JP6439655B2

JP6439655B2 - ガスタンク部材の製造方法

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Publication number: JP6439655B2
Application number: JP2015216543A
Authority: JP
Inventors: 佳位山本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2018-12-19
Anticipated expiration: 2035-11-04
Also published as: JP2017089674A

Description

本発明は、ガスタンク部材及びガスタンク部材の製造方法に関する。

水素などのガスを高圧で収納するガスタンクとして、略円筒形のライナーと、ライナーの両端に設けられた口金とライナーの周囲を覆う補強層とを有するガスタンクが利用される。例えば、口金はアルミニウムで形成され、補強層は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で形成される。しかし、かかる場合、アルミニウムがマイナス極、ＣＦＲＰ層中のカーボンがプラス極の電池を形成し、マイナス極のアルミニウムの口金が腐食するおそれがある。特許文献１には、口金の耐久性、耐食性、特に耐電食性を向上させるために、口金のＣＦＲＰ層と接触する部分の表面にアルマイト処理をすることが開示されている。

特開２００８−１４４９４３号公報

アルマイト処理は、例えばシュウ酸の溶液中でアルミニウムを陽極酸化して表面に酸化アルミニウムの皮膜（「アルマイト処理皮膜」と呼ぶ）を形成する処理である。アルマイト処理により形成されたアルマイト処理皮膜は、微細な孔（ポーラス）を有する。したがって、アルマイト処理皮膜を形成した後、孔を封じる封孔処理が行われる。しかし、本願の発明者は、樹脂製のライナーとの接触する領域のアルマイト処理皮膜を封孔処理した場合、口金と樹脂製のライナーとの接触面に隙間が生じガスがリークする場合があることを見出した。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、ライナー部材と口金とを有するガスタンク部材の製造方法が提供される。この製造方法は、アルミニウム製の口金の表面をアルマイト処理することによってアルマイト処理皮膜を形成する工程と、前記アルマイト処理皮膜の表面のうち、前記ライナー部材が接することが予定されているマスク領域にマスクをする工程と、前記アルマイト処理皮膜のうちの前記マスク領域以外の非マスク領域の少なくとも一部に封孔処理を行う工程と、前記マスクを除去する工程と、前記口金をインサート部品とするインサート成形により樹脂製のライナー部材を形成することによって、前記マスク領域における前記アルマイト処理皮膜の孔に樹脂を充填させる工程と、を備える。
この形態によれば、口金のアルマイト処理皮膜が有する孔にライナーを構成する樹脂が充填されるので、アンカー効果により、口金とライナー部材とが強固に接着し、口金とライナー部材との間に隙間が発生せず、ガスがリークすることを抑制することができる。

（２）本発明の他の形態によれば、ガスタンク部材が提供される。このガスタンク部材は、樹脂製のライナー部材と、前記ライナー部材に取り付けられたアルミニウム製の口金と、を備え、前記口金は、アルマイト処理皮膜を有し、前記アルマイト処理皮膜は、前記アルマイト処理皮膜の孔がアルミナ水和物で埋められているアルミナ水和物層を有する封孔処理領域と、前記アルミナ水和物層を有せず、前記アルマイト処理皮膜の孔が前記ライナー部材の樹脂で埋められた樹脂充填層を有する樹脂充填領域と、を有する。
この形態によれば、ライナー部材を構成する樹脂が口金のアルマイト処理皮膜が有する孔を埋めているので、アンカー効果により、口金とライナー部材とが強固に接着し、口金とライナーとの間に隙間が発生せず、ガスがリークすることを抑制することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスタンク部材の製造方法、ガスタンク部材の他、ガスタンクの製造方法、ガスタンクの形態で実現することができる。

本発明の一実施形態において製造されるタンクの外観を示す説明図。ガスタンクの断面を示す説明図。ガスタンクの製造工程を示すフローチャート。アルマイト処理の例を示す説明図。陽極酸化後の口金の断面図。アルマイト処理皮膜を拡大して示す断面図。アルマイト処理皮膜を拡大して示す平面図。マスクが形成された口金の断面図。マスクが形成された口金の上面図。アルミナ水和物層を有するアルマイト処理皮膜を拡大して示す断面図。インサート成形以後のタンクの製造工程を示す説明図。ガスタンクの口金近傍の断面図。口金のフランジの裏面側領域のアルマイト処理皮膜を拡大して示す断面図。変形例のマスクが形成された口金の断面図。変形例のマスクが形成された口金の底面図。

図１は、本発明の一実施形態において製造されるガスタンク１０の外観を示す説明図である。図２は、ガスタンク１０の断面を示す説明図である。ガスタンク１０は、第１の口金１００ａと第２の口金１００ｂと、外筒２００と、樹脂製のライナー３００とを備える。第１の口金１００ａと第２の口金１００ｂとは、アルミニウムで形成されている。第１の口金１００ａと第２の口金１００ｂとの違いは、第１の口金１００ａは、ガスタンク１０へのガスの充填、あるいは、ガスタンク１０からのガスの充填、放出のための貫通孔を備えているが、第２の口金１００ｂは、貫通孔を備えていない点である。但し、第２の口金１００ｂについても、貫通孔を備えていてもよい。第１の口金１００ａと第２の口金１００ｂは、これらを区別しない場合には、「口金１００」と総称する。

ライナー３００は、ガスタンク１０内部を密閉するための内殻である。ライナー３００の中央部は略円筒形を有しており、ライナー３００の端部はドーム形状あるいは半球形状（以下「ドーム形状」と呼ぶ。）を有している。ライナー３００の略円筒形をした部分を「円筒部」とも呼ぶここで、ライナー３００は、２つのライナー部材３００ａ、３００ｂを接合することにより形成されている。第１のライナー部材３００ａのドーム形状をした端部には、第１の口金１００ａが取り付けられ、第２のライナー部材３００ｂのドーム形状をした端部には、第２の口金１００ｂが取り付けられている。第１の口金１００ａが取り付けられた第１のライナー部材３００ａを「第１のガスタンク部材３０１ａ」と呼び、第２の口金１００ｂが取り付けられた第２のライナー部材３００ｂを「第２のガスタンク部材３０１ｂ」と呼ぶ。ライナー３００は、例えば、ナイロン、エチレンビニルアルコール共重合体（ＥＶＯＨ）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等の熱可塑性を有する樹脂で構成されている。

外筒２００は、ガスタンク１０を補強する補強層であり、ライナー３００の外側に形成され、ガスタンク１０の耐圧殻として働く。外筒２００の材料として、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いることが可能である。ライナー３００の端部と外筒２００の端部は、口金１００に密着し、口金１００とライナー３００との接合部からのガスのリークを抑制している。なお、図１においては、外筒２００によりライナー３００が覆い隠されている。

図３は、ガスタンク１０の製造工程を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、口金１００ａ，１００ｂにアルマイト処理皮膜を形成する。アルマイト処理皮膜の形成は、陽極酸化により行うことができる。陽極酸化によりアルミニウムの表面に酸化皮膜を形成する処理を「アルマイト処理」と呼び、アルマイト処理により形成されたアルミニウムの酸化皮膜を「アルマイト処理皮膜」と呼ぶ。陽極酸化における反応式は以下の通りである。
陽極：２Ａｌ＋３Ｈ_２Ｏ → ６ｅ⁻＋Ａｌ_２Ｏ_３＋６Ｈ^＋
陰極：６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２

図４は、アルマイト処理の例を示す説明図である。アルマイト処理漕４０は、浴槽４００と、処理液４１０と、陽極としての口金１００と、負極４２０と、直流電源４３０とを備える。処理液４１０として、希硫酸またはシュウ酸の溶液を用いることが出来る。口金１００の内側は、処理液４１０が浸入しないように、閉塞部材１４０により封じることが好ましい。閉塞部材１４０は、例えば樹脂により形成される。負極４２０として、鉛やカーボンを用いることが出来る。直流電源４３０の電圧は、濃度にもよるが、例えば、処理液４１０が希硫酸の場合、１５〜３０Ｖ程度であり、シュウ酸の場合、２０〜６０Ｖ程度である。

図５は、陽極酸化後の口金１００の断面図である。口金１００は、フランジ１０２と、首部１０４と、貫通孔１０６を備える。口金１００のフランジ１０２及び首部１０４の表面にアルマイト処理皮膜１１０が形成される。図５では、アルマイト処理皮膜１１０を破線で示している。なお、本実施形態では、貫通孔１０６の内側表面には、アルマイト処理皮膜１１０は形成されていない。ただし、貫通孔１０６の内側表面にアルマイト処理皮膜１１０を形成しても良い。

図６は、アルマイト層を拡大して示す断面図である。図７は、アルマイト層を拡大して示す平面図である。アルマイト処理皮膜１１０は、バリア層１１２とポーラス層１１４（「多孔質層１１４」とも呼ぶ）とを備える。ポーラス層１１４は、六角柱構造１１５の集合体の構造を有しており、各六角柱構造１１５は、バリア層１１２近傍まで達する微細な孔１１６（「ポーラス１１６」とも呼ぶ）を有する。孔１１６の直径は、おおよそ数μｍから数十μｍの大きさである。

図３のステップＳ１１０では、アルマイト処理皮膜１１０のうち封孔処理を行わない領域にマスク１２０を形成する。図８は、マスク１２０が形成された口金１００の断面図である。図９は、マスク１２０が形成された口金１００の上面図である。マスク１２０は、口金１００のフランジ１０２の首部１０４と反対側である裏面側領域１２２（「マスク領域Ａ」と呼ぶ）と、首部１０４と同じ側である表面側領域１２４（「マスク領域Ｂ」と呼ぶ）に形成されており、首部１０４の表面側領域１２６（「非マスク領域Ｃ」と呼ぶ），１２８（「非マスク領域Ｄ」と呼ぶ）には形成されない。マスク領域Ａ、Ｂは、アルマイト処理皮膜１１０の表面のうち、ライナー部材３００ａ、３００ｂと接することが予定されている領域の少なくとも一部の領域に相当する。非マスク領域Ｃと非マスク領域Ｄは、後述する補強層を形成したときに、補強層と接する領域が非マスク領域Ｃであり、補強層と接しない領域が非マスク領域Ｄである点が異なる。

図３のステップＳ１２０では、アルマイト処理皮膜１１０のうちマスク領域Ａ、Ｂ以外の非マスク領域Ｃ、Ｄに封孔処理を実行する。アルミニウムに対して陽極酸化によりアルマイト層を形成した場合、上述したように、微細な孔１１６を有するポーラス層１１４が形成される。封孔処理とは、ポーラス層１１４の微細な孔１１６を封じる処理である。具体的には、アルマイト処理皮膜１１０を沸騰水、酢酸ニッケルの高温水溶液、あるいは、高温の水蒸気を用いて処理することにより、アルミナ水和物を形成させる。この封孔処理により、アルマイト層の酸化アルミニウムの一部は、アルミナ一水和物（ベーマライト、Ａｌ_２Ｏ_３・Ｈ_２０）、あるいはアルミナ三水和物（バイヤーライト、Ａｌ_２Ｏ_３・３Ｈ_２０）となり、微細な孔１１６が封じられる。このようなアルミナ水和物層を有する領域を「封孔処理領域」と呼ぶ。なお、非マスク領域Ｄについては、沸騰水、酢酸ニッケルの高温水溶液、あるいは、高温の水蒸気を当てないことにより、封孔処理を行わないようにしても良い。ステップＳ１３０では、マスク１２０を除去する。

図１０は、アルミナ水和物層１１８を有するアルマイト層１１０を拡大して示す断面図である。アルミナ水和物層１１８は、アルマイト処理皮膜１１０を覆うと共に、微細な孔１１６を封じるように形成されていることがわかる。

図１１は、インサート成形以後のガスタンク１０の製造工程を示す説明図である。図３のステップＳ１４０では、インサート成形により、口金１００を有するガスタンク部材３０１ａ、３０１ｂを形成する。この具体的な工程は、図１１の工程（Ａ）に示す。この工程では、アルマイト処理及び封孔処理がされマスク１２０が除去されている口金１００ａ，１００ｂを準備する。これらの口金１００ａ，１００ｂをインサート部品としてそれぞれ金型（図示せず）に装着し、樹脂を射出成形して、第１の口金１００ａを有する第１のガスタンク部材３０１ａと、第２の口金１００ｂを有する第２のガスタンク部材３０１ｂとを形成する。樹脂は、例えば、熱可塑性樹脂のナイロンやポリエチレンである。

図３のステップＳ１５０では、２つのガスタンク部材３０１ａ、３０１ｂを接合する。この具体的な工程は、図１１の工程（Ｂ）に示す。この工程では、第１のガスタンク部材３０１ａのライナー部材３００ａの端部と、第２のガスタンク部材３０１ｂのライナー部材３００ｂの端部とを合わせ、例えばレーザトーチを用いてレーザを２つのライナー部材３００ａ、３００ｂの接合部に照射する。これにより、２つのライナー部材３００ａ、３００ｂの接合部の樹脂を加熱して、２つのライナー部材３００ａ、３００ｂを溶着させる。なお、この場合、一方の第１のライナー部材３００ａがレーザ吸収性の樹脂、他方の第２のライナー部材３００ｂがレーザ透過性の樹脂により形成されていることが好ましい。これにより、２つのライナー部材３００ａ、３００ｂの溶着が容易となる。さらに、この場合、２つのライナー部材３００ａ、３００ｂの樹脂材料を同じにして、一方の第１のライナー部材３００ａの樹脂材料に顔料を添加することにより、レーザ吸収性を持たせることが好ましい。２つのライナー部材３００ａ、３００ｂの材料が同じであれば、２つのライナー部材３００ａ、３００ｂの間に、強度の差が生じないからである。なお、顔料としては、例えば、カーボンブラックや酸化第一鉄（ＦｅＯ）を用いることが可能である。

図３のステップＳ１６０では、補強層２００（外筒２００）を形成する。この具体的な工程は、図１１の工程（Ｃ）に示す。この工程では、樹脂を含浸させた繊維をライナー３００に巻き付ける。樹脂を強化する繊維として、炭素繊維、アラミド繊維（例えば、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維（ケブラー繊維、ケブラーは登録商標）など）を用いることが可能である。なお、樹脂を強化する繊維としてガラス繊維を用いても良い。また、繊維により強化される樹脂として、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性の樹脂を用いることが可能である。なお、強化繊維の巻き付けのパターンにより外筒２００の引っ張り強さなどの機械的性質を調整することが可能である。その後、ライナー３００に巻き付けた樹脂を含浸させた繊維の樹脂を加熱硬化させることにより、外筒２００を形成する。

図１２は、ガスタンク１０の口金１００近傍の断面図である。図１３は、口金１００のフランジ１０２の裏面側領域１２２（図８のマスク領域Ａ）のアルマイト処理皮膜１１０を拡大して示す断面図である。ライナー部材３００ａと接する裏面側領域１２２には、アルマイト処理皮膜１１０が形成されているが、アルミナ水和物層１１８（図１０）は形成されていない。アルマイト処理皮膜１１０には、ポーラス層１１４があり、微細な孔１１６がある。この微細な孔１１６には、インサート成形時に、ライナー部材３００ａを形成する樹脂が侵入する。その結果、孔１１６は、樹脂により埋められ、ポーラス層１１４の表面に、樹脂が充填された樹脂充填層１１３が形成される。なお、このような樹脂が充填された領域を「樹脂充填領域」と呼ぶ。樹脂充填領域では、アンカー効果により、口金１００と、樹脂製のライナー部材３００ａとの接着が強固となる。これに対し、仮にライナー部材３００ａと接する裏面側領域１２２についても、封孔処理を行うと、孔１１６は、アルミナ水和物１１８（図１０）により封じられてしまうので、ライナー部材３００ａを形成する樹脂が孔１１６に侵入することもない。その結果、封孔処理領域では、アンカー効果が得られない。すなわち、ライナー部材３００ａと接する裏面側領域１２２に、アルマイト処理皮膜１１０のみを形成し、アルミナ水和物層１１８（図１０）を形成しないことにより、インサート成形時に、ライナー部材３００ａを形成する樹脂を孔１１６に充填して樹脂充填層１１３を形成することができる。その結果、アンカー効果により口金１００と、樹脂製のライナー部材３００ａとの接着を強固にし、口金１００と、樹脂製のライナー部材３００ａとの間に隙間が発生することを抑制し、ライナー３００の内部に充填したガスのリークを抑制できる。ライナー部材３００ａと接する表面側領域１２４（図８のマスク領域Ｂ）についても同様である。

以上、本実施形態によれば、口金１００のアルマイト処理皮膜１１０の表面のうち、ライナー部材３００ａ、３００ｂと接することが予定されているマスク領域Ａ、Ｂにおけるアルマイト処理皮膜１１０の孔１１６にライナー３００を形成する樹脂を充填させるので、アンカー効果により、口金１００とライナー３００とが強固に接着し、口金１００とライナー３００との間に隙間が発生せず、ガスがリークすることを抑制することができる。

図１４は、変形例のマスク１２０ａ、１２０ｂが形成された口金の断面図である。図１５は、変形例のマスク１２０が形成された口金の底面図である。図８では、フランジ１０２の裏面側領域１２２及び表面側領域１２４にわたってマスク１２０が形成されており、この裏面側領域１２２及び表面側領域１２４は、フランジ１０２のほぼ全部の領域である。これに対し、図１４、図１５に示すマスク１２０ａ、１２０ｂは、口金１００のフランジ１０２の一部の裏面側領域１２３（「領域Ｅ」と呼ぶ。）と一部の表面側領域１２５（「領域Ｆ」と呼ぶ）にのみ形成されている。これらのマスク１２０ａ、１２０ｂは、途切れの無いリング状の形状とすることが好ましい。マスク１２０ａ、１２０ｂを一部の領域にのみ形成することによっても、その一部の領域では、ガスタンク部材３０１ａのインサート成形時にアルマイト処理皮膜１１０の微細な孔１１６にライナー部材３００ａを形成する樹脂が侵入するので、アンカー効果により、口金１００と、樹脂製のライナー部材３００ａとの接着を強固とし、口金１００と、その結果、樹脂製のライナー部材３００ａとの間に隙間が発生することを抑制できる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…ガスタンク
４０…アルマイト処理漕
１００，１００ａ，１００ｂ…口金
１０２…フランジ
１０４…首部
１０６…貫通孔
１１０…アルマイト処理皮膜
１１２…バリア層
１１３…樹脂充填層
１１４…ポーラス層
１１５…六角柱構造
１１６…孔
１１８…アルミナ水和物層
１２０、１３０ａ、１２０ｂ…マスク
１２２，１２３…裏面側領域
１２４，１２５，１２６，１２８…表面側領域
１４０…閉塞部材
２００…補強層（外筒）
３００…ライナー
３００ａ，３００ｂ…ライナー部材
３０１ａ、３０１ｂ…ガスタンク部材
４００…浴槽
４１０…処理液
４２０…負極
４３０…直流電源

Claims

ライナー部材と口金とを有するガスタンク部材の製造方法であって、
アルミニウム製の口金の表面をアルマイト処理することによってアルマイト処理皮膜を形成する工程と、
前記アルマイト処理皮膜の表面のうち、前記ライナー部材が接することが予定されているマスク領域にマスクをする工程と、
前記アルマイト処理皮膜のうちの前記マスク領域以外の非マスク領域の少なくとも一部に封孔処理を行う工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記口金をインサート部品とするインサート成形により樹脂製のライナー部材を形成することによって、前記マスク領域における前記アルマイト処理皮膜の孔に樹脂を充填させる工程と、
を備える、ガスタンク部材の製造方法。