(57)【要約】【課題】繊維束の緩みが抑制され優れた強度を有するタンクを製造することができるタンクの製造方法を提供する。【解決手段】ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を巻回する巻回工程と、  前記繊維束が巻回された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂の粘度を上昇させる粘度上昇工程と、前記粘度上昇工程において加熱された前記ライナーの末端部にプロテクタを装着する装着工程と、前記プロテクタが装着された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程と、を含むタンクの製造方法。【選択図】図２
2017172713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を巻回する巻回工程と、
前記繊維束が巻回された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂の粘度を上昇させる粘度上昇工程と、
前記粘度上昇工程において加熱された前記ライナーの末端部にプロテクタを装着する装着工程と、
前記プロテクタが装着された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程と、
を含むタンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロテクタを備えたタンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、燃料ガスの燃焼エネルギーや、燃料ガスの電気化学反応によって発電された電気エネルギーによって駆動する車両が開発されており、天然ガスや水素等の燃料ガスを貯蔵した高圧ガスタンクが車両に搭載される場合がある。このため、高圧ガスタンクには軽量化が求められており、その手法としては、例えば、フィラメントワインディング法（以下、「ＦＷ法」と称する場合がある。）による高圧ガスタンクの製造方法が知られている。ＦＷ法を利用した高圧ガスタンクの製造方法によれば、ライナーとも呼ばれる樹脂製のタンク容器の外周に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けて、強化繊維の熱硬化性樹脂を熱硬化させることによって、繊維強化樹脂層を形成することができる。
【０００３】
また、高圧タンクを車両に搭載するにあたっては、軽量化のみならず、車載の際やタンクの取り扱いの際などにおけるタンク落下を想定し、タンク強度の確保も不可欠である。タンク強度のためには、例えば、タンクがその両端に球面形状のドーム部を備えている場合、当該ドーム部の耐衝撃性の向上を図るために様々なプロテクタ等が用いられている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２０４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の特許文献１に記載の技術等では、まず、タンク容器（ライナー）の外周に強化繊維を巻回したのち、ドーム部にプロテクタを装着し、その後、加熱硬化することで繊維強化樹脂層やドーム部の接着を行っていた。しかし、強化繊維の熱硬化性樹脂の硬化前に、プロテクタを装着するために当該プロテクタをライナーのドーム部に押し当てると、硬化前の強化繊維束が所定の位置からずれることがある。この、繊維束の緩みによって、所望の強度が得られにくかったり、品質の均一化を図るのが難しい場合もあり、繊維束の緩みが生じにくい製造方法の開発が望まれていた。
【０００６】
以上から、本発明は繊維束の緩みが抑制され優れた強度を有するタンクを製造す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】
【０００７】
本発明の課題は以下の手段によって解決することができる。
（１）ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を巻回する巻回工程と、前記繊維束が巻回された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂の粘度を上昇させる粘度上昇工程と、前記粘度上昇工程において加熱された前記ライナーの末端部にプロテクタを装着する装着工程と、前記プロテクタが装着された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程と、を含むタンクの製造方法。
（２）前記硬化工程において加熱された前記ライナーを冷却する冷却工程を含む前記（１）に記載のタンクの製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、繊維束の緩みが抑制された優れた強度を有するタンクを製造することができるタンクの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態における高圧ガスタンクの構成を概略的に示す断面図である。
【図２】本実施形態における高圧ガスタンクの製造方法のながれを示すフローチャートである。
【図３】樹脂製ライナーを概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明のタンクの製造方法について説明する。本発明のタンクの製造方法（以下、単に「本発明の製造方法」と称することがある。）は、ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を巻回する巻回工程と、前記繊維束が巻回された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂の粘度を上昇させる粘度上昇工程と、前記粘度上昇工程において加熱された前記ライナーの末端部にプロテクタを装着する装着工程と、前記プロテクタが装着された前記ライナーを加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程と、を含む。また、本発明の製造方法は、前記硬化工程において加熱された前記ライナーを冷却する冷却工程を含んでいてもよい。
【００１１】
上述のように、本発明の製造方法は、巻回工程において熱硬化性樹脂を含浸した繊維束をライナーに巻回した後、粘度上昇工程においてこれを加熱し、熱硬化性樹脂の粘度を上昇させた後、ライナーの末端部にプロテクタを装着する。このように、繊維束の熱硬化性樹脂の粘度を上昇させた後にライナーにプロテクタを装着すると、プロテクタ装着時においてライナーの末端部にプロテクタを押し付けた場合であっても繊維束が緩みにくく、繊維束が所望の位置からずれてしまうのを抑制することができる。このため、繊維束の緩みによる強度低下も抑制される。これにより、本発明の製造方法によれば、熱硬化性樹脂を硬化してタンクを形成した際に、強度に優れたタンクを製造することができる。
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１３】
まず、本実施形態の製造方法によって製造される高圧ガスタンクの構成について説明する。図１は、本実施形態における高圧ガスタンクの構成を概略的に示す断面図である。
【００１４】
図１に示すように高圧ガスタンク１０は、樹脂製ライナー２０と、繊維強化樹脂層３０と、タンク両端側のドーム部プロテクタ４０と、を備える。樹脂製ライナー２０は、タンク長手方向の中央で２分割されたライナーパーツをナイロン系樹脂等の適宜な樹脂にて型成型し、その型成型品のライナーパーツを接合して形成することができる。樹脂製ライナー２０は、円筒状のシリンダー部２２と、シリンダー部２２の両側に接合された球面形状のドーム部２４とを有する。ドーム部２４は樹脂製ライナー２０の末端部となる。但し、樹脂製ライナー２０の末端部はドーム状以外の形状であってもよい。樹脂製ライナー２０は、ドーム部２４の頂上箇所に金属製のタンク金具１２、１４を備える。タンク金具１２は、タンク内と繋がった貫通孔を備え、その入口を位置決め用の基準孔１５とする。タンク金具１４は、有底状の基準孔１５を備える。そして、この両タンク金具が有する基準孔１５は、後述のプロテクタ装着や後述の繊維巻回の際の回転軸挿入に用いられる。
【００１５】
繊維強化樹脂層３０は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維束をライナー外周に巻回させ、後の工程において熱硬化性樹脂を硬化させることで形成することができる。前記繊維束の巻回には、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）を適用することができる。繊維強化樹脂層３０は、樹脂製ライナー２０の円筒状のシリンダー部２２の外周範囲に亘るフープ巻きによる繊維巻回と、ドーム部２４の外周範囲に亘る低角度・高角度のヘリカル巻きによる繊維巻回と、を経て形成される。前記ライナー外周に巻回させる繊維束（スライバー繊維）としては、例えば、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維等を用いることができる。ＦＷ法においては、更に、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）よる巻回を順次行い、異なる繊維からなる樹脂層を積層させて繊維強化樹脂層３０を形成することもできる。前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。
尚、本実施形態では、繊維強化樹脂層３０をカーボン繊維により形成した。
【００１６】
ドーム部プロテクタ４０は、円形形状の貫通孔４２を備え、当該貫通孔の周囲から球面形状のドーム部２４の形状に倣って延びて、ドーム部２４をその外側から覆う。ドーム部プロテクタ４０は、接着剤を用いてドーム部２４に接着させることができる。タンク金具１２の側のドーム部プロテクタ４０と、タンク金具１４の側のドーム部プロテクタ４０とは、上述の形状に予め賦形された同一形状の発泡樹脂成型品を用いることができ、ドーム部２４に加わる衝撃の緩和に寄与する。タンク金具１２は図示しないバルブが接続され当該バルブは緊急時のガス放出機能を備えることができる。また、必要に応じてドーム部プロテクタ４０の表層に膨張黒鉛層を設けてもよい。ドーム部プロテクタ４０は、発泡樹脂の成型品の他、ウレタン、アクリル、シリコーン等の合成ゴムのゴム成型品としてもよい。また、ドーム部プロテクタ４０は異種の材料を用いた積層構造とすることができる。例えば、本実施形態においてドーム部プロテクタ４０は、発泡樹脂で成形された本体に１０ｍｍ程度の積層体がカバーされた構造を採用することができる。当該積層体においては、内層（樹脂製ライナー２０側の層）にウレタンゴムを用い外層がアクリルゴムで形成されており、ドーム部プロテクタ４０の耐熱性を高めることができる（例えば１８０℃以上の耐熱性）。これにより、後述する硬化工程において炉内の熱によるウレタンの劣化を防止することができる。
【００１７】
また、ドーム部プロテクタ４０と樹脂製ライナー２０とは接着剤等によって接着させることができる。当該接着剤としては、特に限定されるものではないが、例えばエポキシ樹脂系の接着剤を用いることができる。また、当該接着剤には消泡剤を含めることができる。前記消泡剤としては、例えば、フッ素系離型剤等を用いることができる。
【００１８】
つぎに本実施形態の高圧ガスタンク１０の製造方法の流れについて説明する。図２は、本実施形態における高圧ガスタンクの製造方法のながれを示すフローチャートである。図２に示すように本実施形態の高圧ガスタンク１０の製造方法は、巻回工程（ステップＳ１０１）、粘度上昇工程（ステップＳ１０２）、装着工程（ステップＳ１０３）、硬化工程（ステップＳ１０４）、冷却工程（ステップＳ１０５）を含む。
【００１９】
巻回工程（ステップＳ１０１）は、樹脂製ライナー２０の外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を巻回する工程である。巻回工程においては、まず、樹脂製ライナー２０を準備し、例えば、ＦＷ法によって熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を樹脂製ライナー２０に巻回す（図３（Ａ）参照）。具体的には、樹脂製ライナー２０の両側のタンク金具１２及びタンク金具１４を図示しないＦＷ装置の回転軸に係合させ、樹脂製ライナー２０をタンク中心軸ＡＸの回りに回転するよう軸支する。そして、樹脂製ライナー２０をタンク中心軸ＡＸの回りに回転させながら、ＦＷ法による繊維束の巻回を行う。このＦＷ法では、カーボン繊維３１を巻き取ったリール３５から当該繊維を送り出す際にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をカーボン繊維３１に予め含浸させ、その上で、リール３５をタンク軸方向に移動させるリール移動と上記したライナー回転とを行い、カーボン繊維３１をリール３５から送り出しつつライナー外周に巻回する。本実施形態では、まず、リール移動速度とライナー回転速度とを調整することで、シリンダー部２２の外周範囲に亘ってＦＷ法によりフープ巻きによる繊維巻回を繰り返し実行する。この場合の上述の速度調整は、シリンダー部２２のタンク中心軸ＡＸと巻き付け繊維のなす角度がほぼ垂直な巻き角度となるよう、調整される。なお、“巻き角度”は、カーボン繊維３１の巻き付け方向（リール３５の移動方向）に対するカーボン繊維３１の繊維方向の角度を意味する。
【００２０】
次いで、改めてリール移動速度とライナー回転速度とを調整することで、シリンダー部２２の両端のドーム部２４にカーボン繊維３１を掛け渡すようＦＷ法により高角度・低角度のヘリカル巻きによる繊維巻回を繰り返し実行する。この場合にあっても、ヘリカル巻きの巻き角度が一定となるよう調整され、カーボン繊維３１は、ドーム部２４の外表において、巻き付け方向を折り返して螺旋状に巻き付けられる。これにより、熱硬化性樹脂が硬化する前の繊維強化樹脂層３０が樹脂製ライナー２０の外周に形成される（図３（Ｂ）参照）。
【００２１】
粘度上昇工程（ステップＳ１０２）は、熱硬化性樹脂が硬化する前の繊維強化樹脂層３０が設けられた樹脂製ライナー２０を加熱して前記熱硬化性樹脂の粘度を上昇させる工程である。ここで、“粘度を上昇させる”とは、熱硬化性樹脂を加熱して硬化反応（架橋反応）をある程度進めて半硬化状態（完全に硬化していない状態）とし、熱硬化性樹脂の粘度を上昇させる工程である。本工程における粘度上昇値に特に制限はなく、熱硬化性樹脂が完全に硬化しない範囲で適宜粘度上昇値を決定することができる。また、当該工程は硬化炉等内で行うことができる。本工程における加熱温度及び加熱時間は用いる熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定することができるが、例えば、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合、加熱温度としては１００℃〜１８０℃、加熱時間は加熱開始から例えば３０秒間〜３０分間程度に設定することができる。
【００２２】
粘度上昇工程において樹脂製ライナー２０の加熱が開始されると、カーボン繊維中に含浸されていた熱硬化性樹脂の粘度は低下して流動し始め、カーボン繊維の外側へと染み出してくる。そして、熱硬化性樹脂の流動とともに、繊維層におけるカーボン繊維のテンション（張力）が低下し、カーボン繊維間の隙間が増大する。熱硬化性樹脂は、これらカーボン繊維の隙間から、繊維層の外表面側（表層側）へと染み出し始める。このまま加熱を継続すると、熱硬化性樹脂の架橋反応が進行するため、熱硬化性樹脂の粘度を上昇させることができる。
【００２３】
また、本実施形態においては、次工程であるドーム部プロテクタ４０の装着工程に先立って、消泡剤（フッ素系離型剤）を希釈剤（エポキシ樹脂）で希釈した接着剤を粘度上昇工程において加熱された樹脂製ライナー２０の表面に塗布する工程を含めることができる。例えば、樹脂製ライナー２０に形成された繊維層には、カーボン繊維の巻き付けの際にカーボン繊維の間に入り込んだ空気や、もともとカーボン繊維の中に、熱硬化性樹脂とともに入り込んでいた空気などが存在している。上述の粘度上昇工程において、熱硬化性樹脂の粘度が上昇している間、熱硬化性樹脂は流動性を有しているため、これら空気によって熱硬化性樹脂中に気泡が生じ、その気泡が、繊維束で形成された層の外表面に析出してしまうことがある。本実施形態においては、ドーム部２４にドーム部プロテクタ４０の装着に用いる接着剤に消泡剤を含めることで、繊維束の表面に析出した気泡を発泡し、繊維束表面の平滑性を向上させることができる。また、当該工程において接着剤の塗布と同時に消泡処理を行うことができるため、従来のように繊維束中の熱硬化性樹脂を完全に硬化した後、プロテクタの装着前に別途消泡処理を行う必要がない。
【００２４】
装着工程（ステップＳ１０３）は、粘度上昇工程（ステップＳ１０２）において加熱された樹脂製ライナー２０のドーム部２４にドーム部プロテクタ４０を装着する工程である。ドーム部プロテクタ４０の装着は、例えば、プロテクタ位置決め治具やプロテクタ位置を決める治具を用いて、各々の位置決めを行うことができる。ドーム部プロテクタ４０のドーム部２４への装着方法は特に限定はなく、公知の手段を適宜選定して行うことができる。
【００２５】
硬化工程（ステップＳ１０４）は、装着工程（ステップＳ１０３）においてドーム部プロテクタ４０が装着された樹脂製ライナー２０を加熱して粘度上昇工程（ステップＳ１０２）において半硬化した（粘度を上昇させた）熱硬化性樹脂を硬化させる工程である。ここで、“熱硬化性樹脂を硬化させる”とは、熱硬化性樹脂を加熱することで硬化反応（架橋反応）を促進させ、熱硬化性樹脂を硬化させることを意味する。当該熱硬化性樹脂を硬化させることで、樹脂製ライナー２０上に繊維強化樹脂層３０を形成することができ、更に、ドーム部２４とドーム部プロテクタ４０との間の装着（接着）を完了させることができる。これにより、高圧ガスタンク１０が完成される。
【００２６】
硬化工程（ステップＳ１０４）は、硬化炉等内で行うことができる。また、本工程における加熱温度及び加熱時間は用いる熱硬化性樹脂の種類や粘度上昇工程における熱硬化性樹脂の硬化状態に応じて適宜設定することができるが、例えば、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合、加熱温度としては１００℃〜１８０℃、加熱時間は加熱開始から例えば、１５分間〜１５時間程度に設定することができる。
【００２７】
冷却工程（ステップＳ１０５）は、硬化工程（ステップＳ１０４）において完成された高圧ガスタンク１０（樹脂製ライナー２０）を冷却する工程である。当該工程における冷却手段は公知の手段を適宜用いることができる。冷却工程によって冷却された高圧ガスタンク１０は任意の次工程（例えば、ＦＷ治具を外す工程や重量寸法を測定する工程）に移行される。
【００２８】
以上のように本発明の製造方法においては、粘度上昇工程と硬化工程との間にプロテクタの装着工程を実施することで、プロテクタの装着時に生じる繊維束の緩みを抑制でき、優れた強度のタンクを提供することができる。また、半硬化状態でプロテクタをライナーの末端部に装着し、その後熱硬化性樹脂を硬化させるため、プロテクタの接着に要していた時間を短縮することができる。更に、粘度上昇工程の後に消泡剤をライナーに塗布することで、別途消泡処理工程設ける必要がなく、タンクの完成までの作業効率を向上させることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１０…高圧ガスタンク、２０…樹脂製ライナー、２２…シリンダー部、２４…ドーム部、３０…繊維強化樹脂層、３１…カーボン繊維、４０…ドーム部プロテクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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