KR20170058298A

KR20170058298A - 탱크의 제조 방법 및 탱크

Info

Publication number: KR20170058298A
Application number: KR1020160152483A
Authority: KR
Inventors: 다츠노리 신도; 가즈노부 이시바시; 요시히로 이와노; 다카시 이노; 기요시 우자와; 유지 가게야마; 마미 사카구치; 마나토 가네사키
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2015-11-18
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2017-05-26
Also published as: CA2948711A1; EP3170645A1; KR101843290B1; JP2017094491A; US20170136716A1; US10456996B2; JP6254564B2; EP3170645B8; EP3170645B1; CN106696302B; CA2948711C; CN106696302A

Abstract

통상의 동체부 (2) 와, 그 동체부의 양측에 형성된 돔상의 측단부 (3, 4) 를 구비한 탱크 (1) 의 제조 방법은, 강화 섬유에 열가소성 수지가 함침된 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를, 상기 열가소성 수지가 용융된 상태로, 심재의 축심에 대해 직교하는 방향으로부터 상기 심재 (5A) 의 둘레면에 복수회 권부함으로써, 상기 동체부 (2) 의 적어도 일부가 되는 통상 성형체 (20A) 를, 1 장의 상기 섬유 강화 수지 시트 (25A) 로부터 성형하는 것을 포함한다.

Description

탱크의 제조 방법 및 탱크{TANK MANUFACTURING METHOD AND TANK}

예시적인 실시형태들은 가스 등을 저장하는 탱크의 제조 방법 및 탱크에 관한 것이다.

예를 들어, 천연 가스 자동차 또는 연료 전지 자동차 등에는, 연료 가스를 저장하는 탱크가 이용되고 있다. 이러한 종류의 탱크는, 경량화 및 고강도화를 도모하기 위하여, 탱크의 형상에 따른 라이너에 섬유 강화 수지재가 피복되어 있다.

이와 같은 탱크의 제조 방법으로서 예를 들어, 일본 공개특허공보 2010-125826 에는, 필라멘트 와인딩법에 의해 탱크를 제조하는 방법이 제안되어 있다. 여기서는, 라이너를 피복하는 섬유 강화 수지재로서, 강화 섬유의 필라멘트에 열경화성 수지를 함침한 폭이 좁은 섬유 강화 수지가 사용되고 있다. 그리고, 이 방법에서는, 탱크의 동체부의 적어도 일부를 구성하는 라이너에, 폭이 좁은 섬유 강화 수지를 오버랩하듯이 복수회 권부 (卷付) 함으로써, 라이너의 표면에 섬유 강화 수지층을 성형하고 있다. 그 후, 섬유 강화 수지에 함유되는 열경화성 수지를 가열하여 이것을 경화시키고 있다.

그러나, 상기 서술하는 필라멘트 와인딩법으로 탱크를 제조한 경우에는, 폭이 좁은 섬유 강화 수지가 오버랩하도록, 이것을 라이너 (심재) 에 권부하기 때문에, 권부 시간이 다대한 시간이 된다. 또, 섬유 강화 수지를 권부한 후, 예를 들어 가열로 내에 투입하고, 섬유 강화 수지에 함유되는 열경화성 수지를 가열하여 경화시키므로, 더욱 시간이 걸려 버린다.

또, 상기 서술한 바와 같이, 폭이 좁은 섬유 강화 수지를 오버랩시킨 섬유 강화 수지층을 두께 방향에 복수 형성하고 있다. 이와 같은 결과, 탱크의 동체부의 축심에 대해 직교한 어느 단면도, 섬유 강화 수지의 권부 상태는 상이하기 때문에, 탱크 강도에 편차가 생기는 것이 상정된다.

또한 폭이 좁은 섬유 강화 수지가 오버랩하도록 섬유 강화 수지 테이프를 심재에 권부하면, 그 표면에는 요철이 형성된다. 이 요철이 형성된 표면 상에 추가로 섬유 강화 수지를 권회 (卷回) 하면, 두께 방향에 인접하는 섬유 강화 수지층끼리에는 간극이 형성되기 쉬워진다. 이 간극이 기인이 되어, 열경화성 수지의 경화 후, 탱크의 동체부에 보이드가 되어 잔존하는 경우가 있어, 탱크 강도가 저하되는 경우가 있다.

예시적인 실시형태들은, 동체부에 균일한 강도를 갖는 탱크를 제공함과 함께, 이것을 단시간에 제조할 수 있는 탱크의 제조 방법을 제공한다.

본 예시적인 실시형태들의 제 1 양태는, 통상의 동체부와, 그 동체부의 양측에 형성된 돔상의 측단부를 구비한 탱크의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 탱크의 제조 방법은, 강화 섬유에 열가소성 수지가 함침된 섬유 강화 수지 시트를, 상기 열가소성 수지가 용융된 상태로, 심재의 축심에 대해 직교하는 방향으로부터 상기 심재의 둘레면에 복수회 권부함으로써, 상기 동체부의 적어도 일부가 되는 통상 성형체를, 1 장의 상기 섬유 강화 수지 시트로부터 성형하는 공정을 포함한다.

제 1 양태에 의하면, 일본 공개특허공보 2010-125826 의 폭이 좁은 섬유 강화 수지에 비해, 폭이 넓은 1 장의 섬유 강화 수지 시트를, 상기 단면에 있어서 심재의 축심 둘레를 연속해서 복수회 주회 (周回) 하도록, 심재의 둘레면에 권부할 수 있다. 이로써, 일본 공개특허공보 2010-125826 의 폭이 좁은 섬유 강화 수지를 심재에 권부하는 경우에 비해, 단시간에 통상 성형체를 성형할 수 있다.

특히, 심재에 권부한 섬유 강화 수지 시트의 표면에는, 폭이 좁은 섬유 강화 수지를 오버랩시키도록 권부한 섬유 강화 수지층의 표면과 같은 요철이 형성되지 않기 때문에, 이 위에 추가로 섬유 강화 수지 시트를 연속해서 권부해도, 섬유 강화 수지 시트끼리의 사이에 간극이 잘 형성되지 않는다. 이로써, 통상 성형체에 보이드가 형성되는 것을 억제할 수 있다.

또, 1 장의 섬유 강화 수지 시트로부터 성형된 통상 성형체의 섬유 강화 수지층은, 동체부의 양측에 걸쳐 형성되고, 또한 동체부의 축심 둘레를 연속해서 복수회 주회하게 된다. 이로써, 탱크의 동체부는, 그 축심에 직교하는 어느 단면에 있어서도, 보다 균일한 내압 강도를 가질 수 있다.

또한 강화 섬유에 함침되어 있는 수지는, 열가소성 수지이므로, 열경화성 수지와 같이 경화를 목적으로 한 가열을 할 필요가 없다. 이로써, 열경화성 수지를 사용한 경우에 비해, 단시간에 통상 성형체를 제조할 수 있다.

상기 섬유 강화 수지 시트로서, 상기 강화 섬유가 일방향을 따라 가지런해진 섬유 강화 수지 시트를 사용하여, 상기 통상 성형체를 성형하는 공정에 있어서, 상기 강화 섬유가 상기 심재의 축심에 대해 직교한 단면에서 복수회 주회하도록, 상기 섬유 강화 수지 시트를 상기 심재의 둘레면에 권부해도 된다.

이와 같이 하면, 제조된 탱크의 동체부에는, 탱크의 내압에 의해 동체부에 후프 응력이 작용하는 방향 (즉 축심에 대해 직교하는 방향) 에, 연속해서 복수회 주회한 강화 섬유가 존재하게 되므로, 내압 강도가 높은 탱크를 얻을 수 있다. 또한 탱크의 동체부의 박육화를 실현할 수 있고, 이로써 탱크의 경량화 및 저비용화를 도모할 수 있다.

상기 통상 성형체를 성형 후, 상기 통상 성형체를 상기 심재로부터 인발함으로써, 상기 동체부에 상당하는 동체를 제조해도 된다. 이와 같이 하면, 통상 성형체를 심재로부터 인발함으로써, 라이너를 갖지 않는 통상 성형체로 이루어지는 동체를 얻을 수 있다.

상기 탱크의 제조 방법은, 상기 열가소성 수지를 주재로 한 돔상의 측단 부재와, 상기 통상 성형체의 적어도 일방을 가열하여, 상기 통상 성형체에 상기 측단 부재를 융착시킴으로써, 상기 탱크에 상기 측단부를 형성하는 공정을 추가로 포함해도 된다.

이와 같이 하면, 통상 성형체에 측단 부재를 융착시킴으로써, 측단 부재를 동체부의 적어도 일부를 구성하는 통상 성형체로 일체화할 수 있으므로, 동체부와 측단부의 경계의 내압 강도를 확보할 수 있다.

본 예시적인 실시형태들에 따른 제 2 양태는, 통상의 동체부와, 그 동체부의 양측에 형성된 돔상의 측단부를 구비한 탱크에 관한 것이다.

상기 동체부의 적어도 일부에, 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침한 시트상의 섬유 강화 수지층으로 이루어지는 통상 성형부를 구비하고 있고, 상기 섬유 강화 수지층은, 상기 동체부의 양측에 걸쳐 형성되고, 또한 상기 동체부의 축심에 대해 직교하는 방향으로 복수회 주회하고 있다.

제 2 양태에 의하면, 통상 성형체의 섬유 강화 수지층은, 동체부의 양측에 걸쳐 형성되어 있고, 또한 동체부의 축심 둘레를, 축심에 대해 직교하는 방향으로 연속해서 복수회 주회하고 있다. 이로써, 탱크의 동체부는, 그 축심에 직교하는 단면에 있어서, 보다 균일한 내압성을 가질 수 있다.

상기 강화 섬유는, 상기 동체부의 둘레 방향을 따라 가지런해지고, 또한 상기 동체부의 축심에 대해 직교한 단면에서 복수회 주회하고 있어도 된다. 이와 같이 하면, 탱크의 동체부에는, 탱크의 내압에 의해 동체부에 후프 응력이 작용하는 방향으로, 강화 섬유가 연속해서 복수회 주회하게 되므로, 탱크의 내압 강도를 높일 수 있다.

상기 통상 성형부에, 상기 탱크의 수용 공간이 형성되어 있어도 된다. 이와 같이 하면, 탱크의 동체부에 라이너를 형성하지 않아도 되므로, 탱크의 경량화가 도모되어, 저가의 탱크가 된다.

상기 측단부는, 주재로서 열가소성 수지를 함유하고, 상기 통상 성형부와 상기 측단부가 접합되어 있어도 된다. 이와 같이 하면, 열가소성 수지를 쌍방에 함유하는 통상 성형체와 측단부가 접합되어 있으므로, 이들 경계의 내압 강도를 확보할 수 있다.

본 예시적인 실시형태들에 의하면, 동체부에 균일한 강도를 갖는 탱크를 얻을 수 있어, 이것을 단시간에 제조할 수 있다.

예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들 및 기술적 그리고 산업적 중요성은 첨부된 도면을 참조하여 이하 설명되고, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 나타낸다 :
도 1a 는, 제 1 실시형태에 관련된 탱크의 모식적 단면도이고,
도 1b 는, 도 1a 의 A 부의 확대도이다.
도 2a 는, 도 1a 에 나타내는 탱크의 IIA-IIA 화살표에서 본 단면도이고,
도 2b 는, 도 2a 에 나타내는 단면도에 있어서의 강화 섬유의 상태를 나타낸 모식적 개념도이다.
도 3 은, 도 1a 에 나타내는 탱크의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 모식적 사시도이다.
도 4a 는, 도 1a 에 나타내는 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 4b 는, 도 1a 에 나타내는 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 4c 는, 도 1a 에 나타내는 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 5a 는, 종래의 탱크의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 모식적 사시도이고,
도 5b 는, 종래의 탱크의 동체부의 부분적 확대 단면도이다.
도 6a 는, 제 2 실시형태에 관련된 탱크의 모식적 단면도이고,
도 6b 는, 도 6a 의 C 부의 확대도이다.
도 7a 는, 도 6a 에 나타내는 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 7b 는, 도 6a 에 나타내는 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 7c 는, 도 6a 에 나타내는 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 8a 는, 실시예에 관련된 통상 성형체의 축심과 직교하는 방향의 단면 사진이고,
도 8b 는, 비교예에 관련된 통상 성형체의 축심과 직교하는 방향의 단면 사진이다.

이하에, 본 예시적인 실시형태들에 관련된 탱크 및 그 제조 방법을 도면을 참조하면서 설명한다.

<제 1 실시형태>

1. 탱크 (1) 에 대해

먼저, 제 1 실시형태에 관련된 탱크에 대해, 도 1a, 1B 및 도 2a, 2B 를 참조하면서 설명한다. 도 1a 는, 제 1 실시형태에 관련된 탱크 (1) 의 모식적 단면도이고, 도 1b 는, 도 1a 의 A 부의 확대도이다. 도 2a 는, 도 1 에 나타내는 탱크 (1) 의 IIA-IIA 화살표에서 본 단면도이고, 도 2b 는, 도 2a 에 나타내는 단면도에 있어서의 강화 섬유의 상태를 나타낸 모식적 개념도이다. 또한, 도 2a 에 나타내는 IIA-IIA 화살표에서 본 단면도는, 탱크 (1) 의 축심 (CL) 과 직교한 단면이다.

도 1 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관련된 탱크 (1) 는, 원통상의 동체부 (2) 와, 동체부 (2) 의 양측에 형성된 돔상의 측단부 (3, 4) 를 구비하고 있다. 탱크 (1) 의 내부에는, 예를 들어 70 ㎫ 정도의 고압 수소 가스가 수용 (충전) 되는 수용 공간 (S) 이 형성되어 있다. 일방측의 측단부 (3) 에는, 수소 가스를 탱크 (1) 의 수용 공간 (S) 에 충전하기 위한 관통공 (31) 이 형성되어 있다.

각 측단부 (3, 4) 는 돔상이고, 동체부 (2) 의 양측으로부터 동체부 (2) 의 축심 방향을 따른 외측으로 진행됨에 따라 축경 (縮徑) 되도록 형성되어 있다. 본 실시형태에서는, 측단부 (3, 4) 는, 열가소성 수지를 주재로서 함유하고 있고, 측단부 (3, 4) 가 후술하는 열가소성 수지를 함유하는 섬유 강화 수지층 (25) (통상 성형부 (20)) 에 접합되어 있다.

이로써, 열가소성 수지를 쌍방에 함유하는 통상 성형부 (20) 와 측단부 (3, 4) 가 접합되어 있으므로, 이들 경계의 내압 강도를 확보할 수 있다. 또, 열가소성 수지를 주재로 한 측단부 (3) 는 가열함으로써, 탱크의 설치 지점 등에 맞춘 형상으로 변형시킬 수 있을 뿐만 아니라, 관통공 (31) 의 단면 형상 및 구경을 간단하게 변경할 수도 있다. 또한 예를 들어 탱크 (1) 에 고압의 수소 가스를 저장하는 경우에는, 열경화성 수지로 측단부 (3, 4) 를 성형했을 경우에 비해, 수소 가스의 투과성을 억제할 수 있다.

여기서, 본 명세서에서 말하는 「열가소성 수지를 주재로 한다」 란, 「열가소성 수지로 이루어지는」 경우 또는 「열가소성 수지에, 예를 들어 단섬유, 필러 등을 함유하고 있는」 경우의 쌍방을 포함한다. 또한, 측단부 (3) 의 관통공 (31) 을 형성하기 위하여, 예를 들어, 측단부 (3) 에 알루미늄 또는 스테인리스제의 금속제의 구금 (口金) 을 추가로 형성해도 된다.

동체부 (2) 는, 수용 공간 (S) 의 일부를 형성하는 라이너 (5) 와, 원통상의 라이너 (5) 의 둘레면 (51) 을 따라 형성된 통상 성형부 (20) 를 구비하고 있다. 라이너 (5) 의 재질은, 그 둘레면 (51) 을 따라 통상 성형부 (20) 가 형성되는 심재로서 작용하는 것이면, 금속, 수지 등, 특별히 그 재질은 한정되는 것은 아니다. 본 실시형태에서는, 라이너 (5) 는, 열가소성 수지를 주재로 한 성형체이다.

도 2a 에 나타내는 바와 같이, 통상 성형부 (20) 는, 1 개의 연속된 시트상의 섬유 강화 수지층 (FRP 층) (25) 에 의해 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 섬유 강화 수지층 (25) 은 동체부 (2) 의 양측에 걸쳐 형성되어 있고, 또한 동체부 (2) 의 축심 (CL) 에 대해 직교하는 방향으로 동체부 (2) 의 축심 (CL) 의 둘레를 연속해서 복수회 주회하고 있다. 이로써, 탱크 (1) 의 동체부 (2) 는, 그 축심 (CL) 에 직교하는 단면에 있어서, 보다 균일한 내압성을 가질 수 있다.

여기서, 섬유 강화 수지층 (25) 은, 강화 섬유에 열가소성 수지가 함침된 시트상의 층이다. 강화 섬유는, 단섬유, 장섬유, 또는 연속된 섬유 (연속 강화 섬유), 천상 섬유이어도 되지만, 본 실시형태에서는, 강화 섬유는 연속 강화 섬유이다.

구체적으로는, 강화 섬유 (21) 는, 동체부 (2) 의 둘레 방향을 따라 가지런해진 연속 강화 섬유이고, 강화 섬유 (21) 는, 동체부 (2) 의 축심 (CL) 과 직교하는 방향으로 배향하고 있다. 보다 구체적으로는, 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 동체부 (2) 의 축심 (CL) 에 대해 직교한 단면에서, 동체부 (2) 의 축심 (CL) 의 둘레를 연속해서 복수회 주회하고 있다. 즉, 강화 섬유 (21) 의 권부 방향은, 섬유 강화 수지층 (25) 의 권부 방향에 일치하고 있다.

이로써, 탱크 (1) 의 동체부 (2) 에는, 탱크 (1) 의 내압에 의해 동체부 (2) 에 후프 응력이 작용하는 방향으로, 강화 섬유 (21) 가 연속해서 복수회 주회하게 되므로, 탱크 (1) 의 동체부 (2) 의 박육화에 의한 경량화, 저비용화를 도모할 수 있다.

여기서, 강화 섬유 (21) 로는, 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유, 알루미나 섬유, 보론 섬유, 스틸 섬유, PBO 섬유, 천연 섬유, 또는 고강도 폴리에틸렌 섬유 등의 섬유를 들 수 있고, 본 실시형태에서는, 강화 섬유에 탄소 섬유가 사용되고 있다.

측단부 (3, 4), 라이너 (5), 섬유 강화 수지층 (25) 에 함유되는 열가소성 수지는, 예를 들어, 폴리에스테르계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 나일론계 수지 (예를 들어 6-나일론 수지 또는 6,6-나일론 수지), 폴리아미드계 수지, 에폭시계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 아크릴계 수지, 또는 ABS 계 수지 등을 들 수 있다. 측단부 (3, 4), 라이너 (5), 섬유 강화 수지층 (25) 에 함유되는 열가소성 수지는, 상기 서술한 수지 중, 동종의 수지이어도 된다. 또, 탱크 (1) 에 고압의 수소 가스를 저장하는 경우에는, 수소 가스의 투과를 보다 바람직하게 억제하는 열가소성 수지로서, 상기 서술한 수지 중 폴리에스테르계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 나일론계 수지 등을 들 수 있다.

2. 탱크 (1) 의 제조 방법에 대해

이하에, 탱크 (1) 의 제조 방법 (시트 와인딩법) 을, 종래의 방법 (필라멘트 와인딩법) 과 대비하여 설명한다. 도 3 은, 도 1a 에 나타내는 탱크 (1) 의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 모식적 사시도이다. 도 4a ∼ 4c 는, 도 1a 에 나타내는 탱크 (1) 의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다. 도 5a 는, 종래의 탱크의 제조 방법의 일부를 설명하기 위한 모식적 사시도이고, 도 5b 는, 종래의 탱크의 동체부의 부분적 확대 단면도이다.

먼저, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 탱크 (1) 의 라이너 (5) 에 상당하는 원통상의 심재 (5A) 를 준비하고, 심재 (5A) 와 일체적으로 회전하도록, 심재 (5A) 를 원주상의 권부기 (도시 생략) 에 삽입 통과시켜 끼워 맞춘다. 또한, 본 실시형태에서는, 심재 (5A) 가 맨드릴로서 작용하여, 권부기가 축심 (CL) 의 둘레를 회전한다. 다음으로, 강화 섬유 (21) 에 열가소성 수지가 함침된 섬유 강화 수지 시트 (FRP 시트) (25A) 를 준비한다. 여기서, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 폭은, 동체부 (2) 의 길이와 동등하거나 또는 그것보다 크다.

이와 같은 섬유 강화 수지 시트 (25A) 는, 예를 들어, 상기 서술한 직물상의 섬유에 열가소성 수지를 함침시킨 것이어도 되지만, 본 실시형태에서는, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 길이 방향 (일방향) 을 따라 강화 섬유 (21) 가 가지런해지고, 이것에 열가소성 수지가 함침된 섬유 강화 수지 시트를 사용한다. 이와 같은 섬유 강화 수지 시트 (25A) 는, 예를 들어, 연속 강화 섬유로 이루어지는 섬유속을 개섬하고, 개섬한 연속 강화 섬유에, 용융된 열가소성 수지를 함침함으로써 얻을 수 있다.

다음으로, 권부기와 함께 심재 (5A) 를 회전시키면서, 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 심재 (5A) 의 축심 (CL) 에 대해 직교하는 방향으로부터 권회하고, 1 장의 섬유 강화 수지 시트 (25A) 로부터, 시트 와인딩법에 의해 통상 성형체 (20A) 를 성형한다. 구체적으로는, 히터 (60, 60) 로 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 열가소성 수지의 연화점 이상으로 가열하고, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 열가소성 수지가 용융된 상태에서, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 원통상의 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 복수회 권부한다. 권부한 상태의 섬유 강화 수지 시트 (25A) 는, 방랭 또는 강제 냉각에 의해 냉각되어, 열가소성 수지는, 연화점 미만이 되어 굳어진다.

보다 구체적으로는, 도 2a 에 나타내는 바와 같이, 심재 (5A) 의 축심 (CL) 에 대해 직교한 단면에서, 1 장의 섬유 강화 수지 시트 (25A) 가, 심재 (5A) 의 축심 (CL) 의 둘레를 연속해서 복수회 주회하도록, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 권부한다. 본 실시형태에서는, 통상 성형체 (20A) 는, 동체부 (2) 의 적어도 일부가 된다.

상기 서술한 바와 같이, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 에는, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 길이 방향 (일방향) 을 따라 강화 섬유 (21) 가 가지런해져 있고, 각 강화 섬유 (21) 는, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 폭 방향에 직교하고 있다. 특히, 본 실시형태에서는, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 폭 방향과, 심재 (5A) 의 길이 방향을 일치시켜, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 권부한다.

이로써, 심재 (5A) 의 축심 (CL) 과 직교하는 방향으로, 강화 섬유 (21) 를 배향시킬 수 있다. 즉, 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 심재 (5A) 의 축심 (CL) 에 대해 직교한 단면에서, 강화 섬유 (21) 가 심재 (5A) 의 축심 (CL) 의 둘레를 연속해서 복수회 주회하도록, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 권부할 수 있다. 또한, 심재 (5A) 의 축심은, 탱크 (1) 의 동체부 (2) 의 축심과 일치하고 있다.

다음으로, 원주상의 권부기로부터, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 가 권부된 심재 (5A) 를 인발하다. 다음으로, 후술하는 측단 부재 (3A, 4A) 를 통상 성형체 (20A) 에 삽입한 상태에서, 측단 부재 (3A, 4A) 가 통상 성형체 (20A) 의 내주면에 끼워 맞춰질 수 있도록, 심재 (5A) 를 필요에 따라 가공한다. 이로써, 탱크 (1) 의 동체부 (2) 에 상당하는 동체 (2A) 를 얻을 수 있다 (도 4a 참조).

다음으로, 탱크 (1) 의 측단부 (3, 4) 에 상당하는 돔상의 측단 부재 (3A, 4A) 를 준비한다 (도 4b 참조). 본 실시형태에서는, 측단 부재 (3A, 4A) 는, 상기 서술한 열가소성 수지, 또는 단섬유 또는 필러를 함유한 열가소성 수지로부터 성형된다.

다음으로, 측단 부재 (3A, 4A) 와 동체 (2A) (통상 성형체 (20A)) 의 적어도 일방을 가열하여, 측단 부재 (3A, 4A) 를 동체 (2A) 에 삽입한다 (도 4b 참조). 이로써, 측단 부재 (3A, 4A) 를 심재 (5A) 및 통상 성형체 (20A) 에 융착시켜, 동체부 (2) 의 양측에 (즉 탱크 (1) 에) 측단부 (3, 4) 를 형성한다 (도 4c 참조). 그 후, 통상 성형체 (20A) (통상 성형부 (20)) 의 양단을 기계 가공 또는 가열에 의해 변형시켜, 도 1 에 나타내는 동체부 (2) (통상 성형부 (20)) 를 갖는 탱크 (1) 를 얻을 수 있다.

지금까지는 후술하는 도 5a, 5b 에 나타내는 바와 같이, 필라멘트 와인딩법에 의해, 강화 섬유 (91) 의 필라멘트에 열경화성 수지 (92) 를 함침시킨, 폭 (B) 의 폭이 좁은 섬유 강화 수지 (95A) 를 심재 (5A) 에 권부하여 통상 성형체 (90A) 를 성형하고 있었다. 구체적으로는, 폭이 좁은 섬유 강화 수지 (95A) 를 오버랩시키면서 섬유 강화 수지층 (95) 을 성형하고, 또한 섬유 강화 수지층 (95) 을 두께 방향에 복수층 형성함으로써, 통상 성형체 (90A) (통상 성형체부 (90)) 를 성형하고 있었다.

그러나, 본 실시형태에서는, 섬유 강화 수지 (95A) 에 비해, 폭이 넓은 1 장의 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를, 시트 와인딩법에 의해, 심재 (5A) 의 축심 (CL) 에 직교하는 방향으로부터 연속해서 복수회 주회하도록, 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 권부하였다. 이로써, 폭이 좁은 섬유 강화 수지 (95A) 를 심재 (5A) 에 오버랩시키면서 권부하는 경우에 비해, 단시간에 통상 성형체 (20A) 를 성형할 수 있다.

또한 본 실시형태에서는, 강화 섬유 (21) 에 함침되어 있는 수지는, 열가소성 수지 (22) 이므로, 열경화성 수지와 같이 경화를 목적으로 하여, 통상 성형체를 가열로에 투입하여 가열을 할 필요가 없다. 이로써, 열경화성 수지를 사용한 경우에 비해, 단시간에 통상 성형체 (20A) 를 제조할 수 있다.

또한 지금까지는 도 5b 에 나타내는 바와 같이, 폭이 좁은 섬유 강화 수지 (95A) 가 오버랩된 부분에는 간극이 형성되기 쉽고, 또한 섬유 강화 수지층 (95) 의 표면 (95a) 에는 요철이 형성되기 쉬웠다. 그리고, 이 요철이 형성된 표면 상에 추가로 폭이 좁은 섬유 강화 수지 (95A) 를 연속해서 권부하여, 추가적인 섬유 강화 수지층 (95) 을 성형하면, 두께 방향에 인접한 섬유 강화 수지층 (95) 사이에 간극이 형성되기 쉬웠다. 이 간극이, 열경화성 수지의 경화 후, 통상 성형체에 보이드가 되어 잔존하는 경우가 있어, 탱크 강도가 저하될 우려가 있었다.

그러나, 본 실시형태에서는, 1 개의 섬유 강화 수지층 (25) 이, 동체부 (2) 의 축심 (CL) 둘레를 연속해서 복수회 주회하도록, 1 장의 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 심재 (5A) 의 둘레면 (51) 에 권부하였다.

이로써, 헤리컬 감기에 의해 형성된 섬유 강화 수지층 (95) 의 표면에 비해, 섬유 강화 수지층 (25) 의 표면 (25a) 에 요철이 적다 (도 1b 참조). 이 결과, 또한 도 3 에 나타내는 바와 같이, 계속해서, 1 장의 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 연속해서 권부해도, 도 2a 에 나타내는 바와 같이 두께 방향에 있어서 섬유 강화 수지층 (25) 끼리의 사이에 간극이 잘 형성되지 않는다. 이로써, 통상 성형체 (20A) (즉 탱크 (1) 의 동체부 (2)) 에 보이드가 형성되는 것을 억제할 수 있다.

또한 지금까지는, 헤리컬 감기에 의해 형성된 섬유 강화 수지층 (95) 은, 동체부의 축심에 대해 직교한 단면에 있어서, 동체부의 축심 둘레를 단속적으로 주회하게 되어, 동체부의 둘레 방향의 탱크 강도에 편차가 있었다.

그러나, 본 실시형태에서는, 도 1a 및 도 2a 에 나타내는 바와 같이, 섬유 강화 수지층 (25) 은 동체부 (2) 의 양측에 걸쳐 형성되고, 심재의 축심 (CL) 에 대해 직교한 단면에서, 동체부 (2) 의 축심 (CL) 둘레를 연속해서 복수회 주회하고 있다. 이로써, 동체부 (2) 의 축심 (CL) 에 대해 직교하는 어느 단면에 있어서도, 섬유 강화 수지층 (25) 의 상태는 동일하므로, 보다 균일한 내압 강도를 가질 수 있다.

본 실시형태에서는, 도 2b 에 나타내는 바와 같이, 제조된 탱크 (1) 에는, 탱크의 내압에 의해 동체부 (2) 에 후프 응력이 작용하는 방향으로, 연속해서 복수회 주회한 강화 섬유 (21) 가 존재하게 되므로, 내압 강도가 높은 탱크를 얻을 수 있다.

<제 2 실시형태>

이하에, 제 2 실시형태에 관련된 탱크 (1') 를 도 6a 및 도 6b 를 참조하면서 설명하고, 탱크 (1') 의 제조 방법을 도 7a ∼ 도 7c 를 참조하면서 설명한다. 도 6a 는, 제 2 실시형태에 관련된 탱크 (1') 의 모식적 단면도이고, 도 6b 는, 도 6a 의 C 부의 확대도이다. 도 7a ∼ 도 7c 는, 도 6a 에 나타내는 탱크 (1') 의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.

또한, 제 2 실시형태에 관련된 탱크 (1') 가, 제 1 실시형태에 관련된 탱크 (1) 와 상이한 점은, 탱크 (1') 에 라이너 (5) 를 형성하지 않았던 점이다. 따라서, 제 1 실시형태에 관련된 탱크 (1) 와 동일한 부재에는, 동일한 부호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다.

본 실시형태에서는, 탱크 (1') 의 동체부 (2')는, 통상 성형부 (20) 로 이루어지고, 도 1a 에 나타내는 라이너 (5) 를 갖지 않고, 통상 성형부 (20) 에 의해, 탱크 (1') 의 수용 공간 (S) 이 형성되어 있다. 통상 성형부 (20) 는, 제 1 실시형태와 동일하게, 강화 섬유 (21) 에 열가소성 수지 (22) 를 갖는 시트로 이루어지고, 제 1 실시형태와 동일하게, 1 개가 연속된 시트상의 섬유 강화 수지층 (25) 에 의해 형성되어 있다.

본 실시형태에서는, 동체부 (2') 인 통상 성형부 (20) 는, 열가소성 수지 (22) 를 사용한 섬유 강화 수지층 (25) 이므로, 탱크 (1') 의 수용 공간 (S) 에 고압의 수소 가스를 저장했다고 해도, 열경화성 수지를 사용한 섬유 강화 수지층과는 상이하고, 가스 배리어성을 갖는다.

즉, 도 5a 등에 나타내는 바와 같이, 지금까지는, 섬유 강화 수지층 (95) 에 열경화성 수지 (92) 를 사용하고 있었으므로, 탱크의 수용 공간에 저장한 고압의 수소 가스는 섬유 강화 수지층을 투과하기 쉽기 때문에, 금속제 또는 열가소성 수지제의 라이너 (5) 가 필요하였다.

그러나, 본 실시형태에서는, 섬유 강화 수지층 (25) 에 열가소성 수지 (22) 를 사용하고 있으므로, 동체부 (2') 인 통상 성형부 (20) 는, 수소 가스에 대해 가스 배리어성을 갖는다. 이로써, 동체부 (2') 에 라이너를 형성하지 않아도, 탱크 (1') 의 수용 공간 (S) 에 저장한 고압의 수소 가스는, 동체부 (2') 를 잘 투과하지 않는다. 이와 같은 결과, 제 2 실시형태에 관련된 탱크 (1') 에 나타내는 바와 같이, 동체부 (2') 에 라이너를 생략할 수 있어, 탱크의 경량화가 도모되고, 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

이와 같은 탱크 (1') 는, 이하와 같이 하여 제조할 수 있다. 제 1 실시형태에서는, 라이너 (5) 에 상당하는 심재 (5A) 의 둘레면에 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 권부했지만 (도 3 참조), 본 실시형태에서는, 원주상의 권부기 (도시 생략) 를, 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 권부하는 심재 (맨드릴) 로서 사용한다. 즉, 도 3 에 나타내는 심재 (5A) 를 사용하지 않고, 원주상의 권부기 (도시 생략) 에 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를, 제 1 실시형태와 동일한 수법으로 권부하여, 통상 성형체 (20A) 를 성형한다.

다음으로, 성형된 통상 성형체 (20A) 를 원주상의 권부기로부터 인발하여, 동체 (2A') 를 얻을 수 있다 (도 7a 참조). 다음으로, 제 1 실시형태와 동일하게, 측단 부재 (3A, 4A) 를 준비하고, 동체 (2A') (통상 성형체 (20A)) 와 측단 부재 (3A, 4A) 의 적어도 일방을 가열하고, 통상 성형체 (20A) 에 측단 부재 (3A, 4A) 를 삽입하고, 이들을 융착시킨다 (도 7b, 7c 참조). 이와 같이 하여, 도 6a 에 나타내는 동체부 (2') (통상 성형부 (20)) 를 갖는 탱크 (1') 를 얻을 수 있다.

이하에 비한정적인 예시적인 실시형태를 실시예에 의해 설명한다.

(실시예) 본 실시예에서는, 제 2 실시형태에 나타내는 방법 (시트 와인딩법) 에 의해, 통상 성형체를 성형하였다. 구체적으로는, 탄소 섬유 (강화 섬유) 에, 나일론 수지 (열가소성 수지) 를 함침한 폭 300 ㎜, 두께 40 ㎛ 의 섬유 강화 수지 시트를 준비하였다. 이 섬유 강화 수지 시트를, 열가소성 수지의 연화점 온도 이상 (230 ℃) 으로 가열하여, 열가소성 수지를 용융시키고, 심재의 둘레면에 복수회 권부하여, 통상 성형체를 성형하였다.

그리고, 얻어진 통상 성형체의 단면을 광학 현미경으로 관찰하였다. 이 결과를 도 8a 에 나타낸다. 도 8a 는, 실시예에 관련된 통상 성형체의 축심과 직교하는 방향의 단면 사진이다.

(비교예) 실시예와 동일한 형상의 통상 성형체를 성형하였다. 구체적으로는, 탄소 섬유 (강화 섬유) 에 에폭시 수지 (열경화성 수지) 를 함침한 폭 10 ㎜, 두께 240 ㎛ 의 폭이 좁은 섬유 강화 수지를 준비하고, 도 5a 에 나타내는 방법 (필라멘트 와인딩법) 으로 섬유 강화 수지를 심재에 권부하였다. 그 후, 에폭시 수지를 가열하여 경화시켜, 통상 성형체를 성형하였다.

그리고, 얻어진 통상 성형체의 단면을 광학 현미경으로 관찰하였다. 이 결과를 도 8b 에 나타낸다. 도 8b 는, 비교예에 관련된 통상 성형체의 축심과 직교하는 방향의 단면 사진이다.

<결과> 도 8a, 8b 에 나타내는 바와 같이, 실시예에서는, 통상 성형체에는, 보이드가 발생하지 않았지만, 비교예에 관련된 통상 성형체에는, 보이드가 발생하고 있었다. 이것은, 본 실시형태에서 설명한 바와 같이, 실시예에서는, 시트 와인딩법에 의해, 후프 감기로 통상 성형체를 성형한 것에 의한 것이다.

이상, 본 예시적인 실시형태들의 실시예를 상세히 서술해 왔지만, 본 예시적인 실시형태들은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 이 명세서에서 제공된 본 실시예의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서의 설계 변경이 있어도, 그것들은 본 예시적인 실시형태들에 포함되는 것이다.

Claims

통상의 동체부 (2) 와, 그 동체부의 양측에 형성된 돔상의 측단부 (3, 4) 를 구비한 탱크 (1) 의 제조 방법으로서,
강화 섬유에 열가소성 수지가 함침된 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를, 상기 열가소성 수지가 용융된 상태로, 심재의 축심에 대해 직교하는 방향으로부터 상기 심재 (5A) 의 둘레면에 복수회 권부함으로써, 상기 동체부 (2) 의 적어도 일부가 되는 통상 성형체 (20A) 를, 1 장의 상기 섬유 강화 수지 시트 (25A) 로부터 성형하는 것을 특징으로 하는 탱크의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 섬유 강화 수지 시트 (25A) 로서, 상기 강화 섬유 (21) 가 일방향을 따라 가지런해진 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 사용하여, 상기 통상 성형체 (20A) 를 성형했을 때, 상기 강화 섬유 (21) 가 상기 심재 (5A) 의 축심에 대해 직교한 단면에서 복수회 주회하도록, 상기 섬유 강화 수지 시트 (25A) 를 상기 심재 (5A) 의 둘레면에 권부하는, 탱크의 제조 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 통상 성형체 (20A) 를 성형 후, 상기 통상 성형체 (20A) 를 상기 심재 (5A) 로부터 인발함으로써, 상기 동체부 (2) 에 상당하는 동체를 제조하는, 탱크의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열가소성 수지를 주재로 한 돔상의 측단 부재 (3A, 4A) 와, 상기 통상 성형체 (20A) 의 적어도 일방을 가열하여, 상기 통상 성형체 (20A) 에 상기 측단 부재 (3A, 4A) 를 융착시킴으로써, 상기 탱크 (1) 에 상기 측단부 (3, 4) 를 형성하는 것을 추가로 구비하는, 탱크의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유 강화 수지 시트 (25A) 의 폭은, 상기 동체부 (2) 의 길이 이상인, 탱크의 제조 방법.
통상의 동체부 (2) 와, 그 동체부의 양측에 형성된 돔상의 측단부 (3, 4) 를 구비한 탱크 (1) 로서,
상기 동체부 (2) 는, 강화 섬유에 열가소성 수지를 함침한 시트상의 섬유 강화 수지층 (25) 으로 이루어지는 통상 성형부 (20) 를 구비하고,
상기 섬유 강화 수지층 (25) 은, 상기 동체부 (2) 의 양측에 걸쳐 형성되고, 또한 상기 동체부 (2) 의 축심에 대해 직교하는 방향으로 복수회 주회하고 있는 것을 특징을 하는, 탱크.
제 6 항에 있어서,
상기 강화 섬유 (21) 는, 상기 동체부 (2) 의 둘레 방향을 따라 가지런해지고, 또한 상기 동체부 (2) 의 축심에 대해 직교한 단면에서 복수회 주회하고 있는, 탱크.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 통상 성형부 (20) 에, 상기 탱크 (1) 의 수용 공간이 형성되어 있는, 탱크.
제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 측단부 (3, 4) 는, 주재로서 열가소성 수지를 함유하고,
상기 통상 성형부 (20) 와 상기 측단부 (3, 4) 가 접합되어 있는, 탱크.