KR20210083159A - 고압 탱크, 고압 탱크의 제조 방법 - Google Patents

고압 탱크, 고압 탱크의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

고압 탱크(10)의 제조 방법은, 라이너(11)와, 섬유 강화 수지층(12)을 구비하고, 섬유 강화 수지층(12)은, 라이너(11)의 외면을 덮는 제1 보강층과, 제1 보강층의 외면을 덮는 제2 보강층(13)을 갖는 고압 탱크(10)의 제조 방법이며, 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재(21)를 형성하고, 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재(22, 23)를 형성하고, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)를 접합하여, 제1 보강층으로서의 보강체(20)를 형성하고, 보강체(20)의 외면에, 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재(22, 23)에 걸쳐서 섬유가 배향된 제2 보강층(13)을 형성한다.

Description

고압 탱크, 고압 탱크의 제조 방법{HIGH-PRESSURE TANK AND METHOD FOR MANUFACTURING HIGH-PRESSURE TANK}
본 발명은, 가스를 수용하는 라이너와, 라이너의 외면을 덮는 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 강화 수지층을 구비한 고압 탱크 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 수소 등의 저장·공급에 사용되는 고압 탱크로서, 탱크 본체와, 그 탱크 본체의 길이 방향의 개구 단부에 설치된 구금을 구비하고 있는 탱크가 알려져 있다. 탱크 본체는, 예를 들어 수소 가스를 기밀 보유 지지하기 위한 라이너와, 그 외면을 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 다발로 감아서 보강한 섬유 강화 수지층을 포함하고 있다.
고압 탱크의 제조 방법으로서는, 예를 들어 필라멘트 와인딩법(이하, 단순히 「FW법」이라고도 한다)에 의해 라이너의 외면에 섬유 다발을 둘러 감아서 경화하고, 섬유 강화 수지층을 형성하는 방법이 알려져 있다(예를 들어 일본 특허 공개 제2012-149739 참조).
일본 특허 공개 제2012-149739에는, 라이너와, 라이너의 외면을 덮는 섬유 강화 플라스틱층(섬유 강화 수지층)을 구비한 고압 탱크가 개시되어 있다. 섬유 강화 플라스틱층은, 수지가 함침된 섬유 다발을 라이너에 후프 감기하여 얻어지는 후프층과, 수지가 함침된 섬유 다발을 라이너 전체에 헬리컬 감기하여 얻어지는 헬리컬층에 의해 형성된다. 또한, 섬유 강화 플라스틱층은, 후프층 및 헬리컬층에 의해 형성된 원통상의 통부와, 통부의 양단에 마련되어 헬리컬층에 의해 형성된 한 쌍의 돔부에 의해 구성된다.
그런데, 상기 일본 특허 공개 제2012-149739와 같은 고압 탱크에서는, 통부의 강도는, 후프층에 의해 확보되고 있고, 돔 부재의 강도는, 헬리컬층에 의해 확보되어 있다. 즉, 헬리컬층은, 통부에도 형성되지만, 통부의 강도에는 거의 기여하지 않는다. 그러나, 섬유 다발을 헬리컬 감기에 의해 라이너의 양단부를 왕복하도록 둘러 감는 경우, 섬유 다발이 통부를 반드시 통과하게 된다. 이 때문에, 돔부의 강도에 필요한 양의 섬유 다발을 헬리컬 감기하면, 그만큼, 통부에도 헬리컬층이 형성되기 때문에, 섬유 강화 수지의 사용량이 불필요하게 많아지게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은, 섬유 강화 수지의 사용량을 저감하는 것이 가능한 고압 탱크의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 양태는, 가스를 수용하도록 구성된 라이너와, 상기 라이너의 외면을 덮는 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 강화 수지층을 구비하고, 상기 섬유 강화 수지층이, 상기 라이너의 외면을 덮는 제1 보강층과, 상기 제1 보강층의 외면을 덮는 제2 보강층을 갖는 고압 탱크의 제조 방법에 관한 것이다. 이 제조 방법은, 상기 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재를 형성하는 것, 상기 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재를 형성하는 것, 상기 통 부재의 양단부와, 상기 2개의 돔 부재의 단부를 접합하여, 상기 제1 보강층으로서의 보강체를 형성하는 것, 상기 보강체의 외면에, 상기 섬유 강화 수지에 의해 상기 2개의 돔 부재에 걸쳐서 섬유가 배향된 상기 제2 보강층을 형성하는 것을 포함한다.
본 발명의 고압 탱크의 제조 방법에 의하면, 상기 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재를 형성한다. 이에 의해, 통 부재에서는, 섬유가 주위 방향으로 배향되므로, 가스압에 의해 발생하는 후프 응력에 대한 섬유 강화 수지층의 강도를 적절한 양의 섬유 강화 수지에 의해 확보할 수 있다. 또한, 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재를 형성한다. 이에 의해, 2개의 돔 부재를, 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여, 통 부재와는 별도로 형성할 수 있다. 이 때문에, 돔 부재의 형성에 기인하여 통 부재에 있어서의 섬유 강화 수지의 사용량이 증가하는 일이 없다.
또한, 상기 보강체의 외면에, 상기 섬유 강화 수지에 의해 상기 2개의 돔 부재에 걸쳐서 섬유가 배향된 상기 제2 보강층을 형성한다. 이에 의해, 돔 부재가 통 부재로부터 이격하는 것이 제2 보강층의 섬유에 의해 방지되므로, 돔 부재가 가스압에 의해 통 부재의 단부에서 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이 제2 보강층은, 돔 부재가 통 부재에서 떨어지는 것을 방지하는 것이 가능한 섬유량을 갖으면 되므로, 종래의 고압 탱크의 통부에 형성되어 있었던 헬리컬층에 비하여, 섬유 강화 수지의 사용량을 적게 할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 고압 탱크의 제조 방법에 의하면, 섬유 강화 수지층의 각 부위를, 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여 형성하므로, 불필요한 섬유 강화 수지를 사용하지 않고, 종래의 고압 탱크와 비교하여, 통 부재 상의 제2 보강층의 섬유 강화 수지의 사용량을 저감할 수 있다.
상기 고압 탱크의 제조 방법에 있어서, 상기 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 복수의 통체를 접속함으로써 상기 통 부재를 형성해도 된다. 이렇게 구성하면, 긴 통 부재여도 용이하게 형성할 수 있다.
상기 고압 탱크의 제조 방법은, 상기 2개의 돔 부재 중 적어도 한쪽의 돔 부재를, 관통 구멍을 갖도록 형성하고, 상기 관통 구멍을 통해 상기 보강체의 내부에 수지 재료를 넣고, 상기 수지 재료에 의해 상기 보강체의 내면을 덮도록 상기 라이너를 형성해도 된다. 이렇게 구성하면, 보강체를 형성한 후에도, 보강체의 내측에 라이너를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 수지를 사용한 사출 성형에 의해 라이너를 형성하는 경우와 다르게, 라이너 성형용의 금형이 불필요하다. 또한, 보강체의 내면을 덮도록 라이너를 형성하는 것은, 보강체의 외면에 제2 보강층을 형성한 후여도 되고, 보강체의 외면에 제2 보강층을 형성하기 전이어도 된다.
이 경우, 상기 라이너를 형성할 때에, 상기 보강체의 내부에 유동성을 갖는 상기 수지 재료를 넣고, 상기 보강체의 내면을 상기 수지 재료가 덮도록 상기 보강체를 회전시켜, 상기 보강체의 내면을 덮은 상기 수지 재료를 고화시킴으로써 상기 라이너가 형성되어도 된다. 이렇게 구성하면, 보강체가 회전함으로써, 유동성을 갖는 수지 재료는 보강체의 내면에 의해 들어 올릴 수 있음과 함께, 수지 재료의 일부가 자중에 의해 보강체의 내면을 흘러내린다. 이에 의해, 수지 재료는 보강체의 내면을 덮은 상태가 되므로, 보강체의 내면을 덮도록 라이너를 용이하게 형성할 수 있다.
상기 고압 탱크의 제조 방법에 있어서, 수지가 함침된 복수의 섬유 다발을, 상기 보강체의 축 방향으로 연장시킴과 함께, 상기 보강체의 주위 방향으로 소정의 간격으로, 또한, 상기 보강체의 외면으로부터 소정의 거리를 이격하여 배치하고, 상기 복수의 섬유 다발의 제1 단측의 부분을, 상기 복수의 섬유 다발의 제2 단측의 부분에 대하여 상기 보강체의 주위 방향으로 상대적으로 회전시킴으로써, 상기 제2 보강층을 형성해도 된다. 이와 같이, 복수의 섬유 다발의 제1 단측의 부분을, 복수의 섬유 다발의 제2 단측의 부분에 대하여 보강체의 주위 방향으로 상대적으로 회전시킴으로써, 복수의 섬유 다발이 통 부재의 축 방향에 대하여 경사진 상태로 됨과 함께, 섬유 다발끼리의 간극이 없어져 섬유 다발끼리가 일부 중첩된다. 그리고, 복수의 섬유 다발은, 보강체의 외면에 점차 가까워지면서 보강체의 외면에 간극 없이 배치된다. 이때, 복수의 섬유 다발은, 상기 축 방향에 대하여 경사진 상태에서 통 부재의 외면에 밀착하고, 그 후, 제1 단측의 부분 및 제2 단측의 부분은 통 부재의 단부 외측에 있어서 비틀어져 돔 부재의 외면에 감긴다. 이와 같이 하여, 제2 보강층이 보강체의 외면을 덮도록 형성된다. 이 방법에 의하면, 보강체를 주위 방향으로 회전시키지 않고, 보강체의 외면에 제2 보강층을 형성할 수 있다. 이 때문에, 고압 탱크의 관통 구멍과는 반대측의 단부에, 보강체를 회전시키기 위한 구조(일반적으로는, 회전축이 설치되는 구금)를 마련하지 않아도 된다. 또한, 보강체의 축 방향 및 주위 방향은, 각각 통 부재의 축 방향 및 주위 방향과 동일하다.
이 경우, 상기 제2 보강층을 형성할 때에, 상기 복수의 섬유 다발의 상기 제1 단측의 부분을 제1 방향으로 회전시킴으로써 형성된 적어도 하나의 제1 경사층과, 상기 복수의 섬유 다발의 상기 제1 단측의 부분을 상기 제1 방향과는 역방향인 제2 방향으로 회전시킴으로써 형성된 적어도 하나의 제2 경사층을 형성해도 된다. 제1 경사층은, 복수의 섬유 다발이 소정의 장력을 갖고 경사진 상태에서 배치되기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층에 팽창하는 힘이 작용하면, 제1 경사층에는 축 방향에 대한 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향으로 힘이 발생하고, 보강체에 변형이 발생한다. 마찬가지로, 제2 경사층은, 복수의 섬유 다발이 소정의 장력을 갖고 제1 경사층과는 반대 방향으로 경사진 상태에서 배치되기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층에 팽창하는 힘이 작용하면, 제2 경사층에는 제1 경사층과는 반대 방향의 섬유 다발 경사를 해소하는 방향으로 힘이 발생하고, 보강체에 변형이 발생한다. 제1 경사층 및 제2 경사층의 섬유 다발은, 서로 반대 방향으로 경사져 있기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층에 팽창하는 힘이 작용한 경우에, 제1 경사층의 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향의 힘과 제2 경사층의 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향의 힘이 서로 상쇄하도록 작용한다. 이에 의해, 섬유 강화 수지층에 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 고압 탱크의 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.
적어도 하나의 제1 경사층 및 적어도 하나의 제2 경사층을 형성하는 경우, 상기 적어도 하나의 제1 경사층과 상기 적어도 하나의 제2 경사층을 동일 층수만큼 형성해도 된다. 이렇게 구성하면, 제1 경사층의 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향의 힘과 제2 경사층의 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향의 힘을, 효과적으로 서로 상쇄하도록 작용시킬 수 있다. 이에 의해, 섬유 다발의 경사에 기인하여 섬유 강화 수지층에 변형이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 고압 탱크의 강도가 저하되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
상기 고압 탱크의 제조 방법에 있어서, 상기 통 부재를 열경화 처리한 후, 상기 2개의 돔 부재 중 적어도 한쪽의 통 부재를 상기 돔 부재의 내측에 배치하고, 상기 통 부재와 상기 적어도 한쪽의 돔 부재를 접합해도 된다. 이와 같이, 통 부재를 열경화 처리하여 강도를 높게 해 둠으로써, 통 부재와 돔 부재를 끼워 맞출 때에, 돔 부재의 단부가 통 부재의 단부에 모양을 맞추어, 통 부재의 단부가 가이드부로서 기능하므로, 통 부재와 돔 부재를 용이하게 끼워 맞출 수 있다. 이때, 돔 부재가 열경화 처리되어 있지 않은 경우, 통 부재와 돔 부재를 끼워 맞출 때에 돔 부재가 변형했다고 해도, 외측으로부터 돔 부재를 눌러서 통 부재에 모양을 맞출 수 있다. 이 때문에, 돔 부재의 외형을 맞추거나, 돔 부재를 통 부재에 밀착시키거나 할 수 있다.
상기 고압 탱크의 제조 방법에 있어서, 상기 2개의 돔 부재 중 적어도 한쪽의 돔 부재를 열경화 처리한 후, 상기 2개의 돔 부재 중 적어도 한쪽의 돔 부재를 상기 통 부재의 내측에 배치하고, 상기 2개의 돔 부재 중 적어도 한쪽의 돔 부재와 상기 통 부재를 접합해도 된다. 이와 같이, 2개의 돔 부재 중 적어도 한쪽의 돔 부재를 열경화 처리하여 강도를 높게 해 둠으로써, 돔 부재와 통 부재를 끼워 맞출 때에, 통 부재의 단부가 돔 부재의 단부에 모양을 맞추어, 돔 부재의 단부가 가이드부로서 기능하므로, 돔 부재와 통 부재를 용이하게 끼워 맞출 수 있다. 이때, 통 부재가 열경화 처리되어 있지 않은 경우, 돔 부재와 통 부재를 끼워 맞출 때에 통 부재가 변형했다고 해도, 외측으로부터 통 부재를 눌러서 돔 부재에 모양을 맞추게 할 수 있다. 이 때문에, 통 부재의 외형을 맞추거나, 통 부재를 돔 부재에 밀착시키거나 할 수 있다.
상기 고압 탱크의 제조 방법에 있어서, 수지가 함침된 섬유 다발을 소정의 형의 외면을 덮도록 권회한 후, 상기 소정의 형에 권회된 상기 섬유 다발로 이루어지는 권회체를 분할함으로써, 상기 2개의 돔 부재를 형성해도 된다. 이렇게 구성하면, 예를 들어 FW법을 사용하여 소정의 형에 섬유 다발을 용이하게 권회할 수 있고, 그 권회된 섬유 다발로 이루어지는 권회체를 분할하여 소정의 형으로부터 분리함으로써, 용이하게 2개의 돔 부재를 형성할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는, 가스를 수용하도록 구성된 라이너와, 상기 라이너의 외면을 덮는 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 강화 수지층을 구비하고, 상기 섬유 강화 수지층이, 상기 라이너의 외면을 덮는 제1 보강층과, 상기 제1 보강층의 외면을 덮는 제2 보강층을 갖는 고압 탱크에 관한 것이다. 상기 제1 보강층은, 상기 섬유 강화 수지에 의해 형성되어 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재와, 상기 섬유 강화 수지에 의해 형성된 2개의 돔 부재를 포함하고, 상기 통 부재의 양단부와 상기 2개의 돔 부재의 단부가 접합되어 있고, 상기 제2 보강층은, 상기 2개의 돔 부재에 걸쳐서 섬유가 배향하도록 형성되어 있다.
본 발명의 고압 탱크에 의하면, 제1 보강층은, 상기 섬유 강화 수지에 의해 형성되어 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재를 포함한다. 이에 의해, 통 부재에서는, 섬유가 주위 방향으로 배향되므로, 가스압에 의해 발생하는 후프 응력에 대한 섬유 강화 수지층의 강도를 적절한 양의 섬유 강화 수지에 의해 확보할 수 있다. 또한, 2개의 돔 부재를, 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여, 통 부재와는 별도로 형성할 수 있다. 이 때문에, 돔 부재의 형성에 기인하여 통 부재에 있어서의 섬유 강화 수지의 사용량이 증가하는 일이 없다.
또한, 상기 제2 보강층은, 상기 섬유 강화 수지에 의해 상기 2개의 돔 부재에 걸쳐서 섬유가 배향하도록 형성되어 있다. 이에 의해, 돔 부재가 통 부재로부터 이격하는 것이 제2 보강층의 섬유에 의해 방지되므로, 돔 부재가 가스압에 의해 통 부재의 단부에서 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이 제2 보강층은, 돔 부재가 통 부재에서 떨어지는 것을 방지하는 것이 가능한 섬유량을 갖으면 되므로, 종래의 고압 탱크의 통부에 형성되어 있었던 헬리컬층에 비하여, 섬유 강화 수지의 사용량을 적게 할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 고압 탱크에 의하면, 섬유 강화 수지층의 각 부위가 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여 형성되므로, 불필요한 섬유 강화 수지를 사용하지 않고, 종래의 고압 탱크와 비교하여, 통 부재 상의 제2 보강층의 섬유 강화 수지의 사용량이 저감된다.
상기 고압 탱크에 있어서, 상기 제2 보강층의 주위 방향 전체에, 상기 2개의 돔 부재에 걸쳐서 배향된 복수의 섬유 다발이 마련되어 있고, 상기 복수의 섬유 다발은, 상기 섬유 다발이 상기 제1 보강층의 축 방향에 대하여 경사진 제1 경사층과, 상기 섬유 다발이 상기 축 방향에 대하여 상기 제1 경사층의 섬유 다발과는 반대 방향으로 경사진 제2 경사층을 포함하고, 상기 제2 보강층은 적층 배치된 상기 제1 경사층과 상기 제2 경사층을 갖고 있어도 된다. 제1 경사층은, 복수의 섬유 다발이 소정의 장력을 갖고 축 방향에 대하여 경사진 상태로 배치되어 있기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층에 팽창하는 힘이 작용하면, 제1 경사층에는 축 방향에 대한 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향으로 힘이 발생하고, 제1 보강층에 변형이 발생한다. 마찬가지로, 제2 경사층은, 복수의 섬유 다발이 소정의 장력을 갖고 제1 경사층과는 반대 방향으로 경사진 상태로 배치되어 있기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층에 팽창하는 힘이 작용하면, 제2 경사층에는 제1 경사층과는 반대 방향의 섬유 다발 경사를 해소하는 방향으로 힘이 발생하고, 제1 보강층에 변형이 발생한다. 제1 경사층 및 제2 경사층의 섬유 다발은, 서로 반대 방향으로 경사져 있기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층에 팽창하는 힘이 작용한 경우에, 제1 경사층의 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향의 힘과 제2 경사층의 섬유 다발의 경사를 해소하는 방향의 힘이 서로 상쇄하도록 작용한다. 이에 의해, 섬유 강화 수지층에 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 고압 탱크의 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 섬유 강화 수지의 사용량을 저감하는 것이 가능한 고압 탱크 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호들로 나타낸 첨부 도면을 참조하여 후술된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 제조 방법에 의해 제작되는 고압 탱크의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 제조 방법에 의해 제작되는 고압 탱크의 구조를 도시하는 부분 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 돔 부재 형성 공정을 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 돔 부재 형성 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 통 부재 형성 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 통 부재 형성 공정을 설명하기 위한 사시도이고, 통 부재의 축 방향의 단부 일부를 도시하는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 접합 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 접합 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 제2 보강층 형성 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 11은, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 제2 보강층 형성 공정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 12는, 본 발명의 제1 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은, 본 발명의 제2 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 14는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크의 제조 방법의 라이너 형성 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 15는, 본 발명의 제3 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 16은, 본 발명의 제4 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 17은, 본 발명의 제5 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 18은, 본 발명의 제6 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 19는, 본 발명의 제7 변형예에 관한 고압 탱크의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크(10)의 제조 방법에 대하여 설명하지만, 그 전에 고압 탱크(10)의 구성에 대하여 간단하게 설명한다. 이하에서는, 고압 탱크(10)를, 연료 전지 차량에 탑재되는 고압의 수소 가스가 충전되는 탱크로서 설명하지만, 기타의 용도에 대해서도 적용할 수 있다. 또한, 고압 탱크(10)에 충전 가능한 가스로서는, 고압의 수소 가스에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 고압 탱크(10)는, 양단이 돔상으로 둥그스름해진 대략 원통 형상의 고압 가스 저장 용기이다. 고압 탱크(10)는, 가스 배리어성을 갖는 라이너(11)와, 라이너(11)의 외면을 덮는 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 강화 수지층(12)을 구비한다. 섬유 강화 수지층(12)은, 라이너(11)의 외면을 덮는 제1 보강층으로서의 보강체(20)와, 보강체(20)의 외면을 덮는 제2 보강층(13)을 갖는다. 고압 탱크(10)의 한쪽 단부에는, 개구부가 형성되어 있고, 개구부 주변에는 구금(14)이 설치되어 있다. 또한, 고압 탱크(10)의 다른 쪽 단부에는, 개구부가 형성되어 있지 않고, 구금도 마련되어 있지 않다.
라이너(11)는, 보강체(20)의 내면을 따라 형성되어 있다. 라이너(11)는, 고압의 수소 가스가 충전되는 수용 공간(17)을 형성하는 수지제 부재이다. 라이너(11)를 구성하는 수지는, 충전되는 가스(여기서는 수소 가스)를 수용 공간(17) 내에 보유 지지하는 성능, 즉, 가스 배리어성이 양호한 수지인 것이 바람직하다. 이러한 수지로서는, 예를 들어 폴리아미드, 폴리에틸렌 및 에틸렌-비닐알코올 공중합 수지(EVOH), 폴리에스테르 등의 열가소성 수지나, 에폭시 등의 열경화성 수지를 들 수 있다. 라이너(11)에는, 연료 가스로서 수소 가스 이외에, 예를 들어 CNG(압축 천연 가스) 등의 각 압축 가스, LNG(액화 천연 가스), LPG(액화 석유 가스) 등의 각종 액화 가스, 기타의 가스가 충전되어도 된다.
구금(14)은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 금속 재료를 소정 형상으로 가공한 것이다. 구금(14)에는, 수용 공간(17)에 대하여 수소 가스를 충전 및 배출하기 위한 밸브(15)가 설치되어 있다. 밸브(15)에는, 후술하는 돔 부재(22)의 돌출부(22a)에 있어서 라이너(11)의 내면에 접하여 고압 탱크(10)의 수용 공간(17)을 밀봉하는 시일 부재(15a)가 마련되어 있다.
보강체(20)는, 라이너(11)의 외면을 덮고 있음과 함께, 라이너(11)를 보강하여 고압 탱크(10)의 강성이나 내압성 등의 기계적 강도를 향상시키는 기능을 갖는다. 보강체(20)는, 후술하는 바와 같이, 원통상의 통 부재(21)와, 통 부재(21)의 양단에 접속된 2개의 돔 부재(22 및 23)를 가짐과 함께, 이들이 일체화된 것이다.
보강체(20)는, 수지 및 섬유(연속 섬유)에 의해 구성되어 있다. 통 부재(21)에서는, 섬유는, 통 부재(21)의 축 방향 X에 대하여 대략 직교하는 각도로 주상으로 형성되어 있다. 바꾸어 말하면, 통 부재(21)에서는, 섬유는, 통 부재(21)의 주위 방향으로 배향되어 있다. 또한, 섬유는, 라이너(11)의 외면에 적어도 1주 이상 권회되어 있다. 이에 의해, 통 부재(21)에는, 섬유가 주위 방향으로 배향되어 있으므로, 내압(가스압)에 의해 발생하는 후프 응력에 대한 섬유 강화 수지층(12)의 강도를 적절한 양의 섬유 강화 수지에 의해 확보할 수 있다. 한편, 돔 부재(22 및 23)에서는, 섬유는 통 부재(21)의 주위 방향으로 배향되어 있지 않고, 주위 방향과 교차하는 여러 방향을 향하여 연장되는 섬유끼리가 겹치도록 배치되어 있다. 이에 의해, 돔 부재(22 및 23)에 있어서는, 내압(가스압)에 의해 발생하는 응력에 대한 섬유 강화 수지층(12)의 강도를 적절한 양의 섬유 강화 수지에 의해 확보할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 통 부재(21)의 섬유와, 돔 부재(22 및 23)의 섬유와는 연속하고 있지 않다(연결되어 있지 않다). 이것은, 후술하는 바와 같이, 통 부재(21), 2개의 돔 부재(22 및 23)를 따로따로 형성한 후, 통 부재(21)의 양단에 2개의 돔 부재(22 및 23)를 설치하고 있기 때문이다.
제2 보강층(13)은, 보강체(20)의 외면을 덮도록 형성되어 있다. 제2 보강층(13)은, 돔 부재(22 및 23)의 전체를 덮고 있다. 제2 보강층(13)은, 수지 및 섬유(연속 섬유)로 구성되어 있다. 제2 보강층(13)에서는, 섬유는, 통 부재(21)의 축 방향 X에 대하여 평행 또는 45도 이하 경사지도록 배향되어 있음과 함께, 통 부재(21)를 통해 2개의 돔 부재(22 및 23)에 걸쳐서 배향되어 있다. 이 섬유는, 돔 부재(22 및 23)의 축 방향 X의 외측으로의 이동을 방지하고, 가스압에 의해 돔 부재(22 및 23)가 통 부재(21)로부터 축 방향 X의 외측으로 떨어지는 것을 방지한다.
이어서, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 고압 탱크(10)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 도 3은, 고압 탱크(10)의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 고압 탱크(10)의 제조 방법은, 도 3에 도시한 바와 같이, 돔 부재 형성 공정 S1과, 통 부재 형성 공정 S2와, 접합 공정 S3과, 제2 보강층 형성 공정 S4와, 라이너 형성 공정 S5를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 돔 부재 형성 공정 S1과 통 부재 형성 공정 S2는, 서로 독립된 공정이기 때문에, 병행하여 행해도 되고, 어느 공정을 먼저 행해도 된다.
돔 부재 형성 공정 S1에 있어서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어 필라멘트 와인딩법(FW법)에 의해, 수지가 함침된 섬유 다발 F를 맨드럴(소정의 형)(100)의 외면에 권회한다. 구체적으로는, 맨드럴(100)은, 본체부(101)와, 본체부(101)의 일단으로부터 외측으로 연장되는 샤프트부(102)를 갖는다. 본체부(101)는, 샤프트부(102)의 축 방향으로부터 보아서 원 형상으로 형성되어 있다. 본체부(101)의 축 방향 중앙의 외주면에는, 주위 방향으로 1주에 걸쳐 연장되는 홈부(101a)가 형성되어 있다. 샤프트부(102)는, 회전 기구(도시하지 않음)에 회전 가능하게 지지되어 있다.
그리고, 맨드럴(100)을 회전시킴으로써, 맨드럴(100)의 외면을 피복하도록, 섬유 다발 F를 둘러 감는다. 이때, 샤프트부(102)의 외면에도 섬유 다발 F를 둘러 감음으로써, 관통 구멍(22b)(도 5 참조)을 갖는 원통상의 돌출부(22a)가 형성된다. 또한, 이때, 섬유 다발 F를, 샤프트부(102)의 축 방향에 대하여 예를 들어 40도 교차하는 각도로 둘러 감는다. 또한, 맨드럴(100)의 재질은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 섬유 다발 F를 감을 때에 변형되지 않는 강도를 확보하기 위해서는, 금속인 것이 바람직하다.
섬유 다발 F에 함침되는 수지로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 열경화성 수지를 사용할 수 있다. 열경화성 수지로서는, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지 및 에폭시 수지 등의 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 기계적 강도 등의 관점에서 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 에폭시 수지란, 비스페놀 A와 에피클로로히드린의 공중합체 등인 프리폴리머와, 폴리아민 등인 경화제를 혼합하여 열경화함으로써 얻어지는 수지이다. 에폭시 수지는, 미경화 상태에서는 유동성이 있고, 즉 유체이고, 열경화 후는 강인한 가교 구조를 형성한다. 또한, 섬유 다발 F에 함침되는 수지로서, 열가소성 수지를 사용해도 된다. 열가소성 수지로서는, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌술피드, 폴리아크릴산에스테르, 폴리이미드, 폴리아미드 등을 사용할 수 있다.
섬유 다발 F를 구성하는 섬유로서는, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 보론 섬유 및 탄소 섬유 등을 사용할 수 있고, 특히 경량성이나 기계적 강도 등의 관점에서 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 맨드럴(100)의 외면에 권회된 권회체(섬유 다발 F)를, 커터(110)(도 4 참조)을 사용해서 2개로 분할한다. 그 후, 도 5에 도시한 바와 같이, 분할한 권회체를 맨드럴(100)로부터 분리함으로써 2개의 돔 부재(22 및 23)를 형성한다.
구체적으로는, 도 4에 도시한 상태로부터, 돌출부(22a)의 외면에 구금(14)을 설치한다. 그리고, 권회체(섬유 다발 F)의 수지를 고화시키고, 맨드럴(100)을 회전시키면서, 커터(110)의 날끝을 맨드럴(100)의 홈부(101a)에 삽입함으로써, 권회체를 2개로 분할한다. 그 후, 권회체를 맨드럴(100)로부터 분리함으로써 2개의 돔 부재(22 및 23)를 형성한다. 또한, 커터(110)로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 회전 원반의 외주면에 날이 형성된 것이나, 박판의 측면에 날이 형성된 것이나, 레이저광에 의해 섬유 다발 F를 절단하는 것을 사용할 수 있다.
섬유 다발 F의 수지를 고화시킴으로써 커터(110)에 의한 절단 시의 섬유 다발 F의 변형을 억제할 수 있음과 함께, 맨드럴(100)로부터 떼어 낼 때에 2개의 돔 부재(22 및 23)의 변형을 억제할 수 있다.
섬유 다발 F의 수지를 고화시키는 방법으로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 섬유 다발 F(즉, 2개의 돔 부재(22 및 23))의 수지가 열경화성 수지로 이루어지는 경우, 수지를 예비 경화해도 된다. 예비 경화의 조건(온도 및 시간)은, 섬유 다발 F의 수지의 종류에 따라 다르지만, 섬유 다발 F의 수지의 점도가 맨드럴(100)에 권회한 때의 점도(예비 경화전의 점도)보다도 높아지도록 설정된다. 여기에서는, 예비 경화로서, 섬유 다발 F의 수지의 유동성이 없어질 때까지 섬유 다발 F를 경화시킨다.
커터(110)에 의한 절단 시 및 맨드럴(100)로부터 떼어 낼 때에 있어서의 섬유 다발 F의 수지의 점도는, 0.05 내지 100Pa·s인 것이 바람직하다. 수지의 점도를 0.05Pa·s 이상으로 함으로써, 커터(110)에 의한 절단 시 및 맨드럴(100)로부터 떼어 낼 때에 있어서의 섬유 다발 F의 변형을 충분히 억제할 수 있다. 수지의 점도를 100Pa·s 이하로 함으로써, 미경화 부분이 많이 남아있기 때문에, 후속 공정에 있어서 통 부재(21)와 2개의 돔 부재(22 및 23)을 경화시킨 때에, 통 부재(21)와 2개의 돔 부재(22 및 23) 사이의 접착 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 수지의 가열 시간을 단축할 수 있기 때문에, 돔 부재(22 및 23)의 제조 시간을 단축할 수 있다. 예비 경화의 조건으로서는, 섬유 다발 F에 함침시키는 수지의 겔화 온도보다도 높은 온도에서, 10 내지 120분 가열하는 것을 들 수 있다. 예를 들어, 섬유 다발 F에 함침시키는 수지를 에폭시 수지로 하는 경우, 예비 경화의 조건을 100 내지 170℃의 온도, 10 내지 120분으로 해도 된다.
섬유 다발 F의 수지의 점도가 높아질수록, 커터(110)에 의한 섬유 다발 F의 변형을 억제할 수 있음과 함께, 맨드럴(100)로부터 떼어 낼 때에 2개의 돔 부재(22 및 23)의 변형을 억제할 수 있다. 또한, 섬유 다발 F의 수지를 완전히(예를 들어 영률 등의 물성이 안정될 때까지) 경화(본 경화)시켜도 되지만, 돔 부재(22 및 23)의 제조 시간이 길어지기 때문에, 맨드럴(100)로부터 용이하게 분리하는 것이 가능한 점도(예를 들어 0.05Pa·s) 이상이 된 시점에서 가열을 정지하여 방랭하는 것이 바람직하다. 또한, 본 명세서 및 특허 청구 범위의 「열경화 처리」는, 예비 경화 및 본 경화를 포함하는 개념이다.
또한, 섬유 다발 F의 수지가 열가소성 수지로 이루어지는 경우, 수지가 유동성을 가진 상태, 즉 수지가 유체의 상태 섬유 다발 F를 냉각함으로써, 섬유 다발 F의 수지를 고화시켜도 된다. 이 경우에도, 커터(110)에 의한 섬유 다발 F의 변형을 억제할 수 있음과 함께, 2개의 돔 부재(22 및 23)를 맨드럴(100)로부터 떼어 낼 때의 섬유 다발 F의 변형을 억제할 수 있다.
또한, 여기에서는, 섬유 다발 F의 수지를 고화시켜서 커터(110)에 의해 절단하는 예에 대하여 설명했지만, 섬유 다발 F의 수지를 고화시키지 않고 커터(110)에 의해 절단해도 된다. 이 경우, 섬유 다발 F를 커터(110)에 의해 절단한 후에 고화시켜도 된다.
또한, 섬유 다발 F의 수지를 고화시키는 것은 필수적인 조건이 아니다. 단, 섬유 다발 F의 수지를 고화시키지 않는 경우, 수지는 점착성을 갖고 있어 섬유 다발 F를 맨드럴(100)로부터 분리하기 어렵게(섬유 다발 F가 변형되기 쉽게) 되어 있기 때문에, 예를 들어 섬유 다발 F를 권회할 때에 미리 맨드럴(100)의 표면에 이형제를 칠해 두거나, 맨드럴(100)로부터 2개의 돔 부재(22 및 23)를 취출할 때의 인발 속도를 낮게 하거나 해서, 섬유 다발 F의 변형을 억제하는 것이 바람직하다.
또한, 여기서는, 맨드럴(100)의 외면에 섬유 다발 F를 권회한 후에 돌출부(22a)의 외면에 구금(14)을 설치하는 예에 대하여 설명했지만, 맨드럴(100)의 본체부(101)와 샤프트부(102)의 접속부에 미리 구금을 설치해 두고, 그 상태에서 맨드럴(100)의 외면에 섬유 다발 F를 권회해도 된다. 이 경우, 구금의 일부가 섬유 다발 F로 덮여서 구속된 상태로 되므로, 섬유 다발 F에 의해 구금을 견고하게 고정할 수 있다.
통 부재 형성 공정 S2에 있어서는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 회전하는 원통형(200)의 내면에 섬유 시트 F2를 첩부하는, 소위 CW(Centrifugal Winding)법에 의해 통 부재(21)를 형성한다. 구체적으로는, 원통형(200)은, 회전 기구(도시하지 않음)에 의해 소정의 회전 속도로 회전된다. 원통형(200)의 재질은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 섬유 시트 F2를 첩부할 때에 변형되지 않는 강도를 확보하기 위해서는, 금속인 것이 바람직하다.
원통형(200) 내에는, 롤상의 섬유 시트 F2를 권출하는 권출 장치(도시하지 않음)의 권출 롤러(210)가 마련되어 있다. 원통형(200)을 회전시키면서 섬유 시트 F2를 권출함으로써, 섬유 시트 F2가 원통형(200)의 내면에 첩부되어, 통 부재(21)가 형성된다.
섬유 시트 F2는, 권출 롤러(210)의 주위 방향으로 배향된 섬유를 적어도 갖고 있다. 이에 의해, 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재(21)를 얻을 수 있다.
섬유 시트 F2로서는, 예를 들어 단일 방향으로 정렬된 복수의 섬유 다발이 구속사로 엮어진 소위 UD(Uni-Direction) 시트나, 단일 방향으로 정렬된 복수의 섬유 다발과 이 복수의 섬유 다발에 교차하는, 예를 들어 직교하는 복수의 섬유 다발이 엮어진 섬유 시트 등을 사용할 수 있다.
또한, 섬유 시트 F2로서는, 미리 수지가 함침되어 있지 않은 섬유 시트를 사용해도 되고, 미리 수지가 함침된 섬유 시트를 사용해도 된다. 미리 수지가 함침되어 있지 않은 섬유 시트 F2를 사용하는 경우, 회전하는 원통형(200)의 내면에 권출 롤러(210)로부터 섬유 시트 F2를 권출하고, 원심력 및 마찰력에 의해 섬유 시트 F2를 원통형(200)의 내면에 첩부한 상태에서, 원통형(200) 내에 수지를 유입하여, 섬유 시트 F2에 수지를 함침시킨다. 그 대신에, 섬유 시트 F2를 권출하면서 원통형(200) 내에 수지를 유입함으로써, 섬유 시트 F2를 원통형(200)의 내면에 첩부하면서 섬유 시트 F2에 수지를 함침시켜도 된다. 섬유 시트 F2로서, 미리 수지가 함침되어 있지 않은 섬유 시트를 사용하는 경우도, 미리 수지가 함침된 섬유 시트를 사용하는 경우도, 수지가 유동성을 갖도록, 즉 수지가 유체인 것처럼 필요에 따라 섬유 시트 F2를 가열한 상태에서 원통형(200)을 회전시킴으로써, 원심력에 의해 섬유 시트 F2 내의 기포를 탈포할 수 있다. 또한, 이 탈포 공정은 필요에 따라서 마련된다.
섬유 시트 F2에 함침되는 수지로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 열경화성 수지를 사용할 수 있다. 열경화성 수지로서는, 섬유 다발 F와 마찬가지로, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지 및 에폭시 수지 등의 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 기계적 강도 등의 관점에서 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
섬유 시트 F2를 구성하는 섬유로서는, 섬유 다발 F와 마찬가지로, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 보론 섬유 및 탄소 섬유 등을 사용할 수 있고, 특히 경량성이나 기계적 강도 등의 관점에서 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
원통형(200)의 내면에 형성된 통 부재(21)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 축 방향 X의 양단의 두께가 통 부재(21)의 축 방향 X의 단을 향하여 점차 얇아지도록 형성되어 있다. 이에 의해, 도 2에 도시한 바와 같이, 통 부재(21)와 2개의 돔 부재(22 및 23)를 조합한 상태에서, 통 부재(21)의 외면과 2개의 돔 부재(22 및 23)의 외면과의 접속 부분에 단차가 형성되기 어려워진다. 이 때문에, 통 부재(21)와 2개의 돔 부재(22 및 23)의 접속 부분의 단차에 기인하여 제2 보강층(13)과 보강체(20) 사이에 보이드가 형성되는 것을 억제할 수 있다.
통 부재(21)의 축 방향 X의 양단의 두께를 통 부재(21)의 축 방향 X의 단을 향하여 점차 얇게 형성하기 위해서는, 섬유 시트 F2의 축 방향 X(폭 방향)의 단부는, 섬유 다발의 두께가 통 부재(21)의 축 방향 X의 단을 향하여 점차 얇아지도록 섬유 다발이 엮어져 있는 것이 바람직하다. 또한, 통 부재(21)의 축 방향 X의 양단을 롤러 등으로 꽉 누름으로써 두께를 점차 얇게 해도 된다. 또한, 원통형(200)의 내면에 섬유 시트 F2가 복수층 형성되는 경우에도, 원통형(200)의 회전에 의한 원심력에 의해, 섬유 다발 및 수지가 원통형(200)의 내면에 대하여 직경 방향 외측으로 압박되기 때문에, 섬유 시트 F2의 층 단부에 두께 방향의 간극이 형성되는 일은 없다.
이어서, 통 부재(21)를 원통형(200)의 내부로부터 떼어 낸다. 이때, 통 부재(21)를 고화시킨 상태에서, 원통형(200)의 내면으로부터 떼어 낸다. 통 부재(21)를 고화시킨 상태로 함으로써, 통 부재(21)를 원통형(200)으로부터 떼어 낼 때의 통 부재(21)의 변형을 억제할 수 있다.
통 부재(21)를 고화시키는 방법으로서는, 돔 부재 형성 공정 S1의 섬유 다발 F의 경우와 마찬가지로, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 통 부재(21)(즉, 섬유 시트 F2)의 수지가 열경화성 수지로 이루어지는 경우, 수지를 예비 경화해도 된다. 예비 경화의 조건(온도 및 시간)은, 통 부재(21)의 수지 종류에 따라 다르지만, 통 부재(21)의 수지 점도가 원통형(200)으로 권출한 섬유 시트 F2의 수지(또는 원통형(200)에 유입된 수지)의 점도보다도 높아지도록 설정된다. 여기에서는, 예비 경화로서, 섬유 시트 F2의 수지 유동성이 없어질 때까지 섬유 시트 F2를 경화시킨다. 또한, 수지를 예비 경화하는 경우, 원통형(200)을 회전시키면서 실행하는 것이 바람직하다. 미리 수지가 함침되어 있는지의 여부에 관계없이, 섬유 시트 F2를 원통형(200)의 내면에 형성한 상태에서는, 섬유 시트 F2와 원통형(200) 사이나, 섬유 시트 F2끼리 사이에는, 공기가 혼입되어 있다. 열에 의해 저점도화한 수지를 예비 경화시킬 때 원통형(200)을 회전시킴으로써, 원통형(200)에 의한 원심력에 의해 그 공기를 압출하는 것이 가능하다. 이 때문에, 통 부재(21)의 내부에 보이드가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
통 부재(21)를 원통형(200)으로부터 떼어 낼 때에 있어서의 통 부재(21)의 수지의 점도는, 0.05 내지 100Pa·s인 것이 바람직하다. 수지의 점도를 0.05Pa·s 이상으로 함으로써, 통 부재(21)를 원통형(200)으로부터 떼어 낼 때에 있어서의 통 부재(21)의 변형을 충분히 억제할 수 있다. 수지의 점도를 100Pa·s 이하로 함으로써, 미경화 부분이 많이 남아 있기 때문에, 후속 공정에 있어서 통 부재(21)와 2개의 돔 부재(22 및 23)을 경화시킨 때에, 통 부재(21)와 2개의 돔 부재(22 및 23) 사이의 접착 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 수지의 가열 시간을 단축할 수 있기 때문에, 통 부재(21)의 제조 시간을 단축할 수 있다. 예비 경화의 조건으로서는, 섬유 시트 F2에 함침시키는 수지의 겔화 온도보다도 높은 온도에서, 10 내지 120분 가열하는 것을 들 수 있다. 예를 들어, 섬유 시트 F2에 함침시키는 수지를 에폭시 수지로 하는 경우, 예비 경화의 조건을 100 내지 170℃의 온도, 10 내지 120분으로 해도 된다.
통 부재(21)의 수지 점도가 높아질수록, 통 부재(21)를 원통형(200)으로부터 떼어 낼 때의 통 부재(21)의 변형을 억제할 수 있다. 또한, 통 부재(21)의 수지를 완전히(예를 들어 영률 등의 물성이 안정될 때까지) 경화(본 경화)시켜도 되지만, 통 부재(21)의 제조 시간이 길어지기 때문에, 원통형(200)으로부터 용이하게 분리하는 것이 가능한 점도(예를 들어 0.05Pa·s) 이상이 된 시점에서 가열을 정지하여 방랭하는 것이 바람직하다.
또한, 통 부재(21)의 수지가 열가소성 수지로 이루어지는 경우, 수지가 유동성을 가진 상태, 즉 수지가 유체인 상태의 통 부재(21)를 냉각함으로써, 통 부재(21)를 고화시켜도 된다. 이 경우에도, 통 부재(21)를 원통형(200)으로부터 떼어 낼 때의 통 부재(21)의 변형을 억제할 수 있다.
또한, 통 부재(21)를 고화시키는 것은 필수적인 조건이 아니다. 단, 통 부재(21)를 고화시키지 않는 경우, 통 부재(21)는 점착성을 갖고 있어 원통형(200)으로부터 분리하기 어려워지고(통 부재(21)이 변형되기 쉬워지고) 있기 때문에, 예를 들어 섬유 시트 F2를 첩부할 때에 미리 원통형(200)의 내면에 이형제를 칠해 두거나, 원통형(200)으로부터 통 부재(21)를 취출할 때의 인발 속도를 낮게 하거나 해서, 통 부재(21)의 변형을 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 원통형(200)을 직경 방향으로 분할 가능한 복수의 부재에 의해 구성하고, 통 부재(21)로부터 원통형(200)을 조금씩(1부재씩) 탈형해도 된다.
여기에서는, 원통형(200)의 내면에 통 부재(21)를 형성하는 예에 대하여 설명했지만, 기타의 방법에 의해 통 부재(21)를 형성할 수도 있다. 예를 들어, 원통형의 외면에 섬유 시트 F2를 첩부하거나, 원통형의 외면에 FW법에 의해 수지가 함침된 섬유 다발을 후프 감기하거나 함으로써, 통 부재(21)를 형성해도 된다. 단, 통 부재(21)를 열경화 처리(예비 경화, 본 경화) 또는 냉각하는 경우, 통 부재(21)가 경화 수축 또는 온도 저하에 의해 수축하여 원통형의 외면으로부터 분리하기 어려워지므로, 원통형(200)의 내면에 통 부재(21)를 형성하는 쪽이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 통 부재 형성 공정 S2에 있어서 원통형(200)을 사용하여 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재(21)를 형성한다. 이에 의해, 통 부재(21)에서는, 섬유가 주위 방향으로 배향되므로, 가스압에 의해 발생하는 후프 응력에 대한 섬유 강화 수지층(12)의 강도를 적절한 양의 섬유 강화 수지에 의해 확보할 수 있다. 또한, 돔 부재 형성 공정 S1에 있어서 맨드럴(100)을 사용해서 2개의 돔 부재(22 및 23)를 형성한다. 이에 의해, 돔 부재(22 및 23)를, 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여, 통 부재(21)와는 별도로 형성할 수 있다. 이 때문에, 돔 부재(22 및 23)의 형성에 기인하여 통 부재(21)에 있어서의 섬유 강화 수지의 사용량이 증가하는 일이 없다.
또한, 맨드럴(100)을 사용하여 돔 부재(22 및 23)를 형성하고, 원통형(200)을 사용하여 통 부재(21)를 형성하기 위해서, 라이너(11)에 섬유 다발 등을 직접 권회하지 않고 통 부재(21), 돔 부재(22 및 23)가 형성된다. 이에 의해, 라이너(11)에 후프 감기나 헬리컬 감기 등에 의한 감아 조임력이 작용하지 않으므로, 감아 조임력에 기인하여 라이너(11)가 변형되지 않도록, 라이너(11)의 강도를 높게 하지 않아도 된다. 이 때문에, 라이너(11)의 두께(벽 두께)를 얇게 하는 것이 가능하므로, 라이너(11)의 용적을 증가시킬 수 있음과 함께, 라이너(11)를 경량화할 수 있다.
또한, 라이너(11)의 두께가 얇아짐으로써 이하의 효과도 있다. 예를 들어, 고압 탱크(10)의 하한 가스압(사용 범위의 하한값) 부근에 있어서 가스를 연속 사용한 경우, 단열 팽창에 의한 온도 저하와 내압의 저하에 의해, 라이너(11)가 열 수축하는 경우가 있다. 그러나, 라이너(11)의 두께를 얇게 하면, 내압에 의해 라이너(11)는 팽창하기 쉬워지고, 라이너(11)가 열 수축하는 것을 억제할 수 있으므로, 하한 가스압을 지금까지보다 낮게 설정할 수 있고, 충전된 가스를 보다 많이 고압 탱크(10)로부터 방출할 수 있다.
접합 공정 S3에 있어서는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 통 부재(21)의 양단부(21a)와 2개의 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c 및 23a)를 접합하여, 제1 보강층으로서의 보강체(20)를 형성한다.
구체적으로는, 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c 및 23a)를 내측으로 하고, 통 부재(21)의 양단부(21a)를 외측으로 하여 끼워 맞춘다. 통 부재(21)의 단부(21a), 돔 부재(22)의 단부(22c) 및 돔 부재(23)의 단부(23a)의 각각은, 주상으로 형성되어 있기 때문에, 돔 부재(22)의 단부(22c) 및 돔 부재(23)의 단부(23a)의 각각은, 통 부재(21)의 단부(21a)에 대하여 전체 주위에 걸쳐서 접촉한다. 이때, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23) 사이에 접착제(300)(도 9 참조)를 배치해도 된다. 이렇게 구성하면, 후속 공정에 있어서 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)가 떨어지는 것을 보다 억제할 수 있다. 또한, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)의 간극이 메워지기 때문에, 라이너 형성 공정 S5에 있어서, 라이너(11)가 되는 수지 재료가 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)의 간극에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 접착제(300)의 재질은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 에폭시 수지 등의 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 접착제(300)로서, 통 부재(21) 또는 돔 부재(22, 23)와 같은 성분의 수지를 사용해도 된다. 또한, 접착제(300)를 사용하지 않는 경우에도, 제2 보강층 형성 공정 S4에 있어서 제2 보강층(13)에 함유되는 수지가, 경화 시에 제2 보강층(13)으로부터 배어 나와서 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)의 간극을 매립하기 때문에, 라이너 형성 공정 S5에 있어서, 라이너(11)가 되는 수지 재료가 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)의 간극에 유입되는 것을 억제할 수 있다.
또한, 끼워 맞출 때에 그 단부(22c, 23a)가 통 부재(21)의 단부(21a)의 내측에 배치되는 돔 부재(22 및 23)는, 열경화 처리(예비 경화 또는 본 경화)되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 돔 부재(22 및 23)를 열경화 처리하여 강도를 높게 해 둠으로써, 돔 부재(22 및 23)와 통 부재(21)를 끼워 맞출 때에, 통 부재(21)의 단부(21a)가 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c 및 23a)를 모방하여, 돔 부재(22 및 23)가 가이드부로서 기능하므로, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)를 용이하게 끼워 맞출 수 있다. 또한, 이때, 그 단부(21a)가 돔 부재(22, 23)의 단부(22c, 23a)의 외측에 배치되는 통 부재(21)를 열경화 처리하고 있지 않은 경우에, 끼워 맞출 때에 통 부재(21)가 변형했다고 해도, 외측으로부터 통 부재(21)를 억제할 수 있으므로, 도 7에 도시된 바와 같이 통 부재(21)의 외형을 맞추거나 돔 부재(22 및 23)에 밀착시키거나 할 수 있다. 또한, 돔 부재(22)에는 구금(14)이 설치되어 있고, 후속 공정에서는 구금(14)에 의해 보강체(20) 및 제2 보강층(13)이 지지되기 때문에, 돔 부재(22)는 구금(14), 보강체(20) 및 제2 보강층(13)을 지지할 수 있도록 강도가 높아지고 있는 것이 바람직하다. 이 때문에, 돔 부재(22)를 열경화 처리시켜 두는 것은 효과적이다.
제2 보강층 형성 공정 S4에 있어서는, 보강체(20)의 외면을 덮도록, 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재(22 및 23)에 걸쳐서 섬유가 배치된 제2 보강층(13)을 형성한다. 이에 의해, 보강체(20) 및 제2 보강층(13)을 갖는 섬유 강화 수지층(12)이 형성된다. 제2 보강층(13)은, 예를 들어 도 10 및 도 11에 도시하는 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로는, 보강체(20)에 마련된 구금(14)에 지지 기구(도시하지 않음)를 설치하여, 보강체(20)를 보유 지지한다. 또한, 도 10 및 도 11에서는, 보강체(20)를 수평하게 배치한 상태를 나타내고 있지만, 보강체(20)가 중력에 의해 하방으로 휘는 것을 방지하기 위하여 보강체(20)를 연직으로 배치해도 된다.
그리고, 수지가 함침된 복수의 섬유 다발 F4를, 보강체(20)의 축 방향 X로 연장시킴과 함께, 보강체(20)의 주위 방향으로 소정의 각도 간격으로, 또한, 보강체(20)의 외면으로부터 소정의 거리를 이격하여 배치한다. 이때, 섬유 다발 F4의 각각은, 권출 장치의 권출부(400)를 통해 권출되고, 섬유 다발 F4의 선단은 보유 지지 부재(410)에 의해 보유 지지되고 있다.
섬유 다발 F4에 함침되는 수지로서는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 열경화성 수지를 사용할 수 있다. 열경화성 수지로서는, 섬유 다발 F와 마찬가지로, 페놀 수지, 멜라민 수지, 우레아 수지 및 에폭시 수지 등의 열경화성 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 특히 기계적 강도 등의 관점에서 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다.
섬유 다발 F4를 구성하는 섬유로서는, 섬유 다발 F와 마찬가지로, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 보론 섬유 및 탄소 섬유 등을 사용할 수 있고, 특히 경량성이나 기계적 강도 등의 관점에서 탄소 섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
그 후, 도 10에 도시한 상태로부터, 복수의 권출부(400)와 복수의 보유 지지 부재(410)를 보강체(20)의 주위 방향으로 서로 역방향으로 회전시킴으로써, 복수의 섬유 다발 F4의 제1 단측(권출부(400)측)의 부분과 제2 단측(보유 지지 부재(410)측)의 부분이 보강체(20)의 주위 방향으로 상대적으로 회전한다. 여기에서는, 복수의 섬유 다발 F4의 제1 단측의 부분을 제1 방향으로 회전시키고, 제2 단측의 부분을 제1 방향과는 역방향인 제2 방향으로 회전시킨다. 이에 의해, 도 11에 도시한 바와 같이, 복수의 섬유 다발 F4가 통 부재(21)의 축 방향 X에 대하여 경사진 상태로 됨과 함께, 섬유 다발 F4끼리의 간극이 없어져 섬유 다발 F4끼리가 일부 중첩된다. 그리고, 복수의 섬유 다발 F4는, 보강체(20)의 외면에 점차 가까워지면서 보강체(20)의 외면에 간극 없이 배치된다. 이때, 복수의 섬유 다발 F4는, 축 방향 X에 대하여 경사진 상태에서 통 부재(21)의 외면에 밀착하고, 통 부재(21)의 외면에 밀착한 부분은 수지의 점착력에 의해 움직임이 구속된다. 그 후, 복수의 섬유 다발 F4의 제1 단측의 부분 및 제2 단측의 부분은 통 부재(21)의 단부 외측에 있어서 권출부(400) 및 보유 지지 부재(410)에 의해 비틀어져 돔 부재(22 및 23)의 외면에 감긴다. 이와 같이 하여, 제2 보강층(13)이 보강체(20)의 외면을 덮도록 형성된다. 그 후, 섬유 다발 F4의 불필요 부분을 절단함으로써, 섬유 다발 F4에 의한 1층째가 형성된다.
섬유 다발 F4는, 가스압에 의해 돔 부재(22 및 23)가 통 부재(21)로부터 축 방향 X의 외측으로 떨어지는 것을 방지하는 것이기 때문에, 통 부재(21)의 축 방향 X를 따라 마련되어 있다. 섬유 다발 F4의 경사 각도(통 부재(21)의 축 방향 X에 대한 각도)는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 섬유 다발 F4는, 통 부재(21)의 축 방향 X에 대하여 0도보다도 크고 45도 이하 경사지도록 배향되는 것이 바람직하고, 0도보다도 크고 20도 이하 경사지도록 배향되는 것이 보다 바람직하다.
이어서, 섬유 다발 F4에 의한 2층째를, 1층째와 동일한 방법에 의해 형성한다. 단, 2층째를 형성할 때에는, 복수의 섬유 다발 F4의 제1 단측(권출부(400)측)의 부분을 제2 방향으로 회전시키고, 제2 단측(보유 지지 부재(410)측)의 부분을 제1 방향으로 회전시킨다. 그리고, 3층째 이후를 형성하는 경우, 홀수층째(제1 경사층)에 대해서는, 1층째와 마찬가지로 형성하고, 짝수층째(제2 경사층)에 대해서는, 2층째와 마찬가지로 하여 형성한다.
섬유 다발 F4의 층수는, 제2 보강층(13)의 강도가 확보되는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 2 내지 12층으로 하는 것이 바람직하고, 2층으로 하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, 섬유 다발 F4의 층수는, 제2 보강층(13)의 강도가 확보되는 것이라면, 가능한 한 적은 쪽이 바람직하다. 또한, 제1 경사층과 제2 경사층을 동일 층수만큼 적층하는 것이 바람직하다. 여기서, 제1 경사층은, 복수의 섬유 다발 F4가 소정의 장력을 갖고 축 방향 X에 대하여 경사진 상태로 배치되고, 나중에 경사진 상태 그대로 경화되기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층(13)에 팽창하는 힘이 작용하면, 제1 경사층에는, 축 방향 X에 대한 섬유 다발 F4의 경사를 해소하는 방향으로 힘이 발생하고, 보강체(20)에 변형이 발생한다. 마찬가지로, 제2 경사층은, 복수의 섬유 다발 F4가 소정의 장력을 갖고 제1 경사층과는 반대 방향으로 경사진 상태에서 배치되고, 나중에 경사진 상태 그대로 경화되기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층(13)에 팽창하는 힘이 작용하면, 제2 경사층에는, 제1 경사층과는 반대 방향의 섬유 다발 F4의 경사를 해소하는 방향으로 힘이 발생하고, 보강체(20)에 변형이 발생한다. 제1 경사층 및 제2 경사층의 섬유 다발 F4는, 서로 반대 방향으로 경사져 있기 때문에, 가스압에 의해 제2 보강층(13)에 팽창하는 힘이 작용한 경우에, 제1 경사층의 섬유 다발 F4의 경사를 해소하는 방향의 힘과 제2 경사층의 섬유 다발 F4의 경사를 해소하는 방향의 힘이 서로 상쇄하도록 작용한다. 이에 의해, 섬유 강화 수지층(12)에 변형이 발생하는 것을 억제할 수 있으므로, 고압 탱크(10)에 변형이 발생하는 것이 억제된다. 이 때문에, 고압 탱크(10)의 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.
여기에서는, 제1 경사층과 제2 경사층을 동일 층수만큼 형성하므로, 제1 경사층의 경사를 해소하는 방향의 힘과 제2 경사층의 경사를 해소하는 방향의 힘을, 효과적으로 서로 상쇄하도록 작용시킬 수 있다. 이에 의해, 복수의 섬유 다발 F4의 경사에 기인하여 섬유 강화 수지층(12)에 변형이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 고압 탱크(10)의 강도가 저하되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 제1 경사층과 제2 경사층을 다른 층수 형성해도 되고, 예를 들어 제1 경사층 및 제2 경사층만을 형성해도 된다.
섬유 다발 F4를 소정의 층수만큼 형성함으로써, 제2 보강층(13)이 형성된다. 그 후, 보강체(20) 및 제2 보강층(13)을, 예를 들어 100 내지 170도의 온도에서 10 내지 120분 가열하여 경화시킨다. 이때, 접착제(300)는, 보강체(20) 및 제2 보강층(13)에 도입되어서 일체화한다.
상술한 바와 같이, 2개의 돔 부재(22 및 23)에 걸쳐서 섬유가 배치된 제2 보강층(13)을 형성함으로써, 돔 부재(22 및 23)가 통 부재(21)로부터 이격하는 것이 제2 보강층(13)의 섬유에 의해 방지되므로, 돔 부재(22 및 23)이 가스압에 의해 통 부재(21)의 양단으로부터 떨어지는 것을 억제할 수 있다. 이 제2 보강층(13)은, 돔 부재(22) 및 23이 통 부재(21)로부터 떨어지는 것을 방지하는 것이 가능한 섬유량을 갖으면 되므로, 종래의 고압 탱크의 통부에 형성되어 있었던 헬리컬층에 비하여, 섬유 강화 수지의 사용량을 적게 할 수 있다.
이 제2 보강층 형성 공정 S4에 의하면, 보강체(20)를 주위 방향으로 회전시키지 않고, 보강체(20)의 외면에 제2 보강층(13)을 형성할 수 있다. 이 때문에, 관통 구멍(22b)과는 반대측의 단부에, 보강체(20)를 회전시키기 위한 구조(일반적으로는, 회전축이 설치되는 구금)를 마련하지 않아도 된다.
또한, 여기에서는, 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 복수의 섬유 다발 F4를 보강체(20)의 주위 방향으로 회전시킴으로써 보강체(20)의 외면에 제2 보강층(13)을 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 기타의 방법에 의해 제2 보강층(13)을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 수지가 함침된 섬유 시트를 보강체(20)의 외면에 권회하는, 소위 시트 와인딩법을 사용하여, 제2 보강층(13)을 형성해도 된다. 이때, 섬유 시트에 포함되는 섬유는, 통 부재(21)의 축 방향 X를 따라 배향되어 있는 것이 바람직하지만, 섬유 다발 F4와 마찬가지로, 통 부재(21)의 축 방향 X에 대하여 0도보다도 크고 45도 이하 경사지도록 배향되어 있어도 되고, 0도보다도 크고 20도 이하 경사지도록 배향되어 있어도 된다. 또한, 섬유 다발 F4나 섬유 시트를 사용하여 제2 보강층(13)을 형성하는 경우, 섬유는 축 방향 X와 평행하게 배향되어 있어도 된다. 또한, FW법을 사용하여, 보강체(20)의 외면에 제2 보강층(13)을 형성해도 된다. 단, FW법을 사용하는 경우, 보강체(20)의 변형을 방지하기 위해서, 제2 보강층(13)을 형성하기 전에, 보강체(20)를 경화시켜 두는 것이 바람직하다.
또한, 여기서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 제2 보강층(13)의 일단(구금(14)측의 단부, 섬유 다발 F4의 제1 단)이 구금(14)의 앞까지 형성되는 예에 대하여 나타냈지만, 도 12에 나타내는 제1 변형예와 같이, 제2 보강층(13)의 일단을, 구금(14)의 외면의 일부를 덮도록 형성해도 된다. 이렇게 구성하면, 제2 보강층(13)에 의해 구금(14)을 보유 지지할 수 있으므로, 구금(14)이 보강체(20)로부터 떨어지는 것을 확실하게 방지할 수 있다.
또한, 여기서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 제2 보강층(13)의 타단(구금(14)와는 반대측의 단부, 섬유 다발 F4의 제2 단)을 요철이 없는 대략 구면상으로 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 도 13에 나타내는 제2 변형예와 같이, 제2 보강층(13)의 타단에 오목부(13a)를 갖는 볼록부(13b)를 형성해도 된다. 이렇게 구성하면, 예를 들어 도 13에 도시된 바와 같은 보유 지지 부재(450)에 의해 제2 보강층(13)의 타단부를 보유 지지할 수 있다. 이에 의해, 후속 공정에 있어서의 작업성을 향상시킬 수 있음과 함께, 연료 전지 차량으로의 고압 탱크(10)의 탑재성을 향상시킬 수 있다. 또한, 도 11의 상태로부터 섬유 다발 F4를 절단할 때에 절단 위치를 조정함으로써, 오목부(13a)를 갖는 볼록부(13b)를 용이하게 형성할 수 있다.
라이너 형성 공정 S5에 있어서는, 도 14에 도시한 바와 같이, 보강체(20)의 돌출부(22a)에 형성된 관통 구멍(22b)을 통해 섬유 강화 수지층(12)에 수지 재료 M을 넣는다. 그리고, 섬유 강화 수지층(12)을 회전시키면서, 수지 재료 M을 고화시킴으로써 라이너(11)를 형성한다.
구체적으로는, 관통 구멍(22b)은, 섬유 강화 수지층(12)의 내부 공간과 외부공간을 연통하고 있다. 수지 재료 M을 토출하는 노즐(500)을 관통 구멍(22b)에 삽입하고, 섬유 강화 수지층(12)의 내부 공간에 수지 재료 M을 넣는다. 그리고, 노즐(500)을 관통 구멍(22b)으로부터 인출한다.
수지 재료 M은, 상술한 바와 같이, 가스 배리어성이 양호한 수지인 것이 바람직하다. 이러한 수지로서는, 예를 들어 폴리아미드, 폴리에틸렌 및 에틸렌-비닐알코올 공중합 수지(EVOH), 폴리에스테르 등의 열가소성 수지나, 에폭시 등의 열경화성 수지를 들 수 있지만, 폴리아미드인 것이 바람직하다. 또한, 수지 재료 M으로서, 상온에서 유동성을 갖는 것 이외에, 분말상의 것을 사용할 수 있다.
그 후, 보강체(20)의 내면을 수지 재료 M이 덮도록 보강체(20)를 회전시킨다. 구체적으로는, 섬유 강화 수지층(12)의 내부 공간을 필요에 따라서 소정 온도 이상으로 가열하여, 수지 재료 M이 저점도(0 내지 0.05Pa·s)로 유동성을 가진 상태에서, 섬유 강화 수지층(12)를 수평 방향을 따른 축을 중심으로 하여 주위 방향으로 회전시킴과 함께 섬유 강화 수지층(12)의 양단을 교대로 상하시킨다(도 14 참조). 이에 의해, 유동성을 갖는 수지 재료 M은 섬유 강화 수지층(12)의 회전에 의해 들어 올릴 수 있음과 함께, 수지 재료 M의 일부가 자중에 의해 섬유 강화 수지층(12)의 내면을 흘러내림으로써, 수지 재료 M은 보강체(20)의 내면 전체면에 접촉하여 가린 상태가 된다. 수지 재료 M이 열경화성 수지인 경우에는 내부 공간을 가열하여 수지 재료 M을 경화시켜, 라이너(11)를 형성한다. 수지 재료 M이 열가소성 수지인 경우에는 섬유 강화 수지층(12)의 내부 공간의 온도를 내림으로써, 수지 재료 M을 섬유 강화 수지층(12)의 내면을 덮도록 접촉시킨 상태에서 고화시키고, 라이너(11)를 형성한다. 여기에서는, 수지 재료 M으로서 상온에서 유동성이 있는 2종류 이상의 저분자량·저점도의 액체 재료를 사용하여, 반응 사출 성형(Reaction Injection Molding)법에 의해 라이너(11)를 형성한다. 이 경우, 내부 공간을 가열함으로써 모노머로부터 폴리머를 생성하고, 그 후, 내부 공간을 냉각함으로써 폴리머를 고화시켜서 라이너(11)를 형성한다.
이 라이너 형성 공정 S5에 의하면, 섬유 강화 수지층(12)을 형성한 후에도, 섬유 강화 수지층(12)의 내측에 라이너(11)를 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 수지를 사용한 사출 성형에 의해 라이너를 형성하는 경우와 다르게, 라이너 성형용의 금형이 불필요하다.
그리고, 구금(14)에 밸브(15)를 설치함으로써, 고압 탱크(10)가 완성된다.
본 실시 형태에서는, 상기한 바와 같이, 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재(21)를 형성한다. 이에 의해, 통 부재(21)에는, 섬유가 주위 방향으로 배향되므로, 가스압에 의해 발생하는 후프 응력에 대한 섬유 강화 수지층(12)의 강도를 적절한 양의 섬유 강화 수지에 의해 확보할 수 있다. 또한, 돔 부재(22 및 23)를, 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여, 통 부재(21)와는 별도로 형성할 수 있다. 이 때문에, 돔 부재(22 및 23)의 형성에 기인하여 통 부재(21)에 있어서의 섬유 강화 수지의 사용량이 증가하는 일이 없다.
또한, 보강체(20)의 외면에, 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재(22 및 23)에 걸쳐서 섬유가 배향된 제2 보강층(13)을 형성한다. 이에 의해, 돔 부재(22 및 23)가 통 부재(21)로부터 이격하는 것이 제2 보강층(13)의 섬유에 의해 방지되므로, 돔 부재(22 및 23)가 가스압에 의해 통 부재(21)의 단부에서 떨어지는 것을 방지할 수 있다. 이 제2 보강층(13)은, 돔 부재(22 및 23)가 통 부재(21)에서 떨어지는 것을 방지하는 것이 가능한 섬유량을 갖으면 되므로, 종래의 고압 탱크의 통부에 형성되어 있었던 헬리컬층에 비하여, 섬유 강화 수지의 사용량을 적게 할 수 있다.
이상으로부터, 본 실시 형태의 고압 탱크(10)의 제조 방법에 의하면, 섬유 강화 수지층(12)의 각 부위를, 적절한 양의 섬유 강화 수지를 사용하여 형성하므로, 종래의 고압 탱크와 비교하여, 불필요한 섬유 강화 수지를 사용하지 않고, 통 부재(21) 상의 제2 보강층(13)의 섬유 강화 수지의 사용량을 저감할 수 있다.
또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 돔 부재 형성 공정 S1에 있어서, 필라멘트 와인딩법을 사용해서 2개의 돔 부재(22 및 23)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 15에 도시한 본 발명의 제3 변형예와 같이, 테이프 플레이스먼트법을 사용하여, 롤러(150)에 의해 섬유 다발 F를 돔상의 형(소정의 형)(160)의 표면에 가압하여 첩부함으로써, 2개의 돔 부재(22 및 23)를 형성해도 된다. 이 경우, 돔 부재(22 및 23)의 형상에 맞추어, 형상이 다른 복수(예를 들어 2개)의 형을 사용하면 된다. 즉, 2개의 돔 부재(22 및 23)는, 적어도 하나(1개 이상)의 형을 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 보강체(20) 및 제2 보강층(13)을 형성한 후에 라이너(11)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어 도 16에 나타낸 본 발명의 제4 변형예와 같이, 접합 공정 S3에 있어서 통 부재(21)의 양단부(21a)와 2개의 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c 및 23a)를 조합할 때에, 통 부재(21), 2개의 돔 부재(22 및 23)를 미리 형성한 수지제의 라이너(611)에 덮어 씌워도 된다. 이 경우, 라이너 형성 공정 S5는 실시되지 않는다. 또한, 라이너(611)는, 종래 알려진 제조 방법에 의해 형성하는 것이 가능하지만, 라이너(611)의 외면에 FW법을 사용하여 섬유 다발을 권회하지 않기 때문에, 라이너(611)의 강도를 높게 하지 않아도 된다. 이 때문에, 라이너(611)의 두께를 종래의 라이너에 비하여 얇게 할 수 있다. 또한, 라이너(611)를 수지 재료로 바꾸어서 알루미늄 합금 등의 금속 재료에 의해 형성해도 된다.
이 제조 방법에서는, 통 부재(21)를 라이너(611)에 씌우기 쉽게 하기 위해서, 라이너(611)의 외경은 통 부재(21)의 내경보다도 조금 작게 형성된다. 따라서, 통 부재(21), 2개의 돔 부재(22 및 23)를 라이너(611)에 씌운 상태에서는, 보강체(20)의 내면과 라이너(611)의 외면 사이에 간극이 형성된다. 단, 고압 탱크(10) 내(라이너(611) 내)에 수소 가스가 충전된 상태에서는, 가스압에 의해 라이너(611)가 팽창하기 때문에, 보강체(20)의 내면과 라이너(611)의 외면은 밀착한 상태로 유지된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 1개의 부재에 의해 통 부재(21)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 도 17에 나타낸 본 발명의 제5 변형예와 같이, 2개 이상(도 17에서는 3개)의 통체(121)를 접속함으로써 통 부재(21)를 형성해도 된다. 이 경우, 2개 이상의 통체(121)를 서로 접합한 후에, 그 양단에 돔 부재(22 및 23)를 접합해도 된다. 또한, 돔 부재(22 및 23)에 통체(121)를 1개씩 접합한 후에, 그것들을 접합해도 된다. 통체(121)는, 상술한 통 부재(21)와 동일한 방법에 의해 형성할 수 있다. 즉, 통체(121)는, 섬유 강화 수지에 의해 형성되어 있음과 함께, 주위 방향으로 섬유가 배향되어 있다. 통체(121)끼리의 접속은, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)의 접합과 마찬가지로, 한쪽의 통 부재(121)의 단부를 다른 쪽의 통 부재(121)의 단부의 내측에 배치하여 통체(121)끼리를 접속해도 된다. 또한, 통체(121)끼리를 맞대어, 접착제를 사용하여 접속해도 된다. 또한, 예를 들어 길이나 크기가 다른 복수 종류의 통체(121)를 형성하는 경우, 통체(121)에 맞추어, 길이나 크기가 다른 복수개의 형을 사용하면 된다. 즉, 통 부재(21)는, 적어도 하나(1개 이상)의 형을 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 접합 공정 S3에 있어서 통 부재(21)의 단부(21a)와 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c 및 23a)를 끼워 맞추는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 통 부재(21)의 단부(21a)와 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c 및 23a)를 맞닿게 하여, 접착제를 사용하여 접합시켜도 된다.
또한, 도 18에 나타낸 본 발명의 제6 변형예와 같이, 2개의 부재(예를 들어 2개의 돔 부재(22 및 23))에 의해 보강체(20)를 형성해도 된다. 이 경우, 통 부재 형성 공정 S2를 제외하고, 상기 실시 형태와 마찬가지로, 돔 부재 형성 공정 S1과, 접합 공정 S3과, 제2 보강층 형성 공정 S4와, 라이너 형성 공정 S5를 실행함으로써, 고압 탱크(10)를 제조할 수 있다. 2개의 돔 부재(22 및 23)를 접합하는 경우, 돔 부재(22)의 단부(22c)와 돔 부재(23)의 단부(23a)가 동일한 크기가 되기 때문에, 돔 부재(22)의 단부(22c)와 돔 부재(23)의 단부(23a)를 맞닿게 하여, 접착제를 사용하여 접합하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 돔 부재(22 및 23)를 열경화 처리한 후, 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c, 23a)를 통 부재(21)의 단부(21a)의 내측에 배치하고, 돔 부재(22 및 23)와 통 부재(21)를 접합하는 예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 도 19에 나타낸 본 발명의 제7 변형예와 같이, 통 부재(21)를 열경화 처리한 후, 통 부재(21)의 단부(21a)를 돔 부재(22 및 23)의 단부(22c, 23a)의 내측에 배치하고, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)를 접합해도 된다. 이 경우, 통 부재(21)와 돔 부재(22 및 23)를 용이하게 끼워 맞출 수 있음과 함께, 돔 부재(22 및 23)의 외형을 맞추거나, 돔 부재(22 및 23)를 통 부재(21)에 밀착시키거나 할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 라이너 형성 공정 S5에 있어서, 섬유 강화 수지층(12)를 회전시키면서 수지 재료가 유동성을 가진 상태에서 섬유 강화 수지층(12)의 내면 전체면을 덮도록 하여, 라이너(11)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어 블로우 성형과 같이, 관통 구멍(22b)을 통해 섬유 강화 수지층(12)의 내부에, 가열하여 연화된 열가소성 수지 재료를 통 형상으로 압출하고, 이 통 형상의 수지 재료의 내부에 압축 공기를 보내옴으로써 섬유 강화 수지층(12)의 내면을 덮도록 접촉시킨 상태에서, 수지 재료를 고화시켜서 라이너(11)를 형성해도 된다. 또한, 예를 들어 용사와 같이, 섬유 강화 수지층(12)의 내면에 액상 또는 연화된 수지 재료를 분사함으로써 라이너(11)를 형성해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 보강체(20)의 외면에 제2 보강층(13)을 형성한 후, 라이너(11)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 보강체(20)의 내측에 라이너(11)를 형성한 후에, 보강체(20)의 외면에 제2 보강층(13)을 형성해도 된다. 이 경우, 제2 보강층(13)의 경화 시에 라이너(11)가 연화되지 않도록, 라이너(11)를 에폭시 등의 열경화성 수지를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 돔 부재 형성 공정 S1에 있어서 관통 구멍(22b)을 갖도록 돔 부재(22)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들어 접합 공정 S3의 후에 섬유 강화 수지층(12)에 관통 구멍(22b)을 형성해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 형을 사용하여 통 부재(21)를 형성하는 예에 대하여 나타냈지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 종래 알려진 제조 방법에 의해 형성된 라이너에 섬유 시트나 섬유 다발을 권회함으로써 통 부재(21)를 형성하고, 그 통 부재(21)에 2개의 돔 부재(22 및 23)를 접합해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 돔 부재(22)에만 관통 구멍(22b)을 마련함과 함께, 고압 탱크(10)의 한쪽 단부에만 구금(14)을 마련하는 예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 돔 부재(22 및 23)의 양쪽에 관통 구멍을 마련함과 함께, 고압 탱크(10)의 한쪽 단부 및 다른 쪽 단부의 양쪽에 구금을 마련해도 된다.

Claims (12)

  1. 가스를 수용하도록 구성된 라이너(11)와, 상기 라이너(11)의 외면을 덮는 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 강화 수지층(12)을 구비하고, 상기 섬유 강화 수지층(12)이 상기 라이너(11)의 외면을 덮는 제1 보강층과, 상기 제1 보강층의 외면을 덮는 제2 보강층(13)을 갖는 고압 탱크의 제조 방법이며,
    상기 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재(21)을 형성하고,
    상기 섬유 강화 수지에 의해 2개의 돔 부재(22, 23)를 형성하는 것,
    상기 통 부재(21)의 양단부와, 상기 2개의 돔 부재(22, 23)의 단부를 접합하여, 상기 제1 보강층으로서의 보강체(20)를 형성하는 것,
    상기 보강체(20)의 외면에, 상기 섬유 강화 수지에 의해 상기 2개의 돔 부재(22, 23)에 걸쳐서 섬유가 배향된 상기 제2 보강층(13)을 형성하는 것을 구비하는 고압 탱크의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 섬유 강화 수지에 의해 주위 방향으로 섬유가 배향된 복수의 통체를 접속함으로써 상기 통 부재(21)를 형성하는 고압 탱크의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 돔 부재(22, 23) 중 적어도 한쪽의 돔 부재를, 관통 구멍을 갖도록 형성하고,
    상기 관통 구멍을 통해 상기 보강체(20)의 내부에 수지 재료를 넣고, 상기 수지 재료에 의해 상기 보강체(20)의 내면을 덮도록 상기 라이너(11)를 형성하는 고압 탱크의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 보강체(20)의 내부에 유동성을 갖는 상기 수지 재료를 넣고, 상기 보강체(20)의 내면을 상기 수지 재료가 덮도록 상기 보강체(20)를 회전시켜, 상기 보강체(20)의 내면을 덮은 상기 수지 재료를 고화시킴으로써 상기 라이너(11)가 형성되는 고압 탱크의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 수지가 함침된 복수의 섬유 다발을, 상기 보강체(20)의 축 방향으로 연장시킴과 함께, 상기 보강체(20)의 주위 방향으로 소정의 간격으로, 또한, 상기 보강체(20)의 외면으로부터 소정의 거리를 이격하여 배치하고,
    상기 복수의 섬유 다발의 제1 단측의 부분을, 상기 복수의 섬유 다발의 제2 단측의 부분에 대하여 상기 보강체(20)의 주위 방향으로 상대적으로 회전시킴으로써,
    상기 제2 보강층(13)을 형성하는 고압 탱크의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 보강층(13)을 형성할 때에,
    상기 복수의 섬유 다발의 상기 제1 단측의 부분을 제1 방향으로 회전시킴으로써 형성된 적어도 하나의 제1 경사층과,
    상기 복수의 섬유 다발의 상기 제1 단측의 부분을 상기 제1 방향과는 역방향인 제2 방향으로 회전시킴으로써 형성된 적어도 하나의 제2 경사층을
    형성하는 고압 탱크의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 제1 경사층과 상기 적어도 하나의 제2 경사층을 동일 층수만큼 형성하는 고압 탱크의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통 부재(21)를 열경화 처리한 후, 상기 통 부재(21)를 상기 2개의 돔 부재(22, 23) 중 적어도 한쪽의 돔 부재(22, 23)의 내측에 배치하고, 상기 통 부재(21)와 상기 적어도 한쪽의 돔 부재(22, 23)를 접합하는 고압 탱크의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 돔 부재(22, 23) 중 적어도 한쪽의 돔 부재를 열경화 처리한 후, 상기 2개의 돔 부재(22, 23) 중 적어도 한쪽의 돔 부재(22, 23)를 상기 통 부재(21)의 내측에 배치하고, 상기 2개의 돔 부재(22, 23) 중 적어도 한쪽의 돔 부재(22, 23)와 상기 통 부재(21)를 접합하는 고압 탱크의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 수지가 함침된 섬유 다발을 소정의 형의 외면을 덮도록 권회한 후, 상기 소정의 형에 권회된 상기 섬유 다발로 이루어지는 권회체를 분할함으로써, 상기 2개의 돔 부재(22, 23)를 형성하는 고압 탱크의 제조 방법.
  11. 가스를 수용하도록 구성된 라이너(11)와, 상기 라이너(11)의 외면을 덮는 섬유 강화 수지로 이루어지는 섬유 강화 수지층(12)을 구비하고, 상기 섬유 강화 수지층(12)이 상기 라이너(11)의 외면을 덮는 제1 보강층과, 상기 제1 보강층의 외면을 덮는 제2 보강층(13)을 갖는 고압 탱크이며,
    상기 제1 보강층은, 상기 섬유 강화 수지에 의해 형성되어 주위 방향으로 섬유가 배향된 통 부재(21)와, 상기 섬유 강화 수지에 의해 형성된 2개의 돔 부재(22, 23)를 포함하고,
    상기 통 부재(21)의 양단부와 상기 2개의 돔 부재(22, 23)의 단부가 접합되어 있고,
    상기 제2 보강층(13)은, 상기 2개의 돔 부재(22, 23)에 걸쳐서 섬유가 배향하도록 형성되어 있는 고압 탱크.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 보강층(13)의 주위 방향 전체에, 상기 2개의 돔 부재(22, 23)에 걸쳐서 배향된 복수의 섬유 다발이 마련되어 있고,
    상기 복수의 섬유 다발은, 상기 섬유 다발이 상기 제1 보강층의 축 방향에 대하여 경사진 제1 경사층과, 상기 섬유 다발이 상기 축 방향에 대하여 상기 제1 경사층의 섬유 다발과는 반대 방향으로 경사진 제2 경사층을 포함하고,
    상기 제2 보강층(13)은 적층 배치된 상기 제1 경사층과 상기 제2 경사층을 갖는 고압 탱크.
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