CN117425557A - 缠绕纤维的方法及由此制造的压力容器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于缠绕纤维的方法，包括以下步骤：(a)将纤维增强复合材料缠绕在内衬的外周表面以形成第一图案层；(b)将纤维增强复合材料缠绕在第一图案层的上表面以形成第二图案层，从而形成第一复合材料层；以及(c)在第一复合材料层的上表面再次形成第一图案层，并且在第一图案层的上表面形成第二图案层，以形成第二复合材料层，其中根据表达式1重复地形成复合材料层：[表达式1]CN≤5，其中CN是全部复合材料层的数量。

Description

缠绕纤维的方法及由此制造的压力容器
技术领域
本发明涉及一种纤维缠绕方法。更具体而言，本发明涉及用于提高压力容器的耐久性的纤维缠绕方法及由此制造的压力容器。
背景技术
作为新一代交通工具，氢燃料电池汽车成为关注的焦点，并且也在积极开发用于氢燃料的压力容器。在制造用于存储高压氢气的压力容器的方法中，主要用于制造圆形制品的纤维缠绕成型方法是通过围绕圆柱形旋转模具(心轴)缠绕树脂浸渍的连续纤维，然后固化缠绕的树脂浸渍的连续纤维从而制造旋转对称结构的复合材料成型方法，并且将纤维缠绕成型方法分类为湿式缠绕法和干式缠绕法，其中湿式缠绕法是使纤维在将要绕内衬缠绕之前通过树脂浴时浸渍纤维，干式缠绕法使用丝束预浸料。
缠绕方法包括环状卷绕(垂直缠绕)和螺旋卷绕(螺旋缠绕)，并且相应地形成的环形图案层通过支撑压力容器的压力从而防止损坏内衬的圆柱体部分，并且螺旋图案层用于加强圆顶部分。
在这种情况下，随着在内衬的周向方向形成更多的环形图案层，容器更能够承受压力，从而提高整个压力容器的耐久性，但是当在周向方向形成环形图案层时，会形成由这些图案造成的台阶(step)。
因此，在实际的压力容器中，在内衬的内部区域中形成多个环形图案层以加强周向方向的纤维缠绕方法具有限制性并且具有不能有效地提高压力容器的耐久性的问题。
因此，迫切需要开发一种新的纤维缠绕方法以用于提高压力容器的耐久性。
作为本发明的背景技术，在韩国专利No.10-2217830中公开了纤维缠绕装置。
发明内容
[技术问题]
本发明旨在通过改进纤维缠绕方法从而提高压力容器的耐久性。
本发明还旨在提供一种压力容器，其通过去除由形成环形图案层造成的易损部分从而具有提高的耐久性。
可以通过下面描述的本发明实现本发明的上述目的和其他目的。
[技术方案]
1.本发明的一个方面涉及一种用于压力容器的纤维缠绕方法。
该纤维缠绕方法包括：操作(a)，通过在内衬的外周表面缠绕纤维增强复合材料，从而形成第一图案层；操作(b)，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料以形成第二图案层，从而形成第一复合材料层；以及操作(c)，通过在第一复合材料层的上表面再次形成第一图案层，并且在第一图案层的上表面形成第二图案层，从而形成第二复合材料层，其中根据如下表达式1重复地形成复合材料层。
[表达式1]
CN≤5
在此，CN表示复合材料层的总数。
2.在第一具体实施方案中，操作(c)还可包括在形成第二图案层之后形成螺旋图案层。
3.在第一或第二具体实施方案中，第一图案层可以是通过在内衬的周向方向缠绕纤维增强复合材料形成的环形图案层。
4.在第三具体实施方案中，在操作(b)中，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料从而使第二图案层可以形成为管状螺旋图案层，并且可以满足如下表达式2。
[表达式2]
N1>N2
在此，N1表示在内衬的上表面形成的环形图案层的数量，并且N2表示在环形图案层的上表面形成的管状螺旋图案层的数量。
5.在第三具体实施方案中，在操作(c)中，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料从而使第二图案层可以形成为管状螺旋图案层，并且可以满足如下表达式3。
[表达式3]
N3≥N4
在此，N3表示第二复合材料层的环形图案层的数量，并且N4表示管状螺旋图案层的数量。
6.在第一至第五具体实施方案的任一者中，可以将操作(c)中的第一图案层的缠绕起始点变为比操作(a)中的第一图案层的缠绕起始点更接近内衬的中心。
7.在第四或第五具体实施方案中，管状螺旋图案层可以以相对于内衬的轴向方向约60°至89°的角度缠绕。
8.在第一至第七具体实施方案的任一者中，通过朝向内衬的圆顶部分缠绕纤维增强复合材料从而使第一图案层形成为螺旋图案层。
9.在第八具体实施方案中，在操作(b)中，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料从而使第二图案层可以形成为环形图案层，并且可以满足如下表达式4。
[表达式4]
N5>N6
在此，N5表示在螺旋图案层的上表面形成的环形图案层的数量，并且N6表示螺旋图案层的数量。
10.在第八具体实施方案中，在操作(c)中，通过在第一复合材料层的上表面缠绕纤维增强复合材料从而使第一图案层可以形成为管状螺旋图案层，并且通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料从而使第二图案层可以形成为环形图案层，并且可以满足如下表达式5。
[表达式5]
N7>N8
在此，N7表示第二复合材料层的环形图案层的数量，并且N8表示管状螺旋图案层的数量。
11.在第十具体实施方案中，管状螺旋图案层可以以相对于内衬的轴向方向约60°至89°的角度缠绕。
12.在第五或第十具体实施方案中，在内衬的周向方向形成的环形图案层的数量可以在整个内衬上形成的层的数量的约20％至35％的范围内。
13.在第五或第十具体实施方案中，第一复合材料层的管状螺旋图案层的数量与环形图案层的数量的比率可以在5～10:1～5的范围内，并且第二复合材料层的管状螺旋图案层的数量与环形图案层的数量的比率可以在约1～2:1的范围内。
14.本发明的另一方面涉及一种压力容器。
该压力容器包括内衬以及通过纤维缠绕方法在内衬的外周表面形成的复合材料层。
15.在第十四具体实施方案中，内衬的圆柱体部分的破裂压力可为约1,700bar以上。
16.在第十四或第十五具体实施方案中，内衬的圆柱体部分的最大应力可以在约2,500MPa至2,600MPa的范围内。
[有利效果]
在根据本发明的纤维缠绕方法中，通过改进形成复合材料层的工艺以减少昂贵的碳纤维的使用，能够降低压力容器的制造成本同时增加压力容器的重量效率，并且与通过交替堆叠环形图案层和螺旋图案层的常规纤维缠绕方法制造的压力容器相比，耐久性提高了8％以上。
附图说明
图1为示出了根据本发明的一个具体实施方案的纤维缠绕方法的工艺流程图。
图2为示出了形成压力容器的复合材料层的常规工艺的示意图。
图3为压力容器的示意图，其中形成了根据本发明的一个具体实施方案的环形图案层和管状螺旋图案层。
图4示出了通过根据本发明的一个具体实施方案的纤维缠绕方法制造的压力容器和交替形成环形图案层和螺旋图案层的常规压力容器的填充压力的最大应力和破裂压力的计算机模拟结果。
图5示出了根据本发明的一个具体实施方案的纤维缠绕方法制造的压力容器和交替形成环形图案层和螺旋图案层的常规压力容器由于流体填充从而导致圆柱体部分破裂的照片。
图6示出了根据复合材料层内部的环形图案层的数量的增加预期的破裂压力。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地描述本发明。然而，提供以下附图仅仅是为了帮助理解本发明，因此本发明不受以下附图的限制。此外，由于在附图中公开的形状、尺寸、比率、角度、数量等是说明性的，因此本发明不限于示出的项目。
在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的部件。此外，在描述本发明时，当确定相关已知技术的详细描述可能不必要地模糊本发明的要点时，将省略其详细描述。
当使用说明书中描述的术语“包括”、“具有”、“由……组成”等时，除非使用“仅”，否则可增加其他部分。除非另有特别说明，否则当以单数表示部件时，这包括以多个部件提供该部件的情况。
在构建部件时，即使在没有单独的明确描述时，也要将部件解释为包括误差范围。
当将两个部分之间的位置关系描述为“在……上”、“在……上表面”、“在……下部”、“在……旁边”等时，可以将一个以上其他部分定位在这两个部分之间，除非使用“紧邻”或“直接”。
仅基于附图描述诸如“上部”、“上表面”、“下部”、“下表面”等的位置关系，而不表示绝对的位置关系。换句话说，根据观察到的位置，“上部”和“下部”或“上表面”和“下表面”的位置可以互换。
在说明书中，将表示数值范围的术语“a至b”定义为“≥a且≤b”。
本发明的一个方面涉及一种用于压力容器的纤维缠绕方法。
图1为根据本发明的一个具体实施方案的纤维缠绕方法的工艺流程图。
参考图1，纤维缠绕方法包括(a)通过在内衬的外周表面缠绕纤维增强复合材料，从而形成第一图案层；(b)通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料以形成第二图案层，从而形成第一复合材料层；以及(c)通过在第一复合材料层的上表面再次形成第一图案层，并且在第一图案层的上表面形成第二图案层，从而形成第二复合材料层。
首先，通过提供内衬并在内衬的外周表面缠绕纤维增强复合材料，从而形成第一图案层(S100)。
内衬可以提供存储高压燃料、优选氢气的空间，内衬可以由塑料材料制成，并且可以包括具有喷嘴的凸台(boss)部分，其中燃料可以通过喷嘴喷射或排出，并且喷嘴设置在内衬的一端。
内衬可包括设置在其两端的圆顶部分和设置在其中心的圆柱体部分，并且圆顶部分可具有恒定的曲率，在圆顶部分和圆柱体部分连接的拐点C之间可形成内部区域S，并且纤维增强复合材料可以绕内部区域S缠绕以承受施加到圆柱体部分的压力。
通过在内衬的外周表面缠绕纤维增强复合材料，从而形成第一图案层。
纤维增强复合材料可以是碳纤维增强复合材料、玻璃纤维增强复合材料和芳族聚酰胺纤维增强复合材料中的一者。
具体而言，可以通过将碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维浸渍到诸如纳米颗粒环氧树脂、环氧树脂、改性环氧树脂、或聚酯或热塑性树脂如聚酰胺之类的热固性树脂中，从而形成纤维增强复合材料。
通过缠绕上述纤维增强复合材料以形成第一图案层和第二图案层，从而形成与内衬的外周表面接触的第一复合材料层，由此能够大幅提高压力容器的耐久性。
在此，第一图案层是通过在内衬的外周表面缠绕纤维增强复合材料形成的层，并且第二图案层是通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料形成的层。
在一个具体实施方案中，第一图案层可以形成为环形图案层，环形图案层通过在内衬的周向方向缠绕纤维增强复合材料从而提供多个层。
可以通过在内衬的外周表面直接缠绕从而形成第一图案层，并且可以从内衬的圆柱体部分的两端的任一侧开始缠绕，并且第一图案层可以形成在圆柱体部分的内部区域S中。
当第一图案层形成为环形图案层时，能够通过支撑施加到内衬的内部区域的压力从而有效地提高圆柱体部分的破裂压力。
在这种情况下，随着在内衬的周向方向形成更多的环形图案层，容器更能够承受压力，从而提高整个压力容器的耐久性，但是当在周向方向形成环形图案层时，会形成由这些图案造成的台阶。
当环形图案层形成为多个环形图案层时，会在环形图案层的侧表面形成阶梯状台阶，当连续堆叠环形图案层时，会增加台阶的尺寸，因此当纤维增强复合材料在缠绕过程中以螺旋图案缠绕时，纤维增强复合材料会从台阶部分脱离从而滑落或者难以将纤维增强复合材料缠绕在精确的位置，从而增加制造工艺中的缺陷率，并且当螺旋图案层直接形成在台阶的上表面时，会通过该台阶形成空间，并且该空间会无法支撑施加到内衬的压力从而导致易损性，进而导致压力容器的损坏。因此，通过连续堆叠环形图案层提高压力容器的耐久性的方法具有限制性。
通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料以形成第二图案层，从而形成第一复合材料层(S200)。
第一复合材料层包括第一图案层和第二图案层，并且当第一图案层首先形成为环形图案层时，第二图案层作为管状螺旋图案层形成在环形图案层的上表面。
当第二图案层形成为管状螺旋图案层时，可以直接围绕在第一图案层的环形图案层的侧表面形成的台阶的上表面以形成第二图案层，并且由于管状螺旋图案层最大程度地与台阶的上表面进行表面接触，因此即使当重复地形成环形图案层时，通过台阶形成的空间也会变小，从而减少了复合材料层的易损部分并且大幅提高了压力容器的耐久性。
当第二图案层形成为管状螺旋图案层时，能够通过形成第一图案层的多个环形图案层从而有效地提高内衬的周向部分的耐久性。
在一个具体实施方案中，在操作S200中，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料，从而使第二图案层可以形成为管状螺旋图案层，并且可以满足如下表达式2。
[表达式2]
N1>N2
在此，N1表示在内衬的上表面形成的环形图案层的数量，并且N2表示在环形图案层的上表面形成的管状螺旋图案层的数量。
在内衬的上表面形成的环形图案层的数量大于在环形图案层的上表面形成的管状螺旋图案层的数量。
例如，当第一图案层形成为四个环形图案层时，第二图案层可以形成为一个层至三个层。
通过根据表达式2增加环形图案层的数量能够大幅提高圆柱体部分的耐久性，并且由于管状螺旋图案层减少了由环形图案层形成的台阶从而有效地减少了易损部分，因此可以通过连续堆叠环形图案层堆叠多个环形图案层。
当根据表达式2将第一图案层形成为多个环形图案层并且管状螺旋图案层支撑环形图案层时，能够确认环形图案层的最优数量，这可以最有效地支撑施加到内衬的圆柱体部分的周向的压力，并且由于第一图案层直接形成在内衬的外周表面，因此能够通过有效地支撑施加到内衬的压力从而防止内衬破裂。
通过在第一复合材料层的上表面再次形成第一图案层并在第一图案层的上表面形成第二图案层，从而形成第二复合材料层(S300)。
在操作S200中形成第一复合材料层之后，在操作S300中形成第二复合材料层。
具体而言，通过以相同的方法在第一复合材料层的上表面形成第一图案层并在第一图案层的上表面形成第二图案层，从而形成第二复合材料层。
在一个具体实施方案中，在操作S300中，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料，从而使第二图案层可以形成为管状螺旋图案层，并且可以满足如下表达式3。
[表达式3]
N3≥N4
在此，N3表示第二复合材料层的环形图案层的数量，并且N4表示管状螺旋图案层的数量。
环形图案层也可以形成在第二复合材料层上，由此形成台阶，并且形成围绕台阶的上部的管状螺旋图案层以减少由环形图案层形成的台阶，从而连续形成更多的环形图案层。
例如，当第二复合材料层由作为第一图案层的三个环形图案层形成时，第二图案层可以形成为三个以下管状螺旋图案层，并且优选地，可以首先在其中形成两个层，然后可以在其中连续地形成一个附加层。
根据表达式2，由于在第一复合材料层中形成多个环形图案层以充分提高圆柱体部分的耐久性，因此优选第二复合材料层的环形图案层的数量变得小于第一复合材料层的环形图案层的数量。
当根据表达式3形成第二复合材料层时，即使当环形图案层增加时也能够防止由于台阶导致的制品缺陷和压力容器的耐久性的劣化，并且即使当第二复合材料层的环形图案层和管状螺旋图案层的数量减少时，也能够加强内衬的圆柱体部分，从而减少了纤维增强复合材料的使用，并且大幅提高了压力容器的制造效率。
在一个具体实施方案中，S300还可以包括形成第二图案层和形成螺旋图案层。
当形成螺旋形图案层时，能够加强圆顶部分的耐久性，并且可以均匀地形成内衬的全部复合材料层。
具体而言，螺旋图案层可以以约10°至42°的角度形成，并且优选地形成为多个层。
可以形成螺旋图案层以在包括圆顶部分的整个内衬上形成复合材料层。
在一个具体实施方案中，可以将操作S200中的第一图案层的缠绕起始点变为比操作S100中的第一图案层的缠绕起始点更接近内衬的中心。
具体而言，当操作S300中的第一图案层变为比操作S100中的第一图案层更接近内衬的内部区域的中心时，能够更有效地减少由环形图案层形成的台阶。
在一个具体实施方案中，管状螺旋图案层可以以相对于内衬的轴向方向约60°至89°的角度缠绕。
典型地，可以通过以相对于内衬中心的轴向方向约5°至44°的低角度缠绕从而形成螺旋图案层，但是管状螺旋图案层可以优选以更大的角度缠绕，以直接缠绕在由先前形成的环形图案层形成的台阶上，并且在有效减少由环形图案层形成的台阶的范围内进行缠绕。
当管状螺旋图案层的缠绕角度小于该范围内的值时，难以减少由环形图案层形成的台阶，并且当缠绕角度超过该范围内的值时，形成管状螺旋图案层的效率大幅降低。
在操作S300中形成第一复合材料层之后，可以根据如下表达式1重复地形成复合材料层。
[表达式1]
CN≤5
在此，CN表示复合材料层的总数。
通过重复地形成根据表达式1的复合材料层，能够通过降低内衬和复合材料层之间的应力，从而提高内衬的破裂压力并且大幅提高压力容器的耐久性。
当在该范围内形成多个复合材料层时，与简单交替形成环形图案层和螺旋图案层的情况相比，能够更优选地将耐久性提高约8％以上，而且也能够增加复合材料层的数量以提高压力容器的耐久性。
同时，在操作S100中，第一图案层可以形成为螺旋图案层。
在一个具体实施方案中，可以通过朝向内衬的圆顶部分缠绕纤维增强复合材料，从而使第一图案层首先形成为螺旋图案层。
第一图案层可以形成为这样的螺旋图案层，其从圆顶部分开始在相对于内衬的轴向方向以比环形图案层更小的角度缠绕。
即使当形成螺旋图案层时，也能够通过在螺旋图案层的上表面连续地形成环形图案层，从而提高内衬的圆柱体部分的耐久性。
在一个具体实施方案中，在操作S200中，通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料，从而使第二图案层可以形成为环形图案层，并且可以满足如下表达式4。
[表达式4]
N5>N6
在此，N5表示在螺旋图案层的上表面形成的环形图案层的数量，并且N6表示螺旋图案层的数量。
可以形成比螺旋图案层更多的环形图案层，并且能够在该范围内有效地提高内衬的耐久性。
在一个具体实施方案中，在操作S300中，第二复合材料层可以包括第一图案层和第二图案层，其中通过在第一复合材料层的上表面缠绕纤维增强复合材料，从而使第一图案层形成为管状螺旋图案层，并且通过在第一图案层的上表面缠绕纤维增强复合材料，从而使第二图案层形成为环形图案层，并且满足如下表达式5。
[表达式5]
N7>N8
在此，N7表示第二复合材料层的环形图案层的数量，并且N8表示管状螺旋图案层的数量。
当在该范围内在环形图案层的上表面形成管状螺旋图案层时，能够有效地防止压力容器的缺陷以及由环形图案层形成的台阶对内衬的损坏。
即使在这种情况下，管状螺旋图案层也可以以相对于内衬的轴向方向约60°至89°的角度缠绕，并且直接与环形图案层的上表面进行表面接触，以减少环形图案层形成在内衬的侧表面的空间并且有效地支撑施加到内衬的压力。
在一个具体实施方案中，在内衬的周向方向形成的环形图案层的数量的范围可以在整个内衬上形成的层的数量的约20％至35％的范围内。
在第一复合材料层和第二复合材料层中，由于环形图案层可以连续且重复地堆叠以大幅提高压力容器的破裂压力，因此当在该范围内形成环形图案层时，与连续堆叠两个以上环形图案层的情况或者交替形成环形图案层和螺旋图案层的情况相比，能够减少纤维增强复合材料的使用，并且有效地提高内衬的圆柱体部分的破裂压力并且减小复合材料层和内衬之间的应力。
在一个具体实施方案中，第一复合材料层的管状螺旋图案层的数量与环形图案层的数量的比率可以在约5～10:1～5的范围内，并且第二复合材料层的管状螺旋图案层的数量与环形图案层的数量的比率可以在约1～2:1的范围内。
当第一复合材料层和第二复合材料层中形成在上述范围内的环形图案层时，不仅能够由于环形图案层的数量增加从而提高圆柱体部分的破裂压力，而且通过在开始形成复合材料层时以高达约90％的比率形成环形图案层，能够容易地确保内衬的目标耐久性，并且此后能够通过额外形成复合材料层最终调整压力容器的耐久性，从而大幅提高制造工艺效率。
本发明的另一方面涉及压力容器。
图2为示出了形成压力容器的复合材料层的工艺的示意图，并且图3为压力容器的示意图，其中形成了根据本发明的一个具体实施方案的环形图案层和管状螺旋图案层。
首先，参考图2，当通过在内衬10的周向方向、在内部区域S中连续堆叠从而常规形成环形图案层20时，能够最有效地提高圆柱体部分的耐久性，但当在内衬的两端的侧表面形成台阶并且在环形图案层20的上表面直接形成螺旋图案层30时，在其中形成空间40，并且当空间40和41重复地彼此重叠时，在复合材料层中出现易损性，并且复合材料层会无法支撑内衬的压力，从而最终损坏压力容器。
参考图3，根据本发明的压力容器1000包括内衬100以及复合材料层400和700。
内衬100设置有形成在其一端的凸台110，并且具有形成在内衬100中的存储空间。
复合材料层400和700包括第一复合材料层400和第二复合材料层700。
具体而言，通过在内衬100的外周表面形成多个环形图案层200作为第一图案层，然后缠绕纤维增强复合材料并缠绕大角度管状螺旋图案层300作为第二图案层，从而形成第一复合材料层400。
当大角度的管状螺旋图案层300与形成在设置为多个环形图案层的环形图案层200的侧表面的台阶表面接触时，能够减小由台阶形成的空间，从而有效地防止由于对内衬加压而导致的易损性的发生。
第二复合材料层700包括第一图案层500和第二图案层600。
第一图案层500和第二图案层600是与第一复合材料层400的那些层相同的元件。
在这种情况下，第一图案层500的缠绕起始点可以设置在变为比缠绕第一复合材料层400的第一图案层200的起始点S0更接近内部区域的中心的位置S1处，并且即使以多个复合材料层的形式提供复合材料层时，当将第一图案层的起始点变为接近内部区域的中心时，也能够减少由形成环形图案层造成的台阶。
在内衬的周向方向形成多个环形图案层是能够提高压力容器的圆柱体部分的破裂压力并减小最大应力的最有效方法，但实际上，当通过连续堆叠形成环形图案层时，会在环形图案层的侧表面形成台阶，并且当螺旋图案层直接形成在环形图案层的上表面时，由于空间的原因不能有效地支撑内衬的压力，从而导致损坏，因此很难连续地形成环形图案层。
根据本发明的一个具体实施方案的压力容器1000通过在内衬100的外周表面缠绕纤维增强复合材料，可以包括多个复合材料层400和700，并且通过区分第一图案层200和第二图案层300可以形成第一复合材料层400，当第一图案层形成为环形图案层时，第二图案层300可以形成为螺旋图案层，当第一图案层200形成为螺旋图案层时，第二图案层300可以形成为环形图案层，通过形成大角度的管状螺旋图案层以减小当环形图案层的数量增加时由于环形图案层的台阶造成的空间，可以在内衬的周向方向堆叠大量的环形图案层，并且这能够防止在缠绕纤维增强复合材料时的制品缺陷，从而更有效地加强内衬的周向方向。
在压力容器1000中，减少了由于复合材料层的环形图案层导致的阶梯状台阶，从而提高了圆柱体部分的破裂压力并减小了最大应力，因此总体耐久性可增加高达8％。
在一个具体实施方案中，内衬的圆柱体部分的破裂压力可为约1,700bar以上。
具体而言，对于约1,575bar的填充压力，根据预期的破裂压力的计算机模拟结果的破裂压力为约1,700bar以上，并且更具体而言，内衬的圆柱体部分的破裂压力在约1,700bar至1,950bar的范围内。
在一个具体实施方案中，当形成复合材料层时，圆柱体部分的破裂压力提高，从而提高了整个压力容器的耐久性。
内衬的圆柱体部分的最大应力的范围可以为约2,500MPa至2,600MPa。
通过纤维缠绕方法形成的复合材料层可以减小周向方向的应力，因此内衬的圆柱体部分的最大应力具体可以在约2,500MPa至2,550MPa的范围内。
在复合材料层中，可以增加堆叠的环形图案层的数量，并且其中环的数量也可以增加，从而有效地减小了内衬的圆柱体部分与复合材料层之间产生的应力，因此能够大幅提高压力容器的耐久性。
在下文中，给出了示例性实施例以帮助理解本发明，但以下实施例仅是本发明的说明，因此本发明的范围不限于以下实施例。
实施例1.制造压力容器
通过在塑料树脂内衬的外周表面缠绕将碳纤维浸渍到环氧树脂中的纤维复合材料从而形成复合材料层，并且首先通过以下方式形成第一复合材料层：首先由湿法形成四层环形图案层，并且以相对于内衬的轴向方向89°的大角度堆叠一层管状螺旋图案层。
通过在第一复合材料层的上表面再次形成三层环形图案层并且以约80°的角度连续形成一层管状螺旋图案层，从而形成第二复合材料层。
在第二复合材料层的管状螺旋图案层的上表面增加螺旋图案层，并且加固了圆顶部分。
通过相同的方法将复合材料层形成为三个复合材料层。
为了防止由于碳纤维的张力导致的内衬的屈曲，在缠绕过程中注入空气以维持内衬的形状。
最后，通过将复合材料层中的环形图案层的数量(Ply)调整为图案层总数的约32.3％，从而完成压力容器。
比较例1
通过与实施例1相同的方法制造压力容器，但不进行形成第一复合材料层和第二复合材料层的工艺，而是以与实施例1相同的厚度交替堆叠螺旋图案层和环形图案层，从而完成压力容器。
实验例1.压力容器的耐久性试验
图4示出了通过根据本发明的一个具体实施方案的纤维缠绕方法制造的压力容器和交替形成环形图案层和螺旋图案层的常规压力容器的填充压力的最大应力和破裂压力的计算机模拟结果，并且图5示出了根据本发明的一个具体实施方案的纤维缠绕方法制造的压力容器和交替形成环形图案层和螺旋图案层的常规压力容器(比较例1)由于流体填充从而导致圆柱体部分破裂的照片。
参考图4和图5，在实施例1中，使用ABAQUS程序对根据实施例1的压力容器的约1,575bar的填充压力的主应力(单位：MPa)和破裂压力(单位：bar)进行的计算机模拟的结果确认了圆柱体部分的最大应力减小了约4％以上，并且破裂压力也增加了约5％以上。
此外，当通过改变纤维增强复合材料检查不同材料的压力容器的耐久性时，确认耐久性平均增加高达8％。
实验例2.增加内部环状层的数量以提高耐久性
当第一复合材料层中形成的环形图案层的数量比第二复合材料层中更多时，确认了压力容器的耐久性的提高程度。
[表1]
参考表1，在制造例4、6中，在作为复合材料层的最内侧的第一复合材料层中形成的环形图案层的数量多于在第二复合材料层中的环形图案层的数量，并且在制造例2、3和5中，形成了相同数量的环形图案层或更少数量的环形图案层。
以与实验例1相同的方法通过计算机模拟测定对于约1,575bar的填充压力预期的破裂压力。
图6示出了根据内部复合材料层的环形图案层的数量的增加预期的破裂压力。
参考图6，在制造例6中，确认示出了约1904.47bar的高破裂压力，并且当环形图案层在最内侧形成为多个环形图案层时，能够最有效地提高压力容器的耐久性。
另一方面，在制造例3中，确认了在形成第一复合材料层之后，当进一步增加第二复合材料层的环形图案层的数量时，示出了约1889.62bar的低破裂压力，因此不能有效地提高压力容器的耐久性。
因此，根据本发明的纤维缠绕方法，能够克服由于在内衬的周向方向形成环形图案层时形成的台阶从而导致的环形图案层的制品缺陷和堆叠限制，并且特别是，通过在与内衬接触的最内层复合材料层上形成更多数量的环形图案层，可有效地加强内衬的周向方向，并且由于在开始形成复合材料层时最大限度地形成环形图案层以易于确保目标耐久性，因此即使当纤维增强复合材料的整体使用减少时，也能够确保耐久性大于或等于通过常规纤维缠绕方法制造的压力容器的耐久性。
此外，不仅能够通过减少制造工艺的工艺数量大幅提高制造效率，而且由于圆柱体部分的最大应力的减小和破裂压力的增加，由此制造的压力容器的整体的耐久性提高8％以上。
到目前为止，主要描述了本发明的实施方案。本发明所属领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的本质特征的情况下，本发明可以以修改的形式施行。因此，应当从说明性而非限制性的角度考虑所公开的实施方案。在权利要求而非上述描述中对本发明的范围进行了描述，并且应当将等同范围中的全部差异解释为包括在本发明中。

Claims (16)

1.一种纤维缠绕方法，包括：
操作(a)，通过在内衬的外周表面缠绕纤维增强复合材料，从而形成第一图案层；
操作(b)，通过在所述第一图案层的上表面缠绕所述纤维增强复合材料以形成第二图案层，从而形成第一复合材料层；以及
操作(c)，通过在所述第一复合材料层的上表面再次形成第一图案层，并且在所述第一图案层的上表面形成第二图案层，从而形成第二复合材料层，
其中根据如下表达式1重复地形成复合材料层：
[表达式1]
CN≤5，
在此，CN表示所述复合材料层的总数。
2.根据权利要求1所述的纤维缠绕方法，其中操作(c)还包括在形成所述第二图案层之后形成螺旋图案层。
3.根据权利要求1所述的纤维缠绕方法，其中所述第一图案层是通过在所述内衬的周向方向缠绕所述纤维增强复合材料形成的环形图案层。
4.根据权利要求3所述的纤维缠绕方法，其中在操作(b)中，通过在所述第一图案层的上表面缠绕所述纤维增强复合材料从而使所述第二图案层形成为管状螺旋图案层，并且满足如下表达式2：
[表达式2]
N1>N2，
在此，N1表示在所述内衬的上表面形成的环形图案层的数量，并且N2表示在所述环形图案层的上表面形成的管状螺旋图案层的数量。
5.根据权利要求3所述的纤维缠绕方法，其中在操作(c)中，通过在所述第一图案层的上表面缠绕所述纤维增强复合材料从而使所述第二图案层形成为管状螺旋图案层，并且满足如下表达式3：
[表达式3]
N3≥N4，
在此，N3表示所述第二复合材料层的环形图案层的数量，并且N4表示管状螺旋图案层的数量。
6.根据权利要求1所述的纤维缠绕方法，其中将操作(c)中的所述第一图案层的缠绕起始点变为比操作(a)中的所述第一图案层的缠绕起始点更接近所述内衬的中心。
7.根据权利要求4或5所述的纤维缠绕方法，其中所述管状螺旋图案层以相对于所述内衬的轴向方向约60°至89°的角度缠绕。
8.根据权利要求1所述的纤维缠绕方法，其中通过朝向所述内衬的圆顶部分缠绕所述纤维增强复合材料从而使所述第一图案层形成为螺旋图案层。
9.根据权利要求8所述的纤维缠绕方法，其中在操作(b)中，通过在所述第一图案层的上表面缠绕所述纤维增强复合材料从而使所述第二图案层形成为环形图案层，并且满足如下表达式4：
[表达式4]
N5>N6，
在此，N5表示在所述螺旋图案层的上表面形成的环形图案层的数量，并且N6表示螺旋图案层的数量。
10.根据权利要求8所述的纤维缠绕方法，其中在操作(c)中，通过在所述第一复合材料层的上表面缠绕所述纤维增强复合材料从而使所述第一图案层形成为管状螺旋图案层，并且通过在所述第一图案层的上表面缠绕所述纤维增强复合材料从而使所述第二图案层形成为环形图案层，并且满足如下表达式5：
[表达式5]
N7>N8，
在此，N7表示所述第二复合材料层的环形图案层的数量，并且N8表示管状螺旋图案层的数量。
11.根据权利要求10所述的纤维缠绕方法，其中所述管状螺旋图案层以相对于所述内衬的轴向方向约60°至89°的角度缠绕。
12.根据权利要求5或10所述的纤维缠绕方法，其中在所述内衬的周向方向形成的环形图案层的数量在整个所述内衬上形成的层的数量的约20％至35％的范围内。
13.根据权利要求5或10所述的纤维缠绕方法，其中所述第一复合材料层的管状螺旋图案层的数量与环形图案层的数量的比率在5～10:1～5的范围内，并且所述第二复合材料层的管状螺旋图案层的数量与环形图案层的数量的比率在约1～2:1的范围内。
14.一种压力容器，包括：
内衬；以及
通过权利要求1所述的纤维缠绕方法在所述内衬的外周表面形成的复合材料层。
15.根据权利要求14所述的压力容器，其中所述内衬的圆柱体部分的破裂压力为约1,700bar以上。
16.根据权利要求14所述的压力容器，其中所述内衬的圆柱体部分的最大应力在约2,500MPa至2,600Mpa的范围内。
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