JP2005155935A - 円管構造体 - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F41A21/00—Barrels; Gun tubes; Muzzle attachments; Barrel mounting means
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Abstract
【目的】軽量化が達成できるとともに、温度上昇に伴う内径増大を良好に抑制できる飛しょう体の発射装置又は内燃機関のシリンダライナーとして利用される円管構造を提供する。
【構成】飛しょう体等の移動体５を、火薬等の燃焼による高温高圧ガスの力を利用して移動させる装置の円筒状の円管１において、内側を鋼製の円管本体２とし、その外側に軸方向に長い周溝状の凹部３を形成し、該凹部３内に、周方向の熱膨張係数が０に近い値か負の値であり軸方向の熱膨張係数が鋼と概ね等しい値である長繊維強化金属基複合材料４を密着成型する。
【選択図】 図１
【構成】飛しょう体等の移動体５を、火薬等の燃焼による高温高圧ガスの力を利用して移動させる装置の円筒状の円管１において、内側を鋼製の円管本体２とし、その外側に軸方向に長い周溝状の凹部３を形成し、該凹部３内に、周方向の熱膨張係数が０に近い値か負の値であり軸方向の熱膨張係数が鋼と概ね等しい値である長繊維強化金属基複合材料４を密着成型する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、高温環境下で使用される円管構造体、特に、飛しょう体の発射装置或いは内燃機関のシリンダライナーとして用いられて最適の円管構造体に関するものである。
飛しょう体やピストン等の移動体を、火薬・燃料等の燃焼による高温・高圧ガスの力を利用して移動させて利用する装置としては、材料試験に用いられるショックガンや内燃機関など様々なものがあり、これらの装置では、移動体が円管の中を移動するのが一般的である。このような円管の多くは、高強度鋼材、例えばニッケル・クロム・モリブデン鋼により製造されるため、かなりの重量となる。近年、装置の輸送の容易性の向上及び操用性の向上等の観点から、軽量化の要求が強くなり、円管においても円管用鋼材の高強度化が進められてきたが、この高強度化はほぼ限界に達しているのが現状である。
このため、複層化により軽量化を図った円管が提案されており、例えば、下記特許文献１や下記特許文献２に記載のものがある。これらの従来例では、従来の鋼製円管を低比重のアルミニウム合金や繊維強化プラスチックで包んだ構成となっている。
一方、近年の上記装置においては、単位時間に移動体が移動する回数が増大する傾向にある。このため、当該装置の円管においては、火薬等の高温・高圧の燃焼ガスに繰り返しさらされるような過酷な環境下でも安定して使用できるような性能、すなわち高温安定性への要求が強くなっている。一般に、移動回数が多い状態で使用されると円管全体の平均温度が上昇し、円管の熱膨張により円管の内径が大きくなり、円管と移動体の間のすき間が大きくなる。その結果、このすき間の大きさが許容限度を越えると移動体速度のばらつき等の不具合を生じることになる。
このため、移動体の移動回数が高い状況で使用される円管の中には、水冷等の強制冷却機構を有するものがあるが、このような円管では構造が複雑になり、重くなる等の欠点がある。
特に、内燃機関のシリンダライナーは、円管形状を有しピストンを移動体として高温環境下で使用されるものであるが、熱膨張変形が許容限度を越えるとガス漏れ等の不具合を生じることになる。
このため、シリンダライナーでは冷却機構を有するものが一般的である。
特開平１０−３００３９１
特開平６−１０１９９３
以上述べた従来の円管において、特許文献１では、複層化材料に熱膨張係数が鋼と同等程度以上の大きさの材料を用いているため、軽量化は達成されるが温度上昇に伴う内径増大を抑制することはできていない。一方、特許文献２では、複層化材料に鋼と比べて熱伝導率が非常に小さいプラスチックを用いているため、鋼単体の円管に比べて使用時の温度上昇が大きくなる。その結果、特許文献２においては、温度上昇に伴う内径増大や円管材料の強度低下等の不具合を良好に抑制することは困難である。また、水冷等の強制冷却機構を有するものでは、円管の内径増大を抑制することはできるが軽量化を達成することはできていない。
そこで、本発明では、軽量化が達成できるとともに、温度上昇に伴う内径増大を良好に抑制できる円管構造を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための手段として、本発明の円管構造体は、図の実施の形態に示すように、飛しょう体等の移動体５を、火薬等の燃焼による高温高圧ガスの力を利用して移動させる装置の円筒状の円管１において、内側を鋼製の円管本体２とし、その外側に軸方向に長い周溝状の凹部３を形成し、該凹部３内に、周方向の熱膨張係数が０に近い値か負の値であり軸方向の熱膨張係数が鋼と概ね等しい値である長繊維強化金属基複合材料４を密着成型したことを特徴としている。
上記の円管構造体は、高温となる使用環境下において、円管１の熱膨張による内径増大量が鋼単体製の円管よりも小さくなることを特徴としている。
上記長繊維強化金属基複合材料４は、上記凹部３内に嵌合状に一体となるように形成されており、炭素繊維若しくはアラミド繊維よりなる長繊維４ａが円管本体２の円周方向に沿って螺旋状に巻回形成され、該長繊維にアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金よりなる金属基材４ｂを充填させて固化させた構造であることを特徴としている。
上記金属基材４ｂには黒鉛粒子が分散されている構成とすることが出来る。
上記の円管構造体は、飛しょう体の発射装置、又は内燃機関のシリンダライナーとして用いられる。
上記のように、上記のような長繊維と金属基材の組合せの構造を採用することにより、長繊維強化金属基複合材料の周方向の熱膨張係数は０に近い値もしくは負の値に設定できるので、円管の温度上昇に伴う熱膨張による内径増大を良好に抑制できる。同時に、長繊維強化金属基複合材料の軸方向の熱膨張係数は、鋼と概ね等しく設定できるので、当該複合材料と円管本体の鋼部の接合界面における剥離の原因となる熱応力の発生を防止することができる。
一方、炭素繊維やアラミド繊維は、従来の円管用鋼材に比べて、高強度、高弾性かつ低比重であり、金属基材にも低比重材を使用する構成であるので、従来の鋼単体の円管と比較して、同等以上の円管の強度を確保しながら、円管を軽量化できる。
また、金属基材に高い熱伝導率を有する金属を使用する構成であるので、火薬等の燃焼により生じる熱を円管の内表面から外表面に速やかに伝達して外表面から大気中へ熱を逃がすことができるので、円管の温度上昇を良好に抑制できる。
以上述べたように、本発明の円管構造体は、円管の温度が上昇するような使用環境下において、円管の熱膨張による内径増大を良好に抑制することができる。飛しょう体の発射装置としての円管では、円管と飛しょう体の間のすき間が許容限度を越えて大きくなることを防止でき、従来の鋼単体の円管に比べて軽量化できる。
以下、本発明の実施の形態を、飛しょう体を発射するのに用いられる発射装置としての円管構造体を例として、図１〜図３に基づいて述べる。円管１は、従来の円管と同様な高張力鋼により製造されて周溝よりなる凹部３を外周に有する鋼部により形成される円管本体２と、凹部３内に密着形成される長繊維強化金属基複合材料４部から構成される。
円管１は、飛しょう体としての移動体５を発射するための火薬が設置される底部６と、移動体５が飛び出す先端部７を有する。また、底部６と先端部７の間には、長繊維強化金属基複合材料４を設けるための上記凹部３が形成される。底部６の円管１に対する長さは１／３程度であり、先端部７の長さは数ｃｍ程度であって、その間に凹部３が形成されている。凹部３の円管１に対する長さは２／３程度であり、円管１の肉厚に対する凹部３の深さは、１／４〜３／４程度であり、望ましくは１／２程度である。
長繊維強化金属基複合材料４部は、熱膨張係数が周方向で０に近い値か負の値となるとともに軸方向で鋼の熱膨張係数と概ね等しくなるように配向された長繊維４ａと金属基材４ｂにより構成される。長繊維４ａは、負の熱膨張係数を有するとともに、高強度かつ高弾性である炭素繊維もしくはアラミド繊維が適している。金属基材４ｂは、高い熱伝導率を有するとともに、長繊維との複合化に適したアルミニウム合金もしくはマグネシウム合金が適している。また、当該金属基材４ｂには、弾性定数等の物性値を調整する目的で、例えば黒鉛などの粒子を分散させることも可能である。
この長繊維強化金属基複合材料４部の製造法として、表面処理を施して濡れ性を向上させた長繊維を用いて凹部３上に予備成型体を形成し、それに金属基材の溶湯を圧力含浸させる方法や、長繊維と金属基材から構成されるシート状の予備成型体を準備し、それを凹部３上に巻き付けた後、加圧成型する方法などが適用できる。
本多層円管の構成素材である鋼、炭素繊維、アラミド繊維、アルミニウム合金、マグネシウム合金及び黒鉛の物性の代表例を表１に示す。このような構成素材のうち、長繊維として炭素繊維、金属基材としてマグネシウム合金または黒鉛球状粒子を分散させたマグネシウム合金を選択し、長繊維の体積分率と配向角を適宜調整したときの熱膨張係数を弾性解析（例えば、非特許文献１：「先端複合材料」、日本機械学会編、１９９０年、ｐ４８参照）により求めた結果の例を表２に示す。
表２に示すように、材料の組合せ、繊維の体積分率と配向角等を適宜調整することにより、長繊維強化金属基複合材料の軸方向の熱膨張係数を鋼と概ね等しくし、周方向の熱膨張係数を０に近い値か負の値に設定することができる。例えば、表２に示す長繊維強化金属基複合材料を採用し、鋼部と長繊維強化金属基複合材料部の厚さが等しい多層円管では、鋼単体の円管に比べて温度上昇時の内径増大量を４０％程度低減できる。
さらに、当該長繊維強化金属基複合材料は、従来の円管用鋼材に比べて同等以上の比強度を有するので、当該長繊維強化金属基複合材料を用いた多層円管は、従来の鋼単体の円管に比べて同等以上の強度を確保しながら軽量化を達成できる。
なお、シリンダライナー等の他の高温環境下で使用される円管においても、上記と同様の実施形態となるが、それぞれの使用温度を考慮し、金属基材を選定する必要がある。
１ 円管
２ 円管本体（鋼部）
３ 凹部
４ 複合材料
４ａ 長繊維
４ｂ 金属基材
５ 移動体
６ 底部
７ 先端部
２ 円管本体（鋼部）
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４ａ 長繊維
４ｂ 金属基材
５ 移動体
６ 底部
７ 先端部
Claims (6)
- 飛しょう体等の移動体を、火薬等の燃焼による高温高圧ガスの力を利用して移動させる装置の円筒状の円管構造体において、
内側を鋼製の円管本体とし、その外側に軸方向に長い周溝状の凹部を形成し、該凹部内に、周方向の熱膨張係数が０に近い値か負の値であり軸方向の熱膨張係数が鋼と概ね等しい値である長繊維強化金属基複合材料を密着成型したことを特徴とする円管構造体。 - 高温となる使用環境下において、円管の熱膨張による内径増大量が鋼単体製の円管よりも小さくなることを特徴とする請求項１に記載の円管構造体。
- 前記長繊維強化金属基複合材料は、炭素繊維若しくはアラミド繊維よりなる長繊維が円管本体の円周方向に沿って巻回状に形成され、該長繊維にアルミニウム合金若しくはマグネシウム合金よりなる金属基材を充填させて固化させた構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の円管構造体。
- 前記金属基材には黒鉛粒子が分散されていることを特徴とする請求項３に記載の円管構造体。
- 飛しょう体の発射装置である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円管構造体。
- 内燃機関のシリンダライナーである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円管構造体。
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| JP2003390950A JP2005155935A (ja) | 2003-11-20 | 2003-11-20 | 円管構造体 |
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| Publication Number | Publication Date |
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| US20160265863A1 (en) * | 2013-08-28 | 2016-09-15 | Proof Research, Inc. | Lightweight composite mortar tube |
| US10168117B2 (en) | 2013-12-09 | 2019-01-01 | Proof Research, Inc. | Fiber winding system for composite projectile barrel structure |
| CN110181839A (zh) * | 2019-05-10 | 2019-08-30 | 北京建筑大学 | 绿色轻量化纤维增强金属层管及其制造方法 |
| JP7409867B2 (ja) | 2019-12-26 | 2024-01-09 | 株式会社前川製作所 | バイメタル配管、断熱配管及び冷凍システム |
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2003
- 2003-11-20 JP JP2003390950A patent/JP2005155935A/ja active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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