(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記繊維強化樹脂シートは、前記繊維強化樹脂シートの幅方向に沿って配向された第1強化繊維と、前記繊維強化樹脂シートの長さ方向に沿って、前記長手方向に沿った前記胴体部の幅に応じた幅で配向された第2強化繊維と、を有しており、
前記繊維強化樹脂シートを巻き付ける工程において、前記第1強化繊維が、前記胴体部および前記治具の長手方向に沿って配置され、前記第2強化繊維が、前記胴体部の長手方向に亘って前記胴体部を周回するように、前記繊維強化樹脂シートを、前記一対の前記治具と共に前記胴体部に巻き付けることを特徴とする請求項1に記載のタンクの製造方法。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に示す製造方法は、シート状の繊維強化樹脂から筒状部を成形した際には、筒状部は、タンク(ライナー)のドーム状の側端部を覆わないため、筒状部では、タンクの補強を十分にすることができない。
【0006】
したがって、タンクのドーム状の側端部を補強するために、特許文献1に示すように、フィラメントワインディング法で、厚みの厚いヘリカル層(第2ヘリカル層)を成形せねばならず、タンクの製造時間が長くなり、タンクの製造コストが高くなってしまう。
【0007】
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、側端部の強度を高めたタンクを簡単に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にある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を鑑みて、本発明に係るタンクの製造方法は、筒状の胴体部と、前記胴体部の両側に形成されたドーム状の側端部と、を有するライナーを少なくとも備えたタンクの製造方法であって、前記ライナーの前記胴体部の外周面のうち、前記胴体部の長手方向と直交する断面の形状および大きさと、同じ形状および大きさの外周面を有した一対の治具を、前記胴体部の長手方向から見て前記胴体部の外周面と、前記治具の外周面とが一致するように、前記ライナーの両側に配置する工程と、前記一対の治具の少なくとも一部の外周面と共に前記胴体部の外周面に、1枚の繊維強化樹脂シートを複数回巻き付ける工程と、前記ライナーに巻き付いた状態の繊維強化樹脂シートを、前記ライナーの胴体部と前記治具との間で捩じることにより、前記繊維強化樹脂シートを前記側端部に倣わせる工程と、前記ライナーと前記治具との間で、前記繊維強化樹脂シートを切断する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。
【0009】
本発明によれば、ライナーの胴体部から側端部まで、1枚の繊維強化樹脂シートが複数回巻き付いた繊維強化樹脂層で覆うことができるので、側端部の強度を高めることができる。また、フィラメントワインディング法のみで側端部の強度を高める場合に比べて、簡単にタンクを製造することができる。ここで、「胴体部の長手方向」とは、一方側の側端部から他方側の側端部へ向かう方向のことをいい、胴体部が円筒状である場合には、胴体部の軸心に沿った方向のことをいう。
【0010】
より好ましい態様としては、前記繊維強化樹脂シートは、前記繊維強化樹脂シートの幅方向に沿って配向された第1強化繊維と、前記繊維強化樹脂シートの長さ方向に沿って、前記長手方向に沿った前記胴体部の幅に応じた幅で配向された第2強化繊維と、を有しており、前記繊維強化樹脂シートを巻き付ける工程において、前記第1強化繊維が、前記胴体部および前記治具の長手方向に沿って配置され、前記第2強化繊維が、前記胴体部の長手方向に亘って前記胴体部を周回するように、前記繊維強化樹脂シートを、前記一対の前記治具と共に前記胴体部に巻き付ける。ここで、繊維強化樹脂シートの「幅方向」とは、繊維強化樹脂シートを巻き付けた状態における胴体部の長手方向(一方側の側端部から他方側の側端部へ向かう方向)のことをいい、繊維強化樹脂シートの「長さ方向」とは、この幅方向に対して直交する方向のことをいう。
【0011】
この態様によれば、繊維強化樹脂シートを側端部に倣わせる工程において、捩られる繊維強化樹脂シートの部分に存在する強化繊維は、長手方向に沿って配置された第1強化繊維からなる。これにより、繊維強化樹脂シートを捩じり易く、繊維強化樹脂シートを側端部に倣わせ易い。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、側端部の強度を高めたタンクを簡単に製造することができる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に、本発明の実施形態に係るタンクの製造方法を、図面を参照しながら説明する。
1.タンク1について
図1は、本発明の実施形態に係る製造方法で製造されたタンク1の模式的斜視図であり、
図2は、
図1のA−A線矢視断面図である。
図3(a)は、
図2のB−B線矢視断面図であり、
図3(b)は、
図3(a)に示す断面図の第2強化繊維42の配置状態を示した図である。なお、
図2および
図3(a)では、説明上、
図1に示す繊維強化樹脂層4の厚さよりも、その厚さを厚く描いている。
【0015】
図1および
図2に示すように、本実施形態に係るタンク1は、例えば70MPa程度の高圧水素ガスが収容(充填)するタンクである。タンク1は、ライナー2を備えている。ライナー2は、タンク1と略同形状であり、円筒状の胴体部21と、胴体部21の両側に形成されたドーム状の側端部22とを備えている。ライナー2の内部には、高圧水素ガスを収容する収容空間Sが形成されている。
【0016】
ライナー2の材料は、ポリエステル系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂(例えば6−ナイロン樹脂または6,6−ナイロン樹脂)、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、アクリル系樹脂、またはABS系樹脂などの熱可塑性樹脂を挙げることができる。またこの他のも、アルミニウム合金、ステンレス鋼などの金属であってもよい。このような材料を用いることにより、収容空間Sに収容された水素ガスが透過することを防止することができる。
【0017】
本実施形態では、ライナー2の両側には、ライナー2の側端部22を収容空間S側に折り返すようにして、口金3,3が取り付けられている。各口金3には、管状部31が形成されており、管状部31には、貫通孔32が形成されている。
【0018】
タンク1を使用する際には、一方の口金3に形成された貫通孔32を封止し、他方の貫通孔32から、収容空間Sに水素ガスの供給および排出を行う。口金3の材料は、アルミニウム合金等の金属からなるが、この他にも、ライナー2の材料で例示した熱可塑性樹脂であってもよい。
【0019】
ライナー2および一対の口金3,3の表面には、これらを覆うように繊維強化樹脂層4が形成されている。具体的には、繊維強化樹脂層4は、1つのシート状の層であり、ライナー2の胴体部21、その両側の側端部22,22、および各側端部22に取付けられた口金3,3に亘って、これらの表面を、胴体部21の軸心CLに直交する方向から複数回周回している(例えば
図2および3(a)参照)。
【0020】
このように、タンク1に、複数回周回させた1つのシート状の繊維強化樹脂層4を設けることにより、タンク1は、その軸心CLに直交する断面(すなわち胴体部21の長手方向と直交する断面)において、より均一な耐圧性を有することができる。
【0021】
繊維強化樹脂層4は、強化繊維に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂が含浸されたシート状の層である。強化繊維は、短繊維、長繊維、または連続した繊維(連続強化繊維)、布状繊維であってもよいが、本実施形態では、繊維強化樹脂層4の強化繊維は、胴体部21の軸心CLの方向に配置された第1強化繊維41と、胴体部21を周回する第2強化繊維42からなる。
【0022】
後述する製造方法からも明らかなように、第1強化繊維41は、タンク1の両側に配置された口金3,3に亘って連続した強化繊維である。一方、第2強化繊維42は、
図3(b)に示すように、胴体部21の周方向に沿って引き揃えられた連続強化繊維であり、第2強化繊維42は、胴体部21の軸心CLと直交する方向に配向している。
【0023】
より具体的には、第2強化繊維42は、胴体部21の軸心CLに対して直交した断面で、胴体部21の軸心CLの周りを連続して複数回周回している。すなわち、第2強化繊維42の巻き付き方向は、繊維強化樹脂層4の巻き付き方向に一致している。
【0024】
これにより、タンク1の胴体部11には、タンク1の内圧により胴体部11にフープ応力が作用する方向に、第2強化繊維42が連続して複数回周回することになるので、タンク1の胴体部11の強度を高めることができる。
【0025】
ここで、第1および第2強化繊維41,42として、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、PBO繊維、天然繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維を挙げることができる。
【0026】
繊維強化樹脂層4に含まれる樹脂が、熱可塑性樹脂である場合、上述したライナー2の材料で例示した熱可塑性樹脂を挙げることができる。繊維強化樹脂層4に含まれる樹脂が、熱硬化性樹脂である場合には、例えば、エポキシ系樹脂、ビニルエステル樹脂に代表される変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミドを挙げることができる。
【0027】
2.タンク1の製造方法について
以下に、
図1に示すタンク1の製造方法を、
図4〜
図7を参照しながら説明する。
まず、
図4に示すように、ライナー2の胴体部21の外周面25のうち、胴体部21の長手方向と直交する断面(切断面)における形状および大きさと同じ形状および大きさの外周面61を有した一対の治具6,6を準備する。
【0028】
具体的には、本実施形態では、各治具6,6は、円筒状または円柱状の治具本体62と、ライナー2に連結される連結シャフト63と、を備えており、治具本体62は、ライナー2の円筒状の胴体部21の外周面25の直径と同じ直径の外周面61を有している。連結シャフト63は、治具本体62の端面から治具6の軸心CHに沿って延在している。
【0029】
次に、ライナー2の一方側の側端部22から他方側の側端部22を見たときに(すなわち、胴体部21の長手方向から見たときに)、胴体部21の外周面25と、治具6,6の外周面61とが一致するように、一対の治具6,6をライナー2の両側に配置する。本実施形態では、胴体部21は円筒状であり、治具本体62は円筒状または円柱状であるので、一対の治具6,6を、ライナー2の胴体部21の軸心CLと、治具6の軸心CHとが一致するように、ライナー2の両側に配置する。具体的には、治具6の連結シャフト63を、ライナー2に取付けられた口金3の貫通孔32に取付ける。
【0030】
例えば、図示しないが、口金3の貫通孔32に雌ネジ部を形成し、連結シャフト63の先端に、この雌ネジ部に螺着する雄ネジ部を形成すれば、ライナー2の胴体部21の軸心CLと、治具6の軸心CHとを簡単に一致させることができる。
【0031】
次に、
図5に示すように、繊維強化樹脂シート4Aを準備する。なお、巻き付け後の繊維強化樹脂シート4Aは、繊維強化樹脂層4に相当する。
図5に示すように、繊維強化樹脂シート4Aは、上述した第1強化繊維41と第2強化繊維42とを有し、これらの強化繊維に樹脂が含浸されている。
【0032】
第1強化繊維41は、繊維強化樹脂シート4Aの幅方向に沿って配向されており、第2強化繊維42は、繊維強化樹脂シート4Aの長さ方向(胴体部21に巻き付く方向)に沿って、胴体部21の長手方向に沿った胴体部21の幅に応じた幅で配向されている。本実施形態では、第1強化繊維41と第2強化繊維42とは、直交しており、第1強化繊維41と第2強化繊維42とは、織り込まれていてもよく、これらが重ね合わさっていてもよい。
【0033】
次に、ライナー2および一対の治具6,6をマンドレルとして、ライナー2が軸心CLの周りを回転するように、これらを巻付機(図示せず)に取付ける。次に、ライナー2を回転させながら、ライナー2の胴体部21の軸心CLに対して直交する方向から、一対の治具6,6の外周面61,61の一部と共にライナー2の胴体部21の外周面25に1枚の繊維強化樹脂シート4Aを複数回巻き付ける。
【0034】
具体的には、第1強化繊維41が、胴体部21および治具6の軸心CL,CHの方向に沿って配置され、第2強化繊維42が、胴体部21の長手方向に亘って胴体部21を周回するように、繊維強化樹脂シート4Aを、一対の治具6,6と共に胴体部21に巻き付ける。
【0035】
本実施形態では、上述したように、ライナー2の胴体部21の外周面25のうち、胴体部21の長手方向と直交する切断面の形状および大きさ(すなわち直径)と、治具6の外周面61のうち、治具6の長手方向と直交する切断面の形状および大きさ(すなわち直径)とを同じにした。これにより、
図6に示すように、繊維強化樹脂シート4Aが弛むことなく、繊維強化樹脂シート4Aを、ライナー2の胴体部21と治具6とに複数回巻き付けることができる。このような結果、筒状の繊維強化樹脂シート4Aを簡単に成形することができる。
【0036】
繊維強化樹脂シート4Aに含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合、ヒータで繊維強化樹脂シート4Aを熱可塑性樹脂の軟化点以上に加熱する。加熱した繊維強化樹脂シート4Aの熱可塑性樹脂が溶融した状態で、繊維強化樹脂シート4Aをライナー2および治具6に複数回巻き付ける。巻き付けた状態の繊維強化樹脂シート4Aを、放冷または強制冷却により冷却し、熱可塑性樹脂の温度を軟化点未満とし、熱可塑性樹脂を固化させてもよく、後述する
図7に示す工程後に、これを固化させてもよい。
【0037】
一方、繊維強化樹脂シート4Aに含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合、繊維強化樹脂シート4Aをライナー2に巻き付け、この時点では、繊維強化樹脂シート4Aを加熱せず、熱硬化性樹脂を硬化させない。
【0038】
次に、
図7に示すように、
図6に示す状態から繊維強化樹脂シート4Aをライナー2の側端部22に倣わせる。具体的には、ライナー2に巻き付いた状態の繊維強化樹脂シート4Aを、ライナー2の胴体部21と治具6との間で、治具6の軸心CHの周りに捩じることにより、繊維強化樹脂シート4Aをライナー2の側端部22に倣わせる。
【0039】
より具体的には、
図6に示すように、ライナー2の胴体部21に巻き付いた繊維強化樹脂シート4Aの部分45に対して、治具6に巻き付いた繊維強化樹脂シート4Aの部分46を軸心CHの周りに回動する。ライナー2は、連結シャフト63を介して治具6に連結されているので、ライナー2の胴体部21の軸心CLと治具6の軸心CHとがずれることなく、このような作業を容易に行うことができる。
【0040】
さらに、本実施形態では、治具6,6の軸心CH周りに捩られる繊維強化樹脂シート4Aの部分47に存在する強化繊維は、治具6の軸心CHの方向に沿って配置された第1強化繊維41からなる。これにより、繊維強化樹脂シート4Aをこの部分47で捩じり易く、繊維強化樹脂シート4Aを、ライナー2の側端部22に簡単に倣わせることができる。
【0041】
ここで、繊維強化樹脂シート4Aに含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合、必要に応じて繊維強化樹脂シート4Aを加熱して、熱可塑性樹脂を軟化させた状態で、繊維強化樹脂シート4Aをライナー2の側端部22に倣わせる。その後、繊維強化樹脂シート4Aを冷却し、熱可塑性樹脂を固化させる。
【0042】
一方、繊維強化樹脂シート4Aに含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合、繊維強化樹脂シート4Aをライナー2の側端部22に倣わせた後、繊維強化樹脂シート4Aを加熱する。これにより、熱硬化性樹脂を硬化させる。
【0043】
次に、
図7に示す状態から、ライナー2と治具6との間で、繊維強化樹脂シート4Aを切断する。具体的には、口金3の端面に沿って、繊維強化樹脂シート4Aを切断する。これにより、
図1に示すタンク1を得ることができる。
【0044】
本実施形態では、ライナー2の胴体部21から側端部22まで1枚の繊維強化樹脂シート4Aを巻きけて、繊維強化樹脂層4を成形している。これにより、フィラメントワインディング法のみで、ライナー2の側端部22を補強する場合に比べて、安価かつ短時間で、側端部12の強度を高めたタンク1を製造することができる(
図1、
図2参照)。
【0045】
さらに、本実施形態では、口金3にも、1枚の繊維強化樹脂シート4Aを巻きけて繊維強化樹脂層4を成形しているので、口金3に作用する軸心CLの方向のタンク1の内圧に対して、タンク1の強度を高めることができる。
【0046】
ここで、
図1に示すタンク1に対して、必要に応じて、ヘリカル巻きにより補強層5をさらに成形してもよい。具体的には、
図8に示すように、タンク1に対して、樹脂が含浸された連続繊維5Aのフィラメントで、フィラメントワインディング法によりヘリカル巻きし、
図9に示す如き補強層5を成形する。
【0047】
本実施形態では、タンク1の側端部12,12間において、連続繊維5Aが、タンク1の胴体部11の軸心CLの周りを一周する前に、各側端部12において、連続繊維5Aの巻き付け方向が折り返されるように巻き付ける。このようにして、
図9に示すように、樹脂が含浸された連続繊維5Aのフィラメントが、タンク1の両側の側端部12,12をわたすように、ヘリカル巻で巻き付いた補強層5を成形することができる。
【0048】
また、この他の巻き付け方法として、タンク1の側端部12,12間において、連続繊維5Aが、胴体部11の軸心CLの周りを少なくとも複数回巻き付した後に、各側端部12において、連続繊維5Aの巻き付け方向が折り返されるように巻き付けてもよい。
【0049】
連続繊維5Aに含浸された樹脂が熱可塑性樹脂である場合、加熱しながら、熱可塑性樹脂を軟化させた状態で、連続繊維5Aを巻き付ける。一方、連続繊維5Aに含浸された樹脂が熱硬化性樹脂である場合、連続繊維5Aを巻き付けた後、(未硬化の)熱硬化性樹脂を加熱して、これを硬化させる。
【0050】
このようにして、
図9,10に示すように、補強層5が形成されたタンク1’を製造することができる。タンク1’のライナー2の側端部22には、上述した繊維強化樹脂層4が形成されているので、タンク1’の側端部12を補強する補強層5の厚みを薄くすることができ、安価かつ短時間に補強層5を形成することができる。
【0051】
本実施形態では、ライナー2の胴体部21から側端部22まで、1枚の繊維強化樹脂シート4Aを複数回巻き付けた繊維強化樹脂層4で覆われているので、その表面には段差等がない。これにより、繊維強化樹脂層4と補強層5との間に、段差等に起因した空孔が形成され難く、タンク1’の強度の低下を抑えることができる。
【0052】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【0053】
本実施形態では、治具の連結シャフトにライナーを連結した状態で、繊維強化樹脂シートをライナーと治具に巻き付けたが、繊維強化樹脂シートにライナーと治具を巻き付けることができるのであれば、治具がライナーに連結されていなくてもよい。
【0054】
本実施形態では、一対の治具を、ライナーの両側に配置したが、治具の代わりに同じ形状のライナーを軸心方向に配置して、これらのライナーに繊維強化樹脂シートを巻き付けた後、繊維強化樹脂シートを側端部に倣わせてもよい。
【0055】
本実施形態では、胴体部が円筒状であるので、ライナーの胴体部の外周面のうち、胴体部の長手方向と直交する切断面の形状および大きさと、治具の外周面のうち、治具の長手方向と直交する切断面の形状および大きさと、を同じにした。しかしながら、胴体部の外周面の切断面の形状が多角形状、楕円形状などの形状であってもよく、この場合には、治具の外周面のうち、治具の長手方向と直交する切断面の形状および大きさを、胴体部のものと同じにすればよい。