(57)【要約】【課題】フープ巻き端部における繊維束の横滑りを抑制し、フープ巻き端部の安定化を図ることができるフィラメントワインディング方法を提供する。【解決手段】フィラメントワインディング方法は、熱硬化性樹脂が含浸された導電性の繊維束５を巻回するボビン２からライナー１００側に繊維束５を搬送し、搬送した繊維束５をフープ巻きでライナー１００の胴体部１０１に巻き付けて、タンクを製造する方法である。このフィラメントワインディング方法では、ボビン２からライナー１００までの繊維束搬送路において、繊維束５に通電して該繊維束５を加熱する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂が含浸された導電性の繊維束を巻回するボビンからライナー側に前記繊維束を搬送し、搬送した前記繊維束をフープ巻きで前記ライナーに巻き付けてタンクを製造するフィラメントワインディング方法であって、
前記ボビンから前記ライナーまでの繊維束搬送路において、前記繊維束に通電して該繊維束を加熱することを特徴とするフィラメントワインディング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ライナーの外周に繊維束を巻き付けてタンクを製造するフィラメントワインディング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、円筒状の胴体部と胴体部の両端に設けられたドーム部とを有するライナーを回転させながら、樹脂が含浸された繊維束を一定の張力（すなわち、繊維束を巻き付ける力）で該ライナーの外周に繰り返し巻き付けることでフープ層とヘリカル層からなる補強層を形成し、タンクを製造することが知られている。
【０００３】
しかし、胴体部の外周に複数のフープ層を順次に積層していくときに、外側（すなわち、ライナーの外周に遠い側）フープ層の繊維束を巻き付ける力によって、内側（すなわち、ライナーの外周に近い側）フープ層の繊維束に圧力が加わるので、内側フープ層の繊維束が押し出される。このため、フープ巻き端部において内側フープ層の繊維束は、ドーム部側に横滑りしてしまい、フープ巻き端部の安定化に影響を及ぼす問題があった。
【０００４】
上述の問題を解決するために、様々な技術が提案されている。例えば下記特許文献１には、ライナーに巻き付けられた樹脂含浸繊維束を外部加熱装置で順次加熱硬化させつつ、ライナーのドーム部に巻き付けられた樹脂含浸繊維束を冷却装置で冷却して樹脂の粘度を遅らせることにより、フープ巻き端部における繊維束の横滑りを防止する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７９６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述特許文献１のように外部加熱装置や冷却装置を用いた場合であっても、樹脂の温度変化の応答性が悪いため、樹脂の粘度をコントロールすることができず、繊維束の横滑りが発生する可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、フープ巻き端部における繊維束の横滑りを抑制し、フープ巻き端部の安定化を図ることができるフィラメントワインディング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るフィラメントワインディング方法は、熱硬化性樹脂が含浸された導電性の繊維束を巻回するボビンからライナー側に前記繊維束を搬送し、搬送した前記繊維束をフープ巻きで前記ライナーに巻き付けてタンクを製造するフィラメントワインディング方法であって、前記ボビンから前記ライナーまでの繊維束搬送路において、前記繊維束に通電して該繊維束を加熱することを特徴としている。
【０００９】
本発明に係るフィラメントワインディング方法では、繊維束搬送路において繊維束に通電して加熱することにより、繊維束に含浸された熱硬化性樹脂を予備硬化させ、熱硬化性樹脂の粘度を上昇させることができる。そして、粘度上昇の状態で繊維束をフープ巻きでライナーに巻き付ける場合、熱硬化性樹脂の流動性が低いため、フープ巻き端部における繊維束の横滑りを抑制することができ、フープ巻き端部の安定化を図ることができる。しかも、このような通電による加熱の場合は、熱効率が高いので、短時間での加熱を実現でき、加熱による生産性への影響を防止することができる。更に、通電電流を測定することにより加熱温度を容易に把握することができるので、加熱温度をコントロールしやすい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、フープ巻き端部における繊維束の横滑りを抑制し、フープ巻き端部の安定化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ライナーの構造を示す概略図である。
【図２】実施形態に係るフィラメントワインディング方法に用いられるフィラメントワインディング装置の概略構成図である。
【図３】繰出部の構造を示す模式図である。
【図４】（ａ）はヘリカル巻きを説明する模式図であり、（ｂ）はフープ巻きを説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係るフィラメントワインディング方法の実施形態について説明する。本実施形態のフィラメントワインディング方法は、図２に示すフィラメントワインディング装置を用いてライナーの外周に繊維束を複数巻き付けることにより補強層を形成し、これによってタンクを製造する方法である。ここでは、まず、巻き付け対象であるライナー及びフィラメントワインディング装置を説明する。
【００１３】
[ライナーについて]
図１はライナーの構造を示す概略図である。ライナー１００は、タンクのコアを構成するものであって、円筒状の胴体部１０１と、胴体部１０１の左右両端にそれぞれ配置された略半球状のドーム部１０２，１０３とを有する中空の容器である。ライナー１００は、例えば、ポリエチレンやナイロン等の樹脂部材を用いて回転・ブロー成形法によって一体的に形成されている。
【００１４】
ドーム部１０２，１０３の頂部には開口部（図示せず）がそれぞれ形成され、開口部には口金部１０４，１０５が装着されている。具体的には、図１に示すように、左側のドーム部１０２の開口部に口金部１０４、右側のドーム部１０３の開口部に口金部１０５がそれぞれ内挿されている。口金部１０４は例えばバルブ側口金として機能し、口金部１０５は例えばエンド側口金として機能する。これらの口金部１０４，１０５は、金属材料によって円筒状に形成されており、一端部がドーム部１０２，１０３の開口部に内挿され、他端部がドーム部１０２，１０３からライナー１００の中心軸Ｌに沿って外部に突出している。
【００１５】
[フィラメントワインディング装置について]
図２は実施形態に係るフィラメントワインディング方法に用いられるフィラメントワインディング装置の概略構成図である。図２に示すように、フィラメントワインディング装置１は、ボビン２から繊維束５を巻き出し、繊維束５にかかる張力を調整しつつライナー１００側に繊維束５を搬送し、更にライナー１００に繊維束５を巻き付けるように構成されている。このため、フィラメントワインディング装置１は、ボビン２と、搬送部３と、繰出部４とを備えている。
【００１６】
ボビン２は、円柱状を呈している。ボビン２には、樹脂を含浸した繊維束５が巻回されている。このボビン２は、図示しない電動モータによって駆動されて回転し、巻回された繊維束５を巻き出すように形成されている。
【００１７】
樹脂を含浸した繊維束５は、例えば直径が数μｍ程度の単繊維を束ねて構成されたものに、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸されている。単繊維には、炭素繊維などの導電性を有するものが用いられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂に代表される変性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂を挙げることができる。
【００１８】
搬送部３は、ボビン２に巻回された繊維束５を繰出部４側に搬送するためのものであり、複数のローラ等によって形成されている。より具体的には、搬送部３は、ボビン２側から繰出部４側に向かって順に配置されたタッチローラ３１、第１案内ローラ部３２、巻き出しダンサー部３３、アクティブダンサー部３４、ニップローラ部３５、巻き取りダンサー部３６、第２案内ローラ部３７、収束ローラ部３８、Ｚ字状ローラ部３９を有するように構成されている。
【００１９】
タッチローラ３１は、その軸線がボビン２の軸線と平行になるようにボビン２と近接した位置に配置され、ボビン２から巻き出された繊維束５を弛みなくスムーズに搬送する。第１案内ローラ部３２は、例えば所定の間隔で離れて配置された一対の案内ローラからなり、ボビン２から巻き出された繊維束５に９０°ひねりを加えながら巻き出しダンサー部３３側に向けて搬送する。
【００２０】
巻き出しダンサー部３３は、搬送される繊維束５に張力を付与する機能を有するように構成されている。この巻き出しダンサー部３３は、ダンサーアーム３３ａと、ダンサーアーム３３ａに固定されたダンサーローラ３３ｂ，３３ｃと、複数の搬送ローラとを有する。ダンサーアーム３３ａは、繊維束５に付与する張力を一定にするために、図示矢印のように左右に回動可能に形成されている。ダンサーローラ３３ｂ，３３ｃには、繊維束５が引っ掛けるように巻き付いている。
【００２１】
アクティブダンサー部３４は、アクティブコントローラ３４ａと、アクティブコントローラ３４ａの左右両側（すなわち、上流側及び下流側）に配置された一対の搬送ローラ３４ｂ，３４ｃとを有する。アクティブコントローラ３４ａは、例えば昇降装置（図示せず）に連結されており、該昇降装置によって図示矢印のように昇降可能に形成されている。このようにすることで、例えば繊維束５の巻き付けが停止した場合、或いは巻き付け速度が変化した場合に、繊維束５の張力を一定に維持することができる。
【００２２】
ニップローラ部３５は、繊維束５をＶ字状に掛けるように３つのローラからなり、且つ隣接するローラ同士が繊維束５を挟むように近接している。このようにすることで、ニップローラ部３５より上流側の繊維束５の張力が、ニップローラ部３５より下流側の繊維束５の張力に影響を与えないようにできる。
【００２３】
巻き取りダンサー部３６は、ダンサーアーム３６ａと、ダンサーアーム３６ａに固定されたダンサーローラ３６ｂ，３６ｃと、複数の搬送ローラとを有する。ダンサーアーム３６ａは、図示矢印のように左右に回動可能と形成されている。ダンサーローラ３６ｂ，３６ｃには、繊維束５が引っ掛けるように巻き付いている。
【００２４】
第２案内ローラ部３７は、例えば所定の間隔で離れて配置された一対の案内ローラからなり、搬送される繊維束５に９０°ひねりを加えながら収束ローラ部３８側に向けて搬送する。
【００２５】
収束ローラ部３８は、繊維束５の収束を行う複数の収束ローラからなる。Ｚ字状ローラ部３９は、繊維束５をＺ字状に掛けるように、上下方向において所定の間隔で離れて配置された２つの搬送ローラからなる。
【００２６】
繰出部４は、いわゆるアイクチと呼ばれるものであり、繊維束５をライナー１００に繰り出して搬送する。この繰出部４は、図示しない移動装置によって、ライナー１００に接近又は離間する前後方向ａ、及び、ライナー１００の中心軸Ｌに沿うトラバース方向ｂに移動できるように構成されている。更に、繰出部４は、図示しない移動装置によって、前後方向ａを中心に矢印ｃに示す方向に回転可能と構成されている。
【００２７】
図３は繰出部の構造を示す模式図である。繰出部４は、回転ローラである３つのアイクチローラ４１〜４３を用いて繊維束５をライナー１００に搬送するように構成されている。具体的には、この繰出部４には、ボビン２側からライナー１００側に向かって第１のアイクチローラ４１と、第２のアイクチローラ４２と、第３のアイクチローラ４３とが順に配置されている。繊維束５は、第１のアイクチローラ４１側から入り込み、第１のアイクチローラ４１の下側外周、第２のアイクチローラ４２の上側外周、及び、第３のアイクチローラ４３の下側外周にそれぞれ接触してライナー１００に搬送される。
【００２８】
そして、３つのアイクチローラ４１〜４３のうち、最も離れた第１のアイクチローラ４１及び第３のアイクチローラ４３は、導電性を有する金属材料により形成された通電ローラである。本実施形態において、第１のアイクチローラ４１と第３のアイクチローラ４３とは、それぞれ強度及び耐食性の優れたクロム銅によって形成されており、繰出部４を通過する繊維束５に通電できるように、例えばスリップリングを介して給電部（図示せず）と電気的に接続されている。このようにすることで、繊維束５が繰出部４を通過する間に通電加熱される。
【００２９】
一方、ライナー１００は、ライナー支持部（図示せず）に軸支されるとともに、回転モータ（図示せず）によってその中心軸Ｌ周りに回転される。
【００３０】
本実施形態では、上述した繰出部４の移動と、ライナー１００の回転との協働により、繊維束５の巻き付け態様を変更できるようになっている。そして、繊維束５の巻き付け態様としては、ヘリカル巻きとフープ巻きとが挙げられる。
【００３１】
ヘリカル巻きとは、図４（ａ）に示すように、ライナー１００の中心軸Ｌと繊維束５の巻き付け方向とがなす角度（いわゆる巻き角度）が０°より大きく９０°未満になるように、繊維束５を螺旋状に巻き付ける態様である。このヘリカル巻きによって、ヘリカル層が形成される。
【００３２】
また、ヘリカル巻きは、巻き角度の大きさによって低角度ヘリカル巻きと高角度ヘリカル巻きに更に分けられる。低角度ヘリカル巻きは、すなわち巻き角度が小さい（例えば０°より大きく３０°以下）場合のヘリカル巻きであり、繊維束５がライナー１００の中心軸Ｌを一周する前にドーム部１０２，１０３における繊維束５の巻き付け方向の折返しが生じる巻き付け態様である。
【００３３】
高角度ヘリカル巻きは、すなわち巻き角度が大きい（例えば３０°より大きく９０°未満）場合のヘリカル巻きであり、ドーム部１０２，１０３における繊維束５の巻き付け方向の折返しが生じるまでに、胴体部１０１において繊維束５がライナー１００の中心軸Ｌを少なくとも一周する巻き付け態様である。なお、図４（ａ）は低角度ヘリカル巻きを示す。
【００３４】
一方、フープ巻きとは、図４（ｂ）に示すように、ライナー１００の中心軸Ｌと繊維束５の巻き付け方向とがなす巻き角度が略垂直になるように、繊維束５をライナー１００の周方向に巻き付ける態様である。ここで、「略垂直」とは、９０°と、隣接する繊維束５同士が重ならないように繊維束５の巻き付け位置をずらすことによって生じ得る９０°前後の角度との両方を含むことを意味する。そして、フープ巻きによって、フープ層が形成される。なお、本実施形態で述べる「フープ巻き端部」は、フープ巻きで各フープ層を形成する際に、胴体部１０１とドーム部１０２，１０３との境界部又はその付近に最初に巻き付けられた繊維束５の端部のことである。
【００３５】
ここで、本発明に至った経緯を説明する。フープ巻き端部における繊維束の横滑りの発生要因は、繊維束に含浸された熱硬化性樹脂の粘度の変化にあると考えられる。特に、熱硬化性樹脂の粘度が低くなるに従い、繊維束が移動しやすくなるので、フープ巻き端部の繊維束の横滑りが発生し易くなる。従って、フープ巻き端部における繊維束の横滑りを抑制するためには、フープ巻きの際に熱硬化性樹脂を高粘度の状態で使用することが望ましい。一方、熱硬化性樹脂が高粘度の状態では、ローラ通過性が悪くなるので、繊維束の搬送性に影響してしまう。このため、繊維束をライナーに巻き付ける直前までは、熱硬化性樹脂を低粘度の状態に保つことが望ましい。
【００３６】
上述のように構成されたフィラメントワインディング装置１では、ボビン２からライナー１００までは、繊維束５の搬送路を構成する。そして、上述した内容を考慮し、繊維束の搬送性を向上しつつフープ巻き端部の繊維束５の横滑りを抑制するためには、繊維束５の搬送路において繊維束５に含浸された熱硬化性樹脂の粘度を低くし、ライナー１００の胴体部１０１に繊維束５をフープ巻きする際の熱硬化性樹脂の粘度を高くすることが好適である。
【００３７】
[フィラメントワインディング方法について]
従って、本実施形態に係るフィラメントワインディング方法では、ボビン２からライナー１００までの繊維束搬送路において繰出部４で繊維束５に通電して繊維束５を加熱することを特徴としている。より具体的には、ボビン２からライナー１００までの繊維束搬送路において、繰出部４の第１のアイクチローラ４１及び第３のアイクチローラ４３を利用し、繰出部４を通過す繊維束５に通電して加熱する。
【００３８】
このようにすれば、繊維束５が導電性を有する炭素繊維からなり、通電により発熱するので、繊維束５に含浸された熱硬化性樹脂を予備硬化させ、熱硬化性樹脂の粘度を上昇させることができる。そして、粘度上昇の状態で繊維束５をフープ巻きで胴体部１０１に巻き付けると、熱硬化性樹脂の流動性が低いため、フープ巻き端部における繊維束５の横滑りを抑制することができ、フープ巻き端部の安定化を図ることができる。
【００３９】
しかも、上述の通電による加熱は、繊維束５を胴体部１０１に巻き付ける直前に行われるので、繊維束５の搬送性に影響を与えない。従って、現状の生産性をそのまま維持することが可能である。
【００４０】
また、通電による加熱の場合は、熱効率が高いので、短時間での加熱を実現できる。一例として、例えば長さ１００ｍｍの繊維束５に電圧２０Ｖを付加し、電流約１５Ａで通電することで、繰出部４を通過した後の繊維束５を４００℃以上に加熱することができる。これによって、通電加熱による生産性への影響を防止することができる。
【００４１】
なお、繊維束を加熱する方法として、本実施形態で述べた通電による加熱の代わりに、ヒータによる加熱や紫外線照射による加熱なども考えられる。しかしながら、以下の理由で本実施形態では、通電による加熱を採用している。
【００４２】
まず、ヒータや紫外線照射による加熱では、繊維束に対して全体的な加熱しかできない。これに対し、通電による加熱の場合は、ヒータや紫外線照射による加熱の場合と比べて局所的な加熱が可能である。従って、例えばフープ巻き端部に対応する繊維束５のみに通電を行うことができるので、加熱に伴うコストアップを抑制することができる。言い換えれば、通電による加熱の場合、熱硬化性樹脂を高粘度化する部分のみに対応でき、それ以外の部分を加熱しないので、生産性への影響を抑制することができる。
【００４３】
また、ヒータや紫外線照射による加熱では、外部からの加熱であるので、熱硬化性樹脂が実際に加熱されるまでに時間がかかり、加熱の応答性が悪い。これに対し、通電による加熱の場合は、繊維束自体を直接加熱することができるので、加熱の応答性が良くなる。
【００４４】
また、ヒータや紫外線照射による加熱では、ヒータを設置する空間、紫外線照射装置を設置する空間等をそれぞれ確保する必要があるので、装置自体が大きくなるのみならず、ヒータや紫外線照射装置の増設に伴うコストも発生する。また、紫外線照射の場合において紫外線照射装置を繰出部に搭載させると、繰出部が大きくなってしまい、繰出部の動作速度や動作範囲の制約が生じる。
【００４５】
これに対し、通電による加熱の場合は、繰出部にある既設のローラを通電ローラに変更し、給電部に電気的に接続するだけで繊維束への加熱を実現できるので、装置全体の小型化や低コスト化を図ることができるとともに、繰出部の動作速度や動作範囲への制約が生じない。
【００４６】
更に、ヒータや紫外線照射による加熱では、加熱対象の温度を測定しなければ加熱温度をコントロールすることができない。これに対し、通電による加熱の場合は、繊維束に流れる電流値をリアルタイムに測定することができるので、ジュールの法則で発熱量を算出することができる。従って、通電電流を測定することにより加熱温度を容易に把握することができるので、加熱温度をコントロールしやすい。
【００４７】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述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。
【００４８】
例えば、上述の実施形態において、繊維束５を加熱するために繰出部４の第１のアイクチローラ４１及び第３アイクチローラ４３を通電ローラとした例を説明したが、第１のアイクチローラ４１及び第２のアイクチローラ４２、或いは第２のアイクチローラ４２及び第３のアイクチローラ４３を通電ローラとしても良い。しかし、通電加熱距離を長く確保することを考慮した場合、最も離れた第１のアイクチローラ４１及び第３アイクチローラ４３を通電ローラとすることが好ましい。
【符号の説明】
【００４９】
１    フィラメントワインディング装置
２    ボビン
３    搬送部
４    繰出部
５    繊維束
３１    タッチローラ
３２    第１案内ローラ部
３３    巻き出しダンサー部
３３ａ    ダンサーアーム
３３ｂ，３３ｃ    ダンサーローラ
３４    アクティブダンサー部
３４ａ    アクティブコントローラ
３４ｂ，３４ｃ    搬送ローラ
３５    ニップローラ部
３６    巻き取りダンサー部
３６ａ    ダンサーアーム
３６ｂ，３６ｃ    ダンサーローラ
３７    第２案内ローラ部
３８    収束ローラ部
３９    Ｚ字状ローラ部
４１    第１のアイクチローラ
４２    第２のアイクチローラ
４３    第３のアイクチローラ
１００    ライナー
１０１    胴体部
【図１】
2020146966.tif 000003
【図２】
2020146966.tif 000004
【図３】
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【図４】
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