JP2019074138A - ガスタンクの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタンクの気密試験に用いられる検査ガスを再利用して気密試験に要する費用を低減することのできる繊維強化熱硬化樹脂からなるガスタンクの製造装置を提供すること。【解決手段】ガスタンクの製造装置１は、ライナーの外周に巻き付けられた繊維強化熱硬化樹脂層を加熱して樹脂を硬化させる加熱硬化炉１２１と、製造後のガスタンクの漏れを検査するガスタンク検査部２００を付設している。ガスタンク検査部２００は、漏れ検査後にガスタンク３００内に充填されている検査ガスを排気する排気経路Ｐ１２，Ｐ１３を備えており、排気経路Ｐ１３の下流部は加熱硬化炉１２１に接続している。排気経路Ｐ１２，Ｐ１３からの低温の検査ガスは、加熱硬化炉１２１内において、熱硬化後の繊維強化熱硬化樹脂層の冷却に供される。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタンクの製造装置、特に、繊維強化熱硬化樹脂からなるガスタンクの製造装置に関する。

特許文献１に記載のように、ガラスクロスや炭素繊維のような繊維束にエポキシなどの熱硬化性樹脂を含浸させ半硬化状態にした繊維強化熱硬化樹脂を用いて、高圧用のガスタンクを製造することが行われる。繊維強化熱硬化樹脂はフィラメントワインディング法やテープワインディング法などによってライナーの外周面に巻き付けられた後、加熱硬化炉で樹脂の熱硬化処理が行われ、樹脂硬化後に、適宜の冷却機によって、加熱した硬化樹脂に対する冷却処理が施される。

製造後のガスタンクの気密性を検査することも行われる。通常、ガスタンクの気密試験は、検査対象のガスタンク内に検知ガス（例えばヘリウムガス）と不活性ガス（例えば窒素ガス）の混合ガスを充填し、ガスタンクから漏れ出す検知ガス量を測定することで行われる。特許文献２にはその一例が記載されており、そこでは、気密試験後、これらのガスは大気中に排気される。

特開２００９−１７４７００号公報 特開２０１３−２２８０２０号公報

繊維強化熱硬化樹脂からなるガスタンクの製造装置において、熱硬化後の樹脂を冷却するために、通常、加熱硬化炉に対応した数の冷却機を設けるようにしており、多額の設備投資が必要となっており、冷却に要する費用の低減が一つの課題となっている。一方、ガスタンクの気密試験に用いられる高圧窒素ガス等は、これまでは、気密試験終了後にそのまま大気中に排出されており、その量も大量であることから、再利用してコストの低減を図ることが、課題となっている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、ガスタンクの製造装置において必要とされている冷却機に要する費用を低減すること、およびガスタンクの気密試験に用いられる検査ガスを再利用して気密試験に要する費用を低減すること、の双方を同時に満足することのできる、繊維強化熱硬化樹脂からなるガスタンクの製造装置を提供することを課題とする。

本発明によるガスタンクの製造装置は、ライナーの外周に繊維強化熱硬化樹脂層を備えるガスタンクの製造装置であって、前記ガスタンクの製造装置は、ライナーの外周に巻き付けられた繊維強化熱硬化樹脂層を加熱して樹脂を硬化させる加熱硬化炉を備えており、さらに、前記ガスタンクの製造装置は、製造後のガスタンクの漏れを検査するガスタンク検査部を付設しており、前記ガスタンク検査部は、漏れ検査後にガスタンク内に充填されている検査ガスを排気する排気経路を備えており、前記排気経路の下流部は前記加熱硬化炉に接続していて該排気経路からの検査ガスは熱硬化後の前記繊維強化熱硬化樹脂層の冷却に供されることを特徴とする。

本発明に係るガスタンクの製造装置では、付設するガスタンク検査部で使用した検査ガスを、ライナーの外周に巻き付けた加熱硬化後の高温の繊維強化熱硬化樹脂層を冷却するのに再利用することができる。それにより、ガスタンクの気密試験に要する費用を低減することができることに加え、冷却用媒体として、前記検査ガスを用いることで、冷却に要する費用も低減することができる。

実施の形態にかかるガスタンクの製造装置の概略図。 ガスタンク気密試験におけるガスタンクの圧力変化と温度変化を示すグラフ。 ライナーの外周に繊維強化熱硬化樹脂層を備えるガスタンクの熱硬化処理時の温度変化を示すグラフ。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、実施の形態にかかるガスタンクの製造装置の概略図である。図１に示すように、ガスタンクの製造装置１は、ガスタンク製造部１００と、ガスタンク検査部２００とを備える。

ガスタンク製造部１００は、ライナーの外周へ繊維強化熱硬化樹脂を巻き付けて強化繊維層を形成する強化繊維巻き付け部１１０と、強化繊維巻き付け部１１０でライナーに巻き付けられた強化繊維に熱を加えて硬化させるための加熱硬化部１２０とで構成される。強化繊維巻き付け部１１０は、例えば前記特許文献１に記載されるような従来知られたものであってよい。加熱硬化部１２０も同様に従来知られたものであってよい。ここでは、加熱硬化部１２０は複数個の加熱硬化炉１２１により構成されており、各加熱硬化炉１２１には、後記するように、ガスタンク検査部２００から排気される検査ガスがそれぞれ供給されるようになっている。

ガスタンク検査部２００は、検査対象である製造後のガスタンク３００にガス漏れがあるかどうかを検査するためのものである。なお、ここで製造後のガスタンク３００とは、ガスタンク製造部１００の加熱硬化部１２０において、加熱硬化処理が終了し、製品として実使用に供される直前のガスタンクを言っている。

図示の例において、ガスタンク検査部２００は、検査ガス供給部２０と、ガス漏れ検査部３０とを備えている。検査ガス供給部２０によって、検査ガス（不活性ガスおよび検知ガス）が検査対象のガスタンク３００へ送給され充填される。その後、ガス漏れ検査部３０によってガスタンク３００の気密試験が行われ、ガスタンク３００のガス漏れの有無が検査される。検査後に、検査に用いられた検査ガスは、配管を介して前記したガスタンク製造部１００へ送られ、加熱硬化炉１２１で加熱硬化処理された繊維強化熱硬化樹脂層の冷却に供される。なお、本実施の形態では、窒素ガスを検査用の不活性ガスとして、ヘリウムガスを検知ガスとして用いているが、不活性ガスおよび検知ガスとして使用できる気体であればどのようなガスを用いてもよい。

検査ガス供給部２０について、その一例を説明する。検査ガス供給部２０は、ガスタンク３００に検査ガスを供給する。この例では、検査ガス供給部２０は、液体窒素タンク２１と、液ポンプ２３と、熱交換器２４と、ヘリウムタンク２５と、予混合器２７と、流量制御弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４、Ｖ７と、停止弁Ｖ５と、減圧弁Ｖ６と、配管Ｐ１〜Ｐ９とを備える。

液体窒素タンク２１には窒素２２が貯蔵されている。窒素２２は、少なくとも一部が液相となるように低温状態で収容されている。なお、本明細書では液体状の窒素２２を液体窒素２２、気体状の窒素を窒素ガス２２、とも記載する。検査で用いられる窒素２２は、液体窒素タンク２１から供給される。液ポンプ２３は、窒素２２を低圧から高圧へ加圧できるポンプであり、液体窒素タンク２１から供給された窒素２２を圧送するための装置である。また、液ポンプ２３は、窒素２２の供給量を任意に決定することができる。熱交換器２４は、低温状態で供給される窒素２２を常温程度まで温めるための装置である。

ヘリウムタンク２５には、検知ガスであるヘリウムガス２６が充填されている。予混合器２７は、窒素ガス２２およびヘリウムガス２６をガスタンク３００へ充填する前に、窒素ガス２２およびヘリウムガス２６を事前に混合するための装置である。図１に示すように、それぞれの装置は、配管Ｐ１〜Ｐ９で接続されており、配管には上述の弁Ｖ１〜Ｖ７が設けられている。

ガス漏れ検査部３０について、その一例を説明する。ガス漏れ検査部３０は、ガスタンク３００のガス漏れを気密試験によって検査するための装置である。ガス漏れ検査部３０は、ガスタンク３００と、チャンパー３１と、ガス分析器３２と、真空ポンプ３３と、流量制御弁Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０と、減圧弁Ｖ１１と、配管Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１２とを備える。ガスタンク３００はチャンバー３１に収容されており、検査ガスを流入するための入口配管Ｐ１０と検査ガスを排気するための出口配管Ｐ１１とを備える。ガス分析器３２および真空ポンプ３３はチャンパー３１と接続されており、気密試験において、真空ポンプ３３によりチャンバー３１内を真空にし、ガスタンク３００からチャンパー３１内へと漏れ出た検知ガスをガス分析器３２を用いて測定する。なお、本実施の形態においては、検査ガス供給部２０およびガス漏れ検査部３０を以上のような構成としたが、高圧ガスを用いた気密試験を行うための装置の構成であれば、どのような構成であってもよい。

前記加熱硬化部１２０は、出口配管Ｐ１１と流量制御弁Ｖ９、Ｖ１０および減圧弁Ｖ１１を介して接続する配管Ｐ１２により、ガス漏れ検査部３０と接続している。配管Ｐ１２は切替弁Ｖ１２を介して配管Ｐ１３に接続しており、該配管Ｐ１３の下流側が減圧弁Ｐ１３を介して、加熱硬化部１２０における各加熱硬化炉１２１に繋がっている。また、配管Ｐ１３には、切替弁Ｖ１２と減圧弁Ｖ１３との間で、流量制御弁Ｖ１４を備えた外気導入用の配管Ｐ１４が接続している。配管Ｐ１４は常温である圧縮空気源に接続しており、配管Ｐ１３を流れる検査ガスの温度に応じて、切替弁Ｖ１４を制御して適量の空気（外気）を配管Ｐ１３に導入する。

次に、図１を用いて、ガスタンクの製造装置１において、検査ガス（窒素ガス２２およびヘリウムガス２６）が検査ガス供給部２０からガス漏れ検査部３０へ送られ、ガスタンク３００の気密試験に使用された後、ガスタンク製造部１００へと送られて再利用されるまでの一連の流れについて、以下に説明する。

液体窒素タンク２１に充填されている窒素２２は、配管Ｐ１を通り、液ポンプ２３へ送られる。液ポンプ２３へ送られた窒素２２は液ポンプ２３により加圧され、配管Ｐ２へ送られる。配管Ｐ２へ送られた窒素２２は、常温の配管Ｐ３および低温の配管Ｐ５に分岐されて下流へ送られた後、配管Ｐ６で合流する。

常温の配管Ｐ３には熱交換器２４が設置されており、窒素（窒素ガス）２２の温度を常温程度まで上げることができる。また、常温の窒素ガス２２および低温の窒素ガス２２の混合割合は、流量制御弁Ｖ１〜Ｖ４の調節により所望の割合に設定できる。常温の窒素ガス２２と低温の窒素ガス２２の混合割合を変化させることで、気密試験で用いられる窒素ガス２２の温度を所望する温度に任意に調整することが可能である。温度が調整された後の窒素ガス２２は、配管Ｐ６，Ｐ７および配管Ｐ９を経由し、予混合器２７へ送られる。

ヘリウムタンク２５に充填されているヘリウムガス２６は、減圧弁Ｖ６で減圧された後、流量制御弁Ｖ７，配管Ｐ８およびＰ９を経由し、予混合器２７へ送られる。予混合器２７において、窒素ガス２２とヘリウムガス２６とが混合される。窒素ガス２２とヘリウムガス２６との混合割合は、窒素ガス系統の流量制御弁Ｖ１〜Ｖ４とヘリウムガス系統の流量制御弁Ｖ７とを調整することで任意に設定することができる。

その後、予混合器２７で混合された窒素ガス２２およびヘリウムガス２６を用いてガスタンク３００の気密試験を行う。図２は、本実施の形態にかかるガスタンク検査部２００を用いたガスタンク気密試験における、ガスタンク３００の圧力変化と温度変化の結果を示したグラフである。横軸に時間を示し、縦軸にタンク圧力（ＭＰａ）および温度（℃）を示す。

ガスタンク３００の気密試験を行う際は、まず、予混合器２７において混合された検査ガス（窒素ガス２２およびヘリウムガス２６）をガスタンク３００に充填する。具体的には、図１の弁Ｖ５、および流量制御弁Ｖ７、Ｖ９、Ｖ１０を閉じた状態で、流量制御弁Ｖ８を開く。これにより、予混合器２７において混合された検査ガスが、配管Ｐ９、流量制御弁Ｖ８、配管Ｐ１０を経由し、ガスタンク３００へ充填される。このとき、図２の期間ｔ１に示すように、ガスタンク３００の圧力が上昇する。また、ガスタンク３００の内での混合ガスの断熱圧縮により温度も上昇していく。

その後、検査ガスが充填されたガスタング３００に、窒素ガス２２を更に充填する。具体的には、図１の流量制御弁Ｖ１〜Ｖ４、Ｖ８、停止弁Ｖ５を開状態、流量制御弁Ｖ７、Ｖ９、Ｖ１０を閉状態にする。これにより、液体窒素タンク２１より送られた窒素ガス２２がガスタンク３００に充填される。ガスタンク３００に窒素ガス２２を充填した後、図１の流量制御弁Ｖ８、Ｖ９を閉状態にする。このような動作により、図２の期間ｔ２に示すように、ガスタンク３００の圧力がさらに上昇する。また、ガスタンク３００の内での混合ガスの温度もさらに上昇していく。例えば、このときのガスタンク３００の最高到達圧力は８７．５ＭＰａ、窒素ガス２２とヘリウムガス２６の混合割合は、窒素：ヘリウム＝９９％：１％である。

次に、ガスタンク３００が収容されているチャンバー３１内を真空にする。具体的には、チャンパー３１に接続されている真空ポンプ３３を用いて真空引きし、チャンバー３１内を真空にする。チャンバー３１内が真空になると、チャンパー３１内の圧力とガスタン３００内の圧力との差が大きくなる。よって、ガスタンク３００にリーク箇所がある場合は、ガスタンク３００に充填されている検査ガスがリーク箇所からリークする。ガスタンク３００からチャンバー３１内に検査ガスがリークすると、図２の期間ｔ３に示すように、ガスタンク３００内の圧力が減少する。また、それに応じて検査ガスの温度もわずかに低下する。

次に、図２の期間ｔ４において、ガスタンク３００のガス漏れの有無を検知する。具体的には、チャンバー３１に接続されているガス分析器３２を用いて、検査ガスに含まれるヘリウムガス２６の濃度を検査する。つまり、ガスタンク３００にリーク箇所がある場合は、このリーク箇所から検査ガスがリークする。検査ガスにはヘリウムガス２６が含まれているので、このヘリウムガス２６の濃度を、ガス分析器３２を用いて分析することで、ガスタンク３００のガス漏れの有無やガス漏れの程度を検知することができる。

上記のようにしてガスタンク３００のガス漏れの有無を検知した後、ガスタンク３００に充填されている検査ガスを排気する。具体的には、ガスタンク３００の気密試験後、図１の流量制御弁Ｖ９、Ｖ１０、減圧弁Ｖ１１を開状態にする。また、切替弁Ｖ１２を用いて、配管Ｐ１２と配管Ｐ１３とを接続する。これにより、ガスタンク３００に充填されている検査ガス（窒素ガス２２とヘリウムガス２６）が、配管Ｐ１１、流量制御弁Ｖ９、Ｖ１０、減圧弁Ｖ１１を経由することで徐々に脱圧し、さらに、配管Ｐ１２、Ｐ１３を経由し、減圧弁Ｖ１３によって所定の圧力に減圧された後、加熱硬化部１２０に流入して、各加熱硬化炉１２１内に供給される。このとき、図２の期間ｔ５に示すように、ガスタンク３００に充填されている検査ガスが加熱硬化炉１２１内に移動することで、ガスタンク３００内の圧力が徐々に低下するとともに、加圧状態にあった検査ガスの圧力が開放されることで、検査ガスの温度も脱圧と平行して降下していく。検査用の不活性ガスとして液体窒素を用いた場合には、通常、−６０℃〜−４０℃程度にまで温度降下した検査ガス（主に窒素ガス２２）が、前記したように、各加熱硬化炉１２１内に入り込み、そこで熱硬化後のタンクの冷却に再利用される。

加熱硬化部１２０で必要とする冷却用ガス以上の量の検査ガスがガスタンク３００から排気されるときには、切替弁Ｖ１２を切り替えて、ガスタンク３００から排気された検査ガスの一部を大気開放する。また、配管Ｐ１４は常温である圧縮空気源に接続しており、配管Ｐ１３を流れる検査ガスの温度変化に応じて、切替弁Ｖ１４を制御して空気導入量を調整して、検査ガスの温度を適温に維持することもできる。

図３は、加熱硬化炉１２１内での、熱硬化性樹脂を熱硬化するときの時間と樹脂温度の関係の一例を示すグラフであり、加熱により樹脂温度は時間と共に上昇し、１５０℃程度に一定時間維持されることで、硬化処理が終了し、以後、冷却期間となる。この冷却に、前記のように−６０℃〜−４０℃である低温の検査ガスを再利用することで、従来から使用されている冷却機の使用頻度を低減することができ、トータルとしてのガスタンクの製造コストの低減が可能となる。

前記したように、従来の技術では、ガスタンクの気密試験で用いられる高圧ガス（窒素ガス）は、気密試験終了後、再利用されることなく大気中に排気されていた。しかしながら、気密試験に用いられる窒素ガスの量は膨大（例えば、３０ｍ^３／本）であるため、気密試験に用いられた窒素ガスを再利用することなく排気すると、大量の窒素ガスが無駄になるという問題があった。

そこで本実施の形態では、ガス漏れ検査部３０から排出される通常−６０℃〜−４０℃の低温となる検査ガス（窒素ガス）をガスタンク製造部１００における加熱硬化炉１２１に送り込むことで、その冷熱としてのエネルギーを、加熱硬化炉１２１での加熱により高温となったガスタンクの繊維強化熱硬化樹脂層の冷却に効果的に利用することが可能となる。

１…ガスタンクの製造装置、
１００…ガスタンク製造部、
１１０…強化繊維巻き付け部、
１２０…加熱硬化部、
１２１…加熱硬化炉、
２００…ガスタンク検査部、
２０…検査ガス供給部、
２１…液体窒素タンク、
２２…窒素（液体窒素、窒素ガス）、
２３…液ポンプ、
２４…熱交換器、
２５…ヘリウムタンク、
２６…ヘリウムガス、
２７…予混合器、
３０…ガス漏れ検査部、
３１…チャンパー、
３２…ガス分析器、
３３…真空ポンプ、
３００…検査対象である製造後のガスタンク、
Ｖ１〜Ｖ１４…弁、
Ｐ１〜Ｐ１４…配管。

Claims (1)

1. ライナーの外周に繊維強化熱硬化樹脂層を備えるガスタンクの製造装置であって、
   前記ガスタンクの製造装置は、ライナーの外周に巻き付けられた繊維強化熱硬化樹脂層を加熱して樹脂を硬化させる加熱硬化炉を備えており、さらに、
   前記ガスタンクの製造装置は、製造後のガスタンクの漏れを検査するガスタンク検査部を付設しており、
   前記ガスタンク検査部は、漏れ検査後にガスタンク内に充填されている検査ガスを排気する排気経路を備えており、
   前記排気経路の下流部は前記加熱硬化炉に接続していて該排気経路からの検査ガスは熱硬化後の前記繊維強化熱硬化樹脂層の冷却に供されることを特徴とするガスタンクの製造装置。

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