JP6729472B2 - 繊維構造体、圧力容器、及び繊維構造体の製造方法 - Google Patents

繊維構造体、圧力容器、及び繊維構造体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、繊維構造体、圧力容器、及び繊維構造体の製造方法に関する。
圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、液化天然ガス（ＬＮＧ）等を収容する圧力容器（所謂、高圧タンク）は、一般にスチールやアルミニウム合金等の金属製のため重量が重い。近年、天然ガスを燃料とする自動車が低公害車として注目されており、より低公害のものとして、燃料電池を動力源とする自動車も注目されている。燃料電池の燃料として水素ガスを燃料タンクに収容する自動車もあるが、燃料タンクとなる圧力容器の重量が重く燃費が悪くなる。この不都合を解消するため、ガスバリア性を有するライナ（内殻）を耐圧性の繊維強化複合材層で覆った圧力容器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このような圧力容器において、一般に、ライナは円筒状の胴体部の中心軸線の延びる方向（以下、軸方向とする）の両端側に曲面状のドーム部を有する形状である。圧力容器内には数十ＭＰａの圧力になるようにガスが充填されるが、繊維強化複合材層により、ライナが補強されている。
米国特許第８８５８８５７号特許明細書
ところで、このような圧力容器において、ガスの圧力を受けてライナに発生する内圧応力は、ライナの軸方向が径方向よりも大きく、ライナを軸方向に補強することが重要である。
本発明の目的は、ライナを軸方向に補強できる繊維構造体、圧力容器、及び繊維構造体の製造方法を提供することにある。
上記問題点を解決するための繊維構造体は、円筒状の胴体部と、前記胴体部の軸方向の少なくとも一端に連続するドーム部と、前記胴体部の軸方向に沿って前記ドーム部から突出した形状の口金部と、を備えるライナを有するとともに、前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う織物製の繊維強化基材を有する繊維構造体であって、前記繊維強化基材は、前記ライナの周方向へ糸主軸方向が延びるように前記胴体部及び前記ドーム部に配列された第１の糸と、前記第１の糸と前記織物を形成する第２の糸と、を有し、前記第２の糸は、前記胴体部の軸方向へ糸主軸方向が延びるように配列されるとともに、前記ドーム部に配列された部分の糸主軸方向が前記ドーム部の軸方向へ延びるように配列されていることを要旨とする。
これによれば、第１の糸の糸主軸方向はライナの周方向へ延び、ライナを径方向に補強できる。また、第２の糸の糸主軸方向はライナにおける胴体部及びドーム部の軸方向に延びる。第２の糸の糸主軸方向が、胴体部及びドーム部の軸方向に傾斜して配列される場合よりもライナを軸方向に補強できる。
また、繊維構造体について、前記織物は前記第１の糸が配列された第１の糸層と、前記第２の糸が配列された第２の糸層とを結合糸により結合した多層織物であってもよい。
これによれば、多層織物製の繊維強化基材を備えた繊維構造体においては、圧力容器の製造時に繊維強化基材にマトリックス樹脂を含浸させた際、マトリックス樹脂は結合糸を伝って繊維強化基材の積層方向に含浸される。このため、繊維構造体の積層方向へのマトリックス樹脂の含浸が行いやすく、結果として、繊維強化基材で形成された層の強度も高めることができる。
上記問題点を解決するための圧力容器は、ライナを外側から覆う織物製の繊維強化基材を備える繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させた圧力容器であって、前記繊維構造体が請求項１又は請求項２に記載の繊維構造体であることを要旨とする。
これによれば、第１の糸の糸主軸方向はライナの周方向へ延び、圧力容器の径方向強度を高めることができる。また、第２の糸の糸主軸方向はライナにおける胴体部及びドーム部の軸方向に延びる。第２の糸の糸主軸方向が、胴体部及びドーム部の軸方向に傾斜して配列される場合と比べると、圧力容器を軸方向に補強できる。
上記問題点を解決するための繊維構造体の製造方法は、円筒状の胴体部と、前記胴体部の軸方向の少なくとも一端に連続するドーム部と、前記胴体部の軸方向に沿って前記ドーム部から突出した形状の口金部と、を備えるライナを有するとともに、前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う織物製の繊維強化基材を有し、前記ライナの周方向へ糸主軸方向が延びるように前記胴体部及び前記ドーム部に配列された経糸と、前記経糸と前記織物を形成する緯糸と、を有する繊維構造体の製造方法であって、複数の前記経糸を前記胴体部及び前記ドーム部の軸方向に配列した状態で張設し、前記ライナの軸方向に隣り合う前記経糸の間に形成された開口に、前記ライナの軸方向に沿って前記緯糸を挿入した後、前記緯糸を筬打ち動作で前記ライナに向けて押し込み、前記経糸と前記緯糸の織物を織製し、前記ライナを、該ライナの中心軸線を回転中心として回転させて、製織された前記織物を前記ライナに巻き付けることを要旨とする。
これによれば、経糸の糸主軸方向をライナの周方向へ延ばし、緯糸の糸主軸方向はライナにおける胴体部及びドーム部の軸方向に延ばす状態で織物を製織することができる。また、織物を製織しながらライナに巻き付けていく。このため、例えば、ブレーディングにより筒状の織物を製織した後、その織物を切開し、ライナに巻き付ける場合と比べると、繊維構造体の生産性を高めることができる。また、フィラメントワインディングのように、糸を１本ずつライナに巻き付けて繊維構造体を製造する場合と比べても生産性を高めることができる。
本発明によれば、ライナを軸方向に補強できる。
高圧タンクを模式的に示す断面図。 繊維構造体を模式的に示す正面図。 繊維強化基材を示す拡大図。 （ａ）は胴体部を覆う繊維強化基材を示す拡大断面図、（ｂ）はドーム部を覆う繊維強化基材を示す拡大断面図。 織機による繊維構造体の製造方法を模式的に示す図。 （ａ）は緯糸を緯入れした状態を模式的に示す図、（ｂ）は筬打ち動作後の状態を模式的に示す図、（ｃ）はライナに繊維強化基材を巻き取った状態を模式的に示す図。 別例の高圧タンクを示す部分断面図。
以下、繊維構造体、圧力容器、及び繊維構造体の製造方法を高圧タンクが備える繊維構造体、高圧タンク、及びその製造方法に具体化した一実施形態を図１〜図６に従って説明する。
図１に示すように、圧力容器としての高圧タンク１０は、細長中空状のライナ１２と、ライナ１２の外側を覆う繊維強化基材１９と、を有する繊維構造体２１にマトリックス樹脂Ｍａを含浸させて構成されている。高圧タンク１０は、マトリックス樹脂Ｍａの含浸された繊維強化基材１９よりなる繊維強化複合材層１１によってライナ１２を補強し、高圧タンク１０の耐圧性（機械的強度）を確保している。
ライナ１２は、樹脂製であり、細長中空状である。ライナ１２の中心軸線Ｌの延びる方向を軸方向とする。ライナ１２は、円筒状の胴体部１３を備える。胴体部１３の中心軸線はライナ１２の中心軸線Ｌと一致する。ライナ１２は、胴体部１３の軸方向Ｙ両端にドーム部１４を有する。ドーム部１４の軸方向は、ライナ１２の軸方向と一致する。ライナ１２は、各ドーム部１４から軸方向Ｙに沿って外側に突出した口金部１５を備える。各口金部１５は金属製（例えばステンレス製）である。各口金部１５は、ライナ１２内の空間と連通する孔部１６を備える。ライナ１２の軸方向Ｙ一端側の口金部１５の孔部１６にはバルブ１７が装着され、ライナ１２の軸方向Ｙ他端側の口金部１５の孔部１６には螺子１８が螺合されている。
繊維強化基材１９は、この実施形態では炭素繊維を強化繊維として備える。なお、強化繊維は炭素繊維に限らず、ガラス繊維や炭化ケイ素系セラミック繊維やアラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の一般に高弾性・高強度といわれるその他の繊維を使用してもよい。
図２又は図３に示すように、繊維強化基材１９は、第１の糸としての複数本の経糸２２と、第２の糸としての複数本の緯糸２３とを平織りして製織された織物２４を積層した構造である。経糸２２と緯糸２３は互いに直交して配列されている。複数本の経糸２２は、ライナ１２の軸方向Ｙへ互いに平行な状態で胴体部１３及び各ドーム部１４に配列されている。各経糸２２の糸主軸方向Ｘ１は、胴体部１３及びドーム部１４においてライナ１２の周方向Ｚへ直線的に延びている。また、経糸２２の糸主軸方向Ｘ１に対し、ライナ１２の径方向が直交している。
複数本の緯糸２３は、ライナ１２の周方向Ｚへ互いに平行な状態で配列されている。各緯糸２３において、胴体部１３の外周面に沿って、ライナ１２の軸方向へ直線的に延びる部分が胴体用糸部２３ａとなる。各緯糸２３において、ドーム部１４の外周面に沿って、ライナ１２の軸方向へ延びる部分がドーム部用糸部２３ｂとなる。ドーム部用糸部２３ｂは、ライナ１２の軸方向に沿って胴体用糸部２３ａの両端に連続する。緯糸２３において、ドーム部用糸部２３ｂの糸主軸方向Ｘ２は、ライナ１２の軸方向へ延びる一方、ドーム部１４の曲面に沿って湾曲している。また、緯糸２３において、胴体用糸部２３ａの糸主軸方向Ｘ２は、ライナ１２における胴体部１３の軸方向へ延びる。
経糸２２と緯糸２３は直交して配列され、経糸２２の糸主軸方向Ｘ１の延びる方向をライナ１２の周方向に一致させることで、ライナ１２の径方向を補強し、緯糸２３の糸主軸方向Ｘ２をライナ１２の軸方向に一致させることで、ライナ１２の軸方向を補強している。
図４（ａ）に示すように、胴体部１３では、緯糸２３が扁平状であり、厚みが薄く、幅広な形状である。図４（ｂ）に示すように、ドーム部１４では、緯糸２３は、胴体用糸部２３ａよりも厚みが厚く、幅狭な形状であり、胴体部１３から口金部１５に向かってドーム部１４が縮径するほど、緯糸２３の厚みが厚く、幅狭になっている。一方、経糸２２は、胴体部１３及びドーム部１４で厚み及び幅は同じである。繊維構造体２１において、ライナ１２の周方向への緯糸２３の本数は胴体部１３とドーム部１４とで同じである。
次に、高圧タンク１０の製造方法を説明する。
高圧タンク１０を製造する際は、経糸２２と緯糸２３を平織りしつつ、製職された織物２４をライナ１２に巻き付けていく。
図５に示すように、織物２４の製織は、例えば、経糸２２のうち、上下に分かれて配列された経糸２２ａ，２２ｂの開口を行う２枚の綜絖枠３１ａ，３１ｂを備えた平織織機で行う。平織織機は、一方の経糸２２ａを供給する経糸ビーム３２と、他方の経糸２２ｂを供給する経糸ビーム３３とが上下に配置された構造を有する。一方の経糸ビーム３２から送り出される経糸２２ａは一方の綜絖枠３１ａにより開口動作が行われ、他方の経糸ビーム３３から送り出される経糸２２ｂは他方の綜絖枠３１ｂにより開口動作が行われるようになっている。なお、綜絖枠３１ａ，３１ｂの目は図において黒丸で示されている。筬３４は綜絖枠３１ａ，３１ｂと織り前３５との間に配置されている。緯糸２３は経糸２２ａ，２２ｂの開口に対して緯入れ機構（図示せず）により緯入れ（挿入）されるようになっている。経糸２２ａ，２２ｂの送り出し方向において、織り前３５よりも先にはライナ１２が回転可能に支持されている。ライナ１２は、中心軸線Ｌを回転中心として回転する。
上記の平織織機で繊維強化基材１９を製織する場合、図６（ａ）に示すように、経糸ビーム３２，３３から引き出された複数本の経糸２２ａ，２２ｂの端部をライナ１２の外周面に、例えば粘着テープ製の固定部材３６によって固定する。経糸２２ａ，２２ｂは、ライナ１２の軸方向Ｙに沿って胴体部１３及びドーム部１４に配列される。
ライナ１２を回転させない状態で、綜絖枠３１ａ，３１ｂを交互に上下方向に移動させることにより、一方の綜絖枠３１ａと、他方の綜絖枠３１ｂとが逆方向に移動される。そして、経糸２２ａ，２２ｂは隣接するもの同士で交互に上下に開き、その都度形成される経糸開口３７に対して、緯糸２３が緯入れ（挿入）される。緯入れされる緯糸２３は扁平状である。
そして、緯糸２３が緯入れされて、筬３４の筬打ち動作が行われ、綜絖枠３１ａ，３１ｂが逆方向に移動されて開口状態が変更されて、次の緯入れ動作が行われる。これらの動作が繰り返されて経糸２２と緯糸２３とが平織された織物２４の一部が製織されるとともに、ライナ１２に織物２４の一部が一体化された状態が形成される。
図６（ｂ）に示すように、緯糸２３は筬３４の筬打ち動作により固定部材３６に向けて送り込まれる。筬３４は、ライナ１２の軸方向へ直線状に延びる部材である。このため、緯糸２３が筬打ち動作されたとき、ドーム部１４は胴体部１３と比べて直径が小さいことから、ドーム部１４に配列される緯糸２３は、胴体部１３に配列された部分より押し潰され、厚みが厚くなるように変形する。その結果、直径の異なる胴体部１３とドーム部１４であっても、緯糸２３の変形により、緯糸２３は互いに平行な状態でライナ１２の周方向に配列されていく。
その後、図６（ｃ）に示すように、ライナ１２を中心軸線Ｌを回転中心に回転させて織物２４をライナ１２に巻き取らせつつ、続けて、上記と同様に織物２４の製織を行う。その結果、ドーム部１４及び胴体部１３の全体を覆う状態で織物２４がライナ１２に巻き付けられていく。そして、織物２４が所要する積層数となるまで巻き付けられることで、ライナ１２の外周面に繊維強化基材１９を備える繊維構造体２１が製造される。
上記のように構成された繊維構造体２１は、マトリックス樹脂Ｍａを含浸硬化させることにより、繊維強化基材１９から繊維強化複合材層１１が形成され、ライナ１２の外側が繊維強化複合材層１１で覆われた高圧タンク１０が製造される。マトリックス樹脂Ｍａの含浸硬化は、例えば、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行なわれる。
次に、高圧タンク１０の作用を説明する。
高圧タンク１０は、例えば燃料電池自動車の燃料電池の水素源として使用される。高圧タンク１０は図示しない配管がバルブ１７に連結された状態で使用され、水素ガスの充填時には充填用の配管から水素ガスが高圧タンク１０に充填される。高圧タンク１０内には例えば数十ＭＰａの圧力になるように水素ガスが充填される。
高圧タンク１０に水素ガスが充填されると高圧タンク１０内の圧力が高くなり、ライナ１２が内側から押圧される。ライナ１２には軸方向Ｙ及び径方向への力が大きく作用し、内圧応力が発生する。この実施形態では、緯糸２３により、ライナ１２は軸方向へ補強され、経糸２２により、ライナ１２は径方向に補強されており、高圧タンク１０の変形が抑止される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）高圧タンク１０を構成する繊維構造体２１において、緯糸２３の糸主軸方向Ｘ２が胴体部１３及びドーム部１４の軸方向Ｙへ延びる。このため、緯糸２３によりライナ１２を軸方向に補強できる。
（２）緯糸２３の糸主軸方向Ｘ２は、ライナ１２のドーム部１４の曲面に沿って軸方向Ｙへ延びる。このため、ドーム部１４で緯糸２３が軸方向Ｙに対し傾斜することがなく、ドーム部１４であっても軸方向に補強できる。
（３）筬打ち動作により、緯入れされた緯糸２３を先に緯入れされた緯糸２３に向けて送り込むことで、ライナ１２の周方向に沿って緯糸２３を密接させた状態に配列することができる。胴体部１３より小径のドーム部１４では筬打ち動作により緯糸２３を押し潰すことで、ドーム部１４であっても緯糸２３を平行に配列でき、皺の発生を抑制できる。このため、胴体部１３とドーム部１４とで緯糸２３の密度を同じにできるとともに、ドーム部１４のような曲面部であっても繊維構造体２１に皺ができることを抑制できる。
（４）ライナ１２の外側に繊維強化基材１９を備える繊維構造体２１を製造する方法として、フィラメントワインディングがある。しかし、この方法では、糸を１本ずつライナ１２に巻いていくため、生産性が低い。本実施形態では、経糸２２と緯糸２３で織物２４を製織しつつ、織物２４をライナ１２に巻き付けていくため、フィラメントワインディングと比べると、生産性を高めることができる。
また、ライナ１２の外周面に繊維強化基材１９を備える繊維構造体２１を製造する方法として、ブレーディングによりライナ１２の形状に合わせて筒状に製織された織物を製造し、その織物を切開して平板状とした後、ライナ１２に巻き付ける方法がある。これに対し、本実施形態では、経糸２２と緯糸２３で繊維強化基材１９を製織しながら、繊維強化基材１９をライナ１２に巻き付けていくため、織物を製織する工程、織物を切開する工程、及び織物を貼り付ける工程を必要とせず、ブレーディングを用いた場合と比べると生産性を高めることができる。また、本実施形態では、緯糸２３の糸主軸方向Ｘ２をライナ１２の軸方向へ延ばすことができ、ライナ１２を軸方向に補強できる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図７に示すように、繊維強化基材４０は多層織りによって製織された多層織物であってもよい。繊維強化基材４０は、経糸２２が互いに平行に配列された経糸層４１，４２と、緯糸２３が互いに平行に配列された緯糸層４３と、経糸層４１，４２と、緯糸層４３とを積層方向に結合する結合糸４５と、を備える。結合糸４５は、経糸層４１を構成する経糸２２の外面で折り返され、積層方向に貫通した後、経糸層４２を構成する経糸２２の外面で折り返されている。
このような繊維強化基材４０を備えた繊維構造体４６においては、マトリックス樹脂（図示せず）を含浸させた際、マトリックス樹脂は結合糸４５を伝って繊維強化基材４０の積層方向に含浸される。このため、繊維構造体４６の積層方向への強度も高めることができる。なお、経糸層及び緯糸層の数は適宜変更してもよい。
○ 実施形態では、繊維強化基材１９は、平織りして製織された織物２４を積層して構成したが、これに限らない。例えば、繊維強化基材１９は、第１の糸としての複数本の経糸２２と、第２の糸としての複数本の緯糸２３とを朱子織り又は綾織りして製織された織物を積層した構造であってもよい。
○ 実施形態では、第１の糸を経糸２２とし、第２の糸を緯糸２３としたが、第１の糸を緯糸２３とし、第２の糸を経糸２２としてもよい。
○ ライナ１２は、胴体部１３の軸方向Ｙの一端側にドーム部１４が連続し、胴体部１３の軸方向Ｙの他端側には平坦面な底壁が連続した形状であってもよい。この場合、口金部１５はドーム部１４の存在する軸方向Ｙ一端側のみに存在する。
○ ライナ１２全体をアルミニウム製とする代わりにアルミニウム合金製としたり、口金部１５の材質をステンレスとは異なる金属で形成したりしてもよい。
○ ライナ１２は、別体である胴体部１３とドーム部１４とを溶接して一体化したものでもよい。
○ 高圧タンク１０は燃料電池搭載電気自動車の水素源として搭載されて使用するものに限らず、例えば、水素エンジンの水素源やヒートポンプ等に適用してもよい。また、家庭用電源の燃料電池の水素源として使用してもよい。
○ 圧力容器として水素を貯蔵する高圧タンクに限らず、例えば窒素、圧縮天然ガス等の他のガスを貯蔵す圧力容器に適用してもよい。
Ｌ…中心軸線、Ｙ…軸方向、Ｚ…周方向、Ｍａ…マトリックス樹脂、Ｘ１，Ｘ２…糸主軸方向、１０…圧力容器としての高圧タンク、１２…ライナ、１３…胴体部、１４…ドーム部、１５…口金部、１９，４０…繊維強化基材、２１，４６…繊維構造体、２２…第１の糸としての経糸、２３…第２の糸としての緯糸、２４…織物、４１，４２…第１の糸層としての経糸層、４３…第２の糸層としての緯糸層、４５…結合糸。

Claims (4)

  1. 円筒状の胴体部と、
    前記胴体部の軸方向の少なくとも一端に連続するドーム部と、
    前記胴体部の軸方向に沿って前記ドーム部から突出した形状の口金部と、を備えるライナを有するとともに、
    前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う織物製の繊維強化基材を有する繊維構造体であって、
    前記繊維強化基材は、前記ライナの周方向へ糸主軸方向が延びるように前記胴体部及び前記ドーム部に配列された第１の糸と、
    前記第１の糸と前記織物を形成する第２の糸と、を有し、
    前記第２の糸は、前記胴体部の軸方向へ糸主軸方向が延びるように配列されるとともに、前記ドーム部に配列された部分の糸主軸方向が前記ドーム部の軸方向へ延びるように配列されていることを特徴とする繊維構造体。
  2. 前記織物は前記第１の糸が配列された第１の糸層と、前記第２の糸が配列された第２の糸層とを結合糸により結合した多層織物である請求項１に記載の繊維構造体。
  3. ライナを外側から覆う織物製の繊維強化基材を備える繊維構造体にマトリックス樹脂を含浸させた圧力容器であって、
    前記繊維構造体が請求項１又は請求項２に記載の繊維構造体であることを特徴とする圧力容器。
  4. 円筒状の胴体部と、
    前記胴体部の軸方向の少なくとも一端に連続するドーム部と、
    前記胴体部の軸方向に沿って前記ドーム部から突出した形状の口金部と、を備えるライナを有するとともに、
    前記ライナにおける前記胴体部及び前記ドーム部を外側から覆う織物製の繊維強化基材を有し、前記ライナの周方向へ糸主軸方向が延びるように前記胴体部及び前記ドーム部に配列された経糸と、
    前記経糸と前記織物を形成する緯糸と、を有する繊維構造体の製造方法であって、
    複数の前記経糸を前記胴体部及び前記ドーム部の軸方向に配列した状態で張設し、前記ライナの軸方向に隣り合う前記経糸の間に形成された開口に、前記ライナの軸方向に沿って前記緯糸を挿入した後、前記緯糸を筬打ち動作で前記ライナに向けて押し込み、前記経糸と前記緯糸の織物を織製し、前記ライナを、該ライナの中心軸線を回転中心として回転させて、製織された前記織物を前記ライナに巻き付けることを特徴とする繊維構造体の製造方法。
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