(57)【要約】【課題】高圧タンクの製造における加熱処理後の冷却時間を短縮することにより製造時間の短縮化を図る。【解決手段】本発明の高圧タンクの製造方法は、（ｉ）ライナーの周囲に繊維強化樹脂材料が巻き付けられたワークを準備する工程と、（ｉｉ）繊維強化樹脂材料を硬化させるための硬化温度よりも低い沸点を有する液体をワークの内部に封入し、ワークを硬化温度まで加熱する工程と、（ｉｉｉ）工程（ｉｉ）の終了後、ワークの内部の圧力を吸引により減圧する工程と；を備える。加熱の終了後、ワークの内部を吸引により減圧することで、ワークの内部に外気を供給しないでワークの内部の温度を急速に降下させ、ワークを短時間で冷却する。【選択図】図３
2015148330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナーの周囲が繊維強化樹脂層で被覆された構造を有する高圧タンクの製造方法であって、
（ｉ）ライナーの周囲に繊維強化樹脂材料が巻き付けられたワークを準備する工程と、
（ｉｉ）前記繊維強化樹脂材料を硬化させるための硬化温度よりも低い沸点を有する液体を前記ワークの内部に封入し、前記ワークを前記硬化温度まで加熱する工程と、
（ｉｉｉ）前記工程（ｉｉ）の終了後、前記ワークの内部の圧力を吸引により減圧する工程と、
を備える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、高圧タンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高圧タンクは、両端にドーム部を有するライナーの周囲をカーボン繊維強化プラスチック層や、ガラス繊維強化プラスチック層（以下、これらの層を総称して、「繊維強化樹プラスチック層」あるいは「繊維強化樹脂層」と呼ぶ）で被覆した構造を有している。このような高圧タンクは、通常、ライナーに繊維強化プラスチック材料（「繊維強化樹脂材料」とも呼ぶ）を巻き付けたワークを形成し、そのワークを加熱（昇温）することで繊維強化プラスチック材料層（繊維強化樹脂材料層）とも呼ぶ）を硬化させることにより製造される。例えば、特許文献１には、以下の高圧タンクの製造方法が記載されている。硬化炉の温度を上昇させて繊維強化プラスチック材料層の硬化を行なう際には、ワークの内圧を上昇させて、ワーク内に投入した水の沸騰温度が硬化温度となるように調整する。そして、硬化炉の温度を降下させてワークの温度を冷却する際には、ワークの内圧を開放してワーク内に外気を供給することでワークの内部からも冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−０１２７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、ライナーは、軽量化の観点から、ガスバリア性を有する樹脂材料、例えば、ナイロン系樹脂材料を用いて形成される場合が多い。このため、特許文献１の製造方法では、ワークが加熱によって昇温された状態でワーク内部に外気が供給されると、外気に含まれる酸素や水等がライナー表面に付着し、ライナー表面の酸化やライナー内への吸湿によってライナーが劣化する、という問題がある。また、硬化の最中において、ワーク内に存在する気体（通常、空気に含まれる気体）の一部はライナーを透過してライナー内部に拡散し溶存する場合がある。このライナー内に溶存する気体も、同様にライナーの劣化を招く。しかしながら、ライナー内に溶存する気体の圧力は非常に小さいため、特許文献１の製造方法では取り除くことが困難である、という問題もある。また、外気の冷却を供給する冷却方法では、製造時間の短縮の点で十分ではない、という問題もある。この他、高圧タンクの製造において低コスト化、製造の容易化等が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、ライナーの周囲が繊維強化プラスチック層で被覆された構造を有する高圧タンクの製造方法が提供される。この高圧タンクの製造方法は、（ｉ）ライナーの周囲に繊維強化樹脂材料が巻き付けられたワークを準備する工程と；（ｉｉ）前記繊維強化樹脂材料を硬化させるための硬化温度よりも低い沸点を有する液体を前記ワークの内部に封入し、前記ワークを前記硬化温度まで加熱する工程と；（ｉｉｉ）前記工程（ｉｉ）の終了後、前記ワークの内部の圧力を吸引により減圧する工程と；を備える。上記形態の高圧タンクの製造方法によれば、ワークの内部に封入された液体が沸騰してワークの内部の圧力が上昇することによってワークの内部の温度上昇が加速され、ワークの硬化温度への上昇がアシストされる。また、加熱の終了後、ワークの内部を吸引により減圧することで、ワークの内部に外気を供給しないでワークの内部の温度を急速に降下させることができ、ワークを外気で冷却する場合に比べて短時間で冷却することができる。また、外気を供給せずに、ワークの内部の液体および気体を吸引することで冷却が可能であるので、課題で説明したライナーの劣化の問題を改善することができる。また、ワークの内部を吸引により外気より低い圧力、好ましくは真空状態と判断される圧力値となるように減圧すれば、課題で説明したライナー内部に拡散し溶存する気体を除去することが可能である。
【０００７】
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、高圧タンクの製造方法や、高圧タンクの製造装置等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態の製造方法によって製造される高圧タンクの構成を模式的に示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法を実施する製造装置の例を示す説明図である。
【図３】本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法の手順を示す説明図である。
【図４】図３の製造方法におけるワークの温度およびワークの内部圧力の関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の実施形態の製造方法によって製造される高圧タンクの構成を模式的に示す概略断面図である。高圧タンク１０は、ライナー１１０を繊維強化樹脂層（「繊維強化プラスチック層」とも呼ぶ）１４０で被覆して構成され、ライナー軸線ＣＸ方向の両端にライナー軸線ＣＸを中心として口金１２０，１３０がライナー軸線ＣＸ方向に突出して設けられている。
【００１０】
ライナー１１０は、ライナー軸線ＣＸを中心とする中空のタンク容器であり、ライナー軸線ＣＸに沿った長手方向の中央で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ガスバリア性を有する樹脂にて型成型され、その型成型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１１０が形成される。このパーツ接合を経て、ライナー１１０は、円筒状のシリンダー部１１１のライナー軸線ＣＸ方向の両側に球面形状のドーム部１１２を備え、ガスを貯蔵するための内部空間（以下、「貯蔵空間」とも呼ぶ）１１４を備えることになる。
【００１１】
繊維強化樹脂層（繊維強化プラスチック層）１４０は、ライナー１１０と、および口金１２０，１３０のライナー軸線ＣＸ方向を向く開口部を除く周囲部分と、を覆うように巻き付けられた繊維強化樹脂材料（熱硬化性樹脂材料が含浸された繊維）を硬化させることによりライナー１１０および口金１２０，１３０の一部の外表面を被覆するように構成されている。
【００１２】
口金１２０，１３０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、ライナー１１０のドーム部１１２にライナー軸線ＣＸを中心として設けられている。口金１２０，１３０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等の機能部品の雄ネジをこの雌ネジと螺号させることにより、機能部品を口金１２０，１３０にねじ込み接続可能に構成されている。なお、図１では、口金１２０にバルブアッセンブリＶＡが接続された例を二点鎖線により示している。
【００１３】
例えば、燃料電池システムに備えられた高圧タンク１０は、バルブアッセンブリＶＡを介して、貯蔵空間１１４と不図示のガス流路との間が接続され、貯蔵空間１１４に燃料ガスとしての水素が充填されるとともに、貯蔵空間１１４から水素が放出されて燃料電池の発電に利用される。
【００１４】
図２は、本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法を実施する製造装置の例を示す説明図である。この製造装置１０００は、硬化炉２０と、回転棒（回転部）３０，４０と、液体給排部５０と、制御部６０と、を備えている。硬化炉２０は、未硬化状態の繊維強化樹脂材料層１４０Ｐを有する高圧タンク形成前のワーク１０Ｐがセットされる炉空間を備えており、ワーク１０Ｐは、口金１２０，１３０の開口部に取り付けられた回転棒３０，４０を介して、その炉内（炉空間内）にセットされる。なお、後述する硬化処理過程において、不図示の駆動装置によって回転棒３０，４０を適宜回転させることによって、ワーク１０Ｐを均等に加熱することができる。
【００１５】
液体給排部５０は、液体供給部５１０と、ポンプ５２０と、バルブ５３０と、液体配管５４０と、気体配管５５０と、接続配管５６０と、を備えている。接続配管５６０は、バルブ５３０から回転棒３０内を介してワーク１０Ｐの内部空間１１４に延びる配管である。接続配管５６０は、図示しない密閉式の軸受けを介して回転棒３０の内側に固定されており、回転棒３０は接続配管５６０に対して独立して回転可能である。液体配管５４０は液体供給部５１０とバルブ５３０とを接続する配管であり、気体配管５５０はポンプ５２０とバルブ５３０とを接続する配管である。
【００１６】
バルブ５３０は、液体配管５４０と接続配管５６０との間の開閉、および、気体配管５５０と接続配管５６０との間の開閉を独立して操作可能である。従って、バルブ５３０の操作によって、液体供給部５１０からワーク１０Ｐの内部空間１１４への液体の供給が可能である。また、バルブ５３０の操作によって、ポンプ５２０が、ワーク１０Ｐの内部空間１１４から気体および液体を吸引することが可能であり、ワーク１０Ｐの内部空間１１４へ外気を供給することが可能である。また、バルブ５３０は、外気の取り込みを独立して可能とする開閉機能を備えて、ワーク１０Ｐのセット時に、内部空間１１４内が解放状態となるようにしてもよい。
【００１７】
制御部６０は、コンピューターであり、硬化炉２０、回転棒３０，４０、液体供給部５１０、ポンプ５２０、およびバルブ５３０の各動作を制御することにより、製造装置１０００によるワーク１０Ｐの繊維強化樹脂材料層１４０Ｐの硬化処理を実行する。
【００１８】
図３は、本発明の実施形態としての高圧タンクの製造方法の手順を示す説明図である。図４は、図３の製造方法におけるワークの温度およびワークの内部圧力の関係を示す説明図である。
【００１９】
まず、図３のステップＳ１０において、未硬化状態の繊維強化樹脂材料層１４０Ｐを有する高圧タンク形成前のワーク１０Ｐを硬化炉２０（図２参照）の炉内にセットする。ワーク１０Ｐは、例えば、両端に口金１２０，１３０が設けられたライナー１１０に、繊維強化樹脂材料をフィラメントワインディング方法（以下、ＦＷ法）により巻きつけて繊維強化樹脂材料層１４０Ｐを形成することによって準備される。繊維強化樹脂材料の熱硬化性樹脂材料としては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も可能である。また、ＦＷ法によりライナーに巻き付けさせる補強用の繊維（スライバー繊維）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法による巻き付けを順次行うことで、繊維強化樹脂材料層１４０Ｐを異なる繊維からなる樹脂材料層を積層させて形成することもできる。
【００２０】
次に、ステップＳ２０において、ワーク１０Ｐのタンク内部（内部空間１１４）に液体を封入する。これは、上記したように、制御部６０によってバルブ５３０および液体供給部５１０が制御され、液体配管５４０、バルブ５３０、および接続配管５６０を介して、液体供給部５１０からタンク内部に液体が供給されることによって実行される。なお、液体としては、封入時のタンク内部の圧力（例えば、大気圧）において、態繊維強化樹脂材料に含まれる熱硬化性樹脂材料を硬化させるための温度（以下、「硬化温度」と呼ぶ）Ｔｃよりも低い温度の沸点Ｔｂを有する種々の液体が用いられる。液体は純粋な液体だけでなく、溶媒であってもよい。例えば、硬化温度Ｔｃを１５０℃とし、沸点Ｔｂが１００℃の水や１００℃よりも低いアルコール等が用いられる。本例では水を用いるものとする。また、封入する液体量については後述する。
【００２１】
そして、ステップＳ３０において、ワーク１０Ｐの温度（以下、「ワーク温度」と呼ぶ）が硬化温度Ｔｃとなるように、硬化炉２０の炉内を加熱する。このとき、図４に示すように、ワーク温度は、加熱開始時の温度から時間の経過とともに上昇する。なお、加熱開始時におけるタンク内部の圧力（以下、「ワーク内圧力」と呼ぶ）を圧力Ｐ１とする。なお、この圧力Ｐ１は、通常、大気圧（標準気圧（１気圧））とされる。
【００２２】
ここで、図４に示すように、加熱によるワーク温度の上昇に伴って、タンク内部の液体（水）が蒸発を開始し、時刻ｔ１においてワーク温度が沸点Ｔｂに到達すると、ワーク内の液体が沸騰して気化するため、ワーク内圧力が急激に上昇する。このとき、タンク内部の容積は一定であるので、ワーク内圧力の上昇に応じて、ＰＶ／Ｔ＝ｋ（Ｖは容積、Ｐは容積内の圧力、Ｔは容積内の温度、ｋは定数）に従った断熱圧縮の効果によってタンク内部の温度が上昇する。このため、加熱によるワークの外部からの温度上昇にワーク内部の温度上昇が加わってワーク温度の上昇が加速されることによってワーク温度の上昇が早まり、時刻ｔ２においてワーク内圧力が圧力Ｐ２となってワーク温度が硬化温度Ｔｃに到達する。この後の硬化炉２０の加熱は、硬化のための加熱処理が終了するまでの時間（硬化完了時間）の間、炉内温度およびワーク温度が硬化温度Ｔｃを維持するように制御される。
【００２３】
なお、図３のステップＳ２０における液体の封入量は、硬化温度Ｔｃにおけるワーク内圧力（圧力Ｐ２）と過熱開始時のワーク内圧力（圧力Ｐ１）との差、すなわち、上記したワーク温度が硬化温度Ｔｃに到達するまでに加圧するワーク内圧力に応じて調整される。液体量が少なければ、加圧量が少なくなるため、温度上昇のアシスト度合いが低下し、硬化温度Ｔｃまでワーク温度を上昇させる時間が長くなる。また、液体量が多すぎれば、液体の温度圧上昇に時間を要するのに対して、沸点到後のワーク内圧力の上昇が早くなって、沸点Ｔｂ到達後に硬化温度Ｔｃに到達するまでの時間を短縮可能であるが、ワーク内圧力が高くなりすぎて、ライナー１１０の変形等を招く可能性がある。そこで、封入する液体の量は、上昇をアシストして硬化温度Ｔｃに到達させるまでの時間やライナー１１０の耐圧等を考慮して調整される。
【００２４】
ステップＳ４０では、硬化温度Ｔｃに到達してから硬化処理が完了するまでの時間（以下、「硬化完了時間」と呼ぶ）が経過するまで待機する。なお、この待機の間においては、上記したように、硬化炉２０では炉内温度およびワーク温度が硬化温度Ｔｃを維持するように加熱の制御が実行される。
【００２５】
ステップＳ５０では、硬化完了時間が経過する時刻ｔ３において、硬化炉２０の炉内加熱を停止して自然放熱によるワーク１０Ｐの外部からの冷却を開始し、ステップＳ６０では、タンク内部に封入されている気体（ここでは、水蒸気を含む空気）、および、残存する場合には液体（ここでは、水）を吸引することにより、タンク内部を減圧する。これは、上記したように、制御部６０（図２）によってバルブ５３０およびポンプ５２０が制御され、タンク内部の気体等が、接続配管５６０、バルブ５３０、および気体配管５５０を介してポンプ５２０によって吸引されることにより実行される。
【００２６】
ここで、図４に示すように、吸引によってワーク内圧力が低下していく。このとき、ワーク内圧の上昇時におけるタンク内部の温度上昇とは逆に、ワーク内圧力の降下に応じて、断熱膨張の効果によってタンク内部の温度が低下し、これに応じてワーク１０Ｐの温度も自然放熱による冷却よりも加速されて低下する。そして、時刻ｔ３においてワーク温度が沸点Ｔｂまで低下すると、気化されて気体（ここでは、空気）中に含まれていた蒸気（ここでは、水蒸気）が液化してワーク内圧力が急激に低下(急減圧)し、これに応じてタンク内部およびワーク１０Ｐの温度も急激に低下する。この結果、ワーク１０Ｐの冷却を短時間で行なうことが可能となる。
【００２７】
ステップＳ６０における減圧は、ワーク内圧力が圧力Ｐ３となるまで実行されて終了する。この圧力Ｐ３は開始時の圧力Ｐ１以下に設定されることが好ましい。本例では、圧力Ｐ３は真空状態と判断される値（≒０気圧）に設定されるものとする。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の高圧タンクの製造方法では、ワーク１０Ｐのタンク内部に封入した液体を沸騰させてタンク内部の圧力を上昇させることで得られる断熱圧縮の効果によってタンク内部の温度を上昇させてワーク温度の上昇を加速させ、ワーク温度が硬化温度Ｔｃまで上昇する時間を早めることができる。また、加熱による硬化処理を終了してワーク１０Ｐを冷却する際に、ワーク内圧力を減圧することにより、断熱膨張によって冷却効果が発生させて、タンク内部を冷却し、ワーク１０Ｐを急速に冷却することができる。さらにまた、ワーク１０Ｐの冷却に際してタンク内部に外気を供給しないので、課題で説明した、ライナー１１０の表面に酸素や水等が付着することにより発生するライナー表面の酸化やライナー内部への吸湿によるライナー１１０の劣化を抑制することが可能である。また、タンク内圧力は、真空状態と判断される値（≒０気圧）に設定された圧力Ｐ３まで減圧されるので、課題で説明した、ライナー内部に溶存する気体をライナー内部から排除することができる。なお、減圧する圧力Ｐ３は、必ずしも真空状態とされる値である必要はなく、ライナー内に溶存する気体の圧力以下の値に設定すればよい。また、これを考慮しなければ、開始時の圧力Ｐ１と同等以下の値としてもよい。
【００２９】
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、上述の課題の一部又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。
【符号の説明】
【００３０】
１０…高圧タンク
１０Ｐ…ワーク
２０…硬化炉
３０，４０…回転棒
５０…液体給排部
６０…制御部
１１０…ライナー
１１１…シリンダー部
１１２…ドーム部
１１４…内部空間（貯蔵空間）
１２０，１３０…口金
１４０Ｐ…繊維強化樹脂材料層
５１０…液体供給部
５２０…ポンプ
５３０…バルブ
５４０…液体配管
５５０…気体配管
５６０…接続配管
１０００…製造装置
ＶＡ…バルブアッセンブリ
ＣＸ…ライナー軸線
Ｔｂ…沸点
Ｔｃ…硬化温度
【図１】
2015148330.tif 000003
【図２】
2015148330.tif 000004
【図３】
2015148330.tif 000005
【図４】
2015148330.tif 000006