JP2023031974A - タンクの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で樹脂を含浸させることのできるタンクの製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】ドーム部１２Ｂの外表面における第１繊維層（ブレーディング層）１７Ｂが直胴部１２Ａの外表面における第２繊維層（ヘリカル層）１７Ａよりも粗となるように、且つ、第２繊維層１７Ａの積層間の一部に第１繊維層１７Ｂから連続して粗となる第１繊維層１７Ｂの積層の一部を介在させるように、ライナー１２の外表面に繊維１６を径方向に重ねて巻き付け、第１繊維層１７Ｂおよび第２繊維層１７Ａを含む繊維層１７に樹脂１８を含浸させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維によって補強（強化）されたタンクの製造方法および製造装置に関するものである。

特許文献１は、ＦＲＰ製タンク（以下、高圧タンクとも称する）の製造方法を開示している。この製造方法では、ライナー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い、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。

また、特許文献２は、かかるＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法を利用した高圧タンクの製造方法を開示している。この製造方法では、高圧タンクの内部空間を形成するライナー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。

特開２０２０－０８５１９９号公報 特開２０１９－０５６４１５号公報

上記ＲＴＭ法を利用した製造方法では、高圧タンクの製造時に、繊維巻き付け工程と樹脂含浸工程とを分けて行う。しかし、高圧タンクの繊維巻き付け量は多く、繊維を巻き付けて成る繊維層（積層）の厚さが大きいため、繊維層の奥（最内層）まで樹脂を含浸させるまでに時間がかかってしまうおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、短時間で樹脂を含浸させることのできるタンクの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の一態様は、筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクの製造方法であって、前記ドーム部の外表面における第１繊維層が前記直胴部の外表面における第２繊維層よりも粗となるように、且つ、前記第２繊維層の積層間の一部に前記第１繊維層から連続して前記粗となる前記第１繊維層の積層の一部を介在させるように、前記ライナーの外表面に前記繊維を径方向に重ねて巻き付ける工程と、前記第１繊維層および前記第２繊維層を含む前記繊維層に前記樹脂を含浸させる工程と、を含むことを特徴とする。

好ましい態様では、前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向と径方向とで別々に行う。

別の好ましい態様では、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入して前記繊維層に前記樹脂を含浸させ、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入して前記繊維層に前記樹脂を含浸させる。

別の好ましい態様では、前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向で行った後、前記ライナーの軸方向および径方向の両方向で行う。

別の好ましい態様では、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入した後、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入しつつ、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入して、前記繊維層に前記樹脂を含浸させる。

別の好ましい態様では、前記ドーム部の外表面に繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで前記第１繊維層を構成し、前記直胴部の外表面に前記第１繊維層から連続して繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで前記第２繊維層を構成し、前記第２繊維層の積層間の一部に前記第１繊維層から連続して繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで前記粗となる前記第１繊維層の積層の一部を介在させる。

また、本発明の他の態様は、筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクの製造装置であって、前記ドーム部の外表面における第１繊維層が前記直胴部の外表面における第２繊維層よりも粗となるように、且つ、前記第２繊維層の積層間の一部に前記第１繊維層から連続して前記粗となる前記第１繊維層の積層の一部を介在させるように、前記ライナーの外表面に前記繊維を径方向に重ねて巻き付けたプリフォームを収容し、前記第１繊維層および前記第２繊維層を含む前記繊維層に前記樹脂を含浸させるための金型を備え、前記金型に、前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向と径方向とで別々に行うべく、前記樹脂が流動するとともに前記金型内に開口するゲートを形成するランナーが複数本設けられるとともに、前記複数本のランナーの少なくとも一つに開閉機構が設けられている。

好ましい態様では、前記複数本のランナーは、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入する第１ランナーと、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入する第２ランナーと、を含んで構成される。

別の好ましい態様では、前記開閉機構は、前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向で行った後、前記ライナーの軸方向および径方向の両方向で行うように、前記複数本のランナーの少なくとも一つを開閉する。

別の好ましい態様では、前記複数本のランナーは、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入する第１ランナーと、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入する第２ランナーと、を含んで構成され、前記開閉機構は、少なくとも前記第２ランナーに設けられ、前記開閉機構によって前記第２ランナーを閉じた状態で、前記第１ランナーを介して、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入した後、前記開閉機構によって前記第２ランナーを開いた状態で、前記第１ランナーを介して、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入しつつ、前記第２ランナーを介して、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入する。

本発明の一態様によれば、繊維巻き付け時に繊維（繊維密度）が粗となる箇所をドーム部と直胴部の両方に設けることで、樹脂注入時の抵抗が小さくなるため、樹脂を含浸させやすくなり、短時間での樹脂含浸が可能となる。

また、樹脂注入時に各方向（軸方向ないし積層延在方向、径方向ないし板厚方向）の樹脂の注入圧が阻害し合わないため、短時間で内層までの樹脂含浸が可能となる。

本実施形態に係る高圧タンク（繊維が巻回されたライナー）を模式的に示す側面図である。 本実施形態に係る高圧タンク（繊維が巻回されたライナー）の構造を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクを構成するライナーへ繊維を巻き付ける製造装置（編組機）を示す模式図である。 本実施形態に係る高圧タンクのドーム部へ巻き付けるときの繊維の繰り出し位置を示す模式図である。 本実施形態に係る高圧タンクの直胴部へ巻き付けるときの繊維の繰り出し位置を示す模式図である。 本実施形態に係る高圧タンク（繊維が巻回されたライナー）の、ヘリカル層の積層間にブレーディング層の積層を介在させた積層部分を模式的に示す側面図である。 本実施形態に係る高圧タンクの製造装置（樹脂含浸成形用金型）の、プリフォーム配置工程および真空脱気工程の状態を示す縦断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクの製造装置（樹脂含浸成形用金型）の、樹脂注入工程の状態を示す縦断面図である。 本実施形態に係る高圧タンクの製造装置（樹脂含浸成形用金型）の、開閉機構が閉状態での樹脂注入工程を説明する、上型を取り外した下型の上面図である。 本実施形態に係る高圧タンクの製造装置（樹脂含浸成形用金型）の、開閉機構が開状態での樹脂注入工程を説明する、上型を取り外した下型の上面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

以下では、タンクの一例としての燃料電池車用高圧タンクを例に挙げて説明する。但し、本発明の適用対象となるタンクは、燃料電池車用高圧タンクに限定されるものではなく、タンクを構成するライナーないしプリフォームの形状、素材等も図示例に限られない。

ＲＴＭ法においては、ライナーに炭素繊維を幾重（幾層）にも巻き付ける（巻回する）ことによってライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを作成し、プリフォームの繊維層にエポキシ樹脂を含浸させて硬化させることによって、ライナーの外周に炭素繊維とエポキシ樹脂を含む繊維強化樹脂層が形成された燃料電池車用高圧タンクが製造される。ライナーは、高圧タンクの内部空間を形成する樹脂製（例えばナイロン樹脂製）の中空容器である。

燃料電池車用高圧タンクは、炭素繊維が厚肉に積層されるため、炭素繊維の内層まで樹脂が含浸していかない。炭素繊維の内層まで樹脂を含浸させるために高圧で樹脂を注入すると、タンク自体の変形が発生するなど、品質、性能低下が発生する。また、タンク形状が円筒形であるため、樹脂を全体に均一に充填するのが困難で、樹脂含浸が均一にならない。また、ゲート付近に圧力が集中しやすく、そのゲート部が高圧になると共にゲート部と樹脂流動端末部（ゲート部とは反対側）の圧力差が大きい。

つまり、燃料電池車用高圧タンクの炭素繊維の積層厚みは、強度確保のため、非常に厚く（通常のＲＴＭ成形ボデー部品の約１０倍）、樹脂含浸が困難であるが、特許文献２のようなタンク回転では、炭素繊維の内層までの樹脂含浸効果は少ない。また、炭素繊維の内層まで樹脂を含浸させるために高圧で樹脂を注入すると、圧力分布が不均一になり、部分的に高圧になった部位では、タンク内側の樹脂製ライナーの変形が発生するなど、品質、性能低下が発生する。また、金型とタンクの隙間が狭く、ゲート部の反対側には樹脂が流れにくいため、樹脂が硬化する前に、全体へ樹脂を流動するためには、特許文献２のようにタンクを金型内で高速回転させる必要があるが、金型内のスペースは少なく、また、炭素繊維を損傷する可能性がある。

そこで、本実施形態は、以下の構成が採用されている。

（高圧タンクの構成）
まず、本発明の実施形態に係る高圧タンク１０の構造について、図面を基に詳細に説明する。図１、図２はそれぞれ、本実施形態に係る高圧タンク１０（繊維が巻回されたライナー）を模式的に示す側面図、断面図である。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印Ｄを高圧タンク１０の軸方向、矢印Ｒを高圧タンク１０の径方向とする。また、高圧タンク１０の中心軸ＣＬの軸方向で、高圧タンク１０（ライナー１２）の中心から離れる側を「軸方向端部側」とする。また、それとは逆に高圧タンク１０（ライナー１２）の中心へ近づく側を「軸方向中央部側」とする。また、本実施形態に係る高圧タンク１０は、その内部に、例えば燃料としての水素が充填されるようになっており、燃料電池車（図示省略）等に搭載されるようになっている。

図１、図２に示されるように、高圧タンク１０は、容器本体としてのライナー１２を有している。ライナー１２は、一例として、ガスバリア性に優れ、かつ寸法安定性に優れる液晶樹脂材でブロー成形されており、円筒状の直胴部１２Ａと、直胴部１２Ａの両端（端部開口）に一体に形成された概略半球状のドーム部１２Ｂと、を有している。より具体的に説明すると、このライナー１２は、その長手方向（軸方向）の中間部において内径及び外径が一定とされた円筒状の直胴部１２Ａと、その長手方向（軸方向）の両側部分を構成し、直胴部１２Ａとは反対側（軸方向端部側）に向かうに従って徐々に窄まる（縮径する）ドーム部１２Ｂと、を有している。

また、ドーム部１２Ｂは、その軸心部にライナー１２における中心軸ＣＬの軸方向端部側（外側）へ突出する円筒部１２Ｃを含んでいる。円筒部１２Ｃは、直胴部１２Ａよりも内径及び外径が、小径かつ略一定とされている。

そして、高圧タンク１０は、ライナー１２の直胴部１２Ａの外周面とドーム部１２Ｂの外周面とに、所定の幅を有するテープ状の繊維（繊維束ともいう）１６が層状に巻き付けられて構成されている。繊維１６は、ガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維等を含む繊維強化樹脂（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）製とされており、ライナー１２の外周面（外表面）に補強層としての繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）を形成するようになっている。

具体的に説明すると、ドーム部１２Ｂの外周面（外表面）には、繊維１６が互い違いに編まれるように巻き付けられるようになっており（以下「ブレーディング巻き」という場合がある）、そのブレーディング巻きされた繊維１６によって第１繊維層としてのブレーディング層１７Ｂが形成される。そして、このブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂに熱硬化性樹脂１８（図８等）が含浸・硬化することによって補強層が形成されるようになっている。

一方、直胴部１２Ａの外周面（外表面）には、繊維１６がヘリカル状に巻き付けられるようになっており（以下「ヘリカル巻き」という場合がある）、そのヘリカル巻きされた繊維１６によって第２繊維層としてのヘリカル層１７Ａが形成される。そして、このヘリカル層（第２繊維層）１７Ａに熱硬化性樹脂１８（図８等）が含浸・硬化することによって補強層が形成されるようになっている。

ヘリカル巻きとは、繊維１６を、ライナー１２の中心軸ＣＬに対して所定の巻付角度＋θで直胴部１２Ａの外周面全体に巻き付けた後、更にライナー１２の中心軸ＣＬに対して所定の巻付角度－θで、その上から（角度＋θで巻き付けられた繊維１６の上に交差して）巻き付けることを指す。つまり、ヘリカル層（第２繊維層）１７Ａは、直胴部１２Ａの外周面に繊維１６が所定の巻付角度＋θ及び巻付角度－θで少なくとも２層は巻き付けられることで構成されている。なお、直胴部１２Ａの内圧及び繊維（束）１６の繊維本数等に起因するが、繊維（束）１６は、実際には例えば数層～数十層程度（径方向に重ねてもしくは積層させて）巻き付けられる。

ブレーディング巻きとは、上記したように、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けることであり、ここではライナー１２の中心軸ＣＬに対して所定の巻付角度＋θ及び巻付角度－θでドーム部１２Ｂの外周面全体に巻き付けることを指す。

つまり、ここではブレーディング巻きもヘリカル巻きも同じ巻付角度θで巻き付けられるようになっており、その巻付角度θは、公差を含め、θ＝５４．７度±１０度の範囲内、好ましくはθ＝５４．７度±５度の範囲内、更に好ましくはθ＝５４．７度±１度の範囲内となっている。

この巻付角度θは、所定の内圧が作用しているときの直胴部１２Ａにおける応力（軸方向の応力及び周方向の応力）から導出される角度であり、軸方向の応力に対して周方向の応力が２倍であることに起因する角度である。すなわち、詳細な計算式は省略するが、ネッティング理論（Netting theory）により、応力に応じた巻付角度θを計算したとき、ｔａｎ^２θ＝２となることから、θ＝５４．７度（平衡角）が導出されるようになっている。

ここで、ドーム部１２Ｂは、直胴部１２Ａに比べて、内圧が作用しているときの応力が小さいため、直胴部１２Ａに比べて、補強する度合いが小さくて済む。したがって、基本構造として、ドーム部１２Ｂでは、ヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）に比べて繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗で低強度となるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）とされ、直胴部１２Ａでは、ブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）に比べて繊維間隔が小さく繊維（密度）が密で高強度となるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）とされている。

なお、詳細な構造説明は省略するが、ドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）から直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）への切り替え、逆に直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）からドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）への切り替えは、ライナー１２における中心軸ＣＬの軸方向と直交する方向から見て、直胴部１２Ａとドーム部１２Ｂとの境界部近傍の軸方向で所定の長さの領域内で行われるようになっている。

また、図示は省略するが、一例として、一方の円筒部１２Ｃには、封止プラグが嵌合され、他方の円筒部１２Ｃには、口金プラグが嵌合されるようになっており、その口金プラグには、バルブが装着されるようになっている。

また、図３に示されるように、繊維１６は、公知の製造装置（編組機ともいう）４０により、ライナー１２の外周面に巻き付けられるようになっている。製造装置４０は、図４、図５に示されるように、円周上に２列で配置された複数のボビン４２、４４を有しており、各列の複数のボビン４２、４４から繰り出される繊維１６が、中心軸ＣＬの軸方向（図３における左方向）へ移動するライナー１２の一方のドーム部１２Ｂの外周面、直胴部１２Ａの外周面、他方のドーム部１２Ｂの外周面に順に巻き付けられていくようになっている。

なお、一方及び他方のドーム部１２Ｂに繊維１６をブレーディング巻きする際には、図４に示されるように、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが周方向に、かつ径方向内側と径方向外側に交互になるように配置される。そして、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが互いに逆方向に移動しながら、それらの各ボビン４２、４４が径方向内側から径方向外側及び径方向外側から径方向内側へ順次入れ替わるように、製造装置４０が駆動される。

また、直胴部１２Ａに繊維１６をヘリカル巻きする際には、図５に示されるように、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが周方向に、かつ径方向外側と径方向内側に配置される。そして、実線で結ばれている複数のボビン４２と仮想線で結ばれている複数のボビン４４とが互いに逆方向に移動するように、製造装置４０が駆動される。

上記のように、本実施形態は、基本構造として、ドーム部１２Ｂでは、繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗で低強度となるブレーディング巻き（ブレーディング層１７Ｂ）とされ、直胴部１２Ａでは、繊維間隔が小さく繊維（密度）が密で高強度となるヘリカル巻き（ヘリカル層１７Ａ）とされているが、樹脂１８を含浸させやすくして、短時間で樹脂１８を含浸させるべく、以下の構成が付加されている。

すなわち、図２に示されるように、ヘリカル層１７Ａ（例えば数層～数十層程度で構成）の積層間（最内層の内側や最外層の外側を含む）の一部に、ブレーディング層１７Ｂから連続してブレーディング層１７Ｂの積層の一部（１７Ｄ）を介在させるように、ライナー１２の直胴部１２Ａの外周面とドーム部１２Ｂの外周面とに繊維１６が層状に巻き付けられて構成されている。

具体的に説明すると、ドーム部１２Ｂの外周面（外表面）における所定のブレーディング層１７Ｂの積層箇所において、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けた後（ブレーディング巻きした後）、そこから連続して（換言すると、ブレーディング巻きからヘリカル巻きへの切り替えを行うことなく）直胴部１２Ａの外周面（外表面）におけるヘリカル層１７Ａ（ブレーディング層１７Ｂに隣接するヘリカル層１７Ａ）（最内層の場合は直胴部１２Ａの外周面）の上に、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付ける（図２の１７Ｄ部分）。なお、直胴部１２Ａの外周面（外表面）におけるヘリカル層１７Ａの上に、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付けた後、そこから連続して他方のドーム部１２Ｂの外周面（外表面）におけるブレーディング層１７Ｂ（ヘリカル層１７Ａに隣接するブレーディング層１７Ｂ）の上に、繊維１６を、互い違いに編まれるように巻き付ける（ブレーディング巻きを行う）ことで、他方のドーム部１２Ｂの外周面（外表面）にさらにブレーディング層１７Ｂを形成する（図６を併せて参照）。

上記のような繊維１６の巻き付けを、ヘリカル層１７Ａ（例えば数層～数十層程度で構成）の積層間（最内層の内側や最外層の外側を含む）の一箇所（一層）、もしくは、複数箇所（複数層）で行うことで、ヘリカル層１７Ａの積層間に、ブレーディング層１７Ｂから連続してブレーディング層１７Ｂの積層の一部（１７Ｄ）が介在することになる。なお、ヘリカル層１７Ａの積層間において、ブレーディング層１７Ｂの積層を、一層毎に介在させてもよいし、複数層をまとめて介在させるようにしてもよい。図２では、ブレーディング層１７Ｂの積層を一層毎に介在させる例を示している。

これによって、繊維間隔が小さく繊維（密度）が密となるヘリカル層１７Ａの積層間に、（ブレーディング層１７Ｂから連続して）繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗となるブレーディング層１７Ｂの積層の一部が介在するので、後述する樹脂注入時に樹脂１８が含浸しやすくなり（特に、直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層１７Ａ部分において）、短時間で樹脂１８を含浸させることができる。

高圧タンク１０は、上記のようにしてライナー１２に繊維１６が層状に巻き付けられて形成された、ブレーディング層１７Ｂ及びヘリカル層１７Ａ（ヘリカル層１７Ａの積層間のブレーディング層１７Ｂの積層の一部１７Ｄを含む）を含む繊維層１７に、流動性を有する未硬化の熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂と硬化剤とが混合された樹脂。本明細書では、単に「樹脂」という場合がある）１８を含浸させて加熱し、硬化させることにより、形成される。

（高圧タンクの製造方法）
以上のような構成とされた高圧タンク１０の製造方法について、図面を基に詳細に説明する。

（繊維巻回工程）
本実施形態に係る高圧タンク１０は、まず、ライナー１２の外周面に繊維１６を巻き付けることで構成される。すなわち、図３～図５に示されるように、製造装置４０の複数のボビン４２、４４から順次繊維１６が繰り出され、まず一方のドーム部１２Ｂの外周面にその繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する（第１工程）。詳しくは、ドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側とは反対側の端部から直胴部１２Ａ側の端部まで、順次繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する。

一方のドーム部１２Ｂの外周面に対する繊維１６のブレーディング巻きが終了したら、それに続いて、直胴部１２Ａの外周面に繊維１６をヘリカル巻きしてヘリカル層１７Ａを形成する（第２工程）。詳しくは、直胴部１２Ａの一方のドーム部１２Ｂ側の端部から他方のドーム部１２Ｂ側の端部まで、順次繊維１６をヘリカル巻きしてヘリカル層１７Ａを形成する。なお、ドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きから、直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きへの切り替えは、製造装置４０の複数のボビン４２、４４の配置（図４、図５）を所定時間幅で切り替えることによって、ドーム部１２Ｂと直胴部１２Ａとの境界部近傍の軸方向で所定の長さの領域内で行われる。ここで、上記領域内において、繊維１６は、ブレーディング巻きからヘリカル巻きへ同じ巻付角度θでスムーズに切り替わることができる。

直胴部１２Ａの外周面に対する繊維１６のヘリカル巻きが終了したら、それに続いて、他方のドーム部１２Ｂの外周面に繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する（第３工程）。詳しくは、ドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側の端部から直胴部１２Ａ側とは反対側の端部まで、順次繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する。なお、直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きから、ドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きへの切り替えも、製造装置４０の複数のボビン４２、４４の配置（図４、図５）を所定時間幅で切り替えることによって、直胴部１２Ａとドーム部１２Ｂとの境界部近傍の軸方向で所定の長さの領域内で行われる。ここで、上記領域内において、繊維１６は、ヘリカル巻きからブレーディング巻きへ同じ巻付角度θでスムーズに切り替わることができる。

なお、一方及び他方のドーム部１２Ｂ及び直胴部１２Ａに巻き付ける繊維１６の巻付角度θは、例えば５４．７度±１０度の範囲内とされている。

また、本実施形態では、所定のブレーディング層１７Ｂの積層箇所において、繊維１６のブレーディング巻きが終了したら、上記のようなドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きから直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きへの切り替えを行わず、それに続いて、直胴部１２Ａの外周面（詳しくは、直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層１７Ａの積層部分の外周面）に繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層（図２の１７Ｄに相当する部分）を形成する。また、直胴部１２Ａの外周面（詳しくは、直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層１７Ａの積層部分の外周面）に対する繊維１６のブレーディング巻きが終了したら、（上記のような直胴部１２Ａにおけるヘリカル巻きからドーム部１２Ｂにおけるブレーディング巻きへの切り替えを行わず、）それに続いて、他方のドーム部１２Ｂの外周面に繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層１７Ｂを形成する（図６）。

換言すると、所定のブレーディング層１７Ｂの積層箇所においては、一方のドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側とは反対側の端部から他方のドーム部１２Ｂの直胴部１２Ａ側とは反対側の端部まで（ライナー１２の軸方向の全長にわたって）、順次繊維１６をブレーディング巻きしてブレーディング層（１７Ｂ、１７Ｄ、１７Ｂ）を形成する（図６）。

上記のような繊維１６の巻き付けを、ヘリカル層１７Ａ（例えば数層～数十層程度で構成）の積層間（最内層の内側や最外層の外側を含む）の一箇所（一層）、もしくは、複数箇所（複数層）で行うことで、ヘリカル層１７Ａの積層間に、ブレーディング層１７Ｂから連続してブレーディング層１７Ｂの積層の一部（１７Ｄ）を介在させる。

上記のようにして、繊維１６を、最終的には例えば数層～数十層程度（径方向に重ねてないし積層させて）巻き付けることで、中空のライナー１２の外周面（外表面）に、繊維１６を巻き付けて成る繊維層１７（ブレーディング層１７Ｂ及びヘリカル層１７Ａ（ヘリカル層１７Ａの積層間のブレーディング層１７Ｂの積層の一部１７Ｄを含む））が形成された中間体としてのプリフォーム１１（図７～図１０）を形成する。

（樹脂注入（樹脂含浸成形）工程）
上記のようにして、中空のライナー１２に繊維１６が巻き付けられて繊維層１７が形成されたプリフォーム１１（図７～図１０）を、製造装置としての樹脂含浸成形用金型５０内（下型６０と上型８０との間、キャビティーともいう）に配置し、金型５０内に熱硬化性樹脂１８を注入し、繊維層１７（を構成する繊維１６）に熱硬化性樹脂１８を含浸させて加熱し、硬化させる。

具体的に説明すると、図７、図８に示されるように、金型５０（図示例では下型６０）には、真空ポンプ６１が接続されている真空脱気配管６２が埋設されている。

また、金型５０（図示例では上型８０）には、樹脂注入機８１が接続されている樹脂注入配管（樹脂注入ゲートともいう）８２が埋設されている。

また、図９、図１０に示されるように、金型５０（図示例では下型６０）には、前記樹脂注入配管８２に連設して、樹脂１８が流動すると共にキャビティーに開口するゲート（樹脂注入口）を形成するランナー（７２Ａ、７２Ｂ）が複数本形成されている。ランナー７２Ａは、プリフォーム１１の軸方向の中央部（すなわち、直胴部１２Ａの中央部付近）において、樹脂注入配管８２からプリフォーム１１の径方向に延びている。ランナー７２Ａで形成されるゲート７４Ａは、プリフォーム１１の軸方向の中央部（すなわち、直胴部１２Ａの中央部付近）においてプリフォーム１１の径方向に開口している。したがって、ゲート７４Ａから金型５０内（キャビティー）の直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層（第２繊維層）１７Ａへプリフォーム１１の径方向（言い換えると、ヘリカル層１７Ａの板厚方向ないし積層方向）に樹脂１８を注入することができる。また、ランナー７２Ｂは、樹脂注入配管８２からプリフォーム１１の径方向に延びているランナー７２Ａからプリフォーム１１の軸方向の両側に分岐するように延びている。ランナー７２Ｂで形成されるゲート７４Ｂは、プリフォーム１１の軸方向の両端部（すなわち、両端のドーム部１２Ｂの中央部付近）においてプリフォーム１１の軸方向に開口している。したがって、ゲート７４Ｂから金型５０内（キャビティー）のドーム部１２Ｂの外周面におけるブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂへプリフォーム１１の軸方向（言い換えると、ヘリカル層１７Ａの積層延在方向）に樹脂１８を注入することができる。

なお、図９、図１０に示される例では、プリフォーム１１の軸方向の中央部に位置するランナー７２Ａ、及び、プリフォーム１１の軸方向の両端部に位置するランナー７２Ｂはそれぞれ、プリフォーム１１の中心軸ＣＬに対して対向する位置に（言い換えると、プリフォーム１１の前後で対を成すように）形成されている。

また、本実施形態では、プリフォーム１１の軸方向の中央部に位置するランナー７２Ａを所定のタイミングで開閉すべく、当該ランナー７２Ａに、開閉弁等で構成される開閉機構７６が設けられている。例えば開閉機構７６によって当該ランナー７２Ａを閉じると、ゲート７４Ａから金型５０内（キャビティー）への樹脂１８の注入を遮断することができる。

プリフォーム１１の繊維層１７（を構成する繊維１６）に熱硬化性樹脂１８を含浸させるに当たっては、まず、所定温度（熱硬化性樹脂１８の硬化温度以上の温度）に保温された上記の構成を有する金型５０内（下型６０と上型８０との間）にプリフォーム１１を配置した状態で（言い換えれば、型締め完了後に）、真空ポンプ６１を制御することによって、金型５０内を真空脱気する（図７）。

上記の真空脱気停止（完了）後、樹脂注入機８１を駆動することによって、金型５０内に熱硬化性樹脂１８を注入する（図８）。ここで、金型５０内に配置されたプリフォーム１１の繊維層１７への熱硬化性樹脂１８の注入（含浸）は、プリフォーム１１（ライナー１２）の軸方向（積層延在方向）と径方向（板厚方向ないし積層方向）とで別々に行う。

詳しくは、最初に、開閉機構７６が閉じられた状態（すなわち、ランナー７２Ａが閉じられてゲート７４Ａから金型５０内への樹脂１８の注入を遮断した状態）で、樹脂注入配管８２内を（未硬化の）樹脂１８が流れ、ランナー７２Ｂを介してゲート７４Ｂから、金型５０内（キャビティー）のドーム部１２Ｂの外周面におけるブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂへプリフォーム１１の軸方向に樹脂１８が注入（吐出）される（図９）。

これによって、繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗となるブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂへプリフォーム１１の軸方向に樹脂１８が注入（吐出）されて、繊維層１７に樹脂１８が含浸していく。このとき、ヘリカル層１７Ａの積層間に、ブレーディング層１７Ｂから連続してブレーディング層１７Ｂの積層の一部（１７Ｄ）が介在するので（図２参照）、繊維間隔が小さく繊維（密度）が密となるヘリカル層１７Ａの積層間にも、（ブレーディング層１７Ｂを通して）樹脂１８が含浸していく。

その後、開閉機構７６を開く制御を行い、開閉機構７６が開かれた状態（ランナー７２Ａが開かれた状態）で、樹脂注入配管８２内を（未硬化の）樹脂１８が流れ、ランナー７２Ｂを介してゲート７４Ｂから、金型５０内（キャビティー）のドーム部１２Ｂの外周面におけるブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂへプリフォーム１１の軸方向に樹脂１８が注入（吐出）されるとともに、ランナー７２Ａを介してゲート７４Ａから、金型５０内（キャビティー）の直胴部１２Ａの外周面におけるヘリカル層（第２繊維層）１７Ａへプリフォーム１１の径方向に樹脂１８が注入（吐出）される（図１０）。

これによって、繊維間隔が大きく繊維（密度）が粗となるブレーディング層（第１繊維層）１７Ｂへプリフォーム１１の軸方向に樹脂１８が注入（吐出）されるとともに、繊維間隔が小さく繊維（密度）が密となるヘリカル層（第２繊維層）１７Ａへプリフォーム１１の径方向に樹脂１８が注入（吐出）されて（言い換えると、プリフォーム１１の軸方向および径方向の両方向で樹脂１８が注入されて）、繊維層１７の全体に樹脂１８が含浸していく。

なお、開閉機構７６を開くタイミング（すなわち、ランナー７２Ａを介してゲート７４Ａから樹脂１８を注入するタイミング）は、流動する樹脂１８の圧力を検出する圧力センサから得られる計測値を基に判断してもよいし、予め実験等で求めたタイミングを基に判断してもよい。

樹脂１８が繊維層１７の積層内に含浸完了後、樹脂注入を停止して加熱し、硬化させることにより、ライナー１２の外周に補強層としての繊維強化樹脂層が形成される。これにより、耐腐食性に優れるとともに、軽量化及び低コスト化が図れ、かつ運搬及び取り扱いが容易な高圧タンク１０が得られる。

以上で説明したように、燃料電池車用高圧タンクにおいて、ＲＴＭ含浸技術によるタンク製造時、エポキシ樹脂を、厚肉積層の（炭素繊維を厚肉に巻いた）大型タンク全体に、均一に樹脂圧力をかけて、充填、含浸、硬化させることは困難であり、生産性低下やタンク性能低下に繋がる。また、タンクは、炭素繊維を厚肉積層しているため、樹脂を高圧充填しないと、炭素繊維の最内層まで含浸しないが、そのため、ゲート直下等の圧力が高くなりすぎて、タンク内部の樹脂製ライナーの変形や、繊維ズレ等、生産性低下やタンク性能低下に繋がる重要品質問題が発生する。

本実施形態は、積層タンクの樹脂流動性の画期的向上を目的とし、ドーム部と直胴部を有するタンクの製造方法であって、ライナーを準備する工程と、準備したライナーに繊維を巻回する工程と、巻回した繊維に樹脂を注入する工程と、注入した樹脂を硬化させる工程を有し、巻回する工程では、ドーム部が直胴部より粗になるように巻回し、注入する工程では、ドーム部から樹脂を注入すると共に、積層延在方向のより一層の含浸性向上のため、直胴部（のヘリカル層）の積層間に（ブレーディング層から連続して）粗な積層を入れる。

また、樹脂含浸時において、積層延在方向に樹脂注入する工程と、板厚方向ないし積層方向に樹脂注入する工程の両方を有すると共に、積層延在方向の樹脂注入と板厚方向ないし積層方向の樹脂注入を分けて行うと共に、積層延在方向の樹脂注入を先に行い、含浸性を制御して、タンク全体の含浸性を向上させる。

また、ＲＴＭ金型内の樹脂流動のランナーに開閉機構７６を有する金型５０であり、タンク構造の繊維が粗になり、且つ、含浸性が良い積層延在方向に流れるドーム部を先に樹脂注入して、積層延在方向が樹脂含浸した後、時間差をつけて、板厚方向に樹脂を注入することで、お互いの含浸性を損なうことなく、含浸性を制御すると共に、樹脂流動の圧力を観測する等して、樹脂流動性のフィードバック自動制御も可能となる。

積層延在方向に沿って樹脂注入できるので、炭素繊維の内層まで含浸でき、且つ、より内層まで含浸できる。また、タンクが軸方向に長くなった時にも樹脂の含浸がムラなくできる。また、各方向（積層延在方向、板厚方向）の樹脂の注入圧が阻害しあわないので、より炭素繊維の内層まで樹脂含浸できる。また、抵抗の少ない積層延在方向の樹脂注入を行うことで、樹脂の粘度により繊維の移動が抑制されて板厚方向樹脂注入時にも繊維ずれの発生を抑制できる。

これにより、ＲＴＭ含浸技術によりエポキシ樹脂を含浸させる際、タンク全体に均一に、且つ、低圧で積層延在方向及び板厚方向にも、エポキシ樹脂を含浸することができるため、高圧タンクの性能向上と品質の安定化を図ることができると共に、樹脂の高速充填も可能になり、大幅な成形サイクル短縮も図れる。

このように、本実施形態によれば、繊維巻き付け時に繊維（繊維密度）が粗となる箇所をドーム部１２Ｂと直胴部１２Ａの両方に設けることで、樹脂注入時の抵抗が小さくなるため、樹脂１８を含浸させやすくなり、短時間での樹脂含浸が可能となる。

また、樹脂注入時に各方向（軸方向ないし積層延在方向、径方向ないし板厚方向）の樹脂１８の注入圧が阻害し合わないため、短時間で内層までの樹脂含浸が可能となる。

なお、上記実施形態では、ヘリカル層１７Ａの積層間においてその全面に（ヘリカル層１７Ａの外周面の全体を覆うように）、ブレーディング層１７Ｂの積層の一部を介在させるようにしているが（図６参照）、ヘリカル層１７Ａの積層間においてその一部の表面のみに、ブレーディング層１７Ｂの積層の一部を介在させるようにしてもよいことは当然である。

また、直胴部１２Ａの外周面に繊維をヘリカル状に巻き付けて（ヘリカル巻きして）ヘリカル層を形成するものとしているが、例えば巻付角度θを適宜に調整するなどして、直胴部１２Ａの外周面に繊維をフープ状に巻き付けて（フープ巻きして）フープ層を形成するようにしてもよい。また、ドーム部１２Ｂの外周面に繊維を巻き付けて成る第１繊維層（の繊維密度）が直胴部１２Ａの外周面に繊維を巻き付けて成る第２繊維層（の繊維密度）よりも粗となるようにすれば、繊維の巻き方自体は上述した形態に限定されないことは詳述するまでも無い。

また、例えば、ライナー１２は、液晶樹脂製に限定されるものではない。ライナー１２は、例えば高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂製であってもよいし、アルミニウム合金等の軽量金属製であってもよい。また、ライナー１２は、ブロー成形によって製造されるものに限定されるものではなく、射出成形等によって製造されてもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１０ 高圧タンク（タンク）
１１ プリフォーム
１２ ライナー
１２Ａ 直胴部
１２Ｂ ドーム部
１２Ｃ 円筒部
１６ 繊維
１７ 繊維層
１７Ａ ヘリカル層（第２繊維層）
１７Ｂ ブレーディング層（第１繊維層）
１８ 熱硬化性樹脂（樹脂）
５０ 金型
６０ 下型
７２Ａ、７２Ｂ ランナー
７４Ａ、７４Ｂ ゲート
７６ 開閉機構
８０ 上型
ＣＬ 中心軸

Claims (10)

1. 筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクの製造方法であって、
   前記ドーム部の外表面における第１繊維層が前記直胴部の外表面における第２繊維層よりも粗となるように、且つ、前記第２繊維層の積層間の一部に前記第１繊維層から連続して前記粗となる前記第１繊維層の積層の一部を介在させるように、前記ライナーの外表面に前記繊維を径方向に重ねて巻き付ける工程と、
   前記第１繊維層および前記第２繊維層を含む前記繊維層に前記樹脂を含浸させる工程と、を含むことを特徴とするタンクの製造方法。
2. 請求項１に記載のタンクの製造方法において、
   前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向と径方向とで別々に行うことを特徴とするタンクの製造方法。
3. 請求項２に記載のタンクの製造方法において、
   前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入して前記繊維層に前記樹脂を含浸させ、
   前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入して前記繊維層に前記樹脂を含浸させることを特徴とするタンクの製造方法。
4. 請求項２に記載のタンクの製造方法において、
   前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向で行った後、前記ライナーの軸方向および径方向の両方向で行うことを特徴とするタンクの製造方法。
5. 請求項２に記載のタンクの製造方法において、
   前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入した後、
   前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入しつつ、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入して、前記繊維層に前記樹脂を含浸させることを特徴とするタンクの製造方法。
6. 請求項１に記載のタンクの製造方法において、
   前記ドーム部の外表面に繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで前記第１繊維層を構成し、
   前記直胴部の外表面に前記第１繊維層から連続して繊維をヘリカル状またはフープ状に巻き付けることで前記第２繊維層を構成し、
   前記第２繊維層の積層間の一部に前記第１繊維層から連続して繊維を互い違いに編まれるように巻き付けることで前記粗となる前記第１繊維層の積層の一部を介在させることを特徴とするタンクの製造方法。
7. 筒状の直胴部と、該直胴部の軸方向の端部から該直胴部とは反対側に向かうに従って徐々に窄まるドーム部とを有する中空のライナーの外表面に、繊維を径方向に重ねて巻き付けて成る繊維層に、樹脂を含浸して成る補強層が形成されたタンクの製造装置であって、
   前記ドーム部の外表面における第１繊維層が前記直胴部の外表面における第２繊維層よりも粗となるように、且つ、前記第２繊維層の積層間の一部に前記第１繊維層から連続して前記粗となる前記第１繊維層の積層の一部を介在させるように、前記ライナーの外表面に前記繊維を径方向に重ねて巻き付けたプリフォームを収容し、前記第１繊維層および前記第２繊維層を含む前記繊維層に前記樹脂を含浸させるための金型を備え、
   前記金型に、前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向と径方向とで別々に行うべく、前記樹脂が流動するとともに前記金型内に開口するゲートを形成するランナーが複数本設けられるとともに、前記複数本のランナーの少なくとも一つに開閉機構が設けられていることを特徴とするタンクの製造装置。
8. 請求項７に記載のタンクの製造装置において、
   前記複数本のランナーは、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入する第１ランナーと、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入する第２ランナーと、を含んで構成されることを特徴とするタンクの製造装置。
9. 請求項７に記載のタンクの製造装置において、
   前記開閉機構は、前記繊維層への前記樹脂の含浸を、前記ライナーの軸方向で行った後、前記ライナーの軸方向および径方向の両方向で行うように、前記複数本のランナーの少なくとも一つを開閉することを特徴とするタンクの製造装置。
10. 請求項７に記載のタンクの製造装置において、
    前記複数本のランナーは、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入する第１ランナーと、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入する第２ランナーと、を含んで構成され、
    前記開閉機構は、少なくとも前記第２ランナーに設けられ、
    前記開閉機構によって前記第２ランナーを閉じた状態で、前記第１ランナーを介して、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入した後、前記開閉機構によって前記第２ランナーを開いた状態で、前記第１ランナーを介して、前記第１繊維層へ前記ライナーの軸方向に前記樹脂を注入しつつ、前記第２ランナーを介して、前記第２繊維層へ前記ライナーの径方向に前記樹脂を注入することを特徴とするタンクの製造装置。

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