JP2017219181A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ、冷却時間を短縮し、高品質な高圧タンクを製造することが可能な高圧タンクの製造方法を提供する。
【解決手段】ライナー１１０の周囲が繊維強化樹脂層１４０で被覆された高圧タンク１０の製造方法であって、ライナー１１０の周囲に熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けたタンク１０Ｐを加熱し、熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程と、熱硬化工程後に、熱硬化性樹脂を冷却する冷却工程と、を含み、冷却工程において、ライナー１１０内の気体を吸引する減圧と、ライナー１１０内に気体を供給する加圧と、を複数回交互に繰り返す。
【選択図】図４

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

高圧タンクは、例えばライナーに繊維強化樹脂材料を巻き付けて繊維強化樹脂層を形成し、この繊維強化樹脂層を硬化温度に加熱することで硬化させることにより製造される。

このような高圧タンクの製造方法として、繊維強化樹脂層を硬化させるための硬化温度よりも低い沸点を有する液体をタンクの内部に封入し、タンクを硬化温度まで加熱し、この加熱工程の終了後、ライナーの内部の圧力を吸引により減圧することで、ライナー内部の温度を急速に降下させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、ライナーの内部の温度を急速に降下させ、短時間で冷却することができる。

特開２０１５−１４８３３０号公報

しかし、上記特許文献１に記載の方法では、ライナー内部に液体を封入するための特別な構造を要する。したがって、製造コストが嵩んでしまう。また、ライナー内部の温度を降下させるための減圧によってライナーが収縮し、繊維強化樹脂層との間に大きな隙間が形成されるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、製造コストを抑えつつ、冷却時間を短縮し、高品質な高圧タンクを製造することが可能な高圧タンクの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の高圧タンクの製造方法は、
ライナーの周囲が繊維強化樹脂層で被覆された高圧タンクの製造方法であって、
ライナーの周囲に熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けたタンクを加熱し、前記熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程と、
前記熱硬化工程後に、前記熱硬化性樹脂を冷却する冷却工程と、を含み、
前記冷却工程において、前記ライナー内の気体を吸引することによる減圧と、前記ライナー内から吸引した気体よりも低温の気体を前記ライナー内に供給することによる加圧と、を複数回交互に繰り返す。

この構成によれば、熱硬化性樹脂の冷却工程において、ライナーに対して減圧及び加圧を繰り返すことで、冷却時間を短縮させることができるとともに、ライナー内の加減圧が複数回繰り返されることによりライナーと繊維強化樹脂層との固着を抑え、また、ライナーと繊維強化樹脂層との隙間を小さくすることができ、高品質な高圧タンクを製造することができる。また、ライナー内に液体を封入させるための特別な構造を用いることによる製造コストの嵩張りを抑えることができる。

本発明の高圧タンクの製造方法において、前記冷却工程における加圧時に、前記タンク内に常温以下の気体を供給しても良い。

この構成によれば、タンクの冷却時間をさらに短縮させることができる。

本発明の高圧タンクの製造方法によれば、製造コストを抑えつつ、冷却時間を短縮し、高品質な高圧タンクを製造することができる。

本発明の実施形態の製造方法によって製造される高圧タンクの構成を模式的に示す概略断面図である。 本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法を実施する製造装置の例を示す説明図である。 本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の製造方法におけるタンクの温度およびライナーの内部圧力の関係を示すグラフである。 ライナーに対する加減圧の繰り返し回数による冷却時間の変化を示すグラフである。 ライナーと繊維強化樹脂層との隙間を示す図１におけるＡ部拡大図である。 ライナーに対する加減圧の繰り返し回数によるライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間の変化を示すグラフである。 実施例及び比較例のライナー内圧を示すグラフである。 実施例及び比較例のタンクの温度変化を示すグラフである。

次に、本発明に係る高圧タンクの製造方法の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態の製造方法によって製造される高圧タンクの構成を模式的に示す概略断面図である。

図１に示すように、高圧タンク１０は、ライナー１１０を繊維強化樹脂層（「繊維強化プラスチック層」とも呼ぶ）１４０で被覆して構成され、ライナー軸線ＣＸ方向の両端にライナー軸線ＣＸを中心として口金１２０，１３０がライナー軸線ＣＸ方向に突出して設けられている。

ライナー１１０は、ライナー軸線ＣＸを中心とする中空のタンク容器であり、ライナー軸線ＣＸに沿った長手方向の中央で２分割された一対のライナーパーツの接合品である。２分割のライナーパーツは、それぞれナイロン系樹脂等の適宜なガスバリア性を有する樹脂にて型成型され、その型成型品のライナーパーツを接合してその接合箇所をレーザー融着することで、ライナー１１０が形成される。このパーツ接合を経て、ライナー１１０は、円筒状のシリンダー部１１１のライナー軸線ＣＸ方向の両側に球面形状のドーム部１１２を備え、ガスを貯蔵するための貯蔵空間１１４を備えることになる。

繊維強化樹脂層１４０は、ライナー１１０と、口金１２０，１３０のライナー軸線ＣＸ方向を向く開口部を除く周囲部分と、を覆うように巻き付けられた繊維強化樹脂材料を硬化させることによりライナー１１０および口金１２０，１３０の一部の外表面を被覆するように構成されている。

口金１２０，１３０は、アルミニウムまたはその合金といった軽量金属で形成され、ライナー１１０のドーム部１１２にライナー軸線ＣＸを中心として設けられている。口金１２０，１３０の開口部の内周面には雌ネジが刻設されており、配管やバルブアッセンブリ等の機能部品の雄ネジをこの雌ネジと螺合させることにより、機能部品を口金１２０，１３０にねじ込み接続可能に構成されている。なお、図１では、口金１２０にバルブアッセンブリＶＡが接続された例を二点鎖線により示している。

例えば、燃料電池システムに備えられた高圧タンク１０は、バルブアッセンブリＶＡを介して、貯蔵空間１１４と不図示のガス流路との間が接続され、貯蔵空間１１４に燃料ガスとしての水素が充填されるとともに、貯蔵空間１１４から水素が放出されて燃料電池の発電に利用される。

図２は、本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法を実施する製造装置の例を示す説明図である。この製造装置１０００は、硬化炉２０と、回転棒（回転部）３０，４０と、気体給排部５０と、制御部６０と、を備えている。硬化炉２０は、未硬化状態の繊維強化樹脂層１４０を有する高圧タンク形成前のタンク１０Ｐがセットされる炉空間を備えており、タンク１０Ｐは、口金１２０，１３０の開口部に取り付けられた回転棒３０，４０を介して、その炉内にセットされる。なお、後述する熱硬化工程等の過程において、不図示の駆動装置によって回転棒３０，４０を適宜回転させることによって、タンク１０Ｐを均等に加熱することができる。

気体給排部５０は、冷気供給部５１０と、ポンプ５２０と、バルブ５３０と、冷気配管５４０と、吸気配管５５０と、接続配管５６０と、を備えている。接続配管５６０は、バルブ５３０から回転棒３０内を介してタンク１０Ｐのライナー１１０内に延びる配管である。接続配管５６０は、図示しない密閉式の軸受けを介して回転棒３０の内側に固定されており、回転棒３０は接続配管５６０に対して独立して回転可能である。冷気配管５４０は冷気供給部５１０とバルブ５３０とを接続する配管であり、吸気配管５５０はポンプ５２０とバルブ５３０とを接続する配管である。

バルブ５３０は、冷気配管５４０と接続配管５６０との間の開閉、および、吸気配管５５０と接続配管５６０との間の開閉を独立して操作可能である。従って、バルブ５３０の操作によって、冷気供給部５１０からタンク１０Ｐのライナー１１０内への冷気の供給が可能とされている。冷気供給部５１０から供給される冷気は、常温以下の空気である。また、バルブ５３０の操作によって、ポンプ５２０が、タンク１０Ｐのライナー１１０内から空気を吸引することが可能とされている。

制御部６０は、コンピューターであり、硬化炉２０、回転棒３０，４０、気体供給部５１０、ポンプ５２０、およびバルブ５３０の各動作を制御することにより、製造装置１０００によるタンク１０Ｐの繊維強化樹脂層１４０の硬化処理を実行する。

図３は、本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法の手順を示す説明図である。図４は、本発明の実施形態の製造方法におけるタンクの温度およびライナーの内部圧力の関係を示すグラフである。

まず、図３のステップＳ１０において、未硬化状態の繊維強化樹脂層１４０を有する高圧タンク形成前のタンク１０Ｐを硬化炉２０（図２参照）の炉内にセットする。タンク１０Ｐは、例えば、両端に口金１２０，１３０が設けられたライナー１１０に、繊維強化樹脂材料をフィラメントワインディング方法（以下、ＦＷ法）により巻き付け、未硬化の繊維強化樹脂層１４０を形成することによって準備される。繊維強化樹脂材料の熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂を用いることが一般的であるが、ポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることも可能である。また、ＦＷ法によりライナー１１０に巻き付けさせる補強用の繊維（スライバー繊維）としては、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維等が用いられる他、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）のＦＷ法による巻き付けを順次行うことで、繊維強化樹脂層１４０を、異なる繊維からなる樹脂材料層を積層させて形成することもできる。

次に、ステップＳ２０，Ｓ３０の熱硬化工程を行う。ステップＳ２０では、図４に示すように、タンク１０Ｐの温度が硬化温度Ｔとなるように、硬化炉２０の炉内を加熱する。このとき、タンク１０Ｐの温度は、加熱開始時の温度から時間の経過とともに上昇する。ステップＳ３０では、硬化温度Ｔに到達した時点（ｔ１）から硬化処理が完了する時点（ｔ２）までの硬化完了時間が経過するまで待機する。なお、この待機の間においては、上記したように、硬化炉２０では炉内温度およびタンク１０Ｐの温度が硬化温度Ｔを維持するように加熱の制御が実行される。

その後、ステップＳ４０，Ｓ５０の冷却工程を行う。ステップＳ４０では、硬化完了時間が経過する時点（ｔ２）において、硬化炉２０の炉内加熱を停止してワーク１０Ｐを冷却する冷却工程を開始する。ステップＳ５０では、タンク１０Ｐのライナー１１０に対して減圧及び加圧を複数回交互に繰り返し行う。具体的には、制御部６０によってバルブ５３０およびポンプ５２０が制御され、ライナー１１０の内部の空気を吸引することによる減圧と、ライナー１１０の内部に冷気を供給することによる加圧と、を複数回交互に繰り返す。

このように、冷却工程において、ライナー１１０に対して減圧と加圧とを複数回交互に繰り返すと、ライナー１１０内の空気が繰り返し入れ替えられる。これにより、冷却工程における冷却効率が高められ、冷却時間が短縮される。

図５は、ライナーに対する加減圧の繰り返し回数による冷却時間の変化を示すグラフである。図５に示すように、冷却工程における冷却時間は、ライナー１１０に対する加減圧の繰り返し回数が多くなるほど短くなる。

ところで、冷却工程を一定圧で行う方法では、冷却時間が長時間に及ぶとともに、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０とが固着することがある。このように、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０とが固着していると、その後の温度変化によってライナー１１０に応力が生じることがあるため、ライナー１１０の外周面に離型剤等を塗布して繊維強化樹脂層１４０との固着を抑制することが行われる。これに対して、例えば、ライナー１１０内を強制的に急激に減圧して冷却すれば、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との固着を抑制できるが、図６に示すように、ライナー１１０が大きくクリープし、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との間に大きな隙間Ｇが形成されることがある。すると、低温環境下において、繊維強化樹脂層１４０によって良好にライナー１１０が補強されないおそれがある。

本実施形態のように、冷却工程において、ライナー１１０に対して減圧と加圧とを複数回交互に繰り返すと、離型剤を塗布することなく、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との固着が抑えられ、しかも、ライナー１１０内の加減圧が複数回繰り返されることにより、繊維強化樹脂層１４０との隙間Ｇが小さく抑えられる。

図７は、ライナーに対する加減圧の繰り返し回数によるライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間の変化を示すグラフである。図７に示すように、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との隙間Ｇは、ライナー１１０に対する加減圧の繰り返し回数が多くなるほど小さくなる。

このように、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法によれば、熱硬化性樹脂の冷却工程において、ライナー１１０に対して減圧及び加圧を繰り返すことで、冷却時間を短縮させることができるとともに、ライナー１１０内の加減圧が複数回繰り返されることにより、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との固着を抑えつつ、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との隙間Ｇを小さくすることができ、高品質な高圧タンク１０を製造することができる。また、ライナー１１０内に液体を封入させるための特別な構造を用いることによる製造コストの嵩張りを抑えることができる。

しかも、冷却工程における加圧時に、ライナー１１０内に常温以下の空気を供給することで、冷却時間をさらに短縮させることができる。

なお、冷却工程において、ライナー１１０を加圧する際に供給する気体としては、空気に限定されない。

図８は、実施例及び比較例のライナー内圧を示すグラフである。図９は、実施例及び比較例のタンクの温度変化を示すグラフである。

図８中実線で示すように、実施例として、冷却工程時のライナー１１０に対して５分間隔で加減圧し（減圧時約０ＭＰａ，加圧時約０．９ＭＰａ）、図８中点線で示すように、比較例として、冷却工程時のライナー１１０の内圧を一定圧とし（約０．９ＭＰａ）、それぞれの温度変化を測定した。

その結果、図９に示すように、比較例（図９中点線参照）に対して実施例（図９中実線参照）では、繊維強化樹脂層１４０の温度が短時間に低下することがわかった。また、繊維強化樹脂層１４０の硬化後、比較例では、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との固着が生じたのに対して、実施例では、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との固着が生じなかった。

このように、冷却工程において、ライナー１１０に対して加減圧することにより、効率的に冷却して冷却時間を短縮させることができ、しかも、ライナー１１０と繊維強化樹脂層１４０との固着を抑制できることがわかった。

１０ 高圧タンク
１０Ｐ タンク
１１０ ライナー
１４０ 繊維強化樹脂層

Claims (2)

1. ライナーの周囲が繊維強化樹脂層で被覆された高圧タンクの製造方法であって、
   ライナーの周囲に熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けたタンクを加熱し、前記熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程と、
   前記熱硬化工程後に、前記熱硬化性樹脂を冷却する冷却工程と、を含み、
   前記冷却工程において、前記ライナー内の気体を吸引することによる減圧と、前記ライナー内から吸引した気体よりも低温の気体を前記ライナー内に供給することによる加圧と、を複数回交互に繰り返す高圧タンクの製造方法。
2. 前記冷却工程における加圧時に、前記タンク内に常温以下の気体を供給する請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。