(57)【要約】【課題】安定した品質の高圧タンクを低コストで製造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】高圧タンクの製造方法は、厚みが異なるドライ繊維束（第一繊維束４０Ａと第二繊維束４０Ｂ）を互いに隣接させた状態でライナ８０に巻き付けることでプリフォーム５０を製造するプリフォーム製造工程と、プリフォーム製造工程で製造したプリフォーム５０を金型６０内に配置して樹脂を注入することで成形する成形工程と、を備える。【選択図】図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みが異なるドライ繊維束を互いに隣接させた状態でライナに巻き付けることでプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、
前記プリフォーム製造工程で製造したプリフォームを金型内に配置して樹脂を注入することで成形する成形工程と、
を備える高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
前記プリフォーム製造工程では、前記ライナの胴体部において２０層以上の繊維層を形成する、
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項３】
前記プリフォーム製造工程では、３束以上の繊維束を幅方向に並べて同時に巻き付け、
前記３束以上の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せで互いの厚みが異なっている、
請求項１又は請求項２に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項４】
前記プリフォーム製造工程では、３束以上の繊維束を幅方向に並べて同時に巻き付け、
前記３束以上の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せで互いの厚みが異なっており、
前記プリフォーム製造工程で同時に巻き付けられる前記３束以上の繊維束に含まれる厚み寸法の種類は、２種類である、
請求項１又は請求項２に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項５】
前記プリフォーム製造工程で同時に巻き付けられる複数の繊維束は、単位長さあたりの繊維量が互いに等しい、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項６】
前記プリフォーム製造工程において、少なくともフープ巻で厚みが異なるドライ繊維束を互いに隣接させた状態でライナに巻き付ける、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
【請求項７】
前記成形工程において、樹脂を注入した後に金型を完全に閉じることで圧縮成形する、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧タンクの製造に関し、未硬化の樹脂が含浸した繊維束（プリプレグ）をライナ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知られている（例えば、特許文献１（段落[０００２]）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４５７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、樹脂が含浸していない繊維束（ドライ繊維束）をライナに巻き付けて繊維層を形成することでプリフォームを製造した後、プリフォームを金型にセットした状態で樹脂を繊維層に含浸させつつ硬化させることで補強層を形成する方法もある（ＲＴＭ法、Resin Transfer Molding）。このＲＴＭ法では、プリプレグを製造する工程を省略でき、コストの低減に繋がる。
【０００５】
ところで、高圧タンクをＲＴＭ法により製造する場合、強度確保のため、プリフォームの繊維層を厚く形成する必要がある。しかし、プリフォームの繊維層が厚いと、金型にセットした状態で樹脂を注入する際に、繊維層の内層まで均一に樹脂を含浸させることが困難になる。
【０００６】
これを解決する方法として、複数の繊維束を幅方向の隙間を空けて巻き付けることで繊維層に樹脂の流路を設けることが考えられるが、完成品としての高圧タンクの繊維体積含有率が低減し、高圧タンクの強度、品質の低下に繋がってしまう。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、安定した品質の高圧タンクを低コストで製造することができる高圧タンクの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法は、厚みが異なるドライ繊維束を互いに隣接させた状態でライナに巻き付けることでプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、前記プリフォーム製造工程で製造したプリフォームを金型内に配置して樹脂を注入することで成形する成形工程と、を備える。
【０００９】
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法では、プリフォームを製造するプリフォーム製造工程において、厚みが異なるドライ繊維束を互いに隣接させた状態でライナに巻き付ける。このため、製造されたプリフォームの繊維層では、比較的厚みが薄い方の繊維束の上に隙間が形成される。この隙間は、成形工程において樹脂を注入する際に樹脂の流路として機能する。そのため、繊維層の内層まで樹脂が含浸しやすくなり、樹脂含浸の均一性を高めることができる。
【００１０】
請求項２に記載の高圧タンクの製造方法は、請求項１に記載の高圧タンクの製造方法において、前記プリフォーム製造工程では、前記ライナの胴体部において２０層以上の繊維層を形成する。
【００１１】
請求項２に記載の高圧タンクの製造方法のように、プリフォーム製造工程で２０層以上の繊維層を形成する場合、繊維層の内層まで樹脂を含浸させることは通常困難である。しかし、この製造方法では、厚みが異なる繊維束を隣接させた状態でライナに巻き付けることで樹脂流路を設定するため、２０層以上繊維束を巻き付けても、繊維層の内層まで樹脂を含浸しやすい。よって、高強度の高圧タンクを製造することができる。
【００１２】
請求項３に記載の高圧タンクの製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の高圧タンクの製造方法において、前記プリフォーム製造工程では、３束以上の繊維束を幅方向に並べて同時に巻き付け、前記３束以上の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せで互いの厚みが異なっている。
【００１３】
請求項３に記載の高圧タンクの製造方法では、幅方向に並べて同時に巻き付ける３束以上の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せで互いの厚みが異なっている。このため、プリフォームの繊維層に効率的に隙間（樹脂流路）を形成することができる。
【００１４】
請求項４に記載の高圧タンクの製造方法は、請求項１又は請求項２に記載の高圧タンクの製造方法において、前記プリフォーム製造工程では、３束以上の繊維束を幅方向に並べて同時に巻き付け、前記３束以上の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せで互いの厚みが異なっており、前記プリフォーム製造工程で同時に巻き付けられる前記３束以上の繊維束に含まれる厚み寸法の種類は、２種類である。
【００１５】
請求項４に記載の高圧タンクの製造方法では、幅方向に並べて同時に巻き付ける３束以上の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せで互いの厚みが異なっている。さらに、プリフォーム製造工程で巻き付けられる複数の繊維束に含まれる厚み寸法の種類は、２種類である。このため、プリフォームの繊維層に効率的に隙間（樹脂流路）を形成することができると共に、用いる繊維束の種類が少なく、コストを低減できる。
【００１６】
請求項５に記載の高圧タンクの製造方法は、請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法において、前記プリフォーム製造工程で同時に巻き付けられる複数の繊維束は、単位長さあたりの繊維量が互いに等しい。
【００１７】
請求項５に記載の高圧タンクの製造方法では、プリフォーム製造工程で巻き付けられる複数の繊維束は、単位長さあたりの繊維量が互いに等しいため、プリフォームの繊維層に形成された隙間（樹脂流路）に、圧縮成形を行う成形工程において均一に繊維が補填されやすい。よって、プリフォームにおいて存在する繊維間の隙間を成形工程後の製品においてより一層効果的に減らすことができる。
【００１８】
請求項６に記載の高圧タンクの製造方法は、請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法において、前記プリフォーム製造工程において、少なくともフープ巻で厚みが異なるドライ繊維束を互いに隣接させた状態でライナに巻き付ける。
【００１９】
フープ巻により形成した繊維層には特に樹脂が含浸しにくい。そこで、請求項６に記載の高圧タンクの製造方法では、プリフォーム製造工程のフープ巻をする工程において、厚みが異なるドライ繊維束を互いに隣接させた状態でライナに巻き付ける。よって、効果的に樹脂含浸の均一性を高めることができる。
【００２０】
請求項７に記載の高圧タンクの製造方法は、請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の高圧タンクの製造方法において、前記成形工程において、樹脂を注入した後に金型を完全に閉じることで圧縮成形する。
【００２１】
請求項７に記載の高圧タンクの製造方法では、成形工程においては、プリフォームを金型内に配置して樹脂を注入した後、金型を完全に閉じることで繊維強化プラスチック層を圧縮成形する。このため、プリフォームにおいて存在する繊維間の隙間を成形工程後の製品において効果的に減らすことができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、安定した品質の高圧タンクを低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態のフィラメントワインディング装置（以下、ＦＷ装置）を示す全体構成図である。
【図２Ａ】ライナに巻き付けられる際の複数の繊維束の状態、すなわち、４束の繊維束が幅方向に並んだ状態を示す模式図である。
【図２Ｂ】プリフォームの繊維層の繊維積層構造を模式的に示す断面図である。
【図３Ａ】ＲＴＭ成形工程において、エポキシ樹脂を注入する状態を示す断面図である。
【図３Ｂ】ＲＴＭ成形工程において、金型を完全に閉じた状態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
まず、図１を用いて、実施形態のＦＷ装置１０について説明すると共に、ＦＷ装置１０によるプリフォーム製造工程について説明する。
【００２５】
図１は、ＦＷ装置１０の全体構成を示している。ＦＷ装置１０は、燃料電池車両に搭載される高圧タンク（高圧水素タンク）を製造するための装置であり、繊維束４０を高速で供給してライナ８０に巻き付けるために使用される。
【００２６】
図１に示されるように、ＦＷ装置１０は、巻出部２０と、アイクチ部３０と、を備えている。
【００２７】
巻出部２０は、上流側から順に配置された、複数（本実施形態では４つ）のボビン２１と、各ボビン２１に対応して設けられた複数の巻出ローラ２２と、結束ローラ２３と、アクティブダンサ２４と、複数（本実施形態では３つ）の搬送ローラ２５、２６、２７と、を含んで構成されている。
【００２８】
ボビン２１には繊維束４０を巻かれている。繊維束４０は、樹脂が含浸していない所謂ドライ炭素繊維束である。
【００２９】
複数のボビン２１は、図の左側から順に、第一ボビン２１Ａ、第二ボビン２１Ｂ、第三ボビン２１Ｃ及び第四ボビン２１Ｄから構成されている。第一ボビン２１Ａと第三ボビン２１Ｃには第一繊維束４０Ａが巻かれており、第二ボビン２１Ｂと第四ボビン２１Ｄには第二繊維束４０Ｂが巻かれている。第一繊維束４０Ａは、一例として幅９ｍｍ、厚み０．１ｍｍであり、第二繊維束４０Ｂは、一例として幅６ｍｍ、厚み０．１５ｍｍである。一方、第一繊維束４０Ａと第二繊維束４０Ｂとは、共に、約３６０００本の炭素繊維から構成されている。つまり、第一繊維束４０Ａと第二繊維束４０Ｂとは、単位長さあたりの繊維量が互いに等しいものの、幅と厚みが互いに異なる。
【００３０】
巻出ローラ２２は、ボビン２１から巻き出された繊維束４０を結束ローラ２３に搬送する。結束ローラ２３は、ボビン２１から巻き出された繊維束４０を揃えて、アクティブダンサ２４に巻き出す。アクティブダンサ２４は、ローラ２４Ａを移動（図１の矢印参照）させることによって、繊維束４０の張力を調整する。張力が調整された繊維束４０は、複数の搬送ローラ２５、２６、２７を経由して、アイクチ部３０に搬送される。アイクチ部３０は、複数（４束）の繊維束４０を集め、適切な圧力を加えて繊維束４０の形状を整える。アイクチ部３０で形状が整えられた繊維束４０がライナ８０に巻き付けられる。
【００３１】
複数のボビン２１から巻き出された複数の繊維束４０は、ライナ８０に巻き付けられる際、図２Ａに示すように幅方向に並んだ状態となる。並び順は、第一ボビン２１Ａから第四ボビン２１Ｄまでの順番と一致している。したがって、図２Ａの左側から第一繊維束４０Ａ、第二繊維束４０Ｂ、第一繊維束４０Ａ、第二繊維束４０Ｂの順番に幅方向に並ぶ。これにより、幅方向に並べられた４束の繊維束４０のうち、隣り合う２束の繊維束４０（全部で３組合せ）は、全ての組合せで互いに厚みが異なっている。また、隣り合う２束の繊維束４０の間には、幅方向の隙間が空かないように制御される。
【００３２】
このように複数の繊維束４０を幅方向に並べた状態で、ライナ８０を完全に覆うように多数回に巻き付けることで、ライナ８０の上に繊維層５２（図２Ｂ参照）を形成する。これにより、プリフォーム５０が製造される。
【００３３】
すなわち、製造されたプリフォームは、ライナ８０と、ライナ８０上に繊維束４０が巻き付けられることで形成された繊維層５２と、を備える。繊維層５２を構成する繊維束４０の層数は、特に限定されないが、例えばライナ８０の胴体部において約２０〜３０層である。また、繊維層５２の厚みも、特に限定されないが、例えば２０〜３０ｍｍである。なお、胴体部とは、ライナ８０のうち軸方向中間の円筒形の部分（ドーム部に挟まれた部分）を意味する。
【００３４】
図２Ｂは、繊維層５２の繊維積層構造５４を拡大して示す模式図である。図２Ｂに示すように、厚み方向（図の上下方向）に重なり合う層の間には、比較的厚みが薄い方の繊維束である第一繊維束４０Ａの上に隙間５６が形成される。この隙間５６が、後述するＲＴＭ成形工程において樹脂が流れる樹脂流路として機能する。
【００３５】
次に、図３を用いて、「成形工程」としてのＲＴＭ成形工程について説明する。
【００３６】
まず、プリフォーム５０を、上型６４及び下型６２を有する金型６０にセットする。次に、図３Ａに示すように、金型６０を完全に閉じた状態でなく、少し開いた状態（例えば下降端に対して数ｍｍ空けた状態）にし、この状態でエポキシ樹脂を注入する（図３（Ａ）の矢印参照）。エポキシ樹脂の注入に際し、金型６０内を真空脱気してもよい。
【００３７】
次に、図３Ｂに示すように、上型６４を下降端まで下降させることで金型６０を完全に閉じる。これにより、エポキシ樹脂が注入、充填された繊維層５２を厚み方向に均一に圧縮する。その後、金型６０内でエポキシ樹脂を加熱し硬化させる。以上のように、射出圧縮成形をする。
【００３８】
＜作用効果＞
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００３９】
本実施形態では、プリフォーム５０を製造するプリフォーム製造工程において、図２Ａに示すように、厚みが異なるドライ繊維束である繊維束４０を互いに隣接させた状態でライナ８０に巻き付ける。このため、図２Ｂに示すように、製造されたプリフォーム５０の繊維層５２では、比較的厚みが薄い方の繊維束である第一繊維束４０Ａの上に隙間５６が形成される。この隙間５６は、「成形工程」としてのＲＴＭ成形工程においてエポキシ樹脂が流れる樹脂流路５６として機能する。そのため、繊維層５２の内層までエポキシ樹脂が含浸しやすくなり、樹脂含浸の均一性を高めることができる。
【００４０】
そして、成形工程においては、プリフォーム５０を金型内に配置して樹脂を注入した後、金型６０を完全に閉じることで圧縮成形する（つまり射出圧縮成形する）。このため、エポキシ樹脂が含浸した繊維層５２を厚み方向に均一に圧縮することができ、プリフォーム５０において存在する繊維間の隙間５６を成形工程後の製品において効果的に減らすことができる。
【００４１】
また、本実施形態では、幅方向に並べて同時に巻き付ける複数（４束）の繊維束４０のうち、隣り合う２束の繊維層５２の間に幅方向の隙間を空けない。このため、隣り合う２束の繊維層５２の間に幅方向の隙間を空ける態様と比較して、製品における繊維体積含有率が高くなりやすい。よって、高強度の高圧タンクを製造することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、幅方向に並べて同時に巻き付ける４束の繊維束のうち互いに隣接する２束の繊維束（全部で３組合わせ）は、全ての組合せで互いの厚みが異なっている。このため、プリフォーム５０の繊維層５２に効率的に隙間５６（樹脂流路）を形成することができる。
【００４３】
また、本実施形態では、プリフォーム製造工程で巻き付けられる複数の繊維束４０に含まれる厚み寸法の種類は、２種類（第一繊維束４０Ａと第二繊維束４０Ｂの２種類）である。このため、３種類以上の厚み寸法の繊維束４０を用いる態様と比較して、準備すべき繊維束４０の種類が少なく済み、コストが低減される。
【００４４】
また、本実施形態では、プリフォーム製造工程で巻き付けられる複数の繊維束４０が単位長さあたりの繊維量が互いに等しい。このため、プリフォームの繊維層に形成された隙間（樹脂流路）に、成形工程において均一に繊維が補填されやすい。よって、プリフォーム５０において存在する繊維間の隙間５６を成形工程後の製品においてより一層効果的に減らすことができる。
【００４５】
〔補足説明〕
なお、上記実施形態では、幅方向に並べて同時に巻き回す繊維束４０が４束である例（図２Ａ参照）を説明したが、本発明はこれに限定されず、２束や３束であってもよいし、５束以上であってもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、隣り合う繊維束（第一繊維束４０Ａと第二繊維束４０Ｂ）が、厚みが異なっているだけでなく、幅も異なっている例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、厚みの異なる隣り合う繊維束は、幅が同一であってもよい。
【００４７】
また、上記実施形態では、隣り合う繊維束（第一繊維束４０Ａと第二繊維束４０Ｂ）が、厚みが異なっているものの、単位長さ当たりの炭素量が同一である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。
【００４８】
また、図２Ｂでは、積層方向に重なり合う層の間で、ライナ８０に巻き付ける巻き付け角度が互いに大きく異なっている様子を模式的に図示したが、本発明はこれに限定されない。巻き付け角度の差が大きくなく僅かな角度差であっても、樹脂流路５６の形成は可能である。
【００４９】
また、上記実施形態では、隣り合う繊維束４０間に幅方向の隙間が形成されない例（図２Ａや図２Ｂ参照）を説明したが、本発明はこれに限定されず、多少の隙間（幅方向の隙間）が形成されてしまうことは許容される。
【００５０】
また、上記実施形態では、幅方向に並べて同時に巻き付ける４束の繊維束４０のうち互いに隣接する２束の繊維束は、全ての組合せ（３組合せ全て）で互いの厚みが異なっている例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、幅方向に並べて同時に巻き付ける４束の繊維束４０のうち、１束を比較的厚みの薄い第二繊維束４０Ｂとし、それ以外の３束を比較的厚みの厚い第一繊維束４０Ａとしてもよい。
【００５１】
また、上記実施形態では、繊維束が炭素繊維束である例を説明したが、例えばガラス繊維束であってもよい。また、上記実施形態では、樹脂をエポキシ樹脂とした例を説明したが、樹脂の種類はこれに限定されない。
【００５２】
また、上記実施形態では、樹脂を注入した後に金型６０を完全に閉じることで圧縮成形する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。金型を完全に閉じた状態で樹脂を注入してもよい。
【００５３】
なお、ライナ８０の胴体部においてフープ巻（ライナ８０の中心軸に対してほぼ垂直に巻くこと）により形成した繊維層には特に樹脂が含浸しにくい。そのため、ライナ８０の胴体部におけるフープ巻において厚みの異なる繊維を用いることが好ましい。
【符号の説明】
【００５４】
４０   繊維束（ドライ繊維束）
４０Ａ 第一繊維束（比較的厚みの薄い繊維束）
４０Ｂ 第二繊維束（比較的厚みの厚い繊維束）
５０   プリフォーム
５２   繊維層
５４   繊維積層構造
５６   樹脂流路（隙間）
６０   金型
８０   ライナ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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