JP5510902B2 - Manufacturing method of pressure vessel - Google Patents
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Description
本発明は、圧力容器の製造方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、ライナ外周のFRP層がプリプレグによって形成される圧力容器の製造方法の改良に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a pressure vessel. More specifically, the present invention relates to an improvement in a method for manufacturing a pressure vessel in which an FRP layer on the outer periphery of a liner is formed by a prepreg.
水素等の高圧ガスの貯蔵に利用される高圧タンクのような圧力容器として、ライナの外周にFRPの補強層を備えるものが利用されている。FRPの補強層は、例えばプリプレグと呼ばれるリボン状の材料をライナの周囲にFW(フィラメントワインディング)することによって形成される(例えば特許文献1参照)。 As a pressure vessel such as a high-pressure tank used for storing a high-pressure gas such as hydrogen, one having an FRP reinforcing layer on the outer periphery of a liner is used. The reinforcing layer of FRP is formed by, for example, FW (filament winding) of a ribbon-like material called a prepreg around the liner (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、従来、ライナの周囲に巻き付けられるプリプレグの端部が隣接するプリプレグに乗り上げることにより部分的な増厚が生じたり、プリプレグ間にできる隙間により均一な断面とならなかったりすることがあり、これによってFRP層ひいては容器全体の強度が低下するおそれがあった。 However, conventionally, when the end portion of the prepreg wound around the liner rides on the adjacent prepreg, a partial thickness increase may occur, or a uniform cross section may not be obtained due to a gap formed between the prepregs. As a result, the strength of the FRP layer and thus the entire container may be reduced.
そこで、本発明は、プリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えて強度を安定させた圧力容器の製造方法を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the manufacturing method of the pressure vessel which suppressed the boarding of the prepreg and generation | occurrence | production of the clearance gap between prepregs, and stabilized the intensity | strength.
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討をした。従来のプリプレグの一般的な断面形状は長方形であり、このような断面形状のプリプレグの側面を付き合わせるようにして隙間無く巻き付けていくことは、生産速度も求められる状況下においては困難なことである。特に、FW機の給糸口の送り速度は通常一定でありながら、従来のプリプレグのように幅が一定でないと(図12参照)、厚い部分や薄い部分が一部に集中する結果、プリプレグの側部が隣接するプリプレグの側部に乗り上げて隙間を生じさせたり、あるいは側部と側部の間に隙間を生じさせたりすることがある(図3、図13参照)。これらが断面均一なFRPの形成を阻害し、圧力容器の強度低下の原因になっているという現状についてさらに検討を重ねた本発明者は、通常、プリプレグは一定の繊維数および樹脂量(樹脂比率)となるように成形されていることからその断面積は一様であるべき点に着目し、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。 In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. The general cross-sectional shape of a conventional prepreg is a rectangle, and it is difficult to wind the prepreg having such a cross-sectional shape without any gaps in a situation where the production speed is also required. is there. In particular, the feed speed of the yarn feeder of the FW machine is usually constant, but if the width is not constant as in the case of the conventional prepreg (see FIG. 12), thick and thin parts are concentrated on a part of the prepreg side. A part may run on a side part of an adjacent prepreg to create a gap, or a gap may be created between the side part (see FIGS. 3 and 13). The present inventor who has further studied the present situation that these obstruct the formation of FRP with a uniform cross-section and cause the strength of the pressure vessel to decrease. ) So that the cross-sectional area should be uniform, we have obtained new knowledge that leads to the solution of this problem.
本発明はかかる知見に基づくもので、ライナと、該ライナの外周を包むFRP層とを有する圧力容器の製造方法であって、所定の繊維数で成形された平板部を備えるプリプレグを幅方向に折り畳みあるいは巻くことによってひも状にし、ライナの外周に巻き付ける、というものである。 The present invention is based on such knowledge, and is a method of manufacturing a pressure vessel having a liner and an FRP layer that wraps the outer periphery of the liner, and a prepreg including a flat plate portion formed with a predetermined number of fibers in the width direction. It is made into a string by folding or winding and wound around the outer periphery of the liner.
本発明においては、シート状プリプレグの厚みと幅が一定でなくても、当該プリプレグを幅方向に折り畳みあるいは巻き、均一の径のひも状としてからライナに巻き付けるので、プリプレグ等の乗り上げが生じ難く、したがって乗り上げに起因する隙間が生じ難い。また、プリプレグには引っ張りテンションが作用するため、巻き付け時に多少ずれたとしても、当該プリプレグを既に巻き付けられているプリプレグ間の谷間に収まるようにすることができる。本発明によれば、このようにプリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えることにより、圧力容器の強度を安定させることができる。 In the present invention, even if the thickness and width of the sheet-like prepreg are not constant, the prepreg is folded or wound in the width direction and wound around the liner after forming a uniform-diameter string. Therefore, it is difficult for a gap due to riding up to occur. Further, since a tensile tension acts on the prepreg, even if the prepreg is slightly deviated during winding, the prepreg can be accommodated in a valley between prepregs that have already been wound. According to the present invention, the strength of the pressure vessel can be stabilized by suppressing the prepreg ride and the generation of a gap between the prepregs.
このような圧力容器の製造方法においては、プリプレグをひも状にした後、その断面を四角に成形してからライナの外周に巻き付けることが好ましい。このように断面を四角にすることにより、巻き付け時におけるプリプレグ間の隙間を減少させることができる。 In such a pressure vessel manufacturing method, it is preferable that the prepreg is formed in a string shape and then the cross section is formed into a square and then wound around the outer periphery of the liner. Thus, by making a cross section into a square, the clearance gap between the prepregs at the time of winding can be reduced.
また、この製造方法において、ひも状プリプレグをローラに通してその断面を四角形に成形することができる。 Moreover, in this manufacturing method, a string-like prepreg can be passed through a roller and the cross section thereof can be formed into a quadrangle.
さらに、ひも状プリプレグの断面を菱形または平行四辺形に成形することも好ましい。 Furthermore, it is also preferable that the cross section of the string-like prepreg is formed into a rhombus or a parallelogram.
また、本発明にかかるプリプレグは、ライナと、該ライナの外周を包むFRP層とを有する圧力容器の製造に用いられるプリプレグであって、所定の繊維数で平板状に成形された後、幅方向に折り畳まれあるいは巻かれることによってひも状とされたものである。 Further, the prepreg according to the present invention is a prepreg used for manufacturing a pressure vessel having a liner and an FRP layer that wraps the outer periphery of the liner, and is formed into a flat plate shape with a predetermined number of fibers, and then the width direction. It is made into a string shape by being folded or rolled up.
本発明によれば、プリプレグの乗り上げやプリプレグ間の隙間の発生を抑えて圧力容器の強度を安定させることができる。 According to the present invention, it is possible to stabilize the strength of the pressure vessel by suppressing the climbing of the prepreg and the generation of a gap between the prepregs.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図1〜図7に本発明にかかる圧力容器の製造方法の実施形態を示す。以下では、例えば燃料電池車において利用される水素燃料供給源としての圧力容器(以下、高圧タンクともいう)1を例に挙げ、当該高圧タンク1の構造を例示しつつ説明する。 1 to 7 show an embodiment of a pressure vessel manufacturing method according to the present invention. Hereinafter, for example, a pressure vessel (hereinafter also referred to as a high pressure tank) 1 as a hydrogen fuel supply source used in a fuel cell vehicle will be described as an example, and the structure of the high pressure tank 1 will be described as an example.
高圧タンク1は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体10、当該タンク本体10の長手方向端部に配置される口金11、該口金11に取り付けられる主止弁(図示省略)等によって構成される(図1参照)。なお、図1では、高圧タンク1の略半球状部分であるドーム部を符号1d、筒状胴体部分であるストレート部を符号1sでそれぞれ表している。
The high-pressure tank 1 includes, for example, a
タンク本体10は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナ20とその外側の外壁層である樹脂繊維層(補強層)としてのFRP層21を有している。FRP層21は、例えばCFRP層のみにより、あるいは該CFRP層およびGFRP層の組み合わせにより形成することができる。
The
ライナ20は、タンク本体10とほぼ同じ形状に形成されている。ライナ20は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより形成されている。あるいは、アルミニウムなどで形成された金属ライナをライナ20とすることもできる。ライナ20の長手方向端部には開口部が形成され、口金11が嵌入されている。口金11には、主止弁として機能するバルブアッセンブリが嵌め込まれる。
The
口金11は、略円筒形状を有し、ライナ20の開口部に嵌入されているもので、アルミニウムやアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。また、口金11は射出成形された分割ライナに嵌め込まれているが、例えばインサート成形によりライナ20に取り付けられてもよい。
The
FRP層21は、例えばフィラメントワインディング成形(FW成形)により、ライナ20の外周面と口金11の一部に、樹脂を含浸した繊維(補強繊維)を含むプリプレグ70を巻き付け、当該プリプレグ70を硬化させることにより形成されている。FRP層21の樹脂には、例えばエポキシ樹脂、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。また、プリプレグ70としては、炭素繊維(CF)、金属繊維を含むものなどが用いられる。フィラメントワインディング成形の際には、タンク本体10の中心軸を中心としてライナ20を回転させながらプリプレグ70のガイド(FW機給糸口71)をタンク軸方向に沿って(送り速度一定で)動かすことにより当該ライナ20の外周面にプリプレグ70を巻き付けることができる(図2参照)。
The
次に、FW時におけるプリプレグ70の乗り上げやプリプレグ70間の隙間の発生を抑えて強度を安定させるようにした高圧タンク1の製造方法の一例を説明する(図8等参照)。本実施形態では、平板部を備えるプリプレグ70を巻くことによってひも状にし、該ひも状プリプレグ70をライナ20の外周に巻き付けることとしている。
Next, an example of a manufacturing method of the high-pressure tank 1 in which the strength is stabilized by suppressing the riding of the
ライナ20に巻き付けられるプリプレグ70は、平板部(図3において符号70aを付して示す)を備えるように所定の繊維数によって成形されているが、例えば幅狭(幅小)で厚みが大きかったり逆に幅広(幅大)で厚みが小さかったり(薄かったり)というように、部位によって厚みや幅が異なることがある(図3参照)。本実施形態では、このようなプリプレグ70を幅方向に丸めるように巻き込むことにより、換言すれば板状のプリプレグ70を長手方向と垂直な方向に巻き回して断面渦巻き状とすることにより、ひも状プリプレグ(図4等において符号70bを付して示す)としている。プリプレグ70が所定の繊維数によって成形されている場合、当該プリプレグ70を中実となるように隙間なく螺旋状に巻き回せば、平板部70aの厚みや幅の大小にかかわらず、略円形となったひも状プリプレグ70bの断面積は略同じとなる(図4参照)。このように、ライナ20に巻き付ける前にプリプレグ70の断面積を略同じとし、また外形を均一(略円形)とすれば、プリプレグ70の乗り上げが生じること、該乗り上げに起因する隙間が生じることを抑制することができる(図5参照)。
The
プリプレグ70を巻き付ける際には、一層目を巻く際のテンションを最も高くして巻き付ける。また、このようにしてひも状のプリプレグ70bを巻き付ける場合、時間的に後から巻き付けられたプリプレグ70が、隣り合うプリプレグ70間の隙間(プリプレグ境界部分の谷)に自然と落ち込みやすい。また、隣り合うプリプレグ70間(プリプレグ境界部分)の内周側の隙間は、該隙間よりも内層側に巻かれたプリプレグ70の一部が入り込んだ状態となる。以上から、プリプレグ70どうしが重なっても互いに乗り上げることがなく、乗り上げによる隙間を生じさせない(図5参照)。
When winding the
しかも、断面略円形のプリプレグ70を用いた場合には、多少ずれたとしても、巻き付け時の引張テンションが、当該ずれをなくすように作用するという利点もある。すなわち、引張テンションが作用している場合、巻き付けられているプリプレグ70には、プリプレグ境界部分の外周面に沿って下側(内周側)に向かおうとする分力が作用する(図6、図7参照)。このような分力は、巻き付け時のプリプレグ70が多少ずれて巻き付けられたとしても当該プリプレグ70をプリプレグ境界部分に向かわせて隙間を少なくするように作用する。要は、タンク本体10の回転と引張テンションとがプリプレグ70間の谷間へ当該プリプレグ70を拘束する方向に作用する。
Moreover, when the
以上のごとき製造方法によると、プリプレグ70の巻き付け時に生じうる隙間を減少させ、より均一な断面を有するFRP層21を形成することが可能となる。したがって、これによれば高圧タンク1の強度をより安定したものとすることができる。
According to the manufacturing method as described above, it is possible to reduce the gap that may be generated when the
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれ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いて種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では断面略円形のひも状に成形されたプリプレグ70bをライナ20に巻き付けたが、ひも状に成形したプリプレグ70をさらに断面四角に成形してからライナ20に巻き付けることも好ましい。このようにプリプレグ70の断面を四角にすることにより、巻き付け時におけるプリプレグ70間の隙間をさらに減少させることができる(図8参照)。より具体的には、プリプレグ70の断面形状は菱形や平行四辺形であることが好ましい。例えば断面菱形のプリプレグ70を用いた場合には、プリプレグ70どうしが重なっても互いに乗り上げることがなく、乗り上げによる隙間を生じさせ難い。また、隣り合うプリプレグ70間の隙間を、該隙間よりも内層側に巻かれたプリプレグ70と外層側に巻かれたプリプレグ70とにより埋めることができる。これによれば、均一な断面を形成することが可能となるため、圧力容器の強度の一層の安定化を図ることができる。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the embodiment described above, the
また、プリプレグ70を、その厚みが少なくなるように成形することも好ましい。一般に、プリプレグ70などのFW対象物においては、プリプレグ70の厚みに対するライナ20の中心径が細くなるほど内外周のテンション差が大きくなることから、繊維破断する可能性が高まる(図9参照)。したがって、上述のように断面四角とする場合には、例えば幅広の菱形として厚みを少なくすれば、内外周のテンション差が大きくなるのを抑えることが可能である。
It is also preferable to mold the
上述のようにひも状プリプレグ70bを断面四角に成形するための手法の一例としては、二対のローラの間を順次通過させることによって成形することが挙げられる。具体例を示せば、ひも状プリプレグ70bをまずは上下一対のローラ81の間を通す工程によって上下を平坦にし、次に左右一対のローラ82の間を通す工程によって左右を平坦にして断面四角に成形することができる(図10参照)。
As described above, an example of a method for forming the string-
また、ここまで説明した実施形態においては、平板状のプリプレグ70を幅方向に巻き回すことによってひも状に成形したが(図4等参照)、これは、プリプレグ70の断面を均一(一様)にするための好適例にすぎない。要は、プリプレグ70の断面を均一にすることができればその具体的手段は限定されることはなく、例えば平板状プリプレグ70を折り畳むことによって断面を均一にしても構わない。また、その際の断面形状は、均一であれば円形等には限られない。
Further, in the embodiment described so far, the
また、FW時におけるプリプレグ70どうしの乗り上げを抑止するという観点からすれば、プリプレグ70の断面形状を楕円状などとすることもできる。こうした場合、断面が菱形の場合と同様、回転と引張テンションとがプリプレグ70間の谷間へ当該プリプレグ70を拘束する方向に作用する(図11参照)。
In addition, from the viewpoint of preventing the
なお、上述の実施形態では断面が菱形である場合を例示して説明したが、ここでいう菱形は幾何学上の厳密な意味での菱形には限られない。要は、上述の実施形態において断面菱形のプリプレグ70を用いることとした趣旨が、プリプレグ70どうしが重なっても互いに乗り上げることのないようにして隙間をなくす点にあることからすれば、同様の作用を奏しうる限り、厳密には菱形でない菱形状の断面形状(菱形に準じる形状で、厳密には各辺が直線でないもの、各辺の長さが均等でないもの(例えば平行四辺形状のもの)等を含む)のプリプレグは本発明の好適な適用範囲内に含まれると解釈すべきである。
In addition, although the case where a cross section is a rhombus was illustrated and demonstrated in the above-mentioned embodiment, the rhombus here is not restricted to the rhombus in the exact | strict geometrical meaning. The point is that the purpose of using the
本発明は、ライナ外周のFRP層がプリプレグによって形成される圧力容器の製造に適用して好適なものである。 The present invention is suitable for application to the manufacture of a pressure vessel in which the FRP layer on the outer periphery of the liner is formed by prepreg.
1…高圧タンク(圧力容器)、20…ライナ、21…FRP層、70…プリプレグ、70a…平板部、70b…ひも状プリプレグ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High pressure tank (pressure vessel), 20 ... Liner, 21 ... FRP layer, 70 ... Pre-preg, 70a ... Flat plate part, 70b ... String-like prepreg
Claims (5)
所定の繊維数で成形された平板部を備えるプリプレグを幅方向に折り畳みあるいは巻くことによってひも状にし、前記ライナの外周に巻き付ける、
圧力容器の製造方法。 A method of manufacturing a pressure vessel having a liner and an FRP layer surrounding the outer periphery of the liner,
A prepreg having a flat plate portion formed with a predetermined number of fibers is folded or wound in the width direction and wound around the outer periphery of the liner,
A method for manufacturing a pressure vessel.
所定の繊維数で平板状に成形された後、幅方向に折り畳まれあるいは巻かれることによってひも状とされた、プリプレグ。 A prepreg used for manufacturing a pressure vessel having a liner and an FRP layer that wraps the outer periphery of the liner,
A prepreg formed into a flat plate shape with a predetermined number of fibers and then folded or wound in the width direction to form a string.
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