(57)【要約】【課題】ボイドの発生を抑制し、強度の向上を図ることが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、ライナー１０の外周にエポキシ樹脂が含浸された繊維１５を複数層巻き付けることによりタンクを製造する方法であって、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を積層するフープ層積層工程と、フープ層２１を覆うように、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５をヘリカル巻きにして複数のヘリカル層２２を積層するヘリカル層積層工程とを含む。ヘリカル層積層工程において、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
樹脂が含浸された繊維をフープ巻きにして複数のフープ層を積層するフープ層積層工程と、
前記フープ層を覆うように、樹脂が含浸された繊維をヘリカル巻きにして複数のヘリカル層を積層するヘリカル層積層工程と、を含み、
少なくとも前記ヘリカル層積層工程において、樹脂が含浸された繊維の温度を４０〜６０℃に調整することを特徴とするタンクの製造方法。
【請求項２】
樹脂が含浸された繊維を搬送する樹脂繊維搬送ローラを備える製造装置を用いてタンクを製造する場合、
前記ヘリカル層積層工程において、樹脂が含浸された繊維の温度は、前記樹脂繊維搬送ローラの回転を制御することにより発生する摩擦熱によって調整される請求項１に記載のタンクの製造方法。
【請求項３】
ヒータを備える製造装置を用いてタンクを製造する場合、
前記ヘリカル層積層工程において、樹脂が含浸された繊維の温度は、前記ヒータによって調整される請求項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強度等が要求されている。このようなタンクの製造方法として、例えば下記特許文献１に記載のフィラメントワインディング（ＦＷ）法が知られている。すなわち、ライナーの外周に熱硬化性樹脂が含浸された繊維を繰り返し巻き付けることにより、フープ層と該フープ層の外側にヘリカル層をそれぞれ形成し、その後に樹脂を熱硬化させる製造方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
しかし、上述の製造方法では、フープ層の形成からヘリカル層の形成に切り替える時に、繊維の向きが変わるので、繊維に含浸された樹脂の染み渡りが悪くなり、ボイド（すなわち、空隙）が生じやすくなる。ボイドが生じると、タンクの初期強度や疲労強度の低下を招いてしまう。
【０００５】
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、ボイドの発生を抑制し、強度の向上を図ることが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】
【０００６】
本発明に係るタンクの製造方法は、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であって、樹脂が含浸された繊維をフープ巻きにして複数のフープ層を積層するフープ層積層工程と、前記フープ層を覆うように、樹脂が含浸された繊維をヘリカル巻きにして複数のヘリカル層を積層するヘリカル層積層工程と、を含み、少なくとも前記ヘリカル層積層工程において、樹脂が含浸された繊維の温度を４０〜６０℃に調整することを特徴としている。
【０００７】
本発明に係るタンクの製造方法では、少なくともヘリカル層積層工程において樹脂が含浸された繊維の温度を４０〜６０℃に調整することにより、繊維に含浸された樹脂の粘度を下げ、樹脂の染み渡り性を高めることができる。従って、繊維の向きが変わっても樹脂が染み渡るようにすることができるので、ボイドの発生を抑制し、強度の向上を図ることができる。
【０００８】
本発明に係るタンクの製造方法において、樹脂が含浸された繊維を搬送する樹脂繊維搬送ローラを備える製造装置を用いてタンクを製造する場合、前記ヘリカル層積層工程において、樹脂が含浸された繊維の温度は、前記樹脂繊維搬送ローラの回転を制御することにより発生する摩擦熱によって調整されることが好ましい。このようにすれば、設備の追加を行わずに、既存の設備だけで温度の調整に対応できるので、低コストを維持することができる。
【０００９】
また、本発明に係るタンクの製造方法において、ヒータを備える製造装置を用いてタンクを製造する場合、前記ヘリカル層積層工程において、樹脂が含浸された繊維の温度は、前記ヒータによって調整されることが好ましい。このようにすれば、既存の設備だけで温度の調整に対応できるとともに、樹脂が含浸された繊維を傷めることを防止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ボイドの発生を抑制し、強度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】タンクの構造を示す断面図である。
【図２】フープ巻きによるフープ層の形成を説明するための模式図である。
【図３】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。
【図４】温度とＶｆとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。以下の説明において、樹脂が含浸された繊維としてエポキシ樹脂が含浸された繊維の例を挙げて説明するが、ポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等が含浸された繊維であっても良い。また、説明の煩雑を避けるために、以下の説明において「エポキシ樹脂が含浸された繊維」を「繊維」と省略する場合がある。
【００１３】
まず、図１を基にタンクの構造を説明する。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の外周に密着する補強層（すなわち、繊維強化樹脂層）２０とを備えている。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
補強層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、複数のフープ層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。
【００１７】
フープ層２１は、図２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。
【００１８】
一方、ヘリカル層２２は、図３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３は低角度ヘリカル巻きを示す。
【００１９】
次に、タンク１の製造方法を説明する。本実施形態に係るタンク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。
【００２０】
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をタンク製造装置に備え付けられた回転駆動部（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る。
【００２１】
同時に、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５が巻かれた樹脂繊維搬送ローラ３０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を繰り出して搬送する。このとき、樹脂繊維搬送ローラ３０は、ライナー１０の回転方向と同じ方向に回転する。
【００２２】
そして、胴体部１１の一端（図２においては、紙面の左端）から他端（図２においては、紙面の右側）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】
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を覆うように、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５をヘリカル巻きにしてヘリカル層２２を複数積層する。なお、本実施形態のヘリカル層積層工程において、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整する。
【００２５】
ここで、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を４０〜６０℃にする理由を説明する。
【００２６】
ボイドの発生を抑制するために、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を上げることで解決することができる。これは、温度を上げることで、繊維１５に含浸されたエポキシ樹脂の粘度が低くなり、エポキシ樹脂の染み渡り性を高めることができるので、ボイドの発生を抑制できるからである。
【００２７】
また、タンク１の初期強度（バースト強度ともいう）は、Ｖｆ（繊維体積含有率）に大きく左右されている。Ｖｆはタンク１の径方向断面の所定面積における繊維の割合であり、Ｖｆ＝（繊維面積／総面積）×１００％で算出される。総面積は補強層２０の断面であって、繊維、エポキシ樹脂及びボイドで形成される。そして、Ｖｆを大きくすれば、繊維の含有率が高くなるので、初期強度も高くなる。
【００２８】
図４は温度とＶｆとの関係を示す図である。図４に示すように、温度が高くなるにつれ、Ｖｆも大きくなり、従ってタンク１の初期強度も高くなる。しかし、Ｖｆが大きくなりすぎると、タンク１の疲労強度低下を招く問題が生じる。タンク１の強度を向上するためには、初期強度と疲労強度を両立させる必要がある。
【００２９】
そこで、本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、繊維１５の温度を４０〜６０℃にすれば、タンク１の初期強度と疲労強度を両立できることを見出した。具体的には、本願発明者は、各温度条件でのサンプルを作製し、作製したサンプルについて温度とＶｆとの関係、温度による初期強度と疲労強度への影響を調べた。なお、図４に示す温度とＶｆとの関係は、本願発明者が実際に調べた結果である。
【００３０】
一方、温度による初期強度と疲労強度への影響については、以下の条件でバースト試験及びサイクル疲労試験を実施した。バースト試験では、水圧を利用して０．３５ＭＰａ／ｓの昇圧速度で１２６ＭＰａまで昇圧し、その状態で４分間保持した後に、タンク破裂までに昇圧し続け、破裂時の圧力（すなわち、初期強度）を測定した。サイクル疲労試験では、常温で圧力２〜８７．５ＭＰａの膨張収縮を繰り返し、破裂やリークまでの回数を評価した。試験の結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
これらの試験結果等に基づき、エポキシ樹脂が含浸された繊維の温度を４０〜６０℃にすれば、タンクの初期強度を高めつつ、タンクの疲労強度を維持できると考えられる。ここで、エポキシ樹脂が含浸された繊維の温度を４０〜５０℃にすることは、より好ましい。このようにすれば、タンク１の初期強度と疲労強度との両立を効果的に図ることができる。
【００３３】
なお、本実施形態のヘリカル層積層工程において、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整する方法として、例えば下記２つの方法が挙げられる。
【００３４】
１つ目は、樹脂繊維搬送ローラ３０の回転を制御することにより発生する摩擦熱を利用して、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を調整する方法である。通常では、樹脂繊維搬送ローラ３０は、それに巻かれた繊維１５に一定の張力を与えながら、ライナー１０の回転方向と同じ方向に回転して繊維１５をライナー１０側に繰り出すが、本実施形態のヘリカル層積層工程では、樹脂繊維搬送ローラ３０の回転停止又は逆回転を制御することで、繊維１５と樹脂繊維搬送ローラ３０との間に摩擦熱を生じさせ、該摩擦熱を利用して繊維１５を加熱する。
【００３５】
加熱に関する温度管理については、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を直接計測することができないため、例えば非接触温度計を用いてライナー１０の表面温度を計測することで行う。
【００３６】
そして、計測した温度が４０℃未満の場合、例えば樹脂繊維搬送ローラ３０の回転を停止させ、繊維１５と樹脂繊維搬送ローラ３０との摩擦熱を利用して繊維１５を加熱する。樹脂繊維搬送ローラ３０の回転停止だけでは繊維１５の温度上昇に対応し切れないときには、樹脂繊維搬送ローラ３０を逆回転させ（すなわち、ライナー１０の回転方向とは反対方向に回転させる）、生じる摩擦熱を大きくすることで繊維１５を加熱する。一方、計測した温度が６０℃を超えた場合、樹脂繊維搬送ローラ３０を順回転させる（すなわち、ライナー１０の回転方向と同じ方向に回転させる）ことで、摩擦熱を減らし、温度調整を行う。
【００３７】
このように樹脂繊維搬送ローラ３０の回転を制御することにより発生する摩擦熱で繊維１５の温度を調整することで、設備の追加を行わずに、既存の設備だけで繊維１５の温度調整に対応できるので、低コストを維持することができる。
【００３８】
２つ目は、製造装置がヒータ（図示せず）を備える場合、該ヒータを利用して繊維１５の温度を加熱する方法である。このとき、ヒータを利用してライナー１０全体の温度を４０〜６０℃に加熱しても良く、これから巻き付けようとする繊維１５部分のみを加熱しても良い。このようにすれば、既存の設備だけで繊維１５の温度調整に対応できるとともに、繊維１５を傷めることを防止できる。
【００３９】
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の製造が完了する。
【００４０】
本実施形態に係るタンク１の製造方法では、ヘリカル層積層工程においてエポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整することにより、繊維１５に含浸されたエポキシ樹脂の粘度を下げ、エポキシ樹脂の染み渡り性を高めることができる。従って、フープ層２１の形成からヘリカル層２２の形成に切り替える時のように、繊維１５の向きが変わる場合であっても、エポキシ樹脂が染み渡るようにすることができるので、ボイドの発生を抑制することができる。
【００４１】
しかも、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整することで、タンク１の初期強度と疲労強度を両立することが可能になるので、タンク１の強度の向上を図ることができる。
【００４２】
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。
【００４３】
例えば、上述の実施形態では、ヘリカル層積層時に繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整することを述べたが、必要に応じてフープ層積層時も繊維１５の温度を４０〜６０℃に調整しても良い。また、上述の実施形態にでは、エポキシ樹脂が含浸された繊維１５の温度を調整する方法として、樹脂繊維搬送ローラ３０の回転を制御することにより発生する摩擦熱を利用する方法、又はヒータを利用する方法を述べたが、必要に応じてこれらの方法を併用しても良く、或いは加熱用ノズル等の設備を利用しても良い。
【符号の説明】
【００４４】
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    エポキシ樹脂が含浸された繊維
２０    補強層
３０    樹脂繊維搬送ローラ
Ｌ    中心軸
【図１】
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【図２】
2020034121.tif 000005
【図３】
2020034121.tif 000006
【図４】
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