JP2021079604A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒部とドーム部との接合強度を高め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】高圧タンクの製造方法は、円筒部１１と円筒部１１の軸Ｌ方向の両端に配置されるドーム部１２とを有するライナー１０を製造するライナー製造工程と、ライナー１０の外周に覆うように繊維強化樹脂層２０を形成する樹脂層形成工程とを含む。ライナー製造工程は、ゴム無しナイロンを用いて円筒部１１を形成する円筒部形成ステップと、ゴム有りナイロンを用いてドーム部１２を形成するドーム部形成ステップとを有する。ライナー製造工程において、円筒部形成ステップ及びドーム部形成ステップのうちの一方を行った後に他方を行い、円筒部１１とドーム部１２とを一体的に形成する。【選択図】図２

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関し、特に樹脂製ライナーを備える高圧タンクの製造方法に関する。

燃料電池自動車や水素自動車に搭載される水素タンクなどの高圧タンクとして、例えば特許文献１に記載されたように、円筒部と円筒部の軸方向の端部に配置されるドーム部とを有するライナーと、ライナーの外周に形成された繊維強化樹脂層とを備えるものが知られている。この特許文献１に記載の高圧タンクでは、円筒部とドーム部とが異なる樹脂材料によって形成されている。そして、円筒部に用いられる樹脂材料よりもドーム部に用いられる樹脂材料の線膨張係数を大きくすることで、ドーム部と繊維強化樹脂層との間の隙間を減らし、ライナーの塑性変形や破損を抑制する効果を得られる。

より詳細には、ライナーとその外周に形成された繊維強化樹脂層とが完全に密着できないため、ライナーは熱線膨張により収縮することができる。そして、水素タンク満充填時から空まで使用すると、水素タンク内部の圧力が低下するので、水素タンク内部の温度が低下する。これによって、ライナーが大きく収縮し、ライナーと繊維強化樹脂層との間に隙間が発生する。隙間の発生量は、ドーム部と繊維強化樹脂層との間が特に大きい。

このような状態で再び水素の充填を行うと、ライナーと繊維強化樹脂層との間に隙間を埋めるようにライナーが局所的に引き伸ばされるので、ライナーの塑性変形や破損の可能性がある。これに対し、特許文献１に記載の高圧タンクでは、円筒部に用いられる樹脂材料よりもドーム部に用いられる樹脂材料の線膨張係数を大きくすることで、ドーム部と繊維強化樹脂層との隙間発生量を低減し、ライナーの塑性変形や破損を防止できる。

特開２０１８−１１５６９７号公報

しかし、上記特許文献１には高圧タンクの製造方法が開示されていないため、従来の方法を用いて製造されることが予想される。すなわち、円筒部とドーム部とを射出成形などで個別に形成した後に、溶着でこれらを接合する方法である。しかし、このような従来の方法で製造された場合、円筒部とドーム部との接合強度が弱くなる問題が生じる。従って、接合強度を高めることができる新しい製造方法が望まれている。

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、円筒部とドーム部との接合強度を高めることができる高圧タンクの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧タンクの製造方法は、円筒部と前記円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有するライナーを製造するライナー製造工程と、前記ライナーの外周に覆うように繊維強化樹脂層を形成する樹脂層形成工程とを含む高圧タンクの製造方法であって、前記ライナー製造工程は、第１樹脂材料を用いて前記円筒部を形成する円筒部形成ステップと、前記第１樹脂材料と異なる第２樹脂材料を用いて前記ドーム部を形成するドーム部形成ステップとを有し、前記ライナー製造工程において、前記円筒部形成ステップ及び前記ドーム部形成ステップのうちの一方を行った後に他方を行い、前記円筒部と前記ドーム部とを一体的に形成することを特徴としている。

本発明に係る高圧タンクの製造方法では、ライナーを製造する際に、円筒部形成ステップ及びドーム部形成ステップのうちの一方を行った後に他方を行うことにより、円筒部とドーム部とを一体的に形成するので、円筒部とドーム部との接合強度を高めることができる。

本発明によれば、円筒部とドーム部との接合強度を高めることができる。

高圧タンクの構造を示す概略断面図である。 第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する模式図である。 第２実施形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する模式図である。 発明品及び従来品におけるライナーとＦＲＰ間の隙間の比較結果を示す図である。

以下、図面を参照して高圧タンクの製造方法の実施形態について説明するが、その前に図１を基に高圧タンクの構造を説明する。

図１は高圧タンクの構造を示す概略断面図である。高圧タンク１は、例えば燃料電池車両や水素自動車に搭載される水素タンクであり、内部に高圧水素を貯留するための貯留空間を有するライナー１０と、該ライナー１０の外周に密着する繊維強化樹脂層２０とを備えている。

ライナー１０は、水素ガスに対するガスバリア性を有しており、円筒部１１と、円筒部１１の軸Ｌ方向の左右両端にそれぞれ配置された略半球状のドーム部１２とを有する中空の容器である。後に詳細に説明するが、ライナー１０は、ナイロン材料を用いて回転成形により一体的に形成されている。

２つのドーム部１２の頂部には開口部（図示せず）がそれぞれ形成され、開口部には口金１３，１４が装着されている。具体的には、図１に示すように、左側のドーム部１２の開口部に口金１３、右側のドーム部１２の開口部に口金１４がそれぞれ内挿されている。口金１３は例えばバルブ側口金として機能し、口金１４は例えばエンド側口金として機能する。これらの口金１３，１４は、金属材料によって略円筒状に形成されており、一端部がドーム部１２の開口部に内挿され、他端部がドーム部１２からライナー１０の軸Ｌ方向に沿って外部に突出している。

繊維強化樹脂層２０は、ライナー１０の外周を覆う補強層であり、例えばライナー１０の外周に巻き付けられる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：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構成されている。

以下、高圧タンクの製造方法について説明する。高圧タンク１の製造方法は、主に、ライナー１０を製造するライナー製造工程と、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層２０を形成する樹脂層形成工程とを含む。ライナー製造工程は、更に、第１樹脂材料を用いて円筒部１１を形成する円筒部形成ステップと、第１樹脂材料と異なる第２樹脂材料を用いてドーム部１２を形成するドーム部形成ステップとを有する。

そして、ライナー製造工程において、円筒部形成ステップ及びドーム部形成ステップのうちの一方を行った後に他方を行い、上述の円筒部１１とドーム部１２とを一体的に形成する。従って、ライナー１０を製造する際に、円筒部形成ステップで円筒部１１を形成し後にドーム部形成ステップでドーム部１２を形成する方法（第１実施形態参照）と、ドーム部形成ステップでドーム部１２を形成した後に円筒部形成ステップで円筒部１１を形成する方法（第２実施形態参照）とが考えられる。以下、図２と図３を参照してこれらの方法を説明する。

[第１実施形態]
図２は第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する模式図である。図２に示すように、まず、図２（ａ）に示すように、開閉可能な第１部分３１と第２部分３２とを有する金型３０を水平状態で配置し、金型３０の内部にゴム無しナイロン（第１樹脂材料）を投入する。その後、金型３０を加熱しながら回転させることにより、ゴム無しナイロンを金型３０に張り付かせて所要の形状に賦形する。その後、金型３０を冷却する。これによって、ライナー１０の円筒部１１が先に形成される。

次に、２つのドーム部１２のうちの一方（例えば左側のドーム部１２）を形成する。具体的には、図２（ｂ）に示すように、左側のドーム部１２に対応する第１部分３１を比較的に低くし第２部分３２を比較的に高くするように金型３０を傾斜させた状態で、第１部分３１の底部にゴム有りナイロン（第２樹脂材料）を投入する。

続いて、金型３０を傾斜させた状態で加熱しながら回転させることで、ゴム有りナイロンを金型３０（より具体的には、第１部分３１の底部）に張り付かせて所要の形状に賦形する。この際に、形成される左側のドーム部１２を既に形成された円筒部１１の一端部と接合するように、ゴム有りナイロンの投入量、金型３０の傾斜角度、回転速度などをコントロールする。そして、賦形後に金型３０を冷却する。これによって、左側のドーム部１２が形成される。

次に、２つのドーム部１２のうちの他方（例えば右側のドーム部１２）を形成する。具体的には、図２（ｃ）に示すように、右側のドーム部１２に対応する第２部分３２を比較的に低くし第１部分３１を比較的に高くするように金型３０を傾斜させた状態で、第２部分３２の底部にゴム有りナイロンを投入する。

続いて、金型３０を傾斜させた状態で加熱しながら回転させることで、ゴム有りナイロンを金型３０（より具体的には、第２部分３２の底部）に張り付かせて所要の形状に賦形する。この際に、形成される右側のドーム部１２を既に形成された円筒部１１の他端部と接合するように、ゴム有りナイロンの投入量、金型３０の傾斜角度、回転速度などをコントロールする。そして、賦形後に金型３０を冷却する。これによって、右側のドーム部１２が形成される。

以上のようにすることで、円筒部１１とドーム部１２とが一体的に形成される。次に、第１部分３１と第２部分３２とを分離させ、円筒部１１とドーム部１２とを有するライナー１０を取り出す。これによって、ライナー製造工程が終了する。

次に、ライナー１０の開口部に口金１３，１４をそれぞれ装着する。

ライナー製造工程に続く樹脂層形成工程では、例えばフィラメントワインディング方法が用いられる。具体的には、ライナー１０を回転させながら、熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維（例えばＦＲＰ）を、いわゆるヘリカル巻きやフープ巻きなどの所定の巻き方でライナー１０の外周に巻き付ける。次に、強化繊維が巻き付けられたライナー１０を恒温槽において、例えば８５℃程度の高温で加熱し、強化繊維中の熱硬化性樹脂を熱硬化させる。これによって、繊維強化樹脂層２０が形成される。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法では、ライナー１０を製造する際に、先に円筒部形成ステップで円筒部１１を形成し、その後にドーム部形成ステップでドーム部１２を形成する。これによって、円筒部１１とドーム部１２とを一体的に形成できるので、円筒部１１とドーム部１２との接合強度を高めることができる。また、円筒部１１にゴム無しナイロン、ドーム部１２にゴム有りナイロンがそれぞれ用いられる。これらの材料の重合により分子レベルで連続的に接合されるので、従来の溶着などと比べて円筒部１１とドーム部１２との接合強度をより高めることができる。

なお、ここでのゴム無しナイロンは、線膨張係数がゴム有りナイロンよりも３０％減のものである。そして、円筒部１１にゴム無しナイロンを用いることにより円筒部１１の収縮を抑えつつ、ドーム部１２にゴム有りナイロンを用いることにより、破断伸びを確保する。その結果、ドーム部１２と繊維強化樹脂層２０との隙間の発生量を低減できるとともに、ライナー１０の長尺化を図ることが可能になる。

[第２実施形態]
図３は第２実施形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する模式図である。本実施形態に係る高圧タンクの製造方法は、ドーム部形成ステップでドーム部１２を形成した後に円筒部形成ステップで円筒部１１を形成する点において、第１実施形態と相違している。その他は第１実施形態と同様であるので、以下では相違点のみを説明する。

まず、２つのドーム部１２のうちの一方（例えば左側のドーム部１２）を形成する。具体的には、図３（ａ）に示すように、左側のドーム部１２に対応する第１部分３１を比較的に低くし第２部分３２を比較的に高くするように金型３０を傾斜させた状態で、第１部分３１の底部にゴム有りナイロンを投入する。

続いて、金型３０を傾斜させた状態で加熱しながら回転させることで、ゴム有りナイロンを金型３０（より具体的には、第１部分３１の底部）に張り付かせて所要の形状に賦形する。賦形後に金型３０を冷却する。これによって、左側のドーム部１２が形成される。

次に、２つのドーム部１２のうちの他方（例えば右側のドーム部１２）を形成する。具体的には、図３（ｂ）に示すように、右側のドーム部１２に対応する第２部分３２を比較的に低くし第１部分３１を比較的に高くするように金型３０を傾斜させた状態で、第２部分３２の底部にゴム有りナイロンを投入する。

続いて、金型３０を傾斜させた状態で加熱しながら回転させることで、ゴム有りナイロンを金型３０（より具体的には、第２部分３２の底部）に張り付かせて所要の形状に賦形する。賦形後に金型３０を冷却する。これによって、右側のドーム部１２が形成される。

次に、金型３０を水平状態で配置し、金型３０の内部にゴム無しナイロンを投入する。その後、金型３０を加熱しながら回転させることにより、ゴム無しナイロンを金型３０に張り付かせて所要の形状に賦形する。この際に、形成される円筒部１１を既に形成された左側及び右側のドーム部１２とそれぞれ接合するように、ゴム無しナイロンの投入量、金型３０の回転速度などをコントロールする。その後、金型３０を冷却する。

以上のようにすることで、円筒部１１とドーム部１２とが一体的に形成される。次に、第１部分３１と第２部分３２とを分離させ、円筒部１１とドーム部１２とを有するライナー１０を取り出す。これによって、ライナー製造工程が終了する。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法によれば、上記第１実施形態と同様な作用効果を得られる。

なお、本願発明者らは、第１実施形態に係る高圧タンクの製造方法で発明品を試作し、ライナーとＦＰＲ間の隙間について従来品との比較評価を行った。その結果を図４に示す。ここでの従来品は、従来の方法、すなわち円筒部とドーム部とを射出成形で個別に形成した後に溶着する方法により製造されたものである。

図４において、横軸で示すライナーの全長はライナーの軸方向における長さのことである。図４から、発明品及び従来品は、ライナーの全長が長くなるにつれて、ライナーとＦＲＰ間の隙間が大きくなる傾向があるが、従来品と比べて発明品の方はライナーとＦＲＰ間の隙間が小さくなった（言い換えれば、隙間の発生量を低減できた）ことが分かる。

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、ライナー１０を製造する際に、ドーム部形成ステップで先に一方のドーム部１２（例えば、左側のドーム部１２）を形成し、その後に円筒部形成ステップで円筒部１１を形成し、最後に他方のドーム部１２（例えば、右側のドーム部１２）を形成しても良い。

１ 高圧タンク
１０ ライナー
１１ 円筒部
１２ ドーム部
１３，１４ 口金
２０ 繊維強化樹脂層
３０ 金型
３１ 第１部分
３２ 第２部分

Claims (1)

1. 円筒部と前記円筒部の軸方向の両端に配置されるドーム部とを有するライナーを製造するライナー製造工程と、前記ライナーの外周に覆うように繊維強化樹脂層を形成する樹脂層形成工程とを含む高圧タンクの製造方法であって、
   前記ライナー製造工程は、第１樹脂材料を用いて前記円筒部を形成する円筒部形成ステップと、前記第１樹脂材料と異なる第２樹脂材料を用いて前記ドーム部を形成するドーム部形成ステップとを有し、
   前記ライナー製造工程において、前記円筒部形成ステップ及び前記ドーム部形成ステップのうちの一方を行った後に他方を行い、前記円筒部と前記ドーム部とを一体的に形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。

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