(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹型と凸型とを有する金型に形成された、作製する樹脂成形体の形状に対応するキャビティ内に前記樹脂成形体を作製するための成形材料を射出する射出工程と、
前記金型を冷却し、前記成形材料が固化した成形中間体を形成する金型冷却工程と、
前記金型を型開きし、前記成形中間体と密着する凸型を前記凹型から脱離させる型開工程と、
前記凸型と前記成形中間体との間の気密性を維持しつつ、前記成形中間体の少なくとも一部を前記凸型から離型させる離型工程と、
離型させた前記成形中間体と前記凸型との間に、前記凸型の温度よりも高い温度を有する温風を送気して、前記成形中間体を加熱する温風送気工程と、
加熱された前記成形中間体を前記凸型とともに徐冷する徐冷工程と、
を含み、前記成形材料が、熱可塑性樹脂とエラストマーとを含み、前記温風送気工程および前記徐冷工程により、前記熱可塑性樹脂の少なくとも一部を結晶化させることを特徴とする樹脂成形体の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の製造方法において、
前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂であり、
前記温風の送気温度が、１００℃以上であることを特徴とする樹脂成形体の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の製造方法により作製される樹脂成形体であって、
前記樹脂成形体が、加圧ガスを貯留するための圧力容器を構成するライナ構成部材であることを特徴とする樹脂成形体。
【請求項４】
凹型および凸型を含み、作製する樹脂成形体の形状に対応するキャビティを有する金型と、
前記キャビティ内に前記樹脂成形体を作製するための成形材料を射出する射出手段と、
前記金型を冷却し、前記成形材料が固化した成形中間体を形成する金型冷却手段と、
少なくとも凸型または凹型のいずれか一方を型開きして、前記成形中間体を前記凹型から脱離させる型開手段と、
前記凸型と前記成形中間体との間の気密性を維持しつつ、前記成形中間体の少なくとも一部を前記凸型から離型させる離型手段と、
離型させた前記成形中間体と前記凸型との間に、前記凸型の温度よりも高い温度を有する温風を送気するための温風送気手段と、
を備え、前記成形材料が、熱可塑性樹脂とエラストマーとを含み、前記温風送気手段により、前記熱可塑性樹脂の少なくとも一部を結晶化させることを特徴とする樹脂成形体の製造システム。
【請求項５】
請求項４に記載の製造システムにより作製される樹脂成形体であって、
前記樹脂成形体が、加圧ガスを貯留するための圧力容器を構成するライナ構成部材であることを特徴とする樹脂成形体。
【請求項６】
中空形状のライナと、
前記ライナの外周を被覆する繊維強化樹脂層と、
を含み、
前記ライナが、請求項３または５に記載の樹脂成形体を含むことを特徴とする圧力容器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂成形体の製造方法および製造システム、樹脂成形体、圧力容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素や窒素など、常温常圧状態における容積の大きな気体を高密度、小容量にて貯蔵するための容器として、所定の圧力により圧縮させて液体または気体として貯蔵する、圧力容器が使用されている。中でも、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などの繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を用いたＦＲＰ製の圧力容器は一般に、金属製圧力容器よりも軽量であるため、車両などの移動体への搭載には有利であり、また、水素用圧力容器として使用する場合における、従来の鋼鉄製容器の課題であった水素脆化その他の懸念も少ないため、特に注目されている（例えば、特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１には、複数のライナ構成部材を接合して形成したライナの表面に多数の溝部を形成し、該ライナの外面に補強材を被覆した構成を有する圧力容器について開示されている。
【０００４】
特許文献２には、ライナの内面側に酸化層が形成された圧力容器について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２５７３５５号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１９３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図４は、一般的なＦＲＰ製圧力容器の構成の概略を説明するための図である。図４に示す圧力容器１０は例えば、６−ナイロン（ナイロン６とも称する）、６，６−ナイロン（ナイロン６６とも称する）などのナイロン樹脂やポリプロピレン樹脂などの高いガスバリア性を有する熱可塑性樹脂に、耐衝撃性を付与するための、例えば、エチレンオレフィン系またはウレタン系などのエラストマーを添加して構成された中空形状のライナ１２と、ライナ１２の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）１４とを備え、構成されている。圧力容器１０にはまた、少なくとも一つの口金１６を有する。口金１６は、図示しないバルブを接続可能に構成されており、このバルブ操作により圧力容器１０の内外への高圧流体の流通を調節することができる。
【０００７】
ライナ１２は一般に、例えば略円筒状、略椀形状などのライナ構成部材を複数作製し、これを組み合わせることにより、所望の形状を有するライナ１２を作製することができる。成形コスト、耐久性等の観点から、作製する圧力容器１０を二分割したものに対応する、二つの略同一形状のライナ構成部材を作製し、これを組み合わせてライナ１２を形成することが好適である。
【０００８】
繊維強化樹脂層１４は例えば、例えばガラス繊維、炭素繊維、ケブラ繊維などからなる、長く連続した糸状の繊維（フィラメント）に、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂からなる樹脂液を含浸させ、必要に応じて乾燥させたいわゆるプリプレグ繊維をライナの外周表面に巻きつけて、その後該樹脂液を硬化させることにより形成することができる。このとき、ライナ１２の材質および／または厚みの他、例えば、繊維強化樹脂層１４を構成する繊維の太さや巻き数を調整し、繊維強化樹脂層１４の厚みを調整することにより、圧力容器１０の耐圧性能その他の設計強度を制御することができる。
【０００９】
このような構成を有する圧力容器１０において、ライナ１２の内側部分に貯留された高圧ガスは、口金１６に接続されたバルブ（図示せず）を介して、その大半が排出されるが、水素ガスなどの分子量の小さい物質を圧力容器１０に高圧充填すると、その一部が、ライナ１２を透過する場合がある。圧力容器１０の内部圧力が比較的高く、口金１６と、その近傍のライナ１２および繊維強化樹脂層１４とが気密に保たれている場合には、ライナ１２を透過したガスは口金１６の近傍に滞留し、圧力容器１０の外部への漏出はごくわずかである。これに対し、圧力容器１０の内部圧力が低下し、口金１６とその近傍のライナ１２および繊維強化樹脂層１４との間のガスシール性が低下すると、ライナ１２を透過したガスが口金１６の近傍から圧力容器１０の外部に高濃度で漏出する場合がありうる。
【００１０】
水素ガスなどの分子量の小さい物質がライナ１２を透過する要因の一つとして、エラストマーの存在を挙げることができる。ナイロン樹脂などの熱可塑性樹脂を含有するライナ１２の高いガスバリア性は、その熱可塑性樹脂が有する高い結晶性に由来するとされている。これに対し、耐衝撃性の付与のためにライナ１２の成形材料に添加することができるエラストマーは一般に、非晶性であり、その添加量によっては、作製されたライナのガスバリア性の低下に繋がる場合がある。また、ライナ１２の成形材料へのエラストマーの添加は、場合によっては、ライナ１２成形時における熱可塑性樹脂の結晶化を阻害する要因ともなり得た。
【００１１】
従来、熱可塑性樹脂の結晶化を促進させることによるガスバリア性の向上を目的として、成形温度を上げることや再加熱してアニールすることが知られている。アニールはまた、成形されたライナ１２の応力緩和に有用であることも知られている。しかしながら、金型温度や樹脂温度を上げて成形することは、耐圧性などの他の物性を低下させる要因となり得た。一方、後工程で実施されるアニールは一般に、所定の時間、温度管理をするために加熱スペースを確保する必要があり、生産性低下の要因ともなり得た。
【００１２】
本発明は、高いガスバリア性を有する樹脂成形体を簡便に製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１４】
（１）凹型と凸型とを有する金型に形成された、作製する樹脂成形体の形状に対応するキャビティ内に前記樹脂成形体を作製するための成形材料を射出する射出工程と、前記金型を冷却し、前記成形材料が固化した成形中間体を形成する金型冷却工程と、前記金型を型開きし、前記成形中間体と密着する凸型を前記凹型から脱離させる型開工程と、前記凸型と前記成形中間体との間の気密性を維持しつつ、前記成形中間体の少なくとも一部を前記凸型から離型させる離型工程と、離型させた前記成形中間体と前記凸型との間に、前記凸型の温度よりも高い温度を有する温風を送気して、前記成形中間体を加熱する温風送気工程と、加熱された前記成形中間体を前記凸型とともに徐冷する徐冷工程と、を含む、樹脂成形体の製造方法。
【００１５】
（２）上記（１）に記載の製造方法において、前記成形材料が、熱可塑性樹脂とエラストマーとを含み、前記温風送気工程および前記徐冷工程により、前記熱可塑性樹脂の少なくとも一部を結晶化させる、樹脂成形体の製造方法。
【００１６】
（３）上記（２）に記載の製造方法において、前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂であり、前記温風の送気温度が、１００℃以上である、樹脂成形体の製造方法。
【００１７】
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の製造方法により作製される樹脂成形体であって、前記樹脂成形体が、加圧ガスを貯留するための圧力容器を構成するライナ構成部材である、樹脂成形体。
【００１８】
（５）凹型および凸型を含み、作製する樹脂成形体の形状に対応するキャビティを有する金型と、前記キャビティ内に前記樹脂成形体を作製するための成形材料を射出する射出手段と、前記金型を冷却し、前記成形材料が固化した成形中間体を形成する金型冷却手段と、少なくとも凸型または凹型のいずれか一方を型開きして、前記成形中間体を前記凹型から脱離させる型開手段と、前記凸型と前記成形中間体との間の気密性を維持しつつ、前記成形中間体の少なくとも一部を前記凸型から離型させる離型手段と、離型させた前記成形中間体と前記凸型との間に、前記凸型の温度よりも高い温度を有する温風を送気するための温風送気手段と、を備える、樹脂成形体の製造システム。
【００１９】
（６）上記（５）に記載の製造システムにより作製される樹脂成形体であって、前記樹脂成形体が、加圧ガスを貯留するための圧力容器を構成するライナ構成部材である、樹脂成形体。
【００２０】
（７）中空形状のライナと、前記ライナの外周を被覆する繊維強化樹脂層と、を含み、前記ライナが、上記（４）または（６）に記載の樹脂成形体を含む、圧力容器。
【発明の効果】
【００２１】
高いガスバリア性を有する樹脂成形体を簡便に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】樹脂成形体の製造システムの構成の概略を説明するための図である。
【図２】図１に示す樹脂成形体の製造システムによる成形工程について説明するための図である。
【図３】樹脂成形体の製造方法を例示したブロック図である。
【図４】圧力容器１０の構成の概略を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態における樹脂成形体の製造システムの構成の概略について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２４】
図１に示す樹脂成形体の製造システム１００は、シリンダ２０と、金型２６と、押上げコア２８，３０と、開きコア３２，３４と、制御部４４と、を備える。
【００２５】
シリンダ２０は、その先端部分に設けられたノズル３６から、図示しない射出装置内で加熱溶融された、熱可塑性樹脂およびエラストマーを含む成形材料を、設定された射出条件で金型２６に向けて射出することができるよう構成されている。
【００２６】
金型２６は、凹型２２と凸型２４とを含む。図１に示すように金型２６を閉じて凹型２２および凸型２４を接近させた状態において、凹型２２と凸型２４との間に、作製する樹脂成形体の形状に対応するキャビティ３８が形成されるように凹型２２および凸型２４の表面形状がそれぞれ加工されている。また、凹型２２および凸型２４はそれぞれ、加熱手段（図示せず）および冷却媒体流路（図示せず）を含む温度調節機構（図示せず）により、所望の温度に調節可能に構成されている。さらに、シリンダ２０側に配置された凹型２２には、射出時にノズル３６の先端と当接するスプルゥブッシュ４２を設けることができる。以下、凹型２２を固定型、凸型２４を可動型として説明するが、凹型２２を可動型、凸型２４を固定型として用いることも可能である。
【００２７】
凸型２４には、その内部を貫通し、温風供給源および／または温風供給手段（図示せず）から送られた温風を凹型２２側に送気することができる温風送気流路４０が形成されている。必要に応じて、キャビティ３８からの成形材料の侵入を防止するように逆止機構を設けることもできる。
【００２８】
押上げコア２８，３０は、凸型２４側であって、凹型２２の近傍、より具体的にはキャビティ３８の凸型２４側端部近傍に設けられている。図１に示す押上げコア２８，３０はいずれも、金型２６を型開きし、凹型２２と凸型２４とを離脱させた際には水平方向に移動することにより凹型２２側に突出し、キャビティ３８内の成形中間体（後述）を押し上げることができるように構成されている。
【００２９】
一方、開きコア３２，３４は、凸型２４側であって、凹型２２の近傍、より具体的には押上げコア２８，３０よりもノズル３６に近い中央部分またはその近傍に設けることができる。図１に示す開きコア３２，３４はいずれも、金型２６を型開きし、凹型２２と凸型２４とを離脱させた際には鉛直方向に移動することにより凹型２２側に突出し、キャビティ３８内の成形中間体（後述）を凸型２４の外側方向に開くことができるように構成されている。
【００３０】
図１に示す樹脂成形体の製造システム１００は、開閉機構（図示せず）および型締機構（図示せず）を備えることができる。開閉機構は、可動型（ここでは凸型２４）を固定型（ここでは凹型２２）に対し離接するように水平移動させることにより、金型２６を開閉可能に構成されている。一方、型締機構は、密接した凹型２２および凸型２４を緊密状態で固定し、キャビティ３８内に成形材料を射出可能な状態に保持することができるよう構成されている。
【００３１】
本発明の実施の形態において、凹型２２および凸型２４は、例えばステンレス鋼など、剛性を有し、熱安定性の高い金属材料または金属合金材料で構成することができる。また、押上げコア２８，３０や開きコア３２，３４もまた、例えばステンレス鋼など、剛性を有し、熱安定性の高い金属材料または金属合金材料で構成することができるが、凹型２２および凸型２４とは同じ材料であっても異なるものであってもよい。
【００３２】
制御部４４は、例えば、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。シリンダ２０または射出装置、凹型２２および凸型２４（温度調節機構を含む）、押上げコア２８，３０、開きコア３２，３４、温風供給源および／または温風供給手段、開閉機構、および型締機構はそれぞれ制御部４４に接続され、制御部４４の指令によって動作するよう構成されている。また、凹型２２および凸型２４の温度やシリンダ２０内の成形材料の温度を検出するための温度センサ（図示せず）の出力信号が制御部４４に入力されるよう構成されている。
【００３３】
図１〜３を参照して、圧力容器１０の製造方法の一例について説明する。まず、金型を型締めし（Ｓ１００）、次いで、成形材料を射出する（Ｓ１０２）。図２（ａ）に例示するように、凹型２２と凸型２４との間に形成されたキャビティ３８内に、熱可塑性樹脂およびエラストマーを含有する成形材料４６が射出され、充填される。
【００３４】
実施の形態において、熱可塑性樹脂としては例えば、ナイロン樹脂やポリプロピレン樹脂などを適用することができる。ナイロン樹脂を適用した場合のノズル３６から金型２６への射出温度は例えば、２５０℃〜３００℃程度とすることができ、ポリプロピレン樹脂を適用した場合の射出温度は例えば、２００℃〜２５０℃程度とすることができるが、これに限定されるものではない。また、凹型２２および凸型２４の温度（金型温度）は、例えば、後述する型開きする際の金型温度よりも数℃〜数十℃程度高い温度とすることができるが、これに限定されるものではなく、成形材料の射出温度や成形時間に応じて適宜設定することができる。
【００３５】
また、成形材料に対するエラストマーの配合量は例えば、５質量％〜３０質量％、より好ましくは１０質量％〜２０質量％程度とすることができる。エラストマーの配合量が５質量％に満たない場合には、耐衝撃性が十分でない場合があり得る。また、エラストマーの配合量が３０質量％を超えると、ガスの種類によってはガスバリア性に不具合が生じる場合があり得る。
【００３６】
その後、金型を冷却し（Ｓ１０４）、次いで、金型を型開きする（Ｓ１０６）。凹型２２および凸型２４が冷却されるにしたがって、キャビティ３８内に充填された成形材料４６は固化し、成形中間体４８が形成される。図２（ｂ）に例示するように、成形中間体４８と密着する凸型２４を凹型２２から脱離させるように水平方向に移動させる。本実施の形態において、型開きする際の金型温度は例えば、５０℃〜８０℃程度とすることができる。
【００３７】
次いで、成形中間体４８を凸型２４から離型させる（Ｓ１０８）。図２（ｃ）に例示するように、押上げコア２８，３０および開きコア３２，３４を作用させることにより、より具体的には、各コアの近傍に形成された成形中間体４８に当接させ、さらに押圧することにより、凸型２４から成形中間体４８を離型させることができる。実施の形態において、押上げコア２８，３０により離型される、成形中間体４８の端部と凸型２４に形成された凹型２２との当接面５２との間隔は概ね１０ｍｍ程度とすることができる。一方、開きコア３２，３４により離型される、成形中間体４８の中央部分と凸型２４との間隔は概ね０．５ｍｍ以下であり、より好ましくは０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。このとき、凸型２４と成形中間体４８との間に形成される空間５４は、気密性が維持されることが好ましく、場合によっては開きコア３２，３４を不要とすることができる。
【００３８】
次いで、温風を送気する（Ｓ１１０）。図２（ｃ）に例示するように、温風送気流路４０を経由して流通する温風５０を、凸型２４と成形中間体４８との間に形成された空間５４内に送気し、内部温度がほぼ均等となるように流通させる。実施の形態において、温風５０としては例えば、加熱された空気を利用することができるが、他の実施の形態として、窒素や二酸化炭素等であってもよい。温風５０の温度は、少なくとも凸型２４の温度よりも高い温度とすることができ、例えば、１００℃以上、より具体的には、１２０℃〜１５０℃程度とすることができる。また、温風５０の送気時間は、金型温度や成形中間体４８の材料にもよるが、例えば、２分〜３分程度とすることができる。必要に応じて、空間５４内に送気した温風を排気する温風排気流路（図示せず）を凸型２４内に形成してもよい。なお、Ｓ１１０の実施は、Ｓ１０８の終了前に開始してもよく、重複する時間があってもよい。
【００３９】
次いで、徐冷する（Ｓ１１２）。実施の形態において、押上げコア２８，３０および開きコア３２，３４を元の状態（図２（ｂ）参照）に戻すとともに凸型２４を移動させることにより成形中間体４８を凸型２４と密着させる。本実施の形態によれば、空間５４内の温風５０を速やかに排出させることもでき、凸型２４とほぼ同様の緩やかな速度で冷却させることができる。このとき、成形中間体４８を金型温度（例えば、５０℃）から常温（例えば、２５℃）まで冷却させる時間は、例えば、１分〜３０分とすることができるが、これに限らず、成形材料その他の諸条件に応じて変更可能である。
【００４０】
Ｓ１１０において、成形中間体４８が温風５０で熱せられ、次いで、Ｓ１１２において、徐冷されることにより、成形中間体４８の少なくとも一部、特に温風５０に接触した部分における熱可塑性樹脂の結晶化の程度がより高まり、ガスバリア性が向上する。
【００４１】
最後に、樹脂成形体を取り出す。図２（ｄ）に例示するように、凸型２４をさらに移動させることにより、および／または図示しないエジェクタピンを作用させることにより、作製された樹脂成形体５６をシステムから取り出すことができる。作製された樹脂成形体５６がライナ構成部材である場合には、成形端面を溶着することにより、ライナ１２（図４参照）を作製することができる。作製されたライナ１２は、図４に示すような圧力容器１０の作製に供することができる。実施の形態において、樹脂成形体５６またはライナ構成部材の溶着には例えば、所定の出力条件に設定したレーザ装置によるレーザ溶着が好適である。他の実施の形態として、振動溶着、超音波溶着、熱板溶着などを適用して溶着することも可能である。
【００４２】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、高いガスバリア性を有する樹脂成形体を、従来のアニール工程を適用した場合と比較してより簡便に製造することができ、また、生産性も向上する。また、従来の樹脂成形体と同等程度の厚みであっても、高いガスバリア性を有する樹脂成形体を、簡便に製造することができる。
【００４３】
なお、図１に例示した樹脂成形体の製造システム１００は、射出装置と金型とが水平方向に配置されたいわゆる横型の製造システムである。他の実施の形態として、上方に配置された射出装置から下方に配置され、上下方向に可動型が移動する立型の製造システムであってもよいが、設備投資の観点から、より好ましくは横型の製造システムである。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、熱可塑性樹脂とエラストマーとを含む樹脂成形体の作製のために利用することができる。
【００４５】
本発明はまた、水素タンクなど、ＦＲＰ製の圧力容器の作製のために利用することが可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  圧力容器、１２  ライナ、１４  繊維強化樹脂層、１６  口金、２０  シリンダ、２２  凹型、２４  凸型、２６  金型、２８，３０  押上げコア、３２，３４  開きコア、３６  ノズル、３８  キャビティ、４０  温風送気流路、４２  スプルゥブッシュ、４４  制御部、４６  成形材料、４８  成形中間体、５０  温風、５２  当接面、５４  空間、５６  樹脂成形体、１００  製造システム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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