(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる弾性率を有し、かつ炭素繊維、ガラス繊維を含む複数の繊維が、熱硬化性樹脂マトリックス内に固定され、前記炭素繊維が、巨視的にクロスハッチパターンでもう一方の繊維の中に分布させられている、ハイブリッドコンポジットフライホイールリムを、次の式を満足するように得る、リムの製造方法。
ＷL＝（Ｎ＋Ｂ／Ａ）ＬR
ＷL＋ＬR＜Ｌm
という式が満たされ、
Ｎ： ＷLをＬRで除して得られる最大整数、
Ａ： Ｂより大きい整数
Ｂ： Ａより小さい整数
であり、Ｂ／Ａ≠１，１/２，１/３，１/４、
ＷL： ワインディング長さ（インチ）
ＬR： 送り長（インチ）
Ｌm： ２つのマンドレルフランジの内部面間の距離（インチ）
ｍ・ＬR＝ｎ・ＳP
ｍ： ２以上の整数
ｎ： ２以上の整数
ＳP： 他方の繊維の間における一方の繊維間隔（インチ）
【請求項２】
複数のゾーンを持つ環状構造であって、前記ゾーンのそれぞれは樹脂マトリックス内に多数の繊維層を有し、前記繊維層のそれぞれはいずれの単一ゾーンの中でも一定比率の炭素繊維トウとガラス繊維トウの混合物を有し、前記比率がリムの外側ゾーンに向かってゾーン毎に半径方向に順次増大するコンポジットフライホイールリムにおいて、前記炭素繊維トウは、マンドレル上に巻きつけられる際のマンドレルの回転に対する繊維の送り長とワインディング長さの相関関係を調節することにより各ゾーン内で巨視的に均一に分布した状態で存在する、コンポジットフライホイールリム。
【発明の詳細な説明】
本発明は、巨視的に均一な繊維分布をもつハイブリッドコンポジットフライホイールリム，及びフィラメントワインディング技術に基づくその製造方法に関する。
[発明の背景]
１つのシステム内にエネルギーを貯蔵し、その後でこの貯蔵エネルギーをもつ１つのシステム内へと戻すように放出するために長年にわたり、フライホイールシステムが使用されてきた。フライホイールシステムは、内燃機関及びその他の種類の動力機器の作動を円滑化する効果を提供する。さらに最近では、エネルギーを貯蔵したり放出したりすることによる無停電電源装置ＵＰＳのような電力分野においてもフライホイールシステムが使用されつつある。フライホイールローター及び取付けられたモーター／発電機を含む電気エネルギー貯蔵用フライホイールシステムが、モーターを使用することによりフライホイールローターが加速され、電気エネルギーを機械的エネルギーへと変換する。エネルギーは、フライホイールローターの回転運動として動的に貯蔵される。機械的エネルギーはその後、回転するフライホイールローターを減速するように作用する発電機を使って必要なときに再び電気エネルギーに変換し戻される。エネルギー貯蔵のために従来の電気化学的電池の代りにフライホイールシステムを用いることにより、より高い信頼性、より長い寿命、そして必要な場合には、はるかに高出力を出せるといった利点が得られる可能性がある。
【０００１】
初期のフライホイールＵＰＳシステムは、簡単のため鋼製のフライホイールローターを使用していたが、かかるフライホイールローターの性能は、先端周速度が標準的に約４００ｍ／秒前後に制限されているために低いものである。これに比べ、コンポジットフライホイールリムを含むフライホイールローターは、はるかに高い周速度（７００〜１０００ｍ／秒）で作動させることができる。これより高い性能は、より高い強度対重量比の結果であると共に、或る程度は高強度のガラス及び炭素繊維を使用した場合に可能な、より効率的な設計の産物でもある。任意のフライホイール設計において貯蔵されるエネルギーは、先端周速度の２乗に正比例するが、フライホイールローター（リム及びハブ）の質量に対しては一次的に正比例するにすぎないことから、研究者達は、より高速のコンポジットフライホイールリムを強く追い求めてきた。
【０００２】
出力の質及び信頼性が重要な業界で競争力をもつためには、フライホイールを使ったＵＰＳシステムは、信頼性は低いが低コストである従来の電気化学的電池を使ったＵＰＳと競合しなくてはならない。効率的に競合するためには、低コストで高性能のコンポジットフライホイールリムが製造されなくてはならない。数多くのコンポジット製造方法の中でも、フィラメントワインディングがコンポジットフライホイールリムのためにもっとも高い可能性を有するということは、一般的に受容されている。フィラメントワインディングでは、応力レベルの高いフライホイールリムにとって本来必要とされる非常に高い部品品質及び高速で材料投入できる高度に自動化されたプロセスが可能である。フィラメントワインディングによって作られるフライホイールリムは、典型的には、非常に高速で回転させることができるように、肉厚で、主としてフープワインディングされたコンポジットリングとして設計されて、従ってエネルギー貯蔵のために非常に効率的である。
【０００３】
有用なコンポジットフライホイールリムを得るための主要な問題の一つは、リムの内径とハブの外径の間におけるひずみの整合である。このひずみ整合を達成するためにさまざまな方法が使用されてきた。例えば、リムの内径増大をハブの外径増大に整合させるようなコンポジットフライホイールリムを作るためにさまざまな繊維を使用することができるということは周知の事実である。一般に、より低い弾性率を有する繊維を内側に配置し、より高い弾性率を有する繊維を外側に配置する。ガラス／炭素繊維ハイブリッドコンポジットリムの場合、ガラス繊維と炭素繊維の間の混合比は、ハブ外径の増大とリム内径の増大の間の関係のみならず、ローターのコストも考慮することによって決定される。ガラス繊維が多くなればなるほどコストは低下する結果となるが、ローター回転中に両直径の増大量に大きな不整合が発生する可能性がある。
【０００４】
ガラス／炭素ハイブリッドリムの第１の例は、全てのガラス繊維コンポジットを内側に配して炭素繊維コンポジットを外側に配したリムである。このローターは、特許出願ＳＮ０９／９１８４４号に提案されているその場硬化フィラメントワインディング技術によって容易に作ることができる。全ガラス繊維層及び全炭素繊維層で作られたリムの欠点は、ガラスコンポジットと炭素コンポジットの間の界面における応力及びひずみに不連続性があり、これが、製造及び作動中に亀裂を発生させる結果に至る可能性があるという点にある。
【０００５】
一方で、コンポジット業界において見られる上述の界面での不連続性を回避するため、ガラス繊維と炭素繊維を混合することが提案されてきた。換言すると、第２の例は、炭素繊維対ガラス繊維の混合比が半径方向に連続的に増大させられ、炭素及びガラス繊維フィラメントが微視的に均一に分散させられているコンポジットリムである。これは、望ましい解決法ではありうるものの、このようなリムを作るのは容易ではなく、コスト高という結果をもたらすにちがいない。
【０００６】
もう一つの実用的解決法は、炭素繊維対ガラス繊維の混合比がリムの内側から外側に向かって増分的に増大するリムである。すなわち、炭素繊維対ガラス繊維の比率は各層において一定であり、フィラメントワインディング中の繊維バンド内のトウ数の関数として決定可能である。炭素繊維トウ及びガラス繊維トウを伴う層を巻付ける場合、それらが巻付けられているマンドレルの各回転に伴い１つのバンド内に多数のトウを合わせて置くことが適切である。しかしながら、場合によって、図３に示されているようにバンド内の炭素繊維トウが偶発的に半径方向に整列したパターンで巻かれることが発見されており、これは、ガラス繊維及び炭素繊維の望ましくない分布を生み出し、結果として、整列した又は積層された炭素繊維領域と隣接する整列した又は積層されたガラス繊維領域の間に大きい内部せん断力をもたらす可能性がある。
[発明の要約]
ここに開示されている発明は、各々の層の中で炭素繊維対ガラス繊維の混合比が一定でありかつこの比率が層毎にリムの外側に向かって順次増大し、炭素繊維の分布が各層内で巨視的に均一である多数のハイブリッド繊維層をもつコンポジットフライホイール及びその製造方法である。
【０００７】
ガラス繊維と炭素繊維の混合比が一定である場合でもローター回転中の均一な応力分布を達成するためにはより巨視的に均一な繊維分布が重要であり得るということが発見された。
【０００８】
巨視的に均一な分布は、マンドレルの回転に対する繊維バンドの送り長とワインディング長さの相関関係を調節することにより達成することができる。バンド内の炭素繊維トウの間隔どり及び位置、及び炭素繊維トウの幅も又、レイアップパターンに影響を及ぼすが、パラメータが一定の状態で、レイアップパターンを変更する最も有効で容易な方法は、ワインディング長さを調節することによるものである。
[好ましい実施態様の説明]
同じ文字が同一の又は対応する部品を表わしている図面、より特定的には図１を参照すると、数多くのより短かい環状フライホイールリムへと切断可能な、図２に示された細長い環状コンポジット「ログ」４を製造するべく繊維バンド３内に樹脂含浸済みトウを巻きつけるためのマンドレル２が示されている。繊維トウをマンドレル上に巻きつけるためのプロセス及び装置は、Christopher W. Gabrys により２００１年９月１１日付で提出され本出願の譲受人に対し譲渡された「コンポジットフライホイールのための高速製造方法」という題の米国特許出願第０９／９５１,８４４号の中で完全に詳しく例示されている。この出願第０９／９５１,８４４号の開示は、ここに参考のために引用した。
【０００９】
マンドレル２は、繊維バンド３が巻付けられる際その端部上に樹脂含浸された繊維トウを規制する一助となる２つの端部フランジ１を有する。マンドレル２の長さ（Ｌm）は、２つのフランジ１の対面する表面の間の全長である。繊維バンド３は、一定数の繊維トウで構成することができる。以下に記述する一例は、繊維バンド内に２０の繊維トウを有する。繊維バンドは、湿潤樹脂で含浸されたガラス繊維トウと炭素繊維トウの混合物で構成されていてよく、マンドレルが回転する際マンドレルの長さ方向に前後に横行しマンドレル上に繊維バンドを層状に巻付けるワインディング装置によって、マンドレル上に巻付けられ得る。一定数のこのような層が１つのゾーン内に置かれ、このゾーン内では、ガラス繊維トウと炭素繊維トウの比率は各層内で一定である。ガラス繊維トウと炭素繊維トウの比率は、炭素繊維トウの割合のさらに高いゾーンを生成するため、次の多重層ゾーン内でさらに増大させることができる。炭素繊維トウの割合は、全てのトウが炭素繊維トウとし得る最後のゾーンまで各々の、後続ゾーン内でさらに増大させることができる。例えば、このアプローチに従って作られるコンポジットフライホイールは、内側から半径方向外側に以下のような５つの隣接ゾーンで作られていてよい。 すなわち、１．１０％ ＣＦ、９０％ＧＦ、 ２．２０％ＣＦ、８０％ＧＦ、 ３．５０％ＣＦ、５０％ＧＦ、 ５．１００％ＣＦ。ここで使用されている「ＧＦ」とはガラス繊維であり、「ＣＦ」は炭素繊維である。
【００１０】
繊維バンド３がマンドレル２上に巻きつけられた時点で、全てエポキシマトリックス内にある半径方向に積重ねられたガラス繊維トウの領域又はカラム１４によって分離された整列済み領域又はカラム１２の形に炭素繊維トウが半径方向に積重ねられている、図３に示されているような望ましくないガラス繊維及び炭素繊維トウ分布が発生する可能性がある。高速回転中のフライホイールリムに対する力の作用はかなり大きなものとなる可能性があり、隣接領域内のガラス繊維と炭素繊維の弾性率の差が、隣接領域間にせん断力をもたらす結果となり得る。これらのせん断力は、これまでいかなるフライホイールリムに対しても既知の故障又は損傷を結果としてもたらしたことはないが、炭素繊維トウをガラス繊維トウの中でより均一に分布させるような形でマンドレル上に繊維トウを巻付けることによりその可能性を回避することが最善であると考えられている。最終目的は、炭素繊維トウが、各ゾーン内に巨視的に均一に分布して存在しているような形で、マンドレル上に繊維バンドを巻付けることにある。
【００１１】
我々は、マンドレル上に巻付けられる際のマンドレルの回転に対する繊維バンドの送り長とワインディング長さの間の相関関係を調節することによって、この最終目的を達成できるということを発見した。特定的には、マンドレルの回転に対する送り長ＬR、マンドレル直径、繊維バンド幅及びガラス繊維トウの繊維バンド内の炭素繊維トウ（単複）の位置といったようなその他のパラメータを一定に保ちながらワインディング長さＷLを変えることによってさまざまなレイアップパターンを循環的に得ることができるということを発見した。ワインディング長さＷLは、図１に示されているように、巻取り中のマンドレル２の片端ともう一方の端部の間の繊維バンド中心線の横方向距離として定義づけされる。送り長ＬRは、マンドレル上に巻取られる際、中心間で測定された繊維バンドの隣接する巻き間の長手方向距離である。送り長 ＬRは、バンドが通常オーバーラップするように作られていることから、繊維バンド幅よりも往々にして小さい。優れたコンポジットリムを作るためには、ＬRの値は繊維バンド幅より小さいものである。これは、リムのフープ方向にできるかぎり近いところに繊維軸をレイアップすることにより、フープ方向に充分な強度をもつコンポジットリムを作るための最も実用的な方法である。
【００１２】
我々がここで示す図のケースでは、ワインディングパラメータは以下のとおりである。
【００１３】
図  ワインディング長さＷL（インチ）
３    １６５．５
３    １６６．０
４    １６５．８
４    １６５．７
５    １６５．９
５    １６５．６
その他のパラメータは、以下のとおり一定である：
0004026172.tif 000002
繊維バンド内の炭素繊維トウの位置は、以下の図で＃１及び＃１５である。その他の位置はガラス繊維トウで占有されている。
【００１４】
【表１】
0004026172.tif 000003
【００１５】
一般的には次のように説明される。すなわち、以下の等式を満たすことにより、望ましくない積層された繊維パターンを回避することが可能であり、望ましいランダムの又は均一な炭素繊維トウ分布が達成できる。
【００１６】
ＷL＝（Ｎ＋Ｂ／Ａ）ＬR
ＷL＋ＬR＜Ｌm
Ｎ：  ＷLをＬRで除して得られる最大整数、
Ａ：  Ｂより大きい整数
Ｂ：  Ａより小さい整数
Ｂ／Ａ≠１，１/２，１/３，１/４
ＷL：  ワインディング長さ（インチ）
ＬR：  送り長（インチ）
Ｌm：  ２つのマンドレルフランジの内部面間の距離（インチ）
ｍ・ＬR＝ｎ・ＳP
ｍ：  ２以上の整数
ｎ：  ２以上の整数
ＳP：  他の繊維の間における繊維間隔（インチ）
エポキシといったような熱硬化性樹脂をワインディング作業中に未加工繊維内に含浸させる湿潤フィラメントワインディングが、コンポジットリムにとって好ましい製造方法である。繊維はトウの形で配置され、炭素繊維トウの巨視的分布は、好ましくはリム全体を通して均一又はランダムである。炭素繊維及びガラス繊維は、これらのトウ内で集中させられており、従って実際の繊維の分布は均一又はランダムでないが、トウの分布は均一又はランダムである。これが、「巨視的な」均一又はランダム分布の意味である。
【００１７】
明らかに、ここで記述されている好ましい実施形態の数多くの修正及び変形形態が可能であり、本発明のこの開示に照らして当業者には明白となることであろう。従って、これらの修正及び変形形態ならびにその等価物も、本願クレームで定義されているように本発明の精神及び範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの極端位置にある繊維バンドの位置を例示する、樹脂含浸された繊維トウのバンドが巻き付けられているマンドレルの概略的平面図である。
【図２】ワインディング作業が完了した後の図１に示されたマンドレルの断面立面図である。
【図３】望ましくない積層された繊維の分布を例示する、リムの軸に対して平行な半径方向平面に沿って切断されたコンポジットフライホイールリムの拡大断面図である。
【図４】巨視的にクロスハッチされた繊維分布を例示する、リムの軸に対して平行な半径方向平面に沿って切断されたコンポジットフライホイールリムの拡大断面図である。
【図５】ガラス繊維の中の炭素繊維の好ましい巨視的にランダム又は均一な分布を例示する、リムの軸に対して平行な半径方向平面に沿って切断されたコンポジットフライホイールリムの拡大断面図である。
【符号の説明】
２：マンドレル
３、３’：繊維バンド
４：細長い環状コンポジット「ログ」
５：断面拡大部分
１２、１４：カラム
１６：炭素繊維トウ
１８：ガラス繊維トウ
【図１】
0004026172.tif 000004
【図２】
0004026172.tif 000005
【図３】
0004026172.tif 000006
【図４】
0004026172.tif 000007
【図５】
0004026172.tif 000008