JP5825000B2 - 高圧ガスタンクの製造方法と製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガスタンクの製造方法と製造装置に関する。

近年では、燃料ガスの燃焼エネルギーや、燃料ガスの電気化学反応によって発電された電気エネルギーによって駆動する車両が開発されており、高圧ガスタンクには、天然ガスや水素等の燃料ガスが貯蔵され、車両に搭載される場合がある。このため、高圧ガスタンクの軽量化が求められており、カーボン繊維強化プラスチックや、ガラス繊維強化プラスチック（以下、これらを総称して、繊維強化樹脂層と呼ぶ）で中空のライナーを被覆したＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics : 繊維強化プラスチック）製の高圧ガスタンク（以下、単に高圧ガスタンクと称する）の採用が進んでいる。ライナーとしては、軽量化の観点から、通常、ガスバリア性を有する樹脂製の中空容器が用いられる。

一般に、こうした高圧ガスタンクの製造に際しては、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法）が採用され、このＦＷ法により、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した繊維をライナーの外周に繰り返し巻回して繊維強化樹脂層とする。そして、その後に、当該樹脂層に含まれる熱硬化樹脂を加熱して熱硬化させることで、ライナーを繊維強化樹脂層で被覆・補強した高圧ガスタンクが製造される。熱硬化樹脂の加熱とその熱硬化には、温風吹き付けや電熱ヒーターによる加熱、或いは高周波誘導加熱等、種々の加熱方式が採用可能であるが、熱硬化性樹脂の速やかな昇温が可能な高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて誘導加熱する手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平６−３３５９７３号公報

ＦＷ法にて得られた高圧ガスタンクの強度や耐久性等のタンク性能は、ライナー外周の硬化済み繊維強化樹脂層における繊維体積含有率（以下、Ｖｆ）に依存することが知られている。このＶｆは、繊維強化樹脂層の単位体積に占める繊維の割合であり、熱硬化前の繊維強化樹脂層からの樹脂の染み出しが増えるとＶｆは高くなる。そして、Ｖｆが高いと、繊維の割合が増えるために強度は増すものの、繊維同士を接着硬化する樹脂が少なくなるため、耐久性の低下を来すことが危惧される。このため、高圧ガスタンクとしての実用に耐える強度と耐久性の両立を図る上で、高Ｖｆとなることを抑制しつつＶｆを所定の範囲で達成することが望ましい。

Ｖｆに影響を及ぼす樹脂の染み出しは、誘導加熱コイルを用いた繊維強化樹脂層の誘導加熱の際に、樹脂の低粘度化に伴って顕著となり得る。つまり、上記した公報で提案された高周波誘導加熱手法では、他の加熱方式に比べて高い効率で短時間の内に加熱できることから、繊維強化樹脂層は急速に昇温して、樹脂の粘度も大きく低下しかねない。しかも、高周波誘導加熱は、誘導加熱コイルに最も近い樹脂最外層で顕著に誘起されるので、繊維強化樹脂層の厚み方向で昇温状況が相違する。そして、こうした繊維強化樹脂層の厚み方向での昇温状況の相違は、繊維強化樹脂層の厚み方向での粘度低下の相違をもたらし得るので、繊維強化樹脂層の厚み方向でのＶｆのバラツキを招きかねない。上記した特許文献では、こうした熱硬化の過程における樹脂挙動についての配慮がないことから、繊維強化樹脂層の厚み方向でのＶｆのバラツキの抑制を図る手法が要請されるに到った。

本発明は、上記した課題を踏まえ、ライナー外周に形成した繊維強化樹脂層の厚み方向でのＶｆのバラツキの抑制をもたらす新たなタンク製造手法を提供することを目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の適用例として実施することができる。

[適用例１：高圧ガスタンクの製造方法]
高圧ガスタンクの製造方法であって、
タンク容器となる中空のライナーの外周に、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回して形成された繊維強化樹脂層を有するタンク中間生成品を準備する工程（ａ）と、
前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて前記タンク中間生成品の前記繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化させる工程（ｂ）とを備え、
前記工程（ｂ）では、
前記誘導加熱を受けて昇温する前記繊維強化樹脂層の層厚み方向における樹脂層部位についての温度分布の存在を前提に、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する
ことを要旨とする。

この適用例１の高圧ガスタンクの製造方法では、工程（ａ）、工程（ｂ）を経て高圧ガスタンクを製造する当たり、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化させる工程（ｂ）では、誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する。前記繊維強化樹脂層が前記誘導加熱を受けて昇温する際、繊維強化樹脂層の外表側の最外層部位は、誘導加熱コイルに最も近いことから、誘導加熱コイルによる高周波誘導加熱がより進む。この外表側の最外層部位より内側の樹脂層部位は、当該樹脂層部位での誘導加熱コイルによる高周波誘導加熱に加えて最外層部位からの熱伝播を受ける。そして、最外層部位は、誘導加熱コイルによる高周波誘導加熱がより進むとはいえ、その層表面からの放熱と内側の樹脂層部位への熱伝播の影響を受ける。このため、層厚み方向における樹脂層部位では温度分布が起きる。上記の適用例１の高圧ガスタンクの製造方法では、温度分布の存在を前提に、誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御するので、例えば、繊維強化樹脂層が誘導加熱を受けて昇温する際に最大の温度となる樹脂層部位の温度を通電制御の際の上限温度に設定できることになる。

こうした通電制御を行う上記の適用例１の高圧ガスタンクの製造方法は、繊維強化樹脂層が誘導加熱を受けて昇温する際に層厚み方向における樹脂層部位では温度分布が起きるという新たな知見を得て、最大の温度となる樹脂層部位の温度が誘導加熱コイルへの高周波電流通電を制御する際の上限温度になるまで、繊維強化樹脂層を誘導加熱できる。仮に、この最大の温度となる樹脂層部位以外の樹脂層部位の温度が上限温度となるように通電制御すれば、最大の温度となる樹脂層部位は、上限温度より高くなって樹脂の粘度低下やこれに伴う染み出しが顕著となって高Ｖｆとなりかねない。ところが、上記の適用例１の高圧ガスタンクの製造方法によれば、繊維強化樹脂層が誘導加熱を受けて昇温する際に最大の温度となる樹脂層部位を上限温度とできるので、Ｖｆについては、この上限温度に対応した範囲に留めることができ、Ｖｆのバラツキの抑制も可能となる。

上記した適用例１の高圧ガスタンクの製造方法は、次のような態様とすることができる。例えば、前記工程（ｂ）では、前記層厚み方向における樹脂層部位のうちで最大の温度となる最大温度樹脂層部位の温度が、前記熱硬化性樹脂の性状を含む条件で定まる加熱上限温度を超えないように、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する。熱硬化性樹脂の性状を含む条件で定まる加熱上限温度は、樹脂の粘度低下やこれに伴う染み出しを抑制し得る上記の通電制御の際の上限温度と同等であることから、上記の態様によれば、最大温度樹脂層部位を加熱上限温度を超えないようにすることで、Ｖｆをこの加熱上限温度に対応した範囲に留めることができ、Ｖｆのバラツキの抑制が可能となる。

また、前記工程（ｂ）では、前記繊維強化樹脂層が前記誘導加熱を受けて昇温する際の昇温状況を前記繊維強化樹脂層の層厚み方向における樹脂層部位ごとに対応付けた対応関係に基づいて、最大温度樹脂層部位を前記繊維強化樹脂層の外表側の最外層部位より内側の樹脂層部位とする。つまり、既述したように、繊維強化樹脂層の外表側の最外層部位は、誘導加熱コイルによる高周波誘導加熱がより進むものの、その内側の樹脂層部位に熱を伝播する等の理由から、内側の樹脂層部位が最大温度樹脂層部位となる。上記の態様では、最大温度樹脂層部位を内側の樹脂層部位とするので、この内側の樹脂層部位の温度を前記上限温度に設定したり加熱上限温度を超えないようにできる。そして、最大温度樹脂層部位を内側の樹脂層部位とする上で必要な対応関係を、タンク製造、詳しくは、繊維強化樹脂層の誘導加熱に先だって、実験或いはシミュレーション等の手法で予め把握しておくことで、Ｖｆのバラツキが抑制された高圧ガスタンクを容易、且つ確実に製造できる。

また、前記工程（ｂ）では、前記誘導加熱を受けて前記繊維強化樹脂層が昇温する際に、前記対応関係を用いて前記内側の樹脂層部位の温度を求め、該求めた前記内側の樹脂層部位の温度に応じて前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御したり、前記内側の樹脂層部位の温度と前記対応関係に倣って対応する他の樹脂層部位の温度を求め、該求めた前記他の樹脂層部位の温度を前記内側の樹脂層部位の温度に代用して前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御したりできる。こうすれば、繊維強化樹脂層が実際に昇温する際に、その昇温状況に合わせた通電制御が可能となるので、Ｖｆのバラツキ抑制の実効性が高まる。

また、前記工程（ｂ）において、前記繊維強化樹脂層の前記最外層部位からの放熱を図りつつ前記誘導加熱コイルにて前記繊維強化樹脂層を誘導加熱するようにできる。こうすれば、最外層部位からの放熱を通して繊維強化樹脂層の厚み方向での温度分布を抑制できることから、Ｖｆのバラツキ抑制の実効性が高まる。

[適用例２：高圧ガスタンクの製造装置]
タンク容器となる中空のライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層を有する高圧ガスタンクの製造に用いる装置であって、
熱硬化前の前記熱硬化性樹脂を含浸した繊維を前記ライナーの外周に巻回して前記繊維強化樹脂層を形成し、タンク中間生成品を得る繊維巻回手段と、
前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて前記回転する前記タンク中間生成品の前記繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化させる熱硬化手段とを備え、
前記熱硬化手段は、
前記誘導加熱を受けて前記繊維強化樹脂層が昇温する際の昇温状況を前記繊維強化樹脂層の層厚み方向における樹脂層部位ごとに対応付けた対応関係を記憶する記憶部と、
前記繊維強化樹脂層が昇温する際に前記樹脂層部位のうちで最大の温度となる最大温度樹脂層部位を前記対応関係に基づいて定め、該定めた前記最大温度樹脂層部位の温度が、前記熱硬化性樹脂の性状を含む条件で定まる加熱上限温度を超えないように、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する制御部とを有する
ことを要旨とする。

上記した適用例２の高圧ガスタンクの製造装置は、ライナー外周に形成した繊維強化樹脂層の厚み方向でのＶｆのバラツキを抑制可能な新たなタンク製造装置となる。

本発明の一実施例としての高圧ガスタンクの製造工程を模式的に示す説明図である。 この製造工程に用いるＦＷ装置１００の構成を概略的に示す説明図である。 繊維強化樹脂層の形成の様子を模式的に示す説明図である。 得られた中間生成品タンク１２における繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層部位を樹脂含浸カーボン繊維Ｗの巻回の様子と合わせて示す説明図である。 図１（ｃ）に示した熱硬化炉２００の概略構成を誘導加熱コイル２２０の配置構成を含めて示す説明図である。 本実施例の熱硬化炉２００における繊維強化樹脂層２０の厚み方向の各樹脂層部位ごとの昇温の様子をその測定の様子と併せて示す説明図である。 誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電制御を説明するフローチャートである。 変形例の熱硬化炉２００の概略構成を示しつつ繊維強化樹脂層２０の各樹脂層部位の温度分布の様子を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施例としての高圧ガスタンクの製造工程を模式的に示す説明図、図２はこの製造工程に用いるＦＷ装置１００の構成を概略的に示す説明図、図３は繊維強化樹脂層の形成の様子を模式的に示す説明図である。本実施例では、高圧ガスタンクを、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンクとした。

本実施例のタンク製造工程では、まず、図１（ａ）に示したように、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂製容器をライナー１０として用意する。ライナー１０は、半径が均一である略円筒形状のシリンダー部１０ａと、シリンダー部両端に設けられた凸曲面形状のドーム部１０ｂを有する。ドーム部１０ｂは、等張力曲面によって構成されており、その頂点に、外部配管等と接続するための口金１４を有する。本実施例では、樹脂容器として、ナイロン系樹脂からなる樹脂製容器を用いるものとした。樹脂容器として、水素ガスに対するガスバリア性を有すれば、他の樹脂からなる樹脂容器を用いるものとしてもよい。

次に、図１（ｂ）に示したように、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層２０を形成する（繊維強化樹脂層形成工程）。本実施例では、繊維強化樹脂層形成工程として、図２に示すＦＷ装置１００を用いる。このＦＷ装置１００は、ライナー１０の外周に、熱硬化性樹脂としてのエポキシ樹脂を含浸したカーボン繊維を繰り返し巻回することにより、繊維強化樹脂層２０としてのカーボン繊維層を形成する。これにより、ライナー１０の外周に樹脂硬化前の繊維強化樹脂層２０を有する中間生成品タンク１２が得られる。ＦＷ装置１００の構成と当該装置による繊維巻回の様子については、後述する。

繊維強化樹脂層２０の形成に続いては、熱硬化を行う。熱硬化工程では、図１（ｃ）に示す熱硬化炉２００を用いる。この熱硬化炉２００は、高周波誘導加熱炉として構成され、図示しない架台に、タンク両端のタンク軸支シャフト２１２を介して中間生成品タンク１２を回転可能に軸支し、図示しないモーターにて中間生成品タンク１２を加熱の過程において回転させる。この他、熱硬化炉２００は、誘導加熱コイル２２０を有する。誘導加熱コイル２２０は、軸支した中間生成品タンク１２をタンク長手方向に沿ってタンク軸周囲にて取り囲むよう配設され、そのコイル巻き軌跡をタンク軸に対して傾斜させている。誘導加熱コイル２２０は、高周波電流生成電源２４０と接続され、制御機器２３０による高周波電流生成電源２４０の制御を経て高周波電流の通電を受けて磁束を形成し、中間生成品タンク１２の繊維強化樹脂層２０におけるカーボン繊維（樹脂含浸カーボン繊維Ｗ）を導体として繊維強化樹脂層２０を誘導加熱する。

図１（ｃ）に示す上記の熱硬化炉２００を用いた熱硬化工程では、熱硬化炉２００への中間生成品タンク１２の搬入に先だち、繊維強化樹脂層２０を形成済みの中間生成品タンク１２にタンク軸支シャフト２１２を装着する。タンク軸支シャフト２１２は、中間生成品タンク１２の両端の口金１４に挿入され、タンク両端からシャフトを出した状態で、中間生成品タンク１２を水平に軸支する。こうして中間生成品タンク１２を軸支した後、熱硬化炉２００は、中間生成品タンク１２を熱硬化工程に処する。この熱硬化工程では、中間生成品タンク１２をタンク軸支シャフト２１２ごと定速で回転させ、その回転を熱硬化工程の間に亘って維持する。タンク回転と同時に、或いは、定速回転となると、熱硬化炉２００は、繊維強化樹脂層２０の形成に用いた上記の熱硬化樹脂（例えば、エポキシ樹脂）の熱硬化が起きるよう、制御機器２３０にて誘導加熱コイル２２０に高周波電流生成電源２４０から高周波電流を通電して繊維強化樹脂層２０を誘導加熱する。これにより、中間生成品タンク１２では、ライナー１０の外周に形成された繊維強化樹脂層２０における熱硬化樹脂の熱硬化が起きる。誘導加熱の様子については後述する。

熱硬化炉２００による上記した樹脂の熱硬化後には、加熱を受けた中間生成品タンク１２は、冷却養生に処される。そして、この冷却養生を経ることで、ライナー１０の外周にエポキシ樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層２０を有する高圧水素タンク３０が得られる。

ここで、ＦＷ装置１００による繊維強化樹脂層２０の形成の様子（図１（ｂ））と、その後の熱硬化炉２００による繊維強化樹脂層２０の熱硬化（図１（ｃ））について順を追って説明する。図２に示すように、本実施例のＦＷ装置１００は、クリールスタンド１１０と、巻取部１３０と、クリールスタンド１１０と巻取部１３０とを結ぶ経路部１２０と、制御部１５０とを備える。

クリールスタンド１１０は、熱硬化樹脂としてのエポキシ樹脂を含浸済みのカーボン繊維（以下、樹脂含浸カーボン繊維Ｗと称する）を巻きつけた複数のボビン１１２を備え、固定滑車１１４等を用いて各ボビン１１２から所定の方向に樹脂含浸カーボン繊維Ｗを繰り出す機能を有する。本実施例では、熱硬化性樹脂を含浸済みのいわゆるプリプレグの樹脂含浸カーボン繊維Ｗとしたが、ボビン１１２にはカーボン繊維のみを巻き取って備え、クリールスタンド１１０からの繊維繰り出し経路途中で、その繰り出されるカーボン繊維に熱硬化性樹脂を含浸させるようにすることもできる。なお、カーボン繊維に代えて、適当な強度と導電性を有するフィラメントワインディングに適した他の材料の繊維とすることもできる。また、エポキシ樹脂に代えて、熱硬化により適当な接合強度を有するフィラメントワインディングに適した熱硬化性樹脂、例えばポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂とすることもできる。

各ボビン１１２からは、巻取部１３０の働きにより樹脂含浸カーボン繊維Ｗがそれぞれ引き出され、各樹脂含浸カーボン繊維Ｗは経路部１２０を介して巻取部１３０へ導かれる。

経路部１２０は、ローラーやガイド等を備え、クリールスタンド１１０から巻取部１３０への樹脂含浸カーボン繊維Ｗへの経路を構成する。

巻取部１３０は、アイクチガイド１３２と、ライナー１０がセットされる回転駆動装置１３４とを備える。回転駆動装置１３４は、ライナー１０を軸支してそのタンク軸周りにライナー１０を回転駆動させる。

アイクチガイド１３２は、ライナー１０の外周に樹脂含浸カーボン繊維Ｗを供給しつつ、ライナー１０に樹脂含浸カーボン繊維Ｗが巻回される際の巻回張力を調整する。また、樹脂含浸カーボン繊維Ｗのフープ巻きとヘリカル巻きの使い分けにも関与する。つまり、アイクチガイド１３２は、ライナー１０の長軸方向であるｘ軸、ｘ軸に垂直なｙ軸、ｘ軸およびｙ軸に垂直なｚ軸の３次元で移動して、経路部１２０から供給された複数本の樹脂含浸カーボン繊維Ｗを束ねてライナー１０に向かって供給する。制御部１５０による制御を経たアイクチガイド１３２の３次元方向への移動と回転駆動装置１３４によるライナー１０の回転とにより、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、ライナー１０の外周に繰り返し巻回されることになる。詳細には、図３に示すように、フープ巻きとヘリカル巻きとが交互に使い分けられて、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、ライナー両端のドーム部１０ｂと円筒状のシリンダー部１０ａとの外周に繰り返し巻回される。図示するように、まず、ライナー１０の略円筒状のシリンダー部１０ａの領域をフープ巻きにて樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回し、その後に、シリンダー部両端のドーム部１０ｂに掛け渡るよう、その折り返し位置に応じた角度のヘリカル巻きにて樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回する。

図３（Ａ）に示すように、シリンダー部１０ａにおいては、フープ巻きをシリンダー部両端で折り返しつつ繰り返すことで、繊維強化樹脂層２０のライナー外周側の内側樹脂層を形成する。つまり、ライナー１０をタンク中心軸ＡＸの回りで回転させつつ、樹脂含浸カーボン繊維Ｗの供給元であるアイクチガイド１３２をタンク中心軸ＡＸに沿って所定速度で往復動させることで、繊維強化樹脂層２０における内側樹脂層が樹脂含浸カーボン繊維Ｗにて巻回形成される。このフープ巻きでは、アイクチガイド１３２からの樹脂含浸カーボン繊維Ｗが、シリンダー部１０ａのタンク中心軸ＡＸに対してほぼ垂直に近い巻き角度（繊維角α０：例えば約８９°）をなすようにされる。そして、ライナー回転速度とアイクチガイド１３２の往復動速度を調整した上で、タンク中心軸ＡＸ方向に沿ってアイクチガイド１３２を往復移動させて、樹脂含浸カーボン繊維Ｗをシリンダー部１０ａに繰り返し巻回する。

こうしたフープ巻きを所定の工程繰り返した後、図３（Ｂ）に示す低角度のヘリカル巻きに切り換えて樹脂含浸カーボン繊維Ｗを繰り返し巻回する。低角度のヘリカル巻きでは、ドーム部１０ｂの湾曲外表面領域とフープ巻き済みのシリンダー部１０ａを繊維巻回対象とし、ライナー１０をタンク中心軸ＡＸの回りで回転させつつ、アイクチガイド１３２から延びた樹脂含浸カーボン繊維Ｗをタンク中心軸ＡＸに対して低角度の繊維角αＬＨ（例えば、約１１〜２５°）で交差させた状態を保持し、ライナー回転速度とアイクチガイド１３２の往復動速度を調整する。その上で、タンク中心軸ＡＸ方向に沿ってアイクチガイド１３２を往復移動させて、樹脂含浸カーボン繊維Ｗをシリンダー部１０ａの両端のドーム部１０ｂに掛け渡るよう螺旋状に繰り返し巻回する。この場合、両側のドーム部１０ｂでは、アイクチガイド１３２の往路・復路の切換に伴って繊維の巻き付け方向が折り返されると共に、タンク中心軸ＡＸからの折り返し位置も調整される。ドーム部１０ｂにおける巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、ライナー１０の外表面には、低角度の繊維角αＬＨで樹脂含浸カーボン繊維Ｗが網目状に張り渡された繊維巻回層が形成される。なお、上記した低角度のヘリカル巻きを行う前に、タンク中心軸ＡＸに対して高角度の繊維角（例えば、約３０〜６０°）で樹脂含浸カーボン繊維Ｗを巻回する高角度のヘリカル巻きを組み込むこともできる。

こうしたヘリカル巻きを所定の工程繰り返した後、再度、既述したフープ巻きによる樹脂含浸カーボン繊維Ｗの巻回と、ヘリカル巻きによる樹脂含浸カーボン繊維Ｗの巻回とを交互に繰り返すことで、繊維強化樹脂層２０が巻回形成される。この場合、ヘリカル巻きが最後となれば、ヘリカル巻きによる樹脂層が繊維強化樹脂層２０における外表面側の最外層側樹脂層となる。上記したフープ巻きおよびヘリカル巻きにおいて、制御部１５０は、ライナー１０の回転速度制御やアイクチガイド１３２での巻回張力調整等を行うが、本発明の要旨と直接関係しないので、その説明については省略する。

こうして樹脂含浸カーボン繊維Ｗのフープ巻きおよびヘリカル巻きが交互に使い分けてなされることで、樹脂含浸カーボン繊維Ｗがライナー１０の外周に層状に重なった繊維強化樹脂層２０が形成される。そして、樹脂含浸カーボン繊維ＷのＦＷ法による巻回を経て、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層２０を形成した中間生成品タンク１２が得られる（図１（ｂ）参照）。図４は得られた中間生成品タンク１２における繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層部位を樹脂含浸カーボン繊維Ｗの巻回の様子と合わせて示す説明図である。

図示するように、ライナー１０の外表面に形成された繊維強化樹脂層２０は、ライナー１０の外周側から、フープ巻きによる樹脂含浸カーボン繊維Ｗの樹脂層部位とヘリカル巻きによる樹脂含浸カーボン繊維Ｗの樹脂層部位とが交互に積層される。図においては、図示の都合から、各樹脂層部位は単一の樹脂含浸カーボン繊維Ｗを含むようにされているが、各樹脂層では、既述したようにフープ巻きとヘリカル巻きでの樹脂含浸カーボン繊維Ｗの巻回により、複数の樹脂含浸カーボン繊維Ｗがフープ巻きとヘリカル巻きで重なることになる。そして、既述したフープ巻きとヘリカル巻きの交互切換により、ライナー１０の外周側の最内層の樹脂層部位では、図３（Ａ）に示したフープ巻きによる繊維巻回層となり、繊維の配向は既述した約８９°となる。その外側の樹脂層部位は、フープ巻きから低角度のヘリカル巻きに切り換えられていることから、図３（Ｂ）に示した低角度のヘリカル巻きによる繊維巻回層となり、繊維の配向は既述した約１１〜２５°となる。以下、層ごとに上記の繊維の配向が切り換わる。

図４では、タンク中心軸ＡＸを含んでタンクを長手方向に断面視していることから、繊維の配向がフープ巻きに基づいた約８９°の各樹脂層部位では、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは繊維と交差するよう切断したほぼ円形に断面視される。その一方、繊維の配向が低角度のヘリカル巻きに基づいた約１１〜２５°の各樹脂層部位では、樹脂含浸カーボン繊維Ｗは繊維長手方向に沿って切断した矩形状に断面視される。本実施例では、フープ巻きによる繊維巻回層とこれに重なるヘリカル巻きによる繊維巻回層を一つの樹脂層部位と捉えたので、図４では、繊維強化樹脂層２０は、外表面側の最外層部位からライナー外周側まで５層の樹脂層部位が示されていることになる。

次に、図４で示したような樹脂層構成の繊維強化樹脂層２０の熱硬化炉２００による熱硬化について説明する。図５は図１（ｃ）に示した熱硬化炉２００の概略構成を誘導加熱コイル２２０の配置構成を含めて示す説明図である。

図示するように、本実施例の熱硬化炉２００では、誘導加熱コイル２２０を既述したように中間生成品タンク１２をタンク長手方向に沿ってタンク軸周囲にて取り囲むに当たり、図５の平面視方向から見て、繊維強化樹脂層２０の外表面からの距離がシリンダー部１０ａとドーム部１０ｂにおいてほぼ同じとなるよう巻かれている。この際、誘導加熱コイル２２０は、中間生成品タンク１２を軸支するタンク軸支シャフト２１２（図１参照）と干渉しないと共に、タンク軸に対して傾斜したコイル巻き軌跡とされている。

この他、熱硬化炉２００は、制御機器２３０と温度センサー２４２とを有する。温度センサー２４２は、非接触で繊維強化樹脂層２０の外表面温度を検出するよう構成され、その検出温度を制御機器２３０に出力する。制御機器２３０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたコンピュータプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、高周波電流生成電源２４０から誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電を制御する。この通電制御は、熱硬化炉２００の炉内への中間生成品タンク１２のセット後のタンク定速回転に合わせて、制御機器２３０にてなされる。誘導加熱コイル２２０は、高周波電流生成電源２４０からの高周波電流の通電を受けると、水平に軸支されてタンク軸回りに回転する中間生成品タンク１２の繊維強化樹脂層２０を貫く磁束を発生する。繊維強化樹脂層２０を構成する樹脂含浸カーボン繊維Ｗは、この誘導加熱コイル２２０による磁束と交差することから渦電流を誘起し、カーボン繊維固有の抵抗によって発熱して、繊維強化樹脂層２０の熱硬化性樹脂を高周波誘導加熱する。この高周波誘導加熱は、図４に示した繊維強化樹脂層２０の各樹脂層部位で起きる。

次に、制御機器２３０による通電制御の様子を、繊維強化樹脂層２０の昇温の状況と併せて説明する。図６は本実施例の熱硬化炉２００における繊維強化樹脂層２０の厚み方向の各樹脂層部位ごとの昇温の様子をその測定の様子と併せて示す説明図である。

まず、繊維強化樹脂層２０の外表面側の最外層部位からライナー外周側まで５層の各樹脂層部位の昇温状況を測定するため、各層の樹脂層部位に熱電対を埋設した。図６では、この熱電対は、図中に四角で示されており、図３で説明したフープ巻きからヘリカル巻きへの切換の際に、熱電対を装着し、そのままヘリカル巻きを継続する。これにより、各樹脂層部位に熱電対を埋設した昇温状況測定用の中間生成品タンク１２が得られる。次いで、この測定用の中間生成品タンク１２を通常のタンク製造工程手順に従って、熱硬化炉２００の高周波誘導加熱に処する。この熱硬化炉２００による高周波誘導加熱は、熱硬化炉２００の制御機器２３０が高周波電流生成電源２４０から誘導加熱コイル２２０に高周波電流を通電することで繊維強化樹脂層２０の各樹脂層部位で既述したように起きる。そして、誘導加熱の間の各樹脂層部位の測定温度をプロットして、図６に示す加熱時間と各層ごとの昇温状況の関係と、層の深さと温度の関係とを得た。図６のグラフは、最終製品たる高圧水素タンク３０を得る際の中間生成品タンク１２に見られる温度状況を表している。

この図６から、最も温度が高くなるのは、図において層番号１で示される繊維強化樹脂層２０の外表面側の最外層部位の内側の樹脂層部位（層番号２）であり、次いで高いのは層番号１の最外層部位となる。層番号３〜５の各樹脂層部位は、層の深さが深くなる順に、層番号１の最外層部位より温度が低下する。そして、ある時点、例えば図６において各層の温度が安定した時点での各樹脂層部位の温度分布は、上記の各層ごとの温度状況が反映し、繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）とその内側の樹脂層部位（層番号２）とでは、図中に白抜き矢印で示す温度差ΔＴｍが生じる。こうした現象は、次のように説明できる。

図５の誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱は、繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）とその内側の樹脂層部位（層番号２）およびその下層側の樹脂層部位（層番号３〜５）の各層で進むものの、各層での誘導加熱の状況は次のように相違する。繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）は、誘導加熱コイル２２０に最も近くて誘導加熱コイル２２０の発生した磁束の影響を受けやすく生じる渦電流も大きいことから、誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が最も進む。最外層部位（層番号１）より下層側の樹脂層部位（層番号２〜５）は、誘導加熱コイル２２０による誘導加熱を受けるとはいえ、当該コイルから離れることで磁束の影響を受けにくくなって生じる渦電流も小さくなるので、最外層部位（層番号１）ほど加熱は進まない。

繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）より内側の樹脂層部位（層番号２）は、当該層部位での高周波誘導加熱に加え、誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱が最も進む最外層部位（層番号１）からの熱伝播を受ける。その一方、最外層部位（層番号１）ではその層表面からの放熱が起きるので、図６のグラフに見られるように、内側の樹脂層部位（層番号２）の温度は最外層より高くなる。層番号２の樹脂層部位より下層側の樹脂層部位（層番号３〜５）では、各樹脂層部位での高周波誘導加熱と上層側の樹脂層部位からの熱伝搬とが起きるものの、これらは層番号２の樹脂層部位より進まないので、各層の温度は層番号２の樹脂層部位より低くなる。こうしたことを考慮して繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）より内側の樹脂層部位（層番号２）の温度が制御上限温度となるよう、熱硬化炉２００は、その制御機器２３０により誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電を制御する。この場合の制御上限温度は、熱硬化性樹脂を加熱する際の加熱上限温度でもあり、ライナー１０の源材料樹脂および繊維強化樹脂層２０の形成のための熱硬化性樹脂の溶解温度等の性状や、樹脂含浸カーボン繊維Ｗの繊維表面に付着された薬剤、具体的には繊維と樹脂の馴染みを向上させる薬剤の耐性温度等から定まる。特に、熱硬化性樹脂にあっては、その性質上、その溶解温度に近い温度となると、粘度低下が顕著となるので、こうした点も制御上限温度の決定に考慮される。

本実施例の熱硬化炉２００では、図５に示すように、制御機器２３０のメモリー領域に図６で示した各層部位ごとの温度状況を記憶し、これを参照しつつ上記した高周波電流の通電を制御する。こうして記憶された温度状況は、繊維強化樹脂層２０の層厚み方向における樹脂層部位（層番号１〜５）ごとに対応付けられており、製造対象となる高圧水素タンク３０ごとに用意される。例えば、高圧水素タンク３０のサイズや、繊維強化樹脂層２０を構成する熱硬化性樹脂が異なれば、それぞれについての図６の各層部位ごとの温度状況が記憶されることになる。図７は誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電制御を説明するフローチャートである。

図７に示す通電制御は、熱硬化炉２００の炉内への中間生成品タンク１２のセット、並びに軸回りの回転が定速となると開始され、制御機器２３０は、誘導加熱コイル２２０に高周波電流生成電源２４０から高周波電流を通電し、これを継続する（ステップＳ１００）。次いで、制御機器２３０は、繊維強化樹脂層２０の外表面温度を温度センサー２４２（図５参照）から入力し（ステップＳ１１０）、その入力温度、即ち図６に示した繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）の温度とメモリーに記憶済みの図６の温度状況を参照して、最外層部位（層番号１）より内側の樹脂層部位（層番号２）の温度を演算する（ステップＳ１２０）。こうした温度演算の対象となる内側の樹脂層部位（層番号２）は、繊維強化樹脂層２０の層厚み方向における樹脂層部位（層番号１〜５）ごとに対応付けられた温度状況から、熱硬化の際に最大温度となる樹脂層部位として特定されることになる。

ステップＳ１２０での温度演算では、上記したような温度センサー２４２からの最外層部位（層番号１）の入力温度を用いることができるほか、誘導加熱コイル２２０への電流通電を開始してからの経過時間に基づいて最外層部位（層番号１）の温度を推定し、この推定温度を用いることもできる。また、図６に示した最外層部位（層番号１）とその内側の樹脂層部位（層番号２）の温度差ΔＴｍは、最外層部位の昇温状況に対応して加熱開始から求まるので、この温度差ΔＴｍを参照して演算することもできる。この他、最外層部位（層番号１）の温度を用いることなく、最外層部位（層番号１）より内側の樹脂層部位（層番号２）の温度を演算することもできる。つまり、図６の温度状況は、内側の樹脂層部位（層番号２）についての温度状況を含むので、通電開始後の経過時間により、内側の樹脂層部位（層番号２）の温度を演算してもよい。

次に、制御機器２３０は、上記演算した樹脂層部位（層番号２）の温度が既述した制御上限温度に達したか否かを判定し（ステップＳ１３０）、樹脂層部位（層番号２）の温度が制御上限温度に達するまでステップＳ１００から処理を繰り返す。一方、ステップＳ１３０にて、樹脂層部位（層番号２）の温度が制御上限温度に達すると、制御機器２３０は、誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電を停止すると共に、繊維強化樹脂層２０の冷却養生を図る（ステップＳ１４０）。これにより、繊維強化樹脂層２０が硬化済みの高圧水素タンク３０が得られる。

以上説明したように、本実施例では、熱硬化した繊維強化樹脂層２０にて補強を図った高圧水素タンク３０を製造するに当たり、繊維強化樹脂層２０の熱硬化性樹脂の熱硬化に際し、繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１：図６参照）より内側の樹脂層部位（層番号２）の温度を誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電を制御する際の制御上限温度に設定した。このため、誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱を行う場合に昇温が最も進む層番号２の樹脂層部位を制御上限温度を超えないように加熱（誘導加熱）することができる。これに対し、誘導加熱コイル２２０に最も近くて当該コイルによる高周波誘導加熱が最も進む最外層部位（層番号１）の温度が制御上限温度となるように誘導加熱コイル２２０への高周波電流の通電を制御上限温度に設定すれば、最外層部位（層番号１）より内側の樹脂層部位（層番号２）を制御上限温度より高い温度まで加熱してしまうことになる。そして、このように樹脂層部位（層番号２）が制御上限温度より高温となれば、当該部位の熱硬化性樹脂の粘度低下やこれに伴う染み出しが顕著となってしまい、高Ｖｆを招きかねない。ところが、本実施例の熱硬化炉２００によれば、延いては、この熱硬化炉２００を用いて中間生成品タンク１２から高圧水素タンク３０を製造する手法によれば、繊維強化樹脂層２０の各樹脂層部位が誘導加熱を受けて昇温する際に最大の温度となる内側の樹脂層部位（層番号２）の温度を制御上限温度とするので、Ｖｆについては、この上限温度に対応した範囲に留めることができ、Ｖｆのバラツキを抑制できる。そして、繊維強化樹脂層２０の熱硬化の際のＶｆのバラツキが抑制されることから、得られた高圧水素タンク３０にあっては、実用に耐え得る高いタンク強度や耐久性を有するタンクとなる。

また、本実施例のタンク製造手法では、予め繊維強化樹脂層２０の各樹脂層部位（層番号１〜５）が誘導加熱コイル２２０による誘導加熱を受けて昇温する際の昇温状況を各樹脂層部位ごとに予め対応付けて、その対応関係（図６のグラフ参照）を記憶する。そして、高周波誘導加熱が最も進む最外層部位（層番号１）について検出した温度と記憶済みの昇温状況とを参照しつつ、昇温が最も進む層番号２の樹脂層部位を制御上限温度を超えないように加熱（誘導加熱）するので、Ｖｆのバラツキが抑制された高圧水素タンク３０を容易、且つ確実に製造できる。

次に、熱硬化炉２００の変形例について説明する。図８は変形例の熱硬化炉２００の概略構成を示しつつ繊維強化樹脂層２０の各樹脂層部位の温度分布の様子を示す説明図である。

この変形例の熱硬化炉２００は、繊維強化樹脂層２０を誘導加熱する誘導加熱コイル２２０に加え、冷却機構を有する。この冷却機構は、繊維強化樹脂層２０の外表側の最外層部位を冷却する構成を備え、例えば、冷風吹出ノズルを最外層部位に対向配置したり、冷却水等の冷媒の循環配管を最外層部位の表面近くに配設等して構成される。そして、この冷却機構は、繊維強化樹脂層２０の外表側の最外層部位を冷却して当該層部位からの放熱を図る。この場合、繊維強化樹脂層２０は、既述したように誘導加熱コイル２２０による高周波誘導加熱を受けていることから、この変形例では、繊維強化樹脂層２０の外表側の最外層部位からの放熱を図りつつ誘導加熱コイル２２０にて繊維強化樹脂層２０を誘導加熱することになる。そして、この変形例によれば、図８に示すように、最外層部位からの放熱を通して繊維強化樹脂層２０の厚み方向での温度分布のバラツキを抑制できるので、Ｖｆのバラツキを高い実効性で抑制できる。しかも、繊維強化樹脂層２０の熱硬化の際の温度分布のバラツキ抑制により、樹脂の硬化収縮もばらつかないようにできることから、硬化収縮のバラツキに基づくクラックの発生も抑制できる。よって、得られた高圧水素タンク３０は、高いタンク強度と耐久性を備えたものとなる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、上記の実施例では、高圧ガスタンクは、高圧水素タンク３０であるものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、天然ガス等、他の高圧ガスを貯蔵する高圧ガスタンクとしてもよい。

また、上記の実施例では、誘導加熱コイル２２０への通電停止を含む通電制御を行うに当たり（ステップＳ１４０）、記憶済みの温度状況（図６）の参照を経て最大温度となる内側の樹脂層部位（層番号２）の温度を演算したが、これに限らない。例えば、温度センサー２４２から得た繊維強化樹脂層２０の外表面温度、即ち繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）の温度を、最大温度となる内側の樹脂層部位（層番号２）の温度に代用することもできる。これは、繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）の温度は、記憶済みの温度状況（図６）に倣って内側の樹脂層部位（層番号２）の温度に対応するので、繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）の温度を、最大温度となる内側の樹脂層部位（層番号２）の温度に代用し、この代用温度（最外層部位（層番号１）の温度）に基づいて、ステップＳ１４０の誘導加熱コイル２２０への通電停止を行うようにすることもできる。具体的には、温度センサー２４２から得た繊維強化樹脂層２０の最外層部位（層番号１）の温度が、既述した制御上限温度より所定の温度差（図６のΔＴｍ）だけ低い温度となると、ステップＳ１４０の誘導加熱コイル２２０への通電停止を行う。こうしても、最大温度となる内側の樹脂層部位（層番号２）については、その温度を制御上限温度を超えないようにでき、既述した効果を奏することができる。

１０…ライナー
１０ａ…シリンダー部
１０ｂ…ドーム部
１２…中間生成品タンク
１４…口金
２０…繊維強化樹脂層
３０…高圧水素タンク
１００…ＦＷ装置
１１０…クリールスタンド
１１２…ボビン
１１４…固定滑車
１２０…経路部
１３０…巻取部
１３２…アイクチガイド
１３４…回転駆動装置
１５０…制御部
２００…熱硬化炉
２１２…タンク軸支シャフト
２２０…誘導加熱コイル
２３０…制御機器
２４０…高周波電流生成電源
２４２…温度センサー
Ｗ…樹脂含浸カーボン繊維
ＡＸ…タンク中心軸

Claims (4)

1. 高圧ガスタンクの製造方法であって、
   タンク容器となる中空のライナーの外周に、熱硬化性樹脂を含浸した繊維を巻回して形成された繊維強化樹脂層を有するタンク中間生成品を準備する工程（ａ）と、
   前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて前記タンク中間生成品の前記繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化させる工程（ｂ）とを備え、
   前記工程（ｂ）では、
   前記誘導加熱を受けて昇温する前記繊維強化樹脂層の層厚み方向における樹脂層部位についての温度分布の存在を前提に、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御するに当たり、前記層厚み方向における樹脂層部位のうちで最大の温度となる最大温度樹脂層部位の温度が、前記熱硬化性樹脂の性状を含む条件で定まる加熱上限温度を超えないように、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御すると共に、
   前記誘導加熱を受けて前記繊維強化樹脂層が昇温する際の昇温状況を前記層厚み方向における樹脂層部位ごとに対応付けた対応関係に基づいて、前記最大温度樹脂層部位を前記繊維強化樹脂層の外表側の最外層部位より内側の樹脂層部位とし、
   前記誘導加熱を受けて前記繊維強化樹脂層が昇温する際に、前記対応関係を用いて前記内側の樹脂層部位の温度を求め、該求めた前記内側の樹脂層部位の温度に応じて前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する
   高圧ガスタンクの製造方法。
2. 前記工程（ｂ）では、前記誘導加熱を受けて前記繊維強化樹脂層が昇温する際に、前記内側の樹脂層部位の温度と前記対応関係に倣って対応する他の樹脂層部位の温度を求め、該求めた前記他の樹脂層部位の温度を前記内側の樹脂層部位の温度に代用して前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する請求項１に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
3. 前記工程（ｂ）では、前記繊維強化樹脂層の外表側の最外層部位からの放熱を図りつつ前記誘導加熱コイルにて前記繊維強化樹脂層を誘導加熱する請求項１または請求項２に記載の高圧ガスタンクの製造方法。
4. タンク容器となる中空のライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸して熱硬化した繊維強化樹脂層を有する高圧ガスタンクの製造に用いる装置であって、
   熱硬化前の前記熱硬化性樹脂を含浸した繊維を前記ライナーの外周に巻回して前記繊維強化樹脂層を形成し、タンク中間生成品を得る繊維巻回手段と、
   前記タンク中間生成品をタンク軸回りに回転させつつ、高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルを用いて前記回転する前記タンク中間生成品の前記繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化させる熱硬化手段とを備え、
   前記熱硬化手段は、
   前記誘導加熱を受けて前記繊維強化樹脂層が昇温する際の昇温状況を前記繊維強化樹脂層の層厚み方向における樹脂層部位ごとに対応付けた対応関係を記憶する記憶部と、
   前記繊維強化樹脂層が昇温する際に前記樹脂層部位のうちで最大の温度となる最大温度樹脂層部位を前記対応関係に基づいて定め、該定めた前記最大温度樹脂層部位の温度が、前記熱硬化性樹脂の性状を含む条件で定まる加熱上限温度を超えないように、前記誘導加熱コイルへの高周波電流の通電を制御する制御部とを有する
   高圧ガスタンクの製造装置。

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