特開 2024-132110 水素タンク用パイプ材の切断装置及び切断方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024132110

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】水素タンク用パイプ材の切断装置及び切断方法

(51)【国際特許分類】

   B26D 3/16 20060101AFI20240920BHJP

   B26D 7/08 20060101ALI20240920BHJP

   B26D 3/00 20060101ALI20240920BHJP

   F17C 1/16 20060101ALI20240920BHJP

   F16J 12/00 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

B26D3/16 A

B26D3/16 Z

B26D7/08 A

B26D3/00 601D

F17C1/16

F16J12/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023042771

(22)【出願日】2023-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000010065

【氏名又は名称】フクビ化学工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100133916

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 興

(72)【発明者】

【氏名】酒井 一雄

(72)【発明者】

【氏名】上田 修一

(72)【発明者】

【氏名】笛吹 祐登

(72)【発明者】

【氏名】岸田 知之

【テーマコード（参考）】

3E172

3J046

【Ｆターム（参考）】

3E172AA02

3E172AA05

3E172BA01

3E172BB03

3E172BB12

3E172BB17

3E172BC01

3E172BC04

3E172BD03

3E172CA22

3E172DA36

3J046AA14

3J046BA01

3J046CA03

3J046DA05

3J046EA00

(57)【要約】

【課題】水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を、その変形を抑止しながら効率的に切断する。
【解決手段】切断装置１は、超音波振動しながらパイプ材５０の周面に押し付けられる超音波カッター２と、超音波カッター２がパイプ材５０の周面に沿って相対的に円運動するように、超音波カッター２及びパイプ材５０の少なくとも一方をパイプ材５０の軸心回りに回転させる回転機構３とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を切断する装置であって、
超音波振動しながら前記パイプ材の周面に押し付けられる超音波カッターと、
前記超音波カッターが前記パイプ材の周面に沿って相対的に円運動するように、前記超音波カッター及び前記パイプ材の少なくとも一方を前記パイプ材の軸心回りに回転させる回転機構とを備えた、水素タンク用パイプ材の切断装置。

【請求項2】

請求項１に記載の水素タンク用パイプ材の切断装置において、
前記パイプ材の周面に沿って並ぶ複数の前記超音波カッターを備え、
前記回転機構は、複数の前記超音波カッターを同時に前記パイプ材の周面に沿って相対的に円運動させる、水素タンク用パイプ材の切断装置。

【請求項3】

請求項２に記載の水素タンク用パイプ材の切断装置において、
前記パイプ材の外側に配置されかつ前記パイプ材の中心を挟んで相対向する一対の前記超音波カッターを備えた、水素タンク用パイプ材の切断装置。

【請求項4】

請求項２に記載の水素タンク用パイプ材の切断装置において、
複数の前記超音波カッターは、前記パイプ材の外側において周方向に並ぶように配置され、
前記回転機構は、複数の前記超音波カッターを保持するとともに前記パイプ材と同心に配置されたリング状の保持部材と、当該保持部材を軸回りに回転させる回転駆動部とを含む、水素タンク用パイプ材の切断装置。

【請求項5】

水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を、超音波振動しながら前記パイプ材の周面に押し付けられる超音波カッターを用いて切断する方法であって、
前記超音波カッターが前記パイプ材の周面に沿って相対的に円運動するように、前記超音波カッター及び前記パイプ材の少なくとも一方を前記パイプ材の軸心回りに回転させる、水素タンク用パイプ材の切断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を切断する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料としての水素ガスの供給源として高圧の水素タンクが用いられる。この水素タンクとして、下記特許文献１のものが公知である。具体的に、特許文献１の水素タンク（ガスタンク）は、略楕円筒を呈する二層構造のタンクであって、内側の樹脂ライナーと、当該樹脂ライナーの外面を覆う補強層としてのＦＲＰ層とを含む。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第４５５２１５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１の水素タンクの樹脂ライナーは、例えば、所定長さに切り出された樹脂製のパイプ材を用いて製造され得る。一方で、水素タンクの樹脂ライナーの肉厚は、タンク容量の確保のためにできるだけ薄くすることが望まれる。このため、樹脂ライナーの製造時には、これに対応する非常に薄肉の樹脂製パイプ材を切断する作業が必要になる場合がある。しかしながら、薄肉の樹脂製パイプ材は、剛性が低いため、これをきれいに切断することは必ずしも容易ではない。

【0005】

例えば、ギロチン方式の切断機によりパイプ材を切断した場合には、刃物がパイプ材に強く押し付けられる結果、パイプ材の断面が変形したり、切断面に割れや欠けが生じたりするおそれがある。また、回転式の鋸刃を用いるチップソー切断機によりパイプ材を切断した場合には、切断面に線状の傷（ショックマーク）が生じる可能性がある他、大量の切粉が発生して材料の歩留まりが低下することが懸念される。

【0006】

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を、その変形を抑止しながら効率的に切断することが可能な切断装置及び切断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】

前記課題を解決するためのものとして、本発明の一局面に係る切断装置は、水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を切断する装置であって、超音波振動しながら前記パイプ材の周面に押し付けられる超音波カッターと、前記超音波カッターが前記パイプ材の周面に沿って相対的に円運動するように、前記超音波カッター及び前記パイプ材の少なくとも一方を前記パイプ材の軸心回りに回転させる回転機構と、を備えたものである。

【0008】

超音波振動する超音波カッターは、微視的に非常に高速でパイプ材に繰り返し接触、摺動し、高い摩擦熱を発生させる。本発明では、このような超音波カッターがパイプ材の周面に押し付けられながら相対的に円運動するので、パイプ材を軟化（溶融）させながら円周状にカットすることができる。このため、超音波カッターをパイプ材に押し付ける力（加工力）を大きくしなくても材料を分離させることができ、パイプ材の変形を抑止しながらパイプ材を切断することができる。また、パイプ材の切断面に割れや欠けが生じるのを抑止でき、切断面を円滑に仕上げることができる。さらに、切断時に発生する切粉の量を十分に低減でき、材料の歩留まりを高めることができる。

【0009】

好ましくは、前記切断装置は、前記パイプ材の周面に沿って並ぶ複数の前記超音波カッターを備え、前記回転機構は、複数の前記超音波カッターを同時に前記パイプ材の周面に沿って相対的に円運動させる。

【0010】

このように、パイプ材に対し複数の超音波カッターを同時に相対円運動させるようにした場合には、パイプ材の全周をカットするのに必要な各超音波カッターの周方向の相対移動量が少なく済むので、パイプ材の切断作業を効率化することができる。

【0011】

好ましくは、前記切断装置は、前記パイプ材の外側に配置されかつ前記パイプ材の中心を挟んで相対向する一対の前記超音波カッターを備える。

【0012】

このように、パイプ材の外側に一対の超音波カッターを対向配置した場合には、切断時に各超音波カッターからパイプ材に加わる加工力をバランスさせることができ、パイプ材の変形を抑止する上述した効果をより高めることができる。

【0013】

好ましくは、複数の前記超音波カッターは、前記パイプ材の外側において周方向に並ぶように配置され、前記回転機構は、複数の前記超音波カッターを保持するとともに前記パイプ材と同心に配置されたリング状の保持部材と、当該保持部材を軸回りに回転させる回転駆動部とを含む。

【0014】

この態様では、リング状の保持部材を回転させることにより、当該保持部材に保持された複数の超音波カッターを一括して周方向に移動させることができ、各超音波カッターを簡単かつ合理的にパイプ材の周面に沿って同時に回転（円運動）させることができる。

【0015】

本発明の他の局面に係る切断方法は、水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を、超音波振動しながら前記パイプ材の周面に押し付けられる超音波カッターを用いて切断する方法であって、前記超音波カッターが前記パイプ材の周面に沿って相対的に円運動するように、前記超音波カッター及び前記パイプ材の少なくとも一方を前記パイプ材の軸心回りに回転させるものである。

【0016】

この切断方法の発明によっても、上述した切断装置の発明と同様の効果を得ることができる。

【発明の効果】

【0017】

以上説明したように、本発明によれば、水素タンクのライナーとして用いられる樹脂製のパイプ材を、その変形を抑止しながら効率的に切断することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の一実施形態に係る切断装置の概略構成を示す側面図である。

【図2】上記切断装置の正面図である。

【図3】超音波カッターをパイプ材の周面に押し付ける状況を示す正面図である。

【図4】超音波カッターをパイプ材の周面に沿って回転させる状況を示す正面図であり、（ａ）は超音波カッターを９０°回転させた状況を、（ｂ）は超音波カッターを１８０°回転させた状況を、それぞれ示している。

【発明を実施するための形態】

【0019】

［切断装置１の構成］
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る切断装置１の概略構成を示す側面図及び正面図である。切断装置１は、水素タンクのライナーとして用いられる薄肉の樹脂製のパイプ材５０を切断する装置である。パイプ材５０が適用される水素タンクは、水素ガスを高圧状態で貯蔵するためのタンクであり、例えば車両用の燃料電池システムにおいて水素ガスの供給源として用いられ得る。水素タンクの容量をできるだけ確保するため、パイプ材５０の肉厚は可及的に小さくされる。例えば、パイプ材５０は、数ｍｍ程度の肉厚を有する。

【0020】

パイプ材５０は、水素ガスの透過を防ぐガスバリア性を備えた樹脂材料によって形成される。例えば、パイプ材５０の材質としては、ナイロン６系樹脂などが好適である。

【0021】

切断装置１は、一対の超音波カッター２と、回転機構３と、固定部材４とを備える。一対の超音波カッター２は、超音波振動しながらパイプ材５０を切断するカッターであり、パイプ材５０の中心を挟んで相対向するように配置されている。回転機構３は、各超音波カッター２をパイプ材５０の軸心回りに回転（円運動）させる機構である。固定部材４は、超音波カッター２及び回転機構３に対するパイプ材５０の軸方向の相対位置が固定されるようにパイプ材５０を保持するものである。

【0022】

主に図２に示すように、回転機構３は、保持部材３１及び回転駆動部３２を含む。保持部材３１は、超音波カッター２を保持するリング状の部材であり、パイプ材５０の外側においてパイプ材５０と同心に配置されている。回転駆動部３２は、保持部材３１を軸回りに回転させるアクチュエータである。

【0023】

回転駆動部３２は、電動式のモータ３３と、モータ３３の出力軸に連結されてモータ３３と一体に回転するプーリ３４と、プーリ３４と保持部材３１との間に掛け渡されたベルト３５とを含む。モータ３３によりプーリ３４が回転駆動されると、当該プーリ３４の回転がベルト３５を介して保持部材３１に伝達されて、保持部材３１が回転する。保持部材３１の回転は、これに保持された一対の超音波カッター２を一括して周方向に移動させる。これにより、パイプ材５０の周面に沿って各超音波カッター２が同時に回転（円運動）する。

【0024】

一対の超音波カッター２は、それぞれ、カッター刃２１及び支持体２２を含む。カッター刃２１は、パイプ材５０を切断するための刃物であり、パイプ材５０の径方向に沿って延びるように配置されている。支持体２２は、カッター刃２１を超音波振動させつつ保持する。

【0025】

カッター刃２１は、パイプ材５０と対向する支持体２２の内端からパイプ材５０の周面に向けて突出するように支持体２２に取り付けられている。カッター刃２１の先端部、つまりパイプ材５０に近い側の端部は、先端に向けて尖った形状とされている。

【0026】

詳細な図示は省略するが、支持体２２は、カッター刃２１を超音波振動させる振動子と、カッター刃２１を軸方向にスライドさせる直動シリンダーとを有する。振動子は、例えば電圧を受けて振動する圧電素子を含み、可聴域を超える高い周波数（例えば２万ヘルツ以上）の振動をカッター刃２１に付与する。直動シリンダーは、パイプ材５０の周面に対しカッター刃２１を離接させ得るようにカッター刃２１を軸方向に往復動させる。言い換えると、直動シリンダーは、パイプ材５０の周面にカッター刃２１を押し付ける動作と、パイプ材５０の周面からカッター刃２１を離間させる動作と、の双方を行い得るようにカッター刃２１を支持している。

【0027】

支持体２２は、リング状の保持部材３１の一箇所と、そこから周方向に１８０°離れた保持部材３１の他箇所と、にそれぞれ取り付けられている。言い換えると、超音波カッター２は、互いに１８０°の間隔を空けて周方向に並ぶようなレイアウトで保持部材３１に取り付けられている。

【0028】

［切断方法］
以上のような切断装置１を用いたパイプ材５０の切断は、例えば次のようにして行うことができる。まず、パイプ材５０を超音波カッター２の位置を跨ぐように配置した後、固定部材４によってパイプ材５０を保持する。すなわち、一対の超音波カッター２の各カッター刃２１の間にパイプ材５０の切断目標位置がくるようにパイプ材５０を軸方向に移動させ、その状態で固定部材４を用いてパイプ材５０を保持することにより、超音波カッター２に対しパイプ材５０を位置決めする。この時点で、各カッター刃２１は、パイプ材５０の周面から離れた位置に退避している。

【0029】

次いで、各カッター刃２１を超音波振動させつつ、図３に示すように各カッター刃２１をパイプ材５０の周面に近接する方向つまり伸長方向にスライドさせる。

【0030】

上記スライドにより各カッター刃２１の先端がパイプ材５０の周面に当接すると、その直後から各カッター刃２１を回転駆動する。すなわち、図４（ａ）（ｂ）に示すように、各カッター刃２１をパイプ材５０に押し付けながら、各カッター刃２１を周方向に１８０°以上回転させる。なお、図４（ａ）は、回転動作の途中経過として、回転角が９０°に達したときの状況を示している。また、図４（ｂ）は、回転動作がほぼ完了したときの状況、つまり回転角が１８０°に達したときの状況を示している。

【0031】

図４に示すような回転動作は、各カッター刃２１を保持する保持部材３１が１８０°以上回転するように回転駆動部３２（モータ３３）を駆動することで達成される。具体的には、保持部材３１を１８０°以上回転させるのに必要な角度だけモータ３３でプーリ３４を回転させて、当該プーリ３４の回転をベルト３５を介して保持部材３１に伝達することにより、保持部材３１を１８０°以上回転させる。この保持部材３１の回転は、これに保持された一対のカッター刃２１をパイプ材５０の周面に沿って同時に１８０°以上回転させる。これにより、両カッター刃２１の合計の回転角度が３６０°以上になり、パイプ材５０が全周に亘って切り込まれる。

【0032】

上述したカッター刃２１の回転駆動は、超音波振動を伴いながら行われる。超音波振動するカッター刃２１は、微視的に非常に高速でパイプ材５０に繰り返し接触、摺動することにより、高い摩擦熱を発生させ、材料を軟化（溶融）させる。一対のカッター刃２１は、このように材料を軟化させながら合計で３６０°以上回転することにより、パイプ材５０に一周分の切り込みを入れてパイプ材５０を切断する。

【0033】

上記のようにしてパイプ材５０の切断が完了すると、各カッター刃２１の回転を停止させるとともに、各カッター刃２１をパイプ材５０の周面から離れる方向つまり退避方向にスライドさせる。その後、固定部材４によるパイプ材５０の保持を適宜解除して、切断されたパイプ材５０の各分割ピースを取り出す。

【0034】

［作用効果］
以上説明したとおり、本実施形態の切断装置１は、超音波振動しながらパイプ材５０の周面に押し付けられるカッター刃２１を含む超音波カッター２と、超音波カッター２をパイプ材５０の軸心回りに回転させる回転機構３とを備える。このような切断装置１を用いてパイプ材５０を切断する本実施形態によれば、パイプ材５０の変形を抑止しつつパイプ材５０を効率的に切断できるという利点がある。

【0035】

すなわち、超音波カッター２のカッター刃２１が超音波振動しつつパイプ材５０の周面に押し付けられることにより、その押し付けられた部分に高い摩擦熱が発生し、パイプ材５０の材料が軟化（溶融）する。さらに、カッター刃２１がパイプ材５０の周面に沿って押し付けられつつ回転（円運動）することで、パイプ材５０を軟化させながら円周状にカットすることができる。これにより、カッター刃２１をパイプ材５０に押し付ける力つまり加工力を大きくしなくても材料を分離させることができ、パイプ材５０切断時の変形を抑止することができる。

【0036】

特に、本実施形態では、水素タンクのライナーとして用いられる薄肉のパイプ材５０が切断対象であるため、加工力が大きいとパイプ材５０が変形する可能性が高いが、このような変形は、超音波カッター２の使用による加工力の低減によって効果的に抑止できる。すなわち、本実施形態では、変形し易い薄肉のパイプ材５０を切断対象としながらも、当該パイプ材５０をその変形を抑止しながら適切に切断することができる。

【0037】

また、パイプ材５０を軟化させながらカットできる本実施形態では、パイプ材５０の切断面に割れや欠けが生じるのを抑止でき、切断面を円滑に仕上げることができる。さらに、切断時に発生する切粉の量を十分に低減でき、材料の歩留まりを高めることができる。

【0038】

また、本実施形態では、回転機構３によって一対の（複数の）超音波カッター２を同時に回転駆動できるので、パイプ材５０の全周をカットするのに必要な各超音波カッター２の周方向の移動量が少なく済み、パイプ材５０の切断作業を効率化することができる。

【0039】

また、本実施形態では、一対の超音波カッター２がパイプ材５０を挟んで対向配置されるので、切断時に各超音波カッター２からパイプ材５０に加わる加工力をバランスさせることができ、パイプ材５０の変形を抑止する上述した効果をより高めることができる。

【0040】

また、本実施形態では、一対の超音波カッター２を回転させる回転機構３として、各超音波カッター２を保持するリング状の保持部材３１と当該保持部材３１を回転させる回転駆動部３２とを含む機構が用いられる。このような構成によれば、リング状の保持部材３１を回転させることで一対の超音波カッター２を一括して周方向に移動させることができ、各超音波カッター２を簡単かつ合理的にパイプ材５０の周面に沿って同時に回転（円運動）させることができる。

【0041】

［変形例］
上記実施形態では、パイプ材５０の周面に沿って回転（円運動）する一対の（２つの）超音波カッター２を用いてパイプ材５０を切断するようにしたが、超音波カッター２は、１つでもよいし、３つ以上であってもよい。超音波カッター２が１つの場合は、当該１つの超音波カッター２を３６０°以上回転させることにより、パイプ材５０を切断することができる。また、超音波カッター２が３つ以上の場合は、当該３つ以上のカッター刃２１の合計の回転角度が３６０°以上になるように各カッター刃２１を回転させることにより、パイプ材５０を切断することができる。

【0042】

上記実施形態では、超音波カッター２を回転させるために、当該超音波カッター２を保持するリング状の保持部材３１を、モータ３３及びベルト３５を含む回転駆動部３２を用いて回転させるようにしたが、回転駆動部３２は、モータ３３の回転をギヤを介して伝達する形式であってもよい。あるいは、超音波カッター２を周方向に移動可能に支持するリング状のスライド支持部材を用意し、当該スライド支持部材に対し超音波カッター２を周方向に移動させるようにしてもよい。

【0043】

上記実施形態では、固定したパイプ材５０の周面に沿って超音波カッター２を回転させるようにしたが、超音波カッター２は、パイプ材５０に対し相対的に円運動するように設けられていればよく、必ずしも超音波カッター２自身を回転させる必要はない。すなわち、超音波カッター２を周方向の定位置に配置しつつ、パイプ材５０を軸回りに回転させるようにしてもよい。このようにした場合でも、パイプ材５０に対する超音波カッター２の相対的な円運動（回転）を実現でき、パイプ材５０を切断することができる。

【0044】

上記実施形態では、切断装置１が不動であるか可動であるかについては特に言及しなかったが、仮に切断装置を軸方向に移動可能に構成した場合には、パイプ材の押出成形と切断装置によるパイプ材の切断とを同時並行（インライン）で行うことも可能である。すなわち、パイプ材を押出成形する成形機の下流側に切断装置を配置するとともに、当該切断装置を押出速度と同じ速度で軸方向に移動させれば、パイプ材の切断をインラインで行うことができ、生産効率をより高めることができる。

【符号の説明】

【0045】

１ 切断装置
２ 超音波カッター
３ 回転機構
３１ 保持部材
３２ 回転駆動部
５０ パイプ材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】