JP2022134516A - 高圧タンク製造装置及び高圧タンク製造方法 - Google Patents

高圧タンク製造装置及び高圧タンク製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】中間体がキャビティの表面に接触することを抑制する技術を提供する。【解決手段】高圧タンク製造装置は、ライナに繊維束が巻回されている中間体が配置されるキャビティを有する金型と、前記金型に対して移動可能に配置されており、前記キャビティの表面から前記キャビティ内に突出して前記キャビティに配置される中間体に接触する接触位置と、前記キャビティに配置される中間体から離間する離間位置と、の間で移動するピン部と、を備え、前記ピン部は、前記接触位置で、前記キャビティに流入される溶融樹脂が前記キャビティの前記表面と前記中間体との間で前記ピン部を越えて流動可能に配置されている。【選択図】図１

Description

本明細書は、高圧タンク製造装置及び高圧タンク製造方法を開示する。
特許文献１に、高圧タンクの製造方法が開示されている。この製造方法では、金型の樹脂注入口を囲むように設けられたスライドコアを金型のキャビティ面から中間体の方向に向かって移動させることによって、スライドコアを繊維束に当接させて、樹脂注入口から樹脂を注入して繊維束に含浸させる。樹脂注入時にスライドコアを中間体の表面に当接させることによって、樹脂の流れを強制的に繊維束の内層側に向け、繊維束の内層部まで樹脂を含浸させる。
特開２０１９－１４２１１８号公報
高圧タンクの形状は、高圧タンクが搭載される領域によって決定される。高圧タンクの中間体は、ライナに繊維束を巻回して作製される。中間体の形状は、高圧タンクの形状に合わせて形成される。例えば、高圧タンクが細長い形状である場合、中間体も細長い形状で形成される。中間体の形状によっては、樹脂を含浸させる前に変形し、中間体がキャビティの表面に広範囲に亘って接触する場合がある。
中間体の表面のうちキャビティの表面に接触している領域では、中間体とキャビティとの間に溶融樹脂が流入しない。この結果、中間体の表面に溶融樹脂が接触されず、中間体の表面から溶融樹脂が含浸することができない。この結果、繊維束に樹脂が十分に含浸されていない箇所が生じ得る。
本明細書では、中間体がキャビティの表面に接触することを抑制する技術を提供する。
本明細書では、高圧タンク製造装置を開示する。高圧タンク製造装置は、ライナに繊維束が巻回されている中間体が配置されるキャビティを有する金型と、前記金型に対して移動可能に配置されており、前記キャビティの表面から前記キャビティ内に突出して前記キャビティに配置される中間体に接触する接触位置と、前記キャビティに配置される中間体から離間する離間位置と、の間で移動するピン部と、を備え、前記ピン部は、前記接触位置で、前記キャビティに流入される溶融樹脂が前記キャビティの前記表面と前記中間体との間で前記ピン部を越えて流動可能に配置されている。
また、本明細書では、高圧タンクの製造方法を開示する。この製造方法は、上記の高圧タンク製造装置のキャビティに、ライナに繊維束が巻回されている中間体を配置する配置工程であって、ピン部が接触位置に配置される前記配置工程と、前記キャビティに溶融樹脂を注入して、前記溶融樹脂が前記キャビティの前記表面と前記中間体との間において前記ピン部を越えて流動させて前記キャビティ内に前記溶融樹脂を充填する充填工程と、前記キャビティ内の前記樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸工程と、前記ピン部を接触位置から離間位置に移動させる移動工程と、を備える。
上記の構成によれば、キャビティ内で、ピン部が中間体と接触することによって、中間体がキャビティ表面に接触することを抑制することができる。溶融樹脂は、ピン部を越えてキャビティ表面と中間体との間を流れることができるため、ピン部によって溶融樹脂の流れが阻害されることを抑制することができる。また、ピン部を接触位置から離間位置に移動させることによって、ピン部との接触していた部分の中間体の表面にも溶融樹脂を接触させることができる。
実施例の高圧タンク製造装置の縦断面図。 実施例の高圧タンクの縦断面図。 実施例のキャビティを流れる樹脂の流れを表す模式図。 実施例の高圧タンクの製造方法を示すフローチャート。 実施例のピン部が離間位置に位置する状態の高圧タンク製造装置の縦断面図。
本明細書が開示する熱管理装置の技術要素を、以下に列記する。なお、以下の各技術要素は、それぞれ独立して有用なものである。
前記ピン部は、前記キャビティの前記表面から同一の方向に向かって突出している複数のピンであって、互いに離間して配置されている前記複数のピンを備えていてもよい。
この構成によれば、同一方向に突出する複数のピンが複数の位置で中間体に接触することによって、中間体を支持することができる。これにより、中間体がキャビティ表面に接触することを抑制することができる。
前記中間体は、前記中間体の長手方向に延びる筒状の中央部分と、前記中央部分の両端のそれぞれにおいて先端に向かって徐々に細くなる先端部分と、を備え、前記ピン部は、前記中央部分に接触してもよい。
中間体の先端部分は徐々に細くなる形状を有しているため、変形しづらい。一方、中間体の中央部分は、筒状を有しており、変形しやすい。ピン部が中央部分に接触することによって、より変形しやすい中央部分にピン部を接触させることができる。
高圧タンクの製造方法の前記移動工程では、前記キャビティ内において前記樹脂が硬化する前に、前記ピン部を、前記接触位置から前記離間位置に移動させてもよい。
この構成によれば、ピン部が接触位置から離間位置に移動することによって形成された空間に、硬化していない溶融樹脂を流入させることができる。これにより、中間体の表面うち、ピン部に接触していた部分にも、樹脂を接触させることができる。これにより、中間体の全域において、中間体の表面から繊維束に樹脂を含浸させることができる。
（実施例）
図１に示すように、本実施例の高圧タンク製造装置１０は、高圧タンク１００（図２参照）を製造する際に用いられる。
（高圧タンクの構成）
最初に、図２を参照して高圧タンク１００を説明する。高圧タンク１００は、燃料電池自動車に搭載され、天然ガス、水素ガス等の燃料ガスを貯蔵する。高圧タンク１００は、ライナ１０２と、樹脂が含浸されている繊維束１０４と、環状部材１０６と、を備える。ライナ１０２は、ガスバリア性の樹脂材料で作製されている。ライナ１０２は、中央部分１０２ａにおいて円筒形状を有している。ライナ１０２の先端部分１０２ｂは、中央部分１０２ａから離間してライナ１０２の端に向かうのに従って、徐々に細くなっている。
ライナ１０２の外側表面には、繊維束１０４が配置されている。繊維束１０４は、ライナ１０２の外側表面に炭素繊維を巻回させることによって形成されている。繊維束１０４は、ライナ１０２の全長に亘って配置されている。繊維束１０４は、ブレーディング製法によって炭素繊維が巻回されている。
繊維束１０４は、高圧タンク１００の両端において、ライナ１０２と環状部材１０６とによって、挟まれて保持されている。高圧タンク製造装置１０は、ライナ１０２に繊維束１０４が巻回され、かつ、環状部材１０６によって繊維束１０４が保持されている中間体２００の繊維束１０４に樹脂を含浸させるために用いられる。このため、高圧タンク製造装置１０は、含浸装置１０と呼ぶこともできる。なお、変形例では、高圧タンク１００の用途は、燃料電池自動車の燃料ガスを貯留するタンクに限られず、上記と同様の構造を有しており、高圧のガスを貯留するタンクであってもよい。
（高圧タンク製造装置の構成）
図１に示すように、金型１１と、ピン部２０と、を備える。金型１１は、上型１２と下型１４とを備える。上型１２と下型１４とが閉じられると、金型１１内にキャビティ４０が形成される。キャビティ４０には、中間体２００が配置される。キャビティ４０は、中間体２００の外形よりも若干大きな空間を有する。このため、キャビティ４０に中間体２００が配置されている状態では、キャビティ４０と中間体２００との間に、溶融樹脂が流れる程度の小さな隙間が形成される。なお、図１及び図５では、見易さを優先して、キャビティ４０と中間体２００との隙間が大きく描かれている。
上型１２には、ピン部２０が取り付けられている。ピン部２０は、複数のピン２２と、支持板２４と、アクチュエータ２６と、を備える。複数のピン２２のそれぞれは、円柱形状を有する。複数のピン２２は、上型１２において、キャビティ４０の表面から上方に延びる配置孔４２内に配置されている。なお、図１及び図５では、ピン２２と配置孔４２との隙間が大きく描かれているが、ピン２２と配置孔４２との間には、溶融樹脂が流入しない程度の隙間が設けられている。
複数のピン２２は、上型１２において、中間体２００の長手方向（即ち図１の左右方向）に互いに間隔を有して並んでいる。複数のピン２２は、互いに平行に配置されている。複数のピン２２は、上端において、支持板２４に取り付けられている。支持板２４は、アクチュエータ２６によって、上型１２に対して上下方向に移動可能に配置されている。アクチュエータ２６は、油圧シリンダであってもよいし、エアシリンダ、サーボモータ等であってもよい。複数のピン２２は、支持板２４がアクチュエータ２６によって上下方向に移動されることによって、図１に示すような中間体２００に接触する接触位置と、図５に示すような中間体２００から離間する離間位置と、の間で上下方向に移動可能に配置されている。複数のピン２２が離間位置に配置されている状態では、複数のピン２２の下端面は、キャビティ４０の表面と同一面上に位置する。
下型１４には、ピン部３０が取り付けられている。ピン部３０は、複数のピン３２と、支持板３４と、アクチュエータ３６と、を備える。複数のピン３２のそれぞれは、複数のピン２２と同様の構成を有する。複数のピン３２は、下型１４において、キャビティ４０の表面から上方に延びる配置孔４４内に配置されている。ピン３２と配置孔４４との関係は、ピン２２と配置孔４２との関係と同一である。
複数のピン３２は、下端において、支持板２４と同様の支持板３４に取り付けられている。支持板３４は、アクチュエータ２６と同様のアクチュエータ３６によって、下型１４に対して上下方向に移動可能に配置されている。これにより、複数のピン３２は、支持板３４がアクチュエータ３６によって上下方向に移動されることによって、図１に示すような中間体２００に接触する接触位置と、図５に示すような中間体２００から離間する離間位置と、の間で上下方向に移動可能に配置されている。複数のピン３２が離間位置に配置されている状態では、複数のピン３２の下端面は、キャビティ４０の表面と同一面上に位置する。
図３に示すように、下型１４には、中間体２００の両端を支持する支持部１６を備える。支持部１６は、中間体２００の環状部材１０６を支持する。これにより、中間体２００が金型１１内で支持される。また、下型１４には、キャビティ４０に樹脂を充填するための複数の流路４６が配置されている。複数の流路４６は、金型１１外から金型１１内に注入される溶融樹脂を、キャビティ４０内に案内する溝形状を有する。
（高圧タンクの製造方法）
次いで、高圧タンク１００の製造方法を説明する。高圧タンク１００では、まず、ライナ１０２に繊維束１０４を配置して環状部材１０６で保持することによって、中間体２００が作製される。中間体２００は、ライナ１０２の中央部分１０２ａによって形成される中央部分２００ａと、ライナ１０２の先端部分１０２ｂによって形成される先端部分２００ｂと、を有する。中央部分２００ａは、円筒形状を有する。先端部分２００ｂは、中央部分２００ａから離間して、中間体２００の先端に向かって、徐々に細くなっている。
次いで、繊維束１０４に樹脂を含浸させる樹脂含浸処理が実行される。樹脂含浸処理では、図１に示すように、設備３００（例えばプレス装置）に取り付けられた金型１１に、中間体２００が配置されているキャビティ４０に樹脂を注入し、加圧することによって、繊維束１０４に樹脂を含浸させる、いわゆるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇの略）成形が実行される。
図４に示すように、樹脂含浸処理では、まず、金型１１の上型１２と下型１４とを離間させて、下型１４のキャビティ４０の形状部分に中間体２００を配置し、支持部１６で中間体２００を固定する（Ｓ１２）。次いで、上型１２と下型１４とを閉じる。中間体２００が金型１１に配置される工程では、複数のピン２２、３２は、中間体２００が配置される前から、接触位置に配置されている。なお、変形例では、複数のピン２２、３２は、中間体２００が金型１１に配置される際には離間位置に配置され、中間体２００が金型１１に配置された後に接触位置に移動されてもよい。複数のピン２２、３２は、中間体２００の中央部分２００ａに接触する位置に配置される一方、先端部分２００ｂに接触する位置には配置されない。
次いで、キャビティ４０内に、溶融樹脂が注入される（Ｓ１４）。注入される樹脂は、例えば、エポキシ樹脂である。キャビティ４０内に樹脂が充填されると、キャビティ４０内の樹脂を所定圧力まで昇圧する（Ｓ１６）。次いで、キャビティ４０内の樹脂が所定圧力まで昇圧されると、所定圧力で、所定期間保持される（Ｓ１８）。これにより、樹脂が繊維束１０４に含浸される。
樹脂が保圧されて含浸が進行すると、樹脂が徐々に硬化していく。Ｓ２０では、樹脂が完全に硬化する前に、複数のピン２２、３２を、接触位置から離間位置まで移動させる。この結果、硬化前の樹脂が、複数のピン２２、３２が移動することによって形成された空間に流入する。これにより、複数のピン２２、３２が接触していた位置からも、樹脂を含浸させることができる。
次いで、樹脂の硬化後（Ｓ２０）、上型１２と下型１４とを離間させ、成形済みの高圧タンク１００を、金型１１から取り出して（Ｓ２２）、樹脂含浸処理を終了する。
（効果）
中間体２００は、樹脂製のライナ１０２が歪んで成形されることに起因して、設計値に対して歪んだ状態で作製される場合がある。中間体２００が金型１１に配置された段階では、中間体２００は、支持部１６によって支持されている。中間体２００が歪んでいない場合には、キャビティ４０の表面と中間体２００との間には、溶融樹脂が流入するように、若干の隙間が形成される。しかしながら、実際には中間体２００が歪んでいるために、支持部１６によって両端が支持されている状態では、中間体２００の中央部分２００ａが曲がってしまう。なお、中間体２００とキャビティ４０の表面との接触を避けるために、中間体２００とキャビティ４０の表面との隙間を大きくすると、含浸のために必要な樹脂量が増加してしまう。
高圧タンク製造装置１０では、キャビティ４０に突出するピン部２０、３０が配置されている。この構成によれば、ピン部２０、３０によって、曲がった中間体２００がキャビティ４０の表面に接触しないように支持することができる。これにより、中間体２００とキャビティ４０の表面との隙間が維持される。この結果、図３に示すように、流路４６からキャビティ４０内に流入する溶融樹脂が、中間体２００とキャビティ４０との間を流れて、中間体２００の表面の全体に行き渡る。
複数のピン２２、３２は、流路４６から離間して配置されている。また、複数のピン２２、３２は、キャビティ４０内に互いに離間して配置されている。このため、中間体２００とキャビティ４０との間を流れる溶融樹脂は、複数のピン２２、３２に遮られることなく、複数のピン２２、３２を越えて流れることができる。これにより、複数のピン２２、３２によって、溶融樹脂の流れが阻害される事態を回避することができる。なお、変形例では、溶融樹脂をキャビティ４０内に注入する流路は、流路４６に限定されない。例えば、流路は、上型１２においてキャビティ４０の上方に配置されていてもよい。また、流路の本数に制限は無い。いずれの流路であっても、ピン部２０、３０は、キャビティ４０内を流れる溶融樹脂の流れを妨げるような配置及び形状を有していない。
また、複数のピン２２は、同一の方向（即ち下方向）に向かって、キャビティ４０の表面から突出している。この構成によれば、複数のピン２２によって、中間体２００の歪みを抑えることができる。これにより、中間体２００が複数のピン２２が突出している方向に曲がって、キャビティ４０の表面に接触することを抑制することができる。複数のピン３３も同様である。
複数のピン２２、３２は、溶融樹脂が硬化する前に、接触位置から離間位置まで移動することによって、複数のピン２２、３２が接触していた位置からも、樹脂を含浸させることができる。これにより、樹脂が適切に含浸されている部分が発生することを抑制することができる。
複数のピン２２、３２は、中間体２００の中央部分２００ａに配置される一方、中間体２００の先端部分２００ｂに配置されない。ライナ１０２では、円筒形状の中央部分１０２ａで歪みが発生しやすい一方、徐々に縮径する形状を有する先端部分１０２ｂでは歪みが発生しにくい。高圧タンク製造装置１０では、中央部分２００ａに接触するように複数のピン２２、３２を配置する一方、先端部分１０２ｂに接触するピンは配置されない。これにより、効果的な位置にピン２２、３２を配置することによって、ピンの個数を抑制することができる。
なお、複数のピン２２、３２は、円柱形状に限られない。例えば、複数のピン２２、３２のうち、中間体２００に接触する部分は、湾曲面、例えば部分的な球面形状を有していてもよい。ピン２２、３２と中間体２００との接触面積を小さくすることによって、ピン２２、３２によって溶融樹脂と中間体２００との接触が妨げられることを回避することができる。この結果、例えば、複数のピン２２、３２を離間位置に移動させずに、樹脂を適切に含浸させ得る。
一方、複数のピン２２、３２の形状を、中間体２００との接触面積が大きくなるような形状にしてもよい。例えば、複数のピン２２、３２の形状を、中間体２００の表面形状に沿った形状に形成してもよい。ピン２２、３２と中間体２００との接触面積を大きくすることによって、中間体２００の表面、即ち繊維束１０４がピン２２、３２から受ける接触圧力を低減させることができる。これにより、繊維束１０４が、ピン２２、３２との接触圧力によって、窪んでしまうことを抑制することができる。
複数のピン２２、３２の形状は、同一でなくてもよい。例えば、中間体２００の歪み量が大きい箇所には、接触圧力を低減するために接触面積が大きい形状のピンを配置する一方、中間体２００の歪み量が小さい箇所には、接触面積が小さい形状のピンを配置してもよい。この場合、接触面積が小さいピンは、金型１１に対して固定されていてもよい。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１０：高圧タンク製造装置（含浸装置）、１１：金型、１２：上型、１４：下型、１６：支持部、２０、３０：ピン部、２２、３２：ピン、２６、３６：アクチュエータ、４０：キャビティ、１００：高圧タンク、２００：中間体、２００ａ：中央部分、２００ｂ：先端部分

Claims (5)

  1. ライナに繊維束が巻回されている中間体が配置されるキャビティを有する金型と、
    前記金型に対して移動可能に配置されており、前記キャビティの表面から前記キャビティ内に突出して前記キャビティに配置される前記中間体に接触する接触位置と、前記キャビティに配置される前記中間体から離間する離間位置と、の間で移動するピン部と、を備え、
    前記ピン部は、前記接触位置で、前記キャビティに流入される溶融樹脂が前記キャビティの前記表面と前記中間体との間で前記ピン部を越えて流動可能に配置されている、高圧タンク製造装置。
  2. 前記ピン部は、前記キャビティの前記表面から同一の方向に向かって突出している複数のピンであって、互いに離間して配置されている前記複数のピンを備える、請求項１に記載の高圧タンク製造装置。
  3. 前記中間体は、前記中間体の長手方向に延びる筒状の中央部分と、前記中央部分の両端のそれぞれにおいて先端に向かって徐々に細くなる先端部分と、を備え、
    前記ピン部は、前記中央部分に接触する、請求項１又は２に記載の高圧タンク製造装置。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の高圧タンク製造装置のキャビティに、ライナに繊維束が巻回されている中間体を配置する配置工程であって、ピン部が接触位置に配置される前記配置工程と、
    前記キャビティに前記溶融樹脂を注入して、前記溶融樹脂が前記キャビティの前記表面と前記中間体との間において前記ピン部を越えて流動させて前記キャビティ内に前記溶融樹脂を充填する充填工程と、
    前記キャビティ内の前記溶融樹脂を前記繊維束に含浸させる含浸工程と、
    前記ピン部を接触位置から離間位置に移動させる移動工程と、を備える、高圧タンク製造方法。
  5. 前記移動工程では、前記キャビティ内において前記溶融樹脂が硬化する前に、前記ピン部を、前記接触位置から前記離間位置に移動させる、請求項４に記載の高圧タンク製造方法。
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