JP2023091122A - フライホイール蓄電装置用の中空円盤ロータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】限界周速と限界蓄積エネルギーとを飛躍的に向上させたフライホイール蓄電装置用の中空円盤ロータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】円周巻きした複数の強化繊維と、強化繊維の間隙を充満するマトリクス材と、強化繊維の表面を基点にしてマトリクス材に向かって上方展開するカーボンナノチューブと、から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、フライホイール蓄電装置のフライホイールの主要素である中空円盤（円筒を含む）ロータ、特に「円周巻き繊維強化中空円盤ロータ」の限界周速と蓄積エネルギーを向上させる技術に関する。このロータの典型例として、高強度炭素繊維を円周方向に巻いて繊維の間隙にエポキシ樹脂などマトリクス材を含浸させ固化させた「炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒａｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＣＦＲＰ）」ロータが挙げられるが、これに限定されるものではない。

強化繊維は用途に応じてホウ素繊維でもガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、各種金属繊維でもよい。また、マトリクス剤はエポキシ樹脂を含む各種樹脂であってもよい。

以下「ＣＦＲＰ中空円盤（または円筒）ロータ」を「ＣＦＲＰロータ」または単に「ロータ」、「フライホイール」を「ＦＷ」と略記する場合がある。

ＦＷ蓄電装置は、電気エネルギーと回転運動エネルギーを相互に変換する手段を介して、外部電力をＦＷロータに回転運動エネルギーとして蓄積したり、逆に、蓄えたＦＷロータの回転運動エネルギーを外部に電力として給電したりする機能を備えた蓄電装置である。

（Ｉ）低温環境でも高温環境でも安定して機能する、（ＩＩ）充放電を繰り返しても、満充電状態で放置しても、特性や寿命の劣化がほとんど起こらない、（ＩＩＩ）正確な充電量を簡単に検知できる、（ＩＶ）入出力密度を自在に設計できる、（Ｖ）２次電池に比べると内部抵抗がずっと小さい、などの優れた特長を有している。

一般に、ＦＷロータなどの中空円盤を回転させるとき、半径方向に比べて円周方向に強い引張り応力が発生する。いま中空円盤の内半径ａ、外半径ｂとするとき、内外径比λ＝ａ／ｂ（ただし０＜λ＜１）が大きくなる（＝１に近くなる）につれ、中空円盤の最大の円周方向引張り回転応力（以下、単に「円周応力」と呼称）はより大きく、最大の半径方向引張り回転応力（以下、単に「半径応力」と呼称）は逆により小さくなる傾向があり、円周応力最大値が半径応力最大値の２桁以上になることさえある。なお、円周応力最大値と半径応力最大値とは、異なった或る半径ｒで起こる。

近年、旧来のバルク金属製ＦＷロータに替えて、炭素繊維などの高強度繊維を円周方向に沿って巻いて、繊維の間隙に（マトリクス剤としての）プラスチックを含侵させることによって形成した「円周巻き繊維強化プラスチック（周巻きＣＦＲＰ）」ＦＷロータの開発が盛んになってきている。理由は、この形態のロータが円周方向に対して極めて高い引張降伏強度を備えているからである。

しかしながら、このような単純円周巻きＣＦＲＰロータ（第１従来例）では、実際には、期待していたほどの限界周速あるいは限界蓄積エネルギーが得られないという問題があった。（ここで言う「限界周速」と「限界蓄積エネルギー」とは、ともにロータの蓄電性能を評価（比較）するときの基本量であって、回転速度を上げているロータが破壊する寸前に到達した周速が限界周速であり、ロータが破壊する寸前蓄えることができた最大の回転運動エネルギーが限界蓄積エネルギーである。これが高いほど高性能であることは言うまでもない）。

この理由を簡単に説明すると、回転円盤の限界蓄積エネルギーは一般に（１－λ^４）に比例して変化するから、限界蓄積エネルギーを大きくするためには内外径比λができるだけ小さい（＝０に近い）ロータにしたいところだが、この要請に応えて内外径比λを小さくすると、回転させたときの半径方向最大引張応力の割合が急増し、単純円周巻きＦＲＰロータにおいては、円周方向の引張降伏（以下、円周降服）が起こるより前のずっと低い回転速度で、半径方向の引張降伏（以下、半径降伏）が先に起きる事態を招くのである。

半径降伏が先に起きてしまう理由は、単純円周巻きＣＦＲＰロ－タでは半径方向には繊維強化が全くなされていないからである。結果として、円周降伏強度に対して半径降伏強度が著しく低くなる。

このような単純円周巻きＣＦＲＰロータの難を解決するために、下記特許文献１おいては、織物工法を用いて、強化繊維を織って円周方向のみならず、半径方向や回転軸方向にも配向させるとともに、半径方向の繊維体積率が一定となるように中心から外周に向って厚みを薄くさせる特徴を備えた「３次元織物炭素繊維骨格」で強化した３Ｄ織物ＣＦＲＰロータを提案している（特許文献１の図１及び図３参照）。

しかし、３Ｄ織物ＣＦＲＰロータ（第２従来技術）を実際に製作して回転試験を実施したところ、当該ロータは周速が増すにつれて軸振動が大きくなり、ついには、所期の限界周速よりずっと低い周速（５３０ｍ／ｓ付近）で破壊するというという問題が起きた、と報告されている（非特許文献１）。

精密な仕上げができない属性を持つ織物工法で炭素繊維骨格構造を織って構成し、３Ｄ織物ＣＦＲＰロータを製作するとアンバランスが生じるのはどうしても避けられない。なお、当該アンバランスには、ロータの重心が回転中心からずれる偏心＝静的アンバランスと、回転応力で炭素繊維骨格構造が不均一に歪んで起こる動的アンバランスの両方が存在する。

そして、上述の軸振動問題を解決するために、各種改良（非特許文献２参照）が続けられているが、周速８００ｍ／ｓを超える３Ｄ織物ＣＦＲＰロータは未だ得られていない。

特許第５２３９０５８号公報

吉村純一，広嶋登，八田博志，後藤健，向後保雄，"三次元炭素繊維強化プラスチック製高速回転体の開発" 日本機械学会第18 回機械材料・材 料加工技術講演会（Ｍ＆Ｐ２０１０ ）ＣＤ－ＲＯＭ論文集、Ｎｏ．１０－２９ Ｎ． Ｈｉｒｏｓｈｉｍａ， Ｈ． Ｈａｔｔａ， Ｍ． Ｋｏｙａｍａ， Ｊ． Ｙｏｓｈｉｍｕｒａ， Ｙ. Ｎａｇｕｒａ， Ｋ． Ｇｏｔｏ， Ｙ． Ｋｏｇｏ"Ｓｐｉｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒｏｔｏｒ ｆｏｒ ｆｌｙｗｈｅｅｌ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ" Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ １３６ （２０１６） ｐｐ．６２６－６３４

上述したように、従来の単純円周巻きＣＦＲＰロータには、半径降伏強度が弱いという致命的欠点があり、一方で、従来の３Ｄ織物ＣＦＲＰロータには精密な回転バランス特性が得られないという重大な欠点があることにより、共にＣＦＲＰロータに潜在的に期待された高い限界周速、高い限界蓄積エネルギーを未だ実現できていない、という問題があった。

本願発明は、かかる問題点に鑑み、限界周速と限界蓄積エネルギーとを飛躍的に向上させたフライホイール蓄電装置用の中空円盤ロータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本願発明者らは、３Ｄ織物ＣＦＲＰロータで起きたアンバランスに起因する軸振動問題が、単純円周巻きＣＦＲＰロータでは報告されていないという点に着目し、単純円周巻きＣＦＲＰロータの基本構成を保ったまま、半径降伏強度を高める構成や方法はないか思考を重ねたところ、単純円周巻きＣＦＲＰロータの半径降伏強度を、強化繊維に対して垂直方向に配向したカーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと略記する場合がある）で強化する方法を着想して、考察と検討を鋭意続けた結果、従来と比べて極めて高い限界周速と限界蓄積エネルギーを達成可能なＣＮＴ－ＣＦＲＰロータを実現することに成功した。

ＣＮＴは可撓性に富むとともに、成長軸方向に極めて強い引張強度を示す材料として広く知られている。本発明では、後述するように、この性質がロータの半径方向に顕著に発現するよう、ＣＮＴを巧妙に取り込んでいる。

請求項１の発明は、フライホイール蓄電装置用フライホイールの中空円盤ロータであって、円周巻きした複数の強化繊維（ＦＲ）と、該強化繊維の間隙を充満するマトリクス材（Ｐ）と、該強化繊維の表面を基点にしてマトリクス材に向かって上方展開するカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）と、から構成される中空円盤ロータ（ＣＮＴ－ＦＲＰロータ）であることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータにおいて、最近隣に位置する一対の前記強化繊維の単繊維の平均離間距離をｌ、平均直径をＤ、前記上方展開する前記カーボンナノチューブの平均展開距離をＴとすると、ＴとｌとＤとの間には、少なくとも、

の関係、望ましくは、

なる関係があることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータにおいて、前記強化繊維の表面の基点は、前記カーボンナノチューブが、その一端面を固着させている接ぎ木態様と、側面を一点接着させている点着固定態様との何れか一方の態様であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の中空円盤ロータにおいて、前記カーボンナノチューブは、平均の長さ寸法ｕと平均展開距離Ｔとの関係が、前記接ぎ木態様の場合

であり、前記点着固定態様の場合

であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータにおいて、前記強化繊維の平均体積占有率Ｖ_Ｆは、少なくとも０．５（５０％）以上、好ましくは０．６（６０％）以上であることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータにおいて、前記強化繊維が、炭素繊維、ホウ素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、各種金属繊維から選ばれた１つ、もしくは、２つ以上の複合繊維からなることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６記載の中空円盤ロータにおいて、前記強化繊維の直径は、平均値が少なくとも３μｍ～９μｍの範囲であって、バラつきは平均値±１μｍ以内であり、望ましくは、平均値が５μｍ～７μｍの範囲、バラつきは平均値±０．５μｍ以内であることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータにおいて、前記マトリクス材は、熱硬化性のエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂のポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂から選ばれた１つであることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータにおいて、前記カーボンナノチューブは、直径が０．５～３ｎｍの単層カーボンナノチューブ、または、直径が５～３０ｎｍの多層カーボンナノチューブ、または、前記単層カーボンナノチューブと前記多層カーボンナノチューブとが混合したカーボンナノチューブであることを特徴とする。

請求項１０の発明は、請求項９記載の中空円盤ロータにおいて、前記カーボンナノチューブは、前記マトリクス材に対する重量％濃度ｃがｃ＝０．１ｗｔ％～８ｗｔ％の範囲であることを特徴とする。

請求項１１の発明は、請求項１記載の中空円盤ロータの製造方法であって、前記強化繊維にカーボンナノチューブを固着または接着させる第１の工程と、該第１の工程によって形成されたカーボンナノチューブ付強化繊維を束ねることにより強化繊維束を形成する第２の工程と、該第２の工程により形成された前記強化繊維束とマトリクス樹脂とを用いてフィラメントワイディング法にてロータを成形する第３の工程とを備えることを特徴とする。

本発明の中空円盤ロータを示す説明図。 本発明の中空円盤ロータの強化繊維の位置関係示す説明図。 カーボンナノチューブが強化繊維表面からマトリクス材に展開する態様を示す説明図。 接近した一対の強化単繊維表面のカーボンナノチューブが再構成する様子を示す説明図。 第１実施例による中空円盤ロータの回転性能を示す表。 第２実施例によるフライホイールの構成を示す説明図。 第２実施例によるフライホイールの回転性能を示す表。

以下に適宜、図面を用いて本発明の詳細を説明する。ただし、これら図面では、理解を容易にするために、厚さと平面寸法との関係や各層の厚さの比率、強化繊維（Ｆ）やカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の太さや長さ、密度などは誇張したりデフォルメして描いている。また、同一部材には同一符号を付して再度の説明は省略する。以下、強化繊維の断面の形状はごく一般的な正円（又はほぼ正円）であるものとして説明するが、断面形状は正円に制限されない。

図１は本発明に係るフライホイール蓄電装置用フライホイールの半径方向カーボンナノチューブ強化－円周方向繊維強化プラスチック中空円盤ロータ（以下、ＣＮＴ－ＦＲＰロータまたは単にロータ）１の巨視図である。図１Ａはロータ１の斜視図、図１Ｂは任意のｒθ面でロータ１を切断したときの断面図、図１ＣはＺ軸に沿ってロータ１を切断したときの断面図である。説明の便を図るため、このロータ１は周知のｒθＺ円筒座標系のＺ軸に回転軸が一致するように置いてある。

符号２はロータ１の中央に空いた円孔（外径ａ）である。符号ｂ、ａ、ｈはそれぞれロータ１の外半径、内半径、丈（高さ）を示している。図中のｒはロータ１の任意の位置を指示する変数としての半径である。

図３に示すように、本発明のロータ１の材料構造は、基本的にマトリクス材（プラスチック）をカーボンナノチューブと強化繊維で強化したＣＮＴ－ＦＲＰ（符号３）である。ロータ１は円周巻きに積層して配設した強化繊維（Ｆ）１１と、強化繊維の間隙に充満させたマトリクス材１２と、強化繊維の表面を基点としてマトリクス材１２の中を上方に向かって展開したカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）１３とから構成される。

前記強化繊維１１の典型例は、高い引張強度を有する炭素繊維（ＣＦ）であるが、用途に応じて、ホウ素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、各種金属繊維を用いてもよい。本発明強化繊維１１の直径は、平均値が少なくとも３μｍ～９μｍの範囲であって、バラつきは平均値±１μｍ以内とする。更に言えば、平均値は５μｍ～７μｍの範囲、バラつきは平均値±０．５μｍ以内であることが、より望ましい。強化繊維１１の直径が９μｍを超えると所望の引張強度が得られない。また、直径が３μｍを下回ると強化繊維の製造生産性が大きく低下する。以下、強化繊維（Ｆ）１１は平均直径６μｍの炭素繊維（ＣＦ）であるものとして説明を行う。

図２は断面を描いた図１Ｂを更に拡大したイメージ図である。最近隣配置した強化繊維１１が取り得る２つの位置関係、即ち、６回対称配置（図２Ａ）と４回対称配置（図２Ｂ）を示している。同図においてＤは強化繊維１１の直径、ｌは最近隣位置にある一対の強化繊維の表面間距離＝平均離間距離、Ｌはこの一対の強化繊維の中心の間隔＝平均線間距離であって、Ｌ＝ｌ＋Ｄの関係がある。１２は前記マトリクス材である。なお、図１、図２には、便宜上、ＣＮＴ１３は描いていない。

本発明のＣＮＴ－ＦＲＰロータ１の円周降伏強度を向上させるという要請に応えるために、同ロータの強化繊維の平均体積占有率Ｖ_Ｆはできるだけ高い方がよいことは言うまでもない。この趣旨に照らすと、具体的には、少なくとも０．５以上、好ましくは０．６以上であることが望ましい。

ここで、６回対称配置（図２Ａ）と４回対称配置（図２Ｂ）が混在している場合の強化繊維のＶ_Ｆと直径Ｄ、離間距離ｌの関係を説明すると、６回対称配置の体積占有率Ｖ_ＦＨは図２Ａの幾何学的関係から

と表される。同様に、図２Ｂを参照すると、４回対称配置の体積占有率Ｖ_ＦＴは、

である。ロータ１においては６回対称配置の強化繊維と４回対称配置の強化繊維が同程度の割合で混じっていると仮定すると、平均体積占有率Ｖ_Ｆは、

が得られる。ロータ１の仕様としてＶ_ＦとＤが決まると、この式から、離間距離ｌが決まる。

６回対称配置の強化繊維と４回対称配置の強化繊維がｍ：ｎの割合で混じっている場合は式（１）の替りに

を用いる。

前記マトリクス材１２の材質は、たとえば、熱硬化性エポキシ樹脂である。これ以外に、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等の熱可塑性樹脂であってもよい。以下、マトリクス材１２はエポキシ樹脂であると想定して説明する。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は、周知のように、成長軸方向に５０～７０ＧＰａもの引張強度を有する補強素材である。本発明ＣＮＴ－ＦＲＰロータ１に適用する前記ＣＮＴ１３は、直径が０．５～３ｎｍの単層ＣＮＴ、または、直径が５～３０ｎｍの多層ＣＮＴ、または、前記単層ＣＮＴと前記多層ＣＮＴが混合したＣＮＴである。

本発明ロータ１におけるＣＮＴ１３は、図３に示すように、強化繊維１１の表面に「一底面が固着」または「側面が一点で接着」する態様で接続していて、接続点を基点にして、上空のマトリクス材に向かって展開している（＝散開して伸びている）。図中の符号Ｔは平均ＣＮＴ展開距離である。領域１４はＣＮＴの有効展開領域である。有効展開領域１４はＣＮＴ表面からＣＮＴ展開距離Ｔまでの空間の領域を指している。

上記マトリクス材に展開し、マトリクス材に含有されるＣＮＴ１３の重量％濃度ｃはｃ＝０．１ｗｔ％～８ｗｔ％の範囲である。濃度ｃが０．１ｗｔ％より低いと、多くの場合、有効な半径方向マトリクス強化効果が得られない。濃度ｃが８ｗｔ％より高くなると、マトリクス材が強化繊維表面まで含浸しずらくなり、製作が事実上困難になる。比較的高価な材料であるＣＮＴの過剰な消費を抑えるため、前記濃度範囲から、（ロータ１の）所望の半径引張降伏強度を満足する最少の濃度が選択される。

前記ＣＮＴ展開距離Ｔは強化繊維１１表面から測ったＣＮＴ１３展開端（浮いている方の底面）の平均高度を意味している。本発明ロータ１においては、Ｔは少なくとも

であることが必要であるが、特段の理由がなければ、

であることが望ましい。上式中のｌは前記強化繊維離間距離、Ｄは前記強化繊維の直径である。式（２’）の右辺は、４回対称配置（図２Ｂ）の対角（＝第２近隣位置）の位置にある一対の炭素繊維の位置の中点と炭素繊維の表面を直線で結ぶ距離に該当する。

ＣＮＴ１３を強化繊維１１表面に「固着」させるには、たとえば、特開２０１８－１２７４１号公報などで開示されている「接ぎ木法（図３Ａ）」を用いることができる。接ぎ木法では強化繊維（ＣＦ）の表面に極微細粒状の触媒金属（たとえばＮｉ）を被着させて、化学的気相成長法（ＣＶＤ）などでＣＮＴの成長を行う。すると、底面をＣＦ表面に固着させたＣＮＴが鉛直方向に成長する。ＣＦ表面から鉛直に成長するので、前記ＣＮＴ１３の平均長ｕは前記ＣＮＴ展開距離Ｔとほぼ等しくなり、

である。

一方、ＣＮＴ１３の一部側面を強化繊維１１の表面に「接着」させるには、たとえば、特開２０１９－６００５０号公報などで開示されている「点着固定法（図３Ｂ）」を用いることができる。この方法は強化繊維（ＣＦ）の表面に平均長ｕのＣＮＴを絡みつくように付着させた後、接着剤（たとえばエッポキシ接着剤）を点状分散させたエマルジョンタイプのサイジング剤に浸漬しサイジング処理を施すことによって、接着剤液滴１５を被着させ固化させることで、強化繊維の表面にＣＮＴの側面を点留め接着させる方法である。同文献によれば、接着剤の液滴サイズは最小０．０５μｍである。この方法で接着したＣＮＴは接着点を基点として折れてマトリクス材に展開することになるので、所望のＣＮＴ平均展開距離Ｔを得るためにはＣＮＴの平均長ｕをＴの２倍の長さにする必要がある。この関係を数式を使って表すと、

となる。

ＣＮＴ１３に関する展開距離Ｔや平均長ｕ、濃度ｃなどのパラメータは、たとえば、次のような手順で決定される。まず、ＣＮＴ－ＦＲＰロータ１の基本要件として使用する強化繊維の種類と体積占有率Ｖ_Ｆが決まったとする。そうすると、強化繊維の平均直径Ｄが確定するので、関係式（１）からＶ_ＦとＤを用いて強化繊維離間距離ｌが求まる。ｌが求まると条件式（２）または（２’）からＣＮＴ展開距離Ｔが決まる。Ｔが決まると関係式（３）または（３’）から望ましいＣＮＴ平均長ｕが決まる。

次に、ＣＮＴ－ＦＲＰロータ１の製造方法を説明する。まずはじめに、上記のように決定した平均長ｕを有するＣＮＴを備えた強化繊維を、接ぎ木法または点着固定法で製作する。このようにして製作した強化繊維をトウ（束）にして、このトウと既定のマトリクス材（たとえば熱硬化性エポキシ樹脂）を用いて、フィラメントワインディング法で巻回積層する。その後、マトリクス材を加熱固化させ、必要に応じて整形するとロータ１が完成する。所望Ｖ_Ｆを得るためには、フィラメントワインディングの形成条件、たとえばトウの張力などを調整する。

また、所望の半径降伏強度が得られるようにするために、前記ＣＮＴ濃度ｃを調節する。ＣＮＴ濃度ｃを調節する替りにＣＮＴ平均長ｕを調節してもよい。あるいは、ＣＮＴ濃度ｃとＣＮＴ平均長ｕの両方を調節することもできる。

なお、ＣＮＴ濃度ｃと半径降伏強度の関係はフィラメントワインディン条件やマトリクス材料に依存するので、これらを変更する場合は再調整が必要である。

次に、模式図４を用いて本発明の効果とその効果が生まれる機構を説明する。

硬化前のマトリクス材１２にＣＮＴ１３を展開させた任意一対の最近隣強化繊維（ＣＦ）１１ａ、１１ｂが、互いの有効展開領域Ｔが重なり合うほどに接近すると（図４Ａ：上記条件式（１））、ＣＮＴ１３の展開方向に再構成が起こり、図４Ｂのようになる。この状態でマトリクス材１２が硬化すると、両強化繊維の間のマトリクス部分がＣＮＴ１３によって連続的に強化された構造ができ上がる。

ＣＮＴ１３による強化の方向は、強化繊維が伸びる方向（ロータの円周方向）に対して垂直な方向であって、かつ、対向する強化繊維に向かう方向（ロータのｒＺ方向）である。このような強化現象がすべての最近隣強化繊維対で一斉に起こる。強化の強さは、離間距離ｌが縮まれば縮まるほど、ＣＮＴの濃度が高ければ高いほど、増大する。離間距離ｌの変更は強化繊維の体積占有率Ｖ_Ｆを介して、円周降伏強度にも影響を与えるので、通常、ｒＺ方向の強化の調節はＣＮＴ濃度で行う。

このように、本発明ＣＮＴ－ＦＲＰロータ１は、円周方向は繊維（ＣＦ）によって強化され、半径（ｒ）方向と回転軸（Ｚ）方向はカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）によって強化されたロータとなる。

こうして、本発明ＣＮＴ－ＦＲＰロータ１は、強化繊維１３の表面を基点とした多量のＣＮＴ１３によって、半径方向にも強化されているので、従来の単純円周巻きＦＲＰロータで起きた半径降伏強度が弱い、という欠点を軽減、ないしは、解消できる。さらには、本発明フライホイールＦＲＰロータ１は円周巻き法（フィラメントワインディング法）で製作されるので、従来の３Ｄ織物ＦＲＰロータで起きた精密な回転バランス特性が得られないという欠点を克服することができる。故に、これら従来の両ＦＲＰロータが有していた「期待された高い限界周速、高い限界蓄積エネルギーを未だ実現できていない」という問題を解決することができる。

第１実施例

前記説明の仕様ならびに製造方法でＣＮＴ添加円周巻き炭素繊維強化（ＣＮＴ－ＣＦＲＰ）中空円盤を形成し、切削で円周方向及び半径方向の引張試験サンプルを切り出した。このＣＮＴ－ＣＦＲＰサンプルの平均体積占有率はＶ_Ｆ＝０．７、炭素繊維の平均離間距離はｌ＝０．６１μｍであった。使用した炭素繊維はＴ１０００Ｇ（東レ製、平均半径Ｄ＝６μｍ）、マトリクス剤はエポキシ樹脂４７０－３６Ｓ（Ａｓｈｌａｎｄ Ｉｎｃ．）、カーボンナノチューブは直径は５～２０ｎｍの多層ＣＮＴであった。前記条件式（２）に従い、ＣＮＴ展開距離をＴ＝２μｍと決め、関係式（３）と（３’）を考慮して、ＣＮＴの平均長ｕは、接ぎ木態様サンプルではｕ＝３μｍ、点着固定態様サンプルではｕ＝６μｍ、になるように調節した。

ＣＮＴを添加しない参照サンプル（第１従来技術）の引張降伏強度σは、円周方向がσ_θｙ＝４．５ＧＰａ、半径方向がσ_ｒｙ＝７８ＭＰａであった。これに対して、本発明に係るＣＮＴ－ＣＦＲＰサンプルはＣＮＴ濃度ｃが増えるに従い、半径降伏強度σ_ｒｙが顕著に増加する傾向が認められ、接ぎ木態様サンプルではｃ＝１．２ｗｔ％で、点着固定態様サンプルではｃ＝２ｗｔ％で、σ_ｒｙ＝７８０ＭＰａを超えることが分った。一方、半径降伏強度σ_θｙは微かに増大したが、σ_ｒｙの増大と比べるとほぼ横ばいと言えるレベルであることが判明した。

この引張試験の結果に基づき、半径降伏強度σ_ｒｙ＝７８０ＭＰａ、円周降伏強度σ_θｙ＝４．５ＧＰａを備えた中空円盤ＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ（図１）と、従来の半径降伏強度σ_ｒｙ＝７８ＭＰａ、円周降伏強度σ_θｙ＝４．５ＧＰａを備えた単純円周巻ＣＦＲＰロータの回転応力特性の理論計算を実行した。両ロータの外半径はｂ＝０．１５ｍ、内半径ａ＝０．０３ｍ、丈ｈ＝１ｍとした。計算に用いたＣＦＲＰの物性パラメータはつぎのとおり共通であって、ヤング率：Ｅ_θ＝２．０７×１０^１１Ｐａ、Ｅ_ｒ＝１．８０×１０^１０Ｐａ、ポアソン比：ν_θ＝０．２４６、密度：ρ＝１６５０ｋｇ／ｍ^３であった。なお、各パラメータ記号に付した下付き添え字ｒ、θは円筒座標上の方向を指定している。

図５は、本発明の中空円盤ロータであるＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１と、従来の単純円周巻きＣＦＲＰロータ（第１従来技術）との回転性能を比較した表である。

図５に示すように、本発明の中空円盤ロータであるＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１の限界周速は２２００ｍ／ｓ、限界回転速度は１４１０００ｒｐｍ、限界蓄積エネルギーは４０ｋＷｈ、質量限界蓄積エネルギー密度は３５５Ｗｈ／ｋｇである、破壊モードは円周降伏であった。そして、本発明のＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１は、半径降伏で破壊する従来の単純円周巻きＣＦＲＰロータ（第１従来技術）と比べて、限界周速が約３倍、限界蓄積エネルギーが約９倍に向上していることが明らかである。なお、図示しないが、軸振動で故障する３Ｄ織物ＣＦＲＰロータ（第２従来技術）と比べても、ＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１は、同様に、限界周速と、限界蓄積エネルギーが向上することが確認できる。

第２実施例

本発明に係る第２実施例は、前記第１実施例（図５）のＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１を用いて、図６のようなフライホイール蓄電装置のフライホイール４を構成した例である。同図において、１は前記第１実施例の中空円盤ＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ、５は回転シャフト（非表示）と一体形成されたハブであって、ハブ５の半径は０．０３ｍ、高さは１ｍ、回転シャフトの半径は０．０１５ｍである。ハブと回転シャフトの材質はアルミニウム合金Ａ７０７５Ｐ（超々ジュラルミン）である。

Ａ７０７５Ｐの物性パラメータは、ヤング率：Ｅ_θ＝Ｅ_ｒ＝７．２×１０^１０Ｐａ、ポアソン比：ν_θ＝０．３、密度：ρ＝２８００ｋｇ／ｍ^３である。引張降伏強度はσ_ｒｙ＝σ_θｙ＝５．１×１０^８Ｐａである。

理論計算を実行した結果を図７の表に示す。半径０．０３ｍの超々ジュラルミンＡ７０７５Ｐハブの限界回転速度は２１００００ｒｐｍであるから、フライホイール４の限界回転速度は、ハブ５ではなくＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１の限界回転速度で決まり、その値は前記１４１０００ｒｐｍである。１４１０００ｒｐｍで回転するハブ５（丈ｈ＝１ｍ）の回転エネルギーと質量は、Ａ７０７５Ｐの物性を基にして求めると、それぞれ、１０８Ｗｈ、７．９ｋｇである。

図７に示すように、フライホイール４の限界周速は２２００ｍ／ｓ、限界蓄積エネルギーは３９.９ｋＷｈ、限界質量エネルギー密度は３３２Ｗｈ／ｋｇになる。そして、本発明のＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ１を用いたフライホイール４は、半径降伏で破壊する従来の単純円周巻きＣＦＲＰロータ（第１従来技術）を用いたフライホイールと比べて、限界周速と、限界蓄積エネルギーが向上することが確認できる。

１…ＣＮＴ－ＣＦＲＰロータ（中空円盤ロータ）
２…ロータの円孔
３…ＣＮＴ－（Ｃ）ＦＲＰ
４…ＣＮＴ－（Ｃ）ＦＲＰロータを具有するフライホイール
５…ハブ
１１…強化繊維（ＣＦ）
１２…マトリクス材
１３…ＣＮＴ
１４…ＣＮＴ有効展開領域
１５…液滴状接着剤
ｂ…ＦＷロータの外半径
ａ…ＦＷロータの内半径
ｈ…ＦＷロータの丈
ｒ…ロータ半径（変数）
θ…方位角（変数）
Ｚ…中心軸
Ｄ…強化繊維の直径
ｌ…最近隣強化繊維の離間距離
Ｌ…最近隣強化繊維の中心線間距離
Ｔ…ＣＮＴ有効展開距離

Claims (11)

1. フライホイール蓄電装置用フライホイールの中空円盤ロータであって、円周巻きした複数の強化繊維と、該強化繊維の間隙を充満するマトリクス材と、該強化繊維の表面を基点にしてマトリクス材に向かって上方展開するカーボンナノチューブと、から構成されることを特徴とする中空円盤ロータ。
2. 最近隣に位置する一対の前記強化繊維の単繊維の平均離間距離をｌ、平均直径をＤ、前記上方展開する前記カーボンナノチューブの平均展開距離をＴとすると、ＴとｌとＤとの間には、少なくとも、
   

   

   の関係、望ましくは、
   

   

   なる関係があることを特徴とする請求項１記載の中空円盤ロータ。
3. 前記強化繊維の表面の基点は、前記カーボンナノチューブが、その一端面を固着させている接ぎ木態様と、側面を一点接着させている点着固定態様との何れか一方の態様であることを特徴とする請求項１記載の中空円盤ロータ。
4. 前記カーボンナノチューブは、平均の長さ寸法ｕと平均展開距離Ｔとの関係が、前記接ぎ木態様の場合
   

   

   であり、前記点着固定態様の場合
   

   

   であることを特徴とする請求項３記載の中空円盤ロータ。
5. 前記強化繊維の平均体積占有率Ｖ_Ｆは、少なくとも０．５（５０％）以上、好ましくは０．６（６０％）以上であることを特徴とする請求項１記載の中空円盤ロータ。
6. 前記強化繊維が、炭素繊維、ホウ素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、各種金属繊維から選ばれた１つ、もしくは、２つ以上の複合繊維からなることを特徴とする請求項１記載の中空円盤ロータ。
7. 前記強化繊維の直径は、平均値が少なくとも３μｍ～９μｍの範囲であって、バラつきは平均値±１μｍ以内であり、望ましくは、平均値が５μｍ～７μｍの範囲、バラつきは平均値±０．５μｍ以内であることを特徴とする請求項６記載の中空円盤ロータ。
8. 前記マトリクス材は、熱硬化性のエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、あるいは、熱可塑性樹脂のポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリカーボネート系樹脂から選ばれた１つであることを特徴とする請求項１記載の中空円盤ロータ。
9. 前記カーボンナノチューブは、直径が０．５～３ｎｍの単層カーボンナノチューブ、または、直径が５～３０ｎｍの多層カーボンナノチューブ、または、前記単層カーボンナノチューブと前記多層カーボンナノチューブとが混合したカーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１記載の中空円盤ロータ。
10. 前記カーボンナノチューブは、前記マトリクス材に対する重量％濃度ｃがｃ＝０．１ｗｔ％～８ｗｔ％の範囲である、ことを特徴とする請求項９記載の中空円盤ロータ。
11. 請求項１記載の中空円盤ロータの製造方法であって、
    前記強化繊維にカーボンナノチューブを固着または接着させる第１の工程と、
    該第１の工程によって形成されたカーボンナノチューブ付強化繊維を束ねることにより強化繊維束を形成する第２の工程と、
    該第２の工程により形成された前記強化繊維束とマトリクス樹脂とを用いてフィラメントワイディング法にてロータを成形する第３の工程とを備えることを特徴とする中空円盤ロータの製造方法。

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