JP6915563B2

JP6915563B2 - タンクの製造方法

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Publication number: JP6915563B2
Application number: JP2018028107A
Authority: JP
Inventors: 健八田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: JP2019142094A

Description

本発明は、タンクの製造方法に関する。

タンクの製造方法として、例えば、樹脂を用いて構成されたライナーに繊維を巻き付けて繊維層を形成する方法が知られている。
特許文献１には、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させ、熱硬化樹脂性を含浸させた炭素繊維をライナーに巻き付けることによって繊維層を形成し、繊維層を加熱することによって硬化させるタンクの製造方法が開示されている。

特開２０１５−０５９１２３号公報

特許文献１に開示されているようなタンクの製造方法を用いて製造されたタンクには、繊維層内に空気が残留していることがある。繊維層における空気の残留を抑制することによって、タンクの強度をさらに高めることができる。例えば、繊維層に樹脂を含浸することによって、繊維層における空気の残留を抑制することができる。しかしながら、繊維層は、非常に密な組織であるため、樹脂が含浸しにくい。

本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、繊維層における空気の残留を抑制することができるタンクの製造方法を提供する。

上記目的を達成するための一態様は、タンクの製造方法であって、発泡材料を用いて構成された外層を有するライナーに繊維を巻き付けることによって繊維層が形成された中間構造体を準備する工程と、前記中間構造体を金型内に配置し、前記金型に設けられた脱気経路から前記中間構造体を脱気する工程と、前記金型に樹脂を注入することによって、脱気された前記中間構造体が有する前記繊維層に樹脂を含浸する工程と、を備える。

本発明に係るタンクの製造方法では、中間構造体を脱気する工程を行っている。中間構造体を脱気すると、発泡材料を用いて構成された外層を介して、繊維層が脱気される。したがって、繊維層における空気の残留を抑制することができる。

本実施の形態に係るタンクの製造装置の断面図である。ライナーの断面図である。中間構造体の平面図である。本実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフローチャートである。脱気する工程におけるタンクの製造装置の断面図である。含浸する工程におけるタンクの製造装置の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、図１を参照して、本実施の形態に係るタンクの製造方法を行う製造装置（本実施の形態に係るタンクの製造装置）の構成について説明する。図１は、タンクの製造装置１の断面図である。

図１に示すように、タンクの製造装置１は、上型５、下型６、及び固定機構７を備える。上型５には、樹脂注入経路８が設けられている。下型６には、脱気経路９が設けられている。なお、図１では、中間構造体４も図示している。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

上型５及び下型６は、一対の金型である。上型５は、図１に示すように、下型６と嵌合することができる。上型５及び下型６の内部には、図１に示すように、中間構造体４を格納することができる形成空間が設けられている。

形成空間に格納された中間構造体４は、固定機構７を用いて固定される。固定機構７は、例えば、対向配置された一対の固定具である。中間構造体４は、固定機構７を用いて挟持されることによって、形成空間において固定される。固定機構７は、例えば、図１に示すように、下型６に埋め込まれるように配置されている。固定機構７は、中間構造体４を固定することができるシャフト等を備えている。固定機構７は、図１に示すように、形成空間に向かって突出している。

上型５には、樹脂注入経路８が設けられている。樹脂注入経路８は、図１に示すように、中間構造体４を格納することができる形成空間に連通している。樹脂注入経路８には、例えば、樹脂注入することができる樹脂注入ポンプ（不図示）が連結される。樹脂注入ポンプから注入された樹脂は、樹脂注入経路８を通り、形成空間に充填される。

下型６には、脱気経路９が設けられている。脱気経路９は、図１に示すように、中間構造体４を格納することができる形成空間に連通している。脱気経路９には、例えば、形成空間内の空気を脱気することができる脱気ポンプ（不図示）が連結される。形成空間に格納された中間構造体４は、脱気ポンプを用いて脱気経路９から脱気される。

なお、樹脂注入経路８及び脱気経路９は、形成空間に連通することができる位置であれば金型内のどのような位置に配置されていてもよい。例えば、下型６に樹脂注入経路８を設け、上型５に脱気経路９を設けてもよい。

次に、図２及び図３を参照して、中間構造体４の構成について説明する。図２は、ライナー２の断面図である。図２に示すように、ライナー２は、口金２１、内層２２、及び外層２３を備える。図３は、中間構造体４の平面図である。中間構造体４は、図３に示すように、ライナー２、及び繊維層３を備える。

中間構造体４は、図３に示すように、ライナー２に繊維を巻き付けることによって形成される。図２は、ライナー２をｘｚ平面で切断した断面図である。ライナー２は、図２に示すように、内部に空洞２５を有する。ライナー２は、例えば、ｙｚ平面で切断した断面が円形状である。ライナー２の両端には、図２に示すように、口金２１が設けられている。口金２１は、空洞２５に連通している。タンクの製造装置１を用いて製造されたタンクは、例えば、燃料電池車用高圧水素タンクとして使用される。口金２１に組み付けたバルブ（不図示）によって、空洞２５にガスを貯留及び放出することができる。

ライナー２は、胴体部２ａ及びドーム部２ｂを有する。胴体部２ａは、ライナー２をｙｚ平面で切断した断面の直径が一定である部分である。また、ドーム部２ｂは、ライナー２をｙｚ平面で切断した断面の直径が、胴体部２ａから口金２１に向かって小さくなる部分である。

内層２２は、図２に示すように、胴体部２ａ及びドーム部２ｂを構成する。また、外層２３は、図２に示すように、胴体部２ａに設けられている。つまり、ドーム部２ｂでは、内層２２が繊維層３に面している。外層２３は、胴体部２ａ全体に設けられていることが好ましい。しかしながら、胴体部２ａの一部にのみ外層２３が設けられていてもよい。

内層２２は、樹脂等を用いて構成される。外層２３は、発泡樹脂等の発泡材料を用いて構成される。内層２２及び外層２３は、同一の樹脂を用いて構成されると、相溶性に優れているため、好ましい。内層２２は、例えば、ナイロン樹脂等の耐ガス透過性に優れた樹脂を用いて構成される。外層２３は、例えば、発泡ナイロン樹脂を用いて構成される。ナイロン樹脂を用いて内層２２を構成し、かつ、発泡ナイロン樹脂を用いて外層２３を構成することによって、充分な強度及び伸びを有するライナー２を構成することができる。

外層２３を構成する発泡ナイロン樹脂は、５〜１０倍程度の発泡倍率を有することが好ましい。外層２３は、一定の厚みで内層２２の周囲に配置されている。外層２３の厚みは、約０．５ｍｍであることが好ましい。また、内層の厚みは、２．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下であることが好ましい。

繊維層３は、繊維を２０〜４０層程度巻き付けることによって成形される。繊維層３の厚みは、１５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。繊維は、例えば、炭素繊維を用いて構成される。炭素繊維の繊維径は、５μｍ以上６μｍ以下であることが好ましい。

胴体部２ａは、ドーム部２ｂよりも、繊維が密に巻き付けられている。具体的には、胴体部２ａには、繊維同士が隙間なく巻き付けられるフープ巻き３ａが施される。一方、ドーム部２ｂには、繊維同士が間隔を空けて巻き付けられるヘリカル巻き３ｂが施される。ライナー２に巻き付ける繊維の量を多くすることによって、タンクの強度を高めることができる。

タンクを製造する際には、詳細は後述するが、繊維層３に樹脂を含浸した後に、樹脂を硬化させる。ヘリカル巻き３ｂが施されたドーム部２ｂでは、繊維同士の間隙から樹脂が含浸する。一方、フープ巻き３ａが施された胴体部２ａは、繊維同士が密であるため、繊維同士の間隙から樹脂が含浸しにくい。したがって、胴体部２ａと繊維層との間隙において、特に空気が残留しやすい。

次に、図４〜６を参照して、本実施の形態に係るタンクの製造方法について説明する。図４は、本実施の形態に係る高圧ランクの製造方法を示すフローチャートである。図５は、脱気する工程におけるタンクの製造装置の断面図である。図６は、含浸する工程における圧力タンクの製造装置の断面図である。なお、図５において、矢印は、真空引きの方向を表す。図６において、矢印は、樹脂注入の方向を表す。

本実施の形態に係るタンクの製造方法を行う際には、まず、中間構造体４を準備する工程（ステップＳ１）を行う。具体的には、図２で示したように繊維をライナー２に巻き付けることによって繊維層３を形成する。内層２２及び外層２３は、繊維を巻き付ける際に受ける応力によって変形しない程度の強度を有することが望ましい。

タンクを使用している際に、タンク内の圧力が上昇する場合がある。胴体部２ａに繊維同士が隙間なく巻き付けられていると、タンク内の圧力が上昇しても、一部部分に応力が集中することが抑制される。したがって、フープ巻きを用いて繊維同士を胴体部２ａに隙間なく巻き付けることによって、タンクの強度を高めることができる。

次に、中間構造体４を脱気する工程（ステップＳ２）を行う。具体的には、タンクの製造装置１内の形成空間に中間構造体４を格納する。そして、脱気経路９から中間構造体４を脱気する。ライナー２に設けられた外層２３は、発泡材料を用いて構成されているため、多数の気孔を有する。中間構造体４を脱気する工程（ステップＳ２）を行うと、外層２３が有する多数の気孔は、脱気される。また、外層２３と繊維層３との間隙は、外層２３が有する多数の気孔を介して長手方向に脱気される。

脱気経路９が配置される位置は、形成空間内を脱気することができる位置であれば、限定されない。脱気経路９は、例えば、図５に示すように、ドーム部２ｂの周縁部から中間構造体４を脱気することができる位置に配置されている。ドーム部２ｂは、繊維同士の間隙が多いため、胴体部２ａよりも、繊維層３の脱気を容易に行うことができる。

外層２３は、中間構造体４を脱気する工程（ステップＳ２）を行う際に、外層２３と繊維層３との間隙を脱気することができる程度の多数の気孔を有することが望ましい。５〜１０倍程度の発泡倍率を有する発泡ナイロン樹脂を用いて外層２３を構成することによって、中間構造体４を準備する工程（ステップＳ１）において外層２３が変形することを抑制することができる。さらに、中間構造体４を脱気する工程（ステップＳ２）において、外層２３と繊維層３との間隙を脱気することができる。

次に、繊維層３に樹脂を含浸する工程（ステップＳ３）を行う。具体的には、樹脂注入経路８から樹脂を注入し、形成空間内において脱気された繊維層３に樹脂を含浸する。樹脂は、熱硬化性樹脂を用いて構成されることが好ましい。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂を用いて構成される。

樹脂注入経路８から注入された樹脂は、外層２３が有する多数の気孔を介して、外層２３と繊維層３との間隙に含浸する。繊維層３が脱気されているため、外層２３が有する多数の気孔に樹脂が含浸しやすい。したがって、樹脂注入経路８から樹脂を注入する際に、樹脂に高い圧力をかけることなく繊維層３に樹脂を含浸することができる。

高い圧力をかけることなく繊維層３に樹脂を含浸することができるため、樹脂の圧力によって繊維の配置がずれる虞がない。また、樹脂の圧力によってライナー２が破損する虞を抑制することができる。さらに、樹脂を加圧することができる装置を準備する必要がないため、タンクの製造装置１を小型化することができる。

タンクの製造装置１を用いて製造されたタンクは、繊維層３に残留する空気が抑制されている。したがって、例えば、繊維層３が脱気されずに製造されたタンクよりも、強度が高い。つまり、ライナーに巻き付ける繊維の量を抑制しつつ、十分な強度を有するタンクを製造することができる。

繊維層３に樹脂を含浸する工程（ステップＳ３）を行った後、タンクの製造装置１内において、樹脂の硬化を行う。上型５及び下型６には、形成空間を加熱することができるヒーター等が設けられている。つまり、樹脂を含浸する工程（ステップＳ３）と、樹脂を硬化させる工程と、を共通の装置を用いて行うことができる。

以上で説明した本実施の形態に係る発明によって、繊維層における空気の残留を抑制することができるタンクの製造方法を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１タンクの製造装置
２ライナー
２ａ胴体部
２ｂドーム部
２１口金
２２内層
２３外層
３繊維層
４中間構造体
５上型
６下型
７固定機構
８樹脂注入経路
９脱気経路

Claims

タンクの製造方法であって、
発泡材料を用いて構成された外層を有するライナーに繊維を巻き付けることによって繊維層が形成された中間構造体を準備する工程と、
前記中間構造体を金型内に配置し、前記金型に設けられた脱気経路から前記中間構造体を脱気する工程と、
前記金型に樹脂を注入することによって、脱気された前記中間構造体が有する前記繊維層に樹脂を含浸する工程と、を備える、
タンクの製造方法。