JP6927139B2

JP6927139B2 - フィラメントワインディング装置、フィラメントワインディングの設計方法およびタンクの製造方法

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Publication number: JP6927139B2
Application number: JP2018091274A
Authority: JP
Inventors: 朋能小林; 優次日高
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-05-10
Filing date: 2018-05-10
Publication date: 2021-08-25
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Description

本発明は、フィラメントワインディング装置、フィラメントワインディングの設計方法および流体を収容するタンクの製造方法に関する。

特許文献１に開示されているフィラメントワインディング装置は、複数の給糸ユニット（ガイド部材）を有し、これら複数の給糸ユニットは、タンクのライナ等に繊維束を巻き付けるために用いられ、繊維束が巻き付けられる部材（被繊維束巻付け部材）の長手方向の軸を中心として、その周囲にほぼ等間隔で配置される。

特開２００５−１５４９０８号公報

複数のガイド部材を用いてライナにヘリカル巻を行う場合、個々のガイド部材から供給される繊維束によってライナの表面が覆われるように、個々のガイド部材から供給される繊維束のそれぞれのライナの表面を覆う割合が設定される。しかしながら、本発明の発明者は、複数のガイド部材から繊維束を供給してライナにヘリカル巻を行う場合、意図する巻き付けが行えない虞があることを見出した。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、フィラメントワインディング装置が提供される。このフィラメントワインディング装置は、長尺状のライナの長手方向の中心軸を中心として前記ライナの周囲に配置され、それぞれ１束の繊維束を供給するＮ個（Ｎは２以上の整数）のガイド部材と、前記Ｎ個のガイド部材を前記ライナの前記中心軸と平行に巻始めの位置から一往復させる巻回をＷ回（Ｗは２以上の整数）繰り返すことにより、前記Ｎ個のガイド部材から供給されるＮ束の前記繊維束をそれぞれ同一の巻角度でヘリカル状に前記ライナに巻き付けて補強層を形成する駆動部と、を備える。前記巻回の回数Ｗは、式（１）から式（３）によって算出されるｎの数値グループとｍの数値グループが順不同で一致するときの巻回の回数であり、（１）ｎ＝Ｌ｛ｘ｝（関数Ｌ｛ｘ｝は、ｘの小数部分を取り出す関数）、（２）ｘ＝θｇＭ／（３６０／Ｗ）、（３）ｍ＝（Ｍ−１）／Ｎ、ｎは、前記Ｗ回でＮ束の前記繊維束を前記ライナに巻き付けた際の前記繊維束の各第１位置を示す値であり、ｍは、前記ライナにおいてＮ束の前記繊維束が均等に配置されるように設定された各第２位置を示す値であり、θｇＭは、前記Ｎ個のガイド部材のうちの一つのガイド部材の位置を原点（０°）とし、他のガイド部材が前記原点に対して前記中心軸の周りになす相対角度（０°≦θｇＭ＜３６０°）であり、Ｍは、前記Ｎ個のガイド部材のそれぞれに振られた番号（Ｍは１以上でＮ以下の整数）である。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、Ｎ個のガイド部材のそれぞれから供給される繊維束がライナの表面において意図する位置に巻き付けられるので、意図する巻き付けを行うことができる。
（２）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記ライナは、円筒部と、前記円筒部の長手方向の両端を塞ぐ２つの端部とを有し、１束の前記繊維束が前記円筒部を覆う面積が前記円筒部の表面積に占める割合を１束の前記繊維束のカバー率と呼ぶとき、Ｎ束の前記繊維束のそれぞれの前記カバー率の和は、１００％以上で１１０％以下の範囲に設定されてもよい。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、各繊維束によるカバー率の和が１００％以上で１１０％以下であるので、複数の繊維束でライナの円筒部の表面全体を覆うことができる。
（３）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記ライナは、円筒部と、前記円筒部の長手方向の両端を塞ぐ２つの端部とを有し、１束の前記繊維束が前記円筒部を覆う面積が前記円筒部の表面積に占める割合を１束の前記繊維束のカバー率と呼ぶとき、Ｎ束の前記繊維束のそれぞれの前記カバー率の和は、７５％以上で１００％未満の範囲に設定されてもよい。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、異なるガイド部材から供給される繊維束が円筒部において多少重なってもよいので、繊維束の投入量を増加させることなく補強層の厚みを増加させることができる。
（４）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記複数のガイド部材の数は、前記ガイド部材の数Ｎは、２以上で９以下の整数のうちのいずれかであってもよい。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ガイド部材の設置時間と繊維束の巻き付ける時間をバランス良く確保でき、タンクの製造時間を短縮できる。
（５）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記複数のガイド部材の数は、前記ガイド部材の数Ｎは、２以上で４以下の整数のうちのいずれかであってもよい。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ガイド部材の設置時間が過度に増加せず、タンクの製造時間を短縮できる。
（６）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記駆動部は、前記Ｎ個のガイド部材を同調して移動させるようにしてもよい。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、複数のガイド部材を移動させるための制御を簡単に実行できる。
（７）上記形態のフィラメントワインディング装置において、前記Ｎ個のガイド部材のそれぞれの前記相対角度θｇＭは、０°≦θｇＭ＜１８０°を満足するようにしてもよい。
この形態のフィラメントワインディング装置によれば、ライナの搬入及び搬出を簡単に行うことができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、フィラメントワインディングの設計方法や、タンクの製造方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態におけるタンクの概略構成を示す縦断面図。フィラメントワインディング装置の側面図。ライナとガイド部材の繊維束巻付時の動作を模式的に示す図。繊維束がライナに巻き付けられる想定位置を示す図。１束の繊維束による巻回結果を示す図。他の１束の繊維束による巻回結果を示す図。複数の繊維束による巻回結果を示す図。ガイド部材の数と製造時間の関係を示す図。

図１は、本発明の一実施形態におけるフィラメントワインディング装置によって製造されたタンク１００の概略構成を示す縦断面図である。タンク１００は、流体を収容する容器である。タンク１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料ガスを貯蔵する高圧タンクとして用いられる。

タンク１００は、ライナ１０と、口金２１，２２と、補強層７０とを有する。ライナ１０は、タンク１００の内層を成す長尺状の中空体である。図１の例では、ライナ１０は、例えば硬質樹脂によって形成され、中空の円筒部１３と、円筒部１３の長手方向の両端を塞ぐ２つの略半球状の端部１１，１２とを有する。但し、端部１１，１２は略半球状でなく、例えば放物線状等の形状を採用してもよい。端部１１，１２はそれぞれ開口１５，１６を有し、これらの開口１５，１６のそれぞれには口金２１，２２が設けられている。第１の口金２１は、ライナ１０の内部に導通する貫通孔２３を有する略円筒状体である。第２の口金２２は、両端にそれぞれ有底状の凹部２４，２５を有する略円筒状体である。口金２１，２２は、例えばステンレス鋼等の金属によって形成されている。口金２１，２２は、例えば開口１５，１６のそれぞれに設けられているねじ溝と螺合することにより固定されている。補強層７０は、後述する複数の繊維束によって形成された外層であり、ライナ１０の表面全体及び口金２１，２２の一部を被覆してライナ１０を補強する。補強層７０は、一層によって構成されてもよく、多層によって構成されてもよい。「一層」とは、それぞれ同一の巻角度を有する複数の繊維束によって形成された層である。「巻角度」とは、ライナ１０の長手方向の中心軸に対する繊維束の角度である。

図２は、本発明の一実施形態におけるフィラメントワインディング装置５００（以下、「ＦＷ装置５００」と呼ぶ）の側面図である。ＦＷ装置５００は、ライナ１０に繊維束を巻き付ける装置である。ＦＷ装置５００は、第１巻付ユニット５１０と第２巻付ユニット５２０とを有する。第１巻付ユニット５１０と第２巻付ユニット５２０は、同様な構成を有しており、それぞれライナ１０の両側に配置される。以下においては、第１巻付ユニット５１０の構成について主に説明し、第２巻付ユニット５２０の構成については説明を適宜省略する。

第１巻付ユニット５１０は、巻出ローラ３１０と、搬送ローラ２１１，２１２と、ダンサーローラ２１３と、搬送ローラ２１５〜２１７と、第１ガイド部材１１０と、駆動部４１０と、を備える。巻出ローラ３１０には、１束の繊維束７１ａが予め巻き付けられている。巻出ローラ３１０は、電動モータ（図示せず）によって駆動されて回転し、繊維束７１ａを巻き出す。巻き出された繊維束７１ａは、搬送ローラ２１１，２１２によってダンサーローラ２１３に搬送される。ダンサーローラ２１３は、ダンサーアーム２１４の回動に応じて上下に移動することによって、繊維束７１ａの張力を調整する。張力が調整された繊維束７１ａは、搬送ローラ２１５〜２１７によって第１ガイド部材１１０に搬送される。第１ガイド部材１１０は、１束の繊維束７１ａを供給し、ライナ１０に繊維束７１ａを巻き付けるための部材である。第１ガイド部材１１０は、中空の箱状体である。第１ガイド部材１１０の内部には、繊維束７１ａを搬送するための複数の搬送ローラ１１１が設けられている。第１ガイド部材１１０の巻付動作は、駆動部４１０によって制御される。駆動部４１０は、第１ガイド部材１１０を巻始めの位置からライナ１０の長手方向の中心軸と平行に一往復させる巻回を複数回繰り返す。

第２巻付ユニット５２０は、巻出ローラ３２０と、搬送ローラ２２１，２２２と、ダンサーローラ２２３と、搬送ローラ２２５〜２２７と、第２ガイド部材１２０と、駆動部４２０と、を備える。巻出ローラ３２０には、１束の繊維束７１ｂが予め巻き付けられている。第２ガイド部材１２０の内部には、繊維束７１ｂを搬送するための複数の搬送ローラ１２１が設けられている。第２ガイド部材１２０に搬送された繊維束７１ｂは、第２ガイド部材１２０によってライナ１０に巻き付けられる。第２ガイド部材１２０の巻付動作は、駆動部４２０によって制御される。また、ＦＷ装置５００は、３つ以上の巻付ユニットを有してもよい。

図３は、図２に示すライナ１０の拡大斜視図であり、ライナ１０とガイド部材１１０，１２０との位置関係及び繊維束巻付時の動作を模式的に示す説明図である。ガイド部材１１０，１２０は、ライナ１０の長手方向の中心軸ＣＬを挟んで対向して配置されている。すなわち、ライナ１０の中心軸ＣＬの方向から見たとき、ガイド部材１１０，１２０は、ライナ１０の中心軸ＣＬを中心としてライナ１０の周囲に等間隔に配置されている。ガイド部材１１０，１２０は、ライナ１０の中心軸ＣＬと平行な方向である矢印ＡＷ１，ＡＷ２の方向に、往復移動可能である。ガイド部材１１０，１２０それぞれ自体は、矢印ＡＷ３，ＡＷ４の方向に揺動可能である。

ライナ１０の第２の口金２２の凹部２４（図１）には、図示しないねじ溝が形成され、回転可能な回転棒（図示せず）が第１の口金２１の貫通孔２３（図１）から挿入されて凹部２４に螺合によって固定されている。回転棒は、ライナ１０の中心軸ＣＬを成す。第２の口金２２の凹部２５（図１）には、支持棒（図示せず）が挿入されている。ライナ１０は、支持棒に支持されながら、回転棒を回転軸として矢印ＡＷ５の方向に回転可能である。

繊維束７１ａ，７１ｂは、未硬化の熱硬化性樹脂が含浸された複数の繊維を束にしたものであり、例えば、炭素繊維に熱硬化型エポキシ樹脂が含浸された炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：carbon-fiber-reinforced plastic）の束を採用可能である。繊維束７１ａ，７１ｂは、テープ状に形成されている。繊維束７１ａ，７１ｂの幅ｄは、繊維束７１ａ，７１ｂの短辺Ｓ１の幅である。繊維束７１ａ，７１ｂの幅ｄは、同一に設定されている。但し、繊維束７１ａ，７１ｂの幅ｄは、異なってもよい。ライナ１０の繊維束巻付を開始する前に、繊維束７１ａ、７１ｂそれぞれの一端は、ライナ１０に固定されている。

図３の例では、ライナ１０の繊維束巻付を開始すると、ライナ１０は、回転棒の回転に伴って矢印ＡＷ５の方向に沿って回転する。ガイド部材１１０，１２０は、それぞれ繊維束７１ａ，７１ｂをライナ１０に供給しつつ、駆動部４１０，４２０（図２）の制御により中心軸ＣＬと平行に矢印ＡＷ１，ＡＷ２の方向に同調して往復しながら移動する。この結果、繊維束７１ａ，７１ｂがそれぞれ同一の巻角度でヘリカル状にライナ１０に巻き付けられる。「ヘリカル状に巻き付けられる」とは、繊維束７１ａ，７１ｂの巻角度が０より大きく９０度未満となるように巻き付けられるということである。図３の例では、幅ｄの繊維束７１ａ，７１ｂは、ライナ１０の中心軸ＣＬ周りの全外周を被覆する補強層７０（図１）を形成する。ここで、ガイド部材１１０，１２０がライナ１０の中心軸ＣＬと平行に巻始めの位置から一往復することを１巻回と呼ぶ。第１ガイド部材１１０が１巻回を実行すると、ライナ１０の端部１１，１２のそれぞれの表面に、繊維束７１ａが１回巻き付けられる。第２ガイド部材１２０も同様に、１巻回を実行すると端部１１，１２のそれぞれの表面に繊維束７１ｂが１回巻き付けられる。なお、２束の繊維束７１ａ，７１ｂを用いてライナ１０の表面全体を覆うので、繊維束７１ａ，７１ｂのそれぞれがライナ１０の円筒部１３を覆う面積が円筒部１３の表面積に占める割合（以降「カバー率」と称する）の合計を１００％とすることが好ましい。図３の例では、繊維束７１ａのカバー率は５０％に設定され、繊維束７１ｂのカバー率は５０％に設定されている。

図４は、図３に示すライナ１０の端部１１側から見た平面図であり、ライナ１０における繊維束７１ａ，７１ｂの想定位置ｍ（第２位置ｍ）を示す図である。「想定位置ｍ（第２位置ｍ）」とは、複数のガイド部材を用いて繊維束をライナ１０に巻き付ける際にそれぞれのガイド部材から供給される繊維束が均等に配置されるように決められた位置である。「均等に配置される」とは、ライナ１０の端部１１の外周を複数等分する点に複数の繊維束７１ａ，７１ｂの中心が重なることなく配置されることである。図示の便宜上、口金２１は省略されており、ガイド部材１１０，１２０は簡略な形で示されている。説明の便宜上、ライナ１０の中心軸ＣＬが通る中心Ｏが描かれており、中心Ｏを通る互いに垂直な横軸ＨＬと縦軸ＶＬとが描かれている。

図４の例では、２つのガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂの想定位置ｍは、ライナ１０の端部１１の外周を複数等分する点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１…によって表される。これらの複数の点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１…のうち、点ａ１，ｂ１，ｃ１…は、繊維束７１ａの想定位置ｍを示しており、点ａ２，ｂ２…は、繊維束７１ｂの想定位置ｍを示している。図４の例に示す繊維束７１ａ，７１ｂの想定位置ｍは、繊維束７１ａ，７１ｂのそれぞれのカバー率が５０％で合計カバー率が１００％の場合、すなわち、ライナ１０の円筒部１３における繊維束７１ａ，７１ｂが互いに重ならずにライナ１０の表面全体をほぼ隙間なく被覆する場合の想定位置ｍである。

ガイド部材１１０，１２０の巻回数Ｗは、巻回数Ｗで２つのガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂをライナ１０に巻き付けた際の繊維束７１ａ，７１ｂの各実際位置ｎ（第１位置ｎ）が、各想定位置ｍと一致するように設定される。図４の例でいうと、ガイド部材１１０，１２０の巻回数Ｗは、繊維束７１ａ，７１ｂを巻き付ける際に、繊維束７１ａの短辺Ｓ１の中点α１が点ａ１，ｂ１，ｃ１…と重なるように、繊維束７１ｂの短辺Ｓ１の中点α２が点ａ２，ｂ２…と重なるように設定される。なお、図４では、ライナ１０の端部１１における繊維束７１ａ，７１ｂの各想定位置ｍについて説明したが、ライナ１０の円筒部１３（図３）においても、各点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１…に応じた想定位置ｍが設定され、円筒部１３における繊維束７１ａ，７１ｂの各実際位置ｎが各想定位置ｍと一致するように設定される。

ここで、想定位置ｍと実際位置ｎは、式（１）と式（２）と式（３）によって表すことができる。
ｎ＝Ｌ｛ｘ｝（関数Ｌ｛ｘ｝は、ｘの小数部分を取り出す関数） …（１）
ｘ＝θｇＭ／（３６０／Ｗ） …（２）
ｍ＝（Ｍ−１）／Ｎ …（３）
Ｎ：ガイド部材１１０，１２０の数（Ｎは２以上の整数）
Ｍ：ガイド部材１１０，１２０のそれぞれに振られた番号（Ｍは１以上でＮ以下の整数）
θｇＭ：ガイド部材１１０，１２０のうちの一つのガイド部材１１０（１２０）の位置を原点（０°）とし、他のガイド部材１２０（１１０）が原点に対して中心軸ＣＬの周りになす相対角度（０°≦θｇＭ＜３６０°）
Ｗ：ガイド部材１１０，１２０の巻回数

２つのガイド部材１１０，１２０を用いて繊維束をライナ１０に巻き付ける際、ガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂの各想定位置ｍと各実際位置ｎが一致するように適した巻回数Ｗとして、１９回を用いた例を以下に示す。ガイド部材１１０，１２０の数Ｎを２とし、巻回数Ｗを１９とした想定位置ｍと実際位置ｎの算出結果は、以下の通りである。なお、ガイド部材１１０の番号Ｍを１とし、相対角度θｇＭを０°とする場合には結果（１）が得られ、ガイド部材１１０の番号Ｍを２とし、相対角度θｇＭを０°とする場合には結果（２）が得られる。
結果（１）ガイド部材１１０：番号Ｍ＝１、相対角度θｇＭ＝０°
ガイド部材１２０：番号Ｍ＝２、相対角度θｇＭ＝１８０°
繊維束７１ａ：想定位置ｍ＝０、実際位置ｎ＝０
繊維束７１ｂ：想定位置ｍ＝０．５、実際位置ｎ＝０．５
結果（２）ガイド部材１１０：番号Ｍ＝２、相対角度θｇＭ＝０°
ガイド部材１２０：番号Ｍ＝１、相対角度θｇＭ＝１８０°
繊維束７１ａ：想定位置ｍ＝０．５、実際位置ｎ＝０
繊維束７１ｂ：想定位置ｍ＝０、実際位置ｎ＝０．５
この結果から分かるように、２つのガイド部材１１０，１２０を用いる場合、巻回数Ｗを１９と設定すると、ガイド部材１１０から供給される繊維束７１ａの実際位置ｎは自己の想定位置ｍと一致し、ガイド部材１２０から供給される繊維束７１ｂの実際位置ｎは自己の想定位置ｍと一致する。若しくは、ガイド部材１１０から供給される繊維束７１ａの実際位置ｎは、ガイド部材１２０から供給される繊維束７１ｂの想定位置ｍと一致し、ガイド部材１２０から供給される繊維束７１ｂの実際位置ｎは、ガイド部材１１０から供給される繊維束７１ａの想定位置ｍと一致する。言い換えれば、２つのガイド部材１１０，１２０を用いる場合、巻回数Ｗを１９と設定すれば、ガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａと繊維束７１ｂがライナ１０の円筒部１３において互いに重ならずにライナ１０の表面全体をほぼ隙間なく被覆できる。

一方、２つのガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂの各想定位置ｍと各実際位置ｎが一致しない巻回数Ｗとして、１８回を用いた比較例を以下に示す。ガイド部材１１０，１２０の数Ｎを２とし、巻回数Ｗを１８とした想定位置ｍと実際位置ｎの算出結果は、以下の通りである。なお、ガイド部材１１０の番号Ｍを１とし、相対角度θｇＭを０°とする場合には結果（３）が得られ、ガイド部材１１０の番号Ｍを２とし、相対角度θｇＭを０°とする場合には結果（４）が得られる。
結果（３）ガイド部材１１０：番号Ｍ＝１、相対角度θｇＭ＝０°
ガイド部材１２０：番号Ｍ＝２、相対角度θｇＭ＝１８０°
繊維束７１ａ：想定位置ｍ＝０、実際位置ｎ＝０
繊維束７１ｂ：想定位置ｍ＝０．５、実際位置ｎ＝０
結果（４）ガイド部材１１０：番号Ｍ＝１、相対角度θｇＭ＝０°
ガイド部材１２０：番号Ｍ＝２、相対角度θｇＭ＝１８０°
繊維束７１ａ：想定位置ｍ＝０．５、実際位置ｎ＝０
繊維束７１ｂ：想定位置ｍ＝０、実際位置ｎ＝０
この結果から分かるように、２つのガイド部材１１０，１２０を用いる場合、巻回数Ｗを１８と設定すると、繊維束７１ａ，７１ｂのそれぞれの実際位置ｎが同じく０である。この結果、繊維束７１ａと繊維束７１ｂが同じ位置に巻き付けられるので、繊維束７１ａと繊維束７１ｂが全て重なってしまい、ライナ１０の表面全体をほぼ隙間なく被覆することができない。

以上の説明から分かるように、巻回数Ｗは、式（１）から式（３）によって算出されるｎの数値グループとｍの数値グループが順不同で一致するときの巻回数である。なお、想定位置ｍには多少の許容範囲があってもよい。一例として、繊維束７１ａ，７１ｂの幅ｄに誤差がある場合、すなわち、実際に巻き付けに使用される繊維束７１ａ，７１ｂの幅がｄ１（ｄ１＞ｄ）の場合には、想定位置ｍ１は式（４）と式（５）によって表すことができる。
ｍ１＝ｍ±Ｔｏ …（４）
Ｔｏ＝［arctan（ｄ１／Ｄ×cosβ）−arctan（ｄ／Ｄ×cosβ）］／（３６０／Ｗ） …（５）
Ｔｏ：想定位置ｍの許容範囲を決める値
Ｄ：ライナ１０の直径
β：巻角度
Ｗ：ガイド部材１１０，１２０の巻回数
このとき、想定位置ｍ１に応じて実際位置ｎが多少ずれてもよい。なお、許容範囲を決める値Ｔｏの計算方法として、まず、誤差がない幅ｄの１本の繊維束７１ａがライナ１０に巻き付けられたと仮定する。このとき、ライナ１０の中心軸ＣＬに垂直な方向にライナ１０の円筒部１３を切った際に得られる繊維束７１ａの断面の長さは（ｄ／cosβ）であり、断面の長手方向の両端とライナ１０の中心Ｏとがなす中心角度を２γとした時、tanγ＝ｄ／（cosβ×Ｄ）が成立する。一方、誤差がある幅ｄ１の１本の繊維束７１ａがライナ１０に巻き付けられると、中心角度が変わってγ１となる。このときにも、tanγ１＝ｄ１／（cosβ×Ｄ）が成立する。従って、中心角度のずれである（γ１−γ）を利用して、許容範囲を決める値Ｔｏを算出することができる。

図５と図６は、図４の例で説明したように２つのガイド部材１１０，１２０を用い、巻回数Ｗを１９と設定して実際にライナ１０に繊維束７１ａ，７１ｂを巻き付けた結果を繊維束７１ａ，７１ｂ毎に示す図である。図５の例では、繊維束７１ａは、繊維束７１ａの短辺Ｓ１の中点α１（図４）が繊維束７１ａの想定位置ｍを示す点ａ１，ｂ１，ｃ１…と重なるように巻き付けられている。図６の例では、繊維束７１ｂは、繊維束７１ｂの短辺Ｓ１の中点α２（図４）が繊維束７１ｂの想定位置ｍを示す点ａ２，ｂ２…と重なるように巻き付けられている。図７は、実際にライナ１０に繊維束７１ａ，７１ｂを巻き付けた結果を示す図であり、図５と図６を重ね合わせた図である。

図５、図６、図７の例では、ライナ１０の端部１１には、繊維束７１ａ，７１ｂがそれぞれ１９回巻き付けられている。ここで、理解を容易にするため、端部１１の周縁部、すなわち端部１１と円筒部１３（図３）との境界部１３ｓにおける繊維束７１ａ，７１ｂの分布の様子を参照して、円筒部１３における繊維束７１ａ，７１ｂの分布の様子を説明する。端部１１の周縁部では、任意の２巻回で巻き付けられた繊維束７１ａ（又は繊維束７１ｂ）の交差部Ｐの間には、繊維束７１ａ（又は繊維束７１ｂ）が巻き付けられていない隙間Ｇが存在する。交差部Ｐは、端部１１の周縁部に１９個等間隔に分布しており、各交差部Ｐは、中心Ｏに対して非点対称である。加えて、ガイド部材１１０，１２０は１８０度ピッチでライナ１０の周囲に配置されているので、繊維束７１ｂにおける交差部Ｐの位置は、繊維束７１ａにおける交差部Ｐの位置から中心Ｏを中心として１８０度回転した位置となる。このため、繊維束７１ａにおける交差部Ｐ１は、繊維束７１ｂにおける交差部Ｐ２と隣接する隙間Ｇ２と重なり、繊維束７１ｂにおける交差部Ｐ２は、繊維束７１ａにおける交差部Ｐ１と隣接する隙間Ｇ１と重なる。他の交差部Ｐ及び隙間Ｇにおいても同様である。この結果、円筒部１３は繊維束７１ａ，７１ｂによってほぼ隙間なく覆われ、端部１１，１２並びに境界部１３ｓも同様に繊維束７１ａ，７１ｂによって覆われる。この結果、図７に示すように、繊維束７１ａと繊維束７１ｂとによって形成された補強層７０を有するタンク１００を得られる。

図８は、同一のライナ１０（図１）に補強層７０（図１）を一層形成してタンク１００（図１）を製造する場合、ガイド部材の数と製造時間の関係を示す図である。斜線が施されている棒グラフはガイド部材を設置する時間等、繊維束をライナ１０に巻き付ける時間以外の準備時間を示し、点が施されている棒グラフは繊維束をライナ１０に巻き付ける時間を示している。図８によれば、ガイド部材の数が増加するほど、巻き付ける時間が減少する一方、準備時間が増加する。従って、ガイド部材の数は、２以上で９以下に設定されることが好ましい。こうすれば、ガイド部材の設置時間と繊維束の巻き付ける時間をバランスよく確保できるとともに、タンク１００の製造時間を短縮できる。また、ガイド部材の数は、２以上で４以下に設定されることが特に好ましい。こうすれば、ガイド部材の設置時間が過度に増加せず、タンク１００の製造時間を短縮できる。

以上説明したように、本発明の一実施形態では、２つのガイド部材１１０，１２０を用いて繊維束をライナ１０に巻き付ける際、巻回数Ｗは、ガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂの各実際位置ｎが、ライナ１０においてガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂが均等に配置されるように設定された各想定位置ｍと一致するように設定されている。１束の繊維束を供給する一つのガイド部材を用いて、１束の繊維束でライナ１０の表面を被覆するように巻き付ける工程を、複数のガイド部材で分担する場合、巻回数Ｗによっては、異なるガイド部材から供給される繊維束が意図せずに重なって、ライナ１０の表面に意図しない繊維束未カバーの部分が生じてしまうことがある。ここで、一実施形態のように、２つのガイド部材１１０，１２０のそれぞれから供給される繊維束７１ａ，７１ｂの各実際位置ｎが各想定位置ｍと一致するように巻回数Ｗを設定すれば、繊維束７１ａと繊維束７１ｂが意図せずに重なることを抑制できる。この結果、意図する巻き付けを行うことができる。

なお、繊維束７１ａ，７１ｂの幅ｄの誤差を考慮すると、各繊維束７１ａ，７１ｂのそれぞれのカバー率を足し合わせた結果が１００％よりも大きく１１０％以下であってもよい。こうすれば、繊維束７１ａ，７１ｂはライナ１０の表面をほぼ隙間なく被覆することができる。但し、各繊維束７１ａ，７１ｂのカバー率を足し合わせた結果が７５％以上で１００％未満であってもよい。この場合は、ライナ１０の円筒部１３において繊維束７１ａ，７１ｂが多少重なってもよいので、繊維束７１ａ，７１ｂの投入量を増加させることなく補強層７０の厚みを増加させることができる。

・他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような実施も可能である。

・他の実施形態１：
以上の実施形態では、ガイド部材１１０，１２０はライナ１０の中心軸ＣＬを中心としてライナ１０の周囲に等間隔に配置されているが、ガイド部材１１０，１２０をライナ１０の周囲に非等間隔に配置してもよい。但し、ガイド部材１１０，１２０をライナ１０の中心軸ＣＬを中心としてライナ１０の周囲に等間隔に配置すれば、繊維束７１ａ，７１ｂの巻付速度を高めることができる。また、ガイド部材１１０，１２０のそれぞれの相対角度θｇＭは、０°≦θｇＭ＜１８０°を満足するように設定されてもよい。例えば、第１ガイド部材１１０の相対角度θｇＭを０°としたとき、第２ガイド部材１２０の相対角度θｇＭを９０°としてもよい。こうすれば、ガイド部材１１０，１２０がライナ１０の周りに過度に分散しないため、ライナ１０の搬入及び搬出を簡単に行うことができる。

・他の実施形態２：
以上の実施形態では、駆動部４１０，４２０は、２つのガイド部材１１０，１２０を同調して移動させるが、駆動部４１０，４２０は、２つのガイド部材１１０，１２０を別々に移動させて繊維束７１ａ，７１ｂを巻き付けてもよい。但し、２つのガイド部材１１０，１２０を同調して移動させれば、簡単な制御で繊維束７１ａ，７１ｂを巻き付けることができる。

・他の実施形態３：
３つのガイド部材を用いて繊維束をライナ１０に巻き付ける場合、各ガイド部材から供給される繊維束の各想定位置ｍと各実際位置ｎが一致するように適した巻回数Ｗとして、１４回を用いた例を以下に示す。ガイド部材の数Ｎを３とし、巻回数Ｗを１４とした想定位置ｍと実際位置ｎの算出結果は、以下の通りである。なお、番号Ｍが１のガイド部材の相対角度θｇＭを０°とし、番号Ｍが２のガイド部材の相対角度θｇＭを１２０°とし、番号Ｍが３のガイド部材の相対角度θｇＭを２４０°とする。
結果（５）ガイド部材：番号Ｍ＝１、相対角度θｇＭ＝０°
繊維束：想定位置ｍ＝０、実際位置ｎ＝０
ガイド部材：番号Ｍ＝２、相対角度θｇＭ＝１２０°
繊維束：想定位置ｍ＝０．３３３…、実際位置ｎ＝０．６６６…
ガイド部材：番号Ｍ＝３、相対角度θｇＭ＝２４０°
繊維束：想定位置ｍ＝０．６６６…、実際位置ｎ＝０．３３３…
この結果から分かるように、３つのガイド部材を用いる場合、巻回数Ｗを１４と設定すると、各ガイド部材から供給される繊維束の各実際位置ｎは、いずれかの想定位置ｍと一致する。

・他の実施形態４：
４つのガイド部材を用いて繊維束をライナ１０に巻き付ける場合、各ガイド部材から供給される繊維束の各想定位置ｍと各実際位置ｎが一致するように適した巻回数Ｗとして、９回を用いた例を以下に示す。ガイド部材の数Ｎを４とし、巻回数Ｗを９とした想定位置ｍと実際位置ｎの算出結果は、以下の通りである。なお、番号Ｍが１のガイド部材の相対角度θｇＭを０°とし、番号Ｍが２のガイド部材の相対角度θｇＭを９０°とし、番号Ｍが３のガイド部材の相対角度θｇＭを１８０°とし、番号Ｍが４のガイド部材の相対角度θｇＭを２７０°とする。
結果（６）ガイド部材：番号Ｍ＝１、相対角度θｇＭ＝０°
繊維束：想定位置ｍ＝０、実際位置ｎ＝０
ガイド部材：番号Ｍ＝２、相対角度θｇＭ＝９０°
繊維束：想定位置ｍ＝０．２５、実際位置ｎ＝０．２５
ガイド部材：番号Ｍ＝３、相対角度θｇＭ＝１８０°
繊維束：想定位置ｍ＝０．５、実際位置ｎ＝０．５
ガイド部材：番号Ｍ＝４、相対角度θｇＭ＝２７０°
繊維束：想定位置ｍ＝０．７５、実際位置ｎ＝０．７５
この結果から分かるように、４つのガイド部材を用いる場合、巻回数Ｗを９と設定すると、各ガイド部材から供給される繊維束の各想定位置ｍと各実際位置ｎは一致する。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…ライナ、１１，１２…端部、１３…円筒部、１３ｓ…境界部、１５，１６…開口、２１，２２…口金、２３…貫通孔、２４…凹部、２５…凹部、７０…補強層、７１ａ…繊維束、７１ｂ…繊維束、１００…タンク、１１０，１２０…ガイド部材、１１１，１２１…搬送ローラ、２１１，２１２，２２１，２２２…搬送ローラ、２１３，２２３…ダンサーローラ、２１４，２２４…ダンサーアーム、２１５〜２１７，２２５〜２２７…搬送ローラ、３１０，３２０…巻出ローラ、４１０，４２０…駆動部、５００…フィラメントワインディング装置（ＦＷ装置）、５１０…第１巻付ユニット、５２０…第２巻付ユニット、ＣＬ…中心軸、Ｇ…隙間、Ｇ１…隙間、Ｇ２…隙間、ＨＬ…横軸、Ｏ…中心、Ｐ…交差部、Ｐ１…交差部、Ｐ２…交差部、ＶＬ…縦軸

Claims

フィラメントワインディング装置であって、
長尺状のライナの長手方向の中心軸を中心として前記ライナの周囲に配置され、それぞれ１束の繊維束を供給するＮ個（Ｎは２以上の整数）のガイド部材と、
前記Ｎ個のガイド部材を前記ライナの前記中心軸と平行に巻始めの位置から一往復させる巻回をＷ回（Ｗは２以上の整数）繰り返すことにより、前記Ｎ個のガイド部材から供給されるＮ束の前記繊維束をそれぞれ同一の巻角度でヘリカル状に前記ライナに巻き付けて補強層を形成する駆動部と、
を備え、
前記巻回の回数Ｗは、式（１）から式（３）によって算出されるｎの数値グループとｍの数値グループが順不同で一致するときの巻回の回数であり、
（１）ｎ＝Ｌ｛ｘ｝（関数Ｌ｛ｘ｝は、ｘの小数部分を取り出す関数）
（２）ｘ＝θｇＭ／（３６０／Ｗ）
（３）ｍ＝（Ｍ−１）／Ｎ
ｎは、前記Ｗ回でＮ束の前記繊維束を前記ライナに巻き付けた際の前記繊維束の各第１位置を示す値であり、
ｍは、前記ライナにおいてＮ束の前記繊維束が均等に配置されるように設定された各第２位置を示す値であり、
θｇＭは、前記Ｎ個のガイド部材のうちの一つのガイド部材の位置を原点（０°）とし、他のガイド部材が前記原点に対して前記中心軸の周りになす相対角度（０°≦θｇＭ＜３６０°）であり、
Ｍは、前記Ｎ個のガイド部材のそれぞれに振られた番号（Ｍは１以上でＮ以下の整数）である、
フィラメントワインディング装置。
請求項１に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記ライナは、円筒部と、前記円筒部の長手方向の両端を塞ぐ２つの端部とを有し、
１束の前記繊維束が前記円筒部を覆う面積が前記円筒部の表面積に占める割合を１束の前記繊維束のカバー率と呼ぶとき、Ｎ束の前記繊維束のそれぞれの前記カバー率の和は、１００％以上で１１０％以下の範囲に設定される、
フィラメントワインディング装置。
請求項１に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記ライナは、円筒部と、前記円筒部の長手方向の両端を塞ぐ２つの端部とを有し、
１束の前記繊維束が前記円筒部を覆う面積が前記円筒部の表面積に占める割合を１束の前記繊維束のカバー率と呼ぶとき、Ｎ束の前記繊維束のそれぞれの前記カバー率の和は、７５％以上で１００％未満の範囲に設定される、
フィラメントワインディング装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記ガイド部材の数Ｎは、２以上で９以下の整数のうちのいずれかである、
フィラメントワインディング装置。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記ガイド部材の数Ｎは、２以上で４以下の整数のうちのいずれかである、
フィラメントワインディング装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記駆動部は、前記Ｎ個のガイド部材を同調して移動させる、
フィラメントワインディング装置。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のフィラメントワインディング装置において、
前記Ｎ個のガイド部材のそれぞれの前記相対角度θｇＭは、０°≦θｇＭ＜１８０°を満足する、
フィラメントワインディング装置。
流体を収容するタンクの製造方法であって、
長尺状のライナを準備する工程と、
前記ライナの長手方向の中心軸を中心として前記ライナの周囲に配置されてそれぞれ１束の繊維束を供給するＮ個（Ｎは２以上の整数）のガイド部材から供給されるＮ束の前記繊維束を、それぞれ同一の巻角度でヘリカル状に前記ライナに巻き付けて補強層を形成する工程であって、前記Ｎ個のガイド部材を前記ライナの前記中心軸と平行に巻始めの位置から一往復させる巻回をＷ回（Ｗは２以上の整数）繰り返す工程と、
を備え、
前記巻回の回数Ｗは、式（１）から式（３）によって算出されるｎの数値グループとｍの数値グループが順不同で一致するときの巻回の回数であり、
（１）ｎ＝Ｌ｛ｘ｝（関数Ｌ｛ｘ｝は、ｘの小数部分を取り出す関数）
（２）ｘ＝θｇＭ／（３６０／Ｗ）
（３）ｍ＝（Ｍ−１）／Ｎ
ｎは、前記Ｗ回でＮ束の前記繊維束を前記ライナに巻き付けた際の前記繊維束の各第１位置を示す値であり、
ｍは、前記ライナにおいてＮ束の前記繊維束が均等に配置されるように設定された各第２位置を示す値であり、
θｇＭは、前記Ｎ個のガイド部材のうちの一つのガイド部材の位置を原点（０°）とし、他のガイド部材が前記原点に対して前記中心軸の周りになす相対角度（０°≦θｇＭ＜３６０°）であり、
Ｍは、前記Ｎ個のガイド部材のそれぞれに振られた番号（Ｍは１以上でＮ以下の整数）である、
タンクの製造方法。
フィラメントワインディングの設計方法であって、
長尺状のライナの長手方向の中心軸を中心として前記ライナの周囲に配置されてそれぞれ１束の繊維束を供給するＮ個（Ｎは２以上の整数）のガイド部材から供給されるＮ束の前記繊維束を、それぞれ同一の巻角度でヘリカル状に、前記中心軸と平行に巻始めの位置から一往復させる巻回をＷ回（Ｗは２以上の整数）繰り返して前記ライナに巻き付けて補強層を形成させる場合、
前記巻回の回数Ｗを、式（１）から式（３）によって算出されるｎの数値グループとｍの数値グループが順不同で一致するときの巻回の回数に設定し、
（１）ｎ＝Ｌ｛ｘ｝（関数Ｌ｛ｘ｝は、ｘの小数部分を取り出す関数）
（２）ｘ＝θｇＭ／（３６０／Ｗ）
（３）ｍ＝（Ｍ−１）／Ｎ
ｎは、前記Ｗ回でＮ束の前記繊維束を前記ライナに巻き付けた際の前記繊維束の各第１位置を示す値であり、
ｍは、前記ライナにおいてＮ束の前記繊維束が均等に配置されるように設定された各第２位置を示す値であり、
θｇＭは、前記Ｎ個のガイド部材のうちの一つのガイド部材の位置を原点（０°）とし、他のガイド部材が前記原点に対して前記中心軸の周りになす相対角度（０°≦θｇＭ＜３６０°）であり、
Ｍは、前記Ｎ個のガイド部材のそれぞれに振られた番号（Ｍは１以上でＮ以下の整数）である、
フィラメントワインディングの設計方法。