(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材と、該芯材を覆う外皮とを備え、
前記外皮がカーボン繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成され、
前記芯材は、少なくとも一部がアクリル樹脂発泡体で形成されており、該アクリル樹脂発泡体が５ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有し、
前記アクリル樹脂発泡体を形成するアクリル樹脂のモノマー単位は、
必須成分としてメタクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸、及び、スチレンを含み、
任意成分として無水マレイン酸、及び、メタクリルアミドを含んでおり、
且つ、前記アクリル樹脂は前記モノマー単位を下記割合（Ａ）〜（Ｅ）に示す割合で含んでいる風車用ブレード。
（Ａ）メタクリル酸メチル：３５〜７０質量％
（Ｂ）（メタ）アクリル酸：１４〜４５質量％
（Ｃ）スチレン：１０〜２０質量％
（Ｄ）無水マレイン酸：０〜１０質量％
（Ｅ）メタクリルアミド：０〜１０質量％
【請求項２】
風車の回転軸に取付けられる取付け部と、該取付け部から延在する羽根部とを備え、
前記羽根部及び前記取付け部では、前記外皮が積層構造を有し、該外皮の厚み方向に積層された複数の繊維強化樹脂材によって複数の繊維強化樹脂層が備えられており、
前記羽根部及び前記取付け部における前記外皮は、内壁面側の前記繊維強化樹脂層に含まれる繊維の質量割合が、外壁面側の前記繊維強化樹脂層に含まれる繊維の質量割合に比べて高い請求項１記載の風車用ブレード。
【請求項３】
前記羽根部には、前記取付け部との境界部において、前記取付け部側に進むに従って当該羽根部の幅および厚みが減少する絞り部が備えられ、
該絞り部と前記取付け部との接続部には、補強材が備えられており、
前記補強材は、前記外皮の内壁面側の前記繊維強化樹脂層よりも繊維の質量割合が高い繊維強化樹脂材で形成され、且つ、前記絞り部から前記取付け部にまたがるように前記外皮の内壁面に接着されている請求項２記載の風車用ブレード。
【請求項４】
前記補強材は、
厚み方向に積層している複数の補強用繊維強化樹脂層を備え、該補強用繊維強化樹脂層が繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成されており、
且つ、  
各補強用繊維強化樹脂層の羽根部の先端側の端部の位置が、前記外皮の内壁面に向かうにしたがって前記取付け部側に後退している請求項３記載の風車用ブレード。
【請求項５】
前記補強材は、
厚み方向に積層している複数の補強用繊維強化樹脂層を備え、該補強用繊維強化樹脂層が繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成されており、
且つ、
各補強用繊維強化樹脂層の羽根部の先端側の端部の位置が、前記外皮の内壁面から離れるにしたがって前記取付け部側に後退している請求項３記載の風車用ブレード。
【請求項６】
前記芯材には、前記取付け部から前記羽根部の先端に向かって延びる棒状の桁体が備えられ、
前記羽根部は、前記外皮で囲まれた内部空間の内、前記桁体が占める空間以外の空間に前記アクリル樹脂発泡体が配されており、
前記桁体は、該桁体よりも細い桁芯と、該桁芯を覆う桁外皮とを備え、
前記桁外皮は、前記外皮の内壁面側の繊維強化樹脂層よりも繊維の質量割合が高い繊維強化樹脂材で形成されている請求項２乃至５の何れか１項に記載の風車用ブレード。
【請求項７】
前記桁芯が５ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有するアクリル樹脂発泡体で形成されている請求項６記載の風車用ブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車用ブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電などに利用される風車は、回転軸に複数のブレード（以下、「風車用ブレード」ともいう）が取付けられている。
風車は、風力による回転を効率的なものとするために、ブレードが軽量であることが望ましい。
そのため、従来、中空のブレードが風車に用いられている。【０００３】
しかしながら風車用ブレードは、外皮のみで形成された中空体とすると強度不足になるおそれがある。
このような点を鑑みて、例えば、特許文献１においては、強度に優れた繊維強化樹脂材によって外皮を形成させた風車用ブレードが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特開２００２−１３７３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
風車用ブレードは、通常、風力によって曲げやねじれが生じる。
中空の風車用ブレードは、外皮の一部に周囲に比べて厚みが薄い部分が形成されていたりすると、このような部位において曲げやねじれの応力が集中し易い。
風車用ブレードは、軽量化を図るべく外皮を薄肉化させると特にこのような応力集中が生じ易くなる。
そのため、この種の風車用ブレードは、強い風に晒されたりすると破損してしまうおそれがある。
即ち、従来の風車用ブレードは、強度と軽量性との両立を図ることが難しいという問題を有している。【０００６】
本発明は、このような問題点を解決することを課題としており、強度と軽量性とに優れた風車用ブレードを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決すべく、本発明は、芯材と、該芯材を覆う外皮とを備え、前記外皮がカーボン繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成され、前記芯材は、少なくとも一部がアクリル樹脂発泡体で形成されており、該アクリル樹脂発泡体が５ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有する風車用ブレードを提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の風車用ブレードは、樹脂発泡体で形成された芯材を備えている。
また、本発明では、強度に優れたアクリル樹脂発泡体で芯材を形成させている。
従って、本発明によれば、風車用ブレードに優れた強度と軽量性とを発揮させ得る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る風車用ブレードの模式的斜視図である。
【図２ａ】図１に示す風車用ブレードの正面図である。
【図２ｂ】図１に示す風車用ブレードの側面図である。
【図３ａ】図２ａに示すＩ−Ｉ線矢視断面図である。
【図３ｂ】図２ａに示すＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図４】図２ｂに示すＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図５】図３ａのＤ部近傍の外皮および補強材の様子を示す要部拡大断面図である。
【図６】製造時において、半割状態の外皮の内壁面に補強材を配置した状態を説明するための模式的斜視図。
【図７】製造時において、補強材上に桁芯を配置した状態を説明するための模式的斜視図。
【図８】製造時において、桁芯の表面に繊維強化樹脂材で桁外皮を形成した状態を説明するための模式的斜視図。
【図９】製造時において、桁体とともに芯材を形成するアクリル樹脂発泡体を桁体の左右に配置した状態を説明するための模式的斜視図。
【図１０】半割状態の外皮同士を貼り合わせて、風車用ブレードを作製する前の状態を示した模式的斜視図。
【図１１】他の実施形態に係る風車用ブレードの断面図である。
【図１２】他の実施形態に係る風車用ブレードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の実施形態に係る風車用ブレードについて図を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る風車用ブレードの模式的斜視図である。
図２ａは、図１に示す風車用ブレードの正面図であり、図２ｂは、その側面図である。
図３ａは、図２ａに示すＩ−Ｉ線矢視断面図であり、図３ｂは、図２ａに示すＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
図４は、図２ｂに示すＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
図５は、図３ａのＤ部近傍の外皮および補強材の要部拡大断面図である。
【００１２】
１．風車用ブレードの全体構造
本実施形態に係る風車用ブレード１は、風車の回転軸に複数取付けられるブレードであり、図１に示すように、風車の回転軸に取付けられる取付け部１１と、取付け部１１から延在する羽根部１２とを備えている。
羽根部１２は、前記延在する方向に長く伸びる板状体となっており、当該羽根部１２の幅方向の一方側に尖った流線形の断面形状を有する。
羽根部１２は、前記板状体に捩りを加えた形状となっており、その先端１２ｃから基端１２ｄまで流線形の断面形状を維持して前記板状体が捩じられた形状を有している（たとえば図３ｂ参照）。
【００１３】
また、図２ａ、図２ｂに示すように、羽根部１２は、その長手方向中央から基端１２ｄに向かって厚みが増加し、取付け部１１近傍において、取付け部１１側に進むにしたがって羽根部１２の幅および厚みが減少するように形成されている。
即ち、本実施形態の羽根部１２には、取付け部１１側に進むにしたがって羽根部１２の幅および厚みが減少するように絞られた絞り部１３が形成されている。
取付け部１１には、風車の回転軸に取付けるための３つの貫通孔１９，１９，１９が形成されている。
【００１４】
図３ａ、図３ｂおよび図４に示すように、風車用ブレード１は、外皮１５を備えている。
羽根部１２と取付け部１１においては、外皮１５の内側に内部空間Ｓが形成され、羽根部１２の内部空間と取付け部１１の内部空間とがつながって前記内部空間Ｓが形成されている。
外皮１５は、繊維強化樹脂材によって形成されている。
該繊維強化樹脂材は、樹脂と、該樹脂よりも引張破断強度が高い繊維（強化繊維）とを含み、該繊維からなる基材シートに前記樹脂が含浸されたシートである。
【００１５】
ここで、外皮１５は、複数の繊維強化樹脂材で形成させても良いが、その場合、少なくとも、１以上の繊維強化樹脂材は、強化用の繊維がカーボン繊維であることが好ましく、全ての強化用の繊維がカーボン繊維であることが好ましい。斯かる構成により風車用ブレード１に優れた強度と軽量性とを発揮させることができる。
なお、繊維強化樹脂材には、複数種類の強化用繊維を含有させてもよい。
また、複数枚の繊維強化樹脂材を重ね合わせて外皮１５を積層構造とする場合、カーボン繊維を強化用の繊維として含有する繊維強化樹脂材と、強化用の繊維がカーボン繊維以外の繊維である繊維強化樹脂材とを重ね合わせてもよい。
このカーボン繊維以外の繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリビニルアルコール繊維、塩化ビニル繊維、アクリル繊維、ポリエステル繊維、ポリウレタン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ポリスチレン繊維、アセテート繊維などを挙げることができる。
【００１６】
強化繊維に含浸される樹脂（マトリクス樹脂）としては、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。
熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、スチレンブタジエン樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂を挙げることができる。
熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、シリコン樹脂などを挙げることができる。
なお、本実施形態では、その一例として熱硬化性樹脂を用いている。
【００１７】
取付け部１１の外皮１５で囲われた内部空間Ｓには、芯体１８が配置されており、芯体１８は、外皮１５の繊維強化樹脂材よりも引張強度の高い繊維強化樹脂材からなる。
即ち、芯体１８を構成する繊維強化樹脂材は、外皮１５を構成する繊維強化樹脂材よりも繊維の質量割合が高いか、繊維自体の引張強度が高いか、或いは、繊維に含浸させた合成樹脂の引張強度が高いかのいずれかである。
【００１８】
このように、取付け部１１に、外皮の繊維強化樹脂材よりも引張強度の高い繊維強化樹脂材からなる芯体１８を配置することにより、取付け部１１の取付け強度を高めることができる。
【００１９】
２.芯材の構造
前記羽根部１２における外皮１５の内部空間Ｓには、芯材１６が配置されている。
芯材１６は、取付け部１１から前記羽根部の先端まで羽根部１２の幅方向中央部を通って延びる棒状の桁体と、該桁体の両脇に配された棒状の発泡体とを備えている。
即ち、本実施形態の芯材１６は、３本の棒状体が互いに接して横並びとなったものである。
前記桁体は、当該桁体よりも一回り細い桁芯１６ａと、該桁芯１６ａを覆う桁外皮１６ｂとを備えている。
より具体的には、外皮１５は、羽根部１２の厚み方向に対向する２つの内壁面１２ａ，１２ａを有する。
前記桁体は、両方の内壁面１２ａ，１２ａに接し、内壁面１２ａ，１２ａ同士を繋いでいる（図３ｂ参照）。
前記桁体は、羽根部１２の先端１２ｃから羽根部１２の基端１２ｄまで、羽根部１２の長手方向に沿って配置されている（図４参照）。
該桁体とともに芯材１６を構成する前記発泡体１６ｃは、前記内部空間Ｓの桁体以外の空間に充満されており、外皮１５の内壁面１２ａ，１２ａに接着している。
取付け部１１の前記芯体１８は、桁体と当接している。前記芯体１８と桁体とはブレード１の長手方向に沿って連続して配置されている。
【００２０】
ここで、前記桁芯１６ａは、樹脂発泡体で形成されており、前記桁外皮１６ｂの形成には、ブレード１の外皮１５と同じか又は異なる繊維強化樹脂材が用いられている。
該桁外皮１６ｂは、外皮１５よりも繊維の密度（質量割合）が高い繊維強化樹脂材で形成されていることが好ましい。
桁芯１６ａを構成する発泡樹脂としては、硬質発泡体が好ましく、硬質発泡体としては、例えば、アクリル樹脂発泡体、ポリウレタン樹脂発泡体、ポリスチレン樹脂発泡体、フェノール樹脂発泡体、ポリ塩化ビニル樹脂発泡体などを挙げることができる。
本実施形態の桁芯１６ａは、アクリル樹脂発泡体で形成されている。
【００２１】
前記桁体とともに芯材１６を形成する前記発泡体１６ｃは、アクリル樹脂発泡体である。
即ち、本実施形態の芯材１６は、一部が繊維強化樹脂材（桁外皮）で形成され、残部がアクリル樹脂発泡体で形成されている。
前記発泡体１６ｃ及び前記桁芯１６ａは、図３ｂに示すように外皮１５の内壁面と接している。
前記桁芯１６ａ及び前記発泡体１６ｃは、５ＭＰａ以上の曲げ弾性率を有する。
即ち、本実施形態のブレード１は、外皮１５と芯材１６とが一体化されている。
このことにより本実施形態のブレード１は、優れた強度を発揮する。
なお、桁芯１６ａや発泡体１６ｃの曲げ弾性率は、ＪＩＳ  Ｋ７２２１−１記載の方法に準拠して算出することができる。
具体的には、曲げ弾性率は、桁芯１６ａや発泡体１６ｃから縦２５ｍｍ×横１３０ｍｍ×厚み２０ｍｍの直方体形状の試験片を切り出し、この試験片を温度２３±２℃、相対湿度５０±５％の環境下に１６時間以上に亘って保持した後、温度２３±２℃、相対湿度５０±５％の環境下にて測定され得る。
その際、支持点間隔は１００ｍｍ、試験速度は１０ｍｍ／分、試験冶具先端は５Ｒ（曲率半径５ｍｍ）とする。
測定には、オリエンテック社からテンシロン万能試験機（商品名「ＵＣＴ−１０Ｔ」）として市販されている試験機を用いることができる。
データ処理ソフトとしては、例えば、ソフトブレーン社から商品名「ＵＴＰＳ−２３７Ｓ」として市販されているものを用いることができる。
【００２２】
アクリル樹脂発泡体は、製造方法などによっては曲げ弾性率が等方性を示さない場合がある。
その場合、前記芯材１６を形成する前記桁芯１６ａや前記発泡体１６ｃを形成するアクリル樹脂発泡体は、少なくとも一方向において５ＭＰａ以上の曲げ弾性率が発揮されればよい。
前記アクリル樹脂発泡体は、前記ブレードが風を受けて撓む方向（ブレード１の長手方向）での曲げ弾性率が５ＭＰａ以上であることが好ましい。
即ち、前記試験片を、横方向がブレード１の長手方向となるように採取して求められる曲げ弾性率が５ＭＰａ以上であることが好ましい。
また、前記アクリル樹脂発泡体は、ブレードが撓む方向と直交する方向（ブレード１の幅方向）においても曲げ弾性率が５ＭＰａ以上であることが好ましい。
そして、アクリル樹脂発泡体は、全ての方向における曲げ弾性率が５ＭＰａ以上であることが好ましい。
なお、アクリル樹脂発泡体の曲げ弾性率の上限値は、通常、２００ＭＰａである。
本実施形態におけるアクリル樹脂発泡体の曲げ弾性率は、より好ましくは１０ＭＰａ以上１５０ＭＰａ以下であり、特に好ましくは１０ＭＰａ以上１３０ＭＰａ以下である。
【００２３】
本実施形態に係る前記桁芯１６ａや前記発泡体１６ｃを形成するアクリル樹脂発泡体は、風車用ブレードの軽量化を図る上において見掛け密度が低いことが好ましい。
具体的には、前記アクリル樹脂発泡体の見掛け密度は、０．３５ｇ／ｃｍ３未満であることが好ましく、０．２５ｇ／ｃｍ３未満であることがより好ましい。
一方で本実施形態に係る前記アクリル樹脂発泡体は、風車用ブレードの高強度化を図る上において見掛け密度が高いことが好ましい。
具体的には、前記アクリル樹脂発泡体の見掛け密度は、０．０４ｇ／ｃｍ３を超えることが好ましい。
【００２４】
なお、見掛け密度は、以下の方法で測定することができる。
すなわち、見掛け密度は、前記桁芯１６ａや前記発泡体１６ｃを出来るだけ気泡形状などが変わらないように切断して長さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚み２５ｍｍの立方体形状の試験片を切り出し、該試験片をＪＩＳ  Ｋ７１００：１９９９の記号２３／５０、２級環境下で１６時間状態調節した後、該試験片の寸法、質量を測定し、次式により求めることができる。
なお、試験片の寸法測定には、例えば、Ｍｉｔｕｔｏｙｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製「ＤＩＧＩＭＡＴＩＣ」ＣＤ−１５タイプを用いることができる。
見掛け密度（ｇ／ｃｍ３）＝１０３×試験片質量（ｇ）／試験片体積（ｍｍ３）
【００２５】
該見掛け密度（Ｄ：ｇ／ｃｍ３）に対する前記曲げ弾性率（Ｅ：ＭＰａ）の比率（Ｅ／Ｄ）については、芯材１６が軽量でありながら優れた強度を有することを示す指標として扱うことができる。
なお、以下においては、該指標を「比強度」などとも称する。
前記芯材１６の比強度は、２００以上であることが好ましく、２５０以上であることがより好ましく、３５０以上であることが特に好ましい。
なお、芯材１６は、比強度に優れていることが好ましいものではあるが、過度に高い比強度を有する必要性はない。
また、比強度において特に優れた芯材１１を得ようとすると、アクリル樹脂発泡体を作製する際に特殊なモノマーを出発原料としたり、特殊な製造設備を用いたりする必要性が生じるおそれがある。
そのため、芯材１６を製造容易なものとする上において、当該芯材１６の比強度は、２０００以下であることが好ましく、１５００以下であることがより好ましく、１２００以下であることが特に好ましい。
【００２６】
前記発泡体１６ｃは、当該発泡体１６ｃよりも大きなアクリル樹脂発泡体が切削加工されて作製されたものであることが好ましい。
アクリル樹脂発泡体は、通常、型内成形によって作製された状態においては、表面全体が気泡膜で覆われた状態になっている。
一方で、このようなアクリル樹脂発泡体を切削加工すると切削面において多数の気泡が開口した状態となる。
前記発泡体１６ｃの表面は、気泡が開口していることで、外皮１５と接着させるのに際して優れたアンカー効果を発揮する。
即ち、前記発泡体１６ｃは、例えば、前記外皮１５を形成している繊維強化樹脂材のマトリックス樹脂の接着力を利用して外皮１５と接着させるのに際し、表面に開口した気泡中に前記マトリックス樹脂を流入させることができ、外皮１５との間に優れた接着性が発揮され得る。
なお、このようなアンカー効果が発現することについては、繊維強化樹脂材のマトリックス樹脂を利用せずに発泡体１６ｃと外皮１５とを一般的な接着剤で接着させる際にも発揮され得るものである。
【００２７】
前記発泡体１６ｃを形成するアクリル樹脂発泡体は、平均気泡径が小さく、緻密な発泡状態である方が、前記発泡体１６ｃに優れた強度を発揮させる上において有利である。
一方で、前記発泡体１６ｃの平均気泡径が過度に小さいとマトリックス樹脂や接着剤が表面に開口した気泡中に流入しにくくなり、前記アンカー効果が十分に発揮されなくなるおそれがある。
そのようなことから前記発泡体１６ｃは、平均気泡径が一定以上の大きさであることが好ましい。
具体的には、前記発泡体１６ｃの平均気泡径は、０．７ｍｍを超え１．５ｍｍ未満であることが好ましい。
【００２８】
或いは、前記発泡体１６ｃは、平均気泡径が小さく、且つ、ある程度以上の割合で粗大な気泡を含有していることが好ましい。
具体的には、前記発泡体１６ｃは、平均気泡径が０．１ｍｍ以上、０．７ｍｍ以下で、且つ、前記平均気泡径を「Ｄ（ｍｍ）」とした際に「２πＤ２（ｍｍ２）」以上の開口面積を有する粗大気泡が表面に０．０１個／ｃｍ２以上１個／ｃｍ２以下の割合で存在していることが好ましい。
【００２９】
なお、発泡体１６ｃの平均気泡径は、以下のようにして算出することができる。
すなわち、発泡体１６ｃを出来るだけ気泡形状などが変わらないように切断して長さ２５ｍｍ×幅２５ｍｍ×厚み２５ｍｍの立方体形状の試験片を切り出し、この直方体形状の試験片の８つの角の中から無作為に１つの角を選択し、この角を構成している３つの面における平均気泡径を求め、この３つの面の平均気泡径を算術平均することによって発泡体１６ｃの平均気泡径を求めることができる。
なお、各面の平均気泡径については以下のようにして求めることができる。
まず、各面の中央部を走査型電子顕微鏡（日立製作所製「Ｓ−３０００Ｎ」）を用いて１８倍に拡大して撮影し、撮影した切断面の画像をＡ４用紙上に印刷する。
次に、各用紙につき任意の線分（長さ６０ｍｍ）を６箇所に引き、この線分に重なる気泡の数から、各線分ごとの平均弦長を次式によって算出する。
ただし、線分は、できる限り気泡が接点のみで接しないように引き、気泡と接点のみで接してしまった場合には、気泡数に含めることとする。
平均弦長（ｔ）  ＝  線分の長さ／（気泡数×写真の倍率）
そして、次式により気泡径ＤＬを算出する。
ＤＬ ＝  ｔ／０．６１６
そして、各線分ごとに求めた気泡径（ＤＬ）の算術平均値を求め、この算術平均値を各面の平均気泡径とする。
【００３０】
また、前記粗大気泡の割合については、発泡体１６ｃの表面に一辺１０ｃｍの正方形の領域を無作為に設定し、この領域内に観察される粗大気泡の数を該領域の面積（１００ｃｍ２）で除して求めることができる。
【００３１】
さらに、前記発泡体１６ｃは、強度面から独立気泡率が高いことが好ましい。
一方で発泡体１６ｃは、過度に独立気泡率が高いと表面に開口している気泡内にマトリックス樹脂や接着剤を流入させようとしても当該気泡内の空気の逃げ場が少なくマトリックス樹脂や接着剤が気泡内に流入し難くなる。
従って、前記発泡体１６ｃは、ある程度の連続気泡率を有することが好ましい。
具体的には、前記発泡体１６ｃの連続気泡率は、５０％未満であることが好ましく、４５％未満であることがより好ましく、４０％未満であることが特に好ましい。
【００３２】
前記発泡体１６ｃの連続気泡率は、ＡＳＴＭ  Ｄ−２８５６−８７に準拠して１−１／２−１気圧法にて測定することができる。
【００３３】
本実施形態の発泡体１６ｃは、図３ｂに示されているように風車用ブレード１の幅方向両端部において厚みが薄くなっている。
そのため、発泡体１６ｃは、連続気泡を適度な割合（例えば、１０％以上）で備えるとともに粗大気泡を適度な割合で備えることによって、マトリックス樹脂や接着剤を表面から浸透させ易い状態となって優れたアンカー効果を発揮するばかりでなく、薄肉部の補強効果においても優れたものとなる。
また、発泡体１６ｃは、例えば、図３ｂ正面視左端のように薄肉となった部位において、前記連続気泡や前記粗大気泡によって発泡体１６ｃを厚み方向に貫通する貫通孔を形成させることができる。
その場合、前記部位の一面側（図３ｂ上側）に接着されている外皮と他面側（図３ｂ下側）に接着されている外皮とを前記貫通孔に流入させたマトリックス樹脂や接着剤によって連結することができ、風車用ブレード１に高い強度を付与することができる。
【００３４】
発泡体１６ｃに上記のような好ましい特性を付与することが容易となる点において、当該発泡体１６ｃを形成するアクリル樹脂は、アクリル系モノマーと芳香族ビニルモノマーとの共重合体であることが好ましい。
前記アクリル系モノマーとしては、例えば、（メタ）アクリル酸、（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸ラウリル、（メタ）アクリル酸２−エチルヘキシル、（メタ）アクリル酸シクロヘキシル、（メタ）アクリルアミド、（メタ）アクリル酸ベンジル、無水マレイン酸、マレイン酸、フマル酸、イタコン酸、無水イタコン酸、クロトン酸、マレイン酸アミド、マレイン酸イミドなどが挙げられる。
前記芳香族ビニルモノマーとしては、例えば、スチレン、メチルスチレンなどが挙げられる。
【００３５】
なかでも、アクリル樹脂は、メタクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸、及び、スチレンをモノマー単位として含み、任意に無水マレイン酸、及び、メタクリルアミドの一方又は両方を前記モノマー単位として含み、且つ、該モノマー単位を下記（Ａ）〜（Ｅ）に示す質量割合で含むことが好ましい。
なお、アクリル樹脂は、メタクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸、スチレン、無水マレイン酸、及び、メタクリルアミド以外のモノマー単位の割合が、１０質量％以下であることが好ましく、５質量％以下であることがより好ましく、１質量％以下であることが特に好ましい。
（Ａ）メタクリル酸メチル：３５〜７０質量％
（Ｂ）（メタ）アクリル酸：１４〜４５質量％
（Ｃ）スチレン：１０〜２０質量％
（Ｄ）無水マレイン酸：０〜１０質量％
（Ｅ）メタクリルアミド：０〜１０質量％
【００３６】
前記発泡体１６ｃは、例えば、前記モノマーを前記のような割合で含む重合性溶液を重合開始剤で重合させて得られた重合体を発泡剤で発泡させたアクリル樹脂発泡体とすることができる。
なお、本明細書中における「（メタ）アクリル」との用語は、「アクリル」と「メタクリル」との両方を兼ねた意味として用いている。
従って、「（メタ）アクリル酸：１４〜４５質量％」との要件には、「アクリル酸とメタクリル酸との両方を含み合計含有量が１４〜４５質量％である場合」、「メタクリル酸を含まず、アクリル酸の含有量が１４〜４５質量％である場合」、及び、「アクリル酸を含まず、メタクリル酸の含有量が１４〜４５質量％である場合」の３つの場合が含まれる。
【００３７】
前記重合開始剤としては、例えば、ｔ−ブチルハイドロパーオキサイドなどのレドックス系重合開始剤が挙げられる。
前記発泡剤としては、例えば、尿素などの熱分解型発泡剤が挙げられる。
また、アクリル樹脂発泡体の形成には、可塑剤、脱水剤、還元剤などを前記重合性溶液に適宜含有させうる。
前記発泡体１６ｃは、上記のようなモノマー単位を含むことでアクリル樹脂自体を高強度なものにすることができるだけでなく当該アクリル樹脂を緻密な発泡状態とすることが容易となる。
また、前記発泡体１６ｃは、前記重合体を形成させるための重合性溶液に前記モノマー以外に水分を０．５〜２質量％含有させることで前記重合体を発泡させる際に連続気泡や粗大気泡を適度な割合で形成させ得る。
【００３８】
本実施形態の発泡体１６ｃは、上記のような成分を含むことによって、見掛け密度が十分小さくなるような高い発泡倍率で発泡された場合でも高い曲げ弾性率を示す。
また、本実施形態の発泡体１６ｃは、上記のような成分を含むことによって、平均気泡径、粗大気泡の割合、連続気泡率などの諸特性が調整容易である。
【００３９】
このような発泡体１６ｃとともに前記桁体を羽根部１２の内部空間Ｓに配することにより、ブレード１は、その長手方向の剛性を高めることができるとともに軽量化を図ることができる。
さらに、桁芯１６ａの表面を桁外皮１６ｂで覆うことにより、桁体を内部空間Ｓのより正確な位置に固定することができるとともに、桁体の曲げ剛性を高めることができる。
さらに、取付け部１１の芯体１８と桁体とを、ブレード１の長手方向に沿って連続して配置することにより、ブレード１の長手方向の剛性を高めることができる。
【００４０】
３．外皮の構造
図５に示すように、外皮１５は、外皮１５の厚み方向に、繊維強化樹脂材からなる３層（複数）の積層構造を有する。
前記取付け部１１及び前記羽根部１２では、前記外皮が複数の前記繊維強化樹脂材による積層構造を有し、該外皮の厚み方向に複数の繊維強化樹脂層が備えられている。
繊維強化樹脂材は、強化繊維を短繊維の状態で含むものであってもよいが、連続繊維が織成されてなるシートとして強化繊維を含んでいることが好ましい。
該強化繊維からなるシートは、例えば、前記連続繊維からなる平織物、綾織物、繻子織物などとすることができる。
本実施形態のブレード１は、表側から順に第１繊維強化樹脂層１５Ａ、第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、及び、第３繊維強化樹脂層１５Ｃの順となるように積層された３層構造の外皮１５を備えている。
羽根部１２の外壁面１２ｂ側に位置する第１繊維強化樹脂層１５Ａは、最も繊維密度の低い繊維シートに熱硬化性樹脂を含浸させたものである。
第１繊維強化樹脂層１５Ａよりも内壁面１２ａ側に位置し、前記第１繊維強化樹脂層１５Ａに内側から接する第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、及び、該第２繊維強化樹脂層１５Ｂに内側から接する第３繊維強化樹脂層１５Ｃは、第１繊維強化樹脂層Ａよりも繊維密度の高い繊維シートに、上述した熱硬化性樹脂を含浸させたものである。
即ち、第１繊維強化樹脂層１５Ａにおける繊維の質量割合は、第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、及び、第３繊維強化樹脂層１５Ｃの繊維の質量割合よりも低いものになっている。
言い換えると、前記羽根部及び前記取付け部における外皮の最も内壁面側の第３繊維強化樹脂層１５Ｃの繊維の密度は、外壁面側の第１繊維強化樹脂層１５Ａの繊維の密度に比べて高い。
ここで本明細書中における“繊維の質量割合”とは、“繊維強化樹脂層の単位体積あたりに含まれる繊維の質量”を意味する。
【００４１】
一般的にマトリクス樹脂よりも強化用の繊維の方が密度が高い。
そこで繊維強化樹脂層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが、繊維の割合に関して上記のような関係を有することで、ブレード１の軸線から離れた位置の繊維強化樹脂層（外壁面側の層）１５Ａを、軸線により近い位置の繊維強化樹脂層（内壁面側の層）１５Ｂ，１５Ｃよりも軽量化することができる。
これにより、ブレード１の回転時の振動を低減することができる。
なお、同様の理由などから前記桁外皮１６ｂは、前記外皮の内壁面側の第３繊維強化樹脂層１５Ｃよりも繊維の質量割合が高い繊維強化樹脂材で形成されていることが好ましい。
また、前記桁外皮１６ｂは、桁体を高強度なものとする上においても繊維の質量割合が大きいことが好ましい。
【００４２】
上記のような繊維の質量割合についての関係を繊維強化樹脂層の間に発揮させるには、単に各層の繊維の質量割合を異ならせるだけでなく、繊維の素材を異ならせてもよい。
本実施形態においては、第１繊維強化樹脂層１５Ａ、第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、及び、第３繊維強化樹脂層１５Ｃの全ての繊維強化樹脂材を、強化繊維としてカーボン繊維を含むものとすることができる。
また、本実施形態においては、第１繊維強化樹脂層１５Ａ、第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、及び、第３繊維強化樹脂層１５Ｃの内の何れか一つ又は二つをカーボン繊維以外の強化繊維が用いられた繊維強化樹脂材によって形成させ得る。
例えば、本実施形態では、強化繊維としてカーボン繊維が用いられた繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ）で第１繊維強化樹脂層１５Ａを形成させ、第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、第３繊維強化樹脂層１５Ｃをガラス繊維が用いられた繊維強化樹脂材（ＧＦＲＰ）とすることができる。
なお、一般にガラス繊維強化樹脂材（ＧＦＲＰ）の方がカーボン繊維強化樹脂材（ＣＦＲＰ）に比べて密度が高い。
そのため、前記ブレード１の外皮１５は、ＧＦＲＰをＣＦＲＰよりも内側に配する方が風車の回転に必要なエネルギーを軽減する上において有利となる。
また、同じ理由から、前記ブレード１の外皮１５は、羽根部１２の基端１２ｄからのＧＦＲＰの長さをＣＦＲＰよりも短くすることが好ましい。
なお、外皮１５の外壁面１２ｂには、樹脂等の塗装層（図示せず）がさらに形成されている。
【００４３】
ところで、羽根部１２の絞り部１３には、回転時にブレード１の長手方向に沿って曲げ応力が発生する。
このような場合、外皮１５の内壁面側に比べて外壁面１２ｂ側の方が大きい力が加わるため、通常ならば外壁面側の強度を高めるように補強することが効率的である。
しかしながら、このような補強をすると、外皮の外壁面側が重くなる方向に質量が変化する。
そこで、本実施形態では、以下に示す補強材１７を設けている。
【００４４】
４．補強材の構造
前記補強材１７は、本実施形態においては、該絞り部１３と前記取付け部１１との接続部を補強するために設けられている。
前記補強材１７は、前記外皮１５の内壁面側の第３繊維強化樹脂層１５Ｃよりも繊維の質量割合が大きい繊維強化樹脂材で形成され、且つ、前記絞り部１３から前記取付け部１１にまたがるように前記外皮１５の内壁面に接着されている。
具体的には、補強材１７は、織物状の強化繊維シートに外皮１５のマトリクス樹脂と同じ熱硬化性樹脂が含浸されている。
【００４５】
このように、羽根部１２の外皮１５の内壁面１２ａと取付け部１１の外皮１５の内壁面１１ａとに亘って、繊維強化樹脂材からなる補強材１７を設けることにより、ブレード１を使用した際に、絞り部１３に応力集中が発生したとしても、補強材１７によりブレード１の強度を確保することができる。
さらに、ブレード１は、外皮１５の内壁面１１ａ，１２ａに補強材１７を設けたので回転時の振動が発生し難い。
【００４６】
さらに、絞り部１３を形成する外皮１５の内壁面１２ａ側には、所望の強度に応じた厚みの補強材１７を形成することができる。
また、補強材１７は、外皮１５よりも繊維の質量割合が高いので、より少ない層厚みで絞り部１３を補強することができる。
【００４７】
ここで、補強材１７は、４つ（複数）の補強用繊維強化樹脂材層１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄが羽根部１２における外皮１５の内壁面１２ａと取付け部１１における外皮１５の内壁面１１ａとを覆うように外皮１５の厚み方向に積層された積層構造を有する。
【００４８】
４つの補強用繊維強化樹脂材層１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄは、各補強用繊維強化樹脂材層の羽根部１２の先端側の端部の位置を、補強材１７の厚み方向に向けて羽根部１２の先端１２ｃ側から羽根部１２の基端１２ｄ側に順次ずらすように、積層されていることが好ましい。
即ち、前記補強材は、各補強用繊維強化樹脂層の羽根部の先端側の端部の位置が、前記外皮の内壁面に向かうにしたがって前記取付け部側に後退しているか、或いは、各補強用繊維強化樹脂層の羽根部の先端側の端部の位置が、前記外皮の内壁面から離れるにしたがって前記取付け部側に後退していることが好ましい。
【００４９】
本実施形態における４つの補強用繊維強化樹脂材層１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄは、羽根部１２の外皮１５の内壁面１２ａに向かって進むに従って、各補強用繊維強化樹脂材層の羽根部１２の先端１２ｃ側の端部の位置を、羽根部１２の先端１２ｃ側から羽根部の基端１２ｄ側に順次（１７Ｄ〜１７Ａの順に）ずらすように、積層されている。
【００５０】
本実施形態では、４つの補強用繊維強化樹脂材層１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄを、羽根部１２の先端１２ｃ側から羽根部１２の基端１２ｄ側に順次ずらすように、積層したので、羽根部１２の先端１２ｃ側の補強材１７の厚みは、羽根部１２の基端１２ｄ側の補強材１７の厚みよりも薄い。
これにより、補強材１７を設けることによるブレード１の重心位置を羽根部１２の基端側に位置させることができ、回転時にブレード（羽根部の絞り部１３）に作用する遠心力を低減することができる。
【００５１】
特に、本実施形態のブレード１は、その軸線から離れた位置に、より面積の大きい補強用繊維強化樹脂材層が配置されることになるため、回転時の振動を低減することができる。
特に、後述する図７に示すように、製造時に桁体を配置する際には、補強材１７と桁体（芯材１６）との接触面積をより大きくすることができ、内部空間Ｓに桁体を安定して固定することができる。
【００５２】
５．風車用ブレードの製造方法
以下に風車用ブレード１の製造方法を説明する。
図６は、製造時において、半割状態の外皮の内壁面に補強材を配置した状態を説明するための模式的斜視図である。
図７は、製造時において、補強材上に桁材の桁体を配置した状態を説明するための模式的斜視図である。
【００５３】
図８は、製造時において、桁芯１６ａの表面に繊維強化樹脂材（桁外皮１６ｂ）を被覆した状態を説明するための模式的斜視図である。
図９は、桁体とともに芯材１６を形成する発泡体１６ｃをさらに配した状態を説明するための模式的斜視図である。
図１０は、半割状態の外皮同士を貼り合わせて、風車用ブレードを作製する前の状態を示した模式的斜視図である。
【００５４】
本実施形態では、風車用ブレード１の作製に先立って発泡体１６ｃの形成材料となるアクリル樹脂発泡体を作製する。
ここでは、まず、アクリル系モノマー、重合開始剤、発泡剤（尿素）、還元剤などを含む重合性溶液を調製する。
より具体的には、メタクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸、及び、スチレンを含み、必要に応じて、無水マレイン酸とメタクリルアミドとの一方又は両方を含み、全てのモノマーに占める各モノマーの割合が下記（Ａ）〜（Ｅ）となり、下記（Ａ）〜（Ｅ）以外の重合性モノマーが実質的に含有されていない（例えば、１質量％未満）の重合性溶液を調製する。
（Ａ）メタクリル酸メチル：３５〜７０質量％
（Ｂ）（メタ）アクリル酸：１４〜４５質量％
（Ｃ）スチレン：１０〜２０質量％
（Ｄ）無水マレイン酸：０〜１０質量％
（Ｅ）メタクリルアミド：０〜１０質量％
【００５５】
次いで、尿素の熱分解温度未満の温度で重合性溶液を加熱してモノマーを重合させて重合体を得る。
この重合体を尿素の熱分解温度以上の温度に加熱して発泡させ、アクリル樹脂発泡体を作製する。
このことによりアクリル樹脂発泡体を形成するアクリル樹脂は、（Ａ）〜（Ｅ）に示したモノマー単位が合計９９質量％以上となり、優れた強度を発揮するものとなる。
このとき、発泡前の重合体に、例えば、０．５〜２．０質量％程度の水を含有させておいたり、尿素に対する溶解力の高いメタクリル酸の含有量によって尿素の分散状態を調整したりすることでアクリル樹脂発泡体中に粗大気泡を適度に形成させることができる。
そして、前記発泡体１６ｃや前記桁芯１６ａは、このアクリル樹脂発泡体に切削加工を施して作製することができる。
【００５６】
この発泡体１６ｃを用いて風車用ブレード１を作製すべく、該ブレード１の形状に応じた一対の成形型２１，２２を準備する（例えば図１０参照）。
まず、一対の成形型の成形面に液状またはゲル状の塗装材を塗布し、成形面に空気が入らないように、ローラで伸ばす。
【００５７】
次に、図６に示すように、一方側の成形型２１に外皮１５を成形し、その後、補強材１７を成形する。
本実施形態では、その一例としてハンドレイアップ成形法で外皮１５および補強材１７を成形する。
具体的には、第１繊維強化樹脂層１５Ａを構成する繊維強化樹脂材（図５参照）を形成すべく、成形型２１内に強化繊維シートを配置し、この強化繊維シートにマトリクス樹脂となる熱硬化性樹脂を含浸する。
さらに、その上に、第２繊維強化樹脂層１５Ｂ、及び、第３繊維強化樹脂層１５Ｃを形成するための強化繊維シートを配置し、同様に熱硬化性樹脂を含浸する工程を２回繰り返す。
他方側の成形型２２に対しても、同様の作業を行う（後述する図１０参照）。
【００５８】
なお、本実施形態では、繊維強化樹脂層を形成させるための熱硬化性樹脂には、常温で硬化する常温硬化タイプの熱硬化性樹脂を用いる。
成形時に樹脂を硬化させるのであれば、特に常温硬化タイプの熱硬化性樹脂を用いず、加熱硬化型の樹脂を用いてもよい。
【００５９】
さらに、羽根部１２の外皮１５の内壁面１２ａと取付け部１１の外皮１５の内壁面１１ａの内面に亘って、強化繊維シート（たとえば５８０ｇ／ｍ２の繊維密度の平織のガラス繊維シート）を配置し、これに同様の方法で熱硬化性樹脂を含浸する工程を４回繰り返す。
この際、羽根部１２の先端１２ｃ側に向かって、織物状の強化繊維シートを順次ずらすように配置する。
このようにして４つの補強用繊維強化樹脂材層が積層された補強材１７を形成させることができる（図５参照）。
【００６０】
なお、本実施形態では、外皮１５および補強材１７は、強化繊維シートを一層ずつ敷設するたびに、熱硬化性樹脂を含浸していたが、強化繊維シートに空気が残存し難いのであれば、強化繊維シートを積層後、熱硬化性樹脂を含浸してもよい。
【００６１】
次に、図７に示すように、羽根部１２の先端１２ｃから羽根部１２の基端１２ｄまで、羽根部１２の長手方向に沿って、桁芯１６ａを配置する。
取付け部１１の内部空間に相当する凹部に半割状態の芯体１８を配置する。
【００６２】
その後、図８に示すように、桁芯１６ａを覆うように、強化繊維シートを配置し、熱硬化性樹脂を含浸する工程を２回繰り返す。
これにより、繊維強化樹脂材からなる桁外皮１６ｂが被覆された桁体が作製される。
【００６３】
そして、桁体以外の羽根部１２の内部空間Ｓに前記発泡体１６ｃを充填する。
最後に、図９に示すように、成形型２１，２２に形成された外皮１５、１５の繋ぎ目部分（エッジ部分）および桁体や発泡体１６ｃと外皮１５との接触面、芯体１８同士が接触する表面に、接着剤を塗布し、成形型２１，２２同士を向かい合わせて、外皮１５、１５同士を圧着させながら接着する。
これにより、図１に示す風車用ブレード１が成形される。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【００６５】
本実施形態では、４つの補強用繊維強化樹脂材層は、羽根部の外皮の内壁面に進むに従って、各補強用繊維強化樹脂材層の羽根部の先端側の端部の位置を、羽根部の先端側から羽根部の基端側に順次ずらすように、積層されているが、例えば、羽根部の外皮の内壁面に進むに従って、羽根部の基端側から羽根部の先端側に、各繊維強化樹脂材層の端部の位置を順次ずらしてもよい。
【００６６】
また、本実施形態では、外皮が３層であり、補強材の補強用繊維強化樹脂材層は４層であったが、本発明の風車用ブレードは、特にこれらの層数及び形状に限定されるものではない。
【００６７】
また、本実施形態では、桁体を有する風車用ブレードを例示しているが、本発明の風車用ブレードは、桁体が無くてもよい。
即ち、本発明の風車用ブレードは、芯材の一部がアクリル樹脂発泡体で形成されていても、芯材の全部がアクリル樹脂発泡体で形成されていてもよい。
具体的には、本発明の風車用ブレードは、図１１、図１２などに示すようなものであってもよい。
なお、図１１、１２は、図３ｂに対応した断面図である。
図１１に示すように、本発明の風車用ブレード１’は、外皮１５’の内側に充満するアクリル樹脂発泡体１６ｃ’で芯材１６’が形成されていてもよい。
さらに、本発明の風車用ブレードの芯材は、例えば、図１２に示すように、外皮内に充満している必要はない。
即ち、本発明の風車用ブレード1”は、羽根部の内部空間Ｓ”に発泡体などの部材が無い空洞部１６ｅ”が形成されていても良い。
具体的には、風車用ブレード1”は、例えば、アクリル樹脂発泡体で形成された桁芯１６ａ”を有する桁体以外の部分を空洞部１６ｅ”としてもよい。
即ち、図１２に示すように、芯材１６”は、桁体のみであってもよい。
また、本発明は、上記例示以外に、風車用ブレード、繊維強化樹脂材、並びに、アクリル樹脂発泡体に係る従来公知の技術事項を適宜採用可能なものである。
【符号の説明】
【００６８】
１：風車用ブレード、１１：取付け部、１１ａ：取付け部の内壁面、１９：貫通孔、１２：羽根部、１２ａ：羽根部の内壁面、１２ｂ：羽根部の外壁面、１２ｃ：羽根部の先端、１２ｄ：羽根部の基端、１３：絞り部、１５：外皮、１６：芯材、１６ａ：桁芯（アクリル樹脂発泡体）、１６ｂ：桁外皮、１６ｃ：発泡体（アクリル樹脂発泡体）、１７：補強材、１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ：補強用繊維強化樹脂材層、Ｓ：内部空間
【要約】
アクリル樹脂発泡体で形成された芯材と、該芯材を覆う外皮とを備え、前記外皮がカーボン繊維と樹脂とを含む繊維強化樹脂材で形成されており、前記アクリル樹脂発泡体が特定の曲げ弾性率を有する風車用ブレードを提供する。【図１】
0006002865.tif 000002
【図２ａ】
0006002865.tif 000003
【図２ｂ】
0006002865.tif 000004
【図３ａ】
0006002865.tif 000005
【図３ｂ】
0006002865.tif 000006
【図４】
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【図５】
0006002865.tif 000008
【図６】
0006002865.tif 000009
【図７】
0006002865.tif 000010
【図８】
0006002865.tif 000011
【図９】
0006002865.tif 000012
【図１０】
0006002865.tif 000013
【図１１】
0006002865.tif 000014
【図１２】
0006002865.tif 000015