JP2015108399A

JP2015108399A - 高圧タンクの製造方法

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Publication number: JP2015108399A
Application number: JP2013251137A
Authority: JP
Inventors: 志朗西部; Shiro Nishibe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: JP6153085B2

Abstract

【課題】ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間を短時間で低減させることができる高圧タンクの製造方法を提供すること。
【解決手段】この高圧タンク１００の製造方法は、タンク容器となる中空のライナー１０のガラス転移温度以上の温度雰囲気で、ライナー１０の内部を高圧タンク１００の外部よりも高圧に保つ工程を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライナーに繊維補強層を形成した高圧タンクの製造方法に関する。

近年、燃料ガスの燃焼エネルギーや、燃料ガスの電気化学反応によって生成される電気エネルギーによって駆動する車両の開発が進んでいる。車両には、天然ガスや水素等の燃料ガスを貯蔵する高圧タンクが搭載される場合がある。このため、高圧タンクは軽量化が求められており、カーボン繊維強化プラスチックや、ガラス繊維強化プラスチック（以下、これらを総称して、繊維強化樹脂層と呼ぶ）で中空のライナーを被覆したＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics : 繊維強化プラスチック）製の高圧タンク（以下、単に高圧タンクと称する）の採用が進んでいる。ライナーとしては、軽量化の観点から、通常、樹脂製の中空容器が用いられる。

こうした高圧タンクの製造に際しては、フィラメント・ワインディング法（以下、ＦＷ法）が採用され、このＦＷ法により、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸した繊維をライナーの外周に繰り返し巻き付けて繊維強化樹脂層をライナーに形成する。この樹脂層形成後に、当該樹脂層に含まれる熱硬化樹脂を熱硬化させることで、ライナーを繊維強化樹脂層で被覆・補強した高圧タンクが製造される。

このようなＦＷ法で形成した繊維強化樹脂層でライナーを補強した高圧タンクでは、繊維強化樹脂層の各層の間は勿論、ライナー外表と当該外表に近い層との間においても、隙間が無いことが強度確保の上から望ましい。

ところが、熱硬化後、ライナー及び繊維強化樹脂層が常温まで冷却されると、合成樹脂製のライナーは線膨張係数が大きいため大きく収縮する一方、カーボン繊維を含む繊維強化樹脂層は、カーボン繊維のマイナスの線膨張係数により伸長する。この収縮差によりライナーと繊維強化樹脂層との間には略全域にわたって隙間が生じることとなる。この隙間が生じた中空容器に圧縮天然ガス等の各種圧縮ガスが充填されると、各種圧縮ガスによる高い内圧によって、合成樹脂製のライナーは、繊維強化樹脂層に当接するまで伸びることになり、ライナーの耐久性が低下していた。特に低温時には、合成樹脂製のライナーの伸びが減少し、クラックが発生するおそれもあった。

このようなライナーと繊維強化樹脂層との間に隙間が生じる問題を解決することを意図して、下記特許文献１に記載されている高圧タンクの製造方法では、熱硬化後にできる隙間にエラストマー等の材料を注入して隙間を注入層で埋める工程を設けている。

特開平１０−２３１９９８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の高圧タンクの製造方法では、従来の高圧タンクの製造方法にライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間に材料を注入する工程が加わるため、この工程分だけ時間がかかってしまうという課題があった。

上記の材料を隙間に注入する手法とは別の手法として、従来の製造工程で必須となっている水圧による強度確認時（耐圧試験）の加圧によって、ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間を埋めるという手法がある。この場合には、製造工程が増えないことから時間短縮には効果があるものの、当該耐圧試験後の乾燥工程が必須となっているため、この乾燥工程においてライナーに含まれた水分が蒸発することとなる。合成樹脂製のライナーは吸水性が良いことから、ライナーに含まれた水分が蒸発することによりライナーが大きく収縮してしまうため、再びライナーと繊維強化樹脂層との間に隙間が生じるおそれがあった。このように、従来の高圧タンクの製造方法では、ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間を短時間で低減させることができないという課題があった。

本発明の目的は、ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間を短時間で低減させ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。

上記課題を解決するために本発明に係る高圧タンクの製造方法は、タンク容器となる中空のライナーの外層に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層を有する高圧タンクの製造方法において、前記ライナーのガラス転移温度以上の温度雰囲気で、前記ライナーの内部を前記高圧タンクの外部よりも高圧に保つ工程を備えることを特徴とする。

本発明に係る高圧タンクの製造方法では、ライナーのガラス転移温度以上で、ライナーの内部を高圧タンクの外部よりも高圧に保つことにより、ライナーを径方向外側に、換言すればライナーを繊維強化樹脂層が設けられる方向に変形させることができる。このため、ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間を低減させることができるため、高圧タンクの強度を向上させることができる。また、ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間に、材料を注入する工程を必要としないため、この工程分の時間を削減することができ、短時間で隙間を低減させることができる。

本発明によれば、ライナーと繊維強化樹脂層との間の隙間を短時間で低減させ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。

高圧タンク製造装置の構成を概略的に示す模式図である。ライナーの変形量を比較するためのグラフである。本発明手法と従来手法との極低温下での発生応力を比較するためのグラフである。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。本発明は以下の好ましい実施形態により説明されるが、本発明の範囲を逸脱すること無く、多くの手法により変更を行うことができ、本実施形態以外の他の実施形態を利用することができる。従って、本発明の範囲内における全ての変更が特許請求の範囲に含まれる。

（高圧タンク）
はじめに、図１に示される高圧タンク１００について説明する。図１に示すように、高圧タンク１００は、断面が略楕円体のタンク本体１１０と、このタンク本体１１０の長手方向端部に取り付けられた口金部１２０とを有する。

タンク本体１１０は、例えば二重構造を有し、内部に貯留空間が形成されるように中空状に構成されたライナー１０と、そのライナー１０の外面を覆う補強層としての繊維強化樹脂層２０とを有している。貯留空間には、例えば、圧縮天然ガスや水素ガス等からなる流体が貯留される。また、タンク本体１１０には、タンク本体１１０の内部の温度を監視するための温度センサ（図示せず）が設けられている。

ライナー１０は、タンク本体１１０とほぼ同じ略楕円形状を有し、略円筒状の胴部１１と、胴部１１の端部に連続するドーム状の側部１２とを備えている。側部１２には、流体が供給（又は排出）される開口１３が設けられており、この開口１３に口金部１２０が装着され、配管８０等に接続可能となっている。ライナー１０は、ガスバリア性を有し、水素ガス等の外部への透過を抑制する層である。例えば、金属、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂から形成されており、二層以上積層して構成することも可能である。また本実施形態において、ライナー１０材としては、エポキシ樹脂のガラス転移温度より低いガラス転移温度をもつ材料を用いる。

繊維強化樹脂層２０は、熱硬化性樹脂が繊維で補強された層であり、ライナー１０の表面にフィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」ともいう。）により繊維を巻き付けることで形成される。また、繊維強化樹脂層２０は、繊維が複数積層した構成である。ＦＷ法とは、熱硬化性樹脂を含浸した強化繊維をライナー１０に巻き付けて、熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法である。なお、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等を用いることができる。本実施形態では、エポキシ樹脂を用いている。

（高圧タンク製造装置）
続いて、図１を参照しながら、上述した高圧タンク１００を製造するための高圧タンク製造装置１について説明する。図１は、高圧タンク製造装置１の構成を概略的に示す模式図である。

図１に示すように、高圧タンク製造装置１は、高圧タンク１００と、密閉容器４０と、常温ガス供給装置５０と、低温ガス供給装置６０と、昇圧手段７０ａ、７０ｂと、混合部９０と、バルブ５０ａ、６０ａと、これらを繋ぐ配管８０と、を備える。密閉容器４０は、高圧タンク１００をその内部に収容して密閉するケースである。なお、以下の説明においては、配管８０を省略して説明する。

常温ガス供給装置５０は、バルブ５０ａ、混合部９０を介して高圧タンク１００に接続されている。低温ガス供給装置６０は、バルブ６０ａ、混合部９０を介して高圧タンク１００に接続されている。この混合部９０では、常温ガス供給装置５０及び低温ガス供給装置６０から供給される常温ガス及び低温ガスが混合されるようになっており、混合されたガスが高圧タンク１００に供給される。

また、常温ガス供給装置５０又は低温ガス供給装置６０には、昇圧手段７０ａ、７０ｂが設けられている。昇圧手段７０ａ、７０ｂとしては例えばポンプ等が用いられる。昇圧手段７０ａ、７０ｂを作動させることにより、高圧タンク１００に、予め定められた所定の圧力まで常温ガス又は低温ガスを充填することができる。このように、昇圧手段７０ａ、７０ｂによって、ライナー１０内の圧力を上げることで、ライナー１０の内部を高圧タンク１００の外部よりも高圧に保つことができる。

ここで、一般にタンクにガスを充填する場合、タンク内の圧力に対抗してガスを充填するため、タンク内のガスの温度は上がる。したがって、本実施形態では、高圧タンク１００内に常温ガス又は低温ガスを充填する場合、高圧タンク１００内の温度が所定の温度に維持されるように、図示しない制御装置によってバルブ５０ａ、６０ａの開度が制御される。

なお、昇圧手段７０ａ、７０ｂとしては、上述したように、例えばポンプ等を用いることができるが、ライナー１０内の圧力を上げる機能を有するものであれば、他の装置等を適宜選択することができる。また、昇圧手段７０ａ、７０ｂは、常温ガス供給装置５０又は低温ガス供給装置６０以外の部分にも設置することが可能である。

本実施形態では、高圧タンク製造装置１に、ライナー１０内の温度を所定の温度に到達させる昇圧能力を有する昇圧手段７０ａ、７０ｂが設けられているため、別の温度調整機構などが不要となり、余分な設備を削減することができる。

また本実施形態では、温度の異なるガスを混合部９０において混合させ、混合させたガスを高圧タンク１００に供給することができるので、高圧タンク１００内の温度を所定の温度に素早く制御することができる。

また本実施形態では、高圧タンク１００をその内部に収納して密閉する密閉容器４０を備えているため、高圧タンク１００内部と高圧タンク１００外部との空気のやり取りを抑制することができる。このため、高圧タンク１００内部の温度を所定の温度に保持することができる。

（高圧タンクの製造方法）
続いて、図１に示した高圧タンク製造装置１を用いた高圧タンク１００の製造工程について説明する。なお、以下に説明する高圧タンク１００の製造工程は、法規検査の最終工程である気密検査工程にて行われるものである。気密検査工程とは、高圧ガスによるリークを確認するための工程である。この気密検査工程の前の工程においては、ライナー１０を形成する工程や、ライナーの外層を覆う繊維強化樹脂層２０を巻付形成する工程や、繊維強化樹脂層２０の含浸樹脂を加熱硬化させ、加熱硬化後に室温まで冷却する工程等が行われるものであるが、以下においては、気密検査工程の前に行われるこれらの工程についての説明は省略する。

法規検査の最終工程である気密検査工程において行われる内容について以下に説明する。まず、図１に示されるバルブ５０ａを開き、常温ガス供給装置５０から常温ガスを供給し、常温ガスを高圧タンク１００内に急速に充填する。高圧タンク１００内に常温ガスが充填されるため、高圧タンク１００内の温度は上昇する。高圧タンク１００内の温度が所定の温度以上（例えばライナー１０のガラス転移温度以上）となるように、常温ガスは充填されていく。

次に、バルブ６０ａを開いて低温ガス供給装置６０から低温ガスを供給し、常温ガスと混合させた混合ガスを高圧タンク１００内に充填する。そして、高圧タンク１００内の温度が温度センサ（図示せず）によって監視された状態で、高圧タンク１００内の温度が、ライナー１０のガラス転移温度とエポキシ樹脂のガラス転移温度との間の温度に維持されるように、混合ガスが高圧タンク１００内に充填される。なお、エポキシ樹脂のガラス転移温度としては、約１３０℃である。

そして、高圧タンク１００内の温度を、ライナー１０のガラス転移温度とエポキシ樹脂のガラス転移温度との間に維持した状態で、１０〜２０分間保持する。つまり、高圧タンク１００内の温度がライナー１０のガラス転移温度以上となっている雰囲気下で、ライナー１０の内部を、高圧タンク１００の外部よりも高圧にして保持する。

最後に、所定時間経過後、高圧タンク１００の内部に充填された常温ガス又は低温ガスを高圧タンク１００の外部に放出する。

以上の工程によれば、気密検査工程にてライナー１０を変形させることができる。上述したように、気密検査工程の前の工程では、ライナー１０及び繊維強化樹脂層２０を加熱硬化させた後、冷却させたときに、ライナーと繊維強化樹脂層との間には隙間が生じるものであるが、本実施形態によれば気密検査工程にてライナー１０を変形させることができるため、気密検査工程の前の工程において生じた隙間を減少させることができる。

また本実施形態では、上述したようにライナー１０の材料として、エポキシ樹脂のガラス転移温度より低いガラス転移温度をもつ材料を用いている。そして、このライナー１０を用いて、ライナー１０のガラス転移温度とエポキシ樹脂のガラス転移温度との間の温度になるように、高圧タンク１００内の温度を保つ工程を備えているため、ライナー１０を径方向外側に、換言すればライナー１０を繊維強化樹脂層２０が設けられる方向に変形させることができる。このため、ライナー１０と繊維強化樹脂層２０との間の隙間を低減させることができるため、高圧タンク１００の強度を向上させることができる。

また本実施形態における高圧タンク１００の製造工程は、従来の工程においても必要な気密検査工程にて行われるものであるため、高圧タンク１００の製造工程を増やさずに、ライナー１０と繊維強化樹脂層２０との間の隙間を減少させることができる。その結果、工程が増えることによるコストの増加や工程時間の増加を抑えることができる。

続いて、図２を参照しながらライナー１０の変形量について説明する。図２はライナー１０の変形量を説明するためのグラフである。図２のグラフの横軸は時間を表し、図２のグラフの縦軸はライナー１０の変形量（歪）を表している。

図２に表すように、本実施形態による高圧タンク１００の製造を行った場合、ライナー１０の変形量は短時間で増大する（図２の「高温」線）。図２の「高温」線では、ライナー１０のガラス転移温度とエポキシ樹脂のガラス転移温度との間の温度を７０度とした結果を表している。

また図２では、比較のために、ライナー１０内の温度を常温に維持したまま高圧タンク１００の製造を行った場合のライナー１０の変形量を表している（図２の「常温」線）。常温に維持した場合、時間経過に伴うライナー１０の変形量は小さく、ほぼ一定の状態となっている。

図２から明らかなように、ライナー１０内の温度を高温（例えば７０℃）に維持して高圧タンク１００の製造をする方が、ライナー１０内の温度を常温に維持して高圧タンク１００の製造をする場合よりも、短時間でライナー１０の変形量を大きくすることができる。具体的に常温の場合と高温の場合とを比較すると、高温の場合の方がライナー１０の変形量が５倍以上となっている。

本実施形態によれば、ライナー１０の変形量、より詳細にはライナー１０の塑性変形量及びライナー１０のクリープ変形量を増加させることができる。ライナー１０の塑性変形量を増加させるためには、より大きな負荷圧力をかける必要があるが、本実施形態では、過大な負荷圧力が不要であるため、高圧タンク１００の損傷や高圧タンク１００の寿命を縮めることを抑えることができる。また、クリープ変形量を増加させるためにはより長時間が必要であるが、本実施形態では、短時間でクリープ変形量を増加させることができるため、製造工程時間が長くなることによる余剰な設備投資を抑えることができる。

続いて、図３を参照しながら高圧タンク１００の極低温下での発生応力について説明する。図３は、従来手法の極低温下での発生応力と本発明手法の極低温下での発生応力とを比較した図である。図３のグラフの縦軸は、極低温下での発生応力の大きさを表している。

図３に表されるように、本発明手法を用いて製造された高圧タンク１００における極低温下での発生応力と、従来手法を用いて製造された高圧タンク１００における極低温下での発生応力とを比較すると、本発明手法の方が、極低温下での発生応力を大幅に低減（従来比の約７０％）させることができている。これは、本発明手法は、ライナー１０と繊維強化樹脂層２０との間の隙間を、従来手法よりも低減させることができるためである。このように本発明手法は極低温下での発生応力を低減させることができるため、極寒地域でも高圧タンク１００を高速巡回させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これは本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、他の種々の実施形態でも実施することが可能である。

１高圧タンク製造装置
１０ライナー
２０繊維強化樹脂層
４０密閉容器
５０常温ガス供給装置
６０低温ガス供給装置
１００高圧タンク
１１０タンク本体

Claims

タンク容器となる中空のライナーの外層に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層を有する高圧タンクの製造方法において、
前記ライナーのガラス転移温度以上の温度雰囲気で、前記ライナーの内部を前記高圧タンクの外部よりも高圧に保つ工程を備えることを特徴とする高圧タンクの製造方法。