(57)【要約】【課題】ライナー外周の繊維強化樹脂層において重なり合う層と層の境界の鮮明化を図る。【解決手段】高圧ガスタンクがライナーの外周に備える繊維強化樹脂層は、ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を繰り返し巻き付けてライナーの外周を覆う繊維束層を複数層重ねた層状構造である。その上で、繊維強化樹脂層は、層状構造において重なり合う繊維束層の間に、金属が存在する金属層を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナーの外周に繊維強化樹脂層を備える高圧ガスタンクであって、
前記繊維強化樹脂層は、前記ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を繰り返し巻き付けて前記ライナーの外周を覆う繊維束層を複数層重ねた層状構造であり、
該層状構造において重なり合う前記繊維束層の間に、金属が存在する金属層を設けた、高圧ガスタンク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガスタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスタンクは、ライナーの外周に繊維強化樹脂層を備え、この繊維強化樹脂層を、ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を繰り返し巻き付けた複数層の層状構造としている。高圧ガスタンクの耐圧強度は、層状構造の繊維強化樹脂層に依存していることから、繊維強化樹脂層の切断面をＸ線ＣＴやマイクロ波による断層撮影によって取得して、性能検査を行う手法が提案されている（例えば特許文献１）。なお、繊維強化樹脂層は、熱硬化性樹脂を含浸した繊維束により形成された後、熱硬化性樹脂の加熱硬化を経て、補強層として機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−５３７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
Ｘ線ＣＴやマイクロ波による断層撮影によれば、繊維強化樹脂層の切断面を非破壊で取得でき、性能検査において有益である。しかしながら、繊維強化樹脂層を構成する各層の硬化済み繊維束は同質なため、重なり合う層と層の境界が断層撮像画像において不鮮明となることが危惧される。このため、不鮮明な境界に基づいて繊維強化樹脂層の層厚みを計測せざるを得ず、改善の余地が残されている。こうしたことから、繊維強化樹脂層の切断面を非破壊の断層撮影によって取得するに際して、繊維強化樹脂層において重なり合う層と層の境界の鮮明化を図ることが要請されるに到った。
【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、高圧ガスタンクが提供される。この高圧ガスタンクは、ライナーの外周に繊維強化樹脂層を備える高圧ガスタンクであって、前記繊維強化樹脂層は、前記ライナーの外周に熱硬化性樹脂を含浸した繊維束を繰り返し巻き付けて前記ライナーの外周を覆う繊維束層を複数層重ねた層状構造であり、該層状構造において重なり合う前記繊維束層の間に、金属が存在する金属層を設けた。
【０００７】
この形態の高圧ガスタンクにおける繊維強化樹脂層を非破壊の断層撮影によって取得した切断面では、金属層を境界として繊維束層が重なり合う。金属層は、繊維束と全く異質な材料である金属を含むので、繊維強化樹脂層において重なり合う層と層の境界を鮮明化することが可能となる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、高圧ガスタンクの製造方法や製造装置の形態の他、高圧ガスタンクの検査方法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】本実施形態の高圧ガスタンクの概略構成を拡大図と共に示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る高圧ガスタンクの製造手順を示す工程図である。
【図３】繊維強化樹脂層の形成の様子を金属粉層の形成の様子と合わせて模式的に示す説明図である。
【図４】繊維強化樹脂層が未硬化の状態でライナーに形成される様子を示す説明図である。
【図５】高圧ガスタンクの断面画像の取得の様子を概略的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本実施形態の高圧ガスタンク１００の概略構成を拡大図と共に示す断面図である。高圧ガスタンク１００は、ライナー１０の外周に繊維強化樹脂層１６を備え、ライナー両端から口金２０と口金３０とを突出させている。ライナー１０は、中空のタンク容器であり、タンク長手方向の中央で２分割された一対のライナーパーツの接合品である。２分割のライナーパーツは、それぞれナイロン系樹脂等の適宜な樹脂にて型成形され、その型成形品のライナーパーツを接合してその接合箇所をレーザー融着することで、ライナー１０が形成される。このパーツ接合を経て、ライナー１０は、円筒状のシリンダー部１１の両側に球面形状のドーム部１２を備えたガスバリア性の樹脂製中空容器となる。このライナー１０は、一方のドーム部１２の頂上箇所に口金２０を備え、他方のドーム部１２の頂上箇所に口金３０を備える。こうして装着された口金２０と口金３０は、ライナー軸線ＣＸを中心軸として向かい合い、タンク製造時には、繊維強化樹脂層１６の形成や各種測定の際のライナー１０の回転軸回りの受け具として機能する。口金２０と口金３０の両口金は、アルミニウムまたはその合金といった軽量金属で形成され、口金２０は、図示しないバルブの装着のために高圧シール仕様のテーパネジの貫通孔を備える。口金３０は、ライナー外側および内側に同心の有底孔を備える。
【００１１】
繊維強化樹脂層１６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方法（以下、ＦＷ法）によりライナー外周に繰り返し巻き付けることで、ライナー１０の外周をその全域において覆う。繊維束の巻き付けの際には、後述するように、フープ巻きによる繊維巻き付けと低角度・高角度のヘリカル巻きによる繊維巻き付けとが使い分けられる。こうした繊維束の巻き付けの使い分けにより、繊維強化樹脂層１６は、ライナー１０におけるシリンダー部１１およびドーム部１２の外表全域を複数層の繊維束層にてそれぞれ被覆すると共に、ドーム部１２を覆うよう形成された口金側部位１６ｃにおいて、口金２０と口金３０のフランジ部を被覆する。本実施形態の繊維強化樹脂層１６は、ライナー１０の外周側から第１層目の第１繊維束層１６１から第ｎ層目の第ｎ繊維束層１６ｎ（ｎは層数である）の繊維束層を複数層重ねた層状構造であり、拡大図に示す第１繊維束層１６１と第２繊維束層１６２の間、第２繊維束層１６２と第３繊維束層１６３の間と言った層状構造において重なり合う繊維束層の間に金属粉層１７を介在させている。金属粉層１７は、亜鉛やアルミニウム等の金属粉末を含有する液水のスプレー塗布を経て形成され、こうした金属が存在する薄様の金属層である。そして、この金属粉層１７は、金属粉末を重なり合う繊維束層に付着させている。金属粉層１７の形成については後述する。
【００１２】
繊維強化樹脂層１６の形成には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いることが一般的であるが、ポリエステル樹脂やポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。また、ＦＷ法によりライナー外周に巻き付ける補強用の繊維束（スライバー繊維の束）としては、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維等が用いられる他、複数種類（例えば、ガラス繊維とカーボン繊維）のＦＷ法による繊維束の巻き付けを順次行うことで、繊維強化樹脂層１６を異なる繊維からなる樹脂層を積層させて形成することもできる。
【００１３】
次に、上記した高圧ガスタンク１００の製造手法について説明する。図２は、本実施形態に係る高圧ガスタンク１００の製造手順を示す工程図である。高圧ガスタンク１００を製造するには、まず、繊維強化樹脂層１６における第１層目の第１繊維束層１６１からの形成（工程Ｓ１００）と、第１繊維束層１６１への金属粉層１７の形成（工程Ｓ１１０）とを行う。
【００１４】
図３は、繊維強化樹脂層１６の形成の様子を金属粉層１７の形成の様子と合わせて模式的に示す説明図である。図４は、繊維強化樹脂層１６が未硬化の状態でライナー１０に形成される様子を示す説明図である。工程Ｓ１００の繊維強化樹脂層の形成を行うに当たっては、まず、図３に示すフィラメントワインディング装置（以下、ＦＷ装置ＦＭ）において、口金２０と口金３０とがドーム部１２に装着済みのライナー１０を、回転軸受治具２３０によりライナー軸線ＣＸ回りに回転自在に軸支する。繊維強化樹脂層１６の第１繊維束層１６１から順の繊維束層の形成に当たっては、回転軸受治具２３０で軸支したライナー１０を、ライナー軸線ＣＸの軸回りに回転させつつ、エポキシ樹脂ＥＰをカーボン繊維ＣＦに含浸させた樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦを、ＦＷ装置ＦＭによりライナー１０の外周に繰り返し巻き付ける。繊維強化樹脂層１６を形成するに当たっては、まず、第１繊維束層１６１を、ライナー軸線ＣＸに対して低角度の繊維角αＬＨ（例えば、約１１〜２５°）で樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦが交差して巻き付けられる低角度ヘリカル層として形成する（工程Ｓ１００）。この様子は図４の上段に示され、図においては、ライナー１０の外表が露出しているが、このライナー外表の全域が低ヘリカル巻きの樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦで覆われると、低角度ヘリカル層の第１繊維束層１６１が形成される。この第１繊維束層１６１の形成の際、ライナー回転速度と未硬化の樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦの供給元である繊維送出部１３２の往復動速度が調整され、その上で、ライナー軸線ＣＸ方向に沿って繊維送出部１３２が往復移動する。これにより、樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦは、シリンダー部１１の両端のドーム部１２に掛け渡るよう螺旋状に繰り返し巻き付けられる。両側のドーム部１２では、繊維送出部１３２の往路・復路の切換に伴って繊維の巻き付け方向が折り返されると共に、ライナー軸線ＣＸからの折り返し位置も調整される。
【００１５】
ドーム部１２における巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、ライナー１０の外表面には、低角度の繊維角αＬＨで樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦが網目状に張り渡された第１繊維束層１６１が形成される。この場合、繊維送出部１３２は、ドーム部１２のほぼ全域の外表が樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦにて覆われた上で、少なくとも１層の低角度ヘリカル層が形成されるまで、往復動する。図１の拡大図では、第１繊維束層１６１を１層の低角度ヘリカル層として示しているが、低角度ヘリカル層が複数層重なった繊維束層を第１繊維束層１６１としてもよい。
【００１６】
工程Ｓ１００での第１繊維束層１６１の形成に続く工程Ｓ１１０では、第１繊維束層１６１の表面に金属粉層１７を形成する。金属粉層１７の形成に当たっては、繊維送出部１３２の往復動とライナー１０の回転を一時的に停止した上で、図３に示すように、亜鉛やアルミニウム、ステンレス等の金属粉末を含有する液水を貯留した貯留槽２５０と、この貯留槽２５０の金属粉末含有液をスプレー塗布するスプレーガン２６０とを用いる。本実施形態では、貯留槽２５０に貯留される液水を、０．０１〜０．０５ｍｍの粒径の金属粉を体積比で９０％程度含有する純水とした。スプレーガン２６０は、シリンダー部１１とその両端のドーム部１２とに掛けて往復動しつつ、ライナー軸線ＣＸ回りにも回転し、こうした往復動・回転の過程において、ライナー１０に形成済みの第１繊維束層１６１に向けて金属粉末含有液を間歇的に塗布する。このスプレーガン２６０からの金属粉末含有液の間欠的なスプレー塗布により、第１繊維束層１６１に０．１ｍｍ以下の塗布厚みで金属粉層１７が重ねて形成される。なお、第１繊維束層１６１および金属粉層１７は、後述の加熱を経て、それぞれ最終的に形成される。
【００１７】
工程Ｓ１１０での金属粉層１７の形成に続く工程Ｓ１２０では、繊維強化樹脂層１６の第ｎ繊維束層１６ｎまでの樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦの巻き付けが完了したか否かが判断され、巻き付け未完であれば、上記した工程Ｓ１００の繊維強化樹脂層形成と、工程Ｓ１１０の金属粉層形成とが繰り返される。この繰り返しにより、ライナー１０の外周には、エポキシ樹脂ＥＰが未硬化の状態の第１繊維束層１６１〜第ｎ繊維束層１６ｎまでの繊維束層が複数層重なった層状構造の繊維強化樹脂層１６が形成されると共に、重なり合う繊維束層の間に金属粉層１７が介在する。なお、金属粉末含有液のスプレー塗布に続く第２繊維束層１６２〜第ｎ繊維束層１６ｎの形成の際、スプレーガン２６０からスプレー塗布された金属粉末含有液は、重なり合う繊維束層間に、樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦで保持される。
【００１８】
本実施形態では、第１繊維束層１６１を含む奇数番目の繊維束層をヘリカル層とし、第２繊維束層１６２を含む偶数番目の繊維束層を形成済みヘリカル層に重なるフープ層とした。この様子は、図４の下段に示されており、偶数番目の繊維束層、例えば第２繊維束層１６２の形成の際には、シリンダー部１１において、フープ巻きをシリンダー部両端で折り返しつつ繰り返すことで、フープ層を形成する。つまり、ライナー１０をライナー軸線ＣＸ回りに改めて回転させつつ、繊維送出部１３２をライナー軸線ＣＸに沿って所定速度で往復動させることで、既に形成済みのヘリカル層の第１繊維束層１６１に重なってフープ層が樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦにより形成される。このフープ巻きでは、繊維送出部１３２からの樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦが、シリンダー部１１のライナー軸線ＣＸに対してほぼ垂直に近い巻き角度（繊維角α０：例えば約８９°）で交差して巻き付くよう、ライナー回転速度と繊維送出部１３２の往復動速度を調整する。その上で、ライナー軸線ＣＸ方向に沿って繊維送出部１３２を往復移動させて、樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦをシリンダー部１１の範囲において繰り返し巻回する。
【００１９】
シリンダー部１１における巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、既に形成済みの奇数番目のヘリカル層の繊維束層、例えば第１繊維束層１６１には、高角度の繊維角αＬＨで樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦが網目状に張り渡されたフープ層の第２繊維束層１６２が金属粉層１７を介在させて形成される。この場合、繊維送出部１３２は、シリンダー部１１の全域において樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦが繰り返し巻き付けられた上で、少なくとも１層のフープ層が形成されまで、往復動する。図１の拡大図では、第２繊維束層１６２を１層のフープ層として示しているが、フープ層が複数層重なった繊維束層を第２繊維束層１６２としてもよい。
【００２０】
ヘリカル層形成のためのヘリカル巻きから、フープ層形成のためのフープ巻きへの変更は、ライナー１０の回転速度調整と繊維送出部１３２の往復動速度調整をすることでなされる。なお、上記した低角度のヘリカル巻きからフープ巻きに変更する際に、ライナー軸線ＣＸに対して高角度の繊維角（例えば、約３０〜６０°）で樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦを巻き付ける高角度のヘリカル巻きを組み込むこともできる。
【００２１】
こうして未硬化の樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦのフープ巻きおよびヘリカル巻きが使い分けてなされることで、ライナー１０の外周には、低角度ヘリカル層の第１繊維束層１６１にフープ層の第２繊維束層１６２が金属粉層１７を介在させて重なる。更に、低角度ヘリカル層の奇数番目の繊維束層とフープ層の偶数番目の繊維束層が金属粉層１７を介在させて交互に層状に重なった第ｎ繊維束層１６ｎまでの繊維強化樹脂層１６がエポキシ樹脂ＥＰが未硬化の状態でＦＷ法にて形成される。
【００２２】
図２に示すように、工程Ｓ１２０で判断した繊維束の巻き付け完了に続いては、繊維強化樹脂層１６の加熱・硬化（工程Ｓ１３０）と、Ｘ線ＣＴ画像による繊維強化樹脂層１６の断面画像取得（工程Ｓ１４０）と、繊維強化樹脂層１６における第１繊維束層１６１〜第ｎ繊維束層１６ｎの厚み判定（工程Ｓ１５０）とを順次実行する。工程Ｓ１３０の繊維強化樹脂層１６の形成では、未硬化の繊維強化樹脂層１６が外周に形成済みのライナー１０を、ライナー軸線ＣＸ回りに回転可能な状態で軸支して、加熱炉に搬入する。そして、炉内でのマイクロ波加熱や熱風加熱により、繊維強化樹脂層１６のエポキシ樹脂を１５０℃まで加熱して熱硬化させる。ライナー１０は、ライナー軸線ＣＸ回りに回転しつつ加熱を受け、エポキシ樹脂の熱硬化後の冷却養生を経て、工程Ｓ１４０を行うＸ線撮像セクションに搬送される。
【００２３】
工程Ｓ１４０では、繊維強化樹脂層１６が形成済みのライナー１０、即ち高圧ガスタンク１００の複数箇所の円周方向断面と円筒方向断面の断面画像を非破壊で取得する。図５は、高圧ガスタンク１００の断面画像の取得の様子を概略的に示す説明図である。高圧ガスタンク１００の円周方向の断面画像の取得に当たっては、高圧ガスタンク１００をライナー軸線ＣＸ回りに回転させつつ、Ｘ線ＣＴ撮像機器３００を用いて、シリンダー部１１の複数箇所の円周方向断面の断面画像を取得する。高圧ガスタンク１００の円筒方向の断面画像の取得に当たっては、高圧ガスタンク１００を水平に保持した上で、Ｘ線ＣＴ撮像機器３００と高圧ガスタンク１００をライナー軸線ＣＸに沿って相対移動させつつ、シリンダー部１１の一端側のドーム部１２から他端側のドーム部１２に亘る円筒方向の断面画像を取得する。次いで、高圧ガスタンク１００をライナー軸線ＣＸ回りに所定の角度だけ回転させて、円筒方向の断面画像の取得を繰り返す。取得された断面画像は、図１に示すように第１繊維束層１６１と第２繊維束層１６２の間、第２繊維束層１６２と第３繊維束層１６３の間のように重なり合う繊維束層の間に金属粉層１７が映り込んだ画像となり、金属粉層１７を境界として各繊維束層が重なりあったものとなる。
【００２４】
工程Ｓ１５０の厚み判定では、金属粉層１７を境界として重なりあった第１繊維束層１６１〜第ｎ繊維束層１６ｎの各繊維束層の厚みを取得済み断面画像から算出し、その算出層厚みが規定値（規定の厚み）に収まっているかを判定する。そして、算出層厚みが規定値に合致していれば、高圧ガスタンク１００を次工程に送り込み、本実施形態での製造手順を終了する。その一方、算出層厚みが規定値を下回っていると、高圧ガスタンク１００に対して定格外対処（工程Ｓ１６０）を行った後、高圧ガスタンク１００を次工程に送り込み、本実施形態での製造手順を終了する。この定格外対処としては、算出層厚みが不足している領域において、樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦを追加して巻き付けたり、算出層厚みが不足しているものの低耐圧規格の高圧ガスタンクとしての有効利用を図るべく、何らかの判別処置、例えば「低耐圧規格品用」といったステッカーを貼り付ける対処を例示できる。
【００２５】
以上説明した手順で製造される本実施形態の高圧ガスタンク１００は、非破壊で取得した繊維強化樹脂層１６の円周方向および円筒方向の断面画像を、金属粉層１７を境界として第１繊維束層１６１と第２繊維束層１６２、第２繊維束層１６２と第３繊維束層１６３等が重なりあった画像として提供可能とする。そして、金属粉層１７は、各繊維束層を形成する樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦとは全く異質な亜鉛等の金属粉末を含む故に、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、取得された断面画像における繊維強化樹脂層１６において重なり合う繊維束層と繊維束層の境界を金属粉層１７により鮮明とできる。
【００２６】
実施形態では、亜鉛やアルミニウム等の金属粉末を含有する液水を間歇的にスプレー塗布したので、液水未塗布の領域において、重なり合う第１繊維束層１６１と第２繊維束層１６２、第２繊維束層１６２と第３繊維束層１６３等を未硬化のエポキシ樹脂で連続させる。よって、本実施形態の高圧ガスタンク１００によれば、未硬化のエポキシ樹脂の加熱硬化を経た重なり合う繊維束層の一体化を確保して、重なり合う繊維束層の固着を阻害しないようにできる。
【００２７】
本実施形態の高圧ガスタンク１００を得るに当たっては、第１繊維束層１６１〜第ｎ繊維束層１６ｎまで順次、繊維束層を樹脂含有カーボン繊維束ＥＣＦの巻き付けで形成する既存の製造手順に、金属粉末含有の液水塗布を組み込むだけでよい。よって、本実施形態のタンク製造方法によれば、繊維強化樹脂層１６において重なり合う繊維束層と繊維束層の境界が金属粉層１７により鮮明となった高圧ガスタンク１００を容易に製造できる。
【００２８】
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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。
【００２９】
既述した実施形態では、金属粉層１７を形成するに当たり、亜鉛やアルミニウム等の金属粉末を含有する液水を間歇的にスプレー塗布したが、連続的に塗布してもよい。また、亜鉛やアルミニウム以外の金属粉末を含有する液水を塗布してもよい。
【００３０】
既述した実施形態では、金属粉層１７を形成するに当たり、金属粉末含有の液水をスプレー塗布したが、刷毛等を用いて金属粉含有の液水を形成済みの繊維束層の表面に塗布してもよい。金属粉含有の液水を形成済みの繊維束層のほぼ全域の表面に塗布してもよいが、ライナー軸線ＣＸに沿って帯状に金属粉含有の液水を塗布してもよい。この他、金属粉含有の液水塗布に変わり、０．０１〜０．０５ｍｍ程度の厚みの金属薄膜をライナー軸線ＣＸに沿って帯状に繊維束層の表面に貼り付けてもよい。このように一部領域に金属粉含有の液水を帯状に塗布したり帯状の金属薄膜を貼り付けた場合には、帯状の塗布領域、帯状の金属薄膜貼付領域において、重なり合う繊維束層と繊維束層の境界を鮮明とできる。なお、金属粉含有の液水の帯状の塗布や帯状の金属薄膜の貼り付けを、ライナー軸線ＣＸの軸回りに複数筋に亘って行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１０…ライナー
１１…シリンダー部
１２…ドーム部
１６…繊維強化樹脂層
１６１〜１６ｎ…第１繊維束層〜第ｎ繊維束層
１６ｃ…口金側部位
１７…金属粉層
２０…口金
３０…口金
１００…高圧ガスタンク
１３２…繊維送出部
２３０…回転軸受治具
２５０…貯留槽
２６０…スプレーガン
３００…Ｘ線ＣＴ撮像機器
ＣＦ…カーボン繊維
ＥＣＦ…樹脂含有カーボン繊維束
ＥＰ…エポキシ樹脂
ＦＭ…ＦＷ装置
ＣＸ…ライナー軸線
ＬＨ…繊維角α
【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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