JP5257736B2

JP5257736B2 - タンクの製造方法及びタンクの製造設備

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Publication number: JP5257736B2
Application number: JP2007316273A
Authority: JP
Inventors: 武範相山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009138858A

Description

本発明は、タンクの製造方法及びタンクの製造設備に関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料ガスの供給源としての高圧水素タンクが用いられる。この高圧水素タンクの製造は、一般に、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」という。）を用いて行われる。具体的には、ＦＷ法により、例えば熱硬化性の樹脂を含浸させた補強繊維をタンクのライナ（内容器）の外周面に巻き付け、その後、補強繊維の樹脂を熱硬化させる。これにより、タンクの外殻に硬い補強繊維層が形成され、高圧水素タンクの強度が確保されている（特許文献１参照）。なお、ＦＷ法に関しては、特許文献２、３にも開示されている。

特開２００６−３００１９４号公報特開平５−２１２８１２号公報特開平９−１８３１６４号公報

しかしながら、上記ＦＷ法を用いた場合、例えばライナに補強繊維を重ねて巻き付ける際に、補強繊維の巻き付け面が、既に巻き付けられた補強繊維中の樹脂により濡れた状態になる。この樹脂は、比較的低粘度であるため、例えば巻き終わりの補強繊維の端部（繊維端）は、巻き付け面に十分に接着せずに、ライナの外表面からはがれる恐れがある。また、熱硬化後にも、熱により樹脂粘度がさらに低下するため、補強繊維が緩みやすくなる。このため、補強繊維の巻き終わり時には、作業員が繊維端に何らかの処置を施し、繊維端を巻き付け面にしっかり固定する必要があった。

繊維端の処置としては、例えばその繊維端を下層の補強繊維層内に織り込むことが考えられる。しかしながら、この処置を行うと、一部の補強繊維層を剥がす必要があり非常に手間と時間がかかる。また、硬化後にその織り込んだ部分が盛り上がり、タンクの外表面に凹凸ができることがある。タンクの外表面に凹凸ができると、見た目が美しくないばかりか、補強繊維層の強度も低下してしまう。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、繊維端を補強繊維層内に織り込む処置を行わずに、補強繊維の端部を巻き付け面に固着できるタンクの製造方法及びタンクの製造設備を提供することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、タンクの製造方法であって、熱硬化性の樹脂を含浸させた補強繊維をタンクの外周面に巻き付けて、タンクの外殻に補強繊維層を形成する工程と、前記補強繊維層中の樹脂を熱硬化させる工程と、を有し、前記補強繊維層を形成する工程において、タンクの補強繊維層の最外層の位置に巻き付けられる補強繊維に対し予め粘着テープが張り付けられ、当該補強繊維が前記タンクの最外層に巻き付けられる際には、当該補強繊維が前記粘着テープにより補強繊維層の巻き付け面に接着され、前記補強繊維層の外表面が前記粘着テープにより覆われることを特徴とする。なお、「タンクの外周面」には、当然に内容器の状態のタンクの外周面も含まれる。

本発明によれば、タンクの補強繊維層の最外層に巻き付けられる補強繊維は、粘着テープにより補強繊維層の巻き付け面に接着されるので、以前のような繊維端を補強繊維層内に織り込むような処置を行う必要がなく、例えばタンクの補強繊維層形成時の作業が簡単になり、補強繊維層の形成時間を短縮できる。また、熱硬化後にタンクの外表面に凹凸ができることもなく、見た目が美しく、本来の補強繊維層の強度も維持できる。

また、粘着テープにより補強繊維層を保護することができる。このため、例えば通常補強繊維層の外層に形成される保護層を省略することができる。

別の観点による本発明は、タンクの製造設備であって、補強繊維を送り出す繊維送出部と、前記繊維送出部から送り出された補強繊維に熱硬化性の樹脂を含浸させる樹脂含浸部と、前記樹脂含浸部で樹脂が含浸された補強繊維であってタンクの補強繊維層の最外層の位置に巻き付けられる補強繊維の表面側に粘着テープを張り付けるテープ張り付け部と、前記テープ張り付け部を通過した補強繊維を、タンクを回転させながら当該タンクの外周面に巻き付け、補強繊維層の最外層の補強繊維を前記粘着テープにより巻き付け面に接着し、前記補強繊維層の外表面を前記粘着テープにより覆う繊維巻き付け部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、タンクの補強繊維層の最外層の位置に巻き付けられる補強繊維に対し予め粘着テープを張り付け、当該補強繊維が前記タンクの最外層に巻き付けられる際に、当該補強繊維を前記粘着テープにより巻き付け面に接着することができる。したがって、上述のような繊維端を繊維層内に織り込むような処置を行う必要がなく、例えばタンクの補強繊維層形成時の作業が簡単になり、補強繊維層の形成時間を短縮できる。また、熱硬化後にタンクの外表面に凹凸ができることもなく、見た目が美しく、本来の補強繊維層の強度も維持できる。

本発明によれば、タンクの製造時間を短縮できる。また、見た目が美しく、強度の高いタンクを製造できる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るタンクの製造設備１の構成の概略を示す説明図である。なお、同一の構成要素には同一の番号を付して、説明を省略する。

タンクの製造設備１は、ＦＷ法によりタンク２の外殻に、補強繊維層としての繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）層を形成するものである。本実施の形態においては、タンク２は、例えば略楕円体状に形成されており、長手方向の中央に円筒状の胴部を有し、その両側に略半球状のドーム部を有している。

タンクの製造設備１は、例えば繊維送出部１０と、樹脂含浸部１１と、テープ張り付け部１２と、繊維ガイド１３と、繊維巻き付け部１４を有している。

繊維送出部１０は、補強繊維束が巻き付けられた複数例えば３つのボビン２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えている。各ボビン２０ａ〜２０ｃから送り出される補強繊維束ｆ１、ｆ２、ｆ３としては、例えばカーボン繊維、ガラス繊維や金属繊維等が用いられる。本実施の形態においては、例えばカーボン繊維とガラス繊維が用いられる。繊維送出部１０は、各ボビン２０ａ〜２０ｃの補強繊維束ｆ１〜ｆ３を、その張力を調整して樹脂含浸部１１側に送り出すことができる。

樹脂含浸部１１は、例えば未硬化の状態（液体又はゲル状）の熱硬化性の樹脂が貯留された樹脂槽３０と、樹脂槽３０内の所定の経路を通るように補強繊維束ｆ１〜ｆ３を案内する３つの案内ロール３１、３２、３３を備えている。これにより、樹脂含浸部１１は、繊維送出部１０から送られた補強繊維束ｆ１〜ｆ３を樹脂槽３０の樹脂中に浸漬させて、補強繊維束ｆ１〜ｆ３に樹脂を含浸させることができる。例えば熱硬化性の樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。例えば樹脂含浸部１１は、補強繊維束ｆ１〜ｆ３を１つに束ねて補強繊維束Ｆを形成し、これをテープ張り付け部１２側に送出できる。

テープ張り付け部１２は、例えば補強繊維束Ｆと粘着テープとしての耐熱テープＴを挟み込んで通す上下の一対のロール４０を有している。テープ張り付け部１２は、耐熱テープ供給部（図示せず）から送られた耐熱テープＴを補強繊維束Ｆの上面に張り付けて、繊維ガイド１３側に送ることができる。補強繊維束Ｆへの耐熱テープＴの張り付けは、例えばロール４０により補強繊維束Ｆと耐熱テープＴを上下から押し付けることにより行うことができる。また、テープ張り付け部１２は、補強繊維束Ｆに対し耐熱テープＴの張り付けを行うか否かを選択できる。

繊維ガイド１３は、テープ張り付け部１２を通過した補強繊維束Ｆを繊維巻き付け部１４のタンク２の外周面に向けて案内できる。繊維ガイド１３は、例えば補強繊維束Ｆの進行方向に対し上下方向と左右方向に往復移動自在で、なおかつ補強繊維束Ｆの進行方向の軸周りに回転自在であり、タンク２の外周面に対する補強繊維束Ｆの進入角度を自由に設定できる。

繊維巻き付け部１４は、タンク２のライナ５０の回転軸を保持してライナ５０を水平に支持する支持部６０と、ライナ５０を支持部６０を介して回転させる回転駆動部６１を備えている。回転駆動部６１は、例えば可変速モータを有しており、このモータによってライナ５０を所定の回転速度で回転できる。このライナ５０の回転運動と繊維ガイド１３の往復運動とを同期させることにより、補強繊維束Ｆをライナ５０の外周面に所定のパターンで巻き付けることができる。補強繊維束Ｆの巻き方（パターン）については特に限定されず、例えば、フープ巻きやヘリカル巻きや、それらを組み合わせた巻き方であってもよい。

次に、上記タンクの製造設備１を用いたタンク２の製造方法について説明する。

先ず、タンク２のライナ５０が繊維巻き付け部１４に設置される。ライナ５０が軸周りに回転され、そのライナ５０の外周面に補強繊維束Ｆが巻き付けられる。この際、補強繊維束Ｆは、図１に示すように繊維送出部１０から送出され、樹脂含浸部１１において熱硬化性の樹脂が含浸され、その後繊維ガイド１３で角度調整されて、ライナ５０の外周面に巻き付けられる。このときテープ張り付け部１２では、耐熱テープＴの張り付けは行われない。補強繊維束Ｆは、ライナ５０の外周面に均等に多重に巻き付けられる。本実施の形態では、例えば図２に示すように初めにカーボン製の補強繊維束Ｆが巻き付けられて、カーボン製の補強繊維層（ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）層）Ａ１が形成され、その後ガラス製の補強繊維束Ｆが巻き付けられて、ガラス製の補強繊維層（ＧＦＰＲ（Ｇlass Fiber Reinforced Plastics）層）Ａ２が形成される。このガラス製の補強繊維層Ａ２は、例えば対衝撃用の補強を行うものである。こうして、ライナ５０の外周面には、所定の厚みの補強繊維層Ａ（Ａ１＋Ａ２）が形成される。

そして、ライナ５０の補強繊維層Ａの最外層が形成される際には、図１に示すようにテープ張り付け部１２において、耐熱テープＴがロール４０に供給され、当該ロール４０により補強繊維束Ｆに耐熱テープＴが張り付けられる。このとき、例えば図３に示すように補強繊維束Ｆよりわずかに横幅の広い耐熱テープＴが補強繊維束Ｆに張り付けられる。耐熱テープＴが張り付けられた補強繊維束Ｆは、図１に示すように繊維ガイド１３を通って、繊維巻き付け部１４に送られ、補強繊維層Ａの最外層の位置に巻き付けられる。このとき、補強繊維束Ｆは、耐熱テープＴが外側になるように巻き付けられる。これと同時に、補強繊維束Ｆは、耐熱テープＴにより補強繊維層Ａの巻き付け面に接着される。こうして、例えば図２に示すようにライナ５０の外周面上に補強繊維層Ａが形成され、その補強繊維層Ａの外表面が耐熱テープＴの層で覆われる。

ライナ５０の補強繊維層Ａの最外層の位置に補強繊維束Ｆが巻き付けられ、補強繊維束Ｆの巻き付けが終了すると、補強繊維束Ｆが切断される。このときの補強繊維束Ｆの端部も、耐熱テープＴにより補強繊維層Ａの巻き付け面に接着される。

補強繊維層Ａが形成され後は、ライナ５０が、繊維巻き付け部１４から取り外され、図示しない加熱炉において加熱される。この加熱により、補強繊維層Ａ中の樹脂が固まって補強繊維層Ａが硬化される。こうして、タンク２の外殻に強度の高い補強繊維層Ａが形成される。

本発明によれば、タンク２の補強繊維層Ａの最外層に巻き付けられる補強繊維束Ｆが、耐熱テープＴにより補強繊維層Ａの巻き付け面に接着されるので、以前のような繊維端を補強繊維層内に織り込むような処置を行わなくても、補強繊維束Ｆの端部を巻き付け面に固着できる。また、熱硬化後の補強繊維層Ａの緩みも防止できる。これにより、例えばタンク２の補強繊維層形成時の作業が簡単になり、補強繊維層Ａの形成時間を短縮できる。また、熱硬化後にタンク２の外表面に凹凸ができることもなく、見た目が美しく、本来の補強繊維層Ａの強度も維持できる。

ところで、以上の実施の形態のように、補強繊維層Ａの外表面が耐熱テープＴにより覆われるようにした場合、例えば図４に示すように耐熱テープＴの厚みを調整して、ガラス製の補強繊維層Ａ２を省略してもよい。かかる場合、耐熱テープＴにガラス製の補強繊維層Ａ２の役割を兼用させることにより、例えば補強繊維層Ａの保護層の巻き付け工程を省略できる。よって、タンク２の製造工程を簡略化できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態で記載したタンク２の製造方法及び製造設備は、例えば燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムで用いられる高圧燃料ガスタンクの製造に適用できる。また、本発明は、他の用途のガスタンクや液体タンクの製造に適用してもよい。

タンクの製造設備の構成の概略を示す説明図である。補強繊維層が形成されたタンクの部分拡大断面図である。補強繊維束に耐熱テープを張り付けた状態を示す説明図である。ガラス製の補強繊維層を省略した場合のタンクの部分拡大断面図である。

符号の説明

１タンクの製造設備
１０繊維送出部
１１樹脂含浸部
１２テープ張り付け部
１４繊維巻き付け部
５０ライナ
Ａ補強繊維層
Ｆ補強繊維束
Ｔ耐熱テープ

Claims

タンクの製造方法であって、
熱硬化性の樹脂を含浸させた補強繊維をタンクの外周面に巻き付けて、タンクの外殻に補強繊維層を形成する工程と、
前記補強繊維層中の樹脂を熱硬化させる工程と、を有し、
前記補強繊維層を形成する工程において、タンクの補強繊維層の最外層の位置に巻き付けられる補強繊維に対し予め粘着テープが張り付けられ、当該補強繊維が前記タンクの最外層に巻き付けられる際には、当該補強繊維が前記粘着テープにより補強繊維層の巻き付け面に接着され、前記補強繊維層の外表面が前記粘着テープにより覆われることを特徴とする、タンクの製造方法。
タンクの製造設備であって、
補強繊維を送り出す繊維送出部と、
前記繊維送出部から送り出された補強繊維に熱硬化性の樹脂を含浸させる樹脂含浸部と、
前記樹脂含浸部で樹脂が含浸された補強繊維であってタンクの補強繊維層の最外層の位置に巻き付けられる補強繊維の表面側に粘着テープを張り付けるテープ張り付け部と、
前記テープ張り付け部を通過した補強繊維を、タンクを回転させながら当該タンクの外周面に巻き付け、補強繊維層の最外層の補強繊維を前記粘着テープにより巻き付け面に接着し、前記補強繊維層の外表面を前記粘着テープにより覆う繊維巻き付け部と、を有することを特徴とする、タンクの製造設備。