(57)【要約】【課題】製造過程におけるワークの過昇温を抑制できる車両搭載用高圧タンクの製造装置を提供すること。【解決手段】この製造装置は、ライナ１０１の周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつけたワークＷを昇温する炉本体２０と、ワークＷを回転させる回転棒３０と、ライナ１０１内の圧力を調圧する調圧弁４０１と、ライナ１０１内に液体を供給し、その液体が気化した気体をライナ１０１内から排出する液体給排系４０と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナの周囲を繊維強化プラスチックで補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造装置であって、
ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつけたワークを昇温する昇温手段と、
前記ワークを回転させる回転手段と、
前記ライナ内の圧力を調圧する調圧手段と、
前記ライナ内に液体を供給し、その液体が気化した気体を前記ライナ内から排出する液体給排手段と、
を備える車両搭載用高圧タンクの製造装置。
【請求項２】
ライナの周囲を繊維強化プラスチックで補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造方法であって、
ライナを準備する工程と、
前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつけてワークと成す工程と、
前記繊維強化プラスチック材料を硬化させて繊維強化プラスチックと成す工程と、
を含み、
前記繊維強化プラスチック材料を硬化させる工程では、大気圧よりも高い内圧を前記ライナに付与し、前記ライナ内を高圧に保った状態で前記ライナ内に液体を投入し、前記ワークを回転させつつ前記ライナ内の圧力と液体量とを保持しながら昇温する車両搭載用高圧タンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載用高圧タンクの製造装置及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両搭載用高圧タンクとして、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなるものが知られている。このような車両搭載用高圧タンクの製造方法として、下記特許文献１に記載のものが提案されている。下記特許文献１に記載の製造方法は、ライナに相当する内殻を形成し、その内殻の外周にフィラメントワインディング法等によって繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）材料を巻きつけて、それらを昇温することで高圧タンクを形成している（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２８６２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ライナに繊維強化プラスチック材料を巻きつけたワークを形成し、そのワークを硬化炉に入れて昇温する場合、いわゆる過昇温という現象が起きる。具体的には、硬化炉の炉内温度を上げると、ワークの温度が徐々に上昇する昇温期間の後、ワークの温度が急激に上昇する１次硬化期間を経て、ワークの温度が下降し一定の温度となる本硬化期間によって硬化が完了する。この場合において、１次硬化では繊維強化プラスチック材料層中の樹脂のポリマー化が進行し、樹脂の重合反応によって発熱が生じているものと考えられ、本硬化ではポリマー同士の架橋反応が起こっているものと考えられる。過昇温とは、このように樹脂の重合反応に伴って生じる発熱に起因し、繊維強化プラスチック材料層の温度が硬化温度よりも上昇してしまう現象である。
【０００５】
このようにワークの温度が硬化温度よりも上がってしまうと、ライナや繊維強化プラスチック材料層に熱劣化が生じる恐れがある。そのため、なるべく過昇温が発生しないか発生しても温度上昇を極力抑えるようにしたいところであるが、上述したように過昇温は化学反応に伴うものであるため、硬化炉内の温度を多少下げてもその温度降下分に見合った昇温抑制効果を奏することは困難である。それでもなお過昇温を抑制するために硬化炉内の温度を低く抑えれば、ワークが硬化温度まで昇温されずに硬化不良を起こすことも想定される。
【０００６】
また、ワークの温度を下げないために、冷媒を用いて繊維強化プラスチック材料層を冷却することも想定される。しかしながら、冷媒に気体を用いた場合には、熱容量が小さいため冷却効果が低く、過昇温を抑制することは困難である。一方、冷媒に液体を用いた場合には、熱容量は大きいものの、硬化温度より低い温度の液体冷媒を供給すれば温度分布の偏りが大きくなり、局所的な硬化不良が発生する恐れがある。このような硬化不良を改善するために硬化温度と同等の温度の液体冷媒を供給すれば、冷却効果が低くなり、本来の目的を達成することができない。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ライナの周囲を繊維強化プラスチック層で補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造装置及び製造方法であって、製造過程におけるワークの過昇温を抑制できる車両搭載用高圧タンクの製造装置及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る車両搭載用高圧タンクの製造装置は、ライナの周囲を繊維強化プラスチックで補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造装置であって、ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつけたワークを昇温する昇温手段と、前記ワークを回転させる回転手段と、前記ライナ内の圧力を調圧する調圧手段と、前記ライナ内に液体を供給し、その液体が気化した気体を前記ライナ内から排出する液体給排手段と、を備える。
【０００９】
本発明に係る製造装置によれば、調圧手段によってライナ内の圧力を大気圧よりも高め、その高圧状態を保持しながらライナ内に液体を供給することができるので、繊維強化プラスチック材料の硬化温度に合わせた温度で液体を蒸発させることができる。ライナを含むワークは回転させることができるので、蒸発した液体はライナの内部に充満し、ライナの内面にムラ無く接触することでライナから気化熱を奪うことができる。結果、沸騰冷却によってライナをムラ無く冷却し、ひいては繊維強化プラスチック材料の過昇温を抑制することができる。更に、ライナ内部に液体を蒸発させて充満させ、ライナを含むワークを回転させることでライナ内面からムラ無く気化熱を奪うので、ライナの内容積にかかわらず必要な冷却量（気化熱量）を確保することができる。このように沸騰冷却によって内側から繊維強化プラスチック材料の過昇温を抑制しつつ、昇温手段によるワークの昇温はその温度を維持することができるので、硬化不良及び過昇温の回避を両立させることができる。
【００１０】
上記課題を解決するために本発明に係る車両搭載用高圧タンクの製造方法は、ライナの周囲を繊維強化プラスチックで補強してなる車両搭載用高圧タンクの製造方法であって、ライナを準備する工程と、前記ライナの周囲に繊維強化プラスチック材料を巻きつけてワークと成す工程と、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させて繊維強化プラスチックと成す工程と、を含み、前記繊維強化プラスチック材料を硬化させる工程では、大気圧よりも高い内圧を前記ライナに付与し、前記ライナ内を高圧に保った状態で前記ライナ内に液体を投入し、前記ワークを回転させつつ前記ライナ内の圧力と液体量とを保持しながら昇温する。
【００１１】
本発明に係る製造方法によれば、ライナ内の圧力を大気圧よりも高め、その高圧状態を保持しながらライナ内に液体を供給するので、繊維強化プラスチック材料の硬化温度に合わせた温度で液体を蒸発させることができる。ライナを含むワークは回転させられるので、蒸発した液体はライナの内部に充満し、ライナの内面にムラ無く接触することでライナから気化熱を奪うことができる。結果、沸騰冷却によってライナをムラ無く冷却し、ひいては繊維強化プラスチック材料の過昇温を抑制することができる。更に、ライナ内部に液体を蒸発させて充満させ、ライナを含むワークを回転させることでライナ内面からムラ無く気化熱を奪うので、ライナの内容積にかかわらず必要な冷却量（気化熱量）を確保することができる。このように沸騰冷却によって内側から繊維強化プラスチック材料の過昇温を抑制しつつ、ワークの昇温はその温度を維持することができるので、硬化不良及び過昇温の回避を両立させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、製造過程におけるワークの過昇温を抑制できる車両搭載用高圧タンクの製造装置及び製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法によって製造される車両搭載用高圧タンクを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２に示す製造方法において、ライナに繊維強化プラスチック材料を巻いたワークを硬化炉に設置した状態を説明するための図である。
【図４】図２に示す製造方法において、ワークを炉内で昇温した場合の、温度関係を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１５】
まず、本発明の実施形態である製造方法によって製造される車両搭載用高圧タンクについて説明する。図１は、車両搭載用高圧タンク１０の断面図である。図１に示すように、車両搭載用高圧タンク１０は、全体として密閉円筒状の容器本体２と、容器本体２の長手方向の両端部に取り付けられた口金１０２ａ，１０２ｂと、を具備している。容器本体２の内部は、各種のガスを貯留する貯留空間５となっている。車両搭載用高圧タンク１０は、常圧のガスを充填することもできるし、常圧に比して圧力が高められたガスを充填することもできる。すなわち、本発明の車両搭載用高圧タンク１０は、高圧ガス容器として機能することができる。
【００１６】
例えば、燃料電池システムでは、高圧の状態で用意された燃料ガスを減圧して、燃料電池の発電に供している。車両搭載用高圧タンク１０は、高圧の燃料ガスを貯留するのに適用することができ、燃料ガスとしての水素や、圧縮天然ガス（ＣＮＧガス）などを貯留することができる。車両搭載用高圧タンク１０に充填される水素の圧力としては、例えば３５ＭＰａあるいは７０ＭＰａであり、ＣＮＧガスの圧力としては、例えば２０ＭＰａである。
【００１７】
容器本体２は、ガスバリア性を有する内側のライナ１０１と、ライナ１０１の外周に配置された繊維強化プラスチック層１０３と、の二層構造を有している。繊維強化プラスチック層１０３は、例えば炭素繊維とエポキシ樹脂を含むＦＲＰからなり、ライナ１０１の外表面を被覆するように構成されている。
【００１８】
口金１０２ａ，１０２ｂは、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属で形成され、容器本体２の半球面状をした端壁部の中心に設けられている。口金１０２ａ，１０２ｂの開口部の内周面には雌ネジが刻設されており、配管やバルブアッセンブリ１４（バルブボデー）などの機能部品の雄ネジをこの雌ネジと螺合させることで、機能部品を口金１０２ａ，１０２ｂにねじ込み接続可能となっている。なお、図１では、口金１０２ａにのみバルブアッセンブリ１４を設けた例を二点鎖線で示した。
【００１９】
例えば、燃料電池システム上の車両搭載用高圧タンク１０は、バルブや継手等の配管要素を一体的に組み込んだバルブアッセンブリ１４を介して、貯留空間５と図示省略した外部のガス流路との間が接続され、貯留空間５に水素が充填されると共に貯留空間５から水素が放出される。
【００２０】
ライナ１０１は、長手方向の中央で二分割された一対の略同形状からなるライナ構成部材１０１ａ，１０１ｂを、レーザ溶着により接合して構成されている。すなわち、半割り中空体のライナ構成部材１０１ａ，１０１ｂ同士をレーザ溶着により接合することで、中空内部のライナ１０１が構成されている。
【００２１】
続いて、本発明の実施形態である車両搭載用高圧タンクの製造方法について図２を参照しながら説明する。図２は、車両搭載用高圧タンクの製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態において製造される車両搭載用高圧タンク１０は、図１を参照しながら説明したように両端が閉じられた円筒形状を成しており、その両端に口金１０２ａ，１０２ｂが設けられてなるものである。
【００２２】
ステップＳ０１では、両端に口金１０２ａ，１０２ｂが設けられたライナ１０１に、繊維強化プラスチック材料を巻きつけて繊維強化プラスチック材料層１０３ｐと成したワークＷを、硬化炉に配置する。ワークＷは、口金１０２ａ，１０２ｂを設けたライナ１０１を準備し、その準備したライナ１０１に繊維強化プラスチック材料を巻きつけることで準備される。続いて、図３に硬化炉Ｆの構成を示す。
【００２３】
図３に示すように、硬化炉Ｆには、炉本体２０（昇温手段）と液体給排系４０（液体給排手段）とが設けられている。液体給排系４０は、液体配管４１と、気体配管４２と、接続配管４３とを備えている。接続配管４３は、その一部が炉本体２０内に延びるように分岐しており、炉本体２０内においてワークＷの口金１０２ａに繋がれている。接続配管４３の分岐部分近傍には水位確認部４３１が設けられており、接続配管４３及びワークＷ内の液体の水位が確認可能なように構成されている。水位確認部４３１は、ワークＷ内の液体の水位が視認可能なように透明窓（図示しない）を有しており、その透明窓を通してワークＷ内の液体の水位を視認し、その水位をデータとして取得可能なように構成されている。
【００２４】
接続配管４３の分岐部分よりも下流側には、調圧弁４０１と圧力センサ４０２とが設けられている。調圧弁４０１を調整することによってワークＷ内の内圧が調整可能なように構成され、圧力センサ４０２はその内圧を測定可能なように構成されている。
【００２５】
接続配管４３内には、液体配管４１と気体配管４２とが通っている。液体配管４１及び気体配管４２は、接続配管４３の分岐部分の上流側からその分岐部分を通って炉本体内２０に導入され、ワークＷ内に延出するように配置されている。
【００２６】
液体配管４１にはヒータ４１１と液体ポンプ４１２とが配置されている。液体配管４１は、ヒータ４１１で昇温した液体（本実施形態では昇温した水（湯））を液体ポンプ４１２によってワークＷ内へと送り出すことができるように構成されている。気体配管４２には気体ポンプ４２１が配置されている。気体配管４２は、気体（本実施形態では空気）を気体ポンプ４２１によってワークＷ内へと送り出すことができるように構成されている。
【００２７】
このように調圧弁４０１と気体ポンプ４２１とを調整することで、接続配管４３に繋がれるワークＷ内の圧力を調整可能なように構成されており、調圧手段として機能している。ワークＷの口金１０２ａには接続配管４３が繋がれており、上述したような各部の動作によってワークＷのライナ１０１の内圧が調整される。ワークＷの他方の口金１０２ｂには、回転棒３０（回転手段）が取り付けられており、硬化過程においてワークＷを適宜回転可能なように構成されている。炉本体２０内には、炉本体２０内の温度を測定する温度センサ２０ａと、ワークＷの温度を測定する温度センサ２０ｂとが設けられている。以下の説明では、適宜図３を参照するものとする。
【００２８】
ステップＳ０１に続くステップＳ０２では、硬化炉Ｆの炉本体２０内の温度上昇を開始し、炉本体２０内の温度が１００℃に到達したか判断する。炉本体２０内の温度が１００℃に到達しなければこの判断を繰り返し、炉本体２０内の温度が１００℃に到達すればステップＳ０３の処理に進む。
【００２９】
ここで、炉本体２０内の温度と、ワークＷのライナ１０１の内圧との関係を図４に示す。図４の（ａ）は温度を示すグラフであって、ＷＴはワークＷの温度を示し、ＦＴは炉本体２０内の温度を示す。図４の（ｂ）はワークＷのライナ１０１内の水量を示すグラフである。図４の（ｃ）はワークＷのライナ１０１内の圧力を示すグラフである。ステップＳ０２では、図４におけるｔ０からｔ１の状態であって、炉本体２０内の温度及びワークＷの温度が上昇している状態である。また、ワークＷのライナ１０１内の圧力は大気圧同等のＰ１となっている。
【００３０】
ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、ワークＷのライナ１０１内の圧力調整を開始する。具体的には、ワークＷのライナ１０１内の圧力を大気圧よりも高いＰ２に上昇させる。ステップＳ０３に続くステップＳ０４では、ワークＷのライナ１０１内に約９５℃に加温した湯を投入する。ワークＷのライナ１０１内の湯は、ワークＷの中心線を超えて上昇しないように水位確認部４３１を介してモニターされている。尚、液体配管４１及び気体配管４２は、この状態で水没しないように、ワークＷの中心線よりも上方に配置されている。また、ワークＷは回転棒３０によって回転させられている。
【００３１】
ステップＳ０３からステップＳ０４の処理段階では、ワークＷの状態は図４のｔ１からｔ２を過ぎる状態に相当する。従って、ワークＷの温度及び炉本体２０内の温度は、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐの硬化温度Ｔに到達する。この状態では、ワークＷのライナ１０１内は大気圧よりも高圧に保持されているので、水の沸騰温度は硬化温度Ｔに相当するように調整されている。例えば、硬化温度Ｔが１３０℃の場合、ワークＷのライナ１０１の内圧は約０．２７ＭＰａに調整され、硬化温度Ｔが１５０℃の場合、ワークＷのライナ１０１の内圧は約０．４７℃に調整される。ｔ２以降においては、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐは過昇温を起こし、何も対策を講じない状態では図４中の一点鎖線で示すように硬化温度Ｔを大きく超える温度まで上昇する。しかしながら、本実施形態では、ワークＷのライナ１０１内に温水を供給し、水の沸騰温度が繊維強化プラスチック材料層１０３ｐの硬化温度Ｔとなるように内圧を調整しているので、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐはライナ１０１を介して内側から沸騰冷却されることになる。そのため、図４に示すように過昇温の程度が軽減され、過度な温度上昇が抑制される。
【００３２】
ステップＳ０４に続くステップＳ０５では、過昇温完了時刻に到達したか判断する。本実施形態の場合、時刻ｔ３に到達したか否かで判断される。過昇温完了時刻ｔ３に到達しなければこの判断を繰り返し、過昇温完了時刻ｔ３に到達していればステップＳ０６の処理に進む。
【００３３】
ステップＳ０５に続くステップＳ０６では、ワークＷのライナ１０１内への温水投入を停止する。ワークＷのライナ１０１内の水は蒸発を続けるので、ライナ１０１内への温水投入を停止するとライナ１０１内の水量が減少する。
【００３４】
ステップＳ０６に続くステップＳ０７では、ワークＷのライナ１０１内の水が蒸発して無くなってしまう時刻に到達したか判断する。本実施形態の場合、時刻ｔ４に到達したか否かで判断される。蒸発完了時刻ｔ４に到達しなければこの判断を繰り返し、蒸発完了時刻ｔ４に到達すればステップＳ０８の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ０７に続くステップＳ０８では、ワークＷのライナ１０１内の圧力調整を終了し、大気圧に相当する圧力Ｐ１まで減圧する。その後、硬化炉Ｆの炉本体２０の温度ＦＴを降下させると共に（時刻ｔ５）、ワークＷ内へ空気を送り込んで内部からも冷却し、繊維強化プラスチック材料層１０３ｐが硬化して繊維強化プラスチック層１０３となった車両搭載用高圧タンク１０を取り出す。
【符号の説明】
【００３６】
２：容器本体
５：貯留空間
１０：車両搭載用高圧タンク
１４：バルブアッセンブリ
２０：炉本体
２０ａ：温度センサ
２０ｂ：温度センサ
３０：回転棒
１０１：ライナ
１０１ａ，１０１ｂ：ライナ構成部材
１０２ａ，１０２ｂ：口金
１０３：繊維強化プラスチック層
１０３ｐ：繊維強化プラスチック材料層
Ｆ：硬化炉
ＦＴ：炉本体内温度
Ｗ：ワーク
ＷＴ：ワーク温度
４０：液体給排系
４１：液体配管
４２：気体配管
４３：接続配管
４０１：調圧弁
４０２：圧力センサ
４１１：ヒータ
４１２：液体ポンプ
４２１：気体ポンプ
４３１：水位確認部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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