高圧ガスタンク製造装置及び高圧ガスタンクの製造方法
【課題】フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクにおいて、熱硬化性樹脂に発生する気泡を除去する技術を提供する。
【解決手段】高圧ガスタンク製造装置２００は、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維２０を巻き付けることにより外表面に繊維強化樹脂層が形成されたタンク容器１０を回転させつつ、タンク容器の全体を加熱して、繊維強化樹脂層の熱硬化処理を実行する。また、高圧ガスタンク製造装置２００は、熱硬化処理において、タンク容器１０の表層に生じる気泡を、超音波気泡除去部２３０によって超音波を照射することによって除去する。
【解決手段】高圧ガスタンク製造装置２００は、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維２０を巻き付けることにより外表面に繊維強化樹脂層が形成されたタンク容器１０を回転させつつ、タンク容器の全体を加熱して、繊維強化樹脂層の熱硬化処理を実行する。また、高圧ガスタンク製造装置２００は、熱硬化処理において、タンク容器１０の表層に生じる気泡を、超音波気泡除去部２３０によって超音波を照射することによって除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスを貯蔵するための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（ＦＷ法）による高圧ガスタンクの製造方法が知られている。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方法では、比較的軽量な樹脂製のタンク容器の外周にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、タンク容器の強度を向上させる。
【０００３】
しかし、フィラメント・ワインディング法では、その熱硬化過程において、繊維間に入り込んでいた空気などが、次第に熱硬化性樹脂層の表層へと移動して、熱硬化性樹脂層に気泡が発生してしまうという問題があった。高圧ガスタンクにおいて、熱硬化性樹脂層に気泡が生じると、高圧ガスタンクの外表面に気泡による凹凸が生じることとなる。すると、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悪化してしまう。また、そのような外表面の凹凸は、高圧ガスタンクの意匠性の低下を引き起こす。さらに、高圧ガスタンクの外表面に表示ラベル等を貼付する場合には、表示ラベルの貼付性が低下するばかりでなく、貼付された表示ラベルの視認性も低下してしまう。これまで、フィラメント・ワインディング法の熱硬化過程における気泡の発生を抑制するために、種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２５４９７４号公報
【特許文献２】特開２００３−５３８５３号公報
【０００５】
しかし、上記技術によっても、熱硬化過程において、熱硬化性樹脂中の気泡の発生を十分に抑制されていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクにおいて、熱硬化性樹脂に発生する気泡を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】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］
高圧ガスタンク製造装置であって、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付けることにより外表面に繊維強化樹脂層が形成されたタンク容器の全体を加熱して、前記繊維強化樹脂層の熱硬化処理を実行するタンク容器熱硬化部と、前記熱硬化処理において、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する気泡除去部とを備える、高圧ガスタンク製造装置。
この高圧ガスタンク製造装置によれば、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化性樹脂の熱硬化処理に際して当該樹脂中に発生する気泡を、空気を利用して熱硬化性樹脂が硬化する前に容易に除去することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の高圧ガスタンク製造装置であって、前記気泡除去部は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する超音波照射部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
この高圧ガスタンク製造装置によれば、熱硬化性樹脂中に生じる気泡を超音波によって容易に除去できる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の高圧ガスタンク製造装置であって、前記気泡除去部は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する負圧発生部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
この高圧ガスタンク製造装置によれば、負圧発生部によって生じた負圧により、気泡を膨張させて破泡することができる。従って、容易に熱硬化性樹脂中に生じる気泡を除去できる。
【００１１】
［適用例４］
高圧ガスタンクの製造方法であって、
（ａ）熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に形成されたタンク容器を準備する工程と、
（ｂ）前記繊維強化樹脂層の全体を加熱して熱硬化させるとともに、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する工程と、を備える、製造方法。
この製造方法によれば、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化性樹脂層の熱硬化処理に際して当該樹脂中に発生する気泡を、熱硬化性樹脂が硬化する前に容易に除去することができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例４に記載の製造方法であって、前記工程（ｂ）は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【００１３】
［適用例６］
適用例４または適用例５に記載の製造方法であって、前記工程（ｂ）は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【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、高圧ガスタンクの製造装置および高圧ガスタンクの製造方法、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。また、本発明は、例えば、高圧ガスタンク、その高圧ガスタンクを備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
A．第１実施例：
図１（Ａ）〜（Ｃ）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一部を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、タンク容器１０を示す模式図である。高圧ガスタンクの製造にあたり、まず第１工程として、このタンク容器１０を準備する。タンク容器１０は、略円柱状のシリンダ部１１と、その両端に設けられた略ドーム形状のドーム部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。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。
【００１６】
図１（Ｂ）は、タンク容器１０の外表面にカーボン繊維２０を巻き付ける工程を示す模式図である。この工程では、タンク容器１０を、回転駆動部１１０に取り付け、シリンダ部１１の中心軸ＣＸを中心として回転させる。さらに、カーボン繊維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１１及びドーム部１３の外表面にカーボン繊維２０を巻き付ける。なお、このカーボン繊維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。この熱硬化性樹脂は、後述する熱硬化処理によって熱硬化させることにより、カーボン繊維２０の接着剤として機能する。
【００１７】
図１（Ｃ）は、カーボン繊維２０が巻き付けられた後のタンク容器１０を示す模式図である。タンク容器１０は、カーボン繊維２０が外表面に巻き付けられることによって、その強度が向上する。以後、このカーボン繊維２０が巻き付けられたタンク容器１０を、「繊維強化タンク容器１０」と呼ぶ。なお、この繊維強化タンク容器１０では、例えば、約３ｍｍ程度のナイロン系樹脂の容器壁の厚みに対して、カーボン繊維２０による繊維強化層が約２０μｍ〜３０μｍ程度の厚みで形成されている。
【００１８】
図２（Ａ）は、繊維強化タンク容器１０の熱硬化性樹脂を熱硬化させるための熱硬化処理を実行する熱硬化処理装置２００を示す概略透視斜視図である。図２（Ａ）では、装置全体を覆う隔壁２１５が破線で図示されている。なお、図２（Ａ）には、互いに直交する三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。矢印ｚ方向は、重力方向上向きと一致しており、矢印ｙ方向は、繊維強化タンク容器１０の中心軸ＣＸの軸方向と一致する。
【００１９】
図２（Ｂ）は、熱硬化処理装置２００を、図２（Ａ）のｘ軸方向に沿った方向から見たときの概略側面図である。なお、図２（Ｂ）では、図２（Ａ）において破線で図示された隔壁２１５の図示は省略されている。また、図２（Ｂ）には、図２（Ａ）の矢印ｘ，ｙ，ｚと対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。
【００２０】
熱硬化処理装置２００は、隔壁２１５によって囲まれた内部空間ＷＳに、基台２１０と、タンク取付部２２１，２２２と、回転駆動部２２５と、超音波気泡除去部２３０とを備えている。タンク取付部２２１，２２２と、回転駆動部２２５とはそれぞれ、基台２１０上に配置されている。タンク取付部２２１，２２２は、繊維強化タンク容器１０をその中心軸ＣＸを中心に回動可能なように、その両端から保持する。回転駆動部２２５は、タンク取付部２２１，２２２に保持された繊維強化タンク容器１０を、矢印Ｒ方向に、ほぼ一定の速度で回転させることができる。
【００２１】
熱硬化処理装置２００は、熱硬化処理として、タンク取付部２２１，２２２に取り付けられた繊維強化タンク容器１０を回転駆動部２２５によって回転させつつ、空間ＷＳ内を約１３０℃程度まで昇温して、繊維強化タンク容器１０を約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が熱硬化する。なお、一般に、熱硬化性樹脂は、熱硬化のための加熱が開始されると、一旦その粘度が低下し、ほぼ液状となるまでに軟化する。また、熱硬化性樹脂は、この軟化した状態から、さらに、加熱が継続されると、架橋反応が進行して硬化する。
【００２２】
また、熱硬化性樹脂は、硬化に伴って収縮する性質を有する。従って、熱硬化性樹脂の硬化が進行すると、繊維強化タンク容器１０には、熱硬化性樹脂の収縮により、そのタンク径が縮小する方向に力が働くこととなる。そこで、この熱硬化処理装置２００では、図示せざるタンク内圧力調整部によって、繊維強化タンク容器１０の内部の圧力を調整し、当該圧力と、熱硬化性樹脂の収縮によりタンク径を縮小させる方向に働く力とを均衡させて、熱硬化処理工程においてタンク径が縮小してしまうことを抑制する。
【００２３】
ところで、繊維強化タンク容器１０の繊維強化層には、カーボン繊維２０の巻き付け時に繊維間に入り込んだ空気や、もともとカーボン繊維２０内に入り込んでいた空気などが存在する。上述したように、繊維強化タンク容器１０の熱硬化処理工程において、熱硬化性樹脂の粘度が比較的低下した状態のときには、そうした繊維強化層に入り込んでいる空気が、熱硬化性樹脂中を移動しやすくなる。従って、熱硬化処理工程において、そうした空気が、熱硬化性樹脂中を繊維強化層の表層に向かって移動することにより、繊維強化層の外表面に気泡が発生してしまう場合がある。
【００２４】
繊維強化層の外表面に気泡が生じたまま熱硬化性樹脂が硬化してしまうと、繊維強化タンク容器１０の外表面に気泡による凹凸が生じる。繊維強化タンク容器１０がそうした凹凸を有すると、完成品である高圧ガスタンクの寸法誤差の原因となり、高圧ガスタンクの組み付け性が悪化する可能性がある。また、そのような外表面の凹凸は、高圧ガスタンクの意匠性の低下の原因にもなり、高圧ガスタンクの外表面に表示ラベル等を貼付する場合には、表示ラベルの貼付性の低下や、貼付された表示ラベルの視認性の低下の原因にもなる。
【００２５】
そこで、本実施例の熱硬化処理装置２００には、熱硬化処理過程において繊維強化タンク容器１０の外表面に発生する気泡を物理的に除去するための超音波気泡除去部２３０が設けられている。超音波気泡除去部２３０は、中空な共振室２３１と、ノズル２３３と、超音波射出部２３５とを備える。ノズル２３３は、その噴射口が、重力方向上側から共振室２３１内に挿入されており、共振室２３１内に向かって高圧空気（圧縮空気）を噴射可能である。ノズル２３３による高圧空気の噴射によって共振室２３１内の空気は振動し、共振室２３１の重力方向下側に設けられた超音波射出部２３５から超音波が射出される。なお、ノズル２３３と共振室２３１の底部との間の距離を調整することによって、超音波の振動数を変化させることが可能である。
【００２６】
超音波気泡除去部２３０は、タンク取付部２２１，２２２に取り付けられた繊維強化タンク容器１０の重力方向上側に、矢印ｙに沿った方向に移動可能なように取り付けられている。また、超音波気泡除去部２３０は、矢印ｚに沿った方向への移動も可能であり、繊維強化タンク容器１０との間の距離を調整可能である。この構成により、超音波気泡除去部２３０は、熱硬化処理過程において、回転駆動している繊維強化タンク容器１０の外表面に超音波を照射して気泡を破泡し、除去する。
【００２７】
図３は、熱硬化処理工程における超音波気泡除去部２３０による気泡の除去を説明するための模式図である。図３は、図２（Ｂ）に示す破線領域３を拡大して示す概略断面図である。図３には、繊維強化タンク容器１０の容器壁の一部断面と、当該容器壁に積層され、カーボン繊維２０と熱硬化性樹脂２３によって形成された繊維強化層２０Ｌの一部断面と、超音波の進行方向を示す矢印とが模式的に示されている。なお、熱硬化性樹脂２３は、硬化する前の比較的軟化した状態である。
【００２８】
図２で説明したように、軟化した熱硬化性樹脂２３中には、気泡２５が生じ、気泡２５は次第に繊維強化層２０Ｌの表層に向かって移動する。そこで、本実施例の熱硬化処理装置２００では、超音波気泡除去部２３０によって、超音波射出部２３５に対向する繊維強化層２０Ｌに超音波を照射して気泡２５を破泡する。このように、超音波気泡除去部２３０は、熱硬化性樹脂２３に直接的に接触することなく気泡２５を除去できる。従って、気泡の除去工程において、熱硬化性樹脂２３に接触して繊維強化タンク容器１０の外表面を損傷させてしまうことを回避できる。
【００２９】
なお、気泡２５を破泡させるためには、１５０ｄＢ以上の超音波を照射することが好ましいことを、本発明の発明者が実験的に確認した。また、超音波気泡除去部２３０によって超音波を照射するのは、熱硬化処理工程において、熱硬化性樹脂の粘度が比較的低くなる熱硬化処理初期の時間帯が好ましい。熱硬化性樹脂の粘度が低いほど、気泡を破泡させやすいためである。
【００３０】
熱硬化処理が終了した後、繊維強化タンク容器１０は、熱硬化処理装置２００から取り外され、この繊維強化タンク容器１０を用いて高圧ガスタンクが製造される。このように、本実施例の構成によれば、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化処理において、熱硬化性樹脂に直接的に接触することを回避しつつ、熱硬化性樹脂層に発生する気泡を、超音波により除去することができる。
【００３１】
B．第２実施例：
図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例としての熱硬化処理装置２００Ａの構成を示す概略図である。図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、超音波気泡除去部２３０に換えて、負圧式気泡除去部２４０が設けられている点以外は、図２（Ａ），（Ｂ）とほぼ同じである。なお、繊維強化タンク容器１０は、第１実施例と同様に準備され（図１）、熱硬化処理装置２００Ａに取り付けられる。
【００３２】
負圧式気泡除去部２４０は、ノズル２４１と、ノズル２４１の噴射口先端に取り付けられたデフレクタ２４３とを備える。ノズル２４１は、重力方向に向かって高圧空気を噴射する。デフレクタ２４３は、ノズル２４１から噴射された高圧空気を遮り、その流れを重力方向から重力方向に交わる横方向へと変化させることができる。負圧式気泡除去部２４０は、繊維強化タンク容器１０の重力方向上側において、矢印ｙに沿った方向に移動可能なように取り付けられている。また、負圧式気泡除去部２４０は、矢印ｚに沿った方向への移動も可能であり、デフレクタ２４３と繊維強化タンク容器１０との間の距離を調整可能である。
【００３３】
図５は、負圧式気泡除去部２４０による気泡の除去を説明するための模式図である。図５は、負圧式気泡除去部２４０の一部が追加されている点と、超音波を示す矢印に換えて、空気の流れを示す矢印が図示されている点以外は、図３とほぼ同じである。負圧式気泡除去部２４０は、熱硬化処理中に、ノズル２４１から繊維強化タンク容器１０に向かって高圧空気を噴射する。ノズル２４１から噴射された高圧空気は、デフレクタ２４３によって横方向への空気ジェット流となり、デフレクタ２４３の下側に負圧を発生させる。この繊維強化層２０Ｌとデフレクタ２４３との間に発生した負圧により、熱硬化性樹脂２３中の気泡２５が、膨張し、破泡する。
【００３４】
このように、この負圧式気泡除去部２４０によれば、デフレクタ２４３に対向する繊維強化タンク容器１０の外表面の一部領域を、他の領域より負圧にすることにより、当該一部領域の熱硬化性樹脂２３中に発生している気泡２５を破泡することができる。なお、負圧式気泡除去部２４０は、繊維強化タンク容器１０の回転軸ＣＸに沿った方向への往復動と、繊維強化タンク容器１０の回転駆動部２２５による回転運動とによって、熱硬化処理中に、繊維強化タンク容器１０の外表面全体の気泡除去が可能である。
【００３５】
ところで、熱硬化性樹脂２３が硬化を開始する前に、この負圧式気泡除去部２４０によって気泡除去処理を実行すれば、発生させた負圧により、繊維強化層２０Ｌの内部に存在する空気を外部に向かって誘導できる。即ち、気泡２５を破泡させることが比較的容易な、熱硬化性樹脂２３が比較的軟化している時間帯において、気泡２５の発生を促進させるとともに、気泡２５を除去することができる。従って、より効果的に気泡２５を除去することができる。
【００３６】
このように、第２実施例の熱硬化処理装置２００Ａによれば、熱硬化処理工程において、繊維強化タンク容器１０の外周において負圧領域を発生させて、気泡を除去する。従って、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化処理において、熱硬化性樹脂に直接的に接触することを回避しつつ、熱硬化性樹脂層に発生する気泡を、容易に除去することができる。
【００３７】
C．変形例：
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り、例えば次のような変形も可能である。
【００３８】
C1．変形例１：
上記実施例において、超音波気泡除去部２３０や、負圧式気泡除去部２４０は、繊維強化タンク容器１０の表層に生じる気泡を、空気を利用することによって除去していた。しかし、気泡除去部は、空気を利用した他の手段によって、気泡を除去するものとしても良い。例えば、気泡２５に向かって高圧空気を噴射することによって、気泡２５を破泡するものとしても良い。このように、空気を媒体として気泡に外力を付加することによって、気泡を除去するものとしても良い。
【００３９】
C2．変形例２：
上記実施例において、カーボン繊維２０には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が含浸されていたが、カーボン繊維２０には、他の熱硬化性樹脂が含浸されるものとしても良い。例えば、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂や、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが用いられるものとしても良い。
【００４０】
また、上記実施例では、カーボン繊維２０に予め熱硬化性樹脂が含浸されていたが、熱硬化性樹脂は、予め含浸されていなくとも良い。例えば、熱硬化性樹脂は、タンク容器１０へのカーボン繊維２０の巻き付け工程において、カーボン繊維２０に含浸されるものとしても良い。
【００４１】
C3．変形例３：
上記第１実施例では、熱硬化処理装置２００の超音波気泡除去部２３０は、ノズル２３３の圧縮空気噴射によって超音波を発生させていた。しかし、超音波気泡除去部２３０は、他の方法により超音波を発生させるものとしても良い。例えば、フェライトを利用した磁歪素子や、圧電素子などを用いた振動子によって超音波を発生させるものとしても良い。
【００４２】
C4．変形例４：
上記第２実施例においては、負圧式気泡除去部２４０は、空気ジェットの流れによって繊維強化タンク容器１０の外周に負圧を発生させていた。しかし、負圧式気泡除去部２４０は、他の方法によって負圧を発生させるものとしても良い。例えば、空気を吸引するバキューム装置によって、繊維強化タンク容器１０の外表面の一部領域に負圧を発生させるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】繊維強化タンク容器の準備工程を説明するための模式図。
【図２】第１実施例の熱硬化処理装置の構成を示す概略図。
【図３】第１実施例における繊維強化層表層の気泡除去工程を説明するための模式図。
【図４】第２実施例の熱硬化処理装置の構成を示す概略図。
【図５】第２実施例における繊維強化層表層の気泡除去工程を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００４４】
１０…タンク容器、繊維強化タンク容器
１１…シリンダ部
１３…ドーム部
２０…繊維
２０Ｌ…繊維強化層
２３…熱硬化性樹脂
２５…気泡
１１０…回転駆動部
１２０…リール
２００，２００Ａ…熱硬化処理装置
２１０…基台
２１５…隔壁
２２１，２２２…タンク取付部
２２５…回転駆動部
２３０…超音波気泡除去部
２３１…共振室
２３３…ノズル
２３５…超音波射出部
２４０…負圧式気泡除去部
２４１…ノズル
２４３…デフレクタ
ＣＸ…中心軸
Ｒ…矢印
ＷＳ…内部空間
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスを貯蔵するための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（ＦＷ法）による高圧ガスタンクの製造方法が知られている。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方法では、比較的軽量な樹脂製のタンク容器の外周にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付け、熱硬化性樹脂を熱硬化させることにより、タンク容器の強度を向上させる。
【０００３】
しかし、フィラメント・ワインディング法では、その熱硬化過程において、繊維間に入り込んでいた空気などが、次第に熱硬化性樹脂層の表層へと移動して、熱硬化性樹脂層に気泡が発生してしまうという問題があった。高圧ガスタンクにおいて、熱硬化性樹脂層に気泡が生じると、高圧ガスタンクの外表面に気泡による凹凸が生じることとなる。すると、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悪化してしまう。また、そのような外表面の凹凸は、高圧ガスタンクの意匠性の低下を引き起こす。さらに、高圧ガスタンクの外表面に表示ラベル等を貼付する場合には、表示ラベルの貼付性が低下するばかりでなく、貼付された表示ラベルの視認性も低下してしまう。これまで、フィラメント・ワインディング法の熱硬化過程における気泡の発生を抑制するために、種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２５４９７４号公報
【特許文献２】特開２００３−５３８５３号公報
【０００５】
しかし、上記技術によっても、熱硬化過程において、熱硬化性樹脂中の気泡の発生を十分に抑制されていなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクにおいて、熱硬化性樹脂に発生する気泡を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】
【０００７】
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。
【０００８】
［適用例１］
高圧ガスタンク製造装置であって、熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付けることにより外表面に繊維強化樹脂層が形成されたタンク容器の全体を加熱して、前記繊維強化樹脂層の熱硬化処理を実行するタンク容器熱硬化部と、前記熱硬化処理において、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する気泡除去部とを備える、高圧ガスタンク製造装置。
この高圧ガスタンク製造装置によれば、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化性樹脂の熱硬化処理に際して当該樹脂中に発生する気泡を、空気を利用して熱硬化性樹脂が硬化する前に容易に除去することができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の高圧ガスタンク製造装置であって、前記気泡除去部は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する超音波照射部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
この高圧ガスタンク製造装置によれば、熱硬化性樹脂中に生じる気泡を超音波によって容易に除去できる。
【００１０】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の高圧ガスタンク製造装置であって、前記気泡除去部は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する負圧発生部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
この高圧ガスタンク製造装置によれば、負圧発生部によって生じた負圧により、気泡を膨張させて破泡することができる。従って、容易に熱硬化性樹脂中に生じる気泡を除去できる。
【００１１】
［適用例４］
高圧ガスタンクの製造方法であって、
（ａ）熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に形成されたタンク容器を準備する工程と、
（ｂ）前記繊維強化樹脂層の全体を加熱して熱硬化させるとともに、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する工程と、を備える、製造方法。
この製造方法によれば、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化性樹脂層の熱硬化処理に際して当該樹脂中に発生する気泡を、熱硬化性樹脂が硬化する前に容易に除去することができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例４に記載の製造方法であって、前記工程（ｂ）は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【００１３】
［適用例６］
適用例４または適用例５に記載の製造方法であって、前記工程（ｂ）は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【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、高圧ガスタンクの製造装置および高圧ガスタンクの製造方法、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。また、本発明は、例えば、高圧ガスタンク、その高圧ガスタンクを備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
A．第１実施例：
図１（Ａ）〜（Ｃ）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一部を説明するための模式図である。図１（Ａ）は、タンク容器１０を示す模式図である。高圧ガスタンクの製造にあたり、まず第１工程として、このタンク容器１０を準備する。タンク容器１０は、略円柱状のシリンダ部１１と、その両端に設けられた略ドーム形状のドーム部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。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。
【００１６】
図１（Ｂ）は、タンク容器１０の外表面にカーボン繊維２０を巻き付ける工程を示す模式図である。この工程では、タンク容器１０を、回転駆動部１１０に取り付け、シリンダ部１１の中心軸ＣＸを中心として回転させる。さらに、カーボン繊維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１１及びドーム部１３の外表面にカーボン繊維２０を巻き付ける。なお、このカーボン繊維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。この熱硬化性樹脂は、後述する熱硬化処理によって熱硬化させることにより、カーボン繊維２０の接着剤として機能する。
【００１７】
図１（Ｃ）は、カーボン繊維２０が巻き付けられた後のタンク容器１０を示す模式図である。タンク容器１０は、カーボン繊維２０が外表面に巻き付けられることによって、その強度が向上する。以後、このカーボン繊維２０が巻き付けられたタンク容器１０を、「繊維強化タンク容器１０」と呼ぶ。なお、この繊維強化タンク容器１０では、例えば、約３ｍｍ程度のナイロン系樹脂の容器壁の厚みに対して、カーボン繊維２０による繊維強化層が約２０μｍ〜３０μｍ程度の厚みで形成されている。
【００１８】
図２（Ａ）は、繊維強化タンク容器１０の熱硬化性樹脂を熱硬化させるための熱硬化処理を実行する熱硬化処理装置２００を示す概略透視斜視図である。図２（Ａ）では、装置全体を覆う隔壁２１５が破線で図示されている。なお、図２（Ａ）には、互いに直交する三次元方向を示す矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。矢印ｚ方向は、重力方向上向きと一致しており、矢印ｙ方向は、繊維強化タンク容器１０の中心軸ＣＸの軸方向と一致する。
【００１９】
図２（Ｂ）は、熱硬化処理装置２００を、図２（Ａ）のｘ軸方向に沿った方向から見たときの概略側面図である。なお、図２（Ｂ）では、図２（Ａ）において破線で図示された隔壁２１５の図示は省略されている。また、図２（Ｂ）には、図２（Ａ）の矢印ｘ，ｙ，ｚと対応する矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。
【００２０】
熱硬化処理装置２００は、隔壁２１５によって囲まれた内部空間ＷＳに、基台２１０と、タンク取付部２２１，２２２と、回転駆動部２２５と、超音波気泡除去部２３０とを備えている。タンク取付部２２１，２２２と、回転駆動部２２５とはそれぞれ、基台２１０上に配置されている。タンク取付部２２１，２２２は、繊維強化タンク容器１０をその中心軸ＣＸを中心に回動可能なように、その両端から保持する。回転駆動部２２５は、タンク取付部２２１，２２２に保持された繊維強化タンク容器１０を、矢印Ｒ方向に、ほぼ一定の速度で回転させることができる。
【００２１】
熱硬化処理装置２００は、熱硬化処理として、タンク取付部２２１，２２２に取り付けられた繊維強化タンク容器１０を回転駆動部２２５によって回転させつつ、空間ＷＳ内を約１３０℃程度まで昇温して、繊維強化タンク容器１０を約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が熱硬化する。なお、一般に、熱硬化性樹脂は、熱硬化のための加熱が開始されると、一旦その粘度が低下し、ほぼ液状となるまでに軟化する。また、熱硬化性樹脂は、この軟化した状態から、さらに、加熱が継続されると、架橋反応が進行して硬化する。
【００２２】
また、熱硬化性樹脂は、硬化に伴って収縮する性質を有する。従って、熱硬化性樹脂の硬化が進行すると、繊維強化タンク容器１０には、熱硬化性樹脂の収縮により、そのタンク径が縮小する方向に力が働くこととなる。そこで、この熱硬化処理装置２００では、図示せざるタンク内圧力調整部によって、繊維強化タンク容器１０の内部の圧力を調整し、当該圧力と、熱硬化性樹脂の収縮によりタンク径を縮小させる方向に働く力とを均衡させて、熱硬化処理工程においてタンク径が縮小してしまうことを抑制する。
【００２３】
ところで、繊維強化タンク容器１０の繊維強化層には、カーボン繊維２０の巻き付け時に繊維間に入り込んだ空気や、もともとカーボン繊維２０内に入り込んでいた空気などが存在する。上述したように、繊維強化タンク容器１０の熱硬化処理工程において、熱硬化性樹脂の粘度が比較的低下した状態のときには、そうした繊維強化層に入り込んでいる空気が、熱硬化性樹脂中を移動しやすくなる。従って、熱硬化処理工程において、そうした空気が、熱硬化性樹脂中を繊維強化層の表層に向かって移動することにより、繊維強化層の外表面に気泡が発生してしまう場合がある。
【００２４】
繊維強化層の外表面に気泡が生じたまま熱硬化性樹脂が硬化してしまうと、繊維強化タンク容器１０の外表面に気泡による凹凸が生じる。繊維強化タンク容器１０がそうした凹凸を有すると、完成品である高圧ガスタンクの寸法誤差の原因となり、高圧ガスタンクの組み付け性が悪化する可能性がある。また、そのような外表面の凹凸は、高圧ガスタンクの意匠性の低下の原因にもなり、高圧ガスタンクの外表面に表示ラベル等を貼付する場合には、表示ラベルの貼付性の低下や、貼付された表示ラベルの視認性の低下の原因にもなる。
【００２５】
そこで、本実施例の熱硬化処理装置２００には、熱硬化処理過程において繊維強化タンク容器１０の外表面に発生する気泡を物理的に除去するための超音波気泡除去部２３０が設けられている。超音波気泡除去部２３０は、中空な共振室２３１と、ノズル２３３と、超音波射出部２３５とを備える。ノズル２３３は、その噴射口が、重力方向上側から共振室２３１内に挿入されており、共振室２３１内に向かって高圧空気（圧縮空気）を噴射可能である。ノズル２３３による高圧空気の噴射によって共振室２３１内の空気は振動し、共振室２３１の重力方向下側に設けられた超音波射出部２３５から超音波が射出される。なお、ノズル２３３と共振室２３１の底部との間の距離を調整することによって、超音波の振動数を変化させることが可能である。
【００２６】
超音波気泡除去部２３０は、タンク取付部２２１，２２２に取り付けられた繊維強化タンク容器１０の重力方向上側に、矢印ｙに沿った方向に移動可能なように取り付けられている。また、超音波気泡除去部２３０は、矢印ｚに沿った方向への移動も可能であり、繊維強化タンク容器１０との間の距離を調整可能である。この構成により、超音波気泡除去部２３０は、熱硬化処理過程において、回転駆動している繊維強化タンク容器１０の外表面に超音波を照射して気泡を破泡し、除去する。
【００２７】
図３は、熱硬化処理工程における超音波気泡除去部２３０による気泡の除去を説明するための模式図である。図３は、図２（Ｂ）に示す破線領域３を拡大して示す概略断面図である。図３には、繊維強化タンク容器１０の容器壁の一部断面と、当該容器壁に積層され、カーボン繊維２０と熱硬化性樹脂２３によって形成された繊維強化層２０Ｌの一部断面と、超音波の進行方向を示す矢印とが模式的に示されている。なお、熱硬化性樹脂２３は、硬化する前の比較的軟化した状態である。
【００２８】
図２で説明したように、軟化した熱硬化性樹脂２３中には、気泡２５が生じ、気泡２５は次第に繊維強化層２０Ｌの表層に向かって移動する。そこで、本実施例の熱硬化処理装置２００では、超音波気泡除去部２３０によって、超音波射出部２３５に対向する繊維強化層２０Ｌに超音波を照射して気泡２５を破泡する。このように、超音波気泡除去部２３０は、熱硬化性樹脂２３に直接的に接触することなく気泡２５を除去できる。従って、気泡の除去工程において、熱硬化性樹脂２３に接触して繊維強化タンク容器１０の外表面を損傷させてしまうことを回避できる。
【００２９】
なお、気泡２５を破泡させるためには、１５０ｄＢ以上の超音波を照射することが好ましいことを、本発明の発明者が実験的に確認した。また、超音波気泡除去部２３０によって超音波を照射するのは、熱硬化処理工程において、熱硬化性樹脂の粘度が比較的低くなる熱硬化処理初期の時間帯が好ましい。熱硬化性樹脂の粘度が低いほど、気泡を破泡させやすいためである。
【００３０】
熱硬化処理が終了した後、繊維強化タンク容器１０は、熱硬化処理装置２００から取り外され、この繊維強化タンク容器１０を用いて高圧ガスタンクが製造される。このように、本実施例の構成によれば、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化処理において、熱硬化性樹脂に直接的に接触することを回避しつつ、熱硬化性樹脂層に発生する気泡を、超音波により除去することができる。
【００３１】
B．第２実施例：
図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例としての熱硬化処理装置２００Ａの構成を示す概略図である。図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ、超音波気泡除去部２３０に換えて、負圧式気泡除去部２４０が設けられている点以外は、図２（Ａ），（Ｂ）とほぼ同じである。なお、繊維強化タンク容器１０は、第１実施例と同様に準備され（図１）、熱硬化処理装置２００Ａに取り付けられる。
【００３２】
負圧式気泡除去部２４０は、ノズル２４１と、ノズル２４１の噴射口先端に取り付けられたデフレクタ２４３とを備える。ノズル２４１は、重力方向に向かって高圧空気を噴射する。デフレクタ２４３は、ノズル２４１から噴射された高圧空気を遮り、その流れを重力方向から重力方向に交わる横方向へと変化させることができる。負圧式気泡除去部２４０は、繊維強化タンク容器１０の重力方向上側において、矢印ｙに沿った方向に移動可能なように取り付けられている。また、負圧式気泡除去部２４０は、矢印ｚに沿った方向への移動も可能であり、デフレクタ２４３と繊維強化タンク容器１０との間の距離を調整可能である。
【００３３】
図５は、負圧式気泡除去部２４０による気泡の除去を説明するための模式図である。図５は、負圧式気泡除去部２４０の一部が追加されている点と、超音波を示す矢印に換えて、空気の流れを示す矢印が図示されている点以外は、図３とほぼ同じである。負圧式気泡除去部２４０は、熱硬化処理中に、ノズル２４１から繊維強化タンク容器１０に向かって高圧空気を噴射する。ノズル２４１から噴射された高圧空気は、デフレクタ２４３によって横方向への空気ジェット流となり、デフレクタ２４３の下側に負圧を発生させる。この繊維強化層２０Ｌとデフレクタ２４３との間に発生した負圧により、熱硬化性樹脂２３中の気泡２５が、膨張し、破泡する。
【００３４】
このように、この負圧式気泡除去部２４０によれば、デフレクタ２４３に対向する繊維強化タンク容器１０の外表面の一部領域を、他の領域より負圧にすることにより、当該一部領域の熱硬化性樹脂２３中に発生している気泡２５を破泡することができる。なお、負圧式気泡除去部２４０は、繊維強化タンク容器１０の回転軸ＣＸに沿った方向への往復動と、繊維強化タンク容器１０の回転駆動部２２５による回転運動とによって、熱硬化処理中に、繊維強化タンク容器１０の外表面全体の気泡除去が可能である。
【００３５】
ところで、熱硬化性樹脂２３が硬化を開始する前に、この負圧式気泡除去部２４０によって気泡除去処理を実行すれば、発生させた負圧により、繊維強化層２０Ｌの内部に存在する空気を外部に向かって誘導できる。即ち、気泡２５を破泡させることが比較的容易な、熱硬化性樹脂２３が比較的軟化している時間帯において、気泡２５の発生を促進させるとともに、気泡２５を除去することができる。従って、より効果的に気泡２５を除去することができる。
【００３６】
このように、第２実施例の熱硬化処理装置２００Ａによれば、熱硬化処理工程において、繊維強化タンク容器１０の外周において負圧領域を発生させて、気泡を除去する。従って、フィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの熱硬化処理において、熱硬化性樹脂に直接的に接触することを回避しつつ、熱硬化性樹脂層に発生する気泡を、容易に除去することができる。
【００３７】
C．変形例：
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り、例えば次のような変形も可能である。
【００３８】
C1．変形例１：
上記実施例において、超音波気泡除去部２３０や、負圧式気泡除去部２４０は、繊維強化タンク容器１０の表層に生じる気泡を、空気を利用することによって除去していた。しかし、気泡除去部は、空気を利用した他の手段によって、気泡を除去するものとしても良い。例えば、気泡２５に向かって高圧空気を噴射することによって、気泡２５を破泡するものとしても良い。このように、空気を媒体として気泡に外力を付加することによって、気泡を除去するものとしても良い。
【００３９】
C2．変形例２：
上記実施例において、カーボン繊維２０には、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が含浸されていたが、カーボン繊維２０には、他の熱硬化性樹脂が含浸されるものとしても良い。例えば、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂や、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが用いられるものとしても良い。
【００４０】
また、上記実施例では、カーボン繊維２０に予め熱硬化性樹脂が含浸されていたが、熱硬化性樹脂は、予め含浸されていなくとも良い。例えば、熱硬化性樹脂は、タンク容器１０へのカーボン繊維２０の巻き付け工程において、カーボン繊維２０に含浸されるものとしても良い。
【００４１】
C3．変形例３：
上記第１実施例では、熱硬化処理装置２００の超音波気泡除去部２３０は、ノズル２３３の圧縮空気噴射によって超音波を発生させていた。しかし、超音波気泡除去部２３０は、他の方法により超音波を発生させるものとしても良い。例えば、フェライトを利用した磁歪素子や、圧電素子などを用いた振動子によって超音波を発生させるものとしても良い。
【００４２】
C4．変形例４：
上記第２実施例においては、負圧式気泡除去部２４０は、空気ジェットの流れによって繊維強化タンク容器１０の外周に負圧を発生させていた。しかし、負圧式気泡除去部２４０は、他の方法によって負圧を発生させるものとしても良い。例えば、空気を吸引するバキューム装置によって、繊維強化タンク容器１０の外表面の一部領域に負圧を発生させるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】繊維強化タンク容器の準備工程を説明するための模式図。
【図２】第１実施例の熱硬化処理装置の構成を示す概略図。
【図３】第１実施例における繊維強化層表層の気泡除去工程を説明するための模式図。
【図４】第２実施例の熱硬化処理装置の構成を示す概略図。
【図５】第２実施例における繊維強化層表層の気泡除去工程を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００４４】
１０…タンク容器、繊維強化タンク容器
１１…シリンダ部
１３…ドーム部
２０…繊維
２０Ｌ…繊維強化層
２３…熱硬化性樹脂
２５…気泡
１１０…回転駆動部
１２０…リール
２００，２００Ａ…熱硬化処理装置
２１０…基台
２１５…隔壁
２２１，２２２…タンク取付部
２２５…回転駆動部
２３０…超音波気泡除去部
２３１…共振室
２３３…ノズル
２３５…超音波射出部
２４０…負圧式気泡除去部
２４１…ノズル
２４３…デフレクタ
ＣＸ…中心軸
Ｒ…矢印
ＷＳ…内部空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスタンク製造装置であって、
熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付けることにより外表面に繊維強化樹脂層が形成されたタンク容器の全体を加熱して、前記繊維強化樹脂層の熱硬化処理を実行するタンク容器熱硬化部と、
前記熱硬化処理において、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する気泡除去部と、
を備える、高圧ガスタンク製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の高圧ガスタンク製造装置であって、
前記気泡除去部は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する超音波照射部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高圧ガスタンク製造装置であって、
前記気泡除去部は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する負圧発生部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
【請求項４】
高圧ガスタンクの製造方法であって、
（ａ）熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に形成されたタンク容器を準備する工程と、
（ｂ）前記繊維強化樹脂層の全体を加熱して熱硬化させるとともに、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する工程と、
を備える、製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【請求項１】
高圧ガスタンク製造装置であって、
熱硬化性樹脂を含浸させた繊維を巻き付けることにより外表面に繊維強化樹脂層が形成されたタンク容器の全体を加熱して、前記繊維強化樹脂層の熱硬化処理を実行するタンク容器熱硬化部と、
前記熱硬化処理において、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する気泡除去部と、
を備える、高圧ガスタンク製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の高圧ガスタンク製造装置であって、
前記気泡除去部は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する超音波照射部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高圧ガスタンク製造装置であって、
前記気泡除去部は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する負圧発生部を備える、高圧ガスタンク製造装置。
【請求項４】
高圧ガスタンクの製造方法であって、
（ａ）熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂層が外表面に形成されたタンク容器を準備する工程と、
（ｂ）前記繊維強化樹脂層の全体を加熱して熱硬化させるとともに、空気を利用して、前記タンク容器の表層に生じる気泡を除去する工程と、
を備える、製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記気泡に超音波を照射することによって前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の製造方法であって、
前記工程（ｂ）は、前記タンク容器の周囲に負圧を発生させて前記気泡を除去する工程を含む、製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１２５８２５（Ｐ２０１０−１２５８２５Ａ）
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３０６３４３（Ｐ２００８−３０６３４３）
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１日（２００８．１２．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]