KR20180108859A - 구조체, 및 구조체의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
적절한 강도를 유지하면서, 두께를 저감시킴으로써, 제품 전체적으로 경량화할 수 있는 구조체를 제공한다. 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)를 구비하는 구조체이며, 보강 부재(20)는, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)가 조사되어 이루어지는 제1 영역(A1)과, 강화 섬유(21)에 대하여 제1 영역(A1)보다도 적은 양의 플라즈마(P)가 조사되어 이루어지는 제2 영역(A2)을 갖고, 제1 영역(A1)을 제2 영역(A2)보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시켜, 보강 부재(20)를 설치하여 이루어진다.
Description
본 발명은 구조체, 및 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
근년, 자동차 부품으로서, 강화 섬유에 수지를 함침시킨 보강 부재가 주목을 받고 있다. 구체적으로는, 자동차용 연료로서 사용되는 수소 가스 등이 저장되는 고압 가스 저장 용기의 외주에 보강 부재가 감겨 있다. 또한, 자동차의 경량화를 목적으로, 자동차의 패널에, 보강 부재가 이용되고 있다.
일반적으로, 강화 섬유는 수지의 접착성이 낮기 때문에, 강화 섬유의 수지에 대한 접착성을 향상시킬 필요가 있다.
이에 관련하여, 예를 들어 하기의 특허문헌 1에는, 방향족 폴리아미드 섬유에 대하여 섬유의 배치면에 직교하는 방향으로부터 플라즈마를 조사함으로써, 방향족 폴리아미드 섬유의 표면을 개질하여 접착성을 개량하는 접착성 개량 방법이 개시되어 있다.
한편, 상술한 고압 가스 저장 용기나 자동차의 패널은, 부위에 따라 응력이 상이하다. 그러나, 최대 응력이 가해지는 개소에서 파손이 발생되지 않도록 설계가 행해지고 있기 때문에, 제품 전체적으로 보았을 때, 응력에 비해 과대하게 두께가 되고 있는 개소가 있어, 제품 전체적으로 무게가 증가한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것이며, 적절한 강도를 유지하면서, 두께를 저감시킴으로써, 제품 전체적으로 경량화할 수 있는 구조체, 및 구조체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하는 본 발명에 관한 구조체는, 수지가 함침된 강화 섬유를 포함하는 보강 부재를 구비하는 구조체이다. 상기 보강 부재는, 상기 강화 섬유에 대하여 플라즈마가 조사되어 이루어지는 제1 영역과, 상기 강화 섬유에 대하여 상기 제1 영역보다도 적은 양의 상기 플라즈마가 조사되어 이루어지는 또는 상기 플라즈마가 조사되지 않는 제2 영역을 갖는다. 구조체는, 상기 제1 영역을 상기 제2 영역보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시켜, 상기 보강 부재를 설치하여 이루어진다.
또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명에 관한 구조체의 제조 방법은, 수지가 함침된 강화 섬유를 포함하는 보강 부재를 구비하는 구조체의 제조 방법이다. 구조체의 제조 방법은, 상기 강화 섬유에 대하여 플라즈마를 조사하여, 상기 수지를 함침시켜, 상기 보강 부재에 제1 영역을 형성한다. 그리고, 상기 강화 섬유에 대하여 상기 제1 영역보다도 적은 양의 상기 플라즈마를 조사하거나, 또는 상기 플라즈마를 조사하지 않고, 상기 수지를 함침시켜, 상기 보강 부재에 제2 영역을 형성한다. 그리고, 상기 제1 영역을 상기 제2 영역보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시킨다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기를 나타내는 도면이다.
도 2는 라이너의 외주면에 보강 부재가 감기기 전의 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 라이너의 외주면에 보강 부재가 감긴 후의 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 수지가 함침된 강화 섬유를 포함하는 보강 부재의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 플라즈마의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 보강층에 발생되는 응력과 보강층의 재료 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 고압 가스 저장 용기의 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 고압 가스 저장 용기의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 보강 부재를 라이너에 감는 모습을 나타내는 도면이다.
도 10a는 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10b는 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10c는 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 고압 가스 저장 용기에 작용하는 압력과 변형의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 고압 가스 저장 용기의 외주측에서 크랙이 발생되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 13은 개변예 1에 관한 플라즈마의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14는 개변예 2에 관한 플라즈마의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 15a는 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15b는 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15c는 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 자동차의 패널을 나타내는 모식도이다.
도 2는 라이너의 외주면에 보강 부재가 감기기 전의 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 라이너의 외주면에 보강 부재가 감긴 후의 모습을 나타내는 도면이다.
도 4는 수지가 함침된 강화 섬유를 포함하는 보강 부재의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 5는 플라즈마의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 보강층에 발생되는 응력과 보강층의 재료 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 고압 가스 저장 용기의 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 고압 가스 저장 용기의 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 보강 부재를 라이너에 감는 모습을 나타내는 도면이다.
도 10a는 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10b는 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10c는 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 고압 가스 저장 용기에 작용하는 압력과 변형의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 고압 가스 저장 용기의 외주측에서 크랙이 발생되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 13은 개변예 1에 관한 플라즈마의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14는 개변예 2에 관한 플라즈마의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
도 15a는 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15b는 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 15c는 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 자동차의 패널을 나타내는 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 도면의 치수 비율은, 설명의 사정상 과장되어 있고, 실제의 비율과는 상이한 경우가 있다. 본 실시 형태에서는 구조체의 일례로서, 보강 부재(20)가 라이너(10)(코어 부재에 상당)의 외주면(10A)에 감겨 이루어지는 고압 가스 저장 용기(1)를 들어 설명한다.
도 1은, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)를 나타내는 도면이다. 도 2는, 라이너(10)의 외주면(10A)에 보강 부재(20)가 감기기 전의 모습을 나타내는 도면이다. 도 3은, 라이너(10)의 외주면(10A)에 보강 부재(20)가 감긴 후의 모습을 나타내는 도면이다. 도 4는, 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)의 일부를 나타내는 단면도이다. 도 5는, 플라즈마(P)의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다. 도 6은, 보강층(30)에 발생되는 응력과 보강층(30)의 재료 강도의 관계를 나타내는 그래프이다. 또한, 이해의 용이를 위하여, 도 1에서는, 보강 부재(20)를 라이너(10)의 외주면(10A)에 감겨 있는 과정을 나타내고 있다. 또한, 도 2에서는, 플라즈마(P)의 조사 및 수지(22)를 함침하는 모습은 생략한다.
<고압 가스 저장 용기>
본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)는, 개략적으로 설명하면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 수소 가스 등의 고압 가스를 수용하는 라이너(10)와, 라이너(10)의 외주면(10A)에 띠 형상의 보강 부재(20)를 감아서 형성된 보강층(30)을 갖는다.
또한, 고압 가스 저장 용기(1)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)를 구비한다. 보강 부재(20)는, 도2, 5에 나타내는 바와 같이, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)가 조사되어 이루어지는 제1 영역(A1)과, 강화 섬유(21)에 대하여 제1 영역(A1)보다도 적은 양의 플라즈마(P)가 조사되어 이루어지는 제2 영역(A2)을 갖는다. 제1 영역(A1)은, 제2 영역(A2)보다도 강도가 요구되는 보강층(30)의 내주측에 위치한다. 이하, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 구성을 상세하게 설명한다.
라이너(10)는, 원통 형상으로 이루어지는 탱크로 형성되어 있다. 라이너(10)는, 가스 배리어성을 갖고, 고압 가스의 외부로의 투과를 억제한다. 라이너(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 축방향(X)의 중앙에 설치되는 동체부(11)와, 동체부(11)의 축방향(X)의 양측에 설치되는 거울부(12)와, 거울부(12) 한쪽에 설치되는 구금(13)을 갖는다.
동체부(11)는, 축방향(X)으로 연장되도록, 통형으로 구성된다.
거울부(12)는, 축방향(X)의 외측을 향하여 점차 감소하도록 만곡된다.
구금(13)은, 거울부(12)로부터 축방향(X)의 외측을 향하여 돌출되어 구성된다. 구금(13)에는, 배관을 접속하거나, 혹은 개폐 밸브나 감압 밸브를 구비한 밸브 기구를 접속하고, 고압 가스 저장 용기(1)에 대하여, 고압 가스의 충전 및 방출을 행한다. 또한, 구금(13)은, 양측 거울부(12)에 설치되어 있어도 된다.
라이너(10)를 구성하는 재료는, 금속제 또는 합성 수지제를 사용할 수 있다. 금속제로서는, 예를 들어 철, 알루미늄, 스테인리스 등을 사용할 수 있다. 합성 수지제로서는, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리프로필렌 등을 사용할 수 있다.
보강층(30)은 도 2, 3에 나타내는 바와 같이, 보강 부재(20)의 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)까지를, 라이너(10)의 외주면(10A)에, 소정수 감음으로써 형성된다. 본 명세서에서, 권취 개시 단부(20a)란, 보강 부재(20)가 라이너(10)의 외주면(10A)에 감기 시작할 때의 단부를 의미하며, 권취 종료 단부(20b)란, 보강 부재(20)가 라이너(10)의 외주면(10A)에 다 감았을 때의 단부를 의미한다.
보강 부재(20)를 감는 횟수, 즉, 보강층(30)의 층수는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 20 내지 30이다. 이와 같이, 보강 부재(20)를 라이너(10)의 외주면(10A)에 감음으로써, 보강층(30)은, 라이너(10)의 내압 강도를 향상시킨다.
보강층(30)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 보강 부재(20)를 동체부(11)에 대하여 원주 방향을 따라 감아서 이루어지는 후프층(31)과, 보강 부재(20)를 동체부(11) 및 거울부(12)에 대하여 나선형으로 감아서 이루어지는 헬리컬층(32)을 갖는다. 후프층(31) 및 헬리컬층(32)은, 교대로 적층되어 있다. 또한, 후프층(31) 및 헬리컬층(32)은, 교대로 적층되어 있지 않아도 된다. 즉, 예를 들어 보강 부재(20)를 후프층(31)이 2층 형성되도록 감은 후에, 헬리컬층(32)이 2층 형성되도록 감아도 된다.
후프층(31)은, 보강 부재(20)가 동체부(11)에 감겨 이루어지기 때문에, 동체부(11)의 직경 방향의 인장 강도에 기여한다. 헬리컬층(32)은, 보강 부재(20)가 동체부(11) 및 거울부(12)에 감겨 이루어지기 때문에, 고압 가스 저장 용기(1)의 축방향(X)의 강도를 확보한다.
보강층(30)을 구성하는 보강 부재(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를 포함한다.
본 실시 형태에 관한 강화 섬유(21)는, 플라즈마(P)가 조사되어 이루어진다. 이와 같이, 강화 섬유(21)에 플라즈마(P)를 조사함으로써, 강화 섬유(21)에 산성 관능기를 부가시킬 수 있다. 따라서, 강화 섬유(21)에 대한 수지(22)의 밀착성이 향상되고, 보강 부재(20)로서의 강도가 향상된다.
강화 섬유(21)는, 도 2, 5에 나타내는 바와 같이, 보강층(30)을 구성하는 보강 부재(20)의 내주측의 제1 영역(A1)에 있어서, 플라즈마(P)가 비교적 많이 조사되고, 보강층(30)을 구성하는 보강 부재(20)의 외주측의 제2 영역(A2)에 있어서, 플라즈마(P)가 비교적 적게 조사된다. 보다 구체적으로는, 강화 섬유(21)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 보강 부재(20)의 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 플라즈마(P)의 조사량이 연속적으로 점차 감소하게 된다.
이와 같이 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)는, 플라즈마(P)의 조사량 분포와 동일하게, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강도가 연속적으로 점차 감소한다.
그리고, 이러한 보강 부재(20)를 라이너(10)의 외주면(10A)에 감아서 보강층(30)을 형성한다. 이때, 보강층(30)의 직경 방향(r)(도 3 참조)을 따르는 강도 분포는, 도 6의 실선으로 나타내는 바와 같이, 직경 방향(r)의 내주측으로부터 외주측을 향하여 강도가 저하된 분포가 된다(도 6 화살표 참조).
한편, 고압 가스 저장 용기(1)에는, 라이너(10)의 내부에 저장된 고압 가스로부터 내압이 작용하여, 여기에 기인하여 보강층(30)에는, 응력σ가 발생된다.
보강층(30)에 발생되는 응력σ는, 도 3에 도시된 바와 같이, 고압 가스의 내압을 P, 보강층(30)의 최외주에 있어서의 직경을 r2, 보강층(30)의 최내주에 있어서의 직경을 r1이라 하면, 직경 방향(r)의 위치(R)에 있어서, 하기 식 1에 의해 나타낸다.
이와 같이, 보강층(30)에 발생되는 응력σ는, 도 6의 점선으로 나타내는 바와 같이, 내주측으로부터 외주측에 걸쳐 연속적으로 점차 감소된다.
본 실시 형태에서 보강 부재(20)는 도 6에 나타내는 바와 같이, 보강층(30)에 발생되는 응력σ에 대하여 견딜 수 있는 강도를 갖고 있다.
보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)로는, 예를 들어 탄소 섬유, 유리 섬유, 폴리아미드 섬유 등을 사용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 일례로서, 열 팽창 계수가 작고 치수 안정성이 우수하며, 고온 하에서도 기계적 특성의 저하가 적은 탄소 섬유를 들어 설명한다. 강화 섬유(21)는, 탄소 섬유가 1000개 내지50000개 정도의 다발 상태로 구성된다.
보강 부재(20)를 구성하는 수지(22)로는, 예를 들어 열 경화성 수지 또는 열 가소성 수지를 사용할 수 있다. 열 경화성 수지로는, 예를 들어 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 페놀 수지를 사용할 수 있다. 열 가소성 수지로는, 예를 들어 폴리아미드 수지, 폴리프로필렌 수지를 사용할 수 있다.
<고압 가스 저장 용기의 제조 장치>
다음에, 도 7을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 장치(100)를 설명한다. 도 7은, 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 장치(100)를 나타내는 도면이다.
고압 가스 저장 용기(1)의 제조 장치(100)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 수납부(110)와, 조사부(120)와, 함침부(130)와, 반송부(140)와, 검지부(150)와, 제어부(160)를 갖는다.
수납부(110)는, 보빈형의 강화 섬유(21)를 수납한다. 수납부(110)는, 보빈형의 강화 섬유(21)가 세트되는 세트부(111)와, 강화 섬유(21)의 장력을 유지하는 4개의 롤러(112 내지 115)를 갖는다.
조사부(120)는, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)를 조사한다. 조사부(120)는, 본 출원인이 일본 특허 출원 제2014-181512호에 개시하는 바와 같이, 강화 섬유(21)의 표면(21A)에 Y 방향(표면(21A)에 직교하는 직교 방향)에 대하여 경사진 방향으로부터 플라즈마(P)를 조사하는 것이 바람직하다. 또한, 조사부(120)는, Y 방향에 대하여 30° 이상 경사진 방향으로부터 강화 섬유(21)의 표면(21A)에 플라즈마(P)를 조사하는 것이 바람직하다. 이와 같이, Y 방향에 대하여 경사진 방향으로부터 플라즈마(P)를 조사함으로써, 플라즈마 가스는, 강화 섬유(21)의 표면(21A)에 경사져서 조사되므로, 플라즈마 가스의 압축이 억제되고, 또한 중심의 고온 부분을 피하여 조사할 수 있다. 따라서, 강화 섬유(21)의 손상을 저감시키면서, 효율적으로 플라즈마(P)를 강화 섬유(21)에 조사하여 강화 섬유(21)에 산성 관능기를 부가할 수 있다.
조사부(120)의 전원으로서는, 교류 전원(121)을 사용하는 것이 바람직하다. 교류 전원(121)은, 어스(접지)된다.
조사부(120)로부터 조사되는 플라즈마(P)의 조사 강도는, 플라즈마 전압, 전류, 주파수, 전극 및 가스 조건(가스의 조성)을 조정함으로써, 조정할 수 있다. 이하, 본 실시 형태에 있어서, 「플라즈마(P)의 조사 강도를 조정하는」이란, 상술한 플라즈마 전압, 전류, 주파수, 전극 및 가스 조건 중 적어도 하나를 조정함으로써, 플라즈마(P)의 조사 강도를 조정하는 것을 의미하는 것으로 한다.
이하, 플라즈마(P)의 조사 조건의 일례에 대하여 설명한다.
플라즈마 전압은, 플라즈마(P)가 발생되기 쉽다는 관점에서, 예를 들어 200 내지 400V이며, 260 내지 280V인 것이 바람직하다.
펄스 방전 주파수는, 플라즈마(P)가 발생되기 쉽다는 관점에서, 예를 들어 10 내지 30㎑이며, 16 내지 20㎑인 것이 바람직하다.
플라즈마 조사 거리는, 예를 들어 2 내지 30㎜이며, 10 내지 15㎜인 것이 바람직하다. 플라즈마 조사 거리가 짧으면 강화 섬유(21)가 손상될 가능성이 있고, 길면 표면 개질 효과가 작아진다.
플라즈마 조사 시간은, 예를 들어 0.1 내지 5.0초이며, 0.5 내지 1.0초인 것이 바람직하다. 플라즈마 조사 시간이 짧으면 표면 개질 효과가 작아지고, 길면 강화 섬유(21)가 손상될 가능성이 있다.
플라즈마 가스로서는, 예를 들어 산소, 질소 또는 헬륨을 0.5％ 이상 포함하는 혼합 가스를 사용할 수 있다.
함침부(130)는, 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)에 수지(22)를 함침시킨다. 함침부(130)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 수지(22)가 저장된 저장부(131)와, 강화 섬유(21)에 접하면서 강화 섬유(21)의 반송과 동기하여 회전하는 회전부(132)를 갖는다. 함침부(130)는, 또한, 회전부(132)에 부착되는 수지(22)의 양을 조정하는 조정부(133)와, 반송 방향에 있어서의 회전부(132)의 상류측 및 하류측에 설치되어 장력을 유지하는 1쌍의 롤러(134, 135)를 갖는다. 또한, 함침부(130)는, 추가로, 하류측의 롤러(135)의 하류측에 설치되어 강화 섬유(21)를 라이너(10)를 향하여 가이드하는 가이드부(136)를 갖는다.
저장부(131)는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 상방에 오목부(131A)를 구비하고 있고, 오목부(131A)에 수지(22)가 저장된다.
회전부(132)는, 하방에 있어서, 오목부(131A)에 저장되는 수지(22)에 접함과 함께, 상방에 있어서, 반송되는 강화 섬유(21)에 접하면서 회전한다. 회전부(132)는, 강화 섬유(21)의 반송과 동기하여, 시계 방향으로 회전한다. 이와 같이 회전부(132)가 시계 방향으로 회전함으로써, 회전부(132)의 외주에 부착된 수지(22)가, 상방으로 들어 올려져, 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)에 대하여 부착된다. 이 때문에, 강화 섬유(21)에 수지(22)를 함침시킬 수 있어, 보강 부재(20)가 형성된다. 또한, 회전부(132)는, 롤러(134, 135)와 함께, 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)의 장력을 유지한다.
조정부(133)는, 회전부(132)의 외주에 부착된 수지(22)의 양을 조정한다. 조정부(133)는, 회전부(132)의 외주에 부착된 수지(22)에 접촉함으로써, 수지(22)를 소정의 양만 제거하는 제거부(133A)와, 제거부(133A)를 회전부(132)에 대하여 접근 이간 가능하게 이동시키는 이동부(133B)를 갖는다.
이동부(133B)에 의해, 제거부(133A)를, 도 7의 우측으로 이동하면, 회전부(132)의 외주에 부착된 수지(22)는 보다 많은 양이 제거된다. 한편, 이동부(133B)에 의해, 제거부(133A)를, 도 7의 좌측으로 이동하면, 회전부(132)의 외주에 부착된 수지(22)는 보다 적은 양이 제거된다.
가이드부(136)는, 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를, 라이너(10)를 향하여 가이드한다. 가이드부(136)는, L자 형상을 갖는다.
또한, 함침부(130)의 구성은, 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)에 수지(22)를 함침할 수 있는 구성이면, 특별히 한정되지 않는다.
반송부(140)는, 강화 섬유(21)를, 도 7의 좌측으로부터 우측을 향하여 반송하면서, 표면(21A)에 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)에 수지(22)를 함침하여 이루어지는 보강 부재(20)를, 라이너(10)의 외주면(10A)에 감는다. 반송부(140)는 모터이다.
검지부(150)는, 강화 섬유(21)의 반송 속도를 검지한다. 검지부(150)로서는, 공지된 속도 센서를 사용할 수 있다. 검지부(150)가 배치되는 개소는, 강화 섬유(21)가 반송되는 범위이면, 특별히 한정되지 않는다.
제어부(160)는, 조사부(120), 반송부(140) 등의 동작 제어를 행한다. 제어부(160)로서는, CPU, RAM, ROM 등을 구비하는 공지된 마이크로컴퓨터에 의해 구성된 것을 사용할 수 있다.
<고압 가스 저장 용기의 제조 방법>
다음에, 도 8의 흐름도를 참조하여, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 방법은, 필라멘트 와인딩법에 의해 행하여진다.
먼저, 보빈형의 강화 섬유(21)를 세트부(111)에 세트함과 함께, 라이너(10)를 도 7에 나타내는 위치에 세트한 상태에서, 반송부(140)를 동작시킨다. 이 때문에, 라이너(10)가 회전하여, 강화 섬유(21)가 반송된다(S01). 이때, 검지부(150)는, 강화 섬유(21)의 반송 속도를 검지한다.
다음에, 조사부(120)는, 반송되는 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 조사한다(S02).
플라즈마(P)를 조사하는 공정에서는, 보강 부재(20)의 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 연속적으로 점차 감소시키면서 조사한다(도 5 참조).
플라즈마(P)의 조사량은, 조사부(120)의 조사 강도 및 강화 섬유(21)의 반송 속도를 조정함으로써, 조정된다.
즉, 반송 방향의 전방측으로부터 후방측을 향해서, 조사부(120)의 조사 강도가 약해지도록 조정하는 조작, 및 강화 섬유(21)의 반송 속도를 빠르게 하는 조작 중 적어도 한쪽의 조작을 행하여, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량을 연속적으로 점차 감소시킨다.
다음에, 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)에 수지(22)를 함침시켜 보강 부재(20)를 형성한다(S03).
보강 부재(20)의 강도는, 플라즈마(P)의 조사량 분포와 동일하게, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐 연속적으로 점차 감소한다.
다음에, 보강 부재(20)를 라이너(10)의 외주면(10A)에 감아서 보강층(30)을 형성한다(S04).
보강 부재(20)의 강도는, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐 연속적으로 점차 감소하기 때문에, 보강 부재(20)를 감아서 형성하는 보강층(30)은, 직경 방향(r)에 따라, 도 6의 실선으로 나타내는 강도 분포를 구비한다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 일정한 각 속도ω로 라이너(10)를 회전시켜, 보강 부재(20)를 라이너(10)의 외주면(10A)에 감을 경우, 감을 때의 직경에 따라, 강화 섬유(21)의 반송 속도가 변화된다. 구체적으로는, 더욱 외주측에 있어서 보강 부재(20)가 감길 경우, 강화 섬유(21)의 반송 속도는 빨라진다. 따라서, 반송 방향의 전방측으로부터 후방측을 향해서, 강화 섬유(21)의 반송 속도는 빨라진다. 따라서, 보강 부재(20)의 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량은 점차 감소된다. 본 실시 형태에서는, 이것 외에도, 각 속도ω를 빠르게 하거나, 조사부(120)의 조사 강도를 약하게 하거나 해서, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량을 점차 감소시키는 것이 바람직하다.
다음에, 도 10a 내지 도 12를 참조하여, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 효과를 설명한다.
도 10a는, 플라즈마(P)를 조사하지 않은 경우에 있어서의, 보강층에 발생되는 응력과 보강층의 재료 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이때, 높은 응력이 발생하는 보강층의 내주측에서 강도 설계를 행하고 있다. 이로 인해, 도 10a에 있어서 부호 S1로 나타내는 면적에 상당하는 과잉의 강도 설계가 행해지고 있어, 고압 가스 저장 용기의 무게가 증가되고 있다.
이에 비하여, 라이너(10)의 외주면(10A)에 대하여 상술한 보강 부재(20)를 감아서 이루어지는 보강층(30)의 경우, 도 10b에 나타내는 바와 같이, 보강층(30)의 강도는 외주측으로부터 내주측을 향하여 증대되도록 향상된다(도 10b 화살표 참조). 그리고, 보강층(30)의 강도가 향상된 만큼, 외주측 이외에 내주측에도 강도의 여유값이 발생된다.
그리고, 보강층(30)의 강도 분포를 초과하지 않을 정도로, 라이너(10)의 외주면(10A)에 감는 보강 부재(20)의 양을 저감시킬 수 있다. 이 결과, 도 10c에 나타내는 바와 같이, 보강층(30)에 발생되는 응력은 증대하지만, 도 10c에서 부호 S2로 나타내는 면적은, 도 10a에서 부호 S1로 나타내는 면적보다도 작아진다. 이로 인해, 과잉의 강도 설계는 완화되게 된다. 따라서, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대하여 감는 양을 저감시키고 보강층(30)의 두께를 저감시킴으로써, 고압 가스 저장 용기(1)를 경량화할 수 있다.
또한, 도 11은, 고압 가스 저장 용기에 작용하는 압력과 변형의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11에 있어서, 횡축은 압력을 나타내고, 종축은 변형을 나타내고 있다. 또한, 도 11에 있어서 마름모꼴의 플롯을 포함하는 직선은, 플라즈마가 조사되어 있지 않은 강화 섬유를 포함하는 고압 가스 저장 용기의 압력과 변형의 관계를 나타낸다. 또한, 직사각 형상의 플롯을 포함하는 직선은, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 압력과 변형의 관계를 나타낸다. 또한, 도 11에 있어서, 변형은 실험치를 나타내고 있으며, 보강층의 외주측에 부착된 변형 게이지에 의해 측정된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)를 조사함으로써, 변형의 수치가 저하됨을 알 수 있다. 즉, 플라즈마(P)를 조사함으로써, 보강 부재(20)의 강도가 향상됨을 알 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)에 의하면, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)는, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 플라즈마(P)의 조사량이 연속적으로 점차 감소하게 된다. 따라서, 보강층(30)의 외주측보다도 내주측의 강도를 높일 수 있다. 따라서, 외주측에 있어서 의도하지 않는 외력(F1)이 고압 가스 저장 용기(1)에 작용한 경우, 도 12에 나타내는 바와 같이, 외주측에 우선적으로 크랙 C를 발생시킬 수 있다. 따라서, 외관에 의해 크랙 발생 부위를 검지할 수 있어, 검지성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)에 의하면, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)는, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 플라즈마(P)의 조사량이 연속적으로 점차 감소하게 된다. 따라서, 보강 부재(20)의 강도 분포는, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)를 향하여, 연속적으로 점차 감소되기 때문에, 층(31, 32) 사이의 전단 파괴의 발생을 바람직하게 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)는, 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)를 구비하는 구조체이다. 보강 부재(20)는, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)가 조사되어 이루어지는 제1 영역(A1)과, 강화 섬유(21)에 대하여 제1 영역(A1)보다도 적은 양의 플라즈마(P)가 조사되어 이루어지는 제2 영역(A2)을 갖는다. 또한 고압 가스 저장 용기(1)는, 제1 영역(A1)을 제2 영역(A2)보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시켜, 보강 부재(20)를 설치하여 이루어진다. 이와 같이 구성한 고압 가스 저장 용기(1)에 의하면, 강화 섬유(21)에 플라즈마(P)를 조사함으로써, 강화 섬유(21)에 산성 관능기를 부가시킬 수 있다. 이로 인해, 강화 섬유(21)에 대한 수지(22)의 밀착성이 향상되어, 보강 부재(20)의 강도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 상대적으로 많은 플라즈마(P)를 조사함으로써 상대적으로 강도가 향상된 제1 영역(A1)을, 강도가 요구되는 보강층(30)의 내주측에 위치시킨다. 따라서, 두께를 저감했다고 해도, 플라즈마(P)가 조사됨으로써 강도가 향상되기 때문에, 적절한 강도를 유지할 수 있다. 이상으로부터, 적절한 강도를 유지하면서, 두께를 저감시킴으로써, 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 고압 가스 저장 용기(1)는, 라이너(10)인 코어 부재를 더 갖고, 보강 부재(20)는 띠 형상을 갖는다. 띠 형상의 보강 부재(20)는, 라이너(10)의 외주면(10A)에 감겨 복수의 층을 포함하는 보강층(30)을 구성한다. 보강층(30)은, 당해 보강층(30)의 내주측이 제1 영역(A1)에 의해 구성되고, 당해 보강층(30)의 외주측이 제2 영역(A2)에 의해 구성된다. 이와 같이 구성한 구조체에 의하면, 보강층(30)의 내주측의 강도를 높일 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 내주측에 높은 압력이 작용하는 구조체에 대해서도, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)를 감는 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 두께를 저감시켜, 제품 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 코어 부재는, 고압 가스를 수용하는 라이너(10)이다. 이로 인해, 고압 가스 저장 용기(1)에 대하여, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)를 감는 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 두께를 저감시켜, 제품 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 보강 부재(20)는, 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량이 연속적으로 점차 감소하게 된다. 이 구성에 의하면, 보강 부재(20)의 강도는, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)를 향하여 연속적으로 점차 감소하기 때문에, 층(31, 32) 사이의 전단 파괴의 발생을 바람직하게 억제할 수 있다.
또한, 이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 방법은, 수지(22)가 함침된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)를 구비하는 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 방법이다. 고압 가스 저장 용기(1)의 제조 방법은, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)를 조사하여, 수지(22)를 함침시켜, 보강 부재(20)에 제1 영역(A1)을 형성한다. 그리고, 강화 섬유(21)에 대하여 제1 영역(A1)보다도 적은 양의 플라즈마(P)를 조사하여, 수지(22)를 함침시켜, 보강 부재(20)에 제2 영역(A2)을 형성한다. 그리고, 제1 영역(A1)을 제2 영역(A2)보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시킨다. 이 제조 방법에 의하면, 강화 섬유(21)에 플라즈마(P)를 조사함으로써, 강화 섬유(21)에 산성 관능기를 부가시킬 수 있다. 이로 인해, 강화 섬유(21)에 대한 수지(22)의 밀착성이 향상되어, 보강 부재(20)의 강도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 상대적으로 많은 플라즈마(P)를 조사함으로써 상대적으로 강도가 향상된 제1 영역(A1)을, 강도가 요구되는 보강층(30)의 내주측에 위치시킨다. 따라서, 두께를 저감시켰다고 해도, 플라즈마(P)가 조사됨으로써 강도가 향상되어 있기 때문에, 적절한 강도를 유지할 수 있다. 이상으로부터, 적절한 강도를 유지하면서, 두께를 저감시킴으로써, 전체적으로 경량화할 수 있는 고압 가스 저장 용기(1)를 제공할 수 있다.
또한, 띠 형상으로 구성되는 강화 섬유(21)를 반송하고, 반송 방향의 전방측에 있어서, 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)를 조사하여, 수지(22)를 함침시켜, 보강 부재(20)에 제1 영역(A1)을 형성한다. 또한, 반송 방향의 후방측에 있어서, 강화 섬유(21)에 대하여 제1 영역(A1)보다도 적은 양의 플라즈마(P)를 조사하여, 수지(22)를 함침시켜, 보강 부재(20)에 제2 영역(A2)을 형성한다. 그리고, 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)가 형성된 보강 부재(20)를 라이너(10)인 코어 부재에 감는다. 이 제조 방법에 의하면, 보강층(30)의 내주측의 강도를 높일 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 내주측에 높은 압력이 작용하는 구조체에 대해서도, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)를 감는 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 두께를 저감시켜, 제품 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 코어 부재는, 고압 가스를 수용하는 라이너(10)이다. 이로 인해, 고압 가스 저장 용기(1)에 대하여, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)를 감는 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 두께를 저감시켜, 제품 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 연속적으로 점차 감소하면서 조사한다. 이 제조 방법에 의하면, 보강 부재(20)의 강도가, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)를 향하여 연속적으로 점차 감소하는, 고압 가스 저장 용기를 제조할 수 있다. 이로 인해, 층(31, 32) 사이의 전단 파괴의 발생을 바람직하게 억제할 수 있다.
또한, 플라즈마 전압, 전류, 주파수, 전극, 가스 조건 중 적어도 하나를 조정하여 플라즈마(P)의 조사 강도를 조정함으로써, 플라즈마(P)의 조사량을 조정한다. 이 제조 방법에 의하면, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량을 용이하게 조정할 수 있다. 따라서, 도 10c에 있어서 부호 S2로 나타내는 면적이 작아지도록, 보강 부재(20)의 강도를 조정할 수 있다. 이와 같이, 부호 S2로 나타내는 면적이 더욱 작아짐으로써, 과잉의 강도 설계가 더욱 완화된다.
또한, 플라즈마(P)를 강화 섬유(21)에 대하여 조사할 때에 있어서의 강화 섬유(21)의 반송 속도를 바꿈으로써, 플라즈마(P)의 조사량을 조정한다. 이 제조 방법에 의하면, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량이 적은 보강층(30)의 외주측에 있어서의 강화 섬유(21)에 대하여 플라즈마(P)를 조사할 때에 강화 섬유(21)의 반송 속도를 빨리할 수 있다. 따라서, 제조 시간을 단축할 수 있어, 생산성이 향상된다.
또한, 강화 섬유(21)의 표면(21A)에, 표면(21A)에 직교하는 Y 방향에 대하여 경사진 방향으로부터 플라즈마(P)를 조사한다. 이 제조 방법에 의하면, 플라즈마 가스는, 강화 섬유(21)의 표면(21A)에 경사져서 조사되기 때문에, 플라즈마 가스의 압축이 억제되고, 또한 중심의 고온 부분을 피하여 조사될 수 있다. 따라서, 강화 섬유(21)의 손상을 저감시키면서, 효율적으로 플라즈마(P)를 강화 섬유(21)에 조사하여 강화 섬유(21)에 산성 관능기를 부가할 수 있다.
<개변예 1>
이하, 상술한 실시 형태의 개변예 1에 대하여 설명한다.
개변예 1에 관한 고압 가스 저장 용기는, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량 분포가, 상술한 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)와 상이하다.
도 13은, 개변예 1에 관한 플라즈마(P)의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
개변예 1에 관한 고압 가스 저장 용기의 강화 섬유(21)는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 플라즈마(P)의 조사량이 단계적으로 점차 감소하게 된다.
보다 구체적으로는, 도 13에 나타내는 바와 같이, 후프층(31a)에 있어서, 플라즈마(P)가 일정량 조사되어 있다. 또한, 후프층(31a)의 외주측에 인접하는 헬리컬층(32)에 있어서, 후프층(31a)보다도 적은 양의 플라즈마(P)가 조사되고 있다. 또한, 헬리컬층(32)의 외주측에 인접하는 후프층(31b)에 있어서, 헬리컬층(32)보다도 적은 양의 플라즈마(P)가 조사되어 있다. 이하, 헬리컬층(32), 후프층(31)의 순서로, 외주측을 향해, 단계적으로 플라즈마(P)의 조사량이 점차 감소된다.
이와 같이 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재(20)는, 플라즈마(P)의 조사량 분포와 동일하게, 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강도가 단계적으로 점차 감소된다.
그리고, 이러한 보강 부재(20)를 라이너(10)의 외주면(10A)에 감아서 보강층(30)을 형성한 경우, 보강층(30)의 직경 방향(r)에 따르는 강도 분포는, 상술한 실시 형태에 관한 보강층(30)의 강도 분포와 동일하게, 직경 방향(r)의 내주측으로부터 외주측을 향하여 강도가 저하된다.
다음에, 개변예 1에 관한 고압 가스 저장 용기의 제조 방법을 설명한다.
여기에서는, 플라즈마(P)를 조사하는 공정에 대해서만 설명한다.
플라즈마(P)를 조사하는 공정에서는, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 단계적으로 점차 감소하면서 조사한다. 이하, 플라즈마(P)를 조사하는 공정에 대하여 상세히 설명한다.
플라즈마(P)를 조사하는 공정은, 후프층(31)에 있어서 감기는 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 플라즈마(P)를 일정량 조사하는 제1 조사 공정을 갖는다. 또한, 플라즈마(P)를 조사하는 공정은, 헬리컬층(32)에 있어서 감기는 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 플라즈마(P)를 일정량 조사하는 제2 조사 공정을 갖는다.
제1 조사 공정 및 제2 조사 공정은 교대로 행하여져, 제1 조사 공정으로부터 제2 조사 공정으로 전환될 때, 및 제2 조사 공정으로부터 제1 조사 공정으로 전환될 때에, 플라즈마(P)의 조사량을 저감시킨다.
이상 설명한 바와 같이, 개변예 1에 관한 고압 가스 저장 용기에 있어서, 보강 부재(20)는, 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량이 단계적으로 점차 감소하게 된다. 이와 같이 구성한 고압 가스 저장 용기에 의하면, 보강층(30)의 내주측의 강도를 높일 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 내주측에 높은 압력이 작용하는 고압 가스 저장 용기에 대해서도, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)를 감는 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 두께를 저감시켜, 제품 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 보강층(30)은, 층(31, 32) 별로, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량이 단계적으로 점차 감소하게 된다. 이로 인해, 하나의 층(31, 32)에 있어서의 플라즈마(P)의 조사량은 일정해진다. 따라서, 하나의 층(31, 32)에서의 보강층(30)의 강도를 일정하게 할 수 있기 때문에, 적합한 강도 분포를 구비하는 고압 가스 저장 용기를 제공할 수 있다.
또한, 개변예 1에 관한 고압 가스 저장 용기의 제조 방법은, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대한 권취 개시 단부(20a)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 단계적으로 점차 감소하면서 조사한다. 이 제조 방법에 의하면, 보강층(30)의 내주측의 강도가 높은 고압 가스 저장 용기를 제조할 수 있다. 따라서, 내주측에 높은 압력이 작용하는 고압 가스 저장 용기에 대해서도, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)를 감는 양을 저감시킬 수 있다. 따라서, 보강층(30)의 두께를 저감시키고, 제품 전체적으로 경량화할 수 있다.
또한, 플라즈마(P)를 강화 섬유(21)에 대하여 조사할 때에 플라즈마(P)를 조사하는 대상이, 하나의 층에 있어서의 강화 섬유(21)로부터, 하나의 층 외주측에 있어서 인접하는 다른 층에 있어서의 강화 섬유(21)로 전환될 때에, 플라즈마(P)의 조사량을 저감시킨다. 이 제조 방법에 의하면, 하나의 층(31, 32)에 있어서의 플라즈마(P)의 조사량은 일정해진다. 따라서, 하나의 층(31, 32)에 있어서의 보강층(30)의 강도를 일정하게 할 수 있기 때문에, 적합한 강도 분포를 구비하는 고압 가스 저장 용기를 제공할 수 있다.
<개변예 2>
이하, 상술한 실시 형태의 개변예 2에 대하여 설명한다.
개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기는, 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량 분포가, 상술한 실시 형태에 관한 고압 가스 저장 용기(1)와 상이하다.
도 14는, 개변예 2에 관한 플라즈마(P)의 조사량 분포를 나타내는 그래프이다.
개변예 2에 있어서, 도 14에 도시하는 바와 같이, 권취 개시 단부(20a)로부터, 권취 개시 단부(20a)와 권취 종료 단부(20b) 사이에 위치하는 도중 부위(20c)(도 2 참조)까지에 있어서의 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에는, 플라즈마(P)가 일정량 조사되어 이루어진다. 또한, 도중 부위(20c)로부터 권취 종료 단부(20b)까지에서의 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에는, 플라즈마(P)는 조사되지 않는다.
이와 같이 플라즈마(P)가 조사된 강화 섬유(21)를 포함하는 보강 부재는, 플라즈마(P)의 조사량 분포와 동일하게, 권취 개시 단부(20a)로부터 도중 부위(20c)까지에만, 강도가 향상된 강도 분포를 구비한다.
다음에, 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 제조 방법을 설명한다.
여기에서는, 플라즈마(P)를 조사하는 공정에 대해서만 설명한다.
플라즈마(P)를 조사하는 공정으로는, 권취 개시 단부(20a)로부터 도중 부위(20c)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 일정량 조사한다. 그리고, 그 후, 플라즈마(P)의 조사를 중지한다. 즉, 도중 부위(20c)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대해서는 플라즈마(P)를 조사하지 않는다.
다음에, 도 15a 내지 도 15c를 참조하여, 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 효과를 설명한다.
도 15a는, 플라즈마(P)를 조사하지 않은 경우에 있어서의, 보강층에 발생되는 응력과 보강층의 재료 강도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이때, 상술한 바와 같이, 높은 응력이 발생되는 보강층의 내주측에서 강도 설계를 행하고 있다. 이로 인해, 도 15a에서 부호 S1로 나타내는 면적에 상당하는 과잉의 강도 설계가 행해지고 있어, 고압 가스 저장 용기의 무게가 증가되고 있다.
이에 비하여, 라이너(10)의 외주면(10A)에 대하여 개변예 2에 관한 보강 부재(20)를 감아서 이루어지는 보강층(30)의 경우, 도 15b에 나타내는 바와 같이, 보강층(30)의 내주측에 있어서의 강도는 향상된다(도 15b 화살표 참조). 그리고, 보강층(30)의 내주측에 있어서의 강도가 향상된 만큼, 외주측 외에 내주측에도 강도의 여유값이 발생된다.
그리고, 보강층(30)의 강도 분포를 초과하지 않을 정도로, 라이너(10)의 외주면(10A)에 감는 보강 부재(20)의 양을 저감시킬 수 있다. 이 결과, 도 15c에 나타내는 바와 같이, 보강층(30)에 발생되는 응력은 증대되지만, 도 15c에 있어서 부호 S3으로 나타내는 면적은, 도 15a에 있어서 부호 S1로 나타내는 면적보다도 작아진다. 이로 인해, 과잉의 강도 설계는 완화되게 된다. 따라서, 적절한 강도를 유지하면서, 보강 부재(20)의 라이너(10)에 대하여 감는 양을 저감시켜 보강층(30)의 두께를 저감시킴으로써, 고압 가스 저장 용기를 경량화할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기에 있어서, 권취 개시 단부(20a)로부터 도중 부위(20c)까지에 있어서의 보강 부재(20)는, 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)가 일정량 조사되어 이루어진다. 또한, 도중 부위(20c)로부터 권취 종료 단부(20b)까지에 있어서의 보강 부재(20)는, 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)가 조사되지 않는다. 이러한 보강 부재(20)를 제조할 때, 플라즈마(P)의 조사를 도중 부위(20c)에 있어서 중지하면 된다. 따라서, 고압 가스 저장 용기를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 이상 설명한 바와 같이, 개변예 2에 관한 고압 가스 저장 용기의 제조 방법에서는, 권취 개시 단부(20a)로부터 도중 부위(20c)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 일정량 조사한다. 또한, 도중 부위(20c)로부터 권취 종료 단부(20b)에 걸쳐, 보강 부재(20)를 구성하는 강화 섬유(21)에 대하여, 플라즈마(P)를 조사하지 않는다. 이 제조 방법에 의하면, 플라즈마(P)의 조사를 도중 부위(20c)에서 정지하면 되므로, 고압 가스 저장 용기를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 개변예에 한정되는 것은 아니고, 특허 청구 범위 내에서 다양하게 개변할 수 있다.
상술한 실시 형태, 개변예 1 및 개변예 2에서는, 구조체로서 라이너(10)의 외주면(10A)이 보강 부재(20)가 감겨 이루어지는 고압 가스 저장 용기를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 구조체로서, 도 16에 도시된 바와 같은, 자동차의 패널(5)에 적용되어도 된다. 자동차의 패널(5)은, 보강 부재(20)를 코어 부재로서 패널 형상으로 형성하여 이루어진다. 패널(5)은, RTM(Resin Transfer Molding) 성형법에 의해 형성된다. 예를 들어, 패널(5)에 대하여, 도 16에 나타내는 외력(F2)이 작용하는 경우, 상대적으로 많은 플라즈마(P)가 조사됨으로써 상대적으로 강도가 향상된 제1 영역(A1)을, 외력(F2)이 작용하는 부위 주변에 위치시킨다. 이 때문에, 두께를 저감했다고 해도, 플라즈마(P)가 조사됨으로써 강도가 향상되어 있기 때문에, 적절한 강도를 유지할 수 있다. 이상으로부터, 적절한 강도를 유지하면서, 두께를 저감시킴으로써, 전체적으로 경량화할 수 있는 패널(5)을 제공할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 플라즈마 전압, 전류, 주파수, 전극 및 가스 조건을 조정함으로써, 플라즈마(P)의 조사 강도를 조정했다. 그러나, 조사부(120) 및 강화 섬유(21) 사이에 필터를 설치함으로써, 플라즈마(P)의 조사 강도를 조정해도 된다. 이 구성에 의하면, 플라즈마 전압, 전류, 주파수, 전극, 가스 조건을 조작하지 않고, 용이하게 강화 섬유(21)에 대한 플라즈마(P)의 조사량을 조정할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 라이너(10)는 원통형을 가지지만, 사각 기둥 형상 등이어도 된다.
또한, 본 출원은, 2016년 3월 4일에 출원된 일본 특허 출원 번호 제2016-042733호에 기초하고 있으며, 그들의 개시 내용은 참조되고, 전체적으로, 원용된다.
1: 고압 가스 저장 용기(구조체)
5: 자동차의 패널(구조체)
10: 라이너
10A: 라이너의 외주면
11: 동체부
12: 거울부
20: 보강 부재
21: 강화 섬유
22: 수지
30: 보강층
31: 후프층
32: 헬리컬층
A1: 제1 영역
A2: 제2 영역
P: 플라즈마
5: 자동차의 패널(구조체)
10: 라이너
10A: 라이너의 외주면
11: 동체부
12: 거울부
20: 보강 부재
21: 강화 섬유
22: 수지
30: 보강층
31: 후프층
32: 헬리컬층
A1: 제1 영역
A2: 제2 영역
P: 플라즈마
Claims (20)
- 수지가 함침된 강화 섬유를 포함하는 보강 부재를 구비하는 구조체이며,
상기 보강 부재는, 상기 강화 섬유에 대하여 플라즈마가 조사되어 이루어지는 제1 영역과, 상기 강화 섬유에 대하여 상기 제1 영역보다도 적은 양의 상기 플라즈마가 조사되어 이루어지거나 또는 상기 플라즈마가 조사되지 않는 제2 영역을 갖고,
상기 제1 영역을 상기 제2 영역보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시켜, 상기 보강 부재를 설치하여 이루어지는 구조체. - 제1항에 있어서, 코어 부재를 더 갖고,
상기 보강 부재는 띠 형상을 갖고,
띠 형상의 상기 보강 부재는, 상기 코어 부재의 외주면에 감겨 복수의 층을 포함하는 보강층을 구성하고,
상기 보강층은, 당해 보강층의 내주측이 상기 제1 영역에 의해 구성되고, 당해 보강층의 외주측이 상기 제2 영역에 의해 구성되는 구조체. - 제2항에 있어서, 상기 코어 부재는, 고압 가스를 수용하는 라이너인 구조체.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 보강 부재는, 상기 코어 부재에 대한 권취 개시 단부로부터 권취 종료 단부에 걸쳐, 상기 강화 섬유에 대한 상기 플라즈마의 조사량이 연속적으로 점차 감소하여 이루어지는 구조체.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 보강 부재는, 상기 코어 부재에 대한 권취 개시 단부로부터 권취 종료 단부에 걸쳐, 상기 강화 섬유에 대한 상기 플라즈마의 조사량이 단계적으로 점차 감소하여 이루어지는 구조체.
- 제5항에 있어서, 상기 보강층은, 상기 층별로, 상기 강화 섬유에 대한 상기 플라즈마의 조사량이 단계적으로 점차 감소하여 이루어지는 구조체.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 코어 부재에 대한 권취 개시 단부로부터, 당해 권취 개시 단부로 권취 종료 단부 사이에 위치하는 도중 부위까지에 있어서의 상기 보강 부재는, 상기 강화 섬유에 대하여, 상기 플라즈마가 일정량 조사되어 이루어지고,
상기 도중 부위로부터 상기 권취 종료 단부까지에 있어서의 상기 보강 부재는, 상기 강화 섬유에 대하여, 상기 플라즈마가 조사되어 있지 않은 구조체. - 제1항에 있어서, 상기 보강 부재를 코어 부재로서 패널 형상으로 형성되어 이루어지는 구조체.
- 수지가 함침된 강화 섬유를 포함하는 보강 부재를 구비하는 구조체의 제조 방법이며,
상기 강화 섬유에 대하여 플라즈마를 조사하고, 상기 수지를 함침시켜, 상기 보강 부재에 제1 영역을 형성하고,
상기 강화 섬유에 대하여 상기 제1 영역보다도 적은 양의 상기 플라즈마를 조사하거나 또는 상기 플라즈마를 조사하지 않고, 상기 수지를 함침시켜, 상기 보강 부재에 제2 영역을 형성하고,
상기 제1 영역을 상기 제2 영역보다도 강도가 요구되는 개소에 위치시키는, 구조체의 제조 방법. - 제9항에 있어서, 띠 형상으로 구성되는 상기 강화 섬유를 반송하고,
반송 방향의 전방측에 있어서, 상기 강화 섬유에 대하여 상기 플라즈마를 조사하고, 상기 수지를 함침시켜, 상기 보강 부재에 상기 제1 영역을 형성하고,
상기 반송 방향의 후방측에 있어서, 상기 강화 섬유에 대하여 상기 제1 영역보다도 적은 양의 상기 플라즈마를 조사하고, 상기 수지를 함침시켜, 상기 보강 부재에 상기 제2 영역을 형성하고,
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역이 형성된 상기 보강 부재를 코어 부재에 감는 구조체의 제조 방법. - 제10항에 있어서, 상기 코어 부재는, 고압 가스를 수용하는 라이너인 구조체의 제조 방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 보강 부재의 상기 코어 부재에 대한 권취 개시 단부로부터 권취 종료 단부에 걸쳐, 상기 강화 섬유에 대하여, 상기 플라즈마를 연속적으로 점차 감소하면서 조사하는 구조체의 제조 방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 보강 부재의 상기 코어 부재에 대한 권취 개시 단부로부터 권취 종료 단부에 걸쳐, 상기 강화 섬유에 대하여, 상기 플라즈마를 단계적으로 점차 감소하면서 조사하는 구조체의 제조 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 플라즈마를 상기 강화 섬유에 대하여 조사할 때에
상기 플라즈마를 조사하는 대상이, 하나의 층에 있어서 감기는 상기 보강 부재를 구성하는 상기 강화 섬유로부터, 상기 하나의 층 외주측에 인접하는 다른 층에 있어서 감기는 상기 보강 부재를 구성하는 상기 강화 섬유로 전환될 때에, 상기 플라즈마의 조사량을 저감시키는 구조체의 제조 방법. - 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 보강 부재의 상기 코어 부재에 대한 권취 개시 단부로부터, 당해 권취 개시 단부와 권취 종료 단부 사이에 위치하는 도중 부위에 걸쳐, 상기 보강 부재를 구성하는 상기 강화 섬유에 대하여, 상기 플라즈마를 일정량 조사하고, 상기 보강 부재의 상기 도중 부위로부터 상기 권취 종료 단부에 걸쳐, 상기 보강 부재를 구성하는 상기 강화 섬유에 대하여, 상기 플라즈마를 조사하지 않은 구조체의 제조 방법.
- 제9항에 있어서, 상기 보강 부재를 코어 부재로서 패널 형상으로 형성하는 구조체의 제조 방법.
- 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 플라즈마 전압, 전류, 주파수, 전극, 가스 조건 중 적어도 하나를 조정하여 상기 플라즈마의 조사 강도를 조정함으로써, 상기 플라즈마의 조사량을 조정하는 구조체의 제조 방법.
- 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마의 조사부와 상기 강화 섬유 사이에 필터를 설치하여, 상기 플라즈마의 조사 강도를 조정함으로써, 상기 플라즈마의 조사량을 조정하는 구조체의 제조 방법.
- 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마를 상기 강화 섬유에 대하여 조사할 때에 있어서의 상기 강화 섬유의 반송 속도를 바꿈으로써, 상기 플라즈마의 조사량을 조정하는 구조체의 제조 방법.
- 제9항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강화 섬유의 표면에, 상기 표면에 직교하는 직교 방향에 대하여 경사진 방향으로부터 상기 플라즈마를 조사하는 구조체의 제조 방법.
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