(57)【要約】【課題】ライナと繊維強化プラスチック層とが接着されてしまわずに、繊維強化プラスチック層の変形も防止できる車両搭載用高圧タンクの製造方法を提供すること。【解決手段】この製造方法は、ライナを準備する工程（ステップＳ０１）と、前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつける工程（ステップＳ０１）と、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させて繊維強化プラスチックと成す工程（ステップＳ０２〜Ｓ０８）と、を含み、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させる工程（ステップＳ０２〜Ｓ０８）は、大気圧よりも高い内圧を前記ライナに付与する高圧過程（ステップＳ０２〜Ｓ０３）と、大気圧よりも低い内圧を前記ライナに付与する低圧過程（ステップＳ０４〜Ｓ０５）とを有しており、前記高圧過程を行った後に前記低圧過程を行うものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナの周囲を繊維強化プラスチックで補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造方法であって、
ライナを準備する工程と、
前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつける工程と、
前記繊維強化プラスチック材料を硬化させて繊維強化プラスチックと成す工程と、
を含み、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させる工程は、大気圧よりも高い内圧を前記ライナに付与する高圧過程と、大気圧よりも低い内圧を前記ライナに付与する低圧過程とを有しており、前記高圧過程を行った後に前記低圧過程を行う車両搭載用高圧タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載用高圧タンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両搭載用高圧タンクとして、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなるものが知られている。このような車両搭載用高圧タンクの製造方法として、下記特許文献１に記載のものが提案されている。下記特許文献１に記載の製造方法は、ライナに相当する内殻を形成し、その内殻の外周にフィラメントワインディング法等によって繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）材料を巻きつけて、それらを加温することで高圧タンクを形成している。
【０００３】
より具体的には、下記文献の段落番号００３５から００３６に記載されているように、内殻（ライナ）を内方から加圧した状態で熱硬化処理を施しており、熱硬化処理工程において内殻（ライナ）が収縮することがなく、ライナと繊維強化プラスチック層とが密着するように構成されている。更に、フィラメントワインディングあるいは熱硬化処理工程においては内殻（ライナ）内を０．５〜３気圧（０．８〜２．５気圧とりわけ１．０〜２気圧程度）に保持するのが好ましいと記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２６６２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した従来の技術では、ライナ内の圧力を一定に保持したままフィラメントワインディングあるいは熱硬化処理を行っている。従って、大気圧よりも高い内圧を維持したまま熱硬化処理を行えば、ライナと繊維強化プラスチック層とが接着されてしまう。ライナと繊維強化プラスチック層とが接着されてしまうと、その接着された部分に応力が集中し疲労により部分的に剥離したり、ライナに亀裂が入りガスリークが発生したりといった恐れがある。このようなライナと繊維強化プラスチック層との接着を防止するために、ライナと繊維強化プラスチック層との間に離型剤を塗布することも考えられるが、完全にライナと繊維強化プラスチック層との接着を回避することは困難である。一方、大気圧よりも低い内圧を維持したまま熱硬化処理を行えば、繊維強化プラスチック層が変形してしまう恐れがある。
【０００６】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造方法であって、ライナと繊維強化プラスチック層とが接着されてしまわずに、繊維強化プラスチック層の変形も防止できる車両搭載用高圧タンクの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る車両搭載用高圧タンクの製造方法は、ライナの周囲を繊維強化プラスチックで補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造方法であって、ライナを準備する工程と、前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつける工程と、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させて繊維強化プラスチックと成す工程と、を含み、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させる工程は、大気圧よりも高い内圧を前記ライナに付与する高圧過程と、大気圧よりも低い内圧を前記ライナに付与する低圧過程とを有しており、前記高圧過程を行った後に前記低圧過程を行うものである。
【０００８】
本発明では、繊維強化プラスチック材料を硬化させる高圧過程においては、大気圧よりも高い内圧をライナに付与するので、繊維強化プラスチック材料によって形成される部分が変形せずに繊維強化プラスチック層へと硬化させることができる。また、繊維強化プラスチック材料を硬化させる低圧過程においては、大気圧よりも低い内圧をライナに付与するので、ライナが繊維強化プラスチック材料によって形成される部分から離れ、ライナと繊維強化プラスチック材料とが非接触の状態で繊維強化プラスチック材料が硬化する。従って、ライナと繊維強化プラスチック層とが接着されず、且つ繊維強化プラスチック層が変形しないような車両搭載用高圧タンクの製造方法を提供することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ライナと繊維強化プラスチック層とが接着されてしまわずに、繊維強化プラスチック層の変形も防止できる車両搭載用高圧タンクの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法によって製造される車両搭載用高圧タンクを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示す製造方法において、ライナに繊維強化プラスチック材料を巻いたワークを硬化炉に設置した状態を説明するための図である。
【図４】図２に示す製造方法において、ワークを炉内で昇温した場合の、温度関係を説明するための図である。
【図５】図２に示す製造方法において、ライナと繊維強化プラスチック材料と口金との近傍を説明するための図である。
【図６】図２に示す製造方法において、繊維強化プラスチック材料に対するライナの変形態様を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１２】
まず、本発明の実施形態である製造方法によって製造される車両搭載用高圧タンクについて説明する。図１は、車両搭載用高圧タンク１０の断面図である。図１に示すように、車両搭載用高圧タンク１０は、全体として密閉円筒状の容器本体２と、容器本体２の長手方向の両端部に取り付けられた口金１０２ａ，１０２ｂと、を具備している。容器本体２の内部は、各種のガスを貯留する貯留空間５となっている。車両搭載用高圧タンク１０は、常圧のガスを充填することもできるし、常圧に比して圧力が高められたガスを充填することもできる。すなわち、本発明の車両搭載用高圧タンク１０は、高圧ガス容器として機能することができる。
【００１３】
例えば、燃料電池システムでは、高圧の状態で用意された燃料ガスを減圧して、燃料電池の発電に供している。車両搭載用高圧タンク１０は、高圧の燃料ガスを貯留するのに適用することができ、燃料ガスとしての水素や、圧縮天然ガス（ＣＮＧガス）などを貯留することができる。車両搭載用高圧タンク１０に充填される水素の圧力としては、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａであり、ＣＮＧガスの圧力としては、例えば２０ＭＰａである。
【００１４】
容器本体２は、ガスバリア性を有する内側のライナ１０１と、ライナ１０１の外周に配置された繊維強化プラスチック層１０３と、の二層構造を有している。繊維強化プラスチック層１０３は、例えば炭素繊維とエポキシ樹脂を含むＦＲＰからなり、ライナ１０１の外表面を被覆するように構成されている。
【００１５】
口金１０２ａ，１０２ｂは、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属で形成され、容器本体２の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金１０２ａ，１０２ｂの開口部の内周面には雌ネジが刻設されており、配管やバルブアッセンブリ１４（バルブボデー）などの機能部品の雄ネジをこの雌ネジと螺合させることで、機能部品を口金１０２ａ，１０２ｂにねじ込み接続可能となっている。なお、図１では、口金１０２ａにのみバルブアッセンブリ１４を設けた例を二点鎖線で示した。
【００１６】
例えば、燃料電池システム上の車両搭載用高圧タンク１０は、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだバルブアッセンブリ１４を介して、貯留空間５と図示省略した外部のガス流路との間が接続され、貯留空間５に水素が充填されると共に貯留空間５から水素が放出される。
【００１７】
ライナ１０１は、長手方向の中央で二分割された一対の略同形状からなるライナ構成部材１０１ａ，１０１ｂを、レーザ溶着により接合して構成されている。すなわち、半割り中空体のライナ構成部材１０１ａ，１０１ｂ同士をレーザ溶着により接合することで、中空内部のライナ１０１が構成されている。
【００１８】
続いて、本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法について図２を参照しながら説明する。図２は、車両搭載用高圧タンクの製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態において製造される車両搭載用高圧タンク１０は、図１を参照しながら説明したように両端が閉じられた円筒形状を成しており、その両端に口金１０２ａ，１０２ｂが設けられてなるものである。
【００１９】
ステップＳ０１では、両端に口金１０２ａ，１０２ｂが設けられたライナ１０１に、繊維強化プラスチック材料を巻きつけて繊維強化プラスチック材料層１０３ｐと成したワークＷを、硬化炉に配置する。ワークＷは、口金１０２ａ，１０２ｂを設けたライナ１０１を準備し、その準備したライナ１０１に繊維強化プラスチック材料を巻きつけることで準備される。続いて、図３に硬化炉Ｆの構成を示す。
【００２０】
図３に示すように、硬化炉Ｆには、炉本体２０とガス配管系４０とが設けられている。ガス配管系４０は、メイン配管４１と炉内配管４２とを備えている。メイン配管４１には、調圧弁４１１と、背圧弁４１２と、ポンプ４１３とが設けられている。炉内配管４２は、メイン配管４１から分岐し、炉本体２０内に延びている。調圧弁４１１は、炉内配管４２への分岐よりも上流側に配置されている。背圧弁４１２及びポンプ４１３は、炉内配管４２への分岐よりも下流側に配置されている。
【００２１】
メイン配管４１の、調圧弁４１１と背圧弁４１２とポンプ４１３とを調整することで、炉内配管４２に繋がれるワークＷ内の圧力を調整可能なように構成されている。硬化炉Ｆの炉本体２０内には、ワークＷが配置されている。ワークＷの口金１０２ａには炉内配管４２が繋がれており、上述したような各部の動作によってワークＷのライナ１０１の内圧が調整される。ワークＷの他方の口金１０２ｂには、回転棒３０が取り付けられており、硬化過程においてワークＷを適宜回転可能なように構成されている。炉本体２０内には、炉本体２０内の温度を測定する温度センサ２０ａと、ワークＷの温度を測定する温度センサ２０ｂとが設けられている。以下の説明では、適宜図３を参照するものとする。
【００２２】
ステップＳ０１に続くステップＳ０２〜ステップＳ０８は、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐを硬化させて繊維強化プラスチック層１０３と成す工程である。ステップＳ０２では、硬化炉Ｆの炉本体２０内の温度上昇を開始する。炉本体２０内の温度と、ワークＷのライナ１０１の内圧との関係を図４に示す。図４において、ＷＴはワークＷの温度を示し、ＦＴは炉本体２０内の温度を示す。ステップＳ０２は、図４における時刻ｔ０以降の処理である。従って、ライナ１０１の内圧は、大気圧よりも高い圧力Ｐ１に保たれており、高圧過程となっている。
【００２３】
ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、硬化炉Ｆの炉本体２０内の温度が、硬化設定温度Ｔに到達したか判断する。硬化設定温度Ｔに達していなければ、ステップＳ０３の判断を繰り返し、硬化設定温度Ｔに達していれば、ステップＳ０４の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ０４では、ワークＷのライナ１０１の内圧を低下させ、大気圧よりも低いＰ２に保つ（低圧過程）。ステップＳ０３において硬化炉Ｆの炉本体２０内の温度が、硬化設定温度Ｔに到達していることを確認しているので、ワークＷの繊維強化プラスチック材料層１０３ｐは、いわゆる１次硬化が始まる直前の温度となっており、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐ内の樹脂は一時的に低下した粘度が上昇し、ライナ１０１によって支持されなくても変形しない状態となっている。そこで、ライナ１０１の内圧を減圧することで、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐからライナ１０１を引き離し、位置１０１ｆに位置させている。
【００２５】
温度変化と硬化状態との関係では、硬化炉Ｆの炉本体２０内の温度を上げると、ワークＷの温度が徐々に上昇する昇温期間の後、ワークの温度が急激に上昇する１次硬化期間を経て、ワークの温度が下降し一定の温度となる本硬化期間によって硬化が完了する。この場合、１次硬化では繊維強化プラスチック材料層１０３ｐ中の樹脂のポリマー化が進行し、樹脂の重合反応によって発熱が生じているものと考えられ（過昇温）、本硬化ではポリマー同士の架橋反応が起こっているものと考えられる。
【００２６】
図５は、口金１０２ａ近傍における、ライナ１０１と繊維強化プラスチック材料層１０３ｐとの関係を示す図である。図５に示すように、ライナ１０１は、その長手方向に沿って縮退し、位置１０１ｆまで引き離されている。このように、ライナ１０１を縮退させるために、本実施形態では、口金１０２ａ，１０２ｂとライナ１０１とは、互いに拘束されないように構成されている。
【００２７】
図６は、ライナ１０１及び繊維強化プラスチック材料層１０３ｐを長手方向に直交する断面でみた断面図である。図６の（ａ）に示すように、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐからライナ１０１は離れて、位置１０１ｆまで一様に縮退している。この段階において、ライナ１０１の内圧を過度に減圧しないように留意する必要がある。ライナ１０１の内圧を過度に減圧すれば、図６の（ｂ）に示すように、ライナ１０１が座屈し、位置１０１ｇまで過度に縮退してしまい、変形が元に戻らない恐れがあるためである。
【００２８】
図２に戻り、ステップＳ０５では、過昇温完了時刻に到達したか判断する。図４に示すような、ワークＷの温度ＷＴの硬化設定温度Ｔからの過昇温が収束し、硬化設定温度Ｔになった場合に過昇温が完了しているので、その時刻ｔ２に到達したか否かを判断する。過昇温完了時刻ｔ２に到達していなければ、ステップＳ０５の判断を繰り返し、過昇温完了時刻ｔ２に到達していればステップＳ０６の処理に進む。
【００２９】
ステップＳ０６では、ライナ１０１の内圧を大気圧よりも高い圧力Ｐ１まで再び上昇させる。上述した温度変化と硬化状態との関係に基づけば、過昇温が完了していれば、ポリマー同士の架橋反応に移行しているので、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐを構成する樹脂がライナ１０１と接着されてしまう恐れはないものといえる。そこで、ライナ１０１内の内圧を圧力Ｐ１まで上昇させて、ライナ１０１を元の位置に戻して繊維強化プラスチック材料層１０３ｐと再び接触させる。
【００３０】
ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、硬化時間が完了したか判断する。具体的には、硬化炉Ｆの炉本体２０の温度ＦＴを降下させ（時刻ｔ３）、温度Ｔ０まで下降した時刻Ｔ４になったか判断する。硬化時間が完了していなければ、ステップＳ０７の処理の繰り返し、硬化時間が完了していればステップＳ８の処理に進む。
【００３１】
ステップＳ０８では、ライナ１０１の内圧を大気圧まで戻し、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐが硬化して繊維強化プラスチック層１０３となった車両搭載用高圧タンク１０を取り出す。
【符号の説明】
【００３２】
２：容器本体
５：貯留空間
１０：車両搭載用高圧タンク
１４：バルブアッセンブリ
２０：炉本体
２０ａ：温度センサ
２０ｂ：温度センサ
３０：回転棒
４０：ガス配管系
４１：メイン配管
４２：炉内配管
１０１：ライナ
１０１ａ，１０１ｂ：ライナ構成部材
１０２ａ，１０２ｂ：口金
１０３：繊維強化プラスチック層
１０３ｐ：繊維強化プラスチック材料層
４１１：調圧弁
４１２：背圧弁
４１３：ポンプ
Ｆ：硬化炉
ＦＴ：炉本体内温度
Ｗ：ワーク
ＷＴ：ワーク温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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