JP7287369B2

JP7287369B2 - タンクおよびタンクの製造方法

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Publication number: JP7287369B2
Application number: JP2020152709A
Authority: JP
Inventors: 大弥金井; 照宜古澤; 相根李
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2040-09-11
Also published as: CN114165723A; CN114165723B; JP2022047015A

Description

本開示は、タンクおよびタンクの製造方法に関する。

流体を貯蔵するためのタンクとして、流体を貯蔵する空間を形成するライナと、ライナの上に配置されてＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化樹脂）により形成される補強層と、補強層の上に配置されてＧＦＲＰ（ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：ガラス繊維強化樹脂）により形成される保護層とを備えたタンクが知られている。特許文献１では、上記保護層として、ヘリカル巻きされたガラス繊維により形成されるヘリカル層と、かかるヘリカル層上に形成され、フープ巻きされたガラス繊維により形成されるフープ層と、を有する層が形成される。

特開２０１９－２１９０２５号公報

経年劣化等に起因してガス充填時に保護層表面に複数の亀裂が生じ、それぞれ内部に向かって伸展した場合、保護層のめくれが生じるおそれがある。例えば、特許文献１の構成を有する保護層を備えるタンクでは、各亀裂の伸展がガラス繊維により形成されるフープ層とヘリカル層の境界において止まり、各亀裂の先端を起点として層間剥離が起こり得る。ＧＦＲＰは、ＣＦＲＰと比較して応力腐食割れが起こり易いので、かかる割れと上述の層間剥離とが相俟って保護層がめくれてしまうことがある。このようなことから、保護層表面に亀裂が発生した場合に、保護層におけるめくれの発生を抑制可能な技術が望まれる。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、タンクが提供される。このタンクは、円筒部と前記円筒部の両端に配置されるドーム部とを有するライナと、前記ライナの上に配置されＣＦＲＰにより形成されている補強層であって、炭素繊維を含んで構成されているヘリカル層と、前記ヘリカル層の外表面に接して炭素繊維を含んで構成されており、前記補強層の最外層を構成する第１フープ層と、を有する補強層と、前記補強層のうちの前記円筒部上に位置する部分の上に配置されＧＦＲＰにより形成されている保護層であって、前記第１フープ層に接してガラス繊維を含んで構成されている第２フープ層を有し、ガラス繊維を含んで構成されているヘリカル層を有しない、保護層と、を備える。
この形態のタンクによれば、保護層は、ガラス繊維のヘリカル巻きにより形成されているヘリカル層を有せず、また、補強層の第１フープ層と第１フープ層に接する保護層の第２フープ層とはいずれもフープ巻きにより形成されているため、保護層表面において生じた亀裂を、第１フープ層と第２フープ層との境界、すなわち、保護層と補強層の境界で止まらせずに、補強層における第１フープ層とヘリカル層との境界まで伸びるように促進できる。これにより、保護層内において各亀裂の先端を起点とした層間剥離が生じることを抑制でき、保護層表面に亀裂が発生した場合に、保護層においてめくれの発生を抑制できる。加えて、ＣＦＲＰは、ＧＦＲＰに比べて応力腐食割れが起こり難いため、各亀裂の伸展が補強層における第１フープ層とヘリカル層の境界まで伸びて、かかる境界において層間剥離が生じた場合でも、補強層においてもめくれの発生を抑制できる。
（２）上記形態のタンクにおいて、前記補強層のうちの前記ドーム部の上に配置されている部分を覆っているプロテクタを、さらに備えてもよい。この形態のタンクによれば、ガラス繊維を含んで構成されているヘリカル層を有しないので、かかるヘリカル層を有する構成に比べてガラス繊維の削減および巻き時間の短縮化が図られる。
（３）上記形態のタンクにおいて、前記補強層は、前記ヘリカル層よりも内側に位置して炭素繊維を含んで構成されている第３フープ層を、さらに有してもよい。この形態のタンクによれば、周方向応力の高い内側に第３フープ層を有することによって、タンク強度を向上できる。
本開示は、タンク以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、タンクを搭載した車両やタンクの製造方法等の形態で実現することができる。

本開示の実施形態としてのタンクの断面模式図である。円筒部上に配置される補強層および保護層の断面の拡大図である。タンクの製造方法を示す工程図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．タンクの全体構成：
図１は、本開示の実施形態としてのタンク１００の断面模式図である。タンク１００は、流体を貯蔵するタンクである。本実施形態では、タンク１００は、流体として圧縮水素を貯蔵し、例えば、水素タンク搭載装置である燃料電池車両に搭載される。なお、図１および図２は本開示に係るタンク１００の各部の様子を模式的に示しているため、図に示された各部のサイズは、具体的なサイズを表わすものではない。

タンク１００は、その構成部分として、タンク円筒部１０２と、一対のタンクドーム部１０４と、を有する。タンク円筒部１０２は、略円筒状の形状を有する。タンクドーム部１０４は、タンク円筒部１０２の半径と同じ半径を有する略半球状の形状を有する。タンクドーム部１０４は、タンク円筒部１０２の両端に、それらの円形の開口がタンク円筒部１０２側を向くように、配されている。図１においては、タンク円筒部１０２とタンクドーム部１０４との境界を、破線で示す。

タンク１００は、ライナ１０と、補強層２０と、保護層２５と、口金３０と、口金４０と、一対のプロテクタ５０と、を備える。

ライナ１０は、タンク１００において、最も内側の層を構成する。ライナ１０は、円筒部１２と、ドーム部１４とを有する。円筒部１２は、タンク円筒部１０２の一部である。ドーム部１４は、タンクドーム部１０４の一部であり、円筒部１２の両端に配置される。ライナ１０は、例えば、ナイロン系樹脂（ポリアミド系樹脂）やポリエチレン系樹脂等の合成樹脂、あるいは、アルミニウム合金等の金属によって形成することができ、本実施形態ではナイロンによって形成している。ライナ１０は、ライナ１０の内部空間に充填された水素等が外部に漏れないように遮断する性質（いわゆるガスバリア性）を有する。

口金３０は、ライナ１０のうち、一対のドーム部１４のうちの一方に対応する部分の頂部に配されている。ドーム部１４の「頂部」とは、ドーム部１４と、タンク１００の中心軸ＣＡとの交点である。口金３０は、貫通孔を有する。口金３０の貫通孔は、タンク１００の内部と外部とを接続している。口金３０を介して、タンク１００に、配管やバルブが取りつけられる。

口金４０は、ライナ１０のうち、一対のドーム部１４のうちの他方に対応する部分の頂部に配されている。口金３０，４０は、補強層２０および保護層２５を形成する際に、ライナ１０をフィラメントワインディング装置へ取り付けるための取付部としても機能する。口金３０、４０は、例えば、インサート成形によってライナ１０に接合される。

プロテクタ５０は、後述する補強層２０のうちのドーム部１４の上に配置されている部分を覆っている。かかる部分は、湿気硬化型接着剤により接着されている。プロテクタ５０は、例えばウレタン材で、最厚部の厚みは３０ｍｍ程度、平均外径φは３００ｍｍ程度である。

補強層２０は、ライナ１０の外表面全体と、口金３０の一部および口金４０の一部を覆うように形成されている。補強層２０は、タンク１００の耐圧性を強化する機能を奏する。補強層２０は、エポキシ樹脂と炭素繊維との複合材料であるＣＦＲＰ（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：炭素繊維強化樹脂）で構成されている。ＣＦＲＰは、後述するＧＦＲＰに比べて応力腐食割れが生じ難い。

補強層２０のうちの円筒部１２上に位置する部分は、かかる部分の外表面に接する保護層により覆われている。他方、補強層２０のうちのドーム部１４の上に配置されている部分は、かかる部分の外表面に接するプロテクタ５０により覆われている。

補強層２０における炭素繊維の直径は、後に説明する保護層２５のガラス繊維の直径よりも小さい。このような構成とすることにより、補強層２０において、保護層２５のガラス繊維よりも密に炭素繊維を配することができる。このため、補強層２０における繊維の直径が保護層２５の直径以上である態様に比べて、よりタンク１００の耐圧性を強化することができる。

保護層２５は、補強層２０のうちの円筒部１２上に位置する部分の上に配置されている。具体的には、保護層２５は、かかる部分のうちの最外層に接している。保護層２５は、熱硬化性樹脂とガラス繊維との複合材料であるＧＦＲＰ（ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：ガラス繊維強化樹脂）で構成されている。その結果、保護層２５は、補強層２０よりも高い耐衝撃性を備える。

図２は、円筒部１２上に配置される補強層２０および保護層２５の断面の拡大図である。図１および図２において、タンク１００の中心軸ＣＡから外側に向かう向きを矢印Ｄｏで示す。図２は、技術内容を説明するための説明図であり、各部の寸法を正確に表すものではない。

補強層２０は、ヘリカル層２５２と、第１フープ層２５４とを有する。ヘリカル層２５２と、第１フープ層２５４とは、それぞれＣＦＲＰで構成されている。ヘリカル層２５２と、第１フープ層２５４とがそれぞれ含む熱硬化性樹脂は、同一のエポキシ樹脂である。

ヘリカル層２５２は、ライナ１０の上に形成されている。本実施形態では、ヘリカル層２５２は、ライナ１０に接して配置され、ライナ１０を囲むように形成されている。ヘリカル層２５２は、ヘリカル巻きされている炭素繊維Ｃ１と、炭素繊維Ｃ１を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ１とを含む。「ヘリカル巻き」とは、タンク１００の中心軸ＣＡに対して垂直な平面と交わる向きで、繊維が巻き付けられる、繊維の巻き付け方法である。

第１フープ層２５４は、補強層２０のうちの円筒部１２上に位置する部分に設けられている。第１フープ層２５４は、ヘリカル層２５２の外表面に接して位置する。第１フープ層２５４は、補強層２０の最外層を構成する。第１フープ層２５４は、フープ巻きされている炭素繊維Ｃ２と、炭素繊維Ｃ２を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ２とを含む。「フープ巻き」とは、タンク本体の中心軸ＣＡに対して垂直な平面と略平行な向きで、繊維が巻き付けられる、繊維の巻き付け方法である。

保護層２５は、第２フープ層２５６と、樹脂層２５８とを有する。第２フープ層２５６は、ＧＦＲＰで構成されている。第２フープ層２５６が含む熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂である。

第２フープ層２５６は、保護層２５のうちの円筒部１２上に位置する部分に配置されている。第２フープ層２５６は、第１フープ層２５４の外側であり、かつ、第１フープ層２５４に接して位置する。第２フープ層２５６は、フープ巻きされているガラス繊維Ｇ３と、ガラス繊維Ｇ３を固定しているエポキシ樹脂Ｒｅ３とを含む。樹脂層２５８は、第２フープ層２５６の外側に接して位置する。樹脂層２５８は、繊維がない層であり、例えば、内側の第２フープ層２５６におけるエポキシ樹脂Ｒｅ３が、樹脂層２５８へと移動したことにより形成された層である。

ガスの充填および放出が繰り返されると、図２に示すような亀裂ＣＲが生じ得る。亀裂ＣＲは、保護層２５の外表面を起点として発生し、内部へ伸展した亀裂であり、いわゆる「トランスバースクラック」とも呼ばれる。この内部への伸展は、保護層２５と補強層２０との境界では止まらない。これは、保護層２５の最内層と、補強層２０の最外層とは、共に、繊維の巻き付け方法が同じフープ巻きであり、繊維の巻き付け角度が互いにほぼ等しいからである。この結果、亀裂ＣＲの先端を起点として起こり得る層間剥離が抑制され、保護層２５におけるめくれが抑制される。

亀裂ＣＲは、保護層２５と補強層２０の境界を突破して、第１フープ層２５４の内部まで伸展する。かかる第１フープ層２５４の内部における伸展は、補強層２０のうちの第１フープ層２５４と、ヘリカル層２５２との境界で止まる。これは、第１フープ層２５４と、ヘリカル層２５２とでは、異なる繊維の巻き付け方法で繊維の巻き付け角度が異なるからである。この結果、亀裂ＣＲの先端は第１フープ層２５４と、ヘリカル層２５２との境界に位置し、これにより、亀裂ＣＲの先端を起点として層間剥離が生じ得る。しかしながら、かかる層間剥離が生じた場合であっても、ＣＦＲＰは、ＧＦＲＰに比べて応力腐食割れが起こり難いため、層間剥離と応力腐食割れとが相俟って生じるめくれは、補強層２０において生じることが抑制される。

Ａ２．タンクの製造方法：
図３は、タンク１００の製造方法を示す工程図である。まず、口金３０および口金４０が取り付けられた状態のライナ１０が準備される（工程Ｐ１０）。

ライナ１０の上に、ＣＦＲＰにより補強層２０が形成される（工程Ｐ２０）。かかる補強層形成工程Ｐ２０は、工程Ｐ２２と、工程Ｐ２４とを含む。

工程Ｐ２２では、ライナ１０の上に、炭素繊維をヘリカル巻きすることによりヘリカル層２５２が形成される。より具体的には、エポキシ樹脂Ｒｅ１が含浸された炭素繊維Ｃ１が、フィラメントワインディング装置によって、ヘリカル巻きで、ライナ１０の上に巻き付けられる。その際、炭素繊維Ｃ１は、円筒部１２とドーム部１４の上に、巻き付けられる（図１参照）。その結果、円筒部１２とドーム部１４に、ヘリカル層２５２が形成される。なお、工程Ｐ２２の段階では、ヘリカル層２５２に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ１は硬化されていない。

工程Ｐ２４では、円筒部１２上に位置するヘリカル層２５２の外表面に接して炭素繊維をフープ巻きすることにより、補強層２０の最外層となる第１フープ層２５４が形成される。より具体的には、エポキシ樹脂Ｒｅ２を含浸させた炭素繊維Ｃ２が、フィラメントワインディング装置によって、フープ巻きで、ヘリカル層２５２の上に巻き付けられる。その結果、円筒部１２に、第１フープ層２５４が形成される。なお、工程Ｐ２４の段階では、第１フープ層２５４に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ２は硬化されていない。

補強層２０のうちの円筒部１２上に位置する部分の上に保護層２５を形成する（工程Ｐ３０）。かかる保護層形成工程Ｐ３０では、第１フープ層２５４に接してガラス繊維をフープ巻きすることにより、第２フープ層２５６を形成する。より具体的には、エポキシ樹脂Ｒｅ３が含浸されたガラス繊維が、フィラメントワインディング装置によって、第１フープ層２５４の上に巻き付けられることにより、保護層２５が形成される。なお、工程Ｐ３０の段階では、保護層２５に含まれるエポキシ樹脂Ｒｅ３は硬化されていない。

補強層２０および保護層２５に含まれているエポキシ樹脂を加熱して、補強層２０および保護層２５に含まれているエポキシ樹脂を硬化させる（工程Ｐ４０）。樹脂の硬化は、例えば、加熱炉を用いた加熱や、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いた誘導加熱手法により行なうことができる。補強層２０のうちのドーム部１４の上に配置されている部分にプロテクタ５０が組み付けられて（工程Ｐ５０）、タンク１００が完成する。

以上説明した本実施形態のタンク１００によれば、補強層２０の第１フープ層２５４と第１フープ層２５４に接する保護層２５の第２フープ層２５６とはいずれもフープ巻きにより形成されている。このため、保護層２５の表面において生じた亀裂ＣＲを、第１フープ層２５４と、第２フープ層２５６との境界、すなわち、補強層２０のうちの最外層と、保護層２５のうちの最内層との境界で止まらせずに、補強層２０における第１フープ層２５４と、ヘリカル層２５２との境界まで伸びるように促進できる。これにより、保護層２５において亀裂ＣＲの先端を起点とした層間剥離が生じることを抑制でき、保護層２５の表面に亀裂が発生した場合に、保護層２５においてめくれが発生することを抑制できる。加えて、ＣＦＲＰは、ＧＦＲＰに比べて応力腐食割れが起こり難いため、亀裂ＣＲの伸展が補強層２０における第１フープ層２５４とヘリカル層２５２の境界まで伸びて、かかる境界において層間剥離が生じた場合でも、補強層２０においてめくれが発生することを抑制できる。このようなことから、保護層２５の表面に亀裂が生じた場合に、保護層２５および補強層２０においてめくれが発生することを抑制できる。

また、本実施形態のタンク１００は、補強層２０のうちのドーム部１４の上に配置されている部分を覆っているプロテクタ５０を備え、ガラス繊維を含んで構成されているヘリカル層を有しない。このため、かかるヘリカル層を有する構成に比べてガラス繊維の削減および巻き時間の短縮化を図ることができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態のタンク１００において、補強層２０のうちの最内層はヘリカル層２５２であったが、本開示はこれに限られない。補強層２０は、ヘリカル層２５２よりも内側に位置して炭素繊維を含んで構成されている第３フープ層を、さらに有してもよい。タンク１００にガスを充填して内圧を付与したときに、タンク１００に入力される最も高い応力は周方向応力であり、繊維強度は繊維方向にしか発現しないため、周方向応力に対してはフープ層が主に機能している。このため、ヘリカル層２５２よりも内側であって、周方向応力のより高い位置に第３フープ層を形成することによって、タンク強度を向上できる。なお、かかる構成では、フープ層とヘリカル層とを交互に形成することを所定回数繰り返し実行してもよい。

（Ｂ２）上記実施形態のタンク１００では、補強層２０のうちのドーム部１４の上に配置されている部分はプロテクタ５０によって覆われていたが、プロテクタ５０によって覆われていなくてもよい。また、かかる部分は、プロテクタ５０に替えて、保護層２５としてガラス繊維のヘリカル巻きにより形成されたヘリカル層を有してもよい。

本開示は、上述の実施形態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。

１０…ライナ、１２…円筒部、１４…ドーム部、２０…補強層、２５…保護層、３０,４０…口金、５０…プロテクタ、１００…タンク、１０２…タンク円筒部、１０４…タンクドーム部、２５２…ヘリカル層、２５４…第１フープ層、２５６…第２フープ層、２５８…樹脂層、Ｃ１,Ｃ２…炭素繊維、ＣＡ…中心軸、ＣＲ…亀裂、Ｄｏ…矢印、Ｇ３…ガラス繊維、Ｐ１０,Ｐ２０,Ｐ２２,Ｐ２４,Ｐ３０,Ｐ４０,Ｐ５０…工程、Ｒｅ１,Ｒｅ２,Ｒｅ３…エポキシ樹脂

Claims

タンクであって、
円筒部と前記円筒部の両端に配置されるドーム部とを有するライナと、
前記ライナの上に配置されＣＦＲＰにより形成されている補強層であって、
炭素繊維を含んで構成されているヘリカル層と、
前記ヘリカル層の外表面に接して炭素繊維を含んで構成されており、前記補強層の最外層を構成する第１フープ層と、
を有する補強層と、
前記補強層のうちの前記円筒部上に位置する部分の上に配置されＧＦＲＰにより形成されている保護層であって、前記第１フープ層に接してガラス繊維を含んで構成されている第２フープ層を有し、ガラス繊維を含んで構成されているヘリカル層を有しない、保護層と、
を備える、タンク。
請求項１に記載のタンクであって、
前記補強層のうちの前記ドーム部の上に配置されている部分を覆っているプロテクタを、さらに備える、タンク。
請求項１または請求項２に記載のタンクであって、
前記補強層は、前記ヘリカル層よりも内側に位置して炭素繊維を含んで構成されている第３フープ層を、さらに有する、タンク。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のタンクの製造方法であって、
前記補強層を形成する補強層形成工程であって、
炭素繊維をヘリカル巻きすることによりヘリカル層を形成する工程と、
炭素繊維をフープ巻きすることにより前記補強層の最外層を構成する前記第１フープ層を形成する工程と、
を有する補強層形成工程と、
前記保護層を形成する保護層形成工程であって、前記第１フープ層に接してガラス繊維をフープ巻きすることにより、第２フープ層を形成する保護層形成工程と、
を備える、タンクの製造方法。