高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンク
【課題】ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を抑制することができる高圧タンクの製造方法を提供する。
【解決手段】第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂが配置されるようにライナ１６の外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維層形成工程と、マトリックス樹脂を硬化させる硬化工程と、を含み、繊維層形成工程において、（１）第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂに含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂに含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、（２）第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力を、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする方法、のうちの少なくとも１つを用いる高圧タンクの製造方法である。
【解決手段】第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂが配置されるようにライナ１６の外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維層形成工程と、マトリックス樹脂を硬化させる硬化工程と、を含み、繊維層形成工程において、（１）第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂに含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂに含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、（２）第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力を、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする方法、のうちの少なくとも１つを用いる高圧タンクの製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車等には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガス等を貯蔵する高圧タンクが搭載される。高圧タンクとして、樹脂製または金属製タンク（ライナ：内容器）の外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）等を巻き付けて補強した高圧タンクが知られている。このような高圧タンクを製造する際、例えばフィラメントワインディング法のように炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けて繊維層を形成した後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。このフィラメントワインディング法において、生産性等の観点から、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させ、ボビン等に巻き付けたプリプレグを用いる場合がある。また、製造効率等の点から通常、複数本のプリプレグを用いてライナの外面に繊維束を巻き付ける。
【０００３】
フィラメントワインディング法で高圧タンクを製造する場合、タンクの高い強度を確保するためには、炭素繊維等の繊維の密着性を高くすることが好ましい。
【０００４】
通常、ライナに樹脂を含浸させた繊維束を何層も巻き付けて繊維層を形成し、加熱硬化して補強層を形成するが、巻き付け時または加熱硬化時に繊維束に含浸させた樹脂が染み出し、繊維束の樹脂含有率が低下することにより、繊維の密着性が低下して、高圧タンクの強度が低下する場合がある。そのため、高圧タンクに要求される性能を充分に満足できない可能性がある。
【０００５】
特許文献１には、離型紙からの浮き上がりの少ない一方向炭素繊維プリプレグ材を得るために、複数本の炭素繊維束を一方向に互いに並行するように引き揃えてなる炭素繊維シートの上下両面に、少なくとも一方がマトリックス樹脂塗布離型紙である離型紙を重ね合わせ、重ね合わせ体を含浸ロールに通し、炭素繊維シートに離型紙上のマトリックス樹脂を転移、含浸して一方向炭素繊維プリプレグとした後、上側の離型紙を剥ぎ取り、一方向炭素繊維プリプレグを下側の離型紙ごとロール状に巻き取るに際し、炭素繊維束の張力Ｔｆ、含浸ロールに至る上側の離型紙の張力Ｔｕ、下側の離型紙の張力Ｔｓ、下側の離型紙の巻取張力Ｔｗと下側の離型紙の張力Ｔｓとの比Ｔｗ／Ｔｓを所定の範囲内に維持する一方向炭素繊維プリプレグ材の製造方法が記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１の技術では、ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を充分に抑制することができない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０１４６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を抑制することができる高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンクである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束と、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束とを同時に用いて、前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束を配置してライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維層形成工程と、前記マトリックス樹脂を硬化させる硬化工程と、を含み、前記繊維層形成工程において、（１）前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、（２）前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を、前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする方法、のうちの少なくとも１つを用いる高圧タンクの製造方法である。
【００１０】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束の一部が重なるように配置して前記ライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造装置であって、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第一樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束供給手段と、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第二樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束供給手段と、前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力、および前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を制御する張力制御手段と、を有する高圧タンクの製造装置である。
【００１２】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高いことが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、ライナと、繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束の両端側に、繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第二樹脂含浸繊維束が配置されるように前記ライナの外面に巻き付けられた繊維層を含んで構成された補強層と、を有し、前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高い高圧タンクである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、第一樹脂含浸繊維束の両端側に第二樹脂含浸繊維束が配置されるようにライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する際に、第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、第一樹脂含浸繊維束の繊維の張力が第二樹脂含浸繊維束の繊維の張力よりも低くする方法のうちの少なくとも１つを用いることにより、ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を抑制することができる高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンクを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態における高圧タンクの製造方法における高圧タンクの軸方向の断面を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態における繊維束の配向方向から見た第一樹脂含浸繊維束および第二樹脂含浸繊維束の配置の一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態における繊維束の配向方向から見た第一樹脂含浸繊維束および第二樹脂含浸繊維束の配置の他の例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の他の例の全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成の概略を図１に示す。また、本実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例の概略を図２に示す。
【００１８】
図１に示すように、高圧タンクの製造装置１は、繊維巻き付け装置１０を備える。繊維巻き付け装置１０は、ライナ１６を支持するための回転支持部１２を有する。また、高圧タンクの製造装置１は、第一樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の第一マトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束２６ａをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ２２ａ、および繊維束に未硬化の第一マトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束２６ｂをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ２２ｂと、第二樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の第二マトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束２８ａをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ２４ａ、および繊維束に未硬化の第二マトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束２８ｂをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ２４ｂと、を備える。
【００１９】
本実施形態に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクの製造装置１の動作について説明する。
【００２０】
図１，２に示すように、ライナ１６は、繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に設置される。例えば、略円柱状のライナ１６は図３に示すようなライナ１６の軸を通したシャフト２０によって、図２に示すように回転支持部１２に支持される。回転支持部１２によってライナ１６が回転され、第一プリプレグ２２ａ，２２ｂおよび第二プリプレグ２４ａ，２４ｂからそれぞれ繰り出された第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂと第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂとが、図４に繊維束の配向方向から見た断面図を示すように第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂが配置された繊維束３２とされ、さらに図２のような繊維ガイド部３４で角度調整されて、ライナ１６の外面に巻き付けられる。こうして、ライナ１６の外面に繊維束３２が所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される（繊維層形成工程）。
【００２１】
ライナ１６に繊維束３２を巻き付ける前に、図１のように拡幅ローラ３０等の拡幅手段を設けて、拡幅ローラ３０等に第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂおよび第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂを押し付けて予め拡幅しておいてもよい。ここで、繊維束を拡幅するとは、例えば、繊維束を構成する繊維を拡げて繊維束を略扁平な状態にすることを意味する。
【００２２】
プリプレグを用いずに、例えば、繊維巻き付け装置１０の上流側で、繊維束を樹脂塗布槽等に浸漬する方法等によってエポキシ樹脂等の熱硬化性のマトリックス樹脂を繊維束に含浸してもよい。
【００２３】
繊維束３２の巻き付け工程後、高圧タンク１４は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク１４は、例えば１３０℃程度で、１０〜１５時間程度加熱される。この加熱により、熱硬化性樹脂等が含浸された繊維束３２が熱硬化され（硬化工程）、図３に示すような補強層１８が形成される。その後、高圧タンク１４は冷却される。このようにして、ライナ１６の外面に補強層１８が形成された高圧タンク１４が製造される。
【００２４】
本実施形態では、第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂに含まれる第一マトリックス樹脂の硬化温度を、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂに含まれる第二マトリックス樹脂の硬化温度よりも高くしてある。
【００２５】
高圧タンクにおいて高い強度を確保するためには、炭素繊維等の繊維の密着性を高くすることが望ましい。フィラメントワインディング法において、繊維束の巻き付け時に繊維の張力により繊維束に含浸させた樹脂が染み出し、繊維束の樹脂含有率が低下することがある。また、硬化工程において、加熱硬化時に樹脂の粘度が急激に低下することより、樹脂垂れが発生して、繊維束に含浸させた樹脂が染み出し、繊維束の樹脂含有率が低下することがある。繊維の高張力化、硬化時の高温化により、樹脂の染み出し、樹脂垂れがより顕著になって樹脂含有率の低下の問題がより大きくなる。繊維束の樹脂含有率が低下することにより、繊維の密着性が低下して、高圧タンクの強度が低下し、高圧タンクに要求される性能を充分に満足できないことがある。本実施形態では、両端側と内側の繊維束に含浸した樹脂の硬化温度に差をつけ、両端側に低温硬化の樹脂を含浸した繊維束、内側に高温硬化の樹脂を含浸した繊維束を配置してライナに巻き付けることにより、硬化工程において両端側に配置した低温硬化の繊維が先に硬化し始めることで、樹脂の染み出しを抑制することができる。樹脂含有率の低下を抑制して、繊維束をライナに巻き付けることができるため、強度、品質、寸法の安定した高圧タンクを生産することができる。
【００２６】
また、硬化時の樹脂垂れを防止できるため、樹脂のバリ発生を抑制することができ、バリの除去工程を省略することができる。
【００２７】
第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂに含まれる第一マトリックス樹脂の硬化温度は、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂに含まれる第二マトリックス樹脂の硬化温度よりも高ければよく、特に制限はない。両者の温度差は、例えば、３０℃〜１００℃の範囲であり、４０℃〜５０℃の範囲であることが好ましい。例えば、第一マトリックス樹脂の硬化温度を１００℃〜１２０℃の範囲とすればよい。マトリックス樹脂の硬化温度が５０℃より低いと、樹脂の貯蔵安定性が低下してしまう場合がある。
【００２８】
なお、本明細書において「未硬化」とは、全く硬化が進行していない状態だけではなく、一部硬化が進行している状態も含む。
【００２９】
本実施形態において、図５に繊維束の配向方向から見た断面図を示すように第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂの一部が重なるように配置して、ライナ１６の外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。これにより、両端側の繊維が樹脂の染み出しを押さえ、樹脂含有率の低下がより抑制される。
【００３０】
繊維束の重なり幅は、段差をできるだけ小さくする等の点から、例えば、各繊維束の拡幅後の幅全体の１０％〜３０％程度の範囲とすればよい。各繊維束の拡幅後の幅が３〜４ｍｍ程度の場合、例えば、重なり幅を１ｍｍ程度とすればよい。
【００３１】
本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の他の例の全体構成の概略を図６に示す。図６に示す高圧タンクの製造装置１は、第一樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束４０ａをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ３６ａ、および繊維束に未硬化のマトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束４０ｂをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ３６ｂと、第二樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束４２ａをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ３８ａ、および繊維束に未硬化のマトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束４２ｂをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ３８ｂと、を備える。なお、第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂに含まれるマトリックス樹脂と、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂに含まれるマトリックス樹脂とは、同じものであっても、異なるものであってもよい。
【００３２】
回転支持部１２によってライナ１６が回転され、第一プリプレグ３６ａ，３６ｂおよび第二プリプレグ３８ａ，３８ｂからそれぞれ繰り出された第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂと第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂとが、図４と同様に第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂが配置された繊維束４４とされ、図２のような繊維ガイド部３４で角度調整されて、ライナ１６の外面に巻き付けられる。こうして、ライナ１６の外面に繊維束４４が所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される（繊維層形成工程）。
【００３３】
本実施形態では、第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力を、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする。両端側と内側の繊維の張力に差をつけ、両端側の繊維を高張力、内側の繊維を低張力でライナ１６に巻き付けることにより、両端側の繊維が樹脂の染み出しを抑制することができる。
【００３４】
第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂを巻き付ける際の繊維の張力は、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂを巻き付ける際の繊維の張力よりも低ければよく、特に制限はなない。両者の張力差は、例えば、５０Ｎ〜１５０Ｎの範囲である。例えば、第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂを巻き付ける際の繊維の張力を５０Ｎ〜１００Ｎの範囲として、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂを巻き付ける際の繊維の張力を１５０Ｎ〜２００Ｎの範囲とすればよい。
【００３５】
両端側と内側の繊維の張力に差をつける方法としては、特に制限はないが、例えば、給糸ガイド４６にエンコーダ等を設定して、両端側と内側の繊維の張力に差をつければよい。
【００３６】
本構成においても、図５と同様に第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂの一部が重なるように配置して、ライナ１６の外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。
【００３７】
樹脂の染み出しを抑制する効果の点では、両端側と内側の繊維束に含浸した樹脂の硬化温度に差をつける構成の方が好ましく、コスト等の点からは、両端側と内側の繊維の張力に差をつける構成の方が好ましい。両端側と内側の繊維束に含浸した樹脂の硬化温度に差をつける構成と、両端側と内側の繊維の張力に差をつける構成とを組み合わせてもよい。
【００３８】
高圧タンク１４は、ライナ（内容器）１６、補強層（外層）１８を含んで構成されている。また、高圧タンク１４は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。
【００３９】
ライナ１６は、略円柱状等に形成されてなり、例えば高圧水素ガスなどの媒体をその内部に収容するためのものであり、水素ガス等のガスに直接接触する層である。ライナ１６の形状、サイズ、厚みは使用目的、仕様等に応じたものを任意に選択することができる。ライナ１６の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。
【００４０】
ライナ１６は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ１６を構成する樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。ライナを構成する金属としては、アルミ合金等の金属が挙げられる。ライナの肉厚やライナを構成する材料の種類は、ライナ１６に要求される強度、気密性、成形性等に応じて適宜選択することができる。これらのうち、強度や耐ガス透過性等の点からナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。
【００４１】
樹脂材料から構成されるライナ１６は、例えば、上記樹脂の射出成形により成形される。例えば、金型にポリアミド樹脂等の樹脂を流し込んで、略半円柱体を２つ成型し、それらをレーザ等により溶着して樹脂のライナ１６が成形される。この射出成形により、厚みが略均一なライナ１６が成形される。
【００４２】
補強層１８は、ライナ１６の外側を覆うように設けられてライナ１６を補強する層であり、例えば、繊維およびマトリックス樹脂を含んで構成される。補強層１８を構成する繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維等が挙げられる。
【００４３】
また、補強層１８を構成するマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、強度、接着性、耐ガス透過性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。
【００４４】
補強層１８は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂溶液を含浸させた状態でライナ１６の外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて形成することができる。
【００４５】
補強層１８の厚みは、巻き付ける繊維束３２，４４の層数等により調整することができ、例えば、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲である。繊維束３２，４４の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。
【００４６】
繊維束３２，４４は、例えば、上記繊維が１０，０００〜４０，０００本程度束ねられたものである。
【００４７】
通常、繊維束３２，４４の巻き付け方向は、ライナ１６の回転軸に対して略垂直方向、または斜め方向である。
【００４８】
プリプレグ（第一プリプレグ２２ａ，２２ｂ，３６ａ，３６ｂ、第二プリプレグ２４ａ，２４ｂ，３８ａ，３８ｂ）は、例えば、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させたものをボビン等に巻き付けたものであり、その形状、構成等に特に制限はない。
【００４９】
用いるプリプレグは少なくとも３つである。用いるプリプレグが３つの場合は、内側に配置する繊維束用のプリプレグが１つ、両端側に配置する繊維束用のプリプレグが２つであり、用いるプリプレグが４つの場合は、内側に配置する繊維束用のプリプレグが２つ、両端側に配置する繊維束用のプリプレグが２つである。用いるプリプレグが６つの場合は、例えば、内側に配置する繊維束用のプリプレグが４つ、両端側に配置する繊維束用のプリプレグが２つであるが、目的の性能等に応じて適宜変更することができる。
【００５０】
本実施形態に係る高圧タンク１４は、例えば、移動体に搭載され、内部に高圧ガスを貯蔵する高圧タンクである。また、高圧タンク１４は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。
【００５１】
ここで、移動体としては、二輪の車両、バスや乗用車等の四輪以上の自動車のほか、電車、船舶、航空機、ロボットなどが挙げられ、特に燃料電池車両である。高圧ガスとしては、水素ガスや圧縮天然ガスなどが挙げられる。
【００５２】
本実施形態に係る高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法により得られる繊維束は、樹脂溶液を含浸させて硬化した繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ材）等として、各種素材の強化材等に用いることができる。例えば、炭素繊維の場合、炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）として、高圧タンク、自動車用シャフト、航空機の胴体、部品等の補強材として用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 高圧タンクの製造装置、１０ 繊維巻き付け装置、１２ 回転支持部、１４ 高圧タンク、１６ ライナ（内容器）、１８ 補強層（外層）、２０ シャフト、２２ａ，２２ｂ，３６ａ，３６ｂ 第一プリプレグ、２４ａ，２４ｂ，３８ａ，３８ｂ 第二プリプレグ、２６ａ，２６ｂ，４０ａ，４０ｂ 第一樹脂含浸繊維束、２８ａ，２８ｂ，４２ａ，４２ｂ 第二樹脂含浸繊維束、３０ 拡幅ローラ、３２，４４ 繊維束、３４ 繊維ガイド部、４６ 給糸ガイド。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車や天然ガス自動車等には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガス等を貯蔵する高圧タンクが搭載される。高圧タンクとして、樹脂製または金属製タンク（ライナ：内容器）の外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）等を巻き付けて補強した高圧タンクが知られている。このような高圧タンクを製造する際、例えばフィラメントワインディング法のように炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けて繊維層を形成した後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。このフィラメントワインディング法において、生産性等の観点から、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させ、ボビン等に巻き付けたプリプレグを用いる場合がある。また、製造効率等の点から通常、複数本のプリプレグを用いてライナの外面に繊維束を巻き付ける。
【０００３】
フィラメントワインディング法で高圧タンクを製造する場合、タンクの高い強度を確保するためには、炭素繊維等の繊維の密着性を高くすることが好ましい。
【０００４】
通常、ライナに樹脂を含浸させた繊維束を何層も巻き付けて繊維層を形成し、加熱硬化して補強層を形成するが、巻き付け時または加熱硬化時に繊維束に含浸させた樹脂が染み出し、繊維束の樹脂含有率が低下することにより、繊維の密着性が低下して、高圧タンクの強度が低下する場合がある。そのため、高圧タンクに要求される性能を充分に満足できない可能性がある。
【０００５】
特許文献１には、離型紙からの浮き上がりの少ない一方向炭素繊維プリプレグ材を得るために、複数本の炭素繊維束を一方向に互いに並行するように引き揃えてなる炭素繊維シートの上下両面に、少なくとも一方がマトリックス樹脂塗布離型紙である離型紙を重ね合わせ、重ね合わせ体を含浸ロールに通し、炭素繊維シートに離型紙上のマトリックス樹脂を転移、含浸して一方向炭素繊維プリプレグとした後、上側の離型紙を剥ぎ取り、一方向炭素繊維プリプレグを下側の離型紙ごとロール状に巻き取るに際し、炭素繊維束の張力Ｔｆ、含浸ロールに至る上側の離型紙の張力Ｔｕ、下側の離型紙の張力Ｔｓ、下側の離型紙の巻取張力Ｔｗと下側の離型紙の張力Ｔｓとの比Ｔｗ／Ｔｓを所定の範囲内に維持する一方向炭素繊維プリプレグ材の製造方法が記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１の技術では、ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を充分に抑制することができない場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０１４６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を抑制することができる高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンクである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束と、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束とを同時に用いて、前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束を配置してライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維層形成工程と、前記マトリックス樹脂を硬化させる硬化工程と、を含み、前記繊維層形成工程において、（１）前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、（２）前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を、前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする方法、のうちの少なくとも１つを用いる高圧タンクの製造方法である。
【００１０】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束の一部が重なるように配置して前記ライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造装置であって、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第一樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束供給手段と、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第二樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束供給手段と、前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力、および前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を制御する張力制御手段と、を有する高圧タンクの製造装置である。
【００１２】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高いことが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、ライナと、繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束の両端側に、繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第二樹脂含浸繊維束が配置されるように前記ライナの外面に巻き付けられた繊維層を含んで構成された補強層と、を有し、前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高い高圧タンクである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、第一樹脂含浸繊維束の両端側に第二樹脂含浸繊維束が配置されるようにライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する際に、第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、第一樹脂含浸繊維束の繊維の張力が第二樹脂含浸繊維束の繊維の張力よりも低くする方法のうちの少なくとも１つを用いることにより、ライナへの巻き付け時等における繊維束の樹脂含有率の低下を抑制することができる高圧タンクの製造方法、高圧タンクの製造装置および高圧タンクを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態における高圧タンクの製造方法における高圧タンクの軸方向の断面を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態における繊維束の配向方向から見た第一樹脂含浸繊維束および第二樹脂含浸繊維束の配置の一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施形態における繊維束の配向方向から見た第一樹脂含浸繊維束および第二樹脂含浸繊維束の配置の他の例を示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の他の例の全体構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成の概略を図１に示す。また、本実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例の概略を図２に示す。
【００１８】
図１に示すように、高圧タンクの製造装置１は、繊維巻き付け装置１０を備える。繊維巻き付け装置１０は、ライナ１６を支持するための回転支持部１２を有する。また、高圧タンクの製造装置１は、第一樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の第一マトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束２６ａをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ２２ａ、および繊維束に未硬化の第一マトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束２６ｂをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ２２ｂと、第二樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の第二マトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束２８ａをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ２４ａ、および繊維束に未硬化の第二マトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束２８ｂをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ２４ｂと、を備える。
【００１９】
本実施形態に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクの製造装置１の動作について説明する。
【００２０】
図１，２に示すように、ライナ１６は、繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に設置される。例えば、略円柱状のライナ１６は図３に示すようなライナ１６の軸を通したシャフト２０によって、図２に示すように回転支持部１２に支持される。回転支持部１２によってライナ１６が回転され、第一プリプレグ２２ａ，２２ｂおよび第二プリプレグ２４ａ，２４ｂからそれぞれ繰り出された第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂと第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂとが、図４に繊維束の配向方向から見た断面図を示すように第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂが配置された繊維束３２とされ、さらに図２のような繊維ガイド部３４で角度調整されて、ライナ１６の外面に巻き付けられる。こうして、ライナ１６の外面に繊維束３２が所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される（繊維層形成工程）。
【００２１】
ライナ１６に繊維束３２を巻き付ける前に、図１のように拡幅ローラ３０等の拡幅手段を設けて、拡幅ローラ３０等に第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂおよび第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂを押し付けて予め拡幅しておいてもよい。ここで、繊維束を拡幅するとは、例えば、繊維束を構成する繊維を拡げて繊維束を略扁平な状態にすることを意味する。
【００２２】
プリプレグを用いずに、例えば、繊維巻き付け装置１０の上流側で、繊維束を樹脂塗布槽等に浸漬する方法等によってエポキシ樹脂等の熱硬化性のマトリックス樹脂を繊維束に含浸してもよい。
【００２３】
繊維束３２の巻き付け工程後、高圧タンク１４は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク１４は、例えば１３０℃程度で、１０〜１５時間程度加熱される。この加熱により、熱硬化性樹脂等が含浸された繊維束３２が熱硬化され（硬化工程）、図３に示すような補強層１８が形成される。その後、高圧タンク１４は冷却される。このようにして、ライナ１６の外面に補強層１８が形成された高圧タンク１４が製造される。
【００２４】
本実施形態では、第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂに含まれる第一マトリックス樹脂の硬化温度を、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂに含まれる第二マトリックス樹脂の硬化温度よりも高くしてある。
【００２５】
高圧タンクにおいて高い強度を確保するためには、炭素繊維等の繊維の密着性を高くすることが望ましい。フィラメントワインディング法において、繊維束の巻き付け時に繊維の張力により繊維束に含浸させた樹脂が染み出し、繊維束の樹脂含有率が低下することがある。また、硬化工程において、加熱硬化時に樹脂の粘度が急激に低下することより、樹脂垂れが発生して、繊維束に含浸させた樹脂が染み出し、繊維束の樹脂含有率が低下することがある。繊維の高張力化、硬化時の高温化により、樹脂の染み出し、樹脂垂れがより顕著になって樹脂含有率の低下の問題がより大きくなる。繊維束の樹脂含有率が低下することにより、繊維の密着性が低下して、高圧タンクの強度が低下し、高圧タンクに要求される性能を充分に満足できないことがある。本実施形態では、両端側と内側の繊維束に含浸した樹脂の硬化温度に差をつけ、両端側に低温硬化の樹脂を含浸した繊維束、内側に高温硬化の樹脂を含浸した繊維束を配置してライナに巻き付けることにより、硬化工程において両端側に配置した低温硬化の繊維が先に硬化し始めることで、樹脂の染み出しを抑制することができる。樹脂含有率の低下を抑制して、繊維束をライナに巻き付けることができるため、強度、品質、寸法の安定した高圧タンクを生産することができる。
【００２６】
また、硬化時の樹脂垂れを防止できるため、樹脂のバリ発生を抑制することができ、バリの除去工程を省略することができる。
【００２７】
第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂに含まれる第一マトリックス樹脂の硬化温度は、第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂに含まれる第二マトリックス樹脂の硬化温度よりも高ければよく、特に制限はない。両者の温度差は、例えば、３０℃〜１００℃の範囲であり、４０℃〜５０℃の範囲であることが好ましい。例えば、第一マトリックス樹脂の硬化温度を１００℃〜１２０℃の範囲とすればよい。マトリックス樹脂の硬化温度が５０℃より低いと、樹脂の貯蔵安定性が低下してしまう場合がある。
【００２８】
なお、本明細書において「未硬化」とは、全く硬化が進行していない状態だけではなく、一部硬化が進行している状態も含む。
【００２９】
本実施形態において、図５に繊維束の配向方向から見た断面図を示すように第一樹脂含浸繊維束２６ａ，２６ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束２８ａ，２８ｂの一部が重なるように配置して、ライナ１６の外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。これにより、両端側の繊維が樹脂の染み出しを押さえ、樹脂含有率の低下がより抑制される。
【００３０】
繊維束の重なり幅は、段差をできるだけ小さくする等の点から、例えば、各繊維束の拡幅後の幅全体の１０％〜３０％程度の範囲とすればよい。各繊維束の拡幅後の幅が３〜４ｍｍ程度の場合、例えば、重なり幅を１ｍｍ程度とすればよい。
【００３１】
本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の他の例の全体構成の概略を図６に示す。図６に示す高圧タンクの製造装置１は、第一樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束４０ａをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ３６ａ、および繊維束に未硬化のマトリックス樹脂を予め含浸させた第一樹脂含浸繊維束４０ｂをボビン等に巻き付けた第一プリプレグ３６ｂと、第二樹脂含浸繊維束供給手段として、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束４２ａをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ３８ａ、および繊維束に未硬化のマトリックス樹脂を予め含浸させた第二樹脂含浸繊維束４２ｂをボビン等に巻き付けた第二プリプレグ３８ｂと、を備える。なお、第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂに含まれるマトリックス樹脂と、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂに含まれるマトリックス樹脂とは、同じものであっても、異なるものであってもよい。
【００３２】
回転支持部１２によってライナ１６が回転され、第一プリプレグ３６ａ，３６ｂおよび第二プリプレグ３８ａ，３８ｂからそれぞれ繰り出された第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂと第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂとが、図４と同様に第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂが配置された繊維束４４とされ、図２のような繊維ガイド部３４で角度調整されて、ライナ１６の外面に巻き付けられる。こうして、ライナ１６の外面に繊維束４４が所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される（繊維層形成工程）。
【００３３】
本実施形態では、第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力を、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂをライナ１６の外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする。両端側と内側の繊維の張力に差をつけ、両端側の繊維を高張力、内側の繊維を低張力でライナ１６に巻き付けることにより、両端側の繊維が樹脂の染み出しを抑制することができる。
【００３４】
第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂを巻き付ける際の繊維の張力は、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂを巻き付ける際の繊維の張力よりも低ければよく、特に制限はなない。両者の張力差は、例えば、５０Ｎ〜１５０Ｎの範囲である。例えば、第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂを巻き付ける際の繊維の張力を５０Ｎ〜１００Ｎの範囲として、第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂを巻き付ける際の繊維の張力を１５０Ｎ〜２００Ｎの範囲とすればよい。
【００３５】
両端側と内側の繊維の張力に差をつける方法としては、特に制限はないが、例えば、給糸ガイド４６にエンコーダ等を設定して、両端側と内側の繊維の張力に差をつければよい。
【００３６】
本構成においても、図５と同様に第一樹脂含浸繊維束４０ａ，４０ｂの両端側に第二樹脂含浸繊維束４２ａ，４２ｂの一部が重なるように配置して、ライナ１６の外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することが好ましい。
【００３７】
樹脂の染み出しを抑制する効果の点では、両端側と内側の繊維束に含浸した樹脂の硬化温度に差をつける構成の方が好ましく、コスト等の点からは、両端側と内側の繊維の張力に差をつける構成の方が好ましい。両端側と内側の繊維束に含浸した樹脂の硬化温度に差をつける構成と、両端側と内側の繊維の張力に差をつける構成とを組み合わせてもよい。
【００３８】
高圧タンク１４は、ライナ（内容器）１６、補強層（外層）１８を含んで構成されている。また、高圧タンク１４は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。
【００３９】
ライナ１６は、略円柱状等に形成されてなり、例えば高圧水素ガスなどの媒体をその内部に収容するためのものであり、水素ガス等のガスに直接接触する層である。ライナ１６の形状、サイズ、厚みは使用目的、仕様等に応じたものを任意に選択することができる。ライナ１６の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。
【００４０】
ライナ１６は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ１６を構成する樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。ライナを構成する金属としては、アルミ合金等の金属が挙げられる。ライナの肉厚やライナを構成する材料の種類は、ライナ１６に要求される強度、気密性、成形性等に応じて適宜選択することができる。これらのうち、強度や耐ガス透過性等の点からナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。
【００４１】
樹脂材料から構成されるライナ１６は、例えば、上記樹脂の射出成形により成形される。例えば、金型にポリアミド樹脂等の樹脂を流し込んで、略半円柱体を２つ成型し、それらをレーザ等により溶着して樹脂のライナ１６が成形される。この射出成形により、厚みが略均一なライナ１６が成形される。
【００４２】
補強層１８は、ライナ１６の外側を覆うように設けられてライナ１６を補強する層であり、例えば、繊維およびマトリックス樹脂を含んで構成される。補強層１８を構成する繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維等が挙げられる。
【００４３】
また、補強層１８を構成するマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、強度、接着性、耐ガス透過性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。
【００４４】
補強層１８は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂溶液を含浸させた状態でライナ１６の外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて形成することができる。
【００４５】
補強層１８の厚みは、巻き付ける繊維束３２，４４の層数等により調整することができ、例えば、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲である。繊維束３２，４４の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。
【００４６】
繊維束３２，４４は、例えば、上記繊維が１０，０００〜４０，０００本程度束ねられたものである。
【００４７】
通常、繊維束３２，４４の巻き付け方向は、ライナ１６の回転軸に対して略垂直方向、または斜め方向である。
【００４８】
プリプレグ（第一プリプレグ２２ａ，２２ｂ，３６ａ，３６ｂ、第二プリプレグ２４ａ，２４ｂ，３８ａ，３８ｂ）は、例えば、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を予め含浸させたものをボビン等に巻き付けたものであり、その形状、構成等に特に制限はない。
【００４９】
用いるプリプレグは少なくとも３つである。用いるプリプレグが３つの場合は、内側に配置する繊維束用のプリプレグが１つ、両端側に配置する繊維束用のプリプレグが２つであり、用いるプリプレグが４つの場合は、内側に配置する繊維束用のプリプレグが２つ、両端側に配置する繊維束用のプリプレグが２つである。用いるプリプレグが６つの場合は、例えば、内側に配置する繊維束用のプリプレグが４つ、両端側に配置する繊維束用のプリプレグが２つであるが、目的の性能等に応じて適宜変更することができる。
【００５０】
本実施形態に係る高圧タンク１４は、例えば、移動体に搭載され、内部に高圧ガスを貯蔵する高圧タンクである。また、高圧タンク１４は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。
【００５１】
ここで、移動体としては、二輪の車両、バスや乗用車等の四輪以上の自動車のほか、電車、船舶、航空機、ロボットなどが挙げられ、特に燃料電池車両である。高圧ガスとしては、水素ガスや圧縮天然ガスなどが挙げられる。
【００５２】
本実施形態に係る高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法により得られる繊維束は、樹脂溶液を含浸させて硬化した繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ材）等として、各種素材の強化材等に用いることができる。例えば、炭素繊維の場合、炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）として、高圧タンク、自動車用シャフト、航空機の胴体、部品等の補強材として用いることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ 高圧タンクの製造装置、１０ 繊維巻き付け装置、１２ 回転支持部、１４ 高圧タンク、１６ ライナ（内容器）、１８ 補強層（外層）、２０ シャフト、２２ａ，２２ｂ，３６ａ，３６ｂ 第一プリプレグ、２４ａ，２４ｂ，３８ａ，３８ｂ 第二プリプレグ、２６ａ，２６ｂ，４０ａ，４０ｂ 第一樹脂含浸繊維束、２８ａ，２８ｂ，４２ａ，４２ｂ 第二樹脂含浸繊維束、３０ 拡幅ローラ、３２，４４ 繊維束、３４ 繊維ガイド部、４６ 給糸ガイド。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束と、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束とを同時に用いて、前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束を配置してライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維層形成工程と、
前記マトリックス樹脂を硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記繊維層形成工程において、
（１）前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、
（２）前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を、前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする方法、
のうちの少なくとも１つを用いることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束の一部が重なるように配置して前記ライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項３】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造装置であって、
繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第一樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束供給手段と、
繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第二樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束供給手段と、
前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力、および前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を制御する張力制御手段と、
を有することを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高いことを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項５】
ライナと、
繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束の両端側に、繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第二樹脂含浸繊維束が配置されるように前記ライナの外面に巻き付けられた繊維層を含んで構成された補強層と、
を有し、
前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高いことを特徴とする高圧タンク。
【請求項１】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束と、繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束とを同時に用いて、前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束を配置してライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維層形成工程と、
前記マトリックス樹脂を硬化させる硬化工程と、
を含み、
前記繊維層形成工程において、
（１）前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度を、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高くする方法、および、
（２）前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を、前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力よりも低くする方法、
のうちの少なくとも１つを用いることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記第一樹脂含浸繊維束の両端側に前記第二樹脂含浸繊維束の一部が重なるように配置して前記ライナの外面に繊維束を巻き付けて繊維層を形成することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項３】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けた繊維層を含んで構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造装置であって、
繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第一樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束供給手段と、
繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた第二樹脂含浸繊維束を供給する少なくとも２つの第二樹脂含浸繊維束供給手段と、
前記第一樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力、および前記第二樹脂含浸繊維束を前記ライナの外面に巻き付ける際の繊維の張力を制御する張力制御手段と、
を有することを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項４】
請求項３に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高いことを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項５】
ライナと、
繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第一樹脂含浸繊維束の両端側に、繊維束とマトリックス樹脂とを含む少なくとも１つの第二樹脂含浸繊維束が配置されるように前記ライナの外面に巻き付けられた繊維層を含んで構成された補強層と、
を有し、
前記第一樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度が、前記第二樹脂含浸繊維束に含まれるマトリックス樹脂の硬化温度よりも高いことを特徴とする高圧タンク。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２３６９７４（Ｐ２０１１−２３６９７４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０９１３２（Ｐ２０１０−１０９１３２）
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１１日（２０１０．５．１１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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