JP7207279B2

JP7207279B2 - 樹脂含浸成形用金型

Info

Publication number: JP7207279B2
Application number: JP2019214694A
Authority: JP
Inventors: 統澤井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-01-18
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: CN112848377A; US20210154953A1; JP2021084317A

Description

本発明は、樹脂含浸成形用金型に関する。

ライナに繊維束を巻回した中間体を金型内に配置し、その金型内に樹脂を加圧充填して繊維束に含浸させる高圧タンクの製造方法は、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１５２３１０号公報

しかしながら、ライナ（容器本体）の内圧よりも、充填される樹脂の圧力が大きいと、その樹脂の圧力によりライナが変形するおそれがある。また、含浸に必要な樹脂の圧力よりも、充填される樹脂の圧力が小さいと、繊維束に樹脂の未含浸部分が発生するおそれがある。

そこで、本発明は、繊維束が巻回された容器本体に対する樹脂含浸成形時における容器本体の変形及び未含浸繊維束の発生を抑制できる樹脂含浸成形用金型を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る第１の態様の樹脂含浸成形用金型は、繊維束が巻回された容器本体を収容可能な収容部と、流動性を有する未硬化の樹脂を貯留可能な貯留部と、前記貯留部から前記収容部へ前記樹脂を流すための流路と、前記貯留部に貯留されている前記樹脂が前記流路を通って前記収容部へ流れるようにするための圧力を制御する圧力制御手段と、を有している。

第１の態様の発明によれば、貯留部に貯留された流動性を有する未硬化の樹脂が、圧力制御手段によって制御された圧力によって収容部へ流れる。つまり、収容部へ充填される樹脂の圧力が圧力制御手段によって調整される。したがって、収容部へ充填される樹脂の圧力を、容器本体の内圧よりも小さく、含浸に必要な樹脂の圧力よりも大きくすることが容易にでき、その適切な圧力を保ちながら繊維束に樹脂を含浸させることができる。よって、繊維束が巻回された容器本体に対する樹脂含浸成形時における容器本体の変形及び未含浸繊維束の発生が抑制される。

また、第２の態様の樹脂含浸成形用金型は、第１の態様の樹脂含浸成形用金型であって、前記貯留部が、弾性変形可能な膜部材の上面を含んで構成され、前記圧力制御手段が、前記膜部材の下面を露出させる空間部と、前記空間部への空気の流入及び前記空間部からの空気の流出を行う通路と、で構成されている。

第２の態様の発明によれば、空間部への空気の流入及び空間部からの空気の流出という一定の圧力制御によって膜部材が上下に弾性変形されることで、収容部へ充填される樹脂の圧力が調整される。したがって、収容部へ充填される樹脂の圧力を一定に保つことが容易にできる。

また、第３の態様の樹脂含浸成形用金型は、第１の態様の樹脂含浸成形用金型であって、前記貯留部が、ピストンの上面と、前記ピストンを昇降可能に保持する保持部の内面と、で構成され、前記圧力制御手段が、前記ピストンの下面を露出させる空間部と、前記空間部への空気の流入及び前記空間部からの空気の流出を行う通路と、で構成されている。

第３の態様の発明によれば、空間部への空気の流入及び空間部からの空気の流出という一定の圧力制御によってピストンが昇降することで、収容部へ充填される樹脂の圧力が調整される。したがって、収容部へ充填される樹脂の圧力を一定に保つことが容易にできる。

以上のように、本発明によれば、繊維束が巻回された容器本体に対する樹脂含浸成形時における容器本体の変形及び未含浸繊維束の発生を抑制することができる。

本実施形態に係る樹脂含浸成形用金型に収容される圧力容器（繊維束が巻回された容器本体）を示す平面図である。第１実施形態に係る樹脂含浸成形用金型の下金型を示す平面図である。第１実施形態に係る樹脂含浸成形用金型を示す正断面図である。第２実施形態に係る樹脂含浸成形用金型の下金型を示す平面図である。第２実施形態に係る樹脂含浸成形用金型を示す正断面図である。第２実施形態に係る樹脂含浸成形用金型の下金型の変形例を示す平面図である。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各図において適宜示す矢印Ｄを圧力容器１０の軸方向、矢印Ｒを圧力容器１０の径方向とする。また、圧力容器１０は、その内部に、例えば燃料としての水素が充填されるようになっており、燃料電池車（図示省略）等に搭載されるようになっている。

図１に示されるように、圧力容器１０は、ライナと呼ばれる容器本体１２を有している。容器本体１２は、一例として、ガスバリア性に優れ、かつ寸法安定性に優れる液晶樹脂材で成形されており、円筒状の直胴部１２Ａと、直胴部１２Ａの両端に一体に形成された略半球状のドーム部１２Ｂと、を有している。

そして、圧力容器１０は、容器本体１２の直胴部１２Ａの外周面とドーム部１２Ｂの外周面とに、所定の幅を有するテープ状の繊維束１６が層状に巻き付けられて構成されている。繊維束１６は、ガラス繊維、炭素繊維又はアラミド繊維等を含む繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製とされており、容器本体１２の外周面に繊維強化樹脂層（以下「補強層」という）１８を形成するようになっている。

具体的に説明すると、直胴部１２Ａの外周面には、繊維束１６がヘリカル状に巻き付けられるようになっており（以下「ヘリカル巻き」という）、そのヘリカル巻きされた繊維束１６によって補強層１８が形成されるようになっている。

ヘリカル巻きとは、繊維束１６を、容器本体１２の中心軸Ｘに対して所定の巻付角度＋θで直胴部１２Ａの外周面全体に巻き付けた後、更に容器本体１２の中心軸Ｘに対して所定の巻付角度－θで、その上から（角度＋θで巻き付けられた繊維束１６の上に交差して）巻き付けることを指す。

つまり、補強層１８は、直胴部１２Ａの外周面に繊維束１６が所定の巻付角度＋θ及び巻付角度－θで少なくとも２層は巻き付けられることで構成されている。なお、直胴部１２Ａの内圧及び繊維束１６の繊維本数等に起因するが、繊維束１６は、実際には例えば１０層～２０層程度巻き付けられる。

一方、ドーム部１２Ｂの外周面には、繊維束１６が互い違いに編まれるように巻き付けられるようになっており（以下「ブレーディング巻き」という）、そのブレーディング巻きされた繊維束１６によって補強層１８が形成されるようになっている。

ブレーディング巻きとは、上記したように、互い違いに編まれるように巻き付けられることであり、ここでは容器本体１２の中心軸Ｘに対して所定の巻付角度＋θ及び巻付角度－θで巻き付けられることを指す。

つまり、ヘリカル巻きもブレーディング巻きも同じ巻付角度θで巻き付けられるようになっており、その巻付角度θは、公差を含め、θ＝５４．７度±１０度の範囲内、好ましくはθ＝５４．７度±５度の範囲内、更に好ましくはθ＝５４．７度±１度の範囲内となっている。

この巻付角度θは、所定の内圧が作用しているときの直胴部１２Ａにおける応力（軸方向の応力及び周方向の応力）から導出される角度であり、軸方向の応力に対して周方向の応力が２倍であることに起因する角度である。すなわち、詳細な計算式は省略するが、ネッティング理論（Netting theory）により、応力に応じた巻付角度θを計算したとき、ｔａｎ^２θ＝２となることから、θ＝５４．７度（平衡角）が導出されるようになっている。

ここで、ドーム部１２Ｂは、直胴部１２Ａに比べて、内圧が作用しているときの応力が小さいため、直胴部１２Ａに比べて、補強する度合いが小さくて済む。したがって、ドーム部１２Ｂでは、ヘリカル巻きに比べて低強度となるブレーディング巻きとされ、直胴部１２Ａでは、ブレーディング巻きに比べて高強度となるヘリカル巻きとされている。なお、繊維束１６は、公知の製造装置により、容器本体１２の外周面に巻き付けられるようになっている。

また、ドーム部１２Ｂは、その軸心部に容器本体１２における中心軸Ｘの軸方向外側へ突出する円筒部１２Ｃを含んでいる。一例として、一方の円筒部１２Ｃには、封止プラグ（図示省略）が嵌合され、他方の円筒部１２Ｃには、口金プラグ（図示省略）が嵌合されるようになっており、その口金プラグには、バルブ（図示省略）が装着されるようになっている。

以上のような圧力容器１０（繊維束１６が巻回された容器本体１２）が、後述する樹脂含浸成形用金型（以下、単に「金型」という）２０、２１の収容部２２に径方向を上下方向として収容される。そして、その繊維束１６（補強層１８）に、流動性を有する未硬化の熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂と硬化剤とが混合された樹脂：以下、単に「樹脂」という）が含浸される。そこで次に、その金型２０、２１について説明する。

＜第１実施形態＞
まず、第１実施形態に係る金型２０について説明する。図２、図３に示されるように、この金型２０は、下金型３０と上金型５０とを有している。下金型３０は、収容部２２の下半分を収容する下収容部３２と、樹脂を貯留可能な貯留部２６と、貯留部２６から収容部２２へ樹脂を流すための流路２４と、貯留部２６に貯留されている樹脂が流路２４を通って収容部２２へ流れるようにするための圧力を制御する圧力制御手段２８と、を有している。

収容部２２は、圧力容器１０とほぼ同じ形状に形成されており、下収容部３２は、圧力容器１０の径方向における下半分とほぼ同じ形状に形成されている。流路２４は、圧力容器１０の軸方向を長手方向とするスリット状に形成されている。貯留部２６は、平面視で圧力容器１０の軸方向を長手方向とする略楕円形状の凹部３４と、その凹部３４を上方から塞ぐように設けられた弾性変形可能な膜部材４０（後述する本体部４２の上面４２Ａ）と、で構成されている。

膜部材４０は、平面視で凹部３４よりも一回り大きい略楕円形状にシリコンゴム等の弾性体で形成されており、その周縁部４４が、枠状（環状）の保持具３８によって下金型３０に取り付けられている。すなわち、膜部材４０の周縁部４４が、下金型３０と保持具３８とによって挟持され、ネジ止め等の固定手段によって、保持具３８と共に下金型３０に固定されている。

これにより、膜部材４０の周縁部４４を除く本体部４２が、凹部３４内において上下方向へ弾性変形可能となる構成とされ、その上面４２Ａに樹脂が貯留可能となる構成になっている。つまり、膜部材４０は、樹脂の重さにより、下方へ向けて凸となる湾曲状に弾性変形して、その樹脂を貯留するようになっており、凹部３４は、その下方への膜部材４０の弾性変形を許容するようになっている。なお、図２、図３では、樹脂の図示を省略している。

また、図３に示されるように、凹部３４の底面３４Ａは、圧力容器１０の軸方向から見た正断面視で略半円弧状（下方へ向けて凸となる湾曲状）に形成されており、その底面３４Ａと膜部材４０（本体部４２）の下面４２Ｂとの間が、膜部材４０（本体部４２）の下面４２Ｂを露出させる空間部Ｓとされている。

そして、下金型３０には、その空間部Ｓへの空気の流入及びその空間部Ｓからの空気の流出を行う通路４６が形成されている。つまり、凹部３４の底面３４Ａには、通路４６を構成する１つの貫通孔又は軸方向に複数の貫通孔が上下方向に沿って形成されている。この空間部Ｓと通路４６とで、金型２０における圧力制御手段２８が構成されている。

一方、上金型５０は、収容部２２の上半分を収容する上収容部５２と、貯留部２６へ樹脂を供給するための射出混合ヘッド４８が取り付けられる装着部５４と、装着部５４から貯留部２６への樹脂の通路となる供給路５６と、を有している。射出混合ヘッド４８は、例えばエポキシ樹脂と硬化剤とを射出混合するように構成されている。上収容部５２は、圧力容器１０の径方向における上半分とほぼ同じ形状に形成されている。

供給路５６は上下方向に沿って形成されており、装着部５４に取り付けられた射出混合ヘッド４８から射出された樹脂が、重力の作用も加えられて、膜部材４０（本体部４２）の上面４２Ａへ供給される構成になっている。そして、膜部材４０（本体部４２）の上面４２Ａへ供給された樹脂は、その圧力が膜部材４０を介して圧力制御手段２８によって制御され、一定の圧力で流路２４を通って収容部２２へ送り込まれる（流れる）ようになっている。

以上のような構成とされた第１実施形態に係る金型２０において、次にその作用について説明する。

射出混合ヘッド４８から射出された樹脂は、供給路５６を通って、膜部材４０（本体部４２）の上面４２Ａを含んで構成された貯留部２６へ供給される。ここで、射出混合ヘッド４８から射出された樹脂の圧力は、圧力容器１０（繊維束１６が巻回された容器本体１２）に対して直接伝わらない。そのため、射出混合ヘッド４８において、必要な混合圧を容易に設定することができ、例えばエポキシ樹脂と硬化剤との未混合による硬化不良を抑制又は防止することができる。

貯留部２６（膜部材４０の上面４２Ａ）に樹脂が供給されて貯留されると、その貯留部２６に貯留された樹脂の圧力が圧力制御手段２８によって一定になるように制御される。すなわち、その一定とされた圧力によって、樹脂が流路２４を通って収容部２２へ送り込まれる。

このように、第１実施形態に係る金型２０によれば、圧力制御手段２８により、収容部２２へ充填される樹脂の圧力が一定になるように調整される。したがって、圧力容器１０（繊維束１６が巻回された容器本体１２）が収容されている収容部２２へ充填される樹脂の圧力を、容器本体１２の内圧よりも小さく、かつ含浸に必要な樹脂の圧力よりも大きい適切な圧力にすることが容易にできる。

そして、その適切な圧力を保ちながら、繊維束１６（補強層１８）に樹脂を含浸させることができる。よって、圧力容器１０（繊維束１６が巻回された容器本体１２）に対する樹脂含浸成形時における容器本体１２の変形及び未含浸繊維束の発生を抑制することができる。

しかも、この圧力制御手段２８は、空間部Ｓへの空気の流入及び空間部Ｓからの空気の流出という一定の圧力制御によって膜部材４０を上下方向に弾性変形させることで、収容部２２へ充填する樹脂の圧力を調整するようになっている。したがって、収容部２２へ充填する樹脂の圧力を一定に保つことが容易にできる。

また、射出混合ヘッド４８から必要以上に樹脂が射出されても、貯留部２６に樹脂を残留させておくことができるため、収容部２２へ充填する樹脂の圧力を常に一定に保つことができる。こうして、繊維束１６（補強層１８）に樹脂を含浸させたら、その樹脂を加熱して硬化させる。これにより、耐腐食性に優れるとともに、軽量化及び低コスト化が図れ、かつ運搬及び取り扱いが容易な圧力容器１０が得られる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る金型２１について説明する。なお、第１実施形態と同等の部位には、同じ符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図４、図５に示されるように（図４、図５でも樹脂の図示は省略している）、この金型２１は、膜部材４０ではなく、ピストン６０及びピストン６０を昇降可能に保持する保持部３６によって貯留部２６が構成されている点だけが、上記第１実施形態と異なっている。

具体的に説明すると、下金型３１には、ピストン６０を昇降可能に保持する凹状の保持部３６が形成されており、その保持部３６は、平面視で略楕円形状に形成されている。ピストン６０は、平面視で保持部３６とほぼ同じ大きさの略楕円形状となる略楕円柱状に形成されており、ピストン６０の上面６０Ａと、保持部３６の内周面（内面）３６Ａと、で樹脂を貯留する貯留部２６が構成されている。

保持部３６の底面３６Ｂは、圧力容器１０の軸方向から見た正断面視で平坦状に形成されており、その底面３６Ｂとピストン６０の下面６０Ｂとの間が、ピストン６０の下面６０Ｂを露出させる空間部Ｓとされている。なお、ピストン６０の外周面６０Ｃには、貯留部２６に貯留されている樹脂が空間部Ｓへ漏出しないようにするためのシール部材５８が全周に亘って設けられている。

以上のような構成とされた第２実施形態に係る金型２１において、次にその作用について説明する。なお、第１実施形態と共通する作用は、その記載を適宜省略する。

射出混合ヘッド４８から射出された樹脂は、供給路５６を通って、ピストン６０の上面６０Ａと保持部３６の内周面３６Ａとで構成された貯留部２６へ供給される。そして、その貯留部２６に貯留された樹脂の圧力が圧力制御手段２８によって一定になるように制御される。すなわち、その一定とされた圧力によって、樹脂が流路２４を通って収容部２２へ送り込まれる。

このように、第２実施形態に係る金型２１によれば、圧力制御手段２８により、収容部２２へ充填される樹脂の圧力が一定になるように調整される。したがって、圧力容器１０（繊維束１６が巻回された容器本体１２）が収容されている収容部２２へ充填される樹脂の圧力を、容器本体１２の内圧よりも小さく、かつ含浸に必要な樹脂の圧力よりも大きい適切な圧力にすることが容易にできる。

但し、この第２実施形態に係る金型２１の場合には、シール部材５８の清掃が必要となる。そして、そのシール部材５８の清掃状態により、保持部３６の内周面３６Ａに対するピストン６０の外周面６０Ｃの摺動抵抗が変化するため、貯留部２６に貯留されている樹脂の圧力をモニタリングしながら、その圧力を制御する必要がある。

このように、第２実施形態に係る金型２１の場合には、貯留部２６に貯留されている樹脂の圧力をモニタリングする必要があるが、圧力制御手段２８は、空間部Ｓへの空気の流入及び空間部Ｓからの空気の流出という一定の圧力制御によってピストン６０を昇降させることで、収容部２２へ充填する樹脂の圧力を調整するようになっている。したがって、収容部２２へ充填する樹脂の圧力を一定に保つことが容易にできる。

なお、図６に示されるように（図６でも樹脂の図示は省略している）、貯留部２６及び流路２４を、圧力容器１０の軸方向に複数個（図示のものは３個）に分割して設けるようにしてもよい。

すなわち、下金型３１に、容器本体１２の直胴部１２Ａへ樹脂を送り込む貯留部２６Ａ及び流路２４Ａと、容器本体１２の各ドーム部１２Ｂへ樹脂を送り込む各貯留部２６Ｂ及び各流路２４Ｂと、を設けるようにしてもよい。この場合の各ピストン６０の形状は、例えば平面視で３個とも合同な円形状とすればよい。また、図示は省略するが、圧力制御手段２８（空間部Ｓ及び通路４６）も各貯留部２６に設けられている。

このような構成にしても、貯留部２６Ａ及び各貯留部２６Ｂ（各ピストン６０の上面６０Ａ）に貯留された樹脂の圧力（収容部２２へ充填される樹脂の圧力）が圧力制御手段２８によって一定になるように制御（調整）される。すなわち、その一定とされた圧力によって、樹脂が流路２４Ａ及び各流路２４Ｂを通って収容部２２へ送り込まれる。

以上、本実施形態に係る樹脂含浸成形用金型２０、２１について、図面を基に説明したが、本実施形態に係る樹脂含浸成形用金型２０、２１は、図示のものに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能なものである。例えば、収容部２２に収容する圧力容器１０の容器本体１２は、液晶樹脂製に限定されるものではなく、高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂製であってもよい。

また、貯留部２６を、圧力容器１０の軸方向に複数個（例えば３個）に分割して設ける場合の各ピストン６０の形状は、図６に示されるような平面視円形状に限定されるものではない。各ピストン６０の形状は、例えば平面視で角部が円弧状とされた略矩形状等とされていてもよい。

１０圧力容器
１２容器本体
１６繊維束
２０樹脂含浸成形用金型
２１樹脂含浸成形用金型
２２収容部
２４流路
２６貯留部
２８圧力制御手段
３６保持部
４０膜部材
４６通路
６０ピストン
Ｓ空間部

Claims

繊維束が巻回された容器本体を収容可能な収容部と、
流動性を有する未硬化の樹脂を貯留可能な貯留部と、
前記樹脂を前記貯留部へ向けて上方から供給するための供給路と、
前記貯留部に貯留されている前記樹脂を該貯留部から前記収容部へ流すための流路と、
前記貯留部に貯留されている前記樹脂が前記流路を通って前記収容部へ流れるようにするための圧力を一定に制御する圧力制御手段と、
を有し、
前記貯留部が、弾性変形可能な膜部材の上面を含んで構成され、
前記圧力制御手段が、前記膜部材の下面を露出させる空間部と、前記空間部への空気の流入及び前記空間部からの空気の流出を行う通路と、で構成されている樹脂含浸成形用金型。
繊維束が巻回された容器本体を収容可能な収容部と、
流動性を有する未硬化の樹脂を貯留可能な貯留部と、
前記樹脂を前記貯留部へ向けて上方から供給するための供給路と、
前記貯留部に貯留されている前記樹脂を該貯留部から前記収容部へ流すための流路と、
前記貯留部に貯留されている前記樹脂が前記流路を通って前記収容部へ流れるようにするための圧力を一定に制御する圧力制御手段と、
を有し、
前記貯留部が、ピストンの上面と、前記ピストンを昇降可能に保持する保持部の内面と、で構成され、
前記圧力制御手段が、前記ピストンの下面を露出させる空間部と、前記空間部への空気の流入及び前記空間部からの空気の流出を行う通路と、で構成されている樹脂含浸成形用金型。