向に樹脂が注入される。具体的には、図４の矢印で示すように、連結部材１８に形成された複数の貫通孔１８Ｃから第３補強層１４Ｃに対応する繊維層へ軸方向に樹脂が注入される。
また、図３に示されるように、注入工程では、真空ポンプ５８を起動させることで、樹脂を注入しつつ、配管６２を通じて金型５０内が減圧される。すなわち、本実施形態の注入工程は、ＶａＲＴＭ（Vacuum assisted Resin Transfer Molding）成形法によって成形する方法となっている。この方法によって容器本体１２を覆う繊維層が樹脂に含浸され、繊維強化樹脂層１４が成形される。
（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。
本実施形態の高圧タンク１０の製造方法では、注入工程で容器本体１２を金型内に配置し、樹脂を注入して繊維を樹脂に含浸させる。これにより、図４に示されるように、容器本体１２の外周面に繊維強化樹脂層１４を形成することができ、容器本体１２を補強することができる。
また、注入工程では、容器本体１２の首部１２Ｃへ軸方向に樹脂が注入される。これにより、巻付工程で容器本体１２の径方向に複数の繊維層が形成されている場合であっても、容器本体１２に近い奥の層まで樹脂で含浸させることができる。すなわち、繊維をムラなく樹脂に含浸させることができる。
さらに、本実施形態では、図４の領域Ｎで示すように、首部１２Ｃにおける第３補強層１４Ｃの厚みを厚くしているため、高圧タンク１０における首部１２Ｃの耐圧強度を向上させることができる。また、首部１２Ｃにおける繊維層の厚みが厚くなった場合でも、第３補強層１４Ｃに対応する部分へ軸方向に樹脂を注入することで、効果的に首部１２Ｃの繊維層を樹脂に含浸させることができる。
さらにまた、本実施形態では、連結部材１８に貫通孔１８Ｃを形成しており、この貫通孔１８Ｃから樹脂を注入させる。これにより、金型５０自体に樹脂射出用の貫通孔を形成する場合と比較して、確実に繊維層に対して軸方向に樹脂を注入させることができる。また、貫通孔の形状や孔径を変更するだけで樹脂の注入量等を変更することができ、金型５０の設計変更が不要となる。
また、本実施形態では、図２に示されるように、注入工程で真空ポンプ５８によって金型５０内を減圧させることにより、樹脂中の気泡が膨張され、この膨張した気泡が真空引きによって除去されるため、樹脂中の気泡を除去することができる。この結果、繊維強化樹脂層１４にボイドが発生するのを抑制することができる。
以上、実施形態について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることはもちろんである。例えば、本実施形態では、容器本体１２の軸方向両端部にドーム部１２Ｂ及び首部１２Ｃが形成されていたが、これに限定されず、容器本体１２の軸方向一端部のみにドーム部１２Ｂ及び首部１２Ｃが形成された構成としてもよい。この場合、容器本体１２の軸方向他端部は、ドーム状に閉塞された形状となる。
また、本実施形態では、巻付工程の一例として、フィラメントワインディング装置３０によって繊維束３６を容器本体１２の外周面に巻き付けたが、これに限定されない。すなわち、容器本体１２の径方向に複数の繊維層を形成するように繊維を巻付ける方法であれば、他の方法を採用してもよい。
１０ 高圧タンク
１２ 容器本体
１２Ａ 胴部
１２Ｂ ドーム部
１２Ｃ 首部
１６ 口部
１８ 連結部材
１８Ｃ 貫通孔
５０ 金型
５６ 注入部
５８ 真空ポンプ

Claims (4)

  1. 円筒状の胴部と、該胴部の端部に半球状に形成されたドーム部と、該ドーム部から軸方向に延在された首部とを含んで構成された容器本体を形成する容器形成工程と、
    前記容器本体の外周面に繊維を巻付けて前記容器本体の径方向に複数の繊維層を形成する巻付工程と、
    前記繊維が巻付けられた前記容器本体を金型内に配置し、前記首部へ軸方向に樹脂を注入することで前記繊維を樹脂に含浸させる注入工程と、
    を有する高圧タンクの製造方法。
  2. 前記巻付工程では、前記胴部及び前記ドーム部よりも前記首部における前記繊維層の厚みが厚くなるように前記繊維を巻付ける請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
  3. 前記首部に口金を組み付け、さらに高圧タンク同士を連結するための連結部材を組み付ける組付工程を備え、
    前記連結部材には、組付け状態で軸方向から見て前記繊維層と重なるように軸方向に貫通した貫通孔が形成されており、
    前記注入工程では、前記連結部材の前記貫通孔から樹脂を注入させる請求項１又は２に記載の高圧タンクの製造方法。
  4. 前記金型における前記容器本体の軸方向一方側には樹脂の注入部が設けられ、軸方向他端側には真空ポンプが接続されており、
    前記注入工程では、前記注入部から樹脂を注入しつつ、前記真空ポンプによって減圧させる請求項１〜３の何れか１項に記載の高圧タンクの製造方法。
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