(57)【要約】【課題】高圧ガスタンクの繊維強化樹脂層の表層に生じる気泡を、形成される繊維強化樹脂層の強度低下や剥離等の問題なく、消泡剤を用いて除去する。【解決手段】主剤および硬化剤を含む熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けることにより形成された繊維層を外表面に有するタンク容器を加熱して、熱硬化性樹脂を熱硬化させて繊維強化樹脂層を形成する熱硬化処理を実行しつつ、熱硬化性樹脂中に発生する気泡を、繊維層の外表面に塗布された消泡剤溶液中の消泡剤で破泡することにより除去する。消泡剤溶液は、消泡剤と、熱硬化性樹脂の主剤と同一成分の溶剤とを混合させたものである。【選択図】図３
2013193393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスタンクの製造方法であって、
主剤および硬化剤を含む熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けることにより形成された繊維層を外表面に有するタンク容器を加熱して、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて繊維強化樹脂層を形成する熱硬化処理を実行しつつ、前記熱硬化性樹脂中に発生する気泡を、前記繊維層の外表面に塗布された消泡剤溶液中の消泡剤で破泡することにより除去する工程を備え、
前記消泡剤溶液は、前記消泡剤と、前記熱硬化性樹脂の主剤と同一成分の溶剤とを混合させたものである
ことを特徴とする製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法であって、
前記繊維層のうち、前記消泡剤溶液が塗布される外表面の部分を形成する強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂は、他の部分を形成する強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂の主剤と硬化剤の組成比に比べて、硬化剤の割合を多くした硬化剤過多の組成比を有する
ことを特徴とする製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の製造方法であって、
前記消泡剤溶液の前記繊維層の外表面への塗布は、前記熱硬化処理の実行中に行われることを特徴とする製造方法。
【請求項４】
高圧ガスタンクの製造装置であって、
主剤および硬化剤を含む熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けることにより形成された繊維層を外表面に有するタンク容器を加熱して、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて繊維強化樹脂層を形成する熱硬化処理部と、
前記熱硬化処理が前記タンク容器を加熱しているときに、前記繊維層の外表面に、前記強化繊維形成中に発生する気泡を破泡するための消泡剤を含む消泡剤溶液を塗布する消泡剤塗布部と、
を備え、
前記消泡剤溶液は、前記消泡剤と、前記熱硬化性樹脂の主剤と同一成分の溶剤とを混合させたものである
ことを特徴とする製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、高圧ガスタンクに関する。
【背景技術】
【０００２】
高圧ガスタンクは、燃料電池車両などの移動体に搭載される場合があり、その軽量化が要求されている。高圧ガスタンクを軽量化する方法としては、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）による高圧ガスタンクの製造方法が知られている。ＦＷ法による高圧ガスタンクの製造方法では、ライナーとも呼ばれる樹脂製のタンク容器の外周に、エポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けて、その強化繊維中の熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、繊維強化樹脂層を形成する。
【０００３】
ところで、ＦＷ法では、熱硬化性樹脂の熱硬化の過程において、熱硬化性樹脂の内部や強化繊維の間に入り込んでいた空気などが次第に外側へと移動し、形成された繊維強化樹脂層の表層に気泡による凹凸が発生してしまうという問題があった。高圧ガスタンクの表層に気泡による凹凸が生じると、高圧ガスタンクの寸法に誤差が生じ、高圧ガスタンクの組み付け性が低下してしまう。また、高圧ガスタンクの表面強度の低下を招くこともある。さらに、また、そのような表層の凹凸は、高圧ガスタンクの意匠性の低下を招来してしまう。
【０００４】
そこで、これまで、ＦＷ法の熱硬化過程において発生した気泡を、気泡除去部によって物理的に除去する技術（特許文献１）や、超音波を照射することによって除去する技術（特許文献２）が、提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１２５８２６号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２５８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の気泡を除去する技術とは別の手法として、ＦＷ法の熱硬化過程において発生した表層の気泡を、一般的な消泡剤を用いて除去する手法も考えられる。これは、消泡剤を溶剤中に溶解させた消泡剤溶液を、熱硬化過程において繊維強化樹脂層の表層に塗布し、発生した気泡に消泡剤が接触して気泡を破泡させることによって、繊維強化樹脂層の表層に発生した気泡を除去するものである。
【０００７】
熱硬化性樹脂用の消泡剤（「脱泡剤」とも呼ばれる）としては、破泡性ポリマーが一般的であり、その溶剤としては、トルエンやメチルエルケトン（ＭＥＫ）、ナフサ等の有機溶剤が用いられる。これらの有機溶剤は、熱硬化性樹脂を構成する主成分（「主剤」とも呼ぶ）と化学反応することになるため、熱硬化性樹脂が正常に硬化できなくなり、その部分の強度低下や剥離等の問題が発生する可能性があった。
【０００８】
本発明は、高圧ガスタンクの繊維強化樹脂層の表層に生じる気泡を、形成される繊維強化樹脂層の強度低下や剥離等の問題なく、消泡剤を用いて除去する技術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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
高圧ガスタンクの製造方法であって、主剤および硬化剤を含む熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けることにより形成された繊維層を外表面に有するタンク容器を加熱して、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて繊維強化樹脂層を形成する熱硬化処理を実行しつつ、前記熱硬化性樹脂中に発生する気泡を、前記繊維層の外表面に塗布された消泡剤溶液中の消泡剤で破泡することにより除去する工程を備え、前記消泡剤溶液は、前記消泡剤と、前記熱硬化性樹脂の主剤と同一成分の溶剤とを混合させたものであることを特徴とする製造方法。
この製造方法によれば、熱硬化性樹脂を熱硬化させるためのタンク容器の加熱中に、熱硬化性樹脂中に発生する気泡を、消泡剤で破泡することにより効果的に除去することができる。また、消泡剤の溶剤が、熱硬化性樹脂の主剤と同一成分であるので、従来のように、熱硬化性樹脂が硬化できなくなって、形成される繊維強化樹脂層の強度低下や剥離等の問題が発生することを抑制することができる。
【００１１】
［適用例２］
適用例１記載の製造方法であって、前記繊維層のうち、前記消泡剤溶液が塗布される外表面の部分を形成する強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂は、他の部分を形成する強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂の主剤と硬化剤の組成比に比べて、硬化剤の割合を多くした硬化剤過多の組成比を有することを特徴とする製造方法。
この製造方法によれば、繊維層の外表面に塗布された消泡剤溶液を硬化させることが可能となり、塗布された消泡剤溶液による強度低下を抑制することができる。
【００１２】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載の製造方法であって、前記消泡剤溶液の前記繊維層の外表面への塗布は、前記熱硬化処理の実行中に行われることを特徴とする製造方法。
この製造方法によれば、消泡剤を繊維層の外表面に均一に塗布しやすくなり、発生する気泡を効果的に破泡させて除去することが可能である。
【００１３】
［適用例４］
高圧ガスタンクの製造装置であって、主剤および硬化剤を含む熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維を巻き付けることにより形成された繊維層を外表面に有するタンク容器を加熱して、前記熱硬化性樹脂を熱硬化させて繊維強化樹脂層を形成する熱硬化処理部と、前記熱硬化処理が前記タンク容器を加熱しているときに、前記繊維層の外表面に、前記強化繊維形成中に発生する気泡を破泡するための消泡剤を含む消泡剤溶液を塗布する消泡剤塗布部と、を備え、前記消泡剤溶液は、前記消泡剤と、前記熱硬化性樹脂の主剤と同一成分の溶剤とを混合させたものであることを特徴とする製造装置。
この製造装置によれば、熱硬化性樹脂を熱硬化させるためのタンク容器の加熱中に、熱硬化性樹脂中に発生する気泡を、消泡剤で破泡することにより効果的に除去することができる。また、消泡剤の溶剤が、熱硬化性樹脂の主剤と同一成分であるので、従来のように、熱硬化性樹脂が硬化できなくなって、形成される繊維強化樹脂層の強度低下や剥離等の問題が発生することを抑制することができる。
【００１４】
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、ガスタンクの製造方法および製造装置等の形態で実現することができる。また、本発明は、上記のガスタンクの製造方法および製造装置によって製造されたガスタンク、そのガスタンクを備えた燃料電池システムなどのシステム、そのガスタンクを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＦＷ法による高圧ガスタンクの製造工程の手順を示す説明図である。
【図２】タンク容器の準備工程を説明するための模式図である。
【図３】熱硬化処理を実行する熱硬化処理装置の構成を示す概略図である。
【図４】熱硬化処理中における気泡の発生のメカニズムを詳細に説明するための模式図である。
【図５】気泡除去処理について説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例としてのフィラメント・ワインディング法による高圧ガスタンクの製造工程の手順を示すフローチャートである。本実施例の製造工程では、第１工程として、高圧ガスタンクの本体部を構成する「ライナー」とも呼ばれるタンク容器を準備する（ステップＳ１０）。なお、この工程では、後述するように、タンク容器の外表面に、熱硬化性樹脂が含浸された強化繊維によって繊維層が形成される。
【００１７】
第２工程では、繊維層が形成されたタンク容器を加熱して、繊維層中の熱硬化性樹脂を熱硬化させ、繊維層を繊維強化樹脂層とする熱硬化処理が実行される（ステップＳ２０）。また、第２工程では、後述するように、熱硬化処理の実行中に、繊維強化樹脂層の表層に発生した気泡を除去するための気泡除去処理が実行される。第３工程では、タンク容器に所定の金具などの部品が取り付けられる（ステップＳ３０）。これによって、高圧ガスタンクが完成する。
【００１８】
図２は、図１の第１工程であるタンク容器の準備工程の一例を示す模式図である。図２（Ａ）は、繊維層が形成される前のタンク容器１０を模式的に図示している。タンク容器１０は、略円筒状のシリンダ部１１と、その両端に設けられた略半球状のドーム部１３とを有する中空の容器である。タンク容器１０は、例えば、ナイロン系樹脂などの樹脂によって構成される。
【００１９】
ここで、２つのドーム部１３の頂部はそれぞれ、タンク容器１０の同一の中心軸ＣＸ（一点鎖線で図示）上に存在している。各ドーム部１３の頂部には、第３工程（図１のステップＳ３０）において配管やバルブが取り付けられる口金部１４が設けられている。なお、タンク容器１０は、他の形状を有していても良く、他の部材によって構成されるものとしても良い。
【００２０】
図２（Ｂ）は、タンク容器１０の外表面にカーボン繊維２０を巻き付けて繊維層２１を形成する工程を模式的に図示している。図２（Ｃ）は、繊維層２１が形成された後のタンク容器１０を模式的に図示している。本実施例の製造工程では、タンク容器１０の準備工程において、強化繊維であるカーボン繊維２０を巻き付けて、シリンダ部１１及びドーム部１３の外表面を被覆する繊維層２１が形成される。カーボン繊維２０には、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が予め含浸されている。なお、カーボン繊維２０の巻き付けは、いわゆるフープ巻きやヘリカル巻を組み合わせることにより行われる。また、巻き付けるカーボン繊維２０としては、消泡剤溶液が塗布される外表面の部分（「表層部」とも呼ぶ）を形成するカーボン繊維は、他の部分（「内層部」とも呼ぶ）を形成するカーボン繊維に含浸されているエポキシ樹脂の主剤と硬化剤の組成比を基準とすると、硬化剤が過多の組成比を有するエポキ樹脂が含浸されている。なお、この理由については後述する。
【００２１】
図３は、第２工程の熱硬化処理と気泡除去処理とを実行する熱硬化処理装置１００の構成を示す概略図である。熱硬化処理装置１００は、制御部１０１と、基台１１０と、加熱部１２０と、消泡剤塗布部１５０とを備えている。制御部１０１は、主記憶装置と中央処理装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成することができ、以下に説明する熱硬化処理装置１００の各構成部を制御する。
【００２２】
基台１１０は、タンク容器１０の中心軸ＣＸを中心として、タンク容器１０を所定の回転速度で回転可能なように、タンク容器１０を両端から保持するシャフトとしてのタンク取付部１１１，１１２を有している。また、基台１１０は、制御部１０１の指令に基づき、タンク取付部１１１，１１２を介してタンク容器１０に回転駆動力を付与する回転駆動部１１３を有している。
【００２３】
加熱部１２０は、回転駆動部１１３によって回転しているタンク容器１０の全体を、所定の温度（例えば約１３０℃程度）で加熱可能なように設けられている。消泡剤塗布部１５０は、消泡剤溶液が充填された消泡剤タンク１５１と、消泡剤溶液を塗布するための複数のスプレーノズル１５２と、各スプレーノズル１５２と消泡剤タンク１５１とを接続する配管１５３とを備える。消泡剤塗布部１５０は、後述する気泡除去処理に用いられる。
【００２４】
熱硬化処理装置１００は、熱硬化処理として、タンク取付部１１１，１１２に取り付けられたタンク容器１０を、回転駆動部１１３によって、所定の回転速度で回転させつつ、加熱部１２０によって、約７〜８時間程度加熱する。これにより、カーボン繊維２０に含浸された熱硬化性樹脂（本例ではエポキシ樹脂）を熱硬化させる。ここで、熱硬化処理の際には、繊維層２１の熱硬化性樹脂中に気泡が発生してしまう場合がある。
【００２５】
図４は、熱硬化処理中における気泡の発生のメカニズムを詳細に説明するための模式図である。図４（Ａ）には、熱硬化処理前のタンク容器１０の概略断面が模式的に図示してあり、図４（Ｂ）には、熱硬化処理中のタンク容器１０の概略断面が模式的に図示してある。熱硬化処理前のタンク容器１０の繊維層２１では、カーボン繊維２０が緊密な状態で重層的に巻き付けられている（図４（Ａ））。
【００２６】
熱硬化処理においてタンク容器１０の加熱が開始されると、カーボン繊維２０中に含浸されていた熱硬化性樹脂２２の粘度が低下して流動し始め、カーボン繊維２０の外側へと染み出す（図４（Ｂ））。そして、熱硬化性樹脂２２の流動とともに、繊維層２１におけるカーボン繊維２０のテンション（張力）が低下し、カーボン繊維２０の間の隙間が増大する。熱硬化性樹脂２２は、そうしたカーボン繊維２０の隙間から、繊維層２１の外表面側（表層側）へと染み出し始める。
【００２７】
こうして、繊維層２１の表層には熱硬化性樹脂２２による樹脂被膜２３が形成される。その後、加熱部１２０による加熱が継続されることにより、熱硬化性樹脂２２の架橋反応が進行し、繊維層２１の熱硬化性樹脂２２は硬化する。以後、熱硬化性樹脂２２が硬化した後の繊維層２１を、「繊維強化樹脂層２５」とも呼ぶ。
【００２８】
ところで、タンク容器１０に形成された繊維層２１には、カーボン繊維２０の巻き付けの際にカーボン繊維２０の間に入り込んだ空気や、もともとカーボン繊維２０の中に、熱硬化性樹脂２２とともに入り込んでいた空気などが存在する。上述した熱硬化処理工程において、熱硬化性樹脂２２が硬化してしまう前の、流動性を有する状態のときには、そうした空気によって、熱硬化性樹脂２２中に気泡２６が生じ、その気泡２６が、繊維層２１の表面に形成された樹脂被膜２３の外表面に析出する。気泡２６が発生したまま熱硬化性樹脂２２が硬化してしまうと、形成繊維層２１の表面に気泡の大きさに応じた凹凸が形成され、繊維強化樹脂層２５の平滑性が損なわれる。
【００２９】
実施例の熱硬化処理装置１００では、熱硬化処理中に実行される気泡除去処理として、消泡剤塗布部１５０によってタンク容器１０への消泡剤溶液の塗布を実行する。図５は、気泡除去処理について説明するための模式図である。図５（Ａ）は、熱硬化処理中において、繊維層２１の表面に消泡剤溶液１５４を塗布した状態を模式的に図示している。消泡剤溶液１５４を繊維層２１の表面へ塗布すると、樹脂被膜２３の表層に析出した気泡２６に対して消泡剤溶液１５４中の消泡剤１５６が接触して破泡が促進されることにより、気泡除去処理が実行される。なお、消泡剤溶液１５４を熱硬化処理中において塗布するのは、温度が高いほうが溶剤の粘性が低くなるので、消泡剤を均一に塗布しやすくなり、発生する気泡を破泡させるのに効果的であるからである。
【００３０】
ここで、消泡剤溶液１５４は、消泡剤１５６を溶剤１５５に混合させた溶液である。消泡剤１５６には、熱硬化性樹脂２２であるエポキシ樹脂の脱法剤として一般的に用いられている破泡性ポリマーやシリコン系脱法剤が用いられる。例えば、エポキシ樹脂の脱泡剤としてビックケミー社によって製品化されている脱泡剤ＢＹＫ−Ａ５０６やＢＹＫ−Ａ５３５等の種々の脱泡剤を用いることができる。また、溶剤１５５には、従来技術でも説明したように、一般的には、トルエンやメチルエルケトン（ＭＥＫ）、ナフサ等の有機溶剤が用いられる。しかしながら、本実施例では、それらの一般的な溶剤ではなく、繊維層２１に含浸されている熱硬化性樹脂２２であるエポキシ樹脂を構成する主剤と同じ成分の物質を溶剤として用いている。ただし、エポキシ樹脂を構成する硬化剤を含まない。本実施例では、繊維層２１に含浸されている熱硬化性樹脂２２であるエポキシ樹脂として、主剤がビスフェノールＦ型で硬化剤が芳香族アミン系の組成のものを用いているので、消泡剤溶液１５４の溶剤１５５としては、エポキシ樹脂の主剤と同じビスフェノールＦ型を用いている。なお、仮に、用いているエポキシ樹脂が、主剤はビスフェノールＡ型で、硬化剤は酸無水物型の組成であったとすると、この場合の消泡剤溶液の溶剤としては、エポキシ樹脂の主剤と同じビスフェノールＡ型を用いることになる。なお、他のエポキシ樹脂でも同様であり、溶剤としてその主剤を用いればよい。
【００３１】
ところで、上記したように、消泡剤１５６の溶剤１５５には、熱硬化性樹脂として用いたエポキシ樹脂に含まれている硬化剤が含まれていないので、このままでは溶剤１５５に用いた物質においては架橋反応が進まない。このため、溶剤１５５の硬化が進まず、消泡剤溶液１５４が塗布された繊維層２１の表面の強度を得ることができない、ことになる。
【００３２】
しかしながら、上記したように、消泡剤溶液１５４が塗布される繊維層２１の表層の熱硬化性樹脂２２ｂは、内層の熱硬化性樹脂２２ａの組成に比べて硬化剤過多の組成比になっている。このため、消泡剤溶液１５４の溶剤１５５に、表層の熱硬化性樹脂２２ｂの過多の硬化剤が混ざって、硬化剤を含んでいなかった溶剤１５５も架橋反応が進んで硬化させることができる。
【００３３】
この結果、消泡剤溶液１５４が塗布された繊維層２１の表面の強度を確保することができるとともに、形成された繊維強化樹脂層２５の表面の平滑性を向上させることが可能となる。すなわち、繊維層２１の表層の熱硬化性樹脂２２ｂを内層の熱硬化性樹脂２２ａの組成比に比べて硬化剤過多の組成比としているのは、上記した理由のためである。なお、どれくらい硬化剤過多の組成比とするかは、塗布する消泡剤溶液の量、即ち、塗布する消泡剤溶液に含まれる溶剤の量に依存するので、実際の製造条件によって適宜決定されるものである。
【００３４】
ここで、消泡剤の溶剤として硬化剤を含めることとし、消泡剤が塗布される表層の部分の熱硬化性樹脂の組成比を硬化剤過多の状態としないことも考えられる。しかしながら、この場合、溶剤が先に硬化してしまい、気泡除去の促進効果が抑制されてしまう可能性が高く、好ましくない。また、消泡剤を塗布するための消泡剤塗布部のスプレーノズルや配管内等の構成部品内で消泡剤溶液が硬化してしまう可能性があり、適宜、洗浄作業や部品交換作業が必要となる。これに対して、実施例のように、硬化剤を含まない溶剤とすれば、気泡除去処理の進行に応じて、溶剤を硬化させることができるので、気泡除去を効果的に実行することが可能である。また、消泡剤を塗布するための消泡剤塗布部のスプレーノズルや配管内等の構成部品内で消泡剤溶液が硬化してしまうことはないので、洗浄作業や部品交換作業が不要となる。
【００３５】
以上説明したように、消泡剤の溶剤を、熱硬化性樹脂を構成する主剤と同一成分の物質とし、かつ、硬化剤を含まないものとすることにより、従来一般的に用いられている有機溶剤のように、熱硬化性樹脂を構成する主剤と反応して、熱硬化性樹脂が硬化できなくなることを抑制することができる。これにより、形成される繊維強化樹脂層の表層部分の強度が低下してしまうことや、繊維強化樹脂層の表層部分が剥離してしまうことを防止することができる。
【００３６】
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
【００３７】
上記実施例では、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を例に説明したが、これに限定されるものではなく、種々の熱硬化性樹脂においても同様に適用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…タンク容器
１１…シリンダ部
１３…ドーム部
１４…口金部
２０…カーボン繊維
２１…繊維層
２２…熱硬化性樹脂
２２ａ、２２ｂ…熱硬化性樹脂
２３…樹脂被膜
２５…繊維強化樹脂層
２６…気泡
１００…熱硬化処理装置
１０１…制御部
１１０…基台
１１１，１１２…タンク取付部
１１３…回転駆動部
１２０…加熱部
１５０…消泡剤塗布部
１５１…消泡剤タンク
１５２…スプレーノズル
１５３…配管
【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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