JP2002357247A - ハイブリッドコンポジットフライホイールリム及びその製造方法 - Google Patents
ハイブリッドコンポジットフライホイールリム及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】コスト的に有利でより高速なコンポジットフラ
イホイールリム及びその製造方法 【解決手段】コンポジットフライホイールリムは、複数
の半径方向隣接ゾーンの各々の中に、多数の繊維層を有
する。中間ゾーン内の層は各々、炭素繊維トウとガラス
繊維トウの混合物を有する。いずれかの単一ゾーンの各
層内の炭素繊維トウ対ガラス繊維トウの比率は、一定で
あり、この比率は、リムの外側に向かって半径方向にゾ
ーン毎に増分的に増大し、炭素繊維トウの分布は、各ゾ
ーン内で巨視的に均一である。フライホイールリムは、
マンドレル上に、湿潤樹脂で含浸された繊維トウのバン
ドを巻付けることによって作られる。巨視的に均一な分
布は、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達成できる。
イホイールリム及びその製造方法 【解決手段】コンポジットフライホイールリムは、複数
の半径方向隣接ゾーンの各々の中に、多数の繊維層を有
する。中間ゾーン内の層は各々、炭素繊維トウとガラス
繊維トウの混合物を有する。いずれかの単一ゾーンの各
層内の炭素繊維トウ対ガラス繊維トウの比率は、一定で
あり、この比率は、リムの外側に向かって半径方向にゾ
ーン毎に増分的に増大し、炭素繊維トウの分布は、各ゾ
ーン内で巨視的に均一である。フライホイールリムは、
マンドレル上に、湿潤樹脂で含浸された繊維トウのバン
ドを巻付けることによって作られる。巨視的に均一な分
布は、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達成できる。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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１
４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。
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１
４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。
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。
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： 送り長 ＬR： １.５インチ／回転 バンド幅： ３インチ マンドレル直径： １２.４５インチ 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。
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】
【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。
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。
（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 京野 哲幸 アメリカ合衆国 98042 ワシントン州 ケント サウスイースト 148番 ウェイ 27808
Claims (7)
- 【請求項１】熱硬化性樹脂で含浸された少なくとも２つ
の異なるタイプの繊維を含み、前記２つの異なる繊維が
異なる弾性率を有し、 前記２つのタイプの繊維のうちの一方が、もう一方の繊
維の中に巨視的にランダム分布させられている、環状構
造をもつハイブリッドコンポジットフライホイールリ
ム。 - 【請求項２】マンドレル１回転あたりの送り長とワイン
ディング長さの相関関係を調節することにより規定され
るレイアップパターンで繊維トウが巻かれる、「請求項
１」に記載のリムの製造方法。 - 【請求項３】次の式を満足する「請求項１」に記載のリ
ムの製造方法。 ＷL＝（Ｎ＋Ｂ／Ａ）ＬR ＷL＋ＬR＜Ｌm 式中、 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 ここでＢ／Ａ≠１，１/２，１/３，１/４であり、 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４】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。 - 【請求項５】マンドレルの回転に対する送り長とワイン
ディング長さの相関関係を調節することにより規定され
るレイアップパターンで繊維トウが巻かれる、「請求項
４」に記載のリムを製造する方法。 - 【請求項６】次の式を満足する、「請求項４」に記載の
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７】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。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US24222200P | 2000-10-20 | 2000-10-20 | |
| US60/242222 | 2000-10-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002357247A true JP2002357247A (ja) | 2002-12-13 |
| JP4026172B2 JP4026172B2 (ja) | 2007-12-26 |
Family
ID=22913926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001323296A Expired - Lifetime JP4026172B2 (ja) | 2000-10-20 | 2001-10-22 | ハイブリッドコンポジットフライホイールリム及びその製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7080573B2 (ja) |
| EP (1) | EP1199493A3 (ja) |
| JP (1) | JP4026172B2 (ja) |
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| JP2014088044A (ja) * | 2001-09-13 | 2014-05-15 | Beacon Power Llc | 複数のファイバ相互混合層を備えてなる複合体製フライホイールリムならびにその製造方法 |
| JP2017017986A (ja) * | 2011-06-16 | 2017-01-19 | ジーケーエヌ ハイブリッド パワー リミテッド | 磁気装荷型複合テープの製造方法 |
| US9636986B2 (en) | 2012-10-03 | 2017-05-02 | Dana Limited | Hybrid drivetrain and method of operation thereof |
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| US6824861B2 (en) * | 2001-09-13 | 2004-11-30 | Beacon Power Corporation | Composite flywheel rim with co-mingled fiber layers and methods for manufacturing same |
| US20100072847A1 (en) * | 2008-09-22 | 2010-03-25 | Zane Craig Fields | Electromagnetically Driven Configuration of Flywheels And Rotors To Power Zero Emission Vehicles |
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| JP5766277B2 (ja) * | 2010-04-19 | 2015-08-19 | ピールブルグ パンプ テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＰｉｅｒｂｕｒｇ Ｐｕｍｐ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ | 自動車に用いられる電動式の冷媒ポンプ |
| JP2013539843A (ja) | 2010-09-14 | 2013-10-28 | パワー・ツリー・コープ | 複合フライホイール |
| GB201223001D0 (en) * | 2012-12-20 | 2013-01-30 | Williams Hybrid Power Ltd | Magnetically loaded composite rotor and methods of making the same |
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| GB2504218B (en) | 2013-07-19 | 2016-09-14 | Gkn Hybrid Power Ltd | Flywheels for energy storage and methods of manufacture thereof |
| GB2504217B (en) | 2013-07-19 | 2016-09-14 | Gkn Hybrid Power Ltd | Flywheels for energy storage and methods of manufacture thereof |
| GB2504216B (en) * | 2013-07-19 | 2015-01-07 | Williams Hybrid Power Ltd | Flywheels for energy storage and methods of manufacture thereof |
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-
2001
- 2001-10-19 US US10/035,513 patent/US7080573B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-10-22 EP EP01308947A patent/EP1199493A3/en not_active Withdrawn
- 2001-10-22 JP JP2001323296A patent/JP4026172B2/ja not_active Expired - Lifetime
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