JP4760327B2 - 高圧容器の健全性診断方法および高圧容器の健全性診断装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の燃料となる水素などのガス貯蔵に用いられる高圧容器の健全性診断方法および高圧容器の健全性診断装置に関するものである。

水素などのガス貯蔵に用いられる高圧容器は、ガス充填時には高い内圧で高圧容器が外側へ膨らむように変形し、ガス使用時には内圧が下がるにしたがってもとの形に復元している。そのため、ガスの充填と放出とを繰り返すことで高圧容器の変形が繰り返し起こるために、長期間使用すると高圧容器の材質が劣化して強度が低下し、ガスの漏出や異常な変形、最悪の場合にはガス充填時に破裂を起こす恐れがある。そのため、高圧容器へのガスの充填と放出を繰り返す場合には、高圧容器の強度が十分に備わっているかどうか、つまり高圧容器の健全性を診断することが必要になっている。高圧容器の健全性を診断するひとつの方法として、ガス充填時の高圧容器の変形量を、使用開始（新品）の時に測定しておき、その後のガス充填時の変形量と使用開始時の時の変形量とを比較する方法がある。この方法によれば、ガス充填時の高圧容器の変形量に応じて余寿命を予測したり、寿命に達したと判断したりして高圧容器の健全性を診断することができる。

高圧容器の健全性を診断する方法のひとつとして、フィラメントワインディング法により、それぞれのブラッグ波長が異なる複数のブラッググレーティングを離散的に形成した光ファイバと樹脂を含浸したガラス繊維とを同時に高圧容器の本体であるアルミ製のシリンダ型容器の外表面に巻き付けて、複合材料で強化した高圧容器を成形する方法がある。フィラメントワインディング法とは、ガラス繊維や炭素繊維などの連続した強化繊維に樹脂を含浸し、成形型に巻きつけて、その後に硬化成形する成形方法である。ブラッググレーティングとは、紫外線を用いて光ファイバのコア中に屈折率が周期的に異なるように形成されたグレーティングであり、狭帯域の波長の光を反射する特性があり、この反射光のピーク波長はブラッグ波長と呼ばれている。この方法によれば、ガラス繊維に埋め込まれた光ファイバの周方向巻きの２点と、螺旋方向巻きの２点に位置するそれぞれのブラッググレーティングからの反射光の波長変化によって、各点の光ファイバの歪みを検知することができる。このような方法で、高圧容器の形状変化を光ファイバからの反射光の波長変化で検知することで、高圧容器の健全性を診断することができる（例えば、非特許文献１参照）。

また、コンクリート製貯蔵容器の健全性を監視する方法として、光ファイバの任意の位置にブラッググレーティングを設けて、このブラッググレーティングで反射されたレーザ光の反射光の波長シフト量を測定し、この波長シフト量からブラッググレーティングの位置における貯蔵容器の歪みを検出する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＳＡＭＰＥ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｅｘｈｉｂ． Ｖｏｌ．４３， Ｎｏ．１， Ｐ４４４−４５７（１９９８） 特開２００１−１３３５８４号公報（３頁、図３）

しかしながら、上述のような高圧容器や貯蔵容器の健全性の診断方法では、ブラッググレーティングが形成され位置の歪みを検知するために、各測定点でのブラッググレーティングのブラッグ波長が異なっている必要がある。そのため、大型の高圧容器に従来の方法を適用する場合には、測定点を増やすために１本の光ファイバにブラッグ波長の異なるブラッググレーティングを多数個形成しなければならない。さらには、ある一点の高圧容器の変形に伴う光ファイバの変形に対するブラッググレーティングからの反射光の波長変化が他の点に位置するブラッググレーティングのブラッグ波長を超えて変化してはいけないという制約がある。なぜなら、他の点に位置するブラッググレーティングのブラッグ波長を越えて変化すると、どの位置の変形に対する波長変化かが判断することが困難になるからである。このため、異なるブラッグ波長の波長間隔はある程度広げる必要があり、ブラッグ波長の波長間隔と光源の発光波長幅との関係から、１本の光ファイバに異なるブラッグ波長をもつブラッググレーティングを形成できる数は、約４０個である。したがって、４０点以上の多数点の変形を検知するためには、複数の光ファイバを用いる必要があり、構造が複雑になるとともに、高コストになるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高圧容器の健全性を診断する方法として、多数点の変形を検知する場合でも１本の光ファイバで構成することができ、構造が単純で低コストの高圧容器の健全性診断方法を提供するものである。

この発明に係る高圧容器の健全性診断方法は、ガス充填時には高い内圧で外側へ膨らむように変形し、ガス使用時には内圧が下がるにしたがってもとの形に復元する高圧容器の健全性診断方法であって、同一のブラッグ波長を有する複数のブラッググレーティングが離散的に形成された光ファイバを、前記複数のブラッググレーティングが異なる位置になるように前記高圧容器に密接して取り付け、予め測定された健全状態おける前記高圧容器の内圧での各位置の、前記光ファイバの端部に設けられた光源からの広帯域光に対する前記ブラッググレーティングからの反射光の波長分布と、使用時または使用後の前記高圧容器の内圧で測定された前記各位置の前記反射光の波長分布とのずれを監視して高圧容器の健全性を診断するものである。

この発明は、高圧容器へのガス充填後の同一のブラッグ波長を有するブラッググレーティングからの反射光の反射ピークの数と位置とを、正常なとき（使用開始時）と使用中（ガスの充填と放出を繰り返し行なった後）とで比較して、高圧容器の健全性を診断するので、構造が単純で、低コストな診断方法および健全性診断機能を有する高圧容器を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における健全性診断機能を有する高圧容器の模式図である。図１において、高圧容器１は、健全性の診断を行なう対象となる高圧容器であり、高圧容器１の外壁には、同一のブラッグ波長を有するブラッググレーティング２を形成した光ファイバ３が密接して取り付けられている。本実施の形態においては、ブラッググレーティング２は、４個（２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄ）形成されており、それぞれ高圧容器１の外壁の異なる位置に配置されている。光ファイバ３の端部には、光計測器４が接続されている。光計測器４は、内部に光源をもち、この光源からの光を光ファイバ３に入射させ、光ファイバ３に形成されたブラッググレーティング２からの反射光の波長分布を計測することができる。光計測器４には、コンピュータ５が接続されており、このコンピュータ５は、光計測器４を制御するとともに、光計測器４で計測された波長分布を記憶し、波長分布の経時変化に基づいて高圧容器１の健全性を判断する機能を備えている。

次に、本実施の形態における健全性診断方法の動作について説明する。光計測器４から出射された広帯域光が光ファイバ３に導かれ、各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄへ入射する。各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄからはブラッグ波長の光が反射され、この反射光が光ファイバ３に導かれて光計測器４へ入射する。光計測器４では、反射光の波長分布が計測され、この波長分布をコンピュータ５に伝送する。コンピュータ５では、送られてきた波長分布を記憶するとともに、波長分布の経時変化に基づいて、高圧容器１の健全性を判断する。

健全性の診断方法について、さらに詳細に述べる。図２は、本実施の形態における反射光の波長分布を示す特性図である。まず始めに、高圧容器１にガスが充填されていないとき（非充填時）は、高圧容器１は変形していないので、外壁に密着して取り付けられた光ファイバ３も変形していないため、各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄのブラッグ波長は同一であり、図２（Ａ）に示すように反射光のピーク波長は重なって観測される。次に、高圧容器１にガスを充填し（充填時）高圧容器１の内圧が上昇すると、高圧容器１の外壁は外側へ膨らむように変形する。外壁の変形量は場所によって異なるために、各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄ位置の光ファイバ３の変形量も異なることになる。その結果、各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄのブラッグ波長の変化量がそれぞれ場所によって異なるために、非充填時には１つであった反射光の反射ピークが分離して、図２（Ｂ）に示すように複数の反射ピークが観測されるようになる。図２（Ｂ）では、ブラッググレーティング２ｂと２ｄとの位置の変形量が同じ場合の例を示しており、この場合はブラッググレーティング２ｂと２ｄとからの反射ピークは一致することになる。

コンピュータ５は、光計測器４で観測された反射光の波長分布の経時変化を監視している。各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄのブラッグ波長は、高圧容器１の内圧に応じて変化する。このため、高圧容器１が健全な状態であれば、光計測器４で観測される反射光の波長分布は、内圧によって決まる一定の関係を満たすように変化する。つまり、使用開始時に図２（Ｂ）に示したような波長分布であった場合、高圧容器１が健全であれば、高圧容器１内に充填されたガスを放出した後に再度ガスを充填したときにも図２（Ｂ）と同じ波長分布が再現されるはずであり、反射ピークのずれは発生しない。したがって、長期間に渡って高圧容器１を使用したときに、ガス充填後に反射光の波長分布を観測し、このときの波長分布が使用開始時に測定した波長分布からずれているかどうかをコンピュータ５で監視することにより、高圧容器１の健全性を判断することができる。次の式は、各ブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄの反射光のピーク波長λ_２ａ、λ_２ｂ、λ_２ｃおよびλ_２ｄ（単位：ｎｍ）と高圧容器１の内圧Ｐ（単位：ＭＰａ）との関係を示したものである。
λ_２ａ（ｎｍ）＝１５４５（ｎｍ）＋α_１（ｎｍ／ＭＰａ）×Ｐ（ＭＰａ）
λ_２ｂ（ｎｍ）＝１５４５（ｎｍ）＋α_２（ｎｍ／ＭＰａ）×Ｐ（ＭＰａ）
λ_２ｃ（ｎｍ）＝１５４５（ｎｍ）＋α_３（ｎｍ／ＭＰａ）×Ｐ（ＭＰａ）
λ_２ｄ（ｎｍ）＝１５４５（ｎｍ）＋α_４（ｎｍ／ＭＰａ）×Ｐ（ＭＰａ）
ここで、１５４５（ｎｍ）はブラッググレーティング２のブラッグ波長であり、α_１、α_２、α_３およびα_４（ｎｍ／ＭＰａ）は、それぞれブラッググレーティング２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄにおける内圧Ｐ（ＭＰａ）に対する反射光のピーク波長のシフト量である。

図２（Ａ）の状態、つまり非充填時には、Ｐ＝０であるため、λ_２ａ＝λ_２ｂ＝λ_２ｃ＝λ_２ｄ＝１５４５（ｎｍ）となる。次に、ガス充填時の図２（Ｂ）の状態では、α_２＝α_４であるため、λ_２ｂ＝λ_２ｄであるが、例えば、ブラッググレーティング２ｂの位置に対応する高圧容器１の外壁の変形量が大きくなった場合、つまり外壁を構成する材料強度が劣化した場合には、α_２≠α_４となり、図２（Ｃ）に示すように、ブラッググレーティング２ｂと２ｄに対応するピークが分離して、反射光の反射ピーク数が３個から４個に変化する。このように、反射光の波長分布の経時変化測定することで、高圧容器１に不健全な状態が生じていることを検知することができる。

本実施の形態のよれば、同一のブラッグ波長を有する複数のブラッググレーティングを形成した光ファイバを高圧容器に密接して取り付け、高圧容器へのガス充填後に、光計測器からの出射光に対するブラッググレーティングからの反射光の波長分布を光計測器で計測し、波長分布の経時変化に基づいて、高圧容器の健全性を診断しているので、一本の光ファイバで多数の計測点を設けることができる。その結果、構造が単純で、低コストなの診断方法および健全性診断機能を有する高圧容器を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、ブラッググレーティングを４個形成した例を示したが、原理的にはブラッググレーティングの個数に制約はない。また、そのため測定点が増えても１本の光ファイバで構成することが可能ではあるが、光ファイバの配置が複雑になる場合は、光ファイバを２本以上で構成してもよい。さらには、本実施の形態においては、反射光の波長分布の経時変化を光計測器とコンピュータとの組み合わせで検知する例を示したが、光計測器とコンピュータとの機能を併せもつ１つの制御装置を用いてもよい。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２のおける高圧容器の断面の模式図である。実施の形態１においては、光ファイバを高圧容器の外壁に密着して取り付けたが、本実施の形態では、高圧容器の外壁を繊維強化複合材料により強化し、この繊維強化複合材料に光ファイバを埋設したものである。図３において、アルミ合金製の内部容器６をもつ高圧容器１において、内部容器６の外側が繊維強化複合材料７で補強されており、光ファイバ３は繊維強化複合材料７に埋設されている。繊維強化複合材料として、例えば炭素繊維強化プラスチック材料を用いることができる。このような構造の高圧容器は、フィラメントワインディング法により作製することができる。光ファイバ３には、２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄの４個のブラッググレーティング形成されている。光ファイバの端部には、光計測器４が接続されており、さらに光計測器４には、コンピュータ５が接続されている。

このように構成された高圧容器においては、実施の形態１と同様な方法によって高圧容器の健全性を診断することができるとともに、繊維強化複合材料７によって光ファイバ３を保護することができる。また、外壁よりも内部に光ファイバ３が設置されているので、外壁まで変形が現れない内部の損傷状況を検知することができ、高圧容器の信頼性がさらに向上する。

なお、本実施の形態においては、繊維強化複合材料として、炭素繊維強化プラスチック材料を用いる例を示したが、他の繊維強化複合材料を用いてもよい。

この発明の実施の形態１による健全性診断機能を有する高圧容器の模式図である。 この発明の実施の形態１における反射光の波長分布を示す特性図である。 この発明の実施の形態２における高圧容器の断面の模式図である。

符号の説明

１ 高圧容器
２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ ブラッググレーティング
３ 光ファイバ
４ 光計測器
５ コンピュータ
６ 内部容器
７ 繊維強化複合材料

Claims (3)

1. ガス充填時には高い内圧で外側へ膨らむように変形し、ガス使用時には内圧が下がるにしたがってもとの形に復元する高圧容器の健全性診断方法であって、
   同一のブラッグ波長を有する複数のブラッググレーティングが離散的に形成された光ファイバを、前記複数のブラッググレーティングが異なる位置になるように前記高圧容器に密接して取り付け、
   予め測定された健全状態おける前記高圧容器の内圧での各位置の、
   前記光ファイバの端部に設けられた光源からの広帯域光に対する前記ブラッググレーティングからの反射光の波長分布と、
   使用時または使用後の前記高圧容器の内圧で測定された前記各位置の前記反射光の波長分布とのずれを監視する
   ことを特徴とする高圧容器の健全性診断方法。
2. ガス充填時には高い内圧で外側へ膨らむように変形し、ガス使用時には内圧が下がるにしたがってもとの形に復元する高圧容器の健全性診断測定装置であって、
   前記高圧容器に密接して取り付けられた光ファイバと、
   前記高圧容器の異なる位置に設けられ、前記光ファイバに離散的に形成された同一のブラッグ波長を有する複数のブラッググレーティングと、
   前記光ファイバの端部に設けられ、前記光ファイバに広帯域光を出射する光源と、
   予め測定された健全状態における前記高圧容器の内圧での各位置の前記広帯域光に対する前記ブラッググレーティングからの反射光の波長分布を格納し、
   使用時または使用後の前記高圧容器の内圧で測定された前記各位置の前記反射光の波長分布と前記格納された波長分布とのずれを監視するコンピュータと
   を備えたことを特徴とする高圧容器の健全性診断測定装置。
3. 高圧容器は繊維強化複合材料で外表面が補強された構造をもち、光ファイバは前記繊維強化複合材料に埋設されたことを特徴とする請求項２記載の高圧容器の健全性診断装置。

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