(57)【要約】【課題】ガスタンクの表面の気泡の跡の凹凸を小さくする。【解決手段】ガスタンクの製造方法は、ライナーを準備する工程と、ライナーに熱硬化性樹脂が含浸された繊維を巻き付ける巻き付け工程と、熱硬化性樹脂の温度が熱硬化性樹脂の溶融温度よりも高く硬化温度よりも低い第１温度となるように温度調節した状態で、巻き付け工程を行ったときよりも未硬化タンクの周りの圧力が低くなるように減圧して、熱硬化性樹脂の中に生じた気泡を除去する減圧工程と、減圧工程の後に、熱硬化性樹脂の温度が第１温度よりも高く硬化温度よりも低い第２温度となるように温度調節しながら、巻き付け工程を行ったときよりも未硬化タンクの周りの圧力が高くなるように加圧する加圧工程と、加圧工程の後に、熱硬化性樹脂の温度が硬化温度以上となるように加熱して熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタンクの製造方法であって、
タンク容器としてのライナーを準備する工程と、
前記ライナーに未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維を巻き付けることによって未硬化タンクを作製する巻き付け工程と、
前記ライナーの外周にある前記熱硬化性樹脂の温度が前記熱硬化性樹脂の溶融温度よりも高く硬化温度よりも低い第１温度となるように温度調節した状態で、前記巻き付け工程を行ったときよりも前記未硬化タンクの周りの圧力が低くなるように減圧することによって、前記熱硬化性樹脂の中に生じた気泡を除去する減圧工程と、
前記減圧工程の後に、前記ライナーの外周にある前記熱硬化性樹脂の温度が前記第１温度よりも高く前記硬化温度よりも低い第２温度となるように温度調節しながら、前記巻き付け工程を行ったときよりも前記未硬化タンクの周りの圧力が高くなるように加圧する加圧工程と、
前記加圧工程の後に、前記ライナーの外周にある前記熱硬化性樹脂の温度が前記硬化温度以上となるように加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程と、
を備える、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、ガスタンクの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタンクを製造する時に、外装を強化するために、フィラメント・ワインディング法により樹脂が含浸された繊維を巻き、その後、樹脂を硬化して繊維強化樹脂層を形成することが行われる場合がある。繊維強化樹脂層を形成するときには、樹脂が含浸された繊維をライナーに巻く時に空気が入り込むこと、及び、繊維に空気が含まれていること等の原因により、繊維強化樹脂層に気泡が生じることがある。特許文献１には、タンクを加熱した状態で負圧発生器を用いて、タンクの周囲に局所的な負圧を発生させることによって繊維強化樹脂層に生じた気泡を除去することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
特許文献１の方法では、除去された気泡の跡がガスタンクの繊維強化樹脂層の表面に残り、ガスタンクの表面にかなり大きな凹凸が残るおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題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、ガスタンクの製造方法が提供される。このガスタンクの製造方法は、タンク容器としてのライナーを準備する工程と、前記ライナーに未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維を巻き付けることによって未硬化タンクを作製する巻き付け工程と、前記ライナーの外周にある前記熱硬化性樹脂の温度が前記熱硬化性樹脂の溶融温度よりも高く硬化温度よりも低い第１温度となるように温度調節した状態で、前記巻き付け工程を行ったときよりも前記未硬化タンクの周りの圧力が低くなるように減圧することによって、前記熱硬化性樹脂の中に生じた気泡を除去する減圧工程と、前記減圧工程の後に、前記ライナーの外周にある前記熱硬化性樹脂の温度が前記第１温度よりも高く前記硬化温度よりも低い第２温度となるように温度調節しながら、前記巻き付け工程を行ったときよりも前記未硬化タンクの周りの圧力が高くなるように加圧する加圧工程と、前記加圧工程の後に、前記ライナーの外周にある前記熱硬化性樹脂の温度が前記硬化温度以上となるように加熱して前記熱硬化性樹脂を硬化させる熱硬化工程と、を備える。
この形態によれば、減圧工程で巻き付け工程により生じた熱硬化性樹脂の気泡を除去し、減圧工程の後に加圧工程を実行することによって、熱硬化性樹脂から気泡が抜けで生じた穴の凹凸を小さくし、その後の熱硬化工程で熱硬化性樹脂を硬化するので、気泡が少なく、表面の凹凸が小さい繊維強化樹脂層を備えるガスタンクを製造できる。
【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、ガスタンクの製造方法の他、ガスタンクの製造装置、ガスタンク等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ライナーに未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維を巻き付けて未硬化タンクを作製する工程を示す説明図。
【図２】本実施形態で用いられる気泡除去装置の要部断面図。
【図３】図２と垂直な方向から見た気泡除去装置の要部断面図。
【図４】未硬化の熱硬化性樹脂から気泡を除去し、熱硬化性樹脂を硬化させる工程を示すフローチャート。
【図５】気泡除去及び硬化における温度と圧力の時間的遷移を示すグラフ。
【図６】減圧状態における繊維強化樹脂層の状態を示す説明図。
【図７】加熱、加圧状態における繊維強化樹脂層の状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、ライナー１０に未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維２０を巻き付けて未硬化タンク１１を作製する工程を示す説明図である。本明細書において未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された繊維２０が外周に巻き付けられたライナー１０を「未硬化タンク１１」と呼ぶ。図１（Ａ）は、タンク容器としてのライナー１０を示す。ガスタンクの製造にあたり、まず第１工程として、このライナー１０を準備する。ライナー１０は、略円柱状のシリンダ部１２と、その両端に設けられた略ドーム形状のドーム部１３、１４とを有する中空の容器である。ライナー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。ドーム部１３の頂部には、貫通孔を有する口金１５が取り付けられ、ドーム部１４の頂部には、貫通孔を有さない口金１６が取り付けられている。口金１６は、貫通孔を有していても良い。
【００１０】
図１（Ｂ）は、ライナー１０の外周に繊維２０を巻き付ける巻き付け工程を示す。この巻き付け工程は、一般に、フィラメント・ワインディング工程とも呼ばれ、巻き付け工程で用いられる装置をフィラメント・ワインディング装置１００と呼ぶ。巻き付け工程では、ライナー１０の口金１５、１６を、フィラメント・ワインディング装置１００の回転駆動部１１０に取り付け、シリンダ部１２の中心軸ＣＸを中心として回転させる。さらに、繊維２０が巻かれたリール１２０を、中心軸ＣＸの軸方向に沿って往復動させつつ、シリンダ部１２及びドーム部１３の外周に繊維２０を巻き付ける。なお、繊維２０を巻き付けるとき、中心軸ＣＸをみそすり運動させることが好ましい。繊維２０が、中心軸ＣＸと交わる方向にも巻き付けられるので、繊維強化樹脂層をより強固にできる。繊維２０としては、例えば炭素繊維やガラス繊維を用いることができる。炭素繊維として、例えばポリパラフェニレンテレフタルアミド［通称ケブラー（登録商標）］のようなアラミド繊維、ダイニーマ（登録商標）のようなポリエチレン繊維、ポリ（パラフェニレンベンゾビスオキサゾール）［通称ザイロン（登録商標）］のような繊維、が利用可能である。なお、これらは例示であり、繊維２０として利用可能な繊維は、上述した繊維に限られない。なお、この繊維２０には、未硬化の熱硬化性樹脂が予め含浸されている。繊維２０をライナー１０に巻く前に、熱硬化性樹脂を溶融した樹脂層に浸すことで、繊維２０に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させることができる。本実施形態では、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用いているが、エポキシ樹脂の他、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化樹脂が利用可能である。この熱硬化性樹脂（単に「樹脂」と呼ぶ場合もある。）を後述する熱硬化処理によって熱硬化させることにより、ライナー１０の外周に繊維２０により強化された樹脂の外層（「繊維強化樹脂層」とも呼ぶ。）を形成する。本実施形態では、ライナー１０の厚みは、約３ｍｍ程度であり、繊維２０による繊維強化樹脂層の厚みは、約２０μｍ〜３０μｍ程度である。なお、ライナー１０の厚みや、繊維強化樹脂層の厚みは、この値に限られない。ライナー１０の外周に繊維２０を巻き付ける工程は、例えば、大気圧（０ＭＰａＧ）の空気中で行われる。
【００１１】
図１（Ｃ）は、繊維２０が巻き付けられた後の未硬化タンク１１を示す。便宜上、繊維の図示を省略している。未硬化タンク１１は、外周に巻き付けられた樹脂が含浸された繊維２０の樹脂が硬化されることで、その強度が向上する。ここで、繊維２０を巻き付けるときには、大気中の空気が気泡２５として繊維２０の隙間に入り込む可能性や、繊維２０に空気が含まれておりこの空気が気泡２５として樹脂の中に生じる場合がある。
【００１２】
図２は、本実施形態で用いられる気泡除去装置２００の要部断面図である。図３は、図２と垂直な方向から見た気泡除去装置２００の要部断面図である。気泡除去装置２００は、上部ケース２０２と、下部ケース２０４と、タンク支持部２０６、２０８と、減圧ポンプ２３０と、バイパス管２３２と、バルブ２３５と、加圧ポンプ２４０と、回転駆動部２５０と、を備える。上部ケース２０２と、下部ケース２０４とは、未硬化タンク１１を収納するための容器を形成する。すなわち、上部ケース２０２と、下部ケース２０４とを組み合わせると、その間に未硬化タンク１１を収納するための空間２１０が形成される。未硬化タンク１１は、この空間２１０において、タンク支持部２０６、２０８によって支持される。具体的には、タンク支持部２０６、２０８は、それぞれライナー１０の口金１５、１６に接続されて、未硬化タンク１１を空間２１０内に支持する。タンク支持部２０６、２０８の外周には、Ｏリングにより形成されたシール部材２１２が配置されている。また、上部ケース２０２、下部ケース２０４との間には、例えばＯリングにより形成されたシール部材２１４（図３）が配置されている。シール部材２１２、２１４を備えることで、空間２１０を加圧したときの加圧状態、及び、空間２１０を減圧したときの減圧状態を維持できる。
【００１３】
回転駆動部２５０は、後述する気泡除去処理の際に、タンク支持部２０８を回転させ、未硬化タンク１１を回転させることによって、ライナー１０の外周にある熱硬化性樹脂の全体を均一に処理するために利用される。但し、このときの未硬化タンク１１の回転は必須ではなく、回転駆動部２５０を省略しても良い。
【００１４】
減圧ポンプ２３０は、空間２１０の圧力を０ＭＰａＧ（大気圧：繊維２０を巻いたときの圧力）よりも減圧するために用いられる。加圧ポンプ２４０は、空気を空間２１０に送って加圧するために用いられる。本実施形態では、加圧ポンプ２４０の内部に図示しないヒータが設けられており、このヒータによって空気を加熱して空間２１０内に供給する。これにより、空間２１０の内部を加熱すると共に空間２１０の圧力を０ＭＰａＧよりも高圧にできる。バイパス管２３２は、０ＭＰａＧより高い圧力に加圧された空間２１０を０ＭＰａＧに減圧するため、あるいは、空間２１０の圧力を０ＭＰａＧに維持するために用いられる。バイパス管２３２には、バルブ２３５が設けられており、バルブ２３５は、０ＭＰａＧより高い圧力に加圧された空間２１０の圧力を０ＭＰａＧにするときに開けられ、空間２１０を０ＭＰａＧより低い圧力に減圧するとき、または、空間２１０を０ＭＰａＧより高い圧力に加圧するときに閉じられる。
【００１５】
図４は、未硬化の熱硬化性樹脂から気泡を除去し、熱硬化性樹脂を硬化させる工程を示すフローチャートである。図５は、気泡除去及び硬化における温度と圧力の時間的遷移の一例を示すグラフである。ステップＳ１００では、熱硬化性樹脂の温度を、熱硬化性樹脂の溶融温度よりも高く硬化温度よりも低い温度に予備加熱する。具体的には、加圧ポンプ２４０により、加熱された空気を空間２１０に送る。このとき、バルブ２３５が閉状態にあれば、空間２１０内の圧力は図５に示すように、０ＭＰａＧよりも上昇する。但し、バルブ２３５を開けて空間２１０の圧力が０ＭＰａＧを維持するようにしても良い。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合、その硬化温度は、約１５０℃である。従って、本実施形態では、ステップＳ１００の予備加熱工程では、熱硬化性樹脂の温度が、熱硬化性樹脂が溶融するが硬化しない温度、例えば、５０℃〜１００℃（好ましくは７０℃〜８０℃）となるように加熱している。
【００１６】
ステップＳ１１０では、空間２１０の圧力を大気圧（０ＭＰａＧ）よりも低い圧力まで減圧する。具体的には、バルブ２３５が開いている場合には閉め、加圧ポンプ２４０の動作を止めて、減圧ポンプ２３０により空間２１０を減圧する。この減圧後の空間２１０の圧力は、例えば、−０．１ＭＰａＧよりも高く０ＭＰａＧより低い範囲に設定することが好ましく、また、−０．０８ＭＰａＧ以上−０．０２ＭＰａＧ以下の範囲に設定することがより好ましい。このとき熱硬化性樹脂の温度は、溶融温度よりも高く硬化温度よりも低い第１温度Ｔ１に維持される。本実施形態では、加圧ポンプ２４０の動作を止めているので、熱硬化性樹脂が加熱されることは無く、熱硬化性樹脂の温度は、ステップＳ１００における温度よりも少しずつ低下していく。
【００１７】
図６は、減圧工程（ステップＳ１１０）における繊維強化樹脂層２０Ｌの状態を示す説明図である。未硬化タンク１１では、ライナー１０の外側に繊維２０と熱硬化性樹脂２３とを有する繊維強化樹脂層２０Ｌが形成されている。繊維強化樹脂層２０Ｌ中には、繊維２０を巻く工程で入り込んだ空気や、元々繊維２０に入り込んでいた空気が気泡として含まれている。図４のステップＳ１１０で熱硬化性樹脂２３が溶融した状態で空間２１０を減圧すると、図６の矢印で示すように、熱硬化性樹脂２３中の気泡２５が膨張して熱硬化性樹脂の表面に到達し、空間２１０と連通するので、熱硬化性樹脂２３の表面近傍にある気泡２５を除去することが可能である。しかし、気泡２５を除去しただけでは、気泡２５が抜けた跡２７が、大きな凹凸として、繊維強化樹脂層２０Ｌの表面に残る可能性がある。この凹凸は、ステップＳ１２０の加圧工程によって小さくすることが可能である。
【００１８】
図４のステップＳ１１０で気泡を除去した後、ステップＳ１２０に移行する。ステップＳ１２０では、熱硬化性樹脂２３の温度が減圧工程における第１温度Ｔ１よりも高く硬化温度よりも低い第２温度Ｔ２（図５）となるように温度調節すると共に、空間２１０の圧力（０ＭＰａＧ）を大気圧よりも高い圧力に加圧する。具体的には、加圧ポンプ２４０により、加熱された空気を空間２１０に供給し、空間２１０の圧力を例えば０ＭＰａＧよりも高く０．２ＭＰａＧ以下（好ましくは０．０５ＭＰａＧ以上０．１ＭＰａＧ以下）に加圧する。この状態を予め定められた時間（例えば１〜５分）維持した後、ステップＳ１３０に移行する。
【００１９】
図７は、加圧工程（ステップＳ１２０）における繊維強化樹脂層２０Ｌの状態を示す説明図である。熱硬化樹脂２３が溶融した状態で圧力がかけられると、気泡２５が小さくなる。また、熱硬化性樹脂２３の温度を減圧工程における第１温度Ｔ１よりも高く硬化温度よりも低い第２温度Ｔ２とするので、熱硬化性樹脂２３の粘度が低下し、その表面張力により表面の凹凸の差が減少し、凹凸の小さい表面になろうとする。そのため、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で生じた、気泡２５が抜けた跡２７の凹凸の差が小さくなり、凹凸の小さい表面が形成される。また、熱硬化性樹脂２３の表面近傍よりも深い内部にある気泡２５は、圧力により小さくなる。このようにステップＳ１２０を備えることで、気泡２５が抜けることで形成される繊維強化樹脂層２０Ｌの表面の大きな凹凸を小さくし、表面の凹凸を小さくできる。
【００２０】
ステップＳ１３０では、必要に応じて上述したステップＳ１１０、Ｓ１２０を繰り返す。但し、ステップＳ１１０、Ｓ１２０を１回ずつ実行することで、熱硬化性樹脂２３の表面近傍にある気泡２５が十分に除去され、繊維強化樹脂層２０Ｌの表面の凹凸が小さくなるようであれば、ステップＳ１１０、Ｓ１２０を繰り返さなくてもよい。すなわち、ステップＳ１３０を実行せずにステップＳ１４０に移行しても良い。但し、ステップＳ１３０を実行してステップＳ１１０、Ｓ１２０を繰り返すようにすれば、気泡２５をより除去し、繊維強化樹脂層２０Ｌの表面の凹凸をより小さくできる。
【００２１】
ステップＳ１４０では、加圧ポンプ２４０を用いて、熱硬化性樹脂２３の温度が、硬化温度以上になるように加熱して熱硬化性樹脂２３を硬化させる熱硬化工程を実行する。この際、例えば、空間２１０の圧力を０ＭＰａＧ以上０．２ＭＰａＧ以下（好ましくは０．０５ＭＰａＧ以上０．１ＭＰａＧ以下）に調整するようにしても良い。仮に熱硬化性樹脂２３中に小さな気泡２５が残存している場合でも、０ＭＰａＧより高い圧力をかけるようにすれば、残存している気泡２５の大きさをより小さくし、気泡２５がより小さい状態で熱硬化性樹脂を硬化できる。熱硬化性樹脂２３が硬化した後は、ステップＳ１５０に移行する。
【００２２】
ステップＳ１５０では、加圧ポンプ２４０を止め、バルブ２３５を開けて、空間２１０の圧力を０ＭＰａＧ（大気圧）に至るまで徐々に減圧すると共に、常温まで放冷（自然放冷）する。なお、空間２１０の圧力を０ＭＰａＧ（大気圧）まで減圧した後は、気泡除去装置２００から硬化後のガスタンクを取り出して放冷させてもよい。
【００２３】
以上、本実施形態によれば、樹脂が含浸された繊維２０をライナー１０に巻き付けて未硬化タンク１１を作製する巻き付け工程を行った後、熱硬化性樹脂２３の温度が溶融した状態で未硬化タンクの周りの圧力（空間２１０の圧力）を低く減圧して、気泡２５を除去する減圧工程と、減圧工程よりも熱硬化性樹脂２３の温度が高くなりように温度調整しつつ加圧する加圧工程と、を備えるので、気泡が少なく、表面の凹凸が小さい繊維強化樹脂層を備えるガスタンクを製造できる。
【００２４】
・変形例１：
上記実施形態では、ライナー１０の外周にある熱硬化性樹脂２３の温度を調整する機能を加圧ポンプ２４０に持たせているが、加熱機能を有さない加圧ポンプを用い、また、上部ケース２０２、下部ケース２０４の少なくとも一方にヒータを設け、ヒータを用いて熱硬化性樹脂２３の温度調整を行う構成としても良い。
【００２５】
・変形例２：
上記実施形態では、巻き付け工程を大気圧下（０ＭＰａＧ）で行っているとしたが、大気圧下で行わなくても良い。この場合、空間２１０の圧力を、減圧工程では巻き付け工程を行ったときの圧力よりも低くし、加圧工程では巻き付け工程を行ったときの圧力よりも高くする。
【００２６】
・変形例３：
上記実施形態では、ライナー１０は、ナイロン系樹脂で形成されるとしたが、ライナー１０の材料は、ナイロン系樹脂に限られない。例えば、ナイロン系樹脂以外の樹脂や、金属で形成されていても良い。また、ライナー１０は、略円柱状のシリンダ部１２とその両端に設けられた略ドーム形状のドーム部１３、１４とを有する形状（図１）以外の他の形状を有していても良い。
【００２７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００２８】
１０…ライナー
１１…未硬化タンク
１２…シリンダ部
１３…ドーム部
１４…ドーム部
１５…口金
１６…口金
２０…繊維
２０Ｌ…繊維強化樹脂層
２３…熱硬化性樹脂
２５…気泡
２７…跡
１００…フィラメント・ワインディング装置
１１０…回転駆動部
１２０…リール
２００…気泡除去装置
２０２…上部ケース
２０４…下部ケース
２０６…タンク支持部
２０８…タンク支持部
２１０…空間
２１２…シール部材
２１４…シール部材
２３０…減圧ポンプ
２３２…バイパス管
２３５…バルブ
２４０…加圧ポンプ
２５０…回転駆動部
ＣＸ…中心軸
【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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