(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントワインディング法により、樹脂を含浸させた連続繊維から成る強化繊維束をマンドレルに巻き付け、マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、この後、この繊維強化プラスチック積層体を硬化させて中空の繊維強化プラスチック製パイプを製造する方法において、
（ａ）前記マンドレルの長さ方向の一端部と他端部との間の所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｂ）その後、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成する工程と、
（ｃ）その後、前記各工程（ａ）、（ｂ）にて形成された樹脂未硬化の前記各繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化させ、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造する工程と、
を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項２】
フィラメントワインディング法により、樹脂を含浸させた連続繊維から成る強化繊維束をマンドレルに巻き付け、マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、この後、この繊維強化プラスチック積層体を硬化させて中空の繊維強化プラスチック製パイプを製造する方法において、
（ａ）前記マンドレルの長さ方向の一端部と他端部との間の所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｂ）前記マンドレルの外周面に形成された繊維強化プラスチック積層体と前記マンドレルの他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体が形成されていない前記前記マンドレルの所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｃ）その後、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成する工程と、
（ｄ）その後、前記各工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にて形成された樹脂未硬化の前記各繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化させ、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造する工程と、
を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）との間にて複数回行うことを特徴とする請求項２に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項４】
前記マンドレルから前記ピンを取り外した後、当該ピン近傍に位置し、前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の積層乱れ部を切断除去するか、又は、前記切断除去により生じた前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の切断端面と前記マンドレル外周面との間の段差部に樹脂又は発泡材を充填して応力集中緩和部を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項５】
フィラメントワインディング法により、樹脂を含浸させた連続繊維から成る強化繊維束をマンドレルに巻き付け、マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、この後、この繊維強化プラスチック積層体を硬化させて中空の繊維強化プラスチック製パイプを製造する方法において、
（ａ）前記マンドレルの長さ方向の一端部と他端部との間の所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、前記繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｂ）その後、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成し、前記各繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化し、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造する工程と、
を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項６】
前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、
（ｄ）前記マンドレルの外周面に形成された繊維強化プラスチック積層体と前記マンドレルの他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体が形成されていない前記前記マンドレルの所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成し、前記繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程、
を少なくとも一つ有することを特徴とする請求項５に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項７】
前記マンドレルから前記ピンを取り外した後、当該ピン近傍に位置し、前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の積層乱れ部を切断除去し、この切断除去により生じた前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の切断端面と前記マンドレル外周面との間の段差部をテーパー状に切削するか、又は、前記段差部に樹脂又は発泡材を充填して応力集中緩和部を形成することを特徴とする請求項５又は６に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項８】
前記複数のピンはリングに一体に植設され、前記リングが前記マンドレルの外周面に着脱自在に取り付けられることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項９】
前記マンドレルは、その断面形状が、丸形状又は三角形状以上の多角形状であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかの項に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項１０】
前記マンドレルは、その形状が、長さ方向に同一の形状であるか、段状とされるか、又は、テーパー形状とされることを特徴とする請求項１〜９のいずれかの項に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項１１】
前記強化繊維束は、ガラス繊維、アラミド繊維、若しくは炭素繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドで構成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかの項に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項１２】
前記繊維強化プラスチック積層体を形成する樹脂は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、フェノール樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかの項に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法。
【請求項１３】
繊維強化プラスチックにて形成された中空形状の繊維強化プラスチック製のパイプであって、
前記繊維強化プラスチック製のパイプは、請求項１〜１２のいずれかの項に記載の製造方法によって製造され、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製のパイプであることを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプ。
【請求項１４】
前記繊維強化プラスチック製段付きパイプは、その断面形状が、丸形状又は三角形状以上の多角形状であることを特徴とする請求項１３に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプ。
【請求項１５】
前記繊維強化プラスチック製段付きパイプは、その内径部が、長さ方向に同一の形状であるか、段状とされるか、又は、テーパー形状とされることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の繊維強化プラスチック製段付きパイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、マグナス風車の羽根、街灯のポール、大型のロボットアーム等に使用される大型で長尺の繊維強化プラスチック製パイプ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０に示すように、マグナス風車２００は、円筒形のパイプ２０１の周囲に螺旋状の羽根２０２を取り付け、風をこの螺旋状の羽根２０２で受け、円筒形のパイプ２０１を自転させながら、円筒形のパイプ２０１を公転させる機構とされる。このマグナス風車２００にて、円筒形のパイプ２０１には、軽量で高剛性、且つ先端部に向けての更なる軽量化が必要とされる。また、一方、街灯等のポールにも、風圧による基部のモーメント力を小さくするために先端部ほど軽量化が要求される。
【０００３】
更に説明すると、上述のように、マグナス風車２００の円筒部パイプ２０１には、図１０に示すように円筒部自ら自転しながら、風車の羽根として公転をする機能が要求される。マグナス風車２００の性能をアップさせるためにはこの自転のスピードを上げる必要がある。そのためには、パイプ断面の大型化、使用する材料の曲げ弾性率アップ、及び使用材料の軽量化が求められる。
【０００４】
一方、風車の羽根としての出力機能アップを図るために、パイプの長さの長尺化、及びパイプ断面の大型化が求められる。
【０００５】
このような厳しい用途へ用いる部材としては、軽量で、高強度、高弾性率を有する繊維強化プラスチック部材が最適である。
【０００６】
現在、マグナス風車２００の円筒部パイプ２０１には、炭素繊維強化プラスチック製パイプが使用されている。これは長さ方向に均一な断面で、且つ均一厚みの形状をもったパイプで、特許文献１や特許文献２などに示されるように、炭素繊維強化プラスチック製ロールの製造方法が転用されたものである。この方法は、マンドレルの両端にピンを立てて樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けて積層する方法か、或いは、マンドレルの軸に巻きつけてターンをさせることによる積層方法が取られている。この方法では、長さ方向に一定の厚みでしか成形できない。
【０００７】
しかし、繊維強化プラスチック部材を特許文献１や特許文献２などに示されるように、均一断面のパイプとして使用すると、風車の羽根の先端部が、必要以上の厚みを有し、重量も重くなり、風車公転時に、風車羽根の基部に大きな曲げモーメントとして跳ね返ってくる。風車は長期間使用されることから、この風車羽根基部の曲げ疲労強度は、ほぼ無限回数に耐えるパイプ強度が要求される。このため、風車羽根の基部にかかる力は、なるべく小さくする必要がある。そのためには、風車羽根の先端部にいくほど、パイプの肉厚を薄くし、パイプ径を落とさずに軽量化を達成する必要があった。
【０００８】
また、風車自転時においても、風車羽根の長さが長くなり、重量が増してくると、危険回転数が低下し、自転の回転数が上げられず、風車として十分な機能を果たせなくなるという課題からも軽量化を達成する必要があった。
【０００９】
長さ方向に厚みを変えようとすると、樹脂を硬化させた後、切削加工をして段付きのパイプを製作するしか方法がない。これだと、切削による歩留りロスや、切削加工の手間のため、コストアップとなり問題である。
【００１０】
なお、ゴルフシャフトやロボットハンド等は、樹脂を含浸させたプリプレグシートを、マンドレルに巻きつけて成形される。この方法だと、長さ方向に厚みを変えたものや、テーパーを付けたパイプを容易に得ることができる。つまり、マンドレルに巻きつけるシートを長さ方向で増減させることで実現できる。
【００１１】
しかし、この方法は、長さ３ｍ以下の小型のものに採用可能な方法で、３ｍを超える大型のものには、設備が大型となり、又シートを接着する際、押さえ付ける必要があるため、押さえロールを段付きに変える必要があり、設備上困難なものとなる。これを避けるため、実際は人力で押さえ付けを行っているが、パイプが大きくなると、多くの人手を要し、コストアップとなり問題となっている。
【００１２】
一方、街灯等のポールは、現在殆ど金属製が採用されており、先になるほど細くする方法が取られている。つまり、街灯等のポールにおいては、金属製の場合、先端にいくほどパイプ径を細くして、自然の風雨等によってパイプ基部にかかる曲げの力を、なるべく小さくする工夫がなされている。
【００１３】
なお、金属製の場合は、溶接ができるために、パイプの長さ方向でパイプの厚みを変更することは大型成形物でも容易である。
【００１４】
しかし最近は、繊維強化プラスチック製のパイプも軽量化や耐食性向上を狙って一部採用がなされている。この場合の成形方法としては、一般的にプルトルージョンという、樹脂を含浸させた連続繊維を加熱金型の中に引き込み、成形と樹脂硬化を同時に行う方法が取られている。この方法では、パイプの長さ方向で全く形状変化をさせることができないため、長さ方向では、均一な断面、均一な厚みとなる。従って、一番強度の必要な基部を元に設計されたものとなり、材料的な無駄が多くコストアップとなるといった問題がある。更には、パイプが長くなり、重量が重くなるとパイプの危険振動数が低下し、風速の強い風を受けた際に、風により発生する振動がこの危険振動数に達し、破壊するといった問題があり、採用が難しいといった課題があった。
【００１５】
同様なことが、大型のロボットアームにおいても発生する。大型のロボットアームを高速で動かそうとすると、止めた際の自励振動数がパイプの危険振動数をオーバーし、高速で動かせないといった問題があった。
【特許文献１】特開平６−２９７５８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１０２８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述したように、繊維強化プラスチック製パイプの場合、長さ３ｍ、更には、５ｍ超える大型成形物になってくると、樹脂を含浸させた連続繊維シートをマンドレルに巻き付ける方法は、長さ方向に均一に圧力をかけて巻きつけることが難しくなり、一般的には、樹脂を含浸させた連続繊維を直接マンドレルに巻きつける方法が取られる。
【００１７】
しかし、従来から一般的に使用されている、上記特許文献１や特許文献２に開示される方法を用いて、テーパー付きや段付きのパイプを製造しようとすると、上述したように、パイプの長さ方向で、樹脂を含浸した連続繊維の量を増減できない。そのため、径を長さ方向で違えたマンドレルに巻きつけ積層しても、外形の変化は見られるが、パイプの長さ方向の断面内に投入された、樹脂を含浸した連続繊維の量は同じであることから、重量も同じで、無駄の多いものとなっていた。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、繊維強化プラスチックにて形成され、長さ方向でパイプの肉厚を異ならせ、基部と先端部の肉厚を違えることにより、軽量化を達成し、また、コストの低減を図ることのできる繊維強化プラスチック製段付きパイプを提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、樹脂を含浸させた連続繊維を用いて、長さ方向でパイプの肉厚の異なった段付きパイプとされる大型の繊維強化プラスチック製段付きパイプを生産性良く製造するための繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法を提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、長さ方向でパイプの肉厚を変更することができ、パイプを固定する基部の肉厚を厚くし、基部から離れるほど厚みを薄くして、使用目的に最適な材料設計のできる繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的は本発明に係る繊維強化プラスチック製段付きパイプ及びその製造方法にて達成される。要約すれば、第１の本発明にて一態様によれば、フィラメントワインディング法により、樹脂を含浸させた連続繊維から成る強化繊維束をマンドレルに巻き付け、マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、この後、この繊維強化プラスチック積層体を硬化させて中空の繊維強化プラスチック製パイプを製造する方法において、
（ａ）前記マンドレルの長さ方向の一端部と他端部との間の所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｂ）その後、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成する工程と、
（ｃ）その後、前記各工程（ａ）、（ｂ）にて形成された樹脂未硬化の前記各繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化させ、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造する工程と、
を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法が提供される。
【００２２】
第１の本発明にて他の態様によれば、フィラメントワインディング法により、樹脂を含浸させた連続繊維から成る強化繊維束をマンドレルに巻き付け、マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、この後、この繊維強化プラスチック積層体を硬化させて中空の繊維強化プラスチック製パイプを製造する方法において、
（ａ）前記マンドレルの長さ方向の一端部と他端部との間の所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｂ）前記マンドレルの外周面に形成された繊維強化プラスチック積層体と前記マンドレルの他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体が形成されていない前記前記マンドレルの所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｃ）その後、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成する工程と、
（ｄ）その後、前記各工程（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にて形成された樹脂未硬化の前記各繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化させ、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造する工程と、
を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法が提供される。
【００２３】
他の実施態様によれば、前記工程（ｂ）は、前記工程（ａ）と前記工程（ｃ）との間にて複数回行う。
【００２４】
他の実施態様によれば、前記マンドレルから前記ピンを取り外した後、当該ピン近傍に位置し、前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の積層乱れ部を切断除去するか、又は、前記切断除去により生じた前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の切断端面と前記マンドレル外周面との間の段差部に樹脂又は発泡材を充填して応力集中緩和部を形成する。
【００２５】
第２の本発明によれば、フィラメントワインディング法により、樹脂を含浸させた連続繊維から成る強化繊維束をマンドレルに巻き付け、マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、この後、この繊維強化プラスチック積層体を硬化させて中空の繊維強化プラスチック製パイプを製造する方法において、
（ａ）前記マンドレルの長さ方向の一端部と他端部との間の所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記マンドレルの外周面に樹脂含浸の繊維強化プラスチック積層体を形成し、前記繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程と、
（ｂ）その後、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成し、前記各繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化し、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造する工程と、
を有することを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造方法が提供される。
【００２６】
第２の本発明にて、一実施態様によれば、前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、
（ｄ）前記マンドレルの外周面に形成された繊維強化プラスチック積層体と前記マンドレルの他端部との間の、前記繊維強化プラスチック積層体が形成されていない前記前記マンドレルの所定位置に、樹脂を含浸させた連続繊維を引っ掛けるピンをマンドレル周方向に複数本着脱自在に植設し、前記ピンを使用して、フィラメントワインディング法により前記マンドレルの一端部と前記ピンとの間の前記繊維強化プラスチック積層体及び前記マンドレルの外周面を覆って樹脂含浸の他の繊維強化プラスチック積層体を形成し、前記繊維強化プラスチック積層体の樹脂を硬化し、その後、前記マンドレルから前記ピンを取り外す工程、
を少なくとも一つ有する。
【００２７】
他の実施態様によれば、前記マンドレルから前記ピンを取り外した後、当該ピン近傍に位置し、前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の積層乱れ部を切断除去し、この切断除去により生じた前記マンドレルの周方向に沿って存在する前記繊維強化プラスチック積層体の切断端面と前記マンドレル外周面との間の段差部をテーパー状に切削するか、又は、前記段差部に樹脂又は発泡材を充填して応力集中緩和部を形成する。
【００２８】
上記各本発明にて、一実施態様によれば、前記複数のピンはリングに一体に植設され、前記リングが前記マンドレルの外周面に着脱自在に取り付けられる。
【００２９】
他の実施態様によれば、前記マンドレルは、その断面形状が、丸形状又は三角形状以上の多角形状である。
【００３０】
他の実施態様によれば、前記マンドレルは、その形状が、長さ方向に同一の形状であるか、段状とされるか、又は、テーパー形状とされる。
【００３１】
他の実施態様によれば、前記強化繊維束は、ガラス繊維、アラミド繊維、若しくは炭素繊維が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドで構成される。
【００３２】
他の実施態様によれば、前記繊維強化プラスチック積層体を形成する樹脂は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、フェノール樹脂のいずれかである。
【００３４】
本発明の他の態様によれば、繊維強化プラスチックにて形成された中空形状の繊維強化プラスチック製のパイプであって、
前記繊維強化プラスチック製のパイプは、上述のいずれかの製造方法によって製造され、長さ方向に厚みの違った繊維強化プラスチック製のパイプであることを特徴とする繊維強化プラスチック製段付きパイプが提供される。
【００３５】
一実施態様によれば、前記繊維強化プラスチック製段付きパイプは、その断面形状が、丸形状又は三角形状以上の多角形状である。
【００３６】
他の実施態様によれば、前記繊維強化プラスチック製段付きパイプは、その内径部が、長さ方向に同一の形状であるか、段状とされるか、又は、テーパー形状とされる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の繊維強化プラスチック製段付きパイプは、繊維強化プラスチックにて形成され、長さ方向でパイプの肉厚を異ならせ、基部と先端部の肉厚を違えることにより、軽量化、及び、コストの低減を図ることができる。
【００３８】
また、本発明によれば、樹脂を含浸させた連続繊維を用いて、長さ方向でパイプの肉厚の異なった段付きパイプとされる大型の繊維強化プラスチック製段付きパイプを生産性良く製造することができる。従って、本発明によれば、長さ方向でパイプの肉厚を変更することができ、パイプを固定する基部の肉厚を厚くし、基部から離れるほど厚みを薄くして、使用目的に最適な材料設計のできる繊維強化プラスチック製段付きパイプを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下、本発明に係る繊維強化プラスチック製段付きパイプ及びその製造方法を図面に則して更に詳しく説明する。
【００４０】
先ず、従来の繊維強化プラスチック製段付きパイプ及びその製造方法について説明する。
【００４１】
図９（ａ）に、軸線方向に内径、外径が一定の一様断面形状の繊維強化プラスチック製パイプ１００Ｐを示す。図９（ｂ）に、斯かる中空形状の繊維強化プラスチック製パイプ１００ＰをＦＷ（フィラメントワインディング）法にて製造するための製造装置５０Ａの概略構成を示す。
【００４２】
本例によると、製造装置５０Ａは、円柱状のマンドレル５２を備えたフィラメントワインディング装置５１を有し、マンドレル５２の軸部５３、５４は、回転支持手段５５、５６に回転自在に支持されている。また、マンドレル５２は、電動モータなどとされる駆動手段（図示せず）に接続されており、所望の回転方向に任意の回転速度で回転駆動可能とされる。
【００４３】
フィラメントワインディング装置５１に隣接して強化繊維供給装置６０が配置される。強化繊維供給装置６０は、多数本の連続繊維（強化繊維）から成る強化繊維束ｆを供給するクリール６１を備えている。クリール６１からの強化繊維束ｆは、樹脂槽６２にて樹脂が含浸され、且つ、複数本が収束されて、樹脂含浸された強化繊維束Ｆとされる。
【００４４】
本例では、樹脂含浸された強化繊維速Ｆは、マンドレル５２の長手方向に沿って移動するトラバース装置６３のガイド手段６４により、回転するマンドレル５２に供給される。また、本例では、樹脂槽６２自体がトラバース装置６３に設置されている。
【００４５】
これにより、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆがマンドレル５２に角度をつけて巻き付けられ、積層される。これにより、マンドレル５２の外周面に樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体が形成される。
【００４６】
この後、マンドレル５２は、製造装置５０Ａから外し、硬化炉（図示せず）に移し、加熱する。これにより、マンドレル５２に巻き付けられている樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体は、樹脂を硬化させる。次いで、脱芯装置（図示せず）を用いて、マンドレル５２から、硬化された繊維強化プラスチック積層体、即ち、パイプ状の繊維強化プラスチックを取り外して、目的の繊維強化プラスチックパイプ１００Ｐを得ることができる。
【００４７】
従来の上記フィラメントワインディング法では、一定肉厚の一様断面の繊維強化プラスチック製パイプ１００Ｐが製造される。
【００４８】
これに対して、本発明の繊維強化プラスチック製パイプは、例えば図１（ａ）、（ｂ）に示すように、長さ方向、即ち、軸線方向に肉厚が異なる段付きパイプ１００Ａとされる。
【００４９】
このような繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａは、上記従来例で説明した製造方法では製造できない。
【００５０】
以下に、図１、図４、図７などに示すような、本発明に従った繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）を製造するための製造方法について説明する。
【００５１】
実施例１
本実施例によれば、図１（ａ）、（ｂ）に示すような中空形状の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａが得られる。即ち、繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａは、長手方向に沿って内径（Ｄ０）が一定で、外径（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）が三段階に変わる構成とされ、パイプの軸線方向にパイプ肉厚が３段階に変化しており、パイプ両端で厚みの違った形状のパイプとされる。
【００５２】
つまり、本実施例の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａは、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆにて形成される繊維強化プラスチック層が複数層、層状に積層された樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体１０１、１０２、１０３にて構成される。
【００５３】
即ち、本実施例の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａは、樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体が３層に積層された第１段目のパイプ（樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体１０１、１０２、１０３）領域１００Ａ１と、樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体が２層に積層された第２段目のパイプ（樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体１０２、１０３）領域１００Ａ２と、樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体が１層とされる第３段目のパイプ（樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体１０３）領域１００Ａ３とを備えている。各樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体１０１、１０２、１０３を構成する強化繊維束Ｆは、パイプの軸線に対して所定の配向角（α）を有している。
【００５４】
本実施例にて、第１段目のパイプ領域１００Ａ１を構成する繊維強化プラスチック積層体１０１を形成する繊維強化プラスチック層は、配向角（α１）が９０°と±１５°の層とされる。第１段目及び第２段目のパイプ領域１００Ａ１、１００Ａ２を構成する繊維強化プラスチック積層体１０２を形成する繊維強化プラスチック層は、配向角（α２）が９０°と±１５°の層か、或いは、９０°と±４５°以下（通常、４５°〜１５°）の層とされ、また、第１段目、第２段目及び第３段目のパイプ領域１００Ａ１、１００Ａ２、１００Ａ３を構成する繊維強化プラスチック積層体１０３を形成する繊維強化プラスチック層は、配向角（α３）が９０°と±１５°の層か、或いは、９０°と±４５°以下（通常、４５°〜１５°）の層とされる。
【００５５】
また、第１段目の繊維強化プラスチック層を積層した後、Ｌ２の範囲のみに９０°層を積層した後、第２段目の繊維強化プラスチック層１０２を積層することも可能である。つまり、Ｌ１の範囲の９０°層が第１段目の積層以上に不要な場合は、このような手法が用いられる。
【００５６】
繊維強化プラスチックでパイプ形状の部材を成形する場合、樹脂を硬化させた後金属のマンドレルから、繊維強化プラスチックパイプを脱芯しなくてはいけないが、その脱芯の際、繊維強化プラスチックと金属マンドレルの熱膨張の差を利用して、脱芯し易くする手段が取られるのが普通である。それを可能とするために、金属マンドレルに接した繊維強化プラスチックの層は、９０°に近い角度（通常、７０°〜９０°の間のいずれか）で巻く必要がある。つまり、炭素繊維などの強化繊維の熱膨張率が対金属に対して小さいことを利用してこの方法が採用されている。一方、９０°に近い角度の層は、パイプのリング形状を保持する強度を担当する役目を持っている。しかし、要求される量以上は不要なことから、Ｌ２の範囲のみに９０°に近い角度の層を積層するケースが発生する。９０°に近い角度の層を積層する場合、両端に糸を引っ掛けることなく積層できることから、このような方法が可能となる。
【００５７】
同様に、第３段目以降を積層する場合にも適用できる。
【００５８】
本発明に従って作製される繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａ、即ち、樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体の層構成は、図１（ａ）、（ｂ）に示した上記構成に限定されるものではなく、種々の構成が可能である。
【００５９】
本実施例にて樹脂含浸繊維強化プラスチック積層体１０１、１０２、１０３を形成する強化繊維束ｆとしては、連続繊維とされる強化繊維、即ち、炭素繊維、例えば、直径５〜１５μｍの炭素繊維フィラメントを６０００〜４８０００本収束した炭素繊維束が好適に使用可能であるが、これに限定されるものではない。強化繊維束ｆとしては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、又は、アラミド繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ繊維などの有機繊維を単独で、又は、複数種混入してハイブリッドで構成することも可能である。
【００６０】
また、樹脂は、熱硬化性樹脂とすることができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或いは熱硬化型のエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、又は、フェノール樹脂を好適に使用し得る。
【００６１】
強化繊維の体積含有量は、一般に、４０〜７０体積％、通常、６０体積％程度とされる。
【００６２】
次に、上記構成の繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造するための方法及び製造装置について説明する
本実施例においても、上記構成のパイプ１００Ａは、ＦＷ（フィラメントワインディング）法にて製造される。図２に、製造装置５０の一実施例の概略構成を示す。
【００６３】
本実施例によると、製造装置５０は、従来の製造装置５０Ａ（図９）と同様に、円柱状のマンドレル５２を備えたフィラメントワインディング装置５１を有し、マンドレル５２の軸部５３、５４は、回転支持手段５５、５６に回転自在に支持されている。また、マンドレル５２は、電動モータなどとされる駆動手段（図示せず）に接続されており、所望の回転方向に任意の回転速度で回転駆動可能とされる。
【００６４】
ただ、本実施例によると、図３をも参照すると理解されるように、マンドレル５２の長さ方向（軸線方向）の一端部５２Ａと他端部５２Ｂの間の所定位置に、つまり、上記段付きパイプ１００Ａの第１段目のパイプ領域１００Ａ１に対応する第１段目領域５２Ｒ１と第２段目のパイプ領域１００Ａ２に対応する第２段目領域５２Ｒ２との境界部Ｓ１と、第２段目のパイプ領域１００Ａ２に対応する第２段目領域５２Ｒ２と第３段目のパイプ領域１００Ａ３に対応する第３段目領域５２Ｒ３との境界部Ｓ２において、マンドレルの周方向に複数本のピン７０（７０Ａ、７０Ｂ）が、着脱自在に植設される。
【００６５】
必要に応じて、更に、ピン７０Ｂと、マンドレル５２の他端部５２Ｂの間の所定位置にピンを植設し、第４段目の領域、更には、第５段目領域、それ以上の領域を設けても良い。また、図示してはいないが、必要に応じて、マンドレルの胴部両端部５２Ａ、５２Ｂにも、外周辺に沿って複数のピンを植設しても良い。
【００６６】
本実施例における、上記ピン７０（７０Ａ、７０Ｂ）は、マンドレル５２の胴部５２Ｃに巻き付ける強化繊維束Ｆのマンドレル胴部５２Ｃにおけるトラバース治具として、或いは、マンドレル胴部５２Ｃの両端における滑り止め治具として機能する。
【００６７】
一方、フィラメントワインディング装置５１に隣接して強化繊維供給装置６０が配置される。強化繊維供給装置６０は、多数本の強化繊維束ｆを供給するクリール６１を備え、クリール６１からの強化繊維束ｆは樹脂槽６２にて樹脂が含浸され、且つ、収束されて、樹脂含浸強化繊維束Ｆとされる。次いで、この樹脂含浸強化繊維速Ｆは、トラバース装置６３へと送給される。本実施例では、先に説明した従来装置と同様に、樹脂槽６２自体がトラバース装置６３に設置されており、トラバース装置６３を構成している。
【００６８】
本実施例では、先ず、マンドレル５２の第１段目領域５２Ｒ１を使用して、第１段目のパイプ領域１００Ａ１についてＦＷ法を実施する。
【００６９】
なお、図２は、後述する第２段目のパイプ領域１００Ａ２のＦＷを実施している態様を示しているが、第１段目のパイプ領域１００Ａ１も同様にして行われる。
【００７０】
つまり、トラバース装置６３は、図２にて、マンドレル５２の左側端５２Ａと第１ピン７０Ａ（図２では点線にて示される）との間にて、回転するマンドレル５２の長手方向に沿って移動しながら、マンドレル５２に樹脂含浸強化繊維束Ｆを供給する。
【００７１】
すなわち、樹脂含浸強化繊維束Ｆは、所定の配向角（α１）＝９０°の角度にて巻き付けを行う。つまり、マンドレル５２の一端部（第１端）５２Ａ、即ち、図２にて左側のマンドレル胴部側からマンドレル胴部５２Ｃに巻き付けられた強化繊維束Ｆは、マンドレル５２の他端部（第２端）５２Ｂ方向の所定位置に植設された第１のピン７０Ａに達すると、第１のピン７０Ａの間を通り、隣接する他のピン７０Ａの間を通ってターンし、再びマンドレル５２の第１端５２Ａである胴部端部へと戻る。この時、マンドレル５２の回転方向は、変えることなく一定方向とされる。これにより、樹脂含浸強化繊維束Ｆがマンドレル５２に角度をつけて巻き付けられ、繊維強化プラスチック層が形成される。トラバーススピードとマンドレルの回転数を制御することにより、巻き角度は決定される。
【００７２】
上記操作を所定回数行うことにより、所望の層数の繊維強化プラスチック層からなる第１層目の繊維強化プラスチック積層体１０１が形成される。
【００７３】
このように、強化繊維束Ｆの積層体が、所定内の厚みに達したら、製造装置５０の運転を停止し、ピン７０Ａを抜きとる。マンドレル５２からピン７０Ａを取り外した後、第１ピン７０Ａの周辺の強化繊維の巻き乱れが著しい場合は、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０１の積層乱れ部（巻き乱れ部）を切断し、除去しても良い。
【００７４】
また、巻き乱れ部を除去した後、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０１の切断端面１０１ａに段差が発生した場合は、図１（ｂ）に部分拡大図にて示すように、繊維強化プラスチック積層体１０１の切断端面１０１ａとマンドレル外周面との間の段差部に樹脂又は発泡材を充填して、この段差部にテーパーをつけ、応力集中緩和部１０５を形成する。これにより、この段差部での応力集中を軽減させることができる。
【００７５】
段差部に充填する、即ち、応力集中緩和部１０５を形成する樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニールエステル樹脂、ＭＭＡ樹脂、フェノール樹脂のいずれかとすることができ、また、発泡材としては、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、又はフェノール樹脂のいずれかとすることができる。
【００７６】
次いで、マンドレル５２の第１段目領域５２Ｒ１及び第２段目領域５２Ｒ２を使用して、第１段目のパイプ領域と第２段目のパイプ領域についてＦＷ法を実施する。
【００７７】
つまり、トラバース装置６３は、図２に示すように、マンドレル５２の左側端（第１端）５２Ａと第２ピン７０Ｂとの間にて、回転するマンドレル５２の長手方向に沿って移動しながら、マンドレル５２に樹脂含浸強化繊維束Ｆを供給する。本実施例では、上述のように、樹脂槽６２自体がトラバース装置６３を構成している。
【００７８】
これにより、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆが、上記第１段目のパイプ領域１０１Ａ１と、マンドレル５２の第２段目領域５２Ｒ２とに亘って、所定の角度をつけて巻き付けられ、第１段目の繊維強化プラスチック積層体１０１と、マンドレル５２の第２段目領域５２Ｒ２の外周面とを覆って繊維強化プラスチック層が形成される。トラバーススピードとマンドレルの回転数を制御することにより、巻き角度は決定される。
【００７９】
上記操作を所定回数行うことにより、所望の層数の繊維強化プラスチック層からなる第２層目の繊維強化プラスチック積層体１０２が形成される。
【００８０】
このように、繊維強化プラスチック層が積層され、繊維強化プラスチック積層体１０２が所定厚みに達したら、製造装置５０の運転を停止し、第２ピン７０Ｂを抜きとる。
【００８１】
この場合も、上述した第１段目の場合と同様に、マンドレル５２からピン７０Ｂを取り外した後、第１ピン７０Ｂの周辺の強化繊維の巻き乱れが著しい場合は、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０２の積層乱れ部（巻き乱れ部）を切断し、除去しても良い。
【００８２】
また、巻き乱れ部を除去した後、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０２の切断端面１０２ａに段差が発生した場合は、図１（ｂ）に部分拡大図にて示すように、繊維強化プラスチック積層体１０２の切断端面１０２ａとマンドレル外周面との間の段差部に、上述した樹脂又は発泡材を充填して、この段差部にテーパーをつけ、応力集中緩和部１０５を形成する。これにより、この段差部での応力集中を軽減させることができる。
【００８３】
次いで、マンドレル５２の第１段目領域５２Ｒ１、第２段目領域５２Ｒ２及び第３段目領域５２Ｒ３を使用して、第１段目のパイプ領域１００Ａ１、第２段目のパイプ領域１００Ａ２、及び、第３段目のパイプ領域１００Ａ３についてＦＷ法を実施する。
【００８４】
つまり、トラバース装置６３は、図２にて、マンドレル５２の両端部（即ち、第１端５２Ａと第２端５２Ｂ）の間で、即ち、マンドレル全長に亘って、回転するマンドレル５２の長手方向に沿って移動しながら、マンドレル５２に樹脂が含浸された強化繊維束Ｆを供給する。
【００８５】
これにより、樹脂含浸強化繊維束Ｆが、上記第１段目のパイプ領域１００Ａ１と、第２段目のパイプ領域１００Ａ２と、第３段目のパイプ領域１００Ａ３に相当するマンドレル５２の第３段目領域５２Ｒ３の外周面とを覆って繊維強化プラスチック層が形成される。トラバーススピードとマンドレルの回転数を制御することにより、巻き角度は決定される。
【００８６】
上記操作を所定回数行うことにより、所望の層数の繊維強化プラスチック層からなる第３層目の繊維強化プラスチック積層体１０３が形成される。
【００８７】
繊維強化プラスチック積層体１０３が所定内の厚みに達したら、製造装置５０の運転を停止する。
【００８８】
これにより、図１示すようなパイプ形状が得られる。
【００８９】
このような方法で積層されたマンドレル付きの繊維強化プラスチック積層体を、装置から取り外し、別置きの硬化炉（図示せず）にいれ、樹脂を加熱硬化させ、硬化炉から取り出し、マンドレル両端のＲ付き部を切断除去し、さらに別置きの脱芯機（図示せず）にかけ、マンドレル５２からパイプ状の繊維強化プラスチック積層体、即ち、繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａを取り出す。
【００９０】
このようにして製作されたパイプ１００Ａは、パイプ内面は均一断面だが、外表面に段付き形状ができ、パイプ両端で厚みの異なるパイプが得られる。
【００９１】
実際に、直径７μｍの炭素繊維フィラメントを２４０００本収束した強化繊維（炭素繊維）束ｆに熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させ、更に、この強化繊維束ｆを８本収束した炭素繊維束Ｆを用いて、内径Ｄ０＝２００ｍｍ、外径Ｄ１＝２０４ｍｍ、Ｄ２＝２０６ｍｍ、Ｄ３＝２０８ｍｍ、第１段目のパイプ領域１００Ａ１の長さＬ１＝２．０ｍ、第２段目のパイプ領域１００Ａ２の長さＬ２＝２．０ｍ、第３段目のパイプ領域１００Ａ３の長さＬ３＝２．０ｍ、とされる上記構成の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａを上記製造方法に従って作製した。
【００９２】
本実施例の製造方法によれば、軽量化された繊維強化プラスチック製段付きパイプを得ることができ、極めて生産性が良かった。また、得られた繊維強化プラスチック製段付きパイプの機械的特性も所期のものを達成することができた。
【００９３】
上記実施例では、繊維強化プラスチックの肉厚が３段階に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａについて説明したが、上述したように、更に、ピン７０Ｂと、マンドレル５２の他端部５２Ｂの間の所定位置に更にピンを植設し、第４段目、第５段目、更にはそれ以上の領域を設けることにより、上記実施例と同様にして、繊維強化プラスチックの肉厚が４段階以上に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造することができる。
【００９４】
実施例２
実施例１では、第１段目のパイプ領域１００Ａ１、第２段目のパイプ領域１００Ａ２、及び第３段目のパイプ領域１００Ａ３を連続的にＦＷ法により作製するものとして説明した。
【００９５】
しかし、本実施例２では、繊維強化プラスチック層を積層し、１層目の繊維強化プラスチック積層体１０１を形成した後に、マンドレルごと一旦、フィラメントワインディング装置５１から外し、硬化炉に入れ、樹脂を硬化させる。その後、ピン７０Ａを取り外す。
【００９６】
この時、実施例１で説明したように、マンドレル５２からピン７０Ａを取り外した後、第１ピン７０Ａの周辺の強化繊維の巻き乱れが著しい場合は、マンドレルの周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０１の積層乱れ部（巻き乱れ部）を切断し、除去し、この切断除去により生じたマンドレルの周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０１の切断端面１０１ａとマンドレル外周面との間の段差部をテーパー状に切削するか、又は、繊維強化プラスチック積層体１０１の切断端面１０１ａとマンドレル外周面との間の段差部に、実施例１と同様の樹脂又は発泡材を充填して、この段差部にテーパーをつけ、応力集中緩和部１０５を形成する。これにより、この段差部での応力集中を軽減させることができる。
【００９７】
その後、樹脂を含浸した強化繊維束Ｆを、その上から巻き付け、繊維強化プラスチック層を積層し、２層目の繊維強化プラスチック積層体１０２を形成する。つまり、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆが、第１段目のパイプ領域と、第２段目のパイプ領域に相当するマンドレル部分（第２段目領域５２Ｒ２）とに亘って、所定の角度をつけて巻き付けられ、積層され、第１段目のパイプ領域の２層目の繊維強化プラスチック積層体１０２と、第２段目の領域の１層目の繊維強化プラスチック積層体１０２を形成する。
【００９８】
なお、２層目の繊維強化プラスチック積層体１０２を形成する前に、１層目の表層に離型剤等不純物が付着している場合は、１層目の表層を清掃、又は研磨することが肝要である。
【００９９】
その後に、硬化炉へ移し、樹脂の硬化をさせ、ピン７０Ｂを外す。ピン７０Ｂを外した後、必要に応じて、ピン近傍の積層乱れを切断除去する。また、この際発生する端部の段差をテーパー状に切削するか、実施例１で説明したと同様の樹脂や発泡材等で埋めて滑らかにする。
【０１００】
次いで、樹脂を含浸した強化繊維束Ｆを、その上から巻き付け、繊維強化プラスチック層を積層し、３層目の繊維強化プラスチック積層体１０３を形成する。つまり、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆが、第１段目のパイプ領域と、第２段目のパイプ領域と、第３段目のパイプ領域に相当するマンドレル部分（第３段目領域５２Ｒ３）とに亘って、所定の角度をつけて巻き付けられ、積層され、第１段目のパイプ領域の３層目の繊維強化プラスチック積層体１０３と、第２段目の領域の２層目の繊維強化プラスチック積層体１０３と、第３段目の領域の１層目の繊維強化プラスチック積層体１０３を形成する。
【０１０１】
これにより、図１示すようなパイプ形状が得られる。
【０１０２】
このような方法で積層されたマンドレル付きの繊維強化プラスチック積層体を、装置から取り外し、別置きの硬化炉（図示せず）にいれ、樹脂を加熱硬化させ、硬化炉から取り出し、マンドレル両端のＲ付き部を切断除去し、さらに別置きの脱芯機（図示せず）にかけ、マンドレル５２からパイプ状の繊維強化プラスチック積層体、即ち、繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａを取り出す。
【０１０３】
このようにして製作されたパイプ１００Ａは、パイプ内面は均一断面だが、外表面に段付き形状ができ、パイプ両端で厚みの異なるパイプが得られる。
【０１０４】
上記実施例では、繊維強化プラスチックの肉厚が３段階に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａについて説明したが、本実施例においても、実施例１で説明したと同様にして、繊維強化プラスチックの肉厚が４段階以上に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造することができる。
【０１０５】
実施例３
本実施例において、図４（ａ）、（ｂ）に示す形状の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｂは、軸線方向に沿って、即ち、長手方向に沿って内径が三段階に変わり、外径が一定とされる。従って、本実施例においても、実施例１と同様に、パイプの軸線方向にパイプ肉厚が３段階に変化しており、実施例１と同様にパイプ両端で厚みの違ったパイプが得られる。
【０１０６】
本実施例の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｂも、実施例１で説明した製造装置５０を使用して作製される。
【０１０７】
ただ、本実施例では、実施例１とは異なり、マンドレル５２は、図５に示すように、製品パイプに必要な厚みが得られるような径差を付けたものが使用される。つまり、本実施例で使用するマンドレル５２は、軸線に沿って外径が変化した、本実施例では３段階に変化した、直径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３とされる段付きの円柱状のマンドレルとされる。
【０１０８】
本実施例によると、実施例１で説明したように、マンドレル５２の軸部５３、５４は、回転支持手段５５、５６に回転自在に支持されている。
【０１０９】
ただ、本実施例では、マンドレル５２の軸線方向所定位置に、つまり、上記段付きパイプ１００Ｂの第１段目のパイプ領域１００Ｂ１に相当する第１段領域５２Ｒ１と第２段目のパイプ領域１００Ｂ２に相当する第２段領域５２Ｒ２とのテーパー状境界部Ｓ１と、第２段目のパイプ領域１００Ｂ２に相当する第２段領域５２Ｒ２と第３段目のパイプ領域１００Ｂ３に相当する第３段領域５２Ｒ３とのテーパー状境界部Ｓ２において、マンドレル５２の周方向に複数本のピン７０Ａ、７０Ｂが、着脱自在に植設される。
【０１１０】
必要に応じて、マンドレルの胴部両端にも、外周辺に多数のピンを植設しても良い。
【０１１１】
本実施例では、先ず、マンドレル５２の第１段領域５２Ｒ１を使用して第１段目のパイプ領域１００Ｂ１についてＦＷ法を実施する。
【０１１２】
図２の製造装置５０を参照して説明する。
【０１１３】
なお、図２は、実施例１にて説明したように、第２段目のパイプ領域のＦＷを実施している態様を示しているが、第１段目のパイプ領域も同様にして行われる。
【０１１４】
つまり、トラバース装置６３は、図２にて、マンドレル５２の左側端５２Ａと第１ピン７０Ａ（図２では点線にて示される）との間にて、回転するマンドレル５２の長手方向に沿って移動しながら、マンドレル５２に樹脂が含浸された強化繊維束Ｆを供給する。
【０１１５】
すなわち、樹脂を含浸した強化繊維束Ｆは、所定の配向角（α１）、例えば、９０°と±１５°の角度にて巻き付けを行う。つまり、マンドレル５２の一端部（第１端）５２Ａ、即ち、図２にて左側のマンドレル端部側からマンドレル胴部５２Ｃに巻き付けられた強化繊維束Ｆは、マンドレル５２の他端部（第２端）５２Ｂ方向の所定位置に植設されたピン７０Ａに達すると、第１のピン７０Ａの間を通り、隣接する他のピン７０Ａの間を通ってターンし、再びマンドレルの第１端５２Ａである胴部端部へと戻る。この時、マンドレルの回転方向は、変えることなく一定方向とされる。これにより、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆがマンドレルに角度をつけて巻き付けられ、繊維強化プラスチック層が形成される。トラバーススピードとマンドレルの回転数を制御することにより、巻き角度は決定される。
【０１１６】
上記操作を所定回数行うことにより、所望の層数の繊維強化プラスチック層からなる第１層目の繊維強化プラスチック積層体１０１が形成される。
【０１１７】
強化繊維束Ｆの積層が、所定内の厚みに達したら、即ち、本実施例にて繊維強化プラスチック積層体１０１の外径がマンドレル５２の第２段領域５２Ｒ２の外径Ｄ２と同じとなったとき、製造装置５０の運転を停止する。次いで、ピン７０Ａを抜きとる。マンドレル５２からピン７０Ａを取り外した後、第１ピン７０Ａの周辺の強化繊維の巻き乱れが著しい場合は、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０１の積層乱れ部（巻き乱れ部）を切断し、除去しても良い。
【０１１８】
また、巻き乱れ部を除去した後、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０１の切断端面１０１ａに段差が発生した場合は、図４（ｂ）に部分拡大図にて示すように、繊維強化プラスチック積層体１０１の切断端面１０１ａとマンドレル外周面（テーパー状境界部Ｓ１）との間の段差部（空間部）に、実施例１と同様に樹脂又は発泡材を充填して、応力集中緩和部１０５を形成する。これにより、この段差部での応力集中を軽減させることができる。
【０１１９】
次いで、マンドレルの第１段領域５２Ｒ１と第２段領域５２Ｒ２とを使用して、第１段目のパイプ領域１００Ｂ１と第２段目のパイプ領域１００Ｂ２についてＦＷ法を実施する。
【０１２０】
つまり、トラバース装置は、図２に示すように、マンドレルの左側端（第１端）５２Ａと第２ピン７０Ｂとの間にて、回転するマンドレルの長手方向に沿って移動しながら、マンドレルに樹脂が含浸された強化繊維束Ｆを供給する。
【０１２１】
これにより、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆが、上記第１段目のパイプ領域１００Ｂ１と、第２段目のパイプ領域１００Ｂ２に相当するマンドレル部分５２Ｒ２とに亘って、所定の角度をつけて巻き付けられ、第１段目の繊維強化プラスチック積層体１０１と、マンドレル５２の外周面とを覆って繊維強化プラスチック層が形成される。トラバーススピードとマンドレルの回転数を制御することにより、巻き角度は決定される。
【０１２２】
上記操作を所定回数行うことにより、所望の層数の繊維強化プラスチック層からなる第２層目の繊維強化プラスチック積層体１０２が形成される。
【０１２３】
繊維強化プラスチック層が積層され、繊維強化プラスチック積層体１０２が所定厚みに達したら、即ち、本実施例にて繊維強化プラスチック積層体１０２の外径がマンドレル５２の第３段領域５２Ｒ３の外径Ｄ３と同じとなったとき、製造装置５０の運転を停止する。次いで、ピン７０Ｂを抜きとる。
【０１２４】
この場合も、上述した第１段目の場合と同様に、マンドレルからピン７０Ｂを取り外した後、第１ピン７０Ｂの周辺の強化繊維の巻き乱れが著しい場合は、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０２の積層乱れ部（巻き乱れ部）を切断し、除去しても良い。
【０１２５】
また、巻き乱れ部を除去した後、マンドレル５２の周方向に沿って存在する繊維強化プラスチック積層体１０２の切断端面１０２ａに段差が発生した場合は、図４（ｂ）に部分拡大図にて示すように、繊維強化プラスチック積層体１０２の切断端面１０２ａとマンドレル外周面（テーパー状境界部Ｓ２）との間の段差部（空間部）に、上記樹脂又は発泡材を充填して、応力集中緩和部１０５を形成する。これにより、この段差部での応力集中を軽減させることができる。
【０１２６】
次いで、マンドレル５２の第１段領域５２Ｒ１、第２段領域５２Ｒ２、及び、第３段領域５２Ｒ３を使用して、第１段目のパイプ領域１００Ｂ１、第２段目のパイプ領域１００Ｂ２、及び、第３段目のパイプ領域１００Ｂ３についてＦＷ法を実施する。
【０１２７】
つまり、トラバース装置６３は、図２にて、マンドレルの両端部（即ち、第１端５２Ａと第２端５２Ｂ）の間で、即ち、マンドレル全長に亘って、回転するマンドレル５２の長手方向に沿って移動しながら、マンドレル５２に樹脂が含浸された強化繊維束Ｆを供給する。
【０１２８】
これにより、樹脂が含浸された強化繊維束Ｆが、上記第１段目のパイプ領域１００Ｂ１と、第２段目のパイプ領域１００Ｂ２と、第３段目のパイプ領域１００Ｂ３に相当するマンドレル外周面５２Ｒ３とを覆って繊維強化プラスチック層が形成される。トラバーススピードとマンドレルの回転数を制御することにより、巻き角度は決定される。
【０１２９】
上記操作を所定回数行うことにより、所望の層数の繊維強化プラスチック層からなる第３層目の繊維強化プラスチック積層体１０３が形成される。
【０１３０】
繊維強化プラスチック積層体１０３が所定内の厚みに達したら、製造装置５０の運転を停止する。
【０１３１】
これにより、図４示すようなパイプ形状が得られる。
【０１３２】
このような方法で積層されたマンドレル付きのパイプを、装置から取り外し、別置きの硬化炉（図示せず）にいれ、樹脂を加熱硬化させ、硬化炉から取り出し、マンドレル両端のＲ付き部を切断除去し、さらに別置きの脱芯機（図示せず）にかけ、マンドレルから繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｂを取り出す。
【０１３３】
このようにして製作されたパイプは、パイプ外面は、同一直径の均一断面とされるが、内表面に段付き形状ができ、パイプ両端で厚みの異なるパイプが得られる。
【０１３４】
実際に、実施例１で記載したと同様の多数本の強化繊維（炭素繊維）束ｆに熱硬化性のエポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維束Ｆを用いて、内径Ｄ１＝２００ｍｍ、Ｄ２＝２０２ｍｍ、Ｄ３＝２０４ｍｍ、外径Ｄ４＝２０８ｍｍとされる上記構成の繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｂを上記製造方法に従って作製した。
【０１３５】
本実施例の製造方法によれば、極めて生産性良く、軽量化された繊維強化プラスチック製段付きパイプを得ることができた。また、得られた繊維強化プラスチック製段付きパイプの機械的特性も所期のものを達成することができた。
【０１３６】
本実施例においても、実施例２で説明したように、各繊維強化プラスチック積層体１０１、１０２、１０３を形成する度に、繊維強化プラスチック積層体を硬化する構成とすることも可能である。製造工程は、実施例２と同様に実施し得るので、詳しい説明は、実施例２の説明を援用する。
【０１３７】
また、上記実施例では、繊維強化プラスチックの肉厚が３段階に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｂについて説明したが、本実施例においても、実施例１で説明したと同様にして、繊維強化プラスチックの肉厚が４段階以上に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造することができる。
【０１３８】
実施例４
上記実施例１〜３では、マンドレル５２の胴部５２Ｃの外周辺に多数のピンを植設するものとして説明したが、図６（ａ）に示すように、外周辺に多数のピン７０（７０Ａ、７０Ｂ）が植設されたピン付きリング１２０をマンドレル５２の胴部５２Ｃに着脱自在に装着することもできる。
【０１３９】
上記実施例１〜３のマンドレル５２との違いは、マンドレル５２の中間に直接ピンをたてず、前もって周方向にピンを立てたピン付きリング用意し、これをマンドレルに取り付け、マンドレルの一端部とこのリングに立てたピンの間で樹脂を含浸させた強化繊維を巻きつけ、一定厚みを積層することである。
【０１４０】
ピン付リング１２０の構成は、任意とし得るが、本実施例では、外周面がテーパー状に形成されたリング本体１２０ａと、リング本体１２０ａのテーパー状外周面に植設されたピン７０（７０Ａ、７０Ｂ）とにて構成される。このピン付リング１２０は、二つ割り構成とし、マンドレル５２の胴部５２Ｃに形成された環状の凹溝５２Ｄに嵌合し、図示してはいないが、ネジなどを使用してマンドレル胴部１２０ａに着脱自在に固定される。
【０１４１】
なお、実施例１の場合はピンを抜いて次の作業に入れるのに対し、本実施例では、ピン付リング１２０を取り外してからでないと次の作業に入れない。そのため、リング近傍の樹脂を含浸した繊維を切断除去作業が必須となる。
【０１４２】
このリング１２０を用いて製造する方法は、上記実施例３におけるマンドレル５２に段差を付けた場合にも適用可能である。この場合には、境界部Ｓ１、Ｓ２をピン付きリングで形成することができる。
【０１４３】
実施例５
上記実施例１では、繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ａは、長手方向に沿って内径が一定で、外径が三段階に変わる構成とされ、上記実施例３では、繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｂは、長手方向に沿って外径が一定で、内径が三段階に変わる構成とされ、いずれも、パイプの軸線方向にパイプ肉厚が３段階に変化しており、パイプ両端で厚みの違った形状のパイプとされた。
【０１４４】
本実施例では、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｃは、長手方向に沿って内径が一様に、即ち、テーパー状に変化し、且つ、外径が三段階に変わる構成とされ、パイプの軸線方向にパイプ肉厚が３段階に変化しており、パイプ両端で厚みの違った形状のパイプとされる。
【０１４５】
従って、マンドレル５２は、本実施例では、第１段目領域５２Ｒ１から、第２段目、第３段目の領域５２Ｒ２、５２Ｒ３へと、図８にて左側端から右側端へと傾斜したテーパー形状のマンドレルとされる。
【０１４６】
本実施例においても、図８に示すように、胴部５２Ｃの外周辺に多数のピン７０（７０Ａ、７０Ｂ）を植設するか、或いは、図６に示すように、外周辺に多数のピンが植設されたピン付きリングを胴部５２Ｃに着脱自在に装着することにより、実施例１で説明した製造装置を使用して、第１段目のパイプ領域１００Ｃ１から、第２段目、第３段目のパイプ領域１００Ｃ２、１００Ｃ３へと傾斜した繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｃを好適に作製することができる。
【０１４７】
つまり、本実施例の繊維強化プラスチック製段付きパイプも、実施例１で説明した製造装置５０を使用して作製され、成形方法は実施例１と全く同じである。ただ、本実施例では、樹脂を硬化させ硬化炉から取り出し、マンドレル両端のＲ付き部を切断・除去する脱芯装置で繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｃをマンドレル５２から脱芯する際、マンドレル径の大きい方からマンドレルを引き抜く。
【０１４８】
上記実施例では、繊維強化プラスチックの肉厚が３段階に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｃについて説明したが、本実施例においても、実施例１で説明したと同様にして、繊維強化プラスチックの肉厚が４段階以上に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造することができる。
【０１４９】
本実施例においても、実施例２で説明したように、各繊維強化プラスチック積層体１０１、１０２、１０３を形成する度に、繊維強化プラスチック積層体を硬化する構成とすることも可能である。製造工程は、実施例２と同様に実施し得るので、詳しい説明は、実施例２の説明を援用する。
【０１５０】
また、上記実施例では、繊維強化プラスチックの肉厚が３段階に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００Ｃについて説明したが、本実施例においても、実施例１で説明したと同様にして、繊維強化プラスチックの肉厚が４段階以上に変化する繊維強化プラスチック製段付きパイプを製造することができる。
【０１５１】
変形例
上記の実施例１〜５にて説明した繊維強化プラスチック製段付きパイプ１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）は、断面形状が丸形状のものについてであるが、マンドレル５２の断面形状を三角形、若しくは、四角形以上の多角形の形状にすることにより、所定の形状の繊維強化プラスチック製段付きパイプが得られる。
【０１５２】
また、使用される用途により、強化繊維の種類が変えられる。一般的は、曲げ強度、曲げ弾性率の高い炭素繊維が使用されるが、電気的絶縁性を要求される場合は、ガラス繊維、電気的絶縁性と耐アルカリ等の耐食性が要求される場合は、アラミド繊維が使用される。
【０１５３】
一方、樹脂についても、一般的にはエポキシ樹脂が使用されるが、耐熱性が要求される場合はフェノール樹脂、低温での成形が要求される場合はＭＭＡ樹脂といった様に、成形条件や、用途により最適な樹脂が使用される。
【図面の簡単な説明】
【０１５４】
【図１】図１（ａ）は、本発明にて製造し得る繊維強化プラスチック製段付きパイプの一実施例の側面図であり、図１（ｂ）は、繊維強化プラスチック製段付きパイプの縦断面図である。
【図２】図２は、繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造装置に使用するマンドレルの一実施例の概略構成を示す外観図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明にて製造し得る繊維強化プラスチック製段付きパイプの他の実施例の側面図であり、図４（ｂ）は、繊維強化プラスチック製段付きパイプの縦断面図である。
【図５】図５は、図４の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造装置に使用するマンドレルの一実施例の概略構成を示す外観図である。
【図６】図６（ａ）は、図１の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造装置に使用するマンドレルの他の実施例の概略構成を示す外観図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のマンドレルの部分断面拡大図である。る。
【図７】図７（ａ）は、本発明にて製造し得る繊維強化プラスチック製段付きパイプの他の実施例の側面図であり、図７（ｂ）は、繊維強化プラスチック製段付きパイプの縦断面図である。
【図８】図８は、図７の繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造装置に使用するマンドレルの一実施例の概略構成を示す外観図である。
【図９】図９（ａ）は、従来の繊維強化プラスチック製段付きパイプの一例の斜視図であり、図９（ｂ）は、繊維強化プラスチック製段付きパイプの製造装置の概略構成を示す斜視図である。
【図１０】図１０は、マグナス風車の外観を示す図である。
【符号の説明】
【０１５５】
５０            製造装置
５１            フィラメントワインディング装置
５２            マンドレル
６０            強化繊維供給装置
６２            樹脂槽
６３            トラバース装置
６４            ガイド手段
７０（７０Ａ、７０Ｂ）                    ピン
１００（１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ）    繊維強化プラスチック製段付きパイプ
１０１、１０２、１０３                    繊維強化プラスチック積層体
１０５          応力集中緩和部
１２０          ピン付きリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005342171.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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