专利名称：纤维缠绕装置以及纤维缠绕方法
技术领域：
本发明涉及纤维缠绕装置以及纤维缠绕方法。更详细而言，本发明涉及对纤维缠绕中的纤维的卷绕方法的改进。
背景技术：
作为用于氢气等的贮藏的罐(压力容器)，以往是利用具备在内衬的外周交替地层叠有环带层和螺旋层的FRP层的罐。环带层是将纤维束(例如碳纤维束)进行环带卷绕 (在罐体部上与罐轴大致垂直地卷绕的卷绕方法)所形成的层，螺旋层是将纤维束进行螺旋卷绕(与罐轴大致平行，且卷绕到罐圆顶(K 一 & )部的卷绕方法)所形成的层(参照图2等)。在通过纤维缠绕法将纤维束卷绕于内衬表面时，由于要求同时且尽可能均衡地卷绕多条纤维束，因此利用能够同时供给多条纤维束的多供线型纤维缠绕装置。在多供线纤维缠绕装置中，是将进行前后移动、左右移动以及旋转的被称为开口(眼口，7 4 口)的供线口(导线器)以环状且等间隔地在卷筒(心轴)的周围配置多个，通过使卷筒在上述多个开口的中心旋转，由此能够在其周围同时且尽可能均衡地卷绕多条纤维束。与通常的一个开口(单供线)的设备相比较，通过利用这样的多供线型纤维缠绕装置，从而能够大幅度地缩短纤维缠绕所需的时间。以往，作为这样的多供线型纤维缠绕装置提出有以下的装置，S卩包括用于将多条纤维束采用螺旋卷绕相对于卷筒进行卷绕的螺旋卷绕头，并且该螺旋卷绕头还包括由沿着卷筒的周向配置的多个引导部构成的至少两个引导列；和能够使各引导列相对地旋转来变更各引导部的位置的位置变更机构(例如参照专利文献1)。在先技术文献专利文献专利文献1 日本特开2008-195000号公报发明的概要发明要解决的课题然而，在如上所述的以往装置中，在引导部由位置变更机构配置于彼此重合的位置的情况下，有时会将两根纤维束作为重叠的一组纤维束进行卷绕，其结果导致FRP层的
厚度增厚。因此本发明的目的在于提供一种在进行同时供给多条纤维束的多供线时，能够避免纤维束彼此的重叠从而抑制FRP层的厚度增厚的纤维缠绕装置以及纤维缠绕方法。用于解决课题的手段为了解决该课题本发明人进行了各种研究。当通过利用了多供线型纤维缠绕装置的纤维缠绕来形成螺旋层时，则无法将纤维缠绕图案做成平滑图案，而定会做成网眼图案 (参照图18、图19)。S卩，通常，由于多供线型纤维缠绕装置的多个开口是等间隔地配置于卷筒的周围，因此当保持该状态进行纤维缠绕来形成螺旋层时，则会增加纤维束的交叉次数从而成为网眼图案。这样，例如与环带层中的平滑图案(纤维束彼此不重叠，而成为平滑地卷绕的图案)相比较，存在会在纤维束上产生结构上的弯曲(起伏)，而降低强度发展速率 (強度発現率，strength development rate)，进而降低FRP的品质的问题。本发明人对如何降低在螺旋层的纤维束上产生的结构上的弯曲(起伏)进行了反复研究，直至得到了与解决该课题密切相关的新的见解。基于该见解的本发明，在使包括多个纤维供线口的纤维引导部件，在绕轴进行相对旋转的被卷绕部件的轴向上相对移动，从纤维供线口供给纤维并将该纤维卷绕于被卷绕部件的周围的纤维缠绕装置中，纤维供线口只设置在纤维引导部件的局部。如上所述，在以往的纤维缠绕装置中，通常是在卷筒等的周围等间隔地配置多个开口。更具体地说，在被称为环圈等的引导部件(配置在被卷绕部件周围的例如环状的导向器)的全周，预先以等间隔配置开口，使该环圈在卷筒的轴向上移动，并且一边使其绕轴相对旋转，一边分别从上述开口送出纤维(参照图20、图21)。此时，环圈一边沿着轴向进行相对的往复运动，一边将纤维卷绕到卷筒的周围。但是，当使环圈从卷筒的一端侧移动到另一端侧，再返回到一端侧时(使环圈往复运动)，则纤维的交叉位置会在该卷筒的周围全体产生(参照图22中用虚线包围的部分)。于是，纤维缠绕图案不会成为平滑图案而是成为网眼图案(参照图18、图19)。关于该点，在本发明涉及的纤维缠绕装置的情况下，只在纤维引导部件(环圈)的局部(例如半圆部分)设置纤维供线口(开口)，使纤维从被卷绕部件(卷筒等)的一侧供给纤维(参照图9)。在该装置中，在使纤维引导部件从被卷绕部件的一端侧移动到另一端侧时，能够一边将多条纤维做成捆束的状态，一边将这些纤维卷绕到被卷绕部件的周围 (参照图14)。另外，在将纤维引导部件折返而返回到一端侧时(使纤维引导部件往复运动)，同样，纤维一边被捆束一边卷绕到被卷绕部件的周围。在这样的情况下，纤维的交叉位置成为汇集在FRP成形品(例如罐)的大致中心部附近的状态，由于减少纤维彼此交叉的位置的数量(参照图15)，因此能够形成平滑图案(纤维彼此不重叠而是平滑地卷绕的图案)的层(例如平滑螺旋层)，而不是以往那样的网眼图案。由此，在进行同时供给多条纤维的多供线时，能够避免纤维彼此的重叠从而抑制FRP层的厚度增厚。另外，本发明的纤维缠绕装置中的纤维供线口被设置成能够改变纤维的供线角度。在该情况下，优选地，纤维供线口设置为能够在纤维引导部件上，沿着包括该纤维引导部件的面进行旋转动作。另外，更优选地，纤维供线口向使多条纤维在被卷绕部件上汇集于一处的方向动作。如果利用能够改变供线角度的纤维供线口，则对于直径不同的被卷绕部件也能够容易地应对，例如即使在以罐中的圆顶部那样的形状和直径不同的部分为对象的情况下也能够应对。即，根据使纤维卷绕的对象部分的直径的变化来适宜地改变供线角度， 由此不受被卷绕部件的外径的影响，能够使多条纤维以汇集的状态进行卷绕，从而减少该纤维彼此交叉的位置的数量。此外，优选地，纤维缠绕装置中的纤维供线口，能够滑动并改变纤维的供线位置。 或者，优选地，纤维供线口能够伸缩并改变纤维的供线位置。另外，优选地，在本发明涉及的纤维缠绕装置中，在使纤维引导部件向被卷绕部件的轴向相对地往复运动时的纤维相对于该被卷绕部件的覆盖率小于50%。通常，在被卷绕部件的周围在纤维刚好合适的状态下，即，最希望以覆盖率为100%的状态进行卷绕，但当层积FRP层时有时随着外径增大，覆盖率逐渐降低，从而难以实现接近100%的覆盖率。关于该点，根据覆盖率为小于50%的本发明的纤维缠绕装置，以如果覆盖率小于50%则将纤维卷绕两圈(两个往返)，如果覆盖率是33%则卷绕三圈(三个往返)的方式，根据情况适宜地改变卷绕的次数，由此能够实现适宜的纤维覆盖率。另外，优选地，在上述纤维缠绕装置中，只在纤维引导部件的一侧配置容纳纤维的筒子架(夕IJ > 7夕> K )。通常，包括多个纤维筒管(# Ii > )的筒子架规模大，而且多在纤维引导部件的两侧配置一对，因而容易造成该装置的大型化。另外，作为装置全体的小型化的一种手段，虽然提出了只在纤维引导部件的一侧配置全部筒子架，于是为了将纤维的一半从装置的一侧(单侧)向另一侧供给，而需要通过顶棚等更大规模的设备，因此不能成为根本的解决手段。关于该点，在本发明中，由于做成从被卷绕部件(卷筒等)的一侧供给纤维的构成(参照图9)，因此配合该构成，只在纤维引导部件的一侧配置筒子架，因此能够实现纤维缠绕装置整体的小型化。另外，本发明的纤维缠绕方法，使包括多个纤维供线口的纤维引导部件，在绕轴相对旋转的被卷绕部件的轴向上移动，从纤维供线口供给纤维并将其卷绕到被卷绕部件的周围，其中在使纤维引导部件向被卷绕部件的轴向相对移动时，从被卷绕部件观察只从一侧供给多条纤维，在使这些纤维汇集在被卷绕部件的周围的状态下卷绕于该被卷绕部件。发明的效果根据本发明，在进行同时提供多条纤维的多供线时，能够避免纤维彼此的重叠，从而抑制FRP层的厚度增厚。
图1是表示本发明的一个实施方式的高压罐的结构的剖视图和局部放大图；图2是表示本发明的一个实施方式中的高压罐的结构的图；图3是表示罐的接口管(口金)附近的结构例的剖视图；图4是表示平滑螺旋层中的螺旋卷绕的一个例子的立体图；图5是表示平滑螺旋层中的螺旋卷绕的一个例子的沿着罐轴向的投影图；图6是表示本发明的一个实施方式的纤维缠绕装置的俯视图；图7是纤维缠绕装置的装置主体部的侧视图；图8是环圈(U > V 7 4 )移动而形成螺旋层70H时的纤维缠绕装置的侧视图；图9是表示适用了本发明的环圈和开口的构成的概念的图；图10是表示本发明的一个实施方式的环圈和开口的构成的概略的图；图11是表示在内衬的圆顶部分卷绕纤维时的环圈和开口的构成的图；图12是表示卷绕于内衬时的截面扁平状的纤维(纤维束)的样子的图；图13是表示卷绕在内衬的圆顶部分时的纤维(纤维束)的样子的图；图14是表示使环圈移动，将汇集的纤维卷绕于内衬时的样子的图；图15是表示使环圈折回移动，将汇集的纤维卷绕于内衬时的样子的图；图16是表示根据卷绕角度α的大小来改变纤维的周向宽度的样子的图，(A)是卷绕角度α较大的情况，(B)是卷绕角度α较小的情况；图17是表示从FRP层的内层侧到外层侧层积纤维的情况下该纤维的覆盖率的变化的曲线图；图18是将以往的螺旋卷绕的一个例子作为参考所表示的立体图；图19是将以往的螺旋卷绕的一个例子作为参考所表示的沿着罐轴向的投影图；图20是将以往的环圈和开口的构成的概念作为参考所表示的图；图21是以使环圈移动而将纤维卷绕于内衬时的以往的样子作为参考所表示的图；图22是以使环圈折回移动而将纤维卷绕于内衬时的样子作为参考所表示的图。
具体实施例方式下面，基于附图表示的实施方式的一个例子来详细地说明本发明的构成。图1 图17表示本发明涉及的纤维缠绕装置和纤维缠绕方法的实施方式。以下， 例示并说明使用本发明涉及的纤维缠绕装置1，对作为氢气燃料供给源的高压氢气罐(以下，也称高压罐)1的FRP层21成形的情况。贮藏有氢气的高压罐1是能够在燃料电池系统等中利用的高压罐。高压罐1包括例如两端是大致半球状的圆筒形状的罐主体10、和安装在该罐主体10的长度方向的一个端部的接口管11。其中，在本说明书中将大致半球状部分称为圆顶部，将筒状筒体部分称为直筒部(7卜 > 一卜)，并分别用符号ld、ls表示(参照图1、图2 等)。另外，虽然本实施方式中表示的高压罐1在两端具有接口管11，但为了便于说明，而将表示该高压罐1的主要部分的图3中的X轴的正方向(箭头表示的方向)作为前端侧， 将负方向作为基端侧进行说明。与该X轴垂直的Y轴的正方向(箭头表示的方向)是指罐外周侧。罐主体10例如包括双层结构的壁层，包括作为内壁层的内衬20和该内衬20外侧的作为外壁层的树脂纤维层(加强层)的例如FRP层21。FRP层21例如只由CFRP层21c 形成，或由该CFRP层21c和GFRP层21g形成(参照图1)。内衬20形成为与罐主体10大致相同的形状。内衬20例如由聚乙烯树脂、聚丙烯树脂或者其他硬质树脂等形成。或者，内衬20也可以是由铝等形成的金属内衬。在内衬20的有接口管11的前端侧形成有向内侧弯曲的折返部30。折返部30以从外侧的FRP层21分离的方式朝向罐主体10的内侧折返。接口管11具有大致圆筒形状，被嵌入到内衬20的开口部。接口管11例如由铝或铝合金构成，例如通过压铸法等制造成预定的形状。接口管11被嵌入到注射成形后的分割式内衬(分割，4 t )中。接口管11例如也可以通过嵌入成形而安装于内衬20。在接口管11上设置阀总成50 (参照图2)。另外，接口管11例如在前端侧(高压罐1的轴方向的外侧)形成阀紧固座面11a， 例如在该阀紧固座面Ila的后方侧(高压罐1的轴方向的内侧)相对于高压罐1的轴形成有环状的凹部lib。凹部lib向轴侧突出弯曲而成为R形状。相同的R形状的FRP层21的前端部附近与该凹部lib气密性接触。例如对与FRP层21接触的凹部lib的表面实施例如氟类的树脂等固体润滑涂层 C。由此降低FRP层21与凹部lib之间的摩擦系数。接口管11的凹部lib的更后方侧，例如形成为与内衬20的折返部30的形状相适合的形状，例如形成与凹部lib连续且直径较大的凸缘部(法兰部)11c，从该凸缘部Ilc向后方形成有直径不变的接口管圆筒部lid。FRP层21例如通过FW成形(缠绕成形，纤维缠绕，7 4，乂 >卜々4 > fM > ，)，将浸渍有树脂的加强纤维(加强纤维)70卷绕在内衬20的外周面和接口管11的凹部11b，并通过使该树脂固化而形成。FRP层21的树脂例如使用环氧树脂、改性环氧树脂、 不饱和聚酯树脂等。另外，作为纤维70是使用碳纤维(CF)、金属纤维等。在FW成形时，通过一边以罐轴为中心使内衬20旋转，一边将纤维70的导向器(在本实施方式的情况下，是设有后述的开口 140的环圈)沿着罐轴方向移动，由此能够将纤维70卷绕在该内衬20的外周面。此外，实际上通常是在内衬20上卷绕由多条纤维70捆束而成的纤维束，但在本说明书中包括纤维束的情况在内，只称为纤维。另外，作为这样使用的纤维70具有预先浸入有热固化性的合成树脂材料的纤维和未浸入的两种。虽未特别图示，但是在使用未浸入的纤维70的情况下，能够在向内衬20供给的中途使该纤维70浸入等。接下来，对用于降低罐1上的纤维(例如碳纤维CF) 70的结构上的弯曲的纤维卷绕图案进行说明(参照图2等)。如上所述，罐1是通过在内衬20的外周卷绕纤维(例如碳纤维)70，并使树脂固化而形成的。其中，纤维70的卷绕具有环带卷绕和螺旋卷绕，通过将树脂进行环带卷绕所得到的层形成环带层(7 — 層)，由螺旋卷绕所得到的层形成螺旋层(在图4、图5中用符号70H表示)。前者的环带卷绕是通过将纤维70如螺旋弹簧那样卷绕在罐1的直筒部 (罐主体部分)而将该部分绕紧，并借助气体压力将用于抵抗朝向Y轴正方向的力(朝向径向外侧扩张的力)作用于内衬20的方法。另一方面，后者的螺旋卷绕是以将圆顶部向绕紧方向(罐轴方向的内侧方向)绕紧为主要目的的卷绕方法，以将纤维70缠挂于该圆顶部的方式相对于罐1整体地进行卷绕，由此主要有助于提高该圆顶部的强度。另外，如螺旋弹簧那样卷绕后的纤维70的螺旋线(螺纹的螺纹牙的线)与该罐1的中心线(罐轴12)所成的角度(中的锐角)，是图2中用符号α表示的在本说明书中所说的纤维70 “相对于罐轴 (12)的卷绕角度”(参照图2)。在上述各种卷绕方法中，环带卷绕是将纤维70与罐轴大致垂直地卷绕在直筒部上的方法，卷绕时具体的卷绕角度例如是80 90° (参照图幻。螺旋卷绕(或者，施压 ()卷绕)是也将纤维70卷绕在圆顶部的卷绕方法，与环带卷绕的情况相比，相对于罐轴的卷绕角度较小(参照图幻。若将螺旋卷绕大致划分为两种，则有高角度螺旋卷绕和低角度螺旋卷绕两种，其中高角度螺旋卷相对于罐轴的卷绕角度比较大，其卷绕角度的具体例是70 80°。另一方面，低角度螺旋卷绕相对于罐轴的卷绕角度比较小，其卷绕角度的具体例是5 30°。另外，在本说明书中，有时将处于它们之间的30 70°的卷绕角度的螺旋卷绕称为中角度螺旋卷绕。此外，将由高角度螺旋卷绕、中角度螺旋卷绕、低角度螺旋卷绕形成的螺旋层分别称为高螺旋层、中螺旋层、低螺旋层。另外，将高角度螺旋卷绕的圆顶部Id上的罐轴方向的折返部分称为折返部(参照图2)。通常，环带卷绕其本身是能够一边使纤维70彼此相邻一边卷绕成螺旋状，来消除纤维70的重叠(，7 O ^，包缠)使得不产生凹凸的卷绕方法。另一方面，螺旋卷绕通常是以绕紧圆顶部为主要目的，而对于减小纤维70的层叠或凹凸是非常困难或未充分地考虑减少层叠或凹凸的卷绕方法(例如，参照图18、图19表示的网眼图案的凹凸螺旋层)。上述环带卷绕和螺旋卷绕，可以根据该罐1的轴长、直径等的规格进行适宜地组合，在内衬 20的周围层叠环带层(省略图示)和螺旋层70H(参照图1等)。此时，当螺旋层70H与环带层相邻时，则会将该螺旋层70H的凹凸转印到环带层，因此有时会在该环带层的纤维70 上产生弯曲(起伏)。关于这点，在本实施方式中，通过使用了纤维缠绕装置100的纤维缠绕而形成纤维缠绕图案平滑的螺旋层(平滑螺旋层)70H,从而降低在与螺旋层70H相邻的环带层上所可能产生的凹凸。如后述那样，平滑螺旋层70H是由用于降低纤维70彼此的重叠而进行的螺旋卷绕所形成的层。在该平滑螺旋层70H中，原则上是以排列在相邻的纤维70的正侧面的方式来卷绕后面的纤维70，纤维70的重叠方式与以往的凹凸螺旋层(不进行用于使其平滑的处理，称为在表面产生凹凸的螺旋层，在图18、图19中用符号70B表示)不同。特别是，在优先将最内侧的螺旋层(所谓的面内应力高的内侧的层)70H做成平滑螺旋层(最内平滑螺旋层)的基础上，将纤维70环带卷绕在该最内平滑螺旋层70H的外侧而形成了环带层的情况下，能够降低该环带层中的纤维70的结构上的弯曲(起伏)乃至皱褶、鼓出。艮口， 由于平滑螺旋层70H的表面(表层)成为平滑面，因此在该平滑面上形成的环带层中降低由凹凸引起的结构上的纤维70的弯曲(起伏)。这样通过抑制环带层的纤维70的结构上的弯曲(起伏)，由此可提高该纤维70的疲劳强度，并且，可获得将该环带层薄壁化、高Vf 化从而获得提高爆破强度这样的优点。另外，由于最内螺旋层70H本身是平滑的，通过该层的薄壁化、高Vf化也能够提高爆破强度。Vf表示纤维体积含有率，当该值(Vf值)增大时， 则提高纤维的含有率，而减小树脂的含有率。当该Vf的值过高时则疲劳耐久性变差，当将值过于降低时则罐外径会增大。而且，根据本实施方式还具有能够大幅度提高罐强度的优点。即，螺旋层70H和环带层均为越位于内侧的层(靠近内衬20的层)，对罐强度的贡献越大，特别是在绕紧直筒部使耐压力充分地作用方面，最内层的环带层的作用很大。关于这点，通过至少将最内侧的螺旋层70H做成平滑螺旋层，由此能够将与该平滑螺旋层70H的外侧相邻的环带层也平滑地形成，从而能够使该环带层大大有助于罐强度的提高。另外，与环带层相邻的层优选是其他环带层或平滑螺旋层70H。由于其他环带层或平滑螺旋层70H的表面比其他层的表面平滑，因此在形成某个环带层时，只要将纤维70环带卷绕在上述其他环带层或平滑螺旋层70H的外侧，就能够降低该环带层的纤维70的结构上的弯曲(起伏)。因此，能够提高纤维70的疲劳强度，并且将该环带层薄壁化、高Vf (纤维体积含有率)化从而能够提高爆破强度。接着，对能够形成平滑螺旋层70H的本实施方式的纤维缠绕(FW)装置100进行说明(参照图6等)。本实施方式的纤维缠绕装置100，是使包括多个开口(纤维供线口)140的环圈 (纤维引导部件)在内衬20的轴向(在本实施方式的情况下，与罐轴12的轴向相同)上移动，并从开口 140供给纤维70而缠绕在内衬20的周围的(纤维缠绕)装置。如图所示，本实施方式的纤维缠绕装置100由进行纤维缠绕的缠绕装置主体部110、和将纤维70供给到该装置主体部110的纤维供给部150构成(参照图6)。在装置主体部110的基座111上设置有形成环带层的环带卷头120、作为形成螺旋层70H的螺旋卷绕头发挥功能的环圈130、使内衬20旋转的旋转单元、控制该旋转单元等的控制部113等。旋转单元例如由主轴112和使该主轴112旋转的电机(省略图示)等构成。本实施方式的控制部113，进行主轴112的起动、停止、旋转速度的控制，并且控制环带卷头120和环圈130的起动、停止、往复速度等。环带卷头120和环圈130均具备比内衬20大的空洞，且被设置为能够分别在内衬 20的周围在该内衬20的旋转轴向上往复运动(参照图7)。环带卷头120 —边以比较慢的速度在轴向上移动一边供给纤维70，从而在内衬20的周围形成环带层。另一方面，环圈130 一边以比环带卷头120快的速度在轴向上移动一边供给纤维70，从而在内衬20的周围形成螺旋层70H(参照图8等)。在此，虽未特殊详细地图示，使用例如包括引导导轨、步进电机、滚珠丝杠等的单轴滑动机构这样的公知装置，作为用于使环圈130等往复运动的装置。环圈130是形成为环状的纤维引导部件。该环圈130只在该环圈130的局部具备多个开口 140(参照图9)。例如本实施方式的环圈130只在环状的环圈130中的大约一半 (一侧的半圆部分)配置开口 140(参照图10、图11)。上述多个开口 140是分别相对于内衬20供给纤维70的例如筒状等的部件。另外，优选地，上述开口 140能够适宜地变更纤维70的供线位置和供线角度。在这样的情况下，能够根据内衬直径的变化，使多条纤维70总是在该内衬20的外周汇集。例如本实施方式的开口，在环圈130上能够沿着包括该环圈130的面进行旋转动作(参照图 10中的(iii)的动作)、能够滑动(参照图10中的(i)的动作)、并且能够以筒的长轴为中心转动(参照图10中的(ii)的动作)。其中，所谓的滑动包括开口的整体滑动、和开口的一部分滑动使开口的全长伸缩这两种情况。这样通过利用相对于环圈130能够分别独立地相对动作的开口，就能够使多条纤维70汇集到一处。S卩，在将纤维70卷绕到罐1的直筒部Is那样的大直径部分的情况下 (参照图10)，或者将纤维70卷绕到罐1的圆顶部Id那样的小直径部分的情况下(参照图 11)，能够根据直径的大小改变各个开口 140的方向，进而根据需要使开口 140滑动使供线位置在径向上变化，从而使纤维70汇集。通常，在被卷绕于内衬20时的纤维(纤维束)70，由于来自已经卷绕的部分的张力的影响而成为扁平状(参照图1 。因此，在本实施方式中，以不使上述多条纤维70产生重叠(，7 C )，并且成为不设置间隙而相邻的状态的方式以汇集后的状态卷绕于内衬20的外周(参照图10、图12)。另一方面，在将纤维70卷绕于如罐1的圆顶部Id那样的半球状，即直径小于直筒部Is的小径的部分时，优选使纤维70的一部分重叠并且使其汇集到更加窄的范围内(参照图11、图13)。根据本实施方式的纤维缠绕装置100，通过根据卷绕纤维70的对象部分的直径的变化而使供线角度和位置适宜地变化，由此不论直径的大小均能够在使多条纤维70汇集的状态下进行卷绕，从而使该纤维70彼此交叉的位置的数量减少。另外，对于如上所述用于将各个开口 140分别独立地相对于环圈130能够进行相对动作的单元，虽未图示，但例如能够通过与各开口 140对应的伺服电机或致动器、滑动机构、旋转轴、齿轮、带轮等公知的部件，构成这样的单元。在上述的纤维缠绕装置100中，能够一边使内衬(被卷绕部件)20旋转，一边使环圈130从内衬20的一端侧移动到另一端侧，从而使多条纤维70 —边汇集于一处而非全周， 一边进行卷绕(参照图14)。另外，将环圈130返回到一端侧时，同样能够一边使纤维70汇集一边卷绕于该内衬20 (罐1)的周围(参照图15)。在该情况下，纤维70彼此的交叉位置成为集中于内衬20(罐1)的大致中心部附近的状态，由于纤维70彼此交叉的位置的数量减少，因此能够形成平滑地卷绕纤维70的平滑图案(参照图4、图5)，而非以往那样的网眼图案(参照图18、图19)。由此，在进行同时供给多条纤维的多供线时，能够避免纤维彼此的重叠，从而抑制FRP层21的厚度变厚。另外，通常纤维70的周向宽度是根据卷绕角度α的大小而变化，但是根据本实施方式的纤维缠绕装置100，能够根据这样变化，不使纤维70彼此重叠而是一边汇集一边进行卷绕。即，在卷绕角度α较大的情况下，该纤维70的周向宽度w也增大(参照图16 (A))， 在卷绕角度α较小的情况下，该纤维70的周向宽度w也减小(参照图16(B))，本实施方式的纤维缠绕装置100，从上述的卷绕的结构，通过改变内衬20的旋转速度和环圈130的移动速度的设定，以不发生纤维70彼此的重叠的方式并且使螺旋卷绕的卷绕角度α适宜地变化，从而能够卷绕该纤维70。因此，根据该纤维缠绕装置100，能够实现与单供线设备 (卷绕单一的纤维的纤维缠绕设备)同等的螺旋卷绕图案的种类(自由度)，而且能够具备同时且迅速、并尽可能均勻地卷绕多条纤维的多供线的优点。此外，在本实施方式中，虽然图示并说明了环圈130的一侧为半圆且将开口 140配置于中心角大致为180°的部分的例子(参照图10、图11)，但这只不过是例示，也可以将开口 140配置于中心角180°以上或小于180°的区域。总之不论内衬(被卷绕部件)20 的直径的大小，只要能够使纤维70汇集于该内衬20的外周，则配置区域的宽窄不作特殊限定。另外，对于各开口 140的配置间隔，只要不影响使纤维70汇集于该内衬20的外周，则可以根据配置对间隔设置宽窄等，即使间隔不均勻也无妨。另外，纤维缠绕时，优选地，使环圈130向内衬20的轴向往复运动时的纤维70对该内衬20的覆盖率(在使环圈130往复一次时由纤维70覆盖的区域的比例)小于50%。 虽然希望在覆盖内衬20的周围的纤维70在适宜的状态下(在覆盖率100%的状态下)进行卷绕，但通常随着将螺旋层70Η和环带层进行层叠而使得外径增大，覆盖率会逐渐降低。 因此，在将覆盖率设定为100%前后的情况下，即使该覆盖率降低也难以进行调整(参照图 17中的虚线)。与此相对，如上所述在将覆盖率设定为小于50%的情况下(参照图17中的双点划线)，则能够根据覆盖率的降低进行调整。进行例示则为，若覆盖率为50%，则使环圈130进行两个往复来卷绕两层纤维70，由此能够使覆盖率成为100%。同样，在覆盖率降低到33%的情况下，卷绕三层纤维70，在降低到25%的情况下，卷绕四层纤维70等，通过根据在该时刻的覆盖率的数值来卷绕N层纤维70，由此能够实现接近100%的覆盖率(参照图17中的实线)。接着，说明纤维缠绕装置100的纤维供给部150。纤维供给部150是将纤维70供给到上述的装置主体部Iio的装置，例如在本实施方式中由多个纤维筒管151和支承这些纤维筒管151的筒子架152构成(参照图6)。在各纤维筒管151上，被卷绕着要供给到装置主体部110的纤维70。这些纤维筒管151由筒子架152的各支承轴支承。虽未特殊图示，但在筒子架152上例如设置有制动装置或负载装置等用于对从各纤维筒管151供给的纤维70赋予张力的单元。另外，在向装置主体部110供给纤维70的路径的途中，根据需要设置带轮等导向器或张力测量仪等。在此，在本实施方式中，只在环圈130的一侧设置筒子架152。由于包括多个纤维筒管151的筒子架152是大规模的，因此当将一对筒子架152配置在环圈130的两侧时，由于加宽了宽度，因此易导致装置整体的大型化。另外，如果只在环圈130的一侧配置所有的筒子架152，则为了将纤维70的一半从装置主体部110的一侧供给到另一侧，通常需要设置通过顶棚等的大规模的设备。关于该点，在只在环圈130的大致一侧的一半设置开口的本实施方式的纤维缠绕装置100中，只从环圈130的一侧供给纤维70即可。因此在本实施方式中，只在环圈130的一侧设置筒子架152，由此作为纤维缠绕装置100整体能够小型化 (参照图6)。根据利用纤维缠绕装置100形成的如上的螺旋卷绕，能够将纤维70规则地卷绕在内衬20的周围，从而能够使由纤维70彼此的重叠产生的凹凸降低或消失(参照图4、图5)。 由此能够形成表面平滑且凹凸较少的平滑螺旋层70H。因此能够抑制凹凸被转印到与该平滑螺旋层70H的外侧相邻的环带层，由此能够降低在该环带层上产生的结构上的纤维70的弯曲(起伏)，从而能够抑制强度发现率降低。这样通过抑制环带层的纤维70的结构上的弯曲(起伏)，由此能够提高该纤维70本身的疲劳强度。另外，该环带层薄壁化、高Vf (纤维体积含有率)化的结果，能够提高该罐1的爆破强度。当然，根据本实施方式的螺旋卷绕， 该平滑螺旋层70H本身的纤维70彼此的间隙较小，并且每一层的厚度也变薄。此外，通过将螺旋层70H做成这样的平滑螺旋层而薄层化，因此环带层位于更易发挥强度的罐1的内侧。其结果，能够将环带层薄壁化。另外，通常在罐(压力容器)1的圆顶部Id作用由其形状引起的弯曲应力，例如在 CFRP层21c的弯曲破坏中这样的弯曲应力成为所谓的层间剥离的决定性重要因素。对于该点，根据本实施方式的螺旋卷绕，不仅在直筒部Is而且在圆顶部Id也能够降低纤维70 间的间隙从而减小空隙(空隙率，# 4 K )0因此，这样能够期待由于减小空隙(空隙率) 而带来的抑制层间剥离的效果。另外，能够期待提高圆顶部Id的爆破/周期强度(爆破耐压、对多次使用的耐久性)。另外，如上所述如果减小空隙(空隙率)，就能够减小成为发泡的原因的空气量。 在FRP层21热固化时，空气成为泡状而引起在表层出现的发泡现象，但如果能够减小空隙 (空隙率)就具有能够抑制发泡的优点。另外，如果形成平滑的螺旋层70H，则与减小罐1的最外表面的凹凸相关联。由此， 获得使罐1的外径更稳定化，降低每个罐1的偏差的优点。特别是，如果将最外层的螺旋层 70H做成平滑螺旋层，就能够期待更有效地减小外径的偏差的效果。另外，由于平滑的螺旋层70H本身，以及当然地与其相邻的环带层高Vf化，使得树脂存留会随之减少，因此与减少FRP层21中所使用的树脂量相关联。这样如果减少树脂量， 以该减少的部分能够实现罐1的轻质化。此外，如上所述如果FRP层21高Vf化而减少树脂量，则会降低固化发热量(树脂的热固化中的反应热引起的发热)。通常，当热固化时的最高温度高时，有可能产生结合 (FW成形以及树脂固化之后，内衬20与FRP层21在一部分或全部粘接的状态)或内衬材料变差的问题，但在这样的能够使固化发热量降低的本实施方式的罐1中，能够抑制这些问题。另外，如上述的实施方式那样，通过将纤维70规则地卷绕于内衬20的周围，由此与以往的螺旋卷绕(参照图18，图19)不同，能够识别出与该卷绕方法对应的有一定规则的图案。即，由并排排列的纤维70形成大致三角形状的单位图案(交叉卷绕图案，綾模様)， 并且形成有将多个该单位图案进行了规则地组合的状态下的平滑的表面(参照图4)。另外，由于相邻的单位图案彼此的纤维70的卷绕方向不同，因此成为这些单位图案彼此的边界的部分容易识别(参照图4中用虚线包围的部分)。如图4所示，成为上述边界的部分表示为X字形状。另外，上述实施方式是本发明的优选实施的一个例子，然而不限定于此，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种变形来实施。例如在上述的实施方式中，虽然例示了使环圈130和环带卷头120相对于内衬(被卷绕部件)20移动的情况，但总之只要能够使上述环圈130和环带卷头120相对于内衬(被卷绕部件)20进行相对移动，就能够形成螺旋层70H和环带层。另外，在本实施方式中虽然例示了非卷绕部件为内衬20的情况，但在将纤维70卷绕于卷筒周围的情况下当然也能够适用本发明。另外，在上述的实施方式中，例示说明了在燃料电池系统等中能够利用的氢气罐中适用本发明的情况，当然对于用于填充氢气以外的流体的罐也能够适用本发明。产业上的利用可能性本发明优选适用于具有FRP层的罐(高压容器)等。附图标记说明20 内衬(被卷绕部件)，70 纤维，70H 螺旋层( 1J力义層)，100 纤维缠绕装置，130 环圈(纤维引导部件)，140 开口(纤维供线口)，152 筒子架。
权利要求
1.一种纤维缠绕装置，使包括多个纤维供线口的纤维引导部件，在绕轴进行相对旋转的被卷绕部件的轴向上相对移动，从所述纤维供线口供给纤维并将该纤维卷绕于所述被卷绕部件的周围，其中，所述纤维供线口只设置在所述纤维引导部件的局部。
2.根据权利要求1所述的纤维缠绕装置，其中，所述纤维引导部件向所述被卷绕部件的轴向相对地往复运动，由此由所述纤维形成平滑螺旋层。
3.根据权利要求1或2所述的纤维缠绕装置，其中，所述纤维供线口被设置为能够改变所述纤维的供线角度。
4.根据权利要求3所述的纤维缠绕装置，其中，所述纤维供线口设置为能够在所述纤维引导部件上沿着包括该纤维引导部件的面进行旋转动作。
5.根据权利要求4所述的纤维缠绕装置，其中，所述纤维供线口向使多条所述纤维在所述被卷绕部件上汇集于一处的方向动作。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的纤维缠绕装置，其中，所述纤维供线口能够滑动并改变所述纤维的供线位置。
7.根据权利要求1至5中的任意一项所述的纤维缠绕装置，其中，所述纤维供线口能够伸缩并改变所述纤维的供线位置。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的纤维缠绕装置，其中，(在使所述纤维引导部件向所述被卷绕部件的轴向相对地往复运动时的)所述纤维相对于该被卷绕部件的覆盖率小于50%。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的纤维缠绕装置，其中，容纳所述纤维的筒子架只配置在所述纤维引导部件的一侧。
10.一种纤维缠绕方法，使包括多个纤维供线口的纤维引导部件，在绕轴相对旋转的被卷绕部件的轴向上移动，从所述纤维供线口供给纤维并将该纤维卷绕于所述被卷绕部件的周围，其中，在使所述纤维引导部件向所述被卷绕部件的轴向相对移动时，从所述被卷绕部件观察时只从一侧供给多条所述纤维，使这些纤维在汇集在所述被卷绕部件的周围的状态下卷绕于该被卷绕部件。
全文摘要
在进行同时供给多条纤维的多供线时，避免纤维束彼此的重叠从而抑制FRP层的厚度增厚。为了实现该目的，在使包括多个纤维供线口(140)的纤维引导部件(130)，在绕轴进行相对旋转的被卷绕部件(20)的轴向上相对移动，从纤维供线口(140)供给纤维(70)并将该纤维卷绕于被卷绕部件(20)的周围的纤维缠绕装置中，纤维供线口(140)只设置在纤维引导部件(130)的局部。在使纤维引导部件(130)向被卷绕部件(20)的轴向相对移动时，从被卷绕部件(20)观察时只从一侧供给多条纤维(70)，在使这些纤维(70)汇集在被卷绕部件(20)的周围的状态下卷绕于该被卷绕部件(20)。
文档编号B29C70/16GK102414011SQ20098015899
公开日2012年4月11日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者相山武范 申请人:丰田自动车株式会社