JP2023161716A - タンク製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２種類の態様で繊維が中空部材に巻き付けられているタンク部材において、樹脂を十分に含浸させるための技術を提供する。【解決手段】タンク製造方法は、中空部材と、繊維層と、を含むタンク部材を金型内に配置する配置工程と、注入する注入工程と、を備え、繊維層は、中空部材の外面のうちの第１の領域に形成される第１の繊維層と、中空部材の外面のうち、第１の領域とは異なる第２の領域に形成される第２の繊維層と、を含み、第１の繊維層では、第１の繊維が第２の繊維に編まれる態様で第１の領域に巻き付けられており、第２の繊維層では、第１の繊維が第２の繊維に編まれない態様で第２の領域に巻き付けられており、注入工程は、金型の内面とタンク部材の外面の間の圧力を所定の圧力に維持して樹脂を繊維層に含浸させる第１の工程と、圧力を所定の圧力よりも高い圧力に維持して樹脂を繊維層に含浸させる第２の工程と、を含む。【選択図】図５

Description

本明細書は、タンクを製造するタンク製造方法を開示する。

特許文献１には、強化繊維を容器本体に巻き付けて構成される圧力容器が開示されている。圧力容器は、強化繊維が容器本体の外面に互い違いに編まれる態様で巻き付けられた第１補強部と、強化繊維が容器本体の外面にヘルカリ状で巻き付けられた第２補強部と、を備える。ヘルカリ状では、強化繊維は編まれない。圧力容器には、熱硬化性樹脂が含浸される。

特開２０２０－２６８１７号公報

特許文献１では、２種類の態様で強化繊維が容器本体に巻き付けられる。本明細書では、２種類の態様で繊維が中空部材に巻き付けられているタンク部材において、樹脂を十分に含浸させるための技術を提供する。

本明細書で開示するタンク製造方法は、中空部材と、前記中空部材の外面に形成された繊維層と、を含むタンク部材を金型内に配置する配置工程と、前記配置工程の後に、前記金型の内面と前記タンク部材の外面の間に前記繊維層に含浸される樹脂を注入する注入工程と、を備え、前記繊維層は、前記中空部材の前記外面のうちの第１の領域に形成される第１の繊維層と、前記中空部材の前記外面のうち、前記第１の領域とは異なる第２の領域に形成される第２の繊維層と、を含み、前記第１の繊維層では、第１の方向に延びる第１の繊維が前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の繊維に編まれる態様で、前記第１の繊維及び前記第２の繊維が前記第１の領域に巻き付けられており、前記第２の繊維層では、前記第１の繊維が前記第２の繊維の上に重なり、前記第１の繊維が前記第２の繊維に編まれない態様で、前記第１の繊維及び前記第２の繊維が前記第２の領域に巻き付けられており、前記注入工程は、前記金型の内面と前記タンク部材の外面の間の圧力を所定の圧力に維持して前記樹脂を前記繊維層に含浸させる第１の工程と、前記第１の工程の後に、前記圧力を前記所定の圧力よりも高い圧力に維持して前記樹脂を前記繊維層に含浸させる第２の工程と、を含む。

製造工程の制約等により、樹脂を含浸させる時間には制限がある。例えば、樹脂が含浸する速度を速めるために、樹脂を注入する圧力を高める。しかし、樹脂を注入する圧力を過度に高めると、第１の繊維と第２の繊維の間の隙間が過度に狭くなる。特に、第１の繊維が第２の繊維に編まれる態様を有する第１の繊維層は、第１の繊維が第２の繊維に編まれない態様を有する第２の繊維層と比べて、第１の繊維と第２の繊維の間の隙間が狭くなる割合が高い。第１の繊維と第２の繊維の間の隙間が過度に狭くなると、樹脂が繊維層の十分に含浸しない可能性がある。一方で、圧力が低いままでは、樹脂を含浸させる時間が過度に長くなる。特に、第１の繊維が第２の繊維に編まれる第１の繊維層は、第１の繊維が第２の繊維に編まれない第２の繊維層と比べて、樹脂が含浸する流路が長くなる傾向がある。圧力が低いままでは、樹脂を繊維層に十分に含浸させるための時間が足りない可能性がある。

上記の構成によれば、比較的に低い所定の圧力に維持する第１の工程において、第１の繊維と第２の繊維の間の隙間が狭くなることを抑制しつつ、樹脂を繊維層に含浸させる。続けて、比較的に高い圧力に維持する第２の工程において、繊維層のうち、未だ樹脂が含浸していない箇所に樹脂を含浸させる。当該箇所は、例えば、第１の繊維層の下側の部分（即ち中空部材に近い部分）である。所定の圧力よりも高い圧力に維持することにより、時間の制限内で当該箇所への樹脂の含浸を促すことができる。第１の繊維層と第２の繊維層との双方に樹脂を十分に含浸させることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

タンク製造装置の構成を示す。 タンク部材の構成を示す。 図１のIII－III線における断面図を示す。 図１のIV－IV線における断面図を示す。 注入工程における圧力の推移を示す。

（タンク製造装置２の構成；図１）
タンク製造装置２は、樹脂をタンク部材１０に含浸させて、燃料電池車用の高圧タンクを製造する装置である。タンク部材１０は、高圧タンクの中間品である。タンク部材１０は、中空部材１８と、第１～第３の繊維層１２～１６と、を備える。第１～第３の繊維層１２～１６は、中空部材１８の外面に繊維を巻き付けることによって形成される。タンク部材１０の構成については、後述する。繊維は、例えば、炭素繊維である。

タンク製造装置２は、金型２６と、硬化剤タンク３０と、ポンプ３２と、主剤タンク４０と、ポンプ４２と、混合器５０と、を備える。金型２６は、上型２０と下型２４とを備える。上型２０と下型２４が重なることにより、タンク部材１０の外形に沿った空間が形成される。上型２０の内面には、金型２６内の圧力を計測するための圧力センサ２２が設けられている。なお、圧力センサ２２は、下型２４の内面に設けられてもよく、また、複数個の圧力センサ２２が、上型２０の内面及び下型２４の内面のうちの少なくとも一方に設けられてもよい。

硬化剤タンク３０は、硬化剤を貯蔵する。ポンプ３２は、硬化剤タンク３０内の硬化剤を混合器５０に圧送する。ポンプ３２は、硬化剤タンク３０と混合器５０との間の流路上に設置される。

主剤タンク４０は、後述する注入工程において金型２６に注入される主剤を貯蔵する。主剤は、例えば、エポキシ樹脂である。主剤は、硬化剤と混ざり、両者の化学反応により硬化する。ポンプ４２は、主剤タンク４０内の主剤を混合器５０に圧送する。ポンプ４２は、主剤タンク４０と混合器５０との間の経路上に設置される。

混合器５０は、硬化剤タンク３０内の硬化剤を主剤タンク４０内の主剤と混合する。混合器５０は、混合後の材料（即ち主剤と硬化剤の混合物）を金型２６に圧送するポンプ（図示省略）を含む。なお、変形例では、混合器５０は、ポンプを含まず、ポンプ３２及びポンプ４２により、混合物を金型２６に圧送してもよい。

（タンク部材１０の構成；図２～図４）
タンク部材１０は、円筒状の長手な外形を有する。タンク部材１０（即ち中空部材１８（図２では図示省略））の長手方向における両端は、尻すぼまりの口金である。第１の繊維層１２は、当該両端のうちの一方に形成されており、第３の繊維層１６は、当該両端のうちの他方に形成されている。第２の繊維層１４は、中空部材１８のうち、第１の繊維層１２及び第３の繊維層１６が形成されている両端の間の領域（例えば寸胴の領域）に形成されている。

第１の繊維層１２では、方向Ｄ１に延びる第１の繊維１２ａが、方向Ｄ２に延びる第２の繊維１２ｂに編まれる態様（以下では、「ブレーディング態様」と記載）で、第１の繊維１２ａ及び第２の繊維１２ｂが、中空部材１８の長手方向における一端に巻き付けられている。方向Ｄ２は、方向Ｄ１と交差し、方向Ｄ２は、方向Ｄ１に対して所定の角度αを有する。図３に示すように、第１の繊維１２ａ及び第２の繊維１２ｂは、上下で互い違いである。

第３の繊維層１６は、第１の繊維１２ａ及び第２の繊維１２ｂが、中空部材１８の長手方向における他端に巻き付けられている点を除いて、第１の繊維層１２と同様である。

第２の繊維層１４では、方向Ｄ１に延びる第１の繊維１４ａが、方向Ｄ２に延びる第２の繊維１４ｂの上に重なり、第１の繊維１４ａが第２の繊維１４ｂに編まれない態様（以下では、「ヘルカリ態様」と記載）で、第１の繊維１４ａ及び第２の繊維１４ｂが、中空部材１８のうち、第１の繊維層１２及び第３の繊維層１６の間の領域（例えば寸胴の領域）に巻き付けられている。図４に示すように、第１の繊維１４ａは、第２の繊維１４ｂの上に重なっている。

（タンク製造方法；図１）
図１のタンク製造装置２を制御して高圧タンクを製造するタンク製造方法について説明する。タンク製造方法は、配置工程と、注入工程と、を含む。

配置工程では、タンク部材１０が金型２６内に配置され、下型２４に対して上型２０を押し付ける型締めが実行される。その後、金型２６内の空間（即ち金型２６の内面とタンク部材１０の外面との間の空間）を真空に近づけるための脱気が実行される。なお、各図面では、脱気を実行する装置の図示が省略されている。

注入工程は、配置工程の次に実行される。注入工程では、硬化剤タンク３０内の硬化剤と、主剤タンク４０内の主剤と、が混合器５０に圧送される。そして、混合後の材料、即ち、主剤と硬化剤との混合物が金型２６内に圧送される。混合物は、金型２６の内面とタンク部材１０の外面の間を流れる。混合物が硬化しながら、混合物がタンク部材１０の繊維層１２～１６に含浸する。所定の量の混合物が注入されると注入工程は停止される。

なお、図示は省略するが、混合物の硬化の終了後に、タンク部材１０が金型２６から取り出される。取り出されたタンク部材１０の繊維層１２～１６には、硬化した混合物が含浸されている。上記したタンク製造方法により、高圧タンクが完成する。

（注入工程；図５）
本実施例の注入工程では、金型２６内の圧力が調整される。当該圧力は、例えば、混合器５０のポンプの出力により調整される。図５のグラフＧ１は、本実施例における中空部材１８内の圧力の推移を示し、グラフＧ２は、本実施例における金型２６内の圧力の推移を示す。グラフＧ１及びＧ２について、横軸が時間を示し、縦軸が圧力を示す。

混合物の注入の開始とともに、中空部材１８内の圧力及び金型２６内の圧力は上昇する。タンク製造装置２は、タイミングｔ１において金型２６内の圧力が所定の圧力Ｐ１に到達すると、金型２６内の圧力（即ち圧力センサ２２の出力値）を圧力Ｐ１に維持するように、混合器５０のポンプの出力を調整する。タイミングｔ１からタイミングｔ２の間において、金型２６内の圧力は圧力Ｐ１に維持される。

タンク製造装置２は、タイミングｔ２に到達すると、混合器５０のポンプの出力を上げる。これにより、中空部材１８内の圧力及び金型２６内の圧力が再び上昇する。タンク製造装置２は、タイミングｔ３において金型２６内の圧力が所定の圧力Ｐ２に到達すると、金型２６内の圧力を圧力Ｐ２に維持するように、混合器５０のポンプの出力を調整する。圧力Ｐ２は、圧力Ｐ１よりも高い。タイミングｔ３からタイミングｔ４の間において、金型２６内の圧力は圧力Ｐ２に維持される。

タンク製造装置２は、タイミングｔ４に到達すると、混合器５０のポンプを停止する。これにより、注入工程が停止する。タイミングｔ４以降において、混合物の硬化が進行して、中空部材１８内の圧力及び金型２６内の圧力が低下する。

（本実施例の効果）
グラフＧ３及びＧ４は、金型２６内の圧力を調整しない従来の注入工程を示す。グラフＧ３は、従来における中空部材１８内の圧力の推移を示し、グラフＧ４は、従来における金型２６内の圧力の推移を示す。

製造工程の制約等により、混合物を含浸させる時間には制限がある。特に、混合物を含浸させる時間は、混合物の硬化開始時間により制限される。グラフＧ３に示すように、従来では、金型２６内の圧力が圧力Ｐ３まで上昇した後、金型２６内の圧力は調整されない。従来では、金型２６内の圧力は、圧力Ｐ３の付近で高止まる。例えば、圧力Ｐ３が低過ぎると、混合物を含浸させる時間が長くなり、時間の制限内に含浸が終了しない可能性がある。特に、ブレーディング態様を有する繊維層（例えば１２）は、ヘルカリ態様を有する繊維層１４と比べて、混合物が含浸する流路が長くなる傾向がある。このため、圧力Ｐ３が低過ぎると、ブレーディング態様を有する繊維層の含浸が時間の制限内に終了しない可能性がある。なお、第１の繊維（例えば１２ａ）と第２の繊維（例えば１２ｂ）の間の隙間（以下では、「繊維隙間」と記載）は、ブレーディング態様の方がヘルカリ態様よりも広い傾向がある。このため、ブレーディング態様とヘルカリ態様において、混合物の流路が同一であれば、ブレーディング態様の方がヘルカリ態様よりも含浸し易い。

また、混合物が含浸する速度を速めるために、圧力Ｐ３を高く調整する場合がある。しかし、圧力Ｐ３が高過ぎると、繊維隙間が過度に狭くなる。特に、ブレーディング態様を有する繊維層は、ヘルカリ態様を有する繊維層１４と比べて、繊維隙間が狭くなる割合が高い。圧力Ｐ３が高過ぎると、繊維層の上側には混合物が含浸するものの、繊維層の下側まで混合物が届かない可能性がある。圧力Ｐ３によっては、ブレーディング態様を有する繊維層だけでなく、ヘルカリ態様を有する繊維層１４においても、繊維層１４の下側（即ち中空部材１８に近い部分）まで混合物が届かない可能性がある（図５参照）。

本実施例の注入工程では、タイミングｔ１からタイミングｔ２の間において、金型２６内の圧力は比較的に低い圧力Ｐ１に維持される。これにより、繊維隙間が狭くなることを抑制しつつ、混合物を繊維層１２～１６に含浸させる。続けて、タイミングｔ３からタイミングｔ４の間において、金型２６内の圧力は比較的に高い圧力Ｐ２に維持される。これにより、繊維層１２～１６のうち、未だ混合物が含浸していない箇所（例えば第１の繊維層１２の下側の部分）に混合物を含浸させる。高い圧力Ｐ２に維持することにより、時間の制限内で当該箇所への混合物の含浸を促すことができる。ブレーディング態様を有する繊維層１２、１６とヘルカリ態様を有する繊維層１４との双方に混合物を十分に含浸させることができる。

また、タイミングｔ３からタイミングｔ４の間において、金型２６内の圧力が比較的に高い圧力Ｐ２に維持されることにより、繊維層１２～１６の混合物の表面に発生するボイドが潰される。完成品であるタンク部材１０の外観品質の低下を抑制することができる。

（対応関係）
金型２６、混合物が、それぞれ、「金型」、「樹脂」の一例である。中空部材１８、タンク部材１０が、それぞれ、「中空部材」、「タンク部材」の一例である。繊維層１２～１６が、「繊維層」の一例である。タンク部材１０の両端の領域、繊維層１２及び１６が、それぞれ、「第１の領域」、「第１の繊維層」の一例である。タンク部材１０の寸胴の領域、第２の繊維層１４が、それぞれ、「第２の領域」、「第２の繊維層」の一例である。方向Ｄ１、方向Ｄ２が、それぞれ、「第１の方向」、「第２の方向」の一例である。第１の繊維１２ａ、第２の繊維１２ｂが、それぞれ、「第１の繊維」、「第２の繊維」の一例である。図５の圧力Ｐ１が、「所定の圧力」の一例である。タイミングｔ１からｔ２における注入工程、タイミングｔ３からｔ４における注入工程が、それぞれ、「第１の工程」、「第２の工程」の一例である。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。中空部材１８（及びタンク部材１０）の外形は、円筒状に限らず、例えば、多角柱状（例えば四角柱状）であってもよい。

例えば、中空部材１８の両端の領域に、ヘルカリ態様を有する繊維層が形成されてもよい。本変形例では、中空部材１８の両端の領域が、「第２の領域」の一例である。

例えば、中空部材１８の寸胴の領域に、ブレーディング態様を有する繊維層が形成されてもよい。本変形例では、中空部材１８の寸胴の領域が、「第１の領域」の一例である。

「樹脂」は、混合物に限らず、例えば、硬化剤を含まない主剤であってもよい。この場合、主剤は、加熱によって硬化されてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：タンク製造装置
１０ ：タンク部材
１２ ：第１の繊維層
１２ａ ：第１の繊維
１２ｂ ：第２の繊維
１４ ：第２の繊維層
１４ａ ：第１の繊維
１４ｂ ：第２の繊維
１６ ：第３の繊維層
１８ ：中空部材
２０ ：上型
２２ ：圧力センサ
２４ ：下型
２６ ：金型
３０ ：硬化剤タンク
３２ ：ポンプ
４０ ：主剤タンク
４２ ：ポンプ
５０ ：混合器
Ｄ１、Ｄ２ ：方向
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４ ：グラフ
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ ：圧力
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４ ：タイミング
α ：角度

Claims (1)

1. 中空部材と、前記中空部材の外面に形成された繊維層と、を含むタンク部材を金型内に配置する配置工程と、
   前記配置工程の後に、前記金型の内面と前記タンク部材の外面の間に前記繊維層に含浸される樹脂を注入する注入工程と、
   を備え、
   前記繊維層は、前記中空部材の前記外面のうちの第１の領域に形成される第１の繊維層と、前記中空部材の前記外面のうち、前記第１の領域とは異なる第２の領域に形成される第２の繊維層と、を含み、
   前記第１の繊維層では、第１の方向に延びる第１の繊維が前記第１の方向と交差する第２の方向に延びる第２の繊維に編まれる態様で、前記第１の繊維及び前記第２の繊維が前記第１の領域に巻き付けられており、
   前記第２の繊維層では、前記第１の繊維が前記第２の繊維の上に重なり、前記第１の繊維が前記第２の繊維に編まれない態様で、前記第１の繊維及び前記第２の繊維が前記第２の領域に巻き付けられており、
   前記注入工程は、
   前記金型の内面と前記タンク部材の外面の間の圧力を所定の圧力に維持して前記樹脂を前記繊維層に含浸させる第１の工程と、
   前記第１の工程の後に、前記圧力を前記所定の圧力よりも高い圧力に維持して前記樹脂を前記繊維層に含浸させる第２の工程と、
   を含む、タンク製造方法。

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