JPWO2017149817A1 - 高圧ガス貯蔵容器、および高圧ガス貯蔵容器の製造方法 - Google Patents

高圧ガス貯蔵容器、および高圧ガス貯蔵容器の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】補強部材（２０）による適切な強度を保ちつつ、軽量化することのできる高圧ガス貯蔵容器を提供する。【解決手段】高圧ガスを収容するライナー（１０）と、ライナー（１０）の外周面（１０Ａ）に帯状の補強部材（２０）を巻き付けて形成した補強層（３０）と、を有し、補強部材（２０）は、樹脂（２２）が含浸され、かつ、少なくとも一部にプラズマ（Ｐ）が照射された強化繊維（２１）からなる。

Description

本発明は、高圧ガス貯蔵容器、および高圧ガス貯蔵容器の製造方法に関する。
近年、自動車部品として、強化繊維に樹脂を含浸させた補強部材が注目を集めている。一般的に強化繊維は樹脂との接着性が低いために、強化繊維の樹脂に対する接着性を向上させる必要がある。
これに関連して、例えば下記の特許文献１には、芳香族ポリアミド繊維に対して繊維の配置面に直交する方向からプラズマを照射することによって、芳香族ポリアミド繊維の表面を改質して接着性を改良する接着性改良方法が開示されている。
特開昭６１−２５８０６５号公報
一方、近年、自動車用の燃料として水素ガス等が使用されており、このような自動車には、高圧ガス貯蔵容器が搭載される。このような高圧ガス貯蔵容器では、引張強度や曲げ強度に対して所定の強度が求められている。
しかしながら、単に複合材料をガスボンベのライナーの外周に巻き付ける場合、所定の強度を得るために、多くの補強部材を巻き付ける必要があり、容器全体としての重さが増大する可能性がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、補強部材による適切な強度を保ちつつ、軽量化することのできる高圧ガス貯蔵容器および高圧ガス貯蔵容器の製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る高圧ガス貯蔵容器は、高圧ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成した補強層と、を有する。前記補強部材は、樹脂が含浸され、かつ、少なくとも一部にプラズマが照射された強化繊維からなる。
また、上記目的を達成する本発明に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法は、高圧ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成した補強層と、を有する高圧ガス貯蔵容器の製造方法である。高圧ガス貯蔵容器の製造方法は、強化繊維の少なくとも一部にプラズマを照射し、前記強化繊維に樹脂を含浸させて前記補強部材を形成し、前記補強部材を前記ライナーの前記外周面に巻き付ける。
本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器を示す図である。 高圧ガス貯蔵容器のライナーを示す断面図である。 樹脂が含浸された強化繊維からなる補強部材の一部を示す断面図である。 プラズマを照射することによって、引張強度が向上する様子を示すグラフである。 プラズマを照射することによって、曲げ強度が向上する様子を示すグラフである。 高圧ガス貯蔵容器の製造装置を示す図である。 高圧ガス貯蔵容器の製造方法を示すフローチャートである。 改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器を示す図である。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
図１は、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１を示す図である。図２は、高圧ガス貯蔵容器１のライナー１０を示す断面図である。図３は、樹脂２２が含浸された強化繊維２１からなる補強部材２０の一部を示す断面図である。なお、理解の容易のため、図１では、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けている過程を示している。
＜高圧ガス貯蔵容器＞
本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１は、概説すると、図１に示すように、水素ガス等の高圧ガスを収容するライナー１０と、ライナー１０の外周面１０Ａに帯状の補強部材２０を巻き付けて形成した補強層３０と、を有する。また、補強部材２０は、図３、５に示すように、樹脂２２が含浸され、かつ、プラズマＰが照射された強化繊維２１からなる。以下、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の構成を詳述する。
ライナー１０は、円筒形状からなるタンクとして形成されている。ライナー１０は、ガスバリア性を有し、高圧ガスの外部への透過を抑制する。ライナー１０は、図１、２に示すように、軸方向Ｘの中央に設けられる胴部１１と、胴部１１の軸方向Ｘの両側に設けられる鏡部１２と、鏡部１２の一方に設けられる口金１３と、を有する。
胴部１１は、軸方向Ｘに延在するように、筒状に構成される。鏡部１２は、軸方向Ｘの外方に向けて漸減するように湾曲する。
図２に示すように、胴部１１の内周面１１Ａには、内部に収容される高圧ガスから、径方向外方への力Ｆ１が作用する。また、鏡部１２の内周面１２Ａには、内部に収容される高圧ガスから、内周面１２Ａに直交する方向に沿って力Ｆ２が作用する。なお、力Ｆ１および力Ｆ２の大きさは等しい。このため、胴部１１の内周面１１Ａおよび鏡部１２の内周面１２Ａの境界部分である肩部１４には、曲げ応力Ｓが発生し、他の部位に比べて曲げ応力に対する強度が必要である。
口金１３は、鏡部１２から軸方向Ｘの外方に向けて突出して構成される。口金１３には、配管を接続するか、あるいは開閉バルブや減圧バルブを備えたバルブ機構を接続し、高圧ガス貯蔵容器１に対して、高圧ガスの充填および放出を行う。なお、口金１３は、両側の鏡部１２に設けられていてもよい。
ライナー１０を構成する材料は、金属製または合成樹脂製を用いることができる。金属製としては、例えば、鉄、アルミニウム、ステンレスなどを用いることができる。合成樹脂製としては、例えば、ポリエチレン、ポリアミド、ポリプロピレンなどを用いることができる。
補強層３０は、ライナー１０の外周面１０Ａに補強部材２０を所定数巻き付けることによって形成する。補強部材２０を巻き付ける回数、すなわち、補強層３０の層数は、特に限定されないが、例えば２０〜３０である。このように、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けることによって、補強層３０は、ライナー１０の耐圧強度を向上させる。以下では、まず、補強部材２０の概略構成について説明し、その後、補強層３０の構成について説明する。
補強部材２０は、図３に示すように、樹脂２２が含浸された強化繊維２１からなる。補強部材２０は、後述するフープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａと、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂと、を有する。
本実施形態に係る強化繊維２１は、プラズマＰが照射されてなる。このように、強化繊維２１にプラズマＰを照射することによって、強化繊維２１に酸性官能基を付加させることができる。したがって、強化繊維２１に対する樹脂２２の密着性が向上し、補強部材２０としての強度が向上する。
強化繊維２１としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアミド繊維などを用いることができる。本実施形態では、一例として、熱膨張係数が小さく寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ない炭素繊維を挙げて説明する。強化繊維２１は、炭素繊維が１０００本から５００００本程度の束の状態で構成される。
樹脂２２としては、例えば、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂を用いることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂を用いることができる。
図４Ａは、プラズマＰを照射することによって、補強部材２０の引張強度が向上する様子を示すグラフである。図４Ｂは、プラズマＰを照射することによって、補強部材２０の曲げ強度が向上する様子を示すグラフである。なお、図４Ａ、図４Ｂにおいて、左側はラージトウと呼ばれる単繊維数が３００００本以上の炭素繊維に樹脂２２を含浸させたテストピースの強度を示す。また、右側はラージトウにプラズマＰを照射して樹脂２２を含浸させたテストピースの強度を示す。
図４Ａに示すように、プラズマＰを照射することによって、補強部材２０の引張強度は向上する。また、図４Ｂに示すように、プラズマＰを照射することによって、補強部材の曲げ強度は向上する。ここで図４Ａおよび図４Ｂを比較して、強化繊維２１にプラズマＰを照射することによって、引張強度よりも曲げ強度が好適に向上する。
補強層３０は、図１に示すように、補強部材２０Ａを胴部１１に対して円周方向に沿って巻き付けてなるフープ層３１と、補強部材２０Ｂを胴部１１および鏡部１２に対して螺旋状に巻き付けてなるヘリカル層３２と、を有する。フープ層３１およびヘリカル層３２は、交互に積層されている。なお、フープ層３１およびヘリカル層３２は、交互に積層されていなくてもよい。
フープ層３１は、補強部材２０Ａが胴部１１に巻かれてなるため、胴部１１の径方向の引張強度を確保する。ここで、胴部１１は応力集中が発生し難いため、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａは、強度が比較的低く構成される。したがって、補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１に照射されるプラズマＰの量は比較的少ない。なお、上述したように、プラズマＰの照射による補強部材２０の引張強度の向上は比較的少ないことからも、補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１に照射されるプラズマＰの量は少なくてよい。
ヘリカル層３２は、補強部材２０Ｂが胴部１１および鏡部１２に巻かれてなるため、高圧ガス貯蔵容器１の軸方向Ｘの強度を確保する。よって、ヘリカル層３２は、曲げ強度が求められる肩部１４の強度を確保する。このため、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂは、強度が比較的高く構成される。したがって、補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１に照射されるプラズマＰの量は比較的多い。なお、上述したように、プラズマＰの照射によって補強部材２０の曲げ強度は好適に向上するために、肩部１４の曲げ強度を好適に確保することができる。
＜高圧ガス貯蔵容器の製造装置＞
次に、図５を参照して、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の製造装置１００を説明する。図５は、高圧ガス貯蔵容器１の製造装置１００を示す図である。
高圧ガス貯蔵容器１の製造装置１００は、図５に示すように、収納部１１０と、照射部１２０と、含浸部１３０と、搬送部１４０と、検知部１５０と、制御部１６０と、を有する。
収納部１１０は、ボビン状の強化繊維２１を収納する。収納部１１０は、ボビン状の強化繊維２１がセットされるセット部１１１と、強化繊維２１の張力を維持する４つのローラ１１２〜１１５と、を有する。
照射部１２０は、強化繊維２１に対してプラズマＰを照射する。照射部１２０は、本出願人が特願２０１４−１８１５１２に開示するように、強化繊維２１の表面２１ＡにＹ方向（表面２１Ａに直交する直交方向）に対して傾斜した方向からプラズマＰを照射することが好ましい。なお、照射部１２０は、Ｙ方向に対して３０°以上傾斜した方向から強化繊維２１の表面２１ＡにプラズマＰを照射することが好ましい。このように、Ｙ方向に対して傾斜した方向からプラズマＰを照射することによって、プラズマガスは、強化繊維２１の表面２１Ａに傾斜して照射されるため、プラズマガスの圧縮が抑制され、かつ中心の高温部分を逃して照射することができる。したがって、強化繊維２１の損傷を低減しつつ、効率よくプラズマＰを強化繊維２１に照射して強化繊維２１に酸性官能基を付加することができる。
照射部１２０の電源としては、交流電源１２１を用いることが好ましい。交流電源１２１は、アース（接地）される。
照射部１２０から照射されるプラズマＰの照射強度は、プラズマ電圧、電流、周波数、電極、およびガス条件（ガスの組成）を調整することによって、調整することができる。以下、本明細書において、「プラズマＰの照射強度を調整する」とは、上述のプラズマ電圧、電流、周波数、電極、およびガス条件の少なくとも一つを調整することによって、プラズマＰの照射強度を調整することを意味するものとする。
以下、プラズマＰの照射条件の一例について説明する。
プラズマ電圧は、プラズマＰの発生し易さの観点から、例えば２００〜４００Ｖであって、２６０〜２８０Ｖであることが好ましい。
パルス放電周波数は、プラズマＰの発生し易さの観点から、例えば１０〜３０ｋＨｚであって、１６〜２０ｋＨｚであることが好ましい。
プラズマ照射距離は、例えば２〜３０ｍｍであって、１０〜１５ｍｍであることが好ましい。プラズマ照射距離が短いと強化繊維２１が損傷する可能性があり、長いと表面改質効果が小さくなる。
プラズマ照射時間は、例えば０．１〜５．０秒であって、０．５〜１．０秒であることが好ましい。プラズマ照射時間が短いと表面改質効果が小さくなり、長いと強化繊維２１が損傷する可能性がある。
プラズマガスとしては、例えば酸素、窒素、またはヘリウムを０．５％以上含む混合ガスを用いることができる。
含浸部１３０は、プラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２を含浸させる。含浸部１３０は、図５に示すように、樹脂２２が貯蔵された貯蔵部１３１と、強化繊維２１に接しつつ強化繊維２１の搬送と同期して回転する回転部１３２と、を有する。含浸部１３０は、さらに、回転部１３２に付着する樹脂２２の量を調整する調整部１３３と、搬送方向における回転部１３２の上流側および下流側に設けられ張力を維持する一対のローラ１３４、１３５と、を有する。また、含浸部１３０は、さらに、下流側のローラ１３５の下流側に設けられ強化繊維２１をライナー１０に向けてガイドするガイド部１３６を有する。
貯蔵部１３１は、図５に示すように、上方に凹部１３１Ａを備えており、凹部１３１Ａに、樹脂２２が貯蔵される。
回転部１３２は、下方において、凹部１３１Ａに貯蔵される樹脂２２に接するとともに、上方において、搬送される強化繊維２１に接しながら回転する。回転部１３２は、強化繊維２１の搬送と同期して、時計回りに回転する。このように回転部１３２が時計回りに回転することによって、回転部１３２の外周に付着された樹脂２２が、上方に持ち上げられ、プラズマＰが照射された強化繊維２１に対して付着する。これによって、強化繊維２１に樹脂２２を含浸させることができ、補強部材２０が形成する。なお、回転部１３２は、ローラ１３４、１３５とともに、プラズマＰが照射された強化繊維２１の張力を維持する。
調整部１３３は、回転部１３２の外周に付着した樹脂２２の量を調整する。調整部１３３は、回転部１３２の外周に付着した樹脂２２に接触することによって、樹脂２２を所定の量だけ除去する除去部１３３Ａと、除去部１３３Ａを回転部１３２に対して接近離間可能に移動させる移動部１３３Ｂと、を有する。
移動部１３３Ｂによって、除去部１３３Ａを、図５の右側に移動すると、回転部１３２の外周に付着した樹脂２２はより多くの量が除去される。一方、移動部１３３Ｂによって、除去部１３３Ａを、図５の左側に移動すると、回転部１３２の外周に付着した樹脂２２はより少ない量が除去される。
ガイド部１３６は、樹脂２２が含浸された強化繊維２１を、ライナー１０に向けてガイドする。ガイド部１３６は、Ｌ字形状を有する。
なお、含浸部１３０の構成は、プラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２を含浸することのできる構成であれば、特に限定されない。
搬送部１４０は、強化繊維２１を、図５の左側から右側に向けて搬送しつつ、表面２１ＡにプラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２を含浸してなる補強部材２０を、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける。搬送部１４０は、モーターである。
検知部１５０は、強化繊維２１の搬送速度を検知する。検知部１５０としては、公知の速度センサを用いることができる。検知部１５０が配置される箇所は、強化繊維２１が搬送される範囲であれば、特に限定されない。
制御部１６０は、照射部１２０、搬送部１４０などの動作制御を行う。制御部１６０としては、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備える公知のマイクロコンピュータにより構成されたものを用いることができる。
＜高圧ガス貯蔵容器の製造方法＞
次に、図６のフローチャートを参照して、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の製造方法について説明する。なお、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の製造方法は、フィラメントワインディング法によって行われる。
まず、ボビン状の強化繊維２１をセット部１１１にセットするとともに、ライナー１０を図５に示す位置にセットした状態で、搬送部１４０を動作させる。これによって、ライナー１０が回転し、強化繊維２１が搬送される（Ｓ０１）。このとき、検知部１５０は、強化繊維２１の搬送速度を検知する。
次に、照射部１２０は、搬送される強化繊維２１に対して、プラズマＰを照射する（Ｓ０２）。プラズマＰを照射する工程Ｓ０２は、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１にプラズマＰを照射する第１照射工程を有する。また、プラズマＰを照射する工程Ｓ０２は、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１にプラズマＰを照射する第２照射工程を有する。
第１照射工程および第２照射工程は、交互に行われる。また、第１照射工程において照射されるプラズマＰの照射量は、第２照射工程において照射されるプラズマＰの照射量よりも、少ない。
プラズマＰの照射量は、照射部１２０の照射強度および強化繊維２１の搬送速度を調整することによって、調整する。すなわち、第１照射工程において、照射部１２０の照射強度が弱くなるように調整するとともに強化繊維２１の搬送速度を早くすることによって、プラズマＰの照射量を低減させる。一方、第２照射工程において、照射部１２０の照射強度が強くなるように調整するとともに強化繊維２１の搬送速度を遅くすることによって、プラズマＰの照射量を増大させる。
第１照射工程において、比較的強度が求められないフープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１に対しては、プラズマＰの照射強度を低減することができる。したがって、プラズマガスの使用量を低減することができ、ランニングコストを低減させることができる。
また、第１照射工程において、比較的強度が求められないフープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１に対してプラズマＰを照射する際は、強化繊維２１の搬送速度を早くすることができる。したがって、製造時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
次に、プラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２を含浸させる（Ｓ０３）。
第１照射工程においてプラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２が含浸することによって、補強部材２０Ａが形成する。また、第２照射工程においてプラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２が含浸することによって、補強部材２０Ｂが形成する。ここで、第１照射工程よりも第２照射工程においてより多くのプラズマＰが照射されているため、補強部材２０Ｂは、補強部材２０Ａよりも、強度が向上している。
次に、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける（Ｓ０４）。補強部材２０を巻き付ける工程Ｓ０４は、補強部材２０Ａを、胴部１１に対して、円周方向に沿って巻き付けるフープ巻き工程を有する。また、補強部材２０を巻き付ける工程Ｓ０４は、補強部材２０Ｂを、胴部１１および鏡部１２に対して、螺旋状に巻き付けるヘリカル巻き工程を有する。
フープ巻き工程およびヘリカル巻き工程は、交互に行われる。
なお、ヘリカル巻き工程のうち、特に補強部材２０Ｂを鏡部１２に対して巻き付ける際に、鏡部１２の巻かれる位置の径が変化することに応じて、強化繊維２１の搬送速度が変化する場合がある。このように搬送速度が変化した場合、プラズマＰの照射強度が一定であっても、強化繊維２１へのプラズマＰの照射量が変化する。したがって、一つの層３１、３２において、補強部材２０に意図しない強度のばらつきが発生することが懸念される。
そこで、本実施形態に係る製造方法では、検知部１５０が検知する搬送速度の情報に基づいて、制御部１６０は、照射部１２０の照射強度を調整して、強化繊維２１へのプラズマＰの照射量を一定にする。具体的には、搬送速度が相対的に早いときは、プラズマＰの照射強度が高くなるように調整して、搬送速度が相対的に遅いときは、プラズマＰの照射強度が低くなるように調整する。このように、照射部１２０の照射強度を調整することによって、一つの層３１、３２において、補強部材２０に強度のばらつきが発生することを抑制することができる。
以上の製造方法によって、ライナー１０と、補強部材２０Ａからなるフープ層３１と、補強部材２０Ｂからなるヘリカル層３２と、を有する高圧ガス貯蔵容器１が製造される。ここで、強化繊維２１にはプラズマＰが照射されているため、補強部材２０の強度が向上する。したがって、高圧ガス貯蔵容器１の強度の低下を抑制しつつ、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けられる補強部材２０の量を低減させることができる。
以上説明したように、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１は、高圧ガスを収容するライナー１０と、ライナー１０の外周面１０Ａに帯状の補強部材２０を巻き付けて形成した補強層３０と、を有する。補強部材２０は、樹脂２２が含浸され、かつ、プラズマＰが照射された強化繊維２１からなる。このように構成した高圧ガス貯蔵容器１によれば、強化繊維２１にプラズマＰを照射することによって、強化繊維２１に酸性官能基を付加させることができる。したがって、強化繊維２１に対する樹脂２２の密着性が向上し、補強部材２０の強度が向上する。よって、強度の低下を抑制しつつ、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける補強部材２０の量を、プラズマＰを照射しないものに比して低減させることができ、軽量化することができる。
また、ライナー１０は、軸方向Ｘの中央に筒状に設けられる胴部１１と、胴部１１の軸方向Ｘの両側に設けられ軸方向Ｘの外方に向けて漸減するように湾曲する鏡部１２と、を有する。補強層３０は、補強部材２０Ａを胴部１１に対して円周方向に沿って巻き付けてなるフープ層３１と、補強部材２０Ｂを胴部１１および鏡部１２に対して螺旋状に巻き付けてなるヘリカル層３２と、を有する。ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１は、プラズマＰが照射されてなる。ここでヘリカル層３２は、曲げ強度が求められる肩部１４の強度確保に寄与する。このように構成された高圧ガス貯蔵容器１によれば、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１にプラズマＰが照射されているため、肩部１４における強度を向上させることができる。特に、プラズマＰの照射によって補強部材２０Ｂの曲げ強度が好適に向上するために、肩部１４における曲げ強度を好適に向上することができる。
また、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１は、プラズマＰが照射されてなる。また、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１は、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１よりも、プラズマＰが照射される量が少なくなるように構成してなる。このように構成された高圧ガス貯蔵容器１によれば、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１にプラズマＰが照射されているため、胴部１１における強度を向上させることができる。一方、比較的強度が求められないフープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１に対しては、プラズマＰの照射強度を低減することができる。したがって、プラズマガスの使用量を低減することができ、ランニングコストを低減させることができる。
また、以上説明したように、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の製造方法は、高圧ガスを収容するライナー１０と、ライナー１０の外周面１０Ａに帯状の補強部材２０を巻き付けて形成した補強層３０と、を有する高圧ガス貯蔵容器１の製造方法である。高圧ガス貯蔵容器１の製造方法は、強化繊維２１にプラズマＰを照射し、強化繊維２１に樹脂２２を含浸させて補強部材２０を形成し、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける。この高圧ガス貯蔵容器１の製造方法によれば、強化繊維２１にプラズマＰを照射することによって、強化繊維２１に酸性官能基を付加させることができる。したがって、強化繊維２１に対する樹脂２２の密着性が向上し、補強部材２０の強度が向上する。よって、強度の低下を抑制しつつ、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける補強部材２０の量を、プラズマＰを照射しないものに比して低減させることができ、軽量化することができる。
また、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける際に、プラズマＰが照射された強化繊維２１を備える補強部材２０Ｂをライナー１０に対して、螺旋状に巻き付けるヘリカル巻き工程を有する。ここで、ヘリカル巻き工程によって形成されるヘリカル層３２は、曲げ強度が求められる肩部１４の強度確保に寄与する。この製造方法によれば、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１にプラズマＰが照射されているため、肩部１４における強度を向上させることができる。特に、プラズマＰの照射によって補強部材２０Ｂの曲げ強度が好適に向上するために、肩部１４における曲げ強度を好適に向上することができ、肩部１４における応力集中の発生を抑制することができる。
また、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける際に、プラズマＰが照射された強化繊維２１を備える補強部材２０Ａを胴部１１に対して円周方向に沿って巻き付けるフープ巻き工程をさらに有する。フープ巻き工程において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１は、ヘリカル巻き工程において巻き付けられる補強部材２０Ｂを構成する強化繊維２１よりも、プラズマＰの照射量が少ない。この製造方法によって製造された高圧ガス貯蔵容器１によれば、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１にプラズマＰが照射されているため、胴部１１における強度を向上させることができる。一方、比較的強度が求められないフープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１に対しては、プラズマＰの照射強度を低減することができる。したがって、プラズマガスの使用量を低減することができ、ランニングコストを低減させることができる。
また、プラズマＰの照射量が相対的に少ない場合の強化繊維２１の搬送速度は、プラズマＰの照射量が相対的に多い場合の強化繊維２１の搬送速度よりも速い。この製造方法によれば、製造時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
また、ヘリカル巻き工程における強化繊維２１の搬送速度の変化に応じて、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量が一定となるように、プラズマＰの照射強度を調整する。この製造方法によれば、補強層３０を構成する一つの層３１、３２における、補強部材２０に強度のばらつきが発生することを抑制することができる。
また、強化繊維２１の表面２１Ａに、表面２１Ａに直交する直交方向に対して傾斜した方向からプラズマＰを照射する。この構成によれば、プラズマＰは、強化繊維２１の表面２１Ａに傾斜して照射されるため、プラズマガスの圧縮が抑制され、かつ中心の高温部分を逃して照射することができる。したがって、強化繊維２１の損傷を低減しつつ、効率よくプラズマＰを強化繊維２１に照射して強化繊維２１に酸性官能基を付与することができる。
＜改変例１＞
以下、上述した実施形態の改変例について説明する。
改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器２は、ヘリカル層３２０の構成が、上述した実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１と相違する。図７は、改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器２を示す図である。なお、図７では、理解の容易のため、フープ層３１の図示は省略する。
改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器２のヘリカル層３２０は、図７に示すように、補強部材２０Ｃを軸方向Ｘに対して第１傾斜角θ１だけ傾斜した角度で巻き付けてなる第１ヘリカル層３２１を有する。また、ヘリカル層３２０は、補強部材２０Ｄを軸方向Ｘに対して第１傾斜角θ１よりも小さい第２傾斜角θ２だけ傾斜した角度で巻き付けてなる第２ヘリカル層３２２を有する。
ここで、第１傾斜角θ１と第２傾斜角θ２の境界角度を、円筒部品の内圧に対する強度を理論上最適に確保することのできる傾斜角である５５度とする。このとき、第１ヘリカル層３２１は、フープ層３１の効果、すなわち、胴部１１の円周方向の強度確保に寄与する影響が大きい。一方、第２ヘリカル層３２２は、第１ヘリカル層３２１に比して、肩部１４の強度確保に寄与する影響が大きい。このため、第２ヘリカル層３２２において巻き付けられる補強部材２０Ｄは、第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃよりも、強度が高く構成される。したがって、補強部材２０Ｄを構成する強化繊維２１には、補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１よりも、プラズマＰの照射量が多い。
次に、改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器２の製造方法を説明する。
ここでは、プラズマＰを照射する工程および補強部材２０を巻き付ける工程についてのみ説明する。
プラズマＰを照射する工程は、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１にプラズマＰを照射する第１照射工程を有する。また、プラズマＰを照射する工程は、第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１にプラズマＰを照射する第３照射工程を有する。また、プラズマＰを照射する工程は、第２ヘリカル層３２２において巻き付けられる補強部材２０Ｄを構成する強化繊維２１にプラズマＰを照射する第４照射工程を有する。
第３照射工程において照射されるプラズマＰの照射量は、第４照射工程において照射されるプラズマＰの照射量よりも少ない。また、第３照射工程において照射されるプラズマＰの照射量は、第１照射工程において照射されるプラズマＰの照射量よりも多い。
補強部材２０を巻き付ける工程は、補強部材２０Ａを、胴部１１に対して、円周方向に沿って巻き付けるフープ巻き工程を有する。また、補強部材２０を巻き付ける工程は、補強部材２０Ｃを、胴部１１および鏡部１２に対して、軸方向Ｘに対して第１傾斜角θ１だけ傾斜した角度で巻き付ける第１ヘリカル巻き工程を有する。また、補強部材２０を巻き付ける工程は、補強部材２０Ｄを、胴部１１および鏡部１２に対して、軸方向Ｘに対して第２傾斜角θ２だけ傾斜した角度で巻き付ける第２ヘリカル巻き工程を有する。
以上説明したように、改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器２のヘリカル層３２０は、第１ヘリカル層３２１と、第２ヘリカル層３２２と、を有する。第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１は、第２ヘリカル層３２２において巻き付けられる補強部材２０Ｄを構成する強化繊維２１よりも、プラズマＰが照射される量が少なくなるように構成してなる。このように構成された高圧ガス貯蔵容器２によれば、第２ヘリカル層３２２に比して強度が求められない第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１に対しては、プラズマＰの照射強度を低減することができる。したがって、プラズマガスの使用量を低減することができ、ランニングコストを低減させることができる。
また、第１ヘリカル層３２１は、補強部材２０Ｃが軸方向Ｘに対して５５度以上傾斜した角度で巻き付けてなり、第２ヘリカル層３２２は、補強部材２０Ｄが軸方向Ｘに対して５５度未満傾斜した角度で巻き付けてなる。ここで、補強部材２０を軸方向Ｘに対して５５度傾斜した角度で巻き付ける場合、高圧ガスからの内圧に対するライナー１０の強度を理論上最適に確保することができる。このため、第１ヘリカル層３２１は、フープ層３１の効果、すなわち、胴部１１の円周方向の強度確保に寄与する影響が大きくなる。一方、第２ヘリカル層３２２は、第１ヘリカル層３２１に比して、肩部１４の強度確保に寄与する影響が大きくなる。したがって、フープ層３１、第１ヘリカル層３２１、第２ヘリカル層３２２を構成する強化繊維２１に対するプラズマＰの照射する配分を最適化することができる。
また、ヘリカル巻き工程は、第１ヘリカル巻き工程と、第２ヘリカル巻き工程と、を有する。第１ヘリカル巻き工程において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１は、第２ヘリカル巻き工程において巻き付けられる補強部材２０Ｄを構成する強化繊維２１よりも、プラズマＰが照射される量が少ない。この製造方法によれば、比較的強度が求められない第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１に対しては、プラズマＰの照射強度を低減することができる。したがって、プラズマガスの使用量を低減することができ、ランニングコストを低減させることができる。
また、第１ヘリカル巻き工程において、補強部材２０Ｃを軸方向Ｘに対して５５度以上傾斜した角度で巻き付け、第２ヘリカル巻き工程において、補強部材２０Ｄを軸方向Ｘに対して５５度未満傾斜した角度で巻き付ける。ここで、補強部材２０を軸方向Ｘに対して５５度傾斜した角度で巻き付ける場合、高圧ガスからの内圧に対するライナー１０の強度を理論上最適に確保することができる。このため、第１ヘリカル層３２１は、フープ層３１の効果、すなわち、胴部１１の円周方向の強度確保に寄与する影響が大きくなる。一方、第２ヘリカル層３２２は、第１ヘリカル層３２１に比して、肩部１４の強度確保に寄与する影響が大きくなる。したがって、フープ層３１、第１ヘリカル層３２１、第２ヘリカル層３２２を構成する強化繊維２１に対するプラズマＰの照射する配分をより最適化することができる。
本発明は、上述した実施形態および改変例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。
上述した実施形態では、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１にはプラズマＰが照射された。しかしながら、フープ層３１において巻き付けられる補強部材２０Ａを構成する強化繊維２１にはプラズマＰが照射されなくてもよい。このように構成された高圧ガス貯蔵容器および高圧ガス貯蔵容器の製造方法によれば、プラズマガスの使用量をより低減することができるため、ランニングコストをより低減させることができる。
また、上述した改変例１では、第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１にはプラズマＰが照射された。しかしながら、第１ヘリカル層３２１において巻き付けられる補強部材２０Ｃを構成する強化繊維２１にはプラズマＰが照射されなくてもよい。
また、上述した実施形態および改変例１では、補強層３０を構成する全ての強化繊維２１にプラズマＰが照射されていた。しかしながら、補強層３０を構成する強化繊維２１の任意の箇所であって少なくとも一部にプラズマＰが照射される形態であれば、本発明に含まれるものとする。
また、上述した実施形態では、ライナー１０は円筒状を有したが、四角柱形状等であってもよい。
また、上述した改変例１では、第１ヘリカル層３２１と第２ヘリカル層３２２の境界となる角度を５５度に設定したが、これに限定されない。
さらに、本出願は、２０１６年３月４日に出願された日本特許出願番号２０１６−０４２７３０号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
１、２ 高圧ガス貯蔵容器、
１０ ライナー、
１０Ａ ライナーの外周面、
１１ 胴部、
１２ 鏡部、
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 補強部材、
２１ 強化繊維、
２２ 樹脂、
３０ 補強層、
３１ フープ層、
３２、３２０ ヘリカル層、
３２１ 第１ヘリカル層、
３２２ 第２ヘリカル層、
Ｐ プラズマ。
【０００２】
高圧ガス貯蔵容器の製造方法を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記目的を達成する本発明に係る高圧ガス貯蔵容器は、高圧ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成した補強層と、を有する。前記補強部材は、樹脂が含浸され、かつ、少なくとも一部にプラズマが照射された強化繊維からなる。前記ライナーは、軸方向の中央に筒状に設けられる胴部と、前記胴部の前記軸方向の両側に設けられ前記軸方向の外方に向けて漸減するように湾曲する鏡部と、前記胴部の内周面および前記鏡部の内周面の境界に設けられる肩部と、を有する。少なくとも前記肩部の外周面に巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記プラズマが照射されてなる。
［０００９］
また、上記目的を達成する本発明に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法は、高圧ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成した補強層と、を有する高圧ガス貯蔵容器の製造方法である。高圧ガス貯蔵容器の製造方法は、強化繊維の少なくとも一部にプラズマを照射し、前記強化繊維に樹脂を含浸させて前記補強部材を形成し、前記補強部材を前記ライナーの前記外周面に巻き付ける。また、前記強化繊維の搬送速度の変化に応じて、前記強化繊維に対する前記プラズマの照射量が一定となるように、前記プラズマの照射強度を調整する。
図面の簡単な説明
［００１０］
［図１］本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器を示す図である。
［図２］高圧ガス貯蔵容器のライナーを示す断面図である。
［図３］樹脂が含浸された強化繊維からなる補強部材の一部を示す断面図である。
［図４Ａ］プラズマを照射することによって、引張強度が向上する様子を示すグラフである。
［図４Ｂ］プラズマを照射することによって、曲げ強度が向上する様子を示すグラフである。
［図５］高圧ガス貯蔵容器の製造装置を示す図である。
［図６］高圧ガス貯蔵容器の製造方法を示すフローチャートである。
［図７］改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器を示す図である。
発明を実施するための形態
［００１１］
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは

Claims (15)

  1. 高圧ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成した補強層と、を有する高圧ガス貯蔵容器であって、
    前記補強部材は、樹脂が含浸され、かつ、少なくとも一部にプラズマが照射された強化繊維からなる高圧ガス貯蔵容器。
  2. 前記ライナーは、軸方向の中央に筒状に設けられる胴部と、前記胴部の前記軸方向の両側に設けられ前記軸方向の外方に向けて漸減するように湾曲する鏡部と、を有し、
    前記補強層は、前記補強部材を前記胴部に対して円周方向に沿って巻き付けてなるフープ層と、前記補強部材を前記胴部および前記鏡部に対して螺旋状に巻き付けてなるヘリカル層と、を有し、
    前記ヘリカル層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記プラズマが照射されてなる請求項１に記載の高圧ガス貯蔵容器。
  3. 前記フープ層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記プラズマが照射されてなり、
    前記フープ層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記ヘリカル層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維よりも、前記プラズマが照射される量が少なくなるように構成してなる、請求項２に記載の高圧ガス貯蔵容器。
  4. 前記フープ層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維に対して、前記プラズマが照射される量はゼロである、請求項２に記載の高圧ガス貯蔵容器。
  5. 前記ヘリカル層は、前記補強部材を前記軸方向に対して第１傾斜角だけ傾斜した角度で巻き付けてなる第１ヘリカル層と、前記補強部材を前記軸方向に対して前記第１傾斜角よりも小さい第２傾斜角だけ傾斜した角度で巻き付けてなる第２ヘリカル層と、を有し、
    前記第１ヘリカル層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記第２ヘリカル層において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維よりも、前記プラズマが照射される量が少なくなるように構成してなる、請求項２〜４のいずれか１項に記載の高圧ガス貯蔵容器。
  6. 前記第１ヘリカル層は、前記補強部材が前記軸方向に対して５５度以上傾斜した角度で巻き付けてなり、
    前記第２ヘリカル層は、前記補強部材が前記軸方向に対して５５度未満傾斜した角度で巻き付けてなる、請求項５に記載の高圧ガス貯蔵容器。
  7. 高圧ガスを収容するライナーと、前記ライナーの外周面に帯状の補強部材を巻き付けて形成した補強層と、を有する高圧ガス貯蔵容器の製造方法であって、
    強化繊維の少なくとも一部にプラズマを照射し、
    前記強化繊維に樹脂を含浸させて前記補強部材を形成し、
    前記補強部材を前記ライナーの前記外周面に巻き付ける高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  8. 前記補強部材を前記ライナーの前記外周面に巻き付ける際に、
    前記プラズマが照射された前記強化繊維を備える前記補強部材を前記ライナーに対して、螺旋状に巻き付けるヘリカル巻き工程を有する請求項７に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  9. 前記補強部材を前記ライナーの前記外周面に巻き付ける際に、
    前記プラズマが照射された前記強化繊維を備える前記補強部材を前記ライナーのうち軸方向の中央に筒状に設けられる胴部に対して、円周方向に沿って巻き付けるフープ巻き工程をさらに有し、
    前記フープ巻き工程において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記ヘリカル巻き工程において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維よりも、前記プラズマの照射量が少ない、請求項８に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  10. 前記補強部材を前記ライナーのうち軸方向の中央に筒状に設けられる胴部に対して、円周方向に沿って巻き付けるフープ巻き工程をさらに有し、
    前記フープ巻き工程において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維に対する前記プラズマの照射量はゼロである、請求項８に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  11. 前記ヘリカル巻き工程は、
    前記補強部材を軸方向に対して第１傾斜角だけ傾斜した角度で巻き付ける第１ヘリカル巻き工程と、
    前記補強部材を前記軸方向に対して前記第１傾斜角よりも小さい第２傾斜角だけ傾斜した角度で巻き付ける第２ヘリカル巻き工程と、を有し、
    前記第１ヘリカル巻き工程において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維は、前記第２ヘリカル巻き工程において巻き付けられる前記補強部材を構成する前記強化繊維よりも、前記プラズマの照射量が少ない、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  12. 前記第１ヘリカル巻き工程において、前記補強部材を前記軸方向に対して５５度以上傾斜した角度で巻き付け、
    前記第２ヘリカル巻き工程において、前記補強部材を前記軸方向に対して５５度未満傾斜した角度で巻き付ける請求項１１に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  13. 前記プラズマの照射量が相対的に少ない場合の前記強化繊維の搬送速度は、前記プラズマの照射量が相対的に多い場合の前記強化繊維の搬送速度よりも速い請求項９〜１２のいずれか１項に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  14. 前記ヘリカル巻き工程における前記強化繊維の搬送速度の変化に応じて、
    前記強化繊維に対する前記プラズマの照射量が一定となるように、前記プラズマの照射強度を調整する請求項８〜１３のいずれか１項に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
  15. 前記強化繊維の表面に、前記表面に直交する直交方向に対して傾斜した方向から前記プラズマを照射する請求項７〜１４のいずれか１項に記載の高圧ガス貯蔵容器の製造方法。
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