(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器を形作る金属製ライナーをこれに巻装された繊維材料と樹脂とで強化した複合容器の品質判定装置であって、
前記複合容器を非破壊検査して、樹脂内部の空隙の体積を空隙ごとに測定する測定手段と、
各空隙の体積と予め定められた第１閾値とを比較して、第１閾値を超える空隙が存在する場合に、測定した複合容器を排除する第１の判定手段と、
全ての空隙の総体積と予め定められた第２閾値とを比較して、空隙の総体積が第２閾値を超える場合に、測定した複合容器を排除する第２の判定手段と、
を含んで構成される、複合容器の品質判定装置。
【請求項２】
前記測定手段は、前記複合容器の特定方向の断面について、前記断面と直交する方向の位置を所定幅ずつ変えて、非破壊検査を繰り返すことにより、空隙の３次元データを得るものである、請求項１記載の複合容器の品質判定装置。
【請求項３】
容器を形作る金属製ライナーをこれに巻装された繊維材料と樹脂とで強化した複合容器の品質判定方法であって、
前記複合容器を非破壊検査して、樹脂内部の空隙の体積を空隙ごとに測定し、
各空隙の体積と予め定められた第１閾値とを比較して、第１閾値を超える空隙が存在する場合に、測定した複合容器を排除する第１の判定と、
全ての空隙の総体積と予め定められた第２閾値とを比較して、空隙の総体積が第２閾値を超える場合に、測定した複合容器を排除する第２の判定と、
を行う、複合容器の品質判定方法。
【請求項４】
前記測定では、前記複合容器の特定方向の断面について、前記断面と直交する方向の位置を所定幅ずつ変えて、非破壊検査を繰り返すことにより、空隙の３次元データを得る、請求項３記載の複合容器の品質判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器を形作る金属製ライナーをこれに巻装された繊維材料と樹脂とで強化した複合容器の品質管理を行うための品質判定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素をはじめとする気体の貯蔵・輸送をすることが注目されている。この際、できるだけ多量の気体を取り扱えるように、容器に高圧で封入することが行われている。
高圧で気体を封入する容器は、高圧ボンベと呼ばれ、容器を形作る金属製のライナーを強化して製造され、かかる強化の典型的な方法として、熱硬化性樹脂で繊維を固着または封止しながら巻装を行う方法がある（特許文献１参照）。
【０００３】
こうした繊維と樹脂を使用しライナーを強化する場合は、均一に巻装しかつ樹脂の空隙の少ないものが求められる。特に樹脂の空隙は劣化や強度不足の原因となるため、樹脂の空隙のないものを製造することが求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９０６９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術においては、樹脂の空隙は直接測定されず、こうした強度不足の高圧ボンベを発見する方法として、ボンベに充填圧力の１〜３倍程度の高圧気体を封入し、破裂、圧壊や漏れがおこるものを不合格として廃棄することが主に行われてきた。
しかし、こうした高圧気体の封入による品質管理は、工程が複雑となり、大掛かりな設備が必要とされる。また、高圧を使用する際に破裂をさせることは、時には危険が伴うこともあるので、安全にも配慮した設備が必要である。
【０００６】
本発明においては、こうした工程や設備を使用することなく、簡易に強度不足の複合容器（高圧ボンベ）を発見することができる複合容器の品質判定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため、本発明に係る複合容器の品質判定装置は、
前記複合容器を非破壊検査して、樹脂内部の空隙の体積を空隙ごとに測定する測定手段と、
各空隙の体積と予め定められた第１閾値とを比較して、第１閾値を超える空隙が存在する場合に、測定した複合容器を排除する第１の判定手段と、
全ての空隙の総体積と予め定められた第２閾値とを比較して、空隙の総体積が第２閾値を超える場合に、測定した複合容器を排除する第２の判定手段と、を含んで構成される。
【０００８】
また、本発明に係る複合容器の品質判定方法は、
前記複合容器を非破壊検査して、樹脂内部の空隙の体積を空隙ごとに測定し、
各空隙の体積と予め定められた第１閾値とを比較して、第１閾値を超える空隙が存在する場合に、測定した複合容器を排除する第１の判定と、
全ての空隙の総体積と予め定められた第２閾値とを比較して、空隙の総体積が第２閾値を超える場合に、測定した複合容器を排除する第２の判定と、を行う。
【０００９】
ここで、前記測定では、前記複合容器の特定方向の断面（例えば円筒状の複合容器の軸線と直交する断面）について、前記断面と直交する方向の位置（前記軸線方向の位置）を所定幅ずつ変えて、非破壊検査を繰り返すことにより、空隙の３次元データを得るようにするとよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検査対象の複合容器（高圧ボンベ）に通常の充填圧力より大きな高圧気体を封入したり、これにより複合容器を破壊したりすることなく、手軽に、また安全に、強度不足の複合容器を確実に発見することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の対象とする複合容器について例示する複合容器の断面図
【図２】同上の複合容器の要部拡大断面図
【図３】本発明の一実施形態を示す複合容器の品質判定装置の構成図
【図４】空隙の体積の求め方の例を示す図
【図５】面積を求める方法について例示する図
【図６】品質判定のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
本発明の対象とする複合容器は、金属製のライナーに繊維を巻装し、内部に高圧気体を封入することにも耐えるようにしたものである。
使用する繊維としては、炭素繊維が好ましい。こうした炭素繊維をライナーに巻装するには、ＦＷ（フィラメントワインディング）法で巻装していくのが一般的である。
【００１３】
ＦＷ法とは、ライナーを回転させながら、繊維に一定の張力をかけ、必要な箇所に繊維を巻装していく方法である。ウエット法であれば、溶融した樹脂のバスに炭素繊維を浸しライナーに巻装した後、硬化炉で加熱し固化させる。ドライ法であれば、炭素繊維に予め樹脂を含浸させて樹脂を半固化したトウプリプレグと呼ばれる材料を巻装した後、硬化炉で加熱し固化させるものである。
【００１４】
ここで、使用する樹脂は硬化性の樹脂であり、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂や光硬化性の樹脂を使用するのが一般的である。
こうして巻装された樹脂と繊維は、例えば図１に示すように、ライナーの周囲に強化層を形成する。その厚さは、使用する目的、封入する気体の圧力、ライナーの大きさ、強化繊維や樹脂の種類等により適宜変更されるものであるが、ライナーの肉厚の１〜１０倍程度が良い。
【００１５】
本発明の対象とする複合容器は、前記の強化層によって高圧に耐えるものとなる。しかしながら、こうした強化層は樹脂を含浸した繊維により形成されるため、樹脂に空隙があれば、その空隙が破壊点となり、気体を封入した際に破壊の原因となることがある。
図２は複合容器の要部拡大図であり、ライナーの周囲の強化用繊維を含む強化層の樹脂内部に空隙（ボイド）を生じている例を示している。
【００１６】
本発明はこうした破壊の原因となるような空隙が生じている複合容器を発見しようとする装置及び方法である。
本発明の装置においては、上述の複合容器を非破壊検査して樹脂内部の空隙の体積を測定する測定手段を有する。
非破壊検査の方法は、超音波、Ｘ線、核磁気共鳴等、任意の方法を使用できる。
【００１７】
以下、Ｘ線で非破壊検査を行う場合について説明するが、これに限定されるものではない。
具体的には、図３に示すようなＸ線ＣＴ装置を使用する。Ｘ線ＣＴ装置は、試料ステージ１、Ｘ線発生器（Ｘ線光源）２、Ｘ線検出器３、及び、これらを制御しつつ測定を行う測定システム４を含んで構成される。また、測定システム４は、測定位置（スキャン位置）決定手段５、空隙解析手段６、品質判定手段７などを含んで構成される。また、測定システム４は、空隙の２次元データ及び解析後の３次元データなどを含む測定データの記録部８や、閾値データを記憶する記憶部９と連係している。また、判定結果の表示を付与するマーカー１０を備える場合は、測定システム４にマーカー作動手段１１が含まれる。
【００１８】
Ｘ線ＣＴ装置では、試料ステージ１上にセットされた複合容器Ｂを挟んで、Ｘ線光源２とＸ線検出器３とが対向配置され、光源２から発せられたＸ線を検出器３により検出する。かかる検出器３は、光源２から発せられて試料たる複合容器Ｂを透過するＸ線の強度を検出するものである。この際、検出器３は広角でＸ線の強度データを測定できるものがよい。すなわち、試料の１方向からＸ線をあて広角で強度のデータを取るものである。この際、検出器３は直線状のものであっても、光源２からの距離を一定にするため曲線を描くものであってもよい。このように設置された光源２と検出器３は、試料を３６０度回転させて、又は光源２と検出器３そのものを試料の周りに回転させて、Ｘ線の強度データを記録し、その後、画像に再構成するものである。こうした画像は、断面の２次元の画像として記録される。
【００１９】
このデータを測定する断面に垂直に位置を変えて同様に非破壊検査を行っていく。一般的には０．１〜１０ｍｍ、好ましくは０．５〜５ｍｍの幅で検査される。この際、断面積を１つ１つ計測しても良いし、螺旋を描くように計測してもよい。
最終的には、測定システム４により検出されたＸ線データを、フーリエ変換などを行う再構成システムによって、３次元データ化する。必要に応じてこの際に、３次元データを可視化してもよい。
【００２０】
本発明においてはこうした３次元データのなから空隙のデータを調べその体積を算出する。こうした方法は任意であるが、具体的には、空隙として検知されるところを細分化して求める方法や、測定した２次元データの空隙部分の面積を測定し、２次元測定の幅を乗じて体積として計算する等の方法がある。例えば、粒子解析アプリケーションプログラムのような市販のプログラムも存在するので、そちらを使用しても良い。
【００２１】
空隙（ボイド）の体積の求め方の例を、図４及び図５により説明する。図４を参照し、２次元の非破壊検査の画面上に空隙（ボイド）が見つかった場合、先ず、その面積Ｓを測定する。
面積Ｓを求める方法は、例えば図５（ａ）に示すように、画面上で、空隙の２次元画像に、予め定めた小さな面積をどれだけ書き込めるかを計算する。すなわち、小さな面積をｓ、書き込める個数をｍとすると、面積Ｓ＝ｓ×ｍとして計算する。
【００２２】
又は、例えば図５（ｂ）に示すように、空隙の２次元画像に、所定幅（Δｄ２）の平行な直線を引いて、各直線の長さＬｉを測定し、隣の直線との距離であるΔｄ２を乗じ、面積Ｓ＝ΣＬｉ×Δｄ２として計算する。
そして、このようにして求めた空隙の２次元画像の面積Ｓと、非破壊検査の幅Δｄとから、体積を求める。すなわち、次式により、個々の空隙（ボイド）の体積を求める。
【００２３】
個々の空隙の体積＝ΣＳｉ×Δｄ    （ｉ＝１〜ｎ）
Ｓｉは測定位置ｉ＝１〜ｎでの空隙の２次元画像の面積である。但し、当該空隙が存在しない測定位置ｉでの面積Ｓｉは、０となる。
本発明においては、こうして求めた個々の空隙ごとの体積と予め入力した体積の閾値（第１閾値）とを比較し、この第１閾値よりも大きな体積の空隙があれば、不合格と判定して排除する。
【００２４】
ここで個々の空隙とは、３次元の画像データにおいて、他の空隙とつながっていない空隙である。１つでも大きな空隙が存在する場合、複合容器の破裂の原因となるからである。この際、第１閾値は１〜５ｍｍ3 程度に設定される。
次にこうして求めた個々の空隙の体積について合計をし、その合計値（空隙の総体積）と予め入力した別の閾値（第２閾値）とを比較し、第２閾値よりも大きな合計体積であれば、不合格と判定して排除する。１つ１つの空隙は大きくなくても、数が多いときなどは、複合容器の破裂の原因となるからである。この際、第２閾値は、樹脂層の全体積に占める割合で、５〜１５％程度に設定される。
【００２５】
どちらにも当てはまらないもの、すなわち、第１閾値を超える空隙が存在せず、かつ、空隙の総体積が第２閾値を超えないものは、合格の判定とする。
図６は測定から最終判定までの品質判定の具体例を示すフローチャートである。本フローは試料ステージに複合容器をセットするごとに実行される。
Ｓ１では、測定位置（スキャン位置）を初期設定する。すなわち、複合容器の特定方向の断面（円筒状の複合容器であれば、その軸線と直交する断面）について、スキャンして、非破壊的に樹脂内部の空隙（ボイド）を測定するに際に、前記断面と直交する方向（前記軸線方向）の位置を初期設定する。具体的には、予め定めた一方の端部に位置させ、スキャン位置番号ｉ＝１とする。
【００２６】
Ｓ２では、複合容器の特定方向の断面（円筒状の複合容器であれば、その軸線と直交する断面）について、非破壊的に樹脂内部の空隙（ボイド）を測定し、空隙の２次元データを取得する。
Ｓ３では、予め定めた全てのスキャン（ｎ箇所でのスキャン）が終了したか否か、すなわちスキャン位置番号ｉ＝ｎとなっているか否かを判定し、終了していない場合（ｉ＜ｎの場合）は、Ｓ４へ進む。
【００２７】
Ｓ４では、スキャン位置を、予め定めた移動距離Δｄ、移動する。また、スキャン位置番号ｉをカウントアップする（ｉ＝ｉ＋１）。そして、Ｓ２へ戻る。
従って、Ｓ２〜Ｓ４の繰り返しにより、Δｄずつ移動させたスキャン位置にて、空隙の２次元データが得られる。
全てのスキャンが終了すると、Ｓ３での判定で、ループから抜け、Ｓ５へ進む。
【００２８】
Ｓ５では、以上により得られた各スキャン位置での２次元データを解析し、これにより空隙の３次元データを取得する。
Ｓ６では、空隙ごとに体積を算出する。具体的には、空隙ごとに識別番号ｊ＝１〜ｍを付し、各空隙ｊについて、各スキャン位置（ｉ＝１〜ｎ）での面積Ｓｉの総和にΔｄを乗じて、各空隙ｊの体積Ｖｊ＝ΣＳｉ×Δｄ（ｉ＝１〜ｎ）を求める。尚、空隙ｊが存在しないスキャン位置ｉでの面積Ｓｉは０とする。
【００２９】
Ｓ７では、第１閾値を超える体積の空隙が存在するか否かを判定する。すなわち、全ての空隙の各体積Ｖｊ（ｊ＝１〜ｍ）について、第１閾値と比較することで、第１閾値を超える体積の空隙が存在するか否かを判定する。
Ｓ７での判定でＹＥＳの場合、すなわち第１閾値を超える体積の空隙が存在する場合は、Ｓ１０へ進み、測定した複合容器を、不合格として、排除する。１つでも大きな空隙が存在する場合、複合容器の破裂の原因となるからである。
【００３０】
Ｓ７での判定でＮＯの場合は、Ｓ８へ進む。
Ｓ８では、全ての空隙の総体積ΣＶｊ（ｊ＝１〜ｍ）を算出する。
Ｓ９では、空隙の総体積ΣＶｊと第２閾値とを比較し、空隙の総体積ΣＶｊは第２閾値を超えるか否かを判定する。
Ｓ９での判定でＹＥＳの場合、すなわち空隙の総体積ΣＶｊが第２閾値を超える場合は、Ｓ１０へ進み、測定した複合容器を、不合格として、排除する。１つ１つの空隙は大きくなくても、数が多いときなどは、複合容器の破裂の原因となるからである。
【００３１】
Ｓ９での判定でＮＯの場合、すなわち、第１閾値を超える体積の空隙が存在せず、かつ、空隙の総体積ΣＶｊが第２閾値を超えない場合は、Ｓ１１へ進み、測定した複合容器について、合格と判定する。
ここで、不合格とした複合容器の排除の方法は、少なくとも不合格品と合格品とについて判別ができればよい。例えば、機械的に合格品と不合格品とを別により分けることでもよいし、不合格品に不合格のペイントを行うものであってもよい。
【００３２】
具体的には、製造した複合容器を任意の輸送手段により台の上に安置し、非破壊検査によって空隙を測定し、合格をしたものは別の輸送手段により合格品の保管場所に安置し、不合格品は不合格品の保管場所に安置するようにしてもよいし、合格品には何もせず、不合格品の場合には、不合格の判断が行われた後に、電気・ソフトウェア的手段によりマーカー（ペイント手段）を作動させ、不合格のペイントをするようにしてもよい。図３には、試料ステージ１の上方にペイント用のマーカー１０を設けた例を示した。
【００３３】
尚、以上に本発明の実施形態を図面に基づいて説明したが、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【実施例】
【００３４】
ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂８０重量部、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂２０重量部にジシアンジアミド１８重量部および３−（３，４−ジクロロフェニル)−１，１−ジメチルウレア９重量部を混合し、樹脂組成物とした。
この樹脂組成物を東レ（株）製の炭素繊維Ｔ８００ＳＣの２４０００フィラメントに、ＦＷ工程内で含浸して中央部分の外径９９ｍｍ、内径９５ｍｍのアルミ製円筒菅に軸方向から７０度の角度で巻装し、条件を変更してヘリカル巻きしたものを１００個作成した。そして、これらを１３０度で２時間加熱して硬化させた。
【００３５】
図３に示したような装置を構成し、測定した。不合格品には赤のインクを吹き付けるものとした。二次元面の測定の幅は、２ｍｍとし、Ｘ線光源２と検出器３が固定され、試料（複合容器Ｂ）が回転し、かつ上下に動くものとした。
第１閾値（個々の空隙の許容最大値）を２ｍｍ3 、第２閾値（樹脂層の全体積に対する空隙の総体積の比についての許容最大値）を８％に設定した。
【００３６】
このような条件で、１００個の複合容器の品質判定を行った結果、不合格品とされたものは２３個、合格品とされたものは７７個であった。
検証のため、これらの破壊圧力を測定した結果、合格品とされたものの破壊圧力の平均は１２５ＭＰａ、不合格とされたものの破壊圧力の平均は９７ＭＰａであった。この結果から、本発明による品質判定の有効性が立証されたと言える。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、高圧で使用する複合容器について、複合容器を破壊をすることなく、安全かつ手軽に、不良品を発見することができ、産業上の利用可能性は大である。
【符号の説明】
【００３８】
１  試料ステージ
２  Ｘ線発生器（光源）
３  Ｘ線検出器
４  測定システム
５  測定位置決定手段
６  空隙解析手段
７  品質判定手段
８  測定データの記録部
９  閾値データの記憶部
１０  マーカー
１１  マーカー作動手段
【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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