特開 2024-158075 高圧タンクの製造方法

(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】P2024158075

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】高圧タンクの製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/32 20060101AFI20241031BHJP

   F16J 12/00 20060101ALI20241031BHJP

   F17C 1/06 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

B29C70/32

F16J12/00 A

F17C1/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072936

(22)【出願日】2023-04-27

(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】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三浦 雄三

(72)【発明者】

【氏名】上田 将人

(72)【発明者】

【氏名】永松 優一

【テーマコード（参考）】

3E172

3J046

4F205

【Ｆターム（参考）】

3E172AA02

3E172AA05

3E172AB01

3E172BA01

3E172BB05

3E172BB12

3E172BB17

3E172BC04

3E172BD03

3E172DA36

3E172DA38

3J046AA01

3J046AA14

3J046BA03

3J046CA04

3J046DA05

3J046EA02

4F205AD16

4F205AG07

4F205AH55

4F205AR07

4F205HA02

4F205HA23

4F205HA37

4F205HA46

4F205HB01

4F205HB11

4F205HC02

4F205HL02

4F205HL14

4F205HT22

(57)【要約】

【課題】層別に巻き付け角の異なる低ヘリカル層を積層させる際に、低強度部の発生を抑制可能とする。
【解決手段】バインダー樹脂が含浸された繊維トウ３０をライナー２０に巻き付けられることで繊維強化プラスチック層が形成される。繊維強化プラスチック層には、低ヘリカル層が含まれる。この製造方法は、低ヘリカル層を複数層に亘って形成する際に、層別に繊維トウ３０の巻き付け角θを異ならせる。さらにこの製造方法は、所定層の低ヘリカル層の巻き付け終点｛Ｌ（ｓ），Ｐｅ（ｋ－１）｝、かつ、次層の低ヘリカル層の巻き付け起点｛Ｌ（ｓ＋１），Ｐｓ（１）｝である、ライナー２０上における巻き付け角の切替点位置を、低ヘリカル層の各層で異ならせる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒部、及び、前記円筒部の中心軸方向両端に設けられる一対のドーム部を備えるライナーを形成する工程と、
前記ライナー上に繊維強化プラスチック層を形成する、積層工程と、
を含み、
前記積層工程において、バインダー樹脂が含浸された繊維トウを前記ライナーに巻き付けられることで前記繊維強化プラスチック層を形成し、
前記繊維強化プラスチック層には、前記ライナーの中心軸に対する巻き付け角が鋭角となる低角度ヘリカル巻きにて、前記繊維トウを複数周に亘って前記ライナーに巻き付けることで形成される、低ヘリカル層が含まれ、
前記繊維強化プラスチック層において、前記低ヘリカル層を複数層に亘って形成し、
前記低ヘリカル層を複数層に亘って形成する際に、層別に前記繊維トウの前記巻き付け角を異ならせ、
所定層の前記低ヘリカル層の巻き付け終点、かつ、次層の前記低ヘリカル層の巻き付け起点である、前記ライナー上における前記巻き付け角の切替点位置を、前記低ヘリカル層の各層で異ならせる、
高圧タンクの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、高圧タンクの製造方法が開示される。

【背景技術】

【0002】

高圧タンクは多層構造を備える。例えば特許文献１－３に開示されるように、高圧タンクは、ライナー及び繊維強化プラスチック層を備える。

【0003】

ライナーは高圧タンクの最内層部品である。ライナーは中心部品である円筒部と、円筒部の中心軸方向両端に接続される一対のドーム部を備える。ライナー内に水素ガス等の流体が封入される。

【0004】

ライナー上に繊維強化プラスチック層が積層される。繊維強化プラスチック層は、例えば繊維束である繊維トウがライナーに巻回されることで形成される。

【0005】

繊維トウのライナーへの巻回手段について、いわゆる低角度ヘリカル巻きが実行される。低角度ヘリカル巻きでは、繊維トウの巻き付け角が、ライナーの中心軸に対して平行に近い角度に設定される。低角度ヘリカル巻きにて巻回された、繊維強化プラスチックの層は、低ヘリカル層とも呼ばれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０２０－１２２５４３号公報

【特許文献2】特開２０１９－１９５９５５号公報

【特許文献3】特開２０１２－１４９７３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、低ヘリカル層が複数層に亘って形成される場合がある。このような場合に、多層構造の低ヘリカル層は、繊維トウの巻き付け角が、各層で異なるように設定される。

【0008】

例えば図５に例示されるように、低ヘリカル層の所定層において、巻き付け角θ１０１にて繊維トウ１０２がライナー１００に巻き付けられる。またその上層では、巻き付け角θ１０２（≠θ１０１）にて繊維トウ１０２がライナー１００に巻き付けられる。さらにその上層では、巻き付け角θ１０３（≠θ１０２）にて繊維トウ１０２がライナー１００に巻き付けられる。

【0009】

巻きつけ角の切り替わり時、繊維トウ１０２を巻きつけ角θ１０１からθ１０２に変更すると、図５上段の切替点Ｐ１００において、繊維トウ１０２が図５上段の上方向に滑る。つまり切替点Ｐ１００付近の繊維トウ１０２は本来巻きつけたい位置から外れる。同様にして、図５中段及び下段に示すように、他の層においても、切替点Ｐ１００において繊維トウ１０２の滑り（ずれ）が生じる。他層に亘って切替点Ｐ１００における繊維トウ１０２の滑りが生じることで、切替点Ｐ１０の強度が、他の部位と比べて低くなるおそれがある。

【0010】

そこで本明細書では、層別に巻き付け角の異なる低ヘリカル層を積層させる際に、低強度部の発生を抑制可能な、高圧タンクの製造方法が開示される。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本明細書では、高圧タンクの製造方法が開示される。この製造方法は、ライナーを形成する工程、及び積層工程を含む。ライナーは、円筒部、及び、円筒部の中心軸方向両端に設けられる一対のドーム部を備える。積層工程では、ライナー上に繊維強化プラスチック層が形成される。積層工程において、バインダー樹脂が含浸された繊維トウがライナーに巻き付けられることで繊維強化プラスチック層が形成される。繊維強化プラスチック層には、低ヘリカル層が含まれる。ライナーの中心軸に対する巻き付け角が鋭角となる低角度ヘリカル巻きにて、繊維トウを複数周に亘ってライナーに巻き付けることで、低ヘリカル層が形成される。繊維強化プラスチック層において、低ヘリカル層が複数層に亘って形成される。この製造方法は、低ヘリカル層を複数層に亘って形成する際に、層別に繊維トウの巻き付け角を異ならせる。さらにこの製造方法は、所定層の低ヘリカル層の巻き付け終点、かつ、次層の低ヘリカル層の巻き付け起点である、ライナー上における巻き付け角の切替点位置を、低ヘリカル層の各層で異ならせる。

【0012】

上記構成によれば、繊維トウの巻き付け角の切替点位置が、低ヘリカル層の各層で異なる。切替点位置がライナー上で分散することで、周辺と比べて過度に繊維トウが薄くなる、低強度領域の発生が抑制可能となる。

【発明の効果】

【0013】

本明細書で開示される高圧タンクの製造方法によれば、層別に巻き付け角の異なる低ヘリカル層を積層させる際に、低強度部の発生が抑制可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係る製造方法で製造される、高圧タンクの構成を説明する正面図である。

【図2】高圧タンクの製造工程のうち、フィラメントワインディング工程について説明する図である。

【図3】低角度ヘリカル巻きにおけるサーキットの定義について説明する斜視図である。

【図4】本実施形態に係る製造方法による、複数層の低ヘリカル層を積層する工程を説明する図である。

【図5】従来技術に係る製造方法による、複数層の低ヘリカル層を積層する工程を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下に、実施形態に係る、高圧タンクの製造方法が図面を用いて説明される。以下で説明する形状、材料、個数、及び数値は、説明のための例示であって、高圧タンクの仕様に応じて適宜変更することができる。また以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号が付される。

【0016】

図１には、本実施形態に係る製造方法の製造対象である高圧タンク１０が例示される。例えば高圧タンク１０は、水素ガスが封入された水素タンクである。例えば高圧タンク１０は、燃料電池車両（ＦＣＥＶ，Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）に搭載される。

【0017】

本実施形態に係る、高圧タンク１０の製造方法は、ライナー形成工程、フィラメントワインディング工程、及び検査工程を含む。ライナー形成工程では、複数の部品からライナー２０が形成される。フィラメントワインディング工程では、ライナー２０上に繊維強化プラスチックが積層される。フィラメントワインディング工程は積層工程とも呼ばれる。さらに検査工程では、高圧タンク１０に対して、水圧検査や機密検査が行われる。

【0018】

高圧タンク１０は、積層構造を備える。例えば高圧タンク１０は、ライナー２０及び繊維強化プラスチック層を備える。

【0019】

ライナー２０は、水素ガスが封入される中空体である。ライナー２０は円筒部２２及びドーム部２４，２６を備える。円筒部２２の中心軸Ｃ１方向両端に、一対のドーム部２４，２６が配置される。例えばライナー形成工程において、ドーム部２４，２６と円筒部２２は溶着される。

【0020】

ライナー２０にはガスバリア性が要求される。このため、ライナー２０はナイロン系樹脂等の樹脂材料から構成される。また、ドーム部２４，２６の、中心軸Ｃ１に沿った両端には、口金２５，２７が取り付けられる。

【0021】

繊維強化プラスチック層は、ライナー２０上に積層される。繊維強化プラスチック層は、繊維の束である繊維トウにバインダー樹脂が含浸された、いわゆるトウプレグ（トウプリプレグとも呼ばれる）が巻回されることで形成される。

【0022】

トウプレグの繊維は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から構成される。例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）や、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）が、トウプレグの繊維として用いられる。

【0023】

繊維強化プラスチック層は積層構造を備える。その積層構造に、複数層の低ヘリカル層が含まれる。低ヘリカル層は、低角度ヘリカル巻きでライナー２０上に繊維トウ３０を巻き付けることで形成される。

【0024】

低角度ヘリカル巻きとは、ライナー２０の中心軸Ｃ１に対する巻き付け角θが鋭角となるような巻回態様を指す。例えば低角度ヘリカル巻きにおいては、巻き付け角θは１０°以上８０°以下の巻き付け角が設定される。

【0025】

図２には、フィラメントワインディング工程が例示される。この工程では、ライナー２０に繊維トウ３０が巻き付けられる。ライナー２０は口金２５を介してモータ５０に結合される。モータ５０によって、ライナー２０は、中心軸Ｃ１周りに回転駆動される。

【0026】

さらにガイド５２が、ライナー２０の中心軸Ｃ１から径方向に離隔配置される。ガイド５２は繊維トウ３０のクリール（整経器具）の機能を備える。すなわちガイド５２から、バインダー樹脂が含浸された繊維トウ３０が供給され、ライナー２０に巻き付けられる。

【0027】

例えばガイド５２は中心軸Ｃ１に平行なＸ軸方向、ライナー２０の径方向に平行なＹ軸方向、及び高さ方向であるＺ軸方向に移動可能となっている。例えばガイド５２はＸＹＺステージ機構を備える。さらにガイド５２は、供給する繊維トウ３０を捩じることが可能となっている。例えばガイド５２のフィーダ（図示せず）には、繊維トウ３０のフィード軸周りにフィーダを回動可能なサーボモータが設けられる。

【0028】

ここで、繊維トウ３０のフィード時の捩じり角φ、ガイド５２の移動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ、及びライナー２０の回転角αの合計５つのパラメータを用いて、低角度ヘリカル巻きが制御される。例えば、フィラメントワインディング装置の巻き付け制御部（図示せず）は、ライナー２０の回転速度とガイド５２のＸ軸方向の移動速度を制御することで、巻き付け角θを一定にしたまま、ライナー２０に繊維トウ３０を巻き付ける。

【0029】

低角度ヘリカル巻きでは、低ヘリカル層を一層分形成するために、繊維トウ３０がライナー２０上に複数周に亘って巻回される。低角度ヘリカル巻きにおける巻き付け回数を示すパラメータとして「サーキット周回数」が用いられる。

【0030】

図３を参照して、低角度ヘリカル巻きでは、例えば円筒部２２上の任意の点を巻き付け起点としたときに、一方の口金２７周りに繊維トウ３０を巻き回した後に再度円筒部２２上を移動して、他方の口金２５周りに繊維トウ３０を巻き回す、という巻回ルートが採られる。

【0031】

巻回の周期性を考慮して、サーキット周回数は以下のように定められる。図３には、ｓ層目の低ヘリカル層Ｌ（ｓ）の、サーキットｋ周目の巻き付け起点Ｐｓ（ｋ）、つまり巻き付け起点｛Ｌ（ｓ），Ｐｓ（ｋ）｝がライナー２０上に位置決めされる。

【0032】

巻き付け起点｛Ｌ（ｓ），Ｐｓ（ｋ）｝から繊維トウ３０が円筒部２２上に巻き付けられる。更に繊維トウ３０は、口金２７を取り囲むようにして巻き付けられる。口金２７を折り返し点として、繊維トウ３０は再度円筒部２２上に巻き付けられる。さらに繊維トウ３０は他方の口金２５を取り囲むようにして巻き付けられる。その後繊維トウ３０は円筒部２２上に巻き付けられる。

【0033】

この巻き付けプロセスにおいて、ガイド５２（図２参照）は、中心軸Ｃ１方向に移動して、軸方向位置が口金２７と一致したところで折り返す。更にガイド５２は、中心軸Ｃ１方向に移動して、軸方向位置が口金２５と一致したところでまた折り返す。そしてさらにガイド５２は、巻き付け起点｛Ｌ（ｓ），Ｐｓ（ｋ）｝と軸方向位置が一致する。このときの繊維トウ３０の位置が、ｋ周目のサーキットの巻き付け終点｛Ｌ（ｓ），Ｐｅ（ｋ）｝となる。

【0034】

図３には、巻き付け起点と巻き付け終点の位置を示すコントロールラインＣＬが破線で示される。巻き付け起点｛Ｌ（ｓ），Ｐｓ（ｋ）｝を通って円筒部２２の円周に沿って、ライナー２０上にコントロールラインＣＬが図示される。口金２５から円筒部２２に戻った繊維トウ３０と、コントロールラインＣＬとの交点が、サーキットｋ周目の巻き付け終点｛Ｌ（ｓ），Ｐｅ（ｋ）｝となる。またこのサーキットｋ周目の巻き付け終点｛Ｌ（ｓ），Ｐｅ（ｋ）｝は、次のサーキットｋ＋１周目の巻き付け起点｛Ｌ（ｓ），Ｐｓ（ｋ＋１）｝となる。

【0035】

本実施形態に係る高圧タンク１０では、繊維強化プラスチック層として、複数層の低ヘリカル層が形成される。さらに複数層の低ヘリカル層は、送別に繊維トウ３０の巻き付け角θが異なるように設定される。

【0036】

上述のように、巻き付け角θの切替点位置がどの層においても固定されている場合、切替点位置が、繊維トウ３０の層が周囲と比べて薄くなる低強度部となるおそれがある。そこで本実施形態に係る高圧タンクの製造方法では、ライナー２０上における巻き付け角θの切替点位置を、各層で異ならせるような巻き付けが実行される。

【0037】

＜低ヘリカル層の形成工程＞
図４には、本実施形態に係る高圧タンク１０の製造工程の内、フィラメントワインディング工程が例示される。この工程は、ライナー２０上に繊維強化プラスチック層を形成する工程であることから、積層工程とも呼ばれる。

【0038】

例えばフィラメントワインディング装置のコンピュータ（図示せず）は、巻き付け設定部を備える。巻き付け設定部は、低ヘリカル層の各層における、繊維トウ３０の巻き付け経路を設定する。巻き付け経路の設定に当たり、下記に説明されるように、いわゆるライナー位相が意図的にずらされる。

【0039】

図４の上段には、１層目Ｌ（１）の低ヘリカル層をライナー２０上に形成する工程が例示される。まず円筒部２２上の任意の位置に、１層目かつサーキット１周目の巻き付け起点｛Ｌ（１），Ｐｓ（１）｝（図示せず）が設定される。

【0040】

巻き付け設定部には、複数層に亘る低ヘリカル層の、各層におけるサーキット周回数が設定される。巻き付け設定部は、１層目におけるサーキット周回数及び巻き付け角θ１に基づき、サーキット間のピッチを算出する。

【0041】

サーキット間のピッチは、サーキットの周回ごとの巻き付け起点Ｐｓ（ｋ）の、コントロールラインＣＬ上の離隔距離を指す。つまり、サーキットの周回ごとに、中心軸Ｃ１に沿って、１ピッチ分ずれながらライナー２０上に繊維トウ３０が巻き付けられる。

【0042】

サーキット間のピッチを定めるに当たって、巻き付け設定部は、サーキットの、仮の巻き付け終点を定める。例えば、設定されたサーキット周回数をｎ周として、仮の巻き付け終点｛Ｌ（１），Ｐｅ（ｎ）｝は、コントロールラインＣＬ上の、巻き付け起点｛Ｌ（１），Ｐｓ（１）｝と同一点となる。

【0043】

次に巻き付け設定部は、仮の巻き付け終点｛Ｌ（１），Ｐｅ（ｎ）｝のサーキット１周前の巻き付け終点｛Ｌ（１），Ｐｅ（ｎ－１）｝を、真の巻き付け終点に設定する。つまり第１層目の低ヘリカル層において、繊維トウ３０の巻き付け終点は、サーキット１周目の巻き付け起点｛Ｌ（１），Ｐｓ（１）｝よりも、１ピッチ分周方向にずれた位置に設定される。

【0044】

１層目の低ヘリカル層の、サーキット最終周の巻き付け終点｛Ｌ（１），Ｐｅ（ｎ－１）｝は、２層目の低ヘリカル層の、サーキット１周目の巻き付け起点｛Ｌ（２），Ｐｓ（１）｝となる。図４の上段及び中段に例示されるように、２層目の低ヘリカル層では、巻き付け角θ２は、１層目の低ヘリカル層の巻き付け角θ１とは異なる。

【0045】

２層目の低ヘリカル層の形成においても、巻き付け設定部は、１層目と同様にして、仮の巻き付け終点｛Ｌ（２），Ｐｅ（ｎ）｝のサーキット１周前の巻き付け終点｛Ｌ（２），Ｐｅ（ｎ－１）｝を、真の巻き付け終点に設定する。つまり第２層目の低ヘリカル層において、繊維トウ３０の巻き付け終点は、サーキット２周目の巻き付け起点｛Ｌ（２），Ｐｓ（１）｝よりも、１ピッチ分周方向にずれた位置に設定される。

【0046】

２層目の低ヘリカル層の、サーキット最終周の巻き付け終点｛Ｌ（２），Ｐｅ（ｎ－１）｝は、３層目の低ヘリカル層の、サーキット１周目の巻き付け起点｛Ｌ（３），Ｐｓ（１）｝となる。図４の中段及び下段に例示されるように、３層目の低ヘリカル層では、巻き付け角θ３は、２層目の低ヘリカル層の巻き付け角θ２とは異なる。

【0047】

３層目の低ヘリカル層の形成においても、１層目及び２層目と同様にして、巻き付け設定部は、仮の巻き付け終点｛Ｌ（３），Ｐｅ（ｎ）｝のサーキット１周前の巻き付け終点｛Ｌ（３），Ｐｅ（ｎ－１）｝を、真の巻き付け終点に設定する。つまり第３層目の低ヘリカル層において、繊維トウ３０の巻き付け終点は、サーキット３周目の巻き付け起点｛Ｌ（３），Ｐｓ（１）｝よりも、１ピッチ分周方向にずれた位置に設定される。

【0048】

このようにして、所定層（例えばｋ層）の低ヘリカル層において、サーキット１周目の巻き付け起点｛Ｌ（ｋ），Ｐｓ（１）｝と、サーキット最終周の巻き付け終点（Ｌ（ｋ），Ｐｅ（ｎ－１））のライナー２０上の位置を異ならせるようにして、繊維トウ３０の巻き付けが行われる。これにより、各層に亘って、巻き付け角θの切替点位置を異ならせることができる。ライナー２０上の、巻き付け角θの切替点位置を異ならせることで、局所的に繊維トウ３０が薄くなる低強度部の発生が抑制される。

【符号の説明】

【0049】

１０ 高圧タンク、２０ ライナー、２２ 円筒部、２４，２６ ドーム部、３０ 繊維トウ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】