JP7264075B2 - 高圧タンク製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維が表面に巻き付けられたタンク本体を加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる高圧タンク製造装置に関する。
燃料電池自動車や水素自動車等に搭載される水素タンクなどの高圧タンクには、高圧に耐えるために十分な強度を有すること、及び軽量であることが要求されている。このような高圧タンクの製造方法として、円筒状のライナーを回転させながら、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維を該ライナーの表面に繰り返し巻き付けてタンク本体を作製し、その後に熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法が知られている。
タンク本体の熱硬化性樹脂を硬化させる製造装置として、例えば特許文献１には、タンク容器（タンク本体）を横置きにした状態（タンク容器の中心軸方向が水平になる状態）で収容する熱硬化炉（加熱室）と、タンク容器の上方に配置され、タンク容器に向かって高温のガスを噴射するガス吹付部と、ガス吹付部よりも上方に配置され、熱硬化炉内のガスを外部に排出する排気ダクトと、を備えた燃料タンク製造装置（高圧タンク製造装置）が記載されている。
特開２０１８－１７１７１７号公報
ところで、タンク容器を短時間で昇温させてタンク容器（タンク本体）の熱処理時間を短くするためには、タンク容器（タンク本体）の表面全体の平均熱伝達率を高くする必要がある。
しかしながら、上記特許文献１の燃料タンク製造装置では、ガス吹付部から噴射されたガスは、タンク容器に吹き付けられた後、噴射方向とは反対方向（タンク容器の上方）に配置された排気ダクトに向かって流れる。このため、タンク容器の下部には高温のガスが流れ込みにくいので、タンク容器の下部表面の熱伝達率が低くなる。これにより、タンク容器（タンク本体）の昇温に時間がかかるので、タンク容器の熱処理時間が長くなるという問題点がある。
本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、タンク本体の昇温時間を短縮することが可能な高圧タンク製造装置を提供するものである。
本発明に係る高圧タンク製造装置は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維が表面に巻き付けられたタンク本体を加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる高圧タンク製造装置であって、前記タンク本体を収容する加熱室と、前記加熱室内に前記タンク本体を保持する保持部材と、を備え、前記加熱室には、加熱されたガスを前記タンク本体の表面に噴射する噴射口と、前記ガスを前記加熱室の外部に排気する排気口と、が設けられており、前記排気口は、前記噴射口をガス噴射方向に投影した位置に配置されており、前記保持部材は、前記ガス噴射方向から見て前記噴射口と前記排気口とが重なる領域で、かつ、前記噴射口と前記排気口との間の位置に、前記タンク本体を保持する。
本発明の高圧タンク製造装置によれば、前記排気口は、前記噴射口をガス噴射方向に投影した位置に配置されており、前記保持部材は、前記ガス噴射方向から見て前記噴射口と前記排気口とが重なる領域で、かつ、前記噴射口と前記排気口との間の位置に、前記タンク本体を保持する。これにより、噴射口から噴射された高温のガスは、タンク本体のうち噴射口に対向する部分に当たった後、排気口に向かって流れる。このとき、排気口はタンク本体に対して噴射口とは反対側に配置されているので、高温のガスは、タンク本体に対して噴射口側の部分から排気口側（噴射口とは反対側）の部分までタンク本体の表面に沿って流れる。このため、タンク本体の表面の広い領域において高温のガスの熱がタンク本体に伝達されるので、タンク本体の表面全体の平均熱伝達率が高くなる。また、排気口がタンク本体に対して噴射口とは反対側に配置されることによって、タンク本体に対して排気口側（噴射口とは反対側）の部分において、ガスが滞留しにくく、ガスの流速が速くなる。これにより、タンク本体の表面の噴射口側の部分だけでなく、タンク本体の表面の排気口側の部分の熱伝達率が高くなるので、これによっても、タンク本体の表面全体の平均熱伝達率が高くなる。このため、タンク本体の昇温時間を短縮することができるので、タンク本体の熱処理時間を短縮することができる。なお、言うまでもないが、本明細書および特許請求の範囲において熱伝達率とは、タンク本体とガスとの間の熱伝達率のことをいう。
上記高圧タンク製造装置において、好ましくは、前記タンク本体は、円筒状の筒部と、前記筒部の軸方向の両端に設けられたドーム部とを有し、前記噴射口は、前記筒部の表面に前記ガスを噴射するように設けられている。このように構成すれば、筒部の軸方向からドーム部にガスを噴射する場合に比べて、タンク本体の表面の噴射口側の部分から排気口側の部分までの距離（ガスがタンク本体の表面に沿って流れる長さ）が短くなる。これにより、ガスがタンク本体に対して排気口側まで回り込む際に、ガスの温度が低下するのを抑制することができるので、タンク本体の表面の排気口側の部分の熱伝達率が低下するのを抑制することができる。
上記タンク本体が筒部とドーム部とを有する高圧タンク製造装置において、好ましくは、前記筒部の径方向における前記噴射口の開口幅は、前記筒部の外径よりも小さい。このように構成すれば、噴射口から噴射されるガスは、筒部の径方向（以下、幅方向ともいう）に、筒部の外径よりも絞られた状態で噴射されるので、噴射口から噴射されるガスの大部分がタンク本体に当たる。これにより、タンク本体の表面の噴射口側の部分の熱伝達率が高くなる。また、ガスが幅方向に絞られた状態で噴射されるので、ガスがタンク本体の表面に沿って流れる際にタンク本体の表面から離れた位置を通過することが抑制される。これにより、タンク本体への熱伝達に寄与しないガスの量が低減されるので、タンク本体の表面の噴射口側の部分と排気口側の部分との間における熱伝達率が高くなる。また、噴射口から噴射されるガスの流速が速くなるので、タンク本体に対して噴射口側におけるガスの流速が速くなる。これによっても、タンク本体の表面の噴射口側の部分の熱伝達率が高くなる。これらにより、タンク本体の表面全体の平均熱伝達率がより高くなるので、タンク本体の昇温時間をより短縮することができ、タンク本体の熱処理時間をより短縮することができる。
上記タンク本体が筒部とドーム部とを有する高圧タンク製造装置において、好ましくは、前記筒部の径方向における前記排気口の開口幅は、前記筒部の外径よりも小さい。このように構成すれば、排気口に流れるガスは、幅方向に筒部の外径よりも絞られた状態で流れるので、タンク本体の表面に沿って流れるガスは、タンク本体の表面の排気口側の部分において、筒部の外径よりも幅方向に絞られる。これにより、ガスがタンク本体の表面に沿って流れる領域が広くなる、すなわち、ガスはタンク本体の表面に沿った状態でより排気口に近い部分まで回り込む。このため、タンク本体の表面の排気口側の部分の熱伝達率が高くなる。また、排気口に流れるガスの流速が速くなるので、タンク本体に対して排気口側におけるガスの流速が速くなる。これによっても、タンク本体の表面の排気口側の部分の熱伝達率が高くなる。これらにより、タンク本体の表面全体の平均熱伝達率がより高くなるので、タンク本体の昇温時間をより短縮することができ、タンク本体の熱処理時間をより短縮することができる。
上記タンク本体が筒部とドーム部とを有する高圧タンク製造装置において、好ましくは、前記噴射口と前記筒部との間の距離、および前記排気口と前記筒部との間の距離は、前記筒部の外径よりも短い。加熱室内においては、噴射口に近い領域ではガスの流速が速くなり、排気口に近い領域でもガスの流速が速くなる。このため、噴射口と筒部との間の距離、および排気口と筒部との間の距離を筒部の外径よりも短くし、タンク本体を噴射口および排気口に近づけることによって、タンク本体に対して噴射口側および排気口側におけるガスの流速が速くなる。これにより、タンク本体の表面の噴射口側の部分および排気口側の部分の熱伝達率が高くなるので、タンク本体の表面全体の平均熱伝達率がより高くなる。このため、タンク本体の昇温時間をより短縮することができるので、タンク本体の熱処理時間をより短縮することができる。
本発明によれば、タンク本体の昇温時間を短縮することが可能な高圧タンク製造装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置の構造を高圧タンクの軸方向から示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置の構造を高圧タンクの側方から示す断面図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置に対応する実施例１～４のモデルのガスの流れを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置に対応する実施例４～６のモデルのガスの流れ、及び第１実施形態に係る高圧タンク製造装置に対応しない比較例のモデルのガスの流れを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置に対応する実施例４～６の噴射口の流速と平均熱伝達率との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る高圧タンク製造装置の構造を高圧タンクの軸方向から示す断面図である。
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置について説明する。図１および図２は、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置の構造を示す断面図である。図１および図２に示すように、高圧タンク製造装置１は、熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂層を有するタンク本体１０を加熱し、繊維強化樹脂層を熱硬化させて高圧タンクを製造するのに用いられる装置である。この高圧タンク製造装置１は、タンク本体１０を収容して加熱する加熱室２と、ガス（ここでは空気）を加熱する加熱装置３と、タンク本体１０を回転可能に保持する保持機構（保持部材）２０と、を備えている。
まず、高圧タンクの構造を簡単に説明する。高圧タンクは、ガスが充填されるタンク本体１０と、タンク本体１０に取り付けられガスを充填および排出するバルブ（図示せず）とによって構成される。タンク本体１０は、円筒状の筒部１１と、筒部１１の軸方向の両端に設けられたドーム部１２と、を有する中空の容器である。タンク本体１０の両端部は、シャフト１５がそれぞれ着脱可能に形成されている。
また、図示しないが、タンク本体１０は、内部に水素などの高圧ガスを貯留するための貯留空間を有するライナーと、ライナーの外面を覆う繊維強化樹脂層とによって構成されている。ライナーは、樹脂製材料やアルミニウム等の軽金属材料によって形成されている。繊維強化樹脂層は、ライナーの外面を覆う補強層であり、ライナーの外面に巻き付けられる炭素繊維等の強化繊維と、その強化繊維に含浸されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂とによって構成されている。
高圧タンク製造装置１の加熱室２は、略箱形状に形成されており、内部にタンク本体１０を収容する空間Ｓが設けられている。加熱室２の上部（ここでは天井）の所定位置には、ガスを流入させるための上部開口が設けられており、加熱室２の下部（ここでは床）の所定位置には、ガスを流出させるための下部開口が設けられている。
加熱装置３は、ダクト６を介して上部開口に接続されており、加熱したガスを加熱室２内に送風する。ダクト６の下流端には、加熱装置３により加熱されたガスをタンク本体１０に向かって噴射する噴射口６ａが設けられている。また、加熱装置３は、ダクト７を介して下部開口に接続されており、加熱室２内のガスを吸引する。ダクト７の上流端には、ガスを加熱室２の外部に排気する排気口７ａが設けられている。なお、ここでは、加熱室２に、噴射口６ａおよび排気口７ａを２つずつ設ける例について示しているが、加熱室２に、噴射口６ａおよび排気口７ａを１つずつ、又は３つ以上ずつ設けてもよい。
加熱装置３により加熱され高温になったガスは、ダクト６内を通過し、噴射口６ａからタンク本体１０の筒部１１に向かって吹き付けられる。タンク本体１０に吹き付けられたガスは、タンク本体１０の表面に沿って流れながらタンク本体１０に熱を伝達し、その後、排気口７ａに吸引される。ダクト７内を通過して加熱装置３に流入したガスは、加熱装置３により再度加熱され、ダクト６内に送られる。このように、高圧タンク製造装置１は、高温のガスを循環させるように構成されている。
保持機構２０は、加熱室２内にタンク本体１０を保持する。具体的には、保持機構２０は、タンク本体１０の両端部に取り付けられたシャフト１５を回転可能に保持する。保持機構２０によりタンク本体１０を軸回りに回転させながら、加熱装置３によりタンク本体１０の表面に高温のガスを吹き付けることによって、タンク本体１０の表面に加熱ムラが生じることを抑制する。
ここで、本実施形態では、図１に示すように、噴射口６ａ、タンク本体１０および排気口７ａは略一直線上に配置されている。具体的には、排気口７ａは、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置（噴射口６ａの真正面の位置）に配置されている。言い換えると、噴射口６ａと排気口７ａとは、ガス噴射方向から見て少なくとも一部が重なる（オーバーラップする）ように配置されている。ガス噴射方向から見て、噴射口６ａと排気口７ａとは少なくとも一部が重なっていればよいが、噴射口６ａおよび排気口７ａの一方（面積の小さい方）の全体が噴射口６ａおよび排気口７ａの他方（面積の大きい方）に重なっていることが好ましく、噴射口６ａの中心Ｏ１と排気口７ａの中心Ｏ２とが重なっている（一致している）ことがより好ましい。
また、保持機構２０は、ガス噴射方向から見て噴射口６ａと排気口７ａとが重なる領域で、かつ、噴射口６ａと排気口７ａとの間の位置に、タンク本体１０を保持している。ガス噴射方向から見て、噴射口６ａと排気口７ａとが重なる領域に、タンク本体１０の一部が配置されていればよいが、タンク本体１０の中心Ｏ３が配置されていることが好ましい。さらに、本実施形態のように、ガス噴射方向から見て、噴射口６ａの中心Ｏ１、排気口７ａの中心Ｏ２およびタンク本体１０の中心Ｏ３が重なっている（一致している）ことがより好ましい。
また、本実施形態では、タンク本体１０の筒部１１の軸方向から見て、タンク本体１０は、噴射口６ａの中心Ｏ１からガス噴射方向に延びる線Ｌ１上に配置されている。言い換えると、筒部１１の軸方向から見て、線Ｌ１はタンク本体１０内を通過している。排気口７ａは、噴射口６ａの中心Ｏ１とタンク本体１０の中心Ｏ３とを結ぶ線Ｌ２上に配置されている。言い換えると、線Ｌ２は排気口７ａ内を通過している。
上述したように、排気口７ａは、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置に配置されており、保持機構２０は、ガス噴射方向から見て噴射口６ａと排気口７ａとが重なる領域で、かつ、噴射口６ａと排気口７ａとの間の位置に、タンク本体１０を保持する。これにより、噴射口６ａから噴射された高温のガスは、タンク本体１０のうち噴射口６ａに対向する部分（ここでは上部）に当たった後、排気口７ａに向かって流れる。このとき、排気口７ａはタンク本体１０に対して噴射口６ａとは反対側（ここでは下側）に配置されているので、高温のガスは、タンク本体１０に対して噴射口６ａ側の部分から排気口７ａ（噴射口６ａとは反対側）の部分（ここでは下部）までタンク本体１０の表面に沿って流れる。このため、タンク本体１０の表面の広い領域において高温のガスの熱がタンク本体１０に伝達されるので、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなる。また、排気口７ａがタンク本体１０に対して噴射口６ａとは反対側（ここでは下側）に配置されていることによって、タンク本体１０の下方において、ガスが滞留しにくく、ガスの流速が速くなる。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分（ここでは上部）だけでなく、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分（ここでは下部）の熱伝達率が高くなるので、これによっても、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなる。このため、タンク本体１０の昇温時間を短縮することができ、タンク本体１０の熱処理時間を短縮することができる。
また、本実施形態では、筒部１１の径方向（ここでは水平方向）における噴射口６ａの開口幅Ｗ１は、筒部１１の外径φ１よりも小さく形成されている。これにより、噴射口６ａから噴射されるガスは、筒部１１の径方向（以下、幅方向ともいう）に、筒部１１の外径φ１よりも絞られた状態で噴射されるので、噴射口６ａから噴射されるガスの大部分がタンク本体１０に当たる。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。また、ガスが幅方向に絞られた状態で噴射されるので、ガスがタンク本体１０の表面に沿って流れる際にタンク本体１０の表面から離れた位置を通過することが抑制される。これにより、タンク本体１０への熱伝達に寄与しないガスの量が低減されるので、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分と排気口７ａ側の部分との間における熱伝達率が高くなる。また、噴射口６ａから噴射されるガスの流速が速くなるので、タンク本体１０に対して噴射口６ａ側におけるガスの流速が速くなる。これによっても、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。これらにより、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率がより高くなるので、タンク本体１０の昇温時間をより短縮することができ、タンク本体１０の熱処理時間をより短縮することができる。なお、噴射口６ａの開口幅Ｗ１は、筒部１１の外径φ１と比べて同じ又は大きく形成されていてもよい。
また、本実施形態では、筒部１１の径方向（ここでは水平方向）における排気口７ａの開口幅Ｗ２は、筒部１１の外径φ１よりも小さく形成されている。これにより、排気口７ａに流れるガスは、幅方向に筒部１１の外径φ１よりも絞られた状態で流れるので、タンク本体１０の表面に沿って流れるガスは、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分において、筒部１１の外径φ１よりも幅方向に絞られる。このため、ガスがタンク本体１０の表面に沿って流れる領域が広くなる、すなわち、ガスはタンク本体１０の表面に沿った状態でより排気口７ａに近い部分まで回り込む。これにより、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。また、排気口７ａに流れるガスの流速が速くなるので、タンク本体１０に対して排気口７ａ側におけるガスの流速が速くなる。これによっても、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。これらにより、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率がより高くなるので、タンク本体１０の昇温時間をより短縮することができ、タンク本体１０の熱処理時間をより短縮することができる。なお、排気口７ａの開口幅Ｗ２は、筒部１１の外径φ１と比べて同じ又は大きく形成されていてもよい。
また、噴射口６ａと筒部１１との間の距離Ｌ１１は、特に限定されるものではないが、筒部１１の外径φ１よりも短いことが好ましい。また、排気口７ａと筒部１１との間の距離Ｌ１２は、特に限定されるものではないが、筒部１１の外径φ１よりも短いことが好ましい。加熱室２内においては、噴射口６ａに近い領域ではガスの流速が速くなり、排気口７ａに近い領域でもガスの流速が速くなる。このため、噴射口６ａと筒部１１との間の距離Ｌ１１、および排気口７ａと筒部１１との間の距離Ｌ１２を筒部１１の外径φ１よりも短くし、タンク本体１０を噴射口６ａおよび排気口７ａに近づけることによって、タンク本体１０に対して噴射口６ａ側および排気口７ａ側におけるガスの流速が速くなる。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分および排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなるので、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率がより高くなる。このため、タンク本体１０の昇温時間をより短縮することができるので、タンク本体１０の熱処理時間をより短縮することができる。
本実施形態では、上記のように、排気口７ａは、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置に配置されており、保持機構２０は、ガス噴射方向から見て噴射口６ａと排気口７ａとが重なる領域に、タンク本体１０を保持する。これにより、噴射口６ａから噴射された高温のガスは、タンク本体１０の噴射口６ａ側の部分（ここでは上部）に当たった後、排気口７ａに向かって流れる。このとき、高温のガスは、タンク本体１０に対して噴射口６ａ側の部分から排気口７ａ側の部分までタンク本体１０の表面に沿って流れる。このため、タンク本体１０の表面の広い領域において高温のガスの熱がタンク本体１０に伝達されるので、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなる。また、排気口７ａがタンク本体１０の下方に配置されていることによって、タンク本体１０の下方において、ガスが滞留しにくく、ガスの流速が速くなる。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分（ここでは上部）だけでなく、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分（ここでは下部）の熱伝達率が高くなるので、これによっても、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなる。このため、タンク本体１０の昇温時間を短縮することができるので、タンク本体１０の熱処理時間を短縮することができる。
また、上記のように、噴射口６ａは、筒部１１の表面にガスを噴射するように設けられている。これにより、筒部１１の軸方向からドーム部１２にガスを噴射する場合に比べて、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分から排気口７ａ側の部分までの距離（ガスがタンク本体１０の表面に沿って流れる長さ）が短くなる。これにより、ガスがタンク本体１０に対して排気口７ａ側まで回り込む際に、ガスの温度が低下するのを抑制することができるので、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分の熱伝達率が低下するのを抑制することができる。
次に、本発明の第１実施形態に係る高圧タンク製造装置１の効果を確認するために実施したシミュレーションについて説明する。本実施形態の高圧タンク製造装置１に対応する実施例１～６のモデルと、本実施形態の高圧タンク製造装置１に対応しない比較例のモデルとを用いてシミュレーションを行った。
（実施例１）
図３に示すように、実施例１では、噴射口６ａの中心Ｏ１、タンク本体１０の中心Ｏ３、及び排気口７ａの中心Ｏ２を一直線上に配置した。また、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を５００ｍｍ、排気口７ａの開口幅Ｗ２を１５０ｍｍ、タンク本体１０の筒部１１の外径φ１を５００ｍｍとした。また、噴射口６ａから排気口７ａまでの距離を６５０ｍｍとした。このとき、噴射口６ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１１を５０ｍｍ、排気口７ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１２を１００ｍｍとした。実施例１のその他の構成は、上記第１実施形態と同様にした。
（実施例２）
実施例２では、タンク本体１０の外径φ１を３００ｍｍとした。また、タンク本体１０の中心Ｏ３を実施例１と同じ位置に配置した。このとき、噴射口６ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１１は１５０ｍｍ、排気口７ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１２は２００ｍｍであった。実施例２のその他の構成は、実施例１と同様にした。
（実施例３）
実施例３では、排気口７ａの開口幅Ｗ２を３００ｍｍとした。実施例３のその他の構成は、実施例１と同様にした。
（実施例４）
実施例４では、排気口７ａの開口幅Ｗ２を３００ｍｍ、タンク本体１０の外径φ１を３００ｍｍとした。また、噴射口６ａから排気口７ａまでの距離を４５０ｍｍとした。このとき、噴射口６ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１１を５０ｍｍ、排気口７ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１２を１００ｍｍとした。実施例４のその他の構成は、実施例１と同様にした。
（実施例５）
図４に示すように、実施例５では、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を３００ｍｍとした。実施例５のその他の構成は、実施例４と同様にした。
（実施例６）
実施例６では、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を１５０ｍｍとした。実施例６のその他の構成は、実施例４と同様にした。
（比較例）
比較例では、ガス噴射方向から見て、噴射口６ａと排気口７ａとが重ならないように、噴射口６ａと排気口７ａとを交互に配置した。すなわち、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置からずれた位置に、排気口７ａを配置した。また、ガス噴射方向から見て、タンク本体１０の中心Ｏ３と噴射口６ａの中心Ｏ１とが重なるように、タンク本体１０を配置した。また、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を３００ｍｍ、排気口７ａの開口幅Ｗ２を２００ｍｍ、タンク本体１０の外径φ１を３００ｍｍとした。また、噴射口６ａから排気口７ａまでの距離を６５０ｍｍとした。このとき、噴射口６ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１１を１５０ｍｍ、排気口７ａからタンク本体１０までの距離Ｌ１２を２００ｍｍとした。比較例のその他の構成は、実施例１と同様にした。
そして、実施例１～６および比較例のモデルを用いて、タンク本体１０の温度上昇についてＣＡＥ解析を行った。このとき、初期のタンク本体１０の温度を１００℃、噴射口６ａにおけるガスの温度を１５０℃、タンク本体１０の回転速度を３ｒｐｍ、噴射口６ａから噴射されるガスの量を一定とした。そして、解析で得られたタンク本体１０の上昇温度から、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率を算出した。その結果を表１および図３および図４に示す。なお、図３および図４において、実施例１～３および比較例は、ガスの流れを線で表しており、実施例５および６は、ガスの流速を色（濃淡）で表している。また、実施例４については、図３ではガスの流れを線で表しており、図４ではガスの流速を色（濃淡）で表している。また、平均熱伝達率およびガスの流速については、実施例６の値を「１」として規格化した。
Figure 0007264075000001
表１に示すように、実施例１～６および比較例の平均熱伝達率は、それぞれ０．６０、０．５５、０．５９、０．５８、０．７２、１および０．３７であった。なお、噴射口６ａの開口幅Ｗ１が５００ｍｍ、３００ｍｍおよび１５０ｍｍである場合の噴射口６ａでのガスの流速は、それぞれ０．３０、０．５０および１であった。
実施例１および２を参照して、噴射口６ａの開口幅Ｗ１同士が等しく、かつ、排気口７ａの開口幅Ｗ２同士が等しい場合、タンク本体１０の外径φ１が大きい方が、平均熱伝達率が高くなることが判明した。これは、以下の理由によるものと考えられる。タンク本体１０の外径φ１が大きくなると、噴射口６ａと筒部１１との間の距離Ｌ１１、及び、排気口７ａと筒部１１との間の距離Ｌ１２が短くなる。これにより、タンク本体１０の表面が噴射口６ａおよび排気口７ａに近づくため、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分および排気口７ａ側の部分におけるガスの流速が速くなる。このため、タンク本体１０の噴射口６ａ側の部分および排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなったと考えられる。
実施例１および３を参照して、噴射口６ａの開口幅Ｗ１同士が等しく、かつ、タンク本体１０の外径φ１同士が等しい場合、排気口７ａの開口幅Ｗ２が小さい方が、平均熱伝達率が高くなることが判明した。これは、以下の理由によるものと考えられる。排気口７ａの開口幅Ｗ２が小さくなるにしたがって、排気口７ａに流れるガスは、幅方向に、より絞られた状態で流れるので、タンク本体１０の表面に沿って流れるガスは、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分において、幅方向に、より絞られる。このため、ガスがタンク本体１０の表面に沿って流れる領域が広くなる、すなわち、ガスはタンク本体１０の表面に沿った状態でより排気口７ａに近い部分まで回り込む。これにより、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。また、排気口７ａに流れるガスの流速が速くなるので、タンク本体１０に対して排気口７ａ側におけるガスの流速が速くなる。これによっても、タンク本体１０の表面の排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。これらにより、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなったと考えられる。
実施例２および４を参照して、噴射口６ａの開口幅Ｗ１同士が等しく、かつ、タンク本体１０の外径φ１同士が等しい場合、噴射口６ａと筒部１１との間の距離Ｌ１１、及び、排気口７ａと筒部１１との間の距離Ｌ１２が短い方が、平均熱伝達率が高くなることが判明した。これは、以下の理由によるものと考えられる。噴射口６ａと筒部１１との間の距離Ｌ１１、および排気口７ａと筒部１１との間の距離Ｌ１２を短くし、タンク本体１０を噴射口６ａおよび排気口７ａに近づけるにしたがって、タンク本体１０に対して噴射口６ａ側および排気口７ａ側におけるガスの流速が速くなる。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分および排気口７ａ側の部分の熱伝達率が高くなったと考えられる。
表１および図４に示す実施例４～６を参照して、排気口７ａの開口幅Ｗ２同士が等しく、かつ、タンク本体１０の外径φ１同士が等しい場合、噴射口６ａの開口幅Ｗ１が小さい方が、平均熱伝達率が高くなることが判明した。これは、以下の理由によるものと考えられる。噴射口６ａの開口幅Ｗ１が小さくなるにしたがって、噴射口６ａから噴射されるガスは、幅方向に、より絞られた状態で噴射されるので、噴射口６ａから噴射されるガスのうちタンク本体１０に当たるガスの量が増加する。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。また、ガスが幅方向に絞られた状態で噴射されるので、ガスがタンク本体１０の表面に沿って流れる際にタンク本体１０の表面から離れた位置を通過することが抑制される。これにより、タンク本体１０への熱伝達に寄与しないガスの量が低減されるので、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分と排気口７ａ側の部分との間における熱伝達率が高くなる。また、噴射口６ａから噴射されるガスの流速が速くなるので、タンク本体１０に対して噴射口６ａ側におけるガスの流速が速くなる。これによっても、タンク本体１０の表面の噴射口６ａ側の部分の熱伝達率が高くなる。これらにより、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率がより高くなったと考えられる。
以上から、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を小さく、排気口７ａの開口幅Ｗ２を小さく、噴射口６ａと筒部１１との間の距離Ｌ１１を短く、及び、排気口７ａと筒部１１との間の距離Ｌ１２を短くするにしたがって、タンク本体１０の周囲におけるガスの流速が速くなり、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなることが判明した。
なお、排気口７ａの開口幅Ｗ２を小さくするにしたがって、平均熱伝達率は高くなるが、ガスが排気口７ａを通過する際の圧力損失が大きくなるため、より高圧のガスを噴射口６ａから噴射させる必要がある。このため、排気口７ａの開口幅Ｗ２を大きくした方が、ガスを噴射させる装置を小型化することができる。
表１、図３および図４に示す実施例１～６（特に実施例２）と比較例とを参照して、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置に排気口７ａを配置することによって、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置からずれた位置に排気口７ａを配置する場合（比較例）に比べて、平均熱伝達率が大幅に高くなることが判明した。これは、図４の比較例に示すように、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置からずれた位置に排気口７ａを配置する場合、タンク本体１０に当たったガスが排気口７ａに向かって流れる際に、タンク本体１０の下側（噴射口６ａとは反対側の部分）までガスが回り込まず、タンク本体１０の下側の部分でガスが滞留する。これにより、タンク本体１０の表面の噴射口６ａとは反対側の部分の熱伝達率が低下するためであると考えられる。
なお、実施例３および比較例において、タンク本体１０を１００℃から１５０℃まで昇温させるのに必要な時間は、それぞれ２５分および４０分であった。すなわち、タンク本体１０の昇温に必要な時間を約３７％削減することが可能である。また、実施例１、５および６の平均熱伝達率は、実施例３の平均熱伝達率よりも高いので、タンク本体１０の昇温に必要な時間をさらに削減することが可能である。
次に、噴射口６ａから噴射されるガスの流速と平均熱伝達率との関係を確認するためにシミュレーションを行った。ここでは、実施例４のモデルを用いて、噴射口６ａから噴射されるガスの量を変化させることによって噴射口６ａでのガスの流速を０．１５、０．３０、０．４５、０．９７および２．０６の５段階に設定した。そして、上述した方法と同じ方法でタンク本体１０の温度上昇についてＣＡＥ解析を行うとともに、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率を算出した。その結果を図５に示す。なお、図５には、噴射口６ａから噴射されるガスの量を一定とし、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を変化させることによってガスの流速を変化させた上記実施例４～６の平均熱伝達率も示している。
図５を参照して、噴射口６ａから噴射されるガスの流速が速くなるにしたがって、平均熱伝達率が高くなることが判明した。すなわち、同じ構造で噴射口６ａから噴射されるガスの流速を速くする場合（実施例４参照）も、噴射口６ａの開口幅Ｗ１を小さくして噴射口６ａから噴射されるガスの流速を速くする場合（実施例４～６参照）と同様、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなることが判明した。
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る高圧タンク製造装置１０１は図６に示すように、上記第１実施形態とは異なり、高圧タンク１０を連続的に搬送して加熱する連続炉としての加熱室１０２を備えている。なお、加熱室１０２の下流側には、加熱後のタンク本体１０を徐冷する冷却室（図示せず）が設けられている。
加熱室１０２は、上記第１実施形態の加熱室２が複数連続するように形成されている。具体的には、加熱室１０２の上部（ここでは天井）の所定位置には、ダクト６の下流端（噴射口６ａ）が設けられており、加熱室１０２の下部（ここでは床）の所定位置には、ダクト７の上流端（排気口７ａ）が設けられている。排気口７ａは、噴射口６ａの真下の位置（噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置）に設けられている。噴射口６ａおよび排気口７ａは、タンク本体１０の搬送方向に沿って所定ピッチで配置されている。なお、ダクト６および７は、上記第１実施形態と同様、加熱装置３に接続されている。
タンク本体１０の両端部には、シャフト１５が取り付けられており、このシャフト１５を回転可能に保持する保持機構（図示せず）が設けられている。本実施形態の保持機構は、上記第１実施形態の保持機構２０と異なり、タンク本体１０を加熱室１０２に沿って搬送するように構成されている。本実施形態の保持機構は、タンク本体１０を搬送することが可能であれば特に限定されるものではないが、例えばチェーンコンベア等によって構成することができる。
この保持機構は、タンク本体１０を、噴射口６ａの真下で排気口７ａの真上の位置（ガス噴射方向から見て噴射口６ａと排気口７ａとが重なる領域）に配置して所定時間保持した後、上記所定ピッチ（噴射口６ａおよび排気口７ａの配置ピッチ）だけ搬送する。これにより、タンク本体１０は、下流側に隣接する噴射口６ａの真下で排気口７ａの真上の位置に配置される。これを繰り返すことによって、タンク本体１０は加熱室１０２内をピッチ送りされるとともに、タンク本体１０の移動の最中以外は、噴射口６ａ、タンク本体１０および排気口７ａは上記第１実施形態と同様、略一直線上に配置される。
本実施形態では、上記のように、排気口７ａは、噴射口６ａをガス噴射方向に投影した位置に配置されており、タンク本体１０は、加熱処理の大部分の時間（タンク本体１０の移動の最中以外）は、ガス噴射方向から見て噴射口６ａと排気口７ａとが重なる領域に保持される。これにより、上記第１実施形態と同様、タンク本体１０の表面全体の平均熱伝達率が高くなるので、タンク本体１０の昇温時間を短縮することができ、タンク本体１０の熱処理時間を短縮することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
例えば、上記実施形態では、タンク本体に対して高温のガスを上方から吹き付ける例について示したが、本発明はこれに限らず、高温のガスを下方または側方から吹き付けてもよい。
また、上記実施形態では、タンク本体を横置きにした状態で収容するように、加熱室を形成した例について示したが、本発明はこれに限らず、タンク本体を縦置きにした状態（タンク本体の中心軸が鉛直方向になる状態）で収容するように、加熱室を形成してもよい。
また、上記実施形態では、高温のガスを筒部の径方向から筒部に向かって吹き付ける例について示したが、本発明はこれに限らず、高温のガスを筒部の軸方向からドーム部に向かって吹き付けてもよい。ただし、この場合、タンク本体の軸方向長さが長くなると、タンク本体の表面の噴射口側の部分に当たるときのガスの温度と、タンク本体の表面の排気口側の部分に沿って流れるときのガスの温度との差が大きくなり、タンク本体に加熱ムラが生じやすくなる。このため、高温のガスを筒部の径方向から筒部に向かって吹き付けることが好ましい。
また、上記実施形態では、保持機構を加熱室内に配置する例について示したが、本発明はこれに限らず、加熱室内にタンク本体を保持することができれば、保持機構を加熱室内に配置しなくてもよい。例えば、保持機構を加熱室の外部に配置し、タンク本体の両端部に取り付けられるシャフトを加熱室の外部まで延在させてもよい。
また、上記実施形態では、タンク本体を回転可能に保持する保持機構（保持部材）を設ける例について示したが、本発明はこれに限らず、タンク本体を回転させずに保持する保持機構（保持部材）を設けてもよい。
１、１０１：高圧タンク製造装置、２、１０２：加熱室、６ａ：噴射口、７ａ：排気口、１０：タンク本体、１１：筒部、１２：ドーム部、２０：保持機構（保持部材）、Ｌ１１、Ｌ１２：距離、Ｗ１、Ｗ２：開口幅、φ１：外径

Claims (5)

  1. 熱硬化性樹脂を含浸した繊維が表面に巻き付けられたタンク本体を加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる高圧タンク製造装置であって、
    前記タンク本体を収容する加熱室と、
    前記加熱室内に前記タンク本体を保持する保持部材と、
    を備え、
    前記タンク本体は、円筒状の筒部と、前記筒部の軸方向の両端に設けられたドーム部とを有し、
    前記加熱室には、加熱されたガスを前記タンク本体の少なくとも前記筒部の表面に噴射する噴射口と、前記ガスを前記加熱室の外部に排気する排気口と、が設けられており、
    前記排気口は、前記ガス噴射方向において前記タンク本体に対して前記噴射口とは反対側の位置であって前記噴射口をガス噴射方向に投影した位置に配置されており、かつ、前記筒部の軸方向から見て前記排気口の中心が前記噴射口の中心から前記ガス噴射方向に延びる直線上に配置されており、
    前記保持部材は、前記ガス噴射方向から見て前記噴射口と前記排気口とが重なる領域で、かつ、前記噴射口と前記排気口との間の位置に、前記タンク本体を保持すると共に、前記筒部の軸方向から見て前記タンク本体の中心が前記噴射口の中心から前記ガス噴射方向に延びる前記直線上に配置されるように、前記タンク本体を保持する
    ことを特徴とする高圧タンク製造装置。
  2. 前記筒部の径方向における前記噴射口の開口幅は、前記筒部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の高圧タンク製造装置。
  3. 前記筒部の径方向における前記排気口の開口幅は、前記筒部の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の高圧タンク製造装置。
  4. 前記噴射口と前記筒部との間の距離、および前記排気口と前記筒部との間の距離は、前記筒部の外径よりも短いことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の高圧タンク製造装置。
  5. 前記加熱室は、複数の前記タンク本体を連続的に搬送して加熱する連続炉を構成し、
    前記タンク本体の搬送方向は、前記タンク本体の中心軸及び前記ガス噴射方向のそれぞれに直交する方向であり、
    前記噴射口及び前記排気口は、前記搬送方向に沿って所定ピッチで複数対設けられており、
    前記保持部材は、複数の前記タンク本体のそれぞれを、前記搬送方向に前記所定ピッチで搬送して、それぞれの前記タンク本体が前記噴射口及び前記排気口と一直線上に配置されるように搬送することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の高圧タンク製造装置。
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