罐制造方法和罐与流程

示例性实施例涉及一种用于储存气体等的罐的制造方法和这种罐。

背景技术：

例如，天然气车辆、燃料电池车辆等使用罐来储存燃料气体。为了实现轻量化和高强度，这种类型的罐构造成使得与罐的形状一致的衬垫覆盖有纤维强化树脂材料。

作为这种罐的制造方法，例如，日本专利申请公报No.2010-125826(JP 2010-125826A)提出了一种用于通过长丝卷绕法来制造罐的方法。这里，使用其中强化纤维的长丝被浸渍以热固性树脂的窄纤维强化树脂作为用于覆盖衬垫的纤维强化材料。在该方法中，窄纤维强化树脂在构成罐的本体部的至少一部分的衬垫周围以重叠方式卷绕多次，以便在衬垫的表面上形成纤维强化树脂层。此后，纤维强化树脂中包含的热固性树脂被加热以便硬化。

技术实现要素：

然而，在通过上述长丝卷绕方法制造罐的情况下，卷绕耗费很多时间，因为窄纤维强化树脂以重叠方式绕衬垫(芯材)卷绕。此外，在纤维强化树脂卷绕之后，罐被置于加热炉中以加热并硬化纤维强化树脂中包含的热固性树脂，这需要更多时间。

此外，如上所述，在厚度方向上形成有窄纤维强化树脂以重叠方式设置的多个纤维强化树脂层。结果，每一个垂直于罐的本体部的轴心的截面都具有纤维强化树脂的不同卷绕状态，因此假定罐强度可能发生变化。

此外，当纤维强化树脂带绕芯材卷绕成使得窄纤维强化树脂以重叠方式设置时，其表面上形成有凹凸。当纤维强化树脂进一步绕形成有凹凸的表面卷绕时，在厚度方向上彼此相邻的纤维强化树脂层之间容易形成间隙。该间隙可能在热固性树脂硬化之后在罐的本体部中形成空隙，这可能降低罐强度。

示例性实施例描述一种在本体部中具有均匀强度的罐并且还提供一种能在短时间内制造这种罐的罐制造方法。

示例性实施例的第一方面涉及一种罐的制造方法，所述罐包括筒状本体部和形成在所述本体部的两侧的穹顶状侧端部。所述罐的制造方法包括通过将包括被浸渍以热塑性树脂的强化纤维的纤维强化树脂板片在所述热塑性树脂熔融的状态下从垂直于芯材的轴心的方向绕所述芯材的周面卷绕多次来由一张所述纤维强化树脂板片形成用作所述本体部的至少一部分的筒状成形体。

根据第一方面，与如JP 2010-125826A中所述的窄纤维强化树脂相比，一张宽纤维强化树脂板片能以在所述截面中围绕芯材的轴心连续卷绕多次的方式绕芯材的周面卷绕。据此，与如JP 2010-125826A中所述窄纤维强化树脂绕芯材卷绕的情况相比，可以在短时间内形成筒状成形体。

特别地，与通过以重叠方式卷绕窄纤维强化树脂而获得的纤维强化树脂层的表面不一样，不会在绕芯材卷绕的纤维强化树脂板片的表面上形成凹凸。因此，即使纤维强化树脂板片进一步连续卷绕在其上，纤维强化树脂板片之间也会很难形成间隙。这使得可以抑制筒状成形体中形成空隙。

此外，在本体部的两侧形成有由一张纤维强化树脂板片制成的筒状成形体的纤维强化树脂层，并且绕本体部的轴心连续地卷绕多次。这允许罐的本体部在垂直于轴心的任何截面上具有更均匀的耐压强度。

此外，用以浸渍增强纤维的树脂是热塑性树脂。因此，不必出于使比如热固性树脂硬化的目的而执行加热。据此，与使用热固性树脂的情况相比，可以在短时间内制造筒状成形体。

可使用其中所述强化纤维布置成沿一个方向的纤维强化树脂板片作为所述纤维强化树脂板片，并且当所述筒状成形体形成时，可将所述纤维强化树脂板片绕所述芯材的周面卷绕成使得所述强化纤维在垂直于所述芯材的轴心的截面上卷绕多次。

对于这种构型，在这样制造的罐的本体部中设置有在环周张力由于罐的内部压力而作用在本体部上的方向(即，垂直于轴心的方向)上连续卷绕多次的强化纤维。这使得可以获得具有高耐压强度的罐。这还使得可以实现罐的本体部的厚度的减小，由此使得可以实现罐的轻量化和低成本化。

在所述筒状成形体形成之后，可从所述芯材拔出所述筒状成形体，以便制造与所述本体部对应的本体。对于这种构型，通过从芯材拔出筒状成形体，可以获得由不包括衬垫的筒状成形体构成的本体。

所述罐的制造方法还可包括通过加热包含所述热塑性树脂作为主材的穹顶形的侧端部件和所述筒状成形体中的至少一者以使得所述侧端部件熔接至所述筒状成形体来形成所述罐中的所述侧端部。

对于这种构型，当侧端部件熔接至筒状成形体时，侧端部件能与构成本体部的至少一部分的筒状成形体一体化，由此使得可以确保本体部和侧端部之间的边界处的耐压强度。

根据示例性实施例的第二方面涉及一种罐，所述罐包括筒状本体部和设置在所述本体部的两侧的穹顶状侧端部。所述筒状本体部包括由其中强化纤维被浸渍以热塑性树脂的板片状的纤维强化树脂层构成的筒状成形部，在所述本体部的两侧设置有所述纤维强化树脂层，并且所述纤维强化树脂层在垂直于所述本体部的轴心的方向上卷绕多次。

根据第二方面，在本体部的两侧设置有筒状成形体的纤维强化树脂层，并且纤维强化树脂层在垂直于轴心的方向上围绕本体部的轴心连续卷绕多次。这允许罐的本体部在其垂直于轴心的截面上具有更均匀的耐压性。

所述强化纤维可布置成沿所述本体部的周向，并且所述强化纤维可在垂直于所述本体部的轴心的截面上卷绕多次。对于这种构型，强化纤维在其中环周张力由于罐的内部压力而作用在本体部上的方向上围绕罐的本体部连续卷绕多次，由此使得可以提高罐的耐压强度。

在所述筒状成形部中可设置有所述罐的收纳空间。对于这种构型，不需要在罐的本体部中设置衬垫。这使得可以实现罐的轻量化，从而能以低成本制造罐。

所述侧端部可包含热塑性树脂作为主材，并且所述侧端部可与所述筒状成形部接合。对于这种构型，由于两者均包含热塑性树脂的筒状成形体和侧端部彼此接合，所以可以确保其间的边界处的耐压强度。

根据示例性实施例，可以获得在本体部中具有均匀强度的罐并且还在短时间内制造这种罐。

附图说明

下面将参照附图说明示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：

图1A是根据第一实施方式的罐的示意性截面图；

图1B是图1A中的A部的放大视图；

图2A是沿图1A中的箭头IIA-IIA截取的罐的截面图；

图2B是示出图2A所示的截面图中的强化纤维的状态的示意性概念图；

图3是用于说明图1A所示的罐的制造方法的一部分的示意性透视图；

图4A是用于说明图1A所示的罐的制造方法的示意性截面图；

图4B是用于说明图1A所示的罐的制造方法的示意性截面图；

图4C是用于说明图1A所示的罐的制造方法的示意性截面图；

图5A是用于说明现有技术中的罐的制造方法的一部分的示意性透视图；

图5B是相关技术中的罐的本体部的部分放大截面图；

图6A是根据第二实施例的罐的示意性截面图；

图6B是图6A中的C部的放大视图；

图7A是用于说明图6A所示的罐的制造方法的示意性截面图；

图7B是用于说明图6A所示的罐的制造方法的示意性截面图；

图7C是用于说明图6A所示的罐的制造方法的示意性截面图；

图8A是根据实施例的筒状成形体在垂直于轴心的方向上的截面的照片；以及

图8B是根据比较例的筒状成形体在垂直于轴心的方向上的截面的照片。

具体实施方式

以下参照附图说明根据实施方式的罐及其制造方法。

<第一实施方式>

1.罐1

首先参照图1A、1B和图2A、2B说明根据第一实施方式的罐。图1A是根据第一实施方式的罐1的示意性截面图，而图1B是图1A中的A部的放大视图。图2A是沿图1A中的箭头IIA-IIA截取的罐1的截面图，而图2B是示出图2A所示的截面图中的强化纤维的状态的示意性概念图。注意，沿箭头IIA-IIA截取的图2A的截面图示出了垂直于罐1的轴心CL的截面。

如图1A所示，根据本实施方式的罐1包括圆筒形的本体部2和形成在本体部2的两侧的穹顶形的侧端部3、4。在罐1中形成有用于例如在约70MPa下收纳(充填)高压氢气的收纳空间S。在一侧的侧端部3中形成有供将氢气充填到罐1的收纳空间S中的通孔31。

侧端部3、4具有穹顶形并且以随着其从本体部2的两侧沿本体部2的轴心方向向外延伸而缩小直径的方式形成。在本实施方式中，侧端部3、4包含热塑性树脂作为主材，并且侧端部3、4与上述包含热塑性树脂的纤维强化树脂层25(筒状成形部20)接合。

据此，均包含热塑性树脂的筒状成形部20和侧端部3、4彼此接合，由此可以确保两者之间的边界处的耐压强度。此外，通过加热包含热塑性树脂作为主材的侧端部3，侧端部3能变形为与罐的安装部等配合的形状，并且此外，能容易地改变通孔31的截面形状和孔口。此外，在高压氢气储存在罐1中的情况下，例如，与侧端部3、4由热固性树脂制成的情况相比能抑制氢气的透过性。

这里，本说明书中的用语“包含热塑性树脂作为主材”包括“由热塑性树脂制成”和“在热塑性树脂中包含短纤维、填料等”两种情况。注意，为了形成侧端部3的通孔31，在侧端部3上还可设置有例如由铝或不锈钢制成的金属口部件。

本体部2包括形成收纳空间S的一部分的衬垫5和沿圆筒形的衬垫5的周面51形成的筒状成形部20。衬垫5的材料未具体地局限于金属、树脂等，衬垫5用作用于沿周面51形成筒状成形部20的芯材即可。在本实施方式中，衬垫5是包含热塑性树脂作为主材的成形体。

如图2A所示，筒状成形部20由一个连续的板片状纤维强化树脂层(FRP层)25形成。更具体地，在本体部2的两侧形成有纤维强化树脂层25，并且在垂直于本体部2的轴心CL的方向上围绕本体部2的轴心CL连续卷绕多次纤维强化树脂层25。这允许罐1的本体部2在其垂直于轴心CL的截面上具有更均匀的耐压性。

这里，纤维强化树脂层25是强化纤维被浸渍以热塑性树脂的板片状层。该强化纤维可以是短纤维、长纤维、连续纤维(连续强化纤维)或布纤维，但在本实施方式中，该强化纤维是连续强化纤维。

更具体地，强化纤维21是布置成沿本体部2的周向的连续强化纤维，并且强化纤维21在垂直于本体部2的轴心CL的方向上定向。更具体地，如图2B所示，强化纤维21在垂直于本体部2的轴心CL的截面上绕本体部2的轴心CL连续卷绕多次。即，强化纤维21的卷绕方向与纤维强化树脂层25的卷绕方向相同。

据此，强化纤维21在其中环周张力由于罐1的内部压力而作用在本体部2上的方向上围绕罐1的本体部2连续卷绕多次。这使得可以由于罐1的本体部2的薄化而实现轻量化和低成本化。

这里，强化纤维21例如可以是诸如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维、硼纤维、钢纤维、PBO纤维、天然纤维或高强度聚乙烯纤维的纤维。在本实施方式中，使用碳纤维作为强化纤维。

侧端部3、4、衬垫5和纤维强化树脂层25中包含的热塑性树脂例如可以是聚酯树脂、聚丙烯树脂、尼龙树脂(例如，6-尼龙树脂或6,6-尼龙树脂)、聚酰胺树脂、环氧树脂、聚碳酸酯树脂、丙烯酸树脂、ABS树脂等。侧端部3、4、衬垫5和纤维强化树脂层25可包含上述树脂之中的同类型树脂作为该热塑性树脂。此外，在罐1中储存有高压氢气的情况下，能使用上述树脂之中的聚酯树脂、聚丙烯树脂、尼龙树脂等作为更优选地抑制氢气的透过的热塑性树脂。

2.罐1的制造方法

以下与相关技术中的方法(长丝卷绕法)比较说明罐1的制造方法(板片卷绕方法)。图3是用于说明图1A所示的罐1的制造方法的一部分的示意性透视图。图4A至4C是用于说明图1A所示的罐1的制造方法的示意性截面图。图5A是用于说明相关技术中的罐的制造方法的一部分的示意性透视图，而图5B是相关技术中的罐的本体部的部分放大截面图。

首先，如图3所示，准备与罐1的衬垫5对应的圆筒形芯材5A，并且使芯材5A从圆柱状卷绕机(未示出)通过以与其嵌合，使得芯材5A与卷绕机一体地旋转。注意，在本实施方式中，芯材5A用作心轴，因此卷绕机围绕轴心CL旋转。然后，准备其中强化纤维21被浸渍以热塑性树脂的纤维强化树脂板片(FRP板片)25A。这里，纤维强化树脂板片25A的宽度等于或大于本体部2的长度。

这种纤维强化树脂板片25A可构造成使得上述布纤维被浸渍以例如热塑性树脂。然而，本实施方式使用构造成使得强化纤维21布置成沿纤维增强树脂板片25A的纵向(一个方向)并且被浸渍以热塑性树脂的纤维强化树脂板片。能通过打开由连续强化纤维制成的纤维束并且以熔融热塑性树脂浸渍这样打开/开纤的连续强化纤维来获得这种纤维强化树脂板片25A。

随后，在芯材5A随卷绕机旋转的同时，从垂直于芯材5A的轴心CL的方向将纤维强化树脂板片25A绕芯材5A的周面51卷绕，从而通过该板片卷绕法由一张纤维强化树脂板片25A形成筒状成形体20A。更具体地，纤维强化树脂板片25A由加热器60、60加热至热塑性树脂的软化点以上。在其中纤维强化树脂板片25A中的热塑性树脂熔融的状态下，将纤维强化树脂板片25A绕圆筒形芯材5A的周面卷绕多次。通过开放式冷却或强制冷却来冷却这样卷绕的纤维强化树脂板片25A，使得热塑性树脂被冷却至软化点以下并且硬化。

更具体地，如图2A所示，将纤维强化树脂板片25A绕圆柱形芯材5A的周面51卷绕，使得一张纤维强化树脂板片25A在垂直于芯材5A的轴心CL的截面上绕芯材5A的轴心CL连续卷绕多次。在本实施方式中，筒状成形体20A形成为本体部2的至少一部分。

如上所述，在纤维强化树脂板片25A中，强化纤维21布置成沿纤维强化树脂板片25A的纵向(一个方向)，并且每条强化纤维21都垂直于纤维强化树脂板片25A的宽度方向。特别地，在本实施方式中，纤维强化树脂板片25A的宽度方向被设定为与芯材5A的长度方向相同的方向，并且纤维强化树脂板片25A绕芯材5A的周面51卷绕。

这允许强化纤维21在垂直于芯材5A的轴心CL的方向上定向。即，如图2B所示，纤维强化树脂板片25A能绕芯材5A的周面51卷绕成使得强化纤维21在垂直于芯材5A的轴心CL的截面上绕芯材5A的轴心CL连续卷绕多次。注意，芯材5A的轴心与罐1的本体部2的轴心相同。

随后，从圆柱状卷绕机拔出周围卷绕有纤维强化树脂板片25A的芯材5A。然后，在后述侧端部件3A、4A插入到筒状成形体20A中的状态下，按需将芯材5A加工成使得侧端部件3A、4A能嵌合至筒状成形体20A的内周面。据此，可以获得与罐1的本体部2对应的本体2A(参见图4A)。

然后，准备与罐1的侧端部3、4对应的穹顶状侧端部件3A、4A(参见图4B)。在本实施方式中，侧端部件3A、4A由上述热塑性树脂或包含短纤维或填料的热塑性树脂制成。

随后，加热侧端部件3A、4A和本体2A(筒状成形体20A)中的至少一者，并且将侧端部件3A、4A插入本体2A中(参见图4B)。据此，侧端部件3A、4A熔接至芯材5A和筒状成形体20A，以便在本体部2(即，罐1)的两侧形成侧端部3、4(参照图4C)。此后，通过机加工或加热使筒状成型体20A(筒状成形部20)的两端变形，由此使得获得图1A所示的具有本体部2(筒状成形部20)的罐1。

通常，如后述图5A、5B所示，通过其中纤维强化树脂95A绕芯材5A卷绕的长丝卷绕法形成筒状成形体90A。纤维强化树脂95A具有窄宽度B并且构造成使得强化纤维91的长丝被浸渍以热固性树脂92。更具体地，在厚度方向上形成有多个纤维强化树脂层95，使得窄纤维强化树脂95A以重叠方式成形。因此，形成了筒状成形体90A(筒状成形部90)。

然而，在本实施方式中，与纤维强化树脂95A相比，通过板片卷绕法从垂直于芯材5A的轴心CL的方向绕芯材5A的周面51将一个宽纤维强化树脂板片25A连续卷绕多次。据此，与以重叠方式将窄纤维强化树脂95A卷绕在芯材5A周围的情况相比能在短时间内形成筒状成形体20A。

此外，在本实施方式中，供浸渍强化纤维21的树脂为热塑性树脂22。因此，不必为了像热固性树脂一样硬化而将筒状成形体投入加热炉内以加热筒状成形体。据此，与使用热固性树脂的情况相比，可以在短时间内制造筒状成形体20A。

此外，通常，如图5B所示，窄纤维强化树脂95A以重叠方式形成的部分中容易形成间隙，并且此外，纤维强化树脂层95的表面95a上容易形成凹凸。当窄纤维强化树脂95A以远离纤维强化树脂层95的方式进一步连续卷绕在形成有凹凸的表面上时，在厚度方向上彼此相邻的纤维强化树脂层95之间容易形成间隙。该间隙在热固性树脂硬化之后可能作为空隙保留在筒状成形体中，这会降低罐强度。

然而，在本实施方式中，一张纤维强化树脂板片25A以使得一个纤维强化树脂层25绕本体部2的轴心CL连续卷绕多次的方式绕芯材5A的周面51卷绕。

因此，纤维强化树脂层25的表面25a具有比通过螺旋卷绕形成的纤维强化树脂层95的表面少的凹凸(参见图1B)。结果，此外，如图3所示，即使一张纤维强化树脂板片25A进一步连续卷绕，则纤维强化树脂层25之间在厚度方向上会很难形成间隙，如图2A所示。这使得可以抑制在筒状成形体20A(即，罐1的体部2)中形成空隙。

此外，通常，通过螺旋卷绕形成的纤维强化树脂层95在垂直于本体部的轴心的截面上围绕本体部的轴心间歇地(断断续续地)卷绕，这引起本体的周向上的罐强度的不均匀。

然而，在本实施方式中，如图1A和2A所示，在本体部2的两侧形成有纤维强化树脂层25并且在垂直于芯材的轴心CL的截面上围绕本体部2的轴心CL连续卷绕多次纤维强化树脂层25。据此，纤维强化树脂层25在垂直于本体部2的轴心CL的任何截面上具有相同状态，由此使得可以实现更均匀的耐压强度。

在本实施方式中，如图2B所示，在这样制造的罐1中，连续卷绕多次的强化纤维21布置成沿其中环周张力由于罐的内部压力而作用在本体部2上的方向。因而，可以获得具有高耐压强度的罐。

<第二实施方式>以下参照图6A和6B说明根据第二实施方式的罐1’，并且参照图7A至7C说明罐1’的制造方法。图6A是根据第二实施方式的罐1’的示意性截面图，而图6B是图6A中的C部的放大视图。图7A至7C是用于说明图6A所示的罐1’的制造方法的示意性截面图。

注意，根据第二实施方式的罐1’与根据第一实施方式的罐1的不同之处在于罐1’中未设置衬垫5。因此，与第一实施方式中相同的部件具有与第一实施方式中相同的附图标记并且省略了其详细说明。

在本实施方式中，罐1’的本体部2’由筒状成形部20构成。本体部2’不包括图1A所示的衬垫5，并且罐1’的收纳空间S由筒状成形部20形成。与第一实施方式相似，筒状成形部20由其中强化纤维21包含热塑性树脂22的板片制成，并且与第一实施方式相似，筒状成形部20由一个连续的板片状的纤维强化树脂层25形成。

在本实施方式中，作为本体部2’的筒状成形部20是使用热塑性树脂22的纤维强化树脂层25。因此，即使高压氢气储存在罐1’的收纳空间S中，筒状成形部20也具有气体屏障性，与使用热固性树脂的纤维强化树脂层不一样。

即，如图5A等所示，通常，对纤维强化树脂层95使用热固性树脂92，并且储存在罐的收纳空间中的高压氢气容易穿过纤维强化树脂层。这需要由金属或热塑性树脂制成的衬垫5。

然而，在本实施方式中，在纤维强化树脂层25中使用热塑性树脂22，所以作为本体部2’的筒状成形部20具有耐氢气的气体屏障性。据此，即使在本体部2’中未设置衬垫，储存在罐1’的收纳空间S中的高压氢气也很难穿过本体部2’。结果，如在根据第二实施方式的罐1’中所示，能从本体部2’省略衬垫，由此使得可以减轻罐的重量并且降低制造成本。

这种罐1’能以如下方式制造。在第一实施方式中，纤维强化树脂板片25A绕与衬垫5对应的芯材5A的周面卷绕(参见图3)。然而，在本实施方式中，将圆柱状卷绕机(未示出)用作待绕其卷绕纤维强化树脂板片25A的芯材(心轴)。即，通过利用与第一实施方式相似的技术将纤维强化树脂板片25A绕圆柱状卷绕机(未示出)卷绕而在不使用图3所示的芯材5A的情况下形成筒状成形体20A。

这样形成的筒状成形体20A然后被从圆柱状卷绕机拔出，并且因此能获得本体2A’(参见图7A)。随后，与第一实施方式相似，准备侧端部件3A、4A，并且加热本体2A’(筒状成形体20A)和侧端部件3A、4A中的至少一者。然后，将侧端部件3A、4A插入到筒状成形体20A中以便彼此熔接(参见图7B、7C)。因此，可以获得具有图6A所示的本体部2’(筒状成形部20)的罐1’。

以下参考实施例说明一个非限制性实施方式。

(实施例)在本实施例中，通过在第二实施方式中说明的方法(板片卷绕法)形成筒状成形体。更具体地，准备其中碳纤维(强化纤维)被浸渍以尼龙树脂(热塑性树脂)的纤维强化树脂板片。这样准备的纤维强化树脂板片具有300mm的宽度和40μm的厚度。将纤维强化树脂板片加热至热塑性树脂的软化点(230℃)以上以便使热塑性树脂熔融。然后，将纤维强化树脂板片绕芯材的周面卷绕多次，并且因此形成筒状成形体。

通过光学显微镜观察这样形成的筒状成形体的截面。其结果在图8A中示出。图8A是根据实施例的筒状成形体在垂直于其轴心的方向上的断面的照片。

(比较例)形成具有与实施例相似的形状的筒状成形体。更具体地，准备其中碳纤维(强化纤维)被浸渍以环氧树脂(热固性树脂)的窄纤维强化树脂。这样准备的纤维强化树脂板片具有10mm的宽度和240μm的厚度。通过图5A所示的方法(长丝卷绕法)将纤维强化树脂绕芯材卷绕。此后，加热环氧树脂以使其硬化，并且因此形成筒状成形体。

通过光学显微镜观察这样获得的筒状成形体的截面。其结果在图8B中示出。图8B是根据比较例的筒状成形体在垂直于其轴心的方向上的断面的照片。

<结果>如图8A、8B所示，实施例的筒状成形体中未出现空隙，而比较例的筒状成形体中出现空隙。这是因为在实施例中筒状成形体是通过板片卷绕法利用环周卷绕而形成的，如在本实施方式中所述的。

因此，以上说明了示例性实施方式的例子，但示例性实施方式不限于上述实施方式。即使存在处于不偏离文中描述的实施方式的主旨的范围内的设计变更，它们也被包含在所述实施方式中。