JPWO2017149818A1 - 構造体、および構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】適切な強度を保ちつつ、肉厚を低減することによって、製品全体として軽量化することができる構造体を提供する。【解決手段】樹脂（２２）が含浸された強化繊維（２１）からなる補強部材（２０）を備える構造体であって、補強部材（２０）は、強化繊維（２１）に対してプラズマ（Ｐ）が照射されてなる第１領域（Ａ１）と、強化繊維（２１）に対して第１領域（Ａ１）よりも少ない量のプラズマ（Ｐ）が照射されてなる第２領域（Ａ２）と、を有し、第１領域（Ａ１）を第２領域（Ａ２）よりも強度が求められる箇所に位置させて、補強部材（２０）を設けてなる。

Description

本発明は、構造体、および構造体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。具体的には、自動車用の燃料として使用される水素ガスなどが貯蔵される高圧ガス貯蔵容器の外周に補強部材が巻き付けられている。また、自動車の軽量化を目的に、自動車のパネルに、補強部材が用いられている。

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、上述の高圧ガス貯蔵容器や自動車のパネルは、部位によって応力が異なる。しかしながら、最大応力がかかる箇所において破損が生じないように設計が行われているため、製品全体としてみたときに、応力に対して過大に肉厚となっている箇所があり、製品全体として重さが増大する。

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、適切な強度を保ちつつ、肉厚を低減することによって、製品全体として軽量化することのできる構造体および構造体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構造体は、樹脂が含浸された強化繊維からなる補強部材を備える構造体である。前記補強部材は、前記強化繊維に対してプラズマが照射されてなる第１領域と、前記強化繊維に対して前記第１領域よりも少ない量の前記プラズマが照射されてなる、または、前記プラズマが照射されない第２領域と、を有する。構造体は、前記第１領域を前記第２領域よりも強度が求められる箇所に位置させて、前記補強部材を設けてなる。

また、上記目的を達成する本発明に係る構造体の製造方法は、樹脂が含浸された強化繊維からなる補強部材を備える構造体の製造方法である。構造体の製造方法は、前記強化繊維に対してプラズマを照射して、前記樹脂を含浸させて、前記補強部材に第１領域を形成する。そして、前記強化繊維に対して前記第１領域よりも少ない量の前記プラズマを照射して、または、前記プラズマを照射することなく、前記樹脂を含浸させて、前記補強部材に第２領域を形成する。そして、前記第１領域を前記第２領域よりも強度が求められる箇所に位置させる。

本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器を示す図である。 ライナーの外周面に補強部材が巻き付けられる前の様子を示す図である。 ライナーの外周面に補強部材が巻き付けられた後の様子を示す図である。 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。 プラズマの照射量分布を示すグラフである。 補強層に発生する応力と補強層の材料強度との関係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。 補強部材をライナーに巻き付ける様子を示す図である。 高圧ガス貯蔵容器の効果を説明するための図である。 高圧ガス貯蔵容器の効果を説明するための図である。 高圧ガス貯蔵容器の効果を説明するための図である。 高圧ガス貯蔵容器に作用する圧力とひずみとの関係を示すグラフである。 高圧ガス貯蔵容器の外周側においてクラックが発生する様子を示す図である。 改変例１に係るプラズマの照射量分布を示すグラフである。 改変例２に係るプラズマの照射量分布を示すグラフである。 改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器の効果を説明するための図である。 改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器の効果を説明するための図である。 改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器の効果を説明するための図である。 自動車のパネルを示す模式図である。

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。本実施形態では構造体の一例として、補強部材２０がライナー１０（芯部材に相当）の外周面１０Ａに巻き付けてなる高圧ガス貯蔵容器１を挙げて説明する。

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、ライナー１０の外周面１０Ａに補強部材２０が巻き付けられる前の様子を示す図である。図３は、ライナー１０の外周面１０Ａに補強部材２０が巻き付けられた後の様子を示す図である。図４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。図５は、プラズマＰの照射量分布を示すグラフである。図６は、補強層３０に発生する応力と補強層３０の材料強度との関係を示すグラフである。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。また、図２では、プラズマＰの照射および樹脂２２を含浸する様子は省略する。

＜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〜図３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、高圧ガス貯蔵容器１は、図４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を備える。補強部材２０は、図２、５に示すように、強化繊維２１に対してプラズマＰが照射されてなる第１領域Ａ１と、強化繊維２１に対して第１領域Ａ１よりも少ない量のプラズマＰが照射されてなる第２領域Ａ２と、を有する。第１領域Ａ１は、第２領域Ａ２よりも強度が求められる、補強層３０の内周側に位置する。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。

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、図２、３に示すように、補強部材２０の巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂまでを、ライナー１０の外周面１０Ａに、所定数巻き付けることによって形成する。本明細書において、巻き始め端部２０ａとは、補強部材２０がライナー１０の外周面１０Ａに巻き始められる際の端部を意味し、巻き終わり端部２０ｂとは、補強部材２０がライナー１０の外周面１０Ａに巻き終わる際の端部を意味する。

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。

補強層３０は、図１に示すように、補強部材２０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２０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。すなわち、例えば、補強部材２０をフープ層３１が２層形成するように巻き付けた後に、ヘリカル層３２が２層形成するように巻き付けてもよい。

フープ層３１は、補強部材２０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に寄与する。ヘリカル層３２は、補強部材２０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。

補強層３０を構成する補強部材２０は、図４に示すように、樹脂２２が含浸された強化繊維２１からなる。

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は、図２、５に示すように、補強層３０を構成する補強部材２０の内周側の第１領域Ａ１において、プラズマＰが比較的多く照射され、補強層３０を構成する補強部材２０の外周側の第２領域Ａ２において、プラズマＰが比較的少なく照射される。より具体的には、強化繊維２１は、図５に示すように、補強部材２０の巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、プラズマＰの照射量が連続的に漸減してなる。

このようにプラズマＰが照射された強化繊維２１からなる補強部材２０は、プラズマＰの照射量分布と同様に、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強度が連続的に漸減する。

そして、このような補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けて補強層３０を形成する。このとき、補強層３０の径方向ｒ（図３参照）に沿う強度分布は、図６の実線に示すように、径方向ｒの内周側から外周側に向かって強度が低下した分布となる（図６矢印参照）。

一方、高圧ガス貯蔵容器１には、ライナー１０の内部に貯蔵された高圧ガスから内圧が作用して、これに起因して、補強層３０には、応力σが発生する。

補強層３０に発生する応力σは、図３に示すように、高圧ガスの内圧をＰ、補強層３０の最外周における径をｒ２、補強層３０の最内周における径をｒ１とすると、径方向ｒの位置Ｒにおいて、下記式（１）によって示される。

このように、補強層３０に発生する応力σは、図６の点線に示すように、内周側から外周側にかけて連続的に漸減する。

本実施形態において、補強部材２０は、図６に示すように、補強層３０に発生する応力σに対して耐えうる強度を有している。

補強部材２０を構成する強化繊維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。

補強部材２０を構成する樹脂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。

＜高圧ガス貯蔵容器の製造装置＞
次に、図７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７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７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、本実施形態において、「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７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７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７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７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７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８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７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を照射する工程では、補強部材２０の巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対して、プラズマＰを連続的に漸減しながら照射する（図５参照）。

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、搬送方向の前方側から後方側に向けて、照射部１２０の照射強度が弱くなるように調整する操作、および、強化繊維２１の搬送速度を早くする操作の少なくとも一方の操作を行って、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量を連続的に漸減させる。

次に、プラズマＰが照射された強化繊維２１に樹脂２２を含浸させて補強部材２０を形成する（Ｓ０３）。

補強部材２０の強度は、プラズマＰの照射量分布と同様に、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って連続的に漸減する。

次に、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けて補強層３０を形成する（Ｓ０４）。

補強部材２０の強度は、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って連続的に漸減するために、補強部材２０を巻き付けて形成する補強層３０は、径方向ｒに沿って、図６の実線に示す強度分布を備える。

また、図９に示すように、一定の角速度ωでライナー１０を回転させて、補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける場合、巻き付ける際の径に応じて、強化繊維２１の搬送速度が変化する。具体的には、より外周側において補強部材２０が巻き付けられる場合、強化繊維２１の搬送速度は速くなる。したがって、搬送方向の前方側から後方側に向けて、強化繊維２１の搬送速度は速くなる。したがって、補強部材２０の巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量は漸減する。本実施形態では、これに加えて、角速度ωを早くしたり、照射部１２０の照射強度を弱くしたりして、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量を漸減させることが好ましい。

次に、図１０Ａ〜図１２を参照して、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の効果を説明する。

図１０Ａは、プラズマＰを照射しない場合における、補強層に発生する応力と補強層の材料強度との関係を示すグラフである。

このとき、高い応力が発生する補強層の内周側において強度設計を行っている。このため、図１０Ａにおいて符号Ｓ１で示される面積に相当する過剰な強度設計が行われており、高圧ガス貯蔵容器の重さが増大している。

これに比して、ライナー１０の外周面１０Ａに対して上述の補強部材２０を巻き付けてなる補強層３０の場合、図１０Ｂに示すように、補強層３０の強度は外周側から内周側に向けて増大するように向上する（図１０Ｂ矢印参照）。そして、補強層３０の強度が向上した分、外周側に加えて内周側にも強度の余裕代が発生する。

そして、補強層３０の強度分布を超えない程度に、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける補強部材２０の量を低減することができる。この結果、図１０Ｃに示すように、補強層３０に発生する応力は増大するが、図１０Ｃにおいて符号Ｓ２で示される面積は、図１０Ａにおいて符号Ｓ１で示される面積よりも小さくなる。このため、過剰な強度設計は緩和されることになる。よって、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０のライナー１０に対して巻き付ける量を低減して補強層３０の肉厚を低減することで、高圧ガス貯蔵容器１を軽量化することができる。

また、図１１は、高圧ガス貯蔵容器に作用する圧力とひずみとの関係を示すグラフである。図１１において、横軸は圧力を示し、縦軸はひずみを示している。また、図１１においてひし形のプロットを含む直線は、プラズマが照射されていない強化繊維を含む高圧ガス貯蔵容器の圧力とひずみとの関係を示す。また、矩形状のプロットを含む直線は、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１の圧力とひずみとの関係を示す。また、図１１において、ひずみは実験値を示しており、補強層の外周側に貼り付けられたひずみゲージによって測定される。

図１１に示すように、強化繊維２１に対してプラズマＰを照射することによって、ひずみの数値が低下することが分かる。すなわち、プラズマＰを照射することによって、補強部材２０の強度が向上することが分かる。

また、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１によれば、補強部材２０を構成する強化繊維２１は、補強部材２０のライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、プラズマＰの照射量が連続的に漸減してなる。よって、補強層３０の外周側よりも内周側の強度を高めることができる。したがって、外周側において意図しない外力Ｆ１が、高圧ガス貯蔵容器１に作用した場合、図１２に示すように、外周側に優先的にクラックＣを発生させることができる。よって、外観によってクラック発生部位を検知することができ、検知性を向上することができる。

また、本実施形態に係る高圧ガス貯蔵容器１によれば、補強部材２０を構成する強化繊維２１は、補強部材２０のライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、プラズマＰの照射量が連続的に漸減してなる。よって、補強部材２０の強度分布は、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに向かって、連続的に漸減するため、層３１、３２間のせん断破壊の発生を好適に抑制することができる。

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、樹脂２２が含浸された強化繊維２１からなる補強部材２０を備える構造体である。補強部材２０は、強化繊維２１に対してプラズマＰが照射されてなる第１領域Ａ１と、強化繊維２１に対して第１領域Ａ１よりも少ない量のプラズマＰが照射されてなる第２領域Ａ２と、を有する。また高圧ガス貯蔵容器１は、第１領域Ａ１を第２領域Ａ２よりも強度が求められる箇所に位置させて、補強部材２０を設けてなる。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。このため、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の強度を向上させることができる。そして、相対的に多くのプラズマＰを照射することによって相対的に強度が向上した第１領域Ａ１を、強度が求められる補強層３０の内周側に位置させる。したがって、肉厚を低減したとしても、プラズマＰが照射されることによって強度が向上しているため、適切な強度を保つことができる。以上から、適切な強度を保ちつつ、肉厚を低減することによって、全体として軽量化することができる。

また、高圧ガス貯蔵容器１は、ライナー１０である芯部材をさらに有し、補強部材２０は帯状を有する。帯状の補強部材２０は、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けられて複数の層からなる補強層３０を構成する。補強層３０は、当該補強層３０の内周側が第１領域Ａ１によって構成され、当該補強層３０の外周側が第２領域Ａ２によって構成される。このように構成した構造体によれば、補強層３０の内周側の強度を高くすることができる。したがって、補強層３０の内周側に高い圧力が作用するような構造体に対しても、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０を巻き付ける量を低減することができる。したがって、補強層３０の肉厚を低減して、製品全体として軽量化することができる。

また、芯部材は、高圧ガスを収容するライナー１０である。このため、高圧ガス貯蔵容器１に対して、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０を巻き付ける量を低減することができる。したがって、補強層３０の肉厚を低減して、製品全体として軽量化することができる。

また、補強部材２０は、ライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量が連続的に漸減してなる。この構成によれば、補強部材２０の強度は、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに向かって連続的に漸減するため、層３１、３２間のせん断破壊の発生を好適に抑制することができる。

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、樹脂２２が含浸された強化繊維２１からなる補強部材２０を備え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に対してプラズマＰを照射して、樹脂２２を含浸させて、補強部材２０に第１領域Ａ１を形成する。そして、強化繊維２１に対して第１領域Ａ１よりも少ない量のプラズマＰを照射して、樹脂２２を含浸させて、補強部材２０に第２領域Ａ２を形成する。そして、第１領域Ａ１を第２領域Ａ２よりも強度が求められる箇所に位置させる。こ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。このため、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の強度を向上させることができる。そして、相対的に多くのプラズマＰを照射することによって相対的に強度が向上した第１領域Ａ１を、強度が求められる補強層３０の内周側に位置させる。したがって、肉厚を低減したとしても、プラズマＰが照射されることによって強度が向上しているため、適切な強度を保つことができる。以上から、適切な強度を保ちつつ、肉厚を低減することによって、全体として軽量化することのできる高圧ガス貯蔵容器１を提供することができる。

また、帯状に構成される強化繊維２１を搬送し、搬送方向の前方側において、強化繊維２１に対してプラズマＰを照射して、樹脂２２を含浸させて、補強部材２０に第１領域Ａ１を形成する。また、搬送方向の後方側において、強化繊維２１に対して第１領域Ａ１よりも少ない量のプラズマＰを照射して、樹脂２２を含浸させて、補強部材２０に第２領域Ａ２を形成する。そして、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２が形成された補強部材２０をライナー１０である芯部材に巻き付ける。この製造方法によれば、補強層３０の内周側の強度を高くすることができる。したがって、補強層３０の内周側に高い圧力が作用するような構造体に対しても、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０を巻き付ける量を低減することができる。したがって、補強層３０の肉厚を低減して、製品全体として軽量化することができる。

また、芯部材は、高圧ガスを収容するライナー１０である。このため、高圧ガス貯蔵容器１に対して、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０を巻き付ける量を低減することができる。したがって、補強層３０の肉厚を低減して、製品全体として軽量化することができる。

また、補強部材２０のライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強化繊維２１に対して、プラズマＰを連続的に漸減しながら照射する。この製造方法によれば、補強部材２０の強度が、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに向かって連続的に漸減する、高圧ガス貯蔵容器を製造することができる。このため、層３１、３２間のせん断破壊の発生を好適に抑制することができる。

また、プラズマ電圧、電流、周波数、電極、ガス条件の少なくとも一つを調整してプラズマＰの照射強度を調整することによって、プラズマＰの照射量を調整する。この製造方法によれば、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量を容易に調整することができる。したがって、図１０Ｃにおいて符号Ｓ２で示される面積が小さくなるように、補強部材２０の強度を調整することができる。このように、符号Ｓ２で示される面積がより小さくなることによって、過剰な強度設計がより緩和される。

また、プラズマＰを強化繊維２１に対して照射する際における強化繊維２１の搬送速度を変えることによって、プラズマＰの照射量を調整する。この製造方法によれば、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量が少ない補強層３０の外周側における強化繊維２１に対してプラズマＰを照射する際に、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、生産性が向上する。

また、強化繊維２１の表面２１Ａに、表面２１Ａに直交する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。この製造方法によれば、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。

＜改変例１＞
以下、上述した実施形態の改変例１について説明する。

改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器は、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量分布が、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１３は、改変例１に係るプラズマＰの照射量分布を示すグラフである。

改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器の強化繊維２１は、図１３に示すように、補強部材２０のライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、プラズマＰの照射量が段階的に漸減してなる。

より具体的には、図１３に示すように、フープ層３１ａにおいて、プラズマＰが一定量照射されている。また、フープ層３１ａの外周側に隣り合うヘリカル層３２において、フープ層３１ａよりも少ない量のプラズマＰが照射されている。さらに、ヘリカル層３２の外周側に隣り合うフープ層３１ｂにおいて、ヘリカル層３２よりも少ない量のプラズマＰが照射されている。以下、ヘリカル層３２、フープ層３１の順で、外周側に向けて、段階的にプラズマＰの照射量が漸減する。

このようにプラズマＰが照射された強化繊維２１からなる補強部材２０は、プラズマＰの照射量分布と同様に、巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強度が段階的に漸減する。

そして、このような補強部材２０をライナー１０の外周面１０Ａに巻き付けて補強層３０を形成した場合、補強層３０の径方向ｒに沿う強度分布は、上述した実施形態に係る補強層３０の強度分布と同様に、径方向ｒの内周側から外周側に向かって強度が低下する。

次に、改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法を説明する。

ここでは、プラズマＰを照射する工程についてのみ説明する。

プラズマＰを照射する工程では、補強部材２０のライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対して、プラズマＰを段階的に漸減しながら照射する。以下、プラズマＰを照射する工程について詳述する。

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２０を構成する強化繊維２１にプラズマＰを一定量照射する第１照射工程を有する。また、プラズマＰを照射する工程は、ヘリカル層３２において巻き付けられる補強部材２０を構成する強化繊維２１にプラズマＰを一定量照射する第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、第１照射工程から第２照射工程に切り替わる際、および第２照射工程から第１照射工程に切り替わる際に、プラズマＰの照射量を減らす。

以上説明したように、改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器において、補強部材２０は、ライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量が段階的に漸減してなる。このように構成した高圧ガス貯蔵容器によれば、補強層３０の内周側の強度を高くすることができる。したがって、補強層３０の内周側に高い圧力が作用するような高圧ガス貯蔵容器に対しても、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０を巻き付ける量を低減することができる。したがって、補強層３０の肉厚を低減して、製品全体として軽量化することができる。

また、補強層３０は、層３１、３２ごとに、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量が段階的に漸減してなる。このため、一つの層３１、３２におけるプラズマＰの照射量は一定となる。よって、一つの層３１、３２における補強層３０の強度を一定にすることができるため、好適な強度分布を備える高圧ガス貯蔵容器を提供することができる。

また、改変例１に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法は、補強部材２０のライナー１０に対する巻き始め端部２０ａから巻き終わり端部２０ｂに亘って、強化繊維２１に対して、プラズマＰを段階的に漸減しながら照射する。この製造方法によれば、補強層３０の内周側の強度を高い高圧ガス貯蔵容器を製造することができる。したがって、内周側に高い圧力が作用するような高圧ガス貯蔵容器に対しても、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０を巻き付ける量を低減することができる。したがって、補強層３０の肉厚を低減して、製品全体として軽量化することができる。

また、プラズマＰを強化繊維２１に対して照射する際に、プラズマＰを照射する対象が、一の層における強化繊維２１から、一の層の外周側において隣り合う他の層における強化繊維２１に切り替わる際に、プラズマＰの照射量を減らす。この製造方法によれば、一つの層３１、３２におけるプラズマＰの照射量は一定となる。よって、一つの層３１、３２における補強層３０の強度を一定にすることができるため、好適な強度分布を備える高圧ガス貯蔵容器を提供することができる。

＜改変例２＞
以下、上述した実施形態の改変例２について説明する。

改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器は、強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量分布が、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１４は、改変例２に係るプラズマＰの照射量分布を示すグラフである。

改変例２において、図１４に示すように、巻き始め端部２０ａから、巻き始め端部２０ａと巻き終わり端部２０ｂとの間に位置する途中部位２０ｃ（図２参照）までにおける補強部材２０を構成する強化繊維２１には、プラズマＰが一定量照射されてなる。また、途中部位２０ｃから巻き終わり端部２０ｂまでにおける補強部材２０を構成する強化繊維２１には、プラズマＰは照射されない。

このようにプラズマＰが照射された強化繊維２１からなる補強部材は、プラズマＰの照射量分布と同様に、巻き始め端部２０ａから途中部位２０ｃまでのみにおいて、強度が向上した強度分布を備える。

次に、改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法を説明する。

ここでは、プラズマＰを照射する工程についてのみ説明する。

プラズマＰを照射する工程では、巻き始め端部２０ａから途中部位２０ｃに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対して、プラズマＰを一定量照射する。そして、その後、プラズマＰの照射をやめる。すなわち、途中部位２０ｃから巻き終わり端部２０ｂに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対してはプラズマＰを照射しない。

次に、図１５Ａ〜図１５Ｃを参照して、改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器の効果を説明する。

図１５Ａは、プラズマＰを照射しない場合における、補強層に発生する応力と補強層の材料強度との関係を示すグラフである。

このとき、上述したように、高い応力が発生する補強層の内周側において強度設計を行っている。このため、図１５Ａにおいて符号Ｓ１で示される面積に相当する過剰な強度設計が行われており、高圧ガス貯蔵容器の重さが増大している。

これに比して、ライナー１０の外周面１０Ａに対して改変例２に係る補強部材２０を巻き付けてなる補強層３０の場合、図１５Ｂに示すように、補強層３０の内周側における強度は向上する（図１５Ｂ矢印参照）。そして、補強層３０の内周側における強度が向上した分、外周側に加えて内周側にも強度の余裕代が発生する。

そして、補強層３０の強度分布を超えない程度に、ライナー１０の外周面１０Ａに巻き付ける補強部材２０の量を低減することができる。この結果、図１５Ｃに示すように、補強層３０に発生する応力は増大するが、図１５Ｃにおいて符号Ｓ３で示される面積は、図１５Ａにおいて符号Ｓ１で示される面積よりも小さくなる。このため、過剰な強度設計は緩和されることになる。よって、適切な強度を保ちつつ、補強部材２０のライナー１０に対して巻き付ける量を低減して補強層３０の肉厚を低減することで、高圧ガス貯蔵容器を軽量化することができる。

以上説明したように、改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器において、巻き始め端部２０ａから途中部位２０ｃまでにおける補強部材２０は、強化繊維２１に対して、プラズマＰが一定量照射されてなる。また、途中部位２０ｃから巻き終わり端部２０ｂまでにおける補強部材２０は、強化繊維２１に対して、プラズマＰが照射されない。このような補強部材２０を製造する際、プラズマＰの照射を途中部位２０ｃにおいて止めればよい。したがって、高圧ガス貯蔵容器を容易に製造することができる。

また、以上説明したように、改変例２に係る高圧ガス貯蔵容器の製造方法では、巻き始め端部２０ａから途中部位２０ｃに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対して、プラズマＰを一定量照射する。また、途中部位２０ｃから巻き終わり端部２０ｂに亘って、補強部材２０を構成する強化繊維２１に対して、プラズマＰを照射しない。この製造方法によれば、プラズマＰの照射を途中部位２０ｃにおいて止めればよいので、高圧ガス貯蔵容器を容易に製造することができる。

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、改変例１、および改変例２では、構造体としてライナー１０の外周面１０Ａに補強部材２０が巻き付けられてなる高圧ガス貯蔵容器を例に挙げて説明した。しかしながら、構造体として、図１６に示すような、自動車のパネル５に適用されてもよい。自動車のパネル５は、補強部材２０を芯部材としてパネル形状に形成されてなる。パネル５は、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法によって形成される。例えば、パネル５に対して、図１６に示す外力Ｆ２が作用する場合、相対的に多くのプラズマＰが照射されることによって相対的に強度が向上した第１領域Ａ１を、外力Ｆ２が作用する部位周辺に位置させる。これによって、肉厚を低減したとしても、プラズマＰが照射されることによって強度が向上しているため、適切な強度を保つことができる。以上から、適切な強度を保ちつつ、肉厚を低減することによって、全体として軽量化することのできるパネル５を提供することができる。

また、上述した実施形態では、プラズマ電圧、電流、周波数、電極、およびガス条件を調整することによって、プラズマＰの照射強度を調整した。しかしながら、照射部１２０および強化繊維２１との間にフィルターを設けることによって、プラズマＰの照射強度を調整してもよい。この構成によれば、プラズマ電圧、電流、周波数、電極、ガス条件を操作することなく、容易に強化繊維２１に対するプラズマＰの照射量を調整することができる。

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。

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２０１６−０４２７３３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 高圧ガス貯蔵容器（構造体）、
５ 自動車のパネル（構造体）、
１０ ライナー、
１０Ａ ライナーの外周面、
１１ 胴部、
１２ 鏡部、
２０ 補強部材、
２１ 強化繊維、
２２ 樹脂、
３０ 補強層、
３１ フープ層、
３２ ヘリカル層、
Ａ１ 第１領域、
Ａ２ 第２領域、
Ｐ プラズマ。

Claims (20)

1. 樹脂が含浸された強化繊維からなる補強部材を備える構造体であって、
   前記補強部材は、前記強化繊維に対してプラズマが照射されてなる第１領域と、前記強化繊維に対して前記第１領域よりも少ない量の前記プラズマが照射されてなる、または、前記プラズマが照射されない第２領域と、を有し、
   前記第１領域を前記第２領域よりも強度が求められる箇所に位置させて、前記補強部材を設けてなる構造体。
2. 芯部材をさらに有し、
   前記補強部材は帯状を有し、
   帯状の前記補強部材は、前記芯部材の外周面に巻き付けられて複数の層からなる補強層を構成し、
   前記補強層は、当該補強層の内周側が前記第１領域によって構成され、当該補強層の外周側が前記第２領域によって構成される請求項１に記載の構造体。
3. 前記芯部材は、高圧ガスを収容するライナーである請求項２に記載の構造体。
4. 前記補強部材は、前記芯部材に対する巻き始め端部から巻き終わり端部に亘って、前記強化繊維に対する前記プラズマの照射量が連続的に漸減してなる請求項２または３に記載の構造体。
5. 前記補強部材は、前記芯部材に対する巻き始め端部から巻き終わり端部に亘って、前記強化繊維に対する前記プラズマの照射量が段階的に漸減してなる請求項２または３に記載の構造体。
6. 前記補強層は、前記層ごとに、前記強化繊維に対する前記プラズマの照射量が段階的に漸減してなる請求項５に記載の構造体。
7. 前記芯部材に対する巻き始め端部から、当該巻き始め端部と巻き終わり端部との間に位置する途中部位までにおける前記補強部材は、前記強化繊維に対して、前記プラズマが一定量照射されてなり、
   前記途中部位から前記巻き終わり端部までにおける前記補強部材は、前記強化繊維に対して、前記プラズマが照射されていない請求項２または３に記載の構造体。
8. 前記補強部材を芯部材としてパネル形状に形成されてなる請求項１に記載の構造体。
9. 樹脂が含浸された強化繊維からなる補強部材を備える構造体の製造方法であって、
   前記強化繊維に対してプラズマを照射して、前記樹脂を含浸させて、前記補強部材に第１領域を形成し、
   前記強化繊維に対して前記第１領域よりも少ない量の前記プラズマを照射して、または、前記プラズマを照射することなく、前記樹脂を含浸させて、前記補強部材に第２領域を形成し、
   前記第１領域を前記第２領域よりも強度が求められる箇所に位置させる、構造体の製造方法。
10. 帯状に構成される前記強化繊維を搬送し、
    搬送方向の前方側において、前記強化繊維に対して前記プラズマを照射して、前記樹脂を含浸させて、前記補強部材に前記第１領域を形成し、
    前記搬送方向の後方側において、前記強化繊維に対して前記第１領域よりも少ない量の前記プラズマを照射して、前記樹脂を含浸させて、前記補強部材に前記第２領域を形成し、
    前記第１領域および前記第２領域が形成された前記補強部材を芯部材に巻き付ける請求項９に記載の構造体の製造方法。
11. 前記芯部材は、高圧ガスを収容するライナーである請求項１０に記載の構造体の製造方法。
12. 前記補強部材の前記芯部材に対する巻き始め端部から巻き終わり端部に亘って、前記強化繊維に対して、前記プラズマを連続的に漸減しながら照射する請求項１０または１１に記載の構造体の製造方法。
13. 前記補強部材の前記芯部材に対する巻き始め端部から巻き終わり端部に亘って、前記強化繊維に対して、前記プラズマを段階的に漸減しながら照射する請求項１０または１１に記載の構造体の製造方法。
14. 前記プラズマを前記強化繊維に対して照射する際に、
    前記プラズマを照射する対象が、一の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から、前記一の層の外周側に隣り合う他の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切り替わる際に、前記プラズマの照射量を減らす請求項１３に記載の構造体の製造方法。
15. 前記補強部材の前記芯部材に対する巻き始め端部から、当該巻き始め端部と巻き終わり端部との間に位置する途中部位に亘って、前記補強部材を構成する前記強化繊維に対して、前記プラズマを一定量照射し、前記補強部材の前記途中部位から前記巻き終わり端部に亘って、前記補強部材を構成する前記強化繊維に対して、前記プラズマを照射しない請求項１０または１１に記載の構造体の製造方法。
16. 前記補強部材を芯部材としてパネル形状に形成する請求項９に記載の構造体の製造方法。
17. プラズマ電圧、電流、周波数、電極、ガス条件の少なくとも一つを調整して前記プラズマの照射強度を調整することによって、前記プラズマの照射量を調整する請求項９〜１６のいずれか１項に記載の構造体の製造方法。
18. 前記プラズマの照射部と前記強化繊維との間にフィルターを設けて、前記プラズマの照射強度を調整することによって、前記プラズマの照射量を調整する請求項９〜１７のいずれか１項に記載の構造体の製造方法。
19. 前記プラズマを前記強化繊維に対して照射する際における前記強化繊維の搬送速度を変えることによって、前記プラズマの照射量を調整する請求項９〜１８のいずれか１項に記載の構造体の製造方法。
20. 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９〜１９のいずれか１項に記載の構造体の製造方法。