JP2005113963A

JP2005113963A - 耐圧容器製造方法

Info

Publication number: JP2005113963A
Application number: JP2003346156A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Matsuoka; 誠一松岡
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2003-10-03
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】製造コストを抑制しながら高強度で軽量の耐圧容器を得ることができる耐圧容器製造方法を提供する。
【解決手段】ライナ１０の外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、ブレイダを用いて、第１の炭素繊維束２０をライナ１０の円筒部１１の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第２の炭素繊維束３０をライナ１０の略周方向に配向しながらライナ１０の外周に組成体４０を形成する組成体形成工程と、組成体４０に樹脂を含浸させ硬化させることにより外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、耐圧容器製造方法に関する。

現在、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）やＣＨＧ（Compressed Hydrogen Gas）等の加圧ガスや低温ガスを貯蔵・輸送するための耐圧容器が実用化されている。従来は、高強度でガスバリア性に優れる金属製の耐圧容器が主流であったが、金属製の耐圧容器は重量が大きいため、軽量化が求められる自動車や宇宙航行体の燃料タンクに適用することが困難であった。このため、近年においては、中空状のライナの外周にＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層を形成してなる比較的軽量のＦＲＰ外装耐圧容器が提案されている。

中空状のライナの外周にＦＲＰ層を形成する方法としては、ＦＷ（Filament Winding）法がある。ＦＷ法は、繊維束に予め樹脂を含浸させてトウ状のプリプレグを調製し、このトウ状のプリプレグをライナに巻き付けてＦＲＰ層を成形する方法である。このＦＷ法を採用すると、比較的軽量でかつ高い強度を有するＦＲＰ外装耐圧容器を得ることが可能となる。しかし、ＦＷ法を採用すると、トウ状又はテープ状の連続したプリプレグをライナに巻き付ける作業に長時間を要してしまうという問題がある。

このような問題を解決するために、近年においては、ブレイダを用いて複数の繊維束を組み上げてライナの外周にＦＲＰ層を形成する「ブレイディング法」が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。「ブレイディング法」を採用すると、ＦＷ法を採用した場合と比較して、耐圧容器の製造時間を短縮することができる。
特開平１１−５８５４０号公報（第３頁、第４図）特開平７−２５６７７１号公報（第２頁、第２図）

ところで、従来の「ブレイディング法」においては、ブレイディング時における抵抗を低減させるために、ドライＣＦ（Carbon Fiber）等の樹脂未含浸の繊維束を用いる場合が多いが、樹脂未含浸の繊維束にはプリプレグのような粘着性がないため、ブレイディング時に繊維束が緩むことがある。このような繊維束の緩みは、ＦＲＰ層の強度低下の大きな要因となる。また、ＦＲＰ層の強度確保のために繊維束の量を増加させると、耐圧容器の重量が増大し、製造コストも嵩むという問題がある。

本発明の課題は、製造コストを抑制しながら高強度で軽量の耐圧容器を得ることができる耐圧容器製造方法と、この製造方法により得られる耐圧容器と、を提供することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、円筒部とこの円筒部の両端に連設された曲面のドーム部とを有するライナの外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、ブレイダを用いて、第１の繊維束を前記円筒部の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第２の繊維束を前記ライナの略周方向に配向しながら組み上げて前記ライナの外周に組成体を形成する組成体形成工程と、前記組成体に樹脂を含浸させ硬化させることにより前記外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、第１の繊維束をライナの円筒部の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第２の繊維束をライナの略周方向に配向しながら組み上げてライナの外周に組成体を形成し、この組成体に樹脂を含浸させて硬化させることにより、繊維強化複合材製の外殻を形成する。

すなわち、組成体を形成するにあたり、従来のブレイディング法のように２種類の繊維束双方の配向方向をライナの軸方向に対して所定角度傾斜させるのではなく、２種類の繊維束のうち一方のみをライナの軸方向に対して所定角度傾斜させて配向するとともに、他方をライナの周方向に配向するようにする。このため、組成体を構成する２種類の繊維束（第１の繊維束及び第２の繊維束）に異なる張力を加えても不都合が生じることがない。

従って、第１の繊維束に加える張力を、第２の繊維束に加える張力より大きく設定することができるので、組成体形成時（ブレイディング時）における第１の繊維束の緩みを阻止することができる。また、第２の繊維束を屈曲させて第１の繊維束に絡めることができるので、第１の繊維束同士を束ねて離れ難くすることができる。この結果、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、第１の繊維束をライナの軸方向に対して所定角度傾斜させて配向するとともに、第２の繊維束をライナの略周方向に配向するので、これら２種類の繊維束の直径を異ならせても不都合が生じることがない。従って、前記したように第１の繊維束の緩みを阻止しながら、第１の繊維束の直径を第２の繊維束の直径よりも大きく設定することができるので、外殻の強度を高めることが可能となる。

また、前記したように繊維束の緩みを阻止することにより外殻の強度を高めることができるので、外殻の強度確保のために繊維束を増加させる必要がない。従って、耐圧容器の軽量化を図ることができるとともに、製造コストを抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の耐圧容器製造方法において、前記第１の繊維束に加えられる張力を、前記第２の繊維束に加えられる張力よりも大きく設定したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の耐圧容器製造方法において、前記第１の繊維束の径を前記第２の繊維束の径よりも大きく設定したことを特徴とする。

本発明によれば、一方の繊維束をライナの軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、他方の繊維束をライナの略周方向に配向しながら組み上げてライナの外周に組成体を形成するので、組成体内部の繊維束の緩みを阻止することができる。そして、この組成体に樹脂を含浸させ硬化させることにより、高強度の外殻を形成することができる。この結果、製造コストを抑制しながら高強度で軽量の耐圧容器を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態においては、ライナ１０（図１等参照）の外周に繊維強化複合材製の外殻を形成してＣＮＧタンクを製造する方法について説明する。本実施の形態に係る製造方法で製造されるＣＮＧタンクは、約２００気圧のＣＮＧを充填することができる耐圧容器である。

まず、ガスバリア性に優れた材料でライナ１０を調製する（ライナ調製工程）。本実施の形態においては、ガスバリア性に優れるとともに寸法安定性・耐薬品性に優れる液晶樹脂を用いてブロー成形法によりライナ１０を調製している。ライナ１０は、図１に示すように、円筒部１１と、この円筒部１１の両端に形成されたドーム部１２と、を有しており、ドーム部１２の頂部には、金属製の口金１３が取り付けられている。

次いで、約１２０００本の炭素繊維を束にすることにより大径炭素繊維束２０を調製するとともに、約１０００本の炭素繊維を束にすることにより小径炭素繊維束３０を調製する（繊維束調製工程）。大径炭素繊維束２０は本発明における第１の繊維束であり、小径炭素繊維束３０は本発明における第２の繊維束である。大径炭素繊維束２０はブレイダの第１ボビン１００（図４参照）に、小径炭素繊維束３０はブレイダの（図示されていない）第２ボビンに、各々巻き付けられて、後述する組成体形成工程で使用される。

次いで、ライナ１０の円筒部１１の周方向に沿って配置された複数の第１ボビン１００（図４参照）から大径炭素繊維束２０を供給し、これら大径炭素繊維束２０の端部２１を、図１に示すようにライナ１０の円筒部１１の軸方向略中央部に取り付ける。また、第２ボビンから１本の小径炭素繊維束３０を供給し、この小径炭素繊維束３０の端部３１を、図１に示すようにライナ１０の円筒部１１の軸方向略中央部に取り付ける（繊維束取付工程）。

なお、繊維束取付工程においては、各炭素繊維束の端部に、加熱して溶融させた熱可塑性樹脂を含浸させ、その含浸させた部分をライナ１０の円筒部１１に融着させて取り付けるようにする。

次いで、図２に示すように、ライナ１０を軸方向（矢印Ａ方向）に移動させながら、周方向に緩やかに回転させる。第１ボビン１００から大径炭素繊維束２０を連続的に供給するとともに、第２ボビンから小径炭素繊維束３０を連続的に供給して組み上げることにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に組成体４０（図３（ｂ）参照）を形成する（組成体形成工程）。

この組成体形成工程においては、ライナ１０を周方向に揺やかに回転させることにより、大径炭素繊維束２０を、ライナ１０の円筒部１１の軸方向に対して所定角度傾斜させる（図２及び図３（ｂ）参照）。大径炭素繊維束２０と、円筒部１１の軸方向と、のなす角度（配向角）の値は、円筒部１１の直径と、口金１３の直径と、の比（直径比）に応じて設定することができる。例えば、この直径比が５：１の場合には、配向角を約２０°に設定する。また、小径炭素繊維束３０をライナ１０の周方向に配向するようにする（図２及び図３（ｂ）参照）。

また、組成体形成工程においては、第１ボビン１００及び第２ボビンに設けられた（図示されていない）張力調整手段を用いて、大径炭素繊維束２０及び小径炭素繊維束３０に所定の張力を加える。本実施の形態においては、大径炭素繊維束２０に加える張力を相対的に大きく設定することにより、大径炭素繊維束２０の緩みを阻止するようにしている。

なお、組成体形成工程においては、組成体４０が図４（ａ）に示すようにライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点で、ライナ１０の移動を停止させる。そして、図４（ｂ）に示すように、第１ボビン１００をライナ１０の周方向にφ°だけ回転させる。その後、ライナ１０を逆方向（矢印Ｂ方向：図２参照）に移動させて、組成体４０の形成を続行する。

φの値は、約１３５°〜約１８０°の範囲で設定する。このように、ライナ１０の移動方向を矢印Ａ方向から矢印Ｂ方向に逆転させる前に、第１ボビン１００をライナ１０の周方向にφ°だけ回転させることにより、大径炭素繊維束２０が逆方向に折り曲げられた状態で配向されるのを阻止することができる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、大径炭素繊維束２０をライナ１０のドーム部１２に巻き付けるように配向することができる。

以上のような組成体形成工程により、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に所定厚さの組成体４０を形成するようにする。そして、組成体４０の形成を終えた時点で、小径炭素繊維束３０を切断する。

次いで、図５に示すように、ライナ１０を周方向（矢印Ｃ方向）に回転させながら軸方向（矢印Ｂ方向）に移動させることにより、大径炭素繊維束２０をライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２に巻き付けて、組成体４０の上に所定厚さの巻回層５０を形成する（巻回層形成工程）。その後、繊維束取付工程と同様の手法で大径炭素繊維束２０の端部を固定する。

続いて、組成体４０及び巻回層５０に、加熱により溶融させた熱可塑性樹脂を含浸させる。その後、含浸させた熱可塑性樹脂を自然冷却により硬化させて、繊維強化複合材製の外殻を形成する（樹脂含浸硬化工程）。以上の工程群を経ることにより、耐圧容器であるＣＮＧタンクが得られる。

以上説明した実施の形態に係る製造方法においては、大径炭素繊維束２０をライナ１０の円筒部１１の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、小径炭素繊維束３０をライナ１０の略周方向に配向しながらライナ１０の外側に組成体４０を形成し、この組成体４０に熱可塑性樹脂を含浸させて硬化させることにより、繊維強化複合材製の外殻を形成する。

すなわち、２種類の炭素繊維束のうち一方のみをライナ１０の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、他方をライナ１０の略周方向に配向するため、組成体４０を構成する２種類の炭素繊維束に異なる張力を加えても不都合が生じることがない。

従って、大径炭素繊維束２０に加える張力を、小径炭素繊維束３０に加える張力より大きく設定することができるので、組成体形成時（ブレイディング時）における大径炭素繊維束２０の緩みを阻止することができる。この結果、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、ＣＮＧタンクの強度を高めることができる。

また、以上説明した実施の形態に係る製造方法においては、ライナ１０の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方の炭素繊維束の直径を、ライナの略周方向に配向する他方の炭素繊維束の直径よりも大きくしているので、外殻の強度を高めることが可能となる。また、前記したように炭素繊維束の緩みを阻止することにより外殻の強度を高めることができるので、外殻の強度確保のために繊維束を増加させる必要がない。従って、ＣＮＧタンクの軽量化を図ることができるとともに、製造コストを抑制することができる。

なお、以上の実施の形態においては、液晶樹脂を用いてライナ１０を調製した例を示したが、ライナ１０の材料は液晶樹脂に限られるものではない。例えば、高密度ポリエチレン等のガスバリア性を有する他の合成樹脂やアルミニウム合金等の金属材料を用いてライナ１０を調製することもできる。また、以上の実施の形態においては、ブロー成形法によりライナ１０を成形した例を示したが、射出成形法等を採用してライナ１０を成形することもできる。

また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、大径炭素繊維束２０の直径と、小径炭素繊維束３０の直径と、の比（直径比）を約１２：１に設定した例を示したが、この直径比を適宜変更することができる。例えば、ＣＮＧタンクの外殻の強度をより一層高めるために、大径炭素繊維束２０の直径を相対的に大きくして、直径比を約２４：１程度に設定することもできる。

また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、樹脂含浸硬化工程で、組成体４０及び巻回層５０に「熱可塑性樹脂」を含浸させ硬化させた例を示したが、「熱可塑性樹脂」に代えて「熱硬化性樹脂」を採用することもできる。

また、以上の実施の形態に係る製造方法においては、「炭素繊維」を採用して第１及び第２の繊維束（大径炭素繊維束２０及び小径炭素繊維束３０）を調製した例を示したが、「ガラス繊維」や「アラミド繊維」を採用して第１及び第２の繊維束を調製することもできる。

本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の繊維束取付工程を説明するための説明図である。本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の組成体形成工程を説明するための説明図である。同上本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の組成体形成工程において、ライナの移動方向を逆転させる際における大径炭素繊維束の配向状態を説明するための説明図である。本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の巻回層形成工程を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ライナ
１１円筒部
１２ドーム部
２０大径炭素繊維束（第１の繊維束）
３０小径炭素繊維束（第２の繊維束）
４０組成体

Claims

円筒部とこの円筒部の両端に連設された曲面のドーム部とを有するライナの外周に繊維強化複合材製の外殻を形成して耐圧容器を製造する方法であって、
ブレイダを用いて、第１の繊維束を前記円筒部の軸方向に対して所定角度傾斜させて配向する一方、第２の繊維束を前記ライナの略周方向に配向しながら組み上げて前記ライナの外周に組成体を形成する組成体形成工程と、
前記組成体に樹脂を含浸させ硬化させることにより前記外殻を形成する樹脂含浸硬化工程と、
を備えることを特徴とする耐圧容器製造方法。
前記第１の繊維束に加えられる張力を、前記第２の繊維束に加えられる張力よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１に記載の耐圧容器製造方法。
前記第１の繊維束の径を、前記第２の繊維束の径よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の耐圧容器製造方法。