フィラメントワインディングシステム、圧力容器の製造システム、圧力容器の製造方法

【課題】安定した繊維幅を有するプリプレグ繊維を連続して送り出す。
【解決手段】複数のプリプレグ繊維を並行するように搬送させ（Ｓ１００）、次いで、送り出されたプリプレグ繊維の繊維幅を検知し（Ｓ１０２）、該繊維幅が予め定められた範囲内にあるか否かを判定し（Ｓ１０４）、必要であれば繊維幅を拡幅または収束するように調整し（Ｓ１０６）、ライナに向けて送り出す。圧力容器を作製する場合には、所定の繊維幅に調整されたプリプレグ繊維を、ライナに巻き付け（Ｓ１０８）、その後、樹脂を硬化させる（Ｓ１１０）。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントワインディングシステム、圧力容器の製造システム、圧力容器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素や窒素など、常温常圧状態における容積の大きな気体を高密度、小容量にて貯蔵するための容器として、所定の圧力により圧縮させて液体または気体として貯蔵する、圧力容器が使用されている。従来、耐圧性を有する鋼鉄製その他の金属製圧力容器が使用されてきたが、近年、天然ガスや水素ガスなどを貯蔵した圧力容器を車両などの移動体に搭載し、燃料として使用する技術に適用するため、圧力容器に対して要求される性能として、高密度化可能な耐圧性、耐久性はもちろんのこと、容器の軽量化も重要な課題となっていた。
【０００３】
一方、例えば炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などの繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を用いた圧力容器が知られている。ＦＲＰ製の圧力容器は一般に、金属製圧力容器よりも軽量であるため、車両などの移動体への搭載には有利であり、また、水素用圧力容器として使用する場合における、従来の鋼鉄製容器の課題であった水素脆化その他の懸念も少ないため、特に注目されている。
【０００４】
図６は、一般的なＦＲＰ製圧力容器の構成の概略を説明するための図である。図５に示す圧力容器２００は例えば、６−ナイロン（ナイロン６とも称する）、６，６−ナイロン（ナイロン６６とも称する）などのナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂などの熱可塑性樹脂で形成された中空形状のライナ１３０と、ライナ１３０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）１３２とを備え、構成されている。圧力容器２００にはまた、少なくとも一つの口金１３８を有する。口金１３８には、図示しないバルブが接続可能に構成されており、このバルブ操作により圧力容器２００の内外への高圧流体の流通を調節することができる。
【０００５】
図７は、図６に示すＡ−Ａ'断面の構成の概略を示す拡大図である。繊維強化樹脂層１３２は一般に、長く連続した糸状の繊維束（フィラメント）に熱硬化性樹脂などの樹脂液を含浸させ、必要に応じて乾燥させたいわゆるプリプレグ繊維をライナの外周表面に巻きつけて、その後該樹脂液を硬化させることにより形成される。これにより、繊維強化樹脂層１３２は、図７に示すように、ライナ１３０の外周表面に複数回および／または複数本巻きつけられた繊維束１３４の間に形成されたわずかな隙間を樹脂１３６が埋めるような構成を有することとなる。このとき、ライナ１３０の材質および／または厚みの他、例えば、繊維束１３４の太さや巻き数を調整し、繊維強化樹脂層１３２の厚みを調整することにより、圧力容器２００の設計圧力を制御することができる。
【０００６】
特許文献１には、粉末状の熱可塑性樹脂を複数の強化繊維からなる束に十分に付着させるために、該強化繊維の束の集束と開繊を交互に行いながら該熱可塑性樹脂の床中に連続的に導入させることについて記載されている。
【０００７】
特許文献２には、繊維に樹脂を含浸させる樹脂含浸装置が、樹脂の含浸量を調整する際に除かれた樹脂量に基づいて、樹脂の含浸不足を検知することについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭６３−０２７２０８号公報
【特許文献２】特開２００７−２１０１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、樹脂液を含浸させたフィラメントをライナの外周表面に巻きつける、いわゆるフィラメントワインディング（ＦＷ）工程において、ライナとの密着性を高め、また、均一に巻きつけることにより圧力容器の性能を向上させる等のために、所定の圧力を加えるなどにより拡幅させたプリプレグ繊維を適用することが知られている。しかしながら、フィラメントまたはプリプレグ繊維の状態や、温度や湿度などの環境条件などの外的要因によっては、プリプレグ繊維に所定の圧力を加えるだけでは安定した繊維幅が確保されない場合があり得た。そして、ライナへの巻き付け時にプリプレグ繊維間に隙間が生じることにより、作製された圧力容器における安定した品質の確保が懸念される場合があり得た。
【００１０】
本発明は、圧力容器の作製に際し、安定した繊維幅を有するプリプレグ繊維を連続して送り出すことを目的とする。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、安定した品質が確保された圧力容器を作製することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１３】
（１）ライナの外周表面に、樹脂液を含浸させた繊維束を巻きつけるフィラメントワインディングシステムであって、複数の樹脂含浸繊維束を並行させて搬送する搬送手段と、前記搬送手段から搬送された、並行する複数の樹脂含浸繊維束が形成する繊維幅を調整して送り出す送出繊維幅調整手段と、前記送出繊維幅調整手段から送り出された繊維幅を検知するセンサと、を備え、前記センサが検知した樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて、前記送出繊維幅調整手段から送り出される送出繊維幅を調整する、フィラメントワインディングシステム。
【００１４】
（２）上記（１）に記載のフィラメントワインディングシステムにおいて、前記送出繊維幅調整手段が、可動式のローラ軸が挿通された送出繊維幅調整ローラを含み、前記センサが検知した樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて前記ローラ軸を可動させて、前記樹脂含浸繊維束を構成する樹脂含浸繊維の送出角度を調整することで送出繊維幅を調整する、フィラメントワインディングシステム。
【００１５】
（３）上記（２）に記載のフィラメントワインディングシステムにおいて、前記可動式のローラ軸が、外側部分に固定端を、内側部分に可動端をそれぞれ有する一対の可動ローラ軸を含み、前記固定端を軸として前記可動ローラ軸を揺動させて、前記樹脂含浸繊維の送出角度を調整する、フィラメントワインディングシステム。
【００１６】
（４）中空形状のライナの外周表面に、ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器の製造システムであって、樹脂液を含浸させた複数の繊維束を並行させて搬送する搬送手段と、並行する複数の樹脂含浸繊維束が形成する繊維幅を検知するセンサと、前記センサが検知した樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて、送り出す繊維幅を調整する送出繊維幅調整手段と、を含む、圧力容器の製造システム。
【００１７】
（５）中空形状のライナの外周表面に、ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器の製造方法であって、複数の樹脂含浸繊維束を並行させて搬送する搬送工程と、並行する複数の樹脂含浸繊維束が形成する繊維幅を検知する検知工程と、検知した繊維幅に応じて、送り出す繊維幅を調整する送出繊維幅調整工程と、を含む、圧力容器の製造方法。
【００１８】
（６）上記（５）に記載の圧力容器の製造方法において、繊維幅を調整した樹脂含浸繊維束を前記ライナに巻きつけるフィラメントワインディング工程と、繊維束に含浸させた樹脂液を硬化させて繊維強化樹脂層を形成する硬化工程と、をさらに含む、圧力容器の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
圧力容器の作製に際し、安定した繊維幅を有するプリプレグ繊維を連続して送り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態における圧力容器の製造システムの一例について、その構成の概略を説明するための図である。
【図２】図１に示す送出繊維幅調整部１８の一例を示す要部拡大図である。
【図３】図２に示す送出繊維幅調整ローラ２６の要部の構成の概略を説明するための上面図である。
【図４Ａ】図３に示す送出繊維幅調整ローラ２６の通常制御による、プリプレグ繊維の送り出し状態の一例を示す上面図である。
【図４Ｂ】図３に示す送出繊維幅調整ローラ２６の繊維幅拡張制御による、プリプレグ繊維の送り出し状態の一例を示す上面図である。
【図４Ｃ】図３に示す送出繊維幅調整ローラ２６の繊維幅収束制御による、プリプレグ繊維の送り出し状態の一例を示す上面図である。
【図５】本発明の実施の形態における圧力容器の製造方法について示したフローチャートである。
【図６】圧力容器の構成の概略を示す図である。
【図７】図６に示すＡ−Ａ'断面の構成の概略を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態におけるフィラメントワインディングシステム１００の構成の概略を説明するための図である。図１に示すフィラメントワインディングシステム１００は、巻出しボビン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄからそれぞれ巻き出される樹脂含浸繊維束（プリプレグ繊維）１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを並行するように搬送させる搬送部１４と、挿通する樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに適切な圧力を加えて挟み込み、拡幅させる拡幅ローラ１６，１７と、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの搬送繊維幅に応じて、送り出す繊維幅を調整する送出繊維幅調整部１８と、を含み、構成されている。搬送部１４には、テンションローラ２０やアクティブダンサー２２、図示しないアキュームレータなどの張力緩和装置その他の搬送補助機構が含まれ得て、必要に応じて各装置または機構を適切な箇所に配設することができる。
【００２３】
図２は、図１に示す送出繊維幅調整部１８の一例を示す要部拡大図である。図２に示す送出繊維幅調整部１８は、図１に示す搬送部１４から搬送された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが形成する繊維幅を調整して矢印方向に送り出す送出繊維幅調整ローラ２６と、送出繊維幅調整ローラ２６から送り出された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが形成する繊維幅を検知するセンサ２４，２５と、を備える。送出繊維幅調整ローラ２６は、センサ２４，２５で検知された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの送出繊維幅に応じて、ここでは図示しないライナ（図６，７参照）側へ送り出す樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの繊維幅（送出繊維幅）を調整することができる。
【００２４】
実施の形態において、送出繊維幅調整ローラ２６は、適切な送出繊維幅に調整された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを、ライナ（図６，７参照）の適切な箇所に巻きつけるために、拡幅させた樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの送り出し方向を調整するための、フレーム２８，３０を含む送出方向制御部材３２に保持されている。送出方向制御部材３２は、ライナとの相対的な位置を異ならせることにより、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを該ライナ表面の適切な箇所に連続的に送出させるための部材であり、「アイ口」（アイクチ）と称される場合もある。
【００２５】
センサ２４，２５を送出繊維幅調整部１８の下流側、つまりライナにより近い箇所に配置させることにより、ライナに送り出される繊維幅の調整精度をより向上させることができる。このため、送出方向制御部材３２による、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの送出精度がより高まり、ライナに対し、巻き付けムラの少ない、緊密なフィラメントワインディングを行うことができる。
【００２６】
図３に示すように、送出繊維幅調整ローラ２６には、一対の可動ローラ軸３４，３６が挿通されている。可動ローラ軸３４，３６はそれぞれ、軸受４２，４４で軸支されており、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが搬送されることにより送出繊維幅調整ローラ２６が回転するように構成されている。一方、可動ローラ軸３４，３６はまた、外側部分に固定部３８，４０を有しており、固定部３８，４０を軸として所定の角度だけ揺動可能に構成されている。
【００２７】
送出繊維幅調整ローラ２６は、可動ローラ軸３４，３６を覆うように配置されている。可動ローラ軸３４，３６の揺動に伴い、その外観形状（外形）を異ならせるように変形させることができるよう、送出繊維幅調整ローラ２６は所望の柔軟性と剛性とを兼備する弾性材料で構成することができる。実施の形態において、送出繊維幅調整ローラ２６を構成する弾性材料として、例えば、ウレタンゴムなどのゴム材料を適用することができるが、これに限定されるものではなく、可動ローラ軸３４，３６の揺動に伴い変形する程度の柔軟性と、搬送される樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを適切に保持し、所望の送り出し角度で送り出すことができる程度の剛性とを兼ね備えるものであれば送出繊維幅調整ローラ２６の材質およびその形状に制限はない。
【００２８】
センサ２４，２５により検知された繊維幅に基づき、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを拡幅／収束の必要なしと判断された場合には、可動ローラ軸３４，３６はほぼ平行な一直線状に配置されたままであり、送出繊維幅調整ローラ２６は変形していない（図４Ａ参照）。このとき、送出繊維幅調整ローラ２６に搬送された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、そのままの繊維幅でライナ側に送り出される。
【００２９】
これに対し、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを拡幅の必要ありと判断された場合には、可動ローラ軸３４，３６の内側部分をライナ側にそれぞれ移動させる揺動制御（拡幅制御）が行われ、これに伴い送出繊維幅調整ローラ２６も変形する（図４Ｂ参照）。送出繊維幅調整ローラ２６の変形に伴い、送出繊維幅調整ローラ２６に搬送された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、その送出角度が変化し、拡幅されてライナ側に送り出される。一方、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを収束の必要ありと判断された場合には、可動ローラ軸３４，３６の内側部分を上流側、つまり図１に示す搬送部１４側にそれぞれ移動させる揺動制御（収束制御）が行われ、これに伴い送出繊維幅調整ローラ２６も変形する（図４Ｃ参照）。送出繊維幅調整ローラ２６の変形に伴い、送出繊維幅調整ローラ２６に搬送された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、その送出角度が変化し、収束されてライナ側に送り出される。
【００３０】
図１〜５を参照して、本発明の実施の形態における圧力容器の製造方法の概略について説明する。まず、繊維束に樹脂液を含浸させてなる樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ（プリプレグ繊維）を、搬送部１４により並行するように搬送させる（Ｓ１００）。次いで、センサ２４，２５により、送り出された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの繊維幅を検知する（Ｓ１０２）。検知された繊維幅が予め定められた範囲内にあるか否かを判定し（Ｓ１０４）、必要であれば送出繊維幅調整ローラ２６を制御して繊維幅を拡幅または収束するように調整する（Ｓ１０６）。所定の繊維幅に調整された樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを、送出方向制御部材３２から送り出し、ライナに巻き付け（Ｓ１０８）、その後、樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに含まれる樹脂を硬化させて（Ｓ１１０）、圧力容器が作製される。
【００３１】
本発明の実施の形態において、図１に示す樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ（プリプレグ繊維）の材料である繊維束を構成する繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、ケブラ繊維などを用いることが可能であり、特に比強度、比剛性の観点から炭素繊維が好適に用いられる。より具体的には、Ｔ８００繊維（東レ社製）、テナックスＩＭ６００（商品名）（東邦テナックス社製）などを挙げることができるが、これらに限定されない。また、繊維束の機械的強度として、引張り強度が１００〜３００ＧＰａ程度のものが好ましいが、これに限定されない。
【００３２】
また、繊維束の幅（繊維束幅）は、使用する材料の強度に応じて適宜選択することが可能である。具体的には、２〜５ｍｍ程度のものが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３３】
一方、繊維束に含浸される樹脂液として、例えば液状の熱硬化性樹脂を用いることができ、要求される性能に応じて適宜選択することが可能である。かかる熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などを使用することができるが、これに限定されない。また、繊維束に樹脂液を含浸させてプリグレグ繊維を作製する方法として、例えば浸漬法、スプレー法のほか、公知のあらゆる手法を適用することができるが、より好適には浸漬法である。
【００３４】
さらに、送出繊維幅調整ローラ２６を用いて調整されたプリプレグ繊維の繊維幅は、隣り合うプリプレグ繊維間に隙間が生じたり、過度に重なり合ったりといった巻き付けムラが生じないよう、使用される繊維束の太さや束数に応じて適宜設定することができる。なお、図１に示す実施の形態において、４束の樹脂含浸繊維束１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを並行して搬送させる構成として例示しているが、複数のプリプレグ繊維を並行して搬送させる構成であればこれに限定されるものではなく、例えば２束や５束以上であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、プリプレグ繊維を巻き付けて作製されるＦＲＰ製の圧力容器に利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ樹脂含浸繊維束、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄボビン、１４搬送部、１６，１７拡幅ローラ、１８送出繊維幅調整部、２０テンションローラ、２２アクティブダンサー、２４，２５センサ、２６送出繊維幅調整ローラ、２８，３０フレーム、３２送出方向制御部材、３４，３６可動ローラ軸、３８，４０固定部、４２，４４軸受、１００フィラメントワインディングシステム、１３０ライナ、１３２繊維強化樹脂層、１３４繊維束、１３６樹脂、１３８口金、２００圧力容器。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライナの外周表面に、樹脂液を含浸させた繊維束を巻きつけるフィラメントワインディングシステムであって、
複数の樹脂含浸繊維束を並行させて搬送する搬送手段と、
前記搬送手段から搬送された、並行する複数の樹脂含浸繊維束が形成する繊維幅を調整して送り出す送出繊維幅調整手段と、
前記送出繊維幅調整手段から送り出された繊維幅を検知するセンサと、
を備え、
前記センサが検知した樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて、前記送出繊維幅調整手段から送り出される送出繊維幅を調整することを特徴とするフィラメントワインディングシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のフィラメントワインディングシステムにおいて、
前記送出繊維幅調整手段が、可動式のローラ軸が挿通された送出繊維幅調整ローラを含み、
前記センサが検知した樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて前記ローラ軸を可動させて、前記樹脂含浸繊維束を構成する樹脂含浸繊維の送出角度を調整することで送出繊維幅を調整することを特徴とするフィラメントワインディングシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のフィラメントワインディングシステムにおいて、
前記可動式のローラ軸が、外側部分に固定端を、内側部分に可動端をそれぞれ有する一対の可動ローラ軸を含み、
前記固定端を軸として前記可動ローラ軸を揺動させて、前記樹脂含浸繊維の送出角度を調整することを特徴とするフィラメントワインディングシステム。
【請求項４】
中空形状のライナの外周表面に、ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器の製造システムであって、
樹脂液を含浸させた複数の繊維束を並行させて搬送する搬送手段と、
前記搬送手段から搬送された、並行する複数の樹脂含浸繊維束が形成する繊維幅を調整して送り出す送出繊維幅調整手段と、
前記送出繊維幅調整手段から送り出された繊維幅を検知するセンサと、
を備え、
前記センサが検知した樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて、前記送出繊維幅調整手段から送り出される送出繊維幅を調整することを特徴とする圧力容器の製造システム。
【請求項５】
中空形状のライナの外周表面に、ライナを被覆する繊維強化樹脂層を備える圧力容器の製造方法であって、
複数の樹脂含浸繊維束を並行させて搬送する搬送工程と、
搬送された、並行する複数の樹脂含浸繊維束が形成する繊維幅を調整して送り出す送出繊維幅調整工程と、
送り出された繊維幅を検知する検知工程と、
を含み、
前記送出繊維幅調整工程が、検知された樹脂含浸繊維束の繊維幅に応じて、ライナ側に送り出される送出繊維幅を調整する工程であることを特徴とする圧力容器の製造方法。
【請求項６】
請求項５に記載の圧力容器の製造方法において、
調整された送出繊維幅を有する樹脂含浸繊維束を前記ライナに巻きつけるフィラメントワインディング工程と、
樹脂を硬化させて繊維強化樹脂層を形成する硬化工程と、
をさらに含むことを特徴とする圧力容器の製造方法。

【図１】