JP2021091977A - 繊維構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】組織崩れを抑制すること。【解決手段】第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２は、非連続繊維４２ａから形成されている。これによれば、非連続繊維４２ａから形成される第２結合糸４２の外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高いため、第２糸湾曲部２５において第２結合糸４２が緯糸２２に沿って滑り落ち難くなる。そして、第２結合糸４２が隣り合う経糸２１同士の間に配列されているため、第２糸湾曲部２５において緯糸２２に沿って滑り落ちようとする経糸２１が第２結合糸４２によって支持される。したがって、第２糸湾曲部２５において、経糸２１及び第２結合糸４２が緯糸２２に沿って滑り落ち難くなる。【選択図】図５

Description

本発明は、繊維構造体に関する。

例えば特許文献１には、第１方向に延びる第１糸が第１方向に対して直交する方向である第２方向に複数配列された第１糸層と、第２方向に延びる第２糸が第１方向に複数配列されるとともに第１糸層に対して積層される第２糸層と、第１糸層と第２糸層とを結合する結合糸と、を備えた繊維構造体が開示されている。結合糸は、隣り合う第１糸同士の間に配列されるとともに第１糸層及び第２糸層の積層方向の両端に位置する第２糸層の第２糸にそれぞれ係合されることにより第１糸層と第２糸層とを結合している。

特開平７−２４３１４９号公報

ところで、このような繊維構造体は、第１糸と第２糸とが互いに交絡していないため、第１糸、第２糸、及び結合糸それぞれに所定の張力を付与した状態で製織される。ここで、繊維構造体は、第２糸が真っ直ぐに延びる第２糸直線部と、第２糸が湾曲して延びる第２糸湾曲部と、を有するように製織される場合がある。この場合、第１糸が第２糸に対して交絡されていないため、第２糸湾曲部においては、第１糸が第２糸に沿って滑り落ち易い。また、例えば、結合糸が、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸である場合、結合糸の外面の摩擦係数が比較的小さいため、結合糸が第２糸に係合されていても、第２糸湾曲部においては、結合糸が第２糸に沿って滑り落ち易い。したがって、第２糸湾曲部において組織崩れが生じてしまう虞がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、組織崩れを抑制することができる繊維構造体を提供することにある。

上記課題を解決する繊維構造体は、第１方向に延びる第１糸が前記第１方向に対して直交する方向である第２方向に複数配列された第１糸層と、前記第２方向に延びる第２糸が前記第１方向に複数配列されるとともに前記第１糸層に対して積層される第２糸層と、隣り合う前記第１糸同士の間に配列されるとともに前記第１糸層及び前記第２糸層の積層方向の両端に位置する前記第２糸層の前記第２糸にそれぞれ係合されることにより前記第１糸層と前記第２糸層とを結合する結合糸と、を備え、前記第２糸が真っ直ぐに延びる第２糸直線部と、前記第２糸が湾曲して延びる第２糸湾曲部と、を有している繊維構造体であって、少なくとも前記第２糸湾曲部を構成する前記結合糸は、非連続繊維から形成されている。

これによれば、非連続繊維から形成される結合糸の外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高いため、第２糸湾曲部において結合糸が第２糸に沿って滑り落ち難くなる。そして、結合糸が隣り合う第１糸同士の間に配列されているため、第２糸湾曲部において第２糸に沿って滑り落ちようとする第１糸が結合糸によって支持される。したがって、第２糸湾曲部において、第１糸及び結合糸が第２糸に沿って滑り落ち難くなるため、組織崩れを抑制することができる。

上記課題を解決する繊維構造体は、第１方向に延びる第１糸が前記第１方向に対して直交する方向である第２方向に複数配列された第１糸層と、前記第２方向に延びる第２糸が前記第１方向に複数配列されるとともに前記第１糸層に対して積層される第２糸層と、隣り合う前記第１糸同士の間に配列されるとともに前記第１糸層及び前記第２糸層の積層方向の両端に位置する前記第２糸層の前記第２糸にそれぞれ係合されることにより前記第１糸層と前記第２糸層とを結合する結合糸と、を備え、前記第２糸が真っ直ぐに延びる第２糸直線部と、前記第２糸が湾曲して延びる第２糸湾曲部と、を有している繊維構造体であって、少なくとも前記第２糸湾曲部を構成する前記結合糸は、連続繊維を撚って形成された撚糸である。

これによれば、連続繊維を撚って形成された撚糸である結合糸の外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高いため、第２糸湾曲部において結合糸が第２糸に沿って滑り落ち難くなる。そして、結合糸が隣り合う第１糸同士の間に配列されているため、第２糸湾曲部において第２糸に沿って滑り落ちようとする第１糸が結合糸によって支持される。したがって、第２糸湾曲部において、第１糸及び結合糸が第２糸に沿って滑り落ち難くなるため、組織崩れを抑制することができる。

この発明によれば、組織崩れを抑制することができる。

第１の実施形態における高圧タンクを模式的に示す断面図。 繊維構造体を模式的に示す側面図。 第２糸直線部の一部分を模式的に示す平面図。 第２糸直線部の一部分を模式的に示す断面図。 第２糸湾曲部の一部分を模式的に示す平面図。 第２糸湾曲部の一部分を模式的に示す断面図。 第２の実施形態における第２糸湾曲部の一部分を模式的に示す平面図。 第２糸湾曲部の一部分を模式的に示す断面図。

（第１の実施形態）
以下、繊維構造体を具体化した第１の実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。以下に説明する実施形態の繊維構造体は、圧力容器である高圧タンクに用いられている。高圧タンクは、例えば、燃料電池を動力源とする燃料電池自動車に搭載されている。高圧タンクには、燃料電池の燃料である水素ガスが貯蔵されている。

図１に示すように、高圧タンク１０は、細長中空状のライナ１１と、ライナ１１の外側を覆う繊維強化基材１２と、を有する繊維構造体２０にマトリックス樹脂Ｍａを含浸させて構成されている。高圧タンク１０は、マトリックス樹脂Ｍａの含浸された繊維強化基材１２よりなる繊維強化複合材層１３によってライナ１１を補強し、高圧タンク１０の耐圧性（機械的強度）を確保している。

ライナ１１は樹脂製である。ライナ１１の中心軸線Ｌの延びる方向を軸方向とする。ライナ１１は、円筒状の胴体部１４を備える。胴体部１４の中心軸線はライナ１１の中心軸線Ｌと一致する。ライナ１１は、胴体部１４の軸方向に位置する両端部にそれぞれ連続するドーム部１５を有している。各ドーム部１５の軸方向は、ライナ１１の軸方向と一致する。ライナ１１は、各ドーム部１５から軸方向に沿って外側に突出した口金部１６を有している。各口金部１６は、金属製（例えばステンレス製）である。各口金部１６は、ライナ１１内の空間と連通する孔部１７を有している。ライナ１１の軸方向の一端側に位置する口金部１６の孔部１７には、バルブ１８が装着されている。ライナ１１の軸方向の他端側に位置する口金部１６の孔部１７には螺子１９が螺合されている。

図２に示すように、繊維強化基材１２は、第１方向に延びる第１糸としての経糸２１と、第１方向に対して直交する方向である第２方向に延びる第２糸としての緯糸２２と、を備えている。したがって、経糸２１と緯糸２２とは互いに直交している。本実施形態の経糸２１及び緯糸２２は、連続繊維である複数の強化繊維が束ねられてなる繊維束である。強化繊維は、例えば、炭素繊維である。

図３、図４、図５及び図６に示すように、繊維強化基材１２は、経糸２１が第２方向に複数配列された第１糸層としての経糸層３１と、緯糸２２が第１方向に複数配列された第２糸層としての緯糸層３２と、を備えている。緯糸層３２は、経糸層３１に対して積層されている。本実施形態の繊維強化基材１２は、緯糸層３２が、経糸層３１に対して、経糸層３１及び緯糸層３２の積層方向の両側にそれぞれ１層ずつ配置された構成になっている。

繊維強化基材１２は、経糸層３１と各緯糸層３２とを結合する結合糸２３を備えている。結合糸２３の繊度は、経糸２１及び緯糸２２の繊度よりも小さい。結合糸２３は、隣り合う経糸２１同士の間に配列されるとともに各緯糸層３２の緯糸２２にそれぞれ係合されている。したがって、本実施形態の繊維強化基材１２は、多層織りによって製織された多層織物である。なお、図示の都合上、図２では、結合糸２３の図示を省略している。

結合糸２３は、経糸層３１に対して積層方向の一方に位置する緯糸層３２の緯糸２２の外面で折り返されながら緯糸２２に係合される。その後、結合糸２３は、隣り合う経糸２１同士の間に配列されながら、経糸層３１に対して積層方向の他方に位置する緯糸層３２に向かって延び、経糸層３１に対して積層方向の他方に位置する緯糸層３２の緯糸２２の外面で折り返されながら緯糸２２に係合される。そして、結合糸２３は、隣り合う経糸２１同士の間に配列されながら、経糸層３１に対して積層方向の一方に位置する緯糸層３２に向かって延び、経糸層３１に対して積層方向の一方に位置する緯糸層３２の緯糸２２の外面で折り返されながら緯糸２２に係合される。これが繰り返し行われることにより、結合糸２３が、各緯糸層３２の緯糸２２にそれぞれ係合され、経糸層３１と各緯糸層３２とを結合する。したがって、結合糸２３は、隣り合う経糸２１同士の間に配列されるとともに積層方向の両端に位置する緯糸層３２の緯糸２２にそれぞれ係合されることにより経糸層３１と各緯糸層３２とを結合する。

図２に示すように、複数の経糸２１は、ライナ１１の軸方向に配列されるとともに、互いに平行な状態で胴体部１４及び各ドーム部１５に対して配置されている。各経糸２１の糸主軸方向Ｘ１は、胴体部１４及びドーム部１５においてライナ１１の周方向Ｚに一致している。

複数の緯糸２２は、一部分が胴体部１４の外周面に沿って真っすぐに延びるとともに、その他の部分が各ドーム部１５の外周面に沿って湾曲して延びている。したがって、本実施形態の繊維構造体２０は、緯糸２２が真っ直ぐに延びる第２糸直線部２４と、緯糸２２が湾曲して延びる第２糸湾曲部２５と、を有するように製織されている。

第２糸直線部２４は、胴体部１４全体を覆う円筒状である。第２糸直線部２４の中心軸線はライナ１１の中心軸線Ｌと一致する。そして、繊維構造体２０は、第２糸直線部２４の軸方向に位置する両端部にそれぞれ連続する第２糸湾曲部２５を有している。両第２糸湾曲部２５の一方は、第２糸直線部２４の軸方向の一方に位置する端部に連続している。両第２糸湾曲部２５の他方は、第２糸直線部２４の軸方向の他方に位置する端部に連続している。各第２糸湾曲部２５の軸方向は、ライナ１１の軸方向と一致する。各第２糸湾曲部２５は、各ドーム部１５全体をそれぞれ覆っている。

第２糸直線部２４を形成する複数の緯糸２２の部分は、ライナ１１の周方向Ｚに配列されるとともに、互いに平行な状態で胴体部１４に対して配置されている。第２糸直線部２４を形成する複数の緯糸２２の部分の糸主軸方向Ｘ２は、胴体部１４の軸方向に延びている。各第２糸湾曲部２５を形成する複数の緯糸２２の部分は、各ドーム部１５の外周面に沿って湾曲している。

このように、経糸２１と緯糸２２とは直交して配列され、経糸２１の糸主軸方向Ｘ１の延びる方向をライナ１１の周方向に一致させることで、ライナ１１の径方向が補強され、緯糸２２の糸主軸方向Ｘ２をライナ１１の軸方向に一致させることで、ライナ１１の軸方向が補強されている。

図３及び図４に示すように、繊維強化基材１２を構成する結合糸２３のうち、第２糸直線部２４を構成する結合糸２３を第１結合糸４１とすると、第１結合糸４１は、断面視円形状の連続繊維である複数の非強化繊維が束ねられてなる繊維束である。非強化繊維は、例えば、ナイロンが使用されている。第１結合糸４１は、無撚糸である。

図５及び図６に示すように、繊維強化基材１２を構成する結合糸２３のうち、両第２糸湾曲部２５をそれぞれ構成する結合糸２３を第２結合糸４２とすると、第２結合糸４２は、複数の非連続繊維４２ａから形成されている。非連続繊維４２ａとしては、強化繊維である有機繊維又は無機繊維が使用される。有機繊維としては、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等が挙げられ、無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維等が挙げられる。非連続繊維４２ａから形成される第２結合糸４２の外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高い。

次に、第１の実施形態の作用について説明する。
ところで、このような繊維構造体２０は、経糸２１と緯糸２２とが互いに交絡していないため、経糸２１、緯糸２２、及び結合糸２３それぞれに所定の張力を付与した状態で製織される。ここで、経糸２１が緯糸２２に対して交絡されていないため、両第２糸湾曲部２５においては、経糸２１が緯糸２２に沿って滑り落ちようとする。このとき、両第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２は、非連続繊維４２ａから形成されており、第２結合糸４２の外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高い。このため、両第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２が断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸である場合に比べると、両第２糸湾曲部２５において第２結合糸４２が緯糸２２に沿って滑り落ち難くなる。そして、第２結合糸４２が隣り合う経糸２１同士の間に配列されているため、両第２糸湾曲部２５において緯糸２２に沿って滑り落ちようとする経糸２１が第２結合糸４２によって支持される。したがって、両第２糸湾曲部２５において、経糸２１及び第２結合糸４２が緯糸２２に沿って滑り落ち難くなるため、組織崩れが抑制される。

第１の実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１−１）第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２は、非連続繊維４２ａから形成されている。これによれば、非連続繊維４２ａから形成される第２結合糸４２の外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高いため、第２糸湾曲部２５において第２結合糸４２が緯糸２２に沿って滑り落ち難くなる。そして、第２結合糸４２が隣り合う経糸２１同士の間に配列されているため、第２糸湾曲部２５において緯糸２２に沿って滑り落ちようとする経糸２１が第２結合糸４２によって支持される。したがって、第２糸湾曲部２５において、経糸２１及び第２結合糸４２が緯糸２２に沿って滑り落ち難くなるため、組織崩れを抑制することができる。

（第２の実施形態）
以下、繊維構造体を具体化した第２の実施形態を図７及び図８にしたがって説明する。なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した第１の実施形態と同一構成について同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。

図７及び図８に示すように、繊維強化基材１２を構成する結合糸２３のうち、両第２糸湾曲部２５をそれぞれ構成する結合糸２３を第２結合糸４２Ａとすると、第２結合糸４２Ａは、複数の連続繊維を撚って形成された撚糸である。第２結合糸４２Ａは、断面視円形状の連続繊維である複数の非強化繊維が束ねられた状態で撚って形成された繊維束である。非強化繊維は、例えば、ナイロンが使用されている。複数の連続繊維を撚って形成された第２結合糸４２Ａの外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高い。

次に、第２の実施形態の作用について説明する。
経糸２１が緯糸２２に対して交絡されていないため、両第２糸湾曲部２５においては、経糸２１が緯糸２２に沿って滑り落ちようとする。このとき、両第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２Ａは、複数の連続繊維を撚って形成された撚糸であり、第２結合糸４２Ａの外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高い。このため、両第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２Ａが断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸である場合に比べると、両第２糸湾曲部２５において第２結合糸４２Ａが緯糸２２に沿って滑り落ち難くなる。そして、第２結合糸４２Ａが隣り合う経糸２１同士の間に配列されているため、両第２糸湾曲部２５において緯糸２２に沿って滑り落ちようとする経糸２１が第２結合糸４２Ａによって支持される。したがって、両第２糸湾曲部２５において、経糸２１及び第２結合糸４２Ａが緯糸２２に沿って滑り落ち難くなるため、組織崩れが抑制される。

第２の実施形態では、以下の効果を得ることができる。
（２−１）第２糸湾曲部２５を構成する第２結合糸４２Ａは、連続繊維を撚って形成された撚糸である。これによれば、連続繊維を撚って形成された撚糸である第２結合糸４２Ａの外面の摩擦係数は、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高いため、第２糸湾曲部２５において第２結合糸４２Ａが緯糸２２に沿って滑り落ち難くなる。そして、第２結合糸４２Ａが隣り合う経糸２１同士の間に配列されているため、第２糸湾曲部２５において緯糸２２に沿って滑り落ちようとする経糸２１が第２結合糸４２Ａによって支持される。したがって、第２糸湾曲部２５において、経糸２１及び第２結合糸４２Ａが緯糸２２に沿って滑り落ち難くなるため、組織崩れを抑制することができる。

なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記各実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 第１の実施形態において、第２糸直線部２４を構成する第１結合糸４１が、例えば、複数の非連続繊維から形成されていてもよい。要は、少なくとも第２糸湾曲部２５を構成する結合糸２３が、非連続繊維から形成されていればよい。つまり、繊維構造体２０は、少なくとも第２糸湾曲部２５を構成する結合糸２３の外面の摩擦係数が、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高ければよい。

○ 第２の実施形態において、第２糸直線部２４を構成する第１結合糸４１が、例えば、複数の連続繊維を撚って形成された撚糸であってもよい。要は、少なくとも第２糸湾曲部２５を構成する結合糸２３が、連続繊維を撚って形成された撚糸であればよい。つまり、繊維構造体２０は、少なくとも第２糸湾曲部２５を構成する結合糸２３の外面の摩擦係数が、断面視円形状である複数の連続繊維が束ねられてなる無撚糸の外面の摩擦係数よりも高ければよい。

○ 上記各実施形態では、第１糸を経糸２１とし、第２糸を緯糸２２としたが、第１糸を緯糸とし、第２糸を経糸としてもよい。この場合、複数の経糸は、一部分が胴体部１４の外周面に沿って真っすぐに延びるとともに、その他の部分が各ドーム部１５の外周面に沿って湾曲して延びている。したがって、繊維構造体２０は、経糸が真っ直ぐに延びる第２糸直線部と、経糸が湾曲して延びる第２糸湾曲部と、を有するように製織される。

○ 上記各実施形態において、経糸２１及び緯糸２２を構成する強化繊維は、炭素繊維に限らず、例えば、ガラス繊維や炭化ケイ素系セラミック繊維やアラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の一般に高弾性・高強度といわれるその他の繊維であってもよい。

○ 上記各実施形態において、繊維強化基材１２を構成する結合糸２３のうち、第２糸直線部２４を構成する第１結合糸４１の非強化繊維は、ナイロンに限らない。非強化繊維としては、マトリックス樹脂Ｍａと複合化されても、マトリックス樹脂Ｍａの強化機能の役割を果たす必要はなく、少なくとも形状保持の役割を果たせる繊維であればよい。

○ 上記各実施形態において、緯糸２２が、複数の非強化繊維が束ねられてなる繊維束であってもよい。
○ 上記各実施形態において、繊維強化基材１２を構成する結合糸２３のうち、第２糸直線部２４を構成する第１結合糸４１が、複数の強化繊維が束ねられてなる繊維束であってもよい。

○ 第２の実施形態において、繊維強化基材１２を構成する結合糸２３のうち、両第２糸湾曲部２５をそれぞれ構成する第２結合糸４２Ａが、複数の強化繊維が束ねられた状態で撚って形成された繊維束であってもよい。

○ 上記各実施形態において、経糸層３１及び緯糸層３２の数は適宜変更してもよい。
○ 上記各実施形態において、ライナ１１は、胴体部１４の軸方向の一端側にドーム部１５が連続し、胴体部１４の軸方向の他端側には平坦面状の底壁が連続した形状であってもよい。この場合、口金部１６は、ドーム部１５が存在する軸方向の一端側のみに存在する。

○ 上記各実施形態において、高圧タンク１０は、燃料電池搭載電気自動車の水素源として搭載されて使用するものに限らず、例えば、水素エンジンの水素源やヒートポンプ等に適用してもよい。また、家庭用電源の燃料電池の水素源として使用してもよい。

○ 上記各実施形態において、高圧タンク１０は、水素ガスを貯蔵する圧力容器に限らず、例えば、窒素、圧縮天然ガス等の他のガスを貯蔵する圧力容器に適用してもよい。

２０…繊維構造体、２１…第１糸としての経糸、２２…第２糸としての緯糸、２３…結合糸、２４…第２糸直線部、２５…第２糸湾曲部、３１…第１糸層としての経糸層、３２…第２糸層としての緯糸層、４１…結合糸である第１結合糸、４２，４２Ａ…結合糸である第２結合糸、４２ａ…非連続繊維。

Claims (2)

1. 第１方向に延びる第１糸が前記第１方向に対して直交する方向である第２方向に複数配列された第１糸層と、
   前記第２方向に延びる第２糸が前記第１方向に複数配列されるとともに前記第１糸層に対して積層される第２糸層と、
   隣り合う前記第１糸同士の間に配列されるとともに前記第１糸層及び前記第２糸層の積層方向の両端に位置する前記第２糸層の前記第２糸にそれぞれ係合されることにより前記第１糸層と前記第２糸層とを結合する結合糸と、を備え、
   前記第２糸が真っ直ぐに延びる第２糸直線部と、前記第２糸が湾曲して延びる第２糸湾曲部と、を有している繊維構造体であって、
   少なくとも前記第２糸湾曲部を構成する前記結合糸は、非連続繊維から形成されていることを特徴とする繊維構造体。
2. 第１方向に延びる第１糸が前記第１方向に対して直交する方向である第２方向に複数配列された第１糸層と、
   前記第２方向に延びる第２糸が前記第１方向に複数配列されるとともに前記第１糸層に対して積層される第２糸層と、
   隣り合う前記第１糸同士の間に配列されるとともに前記第１糸層及び前記第２糸層の積層方向の両端に位置する前記第２糸層の前記第２糸にそれぞれ係合されることにより前記第１糸層と前記第２糸層とを結合する結合糸と、を備え、
   前記第２糸が真っ直ぐに延びる第２糸直線部と、前記第２糸が湾曲して延びる第２糸湾曲部と、を有している繊維構造体であって、
   少なくとも前記第２糸湾曲部を構成する前記結合糸は、連続繊維を撚って形成された撚糸であることを特徴とする繊維構造体。

Images