JP2022032231A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維層の乱れを抑制しつつ樹脂を含浸することが可能な高圧タンクの製造方法の提供。【解決手段】ライナの外表面に繊維層が配置されたプリフォーム１０を準備し、繊維層に樹脂を含浸させる工程を備え、樹脂を含浸させる工程では、プリフォームのうち肩部の繊維層を覆うように押圧しつつ前記樹脂の含浸を行う。【選択図】図７

Description

本開示は、樹脂が含浸された繊維層によって補強された高圧タンクの製造方法に関する。

例えば、燃料電池車用高圧タンクは、当該高圧タンクの内部空間を形成するライナを有し、このライナに対してその外周に樹脂が含浸された繊維層からなる補強層が配置されることにより高い強度を実現している。

このような高圧タンクの作製には、ライナに繊維を巻き付けて繊維層を形成したプリフォームを準備し、繊維層に硬化前の樹脂を含浸させて硬化することで補強層とするＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）という方法がある。

特許文献１には、ＲＴＭによる高圧タンクの製造方法が開示され、ここに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、この金型内に配置されたプリフォームに向けて樹脂を射出しながら、プリフォームの中心軸線を回転中心にしてプリフォームを金型内で周方向に回転させることで樹脂を繊維層に含浸することが開示されている。

特許文献２には、強化基材を構成している繊維の配向乱れを抑制しながら単位時間当たりの樹脂注入量を増加させるために、強化基材を押さえつけながら樹脂注入を行う点について記載されている。

特開２０１９－０５６４１５号公報 特開２０１８－１９９２５４号公報

高圧タンクはその性質上強度を高くする必要があることから、補強層を厚くすることが要求される。そのため、ＲＴＭによって繊維層に樹脂を含浸する際には厚い繊維層に樹脂を含浸させるため、高圧で樹脂を供給することを要する。
ところが、軸方向に長い円筒形の高圧タンクの場合、繊維層における繊維の向きが種々の方向に変化しているため、高圧で樹脂の供給を行うと繊維の配向の乱れが発生する虞がある。特に、外径が一定の直線部から外径が変化する曲線部に切り替わる肩部において繊維配向の乱れが発生しやすい。このような繊維配向の乱れは高圧タンクの品質や性能低下の原因となり得る。

本開示は、これらの実情に鑑みてなされたものであり、繊維層の乱れを抑制しつつ樹脂を含浸することが可能な高圧タンクの製造方法を提供することを主目的とする。

本願は、高圧タンクの製造方法であって、ライナの外表面に繊維層が配置されたプリフォームを準備し、繊維層に樹脂を含浸させる工程を備え、樹脂を含浸させる工程では、プリフォームのうち肩部の繊維層を覆うように押圧しつつ樹脂の含浸を行う、高圧タンクの製造方法を開示する。

本開示の製造方法によれば、高圧タンクにおいて繊維層の乱れを抑制しつつ繊維層に樹脂を含浸することが可能となる。

図１（ａ）はプリフォーム１０の外観、図１（ｂ）はプリフォーム１０の断面を表す図である。 図２（ａ）は型２０及びプリフォーム１０を説明する分解図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図２（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図３（ａ）は型２０にプリフォーム１０が配置された締め付け状態を説明する図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図３（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図４（ａ）は型２０にプリフォーム１０が配置された除荷状態を説明する図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図４（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図５（ａ）は押圧部材２３の動きについて説明する図で、プリフォームの軸線に沿った切断面、図５（ｂ）は軸に直交する切断面である。 図６は高圧タンクの製造方法Ｓ１０の流れを説明する図である。 図７（ａ）、図７（ｂ）は型への設置の工程Ｓ１１、脱気の工程Ｓ１２、接着剤供給の工程Ｓ１３、及び、樹脂組成物供給の工程Ｓ１４について説明する図である。 図８（ａ）、図８（ｂ）は押圧部材の後退の工程Ｓ１５について説明する図である。 図９（ａ）、図９（ｂ）は締め付け状態への変更の工程Ｓ１６について説明する図である。

１．プリフォーム
プリフォームは含浸の対象であり、最終的に高圧タンクとなる中間部材である。本形態は高圧タンクの中でも燃料電池車用の高圧タンクである。以下の説明からもわかるように、本開示は、プリフォームに具備された繊維層に対して樹脂組成物を含浸させ、その後に硬化させることで補強層を形成する、いわゆるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）による高圧タンクに関連するものである。
図１（ａ）にはプリフォーム１０の外観図、図１（ｂ）にはプリフォーム１０の断面図をそれぞれ表した。図１（ａ）、図１（ｂ）からわかるように、プリフォーム１０は、ライナ１１、繊維層１２、及び、口金１３を有して構成されている。

＜ライナ＞
ライナ１１は、高圧タンクの内部空間を区画する中空の筒状部材である。ライナはその内部空間に収容されたものを漏らすことなく保持することができる材料で構成されていればよく、材料は公知のものを用いることができるが、例えばナイロン樹脂、ポリエチレン系の合成樹脂からなるもの、及び、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属等からなるものである。
ライナ１１の厚さは特に限定されるものではないが、０．５ｍｍ乃至１．０ｍｍであることが好ましい。

＜繊維層＞
繊維層１２は、ライナ１１の外表面に繊維が所定の厚さにまで何層にも亘って巻き付けられた層である。繊維層１２の厚さは必要な強度により決められるため特に限定されることはないが、１０ｍｍ乃至３０ｍｍ程度の厚さとされている。特に高圧タンクは、強度確保のために繊維層を厚く形成する必要であり、繊維層への樹脂の含浸という観点から含浸時の圧力が高くなる。
繊維層の繊維は炭素繊維が用いられており、詳しくは炭素繊維が束となって所定の断面形状（例えば長方形断面）を有する帯状の炭素繊維束である。このような炭素繊維束がライナ１１の外表面に巻き付けられることで繊維層が形成されている。また、ライナ１１の外表面への繊維（束）の巻き付けは、例えばフィラメントワインディング法等により行われる。

図１（ａ）からわかるように本形態の繊維層１２では外径が一定の部分では繊維束がヘリカル巻きにより巻かれており（ヘリカル巻き部１２ａ）、外径が変化する部分では繊維束がブレータ巻きにより巻かれている（ブレーダ巻き部１２ｂ）。このような繊維層１２に対して樹脂を高圧で含浸をする場合、ヘリカル巻き部１２ａとブレーダ巻き部１２ｂとの境界部分である肩部において繊維束の配向の乱れが生じやすくなる。そこで、本例ではこの境界部分（肩部）１２ｃの繊維束の乱れを抑制しつつ樹脂の含浸をすることを考える。
すなわち、本開示では外径が一定である部分と外径が変化する部分との境界である肩部１２ｃにおいて繊維配向の乱れを抑制しつつ樹脂の含浸をすることを考える。

＜口金＞
口金１３は、ライナ１１の開口端部に配置された金属製の部材であり、高圧タンクを製造する際のチャック部分とされたり、高圧タンクへの収容物の充填及び高圧タンクからの収容物の取り出しの際の出入り口を形成したりする。

２．型
図２乃至図５には、プリフォーム１０、及び、プリフォーム１０に樹脂を含浸させるための型２０を概略的に示した。以降に示す図では、型２０は切断面（ハッチングを付している。）、プリフォーム１０は断面ではなく表面で表している（ただし、見易さのため繊維束の巻きの表現は省略いている。）。
図２は型２０、及び、プリフォーム１０を分解して表した図である。図２（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図２（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図２（ａ）のＡ－Ａ’に沿った切断面である。
図３はプリフォーム１０が型２０に設置され、締め付け状態とされた一場面を表す図である。図３（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図３（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図３（ａ）のＢ－Ｂ’に沿った切断面である。
図４はプリフォーム１０が型２０に設置され、除荷状態とされた一場面を表す図である。図４（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図４（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図４（ａ）のＣ－Ｃ’に沿った切断面である。
図５は後述する押圧部材２３が突出した場面を表す図である。図５（ａ）はプリフォーム１０の筒状である軸線に沿った方向の切断面、図５（ｂ）は当該軸線に直交する切断面で図５（ａ）のＤ－Ｄ’に沿った切断面である。

型２０はプリフォーム１０の繊維層１２に対して樹脂を含浸するための型であり、本形態では上型２１及び下型２２を有して構成されている。上型２１と下型２２とが重なることで、型２０の内側にプリフォーム１０の形状に沿った内部空間が形成される。この内部空間は密閉された空間を形成することできる。

本形態で上型２１は、下型２２に対して相対的に移動することができる。これによりプリフォーム１０の型２０への設置、型２０からの離脱（離型）をすることができる他、プリフォーム１０に対して圧力を負荷するように移動させ、及び、この負荷された圧力を除荷するような移動も可能とされている。より詳しくは、型２０は次のような、開放状態、締め付け状態、及び、除荷状態とすることができる。
開放状態は、上型２１が下型２２から完全に離隔され、下型２２の上面が露出して開かれた状態である（不図示）。この状態でプリフォーム１０の下型２２への設置、及び、含浸後のプリフォーム１０の型２０からの離脱（離型）が行われる。
締め付け状態は、図３に示したようにプリフォーム１０が型２０に設置された状態で、上型２１と下型２２とが完全に接続され、締め付けられた状態である。なお、この締め付け状態においても、含浸前のプリフォーム１０の繊維層１２と、上型２１及び下型２２の面との間には若干の間隙ができるように構成されている。これは繊維層１２に樹脂が含浸することにより繊維層が膨張することを想定するものである。この間隙は上型２１とプリフォーム１０及び下型２２とプリフォーム１０で同じである。
除荷状態は、図４に示したようにプリフォーム１０が型２０に設置された状態で、締め付け状態よりも若干上型２１と下型２２とが離隔された状態である。除荷状態は例えば、締め付け状態に対して上型２１を若干上昇させることによりなされる。このときには、上型２１とプリフォーム１０との間隙が、下型２２とプリフォーム１０との間隙よりも大きくなる。この除荷状態でも内側に供給された含浸のための樹脂組成物は型２０の外に漏れださないように密閉状態は維持されている。

さらに本形態で上型２１及び下型２２には、図５に示したように、設置されるプリフォーム１０に向けて突出及びプリフォーム１０から後退するように移動可能な押圧部材２３が備えられている。すなわち上型２１の一部、及び下型２２の一部が移動することができるように構成されている。
押圧部材２３は、そのプリフォーム１０側の面２３ａは、プリフォーム１０の形状に沿った形状を有している。従って、押圧部材２３は図５（ａ）、図５（ｂ）からわかるように、押圧部材２３がプリフォーム１０に向けて突出した姿勢では面２３ａが上型２１、下型２２の他の面に対して突出する。また、押圧部材２３は、図２（ａ）、図２（ｂ）に示したように、プリフォーム１０から後退した姿勢では、押圧部材２３の面２３ａは他の面と面一になる。

押圧部材２３は、樹脂の含浸の際にプリフォーム１０の繊維層１２の配向が乱れる虞が高い位置に対応した位置を含むように配置される。本例では上記したようにプリフォーム１０の外形が一定である部位と外径が変化する部位との境界である肩部１２ｃで繊維束の配向の乱れが生じやすくなり、これを抑制するため、図２乃至図５からわかるように本形態では押圧部材２３がこのプリフォーム１０の肩部に対応する位置に配置されている。

また、型２０には、外部から通じる流路２０ａ、流路２０ｂ、及び流路２０ｃが設けられている。これら流路はそれぞれ次のようなものである。
流路２０ａは樹脂組成物用の流路である。この流路２０ａから硬化前の樹脂組成物が繊維層１２に向けて供給される。従って、流路２０ａは型２０の外部から、型２０に設置されたプリフォーム１０の繊維層１２に達する。また、本形態では流路２０ａは上型２１に設けられている。
流路２０ｂは真空脱気用の流路である。この流路２０ｂから繊維層１２、及びその周辺の空気等が真空引きされる。従って、流路２０ｂは型２０の外部から、型２０に設置されたプリフォーム１０の繊維層１２に達する。また、本形態では流路２０ｂは下型２２に設けられている。
流路２０ｃは、接着剤供給用の流路である。流路２０ｃにより外部から押圧部材２３を通して繊維層１２に接着剤が供給される。従って、流路２０ｃは型２０の外部から、押圧部材２３を通じて型２０に設置されたプリフォーム１０の繊維層１２に達する。

また、型２０は不図示の温度制御装置により、その温度を所望の温度に保持することができるように構成されている。

型２０に用いられる材料は特に限定されることはないが、通常の通り金属が好ましく用いられ、型２０はいわゆる金型である。

型２０のそれぞれの流路に対して対応する機器が配置される。すなわち、流路２０ａに対しては含浸する樹脂組成物を供給する機器が接続され、流路２０ｂには真空ポンプ、流路２０ｃには接着剤の供給装置が接続される。それぞれに機器の具体的仕様は特に限定されることはなく、公知ものを用いることができる。

３．高圧タンクの製造方法
次に、高圧タンクの製造方法について説明する。型は上記型２０を用いて説明する。ただし、本開示は型２０の利用に限定されるものではない。図６には１つの例にかかる高圧タンクの製造方法Ｓ１０の流れを示した。図６からわかるように、本形態にかかる高圧タンクの製造方法Ｓ１０は、型への設置の工程Ｓ１１、脱気の工程Ｓ１２、接着剤供給の工程Ｓ１３、樹脂組成物供給の工程Ｓ１４、押圧部材の後退の工程Ｓ１５、締め付け状態への変更の工程Ｓ１６、樹脂組成物供給停止の工程Ｓ１７、及び、離型の工程Ｓ１８を含んでいる。以下、各工程について説明する。

＜型への設置の工程Ｓ１１＞
型への設置の工程Ｓ１１（「工程Ｓ１１」と記載することがある。）では、図７に示したように、型２０にプリフォーム１０を設置して型２０を除荷状態とする。すなわち、型２０の内側にプリフォーム１０を設置し、このとき、上型２１とプリフォーム１０との間隙が、下型２２とプリフォーム１０との間隙よりも大きくなるように、上型２１を下型２２から離隔するようにして配置する。
このとき、押圧部材２３をプリフォーム１０に向けて突出した姿勢とし、その面２３ａをプリフォーム１０に接触させるようにして押圧する。すなわち、本例ではプリフォーム１０の肩部１２ｃを含むようにしてその周辺を押圧部材２３により覆う。

より具体的には、本形態では、上型２１が下型２２から完全に離隔され、下型２２の上面が完全に露出して開かれた状態でプリフォーム１０を下型２２へ設置する。次に、下型２２及びここに設置されたプリフォーム１０に対して被せるように上型２１を配置する。そして、上型２１を上記のように下型２２に対して離隔するように配置する。このとき、押圧部材２３を突出した姿勢としておく。

＜脱気の工程Ｓ１２＞
脱気の工程Ｓ１２（「工程Ｓ１２」と記載することがある。）では、工程Ｓ１１によるプリフォーム１０及び型２０の状態を得た後、真空脱気を行いプリフォーム１０の外周部における空気を取り去る。

より具体的に本形態では、工程Ｓ１１によるプリフォーム１０及び型２０の状態を得た後、図７に矢印Ａで示したように流路２０ｂから真空ポンプにより脱気を行う。真空脱気により、含浸する樹脂組成物の繊維層への浸透をより円滑に行うことができる。

＜接着剤供給の工程Ｓ１３＞
接着剤供給の工程Ｓ１３（「工程Ｓ１３」と記載することがある。）では、含浸する樹脂の供給によりプリフォーム１０の繊維層１２の配向が乱れる部分に対して接着剤を供給する。これにより、含浸する樹脂を供給する前に配向が乱れる部分を固定して当該配向の乱れの発生を抑制することができる。
供給する接着剤は特に限定されることはないが、含浸される樹脂と同じ材料であることが好ましい。これには例えばエポキシ樹脂を挙げることができる。

より具体的に本形態では、工程Ｓ１１によるプリフォーム１０及び型２０の状態において、図７に矢印Ｂで示したように押圧部材２３に設けられた流路２０ｃから低圧で接着剤を供給する。押圧部材２３は上記のように接着剤を供給すべき部位を含んでいるので流路２０ｃによる接着剤の供給により効率よく必要な部位（肩部１２ｃ）への接着剤を供給できる。

＜樹脂組成物供給の工程Ｓ１４＞
樹脂組成物供給の工程Ｓ１４（「工程Ｓ１４」と記載することがある。）では、硬化前の樹脂組成物を、工程Ｓ１３で得た状態の型２０に配置されたプリフォーム１０の繊維層１２対して供給する。

より具体的に本形態では、図７に矢印Ｃで示したように流路２０ａに対して、樹脂組成物を供給する機器から硬化前の樹脂組成物が供給され、樹脂組成物は、プリフォーム１０の繊維層１２の外周に達する。この樹脂組成物は含浸に必要な圧力を有して供給され、これにより樹脂組成物が繊維層１２に浸透する。
このとき、型２０は工程Ｓ１１で得た除荷状態とされ、上型２１とプリフォーム１０との間に間隙が設けられ、プリフォーム１０への圧力が抑えられており、樹脂組成物が流動するに際して抵抗を抑えることができる。このため、供給された樹脂組成物は、上型２１とプリフォーム１０との間全体に亘って均一性高く円滑に充填される。

樹脂組成物は、流動性のある状態で繊維層に到達及び浸透し、その後何らかの方法により硬化することで繊維層の強度を高めることができるものであれば特に限定されることはない。これには例えば熱により硬化する熱硬化樹脂が挙げられ、例えばアミン系又は無水物系の硬化促進剤、及び、ゴム系の強化剤を含むエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等がある。この他にも、エポキシ樹脂を主剤とし、これに硬化剤を混ぜることにより硬化する樹脂組成物を挙げることができる。これによれば、主剤と硬化剤とを混ぜてから硬化するまでの間にこの混合物である樹脂組成物を繊維層に到達及び浸透させることで、自動的に硬化する。

＜押圧部材の後退の工程Ｓ１５＞
押圧部材の後退の工程Ｓ１５（「工程Ｓ１５」と記載することがある。）では、図８に示したように押圧部材２３を後退させる。これにより押圧部材２３の面２３ａは他の部位と面一になる。

＜締め付け状態へ変更の工程Ｓ１６＞
締め付け状態への変更の工程Ｓ１６（「工程Ｓ１６」と記載することがある。）では、上型２１と下型２２とを近づけるように移動させ、図９に示したように型２０を締め付け状態とする。締め付け状態では、プリフォーム１０が型２０に設置された状態で、上型２１と下型２２とが完全に接続され、締め付けられた状態である。

この工程Ｓ１６により、樹脂組成物が型２０から受ける圧力が増大し、樹脂組成物の含浸が促進される。本形態では上型２１を下型２２に近づけることにより行われる。なお、当該工程Ｓ１６では、まだ樹脂組成物の供給を維持している。

＜樹脂組成物の供給停止の工程Ｓ１７＞
樹脂組成物の供給停止の工程Ｓ１７（「工程Ｓ１７」と記載することがある。）では、工程Ｓ１６で樹脂組成物が繊維層１２に十分含浸し、所望の供給量が満たされたときに、樹脂組成物の供給を停止する。そして樹脂組成物の硬化を待つ。

＜離型の工程Ｓ１８＞
離型の工程Ｓ１８（「工程Ｓ１８」と記載することがある。）では、工程Ｓ１７で樹脂組成物が硬化していることを得て、樹脂が含浸されたプリフォーム１０を型２０から離脱する。
本形態では型２０の上型２１を下型２２から離脱し、開放状態とすることで離型を行う。

＜効果、その他＞
以上の各工程を含む製造方法、そのための型により、樹脂が含浸されたプリフォーム１０が得られる。この樹脂が含浸されたプリフォーム１０に対して必要に応じて樹脂が含浸されたガラス繊維による層が形成されるなどして高圧タンクとすることができる。

本開示によれば、高圧タンクのＲＴＭ樹脂含浸において、含浸する樹脂の高圧供給の前に、型に設置した押圧部材でプリフォームの繊維層における配向が乱れる部位の繊維を押さえて覆うので、当該部位の繊維層に樹脂の供給圧力が直接的付加されることが回避できる。これにより、繊維配向の乱れ、ズレを抑制することが可能となる。従って、含浸する樹脂を高圧、高速で供給しても、高圧タンクの品質を維持できるため、生産向上と大幅な低コスト化を図ることができる。

また、高圧タンクのＲＴＭ樹脂含浸において、含浸する樹脂の高圧供給の前に、型に設置した押圧部材でプリフォームの繊維層における配向が乱れる部位の繊維対して接着剤を供給して部分的に繊維を固定した後に、含浸のための樹脂を供給することで、繊維配向の乱れ、ズレを抑制することが可能となる。従ってこれによっても含浸する樹脂を高圧、高速で供給しても、高圧タンクの品質を維持できるため、生産向上と大幅な低コスト化を図ることができる。

また、押圧部材による繊維の固定及び被覆、及び、接着剤の供給による繊維の固定を併せるとより顕著に上記効果を奏するものとなる。特に押圧部材を通して接着剤を供給するものとすれば、より確実に効率よく接着剤を供給することが可能となる。

１０ プリフォーム
１１ ライナ
１２ 繊維層
２０ 型
２１ 上型
２２ 下型
２３ 押圧部材

Claims (1)

1. 高圧タンクの製造方法であって、
   ライナの外表面に繊維層が配置されたプリフォームを準備し、前記繊維層に樹脂を含浸させる工程を備え、
   前記樹脂を含浸させる工程では、前記プリフォームのうち肩部の前記繊維層を覆うように押圧しつつ前記樹脂の含浸を行う、
   高圧タンクの製造方法。

Images