JP6790997B2 - How to manufacture high pressure tank - Google Patents
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Description
本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a high pressure tank.
高圧タンクとして、タンクの基材であるライナの外周面に繊維強化樹脂層を形成した高圧タンクが知られている。特許文献1には、繊維強化樹脂層の形成方法として、樹脂を含浸させた繊維をライナに巻き付けた後に硬化させる、フィラメントワインディング(Filament Winding)法(以下、「FW法」とも呼ぶ)に加えて、いわゆるRTM(Resin Transfer Molding)法が記載されている。RTM法を用いて高圧タンクを製造する場合、ライナの外周面に繊維を巻回して繊維層を形成した後、繊維層に樹脂を含浸させることにより、繊維強化樹脂層が形成される。 As a high-pressure tank, a high-pressure tank in which a fiber-reinforced resin layer is formed on the outer peripheral surface of a liner which is a base material of the tank is known. Patent Document 1 describes, as a method for forming a fiber-reinforced resin layer, in addition to a filament winding method (hereinafter, also referred to as "FW method") in which a fiber impregnated with a resin is wound around a liner and then cured. , The so-called RTM (Resin Transfer Molding) method is described. When a high-pressure tank is manufactured using the RTM method, a fiber-reinforced resin layer is formed by winding fibers around the outer peripheral surface of a liner to form a fiber layer and then impregnating the fiber layer with a resin.
高圧タンクの繊維強化樹脂層は、強度確保のために所定以上の厚みを有する必要がある。しかしながら、RTM法では、所定以上の厚みとなるようにライナに繊維を巻き付けて繊維層を形成すると、かかる厚い繊維層の全体に亘るように樹脂を含浸させることが困難であった。このため、繊維層の全体への樹脂の含浸性を向上させる技術が望まれていた。 The fiber-reinforced resin layer of the high-pressure tank needs to have a predetermined thickness or more in order to secure the strength. However, in the RTM method, when fibers are wound around a liner to form a fiber layer so as to have a thickness of a predetermined value or more, it is difficult to impregnate the resin over the entire thick fiber layer. Therefore, a technique for improving the impregnation property of the resin into the entire fiber layer has been desired.
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。
[形態1]
高圧タンクの製造方法であって、前記高圧タンクの基材であるライナに繊維部材を巻回して、前記ライナの外周面に繊維層を形成する繊維層形成工程と、前記繊維層が形成された前記ライナを、樹脂硬化用の型の内部に配置し、樹脂を前記繊維層に含浸させる樹脂含浸工程と、前記樹脂含浸工程の後、前記樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、を備え、前記繊維層形成工程は、フープ巻きにより単数または複数のフープ層を形成するフープ層形成工程と、ヘリカル巻きにより単数または複数のヘリカル層を形成するヘリカル層形成工程と、を有し、前記フープ層形成工程では、前記単数または複数のフープ層の各々において、前記繊維部材は、前記繊維部材が巻回される空間の体積に対する前記繊維部材の体積の割合が、50%以上98%以下となるように巻回され、前記ヘリカル層形成工程では、前記単数または複数のヘリカル層の各々において、前記繊維部材は、前記割合が50%以上98%以下となるように巻回され、前記単数または複数のフープ層における前記割合の平均値は、前記単数または複数のヘリカル層における前記割合の平均値よりも高く、前記ヘリカル層形成工程は、前記繊維層の最内層として前記ヘリカル層を形成する工程を含み、前記最内層として前記ヘリカル層を形成する工程では、前記繊維部材は、前記割合が50%以上80%以下となるように巻回される、高圧タンクの製造方法。
The present invention has been made to solve at least a part of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
[Form 1]
A method for manufacturing a high-pressure tank, wherein a fiber member is wound around a liner which is a base material of the high-pressure tank to form a fiber layer on the outer peripheral surface of the liner, and the fiber layer is formed. The fiber is provided with a resin impregnation step of arranging the liner inside a mold for curing the resin and impregnating the fiber layer with the resin, and a resin curing step of curing the resin after the resin impregnation step. The layer forming step includes a hoop layer forming step of forming a single or a plurality of hoop layers by hoop winding and a helical layer forming step of forming a single or a plurality of helical layers by helical winding, and the hoop layer forming step. Then, in each of the single or a plurality of hoop layers, the fiber member is wound so that the ratio of the volume of the fiber member to the volume of the space around which the fiber member is wound is 50% or more and 98% or less. In the helical layer forming step, the fiber member is wound so that the ratio is 50% or more and 98% or less in each of the single or plurality of helical layers, and the single or plurality of hoop layers are rotated. The average value of the ratio in the above is higher than the average value of the ratio in the single or a plurality of helical layers, and the helical layer forming step includes a step of forming the helical layer as the innermost layer of the fiber layer. A method for manufacturing a high-pressure tank, in which in the step of forming the helical layer as the innermost layer, the fiber member is wound so that the ratio is 50% or more and 80% or less.
本発明の一実施形態によれば、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、前記高圧タンクの基材であるライナに繊維部材を巻回して、前記ライナの外周面に繊維層を形成する繊維層形成工程と;前記繊維層が形成された前記ライナを、樹脂硬化用の型の内部に配置し、樹脂を前記繊維層に含浸させる樹脂含浸工程と;前記樹脂含浸工程の後、前記樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と;を備え;前記繊維層形成工程は、フープ巻きにより単数または複数のフープ層を形成するフープ層形成工程と、ヘリカル巻きにより単数または複数のヘリカル層を形成するヘリカル層形成工程と、を有し;前記フープ層形成工程では、前記単数または複数のフープ層の各々において、前記繊維部材は、前記繊維部材が巻回される空間の体積に対する前記繊維部材の体積の割合が、50%以上98%以下となるように巻回され;前記ヘリカル層形成工程では、前記単数または複数のヘリカル層の各々において、前記繊維部材は、前記割合が50%以上98%以下となるように巻回され;前記単数または複数のフープ層における前記割合の平均値は、前記単数または複数のヘリカル層における前記割合の平均値よりも高い。この形態の高圧タンクの製造方法によれば、フープ層およびヘリカル層の各々の層において、繊維部材は、繊維部材が巻回される空間の体積に対する繊維部材の体積の割合が、50%以上98%以下となるように巻回される。このため、繊維層の内部に隙間が形成されるので、樹脂含浸工程において、かかる隙間に樹脂が入り込みやすい。したがって、繊維層の全体への樹脂の含浸性を向上できる。また、フープ層における前記割合の平均値は、ヘリカル層における前記割合の平均値よりも高いので、高圧タンクの強度に対する寄与率の高いフープ層を、ヘリカル層よりも密に構成することができ、高圧タンクの強度低下を抑制できる。 According to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing a high pressure tank is provided. The method for manufacturing the high-pressure tank includes a fiber layer forming step in which a fiber member is wound around a liner which is a base material of the high-pressure tank to form a fiber layer on the outer peripheral surface of the liner; the fiber layer is formed. A liner is arranged inside a mold for curing a resin, and a resin impregnation step of impregnating the fiber layer with the resin; and a resin curing step of curing the resin after the resin impregnation step; The forming step includes a hoop layer forming step of forming a single or a plurality of hoop layers by hoop winding and a helical layer forming step of forming a single or a plurality of helical layers by helical winding; in the hoop layer forming step. In each of the single or plurality of hoop layers, the fiber member is wound so that the ratio of the volume of the fiber member to the volume of the space around which the fiber member is wound is 50% or more and 98% or less. In the helical layer forming step, in each of the single or plural helical layers, the fiber member is wound so that the proportion is 50% or more and 98% or less; in the single or plural hoop layers. The average value of the proportions is higher than the average value of the proportions in the singular or plural helical layers. According to the method for manufacturing a high-pressure tank of this form, in each of the hoop layer and the helical layer, the ratio of the volume of the fiber member to the volume of the space around which the fiber member is wound is 50% or more 98. It is wound so that it is less than%. Therefore, since a gap is formed inside the fiber layer, the resin easily enters the gap in the resin impregnation step. Therefore, the impregnation property of the resin into the entire fiber layer can be improved. Further, since the average value of the ratio in the hoop layer is higher than the average value of the ratio in the helical layer, the hoop layer having a high contribution rate to the strength of the high-pressure tank can be formed more densely than the helical layer. It is possible to suppress a decrease in the strength of the high-pressure tank.
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、高圧タンク、高圧タンクを搭載した燃料電池システム、上記製造方法を工程の一部に含む燃料電池車両の製造方法などの形態で実現することができる。 The present invention can also be realized in various forms. For example, it can be realized in the form of a high-pressure tank, a fuel cell system equipped with a high-pressure tank, a method for manufacturing a fuel cell vehicle including the above manufacturing method as a part of a process, and the like.
A.実施形態:
A−1.高圧タンクの構成:
図1は、本発明の一実施形態としての高圧タンクの製造方法により製造される高圧タンクの構成を示す断面図である。高圧タンク10は、燃料電池システムにおいて、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵するために用いられる。なお、高圧タンク10は、水素ガス以外の高圧流体を貯蔵するために用いられてもよい。図1では、高圧タンク10の軸線CXを含む断面を表している。高圧タンク10は、ライナ20と、2つの口金90と、繊維強化樹脂層30とを備える。
A. Embodiment:
A-1. High pressure tank configuration:
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a high-pressure tank manufactured by the method for manufacturing a high-pressure tank according to an embodiment of the present invention. The
ライナ20は、中空状の基材であり、本実施形態では、ポリエチレンにより形成される。なお、ポリエチレンに代えて、ポリアミド、エチレンビニルアルコール共重合体などの他の樹脂材料により形成されてもよく、樹脂に代えて、アルミニウムなどの金属材料により形成されてもよい。ライナ20は、円筒部21と、2つのドーム部22とを備える。円筒部21は、円筒状の外観形状を有する。2つのドーム部22は、円筒部21の両端に連なり、それぞれドーム状の外観形状を有する。なお、ライナ20の軸線は、高圧タンク10の軸線CXと一致する。
The
2つの口金90は、2つのドーム部22の頂部に、それぞれ取り付けられている。口金90は、略筒状の外観形状を有し、配管やバルブの取り付けのために用いられる。
The two
繊維強化樹脂層30は、ライナ20の外表面全体を覆うように形成されている。繊維強化樹脂層30は、耐圧性を有し、ライナ20の強度を高める機能を有する。繊維強化樹脂層30は、繊維樹脂層40と、樹脂層80とを備える。
The fiber reinforced
繊維樹脂層40は、後述する繊維層50に樹脂を含浸硬化させた構造を有する。繊維樹脂層40の形成方法については、後述する高圧タンク10の製造方法において、詳細に説明する。繊維層50は、炭素繊維が幾重にも巻き付けられ、かかる繊維からなる層が複数積層された構造を有する。本実施形態の繊維層50は、複数のフープ層60と複数のヘリカル層70とからなる。
The fiber resin layer 40 has a structure in which the
図2は、フープ層60の構成を模式的に示す説明図である。フープ層60は、ライナ20の円筒部21の外周面を覆う。フープ層60は、フープ巻きにより巻き付けられた炭素繊維51からなる層が、複数積層されて形成されている。フープ巻きとは、炭素繊維51を軸線CXに略直交する巻角度で、所定の巻き付け張力にて円筒部21に巻き付けつつ、軸線CXと平行に巻き付け位置をずらしていく巻き付け方法を意味する。本実施形態において、フープ層60は、一定の隙間G1を設けながら炭素繊維51が巻き付けられて形成される。かかる隙間G1については、後述する高圧タンク10の製造方法において、詳細に説明する。
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the
図3は、ヘリカル層70の構成を模式的に示す説明図である。ヘリカル層70は、ライナ20の円筒部21の外周面と、ドーム部22の外周面とを覆う。ヘリカル層70は、ヘリカル巻きにより巻き付けられた炭素繊維51からなる層が、複数積層されて形成されている。ヘリカル巻きとは、0°よりも大きく90°よりも小さい巻角度で、軸線CXに沿った巻き付け方向でライナ20全体に螺旋状に巻き付けつつ、ドーム部22において巻き付け方向を折り返し、再び0°よりも大きく90°よりも小さい巻角度で螺旋状にライナ20全体に巻き付ける方法を意味する。本実施形態において、ヘリカル層70は、一定の隙間G2を設けながら炭素繊維51が巻き付けられて形成される。かかる隙間G2については、後述する高圧タンク10の製造方法において、詳細に説明する。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the
炭素繊維51は、直径が数μm(マイクロメートル)程度の単繊維を多数束ねて構成されている。本実施形態では、炭素繊維51として、ポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維を用いる。なお、PAN系炭素繊維に代えて、レーヨン系炭素繊維やピッチ系炭素繊維など、他の任意の炭素繊維51を用いてもよい。
The
本実施形態において、高圧タンク10の厚み方向における繊維層50の厚みは、20mmに設定されている。なお、一般に、繊維層50において、高圧タンク10の強度に対する寄与率は、ヘリカル層70よりもフープ層60の方が高い。
In the present embodiment, the thickness of the
図1に示す樹脂層80は、熱硬化性樹脂で構成され、繊維樹脂層40の外表面全体を覆っている。本実施形態の樹脂層80は、エポキシ樹脂により構成されている。なお、エポキシ樹脂に代えて、ポリエステル樹脂や、ポリアミド樹脂など、熱硬化性を有する他の任意の樹脂により構成されてもよい。
The
本実施形態において、炭素繊維51は、課題を解決するための手段における繊維部材の下位概念に相当する。
In the present embodiment, the
A−2.高圧タンクの製造方法:
図4は、高圧タンク10の製造方法を示す工程図である。本実施形態の高圧タンク10は、RTM法により製造される。まず、ライナ20および炭素繊維51が準備される(工程S105)。なお、ライナ20には、予め2つの口金90が取り付けられている。工程S105の後に、繊維層形成工程が実行される(工程S110)。
A-2. High-pressure tank manufacturing method:
FIG. 4 is a process diagram showing a method for manufacturing the
図5は、繊維層形成工程の詳細手順を示す工程図である。上述のように、本実施形態の繊維層50は、複数のフープ層60と複数のヘリカル層70とからなる。このため、繊維層形成工程では、フープ層60とヘリカル層70とが、それぞれ複数形成される。フープ層60およびヘリカル層70は、所定のカバー率となるように炭素繊維51が巻回されることにより形成される。
FIG. 5 is a process diagram showing a detailed procedure of the fiber layer forming process. As described above, the
カバー率とは、炭素繊維51が巻回される空間の体積に対する、炭素繊維51の体積の割合を意味する。例えば、隙間なく炭素繊維51が巻かれた場合のカバー率は、100%である。本実施形態において、カバー率は、軸線CXを含む断面であって炭素繊維51の積層方向に複数の層を含む断面における、炭素繊維51の占める割合から算出される。なお、かかる断面としては、図1に示すドーム部22における断面ではなく、円筒部21における断面を用いる。この理由は、炭素繊維51の並び方が、円筒部21の方がドーム部22よりも単純であるため、カバー率を算出しやすいからである。かかる断面において、巻回された炭素繊維51の幅をWとし、隣り合う炭素繊維51間の幅(隙間G1,G2の幅)をWGとすると、カバー率は、例えば、以下の式(1)で表すことができる。
カバー率(%)=100×W/(W+WG)・・・(1)
The coverage ratio means the ratio of the volume of the
Coverage (%) = 100 x W / (W + WG) ... (1)
カバー率の調整は、例えば、隙間G1の幅および隙間G2の幅を変更することにより実現できる。各フープ層60および各ヘリカル層70におけるカバー率の値は、予め設定されている。
The coverage ratio can be adjusted, for example, by changing the width of the gap G1 and the width of the gap G2. The value of the coverage ratio in each
繊維層形成工程では、最初に、カバー率が50%以上98%以下となるように炭素繊維51がヘリカル巻きされることにより、ヘリカル層70が形成される(工程S205)。
In the fiber layer forming step, the
図3に示すように、ヘリカル層70は、ライナ20の外周面に、一定の隙間G2を設けながら炭素繊維51が巻回されることにより形成される。本実施形態において、繊維層形成工程で最初に形成されるヘリカル層70では、炭素繊維51の幅と同じ大きさの隙間G1を設けながら炭素繊維51が巻回されている。換言すると、最内層のヘリカル層70は、カバー率が50%となるように形成されている。
As shown in FIG. 3, the
図5に示す工程S205が実行された後、カバー率が50%以上98%以下となるように炭素繊維51がフープ巻きされることにより、フープ層60が形成される(工程S210)。
After the step S205 shown in FIG. 5 is executed, the
図2に示すように、フープ層60は、ライナ20の円筒部21の外周面に、一定の隙間G1を設けながら炭素繊維51が巻回されることにより形成される。本実施形態において、フープ層60は、カバー率が95%となるように、炭素繊維51が巻回されて形成される。
As shown in FIG. 2, the
図5に示す工程S210が実行された後、所定層数のヘリカル層70およびフープ層60が形成されたか否かが判定される(工程S215)。所定層数のヘリカル層70およびフープ層60が形成されていないと判定された場合(工程S215:NO)、上述の工程S205に戻る。したがって、その後、前回の工程S205および工程S210により形成されたヘリカル層70およびフープ層60の上に、さらにヘリカル層70およびフープ層60が積層される。これにより、複数のヘリカル層70と複数のフープ層60とを有する繊維層50が形成される。本実施形態において、最内層以外の各ヘリカル層70は、それぞれカバー率が90%となるように、炭素繊維51が巻回されて形成される。
After the step S210 shown in FIG. 5 is executed, it is determined whether or not a predetermined number of
工程S215において、所定層数のヘリカル層70およびフープ層60が形成されたと判定された場合(工程S215:YES)、繊維層形成工程が完了する。
When it is determined in step S215 that a predetermined number of
本実施形態の繊維層形成工程において、繊維層50は、フープ層60におけるカバー率の平均値が、ヘリカル層70におけるカバー率の平均値よりも高くなるように形成される。フープ層60におけるカバー率の平均値は、各フープ層60のカバー率の総和を、フープ層60の層数で割ることにより算出される。同様に、ヘリカル層70におけるカバー率の平均値は、各ヘリカル層70のカバー率の総和を、ヘリカル層70の層数で割ることにより算出される。
In the fiber layer forming step of the present embodiment, the
図4に示すように、繊維層形成工程(工程S110)の完了後、繊維層50が形成されたライナ20が、RTM型300の内部に配置される(工程S115)。
As shown in FIG. 4, after the fiber layer forming step (step S110) is completed, the
図6は、工程S115が実行された後の状態を説明するための断面模式図である。図6では、図1と同様に、高圧タンク10とライナ20との軸線CXを含む断面を表している。図6では、RTM型300のうち、高圧タンク10と隣接する部分の断面のみを図示している。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a state after the step S115 is executed. FIG. 6 shows a cross section including the axis CX of the
RTM型300は、図示しない上型と下型とを備え、樹脂注入口320が形成されている。かかる上型と下型とが組み合わされることにより、RTM型300の内部には、空隙のキャビティ310が形成されている。キャビティ310は、繊維層50が形成されたライナ20を収容できる形状および大きさに設計されている。本実施形態において、キャビティ310は、繊維層50が形成されたライナ20よりも、僅かに大きく形成されている。より具体的には、繊維層50が形成されたライナ20がキャビティ310に配置される場合に、RTM型300と、繊維層50が形成されたライナ20との間の全体に亘って、1mmの隙間G3が空くように形成されている。
The
図4に示す工程S115の後、RTM型300が昇温され、図示しない真空吸引口から真空引きされる(工程S120)。かかる昇温の際の温度は、後の工程で使用する樹脂の硬化温度、例えば約160℃を満たすように設定される。
After step S115 shown in FIG. 4, the temperature of the
工程S120の後に、樹脂注入口320からキャビティ310に樹脂が注入され、繊維層50に樹脂が含浸される(工程S125)。より具体的には、樹脂注入口320から注入された樹脂は、図6に示す隙間G3を通って、繊維層50の外表面全体を覆うように流動する。さらに、隙間G3を通った樹脂は、フープ層60の隙間G1およびヘリカル層70の隙間G2を通って、高圧タンク10の厚み方向に流動することにより、繊維層50に含浸される。
After the step S120, the resin is injected into the
工程S125の後に、樹脂が硬化される(工程S130)。樹脂の硬化時間は、使用する熱硬化性樹脂の硬化時間(ポットライフ)に基づいて設定される。本実施形態において、樹脂の硬化時間は、5分に設定される。工程S130では、繊維層50に含浸された樹脂が硬化して、繊維樹脂層40が形成される。これと共に、隙間G3に満たされた樹脂が硬化して、樹脂層80が形成される。したがって、繊維樹脂層40と樹脂層80とを含む繊維強化樹脂層30が、ライナ20の外周面に形成される。
After step S125, the resin is cured (step S130). The curing time of the resin is set based on the curing time (pot life) of the thermosetting resin used. In this embodiment, the curing time of the resin is set to 5 minutes. In step S130, the resin impregnated in the
工程S130の後に、RTM型300の真空引きを解除すると共に温度を低下させ、RTM型300の上型と下型とが分かれることにより、高圧タンク10がRTM型300から取り外される(工程S135)。以上により、高圧タンク10の製造が終了する。
After the step S130, the high-
本実施形態において、カバー率は、課題を解決するための手段における繊維部材が巻回される空間の体積に対する繊維部材の体積の割合の下位概念に相当する。また、工程S115と工程S125とは、課題を解決するための手段における樹脂含浸工程の下位概念に、工程S130は、課題を解決するための手段における樹脂硬化工程の下位概念に、工程S205は、課題を解決するための手段におけるヘリカル層形成工程の下位概念に、工程S210は、課題を解決するための手段におけるフープ層形成工程の下位概念に、それぞれ相当する。また、RTM型300は、課題を解決するための手段における樹脂硬化用の型の下位概念に相当し、キャビティ310は、課題を解決するための手段における型の内部の下位概念に相当する。
In the present embodiment, the coverage rate corresponds to the subordinate concept of the ratio of the volume of the fiber member to the volume of the space around which the fiber member is wound in the means for solving the problem. Further, step S115 and step S125 are subordinate concepts of the resin impregnation step in the means for solving the problem, step S130 is a subordinate concept of the resin curing step in the means for solving the problem, and step S205 is a subconcept. The process S210 corresponds to a subordinate concept of the helical layer forming step in the means for solving the problem, and the step S210 corresponds to the subordinate concept of the hoop layer forming step in the means for solving the problem. Further, the
図7は、樹脂を含浸可能な繊維層の厚みと、カバー率との関係の一例を示す説明図である。図7において、縦軸は、樹脂を含浸可能な繊維層の厚み(mm)を示している。図7の棒グラフにおいて、左側の無地のバーは、比較例の繊維層を示しており、右側のハッチングを施したバーは、本実施形態の繊維層50を示している。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the thickness of the fiber layer that can be impregnated with the resin and the coverage rate. In FIG. 7, the vertical axis represents the thickness (mm) of the fiber layer that can be impregnated with the resin. In the bar graph of FIG. 7, the plain bar on the left side shows the fiber layer of the comparative example, and the hatched bar on the right side shows the
比較例の繊維層は、各フープ層のカバー率がそれぞれ100%であり、かつ、各ヘリカル層のカバー率がそれぞれ100%である構成を有する。比較例の繊維層では、隙間なく炭素繊維が巻回されているために樹脂の含浸性が悪く、樹脂が4mm程度しか含浸されない。ここで、一般に、高圧タンクの繊維強化樹脂層は、強度確保のために所定以上の厚みを有する必要がある。かかる厚みが例えば20mmの場合、比較例の繊維層を用いてRTM法により高圧タンクを製造すると、繊維強化樹脂層において、16mmの厚さに相当する部分が、樹脂の含浸されない樹脂未到達部分として発生する。 The fiber layer of the comparative example has a structure in which the coverage of each hoop layer is 100% and the coverage of each helical layer is 100%. In the fiber layer of the comparative example, since the carbon fibers are wound without gaps, the impregnation property of the resin is poor, and the resin is impregnated only about 4 mm. Here, in general, the fiber-reinforced resin layer of the high-pressure tank needs to have a predetermined thickness or more in order to secure the strength. When such a thickness is, for example, 20 mm, when a high-pressure tank is manufactured by the RTM method using the fiber layer of the comparative example, the portion corresponding to the thickness of 16 mm in the fiber-reinforced resin layer is regarded as a resin-unreachable portion that is not impregnated with resin. Occur.
これに対し、本実施形態の繊維層50は、各フープ層60のカバー率がそれぞれ95%であり、かつ、各ヘリカル層70のカバー率がそれぞれ90%(最内層のヘリカル層70のカバー率は50%)である構成を有する。このため、繊維層50の内部に隙間G1,G2が形成されるので、かかる隙間G1、G2に樹脂が入り込みやすく、高圧タンク10の厚み方向への樹脂の含浸性が向上され、樹脂が25mm程度まで含浸される。それゆえ、高圧タンク10の強度を確保できる厚み、例えば上述の20mm以上の厚みを備える繊維強化樹脂層30を構成できる。
On the other hand, in the
以上説明した本実施形態の高圧タンク10の製造方法によれば、繊維層50は、フープ層60およびヘリカル層70の各々の層において、カバー率が50%以上98%以下となるように形成される。このため、繊維層50には、フープ層60の隙間G1およびヘリカル層70の隙間G2が形成される。それゆえ、繊維層50に樹脂が含浸される工程(工程S125)において、かかる隙間G1,G2に樹脂が入り込みやすく、繊維層のカバー率が100%である構成と比較して、繊維層50の全体への樹脂の含浸性を向上できる。
According to the method for manufacturing the high-
また、本実施形態の高圧タンク10の製造方法によれば、フープ層60におけるカバー率の平均値は、ヘリカル層70におけるカバー率の平均値よりも高い。このため、高圧タンク10の強度に対する寄与率の高いフープ層60が、ヘリカル層70よりも密に構成されるので、高圧タンク10の強度低下を抑制できる。
Further, according to the method for manufacturing the high-
繊維層50は、最内層のヘリカル層70におけるカバー率が50%なので、最内層の隙間G2が大きい構成を有する。これにより、樹脂含浸工程において、ライナ20の外表面における樹脂の流動性を向上でき、含浸性を向上でき、樹脂の含浸されない樹脂未到達部分が発生することを抑制できる。加えて、最内層のヘリカル層70は、高圧タンク10の強度に対する寄与率が低いので、カバー率が50%と比較的低くても、高圧タンク10の強度低下を抑制できる。
Since the
本実施形態で用いるRTM型300のキャビティ310は、繊維層50が形成されたライナ20がキャビティ310に配置される場合に、RTM型300と、繊維層50が形成されたライナ20との間の全体に亘って、1mmの隙間G3が空くように形成されている。このため、注入された樹脂が、隙間G3を通ることによって繊維層50の外表面全体に亘って流動でき、含浸性を向上できる。
The
また、RTM型300を用いて高圧タンク10を製造するので、高圧タンク10の外周面における面粗度の低下を抑制でき、高圧タンク10の外径の寸法精度を向上できる。それゆえ、高圧タンク10の外周面へのラベル類の貼付性を向上でき、燃料電池車両などへの高圧タンク10の搭載性を向上できる。
Further, since the high-
また、RTM法により高圧タンク10を製造すると、可使時間の短い樹脂を材料として使用できるため、樹脂を硬化させる工程に要する時間を大幅に短縮できる。以下、この効果について説明する。
Further, when the high-
図8は、樹脂の種類と硬化時間との関係の一例を示す説明図である。図8において、縦軸は、樹脂の硬化に要する時間(分)を示している。図8の棒グラフにおいて、左側の無地のバーは、比較例のトウプリプレグ(以下、「TPP」とも呼ぶ)用のエポキシ樹脂を示しており、右側のハッチングを施したバーは、本実施形態で用いるRTM法用のエポキシ樹脂を示している。TPP用エポキシ樹脂は、予め樹脂を含浸させた炭素繊維をライナに巻き付ける、FW法において用いられるエポキシ樹脂である。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of the relationship between the type of resin and the curing time. In FIG. 8, the vertical axis shows the time (minutes) required for curing the resin. In the bar graph of FIG. 8, the plain bar on the left side shows the epoxy resin for the toe prepreg (hereinafter, also referred to as “TPP”) of the comparative example, and the hatched bar on the right side is used in the present embodiment. The epoxy resin for the RTM method is shown. The epoxy resin for TPP is an epoxy resin used in the FW method in which carbon fibers impregnated with the resin are wound around a liner.
TPP用エポキシ樹脂は、炭素繊維をライナに巻き付ける間は硬化せず、炭素繊維の巻き付け完了後に硬化するように、可使時間(ポットライフ)が長い。このため、例えば、TPP用エポキシ樹脂(252Bエポキシ樹脂)の硬化には、約160分という長い時間を要する。 The epoxy resin for TPP does not cure while the carbon fibers are wound around the liner, and has a long pot life so that it cures after the carbon fibers have been wound. Therefore, for example, it takes a long time of about 160 minutes to cure the epoxy resin for TPP (252B epoxy resin).
これに対し、本実施形態で用いるRTM法用のエポキシ樹脂(ナガセケムテックス社製)は、可使時間が短い(約5分)。これは、炭素繊維51の巻き付け完了後に樹脂を含浸させるため、樹脂の可使時間として、炭素繊維51をライナ20に巻き付ける時間を考慮しなくてもよいためである。
On the other hand, the epoxy resin for the RTM method (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) used in the present embodiment has a short pot life (about 5 minutes). This is because the resin is impregnated after the winding of the
また、本実施形態で用いるRTM法では、樹脂の含浸と硬化とに要するコストを大幅に低下できる。以下、この効果について説明する。 Further, in the RTM method used in the present embodiment, the cost required for impregnation and curing of the resin can be significantly reduced. This effect will be described below.
図9は、各工法に対する、樹脂の含浸硬化コストの一例を示す説明図である。図9において、縦軸は、樹脂の含浸と硬化とに要するコストを示している。図9の棒グラフにおいて、左側の無地のバーは、比較例として、予め樹脂を含浸させた炭素繊維をプリプレグとして製作し、炭素繊維をライナに巻き付けた後に樹脂を硬化させる工法を示している。また、右側のハッチングを施したバーは、本実施形態で用いるRTM法を示している。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of resin impregnation curing cost for each construction method. In FIG. 9, the vertical axis shows the cost required for impregnation and curing of the resin. In the bar graph of FIG. 9, the plain bar on the left side shows, as a comparative example, a method of manufacturing a carbon fiber impregnated with a resin in advance as a prepreg, winding the carbon fiber around a liner, and then curing the resin. The hatched bar on the right side indicates the RTM method used in this embodiment.
比較例の工法では、プリプレグを製作する工程が必要であり、かつ、上述のように可使時間の長い樹脂を使用するので樹脂の硬化に長い時間を要する。このため、樹脂の含浸と硬化とに要するコストが高い。これに対し、本実施形態で用いるRTM法では、プリプレグを製作する工程を省略でき、高圧タンク10の製造工程を簡素化できる。また、上述のように可使時間の短い樹脂を用いてもよいので、樹脂を硬化させる工程に要する時間を短縮できる。加えて、上述のような繊維層50の構成により、樹脂の含浸性を向上できるので、樹脂を含浸させる工程に要する時間を短縮できる。
In the construction method of the comparative example, a step of manufacturing a prepreg is required, and as described above, a resin having a long pot life is used, so that it takes a long time to cure the resin. Therefore, the cost required for impregnation and curing of the resin is high. On the other hand, in the RTM method used in the present embodiment, the step of manufacturing the prepreg can be omitted, and the manufacturing process of the high-
B.変形例:
B−1.変形例1:
上記実施形態における繊維層50の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、繊維層50は、各フープ層60のカバー率がそれぞれ95%であり、最内層以外の各ヘリカル層70のカバー率がそれぞれ90%となるように構成されていたが、フープ層60および最内層も含めたヘリカル層70のカバー率は、それぞれ50%以上98%以下の任意の値であってもよい。なお、高圧タンク10の強度低下を抑制する観点から、各フープ層60のカバー率は、90%以上であることが好ましく、最内層以外の各ヘリカル層70のカバー率は、80%以上であることが好ましい。また、最内層のヘリカル層70のカバー率は、ライナ20の外表面における樹脂の含浸性の低下を抑制する観点から、80%以下であることが好ましく、60%以下であることがより好ましい。また、複数のフープ層60のうち、各フープ層60のカバー率は、それぞれ異なる値であってもよく、複数のヘリカル層70のうち、各ヘリカル層70のカバー率は、それぞれ異なる値であってもよい。また、上記実施形態において、繊維層50は、複数のフープ層60と複数のヘリカル層70とを有していたが、フープ層60およびヘリカル層70の層数は、それぞれ単数であってもよい。また、繊維層50のうち最も外側の層は、フープ層60に限らずヘリカル層70であってもよい。また、高圧タンク10の強度を低下させない範囲内において、カバー率が50%未満の他のフープ層およびヘリカル層を有していてもよく、樹脂の含浸性を低下させない範囲内において、カバー率が98%を超える他のフープ層およびヘリカル層を有していてもよい。以上のような構成によっても、フープ層60のカバー率の平均値がヘリカル層70のカバー率の平均値よりも高いことを前提として、実施形態の高圧タンク10と同様の効果を奏する。
B. Modification example:
B-1. Modification 1:
The structure of the
B−2.変形例2:
上記実施形態において、カバー率は、上記式(1)に基づいて算出されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、単位体積に巻回された炭素繊維51の巻回前の状態の体積と、単位体積とから算出されてもよく、他の任意の方法により、炭素繊維51が巻回される空間の体積に対する炭素繊維51の割合が算出されてもよい。
B-2. Modification 2:
In the above embodiment, the coverage rate has been calculated based on the above formula (1), but the present invention is not limited thereto. For example, it may be calculated from the volume of the
B−3.変形例3:
上記実施形態において、フープ層60は、単繊維を多数束ねて構成された炭素繊維51を、ライナ20の円筒部21に巻き付けることにより形成されていたが、これに代えて、所定のカバー率を有する、炭素繊維からなるシート状の部材を巻き付けることにより、フープ層60が形成されてもよい。また、繊維層50は、炭素繊維51により形成されていたが、炭素繊維51に代えて、ガラス繊維などの他の任意の繊維部材により形成されてもよい。このような構成によっても、実施形態の高圧タンク10と同様の効果を奏する。
B-3. Modification 3:
In the above embodiment, the
B−4.変形例4:
上記実施形態における高圧タンク10は、繊維強化樹脂層30として繊維樹脂層40と樹脂層80とを備えていたが、樹脂層80を省略してもよい。また、樹脂層80の厚みは、1mmに限らず、例えば2mm以内の任意の値であってもよい。また、繊維強化樹脂層30の外表面に、ガラス繊維強化樹脂からなる保護層をさらに備えていてもよい。このような構成によっても、実施形態の高圧タンク10と同様の効果を奏する。
B-4. Modification 4:
The high-
本発明は、上述の実施形態および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、変形例中の技術的特徴は、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the embodiments corresponding to the technical features in each of the embodiments described in the column of the outline of the invention, the technical features in the modified examples are used to solve some or all of the above-mentioned problems, or the above-mentioned above. It is possible to replace or combine them as appropriate to achieve some or all of the effects. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.
10…高圧タンク
20…ライナ
21…円筒部
22…ドーム部
30…繊維強化樹脂層
40…繊維樹脂層
50…繊維層
51…炭素繊維
60…フープ層
70…ヘリカル層
80…樹脂層
90…口金
300…RTM型
310…キャビティ
320…樹脂注入口
CX…軸線
G1…隙間
G2…隙間
G3…隙間
10 ... High-
Claims (1)
前記高圧タンクの基材であるライナに繊維部材を巻回して、前記ライナの外周面に繊維層を形成する繊維層形成工程と、
前記繊維層が形成された前記ライナを、樹脂硬化用の型の内部に配置し、樹脂を前記繊維層に含浸させる樹脂含浸工程と、
前記樹脂含浸工程の後、前記樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、
を備え、
前記繊維層形成工程は、フープ巻きにより単数または複数のフープ層を形成するフープ層形成工程と、ヘリカル巻きにより単数または複数のヘリカル層を形成するヘリカル層形成工程と、を有し、
前記フープ層形成工程では、前記単数または複数のフープ層の各々において、前記繊維部材は、前記繊維部材が巻回される空間の体積に対する前記繊維部材の体積の割合が、50%以上98%以下となるように巻回され、
前記ヘリカル層形成工程では、前記単数または複数のヘリカル層の各々において、前記繊維部材は、前記割合が50%以上98%以下となるように巻回され、
前記単数または複数のフープ層における前記割合の平均値は、前記単数または複数のヘリカル層における前記割合の平均値よりも高く、
前記ヘリカル層形成工程は、前記繊維層の最内層として前記ヘリカル層を形成する工程を含み、
前記最内層として前記ヘリカル層を形成する工程では、前記繊維部材は、前記割合が50%以上80%以下となるように巻回される、
高圧タンクの製造方法。 It is a method of manufacturing a high-pressure tank.
A fiber layer forming step of winding a fiber member around a liner which is a base material of the high-pressure tank to form a fiber layer on the outer peripheral surface of the liner.
A resin impregnation step of arranging the liner on which the fiber layer is formed inside a mold for curing a resin and impregnating the fiber layer with resin,
After the resin impregnation step, a resin curing step of curing the resin and
With
The fiber layer forming step includes a hoop layer forming step of forming a single or a plurality of hoop layers by hoop winding, and a helical layer forming step of forming a single or a plurality of helical layers by helical winding.
In the hoop layer forming step, in each of the single or a plurality of hoop layers, the ratio of the volume of the fiber member to the volume of the space around which the fiber member is wound is 50% or more and 98% or less. It is wound so that it becomes
In the helical layer forming step, in each of the single or plurality of helical layers, the fiber member is wound so that the ratio is 50% or more and 98% or less.
The average value of the ratio in one or more of the hoop layer, rather higher than the average value of the ratio of the one or more helical layers,
The helical layer forming step includes a step of forming the helical layer as the innermost layer of the fiber layer.
In the step of forming the helical layer as the innermost layer, the fiber member is wound so that the ratio is 50% or more and 80% or less.
Manufacturing method of high pressure tank.
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