(57)【要約】【課題】繊維束を接合するにあたり、高張力の負荷にも耐え得る高い接合強度を得る。【解決手段】第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを接合部４３において長手方向に接合して構成した繊維束接合体４０である。第１の繊維束４１を構成する複数の繊維の端部４１ａと、第２の繊維束４２を構成する複数の繊維の端部４２ａと、を互いに絡み合わせ、かつ、複数の繊維間に接合用フィラー４４を混入させることにより、接合部４３を構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の繊維束と第２の繊維束とが接合部において長手方向に接合されてなる繊維束接合体であって、
前記接合部は、前記第１の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、前記第２の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、が互いに絡み合わされてなり、かつ、前記複数の繊維間に接合用フィラーが混入されてなるものである、
繊維束接合体。
【請求項２】
前記接合用フィラーは、多孔質粒子及び／又は短繊維を含むものである、
請求項１に記載の繊維束接合体。
【請求項３】
前記接合用フィラーは、ガラス、カーボン又はセラミックからなるものである、
請求項１又は２に記載の繊維束接合体。
【請求項４】
第１の繊維束及び第２の繊維束が巻回された補強繊維層を備えたタンクであって、
前記第１の繊維束及び前記第２の繊維束は、接合部において長手方向に接合され、
前記接合部は、前記第１の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、前記第２の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、が互いに絡み合わされてなり、かつ、前記複数の繊維間に接合用フィラーが混入されてなるものである、
タンク。
【請求項５】
第１の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、第２の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、を重ねて配置して気体流により互いに絡み合わせることにより、前記第１の繊維束と前記第２の繊維束とを長手方向に接合して繊維束接合体を製造する方法であって、
前記気体流に接合用フィラーを存在させて前記複数の繊維の端部を絡み合わせる工程を含む、
繊維束接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の繊維束が接合されてなる繊維束接合体及びその製造方法と、繊維束接合体を含む繊維束が巻回されてなるタンクと、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、複数の繊維からなる繊維束を接合して使用する技術が提案されている。例えば、ヤーン、ストランド、ロービング等の繊維束の端部と端部とを重ね合わせ、その重ね合わせた部分の繊維を圧縮空気により相互に絡み合わせることにより繊維束を接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる接合方法を採用すると、各繊維束を構成する繊維同士が接触して生じる摩擦力により、ある程度の接合強度を得ることが可能となる。
【特許文献１】特開平６−４０６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近年においては、燃料電池システムに使用される水素等を充填することを目的として、金属繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の各種強化繊維と、この強化繊維を含浸させるマトリックス材料（樹脂や金属等）と、からなる繊維強化材料層を有する高圧タンクの開発が進められている。かかる高圧タンクを製造する際には、ライナ（内部容器）に高い張力で強化繊維を巻回する必要があり、また、高圧タンクのライナ内部の圧力が上昇すると、ライナ外部に巻回された強化繊維に高い張力が負荷される。このため、高圧タンクを製造する際には、高い張力に抗し得るような強度を有する強化繊維を採用する必要がある。
【０００４】
しかし、前記した特許文献１のように、繊維束の端部同士を重ね圧縮空気により絡み合わせて接合する従来の方法を採用すると、繊維同士を十分な強度で接合することができず、このような従来の方法を採用して繊維束を接合して得た連結体（繊維束連結体）を高圧タンク用の強化繊維として用いることは困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、繊維束を接合するにあたり、高張力の負荷にも耐え得る高い接合強度を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る繊維束接合体は、第１の繊維束と第２の繊維束とが接合部において長手方向に接合されてなる繊維束接合体であって、接合部は、第１の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、第２の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、が互いに絡み合わされてなり、かつ、複数の繊維間に接合用フィラーが混入されてなるものである。
【０００７】
かかる構成を採用すると、接合部の各繊維間に接合用フィラーが混入しているため、繊維同士が接触して生じる摩擦力に加えて、繊維と接合用フィラーとの接触による摩擦力を得ることができ、かつ、絡み合う部分の機械的な係止力を向上させることができ、各繊維間を密接に絡み合わせることができる。従って、繊維束接合体の接合部の接合強度を向上させることが可能となる。
【０００８】
前記繊維束接合体において、ガラス、カーボン又はセラミックから構成された多孔質粒子及び／又は短繊維を含む接合用フィラーを採用することができる。
【０００９】
また、本発明に係るタンクは、第１の繊維束及び第２の繊維束が巻回されてなる補強繊維層を備えたタンクであって、第１の繊維束及び第２の繊維束は、接合部において長手方向に接合され、接合部は、第１の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、第２の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、が互いに絡み合わされてなり、かつ、複数の繊維間に接合用フィラーが混入されてなるものである。
【００１０】
かかる構成を採用すると、各繊維束の接合部の各繊維間に接合用フィラーが混入しているので、各繊維間を密接に絡み合わせることができ、第１の繊維束と第２の繊維束とを十分な接合強度で接合することができる。このため、第１の繊維束と第２の繊維束とを接合して高い張力で巻回することが可能となる。また、第１の繊維束と第２の繊維束とを接合して巻回することにより補強繊維層を形成しても、十分な耐圧強度を確保することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る製造方法は、第１の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、第２の繊維束を構成する複数の繊維の端部と、を重ねて配置して気体流により互いに絡み合わせることにより、第１の繊維束と第２の繊維束とを長手方向に接合して繊維束接合体を製造する方法であって、気体流に接合用フィラーを存在させて複数の繊維の端部を絡み合わせる工程を含むものである。
【００１２】
かかる方法によれば、第１の繊維束と第２の繊維束とを気体流により互いに絡み合わせる際、気体流に接合用フィラーを存在させるだけで、接合部の各繊維間に接合用フィラーを混入させることができ、各繊維間を密接に絡み合わせることができる。このため、第１の繊維束と第２の繊維束とを長手方向に十分な接合強度で容易に接合することが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、繊維束を接合するにあたり、高張力の負荷にも耐え得る高い接合強度を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態に係る繊維束接合体を用いて形成されたタンクについて説明する。本実施形態においては、本発明に係るタンクの一例として、燃料電池システムの燃料ガス（水素ガス）を充填する高圧タンクを挙げることとする。
【００１５】
まず、図１〜図３を用いて、本実施形態に係る高圧タンク１の構成について説明する。
【００１６】
高圧タンク１は、図１に示すように、内部に貯留空間２が形成されるように中空状に構成されたライナ層３と、ライナ層３の外側を覆う補強繊維層としての繊維強化材料層４と、を備えたタンク本体５を有しており、略円筒状の胴部１０と、胴部１０の両端に連続する半球形状の一対のドーム部１１、１２と、を備えた形状を呈している。ドーム部１１、１２には、流体が供給（又は排出）される開口部６、７が設けられており、図示していないバルブアセンブリや栓体等が装着され、配管系に接続可能となっている。貯留空間２には、例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａの高圧の水素ガスからなる流体が貯留されている。
【００１７】
タンク本体５のライナ層３は、ガスバリア性を有し、水素ガスの外部への透過を抑制する層である。例えば、金属、ポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等の硬質樹脂から形成されており、二層以上積層して構成することも可能である。
【００１８】
タンク本体５の繊維強化材料層４は、容器壁の耐圧強度を確保する層であり、マトリックス材料と、このマトリックス材料中に巻回された状態で含浸固化された繊維と、から構成されている。繊維強化材料層４は、一層で構成することも可能であるが、強度を確保し易いという理由で、異なる巻回方向に繊維が巻回された複数の層を積層して構成するのが好ましい。本実施形態における繊維強化材料層４は、複数の繊維からなる繊維束が胴部１０の位置で周方向に巻回されてなるフープ層２１、２２と、繊維束がドーム部１１、１２及び胴部１０の双方の位置でフープ層２１、２２の繊維に対して交差する方向に巻回されてなるヘリカル層３１、３２と、が交互に積層されてなるものである。
【００１９】
繊維強化材料層４の各層を構成する繊維としては、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、アルミナ繊維等の無機繊維、アラミド繊維等の合成有機繊維、綿等の天然有機繊維等を採用することができ、カーボン繊維、アラミド繊維等が特に好ましい。これらの繊維は、単独で又は混合して（混繊として）使用することができ、無撚糸であっても、撚糸であってもよい。同一の層を構成する各繊維及び互いに異なる層を構成する各繊維は、それぞれ単一種類の繊維であっても、複数異なる種類の繊維を適宜組み合わせたものであってもよい。
【００２０】
繊維強化材料層４の各層を構成するマトリックス材料としては、繊維強化材料層４を構成する繊維束に含浸又は付着可能な樹脂や金属等を採用することができる。樹脂としては、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂等を採用することができ、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が好適である。同一の層を構成するマトリックス材料及び互いに異なる層を構成するマトリックス材料は、それぞれ単一種類であっても、複数異なる種類を適宜組み合わせたものでもよい。
【００２１】
各層を構成する繊維束は、同一層中では全長にわたり一体的に連続するのが好ましい。本実施形態に係る高圧タンク１では、少なくとも一層が、図２に示すように、別々に形成された第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを接合部４３において長手方向に接合した接合体（繊維束接合体４０）から構成されている。
【００２２】
繊維束接合体４０の第１の繊維束４１及び第２の繊維束４２は、それぞれ前記したような繊維が数本ないし数拾本、好ましくは略同一の本数で束ねられて形成されている。図３に示すように、第１の繊維束４１及び第２の繊維束４２の接合部４３では、各繊維束４１、４２の一方の端部４１ａ、４２ａが互いに重なるように配置されて連結されており、各端部４１ａ、４２ａの端縁４１ｅ、４２ｅの略全てが接合部４３に配置されている。
【００２３】
接合部４３では、図２及び図３に示すように、第１の繊維束４１を構成する複数の繊維の端部４１ａと、第２の繊維束４２を構成する複数の繊維の端部４２ａと、が不規則に湾曲又は屈曲することにより、互いに絡み合わされており、各繊維の端部４１ａ、４２ａの繊維間に形成される間隙４７には、接合用フィラー４４が混入されている。
【００２４】
接合用フィラー４４は、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２との間の接合強度を向上するために各繊維間に介在させる固体である。接合用フィラー４４としては、第１の繊維束４１及び第２の繊維束４２を構成する繊維と絡み易いものであれば適宜採用することができ、例えば、図３に示すように、カーボン、ガラス、セラミックス等の硬質材料からなる粒子４４ａや短繊維４４ｂ等を採用することができる。粒子４４ａ又は短繊維４４ｂは、中実、中空、多孔質の何れであってもよい。
【００２５】
接合用フィラー４４として粒子４４ａを採用する場合、粒子４４ａの大きさは特に限定されるものではなく、例えば、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維の線径に対して１／３〜１／２の平均粒径を有する粒子４４ａを採用することができる。粒子が過剰に大きい場合、接合部４３が太くなり易く、一方、粒子が過剰に小さいと、接合強度向上の効果が得られ難いからである。
【００２６】
接合用フィラー４４として短繊維４４ｂを採用する場合、各短繊維４４ｂの繊維径及び長さは特に限定されるものはなく、例えば、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維の線径に対して１／２〜４／５の線径を有する短繊維４４ｂを採用することができる。また、接合部の長さに対して１／１０〜１／５の長さを有する短繊維４４ｂを採用することができる。
【００２７】
接合用フィラー４４は、粒子４４ａ及び短繊維４４ｂの一方を用いてもよく、両方を用いることも可能である。本実施形態に係る繊維束接合体４０では、粒子４４ａ及び短繊維４４ｂを混合して使用している。
【００２８】
次に、図４及び図５を用いて、前記した繊維束接合体４０及び高圧タンク１の製造方法について説明する。
【００２９】
繊維束連結体４０は、所定の方法により作製された繊維を数本ないし数十本束ねた第１の繊維束４１及び第２の繊維束４２を調製し（繊維束調製工程）、これら第１及び第２の繊維束４１、４２の各端部４１ａ、４２ａを接合部４３において接合すること（接合工程）により製造することができる。
【００３０】
接合工程について説明する。第１及び第２の繊維束４１、４２の各端部４１ａ、４２ａを接合するには、図４に示すように、第１の繊維束４１を構成する複数の繊維の端部４１ａと、第２の繊維束４２を構成する複数の繊維の端部４２ａとを、圧縮空気等の気体を供給可能な連結容器５０内に、互いに重なるように同軸に配置し、連結容器５０内に気体を供給することにより行うことができる。
【００３１】
連結容器５０内では、各端部４１ａ、４２ａが自在に移動可能な状態で各繊維束４１、４２が連結容器５１の両端側で支持され、圧縮空気等の気体が連結容器５０の側方から供給されて、両端側から排出されるようになっており、連結容器５０内で発生した気体流により第１の繊維束４１を構成する繊維の端部４１ａ及び第２の繊維束４２を構成する繊維の端部４２ａが流動可能となっている。
【００３２】
連結容器５０内で発生した気体流により各繊維束４１、４２を流動させて接合する際、気体流に、前記した接合用フィラー４４（粒子４４ａ及び短繊維４４ｂ）を混入させる。接合用フィラー４４は、圧縮空気等の気体とともに連結容器５０に供給することが可能であり、また、連結容器５０に気体を供給する前に、予め連結容器５０内に収容しておくことも可能である。
【００３３】
接合用フィラー４４の供給量は、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとの接合強度が確保できる量とする。例えば、連結容器５０内の第１及び第２の繊維束４１、４２の収容部位の容積に対して１／１００〜１／５０の容積の接合用フィラー４４を供給することができる。接合用フィラー４４の供給量が過剰に少ないと、得られた繊維束接合体４０において第１の繊維束４１と第２の繊維束４２との接合部４３に存在する接合用フィラー４４が少なくなり、接合部４３の十分な接合強度が得にくくなる。一方、接合用フィラー４４の供給量が過剰に多いと、接合強度の向上効果に対して接合用フィラー４４の使用量が多く不経済である。
【００３４】
連結容器５０内で発生した気体流により第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを接合することにより、図２に示すように、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２との接合部４３において、それぞれを構成する繊維の端部４１ａ、４２ａ間が互いに絡み合わされるとともに、接合部４３の繊維間に形成される間隙に接合用フィラー４４が配置された状態で、繊維束接合体４０が得られる。
【００３５】
その後、得られた繊維束接合体４０を含む繊維束を、マトリックス材料を付着させた状態でライナ層３の外周囲に順次積層するように巻回することにより、繊維強化材料層４（フープ層２１、２２及びヘリカル層３１、３２）を形成して、タンク本体５を得る。繊維束接合体４０を含む繊維束を巻回する際には、例えば、フィラメントワインディング法、ハンドレイアップ法、テープワインディング法等を採用することができる。また、各繊維束は、予めマトリックス材料が付着されたプリプレグ状態として使用してもよく、巻回する際に繰り出されてマトリックス材料槽を通過させて樹脂を付着させて使用してもよい。
【００３６】
繊維束接合体４０を含む繊維束を巻回して、フープ層２１、２２を形成するには、例えば、図５（Ａ）に示すように、供給ユニット６０をライナ層３の長手方向に往復動移動させながらライナ層３側を回転させ、胴部１０の外表面に繊維束を供給ユニット６０から供給することで巻回し、その後、必要に応じて、マトリックス材料を一体に硬化させることで形成することができる。
【００３７】
繊維束接合体４０を含む繊維束を巻回して、ヘリカル層３１、３２を形成するには、例えば、図５（Ｂ）に示すように、供給ユニット６０をライナ層３の長手方向及びこれに直交する方向に往復動移動させながらライナ層３側を回転させ、胴部１０及びドーム部１１、１２の位置で繊維束を供給ユニット６０から供給することで螺旋状に巻回し、その後、必要に応じて、マトリックス材料を一体に硬化させることで形成することができる。
【００３８】
その後、得られたタンク本体５に、後処理を施してバルブアッセンブリ等を装着することで高圧タンク１を製造することができる。
【００３９】
以上の実施形態に係る繊維束接合体４０においては、接合部４３の各繊維間に形成される隙間４７に接合用フィラー４４が混入しているため、繊維同士が接触して生じる摩擦力に加えて、繊維と接合用フィラー４４との接触による摩擦力を得ることができ、かつ、絡み合う部分の機械的な係止力を向上させることができ、各繊維間を密接に絡み合わせることができる。この結果、接合部４３の接合強度を向上させることが可能となる。
【００４０】
また、以上の実施形態に係る高圧タンク１においては、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを十分な接合強度で接合した繊維束接合体４０を用いているため、繊維束接合体４０を高い張力で巻回することが可能となり、また、繊維束接合体４０を巻回することにより繊維強化材料層４を形成しても、十分な耐圧強度を確保することが可能となる。
【００４１】
また、以上の実施形態に係る繊維束接合体４０の製造方法においては、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを気体流により互いに絡み合わせる際、気体流に接合用フィラー４４を存在させるだけで、接合部４３の各繊維間に接合用フィラー４３を混入させることができ、各繊維間を密接に絡み合わせることができる。このため、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを長手方向に十分な接合強度で容易に接合することが可能となる。
【００４２】
また、以上の実施形態に係る繊維束接合体４０を用いて高圧タンク１を製造すると、繊維束接合体４０が十分な強度を有しているので、繊維束接合体４０の全長に渡り均一な強度を確保し易く、接合部４３の補強等を別途行うことなく、耐圧性の高い高圧タンク１を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る高圧タンクの断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る繊維束接合体の接合部の概要図である。
【図３】図２に示した繊維束接合体の接合部の要部拡大図である。
【図４】本発明の実施形態に係る繊維束接合体の製造方法の説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態に係る繊維束接合体を含む繊維束の巻回方式を説明するための図であり、（Ａ）はフープ巻きを、（Ｂ）はヘリカル巻きを、各々示すものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…高圧タンク、４…繊維強化材料層（補強繊維層）、４０…繊維束接合体、４１…第１の繊維束、４１ａ…第１の繊維束の端部、４２…第２の繊維束、４２ａ…第２の繊維束の端部、４３…接合部、４４…接合用フィラー、４４ａ…粒子、４４ｂ…短繊維、４７…繊維間の間隙（複数の繊維間）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008114982.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008114982.tif 000007