特許 6189791 タンクの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6189791

(24)【登録日】2017年8月10日

(45)【発行日】2017年8月30日

(54)【発明の名称】タンクの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/32 20060101AFI20170821BHJP

   B29K 101/10 20060101ALN20170821BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20170821BHJP

   B29L 22/00 20060101ALN20170821BHJP

【ＦＩ】

   B29C70/32

   B29K101:10

   B29K105:08

   B29L22:00

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-102068(P2014-102068)

(22)【出願日】2014年5月16日

(65)【公開番号】特開2015-217573(P2015-217573A)

(43)【公開日】2015年12月7日

【審査請求日】2016年7月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006297

【氏名又は名称】村田機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】特許業務法人明成国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100179578

【弁理士】

【氏名又は名称】野村 和弘

(72)【発明者】

【氏名】八田 健

(72)【発明者】

【氏名】谷川 元洋

(72)【発明者】

【氏名】中村 大五郎

【審査官】 辰己 雅夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１７３３４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２６４７１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１２５８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４３０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０９４６４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２７４３０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１６６３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７９６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３１８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００２５４１２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ７０／００−７０／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒部とその両端側にドーム部とを備えるタンクであり、熱硬化樹脂を含む層を外周に備えるタンクの製造方法であって、
前記熱硬化樹脂を含ませた繊維をヘリカル状に前記タンクへ巻きつけるヘリカル巻き工程と、
前記熱硬化樹脂を熱硬化させるための熱処理工程と、を備え、
前記ヘリカル巻き工程において、
前記ドーム部に巻かれた繊維を室温以上であり前記熱硬化樹脂の融点以下に加熱しつつ、
前記熱硬化樹脂を、前記層の表層から内層へ、または、前記タンクの軸線方向における前記タンクの両端側から中心側へ、移動させる、
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、タンクの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、高圧流体タンクの製造方法として、フィラメントワインディング（Filament Winding）法（以下、「FW法」とも呼ぶ）が知られている（例えば、特許文献１）。FW法とは、タンク（「ライナー」とも呼ぶ）の外周に、予め熱硬化樹脂を含浸させた強化繊維を幾重にも巻き付け、熱硬化樹脂を熱硬化させてタンクを製造する方法である。FW法を用いることにより、ライナーの表層に高強度の繊維強化樹脂層を形成できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９−０５１０１４号公報

【特許文献2】特開２０１０−２６４７１８号公報

【特許文献3】特開２０１０−２３４６５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、樹脂を含ませた繊維をタンクへ巻きつける際、樹脂が染み出すという課題があった。樹脂が染み出す原因としては、（ｉ）繊維をタンクへ巻きつける際にタンクを回転させるために生じる遠心力や、（ｉｉ）繊維をタンクへ巻きつける際に繊維に係る張力が考えられる。

【0005】

図５は、タンク５に繊維を巻きつけた際に、繊維から樹脂が染み出した様子を示す模式図である。なお、タンク５の略円柱状の部分を胴体部１とし、胴体部１の両端から連続して形成された略半球状の部分をドーム部２とする。

【0006】

ヘリカル巻きにより、ドーム部２において樹脂が多く分布する樹脂集中部分３が発生する。ドーム部２は厳密には半球状ではないため、ドーム部２には凹凸が存在する。この凹凸により、繊維をタンクへ巻きつける際の張力が強くかかる部分が樹脂集中部分３である。

【0007】

フープ巻きにより、胴体部１とドーム部２の境界付近において樹脂が多く分布する樹脂集中部分４が発生する。フープ巻きにおいて、樹脂は繊維の巻きつけが進行する側へと移動する。その結果、フープ巻きが終了した際、胴体部１とドーム部２の境界付近において樹脂が多く分布する樹脂集中部分４が発生する。

【0008】

また、樹脂が染み出した結果、樹脂の分布が不均一となる。このため、樹脂を熱硬化させた後に、樹脂のない部分では繊維同士が接着せず、所望の強度が確保されない部分がタンクに生じ得るという課題があった。

【0009】

そのほか、タンクの製造方法においては、その低コスト化、省資源化、容易化、などが望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決す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。

【0011】

（１）本発明の一形態によれば、円筒部とその両端側にドーム部とを備えるタンクであり、熱硬化樹脂を含む層を外周に備えるタンクの製造方法が提供される。このタンクの製造方法は、前記熱硬化樹脂を含ませた繊維をヘリカル状に前記タンクへ巻きつけるヘリカル巻き工程と、前記熱硬化樹脂を熱硬化させるための熱処理工程と、を備え、前記ヘリカル巻き工程において、前記ドーム部に巻かれた繊維を室温以上であり前記熱硬化樹脂の融点以下に加熱しつつ、前記熱硬化樹脂を、前記層の表層から内層へ、または、前記タンクの軸線方向における前記タンクの両端側から中心側へ、移動させる。この形態によれば、繊維をタンクへ巻きつける際に染み出した樹脂を、粘度を下げた状態で移動させることができる。つまり、この形態によれば、熱硬化樹脂を、層の表層から内層へ、または、タンクの軸線方向におけるタンクの両端側から中心側へ、移動させるため、樹脂の分布の不均一を抑制できる。

【0012】

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、タンクの製造方法を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に用いるタンク５０について中心軸ＣＸを通る切断面で切断したときの概略断面図。

【図2】本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディングシステム１００の構成を示す概略図。

【図3】熱硬化樹脂を含む層２１を外周に備えるタンクの製造方法を示す工程図。

【図4】タンク５０に風を当てる様子を示す模式図。

【図5】タンク５に繊維を巻きつけた際に繊維から樹脂が染み出した様子を示す模式図。

【発明を実施するための形態】

【0014】

Ａ．実施形態：
Ａ１．タンク５０の構成：
図１は、本発明の一実施形態に用いるタンク５０について、中心軸ＣＸを通る切断面で切断したときの概略断面図である。本実施形態において、タンク５０は、燃料電池用のガスタンクである。

【0015】

タンク５０は、口金部１３を備えるライナー１０と、繊維層２１とを備えている。ライナー１０は、燃料電池に供給するガスを収容する密閉容器である。ライナー１０は、中央部分に形成された略円筒状の胴体部１１（以下、円筒部ともよぶ）と、胴体部１１の両端から連続して形成された略半球状のドーム部１２とを備える。ライナー１０の材料としては、高強度のアルミニウム材やステンレス材や、樹脂材を用いることができる。

【0016】

口金部１３は、ドーム部１２の先端に設けられており、金属で形成されている。口金部１３は、ライナー１０へガスを収容する際の配管としての役割を担っている。繊維層２１は、タンクの強度を上げるために設けられている。本実施形態において、繊維層２１を構成する繊維２２は、繊維径が３〜８μｍ程度の繊維である。また、本実施形態において、繊維２２はカーボン繊維であり、熱硬化樹脂であるエポキシ樹脂を予め含浸した繊維である。繊維２２の素材としては、例えば、レーヨン系カーボン繊維や、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維や、ピッチ系カーボン繊維を用いることができる。

【0017】

Ａ２．フィラメントワインディングシステム１００の構成：
図２は、本発明の一実施形態としてのフィラメントワインディングシステム１００の構成を示す概略図である。図２には、説明を容易にするために、相互に直行するＸＹＺ軸が図示されている。

【0018】

フィラメントワインディングシステム１００は、フィラメントワインディング法により、ライナー１０の外周に、繊維２２を巻きつけるためのシステムである。フィラメントワインディングシステム１００は、ヘリカル巻装置２００と、フープ巻装置５００と、制御部６００と、基台３００とを備えている。フィラメントワインディング法は、（ｉ）ライナー１０の外周に、予め熱硬化樹脂を含浸させた繊維２２を巻き付ける工程と、（ｉｉ）熱硬化樹脂を熱硬化させる工程と、を備える。（ｉ）ライナー１０の外周に繊維２２を巻き付ける工程としては、ヘリカル巻工程、フープ巻工程の少なくとも一方を備える。

【0019】

制御部６００は、フィラメントワインディングシステム１００の各装置を制御するための制御ユニットである。制御部６００は、各装置の制御に使用されるＣＰＵ、ＲＡＭ，ＲＯＭを備える。制御部６００は、フィラメントワインディングシステム１００の各装置を制御することにより、所望の位置に、所望の張力で繊維２２をライナー１０に巻き付けることができる。

【0020】

ヘリカル巻装置２００とフープ巻装置５００とは、基台３００に取り付けられている。基台３００は、第１のレール３０２と、第２のレール３０４と、支持台３１０とを備えている。第１のレール３０２は、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に延伸する一対の溝である。支持台３１０は、図示しない駆動機構を制御部６００が制御することによって、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第１のレール３０２上を移動できる。支持台３１０が第１のレール３０２上を移動することにより、ヘリカル巻装置２００に対して支持台３１０に支持されたライナー１０が相対的に移動できる。

【0021】

また、第２のレール３０４は、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に延伸する一対の溝である。フープ巻装置５００は、図示しない駆動機構を制御部６００が制御することによって、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第２のレール３０４上を移動できる。

【0022】

支持台３１０は、ライナー１０を支持する装置である。支持台３１０は、移動台３１２と、支持柱３１４と、チャック３１６と、シャフト３１８と、を備える。チャック３１６は、ライナー１０の口金部１３を保持する。シャフト３１８は、チャック３１６と支持柱３１４とを固定する。シャフト３１８は、ライナー１０の中心軸ＣＸを中心として回転させる駆動機構（図示せず）に接続されている。本実施形態において、シャフト３１８の中心軸ＡＸと、ライナー１０の中心軸ＣＸとは一致する。

【0023】

また、シャフト３１８は、ノズル７１０とノズル７３０とを備える。ノズル７１０は、シャフト３１８の紙面右側（＋Ｘ方向側）に備えられ、紙面右側（＋Ｘ方向側）から紙面左側（−Ｘ方向側）に風を噴出できる。ノズル７１０は、温風ノズル７１２と冷風ノズル７１４とを備え（図４についても参照）、温風ノズル７１２は温風を噴出でき、冷風ノズル７１４は冷風を噴出できる。一方、ノズル７３０は、シャフト３１８の紙面左側（−Ｘ方向側）に備えられ、紙面左側（−Ｘ方向側）から紙面右側（＋Ｘ方向側）に風を噴出できる。ノズル７３０は、温風ノズル７３２と冷風ノズル７３４とを備え（図４についても参照）、温風ノズル７３２は温風を噴出でき、冷風ノズル７３４は冷風を噴出できる。

【0024】

ヘリカル巻装置２００は、ライナー１０に繊維２２をヘリカル状に巻き付ける装置である。ヘリカル巻とは、ライナー１０の軸線方向に対して所定の角度でライナー１０に繊維２２を巻き付ける巻き方をいう。ライナー１０に繊維２２をヘリカル状に巻つけることにより、ライナー１０の軸線方向（Ｘ軸方向）におけるライナー１０の強度を増加させることができる。

【0025】

ヘリカル巻装置２００は、複数のホルダー２０６と、複数のボビン２０８と、テンション部２１０と、棚２１４と、ヘリカル巻ヘッド２１６を備える。図３に示すように、ホルダー２０６は、棚２１４に設けられており、ホルダー２０６には、繊維２２が巻かれたボビン２０８が備えられている。

【0026】

棚２１４とヘリカル巻ヘッド２１６との間には、テンション部２１０が設けられており、テンション部２１０は、繊維２２に所定の張力を付与する。テンション部２１０により所定の張力が付与された繊維２２は、ヘリカル巻ヘッド２１６を介してライナー１０に巻かれる。なお、本実施形態において、繊維２２は、ボビン２０８からテンション部２１０を経由してヘリカル巻ヘッド２１６に設置されているが、図の理解を容易とするため、その部分の繊維２２は図示していない。

【0027】

フープ巻装置５００は、ライナー１０に繊維２２をフープ状に巻き付ける装置である。フープ巻とは、ライナー１０の軸線方向に対して略直角の角度でライナー１０に繊維を巻き付ける巻き方をいう。ライナー１０に繊維２２をフープ状に巻きつけることにより、ライナー１０の径方向（Ｙ軸方向）におけるライナー１０の強度を増加させることができる。

【0028】

フープ巻装置５００は、複数のホルダー１０６と、複数のボビン１０８と、ノズル７２０とを備える。ホルダー１０６は、ボビン１０８を固定する装置であり、ボビン１０８には、繊維２２が巻かれている。支持台３１０に備えられた駆動機構によってライナー１０を回転させることにより、ボビン１０８に巻かれた繊維２２をライナー１０に巻きつけることができる。

【0029】

また、フープ巻装置５００は、図示しない駆動機構を制御部６００が制御することによって、基台３００の長手方向（Ｘ軸方向）に沿って第２のレール３０４上を移動できる。このため、繊維２２をライナー１０に巻き付ける位置を調節することができる。

【0030】

ノズル７２０は、温風ノズル７２２と冷風ノズル７２４とを備える（図４についても参照）。温風ノズル７２２は、温風を噴出することができ、冷風ノズル７２４は冷風を噴出することができる。ノズル７２０は、フープ巻装置５００の鉛直上側（＋Ｙ方向側）に設けられており、鉛直上側（＋Ｙ方向側）から鉛直下側（−Ｙ方向側）に風を噴出することができる。

【0031】

図３は、熱硬化樹脂を含む層２１を外周に備えるタンクの製造方法を示す工程図である。本実施形態において、繊維２２をタンク５０へ巻きつける工程は、（ｉ）繊維２２をヘリカル状にタンク５０へ巻きつけるヘリカル巻き工程と、（ｉｉ）繊維２２をフープ状にタンク５０へ巻きつけるフープ巻き工程とを備える。本実施形態において、ヘリカル巻き工程とフープ巻き工程とは相互に行なわれる。

【0032】

まず、ステップＳ１００において、制御部６００は、ヘリカル巻き工程を行なう。この工程において、制御部６００は、ノズルにより風を吹き付けさせる。

【0033】

図４は、タンク５０に風を当てる様子を示す模式図である。制御部６００は、ノズル７１０とノズル７３０とを制御し、ノズル７１０の温風ノズル７１２とノズル７３０の温風ノズル７３２から温風を吹き付けさせる。温風の吹き付け方向は、タンク５０の中心軸ＣＸにおいて、タンク５０の両端側から中心側である。温風の温度は、温風ノズルの噴出口において、室温以上であり樹脂の融点以下である。本実施形態において、樹脂の融点は１００℃であり、温風の温度は６０℃から８０℃である。空気を加熱して温風とする手段として、本実施形態では、赤外線ヒータを用いる。なお、本明細書において、室温とは、２７℃とする。

【0034】

温風を用いることにより、樹脂の粘度が下がるため、樹脂の粘度が高い場合と比較して、樹脂の移動を容易に行なうことができる。このようにすることにより、染み出した樹脂を繊維層２１の表層から内層へと移動させることができ、かつ、タンク５０の両端側から中心側へと移動させることができる。

【0035】

なお、ヘリカル工程において、制御部６００は、ノズル７２０を制御し、ノズル７２０の冷風ノズル７２４から冷風を吹き付けさせる。このようにすることにより、温風によってタンク５０の中心付近に移動した樹脂の粘度を下げ、樹脂が垂れることを防止できる。本実施形態において、冷風の温度は、冷風ノズルの噴出口において、１０℃から３０℃である。

【0036】

次に、ステップＳ１１０において、制御部６００は、フープ巻き工程を行なう。この工程において、制御部６００は、ノズル７２０を制御し、ノズル７２０の温風ノズル７２２から温風を吹き付けさせる。温風は、繊維２２のタンク５０への巻きつけ部分に吹き付けられる。ここで、「繊維のタンクへの巻きつけ部分」とは、既に巻きつけられている繊維に続く繊維を、新たにタンクへ巻きつける部分をいう。温風の吹き付け方向は、中心軸ＣＸの垂直方向に沿って中心軸ＣＸに向かう方向である。このようにすることにより、染み出した樹脂を繊維層２１の表層から内層へと移動させることができる。

【0037】

なお、フープ工程において、制御部６００は、ノズル７１０とノズル７３０とを制御し、ノズル７１０の冷風ノズル７１４とノズル７３０の冷風ノズル７３４とから冷風を吹き付けさせる。このようにすることにより、ドーム部１２の樹脂の粘度を下げ、樹脂が垂れることを防止できる。

【0038】

ヘリカル巻き工程（ステップＳ１００）とフープ巻き工程（ステップＳ１１０）とは、制御部６００により巻き工程の終了指示がなされるまで繰り替えされる（ステップＳ１２０：ＮＯ）。

【0039】

制御部６００により巻き工程の終了指示がなされた場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、ステップＳ１３０において、制御部６００は熱処理工程を行なう。本実施形態において、熱処理工程は、タンク５０を２００℃とする。この工程により、熱硬化樹脂を熱硬化させることができる。以上の工程により、熱硬化樹脂を含む層２１を外周に備えるタンク５０が完成する。

【0040】

Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
本実施形態において、ヘリカル巻き工程とフープ巻き工程を交互に行なっている。しかし、本発明はこれに限定されない。少なくともヘリカル巻き工程を行なっていればよい。

【0041】

Ｂ２．変形例２：
本実施形態において、ヘリカル巻き工程をフープ巻き工程より先に行なっているが、フープ巻き工程をヘリカル巻き工程より先に行なってもよい。

【0042】

Ｂ３．変形例３：
本実施形態において、冷風ノズルにより冷風を吹き付けているが、冷風を吹き付けなくても良い。

【0043】

Ｂ４．変形例４：
本実施形態において、温風により加熱と樹脂の移動を行なっているが、これに限られず、ヒータを用いて加熱し、ヘラなどを用いて樹脂を移動させても良い。

【0044】

本発明は、上述の実施形態や変形例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、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】

【0045】

１０…ライナー
１１…胴体部
１２…ドーム部
１３…口金部
２１…繊維層
２２…繊維
５０…タンク
１００…フィラメントワインディングシステム
１０６…ホルダー
１０８…ボビン
２００…ヘリカル巻装置
２０６…ホルダー
２０８…ボビン
２１０…テンション部
２１４…棚
２１６…ヘリカル巻ヘッド
３００…基台
３０２…第１のレール
３０４…第２のレール
３１０…支持台
３１２…移動台
３１４…支持柱
３１６…チャック
３１８…シャフト
４００…データ取得部
５００…フープ巻装置
６００…制御部
６１０…記憶部
７１０…ノズル
７１２…温風ノズル
７１４…冷風ノズル
７２０…ノズル
７２２…温風ノズル
７２４…冷風ノズル
７３０…ノズル
７３２…温風ノズル
７３４…冷風ノズル
ＣＸ…中心軸
ＡＸ…中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】