(57)【要約】【課題】フープ巻き時に胴体部のドーム部に隣接する端部における繊維の位置ずれを抑制できるタンクの製造方法を提供する。【解決手段】タンク１の製造方法は、胴体部１１と胴体部の両端に設けられたドーム部１２とを有するライナー１０の外周に、エポキシ樹脂が含浸された繊維を複数層巻き付けることによりタンク１を製造する方法であって、胴体部１１の外周に近い側から遠い側に向かって繊維をフープ巻きにして複数のフープ層２１を順次に積層するフープ層積層工程を少なくとも含む。フープ層積層工程において、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を胴体部１１のうち左右両端部を除く他の部分の温度よりも低くする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
胴体部と前記胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーの外周に、樹脂が含浸された繊維を複数層巻き付けることによりタンクを製造するタンクの製造方法であって、
前記胴体部の外周に近い側から遠い側に向かって前記繊維をフープ巻きにして複数のフープ層を順次に積層するフープ層積層工程を少なくとも含み、
前記フープ層積層工程において、前記胴体部の前記ドーム部に隣接する端部の温度を前記胴体部のうち前記端部を除く他の部分の温度よりも低くすることを特徴とするタンクの製造方法。
【請求項２】
前記樹脂は、エポキシ樹脂である請求項１に記載のタンクの製造方法。
【請求項３】
前記フープ層積層工程において、前記胴体部の前記ドーム部に隣接する端部の温度を１６℃以下にする請求項１又は２に記載のタンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライナーの外周に樹脂が含浸された繊維を複数層巻き付けることによりタンクを製造するタンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車に搭載される水素タンク等のタンクは、安全性を確保するために高い耐圧強度等が求められている。このようなタンクの製造方法として、フィラメントワインディング（ＦＷ）法が知られている。具体的には、胴体部と胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーを回転させながら、熱硬化性樹脂が含浸された繊維を一定の張力（すなわち、繊維を巻き付ける力）で該ライナーの外周に繰り返し巻き付けることでフープ層とヘリカル層からなる補強層を形成し、その後に熱硬化性樹脂を熱硬化させる。
【０００３】
一例として、例えば下記特許文献１には、フープ層とヘリカル層との積層態様を最適化することにより巻き付けられた繊維による強度発現の効率を向上できるタンクの製造方法が開示されており、繊維をフープ巻きにして形成されたフープ層は、ライナーの胴体部の外周に近い側から遠い側に向かって順次に積層されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１０／１１６５２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、胴体部の外周に複数のフープ層を順次に積層していくときに、外側（すなわち、ライナーの外周に遠い側）フープ層の繊維を巻き付ける力によって、内側（すなわち、ライナーの外周に近い側）フープ層の繊維に圧力が加わるので、内側フープ層の繊維が押し出される。これによって、内側フープ層の繊維は、横滑りして配置位置がずれる可能性がある。特に、胴体部のドーム部に隣接する端部では、このような繊維の位置ずれが生じやすい。繊維の位置ずれが発生すると、タンクの初期強度や疲労強度の低下を招き、品質不良の問題を引き起こしてしまう。
【０００６】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、フープ巻き時に胴体部のドーム部に隣接する端部における繊維の位置ずれを抑制できるタンクの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るタンクの製造方法は、胴体部と前記胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーの外周に、樹脂が含浸された繊維を複数層巻き付けることによりタンクを製造するタンクの製造方法であって、前記胴体部の外周に近い側から遠い側に向かって前記繊維をフープ巻きにして複数のフープ層を順次に積層するフープ層積層工程を少なくとも含み、前記フープ層積層工程において、前記胴体部の前記ドーム部に隣接する端部の温度を前記胴体部のうち前記端部を除く他の部分の温度よりも低くすることを特徴としている。
【０００８】
本発明に係るタンクの製造方法では、フープ層積層工程において、胴体部のドーム部に隣接する端部の温度を胴体部のうち端部を除く他の部分の温度よりも低くすることにより、該端部に巻き付けられる繊維に含浸された樹脂の粘度を高くすることができるので、樹脂のタック性を上げることができる。これによって、胴体部のドーム部に隣接する端部における繊維の位置ずれを抑制することができる。
【０００９】
本発明に係るタンクの製造方法において、前記樹脂はエポキシ樹脂であることが好ましい。このようにすれば、エポキシ樹脂の優れた接着性を利用することで、胴体部のドーム部に隣接する端部における繊維の位置ずれを抑制する効果を高めることができる。
【００１０】
また、本発明に係るタンクの製造方法において、前記フープ層積層工程において、前記胴体部の前記ドーム部に隣接する端部の温度を１６℃以下にすることが好ましい。このようにすれば、胴体部のドーム部に隣接する端部における繊維の位置ずれ量を２ｍｍ以下に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、フープ巻き時に胴体部のドーム部に隣接する端部における繊維の位置ずれを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】タンクの構造を示す断面図である。
【図２】実施形態に係るタンクの製造方法を説明する模式図である。
【図３】樹脂のタック力と温度との関係を示す図である。
【図４】繊維の位置ずれ量と温度との関係を示す図である。
【図５】発明品及び従来品に関するバースト圧の測定結果を示す図である。
【図６】フープ巻きによるフープ層の形成とヘリカル巻きによるヘリカル層の形成を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照してタンクの製造方法の実施形態について説明するが、その前に図１を基にタンクの構造を説明する。
【００１４】
図１はタンクの構造を示す断面図である。タンク１は、例えば燃料電池車両に搭載される高圧タンクであり、内部に高圧水素を貯留するための貯留空間を有するライナー１０と、該ライナー１０の外周に密着するＦＲＰ層（繊維強化プラスチック層）２０とを備えている。
【００１５】
ライナー１０は、水素ガスに対するガスバリア性を有しており、略円筒状の胴体部１１と、胴体部１１の左右両端にそれぞれ設けられた略半球状のドーム部１２とを有する中空の容器である。２つのドーム部１２の頂部には開口部がそれぞれ形成され、これらの開口部の一方にバルブ側口金１３、他方にエンド側口金１４が内挿されている。
【００１６】
このライナー１０は、例えば、ポリエチレンやナイロン等の樹脂部材を用いて回転・ブロー成形法によって一体的に形成されている。また、ライナー１０は、樹脂部材に代えてアルミニウム等の軽金属によって形成されても良い。更に、ライナー１０は、回転・ブロー成形法のような一体成形の製造方法に代えて、射出・押出成形等により複数に分割された部材を接合することにより形成されても良い。
【００１７】
ＦＲＰ層２０は、ライナー１０の胴体部１１の外周を覆うように積層された複数のフープ層２１と、これらのフープ層２１とドーム部１２とを包むようにライナー１０を全体的に覆う複数のヘリカル層２２とを有する。
【００１８】
フープ層２１は、図６（ａ）に示すように、ライナー１０の中心軸Ｌと略垂直な巻き角度で、胴体部１１の周方向にエポキシ樹脂が含浸された繊維１５をフープ巻きにすることにより形成された繊維層である。ここで、「略垂直」とは、９０°と、繊維１５同士が重ならないように繊維１５の巻き付け位置をずらすことによって生じ得る９０°前後の角度との両方を含む。
【００１９】
一方、ヘリカル層２２は、図６（ｂ）に示すように、ライナー１０の中心軸Ｌと０°より大きく９０°未満の巻き角度で、胴体部１１及びドーム部１２の周方向に繊維１５をヘリカル巻きにすることによって形成されている。なお、ヘリカル巻きは、巻き角度によって低角度ヘリカル巻きと高角度ヘリカル巻きに更に分けられる。低角度ヘリカル巻きは、すなわち巻き角度が小さい（例えば０°より大きく３０°以下）場合のヘリカル巻きであり、繊維１５が中心軸Ｌを一周する前にドーム部１２における繊維１５の巻付方向の折り返しが生じる巻付方法である。高角度ヘリカル巻きは、すなわち巻き角度が大きい（例えば３０°より大きく９０°未満）場合のヘリカル巻きであり、ドーム部１２における繊維１５の巻付方向の折り返しが生じるまでに、胴体部１１において繊維１５が中心軸Ｌを少なくとも一周する巻付方法である。なお、図６（ｂ）は低角度ヘリカル巻きを示す。
【００２０】
以上のような構造を有するタンク１の製造方法は、主に、胴体部１１の外周に複数のフープ層２１を順次に積層するフープ層積層工程と、ライナー１０を全体的に覆うヘリカル層２２を複数積層するヘリカル層積層工程と、積層されたフープ層２１及びヘリカル層２２を熱硬化させる熱硬化工程とを含む。
【００２１】
フープ層積層工程では、図２に示すように、ライナー１０の胴体部１１の外周に近い側から遠い側に向かってエポキシ樹脂が含浸された繊維１５をフープ巻きにして複数のフープ層２１を順次に積層する。具体的には、ライナー１０を回転駆動部（図示せず）に取り付けた状態でライナー１０の中心軸Ｌを中心として回転させ、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５が巻かれたリール（図示せず）を中心軸Ｌ方向に沿って往復移動させながら、ライナー１０側に繊維１５を繰り出す。
【００２２】
そして、胴体部１１の一端（例えば、図２においては紙面の右端）から他端（例えば、図２においては紙面の左側）に向かって繊維１５をフープ巻きにすることにより、胴体部１１の外周に１層目のフープ層２１を形成する。続いて、胴体部１１の他端から一端に向かって繊維１５をフープ巻きにすることにより、１層目のフープ層２１の外側（すなわち、ライナー１０の外周に遠い側）に２層目のフープ層２１を積層する。続いて、２層目のフープ層２１の外側に３層目のフープ層２１、３層目のフープ層２１の外側に４層目のフープ層２１、…、Ｎ層目のフープ層２１の外側にＮ＋１層目のフープ層２１を順次に積層していく。
【００２３】
ここで、ドーム部１２との境界での段差を低減するために、積層されるフープ層２１の左右両端部がそれぞれ中心軸Ｌ方向に向かって段階的に内側にずれて傾斜するように、複数のフープ層２１を積層することが好ましい。
【００２４】
また、フープ層積層工程において、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を胴体部１１のうち左右両端部を除く他の部分の温度よりも低くした状態で、複数のフープ層２１を積層する。具体的には、図２に示すように、ライナー１０の上方において、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左端部及び右端部と対応する位置には冷風吹付部３０が１台ずつ配置されており、胴体部１１のうち左端部及び右端部を除く他の部分と対応する位置には温風吹付部３１が配置されている。
【００２５】
冷風吹付部３０は、胴体部１１の左端部又は右端部の表面に冷風を吹き付けるノズルを有する。温風吹付部３１は、ライナー１０の中心軸Ｌ方向に沿って所定の間隔で設けられ、左右両端部を除いた胴体部１１の他部分の表面に温風を吹き付けるノズルを複数有する。そして、フープ層積層工程では、冷風吹付部３０を用いて胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度をコントロールし、温風吹付部３１を用いて左右両端部を除く胴体部１１の他の部分の温度をコントロールすることで、左右両端部と左右両端部を除いた他の部分とで温度差を実現する。
【００２６】
ここで、以下の理由により、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度をそれぞれ１６℃以下にすることが好ましい。すなわち、フープ層の積層時に繊維の位置ずれの発生は、繊維に含浸された樹脂の粘度及び樹脂のタック性に大きく影響され、特に樹脂のタック性の影響は最も大きい。なお、ここでの温度はタンク１の表面温度を指す。
【００２７】
図３は樹脂のタック力と温度との関係を示す図であり、図４は繊維の位置ずれ量と温度との関係を示す図である。図３に示すように、通常のＦＷは室温（約２０℃）で行われるので、その際のタック力は１５００ｇＦ以下であり、温度が１６℃以下になるとタック力は１５００ｇＦを超える。また、図４に示すように、温度が１６℃以下になると繊維位置のずれ量は２ｍｍ以下になり、繊維幅の規格幅未満になるので、この程度の繊維位置のずれ量をほぼゼロと見なすことができる。従って、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を１６℃以下にすることで、左右両端部における繊維の位置ずれを抑制することが可能になる。
【００２８】
ここで、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度をそれぞれ５℃〜１６℃にすることがより好ましい。上述したように、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を１６℃以下にすることで左右両端部における繊維の位置ずれを抑制できるので、左右両端部の温度を例えば０℃或いはマイナスにしても良いが、その場合、０℃或いはマイナスにするための設備の変更や追加等が生じてしまい、コストアップの問題になる。既存の設備だけで対応できることを考慮した場合、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を５℃以上にすることが好ましい。
【００２９】
一方、フープ層積層工程において、左右両端部を除く胴体部１１の他の部分の温度を２０℃〜２５℃とする。このようにすれば、繊維１５に含浸された樹脂の粘度を下げることで、樹脂の染み渡り性を高められるので、フープ層２１全体のボイド残存量を低減することができる。その結果、ボイドに起因するき裂の進展を防止し、タンク１の耐圧強度を向上する効果を期待できる。
【００３０】
フープ層積層工程に続くヘリカル層積層工程では、積層されたフープ層２１及びドーム部１２を包むようにライナー１０を全体的に覆うヘリカル層２２を複数積層する。
【００３１】
ヘリカル層積層工程に続く熱硬化工程では、積層されたフープ層２１及びヘリカル層２２を有するライナー１０を恒温槽に入れて、例えば８５℃程度の温度で加熱し、繊維１５中のエポキシ樹脂を熱硬化させる。これによって、タンク１が製造される。
【００３２】
本実施形態に係るタンク１の製造方法では、フープ層積層工程において、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を胴体部１１のうち左右両端部を除く他の部分の温度よりも低くすることにより、左右両端部に巻き付けられる繊維１５に含浸された樹脂（本実施形態では、エポキシ樹脂）の粘度を高くすることができるので、樹脂のタック性（すなわち、タック力）を上げることができる。これによって、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部における繊維の位置ずれを抑制することができるので、タンク１の耐圧強度を向上することができ、高品質のタンク１を製造することが可能になる。
【００３３】
また、本実施形態のタンクの製造方法において、樹脂はエポキシ樹脂であるので、エポキシ樹脂の優れた接着性を利用することで、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部における繊維の位置ずれを抑制する効果を高めることができる。更に、フープ層積層工程において、胴体部１１のドーム部１２に隣接する左右両端部の温度を１６℃以下にするので、左右両端部における繊維の位置ずれ量を２ｍｍ以下に抑えることができる。
【００３４】
なお、本願発明者は、本実施形態に係るタンクの製造方法で発明品を試作し、従来品との比較評価を行った。その結果を図５に示す。図５において、右側のデータは発明品、すなわち胴体部のドーム部に隣接する左右両端部の温度（１６℃以下）を胴体部のうち左右両端部を除く他の部分の温度よりも低くした状態におけるバースト圧の測定結果である。一方、左側のデータは従来品、すなわち胴体部全体の温度が同じであった状態におけるバースト圧の測定結果である。図５から、胴体部のドーム部に隣接する左右両端部の温度を１６℃以下にした場合、繊維位置のずれ量が減少し、バースト圧（すなわち、耐圧強度）が高くなったことが分かる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態において、繊維に含浸された樹脂としてエポキシ樹脂の例を説明したが、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等であっても良い。
【００３６】
また、上述の実施形態において、冷風吹付部及び温風吹付部を用いて胴体部のドーム部に隣接する左右両端部の温度及びその他の部分の温度をそれぞれコントロールしたが、吹付部に代えて空調機を用いても良く、或いは炭酸ガスを用いて左右両端部の温度をコントロールしても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１    タンク
１０    ライナー
１１    胴体部
１２    ドーム部
１３    バルブ側口金
１４    エンド側口金
１５    繊維
２０    ＦＲＰ層
３０    冷風吹付部
３１    温風吹付部
Ｌ    中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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