(57)【要約】【課題】タンクの繊維強化樹脂硬化時の樹脂染みだしによる繊維強化樹脂の張力変化をシミュレーションすること。【解決手段】タンク容器に巻回され、熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂層の、硬化時における張力変化をシミュレーションする方法は、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に巻回されたタンク容器が加熱されることにより低下する熱硬化性樹脂の粘度を取得する工程と、取得した粘度を用いて、粘度低下に伴って熱硬化性樹脂が繊維強化樹脂層から染み出す量である樹脂流動量を算出する工程と、熱硬化性樹脂の染み出しによる繊維強化樹脂層の張力変化量を、算出された樹脂流動量を用いて算出する工程と、を備える。【選択図】図３
2014058049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンク容器に巻回され、熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂層の、硬化時における張力変化を予測する方法であって、
熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に巻回されたタンク容器が加熱されることにより低下する前記熱硬化性樹脂の粘度を取得する工程と、
前記取得した粘度を用いて、前記粘度低下に伴って前記熱硬化性樹脂が前記繊維強化樹脂層から染み出す量である樹脂流動量を、式１により算出する工程と、
前記熱硬化性樹脂の染み出しによる前記繊維強化樹脂層の張力変化量を、前記算出された樹脂流動量を用いて算出する工程と、
を備える方法。
【数１】
2014058049.tif 000011
なお、式１において、
ｑ：流動する樹脂の単位時間あたりの量（樹脂の流速）
μ：熱硬化性樹脂の粘度
ｋ：透過係数
Δｘ：繊維束の厚さ
ΔＰ：繊維束に作用する内側と外側の圧力差
である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状のタンクに巻回された繊維強化樹脂の硬化時における張力のゆるみを計算する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、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発電された電気エネルギーによって駆動する車両が開発されており、高圧ガスタンクには、天然ガスや水素等の燃料ガスが貯蔵され、車両に搭載される場合がある。このため、高圧ガスタンクの軽量化が求められており、ライナーを、炭素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）で被覆する技術が検討されている。一般に、繊維強化樹脂層は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維束をフィラメントワインディング法によりライナー外周に巻回させ、加熱・硬化させて形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−４３２１８号公報
【特許文献２】特開２００４−２５７９６号公報
【特許文献３】特開２００３−１１１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
繊維強化樹脂層を構成する樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合、ライナー外周に巻回された繊維強化樹脂の繊維束を加熱すると、樹脂が軟化して粘度が低下する。繊維束は所定の張力でライナーに巻回されるので、内径方向（繊維束からタンク内側に向かう方向）にも力が作用しており、樹脂の粘度が低下すると、内径方向に向かう力に対する反作用によって、粘度の低下した樹脂が繊維束の間から染み出す。樹脂の染み出しにより、繊維束の樹脂含有量が低下し、繊維束の張力が低下するという問題があり、この繊維束の張力低下量を算出する方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、ガスタンクに巻回され、熱硬化性樹脂を含浸した繊維強化樹脂層の、硬化時における張力変化を予測する方法が提供される。この方法は、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に巻回されたタンク容器が加熱されることにより低下する前記熱硬化性樹脂の粘度を取得する工程と、；前記取得した粘度を用いて、前記粘度低下に伴って前記熱硬化性樹脂が前記繊維強化樹脂層から染み出す量である樹脂流動量を、式１により算出する工程と、；前記熱硬化性樹脂の染み出しによる前記繊維強化樹脂層の張力変化量を、前記算出された樹脂流動量を用いて算出する工程と、を備える。
【数１】
2014058049.tif 000003
なお、式１において、
ｑ：流動する樹脂の単位時間あたりの量（樹脂の流速）
μ：熱硬化性樹脂の粘度
ｋ：透過係数
Δｘ：繊維束の厚さ
ΔＰ：繊維束に作用する内側と外側の圧力差
である。この形態のシミュレーション方法によれば、熱硬化性樹脂の材質や加熱温度、加熱時間、繊維束の厚みなど、種々異なる条件によって形成される繊維強化樹脂層の樹脂流動量を算出でき、算出された樹脂流動量を用いて、種々異なる条件によって形成される繊維強化樹脂層の張力変化量を算出することができ、種々の試験や解析に利用することができる。
【０００７】
本発明は、方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、予測装置や当該装置の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態における高圧ガスタンク１０の断面図。
【図２】繊維強化樹脂層５０の加熱時における樹脂の染み出しについて説明する模式図。
【図３】第１実施形態における繊維強化樹脂層５０の張力低下量をシミュレーションする工程を示す工程図。
【図４】樹脂の染み出しによる繊維強化樹脂層の張力について説明する模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における高圧ガスタンク１０の断面図である。高圧タンク１０は、ライナー４０と、ライナー４０の表面を覆う繊維強化樹脂層５０と、口金部１４と、を備えている。口金部１４は、開口部１４ａを有している。
【００１０】
ライナー４０は、高圧タンク１０の内殻をなし、内容器とも言われる中空状の部材であり、流体を貯蔵する空間部４５を内部に有する。ライナー４０は、ガスバリア性を有し、水素ガス等の気体の外部への透過を抑制する。ライナー４０は、ナイロン系樹脂、ポリエチレン系樹脂等の合成樹脂や、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属を用いて作製される。本実施例では、ライナー４０は、ナイロン系樹脂を用いて一体成形されるものとした。ライナー４０は、複数の部材を接合して形成するものとしてもよい。ライナー４０は、タンク製造ライン以外の型成型工程での金型によるライナー形成の他、予め形成済みの樹脂製ライナーのライン搬入等により準備される。
【００１１】
繊維強化樹脂層５０は、ライナー４０の外表面に形成され、熱硬化性樹脂が繊維によって補強された層である。本実施例では、繊維強化樹脂層５０は、フィラメントワインディング法を用いて形成される。フィラメントワインディング法とは、熱硬化性樹脂が含浸された繊維をマンドレル（本実施例では、ライナー４０）に巻き付けて、熱硬化性樹脂を熱硬化させる方法である。具体的には、タンク両側（口金部１４と、タンク長手方向における口金部１４の反対側）を図示しないＦＷ装置の回転軸に係合させ、ライナー４０をタンク中心軸の回りに回転するよう軸支する。そして、ライナー４０をタンク中心軸の回りに回転させながらＦＷ法による繊維強化樹脂の繊維巻回を行う。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。本実施例では、エポキシ樹脂を用いるものとした。また、繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維、又は、綿等の天然有機繊維の各種繊維を用いることができる。これらの繊維は、単独で用いてもよいし、２種類以上混合して用いてもよい。本実施例では、繊維として、カーボン繊維を用いるものとした。
【００１２】
図２は、繊維強化樹脂層５０の加熱時における樹脂の染み出しについて説明する模式図である。図２は、図１の枠Ｘ部分のうち、繊維強化樹脂層５０の拡大断面図である。なお、図２では、説明の便宜上、繊維強化樹脂の繊維束が３層として記載されているが、繊維束の層数は何層であってもよい。繊維強化樹脂層５０に含有される樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合、ライナー外周に巻回された繊維強化樹脂の繊維束を加熱すると、樹脂が軟化して粘度が低下する。図２に示すように、繊維束には所定の張力Ｆ１でライナーに巻回されているので内径方向（繊維束からライナーに向かう方向）に圧力Ｐ１が作用している。樹脂の粘度が低下すると、内径方向に向かう圧力Ｐ１に対する反作用（圧力Ｐ２）によって、矢印Ｒ１に示すように、粘度の低下した樹脂が繊維束の間から染み出す。この樹脂の染み出しにより、繊維束の樹脂含有量が低下し、繊維束の張力が低下する。本実施形態では、この繊維束の張力低下量を算出する。算出方法について後に詳述する。
【００１３】
Ａ２．シミュレーション：
図３は、第１実施形態における繊維強化樹脂層５０の張力低下量をシミュレーションする工程を示す工程図である。本実施形態では、タンク容器に巻回されている繊維強化樹脂層５０に含有される熱硬化性樹脂が、加熱により繊維強化樹脂層５０から染み出すことに起因する繊維強化樹脂層の張力変化量を算出（予測）する。具体的には、図３に示すように、熱硬化性樹脂の硬化の進展と、張力変化量の算出に必要な数値の算出方法について説明する。
【００１４】
繊維強化樹脂層５０が加熱されると、繊維強化樹脂層５０に、厚み方向（内径方向）に熱伝導が生じ（ステップＳ２００）、繊維強化樹脂層５０に含まれる熱硬化性樹脂が、硬化を開始して発熱する（ステップＳ２０２）。ステップＳ２００において、式２が成立し、ステップＳ２０４において、式３および式４が成立する。なお、式２における温度Tは、実際に、繊維強化樹脂層５０が巻回されたタンク容器を加熱する際の加熱温度から繊維強化樹脂層５０の温度を測定、または、推測した温度を利用してもよいし、種々知られている加熱方法を利用する際、実験的に繊維強化樹脂層５０が何℃程度に加熱されるか、といった理論値を利用しても良い。
【００１５】
【数２】
2014058049.tif 000004
式２における各記号は以下の通り示している。
ρ：物質（熱硬化性樹脂）の密度
ｃ：物質（熱硬化性樹脂）の比熱
κ：熱硬化性樹脂の熱伝導率
ΔＴ：熱硬化性樹脂の温度勾配
Ｑ：熱硬化性樹脂が硬化時に発熱する単位時間あたりの熱量
【００１６】
【数３】
2014058049.tif 000005
式３における各記号は以下の通り示している。
Ｑ：熱硬化性樹脂が硬化時に発熱する熱量
Ｈ：熱硬化性樹脂が硬化開始から硬化終了までに発熱する総熱量
α：熱硬化性樹脂の硬化の進捗度合い
【００１７】
【数４】
2014058049.tif 000006
式４における各記号は以下の通り示している。
Ａ，Ｅ、ｍ、ｎ：物質（熱硬化性樹脂）によって規定される定数
α：熱硬化性樹脂の硬化の進捗度合い
Ｔ：熱硬化性樹脂の温度
【００１８】
式２、式３および式４より、単位時間あたりの発熱量Ｑと、熱硬化性樹脂の硬化の進捗度合いαが算出される。
【００１９】
熱硬化性樹脂は加熱されると、一時的に粘度が低下し流動性を有する（ステップＳ２０４）。加熱されることにより低下する熱硬化性樹脂の粘度を取得し、熱硬化性樹脂の粘度低下による樹脂の流動性増加と、繊維強化樹脂層５０の張力に対する反作用とに起因して、繊維強化樹脂層から染み出す。この染み出す量である樹脂流動量を算出する。具体的には、式５によって熱硬化性樹脂の粘度μを算出し、算出した粘度μを利用して、式６により熱硬化性樹脂の樹脂流動量ｑを算出する。
【００２０】
【数５】
2014058049.tif 000007
式５における各記号は以下の通り示している。
μ：熱硬化性樹脂の粘度
Ａ、Ｂ、Ｃ：物質によって規定される定数
Ｔ：熱硬化性樹脂の温度
α：熱硬化性樹脂の硬化の進捗度合い
【００２１】
【数６】
2014058049.tif 000008
式６における各記号は以下の通り示している。
ｑ：流動する樹脂の単位時間あたりの量（樹脂の流速）
μ：熱硬化性樹脂の粘度
ｋ：透過係数
Δｘ：繊維束の厚さ
ΔＰ：繊維束に作用する内側と外側の圧力差
【００２２】
樹脂の染み出しによって、繊維強化樹脂層５０の張力が低下する（ステップＳ２０６）。図４は、樹脂の染み出しによる繊維強化樹脂層の張力について説明する模式図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、図２と同様に、図１の枠Ｘ部分のうち、繊維強化樹脂層５０の拡大断面図を示している。図４（ａ）の矢印に示されるように、樹脂が染み出すと、図４（ｂ）に示されるように、繊維束には、染み出した樹脂に対応する隙間３００が生じる。この結果、図４（ｂ）の矢印に示されるように、繊維束は自身に作用している張力によって、隙間を埋めるように繊維束が内径方向に移動して、図４（ｃ）に示される状態となり、全体として繊維強化樹脂層５０の張力に変化（ゆるみ）が生じる。
【００２３】
既述の通り算出された樹脂流動量ｑを用いて、熱硬化性樹脂の染み出しによる繊維強化樹脂層の張力変化量ΔＦを算出する。具体的には、式７および式８によって、繊維の厚さ方向（半径方向）の位置変化分ΔＲｉ、換言すれば、繊維束のゆるみを算出し、算出された位置変化分ΔＲｉを用いて、式９によって、繊維束の張力変化量ΔＦを算出する。
【００２４】
【数７】
2014058049.tif 000009
式７および式８における各記号は以下の通り示している。
Δａn：ｎ層目の繊維束の厚さ変化
ｉ：繊維束の位置（内径側から昇順）
ｑn：ｎ層目繊維束の流動する樹脂の単位時間あたりの量（樹脂の流速）
ΔＲi：層の半径方向の位置Ｒｉの変化分（i層目より内側の層の厚さ変化の合計）
【００２５】
【数８】
2014058049.tif 000010
式９における各記号は以下の通り示している。
ΔＦ：張力の変化量
Ｗ：繊維束の幅
ｔｉ：ｉ層目の繊維束の厚さ
ｉ：繊維束の位置（内径側から昇順）
Ｅ：ヤング率
ΔＲi：層の半径方向の位置Ｒｉの変化分（i層目より内側の層の厚さ変化の合計）
【００２６】
なお、式９において、左辺は繊維束の張力変化を用いて応力変化を表しており、右辺は、繊維束のゆるみを用いて応力変化を表している。また、式９は張力変化量を算出するための一例の式であり、繊維強化樹脂層５０に含まれる材料等によって、張力変化を算出する式は異なることがある。
【００２７】
予め規定された加熱条件（加熱時間）が経過した、という計算が終了すると（ステップＳ２０８：ＹＥＳ）、シミュレーションを終える。このようにして、加熱終了時の張力変化量ΔＦが算出される。予め規定された加熱条件（加熱時間）が経過していない場合（ステップＳ２０８：ＮＯ）ステップＳ２００から処理が繰り返される。
【００２８】
以上の通りシミュレーションすることにより、繊維強化樹脂層５０を構成する繊維束の張力変化量ΔＦが算出される。
【００２９】
以上説明した第１実施形態のシミュレーション方法によれば、熱硬化性樹脂の材質や加熱条件、繊維束の厚みなど、種々異なる条件によって形成される繊維強化樹脂層の樹脂流動量を柔軟に算出でき、算出された樹脂流動量を用いて、種々異なる条件によって形成される繊維強化樹脂層の張力変化量を算出することができ、種々の試験や解析に利用することができる。
【００３０】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１０…高圧タンク
１４…口金部
１４ａ…開口部
４０…ライナー
４５…空間部
５０…繊維強化樹脂層
【図１】
2014058049.tif 000012
【図２】
2014058049.tif 000013
【図３】
2014058049.tif 000014
【図４】
2014058049.tif 000015