JP5707738B2 - High pressure tank manufacturing device, high pressure tank manufacturing method, and fiber bundle widening device - Google Patents

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Description

本発明は、高圧タンクの製造装置、高圧タンクの製造方法および繊維束の拡幅装置に関する。   The present invention relates to a high-pressure tank manufacturing apparatus, a high-pressure tank manufacturing method, and a fiber bundle widening apparatus.

燃料電池自動車や天然ガス自動車等には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガス等を貯蔵する高圧タンクが搭載される。高圧タンクとして、樹脂製または金属製タンク（ライナ：内容器）の外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）等を巻き付けて補強した高圧タンクが知られている。このような高圧タンクを製造する際、例えばフィラメントワインディング法のように炭素繊維等の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で樹脂製タンクの外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて補強層を形成する方法がある。   Fuel cell vehicles and natural gas vehicles are equipped with a high-pressure tank for storing hydrogen gas, natural gas, or the like as fuel gas. As a high-pressure tank, a high-pressure tank reinforced by winding a carbon fiber reinforced plastic material (CFRP material) or the like having a very high strength per unit density around the outer surface of a resin or metal tank (liner: inner container) is known. . When manufacturing such a high-pressure tank, the resin is cured after being wound around the outer surface of a resin tank in a state in which a fiber bundle such as carbon fiber is impregnated with a resin solution such as an epoxy resin as in the filament winding method, for example. There is a method of forming a reinforcing layer.

フィラメントワインディング法で高圧タンクを製造する場合、炭素繊維等の繊維束をできるだけ拡幅した状態（幅を拡げた状態）でライナに巻き付けた方が、高圧タンクの強度等の点で好ましい。   When manufacturing a high-pressure tank by the filament winding method, it is preferable from the viewpoint of the strength of the high-pressure tank that the fiber bundle such as carbon fiber is wound around the liner in a state where the fiber bundle is widened as much as possible.

繊維束の拡幅が少ないと、ライナに繊維を巻く際、繊維層間に空隙や繊維折れ等が発生して、タンク強度低下の原因となることがある。また、例えば、ライナに繊維を巻き付ける前に拡幅ローラ等によって繊維東を押し付けて繊維束を拡幅する方法があるが、拡幅率（拡幅前の繊維束の幅に対する拡幅後の繊維束の幅の比率）が充分ではない。また、フィラメントワインディング法における繊維束のライナへの巻き付け方、張力等の影響により、拡幅量が安定せず、ばらつきの問題が生じる場合がある。   If the fiber bundle is not widened, when the fiber is wound around the liner, voids or fiber breakage may occur between the fiber layers, which may cause a decrease in tank strength. In addition, for example, there is a method of widening the fiber bundle by pressing the fiber east with a widening roller or the like before winding the fiber around the liner, but the widening ratio (ratio of the width of the fiber bundle after widening to the width of the fiber bundle before widening) ) Is not enough. In addition, the amount of widening may not be stable due to the influence of how the fiber bundle is wound around the liner, the tension, and the like in the filament winding method, which may cause variations.

例えば、特許文献１には、成形しようとするＦＲＰ製管状体の外径や強化繊維束の積層状態を、容易に目標値に設定するために、複数のボビンから繰り出される複数の強化繊維糸を引き揃えて強化繊維束となし、該強化繊維束に樹脂を含浸させた後マンドレルに巻き付けてＦＲＰ製管状体を製造するに際し、ボビンから繰り出される強化繊維糸の撚数を制御しながら引き揃えて強化繊維束とするＦＲＰ製管状体の製造方法が記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses a plurality of reinforcing fiber yarns fed out from a plurality of bobbins in order to easily set the outer diameter of the FRP tubular body to be molded and the laminated state of reinforcing fiber bundles to target values. When the FRP tubular body is produced by impregnating the reinforcing fiber bundle with resin and then winding it around the mandrel to produce an FRP tubular body, the twisting of the reinforcing fiber yarn fed from the bobbin is controlled and aligned. A method for producing an FRP tubular body as a reinforcing fiber bundle is described.

しかし、特許文献１の技術では、繊維束の拡幅量が変動し、ばらつきが生じる可能性がある。   However, in the technique of Patent Document 1, there is a possibility that the amount of widening of the fiber bundle fluctuates and varies.

特開平７−２０５３１２号公報JP 7-205312 A

本発明は、ライナへの繊維束の巻き付けの際の繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法である。   The present invention is a high-pressure tank manufacturing apparatus and a high-pressure tank manufacturing method capable of suppressing fluctuations in the fiber bundle widening amount when the fiber bundle is wound around a liner.

また、本発明は、繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる繊維束の拡幅装置である。   In addition, the present invention is a fiber bundle widening device that can suppress fluctuations in the fiber bundle widening amount.

本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備える高圧タンクの製造装置である。   The present invention is a high-pressure tank manufacturing apparatus for manufacturing a high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed by winding fibers around the outer surface of the liner, and a fiber bundle including a plurality of fibers It is a manufacturing apparatus of a high-pressure tank provided with the widening means which can change the curvature for widening through and has the slit of the width | variety according to the widening amount.

また、前記高圧タンクの製造装置において、前記スリットを揺動させる揺動手段を備えることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the manufacturing apparatus of the high-pressure tank includes a swinging unit that swings the slit.

また、前記高圧タンクの製造装置において、前記繊維束を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。   The high-pressure tank manufacturing apparatus preferably includes a heating unit that heats the fiber bundle.

また、前記高圧タンクの製造装置において、拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測手段と、前記計測手段により計測した結果に基づいて前記拡幅手段を制御する制御手段と、を備えることが好ましい。   The high-pressure tank manufacturing apparatus preferably includes a measuring unit that measures a widening amount of the fiber bundle after widening, and a control unit that controls the widening unit based on a result measured by the measuring unit. .

また、本発明は、ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅する拡幅工程を含む高圧タンクの製造方法である。   The present invention also relates to a method of manufacturing a high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed by wrapping fibers around the outer surface of the liner, the fiber bundle including a plurality of fibers. Is a method of manufacturing a high-pressure tank including a widening step of widening through a slit having a width corresponding to the amount of widening, the curvature of which can be changed.

また、前記高圧タンクの製造方法において、前記拡幅工程において、スリットを揺動させることが好ましい。   In the method for manufacturing a high-pressure tank, it is preferable that the slit is swung in the widening step.

また、前記高圧タンクの製造方法において、前記繊維束を加熱する加熱工程を含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable that the manufacturing method of the said high pressure tank includes the heating process which heats the said fiber bundle.

また、前記高圧タンクの製造方法において、拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測工程と、前記計測工程において計測した結果に基づいて前記拡幅工程を制御する制御工程と、を含むことが好ましい。   Moreover, in the manufacturing method of the said high pressure tank, it is preferable to include the measurement process which measures the widening amount of the fiber bundle after widening, and the control process which controls the said widening process based on the result measured in the said measurement process. .

複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備える繊維束の拡幅装置である。   It is a fiber bundle widening device including widening means having a slit that can change the curvature and has a width corresponding to the widening amount, for widening through a fiber bundle configured to include a plurality of fibers.

本発明では、複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅することにより、ライナへの繊維束の巻き付けの際の繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる高圧タンクの製造装置および高圧タンクの製造方法を提供する。   In the present invention, a fiber bundle configured to include a plurality of fibers is widened through a slit having a width corresponding to the amount of widening, the curvature of which can be changed, so that the fiber bundle is wound around the liner. There are provided a high-pressure tank manufacturing apparatus and a high-pressure tank manufacturing method capable of suppressing fluctuations in the amount of widening.

また、本発明では、複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅することにより、繊維束の拡幅量の変動を抑制することができる繊維束の拡幅装置を提供する。   Moreover, in this invention, the fluctuation | variation of the widening amount of a fiber bundle is suppressed by expanding the fiber bundle comprised including the some fiber through the slit of the width | variety according to the widening amount which can change a curvature. Provided is a fiber bundle widening device that can be used.

本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of an example of the manufacturing apparatus of the high pressure tank which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the winding part of the fiber in the manufacturing apparatus of the high pressure tank which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態における高圧タンクの製造方法における高圧タンクの軸方向の断面を示す概略図である。It is the schematic which shows the cross section of the axial direction of the high pressure tank in the manufacturing method of the high pressure tank in embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における拡幅装置の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the structure of the widening apparatus in the manufacturing apparatus of the high pressure tank which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置における拡幅バーの構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a structure of the widening bar in the manufacturing apparatus of the high pressure tank which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態における繊維束の拡幅の状態を示す概略断面模式図である。It is a schematic cross-sectional schematic diagram which shows the state of the widening of the fiber bundle in embodiment of this invention.

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below. This embodiment is an example for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to this embodiment.

本発明の実施形態に係る高圧タンクの製造装置の一例の全体構成の概略を図１に示す。また、本実施形態に係る高圧タンクの製造装置における繊維の巻き付け部分の構成の一例の概略を図２に示す。   FIG. 1 shows an outline of an overall configuration of an example of a high-pressure tank manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. Moreover, the outline of an example of a structure of the winding part of the fiber in the manufacturing apparatus of the high pressure tank which concerns on this embodiment is shown in FIG.

図１に示すように、高圧タンクの製造装置１は、繊維巻き付け装置１０を備える。繊維巻き付け装置１０は、ライナ２２を支持するための回転支持部１２を有する。また、高圧タンクの製造装置１は、繊維束２６を拡幅するための拡幅手段として拡幅装置１４を備える。   As shown in FIG. 1, the high-pressure tank manufacturing apparatus 1 includes a fiber winding device 10. The fiber winding device 10 has a rotation support portion 12 for supporting the liner 22. The high-pressure tank manufacturing apparatus 1 includes a widening device 14 as a widening means for widening the fiber bundle 26.

本実施形態に係る高圧タンクの製造方法および高圧タンクの製造装置１の動作について説明する。   The operation of the high-pressure tank manufacturing method and the high-pressure tank manufacturing apparatus 1 according to this embodiment will be described.

図１，２に示すように、ライナ２２は、繊維巻き付け装置１０の回転支持部１２に設置される。例えば、略円柱状のライナ２２は図３に示すようなライナ２２の軸を通したシャフト２８によって、図２に示すように回転支持部１２に支持される。回転支持部１２によってライナ２２が回転され、図１のボビン１６から繰り出された繊維束２６が拡幅装置１４により拡幅された（拡幅工程）後、ライナ２２の外面に巻き付けられる。繊維束２６は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂が含浸されたものであり、図２に示すように繊維ガイド部１９で角度調整されて、ライナ２２に巻き付けられる。こうして、ライナ２２の外面に繊維束２６が拡幅された状態で所定の厚みおよび所定の方向で巻き付けられ繊維層が形成される（繊維層形成工程）。   As shown in FIGS. 1 and 2, the liner 22 is installed on the rotation support portion 12 of the fiber winding device 10. For example, the substantially cylindrical liner 22 is supported by the rotation support portion 12 as shown in FIG. 2 by a shaft 28 that passes through the axis of the liner 22 as shown in FIG. The liner 22 is rotated by the rotation support portion 12, and the fiber bundle 26 fed out from the bobbin 16 of FIG. 1 is widened by the widening device 14 (widening step), and then wound around the outer surface of the liner 22. The fiber bundle 26 is impregnated with, for example, a thermosetting resin such as an epoxy resin. The angle of the fiber bundle 26 is adjusted by the fiber guide portion 19 as shown in FIG. Thus, a fiber layer is formed by winding the fiber bundle 26 around the outer surface of the liner 22 in a predetermined thickness and a predetermined direction (fiber layer forming step).

ここで、繊維束を拡幅するとは、図６に示すように、繊維束２６を構成する繊維４０を拡げて繊維束２６を略扁平な状態にすることを意味する。   Here, widening the fiber bundle means that the fiber 40 constituting the fiber bundle 26 is expanded to make the fiber bundle 26 substantially flat as shown in FIG.

なお、回転支持部１２に、例えば空気等のガスを供給するガスボンベに通じるガス供給管が接続されて、空気等のガスをガス供給管および回転支持部１２を通じてライナ２２内に供給して、ライナ２２内を加圧状態として繊維を巻き付けてもよい。これにより、繊維束２６の巻き付けによりライナ２２が変形するのを防止することができる。   For example, a gas supply pipe that communicates with a gas cylinder that supplies a gas such as air is connected to the rotation support unit 12, and a gas such as air is supplied into the liner 22 through the gas supply pipe and the rotation support unit 12. The fiber may be wound with the inside of 22 being in a pressurized state. Thereby, it is possible to prevent the liner 22 from being deformed by winding the fiber bundle 26.

繊維束２６の巻き付け工程後、高圧タンク２０は、加熱炉等において熱処理される。高圧タンク２０は、例えば１３０℃程度で、１０〜１５時間程度加熱される。この加熱により、熱硬化性樹脂等が含浸された繊維束２６が熱硬化され（硬化工程）、図３に示すような補強層２４が形成される。その後、高圧タンク２０は冷却される。このようにして、ライナ２２の外面に補強層２４が形成された高圧タンク２０が製造される。   After the step of winding the fiber bundle 26, the high-pressure tank 20 is heat-treated in a heating furnace or the like. The high-pressure tank 20 is heated at about 130 ° C. for about 10 to 15 hours, for example. By this heating, the fiber bundle 26 impregnated with the thermosetting resin or the like is thermoset (curing step), and the reinforcing layer 24 as shown in FIG. 3 is formed. Thereafter, the high-pressure tank 20 is cooled. In this way, the high-pressure tank 20 in which the reinforcing layer 24 is formed on the outer surface of the liner 22 is manufactured.

図４に本実施形態に係る繊維束の拡幅装置である拡幅装置１４の一例の構成の概略を示す。拡幅装置１４は、拡幅バー３０を備える。また、案内用のローラバー３２，３４を備えていてもよい。拡幅バー３０、ローラバー３２，３４は、それらの回転軸にそれぞれ通したシャフト等により筐体３６の内部に支持されて収容されている。筐体３６には繊維束２６の入口と出口が設けられている。拡幅バー３０は、図５に回転軸に垂直方向でスリット３８の部分を通る断面図を示すように、繊維束２６を通して拡幅するためのスリット３８を有する。スリット３８は、拡幅バー３０の回転軸方向において、繊維束２６の所望の拡幅量に応じた幅を有する。拡幅バー３０は曲率を変更可能であり、それによりスリット３８も曲率を変更可能である。   FIG. 4 shows an outline of the configuration of an example of the widening device 14 which is a fiber bundle widening device according to this embodiment. The widening device 14 includes a widening bar 30. Further, guide roller bars 32 and 34 may be provided. The widening bar 30 and the roller bars 32 and 34 are supported and accommodated inside the housing 36 by shafts or the like that respectively pass through their rotation shafts. The housing 36 is provided with an inlet and an outlet for the fiber bundle 26. The widening bar 30 has a slit 38 for widening through the fiber bundle 26 as shown in FIG. 5 which is a cross-sectional view passing through the slit 38 in a direction perpendicular to the rotation axis. The slit 38 has a width corresponding to the desired widening amount of the fiber bundle 26 in the rotation axis direction of the widening bar 30. The widening bar 30 can change the curvature, and the slit 38 can also change the curvature.

図１のボビン１６から繰り出されて拡幅装置１４の筐体３６内に導入された繊維束２６は、図４に示すように、ローラバー３２を経由した後、拡幅バー３０のスリット３８を通され、ローラバー３４を経由して、筐体３６外に排出される。拡幅バー３０は、例えば硬質シリコン等の弾性部材等により構成されており、その曲率が変更可能なものとなっている。例えば、拡幅バー３０は、そのシャフト等に応力が加えられ、拡幅バー３０を筐体３６の底面に押し付けること等によって下方向に湾曲して、その曲率が変化し、スリット３８の曲率も変化する。   The fiber bundle 26 that has been drawn out from the bobbin 16 of FIG. 1 and introduced into the housing 36 of the widening device 14 passes through the roller bar 32 and then the slit 38 of the widening bar 30 as shown in FIG. It is discharged out of the housing 36 via the roller bar 34. The widening bar 30 is made of, for example, an elastic member such as hard silicon, and its curvature can be changed. For example, stress is applied to the shaft or the like of the widening bar 30, and the widening bar 30 is bent downward by pressing the widening bar 30 against the bottom surface of the housing 36. The curvature of the widening bar 30 changes and the curvature of the slit 38 also changes. .

拡幅バー３０およびスリット３８の曲率が変化することによって、スリット３８の中を通された繊維束２６が図６に示すように拡幅される。また、スリット３８が所望の拡幅量に応じた幅を有するため、繊維束２６のずれが防止され、拡幅量の変動が抑制される。   By changing the curvature of the widening bar 30 and the slit 38, the fiber bundle 26 passed through the slit 38 is widened as shown in FIG. Moreover, since the slit 38 has a width corresponding to a desired widening amount, the fiber bundle 26 is prevented from being displaced, and fluctuations in the widening amount are suppressed.

拡幅バー３０を構成する材料としては、その曲率が容易に変更可能なものであればよく特に制限はないが、例えば硬質シリコン、ウレタン等の弾性部材等が挙げられる。必要に応じて、拡幅バー３０とスリット３８を別部材で構成してもよい。また、スリット３８の内面を表面処理してもよい。   The material constituting the widening bar 30 is not particularly limited as long as its curvature can be easily changed, and examples thereof include elastic members such as hard silicon and urethane. If necessary, the widening bar 30 and the slit 38 may be formed of separate members. Further, the inner surface of the slit 38 may be surface-treated.

拡幅バー３０の形状としては、スリットを形成可能であればよく特に制限はなく、ローラ形状（円柱形状）に限らず、四角柱等の多角柱形状等でもよい。   The shape of the widening bar 30 is not particularly limited as long as a slit can be formed, and is not limited to a roller shape (cylindrical shape), and may be a polygonal column shape such as a quadrangular column.

拡幅バー３０の曲率変化の方向としては、通常は回転軸の下方向であるが、回転軸の上方向であってもよい。   The direction of the curvature change of the widening bar 30 is usually the downward direction of the rotation axis, but may be the upward direction of the rotation axis.

拡幅バー３０の曲率を変化させる方法としては、特に制限はないが、例えば、拡幅バー３０の回転軸に通したシャフトに応力をかける方法、拡幅バー３０を筐体３６の底面に押し付ける方法、拡幅バー３０の両端を加圧する方法等が挙げられる。   The method of changing the curvature of the widening bar 30 is not particularly limited. For example, a method of applying stress to the shaft that has passed through the rotation axis of the widening bar 30, a method of pressing the widening bar 30 against the bottom surface of the housing 36, and widening For example, a method of pressurizing both ends of the bar 30 may be used.

スリット３８の拡幅バー３０の回転軸方向における幅は、繊維束２６の所望の拡幅量に応じて設定すればよい。設定するスリット３８の幅により、繊維束２６の拡がりが規制され、拡幅量の変動が抑制される。   What is necessary is just to set the width | variety in the rotating shaft direction of the widening bar 30 of the slit 38 according to the desired widening amount of the fiber bundle 26. FIG. The spread of the fiber bundle 26 is restricted by the width of the slit 38 to be set, and the fluctuation of the widening amount is suppressed.

スリット３８の高さとしては、繊維束２６が通過可能であればよく特に制限はないが、繊維束２６を通したときに繊維束２６の上方に例えば１ｍｍ〜２ｍｍ程度の隙間があればよい。   The height of the slit 38 is not particularly limited as long as the fiber bundle 26 can pass therethrough, but a gap of, for example, about 1 mm to 2 mm may be provided above the fiber bundle 26 when the fiber bundle 26 is passed.

拡幅バー３０におけるスリット３８の位置としては、拡幅バー３０の上流側から下流側へ繊維束２６を通すことが可能な位置であればよく、特に制限はない。例えば、図４，５に示すように拡幅バー３０の回転軸の下方側において、拡幅バー３０の上流側から下流側へ繊維束２６を通すようにスリット３８を設ければよい。拡幅バー３０の回転軸の下方側に設けることにより、拡幅率をより効率良く上げることができる。   The position of the slit 38 in the widening bar 30 is not particularly limited as long as the fiber bundle 26 can be passed from the upstream side to the downstream side of the widening bar 30. For example, as shown in FIGS. 4 and 5, a slit 38 may be provided on the lower side of the rotation axis of the widening bar 30 so as to pass the fiber bundle 26 from the upstream side to the downstream side of the widening bar 30. By providing the widening bar 30 on the lower side of the rotating shaft, the widening rate can be increased more efficiently.

筐体３６を構成する材料としては、特に制限はなく、例えば、樹脂、金属等が挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a material which comprises the housing | casing 36, For example, resin, a metal, etc. are mentioned.

このように、繊維束２６を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリット３８に通して拡幅することにより、ライナ２２への繊維束２６の巻き付けの際の繊維束２６の拡幅量の変動を抑制することができ、品質の安定した高圧タンクを製造することができる。また、繊維巻き付け装置１０の上流側で通常の拡幅ローラ等の拡幅手段により繊維東を押し付けて拡幅した状態で巻き付ける場合以上に、拡幅量、拡幅率を向上することができる。フィラメントワインディング法によりライナ２２に繊維束２６を巻き付ける際に、繊維束２６の拡幅率が向上することにより、繊維層間の空隙や繊維折れ等の発生が抑制され、得られる高圧タンクの強度および疲労強度等が向上し、かつ、良好な品質で高圧タンクを製造することができる。   In this way, the fiber bundle 26 can be changed in curvature and widened through the slit 38 having a width corresponding to the amount of widening, so that the amount of widening of the fiber bundle 26 when the fiber bundle 26 is wound around the liner 22 is increased. Fluctuations can be suppressed, and a high-pressure tank with stable quality can be manufactured. In addition, the amount of widening and the rate of widening can be improved more than when the fiber east is pressed and widened by a widening means such as a normal widening roller on the upstream side of the fiber winding device 10. When the fiber bundle 26 is wound around the liner 22 by the filament winding method, the width expansion rate of the fiber bundle 26 is improved, so that the occurrence of voids and fiber breakage between the fiber layers is suppressed, and the strength and fatigue strength of the resulting high-pressure tank Etc., and a high-pressure tank can be manufactured with good quality.

また、巻き付ける繊維束２６が樹脂や接着剤等を含浸している場合、樹脂等の粘度等により拡幅しにくい傾向にあるが、曲率を変更可能なスリット３８に繊維束２６を通して拡幅することにより、繊維束２６がより拡幅しやすくなる。また、曲率を変更可能なスリット３８に繊維束２６を通して拡幅させるために、繊維束２６の張力を必要以上に上昇させなくてもよいので、繊維の折損等の損傷を防止することができる。   In addition, when the fiber bundle 26 to be wound is impregnated with resin, adhesive, or the like, it tends to be difficult to widen due to the viscosity of the resin or the like, but by widening the fiber bundle 26 through the slit 38 that can change the curvature, The fiber bundle 26 becomes easier to widen. Moreover, since the tension of the fiber bundle 26 does not need to be increased more than necessary in order to widen the fiber bundle 26 through the slit 38 whose curvature can be changed, damage such as fiber breakage can be prevented.

拡幅装置１４において、拡幅の際に拡幅バー３０を揺動させて、スリット３８を揺動させることが好ましい。例えば、図４に示すように、回転軸を中心に拡幅バー３０を揺動させて、スリット３８を揺動させればよい。これにより、繊維束２６の拡幅量がより向上される。   In the widening device 14, it is preferable to rock the slit 38 by rocking the widening bar 30 during widening. For example, as shown in FIG. 4, the widening bar 30 may be swung around the rotation axis, and the slit 38 may be swung. Thereby, the widening amount of the fiber bundle 26 is further improved.

揺動の幅としては、繊維束２６を拡幅させる程度であればよく、特に制限はないが、例えば、通常の位置を基準として−３０度〜３０度程度であればよい。   The swinging width is not particularly limited as long as the fiber bundle 26 is widened. For example, the swinging width may be about −30 degrees to 30 degrees with respect to a normal position.

揺動手段としては、回転軸を中心に拡幅バー３０を揺動させる構成のものであればよく、特に制限はなく、公知の構成のものを用いればよい。   The swinging means is not particularly limited as long as it has a structure that swings the widening bar 30 around the rotation axis, and a known structure may be used.

拡幅装置１４において、繊維束２６を加熱する加熱手段を備えることが好ましい。例えば、拡幅バー３０の上流側のローラバー３２を加熱して（加熱工程）、スリット３８を通す前に繊維束２６を加熱すればよい。これにより、繊維束２６の拡幅量がより向上される。特に、繊維束２６が、樹脂や接着剤等が含浸されたものである場合に樹脂等の粘度等により拡幅しにくい傾向にあるが、加熱することによって樹脂等の粘度が低下し拡幅量がより向上されるため効果的である。また、繊維束２６の加熱とともに拡幅可能なため、生産性が低下しない。なお、拡幅バー３０に加熱手段を設けて加熱してもよい。   The widening device 14 preferably includes a heating means for heating the fiber bundle 26. For example, the roller bar 32 on the upstream side of the widening bar 30 may be heated (heating process), and the fiber bundle 26 may be heated before passing through the slit 38. Thereby, the widening amount of the fiber bundle 26 is further improved. In particular, when the fiber bundle 26 is impregnated with a resin, an adhesive, or the like, it tends to be difficult to widen due to the viscosity of the resin or the like. It is effective because it is improved. Moreover, since it can be widened with the heating of the fiber bundle 26, productivity does not fall. The widening bar 30 may be heated by providing a heating means.

加熱温度としては、例えば、繊維束２６に含浸されている熱硬化性の樹脂や接着剤等の硬化温度等より低い温度に応じて設定すればよい。   What is necessary is just to set as heating temperature according to temperature lower than the curing temperature etc., such as a thermosetting resin and the adhesive agent which are impregnated at the fiber bundle 26, for example.

繊維束２６を加熱する加熱手段としては、繊維束２６を加熱するものであればよく、特に制限はない。例えば、電熱線等の発熱体を用いる方式、温水等の熱媒を用いる方式等によりローラバー、拡幅バー等を加熱する方法、温風等を繊維束２６に吹き付ける方法等が挙げられる。   The heating means for heating the fiber bundle 26 is not particularly limited as long as it heats the fiber bundle 26. For example, a method using a heating element such as a heating wire, a method using a heating medium such as hot water, a method of heating a roller bar, a widening bar, etc., a method of blowing hot air or the like to the fiber bundle 26, and the like.

高圧タンクの製造装置１は、図１に示すように、拡幅装置１４によって拡幅した後の繊維束２６の拡幅量等を計測する計測手段としてセンサ１８等を備えていてもよい。また、センサ１８等により計測した結果に基づいて、拡幅装置１４を制御する制御手段（図１において図示せず）を備えていてもよい。センサ１８等により拡幅後の繊維束の拡幅量等を計測し（計測工程）、計測した結果に基づいて拡幅装置１４を制御する（制御工程）。センサ１８等により計測した拡幅量や拡幅率等の結果に基づいて、拡幅装置１４をフィードバック制御することにより、繊維束２６の拡幅量がより向上され、拡幅量が安定化される。よって、得られる高圧タンクの強度および疲労強度等がより向上し、かつ、より良好な品質で、また品質のより安定した高圧タンクを製造することができる。例えば、センサ１８等により計測した拡幅量や拡幅率等の結果に基づいて、拡幅装置１４における、拡幅バー３０およびスリット３８の曲率、拡幅バー３０の揺動幅、揺動速度、ローラバー３２等の加熱温度等をフィードバック制御すればよい。   As shown in FIG. 1, the high-pressure tank manufacturing apparatus 1 may include a sensor 18 or the like as a measurement unit that measures the amount of widening of the fiber bundle 26 after being widened by the widening device 14. Moreover, you may provide the control means (not shown in FIG. 1) which controls the widening apparatus 14 based on the result measured by the sensor 18 grade | etc.,. The widening amount of the fiber bundle after widening is measured by the sensor 18 or the like (measurement process), and the widening device 14 is controlled based on the measurement result (control process). By performing feedback control of the widening device 14 based on the results of the widening amount and the widening rate measured by the sensor 18 and the like, the widening amount of the fiber bundle 26 is further improved, and the widening amount is stabilized. Therefore, the strength and fatigue strength of the high-pressure tank obtained can be further improved, and a high-pressure tank with better quality and more stable quality can be manufactured. For example, based on the results of the widening amount and the widening rate measured by the sensor 18 and the like, the curvature of the widening bar 30 and the slit 38, the swinging width of the widening bar 30, the swinging speed, the roller bar 32, etc. The heating temperature and the like may be feedback controlled.

計測手段としては、繊維束２６の拡幅量等を計測することができるものであればよく、特に制限はないが、例えば、レーザセンサ等が挙げられる。   The measuring means is not particularly limited as long as it can measure the amount of widening of the fiber bundle 26 and the like, and examples thereof include a laser sensor.

制御手段は、例えば、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。   The control means is, for example, a computer including a CPU that performs signal processing and a storage unit that stores programs and control data.

以上のような構成により、繊維束２６の拡幅量の変動を抑制することができ、拡幅量、拡幅率を向上させることができる。   With the configuration as described above, fluctuations in the widening amount of the fiber bundle 26 can be suppressed, and the widening amount and the widening rate can be improved.

繊維束２６の拡幅率は、拡幅前の繊維束の幅に対する拡幅後の繊維束の幅の比率（％）として定義されるが、本実施形態に係る製造装置および製造方法によって繊維束２６を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリット３８に通して拡幅することにより、例えば、拡幅率として１５０％以上、あるいは２００％以上にまで向上させることができる。   The widening ratio of the fiber bundle 26 is defined as a ratio (%) of the width of the fiber bundle after widening to the width of the fiber bundle before widening, but the fiber bundle 26 is obtained by the manufacturing apparatus and the manufacturing method according to the present embodiment. By widening through the slit 38 having a width corresponding to the amount of widening, the curvature can be changed, for example, the widening rate can be improved to 150% or more, or 200% or more.

高圧タンク２０は、ライナ（内容器）２２、補強層（外層）２４を含んで構成されている。また、高圧タンク２０は、ガス充填・放出口等を備えてもよい。   The high-pressure tank 20 includes a liner (inner container) 22 and a reinforcing layer (outer layer) 24. Further, the high-pressure tank 20 may include a gas filling / releasing port.

ライナ２２は、略円柱状等に形成されてなり、例えば高圧水素ガスなどの媒体をその内部に収容するためのものであり、水素ガス等のガスに直接接触する層である。ライナ２２の形状、サイズ、厚みは使用目的、仕様等に応じたものを任意に選択することができる。ライナ２２の厚みは、例えば、２ｍｍ〜４ｍｍの範囲である。   The liner 22 is formed in a substantially cylindrical shape or the like, for example, for accommodating a medium such as high-pressure hydrogen gas therein, and is a layer in direct contact with a gas such as hydrogen gas. The shape, size, and thickness of the liner 22 can be arbitrarily selected according to the purpose of use, specifications, and the like. The liner 22 has a thickness in the range of 2 mm to 4 mm, for example.

ライナ２２は、樹脂材料、金属等を含んで構成される。ライナ２２を構成する樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。ライナを構成する金属としては、アルミ合金等の金属が挙げられる。ライナの肉厚やライナを構成する材料の種類は、ライナ２２に要求される強度、気密性、成形性等に応じて適宜選択することができる。これらのうち、強度や耐ガス透過性等の点からナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。   The liner 22 includes a resin material, a metal, and the like. Examples of the resin material constituting the liner 22 include a thermoplastic resin and a thermosetting resin. Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, ABS resin, polystyrene, polyamide, polycarbonate, polyimide, and fluorine resin. Examples of the thermosetting resin include epoxy resin and polyurethane. Examples of the metal constituting the liner include metals such as aluminum alloys. The thickness of the liner and the type of material constituting the liner can be appropriately selected according to the strength, hermeticity, moldability, and the like required for the liner 22. Of these, polyamide resins such as nylon are preferable from the viewpoint of strength and gas permeability resistance.

樹脂材料から構成されるライナ２２は、例えば、上記樹脂の射出成形により成形される。例えば、金型にポリアミド樹脂等の樹脂を流し込んで、略半円柱体を２つ成型し、それらをレーザ等により溶着して樹脂のライナ２２が成形される。この射出成形により、厚みが略均一なライナ２２が成形される。   The liner 22 composed of a resin material is molded by, for example, injection molding of the resin. For example, a resin such as a polyamide resin is poured into a mold, two substantially semi-cylindrical bodies are formed, and these are welded by a laser or the like to form a resin liner 22. By this injection molding, the liner 22 having a substantially uniform thickness is formed.

補強層２４は、ライナ２２の外側を覆うように設けられてライナ２２を補強する層であり、例えば、繊維およびマトリックス樹脂を含んで構成される。補強層２４を構成する繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、金属繊維等が挙げられる。   The reinforcing layer 24 is a layer that is provided so as to cover the outer side of the liner 22 and reinforces the liner 22, and includes, for example, a fiber and a matrix resin. Examples of the fibers constituting the reinforcing layer 24 include glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, and metal fibers.

また、補強層２４を構成するマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミド、フッ素樹脂等が挙げられ、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂やポリウレタン等が挙げられる。これらのうち、強度、接着性、耐ガス透過性等の点からエポキシ樹脂が好ましい。   Moreover, as a matrix resin which comprises the reinforcement layer 24, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, etc. are mentioned. Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, ABS resin, polystyrene, polyamide, polycarbonate, polyimide, and fluorine resin. Examples of the thermosetting resin include epoxy resin and polyurethane. Among these, an epoxy resin is preferable from the viewpoints of strength, adhesiveness, gas permeability resistance, and the like.

補強層２４は、例えば、繊維の繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた状態でライナ２２の外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて形成することができる。   The reinforcing layer 24 can be formed by, for example, winding the fiber bundle of fibers around the outer surface of the liner 22 in a state where the matrix resin is impregnated and then curing the resin.

補強層２４の厚みは、巻き付ける繊維束２６の層数等により調整することができ、例えば、２０ｍｍ〜４０ｍｍの範囲である。繊維束２６の層数は例えば、３０層〜６０層程度である。   The thickness of the reinforcing layer 24 can be adjusted by the number of layers of the fiber bundle 26 to be wound, and is, for example, in the range of 20 mm to 40 mm. The number of layers of the fiber bundle 26 is, for example, about 30 to 60 layers.

繊維束２６は、例えば、上記繊維が１０，０００〜４０，０００本程度束ねられたものである。   The fiber bundle 26 is, for example, a bundle of about 10,000 to 40,000 fibers.

通常、繊維束２６の巻き付け方向は、ライナ２２の回転軸に対して垂直方向、または斜め方向である。   Usually, the winding direction of the fiber bundle 26 is a direction perpendicular to the rotation axis of the liner 22 or an oblique direction.

繊維束２６としては、炭素繊維等の繊維束に未硬化のエポキシ樹脂等の樹脂を予め含浸させたプリプレグを用いてもよいし、拡幅装置１４の上流側で、繊維束２６に樹脂を含浸したものを用いてもよい。   As the fiber bundle 26, a prepreg in which a fiber bundle such as carbon fiber is pre-impregnated with a resin such as an uncured epoxy resin may be used, or the fiber bundle 26 is impregnated with resin upstream of the widening device 14. A thing may be used.

本実施形態に係る高圧タンク２０は、例えば、移動体に搭載され、内部に高圧ガスを貯蔵する高圧タンクである。また、高圧タンク２０は、据え置き型の高圧タンクであってもよい。   The high-pressure tank 20 according to the present embodiment is, for example, a high-pressure tank that is mounted on a moving body and stores high-pressure gas therein. The high pressure tank 20 may be a stationary high pressure tank.

ここで、移動体としては、二輪の車両、バスや乗用車等の四輪以上の自動車のほか、電車、船舶、航空機、ロボットなどが挙げられ、特に燃料電池車両である。高圧ガスとしては、水素ガスや圧縮天然ガスなどが挙げられる。   Here, examples of the moving body include two-wheeled vehicles, automobiles having four or more wheels such as buses and passenger cars, trains, ships, airplanes, robots, and the like, and particularly fuel cell vehicles. Examples of the high pressure gas include hydrogen gas and compressed natural gas.

本実施形態に係る高圧タンクの製造装置、高圧タンクの製造方法および繊維束の拡幅装置により得られる繊維束は、樹脂溶液を含浸させて硬化した繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ材）等として、各種素材の強化材等に用いることができる。例えば、炭素繊維の場合、炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）として、高圧タンク、自動車用シャフト、航空機の胴体、部品等の補強材として用いることができる。   The fiber bundle obtained by the high-pressure tank manufacturing apparatus, the high-pressure tank manufacturing method, and the fiber bundle widening apparatus according to the present embodiment includes various materials such as a fiber reinforced plastic material (FRP material) impregnated with a resin solution and cured. It can be used as a reinforcing material. For example, in the case of carbon fiber, a carbon fiber reinforced plastic material (CFRP material) in which a fiber bundle of carbon fiber is impregnated with a resin solution such as an epoxy resin is used as a reinforcing material for a high-pressure tank, an automobile shaft, an aircraft fuselage, parts, etc. Can be used as

１ 高圧タンクの製造装置、１０ 繊維巻き付け装置、１２ 回転支持部、１４ 拡幅装置、１６ ボビン、１８ センサ、１９ 繊維ガイド部、２０ 高圧タンク、２２ ライナ（内容器）、２４ 補強層（外層）、２６ 繊維束、２８ シャフト、３０ 拡幅バー、３２，３４ ローラバー、３６ 筐体、３８ スリット、４０ 繊維。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 High pressure tank manufacturing apparatus, 10 Fiber winding apparatus, 12 Rotation support part, 14 Widening apparatus, 16 Bobbin, 18 Sensor, 19 Fiber guide part, 20 High pressure tank, 22 Liner (inner container), 24 Reinforcement layer (outer layer), 26 Fiber bundle, 28 Shaft, 30 Widening bar, 32, 34 Roller bar, 36 Housing, 38 Slit, 40 Fibers.

Claims (12)

ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造するための高圧タンクの製造装置であって、
複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。 An apparatus for manufacturing a high-pressure tank for manufacturing a high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed by winding fibers around the outer surface of the liner,
An apparatus for manufacturing a high-pressure tank, comprising widening means for widening through a fiber bundle configured to include a plurality of fibers and having a slit having a width corresponding to the amount of widening, the curvature of which can be changed. 請求項１に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記スリットを揺動させる揺動手段を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。 The high-pressure tank manufacturing apparatus according to claim 1,
An apparatus for manufacturing a high-pressure tank, comprising swinging means for swinging the slit. 請求項１または２に記載の高圧タンクの製造装置であって、
前記繊維束を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。 An apparatus for manufacturing a high-pressure tank according to claim 1 or 2,
An apparatus for manufacturing a high-pressure tank, comprising heating means for heating the fiber bundle. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置であって、
拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測した結果に基づいて前記拡幅手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする高圧タンクの製造装置。 It is a manufacturing apparatus of the high-pressure tank given in any 1 paragraph of Claims 1-3,
A measuring means for measuring the widening amount of the fiber bundle after widening;
Control means for controlling the widening means based on the result measured by the measuring means;
An apparatus for producing a high-pressure tank, comprising: 請求項１〜４のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造装置であって、The high-pressure tank manufacturing apparatus according to any one of claims 1 to 4,
前記拡幅手段が拡幅バーであり、前記拡幅バーを下方向又は上方向に湾曲させることにより、前記スリットの曲率を変化させることを特徴とする高圧タンクの製造装置。  The apparatus for manufacturing a high-pressure tank, wherein the widening means is a widening bar, and the curvature of the slit is changed by bending the widening bar downward or upward. ライナと前記ライナの外面に繊維を巻き付けて構成された補強層とを有する高圧タンクを製造する高圧タンクの製造方法であって、
複数の繊維を含んで構成された繊維束を、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットに通して拡幅する拡幅工程を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。 A method of manufacturing a high-pressure tank, which manufactures a high-pressure tank having a liner and a reinforcing layer formed by winding fibers around the outer surface of the liner,
A method of manufacturing a high-pressure tank, comprising a widening step of widening a fiber bundle configured to include a plurality of fibers through a slit having a width corresponding to a widening amount, the curvature of which can be changed. 請求項６に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記拡幅工程において、スリットを揺動させることを特徴とする高圧タンクの製造方法。 It is a manufacturing method of the high-pressure tank according to claim 6 ,
A method of manufacturing a high-pressure tank, wherein the slit is swung in the widening step. 請求項６または７に記載の高圧タンクの製造方法であって、
前記繊維束を加熱する加熱工程を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。 It is a manufacturing method of the high-pressure tank according to claim 6 or 7 ,
The manufacturing method of the high pressure tank characterized by including the heating process which heats the said fiber bundle. 請求項６〜８のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法であって、
拡幅後の繊維束の拡幅量を計測する計測工程と、
前記計測工程において計測した結果に基づいて前記拡幅工程を制御する制御工程と、
を含むことを特徴とする高圧タンクの製造方法。 A method of manufacturing a high-pressure tank according to any one of claims 6-8,
A measurement process for measuring the amount of widening of the fiber bundle after widening;
A control step for controlling the widening step based on a result measured in the measurement step;
A method for producing a high-pressure tank, comprising : 請求項６〜９のいずれか１項に記載の高圧タンクの製造方法であって、It is a manufacturing method of the high-pressure tank given in any 1 paragraph of Claims 6-9,
前記スリットを有する拡幅バーを下方向又は上方向に湾曲させることにより、前記スリットの曲率を変化させることを特徴とする高圧タンクの製造方法。  A method of manufacturing a high-pressure tank, wherein the curvature of the slit is changed by curving the widening bar having the slit downward or upward. 複数の繊維を含んで構成された繊維束を通して拡幅するための、曲率を変更可能で拡幅量に応じた幅のスリットを有する拡幅手段を備えることを特徴とする繊維束の拡幅装置。   A fiber bundle widening device comprising widening means for widening through a fiber bundle configured to include a plurality of fibers and having a slit having a width corresponding to the amount of widening with a variable curvature. 請求項１１に記載の繊維束の拡幅装置であって、A fiber bundle widening device according to claim 11,
前記拡幅手段が拡幅バーであり、前記拡幅バーを下方向又は上方向に湾曲させることにより、前記スリットの曲率を変化させることを特徴とする繊維束の拡幅装置。  The fiber bundle widening device, wherein the widening means is a widening bar, and the curvature of the slit is changed by bending the widening bar downward or upward.
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