JP2014172376A - 複合容器の製造方法、及び複合容器の製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を向上させることができる複合容器の製造方法及び複合容器の製造システムを提供する。
【解決手段】複合容器の製造方法は、熱硬化性樹脂が含浸された繊維束がライナの外面側に巻き付けられて形成された容器中間体を硬化炉で加熱することにより、繊維束の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程を含んでいる。硬化工程では、硬化炉の硬化炉温度を中間硬化温度に設定して保持する（Ｓ１，Ｓ２）。これと共に、容器中間体で生じた過昇温現象のピークを、容器中間体の温度に基づいて検出する（Ｓ３〜Ｓ５）。そして、当該ピークを検出したときに硬化炉温度を最終硬化温度に設定する（Ｓ６）。これにより、過昇温現象のピークのタイミングを考慮して保持時間を設定でき、安全を期す等のために保持時間を長く設定する必要性を低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、複合容器の製造方法、及び複合容器の製造システムに関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているように、強化層を備えた複合容器を製造する製造方法が知られている。このような製造方法では、熱硬化性樹脂が含浸された繊維束をライナに巻き付けて容器中間体を形成し、この容器中間体を硬化炉で加熱して繊維束の熱硬化性樹脂を硬化させている。

特開２００８−３０４０３８号公報

ところで、上述したような従来技術においては、硬化炉で容器中間体を加熱する際、熱硬化性樹脂が自己発熱し、容器中間体の温度が一時的に急上昇する過昇温現象が生じることが見出される。そのため、硬化炉温度を最終硬化温度として加熱する前に、最終硬化温度よりも低い中間硬化温度で硬化炉温度を所定時間保持する工程を設け、この工程の間に過昇温現象を生じさせることによって当該過昇温現象のピークを抑制する場合が考えられる。

この場合、どのタイミングでどのように過昇温現象が生じるかを予め把握するのは容易でないことから、通常、硬化炉温度を中間硬化温度で保持する保持時間（以下、単に「保持時間」という）として、安全を期すために比較的長い時間が設定される。そのため、生産性が低下するおそれがあり、ひいては、製造コストが悪化してしまうおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、生産性を向上させることができる複合容器の製造方法及び複合容器の製造システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る複合容器の製造方法は、強化層を備えた複合容器を製造する製造方法であって、熱硬化性樹脂が含浸された繊維束がライナの外面側に巻き付けられて形成された容器中間体を硬化炉で加熱することにより、前記繊維束の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程を含み、硬化工程は、硬化炉の硬化炉温度を中間硬化温度に設定して保持すると共に、容器中間体で生じた過昇温現象のピークを、容器中間体の温度に基づいて検出する第１工程と、第１工程にてピークを検出したタイミングに基づいて、硬化炉温度を最終硬化温度に設定する第２工程と、を含んでいる。

また、本発明に係る複合容器の製造システムは、強化層を備えた複合容器を製造する製造システムであって、熱硬化性樹脂が含浸された繊維束がライナの外面側に巻き付けられて形成された容器中間体を加熱し、繊維束の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化炉と、容器中間体の温度を検出する検出部と、硬化炉の硬化炉温度を制御するためのコントローラと、を備え、コントローラは、硬化炉温度を中間硬化温度に設定し保持させると共に、容器中間体で生じた過昇温現象のピークを、検出部により検出された容器中間体の温度に基づいて検出する第１処理と、第１処理にてピークを検出したタイミングに基づいて、硬化炉温度を最終硬化温度に設定する第２処理と、を実行する。

これら本発明では、硬化炉で容器中間体を加熱する際、硬化炉温度が中間硬化温度で保持されている間に過昇温現象のピークが検出され、そして、このピークを検出したタイミングに基づいて硬化炉温度が最終硬化温度に設定されることとなる。これにより、過昇温現象のピークを抑制できるのに加え、当該ピークのタイミングを考慮して保持時間を設定できることから、安全を期す等のために保持時間を長く設定する必要性を低減することが可能となる。その結果、生産性を向上させることができ、製造コストを低下させることが可能となる。

また、第２工程では、ピークを検出したときに硬化炉温度を最終硬化温度に設定してもよい。この場合、保持時間を一層短縮することが可能となる。

また、第１工程では、容器中間体の温度上昇率の変化割合が１よりも大きくなった後で容器中間体の温度が低下したとき、ピークを検出してもよい。この場合、過昇温現象のピークを好適に検出することが可能となる。

本発明によれば、生産性を向上させることができる複合容器の製造方法及び複合容器の製造システムを提供することが可能となる。

一実施形態に係る複合容器を示す一部断面図である。 一実施形態に係る複合容器の製造システムを示す概略構成図である。 一実施形態に係る硬化工程を示すフローチャートである。 一実施形態に係る硬化炉の温度状況の例を示すグラフである。 図４のグラフの一部を拡大して示すグラフである。 従来の硬化炉の温度状況の例を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る製造方法及び製造システムにより製造される複合容器を示す一部断面図である。図１に示すように、複合容器１は、例えば水素や天然ガス等の燃料ガスを高圧で貯蔵するための容器である。この複合容器１は、例えば、全長が２〜４ｍ、直径が４０〜６０ｍｍ程度に設定され、使用時には、２０〜９０ＭＰａ程度の圧力に耐えることが可能とされている。複合容器１は、その用途が限定されるものではなく、種々の用途で用いることができる。また、複合容器１は、据置き型として用いられてもよく、移動体に搭載されて用いられてもよい。

この複合容器１は、円筒状のライナ２と、ライナ２の外面側を覆うように設けられた強化層３と、を備えている。ライナ２の両端部２ａはドーム状に形成されており、当該両端部２ａの先端には、口金４が取り付けられている。

ライナ２の材料は特に限定されるものではないが、用途によっては、樹脂製又は金属製が選択される。樹脂製のライナ２としては、高密度ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を回転成形やブロー成形にて容器形状に賦形したものに、金属製の口金４を付けたものが挙げられる。金属製のライナ２としては、例えば、アルミニウム合金製や鋼鉄製等からなるパイプ形状や板形状をスピニング加工等にて容器形状に形成したものに、口金４の形状を形成したものが挙げられる。

強化層３は、ライナ２の外面側（外周面側）に熱硬化性樹脂が含浸された繊維束１０を巻き付け、当該繊維束１０を硬化炉で加熱し硬化させることによって形成される。熱硬化性樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂又はアリル樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

また、繊維束１０としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、スチール繊維、ザイロン繊維又はビニロン繊維等を用いることができ、ここでは、高強度で高弾性率且つ軽量な炭素繊維を用いている。また、本実施形態の繊維束１０の繊維数（フィラメント）は、特に制限されるものではないが、１０００〜５００００フィラメント、好ましくは３０００〜３００００フィラメントの範囲とされ、ここでは、２４０００フィラメントとされている。

以上のように構成された複合容器１を製造する場合、まず、ライナ２の外面側に繊維束１０を巻き付けることにより、ライナ２の外面側に複数層の繊維束層（繊維強化プラスチック層）を形成し、これにより、容器中間体を得る（巻付け工程）。形成する複数の繊維束層には、ライナ２に対して繊維束１０を周方向に巻き付けてなるフープ層と、ライナ２に対して繊維束１０を傾斜させた状態で周方向に取り囲むように巻き付けてなるヘリカル層と、が含まれている。

なお、容器中間体とは、製造過程における複合容器１を意図しており、ここでは、繊維束１０の熱硬化性樹脂が熱硬化する前の状態のものを意図している（以下、同じ）。また、巻付け工程における巻付け方法は特に限定されないが、例えば、ＦＷ（フィラメントワインディング）法を採用することができる。ＦＷ法としては、予め熱硬化性樹脂が含浸された繊維束（トウプリプレグ）を用意し、これをライナ２に巻き付けて成形する方法（いわゆるDry法）や、繊維束を熱硬化性樹脂に含浸させながら供給し、これをライナ２に巻き付けて成形する方法（いわゆるWet法）が挙げられる。

そして、上記巻付け工程の後、容器中間体を硬化炉で加熱することにより繊維束１０の熱硬化性樹脂を硬化させる（硬化工程）。ここで、図２〜４を参照して、本実施形態の硬化工程を詳説する。

図２は、本実施形態に係る製造システムを示す概略構成図である。図２に示すように、本実施形態の製造システム１００は、上記複合容器１を製造するものであって、硬化工程で用いられる。この製造システム１００は、硬化炉２０と、容器温度検出部（検出部）３０と、コントローラ４０と、を少なくとも備えている。

硬化炉２０は、繊維束１０がライナ２（図１参照）の外面側に巻き付けられて形成された容器中間体１ａを収容して加熱し、繊維束１０の熱硬化性樹脂を硬化させる。この硬化炉２０の内部には、硬化炉２０の熱源としてのヒータ２１と、硬化炉温度（炉内温度）を検出する硬化炉温度センサ２２と、が設けられている。ヒータ２１は、コントローラ４０に接続されており、これにより、ヒータ２１の動作がコントローラ４０で制御されて硬化炉温度が制御される。硬化炉温度センサ２２は、コントローラ４０に接続されており、検出した硬化炉温度をコントローラ４０へ出力する。

容器温度検出部３０は、容器中間体１ａの温度（以下、「容器温度」という）を検出するものであり、硬化炉２０に取り付けられている。ここでの容器温度検出部３０は、例えばサーモグラフィや放射温度等の非接触温度計測器が用いられ、容器中間体１ａの表面温度を容器温度として検出する。一例として、容器温度検出部３０は、非接触の赤外線温度計が用いられており、例えば硬化炉２０に設けられた覗き窓から容器中間体１ａの表面温度を測定する。容器温度検出部３０は、コントローラ４０に接続されており、検出した容器温度をコントローラ４０へ出力する。なお、ヒータ２１は強化層３を完全に覆っておらず、ヒータ２１の個数は一つであってもよく、複数であってもよい。また、ヒータ２１が複数の場合は分割されてヒータ２１間に間隔が設けられていてよく、複数のヒータ２１の大きさ及び形状が不均一であってもよい。容器温度検出部３０は、ヒータ２１から容器中間体１ａを覗いた時に、容器中間体１ａがヒータ２１に遮られない場所から測定する。

コントローラ４０は、硬化炉２０の硬化炉温度を制御するためのものであり、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むコンピュータで構成されている。このコントローラ４０は、容器温度検出部３０及び硬化炉温度センサ２２からの出力に基づいて、硬化炉温度を設定すると共に当該設定した硬化炉温度となるようにヒータ２１の動作を制御する。

ここで、硬化炉２０で容器中間体１ａを加熱する際には、繊維束１０における熱硬化性樹脂の熱硬化反応が発熱反応であることから、熱硬化性樹脂が自己発熱し、その温度が硬化炉温度以上に一時的に急上昇するという過昇温現象の発生が見出される。そこで、本実施形態のコントローラ４０は、硬化炉温度を中間硬化温度に設定し保持させると共に、容器中間体１ａで生じた過昇温現象のピーク（つまり、過昇温現象による容器温度の最高温度）を容器温度に基づき検出する第１処理と、ピークを検出したタイミングに基づき硬化炉温度を最終硬化温度に設定する第２処理と、を少なくとも実行する（詳しくは後述）。

図３は本実施形態に係る硬化工程を示すフローチャート、図４は本実施形態に係る硬化炉の温度状況の例を示すグラフ、図５は図４のグラフの一部拡大図である。図３及び図４に示すように、製造システム１００による複合容器１の製造方法では、容器中間体１ａを最終硬化させるための最終硬化温度Ｔ３に硬化炉温度が設定される前に、最終硬化温度Ｔ３よりも低い中間硬化温度Ｔ１に硬化炉温度が設定されて一定時間保持される。

具体的には、まず、硬化炉温度が中間硬化温度Ｔ１に設定され保持される（Ｓ１，Ｓ２）。これにより、容器温度が立ち上がった後に中間硬化温度Ｔ１となるように保持され、その結果、容器中間体１ａが中間硬化される。

この中間硬化温度Ｔ１は、最低中間硬化温度Ｔ０以上で最高中間硬化温度Ｔ２未満に設定されている。最低中間硬化温度Ｔ０は、繊維束１０の熱硬化性樹脂が硬化可能な最低温度である。最高中間硬化温度Ｔ２は、その温度で保持して硬化させた場合に生じた過昇温現象のピークＴｍａｘが許容最高温度Ｔ４に達すると推定される温度である。また、許容最高温度Ｔ４は、容器中間体１ａについて容器性能に悪影響が及ばない温度範囲の最高温度であって、容器中間体１ａの材料の耐熱性等に応じて定まる温度である。

そして、硬化炉温度が中間硬化温度Ｔ１に保持されているとき、下式（１）の判定式に示すように、容器温度の昇温速度である温度上昇率Ｗについて変化割合が１よりも大きいか否かが判定される（Ｓ３）。温度上昇率ＷＮは、図５に示すように、Ｎ回目の測定時ｔＮの容器温度ＴＮと、Ｎ−１回目の測定時ｔＮ−１の容器温度ＴＮ−１と、から求めることができる（下式（２）参照）。
ＷＮ／ＷＮ−１＞１ …（１）
ＷＮ＝（ＴＮ−ＴＮ−１）／（ｔＮ−ｔＮ−１） …（２）
Ｎ：任意の整数。

図３及び図４に戻り、上記Ｓ３でＮｏの場合、硬化炉温度が中間硬化温度Ｔ１に引き続き保持される一方、上記Ｓ３でＹｅｓの場合、所定時間待機された後に、下式（３）の判定式に示すように、容器中間体１ａの温度が低下したか否かが判定される（Ｓ４，Ｓ５）。
ＴＮ≦ＴＮ−１ …（３）

上記Ｓ５でＮｏの場合、上記Ｓ４にて再び所定時間待機される一方、上記Ｓ５でＹｅｓの場合、容器温度が過昇温現象による最高温度に達したと判断され、容器中間体１ａで生じた過昇温現象のピークＴｍａｘが検出され、硬化炉温度が最終硬化温度Ｔ３に設定される（Ｓ６）。その結果、過昇温現象に起因して中間硬化温度Ｔ１から急峻に立ち上がりピークＴｍａｘに達した容器温度にあっては、中間硬化温度Ｔ１まで降下せずにその途中で直ちに再上昇し、最終硬化温度Ｔ３に至ることとなる。

続いて、硬化炉温度が最終硬化温度Ｔ３の状態で所定時間待機された後、硬化炉２０が停止され、硬化炉温度が一定の温度降下率で降下され、これに伴って、容器温度が一定の温度降下率で降下され、これにより、熱硬化性樹脂の硬化が終了する（Ｓ７，Ｓ８）。

以上、本実施形態によれば、硬化炉温度を最終硬化温度Ｔ３とする前に中間硬化温度Ｔ１で一定時間保持するため、硬化炉温度が中間硬化温度Ｔ１のときに過昇温現象を生じさせることができ、過昇温現象のピークＴｍａｘを抑制することが可能となる。

ところで、硬化炉温度を中間硬化温度Ｔ１で保持する保持時間は、容器サイズや熱硬化性樹脂の種別によって過昇温現象が異なることから、経験則や硬化条件設定試験の実施等により定められ、その探索に時間が要される。また、従来、保持時間としては、図６に示すように、安全を期すために比較的長い時間が設定され、結果的には、過昇温現象が終わった後にも保持時間が未だ続く場合がある。

これに対し、本実施形態では、容器温度をモニタリングしながら硬化工程を実施しており、硬化炉温度を中間硬化温度Ｔ１で保持している間において過昇温現象のピークＴｍａｘを検出したときに、当該検出を硬化炉温度の温度設定にフィードバックし、硬化炉温度を最終硬化温度Ｔ３とすることができる。よって、保持時間が不要に長く設定されて容器製造時間が長くなるのを抑制でき、生産性を向上させて製造コストが高くなるのを抑制することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態では、過昇温現象のピークＴｍａｘを検出したときに硬化炉温度を最終硬化温度Ｔ３に設定したが、これに限定されず、ピークＴｍａｘを検出したタイミング（時点）に基づき硬化炉温度を最終硬化温度Ｔ３へ設定すればよい。例えば、ピークＴｍａｘを検出したタイミングを基準に所定時間経過した後、硬化炉温度を最終硬化温度Ｔ３へ設定してもよく、ピークＴｍａｘを検出したときから硬化炉温度を最終硬化温度Ｔ３に設定するまでの間に所定の遅れ（猶予）が存在してもよい。

また、上記実施形態では、容器温度の温度上昇率Ｗの変化割合が１よりも大きくなった後で容器温度が低下したときにピークＴｍａｘを検出したが、ピークＴｍａｘを検出する手法は限定されず、種々の手法によりピークＴｍａｘを検出してもよい。以上において、上記Ｓ１〜Ｓ５が第１工程に対応し、上記Ｓ６が第２工程に対応する。

１…複合容器、１ａ…容器中間体、２…ライナ、３…強化層、１０…繊維束、２０…硬化炉、３０…容器温度検出部（検出部）、４０…コントローラ、１００…製造システム。

Claims (4)

1. 強化層を備えた複合容器を製造する製造方法であって、
   熱硬化性樹脂が含浸された繊維束がライナの外面側に巻き付けられて形成された容器中間体を硬化炉で加熱することにより、前記繊維束の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程を含み、
   前記硬化工程は、
   前記硬化炉の硬化炉温度を中間硬化温度に設定して保持すると共に、前記容器中間体で生じた過昇温現象のピークを、前記容器中間体の温度に基づいて検出する第１工程と、
   前記第１工程にて前記ピークを検出したタイミングに基づいて、前記硬化炉温度を最終硬化温度に設定する第２工程と、を含む、複合容器の製造方法。
2. 前記第２工程では、前記ピークを検出したときに前記硬化炉温度を前記最終硬化温度に設定する、請求項１記載の複合容器の製造方法。
3. 前記第１工程では、前記容器中間体の温度上昇率の変化割合が１よりも大きくなった後で前記容器中間体の温度が低下したとき、前記ピークを検出する、請求項１又は２記載の複合容器の製造方法。
4. 強化層を備えた複合容器を製造する製造システムであって、
   熱硬化性樹脂が含浸された繊維束がライナの外面側に巻き付けられて形成された容器中間体を加熱し、前記繊維束の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化炉と、
   前記容器中間体の温度を検出する検出部と、
   前記硬化炉の硬化炉温度を制御するためのコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、
   前記硬化炉温度を中間硬化温度に設定し保持させると共に、前記容器中間体で生じた過昇温現象のピークを、前記検出部により検出された前記容器中間体の温度に基づいて検出する第１処理と、
   前記第１処理にて前記ピークを検出したタイミングに基づいて、前記硬化炉温度を最終硬化温度に設定する第２処理と、を実行する、複合容器の製造システム。

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