JP7690887B2

JP7690887B2 - 高圧タンクの製造方法

Info

Publication number: JP7690887B2
Application number: JP2022004035A
Authority: JP
Inventors: 学藤井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2025-06-11
Anticipated expiration: 2042-01-14
Also published as: JP2023103506A

Description

本開示は、高圧タンクの製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、高圧タンクのドーム部にプロテクタを装着して、ドーム部を保護する技術が開示されている。

特開２０１４－１９０４９５号公報

高圧タンクにプロテクタを装着する場合は、高圧タンクのドーム部の外表面またはプロテクタの内面に接着剤を塗布し、プロテクタを高圧タンクのドーム部に押圧する。高圧タンクがフィラメントワインディング法によって形成されている場合は、繊維に含浸された樹脂の量や粘度、繊維に加えられる張力、繊維の巻き位置のばらつきにより、ドーム部の表面形状が高圧タンクの個体によって異なる。そのため、ドーム部の表面形状の個体差によらずにプロテクタの内面とドーム部の外表面を密着させることが困難であった。また、高圧タンクにプロテクタを固定するには、接着剤が硬化するまで治具によってプロテクタを高圧タンクのドーム部に押圧した状態を保つことが好ましい。治具によってプロテクタを高圧タンクに押圧する場合には治具を配置するためのスペースが必要であるため、接着剤が硬化するまでの長時間にわたりタンクと治具を設置するための広いスペースが専有されるという問題があった。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、円筒部と前記円筒部の両端に配置されるドーム部とを有する高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、前記ドーム部の外表面の曲率よりも大きい曲率の内面を有し弾性を有するプロテクタの内面、または前記ドーム部の外表面の少なくとも一方に接着剤を塗布する工程と、前記プロテクタを前記ドーム部に対して押圧し前記プロテクタの内面と前記ドーム部の外表面を密着させる工程と、前記プロテクタを押圧したまま、前記プロテクタの前記円筒部側の端部である一端部と、前記プロテクタの前記一端部以外の部分とのうち、前記一端部のみを加熱して前記一端部の前記接着剤を硬化し、前記一端部を前記ドーム部と固定する工程と、前記一端部の前記接着剤が硬化した後に、前記プロテクタのうち前記一端部が前記ドーム部と固定されている状態で、前記プロテクタへの押圧を解放する工程と、を備える。
この形態の高圧タンクの製造方法によれば、ドーム部の表面形状の個体差によらずにプロテクタの内面とドーム部の外表面を密着させることができる。また、プロテクタの内面とドーム部の外面が密着した状態でプロテクタの円筒部側の端部の接着剤を硬化させることで、その後プロテクタへの押圧を解放しても、プロテクタをドーム部に密着させ続けることができる。したがって、タンクと治具を設置するための広いスペースが専有される時間を短縮することができる。

高圧タンクの概略構成を示す断面図である。本実施形態においてタンク本体にプロテクタを装着する方法を示す工程図である。プロテクタの内面に接着剤を塗布した状態の、タンク本体とプロテクタの断面図である。治具によってプロテクタをドーム部に押圧した状態の、タンク本体とプロテクタの断面図である。第２実施形態におけるプロテクタの内面の形状を示す図である。

Ａ．第１実施形態：
図１は、高圧タンク１００の概略構成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、タンク本体１１０と、プロテクタ５０とを備える。タンク本体１１０は、ライナ１０と、補強層２０と、口金３０，４０とを備える。

ライナ１０は、その内部に水素ガス等を貯留するための中空容器である。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てもよいし、金属によって形成されていてもよい。ライナ１０の軸線は、高圧タンク１００の軸線ＡＸと一致する。

補強層２０は、ライナ１０の周囲を覆う層であり、ライナ１０を補強するための層である。補強層２０は、例えば、フィラメントワインディング法によって形成される。具体的には、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維をライナ１０の外表面に張力をかけながら巻回させて積層し、その後、加熱によって熱硬化性樹脂を硬化させることで形成される。ライナ１０に巻き付ける繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が用いられる。繊維に含浸させる熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等が用いられる。補強層２０は、略円筒形状の円筒部２１と、円筒部２１の両端に連続して設けられた略半球形状のドーム部２２とを有する。円筒部２１の軸線と、ドーム部２２の軸線とは、高圧タンク１００の軸線ＡＸと一致する。

口金３０，４０は、各ドーム部２２の頂部に設けられている。口金３０，４０は、例えば、アルミニウムまたはその合金等の金属によって形成されている。一方の口金３０は、高圧タンク１００へのガスの充填、あるいは、高圧タンク１００からのガスの放出のために用いられる。他方の口金４０は、封止されており、製造時の芯出し等に用いられる。なお、口金４０は省略されてもよい。

プロテクタ５０は、例えば高圧タンク１００が落下した場合に、衝撃を吸収してタンク本体１１０を保護するために、各ドーム部２２に装着されている。プロテクタ５０は、例えば、ポリウレタン、シリコーン、発泡スチロール等の弾性を有する樹脂から形成されている。プロテクタ５０の形状は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに沿って見たときに、口金３０，４０に対応する部分に穴を有するドーナツ形の形状であり、その内面はドーム状である。

図２は、本実施形態においてタンク本体１１０にプロテクタ５０を装着する方法を示す工程図である。タンク本体１１０へのプロテクタ５０の装着は、高圧タンク１００の製造における一工程として実行される。タンク本体１１０へのプロテクタ５０の装着が実行される前に、予めタンク本体１１０が準備されている。

まず、ステップＳ１０において、プロテクタ５０の内面またはドーム部２２の外表面の少なくとも一方に接着剤が塗布される。接着剤としては、例えば、ＦＩＰＧが使用される。接着剤は、高温条件下において短時間で硬化するものが好ましく、ＦＩＰＧ以外であってもよい。

図３は、図２のステップＳ１０の一例として、プロテクタ５０の内面に接着剤６０を塗布した状態の、タンク本体１１０とプロテクタ５０の断面図を示している。図３には、それぞれ直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向が示されている。Ｚ方向は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに平行な方向である。Ｘ方向は、紙面に垂直な方向である。Ｙ方向は、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向である。図３におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。

プロテクタ５０は、ドーム部２２に押圧されて弾性変形した状態で、タンク本体１１０に固定される。図３は、ドーム部２２に押圧される前のプロテクタ５０の形状を示している。プロテクタ５０がドーム部２２に押圧されていない状態では、ＹＺ平面において、プロテクタ５０の内面の曲率はドーム部２２の外表面の曲率よりも大きい。そのため、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面との間に隙間が存在する。

次に、図２のステップＳ２０において、プロテクタ５０がドーム部２２に押圧される。図４は、図２のステップＳ２０において、治具７０によってプロテクタ５０をドーム部２２に押圧した状態の、タンク本体１１０とプロテクタ５０の断面図を示している。治具７０は、ＸＹ平面で環状の形状であり、プロテクタ５０を－Ｚ方向に押圧する。プロテクタ５０をドーム部２２に対して－Ｚ方向に押圧することにより、プロテクタ５０が弾性変形し、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面が密着する。プロテクタ５０の内面の曲率は、プロテクタ５０をドーム部２２に押圧したときに、互いに密着する曲率に定められている。プロテクタ５０が弾性変形することで、ドーム部２２の表面形状の個体差によらずに、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面を密着させることができる。また、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面が密着することで、接着剤６０が薄く均一に広がる。なお、治具７０の形状およびプロテクタ５０への押圧方向は、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面を密着できる形状および押圧方向であればよい。

次に、図２のステップＳ３０において、プロテクタ５０の円筒部２１側の端部である一端部５１が加熱される。ステップＳ３０では、プロテクタ５０は治具７０によってドーム部２２に押圧されたままである。ステップＳ３０では、図４に示すように、一端部５１をヒーター８０で加熱することで、一端部５１付近の接着剤６０を硬化し、一端部５１をドーム部２２と固定する。ヒーター８０としては、例えば、赤外線ヒーターや温風ヒーターを用いることができる。短時間で一端部５１付近の接着剤６０を硬化するためには、一端部５１の厚みが、プロテクタ５０の一端部５１以外の部分の厚みと比べて薄いことが好ましい。なお、本実施形態では、ヒーター８０は治具７０と一体として形成されているが、ヒーター８０は治具７０と一体として形成されていなくてもよい。

最後に、図２のステップＳ４０において、治具７０によるプロテクタ５０に対する押圧を解放する。プロテクタ５０に対する押圧を解放した時点では、プロテクタ５０は、一端部５１だけがドーム部２２と固定されている。このとき、プロテクタ５０の復元力によって、ドーム部２２の外表面を垂直方向に押す力がプロテクタ５０の内部に生じている。そのため、一端部５１がドーム部２２に固定されていれば、治具７０によるプロテクタ５０に対する押圧を解放しても、プロテクタ５０の内面がドーム部２２の外表面に密着した状態を保つことができる。したがって、治具７０によってプロテクタ５０をドーム部２２に押圧した状態を保たなくても、プロテクタ５０の一端部５１以外の部分の内面をドーム部２２の外表面に固定することができる。

以上で説明した本実施形態における高圧タンク１００の製造方法によれば、ＹＺ平面において、プロテクタ５０の内面の曲率はドーム部２２の外表面の曲率よりも大きく、治具７０によってプロテクタ５０をドーム部２２に対して－Ｚ方向に押圧すると、プロテクタ５０が弾性変形することにより、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面が密着する。そのため、ドーム部２２の表面形状の個体差によらずに、プロテクタ５０の内面とドーム部２２の外表面を密着させることができる。プロテクタ５０をドーム部２２に対して押圧したまま一端部５１をヒーター８０で加熱し、一端部５１をドーム部２２に固定すると、ドーム部２２の外表面を垂直方向に押す力がプロテクタ５０の内部に生じる。よって、一端部５１をドーム部２２に固定した後に治具７０によるプロテクタ５０への押圧を解放しても、プロテクタ５０がドーム部２２に密着した状態を維持することができ、プロテクタ５０をタンク本体１１０に固定することができる。したがって、一端部５１がタンク本体１１０に固定された後は治具７０が不要となり、接着剤６０の全体が硬化するまでの長時間にわたり、高圧タンク１００と治具７０を設置するための広いスペースを専有する必要をなくすことができる。また、プロテクタ５０をドーム部２２に押圧することにより、塗布された接着剤６０が広がって薄くなるため、一端部５１付近の接着剤６０の硬化にかかる時間を短縮することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態におけるプロテクタ５０ａの内面の形状を示す図である。プロテクタ５０ａの内面には、プロテクタ５０ａをドーム部２２に押圧した場合に開くスリット５２が設けられている。スリット５２は、ＸＹ平面において環状に設けられていることが好ましく、スリット５２の深さ方向は、ドーム部２２の表面に対して垂直となる方向に設けられていることが好ましい。高圧タンク１００を設置するためのスペースが限られている場合に、プロテクタ５０ａの衝撃吸収性能を高めるためには、例えば、プロテクタ５０ａの硬度を高くすることや、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する角度が４５°の方向のプロテクタ５０ａの厚みを厚くすることが有効である。しかし、プロテクタ５０ａの硬度を高くしたり、高圧タンク１００の軸線ＡＸに対する角度が４５°の方向のプロテクタ５０ａの厚みを厚くしたりすると、プロテクタ５０ａをドーム部２２に押圧した場合に、プロテクタ５０ａの内面とドーム部２２の外表面を密着させることが困難になる。しかし、プロテクタ５０ａにスリット５２を設けることにより、例えば、治具７０によってプロテクタ５０ａをドーム部２２に押圧した際に治具７０がプロテクタ５０ａから受ける反力や、プロテクタ５０ａの弾性限度を調節することができる。したがって、スリット５２を設けることにより、衝撃吸収性能の高いプロテクタ５０ａであっても、プロテクタ５０ａの内面とドーム部２２の外表面を密着させることができる。

Ｃ．他の実施形態：
上記各実施形態では、プロテクタ５０の形状は、高圧タンク１００の軸線ＡＸに沿って見たときに、口金３０，４０に対応する部分に穴を有するドーナツ形の形状であった。これに対して、一方のドーム部２２のみに口金を有するタンク本体１１０の、口金を有していない片方のドーム部２２にプロテクタ５０を装着する場合の、プロテクタ５０の形状は、ドーム部２２の外表面の曲率よりも大きい曲率のドーム状の内面を有し、ドーム部２２の全体に覆い被さる形状であってもよい。この場合、プロテクタ５０がドーム部２２に押圧されたときにプロテクタ５０の内面がドーム部２２の外表面に密着すればよく、プロテクタ５０がドーム部２２に押圧されていない状態では、ドーム部２２の頂点部分に対応するプロテクタ５０の内面は、ドーム部２２の外表面と接していなくてもよい。

本開示は、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、上述の課題の一部又は全部を解決するために、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。

１０…ライナ、２０…補強層、２１…円筒部、２２…ドーム部、３０，４０…口金、５０…プロテクタ、５１…一端部、５２…スリット、６０…接着剤、７０…治具、８０…ヒーター、１００…高圧タンク、１１０…タンク本体、ＡＸ…高圧タンクの軸線

Claims

円筒部と前記円筒部の両端に配置されるドーム部とを有する高圧タンクの製造方法であって、
前記ドーム部の外表面の曲率よりも大きい曲率の内面を有し弾性を有するプロテクタの内面、または前記ドーム部の外表面の少なくとも一方に接着剤を塗布する工程と、
前記プロテクタを前記ドーム部に対して押圧し前記プロテクタの内面と前記ドーム部の外表面を密着させる工程と、
前記プロテクタを押圧したまま、前記プロテクタの前記円筒部側の端部である一端部と、前記プロテクタの前記一端部以外の部分とのうち、前記一端部のみを加熱して前記一端部の前記接着剤を硬化し、前記一端部を前記ドーム部と固定する工程と、
前記一端部の前記接着剤が硬化した後に、前記プロテクタのうち前記一端部が前記ドーム部と固定されている状態で、前記プロテクタへの押圧を解放する工程と、
を備える、高圧タンクの製造方法。
請求項１に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記プロテクタの内面には、前記高圧タンクの軸線に直交する面において環状のスリットが設けられている、
高圧タンクの製造方法。