JP2019044872A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維配向の乱れ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】高圧タンク１の製造方法は、ライナー１０の外周に樹脂を含浸した炭素繊維１５を複数層巻回して高圧タンクを製造する方法であって、巻回開始位置から炭素繊維１５をライナー１０の外周に巻回する繊維巻回ステップと、繊維巻回ステップ終了後、巻回開始位置にのみ超音波を照射する超音波照射ステップとを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ライナーの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回して高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法に関する。

燃料電池自動車に搭載される水素タンクなどの高圧タンクは、安全性を確保するために高い耐圧強度等が求められている。このような高圧タンクの製造方法として、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）が知られている。具体的には、略円筒状のライナーを回転させながら、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維を一定の張力で該ライナーの外周に繰り返し複数層巻回してタンク容器を作製し、その後に熱硬化性樹脂を熱硬化させる。これにより、ライナーの外周に硬い繊維強化樹脂層からなる補強層が形成され、高圧タンクの耐圧強度等が確保されている。

高圧タンクの耐圧強度は、巻回された繊維の向きである繊維配向に大きく左右されている。耐圧強度を高めるためには、繊維配向の乱れが生じないように繊維配向を均一に配置させる必要がある。これに対し、様々な提案がなされている。例えば、下記特許文献１には、巻回された繊維の配向度合いを定量的に検査し、繊維配向を考慮して繊維の巻回を行うことが開示されている。

特開２０１５−１２４８４６号公報

しかし、各層において繊維の巻回開始の際にライナーの回転トルクが急に上昇し、これによって繊維にかかる張力が高くなり、該繊維巻回開始位置で繊維の巻き締まりが発生する。これに起因して、繊維の並びが潰れてしまい、繊維配向の乱れが生じる場合がある。

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、繊維配向の乱れを抑制できる高圧タンクの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧タンクの製造方法は、ライナーの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回して高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、巻回開始位置から前記繊維を前記ライナーの外周に巻回する繊維巻回ステップと、前記繊維巻回ステップ終了後、前記巻回開始位置にのみ超音波を照射する超音波照射ステップと、を有することを特徴としている。

本発明の高圧タンクの製造方法では、繊維配向が乱れやすい繊維巻回開始位置に超音波を照射することで、繊維配向を均一化させ、繊維配向の乱れを抑制することができる。

本発明によれば、繊維配向の乱れを抑制することができる。

高圧タンクの製造方法を説明するための模式図である。 実施形態に係る高圧タンクの製造方法を説明するための部分フローチャートである。 配向率に関する発明品と従来品との比較結果を示す図である。 バースト圧に関する発明品と従来品との比較結果を示す図である。

以下、図面を参照して高圧タンクの製造方法の実施形態について説明する。

本実施形態の高圧タンク１は、例えば燃料電池車両に搭載され、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の外周に密着する繊維強化樹脂層（すなわち、補強層）２０とを備える。このような構造を有する高圧タンク１の製造方法は、主に、ライナー１０を用意する第１工程と、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層２０を形成する第２工程と、繊維強化樹脂層２０を熱硬化させる第３工程とを含む。

第１工程では、ライナー１０が用意される（図１（ａ）参照）。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。バルブ側口金１３は、更に内部に水素ガスを供給するためのバルブ１７と接続されている。

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形成されている。なお、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構成されても良い。また、このライナー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。

第２工程では、ライナー１０の外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回することにより繊維強化樹脂層が形成される（図１（ｂ）参照）。具体的には、ライナー１０は、図示しない回転駆動部に取り付けられた状態で、ライナー１０の中心軸Ｌを中心として回転される。熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維（例えば、炭素繊維１５）が巻かれたリール１６は、中心軸Ｌ方向に沿って往復移動されながら、ライナー１０側に炭素繊維１５を繰り出す。

炭素繊維１５は、一定の張力が付与された状態で、いわゆるフープ巻きやヘリカル巻きなどの所定の巻き方で胴体部１１及びドーム部１２の外周に密着に巻回される。フープ巻きとは、ライナー１０の中心軸Ｌと炭素繊維１５の巻回方向とがなす角度が略垂直になるように、炭素繊維１５をライナー１０の周方向に巻回する方法である。ここで、「略垂直」とは、９０°と、炭素繊維１５同士が重ならないように繊維の巻回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。

一方、ヘリカル巻きとは、ライナー１０の中心軸Ｌと炭素繊維１５の巻回方向とがなす角度が所定の角度となるように、炭素繊維１５を螺旋状に巻回する方法である。ここでの所定の角度とは、任意に定めることができる。例えば、所定の角度を小さくすれば、炭素繊維１５が中心軸Ｌを一周する前に、ドーム部１２における炭素繊維１５の巻回方向の折り返しが生じる巻回方法（すなわち、低角度ヘリカル巻き）を実現できる。一方、所定の角度を大きくすれば、ドーム部１２における炭素繊維１５の巻回方向の折り返しが生じるまでに、胴体部１１において炭素繊維１５が中心軸Ｌを少なくとも一周する巻回方法（すなわち、高角度ヘリカル巻き）を実現できる。

本実施形態において、第２工程は、巻回開始位置から炭素繊維１５をライナー１０の外周に巻回する繊維巻回ステップと、繊維巻回ステップ終了後、上述巻回開始位置にのみ超音波を照射する超音波照射ステップとを有し、且つ、繊維巻回ステップ及び超音波照射ステップは層毎に行われている。

具体的には、図２に示すようにライナー１０にＮ層目の繊維を巻回する際に、リール１６から炭素繊維１５が繰り出されて、Ｎ層目の繊維巻回開始位置から炭素繊維１５の巻回を開始する（ステップＳ１０）。このとき、上述したようにライナー１０の回転トルクの急上昇によって、炭素繊維１５にかかる張力が高くなるため、該Ｎ層目の繊維巻回開始位置で炭素繊維１５の巻き締まりが発生し、繊維配向の乱れが生じる。そして、巻回開始位置で乱れが生じた状態のまま、炭素繊維１５が巻回し続けられ、胴体部１１及びドーム部１２の外周全体が全て巻回されたとき、該Ｎ層目の繊維巻回が終了する（ステップＳ１１）。なお、ステップＳ１０及びステップＳ１１は、上述の繊維巻回ステップに相当するものである。

続いて、図示しない超音波照射装置を用いて、Ｎ層目の巻回開始位置に超音波の照射が行われる（ステップＳ１２）。これによって、繊維配向が均一化され、繊維配向の乱れが抑制される。更に、超音波の照射によって、巻回開始位置における樹脂が平滑化される。なお、超音波の照射範囲としては、例えば炭素繊維１５の幅が２０ｍｍの場合、縦横がそれぞれ繊維５本分、すなわち１００ｍｍ×１００ｍｍであることが好ましく、２００ｍｍ×２００ｍｍであることがより好ましい。このようにすれば、繊維配向乱れの抑制効果及び樹脂の平滑化効果を更に高めることができる。

続いて、Ｎ＋１層目の繊維巻回を開始する（ステップＳ１３）。そして、上述した繊維巻回開始→繊維巻回終了→巻回開始位置に超音波照射は、定められた層数に達するまで繰り返し行われる。

第３工程では、炭素繊維１５が複数層巻回されたライナー１０を恒温槽に入れて、例えば８５℃程度の温度で加熱し、炭素繊維１５中の熱硬化性樹脂を熱硬化させる。これによって、高圧タンク１が製造される（図１（ｃ）参照）。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法では、巻回開始位置から炭素繊維１５をライナー１０の外周に巻回する繊維巻回ステップと、繊維巻回ステップ終了後、巻回開始位置にのみ超音波を照射する超音波照射ステップとを有する。このように繊維配向の乱れやすい繊維巻回開始位置に超音波を照射することで、繊維配向の均一化を図り、繊維配向の乱れを抑制することができる。しかも、繊維巻回ステップ及び超音波照射ステップは層毎に行われているので、繊維配向の均一化及び繊維配向乱れの抑制効果を更に高めることができる。その結果、繊維配向の乱れに起因する耐圧強度の低下を防止することができる。加えて、超音波照射によって、巻回開始位置の樹脂を平滑化させることができるので、Ｖｆ（繊維体積含有率）の増加を抑制することができる。その結果、Ｖｆの増加に起因する疲労強度の低下を防止することが可能である。

本願発明者は、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法で発明品を試作し、従来品との比較評価を行った。その結果を図３及び図４に示す。図３は配向率に関する発明品と従来品との比較結果を示す図であり、図４はバースト圧（すなわち、耐圧強度）に関する発明品と従来品との比較結果を示す図である。

図３から、従来品の場合は繊維配向率のばらつきが大きいことに対し、発明品の場合はばらつきが小さくなり、且つ９０％以上の配向率を得られたことが分かる。また、図４から、従来品と比べて発明品の耐圧強度が向上され、高圧タンクの安全性が高くなったことが分かる。

更に、本願発明者は、Ｖｆ（繊維体積含有率）と疲労サイクル試験との関係について調べた。その結果を表１に示す。疲労サイクル試験は、８７．５ＭＰａ⇔２ＭＰａを２０ｓ／ｃｙｃの条件で常温液圧サイクル試験である。ＯＫ／ＮＧの判定基準は４５０００回クリアでき、且つ漏れがないことである。

表１から、Ｖｆ（繊維体積含有率）の減少に伴い疲労強度が高くなったことが分かる。

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。例えば、上述の実施形態において高圧水素タンクの例を挙げて説明したが、本発明は天然ガスや他の高圧ガスを貯留する高圧タンクにも適用される。また、上述の実施形態では、繊維として炭素繊維の例を挙げたが、ガラス繊維やその他の繊維であっても良い。

更に、上述の実施形態において、繊維巻回ステップ及び超音波照射ステップを層毎に行うことを説明したが、必要に応じて複数層（例えば３層）毎に行っても良く、或いは高圧タンクの強度に最も関係のある内層部分だけに対して行っても良い。更に、超音波の照射範囲としては、上述の実施形態において１００ｍｍ×１００ｍｍ又は２００ｍｍ×２００ｍｍの例を説明したが、必要に応じて照射範囲を広げても良い。

１ 高圧タンク
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 炭素繊維
１６ リール
１７ バルブ
２０ 繊維強化樹脂層
Ｌ 中心軸

Claims (1)

1. ライナーの外周に樹脂を含浸した繊維を複数層巻回して高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
   巻回開始位置から前記繊維を前記ライナーの外周に巻回する繊維巻回ステップと、
   前記繊維巻回ステップ終了後、前記巻回開始位置にのみ超音波を照射する超音波照射ステップと、
   を有することを特徴とする高圧タンクの製造方法。