(57)【要約】【課題】炭素繊維の接着部の柔軟性および接着力を確保することができる炭素繊維の接着装置を提供すること。【解決手段】一方の炭素繊維束Ｆと他方の炭素繊維束Ｆとの重ね合せ部ＦＬを接着する接着装置１０であって、電源１１と、電源１１の一方の電極に接続され、炭素繊維束Ｆよりも抵抗値（Ω）が低い第１電極１２と、電源１１の他方の電極に接続され、炭素繊維束Ｆよりも抵抗値（Ω）が低い第２電極１３と、第１電極１２と第２電極１３との間に配置され、第１電極１２と第２電極１３との間を絶縁する電極絶縁体１６と、炭素繊維束Ｆよりも低い熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）を有する低熱伝導率絶縁体１７と、を備え、第１電極１２、第２電極１３および電極絶縁体１６と、低熱伝導率絶縁体１７との間に重ね合せ部ＦＬを挟み込んだ状態で第１電極１２と第２電極１３との間に通電を行う構成を有することを特徴とする。【選択図】図１
2020070527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の炭素繊維と他方の炭素繊維との重ね合せ部を接着する炭素繊維の接着装置であって、
電源と、
前記電源の一方の電極に接続され、前記炭素繊維よりも抵抗値が低い第１電極と、
前記電源の他方の電極に接続され、前記炭素繊維よりも抵抗値が低い第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極と前記第２電極との間を絶縁する電極絶縁体と、
前記炭素繊維よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導率絶縁体と、を備え、
前記第１電極、前記第２電極および前記電極絶縁体と、前記低熱伝導率絶縁体との間に前記重ね合せ部を挟み込んだ状態で、前記第１電極と前記第２電極との間に通電を行う構成を有することを特徴とする炭素繊維の接着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通電して炭素繊維同士を接着する炭素繊維の接着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の炭素繊維の接着装置として、複数の炭素繊維シートからなる積層体を向かい合う２つの型で挟み込み、２つの型の表面のいずれか一方から電気を流し、積層体を加熱して接着するものが開示されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の炭素繊維の接着装置においては、型の表面の一部が絶縁層で覆われた絶縁領域と通電可能な通電可能領域を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−３０１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の炭素繊維の接着装置においては、通電可能領域における型が炭素繊維の発熱部と直接接触するため、型に発熱部の熱が伝達されて型が高温化し通電可能領域以外の部分の炭素繊維まで硬化してしまうという問題がある。具体的には炭素繊維束を重ねて接着するものにおいては、通電可能領域以外の部分の炭素繊維束まで硬化するので、炭素繊維束の接着部の硬化領域が炭素繊維束の長手方向に大きくなってしまう。その結果、接着部の硬化領域では柔軟性が低下し、接着部がフィラメントワインディング装置（Filament Winding Process、以下ＦＷ装置という。）のローラを通過する際に、図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、硬化した炭素繊維束の重ね合せ部に過大の応力が作用し、炭素繊維束の強度が低下してしまうという問題がある。
【０００５】
一方、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、通電可能領域を小さくして多数の箇所で通電し、接着部を小さくすることにより、炭素繊維束の接着部の柔軟性を高め、接着部がＦＷ装置のローラを通過する際に、炭素繊維束の部分に作用する応力を低下させることが考えられる。しかしながら、多数の箇所で通電すると、型と炭素繊維束との接触具合、即ち型による炭素繊維束への加圧のばらつきが生じ、電流が流れやすい場所、流れにくい場所が発生してしまう。その結果、接着強度にばらつきが発生し接着強度が低下してしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、炭素繊維の接着部の柔軟性および接着力を確保することができる炭素繊維の接着装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、一方の炭素繊維と他方の炭素繊維との重ね合せ部を接着する炭素繊維の接着装置であって、電源と、前記電源の一方の電極に接続され、前記炭素繊維よりも抵抗値が低い第１電極と、前記電源の他方の電極に接続され、前記炭素繊維よりも抵抗値が低い第２電極と、前記第１電極と、前記第２電極との間に配置され前記第１電極と、前記第２電極との間を絶縁する電極絶縁体と、前記炭素繊維よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導率絶縁体と、を備え、前記第１電極、前記第２電極および前記電極絶縁体と、前記低熱伝導率絶縁体との間に前記重ね合せ部を挟み込んだ状態で、前記第１電極と前記第２電極との間に通電を行う構成を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る炭素繊維の接着装置は、一方の炭素繊維と他方の炭素繊維との重ね合せ部を、第１電極、第２電極および電極絶縁体と、低熱伝導率絶縁体との間に挟み込んだ状態で、電源により第１電極と第２電極との間に通電を行う。第１電極と第２電極との間には電極絶縁体が設けられているので、電流は、電極絶縁体の部分では、炭素繊維同士の重ね合せ部内を通る。重ね合せ部は、電流が流れた領域だけが加熱され、炭素繊維が接着される。電流は、重ね合せ部のうち、電極絶縁体に対向する領域のみを通るので、重ね合せ部内の他の領域の加熱が抑制され、比較的に幅狭の領域で接着が行われ、重ね合せ部の柔軟性および接着力が確保される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、炭素繊維の接着部の柔軟性および接着力を確保することができる炭素繊維の接着装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る炭素繊維の接着装置の概略構成図。
【図２】本発明の実施形態に係る炭素繊維の接着装置の第１電極、第２電極、中間電極、電極絶縁体および炭素繊維の斜視図。
【図３】本発明の実施形態に係る炭素繊維の接着装置の第１電極、第２電極、電極絶縁体および炭素繊維の斜視図。
【図４】本発明の実施形態および従来の炭素繊維の接着装置における炭素繊維の図であり、図４（ａ）は、実施形態の接着装置の繊維接着幅を表す説明図を示し、図４（ｂ）は、従来の接着装置の繊維接着幅を表す説明図を示し、図４（ｃ）は、繊維強度を表すグラフを示す。
【図５】従来の炭素繊維の接着装置における繊維接着部の柔軟性を説明する図であり、図５（ａ）は、繊維接着部が大きい構造の繊維接着部の斜視図を示し、図５（ｂ）は、繊維接着部が大きい構造の繊維接着部の断面図を示す。
【図６】従来の炭素繊維の接着装置における繊維接着部の柔軟性を説明する図であり、図６（ａ）は、繊維接着部が小さい構造の繊維接着部の斜視図を示し、図６（ｂ）は、繊維接着部が小さい構造の繊維接着部の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明に係る炭素繊維の接着装置を適用した実施形態に係る接着装置１０について図面を参照して説明する。
【００１２】
実施形態に係る接着装置１０は、図１および図２に示すように、電源１１と、第１電極１２と、第２電極１３と、中間電極１４、１５と、電極絶縁体１６と、低熱伝導率絶縁体１７と、図示しないコントローラとにより構成されている。炭素繊維束Ｆの重ね合せ部ＦＬは、第１電極１２、第２電極１３、中間電極１４、１５および電極絶縁体１６と、低熱伝導率絶縁体１７との間に挟み込まれるように構成されている。
【００１３】
実施形態に係る接着装置１０においては、電源１１から供給された電力により、炭素繊維束Ｆの重ね合せ部ＦＬ内に電流（Ａ）が流れて加熱され、重ね合せ部ＦＬが接着されるように構成されている。
【００１４】
電源１１は、第１電極１２および第２電極１３に電力（Ｗ）供給する電源、例えば直流電源からなり、電圧（Ｖ）が一定で電流（Ａ）が一定方向に流れるように構成されている。電源１１は、コントローラに接続された図示しないスイッチを備え、コントローラによりＯＮ、ＯＦＦの動作が制御されるように構成されている。
【００１５】
電源１１の一方側の電極は、第１電極１２に接続され、他方側の電極は、第２電極１３に接続されている。なお、電源１１の一方側の電極が、第２電極１３に接続され、他方側の電極が、第１電極１２に接続されていてもよい。電源１１が直流電源の場合、電源１１の一方側の電極が、第１電極１２に接続された場合と、第２電極１３に接続された場合とでは電流（Ａ）は逆方向に流れる。
【００１６】
第１電極１２は、銅などの高い電気伝導率（Ｓ／ｍ）および高い熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）を有する金属で形成されており、炭素繊維束Ｆの抵抗値（Ω）よりも低い抵抗値（Ω）を有している。第１電極１２は、図３に示すように、電極長さａ（ｍｍ）、電極厚みがｂ（ｍｍ）、電極幅がｃ（ｍｍ）で形成された直方体からなる。電極長さａ、電極厚みｂ、電極幅ｃは、接着装置１０の設定諸元、炭素繊維束Ｆの特質や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。
【００１７】
具体的には、電極長さａは、図３に示す第１および第２電極間距離Ｌの５倍以上であることが好ましい。図２に示す中間電極１４、１５を備えた構造においては、中間電極１４、１５の両側に電極絶縁体１６が配置されており、中間電極１４、１５の両側で接着が行われるので、中間電極１４、１５の電極長さａは、第１電極１２と同様にそれぞれ隣接する電極間距離Ｌの５倍以上であることが好ましい。
【００１８】
また、電極厚みｂは、炭素繊維束Ｆの厚みｔの１００倍以上であることが好ましい。電極幅ｃは、炭素繊維束Ｆの幅ｗ（ｍｍ）の２倍以上であることが好ましい。
【００１９】
図２に示すように、第２電極１３および中間電極１４、１５も、第１電極１２と同様の導電性物質からなり、炭素繊維束Ｆの抵抗値（Ω）よりも低い抵抗値（Ω）を有している。第２電極１３および中間電極１４、１５も、第１電極１２と同様の寸法を有している。
【００２０】
なお、第２電極１３および中間電極１４、１５は、それぞれ第１電極１２と異なった寸法の直方体で形成されていてもよい。また、図３に示すように、接着装置１０は、中間電極１４、１５の無い構造で構成されていてもよい。
【００２１】
図３に示す第１電極１２と第２電極１３との間、図２に示す第１電極１２と中間電極１４との間、中間電極１４と中間電極１５との間、中間電極１５と第２電極１３との間は、それぞれ離隔しており、それぞれ電極間距離Ｌが設けられている。
【００２２】
電極間距離Ｌは、接着装置１０の設定諸元、炭素繊維束Ｆの特質や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。電極間距離Ｌは、炭素繊維束Ｆの厚みｔ（ｍｍ）以上であって、かつ繊維トウ幅、即ち炭素繊維束Ｆの幅ｗ（ｍｍ）の１／５以下が望ましい。具体的には、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍ程度である。
【００２３】
電極間距離Ｌが長いと、接着部の距離も長くなり、ＦＷ工程におけるローラ部で炭素繊維束Ｆの層間剥離が発生するおそれがある。層間剥離は、炭素繊維束Ｆの強度が低下し、炭素繊維束Ｆにより構成される高圧タンクの破壊強度、いわゆるバースト強度のバラツキを招く可能性がある。また、電極間距離Ｌが、炭素繊維束Ｆの厚みｔ（ｍｍ）よりも短いと、接着部が十分に発熱する前に放熱するため、炭素繊維束Ｆの強度の確保が難しくなることがある。
【００２４】
電極絶縁体１６は、ガラスなどの電気伝導率（Ｓ／ｍ）が十分小さい電気的絶縁体であって、かつ熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）が十分小さい熱絶縁体で形成されている。電極絶縁体１６は、図２に示すように、第１電極１２と中間電極１４との間、中間電極１４と中間電極１５との間、中間電極１５と第２電極１３との間に配置されている。なお、接着装置１０が第１電極１２と第２電極１３とにより構成される場合には、図３に示すように、第１電極１２と第２電極１３との間に配置される。
【００２５】
低熱伝導率絶縁体１７は、電極絶縁体１６と同様に、電気伝導率（Ｓ／ｍ）が十分小さい電気的絶縁体であって、かつ熱伝導率（Ｗ／ｃｍＫ）が十分小さい熱絶縁体で形成されている。低熱伝導率絶縁体１７は、炭素繊維よりも低い熱伝導率を有する。さらに、低熱伝導率絶縁体１７は、耐熱性を有している。低熱伝導率絶縁体１７は、図１に示すように、第１電極１２、中間電極１４、１５および第２電極１３と対向して配置され、炭素繊維束Ｆの重ね合せ部ＦＬを第１電極１２、中間電極１４、１５および第２電極１３とともに挟み込むように構成されている。
【００２６】
炭素繊維束Ｆは、カーボン繊維（Carbon Fiber）からなり、数十本の単繊維を撚り合わせて１本の糸にした、いわゆるマルチフィラメントが、数千〜数万本程度束ねられた繊維束からなる。なお、実施形態に係る炭素繊維束Ｆは、本発明に係る炭素繊維の接着装置における炭素繊維に対応する。炭素繊維束Ｆは、図１および図２に示すように、一方の炭素繊維束Ｆの端部と他方の炭素繊維束Ｆの端部とが厚みｔ方向に重ねられ、重ね合せ部ＦＬの部分が、接着装置１０により接着される。
【００２７】
コントローラは、プログラムにより処理を実行する中央処理装置とプログラムやデータなどを記憶した記憶装置とを備える公知のマイクロコンピュータによって構成されている。コントローラは、電源１１および電源１１のスイッチに接続されており、記憶装置に格納されたデータやプログラムに基づいて、電源１１から第１電極１２へ供給される電力の制御やスイッチの動作等の制御を行うように構成されている。
【００２８】
次いで、本実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０の動作について図面を参照して簡単に説明する。
【００２９】
まず、図１および図２に示すように、一方の炭素繊維束Ｆの端部と他方の炭素繊維束Ｆの端部とが厚みｔ方向に重ねられ、重ね合せ部ＦＬが形成される。形成された重ね合せ部ＦＬは、本実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０の第１電極１２、第２電極１３、中間電極１４、１５および電極絶縁体１６と、低熱伝導率絶縁体１７との間に挟み込まれる。
【００３０】
次いで、図２に示すように、第１電極１２、第２電極１３、中間電極１４、１５および電極絶縁体１６に対して、矢印方向に圧力（ＭＰａ）が加えられる。この加圧より、炭素繊維束Ｆの重ね合せ部ＦＬが加圧され、第１電極１２、第２電極１３、中間電極１４、１５および電極絶縁体１６に密着し、通電の準備が完了する。
【００３１】
次いで、電源１１のスイッチがＯＮにされると、コントローラの制御により電源１１に所定の電圧（Ｖ）が印加され、炭素繊維束Ｆに応じた電力（Ｗ）が電源１１の一方の電極から第１電極１２に供給され、図１に示すように、電流（Ａ）が第１電極１２内を太い矢印方向に流れる。
【００３２】
第１電極１２内を流れた電流は、電極絶縁体１６を通過できず、電極絶縁体１６に密着している炭素繊維束Ｆの重ね合せ部ＦＬの内部を流れた後に中間電極１４内を流れる。同様にして、電流は、中間電極１４、重ね合せ部ＦＬの内部、中間電極１５、重ね合せ部ＦＬの内部、第２電極１３の順に流れ電源１１の他方の電極に入る。
【００３３】
電流が、重ね合せ部ＦＬの内部を流れると、電流により重ね合せ部ＦＬが加熱される。コントローラにより電流が流れる時間（ｓｅｃ）が制御され、重ね合せ部ＦＬが溶融温度になるまで加熱されて、所定の幅（ｍｍ）で３箇所が接着される。
【００３４】
重ね合せ部ＦＬの接着が完了すると、電源１１のスイッチがＯＦＦにされ、炭素繊維束Ｆが接着装置１０から取り出される。
【００３５】
以上のように構成された本実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０の効果について、本実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０により作製した炭素繊維束ＣＦと、従来の接着装置により作製した炭素繊維束ＣＪとを比較して説明する。
【００３６】
作製した炭素繊維束ＣＦおよび炭素繊維束ＣＪについて、炭素繊維束のつなぎ直後、即ち重ね合せ部を接着した直後の炭素繊維束ＣＦおよび炭素繊維束ＣＪの引張り強度（Ｎ）をそれぞれ測定して比較した。
【００３７】
さらに、重ね合せ部を接着した炭素繊維束ＣＦおよび炭素繊維束ＣＪをＦＷ装置によりタンクライナーに巻きつけて、所定の工程を経てそれぞれ高圧タンクを作製した。作製した高圧タンクのバースト強度を検査するためのバースト圧試験を行い、バースト圧（ＭＰａ）をそれぞれ測定して比較した。バースト圧試験を行うことで、炭素繊維束ＣＦおよび炭素繊維束ＣＪの繊維強度を比較することができる。
【００３８】
実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０により作製した炭素繊維束ＣＦは、図４（ａ）に示すように、重ね合せ部の繊維接着幅を１．５ｍｍ〜３ｍｍとした。炭素繊維束ＣＦは、図４（ｃ）の破線で示すように、繊維つなぎ直後の引張り強度は、７００Ｎをやや超えた値であった。また、バースト圧は、１９１ＭＰａであった。
【００３９】
従来の接着装置により作製した炭素繊維束ＣＪは、図４（ｂ）に示すように、重ね合せ部の繊維接着幅を５ｍｍ〜１０ｍｍとした。この繊維接着幅は、炭素繊維束ＣＦにおける繊維接着幅の３倍程度の大きさとなっている。
【００４０】
炭素繊維束ＣＪにおいては、図４（ｃ）の実線で示すように、繊維つなぎ直後の引張り強度（Ｎ）は、７００Ｎよりやや少ない値であった。また、バースト圧は、１８２ＭＰａであった。
【００４１】
したがって、炭素繊維束ＣＦは、繊維つなぎ直後の引張り強度が、７００Ｎをやや超えた値であるのに対して、炭素繊維束ＣＪは、繊維つなぎ直後の引張り強度が、７００Ｎよりやや少ない値であり、炭素繊維束ＣＦは、炭素繊維束ＣＪよりも、繊維つなぎ直後の引張り強度が向上していることが確認された。
【００４２】
また、炭素繊維束ＣＦは、バースト圧が、１９１ＭＰａであるのに対して、炭素繊維束ＣＪは、バースト圧が、１８２ＭＰａであり、炭素繊維束ＣＦは、炭素繊維束ＣＪよりも、バースト圧が向上していることが確認された。
【００４３】
本実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０は、繊維つなぎ直後の引張り強度およびバースト圧が従来の炭素繊維の接着装置と比較して向上しているという効果が得られた。
【００４４】
また、本実施形態に係る炭素繊維の接着装置１０は、一方の炭素繊維束Ｆと他方の炭素繊維束Ｆとの重ね合せ部ＦＬが、第１電極１２、第２電極１３、中間電極１４、１５および電極絶縁体１６と、低熱伝導率絶縁体１７との間に挟み込まれている。
【００４５】
この構成により、電源１１により第１電極１２、中間電極１４、１５および第２電極１３との間に通電が行われる。第１電極１２、第２電極１３および中間電極１４、１５の各電極間距離Ｌの間にそれぞれ電極絶縁体１６が設けられているので、電流は、電極絶縁体１６の部分では、炭素繊維束Ｆ同士の重ね合せ部ＦＬ内を通る。
【００４６】
その結果、重ね合せ部ＦＬは、電流が流れた領域だけが加熱され、炭素繊維束Ｆが接着される。電流は、重ね合せ部ＦＬのうち、電極絶縁体１６に対向する狭い領域のみを通るので、重ね合せ部ＦＬ内の他の領域の加熱が抑制され比較的に狭い繊維接着幅で接着が行われ、重ね合せ部ＦＬの柔軟性および接着力が確保されるという効果が得られる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１０・・・炭素繊維の接着装置、１１・・・電源、１２・・・第１電極、１３・・・第２電極、１４，１５・・・中間電極、１６・・・電極絶縁体、１７・・・低熱伝導率絶縁体、Ｆ・・・炭素繊維束（炭素繊維）、ＦＬ・・・重ね合せ部
【図１】
2020070527.tif 000003
【図２】
2020070527.tif 000004
【図３】
2020070527.tif 000005
【図４】
2020070527.tif 000006
【図５】
2020070527.tif 000007
【図６】
2020070527.tif 000008