CN106795864B - 风车用桨叶 - Google Patents

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Sekisui Plastics Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种风车用桨叶。该风车用桨叶包括由丙烯酸树脂发泡体形成的芯材和覆盖该芯材的外皮，所述外皮由含有碳纤维和树脂的纤维强化树脂材料形成，所述丙烯酸树脂发泡体具有特定的弯曲弹性模量。

Description

风车用桨叶
技术领域
本发明涉及一种风车用桨叶。
背景技术
以往，风力发电等所采用的风车在旋转轴上安装有多个桨叶(以下也称作“风车用桨叶”)。
风车为了高效地利用风力进行旋转，期望桨叶是轻量的。
因此，以往风车采用中空的桨叶。
但是，风车用桨叶若设为仅由外皮形成的中空体则存在强度不足之虞。
鉴于这一点，例如在专利文献1中提出了一种利用强度优异的纤维强化树脂材料形成外皮的风车用桨叶。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2002－137307号公报
发明内容
发明要解决的问题
风车用桨叶通常会因风力而产生弯曲、扭转。
中空的风车用桨叶在外皮的一部分形成有厚度比周围薄的部分时，弯曲、扭转的应力易于集中在这样的部位。
风车用桨叶为了谋求轻量化而使外皮薄壁化时，特别易于产生这样的应力集中。
因此，这种风车用桨叶暴露在强劲的风中时有可能破损。
即，以往的风车用桨叶具有难以谋求使强度和轻量性同时成立这样的问题。
本发明将解决该问题点作为课题，将提供一种强度和轻量性优异的风车用桨叶作为课题。
用于解决问题的方案
为了上述课题，本发明提供一种风车用桨叶，其中，该风车用桨叶包括芯材和覆盖该芯材的外皮，所述外皮由含有碳纤维和树脂的纤维强化树脂材料形成，所述芯材的至少一部分由丙烯酸树脂发泡体形成，该丙烯酸树脂发泡体具有5MPa以上的弯曲弹性模量。
发明的效果
本发明的风车用桨叶具备由树脂发泡体形成的芯材。
此外，在本发明中，由强度优异的丙烯酸树脂发泡体形成芯材。
因而，采用本发明，能够使风车用桨叶发挥优异的强度和轻量性。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的风车用桨叶的示意性的立体图。
图2a是图1所示的风车用桨叶的主视图。
图2b是图1所示的风车用桨叶的侧视图。
图3a是图2a所示的I－I线向视剖视图。
图3b是图2a所示的II－II线向视剖视图。
图4是图2b所示的III－III线向视剖视图。
图5是表示图3a的D部附近的外皮和加强件的情形的主要部分放大剖视图。
图6是用于说明在制造时在半分割状态的外皮的内壁面配置有加强件的状态的示意性的立体图。
图7是用于说明在制造时在加强件上配置有构架芯的状态的示意性的立体图。
图8是用于说明在制造时在构架芯的表面由纤维强化树脂材料形成构架外皮的状态的示意性的立体图。
图9是用于说明在制造时在构架体的左右配置有与构架体一起形成芯材的丙烯酸树脂发泡体的状态的示意性的立体图。
图10是表示将半分割状态的外皮彼此粘合而制作风车用桨叶之前的状态的示意性的立体图。
图11是另一实施方式的风车用桨叶的剖视图。
图12是另一实施方式的风车用桨叶的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式的风车用桨叶。
图1是本发明的实施方式的风车用桨叶的示意性的立体图。
图2a是图1所示的风车用桨叶的主视图，图2b是其侧视图。
图3a是图2a所示的I－I线向视剖视图，图3b是图2a所示的II－II线向视剖视图。
图4是图2b所示的III－III线向视剖视图。
图5是图3a的D部附近的外皮和加强件的主要部分放大剖视图。
1.风车用桨叶的整体结构
本实施方式的风车用桨叶1是在风车的旋转轴上安装有多个的桨叶，如图1所示，其包括安装在风车的旋转轴上的安装部11和从安装部11延伸的叶片部12。
叶片部12成为在所述延伸的方向上较长地延伸的板状体，在该叶片部12的宽度方向的一侧具有尖锐的流线形的截面形状。
叶片部12成为对所述板状体施加扭转而成的形状，其具有从其顶端12c到基端12d维持流线形的截面形状而所述板状体扭转而成的形状(例如参照图3b)。
此外，如图2a、图2b所示，叶片部12形成为从其长边方向中央朝向基端12d去而厚度增加，在安装部11附近，随着向安装部11侧去而叶片部12的宽度和厚度减小。
即，在本实施方式的叶片部12上形成有缩细部13，该缩细部13以随着向安装部11侧去而叶片部12的宽度和厚度减小的方式缩细。
在安装部11上形成有用于向风车的旋转轴安装的3个贯通孔19、19、19。
如图3a、图3b及图4所示，风车用桨叶1具备外皮15。
在叶片部12和安装部11中，在外皮15的内侧形成有内部空间S，叶片部12的内部空间和安装部11的内部空间相连而形成所述内部空间S。
外皮15由纤维强化树脂材料形成。
该纤维强化树脂材料包含树脂和拉伸断裂强度比该树脂高的纤维(强化纤维)，是在由该纤维形成的基材片中浸渗有所述树脂而成的片。
在此，外皮15也可以由多种纤维强化树脂材料形成，但在这种情况下，至少1种以上纤维强化树脂材料优选为强化用的纤维是碳纤维，优选为全部的强化用的纤维是碳纤维。利用该结构，能够发挥风车用桨叶1优异的强度和轻量性。
另外，也可以在纤维强化树脂材料中含有多种强化用纤维。此外，在叠合多张纤维强化树脂材料而将外皮15做成层叠结构的情况下，也可以叠合含有碳纤维作为强化用的纤维的纤维强化树脂材料和强化用的纤维是除碳纤维之外的纤维的纤维强化树脂材料。
作为该除碳纤维之外的纤维，能够列举出玻璃纤维、芳纶纤维、聚乙烯醇纤维、氯乙烯纤维、丙烯酸纤维、聚酯纤维、聚氨酯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚苯乙烯纤维、醋酸纤维等。
浸渗在强化纤维中的树脂(基体树脂)可以是热塑性树脂或热固化性树脂中的任一者。
作为热塑性树脂，能够列举出聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚苯乙烯树脂、聚丁二烯树脂、丁苯树脂、聚缩醛树脂、聚酰胺树脂、聚碳酸酯树脂等热塑性树脂。
作为热固化性树脂，能够列举出不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、乙烯酯树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂、硅树脂等。
另外，在本实施方式中，作为其一例子使用热固化性树脂。
在由安装部11的外皮15包围的内部空间S中配置有芯体18，芯体18由拉伸强度比外皮15的纤维强化树脂材料高的纤维强化树脂材料形成。
即，构成芯体18的纤维强化树脂材料与构成外皮15的纤维强化树脂材料相比，是其纤维的质量比例较高、纤维自身的拉伸强度较高、或者浸渗在纤维中的合成树脂的拉伸强度较高中的任意情况。
通过这样在安装部11上配置由拉伸强度比外皮的纤维强化树脂材料的由拉伸强度高的纤维强化树脂材料形成的芯体18，能够提高安装部11的安装强度。
2.芯材的结构
在所述叶片部12的外皮15的内部空间S配置有芯材16。
芯材16包括从安装部11到所述叶片部的顶端经过叶片部12的宽度方向中央部延伸的棒状的构架体和配置在该构架体的两侧的棒状的发泡体。
即，本实施方式的芯材16是3根棒状体互相接触地横向排列而成的。
所述构架体包括比该构架体细一圈的构架芯16a和覆盖该构架芯16a的构架外皮16b。
更具体地讲，外皮15具有在叶片部12的厚度方向上相对的两个内壁面12a、12a。
所述构架体与两个内壁面12a、12a接触，将内壁面12a、12a彼此相连(参照图3b)。
所述构架体从叶片部12的顶端12c到叶片部12的基端12d沿着叶片部12的长边方向配置(参照图4)。
与该构架体一同构成芯材16的所述发泡体16c充满在所述内部空间S的除构架体之外的空间中，粘接于外皮15的内壁面12a、12a。
安装部11的所述芯体18与构架体抵接。所述芯体18和构架体沿着桨叶1的长边方向连续地配置。
在此，所述构架芯16a由树脂发泡体形成，为了形成所述构架外皮16b，使用与桨叶1的外皮15相同或者不同的纤维强化树脂材料。
该构架外皮16b优选由纤维的密度(质量比例)比外皮15高的纤维强化树脂材料形成。
构成构架芯16a的发泡树脂优选为硬质发泡体，作为硬质发泡体，例如能够列举出丙烯酸树脂发泡体、聚氨酯树脂发泡体、聚苯乙烯树脂发泡体、苯酚树脂发泡体、聚氯乙烯树脂发泡体等。
本实施方式的构架芯16a由丙烯酸树脂发泡体形成。
与所述构架体一同形成芯材16的所述发泡体16c是丙烯酸树脂发泡体。
即，本实施方式的芯材16的一部分由纤维强化树脂材料(构架外皮)形成，剩余部分由丙烯酸树脂发泡体形成。
所述发泡体16c和所述构架芯16a如图3b所示与外皮15的内壁面接触。
所述构架芯16a和所述发泡体16c具有5MPa以上的弯曲弹性模量。
即，本实施方式的桨叶1由外皮15和芯材16一体化而成。
由此，本实施方式的桨叶1发挥优异的强度。
另外，能够依照JIS K7221－1所记载的方法计算出构架芯16a、发泡体16c的弯曲弹性模量。
具体地讲，能够自构架芯16a、发泡体16c切下纵25mm×横130mm×厚度20mm的长方体形状的试验片，将该试验片在温度23±2℃、相对湿度50±5％的环境下保持了16小时以上之后，在温度23±2℃、相对湿度50±5％的环境下来测量弯曲弹性模量。
此时，支承点间隔设为100mm，试验速度设为10mm/分钟，试验夹具顶端设为5R(曲率半径5mm)。
测量可以使用由Orientec公司作为Tensilon万能试验机(商品名称“UCT－10T”)在市面上销售的试验机。
作为数据处理软件，例如可以使用由Softbrain公司作为商品名称“UTPS－237S”市面上销售的软件。
丙烯酸树脂发泡体根据制造方法等存在弯曲弹性模量不显示各向同性的情况。
在这种情况下，形成用于形成所述芯材16的所述构架芯16a、所述发泡体16c的丙烯酸树脂发泡体至少在一个方向上发挥5MPa以上的弯曲弹性模量即可。
所述丙烯酸树脂发泡体优选为所述桨叶受到风而挠曲的方向(桨叶1的长边方向)上的弯曲弹性模量是5MPa以上。
即，将所述试验片以横向成为桨叶1的长边方向的方式提取而求出的弯曲弹性模量优选为5MPa以上。
此外，所述丙烯酸树脂发泡体优选为在与桨叶挠曲的方向正交的方向(桨叶1的宽度方向)上弯曲弹性模量也是5MPa以上。
而且，丙烯酸树脂发泡体优选为所有方向上的弯曲弹性模量是5MPa以上。
另外，丙烯酸树脂发泡体的弯曲弹性模量的上限值通常是200MPa。
本实施方式的丙烯酸树脂发泡体的弯曲弹性模量更优选为10MPa以上且150MPa以下，特别优选为10MPa以上且130MPa以下。
形成本实施方式的所述构架芯16a、所述发泡体16c的丙烯酸树脂发泡体在谋求风车用桨叶的轻量化的方面优选为表观密度较低。
具体地讲，所述丙烯酸树脂发泡体的表观密度优选小于0.35g/cm3，更优选小于0.25g/cm3。
另一方面，本实施方式的所述丙烯酸树脂发泡体在谋求风车用桨叶的高强度化的方面优选为表观密度较高。
具体地讲，所述丙烯酸树脂发泡体的表观密度优选大于0.04g/cm3。
另外，能够利用以下的方法来测量表观密度。
即，能够将所述构架芯16a、所述发泡体16c以尽量使气泡形状等不变的方式切断，切下长度25mm×宽度25mm×厚度25mm的立方体形状的试验片，将该试验片在JIS K7100：1999的记号23/50、2级环境下将状态调节了16小时之后，测量该试验片的尺寸、质量，利用下式求出表观密度。
另外，试验片的尺寸测量例如可以使用Mitutoyo Corporation制“DIGIMATIC”CD－15型。
表观密度(g/cm3)＝103×试验片质量(g)/试验片体积(mm3)
所述弯曲弹性模量(E：MPa)相对于该表观密度(D：g/cm3)的比例(E/D)可以作为表示芯材16轻量且具有优异的强度的指标来对待。
另外，以下也将该指标称作“比强度”等。
所述芯材16的比强度优选为200以上，更优选为250以上，特别优选为350以上。
另外，芯材16优选为比强度优异，但并没有必要具有过高的比强度。
此外，若想要获得在比强度方面特别优异的芯材16，则有可能需要在制作丙烯酸树脂发泡体时将特殊的单体作为起始原料、或者使用特殊的制造设备。
因此，从容易制造芯材16的方面，该芯材16的比强度优选为2000以下，更优选为1500以下，特别优选为1200以下。
所述发泡体16c优选的是通过切削加工比该发泡体16c大的丙烯酸树脂发泡体而制作的。
丙烯酸树脂发泡体通常在利用模内成形来制作的状态下成为表面整体被气泡膜所覆盖的状态。
另一方面，在切削加工这样的丙烯酸树脂发泡体时，成为在切削面上有许多个气泡开口的状态。
所述发泡体16c的表面通过气泡开口而在与外皮15粘接时发挥优异的锚定效果。
即，所述发泡体16c例如在利用形成所述外皮15的纤维强化树脂材料的基体树脂的粘接力与外皮15粘接时，能够使所述基体树脂流入到在表面开口的气泡中，能够在该发泡体16c与外皮15之间发挥优异的粘接性。
另外，在不利用纤维强化树脂材料的基体树脂而利用通常的粘接剂粘接发泡体16c和外皮15时，也能够发挥显现这样的锚定效果的特性。
对于形成所述发泡体16c的丙烯酸树脂发泡体来说，平均气泡直径较小且是致密的发泡状态在使所述发泡体16c发挥优异的强度的方面是有利的。
另一方面，在所述发泡体16c的平均气泡直径过小时，有可能导致基体树脂、粘接剂难以流入到在表面开口的气泡中、无法充分地发挥所述锚定效果。
因此，所述发泡体16c优选为平均气泡直径是一定程度以上的大小。
具体地讲，所述发泡体16c的平均气泡直径优选为大于0.7mm且小于1.5mm。
或者，所述发泡体16c优选平均气泡直径较小且以一定程度以上的比例含有粗大的气泡。
具体地讲，所述发泡体16c优选在表面以0.01个/cm2以上且1个/cm2以下的比例存在平均气泡直径是0.1mm以上且0.7mm以下而且在将所述平均气泡直径设为“D(mm)”时具有“2πD2(mm2)”以上的开口面积的粗大气泡。
另外，能够如下地计算出发泡体16c的平均气泡直径。
即，通过将发泡体16c以尽量使气泡形状等不变的方式切断，切下长度25mm×宽度25mm×厚度25mm的立方体形状的试验片，从该长方体形状的试验片的8个角中随意地选择1个角，求出构成该角的3个面的平均气泡直径，将该3个面的平均气泡直径进行算术平均，从而能够求出发泡体16c的平均气泡直径。
另外，能够如下地求出各面的平均气泡直径。
首先，使用扫描型电子显微镜(日立制作所制“S－3000N”)将各面的中央部放大到18倍进行拍摄，将拍到的切断面的图像打印在A4纸上。
其次，针对各纸张在6处引出任意的线段(长度60mm)，根据与该线段重叠的气泡的数量利用下式计算出各线段的平均弦长。
其中，线段以尽量使气泡不会仅在切点处与线段相接触的方式引出，在线段仅在切点处与气泡相接触的情况下，设为包含在气泡数中。
平均弦长(t)＝线段的长度/(气泡数×照片的倍率)
然后，利用下式计算出气泡直径DL。
DL＝t/0.616
然后，求出针对各线段求得的气泡直径(DL)的算术平均值，将该算术平均值作为各面的平均气泡直径。
此外，通过在发泡体16c的表面任意地设定一个边为10cm的正方形的区域，在该区域内观察到的粗大气泡的数量除以该区域的面积(100cm2)，能够求出所述粗大气泡的比例。
并且，从强度方面考虑，所述发泡体16c优选为独立气泡率较高。
另一方面，在发泡体16c的独立气泡率过高时，即便欲使基体树脂、粘接剂流入到在表面开口的气泡内，该气泡内的空气释放的部位也较少，基体树脂、粘接剂难以流入到气泡内。
因而，所述发泡体16c优选具有一定程度的连续气泡率。
具体地讲，所述发泡体16c的连续气泡率优选小于50％，更优选小于45％，特别优选小于40％。
能够依照ASTM D－2856－87利用1－1/2－1气压法来测量所述发泡体16c的连续气泡率。
如图3b所示，本实施方式的发泡体16c在风车用桨叶1的宽度方向两端部其厚度变薄。
因此，发泡体16c通过以适度的比例(例如10％以上)具有连续气泡并且以适度的比例具有粗大气泡，成为易于使基体树脂、粘接剂从表面渗透的状态，不仅发挥优异的锚定效果，在薄壁部的加强效果上也很优异。
此外，发泡体16c例如在像图3b的正面角度下的左端那样成为薄壁的部位利用所述连续气泡、所述粗大气泡能够形成在厚度方向上贯通发泡体16c的贯通孔。
在这种情况下，能够利用流入到所述贯通孔的基体树脂、粘接剂连结粘接于所述部位的一面侧(图3b上侧)的外皮和粘接于另一面侧(图3b下侧)的外皮，能够对风车用桨叶1赋予较高的强度。
在容易对发泡体16c赋予上述那样优选的特性这一点上，形成该发泡体16c的丙烯酸树脂优选为丙烯酸类单体和芳香族乙烯基单体的共聚物。
作为所述丙烯酸类单体，例如能够列举出(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸月桂酯、(甲基)丙烯酸2－乙基己酯、(甲基)丙烯酸环己酯、(甲基)丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸苄酯、马来酸酐、马来酸、富马酸、衣康酸、衣康酸酐、巴豆酸、马来酸酰胺、马来酸酰亚胺等。
作为所述芳香族乙烯基单体，例如能够列举出苯乙烯、甲基苯乙烯等。
其中，丙烯酸树脂优选作为单体单元含有甲基丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸以及苯乙烯，作为所述单体单元任意地含有马来酸酐以及甲基丙烯酰胺中的一者或两者，而且以下述(A)～(E)所示的质量比例含有该单体单元。
另外，丙烯酸树脂除甲基丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸、苯乙烯、马来酸酐以及甲基丙烯酰胺之外的单体单元的比例优选为10质量％以下，更优选为5质量％以下，特别优选为1质量％以下。
(A)甲基丙烯酸甲酯：35～70质量％
(B)(甲基)丙烯酸：14～45质量％
(C)苯乙烯：10～20质量％
(D)马来酸酐：0～10质量％
(E)甲基丙烯酰胺：0～10质量％
所述发泡体16c例如能够设为利用发泡剂使下述的聚合物发泡而成的丙烯酸树脂发泡体，该聚合物是利用聚合引发剂使以所述的比例含有所述单体的聚合性溶液聚合而得到的。
另外，本说明书中的“(甲基)丙烯”这样的词语用作兼具“丙烯”和“甲基丙烯”这两者的意思。
因而，在“(甲基)丙烯酸：14～45质量％”这样的条件中包含“含有丙烯酸和甲基丙烯酸这两者且合计含量是14质量％～45质量％的情况”、“不含有甲基丙烯酸而丙烯酸的含量是14质量％～45质量％的情况”、以及“不含有丙烯酸而甲基丙烯酸的含量是14质量％～45质量％的情况”这3种情况。
作为所述聚合引发剂，例如能够列举出叔丁基过氧化氢等氧化还原类聚合引发剂。
作为所述发泡剂，例如能够列举出尿素等热分解型发泡剂。
此外，为了形成丙烯酸树脂发泡体，能够使所述聚合性溶液适当地含有增塑剂、脱水剂、还原剂等。
所述发泡体16c通过含有上述那样的单体单元，不仅能够使丙烯酸树脂自身变为高强度，也容易使该丙烯酸树脂成为致密的发泡状态。
此外，所述发泡体16c通过使用于形成所述聚合物的聚合性溶液除了含有所述单体之外还含有水分0.5质量％～2质量％，在使所述聚合物发泡时能够以适度的比例形成连续气泡、粗大气泡。
本实施方式的发泡体16c通过含有上述那样的成分，即使在以表观密度足够小这样的较高的发泡倍率发泡的情况下，也显示较高的弯曲弹性模量。
此外，本实施方式的发泡体16c通过含有上述那样的成分，容易调整平均气泡直径、粗大气泡的比例、连续气泡率等各个特性。
通过将所述构架体与该发泡体16c一同配置在叶片部12的内部空间S中，桨叶1能够提供其长边方向的刚性，并且能够谋求轻量化。
并且，通过用构架外皮16b覆盖构架芯16a的表面，能够将构架体固定在内部空间S的更准确的位置，并且能够提高构架体的弯曲刚性。
并且，通过沿着桨叶1的长边方向连续地配置安装部11的芯体18和构架体，能够提高桨叶1的长边方向的刚度。
3.外皮的结构
如图5所示，外皮15在外皮15的厚度方向上具有由纤维强化树脂材料形成的3层(多层)层叠结构。
在所述安装部11和所述叶片部12中，所述外皮具有由多层所述纤维强化树脂材料形成的层叠结构，在该外皮的厚度方向上具备多个纤维强化树脂层。
纤维强化树脂材料也可以以短纤维的状态含有强化纤维，但优选作为连续纤维织成的片而含有强化纤维。
由该强化纤维形成的片例如可以为由所述连续纤维形成的平纹织物、斜纹织物、缎纹织物等。
本实施方式的桨叶1具备从表面侧依次按照第1纤维强化树脂层15A、第2纤维强化树脂层15B及第3纤维强化树脂层15C的顺序层叠而成的3层结构的外皮15。
位于叶片部12的外壁面12b侧的第1纤维强化树脂层15A是使纤维密度最低的纤维片浸渗有热固化性树脂而成的。
位于比第1纤维强化树脂层15A靠内壁面12a侧的位置且从内侧与所述第1纤维强化树脂层15A接触的第2纤维强化树脂层15B和从内侧与该第2纤维强化树脂层15B接触的第3纤维强化树脂层15C是使纤维密度比第1纤维强化树脂层15A的纤维密度高的纤维片浸渗有上述的热固化性树脂而成的。
即，第1纤维强化树脂层15A的纤维的质量比例低于第2纤维强化树脂层15B和第3纤维强化树脂层15C的纤维的质量比例。
换言之，所述叶片部和所述安装部的外皮的最靠内壁面侧的第3纤维强化树脂层15C的纤维密度高于外壁面侧的第1纤维强化树脂层15A的纤维密度。
在此，本说明书中的“纤维的质量比例”是指“纤维强化树脂层的每单位体积所含有的纤维的质量”的意思。
一般来讲，强化用的纤维的密度高于基体树脂的密度。
因此，通过纤维强化树脂层15A、15B、15C关于纤维的比例具有上述那样的关系，能够使自桨叶1的轴线分离的位置的纤维强化树脂层(外壁面侧的层)15A比更靠近轴线的位置的纤维强化树脂层(内壁面侧的层)15B、15C轻量化。
由此，能够减少桨叶1旋转时的振动。
另外，鉴于同样的理由等，所述构架外皮16b优选由纤维的质量比例比所述外皮的内壁面侧的第3纤维强化树脂层15C的纤维的质量比例高的纤维强化树脂材料形成。
此外，从使构架体变为高强度的方面，所述构架外皮16b也优选为纤维的质量比例较大。
为了使纤维强化树脂层之间发挥与上述那样的纤维的质量比例相关的关系，也可以不仅只是使各层的纤维的质量比例不同，也使纤维的原材料不同。
在本实施方式中，能够使第1纤维强化树脂层15A、第2纤维强化树脂层15B及第3纤维强化树脂层15C的所有纤维强化树脂材料设为含有碳纤维作为强化纤维的纤维强化树脂材料。
此外，在本实施方式中，能够由使用除碳纤维之外的强化纤维的纤维强化树脂材料形成第1纤维强化树脂层15A、第2纤维强化树脂层15B及第3纤维强化树脂层15C中的任一者或两者。
例如，在本实施方式中，可以由使用碳纤维作为强化纤维的纤维强化树脂材料(CFRP)形成第1纤维强化树脂层15A，将第2纤维强化树脂层15B、第3纤维强化树脂层15C设为使用玻璃纤维的纤维强化树脂材料(GFRP)。
另外，一般来讲，玻璃纤维强化树脂材料(GFRP)的密度高于碳纤维强化树脂材料(CFRP)的密度。
因此，对于所述桨叶1的外皮15来说，将GFRP配置在CFRP的内侧在减少风车旋转所需要的能量的方面是有利的。
此外，鉴于相同的理由，所述桨叶1的外皮15优选使GFRP的自叶片部12的基端12d的长度比CFRP短。
另外，在外皮15的外壁面12b还形成有树脂等的涂装层(未图示)。
另外，在旋转时，在叶片部12的缩细部13上沿着桨叶1的长边方向产生弯曲应力。
在这种情况下，由于与外皮15的内壁面侧相比外壁面12b侧被施加较大的力，因此，通常以提高外壁面侧的强度的方式加强的做法是高效的。
但是，若这样加强，则在外皮的外壁面侧变重的方向上质量发生变化。
因此，在本实施方式中，设有以下所示的加强件17。
4.加强件的结构
所述加强件17在本实施方式中是为了加强该缩细部13和所述安装部11之间的连接部而设置的。
所述加强件17由纤维的质量比例比所述外皮15的内壁面侧的第3纤维强化树脂层15C的纤维的质量比例大的纤维强化树脂材料形成，而且以从所述缩细部13跨到所述安装部11的方式粘接于所述外皮15的内壁面。
具体地讲，加强件17在纺织物状的强化纤维片中浸渗有与外皮15的基体树脂相同的热固化性树脂。
通过这样在叶片部12的外皮15的内壁面12a和安装部11的外皮15的内壁面11a的整个范围内设置由纤维强化树脂材料形成的加强件17，在使用桨叶1时，即使在缩细部13发生应力集中，也能够利用加强件17确保桨叶1的强度。
并且，由于在外皮15的内壁面11a、12a上设有加强件17，因此，桨叶1在旋转时难以发生振动。
并且，能够在形成缩细部13的外皮15的内壁面12a侧形成与期望的强度相应的厚度的加强件17。
此外，由于加强件17的纤维的质量比例高于外皮15的纤维的质量比例，因此，能够利用更小的层厚加强缩细部13。
在此，加强件17具有4个(多个)加强用纤维强化树脂材料层17A、17B、17C、17D以覆盖叶片部12的外皮15的内壁面12a和安装部11的外皮15的内壁面11a的方式在外皮15的厚度方向上层叠而成的层叠结构。
4个加强用纤维强化树脂材料层17A、17B、17C、17D优选以将各加强用纤维强化树脂材料层的叶片部12的顶端侧的端部的位置朝向加强件17的厚度方向从叶片部12的顶端12c侧向叶片部12的基端12d侧依次错开的方式层叠。
即，所述加强件优选为各加强用纤维强化树脂层的叶片部的顶端侧的端部的位置随着朝向所述外皮的内壁面而向所述安装部侧后退、或者各加强用纤维强化树脂层的叶片部的顶端侧的端部的位置随着远离所述外皮的内壁面而向所述安装部侧后退。
本实施方式的4个加强用纤维强化树脂材料层17A、17B、17C、17D以随着朝向叶片部12的外皮15的内壁面12a去而将各加强用纤维强化树脂材料层的叶片部12的顶端12c侧的端部的位置从叶片部12的顶端12c侧向叶片部的基端12d侧依次(按17D～17A的顺序)错开的方式层叠。
在本实施方式中，由于将4个加强用纤维强化树脂材料层17A、17B、17C、17D以从叶片部12的顶端12c侧向叶片部12的基端12d侧依次错开的方式层叠，因此，叶片部12的顶端12c侧的加强件17的厚度薄于叶片部12的基端12d侧的加强件17的厚度。
由此，能够使因设置加强件17而造成的桨叶1的重心位置位于叶片部12的基端侧，能够降低在旋转时作用于桨叶(叶片部的缩细部13)的离心力。
特别是，由于本实施方式的桨叶1在自其轴线分离的位置配置有面积更大的加强用纤维强化树脂材料层，因此，能够降低旋转时的振动。
特别是，如后述的图7所示，在制造时配置构架体的情况下，能够使加强件17和构架体(芯材16)之间的接触面积更大，能够在内部空间S中稳定地固定构架体。
5.风车用桨叶的制造方法
以下，说明风车用桨叶1的制造方法。
图6是用于说明在制造时在半分割状态的外皮的内壁面配置有加强件的状态的示意性的立体图。
图7是用于说明在制造时在加强件上配置有构架件的构架体的状态的示意性的立体图。
图8是用于说明在制造时在构架芯16a的表面包覆有纤维强化树脂材料(构架外皮16b)的状态的示意性的立体图。
图9是用于说明还配置有与构架体一起形成芯材16的发泡体16c的状态的示意性的立体图。
图10是表示将半分割状态的外皮相互粘合而制作风车用桨叶之前的状态的示意性的立体图。
在本实施方式中，在制作风车用桨叶1之前制作成为发泡体16c的形成材料的丙烯酸树脂发泡体。
在此，首先制备含有丙烯酸类单体、聚合引发剂、发泡剂(尿素)、还原剂等的聚合性溶液。
更具体地讲，制备这样的聚合性溶液，即含有甲基丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸及苯乙烯，根据需要含有马来酸酐和甲基丙烯酰胺中的一者或两者，各单体在所有单体中所占的比例为下述(A)～(E)，实质上不含有除下述(A)～(E)之外的聚合性单体(例如小于1质量％)。
(A)甲基丙烯酸甲酯：35质量％～70质量％
(B)(甲基)丙烯酸：14质量％～45质量％
(C)苯乙烯：10质量％～20质量％
(D)马来酸酐：0质量％～10质量％
(E)甲基丙烯酰胺：0质量％～10质量％
其次，以低于尿素的热分解温度的温度加热聚合性溶液，使单体聚合而得到聚合物。
将该聚合物加热到尿素的热分解温度以上的温度使其发泡，制作丙烯酸树脂发泡体。
由此，形成丙烯酸树脂发泡体的丙烯酸树脂的(A)～(E)所示的单体单元是合计99质量％以上，发挥优异的强度。
此时，通过使发泡之前的聚合物含有例如0.5质量％～2.0质量％左右的水、或者利用相对于尿素的溶解力较高的甲基丙烯酸的含量调整尿素的分散状态，能够在丙烯酸树脂发泡体中适度地形成粗大气泡。
然后，能够对该丙烯酸树脂发泡体实施切削加工来制作所述发泡体16c、所述构架芯16a。
为了使用该发泡体16c制作风车用桨叶1，准备与该桨叶1的形状相应的一对成形模具21、22(例如参照图10)。
首先，在一对成形模具的成形面上涂敷液状或凝胶状的涂装材料，为了使空气不进入成形面而用辊拉伸。
其次，如图6所示，在一侧的成形模具21上成形外皮15，之后成形加强件17。
在本实施方式中，作为其一例子，利用手工层压成形法成形外皮15和加强件17。
具体地讲，为了形成构成第1纤维强化树脂层15A的纤维强化树脂材料(参照图5)，在成形模具21内配置强化纤维片，向该强化纤维片中浸渗作为基体树脂的热固化性树脂。
进而，在其上配置用于形成第2纤维强化树脂层15B和第3纤维强化树脂层15C的强化纤维片，同样地将浸渗热固化性树脂的工序重复进行两次。
对于另一侧的成形模具22也进行同样的作业(参照后述的图10)。
另外，在本实施方式中，用于形成纤维强化树脂层的热固化性树脂使用在常温下固化的常温固化型的热固化性树脂。
若在成形时使树脂固化，就也可以不特别使用常温固化型的热固化性树脂而使用加热固化型的树脂。
进而，将在叶片部12的外皮15的内壁面12a和安装部11的外皮15的内壁面11a的内表面的整个范围内配置强化纤维片(例如580g/m2的纤维密度的平纹的玻璃纤维片)，利用同样的方法将向其中浸渗热固化性树脂的工序重复进行4次。
此时，朝向叶片部12的顶端12c侧将纺织物状的强化纤维片以依次错开的方式配置。
这样能够形成4个加强用纤维强化树脂材料层层叠而成的加强件17(参照图5)。
另外，在本实施方式中，外皮15和加强件17每铺设一层强化纤维片都浸渗热固化性树脂，但只要不易在强化纤维片中残留空气，就也可以在层叠强化纤维片之后浸渗热固化性树脂。
接着，如图7所示，从叶片部12的顶端12c到叶片部12的基端12d沿着叶片部12的长边方向配置构架芯16a。
在与安装部11的内部空间相当的凹部配置半分割状态的芯体18。
之后，如图8所示，将以覆盖构架芯16a的方式配置强化纤维片，将浸渗热固化性树脂的工序重复进行两次。
由此，能够制作包覆有由纤维强化树脂材料形成的构架外皮16b的构架体。
然后，向除构架体之外的叶片部12的内部空间S中填充所述发泡体16c。
最后，如图9所示，在形成于成形模具21、22的外皮15、15的接缝部分(边缘部分)和构架体、发泡体16c与外皮15之间的接触面、芯体18相互接触的表面涂覆粘接剂，使成形模具21、22相面对，将外皮15、15相互压接并粘接。
由此，成形图1所示的风车用桨叶1。
以上，详细地说明了本发明的实施方式，但具体的结构并不限定于该实施方式和实施例，即使是不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更，其也包含在本发明中。
在本实施方式中，4个加强用纤维强化树脂材料层以随着向叶片部的外皮的内壁面去而将各加强用纤维强化树脂材料层的叶片部的顶端侧的端部的位置从叶片部的顶端侧向叶片部的基端侧依次错开的方式层叠，但例如也可以随着向叶片部的外皮的内壁面去而将各纤维强化树脂材料层的端部的位置从叶片部的基端侧向叶片部的顶端侧依次错开。
此外，在本实施方式中，外皮是3层，加强件的加强用纤维强化树脂材料层是4层，但本发明的风车用桨叶并不特别限定于这些层数和形状。
此外，在本实施方式中，例示了具有构架体的风车用桨，但本发明的风车用桨叶也可以没有构架体。
即，本发明的风车用桨叶既可以是芯材的一部分由丙烯酸树脂发泡体形成，也可以是芯材全部由丙烯酸树脂发泡体形成。
具体地讲，本发明的风车用桨叶也可以如图11、图12等所示。
另外，图11、图12是与图3b相对应的剖视图。
如图11所示，本发明的风车用桨叶1’也可以由充满在外皮15’的内侧的丙烯酸树脂发泡体16c’形成芯材16’。
并且，例如，如图12所示，本发明的风车用桨叶的芯材不必充满在外皮内。
即，本发明的风车用桨叶1”也可以在叶片部的内部空间S”中形成有没有发泡体等构件的空洞部16e”。
具体地讲，风车用桨叶1”例如也可以将除了具有由丙烯酸树脂发泡体形成的构架芯16a”的构架体之外的部分设为空洞部16e”。
即，如图12所示，芯材16”也可以只是构架体。
此外，本发明除了上述例示之外，也可以适当地应用风车用桨叶、纤维强化树脂材料以及丙烯酸树脂发泡体的以往公知的技术事项。
附图标记说明
1、风车用桨叶；11、安装部；11a、安装部的内壁面；19、贯通孔；12、叶片部；12a、叶片部的内壁面；12b、叶片部的外壁面；12c、叶片部的顶端；12d、叶片部的基端；13、缩细部；15、外皮；16、芯材；16a、构架芯(丙烯酸树脂发泡体)；16b、构架外皮；16c、发泡体(丙烯酸树脂发泡体)；17、加强件；17A、17B、17C、17D、加强用纤维强化树脂材料层；S、内部空间。

Claims (7)

1.一种风车用桨叶，其中，
该风车用桨叶包括芯材和覆盖该芯材的外皮，
所述外皮由含有碳纤维和树脂的纤维强化树脂材料形成，
所述芯材的至少一部分由丙烯酸树脂发泡体形成，该丙烯酸树脂发泡体具有5MPa以上的弯曲弹性模量，
形成所述丙烯酸树脂发泡体的丙烯酸树脂的单体单元作为必需成分含有甲基丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸及苯乙烯，
作为任意成分含有马来酸酐和甲基丙烯酰胺，
而且所述丙烯酸树脂按照下述比例(A)～(E)所示的比例含有所述单体单元，其中，比例(A)～(E)为：
(A)甲基丙烯酸甲酯：35质量％～70质量％，
(B)(甲基)丙烯酸：14质量％～45质量％，
(C)苯乙烯：10质量％～20质量％，
(D)马来酸酐：0质量％～10质量％，
(E)甲基丙烯酰胺：0质量％～10质量％。
2.根据权利要求1所述的风车用桨叶，其中，
该风车用桨叶包括安装在风车的旋转轴上的安装部和从该安装部延伸的叶片部，
在所述叶片部和所述安装部中，所述外皮具有层叠结构，利用在该外皮的厚度方向上层叠的多层纤维强化树脂材料形成有多个纤维强化树脂层，
对于所述叶片部和所述安装部的所述外皮来说，内壁面侧的所述纤维强化树脂层所含有的纤维的质量比例高于外壁面侧的所述纤维强化树脂层所含有的纤维的质量比例。
3.根据权利要求2所述的风车用桨叶，其中，
在所述叶片部中的与所述安装部之间的边界部形成有随着向所述安装部侧去而该叶片部的宽度和厚度减小的缩细部，
在该缩细部和所述安装部之间的连接部设有加强件，
所述加强件由纤维的质量比例比所述外皮的内壁面侧的所述纤维强化树脂层高的纤维强化树脂材料形成，而且以从所述缩细部跨到所述安装部的方式粘接于所述外皮的内壁面。
4.根据权利要求3所述的风车用桨叶，其中，
所述加强件具备在厚度方向上层叠的多个加强用纤维强化树脂层，该加强用纤维强化树脂层由含有纤维和树脂的纤维强化树脂材料形成，
而且，各加强用纤维强化树脂层的叶片部的顶端侧的端部的位置随着朝向所述外皮的内壁面而向所述安装部侧后退。
5.根据权利要求3所述的风车用桨叶，其中，
所述加强件具备在厚度方向上层叠的多个加强用纤维强化树脂层，该加强用纤维强化树脂层由含有纤维和树脂的纤维强化树脂材料形成，
而且，各加强用纤维强化树脂层的叶片部的顶端侧的端部的位置随着自所述外皮的内壁面分离而向所述安装部侧后退。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的风车用桨叶，其中，
在所述芯材上形成有从所述安装部朝向所述叶片部的顶端延伸的棒状的构架体，
所述叶片部在由所述外皮包围的内部空间中的、除了所述构架体所占的空间之外的空间配置有所述丙烯酸树脂发泡体，
所述构架体包括比该构架体细的构架芯和覆盖该构架芯的构架外皮，
所述构架外皮由纤维的质量比例比所述外皮的内壁面侧的纤维强化树脂层高的纤维强化树脂材料形成。
7.根据权利要求6所述的风车用桨叶，其中，
所述构架芯由具有5MPa以上的弯曲弹性模量的丙烯酸树脂发泡体形成。
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