(57)【要約】【課題】ライナへの繊維の巻き付けの際の特に内層部の繊維の緩みの発生を抑制することができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】ライナ１６とライナ１６の外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、互いに回転可能に嵌合された少なくとも胴部１８と両端部２０，２２との分割構造を有するライナ１６の外面に少なくとも１層目の繊維を巻き付けた後、前記両端部２０，２２の少なくとも一方を回転させることにより繊維を巻き締めて繊維層を形成する高圧タンクの製造方法である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
互いに回転可能に嵌合された少なくとも胴部と両端部との分割構造を有するライナの外面に少なくとも１層目の繊維を巻き付けた後、前記両端部の少なくとも一方を回転させることにより繊維を巻き締めて繊維層を形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記繊維を巻き締めた後に、前記胴部と前記両端部とを接合することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記胴部と前記両端部とを接合した後に、前記少なくとも１層目より後の層の繊維を巻き付けて繊維層を形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項４】
請求項２または３に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナが樹脂ライナであり、レーザ光の反射を利用して前記樹脂ライナの内側から前記胴部と前記両端部とを接合することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項５】
樹脂ライナと前記樹脂ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造装置であって、
レーザ光を発振するレーザ発振手段と、
樹脂ライナの内側でレーザ光を反射させるための反射手段と、
を有することを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項６】
外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層を形成して高圧タンクを製造するための樹脂ライナであって、
互いに回転可能に嵌合された少なくとも胴部と両端部との分割構造を有することを特徴とする樹脂ライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および樹脂ライナに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車等には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガス等を貯蔵する高圧タンクが搭載される。高圧タンクとして、樹脂製または金属製タンク（ライナ：内容器）の外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）等を巻き付けて補強した高圧タンクが知られている。このような高圧タンクを製造する際、例えばフィラメントワインディング法のように炭素繊維等の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けて繊維層を形成した後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。
【０００３】
フィラメントワインディング法で高圧タンクを製造する場合、タンクの高い強度を確保するためには、炭素繊維等の繊維の張力を高くすることが好ましい。
【０００４】
通常、ライナに繊維束を何層も巻き付けて繊維層を形成するが、特に内層部は高張力で巻き付けることが望まれ、内層部の繊維張力が低いと繊維層の空隙や繊維折れが発生して、タンク強度低下の原因となることがある。また、高い張力で繊維束を巻き付けて積層していくと、先に巻き付けた内層部の繊維の緩みが発生し、タンク強度低下が発生することがある。そのため、高圧タンクに要求される性能を充分に満足できない可能性がある。
【０００５】
一方、特許文献１には、従来のものに比較して同じ重量で強度低下を抑制するために、円筒部の両端にドーム部を有する形状に形成され、ガスバリア性を有するライナと、その外側を覆う繊維強化複合材製の外殻とを有し、かつインタンクバルブを備えた圧力容器であって、前記インタンクバルブは、前記ライナのバルブ取付け部にバルブ本体が前記ライナの内側に配置される状態で取り付けられており、前記ライナは少なくとも前記バルブ取付け部が設けられた側で分割されたものが密閉状態で接合又は嵌合シールされたものであること、前記ライナは全体がアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されていることが記載されている。
【０００６】
特許文献２には、軽量な圧力容器を容易に且つ安価に製造できるようにするために、筒状の周壁部と該周壁部の両端を閉鎖する２つの端壁部とを備えるアルミニウム合金製の圧力容器において、前記２つの端壁部を構成する構成要素同志が圧力容器内を延びる連結部材により連結されていることが記載されている。
【０００７】
特許文献３には、軽量な圧力容器を容易に且つ安価に製造できるようにするために、押出し加工された金属製の周壁部材と別加工された金属製の端壁部材とが接続されてなるライナと、該ライナの外周に設けられた補強層とを備え、前記周壁部材が周壁部と補強リブ部とを一体的に含む圧力容器が記載されている。
【０００８】
しかし、特許文献１〜３の技術では、ライナへの繊維の巻き付けの際の特に内層部の繊維の緩みの発生を充分に抑制することができない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１３３８４７号公報
【特許文献２】特開平９−０９６３９９号公報
【特許文献３】特開平９−０４２５９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、ライナへの繊維の巻き付けの際の特に内層部の繊維の緩みの発生を抑制することができる高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置およびその製造方法に用いる樹脂ライナである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、互いに回転可能に嵌合された少なくとも胴部と両端部との分割構造を有するライナの外面に少なくとも１層目の繊維を巻き付けた後、前記両端部の少なくとも一方を回転させることにより繊維を巻き締めて繊維層を形成する高圧タンクの製造方法である。
【００１２】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記繊維を巻き締めた後に、前記胴部と前記両端部とを接合することが好ましい。
【００１３】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記胴部と前記両端部とを接合した後に、前記少なくとも１層目より後の層の繊維を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。
【００１４】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記ライナが樹脂ライナであり、レーザ光の反射を利用して前記樹脂ライナの内側から前記胴部と前記両端部とを接合することが好ましい。
【００１５】
また、本発明は、樹脂ライナと前記樹脂ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造装置であって、レーザ光を発振するレーザ発振手段と、樹脂ライナの内側でレーザ光を反射させるための反射手段と、を有する高圧タンクの製造装置である。
【００１６】
また、本発明は、外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層を形成して高圧タンクを製造するための樹脂ライナであって、互いに回転可能に嵌合された少なくとも胴部と両端部との分割構造を有する樹脂ライナである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、互いに回転可能に嵌合された少なくとも胴部と両端部との分割構造を有するライナの外面に少なくとも１層目の繊維を巻き付けた後、前記両端部の少なくとも一方を回転させることにより繊維を巻き締めて繊維層を形成することにより、ライナへの繊維の巻き付けの際の特に内層部の繊維の緩みの発生を抑制することができる高圧タンクの製造方法および高圧タンクの製造装置および樹脂ライナを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造方法におけるライナの構成の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態における高圧タンクの製造方法における高圧タンクの軸方向の断面を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造方法における繊維の巻き締め方法の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造方法における繊維の巻き締め方法の他の例を示す概略図である。
【図６】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造方法におけるレーザ光の反射を利用してライナを接合する方法の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００２０】
本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成の概略を図１に示す。また、本実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例の概略を図２に示す。
【００２１】
図１に示すように、高圧タンクの製造装置１は、繊維巻き付け装置１０を備える。繊維巻き付け装置１０は、ライナ１６を支持するための回転支持部１２を有する。図２に示すように、ライナ１６は、少なくとも直胴部を有する胴部１８と、胴部１８の両端を閉鎖するドーム状等の両端部２０，２２との分割構造を有し、胴部１８と両端部２０，２２とは互いに回転可能に嵌合されている。
【００２２】
本実施形態に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクの製造装置１の動作について説明する。
【００２３】
図１，２に示すように、ライナ１６は、繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に設置される。例えば、略円柱状のライナ１６は図３に示すようなライナ１６の軸を通したシャフト２６によって、図２に示すように回転支持部１２に支持される。回転支持部１２によってライナ１６が回転され、図１のボビン３０から繰り出された繊維束２８がライナ１６の外面に巻き付けられる。繊維束２８には、例えば、繊維巻き付け装置１０の上流側で、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂溶液が含浸され、その後、図２に示すように繊維ガイド部３４で角度調整されて、ライナ１６に所定の厚みで巻き付けられる。この後、後述するように両端部２０，２２の少なくとも一方が回転されることにより繊維が巻き締められ、必要に応じて、さらに繊維束２８が所定の厚みで巻き付けられる。こうして、ライナ１６の外面に繊維束２８が所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される。
【００２４】
ライナ１６に繊維束２８を巻き付ける前に、図１のように拡幅ローラ３２等の拡幅手段を設けて、拡幅ローラ３２等に繊維束２８を押し付けて予め拡幅しておいてもよい。ここで、繊維束を拡幅するとは、例えば、繊維束を構成する繊維を拡げて繊維束を略扁平な状態にすることを意味する。
【００２５】
本実施形態では、図２に示すように、ライナ１６の外面に少なくとも１層目の繊維束２８を巻き付けて内層部を形成する。その後、図４に示すように、ライナ１６を巻き締め装置３６に付け替えて、両端部２０，２２の少なくとも一方を回転させることにより内層部の繊維を巻き締める。例えば、両端部２０および胴部１８を固定して、両端部２２を繊維の巻き方向に回転することにより内層部の繊維を巻き締める。図５に示すように、胴部１８を固定して、両端部２０および両端部２２を互いに逆方向に回転することにより内層部の繊維を巻き締めてもよい。繊維を巻き締めた後、後述するように両端部２０，２２と胴部１８とを接合し、接合したライナ１６を繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に付け替えて、さらに、前記少なくとも１層目より後の層の中間層部から外層部の繊維束２８を巻き付けて繊維層を形成する。
【００２６】
例えば、ライナ１６の外面に内層部（例えば、１層目から４〜５層目）の繊維束２８を巻き付け、内層部の繊維を巻き締めた後、中間層部から外層部（例えば、５〜６層目以降）の繊維束２８を巻き付ければよい。
【００２７】
高圧タンクにおいて高い強度を確保するためには、巻き付ける繊維の張力を高くすることが望ましい。繊維層の内層部より外層部の繊維の張力を高くすると、先に巻き付けた内層部の繊維が緩み、強度、疲労性能等が低下することがあり、特に、ライナに近い巻き始めの内層部の張力を上げることが望ましい。フィラメントワインディング法において、高い張力でライナに繊維を巻き付けると、特に樹脂ライナの場合にライナの変形が生じ、必要な繊維張力まで上げることが困難な場合がある。そのため、高圧タンクに要求される性能（バースト強度等）を満足できないことがある。本実施形態では、少なくとも１層目の繊維束２８を巻き付けて繊維層の内層部を形成して、ライナ１６の両端部２０，２２の少なくとも一方を回転させることにより内層部の繊維を巻き締めた後、両端部２０，２２と胴部１８とを接合し、さらに、前記少なくとも１層目より後の層の中間層部から外層部の繊維束２８を巻き付けて繊維層を形成する。
【００２８】
本実施形態において、少なくとも１層目の繊維束２８を巻き付けた後、繊維を巻き締めることにより、繊維積層時の繊維間の緩みを防止することができる。よって、繊維の積層時の張力を上げ過ぎることなく、積層時の繊維間の緩みを防止することができるため、タンク強度および疲労強度が確保され、高性能の高圧タンク１４を製造することができる。さらに、繊維間の密着性および接着性を向上することができるため、繊維層における空隙等の発生も防止することができる。
【００２９】
特に、繊維層の中間層部から外層部へ繊維束２８を巻き付けていくと、先に巻いた内層部の繊維の緩みが発生しやすいので、内層部を巻き付けた後に内層部の繊維を巻き締めると効果が大きい。ライナ１６に繊維束２８を巻き付けて高圧タンク１４を製造する際に、先に巻き付けた内層部の繊維の緩みを防止できるため、中間層部から外層部まで、繊維に張力を充分にかけて繊維束２８を巻き付けることができ、高い強度の高圧タンク１４を製造することができる。
【００３０】
また、本実施形態において、ライナ１６への繊維束２８の巻き付けの際の内層部の繊維の張力を高くし、かつ、中間層部から外層部になるに従って徐々に繊維の張力を下げることが好ましい。ライナ１６の内層部から外層部にかけて、繊維張力差をつけることができるため、繊維の緩みを防止でき、タンクの高い疲労強度が確保される。
【００３１】
分割構造を有するライナ１６の接合方法は、両端部２０，２２と胴部１８とを接合できる方法であればよく、特に制限されない。少なくとも１層目の繊維束２８を巻き付け、繊維を巻き締めた後に接合するため、ライナ１６の内側から両端部２０，２２と胴部１８とを接合することが好ましい。ライナ１６の内側から接合する方法としては、特に制限はないが、レーザ光の反射を利用する方法等が挙げられる。比較的容易に接合を実施できる等の点から、レーザ光の反射を利用する方法が好ましい。
【００３２】
図６に、レーザ光の反射を利用してライナを接合する方法の一例の概略を示す。例えば、棒状等の反射鏡保持部材４２に所定の角度で保持された反射手段としての反射鏡４０等をライナ１６の内部に挿入し、ライナ１６の軸を中心にして反射鏡４０を所定の速度で回転させながら、ライナ１６の外部に設置したレーザ発振手段としてのレーザ発振器３８から発振されたレーザ光をライナ１６の開口部を通して反射鏡４０に反射させて溶着部にレーザ光を照射し、ライナ１６の内側から両端部２０，２２と胴部１８とを溶着すればよい。
【００３３】
反射手段としては、レーザを反射することができるものであればよく、特に制限はない。反射手段としては、例えば、反射鏡等が挙げられる。レーザ発振手段としては、レーザを発振することができるものであればよく、特に制限はない。
【００３４】
繊維束２８の巻き付け工程後、高圧タンク１４は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク１４は、例えば１３０℃程度で、１０〜１５時間程度加熱される。この加熱により、熱硬化性樹脂等が含浸された繊維束２８が熱硬化され、図３に示すような補強層２４が形成される。その後、高圧タンク１４は冷却される。このようにして、ライナ１６の外面に補強層２４が形成された高圧タンク１４が製造される。
【００３５】
高圧タンク１４は、ライナ（内容器）１６、補強層（外層）２４を含んで構成されている。また、高圧タンク１４は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。
【００３６】
ライナ１６は、略円柱状等に形成されてなり、例えば高圧水素ガスなどの媒体をその内部に収容するためのものであり、水素ガス等のガスに直接接触する層である。ライナ１６の形状、サイズ、厚みは使用目的、仕様等に応じたものを任意に選択することができる。ライナ１６の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。
【００３７】
ライナ１６は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ１６を構成する樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。ライナを構成する金属としては、アルミ合金等の金属が挙げられる。ライナの肉厚やライナを構成する材料の種類は、ライナ１６に要求される強度、気密性、成形性等に応じて適宜選択することができる。これらのうち、強度や耐ガス透過性等の点からナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。また、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法は、特にライナ１６が樹脂材料から構成される場合に効果をより発揮する。
【００３８】
樹脂材料から構成されるライナ１６は、例えば、上記樹脂の射出成形により成形される。例えば、金型にポリアミド樹脂等の樹脂を流し込んで、少なくとも直胴部を有する胴部１８と、胴部１８の両端を閉鎖するためのドーム状等の両端部２０，２２との少なくとも３つの成形体を成型する。この射出成形により、厚みが略均一なライナが成形される。胴部１８と両端部２０，２２とを互いに回転可能に嵌合してライナ１６を仮の状態で形成し、少なくとも１層目の繊維束２８を巻き付けて内層部を形成し、内層部の繊維を巻き締めた後、それらを上述のようにレーザ溶着等により接合して略円柱状の樹脂のライナ１６を形成する。ライナ１６は、通常はライナ１６の軸に略垂直方向に分割された３つの分割体から構成される分割構造を有するが、ライナ１６の軸に略垂直方向に分割された４つ以上の分割体から構成される分割構造を有してもよい。
【００３９】
両端部２０，２２と胴部１８とは互いに回転可能に嵌合される構造を有する。嵌合方法は、互いに回転可能なものであればよく、特に制限はない。
【００４０】
補強層２４は、ライナ１６の外側を覆うように設けられてライナ１６を補強する層であり、例えば、繊維およびマトリックス樹脂を含んで構成される。補強層２４を構成する繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維等が挙げられる。
【００４１】
また、補強層２４を構成するマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、強度、接着性、耐ガス透過性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。
【００４２】
補強層２４は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂溶液を含浸させた状態でライナ１６の外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて形成することができる。
【００４３】
補強層２４の厚みは、巻き付ける繊維束２８の層数等により調整することができ、例えば、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲である。繊維束２８の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。
【００４４】
繊維束２８は、例えば、上記繊維が１０，０００〜４０，０００本程度束ねられたものである。
【００４５】
通常、繊維束２８の巻き付け方向は、ライナ１６の回転軸に対して略垂直方向、または斜め方向である。
【００４６】
巻き締め手段としての巻き締め装置３６は、ライナ１６の両端部２０，２２の少なくとも一方を回転させるものであればよく、その構成は特に制限されない。巻き締め時に巻き締め装置３６に付け替えずに、繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に設置したまま巻き締めてもよい。
【００４７】
本実施形態に係る高圧タンク１４は、例えば、移動体に搭載され、内部に高圧ガスを貯蔵する高圧タンクである。また、高圧タンク１４は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。
【００４８】
ここで、移動体としては、二輪の車両、バスや乗用車等の四輪以上の自動車のほか、電車、船舶、航空機、ロボットなどが挙げられ、特に燃料電池車両である。高圧ガスとしては、水素ガスや圧縮天然ガスなどが挙げられる。
【００４９】
本実施形態に係る高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法により得られる繊維束は、樹脂溶液を含浸させて硬化した繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ材）等として、各種素材の強化材等に用いることができる。例えば、炭素繊維の場合、炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）として、高圧タンク、自動車用シャフト、航空機の胴体、部品等の補強材として用いることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  高圧タンクの製造装置、１０  繊維巻き付け装置、１２  回転支持部、１４  高圧タンク、１６  ライナ（内容器）、１８  胴部、２０，２２  両端部、２４  補強層（外層）、２６  シャフト、２８  繊維束、３０  ボビン、３２  拡幅ローラ、３４  繊維ガイド部、３６  巻き締め装置、３８  レーザ発振器、４０  反射鏡、４２  反射鏡保持部材。
【図１】
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【図２】
2011236972.tif 000004
【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
2011236972.tif 000008