JP5733681B2 - ガスタンク及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、水素等のガスを高圧で充填するガスタンク及びその製造方法に関する。
水素をはじめとするガスを充填する高圧ガスタンクは、樹脂等から成形されたライナーの周囲を炭素繊維などからなる繊維強化樹脂層によって覆ったタンク本体を有している。
このような繊維強化樹脂層を硬化させる技術として、スチールベルトからなる芯型の周りに、樹脂モルタルからなる中間層の内外面に繊維強化樹脂からなる内外層を有する成形材料層を形成し、その成形材料層を加熱硬化させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。この技術では、樹脂モルタルに導電性物質を入れて中間層を形成し、中間層及びスチールベルトからなる芯型を高周波誘導手段により誘導加熱して成形材料層を硬化させることが示されている。
また、未加硫ゴムと金属板とを交互に積層してなる積層体及びそれを保持する金型に対して電磁誘導による加熱保持を行う加硫装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この装置は、金属板と金型に磁界を印加する誘導コイルと、誘導コイルに交流電流を通電する電源手段と、交流電源を調整する周波数調整手段とを有し、周波数調整手段は、電源手段の交流電源を低周波に変換する低周波数変換手段と、電源手段の交流電源を高周波に変換する高周波数変換手段と、低周波に高周波を重畳する波形加算手段とを有している。
ところで、特許文献１のような誘導加熱の技術でタンクの繊維強化樹脂層を外層部側から加熱しても、加熱電流が繊維強化樹脂層の内層部に浸透しにくいため、タンク各部で昇温速度に差が出て、硬化状態にバラツキが生じてしまう。また、誘導加熱の加熱電流は、加熱周波数の違いで浸透レベルが異なるため、浸透深さが深い低周波電流程加熱効率が低くなってしまう。
しかも、外部加熱だけで加熱すると、繊維強化樹脂層の内層部まで昇温するのに時間がかかり、全体を硬化させるのに長時間を要してしまう。また、外層部だけが硬化して内層部の硬化が不十分となったり、性能低下や品質のバラツキが生じるおそれがあった。さらには、外層部が先に硬化すると、層内の残留気泡が樹脂の硬化時に円滑に抜けず、繊維強化樹脂層にボイド等が発生して外観不良や性能低下を生じるおそれがあった。
なお、特許文献２の技術では、金属板及び金型の昇温速度を一致させることにより、積層体全体を均一温度で一定温度範囲（加硫温度域）にまで昇温させられるが、低周波に高周波を重畳させるといった複雑な処理を行わなければならなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、繊維強化樹脂層を均一に昇温させることにより、短時間にかつ均一に繊維強化樹脂層を硬化させて、外観が良好で、しかも、品質が安定したガスタンク及びその製造方法を提供する。
上記目的を達成するために、本発明のガスタンクは、ライナーの外周側に熱硬化性樹脂を含浸させた誘導性材料からなる強化繊維を巻き回して積層した繊維強化樹脂層を有するガスタンクであって、
前記強化繊維とともに導電線を巻き回すことにより、前記繊維強化樹脂層に、前記導電線からなる複数のコイルが層状に設けられている。
前記強化繊維とともに導電線を巻き回すことにより、前記繊維強化樹脂層に、前記導電線からなる複数のコイルが層状に設けられている。
かかる構成によれば、各コイルに加熱電流を流すことにより、繊維強化樹脂層を、その内層部から外層部にわたって均一にかつ急速に加熱して昇温させることができる。これにより、ボイドの発生による外観不良や性能低下などの不具合が抑制された高品質なガスタンクとすることができる。
また、上記構成にあっては、前記コイルを構成する前記導電線が、前記ライナーの両端に設けられた口金に導通接続されていても良い。
また、本発明のガスタンクの製造方法は、ライナーの外周側に熱硬化性樹脂を含浸させた誘導性材料からなる強化繊維を巻き回して積層した繊維強化樹脂層を有するガスタンクの製造方法であって、
前記強化繊維とともに導電線を巻き回すことにより、前記繊維強化樹脂層に、前記導電線からなる複数のコイルを層状に設け、
複数の前記コイルに電流を流して前記強化繊維を発熱させることにより、前記熱硬化性樹脂を加熱硬化させる。
前記強化繊維とともに導電線を巻き回すことにより、前記繊維強化樹脂層に、前記導電線からなる複数のコイルを層状に設け、
複数の前記コイルに電流を流して前記強化繊維を発熱させることにより、前記熱硬化性樹脂を加熱硬化させる。
かかる製造方法によれば、複雑な処理を行うことなく、短時間にかつ均一に繊維強化樹脂層を硬化させて、外観が良好で、しかも、品質が安定したガスタンクを容易にかつ短時間で製造することができる。
また、上記製造方法にあっては、前記導電線の巻き付け開始端を前記ライナーの一端に設けられた口金に巻き付け、前記導電線の巻き付け終了端を前記ライナーの他端に設けられた口金に巻き付けても良い。
本発明によれば、繊維強化樹脂層を均一に昇温させることにより、短時間にかつ均一に繊維強化樹脂層を硬化させて、外観が良好で、しかも、品質が安定したガスタンク及びその製造方法を提供できる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るガスタンク及びその製造方法について説明する。
図１は、内部に高圧ガス（例えば水素ガス）を充填保管するためのガスタンク１１を示す。このガスタンク１１は、合成樹脂製またはアルミニウム製などのライナー１２の外周側を、炭素繊維などの誘導性材料からなる繊維強化樹脂層１３によって覆った構成のタンク本体１４を有している。タンク本体１４を構成するライナー１２は、一対のライナー分割体１２ａを互いに突き合わせてレーザ溶着などで接合して一体化したものである。
タンク本体１４の両端には、ライナー１２に形成された口部１５に、口金部材（口金）１６が取り付けられており、バルブが取り付け可能な口金部材１６を有する側がバルブ側とされ、その反対側がエンド側とされている。
口金部材１６には、外周における中間部に、フランジ部２２が形成され、このフランジ部２２がライナー１２に当接するまで口部１５に圧入して嵌合させることによって口金部材１６がライナー１２に取り付けられる。
図２に示すように、繊維強化樹脂層１３は、ヘリカル巻によって形成されたヘリカル層及びフープ巻によって形成されたフープ層などの繊維層１３ａから構成されている。この繊維強化樹脂層１３には、銅線や銅箔等の導電線からなるコイル３１がタンク本体１４の軸方向へ螺旋状に複数巻回されている。これらのコイル３１は、繊維強化樹脂層１３内における内層部側から外層部側へ間隔をあけて配置されており、最外周に巻回されたコイル３１は、繊維強化樹脂層１３の外面に露出されている。なお、最内周に巻回されたコイル３１は、ライナー１２が合成樹脂製またはアルミニウム製などの非導電性材料から形成されている場合、ライナー１２に接触していても良い。
これらのコイル３１を構成する導電線は、その両端が、タンク本体１４の両端に設けられた口金部材１６に巻き付けられ、これらの口金部材１６と導通されている。
次に、ガスタンク１１を製造する場合について説明する。
図３に示すように、口金部材１６を取り付けたライナー１２の外周に、繊維巻き付け装置を用いてフィラメントワインディング法によって、ボビンから繰り出される強化繊維３５を、所定の張力を付与しつつ巻き回す。強化繊維３５は、プリプレグからなるもので、このプリプレグとしては、予め、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の半硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたものである。なお、強化繊維３５としては、プリプレグとなっていない単繊維のものでも良い。
図３に示すように、口金部材１６を取り付けたライナー１２の外周に、繊維巻き付け装置を用いてフィラメントワインディング法によって、ボビンから繰り出される強化繊維３５を、所定の張力を付与しつつ巻き回す。強化繊維３５は、プリプレグからなるもので、このプリプレグとしては、予め、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の半硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたものである。なお、強化繊維３５としては、プリプレグとなっていない単繊維のものでも良い。
繊維巻き付け装置は、ライナー１２の軸心に沿って往復移動するガイドであるアイロ４１を有している。そして、このアイロ４１によって、軸心を中心に回転されるライナー１２に対する強化繊維３５の巻き付け位置を移動させる。これにより、ライナー１２の外周に、強化繊維３５をヘリカル巻及びフープ巻で交互に巻き付け、繊維層１３ａを形成する。
上記の強化繊維３５の巻き付け工程のときに、図４に示すように、ライナー１２に対して、銅線や銅箔等の導電線からなるコイル３１をフープ巻で螺旋状に巻き付ける。このとき、各コイル３１は、巻き付け開始端をライナー１２の一方の口金部材１６に巻き付け、巻き付け終了端をライナー１２の他方の口金部材１６に巻き付ける。このコイル３１を巻き付けたら、図５に示すように、再び強化繊維３５を巻き付ける。
そして、この強化繊維３５の巻き付け及びコイル３１の巻き付けを必要な層厚となるまで繰り返し行うことにより、内層部側から外層部側へ間隔をあけて複数のコイル３１が巻回されて層状に埋め込まれた繊維強化樹脂層１３を形成する。なお、ライナー１２が合成樹脂製またはアルミニウム製等の非導電性材料から形成されている場合は、最内層のコイル３１は、ライナー１２に直接巻き付けても良い。また、最外層のコイル３１は、繊維強化樹脂層１３の外面に露出させても良い。
上記のようにして、ライナー１２の外周に、複数のコイル３１を有する繊維強化樹脂層１３を形成してガスタンク１１としたら、図６に示すように、このガスタンク１１を、誘導加熱硬化炉４２内にセットし、このガスタンク１１の周囲に外部コイル３２を巻き付けて配置させる。
この状態で、両端の口金部材１６及び外部コイル３２の両端に、誘導加熱装置（図示略）の電極を接続し、コイル３１及び外部コイル３２に、それぞれ加熱電流を流す。
すると、加熱電流は、口金部材１６間の各コイル３１及び外部コイル３２を流れる。これにより、繊維強化樹脂層１３では、コイル３１によって強化繊維３５が発熱し、外部コイル３２によって強化繊維３５の外層部が発熱する。したがって、繊維強化樹脂層１３の誘導加熱硬化が開始される。
繊維強化樹脂層１３の熱硬化性樹脂が完全に硬化してガスタンク１１が完成したら、このガスタンク１１を誘導加熱硬化炉４２から取り出す。
このように、上記実施形態のガスタンクによれば、強化繊維３５とともに導電線からなるコイル３１を巻き回すことにより、繊維強化樹脂層１３に、複数のコイル３１を層状に設けたので、外部コイル３２とともに各コイル３１に加熱電流を流すことにより、繊維強化樹脂層１３を、その内層部から外層部にわたって均一にかつ急速に加熱して昇温させることができる。これにより、ボイドの発生による外観不良や性能低下などの不具合が抑制された高品質なガスタンク１１とすることができる。
そして、上記実施形態のガスタンクの製造方法によれば、複雑な処理を行うことなく、短時間にかつ均一に繊維強化樹脂層１３を硬化させて、外観が良好で、しかも、品質が安定したガスタンク１１を容易にかつ短時間で製造することができる。
特に、各コイル３１がライナー１２の両端の口金部材１６に接続されているので、口金部材１６間に加熱電流を流すことにより、繊維強化樹脂層１３を容易に誘導加熱させて硬化させることができる。
また、繊維強化樹脂層１３の樹脂の硬化特性等に応じて、ライナー１２に巻き回すコイル３１の本数、径、巻回ピッチなどを容易に調整することができる。
なお、繊維強化樹脂層１３の加熱硬化工程において、繊維強化樹脂層１３の硬化状態に応じて各コイル３１及び外部コイル３２へ流す加熱電流の周波数や出力をフィードバック制御しても良く、このようにフィードバック制御して繊維強化樹脂層１３の硬化状態を管理すれば、繊維強化樹脂層１３をさらに均一に硬化させて品質を高めることができる。
１１…ガスタンク、１２…ライナー、１３…繊維強化樹脂層、１６…口金部材（口金）、３１…コイル、３５…強化繊維。
Claims (2)
- ライナーの外周側に熱硬化性樹脂を含浸させた誘導性材料からなる強化繊維を巻き回して積層した繊維強化樹脂層を有するガスタンクであって、
前記強化繊維とともに導電線を巻き回すことにより、前記繊維強化樹脂層に、前記導電線からなる複数のコイルが層状に設けられており、
前記コイルを構成する前記導電線は、前記ライナーの両端に設けられた口金に導通接続されているガスタンク。 - ライナーの外周側に熱硬化性樹脂を含浸させた誘導性材料からなる強化繊維を巻き回して積層した繊維強化樹脂層を有するガスタンクの製造方法であって、
前記強化繊維とともに導電線を巻き回すことにより、前記繊維強化樹脂層に、前記導電線からなる複数のコイルを層状に設け、
前記導電線の巻き付け開始端を前記ライナーの一端に設けられた口金に巻き付け、前記導電線の巻き付け終了端を前記ライナーの他端に設けられた口金に巻き付け、
複数の前記コイルに電流を流して前記強化繊維を発熱させることにより、前記熱硬化性樹脂を加熱硬化させるガスタンクの製造方法。
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