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カーボンファイバー巻き取り複合圧力容器は、主に繊維巻き取りと織り込み工程によって形成された、密閉ライナーと高強度繊維巻き層からなる薄壁容器です。従来の金属圧力容器と比較して、複合圧力容器のライナーは貯蔵、密封、化学腐食防止の役割を担い、複合層は主に内部圧力荷重を支える役割を果たします。複合材料の比強度が高く、設計性に優れているため、複合圧力容器は従来の金属圧力容器に比べて耐荷重性が大幅に向上するだけでなく、容器質量も大幅に低減します。
繊維巻き圧力容器の内層は主にライナー構造で構成されており、その主な機能は、内部に貯蔵された高圧ガスまたは液体の漏洩を防ぐシールバリアとして機能すると同時に、外側の繊維巻き層を保護することです。この層は内部に貯蔵された物質によって腐食されません。外側の層は樹脂マトリックスで強化された繊維巻き層であり、主に圧力容器内のほとんどの圧力負荷に耐えるために使用されます。
1. 繊維巻き圧力容器の構造
複合圧力容器の主な構造形式は、円筒形、球形、環状、長方形の4つです。円筒形容器は、円筒部と2つのヘッドで構成されています。金属製圧力容器は、軸方向に十分な強度を持つようにシンプルな形状に作られています。球形容器は、内圧下で縦方向と横方向の応力が等しく、円周方向の応力は円筒形容器の半分です。金属材料の強度は全方向で等しいため、金属製の球形容器は強度が均等になるように設計され、容積と圧力が一定の場合、質量が最小になります。球形容器は、力学的状態が最も理想的で、容器壁も最も薄くすることができます。しかし、球形容器の製造は困難であるため、通常は宇宙船などの特殊な用途にのみ使用されます。工業生産において環状容器が使用されることは非常にまれですが、限られたスペースを最大限に活用するために宇宙船など、この構造を必要とする特定の用途でのみ使用されます。長方形のコンテナは、主にスペースが限られている場合に、スペースを最大限に活用して構造を利用するために使用されます。たとえば、自動車の長方形タンク車、鉄道のタンク車などです。このようなコンテナは一般に低圧コンテナまたは大気圧コンテナであり、品質要件は軽いほど良いです。
構造の複雑さは複合複合圧力容器自体、頭部と頭部の厚さの急激な変化、頭部の厚さや角度の変動などにより、設計、分析、計算、成形に多くの困難が生じます。複合圧力容器は、頭部で異なる角度や可変速度で巻き取る必要があるだけでなく、異なる構造に応じて異なる巻き取り方法を採用する必要があります。同時に、摩擦係数などの実際的な要因の影響を考慮する必要があります。したがって、正しく合理的な構造設計のみが、複合圧力容器の巻き取り製造プロセスを正しく導き、設計要件を満たす軽量の複合圧力容器製品を生産することができます。
2. ファイバー巻き圧力容器の材質
繊維巻き層は、主要な荷重支持部として、高強度、高弾性率、低密度、熱安定性、良好な樹脂濡れ性、良好な巻き取り加工性、均一な繊維束の密着性を備えていなければなりません。軽量複合圧力容器に一般的に使用される強化繊維には、以下のものがあります。炭素繊維、PBO繊維、芳香族ポリアミン繊維、UHMWPE 繊維などです。