(57)【要約】【課題】回転速度をこれまで以上に高速にすることができる高速回転体を提供する。【解決手段】強化繊維を径方向に配置する。径方向の強化により、繊維束のクラックを抑えるとともに、円盤の内外径比を小さくすることができる。また、円盤の内外径比が小さいので、ハブを介在させることなく円盤を回転軸に直接接合させる。さらに、Ｚ方向を繊維で強化することにより、厚み変化に伴う応力への強化を行う。強化繊維は多次元強化円筒座標系のＲ、θ、Ｚの各方向に配向された円盤であり、その内外径比は小さい。円盤の内径側には円筒状のボスを有する形状とし、このボス部の外周側に回転軸を接合させる。【選択図】図１
2010159773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内径及び外径を有する円盤状であって、前記円盤は繊維強化プラスチックからなり、該強化繊維が、円筒座標系のＲ方向（径方向）、θ方向（周方向）、Ｚ方向（厚さ方向）のそれぞれに配向されていることを特徴とする高速回転体。
【請求項２】
前記強化繊維は、Ｒ方向の繊維体積率が一定となるように、中心から外周に向かうに従って円盤を薄くしたことを特徴とする請求項１に記載の高速回転体。
【請求項３】
前記円盤の外径に対する内径の比が、０．５以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高速回転体。
【請求項４】
前記円盤の内径部に厚みの大きい円筒部を設け、その円筒部の外周面において金属製回転軸もしくはハブを接合させたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の高速回転体。
【請求項５】
前記内径部に接続する金属部品が直接的に動力伝達を行う軸受け部品となることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の高速回転体。
【請求項６】
前記強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、又はこれらの複合繊維であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項に記載の高速回転体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力貯蔵システム用のフライホールや遠心分離機のローターなどに使用される高速回転体に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体がより高速に回転しうるようになることは、多様な分野における技術革新に関係する。例えば、電気エネルギーを回転の運動エネルギーに蓄えることのできるフライホール、高速で回転することでより効率的に分析などを行うことができる遠心分離機などが考えられる。
【０００３】
円盤の外縁での速度（周速と称す）は、軸回りの角速度と円盤の半径との積で与えられる。これまでに産業向けに使用されている回転体は、その周速が１０００ｍ／ｓ以下である。これは、回転体として、材料強度と構造の限界から制約を受けてきためである。ここで、ある材料の円盤がある周速で破壊するとき、これを破壊周速とする。
【０００４】
一般に金属のような等方性材料であれば、厚みが一様な円盤の破壊周速は、その比強度によって決定されることが知られている。たとえば、超々ジュラルミンのＡ７０７０５Ｔ６はその降伏応力（４６０ＭＰａ）と密度（２８００ｋｇ／ｍ3）から、破壊周速は６３１ｍ／ｓと求められる。
【０００５】
繊維強化プラスチックは、その高比強度から破壊周速は１０００ｍ／ｓ以上と算出される。特に炭素繊維は、高い強度を有するので従来の繊維強化プラスチックス製円盤（ＣＦＲＰ製円盤と称す）として広く用いられてきた。これまでにＣＦＲＰ製円盤は、回転体の周方向に繊維を巻きつけた均一厚みの孔あき円盤（周巻き円盤と称す）が主として研究されてきた。
【０００６】
直交異方性又は等方性の孔あき円盤では、回転時の応力としては周方向に沿う応力が圧倒的に高くなるため、周方向に炭素繊維を巻きつけた周巻き円盤は高い破壊回転速度を示すことが期待された。しかし、径方向には繊維で強化されていないため、径方向の強度は樹脂にほぼ等しく、繊維に沿った破壊が最大回転速度を制限していた。
【０００７】
一般的に回転円盤では、内外径比が小さくなると径方向の応力は大きくなる。ここで内外径比とは、外径に対する内径の比であり、小さな内外径比の円盤とは外径に比べて比較的小さな内径の穴が開いている円盤を意味する。周巻き円盤では相対的に内外径比が小さくなると径方向の応力が樹脂の強度を越え、周方向の繊維束間に剥離（破壊）が生じる。
【０００８】
繊維間の剥離を抑える手法として、いくつかの周巻き円盤を圧入によって同心円状に組み立てる手法が検討されてきた。この方法は、圧入によって圧縮の径方向応力を予め与えるものであり、繊維間の剥離を抑える効果はある程度あった。しかし圧入では双方のリングの端部で応力集中が生じるので成形プロセス上の限界がある。このためこの方法による円盤の内外径比は０．６以上に制限されていた。
【０００９】
ＣＦＲＰ製の円盤を回転体として実際に使用するためには、図６に示すように円盤３０を回転軸に保持するためにＣＦＲＰ製円盤の内周側にハブを接合３２し、ハブに回転軸３４を組み付ける必要があった。例えば、アルミ（Ａ７０７５）製のハブを取り付けることを考える。前述のようにアルミの破壊周速は６３１ｍ／であり、ここで内外径比０．６のＣＦＲＰ円盤の内側に、アルミ製ハブを接合させるとする。このときアルミ製ハブが破壊しない最外周の速度の限界は、６３１を０．６で除して約１０５１ｍ／ｓとなる。言い換えると、ＣＦＲＰ円盤の外周が１０５１ｍ／ｓであるとき、アルミハブは破壊周速の６３１ｍ／ｓに達しており、これ以上の外周速に耐えることはできない。ＣＦＲＰ製円盤は１０５１ｍ／ｓを超えるようにすることは十分可能であるが、上述のようにアルミ固有の材料強度の制約から、内外径比０．６のＣＦＲＰ製円盤ではその周速は１０００ｍ／ｓ程度が限界となる。これ以上の内外径比においては、常にアルミ製ハブの破壊が先に生じ、円盤全体の破壊周速は１０００ｍ／ｓを超えることはない。
【００１０】
鋼（ＳＣＭ４３５）の比強度はアルミのそれにほぼ等しく、状況は同様である。このため特開平９−４２３８０号広報では、ガラス繊維強化プラスチック製のハブをフライホイール円盤に取り付けた複合フライホイールが提案されている。このハブは、繊維強化プラスチックであるため、破壊周速は大きくできる。しかし、回転軸にハブを介して、円盤を保持する構造になっており、高い破壊周速を有するＣＦＲＰ製円盤の特長を活かしきれているとは言えない。
【００１１】
これまでのＣＦＲＰ製円盤は、厚みがほぼ均一であった。これは、厚さ方向は径方向同様に繊維で強化されていないため、均一な厚さとすることによって厚さ方向の応力の発生を抑えるためであると考えられる。しかし、高速化のために厚さを変化させるという設計自由度が与えられているとは言えない。
【００１２】
【特許文献１】特開平９−４２３８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、このような状況のもとでなされたものであり、回転速度をこれまで以上に高速にすることができる高速回転体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の高速回転体は、以下のような特徴を有する。まず、内径及び外径を有する円盤状であって、前記円盤は繊維強化プラスチックからなり、該強化繊維が、円筒座標系のＲ方向（径方向）、θ方向（周方向）、Ｚ方向（厚さ方向）のそれぞれに配向されていることを特徴とする。
【００１５】
前記高速回転体の強化繊維は、Ｒ方向の繊維体積率が一定となるように、中心から外周に向かうに従って円盤を薄くする。
【００１６】
前記円盤の外径に対する内径の比が、０．５以下であることが望ましい。
【００１７】
また、前記円盤の内径部に厚みの大きい円筒部を設け、その円筒部の外周面において金属製回転軸もしくはハブを接合させる。
【００１８】
前記内径部に接続する金属部品が直接的に動力伝達を行う軸受け部品とする。
【００１９】
前記強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、又はこれらの複合繊維とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の高速回転体は、円筒座標系の３軸方向（Ｒ方向、θ方向、Ｚ方向）に強化された強化基材を用いることで、繊維強化プラスチック円盤の内外径比を小さくすることができる。特に、内外径比を小さくすることができる効果は、径方向を強化することによる。また、内外径比が小さくなることで、接合される金属回転軸の材料に固有の破壊周速を超えることがないようにすることが可能となる。また、円筒座標系のＺ方向を強化することで、内径側のボス部が金属回転軸を接合させたときに発生するＺ方向応力やＲＺ面内のせん断応力に対する補強効果を与えることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。従来の回転体の破壊は、ＣＦＲＰ製円盤が径方向において強化繊維が存在していないことにより、周方向の繊維束間に剥離（破壊）によってもたらされる。このため、径方向の強化が必要であった。
【００２２】
また、ＣＦＲＰ製円盤の破壊周速に比べて金属製ハブのそれが小さいことが、高速回転を困難にしている。このため、内外径比の小さいＣＦＲＰ製円盤に金属ハブを組み付けることが必要である。たとえば、内外径比０．２のＣＦＲＰ製円盤にアルミ製ハブを接合させるときその破壊周速は、アルミの破壊周速である６３１ｍ／ｓを０．２で除して、３１５５ｍ／ｓとなる。これは、ＣＦＲＰ製円盤の高い破壊周速を有効に活用していると言える。
【００２３】
繊維強化プラスチック円盤、金属ハブ、回転軸というように、３つ以上の部品から１つのアセンブリとしての構造物を組み上げることは、製造工程を複雑にする。このため、部品点数を３つから２つにする必要がある。より高速で回転させるために厚さ方向を繊維で強化することにより、円盤の厚さも最適設計することができ円盤設計の自由度を与える。
【００２４】
そこで、本実施形態では、強化繊維を径方向に配置することで、このような問題を克服する。径方向の強化により、繊維束のクラックを抑えるとともに円盤の内外径比を小さくすることができる。また、円盤の内外経比が小さいので、ハブを介在させることなく円盤を回転軸に直接接合させる（ハブレス接合と称す）。さらに、Ｚ方向を繊維で強化することにより、厚み変化に伴う応力への強化を行う。
【００２５】
上述のように、本実施形態においては、強化繊維は、３次元強化円筒座標系のＲ、θ、Ｚに配向された円盤であり、その内外径比は小さいものである。円盤の内径側には円筒状のボス部を有する形状とし、このボス部の外周側に回転軸を接合させる。
【００２６】
図１は、本実施形態で使用する強化繊維の配向状態を示した斜視図である。同図に示すように、強化繊維は、径方向（Ｒ方向）、周方向（θ方向）、厚さ方向（Ｚ方向）すべてに配向している。なお、図１は、本実施形態のＣＦＲＰ円盤のある一点における配向状態を示しているが、ＣＦＲＰ円盤のすべての点において、図１と同じような方向に配向している。
【実施例】
【００２７】
図２は、本発明の実施例１に係る高速回転体１０の断面図、図３は、図２に示した高速回転体１のうちＣＦＲＰ製円盤１のぶぶんのみを示した縦断面図である。本実施例のＣＦＲＰ製円盤１は、外径φ３００、内径φ２０で、内径側に外径φ４０で高さ１０ｍｍの円筒部２を有している。また、外径での厚みは１０ｍｍであり、内径側の円盤の厚み３０ｍｍからほぼ直線的に厚みは薄くなっている。３次元織物の円筒座標系における各方向の繊維体積含有率は、それぞれ、０．１８３、０．２５２、０．０２４であった。
【００２８】
図４は、図２に示した高速回転体１０の金属製回転軸４を示した図である。ＳＮＣＭ４３５製回転軸は、外径φ６０である。ＣＦＲＰ製円盤１と回転軸４は、ＣＦＲＰ製円盤の円筒部２の外周面３において、回転軸４の内周面５と締め代０．０３ｍｍで圧入により接合させた。
【００２９】
実施例１では、繊維強化プラスチックの設計破壊周速は、安全率を見込んで１５００ｍ／ｓとした。回転軸の外周則は、その回転軸と円盤の外径との比（φ６０／φ３００）に設計破壊周速を掛けることで、３００ｍ／ｓと求められる。ＳＮＣＭ４３５の材料強度は１３７３ＭＰａ、密度は７８５０ｋｇ／ｍ3であるため、破壊周速は、６５２ｍ／ｓとなる。３００ｍ／ｓという値は、ＳＮＣＭ４３５の破壊周速範囲内であるため、許容できる設計となっている。
【００３０】
図５は、本発明の実施例２に係る高速回転体２０の縦断面図である。ＣＦＲＰ製円盤２２は、外径φ３００であって、実施例１の場合と異なり、中央部に穴のない円盤である。内径側に外径φ２０で高さ１０ｍｍの円筒部２４を有している。また、外径での厚みは１０ｍｍであり、内径側の円盤の厚み３０ｍｍからほぼ直線的に厚みは薄くなっている。３次元織物の円筒座標系における各方向の繊維体積含有率は、それぞれ、０．１５３、０．２７２、０．０３５であった。
【００３１】
実施例２では、繊維強化プラスチックの設計破壊周速は、安全率を見込んで１７００ｍ／ｓとした。回転軸の外周速は、その回転軸と円盤の外径との比（φ４０／φ３００）に白系破壊周速に掛けることで、２２６ｍ／ｓと求められる。ＳＮＣＭ４３５の材料強度は、１３７３ＭＰａ、密度は７８５０ｋｇ／ｍ3であるため、破壊周速は、６５２ｍ／ｓとなる。２２６ｍ／ｓという値は、ＳＮＣＭ４３５の破壊周速範囲内であるため、許容できる設計となっている。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の高速回転体によれば、高速化が図られるので、電力貯蔵用フライホイール、ガスタービン、圧縮機、遠心分離機などの分野で使用される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態で使用する強化繊維の配向状態を示した斜視図である。
【図２】本発明の実施例１に係る高速回転体の縦断面図であり、ＣＦＲＰ製円盤に回転軸を接合させた状態を示す。
【図３】本発明の実施例２に係る高速回転体のＣＦＲＰ製円盤の縦断面図である。
【図４】本発明の実施例１に係る高速回転体の回転軸を示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係る高速回転体の縦断面図であり、ＣＦＲＰ製円盤に回転軸を接合させた状態を示す。
【図６】従来の回転体の斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０、２０    高速回転体
１，２２    ＣＦＲＰ製円盤
２、２４    円筒部
４、２６    回転軸
【図１】
2010159773.tif 000003
【図２】
2010159773.tif 000004
【図３】
2010159773.tif 000005
【図４】
2010159773.tif 000006
【図５】
2010159773.tif 000007
【図６】
2010159773.tif 000008