JP6199552B2 - 高圧ガスタンクの検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、タンクライナの外周に繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの検査方法に関する。

例えば燃料電池自動車や水素自動車に搭載される水素ガスタンク等、高圧のガスが内部に充填される高圧ガスタンクには、内部の圧力に耐えるために十分な強度を有することが求められる。このような高圧ガスタンクとしては、樹脂等により形成されたタンクライナの外周に繊維強化樹脂層を形成したものが用いられている。

高圧ガスタンクが十分な強度を有するかどうかを検査する方法の一つとしては、製造された高圧ガスタンクの一部を抜き取って破壊検査を行うことが考えられる。このような破壊検査は、例えば高圧ガスタンクの内部気圧を上昇させて行き、高圧ガスタンクが破損した時点における内部気圧が所定の閾値よりも大きいか否かに基づいて合否判定を行うものである。

また、下記特許文献１には、高圧ガスタンクの内部を高圧とした状態で、繊維強化樹脂層の損傷に基づく応力変化をピエゾ素子で検出するという検査方法が記載されている。

特開２００６−２７５２２３号公報

製造された高圧ガスタンクの一部を抜き取って破壊検査を行う場合には、全ての高圧ガスタンクが十分な強度を有することを保証することができない。また、上記特許文献１に記載されているような検査方法では、ピエゾ素子の設置個所によっては繊維強化樹脂層の損傷を検知することができない場合がある。

また、繊維強化樹脂層のガス透過度が低すぎると、タンクライナを透過したガスがタンクライナと繊維強化樹脂層との間に留まって高圧となり、当該ガスが繊維強化樹脂層の一部を破壊して外部に漏出し、破裂音が生じてしまうことがある。このため、繊維強化樹脂層は十分な強度を有することが求められる一方で、ある程度のガス透過度を有することも求められる。しかしながら、上記特許文献１に記載されているような検査方法では、繊維強化樹脂層のガス透過度が適切か否かについて判断することができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、繊維強化樹脂層の全体が十分な強度を有するかどうかを非破壊で検査することができ、繊維強化樹脂層のガス透過度が適切かどうかについても検査することができる高圧ガスタンクの検査方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る高圧ガスタンクの検査方法は、タンクライナの外周に繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの検査方法であって、前記高圧ガスタンクに検知ガスを封入するステップと、前記高圧ガスタンクから単位時間あたりに漏出する前記検知ガスの漏出量を測定するステップと、測定された前記漏出量に基づいて前記繊維強化樹脂層のガス透過度を算出するステップと、前記ガス透過度が所定範囲内にあるかどうかに基づいて合否を判定するステップと、を有することを特徴としている。

本発明に係る高圧ガスタンクの検査方法は、高圧ガスタンクに検知ガスを封入しておき、高圧ガスタンクから単位時間あたりに漏出する検知ガスの漏出量に基づいて、繊維強化樹脂層のガス透過度を算出する。算出されたガス透過度が所定範囲内にある場合には合格と判定する。換言すれば、繊維強化樹脂層のガス透過度が所定範囲の上限を上回った場合には、繊維強化樹脂層の強度が不十分であると推定されるために不合格と判定する。一方、所定範囲の下限を下回った場合には、破裂音が生じてしまう可能性があると推定されるため、やはり不合格と判定する。

本発明では、高圧ガスタンクから漏出する検知ガスの漏出量に基づいて繊維強化樹脂層のガス透過度を判定するため、高圧ガスタンクを破壊することなく、繊維強化樹脂層の全体について検査が行われる。

また、ガス透過度が所定範囲の上限を上回った場合に不合格と判定する他、所定範囲の下限を下回った場合にも不合格と判定する。すなわち、繊維強化樹脂層の全体の強度が不十分である場合のみならず、繊維強化樹脂層のガス透過度が低すぎて破裂音が生じてしまう可能性がある場合も不合格と判定する。このように、高圧ガスタンクの検査を従来よりも好適且つ確実に行うことができる。

本発明によれば、繊維強化樹脂層の全体が十分な強度を有するかどうかを非破壊で検査することができ、繊維強化樹脂層のガス透過度が適切かどうかについても検査することができる高圧ガスタンクの検査方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る検査方法の検査対象である高圧ガスタンクの構造を示す断面図である。 図１に示した高圧ガスタンクの内外における圧力分布を示すグラフである。 図１に示した高圧ガスタンクを検査装置にセットした状態を模式的に示す図である。 繊維強化樹脂層のガス透過度と、繊維強化樹脂層の亀裂量との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る検査方法の検査対象である高圧ガスタンクの構造を示す断面図である。図１に示したように、高圧ガスタンク１は、タンクライナ２と、繊維強化樹脂層３と、口金６とを備えている。

タンクライナ２は、高圧ガスタンク１のうち最も内側に配置されるものであって、高圧の水素ガスをその内部に保持できるように筒状を成す樹脂性の部材である。タンクライナ２の長手方向における一端部には口金６が取り付けられており、他端部は閉じられている。

口金６は、タンクライナ２の長手方向の一端部に取り付けられた略円筒形状の金属部品であって、タンクライナ２の開口部に嵌入されている。口金６は、高圧ガスタンク１内の水素ガスをタンク外に供給する際において、外部のガス供給ラインとの接続を行うために使用される。

繊維強化樹脂層３は、タンクライナ２の外周に繊維を巻きつけることによって形成される層である。具体的には、タンクライナ２の外周全体にカーボン繊維を巻き付けた後、当該カーボン繊維をエポキシ樹脂によりバインドすることで形成される層であり、所謂ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｒａｓｔｉｃｓ）と称されるものである。このような繊維強化樹脂層３をタンクライナ２の外側に形成することで、充填した高圧の水素ガスの圧力に対する高圧ガスタンク１の強度を向上させている。

本実施形態に係る高圧ガスタンクの検査方法は、上記のような高圧ガスタンク１において繊維強化樹脂層３が十分な強度を有するかどうかを検査するものである。同時に、繊維強化樹脂層３のガス透過度が適切か否かを検査するものである。尚、ガス透過度については以下で詳しく説明する。

本実施形態に係る検査方法の説明に先立って、タンクライナ２及び繊維強化樹脂層３のガス透過度について図２を参照しながら説明する。図２は、高圧ガスタンク１の内外における圧力分布を示すグラフである。図２に示したグラフの横軸は、高圧ガスタンク１の内外における位置を、高圧ガスタンク１の中心軸（タンクライナ２の長手方向に沿った中心軸）からの距離により示している。位置Ｘ１はタンクライナ２の内周面の位置であり、位置Ｘ２はタンクライナ２の外周面の位置である（位置Ｘ２は、タンクライナ２と繊維強化樹脂層３の境界部分の位置であるともいえる）。また、位置Ｘ３は繊維強化樹脂層３の外周面の位置である。図２に示したグラフの縦軸は、それぞれの位置における気体の圧力を示している。

図２に示したように、位置Ｘ１よりも内側の部分（図２では左側の部分）はタンクライナ２の内側の空間であるから、当該部分の圧力は充填されたガスの圧力（Ｐ_TANK）となっている。また、位置Ｘ３よりも外側の部分（図２では右側の部分）は高圧ガスタンク１の外側の空間であるから、当該部分の圧力は大気圧（Ｐ_ATM）となっている。

タンクライナ２の内部に充填された高圧のガスは、内外の圧力差に起因して、タンクライナ２を構成する樹脂の内部を透過して外部（位置Ｘ２）に漏出する。単位時間当たりの当該漏出量は微量ではあるが、当該漏出に伴って位置Ｘ２におけるガスの圧力（Ｐ_C）は時間の経過とともに上昇する。

同様に、位置Ｘ２における気体の圧力（Ｐ_C）と位置Ｘ３における気体の圧力（Ｐ_ATM）との差に起因して、高圧ガスタンク１に充填されたガスは繊維強化樹脂層３の内部をも透過して外部（位置Ｘ３）に漏出する。このため、位置Ｘ２におけるガスの圧力（Ｐ_C）は時間の経過とともに一定の圧力に落ち着き、高圧ガスタンク１の内外における圧力分布は図２に示したような分布となる。

図２においては、グラフの傾きの絶対値の逆数が、当該部分におけるガス透過度（Ｇａｓ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｒａｔｅ）の大きさを示している。ガス透過度とは、単位面積、単位時間、及び単位分圧差当りのガスの透過量である。

図２から明らかなように、定常状態におけるＰ_Cは、タンクライナ２のガス透過度ＧＴＲ１が大きいほど（グラフの傾きが小さいほど）大きくなる。また、繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２が大きいほど（グラフの傾きが小さいほど）小さくなる。

仮に繊維強化樹脂層３の強度が低い場合には、繊維強化樹脂層３の亀裂量が多いため、繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２が大きくなってＰ_Cが小さくなる。逆に、繊維強化樹脂層３の強度が高い場合には、繊維強化樹脂層３の亀裂量が少ないため、繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２が小さくなってＰ_Cが大きくなる。

このため、繊維強化樹脂層３の強度を十分なものとすることだけを考慮すれば、繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２をできるだけ小さくし、結果としてＰ_Cが大きくする程望ましいようにも思われる。しかし、Ｐ_Cが大きくなり過ぎてしまうと、位置Ｘ２において高圧となったガスが繊維強化樹脂層３の一部を破壊して外部に漏出し、破裂音が生じてしまうことがある。また、それに伴って繊維強化樹脂層３が白濁してしまうことがある。従って、繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２はできるだけ小さくするのではなく、所定の上限値と下限値との間に収めることが望ましい。

図３を参照しながら、本実施形態に係る検査方法を行うための検査装置について説明する。図３は、検査対象である高圧ガスタンク１を検査装置１００にセットした状態を模式的に示す図である。図３に示したように、検査装置１００は、チャンバーＣＨと、リークディテクタＬＤと、ヘリウム充填装置ＨＦとを備えている。

チャンバーＣＨは、高圧ガスタンク１を内部に収納するための気密な容器である。チャンバーＣＨは、高圧ガスタンク１を出し入れするための図示しない開口部と、当該開口部を気密に塞いだ状態とする図示しない開閉機構を備えている。

リークディテクタＬＤは、気体を吸引して当該気体に含まれるヘリウムガスの量を測定する装置であって、図３に示したようにバルブＢ１を介してチャンバーＣＨの内部空間と接続されている。バルブＢ１を開いた状態においてリークディテクタＬＤによる測定を開始すると、リークディテクタＬＤはチャンバーＣＨの内部から気体を吸引する。リークディテクタＬＤは、吸引した気体に含まれるヘリウムガスの量に基づいて、単位時間当たりのヘリウムガスの漏出量をリアルタイムに表示する。

以上のような構成の検査装置１００を用いて、高圧ガスタンク１の検査を行う方法について説明する。まず、検査対象である高圧ガスタンク１をチャンバーＣＨの内部にセットする。具体的には、チャンバーＣＨの開口部から高圧ガスタンク１を投入し、チャンバーＣＨの内部空間に高圧ガスタンク１を設置する。このとき、高圧ガスタンク１の口金６に対して、バルブＢ２を介してヘリウム充填装置ＨＦを接続した状態としておく。また、バルブＢ１、Ｂ２はいずれも閉じた状態としておく。その後、チャンバーＣＨの開閉機構を操作し、開口部を気密に塞いだ状態とする。

続いて、バルブＢ２を開いた状態でヘリウム充填装置ＨＦを動作させることにより、高圧ガスタンク１の内部にヘリウムガスを充填し封入する。ヘリウムガスの充填は、高圧ガスタンク１の内部圧力が大気圧よりも高い所定の圧力となるまで行われる。ヘリウム充填装置ＨＦによるヘリウムガスの充填が完了すると、バルブＢ２を閉じる。

続いて、バルブＢ１を開いてリークディテクタＬＤによる気体の吸引を開始する。リークディテクタＬＤは、吸引した気体に含まれるヘリウムガスの量に基づいて、単位時間当たりのヘリウムガスの漏出量Ｑ_ALLをリアルタイムに表示する。この漏出量Ｑ_ALLは、高圧ガスタンク１の内部からタンクライナ２及び繊維強化樹脂層３の内部を透過し、チャンバーＣＨの内部空間に単位時間当たりに漏出したヘリウムガスの量である。

ヘリウム充填装置ＨＦと口金６とを接続する配管等にはＯリングが用いられている。当該Ｏリングを透過してチャンバーＣＨ内に漏出するヘリウムガスの量（単位時間当たりの漏出量）をＱOとし、タンクライナ２の外周部分における表面積をＳLとし、繊維強化樹脂層３の外周部分における表面積をＳCとし、タンクライナ２の厚さをＤLとし、繊維強化樹脂層３の厚さをＤCとすれば、漏出量ＱALLは、以下の２式で表すことができる。
Ｑ_ALL＝Ｑ_O＋ＧＴＲ１×Ｓ_L×（Ｐ_TANK−Ｐ_C）×１／Ｄ_L・・・（１）
ＧＴＲ１×Ｓ_L×（Ｐ_TANK−Ｐ_C）×１／Ｄ_L＝ＧＴＲ２×Ｓ_C×（Ｐ_C−Ｐ_ATM）×１／Ｄ_C・・・（２）

このうち、Ｐ_TANK、Ｐ_ATM、Ｓ_L、Ｓ_C、Ｄ_L、Ｄ_Cは既知の値である。また、ＧＴＲ１及びＱ_Oは繊維強化樹脂層３の状態によらない値であり、高圧ガスタンク１毎に異なるものではないため、事前の測定等により予め求めておくことができる。従って、リークディテクタＬＤが表示した漏出量Ｑ_ALLを上記の式（１）及び式（２）に代入し、これらを連立させて解けば、未知の値であるＧＴＲ２及びＰ_Cを算出することができる。

以上のように、本実施形態に係る高圧ガスタンクの検査方法によれば、高圧ガスタンク１から単位時間あたりに漏出するヘリウムガスの漏出量Ｑ_ALLを測定し、当該漏出量Ｑ_ALLに基づいて繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２を算出する。

図４は、繊維強化樹脂層３のガス透過度ＧＴＲ２と、繊維強化樹脂層３の亀裂量との関係を示すグラフである。図４に示したように、算出されたガス透過度ＧＴＲ２が大きいほど、繊維強化樹脂層３の亀裂量が多い、すなわち、繊維強化樹脂層３の強度が低い。

また、図４に示したＣ１は、繊維強化樹脂層３の亀裂量の許容下限値であって、亀裂量がこれを下回った場合には前述の破裂音や白濁が生じてしまう値である。図４に示したＣ２は、繊維強化樹脂層３の亀裂量の許容上限値であって、亀裂量がこれを上回った場合には繊維強化樹脂層３の強度が不十分なものとなってしまう値である。

図４に示した関係に基づいて、Ｃ１に対応するガス透過度ＧＴＲ２（ガス透過度ＧＴＲ２の下限値ＧＬ）と、Ｃ２に対応するガス透過度ＧＴＲ２（ガス透過度ＧＴＲ２の上限値ＧＵ）とを予め実験等により求めておく。

本実施形態においては、高圧ガスタンク１の使用時において充填されるガス（水素ガス）とは異なるガス（ヘリウムガス）を、検知ガスとして用いている。このため、検査に用いる上記下限値ＧＬ及び上限値ＧＵは、このようなガス種の違いを考慮して予め求めておく必要がある。

尚、検知ガスとして用いることができるのはヘリウムガスに限られず、水素ガスを用いてもよい。この場合には、ヘリウム充填装置に替えて水素充填装置を用いる必要がある。また、ヘリウムガス用のリークディテクタＬＤに替えて、水素ガス用のリークディテクタを用いる必要がある。

本実施形態に係る高圧ガスタンクの検査方法においては、漏出量Ｑ_ALLに基づいて算出されたガス透過度ＧＴＲ２が、予め求めておいた下限値ＧＬと上限値ＧＵとで定まる所定範囲内にあるかどうかを判断し、当該判断に基づいて高圧ガスタンク１の合否を判定する。すなわち、算出されたガス透過度ＧＴＲ２が下限値ＧＬよりも小さければ、破裂音や白濁が生じる可能性があるために不合格と判定する。ガス透過度ＧＴＲ２が上限値ＧＵよりも大きければ、繊維強化樹脂層３の強度が不十分であるために不合格と判定する。ガス透過度ＧＴＲ２が下限値ＧＬと上限値ＧＵとで定まる所定範囲内にあれば、合格と判定する。

ところで、高圧の水素ガスを封入する高圧ガスタンクには、水素ガスの漏出量が所定値以下であることを確認するための気密試験を行うことが法令で定められている。このような気密試験は、図３を参照しながら説明したものと同様の方法により検知ガス（ヘリウムガス）の漏出量Ｑ_ALLを測定し、当該漏出量Ｑ_ALLが所定の閾値よりも小さいかどうかを確認する試験である。

すなわち、本実施形態に係る高圧ガスタンクの検査方法は、法令で実施が定められている気密試験を行うことにより漏出量Ｑ_ALLを測定するのと同時に、ガス透過度ＧＴＲ２を算出してそれが適切な値であるか（下限値ＧＬと上限値ＧＵとで定まる所定範囲内にあるか）を確認することができる。換言すれば、充填されたガスの漏出量が所定値以下であることを確認するのと同時に、繊維強化樹脂層３の強度が適切か否かについても確認することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１：高圧ガスタンク
２：タンクライナ
３：繊維強化樹脂層
６：口金
１００：検査装置
Ｂ１，Ｂ２：バルブ
ＣＨ：チャンバー
ＨＦ：ヘリウム充填装置
ＬＤ：リークディテクタ

Claims (1)

1. タンクライナの外周に繊維強化樹脂層を形成してなる高圧ガスタンクの検査方法であって、
   前記高圧ガスタンクに検知ガスを封入するステップと、
   前記高圧ガスタンクから単位時間あたりに漏出する前記検知ガスの漏出量を、前記高圧ガスタンクの口金に接続されるＯリングを透過して外部に漏出する前記検知ガスの量と、前記タンクライナ及び前記繊維強化樹脂層を透過する前記検知ガスの量とに基づき測定するステップと、
   測定された前記漏出量に基づいて前記繊維強化樹脂層のガス透過度を算出するステップと、
   前記ガス透過度が所定範囲内にあるかどうかに基づいて合否を判定するステップと、を有し、
   前記検知ガスの漏出量Ｑ _ALL を、下記式（１）、（２）；
   Ｑ _ALL ＝Ｑ _O ＋ＧＴＲ１×Ｓ _L ×（Ｐ _TANK −Ｐ _C ）×１／Ｄ _L ・・・（１）
   ＧＴＲ１×Ｓ _L ×（Ｐ _TANK −Ｐ _C ）×１／Ｄ _L ＝ＧＴＲ２×Ｓ _C ×（Ｐ _C −Ｐ _ATM ）×１／Ｄ _C ・・・（２）
   Ｑ _O ：前記高圧ガスタンクの口金に接続されるＯリングを透過して外部に漏出するヘリウムガスの量、
   Ｓ _L ：前記タンクライナの外周部分における表面積、
   Ｓ _C ：前記繊維強化樹脂層の外周部分における表面積、
   Ｄ _L ：前記タンクライナの厚さ、
   Ｄ _C ：前記繊維強化樹脂層の厚さ、
   Ｐ _TANK ：前記タンクライナ内に充填されたガスの圧力、
   Ｐ _C ：前記タンクライナの外周面の位置におけるガスの圧力、
   Ｐ _ATM ：前記繊維強化樹脂層の外周面の位置における気体の圧力、
   ＧＴＲ１：前記タンクライナのガス透過度、
   ＧＴＲ２：前記繊維強化樹脂層のガス透過度、
   で表される関係に基づき測定することを特徴とする高圧ガスタンクの検査方法。

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