JP5656752B2 - フィラメントワインディング方法、フィラメントワインディング装置及びタンク - Google Patents

フィラメントワインディング方法、フィラメントワインディング装置及びタンク Download PDF

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Description

本発明は、フィラメントワインディング方法、フィラメントワインディング装置及びタンクに関する。
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、燃料ガスの供給源としてガスタンクが用いられている。
この種のガスタンクの製造工程は、略楕円体状のライナ（内容器）の外周に繊維強化樹脂（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））層を形成する工程を有し、当該工程は、通常熱硬化性樹脂が含浸された繊維をライナに巻き付けるフィラメントワインディング（Filament Winding）方法（以下、「ＦＷ方法」とする。）を用いて行われている。
上記ＦＷ方法では、一般的にガスタンクのタンク軸に対し垂直方向に巻かれるフープ巻きと、タンク軸に対し斜めに傾けた方向に巻かれるヘリカル巻きが行われ、このフープ巻きとヘリカル巻きが所定回ずつ行われて繊維強化樹脂層が形成される。
上記ＦＷ方法のヘリカル巻きには、多数本の繊維を多方向から同時にライナに巻回する多給糸方法がある。この多給糸方法は、繊維を巻回する時間を大幅に短縮できる（特許文献１参照）。
上記多給糸方法では、ガスタンクの周りの同心円上の複数方向からガスタンクに繊維を給糸するヘリカル巻きヘッドが用いられ、ガスタンクとヘリカル巻きヘッドをタンク軸方向に相対的に往復移動させながら、ヘリカル巻きヘッドからガスタンクに繊維を給糸することによって、ガスタンクにヘリカル巻きが行われる。
ところで、ヘリカル巻きを終了する際には、ヘリカル巻きの多数本の繊維の終端部をガスタンク側に固定する必要がある。繊維の終端部を固定する方法として、繊維の終端部をガスタンクの両側にある口金に巻き付けて固定する方法や、繊維の終端部を樹脂クリップ等で固定する方法が考えられている（特許文献２〜５参照）。
特開２００４−１４８７７７号公報 特開２００９−１７４５５４号公報 特開２００９−１９１９２７号公報 特開２００９−１６６４３４号公報 特開２００９−０６６８８３号公報
しかしながら、例えば繊維の終端部をガスタンクの口金に巻き付けて固定する方法を用いた場合には、多給糸方法では、多数本の繊維を口金に集中的に巻き付ける必要があるため、口金の巻き付け部分の長さが必要になる。また、この場合、巻き付けた後の各繊維の終端部の貼り付けが別途必要になり、作業が大変になる。
また、繊維の終端部を樹脂クリップ等で固定する方法を用いた場合には、多給糸方法では、１００本以上の繊維について一本ずつ固定しそれを確認する作業が必要になり、作業が大変で時間がかかる。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、多給糸方法を用いてヘリカル巻きを行う場合において、繊維の終端部の固定を簡単に行うことができるフィラメントワインディング方法、その装置及びタンクを提供することをその目的とする。
上記目的を達成するための本発明は、同径の胴部とその両側に向けて縮径する一対のドーム部を有するタンクに繊維を巻回するフィラメントワインディング方法であって、タンクの周囲の同心円上に配置されたヘリカル巻きヘッドの複数の給糸部から、タンクに繊維を給糸しながら、前記タンクを前記ヘリカル巻きヘッドに対しタンク軸方向に相対的に往復移動させてタンクにヘリカル巻きを行い、前記タンクの最後の折り返し後、前記タンクの一方のドーム部と胴部に繊維を巻いて、繊維の巻回終端部を前記胴部の一の端部に位置させる工程と、フープ巻きヘッドから前記胴部に繊維を給糸して、前記胴部のヘリカル巻きの上にフープ巻きを行う工程と、その後、前記繊維の巻回終端部のある前記胴部の一の端部において、前記ヘリカル巻きヘッドの給糸部に接続されている繊維を切断する工程と、を有するものである。
本発明によれば、ヘリカル巻きの多数本の繊維の終端部をフープ巻きにより一度に固定するので、多給糸方法を用いてヘリカル巻きを行う場合でも繊維の終端部の固定を簡単に行うことができる。
別の観点による本発明は、同径の胴部とその両側に向けて縮径するドーム部を有するタンクに繊維を巻回するフィラメントワインディング装置であって、タンクの周囲の同心円上に位置する複数の給糸部を有し、当該給糸部からタンクに繊維を給糸しタンクにヘリカル巻きを行うためのヘリカル巻きヘッドと、タンクに繊維を給糸してフープ巻きを行うためのフープ巻きヘッドと、前記ヘリカル巻きヘッドに対しタンクをタンク軸方向に相対的に移動させるための第１の移動装置と、前記フープ巻きヘッドに対しタンクをタンク軸方向に相対的に移動させるための第２の移動装置と、前記第１の移動装置、前記第２の移動装置、前記ヘリカル巻きヘッド及び前記フープ巻きヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記ヘリカル巻きヘッドの複数の給糸部からタンクに繊維を給糸しながら、前記タンクを前記ヘリカル巻きヘッドに対しタンク軸方向に相対的に往復移動させてタンクにヘリカル巻きを行い、前記タンクの最後の折り返し後、前記タンクの一方のドーム部と胴部に繊維を巻いて、繊維の巻回終端部を前記胴部の一の端部に位置させる工程と、前記フープ巻きヘッドから前記胴部に繊維を給糸して、前記胴部のヘリカル巻きの上にフープ巻きを行う工程を実行するものである。
また別の観点による本発明は、同径の胴部とその両側に向けて縮径するドーム部を有し、外周面に繊維が巻回されているタンクであって、繊維のヘリカル巻きの最外層が一方のドーム部と胴部に形成されて、当該胴部の一の端部に繊維の巻回終端部があり、前記胴部のヘリカル巻きの上にフープ巻き層が形成され、前記繊維の巻回終端部のある前記胴部の一の端部において、前記ヘリカル巻きの繊維が切断されているものである。
本発明によれば、多給糸方法を用いてヘリカル巻きを行う場合において、繊維の終端部の固定を簡単に行うことができるので、作業時間を短縮しタンクの製造時間を短縮できる。
ＦＷ装置の構成の概略を示す模式図である。 ヘリカル巻きヘッドの構成の概略を示す正面図である。 各工程時のガスタンク、フープ巻きヘッド及びヘリカル巻きヘッドの動作を示す説明図である。
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかるフィラメントワインディング装置（以下、「ＦＷ装置」とする。）１の構成の概略を示す模式図である。
ＦＷ装置１は、例えば基台１０と、ガスタンク２を支持するタンク支持装置１１と、タンク支持装置１１に支持されたガスタンク２に対し繊維Ａを供給しヘリカル巻きを行うヘリカル巻きヘッド１２と、ガスタンク２に対し繊維Ａを供給しフープ巻きを行うフープ巻きヘッド１３と、ヘリカル巻きヘッド１２に対しガスタンク２をタンク軸方向Ｘに相対的に移動させるための第１の移動装置１４と、フープ巻きヘッド１３に対しガスタンク２をタンク軸方向Ｘに相対的に移動させるための第２の移動装置１５と、制御装置１６等を有している。
タンク支持装置１１は、例えばガスタンク２の両端の口金３部分に連結可能な一対のシャフト２０と、当該各シャフト２０の外側端部を保持する一対のチャック２１と、チャック２１を支持する一対の支持柱２２と、支持柱２２が固定され、基台１０に対してタンク軸方向Ｘに移動する移動台２３を有している。チャック２１には、図示しない回転駆動源が設けられており、シャフト２０を回転させてガスタンク２を回転できる。また、移動台２３は、基台１０にタンク軸方向Ｘに沿って設けられたレール２４上に設けられ、モータなどの駆動源２５によりレール２４上を移動できる。これにより、シャフト２０に支持されたガスタンク２をタンク軸方向Ｘに移動させることができる。なお、本実施の形態では、移動台２３、レール２４及び駆動源２５により第１の移動装置１４が構成されている。
ヘリカル巻きヘッド１２は、例えば図２に示すようにガスタンク２の周囲に同心円状に配置されたガイドリング３０と、ガイドリング３０に沿って同一円周上に等間隔で配置され、繊維Ａをガスタンク２に向けて給糸する複数の給糸部としてのガイド筒３１と、ガイド筒３１の給糸口３２をタンク軸心方向Ｙに向けて前後移動させる給糸口移動装置３３を有している。
ガイド筒３１は、ガスタンク２の軸心に向けて放射状に設けられている。各ガイド筒３１は、筒ホルダー４０によりガイドリング３０に固定されている。ガイド筒３１には、外側からタンク軸心方向Ｙに向けて繊維Ａが挿通し、ガイド筒３１のガスタンク２側の先端が給糸口３２になっている。
給糸口移動装置３３は、例えば歯車機構とその駆動源によりガイド筒３１の給糸口３２をタンク軸心方向Ｙに向けて前後方向に移動できる。
ヘリカル巻きヘッド１２は、図１に示すようにガイドリング３０に固定された支持部材６０により支持されている。支持部材６０は、例えば基台１０に固定されている。
フープ巻きヘッド１３は、例えばガスタンク２の軸周りに配置され、回転可能な回転リング７０と、回転リング７０に設けられ、繊維をガスタンク２に給糸する給糸部７１を有している。フープ巻きヘッド１３は、支持部材７２に支持されている。支持部材７２は、基台１０のタンク軸方向Ｘに沿ったレール７３に取り付けられており、モータなどの駆動源７４によってレール７３に沿って移動できる。なお、本実施の形態では、支持部材７２、レール７３及び駆動源７４により第２の移動装置１５が構成されている。
制御装置１６は、例えば記憶部に記憶されたプログラムに従ってヘリカル巻きヘッド１２、フープ巻きヘッド１３、第１の移動装置１４、第２の移動装置１５等の動作を制御し、ガスタンク２に対する後述するＦＷ方法を実行できる。
次に、上記ＦＷ装置１を用いたＦＷ方法について説明する。
先ず、図１に示すようにガスタンク２がタンク支持装置１１に支持される。ガスタンク２には、フープ巻きとヘリカル巻きが所定回数ずつ行われ、外周面に強化繊維層が形成される。
例えばフープ巻きを行う際には、フープ巻きヘッド１３の回転リング７０が回転しながら、給糸部７１からガスタンク２に繊維Ａが供給され、その状態でフープ巻きヘッド１３が、胴部２ａの両端部間でタンク軸方向Ｘに往復移動することによって、ガスタンク２の胴部２ａに繊維Ａがフープ巻きで巻かれる。
ヘリカル巻きを行う場合には、ガスタンク２が回転した状態で、ガスタンク２がヘリカル巻きヘッド１２に対し両側の口金３間に亘ってタンク軸方向Ｘに往復移動し、その状態でヘリカル巻きヘッド１２の各ガイド筒３１からそれぞれ一本の繊維Ａがガスタンク２に供給されて、ガスタンク２の全体に繊維Ａがヘリカル巻きで巻かれる。
ここで、本ＦＷ方法において、ヘリカル巻きの繊維の終端部をガスタンク２に固定するための処理について説明する。
先ず、図３の（ａ）に示すようにガスタンク２とフープ巻きヘッド１３が同期して回転しながら、ヘリカル巻きヘッド１２側（図３の（ａ）の右方向）に移動する。そして、ガスタンク２がヘリカル巻きヘッド１２内を通過する際に、ガスタンク２に繊維Ａが巻かれる。なお、ヘリカル巻きヘッド１２は、固定されており移動しない。
そして、ガスタンク２の一の端部（図３の（ｂ）の左側の端部）Ｂまで繊維Ａが巻かれると、ガスタンク２とフープ巻きヘッド１３が折り返され、ヘリカル巻きヘッド１２から離れる方向（図３の（ｂ）の左方向）に移動する。このとき引き続きヘリカル巻きヘッド１２からガスタンク２に繊維Ａが給糸され巻かれる。そして、ガスタンク２の一の端部Ｂから一方のドーム部２ｂ、胴部２ａに繊維Ａがこの順で巻かれ、そこで、ガスタンク２の回転及び移動が停止され、ヘリカル巻きヘッド１２からの繊維Ａの給糸が停止される。よって、ヘリカル巻きの最外層には、一方のドーム部２ｂと胴部２ａにのみ繊維Ａが巻かれ、繊維Ａの巻回終端部Ａ１が胴部２ａの一の端部Ｐに位置する。
次に、フープ巻きヘッド１３が回転しながらヘリカル巻きヘッド１２側（図３の（ｃ）の右方向）に移動し、ガスタンク２の胴部２ａに繊維Ａが巻かれる。胴部２ａの一の端部Ｐまで繊維Ａが巻かれると、フープ巻きヘッド１３の回転及び移動が停止され、繊維Ａの供給が停止される。フープ巻きの繊維の終わりは、ガスタンク２に固定される。この固定方法は、一般的に熱圧着、接着剤によるものや、下層の繊維に折り込む等の方法が挙げられる。こうして、図３の（ｄ）に示すように胴部２ａのヘリカル巻きの最外層の上にフープ巻き層が形成され、ヘリカル巻きの繊維の終端部がガスタンク２に固定される。なお、このときフープ巻きヘッド１３を一回以上往復移動させて、ヘリカル巻きの上にフープ巻き層を形成してもよい。給糸の停止後、フープ巻きヘッド１３は、さらにヘリカル巻きヘッド１２側（図３の（ｄ）の右方向）に移動し、ガスタンク２上から退避する。
次に、図３の（ｅ）に示すように繊維の巻回終端部Ａ１のある胴部２ａの一の端部Ｐにおいて、ヘリカル巻きヘッド１２に接続されている繊維Ａが切断される。その後、フープ巻きヘッド１３に接続されている繊維Ａも切断される。
本実施の形態によれば、ヘリカル巻きの多数本の繊維の終端部をフープ巻きにより一度に固定するので、多給糸方法の場合でも繊維の終端部の固定を簡単に行うことができる。よって、ヘリカル巻きの繊維の終端部を固定する作業時間を短縮できる。また、ヘリカル巻きを胴部２ａの一端部Ｐまで行い、その上にフープ巻きを胴部２ａの全体に行うので、ヘリカル巻きの繊維の終端部を高い強度で固定できる。さらに、ヘリカル巻きの繊維端が外部から目視できるので、本実施の形態のＦＷ方法で製造されたガスタンク２を判別しやすい。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば以上の実施の形態において、ヘリカル巻き時にガスタンク２側がタンク軸方向Ｘに移動していたが、ヘリカル巻きヘッド１２側がタンク軸方向Ｘに移動してもよい。また、フープ巻き時においてフープ巻きヘッド１３側がタンク軸方向Ｘに移動していたが、ガスタンク２側がタンク軸方向Ｘに移動してもよい。
また、以上の実施の形態におけるＦＷ装置１及びＦＷ方法は、燃料電池自動車１のみならず、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置設備（住宅、ビル）に用いられるタンクの製造にも適用できる。
１ ＦＷ装置
２ ガスタンク
２ａ 胴部
２ｂ ドーム部
１１ タンク支持装置
１２ ヘリカル巻きヘッド
１３ フープ巻きヘッド
１４ 第１の移動装置
１５ 第２の移動装置
１６ 制御装置
３１ ガイド筒
Ａ 繊維
Ａ１ 繊維の巻回端部
Ｐ 胴部の一端部
Ｘ タンク軸方向
Ｙ タンク軸心方向

Claims (3)

  1. 同径の胴部とその両側に向けて縮径する一対のドーム部を有するタンクに繊維を巻回するフィラメントワインディング方法であって、
    タンクの周囲の同心円上に配置されたヘリカル巻きヘッドの複数の給糸部から、タンクに繊維を給糸しながら、前記タンクを前記ヘリカル巻きヘッドに対しタンク軸方向に相対的に往復移動させてタンクにヘリカル巻きを行い、前記タンクの最後の折り返し後、前記タンクの一方のドーム部と胴部に繊維を巻いて、繊維の巻回終端部を前記胴部の一の端部に位置させる工程と、
    フープ巻きヘッドから前記胴部に繊維を給糸して、前記胴部のヘリカル巻きの上にフープ巻きを行う工程と、
    その後、前記繊維の巻回終端部のある前記胴部の一の端部において、前記ヘリカル巻きヘッドの給糸部に接続されている繊維を切断する工程と、を有する、フィラメントワインディング方法。
  2. 同径の胴部とその両側に向けて縮径するドーム部を有するタンクに繊維を巻回するフィラメントワインディング装置であって、
    タンクの周囲の同心円上に位置する複数の給糸部を有し、当該給糸部からタンクに繊維を給糸しタンクにヘリカル巻きを行うためのヘリカル巻きヘッドと、
    タンクに繊維を給糸してフープ巻きを行うためのフープ巻きヘッドと、
    前記ヘリカル巻きヘッドに対しタンクをタンク軸方向に相対的に移動させるための第１の移動装置と、
    前記フープ巻きヘッドに対しタンクをタンク軸方向に相対的に移動させるための第２の移動装置と、
    前記第１の移動装置、前記第２の移動装置、前記ヘリカル巻きヘッド及び前記フープ巻きヘッドの動作を制御する制御装置と、を有し、
    前記制御装置は、前記ヘリカル巻きヘッドの複数の給糸部からタンクに繊維を給糸しながら、前記タンクを前記ヘリカル巻きヘッドに対しタンク軸方向に相対的に往復移動させてタンクにヘリカル巻きを行い、前記タンクの最後の折り返し後、前記タンクの一方のドーム部と胴部に繊維を巻いて、繊維の巻回終端部を前記胴部の一の端部に位置させる工程と、前記フープ巻きヘッドから前記胴部に繊維を給糸して、前記胴部のヘリカル巻きの上にフープ巻きを行う工程を実行する、フィラメントワインディング装置。
  3. 同径の胴部とその両側に向けて縮径するドーム部を有し、外周面に繊維が巻回されているタンクであって、
    繊維のヘリカル巻きの最外層が一方のドーム部と胴部に形成されて、当該胴部の一の端部に繊維の巻回終端部があり、前記胴部のヘリカル巻きの上にフープ巻き層が形成され、前記繊維の巻回終端部のある前記胴部の一の端部において、前記ヘリカル巻きの繊維が切断されている、タンク。
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