(57)【要約】【課題】樹脂含浸繊維の損傷を抑制しながらも、ライナの外周に精度良く捲回させることができる高圧タンク製造装置を提供する。【解決手段】ライナ５０と対向配置され、外側面３４ａにおいて樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５（繊維束Ｆ）と当接するとともに、回転して樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５（繊維束Ｆ）をライナ５０側に搬送するガイドローラ３４を備え、ガイドローラ３４の外側面３４ａは、その端部３４ａ３が中央部３４ａ１と比べて表面粗さの値が大きい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂含浸繊維をライナの外周に捲回して高圧タンクを製造する高圧タンク製造装置であって、
前記ライナと対向配置され、外側面において樹脂含浸繊維と当接するとともに、回転して樹脂含浸繊維を前記ライナ側に搬送するガイドローラを備え、
前記ガイドローラの外側面は、その端部が中央部と比べて表面粗さの値が大きいことを特徴とする高圧タンク製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂含浸繊維を用いて高圧タンクを製造する高圧タンク製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池や天然ガスを用いて駆動する車両では、高圧ガスを貯蔵する高圧タンクを搭載する必要がある。軽量化のため、従来の金属製の高圧タンクに替えて、ガラス繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastic, ＦＲＰ）を用いて製造した高圧タンクの採用が進んでいる。
【０００３】
下記特許文献１には、フィラメントワインディング法（以下「ＦＷ法」という）によって高圧タンクの製造を行う高圧タンク製造装置が記載されている。この高圧タンク製造装置では、中空のライナの外周に、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸したカーボン繊維を捲回することで、繊維強化樹脂層を形成している。そして、捲回後に当該樹脂層に含まれる熱硬化樹脂を熱硬化させることで、ライナを繊維強化樹脂層で被覆・補強した高圧ガスタンクが製造される。
【０００４】
下記特許文献１記載の高圧タンク製造装置では、ライナと対向する位置にガイドローラ（固定ローラ）が配置されている。ガイドローラは、その外側面において樹脂含浸繊維と当接しており、回転することで樹脂含浸繊維をライナに向けて搬送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−４０６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載された高圧ガスタンク製造装置では、樹脂含浸繊維の捲回のためにライナを回転させたり、移動させたりすることで、樹脂含浸繊維がガイドローラの外側面上を滑るように移動する。このため、ガイドローラは、その外側面の正規の位置で樹脂含浸繊維と当接して搬送することができなくなり、樹脂含浸繊維をライナの外周に精度良く捲回させることができなくなるという課題があった。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、樹脂含浸繊維の損傷を抑制しながらも、ライナの外周に精度良く捲回させることができる高圧タンク製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る高圧タンク製造装置は、樹脂含浸繊維をライナの外周に捲回して高圧タンクを製造する高圧タンク製造装置であって、前記ライナと対向配置され、外側面において樹脂含浸繊維と当接するとともに、回転して樹脂含浸繊維を前記ライナ側に搬送するガイドローラを備え、前記ガイドローラの外側面は、その端部が中央部と比べて表面粗さの値が大きいことを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る高圧タンク製造装置によれば、ガイドローラの外側面は、その端部が中央部と比べて表面粗さの値が大きいことから、端部では中央部と比べて樹脂含浸繊維との間に大きな摩擦力が発生することになる。したがって、ライナの回転等により、ガイドローラの外側面上を滑動させようとする力が樹脂含浸繊維に作用した場合にも、端部において発生する摩擦力によってそれに抗し、樹脂含浸繊維の移動を抑制することが可能となる。
【００１０】
一方、中央部では、端部に比べて樹脂含浸繊維との間に発生する摩擦力が小さいため、樹脂含浸繊維の損傷を抑制することができる。すなわち、本発明に係る高圧タンク製造装置によれば、ガイドローラの外側面における樹脂含浸繊維の移動と、樹脂含浸繊維の損傷の抑制とを高い次元で両立させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、樹脂含浸繊維の損傷を抑制しながらも、ライナの外周に精度良く捲回させることができる高圧タンク製造装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置を表す側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置のアイクチガイド近傍を表す上面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置のガイドローラを表す正面図である。
【図４】高圧タンク製造装置の第１参考例のガイドローラを表す正面図である。
【図５】高圧タンク製造装置の第２参考例のガイドローラを表す正面図である。
【図６】高圧タンク製造装置の第３参考例のガイドローラを表す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置１０を表す側面図である。
【００１５】
高圧タンク製造装置１０はＦＷ法による捲回装置であり、図１に表すように、クリール部１０Ａ、張力調整部１０Ｂ、繊維束搬送部１０Ｃ及び繊維束供給部１０Ｄを備えている。
【００１６】
クリール部１０Ａは、高圧タンク製造装置１０の端部に設けられ、５つのボビン１１ａ〜１１ｅと、それらの上方に設けられたクリールローラ１２ａ〜１２ｅと、固定ローラ１３とを有している。５つのボビン１１ａ〜１１ｅには、エポキシ樹脂が含浸された樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５がそれぞれ捲回されている。樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５はボビン１１ａ〜１１ｅから上方（Ｚ軸正方向）に引き出され、それぞれクリールローラ１２ａ〜１２ｅに導かれている。
【００１７】
樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５は、クリールローラ１２ａ〜１２ｅの上部の外側面と当接し、下方（Ｚ軸負方向）に折り返して固定ローラ１３に導かれている。固定ローラ１３は単一のローラであり、樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５は、固定ローラ１３の下部の外側面において束ねられ、単一の繊維束Ｆとなる。
【００１８】
張力調整部１０Ｂは、支持梁２３と、その支持梁２３の一端部に設けられたヒンジ２１と、同他端部に設けられたテンションローラ１４と、同中央部に設けられたアクチュエータ２２と、固定ローラ１５とを有している。
【００１９】
支持梁２３は、その一端部がヒンジ２１によって支持されているとともに、その中央部がアクチュエータ２２によって下方から支持されている。アクチュエータ２２は、伸縮することで上下方向（Ｚ軸方向）に変位可能に構成されており、このアクチュエータ２２の変位により、支持梁２３はヒンジ２１を中心として回転可能に構成されている。
【００２０】
自由端となる支持梁２３の他端部には、テンションローラ１４が回転可能に支持されている。上述の固定ローラ１３において束ねられた繊維束Ｆは、上方に折り返してテンションローラ１４に導かれる。さらに、繊維束Ｆは、テンションローラ１４の上部の外側面と当接するとともに、下方に折り返して固定ローラ１５に導かれる。
【００２１】
上述のように、支持梁２３はヒンジ２１を中心として回転可能であるため、支持梁２３の他端部に支持されるテンションローラ１４は、矢印Ａ４で表すように上下方向に変位可能とされている。このテンションローラ１４の変位により、固定ローラ１３からテンションローラ１４を介して固定ローラ１５まで導かれた繊維束Ｆに弛みが生じないように、繊維束Ｆに適切な張力を生じさせることが可能となる。
【００２２】
繊維束搬送部１０Ｃは、固定ローラ１６、１７及び１８を有している。固定ローラ１６及び１７は、水平方向（Ｘ軸方向）に互いに間隔を空けるとともに、略同一高さ（Ｚ軸方向位置）に配置される。また、固定ローラ１８は、固定ローラ１７寄りで、固定ローラ１６及び１７よりも下方に設けられている。張力調整部１０Ｂの固定ローラ１５を経た繊維束Ｆは、その上方の固定ローラ１６に導かれ、固定ローラ１６の上部の外側面と当接して水平方向（Ｘ軸方向）に折り返される。固定ローラ１６で折り返された繊維束Ｆは固定ローラ１７に導かれ、固定ローラ１７の上部の外側面と当接し、下方に折り返して固定ローラ１８に導かれる。繊維束Ｆは、固定ローラ１８の下部の外側面と当接して再び水平方向（Ｘ軸方向）に折り返され、繊維束供給部１０Ｄに導かれる。
【００２３】
繊維束供給部１０Ｄは、繊維収束治具２５と、アイクチガイド３５とを有している。繊維収束治具２５は、繊維束搬送部１０Ｃから搬送されてくる繊維束Ｆの拡幅、変位を規制するために、その内部に繊維束Ｆを通過させるように構成されている。
【００２４】
繊維収束治具２５の内部を通過した繊維束Ｆは、アイクチガイド３５に導かれる。アイクチガイド３５は、第１案内ローラ３２と、第２案内ローラ３３と、ガイドローラ３４とを有している。第１案内ローラ３２と、第２案内ローラ３３と、ガイドローラ３４は、それぞれ水平方向（Ｘ軸方向）に所定間隔を空けて配置されている。ユニット化されたアイクチガイド３５は、矢印Ａ１で表すように紙面左右方向（Ｘ軸方向）に移動可能であるほか、紙面奥行方向（Ｙ軸方向）にも移動可能に構成されている。アイクチガイド３５のガイドローラ３４はライナ５０と対向配置されており、第１案内ローラ３２及び第２案内ローラ３３を経てガイドローラ３４に導かれた繊維束Ｆは、ガイドローラ３４からライナ５０へと供給される。
【００２５】
ライナ５０は中空の樹脂製容器であり、ライナ５０を保持する駆動装置（図示せず）の駆動により、矢印Ｒ１方向への回転と、矢印Ａ３方向への直線移動が可能とされている。ライナ５０回転及び移動と、アイクチガイド３５の移動が適宜行われることにより、ヘリカル巻きやフープ巻き等によってライナ５０の外周に繊維束Ｆが捲回され、ライナ５０を繊維束Ｆで被覆・補強した高圧ガスタンク５１が製造される。
【００２６】
続いて、図２及び図３を参照して、本発明の実施形態に係るアイクチガイド３５について説明する。図２は、本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置１０のアイクチガイド３５近傍を表す上面図であり、図３は、本発明の実施形態に係る高圧タンク製造装置１０のガイドローラ３４を表す正面図である。
【００２７】
図２に表すように、アイクチガイド３５は、繊維束Ｆの下方に第１案内ローラ３２及びガイドローラ３４を有し、繊維束Ｆの上方に第２案内ローラ３３を有している。第１案内ローラ３２及びガイドローラ３４は、それらの外側面のうち上面において繊維束Ｆと当接し、第２案内ローラ３３は、その外側面のうち下面において繊維束Ｆと当接している。
【００２８】
また、第１案内ローラ３２、第２案内ローラ３３、ガイドローラ３４は、それぞれ回転軸Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を中心として矢印Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４で表す方向に回転可能に支持されている。すなわち、第１案内ローラ３２及びガイドローラ３４と、第２案内ローラ３３とで、回転方向が逆となっている。これら第１案内ローラ３２、第２案内ローラ３３及びガイドローラ３４が回転することにより、繊維束搬送部１０Ｃから搬送されてくる繊維束Ｆは、矢印Ａ６で表すようにライナ５０側（Ｘ軸正方向）に搬送される。
【００２９】
このうちガイドローラ３４は、図３に表すように、回転軸Ｃ４を中心軸とした円柱形状を呈しているが、その径は中央部３４ａ１から脇部３４ａ２、端部３４ａ３にかけて漸次大きくなるように形成されている。このため、繊維束Ｆが当接するガイドローラ３４の外側面３４ａは、正面視で中央部３４ａ１が凹設された湾曲形状となっている。したがって、繊維束Ｆの捲回時にライナ５０が回転及び移動することにより、図２及び図３において矢印Ａ７で表す方向に、ガイドローラ３４の外側面３４ａ上で滑動させようとする力が繊維束Ｆに作用した場合にも、外側面３４ａの湾曲によって中央部３４ａ１からの移動が抑制されている。
【００３０】
さらに、ガイドローラ３４では、外側面３４ａに表面処理を施すことにより、繊維束Ｆの移動抑制を確実なものとしている。すなわち、外側面３４ａの中央部３４ａ１では、表面粗さ（中心線平均粗さＲａ）が０．８に設定されているのに対し、その両側の側部３４ａ２では３．２に設定され、さらにその両側の端部３４ａ３では１２．５に設定されている。このように外側面３４ａの部位によって表面粗さを異ならせる方法としては、放電加工やブラスト加工等、公知のものを適宜採用することができる。
【００３１】
このように、外側面３４ａの部位によって表面粗さを異ならせることにより、繊維束Ｆが外側面３４ａ上で中央部３４ａ１から端部３４ａ３側に滑動しようとした場合、繊維束Ｆには側部３４ａ２あるいは端部３４ａ３との間に比較的大きな摩擦力が発生する。したがって、その摩擦力が滑動に抗する力となり、繊維束Ｆの移動を抑制することが可能となる。
【００３２】
一方、中央部３４ａ１では、側部３４ａ２あるいは端部３４ａ３に比べて繊維束Ｆとの間に発生する摩擦力が小さいため、繊維束Ｆの損傷を抑制することができる。すなわち、高圧タンク製造装置１０によれば、ガイドローラ３４の外側面３４ａにおける繊維束Ｆの移動と、繊維束Ｆの損傷の抑制とを高い次元で両立させることが可能となる。
【００３３】
次に、図４乃至図６を参照して、ガイドローラ３４の参考例について説明する。図４は、高圧タンク製造装置１０の第１参考例のガイドローラ３４Ａを表す正面図である。図５は、高圧タンク製造装置１０の第２参考例のガイドローラ３４Ｂを表す正面図である。図６は、高圧タンク製造装置１０の第３参考例のガイドローラ３４Ｃを表す正面図である。図４乃至図６では、繊維束Ｆを構成する樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５は、いずれもその断面を表している。
【００３４】
図４に表す第１参考例では、上述したガイドローラ３４と同一の外形を有するガイドローラ３４Ａの上方に、押付ローラ３７を設けている。押付ローラ３７は、ガイドローラ３４Ａの回転軸Ｃ４と平行な回転軸Ｃ７を有しており、回転軸Ｃ７を中心として矢印Ｒ７で表す方向（矢印Ｒ４で表す方向とは逆方向）に回転可能とされている。また、押付ローラ３７は、回転軸Ｃ７を中心軸とした円柱形状を呈しており、その径は端部から中央部にかけて漸次大きくなるように形成されている。このため、押付ローラ３７の外側面３７ａは、ガイドローラ３４Ａの外側面３４Ａａと対応するように湾曲している。
【００３５】
繊維束Ｆは、押付ローラ３７の外側面３７ａから矢印Ａ８の方向（Ｚ軸負方向）に力を受け、ガイドローラ３４Ａの外側面３４Ａａ上に押し付けられる。このため、繊維束Ｆの下面とガイドローラ３４Ａの外側面３４Ａａとの間、及び、繊維束Ｆの上面と押付ローラ３７の外側面３７ａとの間に、摩擦力が発生することとなる。したがって、繊維束Ｆが外側面３４Ａａ上を矢印Ａ７で表す方向（Ｙ軸方向）に滑動しようとした場合にも、これらの摩擦力がその滑動に抗する力となり、繊維束Ｆの移動を抑制することが可能となる。
【００３６】
すなわち、この第１参考例では、繊維束Ｆの上面及び下面で摩擦力を受ける構成としているため、繊維束Ｆの下面のみで受ける摩擦力によって移動抑制を図る構成に比べて、繊維束Ｆの外側面において摩擦力を分散させて受けることができる。したがって、ガイドローラ３４Ａの外側面３４Ａａとの当接による繊維束Ｆの局所的な損傷を軽減することが可能となる。
【００３７】
図５に表す第２参考例では、上述したガイドローラ３４と同一の外形を有するガイドローラ３４Ｂの内部に、回転軸Ｃ４に沿って貫通する冷媒流路３４Ｂｂが形成されている。冷媒流路３４Ｂｂは、ガイドローラ３４Ｂが回転軸Ｃ４を中心として矢印Ｒ４で表す方向に回転している間に、図示しないポンプにより供給される冷媒を、矢印Ａ９で表す方向に流入させ、その内部を通過させた後、矢印Ａ１０で表す方向に流出させることができる。冷媒には水や空気が用いられる。冷媒が冷媒流路３４Ｂｂを通過することにより、ガイドローラ３４Ｂは内側から冷却され、これに伴ってガイドローラ３４Ｂの外側面３４Ｂａと当接する繊維束Ｆも冷却される。
【００３８】
ガイドローラ３４Ｂが回転して繊維束Ｆを搬送する際、ガイドローラ３４Ｂの外側面３４Ｂａと繊維束Ｆとの間には摩擦熱が発生する。繊維束Ｆがこの摩擦熱により加熱され、昇温すると、繊維束Ｆを構成する樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５のエポキシ樹脂の粘度に変化が生じる。すなわち、エポキシ樹脂が高温となるほど、その粘度は低下する傾向を示す。
【００３９】
ライナ５０において、捲回方法（ヘリカル巻きやフープ巻き等）や、その捲回速度を変化させると、ガイドローラ３４Ｂの回転速度及びその外側面３４Ｂａで生じる摩擦熱も変化する。このため、繊維束Ｆの昇温も時々変化し、エポキシ樹脂の粘度も一定にならないため、外側面３４Ｂａ上における繊維束Ｆの挙動が不安定になり、ライナ５０において安定的に捲回させることが困難となる。
【００４０】
そこで、ガイドローラ３４Ｂでは、その冷媒流路３４Ｂｂに適宜冷媒を流通させることによって繊維束Ｆを冷却し、エポキシ樹脂の粘度が所定範囲となるように調整を行うことができる。これにより、繊維束Ｆの移動を抑制し、ライナ５０における安定的な捲回を可能としている。
【００４１】
図６に表す第３参考例では、上述したガイドローラ３４の外側面の中央部に、凹部３４Ｃｂを設けてガイドローラ３４Ｃとしている。凹部３４Ｃｂは、その両側部３４Ｃｃに対し極端に径を小さくして不連続な湾曲面とされており、その湾曲面の曲率は両側部３４Ｃｃに対して大きくなるよう形成されている。
【００４２】
ライナ５０における繊維束Ｆの捲回時、繊維束Ｆは外側面３４Ｃａの中央の凹部３４Ｃｂ内に配置される。このため、ライナ５０が回転及び移動することにより、矢印Ａ７で表す方向に繊維束Ｆを滑動させるような力が作用した場合にも、繊維束Ｆは凹部３４Ｃｂ内から容易に退出することがない。これにより、繊維束Ｆの移動を抑制し、ライナ５０における安定的な捲回を可能としている。
【００４３】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００４４】
例えば、上記実施形態においては、樹脂含浸カーボン繊維ｆ１〜ｆ５はエポキシ樹脂を含浸させたものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、変性エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂等、種々の樹脂を採用し得る。
【００４５】
また、上記実施形態においては、ガイドローラ３４の外側面３４ａを３つの領域（中央部３４ａ１、側部３４ａ２、端部３４ａ３）に区分し、その表面粗さが漸次変化するものとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、外側面３４ａを、中央部とその両側部の２つの領域に区分し、両側部の表面粗さが中央部と比べて大きくなるように設定したものでもよい。
【００４６】
さらに、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４７】
１０  ：高圧タンク製造装置
３４  ：ガイドローラ
３４ａ：（ガイドローラの）外側面
３４ａ１：（ガイドローラの外側面の）中央部
３４ａ２：（ガイドローラの外側面の）側部
３４ａ３：（ガイドローラの外側面の）端部
５０  ：ライナ
５１  ：高圧タンク
ｆ１〜ｆ５：樹脂含浸カーボン繊維（樹脂含浸繊維）
Ｆ    ：繊維束
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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