JP2005016549A

JP2005016549A - ライナレス高圧ガスタンクおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2005016549A
Application number: JP2003178229A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kanehara; 雅彦金原; Daigoro Mori; 大五郎森; Takehiro Nitou; 丈裕仁藤; Makoto Tsuzuki; 誠都築; Takashi Fuji; 敬司藤
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-23
Filing date: 2003-06-23
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2023-06-23
Also published as: JP4477316B2

Abstract

【課題】充分な強度を有し、気体を透過させないライナレス高圧ガスタンクを提供することを目的とする。
【解決手段】ライナレス高圧ガスタンク１０は、アルミニウム製コア２０が含浸された複合体３１によってその外壁が形成されており、内部にはアルミニウム製コア２０を備えていない。したがって、コアを備える同一外寸を有する高圧ガスタンクに対してより多くの高圧ガスを貯蔵することができる。また、強化繊維３０にはアルミニウム製コア２０、すわなちアルミニウムが含浸されているので、ライナレス高圧ガスタンク１０（複合体３１）の強度を、アルミニウム製コア２０を有する場合と同様のレベルまで引き上げることができると共に気体の透過を防止することができる。
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ガスを貯蔵するためのライナレス高圧ガスタンクおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧ガスタンクの重量を低減するために繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を用いた高圧ガスタンクが提案されている。ＦＲＰを用いて所望の中空容器を形成するためには、樹脂を含浸した強化繊維を巻回するための芯材（型材、ライナ）が必要となる。しかしながら、強化繊維に含浸させた樹脂の硬化処理を施した後は、芯材は不要となるばかりかタンク容量を減少させてしまう。
【０００３】
そこで、硬化後に芯材を除去することにより得られる、芯材を備えないライナレスのガスタンクが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−３２３３６５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術におけるライナレスタンクは、強化繊維に樹脂が含浸されているとはいえ、樹脂のガス透過率は大きく、ガス透過性の小さい保護膜や無電解メッキによる金属被膜を必要とした。保護膜は薄くなるほどガス透過が大きくなるため３５ＭＰａを超えるような高圧タンクではアルミライナ（コア）よりも厚くなってしまう。また、無電解メッキによって金属被膜を形成する方法では、被膜が負担する応力は無視できるほど小さく、アルミライナと比較するとライナが負担していた応力を補うために強化繊維量を増加させる必要がある。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、充分な強度を有し、気体を透過させないライナレス高圧ガスタンクを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、ライナレス高圧ガスタンクの製造方法を提供する。本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法は、所望のタンク形状を有する中空の金属製コアの外周面に強化繊維を巻き付けて少なくとも一つの開口部を有する複合体を成形し、前記成形された複合体を型枠で覆い、前記複合体に含まれる前記金属製コアを溶融させて前記強化繊維に含浸させることを特徴として備える。
【０００８】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法によれば、複合体に含まれる金属製コアを溶融させて強化繊維に含浸させるので、充分な内容量および強度を有し、気体を透過させない強化繊維製ライナレス高圧ガスタンクを製造することができる。
【０００９】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記金属製コアの溶融は、ヒータを用いることによって実行されても良い。かかる場合には、より簡易に金属製コアを溶融させることができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法はさらに、前記金属製コアを溶融させる際に、前記複合体の内部圧力を増加させても良い。かかる場合には、複合体内部の圧力が高圧に保たれるので、強化繊維に対する金属の含浸を促進させることができる。なお、加圧に先立ち真空引きを行って複合体内部の気体を排除しても良い。
【００１１】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記金属製コアはアルミニウム製コアであっても良い。かかる場合には、強化繊維に金属が含浸されていても軽量なライナレス高圧ガスタンクを製造することができる。
【００１２】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記金属製コアの溶融は、前記少なくとも１つの開口部から前記複合体の内部に溶融金属を圧入することによって実行され、
前記製造方法はさらに
前記金属製コアの溶融後、前記金属製コアが含浸された複合体内に残留する前記圧入した溶融金属を前記少なくとも１つの開口部から排出することを備えても良い。かかる場合には、溶融金属の圧入により金属製コアを溶融させることができると共に、複合体内部の圧力を高圧力化することができる。
【００１３】
本発明の第１の態様に係る記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記複合体はその両端に２つの開口部を有し、前記２つの開口部の一方から前記溶融金属を圧入し、前記２つの開口部の他方から溶融金属圧入時における真空引きおよび排出時におけるガス圧の導入の少なくともいずれか一方を実行して残留する前記圧入した溶融金属を戻して排出しても良い。かかる場合には、複合体に対する溶融金属の圧入、複合体からの溶融金属の除去を円滑に行うことができる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記金属製コアはアルミニウム製コアであり、前記溶融金属は溶融アルミニウムであっても良い。かかる場合には、強化繊維に金属が含浸されていても軽量なライナレス高圧ガスタンクを製造することができる。
【００１５】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記強化繊維と繊維間に含浸されたアルミニウムとの体積比が３０：７０〜６０：４０の間にあっても良い。かかる場合には、適量のアルミニウムを強化繊維に含浸させることができる。
【００１６】
本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、前記強化繊維は三次元織物製であっても良い。樹脂含浸しない複合体は巻付時や含浸時に崩れやすいが、かかる構成を備えることにより崩れを防止することができる。
【００１７】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法によって製造されたライナレスの高圧ガスタンクを提供する。第２の態様に係るライナレス高圧ガスタンクによれば、内容量を増大させ、強度を向上させることができると共に、気体の透過を防止することができる。
【００１８】
本発明の第３の態様は、ライナレス高圧ガスタンクを提供する。本発明の第３の態様に係るライナレス高圧ガスタンクは、金属製コアが溶融含浸された強化繊維からなり、中空部と、その中空部の両端に形成された開口部とを有する本体と、前記本体の開口部に装着され、外部配管を接続するための接続器とを備えることを特徴とする。
【００１９】
第３の態様に係るライナレス高圧ガスタンクによれば、金属製コアが溶融含浸された強化繊維からなる本体を備えるので、内容量を増大させ、強度を向上させることができると共に、気体の透過を防止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつついくつかの実施例に基づいて、本発明に係るライナレス高圧ガスタンクおよびその製造方法について説明する。
【００２１】
第１の実施例：
図１〜図９を参照して第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンクおよびその製造方法について説明する。図１は第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造に用いられる強化繊維が巻き付けられたアルミニウム製コアの全体構成を示す説明図である。図２は第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程を示すフローチャートである。図３〜図７は第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。図８は第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの概略構成を示す説明図である。図９は第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンクにより増加する内容積を説明するための説明図である。
【００２２】
図２を参照してライナレス高圧タンク１０の製造方法について説明する。本実施例に係るライナレス高圧タンク１０を製造するために、先ず、図１および図３に示すように、アルミニウム製コア２０に強化繊維３０が巻き付けられた複合体３１を用意する（ステップＳ１０）。なお、複合体３１は強化繊維と金属（例えば、アルミニウム）とからなる複合材により形成された複合材料体を意味している。
【００２３】
複合体３１の形成にあたっては、所望の形状に形成されたアルミニウム製コア２０を用意する。アルミニウム製コア２０は、図１に示すように、長手方向の両端に開口部２１、２２を有する略円筒状のコアである。アルミニウム製コア２０の各開口部２１および２２には、強化繊維が巻き付けられた後に開口部を確保するために開口部２１、２２の内径よりも大きな外形を有する口金２３が嵌め込まれる。
【００２４】
口金２３が嵌め込まれたアルミニウム製コア２０には、強化繊維３０がヘリカル巻きおよびフープ巻きによって巻き付けられ、複合体３１が成形される。強化繊維３０としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、セラミック繊維等が用いられ得る。なお、アルミニウム製コア２０と炭素繊維との体積比は、アルミニウム４０〜７０％（ｖｏｌ）に対して炭素繊維６０〜３０％（ｖｏｌ／ｆｉｂｅｒ）であることが好ましい。
【００２５】
ここで、炭素繊維に対してアルミニウムを直接含浸させるとアルミニウムと炭素とが反応して強度劣化が生じることが知られている。そこで、本実施例では、アルミニウム製コア２０に対して強化繊維３０を巻き付けるにあたっては、炭素繊維とアルミニウムとの反応を防止・抑制するために強化繊維３０の表面をＳｉＣ、ＴｉＣ、ＺｎＯ_２等によって被覆する処理が実行される。また、アルミニウムに対してＭｇ、Ｃｕ、Ｆｅを添加することによってもアルミニウムと炭素繊維との反応を抑制することができるので、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｆｅが添加されたアルミニウム材をアルミニウム製コア２０として用いても良い。
【００２６】
成形された複合体３１は、図１に示すように、長手方向の両端に口金２３によって確保された開口部３２、３３を備えると共に両端部が絞られた円筒形状を有する。また、成形された複合体３１は、例えば、長手方向に２分割された金属製の型枠４０に収容される。型枠４０には、口金２３と接触する部分にシール材４１が備えられている。
【００２７】
続いて、図４に示すように、成形された複合体３１の内部に開口部２１、２２（口金２３）の少なくとも一方を介して溶融アルミニウム（斜線Ａｌで表示）を圧入する（ステップＳ２０）。溶融アルミニウムが圧入されると、図５に示すように溶融アルミニウムによって加熱されたアルミニウム製コア２０が溶融し、複合体３１の強化繊維３０中に含浸する（斜線Ａｌ’で表示）。すなわち、溶融アルミニウムの圧入によって、複合体３１内部は、アルミニウムを強化繊維３０に含浸させるために要求される高温・高圧条件下に置かれる。
【００２８】
溶融アルミニウムの圧入から所定時間経過後、図６に示すように、複合体３１内部に残留している溶融アルミニウムを除去する（ステップＳ３０）。具体的には、開口部２１、２２が鉛直方向を向くように複合体３１を回転させて、開口部２１、２２（口金２３）のいずれか一方から、溶融アルミニウムを排出させる。このとき、他方の開口部２１、２２を大気圧に開放すると、溶融アルミニウムの排出が円滑に行われる。また、所定時間は、アルミニウム製コア２０が溶融し、強化繊維３０に含浸するのに充分な時間である。
【００２９】
溶融アルミニウムの排出後、図７に示すように、口金２３および型枠４０を取り外して中空部と開口部３２、３３とを備えた本体を得る。なお、本体とは口金２３および型枠４０を取り外して得られた中間製品を意味する。続いて本体の開口部３２、３３にＯリング３４と共に接続口３５を機械的に装着して（ステップＳ４０）、図８に示すライナレス高圧ガスタンク１０が完成する。接続口３５の機械的な装着は、例えば、接続口３５の外周面にねじを切っておき、接続口３５を回転させながら開口部３２、３３に装着することによって実行させる。
【００３０】
図８に示すライナレス高圧ガスタンク１０は、上半分が外部を示し、下半分が内部を示すように表されている。ライナレス高圧ガスタンク１０は、アルミニウム製コア２０が含浸された複合体３１によってその外壁が形成されており、内部にはアルミニウム製コア２０を備えていない。
【００３１】
したがって、第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンク１０の製造方法によれば、アルミニウム製コア２０を溶融し、強化繊維３０に含浸させるので略アルミニウム製コア２０の体積分だけ内容積を増大させることができる。例えば、図９に示すように、ライナレス高圧ガスタンク１０の内寸を径方向で約１０ｍｍ（約５％）、軸方向で約８ｍｍ（約２％）拡張されたライナレス高圧ガスタンク１０を製造することができる。製造されたライナレス高圧ガスタンク１０は、その内容積を約７％増大させることができる。したがって、コアを備える同一外寸を有するライナレス高圧ガスタンクに対してより多くの高圧ガスを貯蔵することができる。
【００３２】
また、強化繊維３０にはアルミニウム製コア２０、すわなちアルミニウムが含浸されているので、ライナレス高圧ガスタンク１０（複合体３１）の強度を、アルミニウム製コア２０を有する場合と同様のレベルまで引き上げることができる。また、強化繊維３０にはアルミニウムが含浸されているので、ガス透過膜を備えることなく、ライナレス高圧ガスタンク１０に貯蔵されている気体が強化繊維３０を透過してしまう事態を防止することができる。
【００３３】
さらに、アルミニウムが含浸された強化繊維３０は、単体の強化繊維と比較して高い熱伝導率を有することとなる。したがって、ライナレス高圧ガスタンク１０の熱伝導性能を向上させることが可能となり、例えば、外部からの冷却、加熱を効率良く実行することができる。また、アルミニウムを強化繊維３０に含浸させるので、金属が含浸されていても軽量なライナレス高圧ガスタンクとすることができる。
【００３４】
・第２の実施例：
図１０〜図１４を参照して第２の実施例に係るライナレス高圧ガスタンク１１およびその製造方法について説明する。図１０は第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造に用いられる強化繊維が巻き付けられたアルミニウム製コアの全体構成を示す説明図である。図１１〜図１３は第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。図１４は第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造に際して用いられる他のヒータ例を示す説明図である。
【００３５】
第２の実施例では、図１０に示すように溶融アルミニウムに代えて、ヒータ５０によってアルミニウム製コア２０を溶融すると共に、不活性ガスを複合体３１内に供給することによって複合体３１の内圧を上げる。なお、図１０においては、上部にアルミニウム製コア２０溶融前の複合体３１内部の状態を、下部にアルミニウム製コア２０溶融後の複合体３１内部の状態をそれぞれ示す。また、アルミニウム製コア２０、強化繊維３０および複合体３１の構成、特性については、第１の実施例において説明済みであるから説明を省略する。
【００３６】
第２の実施例に係るライナレス高圧ガスタンク１１を製造するにあたっては、先ず、図１１に示すように、アルミニウム製コア２０の開口部２１、２２に絶縁材で形成されているキャップ５１、５２を装着し、複合体３１を形成する。キャップ５１には複合体３１の内部に不活性ガスを導入し、複合体３１内部の内圧を上昇させるためのガス導入路５１１が形成されている。キャップ５１、５２の中心部には電気ヒータ５０を装着するための電気ヒータ装着部５１２、５２１が備えられている。なお、不活性ガスとしては窒素、ヘリウム、キセノンといった種々の気体が用いられ得る。
【００３７】
次に、電気ヒータ５０を電気ヒータ装着部５１２、５２１に装着し、電気ヒータ５０の両端に図示しない電力源に接続されている端子５３を接触させる。電気ヒータ５０が装着されると、図１２に示すように、複合体３１は型枠４０によって覆われる。
【００３８】
電気ヒータ５０に対して電流が供給され、電気ヒータ５０によって生成された熱によってアルミニウム製コア２０が融点付近に達した時、型枠４０に嵌められた複合体３１に対して、複合体３１内部の圧力が所望の圧力に到達するまて不活性ガスが供給される。複合体３１の内部圧力は高圧に保たれているので、溶融したアルミニウム製コア２０は、強化繊維３０に含浸し、図１３に示すように、アルミニウムが含浸された複合体３１を得ることができる。最後に、電気ヒータ５０、キャップ５１、５２を取り外し、開口部３２、３３にＯリング３４と共に接続口３５を機械的に装着してライナレス高圧ガスタンク１１が完成する。加熱加圧に先立ち、真空引きを行っても良い。
【００３９】
以上の工程により得られたライナレス高圧ガスタンク１１は、図８に示す第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンク１０と同様の構成を備える。したがって、第２の実施例に係るライナレス高圧ガスタンク１１によれば第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンク１０と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
第２の実施例に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法によれば、第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンクの製造方法と同様の効果の他に、溶融アルミニウムに代えて電気ヒータ５０を用いてアルミニウム製コア２０を溶融するので、溶融アルミニウムを取り扱うためのスペースが不要となり、製造スペースを縮小することができるという効果を得ることができる。
【００４１】
・その他の実施例：
第２の実施例では、直線状の電気ヒータ５０を用いたが、図１４に示すようにＵ字型の電気ヒータ５５を用いても良い。かかる場合には、電気ヒータ５５の着脱を容易に行うことができる。また、電気ヒータ５０を複合体３１の中に挿入して内部からアルミニウム製コア２０を溶融させる手法に代えて、電気ヒータを複合体３１の外部に配置して外部からアルミニウム製コア２０を加熱・溶融してもよい。さらに、ヒータは電気ヒータ５０に限らずガス等を燃料とするヒータであっても良い。
【００４２】
上記実施例では、両端部に開口部３２、３３を備える複合体３１を用いて説明したが、いずれか一端にのみ開口部を備える複合体を用いても良い。
【００４３】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係るライナレス高圧ガスタンクおよびその製造方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造に用いられる強化繊維が巻き付けられたアルミニウム製コアの全体構成を示す説明図である。
【図２】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図４】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図５】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図６】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図７】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図８】第１の実施例に係るライナレス高圧タンクの概略構成を示す説明図である。
【図９】第１の実施例に係るライナレス高圧ガスタンクにより増加する内容積を説明するための説明図である。
【図１０】第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造に用いられる強化繊維が巻き付けられたアルミニウム製コアの全体構成を示す説明図である。
【図１１】第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図１２】第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図１３】第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造工程の各工程を示す説明図である。
【図１４】第２の実施例に係るライナレス高圧タンクの製造に際して用いられる他のヒータ例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１１…ライナレス高圧ガスタンク
２０…アルミニウム製コア
２１、２２…開口部
２３…口金
３０…強化繊維
３１…複合体
３２、３３…開口部
３４…Ｏリング
３５…接続口
４０…型枠
５１、５２…キャップ
５１１…ガス導入路
５１２、５２１…電気ヒータ装着部
５３…端子
５０、５５…電気ヒータ

Claims

ライナレス高圧ガスタンクの製造方法であって、
所望のタンク形状を有する中空の金属製コアの外周面に強化繊維を巻き付けて少なくとも一つの開口部を有する複合体を成形し、
前記成形された複合体を型枠で覆い、
前記複合体に含まれる前記金属製コアを溶融させて前記強化繊維に含浸させるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項１に記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記金属製コアの溶融は、ヒータを用いることによって実行されるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項２に記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法はさらに、
前記金属製コアを溶融させる際に、前記複合体の内部圧力を増加させるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記金属製コアはアルミニウム製コアであるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項１に記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記金属製コアの溶融は、前記少なくとも１つの開口部から前記複合体の内部に溶融金属を圧入することによって実行され、
前記製造方法はさらに
前記金属製コアの溶融後、前記金属製コアが含浸された複合体内に残留する前記圧入した溶融金属を前記少なくとも１つの開口部から排出することを備えるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項５に記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記複合体はその両端に２つの開口部を有し、
前記２つの開口部の一方から前記溶融金属を圧入し、
前記２つの開口部の他方から溶融金属圧入時における真空引きおよび排出時におけるガス圧の導入の少なくともいずれか一方を実行して残留する前記圧入した溶融金属を戻して排出する高圧タンクの製造方法。
請求項５または請求項６に記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記金属製コアはアルミニウム製コアであり、
前記溶融金属は溶融アルミニウムであるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項４または請求項７に記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記強化繊維と繊維間に含浸されたアルミニウムとの体積比が３０：７０〜６０：４０の間にあるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のライナレス高圧ガスタンクの製造方法において、
前記強化繊維は三次元織物製であるライナレス高圧ガスタンクの製造方法。
請求項１ないし請求項９のいずれかのライナレス高圧ガスタンクの製造方法によって製造されたライナレスの高圧ガスタンク。
ライナレス高圧ガスタンクであって、
金属製コアが溶融含浸された強化繊維からなり、中空部と、その中空部の両端に形成された開口部とを有する本体と、
前記本体の開口部に装着され、外部配管を接続するための接続器とを備えるライナレス高圧ガスタンク。