JP6662283B2

JP6662283B2 - 高圧タンクの製造方法

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Publication number: JP6662283B2
Application number: JP2016247426A
Authority: JP
Inventors: 弘和大坪
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2036-12-21
Also published as: JP2018099828A

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

高圧流体を充填する高圧タンクには、高圧タンクの内殻となるライナーと、ライナーの外表面を覆う補強層とを備えるものがある。ライナーは、円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端部に設けられた一対のドーム部とを有する。補強層のうちフープ層は、シリンダー部の表面に形成される。

特開２００４−１４４１７２号公報

特許文献１の高圧タンクでは、ライナーにおけるシリンダー部に対してフープ巻きで繊維を巻き付けることによってフープ層が形成されている。しかし、このような高圧タンクでは、ドーム部の曲面形状とフープ層のうちシリンダー部の軸方向における端部とが連続した曲面形状とならない場合があった。このような課題を解決するために、フープ層のうちシリンダー部の軸方向における端部が、ドーム部の曲面形状と連続する曲面形状に形成できる技術が望まれていた。

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、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、円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端部に設けられた一対のドーム部と、を有するライナーにおける前記シリンダー部の外周面に、フープ層を有する補強層を備える高圧タンクの製造方法であって、前記ライナーより剛性が高い円柱形状の部材であるマンドレルの軸方向における両側の端部に、前記マンドレルの端部を囲む突出部であって周方向の一部において前記マンドレルを露出させる開放部を備える突出部をそれぞれ有する一対の端部成型部が配された複合体を準備する準備工程と、前記複合体のうち前記マンドレルを回転させるとともに前記一対の端部成型部を回転させない状態において、前記複合体に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をフープ巻きで巻き付けたのち、巻き付けられた繊維を加熱して硬化させることによってフープ層を形成する第１の形成工程と、前記複合体から前記フープ層を分離する分離工程と、分離された前記フープ層を前記シリンダー部に嵌める嵌合工程と、前記シリンダー部に嵌められた前記フープ層および前記ドーム部に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をヘリカル巻きで巻き付けたのち、巻き付けられた繊維を加熱して硬化させることによってヘリカル層を形成する第２の形成工程と、を備え、前記突出部のうち前記マンドレルと向かい合う面は、前記フープ層が前記シリンダー部に嵌められたと仮定したときに前記ドーム部の曲面形状と連続した曲面形状となるよう形成された曲面である。このような形態とすれば、フープ層の軸方向における両端部の形状を、フープ層がシリンダー部に嵌められたときにドーム部の曲面形状から連続した曲面形状になるように形成できる。

本発明の形態は、高圧タンクの製造方法に限るものではなく、例えば、フープ層を有する高圧タンクの製造装置、などの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

タンクの概略構成を示す断面図である。タンクの製造方法を示す工程図である。複合体を示した説明図である。マンドレルおよび端部成型部を図３における矢視ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。第１の形成工程を終えた後の複合体の状態を示した説明図である。フープ層がシリンダー部に嵌められた状態を示す説明図である。フープ層における端部の周辺を拡大した拡大図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における製造方法によって製造されるタンク１０の概略構成を示す断面図である。図１には、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１に示した軸ＡＸは、Ｘ軸に沿った軸であって、タンク１０の軸中心である。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。ＸＹＺ軸において、矢印の指す方向を＋側、矢印の指す方向と反対方向を−側とする。タンク１０には、例えば、７０ＭＰａ程度の高圧の水素ガスが貯蔵される。タンク１０は、ライナー２０と補強層３０とを備えている。

ライナー２０は、樹脂製の中空ライナーである。ライナー２０は、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂によって形成されている。ライナー２０は、シリンダー部２１とドーム部２２，２３とを備え、ライナー２０の両端部に口金１３，１４が配置される。

シリンダー部２１は、Ｘ軸方向に沿って伸びた円筒形状を有している。ドーム部２２は、シリンダー部２１のＸ軸方向の−側における端部に設けられている。ドーム部２３は、シリンダー部２１のＸ軸方向の＋側における端部に設けられている。ドーム部２２，２３は、ライナー２０の外側に向けて凸となる曲面状に形成されている。

ドーム部２２，２３の頂点には、それぞれ、アルミニウムやステンレス鋼等の金属によって形成された口金１３，１４が設けられている。口金１３は、貫通孔１５を備えており、タンク１０内からのガスの取り出しまたはタンク１０内へのガスの補充に用いられる。口金１４は、ライナー２０の補強ないし補強層３０形成時におけるライナーの回転のために用いられる。口金１４は省略することも可能である。

補強層３０は、ライナー２０の周囲を覆う層であり、ライナー２０を補強するための層である。補強層３０は、フープ層３２とヘリカル層３４とを備えている。

フープ層３２は、ライナー２０におけるシリンダー部２１の外表面を覆う層である。フープ層３２は、複合体１００（図３に図示）に、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をフープ巻きしたものを加熱して硬化させることによって形成される。フープ層３２は、端部３６，３７を備える。

端部３６は、フープ層３２のうちＸ軸方向の−側における端部である。端部３７は、フープ層３２のうちＸ軸方向の＋側における端部である。端部３６，３７は、ドーム部２２，２３の曲面形状と連続した曲面形状となるよう形成されている。ここでいう「連続した曲面形状」とは、フープ層３２がシリンダー部２１に対して製造上の設定された位置に配された場合、ドーム部２２の曲面形状と端部３６の曲面形状、および、ドーム部２３の曲面形状と端部３７の曲面形状、がそれぞれ一体化して角のない滑らかな曲面を形成することができるよう形成された曲面形状のことである。

ヘリカル層３４は、フープ層３２およびドーム部２２，２３の外表面を覆う層である。ヘリカル層３４は、フープ層３２およびドーム部２２，２３に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をヘリカル巻きすることによって構成されている。

図２は、タンク１０の製造方法を示す工程図である。本実施形態の製造方法では、まず、複合体１００を準備する工程が行われる（工程Ｐ１１０）。

図３は、複合体１００を示した説明図である。複合体１００は、フープ層３２を形成するための型となる。複合体１００は、マンドレル１１０と、端部成型部１２０と、端部成型部１３０とを備える。複合体１００において、軸ＡＸは、マンドレル１１０の軸中心であるとともに端部成型部１２０および端部成型部１３０の軸中心でもある。

マンドレル１１０は、ライナー２０より剛性が高い中空の円筒状部材である。ここでいう「剛性」とは、繊維の巻き付けに対する抵抗性のことである。マンドレル１１０は、膨張係数および熱伝導率の高い金属で構成されている。本実施形態では、マンドレル１１０は、アルミニウムから主に構成されている。端部成型部１２０は、マンドレル１１０とともに、フープ層３２のうち端部３６を形成するための型となる部材である。端部成型部１３０は、マンドレル１１０とともに、フープ層３２のうち端部３７を形成するための型となる部材である。マンドレル１１０のＸ軸方向における−側の端部に端部成型部１２０が配されるとともにマンドレル１１０のＸ軸方向における＋側の端部に端部成型部１３０が配されることによって、複合体１００が形成される。

端部成型部１２０は、円柱部１２２と、突出部１２４とを備える。円柱部１２２は、端部成型部１２０のうち円柱形状をした部分である。突出部１２４は、複合体１００を形成している状態において、円柱部１２２からマンドレル１１０のＸ軸方向の−側における端部１１６を囲む形状に突出した部分である。突出部１２４は、複合体１００を形成している状態において、円柱部１２２からＸ軸方向の＋側に向けて突出し、マンドレル１１０のＸ軸方向の−側における端部１１６を囲んでいる。突出部１２４は、開放部１２６を有する。

図４は、マンドレル１１０および端部成型部１２０を図３における矢視ＩＶ−ＩＶから見た断面図である。開放部１２６は、突出部１２４のうち周方向の一部においてマンドレル１１０を露出させるために開放された部分である。換言すれば、開放部１２６は、円柱部１２２のＸ軸方向の＋側における端部の外周からＸ軸方向の＋側に向けて突出している突出部１２４のうち一部を切り欠いた部分のことである。本実施形態では、開放部１２６は、突出部１２４のうちＹ軸方向の−側であって、かつ、Ｚ軸方向における中央寄りの部分を切り欠いた部分である。

端部成型部１３０における円柱部１３２および突出部１３４は、端部成型部１２０における円柱部１２２および突出部１２４と同様に設けられる。突出部１３４は、複合体１００を形成している状態において、円柱部１３２からマンドレル１１０のＸ軸方向の＋側における端部１１８を囲む形状に突出した部分である。本実施形態では、突出部１３４は、複合体１００を形成している状態において、円柱部１３２からＸ軸方向の−側に向けて突出し、マンドレル１１０のＸ軸方向の＋側における端部１１８を囲んでいる。

突出部１３４は、開放部１３６を有する。突出部１３４における開放部１３６は、突出部１２４における開放部１２６と同様に設けられる。開放部１３６は、開放部１２６と同じ方向にマンドレル１１０を露出させるために開放された部分である。

複合体１００を準備（工程Ｐ１１０）した後、フープ層３２が形成される第１の形成工程が行われる（工程Ｐ１２０）。第１の形成工程は、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をフープ巻きでマンドレル１１０に巻き付けたのち、巻き付けられた繊維を加熱して硬化させることによって実行される。熱硬化性樹脂を含浸させた繊維が巻き付けられる位置は、マンドレル１１０の外表面である。本実施形態では、マンドレル１１０は、熱伝導率の高い金属であるアルミニウムから主に構成されているとともに中空形状であることから、繊維を加熱して硬化させる硬化時間を短くすることができる。

第１の形成工程は、複合体１００のうちマンドレル１１０は軸ＡＸを回転軸として回転させるとともに端部成型部１２０および端部成型部１３０は回転させない状態において、複合体１００に繊維が巻き付けられる。複合体１００においてマンドレル１１０が端部成型部１２０および端部成型部１３０と接触している部分のうち外周部分では、巻き付けられる繊維がマンドレル１１０と端部成型部１２０および端部成型部１３０との間に入り込まないようマンドレル１１０と端部成型部１２０および端部成型部１３０とは低摩擦で接触させられている。複合体１００においてマンドレル１１０が端部成型部１２０および端部成型部１３０と接触している部分のうち外周より内側の部分では、マンドレル１１０と端部成型部１２０および端部成型部１３０とは接触させられていない状態である。

マンドレル１１０に巻き付けられる繊維は、図３において、Ｙ軸方向の−側から複合体１００に向けて供給される。複合体１００に巻き付けられる繊維は、複合体１００に対してＸ軸方向に沿って移動させられながら複合体１００に巻き付けられることによって、複合体１００のうちマンドレル１１０の外表面にフープ層３２を形成する。マンドレル１１０のうちフープ層３２における端部３６および端部３７が形成される部分には、開放部１２６および開放部１３６を介して複合体１００に繊維が巻き付けられる。

繊維がマンドレル１１０に巻き付けられる開始点は、マンドレル１１０のうちＸ軸方向の−側における端側（マンドレル１１０が端部成型部１２０と接触している部分の近傍）にあることが好ましい。このような位置を開始点とすれば、マンドレル１１０から見てＸ軸方向の−側に端部成型部１２０が配されていることによって、マンドレル１１０に繊維を巻き付けたときの開始点が、Ｘ軸方向の−側にずれることを防止できる。また、マンドレル１１０に繊維が巻き付けられる開始点は、マンドレル１１０のうちＸ軸方向の＋側における端側（マンドレル１１０が端部成型部１３０と接触している部分の近傍）であってもよい。このような位置を開始点とすれば、マンドレル１１０から見てＸ軸方向の＋側に端部成型部１３０が配されていることによって、マンドレル１１０に繊維を巻き付けたときの開始点が、Ｘ軸方向の＋側にずれることを防止できる。

複合体１００において突出部１２４および突出部１３４のうちマンドレル１１０と向かい合う面は、工程Ｐ１４０の嵌合工程においてフープ層３２がライナー２０におけるシリンダー部２１に嵌められたと仮定したときにライナー２０におけるドーム部２２およびドーム部２３の曲面形状と連続した曲面形状となるよう形成された面である。すなわち、突出部１２４および突出部１３４のうちマンドレルと向かい合う面は、端部３６および端部３７がドーム部２２およびドーム部２３の曲面形状と連続した曲面形状となるよう形成された、端部３６および端部３７における曲面形状の型を成す面である。

複合体１００において突出部１２４および突出部１３４のうちマンドレル１１０と向かい合う面は、マンドレル１１０のＸ軸方向における両端にドーム部２２，２３を配したと仮定したときのドーム部２２，２３の曲面形状と連続した曲面形状を有する端部３６および端部３７を形成するための形をした面であるともいえる。

図５は、第１の形成工程を終えた後の複合体１００の状態を示した説明図である。図５におけるＸ軸方向に沿って伸びた２本の破線は、マンドレル１１０の表面を示す。複合体１００のうちマンドレル１１０の外表面には、フープ層３２が形成されている。

第１の形成工程（図２の工程Ｐ１２０）が行われた後、複合体１００からフープ層３２を分離する分離工程が行われる（工程Ｐ１３０）。分離工程は、複合体１００から端部成型部１２０と端部成型部１３０とのうちいずれか一方を分解された状態において、マンドレル１１０からフープ層３２を引き抜くことによって実行される。尚、第１の形成工程（工程Ｐ１２０）において繊維を加熱して硬化させる際に加熱されて膨張したマンドレル１１０が、分離工程（工程Ｐ１３０）においては、常温になることによって収縮する。本実施形態では、マンドレル１１０は、膨張係数の高い金属であるアルミニウムから主に構成されているため、マンドレル１１０からフープ層３２を引き抜きやすい。

分離工程（工程Ｐ１３０）が行われた後、複合体１００から分離されたフープ層３２をライナー２０におけるシリンダー部２１に嵌める嵌合工程が行われる（工程Ｐ１４０）。

図６は、嵌合工程によってフープ層３２がシリンダー部２１に嵌められた状態を示す説明図である。図６におけるＸ軸方向に沿って伸びた２本の破線は、ライナー２０におけるシリンダー部２１の表面を示す。本実施形態では、シリンダー部２１の外径よりも若干外径の大きいマンドレル１１０を用いてフープ層３２が形成されているため、ライナー２０を容易にフープ層３２内に嵌めることができる。なお、例えば、ライナー２０のシリンダー部２１の外径とフープ層３２の内径とが同程度の場合には、ライナー２０を予め冷却し、収縮させておいてフープ層３２に挿入してもよい。

嵌合工程（工程Ｐ１４０）が行われた後、ヘリカル層３４が形成される第２の形成工程が行われる（工程Ｐ１５０）。第２の形成工程は、シリンダー部２１に嵌められたフープ層３２と、ドーム部２２と、ドーム部２３と、に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をヘリカル巻きで巻き付けたのち、巻き付けられた繊維を加熱して硬化させることによって実行される。第２の形成工程（工程Ｐ１５０）を経て、タンク１０が完成する（図１に図示）。

図７は、完成したタンク１０における断面のうち端部３６の周辺を拡大した拡大図である。端部３６の形状は、ドーム部２２の曲面形状と連続した曲面形状となっている。端部３７についても同様に、ドーム部２３の曲面形状と連続した曲面形状となっている（図１に図示）。本実施形態では、ドーム部２２，２３の曲面形状は、等張力曲線形状である。また、端部３６，３７の形状は、ドーム部２２の曲面形状と端部３６の曲面形状、および、ドーム部２３の曲面形状と端部３７の曲面形状、がそれぞれ一体化した際、等張力曲線形状の曲面となるよう形成された曲面形状である。ここでいう「等張力曲線形状の曲面」とは、タンク１０の内側にガスが供給された際、ドーム部２２，２３およびフープ層３２と、ヘリカル層３４と、の接触面からヘリカル層３４に生じる張力が、ヘリカル層３４全体において等しくなる曲面のことである。

以上説明した実施形態によれば、フープ層３２のＸ軸方向における端部３６および端部３７の形状を、フープ層３２がシリンダー部２１に嵌められたときにドーム部２２およびドーム部２３の曲面形状から連続した曲面形状になるように形成できる。

第１実施形態における製造方法では、樹脂製のライナー２０より剛性が高いマンドレル１１０に繊維を巻き付けることによって形成されたフープ層３２が、ライナー２０に嵌められる。このため、樹脂製のライナーに繊維を巻き付けることによってフープ層を形成する形態の製造方法と比べて、繊維の張力を高めながらフープ巻きを行うことができる。

ライナーに繊維を巻き付けることによってフープ層を形成する形態の製造方法では、ライナーの収縮および膨張によるフープ層の破壊を防ぐことを目的として、ライナーとフープ層との固着を防止する離型剤をライナーの表面に塗布してから繊維を巻き付けてフープ層を形成させるものがある。このような製造方法と比べて、第１実施形態における製造方法では、ライナー２０に対して予め硬化されたフープ層３２が嵌められることから、離型剤を塗布することなくライナーとフープ層との離型性を確保できる。

Ｂ．変形例：
第１実施形態では、複合体１００が形成されている状態において、マンドレル１１０の端部成型部１２０（１３０）側を向いた面と、端部成型部１２０（１３０）のマンドレル１１０側を向いた面とは、それぞれ平面であったが、本発明はこれに限られない。例えば、マンドレル１１０の端部成型部１２０（１３０）側を向いた面と、端部成型部１２０（１３０）のマンドレル１１０側を向いた面とは、一方の面の一部が窪んでいるとともに他方の面の一部が窪みに嵌まる形で突出していてもよい。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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…タンク
１３…口金
１４…口金
１５…貫通孔
２０…ライナー
２１…シリンダー部
２２…ドーム部
２３…ドーム部
３０…補強層
３２…フープ層
３４…ヘリカル層
３６，３７…端部
１００…複合体
１１０…マンドレル
１１６，１１８…端部
１２０…端部成型部
１２２…円柱部
１２４…突出部
１２６…開放部
１３０…端部成型部
１３２…円柱部
１３４…突出部
１３６…開放部
ＡＸ…軸

Claims

円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の軸方向における両端部に設けられた一対のドーム部と、を有するライナーにおける前記シリンダー部の外周面に、フープ層を有する補強層を備える高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナーより剛性が高い円柱形状の部材であるマンドレルの軸方向における両側の端部に、前記マンドレルの端部を囲む突出部であって周方向の一部において前記マンドレルを露出させる開放部を備える突出部をそれぞれ有する一対の端部成型部が配された複合体を準備する準備工程と、
前記複合体のうち前記マンドレルを回転させるとともに前記一対の端部成型部を回転させない状態において、前記複合体に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をフープ巻きで巻き付けたのち、巻き付けられた繊維を加熱して硬化させることによってフープ層を形成する第１の形成工程と、
前記複合体から前記フープ層を分離する分離工程と、
分離された前記フープ層を前記シリンダー部に嵌める嵌合工程と、
前記シリンダー部に嵌められた前記フープ層および前記ドーム部に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をヘリカル巻きで巻き付けたのち、巻き付けられた繊維を加熱して硬化させることによってヘリカル層を形成する第２の形成工程と、を備え、
前記突出部のうち前記マンドレルと向かい合う面は、前記フープ層が前記シリンダー部に嵌められたと仮定したときに前記ドーム部の曲面形状と連続した曲面形状となるよう形成された曲面である、高圧タンクの製造方法。