(57)【要約】【課題】繊維強化樹脂層に損傷を与えることを抑え、ライナーと繊維強化樹脂層との間に生じる隙間を低減させることができる高圧タンクの膨張試験方法を提供する。【解決手段】  高圧タンクの膨張試験方法は、ライナー２０のガラス転移点以上、且つ、繊維強化樹脂層３０のガラス転移点以下の温度に昇温させた水をタンクに充填する工程と、水が充填されたタンクの内圧を変化させたときのタンクの内圧と膨張量との関係に基づいて、タンクの強度の良否を判定する工程とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のライナーと、前記ライナーの外層に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層を有する高圧タンクの膨張試験方法において、
前記ライナーのガラス転移点以上、且つ、前記繊維強化樹脂層のガラス転移点以下の温度に昇温させた水をタンクに充填する工程と、
前記水が充填されたタンクの内圧を変化させたときのタンクの内圧と膨張量との関係に基づいて、タンクの強度の良否を判定する工程と、
を含む高圧タンクの膨張試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧タンクの膨張試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高圧水素等の高圧流体を貯蔵する圧力容器（以下、「高圧タンク」或いは単に「タンク」とも称する）が知られている。例えば車両に搭載される高圧タンクでは、強度や軽量化等の観点から、繊維強化プラスチックとしてのＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics）を備えた高圧タンクが用いられている。
【０００３】
この種の高圧タンクは、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法）によって製造される。ＦＷ法では、樹脂部材等で形成されたタンク容器（以下、ライナーと呼ぶ）の外側に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維が巻き付けられる。そして、強化繊維の熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、繊維強化樹脂の補強層（以下、繊維強化樹脂層とも称する）が形成される。
【０００４】
上記のように製造される高圧タンクは、一般に、加圧状態における安全性を検査するために、耐圧膨張試験を行う必要がある。耐圧膨張試験としては、高圧タンク内に水を充填して高圧タンクの内圧の変化に対する膨張量の変化率を測定する方法が知られている。この方法では、純水の重量を予め測定し、所定の圧力まで水を充填した際の水の重量を測定して、差分から高圧タンクの膨張量を測定する。
【０００５】
ところで、高圧タンクの製造工程では、繊維強化樹脂層の形成後に、ライナーと繊維強化樹脂層との間に隙間（以下、単に隙間とも称する）が形成される場合がある。当該隙間は、繊維強化樹脂層を形成するための熱硬化処理後のライナーの熱収縮量と繊維強化樹脂層の熱収縮量との差に起因して生じ得る。この隙間が生じていると、高圧タンクの耐圧性の低下を招くこととなるため、隙間を低減することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１１９２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように形成される隙間を低減するために、膨張量の測定においてタンク内に高温の水を充填することで、ライナーの変形を促し隙間を低減させるという考え方もある。しかしながら、高温の水を充填する方法では、繊維強化樹脂層に損傷を与えるおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明は、繊維強化樹脂層に損傷を与えることを抑え、ライナーと繊維強化樹脂層との間に生じる隙間を低減させることができる高圧タンクの膨張試験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】
【０００９】
本発明に係る高圧タンクの膨張試験方法は、中空のライナーと、ライナーの外層に熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層を有する高圧タンクの膨張試験方法において、ライナーのガラス転移点以上、且つ、繊維強化樹脂層のガラス転移点以下の温度に昇温させた水をタンクに充填する工程と、水が充填されたタンクの内圧を変化させたときのタンクの内圧と膨張量との関係に基づいて、タンクの強度の良否を判定する工程と、を含む。
【００１０】
かかる方法によれば、高圧タンク内に充填する水の温度を、ライナー材料のガラス転移点以上の高温にすることで、水圧付与によるライナーの塑性変形を促し、水圧を抜いてもタンク内層のライナーと外層のＣＦＲＰ層の間に隙間が生じることを抑制することができる。これにより、例えば常温の水を高圧タンクに充填して水圧を付与したときには、水圧を抜いたときに再び隙間が生じて耐圧性の低下を招いていたが、ライナー材料のガラス転移点以上の温度の水を充填することで、隙間の発生を抑え、耐圧性の低下を抑制することができる。また膨張検査の水圧付与に使用する高圧タンク内に充填する水の温度を、ＣＦＲＰ材料のガラス転移点以下とすることで、ＣＦＲＰ層への水圧付与時の損傷を低減しタンク強度の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、繊維強化樹脂層に損傷を与えることを抑え、ライナーと繊維強化樹脂層との間に生じる隙間を低減させることができる高圧タンクの膨張試験方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】高圧タンクの概略構成を示す断面図である。
【図２】高圧タンクの検査装置の概略構成を示す模式図である。
【図３】図２に示す検査装置を用いた検査処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】乾燥装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１４】
まず、高圧タンクの構成について説明する。図１は、高圧タンクの概略構成を示す断面図である。
【００１５】
高圧タンク１０は、ライナー２０と、繊維強化樹脂層３０とを備える。ライナー２０は、適宜分割されたライナーパーツを例えばナイロン系樹脂等にて型成型し、その型成型のライナーパーツを接合して形成されるものである。分割されたライナーパーツとしては、図１に示すように、円筒状のシリンダー部２２と、シリンダー部２２の両端に設けられた球面形状のドーム部２４とを有する。ライナー２０は、ドーム部２４の頂上箇所に金属製の口金１２、１４を備える。ライナーパーツに含まれる材料のナイロン系樹脂のガラス転移点は５０℃である。
【００１６】
繊維強化樹脂層３０は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸したカーボン繊維強化樹脂層をフィラメントワインディング（以下、ＦＷ法）によりライナー２０外周に巻回させることで形成される。繊維強化樹脂層３０は、円筒状のシリンダー部２２の外周範囲に亘るフープ巻きによる繊維巻回と、ドーム部２４の外周範囲に亘る低角度・高角度のヘリカル巻きによる繊維巻回とを経て形成される。繊維巻回したタンクを、所定の温度、時間にて熱硬化性樹脂を硬化させることで、繊維強化樹脂層３０に所定の強度を発生させる。加熱硬化した熱硬化性樹脂のガラス転移点は１３０℃である。
【００１７】
続いて、図１を参照しながら説明した高圧タンク１０の検査装置１００の構成について説明する。図２は、検査装置１００の概略構成を示す模式図である。
【００１８】
検査装置１００は、高圧タンク１０に純水を充填して高圧タンク１０の内圧を増加させ、その内圧と充填量との関係に基づいて、高圧タンク１０の膨張量についての検査を行う。検査装置１００は、内部に純水を昇温するヒーター１２５を内蔵した純水槽１２０と、重量計１３０と、ポンプ１４０と、圧力検出器１５０と、配管１６０と、制御部１１０とを備える。検査対象である高圧タンク１０は、口金１２に配管１６０が接続されることによって、検査装置１００に取り付けられる。
【００１９】
純水槽１２０は、高圧タンク１０に充填される純水を貯蔵する貯水槽である。純水槽１２０は、配管１６０を介して高圧タンク１０に接続されている。
【００２０】
重量計１３０は、純水を含む純水槽１２０の重さを測定し、制御部１１０に出力する。
【００２１】
ポンプ１４０は、配管１６０に設けられており、制御部１１０からの指令に応じて、純水槽１２０から高圧タンク１０へと純水を圧送する。
【００２２】
圧力検出器１５０は、高圧タンク１０とポンプ１４０との間における配管１６０内の圧力を検出し、制御部１１０に出力する。
【００２３】
制御部１１０は、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）と記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されており、検査装置１００の各構成部を制御して、後述する検査処理を実行する。
【００２４】
図２に示す検査装置１００で実施する高圧タンク１０の検査処理の手順について図３を参照しながら説明する。図３は、図２に示す検査装置１００を用いた検査処理の手順を示すフローチャートである。検査装置１００は、高圧タンク１０に純水を充填して高圧タンク１０の内圧を増加させ、その内圧と純水の充填量との関係に基づいて、高圧タンク１０の膨張量の検査を行う。なお、純水槽１２０の純水の重量を重量計１３０にて予め測定し、制御部１１０に出力する。
【００２５】
まず、検査装置１００で充填するための純水を、純水槽１２０のヒーター１２５で温度を７０℃まで昇温し（ステップＳ１１）、ポンプ１４０を駆動して高圧タンク１０に対する純水の供給を開始する（ステップＳ１２）。
【００２６】
高圧タンク１０に純水を供給して高圧タンク１０の内圧を増加させ、初期圧力Ｐ0から所定の試験圧力Ｐtまで昇圧させる（ステップＳ１３）。なお、所定の試験圧力Ｐtは、予め任意に設定される。所定の試験圧力Ｐtまで純水を充填した際の純水の重量を重量計１３０にて測定し、制御部１１０に出力する。
【００２７】
所定の試験圧力Ｐtまで高圧タンク１０の内圧を増加させたときのその内圧と、純水の充填量（重量計１３０の測定値に基づいて定まる量）との関係に基づいて、昇圧時における高圧タンク１０の膨張量変化を取得する（ステップＳ１４）。
【００２８】
昇圧時における膨張量変化を取得後、ポンプ１４０の駆動を停止させて高圧タンク１０から純水を送出させ、高圧タンク１０の内圧を低下させる。具体的には、高圧タンク１０の内圧を試験圧力Ｐtから減圧した際の純水の重量を重量計１３０で測定し、制御部１１０に出力する。高圧タンク１０の内圧を減圧させたときのその内圧と、純水の充填量（重量計１３０の測定値に基づいて定まる量）との関係に基づいて、減圧時における高圧タンク１０の膨張量変化を取得する（ステップＳ１５）。このように、検査装置１００では、高圧タンク１０の内圧を増加させた昇圧時と、減圧させた減圧時のそれぞれについて、昇圧時における高圧タンク１０の膨張量変化、及び、減圧時における高圧タンク１０の膨張量変化を取得する。
【００２９】
上記取得した昇圧時における高圧タンク１０の膨張量変化、及び、減圧時における高圧タンク１０の膨張量変化に基づいて、高圧タンク１０の強度に関する評価値として、繊維強化樹脂層３０の恒久増加率を計算する（ステップＳ１６）。「繊維強化樹脂層３０の恒久増加率」とは、高圧タンク１０が膨張・収縮したときに、繊維強化樹脂層３０に残留する膨張の度合いを示すパラメータであり、例えば、次式（１）によって算出することができる。
恒久増加率（％）＝｛恒久増加量（Δｖ）÷全増加量（ΔＶ）｝×１００…（１）
【００３０】
恒久増加率に基づいて、高圧タンク１０の強度についての良否を判定する（ステップＳ１７）。具体的には、繊維強化樹脂層３０の恒久増加率が所定の閾値よりも小さいときには、繊維強化樹脂層３０が十分な強度を有するものとして、高圧タンク１０に対して「良」の判定をする（ステップＳ１７（ＯＫ））。この場合には、制御部１１０は、その結果を表示部（図示は省略）などに出力して膨張検査処理を終了する。
【００３１】
一方、ステップＳ１７において、繊維強化樹脂層３０の恒久増加率が所定の閾値以上であるときには、高圧タンク１０の繊維強化樹脂層３０の強度が不足する可能性があるものとして、高圧タンク１０に対して「否」の判定をする（ステップＳ１７（ＮＧ））。この場合には、制御部１１０は、ステップＳ１８において警告処理を実行した上で、膨張検査処理を終了する。
【００３２】
以上説明した検査装置１００によれば、高圧タンク１０の内圧を変動させることによって、繊維強化樹脂層３０の強度の目安となる恒久増加率を取得でき、この恒久増加率に基づいて、高圧タンク１０の強度の判定を行うことができる。
【００３３】
図３を参照しながら説明した膨張検査終了後、乾燥処理を実施する。図４は、乾燥処理を実施するための乾燥処理装置２００の概略構成図である。
【００３４】
図４に示す乾燥処理装置２００は、熱風供給装置２１０と、ノズル２２０と、タンク保持台２３０と、タンク支持柱２４０とを備える。
【００３５】
熱風供給装置２１０は高圧タンク１０内に熱風を供給するための装置であり、熱風供給装置２１０からの熱風を高圧タンク１０内部に熱風を導くノズル２２０が、高圧タンク１０に挿入されている。タンク保持台２３０にはタンク支持柱２４０が設置され、タンク支持柱２４０と高圧タンク１０の接触部には動力のあるローラー（図示略）が設置されており、このローラーを回転させることで高圧タンク１０を回転させる。
【００３６】
図４に示す乾燥処理装置２００を用いて次のように乾燥処理を実施した。詳細には、検査装置１００（図２参照）で検査後、図４に示す乾燥処理装置２００に、内部の水を排水した高圧タンク１０を設置し、ノズル２２０から約８０℃の熱風を高圧タンク１０内に供給して、内部の液水が無くなるまで乾燥処理装置２００を稼働した。
【００３７】
乾燥処理装置２００にて乾燥の後、高圧タンク１０の温度が約４０℃以下になるまで冷却を行った。
【００３８】
以上、図２及び図３を参照しながら説明した検査処理において、膨張検査時に高圧タンクに充填する水の温度（約７０℃）、及び、図４を参照しながら説明した乾燥処理での乾燥時間（約２４分）を、下記表１に実施例１として示す。
【００３９】
また、膨張検査時に高圧タンクに充填する水の温度等を含む処理条件を実施例１から変化させた変形例として、実施例２、実施例３、比較例１〜３を表１に示す。
［表１］
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【００４０】
表１に示すように、実施例２では、実施例１と同様の高圧タンクを用いて、検査装置１００で充填するための純水を、純水槽１２０のヒーター１２５で８０℃まで昇温してから高圧タンク１０の内部に充填して検査を行う以外は、実施例１と同様の処理条件とした。実施例２における乾燥時間は、表１に示すように、２１分であった。
【００４１】
実施例３では、実施例１と同様の高圧タンクを用いて、検査装置１００で充填するための純水を、純水槽１２０のヒーター１２５で温度を５０℃まで昇温してから高圧タンク１０の内部に充填して検査を行う以外は、実施例１と同様の処理条件とした。実施例３における乾燥時間は、表１に示すように、３６分であった。
【００４２】
比較例１では、実施例１と同様の高圧タンクを用いて、検査装置１００で充填するための純水を、純水槽１２０のヒーター１２５で４０℃まで昇温してから高圧タンク１０の内部に充填して検査を行う以外は、実施例１と同様の処理条件とした。比較例１における乾燥時間は、表１に示すように、４１分であった。
【００４３】
比較例２では、実施例１と同様の高圧タンクを用いて、検査装置１００で充填するための純水を、純水槽１２０のヒーター１２５で加熱せずに、常温２５℃で高圧タンク１０の内部に充填して検査を行う以外は、実施例１と同様の処理条件とした。比較例２における乾燥時間は、表１に示すように、５０分であった。
【００４４】
比較例３では、熱硬化性樹脂のガラス転移点が７０℃の高圧タンクを用いて、検査装置１００で充填するための純水を、純水槽１２０のヒーター１２５で８０℃まで昇温してから高圧タンク１０の内部に充填して検査を行う以外は、実施例１と同様の処理条件とした。比較例３における乾燥時間は、表１に示すように、２１分であった。
【００４５】
なお、表１に示す乾燥時間とは、高圧タンク１０内に液体の水が存在しないことを内視鏡を使用した目視にて確認したときの所要時間とした。表１に示す低温サイクル試験は、−４０℃の流体を高圧タンク１０に充填し、２ＭＰａから公称使用圧力までの圧力サイクルを７５００以上実施し、漏れや強度の低下が無いことを確認する試験とした。
【００４６】
表１に示されるように、実施例１〜３では、比較例１、２よりも乾燥時間が短くなっており、膨張検査時に充填する水を高温にすることの効果を確認できた。また、ライナー材料のガラス転移点以上、ＣＦＲＰのガラス転移点以下の水にて膨張を行ったため、高圧タンク内層のライナーと外層のＣＦＲＰ層の間の隙間が低減されていることから、低温サイクル試験でも良好な結果が得られた。
【００４７】
比較例１、２では、ライナー材料のガラス転移点以下の純水を用いて膨張検査を実施したため、低温サイクル試験にて漏れが発生し、不合格となった。このように漏れが発生したのは、ライナー材料のガラス転移点以下の純水を用いた場合には、ライナーと、当該ライナーの外層のＣＦＲＰ層の間の隙間を低減させることができず、その結果、例えばライナーにクラックが生じたことに起因するものである。
【００４８】
比較例３では、純水を８０℃に昇温して、この純水を用いた耐圧膨張試験を行ったため、耐圧膨張試験後においてタンク内残水及びタンク本体の温度を高温に保つことができ、耐圧膨張試験後の次の工程の乾燥時間を実施例２と同様に短縮することができた。しかしながら比較例３では、ＣＦＲＰ材料のガラス転移点以上で膨張試験を行ったことによってＣＦＲＰ層に損傷が発生して低温サイクル試験でも不合格となった。
【００４９】
以上説明した本実施形態としての膨張試験方法では、ライナーのガラス転移点以上、且つ、繊維強化樹脂層のガラス転移点以下の温度に昇温させた水をタンクに充填し、当該充填したタンクの内圧を変化させたときのタンクの内圧と膨張量との関係に基づいて、タンクの強度の良否を判定している。比較例として表１に示したように、高圧タンク内に充填する水の温度を常温すなわちガラス転移点以下の場合では、ライナーの変形が主に弾性変形の領域となるため、膨張検査での水圧が無くなるとライナーとＣＦＲＰ層との間に隙間が再び生じることとなる。これにより低温サイクル試験の結果が不合格となる。これに対して本実施形態では、膨張検査において高圧タンク内に充填する水の温度を、ライナー材料のガラス転移点以上の高温にすることで、水圧付与によるライナー変形のうち塑性変形が大半となり、水圧を抜いてもタンク内層のライナーと外層のＣＦＲＰ層との間に再び隙間が生じることを抑制することができる。その結果、低温サイクル試験において良好な結果を得ることができる。なお、隙間の発生を抑制することで、膨張試験における膨張量の測定結果に誤差が生じることを抑えることもできる。
【００５０】
また以上説明した本実施形態では、膨張検査において高圧タンク内に充填する水の温度を、ＣＦＲＰ材料のガラス転移点以下とすることで、ＣＦＲＰ層への水圧付与時の損傷を低減しタンク強度の低下を抑制することができる。更に、膨張検査の水圧付与に使用する高圧タンク内に充填する水を昇温させることで、膨張検査において充填する水の温度を昇温させない例と比較して、膨張検査終了時のタンク内残水及びタンク本体の温度を高温に保つことができる。これにより、膨張検査工程の次の工程での乾燥処理工程において、タンク内残水及びタンク本体の温度が高温になっている状態から乾燥処理を実施できるので、短時間で乾燥を行うことができる。
【００５１】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…高圧タンク
１２…口金
２０…ライナー
２２…シリンダー部
２４…ドーム部
３０…繊維強化樹脂層
１００…検査装置
１１０…制御部
１２０…純水槽
１２５…ヒーター
１３０…重量計
１４０…ポンプ
１５０…圧力検出器
１６０…配管
２００…乾燥処理装置
２１０…熱風供給装置
２２０…ノズル
２３０…タンク保持台
２４０…タンク支持柱
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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