(57)【要約】【課題】試験に用いられた液体成分が付着した状態でタンクが出荷されてしまうことを抑制できる技術を提供する。【解決手段】タンクの膨張量に関する試験をおこなう試験方法であり、前記タンクの内部に収容されている密封容器の内部に液体を注入することによって前記タンクを膨張させ、前記タンクの膨張量を表す値を計測する工程と、前記密封容器から前記液体を排出させた後に、前記密封容器を前記タンク内部から取り出す工程と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンクの膨張量に関する試験をおこなう試験方法であって、
前記タンクの内部に収容されている密封容器の内部に液体を注入することによって前記タンクを膨張させ、前記タンクの膨張量を表す値を計測する工程と、
前記密封容器から前記液体を排出させた後に、前記密封容器を前記タンク内部から取り出す工程と、
を備える、試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンクの試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンクの一態様として、高圧水素が充填される水素タンクが知られている。水素タンクには、本体部を構成する樹脂製のライナ外表面に、フィラメント・ワインディング法によって、繊維強化樹脂層が形成されているものがある。水素タンクは、通常、その製造後に、耐圧性や強度等の基準を満たしていることを確認するために、高圧水素が充填されたときの膨張量を計測する試験が実施される。その試験では、一般に、高圧水素の代わりに、水などの液体がタンクに充填される（例えば、下記特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１１９２９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水素タンクの口金に接続されている配管やバルブを含む接続配管類の温度は、充填された高圧水素を外部に流出させるときの水素の減圧によって短時間で急激に低下する場合がある。また、水素タンクが使用される季節や気候によっては、環境温度の変化によって、水素タンクおよびその接続配管類の温度が急激に低下する場合もある。そのため、水素タンクが、上述した試験に用いられた水分が付着したまま出荷されてしまうと、その水分が、接続配管類の内部において結露し、水素の流通経路を閉塞するなど、水素の流通を阻害してしまう可能性がある。
【０００５】
従来は、こうした問題に対して、試験後に水素タンクの乾燥工程を設けるなどの措置を講じていたが、そうした乾燥工程では、水素タンクの耐熱性などを考慮した温度制御がおこなわれるため、十分に水分の除去がおこなえない場合があった。また、そうした乾燥工程は水素タンクの製造コストが増大する一因ともなっていた。こうした問題は、水素タンクに限らず、タンク全般に共通するものであり、依然として改良の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
［１］本発明の一形態によれば、タンクの試験方法が提供される。この試験方法は、タンクの膨張量に関する試験であってよい。この試験方法は、前記タンクの内部に収容されている密封容器の内部に液体を注入することによって前記タンクを膨張させ、前記タンクの膨張量を表す値を計測する工程を備えてよい。また、前記密封容器から前記液体を排出させた後に、前記密封容器を前記タンク内部から取り出す工程を備えてよい。この形態の試験方法によれば、試験後のタンクに試験に用いられた液体が付着してしまうことが抑制される。従って、試験に用いられた液体成分が付着した状態でタンクが出荷されてしまうことが抑制される。
【０００８】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部の削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【０００９】
本発明は、タンクの膨張量に関する試験をおこなう試験方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、タンクの膨張量に関する試験をおこなう試験装置や、タンクの膨張量の取得方法、タンクの膨張量の計測装置等の形態で実現することができる。また、タンクの耐圧試験方法、タンクの耐圧試験装置、タンクの製造方法、タンクの製造装置等の形態で実現することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】試験装置の構成を示す概略図。
【図２】高圧タンクの構成を示す概略断面図。
【図３】高圧タンクの試験の工程を工程順に示す模式図。
【図４】高圧タンクの恒久増加率の算出処理を説明するための概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
A．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としてのタンクの試験に用いられる試験装置１００の構成を示す概略図である。図１では、試験装置１００の試験対象である高圧タンク１０が一点鎖線で図示されている。また、密封容器１４２が膨張したときの輪郭線が二点鎖線によって模式的に例示されている。
【００１２】
本実施形態の試験装置１００は、高圧水素が充填される水素タンクである高圧タンク１０を、純水を充填することによって膨張させて、その恒久増加率を取得し、その値に基づいて、高圧タンク１０の膨張変形に対する強度が基準を満たしているか否かを判別する。高圧タンク１０の構成および恒久増加率については後述する。試験装置１００は、制御部１０１と、純水槽１１０と、重量計１１５と、３つの配管１２１〜１２３と、２つの開閉バルブ１３１，１３２と、ポンプ１３３と、圧力センサ１３５と、温度センサ１３７と、口金栓１４０と、密封容器１４２と、を備える。
【００１３】
制御部１０１は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部１０１は、試験実施中に、開閉バルブ１３１，１３２の開閉動作およびポンプ１３３の駆動を制御する。制御部１０１は、重量計１１５、圧力センサ１３５および温度センサ１３７の計測結果を受信し、その計測結果に基づいて恒久増加率を算出し、その算出結果に基づく判定処理を実行する（詳細は後述）。
【００１４】
純水槽１１０は、高圧タンク１０を膨張させるために充填される純水を貯蔵する。重量計１１５は、純水槽１１０に貯蔵されている純水の重量を測定し、制御部１０１に出力する。第１配管１２１および第２配管１２２はそれぞれ、一端が純水槽１１０に接続されており、他端が第３配管１２３の一端に接続されて合流している。第３配管１２３の他端は口金栓１４０を貫通して、密封容器１４２の内部に接続されている。
【００１５】
第１開閉バルブ１３１は、第１配管１２１に設けられており、第２開閉バルブ１３２は、第２配管１２２に設けられている。ポンプ１３３は、第１配管１２１における純水槽１１０と第１開閉バルブ１３１との間に設けられており、純水槽１１０の純水を第１配管１２１および第３配管１２３を介して密封容器１４２の内部に送り込む。ポンプ１３３は、例えば、ブースータポンプによって構成されてもよいし、昇圧時間の短縮が可能なプランジャポンプによって構成されてもよい。
【００１６】
圧力センサ１３５は、第３配管１２３に取り付けられており、第３配管１２３における純水の圧力を、高圧タンク１０におけるライナ（後述）の内圧を表す圧力値として検出する。温度センサ１３７は、例えば熱電対温度計によって構成され、密封容器１４２内に送り込まれた純水の温度を検出可能なように、口金栓１４０に取り付けられている。
【００１７】
口金栓１４０は、高圧タンク１０のバルブ側口金（後述）に取り付けられる。口金栓１４０は、バルブ側口金の開口部内に挿入される円柱状の延伸部位１４１を有しており、延伸部位１４１の先端には密封容器１４２が取り付けられている。密封容器１４２は、試験中に生じる内圧によって、口金栓１４０から外れてしまわない程度の耐圧性が確保されるように、延伸部位１４１に取り付けられている。口金栓１４０が高圧タンク１０に取り付けられた状態において、口金栓１４０と高圧タンク１０のバルブ側口金との間には、高圧タンク１０内の空気が外部へと逃げることができるように隙間や連通路が形成されることが望ましい（図示は省略）。口金栓１４０は、ステンレスやアルミニウムなどの金属部材によって形成されてもよいし、強化プラスチック等の樹脂部材によって形成されてもよい。
【００１８】
密封容器１４２は、一方向に開口している袋状に成形された気密な部材によって構成されている。本実施形態では、密封容器１４２は、弾性を有し、伸縮可能なゴムなどの樹脂性の膜部材によって構成されている。密封容器１４２は、試験の際には、高圧タンク１０内の水素の収容空間（後述）に収容され、第３配管１２３を介して内部に純水が注入されたときに内圧が増大して膨らむ。密封容器１４２は、内圧が付与されず、しぼんで収縮している状態では、バルブ側口金の開口部からタンクの内部に挿入可能なサイズになるように構成されていることが望ましい。密封容器１４２は、純水が注入されて膨張するときには、破断に至る内圧に到達する前に、高圧タンク１０内部の収容空間の内壁面のほぼ全体に密着するように構成されていることが望ましい。また、密封容器１４２は、純水の注入によって膨張するときには、高圧タンク１０の収容空間内の空気のほとんどを外部に逃がすことができるように、高圧タンク１０内の奥まった位置に配置されている先端側から膨らむように構成されていることが望ましい。
【００１９】
図２は、高圧タンク１０の構成を示す概略断面図である。図２には、一点鎖線で図示されている高圧タンク１０の中心軸ＣＸを含む任意の切断面が図示されている。高圧タンク１０は、例えば、燃料電池車両に、水素の供給源として搭載される。高圧タンク１０は、ライナ１１と、繊維強化樹脂層１２と、バルブ側口金１３と、エンド側口金１４と、を備える。
【００２０】
ライナ１１は、高圧タンク１０の本体部を構成する樹脂製の中空容器であり、内部に高圧水素を収容するための収容空間ＳＰを有する。ライナ１１は、略円筒状のシリンダ部と、その両端の略半球状のドーム部と、を有する。２つのドーム部の頂部には、口金部１３，１４が取り付けられる開口部が形成されている。ライナ１１は、例えば、強化プラスチック等の樹脂部材を用いて回転成形法によって形成される。ライナ１１は、樹脂部材に代えて、アルミニウム等の軽金属によって構成されてもよい。
【００２１】
繊維強化樹脂層１２は、ライナ１１の外表面を覆う補強層であり、フィラメント・ワインディング法によって形成される。繊維強化樹脂層１２は、ライナ１１の外表面に巻き付けられる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ；Ｃａｒｂｏｎ−Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）などの強化繊維と、その強化繊維同士を結着する熱硬化性樹脂と、で構成される。
【００２２】
バルブ側口金１３は、バルブを取り付けるために接続部であり、高圧タンク１０の一方のドーム部に固定的に取り付けられる。バルブ側口金１３は、略円筒状の本体部と、ライナ１１と繊維強化樹脂層１２との間に配置される略円環状の鍔部と、を有する。バルブ側口金１３の開口部は、ライナ１１の収容空間ＳＰと連通している。バルブ側口金１３の開口部の内周面には、バルブに対応するネジ溝が形成されている。バルブ側口金１３は、ステンレスやアルミニウムなどの金属部材によって形成されてもよいし、強化プラスチック等の樹脂部材によって形成されてもよい。
【００２３】
エンド側口金１４は、エンド側口金１４は、ライナ１１の開口部を封止する封止部材であり、高圧タンク１０においてバルブ側口金１３とは反対側に位置しているドーム部に固定的に取り付けられている。エンド側口金１４は、ライナ１１の開口部に気密に勘合する略円柱状の本体部と、ライナ１１と繊維強化樹脂層１２との間に配置される略円環状の鍔部と、を有する。エンド側口金１４は、ステンレスやアルミニウムなどの金属部材によって形成されてもよいし、強化プラスチックなどの樹脂部材によって形成されてもよい。
【００２４】
高圧タンク１０の製造工程では、繊維強化樹脂層１２の形成後に、ライナ１１と繊維強化樹脂層１２との間に空隙が形成される場合がある。空隙は、繊維強化樹脂層１２を形成するための熱硬化処理後のライナ１１の熱収縮量と繊維強化樹脂層１２の熱収縮量との差に起因して生じる。高圧タンク１０の空隙は、高圧タンク１０のライナ１１に内圧を付与してライナ１１を膨張変形させることにより、消失若しくは低減させることができる。従って、高圧タンク１０の使用時には、通常、そうした空隙を消失若しくは低減させることができる高圧タンク１０の内圧を下限値として規定し、高圧タンク１０の内圧がその下限値を下回らないように制御される。
【００２５】
図３は、試験装置１００においておこなわれる高圧タンク１０の試験の工程を工程順に示す模式図である。本実施形態では、試験装置１００によって、高圧ガス保安法に準拠した試験が以下のように実行される。
【００２６】
第１工程（図３の（ａ）欄）では、試験装置１００に高圧タンク１０が取り付けられる。具体的には、高圧タンク１０の収容空間ＳＰ内に、収縮状態にある密封容器１４２が挿入され、口金栓１４０がバルブ側口金１３の開口部に取り付けられる。上述したように、口金栓１４０がバルブ側口金１３の開口部との間には、空気を逃がすための隙間や連通路が形成されている（図示は省略）。
【００２７】
第２工程（図３の（ｂ）欄）では、試験装置１００の制御部１０１は、第１開閉バルブ１３１を開くとともに第２開閉バルブ１３２を閉じ、ポンプ１３３を駆動させる。これによって、純水槽１１０の純水が、第１配管１２１および第３配管１２３を介してライナ１１へと送り込む。制御部１０１は、純水の注入によって密封容器１４２を膨張させ、密封容器１４２を高圧タンク１０の収容空間ＳＰの内壁面のほぼ全体に密着させる。そして、そのまま、密封容器１４２への純水の注入を継続して、高圧タンク１０の内圧を上昇させる。
【００２８】
制御部１０１は、圧力センサ１３５によって計測される圧力が所定の試験圧力Ｐｔに到達するまで、密封容器１４２内に純水を送り込む。所定の試験圧力Ｐｔは、高圧タンク１０に想定されている使用圧力の１．５倍程度の圧力であるとしてもよい。制御部１０１は、試験圧力Ｐｔに到達したときには、ポンプ１３３の駆動を停止させ、所定の保持時間（例えば、数十秒程度）、高圧タンク１０の内圧を試験圧力Ｐｔに保持する。
【００２９】
ここで、第２工程では、制御部１０１は、高圧タンク１０の内圧が初期圧力Ｐ０から試験圧力Ｐｔに上昇するまでの間に、重量計１１５や、圧力センサ１３５、温度センサ１３７のそれぞれから周期的に送信される計測結果を記録する。初期圧力Ｐ０は、密封容器１４２が高圧タンク１０における収容空間ＳＰの内壁のほぼ全体にわたって密着するまで膨張するときの内圧である。初期圧力Ｐ０は、ライナ１１の容積に等しくなるまで、純水の注入によって密封容器１４２を膨張させたときの内圧に相当する。初期圧力Ｐ０は、予め実験によって求められていてもよい。重量計１１５の計測値は、高圧タンク１０の膨張量に応じて変化する値であり、本発明における膨張量を表す値の下位概念に相当する。
【００３０】
第３工程（図３の（ｃ）欄）では、ポンプ１３３の駆動を停止させたまま、第１開閉バルブ１３１を閉じるとともに、第２開閉バルブ１３２を開く。これによって、第３配管１２３および第２配管１２２を介して、高圧タンク１０から純水槽１１０へと純水が排出され、高圧タンク１０の内圧を低下させる。制御部１０１は、高圧タンク１０の内圧が試験圧力Ｐｔから初期圧力Ｐ０へと降圧する間に、重量計１１５や、圧力センサ１３５、温度センサ１３７のそれぞれから周期的に送信される計測結果を記録する。
【００３１】
第４工程（図３の（ｄ）欄）では、制御部１０１は、第２工程における加圧時および第３工程における減圧時に記録された計測値を用いて、高圧タンク１０の恒久増加率を算出し、高圧タンク１０に対する判定をおこなう。
【００３２】
図４は、制御部１０１が実行する高圧タンク１０の恒久増加率の算出処理およびを恒久増加率に基づく判定処理を説明するための概略図である。「恒久増加率」とは、高圧タンク１０が膨張・収縮したときに、繊維強化樹脂層１２に残留する膨張の度合いを示すパラメータである。高圧タンク１０の恒久増加率は以下のように取得される。
【００３３】
制御部１０１は、予め準備されている高圧タンク１０の内圧と高圧タンク１０の膨張量との関係に基づいて、第２工程および第３工程において得られた内圧の計測値に対する高圧タンク１０の膨張量を求める。本実施形態では、第２工程において得られた計測値および第３工程において得られた計測値を用いて、高圧タンク１０の内圧の各計測値に対する高圧タンク１０の膨張量Ｅ［Ｌ（リットル）］を算出する。具体的には、重量計１１５の計測値から求められる高圧タンク１０に注入された純水の重量Ｖ（ｇ）と、圧力センサ１３５の計測値が示す高圧タンク１０の内圧Ｐ（ＭＰａ）と、温度センサ１３７の計測値が示す注入された純水の水温Ｔ（℃）と、を所定の演算式に代入することによって、高圧タンク１０の内圧の各計測値に対する高圧タンク１０の膨張量Ｅ［Ｌ（リットル）］を算出する。本実施形態において、高圧タンク１０の膨張量Ｅは、高圧タンク１０におけるライナ１１の容積の増加量を意味している。
【００３４】
制御部１０１は、図４に示されている２つのグラフＧ１，Ｇ２によって表される高圧タンク１０の内圧と膨張量との関係を導出する。第１のグラフＧ１は、第２工程において得られた計測値に基づくものであり、加圧時における高圧タンク１０の内圧と膨張量との関係を表している。第２のグラフＧ２は、第３工程において得られた計測値に基づくものであり、減圧時における高圧タンク１０の内圧と膨張量との関係を表している。なお、圧力センサ１３５の計測値が示す内圧には、密封容器１４２を収縮させる方向に働く力の成分が含まれるが、高圧タンク１０を膨張変形させるときの当該成分は無視できる程度のものである。
【００３５】
２つのグラフＧ１，Ｇ２はそれぞれ、初期圧力Ｐ０の近傍において圧力に対して膨張量が上に凸の曲線を描いて著しく増大する曲線領域と、曲線領域の後段において圧力に対して膨張量が直線的に増大する線形領域と、を有する。２つのグラフＧ１，Ｇ２における曲線領域は、ライナ１１と繊維強化樹脂層１２との間の空隙がほとんど消失する状態になるまでの領域である。一方、２つのグラフＧ１，Ｇ２における線形領域は、ライナ１１とともに繊維強化樹脂層１２が膨張変形しているときの領域であり、当該領域での膨張量は、繊維強化樹脂層１２の膨張量を表していると解釈できる。
【００３６】
制御部１０１は、第１と第２のグラフＧ１，Ｇ２に表されている関係に基づいて、第１と第２の基準膨張量Ｅａ，Ｅｂを取得する。具体的には、第１と第２のグラフＧ１，Ｇ２のそれぞれにおける線形領域を検出する。そして、それらの線形領域における高圧タンク１０の内圧と膨張量との間の線形関係を初期圧力Ｐ０まで外挿して、初期圧力Ｐ０に対して得られる膨張量をそれぞれ、第１と第２の基準膨張量Ｅａ，Ｅｂとして取得する。
【００３７】
制御部１０１は、第２の基準膨張量Ｅｂと第１の基準膨張量Ｅａとの差を、恒久膨張量Ｅｐとして取得する（Ｅｐ＝Ｅｂ−Ｅａ）。恒久膨張量Ｅｐは、高圧タンク１０の内圧の変動前後における繊維強化樹脂層１２の体積変化量を表しており、高圧タンク１０の内圧を変動させた後に繊維強化樹脂層１２に残留する膨張量を表している。
【００３８】
制御部１０１は、試験圧力Ｐｔに対する膨張量をライナ１１の最大膨張量Ｅｍとして取得する。最大膨張量Ｅｍは、高圧タンク１０の試験中における繊維強化樹脂層１２の体積変化の最大値であり、第１と第２のグラフＧ１，Ｇ２において一致する。
【００３９】
制御部１０１は、恒久増加率Ｒｉを、最大膨張量Ｅｍに対する恒久膨張量Ｅｐの割合として取得する（Ｒｉ＝Ｅｐ／Ｅｍ）。恒久増加率Ｒｉは、高圧タンク１０が一旦膨張した後に、繊維強化樹脂層１２において解消されずに残留している膨張変化の度合いを示しており、恒久増加率Ｒｉが小さいほど、繊維強化樹脂層１２の強度が高いと言える。
【００４０】
制御部１０１は、恒久増加率Ｒｉが所定の閾値よりも小さいときには、繊維強化樹脂層１２が十分な強度を有することを意味する「良」の判定をする。一方、恒久増加率Ｒｉが所定の閾値以上であるときには、繊維強化樹脂層１２の強度が不足する可能性があることを意味する「否」の判定をする。制御部１０１は、その判定結果を、表示部（図示は省略）などに表示してもよい。
【００４１】
第５工程（図３の（ｅ）欄）では、高圧タンク１０から口金栓１４０が取り外され、純水が排出されて収縮状態になっている密封容器１４２が高圧タンク１０の内部から取り出される。以上の工程により、試験装置１００における高圧タンク１０の試験が完了する。本試験において「良」の判定がなされた高圧タンク１０は、バルブ側口金１３にバルブなどの部品が取り付けられて出荷される。一方、「否」の判定がなされた高圧タンク１０については、破棄されるなど、製造ラインから外される。
【００４２】
このように、本実施形態の試験装置１００を用いた試験によれば、密封容器１４２に充填された純水によって高圧タンク１０に内圧が付与されるため、高圧タンク１０に、試験に用いられる純水が付着してしまうことが抑制される。従って、試験に用いられた純水が残留している状態で高圧タンク１０が出荷されて使用されてしまうことが抑制される。また、試験後に、高圧タンク１０を乾燥するための工程を省略することができるため、高圧タンク１０の製造コストを低減することができる。
【００４３】
B．変形例：
上記実施形態では、試験装置１００を用いた高圧タンク１０の膨張量に関する試験として、高圧タンク１０の繊維強化樹脂層１２の強度を表す恒久増加率に基づく判定をおこなう試験がおこなわれている。これに対して、試験装置１００を用いた高圧タンク１０の膨張量に関する試験としては、恒久増加率に基づく判定をおこなう試験以外の試験がおこなわれてもよい。例えば、恒久増加率を求めることなく、密封容器１４２に純水を注入して高圧タンク１０を膨張させたときの内圧と膨張量との関係を取得するのみの試験がおこなわれてもよい。また、上記実施形態では、試験において、密封容器１４２に純水が注入されているが、純水以外の液体が注入されてもよい。高圧タンク１０は水素タンクでなくてもよく、他のタンクであってもよい。
【００４４】
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、上述の効果の一部又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】
【００４５】
１０…高圧タンク
１１…ライナ
１２…繊維強化樹脂層
１３…バルブ側口金
１４…エンド側口金
１００…試験装置
１０１…制御部
１１０…純水槽
１１５…重量計
１２１〜１２３…配管
１３１，１３２…開閉バルブ
１３３…ポンプ
１３５…圧力センサ
１３７…温度センサ
１４０…口金栓
１４１…延伸部位
１４２…密封容器
【図１】
2017096679.tif 000003
【図２】
2017096679.tif 000004
【図３】
2017096679.tif 000005
【図４】
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