JP2010167582A - フィラメントワインディング用滑り防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で軽量な装置とするとともに、形状の異なるワークであっても容易に対応でき、巻き付け時の繊維部材３の滑りを確実に防止する。
【解決手段】円筒部10とドーム部11とを有するライナ１の外周表面にＦＷ法により繊維部材３を多層に巻き付けて強化繊維層を形成するのに用いられ、ＦＷシャフト100の外周に軸方向に移動自在に配置されたリング部22と、リング部22からドーム部11に向かって放射状に延びる複数の繊維係止アーム24と、複数の繊維係止アーム24の先端で形成される開口部の径を可変する可変機構と、を有する。
【選択図】図６

Description

本発明はフィラメントワインディング（以下、ＦＷという）法により管状体を成形する場合に用いられ、巻き付けられる繊維部材の滑りを防止するための装置に関するものである。

圧縮天然ガス、液化天然ガス、圧縮水素ガスなどを収容する圧力容器は、一般にスチールやアルミニウム合金などの金属製のものが用いられている。しかし自動車用に用いる圧力容器の場合は、金属製では燃費が悪くなるため樹脂製の圧力容器への転換が図られている。

樹脂製の圧力容器としては、ガスバリア性を有するライナ（内殻）の外周表面を繊維強化樹脂製の外殻で覆ったものが知られている。この圧力容器の外殻を製造するには、液状の熱可塑性樹脂を付着させた繊維部材、あるいは予め熱硬化性樹脂が含浸されたプリプレグ繊維部材を用い、ＦＷ法を用いてライナに巻き付けた後に熱硬化性樹脂を硬化させる方法が用いられている。

ところで一般的なライナは、円筒部と、円筒部の両端に形成され先端に向かって徐々に縮径するドーム部と、からなる形状である。そのためＦＷ法で繊維部材を巻回する場合には、ドーム部に対してはインプレーン巻き（平面巻き）又はヘリカル巻きが採用され、円筒部に対してはインプレーン巻き、ヘリカル巻き及びフープ巻きの組み合わせが採用されている。

しかし、通常のインプレーン巻きやヘリカル巻きでドーム部に繊維部材を巻回すると、両端のドーム部に形成されている口金に接して折り返しながら巻回するために、口金部近傍の外殻厚さが厚くなり、ドーム部と円筒部との境界の肩部における外殻厚さが薄くなるという問題が生じる。一方、ドーム部あるいは肩部などにおける巻数を多くしようとしても、繊維部材の滑りが発生しやすいという問題があった。このように滑りが発生した場合には、人手による巻き直し及びＦＷ装置の再起動が必要となることから、大幅な時間のロスが発生し工数が多大となってしまう。

そこで特開2000−337594号公報には、繊維部材の巻き付け角度を調整することで繊維部材の滑りを防止する方法が提案されている。また特開平03−281231号公報にはドーム部の軸芯部にピン付きリングを装着した状態で巻回する方法が提案され、特開2007−260976号公報には軸方向に移動しながら繊維部材をワークに押圧する押圧手段を備えたＦＷ装置が提案されている。

ところが特開2000−337594号公報に記載の方法では、形状の異なるワークに対応できるようにするまでの工数が多大となる。また特開平03−281231号公報に記載の方法でも、形状の異なるワークに対応することは困難である。さらに特開2007−260976号公報に記載のＦＷ装置では、繊維部材の軌跡と押圧手段の駆動位置とを一致させることが難しく、形状の異なるワークに対応できるようにするまでの工数が多大となる。また押圧手段がレール上を移動する構成であるため装置が大型となるという不具合があった。

特開2000−337594号公報 特開平03−281231号公報 特開2007−260976号公報

本発明は上記文献に記載されたと同様に、ＦＷ法にて巻き付け途中における繊維部材の滑りを防止することを解決することを課題とするものであり、小型で軽量な装置とするとともに、形状の異なるワークであっても容易に対応でき、繊維部材の滑りを確実に防止することを課題とする。

上記課題を解決する本発明のＦＷ用滑り防止装置の特徴は、円筒部と円筒部の先端に形成され先端に向かって徐々に縮径するドーム部とを有するワークの外周表面にＦＷ法により繊維部材を多層に巻き付けて強化繊維層を形成するのに用いられる滑り防止装置であって、
ＦＷシャフトの外周に軸方向に移動自在に配置されたリング部と、リング部からドーム部に向かって放射状に延びる複数の繊維係止アームと、複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を可変する可変機構と、を有することにある。

本発明のＦＷ用滑り防止装置によれば、繊維係止アームの先端がドーム部に接触した状態でドーム部に繊維部材をインプレーン巻き又はヘリカル巻きで巻き付け、巻き付け途中の繊維部材が繊維係止アームの先端に引っ掛かるように張力及び角度を調整することによって、繊維部材がドーム部の先端側あるいは円筒部側へ移動するのが規制され、滑りを防止することができる。

そして可変機構が複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を繊維部材の巻き付け軌道に対応するように可変することで、各巻き付け軌道において繊維部材の滑りを防止することができる。また直径が異なる各種形状のワークに巻き付ける際にも、複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を調整するだけで容易に繊維部材の滑りを防止することができる。

本発明の一実施例に係るＦＷ用滑り防止装置の概略構成を一部破断して示す正面図である。 図１の要部を拡大して示す正面図である。 本発明の一実施例に係るＦＷ用滑り防止装置の概略構成を一部破断して示す側面図である。 本発明の一実施例に係るＦＷ用滑り防止装置の要部を一部破断して示す斜視図である。 本発明の一実施例に係るＦＷ用滑り防止装置の概略構成を一部破断して示す正面図である。 図５の要部を拡大して示す正面図である。 ＦＷ用滑り防止装置を用いない場合の巻き付け方法を示す説明図である。 本発明の一実施例に係るＦＷ用滑り防止装置を異なる形状のワークに用いたときの概略構成を一部破断して示す正面図である。 本発明の第２の実施例に係るＦＷ用滑り防止装置の概略構成を一部破断して示す側面図である。

本発明のＦＷ用滑り防止装置は、円筒部と円筒部の先端に形成され先端に向かって徐々に縮径するドーム部とを有するワークの外周表面にＦＷ法により繊維部材を多層に巻き付けて強化繊維層を形成するのに用いられる。このワークとしては、圧力容器に用いられるライナが代表的に例示される。ライナは例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＥＴなどの熱可塑性樹脂からなるものであり、一般には軸方向に垂直な平面で切断された形状に成形された二分割体の切断面に相当する表面どうしを突き合わせて溶着することで形成することができる。

このワークは、軸方向両端がＦＷシャフトに保持され、ＦＷシャフトの回転に追従して回転される。ライナには、両端に口金が固定されているので、この一対の口金を介してＦＷシャフトに保持することができる。

ワークに巻き付けられる繊維部材としては、炭素繊維などからなる単繊維又は糸にエポキシ樹脂などの液状熱硬化性樹脂を含浸したものが一般的である。巻き付ける直前に含浸してもよいし、予め含浸されたプリプレグ糸を用いることもできる。

本発明のＦＷ用滑り防止装置は、リング部と、繊維係止アームと、可変機構とから構成されている。リング部は、ＦＷシャフトの外周に軸方向に移動自在に配置され、ＦＷシャフトと共に回転する。このリング部は、無端のリング状であってもよいし、周方向に分断され全体としてリング形状となっているものでもよい。

繊維係止アームは、リング部からドーム部に向かって放射状に延びるように複数個形成されている。この繊維係止アームの先端がドーム部に近接又は当接することで、巻き付け時に繊維部材を繊維係止アームの先端に係止することができ、滑りを防止することができる。したがって繊維係止アームはリング部の周方向に均一に配置することが望ましく、６個以上の複数個配置することが望ましい。

しかし繊維係止アームがリング部に固定された状態では、特許文献２に記載されたものと同様となり、繊維部材を係止する位置が固定されるため、その係止位置に近い部分の巻き付け厚さが厚くなるという問題がある。また形状の異なるワークに対応することも困難である。

そこで本発明の滑り防止装置は、複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を可変する可変機構を備えている。この可変機構により複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を小さくした場合には、繊維部材が係止される部位をドーム部の先端近傍とすることができ、開口部の径を大きくした場合には、繊維部材が係止される部位を円筒部とドーム部との境界の肩部近傍とすることができる。したがってドーム部の大部分の表面で繊維部材の滑りを防止することができる。

またドーム部の曲率半径が大きい場合には開口部の径を大きくし、ドーム部の曲率半径が小さい場合には開口部の径を小さくすることで、一つの滑り防止装置を直径が異なる各種形状のワークに用いて繊維部材の滑りを防止することができる。

この可変機構としては、複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を可変できるものであれば特に制限されないが、繊維係止アームがリング部の軸に対する傾斜角度を、全ての繊維係止アームで同時に可変する機構が望ましい。リング部はＦＷシャフトの軸方向に移動自在であるので、リング部の軸方向への移動に伴って繊維係止アームの長さが可変したり、リング部の軸方向への移動に伴って繊維係止アームの傾斜角度が可変する構造とすることが望ましい。

リング部はＦＷシャフトの軸方向には移動自在であるが、ＦＷシャフトと共に回転する必要があり、複数の繊維係止アームもＦＷシャフトと共に回転する。例えば無端のリング状のリング部をこのようにＦＷシャフトに保持するには、リング部の内周とＦＷシャフトの外周に形成された凹凸溝を係合させる方法がある。また周方向に分断されたリング部の場合は、軸方向に延びる凹凸溝を互いに係合させてもよい。また、後述の実施例に示すように、繊維係止アームに連結されたリンク部材の後端部をＦＷシャフトに固定することもできる。

繊維係止アームに連結されたリンク部材の後端部をＦＷシャフトに固定した構造とすれば、リング部の軸方向への移動に伴って、リンク部材によって複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を連続的に可変することができる。すなわち可変機構は、それぞれ略Ｌ字形状に屈曲しその屈曲部がリング部に回動自在に保持された繊維係止アームと、一端がＦＷシャフトに揺動自在に保持され他端が繊維係止アームの後端に揺動自在に保持された複数の駆動アームとからなり、リング部がドーム部に対して近接又は離間するように移動したときに複数の繊維係止アームの先端で形成される開口部の径が拡大又は縮小するように構成することが望ましい。

しかし上記のような構成とした場合には、上記開口部の径が拡大した際に、繊維係止アームの先端とドーム部表面との距離が大きくなり、繊維部材の係止が困難となる場合がある。そこで繊維係止アームの先端には、繊維係止アームと交差する方向に延びドーム部の表面に向かって突出する突起を設けることも好ましい。このような突起を設けることで、上記開口部の径が拡大した際に突起で繊維部材を係止して滑りを防止することができる。

以下、図面を参照しながら実施例により本発明を具体的に説明する。

本発明の一実施例に係るＦＷ用滑り防止装置を用いたＦＷ装置の構成の概略を図１に、その要部拡大図を図２に示す。ＦＷ装置における一対のＦＷシャフト100の間には、熱可塑性樹脂から形成されたライナ１が保持されている。ライナ１は、円筒部10と、円筒部10の両端にそれぞれ形成され先端に向かって徐々に縮径するドーム部11とからなり、一対のドーム部11の先端には金属製の口金12が固定されている。一対の口金12がＦＷシャフト100に固定され、ライナ１はＦＷシャフト100と共に回転可能となっている。

一対のＦＷシャフト100の先端近傍には、それぞれ本実施例に係る滑り防止装置２が保持されている。図３にその側面図を、図４にその一部を拡大した斜視図を示す。この滑り防止装置２は、図示しない固定手段によってＦＷシャフト100に同軸に固定された筒部材20と、筒部材20の表面に放射状に突出形成された８個のフランジ部21と、フランジ部21の前方で筒部材20と同軸に配置され軸方向に移動自在なリング部22と、を備えている。リング部22には、それぞれのフランジ部21の延長線上に、８個の第２フランジ部23が突出形成されている。

それぞれの第２フランジ部23には、途中で屈曲されたドッグレッグ形状の繊維係止アーム24の屈曲部が揺動自在に枢支されている。またフランジ部21にはそれぞれ駆動アーム25が揺動自在に枢支され、駆動アーム25の先端にはそれぞれ繊維係止アーム24の後端が揺動可能に枢支されている。リング部22がフランジ部21へ近接する方向へ移動すると、駆動アーム25と繊維係止アーム24の後端部とでなす角度が鋭角側へ変化し、リング部22がフランジ部21から遠ざかる方向へ移動すると、駆動アーム25と繊維係止アーム24の後端部とでなす角度が鈍角側に変化する。

したがってリング部22がフランジ部21から遠ざかる方向へ、すなわちライナ１に近接する方向へ移動された場合には、８本の繊維係止アーム24はそれらの先端で構成される開口部の径が拡がるように移動し、リング部22がフランジ部21へ近接する方向へ、すなわちライナ１から遠ざかる方向へ移動された場合には、８本の繊維係止アーム24はそれらの先端で構成される開口部の径が縮小されるように移動可能となっている。

本実施例では、リング部22と、繊維係止アーム24と、駆動アーム25とで、複数の繊維係止アーム24の先端で形成される開口部の径を可変する可変機構が構成されている。

本実施例の滑り防止装置を用いてライナ１の表面に繊維部材を巻き付ける場合について、その作用を説明する。図１、２に示すように、エポキシ樹脂が含浸された炭素繊維からなる繊維部材３が、左右に往復移動されるアイ口４を介して所定の張力でライナ１に巻き付けられる。このときリング部22をフランジ部21へ近接する方向へ移動させると、８本の繊維係止アーム24はそれらの先端で構成される開口部の径が縮小されるように移動し、８本の繊維係止アーム24はそれぞれ先端が口金12の近傍でドーム部11に近接する。したがって繊維部材３をドーム部11に巻き付ける際には、インプレーン巻き又はヘリカル巻きを用い、繊維部材３が繊維係止アーム24の先端に係止される方向へ付勢しながら巻き付けると、繊維部材３の口金12に近接するように滑るのを防止することができる。

また円筒部10とドーム部11との境界に位置する肩部13に繊維部材３を巻き付けるには、図５、６に示すように、リング部22をフランジ部21から遠ざかる方向へ移動させると、８本の繊維係止アーム24はそれらの先端で構成される開口部の径が拡大されるように移動し、８本の繊維係止アーム24はそれぞれ先端が肩部13の近傍でドーム部11に近接する。したがってインプレーン巻き又はヘリカル巻きを用い、繊維部材３が繊維係止アーム24の先端に係止される方向へ付勢しながら巻き付けると、滑りを防止しつつ繊維部材３を肩部13に巻き付けることができる。

口金12の近傍に繊維部材３を巻き付ける場合には、図７に示すように、滑り装置２を用いず繊維部材３が口金12に係止される方向へ付勢しながらインプレーン巻き又はヘリカル巻きを用いて巻き付けることで、滑りを防止しつつ繊維部材３をドーム部11の先端部に巻き付けることができる。

また例えば径の大きなライナ１’に繊維部材３を巻き付ける場合には、図８に示すように、リング部22をフランジ部21からさらに遠ざかる方向へ移動させ、インプレーン巻き又はヘリカル巻きを用いて繊維部材３が繊維係止アーム24の先端に係止される方向へ付勢しながら巻き付けることで、滑りを防止しつつ繊維部材３をドーム部11'に巻き付けることができる。

したがって本実施例の滑り防止装置によれば、滑りを確実に防止しつつ繊維部材３を巻き付けることができる。また形状が異なるライナ１’に巻き付ける場合にも、同一の滑り防止装置を用いて滑りを確実に防止しつつ繊維部材３を巻き付けることができる。

円筒部10には、従来と同様に、インプレーン巻き、ヘリカル巻き及びフープ巻きの組み合わせで巻き付けることができる。繊維部材３が巻き付けられたライナ１は、滑り防止装置２から分離した後、所定温度で加熱処理することでエポキシ樹脂が硬化し、厚さが均一な繊維強化樹脂層をもつ圧力容器が製造される。

しかしながらライナ１の形状によっては、リング部22をフランジ部21から遠ざかる方向へ移動させ、複数の繊維係止アーム24の先端で構成される開口部の径が拡大された場合に、繊維係止アーム24の先端がドーム部11の表面から離間する場合がある。このようになると、繊維係止アーム24による繊維部材３の係止が困難となり滑りが生じる場合がある。

このような場合には、筒部材20の位置をずらしてＦＷシャフト100に固定してもよいが、図９に示すように、繊維係止アーム24の先端にドーム部11の表面に向かって突出する突起26を形成することが好ましい。このような突起26を形成することで、筒部材20を移動させることなく、滑りを防止しつつ繊維部材３をドーム部11に巻き付けることができる。

本発明のＦＷ用滑り防止装置は、圧縮天然ガス、液化天然ガス、圧縮水素ガスなどを収容する圧力容器の製造に用いられる他、ドーム部をもつ各種物品の表面に繊維部材を巻き付ける場合に利用することができる。

１：ライナ（ワーク）
２：ＦＷ用滑り防止装置
３：繊維部材
10：円筒部
11：ドーム部
22：リング部
24：繊維係止アーム
25：駆動アーム
26：突起

Claims (3)

1. 円筒部と該円筒部の先端に形成され先端に向かって徐々に縮径するドーム部とを有するワークの外周表面にフィラメントワインディング法により繊維部材を多層に巻き付けて強化繊維層を形成するのに用いられる滑り防止装置であって、
   フィラメントワインディングシャフトの外周に軸方向に移動自在に配置されたリング部と、
   該リング部から該ドーム部に向かって放射状に延びる複数の繊維係止アームと、
   複数の該繊維係止アームの先端で形成される開口部の径を可変する可変機構と、を有することを特徴とするフィラメントワインディング用滑り防止装置。
2. 前記可変機構は、それぞれ略Ｌ字形状に屈曲しその屈曲部が前記リング部に回動自在に保持された前記繊維係止アームと、
   一端が前記フィラメントワインディングシャフトに揺動自在に保持され他端が前記繊維係止アームの後端に揺動自在に保持された複数の駆動アームとからなり、
   前記リング部が前記ドーム部に対して近接又は離間するように移動したときに前記開口部の径が拡大又は縮径する請求項１に記載のフィラメントワインディング用滑り防止装置。
3. 前記繊維係止アームの先端には、前記ドーム部の表面に向かって突出する突起を有する請求項１又は請求項２に記載のフィラメントワインディング用滑り防止装置。

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