JP2023091874A - Method for manufacturing fiber-reinforced resin pipe and method for manufacturing high-pressure tank - Google Patents

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Abstract

To provide a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe capable of shortening process time.SOLUTION: A method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe includes: a preparation step which prepares a metallic mandrel having a first cylindrical part and two second cylindrical parts disposed at both ends in an axial direction of the first cylindrical part, and having a first thickness, which is the thinnest in the first cylindrical part, being thinner than a second thickness, which is the thinnest in the two second cylindrical parts; a fiber layer formation step which forms a fiber layer by winding fibers impregnated with thermosetting resin around the first cylindrical part; and a heating step which thermally cures the thermosetting resin of the fiber layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、繊維強化樹脂製パイプの製造方法および高圧タンクの製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe and a method for manufacturing a high-pressure tank.

従来、炭素繊維強化樹脂の製造方法として、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を金属製のマンドレルに巻き付けるフィラメントワインディング法がある（例えば、特許文献１）。マンドレルに巻き付けられた繊維層は、加熱により熱硬化される。 Conventionally, as a method for producing a carbon fiber reinforced resin, there is a filament winding method in which carbon fibers impregnated with a thermosetting resin are wound around a metal mandrel (for example, Patent Document 1). The fiber layer wrapped around the mandrel is thermoset by heating.

特開平６－８８８号公報JP-A-6-888

繊維層が加熱される工程において、加えられた熱はマンドレルに移るため、繊維層の外周面付近に対して、繊維層の内周面付近の昇温速度が低下する。 In the step of heating the fiber layer, the applied heat is transferred to the mandrel, so the temperature rise rate in the vicinity of the inner peripheral surface of the fiber layer is lower than in the vicinity of the outer peripheral surface of the fiber layer.

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。 The present disclosure can be implemented as the following forms.

（１）本開示の一形態によれば、繊維強化樹脂製パイプの製造方法が提供される。この製造方法は、第１円筒部と、前記第１円筒部の軸方向における両端部に配置された２つの第２円筒部とを有する金属製のマンドレルであって、前記第１円筒部の厚さのうち最も薄い第１厚さは、前記２つの第２円筒部の厚さのうち最も薄い第２厚さよりも薄いマンドレルを準備する準備工程と、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を前記第１円筒部に巻回し、繊維層を形成する繊維層形成工程と、前記繊維層の前記熱硬化性樹脂を熱硬化させる加熱工程と、を含む。この形態によれば、第１円筒部は、第２厚さよりも薄い第１厚さを有することにより、第１円筒部の厚さが均一であり、その厚さが第２厚さである場合よりも、第１円筒部の熱容量を小さくすることができる。よって、加熱工程において繊維層に加えられた熱は、マンドレルに移りにくくなるため、繊維層の内周面付近の昇温速度の低下を抑制することができる。よって、製造に要する工程時間を短縮することができる。また、第２円筒部は、第１厚さよりも厚い第２厚さを有するため、マンドレルの強度を維持することができる。
（２）上記形態の製造方法において、前記第１円筒部の厚さは、前記第２厚さよりも薄くてもよい。この形態によれば、第１円筒部のいずれの部分の厚さも第２厚さよりも薄いため、第１円筒部の一部分が第２厚さよりも薄い場合と比較して、熱容量をさらに小さくすることができる。よって、繊維層の内周面付近の昇温速度の低下の抑制効果をさらに高めることができる。
（３）上記形態の製造方法において、前記第１円筒部の外径と、前記２つの第２円筒部の外径とは同じであってもよい。この形態によれば、内径が均一な繊維強化樹脂製パイプを製造することができる。
（４）上記形態の製造方法において、前記繊維層の厚さをｔ１、前記第１厚さをｔ２とした場合、
０．３５≦ｔ１／ｔ２≦２
を満たしてもよい。この形態によれば、繊維強化樹脂製パイプの歪みを抑制し、かつ、繊維強化樹脂製パイプの残留応力を低減することができる。よって、十分な強度を有する繊維強化樹脂製パイプを製造することができる。マンドレルの第１厚さに対して繊維層が厚すぎると、繊維層形成工程において、繊維層の径方向の応力によってマンドレルが歪み繊維層の形状が歪むおそれがある。一方、繊維層の線膨張係数よりもマンドレルの線膨張係数は大きいため、マンドレルの第１厚さに対して繊維層が薄すぎると、加熱工程において、マンドレルの径方向の応力により繊維層が径方向に拡張された状態で硬化されることとなり、繊維層に残留応力が発生するおそれがある。そこで、繊維層の厚さを上記の範囲とすることにより、繊維強化樹脂製パイプの歪みを抑制し、繊維強化樹脂製パイプの残留応力を低減することができる。
（５）上記形態の製造方法において、前記加熱工程において、前記第２円筒部に加える熱量よりも、前記第１円筒部に加える熱量が大きくてもよい。この形態によれば、第２円筒部に加えられる熱量と同じ熱量が第１円筒部に加えられる場合と比較して、加熱工程において効率的に繊維層を熱硬化させることができる。
（６）上記形態の製造方法に記載された製造方法を用いた高圧タンクの製造方法が提供される。この製造方法は、前記加熱工程の後に、前記繊維層を前記マンドレルから外し、前記繊維層の内側にライナを挿入する挿入工程、を含む。この形態によれば、製造に要する工程時間が短縮されて製造された熱硬化後の繊維層を用いて高圧タンクが製造されるため、工程時間を短縮して高圧タンクを製造することができる。
本開示は、繊維強化樹脂製パイプの製造方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、繊維強化樹脂製パイプの製造装置、繊維強化樹脂製パイプ製造用マンドレル等の形態で実現することができる。 (1) According to one aspect of the present disclosure, a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe is provided. This manufacturing method is a metal mandrel having a first cylindrical portion and two second cylindrical portions arranged at both ends in the axial direction of the first cylindrical portion, wherein the thickness of the first cylindrical portion is a first thickness of which is the thinnest among the thicknesses of the two second cylindrical portions; It includes a fiber layer forming step of winding around one cylindrical portion to form a fiber layer, and a heating step of thermosetting the thermosetting resin of the fiber layer. According to this aspect, the first cylindrical portion has a first thickness that is thinner than the second thickness. The heat capacity of the first cylindrical portion can be made smaller than that. Therefore, the heat applied to the fiber layer in the heating step is less likely to transfer to the mandrel, so it is possible to suppress a decrease in the rate of temperature increase in the vicinity of the inner peripheral surface of the fiber layer. Therefore, the process time required for manufacturing can be shortened. Also, since the second cylindrical portion has a second thickness that is thicker than the first thickness, the strength of the mandrel can be maintained.
(2) In the manufacturing method of the above aspect, the thickness of the first cylindrical portion may be thinner than the second thickness. According to this aspect, since the thickness of any portion of the first cylindrical portion is thinner than the second thickness, the heat capacity can be further reduced compared to the case where a portion of the first cylindrical portion is thinner than the second thickness. can be done. Therefore, it is possible to further enhance the effect of suppressing a decrease in the rate of temperature increase in the vicinity of the inner peripheral surface of the fiber layer.
(3) In the manufacturing method of the above aspect, the outer diameter of the first cylindrical portion and the outer diameter of the two second cylindrical portions may be the same. According to this aspect, a fiber-reinforced resin pipe having a uniform inner diameter can be manufactured.
(4) In the manufacturing method of the above aspect, when the thickness of the fiber layer is t1 and the first thickness is t2,
0.35≤t1/t2≤2
may be satisfied. According to this aspect, distortion of the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed and residual stress of the fiber-reinforced resin pipe can be reduced. Therefore, a fiber-reinforced resin pipe having sufficient strength can be manufactured. If the fiber layer is too thick with respect to the first thickness of the mandrel, the mandrel may be distorted due to radial stress of the fiber layer in the fiber layer forming step, and the shape of the fiber layer may be distorted. On the other hand, since the coefficient of linear expansion of the mandrel is larger than the coefficient of linear expansion of the fiber layer, if the fiber layer is too thin with respect to the first thickness of the mandrel, the stress in the radial direction of the mandrel will cause the fiber layer to expand in diameter during the heating process. There is a risk that residual stress will be generated in the fiber layer because the fiber layer is hardened while being expanded in the direction. Therefore, by setting the thickness of the fiber layer within the above range, the distortion of the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed and the residual stress of the fiber-reinforced resin pipe can be reduced.
(5) In the manufacturing method of the above aspect, in the heating step, the amount of heat applied to the first cylindrical portion may be greater than the amount of heat applied to the second cylindrical portion. According to this aspect, the fiber layer can be efficiently thermally cured in the heating step, compared to the case where the same amount of heat as that applied to the second cylindrical portion is applied to the first cylindrical portion.
(6) There is provided a method of manufacturing a high-pressure tank using the manufacturing method described in the manufacturing method of the above aspect. This manufacturing method includes, after the heating step, an inserting step of removing the fiber layer from the mandrel and inserting a liner inside the fiber layer. According to this aspect, the high-pressure tank is manufactured using the heat-cured fiber layer that is manufactured in a shortened process time required for manufacturing, so that the high-pressure tank can be manufactured in a shortened process time.
The present disclosure can also be realized in various forms other than the manufacturing method of the fiber-reinforced resin pipe. For example, it can be realized in the form of a fiber-reinforced resin pipe manufacturing apparatus, a fiber-reinforced resin pipe manufacturing mandrel, or the like.

繊維強化樹脂製パイプの製造方法を示すフローチャート。A flow chart showing a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe. マンドレルの断面図。Sectional drawing of a mandrel. 加熱工程を説明する模式図。The schematic diagram explaining a heating process. 厚さ比とマンドレルの径方向の応力との関係を示す図。The figure which shows the relationship between thickness ratio and the stress of the radial direction of a mandrel. 厚さ比と繊維層の径方向の応力との関係を示す図。The figure which shows the relationship between thickness ratio and the stress of the radial direction of a fiber layer. 第２実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフローチャート。8 is a flow chart showing a method of manufacturing a high-pressure tank according to the second embodiment;

Ａ．第１実施形態：
図１は、繊維強化樹脂製パイプの製造方法を実現する製造工程のフローチャートである。図２は、マンドレル１０の断面図である。図２は、マンドレル１０の中心軸ＣＸに沿った面を切断面とする断面図である。図３は、加熱工程Ｐ３０を説明するための断面にて示す模式図である。図１に示す準備工程Ｐ１０において、マンドレル１０が準備される。マンドレル１０は、次の繊維層形成工程Ｐ２０において、熱硬化性樹脂を含浸した繊維が巻回される型として用いられる。マンドレル１０は、金属製であり、本実施形態では、鋼製である。図２に示すようにマンドレル１０は、円筒形状を有し、第１円筒部１１と、２つの第２円筒部１２とを有する。２つの第２円筒部１２の各々は、第１円筒部１１の中心軸ＣＸ方向である軸方向における両端部の各々に配置されている。図３に示すように、繊維層形成工程Ｐ２０において、第１円筒部１１は繊維が巻回される部分であり、第２円筒部１２は繊維が巻回されない部分である。第１円筒部１１の外径と、第２円筒部１２の外径とは同じである。これにより、内径が均一な繊維強化樹脂製パイプを製造することができる。 A. First embodiment:
FIG. 1 is a flow chart of manufacturing steps for realizing a method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe. FIG. 2 is a cross-sectional view of mandrel 10. As shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the central axis CX of the mandrel 10. As shown in FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the heating step P30. In the preparation step P10 shown in FIG. 1, the mandrel 10 is prepared. The mandrel 10 is used as a mold around which fibers impregnated with a thermosetting resin are wound in the next fiber layer forming step P20. The mandrel 10 is made of metal, in this embodiment steel. As shown in FIG. 2 , the mandrel 10 has a cylindrical shape and has a first cylindrical portion 11 and two second cylindrical portions 12 . Each of the two second cylindrical portions 12 is arranged at each of both end portions of the first cylindrical portion 11 in the axial direction, which is the central axis CX direction. As shown in FIG. 3, in the fiber layer forming step P20, the first cylindrical portion 11 is a portion on which the fibers are wound, and the second cylindrical portion 12 is a portion on which the fibers are not wound. The outer diameter of the first cylindrical portion 11 and the outer diameter of the second cylindrical portion 12 are the same. Thereby, a fiber-reinforced resin pipe having a uniform inner diameter can be manufactured.

図２に示すように、本実施形態において、マンドレル１０の厚さは均一ではない。マンドレル１０の軸方向における中央、すなわち第１円筒部１１の中央の厚さが一番薄く、マンドレル１０の軸方向における端部、すなわち第２円筒部１２の端部の厚さが一番厚い。軸方向において、マンドレル１０は、第１円筒部１１の中央から両端部に向かうに従い、厚さが次第に厚くなる。マンドレル１０の内周面は、周方向に円を描き、軸方向に曲線を描く形状を有する。 As shown in FIG. 2, in this embodiment the thickness of the mandrel 10 is not uniform. The center of the mandrel 10 in the axial direction, that is, the center of the first cylindrical portion 11 is the thinnest, and the end of the mandrel 10 in the axial direction, that is, the end of the second cylindrical portion 12 is the thickest. In the axial direction, the thickness of the mandrel 10 gradually increases from the center of the first cylindrical portion 11 toward both ends. The inner peripheral surface of the mandrel 10 has a circular shape in the circumferential direction and a curve in the axial direction.

第１円筒部１１の厚さのうち、最も薄い厚さである第１厚さｔ２は、第２円筒部１２の厚さのうち、最も薄い厚さである第２厚さｔ３よりも薄い。これにより、加熱工程Ｐ３０において繊維層２０に加えられた熱を、マンドレル１０に移りにくくすることができる。第１円筒部１１の厚さが均一であり、その厚さが第２厚さｔ３である場合よりも、第１円筒部１１の熱容量を小さくすることができるからである。また、第２円筒部１２は、第１厚さｔ２よりも厚い第２厚さｔ３を有するため、マンドレル１０の十分な強度を維持することができる。さらに、第１円筒部１１の厚さは、どの部分においても第２厚さｔ３よりも薄い。これにより、第１円筒部１１の一部分のみが第２厚さｔ３より薄い場合よりも、第１円筒部１１の熱容量を小さくすることができる。また、第１厚さｔ２が第２厚さｔ３よりも薄いことにより、第１円筒部１１の厚さが均一であり、その厚さが第２厚さｔ３である場合よりも、マンドレル１０の重量を軽減することができる。よって、マンドレル１０の搬送を容易に行うことができる。 A first thickness t<b>2 that is the thinnest thickness among the thicknesses of the first cylindrical portion 11 is thinner than a second thickness t<b>3 that is the thinnest thickness among the thicknesses of the second cylindrical portion 12 . This makes it difficult for the heat applied to the fiber layer 20 in the heating step P30 to transfer to the mandrel 10 . This is because the thickness of the first cylindrical portion 11 is uniform, and the heat capacity of the first cylindrical portion 11 can be made smaller than when the thickness is the second thickness t3. In addition, since the second cylindrical portion 12 has the second thickness t3 that is thicker than the first thickness t2, sufficient strength of the mandrel 10 can be maintained. Furthermore, the thickness of the first cylindrical portion 11 is thinner than the second thickness t3 at any portion. Thereby, the heat capacity of the first cylindrical portion 11 can be made smaller than when only a portion of the first cylindrical portion 11 is thinner than the second thickness t3. In addition, since the first thickness t2 is thinner than the second thickness t3, the thickness of the first cylindrical portion 11 is uniform, and the mandrel 10 is thicker than when the thickness is the second thickness t3. Weight can be reduced. Therefore, the mandrel 10 can be easily transported.

図１に示す繊維層形成工程Ｐ２０において、マンドレル１０の第１円筒部１１に熱硬化性樹脂を含浸した繊維が巻回され、繊維層２０が形成される。以下の説明において、「熱硬化性樹脂を含浸した繊維」を単に「繊維」と呼ぶ場合がある。本実施形態において、熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂であるが、エポキシ樹脂に限らず、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂などでもよい。また、本実施形態において、繊維材料は炭素繊維であるが、炭素繊維に限らず、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維などでもよい。 In the fiber layer forming step P20 shown in FIG. 1, fibers impregnated with a thermosetting resin are wound around the first cylindrical portion 11 of the mandrel 10 to form the fiber layer 20. As shown in FIG. In the following description, "fibers impregnated with thermosetting resin" may be simply referred to as "fibers". In this embodiment, the thermosetting resin is epoxy resin, but it is not limited to epoxy resin, and may be phenol resin, melamine resin, urea resin, or the like. Further, in this embodiment, the fiber material is carbon fiber, but it is not limited to carbon fiber, and may be glass fiber, aramid fiber, boron fiber, or the like.

具体的には、図３に示すマンドレル１０が、図示しない給糸口から送出される繊維を巻き取りつつ、中心軸ＣＸ回りに回転することにより、マンドレル１０に繊維が巻回される。給糸口が、軸方向に沿って移動することにより、マンドレル１０における、繊維が巻回される位置が調整される。繊維は、マンドレル１０の中心軸ＣＸに対する角度がほぼ９０度となるフープ巻きで巻回される。繊維が巻回されて形成された層の上に、さらに繊維が重ねて巻回されることにより、繊維層２０は複数の層にて形成される。 Specifically, the mandrel 10 shown in FIG. 3 rotates around the central axis CX while winding the fiber delivered from a yarn feeder (not shown), thereby winding the fiber around the mandrel 10 . By moving the yarn feeder along the axial direction, the position on the mandrel 10 at which the fibers are wound is adjusted. The fibers are wound in a hoop winding that makes an angle of approximately 90 degrees with respect to the central axis CX of the mandrel 10 . The fiber layer 20 is formed of a plurality of layers by further overlapping and winding the fiber on the layer formed by winding the fiber.

図３に示す繊維層２０の厚さである繊維層厚さｔ１と、第１厚さｔ２とは、次の式（１）を満たす。
０．３５≦ｔ１／ｔ２≦２・・・式（１）
これにより、繊維強化樹脂製パイプの歪みを抑制し、かつ繊維強化樹脂製パイプにおける残留応力の発生を抑制することができる。 The fiber layer thickness t1, which is the thickness of the fiber layer 20 shown in FIG. 3, and the first thickness t2 satisfy the following formula (1).
0.35≦t1/t2≦2 Expression (1)
As a result, distortion of the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed, and the generation of residual stress in the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed.

マンドレル１０の第１厚さｔ２に対して繊維層２０が厚すぎると、繊維層形成工程Ｐ２０において、マンドレル１０は、繊維層２０より径方向の径を縮小させる向きの力を受け、マンドレル１０の径方向における断面形状が真円に対して歪むおそれがある。一方、繊維層２０の線膨張係数よりもマンドレル１０の線膨張係数は大きいため、マンドレル１０の第１厚さｔ２に対して繊維層２０が薄すぎると、加熱工程Ｐ３０において、マンドレル１０が熱により径方向に拡張することにより繊維層２０が径方向に拡張された状態で硬化されることとなり、繊維層２０に残留応力が発生するおそれがある。発明者らは、繊維層厚さｔ１および第１厚さｔ２について検討し、式（１）の範囲を満たす場合、繊維強化樹脂製パイプの歪みを抑制し、かつ繊維強化樹脂製パイプにおける残留応力の発生を抑制することができることを見出した。 If the fiber layer 20 is too thick with respect to the first thickness t2 of the mandrel 10, in the fiber layer forming step P20, the mandrel 10 receives a force directed to reduce the radial diameter of the mandrel 10 from the fiber layer 20. The cross-sectional shape in the radial direction may be distorted with respect to a perfect circle. On the other hand, since the coefficient of linear expansion of the mandrel 10 is larger than the coefficient of linear expansion of the fiber layer 20, if the fiber layer 20 is too thin with respect to the first thickness t2 of the mandrel 10, the mandrel 10 is heated in the heating step P30. By expanding in the radial direction, the fiber layer 20 is hardened while being expanded in the radial direction, and there is a possibility that residual stress may be generated in the fiber layer 20 . The inventors studied the fiber layer thickness t1 and the first thickness t2, and found that when the range of formula (1) is satisfied, the distortion of the fiber-reinforced resin pipe is suppressed and the residual stress in the fiber-reinforced resin pipe It was found that the occurrence of can be suppressed.

図４および図５は、発明者らによる繊維層厚さｔ１および第１厚さｔ２についての検討結果である。具体的に、図４は、第１厚さｔ２に対する繊維層厚さｔ１の比である厚さ比と、繊維層２０が形成された場合のマンドレル１０の径方向の応力との関係を示す図である。図５は、厚さ比と、繊維層２０が形成された場合の繊維層２０の径方向の応力との関係を示す図である。図４および図５は、マンドレル１０の外径を３００ｍｍ、繊維層２０の線膨張係数を２×１０－６、マンドレル１０の線膨張係数を一般鋼の線膨張係数である１０．５×１０－６と設定した場合の計算結果である。図４および図５には、繊維層厚さｔ１を２ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとして、繊維層厚さｔ１と第１厚さｔ２との比を種々の値とした場合の応力の計算結果がプロットされている。 FIG. 4 and FIG. 5 are the results of studies by the inventors on the fiber layer thickness t1 and the first thickness t2. Specifically, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness ratio, which is the ratio of the fiber layer thickness t1 to the first thickness t2, and the stress in the radial direction of the mandrel 10 when the fiber layer 20 is formed. is. FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the thickness ratio and the stress in the radial direction of the fiber layer 20 when the fiber layer 20 is formed. 4 and 5, the outer diameter of the mandrel 10 is 300 mm, the linear expansion coefficient of the fiber layer 20 is 2×10 −6 , and the linear expansion coefficient of the mandrel 10 is 10.5×10 −6 , which is the linear expansion coefficient of general steel . This is the calculation result when 6 is set. 4 and 5 plot stress calculation results when the fiber layer thickness t1 is set to 2 mm, 5 mm, and 10 mm, and the ratio of the fiber layer thickness t1 to the first thickness t2 is set to various values. ing.

図４に示すように、第１厚さｔ２に対して繊維層厚さｔ１が相対的に厚くなるほど、つまり、厚さ比が大きくなるほど、マンドレル１０における径方向の径を縮小させる向きの応力が大きくなる。一方、図５に示すように、繊維層厚さｔ１に対して第１厚さｔ２が相対的に厚くなるほど、つまり、厚さ比が小さくなるほど、繊維層２０における径方向の径を拡大させる向きの応力は大きくなる。 As shown in FIG. 4, the greater the fiber layer thickness t1 relative to the first thickness t2, that is, the greater the thickness ratio, the greater the stress in the direction of reducing the diameter of the mandrel 10 in the radial direction. growing. On the other hand, as shown in FIG. 5, the larger the first thickness t2 relative to the fiber layer thickness t1, that is, the smaller the thickness ratio, the larger the radial diameter of the fiber layer 20. stress increases.

繊維層２０が形成されることによる、マンドレル１０の歪みを生じさせないためには、図４に示す径方向応力は、１９０ＭＰａより小さいことが好ましい。よって、厚さ比は２．０以下であることが好ましい。一方、加熱工程Ｐ３０において、マンドレル１０の熱膨張に起因する繊維層２０に生じる残留応力を十分小さくするには、図５に示す径方向応力が２５０ＭＰａより小さいことが好ましい。よって、厚さ比は、０．３５以上であることが好ましい。以上より、上記の式（１）を満たすことにより、繊維強化樹脂製パイプの歪みを抑制し、かつ繊維強化樹脂製パイプにおける残留応力の発生を抑制することができる。さらに、マンドレル１０は、第１厚さｔ２が薄いほど、加熱工程Ｐ３０におけるマンドレル１０への熱の移動を抑制することができるため、厚さ比が２．０であることがさらに好ましい。 In order not to cause distortion of the mandrel 10 due to the formation of the fiber layer 20, the radial stress shown in FIG. 4 is preferably less than 190 MPa. Therefore, the thickness ratio is preferably 2.0 or less. On the other hand, in order to sufficiently reduce the residual stress generated in the fiber layer 20 due to the thermal expansion of the mandrel 10 in the heating step P30, the radial stress shown in FIG. 5 is preferably smaller than 250 MPa. Therefore, the thickness ratio is preferably 0.35 or more. As described above, by satisfying the above formula (1), distortion of the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed and generation of residual stress in the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed. Furthermore, the thinner the first thickness t2 of the mandrel 10, the more it is possible to suppress heat transfer to the mandrel 10 in the heating step P30, so the thickness ratio is more preferably 2.0.

図１に示す加熱工程Ｐ３０において、加熱炉を用いて繊維層２０に含まれる熱硬化性樹脂が熱硬化される。具体的には、繊維層２０の温度が、繊維層２０に含まれる熱硬化性樹脂が熱硬化する目標温度となるまで繊維層２０が加熱される。図３に示すように、繊維層２０が形成されたマンドレル１０の両端部が一対のコレット５０により把持される。一対のコレット５０に把持されたマンドレル１０は、中心軸ＣＸ回りに回転される。本実施形態では、加熱炉は、図示しないヒーターおよびファンを備え、図３に示す矢印の方向から熱風をマンドレル１０に向かって吹き付ける。本実施形態では、第２円筒部１２に加える単位時間当たりの熱量よりも、第１円筒部１１に加える単位時間当たりの熱量が大きくなるように調整されている。具体的には、第２円筒部１２よりも第１円筒部１１に熱風が密に送られる。ファンの向きおよび位置が調整される形態、または、主に第１円筒部１１に送風するファンの送風速度が主に第２円筒部１２に送風するファンの送風速度よりも大きい形態の少なくともいずれか一方が行われることにより熱風が密に送られる。第２円筒部１２に加える熱量よりも、第１円筒部１１に加える熱量が大きくなるように調整されていることにより、第２円筒部１２が受け取る熱量よりも第１円筒部１１が受け取る熱量が大きくなるため、加熱工程Ｐ３０において加えられる熱量の総量が同じである場合であって、マンドレル１０に勾配のない熱量が与えられる場合と比較して、効率的に繊維層２０を熱硬化させることができる。 In the heating step P30 shown in FIG. 1, the thermosetting resin contained in the fiber layer 20 is thermally cured using a heating furnace. Specifically, the fiber layer 20 is heated until the temperature of the fiber layer 20 reaches a target temperature at which the thermosetting resin contained in the fiber layer 20 is thermally cured. As shown in FIG. 3 , both ends of the mandrel 10 on which the fiber layer 20 is formed are held by a pair of collets 50 . The mandrel 10 gripped by the pair of collets 50 is rotated around the central axis CX. In this embodiment, the heating furnace includes a heater and a fan (not shown), and blows hot air toward the mandrel 10 from the direction of the arrow shown in FIG. In this embodiment, the amount of heat applied to the first cylindrical portion 11 per unit time is adjusted to be greater than the amount of heat applied to the second cylindrical portion 12 per unit time. Specifically, hot air is more densely sent to the first cylindrical portion 11 than to the second cylindrical portion 12 . At least one of a form in which the direction and position of the fan is adjusted, or a form in which the blowing speed of the fan that mainly blows air to the first cylindrical portion 11 is higher than the blowing speed of the fan that mainly blows air to the second cylindrical portion 12 Hot air is sent densely by performing one. Since the amount of heat applied to the first cylindrical portion 11 is adjusted to be greater than the amount of heat applied to the second cylindrical portion 12, the amount of heat received by the first cylindrical portion 11 is greater than the amount of heat received by the second cylindrical portion 12. Therefore, compared to the case where the total amount of heat applied in the heating step P30 is the same and the amount of heat is applied to the mandrel 10 without a gradient, the fiber layer 20 can be thermally cured efficiently. can.

加熱工程Ｐ３０では、マンドレル１０の外方から加熱されるため、繊維層２０の外周面の昇温速度に対して、内周面の昇温速度は低下する。ここで、上述したように、第１厚さｔ２は第２厚さｔ３よりも薄く、第１円筒部１１の熱容量は小さいため、加熱工程Ｐ３０において繊維層２０に加えられた熱を、マンドレル１０に移りにくくすることができる。よって、繊維層２０の内周面の昇温速度の低下を抑制することができ、熱硬化に必要な目標温度に到達するのに要する時間を短縮することができる。よって、製造に要する工程時間を短縮することができる。 In the heating step P30, since the mandrel 10 is heated from the outside, the temperature rise rate of the inner peripheral surface of the fiber layer 20 is lower than the temperature rise rate of the outer peripheral surface of the fiber layer 20 . Here, as described above, the first thickness t2 is thinner than the second thickness t3, and the heat capacity of the first cylindrical portion 11 is small. can make it difficult to move to Therefore, it is possible to suppress a decrease in the rate of temperature increase of the inner peripheral surface of the fiber layer 20, and it is possible to shorten the time required to reach the target temperature required for thermosetting. Therefore, the process time required for manufacturing can be shortened.

また、繊維層２０の外周面と内周面との昇温速度の差を小さくすることにより、熱硬化後の繊維層２０の強度低下を抑制することができる。繊維層２０において昇温速度がばらついた場合、熱硬化の時期がばらつき、熱硬化による収縮に起因して、熱硬化後に繊維層２０に残留応力が発生する場合がある。ここで、繊維層２０の外周面と内周面との昇温速度の差を小さくすることにより、熱硬化の時期のばらつきを小さくすることができる。よって、残留応力の発生を抑制し、熱硬化後の繊維層２０の強度低下を抑制することができる。 Further, by reducing the difference in temperature rise rate between the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the fiber layer 20, it is possible to suppress the decrease in the strength of the fiber layer 20 after thermosetting. When the heating rate varies in the fiber layer 20, the timing of heat curing varies, and residual stress may occur in the fiber layer 20 after heat curing due to shrinkage due to heat curing. Here, by reducing the difference in temperature rise rate between the outer peripheral surface and the inner peripheral surface of the fiber layer 20, it is possible to reduce the variation in the timing of thermosetting. Therefore, it is possible to suppress the generation of residual stress and suppress the decrease in strength of the fiber layer 20 after thermosetting.

また、第１円筒部１１の第１厚さｔ２は第２厚さｔ３よりも薄いことにより、熱硬化後の繊維層２０の強度低下を抑制することができる。第１厚さｔ２は第２厚さｔ３よりも薄いことにより、第１円筒部１１の厚さが均一であり、その厚さが第２厚さｔ３である場合よりも第１円筒部１１の剛性を低くすることができる。上記のように、繊維層２０とマンドレル１０との線膨張係数の違いから、加熱工程Ｐ３０において、マンドレル１０は径方向に拡張し易い。そして、繊維層２０が径方向に拡張され、繊維層２０に引張応力が生じた状態で硬化された場合、繊維層２０に残留応力が発生するおそれがある。ここで、第１円筒部１１を薄くし、第１円筒部１１の剛性を低くすることにより、加熱工程Ｐ３０におけるマンドレル１０の拡張を抑制することができる。よって、熱硬化後の繊維層２０における残留応力の発生を抑制することができ、強度低下を抑制することができる。 Further, since the first thickness t2 of the first cylindrical portion 11 is thinner than the second thickness t3, it is possible to suppress a decrease in the strength of the fiber layer 20 after thermosetting. Since the first thickness t2 is thinner than the second thickness t3, the thickness of the first cylindrical portion 11 is uniform, and the thickness of the first cylindrical portion 11 is greater than when the thickness is the second thickness t3. Rigidity can be lowered. As described above, due to the difference in coefficient of linear expansion between the fiber layer 20 and the mandrel 10, the mandrel 10 tends to radially expand in the heating step P30. If the fiber layer 20 is expanded in the radial direction and hardened while tensile stress is generated in the fiber layer 20 , there is a possibility that residual stress will be generated in the fiber layer 20 . Here, by thinning the first cylindrical portion 11 and reducing the rigidity of the first cylindrical portion 11, expansion of the mandrel 10 in the heating step P30 can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the generation of residual stress in the fiber layer 20 after thermosetting, and it is possible to suppress the decrease in strength.

加熱工程Ｐ３０が行われることにより、熱硬化後の繊維層２０である繊維強化樹脂製パイプ、本実施形態では、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）のパイプが完成する。繊維強化樹脂製パイプは、マンドレル１０から取り外され、本製造工程は終了する。 By performing the heating step P30, the fiber reinforced resin pipe, which is the fiber layer 20 after thermosetting, which is a CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) pipe in this embodiment, is completed. The fiber-reinforced resin pipe is removed from the mandrel 10 to complete the manufacturing process.

以上説明した第１実施形態に係る製造方法は、第１円筒部１１と、２つの第２円筒部１２とを有する金属製のマンドレル１０を準備する準備工程Ｐ１０と、繊維層２０を形成する繊維層形成工程Ｐ２０と、繊維層２０の熱硬化性樹脂を熱硬化させる加熱工程Ｐ３０と、を含む。よって、第１円筒部１１は、第２厚さｔ３よりも薄い第１厚さｔ２を有することにより、第１円筒部１１の厚さが均一であり、その厚さが第２厚さｔ３である場合よりも、熱容量を小さくすることができる。よって、加熱工程Ｐ３０において繊維層２０に加えられた熱は、マンドレル１０に移りにくくなるため、繊維層２０の内周面付近の昇温速度の低下を抑制することができる。よって、工程時間を短縮することができる。また、第２円筒部１２は、第１厚さｔ２よりも厚い第２厚さｔ３を有するため、マンドレル１０の強度を維持することができる。 The manufacturing method according to the first embodiment described above includes a preparation step P10 of preparing a metal mandrel 10 having a first cylindrical portion 11 and two second cylindrical portions 12, A layer forming step P20 and a heating step P30 for thermosetting the thermosetting resin of the fiber layer 20 are included. Therefore, since the first cylindrical portion 11 has the first thickness t2 that is thinner than the second thickness t3, the thickness of the first cylindrical portion 11 is uniform and the thickness is equal to the second thickness t3. The heat capacity can be smaller than in some cases. Therefore, the heat applied to the fiber layer 20 in the heating step P30 is less likely to transfer to the mandrel 10, so that the temperature increase rate in the vicinity of the inner peripheral surface of the fiber layer 20 can be suppressed. Therefore, the process time can be shortened. Moreover, since the second cylindrical portion 12 has the second thickness t3 that is thicker than the first thickness t2, the strength of the mandrel 10 can be maintained.

また、第１円筒部１１の厚さは、第２厚さｔ３よりも薄い。よって、第１円筒部１１のいずれの部分の厚さも第２厚さｔ３よりも薄いため、第１円筒部１１の一部分が第２厚さｔ３よりも薄い場合と比較して、熱容量をさらに小さくすることができる。よって、繊維層２０の内周面付近の昇温速度の低下の抑制効果をさらに高めることができる。 Also, the thickness of the first cylindrical portion 11 is thinner than the second thickness t3. Therefore, since the thickness of any portion of the first cylindrical portion 11 is thinner than the second thickness t3, the heat capacity is further reduced compared to the case where a portion of the first cylindrical portion 11 is thinner than the second thickness t3. can do. Therefore, it is possible to further enhance the effect of suppressing a decrease in the rate of temperature increase in the vicinity of the inner peripheral surface of the fiber layer 20 .

また、第１円筒部１１の外径と、２つの第２円筒部１２の外径とは同じである。よって、内径が均一な繊維強化樹脂製パイプを製造することができる。 Also, the outer diameter of the first cylindrical portion 11 and the outer diameter of the two second cylindrical portions 12 are the same. Therefore, a fiber-reinforced resin pipe having a uniform inner diameter can be manufactured.

また、繊維層厚さｔ１と、第１厚さｔ２とは、上記の式（１）を満たす。これにより、繊維強化樹脂製パイプの歪みを抑制し、かつ、繊維強化樹脂製パイプの残留応力を低減することができる。よって、十分な強度を有する繊維強化樹脂製パイプを製造することができる。 Moreover, the fiber layer thickness t1 and the first thickness t2 satisfy the above formula (1). Thereby, distortion of the fiber-reinforced resin pipe can be suppressed, and residual stress of the fiber-reinforced resin pipe can be reduced. Therefore, a fiber-reinforced resin pipe having sufficient strength can be manufactured.

また、加熱工程Ｐ３０において、第２円筒部１２に加える熱量よりも、第１円筒部１１に加える熱量が大きい。よって、第２円筒部１２に加えられる熱量と同じ熱量が第１円筒部１１に加えられる場合と比較して、加熱工程Ｐ３０において効率的に繊維層２０を熱硬化させることができる。 Also, in the heating step P30, the amount of heat applied to the first cylindrical portion 11 is greater than the amount of heat applied to the second cylindrical portion 12. As shown in FIG. Therefore, compared to the case where the same amount of heat as that applied to the second cylindrical portion 12 is applied to the first cylindrical portion 11, the fiber layer 20 can be efficiently thermally cured in the heating step P30.

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態に係る高圧タンクの製造方法を実現する製造工程のフローチャートである。高圧タンクの製造には、第１実施形態に係る方法を用いて製造された繊維強化樹脂製パイプが用いられる。第１実施形態と同じ工程については同じ符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。 B. Second embodiment:
FIG. 6 is a flow chart of manufacturing steps for realizing the high-pressure tank manufacturing method according to the second embodiment. A fiber-reinforced resin pipe manufactured using the method according to the first embodiment is used for manufacturing the high-pressure tank. The same steps as in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate.

高圧タンクは、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池に供給される燃料ガスを貯留するために用いられる。高圧タンクは、円筒部分と、円筒部分の軸方向の両端部に配置された軸方向の端部に向かって縮径された半球体状の２つのドーム部分とを有する。ドーム部分には、高圧タンクの内部と外部とで燃料ガスを流通させるための円環形状の口金が取り付けられている。 A high-pressure tank is mounted on, for example, a fuel cell vehicle and used to store fuel gas to be supplied to the fuel cell. The high-pressure tank has a cylindrical portion and two hemispherical dome portions arranged at opposite axial ends of the cylindrical portion and having diameters reduced toward the axial ends. The dome portion is provided with an annular mouthpiece for circulating fuel gas between the inside and outside of the high-pressure tank.

準備工程Ｐ１０から加熱工程Ｐ３０までの工程が行われることにより、加熱硬化後の繊維層２０である維強化樹脂製パイプが製造される。挿入工程Ｐ４０において、加熱硬化後の繊維層２０はマンドレル１０から外され、加熱硬化後の繊維層２０内にライナが挿入される。ライナは、円筒部と円筒部の両端に設けられた二つのドーム部とを有する中空容器である。なお、ドーム部とは、軸方向の端部に向かって縮径された半球体状の部分である。ライナは、例えばポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂によって形成されている。挿入工程Ｐ４０では、具体的には、ライナの円筒部の外側に、加熱硬化後の繊維層２０が配置される。なお、ライナは樹脂製ではなく、金属製であってもよい。 By performing the steps from the preparation step P10 to the heating step P30, the fiber-reinforced resin pipe, which is the fiber layer 20 after heat curing, is manufactured. In the inserting step P40, the heat-cured fiber layer 20 is removed from the mandrel 10, and a liner is inserted into the heat-cured fiber layer 20. As shown in FIG. A liner is a hollow container having a cylindrical portion and two domed portions at opposite ends of the cylindrical portion. The dome portion is a hemispherical portion whose diameter is reduced toward the end portion in the axial direction. The liner is made of resin having gas barrier properties against hydrogen gas, such as polyethylene, nylon, polypropylene, and polyester. Specifically, in the inserting step P40, the heat-cured fiber layer 20 is placed outside the cylindrical portion of the liner. Note that the liner may be made of metal instead of resin.

工程Ｐ５０にて、ライナのドーム部に熱硬化性樹脂を含浸した繊維が巻回される。具体的には、ライナの中心軸に対する繊維の角度である配向角度が、０度より大きく、４５度以下の範囲であり、例えば、２０度以下であるヘリカル巻きで熱硬化性樹脂を含浸した繊維が巻回される。その後、加熱工程Ｐ３０と同様に、加熱されることにより、ドーム部に巻回された繊維の熱硬化性樹脂が熱硬化される。これにより、高圧タンクが完成し、本工程は終了する。 At step P50, a fiber impregnated with a thermosetting resin is wound around the dome portion of the liner. Specifically, fibers impregnated with a thermosetting resin by helical winding in which the orientation angle, which is the angle of the fibers with respect to the central axis of the liner, is in the range of greater than 0 degrees and 45 degrees or less, for example, 20 degrees or less. is wound. After that, as in the heating step P30, the thermosetting resin of the fiber wound around the dome portion is thermoset by heating. As a result, the high-pressure tank is completed, and the present process ends.

以上で説明した第２実施形態の製造方法は、加熱工程Ｐ３０の後に、繊維層２０をマンドレル１０から外し、繊維層２０の内側にライナが挿入される挿入工程Ｐ４０を含む。これにより、工程時間が短縮されて製造された熱硬化後の繊維層２０を用いて高圧タンクが製造されるため、製造工程を短縮して高圧タンクを製造することができる。 The manufacturing method of the second embodiment described above includes an insertion step P40 in which the fiber layer 20 is removed from the mandrel 10 and a liner is inserted inside the fiber layer 20 after the heating step P30. As a result, the high-pressure tank is manufactured using the heat-cured fiber layer 20 manufactured in a shortened process time, so that the high-pressure tank can be manufactured by shortening the manufacturing process.

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）第１実施形態に係るマンドレル１０は、内周面が曲面である。しかし、マンドレル１０の形状は、上記に限られない。例えば、第１円筒部１１や第２円筒部１２がそれぞれ均一な厚さを有してもよい。また、マンドレル１０の内周面は軸方向に直線を描く形状でもよく、段差を有する形状でもよい。マンドレル１０の形状に拘わらず、第１円筒部１１が、第２厚さｔ３よりも薄い第１厚さｔ２を有することにより、加熱工程Ｐ３０において繊維層２０に加えられた熱を、マンドレル１０に移りにくくすることができる。 C. Other embodiments:
(C1) The mandrel 10 according to the first embodiment has a curved inner peripheral surface. However, the shape of the mandrel 10 is not limited to the above. For example, the first cylindrical portion 11 and the second cylindrical portion 12 may each have a uniform thickness. Further, the inner peripheral surface of the mandrel 10 may have a straight line shape in the axial direction, or may have a stepped shape. Regardless of the shape of the mandrel 10, the first cylindrical portion 11 has a first thickness t2 that is thinner than the second thickness t3, so that the heat applied to the fiber layer 20 in the heating step P30 is transferred to the mandrel 10. It can make it difficult to move.

（Ｃ２）第１実施形態に係る加熱工程Ｐ３０で使用される加熱炉は、ファンを備え、熱風がマンドレル１０に吹き付けられる。加熱工程Ｐ３０で使用される加熱炉は、熱風をマンドレル１０に吹き付けない構成でもよい。つまり、加熱炉内部の温度が熱源により目標温度にされた加熱炉が加熱工程Ｐ３０にて用いられてもよい。 (C2) The heating furnace used in the heating step P30 according to the first embodiment has a fan and blows hot air onto the mandrel 10 . The heating furnace used in the heating step P<b>30 may be configured so as not to blow hot air onto the mandrel 10 . That is, a heating furnace in which the temperature inside the heating furnace is set to the target temperature by a heat source may be used in the heating step P30.

本開示は、上述の実施形態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することができる。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の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上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、組み合わせを行うことが可能である。また、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、削除することが可能である。 The present disclosure is not limited to the embodiments described above, and can be implemented in various configurations without departing from the scope of the present disclosure. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each form described in the outline of the invention are used to solve some or all of the above problems, or Alternatively, replacements and combinations can be made as appropriate to achieve all. Also, if the technical features are not described as essential in this specification, they can be deleted as appropriate.

１０…マンドレル、１１…第１円筒部、１２…第２円筒部、２０…繊維層、５０…コレット、ＣＸ…中心軸、Ｐ１０…準備工程、Ｐ２０…繊維層形成工程、Ｐ３０…加熱工程、Ｐ４０…挿入工程、Ｐ５０…工程、ｔ１…繊維層厚さ、ｔ２…第１厚さ、ｔ３…第２厚さ DESCRIPTION OF SYMBOLS 10... Mandrel 11... First cylindrical part 12... Second cylindrical part 20... Fiber layer 50... Collet CX... Center axis P10... Preparation process P20... Fiber layer formation process P30... Heating process P40 ... insertion step, P50 ... step, t1 ... fiber layer thickness, t2 ... first thickness, t3 ... second thickness

Claims (6)

繊維強化樹脂製パイプの製造方法であって、
第１円筒部と、前記第１円筒部の軸方向における両端部に配置された２つの第２円筒部とを有する金属製のマンドレルであって、前記第１円筒部の厚さのうち最も薄い第１厚さは、前記２つの第２円筒部の厚さのうち最も薄い第２厚さよりも薄いマンドレルを準備する準備工程と、
熱硬化性樹脂を含浸した繊維を前記第１円筒部に巻回し、繊維層を形成する繊維層形成工程と、
前記繊維層の前記熱硬化性樹脂を熱硬化させる加熱工程と、を含む、製造方法。 A method for manufacturing a fiber-reinforced resin pipe, comprising:
A metal mandrel having a first cylindrical portion and two second cylindrical portions arranged at both ends in the axial direction of the first cylindrical portion, wherein the thickness of the first cylindrical portion is the thinnest. a preparing step of preparing a mandrel having a first thickness thinner than a second thickness, which is the thinnest of the thicknesses of the two second cylindrical portions;
A fiber layer forming step of winding fibers impregnated with a thermosetting resin around the first cylindrical portion to form a fiber layer;
and a heating step of thermosetting the thermosetting resin of the fiber layer. 請求項１に記載の製造方法であって、
前記第１円筒部の厚さは、前記第２厚さよりも薄い、製造方法。 The manufacturing method according to claim 1,
The manufacturing method, wherein the thickness of the first cylindrical portion is thinner than the second thickness. 請求項１または２に記載の製造方法であって、
前記第１円筒部の外径と、前記２つの第２円筒部の外径とは同じである、製造方法。 The manufacturing method according to claim 1 or 2,
The manufacturing method, wherein the outer diameter of the first cylindrical portion and the outer diameter of the two second cylindrical portions are the same. 請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記繊維層の厚さをｔ１、前記第１厚さをｔ２とした場合、
０．３５≦ｔ１／ｔ２≦２
を満たす、製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3,
When the thickness of the fiber layer is t1 and the first thickness is t2,
0.35≤t1/t2≤2
A manufacturing method that satisfies 請求項１から４のいずれか一項に記載の製造方法であって、
前記加熱工程において、前記第２円筒部に加える熱量よりも、前記第１円筒部に加える熱量が大きい、製造方法。 The manufacturing method according to any one of claims 1 to 4,
The manufacturing method, wherein in the heating step, the amount of heat applied to the first cylindrical portion is greater than the amount of heat applied to the second cylindrical portion. 請求項１から５のいずれか一項に記載された製造方法を用いた高圧タンクの製造方法であって、
前記加熱工程の後に、前記繊維層を前記マンドレルから外し、前記繊維層の内側にライナを挿入する挿入工程、を含む、高圧タンクの製造方法。 A method for manufacturing a high-pressure tank using the manufacturing method according to any one of claims 1 to 5,
A method of manufacturing a high-pressure tank, comprising, after the heating step, an inserting step of removing the fiber layer from the mandrel and inserting a liner inside the fiber layer.
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