JP6915564B2

JP6915564B2 - 高圧タンクの製造方法

Info

Publication number: JP6915564B2
Application number: JP2018028814A
Authority: JP
Inventors: 健八田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2021-08-04
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: JP2019142118A

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

燃料電池車には、天然ガスや水素ガス等の燃料ガスを貯蔵する高圧タンクが用いられる。このような高圧タンクは、ガスバリア性を有する中空のライナーをコア材とし、ライナーをカーボン繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック（以下、総称して、繊維強化樹脂層とする）で被覆して製造される。ライナーとしては、軽量化の観点から、通常、樹脂製の中空容器が用いられる。

高圧タンクの製造方法の一例として、ＦＷ（Filament Winding）法が知られている（特許文献１）。ＦＷ法を利用した高圧タンクの製造方法では、ライナーの外周にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維束を巻回し、熱硬化性樹脂を硬化させることによって繊維強化樹脂層が形成される。また、特許文献１には、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法により繊維強化樹脂層を得ることが記載されている。

一般的に、ＲＴＭ法では、成形型内に強化繊維基材を配置して、流動性を有する未硬化の樹脂を成形型のキャビティー内に注入し、当該樹脂を強化繊維基材に含浸させて硬化させることで繊維強化樹脂部材が得られる（特許文献２）。

特開２０１５−０５９１２３号公報国際公開第２０１０／０８７３６１号

ＲＴＭ法を用いて高圧タンクを製造する場合、ライナーに繊維束を巻回した中間体を金型内に配置して、樹脂を金型内に注入し、繊維束に樹脂を含浸させることが考えられる。しかし、燃料電池車用の高圧タンクは、従来のＲＴＭ法での成形品よりも繊維束が肉厚に積層されるため、繊維束の内層部まで樹脂が含浸されにくい。特に、高圧タンクの胴体部は、繊維束間に隙間がないフープ巻きで繊維束が巻回されており、樹脂の含浸が難しい。繊維束の内層部に樹脂の未含浸領域が発生すると、高圧タンクの性能が低下する等の、重大な品質問題が発生する恐れがある。

繊維束の内層部まで樹脂を含浸させるために高圧で樹脂を注入すると、樹脂注入口の直下の圧力が高くなり、樹脂製のライナーが変形したり、繊維束がずれる等、品質、性能の低下が発生する。また、樹脂を流動させるためのフローメディアを繊維束の積層内に織り込んだり、繊維束間に隙間を空けると、高圧タンクの強度低下、品質低下につながる恐れがある。

また、繊維束が巻回されたライナーを金型内に配置するため、繊維束に傷がつかないように、金型は中間体の公差分だけ大きく作製される。このため、中間体と金型との間に隙間ができる場合がある。金型内に注入された樹脂は、この隙間に優先的に流れてしまい、繊維束の内層部まで樹脂を含浸させることが難しい。さらに、樹脂は、金型表面を長時間流動して熱履歴がかかると粘度上昇が早く始まり、流動しにくくなるため、より一層繊維束の内層部に樹脂の未含浸領域が発生してしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、ライナーに巻回した繊維束の内層部まで樹脂を含浸させることが可能な高圧タンクの製造方法を提供することである。

本発明の一態様に係る高圧タンクの製造方法は、ライナーに繊維束を巻回した中間体を金型内に配置する工程と、前記金型の樹脂注入口を囲むように設けられたスライドコアを前記金型のキャビティー面から前記中間体の方向に向かって移動させて、該スライドコアを前記繊維束に当接させる工程と、前記スライドコアを前記繊維束に当接させた状態で、前記樹脂注入口から樹脂を注入して前記繊維束に含浸させる工程とを備える。

本発明によれば、ライナーに巻回した繊維束の内層部まで樹脂を含浸させることが可能な高圧タンクの製造方法を提供することができる。

ライナーに繊維束を巻回した中間体の構成を示す図である。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する製造工程断面図である。図２Ａの状態を中間体１のドーム部側から見た断面図である。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する製造工程断面図である。図３Ａの状態を中間体１のドーム部側から見た断面図である。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する製造工程断面図である。図４Ａの状態を中間体１のドーム部側から見た断面図である。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する製造工断面程図である。図５Ａの状態を中間体１のドーム部側から見た断面図である。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する製造工程断面図である。図６Ａの状態を中間体１のドーム部側から見た断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明は、ＲＴＭ法を用いた高圧タンクの製造方法に関する。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法では、ライナーに繊維束を巻回した中間体を金型内に配置して、樹脂を金型内に注入し、繊維束に樹脂を含浸させる。そして、含浸させた樹脂を硬化させることにより、中間体の外周に繊維強化樹脂層が形成される。実施の形態の金型には、樹脂注入口を囲むように、キャビティー面から中間体の方向に向かって移動可能なスライドコアが設けられる。樹脂注入時にスライドコアを中間体の表面に当接させることで、樹脂の流れを強制的に繊維束の内層側に向け、繊維束の内層部まで樹脂を含浸させることが可能となる。

まず、図１を参照して、本実施の形態において製造される高圧タンクの中間体の構成について説明する。図１に示すように、中間体１は、ライナー２、繊維束３、４を備える。ライナー２は、ガスバリア性を有する樹脂製の中空容器である。ライナー２は、円筒形状の胴体部２ａと、胴体部２ａの両側に接合された半球形状のドーム部２ｂを有する。なお、胴体部２ａは、円筒形状に限定されず、断面楕円形や断面多角形の筒状であってもよい。また、ライナー２の両端部は、半球形状以外の形状であってもよい。なお、ここでは図示していないが、ライナー２のドーム部２ｂの頂上にはそれぞれ金属製の口金部が形成される。両側又は片側の口金部は、ライナー２内に導通する貫通孔を備えている。

繊維束３、４は、ライナー２の外周に巻回される、樹脂が含浸されていない繊維束である。繊維束としては、例えば、カーボン繊維やガラス繊維、アラミド繊維等を用いることができる。繊維束は、連続繊維から構成されてもよく、長繊維や短繊維から構成されてもよい。ライナー２に巻回された繊維束３、４に樹脂を含浸させて硬化させることにより、ライナー２の周囲を被覆する繊維強化樹脂層が形成される。樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン樹脂やポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることが可能である。

実施の形態では、ドーム部２ｂの外周には、ヘリカル巻きにより繊維束３が複数層巻回されている。また、胴体部２ａの外周には、繊維束３の巻回にさらにフープ巻きにより繊維束４が複数層、種々の組合わせで巻回されている。フープ巻きは繊維間に隙間がないため、胴体部２ａは繊維束の内層部まで樹脂が含浸されにくい。また、繊維束３と繊維束４とが重なり合う領域は、特に繊維束が肉厚に積層されており、内層部に樹脂が含浸しにくい領域となる。

次に、実施の形態に係る高圧タンクの製造方法について説明する。図２Ａ〜６Ａは、実施の形態に係る高圧タンクの製造方法を説明する製造工程断面図である。図２Ｂ〜６Ｂは、それぞれ図２Ａ〜６Ａの状態を中間体１のドーム部２ｂ側から見た断面図である。実施の形態に係る高圧タンクの製造方法は、ライナー２に繊維束３、４を巻回した中間体１を金型１０内に配置し、繊維束３、４に樹脂を含浸させて硬化させ、中間体１の周囲に繊維強化樹脂層を形成する。

ここで、繊維強化樹脂層を形成するための金型１０について説明する。図２Ａに示すように、金型１０は、複数の型、例えば、上型１１、下型１２を備える。上型１１と下型１２には、繊維強化樹脂層の一部を形成するためのキャビティー面１１ａ、１２ａがそれぞれ設けられている。上型１１と下型１２とを閉じることで、繊維強化樹脂層のためのキャビティーが形成される。繊維束３、４を積層した中間体１を金型１０内に配置するため、繊維束３、４に傷がつかないように、例えば、金型１０のキャビティーは中間体１の公差分だけ大きく作製される。

上型１１には、キャビティー内に樹脂を供給するための樹脂供給管１３が埋設されている。上型１１のキャビティー面１１ａには、ライナー２の胴体部２ａに対向する位置に樹脂注入口１３ａが配置される。下型１２には、排気管１４が埋設されている。排気管１４には図示しない排気装置が接続されており、排気管１４を介してキャビティー内を真空排気することが可能である。

樹脂注入口１３ａの周囲には、スライドコア１５が設けられている。スライドコア１５は円環体であり、樹脂注入口１３ａを囲むように配置されている。スライドコア１５の中間体１に対向する面は、キャビティー面１１ａと面一になっている。すなわち、スライドコア１５の中間体１に対向する面は、繊維強化樹脂層を形成するためのキャビティー面となる。スライドコア１５は、中間体１の方向に向かって、キャビティー面１１ａから突出するように移動可能である。

図２Ａ、２Ｂに示すように、実施の形態では、まずＲＴＭ成形機に設置した下型１２に樹脂が含浸されていない繊維束３、４を巻回した中間体１を載置した後、上型１１と下型１２とを閉じる。このとき、上型１１と下型１２との間に数ｍｍの隙間を開けた状態で、キャビティー内が真空排気される。なお、上型１１と下型１２との間には、例えば、中間体１と金型１０の間に空隙を形成した状態で型間をシールする図示しないシール材が設けられる。

そして、図３Ａ、３Ｂの白抜き矢印で示すように、金型１０の樹脂注入口１３ａを囲むように設けられたスライドコア１５をキャビティー面１１ａから中間体１の方向に向かって移動させて、該スライドコア１５を中間体１の外周の繊維束に当接させる。これにより、中間体１の胴体部２ａの面直方向に樹脂流動通路が設定され、低粘度状態の樹脂の流動方向が、強制的に繊維束３、４の内層部へと向かう方向となる。

その後、図４Ａ、４Ｂに示すように、スライドコア１５を繊維束に当接させた状態で、樹脂注入口１３ａから金型１０のキャビティー内に樹脂が注入される。上述のように、樹脂の流動方向は、スライドコア１５により、繊維束３、４の内層部へ向かう方向に規制されている。これにより、繊維束３、４の内層部まで樹脂を含浸させることができる。

繊維束３、４の最内層まで樹脂が含浸された後、樹脂の粘度上昇が始まる前に、図５Ａ、５Ｂに示すように、スライドコア１５をキャビティー面１１ａと同一面まで戻す。そして、キャビティー内に所定量の樹脂を完全に充填する。所定量の樹脂がキャビティー内に完全に充填された後、樹脂が硬化する前に、図６Ａ、６Ｂに示すように上型１１を下型１２まで下降して型閉じを行う。これにより、金型１０内の樹脂を圧縮成型するとともに、中間体１の表面全体から均一に樹脂を繊維束に含浸させることができる。その後、繊維束３、４に含浸された樹脂を硬化させることで、ライナー２の外周に繊維強化樹脂層が形成され、燃料電池車用の高圧タンクが完成する。

このように、実施の形態では、ＲＴＭ法を用いて高圧タンクを製造する際に、金型１０のスライドコア１５を中間体１に当接させて樹脂を注入することで、樹脂の流れを繊維束の内層部に向かう方向にして、繊維束の内層部に樹脂を含浸しやすくすることが可能となる。これにより、繊維束の内層部における樹脂の未含浸領域の発生を防止することができ、高圧タンクの性能を向上させ、高品質の高圧タンクを生産することが可能となる。

また、樹脂の注入圧力を高める必要がないため、ライナー２の変形や繊維束のずれを抑制することができる。さらに、実施の形態では、樹脂の粘度上昇が始まる前に、スライドコア１５を上型１１のキャビティー面１１ａと同一面まで戻した後、樹脂の硬化開始前に、上型１１と下型１２を完全に閉じて圧縮成形している。このように、繊維強化樹脂層の厚み方向に圧縮成形を行い、均一に加圧することで、樹脂の繊維束への含浸性を向上させ、良好な高圧タンクの表面品質を得ることが可能となる。

また、大幅な低圧成形が可能になり、投資、コスト低減を図ることができる。さらに、樹脂の流動抵抗が大幅に低減されるため、高速に樹脂を充填することができ、成形時間が短縮され、生産性を向上させることが可能となる。

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中間体
２ライナー
２ａ胴体部
２ｂドーム部
３繊維束
４繊維束
１０金型
１１上型
１１ａキャビティー面
１２下型
１３樹脂供給管
１３ａ樹脂注入口
１４排気管
１５スライドコア
１６樹脂注入口

Claims

ライナーに繊維束を巻回した中間体を金型内に配置する工程と、
前記金型の樹脂注入口を囲むように設けられたスライドコアを前記金型のキャビティー面から前記中間体の方向に向かって移動させて、該スライドコアを前記繊維束に当接させる工程と、
前記スライドコアを前記繊維束に当接させた状態で、前記樹脂注入口から樹脂を注入して前記繊維束に含浸させる工程と、
を備える、
高圧タンクの製造方法。