JP2019108937A

JP2019108937A - 高圧タンクの製造方法

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Publication number: JP2019108937A
Application number: JP2017242369A
Authority: JP
Inventors: 森　大五郎; Daigoro Mori; 大五郎森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2037-12-19
Also published as: JP6958326B2

Abstract

【課題】タンク本体の材料が径方向にも簡単且つ充分に塑性変形することを可能にすることで、径方向の塑性変形、延いては周方向の疲労強度を向上させる高圧タンクの製造方法の提供。【解決手段】アルミ合金から成るライナー１５と補強層１６との間に配置されたスペーサ１７を加熱溶融させて、ライナー１５と補強層１６との間から除去し、ライナー１５と補強層１６との間に隙間２０を形成する。そして、ライナー１５の内側に圧力を付与して隙間２０内で径方向外側に向かって膨らむ方向に変形させ、加工硬化により周方向の疲労強度を高める。また、加圧工程の圧力を除荷して、金属ライナーの弾性変形をした外周部の復元力により、金属ライナーの塑性変形をした内周部に残留圧縮応力を発生させる自緊処理を施す。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス等を貯蔵・供給するのに好適な高圧タンクの製造方法に関する。

従来、水素等の貯蔵・供給に用いられる高圧タンク（高圧ガス貯蔵容器）として、タンク本体と、そのタンク本体の長手方向の開口端部に取り付けられた口金部とを備えているタンクが知られている。タンク本体は、例えば、水素ガスを気密保持するためのライナーと、その外周面をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics；炭素繊維強化樹脂）で巻き付けて強化した補強層との２層構造となっている。ライナーとしては、樹脂製や金属製があるが、後者の場合、鉄系の材料と比べて水素ガスに対する気密性や軽量性に優れているアルミニウム合金が有力な材料とされている。口金部は、合金からなるとともにバルブアッセンブリ（高圧バルブ等を内蔵した部品）を備えている。

例えば特許文献１には、材料が所定の厚さまで降伏する圧力を負荷した後に除荷し、弾性変形した外周部の復元力を利用して、塑性変形した内周部に残留圧縮応力を発生させる自緊処理方法の技術が示されている。

特開２００４−０２８１２０号公報

金属ライナーは、通常、軸方向に押し出して成形されるので、軸方向に塑性変形されてライナー材組織に異方性が発生し、軸方向の疲労強度が向上するが、径方向への塑性変形量が軸方向の塑性変形量よりも小さく、周方向の疲労強度の向上を期待できない。したがって、高圧タンクへのガスの充填・放出が繰り返されると、周方向応力による疲労破壊が金属ライナーに発生する可能性がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属ライナーの周方向の疲労強度を向上させることができる高圧タンクの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の高圧タンクの製造方法は、中空の金属ライナーの外側が補強層で覆われた高圧タンクの製造方法であって、前記金属ライナーを押出成形により作製する工程と、前記金属ライナーの胴部の外周に前記金属ライナー及び前記補強層よりも融点が低い材料からなるスペーサを配置する工程と、前記金属ライナー及び前記スペーサの外側を前記補強層で覆う工程と、前記スペーサを加熱溶融させて前記金属ライナーと前記補強層との間から除去する工程と、前記金属ライナーの内側に圧力を付与して前記金属ライナーを径方向に膨らむ方向に変形させる加圧工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の高圧タンクの製造方法によれば、スペーサを加熱溶融して金属ライナーと補強層との間から除去し、スペーサが存在していた位置に隙間を形成する。そして、その後の加圧工程で、金属ライナーの内側に圧力を付与し、隙間内で金属ライナーを径方向外側に向って膨らむ方向に変形させる。これにより、金属ライナーに対して周方向に積極的に変形を与え、金属ライナーの周方向における組織の異方性を改善し、加工硬化により周方向の疲労強度を高めることができる。また、加圧工程の圧力を除荷した際に、金属ライナーの弾性変形した外周部の復元力により、金属ライナーの塑性変形した内周部に残留圧縮応力を発生させる自緊処理を施すことができる。

本発明の高圧タンクの製造方法によれば、スペーサの外側に補強層を配置した後に、スペーサを加熱溶融して除去することで、金属ライナーと補強層との間に、金属ライナーが径方向に膨らむ隙間を容易に得ることができる。そして、金属ライナーの内側に圧力を付与して金属ライナーを変形させることで、補強層を伴った疲労強度の高い高圧タンクを得ることができる。また、加圧工程の圧力を除荷したときに、金属ライナーの塑性変形した内周部に残留圧縮応力を発生させる自緊処理を施すことができる。したがって、このような工程を経て製造された高圧タンクは、金属ライナーについて周方向の疲労強度の向上が期待でき、周方向に疲労破壊が発生するのを防止することができる。

本発明の高圧タンクの製造方法の一実施形態における製造過程を示す図。高圧タンクの構造を模式的に示す断面図。従来の高圧タンクを一部破断で示す図。

図を参照して本発明による高圧タンクの製造方法の実施形態を説明する。まず、高圧タンクの基本的な構造について説明する。

図２は、高圧タンクの構造を模式的に示す断面図である。高圧タンク１０は、例えば燃料電池車に搭載されて高圧の水素ガスを貯留するタンクであり、円筒状（シリンダ状）の胴部１１と、胴部１１の両端に設けられた半球状のドーム部１２，１２を備えている。一方のドーム部１２は閉じており、他方のドーム部１２は、胴部１１から遠ざかるほど縮径しており、最も縮径した部分の中心に開口部１３が形成されている。この開口部１３は、ガスの充填・放出に用いられる口金（図示せず）が設けられる口金取付け部となっている。胴部１１とドーム部１２，１２は、燃料ガス（水素ガス等）の貯蔵空間１４を画成している。

胴部１１とドーム部１２，１２は、該貯蔵空間１４からの水素ガスの流出を抑制するライナー（バリア層）１５と、ライナー１５の外側を補強する補強層１６とを備えている。ライナー１５は、例えば、水素ガスに対する気密性や軽量性に優れているアルミニウム合金等の金属材料から押出し形成される中空の金属ライナーである。

補強層１６は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維をフィラメントワインディング法（ＦＷ法）によってライナー１５の外周に巻き付けることによって、ライナー１５の外表面を被覆する繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の補強層である。補強層１６の材質としては、例えばエポキシ樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。エポキシ樹脂等などの熱硬化性樹脂が含浸されている強化繊維束をライナー１５の外周に巻き付け、その熱硬化性樹脂を加熱して硬化させることで、繊維強化された樹脂層として、補強層１６が形成される。

図３に示す従来の高圧タンクは、アルミニウム製のライナーであるアルミライナー２５の外側が補強層２６で覆われている。アルミライナー２５は、押出し成形パイプを更にフォーミングにより押出し方向と同じ方向に押し出すことによって成形される。補強層２６は、アルミライナー２５の外面に繊維強化樹脂が螺旋状に巻き付けられて配置されたＦＲＰヘリカル層２６ｂと、ＦＲＰヘリカル層２６ｂの上でかつアルミライナー２５の胴部分２５ａの外周に繊維強化樹脂が周方向に沿うように巻き付けられて配置されたＦＲＰフープ層２６ａを有している。

アルミライナー２５を押し出し成形する際、アルミ合金製のチューブを主に軸方向に塑性変形させているので、アルミライナー２５のライナー材組織には異方性が発生するとともに、主に押出し方向（軸方向) に加工硬化し、より高い強度を有する。しかしながら、押出し方向と直交する方向（周方向）には塑性変形しないため、周方向の加工硬化は小さくなり、周方向の強度は押し出し方向よりも低くなる。このように、アルミライナー２５には、ライナー材組織に方向（軸方向と周方向）によって異なる異方性が発生する。

高圧タンクの実際の使用条件では、周方向に発生する応力は軸方向に発生する応力の約２倍と高いため、アルミライナー２５は周方向応力によって疲労破壊をし易く、疲労破壊の際には軸方向に延在する亀裂が発生する。

本発明は、金属ライナーの周方向の疲労強度を向上させることができる高圧タンクの製造方法を提供することを目的とするものであり、その一実施形態について以下に説明する。

図１は、本発明の高圧タンクの製造方法の一実施形態において、製造過程を示す図である。まず、図１（ａ）に示す金属ライナー作製工程では、アルミニウム合金製のチューブの押出成形を行い、胴部分１５ａとドーム部分１５ｂ，１５ｂを有するライナー１５を作製する。

次に、図１（ｂ）に示すスペーサ配置工程では、胴部１１に対応するライナー１５の胴部分１５ａにスペーサ１７を配置する。スペーサ１７は、加熱により揮発又は溶融により除去可能な低融点の材料によって構成されている。スペーサ１７を構成する材料には、例えば樹脂などの、ライナー１５及び補強層１６よりも融点が低いものが用いられている。スペーサ１７は、予め帯状や布状に製作した低融点の材料を胴部分１５ａに被せる又は巻き付けるなどして、胴部分１５ａに配置することができる。

次に、図１（ｃ）に示す補強層配置工程では、スペーサ１７が配置されたライナー１５の外側に補強層１６を配置する処理が行われる。具体的には、ライナー１５のドーム部分１５ｂの外側と、ライナー１５の胴部分１５ａに配置されたスペーサ１７の外周に、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維やガラス繊維を巻き付けてＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）又はＧＦＲＰ（ガラス繊維強化樹脂）等の繊維強化樹脂を配置するＦＷ（フィラメントワインディング）成形を行う。ワインディングの際には、口金１９を組み付けた上でワインディングをするのが好ましい。ＦＷ成形によって、ライナー１５の外側に繊維強化樹脂からなる補強層１６が配置され、ライナー１５の胴部分１５ａと補強層１６との間にスペーサ１７が配置される。

次に、図１（ｄ）に示すスペーサ除去工程では、ライナー１５の胴部分１５ａと補強層１６との間に存在しているスペーサ１７を除去する処理が行われる。スペーサ１７の除去は、スペーサ１７を、その融点以上に加熱して揮発又は溶融させることによって行われる。スペーサ１７には、ライナー１５及び補強層１６よりも低温で溶融する低融点の材料が用いられているので、ライナー１５と補強層１６の間にスペーサ１７を介在させた状態で高圧タンク１０全体をスペーサ１７の融点以上に加熱することによってスペーサ１７だけを揮発または溶融させることができる。ライナー１５の胴部分１５ａと補強層１６との間で揮発又は溶融したスペーサ１７の材料は、流動性が備わっているので、吸出し、流出し、押出し等の適宜の手段で排出させることができる。したがって、ライナー１５の胴部分１５ａの外側と補強層１６との間には、スペーサ１７が除去された隙間２０が形成される。

このスペーサ除去工程では、スペーサ１７を加熱溶融させる際に、補強層１６の繊維強化樹脂も加熱されるので、熱硬化性樹脂の加熱硬化も兼ねることができ、補強層１６の加熱硬化工程も合わせて同時に行うことができる。

次に、図１（ｅ）に示す加圧工程では、ライナー１５の内側に圧力を付与する処理が行われる。ライナー１５は、内圧の上昇によって隙間２０内を径方向に膨らむ方向に変形する。ライナー１５の胴部分１５ａは、補強層１６に過剰な影響を及ぼすことなく、隙間２０を埋めるような変形が許容される。ライナー１５の胴部分１５ａにおいては、こうした内圧に対抗するために周方向の応力（フープ応力）が増加する。付与圧力の設定によって、ライナー１５に周方向に弾性変形を超える塑性変形を積極的に与えることで、加工硬化により周方向の強度を高めることができる。特にライナー１５の胴部分１５ａには、その押し出し成形の際に軸方向のみが硬化されるという組織の異方性が生じるが、この加圧工程によって周方向にも硬化させることができ、組織の異方性を改善・緩和することができる。

最後に、加圧工程の圧力を除荷することで、アルミ合金製のライナー１５の弾性変形した外周部の復元力により、塑性変形した内周近傍に残留圧縮応力を発生させる自緊処理が行われる。したがって、ライナー１５を補強層１６でフルラップ補強した高圧タンクを得ることができる。本発明によって製造された高圧タンクによれば、自緊処理時にフープ方向（周方向）への塑性変形量を通常より５０％〜１００％大きくなるよう制御することにより、ライナー１５の材料組織の異方性が大きく改善される。

本実施形態では、ライナー１５を製造する方法として、ドーム部と一体の押出し成形として説明したが、両端が開口した円筒状の円筒部分を例えば押出成形で形成し、半球形状を有するドーム部分を例えば射出成形で形成し、得られた円筒部分及びドーム部分を熱溶着により接合する方法であってもよい。

本発明による高圧タンクの製造方法の実施例を説明する。

１．ライナーの成形
ライナーには、高強度アルミ合金材料であるＡ６０６１、Ａ６０６９、Ａ７０７５等を用いることができる。その他のライナーの材料としては、ＣｒＭｏ合金材料としてのスチールを用いることができる。

２．スペーサの設置
熱可塑性樹脂として、例えば、ＰＥ（ポリエチレン）を用いることができる。
樹脂の融点として、ＣＦ（炭素繊維）の硬化温度（１２０℃）よりも高い温度（例えば１５０℃）のものを選定する。
スペーサ１７は、高圧タンク１０の胴部１１に設置し、ドーム部１２，１２には設置しない。

３．補強層（ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ）
炭素繊維樹脂（ＣＦＲＰ）としては、ＰＡＮ系、ピッチ系を用いることができる。
炭素繊維樹脂（ＣＦＲＰ）に代えてガラス繊維樹脂（ＧＦＲＰ）を用いてもよい。
熱硬化性エポキシ樹脂としては、アミン系或いは酸無水物系を用いることができる。

４．加熱工程（低融点材料除去）
アルミライナーに、エポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維を巻き付けて繊維強化樹脂とし、エポキシ樹脂を１２０℃で硬化させて補強層１６を得る。１５０℃まで加熱してスペーサ１７を除去する。

５．加圧工程（自緊処理条件）
ライナー１５の内側に付与する圧力を実使用圧力の１．５倍〜２．０倍とし、ライナー１５のアルミを塑性変形させる。

本実施例によれば、スペーサ１７を加熱溶融してライナー１５と補強層１６との間から除去し、スペーサ１７が存在していた位置に隙間２０を形成する。そして、その後の加圧工程で、ライナー１５の内側に圧力を付与し、隙間２０内でライナー１５を径方向外側に向って膨らむ方向に変形させる。これにより、ライナー１５に対して周方向に積極的に変形を与え、ライナー１５の周方向における組織の異方性を改善し、加工硬化により周方向の疲労強度を高めることができる。また、加圧工程の圧力を除荷した際に、ライナー１５の弾性変形した外周部の復元力により、ライナー１５の塑性変形した内周部に残留圧縮応力を発生させる自緊処理を施すことができる。

本実施例によれば、スペーサ１７の外側に補強層１６を配置した後に、スペーサ１７を加熱溶融して除去することで、ライナー１５と補強層１６との間に、ライナー１５が径方向に膨らむ隙間を容易に得ることができる。そして、ライナー１５の内側に圧力を付与してライナー１５を径方向に膨らむ方向に変形させることで、補強層１６を伴った疲労強度の高い高圧タンクを得ることができる。また、加圧工程の圧力を除荷したときに、ライナー１５の塑性変形した内周部に残留圧縮応力を発生させる自緊処理を施すことができる。したがって、ライナー１５について周方向の疲労強度の向上が期待でき、周方向に疲労破壊が発生するのを防止することができる。

以上、本発明による高圧タンクの製造方法に関して、好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能であることは明らかである。

１０・・・高圧タンク、１１・・・胴部、１２，１２・・・ドーム部、１３・・・開口部、１４・・・貯蔵空間、１５・・・ライナー、１５ａ・・・胴部分、１５ｂ・・・ドーム部分、１６・・・補強層、１７・・・スペーサ、１９・・・口金、２０・・・隙間、２５・・・アルミライナー、２５ａ・・・胴部分、２５ｂ・・・ドーム部分、２６・・・補強層、２６ａ・・・ＦＲＰフープ層、２６ｂ・・・ＦＲＰヘリカル層

Claims

中空の金属ライナーの外側が補強層で覆われた高圧タンクの製造方法であって、
前記金属ライナーを押出成形により作製する工程と、
前記金属ライナーの胴部の外周に前記金属ライナー及び前記補強層よりも融点が低い材料からなるスペーサを配置する工程と、
前記金属ライナー及び前記スペーサの外側を前記補強層で覆う工程と、
前記スペーサを加熱溶融させて前記金属ライナーと前記補強層との間から除去する工程と、
前記金属ライナーの内側に圧力を付与して前記金属ライナーを径方向に膨らむ方向に変形させる加圧工程と、
を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。