构造物的约束构造的制作方法

本发明涉及一种包括筒体或层叠体的构造物的约束构造。

背景技术：

在日本特开2018－119578中公开了一种沿构成高压罐的主体部的轴向缠绕有片状的cfrp(carbonfiberreinforcedplastics：碳纤维增强树脂)带的高压罐的约束构造。这样的约束构造也能应用于对包括多个单体电池(cell)的电池进行约束的情况。

然而，对于如上述那样的约束构造而言，在构造物发生膨胀等而施加于cfrp带的张力增加的情况下，在cfrp带的缠绕结束端部，剪切应力集中于层间，恐怕会在cfrp带的层间发生剥离。

技术实现要素：

本发明提供一种能减小cfrp带的缠绕结束端部处的剪切应力从而能抑制层间的剥离的构造物的约束构造。

本发明的第一方案是一种构造物的约束构造。所述构造物的约束构造包括：被约束部，该被约束部是筒体或层叠体；一对保持部，设于所述被约束部；第一cfrp带，以架设于一对所述保持部之间的方式沿所述被约束部的轴向缠绕，并且具有沿着所述轴向的0°方向的碳纤维；以及第二cfrp带，与所述第一cfrp带的端部附近的最外层邻接地层叠，并且具有与所述轴向成45°至90°方向的碳纤维。所述保持部中的一方设于所述被约束部的一端，所述保持部中的另一方设于所述被约束部的另一端。

在所述第一方案中，作为筒体或层叠体的被约束部被一对保持部从两侧保持，第一cfrp带以架设于一对保持部之间的方式沿被约束部的轴向缠绕。第一cfrp带沿被约束部的轴向具有沿着所述轴向的0°方向的碳纤维。在此，在筒体的情况下，轴向是沿着中心轴的方向，在层叠体的情况下，轴向是沿着层叠方向的方向。此外，沿着轴向的0°方向包含制造第一cfrp带时的碳纤维的方向的误差和缠绕第一cfrp带时产生的碳纤维的方向的误差。并且，与第一cfrp带的端部附近的最外层邻接地层叠有具有45°至90°方向的碳纤维的第二cfrp带。需要说明的是，将用“至”表示的数值范围设为包含“至”的前后所记载的数值来作为下限值和上限值的数值范围。

在具有碳纤维的cfrp带的截面产生应力的情况下，碳纤维的性能对抵抗0°方向的力贡献较大，树脂的性能对抵抗90°方向的力贡献较大。即，根据上述第一方案，在与张力交叉的方向配置有碳纤维的第二cfrp带能在轴向赋予弹性。因此，即使剪切应力集中地作用于第一cfrp带的缠绕结束端部，该剪切应力也会被第二cfrp带的弹性缓和，因此能抑制层间的剥离。

在所述第一方案中，可以是，对于所述构造物的约束构造，所述第一cfrp带的端部配置于所述第一cfrp带的弯曲部与沿着所述被约束部的直线部的连接部附近。

根据上述构成，弯曲应力和拉伸应力这双方作用于第一cfrp带的弯曲部与直线部的连接部，换言之，作用于r端(曲线的端部)。在此，作用于r端的弯曲应力在上层侧是轴向外侧的应力，在下层侧是轴向内侧的应力。因此，弯曲应力与朝向轴向内侧的拉伸应力的合力在上层侧被抵消。根据上述构成，形成为第一cfrp带在第一cfrp带的弯曲部与直线部的连接部结束缠绕，由此越趋向上层，拉伸应力越被缓和。因此，能进一步减小第一cfrp带的缠绕结束端部处的剪切应力，从而能进一步抑制层间的剥离。

在所述第一方案中，可以是，所述约束构造也可包括：第三cfrp带，具有与所述轴向成45°至90°方向的碳纤维。能在缠绕的所述第一cfrp带的层间层叠第三cfrp带，可以是，所述构造物的约束构造形成为：45°至90°方向的碳纤维占层叠的所有的带的比例成为10％以上至50％以下。

在层叠的所有的cfrp带中，可以具有10％以上至50％以下的45°至90°方向的碳纤维。根据上述构成，在与张力产生作用的方向交叉的方向配置有碳纤维的第二cfrp带能在厚度方向赋予弹性。因此，能减轻具有0°方向的碳纤维的第一cfrp带弯折而形成的曲线部的厚度方向上的表面压力，并且抑制第一cfrp带的压缩破坏。

根据本发明的第一方案，能减小cfrp带的缠绕结束端部的剪切应力，从而能抑制层间的剥离。

附图说明

以下，参照附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义进行说明，其中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是将第一实施方式的高压罐组合而成的罐模块的立体图。

图2是第一实施方式的高压罐的侧方剖视图。

图3是第一实施方式的高压罐的接头附近的侧方剖视图(图2的放大图)。

图4是第一实施方式的高压罐的接头附近的侧视图，是作用于r端(曲线的端部)的合力的示意图。

图5是将第一实施方式的高压罐的固定带的局部放大后的侧方剖视图。

图6是第一实施方式的高压罐的固定带的俯视图，是表示碳纤维的方向的示意图。

图7是将第二实施方式的电池单元组合而成的电池模块的立体图。

具体实施方式

[第一实施方式]

以下，利用图1至图6对应用了构造物的约束构造的第一实施方式的高压罐10进行说明。

如图1所示，作为构造物的高压罐10构成罐模块12的一部分。即，多个高压罐10被排列并连结，由此构成罐模块12。作为一个例子，该罐模块12被容纳于燃料电池车辆的地板面板的车辆下方侧。作为一个例子，在本实施方式的高压罐10容纳有作为流体的氢。

高压罐10被形成为以车辆前后方向为轴向(长尺寸方向)的圆柱状。该高压罐10被配置为包括：筒状的主体部20；接头30，分别设于主体部20的轴向的两端；以及固定带40，以架设于一对接头30之间的方式沿主体部20的轴向缠绕。主体部20是作为筒体的被约束部的一个例子，接头30是保持部的一个例子。以下，只要没有特别说明，则仅将主体部20的轴向设为轴向，仅将主体部20的径向设为径向。

如图2和图3所示，作为一个例子，主体部20具有：圆筒状的内衬24，由铝合金形成；以及加强层26，由cfrp(碳纤维增强树脂)形成，设于内衬24的外周面。加强层26通过下述方式形成：在内衬24的外周面缠绕预先浸渍有树脂的片状的cfrp，或者，在将碳纤维缠绕于内衬24的外周面之后使树脂浸渍。需要说明的是，在加强层26的内周面侧，纤维增强树脂内的未图示的碳纤维沿内衬24进而沿主体部20的周向排列。

接头30被形成为轴向外侧部分朝向轴向外侧凸出的大致半圆柱状。该接头30具有插入部32和连通流路34。插入部32是插入至高压罐10的开口22的部位，被形成为朝向轴向内侧突出的大致圆柱状。插入部32的外周面与主体部20的内周面抵接。此外，在插入部32的顶端部设有通过切除外缘部而形成的密封件(packing)容纳部36，在该密封件容纳部36的内部收纳有o形圈38。o形圈38沿径向产生弹性变形。主体部20的轴向一方侧的端部和另一方侧的端部分别被该插入部32封闭。

连通流路34形成于接头30的内部。该连通流路34被配置为包括：第一连通流路34a，在插入部32的内部沿轴向且朝向该轴向内侧开口；以及第二连通流路34b，在宽度方向延伸且连接于第一连通流路34a(参照图4)。在邻接的高压罐10，第二连通流路34b彼此连接，由此多个高压罐10的主体部20的内部相互连通。需要说明的是，可以将多个主体部20连接于具备多个插入部32的接头。

在接头30内的连通流路34设有作为阀构件的未图示的阀，由此被设为能对在连通流路34内流动的流体的量进行控制。并且，连通流路34分别连接于未图示的燃料电池堆、供给管等。

固定带40设于主体部20的径向外侧和一对接头30的外侧。具体而言，固定带40以沿轴向架设的方式缠绕于一对接头30的外侧面。该固定带40具有：环绕带42，沿轴向环绕主体部20；以及层间带44，包含在环绕带42的层间。如图5所示，在a－a线上，固定带40层叠有二十层，层间带44存在于从径向内侧起第二层和第十八层，环绕带42存在于其他层。

如图3所示，固定带40具有：一对直线部40a，沿着主体部20的轴向；一对外周部40b，沿着接头30的轴向外侧的外侧面；以及曲线部40c，将直线部40a和外周部40b连接。外周部40b和曲线部40c是弯曲部的一个例子。在此，形成为：当将曲线部40c的半径设为r，将高压罐10的高度设为h时，成为r＞h/3。此外，形成为：当将外周部40b的半径设为r时，成为r＞h/2。

如图6所示，作为第一cfrp带的环绕带42是cfrp制的带，是具有沿着轴向的0°方向的碳纤维cf的ud(unidirection：单向)带。需要说明的是，沿着轴向的0°方向包含制造环绕带42时的碳纤维cf的方向的误差和缠绕环绕带42时产生的碳纤维cf的方向的误差。此外，环绕带42是在碳纤维cf预先浸渍有树脂的所谓预浸料(prepreg)，该环绕带42在缠绕后发生固化。对于环绕带42而言，径向内侧的端部e1被粘接固定于接头30的外侧面(参照图3)，在绕主体部20十七周而形成环绕层cl之后，径向外侧的端部e2在直线部40a与曲线部40c的连接部附近被粘接固定于层间带44(参照图5)。

如图6所示，层间带44是cfrp制的带，是具有沿着主体部20的宽度方向的90°方向的碳纤维cf的ud带。需要说明的是，沿着轴向的90°方向包含制造层间带44时的碳纤维cf的方向的误差和缠绕层间带44时产生的碳纤维cf的方向的误差。此外，层间带44是在碳纤维cf预先浸渍有树脂的所谓预浸料，该层间带44在缠绕后发生固化。在此，在本实施方式中，形成为：层间带44的碳纤维cf占固定带40整体的10％。

如图5所示，作为第二cfrp带的层间带44与作为最外层的最上层tl的环绕带42邻接地层叠。具体而言，层间带44在固定带40的最上层tl的环绕带42与最上层tl的一周前的环绕带42之间缠绕一周。

作为第三cfrp带的层间带44与最下层bl的环绕带42邻接地层叠。具体而言，层间带44在固定带40的最下层bl的环绕带42与最下层bl的一周后的环绕带42之间缠绕一周。

(制造方法)

以如下方式制造高压罐10。首先，操作者准备预先将o形圈38容纳于密封件容纳部36的接头30。接着，操作者将接头30的插入部32插入至主体部20的开口22，将接头30装接于主体部20的轴向两端。

接着，操作者使环绕带42的端部e1与接头30的外周面接触，沿主体部20的轴向缠绕该环绕带42一周左右。在树脂固化后，环绕带42的端部e1粘接于接头30。在此，操作者从第一层的环绕带42之上缠绕层间带44一周并切断该层间带44。需要说明的是，理想的是，作为第二层的层间带44的起点(端部)和终点(端部)分别避开曲线部40c。

然后，操作者从层间带44之上缠绕环绕带42十六周左右，即缠绕至形成第十八层为止。在此，操作者从第十七层的环绕带42之上缠绕层间带44一周并切断该层间带44。需要说明的是，理想的是，作为第十八层至第十九层的层间带44的起点(端部)和终点(端部)分别设于直线部40a。

进而，操作者从层间带44之上缠绕环绕带42一周左右，即缠绕至形成第二十层为止。然后，第二十层的环绕带42从外周部40b起经由曲线部40c缠绕至直线部40a为止。然后，操作者切断剩余的环绕带42，使得环绕带42的端部e2位于直线部40a与曲线部40c的连接部附近。

浸渍于环绕带42和层间带44的树脂发生固化，由此制成高压罐10。需要说明的是，上述的工序以操作者进行操作为前提，但不限于此，也可以通过制造装置实现机械化。

(作用效果)

接着，对本实施方式的作用和效果进行说明。

在本实施方式的高压罐10中，当高压罐10内部的压力因所容纳的流体而上升时，接头30被向轴向外侧推压，在固定带40产生张力。另一方面，固定带40在与接头30的接触部位承受在厚度方向压缩的力，就是说承受表面压力。

另一方面，对于高压罐10而言，在外周部40b越增大r，就是说，越增大接头30的外周半径，则轴向的长度越缩短，但直线部40a与外周部40b连接的角度越接近直角。并且，作为直线部40a与外周部40b的连接部的曲线部40c的半径r越小，则表面压力越大地作用于固定带40。在此，当将作用于固定带40的表面压力设为p，将作用于固定带40的张力设为f时，成为p∝f/r。就是说，张力f越大，半径r越小，则表面压力作用得越大。

本实施方式的高压罐10被形成为在固定带40中曲线部40c满足r＞h/3。由此，能减轻作用于固定带40的厚度方向的表面压力并且抑制压缩破坏。需要说明的是，曲线部40c的半径r无需是恒定的，能通过使半径r越靠近具有弯曲度且拉伸应力大的r端(为曲线的端部，直线部40a与曲线部40c的连接部)越渐变地扩大，来进一步提高固定带40的抵抗压缩的强度。

此外，在本实施方式中，形成为：90°方向的碳纤维cf占固定带40整体的比例成为10％。具有与轴向成0°方向的碳纤维cf的环绕带42在张力作用于0°方向的情况下难以确保厚度方向的强度。在此，与碳纤维cf相比，构成固定带40的ud带的树脂的性能对抵抗90°方向的力贡献更大。因此，具有与轴向成90°方向的碳纤维cf的层间带44不易受到0°方向的张力的影响，能确保向厚度方向的弹性。因此，在本实施方式中，与所有固定带40由环绕带42构成的情况相比，通过在固定带40中以一定的比例包含具有90°方向的碳纤维cf的层间带44，能在厚度方向赋予弹性。因此，根据本实施方式，在表面压力变高的曲线部40c，能确保固定带40的拉伸方向的强度，并且抑制压缩破坏。

需要说明的是，为了减少固定带40在曲线部40c从接头30受到的压缩力(表面压力)的影响，理想的是，尽可能将层间带44设置于下层，具体而言设置于第二层。

此外，在本实施方式的固定带40中，与环绕带42结束缠绕的端部e2附近的最上层tl邻接地层叠有层间带44。在此，在没有端部e2的下层的环绕带42，应力均等地作用于轴向两侧，相对于此，在端部e2处环绕带42断开的一侧，应力集中于层间。因此，在仅缠绕环绕带42而不存在层间带44的情况下，剪切应力集中地作用于端部e2，因此恐怕会在层间产生剥离。

相对于此，在本实施方式中，环绕带42的端部e2被粘接于层间带44。在此，对于构成固定带40的ud带而言，碳纤维cf的性能对抵抗0°方向的力贡献较大，树脂的性能对抵抗90°方向的力贡献较大。即，将碳纤维cf配置于0°方向的cfrp能确保0°方向的拉伸强度，将碳纤维cf配置于90°方向的cfrp能在0°方向赋予弹性。并且，如本实施方式那样，在与张力正交的方向配置有碳纤维cf的层间带44能在轴向赋予弹性。根据本实施方式，即使剪切应力集中地作用于环绕带42的端部e2，该剪切应力也会被层间带44的弹性缓和，因此能抑制层间的剥离。

此外，在本实施方式中，环绕带42的端部e2配置于直线部40a与曲线部40c的连接部附近。如图4所示，在从曲线部40c切换为直线部40a的r端，弯曲应力和拉伸应力均作用于固定带40。作用于r端的弯曲应力在环绕带42的上层侧是轴向外侧的应力，在下层侧是轴向内侧的应力。因此，弯曲应力与拉伸应力的合力在上层侧被抵消。即，对于环绕带42而言，在作为直线部40a与曲线部40c的连接部的r端，越趋向上层，拉伸应力越被缓和。因此，能通过将环绕带42的端部e2设于r端附近来进一步抑制层间的剥离。

[第二实施方式]

第二实施方式是将构造物的约束构造应用于电池单元50的例子。需要说明的是，对与第一实施方式相同的构成标注相同的附图标记，并省略说明。

如图7所示，作为构造物的电池单元50构成电池模块52的一部分。即，多个电池单元50被排列并连结，由此构成电池模块52。作为一个例子，该电池模块52被容纳于电动汽车的地板面板的车辆下方侧。本实施方式的电池单元50是全固体电池的一个例子。

电池单元50被形成为将车辆前后方向作为层叠方向的棱柱状。在此，在本实施方式中，将单体电池60的层叠方向、壳体70的长尺寸方向设为轴向，将与单体电池60的层叠方向正交的方向设为径向。电池单元50包括：多个单体电池60，在轴向排列；筒状的壳体70，覆盖单体电池60；固定部80，分别设于壳体70的轴向的两端；以及固定带40，以架设于一对固定部80之间的方式沿壳体70的轴向缠绕。单体电池60是作为层叠体的被约束部的一个例子，固定部80是保持部的一个例子。

单体电池60在轴向层叠，邻接的单体电池60被串联地连接。该单体电池60被固定部80在轴向夹持。壳体70是对层叠的单体电池60的径向外侧进行覆盖的方筒状的构件。

在本实施方式中，层叠的单体电池60被固定带40在轴向约束。因此，如果在充放电循环中单体电池60发生膨胀，则会在固定带40产生轴向的张力f。因此，在本实施方式中，也会起到与第一实施方式同样的作用效果。

[备注]

需要说明的是，在各实施方式中，层间带44的碳纤维cf的角度不必一定是90°，与轴向成45°以上且90°以下即可。此外，在下层侧的层间带44和上层侧的层间带44，层间带44中的碳纤维cf的角度可以不同。

此外，在各实施方式中，形成为：90°方向的碳纤维cf占固定带40整体的比例成为10％，但不限于此，固定带40具有10％以上至50％以下的45°至90°方向的碳纤维cf即可。

在各实施方式中，环绕带42的端部e1被粘接于接头30的外周面，但不限于此，也可以使环绕带42的端部e1粘接于主体部20或固定带40。在被粘接于固定带40的情况下，与端部e2同样地，使环绕带42的端部e1粘接固定于邻接设置的层间带44为好。由此，即使剪切应力集中地作用于端部e1，该剪切应力也会被层间带44的弹性缓和，因此能抑制层间的剥离。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于上述实施方式，当然，在不脱离其主旨的范围内，除上述实施方式以外，还可以进行各种变形并实施。