(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂マトリックス中に内蔵された補強繊維を有するコンポジット製フライホイールリムを製造するためのフィラメントワインディングプロセスであって、外部表面をもつ円筒状部材を製造するために、前記繊維に前記樹脂を含浸させ、ついで、マンドレル上に前記樹脂が含浸された繊維を巻付け、前記外部表面上に液状樹脂が含浸された補強繊維が巻付けられている間に、前記外部表面の内層において、前記部材内の半径方向の薄い層中の前記樹脂をゲル化させるフィラメントワインディングプロセス。
【請求項２】
前記樹脂のゲル化を容易にするため前記部材の上に前記液状樹脂が含浸された繊維を巻付ける間に、予め定められた巻付け温度になるように前記部材を加熱する、請求項１に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項３】
前記部品にフィラメントワインディングが行われている間に前記部材に当てた赤外線ヒーターからの放射を通して前記部材に対して熱が加えられる、請求項２に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項４】
内部から加熱されたマンドレルからの伝熱により部材に対して熱が加えられる、請求項２に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項５】
前記部材の温度を５５℃〜１００℃の設定温度まで上昇させるため、放射、対流又は伝熱により部材に対して熱が加えられる、請求項２に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項６】
単数又は複数のプロセスコントローラを用いて、前記設定温度に前記部材、マンドレル又はこの部品のまわりの雰囲気温度を維持する工程をさらに含む、請求項５に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項７】
前記部材に照準が定められた赤外線センサーを用いた温度測定により設定レベルに前記部材の温度を維持するため前記部品に対する前記加熱を制御する、請求項５に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項８】
前記部材表面上の樹脂のゲル化を完了させるために、前記部材上への前記繊維の巻付けを完了した後も、１時間前記部材を加熱し、回転させ続ける工程をさらに含む、請求項５に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項９】
前記繊維が繊維トウの形をしており、前記樹脂の粘度を３００ｃｐｓ（センチポイズ）より低い粘度まで低下させるのに充分高い温度まで樹脂槽内で前記樹脂を加熱し、前記樹脂含浸工程は、樹脂の量が０.１５リットル／トウよりも少ない前記樹脂浴内に前記繊維トウを通し、次に０.４〜０.５の樹脂体積含有率をもつ前記樹脂含浸繊維トウを製造するために余剰の樹脂を除去する工程を含む、請求項１に記載のフィラメント巻付けプロセス。
【請求項１０】
前記樹脂含浸工程は、前記樹脂槽の樹脂液面下で、槽中で回転しないスピンドルの下に前記繊維トウを通し、さらにトウを交換するため前記回転しないスピンドルを取りはずす工程をさらに含む、請求項９に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１１】
前記樹脂が、巻付け温度でわずか５０〜７０分間の短いゲル化時間を有する、請求項５に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１２】
前記繊維がマルチトウとして同時に巻付けられる、請求項１に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１３】
前記繊維が複数のタイプの繊維を混ぜ合わせて同時に巻付けられる、請求項１に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１４】
交換可能なあらかじめ繊維を通したコーム又はオリフィスホルダーを使用することによって迅速に繊維トウのセットを切り替える、請求項１に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１５】
所望の繊維トウ間隔を維持するため、前記樹脂槽への入口で前記交換可能なあらかじめ繊維通糸用コーム内の４辺が閉ざされた空間の中に前記繊維を通過させる工程をさらに含む、請求項１４に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１６】
樹脂レベル検知用センサー及び自動計量混合ポンプを用いて、樹脂と硬化剤の間の混合比率、及び前記浴槽の樹脂レベルを維持する工程をさらに含む、請求項９に記載のフィラメント巻付けプロセス。
【請求項１７】
樹脂及び硬化剤が、２基以上が連結されている各成分のコンテナから圧送される、請求項１６に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１８】
含浸された繊維をマンドレル送り出す繰出しシステムに設けられた回転ローラーと接触するスクレーパを用いて清掃を行い糸道での前記回転ローラー上への繊維の巻付きを防止する、請求項１に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項１９】
糸道に沿って設置された真空ノズルを用いて、繊維が部材に巻かれる前に繊維の毛羽を除去する工程をさらに含む、請求項１に記載のフィラメントワインディングプロセス。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載のフィラメントワインディングプロセスを含んでなる、コンポジット製フライホイールリムの製造方法。
【請求項２１】
フープ巻コンポジットフライホイールリムをフィラメントワインディングするための装置であって、中心軸をもつ細長いマンドレル及びこのマンドレルを所望の回転速度で前記軸を中心にして回転させるためのモーター、前記マンドレルの反対側に取付けられ、前記マンドレル上に巻付けられるべき繊維セットを供給するための複数の取外し可能な繊維スプールをもつクリール、前記クリールと前記マンドレルの間に置かれ、前記繊維セットが前記マンドレル上に巻付けられる前に加熱された低粘度樹脂を前記クリールからの前記繊維に含浸させるためのヒーターを有する体積の小さい樹脂槽、前記槽内の樹脂の供給を予め定められたレベルに維持するため混合された樹脂と硬化剤を前記槽に供給するための樹脂計量及び混合用装置、前記マンドレルが回転する間に、制御された形で前記マンドレルまで前記樹脂槽から樹脂で含浸された前記繊維セットを補給するための繊維繰出しユニット、及び、前記ワインディングが進行する間に、前記樹脂が前記リムの外側円周部分近くの薄い半径方向層中でゲル化するように、前記樹脂のゲル化を促進するために、前記ワインディング進行中の前記マンドレル上の前記樹脂を加熱するため、前記リムの外部に配置されるように構成されたヒーターを含んで成る装置。
【請求項２２】
前記樹脂浴中で所望の繊維間隔を維持するための繊維通糸用セットをさらに含む、請求項２１に記載の装置において、該繊維緊通糸セットには、前記繊維セットが最初に前記槽内に入る、前記の第１の縁部にある第１の引込みコーム、及び前記第１の縁部とは反対側の前記樹脂槽の第２の縁部にあり、前記マンドレル上への巻付けの前に繊維トウ上の樹脂の量を制御するため個々の繊維トウがその中を通過する複数のオリフィスを有するオリフィスホルダーが内含されている装置。
【請求項２３】
第１の繊維セットから前記マンドレル上に巻付けられるべき第２の繊維セットへと交換するための、分離した繊維スプールセットと分離した繊維通糸用セットを内含する迅速交換システムをさらに含んで成り、かくして、前記分離した繊維スプールセット上の第２の繊維セットを、前記第１の繊維セットから前記第２の繊維セットへの迅速な交換のために前記分離した繊維通糸用セット上であらかじめ通糸させることができる、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記繊維繰出しシステムが、前記繊維に対し予め定められたテンションを加えるための制動付きローラー及び前記テンションを測定するためのロードセルをもつ第２のローラーを有する、請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記繊維繰出しシステムが、前記繊維に対し所定の大きさの張力を加えるための制動付きローラー及び前記張力を測定するためのロードセルをもつ第２のローラーを有し、片持ち梁が、一方の端部においてのみ前記制動付きローラー及び前記第２のローラーを取付けるために支持し、かくして第２の繊維セットは前記ローラーの間に迅速に糸道設定され得る、請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記繊維セットを前記軸との関係において予め定められた角度を成して前記マンドレル上に前記繊維セットを供給するため、前記部材の軸と平行に前記繊維繰出しシステムをトラバースさせるためのトラバース機構をさらに含んで成る、請求項２１に記載の装置。
【請求項２７】
前記リムの表面温度を測定する温度センサー、該温度センサーで測定された前記リムの表面温度により前記ヒーターを制御する温度コントローラをさらに含んで成る、請求項２１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、２００１年９月１１日にファイルされた米国仮出願60/231,653に関する。
本発明は、コンポジットフライホイールリムを製造するためのプロセス及び装置及び該プロセス及び装置によって作られたフライホイールリム、より特定的には低コストでコンポジットフライホイールリムを製造するためのその場硬化フィラメントワインディングプロセスに関する。
［発明の背景］
フライホイールシステムは、そのシステム内にエネルギーを貯え、その後貯えたエネルギーを必要になった時点で他の機器に放出する目的で、長年にわたり使用されてきた。フライホイールシステムは同様に、内燃機関及びその他の種類の動力機器の作動を平滑化する効果も提供する。さらに最近では、エネルギーを貯蔵し放出することのできる無停電電源（ＵＰＳ）として、電気的利用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及びそれに取付けられたモーター／発電機を内含するフライホイールエネルギー貯蔵システム（ＦＥＳＳ）は、フライホイールロータを高速で回転させるためのモーターを使用することによって、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の動作の中で動力学的に貯えられる。機械的エネルギーはその後、発電機を駆動するため高速回転するフライホイールロータの回転慣性を用いることによって、必要なときに電気エネルギーへと変換され放出される。電気エネルギーの貯蔵のために従来の電気化学電池の代りにＦＥＳＳを使用することは、潜在的なより高い信頼性、より長い寿命そして必要であればはるかに高出力を供給できるという利点を提供する。
【０００１】
当初簡単のため、鋼で作られたフライホイールロータがフライホイール ＵＰＳシステムにおいて使用されたが、一般的に４００ｍ／秒前後又はそれ未満の先端周速度が限界で、かかるフライホイールの性能は低いものである。これに比べて、コンポジットフライホイールリムをもつフライホイールロータははるかに高速（７００〜１０００ｍ／秒）で運転され得る。より高い性能は、フライホイールリム内に高強度のガラス繊維及び炭素繊維を適用し、目的に応じて設計し比強度を増大させることにようって得られる。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（リム及びハブを含む）の質量には一次比例するだけであることから、研究者らは、より高速回転可能なコンポジット製フライホイールリムを強く追い求めてきた。
【０００２】
電力の質及び信頼性が関係する産業において競争力をもつためには、フライホイール使いのＵＰＳシステムは、信頼性が低く、寿命は短いが、低コストの電気化学蓄電池使いＵＰＳシステムと競合しなければならない。効果的に競合するためには、高性能コンポジット製フライホイールリムは短時間でかつ低コストで製造されなくてはならない。数多くのコンポジット部材製造方法の中でも、フィラメントワインディングはコンポジット製フライホイールリム製造のための最高の可能性を提供する方法であるということが一般に受入れられている。フィラメントワインディングは、高い応力が負荷されるフライホイールリムに本質的に求められる非常に高い品質及び製造時に高い材料積層速度を提供できる高度に自動化されたプロセスとなりうる。フィラメントワインディングによって製造されたフライホイールリムは一般的に、非常に高速で回転させることができ、従ってエネルギー貯蔵のために極めて有効な肉厚の主としてフープ巻されたコンポジット製リングとして設計される。フィラメントワインディング作業中に原料繊維束の中に熱硬化性樹脂を含浸させる湿式フィラメントワインディング法は、コンポジットリムのための好ましい製造方法である。フライホイールリムのように非常に厚い構造を有するためコンポジット材料の品質はプレプレグ（予め含浸され一部ゲル化した）トウを用いたフィラメントワインディング法によるよりも、湿式ワインディング法による方がはるかに高い（より低いボイド率及びより優れた繊維配列）ことが示されてきた。ワインディングプロセス中に自由に流動するように設計されていない高粘度のプレプレグ用樹脂に対して、繊維が部材上に供給されるにつれて巻き込み空気が部材から外へ押し出される湿式ワインディング用樹脂の方が粘度がはるかに低いので、より高い品質の製品が得られやすい。
【０００３】
肉厚部材のフィラメントワインディングは、段階的に部材の巻付けを行う方法すなわち、約３/４インチ未満の半径方向厚みをもつ環状層の形でワインディングが行われ、ついで樹脂硬化が行われる多段ワインディングによって行われてきた。数インチの肉厚の部材を製造するために、硬化が完了した面に後続層が繰り返しにワインディングされ硬化される。良好な繊維配列を得るため及び、部材を劣化させうる発熱樹脂反応中の過度の熱発生を防ぐなどのいくつかの理由から、多段ワインディングが行われてきた。良好な繊維配列を得ること又は繊維の座屈として知られているこの配列の欠陥は、以下のように説明することができる。フィラメントワインディング中、繊維は、幾分かの張力下でマンドレル上に最初巻付けられる。後続する層が上面に巻付けられ、その各々が部品の厚みを増大させ、又本質的に下にある層に幾分かの圧縮力を付加する。部品の厚みが約１/２インチよりも大きくなるにつれて、外側層全てが合わさった積層圧力のため、内側層は引張張力を失い、実際には圧縮状態になる。個々の炭素又はガラス繊維のフィラメント径がきわめて小さいことから（５〜２０μｍ）、繊維は圧縮下で容易に座屈し、この座屈は半径方向外向きに広がり、硬化されたコンポジット材料内に許容できないキンクバンド（屈曲繊維帯）を形成する。座屈又は屈曲した繊維は構造部材のフープ強度を低減させ、従ってフライホイールリムの最大回転速度及びエネルギー貯蔵能力を低減させることになる。
【０００４】
肉厚のあるフィラメントワインディング部材品内で繊維を真直ぐに整列させることができる以外に、硬化中の樹脂の過度の発熱反応を防ぐ目的でも同様に多段ワインディングが行われてきた。部材が約１/２インチよりも大きい厚みで一度に硬化させられたならば、部材の内部において発生した熱は、大量の樹脂が全て一度に反応することと熱伝導率が低いので熱が急速に分散できないことに起因して、過度に高いものとなる。多段ワインディングのおかげで、高品質の肉厚フィラメントワインディング部材の製造が可能になった。
【０００５】
多段ワインディングに付随する問題点は、このプロセスがきわめて時間及びコストのかかるものであるということにある。数多くのケースで、フィラメントワンディングされたコンポジット製フライホイールリムは、６インチにも及ぶ半径方向厚みを有している。かかるフライホイールリムは、多段ワインディングの場合約１２日を要する１２回の個別段階でワンディング、硬化を行うことが必要となるだろう。さらに製造時間を増大させているのは、部材を硬化後に巻付けるべき次の段階でワインディングざれる層とあらたに巻き付けられる層との接着性を改善するため、各段のワインディング後に多孔質剥離テープでリムを包み込むことを多段ワインディング必要としているという事実である。次の段のワンディングに先立ち、テープは除去され、リムは研磨され液状樹脂でコーティングされる。機器使用時間に関する出費が数多くのケースにおける最大のコンポジット材料製造コストの１つであることを考慮すると、多段ワインディングは、コンポジット材料フライホイールリム製造にとって望ましくない方法であると思われる。
【０００６】
その場硬化フィラメントワインディングは、フィラメントワインディングされている間に漸進的及び連続的に部材を硬化させ、かくして製造時間及びコストを低減させることによって、非常に肉厚のフィラメントワインディング部材をより短時間で製造できるようにする比較的新しいプロセスである。その場硬化は、実験的なプロジェクトのテーマであり続けてきているが、なおもその幼年期にあり、これまでのところ、しかりした、信頼性の高い、反復性もある工業プロセスであるとみなすことのできる程度にまで開発されていない。
【０００７】
一部の研究者は、リムと繊維の接触点において非常に高温の熱（＞２００℃）を加えることによるその場固結を伴う熱可塑性プレプレグでのフィラメントワインディングによるフライホイール製造方法を追い求めてきた。しかしながら熱可塑性マトリックスを使用すると、高い原料コストがより一層高くなること及びはるかに高い樹脂粘度に起因して凝固が遅くなり、製造速度が非常に遅くなることによって、プレプレグの使用に付随する問題はさらに悪化する。フライホイールリムを高い製造温度から冷却することは、受容できないほどに高い熱残留応力も同様に発生させる。
［発明の要約］
従って、本発明は、低コストで高品質のフライホイールリムを作るための改良型その場硬化式フィラメントワインディングプロセス及びこのプロセスによって作られたリムを提供し、かつ該プロセスを実施するための装置をも内含している。該方法は、フィラメントワインディングプロセス中に樹脂を連続して硬化するためにその場硬化を適用する。より低い硬化温度と共により低いワインディングプロセス温度が適用され、本来より靭性の高いエポキシ樹脂系を使うことによって、リムを連続的に巻付けることが可能となる。１つのリムの中で多くのタイプの繊維を使用することができ、このリム内でこれらの繊維は部材の強度及び剛性必要条件に最大の貢献をする。この方法によれば、熱応力によってリムに亀裂を生じさせることなく、一度にリムをワインディングことができるため、ガラス及び炭素の両方の繊維を含有する圧入組合せリム（プレスフィットリム）は、もはや必要とされない。これらは、１時間あたり約１/４〜１/２インチという旧来の半径方向積層速度を使用しながら、比較的低い硬化温度のエポキシを同時に用いることによって達成される。巻付け温度は、約６０℃〜８０℃に保つことができ、低い熱残留応力を提供する。エポキシ樹脂と共に脂肪族アミン又はエーテルアミン硬化剤も一般に、巻付け温度を低下させ低粘度を許容するのに充分な作用をもたらすが、類似の特性を提供するその他の樹脂系を使用することも可能である。
【０００８】
［好ましい実施形態の説明］
本発明に従ったその場硬化によるフィラメントワインディングプロセスにおいては、作製中の部材は、樹脂含浸済み繊維がその上にワインディングされるのに伴って、一定のワインディング温度まで加熱される。ワインディング温度は、部材上への望ましい材料積層速度及び選定択された樹脂の反応性によって決定される。該プロセスは、熱硬化性樹脂が、ある温度でゲル化又は硬化するのに要する時間として定義づけられる温度依存性を有するゲル化時間を有するという事実に基づくものである。或る一定の範囲内では、熱硬化性樹脂のゲル化時間は温度上昇と共に低下する。本発明のコンポジット製フライホイールリムのために使用されるエポキシ樹脂でのおおよその経験則は、温度上昇１０℃毎にゲル化時間は半分に低減するというものである。フィラメントワインディング温度（ワインディング中の部材表面温度）及びワンディング速度は、部材が厚くなり過ぎて繊維が座屈する可能性が出てくる前に樹脂がゲル化又は硬化するような形で決定される。好ましくは、以下で記述するプロセスパラメータは、ゲル化していない部材の厚みが樹脂のゲル化の前の部品の外側表面において約１/２〜３/４インチを超えないことを保証できるように選択される。部材は、数インチの厚みまで或る一定の巻付け速度で連続的に巻付けられることから、樹脂は同じ速度で連続的に半径方向外向きにゲル化し、かくしてゲル化進行中の半径方向ゾーンの厚さが湿潤状態の部材表面下で薄く維持される。
【０００９】
温度コントローラ３５ａ及びヒーター３５が、所望の硬化速度を維持するように一定の部材温度を保つ。樹脂は、部材がワインディングされるにつれて連続的に進行する薄い層の形で硬化することと、温度コントローラが温度を一定に保つため、コンポジット材料内部の発熱性過熱は防止される。部材は、内部マンドレルヒータ、外部ボックスオーブン対流ヒーター及び／又は部品表面に対して赤外線ヒーター３５などによって加熱可能である。部材温度は、部材の表面に照準を定めた赤外線温度センサー３６を用いて測定される。部材上への材料積層速度が一般的に高速製造においてでさえ半径方向に時速１/４〜１インチ前後でしかないことから、リム表面温度とゲル化ゾーン内での表面下の温度の間の差は小さく有意でない。
【００１０】
ワインディングが完了した後、部材は、外側層が完全にゲル化するように、ワインディング装置上で少なくともさらに約１時間回転加熱される。次に、部材をオーブンへと移動させ、それが特定の樹脂の力学的特性を改善するようであれば、適温で数時間後硬化させることができる。
【００１１】
その場硬化は従来の多段ワインディングに比べてさらに高い品質のコンポジット材料リムを製造する。繊維が積層されるにつれてコンポジット部材表面上の樹脂粘度が急激に低減する（通常１００cps未満）ことから、ワインディング中の高い部材温度は、リム内のボイド率を著しく低下させる。気泡は、硬化されたコンポジット材料内に閉じ込められずに直ちに脱出する。ＡＳＴＭ  Ｄ２５８４によって測定されるボイド率は、標準的な３〜４％から２％未満、さらには１％未満まで低減される。部材表面上の樹脂粘度はさらに低いことから、ＡＳＴＭ７９２により測定されるような繊維体積含有率を６０％以上にまで増大させることが可能になり、より自動化されたフィラメントワインディングが容易になる。部材が室温でワインディングされる従来のフィラメントワインディングでは、掻き取り冶具を用いて部品表面から定期的に余剰の樹脂をかき取ることが技術者に要求される。この樹脂は、連続的に積層されている繊維束中の空気が閉じ込められることに起因して、通常（数千cps）よりもさらに粘調になる。一方、その場ワインディングプロセスの場合、加熱された部材表面上の樹脂粘度は低く保たれ、余剰の樹脂は自動的に部品から滴下し、こうして樹脂の体積含有率は減少し、他のプロセス変動は最小にできる。
【００１２】
また、その場硬化フィラメントワインディング、従来の多段ワインディングではこれまで達成不可能であった良好な繊維配列度を可能にすることによって部材の品質も高める。より優れた繊維配列度は、一連の連続的プロセスで部材を硬化させた結果である。部材表面上のゲル化されていない部分の厚さは、ワインディング速度及びワインディング温度によって制御可能である。こうして、未ゲル化コンポジット材料が１/２インチも上面に巻付けられないうちに部材を硬化させることができるようになる。同様にして、その場硬化部品はより均質で、多段ワインディングされた部材上の断続的に硬化された層の間で一般的に形成される樹脂リッチ層を全く含まない。
【００１３】
一般的に何時間も継続される大型部材のその場硬化性ワインディング実施中に、樹脂粘度を充分低く維持するために、最高６５℃の高い樹脂槽温度においてもきわめて長いポットライフをもつ脂環式アミン硬化ビスフェノールＡ樹脂が選定された。ワインディング中樹脂槽内で樹脂が硬化するのを防ぐのに長いポットライフが貢献し、繊維を破断せずに高いトウ速度を可能にするように低い樹脂粘度が好まれる。より迅速に硬化することによって製造時間を短縮したり（エーテルアミン硬化型ビフェノールＡ）又は極めて高い可とう性を付与することによって応力の分布を変化させるため（例えばポリウレタン）、その他の樹脂を使用することもできる。その場硬化では、コンポジット材料をワインディングするために適切な半径方向積層速度は、時速約１/４〜３/４インチである。繊維の座屈を防ぐため同様に１/４〜３/４インチに設定された所望の未ゲル化コンポジット材料厚さの場合で、約１時間のゲル化時間を可能にするようワインディング温度が、設定される。より高いワインディング温度で時速数インチという高いコンポジット材料半径方向積層速度を可能にするため、より反応性の高い樹脂を使用することもできる。
【００１４】
より低温硬化性の樹脂系は、硬化済みのリムにとって熱応力が低いという利点がある。１２０℃で硬化されたコンポジット部品中の温度変化は１００（１２０〜２０）℃であり、一方６０℃で硬化されたコンポジット部品内の温度変化は４０（＝６０〜２０）℃である。かくして、熱残留応力は、２分の１以下に低くなる。硬化温度のより低いエポキシを使用することも又、はるかに高い靱性を有することによりリムの亀裂発生を防止する上で一助となる（芳香族アミン硬化エポキシについてのＫ1Cは、０.６〜０.７ＭＰａｍ1/2であるのに比べ、脂肪族及びエーテルアミン硬化エポキシについてはＫ1C＝１.０〜２.２ＭＰａｍ1/2である）。樹脂のＫ1CはＡＳＴＭ５０４５によって決定づけられる。無水物硬化エポキシは、一般的により一層脆性が高い。芳香族アミン硬化樹脂に対して高靭化剤を添加することもできるが、これは粘度を大幅に増大させ、熱残留応力がなおも高いまま、一方でトウ破断によって製造速度の点で大きな制約を受ける。ワインディング温度を低下させるために硬化促進剤を添加することができるが、必要とされる促進剤の量は、力学的特性に不利な影響を及ぼすことになる。同様にして、巻付け及び半径方向積層速度を低下させることによって、より高い硬化温度で樹脂を使用することができる。しかしながら、温度が１０℃低下する毎にワインディング時間が倍増するために、リムを製造するのに必要とされる時間は極端に長くなる。
【００１５】
完成されたフライホイール ＵＰＳシステムのエネルギーあたりのコストをさらに削減するためには、ユニットコストあたりのリムエネルギー貯蔵量を増大させることが好ましい。フライホイールの設計では、単純な低コスト構造を保ちながらリム１個あたりのエネルギー貯蔵を最大にするように決定される。妥当な量のエネルギーを貯蔵するように、大きな半径方向厚み（内径／外径≒０.５）をもつフライホイールリムを作ることが望ましい。しかしながら、かかるフライホイールリムは、全てガラス繊維か全て炭素繊維のいずれで作られているにせよ、回転させられたとき、許容できないほどの高い半径方向引張り応力を発生する。任意のリング内の半径方向応力は、内径対外径比に反比例する。この比率が低く、かつリムが厚くなればなるほど、半径方向応力は高くなる。フィラメントワインディングされたリムは半径方向の繊維補強が欠如していることから、本質的に半径方向の引張り強度が低い。従って、単一繊維のコンポジットリングでは、リムの最高回転速度とフープ及び半径方向における強度利用率の点で、半径方向寸法が非常に薄い（内径／外径≒０.８）ものに限られる。この制限を克服するため、フライホイールリムは好ましくは、異なる弾性率及び密度をもつ２つの異なる材料を用いて構築される。通常の組合せは、１つのリム内にガラス及び炭素の両方の繊維を使用することである。そのようにするにあたっては、より低い弾性率及びより高い密度をもつガラス繊維が内径に置かれ、より高い弾性率及びより低い密度をもつ炭素繊維が外径で使用される。フライホイールロータが高速で回転させられるとき、内側リングは、その比弾性率がより低いため外側リングよりもさらに展開しようとする。コンポジットリムはかくして全体にわたり半径方向圧縮力を発生する。この自己発生する半径方向圧縮力は、全体的フライホイールリムを半径方向にはるかに厚く（内径／外径≒０.５）し、それでもなお高い回転速度を達成することができるようにする。与えられたフライホイールリムの半径方向圧縮力のレベルは、必要に応じて、混合率が変化する中間繊維層を幾つか使用することにより全ガラス繊維から全炭素繊維へと漸進的に遷移させることによって低下又は抑制することができる。こうして、そうでなければ２つの繊維の界面において発生することになるような大きい半径方向圧縮応力を軽減できる。
【００１６】
高いエネルギー貯蔵のために２つ以上の異なるタイプの繊維を使用するコンポジットフライホイールリムのその場硬化フィラメントワインディングは、開発の段階で多大な問題点に遭遇してきた。例えば、ガラス及び炭素繊維の両方を用いたその場硬化により連続的に多数の繊維リムを巻取ろうとする試みでは、製造中のリムの亀裂発生に遭遇した。この亀裂発生は、２つの異なるコンポジット材料の異なる力学的及び熱力学的特性がに起因するより高い残留応力の結果である。繊維の異なる熱膨張率及び弾性率は冷却時点で及び硬化中の樹脂の収縮により異なる形でリングを収縮させる。異なる力学的及び熱力学的特性をもつ隣接するトウ間で発生しうるわずかなせん断に対処するため、かかるリム内では、ウレタンといったようなより可とう性のある樹脂系が有用でありうる。個別に巻付けられ硬化されたリングを後から組み合わせる代替方法は、望ましい解決法ではない。この方法では、リングを、各々組合わせ前に厳しい許容誤差で予備機械加工し、エポキシ結合剤で滑動面をコーティングし、最終寸法になるまでこれをプレスし次に再度機械加工する必要があることから、著しい追加費用が付加される。
【００１７】
図面を見ると、これらの図面では同じ文字が同一の又は対応する部品を表わしており、図１はログ３０を、図１Ａはワインディング／硬化の後でログから切り出されたされた個々のフライホイールリム３１を示している。製造時間及びリムあたりのコストは、個々のリムとしてではなくむしろ長尺のマルチリムログとしてコンポジット部材をワインディングすることにより最小限におさえられる。ワインディング及び後硬化の後、ログは次に個々のリムの形に切り出されされ、研削によって厳密な許容誤差で機械加工される。ワインディング速度は、許容最大半径方向積層速度に左右されることから、単一のリムをワインディングするのに必要な時間は、例えば長さ６インチの２８個のリムを切り出し可能な長さ１４フィートのログのように多数のリムに切り出し可能な長いログをワインディングするのとほぼ同じ位である。
【００１８】
高速で長いログをワインディングするために、ワインディングは一度に２０本といったような多数のトウで行なわれ、かくして過度のトウ速度を有することなく半径方向積層速度を維持することが可能になっている。例えば、トウ速度を１００ｍ／分未満に制限しながら、約１０時間で、一度に２０本の繊維トウで、半径方向厚み約５インチ及び内径１０インチの１４フィートのログをワインディングすることができる。トウ速度（ライン速度）は、従来のものよりも高いが、これは以下で記すとおりの特別な巻付け機構成を使用して可能となる。同時に複数のログをワインディングすることができるように、多数のスピンドルを有するフィラメントワインディング機を用いることによって、より一層の生産性向上が図られる。小さい許容誤差でのリムの機械加工はダイヤモンド砥石での研削によって行なわれる。これは、最も高速の機械加工方法であり、コンポジット材料から繊維を剥離させる危険性がない。次にリムは、エポキシ樹脂の薄い（０.００１〜０.０１″）コーティングで封止される。
【００１９】
リム３１は、ログを回転させ回転のこぎりでプランジ研削するか又は従来の帯のこを用いるかのいずれかによりログ３０から切り出すことができる。簡単のため好ましい方法は、帯のこ上に超硬のこ刃を使用することである。
【００２０】
低い硬化温度の非常に反応性の高い樹脂を用いて好ましくは短時間でログをワインディングするためには、特殊な技術が必要とされる。これらの技術は、ワインディング中の停止時間を防ぐことに焦点をあてている。繊維トウ内に含浸された樹脂は、ワインディング機上で連続的に硬化させられることから、ワインディングプロセスにおける停止は最低限、好ましくは任意の１回の停止時点で１０分間未満に保たれるべきである。フィラメントワインディングにおける停止時間の最大の原因の１つは、繊維トウの破断である。本発明では、トウ破断を商業的にみて問題にならない程度まで低減させるため複数の技術を使用する。数多くのフィラメントワインディング作業においては、樹脂含浸を促進するためのフィラメントの機械的曲げ及び樹脂の高い粘度のため、トウの破断は樹脂槽で発生する。トウ破断を低減させるために、本発明では、極めて小型の樹脂槽４２を使用し、標準的には一度に約０.１５リットル／トウの樹脂が槽内に保たれる。従来のフィラメントワインディング作業のための樹脂槽中の樹脂の量は、１.５リットル／トウよりもはるかに多い。本発明の小さな槽サイズにより、槽内の全ての樹脂は中を通る繊維により必ず急速に使い尽されることになり迅速に補給されなくてはならないようになっている。新鮮な樹脂は通常わずか５〜１０分間しか槽内にとどまらないことから、樹脂槽は、早尚なゲル化の危険性なく従来のフィラメントワインディングの場合よりもはるかに高温まで加熱することができる。より高い樹脂温度は、樹脂粘度を著しく低下させ、このことがトウの破断を大幅に低減させる。小型樹脂槽は同様に、大型の樹脂槽内であれば急速に硬化することになる低温樹脂の使用をも可能にする。この槽は、従来の水ジャケットよりもはるかに応答の速い取外し可能な電気カートリッジ式ヒーターで加熱され、従って反応性樹脂をより容易に制御することもできる。樹脂槽４２のその他の特長としては、固定式（非回転式）スピンドル５７及び５８が含まれる。回転式スピンドルに代わる固定式スピンドルは、２つのやり方でトウ破断を低減させるために槽内で使用される。固定式スピンドルは繊維がそのまわりに巻き付き個々の及び多数のトウを破断するのを防ぐ。固定式スピンドルは同様に、樹脂内へ空気を混入させ粘度を増大させることがない。適切な脂肪族又はエーテルアミン硬化ビスフェノールＡエポキシを用いて槽中の樹脂粘度を３００cps未満又一部のケースでは１００cps未満という極めて低い値に維持することが可能である。
【００２１】
フィラメントワインディング中の停止時間の最も有意な原因は、破断された繊維トウを回復させるための時間である。本発明の装置における張力システムは、トウ破断を著しく低減させることに寄与する。クリールにおいて繊維に加えられる張力は、５〜６ポンド／トウの従来の値よりもはるかに低い（１〜４ポンド）。こうして、樹脂層中で繊維に発生する損傷及びトウ破断も削減される。張力は回転式スピンドルの使用により樹脂槽中で或る程度増大させられ、マンドレルに対しすでに含浸された繊維を送り出す繰出しシステムによってより大きいテンションが問題なく付加される。繊維トウ内の樹脂の計量を可能にするため、樹脂槽４２は、通常繊維に対して押し当てられるゴム製掻き取り冶具の代わりに図４に示されているホルダー５９中の固定式オリフィス６０を使用する。これは、繊維上に直接的圧力が全く存在せず、樹脂含浸繊維の体積含有率をはるかに密に計量でき（３０％ではなく５５％）、含浸済みトウ内の樹脂の量がトウ速度の関数でないことに起因して、トウ破断を大幅に低減させることなど多くのの利点を有する。オペレータによる調整も全く必要とされず、オリフィスは摩耗することがない。この樹脂槽は同様に、樹脂をかき混ぜて粘度を増大させることがなく、又正確でかつ反復可能な計量を有することから、その他の従来のタイプの浴つまりドラム浴よりも優れている。これらの構成要件変更の結果、トウ破断が１００スプールあたり１つといった極くわずかなレベルに抑制された状態で部材をワインディングすることが可能となる。
【００２２】
槽中の樹脂は数分毎に完全に置換される必要があることから、樹脂レベルセンサー４３が、樹脂槽に取付けられ、自動樹脂計量−混合ポンプに信号を送る。樹脂及び硬化剤がドラム４８及び４９（通常５５ガロン）から別々にワインディング機上のミキサマニホールドに圧送される。マニホールド５４に取付けられた使い捨てプラスチック製静止ミキサー管４４が樹脂／硬化剤が混ざったものを混合し、混合された樹脂を槽内に送り出す。ポンプにつながれた下部ドラム内に上部ドラムから樹脂が排出されるように、積重ね配置で樹脂４８及び硬化剤４９の２つのドラムが存在する。こうして、ワインディング中も停機させずに空になった上部ドラムを置換でき、樹脂及び硬化剤を使い切ることは決してないことから、連続運転が可能になる。
【００２３】
フィラメントワインディング中の停止時間のもう１つの原因は、１つの繊維タイプからもう１つのタイプへ又は空にされつつある１つのスプールセットと始動されつつあるもう１つのセットの間でトウを交換するのに必要とされる時間である。ワインディング機の各スピンドルについて一度に１０本以上という多数のトウの場合、従来の構成ではワインディング中の停止時間が長く、時として最長１時間にもなる。この停止時間は、トウ交換毎に樹脂層を部材内で硬化させ、又製造時間を著しく延長させて、リム性能にとって有害となる可能性があることから、不都合である。例えば、上述の長さ１４フィートの単一ログは、１６０本以上の繊維スプール（６kg／スプール）で８回以上のトウ交換が必要となり得る。本発明は、トウの数の如何に関わらず繊維交換時間をわずか１〜２分にまで短縮するため、特殊な繊維繰出しシステムと共に繊維通路内で「迅速交換」システムを使用する。「迅速交換」システムは、オリフィス６０用ホルダー５９及び２つの繊維コーム４１及び４１′を一時的に取付けるため、図７に示されている繊維通糸冶具７３を有する。オリフィス及びコーム４１及び４１′を通して繊維トウを通した後、これらのトウは、いつでも容易に樹脂槽に設置し直すことができる状態となる。繊維コーム４１及び４１‘は図５で示されているように全ての側で閉じられており、容易に置換可能である。繊維の設置を容易にするため通常上側で開放しているフィラメントワインディング装置上の従来のコームとは異なり、これらのコーム４１及び４１′は、繊維が通糸された後にその位置を失することがないように全ての側で閉じられている。２つの繊維コーム４１，４１′及び１つのオリフィスホルダー５９は、繊維緊張冶具７３内に設置され、繊維は正確な位置に容易に通される。これは、ワインディング開始に先立って行なわれ、その次のセットのための繊維も同様に、現行セットを使ってワインディング中、もう１組のコーム４１，４１′及びオリフィスホルダー５９上に通される。ひとたび通糸されたならば全ての繊維は合わせて、１つの結び目で結束される。従って、トウの交換が必要となった時点で、コーム４１，４１′及びオリフィスホルダー５９は、たとえ２０本以上のトウの場合でも、数分間程度で交換される。樹脂槽４２中の中央スピンドル５８は、バネ式であり、樹脂槽４２内を迅速に通糸するために取外し可能である。このとき繊維は、繰出し装置３７を通して引張られ、樹脂未含浸繊維トウの結び目はカットされ、繊維トウは部材上で結束され、ワインディングが続けられる。
【００２４】
図６に示されている繰出しシステム３７は、ローラー３８−４０の片持ち式設計でこの迅速交換を容易にしている。全てのローラー３８−４０は片端でのみ支持されており、従って繰出し装置を通して繊維を走行させるにはわずか数秒しか必要でない。繰出しシステム３７は、トウの破断を低減させるように設計されている。第１のローラー４０は、通常であればクリールで加えられる追加の張力を繊維に加えるため磁気粒子ブレーキを用いるブレーキローラーである。第２のローラー３９は、繊維張力を測定するロードセルであり、これは同様に、繊維のバンド幅を安定化する溝をも有している。最後のローラー３８は、繊維を部品まで送り出す。第１のローラー４０及び最後のローラー３８は回転することから、一度に数多くのトウを破断し得る繊維の巻付きが発生する可能性がある。繊維巻付きを防止するため、新しいバネ式スクレーパ６６がローラー３８及び４０に接して置かれており、あらゆる初期巻取りを防止する。繊維のバンド幅を最初に設定するため繰出しシステムの前に第２のコーム４１′も使用される。このコームの角度は、モーター付き位置決め装置７２により制御され、設定される。コームを用いて最初にバンド幅を設定することにより、溝付きロードセルローラの上を通る繊維に対する損傷は大幅に削減される。
【００２５】
フィラメントワインディングされた部材を作るための従来技術のプロセスにおける問題点は、繊維毛玉の部材への混入である。炭素繊維の巻付きの際により一般的であるこれらの毛玉は、糸道上の摩擦箇所で発生する。毛玉は成長し、通過する繊維トウによって部材まで無作為に運ばれる。一般的には、それらを警戒し、巻付きを防止し、次の層が上にワインディングされる前に部材表面からそれを除去するために、１人の技術者が割当てられる。１００ｍ／分のトウ速度及び毎時数百ポンドの繊維の使用では、毛玉を捕捉しそれらを除去するために毎回巻付け機を停止させることは労働集約的で非現実的である。本発明は、その代りに、毛玉が部材まで進む直前に繰出し装置上において繊維通路のとなりで真空ノズル６７を用いることにより、最終的部品から毛玉を除去する。真空ノズル６７は、ノズル６７と真空供給源６９の間に配置された真空トラップ６８内に毛玉を収集する。
【００２６】
ワインディングの間の部材の加熱は、ワインディングに先立ってオーブンを用いて巻付け温度又はそれよりやや高い温度までマンドレルを予備加熱することによって行なわれる。ワインディングを行っている間に、部材温度は、この部材に当てた赤外線ヒーター３５によって維持される。ヒーターは、部材に当てた赤外線熱電対３６を用いて、コントローラ３５ａにより制御される。
【００２７】
図２は、ワインディングプロセスを実施するための装置の略図を示す。マンドレル３２は、含浸された繊維３４が繰出しシステムから送り出される間に、同様にコントローラ３５ａによって制御されるモーター３３ａによって回転させられる。マンドレル３２は好ましくは、繊維３４がマンドレル３２の端部から外れて脱出するのを防ぐ側壁３３を有する。部材は、ワインディング中部品に当てた赤外線ヒーターといったようなヒーター３５を用いて加熱される。ヒーター３５は、コントローラ３５ａへのフィードバックのため部品に対して赤外線センサー３６を用いることにより部材温度を維持する。繰出し装置３７は、好ましくは、磁気粒子ブレーキを用いて含浸繊維３４に張力を加えるブレーキローラー４０を有している。張力は好ましくは、溝付きロードセルスピンドル３９で検知される。スピンドル３９は好ましくは、異なる繊維タイプ及び数のトウで巻付けを行うため異なる幅の溝を用いることができるように容易に交換される。繰出し装置は、繊維のすべりを防ぐため好ましくは回転している出口繰出しローラー３８を有し、繊維をマンドレル３２まで送り出す。繰出しシステム３７の中に入る前に、繊維はコーム４１′を通る。コーム４１′は、取付けられているものの、繊維３４の角度ひいてはバンド幅を大まかに設定するモーター式角度位置づけ装置７２に従って容易に置き直すことができる。トラバースされているワインディング装置キャリッジ５３が、繰出し装置３７，及び樹脂レベル６５を検知し自動計量−混合樹脂ポンプ４７のコントローラ３５ｂに信号を送る樹脂レベルセンサー４３を含む樹脂浴４２を支持している。ポンプ４７は、ワインディングプロセスを中断することなく上部ドラムを置換できるような形で、好ましくは積重ね配置にあるドラム４８及び４９（通常５５ガロン）から、樹脂及び硬化剤を圧送する。温度制御された樹脂及び硬化剤ホース４５及び４６が、ワインディング機キャリッジ５３に取付けられたミキサマニホルド５４とポンプ４７の間を連結している。樹脂と硬化剤を混合しそれを樹脂浴４２内に送り出すため、マニホルド５４には使い捨ての静止ミキサー管４４が取付けられている。定置式クリール５０が繊維スプール５２を保持し、少量の張力を加える。好ましくは、クリール５０は、樹脂槽４２内の繊維の破断を低減させるためトウあたり２ポンド未満の張力を加える。クリール５０の出口は、ワインディング機キャリッジ５３の横方向走行に対処するため、水平方向及び垂直出口ローラー５１を使用する。
【００２８】
示されている図３の樹脂槽４２は好ましくは非常に小さく、その中には常時０.１５リットル／トウの樹脂しか入っていない。槽４２は、樹脂滞留ゾーンをなくするためＵ字又はＶ字形の縦断面を有する。槽４２は、容易に取外しできる脚部５５を用いて取付けられている。長時間に及ぶ停止といった稀な事態の場合にきわめて反応性の高い樹脂を処理するために、樹脂排出ボールバルブ５６が好ましくは槽４２の底面に取付けられる。また、槽４２は、樹脂を新鮮な状態に保つためそれが望ましい場合には、定期的に排出され得る。槽４２はもう１つの固定した、ただしバネ式で取外し可能な中央スピンドル５８と共に回転式スピンドル５７を２本使用する。中央スピンドル５８は、迅速なトウ交換を容易するため取外し可能である。槽４２は好ましくは、槽底面に挿入されるか又は取付けられた電気ヒーター６１で加熱される。槽の温度は、同様に槽底面内に挿入された熱電対からのフィードバックによって測定され制御される。樹脂未含浸繊維６３は、それに及ぼす摩擦係数が低いことからテフロン（登録商標）製であるセパレータピン７５をもつあらかじめ通糸された「迅速交換」繊維コーム４１の中を通過することによって槽４２の中に入る。余剰の樹脂は、「迅速交換」オリフィスホルダー５９内に設けられたオリフィス６０を用いてトウから除去される。オリフィス６０は好ましくは、カーバイド伸線ダイであり、繊維トウから余剰の樹脂をかき取り、従って樹脂含浸された繊維３４の繊維体積含有率分率は好ましくは０.５０〜０.６０の間にある。槽６５中の樹脂レベルは、レベルセンサー４３を用いて維持される。
【００２９】
図４に示されている「迅速交換」オリフィスホルダー５９は、それぞれかき取りされた及びかき取りされていない繊維３４及び６３と共に示されたオリフィス６０を有する。単一オリフィスホルダー５９が好ましくは、各スピンドルにワインディングされているすべてのトウ３４の樹脂を計量する。トウ数は、ログ及び繊維トウのサイズによって左右され、高速ワインディングについては２０本以上でありうる。
【００３０】
図５に示されている「迅速交換」繊維コーム４１は、好ましくは繊維間隔を確保するため等間隔に置かれたコームピン７５を有する。設定された角度まで回転させられることによって、バンド幅を調整する目的で繰出し装置３７の前にコーム４１′が使用される。樹脂未含浸繊維６３が槽６２内に入るにつれて平行に間隔どりされたアレイの形で樹脂未含浸繊維６３を配備するため、樹脂槽４２内に入る前に第１又は入口コーム４１が使用される。
【００３１】
図６に示されている繰出しシステム３７は、繰出し装置及びブレーキローラー３８及び４０に対してバネ式になったローラースクレーパの刃６６を有する。スクレーパ６６は、各ワインディングの後に交換しうる使い捨てのかみそり刃を使用することが好ましい。バンド幅安定化のための溝付きローラ３９は、取付けた状態で示されているが、含浸繊維３４内の張力を測定するロードセル７１から容易に取外し可能である。真空ノズル６７が、部材内にワインディングされる前に樹脂含浸繊維から繊維毛玉を除去する。このノズル６７は、真空トラップ６８に連結され、次に真空ホース７０により真空排気ファン６９に連結される。吸込み能力を向上させるため、ホースをできるかぎり短かくかつ大きい直径に保つことが好ましい。
【００３２】
図７に示されている繊維通糸冶具７３は、使用前に樹脂未含浸繊維６３を容易かつ正確に通糸させるために使用される。冶具７３は「迅速交換」オリフィスホルダー５９及び２つの「迅速交換」繊維コーム４１を保持する。各々は、不適切な緊張状態及び交差した繊維を防止するように一方向だけで冶具７３内にはめ込まれていてよい。
【００３３】
異なる繊維，繊維の数及び樹脂システムについての温度及び速度を含めたワインディング条件は、以下に挙げる等式により計算される：
樹脂未含浸トウ面積  ＤＴＡ＝Tex/（１００／ρf
ＤＴＡ＝樹脂未含浸トウ面積、cm2
Ｔex＝ｇ／１０００ｍ
ρf＝繊維密度（ｇ／cm3）
コンポジットトウ面積  ＣＴＡ＝ＤＴＡ／Ｖf
Ｖf＝部材内の繊維体積含有率（標準０.６５）
ゲル化時間  τ2＝ｔ1（０.５）((T2-T1)/λ)
τ2＝新規温度でのゲル化時間、分
τ1＝テスト対象温度でのゲル化時間、分
Ｔ２＝新規温度、℃
Ｔ１＝テスト対象温度、℃
λ＝ゲル化時間定数、エポキシについて１０℃
半径方向積層速度  Ｒ＝（６０・ＵＧＴ）／τ
Ｒ＝半径方向積層速度、cm／時
ＵＧＴ＝未ゲル化層厚み、cm
τ＝ワインディング温度でのゲル化時間、分
マンドレルＲＰＭ
ＲＰＭ＝（１００・Ｒ・Ｌ）／（６０ＣＴＡＮ）
ＲＰＭ＝マンドレルの毎分回転数
Ｌ＝部品長さ、ｍ
Ｎ＝トウ数
最大トウ速度  ｖ＝πＲＰＭ・Ｄ0
ｖ＝最大トウ速度、ｍ／分
Ｄ0＝部材又は層の外径、ｍ
樹脂消費速度  Ｑ＝１００πＮ・ＤＴＡ・Ｄｉ（１／Ｖfwet−１）
Ｑ＝樹脂消費速度、cm3／分
Ｄｉ＝部材の内径、ｍ
Ｖfwet＝オリフィスによって計量された樹脂含浸繊維体積含有率、０.５〜０.６
樹脂槽使用時間  ＢＵＴ＝ＢＳ／Ｑ
ＢＵＴ＝樹脂槽使用時間（樹脂が浴中にある最大時間）、分
ＢＳ＝樹脂槽サイズ、cm3
オリフィスサイズ  ＯＳ＝（４・ＤＴＡ／（πＶfwet））0.5
ＯＳ＝オリフィスサイズ（穴の直径）、cm
樹脂未含浸トウ面積が最初に計算される。含浸トウ面積が次に、所望の又は予測される最終部材繊維体積含有率を入力することによって計算される。樹脂及びワインディング温度は、選定されなくてはならない。好ましくは８０℃以下の温度で１時間未満のゲル化時間をもつ低硬化温度の樹脂を選定することができる。こうして、約８０℃以下の温度でワインディングされた場合に亀裂の発生のない多種繊維使いフライホイールリムログの連続ワインディングが可能となる。より薄いフライホイールリムは、より厚いフライホイールリムよりも亀裂発生が起こりにくく、又より低い弾性率の繊維を伴うものも同様であるが、これらのパラメータは一般にほぼ全てのフライホイールで通用する。樹脂のゲル化時間は、樹脂及び硬化剤を別の容器内でテスト温度まで予備加熱することによって測定される。１００グラム未満の少量の樹脂システムが混合され、水浴のオーブン内に放置される。これは、ゲル化が起こる時間を見極めるため、スティック又はワイヤで定期的にチェックされる。必要とあらば、さらに高等な方法も利用することができる。このとき、ワインディング温度は、テスト温度でゲル化時間が少なくとも約６０分以下になるような形で決定される。ゲル化時間及び所望の未ゲル化厚みを用いて、ワインディングの間にフライホイールに対しコンポジット材料が供給される半径方向積層速度が計算される。これについての旧来の値は約１/４インチ／時〜１/２インチ／時である。未ゲル化層厚みは、ワインディング中の部品表面上の含浸コンポジット材料の層厚みとして定義される。すぐれた繊維配列度を得るため、及びより長い停止時間（最高１０分）を可能にするためには１/４インチ〜１/２インチの間の未ゲル化層厚みを適用することが好ましい。繊維配列度を高めるためにわずか１/８インチという未ゲル化層厚みを適用することができるが、非常に短かい停止時間で樹脂単独層が、部材中に容易に硬化形成され得る。未ゲル化層厚みがさらに大きい場合、停止時間をより長くすることも可能であるが、これには硬化前の繊維に座屈が発生する危険性を伴う。マンドレルの回転速度は、所望の半径方向積層速度、部材長さ、コンポジット材料トウ面積及び１度に巻付けられるトウの数を用いて計算される。マンドレルのＲＰＭは、トウ速度によって制限されなくてはならないかもしれない。この設定を用いて、トウ破断なく最高１００ｍ／分のトウ速度を快適に使用することが可能である。これより高い速度も可能であるが、樹脂がマンドレルからあちこちに飛び散り始めるにつれて、ワインディング状態が損なわれる。興味深いことに、樹脂消費速度を、示された通りに計算することができる。これを樹脂層のサイズと組合わせて、層使用時間又は樹脂が使い尽されるまでに層内にとどまる時間的長さを計算することが可能である。樹脂量を計量するために使用すべきオリフィスサイズは、乾燥トウ面積及び槽を出た後の所望の樹脂含浸繊維体積含有率を使用することにより計算される。含浸繊維体積含有率についての値の標準的範囲は０.５０〜０.６０の間である。硬化済みの部材中の繊維体積含有率は、硬化及びワインディング中の部材からの樹脂の滴下によりもっと高くなる。
【００３４】
明らかに、上述の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、本発明の本開示に照らし合わせて、当業者の考えつくことと思われる。従って、これらの修正及び変形形態及びその等価物は、以下のクレーム中で定義されている通りの本発明の精神及び範囲の中に内含されるというのが私の意図するところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンポジットロータログ及び該ログからカットされた個々のロータの略図である。
【図２】好ましいフィラメントワインディング装置の略図である。
【図３】図２に示された装置内の好ましい樹脂槽の略図である。
【図４】図２の装置内で使用される好ましい「迅速交換」オリフィスホルダーの略図である。
【図５】図２に示された装置の中で使用される好ましい「迅速交換」繊維コームの略図である。
【図６】図２に示された装置の中で使用される好ましい繊維繰出しシステムの略図である。
【図７】図２に示された装置の中で使用するための繊維をあらかじめ通すのに使用される好ましい繊維通糸ジグの略図である。
【図８】図２に示されているワインディング装置構成の平面図である。
【符号の説明】
３０：ログ
３１：フライホイールリム
３２：マンドレル
３３：側壁
３３ａ：モーター
３４：繊維
３５：ヒーター
３５ａ、３５ｂ：コントローラ
３６：赤外線センサー
３７：繰出し装置
３８〜４０：ローラー
４１：コーム
４２：樹脂槽
４３：レベルセンサー
４４：静止ミキサー管
４５、４６：ホース
４７：ポンプ
４８、４９：ドラム
５０：クリール
５１：垂直出口ローラー
５２：繊維スプール
５３：ワインディング機キャリッジ
５４：マニホールド
５５：脚部
５６：ボールバルブ
５７、５８：スピンドル
５９：オリフィスホルダー
６０：オリフィス
６１：ヒーター
６３：樹脂未含浸繊維
６５：樹脂レベル
６６：スクレーパ
６７：真空ノズル
６８：真空トラップ
６９：真空排気ファン
７０：ホース
７１：ロードセル
７２：モーター式角度位置づけ装置
７３：繊維通糸治具
７５：ピン
【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】
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