高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法
【課題】ライナへの繊維の巻き付けの際に、できるだけ繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる高圧タンクの製造装置を提供する。
【解決手段】ライナ２２とライナ２２の外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能であり、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラ１４を備える高圧タンクの製造装置である。
【解決手段】ライナ２２とライナ２２の外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能であり、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラ１４を備える高圧タンクの製造装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法に関する。
【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エポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。
【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、炭素繊維等の繊維束をライナに巻き付ける際、繊維束の重なり部分で繊維の段差が生じてしまう。特に、繊維束の幅や厚みにばらつきがあったり、繊維の毛羽立ちが発生すると、段差がより大きくなり、繊維束の重なり部分で繊維の屈曲が生じ、得られた高圧タンクの強度等の性能が低下する場合がある。
【０００４】
特許文献１には、ライナの両端部を支持軸により支持し、ライナの一端部側を駆動させることでライナを回転させるフィラメントワインディング装置において、ライナの一端部側（駆動側）と他端部側（従動側）との間に生じるねじり応力等によりライナが変形することなくワインディング処理を可能とするために、ライナに対向する位置に配置され、ライナの外周面、またはライナに巻き付けられた繊維束の周面に接しながらライナを回転させるタッチローラを具備するフィラメントワインディング装置が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、ワーク（ライナ）表面における繊維の滑りを抑制するために、ライナの表面に巻き付けられた繊維をライナに押圧する軟質部材のバッド形状の押圧手段を備えると共に、この押圧手段はライナの表面に沿って移動可能とされているフィラメントワインディング装置が記載されている。
【０００６】
特許文献３には、マンドレル（ライナ）等に巻き付けられた繊維束の余分な樹脂を除去するために、マンドレル等上の樹脂含浸繊維束に圧接可能な押圧部を有するしごき部材を備えるフィラメントワインディング装置が記載されている。
【０００７】
しかし、特許文献１〜３の技術では、繊維の段差を低減することができない。また、特許文献１，３の技術では、繊維が損傷する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−５９６５号公報
【特許文献２】特開２００７−２６０９７６号公報
【特許文献３】特開２００２−２８３４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ライナへの繊維の巻き付けの際に、できるだけ繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能であり、前記ライナの外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラを備える高圧タンクの製造装置である。
【００１１】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることが好ましい。
【００１２】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であることが好ましい。
【００１３】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記加圧ローラが、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置されていることが好ましい。
【００１４】
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て構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造方法であって、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラを回転させて繊維を加圧しながら、前記ライナの外面に繊維を巻き付ける高圧タンクの製造方法である。
【００１５】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることが好ましい。
【００１６】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であることが好ましい。
【００１７】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記加圧ローラを、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置して繊維を加圧することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、ライナの外面への繊維の巻き付けの際のライナの回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラを回転させて繊維を加圧しながら巻き付けることにより、できるだけ繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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係る高圧タンクの製造装置におけるライナ、加圧ローラおよび繊維供給口の配置関係の一例を示す概略断面図である。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２２を支持するための回転支持部１２と、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラ１４とを備える。
【００２３】
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。
【００２４】
図１，２に示すように、ライナ２２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２２は図４に示すようなライナ２２の軸を通したシャフト２８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２２が回転され、図１のボビン１６から繰り出された繊維束２６がライナ２２の外面に巻き付けられる。繊維束２６は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂が含浸されたものであり、図２に示すように繊維供給口１８で角度調整されて、ライナ２２に巻き付けられる。こうして、ライナ２２の外面に繊維束２６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）。通常、繊維束２６の巻き付け方向は、ライナ２２の回転軸に対して略垂直方向（フープ巻き）、または斜め方向（ヘリカル巻き）である。
【００２５】
ライナ２２に繊維束２６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等に繊維束２６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。
【００２６】
また、回転支持部１２に、例えば空気等のガスを供給するガスボンベに通じるガス供給管が接続されて、空気等のガスをガス供給管および回転支持部１２を通じてライナ２２内に供給して、ライナ２２内を加圧状態として繊維を巻き付けてもよい。これにより、繊維束２６の巻き付けによりライナ２２が変形するのを防止することができる。
【００２７】
繊維束２６の巻き付け工程後、高圧タンク２０は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク２０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２６が熱硬化され（硬化工程）、図４に示すような補強層２４が形成される。その後、高圧タンク２０は冷却される。このようにして、ライナ２２の外面に補強層２４が形成された高圧タンク２０が製造される。
【００２８】
本実施形態においては、高圧タンクの製造装置１は、図１〜図３に示すように、加圧ローラ１４を備える。加圧ローラ１４は、加圧ローラシャフト１５等によって、図示しない回転駆動機構によって、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能なものである。
【００２９】
ライナ２２に繊維束２６を巻き付ける際、繊維束２６を斜め方向に巻くヘリカル巻きがあるため、繊維の重なり部に段差が生じる。また、繊維束２６の幅や厚みにばらつきがあったり、繊維の毛羽立ちの発生等により、繊維巻き付け後のライナ２２の繊維層の表面は、ミクロ的に多数の段差（凹凸）が生じている。これらの段差を加圧ローラ１４で加圧してならすことによって、繊維の段差を低減することができ、段差による繊維の屈曲等を低減することができる。また、加圧ローラ１４を、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて回転させることにより、加圧時の繊維の損傷等を抑制することができる。
【００３０】
加圧ローラ１４の形状は、ローラ形状（円柱形状）であり、ローラ形状という性質上、通常はライナ２２の直胴部を加圧するものである。パッド形状ではライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との間で摩擦が生じ、繊維に損傷等を与える可能性がある。
【００３１】
加圧ローラ１４の回転軸方向の長さは、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）を加圧することができるものであればよく、特に制限はないが、通常は、ライナ２２の直胴部と略同じ長さであればよい。
【００３２】
加圧ローラ１４の直径は、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）を加圧することができるものであればよく、特に制限はない。
【００３３】
加圧ローラ１４を構成する材料としては、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）を加圧することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、鉄、アルミ等の金属、ＭＣナイロン等の樹脂等が挙げられる。必要に応じて、金属、樹脂等の表面を表面処理してもよい。
【００３４】
加圧ローラ１４の表面の表面処理としては、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂等の樹脂による表面処理等が挙げられる。
【００３５】
加圧ローラ１４の表面の摩擦係数は、加圧ローラ１４の表面とライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との間の摩擦を低減し、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与えない程度であればよく、特に制限はないが、例えば、０．０５以下であることが好ましい。加圧ローラ１４の表面の摩擦係数が０．０５を超えると、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与える場合がある。加圧ローラ１４の表面の摩擦係数を０．０５以下とするためには、加圧ローラ１４の表面をテフロン（登録商標）等の樹脂等により表面処理することが好ましい。
【００３６】
加圧ローラ１４の硬さとしては、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維を加圧した際に、変形しない程度であればよく、特に制限はない。この観点から、加圧ローラ１４は、アルミ等の金属の表面をテフロン（登録商標）等の樹脂により表面処理したものであることが好ましい。
【００３７】
加圧ローラ１４によってライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に与える荷重は、繊維の段差を低減し、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与えない程度であればよく、特に制限はないが、例えば、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることが好ましい。荷重が１ｋｇ未満であると、繊維の段差が低減されない場合があり、荷重が２ｋｇを超えると、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与える場合がある。
【００３８】
ライナ２２の外面に繊維束２６を巻き付ける際に、加圧ローラ１４によって与える荷重を適宜変動させてもよい。
【００３９】
加圧ローラ１４は、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて回転させ、加圧ローラ１４の表面とライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との接触部の摩擦を軽減する構成とすればよい。
【００４０】
繊維に損傷等をなるべく与えずに加圧ローラ１４をライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて回転させるために、ライナ２２を回転駆動させる回転支持部１２とは別の駆動機構を用いて回転制御すればよい。加圧ローラ１４をライナ２２の回転に従動させると、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との間で摩擦が生じ、繊維に損傷等を与える可能性がある。なお、本明細書において「同期させる」とは、加圧ローラ１４の回転速度をライナ２２の回転速度と同じにするということを意味する。
【００４１】
加圧ローラ１４は、ライナ２２の外面への繊維束２６の巻き付けの際の繊維供給口１８と干渉しない位置に配置されればよい。加圧ローラ１４は、例えば、図３に示すように、ライナ２２を挟んで繊維供給口１８とは反対方向（例えば、９０度〜２７０度方向、好ましくは１８０度方向）に配置されればよい。
【００４２】
このように、ライナ２２の外面への繊維束２６の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラ１４を回転させて繊維を加圧しながら巻き付けることにより、繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる。よって、繊維の屈曲が抑制され、得られる高圧タンクの強度および疲労強度等が向上し、かつ、良好な品質で高圧タンクを製造することができ、品質の安定した高圧タンクを製造することができる。
【００４３】
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、通常２０μｍ〜３０μｍ程度の繊維の段差を、例えば、１０μｍ以下程度にまで低減することができる。
【００４４】
高圧タンク２０は、ライナ（内容器）２２、補強層（外層）２４を含んで構成されている。また、高圧タンク２０は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。
【００４５】
ライナ２２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２２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２２の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。
【００４６】
ライナ２２は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ２２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２２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。
【００４７】
樹脂材料から構成されるライナ２２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２２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２２が成形される。
【００４８】
補強層２４は、ライナ２２の外側を覆うように設けられてライナ２２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２４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。
【００４９】
また、補強層２４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、強度や接着性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。
【００５０】
補強層２４は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた状態でライナ２２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。
【００５１】
補強層２４の厚みは、巻き付ける繊維束２６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２６の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。
【００５２】
繊維束２６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。
【００５３】
繊維束２６としては、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の樹脂を予め含浸させたプリプレグを用いてもよいし、繊維巻き付け装置１０の上流側で、繊維束２６に樹脂を含浸したものを用いてもよい。
【００５４】
本実施形態に係る高圧タンク２０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２０は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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を利用して得られる補強層は、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】
【００５７】
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 加圧ローラ、１５ 加圧ローラシャフト、１６ ボビン、１８ 繊維供給口、２０ 高圧タンク、２２ ライナ（内容器）、２４ 補強層（外層）、２６ 繊維束、２８ シャフト、３０ 拡幅ローラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法に関する。
【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エポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。
【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、炭素繊維等の繊維束をライナに巻き付ける際、繊維束の重なり部分で繊維の段差が生じてしまう。特に、繊維束の幅や厚みにばらつきがあったり、繊維の毛羽立ちが発生すると、段差がより大きくなり、繊維束の重なり部分で繊維の屈曲が生じ、得られた高圧タンクの強度等の性能が低下する場合がある。
【０００４】
特許文献１には、ライナの両端部を支持軸により支持し、ライナの一端部側を駆動させることでライナを回転させるフィラメントワインディング装置において、ライナの一端部側（駆動側）と他端部側（従動側）との間に生じるねじり応力等によりライナが変形することなくワインディング処理を可能とするために、ライナに対向する位置に配置され、ライナの外周面、またはライナに巻き付けられた繊維束の周面に接しながらライナを回転させるタッチローラを具備するフィラメントワインディング装置が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、ワーク（ライナ）表面における繊維の滑りを抑制するために、ライナの表面に巻き付けられた繊維をライナに押圧する軟質部材のバッド形状の押圧手段を備えると共に、この押圧手段はライナの表面に沿って移動可能とされているフィラメントワインディング装置が記載されている。
【０００６】
特許文献３には、マンドレル（ライナ）等に巻き付けられた繊維束の余分な樹脂を除去するために、マンドレル等上の樹脂含浸繊維束に圧接可能な押圧部を有するしごき部材を備えるフィラメントワインディング装置が記載されている。
【０００７】
しかし、特許文献１〜３の技術では、繊維の段差を低減することができない。また、特許文献１，３の技術では、繊維が損傷する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−５９６５号公報
【特許文献２】特開２００７−２６０９７６号公報
【特許文献３】特開２００２−２８３４６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ライナへの繊維の巻き付けの際に、できるだけ繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能であり、前記ライナの外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラを備える高圧タンクの製造装置である。
【００１１】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることが好ましい。
【００１２】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であることが好ましい。
【００１３】
また、前記高圧タンクの製造装置において、前記加圧ローラが、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置されていることが好ましい。
【００１４】
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て構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造方法であって、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラを回転させて繊維を加圧しながら、前記ライナの外面に繊維を巻き付ける高圧タンクの製造方法である。
【００１５】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることが好ましい。
【００１６】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であることが好ましい。
【００１７】
また、前記高圧タンクの製造方法において、前記加圧ローラを、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置して繊維を加圧することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、ライナの外面への繊維の巻き付けの際のライナの回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラを回転させて繊維を加圧しながら巻き付けることにより、できるだけ繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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係る高圧タンクの製造装置におけるライナ、加圧ローラおよび繊維供給口の配置関係の一例を示す概略断面図である。
【図４】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２２を支持するための回転支持部１２と、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラ１４とを備える。
【００２３】
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。
【００２４】
図１，２に示すように、ライナ２２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２２は図４に示すようなライナ２２の軸を通したシャフト２８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２２が回転され、図１のボビン１６から繰り出された繊維束２６がライナ２２の外面に巻き付けられる。繊維束２６は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂が含浸されたものであり、図２に示すように繊維供給口１８で角度調整されて、ライナ２２に巻き付けられる。こうして、ライナ２２の外面に繊維束２６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）。通常、繊維束２６の巻き付け方向は、ライナ２２の回転軸に対して略垂直方向（フープ巻き）、または斜め方向（ヘリカル巻き）である。
【００２５】
ライナ２２に繊維束２６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等に繊維束２６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。
【００２６】
また、回転支持部１２に、例えば空気等のガスを供給するガスボンベに通じるガス供給管が接続されて、空気等のガスをガス供給管および回転支持部１２を通じてライナ２２内に供給して、ライナ２２内を加圧状態として繊維を巻き付けてもよい。これにより、繊維束２６の巻き付けによりライナ２２が変形するのを防止することができる。
【００２７】
繊維束２６の巻き付け工程後、高圧タンク２０は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク２０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２６が熱硬化され（硬化工程）、図４に示すような補強層２４が形成される。その後、高圧タンク２０は冷却される。このようにして、ライナ２２の外面に補強層２４が形成された高圧タンク２０が製造される。
【００２８】
本実施形態においては、高圧タンクの製造装置１は、図１〜図３に示すように、加圧ローラ１４を備える。加圧ローラ１４は、加圧ローラシャフト１５等によって、図示しない回転駆動機構によって、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能なものである。
【００２９】
ライナ２２に繊維束２６を巻き付ける際、繊維束２６を斜め方向に巻くヘリカル巻きがあるため、繊維の重なり部に段差が生じる。また、繊維束２６の幅や厚みにばらつきがあったり、繊維の毛羽立ちの発生等により、繊維巻き付け後のライナ２２の繊維層の表面は、ミクロ的に多数の段差（凹凸）が生じている。これらの段差を加圧ローラ１４で加圧してならすことによって、繊維の段差を低減することができ、段差による繊維の屈曲等を低減することができる。また、加圧ローラ１４を、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて回転させることにより、加圧時の繊維の損傷等を抑制することができる。
【００３０】
加圧ローラ１４の形状は、ローラ形状（円柱形状）であり、ローラ形状という性質上、通常はライナ２２の直胴部を加圧するものである。パッド形状ではライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との間で摩擦が生じ、繊維に損傷等を与える可能性がある。
【００３１】
加圧ローラ１４の回転軸方向の長さは、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）を加圧することができるものであればよく、特に制限はないが、通常は、ライナ２２の直胴部と略同じ長さであればよい。
【００３２】
加圧ローラ１４の直径は、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）を加圧することができるものであればよく、特に制限はない。
【００３３】
加圧ローラ１４を構成する材料としては、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）を加圧することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、鉄、アルミ等の金属、ＭＣナイロン等の樹脂等が挙げられる。必要に応じて、金属、樹脂等の表面を表面処理してもよい。
【００３４】
加圧ローラ１４の表面の表面処理としては、例えば、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂、ウレタン樹脂、シリコン樹脂等の樹脂による表面処理等が挙げられる。
【００３５】
加圧ローラ１４の表面の摩擦係数は、加圧ローラ１４の表面とライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との間の摩擦を低減し、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与えない程度であればよく、特に制限はないが、例えば、０．０５以下であることが好ましい。加圧ローラ１４の表面の摩擦係数が０．０５を超えると、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与える場合がある。加圧ローラ１４の表面の摩擦係数を０．０５以下とするためには、加圧ローラ１４の表面をテフロン（登録商標）等の樹脂等により表面処理することが好ましい。
【００３６】
加圧ローラ１４の硬さとしては、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維を加圧した際に、変形しない程度であればよく、特に制限はない。この観点から、加圧ローラ１４は、アルミ等の金属の表面をテフロン（登録商標）等の樹脂により表面処理したものであることが好ましい。
【００３７】
加圧ローラ１４によってライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に与える荷重は、繊維の段差を低減し、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与えない程度であればよく、特に制限はないが、例えば、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることが好ましい。荷重が１ｋｇ未満であると、繊維の段差が低減されない場合があり、荷重が２ｋｇを超えると、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）に損傷等を与える場合がある。
【００３８】
ライナ２２の外面に繊維束２６を巻き付ける際に、加圧ローラ１４によって与える荷重を適宜変動させてもよい。
【００３９】
加圧ローラ１４は、ライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて回転させ、加圧ローラ１４の表面とライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との接触部の摩擦を軽減する構成とすればよい。
【００４０】
繊維に損傷等をなるべく与えずに加圧ローラ１４をライナ２２の外面への繊維の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて回転させるために、ライナ２２を回転駆動させる回転支持部１２とは別の駆動機構を用いて回転制御すればよい。加圧ローラ１４をライナ２２の回転に従動させると、ライナ２２の外面に巻き付けた繊維（繊維層）との間で摩擦が生じ、繊維に損傷等を与える可能性がある。なお、本明細書において「同期させる」とは、加圧ローラ１４の回転速度をライナ２２の回転速度と同じにするということを意味する。
【００４１】
加圧ローラ１４は、ライナ２２の外面への繊維束２６の巻き付けの際の繊維供給口１８と干渉しない位置に配置されればよい。加圧ローラ１４は、例えば、図３に示すように、ライナ２２を挟んで繊維供給口１８とは反対方向（例えば、９０度〜２７０度方向、好ましくは１８０度方向）に配置されればよい。
【００４２】
このように、ライナ２２の外面への繊維束２６の巻き付けの際のライナ２２の回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラ１４を回転させて繊維を加圧しながら巻き付けることにより、繊維の損傷等を抑制しつつ、繊維の段差を低減することができる。よって、繊維の屈曲が抑制され、得られる高圧タンクの強度および疲労強度等が向上し、かつ、良好な品質で高圧タンクを製造することができ、品質の安定した高圧タンクを製造することができる。
【００４３】
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、通常２０μｍ〜３０μｍ程度の繊維の段差を、例えば、１０μｍ以下程度にまで低減することができる。
【００４４】
高圧タンク２０は、ライナ（内容器）２２、補強層（外層）２４を含んで構成されている。また、高圧タンク２０は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。
【００４５】
ライナ２２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２２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２２の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。
【００４６】
ライナ２２は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ２２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２２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。
【００４７】
樹脂材料から構成されるライナ２２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２２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２２が成形される。
【００４８】
補強層２４は、ライナ２２の外側を覆うように設けられてライナ２２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２４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。
【００４９】
また、補強層２４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、強度や接着性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。
【００５０】
補強層２４は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた状態でライナ２２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。
【００５１】
補強層２４の厚みは、巻き付ける繊維束２６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２６の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。
【００５２】
繊維束２６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。
【００５３】
繊維束２６としては、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の樹脂を予め含浸させたプリプレグを用いてもよいし、繊維巻き付け装置１０の上流側で、繊維束２６に樹脂を含浸したものを用いてもよい。
【００５４】
本実施形態に係る高圧タンク２０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２０は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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を利用して得られる補強層は、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】
【００５７】
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 加圧ローラ、１５ 加圧ローラシャフト、１６ ボビン、１８ 繊維供給口、２０ 高圧タンク、２２ ライナ（内容器）、２４ 補強層（外層）、２６ 繊維束、２８ シャフト、３０ 拡幅ローラ。
【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て構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、
前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能であり、前記ライナの外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラを備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であ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１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記加圧ローラが、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置されていることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項５】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラを回転させて繊維を加圧しながら、前記ライナの外面に繊維を巻き付けることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記加圧ローラを、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置して繊維を加圧することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項１】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、
前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させた回転で回転可能であり、前記ライナの外面に巻き付けた繊維を加圧する加圧ローラを備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であ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１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記加圧ローラが、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置されていることを特徴とする高圧タンクの製造装置。
【請求項５】
ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の前記ライナの回転とは逆方向へ同期させて加圧ローラを回転させて繊維を加圧しながら、前記ライナの外面に繊維を巻き付けることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記ライナの外面に対する前記加圧ローラの荷重が、１ｋｇ〜２ｋｇの範囲であることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項７】
請求項５または６に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記加圧ローラの表面の摩擦係数が０．０５以下であることを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記加圧ローラを、前記ライナの外面への繊維の巻き付けの際の繊維供給口と干渉しない位置に配置して繊維を加圧することを特徴とする高圧タンクの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２４０６４６（Ｐ２０１１−２４０６４６Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１６０７３（Ｐ２０１０−１１６０７３）
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【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１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２０日（２０１０．５．２０）
【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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