JP2023104475A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒部の端部でタンクの直径が局所的に増大することを抑制できる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】円筒部と円筒部の両端に形成されるドーム部とを有するライナと、ライナの外側にフィラメントワインディング法によって形成される補強層と、を備える高圧タンクの製造方法は、補強層の形成時に、高圧タンクの軸線に対する巻付角度が予め定められた範囲の角度である高角度ヘリカル巻きで、ライナに繊維を多重に巻き付けて高角度ヘリカル巻き層を形成する、高角度ヘリカル巻き層形成工程を有し、高角度ヘリカル巻き層形成工程において、円筒部の端部で高角度ヘリカル巻きの折り返しを行う際に、高角度ヘリカル巻きの折り返し数の最大値に対する、高圧タンクの軸線に対する高角度ヘリカル巻きの巻付角度を変化させる領域の前記軸線方向の長さの比を２から４とする。【選択図】図４

Description

本開示は、高圧タンクの製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、ライナの外側に、繊維をフィラメントワインディング法によって巻き付けて形成された補強層を有する圧力容器が開示されている。特許文献１では、圧力容器の回転軸に対する繊維の巻付角度の範囲が異なる、高角度ヘリカル巻きと、低角度ヘリカル巻きと、フープ巻きとによって補強層を形成している。

特開２０１２－２４６９６２号公報

高角度ヘリカル巻きによって繊維をライナに巻回して補強層を形成する場合には、タンクの円筒部の端部で繊維の巻回の折り返しが行われる。繊維の巻回の折り返しを行う際は、タンクの回転軸に対する繊維の巻付角度を徐々に増加させ、繊維を回転軸に対して垂直に巻き付けた後、繊維の巻付角度を徐々に減少させる。そのため、繊維の巻回の折り返し点の近傍では繊維の密度が高くなり、補強層の厚みが厚くなる。結果として、円筒部の端部においてタンクの直径が局所的に増大するおそれがあった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、円筒部と前記円筒部の両端に形成されるドーム部とを有するライナと、前記ライナの外側にフィラメントワインディング法によって形成される補強層と、を備える高圧タンクの製造方法であって、前記補強層の形成時に、前記高圧タンクの軸線に対する巻付角度が予め定められた範囲の角度である高角度ヘリカル巻きで、ライナに繊維を多重に巻き付けて高角度ヘリカル巻き層を形成する、高角度ヘリカル巻き層形成工程を有し、前記高角度ヘリカル巻き層形成工程において、前記円筒部の端部で前記高角度ヘリカル巻きの折り返しを行う際に、前記高角度ヘリカル巻きの折り返し数の最大値に対する、前記高圧タンクの軸線に対する前記高角度ヘリカル巻きの巻付角度を変化させる領域の前記軸線方向の長さの比を２から４とする。
この形態の高圧タンクの製造方法によれば、高圧タンクの円筒部の端部で高角度ヘリカル巻きの折り返しを行う際に、高圧タンクの軸線に対する高角度ヘリカル巻きの巻付角度を変化させる領域で、繊維の密度が高くなることを抑制できる。したがって、高圧タンクの円筒部の端部でタンクの直径が局所的に増大することを抑制することができる。

高圧タンクの構成を示す断面図である。 補強層の構成例を示す断面図である。 高圧タンクの製造方法を示す工程図である。 高角度ヘリカル巻き層を１層形成する工程の説明図である。 ターニング長と高角度ヘリカル巻き層の１層の厚みとの関係を示す図である。 折り返し数の最大値に対するターニング長の比と、高角度ヘリカル巻き層の１層の厚みの関係を示す説明図である。 ターニング領域の近傍で層間にボイドが発生することを説明する図である。

図１は、高圧タンク１００の構成を示す断面図である。高圧タンク１００は、例えば、水素ガスなど、１０～７０ＭＰａの高圧な流体を収容し、燃料電池車両に搭載される。高圧タンク１００は、ライナ１０と、口金２０，３０と、補強層４０と、を備える。

ライナ１０は、内部に水素ガス等を貯留するための中空容器である。ライナ１０は、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン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。ライナ１０は、略円筒形状の円筒部１１と、円筒部１１の両端に連続して設けられた略半球形状のドーム部１２とを有する。円筒部１１の軸線と、ドーム部１２の軸線とは、高圧タンク１００の軸線ＡＸと一致する。なお、ライナ１０は金属によって形成されていてもよい。

口金２０，３０は、ライナ１０の各ドーム部１２の頂部に、ライナ１０の両端から突出するように設けられている。口金２０，３０は、例えばアルミニウムまたはその合金等の金属によって形成されている。一方の口金２０は、高圧タンク１００へのガスの充填、あるいは、高圧タンク１００からのガスの放出のために用いられる。他方の口金３０は、封止されており、製造時の芯出し等に用いられる。なお、口金３０は省略されてもよい。

補強層４０は、ライナ１０の周囲を覆う層であり、ライナ１０を補強するための層である。補強層４０は、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をフィラメントワインディング法によってライナ１０の外表面に多重に巻回させて積層することによって構成されている。本実施形態においては、直径が約５μｍ程度の炭素繊維を１００００～４００００本程度束ねた繊維束をライナ１０に巻回している。繊維に含浸させる熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。繊維としては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、アラミド繊維等を用いることができる。なお、補強層４０の外表面に、補強層４０を保護するための保護層を形成してもよい。保護層は、例えば、熱硬化性樹脂を含浸させたガラス繊維をフィラメントワインディング法によって補強層４０の外表面に多重に巻回させることによって形成することができる。

図２は、補強層４０の構成例を示す断面図である。補強層４０は、低角度ヘリカル巻き層４１と、高角度ヘリカル巻き層４２と、フープ巻き層４３とを備えている。低角度ヘリカル巻き層４１は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が５°以上３０°以下の範囲のいずれかの角度となるようにして、ライナ１０に繊維を巻き付けることによって形成されている。高角度ヘリカル巻き層４２は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が６５°以上８５°未満の範囲のいずれかの角度となるようにして、ライナ１０に繊維を巻き付けることによって形成されている。フープ巻き層４３は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が８５°以上９０°以下の範囲のいずれかの角度となるようにして、ライナ１０に繊維を巻き付けることによって形成されている。低角度ヘリカル巻き層４１、高角度ヘリカル巻き層４２、フープ巻き層４３の各層は、ライナ１０の外表面に一定の順序で少なくとも１層以上形成されている。

図３は、高圧タンク１００の製造方法を示す工程図である。まず、ステップＳ１０において、ライナ１０を準備する工程が行われる。このとき準備されるライナ１０のドーム部１２の頂点には、口金２０，３０が取り付けられている。

次に、ステップＳ２０において、補強層４０が形成される。ステップＳ２０は、低角度ヘリカル巻き層４１を１層形成する低角度ヘリカル巻き層形成工程（ステップＳ２０ａ）と、高角度ヘリカル巻き層４２を１層形成する高角度ヘリカル巻き層形成工程（ステップＳ２０ｂ）と、フープ巻き層４３を１層形成するフープ巻き層形成工程（ステップＳ２０ｃ）と、を有する。ステップＳ２０ａ、ステップＳ２０ｂ、ステップＳ２０ｃは、一定の順序で１回以上繰り返し実施される。

最後に、ステップＳ３０において、補強層４０の繊維の樹脂が硬化される。樹脂の硬化は、例えば、熱ヒーターを備える熱硬化炉や、加熱コイルを用いた高周波誘電加熱式の熱硬化炉において、高圧タンク１００を回転させつつ加熱することにより行われる。以上で説明した一連の工程により、高圧タンク１００の製造が完了する。

図４は、上述したステップＳ２０ｂで高角度ヘリカル巻き層４２を１層形成する工程の説明図である。ステップＳ２０ｂでは、円筒部１１の中央部の一定領域５１で、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が一定となるように、繊維がライナ１０に巻き付けられる。また、円筒部１１の両端部のターニング領域５２で、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度を変化させつつ繊維がライナ１０に巻き付けられ、繊維の巻回の折り返しが行われる。ターニング領域５２で繊維の巻回の折り返しを行う際は、まず、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が略垂直になるまで、繊維の巻付角度を徐々に増加させつつ繊維がライナ１０に巻き付けられる。次に、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度を徐々に減少させつつ繊維がライナ１０に巻き付けられる。繊維の巻回の折り返しの前後で、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対して対称である。ステップＳ２０ｂでは、円筒部１１の全体が繊維によって隙間無く覆われるまで、ターニング領域５２で繊維の巻回の折り返しが行われる。

本実施形態において、ターニング領域５２の高圧タンク１００の軸線ＡＸ方向の長さは、折り返し数の最大値に対する比率が２以上４以下の範囲内となるように設定されている。本明細書において「折り返し数の最大値」とは、高角度ヘリカル巻き層４２の全ての層のうち、最も繊維の巻回の折り返しの回数が多い層での、繊維の巻回の折り返しが行われた回数を意味する。本実施形態では、繊維の巻回の折り返しの回数は、最外層の高角度ヘリカル巻き層４２において最大となる。なぜなら、外側に形成された高角度ヘリカル巻き層４２ほど、高圧タンク１００の直径が大きくなるため、円筒部１１の全体を繊維によって隙間無く覆うためには、より多くの回数の折り返しを行う必要があるからである。以下では、ターニング領域５２の高圧タンク１００の軸線ＡＸ方向の長さを、ターニング長と呼ぶ。なお、ターニング長の単位はｍｍである。

図５は、ターニング長と高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みとの関係を示す図である。図５に示すグラフは、横軸が高圧タンク１００の中心からの、高圧タンク１００の軸線ＡＸ方向の距離を示し、縦軸が高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みを示している。図５には、直径３８８ｍｍの高圧タンク１００に対して、ターニング長を３０ｍｍに設定して高角度ヘリカル巻き層４２を１層形成した場合と、ターニング長を６０ｍｍに設定して高角度ヘリカル巻き層４２を１層形成した場合との、高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みが示されている。また、図５の斜線部は、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を２以上４以下とした場合の、直径３８８ｍｍの高圧タンク１００の高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みの範囲を示している。図５に示すように、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を制限することによって、高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みの範囲を制限することができる。また、図５に示すように、ターニング長が３０ｍｍである場合の高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みの最大値は、ターニング長が６０ｍｍである場合と比較して小さい。これは、ターニング長が短いと、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度を大きくして繊維をライナ１０に巻き付ける範囲が狭くなることにより、ターニング領域５２で繊維の密度が増大することを抑制できるためである。よって、ターニング長が短い場合に、ターニング領域５２の高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みを薄くすることができる。その結果、円筒部１１の端部で高圧タンク１００の直径が局所的に増大することを抑制できる。

図６は、折り返し数の最大値に対するターニング長の比と、高角度ヘリカル巻き層４２の１層の厚みの関係を示す説明図である。図６に示すグラフは、横軸が、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を示している。また、縦軸は、繊維の巻回の折り返しの回数が最大となる高角度ヘリカル巻き層４２の、一定領域５１の厚みに対する、ターニング領域５２の厚みの最大値の比を示している。一定領域５１の厚みは、ターニング領域５２の厚みが最大となる外周上の位置を、高圧タンク１００の軸線ＡＸ方向に平行に一定領域５１の中心まで移動させた位置における厚みである。以下では、繊維の巻回の折り返しの回数が最大となる高角度ヘリカル巻き層４２の、一定領域５１の厚みに対する、ターニング領域５２の厚みの最大値の比を、厚み比率と呼ぶ。

折り返し数の最大値に対するターニング長の比を４以下に設定した場合、厚み比率は１．４以下となった。厚み比率が１．４を超える高角度ヘリカル巻き層４２の外表面に更に低角度ヘリカル巻き層４１やフープ巻き層４３を形成すると、ターニング領域５２において局所的に厚みが厚いため、層間にボイドが発生するおそれがある。

図７は、ターニング領域５２の近傍で層間にボイドが発生することを説明する図である。例えば、厚み比率が１．４を超える高角度ヘリカル巻き層４２ａの外表面に保護層６０を形成した場合、高角度ヘリカル巻き層４２ａと保護層６０の間に隙間が生じ、ボイドが発生する。しかし、厚み比率が１．４以下の高角度ヘリカル巻き層４２ｂの外表面に保護層６０を形成した場合、層間に生じる隙間が狭くなるため、ボイドの発生を抑制できる。よって、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を４以下に設定すれば、円筒部１１の端部でボイドが発生することを抑制できる。

折り返し数の最大値に対するターニング長の比の下限値は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が、繊維をライナ１０に巻回した後で変化することを抑制するために設定されている。図６に示すように、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を２以上に設定した場合、厚み比率は１．０以上となった。折り返し数の最大値に対するターニング長の比が２未満、すなわち厚み比率が１．０未満の高圧タンク１００では、ターニング領域５２で繊維の巻付角度を急激に変化させる必要がある。そのため、繊維をライナ１０に巻回した後で、繊維に負荷された張力によって繊維がライナ１０の外表面で移動して、巻付角度が変化するおそれがある。よって、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を２以上に設定すれば、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度が変化することを抑制できる。

以上で説明した高圧タンク１００の製造方法によれば、ターニング領域５２で高角度ヘリカル巻きの折り返しを行う際に、折り返し数の最大値に対するターニング長の比を２以上４以下とするため、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する繊維の巻付角度を大きくして繊維をライナ１０に巻き付ける範囲が狭くなることにより、ターニング領域５２において繊維の密度が高くなることを抑制できる。したがって、ターニング領域５２で高圧タンク１００の直径が局所的に増大することを抑制できる。そのため、高角度ヘリカル巻き層４２の外表面に低角度ヘリカル巻き層４１やフープ巻き層４３を形成した場合に、層間にボイドが発生することを抑制できる。また、ターニング領域５２で高圧タンク１００の直径が局所的に増大することを抑制することにより、高圧タンク１００の軸線ＡＸ方向における高圧タンク１００の直径のばらつきが小さくなるため、高圧タンク１００の強度が高圧タンク１００の軸線ＡＸの位置に応じて変動することを抑制できる。

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中の技術的特徴は、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。

１０…ライナ、１１…円筒部、１２…ドーム部、２０，３０…口金、４０…補強層、４１…低角度ヘリカル巻き層、４２…高角度ヘリカル巻き層、４３…フープ巻き層、５１…一定領域、５２…ターニング領域、６０…保護層、１００…高圧タンク、ＡＸ…高圧タンクの軸線

Claims (1)

1. 円筒部と前記円筒部の両端に形成されるドーム部とを有するライナと、前記ライナの外側にフィラメントワインディング法によって形成される補強層と、を備える高圧タンクの製造方法であって、
   前記補強層の形成時に、前記高圧タンクの軸線に対する巻付角度が予め定められた範囲の角度である高角度ヘリカル巻きで、前記ライナに繊維を多重に巻き付けて高角度ヘリカル巻き層を形成する、高角度ヘリカル巻き層形成工程を有し、
   前記高角度ヘリカル巻き層形成工程において、前記円筒部の端部で前記高角度ヘリカル巻きの折り返しを行う際に、前記高角度ヘリカル巻きの折り返し数の最大値に対する、前記高圧タンクの軸線に対する前記高角度ヘリカル巻きの巻付角度を変化させる領域の前記軸線に平行な方向の長さの比を２から４とする、
   高圧タンクの製造方法。

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