JP2021032386A - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ライナと口金との間の境界部に塗布された液状ガスケットの外表面における凹みや穴あきの発生を防止することができる高圧タンクの製造方法を提供する。【解決手段】ライナ２０と口金２１とを有する高圧タンク１０の製造方法であって、ライナ２０と口金２１との間の隙間部Ｓに、揮発性溶剤を塗布する工程（ステップＳ１）と、隙間部Ｓを覆うようにＦＩＰＧを塗布する工程（ステップＳ２）と、ＦＩＰＧを硬化させる工程（ステップＳ３）と、を含むことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ライナと口金とを有する高圧タンクの製造方法に関する。

この種の高圧タンクの製造方法として、ライナと口金との境界部を加熱する工程と、境界部に液状ガスケットを塗布する工程とを備え、境界部内に負圧を発生させることで、液状ガスケットを境界部の隙間に引き込むようにしたものが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１９−３５４１５号公報

特許文献１に記載の高圧タンクの製造方法は、境界部内に負圧を発生させて塗布された液状ガスケットを境界部の隙間部内に引き込むようにしているので、負圧の大きさによっては、ライナと口金との間の境界部に塗布された液状ガスケットの外表面に凹みが生じたり、穴あきが発生してしまうおそれがあるというという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、ライナと口金との間の境界部に塗布された液状ガスケットの外表面における凹みや穴あきの発生を防止す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課題とする。

本発明に係る高圧タンクの製造方法は、ライナと口金とを有する高圧タンクの製造方法であって、前記ライナと前記口金との間の隙間部に、揮発性溶剤を塗布する工程と、前記隙間部を覆うように液状ガスケットを塗布する工程と、前記液状ガスケットを硬化させる工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る高圧タンクの製造方法は、揮発性溶剤を塗布する工程において、ライナと口金との間の隙間部に揮発性溶剤が塗布される。揮発性溶剤の隙間部への塗布の後、液状ガスケットを塗布する工程において、隙間部を覆うように液状ガスケットが塗布される。液状ガスケットの隙間部への塗布後、液状ガスケットを硬化させる工程において、塗布した液状ガスケットを加温して硬化させる。液状ガスケットの加温に伴いライナの温度も上昇し、隙間部が増大して隙間部内の負圧が高まるようにライナが変形する。しかしながら、隙間部に揮発性溶剤が塗布されているので、液状ガスケットを硬化させる工程において、揮発性溶剤が気化し、液状ガスケットにより密閉された隙間部内の負圧の高まりが抑制される。その結果、境界部に塗布された液状ガスケットの外表面に凹みや穴あきが発生することが防止される。

本発明に係る高圧タンクの製造方法によれば、ライナと口金との間の境界部に塗布された液状ガスケットの外表面における凹みや穴あきの発生を防止することができる高圧タンクの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る高圧タンクの図であり、図１（ａ）は、高圧タンクの側面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａで切断した高圧タンクの断面図を示し、図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示す隙間部の拡大断面図を示す。 本発明の実施形態に係る高圧タンクのライナおよび口金の部分断面図。 本発明の実施形態の高圧タンクの製造方法における工程図。 本発明の実施形態に係るライナと口金の部分断面図であり、図４（ａ）は、ライナと口金の隙間部に揮発性溶剤を塗布した状態を示し、図４（ｂ）は、揮発性溶剤を塗布した後、ライナと口金にＦＩＰＧを塗布した状態を示し、図４（ｃ）は、揮発性溶剤が気化した状態を示す。 本発明の実施形態に係るライナと口金の部分断面図であり、図５（ａ）は、ライナと口金を加温する前の隙間部の状態を示し、図５（ｂ）は、ライナと口金を加温した後の隙間部の状態を示す。 高圧タンクの製造方法で製造されたライナおよび口金のＦＩＰＧ塗布部分の外観図であり、図６（ａ）は、揮発性溶剤を塗布しない製造方法で製造されたＦＩＰＧ塗布部分の外観図を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＦＩＰＧ塗布部分の拡大外観図を示し、図６（ｃ）は、本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造方法で製造されたＦＩＰＧ塗布部分の外観図を示す。

本発明に係る高圧タンクの製造方法を適用した実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法について図面を参照して説明する。まず、高圧タンク１０の構成について説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）および図２に示すように、ライナ２０と、口金２１、２２と、液状ガスケット（ＦＩＰＧ：Formed In Place Gasket、以下ＦＩＰＧという。）２３と、補強層２４と、Ｏリング２５とにより構成されている。高圧タンク１０は、気体を透過させにくい性質、いわゆるガスバリア性を有しており内部には水素などの高圧のガスが充填されるように構成されている。

ライナ２０は、筒状の中空容器からなり、シリンダ部２０ａと、一対のドーム部２０ｂとにより構成されており、ポリアミド樹脂（ＰＡ）などの高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックで一体的に成形されている。

シリンダ部２０ａは、円筒状に形成され、両端部で各ドーム部２０ｂと一体的に形成されている。各ドーム部２０ｂは、略半球体状の中空で、ライナ２０の軸線に沿った長手方向端部に、ライナ２０の軸線を中心とする所定の深さの凹みを有する口金装着部２０ｃを有している。口金装着部２０ｃの内周の壁面は、図１（ｂ）の破線および図１（ｃ）に示すように、円周方向に均等間隔の凹凸部２０ｄが形成されている。

また、各口金装着部２０ｃの中央部分にはライナ２０の軸線を中心とする貫通孔２０ｅが形成されており、各貫通孔２０ｅには口金２１が挿入され、ライナ２０と口金２１とがそれぞれ嵌合するように構成されている。この貫通孔２０ｅの軸線は、ライナ２０の軸線と一致しており、貫通孔２０ｅは、口金２１をドーム部２０ｂに装着する際の位置決め孔として機能する。

口金２１は、図２に示すように、ライナ２０の口金装着部２０ｃに装着されるフランジ部２１ａと、フランジ部２１ａからドーム部２０ｂの外側に突出する口金本体部２１ｂと、口金本体部２１ｂと軸線を同じくしフランジ部２１ａからドーム部２０ｂの内側に突出する突出部２１ｃとを有している。口金２１は、金属材料で形成されている。

フランジ部２１ａの突出部２１ｃ側の面は、平坦に形成されており、ライナ２０と口金２１とが嵌合する際に、口金装着部２０ｃと当接するように構成されている。フランジ部２１ａの口金本体部２１ｂ側の面は、フランジ部２１ａの外周縁に向かって外周縁に行くほどフランジ厚みが減少するように弧状に傾斜しており、フランジ部２１ａの外周縁がドーム部２０ｂの外側に突出しないように構成されている。

フランジ部２１ａは、図１（ｂ）の破線で示すように、外周縁に均等の間隔で凹凸形状からなるセレーション部２１ｓが形成されており、図１（ｃ）の隙間部Ｓの拡大断面図で示すようにフランジ部２１ａがドーム部２０ｂの口金装着部２０ｃに装着された際に、セレーション部２１ｓが口金装着部２０ｃの凹凸部２０ｄに交互にそれぞれ入り込み、凹凸部２１ｓと凹凸部２０ｄとの間に全周に亘って均等の隙間部Ｓが形成されるように構成されている。

口金本体部２１ｂには、口金２１の軸線と一致する軸線を有するバルブ接続孔２１ｈが貫通して形成されている。口金本体部２１ｂは、バルブに接続されるように構成されている。このバルブ接続孔２１ｈを介して高圧タンク１０の内部と外部との間で高圧ガスが流通するように構成されている。突出部２１ｃは、ドーム部２０ｂの貫通孔２０ｅに挿入されている。

口金２２は、口金２１と同様に形成されているが、口金２１のバルブ接続孔２１ｈのみが異なっている。口金２２は、口金２１と同様に、ライナ２０の口金装着部２０ｃに装着されるフランジ部と、フランジ部からドーム部２０ｂの外側に突出する口金本体部と、口金本体部と軸線を同じくし、フランジ部からドーム部２０ｂの内側に突出する突出部とを有している。口金２２も、口金２１と同様に、金属材料で形成されている。

口金２２のフランジ部の突出部側の面は、口金２１と同様に、平坦に形成されており、ライナ２０と口金２２とが嵌合する際に、口金装着部２０ｃと当接するように構成されている。フランジ部の口金本体部側の面は、口金２１と 同様に、フランジ部の外周縁に向かって外周縁に行くほどフランジ厚みが減少するように弧状に傾斜しており、フランジ部の外周縁がドーム部２０ｂの外側に突出しないように構成されている。

口金２２のフランジ部は、口金２１と同様に、外周縁に均等の間隔でセレーション部が形成されており、フランジ部がドーム部２０ｂの口金装着部２０ｃに装着された際に、セレーション部が口金装着部２０ｃの凹凸部２０ｄに交互にそれぞれ入り込み、口金２１と同様に、セレーション部と凹凸部２０ｄとの間に全周に亘って均等の隙間部Ｓが形成されている。

口金２２の口金本体部には、口金２１とは異なり、口金２２の軸線と一致する軸線を有する有底の穴が形成されており、ライナ２０の貫通孔２０ｅが、口金本体部の有底の穴により閉塞されている。口金本体部は、配管とネジ結合されるように構成されている。口金本体部は、口金２１と同様に、ライナ２０が軸線を中心として回転する際に、口金本体部２１ｂと協働してライナ２０を回転させる回転軸を支持する回転支持部として機能する。

ＦＩＰＧ２３は、液状のシール剤からなり、シール部分の微細な凹凸に浸透するよう構成されている。ＦＩＰＧ２３は、シリコーンが含まれており、硬化すると弾性を有するゴム状の部材となり、優れた気密性、耐熱性および耐薬品性を有している。

ＦＩＰＧ２３は、図１（ｃ）および図２に示すように、塗布することにより、口金装着部２０ｃの凹凸部２０ｄと口金２１のフランジ部２１ａのセレーション部２１ｓとの間の隙間部Ｓを覆い、かつ、フランジ部２１ａの一部の外表面とドーム部２０ｂの一部の外表面とを覆う。ＦＩＰＧ２３は、口金２２についても、口金２１と同様に口金装着部２０ｃの凹凸部２０ｄと口金２２のフランジ部のセレーション部２１ｓとの間の隙間部Ｓを覆い、かつ、フランジ部の一部の外表面とドーム部２０ｂの一部の外表面とを覆う。

補強層２４は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ライナ２０の外周面を覆う層からなり、繊維強化樹脂をライナ２０の外周面に積層することで形成されている。

繊維強化樹脂は、カーボン繊維（Carbon Fiber）、ガラス繊維（Glass Fiber）やアラミド繊維（Aromatic Polyamide Fiber）などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させたＣＦＲＰやＧＦＲＰなどの複合材料からなる。補強層２４の形成は、例えば、ライナ２０の外周面に繊維束を連続的に巻き付けるフィラメントワインディング法（Filament Winding Process）によって行われる。

Ｏリング２５は、ゴムなどの弾性を有する密封材料からなり、断面が円形のリングで構成されている。Ｏリング２５は、図２に示すように、口金２１の突出部２１ｃとライナ２０の貫通孔２０ｅの内壁との間、口金２２の図示しない突出部とライナ２０の貫通孔２０ｅの内壁との間にそれぞれ装着されている。

次いで、本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法は、ライナ２０および口金２１、２２を作製し組み付ける工程と、図３に示すように、揮発性溶剤を塗布する工程と、ＦＩＰＧ２３を塗布する工程と、ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程とを含んで構成されている。各工程はこの順に行われる。また、本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法では、さらに、ライナ２０の外周面に繊維束を連続的に巻き付ける公知のフィラメントワインディングの工程およびＣＦＲＰ等からなる補強層２４を硬化させる公知の工程を経て図１（ａ）および図１（ｂ）に示す高圧タンク１０が製造される。

ライナ２０および口金２１、２２を作製し組み付ける工程においては、まず、ライナ２０と口金２１、２２が作製される。次いで、図２に示すように、口金２１の突出部２１ｃにＯリング２５が装着され、さらに、口金２１の突出部２１ｃが、貫通孔２０ｅに挿入され、フランジ部２１ａが口金装着部２０ｃに装着される。また、口金２２の突出部も、口金２１と同様に、口金２２の突出部にＯリング２５が装着され、さらに、口金２２の突出部が、口金２２の有底の穴に挿入され、フランジ部が、口金装着部２０ｃに装着される。

揮発性溶剤を塗布する工程においては、図４（ａ）に示すように、ライナ２０と口金２１との間の隙間部Ｓおよびライナ２０と口金２２との間の隙間部Ｓに揮発性溶剤が公知の塗布方法により塗布される（ステップＳ１）。

揮発性溶剤は、ライナ２０や口金２１、２２に対して悪影響を及ぼさない揮発性を有する有機溶剤で構成されている。揮発性溶剤としては、例えば、パーツクリーナー脱脂洗浄剤ＦＴ（マーテック株式会社製）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ）、トルエン（Ｃ_７Ｈ_８）系溶剤、２−プロパノール（Ｃ_３Ｈ_８Ｏ）系溶剤、ヘキサナール（Ｃ_６Ｈ_１２Ｏ）系溶剤、アセトン（Ｃ_３Ｈ_６Ｏ）などの有機溶剤が挙げられる。

なお、アセトンの場合は、多量に塗布するとライナ２０の素材に対して悪影響を及ぼすおそれがあるので、所定の適量（ｇ）であることが好ましい。なお、アセトンの所定の適量（ｇ）は、本実施形態に係る高圧タンク１０の構造、大きさ、材質などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。

揮発性溶剤の塗布量（ｇ）は、次の計算式（１）〜（５）に基づいて決定される。なお、加温前の初期のライナ２０と口金２１との間の隙間部Ｓの空間の体積をＶ１（ｍ^３）、加温前の初期の隙間部Ｓの温度をＴ１（Ｋ）、加温前の初期の隙間部Ｓの圧力をＰ１（Ｐａ）とし、塗布したＦＩＰＧ２３を硬化させる工程の際、即ち加温時のライナ２０と口金２１との間の隙間部Ｓの空間の体積をＶ２（ｍ^３）、加温時の隙間部Ｓの温度をＴ２（Ｋ）、加温時の隙間部Ｓの圧力をＰ２（Ｐａ）とする。ここで、Ｋは絶対温度を表し、Ｐ１は大気圧を表している。

まず、Ｖ１、Ｔ１、Ｖ２、Ｔ２の間には、式（１）の関係がある。

式（１）より、Ｖ２は、以下の式（２）で表される。

隙間部Ｓ内の圧力をバランスさせるために必要な揮発性溶剤の揮発量（ｍ^３）は、Ｖ２−Ｖ１（ｍ^３）であり、Ｖ２−Ｖ１（ｍ^３）は、以下の式（３）で表される。

ここで、揮発性溶剤の塗布量をＸ（ｇ）、揮発性溶剤の分子量をＭ、気体定数をＲとすると、以下の式（４）の関係がある。なお、分子量は、分子式に含まれている元素の原子量の合計を表している。また、Ｒは、Ｊ・Ｋ^−１・ｍｏｌ^−１で表される。

式（４）から、揮発性溶剤の塗布量Ｘ（ｇ）は、以下の式（５）で表される。

したがって、揮発性溶剤の塗布量Ｘは、Ｐ１、Ｐ２、Ｖ２、Ｍ、ＲおよびＴ２に基づいて算出される。

なお、式（５）は、理論上の式であり、若干の負圧（Ｐａ）や陽圧（Ｐａ）の範囲内では、塗布されたＦＩＰＧ２３の部分は、大きく変形しないため、式（５）から求められる揮発性溶剤の塗布量Ｘに対して、±２０％の範囲内で揮発性溶剤を塗布するようにしてもよい。

ＦＩＰＧ２３を塗布する工程においては、図４（ｂ）に示すように、ライナ２０と口金２１との間の隙間部Ｓを含む境界部分付近、およびライナ２０と口金２２との間の隙間部Ｓを含む境界部分付近に隙間部Ｓを覆うようにＦＩＰＧが塗布される（ステップＳ２）。ＦＩＰＧ２３の塗布は公知の塗布方法により行われる。

塗布方法として、例えば、回転装置によりライナ２０に装着した口金２１と口金２２の各先端部分を保持してライナ２０を軸回りに一定の低い速度（ｒｐｍ）で回転させる。ライナ２０が回転している状態で、ＦＩＰＧを加圧供給するパワーブースタから塗布ヘッドにＦＩＰＧを送り出し、長方形状の吐出口を有する塗布ヘッドの先端から、各境界部分付近にＦＩＰＧを帯状に塗布する方法が挙げられる。

ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程においては、硬化前の室温２０℃に対して、ＦＩＰＧ２３が４０℃まで加温され、ＦＩＰＧ２３の硬化が行われる（ステップＳ３）。ＦＩＰＧ２３の加温により、図４（ｃ）に示すように、ライナ２０の温度も上昇し、隙間部Ｓの容積が増大して隙間部内の負圧が高まるようにライナが変形する。しかしながら、隙間部に揮発性溶剤が塗布されているので、ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程において、揮発性溶剤が気化し、ＦＩＰＧ２３により密閉された隙間部Ｓ内の負圧の高まりが抑制される。なお、ＦＩＰＧ２３は、硬化すると弾性を有するゴム状の部材となり、気密性、耐熱性および耐薬品性の機能を発揮する。

以上のように構成された実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法の効果について説明する。

本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法は、ライナ２０と、口金２１、２２との間の隙間部Ｓに、揮発性溶剤を塗布する工程（ステップＳ１）と、隙間部Ｓを覆うようにＦＩＰＧを塗布する工程（ステップＳ２）と、ＦＩＰＧを硬化させる工程（ステップＳ３）とを含んで構成されている。

この構成により、本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法は、揮発性溶剤を塗布する工程（ステップＳ１）において、ライナ２０と口金２１、２２との間の隙間部Ｓに揮発性溶剤が塗布される。揮発性溶剤の隙間部Ｓへの塗布の後、ＦＩＰＧ２３を塗布する工程（ステップＳ２）において、隙間部Ｓを覆うようにＦＩＰＧ２３が塗布される。ＦＩＰＧ２３の塗布により、隙間部Ｓは密閉される。ＦＩＰＧ２３の隙間部Ｓへの塗布後、ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程（ステップＳ３）において、塗布したＦＩＰＧ２３が加温されて硬化する。ＦＩＰＧ２３の加温に伴いライナ２０の温度も上昇し、隙間部Ｓが増大して隙間部Ｓ内の負圧が高まるようにライナ２０が変形する。しかしながら、隙間部Ｓに揮発性溶剤が塗布されているので、ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程において、揮発性溶剤が気化し、隙間部Ｓ内の負圧の高まりが抑制される。その結果、境界部Ｓに塗布されたＦＩＰＧ２３の外表面に凹みや穴あきが発生することが防止されるという効果が得られる。

上述のように、隙間部Ｓ内の負圧の変化は、ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程におけるライナ２０の変形によって発生する。図５（ａ）に示すように、ライナ２０と口金２１との間の隙間部Ｓは、ＦＩＰＧ２３を塗布する工程においては、設定された大きさで形成されている。しかしながら、ＦＩＰＧ２３を硬化させる工程において、塗布したＦＩＰＧ２３が、室温２０℃から４０℃に加温される。この加温により、図５（ｂ）に示すように、ライナ２０が変形し、隙間部Ｓが設定された大きさよりも大きくなる。隙間部Ｓの増大により、隙間部Ｓ内の負圧が高まり、高まった負圧により硬化前のＦＩＰＧ２３が吸引され、ＦＩＰＧ２３に凹みや穴が形成される。

隙間部Ｓ内の圧力（Ｐａ）をＰ、隙間部Ｓ内の空間の体積をＶ（ｍ^３）とし、室温２０℃のときの圧力をＰ１（大気圧）、空間の体積をＶ１、４０℃に加温されたときの圧力をＰ２、空間の体積をＶ２とすると、Ｖ１＜Ｖ２となる。Ｐ１×Ｖ１＝Ｐ２×Ｖ２の関係により、Ｐ１＞Ｐ２となり、負圧が増大する。

隙間部Ｓ内の負圧が増大すると、隙間部Ｓに揮発性溶剤を塗布しない場合、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、負圧による吸引作用でＦＩＰＧ２３の外表面に凹みや穴が発生してしまう。これに対して、本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法は、揮発性溶剤を塗布する工程（ステップＳ１）において、ライナ２０と口金２１、２２との間の隙間部Ｓに揮発性溶剤が塗布される。その結果、ＦＩＰＧ２３が４０℃に加温されたとき、塗布された揮発性溶剤が気化し、隙間部Ｓ内の圧力Ｐ２は、Ｐ２≒Ｐ１となって、負圧の増大が抑制され、図６（ｃ）に示すように、凹みや穴あきがない良好なＦＩＰＧ２３の外表面が形成されるという効果が得られる。

なお、従来の高圧タンクの製造方法において、事前にライナおよび口金を比較的に高温の状態にし、ＦＩＰＧでシール後、即ち、ＦＩＰＧを塗布後に冷却することで、隙間部を負圧し、ＦＩＰＧを隙間部に埋め込む方法がある。この製造方法の場合、負圧の大きさによっては、ＦＩＰＧが部分的に薄くなり、隙間部にＦＩＰＧが落ち込み、ＦＩＰＧの外表面に穴あきが発生するおそれがある。

ＦＩＰＧは、高温で硬化が促進される特徴があり、従来の高圧タンクの製造方法において、ライナおよび口金を冷やしてしまうと、結果的にＦＩＰＧの硬化時間が長くなり、生産性が悪化してしまうという問題があった。本実施形態に係る高圧タンク１０の製造方法は、ＦＩＰＧを塗布後に冷却するように構成されていないので、生産性が悪化してしまうという問題が解消されるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記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趣旨を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・高圧タンク、２０・・・ライナ、２０ａ・・・シリンダ部、２０ｂ・・・ドーム部、２０ｃ・・・口金装着部、２０ｅ・・・貫通孔、２０ｄ、・・・凹凸部、２１，２２・・・口金、２１ａ・・・フランジ部、２１ｂ・・・口金本体部、２１ｃ・・・突出部、２１ｓ・・・セレーション部、２３・・・ＦＩＰＧ（液状ガスケット）、２４・・・補強層、２５・・・Ｏリング、Ｓ・・・隙間部

Claims (1)

1. ライナと口金とを有する高圧タンクの製造方法であって、
   前記ライナと前記口金との間の隙間部に、揮発性溶剤を塗布する工程と、
   前記隙間部を覆うように液状ガスケットを塗布する工程と、
   前記液状ガスケットを硬化させる工程と、
   を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。