JP7159882B2 - 高圧タンクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧タンクの製造方法に関する。

高圧タンクの容器の構成として、容器となるライナーの外面に繊維強化樹脂（ＦＲＰ）層炭素繊維層を有するものが知られている。このような高圧タンクの製造方法として、ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維をフィラメントワインディング法（ＦＷ法）により巻き付けた後、当該炭素繊維中の熱硬化性樹脂を熱硬化することによりＦＲＰ層を形成する方法が知られている。

熱硬化性樹脂の熱硬化は加熱炉で行われるのが一般的である。例えば特許文献１では、熱硬化性樹脂を含浸した繊維が巻回された被覆済みライナーを加熱炉で加熱するタンクの製造方法において、加熱炉の炉内雰囲気温度を制御することで、熱硬化性樹脂の温度がライナーの耐熱温度を超えないように制御するタンクの製造方法が開示されている。

一方、加熱時間の短縮等の観点から、前記熱硬化性樹脂の熱硬化の方法として炭素繊維を誘導加熱する方法が検討されている。例えば特許文献２では、被覆済みライナーの円周方向に誘導加熱コイルが配置され、当該コイルにより誘導加熱する方法が開示されている。また、特許文献２においては、誘導加熱では加熱されにくい口金を加熱シャフトにより加熱することが開示されている。

特開２０１５－２０２８０号公報 国際公開第２０１２／１６０６４０号

ところで、ＦＷ法でライナーに炭素繊維を巻き付ける場合、巻き方として、フープ巻き、ヘリカル巻きなどの手法が知られており、通常、両者は組み合わせて用いられる。フープ巻きは、ライナーの中心軸に対しほぼ垂直に炭素繊維を巻きつける手法である（図８参照）。また、ヘリカル巻きはライナーの中心軸に対して例えば２０～８０度で炭素繊維をらせん状に巻きつける手法である（図９参照）。
ライナーの胴体部には、フープ巻きの炭素繊維及びヘリカル巻きの炭素繊維が積層する。一方、ライナーのドーム部にはヘリカル巻きの炭素繊維が積層する。

特許文献２のようにライナーの円周方向に誘導加熱コイルを配置した場合、円周方向に巻きつけたフープ巻きの炭素繊維は誘導加熱されやすい。一方、ヘリカル巻きの炭素繊維は誘導加熱コイルに対して直交するため誘導電流が流れにくく、誘導加熱されにくい。
特許文献２では口金のアルミニウムが誘導加熱しにくい点のみが指摘され、口金を加熱する手段が設けられている。しかしながら上記のように特許文献２の手法では、胴体部の熱硬化性樹脂が加熱されやすく、ドーム部の熱硬化性樹脂が加熱されにくいという問題があった。口金の加熱はドーム部の熱硬化性樹脂を直接加熱するものではなかった。また、特許文献２において口金の加熱は加熱シャフトによるものであり、誘導加熱と比較して加熱に時間がかかっていた。そのため特許文献２の手法は熱硬化性樹脂を短時間で均一に加熱することに関して課題が残されている。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、熱硬化性樹脂を短時間で均一に加熱することができる高圧タンクの製造方法を提供するものである。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法は、
口金を取り付けたライナーに、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を巻きつけた繊維強化樹脂層を有するタンク中間品を準備する工程（ａ）と、
誘導加熱手段を用いて前記タンク中間品の繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化処理する工程（ｂ）と、を有し、
前記誘導加熱手段は、前記タンク中間品の胴体部を誘導加熱するための第１誘導加熱手段と、前記タンク中間品のドーム部を誘導加熱するための第２誘導加熱手段を備え、
前記工程（ｂ）において、前記第１誘導加熱手段の出力と、前記第２誘導加熱手段の出力とを各々独立に制御することにより、前記タンク中間品の胴体部とドーム部の温度を制御する。

このような構成の高圧タンクの製造方法によれば、胴体部を誘導加熱する第１誘導加熱手段と、ドーム部を誘導加熱する第２誘導加熱手段を各々独立に制御できるため、胴体部とドーム部の温度差を抑制し、各々目的の温度に制御することが容易となる。また、胴体部及びドーム部共に誘導加熱により加熱するため短時間で目的の温度に昇温することができる。

上記高圧タンクの製造方法において、前記第１誘導加熱手段を、前記タンク中間品の長手方向に沿って当該タンク中間品１００の周囲を取り囲むように配設された誘導加熱コイルとしてもよい。第１誘導加熱手段をこのような誘導加熱コイルとすることにより、ヘリカル巻きの炭素繊維を誘導加熱することができるため、第１誘導加熱手段により、胴体部のみならずドーム部の加熱も可能となる。そのため第２誘導加熱手段の出力を抑えることができる。

また、前記工程（ｂ）において、前記胴体部の温度と、前記ドーム部の温度とを計測し、当該温度の測定値に基づいて、前記第１誘導加熱手段の出力と、前記第２誘導加熱手段の出力とを制御してもよい。このような構成とすることにより、タンクの個体差等に応じて誘導加熱手段の出力を細かく調整することができる。

また、前記工程（ｂ）において、前記第１誘導加熱手段の出力は、時間が経つにつれて徐々に低下させるようにしてもよい。

本発明により、熱硬化性樹脂を短時間で均一に加熱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ができる。

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフロー図である。 タンク中間品の一例を示す模式的な断面図である。 熱処理工程を実施するための製造装置を説明する模式図である。 図３の左側面図である。 システム構成を示すブロック図である。 温度制御の一例を示すグラフである。 温度制御しない場合におけるタンクの温度変化の一例を示すグラフである。 フープ巻きを説明する模式図である。 ヘリカル巻きを説明する模式図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

図１は本実施形態に係る高圧タンクの製造方法を示すフロー図である。本実施形態の高圧タンクの製造方法は概説すると、まず、口金を取り付けたライナーに、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を巻きつけて硬化前の繊維強化樹脂層を有するタンク中間品を準備し（工程（ａ））、誘導加熱により、タンク中間品が有する維強化樹脂層の熱硬化処理（工程（ｂ））を行うものである。なお、本実施形態においては、炭素繊維が誘導加熱され、当該炭素繊維で発生した熱により含浸している熱硬化性樹脂が加熱されて硬化処理される。

図２はタンク中間品の一例を示す模式的な断面図である。タンク中間品１００は、口金１３が取り付けられた中空のライナー１１の外周に熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を巻きつけた繊維強化樹脂層１２を有する。タンク中間品１００において繊維強化樹脂層１２中の熱硬化性樹脂は硬化前の状態である。熱硬化性樹脂は特に限定されないが、一例としてエポキシ樹脂が挙げられ、通常、熱硬化剤が添加されている。
ライナー１１は収容するガス（例えば水素ガス）に対するガスバリア性を有する中空容器である。ライナー１１は、半径が均一の略円筒形状の胴体部と、当該胴体部の両端に設けられた凸曲面状のドーム部を有する。ライナーの材質はガスバリア性を備えればよく、例えば、高密度ポリエチレン、ポリイミド、ナイロン等の樹脂を用いることができる。
ドーム部にはそれぞれ口金１３が取り付けられている。口金１３は用途に応じて追加工が可能なものである。また、用途に応じて必要な加工は、追加工に限らず、タンク中間品を準備する段階で加工してもよい。本実施形態において口金の材質は特に限定されない。例えば誘導加熱されにくいアルミニウムなどであっても好適に用いることができる。

ライナー１１への炭素繊維の巻きつけは公知の方法で実施できる。例えば回転駆動装置に設置したライナー１１に向かって、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を供給し、ライナー１１を回転しながら、炭素繊維のガイドがライナーの軸方向に沿って所定の往復運度することによって、ライナー１１の外周に炭素繊維を巻回することができる。
例えば、ライナー１１の胴体部上で中心軸２０に対しほぼ垂直に炭素繊維を巻きつけることにより胴体部上にフープ巻きの炭素繊維が積層する。また、ライナーの中心軸に対し例えば２０～８０度の角度をつけて、２つのドーム部に掛け渡るように巻き付けえることにより、ライナーの胴体部及びドーム部にヘリカル巻きの炭素繊維が積層する。通常、フープ巻き及びヘリカル巻きは切替えながら組み合わせて巻きつけるため、ライナーの胴体部には、フープ巻きの炭素繊維及びヘリカル巻きの炭素繊維が積層する。また、ライナーのドーム部にはヘリカル巻きの炭素繊維が積層する。このようにしてタンク中間品１００が得られる。

図３は熱処理工程を実施するための製造装置を説明する模式図である。また、図４は図３の左側面図である。
前記タンク中間品１００をホルダー５０で軸支する。次いで、胴体部を誘導加熱するための第１誘導加熱手段３１、ドーム部を誘導加熱するための第２誘導加熱手段３２ａ－ｂ、胴体部の温度を計測する第１温度計測手段４１、及びドーム部の温度を計測する第２温度計測手段４２ａ－ｂをそれぞれ配置する。第２誘導加熱手段及び第２温度計測手段は２つのドーム部にそれぞれ配置する。第１誘導加熱手段３１と２つの第２誘導加熱手段３２ａ－ｂは各々独立に出力制御が可能である。

第１誘導加熱手段３１は、胴体部を加熱するために設けられるものであり、一例として誘導加熱コイルである。誘導加熱コイルは、例えば図３及び４の例に示されるように、タンク中間品１００の長手方向に沿って当該タンク中間品１００の周囲を取り囲むように配設してもよい。このように配設することにより、ヘリカル巻きの炭素繊維を加熱できるため、第１誘導加熱手段３１により胴体部を加熱すると共に、ドーム部を補助的に加熱することができる。その結果、第２誘導加熱手段の出力を抑えることができる。
誘導加熱コイルは、タンク中間品１００の全体を取り囲んでもよいが、タンク中間品１００を回転しながら加熱するため、例えば、タンク中間品１００の中心軸２０よりも下側のみに配置してもよい。
第２誘導加熱手段３２ａ－ｂは、ドーム部の炭素繊維を加熱するために設けられるものであり、一例として誘導加熱コイルである。

第１及び第２の温度計測手段４１、４２ａ－ｂはそれぞれ胴体部及びドーム部の温度を計測するために設けられる。温度計測手段として非接触温度計を用いることができる。

図５はシステム構成を示すブロック図である。第１誘導加熱手段３１、第２誘導加熱手段３２ａ－ｂ、第１温度計測手段４１、及び第２温度計測手段４２ａ－ｂはそれぞれ、制御装置６０に接続されている。制御装置６０は各温度計測手段４１、４２ａ－ｂから入力される胴体部及びドーム部の温度に基づき、各誘導加熱手段３１、３２ａ－ｂの出力を制御する。

図６は、本実施形態の温度制御の一例を示すグラフである。図６（ａ）は加熱処理工程におけるタンク温度の変化の例を示すグラフであり、図６（ｂ）は誘導加熱手段の出力の例を示すグラフである。また比較のため図７には温度制御しない場合におけるタンクの温度変化の一例を示すグラフを示す。なお図７の例は、誘導加熱コイルをタンク中間品の円周方向に配設した例であり、ドーム部を加熱する第２誘導加熱手段を有しない。
図７の例では、誘導加熱を開始すると、胴体部の温度が比較的早く上昇するのに対し、ドーム部の上昇速度が遅くなっている。これは、ドーム部に接触する口金の熱容量が大きいことと、ドーム部を構成するヘリカル巻きの炭素繊維に誘導電流が生じにくいためと考えられる。図７の例では、ドーム部を加熱するために誘導加熱手段の出力を上げる必要がある。この場合、胴体部の温度が一時的に胴体部を構成するライナーの劣化の原因となる。また、ドーム部が目的の温度を維持するように誘導加熱手段の出力を設定すると、胴体部には過剰な熱が発生し、目標温度である硬化温度よりも高い状態となっている。
図６に示されるように、本実施形態ではまず第１誘導加熱手段による加熱と第２誘導加熱手段による加熱とを同時に開始する（ｉ）。この領域では、タンクの胴体部及びドーム部は同様に加熱されるため、胴体部を過剰に加熱することなくタンク全体の温度を上昇することができる。タンク温度が熱硬化性樹脂の効果開始温度に達した後は、誘導加熱手段の出力を徐々に低下させてもよい。図６の例では、硬化開始温度に達した後、第１誘導加熱手段の出力を下げて温度上昇速度を調整している。タンク温度が目的の硬化処理温度に達した後は、温度を一定に維持するように誘導加熱手段の出力を調整すればよい。このようにして、タンク中間品全体を均一に且つ短時間で加熱することができる。

本実施形態の変形例として、誘導加熱手段の出力プロファイルを作成し、当該プロファイルに基づいて誘導加熱手段の加熱制御をしてもよい。この手法によれば、同一のタンク中間品に対して、都度温度計測をしなくてもよいというメリットがある。
一方、タンク中間品のばらつきなどを考慮すると、前記胴体部の温度と、前記ドーム部の温度とを計測し、当該温度の測定値に基づいて、前記第１誘導加熱手段の出力と、前記第２誘導加熱手段の出力とを制御する上述の実施形態が好ましい。

以上のように、本実施形態に係る高圧タンクの製造方法によれば、熱硬化性樹脂の熱硬化処理を均一且つ短時間で行うことができる。また、ライナーの胴体部に過剰な熱を与えることがないため熱によるライナーの劣化を抑制できる。
本実施形態により得られる高圧タンクの用途は特に限定されないが、例えば、燃料電池車に組み込まれる水素タンクの主要部として利用される。

１１ ライナー
１２ 繊維強化樹脂層
１３ 口金
２０ 中心軸
２１ フープ巻き
２２ ヘリカル巻き
３１ 第１誘導加熱手段
３２ａ、３２ｂ 第２誘導加熱手段
４１ 第１温度計測手段
４２ａ、４２ｂ 第２温度計測手段
５０ ホルダー
１００ タンク中間品

Claims (3)

1. 高圧タンクの製造方法であって、
   アルミニウム製の口金を取り付けたライナーに、熱硬化性樹脂を含浸させた炭素繊維を巻きつけた繊維強化樹脂層を有するタンク中間品を準備する工程（ａ）と、
   誘導加熱手段を用いて前記タンク中間品の繊維強化樹脂層を誘導加熱して熱硬化処理する工程（ｂ）と、を有し、
   前記誘導加熱手段は、前記タンク中間品の胴体部を誘導加熱するための第１誘導加熱手段と、前記タンク中間品のドーム部を誘導加熱するための第２誘導加熱手段を備え、
   前記第１誘導加熱手段が、前記タンク中間品の長手方向に沿って当該タンク中間品１００の周囲を取り囲むように配設された誘導加熱コイルであり、
   前記工程（ｂ）において、前記第１誘導加熱手段の出力と、前記第２誘導加熱手段の出力とを各々独立に制御することにより、前記タンク中間品の胴体部とドーム部の温度を制御する、高圧タンクの製造方法。
2. 前記工程（ｂ）において、前記胴体部の温度と、前記ドーム部の温度とを計測し、当該温度の測定値に基づいて、前記第１誘導加熱手段の出力と、前記第２誘導加熱手段の出力とを制御する、請求項１に記載の高圧タンクの製造方法。
3. 前記工程（ｂ）において、前記第１誘導加熱手段の出力は、時間が経つにつれて徐々に低下させる、請求項１又は２に記載の高圧タンクの製造方法。

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