(57)【要約】【課題】繊維束を接合するにあたり、接合部の肥大化を抑制するとともに、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とが接合部４４において長手方向に接合されてなる繊維束接合体４０である。接合部４４は、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとを、同軸上で重ね合わせずに配置した状態で、第１及び第２の繊維束４１、４２よりも細い第３の繊維束４３を介して接合して構成したものである。【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の繊維束の端部と前記第２の繊維束の端部とが、同軸上で重ね合わせられずに配置された状態で、前記第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合されてなるものである、
繊維束接合体。
【請求項２】
前記接合部は、前記第３の繊維束を構成する複数の繊維が、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、に各々絡み合わされてなるものである、
請求項１に記載の繊維束接合体。
【請求項３】
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の繊維束の端部と前記第２の繊維束の端部とが、同軸上で重ね合わせられずに配置された状態で、前記第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合されてなるものである、
タンク。
【請求項４】
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、
前記第１の繊維束の端部と前記第２の繊維束の端部とを、同軸上で重ね合わせずに配置するとともに、前記第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合する工程を含む、
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】
従来より、複数の繊維からなる繊維束を接合して使用する技術が知られている。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。
【０００３】
また、現在においては、硝子繊維束回巻体の巻終りと巻始めを接合する硝子繊維束回巻体の接合方法において、硝子繊維束回巻体の巻終りと巻始めを平行に重ね合わせ、重ね合わせられた繊維束間を熱可塑性樹脂で溶着する接合方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。かかる接合方法を採用すると、熱可塑性樹脂が硝子繊維の間に部分的に入り込むだけであるため、接合部が嵩張らないようにできるとされている。
【特許文献１】特開昭５１−１４７５６９号公報
【特許文献２】特開昭５７−２０３６６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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（補強繊維層）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。
【０００５】
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て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、接合部が太くなってしまう。このため、得られた接合体（繊維束接合体）を巻回して繊維強化材料層を形成すると、局所的に肉厚部分が生じて外観品質が低下したり、肉厚部分の周辺に応力が集中し易い部位が生じて強度が低下したりする、という問題があった。
【０００６】
また、前記した特許文献２に記載されたような接合方法においては、繊維束間が熱可塑性樹脂の接着力で接合されるだけであるため、得られた接合体（繊維束接合体）を巻回して繊維強化材料層を形成すると、高圧タンク等のように使用時に張力が負荷されるような製品では接合部の接合強度が不足し、繊維強化材料層の強度を確保し難くなる、という問題がある。
【０００７】
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、接合部の肥大化（太くなること）を抑制するとともに、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】
【０００８】
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の繊維束の端部と第２の繊維束の端部とが、同軸上で重ね合わせられずに配置された状態で、第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合されてなるものである。
【０００９】
また、本発明に係る製造方法は、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、第１の繊維束の端部と第２の繊維束の端部とを、同軸上で重ね合わせずに配置するとともに、第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合する工程を含むものである。
【００１０】
かかる構成及び方法を採用すると、第１の繊維束の端部と第２の繊維束の端部とが、重ね合わせられずに配置された状態で、第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合される。このため、第１及び第２の繊維束の端部と第３の繊維束の端部の接合部の太さを、第１の繊維束の端部と第２の繊維束の端部とを直接接合した場合の接合部の太さよりも細くすることができる。従って、第１の繊維束と第２の繊維束との接合部の肥大化（太くなること）を抑制することができ、かつ、高い接合強度を得ることができる。この結果、繊維束接合体を巻回して補強繊維層を形成しても、局所的に肉厚部分が生じてその周囲に応力が集中し易い部分が生じる、というような事態が発生することを抑制することが可能となる。
【００１１】
前記繊維束接合体において、第３の繊維束を構成する複数の繊維が、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、に各々絡み合わされてなる接合部を採用することができる。
【００１２】
このようにすると、第３の繊維束を構成する複数の繊維と、第１及び第２の繊維束を構成する複数の繊維と、の間の摩擦力や機械的な係止力を向上することができ、繊維束接合体の接合部の接合強度をより高めることが可能となる。
【００１３】
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た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の繊維束の端部と第２の繊維束の端部とが、同軸上で重ね合わせられずに配置された状態で、第１及び第２の繊維束よりも細い第３の繊維束を介して接合されてなるものである。
【００１４】
かかる構成を採用すると、繊維束接合体の接合部の肥大化（太くなること）を抑制することができるので、繊維束接合体を巻回して形成される補強繊維層が局所的に肉厚になることを抑制することができる。従って、タンクの容器壁に応力が集中し易い部分が生じることを抑制することができ、十分な耐圧強度を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、繊維束を接合するにあたり、接合部の肥大化（太くなること）を抑制することができ、なおかつ、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】
【００１６】
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。
【００１７】
まず、図１及び図２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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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あってもよい。
【００２３】
各層を構成する繊維束は、同一層中では全長に渡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４４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。
【００２４】
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百本ないし数万本、好ましくは同一の本数で、互いに平行に配列されたり撚り合わされたりして束ねられることにより形成され、接合部４４において接合されている。
【００２５】
接合部４４においては、図２に示すように、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとが、互いに重なり合うことなく対向した状態で配置されているとともに、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とが同軸上に配置されており、好ましくは同軸上で各端部４１ａ、４２ａ同士ができるだけ近接配置されている。そして、対向配置された第１及び第２の繊維束４１、４２の各端部４１ａ、４２ａ間は、第３の繊維束４３を介して接合されている。
【００２６】
第３の繊維束４３は、複数の繊維を有している。第３の繊維束４３を構成する各繊維は、図２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に絡み合わされることにより第１の繊維束４１と接合されると同時に、第２の繊維束４２を構成する複数の繊維の端部４２ａに絡み合わされることにより第２の繊維束４２と接合されている。すなわち、第１の繊維束４１を構成する繊維の端部４１ａと第２の繊維束４２を構成する繊維の端部４２ａとが、それぞれ第３の繊維束４３と絡み合うことにより、第３の繊維束４３を介して接合されている。第３の繊維束４３を構成する繊維としては、第１の繊維束４１及び第２の繊維束４２を構成する繊維として例示したものを挙げることができ、強度が確保できれば、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維と同一であっても異なっていてもよい。
【００２７】
また、第３の繊維束４３全体の線径は、第１及び第２の繊維束４１、４２全体の線径よりも小さく（すなわち、第３の繊維束４３は、第１及び第２の繊維束４１、４２よりも細く）されている。この際、第１〜第３の繊維束４１〜４３を構成する繊維数を略同一（例えば約１２０００本）にする一方、第３の繊維束４３を構成する繊維を第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する複数の繊維より細い繊維から構成することにより、第３の繊維束４３を第１及び第２の繊維束４１、４２よりも細くすることができる。例えば、第３の繊維束４３を構成する繊維の平均線径を、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する各繊維の平均線径の１／２〜４／５程度の寸法とすることができる。第３の繊維束４３を構成する繊維の線径が大き過ぎると、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維間の間隙に入り込み難く、接合部４５が太くなりやすい。一方、第３の繊維束４３を構成する繊維の線径が小さ過ぎると、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維に絡み合わせた際、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維が変形し難くて均一に絡み合わせ難くなり、十分な接合強度を得にくい。
【００２８】
また、第１〜第３の繊維束４１〜４３を構成する繊維の線径を略同一（例えば約５μｍ）にする一方、第３の繊維束４３を構成する繊維数を第１及び第２の繊維束を構成する繊維数よりも少なくすることにより、第３の繊維束４３を第１及び第２の繊維束４１、４２よりも細くすることもできる。例えば、第３の繊維束４３を構成する繊維数を、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する繊維数の１／４〜１／２程度とすることができる。繊維数が多過ぎると接合部が太くなり易くなる一方、繊維数が少な過ぎると接合強度が得にくい。また、第１及び第２の繊維束４１、４２の長手方向と直交する断面において、第１の繊維束４１を構成する全繊維の断面積の和及び第２の繊維束４２を構成する全繊維の断面積の和に対して、第３の繊維束４３を構成する全繊維の断面積の和が１／４〜１／２程度となるようにしてもよい。
【００２９】
なお、第３の繊維束４３を構成する繊維の長さは、第１及び第２の繊維束４１、４２と十分に絡み合うことができ、強度が確保できる程度に設定することができる。第３の繊維束４３を構成する繊維の長さが短過ぎると、第１の繊維４１及び第２の繊維４２とのそれぞれに絡み合う長さが短くなり、十分な接合強度を得にくくなる。一方、第３の繊維束４３を構成する繊維の長さが長過ぎると、各繊維束４１、４２との接合部が太くなり易い。
【００３０】
次に、図３及び図４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。
【００３１】
繊維束接合体４０は、所定の方法により作製された数百本ないし数万本の繊維を、平行に配列させた状態又は撚り合わせた状態で束ねることにより第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４４において第３の繊維束４３を介して接合すること（接合工程）により製造することができる。
【００３２】
接合工程について説明する。第３の繊維束４３を用いて第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３に示すように、まず、第１の繊維束４１の端部４１ａと第３の繊維束４３の一方の端部４３ａとを重ね合わせるように配置する。第１の繊維束４１を構成する複数の繊維の間に、第３の繊維束４３を構成する各繊維の一方の端部４３ａが分散状態で配置されるのが好適である。また、第３の繊維束４３の他方の端部４３ｂと第２の繊維束４２の端部４２ａとを重ね合わせるように配置する。この際、第３の繊維束４３を構成する各繊維の他方の端部４３ｂが、第２の繊維束４２を構成する複数の繊維の間に分散状態で配置されるようにするのが好適である。第３の繊維束４３と第１及び第２の繊維束４１、４２の各端部４１ａ、４２ａとを重ね合わせる長さは、各繊維束４１、４２、４３を構成する繊維に応じて適宜調整されるのが好ましい。
【００３３】
第１及び第２の繊維束４１、４２のそれぞれに第３の繊維束４３を重ね合わせるように配置する際には、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とを同軸上に配置するようにする。同時に、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとを、互いに重ならない範囲でできるだけ近接状態で対向配置させるのが好ましく、各端部４１ａ、４２ａ同士が当接していてもよい。第３の繊維束４３を構成する繊維と第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する各繊維との重ね合わせる長さを確保して接合強度を向上させることができるとともに、接合後に形成される接合部４４において、第１及び第２の繊維束４１、４２が存在せずに第３の繊維束４３のみが存在する部位をできるだけ短くすることにより、繊維束接合体４０の引張強度を確保することができるからである。
【００３４】
次いで、第１及び第２の繊維束４１、４２の端部４１ａ、４２ａに第３の繊維束４３を重ね合わせた部位を、図３に仮想線で示すように、圧縮空気等の気体を供給可能な連結容器５０内に配置し、第１及び第２の繊維束４１、４２の端部４１ａ、４２ａ並びに第３の繊維束４３が自在に流動可能な状態となるように、第１及び第２の繊維束４１、４２を連結容器５０の両端側で支持する。
【００３５】
次いで、連結容器５０の側方から気体を供給して両端側から排出して、連結容器５０内で発生した気流により第１及び第２の繊維束４１、４２の端部４１ａ、４２ａ並びに第３の繊維束４３を激しく流動させ、互いに不規則に絡み合わせる。気流により各繊維束４１、４２、４３を互いに絡ませると、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとが予め重ね合わされていないので、第１の繊維束４１を構成する繊維と第２の繊維束４２を構成する繊維とが直接絡み合うことが確実に防止され、第３の繊維束４３を構成する繊維が、第１の繊維束４１を構成する繊維と第２の繊維束４２を構成する繊維とにそれぞれ互いに絡み合わされる。そして、第３の繊維束４３を介して第１の繊維束４１と第２の繊維束４２とが接合されることにより、繊維束接合体４０が得られる。
【００３６】
なお、第１及び第２の繊維束４１、４２は、予め束を形成するとともに接合しておいてもよく、後述するように巻回して繊維強化材料層４を形成する過程で、巻回しつつ接合してもよい。また、第３の繊維束４３は、予め所定の方法により作製された数本ないし数十本の繊維を、好ましくは略平行に配列させた状態で束ねることにより形成しておく。特に限定されるものではないが、第３の繊維束４３を構成する各繊維の長さを略等しく形成するとともに、両端部４３ａ、４３ｂを長手方向の略同一位置に配置することができる。
【００３７】
以上のような工程を経ることにより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。
【００３８】
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４（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。
【００３９】
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４（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。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センブリ等を装着することにより、高圧タンク１を製造することができる。
【００４０】
以上の実施形態に係る繊維束接合体４０は、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとが、重ね合わせられずに配置された状態で、第１及び第２の繊維束４１、４２よりも細い第３の繊維束４３を介して接合される。このため、第１及び第２の繊維束４１、４２の端部４１ａ、４２ａと第３の繊維束４３の端部４３ａ、４３ｂの接合部の太さを、第１の繊維束４１の端部４１ａと第２の繊維束４２の端部４２ａとを直接接合した場合の接合部の太さよりも細くすることができる。従って、第１の繊維束４１と第２の繊維束４２との接合部４４の肥大化（太くなること）を抑制することができ、かつ、高い接合強度を得ることができる。この結果、繊維束接合体４０を巻回して繊維強化樹脂層４を形成しても、局所的に肉厚部分が生じてその周囲に応力が集中し易い部分が生じる、というような事態が発生することを抑制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は、第３の繊維束４３を構成する複数の繊維が、第１及び第２の繊維束４１、４２を構成する複数の繊維と絡み合わされているため、各繊維間の摩擦力や機械的な係止力を向上することができ、繊維束接合体４０の接合部４４の接合強度をより高めることが可能となる。
【００４２】
また、以上の実施形態に係る高圧タンク１においては、繊維束接合体４０の接合部４４の肥大化（太くなること）を抑制することができるので、繊維束接合体４０を巻回して形成される繊維強化樹脂層４が局所的に肉厚になることを抑制することができる。従って、高圧タンク１の容器壁に応力が集中し易い部分が生じることを抑制することができ、十分な耐圧強度を確保することが可能となる。
【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】本発明の実施形態に係る繊維束接合体の製造方法を説明するための図である。
【図４】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…第３の繊維束、４３ａ・４３ｂ…第３の繊維束の端部、４４…接合部。
【図１】
2008127148.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008127148.tif 000005
【図４】
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