(57)【要約】【課題】タンクの補強層の冷却による硬化および保護層の取り付け作業に掛かる時間を短縮することができる高圧ガスタンクの製造方法を得ること。【解決手段】補強層１４を有するタンク１１に保護層１５が取り付けられる高圧ガスタンク１０の製造方法であって、タンク１１を急冷して補強層１４の表面に結露水Ｗを生じさせ、補強層１４の表面の凹部１４ａに結露水Ｗが溜まっている状態で、湿気硬化型の接着剤４０により保護層１５を補強層１４に接着することを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強層を有するタンクに保護層が取り付けられる高圧ガスタンクの製造方法であって、
前記タンクを急冷して前記補強層の表面に結露水を生じさせ、前記補強層の表面の凹部に前記結露水が溜まっている状態で、湿気硬化型の接着剤により、前記保護層を前記補強層に接着することを特徴とする高圧ガスタンクの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガスタンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスタンクの製造方法として、円筒状のシリンダー部と、シリンダー部の両端に位置する半球体状のドーム部とを有するタンクにドーム部包囲部材としての保護層を取り付けるものが開示されている（特許文献１参照）。この製造方法は、保護層をドーム部に取り付けるための位置決め治具をタンクに装着する工程と、位置決め治具により保護層をドーム部に位置決めする工程とを備えている。この製造方法では、シリンダー部およびドーム部の外周面に熱硬化性樹脂からなる繊維強化樹脂層としての補強層が形成される。次いで、図１０に示すように、タンクを加熱して補強層を硬化させる硬化工程が行われ、続いて、タンクを急冷して補強層を硬化させる硬化工程が行われる。急冷による硬化工程では、タンクの表面に結露水が付着するので、結露水を拭き取り、タンクの表面を乾燥させる結露水乾燥工程が行われる。そして、乾燥したタンクのドーム部に保護層を接着剤で接着する保護層貼付工程が行われ、高圧ガスタンクが完成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１９０４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の高圧ガスタンクの製造方法においては、硬化工程の冷却時間短縮のためタンクを急速に冷却すると、タンクの表面に結露水が付着してしまう。したがって、保護層貼付工程で保護層をドーム部に接着する前に、結露水を拭き取って乾燥させる結露水乾燥工程を設ける必要となるという問題がある。
【０００５】
また、タンクは加熱による硬化工程で表面に凹凸が発生するが、凹凸のある表面に、保護層を確実に接着するためには、凹凸を埋めて均一な表面にして接着面積を確保するよう接着剤を厚く塗るか、または凸部を研磨する必要が生じるという問題がある。接着剤を厚く塗ると内部が硬化するまで時間が掛かり、保護層を加圧保持する機構による加圧保持が比較的長くなってしまうという問題がある。また、凸部を研磨する場合には研磨工程が増えてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、タンク硬化工程の冷却時間の短縮および保護層の接着時間の短縮を図ることができる高圧ガスタンクの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法は、補強層を有するタンクに保護層が取り付けられる高圧ガスタンクの製造方法であって、前記タンクを急冷して前記補強層の表面に結露水を生じさせ、前記補強層の表面の凹部に前記結露水が溜まっている状態で、湿気硬化型の接着剤により、前記保護層を前記補強層に接着することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法においては、タンクを急冷して補強層の表面に結露水を生じさせ、補強層の表面の凹部に結露水が溜まっている状態で、湿気硬化型の接着剤により、保護層を前記補強層に接着するので、結露水により接着剤の硬化を促進させることができる。したがって、タンクの補強層の冷却による硬化および保護層の取付作業に掛かる時間を短縮することができる
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、タンク硬化工程の冷却時間の短縮および保護層の接着時間の短縮を図ることができる高圧ガスタンクの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法により作製されるタンクの図であり、図１（ａ）は、タンクの分解斜視図を示し、図１（ｂ）は、タンクの斜視図を示し、図１（ｃ）は、保護層の断面図を示す。
【図２】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法を示す工程図。
【図３】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法により補強層が形成されたタンクの斜視図であり、図３（ａ）は、外周部がヘリカル巻きで形成された補強層を示し、図３（ｂ）は、外周部がフープ巻きで形成された補強層を示す。
【図４】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法における硬化工程の経過時間と温度との関係を示すグラフ。
【図５】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法に適用するタンクを硬化させた後の補強層の表面の図であり、図５（ａ）は、硬化した補強層を有するタンクの側面図を示し、図５（ｂ）は、硬化した補強層の凹凸の状態を表したタンクの側面図を示す。
【図６】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法における硬化工程でタンクと冷風ブロアとの位置関係および風速を示す模式図。
【図７】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法に適用するタンクの部分断面図および部分拡大断面図であり、図７（ａ）は、硬化した後に結露水が凹部に溜まった状態の補強層を示し、図７（ｂ）は、補強層の外周面に接着剤が塗布された保護層が装着された状態を示す。
【図８】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法に適用するタンクの図であり、図８（ａ）は、保護層に接着剤を塗布した状態を示し、図８（ｂ）は、加圧保持機構により保護層をタンクに加圧保持した状態を示す。
【図９】本発明の実施形態に係る高圧ガスタンクの製造方法に適用する接着剤の接着強度を説明する図であり、図９（ａ）は、接着強度の引張試験の模式図を示し、図９（ｂ）は、湿度と接着強度との関係を表すグラフを示す。
【図１０】従来の高圧ガスタンクの製造方法の工程図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法を適用した実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法について図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、高圧ガスタンク１０の構成について説明する。高圧ガスタンク１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように、タンク１１と、口金１２、１３と、タンク１１の外周面に形成された補強層１４と、一対の保護層１５とにより構成されている。高圧ガスタンク１０は、気体を透過させにくい性質、いわゆるガスバリア性を有しており内部には水素などの比較的高圧のガスが充填されるよう構成されている。
【００１３】
タンク１１は、筒状の中空容器からなり、ポリアミド樹脂（ＰＡ）などのプラスチックを炭素繊維（Carbon Fiber）で強化した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics、以下ＣＦＲＰという。）で形成されている。なお、タンク１１の材料は、いわゆるナイロン（登録商標）などの高い機械的強度を有するエンジニアリングプラスチックや金属材料であってもよい。
【００１４】
タンク１１は、シリンダー部１６と、一対のドーム部１７とを有している。シリンダー部１６は円筒状に形成され、各ドーム部１７は、それぞれ中空の略半球体からなりシリンダー部１６と一体的に形成されている。各ドーム部１７は、図示しない口金装着部を有しており、口金装着部には口金１２、１３が装着されている。
【００１５】
口金１２は、金属材料からなり、略半球状に形成されたドーム部１７からタンク１１の軸線方向に突出している。口金１３は、口金１２と同様、金属材料からなり、略半球状に形成されたドーム部１７からタンク１１の軸線方向に突出している。
【００１６】
補強層１４は、繊維束Ｆがタンク１１の外周面に巻き付けられて形成されている。繊維束Ｆは、エポキシ樹脂（ＥＰ）などのプラスチックをガラス繊維（Glass Fiber）で強化した（ＧＦＲＰ：Glass Fiber Reinforced Plastics）で形成されている。なお、補強層１４の材料は、カーボン繊維（Carbon Fiber）、アラミド繊維（Aromatic Polyamide Fiber）などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させた複合材料であってもよい。
【００１７】
繊維束Ｆは、数十本の単繊維を撚り合わせて１本の糸にした、いわゆるマルチフィラメントが、数千〜数万本程度束ねられた繊維束からなる。補強層１４の形成は、例えば、図示しないフィラメントワインディング装置（Filament Winding Process、以下ＦＷ装置という。）によって行われる。
【００１８】
このＦＷ装置は、太い繊維束Ｆを引伸ばして細くするとともに、あまい撚りを与えて粗糸とし、巻き取ったいわゆる粗紡糸（ガラスロービングなどのロービング）に樹脂を含浸させながら、または、樹脂が含浸された粗紡糸にテンションをかけ、被加工物に連続的に巻き付ける製造装置をいう。粗紡糸に含浸させる樹脂は、例えば、エポキシ樹脂（ＥＰ）、ポリエステル樹脂（ＰＥ）やポリアミド樹脂（ＰＡ）などの熱硬化性樹脂からなる。このＦＷ法によれば、巻き付ける際の角度を調整することにより、被加工物の軸方向および周方向の強度を調整することができる。
【００１９】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法について説明する。高圧ガスタンク１０の製造方法は、図２に示すように、タンク、口金および保護層作製工程と、補強層形成工程と、加熱による硬化工程と、急冷による硬化および保護層貼付工程とを含んで構成されている。各工程は、順に行われる。なお、本実施形態の急冷による硬化および保護層貼付工程は、本発明に係る高圧ガスタンクの製造方法を構成している。
【００２０】
タンク、口金および保護層作製工程においては、タンク１１、口金１２、１３および一対の保護層１５が作製される（ステップＳ１）。タンク１１は、長手方向の中央部分で分割し、シリンダー部およびドーム部１７を有する一方側のタンクと、一方側のタンクと同様、シリンダー部およびドーム部１７を有する他方側のタンクとをＣＦＲＰで成形することによりそれぞれ作製される。また、口金１２、１３は、金型鋳造や切削などの金属加工によりそれぞれ作製される。
【００２１】
次いで、作製した一方側のタンクの貫通孔に口金１２を挿入し、一方側のタンクと口金１２とを嵌合させる。また、作製した他方側のタンクの貫通孔に口金１３を挿入し、他方側のタンクと口金１３とを嵌合させる。次いで、口金１２が装着された一方側のタンクのシリンダー部の開口する一方端部と、口金１３が装着された他方側のタンクのシリンダー部の開口する他方端部とが対向するようにして突き合わされ、互いの軸線を一致させるようにして、一方側のタンクと他方側のタンクとを組み付ける。
【００２２】
組み付けられた一方側のタンクと他方側のタンクをレーザー融着などの接合手段により接合する。この接合により、一方側のタンクと他方側のタンクが一体化されるとともに、口金１２、１３とがそれぞれ装着されたタンク１１が作製される。
【００２３】
各保護層１５は、ウレタンゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴムなどのゴム材料からなり、図１（ａ）および図１（ｃ）に示すように、タンク１１のドーム部１７と同様の形状で作製される。保護層１５は、中央部分に貫通孔１５ａを有しており、ドーム部１７に取り付けられる際に口金１２、１３が挿入されるよう構成されている。また、保護層１５の内周面１５ｂは、ドーム部１７の外周面と同様の曲面形状で形成されており、ドーム部１７に取り付けられる際に、内周面１５ｂがドーム部１７の外周面を覆うよう構成されている。
【００２４】
補強層形成工程においては、繊維束Ｆが巻き付けられた複数のボビンがＦＷ装置にセットされ、ボビンから巻き出された繊維束ＦがＦＷ装置の各構成要素にセットされ、ＦＷ装置が稼働し、ＦＷ装置によって繊維束Ｆがタンク１１の外周面に巻き付けられて補強層１４が形成される（ステップＳ２）。ＦＷ装置は、タンク１１の口金１２、１３を支持する支持部と、タンク１１を軸心周りに回転させる回転駆動部とを有す図示しない繊維束巻付機構とを備えている。繊維束巻付機構は、繊維束Ｆのタンク１１の軸線方向への往復移動と、タンク１１の回転との協働により、タンク１１の外周面に繊維束Ｆを巻き付けるよう構成されている。
【００２５】
繊維束巻取機構は、繊維束Ｆのタンク１１の軸線方向への移動速度（ｍ／ｓｅｃ）と、タンク１１の回転速度（ｒｐｍ）とを図示しない制御部により制御することで、タンク１１の繊維束Ｆの巻き付け方をヘリカル巻きやフープ巻きに変化できるよう構成されている。
【００２６】
ヘリカル巻きは、図３（ａ）に示すように、繊維束Ｆの巻回軌跡がタンク１１の軸線ＣＬに対して、例えば１０°〜３０°程度の低角度θで交差する巻き付け方で、繊維束Ｆがタンク１１のシリンダー部１６と、一対のドーム部１７の全体に亘って螺旋状に繰り返し巻回される。
【００２７】
フープ巻きは、図３（ｂ）に示すように、繊維束Ｆの巻回軌跡がタンク１１の軸線ＣＬに対して、例えば９０°程度の直角に近い角度で交差する巻き付け方で、繊維束Ｆがタンク１１のシリンダー部１６の外周面に繰り返し巻回される。
【００２８】
加熱による硬化工程においては、補強層１４の硬化処理が行われる（ステップＳ３）。補強層１４の硬化は、図示しない加熱炉や高周波誘導加熱を誘起する誘導加熱コイルなどの加熱装置によって行われ、補強層１４内のエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が加熱処理により硬化する。
【００２９】
加熱処理は、図４に示すように、加熱開始からａ点で示す所定の温度（℃）までは、経過時間（ｍｉｎ）と温度との関係が一定の割合で上昇するよう加熱する。ａ点からｂ点までは、所定の温度で所定の時間保持される。ｂ点からＴｇで示すガラス転移点までは、経過時間（ｍｉｎ）と温度との関係が一定の割合で徐々に下降するよう徐冷させる。ｂ点からＴｇまでの徐冷は、品質に影響を及ぼさないよう経過時間（ｍｉｎ）と温度との関係が管理される。即ち、徐冷速度の管理がなされる。なお、所定の温度および所定の時間は、タンク１１および補強層１４の構造、大きさ、材質などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。
【００３０】
加熱による硬化工程において、補強層１４が加熱により硬化すると、補強層１４の外周面に巻き付けられた繊維束Ｆは、図５（ａ）に示すように、無数の凹凸形状を有する補強層となり、タンク１１の機械的強度が高められる。無数の凹凸形状は、図５（ｂ）に示すように、保護層１５を取り付ける、即ち保護層１５を貼り付ける破線の四角で囲む領域では、凸部が１ｍｍ〜５ｍｍ程度の高さの凹凸形状になっている。
【００３１】
急冷による硬化および保護層貼付工程においては、加熱による硬化工程に続いて、補強層１４に対して急冷が行われる（ステップＳ４）。図４に示すように、加熱による硬化工程における徐冷がＴｇで終了すると、急冷を開始する。急冷では、徐冷速度よりも速い速度で温度を下降させ、冷却時間の短縮が図られる。冷却速度は品質に影響を及ぼさないので、可能な限り急速に冷却される。
【００３２】
具体的には、急冷は、図６に示す冷風ブロア２０のノズル２０ａから吹き出される冷風を用いた空冷により行われる。冷風ブロア２０は、タンク１１の外周面からノズル２０ａまでの距離が２００ｍｍ程度に位置するよう配置され、補強層の外周面に対して風速（ｍ／ｓ）２０ｍ／ｓ程度で吹き付けられるように調整される。タンク１１は、冷風ブロア２０による冷風が補強層１４の外周面全体に当たるように、軸線を中心として１ｒｐｍ〜５ｒｐｍの速度で回転され、全体的に均一に冷却される。
【００３３】
補強層１４の外周面には、図７（ａ）に示すように、急冷により結露水Ｗが付着し、凹部１４ａに結露水Ｗが溜まる。破線の四角で囲む部分の凸部１４ｂに付着した結露水Ｗは、冷風ブロア２０のノズル２０ａから吹き出される冷風により飛ばされ、凸部１４ｂは乾燥する。凹部１４ａに溜まった結露水Ｗは、冷風が当たり難いので、空冷により飛ばされることなく凹部１４ａに溜まった状態が維持される。
【００３４】
次いで、図８（ａ）に示すように、各保護層１５を接着剤塗布台Ｔの上に載置し、保護層１５の内周面１５ｂの複数個所に接着剤４０をそれぞれ塗布する。接着剤４０は、空気中の水分と反応して硬化する湿気硬化型からなり、例えば、シアノアクリレート系、シリコーンゴム系や変性アクリルシリコーンからなる。接着剤４０が塗布された各保護層１５は、加圧保持機構３０にそれぞれセットされる。
【００３５】
そして、図８（ｂ）に示すように、保護層１５は、タンク１１のドーム部１７にそれぞれ取り付けられ、加圧保持機構３０により加圧保持される。各保護層１５に塗布された接着剤４０は、図７（ｂ）に示すように、接着剤４０の表面と補強層１４の表面の凸部との間は、良好な接着界面が確保され、接着剤４０により保護層１５と補強層１４とが互いに接合される。即ち、保護層１５が補強層１４に貼り付けられる。保護層１５が補強層１４に貼り付けられる際に、接着剤４０は、図７（ｂ）の矢印で示すように、補強層１４の凹部１４ａに溜まった結露水Ｗにより加湿され硬化が促進される。
【００３６】
以上のように構成された実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法の効果について説明する。
【００３７】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法は、加熱による硬化工程（ステップＳ３）と、急冷による硬化および保護層貼付工程（ステップＳ４）とを含んで構成されている。加熱による硬化工程により加熱され、急冷による硬化および保護層貼付工程によりタンク１１が急冷されると補強層１４の表面に結露水Ｗが生じ、生じた結露水Ｗは補強層１４の表面の凹部１４ａに溜まる。一方、補強層１４の表面の凸部１４ｂに付着した結露水Ｗは、冷風ブロア２０の冷風により飛ばされる。補強層１４の凹部１４ａに結露水Ｗが溜まり、補強層１４の凸部１４ｂの結露水Ｗが飛ばされた状態で、湿気硬化型の接着剤４０が施されるので、接着剤４０の表面と補強層１４の表面の凸部１４ｂとの間は、良好な接着界面が確保されるという効果が得られる。さらに、接着剤４０の表面は補強層１４の凹部１４ａに溜まった結露水Ｗの水分によりその硬化が促進されるという効果が得られる。
【００３８】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法における接着剤４０の接着強度（Ｎ）
を確認するため、変性アクリルシリコーンからなる接着剤４０について、以下のように接着強度の試験を行った。試験法はＪＩＳＫ６８３３（接着剤−一般試験方法−第１部：基本特性の求め方）に基づいて行った。まず、図９（ａ）に示すように、接着剤４０で接着したテストピースＴＰを作製し、恒温恒湿槽内で加湿加温した後、引張試験を行い、湿度（％）と接着強度（Ｎ）の関係について評価を行った。
【００３９】
テストピースＴＰは、幅２５ｍｍ×長さ１００ｍｍ×厚み１．６ｍｍのアルミニウム板Ａｌを２枚作製し接着剤４０を塗布して、２枚のアルミニウム板Ａｌを接着することにより作製した。接着剤４０の厚みは１ｍｍで塗布範囲は２５ｍｍ×４０ｍｍとした。作製したテストピースＴＰは、恒温恒湿槽内で加湿加温し硬化させた。硬化時間は１０ｍｉｎとした。硬化後に引張速度（１ｍｍ／ｍｉｎ）で、一方のアルミニウム板Ａｌを図９（ａ）に示す矢印方向に引っ張り、他方のアルミニウム板Ａｌを、一方のアルミニウム板Ａｌと反対方向に引っ張ることで引張試験を行った。
【００４０】
図９（ｂ）は、接着後、接着剤４０を１０分間硬化させた後の接着強度を表すグラフで、横軸に湿度（％）、縦軸に接着強度（Ｎ）を示している。このグラフによれば、湿度３０％で接着強度はほぼ１０Ｎとなっているが、湿度６０％では接着強度３０Ｎとなっている。グラフに示すように、湿度と接着強度は比例関係にあり、湿度が上昇すると直線的に接着強度も上昇するという関係にある。このグラフで示されるように、接着剤４０を加湿することで、１０分程度の短時間で目標の接着強度を達成することができ、保護層１５の貼り付け時間を短縮することができる。
【００４１】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法においては、急冷による硬化および保護層貼付工程において接着剤４０は、補強層１４の表面に付着した結露水Ｗで加湿されるので、接着剤４０の湿度も高まっており、接着強度が高められており、硬化速度も高められるという効果が得られる。
【００４２】
従来の高圧ガスタンクの製造方法においては、急冷によりタンクの表面に結露水が付着すると、結露水乾燥工程で結露水を拭き取って乾燥させていたので工程が増えているという問題があった。また、加熱による硬化工程で表面に発生する凹凸を埋めて均一な表面にして接着面積を確保するよう接着剤を厚く塗るかまたは凸部を研磨する必要があるという問題があった。また、接着剤が厚いと内部が硬化するまで時間が掛かり、保護層を加圧保持する機構による加圧保持が比較的長くなってしまうという問題があり、凸部を研磨する場合には研磨工程が増えてしまうという問題があった。
【００４３】
本実施形態に係る高圧ガスタンク１０の製造方法においては、急冷による硬化工程と保護層の貼付工程とを一つの工程内で行うことができ、従来の高圧ガスタンクの製造方法における問題を解消することができ、タンク硬化工程の冷却時間の短縮および保護層の接着時間の短縮を図ることができるという効果が得られる。
【００４４】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１０・・・高圧ガスタンク、１１・・・タンク、１２、１３・・・口金、１４・・・補強層、１４ａ・・・凹部、１４ｂ・・・凸部、１５・・・保護層、１５ａ・・・貫通孔、１５ｂ・・・内周面、１６・・・シリンダー部、１７・・・ドーム部、２０・・・冷風ブロア、２０ａ・・・ノズル、３０・・・加圧保持機構、４０・・・接着剤、Ｗ・・・結露水
【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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【図９】
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【図１０】
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