JP2015000554A - フィラメントワインディング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数本の繊維を繊維束として巻回する際に、繊維束末端の固定の簡便化や簡略化を図る。【解決手段】ＦＷ装置１００は、ヘリカル巻きユニット１００Ｈの繊維束案内体２１０に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを供給する繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０にて、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに改めて熱硬化性樹脂を含浸可能とする。そして、ヘリカル巻きユニット１００Ｈにてライナー１０に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗをヘリカル巻きするに当たり、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのヘリカル巻きの巻回終了タイミングで、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの繊維束末端領域を、熱硬化性樹脂の含浸量が増大調整された状態とする。【選択図】図５

Description

本発明は、フィラメントワインディング装置に関する。

フィラメントワインディング装置（以下、適宜、ＦＷ装置と略称する）は、高圧ガスタンクのコアである樹脂製のライナー等の繊維巻回対象物に多数本の繊維を繊維束の形態で巻回するものとして、広く普及している。ＦＷ装置では、繊維束の巻回終了タイミングで、繊維束末端を既に巻回済みの繊維束に固定する必要があり、種々の固定手法が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１９１９２７号公報

上記の繊維束末端の固定手法では、繊維束に含まれる繊維に含浸した熱硬化性樹脂より高融点の留め部材を用いる都合上、この留め部材の繊維束への装着、並びに、高低２段階の加熱処理が必要となる。このため、繊維束末端の固定の簡便化や簡略化が要請されるに到った。その他、ＦＷ装置による繊維束の巻回を経て得られる最終製品の品質向上などを図ることも要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、フィラメントワインディング装置が提供される。このフィラメントワインディング装置は、繊維巻回対象物に多数本の繊維を繊維束の形態で巻回するフィラメントワインディング装置であって、前記繊維束を巻き取り済みの繊維ボビンを、前記繊維束を送り出し可能に保持するボビンユニットと、前記繊維巻回対象物の軸芯に沿って相対的に往復動し、供給を受けた前記繊維束を前記往復動の過程で前記繊維巻回対象物の外表面に巻回する繊維巻回部と、該繊維巻回部により前記繊維束案内体に巻回される前記繊維束を熱硬化性樹脂溶液に接触させ、該熱硬化性樹脂溶液との接触状態を制御して前記繊維束への前記熱硬化性樹脂溶液の含浸量を調整する含浸調整部とを備える。該含浸調整部は、前記繊維巻回部による前記繊維束の巻回終了タイミングで前記繊維束案内体に巻回される繊維束末端領域において、前記含浸量を増大調整する。

上記形態のフィラメントワインディング装置は、繊維束の巻回終了タイミングで繊維束案内体に巻回される繊維束末端領域を、熱硬化性樹脂の含浸量が増大調整された状態とするので、この増大含浸した熱硬化性樹脂にて、繊維束末端領域を巻回済みの繊維束に容易に仮止めできる。その上で、増大含浸させた熱硬化性樹脂の熱硬化により、巻回済みの繊維束に固定できる。よって、上記形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維束末端領域の固定のための他の部材が不要となると共に、繊維束を硬化・固定するための熱硬化性樹脂の熱硬化処理についても一度で済むので、簡便である。

（２）上記した形態のフィラメントワインディング装置において、前記繊維巻回部として、前記繊維巻回対象物に繊維束をフープ巻きするフープ巻部と、前記繊維巻回対象物に繊維束をヘリカル巻きするヘリカル巻部とを備え、前記含浸調整部は、前記ヘリカル巻部での前記繊維束末端領域における前記含浸量を、前記フープ巻部での前記繊維束末端領域における前記含浸量より多く調整するようにできる。ヘリカル巻きでは、繊維束の巻回軌跡が繊維巻回対象物の中心軸に対して低角度の繊維角（例えば、約１１〜２５°）で交差し、フープ巻きでは中心軸に対してほぼ垂直に近い繊維角（例えば約８９°）で交差する。よって、ヘリカル巻き繊維束は、フープ巻き繊維束より、一般に滑りやすくなる。この形態のフィラメントワインディング装置では、上記のように滑りやすいヘリカル巻きの繊維束末端領域を、フープ巻き繊維束より熱硬化性樹脂の含浸量が増大調整された状態とするので、滑りやすいヘリカル巻きの繊維束末端領域を、巻回済みのヘリカル巻回の繊維束に、増大含浸させた熱硬化性樹脂により容易、且つ確実に仮止めできる。その上で、増大含浸させた熱硬化性樹脂の熱硬化により、巻回済みの繊維束により確実に固定できる。このため、この形態のフィラメントワインディング装置によれば、繊維束のヘリカル巻きおよびフープ巻きを経て得られる最終製品において、ヘリカル巻き繊維束のズレが抑制されることから、製品品質の向上に寄与できる。

（３）上記した形態のフィラメントワインディング装置において、前記ヘリカル巻部によるヘリカル巻きと前記フープ巻部によるフープ巻きとを繰り返し、ヘリカル層とフープ層とを交互に前記繊維巻回対象物に積層形成し、前記含浸調整部は、前記繊維束末端領域における前記含浸量の調整に加え、内層側のヘリカル層の形成のための前記ヘリカル巻部によるヘリカル巻きの際には、外層側のヘリカル層の形成のための前記ヘリカル巻部によるヘリカル巻きの場合より前記含浸量を多く調整するようにできる。こうすれば、内層側に形成されたヘリカル層に多く含浸されていた熱硬化性樹脂を、外層側に形成されるヘリカル層に染み渡るようにできるので、内層側のヘリカル層に含浸した熱硬化性樹脂を有効利用できる。

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、ライナーに多数本の繊維を繊維束の形態で巻回した高圧ガスタンクの他、高圧ガスタンクの製造装置或いは製造方法として構成することもできる。

本発明の実施形態としてのＦＷ装置１００の概略構成を模式的に示す説明図である。 ＦＷ装置１００の要部であるヘリカル巻きユニット１００Ｈと樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの送り出しを図るボビンユニット１２０との概略的な位置関係を示す説明図である。 繊維強化樹脂層の形成の様子を模式的に示す説明図である。 繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０の概略的な構成を平面視して示す説明図である。 繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０での樹脂含浸の様子を図４における５−５線に沿って概略的に示す説明図である。 樹脂含浸ユニット１８０の構成と樹脂含浸の様子を側面視して概略的に示す説明図である。 高圧ガスタンクＴの製造工程を示す手順図である。 高圧ガスタンクＴにおける繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層部位を樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの巻回の様子と合わせて示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。本実施形態のフィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）は、最終製品としての高圧ガスタンクを製造する際に使用され、ライナー１０に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻回する。図１は本発明の実施形態としてのＦＷ装置１００の概略構成を模式的に示す説明図、図２はＦＷ装置１００の要部であるヘリカル巻きユニット１００Ｈと樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの送り出しを図るボビンユニット１２０との概略的な位置関係を示す説明図、図３は繊維強化樹脂層の形成の様子を模式的に示す説明図である。本実施形態では、高圧ガスタンクを、高圧水素を貯蔵する高圧水素タンクとした。

ＦＷ装置１００は、水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂製容器のライナー１０を繊維巻回対象物とする。ライナー１０は、半径が均一である略円筒形状のシリンダー部１０ａと、シリンダー部両端に設けられた凸曲面形状のドーム部１０ｂを有する。ドーム部１０ｂは、等張力曲面によって構成されており、その頂点に、外部配管等と接続するための口金１４を有する。本実施形態では、樹脂容器として、ナイロン系樹脂からなる樹脂製容器を用いるものとした。樹脂容器として、水素ガスに対するガスバリア性を有すれば、他の樹脂からなる樹脂容器を用いるものとしてもよい。

ＦＷ装置１００は、ライナー軸支シャフト１０２と、ヘリカル巻きユニット１００Ｈと、フープ巻きユニット１００Ｆと、クリルスタンド１１０と、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０と、制御装置１６０とを有する。ライナー軸支シャフト１０２は、ライナー両端の口金１４に挿入され、ライナー両端からシャフトを出した状態で後述する支持台３１０にて保持され、ライナー１０を水平に軸支する。こうしてライナー１０を軸支した後、ＦＷ装置１００は、ヘリカル巻きユニット１００Ｈとフープ巻きユニット１００Ｆとにより、ライナー１０の外周に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻回して、繊維強化樹脂層を形成する（繊維強化樹脂層形成工程）。この繊維強化樹脂層形成工程により、ライナー１０の外周に樹脂硬化前の繊維強化樹脂層を有する中間生成品タンクが得られ、この中間生成品タンクを、図示しない誘導加熱装置等を用いて熱処理することで、最終製品としての高圧ガスタンクが得られる。

ヘリカル巻きユニット１００Ｈは、図２に斜視にて示すように、ライナー１０を取り囲む環状体の繊維束案内フレーム２０２を、基台３００に固定フレーム２０４にて固定して備える。このヘリカル巻きユニット１００Ｈは、ライナー両端のドーム部１０ｂの湾曲外表面領域に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを掛け渡してヘリカル巻きを図るべく、ライナー１０におけるタンク中心軸ＡＸに沿って、繊維束案内フレーム２０２とライナー１０とを、ドーム部１０ｂの外側を含む所定範囲に亘って相対的に往復駆動させる。つまり、ライナー１０に対して繊維束案内フレーム２０２を往復動させるようにできるほか、繊維束案内フレーム２０２に対して、ライナー１０を水平に軸支したまま往復動させてもよい。本実施形態では、繊維束案内フレーム２０２を含むヘリカル巻きユニット１００Ｈを基台３００に固定してライナー１０を往復動する構成としたが、図１では、図示の都合から、ヘリカル巻きユニット１００Ｈを相対的にライナー１０に対して往復動するよう示した。

基台３００は、第１レール３０２と、第２レール３０４と、支持台３１０とを備えている。第１レール３０２は、基台３００の長手方向に延伸する一対の溝であり、基台３００の上方向（Ｙ方向）の面に形成されている。第２レール３０４は、基台３００の長手方向に延伸する一対の溝であり、基台３００の上面であって、第１レール３０２に対して基台３００の短手方向（Ｚ方向）の外側に形成されている。

支持台３１０は、基台３００の上面に配置され、既述したライナー軸支シャフト１０２と共にライナー１０を回転自在に支持する。支持台３１０は、ヘリカル巻きユニット１００Ｈおよびフープ巻きユニット１００Ｆを挟んで一対用意され、タンク中心軸ＡＸを中心にライナー１０を回転する。一対の支持台３１０は、図示しない駆動機構によって、基台３００の長手方向に沿って第１レール３０２上を往復動自在に駆動し、ライナー１０を繊維束案内フレーム２０２に対して往復動させる。支持台３１０は、ベース３１２と、支持腕３１４と、チャック３１６とを備えている。ベース３１２は、板状を有し、第１レール３０２に嵌合することで第１レール３０２上を移動可能に構成されている。支持腕３１４は、四角柱状を有し、基台３００の上方向に向かって延伸するように設けられている。チャック３１６は、支持腕３１４の上端部、換言すれば、支持腕３１４がベース３１２に固定されている側とは反対側の端部に設けられており、ライナー軸支シャフト１０２を固定する。

基台３００に固定された繊維束案内フレーム２０２は、支持台３１０にて軸支されたライナー１０が入り込む貫通孔の周囲に、複数個の繊維束案内体２１０を当ピッチに放射状に備える。それぞれの繊維束案内体２１０は、後述の繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０から樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの供給を受け、その供給を受けた樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを、既述した繊維束案内フレーム２０２の相対的な往復動の過程でライナー１０の外表面に案内して巻回する。

クリルスタンド１１０は、図１に示すように、ヘリカル巻きユニット１００Ｈの左右（図における上下）に配設され、繊維束案内フレーム２０２に設けられた繊維束案内体２１０の個数に相当する数のボビンユニット１２０を有する。それぞれのボビンユニット１２０は、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻き取り済みの繊維ボビンＢを回転可能に保持し、これらボビンから、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０を経てヘリカル巻きユニット１００Ｈの繊維束案内体２１０に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを送り出す。この場合、ボビンユニット１２０は、制御装置１６０の制御を受けて繊維ボビンＢを回転させて樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを送り出すようにできるほか、ライナー１０への樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの巻回に伴う引っ張り力により、繊維ボビンＢから樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを送り出すようにしてもよい。

繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０は、それぞれのボビンユニット１２０が送り出した樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを熱硬化性樹脂に改めて含浸させた上で、その樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを繊維束案内フレーム２０２に組み込まれた個々の繊維束案内体２１０に、供給する。この繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０の構成については後述する。なお、ヘリカル巻きユニット１００Ｈがライナー１０に対して往復動する構成であれば、この繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０は、ヘリカル巻きユニット１００Ｈの往復動に合わせて移動し、クリルスタンド１１０の個々のボビンユニット１２０からの樹脂含浸カーボン繊維束Ｗをヘリカル巻きユニット１００Ｈに案内しつつ送り出す。

こうして樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの供給を受けるヘリカル巻きユニット１００Ｈは、図３（Ａ）に示すように、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの巻回軌跡がタンク中心軸ＡＸに対して低角度の繊維角αＬＨ（例えば、約１１〜２５°）で交差する低角度のヘリカル巻きにて、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻回する。この樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、複数本のスライバー状のカーボン単繊維を揃えて繊維束の状態とされ、単繊維表面および単繊維間にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含む多給糸のいわゆるプリプレグである。ヘリカル巻きユニット１００Ｈによるヘリカル巻きの際、ライナー１０は、タンク中心軸ＡＸの回りに回転し、ライナー１０の回転速度とヘリカル巻きユニット１００Ｈに対するライナー１０の往復動速度が制御装置１６０により調整される。この低角度のヘリカル巻きでは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、シリンダー部１０ａの両端のドーム部１０ｂに掛け渡るよう螺旋状に繰り返し巻回される。そして、両側のドーム部１０ｂでは、ライナー１０の往路・復路の切換に伴って繊維の巻き付け方向が折り返されると共に、タンク中心軸ＡＸからの折り返し位置も調整される。

ドーム部１０ｂにおける巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、ライナー１０の外表面には、低角度の繊維角αＬＨで樹脂含浸カーボン繊維束Ｗが網目状に張り渡された繊維巻回層が形成される。この場合、ヘリカル巻きユニット１００Ｈの相対的な往復動範囲は、ドーム部１０ｂのほぼ全域の外表が樹脂含浸カーボン繊維束Ｗにて覆われた上で、数層の上記の繊維巻回層が形成できる範囲とされ、この最初の数層の繊維巻回層が最内層側に位置する最内層ヘリカル層となる。この場合、後述するフープ巻きユニット１００Ｆによるフープ巻きを最初に数層の繊維巻回層となるように繰り返して最内層フープ層を形成した後に、ヘリカル巻きユニット１００Ｈにて、上記の最内層ヘリカル層を形成してもよい。

フープ巻きユニット１００Ｆは、ライナー１０を取り囲む環状体とされ、シリンダー部１０ａの外周に樹脂含浸カーボン繊維束Ｗをフープ巻きすべく、ライナー１０におけるタンク中心軸ＡＸに沿ってほぼシリンダー部１０ａの長さに相当する所定範囲に亘って相対的に往復動する。フープ巻きユニット１００Ｆは、相対的な往復動の過程において、ユニット内蔵の複数のフープ巻き用繊維ボビンＦＢから樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを繰り出し、図３（Ｂ）に示すように、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの巻回軌跡がタンク中心軸ＡＸに対してほぼ垂直に近い巻き角度（繊維角α０：例えば約８９°）で交差するフープ巻きにて、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻回する。このフープ巻きをシリンダー部両端で折り返しつつ繰り返すことで、最内層ヘリカル層に重ねてフープ層が形成される。つまり、ライナー１０をタンク中心軸ＡＸの回りで回転させつつ、フープ巻きユニット１００Ｆをタンク中心軸ＡＸに沿って所定速度で繰り返し往復動させることで、既に形成済みのヘリカル層に重なってフープ層が樹脂含浸カーボン繊維束Ｗにて巻回形成される。このフープ巻きユニット１００Ｆは、後述の樹脂含浸ユニット１８０（図４参照）を備え、この樹脂含浸ユニット１８０により、フープ巻き用繊維ボビンＦＢから送り出された樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを改めて樹脂に含浸させる。

シリンダー部１０ａにおける巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、既に形成済みのヘリカル層の外表面には、高角度の繊維角αＬＨで樹脂含浸カーボン繊維束Ｗが網目状に張り渡されたフープ層が形成される。この場合、フープ巻きユニット１００Ｆの相対的な往復動範囲は、シリンダー部１０ａの全域において樹脂含浸カーボン繊維束Ｗが繰り返し巻回されて数層の上記の繊維巻回層が形成できる範囲とされ、この数層の繊維巻回層がフープ層となる。

ヘリカル巻きユニット１００Ｈによる低角度のヘリカル巻きから、フープ巻きユニット１００Ｆによるフープ巻きへの変更を行うに際し、タンク中心軸ＡＸに対して高角度の繊維角（例えば、約３０〜６０°）で樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻回する高角度のヘリカル巻きを組み込むこともできる。

こうして樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのフープ巻きおよびヘリカル巻きが使い分けて繰り返されることで、ライナー１０の外周には、最内層ヘリカル層にフープ層が重なり、更に、ヘリカル層とフープ層が交互に層状に複層層重なった繊維強化樹脂層がＦＷ装置１００にて形成される。なお、フープ巻きおよびヘリカル巻きの繰り返しの使い分けを経たヘリカル層とフープ層の形成と、その際の樹脂含浸とについては後述する。

制御装置１６０は、論理演算を行うＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むいわゆるシーケンシャルコンピューターとして構成され、支持台３１０に支持したライナー１０の回転速度や、ヘリカル巻きユニット１００Ｈおよびフープ巻きユニット１００Ｆに対するライナー１０の往復動速度、ボビンユニット１２０からの樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの送り出し状況、樹脂含浸の際の含浸量調整等、ＦＷ装置１００の各種制御を統括して行う。

次に、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０の構成と当該ユニットによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの熱硬化性樹脂含浸について説明する。図４は繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０の概略的な構成を平面視して示す説明図、図５は繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０での樹脂含浸の様子を図４における５−５線に沿って概略的に示す説明図である。

図示するように、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０は、樹脂溶液槽１５１と、上流側第１案内ローラー１５２と、上流側第２案内ローラー１５３と、下流側第１案内ローラー１５４と、下流側第２案内ローラー１５５と、仕切保持枠１５６と、仕切１５７と、繊維束押圧ローラー１５８と、シリンダー機構１５９とを備える。樹脂溶液槽１５１は、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに含浸した熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂等）と同質の熱硬化性樹脂の溶液を貯留する。そして、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０は、樹脂溶液槽１５１の樹脂溶液貯留域を、仕切保持枠１５６で保持した仕切１５７にて区画し、ボビンユニット１２０から送り出された樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを、ボビンユニットごとに上流側第１案内ローラー１５２と上流側第２案内ローラー１５３とで各区画領域に導く。その上で、導いた樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに種々の制御意図に沿った樹脂含浸を施し、その樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを、下流側第２案内ローラー１５５と仕切保持枠１５６とで案内しつつ、繊維束案内フレーム２０２の繊維束案内体２１０に供給する。

繊維束押圧ローラー１５８は、上流側第２案内ローラー１５３と下流側第２案内ローラー１５５の間に位置し、制御装置１６０の制御を受けて上下駆動するシリンダー機構１５９にて、上下動する。この繊維束押圧ローラー１５８は、上流側第２案内ローラー１５３から下流側第２案内ローラー１５５に到る樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの繊維経路において、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗと常時接触しているので、シリンダー機構１５９による上下動により、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを樹脂溶液槽１５１の貯留樹脂溶液Ｒに押し付けて浸漬する。樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、繊維束押圧ローラー１５８による押し付けにより、張力を受けてより長い経路に亘って貯留樹脂溶液Ｒに浸漬されると共に、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに含まれる個々の単繊維の間が広がるよう拡幅する。この拡幅の程度や浸漬経路長は、繊維束押圧ローラー１５８による押し付けの程度、即ちこの押し付けによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗと貯留樹脂溶液Ｒとの接触状態によって定まる。よって、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０は、制御装置１６０の制御を受けたシリンダー機構１５９による繊維束押圧ローラー１５８の上下動調整を経て、それぞれのボビンユニット１２０からの樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを熱硬化性樹脂に改めて含浸させると共に、樹脂含浸量についても調整する。

次に、フープ巻きユニット１００Ｆにおいて改めて樹脂含浸を行う樹脂含浸ユニット１８０の構成と当該ユニットによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの熱硬化性樹脂含浸について説明する。図６は樹脂含浸ユニット１８０の構成と樹脂含浸の様子を側面視して概略的に示す説明図である。

図示するように、フープ巻きユニット１００Ｆは、フープ巻きの巻回軌跡で樹脂含浸カーボン繊維束Ｗをライナー１０に巻回するに当たり、個々のフープ巻き用繊維ボビンＦＢからくり出した複数筋の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを、案内ローラー群１８１にて集め一筋の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗとする。樹脂含浸ユニット１８０は、案内ローラー群１８１にて一筋とされた樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに対して熱硬化性樹脂含浸を図るべく、ピックアップローラー１８２と、ローラー上下動機構１８３と、保持脚１８４と、繊維束クランプ１８５とを備える。

ピックアップローラー１８２は、保持脚１８４にてフープ巻きユニット１００Ｆのフレームに固定されたローラー上下動機構１８３のシリンダーシャフト先端に配設されている。このピックアップローラー１８２は、案内ローラー群１８１にて一筋とされた樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの下方まで、ローラー上下動機構１８３にて降下する。この際、ローラー上下動機構１８３は、ピックアップローラー１８２を、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗと干渉させないようにして降下させる。その後、ローラー上下動機構１８３は、ピックアップローラー１８２を元の位置に後退させることで、複数筋の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを一筋の状態で案内ローラー群１８１から持ち上げる。

繊維束クランプ１８５は、図６の紙面における奥側と手前側に前後動可能とされ、ピックアップローラー１８２にて持ち上げた一筋の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを、紙面における奥側から手前側に前進して把持する。この繊維束クランプ１８５は、多孔質のスポンジ状とされた上で、図示しない樹脂供給装置から、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに含浸した熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂等）と同質の熱硬化性樹脂の溶液の供給を受けている。よって、樹脂含浸ユニット１８０は、繊維束クランプ１８５で把持した樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに熱硬化性樹脂を改めて含浸させると共に、把持力と樹脂溶液供給量を調整することで、樹脂含浸量についても調整する。樹脂含浸ユニット１８０による上記した熱硬化性樹脂の含浸は、後述のタイミングでなされ、その際には、ライナー１０は回転を停止している。そして、樹脂含浸ユニット１８０による樹脂含浸の後、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、樹脂含浸ユニット１８０が有する繊維カッターにて切断され、その後のライナー１０の回転により引き出されて、ライナー１０に巻回される。

次に、ヘリカル巻きユニット１００Ｈとフープ巻きユニット１００Ｆとを有するＦＷ装置１００を用いた高圧ガスタンクＴの製造工程について説明する。図７は高圧ガスタンクＴの製造工程を示す手順図、図８は高圧ガスタンクＴにおける繊維強化樹脂層２０の内外の樹脂層部位を樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの巻回の様子と合わせて示す説明図である。

図７に示すように、高圧ガスタンクＴを製造するに当たり、まず、ライナー１０を支持台３１０（図２参照）に装着する（ステップＳ１００）。制御装置１６０は、支持台３１０の駆動機器を制御してライナー１０を所定の一定の回転速度で回転制御し、定速回転となると、ライナー１０をタンク中心軸ＡＸに沿って往復動しつつ、ヘリカル巻きユニット１００Ｈの繊維束案内体２１０から樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを送り出し、図３（Ａ）に示すように、低角度のヘリカル巻きを複数の層となるよう繰り返す（ステップＳ１１０）。これにより、ライナー１０の外表面には、複数層の最内層の低角度ヘリカル層２０Ｈが形成される。図８では、この低角度ヘリカル層２０Ｈを一つの層と擬製して表している。なお、ライナー１０の回転速度とタンク中心軸ＡＸに沿った往復動速度は、低角度のヘリカル巻きに即した速度に調整される。

制御装置１６０は、低角度のヘリカル巻きを開始してからの経過時間やライナー１０の回転速度・往復速度等に基づいて、低角度ヘリカル層２０Ｈの形成のための樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのヘリカル巻きの終了タイミングに達したか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで肯定判定されるまで、ステップＳ１１０のヘリカル巻きが継続される。制御装置１６０は、ステップＳ１２０にて肯定判定すると、熱硬化性樹脂の含浸量増大調整を行う（ステップＳ１３０）。制御装置１６０は、この含浸量増大調整において、図５に示した繊維束押圧ローラー１５８を最下段まで降下させる。これにより、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、プリプレグである故に樹脂含浸済みであるが、改めて熱硬化性樹脂の含浸を受けるので、ヘリカル巻きの巻回終了タイミングでライナー１０に巻回される繊維束末端領域において、樹脂含浸量が増大する。そして、含浸量が増大した状態の繊維束末端領域の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、ライナー１０にヘリカル巻きされた上で、図示しないカッティング機器、或いは作業者にて切断される。もしくは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、繊維束末端領域にてライナー１０にヘリカル巻きされたまま更に送り出され、ライナー１０の側方まで延びて、次回のヘリカル巻きに備える。

本実施形態では、ヘリカル巻きの巻回終了タイミングでの樹脂含浸量の増大調整に加え、ヘリカル巻きの継続中においても、次のようにして、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０にて樹脂含浸量を調整する。図８に示すように、低角度ヘリカル層２０Ｈは、ライナー１０の外表面の側から複数形成される。本実施形態では、ライナー１０の外表面に近い内層側の低角度ヘリカル層２０Ｈと外層側の低角度ヘリカル層２０Ｈとで、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの樹脂含浸量を調整した。制御装置１６０は、図８に示す５層の低角度ヘリカル層２０Ｈのうちで内層側の３層の低角度ヘリカル層２０Ｈの形成の際には、図５に実線で示すように、繊維束押圧ローラー１５８をストローク途中まで降下させる。これにより、内層側の３層の低角度ヘリカル層２０Ｈでは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの樹脂含浸量は、ヘリカル巻きの巻回終了タイミングでの樹脂含浸量より少ないとは言え、増大調整される。その一方、制御装置１６０は、図８に示す５層の低角度ヘリカル層２０Ｈのうちで外層側の２層の低角度ヘリカル層２０Ｈの形成の際には、繊維束押圧ローラー１５８を貯留樹脂溶液Ｒの液面より上に退避させる。これにより、外層側の２層の低角度ヘリカル層２０Ｈでは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの樹脂含浸量は、プリプレグの際の樹脂含浸量のままとなる。よって、内層側の低角度ヘリカル層２０Ｈの形成の際のヘリカル巻きでは、外層側の低角度ヘリカル層２０Ｈの形成の際のヘリカル巻きの場合より、樹脂含浸量が多く調整されて、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗがライナー１０にヘリカル巻きされる。

制御装置１６０は、上記したヘリカル巻きに続き、ライナー１０の回転速度と往復動速度とを高角度のフープ巻きに即した速度に調整した上で、フープ巻きユニット１００Ｆの案内ローラー群１８１（図６参照）から樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを一筋の状態で送り出し、図３（Ｂ）に示すように、高角度のフープ巻きを複数の層となるよう繰り返す（ステップＳ１４０）。これにより、ライナー１０の外表面には、最内層の低角度ヘリカル層２０Ｈに重ねて複数層の高角度フープ層２０Ｆが形成される。図８では、この高角度フープ層２０Ｆについても一つの層と擬製して表している。

制御装置１６０は、高角度のフープ巻きを開始してからの経過時間やライナー１０の回転速度・往復速度等に基づいて、高角度フープ層２０Ｆの形成のための樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのフープ巻きの終了タイミングに達したか否かを判定する（ステップＳ１５０）。ここで肯定判定されるまで、ステップＳ１４０のフープ巻きが継続される。制御装置１６０は、ステップＳ１５０にて肯定判定すると、熱硬化性樹脂の含浸量増大調整を行う（ステップＳ１６０）。制御装置１６０は、この含浸量増大調整において、図６に示したピックアップローラー１８２にて一筋の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを持ち上げた上で、繊維束クランプ１８５にて樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに改めて熱硬化性樹脂を含浸させ、フープ巻きの巻回終了タイミングでライナー１０に巻回される繊維束末端領域において、樹脂含浸量を増大させる。このフープ巻きの巻回終了タイミングでの樹脂含浸量は、その含浸が繊維束クランプ１８５による把持であることから、上記のヘリカル巻きの終了タイミングでの貯留樹脂溶液Ｒへの浸漬を経た樹脂含浸量より少なくなる。そして、含浸量が増大した状態の繊維束末端領域の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、樹脂含浸ユニット１８０が有する繊維カッターにて切断され、その後のライナー１０の回転により引き出されて、ライナー１０にフープ巻回される。もしくは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、繊維束末端領域にてライナー１０にフープ巻きされたまま更に送り出され、ライナー１０の側方まで延びて、次回のフープ巻きに備える。

制御装置１６０は、上記したヘリカル巻きとフープ巻きとの繰り返しが完了したか否かを判定し（ステップＳ１７０）、肯定判定するまで、上記したヘリカル巻きとフープ巻きとを使い分けて繰り返す。よって、図８に示すように、ライナー１０の外表面の繊維強化樹脂層２０は、ライナー１０の外周側から、ヘリカル巻きによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの低角度ヘリカル層２０Ｈとフープ巻きによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの高角度フープ層２０Ｆとが交互に積層されて形成される。図においては、図示の都合から、各樹脂層部位は単一の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを含むようにされているが、各樹脂層では、既述したようにフープ巻きとヘリカル巻きでの樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの複数回の巻回により、複数の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗがフープ巻きとヘリカル巻きで重なることになる。なお、図８では、タンク中心軸ＡＸを含んでタンクを長手方向に断面視していることから、繊維の配向がフープ巻きに基づいた約８９°の高角度フープ層２０Ｆでは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは繊維と交差するよう切断したほぼ円形に断面視される。その一方、繊維の配向が低角度のヘリカル巻きに基づいた約１１〜２５°の低角度ヘリカル層２０Ｈでは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは繊維長手方向に沿って切断した矩形状に断面視される。

制御装置１６０は、上記したヘリカル巻きとフープ巻きとの繰り返しが完了したと肯定判定すると、ライナー１０の回転を停止した上で、ライナー１０をヘリカル巻きユニット１００Ｈおよびフープ巻きユニット１００Ｆと干渉しない位置に移動させる。これにより、ライナー１０は、ＦＷ装置１００から取り外され、図示しない加熱装置にて、熱硬化性樹脂の加熱硬化処理に処され、冷却養生を経ることで、ライナー１０を繊維強化樹脂層２０で補強被覆した高圧ガスタンクＴが得られる。

以上説明したように、本実施形態のＦＷ装置１００は、ヘリカル巻きユニット１００Ｈによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのヘリカル巻きの巻回終了タイミングで（ステップＳ１３０）、並びに、フープ巻きユニット１００Ｆによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのフープ巻きの巻回終了タイミングで（ステップＳ１６０）、ライナー１０に巻回される樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの繊維束末端領域を、熱硬化性樹脂の含浸量が増大調整された状態とする。よって、本実施形態のＦＷ装置１００によれば、増大含浸量の熱硬化性樹脂にて、ヘリカル巻きの際の繊維束末端領域、並びに、フープ巻きの際の繊維束末端領域を、巻回済みのヘリカル巻回の繊維束或いは巻回済みのフープ巻きの繊維束に、それぞれ容易に仮止めできる。また、本実施形態のＦＷ装置１００によれば、増大含浸量の熱硬化性樹脂の熱硬化により、巻回済みの繊維束に固定できる。この結果、本実施形態のＦＷ装置１００によれば、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの繊維束末端領域の固定に特化した他の部材が不要となると共に、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを硬化・固定するための熱硬化性樹脂の熱硬化処理についても一度で済むので、タンク製造工程の簡略化を図ることができる。また、上記の他の部材が不要なことから、当該部材の繊維束への装着も無用となるので、コスト低減に寄与できる。

本実施形態のＦＷ装置１００は、ヘリカル巻きユニット１００Ｈによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのヘリカル巻きの巻回終了タイミングでの樹脂含浸量を（ステップＳ１３０）、フープ巻きユニット１００Ｆによる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのフープ巻きの巻回終了タイミングでの樹脂含浸量（ステップＳ１６０）より多くした。よって、次の利点がある。図３に示すように、ヘリカル巻きユニット１００Ｈによるヘリカル巻きでは、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの巻回軌跡が繊維巻回対象物の中心軸に対して低角度の繊維角（例えば、約１１〜２５°）で交差し、フープ巻きユニット１００Ｆによるフープ巻きでは中心軸に対してほぼ垂直に近い繊維角（例えば約８９°）で交差する。よって、ヘリカル巻きされる樹脂含浸カーボン繊維束Ｗは、フープ巻きの場合より、一般にライナー１０の表面から滑りやすくなる。ところが、本実施形態のＦＷ装置１００では、上記のように滑りやすいヘリカル巻きの樹脂含浸カーボン繊維束Ｗの繊維束末端領域を、フープ巻きの場合より熱硬化性樹脂の含浸量が増大調整された状態とするので、滑りやすいヘリカル巻きの繊維束末端領域を、巻回済みのヘリカル巻回の樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに、増大含浸させた熱硬化性樹脂により容易、且つ確実に仮止めできる。その上で、増大含浸させた熱硬化性樹脂の熱硬化により、ヘリカル巻きで巻回済みの樹脂含浸カーボン繊維束Ｗにより確実に固定できる。この結果、本実施形態のＦＷ装置１００によれば、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗのヘリカル巻きおよびフープ巻きを経て得られる最終製品たる高圧ガスタンクＴにおいて、ヘリカル巻き繊維束のズレが抑制されることから、タンク強度を高めることができる。

本実施形態のＦＷ装置１００では、ヘリカル巻きユニット１００Ｈによるヘリカル巻きとフープ巻きユニット１００Ｆによるフープ巻きとを繰り返すことで、低角度ヘリカル層２０Ｈと高角度フープ層２０Ｆとを交互にライナー１０に積層形成した。その上で、内層側の低角度ヘリカル層２０Ｈの形成のためのヘリカル巻きユニット１００Ｈによるヘリカル巻きの際には、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０にて改めて熱硬化性樹脂を樹脂含浸カーボン繊維束Ｗに含浸させ、その含浸量を、外層側の低角度ヘリカル層２０Ｈの形成のためのヘリカル巻きの場合より多くした。この結果、本実施形態のＦＷ装置１００によれば、内層側に形成された低角度ヘリカル層２０Ｈに多く含浸されていた熱硬化性樹脂を、外層側に形成される低角度ヘリカル層２０Ｈに染み渡るようにできるので、内層側の低角度ヘリカル層２０Ｈに含浸した熱硬化性樹脂を有効利用できる。

本発明は、上述の実施形態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、或いは、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。

本実施形態では、高圧ガスタンクのコア材であるライナー１０を繊維巻回対象物としたが、ライナー以外の繊維巻回対象物に繊維を巻回するようにしてもよい。また、本実施形態では、ボビンユニット１２０における繊維ボビンＢに樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを巻き取り済みとしたが、熱硬化性樹脂の未含浸のカーボン繊維束を巻き取るようにしてもよい。この場合には、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０から繊維束案内体２１０に樹脂未含浸のカーボン繊維束を供給する際に、この繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０にて熱硬化性樹脂を含浸して、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗとすればよい。具体的には、樹脂未含浸のカーボン繊維束のヘリカル巻きの当初から、繊維束押圧ローラー１５８を、その案内するカーボン繊維束が樹脂溶液槽１５１の貯留樹脂溶液Ｒに浸漬するように降下させ、これにより、樹脂含浸カーボン繊維束Ｗとする。そして、樹脂溶液槽１５１にて樹脂含浸を図った樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを、既述したように、繊維束樹脂含浸分配ユニット１５０からそれぞれの繊維束案内体２１０に供給すればよい。この際、ヘリカル巻きの終了タイミングでの既述した樹脂含浸量の増大調整を行うことができるほか、内外層のヘリカル層形成の際の樹脂含浸量の増大調整も併用できる。

本実施形態では、フープ巻きユニット１００Ｆとヘリカル巻きユニット１００Ｈとを有するＦＷ装置１００において、クリルスタンド１１０からヘリカル巻きユニット１００Ｈに樹脂含浸カーボン繊維束Ｗを供給したが、ヘリカル巻きユニット１００Ｈのみを有するＦＷ装置１００に適用できる。

１０…ライナー
１０ａ…シリンダー部
１０ｂ…ドーム部
１４…口金
２０…繊維強化樹脂層
２０Ｆ…高角度フープ層
２０Ｈ…低角度ヘリカル層
１００…ＦＷ装置
１００Ｆ…フープ巻きユニット
１００Ｈ…ヘリカル巻きユニット
１０２…ライナー軸支シャフト
１１０…クリルスタンド
１２０…ボビンユニット
１５０…繊維束樹脂含浸分配ユニット
１５１…樹脂溶液槽
１５２…上流側第１案内ローラー
１５３…上流側第２案内ローラー
１５４…下流側第１案内ローラー
１５５…下流側第２案内ローラー
１５６…仕切保持枠
１５７…仕切
１５８…繊維束押圧ローラー
１５９…シリンダー機構
１６０…制御装置
１８０…樹脂含浸ユニット
１８１…案内ローラー群
１８２…ピックアップローラー
１８３…ローラー上下動機構
１８４…保持脚
１８５…繊維束クランプ
２０２…繊維束案内フレーム
２０４…固定フレーム
２１０…繊維束案内体
３００…基台
３０２…第１レール
３０４…第２レール
３１０…支持台
３１２…ベース
３１４…支持腕
３１６…チャック
Ｗ…樹脂含浸カーボン繊維束
Ｂ…繊維ボビン
ＦＢ…フープ巻き用繊維ボビン
Ｒ…貯留樹脂溶液
Ｔ…高圧ガスタンク
ＡＸ…タンク中心軸

Claims (3)

1. 繊維巻回対象物に多数本の繊維を繊維束の形態で巻回するフィラメントワインディング装置であって、
   前記繊維束を巻き取り済みの繊維ボビンを、前記繊維束を送り出し可能に保持するボビンユニットと、
   前記繊維巻回対象物の軸芯に沿って相対的に往復動し、供給を受けた前記繊維束を前記往復動の過程で前記繊維巻回対象物の外表面に巻回する繊維巻回部と、
   該繊維巻回部により前記繊維束案内体に巻回される前記繊維束を熱硬化性樹脂溶液に接触させ、該熱硬化性樹脂溶液との接触状態を制御して前記繊維束への前記熱硬化性樹脂溶液の含浸量を調整する含浸調整部とを備え、
   該含浸調整部は、前記繊維巻回部による前記繊維束の巻回終了タイミングで前記繊維束案内体に巻回される繊維束末端領域において、前記含浸量を増大調整する
   フィラメントワインディング装置。
2. 請求項１に記載のフィラメントワインディング装置であって、
   前記繊維巻回部として、前記繊維巻回対象物に繊維束をフープ巻きするフープ巻部と、前記繊維巻回対象物に繊維束をヘリカル巻きするヘリカル巻部とを備え、
   前記含浸調整部は、前記ヘリカル巻部での前記繊維束末端領域における前記含浸量を、前記フープ巻部での前記繊維束末端領域における前記含浸量より多く調整する
   フィラメントワインディング装置。
3. 請求項２に記載のフィラメントワインディング装置であって、
   前記ヘリカル巻部によるヘリカル巻きと前記フープ巻部によるフープ巻きとを繰り返し、ヘリカル層とフープ層とを交互に前記繊維巻回対象物に積層形成し、
   前記含浸調整部は、前記繊維束末端領域における前記含浸量の調整に加え、内層側のヘリカル層の形成のための前記ヘリカル巻部によるヘリカル巻きの際には、外層側のヘリカル層の形成のための前記ヘリカル巻部によるヘリカル巻きの場合より前記含浸量を多く調整する
   フィラメントワインディング装置。

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