JP5316061B2

JP5316061B2 - 繊維拡幅装置及び高圧ガスタンク製造装置

Info

Publication number: JP5316061B2
Application number: JP2009036552A
Authority: JP
Inventors: 健八田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP2010189812A

Description

本発明は、繊維束を広げる技術に関する。

非常に細かな単繊維からなる繊維束を巻き付けて、様々な部材が製造されている。例えば、繊維径が１〜５μｍ程度の単繊維（フィラメント）を数万本束ねたカーボン繊維を、樹脂製のライナーに巻きつけて高圧ガスタンクが製造されている。従来より、巻き付け時の繊維滑りの抑制等を目的として、繊維束を巻いたボビンから巻き付け対象物までの繊維束の搬送路において、繊維束を拡幅ローラーに押し付けて幅を広げることが行われていた（特許文献１）。

特開２００７−３１３６９７号公報

拡幅ローラーを用いて繊維束を拡幅する技術では、押し付ける力により、単繊維同士の張り付きや、単繊維と拡幅ローラーとの張り付きが起こるので、拡幅率を向上させることは困難であった。また、拡幅率を向上させるために繊維束を拡幅ローラーに押し当てる力を強めた場合、単繊維を損傷させるおそれがあった。

本発明は、単繊維の損傷を抑制しつつ、繊維束の拡幅率を向上させることを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］複数の単繊維からなる繊維束を広げる繊維拡幅装置であって、前記繊維束と接触する接触表面を有し、前記接触表面において前記繊維束を拡げる拡幅ローラーと、前記接触表面において、前記繊維束に対して、前記接触表面に前記繊維束が押し付けられる方向とは異なる方向に気体を噴射する噴射部と、を備える、繊維拡幅装置。

適用例１の繊維拡幅装置では、拡幅ローラーの接触表面において、繊維束に対して、接触表面に繊維束が押し付けられる方向とは異なる方向に気体を噴射するので、押し付けられることによる単繊維同士の張り付きや、単繊維の拡幅ローラーへの張り付きを抑制できる。したがって、繊維束の拡幅率を向上させることができる。また、気体を噴射することにより拡幅率を向上させるので、繊維束を拡幅ローラーに押し付ける力を弱めることができ、拡幅ローラーにおける繊維の折れや曲がりなどの損傷を抑制できる。

［適用例２］適用例１に記載の繊維拡幅装置において、前記接触表面は、前記拡幅ローラーの外部表面であり、前記拡幅ローラーは、中空構造であり、前記拡幅ローラーの内部と前記接触表面とを連通する連通孔を有し、前記噴射部は、前記拡幅ローラーの内部に前記気体を送り込むことにより、前記連通孔を介して前記気体を噴射する、繊維拡幅装置。

このような構成により、繊維束に対し、繊維束を拡幅ローラーに押し付ける力の方向とは反対の方向に気体を噴射することができる。したがって、繊維束を、繊維束の軸を中心として接触表面に沿って拡幅することができ、単繊維の偏りを抑制できる。また、拡幅ローラーに複数の繊維束を並べて配置する場合において、各繊維束を均等に拡幅することができる。

［適用例３］適用例２に記載の繊維拡幅装置において、前記拡幅ローラーは、ポーラス金属により形成されている、繊維拡幅装置。

このような構成により、連通孔として、多数の微小な孔を拡幅ローラーに設けることができる。

［適用例４］適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の繊維拡幅装置において、前記繊維束は、熱硬化性樹脂を含み、前記気体の温度は、１３０℃ないし１８０℃である、繊維拡幅装置。

このような構成により、繊維束に含まれる熱硬化性樹脂を加熱して液状化でき、単繊維同士の張り付きや、単繊維の拡幅ローラーへの張り付きを、より低温の気体を吹き付ける場合に比べて、より抑制することができる。

［適用例５］適用例１ないし適用例４のいずれかに記載の繊維拡幅装置を備える、高圧ガスタンク製造装置。

このような構成により、高圧ガスタンクを製造する際に、単繊維の損傷を抑制しつつ、繊維束の拡幅率を向上させることができる。

本発明の一実施例としての高圧ガスタンク製造装置の構成を示す説明図である。図１に示す拡幅ローラー１０の拡大図である。図２におけるＡ−Ａ断面を模式的に示す説明図である。図２におけるＢ−Ｂ断面を模式的に示す説明図である。第２の実施例の高圧ガスタンク製造装置の構成を示す説明図である。

Ａ．第１の実施例：
図１は、本発明の一実施例としての高圧ガスタンク製造装置の構成を示す説明図である。高圧ガスタンク製造装置５００は、フィラメントワインディング（ＦＷ）法により、カーボン繊維を略円筒状の樹脂ライナー２００に巻き付けて高圧ガスタンクを製造する。製造された高圧ガスタンクは、例えば、燃料電池車両において、燃料ガスである水素ガスの収容タンクとして用いられる。

高圧ガスタンク製造装置５００は、４つの繊維ボビンＢ１〜Ｂ４と、４つのボビン駆動部Ｍ１〜Ｍ４と、８つのガイドローラーｒ１〜ｒ８と、張力調整部３０と、拡幅機構１００と、繊維繰り出し部４０と、ガイドシャフト４２と、繊維巻付部５０とを備えている。

４つの繊維ボビンＢ１〜Ｂ４には、それぞれ同じカーボン繊維が予め巻きつけられている。カーボン繊維は、繊維径が１μｍ程度の単繊維ｃｆを多数（例えば、２万本）束ねて構成されており、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂が予め含侵されたいわゆるプリプレグである。このようなカーボン繊維としては、例えば、レーヨン系カーボン繊維や、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系カーボン繊維や、ピッチ系カーボン繊維を用いることができる。なお、カーボン繊維束の断面は、略円状である。以下では、説明の便宜上、４つの繊維ボビンＢ１〜Ｂ４に巻き付けられたカーボン繊維を、それぞれカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４と呼ぶ。

ボビン駆動部Ｍ１は、繊維ボビンＢ１に接続されており、繊維ボビンＢ１を駆動してカーボン繊維束ｆ１を繰り出す。このとき、ボビン駆動部Ｍ１は、繊維繰り出し部４０と連動しており、樹脂ライナー２００に巻き付けたカーボン繊維束ｆ１の量に応じてカーボン繊維束ｆ１を繊維ボビンＢ１から繰り出す。同様に、ボビン駆動部Ｍ２は繊維ボビンＢ２に、ボビン駆動部Ｍ３は繊維ボビンＢ３に、ボビン駆動部Ｍ４は繊維ボビンＢ４に、それぞれ接続され、接続されている繊維ボビンを駆動して繊維束を繰り出す。

８つのガイドローラーｒ１〜ｒ８は、それぞれ回転自在に配置されており、４つの繊維ボビンＢ１〜Ｂ４から繰り出されたカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を拡幅機構１００まで搬送する。このとき、８つのガイドローラーｒ１〜ｒ８は、それぞれカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に対して所定の張力を加える。このようなガイドローラーｒ１〜ｒ８としては、例えば、樹脂や金属により円筒状に形成された部材を採用することができる。張力調整部３０は、ガイドローラーｒ６に接続されており、ガイドローラーｒ６を変位させることにより、搬送中のカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の張力を調整する。

拡幅機構１００は、２つのガイドローラーｒ９，ｒ１０と、拡幅ローラー１０と、エアコンプレッサー２０と、配管１５とを備えている。２つのガイドローラーｒ９，ｒ１０は、上述した８つのガイドローラーｒ１〜ｒ８と同様な構成を有する。これらのガイドローラーｒ９，ｒ１０は、拡幅ローラー１０を挟んで配置されており、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を拡幅ローラー１０に押し付けるように働く。

図２は、図１に示す拡幅ローラー１０の拡大図である。拡幅ローラー１０は、押し付けられたカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の幅（搬送方向と垂直となる方向の長さ）を拡げる。拡幅ローラー１０は、内部が中空の円筒形状を有している。拡幅ローラー１０は、外殻部１２と、蓋部１１とを備える。外殻部は、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の搬送方向に回転自在に構成されている。外殻部１２は、ポーラス金属（多孔質化された金属）で形成されており、微小な孔１３が多数設けられている。各孔１３の孔径としては、例えば、１ｍｍ程度とすることができる。蓋部１１は、外殻部１２の一方の端面に配置されている。蓋部１１は、配管１５と接続され、配管１５を介して供給される空気を、外殻部１２の内部空間に送る。

エアコンプレッサー２０（図１）は、配管１５を介して拡幅ローラー１０と接続されており、拡幅ローラー１０の内部に空気を送り込む。エアコンプレッサー２０は、空気を１ＭＰａ以下の圧力に圧縮して送出する。なお、本実施例では、送り込む空気の温度は、常温（２５℃程度）であるものとする。

繊維繰り出し部４０は、拡幅機構１００から搬送された拡幅後のカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を繰り出して、後述の繊維巻付部５０に配置された樹脂ライナー２００に巻き付ける。繊維繰り出し部４０は、ガイドシャフト４２に沿って往復動作し、樹脂ライナー２００の前面にカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を巻き付ける。ガイドシャフト４２は、樹脂ライナー２００の中心軸ＣＸと平行に配置されている。なお、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４巻付方法として、フープ巻きやヘリカル巻きを採用することができる。

繊維巻付部５０は、基台５１と、一対の支持板５３，５４と、回転駆動部５２とを備えている。一対の支持板５３，５４は、所定の間隔を隔てて基台５１に設置されており、樹脂ライナー２００を回転自在に支持する。回転駆動部５２は、支持板５３の外側に配置されており、樹脂ライナー２００の中心軸ＣＸを中心として樹脂ライナー２００を回転させる。なお、樹脂ライナー２００は、ナイロン樹脂により形成され、中空構造を有している。

前述の拡幅機構１００は、請求項における拡幅装置に相当する。また、エアコンプレッサー２０及び配管１５は請求項における噴射部に相当する。

図３は、図２におけるＡ−Ａ断面を模式的に示す説明図である。図３の例では、カーボン繊維束ｆ１が拡幅ローラー１０（外殻部１２）の外部表面に接触して押し付けられている。外殻部１２に設けられた孔１３は、外殻部１２の厚み方向に沿って延びて形成されており、拡幅ローラー１０の内部空間と外殻部１２の外部表面とを連通する。したがって、拡幅ローラー１０の内部空間からカーボン繊維束ｆ１に向かって空気が吹き出している。このとき、空気の噴射方向は、カーボン繊維束ｆ１を拡幅ローラー１０に押し付ける力の方向と略反対方向である。なお、他のカーボン繊維束ｆ２〜ｆ４においても同様な構成となっている。

図４は、図２におけるＢ−Ｂ断面を模式的に示す説明図である。図４の例では、カーボン繊維束ｆ１が当接する部分について拡大して示している。カーボン繊維束ｆ１は、２つのガイドローラーｒ９，ｒ１０（図１）から押し付け力を受けて、外殻部１２に対して垂直に押し付けられている。このため、カーボン繊維束ｆ１を構成する単繊維ｃｆは、外殻部１２の外部表面に沿って拡がるように移動し、カーボン繊維束ｆ１の断面形状は扁平となる。図４に示すように、カーボン繊維束ｆ１が拡幅される際に、カーボン繊維束ｆ１に対して、押し付け力の向きとは反対向きに空気が噴射される。

このようにカーボン繊維束ｆ１に対して空気が噴射されることにより、カーボン繊維束ｆ１において、単繊維ｃｆ同士の張り付き及び単繊維ｃｆの外殻部１２の外部表面への張り付きが抑制される。したがって、単繊維ｃｆは大きく移動することができ、カーボン繊維束ｆ１の幅は大きく広がっている。なお、他のカーボン繊維束ｆ２〜ｆ４も同様な構成となっている。

以上説明したように、第１の実施例の高圧ガスタンク製造装置５００は、拡幅機構１００においてカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の幅を広げる際に、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に対して、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を押し付ける方向とは反対方向に空気を噴射するので、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を構成する単繊維ｃｆ同士の張り付きや、単繊維ｃｆの拡幅ローラー１０（外殻部１２）への張り付きを抑制することができる。したがって、単繊維ｃｆを大きく移動させてカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の幅を大きく広げることができ、拡幅率を向上させることができる。また、このように単繊維ｃｆを大きく移動させてカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の幅を大きく広げることができるので、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を押し付ける力を弱めることができる。したがって、拡幅ローラー１０における単繊維ｃｆの折れや曲げなどの損傷を抑制できる。また、拡幅ローラー１０の内部から空気を噴射するので、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に均等に空気を当てることができる。また、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を押し付ける方向とは反対方向に空気を噴射するので、各カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４において、繊維束の軸を中心として外殻部１２（外部表面）に沿って対称に拡幅することができ、単繊維ｃｆの偏りを抑制できる。

Ｂ．第２の実施例：
図５は、第２の実施例の高圧ガスタンク製造装置の構成を示す説明図である。第２の実施例の高圧ガスタンク製造装置５００ａは、拡幅機構の構成において高圧ガスタンク製造装置５００（図１）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。

具体的には、第２の実施例の拡幅機構１００ａは、拡幅ローラー１０に代えて拡幅ローラー１０ａを備えている点と、拡幅ローラー１０ａにエアコンプレッサー２０が接続されていない点と、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に空気を噴射する方向とにおいて、拡幅機構１００（図１，２）と異なり、他の構成は第１の実施例と同じである。

拡幅ローラー１０ａは、ガイドローラーｒ１〜ｒ１０と同様に、樹脂や金属により円筒状に形成された部材である。すなわち、第１の実施例の拡幅ローラー１０とは異なり、拡幅ローラー１０ａは、孔１３及び内部空間を備えていない。第２の実施例において、エアコンプレッサー２０は、拡幅ローラー１０ａの表面に沿って空気を噴射する。このとき、エアコンプレッサー２０は、拡幅ローラー１０ａに押し付けられたカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に対し、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の搬送方向と垂直な方向に沿って空気を噴射する。

このような構成を有する第２の実施例の高圧ガスタンク製造装置５００ａは、第１の実施例の高圧ガスタンク製造装置５００と同じ効果を有する。

Ｃ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上述した各実施例では、拡幅機構１００，１００ａにおいてカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に噴射する空気の温度は常温（例えば、２５℃）であったが、これに代えて、より高温の空気を噴射することもできる。例えば、第１の実施例においては、エアコンプレッサー２０の内部またはエアコンプレッサー２０と拡幅ローラー１０との間に電熱線を配置した加熱室を設けて、この加熱室において空気を昇温してから拡幅ローラー１０の内部に供給することができる。また、例えば、拡幅ローラー１０の内部に電熱線を配置し、拡幅ローラー１０の内部において空気を加熱してからカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に噴射することもできる。一般に、熱硬化性樹脂は、加熱されると一旦粘度が低下してほぼ液状となり、さらに加熱を継続すると架橋反応が進行して硬化する特性を有する。したがって、高温空気を噴射することによりカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に含まれる熱硬化性樹脂を軟化させ、単繊維ｃｆ同士の張り付きや、単繊維ｃｆの拡幅ローラー１０（外殻部１２），１０ａの表面への張り付きを、より抑えることができる。

ここで、昇温後の空気の温度としては、例えば、１３０℃〜１８０℃の範囲の温度が好ましい。熱硬化性樹脂の軟化は、この１３０℃〜１８０℃の範囲において起こり得るからである。なお、上記１３０℃〜１８０℃の範囲に限らず、さらに高温に空気を昇温させることもできる。

Ｃ２．変形例２：
上述した各実施例において、拡幅ローラー１０，１０ａは、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の搬送方向に回転自在に配置されていたが、回転せずに固定して配置することもできる。また、上述した各実施例において、拡幅ローラー１０，１０ａを振動させる構成とすることもできる。具体的には、拡幅機構１００，１００ａにおいて、拡幅ローラー１０，１０ａを超音波振動させるアクチュエータを設けて、かかるアクチュエータにより拡幅ローラー１０，１０ａを振動させることもできる。アクチュエータとしては、例えば、発振器から出力される高周波信号に応じて振動する振動子と、振動子の振動を増幅させる増幅機構と、増幅後の振動を拡幅ローラー１０，１０ａに伝達する伝達機構とを備える構成を採用することができる。このような構成により、拡幅ローラー１０，１０ａを振動させて、単繊維ｃｆ同士の張り付きや、単繊維ｃｆの拡幅ローラー１０，１０ａへの張り付きをより抑えることができる。

Ｃ３．変形例３：
上述した第１の実施例では、外殻部１２は、ポーラス金属で形成されていたが、これに代えて、多数の孔を設けた薄い金属板（ステンレス等の板）や金属メッシュによって形成することもできる。多数の孔を設けた薄い金属板により外殻部１２を形成する場合において、孔の断面形状として円形とすることができる。また、この場合において、孔の断面形状を外殻部１２の幅方向に延びた長方形とし、孔をスリット状に配置することもできる。

Ｃ４．変形例４：
上述した各実施例では、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に噴射する気体は空気であったが、これに代えて、窒素ガス等の任意の気体を用いることができる。また、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に対して空気を噴射する方向は、押し付ける方向と反対方向（第１の実施例）及び拡幅ローラー１０ａに沿ってカーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の搬送方向に対して垂直となる方向（第２の実施例）に限定されるものではない。例えば、拡幅ローラー１０ａに沿って、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４の搬送方向に対して任意の角度だけずれた方向とすることもできる。この場合においても、単繊維ｃｆ同士の張り付きや、単繊維ｃｆの拡幅ローラー１０，１０ａへの張り付きを抑制できる。すなわち、一般には、繊維束が押し付けられる方向とは異なる方向に沿って気体を噴射する構成を、本発明の繊維拡幅装置及び高圧ガスタンク製造装置に採用することができる。

Ｃ５．変形例５：
上述した各実施例では、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４に含まれる熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂であったが、エポキシ樹脂に限らず任意の樹脂を採用することができる。例えば、フェノール樹脂や、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などを用いることができる。また、カーボン繊維束ｆ１〜ｆ４を、熱硬化性樹脂を含まない構成とすることもできる。なお、この場合、繊維束の搬送路の途中において、熱硬化性樹脂を含侵させることもできる。また、カーボン繊維に代えて、ガラス繊維やアラミド繊維等任意の繊維を採用することもできる。これらの構成においても、本発明を適用することにより、単繊維ｃｆ同士の張り付きや、単繊維ｃｆの拡幅ローラー１０，１０ａへの張り付きを抑制できる。

Ｃ６．変形例６：
上述した各実施例では、拡幅機構１００，１００ａは、高圧ガスタンク製造装置５００，５００ａの一部の機能部として構成されていたが、これに代えて、独立した装置（拡幅装置）として構成することもできる。この場合において、本発明の拡幅装置を、高圧タンク製造装置に限らず、繊維を巻きつける任意の装置に適用することもできる。例えば、車両や航空機等で用いられるプロペラシャフトやドアフレーム等に繊維を巻きつける装置に適用することもできる。

１０，１０ａ…拡幅ローラー
１１…蓋部
１２…外殻部
１３…孔
１５…配管
２０…エアコンプレッサー
３０…張力調整部
４０…繊維繰り出し部
４２…ガイドシャフト
５０…繊維巻付部
５１…基台
５２…回転駆動部
５３…支持板
１００，１００ａ…拡幅機構
２００…樹脂ライナー
５００，５００ａ…高圧ガスタンク製造装置
ｃｆ…単繊維
Ｂ１〜Ｂ４…繊維ボビン
Ｍ１〜Ｍ４…ボビン駆動部
ｒ１〜ｒ１０…ガイドローラー
ｆ１〜ｆ４…カーボン繊維束

Claims

複数の単繊維からなる繊維束を広げる繊維拡幅装置であって、
前記繊維束と接触する接触表面を有し、前記接触表面において前記繊維束を拡げる拡幅ローラーと、
前記接触表面において、前記繊維束に対して、前記接触表面に前記繊維束が押し付けられる方向とは異なる方向に気体を噴射する噴射部と、
を備え、
前記接触表面は、前記拡幅ローラーの外部表面であり、
前記拡幅ローラーは、中空構造であり、前記拡幅ローラーの内部と前記接触表面とを連通する連通孔と、前記拡幅ローラーの内部に配置された電熱線と、を有し、
前記噴射部は、前記拡幅ローラーの内部に前記気体を送り込むことにより、前記電熱線により加熱された前記気体を前記連通孔を介して噴射し、
前記繊維束は、熱硬化性樹脂を含み、
前記連通孔から噴射される前記気体の温度は、１３０℃ないし１８０℃である、
繊維拡幅装置。
請求項１に記載の繊維拡幅装置において、
前記拡幅ローラーは、ポーラス金属により形成されている、繊維拡幅装置。
請求項１または請求項２に記載の繊維拡幅装置を備える、高圧ガスタンク製造装置。