JP2017196817A

JP2017196817A - タンクの製造方法

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Publication number: JP2017196817A
Application number: JP2016090089A
Authority: JP
Inventors: 範人榊原; Norihito Sakakibara; 健八田; Takeshi Hatta; 順規木戸; Nobuki Kido
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-04-28
Also published as: JP6586921B2

Abstract

【課題】タンクの製造方法において、タンクに対する繊維の巻きずれを抑制できる技術を提供する。【解決手段】タンクの製造方法であって、繊維を供給するボビンと、供給された繊維を巻き付けるタンクと、ボビンとタンクとの間の繊維供給路に位置し、回転式ローラによって繊維をタンクに供給するアイクチと、ボビンとアイクチとの間の繊維供給路に位置し、繊維の張力を調整するためにモータの軸を中心に回転移動可能なダンサーローラと、モータのトルクを制御する制御装置と、タンクに繊維を巻き付けるときの繊維の張力を測定する測定部と、を備える製造装置において、制御装置は、測定部で測定した張力変動を打ち消すトルクをモータに発生させる製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、タンクの製造方法に関する。

近年、燃料電池システムに用いられる高圧水素タンクの製造方法として、フィラメントワインディング法により強化繊維をタンクの外郭に巻き付ける方法がある。フィラメントワインディング法によってタンクを製造する方法として、例えば、特許文献１には、フィードアイ（アイクチともいう）と繊維の巻き付け位置との間の距離の変化量に応じて、張力付与装置のテンションローラを移動させることにより走行中の繊維の張力を一定にすることが開示されている。

特開２００２−４６９４０号公報

しかし、特許文献１に記載の製造方法では、アイクチが繊維の供給時に回転しない固定式なので、テンションローラにより張力を変化させても、アイクチの前後動等により張力が変動してしまい、巻きずれが発生するおそれがある。従って、タンクに対する繊維の巻きずれを抑制できる技術が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、タンクの製造方法が提供される。このタンクの製造方法は、繊維を供給するボビンと；前記供給された繊維を巻き付けるタンクと；前記ボビンと前記タンクとの間の繊維供給路に位置し、回転式ローラによって前記繊維を前記タンクに供給するアイクチと；前記ボビンと前記アイクチとの間の繊維供給路に位置し、前記繊維の張力を調整するためにモータの軸を中心に回転移動可能なダンサーローラと；前記モータのトルクを制御する制御装置と；前記タンクに前記繊維を巻き付けるときの前記繊維の張力を測定する測定部と、を備える製造装置において；前記制御装置は、前記測定部で測定した張力変動を打ち消すトルクを前記モータに発生させる。この形態のタンクの製造方法によれば、アイクチを回転式ローラにすることによって、アイクチ前後において張力が変化することを抑制することができるので、ダンサーローラのトルク制御をタンクに繊維を巻き付けるときの繊維の張力に的確に反映させることができる。そのため、張力変動を抑制でき、タンクに対する繊維の巻きずれを抑制できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、タンクの製造装置、製造装置、タンクの製造装置の制御方法などの形態で実現することができる。

製造装置の一例を示す説明図である。繊維束がアイクチを経由してタンクに巻き付けられる状態を示した図である。張力の変化を示したグラフである。図３の波形を反転した張力の変化を示したグラフである。本実施形態の張力制御を行った場合の張力の変化を示したグラフである。巻き速度による張力ばらつきを例示したグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、本実施形態のタンクの製造方法で用いる製造装置１０の一例を示す説明図である。製造装置１０は、繊維巻出部２０と、張力区切部３０と、繊維案内部４０と、制御装置５０と、を備える。製造装置１０は、樹脂が含浸された炭素繊維の束（以下、単に「繊維束Ｔ」という）に張力を掛けつつ、タンク６０にフープ巻きやヘリカル巻きを組み合わせて巻き付ける。これにより、タンク６０の外周には炭素繊維による補強層が形成される。製造装置１０のことをフィラメントワインディング装置と呼ぶこともできる。

繊維束Ｔは、炭素繊維束を熱硬化型エポキシ樹脂に含浸させた、いわゆるプリプレグである。なお、このようなプリプレグとしては、例えば、ポリアクリロニトリルの原糸を約３，０００℃で焼成した糸を約２４，０００本程度撚って集め、バインダ樹脂によって軽く接着させた、厚さ約２００μｍ、幅４ｍｍから５ｍｍ程度の扁平なシートを例示することができる。

繊維巻出部２０は、繊維束Ｔを巻き出す機構部であり、ボビン２０１と、複数の搬送ローラ２１０〜２１８と、第１のダンサーローラ２２０と、アクティブダンサ２３０と、測定部Ｃ１とを含んでいる。ボビン２０１は、繊維束Ｔが巻き付けられた筒状の部材であり、繊維束Ｔの供給を行う部材である。ボビン２０１からタンク６０の間を繊維供給路ともいう。

搬送ローラ２１０は、ボビン２０１から巻き出された繊維束Ｔを第１のダンサーローラ２２０に搬送する。第１のダンサーローラ２２０は、モータＭ１の回転軸を中心に回転移動可能なローラである。モータＭ１は、サーボモータであり、第１のダンサーローラ２２０を回転移動させることによって、繊維束Ｔの張力を調整する。張力が調整された繊維束Ｔは、搬送ローラ２１２〜２１８を経由して、張力区切部３０に搬送される。アクティブダンサ２３０は、搬送ローラ２１７を移動させることによって、繊維束Ｔの張力を調整する。

測定部Ｃ１は、搬送ローラ２１３によって送り出された繊維束Ｔの張力を測定する。測定部Ｃ１は、繊維束Ｔに張力を付与するように押圧しつつ繊維束Ｔの搬送に応じて回転する搬送ローラ２１４を備えている。測定部Ｃ１は、搬送ローラ２１４が繊維束Ｔから受ける反力に基づいて、繊維束Ｔの張力を測定する。測定部Ｃ１は、測定した張力を制御装置５０に出力する。

張力区切部３０は、複数の搬送ローラ３０１〜３０５を含んでいる。張力区切部３０は、ボビン２０１側とタンク６０側とに張力の区間を分けている。複数の搬送ローラ３０１〜３０５は、繊維束Ｔに損傷を与えないよう、繊維束Ｔに圧力を掛けることなく、繊維束Ｔを搬送する。繊維束Ｔは搬送ローラ３０１〜３０５を経由して、繊維案内部４０に搬送される。

繊維案内部４０は、複数の搬送ローラ４０１、４０２と第２のダンサーローラ４１０とアイクチ４２０とを含んでいる。第２のダンサーローラ４１０は、ボビン２０１とアイクチ４２０との間の繊維供給路に位置している。第２のダンサーローラ４１０は、モータＭ２の回転軸を中心に回転移動可能なローラである。モータＭ２は、サーボモータであり、第２のダンサーローラ４１０を回転移動させることによって、繊維束Ｔの張力を調整する。張力が調整された繊維束Ｔは、搬送ローラ４０２を経由して、アイクチ４２０に搬送される。

アイクチ４２０は、ボビン２０１とタンク６０との間の繊維供給路に位置している。アイクチ４２０は、第１のアイクチローラ４３０と、第２のアイクチローラ４４０と、第３のアイクチローラ４５０と、測定部Ｃ２とを含んでいる。アイクチ４２０は、回転式ローラである３つのアイクチローラ４３０〜４５０を用いて繊維束Ｔをタンク６０に供給する。本実施形態では、繊維束Ｔは、第１のアイクチローラ４３０側から入り込み、第１のアイクチローラ４３０の下側外周、第２のアイクチローラ４４０の上側外周、および、第３のアイクチローラ４５０の下側外周にそれぞれ接触してタンク６０に供給される。繊維束Ｔはそれぞれアイクチローラ４３０〜４５０に回転軸に垂直に掛けられている。なお、図１には、アイクチ４２０に備えられたローラの内、一部のローラを示している。

測定部Ｃ２は、第１のアイクチローラ４３０によって送り出された繊維束Ｔの張力を測定する。測定部Ｃ２は、繊維束Ｔに張力を付与するように押圧しつつ繊維束Ｔの搬送に応じて回転する第２のアイクチローラ４４０を備えている。測定部Ｃ２は、第２のアイクチローラ４４０が繊維束Ｔから受ける反力に基づいて、繊維束Ｔの張力を測定する。測定部Ｃ２は、測定した張力を制御装置５０に出力する。

制御装置５０は、ＣＰＵとメモリとを備えるコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、第１のダンサーローラ２２０と第２のダンサーローラ４１０とアイクチ４２０との動作を制御する。

図２は、繊維束Ｔがアイクチ４２０を経由してタンク６０に巻き付けられる状態を示した図である。アイクチ４２０は、前後軸（ｘ軸）及び、トラバース軸（ｙ軸）に沿って移動可能である。また、アイクチ４２０は、アイクチローラ４３０〜４５０を備える先端部が揺動軸（ｘ軸）を中心に回転可能である。例えば、揺動軸での動作では、繊維束Ｔは９０°以上捻られる。そのため、本実施形態では、繊維束Ｔが９０°以上捻られる区間については、繊維束Ｔを各ローラの軸に垂直に掛けるために、２５０ｍｍ以上ローラの間隔を離している。

図３は、比較例における張力の変化を示したグラフである。このグラフの縦軸は繊維束Ｔがタンク６０に巻付けられる際の張力（Ｎ）を示し、横軸は時間を示している。球面になっているタンク６０のドーム部６１、６２（図２）では、アイクチ４２０のトラバース軸における左右動の折り返し地点となる。そのため、積極的に繊維束Ｔの張力を調整しない場合には、図３のＡ部分に示すように、ドーム部付近において、張力が大きく変動する。

そこで、本実施形態におけるタンク製造方法では、制御装置５０は、モータＭ２に張力変動を打ち消すトルクを発生させるようモータＭ２の制御を行う。具体的には、制御装置５０は、測定部Ｃ２を用いて繊維束Ｔの張力を予め測定し、測定された張力の変動（図３に示した変動）を反転した張力（図４のグラフに示した張力）を第２のダンサーローラ４１０に発生させるようにモータＭ２のトルクを制御する。このような張力制御は、例えばモータＭ２に対してフィードフォワード制御を行うことにより実現することができる。

図５は、上述した張力制御を行った場合の張力の変化を示したグラフである。このグラフの縦軸は張力（Ｎ）を示し、横軸は時間を示している。図５に示すように、上述した張力制御を行えば、タンク巻付け時における繊維束Ｔの張力を一定にすることができる。

図６は、本実施形態における巻き速度に応じた張力ばらつきを例示したグラフである。このグラフの縦軸は張力ばらつき（Ｎ）を示し、横軸は巻き速度（ｍ／ｓ）を示している。上述した張力制御を行わない場合、張力のばらつきが巻き速度に比例して大きくなり、巻きずれが起こりやすくなる。上述した張力制御を行うことで、巻き速度によらず張力のばらつきが小さくなり、巻きずれが起こりにくくなる。

以上で説明した本実施形態のタンクの製造方法によれば、繊維束Ｔの張力変動を打ち消すトルクを、第２のダンサーローラ４１０を駆動するためのモータＭ２に発生させることで、タンク６０のドーム部６１、６２でも張力を一定に制御することができる。しかも、本実施形態では、アイクチローラ４３０〜４５０として回転式ローラを採用しているため、アイクチ４２０前後において、張力が変化することを抑制できる。従って、第２のダンサーローラ４１０による張力の調整を的確に、タンク６０に巻付けられる繊維束Ｔに反映できる。そのため、張力変動を抑制できるためタンク６０に対する繊維束Ｔの巻きずれを抑制できる。

また、本実施形態によれば、第１のダンサーローラ２２０と第２のダンサーローラ４１０と張力区切部３０とを備えることにより、ボビン２０１の張力とタンク６０の巻き付け張力とをそれぞれ調整することができる。これにより、タンク６０側の張力を上げても、ボビン２０１に繊維束Ｔが食い込まないようにボビン２０１側の張力を下げることができる。そのため、タンク６０側の張力を適正な張力まで容易に高めることができる。

また、本実施形態では、繊維束Ｔを垂直にアイクチローラ４３０〜４５０に掛けているため、繊維束Ｔに対して直角方向の成分の力が発生しなくなる。そのため、アイクチローラ４３０〜４５０における繊維束Ｔの幅方向への移動が抑制され、繊維束Ｔの幅を太い状態を維持することができる。これにより、アイクチ４２０が前後動しても張力変動が少なくなり、高速化しても巻きずれが抑制される。また、繊維束Ｔをすべらして広げるためにアイクチローラ４３０〜４５０として固定バーを採用する必要がなくなり、回転ローラを採用することができる。従って上述のように、第２のダンサーローラ４１０のトルク制御をタンク６０に繊維束Ｔを巻き付けるときの張力に的確に反映させることができる。

Ｂ．変形例：
＜変形例１＞
上記実施形態におけるローラの位置や数は任意であり、上記実施形態には限定されない。また、例えば、第１のダンサーローラ２２０、アクティブダンサ２３０、張力区切部３０の内の少なくとも一部は省略することも可能である。

＜変形例２＞
上記実施形態では、タンク６０に樹脂が含浸された繊維束を巻き付けている。しかし、タンク６０に巻き付ける繊維はこのような繊維に限らず、種々の繊維を巻き付け可能である。

本発明は、上述の実施形態や変形例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、変形例中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、ある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。

１０…製造装置
２０…繊維巻出部
３０…張力区切部
４０…繊維案内部
５０…制御装置
６０…タンク
６１、６２…ドーム部
２０１…ボビン
２１０〜２１８、３０１〜３０５、４０１、４０２…搬送ローラ
２２０…第１のダンサーローラ
２３０…アクティブダンサ
４１０…第２のダンサーローラ
４２０…アイクチ
４３０…第１のアイクチローラ
４４０…第２のアイクチローラ
４５０…第３のアイクチローラ
Ｃ１、Ｃ２…測定部
Ｍ１、Ｍ２…モータ
Ｔ…繊維束

Claims

タンクの製造方法であって、
繊維を供給するボビンと、
前記供給された繊維を巻き付けるタンクと、
前記ボビンと前記タンクとの間の繊維供給路に位置し、回転式ローラによって前記繊維を前記タンクに供給するアイクチと、
前記ボビンと前記アイクチとの間の繊維供給路に位置し、前記繊維の張力を調整するためにモータの軸を中心に回転移動可能なダンサーローラと、
前記モータのトルクを制御する制御装置と、
前記タンクに前記繊維を巻き付けるときの前記繊維の張力を測定する測定部と、を備える製造装置において、
前記制御装置は、前記測定部で測定した張力変動を打ち消すトルクを前記モータに発生させる製造方法。