JP6984543B2

JP6984543B2 - 高圧タンクの製造方法

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Publication number: JP6984543B2
Application number: JP2018102611A
Authority: JP
Inventors: 優一永松; 雄三三浦; 大貴加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-05-29
Also published as: JP2019207004A

Description

本発明は、ライナーの表面に炭素繊維を複数層巻き付けることにより高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法に関する。

燃料電池自動車に搭載される水素タンクなどの高圧タンクは、安全性を確保するために高い耐圧強度等が求められている。このような高圧タンクの製造方法として、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）が知られている。具体的には、胴体部とドーム部とを有するライナーを回転させながら、熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維を該ライナーの表面（ライナーの外周ともいう）に繰り返し複数層巻き付けてタンク容器を作製し、その後に熱硬化性樹脂を熱硬化させる。これによって、ライナーの表面に硬い繊維強化樹脂層が形成され、高圧タンクの耐圧強度等が確保されている。

高圧タンクの耐圧強度は、炭素繊維がライナー表面の適切な位置に巻き付けられるか否かによって大きく左右されているため、炭素繊維の巻き付け位置の管理が重要になる。これに対し、炭素繊維の長手方向に沿って光を照射し、受光した反射光に対して光量の強弱を２値化して演算することにより、炭素繊維の巻き付け幅を測定する方法（下記特許文献１参照）が提案されている。そして、このような方法で測定した炭素繊維の巻き付け幅に基づき、炭素繊維の巻き付け位置を管理することが検討されている。

特開２００８−２０５２号公報

しかし、ライナーの両端部にあるドーム部が湾曲しており、上述の方法を利用してドーム部の表面に巻き付けられた炭素繊維を測定する場合、反射位置や繊維配向によって光強度が異なり、炭素繊維の巻き付け幅を正確に測定できない可能性がある。このため、巻き付け位置ずれ等に起因した不良品を後工程に流出する問題が生じている。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、炭素繊維の巻き付け位置を正確に測定し、不良品の流出を抑制することができる高圧タンクの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高圧タンクの製造方法は、胴体部とドーム部とを有するライナーの表面に炭素繊維を複数層巻き付けることにより高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、炭素繊維を巻き付ける前に、前記ドーム部の表面において前記ライナーの軸方向に沿う位置基準部材を前記ドーム部の周方向に所定の間隔で貼り付け、貼り付けられた前記位置基準部材を所定角度回転毎に撮像し、撮像された画像に基づいて前記ドーム部の表面の位相線を取得する位相線取得ステップと、炭素繊維を巻き付けながら、前記所定角度回転毎に巻き付けられた炭素繊維の偏光画像を取得する偏光画像取得ステップと、前記偏光画像取得ステップで取得された炭素繊維の偏光画像に基づいて炭素繊維を抽出し、抽出された炭素繊維と前記位相線取得ステップで取得された前記位相線との交点座標を求め、前記ドーム部の表面における３次元座標に変換する３次元座標変換ステップと、を含むことを特徴としている。

本発明に係る高圧タンクの製造方法では、炭素繊維を巻き付ける前にドーム部の表面の位相線を取得し、炭素繊維を巻き付けながら巻き付けられた炭素繊維の偏光画像を取得し、取得した位相線を基準として炭素繊維との交点座標を求め、更に交点座標をドーム部の表面における３次元座標に変換することで、ドーム部の表面に巻き付けられた炭素繊維の位置を正確に測定することができる。しかも、炭素繊維を巻き付けながら上述の測定を行うことができるので、巻き付け終了後に測定する場合と比べて、生産サイクルタイムを短縮でき、不良品の後工程への流出を抑制することができる。

本発明によれば、炭素繊維の巻き付け位置を正確に測定し、不良品の流出を抑制することができる。

高圧タンク製造装置の構成を示す模式図である。ライナーの構造を示す正面図である。ドット紙の貼り付け位置を示す模式図である。位相線の解析画像を示す図である。ドーム部形状データを用いた３次元座標の算出を説明するための図である。ライナーの３次元座標系を示す図である。（ａ）は結果画像のイメージであり、（ｂ）は炭素繊維の巻き付け幅及び巻き付け角度の算出を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明に係る高圧タンクの製造方法の実施形態について説明する。

図１は高圧タンク製造装置の構成を示す模式図であり、図２はライナーの構造を示す正面図である。本実施形態の高圧タンク１０は、例えば燃料電池車両に搭載され、内部に高圧水素を貯留するための貯留空間を有するライナー１１と、該ライナー１１の表面に密着する繊維強化樹脂層１２とを備えている。このような構造を有する高圧タンク１０の製造方法は、主に、ライナー１１を用意する第１工程と、ライナー１１の表面に繊維強化樹脂層１２を形成する第２工程と、繊維強化樹脂層１２を熱硬化させる第３工程とを含む。

第１工程では、ライナー１１が用意される。図２に示すように、ライナー１１は、略円筒状の胴体部１３と、胴体部１３の両端にそれぞれ設けられた略半球状のドーム部１４とを有する中空の容器である。各ドーム部１４の頂部はそれぞれ開口されており、その中には口金部１５が内挿されている。

ライナー１１は、例えば、ポリエチレンやナイロン等の樹脂部材を用いて回転・ブロー成形法によって形成されている。なお、ライナー１１は、樹脂部材に代えてアルミニウム等の軽金属によって形成されても良い。また、ライナー１１は、回転・ブロー成形法のような一体成形の製造方法に代えて、射出・押出成形等により複数に分割された部材を接合することにより形成されても良い。

第２工程では、ライナー１１の軸Ｓを中心として該ライナー１１を回転させながら、ライナー１１の表面に熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維１６を繰り返し複数層巻き付けることで繊維強化樹脂層１２が形成される。

炭素繊維１６は、一定の張力が付与された状態で、いわゆるフープ巻きやヘリカル巻き等の巻き方で胴体部１３及びドーム部１４の表面に密着に巻き付けられる。フープ巻きとは、ライナー１１の軸Ｓと炭素繊維１６の巻き付け方向とがなす角度が略垂直になるように、炭素繊維１６をライナー１１の周方向に巻く方法である。ここで、「略垂直」とは、９０度と、炭素繊維１６同士が重ならないように炭素繊維１６の巻き付け位置をずらすことによって生じ得る９０度前後の角度との両方を含むことを意味する。

一方、ヘリカル巻きとは、ライナー１１の軸Ｓと炭素繊維１６の巻き付け方向とがなす角度が所定の角度となるように、炭素繊維１６を螺旋状に巻く方法である。ここでの所定の角度は、任意に定めることができる。例えば、所定の角度を小さくすれば、炭素繊維１６が軸Ｓを一周する前に、ドーム部１４における炭素繊維１６の巻き付け方向の折り返しが生じる巻き付け方法（すなわち、低角度ヘリカル巻き）を実現できる。一方、所定の角度を大きくすれば、ドーム部１４における炭素繊維１６の巻き付け方向の折り返しが生じるまでに、胴体部１３において炭素繊維１６が軸Ｓを少なくとも一周する巻き付け方法（すなわち、高角度ヘリカル巻き）を実現できる。

図１に示す高圧タンク製造装置１は、第２工程に適用される装置であり、ライナー１１を回転駆動するための駆動モータ２と、パルス信号を生成するパルス分周器３と、偏光画像を取得するための偏光カメラ４と、各制御及び各解析を行うための制御解析部５と、ライナー１１に炭素繊維１６を供給するためのアイクチ６とを備えている。

駆動モータ２には、図示しない角度エンコーダが備え付けられている。該角度エンコーダのパルスは、パルス分周器３に出力される。パルス分周器３は、例えばライナー１１の所定角度θ（すなわち、回転角度であり、以下の説明では、該所定角度θを所定回転角度θと呼ぶ場合がある）回転毎に１パルスを出力するように構成されている。偏光カメラ４は、ライナー１１の軸Ｓの上方にドーム部１４に向けて取り付けられ、ドーム部１４からの反射光の偏光を取得する。この偏光カメラ４は、パルス分周器３から出力されたパルスをトリガーとし、所定角度θ回転毎に撮像するように構成されている。

制御解析部５は、例えば、制御及び解析を実行するためのＣＰＵ(Central processing unit)と、制御及び解析のプログラムを記録した二次記憶装置としてのＲＯＭ（Read only memory）と、一時記憶装置としてのＲＡＭ（Random access memory）とを組み合わせてなるマイクロコンピュータにより構成されている。アイクチ６は、例えばワイヤ駆動によってライナー１１の軸Ｓ方向に沿って進退できるように（図１の矢印Ｆ参照）形成されている。

本実施形態において、第２工程は、更に位相線取得ステップと、偏光画像取得ステップと、３次元座標変換ステップとを含む。この第２工程は、例えば炭素繊維１６各層毎に実施される。

位相線取得ステップでは、炭素繊維を巻き付ける前に、ドーム部１４の表面においてライナー１１の軸Ｓ方向に沿う位置基準部材をドーム部１４の周方向に所定の間隔で複数貼り付け、貼り付けられた位置基準部材を所定角度θ回転毎に撮像し、撮像した画像に基づいてドーム部１４の表面の位相線を取得する。以下、図３及び図４を参照して本ステップを詳細に説明する。なお、図３は、ドット紙の貼り付け位置を示す模式図であって、偏光カメラ４の取付位置（すなわちライナー１１の軸Ｓ上方）から見たドーム部１４の様子を示している。

例えばドーム部１４の表面に１層目の炭素繊維１６を巻き付ける前に、図３に示すように、まずドーム部１４表面の形状に沿って、軸Ｓの真上の位置に中央ドット紙２０を貼り付ける。続いて、ドーム部１４の周方向に沿って中央ドット紙２０から左側に３０度離れた位置に軸Ｓ方向に沿う左側ドット紙２１、中央ドット紙２０から右側に３０度離れた位置に軸Ｓ方向に沿う右側ドット紙２２をそれぞれ貼り付ける。これによって、左側ドット紙２１から右側ドット紙２２までの所定角度θは６０度になる。これらのドット紙は、例えば口金部１５から胴体部１３とドーム部１４との境界線１７にかけて延びている。

中央ドット紙２０、左側ドット紙２１及び右側ドット紙２２は、特許請求の範囲に記載の「位置基準部材」に相当するものであり、それぞれ細い幅を有する長尺状を呈し、隣接ドットの間隔は等間隔となっている。なお、本実施形態では、位置基準部材としてドット紙を用いるが、ドット紙のほか、長手方向に等間隔のパターンを有する部材、長手方向に規則性のパターンを有する部材を用いても良い。

次に、ライナー１１を時計回りに６０度ずつ回転し、上述のようにドット紙を順次に貼り付ける。そして、ライナー１１を一周すると、ドーム部１４には１２本のドット紙が３０度の間隔で貼り付けられる。

次に、ライナー１１を所定角度θ（すなわち６０度）ずつ回転しながら、貼り付けられたドット紙を偏光カメラ４で撮像し、各ドット紙の偏光画像を取得する。続いて、制御解析部５は、取得されたドット紙の偏光画像に基づいて、ドーム部１４の位相を示す位相線（図４中の破線参照）を取得する。図４の中央位置にある位相線は上述の中央ドット紙２０に対応し、その左側の位相線は左側ドット紙２１に対応し、右側の位相線は右側ドット紙２２に対応している。

位相線取得ステップに続く偏光画像取得ステップでは、炭素繊維を巻き付けながら、所定角度θ回転毎に偏光カメラで炭素繊維の偏光画像を取得する。

具体的には、駆動モータ２の回転駆動でライナー１１が回転し、１層目の炭素繊維１６がライナー１１の表面に巻き付けられる。このとき、角度エンコーダは、例えばライナー１１が０．５度回転する毎に１パルスをパルス分周器３に出力する。

分周比が例えば１２０の場合、パルス分周器３は、ライナー１１が６０度（すなわち、θ＝１２０×０．５度＝６０度）回転する毎に１パルスを出力する。一方、偏光カメラ４は、パルス分周器３から出力されたパルス信号を受け、ドーム部１４の表面に巻き付けられた炭素繊維１６を撮像し、炭素繊維１６の偏光画像を取得する。偏光カメラ４は、取得した炭素繊維１６の偏光画像を制御解析部５に出力する。なお、偏光カメラ４の撮像は、上述のようにライナー１１の所定角度θ（すなわち、６０度）回転毎に行われる。従って、ライナー１１を一周回転すると、偏光カメラ４の撮像回数は６回となる。

偏光画像取得ステップに続く３次元座標変換ステップでは、偏光画像取得ステップで取得された炭素繊維１６の偏光画像に基づいて巻き付けられた炭素繊維１６を抽出し、抽出した炭素繊維１６と位相線取得ステップで取得された位相線との交点座標を求め、ドーム部１４の表面における３次元座標に変換する。

具体的には、制御解析部５は、偏光カメラ４から出力された炭素繊維１６の偏光画像に対して、炭素繊維の配向に応じた偏光を反射させる性質を利用し、ドーム部１４の表面に巻き付けられた炭素繊維１６の配向を求めることにより、炭素繊維１６を抽出する。

すなわち、制御解析部５は、偏光角度が炭素繊維１６の配向に近い画像のピクセルを白色に、それ以外のピクセルを黒色にする。このとき、偏光画像のノイズの原因で白色領域と黒色領域とは完全に分離できないが、クロージングやオープニング等の画像処理を行うことによってこれらの領域を完全に分離することができる。これによって、図４に示すような解析画像を得られる。なお、図４中の白色領域は抽出された炭素繊維１６を示す。

次に、制御解析部５は、得られた解析画像に基づき、抽出した炭素繊維１６と、所定角度θ範囲内にあるドーム部１４の位相線（図４の破線参照）との交点座標（図４の灰色丸印参照）を求める。

なお、位相線取得ステップで取得された位相線は、ドーム部１４の位相を示すものだけでなく、ドーム部１４の曲面上の定規にもなる。このため、取得された位相線に基づき、ドーム部１４の曲面補正を行うことができ、口金部１５から距離Ｌ離れた位置の座標を求めることができる。ここで、制御解析部５は、図５に示すように、ドーム部１４の形状データを用いて口金部１５から距離Ｌの位置におけるライナー１１の３次元座標での位置を算出する。図５において、横軸の基準点（すなわち、０地点）は口金部１５である。なお、ドーム部１４の形状データとして、ドーム部１４の設計データが用いられる。

図６はライナーの３次元座標系を示す図であり、図６中のｚはライナー１１の軸Ｓ方向、ｒはドーム部１４の半径方向、θは所定回転角度を示す。ここでの所定回転角度θは、上述したように、−３０度〜３０度の範囲である。このようにドーム部１４の形状データを用いることで、口金部１５から距離Ｌの位置にある灰色丸印の座標を求めることができるので、図４に示す交点座標をドーム部１４表面上の３次元座標にそれぞれ変換することが可能になる。

続いて、６０度ずつ位相がずれた他の偏光画像についても上述の解析を行うと、全ての位相分の炭素繊維１６の巻付き位置に関する３次元座標（ｒ，θ，ｚ）を得ることができる。図７（ａ）は、得られた３次元座標の結果を基に作成した３次元の画像イメージである。

また、このように得られた炭素繊維１６の巻付き位置に関する３次元座標に基づき、炭素繊維１６の巻き付け幅及び巻き付け角度を更に求めることができる。例えば図７（ａ）に示すように、複数の灰色丸印のうち、耐圧強度に効く口金部１５首元にあるＢ点と、Ｂ点の上方にあるＡ点と、Ａ点に隣接する（図７（ａ）において、Ａ点の左側）Ｃ点をピックアップし、図７（ｂ）に示すようにＡ点及びＢ点を通る直線と、Ａ点及びＣ点を通る直線とをそれぞれ引くと、両直線がＡ点で交差する。

そして、Ａ点、Ｂ点及びＣ点の３次元直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）については、下記式（１）に示すＡ点のｘＡ、ｙＡのようにそれぞれ求めることができる。なお、ｚＡは上述したように既に求められている。

図７（ｂ）に示すよう、Ａ点及びＢ点を通る直線と、Ａ点及びＣ点を通る直線とからなる角度をφとした場合、式（１）等で求められたＡ点、Ｂ点及びＣ点の３次元直交座標（ｘ，ｙ，ｚ）、及びベクトル内積を用いて、sinφを求めることができる（下記式（２）参照）。

従って、口金部１５首元における炭素繊維１６の巻き付け幅は下記式（３）で求められる。

一方、巻き付け角度については下記式（４）で求められる。

次に、２層目、３層目…Ｎ層目の炭素繊維１６の巻き付けに対し、上述の位相線取得ステップ、偏光画像取得ステップ及び３次元座標変換ステップを繰り返し実施しながら、繊維強化樹脂層１２を形成していく。

一方、第３工程では、外周に繊維強化樹脂層１２が形成されたライナー１１を恒温槽に入れて、例えば８５℃程度の温度で加熱し、炭素繊維１６中の熱硬化性樹脂を熱硬化させる。これによって、高圧タンク１０が製造される。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法では、炭素繊維１６を巻き付ける前にドーム部１４の表面の位相線を取得し、炭素繊維１６を巻き付けながら巻き付けられた炭素繊維１６の偏光画像を取得し、取得した位相線を基準として炭素繊維１６との交点座標を求め、更に交点座標をドーム部１４の表面における３次元座標に変換することで、ドーム部１４の表面に巻き付けられた炭素繊維１６の位置を正確に測定することができる。しかも、炭素繊維１６を巻き付けながら上述の測定を行うことができるので、巻き付け終了後に測定する場合と比べて、高圧タンク１０の生産サイクルタイムを短縮できるとともに、不良品の後工程への流出を抑制することができる。

また、巻き付け終了後に人が手で測定する場合と比べて、炭素繊維１６を巻き付けながら全ての炭素繊維１６をリアルタイムで測定することができるので、巻き付け終了後からでは見えなくなる内部の炭素繊維１６の位置でも測定できる。また、人が装置内に立ち入って行う測定作業が不要になるため、サイクルタイムを更に短縮することができる。また、ドーム部１４の曲面形状を補正することにより、ドーム部１４の表面上の炭素繊維１６の位置を一層正確に測定することができる。

なお、本実施形態において、第２工程における位相線取得ステップ、偏光画像取得ステップ及び３次元座標変換ステップを各層毎に行う例を挙げて説明したが、これに限らず、例えば位相線取得ステップを量産前の準備ステップとして行い、量産時に偏光画像取得ステップ及び３次元座標変換ステップのみを行っても良い。このような場合であっても本実施形態と同様な作用効果を得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態では、ドット紙の撮像に偏光カメラ４を用いたが、偏光カメラ以外の通常のカメラを用いても良い。この場合、偏光画像とのずれの発生を防止するために、通常のカメラの取付位置を偏光カメラの取付位置と同じにする必要がある。

１高圧タンク製造装置
２駆動モータ
３パルス分周器
４偏光カメラ
５制御解析部
６アイクチ
１０高圧タンク
１１ライナー
１２繊維強化樹脂層
１３胴体部
１４ドーム部
１５口金部
１６炭素繊維
２０，２１，２２ドット紙（位置基準部材）
Ｓ軸

Claims

胴体部とドーム部とを有するライナーの表面に炭素繊維を複数層巻き付けることにより高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
炭素繊維を巻き付ける前に、前記ドーム部の表面において前記ライナーの軸方向に沿う位置基準部材を前記ドーム部の周方向に所定の間隔で貼り付け、貼り付けられた前記位置基準部材を所定角度回転毎に撮像し、撮像された画像に基づいて前記ドーム部の表面の位相線を取得する位相線取得ステップと、
炭素繊維を巻き付けながら、前記所定角度回転毎に巻き付けられた炭素繊維の偏光画像を取得する偏光画像取得ステップと、
前記偏光画像取得ステップで取得された炭素繊維の偏光画像に基づいて炭素繊維を抽出し、抽出された炭素繊維と前記位相線取得ステップで取得された前記位相線との交点座標を求め、前記ドーム部の表面における３次元座標に変換する３次元座標変換ステップと、
を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。