JP2023111622A - Method for manufacturing honeycomb structure cell tank, and honeycomb structure cell tank - Google Patents

Method for manufacturing honeycomb structure cell tank, and honeycomb structure cell tank Download PDF

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Abstract

To improve adhesion between a metal internal tank and its external carbon fiber prepreg.SOLUTION: A low-magnification thermal foaming resin and a carbon fiber prepreg are wound around an outer peripheral surface of a metal thin plate tank, a thermal foaming resin having an inner peripheral circle and an outer peripheral hexagonal face is wound around the tank, the tank is equipped with a hexagonal carbon fiber composite, and the tank is heated up to a temperature at which the carbon fiber prepreg is thermally cured.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

この発明は内部タンクに金属製のタンクを使用する高圧水素タンクとその製造方法に関する。 The present invention relates to a high-pressure hydrogen tank using a metal tank for the internal tank, and a manufacturing method thereof.

大気圧において液体水素1000(リットル)の重さは70.8(Kg)である。常温・大気圧における水素ガス1000(リットル)の重さは0.0899(Kg)である。常温・大気圧における水素ガス1000(リットル)は常温・800気圧において1.25(リットル)に圧縮される。従って、常温・大気圧1000(リットル)の水素と、常温・800気圧1.25(リットル)の重量は共に0.0899(Kg)である。液体水素の重量と比較するには、常温・800気圧の水素ガスを1000(リットル)に換算する必要がある。 The weight of 1000 (liters) of liquid hydrogen at atmospheric pressure is 70.8 (Kg). The weight of 1000 (liters) of hydrogen gas at normal temperature and atmospheric pressure is 0.0899 (Kg). 1000 (liters) of hydrogen gas at normal temperature and atmospheric pressure is compressed to 1.25 (liters) at normal temperature and 800 atmospheres. Therefore, the weight of hydrogen at room temperature and atmospheric pressure of 1000 (liters) and the weight of hydrogen at room temperature and atmospheric pressure of 1.25 (liters) at 800 atmospheres are both 0.0899 (Kg). In order to compare with the weight of liquid hydrogen, it is necessary to convert hydrogen gas at room temperature and 800 atm to 1000 (liters).

常温・800気圧の高圧水素ガス1.25(リットル)は800倍すれば1000(リットル)となる。従って、常温・800気圧の高圧水素ガス1000(リットル)の重さは0.0899(Kg)の800倍、すなわち71.92(Kg)となる。液体水素(大気圧、-253度)の重量は70.8(Kg)ある。 1.25 (liters) of high-pressure hydrogen gas at room temperature and 800 atmospheres is multiplied by 800 to 1000 (liters). Therefore, the weight of 1000 (liters) of high-pressure hydrogen gas at room temperature and 800 atmospheres is 800 times 0.0899 (Kg), that is, 71.92 (Kg). The weight of liquid hydrogen (atmospheric pressure, -253 degrees) is 70.8 (Kg).

故に、800気圧に圧縮された高圧水素ガス(71.92Kg/1000l)は、液体水素(70.8Kg/1000l)より密度が大きい。同じ大きさのタンクで水素を輸送する場合、高圧ガスの方が液体水素より多くの水素を輸送できることが分かる。従って、液体水素タンクより高圧水素タンクの方が、より多くの水素を輸送できるという点で有用である。 Therefore, high-pressure hydrogen gas (71.92 Kg/1000 l) compressed to 800 atmospheres has a higher density than liquid hydrogen (70.8 Kg/1000 l). When transporting hydrogen in a tank of the same size, it can be seen that high-pressure gas can transport more hydrogen than liquid hydrogen. Therefore, a high-pressure hydrogen tank is more useful than a liquid hydrogen tank in that it can transport more hydrogen.

特許文献1の「ハニカムコアがパネル表面と平行に配置されているハニカム構造体、およびその製造方法」は、ハニカム構造による大容量の高圧ガスタンクの製造方法」を開示している。加えて、特許文献2および特許文献3には、内部タンクに金属製の円筒形薄板タンクおよび熱発泡性樹脂を用いてハニカム構造高圧タンクの製造方法が開示されている。これら開示されている特許技術によって製造された高圧タンクの構造強度は耐圧100MPaの水圧試験によって評価され立証されている。しかしながら、前述の特許技術によって高圧水素タンクに要求される全ての課題が解決されたわけではない。高圧水素ガスタンクに要求される課題は以下の通りである。
(1)常用耐圧70MPa以上の(耐圧)構造強度を持つこと。
(2)高圧で封入された水素ガスがタンク壁面から漏れないこと。
(3)水素脆性による疲労破壊が発生しないこと。
Patent Document 1, "Honeycomb Structure with Honeycomb Core Arranged in Parallel to Panel Surface and Method for Manufacturing the Same" discloses a method for manufacturing a large-capacity high-pressure gas tank using a honeycomb structure. In addition, Patent Literature 2 and Patent Literature 3 disclose a method of manufacturing a honeycomb structure high-pressure tank using a metal cylindrical thin plate tank and a thermally foamable resin for the inner tank. The structural strength of the high-pressure tanks manufactured by these disclosed patented technologies has been evaluated and verified by a water pressure test with a pressure resistance of 100 MPa. However, all the problems required for high-pressure hydrogen tanks have not been solved by the above-mentioned patented technology. The issues required for high-pressure hydrogen gas tanks are as follows.
(1) It must have structural strength (withstanding pressure) of 70 MPa or more in normal use.
(2) Hydrogen gas sealed at high pressure should not leak from the tank wall surface.
(3) Fatigue fracture due to hydrogen embrittlement should not occur.

特許第6160876号Patent No. 6160876 US10,364,942 B2US 10,364,942 B2 US10,864,684 B2US 10,864,684 B2

高圧ガスタンクの内部タンクを金属製の薄板で製造すると水素ガスの壁面透過問題を解決できる。しかし、水素脆性は金属分子の隙間に水素分子が浸入する現象なので、水素脆性を機械的方法で克服する方法は無い。加えて、内部タンクを金属製の薄板で製造すると、金属製の内部タンクから炭素繊維複合材(CFRP)が剥離するという問題が発生する。 If the internal tank of the high-pressure gas tank is made of a thin metal plate, the problem of permeation of hydrogen gas through the wall can be solved. However, since hydrogen embrittlement is a phenomenon in which hydrogen molecules penetrate into gaps between metal molecules, there is no mechanical method for overcoming hydrogen embrittlement. In addition, when the inner tank is manufactured from a metal thin plate, there arises a problem that the carbon fiber composite material (CFRP) is peeled off from the metal inner tank.

剥離問題とは、高圧ガスタンクの内部圧力が30~40MPaになると、金属製の内部タンクから炭素繊維複合材(CFRP)が剥離するという問題である。この剥離問題を詳細に説明すると次のとおり。
(1)高圧ガスタンクに圧力がかかると、金属製の内部タンクが膨張する。
(2)この膨張圧力は内部タンクの補強部材である炭素繊維複合材に伝わる。
(3)炭素繊維複合材に、膨張圧力に抗する円周方向応力(フープ応力)が発生する。
(4)フープ応力は炭素繊維複合材に歪みを発生させる。
(5)超高圧における金属製の内部タンクと炭素繊維複合材に発生する歪みのズレで炭素繊維複合材(CFRP)が剥離してくる。
(6)ただし、金属製内部タンクの膨張変形は炭素繊維複合材の内側壁に接触して停止する。
(7)高圧タンクの内部圧力は全て炭素繊維複合材が担う。
(8)従って、内部タンクの歪みは炭素繊維複合材の歪みに比べると小さい。
この問題を接着剤の改良で克服しようと多くの試みが為されたが、金属製の内部タンクと炭素繊維複合材に発生する歪みのズレを克服できず、全て失敗に終わっている。
The peeling problem is that when the internal pressure of the high-pressure gas tank reaches 30 to 40 MPa, the carbon fiber composite material (CFRP) peels from the metal internal tank. A detailed description of this peeling problem is as follows.
(1) When pressure is applied to the high-pressure gas tank, the metal internal tank expands.
(2) This expansion pressure is transmitted to the carbon fiber composite material that is the reinforcement member of the internal tank.
(3) A circumferential stress (hoop stress) is generated in the carbon fiber composite material against the expansion pressure.
(4) Hoop stress causes strain in carbon fiber composites.
(5) The carbon fiber composite material (CFRP) is peeled off due to the strain deviation generated between the metal internal tank and the carbon fiber composite material at ultrahigh pressure.
(6) However, the expansion deformation of the metal internal tank comes into contact with the inner wall of the carbon fiber composite material and stops.
(7) All the internal pressure of the high-pressure tank is borne by the carbon fiber composite material.
(8) Therefore, the strain of the internal tank is smaller than that of the carbon fiber composite.
Many attempts have been made to overcome this problem by improving the adhesive, but all have failed due to the inability to overcome the strain mismatch that occurs between the metal internal tank and the carbon fiber composite.

接着剤の改良の次に「金属製内部タンクと炭素繊維複合材の間に何らかの液体を密封すれば内部タンクと炭素繊維複合材に発生する歪みによるズレを克服できる」というアイデアを得たが、液体を機械的に密封する方法を得られなかった。 After improving the adhesive, I came up with the idea that if I sealed some kind of liquid between the metal internal tank and the carbon fiber composite material, I would be able to overcome the misalignment caused by the distortion that occurs between the internal tank and the carbon fiber composite material. There was no way to mechanically seal the liquid.

しかし、内部タンクと補強用の炭素繊維複合材の間に何らかの液体を密封すれば歪みによるズレを克服できるというアイデアは、接着剤の改良より現実的に思える。加えて、金属製内部タンクと炭素繊維複合材を非圧縮性の物体である液体で隔離できれば、「タンクの内側と外側に同じ大きさの圧力を受ける薄板タンクの壁面に応力は発生しない」という機械工学の理論から、高圧水素タンクの難問である水素脆性による疲労破壊も克服できる。しかしながら、内部タンクと炭素繊維複合材の間に液体を密封する手段はどうしても得られなかった。 But the idea that sealing some kind of fluid between the internal tank and the reinforcing carbon-fiber composite to overcome the strain misalignment seems more realistic than improving the adhesive. In addition, if the metal inner tank and the carbon fiber composite material can be separated by an incompressible liquid, ``stress will not occur on the wall of the thin plate tank, which receives the same amount of pressure on the inside and outside of the tank.'' From the theory of mechanical engineering, it is possible to overcome fatigue fracture due to hydrogen embrittlement, which is a difficult problem of high-pressure hydrogen tanks. However, there was simply no means of sealing the liquid between the inner tank and the carbon fiber composite.

そこで、液体の代わりに円筒形内部タンクの3次元形状に合わせてカットしたゴム材で内部タンクを包むことにした。しかし、円筒形の内部タンクと炭素繊維複合材の間の隙間を切り貼りしたゴム材で完全に埋めることは不可能であった。 Therefore, we decided to wrap the inner tank with a rubber material cut to fit the three-dimensional shape of the cylindrical inner tank instead of the liquid. However, it was impossible to completely fill the gap between the cylindrical internal tank and the carbon fiber composite material with the cut and pasted rubber material.

しかしながら、円筒形の内部タンクと炭素繊維複合材の隙間を非圧縮性の物体で完全に埋めることができれば、「タンクの内側と外側に同じ大きさの圧力を受ける薄板タンクの壁面に応力は発生しない」という機械工学の理論から、高圧水素タンクの難問である水素脆性による疲労破壊を克服できると考えられる。加えて内部タンクを金属で製造すれば、水素ガスが壁面から漏れることもない。これ等の利点は魅力的である。 However, if the gap between the cylindrical inner tank and the carbon fiber composite material can be completely filled with an incompressible material, stress will be generated on the wall surface of the thin plate tank, which receives the same amount of pressure on the inside and outside of the tank. Based on the theory of mechanical engineering that says, "No, it does not", it is thought that fatigue fracture due to hydrogen embrittlement, which is a difficult problem for high-pressure hydrogen tanks, can be overcome. In addition, if the inner tank is made of metal, hydrogen gas will not leak from the wall. These advantages are attractive.

液体ならば3次元形状の内部タンクと補強用炭素繊維複合材の隙間を(理論上)完全に埋めることができるが、実行は不可能である。個体のゴム材ではどこかに不連続の隙間ができ、どこに、どれほどの隙間ができているかを確認することは困難である。実際は、高圧タンクに内部圧力が作用すると金属製の内部タンクが変形(膨張)すると同時に補強用の炭素繊維複合材も変形するので、理想的には、非圧縮性の液体よりも内部タンクの変形に合わせて内部タンクと炭素繊維複合材の隙間を自動的に埋めてくれるような多少弾力性がある物体が望ましい。これ等の問題を克服することができれば、水素脆性による疲労破壊や水素ガスの壁面透過問題も解決可能である。 A liquid can (theoretically) completely fill the gap between the three-dimensional shape of the internal tank and the reinforcing carbon fiber composite material, but this is not possible in practice. A solid rubber material has discontinuous gaps somewhere, and it is difficult to confirm where and how many gaps are formed. In practice, internal pressure acting on a high-pressure tank deforms (expands) the metal internal tank and simultaneously deforms the reinforcing carbon fiber composite material, so ideally the deformation of the internal tank is greater than that of the incompressible liquid. A somewhat elastic body that automatically fills the gap between the inner tank and the carbon fiber composite as needed is desirable. If these problems can be overcome, the problem of fatigue fracture due to hydrogen embrittlement and wall permeation of hydrogen gas can be solved.

上記課題を解決するために、本発明では、発泡倍率を低く抑えた熱発泡性樹脂で、円筒形内部タンクの形状に合わせてカットした熱発泡性樹脂で内部タンクを均一に包むことにした。熱発泡性樹脂を熱可塑性の樹脂で製造すると、熱可塑性樹脂は常温で固体であるため、機械加工で精密に加工できる。 In order to solve the above problems, in the present invention, the internal tank is evenly wrapped with a thermally foamable resin whose expansion ratio is kept low and which is cut to match the shape of the cylindrical internal tank. When the thermally foamable resin is produced from a thermoplastic resin, the thermoplastic resin is solid at room temperature, so that it can be processed precisely by machining.

その結果、3次元円筒形内部タンクと熱発泡性樹脂の隙間をごく小さくすることが可能である。加えて、熱発泡性樹脂を熱可塑性の樹脂で製造することにより、炭素繊維複合材の加熱工程において熱発泡性樹脂が膨張すると同時に切り貼りした樹脂が溶けて周囲の熱発泡性樹脂と一体化する。このようにして、円筒形の内部タンクと炭素繊維複合材の間の隙間を完全に埋めることができる。 As a result, it is possible to minimize the gap between the three-dimensional cylindrical inner tank and the thermally foamable resin. In addition, by manufacturing the thermally foamable resin with a thermoplastic resin, the thermally foamable resin expands in the heating process of the carbon fiber composite material, and at the same time, the cut and pasted resin melts and integrates with the surrounding thermally foamable resin. . In this way the gap between the cylindrical inner tank and the carbon fiber composite can be completely filled.

具体的には、本発明は、金属製の薄板タンク、低倍率の熱発泡性樹脂、炭素繊維プリプレグ、六角形の熱発泡性樹脂および六角形の炭素繊維複合材で構成されるハニカム構造セルタンクとした。 Specifically, the present invention relates to a honeycomb structure cell tank composed of a metal thin plate tank, a low-ratio thermally foamable resin, a carbon fiber prepreg, a hexagonal thermally foamable resin, and a hexagonal carbon fiber composite. did.

熱発泡性樹脂はポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に熱発泡剤を練りこんだ材料で製造される。熱発泡性樹脂は常温で固体であって、精密機械加工が可能である。炭素繊維プリプレグを熱硬化させる温度まで加熱すると、溶けだして流動性をもつようになると同時に熱発泡して膨張する。 The thermally foamable resin is produced by kneading a thermally foaming agent into a thermoplastic resin such as polypropylene. Thermally foamable resins are solid at room temperature and can be precision machined. When the carbon fiber prepreg is heated to a thermosetting temperature, it melts and becomes fluid, and at the same time, it expands due to thermal foaming.

金属製の内部タンクは壁面から水素ガスが漏れることはない。金属製内部タンクは、内部タンクを補強する炭素繊維プリプレグを内側から加圧する加圧装置としても使用される。金属製の薄板タンクの壁面厚さは内部タンク直径の1/100以下である。 Hydrogen gas does not leak from the walls of the metal internal tank. The metal internal tank is also used as a pressurizing device for pressurizing the carbon fiber prepreg that reinforces the internal tank from the inside. The wall thickness of the metal sheet tank is 1/100 or less of the internal tank diameter.

低倍率の熱発泡性樹脂は圧縮力に対してほとんど変形しないので、高圧ガスによって金属製薄板タンクに発生する膨張力はダイレクトに熱硬化後の炭素繊維プリプレグに伝達される。その結果、金属製薄板タンクに発生する応力(歪み変形)は極めて小さくなる。金属製薄板タンクと炭素繊維プリプレグの間に低倍率の熱発泡性樹脂が介在することによって、金属製薄板タンクに発生する応力は極めて小さくなり、高圧水素タンクの課題である水素脆性による疲労破壊は解決される。 Since the low-ratio thermal foaming resin hardly deforms against the compressive force, the expansion force generated in the metal thin plate tank by the high-pressure gas is directly transmitted to the carbon fiber prepreg after thermosetting. As a result, the stress (strain deformation) generated in the thin metal plate tank is extremely small. By interposing a low-ratio thermal foaming resin between the metal thin plate tank and the carbon fiber prepreg, the stress generated in the metal thin plate tank is extremely small, and fatigue fracture due to hydrogen embrittlement, which is a problem of high-pressure hydrogen tanks, is eliminated. resolved.

金属製の内部タンクは高圧ガスの内部圧力に抗する強度を有しない。高圧ガスタンクの内部圧力に抗する構造強度は、炭素繊維プリプレグのみで保証する。 A metal internal tank does not have the strength to withstand the internal pressure of the high pressure gas. Structural strength against the internal pressure of the high-pressure gas tank is guaranteed only with carbon fiber prepreg.

熱硬化させる前のハニカム構造六角セルタンクは炭素繊維プリプレグの繊維と繊維の間および何重にも巻いてある炭素繊維プリプレグの層間に多くの気泡を含んでいる。熱硬化した後でこの気泡が残っていると、炭素繊維複合材料の構造強度が大きく損なわれる。 The honeycomb structure hexagonal cell tank before heat curing contains many air bubbles between the fibers of the carbon fiber prepreg and between the layers of the carbon fiber prepreg wound many times. If these air bubbles remain after thermosetting, the structural strength of the carbon fiber composite material is greatly impaired.

熱硬化後のハニカム構造六角セルタンクにおける炭素繊維プリプレグは、金属製の内部タンクの空気圧による膨張圧力と低倍率の熱発泡性樹脂による膨張圧力によって炭素繊維プリプレグの内側から加圧され、高倍率の六角形熱発泡性樹脂による膨張圧力と外型枠による機械的反力によって外側から加圧されることによって、気泡を完全に排除された炭素繊維複合材である。 The carbon fiber prepreg in the honeycomb structure hexagonal cell tank after thermosetting is pressurized from the inside of the carbon fiber prepreg by the expansion pressure due to the air pressure of the metal inner tank and the expansion pressure due to the low magnification thermal foaming resin. It is a carbon fiber composite material in which air bubbles are completely eliminated by being pressurized from the outside by the expansion pressure of the square heat-foamable resin and the mechanical reaction force of the outer formwork.

炭素繊維プリプレグの両側から強固に加圧する製造プロセスによって生成される炭素繊維複合材の強度構造は製造プロセスによって保証される。
高倍率の熱可塑性発泡樹脂で製造される六角形熱発泡性樹脂は高弾性の緩衝材となって炭素繊維プリプレグから生成される炭素繊維複合材(高圧タンクの構造材)を落下事故等の外部衝撃荷重から保護する。
The manufacturing process guarantees the strength structure of the carbon fiber composite produced by the manufacturing process of firmly pressing from both sides of the carbon fiber prepreg.
Hexagonal thermal foaming resin, which is manufactured from high-ratio thermoplastic foaming resin, acts as a highly elastic cushioning material. Protect against shock loads.

熱硬化前の六角形炭素繊維複合材には繊維と繊維の間、および何重にも重ねて製造する炭素繊維複合材の層間に多くの気泡が存在する。この気泡は、内側から六角形熱発泡性樹脂による膨張圧力、外側から鋼鉄製の外型枠の機械的反力により両側から加圧されることによって排除される。このように、両側から強固に加圧された六角形炭素繊維複合材から生成される炭素繊維複合材の構造強度は製造プロセスによって強度が保証される。 A hexagonal carbon fiber composite material before heat curing has many air bubbles between fibers and between layers of the carbon fiber composite material manufactured by stacking many layers. These air bubbles are eliminated by being pressurized from both sides by the expansion pressure of the hexagonal heat-foamable resin from the inside and the mechanical reaction force of the steel outer frame from the outside. Thus, the structural strength of the carbon fiber composite material produced from the hexagonal carbon fiber composite material firmly pressed from both sides is guaranteed by the manufacturing process.

熱硬化後の六角形炭素繊維複合材はハニカム構造体の殻構造となって高圧タンクを落下事故等の外部衝撃荷重から保護する。
この発明が解決しようとしている問題は、高圧水素タンクの課題である水素ガスの壁面透過問題と水素脆性による疲労破壊である。これらの問題を解決する方法は全ての高圧ガスタンクに応用できる。
After heat curing, the hexagonal carbon fiber composite material becomes a shell structure of a honeycomb structure to protect the high-pressure tank from external impact loads such as dropping accidents.
The problems to be solved by the present invention are the wall permeation problem of hydrogen gas and fatigue fracture due to hydrogen embrittlement, which are problems of high-pressure hydrogen tanks. Methods to solve these problems are applicable to all high pressure gas tanks.

金属製内部タンクの概念図である。It is a conceptual diagram of a metal internal tank. 金属製内部タンクを低倍率の熱発泡性樹脂で包んだ図の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of a metal internal tank wrapped in a low-magnification thermally foamable resin. 炭素繊維プリプレグで補強した内部タンクアセンブリの概念図である。1 is a conceptual diagram of an internal tank assembly reinforced with carbon fiber prepreg; FIG. 熱硬化前のハニカム構造六角セルタンクの製造工程とその概念図である。It is a manufacturing process of the honeycomb structure hexagonal cell tank before thermosetting and its conceptual diagram. 熱硬化前のハニカム構造六角セルタンクを外型枠にセットする工程の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of a process of setting the honeycomb structure hexagonal cell tank before heat curing to the outer mold. 熱硬化中のハニカム構造六角セルタンクと熱発泡性樹脂に発生する膨張力の概念図である。FIG. 4 is a conceptual diagram of the expansion force generated in the honeycomb structure hexagonal cell tank and the thermally foamable resin during thermosetting. 熱硬化後のハニカム構造六角セルタンクの概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram of a honeycomb structure hexagonal cell tank after thermosetting.

本発明の具体化するための実施例は、上で説明された図面と関連して、以下に説明される。以下に図面を参照して、発明に係る金属製内部タンクと低倍率の熱発泡性樹脂および内部タンクを補強する炭素繊維複合材を用いる高圧水素タンクとその製造方法を説明する。同時に、高倍率の六角形熱発泡性樹脂および六角形炭素繊維複合材で落下等の外部衝撃荷重に耐えるハニカム構造高圧タンクとその製造方法を説明する。水素ガスの壁面透過および水素脆性による疲労破壊を防止できる高圧水素タンクと外部衝撃荷重に耐えるハニカム構造高圧タンクの製造方法は密接に関連している。 Embodiments for implementing the invention are described below in conjunction with the drawings described above. A high-pressure hydrogen tank using a metal internal tank, a low-ratio thermal foaming resin, and a carbon fiber composite material for reinforcing the internal tank according to the present invention, and a method of manufacturing the same will be described below with reference to the drawings. At the same time, a high-pressure honeycomb structure high-pressure tank made of high-magnification hexagonal thermal foaming resin and hexagonal carbon fiber composite material that can withstand external impact loads such as dropping, and a method of manufacturing the same will be described. A high-pressure hydrogen tank that can prevent permeation of hydrogen gas through the wall surface and fatigue fracture due to hydrogen embrittlement and a manufacturing method of a honeycomb structure high-pressure tank that can withstand external impact loads are closely related.

図1は金属製内部タンク1の概念図を示す。金属製内部タンク1は金属製薄板タンク2と、このタンク2の両側に設けられる接続口3で構成される。金属製薄板タンク2はSUS316等の水素脆性を考慮した金属で製造される。接続口3は金属で製造され、金属製薄板タンク2に溶接もしくは銀ロウで固定される。金属製内部タンク1は高圧ガスタンクの内部圧力に抗する構造強度メンバーではない。ただし金属製内部タンク1は金属製であるので内部タンクの壁面から水素ガスが漏れることはない。後に図を使って詳細に説明するが、金属製内部タンク1は、内部タンクを補強する炭素繊維プリプレグを内側から加圧する加圧装置としても使用される。従って、金属製薄板タンク2の壁面厚さはあまり厚くないことが望ましい。金属製薄板タンク2の壁面厚さは、金属製内部タンク1の直径の1/100~2/100以下が好ましい。また、壁面厚さの選定は水素脆性による影響を考慮することが望ましい。耐圧100MPaをクリアした試作タンクに使用された内部タンクはSUS316で製造され直径80mm、壁面厚さ0.8mmである。炭素繊維プリプレグを内側から加圧する加圧圧力は100気圧~200気圧が好ましい。 FIG. 1 shows a conceptual diagram of a metal internal tank 1 . A metal internal tank 1 is composed of a thin metal plate tank 2 and connection ports 3 provided on both sides of the tank 2 . The metal thin plate tank 2 is made of a metal such as SUS316 that is resistant to hydrogen embrittlement. The connection port 3 is made of metal and fixed to the metal thin plate tank 2 by welding or silver brazing. The metal internal tank 1 is not a structural strength member to withstand the internal pressure of the high pressure gas tank. However, since the metal internal tank 1 is made of metal, the hydrogen gas does not leak from the wall surface of the internal tank. As will be described in detail later with reference to the drawings, the metal internal tank 1 is also used as a pressurizing device for pressurizing the carbon fiber prepreg that reinforces the internal tank from the inside. Therefore, it is desirable that the wall thickness of the thin metal plate tank 2 is not too thick. The wall thickness of the metal thin plate tank 2 is preferably 1/100 to 2/100 or less of the diameter of the metal inner tank 1 . Moreover, it is desirable to consider the influence of hydrogen embrittlement when selecting the wall thickness. The internal tank used in the prototype tank that cleared the pressure resistance of 100 MPa is made of SUS316 and has a diameter of 80 mm and a wall thickness of 0.8 mm. The pressurization pressure for pressurizing the carbon fiber prepreg from the inside is preferably 100 to 200 atmospheres.

図2は金属製内部タンク1を低倍率の熱発泡性樹脂4で均一に包んだ図の概念図を示す。図1に示す金属製内部タンク1の周面部に2~3倍の低発泡倍率の熱発泡性樹脂4を装着して構成されている。低倍率の熱発泡性樹脂4はポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に熱発泡剤を練りこんだ材料で製造される。低倍率の熱発泡性樹脂4は常温で固体であって、精密機械加工が可能である。熱発泡性樹脂4は炭素繊維プリプレグを熱硬化させる温度まで加熱すると、溶けだして流動性をもつようになると同時に熱発泡して膨張する。試作タンクに使用された熱発泡性樹脂の可塑化温度、熱発泡温度は120℃~150℃である。この温度は熱可塑性樹脂と熱発泡剤の特性に依存する。 FIG. 2 shows a conceptual diagram of a figure in which a metal internal tank 1 is uniformly wrapped with a low-magnification thermal foaming resin 4 . The inner tank 1 made of metal shown in FIG. The low magnification thermal foaming resin 4 is made of a material in which a thermal foaming agent is kneaded into a thermoplastic resin such as polypropylene. The low-magnification thermally foamable resin 4 is solid at room temperature and can be precision machined. When the thermally foamable resin 4 is heated to a temperature at which the carbon fiber prepreg is thermally cured, it melts and becomes fluid, and at the same time thermally foams and expands. The plasticizing temperature and thermal foaming temperature of the thermal foaming resin used in the prototype tank are 120°C to 150°C. This temperature depends on the properties of the thermoplastic resin and the thermal blowing agent.

低倍率の熱発泡性樹脂4は金属製内部タンク1を均一の厚さで包み込むように加工され、図2の右半部に示されるように、作業性を考慮して2つ以上に分割されている。加熱プロセスにおいて熱可塑性の樹脂でつくられた熱発泡性樹脂4は周囲の熱発泡性樹脂と溶け合って一体化する。同時に、低倍率の熱発泡性樹脂4は熱発泡して金属製内部タンク1と低倍率の熱発泡性樹脂4との間にある機械的隙間を完全に埋める。熱発泡性樹脂は熱発泡した後で常温に戻ると、発泡した形状を保って固まる。その際、熱発泡性樹脂4は膨張率に応じてある程度の弾力性をもつ。その結果、高圧タンクの製造工程が終わり、実際に高圧ガスが充填されると、低倍率の熱発泡性樹脂4は高圧ガスによる金属製内部タンク1の変形を吸収し微小変形する。しかし、過度の弾性は金属製内部タンク1の歪み(応力疲労)の原因となる。 The low-ratio thermal foaming resin 4 is processed so as to wrap the metal inner tank 1 with a uniform thickness, and as shown in the right half of FIG. ing. In the heating process, the thermally foamable resin 4 made of thermoplastic resin melts and integrates with the surrounding thermally foamable resin. At the same time, the low-magnification thermal foaming resin 4 is thermally foamed to completely fill the mechanical gap between the metal inner tank 1 and the low-magnification thermal foaming resin 4 . When the thermal foaming resin returns to room temperature after being thermally foamed, it hardens while maintaining the foamed shape. At that time, the thermal foaming resin 4 has a certain degree of elasticity depending on the expansion rate. As a result, when the manufacturing process of the high-pressure tank is finished and the high-pressure gas is actually filled, the low-magnification thermal foaming resin 4 absorbs the deformation of the metal inner tank 1 caused by the high-pressure gas and is slightly deformed. However, excessive elasticity causes distortion (stress fatigue) of the metal internal tank 1 .

低倍率の熱発泡性樹脂4に求められている機能は、次の2つである。
(1)内部タンクと炭素繊維複合材の間に生じる機械的隙間を完全に埋める。
(2)高圧ガスによる内部タンクの膨張圧力を炭素繊維複合材にダイレクトに伝える。
従って、低倍率の熱発泡性樹脂4の発泡倍率は2~3倍程度が好ましい。炭素繊維複合材の加熱工程は、後に図を使って説明する。
The following two functions are required for the low-magnification thermal foaming resin 4 .
(1) Completely fill the mechanical gap between the internal tank and the carbon fiber composite material.
(2) The expansion pressure of the internal tank due to high-pressure gas is directly transmitted to the carbon fiber composite material.
Therefore, the foaming ratio of the thermally expandable resin 4 having a low expansion ratio is preferably about 2 to 3 times. A heating process for the carbon fiber composite material will be described later with reference to the drawings.

図3は炭素繊維プリプレグで補強した内部タンクアセンブリ6の概念図を示す。内部タンクアセンブリ6は、図1に示す金属製内部タンク1を図2に示す低倍率の熱発泡性樹脂4で包んだものを熱硬化させる前の炭素繊維プリプレグ5で補強したものである。炭素繊維プリプレグ5の接着剤は熱可塑性と熱硬化性の両方が使える。ここでは一般的である熱硬化性の炭素繊維プリプレグで説明する。 FIG. 3 shows a conceptual diagram of an internal tank assembly 6 reinforced with carbon fiber prepreg. The internal tank assembly 6 is obtained by wrapping the metal internal tank 1 shown in FIG. 1 with the low-ratio thermal foaming resin 4 shown in FIG. Both thermoplastic and thermosetting adhesives can be used for the carbon fiber prepreg 5 . Here, a general thermosetting carbon fiber prepreg will be explained.

金属製内部タンク1は高圧ガスの内部圧力に抗する強度を有しない。高圧ガスタンクの内部圧力は、炭素繊維プリプレグ5のみで受け持つ。従って、炭素繊維プリプレグ5の構造強度を製造工程で保証することは重要である。 The metal internal tank 1 does not have the strength to withstand the internal pressure of the high pressure gas. The internal pressure of the high-pressure gas tank is handled only by the carbon fiber prepreg 5. Therefore, it is important to ensure the structural strength of the carbon fiber prepreg 5 in the manufacturing process.

熱硬化させる前の内部タンクアセンブリ6は炭素繊維プリプレグ5の繊維と繊維の間および何重にも巻いてある炭素繊維プリプレグ5の層間に多くの気泡を含んでいる。熱硬化した後でこの気泡が残っていると、炭素繊維複合材料の構造強度が大きく損なわれる。従って、炭素繊維プリプレグ5を熱硬化させる工程で、この気泡を完全に取り除く必要がある。また金属製内部タンク1と低倍率の熱発泡性樹脂4との間には、機械的隙間が存在する。この隙間を放置すると高圧タンクの疲労強度を損ねる原因となる。特に高圧水素タンクにおける金属製内部タンク1と低倍率の熱発泡性樹脂4間の機械的隙間は、金属製内部タンク1の疲労強度低下の原因となる。 The internal tank assembly 6 before being thermally cured contains many air bubbles between the fibers of the carbon fiber prepreg 5 and between the layers of the carbon fiber prepreg 5 wound many times. If these air bubbles remain after thermosetting, the structural strength of the carbon fiber composite material is greatly impaired. Therefore, it is necessary to completely remove these air bubbles in the step of thermally curing the carbon fiber prepreg 5 . A mechanical gap exists between the metal internal tank 1 and the low-magnification thermal foaming resin 4 . If this gap is left as it is, it becomes a cause of impairing the fatigue strength of the high-pressure tank. In particular, the mechanical gap between the metal internal tank 1 and the low-magnification thermal foaming resin 4 in the high-pressure hydrogen tank causes the fatigue strength of the metal internal tank 1 to decrease.

炭素繊維プリプレグは用途に応じていろいろな種類の厚さ、重量、強度、硬化温度、接着剤含有率がある。耐圧100MPaをクリアした試作タンクに使用された炭素繊維プリプレグは、厚さ0.1mm、硬化温度130℃、積層厚さ5.0mmである。炭素繊維プリプレグ、熱発泡樹脂の選定および炭素繊維プリプレグによる巻き補強の方法等には十分な知識を必要とする。 Carbon fiber prepregs are available in various thicknesses, weights, strengths, curing temperatures, and adhesive contents depending on the application. The carbon fiber prepreg used in the prototype tank that cleared the pressure resistance of 100 MPa has a thickness of 0.1 mm, a curing temperature of 130° C., and a lamination thickness of 5.0 mm. Sufficient knowledge is required for the selection of carbon fiber prepreg and thermally foamed resin, the method of winding reinforcement with carbon fiber prepreg, and the like.

図4(A)~(E)は熱硬化前のハニカム構造六角セルタンク9の概念図とその製造工程を示す。図4(A)は内部タンクアセンブリ6である。図4(B)は内部タンクアセンブリ6にハニカム構造体の基本要素である2つに分割された六角形熱発泡性樹脂7を取り付ける図を示す。図4(C)は内部タンクアセンブリ6と六角形熱発泡性樹脂7を一体化させる図を示す。図4(D)は六角形熱発泡性樹脂7に2つ以上に分割された六角形炭素繊維複合材8を取り付ける図を示す。図4(E)は六角形熱発泡性樹脂7と六角形炭素繊維複合材8を一体化させハニカム構造六角セルタンク9を製造する図を示す。 FIGS. 4(A) to 4(E) show conceptual diagrams of the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat curing and its manufacturing process. FIG. 4A shows the internal tank assembly 6. FIG. FIG. 4(B) shows a view of attaching two split hexagonal thermally foamable resins 7 which are the basic elements of the honeycomb structure to the internal tank assembly 6 . FIG. 4(C) shows a view of integrating the internal tank assembly 6 and the hexagonal thermal foaming resin 7 . FIG. 4(D) shows a diagram of attaching a hexagonal carbon fiber composite material 8 divided into two or more pieces to a hexagonal thermally foamable resin 7 . FIG. 4(E) shows a view of manufacturing a hexagonal cell tank 9 with a honeycomb structure by integrating a hexagonal thermal foaming resin 7 and a hexagonal carbon fiber composite material 8 .

ハニカム構造六角セルタンク9は内部タンクアセンブリ6、六角形熱発泡性樹脂7、六角形炭素繊維複合材8で構成される。内部タンクアセンブリ6は図3に示される内部タンクアセンブリ6と同一である。六角形熱発泡性樹脂7は、図2で示される低倍率の熱発泡性樹脂4と同じく、熱可塑性樹脂に熱発泡剤を練りこんだ材料で製造される。熱発泡させる前の常温における機械的性質は低倍率の熱発泡性樹脂4と同じである。ただし、六角形熱発泡性樹脂7は低倍率の熱発泡性樹脂4よりは発泡倍率が大きい。 A honeycomb structure hexagonal cell tank 9 is composed of an inner tank assembly 6 , a hexagonal thermal foaming resin 7 and a hexagonal carbon fiber composite material 8 . The internal tank assembly 6 is identical to the internal tank assembly 6 shown in FIG. The hexagonal heat-foamable resin 7 is made of a material in which a heat-foaming agent is kneaded into a thermoplastic resin, like the low-magnification heat-foamable resin 4 shown in FIG. The mechanical properties at room temperature before thermal foaming are the same as those of the thermally foamable resin 4 with a low expansion ratio. However, the hexagonal thermally expandable resin 7 has a larger expansion ratio than the thermally expandable resin 4 with a lower expansion ratio.

六角形熱発泡性樹脂7はハニカム構造体の構成要素である六角形のハニカムセル形状をしており、内部に内部タンクアセンブリ6を収納可能に成形される。作業性を考慮して2つ以上に分割されていることが好ましい。六角形熱発泡性樹脂7は図2に示される低倍率の熱発泡性樹脂4とは用途目的が根本的に異なる。六角形熱発泡性樹脂7に求められる機能は次の3つである。
(1)金属製内部タンク1を補強する炭素繊維プリプレグ5を加熱硬化させる工程において炭素繊維プリプレグ5を外側から加圧する。
(2)ハニカム構造の殻構造を構成する六角形炭素繊維複合材8を加熱硬化させる工程において、六角形炭素繊維複合材8を内側から加圧する。
(3)ハニカム構造高圧タンクに落下等の外的衝撃荷重が作用したとき、六角形熱発泡性樹脂7は六角形炭素繊維複合材8と共に外的衝撃荷重を吸収する。
従って、六角形熱発泡性樹脂7の発泡倍率は、低倍率の熱発泡性樹脂4より大きい5~10倍が好ましい。
The hexagonal thermally foamable resin 7 has a hexagonal honeycomb cell shape, which is a constituent element of the honeycomb structure, and is molded so as to accommodate the internal tank assembly 6 therein. It is preferable that it is divided into two or more in consideration of workability. The hexagonal heat-foamable resin 7 is fundamentally different from the low-magnification heat-foamable resin 4 shown in FIG. The following three functions are required for the hexagonal thermal foamable resin 7 .
(1) In the step of heating and curing the carbon fiber prepreg 5 that reinforces the metal internal tank 1, the carbon fiber prepreg 5 is pressurized from the outside.
(2) In the step of heating and curing the hexagonal carbon fiber composite material 8 forming the shell structure of the honeycomb structure, the hexagonal carbon fiber composite material 8 is pressurized from the inside.
(3) When an external impact load such as a drop acts on the high-pressure tank of honeycomb structure, the hexagonal thermal foaming resin 7 absorbs the external impact load together with the hexagonal carbon fiber composite material 8 .
Therefore, the expansion ratio of the hexagonal thermally expandable resin 7 is preferably 5 to 10 times larger than that of the thermally expandable resin 4 with a low expansion ratio.

六角形炭素繊維複合材8は炭素繊維プリプレグで製造され、六角形熱発泡性樹脂7に被せるもしくは巻きつけるように製造される。作業性を考慮して2つ以上に分割されていることが好ましい。六角形炭素繊維複合材8は熱硬化性の炭素繊維プリプレグでも熱可塑性の炭素繊維プリプレグでも作ることができるが、熱可塑性の炭素繊維プリプレグで製造する方が好ましい。理由は、熱硬化性のプリプレグは常温で粘着性があるため、ハニカム構造六角セルタンク9を複数個組み合わせてハニカム構造体をつくるとき、ハニカム構造六角セルタンク9に内蔵されている金属製内部タンク1の配管作業がおこない難くなるからである。 The hexagonal carbon fiber composite material 8 is made of carbon fiber prepreg and is made to cover or wrap the hexagonal thermal foamable resin 7 . It is preferable that it is divided into two or more in consideration of workability. The hexagonal carbon fiber composite material 8 can be made of thermosetting carbon fiber prepreg or thermoplastic carbon fiber prepreg, but is preferably made of thermoplastic carbon fiber prepreg. The reason is that the thermosetting prepreg is sticky at room temperature, so when a plurality of honeycomb structure hexagonal cell tanks 9 are combined to form a honeycomb structure, the metal internal tank 1 built into the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 is This is because the piping work becomes difficult.

図5は熱硬化前のハニカム構造六角セルタンク9を外型枠10にセットする工程の概念図である。熱硬化前のハニカム構造六角セルタンク9を外型枠10にセットする工程の概念は、金属製薄板タンク2、低倍率の熱発泡性樹脂4、炭素繊維プリプレグ5、六角形熱発泡性樹脂7、六角形炭素繊維複合材8、外型枠10、外型枠の補強部材11、ボルト12およびナット13で説明される。外型枠10、外型枠の補強部材11、ボルト12、ナット13は鋼鉄で製造され、それぞれ強固な構造強度を有する。外型枠の補強部材11は外型枠10に点溶接等で固定されることが好ましい。 FIG. 5 is a conceptual diagram of the process of setting the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat curing to the outer formwork 10 . The concept of the process of setting the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before thermosetting to the outer formwork 10 is the metal thin plate tank 2, the low magnification thermal foaming resin 4, the carbon fiber prepreg 5, the hexagonal thermal foaming resin 7, A hexagonal carbon fiber composite 8 , an outer formwork 10 , outer formwork reinforcing members 11 , bolts 12 and nuts 13 are illustrated. The outer formwork 10, the reinforcing member 11 of the outer formwork, the bolt 12, and the nut 13 are made of steel, and each has a strong structural strength. The reinforcing member 11 of the outer formwork is preferably fixed to the outer formwork 10 by spot welding or the like.

図5に示す工程は、図4に示される熱硬化前のハニカム構造六角セルタンク9を強固な構造強度を持つ外型枠10にセットする作業である。単体タンクの場合、作業そのものは簡単であるが、その工程はいろいろな課題を含んでいる。その課題とは次の通り。
(1)図5における金属製薄板タンク2と低倍率の熱発泡性樹脂4には機械的隙間が存在する。この機械的隙間は高圧ガス充填の繰り返し加重による金属製薄板タンク2の疲労破壊の原因となる。高圧ガスタンクにおいて、たとえどんなに微小なものであっても、機械的隙間は許されない。
(2)図5において低倍率の熱発泡性樹脂4と熱硬化させる前の炭素繊維プリプレグ5には機械的隙間が存在する。高圧ガスタンクにおいて、たとえどんなに微小なものであっても、機械的隙間は許されない。
(3)熱硬化させる前の炭素繊維プリプレグ5は繊維と繊維の間、および何重にも巻いてある炭素繊維プリプレグ5の層間に多くの気泡を含んでいる。この気泡は、熱硬化後の炭素繊維複合材料の強度を損ねるので熱硬化プロセスの際に取り除く必要がある。
(4)図5において熱硬化させる前の炭素繊維プリプレグ5と六角形熱発泡性樹脂7との間には機械的隙間が存在する。高圧ガスタンクにおいて、たとえどんなに微小なものであっても、機械的隙間は許されない。
(5)図5において熱発泡させる前の六角形熱発泡性樹脂7と六角形炭素繊維複合材8の間には機械的隙間が存在する。高圧ガスタンクにおいて、たとえどんなに微小なものであっても、機械的隙間は許されない。
(6)図5において加熱硬化させる前の六角形炭素繊維複合材8と鋼鉄製の外型枠10の間には機械的隙間が存在する。この機械的隙間が完全に埋まらないと、外型枠10に機械的反力は発生しない。
(7)加熱&加圧硬化させる前の六角形炭素繊維複合材8には繊維と繊維の間、および何重にも重ねて製造する六角形炭素繊維複合材8の層間に多くの気泡を含んでいる。この気泡は、熱硬化後の炭素繊維複合材料の強度を損ねるので熱硬化プロセスの際に取り除く必要がある。
The process shown in FIG. 5 is a work of setting the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat curing shown in FIG. In the case of a single tank, the work itself is simple, but the process involves various problems. The challenges are as follows.
(1) A mechanical gap exists between the thin metal plate tank 2 and the low-magnification thermal foaming resin 4 in FIG. This mechanical gap causes fatigue failure of the metal thin plate tank 2 due to repeated loading of high-pressure gas filling. No mechanical gap, no matter how small, is allowed in the high-pressure gas tank.
(2) In FIG. 5, there is a mechanical gap between the thermally foamable resin 4 of low magnification and the carbon fiber prepreg 5 before being thermally cured. No mechanical gap, no matter how small, is allowed in the high-pressure gas tank.
(3) The carbon fiber prepreg 5 before heat curing contains many air bubbles between the fibers and between the layers of the carbon fiber prepreg 5 wound many times. These air bubbles impair the strength of the carbon fiber composite material after heat curing and must be removed during the heat curing process.
(4) In FIG. 5, there is a mechanical gap between the carbon fiber prepreg 5 and the hexagonal thermal foamable resin 7 before being thermally cured. No mechanical gap, no matter how small, is allowed in the high-pressure gas tank.
(5) A mechanical gap exists between the hexagonal thermal foamable resin 7 and the hexagonal carbon fiber composite material 8 before being thermally foamed in FIG. No mechanical gap, no matter how small, is allowed in the high-pressure gas tank.
(6) In FIG. 5, there is a mechanical gap between the hexagonal carbon fiber composite material 8 and the steel outer frame 10 before heat curing. If this mechanical gap is not completely filled, no mechanical reaction force is generated in the outer formwork 10 .
(7) The hexagonal carbon fiber composite material 8 before being cured by heating and pressure contains many air bubbles between the fibers and between the layers of the hexagonal carbon fiber composite material 8 manufactured by stacking many layers. I'm in. These air bubbles impair the strength of the carbon fiber composite material after heat curing and must be removed during the heat curing process.

図6は熱硬化中のハニカム構造六角セルタンク9と熱発泡性樹脂に発生する膨張力および外型枠による機械的反力の概念図である。熱硬化中のハニカム構造六角セルタンク9と熱発泡性樹脂に発生する膨張力および外型枠による機械的反力の概念は、金属製薄板タンク2、低倍率の熱発泡性樹脂4、炭素繊維プリプレグ5、六角形熱発泡性樹脂7、六角形炭素繊維複合材8、外型枠10、外型枠の補強部材11、ボルト12、ナット13、空気圧による膨張圧力14、低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15、六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16および外型枠の機械的反力17で説明される。空気圧による膨張圧力14は内部タンクに外部から高圧空気を充填し、金属製薄板タンク2を膨張させた時に発生する膨張力である。低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15は、炭素繊維プリプレグ5を熱硬化させるときに、高温に熱せられた低倍率の熱発泡性樹脂4に発生する膨張力である。六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16は、炭素繊維プリプレグ5を熱硬化させるときに、高温に熱せられた六角形熱発泡性樹脂7に発生する膨張力である。外型枠の機械的反力17は、空気圧による膨張圧力14、低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15および六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16を全て合算した圧力である。従って、外型枠10、外型枠の補強部材11、ボルト12、ナット13は鋼鉄で製造され剛性および構造強度は十分に強化される必要がある。図に示されていないが、外型枠に固定されたハニカム構造六角セルタンク9を加熱する加熱炉には大気圧の加熱オーブンが使用できる。加熱時間は2.0~3.0時間、加熱後の冷却時間は12時間以上が望ましい。 FIG. 6 is a conceptual diagram of the expansion force generated in the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 and the thermally foamable resin during thermosetting and the mechanical reaction force due to the outer formwork. The concept of the expansion force generated in the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 and the thermal foaming resin during thermosetting and the mechanical reaction force due to the outer formwork is the metal thin plate tank 2, the low magnification thermal foaming resin 4, and the carbon fiber prepreg. 5, hexagonal thermal foaming resin 7, hexagonal carbon fiber composite material 8, outer frame 10, outer frame reinforcing member 11, bolt 12, nut 13, pneumatic expansion pressure 14, low magnification thermal foaming resin expansion pressure 15 by 4, expansion pressure 16 by hexagonal thermal foaming resin 7, and mechanical reaction force 17 of the outer mold. The expansion pressure 14 due to air pressure is the expansion force generated when the internal tank is filled with high-pressure air from the outside and the metal thin plate tank 2 is expanded. The expansion pressure 15 by the low-magnification thermally foamable resin 4 is the expansion force generated in the low-magnification thermally foamable resin 4 heated to a high temperature when the carbon fiber prepreg 5 is thermally cured. The expansion pressure 16 by the hexagonal thermal foaming resin 7 is the expansion force generated in the hexagonal thermal foaming resin 7 heated to a high temperature when the carbon fiber prepreg 5 is thermally cured. The mechanical reaction force 17 of the outer formwork is the sum of the expansion pressure 14 due to the air pressure, the expansion pressure 15 due to the low-magnification thermal foaming resin 4 and the expansion pressure 16 due to the hexagonal thermal foaming resin 7 . Therefore, the outer formwork 10, the reinforcing member 11 of the outer formwork, the bolt 12, and the nut 13 must be made of steel so that their rigidity and structural strength are sufficiently enhanced. Although not shown in the figure, an atmospheric pressure heating oven can be used as the heating furnace for heating the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 fixed to the outer mold. Desirably, the heating time is 2.0 to 3.0 hours, and the cooling time after heating is 12 hours or more.

図6に示す膨張力によって図5の課題は全て解決する。理由は次の通りである。
(1)熱硬化させる前の金属製薄板タンク2と低倍率の熱発泡性樹脂4の間に存在する機械的隙間は、金属製薄板タンク2の空気圧による膨張圧力14と低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15および高温に加熱され流動化し膨張する低倍率の熱発泡性樹脂4によって完全に埋められる。
(2)熱硬化させる前の低倍率の熱発泡性樹脂4と炭素繊維プリプレグ5の間に存在する機械的隙間は空気圧による膨張圧力14と低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15および高温に加熱され流動化し膨張する低倍率の熱発泡性樹脂4によって完全に埋められる。
(3)炭素繊維プリプレグ5の繊維と繊維の間、および何重にも巻いてある炭素繊維プリプレグ5の層間に存在する気泡は、炭素繊維プリプレグ5を内側から加圧する空気圧による膨張圧力14と低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15および炭素繊維プリプレグ5を外側から加圧六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16によって加圧され取り除かれる。
(4)熱硬化させる前の炭素繊維プリプレグ5と六角形熱発泡性樹脂7との間に存在する機械的隙間は、六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16と高温に加熱され流動化し膨張する六角形熱発泡性樹脂7によって完全に埋められる。
(5)加熱発泡させる前の六角形熱発泡性樹脂7と六角形炭素繊維複合材8の間に存在する機械的隙間は、六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16と高温に加熱され流動化し膨張する六角形熱発泡性樹脂7によって完全に埋められる。
(6)加熱硬化させる前に、六角形炭素繊維複合材8と鋼鉄製の外型枠10の間に存在する機械的隙間は、六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16および鋼鉄製の外型枠10による機械的反力17によって、炭素繊維複合材8が鋼鉄製の外型枠10に強く押しつけられることによって消滅する。
(7)加熱&加圧硬化させる前の六角形炭素繊維複合材8には繊維と繊維の間、および何重にも重ねて製造する六角形炭素繊維複合材8の層間に多くの気泡を含んでいる。この気泡は、六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16および鋼鉄製の外型枠10による機械的反力17によって、六角形炭素繊維複合材8が鋼鉄製の外型枠10に強く押しつけられることによって消滅する。鋼鉄製の外型枠10の反力を確保するため六角形熱発泡性樹脂7は膨張倍率を大きくすることが好ましい。
The expansive force shown in FIG. 6 solves all the problems of FIG. The reason is as follows.
(1) The mechanical gap that exists between the metal thin plate tank 2 before heat curing and the low-magnification thermal foaming resin 4 is the expansion pressure 14 due to the air pressure of the metal thin-plate tank 2 and the low-magnification thermal foaming resin 4. It is completely filled with the expansion pressure 15 by the resin 4 and the low magnification thermally expandable resin 4 which is heated to a high temperature to fluidize and expand.
(2) The mechanical gap that exists between the low-ratio thermally foamable resin 4 and the carbon fiber prepreg 5 before heat curing is caused by the expansion pressure 14 due to the air pressure, the expansion pressure 15 due to the low-ratio thermally foamable resin 4, and the high temperature. It is completely filled with a low magnification thermally foamable resin 4 that is heated to fluidize and expand.
(3) The air bubbles existing between the fibers of the carbon fiber prepreg 5 and between the layers of the carbon fiber prepreg 5 wound many times are lower than the expansion pressure 14 by the air pressure that pressurizes the carbon fiber prepreg 5 from the inside. The expansion pressure 15 by the thermal foaming resin 4 of the magnification and the expansion pressure 16 by the pressurized hexagonal thermal foaming resin 7 from the outside of the carbon fiber prepreg 5 are removed.
(4) The mechanical gaps existing between the carbon fiber prepreg 5 before heat curing and the hexagonal heat-foamable resin 7 are fluidized and expanded by being heated to a high temperature with the expansion pressure 16 by the hexagonal heat-foamable resin 7. It is completely filled with a hexagonal thermal foaming resin 7 which
(5) The mechanical gaps existing between the hexagonal thermally foamable resin 7 and the hexagonal carbon fiber composite material 8 before being heated and foamed are filled with the expansion pressure 16 by the hexagonal thermally foamable resin 7 and the high temperature heating and fluidity. It is completely filled with a hexagonal thermal foaming resin 7 that softens and expands.
(6) Before heat curing, the mechanical gap that exists between the hexagonal carbon fiber composite material 8 and the steel outer mold 10 is the expansion pressure 16 due to the hexagonal thermal foaming resin 7 and the steel outer mold. Due to the mechanical reaction force 17 by the formwork 10, the carbon fiber composite material 8 is strongly pressed against the steel outer formwork 10 and disappears.
(7) The hexagonal carbon fiber composite material 8 before being cured by heating and pressure contains many air bubbles between the fibers and between the layers of the hexagonal carbon fiber composite material 8 manufactured by stacking many layers. I'm in. These air bubbles force the hexagonal carbon fiber composite material 8 against the steel outer mold 10 due to the expansion pressure 16 from the hexagonal thermal foamable resin 7 and the mechanical reaction force 17 from the steel outer mold 10. disappear by doing so. In order to ensure the reaction force of the steel outer frame 10, it is preferable to increase the expansion ratio of the hexagonal thermally foamable resin 7. As shown in FIG.

図7は熱硬化後のハニカム構造六角セルタンク18の概念図である。熱硬化後のハニカム構造六角セルタンク18は、金属製薄板タンク2、低倍率の熱発泡性樹脂4、炭素繊維プリプレグ5、六角形熱発泡性樹脂7および六角形炭素繊維複合材8で構成される。この構成要素は熱硬化前のハニカム構造六角セルタンク9と同じであるが、炭素繊維複合材の構造強度および各構成要素の密着度は図5の熱硬化前のハニカム構造六角セルタンク9とまったく異なる。
(1)熱硬化させる前のハニカム構造六角セルタンク9にあった全ての機械的隙間は、熱硬化後のハニカム構造六角セルタンク18において完全に消滅する。
(2)低倍率の熱発泡性樹脂4の発泡倍率は2~3倍と小さい。つまり、低倍率の熱発泡性樹脂4は圧縮力に対してほとんど変形しない。従って、高圧ガスによって金属製薄板タンク2に発生する膨張圧力はダイレクトに熱硬化後の炭素繊維プリプレグ5に伝達される。その結果、金属製薄板タンク2に発生する応力(歪み変形)は極めて小さくなる。つまり、金属製薄板タンク2と炭素繊維プリプレグ5の間に低倍率の熱発泡性樹脂4が介在することによって、金属製薄板タンク2に発生する応力は極めて小さくなり、高圧水素タンクの課題である水素脆性による疲労破壊は軽減される。
(3)金属製薄板タンク2と炭素繊維プリプレグ5の間に低倍率の熱発泡性樹脂4が介在することによって、金属製薄板タンク2と炭素繊維プリプレグ5が直接触れ合うことはない。従って、熱硬化後の炭素繊維プリプレグ5が金属製薄板タンク2から剥離するという問題も解消する。
(4)熱硬化させる前のハニカム構造六角セルタンク9は炭素繊維プリプレグ5の繊維と繊維の間および何重にも巻いてある炭素繊維プリプレグ5の層間に多くの気泡を含んでいる。熱硬化した後でこの気泡が残っていると、炭素繊維複合材の構造強度が大きく損なわれる。図7の炭素繊維プリプレグ5は、図6に示される金属製内部タンク1の空気圧による膨張圧力14と低倍率の熱発泡性樹脂4による膨張圧力15によって炭素繊維プリプレグ5の内側から加圧され、高倍率の六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16と外型枠10による機械的反力17によって炭素繊維プリプレグ5の外側から加圧されることによって、気泡を完全に排除された炭素繊維複合材である。炭素繊維プリプレグ5から生成される炭素繊維複合材の構造強度は、両側から強固に炭素繊維プリプレグ5を加圧する製造プロセスによって保証される。
(5)高倍率の熱可塑性発泡樹脂で製造される六角形熱発泡性樹脂7は高弾性の緩衝材となって炭素繊維プリプレグ5から生成される炭素繊維複合材を落下等の外部衝撃荷重から保護する。
(6)熱硬化前の六角形炭素繊維複合材8には繊維と繊維の間、および何重にも重ねて製造する炭素繊維複合材8の層間に多くの気泡が存在する。これらの気泡は、六角形熱発泡性樹脂7による膨張圧力16によって内側から加圧され、鋼鉄製の外型枠10の機械的反力17により外側から加圧されることによって排除される。このように、両側から強固に加圧された六角形炭素繊維複合材8から生成される炭素繊維複合材の構造強度は製造プロセスによって強度が保証されると共にハニカム構造の殻構造となって落下等の外部衝撃荷重から高圧タンクを保護する。
FIG. 7 is a conceptual diagram of the honeycomb structure hexagonal cell tank 18 after heat curing. The honeycomb structure hexagonal cell tank 18 after thermosetting is composed of a metal thin plate tank 2, a low-ratio thermal foaming resin 4, a carbon fiber prepreg 5, a hexagonal thermal foaming resin 7, and a hexagonal carbon fiber composite material 8. . This component is the same as the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat curing, but the structural strength of the carbon fiber composite material and the degree of adhesion of each component are completely different from the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat setting in FIG.
(1) All the mechanical gaps in the honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat curing completely disappear in the honeycomb structure hexagonal cell tank 18 after heat curing.
(2) The expansion ratio of the low-expansion thermal foaming resin 4 is as small as 2 to 3 times. In other words, the thermally expandable resin 4 with a low magnification is hardly deformed by the compressive force. Therefore, the expansion pressure generated in the metal thin plate tank 2 by the high pressure gas is directly transmitted to the carbon fiber prepreg 5 after thermosetting. As a result, the stress (strain deformation) generated in the thin metal plate tank 2 is extremely small. In other words, the stress generated in the metal thin plate tank 2 becomes extremely small by interposing the low-ratio thermal foaming resin 4 between the metal thin plate tank 2 and the carbon fiber prepreg 5, which is a problem for high-pressure hydrogen tanks. Fatigue fracture due to hydrogen embrittlement is reduced.
(3) The thin metal plate tank 2 and the carbon fiber prepreg 5 are prevented from coming into direct contact with each other by interposing the thermal foaming resin 4 having a low expansion ratio between the metal thin plate tank 2 and the carbon fiber prepreg 5 . Therefore, the problem that the carbon fiber prepreg 5 after thermosetting is peeled off from the metal thin plate tank 2 is also solved.
(4) The honeycomb structure hexagonal cell tank 9 before heat curing contains many air bubbles between the fibers of the carbon fiber prepreg 5 and between the layers of the carbon fiber prepreg 5 wound many times. If these air bubbles remain after thermosetting, the structural strength of the carbon fiber composite material is greatly impaired. The carbon fiber prepreg 5 of FIG. 7 is pressurized from the inside of the carbon fiber prepreg 5 by the expansion pressure 14 due to the air pressure of the metal internal tank 1 shown in FIG. A carbon fiber composite in which air bubbles are completely eliminated by pressurizing from the outside of the carbon fiber prepreg 5 by the expansion pressure 16 by the high-magnification hexagonal thermal foaming resin 7 and the mechanical reaction force 17 by the outer formwork 10 It is wood. The structural strength of the carbon fiber composite material produced from the carbon fiber prepreg 5 is guaranteed by the manufacturing process in which the carbon fiber prepreg 5 is firmly pressed from both sides.
(5) The hexagonal thermal foaming resin 7 made of high-ratio thermoplastic foaming resin acts as a highly elastic cushioning material to protect the carbon fiber composite material produced from the carbon fiber prepreg 5 from external impact loads such as dropping. Protect.
(6) Many air bubbles exist between the fibers in the hexagonal carbon fiber composite material 8 before heat curing and between the layers of the carbon fiber composite material 8 manufactured by stacking many layers. These air bubbles are pressurized from the inside by the expansion pressure 16 of the hexagonal heat-foamable resin 7 and are eliminated by being pressurized from the outside by the mechanical reaction force 17 of the steel outer frame 10 . In this way, the structural strength of the carbon fiber composite material produced from the hexagonal carbon fiber composite material 8 firmly pressed from both sides is guaranteed by the manufacturing process, and the shell structure of the honeycomb structure will fall. to protect the high pressure tank from external impact loads.

本発明のハニカム構造高圧水素タンクの形状や目的は様々に変更されることが考えられる。本発明の精神は、金属製の内部タンクと熱発泡性樹脂を使って高圧水素タンクの課題である構造強度、高圧ガスタンクの気密性および水素脆性による疲労破壊の問題を解決する高圧水素タンクの開発である。加えて、タンク構造をハニカム構造にすることで落下事故のような外部衝撃荷重にも安全性を確保する。本発明は全ての高圧ガスタンクに応用可能である。 It is conceivable that the shape and purpose of the honeycomb structure high-pressure hydrogen tank of the present invention may be changed in various ways. The spirit of the present invention is the development of a high-pressure hydrogen tank that solves the problems of structural strength, airtightness of high-pressure gas tanks, and fatigue fracture due to hydrogen embrittlement, which are problems of high-pressure hydrogen tanks, by using a metal internal tank and thermal foaming resin. is. In addition, the honeycomb structure of the tank ensures safety against external shock loads such as falling accidents. The invention is applicable to all high pressure gas tanks.

本発明はその具体化に関して添付図面を添えて完全に説明されたが、様々な変化と変更が当業者よって明らかになるのに注意されたい。そのような変化と変更は追加された請求によって定義され、本発明の範囲に含まれる。 Although the present invention has been fully described in terms of its implementation and accompanying drawings, it should be noted that various changes and modifications will become apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications are defined by the appended claims and are included within the scope of the invention.

1……金属製内部タンク、2……金属製薄板タンク、3……接続口、4……低倍率の熱発泡性樹脂、5……炭素繊維プリプレグ、6……内部タンクアセンブリ、7……六角形熱発泡性樹脂、8……六角形炭素繊維複合材、9……ハニカム構造六角セルタンク、10……外型枠、11……補強部材、12……ボルト、13……ナット、14……空気圧による膨張圧力、15……低倍率の熱発泡性樹脂による膨張圧力、16……六角形熱発泡性樹脂による膨張圧力、17……外型枠の機械的反力、18……熱硬化後のハニカム構造六角セルタンク。 1... metal inner tank 2... metal thin plate tank 3... connection port 4... low magnification thermal foaming resin 5... carbon fiber prepreg 6... inner tank assembly 7... Hexagonal thermal foaming resin, 8... Hexagonal carbon fiber composite material, 9... Honeycomb structure hexagonal cell tank, 10... Outer frame, 11... Reinforcing member, 12... Bolt, 13... Nut, 14... ...Expansion pressure due to air pressure, 15...Expansion pressure due to low-magnification thermal foaming resin, 16...Expansion pressure due to hexagonal thermal foaming resin, 17...Mechanical reaction force of outer frame, 18...Heat curing Later honeycomb structure hexagonal cell tank.

Claims (13)

金属製薄板タンクの外周面に低倍率の熱発泡性樹脂と炭素繊維プリプレグを順次巻き付け、これに内周円と外周六角面を有する熱発泡性樹脂を巻き、六角形の炭素繊維複合材を装着し、前記炭素繊維プリプレグを熱硬化させる温度まで加熱することを特徴とするハニカム構造セルタンクの製造方法。 A low-ratio thermal foaming resin and a carbon fiber prepreg are sequentially wound around the outer peripheral surface of a thin metal plate tank, a thermal foaming resin having an inner circumference and an outer hexagonal surface is wound, and a hexagonal carbon fiber composite material is attached. and heating the carbon fiber prepreg to a temperature at which the carbon fiber prepreg is thermally cured. 前記熱発泡性樹脂は熱可塑性樹脂に熱発泡剤を練り込んで形成されることを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 2. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein the thermal foaming resin is formed by kneading a thermal foaming agent into a thermoplastic resin. 前記炭素繊維プリプレグを加熱した際、内包する熱発泡性樹脂は流動性を持つことを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 2. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein the thermofoamable resin contained therein has fluidity when the carbon fiber prepreg is heated. 前記金属製薄板タンクはその壁面厚さを内部タンク直径の1/100以下としたことを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 2. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein the metal thin plate tank has a wall thickness of 1/100 or less of the inner tank diameter. 前記金属薄板タンクは壁面から水素ガスが漏洩することを防止する金属からなることを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 2. The method of manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein said thin metal plate tank is made of a metal that prevents hydrogen gas from leaking from the wall surface. 前記金属薄板タンクは内部に高圧空気を入れ、炭素繊維プリプレグに向けて加圧することを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 2. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein high-pressure air is introduced into the metal thin plate tank and pressurized toward the carbon fiber prepreg. 流動化して金属製薄板タンクと炭素繊維プリプレグとの間に密着した低倍率の熱発泡性樹脂は室温冷却後、高圧ガスによって金属製薄板タンクに発生する膨張力をダイレクトに炭素繊維プリプレグに伝達することを特徴とする請求項3に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 After cooling to room temperature, the low-ratio thermal foaming resin fluidized and adhered between the metal thin plate tank and the carbon fiber prepreg directly transmits the expansion force generated in the metal thin plate tank by high pressure gas to the carbon fiber prepreg. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 3, characterized in that: 金属製薄板タンクの空気圧による膨張圧力と低倍率の熱発泡性樹脂による膨張圧力によって炭素繊維プリプレグの内側から加圧され、高倍率の六角形熱発泡性樹脂による膨張圧力と外型枠による機械的反力によって外側から加圧されることによって、内在する気泡を排除されることを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 It is pressurized from the inside of the carbon fiber prepreg by the expansion pressure due to the air pressure of the metal thin plate tank and the expansion pressure due to the low magnification thermal foaming resin, and the expansion pressure due to the high magnification hexagonal thermal foaming resin and the mechanical 2. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein internal air bubbles are eliminated by applying pressure from the outside by a reaction force. 高倍率の熱可塑性発泡樹脂で製造される六角形熱発泡性樹脂は高弾性の緩衝材となって炭素繊維プリプレグから生成される炭素繊維複合材(高圧タンクの構造材)を落下事故等の外部衝撃荷重から保護することを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 Hexagonal thermal foaming resin, which is manufactured from high-ratio thermoplastic foaming resin, acts as a highly elastic cushioning material. A method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, characterized in that it is protected from impact loads. 熱硬化後の六角形炭素繊維複合材はハニカム構造体の殻構造となって高圧タンクを落下事故等の外部衝撃荷重から保護することを特徴とする請求項1に記載のハニカム構造セルタンクの製造方法。 2. The method for manufacturing a honeycomb structure cell tank according to claim 1, wherein the hexagonal carbon fiber composite material after thermosetting becomes a shell structure of a honeycomb structure to protect the high pressure tank from an external impact load such as a falling accident. . 金属製薄板タンクの外周面に低倍率の熱発泡性樹脂と炭素繊維プリプレグを巻き付け、これに内周円と外周六角面を有する熱発泡性樹脂を巻き、六角形の炭素繊維複合材を装着し、前記炭素繊維プリプレグを熱硬化させて形成されてなることを特徴とするハニカム構造セルタンク。 A low-ratio thermal foaming resin and carbon fiber prepreg are wrapped around the outer surface of a thin metal plate tank, a thermal foaming resin having an inner circle and an outer hexagonal surface is wound, and a hexagonal carbon fiber composite material is attached. A honeycomb structure cell tank characterized by being formed by thermosetting the carbon fiber prepreg. 金属製薄板タンクはその壁面厚さを内部タンク直径の1/100以下であることを特徴とする請求項11に記載のハニカム構造セルタンク。 12. The honeycomb structure cell tank according to claim 11, wherein the wall thickness of the metal thin plate tank is 1/100 or less of the inner tank diameter. 前記金属薄板タンクは壁面から水素ガスが漏洩することを防止する金属からなることを特徴とする請求項11に記載のハニカム構造セルタンク。
12. The honeycomb structure cell tank according to claim 11, wherein the metal thin plate tank is made of a metal that prevents hydrogen gas from leaking from the wall surface.
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