耐圧容器製造方法及び繊維束巻付装置
【課題】 円筒の両端にドーム部が連設されたライナに繊維束を巻き付けることにより、強化した耐圧容器を製造する耐圧容器製造方法において、繊維束の巻き付け時にライナに作用する荷重を大幅に低減することによりライナの破損を防止する。また、この耐圧容器製造方法の実施に使用される繊維束巻付装置を提供する。
【解決手段】 ライナ１０に繊維束２０を巻き付ける際に、ライナ１０の周囲を回転する第１可動レール３に第１ボビン群を配置し、第１可動レール３に隣接してライナ１０の周囲を回転する第２可動レール４に第２ボビン群を配置し、ライナ１０を軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群と第２ボビン群とをライナ１０の周囲で相互に反対方向に周回させる。
【解決手段】 ライナ１０に繊維束２０を巻き付ける際に、ライナ１０の周囲を回転する第１可動レール３に第１ボビン群を配置し、第１可動レール３に隣接してライナ１０の周囲を回転する第２可動レール４に第２ボビン群を配置し、ライナ１０を軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群と第２ボビン群とをライナ１０の周囲で相互に反対方向に周回させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐圧容器製造方法及び繊維束巻付装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）やＣＨＧ（Compressed Hydrogen Gas）等の加圧ガスや低温ガスを貯蔵・輸送したりするための耐圧容器が実用化されている。従来は、高強度でガスバリア性に優れる金属製の耐圧容器が主流であったが、金属製の耐圧容器は重量が大きいため、軽量化が求められる自動車や宇宙航行体の燃料タンクに適用することが困難であった。このため、現在においては、アルミニウムやプラスチックで調製された中空円筒状のライナの外周にＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層が形成されてなる比較的軽量の耐圧容器が提案されている。
【０００３】
中空円筒状のライナの外周にＦＲＰ層を形成する方法としては、ＦＷ（Filament Winding）法がある。ＦＷ法は、１本の繊維束に予め樹脂を含浸させ、この繊維束をライナに巻き付けて繊維層を形成する方法であり、この繊維層に樹脂を含浸させ硬化させることによりＦＲＰ層が形成される。ＦＷ法を採用すると、比較的軽量でかつ高い強度を有する耐圧容器を得ることが可能となるが、１本の連続した繊維束をライナに巻き付ける作業に長時間を要してしまうという問題がある。例えば、約２０ＭＰａのＣＮＧが充填されるＣＮＧタンクを製造する場合には、繊維束の巻き付けに約４時間程度を要する。また、約７０ＭＰａのＣＨＧが充填される燃料電池車用ＣＨＧタンクを製造する場合には、ＣＨＧの圧力に抗するために繊維束の巻き付け量をさらに増大させる必要があり、多大な製造時間を要することとなっていた。
【０００４】
このような問題を解決するために、近年においては、ブレイダを用いて複数の繊維束を織り込んでライナの外周に織物状の繊維層を形成する方法（ブレイディング法）が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。ブレイディング法を採用すると、ＦＷ法を採用した場合と比較して、耐圧容器の製造時間を短縮することができるが、ブレイディング法は本来組紐を作成する技術であり、繊維束を織り込むものであるため、本来の繊維束の強度が充分に活用できないという問題があった。
【０００５】
このため、近年においては、ブレイディング法のように繊維束を織り込むことなく、ＦＷ法を基にして、複数本の繊維束をライナの外周に巻き付けて繊維層を成形する方法（以下「改良ＦＷ法」という）が提案されている。改良ＦＷ法においては、複数本の繊維束をライナに巻き付けるため、１本の繊維束をライナに巻き付ける従来のＦＷ法と比較すると耐圧容器の製造時間を格段に短縮することができるという利点がある。
【特許文献１】特開平１１−２４００７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２６２９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来のＦＷ法や改良ＦＷ法においては、ライナに巻き付けられた繊維束に緩みが発生しないように、繊維束にきわめて高い張力を加えながら巻き付けを行っている。従って、複数本の繊維束をライナに巻き付ける改良ＦＷ法を採用すると、繊維束の本数倍の荷重がライナに作用することとなる。このため、ライナの強度が比較的低い場合（ライナがプラスチックで調製されている場合や、軽量化を目的としてライナの肉厚を極薄にしている場合）には、複数の繊維束に加えられた高い張力によってライナの円筒部やドーム部が破損したり、ライナのドーム部と口金との接合部が破損したりする場合があった。
【０００７】
本発明の課題は、ライナに複数本の繊維束を巻き付け、この繊維束に含浸させた樹脂を硬化させて耐圧容器を製造する耐圧容器製造方法において、繊維束の巻き付け時にライナに作用する荷重を大幅に低減することにより、ライナの破損を防止することである。
【０００８】
また、本発明の課題は、前記した耐圧容器製造方法を実施する際に使用される繊維束巻付装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、円筒部とこの円筒部の両端に連設されたドーム部とこのドーム部の頂部に凸状に設けられた口金とを有するライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成し、この繊維層に含浸させた樹脂を硬化させて外殻を形成することにより耐圧容器を製造する方法であって、複数のボビンを有してなる第１ボビン群を前記ライナの周囲に周回自在に配置する第１ボビン群配置工程と、複数のボビンを有してなる第２ボビン群を前記第１ボビン群に隣接させて前記ライナの周囲に周回自在に配置する第２ボビン群配置工程と、前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成する第１繊維層形成工程と、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成する第２繊維層形成工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、第１ボビン群をライナのライナの周囲に周回自在に配置するとともに、第２ボビン群を第１ボビン群に隣接させてライナの周囲に周回自在に配置する。次いで、ライナを軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群をライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成する。続いて、第２ボビン群をライナの周囲で第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成する。
【００１１】
すなわち、第１ボビン群及び第２ボビン群から供給される繊維束をライナの外周に巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、を逆転させる。従って、第１ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力によって打ち消すことができるので、ライナに作用する荷重を大幅に低減することができる。この結果、ライナの円筒部及びドーム部の破損や、ライナのドーム部と口金との接合部の破損を防止することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の耐圧容器製造方法において、強化繊維及び繊維状熱可塑性樹脂によって前記繊維束を構成し、前記第１繊維層形成工程及び前記第２繊維層形成工程で、前記ライナの外周に前記繊維束を巻き付けた直後に、前記繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて前記強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で、ライナの外周に繊維束を巻き付けた直後に、繊維束を構成する繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させることにより、繊維束を構成する強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させる。従って、巻き付け時における張力を維持した状態で繊維束をライナに固定することができるので、巻き付け後の繊維束の緩みを未然に防止することができる。この結果、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の耐圧容器製造方法において、前記第１繊維層形成工程で、前記第１繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第１繊維層の形成を続行することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法において、前記第２繊維層形成工程で、前記第２繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第２繊維層の形成を続行することを特徴とする。
【００１６】
請求項３又は４に記載の発明によれば、第１・第２繊維層形成工程で、第１・第２繊維層の形成位置がライナの口金の根元部に到達した時点でライナの移動を停止させる。そして、第１・第２ボビン群をライナの周囲で略半周周回させることにより、第１・第２ボビン群を構成する各ボビンを周回前の位置に対して口金を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら第１・第２繊維層の形成を続行する。従って、ライナの移動方向を逆転させる際に繊維束を切断したり、繊維束を大きく屈曲させて折り返したりする必要がないので、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法において、前記ライナの前記ドーム部の外周に繊維束を巻き付ける際に、前記第１ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、前記第２ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、を異ならせることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、ライナのドーム部の外周に繊維束を巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、を異ならせるので、繊維束同士の干渉を防ぐことができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、耐圧容器用のライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維束巻付装置であって、前記ライナを軸方向に往復移動させるライナ移動手段と、前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第１ボビン群と、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させる第１周回手段と、前記第１ボビン群に隣接して前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第２ボビン群と、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させる第２周回手段と、前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成し、かつ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成するように前記ライナ移動手段、前記第１周回手段及び前記第２周回手段を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、制御装置がライナ移動手段及び第１周回手段を制御することにより、ライナを軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群をライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成することができる。また、制御装置がライナ移動手段及び第２周回手段を制御することにより、第２ボビン群をライナの周囲で第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成することができる。
【００２１】
すなわち、第１ボビン群及び第２ボビン群から供給される繊維束をライナの外周に巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、を逆転させることができる。従って、第１ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力によって打ち消すことができるので、ライナに作用する荷重を大幅に低減することができる。この結果、ライナの円筒部及びドーム部の破損や、ライナのドーム部と口金との接合部の破損を防止しながら、耐圧容器用のライナに繊維束を巻き付けて繊維層を形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ライナの周囲に配置された第１ボビン群と、この第１ボビン群に隣接するように配置された第２ボビン群と、から供給される繊維束をライナに巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、を逆転させるので、第１ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力によって打ち消すことができる。この結果、ライナに作用する荷重を大幅に低減することができ、ライナの円筒部及びドーム部の破損や、ライナのドーム部と口金との接合部の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１を用いて、本実施の形態に係る耐圧容器製造方法で使用される繊維束巻付装置１について説明する。繊維束巻付装置１は、図１に示すように、ロボットアーム２、第１可動レール３、第２可動レール４、第１可動レール３及び第２可動レール４に取り付けられる複数のボビン５、第１可動レール３や第２可動レール４を駆動する図示されていないレール駆動装置、ロボットアーム２やレール駆動装置を制御する図示されていない制御装置、等を備えて構成されている。
【００２５】
ロボットアーム２は、図１（ａ）に示すように、耐圧容器用のライナ１０の両端を保持するチャックを備えている。また、ロボットアーム２は、ライナ１０の軸方向（図１（ａ）のＸ1方向又はＸ2方向）に移動するように構成されており、その移動速度や位置は制御装置によって制御されるようになっている。ロボットアーム２がチャックでライナ１０の両端を保持した状態で移動することにより、ライナ１０を軸方向に移動させることができる。すなわち、ロボットアーム２は本発明におけるライナ移動手段である。
【００２６】
第１可動レール３は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ライナ１０の軸方向に対して直角な第１仮想平面Ｐ1上にかつライナ１０の周囲に設けられた環状のレールであって、ライナ１０の周方向（図１（ｂ）におけるＲ1方向）に回転移動するように構成されている。第２可動レール４は、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、ライナ１０の軸方向に対して直角で第１仮想平面Ｐ1に隣接する第２仮想平面Ｐ2上にかつライナ１０の周囲に設けられた環状のレールであって、第１可動レール３と逆方向（図１（ｃ）におけるＲ2方向）に回転移動するように構成されている。
【００２７】
ボビン５は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１可動レール３及び第２可動レール４に一定間隔をおいて取り付けられている。第１可動レール３に取り付けられた複数のボビン５は、本発明における第１ボビン群を構成し、第１可動レール３とともに図１（ｂ）におけるＲ1方向に回転移動（周回）する。また、第２可動レール４に取り付けられた複数のボビン５は、本発明における第２ボビン群を構成し、第２可動レール４とともに図１（ｃ）におけるＲ2方向に回転移動（周回）する。ボビン５には、ライナ１０の外周に繊維層を形成するための繊維束が巻き付けられる。
【００２８】
第１可動レール３及び第２可動レール４は、各々図１（ａ）に示した枠部材６によって支持されており、図示されていないレール駆動手段により駆動される。そして、制御装置がこのレール駆動手段を制御することにより、第１可動レール３及び第２可動レール４の回転速度が制御されるようになっている。第１可動レール３及びこれを駆動するレール駆動手段は、本発明における第１周回手段を構成する。また、第２可動レール４及びこれを駆動するレール駆動手段は、本発明における第２周回手段を構成する。
【００２９】
制御装置は、ロボットアーム２の移動速度や位置を制御するとともに、レール駆動装置を制御することによって第１可動レール３及び第２可動レール４の回転速度を制御する。また、制御装置は、各ボビン５に設けられた図示されていないフィードアイの位置を制御する。
【００３０】
次に、図１〜図５を用いて、前記した繊維束巻付装置１等を用いた耐圧容器製造方法について説明する。
【００３１】
まず、所定の成形装置を用いて、耐圧容器用のライナ１０を成形する（ライナ成形工程）。本実施の形態においては、ガスバリア性に優れるとともに寸法安定性・耐薬品性に優れる液晶樹脂を用いてブロー成形法によりライナ１０を成形している。ライナ１０は、図１（ａ）及び図２に示すように、円筒部１１と、この円筒部１１の両端に形成されたドーム部１２と、を有しており、ドーム部１２の頂部には、金属製の口金１３が凸状に取り付けられている。
【００３２】
次いで、複数の炭素繊維からなる炭素繊維束に繊維状熱可塑性樹脂を組み込んで繊維束２０を調製する（繊維束調製工程）。繊維束２０は、図１に示した繊維束巻付装置１の各ボビン５に巻き付けられ、後述する第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で使用される。繊維束２０に組み込まれる熱可塑性樹脂としては、高密度ポリエチレン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイト、ポリエチレンテレフタレート、等を採用することができ、本実施の形態においては高密度ポリエチレンを採用している。
【００３３】
次いで、図１（ａ）に示すように、繊維束巻付装置１のロボットアーム２のチャックでライナ１０の両端に設けられた口金１３を保持することにより、ライナ１０を所定の位置に固定する。そして、図１（ｂ）に示すように、繊維束巻付装置１の第１可動レール３に取り付けられた第１ボビン群を構成する各ボビン５と、第２可動レール４に取り付けられた第２ボビン群を構成する各ボビン５と、から繊維束２０を供給し、これら繊維束２０の端部を、ライナ１０の円筒部１１の周囲に取り付ける。この際、ハンダゴテ等を用いて繊維束２０の端部の熱可塑性樹脂を加熱溶融してライナ１０の円筒部１１に融着する（繊維束融着工程）。
【００３４】
なお、繊維束融着工程における融着温度は、繊維束２０を構成する熱可塑性樹脂の溶融温度以上、ライナ１０の耐熱温度以下の範囲内で設定するようにする。本実施の形態においては、高密度ポリエチレンの溶融温度が１３０℃であり、液晶樹脂の耐熱温度が２８０℃であるため、１４０℃以上２００℃以下の範囲内で融着温度を設定している。
【００３５】
次いで、繊維束巻付装置１の制御装置がロボットアーム２及びレール駆動手段を制御することにより、ライナ１０を図１（ａ）のＸ1方向及びＸ2方向に移動（往復移動）させながら、第１ボビン群をライナ１０の周囲で図１（ｂ）のＲ1方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束２０を供給し、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に繊維束２０を巻き付けて第１繊維層を形成する（第１繊維層形成工程）。また、繊維束巻付装置１の制御装置は、第２ボビン群をライナ１０の周囲で第１ボビン群と逆方向（図１（ｃ）のＲ2方向）に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束２０を供給し、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に繊維束２０を巻き付けて第２繊維層を形成する（第２繊維層形成工程）。
【００３６】
第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程において、繊維束巻付装置１の制御装置は、図２に示すように第１繊維層及び第２繊維層の形成位置がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点でライナ１０の移動を停止させ、各ボビン５をライナ１０の周囲で略半周周回させる。
【００３７】
このような各ボビン５の動作を、第１繊維層形成工程で使用される一のボビン５を例に挙げて図３を用いて具体的に説明する。ボビン５は、第１可動レール３に取り付けられて図３の矢印Ｒ1方向に回転し、ライナ１０の第１繊維層を形成するものとする。
【００３８】
第１繊維層形成工程において、繊維束巻付装置１の制御装置はロボットアーム２を制御して、第１繊維層がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点でライナ１０の移動を停止させるとともに、レール駆動手段を制御して、ボビン５を図３の矢印Ｒ1方向にθ°だけ周回させる。θの値は、ボビン５を、周回前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置させるような値であり、例えば約１８０°〜約２２５°の範囲で適宜設定することができる。
【００３９】
そして、このように一のボビン５を含む第１ボビン群をライナ１０の周囲で略半周周回させて、第１ボビン群を構成する各ボビン５を、周回前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナ１０を逆方向（図１（ａ）の矢印Ｘ2方向）に移動させながら第１繊維層の形成を続行する。以上のような手順を繰り返すことにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側全体に所定厚さの第１繊維層を形成する。
【００４０】
また、第２繊維層形成工程においても前記手順を繰り返すことにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側全体に所定厚さの第２繊維層を形成するようにする。
【００４１】
なお、ライナ１０のドーム部１２の外周に繊維束２０を巻き付ける際には、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、を異ならせるようにする。ここで、図４等を用いて、巻付角度の決定方法について具体的に説明する。
【００４２】
まず、ライナ１０を図１（ａ）の矢印Ｘ1方向に移動させながら、ライナ１０のドーム部１２に繊維束を巻き付ける場合（第１ボビン群から供給される繊維束２０がライナ１０の口金１３の根元部に到達する一方、第２ボビン群から供給される繊維束２０はライナ１０の口金１３の根元部に到達しない場合）について説明する。
【００４３】
図４に示すように、ライナ１０の胴体部１１の半径をｒCとし、第１ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径（口金１３の半径）をｒ1とし、第２ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径をｒ2とした場合に、第２ボビン群が第１ボビン群との物理的な干渉を避けた所定の位置に配置されるようにｒ2を決定する。ｒ2は、ライナ１０のドーム部１２の形状と、第２ボビン群の折り返し位置と、によって決定することができる。そして、これらｒ1、ｒ2及びｒCの値と以下の式とを用いて、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度「θ1」と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ2」と、を決定する。
ｓｉｎθ1＝ｒ1／ｒC
ｓｉｎθ2＝ｒ2／ｒC
【００４４】
繊維束巻付装置１の制御装置は、レール駆動手段を介して第１ボビン群及び第２ボビン群の周回速度を制御することにより、これら巻付角度「θ1」及び「θ2」を実現させるようにする。また、繊維束巻付装置１の制御装置は、第１ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径がｒ1に達し、かつ、第２ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径がｒ2に達した時に、ライナ１０の移動を停止させ、各ボビン５をライナ１０の周囲で略半周周回させた後、ライナ１０を逆方向に移動させる。これにより、第１ボビン群から供給される繊維束と、第２ボビン群から供給される繊維束と、が干渉せずに折り返すことが可能となる。
【００４５】
一方、ライナ１０を図１（ａ）の矢印Ｘ2方向に移動させながらライナ１０のドーム部１２に繊維束を巻き付ける場合（第２ボビン群から供給される繊維束２０がライナ１０の口金１３の根元部に到達したときに、第１ボビン群から供給される繊維束２０はライナ１０の口金１３の根元部に到達しない場合）には、前記した場合とは逆に、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ1」とし、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ2」とする。
【００４６】
以上のように、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度は、一方のドーム部１２においては「θ1」となり、他方のドーム部１２においては「θ2」となる。また、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度は、一方のドーム１２においては「θ2」となり、他方のドーム部１２においては「θ1」となる。これに対応させて、繊維束巻付装置１の制御装置は、図５に示すように、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ1」から「θ2」へと連続的に一定の変化率で変化させるとともに、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ2」から「θ1」へと連続的に一定の変化率で変化させるようにする。
【００４７】
また、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程においては、繊維束２０をライナ１０に巻き付けた直後（繊維束２０がライナ１０の表面に接触した直後）に、高温空気やレーザ等を用いて、繊維束２０を構成する熱可塑性樹脂を加熱して溶融させ、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させる。これにより、巻き付けた直後の繊維束２０をライナ１０に固定することができ、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程が終了した時点でライナ１０の周囲に外殻が形成される。
【００４８】
なお、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程における加熱温度は、繊維束２０を構成する熱可塑性樹脂の溶融温度以上、ライナ１０の耐熱温度以下の範囲内で設定するようにする。本実施の形態においては、高密度ポリエチレンの溶融温度が１３０℃であり、液晶樹脂の耐熱温度が２８０℃であるため、１４０℃以上２００℃以下の範囲内で融着温度を設定している。以上の工程群を経ることにより、所望の耐圧容器を得ることができる。
【００４９】
以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、第１ボビン群を、ライナ１０の軸方向に対して直角な第１仮想平面Ｐ1上にかつライナ１０の周囲に配置するとともに、第２ボビン群を、ライナ１０の軸方向に対して直角で第１仮想平面Ｐ1に隣接する第２仮想平面Ｐ2上にかつライナ１０の周囲に配置する。次いで、ライナ１０を軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群をライナ１０の周囲で所定の方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束２０を供給して、ライナ１０の外周に繊維束２０を巻き付けて第１繊維層を形成する。また、第２ボビン群をライナ１０の周囲で第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束２０を供給して、ライナ１０の外周に繊維束２０を巻き付けて第２繊維層を形成する。
【００５０】
すなわち、第１ボビン群及び第２ボビン群から供給される繊維束２０をライナ１０の外周に巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付方向と、を逆転させる。従って、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻き付け時における張力によって打ち消すことができるので、ライナ１０に作用する荷重を大幅に低減することができる。この結果、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の破損や、ライナ１０のドーム部１２と口金１３との接合部の破損を防止することができる。
【００５１】
また、以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で、ライナ１０の外周に繊維束２０を巻き付けた直後に、繊維束２０を構成する繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させることにより、繊維束２０を構成する強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させる。従って、巻き付け時における張力を維持した状態で繊維束２０をライナ１０に固定することができるので、巻き付け後の繊維束２０の緩みを未然に防止することができる。この結果、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００５２】
また、以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で、第１繊維層及び第２繊維層の形成位置がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点でライナ１０の移動を停止させる。そして、第１ボビン群及び第２ボビン群をライナ１０の周囲で略半周周回させることにより、第１ボビン群及び第２ボビン群を構成する各ボビン５を周回前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナ１０を軸に沿って逆方向に移動させながら第１繊維層及び第２繊維層の形成を続行する。従って、ライナ１０の移動方向を逆転させる際に繊維束２０を切断したり、繊維束２０を大きく屈曲させて折り返したりする必要がないので、外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００５３】
また、以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、ライナ１０のドーム部１２の外周に繊維束２０を巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、を異ならせるので、繊維束同士の干渉を防ぐことができる。
【００５４】
なお、以上の実施の形態においては、ライナ１０の周方向に回転移動する「可動レール」を採用し、この可動レールに複数のボビンを取り付けて、可動レールとボビン群とを一体的に回転移動させる例を示したが、固定されたレール上をボビン群のみが回転移動するような構成を採用することもできる。
【００５５】
また、以上の実施の形態においては、強化繊維束（複数の炭素繊維からなる炭素繊維束）に繊維状熱可塑性樹脂を組み込むことにより繊維束を調製した例を示したが、強化繊維束のみをライナ１０の外周に巻き付けて繊維層を形成し、この繊維層に熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を含浸させ、硬化させてもよい。かかる場合には、接着剤を用いて、ボビン５から供給した強化繊維束の端部をライナ１０の周囲に接着した後、巻き付けを開始するようにする。
【００５６】
また、以上の実施の形態においては、強化繊維束と熱可塑性樹脂とから構成される繊維束を用いて外殻を形成した例を示したが、熱可塑性樹脂に代えて「熱硬化性樹脂」を採用することもできる。かかる場合には、ボビンからライナに向けて強化繊維束のみを供給し、この強化繊維束をライナに巻き付ける直前に、熱硬化性樹脂を強化繊維束に含浸させるようにする。粘着性（タック性）を有する熱硬化性樹脂を強化繊維束に予め含浸させると、ボビンからライナに向けた強化繊維束の供給が困難となるからである。なお、熱硬化性樹脂の硬化には硬化炉等を用いるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る繊維束巻付装置の側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部分の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ部分の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の第１繊維層形成工程において、第１繊維層の形成位置がライナの口金の根元部に到達した状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の第１繊維層形成工程におけるボビンの周回動作を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法においてライナのドーム部に繊維束を巻き付ける際の巻付角度を説明するための説明図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法においてライナ全体に繊維束を巻き付ける際の巻付角度の変化を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 繊維束巻付装置
２ ロボットアーム（ライナ移動手段）
３ 第１可動レール（第１周回手段）
４ 第２可動レール（第２周回手段）
５ ボビン
１０ ライナ
１１ 円筒部
１２ ドーム部
１３ 口金
２０ 繊維束
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐圧容器製造方法及び繊維束巻付装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）やＣＨＧ（Compressed Hydrogen Gas）等の加圧ガスや低温ガスを貯蔵・輸送したりするための耐圧容器が実用化されている。従来は、高強度でガスバリア性に優れる金属製の耐圧容器が主流であったが、金属製の耐圧容器は重量が大きいため、軽量化が求められる自動車や宇宙航行体の燃料タンクに適用することが困難であった。このため、現在においては、アルミニウムやプラスチックで調製された中空円筒状のライナの外周にＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）層が形成されてなる比較的軽量の耐圧容器が提案されている。
【０００３】
中空円筒状のライナの外周にＦＲＰ層を形成する方法としては、ＦＷ（Filament Winding）法がある。ＦＷ法は、１本の繊維束に予め樹脂を含浸させ、この繊維束をライナに巻き付けて繊維層を形成する方法であり、この繊維層に樹脂を含浸させ硬化させることによりＦＲＰ層が形成される。ＦＷ法を採用すると、比較的軽量でかつ高い強度を有する耐圧容器を得ることが可能となるが、１本の連続した繊維束をライナに巻き付ける作業に長時間を要してしまうという問題がある。例えば、約２０ＭＰａのＣＮＧが充填されるＣＮＧタンクを製造する場合には、繊維束の巻き付けに約４時間程度を要する。また、約７０ＭＰａのＣＨＧが充填される燃料電池車用ＣＨＧタンクを製造する場合には、ＣＨＧの圧力に抗するために繊維束の巻き付け量をさらに増大させる必要があり、多大な製造時間を要することとなっていた。
【０００４】
このような問題を解決するために、近年においては、ブレイダを用いて複数の繊維束を織り込んでライナの外周に織物状の繊維層を形成する方法（ブレイディング法）が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照。）。ブレイディング法を採用すると、ＦＷ法を採用した場合と比較して、耐圧容器の製造時間を短縮することができるが、ブレイディング法は本来組紐を作成する技術であり、繊維束を織り込むものであるため、本来の繊維束の強度が充分に活用できないという問題があった。
【０００５】
このため、近年においては、ブレイディング法のように繊維束を織り込むことなく、ＦＷ法を基にして、複数本の繊維束をライナの外周に巻き付けて繊維層を成形する方法（以下「改良ＦＷ法」という）が提案されている。改良ＦＷ法においては、複数本の繊維束をライナに巻き付けるため、１本の繊維束をライナに巻き付ける従来のＦＷ法と比較すると耐圧容器の製造時間を格段に短縮することができるという利点がある。
【特許文献１】特開平１１−２４００７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２６２９５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来のＦＷ法や改良ＦＷ法においては、ライナに巻き付けられた繊維束に緩みが発生しないように、繊維束にきわめて高い張力を加えながら巻き付けを行っている。従って、複数本の繊維束をライナに巻き付ける改良ＦＷ法を採用すると、繊維束の本数倍の荷重がライナに作用することとなる。このため、ライナの強度が比較的低い場合（ライナがプラスチックで調製されている場合や、軽量化を目的としてライナの肉厚を極薄にしている場合）には、複数の繊維束に加えられた高い張力によってライナの円筒部やドーム部が破損したり、ライナのドーム部と口金との接合部が破損したりする場合があった。
【０００７】
本発明の課題は、ライナに複数本の繊維束を巻き付け、この繊維束に含浸させた樹脂を硬化させて耐圧容器を製造する耐圧容器製造方法において、繊維束の巻き付け時にライナに作用する荷重を大幅に低減することにより、ライナの破損を防止することである。
【０００８】
また、本発明の課題は、前記した耐圧容器製造方法を実施する際に使用される繊維束巻付装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、円筒部とこの円筒部の両端に連設されたドーム部とこのドーム部の頂部に凸状に設けられた口金とを有するライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成し、この繊維層に含浸させた樹脂を硬化させて外殻を形成することにより耐圧容器を製造する方法であって、複数のボビンを有してなる第１ボビン群を前記ライナの周囲に周回自在に配置する第１ボビン群配置工程と、複数のボビンを有してなる第２ボビン群を前記第１ボビン群に隣接させて前記ライナの周囲に周回自在に配置する第２ボビン群配置工程と、前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成する第１繊維層形成工程と、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成する第２繊維層形成工程と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、第１ボビン群をライナのライナの周囲に周回自在に配置するとともに、第２ボビン群を第１ボビン群に隣接させてライナの周囲に周回自在に配置する。次いで、ライナを軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群をライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成する。続いて、第２ボビン群をライナの周囲で第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成する。
【００１１】
すなわち、第１ボビン群及び第２ボビン群から供給される繊維束をライナの外周に巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、を逆転させる。従って、第１ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力によって打ち消すことができるので、ライナに作用する荷重を大幅に低減することができる。この結果、ライナの円筒部及びドーム部の破損や、ライナのドーム部と口金との接合部の破損を防止することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の耐圧容器製造方法において、強化繊維及び繊維状熱可塑性樹脂によって前記繊維束を構成し、前記第１繊維層形成工程及び前記第２繊維層形成工程で、前記ライナの外周に前記繊維束を巻き付けた直後に、前記繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて前記強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で、ライナの外周に繊維束を巻き付けた直後に、繊維束を構成する繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させることにより、繊維束を構成する強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させる。従って、巻き付け時における張力を維持した状態で繊維束をライナに固定することができるので、巻き付け後の繊維束の緩みを未然に防止することができる。この結果、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の耐圧容器製造方法において、前記第１繊維層形成工程で、前記第１繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第１繊維層の形成を続行することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法において、前記第２繊維層形成工程で、前記第２繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第２繊維層の形成を続行することを特徴とする。
【００１６】
請求項３又は４に記載の発明によれば、第１・第２繊維層形成工程で、第１・第２繊維層の形成位置がライナの口金の根元部に到達した時点でライナの移動を停止させる。そして、第１・第２ボビン群をライナの周囲で略半周周回させることにより、第１・第２ボビン群を構成する各ボビンを周回前の位置に対して口金を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら第１・第２繊維層の形成を続行する。従って、ライナの移動方向を逆転させる際に繊維束を切断したり、繊維束を大きく屈曲させて折り返したりする必要がないので、繊維強化複合材製の外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法において、前記ライナの前記ドーム部の外周に繊維束を巻き付ける際に、前記第１ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、前記第２ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、を異ならせることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、ライナのドーム部の外周に繊維束を巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、を異ならせるので、繊維束同士の干渉を防ぐことができる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、耐圧容器用のライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維束巻付装置であって、前記ライナを軸方向に往復移動させるライナ移動手段と、前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第１ボビン群と、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させる第１周回手段と、前記第１ボビン群に隣接して前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第２ボビン群と、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させる第２周回手段と、前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成し、かつ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成するように前記ライナ移動手段、前記第１周回手段及び前記第２周回手段を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、制御装置がライナ移動手段及び第１周回手段を制御することにより、ライナを軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群をライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成することができる。また、制御装置がライナ移動手段及び第２周回手段を制御することにより、第２ボビン群をライナの周囲で第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束を供給して、ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成することができる。
【００２１】
すなわち、第１ボビン群及び第２ボビン群から供給される繊維束をライナの外周に巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、を逆転させることができる。従って、第１ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力によって打ち消すことができるので、ライナに作用する荷重を大幅に低減することができる。この結果、ライナの円筒部及びドーム部の破損や、ライナのドーム部と口金との接合部の破損を防止しながら、耐圧容器用のライナに繊維束を巻き付けて繊維層を形成することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、ライナの周囲に配置された第１ボビン群と、この第１ボビン群に隣接するように配置された第２ボビン群と、から供給される繊維束をライナに巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束の巻付方向と、を逆転させるので、第１ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束の巻き付け時における張力によって打ち消すことができる。この結果、ライナに作用する荷重を大幅に低減することができ、ライナの円筒部及びドーム部の破損や、ライナのドーム部と口金との接合部の破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１を用いて、本実施の形態に係る耐圧容器製造方法で使用される繊維束巻付装置１について説明する。繊維束巻付装置１は、図１に示すように、ロボットアーム２、第１可動レール３、第２可動レール４、第１可動レール３及び第２可動レール４に取り付けられる複数のボビン５、第１可動レール３や第２可動レール４を駆動する図示されていないレール駆動装置、ロボットアーム２やレール駆動装置を制御する図示されていない制御装置、等を備えて構成されている。
【００２５】
ロボットアーム２は、図１（ａ）に示すように、耐圧容器用のライナ１０の両端を保持するチャックを備えている。また、ロボットアーム２は、ライナ１０の軸方向（図１（ａ）のＸ1方向又はＸ2方向）に移動するように構成されており、その移動速度や位置は制御装置によって制御されるようになっている。ロボットアーム２がチャックでライナ１０の両端を保持した状態で移動することにより、ライナ１０を軸方向に移動させることができる。すなわち、ロボットアーム２は本発明におけるライナ移動手段である。
【００２６】
第１可動レール３は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ライナ１０の軸方向に対して直角な第１仮想平面Ｐ1上にかつライナ１０の周囲に設けられた環状のレールであって、ライナ１０の周方向（図１（ｂ）におけるＲ1方向）に回転移動するように構成されている。第２可動レール４は、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、ライナ１０の軸方向に対して直角で第１仮想平面Ｐ1に隣接する第２仮想平面Ｐ2上にかつライナ１０の周囲に設けられた環状のレールであって、第１可動レール３と逆方向（図１（ｃ）におけるＲ2方向）に回転移動するように構成されている。
【００２７】
ボビン５は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１可動レール３及び第２可動レール４に一定間隔をおいて取り付けられている。第１可動レール３に取り付けられた複数のボビン５は、本発明における第１ボビン群を構成し、第１可動レール３とともに図１（ｂ）におけるＲ1方向に回転移動（周回）する。また、第２可動レール４に取り付けられた複数のボビン５は、本発明における第２ボビン群を構成し、第２可動レール４とともに図１（ｃ）におけるＲ2方向に回転移動（周回）する。ボビン５には、ライナ１０の外周に繊維層を形成するための繊維束が巻き付けられる。
【００２８】
第１可動レール３及び第２可動レール４は、各々図１（ａ）に示した枠部材６によって支持されており、図示されていないレール駆動手段により駆動される。そして、制御装置がこのレール駆動手段を制御することにより、第１可動レール３及び第２可動レール４の回転速度が制御されるようになっている。第１可動レール３及びこれを駆動するレール駆動手段は、本発明における第１周回手段を構成する。また、第２可動レール４及びこれを駆動するレール駆動手段は、本発明における第２周回手段を構成する。
【００２９】
制御装置は、ロボットアーム２の移動速度や位置を制御するとともに、レール駆動装置を制御することによって第１可動レール３及び第２可動レール４の回転速度を制御する。また、制御装置は、各ボビン５に設けられた図示されていないフィードアイの位置を制御する。
【００３０】
次に、図１〜図５を用いて、前記した繊維束巻付装置１等を用いた耐圧容器製造方法について説明する。
【００３１】
まず、所定の成形装置を用いて、耐圧容器用のライナ１０を成形する（ライナ成形工程）。本実施の形態においては、ガスバリア性に優れるとともに寸法安定性・耐薬品性に優れる液晶樹脂を用いてブロー成形法によりライナ１０を成形している。ライナ１０は、図１（ａ）及び図２に示すように、円筒部１１と、この円筒部１１の両端に形成されたドーム部１２と、を有しており、ドーム部１２の頂部には、金属製の口金１３が凸状に取り付けられている。
【００３２】
次いで、複数の炭素繊維からなる炭素繊維束に繊維状熱可塑性樹脂を組み込んで繊維束２０を調製する（繊維束調製工程）。繊維束２０は、図１に示した繊維束巻付装置１の各ボビン５に巻き付けられ、後述する第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で使用される。繊維束２０に組み込まれる熱可塑性樹脂としては、高密度ポリエチレン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイト、ポリエチレンテレフタレート、等を採用することができ、本実施の形態においては高密度ポリエチレンを採用している。
【００３３】
次いで、図１（ａ）に示すように、繊維束巻付装置１のロボットアーム２のチャックでライナ１０の両端に設けられた口金１３を保持することにより、ライナ１０を所定の位置に固定する。そして、図１（ｂ）に示すように、繊維束巻付装置１の第１可動レール３に取り付けられた第１ボビン群を構成する各ボビン５と、第２可動レール４に取り付けられた第２ボビン群を構成する各ボビン５と、から繊維束２０を供給し、これら繊維束２０の端部を、ライナ１０の円筒部１１の周囲に取り付ける。この際、ハンダゴテ等を用いて繊維束２０の端部の熱可塑性樹脂を加熱溶融してライナ１０の円筒部１１に融着する（繊維束融着工程）。
【００３４】
なお、繊維束融着工程における融着温度は、繊維束２０を構成する熱可塑性樹脂の溶融温度以上、ライナ１０の耐熱温度以下の範囲内で設定するようにする。本実施の形態においては、高密度ポリエチレンの溶融温度が１３０℃であり、液晶樹脂の耐熱温度が２８０℃であるため、１４０℃以上２００℃以下の範囲内で融着温度を設定している。
【００３５】
次いで、繊維束巻付装置１の制御装置がロボットアーム２及びレール駆動手段を制御することにより、ライナ１０を図１（ａ）のＸ1方向及びＸ2方向に移動（往復移動）させながら、第１ボビン群をライナ１０の周囲で図１（ｂ）のＲ1方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束２０を供給し、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に繊維束２０を巻き付けて第１繊維層を形成する（第１繊維層形成工程）。また、繊維束巻付装置１の制御装置は、第２ボビン群をライナ１０の周囲で第１ボビン群と逆方向（図１（ｃ）のＲ2方向）に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束２０を供給し、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側に繊維束２０を巻き付けて第２繊維層を形成する（第２繊維層形成工程）。
【００３６】
第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程において、繊維束巻付装置１の制御装置は、図２に示すように第１繊維層及び第２繊維層の形成位置がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点でライナ１０の移動を停止させ、各ボビン５をライナ１０の周囲で略半周周回させる。
【００３７】
このような各ボビン５の動作を、第１繊維層形成工程で使用される一のボビン５を例に挙げて図３を用いて具体的に説明する。ボビン５は、第１可動レール３に取り付けられて図３の矢印Ｒ1方向に回転し、ライナ１０の第１繊維層を形成するものとする。
【００３８】
第１繊維層形成工程において、繊維束巻付装置１の制御装置はロボットアーム２を制御して、第１繊維層がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点でライナ１０の移動を停止させるとともに、レール駆動手段を制御して、ボビン５を図３の矢印Ｒ1方向にθ°だけ周回させる。θの値は、ボビン５を、周回前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置させるような値であり、例えば約１８０°〜約２２５°の範囲で適宜設定することができる。
【００３９】
そして、このように一のボビン５を含む第１ボビン群をライナ１０の周囲で略半周周回させて、第１ボビン群を構成する各ボビン５を、周回前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナ１０を逆方向（図１（ａ）の矢印Ｘ2方向）に移動させながら第１繊維層の形成を続行する。以上のような手順を繰り返すことにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側全体に所定厚さの第１繊維層を形成する。
【００４０】
また、第２繊維層形成工程においても前記手順を繰り返すことにより、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の外側全体に所定厚さの第２繊維層を形成するようにする。
【００４１】
なお、ライナ１０のドーム部１２の外周に繊維束２０を巻き付ける際には、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、を異ならせるようにする。ここで、図４等を用いて、巻付角度の決定方法について具体的に説明する。
【００４２】
まず、ライナ１０を図１（ａ）の矢印Ｘ1方向に移動させながら、ライナ１０のドーム部１２に繊維束を巻き付ける場合（第１ボビン群から供給される繊維束２０がライナ１０の口金１３の根元部に到達する一方、第２ボビン群から供給される繊維束２０はライナ１０の口金１３の根元部に到達しない場合）について説明する。
【００４３】
図４に示すように、ライナ１０の胴体部１１の半径をｒCとし、第１ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径（口金１３の半径）をｒ1とし、第２ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径をｒ2とした場合に、第２ボビン群が第１ボビン群との物理的な干渉を避けた所定の位置に配置されるようにｒ2を決定する。ｒ2は、ライナ１０のドーム部１２の形状と、第２ボビン群の折り返し位置と、によって決定することができる。そして、これらｒ1、ｒ2及びｒCの値と以下の式とを用いて、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度「θ1」と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ2」と、を決定する。
ｓｉｎθ1＝ｒ1／ｒC
ｓｉｎθ2＝ｒ2／ｒC
【００４４】
繊維束巻付装置１の制御装置は、レール駆動手段を介して第１ボビン群及び第２ボビン群の周回速度を制御することにより、これら巻付角度「θ1」及び「θ2」を実現させるようにする。また、繊維束巻付装置１の制御装置は、第１ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径がｒ1に達し、かつ、第２ボビン群から供給される繊維束２０が巻き付けられていない領域の半径がｒ2に達した時に、ライナ１０の移動を停止させ、各ボビン５をライナ１０の周囲で略半周周回させた後、ライナ１０を逆方向に移動させる。これにより、第１ボビン群から供給される繊維束と、第２ボビン群から供給される繊維束と、が干渉せずに折り返すことが可能となる。
【００４５】
一方、ライナ１０を図１（ａ）の矢印Ｘ2方向に移動させながらライナ１０のドーム部１２に繊維束を巻き付ける場合（第２ボビン群から供給される繊維束２０がライナ１０の口金１３の根元部に到達したときに、第１ボビン群から供給される繊維束２０はライナ１０の口金１３の根元部に到達しない場合）には、前記した場合とは逆に、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ1」とし、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ2」とする。
【００４６】
以上のように、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度は、一方のドーム部１２においては「θ1」となり、他方のドーム部１２においては「θ2」となる。また、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度は、一方のドーム１２においては「θ2」となり、他方のドーム部１２においては「θ1」となる。これに対応させて、繊維束巻付装置１の制御装置は、図５に示すように、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ1」から「θ2」へと連続的に一定の変化率で変化させるとともに、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度を「θ2」から「θ1」へと連続的に一定の変化率で変化させるようにする。
【００４７】
また、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程においては、繊維束２０をライナ１０に巻き付けた直後（繊維束２０がライナ１０の表面に接触した直後）に、高温空気やレーザ等を用いて、繊維束２０を構成する熱可塑性樹脂を加熱して溶融させ、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させる。これにより、巻き付けた直後の繊維束２０をライナ１０に固定することができ、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程が終了した時点でライナ１０の周囲に外殻が形成される。
【００４８】
なお、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程における加熱温度は、繊維束２０を構成する熱可塑性樹脂の溶融温度以上、ライナ１０の耐熱温度以下の範囲内で設定するようにする。本実施の形態においては、高密度ポリエチレンの溶融温度が１３０℃であり、液晶樹脂の耐熱温度が２８０℃であるため、１４０℃以上２００℃以下の範囲内で融着温度を設定している。以上の工程群を経ることにより、所望の耐圧容器を得ることができる。
【００４９】
以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、第１ボビン群を、ライナ１０の軸方向に対して直角な第１仮想平面Ｐ1上にかつライナ１０の周囲に配置するとともに、第２ボビン群を、ライナ１０の軸方向に対して直角で第１仮想平面Ｐ1に隣接する第２仮想平面Ｐ2上にかつライナ１０の周囲に配置する。次いで、ライナ１０を軸方向に往復移動させながら、第１ボビン群をライナ１０の周囲で所定の方向に周回させるとともに第１ボビン群から繊維束２０を供給して、ライナ１０の外周に繊維束２０を巻き付けて第１繊維層を形成する。また、第２ボビン群をライナ１０の周囲で第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに第２ボビン群から繊維束２０を供給して、ライナ１０の外周に繊維束２０を巻き付けて第２繊維層を形成する。
【００５０】
すなわち、第１ボビン群及び第２ボビン群から供給される繊維束２０をライナ１０の外周に巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付方向と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付方向と、を逆転させる。従って、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻き付け時における張力を、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻き付け時における張力によって打ち消すことができるので、ライナ１０に作用する荷重を大幅に低減することができる。この結果、ライナ１０の円筒部１１及びドーム部１２の破損や、ライナ１０のドーム部１２と口金１３との接合部の破損を防止することができる。
【００５１】
また、以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で、ライナ１０の外周に繊維束２０を巻き付けた直後に、繊維束２０を構成する繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させることにより、繊維束２０を構成する強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させる。従って、巻き付け時における張力を維持した状態で繊維束２０をライナ１０に固定することができるので、巻き付け後の繊維束２０の緩みを未然に防止することができる。この結果、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００５２】
また、以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、第１繊維層形成工程及び第２繊維層形成工程で、第１繊維層及び第２繊維層の形成位置がライナ１０の口金１３の根元部に到達した時点でライナ１０の移動を停止させる。そして、第１ボビン群及び第２ボビン群をライナ１０の周囲で略半周周回させることにより、第１ボビン群及び第２ボビン群を構成する各ボビン５を周回前の位置に対して口金１３を挟んで略相対する位置に配置した後、ライナ１０を軸に沿って逆方向に移動させながら第１繊維層及び第２繊維層の形成を続行する。従って、ライナ１０の移動方向を逆転させる際に繊維束２０を切断したり、繊維束２０を大きく屈曲させて折り返したりする必要がないので、外殻の強度を高めることができ、ひいては、耐圧容器の強度を高めることができる。
【００５３】
また、以上説明した実施の形態に係る耐圧容器製造方法においては、ライナ１０のドーム部１２の外周に繊維束２０を巻き付ける際に、第１ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、第２ボビン群から供給される繊維束２０の巻付角度と、を異ならせるので、繊維束同士の干渉を防ぐことができる。
【００５４】
なお、以上の実施の形態においては、ライナ１０の周方向に回転移動する「可動レール」を採用し、この可動レールに複数のボビンを取り付けて、可動レールとボビン群とを一体的に回転移動させる例を示したが、固定されたレール上をボビン群のみが回転移動するような構成を採用することもできる。
【００５５】
また、以上の実施の形態においては、強化繊維束（複数の炭素繊維からなる炭素繊維束）に繊維状熱可塑性樹脂を組み込むことにより繊維束を調製した例を示したが、強化繊維束のみをライナ１０の外周に巻き付けて繊維層を形成し、この繊維層に熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を含浸させ、硬化させてもよい。かかる場合には、接着剤を用いて、ボビン５から供給した強化繊維束の端部をライナ１０の周囲に接着した後、巻き付けを開始するようにする。
【００５６】
また、以上の実施の形態においては、強化繊維束と熱可塑性樹脂とから構成される繊維束を用いて外殻を形成した例を示したが、熱可塑性樹脂に代えて「熱硬化性樹脂」を採用することもできる。かかる場合には、ボビンからライナに向けて強化繊維束のみを供給し、この強化繊維束をライナに巻き付ける直前に、熱硬化性樹脂を強化繊維束に含浸させるようにする。粘着性（タック性）を有する熱硬化性樹脂を強化繊維束に予め含浸させると、ボビンからライナに向けた強化繊維束の供給が困難となるからである。なお、熱硬化性樹脂の硬化には硬化炉等を用いるようにする。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態に係る繊維束巻付装置の側面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ部分の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ部分の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の第１繊維層形成工程において、第１繊維層の形成位置がライナの口金の根元部に到達した状態を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法の第１繊維層形成工程におけるボビンの周回動作を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法においてライナのドーム部に繊維束を巻き付ける際の巻付角度を説明するための説明図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る耐圧容器製造方法においてライナ全体に繊維束を巻き付ける際の巻付角度の変化を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 繊維束巻付装置
２ ロボットアーム（ライナ移動手段）
３ 第１可動レール（第１周回手段）
４ 第２可動レール（第２周回手段）
５ ボビン
１０ ライナ
１１ 円筒部
１２ ドーム部
１３ 口金
２０ 繊維束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒部とこの円筒部の両端に連設されたドーム部とこのドーム部の頂部に凸状に設けられた口金とを有するライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成し、この繊維層に含浸させた樹脂を硬化させて外殻を形成することにより耐圧容器を製造する方法であって、
複数のボビンを有してなる第１ボビン群を前記ライナの周囲に周回自在に配置する第１ボビン群配置工程と、
複数のボビンを有してなる第２ボビン群を前記第１ボビン群に隣接させて前記ライナの周囲に周回自在に配置する第２ボビン群配置工程と、
前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成する第１繊維層形成工程と、
前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成する第２繊維層形成工程と、
を備えることを特徴とする耐圧容器製造方法。
【請求項２】
前記繊維束を強化繊維及び繊維状熱可塑性樹脂によって構成し、
前記第１繊維層形成工程及び前記第２繊維層形成工程で、
前記ライナの外周に前記繊維束を巻き付けた直後に、前記繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて前記強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させることを特徴とする請求項１に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項３】
前記第１繊維層形成工程で、
前記第１繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第１繊維層の形成を続行することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項４】
前記第２繊維層形成工程で、
前記第２繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第２繊維層の形成を続行することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項５】
前記ライナの前記ドーム部の外周に繊維束を巻き付ける際に、前記第１ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、前記第２ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、を異ならせることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項６】
耐圧容器用のライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維束巻付装置であって、
前記ライナを軸方向に往復移動させるライナ移動手段と、
前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第１ボビン群と、
前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させる第１周回手段と、
前記第１ボビン群に隣接して前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第２ボビン群と、
前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させる第２周回手段と、
前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成し、かつ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成するように前記ライナ移動手段、前記第１周回手段及び前記第２周回手段を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする繊維束巻付装置。
【請求項１】
円筒部とこの円筒部の両端に連設されたドーム部とこのドーム部の頂部に凸状に設けられた口金とを有するライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成し、この繊維層に含浸させた樹脂を硬化させて外殻を形成することにより耐圧容器を製造する方法であって、
複数のボビンを有してなる第１ボビン群を前記ライナの周囲に周回自在に配置する第１ボビン群配置工程と、
複数のボビンを有してなる第２ボビン群を前記第１ボビン群に隣接させて前記ライナの周囲に周回自在に配置する第２ボビン群配置工程と、
前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成する第１繊維層形成工程と、
前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成する第２繊維層形成工程と、
を備えることを特徴とする耐圧容器製造方法。
【請求項２】
前記繊維束を強化繊維及び繊維状熱可塑性樹脂によって構成し、
前記第１繊維層形成工程及び前記第２繊維層形成工程で、
前記ライナの外周に前記繊維束を巻き付けた直後に、前記繊維状熱可塑性樹脂を加熱して溶融させて前記強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させ、その後自然冷却により熱可塑性樹脂を硬化させることを特徴とする請求項１に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項３】
前記第１繊維層形成工程で、
前記第１繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第１繊維層の形成を続行することを特徴とする請求項１又は２に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項４】
前記第２繊維層形成工程で、
前記第２繊維層の形成位置が前記ライナの前記口金の根元部に到達した時点で前記ライナの移動を停止させ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で略半周周回させた後、前記ライナを軸に沿って逆方向に移動させながら前記第２繊維層の形成を続行することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項５】
前記ライナの前記ドーム部の外周に繊維束を巻き付ける際に、前記第１ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、前記第２ボビン群から供給される繊維束の巻付角度と、を異ならせることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の耐圧容器製造方法。
【請求項６】
耐圧容器用のライナの外周に繊維束を巻き付けて繊維層を形成する繊維束巻付装置であって、
前記ライナを軸方向に往復移動させるライナ移動手段と、
前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第１ボビン群と、
前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させる第１周回手段と、
前記第１ボビン群に隣接して前記ライナの周囲に配置された複数のボビンを有してなる第２ボビン群と、
前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させる第２周回手段と、
前記ライナを軸方向に往復移動させながら、前記第１ボビン群を前記ライナの周囲で所定の方向に周回させるとともに前記第１ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第１繊維層を形成し、かつ、前記第２ボビン群を前記ライナの周囲で前記第１ボビン群と逆方向に周回させるとともに前記第２ボビン群から繊維束を供給して、前記ライナの外周に繊維束を巻き付けて第２繊維層を形成するように前記ライナ移動手段、前記第１周回手段及び前記第２周回手段を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする繊維束巻付装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−８２２７６（Ｐ２００６−８２２７６Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６７１６３（Ｐ２００４−２６７１６３）
【出願日】平成１６年９月１４日（２００４．９．１４）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１４日（２００４．９．１４）
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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