JP2015110303A - フライホイールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化複合材からなり、例えばフライホイール式電力貯蔵装置に使用して高速回転させた際に発生する遠心力に十分に耐えうる強度と剛性を有するフライホイールとその製造方法を提供する。【解決手段】強化繊維によって作製した円環状プリフォーム２を金型内にセットし、フィラー５を含む樹脂３を円環状プリフォームの径方向に射出成形してフライホイール１を製造する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばフライホイール式電力貯蔵装置等に用いるフライホイールと、その製造方法に関するものである。

自動車や工場などでの蓄電を目的として、モータ兼発電機とフライホイールとを組み合わせたフライホイール式電力貯蔵装置（フライホイールーバッテリー）の利用が検討されている。
かかるフライホイール式電力貯蔵装置によれば、モータ兼発電機に電力を入力することでモータとして駆動させてフライホイールを回転させたのち、電力の入力を停止しでもフライホイールとともに回転するモータ兼発電機を発電機として作動させることにより、先に入力した電力の一部を出力として取り出すことができる。そのため蓄電池と同等の機能、すなわち蓄電が可能となる。

当該フライホイール式電力貯蔵装置は、フライホイールの回転をできるだけ少ない電力でできるだけ長時間に亘って維持するために、例えば空気抵抗等の影響を排除するべく減圧（真空）状態に保たれた格納容器内に回転可能に保持した軸に、モータ兼発電機の回転子とフライホイールとを一体化して構成するのが一般的である。
また軸を保持する軸受けとしては、磁気軸受等の非接触式の軸受けが主として用いられ、モータ兼発電機としては、やはり非接触式であるブラシレス構造のものが好適に用いられる。

さらにフライホイールとしては、高速（１００００ｒｐｍ以上）で回転させるために軽量でかつ高強度、高剛性の繊維強化複合材からなる円環状のものが好適に使用される。
繊維強化複合材としては、例えば強化繊維として炭素繊維を用い、熱硬化性樹脂を使用したＣＦＲＰ材（Carbon Fiber Reinforced Plastics）や、あるいは熱可塑性樹脂を使用したＣＦＲＴＰ材（Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics）等が挙げられる。

このうちＣＦＲＰ材等の熱硬化性樹脂を用いた繊維強化複合材によって円環状のフライホイールを形成する方法としては、例えば炭素繊維等の強化繊維のストランドを一方向に円環状に巻き付けて円環状プリフォームを形成し、当該円環状プリフォームに熱硬化性樹脂を含浸させたのち硬化反応させる、いわゆるフィラメントワインディング法が知られている（例えば特許文献１等参照）。

また強化繊維のシートを円環状に巻き付けたのち熱硬化性樹脂を含浸させて硬化反応させるか、あるいは強化繊維のシートに熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを円環状に巻き付けたのち熱硬化性樹脂を硬化反応させるシートワインディング法も知られている。
さらに強化繊維の三次元織物によって円環状プリフォームを形成し、熱硬化性樹脂を含浸させたのち硬化反応させる方法もある。

また円環状プリフォームに熱硬化性樹脂を含浸させる方法としては、通常の大気中での含浸法の他、減圧下で含浸させる真空樹脂含浸製造法（ＶａＲＴＭ）も知られている。
ところがフィラメントワインディング法やシートワインディング法で形成したフライホイールは円環の径方向に強化繊維が配向していないため、高速回転時に発生する遠心力に耐えきれずに層間破壊されるおそれがある。

三次元織物であれば径方向にも強化繊維が配向しているため上記の問題は生じない。
しかし三次元織物の複雑な内部空間の隅々まで熱硬化性樹脂を隙間なく均一に含浸させるのは容易でなく、たとえＶａＲＴＭを採用して含浸の妨げとなる空気を排除した状態で含浸させても未含浸部分を生じやすい。そして未含浸部分を生じるとそこが破壊源となって、強度低下により高速回転時に破壊されるおそれがある。

またフライホイールの中心に磁気軸受の外輪となる芯金（金属円環）を圧入して組み込む際には、特に圧入部の内径の寸法精度を向上するために機械加工が必要となるが、連続した強化繊維が機械加工によって切断され、その切断点が破壊源となって、強度低下により高速回転時に破壊されるおそれがある。
そのため上記いずれの場合にも、破壊を防止するべくフライホイールの回転数が一定値以下に制限されてしまい、フライホイール式電力貯蔵装置の蓄電容量が不足するといった問題を生じる。

一方、ＣＦＲＴＰ材等の熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材によって円環状のフライホイールを形成するには、例えば特許文献２、３等に記載された射出成形法を応用することが考えられる。
すなわち円環状プリフォームを、フライホイールの立体形状に対応した金型内にセットし、加熱して溶融させた熱可塑性樹脂を射出成形して円環状プリフォームに含浸させることで円環状のフライホイールが製造される。

またこの射出成形法は、熱硬化性樹脂を用いたＣＦＲＰ等の繊維強化複合材にも適用が可能である。すなわち熱硬化性樹脂を、その硬化温度より低い温度で射出成形したのち、例えば金型ごと硬化温度まで昇温して硬化反応させればよい。

特開２０１０−１２６４３号公報 特開２０１２−８６５５６号公報 特開２０１２−２４０２７６号公報

射出成形法によれば、溶融させた熱可塑性樹脂、または熱硬化性樹脂（以下「樹脂」と総称する場合がある。）をＶａＲＴＭよりも高い圧力差（ＶａＲＴＭは１気圧が限界）でもって円環状プリフォーム中に含浸できるため、当該円環状プリフォーム中に未含浸部分を生じることなしに樹脂を隙間なく均一に充てんできる。
また外形寸法は金型によって規定されるためるため機械加工をせずに高い寸法精度でもってフライホイールを形成でき、機械加工による繊維の切断に伴う破壊源の発生を防止できる。

ところが、特にフィラメントワインディング法やシートワインディング法で形成したフライホイールは依然として円環の径方向に強化繊維が配向していないため、高速回転時に発生する遠心力に耐えきれずに層間破壊されるおそれがある。
本発明の目的は、繊維強化複合材からなり、例えばフライホイール式電力貯蔵装置に使用して高速回転させた際に発生する遠心力に十分に耐えうる強度と剛性を有するフライホイールとその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、
強化繊維によって円環状プリフォーム（２）を作製する工程、および
作製した円環状プリフォームを金型内にセットして、フィラー（５）を含む樹脂（３）を、円環状プリフォームの径方向に射出成形する工程
を経て製造されたフライホイール（１）である（請求項１）。

これによりフィラーの少なくとも一部は、円環状プリフォーム中で径方向、またはその近似方向に配向する（請求項２）。
円環状プリフォームは、強化繊維のシート（４）またはストランドを円環状に巻き付けて形成されているのが好ましい（請求項３）。
本発明は、強化繊維によって円環状プリフォームを作製する工程、および
作製した円環状プリフォームを金型内にセットして、フィラーを含む樹脂を円環状プリフォームの径方向に射出成形する工程
を含むフライホイールの製造方法である（請求項４）。

請求項１、４記載の発明によれば、あらかじめ形成した円環状プリフォーム中に、射出成形法によって、フィラーを含む溶融させた樹脂を高い圧力差でもって含浸できるため、当該円環状プリフォーム中に、破壊源としての未含浸部分を生じることなしに樹脂を隙間なく均一に充てんできる。
また外形寸法は金型によって規定されるためるため機械加工をせずに高い寸法精度でもってフライホイールを形成でき、機械加工による繊維の切断に伴う破壊源の発生を防止できる。

しかもフィラーを含む樹脂を、円環状プリフォームに対して径方向に射出成形して含浸させているため、フィラーのうちの少なくとも一部は円環状プリフォーム中で径方向、またはその近似方向に配向して存在することになる（請求項２）。
そのため、例えばフィラメントワインディング法やシートワインディング法等によって形成された、強化繊維が径方向に記向していない円環状プリフォーム（請求項３）を使用した場合でも、当該径方向の強度をフィラーによって高めて、高速回転させた際に発生する遠心力に十分に耐えうる強度と剛性を有するフライホイールを提供できる。

ただし本発明のフライホイールを構成する円環状プリフォームはフィラメントワインディング法やシートワインディング法等によって形成されたものには限定されず、例えば三次元織物など、従来公知の種々の構造を有する円環状プリフォームがいずれも使用可能である。
そのいずれの場合にも、樹脂とともに円環状プリフォーに含浸されるフィラーによって径方向を含む各方向をさらに強化して、フライホイールの強度と剛性をさらに向上できる。

同図(a)は本発明の実施の形態の一例において、フィラーを含む樹脂を円環状プリフォームに対して径方向に射出してフライホイールを製造する工程の概略を説明する斜視図、同図(b)は断面図である。

図１(a)は本発明の実施の形態の一例において、フィラーを含む樹脂を円環状プリフォームに対して径方向に射出してフライホイールを製造する工程の概略を説明する斜視図、図１(b)は断面図である。
図１(a)(b)を参照して、この例ではフライホイール１は、
強化繊維によって円環状プリフォーム２を作製する第一工程、および
作製した円環状プリフォーム２を図示しない金型内にセット（インサート）して、フィラーを含む溶融させた樹脂３を、両図中に実線の矢印で示すように円環状プリフォーム２の径方向内方から外方へ向けて射出成形する第二工程
を経て製造される。

第一工程において円環状プリフォーム２は、先に説明した種々の方法で作製できる。
すなわち、
(1) 強化繊維のストランドをフィラメントワインディング法で円環状プリフォーム２の立体形状に巻き付ける、
(2) 強化繊維のシート（織布、不織布、組紐等）４をシートワインディング法で円環状プリフォーム２の立体形状に巻き付ける、
(3) 三次元織物で円環状プリフォーム２の立体形状に形成する、
等の方法によって円環状プリフォーム２を作製できる他、例えば
(4) 筒状に織成した強化繊維を筒の長さ方向に巻き取って円環状プリフォーム２の立体形状に形成することによっても、円環状プリフォーム２を作製できる。

さらに、
(5) 上記(1)〜(4)のいずれかの方法で、例えば円環状プリフォーム２の厚みの一部を構成する部材を複数個作製し、さらに積層等して円環状プリフォーム２を作製することも可能である。円環状プリフォーム２を構成する積層した部材間は、次の第二工程で射出成形したフィラーを含む樹脂によって一体化される。

中でも特に(1)の強化繊維のストランド、または(2)の強化繊維のシート4を巻き付けて形成した円環状プリフォーム２は、先に説明したように円環の径方向に強化繊維が配向していないため、フィラーを含む樹脂を射出成形することによる強度向上の効果が顕著である。
すなわち第二工程において、円環状プリフォーム２の中心６から、当該円環状プリフォーム２の上端の内周の略全周に亘って、フィラー５を含む樹脂３を、図示しないフィルムゲート等を介して放射状に、径方向の内方から外方へ向けて射出成形する。

そうするとフィラー５のうちの少なくとも一部を、図１(b)に拡大して示したように円環状プリフォーム２中で径方向、またはその近似方向に配向させることができる。
そして巻き付けた隣り合うシート４（もしくは図示しないストランド）間を、上記径方向、またはその近似方向に配向させた複数のフィラー５の貫通により強固に結合できるため、円環状プリフォーム２の径方向の強度を向上できる。

ただしその他の円環状プリフォーム２であっても、樹脂とともに円環状プリフォームに含浸させるフィラーによって径方向を含む各方向をさらに強化して、フライホイールの強度と剛性をさらに向上できる。また、例えば(5)の場合には積層した部材間の接合の強度も向上できる。
なお図１(b)中に一点鎖線の矢印で示すようにフィラー５を含む樹脂３を、円環状プリフォーム２の上端だけでなく下端および中間位置等からも同時にフィルムゲート等を介して径方向の内方から外方へ向けて射出成形するようにすると径方向、またはその近似方向に配向されたフィラー５の割合を増加させて、巻き付けた隣り合うシート４（もしくは図示しないストランド）間をさらに強固に結合できる。

円環状プリフォーム２を形成する強化繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維の種々の繊維が挙げられる。
特にフライホイール１をできるだけ高強度でかつ高剛性とするために炭素繊維が好ましい。また炭素繊維としては、かかる効果をより一層向上することを考慮すると、引張強度が３０００ＭＰａ以上で、かっ引張弾性率が２００ＧＰａ以上であるものが好ましい。

炭素繊維の表面は樹脂３との良好な密着を確保するため、例えばウレタン系、エポキシ系、アクリル系、ビスマレイミド系等のサイジング剤で処理するのが好ましい。
樹脂３としては、例えばフェノール樹脂(レゾール型、ノボラック型)、不飽和ポリエステル樹脂等の、射出成形が可能な熱硬化性樹脂や、あるいはポリアミド６６等のポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエステル（ＰＥＴ）等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

特に円環状プリフォーム２に含浸させた後に硬化反応させることでより高強度でかつ高剛性のフライホイール１を形成できる熱硬化性樹脂が好ましく、中でもフェノール樹脂が好適に使用される。
フェノール樹脂は溶融時の粘度が低いため、射出成形により円環状プリフォーム２中により良好に隙間なく含浸させて、破壊源となる未含浸部分の発生をさらに確実に防止できる。

フィラー５としては、例えばガラス繊維、カーボン繊維等の繊維状のフィラーや、ガラスフレーク等の板状のフィラー、あるいはカーボンナノチューブやカーボンナノファイバ等の微細強化が可能なフィラー等の１種または２種以上が挙げられる。
フィラー５を含む樹脂３の、射出成形時（溶融時）のメルトフローレートは３０ｇ／１０ｍｉｎ以上、特に５０ｇ／１０ｍｉｎ以上であるのが好ましい。メルトフローレートがこの範囲未満では、樹脂３とフィラー５とを射出成形によって円環状プリフォーム２中に良好に隙間なく含浸させて、破壊源となる未含浸部分の発生を防止する効果が十分に得られないおそれがある。

なおメルトフローレートを上記の範囲に調整するため、樹脂３には、減粘剤や分散剤、固化速度低減のための非晶質樹脂等を適宜添加してもよい。
また、特に射出成形時の溶融粘度が高い樹脂３を使用する場合は、当該樹脂３とフィラー５を円環状プリフォーム２中に良好に隙間なく含浸させて、破壊源となる未含浸部分の発生を防止するために、金型内を真空引きして減圧下で射出成形してもよい。

先に説明したように本発明によれば、射出成形により寸法精度に優れたフライホイール１を形成できるため、後加工なしで、当該フライホイール１の中心に磁気軸受の外輪となる芯金（金属円環）を圧入して組み込むことができる。
さらに金属円環を、円環状プリフォーム２とともに金型の所定の位置にセット（インサート）して射出成形すると、フライホイール１を金属円環と一体化された状態で成形することができ、組み込みの手間を省くこともできる。

本発明の構成は、以上で説明した図の例には限定されない。
例えばフィラーを含む樹脂は、リングゲート等を介して円環状プリフォームの径方向の外方から内方へ向けて射出成形してもよい。
またフライホイール１は、上記第一および第二工程を経て製造した、当該フライホイール１の厚みの一部を構成する部材を複数個、厚み方向に積層して構成することもできる。

なおフライホイール１には、軸合わせのみ厳密にしておけば、高速回転時に発生する遠心力以外に大きな応力は加わらないので、複数個の部材間の厚み方向の固定は簡単でよい。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を施すことができる。

１：フライホイール、２：円環状プリフォーム、３：樹脂、４：シート、５：フィラー、６：中心

Claims (4)

1. 強化繊維によって円環状プリフォームを作製する工程、および
   作製した円環状プリフォームを金型内にセットして、フィラーを含む樹脂を円環状プリフォームの径方向に射出成形する工程
   を経て製造されたフライホイール。
2. フィラーの少なくとも一部は、円環状プリフォーム中で径方向、またはその近似方向に配向している請求項１に記載のフライホイール。
3. 円環状プリフォームは、強化繊維のシートまたはストランドを円環状に巻き付けて形成されている請求項１または２に記載のフライホイール。
4. 強化繊維によって円環状プリフォームを作製する工程、および
   作製した円環状プリフォームを金型内にセットして、フィラーを含む樹脂を円環状プリフォームの径方向に射出成形する工程
   を含むフライホイールの製造方法。

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