(57)【要約】【課題】高圧タンクにおけるＧＦＲＰ層は、ＣＦＲＰ層に比べて強度が弱く、高圧タンクの強度向上にほとんど寄与していない。そのような強度向上にほとんど寄与しないＧＦＲＰ層によって高圧タンクの重量が増加する。また、ＧＦＲＰ層をＣＦＲＰ層とは別に形成すると、高圧タンクの製造に時間を要する。したがって、ＧＦＲＰ層を備えない高圧タンクが望まれていた。【解決手段】内殻であるライナーと、ライナー上に繊維束を巻回することで形成される補強層と、を備える高圧タンクにおいて、補強層は、高圧タンクの外表面から所定の厚みの部分が他の部分とは異なる色の繊維束で構成されていることを特徴とする高圧タンク。【選択図】図１
2016166617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内殻であるライナーと、前記ライナー上に繊維束を巻回することで形成される補強層と、を備える高圧タンクにおいて、
前記補強層は、前記高圧タンクの外表面から所定の厚みの部分が他の部分とは異なる色の繊維束で構成されていることを特徴とする高圧タンク。
【請求項２】
内殻であるライナー上に第１の繊維束を巻回することで形成される第１の補強層と、前記第１の補強層の上に前記第１の繊維束とは異なる色の第２の繊維束を巻回することで形成される所定の厚みを有する第２の補強層と、を備える高圧タンクの製造方法において、
前記第１の繊維束を前記ライナー上に巻回する第１巻回工程と、
前記第２の繊維束を前記第１の補強層の上に巻回する第２巻回工程と、の間において、
前記第１の繊維束と前記第２の繊維束とを切り換える切換工程を備えることを特徴とする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、および、高圧タンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内殻であるライナーと、ライナーに複数の繊維を束ねた樹脂含浸繊維束を巻き付けて形成した補強層と、を備える高圧タンクが知られている（特許文献１）。特許文献１に記載された高圧タンクは、補強層にカーボン繊維を用いており、カーボン繊維の補強層（ＣＦＲＰ層）を保護するために、さらにＣＦＲＰ層の上にガラス繊維の保護層（ＧＦＲＰ層）を備える。ここで、高圧タンクに設けられたＧＦＲＰ層は、高圧タンクが外部から衝撃を受けた際の性能劣化判断に用いられるものであり、衝撃により受けた傷がＧＦＲＰ層の厚さを超えない程度（下層のＣＦＲＰ層が露出しない程度）であれば、高圧タンクの性能に影響がないと判断できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３５５９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の高圧タンクにおけるＧＦＲＰ層は、ＣＦＲＰ層に比べて強度が弱く、高圧タンクの強度向上にほとんど寄与していない。そのような強度向上にほとんど寄与しないＧＦＲＰ層によって高圧タンクの重量が増加するという課題がある。また、ＧＦＲＰ層をＣＦＲＰ層とは別に形成すると、高圧タンクの製造に時間を要するという課題も生じる。したがって、ＧＦＲＰ層を備えない高圧タンクが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述のごとくＧＦＲＰ層を備えない高圧タンクを得るためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明は、内殻であるライナーと；前記ライナー上に繊維束を巻回することで形成される補強層と、を備える高圧タンクにおいて；前記補強層は、前記高圧タンクの外表面から所定の厚みの部分が他の部分とは異なる色の繊維束で構成されていることを特徴とする。このような高圧タンクであれば、ＣＦＲＰ層の上に別途ＧＦＲＰ層を設けることなく、高圧タンクが外部から衝撃を受けた際の性能劣化判断ができる。そのため、ＧＦＲＰ層をなくすことができるので、高圧タンクの重量を軽量化することができる。また、ＧＦＲＰ層を形成するために要していた製造時間を削減することができる。
【０００７】
（２）本発明の他の形態は、内殻であるライナー上に第１の繊維束を巻回することで形成される第１の補強層と；前記第１の補強層の上に前記第１の繊維束とは異なる色の第２の繊維束を巻回することで形成される所定の厚みを有する第２の補強層と、を備える高圧タンクの製造方法において；前記第１の繊維束を前記ライナー上に巻回する第１巻回工程と；前記第２の繊維束を前記第１の補強層の上に巻回する第２巻回工程と、の間において；前記第１の繊維束と前記第２の繊維束とを切り換える切換工程を備えることを特徴とする。このような高圧タンクの製造方法であれば、ＣＦＲＰ層の上に別途ＧＦＲＰ層を設けることなく、高圧タンクが外部から衝撃を受けた際の性能劣化判断ができる高圧タンクを得ることができる。そのため、ＧＦＲＰ層を形成するために要していた製造時間を削減できる。ここで、「第１の繊維束と第２の繊維束とを切り替える」とは、第１の繊維束を搬送途中で着色して第２の繊維束を作成してライナーへ供給すること、第１の繊維束と第２の繊維束が予め繋がった繊維束をライナーへ供給すること、第１の繊維束が巻回されたボビンと第２の繊維束が巻回されたボビンとを用意して所定のタイミングで繊維束を供給するボビンを切り替えてライナーへ繊維束を供給することなど、２つの異なる色の繊維束を切り替えてライナーへ供給すること全てを意味する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態である高圧タンクの中心軸を含む断面の図である。
【図２】本発明の一実施形態であるフィラメントワインディング装置の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態であるガイド機構の構成を示す上面図である。
【図４】本発明の一実施形態であるガイド機構の一部の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示すように、高圧タンク１は、内殻であるライナー２と、ライナー２上に繊維束を巻回することで形成された補強層３と、口金６と、を備える。高圧タンク１は、高圧（例えば７０ＭＰａ程度）の水素ガスを貯蔵する。高圧タンク１は、長尺で一端に口金６を有し、両端が曲面上である円筒形状をなす。
【００１０】
ライナー２は、円筒形状であるストレート部と、ストレート部の両端に曲面上に形成された第１ドーム部および第２ドーム部、を有する。第１ドーム部は、口金６が挿入される開口部が形成されている。ライナー２は、例えば、ポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエステル等の熱可塑性樹脂によって構成されている。
【００１１】
口金６は、第１ドーム部の開口部と嵌合しており、軸を中心に孔が形成されている。孔には、高圧タンク１内のガスを取り出すためのバルブが挿入される。口金６の中心軸と高圧タンク１の中心軸は一致している。口金６は、例えば、アルミニウムやステンレススチール等の金属によって構成されている。
【００１２】
補強層３は、繊維束をライナー２上および口金６上に巻回することで形成されている。補強層３は、着色されていない繊維束で形成される第１の補強層４と、着色された繊維束で形成される第２の補強層５と、を含む。繊維束は、例えば、カーボンであり、カーボン繊維束７００としては、例えば、ポリアクリルニトリルの原糸を約３，０００℃で焼成した糸を約２４，０００本程度撚って集め、バインダ樹脂によって軽く接着させた、厚さ約２００μｍ、幅４ｍｍから５ｍｍ程度の扁平なシートを例示することができる。さらに、カーボン繊維束７００は、熱硬化型エポキシ等の樹脂が含浸されている。樹脂が含浸されたカーボン繊維束７００を樹脂含浸カーボン繊維束７１０と呼ぶ。なお、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、複数の繊維に熱硬化性樹脂を予め含浸させて、半硬化もしくは乾燥させたプリプレグであってもよい。本実施形態における着色されていない繊維束は第１の繊維束であり、着色された繊維束は第２の繊維束である。
【００１３】
第２の補強層５は、着色された樹脂含浸カーボン繊維束７１０が第１の補強層４上に巻回されることで形成されている。着色された樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、後述する樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー２上に巻回する工程において、樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー２に搬送する途中で樹脂含浸カーボン繊維束７１０に塗料を塗布することで作成され、第１の補強層４上に巻回される。塗料の色は何色でもよいが、繊維束をカーボンとする場合には、カーボンと見分けがつきやすい赤色等であることが好ましい。
【００１４】
第２の補強層５は、高圧タンク１の表面から所定の厚みを有する。ここで、所定の厚みは、高圧タンク１が衝撃を受けた際に、許容できる高圧タンク１の表面からの傷の深さと同等に予め定められている。このような厚みであれば、表面の傷の部分で第２の補強層５の下層である第１の補強層４が露出した場合に、もしくは、第２の補強層５の塗料が剥れてカーボン部分が露出した場合に、高圧タンク１の性能が劣化したおそれがあると判断することができる。さらに、ＧＦＲＰ層をなくすことができるので、高圧タンク１の重量を軽量化することができる。なお、本実施形態では、所定の厚みは、補強層３の最外層の厚みと同等であるように定められている。
【００１５】
図２は、高圧タンク１を製造する工程で用いられるフィラメントワインディング装置１０の構成を示した説明図である。フィラメントワインディング装置１０は、繊維巻出機構２０と、樹脂含浸機構３０と、ガイド機構４０と、ライナー回転装置５０と、制御部６０と、を備える。
【００１６】
繊維巻出機構２０は、繊維束を巻きだす機構であり、複数のボビン２０１〜２０４と、複数の搬送ローラ２１１〜２１４と、結束ローラ２２０と、を有する。ボビン２０１〜２０４は、糸を巻き付ける筒状の部材であり、カーボン繊維束７００が巻き付けられている。搬送ローラ２１１〜２１４は、各ボビン２０１〜２０４に対応して設けられており、ボビン２０１〜２０４から巻き出されたカーボン繊維束７００を結束ローラ２２０に搬送する。結束ローラ２２０は、ボビン２０１〜２０４から巻き出された複数のカーボン繊維束７００をそろえて、樹脂含浸機構３０へ搬送する。
【００１７】
樹脂含浸機構３０は、カーボン繊維束７００に対してエポキシ樹脂の含浸を行う機構であり、複数の搬送ローラ３０１〜３０５と、樹脂含浸槽３１０と、を有する。搬送ローラ３０１〜３０５は、カーボン繊維束７００をガイド機構４０へ搬送する。樹脂含浸槽３１０には、４０℃から５０℃の範囲で加熱され、粘度管理が行われている液体状の熱硬化型エポキシ樹脂が収容されている。カーボン繊維束７００は、搬送ローラ３０２の下部を搬送されることにより、樹脂含浸槽３１０の熱硬化型エポキシ樹脂に浸される。
【００１８】
ガイド機構４０は、樹脂含浸カーボン繊維束７１０を揃えてライナー２の外表面にガイドする機構である。ガイド機構４０は、第１ガイドローラ４１０と、第２ガイドローラ４２０と、第３ガイドローラ４３０と、を有しており、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０を用いて樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー２に搬送する。第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０は、搬送される樹脂含浸カーボン繊維束７１０との接触によって自身は回転しないように構成されている。第２ガイドローラ４２０は、多孔質金属で構成されており、ローラの内部から表面へ向かって樹脂含浸カーボン繊維束７１０を着色する塗料が噴出できる。また、ガイド機構４０は、後述する制御部６０によって予めプログラムされた動作に基づいて、移動しながらライナー２の外表面に樹脂含浸カーボン繊維束７１０をガイドする。
【００１９】
ライナー回転装置５０は、巻き付け対象であるライナー２を回転させることにより、樹脂含浸カーボン繊維束７１０に張力を掛けつつ、ライナー２に樹脂含浸カーボン繊維束７１０を巻き付ける。ライナー２は、長軸が回転可能に支持され、ライナー回転装置５０によって長軸周りに回転される。ガイド機構４０からガイドされた樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、その端部がライナー２の図示しない巻始め部に固定され、ライナー２の回転によって、ライナー２の外周に巻き取られる。製品の形状が形作られると、その後硬化処理が行われ、エポキシ樹脂が硬化して、繊維強化された高圧タンク１が成形される。
【００２０】
制御部６０は、ＣＰＵ等を備える制御装置であり、樹脂含浸槽３１０、ガイド機構４０、ライナー回転装置５０と電気的に接続される。制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいて、ガイド機構４０を移動させつつライナー２上に樹脂含浸カーボン繊維束７１０をガイドするように制御する。また、制御部６０は、予め定めたプログラムに基づいて、ライナー回転装置５０がライナー２を回転させる速度を制御する。制御部６０は、第２の補強層５が予め定めた厚みとなるように、後述する塗料供給装置４５０が予め定めたタイミングから塗料をカーボン繊維束７００に塗布するように制御する。なお、制御部６０は、樹脂含浸槽３１０の槽内に配置された図示しない加熱手段を制御して、液体状の熱硬化型エポキシ樹脂を４０℃から５０℃の範囲に加熱している。
【００２１】
図３は、ガイド機構４０の構成を示す上面図である。本実施形態では、図３に示すように、樹脂含浸カーボン繊維束７１０の搬送方向の上流から順に、第１ガイドローラ４１０、第２ガイドローラ４２０、第３ガイドローラ４３０が配置されている。第１ガイドローラ４１０および第２ガイドローラ４２０は、軸方向の中央部の直径が端部の直径よりも大きい太鼓型ローラである。第３ガイドローラ４３０は、軸方向の中央部の直径が端部の直径よりも小さい鼓型ローラである。図３に示すように、樹脂含浸カーボン繊維束７１０は、第１ガイドローラ４１０側から入り込み、第１ガイドローラ４１０の上面外周、第２ガイドローラ４２０の下側外周、および、第３ガイドローラ４３０の上側外周にそれぞれ接触してライナー２にガイドされる。第２ガイドローラ４２０の中心軸の位置は、第１ガイドローラ４１０の中心軸および第３ガイドローラ４３０の中心軸の位置よりも高い。第２ガイドローラ４２０は、例えば、ステンレス、ニッケル、チタン、チタン合金等の多孔質金属で構成されている。第２ガイドローラ４２０には、塗料配管４４０が接続されており、塗料配管４４０には塗料を供給する塗料供給装置４５０が接続されている。
【００２２】
図４は第２ガイドローラ４２０および樹脂含浸カーボン繊維束７１０の斜視図である。第２ガイドローラ４２０は、多孔質金属で構成されており、ローラの中心軸付近に塗料配管４４０が接続されている。塗料配管４４０は、塗料供給装置４５０に接続されている。塗料供給装置４５０は、制御部６０からの信号を受けて、塗料配管４４０を通して塗料を第２ガイドローラ４２０に供給する。第２ガイドローラ４２０は、多孔質金属で構成されているので、中心軸付近に接続された塗料配管４４０からの塗料を多孔質の孔を通して、第２ガイドローラ４２０の表面に噴出することができる。
【００２３】
制御部６０は、第２の補強層５が所定の厚みとなるように、所定のタイミングから塗料を第２ガイドローラ４２０に供給するように塗料供給装置４５０へ信号を送信する。ここで、所定の厚みは、高圧タンク１が衝撃を受けた際に、許容できる高圧タンク１の表面からの傷の深さと同等に予め定められている。本実施形態では、所定の厚みは、最外層の厚みとするので、最外層を巻回する際に、制御部６０は、塗料供給装置４５０へ信号を送信する。塗料供給装置４５０は、第２ガイドローラ４２０に塗料を供給し、第２ガイドローラ４２０は表面から樹脂含浸カーボン繊維束７１０に塗料を塗布する。なお、第２ガイドローラ４２０は太鼓型であり、樹脂含浸カーボン繊維束７１０を拡幅するので、樹脂含浸カーボン繊維束７１０全体に均一に塗料を塗布することができる。これにより、ＣＦＲＰ層の上に別途ＧＦＲＰ層を設けることなく、高圧タンク１が衝撃を受けたときに、高圧タンク１の性能が劣化したおそれがあると判断することができる高圧タンク１を得ることができる。そのため、ＧＦＲＰ層を形成するために要していた製造時間を削減できる。
【００２４】
＜変形例１>
上記実施形態では、第２の補強層５の厚みを最外層の厚みとしていたが、第２の補強層５の厚みはこれに限られない。補強層３の強度等によって、許容できる傷の深さは異なるため、必要に応じて、第２の補強層の厚みをより厚くしてもよい。
【００２５】
＜変形例２＞
上記実施形態では、第２ガイドローラ４２０において樹脂含浸カーボン繊維束７１０に塗料を塗布するために、第２ガイドローラ４２０を多孔質金属としていたが、これに限られない。第２ガイドローラ４２０の一部にスリットを設けて、スリットから塗料を塗布しても良い。また、別途塗料供給装置４５０に接続されたスプレーを設けて樹脂含浸カーボン繊維束７１０に塗料を塗布しても良い。また、樹脂含浸カーボン繊維束７１０に塗料を塗布する場所は、第２ガイドローラ４２０上に限られず、樹脂含浸カーボン繊維束７１０をライナー２に搬送する途中であれば良い。
【００２６】
＜変形例３＞
上記実施形態では、第１の補強層を着色されていない繊維束で構成し、第２の補強層を着色された繊維束で構成したが、これに限られない。第１の補強層を着色された繊維束として、第２の補強層を着色されていない繊維束としてもよい。
【００２７】
＜変形例４＞
上記実施形態では、塗料を塗布することで第１の繊維束である着色されていない繊維束と第２の繊維束である着色された繊維束とを切り替えていたが、これに限られない。第１の繊維束と第２の繊維束が繋がった繊維束をあらかじめ用意しておいて、ライナー２上に前述の繊維束を巻回することで、繊維束を切り替えても良い。このとき、第２の繊維束の長さは、ライナー２の形状や第２の補強層の厚み等に応じて、定めればよい。また、第１の繊維束が巻回されたボビンと第２の繊維束が巻回されたボビンをあらかじめ用意しておいて、所定のタイミングで繊維束を供給するボビン変えることで、繊維束を切り替えてもよい。
【００２８】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態あるいは変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１…高圧タンク
２…ライナー
３…補強層
４…第１の補強層
５…第２の補強層
６…口金
１０…フィラメントワインディング装置
２０…繊維巻出機構
３０…樹脂含浸機構
４０…ガイド機構
５０…ライナー回転装置
６０…制御部
２０１、２０２、２０３、２０４…ボビン
２１１、２１２、２１３、２１４…搬送ローラ
２２０…結束ローラ
３０１、３０２…搬送ローラ
３１０…樹脂含浸槽
４１０…第１ガイドローラ
４２０…第２ガイドローラ
４３０…第３ガイドローラ
４４０…塗料配管
４５０…塗料供給装置
７００…カーボン繊維束
７１０…樹脂含浸カーボン繊維束
【図１】
2016166617.tif 000003
【図２】
2016166617.tif 000004
【図３】
2016166617.tif 000005
【図４】
2016166617.tif 000006