特許 7401213 高圧タンク

(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】

(24)【登録日】2023-12-11

(45)【発行日】2023-12-19

(54)【発明の名称】高圧タンク

(51)【国際特許分類】

   F17C 1/06 20060101AFI20231212BHJP

   F16J 12/00 20060101ALI20231212BHJP

   B29C 70/16 20060101ALI20231212BHJP

   B29C 70/32 20060101ALI20231212BHJP

   B29C 70/68 20060101ALI20231212BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20231212BHJP

   B29L 22/00 20060101ALN20231212BHJP

【ＦＩ】

F17C1/06

F16J12/00 B

B29C70/16

B29C70/32

B29C70/68

B29K105:08

B29L22:00

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019128103

(22)【出願日】2019-07-10

(65)【公開番号】P2021014856

(43)【公開日】2021-02-12

【審査請求日】2022-03-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(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

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三好 新二

(72)【発明者】

【氏名】矢橋 洋樹

(72)【発明者】

【氏名】片野 剛司

【審査官】長谷川 一郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１５２０１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８５７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】再公表特許第２０１０／１１６５２６（ＪＰ，Ａ１）

【文献】特開平０９－０７２４９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３７１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０７８２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１６５０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４２３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１５９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１２８１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１６９８６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１７Ｃ １／０６

Ｆ１６Ｊ １２／００

Ｂ２９Ｃ ７０／１６

Ｂ２９Ｃ ７０／３２

Ｂ２９Ｃ ７０／６８

Ｂ２９Ｋ １０５／０８

Ｂ２９Ｌ ２２／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高圧タンクであって、
ライナと、
前記ライナの表面に形成された補強層と、
前記補強層の外側に形成された保護層と、を備え、
前記保護層は、ヘリカル層と前記ヘリカル層の外側に形成されたフープ層とを有し、
前記フープ層の巻き付けの終端部であり、巻き終わりの１周分を示す巻き端部の厚みは、前記ヘリカル層の厚みよりも小さく、
前記フープ層の前記巻き端部における巻き付けの張力は、前記巻き端部以外の部分における巻き付けの張力よりも大きく、
前記ライナにおける前記巻き端部の厚みは、前記ライナにおける他の部分の厚みよりも薄い、高圧タンク。

【請求項2】

請求項１に記載の高圧タンクであって、
前記フープ層の前記巻き端部が、前記フープ層の巻き始めの巻き始め部と重ならない、高圧タンク。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高圧タンクに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムに用いられる水素を収容する高圧タンクにおいて、例えば、特許文献１に記載されているように、補強層の外側に熱硬化性樹脂を含浸させたガラス繊維からなる保護層を備えるものが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－２７５７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

保護層は、水素透過率が低い傾向にあるため、保護層に予め亀裂を設けて、水素透過を可能とする構成が知られている。亀裂を設けるために、熱硬化による収縮率が大きい樹脂材料を保護層に用いる場合、保護層の巻き端部における反り返りの力が大きくなり、めくれが発生するおそれがある。そのため、巻き端部のめくれの発生を抑制できる技術が望まれていた。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、上述の課題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。
本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクは、ライナと、前記ライナの表面に形成された補強層と、前記補強層の外側に形成された保護層と、を備え、前記保護層は、ヘリカル層と前記ヘリカル層の外側に形成されたフープ層とを有し、前記フープ層の巻き付けの終端部であり、巻き終わりの１周分を示す巻き端部の厚みは、前記ヘリカル層の厚みよりも小さく、前記フープ層の前記巻き端部における巻き付けの張力は、前記巻き端部以外の部分における巻き付けの張力よりも大きく、前記ライナにおける前記巻き端部の厚みは、前記ライナにおける他の部分の厚みよりも薄い。

【0006】

本発明の一形態によれば、高圧タンクが提供される。この高圧タンクはライナと、前記ライナの表面に形成された補強層と、前記補強層の外側に形成された保護層と、を備え、前記保護層は、ヘリカル層と前記ヘリカル層の外側に形成されたフープ層とを有し、前記フープ層の巻き端部の厚みは、前記ヘリカル層の厚みよりも小さい。この形態の高圧タンクによれば、フープ層の巻き端部の厚みが、ヘリカル層の厚みよりも小さいため、巻き端部がタンク表面からめくれようとする応力が小さくなり、巻き端部のめくれの発生を抑制できる。

【0007】

なお、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、高圧タンクの製造方法や、フィラメントワインディング装置、フィラメントワインディング装置の制御方法などの形態で実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】高圧タンクの概略構造を示す断面図である。

【図2】高圧タンクの製造方法の一例を示す工程図である。

【図3】フープ層の巻き付け方法の比較例を示す図である。

【図4】図３をＩＶ－ＩＶラインで切断した保護層の断面図である。

【図5】第１の巻き付け方法を示す図である。

【図6】図５のＶＩ－ＶＩラインで切断した保護層の断面図である。

【図7】第２の巻き付け方法を示す図である。

【図8】図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩラインで切断した保護層の断面図である。

【図9】第３の巻き付け方法で巻き付けた場合の保護層の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、本実施形態の高圧タンクの製造方法によって製造される高圧タンク１００の概略構造を示す断面図である。高圧タンク１００は、例えば１０～７０ＭＰａの高圧水素を収容し、燃料電池車両に搭載される。高圧タンク１００は、ライナ１０と、口金２０と、補強層３０と、保護層４０とを備える。図１には互いに直行するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を示している。ｘ軸は高圧タンク１００の軸方向、つまり高圧タンク１００の長手方向に沿った方向である。これらの軸は図２以降に示した軸に対応している。

【0010】

ライナ１０は、円筒部１２と円筒部１２の両端に設けられた二つのドーム部１４とを有する。ライナ１０は、例えばポリエチレン、ナイロン、ポリプロピレン等の水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂によって形成されている。なお、本実施形態においては、ライナ１０は樹脂製としたが、金属製であってもよく、また、上記の樹脂に水素吸蔵合金などのガス不透過材料を混入して形成されていてもよい。円筒部１２およびドーム部１４の外周には補強層３０が形成されている。本実施形態において、口金２０は、ライナ１０の長手方向両端に設けられているが、一端だけに設けられてもよい。

【0011】

補強層３０は、ガラス繊維や炭素繊維（以下、単に「繊維」という）を１００００～４００００本程度束ね、樹脂を含浸させることによって形成された繊維束を、フィラメントワインディング法によって、ライナ１０の外表面に巻き付け、熱硬化させることによって形成されている。補強層３０の外表面には保護層４０が形成されている。

【0012】

保護層４０は、例えば、繊維を１００００～４００００本程度束ね、エポキシ等の熱硬化性樹脂を含浸させることによって形成された繊維束を、フィラメントワインディング法によって、ライナ１０の外周の補強層３０上に巻き付け、熱硬化させることによって形成されている。保護層４０は、樹脂成分が接着剤となり補強層３０の外周に固定される。保護層４０は、ヘリカル層４１と、円筒部１２上におけるヘリカル層４１の外側に形成されたフープ層４２と、を備える（後述する図６参照）。また、フープ層４２の外側には、繊維束が熱硬化されることで繊維から浮き出た熱硬化性樹脂によって樹脂層４３が形成される（図６参照）。

【0013】

補強層３０および保護層４０を形成する繊維束に含浸させる樹脂（マトリックス樹脂）としては、例えば、エポキシ樹脂、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリミアド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルポロリドン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂等を単独または２種類以上を混合して用いることができる。

【0014】

図２は、本実施形態における高圧タンクの製造方法の一例を示す工程図である。本実施形態の高圧タンク製造では、まず、ステップＳ１００で、口金が装着済みの樹脂製容器をライナ１０として用意する。ライナ１０は、例えば、円筒部１２の両端に、口金２０が装着済みのドーム部１４を溶着して準備される。

【0015】

次に、ステップＳ１１０において、ライナ１０の外表面に、樹脂が含浸した繊維束を巻き付けて補強層３０を形成する。本実施形態において、補強層３０は２層形成される。

【0016】

続いて、ステップＳ１２０において、ステップＳ１１０で形成された補強層３０の上に樹脂が含浸した繊維束をヘリカル巻きによって巻き付けてヘリカル層４１を形成する。本実施形態において、ヘリカル層４１は２層形成される。

【0017】

続いて、ステップＳ１３０において、ステップＳ１２０で形成されたヘリカル層４１の上に樹脂が含浸した繊維束をフープ巻きによって巻き付けて、フープ層４２を形成する。フープ層４２の巻き端部の厚みは、ヘリカル層４１の厚みよりも小さくなるよう巻き付けられる。本実施形態において「巻き端部」とは、フープ層４２の巻き付けの終端部であり、巻き終わりの１周分を示す。フープ層４２の巻き端部がめくれようとする応力は、巻き端部の厚みの約３乗に比例するため、フープ層４２の巻き端部の厚みは小さいほど、めくれの発生が抑制できる。巻き端部におけるヘリカル層４１に接着する接着力が、めくれようとする応力よりも大きくなるようにフープ層４２を巻き付けることが好ましい。フープ層４２の巻き付け方法の詳細については後述する。ステップＳ１２０とステップＳ１３０との処理により、保護層４０が形成される。

【0018】

続いて、ステップＳ１４０において、ステップＳ１１０で巻き付けた補強層３０の繊維束の樹脂とステップＳ１２０およびステップＳ１３０で巻き付けた保護層４０の繊維束の樹脂とを硬化する。より具体的には、熱ヒーターを備える熱硬化炉や、加熱コイルを用いた高周波誘電加熱式の熱硬化炉において、ライナ１０を回転させつつ加熱して、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。この処理によって樹脂層４３が形成される。

【0019】

最後に、ステップＳ１５０において樹脂の熱硬化後の冷却養生を経て、高圧タンク１００の強度を確認するための加圧検査を行い、高圧タンクの製造が完了する。ステップＳ１５０では、熱可塑性樹脂の収縮により、ヘリカル層４１およびフープ層４２内の微少な空隙に連通した通路となる亀裂が樹脂層４３に形成される。

【0020】

フープ層４２の巻き端部の厚みをヘリカル層４１の厚みよりも小さくなるよう巻き付ける方法には、例えば以下の３通りある。第１の巻き付け方法は、フープ層４２を１層のみ形成する方法である。第２の巻き付け方法は、巻き端部における巻き付け角度を、巻き端部以外の部分における巻き付け角度と異なる角度になるよう巻き付ける方法である。第３の巻き付け方法は、巻き端部における巻き付けの張力を大きくする巻き付け方法である。

【0021】

図３は、フープ層４２の巻き付け方法の比較例を示す図である。図３の上部に示すように、比較例では、円筒部１２上の黒丸の位置から繊維束の巻き付けを開始し、矢印方向に巻き付けることで２層のフープ層４２を形成する。具体的には、円筒部１２上の任意の位置から＋ｘ軸方向に向けて巻き付けを開始し、円筒部１２の＋ｘ軸方向の端部で逆方向（－ｘ軸方向）に折り返して巻き付ける。円筒部１２の－ｘ軸方向の端部でまた逆方向（＋ｘ軸方向）に折り返して巻き付け、巻き始め付近である黒丸の位置付近で巻き終わる。

【0022】

図４は、図３をＩＶ－ＩＶラインで切断した保護層４０の断面図である。上述した通り、保護層４０において、ヘリカル層４１の外側にはフープ層４２が形成されており、フープ層４２の外側には樹脂層４３が形成されている。図４に示すように、フープ層４２の巻き端部ＷＥは、フープ層の巻き初め部ＷＳに重なる場合がある。そのため、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔは、ヘリカル層４１の厚み４１ｔよりも大きくなる場合がある。

【0023】

図５は第１の巻き付け方法を示す図であり、図６は図５をＶＩ－ＶＩラインで切断した保護層４０の断面図である。図６に示すように、第１の巻き付け方法は、フープ層４２を１層のみ形成する巻き付け方法である。ヘリカル層４１は２層であるため、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔは、ヘリカル層４１の厚み４１ｔよりも小さくなる。

【0024】

図５の上部に示すように、第１の巻き付け方法では、（１）まず、円筒部１２上の黒丸の位置から繊維束の巻き付けを開始し、円筒部１２の＋ｘ軸方向の端部に向かって巻き付ける。円筒部１２の＋ｘ軸方向の端部まで巻き終えたら、繊維束を切断する。（２）次に、白丸の位置から繊維束の巻き付けを開始し、円筒部１２の－ｘ方向の端部に向かって巻き付ける。円筒部１２の－ｘ軸方向の端部まで巻き終えたら、繊維束を切断する。（３）最後に、二重丸の位置から繊維束の巻き付けを開始し、（１）で繊維束の巻き付けを開始した位置（黒丸の位置）付近まで、＋ｘ軸方向に向かって巻き付ける。なお、（１）と（２）との巻き順はこれに限らない。また、（３）の巻き方向も逆であってもよい。つまり、黒丸の位置付近から白丸の位置付近まで－ｘ軸方向に向かって巻き付けてもよい。

【0025】

図７は、第２の巻き付け方法を示す図である。図７に示すように、第２の巻き付け方法は、比較例と同じ巻き順で繊維束を巻き付けるが、巻き端部ＷＥの巻き付け角度θ２を、巻き端部ＷＥ以外の部分における巻き付け角度θ１と異なる角度になるよう巻き付ける方法である。巻き付け角度とは、高圧タンク１００の軸に対する繊維束の長手方向の角度である。巻き付け角度θ１と巻き付け角度θ２との差は０度より大きく２度以下の範囲であることが好ましい。図７において、巻き付け角度θ１は８９度であり、巻き付け角度θ２は９０度である。

【0026】

図８は、図７をＶＩＩＩ－ＶＩＩＩラインで切断した保護層４０の断面図である。図８に示すように、第２の巻き付け方法では、巻き端部ＷＥの巻き付け角度θ２を、巻き端部ＷＥ以外の部分における巻き付け角度θ１と異なる角度になるよう巻き付ける。図８に示すように、フープ層４２は、隣り合う繊維束の上に乗り上げて巻き付けられる場合があるが、巻き端部ＷＥとそれ以外の部分とで、異なる角度で巻き付けを行うと、巻き端部ＷＥの１周前に巻き付けた隣の繊維束との間に隙間ができる。そのため、巻き端部ＷＥが隣の繊維束に乗り上げて巻き付けられることを抑制できる。また、巻き端部ＷＥが、フープ層の巻き初め部ＷＳに重なることを抑制できる。これにより、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔが厚くなることを抑制できる。ヘリカル層４１においても、隣り合う繊維束の上に乗り上げて巻き付けられる場合があるため、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔは、ヘリカル層４１の厚み４１ｔよりも小さくなる。

【0027】

図９は、第３の巻き付け方法で巻き付けた場合の保護層４０の断面図である。第３の巻き付け方法は、巻き端部ＷＥにおける巻き付けの張力を、巻き端部ＷＥ以外の部分における巻き付けの張力よりも大きくする。例えば、１割以上３割以下の範囲で大きくする。これにより、巻き端部ＷＥにおける繊維束が拡幅して厚み４２ｔが１割以上３割以下の範囲で薄くなる。そのため、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔが厚くなることを抑制できる。ヘリカル層４１は、巻き端部ＷＥにおける巻き付けの張力よりも小さい張力で巻き付けられるため、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔは、ヘリカル層４１の厚み４１ｔよりも小さくなる。

【0028】

以上で説明した本実施形態の高圧タンク１００は、フープ層４２の巻き端部ＷＥの厚み４２ｔが、ヘリカル層４１の厚み４１ｔよりも小さい。従って、巻き端部ＷＥがタンク表面からめくれようとする応力が小さくなり、巻き端部ＷＥのめくれの発生を抑制できる。

【0029】

本発明は、上述の実施形態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中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、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】

【0030】

１０…ライナ、１２…円筒部、１４…ドーム部、２０…口金、３０…補強層、４０…保護層、４１…ヘリカル層、４２…フープ層、４３…樹脂層、１００…高圧タンク、ＷＥ…巻き端部、ＷＳ…巻き初め部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】