JP6589776B2

JP6589776B2 - タンク

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Publication number: JP6589776B2
Application number: JP2016171514A
Authority: JP
Inventors: 龍仁神藤; 浩一郎林; 稲生　隆嗣; 隆嗣稲生; 石橋　一伸; 一伸石橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-09-02
Also published as: JP2018035913A

Description

本発明は、流体を収容するタンクに関するものである。

特許文献１には、補強部（キャップ）を有するタンクが開示されている。このタンクは、円筒状の胴部と胴部の両端に設けられた半球状のドーム部とを有するライナと、ドーム部を覆うように設けられた半球状の補強部とを有する。胴部において、２つの補強部に挟まれた領域に、樹脂を含浸した繊維束がフープ巻きによって胴部の表面に巻き付けられて第１繊維強化樹脂層が形成される。更に、補強部及び第１繊維強化樹脂層の表面に、樹脂を含浸した繊維束がヘリカル巻きによって巻き付けられて第２繊維強化樹脂層が形成される。なお、「フープ巻き」とは、繊維方向をタンクの長手方向の軸と垂直とする巻き方であり、「ヘリカル巻き」とは、繊維方向をタンクの長手方向の軸から傾いた方向とする巻き方である。

特開２０１０−２３６６１４号公報

一般的に、繊維強化樹脂層の引張強度は、繊維方向が最大となる。しかしながら、従来技術では、ライナのドーム部を覆うキャップではヘリカル巻きを行っているので、キャップに巻き付けられた繊維の方向と、タンクの内圧によりキャップに生じる応力の方向（タンクの長手方向と平行の方向）との間に角度が生じて、繊維強化樹脂層が破損しやすくなるという問題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、タンクが提供される。このタンクは、円筒状の胴体部と、前記胴体部の軸方向の両端に形成されたドーム部と、を有するライナと、内面が前記ドーム部の外表面と適合するように形成された円筒部と、前記円筒部の一端に形成されて前記円筒部の外径よりも大きな外径を有する大径部とをそれぞれ有し、前記円筒部が前記ライナの両端の前記ドーム部を覆うように設けられた２つのキャップと、前記ライナの前記胴体部の表面と前記２つのキャップの前記円筒部の表面の上を、前記タンクの中心軸の回りの第１周回方向に沿って周回した状態で覆う第１繊維強化樹脂層と、前記第１繊維強化樹脂層の表面と前記２つのキャップの前記大径部の外側表面の上を、前記中心軸と垂直で前記タンクの中心を通る周回軸の回りの第２周回方向に沿って周回した状態で部分的に覆う一対の第２繊維強化樹脂層と、を備え、前記一対の第２繊維強化樹脂層は、前記中心軸を挟んだ対称な位置に設けられており、前記第１繊維強化樹脂層の繊維方向は、前記第１周回方向に沿っており、前記第２繊維強化樹脂層の繊維方向は、前記第２周回方向に沿っている。

この形態のタンクによれば、第２繊維強化樹脂層の繊維方向が、タンクの中心軸と垂直な周回軸の回りの第２周回方向に沿っているので、第２繊維強化樹脂層の繊維方向と、タンクの内圧によりキャップに生じる応力の方向とを一致させることができ、第２繊維強化樹脂層が破損する可能性を低減することができる。また、第１繊維強化樹脂層についても、その繊維方向と、タンクの内圧によりタンクの胴体部に生じる応力の方向とを一致させることができ、第１繊維強化樹脂層が破損する可能性を低減することができる。

（２）本発明の他の形態によれば、タンクの製造方法が提供される。このタンクの製造方法は、（ａ）円筒状の胴体部と、前記胴体部の軸方向の両端に形成されたドーム部と、を有するライナを準備する工程と、（ｂ）内面が前記ドーム部の外表面と適合するように形成された円筒部と、前記円筒部の一端に形成されて前記円筒部の外径よりも大きな外径を有する大径部と、をそれぞれ有する２つのキャップを準備する工程と、（ｃ）前記ライナの両端の前記ドーム部を覆うように、前記２つのキャップの前記円筒部を前記ドーム部に被せる工程と、（ｄ）前記ライナの前記胴体部の表面と前記２つのキャップの前記円筒部の表面に、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を含む第１未硬化部材を前記タンクの中心軸の回りの第１周回方向に沿って巻き付ける工程と、（ｅ）前記第１未硬化部材の表面の一部と前記２つのキャップの前記大径部の外側表面の一部に、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を含む第２未硬化部材を前記中心軸と垂直で前記タンクの中心を通る周回軸の回りの第２周回方向に沿って巻き付ける工程と、（ｆ）前記第１未硬化部材と前記第２未硬化部材を硬化させることによって、第１繊維強化樹脂層と第２繊維強化樹脂層とを形成する工程と、を備える。

この形態のタンクの製造方法によれば、第２未硬化部材をタンクの中心軸と垂直な周回軸の回りの第２周回方向に沿って巻き付けるので、第２未硬化部材を硬化させて形成した第２繊維強化樹脂層の繊維方向と、タンクの内圧によりキャップに生じる応力の方向とを一致させることができ、第２繊維強化樹脂層が破損する可能性を低減することができる。また、第１繊維強化樹脂層についても、その繊維方向と、タンクの内圧によりタンクの胴体部に生じる応力の方向とを一致させることができ、第１繊維強化樹脂層が破損する可能性を低減することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、繊維束の巻付方法等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態におけるタンクを分解して示す説明図。タンクの軸方向に沿って外側から見たキャップの平面図。キャップを装着したライナに繊維シートを巻き付ける様子を示す説明図。繊維テープを巻き付ける様子を示す説明図。繊維テープを巻き付けた後の説明図。タンクの一部の断面を示す図。第２実施形態におけるタンクの一部の断面を示す図。第３実施形態におけるタンクの一部の断面を示す図。

・第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態におけるタンク１０を分解して示す説明図である。図示の便宜上、ライナ１００とキャップ２００のみを示しており、ライナ１００の外面に形成した第１繊維強化樹脂層及び第２繊維強化樹脂層（後述）を省略している。タンク１０は、例えば燃料ガスを収容する高圧タンクとして利用され、燃料電池車両に搭載される。タンク１０の中心軸ＣＸは、ライナ１００の長手方向の中心及びキャップ２００の中心を通る中心軸である。以下では、中心軸ＣＸに沿った方向を「軸方向ＣＸ」と呼ぶ。

ライナ１００は中空の容器であり、例えば樹脂によって形成され、内部に流体が収容される。ライナ１００は、胴体部１１０と、ドーム部１２０と、口金１３１，１３２とを有する。胴体部１１０は、円筒状の形状を有し、軸方向ＣＸの両端には、半球状のドーム部１２０が形成されている。２つのドーム部１２０の頂点には、それぞれ円柱形の口金１３１，１３２が設けられている。一方の口金１３１には、軸方向ＣＸに沿った貫通孔１３１ｈが形成され、ライナ１００の内部に導通する。他方の口金１３２には、軸方向ＣＸに沿った有底凹部１３２ｒが形成されている。

キャップ２００は、ライナ１００の両端のドーム部１２０を覆うように設けられる。キャップ２００は、例えばナイロン等の樹脂によって成形したもの、又は、アルミニウム等の金属を加工したものが使用され得る。キャップ２００は、円筒部２１０と大径部２２０とを有する。円筒部２１０の内面には、ドーム部１２０の外表面と適合する凹部２１０ｒが形成されている。大径部２２０には、貫通孔２２０ｈと、一対の溝部２３０ａ，２３０ｂとが形成されている。貫通孔２２０ｈは、口金１３１，１３２を貫通させるためのものである。キャップ２００をドーム部１２０に被せると、口金１３１，１３２がキャップ２００の貫通孔２２０ｈを通過し、ドーム部１２０がキャップ２００の凹部２１０ｒにぴったりと嵌め合わせられる。このように、キャップ２００は、円筒部２１０がドーム部１２０を覆うようにライナ１００の両端に設けられる。

図２は、軸方向ＣＸに沿って外側から見たキャップ２００の平面図である。大径部２２０の外径Ｄ２は、円筒部２１０の外径Ｄ１よりも大きい。また、大径部２２０の中心Ｐ（中心軸ＣＸが通る位置）を挟んだ対称な位置に、一対の溝部２３０ａ，２３０ｂが互いに平行に形成されている。溝部２３０ａ，２３０ｂは後述する繊維テープをガイドするためのものである。溝部２３０ａ，２３０ｂの間の距離は任意であるが、円筒部２１０の外径Ｄ１より小さいことが好ましい。また、２つのキャップ２００がライナ１００（図１）のドーム部１２０（図１）に被せられた後、軸方向ＣＸに沿って２つのキャップ２００を観察したとき、２つのキャップ２００のそれぞれの溝部２３０ａ，２３０ｂが互いに重なるように配置されていることが好ましい。なお、大径部２２０の表面に、溝部２３０ａ，２３０ｂと平行なもう一対の溝部を設けてもよい。また、溝部２３０ａ，２３０ｂの代わりに、大径部２２０の外側の表面に、繊維テープをガイドする繊維ガイド部材を設けてもよい。こうすれば、繊維テープが形成する第２繊維強化樹脂層の位置ずれを防止できる。但し、溝部２３０ａ，２３０ｂは省略可能である。

図３は、第１繊維強化樹脂層を形成する繊維シート７００をキャップ２００付きライナ１００に巻き付ける様子を示す説明図である。繊維シート７００は、複数の未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維（例えば熱硬化型エポキシ樹脂を含浸した炭素繊維）７００ａが単一の繊維方向に沿って延びるように配列されたシート状の部材である。繊維シート７００は、複数の繊維７００ａが中心軸ＣＸの回りの第１周回方向ＲＤ１に沿って周回するように、キャップ２００の円筒部２１０の表面とライナ１００の胴体部１１０の表面に巻き付けられる。具体的には、キャップ２００を装着したライナ１００は、口金１３１の貫通孔１３１ｈ（図１）と口金１３２の凹部１３２ｒ（図１）に挿入された回転機構（図示せず）によって駆動されて回転する。繊維シート７００は、繊維７００ａが軸方向ＣＸと垂直になるようにライナ１００に送出され、ライナ１００の回転によって円筒部２１０と胴体部１１０に巻き付けられる。なお、ライナ１００にキャップ２００を装着した状態では、キャップ２００の円筒部２１０とライナ１００の胴体部１１０との間に段差がないように設計されることが好ましい。こうすれば、円筒部２１０と胴体部１１０に巻き付けられた繊維シート７００の表面が平滑になり、タンクの強度低下を抑制できる。

図４は、図３に示す繊維シート７００を巻き付けて形成した繊維シート層７００Ｌの上に、第２繊維強化樹脂層を形成する繊維テープ８００を巻き付ける様子を示す説明図である。繊維テープ８００は、複数の未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維８００ａが単一の繊維方向に沿って延びるように配列されたテープ状の部材である。繊維８００ａは、繊維７００ａと同一種類の繊維であってもよいし、異なる種類の繊維であってもよい。繊維テープ８００は、複数の繊維８００ａが中心軸ＣＸと垂直な周回軸ＲＸの回りの第２周回方向ＲＤ２に沿って、左右のキャップ２００の溝部２３０ａ（２３０ｂ）を通過しながら周回するように、繊維シート層７００Ｌの一部の表面と溝部２３０ａ，２３０ｂに巻き付けられる。なお、周回軸ＲＸは、中心軸ＣＸに垂直でタンク１０（図１）の中心を通る仮装的な直線である。

図５は、図４に示す繊維テープ８００の巻き付けが完成した後の説明図である。繊維シート層７００Ｌに含まれる繊維７００ａが延びる方向は第１周回方向ＲＤ１に沿っており、繊維テープ層８００Ｌに含まれる繊維８００ａが延びる方向は第２周回方向ＲＤ２に沿っている。なお、繊維シート７００（図３）と繊維テープ８００（図４）を用いる代わりに、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を用いてキャップ２００付きのライナ１００（図２）に巻き付けてもよい。この場合においても、第１繊維束を第１周回方向ＲＤ１に沿って円筒部２１０と胴体部１１０に巻き付け、第２繊維束を溝部２３０ａ，２３０ｂに通過させて第２周回方向ＲＤ２に沿って第１繊維束の上に巻き付けることが好ましい。但し、未硬化部材として繊維シート７００と繊維テープ８００を使用すれば、製造工程を簡略化できるという利点がある。繊維シート層７００Ｌと繊維テープ層８００Ｌを加熱すると、繊維７００ａ，８００ａに含浸させた熱硬化性樹脂が硬化し、繊維シート層７００Ｌが第１繊維強化樹脂層となり、繊維テープ層８００Ｌが第２繊維強化樹脂層となる。第２繊維強化樹脂層は、中心軸ＣＸを挟んだ対称な位置に形成されている。

図６は、タンク１０の一部の断面を示す説明図である。一般に、タンク１０に内圧が掛かったときに、ライナ１００の胴体部１１０に生じる軸方向ＣＸと垂直な方向の応力は、軸方向ＣＸの応力の２倍である。このため、第１繊維強化樹脂層７００Ｌの強度は、第２繊維強化樹脂層８００Ｌの強度の２倍とすることが好ましい。具体的には、例えば、第１繊維強化樹脂層７００Ｌの厚みを第２繊維強化樹脂層８００Ｌの厚みの２倍とすることが好ましい。また、溝部２３０ａ，２３０ｂの底面３０ａ，３０ｂは、中心軸ＣＸと垂直な平面である。こうすれば、第２繊維強化樹脂層８００Ｌを形成する繊維テープ８００（図４）を安定に溝部２３０ａ，２３０ｂに巻き付けることができる。但し、溝部２３０ａ，２３０ｂの底面３０ａ，３０ｂは曲面であってもよい。この場合、繊維テープ８００の代わりに、繊維束を溝部２３０ａ，２３０ｂに巻き付けることが好ましい。なお、第１繊維強化樹脂層７００Ｌの軸方向ＣＸに沿った幅は、ライナ１００のドーム部１２０の頂点の位置まで達していることが好ましい。

以上の実施形態によれば、第２繊維強化樹脂層８００Ｌに含まれる繊維８００ａの繊維方向は、タンク１０の中心軸ＣＸと垂直な周回軸ＲＸの回りの第２周回方向ＲＤ２に沿っているので、第２繊維強化樹脂層８００Ｌの繊維方向と、タンク１０の内圧によりキャップ２００に生じる応力の方向とを一致させることができ、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが破損する可能性を低減することができる。また、第１繊維強化樹脂層７００Ｌについても、第１繊維強化樹脂層７００Ｌに含まれる繊維７００ａの繊維方向と、タンク１０の内圧により胴体部１１０に生じる応力の方向とを一致させることができ、第１繊維強化樹脂層７００Ｌが破損する可能性を低減することができる。なお、キャップ２００において、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが中心軸ＣＸと垂直な周回軸ＲＸの回りの第２周回方向ＲＤ２に沿って周回しているので、中心軸ＣＸから斜めな方向に沿って周回している状態より滑りにくくなり、第２繊維強化樹脂層８００Ｌを所望の位置に配置できる。

・第２実施形態：
図７は、第２実施形態におけるタンク１０ａの一部の断面を示す説明図であり、図６と対応した図である。図６に示す第１実施形態との違いは、キャップ２００ａの大径部２２０ａの形状であり、他の構成は第１実施形態とほぼ同様である。図７において、キャップ２００ａの大径部２２０ａは、溝部を有しておらず、外側表面に中心軸ＣＸと垂直な平面４０ａ，４０ｂを有する。平面４０ａ，４０ｂの上には、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが形成されている。このように、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが２つのキャップ２００ａの平面４０ａ，４０ｂを通って周回しているので、巻き付け時に第２繊維強化樹脂層８００Ｌが滑るのを抑制でき、所望の位置に配置できる。但し、キャップ２００ａの大径部２２０ａは平面４０ａ，４０ｂを有しないものとしてもよい。この場合には、第２繊維強化樹脂層８００Ｌを形成するための繊維テープや繊維束が滑って位置ずれを起こすことを防止するために、キャップ２００ａの大径部２２０ａの外側表面に凸状の位置ずれ防止部を設けることが好ましい。

・第３実施形態：
図８は、第３実施形態におけるタンク１０ｂの一部の断面を示す説明図であり、図７と対応した図である。図７に示す第２実施形態との違いは、キャップ２００ｂの大径部２２０ｂの形状であり、他の構成は第２実施形態と同様である。図８において、キャップ２００ｂの大径部２２０ｂは第２実施形態と同様に、外側表面に中心軸ＣＸと垂直な平面５０ａ，５０ｂを有しており、平面５０ａ，５０ｂの上には、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが形成されている。また、大径部２２０ｂは、平面５０ａ，５０ｂの間に、ライナ１００の口金１３１を貫通させる円台部２４０を有する。第３実施形態においても、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが２つのキャップ２００ｂの平面５０ａ，５０ｂを通って周回しているので、第２繊維強化樹脂層８００Ｌが滑るのを抑制でき、所望の位置に配置できる。但し、キャップ２００ｂの大径部２２０ｂは平面５０ａ，５０ｂを有しないものとしてもよい。

図６，図７，図８に示した３つの実施形態は、第２繊維強化樹脂層８００Ｌによって覆われるキャップ表面が、中心軸ＣＸに対して垂直な平面（３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂ，５０ａ，５０ｂ）を有する点で共通している。このような形状を採用すれば、第２繊維強化樹脂層８００Ｌの形成時に繊維テープや繊維束が滑ってしまうことを抑制でき、所望の形状を得ることができるという利点がある。

本発明は、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。

１０，１０ａ，１０ｂ…タンク
３０ａ，３０ｂ…底面
４０ａ，４０ｂ…平面
５０ａ，５０ｂ…平面
１００…ライナ
１１０…胴体部
１２０…ドーム部
１３１…口金
１３１ｈ…貫通孔
１３２…口金
１３２ｒ…凹部
２００，２００ａ，２００ｂ…キャップ
２１０…円筒部
２１０ｒ…凹部
２２０，２２０ａ，２２０ｂ…大径部
２２０ｈ…貫通孔
２３０ａ，２３０ｂ…溝部
２４０…円台部
７００…繊維シート
７００Ｌ…第１繊維強化樹脂層（繊維シート層）
７００ａ…繊維
８００…繊維テープ
８００Ｌ…第２繊維強化樹脂層（繊維テープ層）
８００ａ…繊維

Claims

流体を収容するタンクであって、
円筒状の胴体部と、前記胴体部の軸方向の両端に形成されたドーム部と、を有するライナと、
内面が前記ドーム部の外表面と適合するように形成された円筒部と、前記円筒部の一端に形成されて前記円筒部の外径よりも大きな外径を有する大径部とをそれぞれ有し、前記円筒部が前記ライナの両端の前記ドーム部を覆うように設けられた２つのキャップと、
前記ライナの前記胴体部の表面と前記２つのキャップの前記円筒部の表面の上を、前記タンクの中心軸の回りの第１周回方向に沿って周回した状態で覆う第１繊維強化樹脂層と、
前記第１繊維強化樹脂層の表面と前記２つのキャップの前記大径部の外側表面の上を、前記中心軸と垂直で前記タンクの中心を通る周回軸の回りの第２周回方向に沿って周回した状態で部分的に覆う一対の第２繊維強化樹脂層と、
を備え、
前記一対の第２繊維強化樹脂層は、前記中心軸を挟んだ対称な位置に設けられており、
前記第１繊維強化樹脂層の繊維方向は、前記第１周回方向に沿っており、
前記第２繊維強化樹脂層の繊維方向は、前記第２周回方向に沿っている、
タンク。