(57)【要約】【課題】耐磨耗性と高い放熱性を有する自転車用カーボンファイバーホイールフレームの提供。【解決手段】カーボンファイバーホイールフレームの両側にはそれぞれブレーキ部が形成され、ブレーキ部には溶融スプレー過程によって保護皮膜が溶融スプレーされ、保護皮膜にはブレーキ部に結合される放熱アルミ膜、及び該放熱アルミ膜に結合される遮熱セラミック層を備え、該放熱アルミ膜とブレーキ部は優れた分子密着力を具え、該遮熱セラミック層と該放熱アルミ膜は優れた分子密着力を具え、それによって耐磨耗と放熱しやすいカーボンファイバーホイールフレームを構成する。【選択図】図２
0003170271.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームであって、該カーボンファイバーホイールフレームの両側にはそれぞれブレーキ部を有し、該ブレーキ部の外側には外表面が形成され、ブレーキ部の外表面には保護皮膜が溶融スプレーされ、該保護皮膜にはブレーキ部に結合される該放熱アルミ膜及び該放熱アルミ膜に結合される遮熱セラミック層を備え、該放熱アルミ膜には第一面及び第二面を備え、第一面は溶融スプレーによってブレーキ部の外表面に結合されて優れた分子密着力を形成、それによって放熱アルミ膜は堅固にブレーキ部の外表面に固着することができ、該遮熱セラミック層は結合面を備え、結合面は溶融スプレーによって該放熱アルミ膜の第二面に結合されて優れた分子密着力を形成し、それによって該遮熱セラミック層は堅固に該放熱アルミ膜の第二面に固着することを特徴とするセラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレーム。
【請求項２】
前記放熱アルミ膜はアルミ合金の粉末が溶融スプレーを経てブレーキ部に溶融貼り付けたものであることを特徴とする請求項１記載のセラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレーム。
【請求項３】
前記遮熱セラミック層はセラミック粉末が溶融スプレーを経て放熱アルミ膜の外に溶融貼り付けたものであることを特徴とする請求項２記載のセラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレーム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は自転車のカーボンファイバーホイールフレームの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、高級自転車の部品または組立品にカーボンファイバーの複合材料が広く用いられるようになっている。カーボンファイバーの先天的高強度、高剛性及び軽量性は自転車の部品または組立品に用いられるのに適した特性であり自転車産業のニーズ(needs)を満足させる特徴を有するものと云える。
【０００３】
ところが、カーボンファイバー複合材料のホイールフレームが長期間使用されると、ブレーキバンド(brake  band)が絶えず摩擦されてカーボンファイバー複合材料のホイールフレームに磨耗の問題が発生し、かつカーボンファイバー複合材料のホイールフレームが摩擦発熱によって離脱しやすい現象が発生するので、樹脂基材は熱伝導を受けてホイールフレームの構造体の剛性が低下する。カーボンファイバー複合材料のホイールフレームは伝統的金属フレームに比べて価格が高く、消費者はこのような高価なカーボンファイバー複合材料のホイールフレームに対して大きな期待を持っているので、カーボンファイバー複合材料のホイールフレームが磨耗して離脱する現象を容易に了承することができない。そのために如何にしてカーボンファイバー複合材料のホイールフレームの使用寿命を長くするかが早急に解決すべき大きな課題となっている。
【０００４】
樹脂基材は熱を受けて軟化し、軟化によって複合材料の構造体の剛性が影響され、特に樹脂は熱を受けて繊維間の結合力が破壊されると離脱や分離を引き起こす。
【０００５】
一方、金属の表面は滑らかで同方向性の分子構造であり、従って、耐磨耗性と高い熱伝導性を備え、摩擦熱が小さくかつ放熱しやすい特性を有する。
【０００６】
カーボンファイバー複合材料は非同方向性の分子構造であり、従って、繊維材の走り方向を補強することによって材料構造の強度と剛性が決定される。樹脂基材の間は繊維間の結合力と負荷（Loading）を受けたときの伝達力に影響される。樹脂が複合材料構造の強度（F）を決定するときはほとんど問題は生じないが、構造体が摩擦によって熱が発生した場合、カーボンファイバー複合材料の積層構造は金属構造と基本的に異なる。そのためにこの二種の構造材料がそれぞれ自転車のホイールフレームに応用された場合、明らかに見られる問題点は材質の特色に対して違った材料の長所を取り入れて、欠点を回避しなければならなくなる。
【０００７】
現在のアルミ(aluminum)材自転車のホイールフレームは材質が重い（アルミ材の比重は2.7g/cm3で、カーボンファイバー複合材料の比重は1.5〜1.6  g/cm3である）ことに制限され、かつ剛性も比較的小さい。現在国際市場では高剛性を追求する製品が相次いで提供され、特にカーボンファイバー複合材料が自転車のホイールフレームに応用されるとともに自転車部品のカーボンファイバー複合材料化の最後のポイントともなっている（自転車部品のカーボンファイバー複合材料化は四つの大きな段階に分けられる：第一段階−前フォーク(fork)と後フォーク；第二段階−クランク(crank)、シートチューブ(seat  tube)とハンドルバー(handle  bar)；第三段階−三角フレーム；第四段階−ホイールフレーム）。カーボンファイバー複合材料構造体を自転車のホイールフレームに利用することは確かに「高性能製品」を追求する夢を実現しつつある。ところが、自転車の部品は其の他部品個所（前述第一、二、三段階）に於いて早くも全世界に製品化並びに普及化が進んでいるが、第四段階の自転車のホイールフレームだけは全世界のどのブランド(brand)製品も成功したと宣言することができないでおり、その最も克服しにくい問題点はブレーキをかけたとき、カーボンファイバー複合材料の構造体は先天的に摩擦による発熱に抵抗することができないので、その結果として：第一、その構造体のZ軸は粘着に頼り、X,Y軸方向のように補強繊維材がなく、熱が樹脂基材のガラス温度の転換点（Tg）を超えるだけで、材質は直ちに軟化して粘着力が破壊されてしまうことである。第二、カーボンファイバー複合材料構造体の温度が上昇すると、構造体が軟化して剛性が低下するほか、自転車も揺れて乗れなくなり、更に構造の表面層が離脱して強度が足りなくなり、亀裂が発生することである。このほか、カーボンファイバー複合材料構造体の表面が摩擦によって金属材料より高い摩擦熱が発生し、尚且つ熱伝導放熱ができなく、それもカーボンファイバー複合材料製自転車のホイールフレームが成功裡に商品化を達成し得ない原因でもある。現在、世界的に期待されているカーボンファイバー複合材料の自転車のホイールフレームは殆どが競技に用いられる自転車用であり、それは速度を出すためにブレーキを用いることが少なく、摩擦熱による問題の解決に対する要求が相対的に低いからである。その解決方法として耐高温樹脂または複合的構造材料（例えばガラス(glass)繊維、玄武岩繊維等で耐磨耗及び耐高温の性能を満足させる）を使用するが、その結果、多少改善されるものの、複合材料の先天的に耐熱性が低い、高温に耐えないと云う問題を解決することができない。（制動時は250℃に到達するが、一般複合材樹脂は110℃のガラス温度転換点にしか耐えられない。）
【０００８】
従って、問題を解決するには根本的材料の選定から始まり、あわせて新規な製造過程を見出して、所期の秀れた製品に到達しなければならないが、市場には、すでにブレーキ部は単独にアルミ材質のホイールフレームを採用し、内縁だけはカーボンファイバーで成型して一体に合成したホイールフレームが提案されているものの、やはり、カーボンファイバー複合材料の構造体はブレーキに生じた問題を根本的に解決することができないでいる。しかし、市場はカーボンファイバー製自転車製品に対する関心が極めて高く、上記のような製品は、市場の要求している性能を十分に発揮できないものであり、ホイールフレームの軽量化、高剛性化ができないだけでなく、尚且つ二種材質のホイールフレームを一つの構造体に粘着するには、依然として摩擦熱によって離脱する問題がある。要するに、国際市場でのカーボンファイバー複合材料のホイールフレームはいまだに摩擦問題を有効に解決する製品を送り出すことができていないのである。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００９】
本考案は使用寿命の長いカーボンファイバー複合材料のホイールフレームを提供することである。
【００１０】
さらに、本考案は耐磨耗と放熱しやすいカーボンファイバー複合材料のホイールフレームを提供することである。
【００１１】
さらにまた本考案は、優れた分子の密着力を備え、それによって保護皮膜が堅固にカーボンファイバーホイールフレームに固着され、更に進んでカーボンファイバーホイールフレームのブレーキ部に耐磨耗かつ放熱しやすい優れた性質を備える保護皮膜とカーボンファイバー複合材料によるホイールフレームを提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本考案カーボンファイバーホイールフレームの第一実施例の挟み型(Clincher  Type)の立体外観図である。
【図２】本考案カーボンファイバーホイールフレームの第一実施例の断面図である。
【図３】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの製造法の過程図である。
【図４】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの別の断面図である。
【図５】本考案図４の局部拡大図である。
【図６】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの溶融スプレーの状態を表す図であり、それはブレーキ部の外側に一層の放熱アルミ膜が溶融スプレーされてあることを示す。
【図７】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの溶融スプレーの状態を表す図であり、それは放熱アルミ膜の外側に一層の隔熱セラミック層が溶融スプレーされてあることを示す。
【図８】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの第一実施例の断面図である。
【図９】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの制動過程の状態を表す断面図である。
【図１０】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの廃熱の伝導状況を表す図である。
【図１１】本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの第二実施例の断面図である。
【考案を実施するための形態】
【００１３】
図１と図２に示すのは本考案カーボンファイバーホイールフレームの第一実施例の立体外観図と断面図である。
【００１４】
本実施例のカーボンファイバーホイールフレーム10は挟み型(Clincher  Type)で、そのカーボンファイバーホイールフレーム10は二つのブレーキ部11と一つの結合部12を備え、ブレーキ部11の外側には外表面111が形成され、結合部12の両端はそれぞれブレーキ部11に連接され、結合部12とブレーキ部11の結合個所にそれぞれ一つのフランジ(flange)13が形成され、結合部12はタイヤ(tire)を載着せることができる。
【００１５】
図３に示すのは本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの製造法の過程図である。それはカーボンファイバーホイールフレーム、アルミ合金の粉末及びセラミック粉末を準備し、溶融スプレー(Melt  Spraying)過程を用いてアルミ合金の粉末を溶融状態下に於き、高温霧状粒子をもってカーボンファイバーホイールフレームのブレーキ部に溶融スプレーして一層の放熱アルミ膜を形成し、次いで溶融スプレー過程を用いてセラミック粉末を溶融状態下に於き、高温霧状粒子をもってカーボンファイバーホイールフレームのブレーキ部の放熱アルミ膜の外側に溶融スプレーして一層の遮熱セラミック層を形成する。
【００１６】
図４と図５は本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレーム断面図で、そのアルミ合金粉末のスプレーの位置はカーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11の外表面111であり、それの主要目的は制動過程に発生する高熱がカーボンファイバーホイールフレーム10に起こる危害を解決し、更に進んでカーボンファイバーホイールフレーム10の使用寿命を増やすことである。
【００１７】
図6に示すように、アルミ合金粉末は溶融状態に於いて多数回間歇的に高温霧状粒子をもって溶融スプレーが行われ、アルミ合金粉末をカーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11の外表面111に溶融貼り付け並びに沈積させ、一層の放熱アルミ膜20を形成させ、一度に多量の高温霧状粒子が溶融スプレーされ、カーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11の温度が高すぎるために損傷を受けることを避ける。放熱アルミ膜20には第一面21及び第二面22を備え、放熱アルミ膜20の第一面21は溶融スプレーによってブレーキ部11の外表面111に溶融結合し、優れた分子密着力を具え、それによって放熱アルミ膜20は堅固にカーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11の外表面111に固着することができる。放熱アルミ膜20は更に良好な放熱特性を備え、制動時に発生する熱を迅速に他の個所に分散伝導することができ、カーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11が高温によって損傷をうけることが避けられる。
【００１８】
図７に示すように、セラミック粉末は溶融状態に於いて多数回間歇的に高温霧状粒子をもって溶融スプレーが行行われ、セラミック粉末をカーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11外側の放熱アルミ膜20に溶融貼り付け並びに沈積させ、遮熱セラミック層30を形成し、一度に多量の高温霧状粒子が溶融スプレーされ、カーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11の温度が高すぎるために損傷することを避ける。遮熱セラミック層30には結合面31及び摩擦面32を備え、遮熱セラミック層30の結合面31は溶融スプレーによって放熱アルミ膜20の第二面22に溶融結合し、優れた分子密着力を具え、遮熱セラミック層30は堅固に放熱アルミ膜20の第二面22に固着することができる。遮熱セラミック層30は耐高温かつ耐磨耗の特性を備え、耐高温の特性は遮熱セラミック層30を制動過程に於いて発生する高温が耐えられるようにし、耐磨耗の特性は遮熱セラミック層30を制動過程に於いて磨耗が発生しにくく、かつ離脱現象が発生しないようにし、使用寿命を効果的に増やしかつ保守しやすくする。遮熱セラミック層30は更に遮熱の特性を備えるので、制動時に発生する熱は放熱アルミ膜20に大量に伝導されず、更に進んでカーボンファイバーホイールフレーム10が高温によって損傷しないよう保護する。
【００１９】
図８に示すのは本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの第一実施例の断面図である。本実施例のカーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11には溶融スプレー法をもって一層の放熱アルミ膜20が溶融スプレーされ、並びに放熱アルミ膜20の外側に一層の遮熱セラミック層30が溶融スプレーされ、放熱アルミ膜20と遮熱セラミック層30がブレーキ部11に順番に溶融スプレーされると一組の保護皮膜層Ａが形成される。保護皮膜層Ａとブレーキ部11は優れた分子密着力を備え、カーボンファイバーホイールフレーム10のブレーキ部11は更に耐磨耗かつ放熱しやすい優秀な性質を備えることになる。
【００２０】
図９及び図10に示すのはブレーキシートＢが制動過程にブレーキ部11上側の保護皮膜層Ａを挟着し、車の速度を低下する効果を表している。本実施例により、前記遮熱セラミック層30の摩擦面32はブレーキシートＢの挟着のための面を提供するのに用いられ、ブレーキシートＢが遮熱セラミック層30の摩擦面32を挟着する摩擦によって廃熱Ｈが発生するが、遮熱セラミック層30は高温を引き受け、かつ大部分の廃熱Ｈを遮断し、残った小部分の保護皮膜Ａの放熱アルミ膜20に伝導される廃熱Ｈも、放熱アルミ膜20が良好な放熱特性を備えるので、廃熱Ｈは迅速に四週へ伝導され、廃熱Ｈが一点に集中して高温が発生し、カーボンファイバーホイールフレーム10が破壊されることを避けることができる。
【００２１】
図11に示すのは本考案セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレームの第二実施例の断面図である。第二実施例のカーボンファイバーホイールフレーム10は管状型(Tubular  Type)であり、カーボンファイバーホイールフレーム10は二つのブレーキ部11と一つの結合部12を含み、結合部12の両端はそれぞれブレーキ部11に連接され、ブレーキ部11と結合部12が連接する個所はそれぞれ凸縁13が形成され、結合部12は車輪のタイヤを載置することができる。本実施例のスプレー材は溶融スプレー過程をもってブレーキ部11に溶融スプレーされ、その溶融スプレー方式は第一実施例と同じである。
【００２２】
本考案のカーボンファイバーホイールフレームは、アルミ合金粉末をもって溶融スプレー過程を用い、高温霧状粒子をもってカーボンファイバーホイールフレームのブレーキ部に溶融スプレーして放熱アルミ膜を形成し、放熱アルミ膜とカーボンファイバーホイールフレームは優れた分子密着力を備える。更にセラミック粉末をもって溶融スプレー過程を用い、高温霧状粒子をもって放熱アルミ膜の外側に溶融スプレーして遮熱セラミック層を形成し、遮熱セラミック層と放熱アルミ膜には優れた分子密着力を備え、保護皮膜を備えるカーボンファイバーホイールフレームであって、耐磨耗と放熱容易な優れた性質を提供するものである。
【００２３】
本考案はカーボンファイバーホイールフレームを主体構造とし、軽量化と高い剛性を提供し、市場におけるカーボンファイバー製品に対するニーズを満足せしめるものである。
【００２４】
また、アルミ合金粉末をもって溶融スプレー方式により多数回溶融スプレーに分けてブレーキ部に沈積させ、ブレーキ部に結合する放熱アルミ膜を形成し、更にセラミック粉末をもって溶融スプレー方式により、多数回溶融スプレーに分けて放熱アルミ膜に沈積させ、放熱アルミ膜に結合する遮熱セラミック層を形成し、遮熱セラミック層は制動過程に於いて磨耗が発生しにくく、かつ離脱現象が起こらないので、使用寿命を効果的に増やしかつ保守も容易になる。遮熱セラミック層は更に遮熱の特性を備えるので、制動過程に於いて発生する熱は大量に放熱アルミ膜に伝導しなくなり、それによって耐高温のカーボンファイバーホイールフレームを提供する。
【００２５】
溶融スプレーを経たブレーキ部は高温霧状の溶融貼り付け表面を採用しているので、放熱アルミ膜とカーボンファイバーホイールフレームの主体構造は結合が緻密であり、かつ、遮熱セラミック層と放熱アルミ膜の結合も緻密である。アルミ合金の材質は金属本来の伝熱、放熱特性を備え、更にセラミック材は耐高温、耐磨耗及び遮熱の特性を備えるので、カーボンファイバーホイールフレームは温度が上昇したことによって剛性が破壊され、または離脱等現象を生ずる危険性が減少する。
【００２６】
本考案は、セラミックの耐磨耗及び遮熱の長所と、アルミ合金の速い放熱性の長所とカーボンファイバー複合材料の軽量化と高剛性の特色を結合し、熱圧成型法を用いてカーボンファイバー複合材料の構造体を成型し、その後は更に粉末溶融スプレー法をもって摩擦個所に対して強固な構造体の膜を溶融スプレーし、セラミック材の耐磨耗及び遮熱、金属の熱伝導が容易で放熱しやすい特色を回復させ、ホイールフレームの耐摩耗性と遮熱効果を増大させ、充分な最高性能製品を提供することができるものである。
【符号の説明】
【００２７】
1      セラミックブレーキ部を備えるカーボンファイバーホイールフレーム
10    カーボンファイバーホイールフレーム
11    ブレーキ部
111    外表面
12    結合部
13    凸縁
20    放熱アルミ膜
21    第一面
22    第二面
30    遮熱セラミック層
31    結合面
32    摩擦面
Ａ    保護皮膜
Ｂ    ブレーキバンド
Ｈ    廃熱
【図１】
0003170271.tif 000003
【図２】
0003170271.tif 000004
【図３】
0003170271.tif 000005
【図４】
0003170271.tif 000006
【図５】
0003170271.tif 000007
【図６】
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【図７】
0003170271.tif 000009
【図８】
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【図９】
0003170271.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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