(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維と、熱硬化して前記強化繊維同士を結着する熱硬化性樹脂とを有する繊維強化樹脂層によって、ライナーの外表面が被覆された高圧流体タンクであって、
前記繊維強化樹脂層における前記ライナーの外表面から前記繊維強化樹脂層の厚みの３０％以下の領域に存在する前記強化繊維の巻方向に沿った空隙の最大幅は、前記強化繊維における繊維の平均直径の１００倍以下である、高圧流体タンク。
【請求項２】
請求項１記載の高圧流体タンクの製造方法であって、
前記熱硬化性樹脂が含浸された強化繊維が外表面に巻き付けられた前記ライナーを、誘導加熱によって、加熱温度を周期的に増減させつつ加熱することにより、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて前記繊維強化樹脂層を形成する、製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧流体タンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧流体タンクの製造方法としては、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）が知られている。ＦＷ法では、ライナーとも呼ばれるタンク容器の外周に、予め熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を幾重にも巻き付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、高強度の繊維強化樹脂層を、ライナーの表層に形成する（下記特許文献１等）。ＦＷ法によって製造された高圧流体タンクでは、この繊維強化樹脂層によって、高圧流体に対する耐久性が確保される。しかし、この高圧流体タンクの耐久性については、より一層の向上が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５３７８９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、高圧流体タンクの耐久性を向上させる技術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】
【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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明の一形態は、強化繊維と、熱硬化して前記強化繊維同士を結着する熱硬化性樹脂とを有する繊維強化樹脂層によって、ライナーの外表面が被覆された高圧流体タンクであって、前記繊維強化樹脂層における前記ライナーの外表面から前記繊維強化樹脂層の厚みの３０％以下の領域に存在する前記強化繊維の巻方向に沿った空隙の最大幅は、前記強化繊維における繊維の平均直径の１００倍以下である、高圧流体タンクとして提供される。
【０００６】
［適用例１］
強化繊維と、熱硬化して前記強化繊維同士を結着する熱硬化性樹脂とを有する繊維強化樹脂層によって、ライナーの外表面が被覆された高圧流体タンクであって、
前記繊維強化樹脂層は、前記ライナーの外表面から前記繊維強化樹脂層の厚みの３０％以下の領域に、最大幅が前記強化繊維における繊維の平均直径の１００倍以下である、前記強化繊維の巻方向に沿った空隙を有する、高圧流体タンク。
この高圧流体タンクによれば、繊維強化樹脂層に、高圧ガスタンクの耐久性を低下させるような空隙が存在しないため、高圧流体タンクの耐久性が向上する。
【０００７】
［適用例２］
適用例１記載の高圧流体タンクを製造する方法であって、前記熱硬化性樹脂が含浸された強化繊維が外表面に巻き付けられた前記ライナーを、誘導加熱によって、加熱温度を周期的に増減させつつ加熱することにより、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて前記繊維強化樹脂層を形成する、製造方法。
この製造方法であれば、高圧ガスタンクの耐久性を低下させるような空隙が繊維強化樹脂層中に生じてしまわないように、強化繊維で形成された繊維層の内部における局所的な過昇温の発生を抑制しつつ、誘導加熱による熱硬化処理を実行することができる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、高圧流体タンクの製造方法および製造装置、それらの方法または装置の機能を実現するための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記録媒体等の形態で実現することができる。また、本発明は、前記の製造方法および製造装置によって製造された高圧流体タンク、その高圧流体タンクを備えた燃料電池システム、その高圧流体タンクを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】高圧ガスタンクの構成を示す概略図。
【図２】高圧ガスタンクの製造工程の手順を示す説明図。
【図３】熱硬化処理装置の構成を示す概略図。
【図４】繊維強化樹脂層に形成される空隙を説明するための模式図。
【図５】高圧ガスタンクの使用時に、シリンダー部の繊維強化樹脂層に生じる応力を説明するための説明図。
【図６】シリンダー部の繊維強化樹脂層における応力分布を説明するための説明図。
【図７】内層側領域に存在する空隙の幅の最大値と、高圧ガスタンクの破壊圧力との関係を説明するための説明図。
【図８】熱硬化処理装置が実行する断続的加熱処理を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．実施例：
図１（Ａ），（Ｂ）は本発明の一実施例としての高圧ガスタンクの構成を示す概略図である。図１（Ａ）は、高圧ガスタンク１０を、中心軸ＣＸを通る切断面で切断したときの概略断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示すＢ−Ｂ切断における高圧ガスタンク１０の概略断面である。この高圧ガスタンク１０は、水素などの高圧ガスを貯蔵し、燃料電池車両などに搭載される。
【００１１】
高圧ガスタンク１０は、本体胴部を構成する略円筒状のシリンダー部１１と、シリンダー部１１の両端の鏡部を構成する略半球状のドーム部１２と、を有する（図１（Ａ））。高圧ガスタンク１０は、いわゆるＦＷ法によって製造され、樹脂製のタンク容器であるライナー２０の外表面に、繊維強化樹脂層２１が形成された構成を有する。また、２つのドーム部１２の頂部には、高圧ガスを流通させるための配管やバルブなどの部品が取り付けられる口金部１３が設けられている。
【００１２】
図２は、高圧ガスタンク１０の製造工程の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、ライナー２０を準備する。ステップＳ２０では、ライナー２０の外表面に、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を予め含浸させた、リボン状（帯状）のカーボン繊維（以下、「強化繊維」と呼ぶ）を準備する。そして、その強化繊維を、いわゆるフープ巻きやヘリカル巻などによって、ライナー２０の外表面に幾重にも巻き付け、ライナー２０の外表面に繊維層を形成する。
【００１３】
なお、繊維層を形成する際には、強化繊維の巻張力は大きいほど好ましく、具体的には、単位面積あたりの巻張力は１０ＭＰａ以上であることが望ましい。強化繊維の巻張力を大きくすることにより、熱硬化処理中の強化繊維の緩みを抑制でき、後述する空隙の発生を抑制することができる。ステップＳ３０では、繊維層中の熱硬化性樹脂を熱硬化させる熱硬化処理を実行し、繊維強化樹脂層２１を形成する。
【００１４】
図３は、ステップＳ３０で用いられる熱硬化処理装置１００の構成を示す概略図である。図３には、熱硬化処理装置１００に、繊維層２１ａが形成されたライナー２０が取り付けられた状態を図示してある。熱硬化処理装置１００は、制御部１０１と、ライナー取付部１１０と、誘導加熱部１２０と、を備える。
【００１５】
制御部１０１は、主記憶装置と中央処理装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができ、熱硬化処理装置１００の各構成部を制御する。なお、制御部１０１は、誘導加熱部１２０を制御して、断続的加熱処理を実行するが、その詳細については後述する。
【００１６】
ライナー取付部１１０は、ライナー２０を、その中心軸ＣＸを中心として所定の回転速度で回転可能なように保持する。ライナー取付部１１０は、第１と第２のシャフト１１１ａ，１１１ｂと、第１と第２の支持柱１１２ａ，１１２ｂと、回転駆動部１１３と、基台部１１５とを備えている。
【００１７】
第１と第２のシャフト１１１ａ，１１１ｂはそれぞれ、中心軸ＣＸに沿って、各ドーム部１２の口金部１３に挿入されて、ライナー２０と勘合接続される。第２のシャフト１１１ｂは、回転駆動部１１３に接続されている。回転駆動部１１３は、例えばモータによって構成することができ、制御部１０１の指令に応じた回転駆動力を発生し、第２のシャフト１１１ｂは、その回転駆動力をライナー２０に伝達する。
【００１８】
第１と第２の支持柱１１２ａ，１１２ｂは、基台部１１５に固定されている。第１の支持柱１１２ａには、第１のシャフト１１１ａを回転可能に保持する軸受け部が設けられている。第２の支持柱１１２ｂは、ライナー２０の中心軸ＣＸがほぼ水平となるように、第１と第２のシャフト１１１ａ，１１１ｂの高さが揃う位置に、回転駆動部１１３を保持する。
【００１９】
誘導加熱部１２０は、コイル導線１２１と、高周波電源１２２と、整合盤１２３とを備える。コイル導線１２１は、ライナー取付部１１０に保持されたライナー２０の全体を囲むように、中心軸ＣＸが通る仮想平面に平行に巻回されている。また、コイル導線１２１は、整合盤１２３に接続されている。高周波電源１２２は、整合盤１２３を介して、コイル導線１２１に高周波電流を供給する。
【００２０】
熱硬化処理装置１００は、繊維層２１ａが形成されたライナー２０を所定の回転速度で回転させつつ、誘導加熱により、繊維層２１ａの熱硬化性樹脂を、所定の時間加熱して、熱硬化させる。この誘導加熱による熱硬化処理であれば、繊維層２１ａの内部を急速に加熱することができ、熱硬化処理の処理時間を短縮することが可能であり、効率的に繊維強化樹脂層２１を形成することができる。
【００２１】
ここで、本発明の発明者は、誘導加熱により形成された繊維強化樹脂層２１の断面を顕微鏡によって観察することにより、繊維強化樹脂層２１の強化繊維同士の境界領域には空隙が生じてしまう場合があることを見出した。そして、この空隙が、繊維強化樹脂層２１における応力集中が発生する起点となり、高圧ガスタンク１０の耐久性の低下の原因となっていることを見出した。具体的には、以下の通りである。
【００２２】
図４は、繊維強化樹脂層２１に形成される空隙２４を説明するための模式図である。図４の上段には、図１（Ａ）と同様な高圧ガスタンク１０の概略断面図が図示してあり、空隙２４の発生位置の一例を破線によって模式的に図示してある。図４の下段には、空隙２４が形成された部位を、中心軸ＣＸに沿った方向に見たときの、繊維強化樹脂層２１の一部概略断面を図示してある。
【００２３】
ここで、高圧ガスタンク１０のシリンダー部１１には、巻き付け方向を中心軸ＣＸに対してほぼ垂直な角度とするフープ巻きによって強化繊維２２が重畳的に巻き付けられたフープ層が形成される。フープ層では、強化繊維２２が、中心軸ＣＸに沿った方向に互いに隣接して配置されるとともに、シリンダー部１１の径方向に積層配置される。そして、緊密に隣接し合う強化繊維２２の境界領域には、熱硬化した熱硬化性樹脂２３が存在する。
【００２４】
しかし、誘導加熱による熱硬化処理では、繊維層中の強化繊維２２の発熱を誘発して、熱硬化性樹脂２３を熱硬化させるため、繊維層内部に熱がこもりやすく、繊維層内部の温度が目標温度よりも高くなる過昇温が局所的に生じやすい。こうした局所的な過昇温は、強化繊維の表面に塗布されたサイジング剤の分解や、強化繊維２２同士の境界からの熱硬化性樹脂２３の流出を引き起こす場合がある。この場合には、繊維強化樹脂層２１中のフープ層には、強化繊維２２の巻方向（シリンダー部１１の周方向）に沿った管状の空隙２４が発生してしまう。
【００２５】
図５は、高圧ガスタンク１０の使用時に、シリンダー部１１の繊維強化樹脂層２１に生じる応力を説明するための説明図である。図５には、図１（Ｂ）と同様な、高圧ガスタンク１０のシリンダー部１１の概略断面を図示してある。
【００２６】
ここで、繊維強化樹脂層２１の内径（中心軸ＣＸからライナー２０と繊維強化樹脂層２１との境界までの距離）をａとし、繊維強化樹脂層２１の外径（中心軸ＣＸから繊維強化樹脂層２１の外表面までの距離）をｂとする。また、高圧ガスタンク１０には、高圧ガスが封入されており、その内圧がｐであるものとする。
【００２７】
このとき、中心軸ＣＸから距離ｒ（ａ≦ｒ≦ｂ）だけ離れた、繊維強化樹脂層２１中の任意の位置Ｐにおける応力σは下記の式（１）によって表される。ただし、式（１）では、ｋ＝ｂ／ａ，Ｒ＝ｒ／ａである。
σ＝ｐ・（（ｋ2／Ｒ2）＋１）／（ｋ2−１）  …（１）
【００２８】
図６（Ａ）は、シリンダー部１１の径方向における繊維強化樹脂層２１の応力分布を示すグラフであり、縦軸を応力σとし、横軸をｒ軸として、上記の式（１）を表したグラフである。図６（Ｂ）は、高圧ガスタンク１０の一部概略断面を、図６（Ａ）のｒ軸と対応させて示した説明図である。なお、図６（Ｂ）には、図４で説明した溝状の空隙２４を破線で模式的に図示してある。
【００２９】
高圧ガスタンク１０の使用時にシリンダー部１１の繊維強化樹脂層２１に生じる応力σは、シリンダー部１１の径方向において、繊維強化樹脂層２１の外表面側（外層側）からライナー２０側（内層側）にかけて次第に増大する（図６（Ａ）の実線グラフＳ）。具体的には、応力σは、外層側から内層側にわたって、下に凸の曲線を描いて増加する。より具体的には、応力σは、ライナー２０の外表面（ａで示す位置）から繊維強化樹脂層２１の厚みの３０％の位置（ＢＤで示す位置）の間の内層側の領域（以下、「内層側領域２１ｉ」とも呼ぶ）において著しく増加する。
【００３０】
しかし、図６（Ｂ）に示すように、繊維強化樹脂層２１の内層側の領域において空隙２４が生じた場合には、空隙２４を起点とする応力集中が発生する。特に、高圧ガスタンク１０の破損につながるような応力集中は、前記した応力が著しく高くなる内層側領域２１ｉに空隙２４が存在する場合に引き起こされやすい。そうした応力集中が発生した場合には、空隙２４の位置ｖより外層側では、応力σは、空隙２４が存在しない場合より低下するが、空隙２４の位置ｖより内層側では、著しく増大する（図６（Ａ）の破線グラフＳａ）。
【００３１】
図７は、内層側領域２１ｉに存在する空隙２４の幅の最大値と、高圧ガスタンク１０の破壊圧力との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、内層側領域２１ｉに存在する空隙２４の幅を計測するとともに、高圧ガスタンク１０に冷媒を封入して、高圧ガスタンク１０に亀裂が生じる内圧（破壊圧力）を計測した。その結果、空隙２４の最大幅が、ある値より小さいときに、高圧ガスタンクの破壊圧力はＰ１からＰ２に上昇した。なお、破壊圧力Ｐ２は、破壊圧力Ｐ１を１０％以上増大させた値であった（Ｐ２≧Ｐ１×１．１）。
【００３２】
ここで、高圧ガスタンク１０の耐久性は、繊維強化樹脂層２１を構成する強化繊維に含まれる繊維の平均直径と相関関係を有する。このことから、本発明の発明者は、破壊圧力が上昇する空隙２４の最大幅の境界値ＶＷは、強化繊維における繊維の平均直径ｄによって規定できるとの知見を得て、その境界値ＶＷは、強化繊維における繊維の平均直径ｄを１００倍した値に近い値であることを見出した（ＶＷ≦１００ｄ）。
【００３３】
そこで、本実施例の高圧ガスタンク１０では、シリンダー部１１の内層側領域２１ｉの強化繊維２２同士の境界領域に空隙２４が存在する場合であっても、その空隙２４の最大幅が、強化繊維における繊維の平均直径ｄの１００倍の値以下となるように構成されている。具体的には、例えば、強化繊維における繊維の平均直径ｄが７μｍ程度である場合には、空隙２４の最大幅を７００μｍ以下とする。これによって、誘導加熱により生じた空隙２４によって、シリンダー部１１の繊維強化樹脂層２１に応力集中が発生することが抑制され、高圧ガスタンク１０の耐久性が向上される。
【００３４】
なお、高圧ガスタンク１０では、シリンダー部１１の繊維強化樹脂層２１に空隙２４が生じている場合には、ドーム部１２の繊維強化樹脂層２１においても、同様な空隙が生じる可能性がある。このドーム部１２の空隙のサイズは、シリンダー部１１の空隙２４の幅と相関関係を有する。従って、シリンダー部１１の空隙２４が上記の高圧ガスタンク１０の耐久性の低下が抑制される幅で形成されていれば、ドーム部１２の空隙は、高圧ガスタンク１０の耐久性の低下原因とはならないサイズで形成される。
【００３５】
ここで、繊維強化樹脂層２１の空隙２４の幅は、熱硬化処理の際に生じる局所的な過昇温の度合いが大きいほど大きくなる傾向にある。そこで、空隙２４の幅を、強化繊維における繊維の平均直径の１００倍以下の値とするために、本実施例の熱硬化処理装置１００（図３）では、以下に説明する断続的加熱処理を実行し、局所的な過昇温の発生を抑制する。
【００３６】
図８（Ａ），（Ｂ）は、熱硬化処理装置１００が実行する断続的加熱処理を説明するための説明図である。図８（Ａ）には、断続的加熱処理の実行中における加熱温度の時間変化の一例を示すグラフを図示してある。また、図８（Ｂ）には、断続的加熱処理の実行中に、コイル導線１２１に対して電流が供給されるタイミングを示すタイミングチャートを、図８（Ａ）のグラフの時間軸に対応させて図示してある。
【００３７】
制御部１０１は、繊維層２１ａが形成されたライナー２０の加熱を開始した後、繊維層２１ａの温度が第１の温度Ｔａに到達したときに、コイル導線１２１に対する高周波電流の供給を停止（ＯＦＦ）して、加熱を一時停止する（時刻ｔ1，ｔ3，ｔ5，ｔ7，…）。そして、繊維層２１ａの温度が、第２の温度Ｔｂまで低下したときに、コイル導線１２１に対する高周波電流の供給を再開（ＯＮ）して、加熱を再開する（時刻ｔ2，ｔ4，ｔ6，…）。制御部１０１は、この加熱の停止と再開を所定の時間（例えば３０分程度）だけ繰り返す。
【００３８】
ここで、この断続的加熱処理は、加熱による繊維層内の最大温度が、繊維層に含まれる熱硬化性樹脂２３やサイジング剤などの材料の不具合を生じないように加熱と冷却とを繰り返す処理である。そのため、第１の温度Ｔａは、そうした繊維層内の不具合が発生する温度以下の値に設定されることが好ましい。例えば、一般的に、熱硬化性樹脂２３やサイジング剤には、２００℃以上の温度で不具合が発生する。そこで、繊維層内の最大温度を２００℃未満とするためには、第１の温度Ｔａは、１４０〜１５０℃程度に設定することが好ましい。
【００３９】
これに対して、第２の温度Ｔｂは、熱硬化の途中に、熱硬化性樹脂２３の温度が低下しすぎてしまわない程度の周期（例えば、２〜３分程度）で、加熱が再開されるような温度で設定されることが好ましい。具体的には、第１の温度Ｔａを上記の１４０〜１５０℃の範囲内で設定した場合には、第２の温度Ｔｂは、１１０〜１２０℃の範囲内の温度で設定されることが好ましい。
【００４０】
このように、熱硬化処理装置１００では、熱硬化のための加熱を断続的に行うことにより、定期的に繊維層２１ａの温度を低下させ、繊維層２１ａにおける局所的な過昇温の発生を抑制する。これによって、高圧ガスタンク１０の耐久性の低下原因となる幅を有する空隙２４の発生を抑制することができる。なお、制御部１０１は、繊維層２１ａの温度に基づいて、加熱の停止と再開を実行しなくとも良い。制御部１０１は、所定の時間間隔（例えば数分ごとの間隔）で、周期的に加熱の停止と再開を実行するものとしても良い。
【００４１】
以上のように、本実施例の高圧ガスタンク１０であれば、繊維強化樹脂層２１の内層側領域２１ｉに、高圧ガスタンク１０の耐久性の低下原因となる幅を有する空隙２４が存在することが抑制されている。従って、高圧ガスタンク１０の耐久性が向上する。
【符号の説明】
【００４２】
１０…高圧ガスタンク
１１…シリンダー部
１２…ドーム部
１３…口金部
２０…ライナー
２１…繊維強化樹脂層
２１ａ…繊維層
２１ｉ…内層側領域
２２…強化繊維
２３…熱硬化性樹脂
２４…空隙
１００…熱硬化処理装置
１０１…制御部
１１０…ライナー取付部
１１１ａ…第１のシャフト
１１１ｂ…第２のシャフト
１１２ａ…第１の支持柱
１１２ｂ…第２の支持柱
１１３…回転駆動部
１１５…基台部
１２０…誘導加熱部
１２１…コイル導線
１２２…高周波電源
１２３…整合盤
ＣＸ…中心軸
【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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【図７】
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【図８】
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