JP3356363B2

JP3356363B2 - 高速回転体

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Publication number: JP3356363B2
Application number: JP17039795A
Authority: JP
Inventors: 郁夫堀部; 清本間; 明西村
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 2002-12-16
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JPH08338478A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高速回転体に関し、と
くに繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰとも言う。）
を用いた、フライホイールや遠心分離機のローター等の
高速で回転する高速回転体、風車の羽根等の比較的高速
で回転する場合がある高速回転体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰは、軽量でありながら優れた機械
的特性を有していることから、各種フライホイールや遠
心分離機のローター、風車の羽根等の高速回転体におい
て、従来用いられていた軽量合金材や鋼板、あるいは単
なるプラスチックに代わる材料として注目され始めてい
る。中でも、比弾性率が大きく、かつ、比強度が大きい
炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチック（以下、Ｃ
ＦＲＰとも言う。）は、高い機械的特性を示す。

【０００３】ＦＲＰは、通常、複数層の強化繊維材に樹
脂が含浸され、成形されたものに構成されるが、成形
前、成形時の取扱い易さ、型への沿わせ易さ、成形後の
ＦＲＰとして優れた特性が得られること等の面から、強
化繊維材として織物の形態にした強化繊維織物が多用さ
れている。

【０００４】ところで、炭素繊維糸は、通常その繊度が
大きくなる程、プリカーサおよび耐炎化工程や焼成工程
での生産性が向上し、安価に製造することが可能とな
る。

【０００５】しかし、通常の強化繊維織物は、強化繊維
をほぼ円形断面に集束させた強化繊維糸を用いて織物に
しているので、織り込まれた状態においては、たて糸と
よこ糸が交錯する交錯部における強化繊維糸の断面が楕
円形で、織糸が大きくクリンプしている。特に、太い強
化繊維糸を使用した強化繊維織物では、太いよこ糸と太
いたて糸が交錯しているのでこの傾向が大きくなる。

【０００６】このため、強化繊維糸が大きくクリンプし
た強化繊維織物では、繊維密度が不均一となって高強度
特性を充分に発揮できない。また、強化繊維糸が大きく
クリンプしていると、成形されたＦＲＰの表面平滑性も
良くない。さらに、太い強化繊維糸を使用した強化繊維
織物は、一般に、織物目付や厚みが大きくなるため、プ
リプレグやＦＲＰを成形するときの樹脂含浸性が悪くな
る。

【０００７】従って、太い強化繊維糸を製織した強化繊
維織物を用いて得られるＦＲＰやＣＦＲＰは、樹脂中に
存在するボイドが多くなり高い強度特性が期待できな
い。

【０００８】一方、太い強化繊維糸を使用して織物目付
を小さくすると、強化繊維糸間に形成される空隙が大き
くなる。このため、織物目付の小さい強化繊維織物を用
いてＦＲＰやＣＦＲＰを成形すると、強化繊維の体積含
有率が低くなり、強化繊維糸間に形成される空隙部分に
樹脂のボイドが集中的に発生し、高性能な複合材料が得
られなくなるという欠点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
現状に着目し、とくに高速回転体において、該部材を特
定の強化繊維織物を用いたＦＲＰを含む部材とすること
により、目標とする高強度化をはかりつつ軽量化するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的に沿う本発明の
高速回転体は、複数層の強化繊維材に樹脂が含浸されて
なる繊維強化プラスチックを含む高速回転体において、
少なくとも１層の強化繊維材が、単糸の糸幅が３〜１６
ｍｍ、糸幅／厚み比が２０以上の扁平で、かつ破壊歪み
エネルギーが４．０ｍｍ・ｋｇｆ／ｍｍ ³ 以上である炭
素繊維糸をたて糸とよこ糸の少なくとも一方とする強化
繊維織物であって、前記たて糸とよこ糸の少なくとも一
方は織物の状態で繊維が並行している扁平糸織物からな
ることを特徴とするものからなる。

【００１１】上記たて糸とよこ糸の少なくとも一方を、
上記扁平な炭素繊維糸を複数積層した形態とすることも
できる。このようにすれば、目付の大きな織物が可能と
なり、より繊維体積含有率の大きなＦＲＰの成形が可能
となる。

【００１２】また、本発明においては、強化繊維糸とし
て、とくに、高弾性率、高強度の炭素繊維糸が用いられ
る。また、とくに風車の羽根等にあっては、炭素繊維と
ガラス繊維のハイブリッド構成も好適である。そして、
上記のような扁平な炭素繊維糸は、通常、マルチフィラ
メント糸の形態とされる。

【００１３】このような扁平な炭素繊維糸からなる織物
の織糸には、実質的に撚りがなく繊維が並行しているこ
とが必要である。ここで「実質的に撚りがない」とは、
糸長１ｍ当たりに１ターン以上の撚りがない状態をい
う。つまり、現実的に無撚の状態をいう。織物の状態で
実質的に撚りがないことが必要である。そのためには、
無撚の扁平な炭素繊維糸のボビンを横取り解舒させ、解
舒撚りが入らないようにたて糸およびよこ糸供給を行っ
て織物にする。

【００１４】織糸に撚りがあると、その撚りがある部分
で糸幅が狭く集束して分厚くなり、製織された織物の表
面に凹凸が発生する。このため、製織された織物は、外
力が作用した際にその撚り部分に応力が集中し、ＦＲＰ
等に成形した場合に強度特性が不均一となってしまう。

【００１５】扁平な炭素繊維糸単糸の糸幅は３〜１６ｍ
ｍの範囲とされる。この範囲の糸幅が製織し易く、糸厚
みとの関係から、最適な扁平状態が得やすい。糸幅／糸
厚み比は、２０以上とされる。２０未満では、高いカバ
ーファクターを得ようとすると、織糸のクリンプを極小
に抑えることが難しくなる。

【００１６】このような最適な扁平状態の、実質的に撚
りがない織糸からなる強化繊維織物は、織糸の繊度を大
きくしても、各織糸の交錯部におけるクリンプは極めて
小さく抑えられ、ＣＦＲＰにした際に高い強度特性が得
られる。クリンプが小さいので、ＣＦＲＰにした際の表
面平滑性が良く、所望の高速回転体の表面形態が容易に
得られる。また、織糸の繊度を上げられることから、織
糸、ひいては強化繊維織物は、より安価に製造される。

【００１７】また、クリンプが極めて小さく抑えられる
ので、織物目付を高く設定でき、かつ、織糸の扁平状態
を確保した状態にてカバーファクターを極めて高く、た
とえば、９５〜１００％に設定することが可能となる。
したがって、ＦＲＰにおいて、繊維含有率を高く設定で
きるとともに、織糸間の樹脂リッチな部分を極めて小さ
く抑えることができ、高強度でかつ均一な強度特性を有
する複合材料が得られる。

【００１８】さらに、織物の形態で各織糸が扁平な状態
に維持されているから、樹脂の含浸性が極めてよい。し
たがって、一層均一な特性の複合材料が得られ、目標と
する強度特性が容易に得られる。

【００１９】ここで、カバーファクターＣｆ（％）と
は、織糸間に形成される空隙部の大きさに関係する要素
で、織物上に面積Ｓ₁の領域を設定したとき、面積Ｓ₁
内において織糸に形成される空隙部の面積をＳ₂とする
と、次式で定義される値をいう。カバーファクターＣｆ＝［（Ｓ₁−Ｓ₂）／Ｓ₁］×１
００

【００２０】本発明の強化繊維織物は、薄い扁平な強化
繊維糸からなるたて糸やよこ糸を用いている。従って、
目抜け度の小さな、すなわちカバーファクターが大きな
織物となる。このようなカバーファクターの大きな強化
繊維織物を用いてＦＲＰを成形すると、均一な成形品が
得られ、樹脂中にボイドが入ったり、応力が集中するよ
うな繊維分布むらが発生しない。

【００２１】なお、上記のような扁平糸自身の作成方法
としては、たとえば、強化繊維糸の製造工程において、
複数の強化繊維からなる繊維束をロール等で所定の幅に
拡げ、扁平な形状にしてそのまま保持するか、あるいは
元に戻らないようにサイジング剤等で形態を保持させれ
ばよい。とくに、扁平形状を良好に保持するためには、
扁平糸に０．１〜１．５重量％程度の小量のサイジング
剤を付着させておくことが好ましい。

【００２２】前記扁平な強化繊維をたて糸およびよこ糸
とする織物とする場合には、織物目付が１００〜３００
ｇ／ｍ²であることが好ましい。また、扁平な強化繊維
糸をたて糸とよこ糸の少なくとも一方とする織物であっ
て、該たて糸とよこ糸の少なくとも一方が、扁平な強化
繊維糸が複数積層されてなる織物とする場合には、織物
目付が２００〜６００ｇ／ｍ²であることが好ましい。
扁平な織糸であるため、このように複数積層した状態で
織成しても、クリンプは小さく抑えられる。そして、積
層により織物の繊維密度を高めることができる。

【００２３】さらに、補助糸を用いた織物の形態とする
こともできる。補助糸としては、繊度が２，０００デニ
ール以下の細い繊維からなる扁平な織糸を使用すること
が好ましく、さらに好ましくは５０〜６００デニールで
ある。補助糸は、繊度が大きいとクリンプが大きくな
り、また、繊度が小さいと製織や取扱いに際して切断し
易い。この補助糸は、並行する扁平な織糸を一体に保持
することを目的に使用され、炭素繊維やガラス繊維など
の無機繊維、ポリアラミド繊維、ビニロン繊維、ポリエ
ステル繊維などの有機繊維が使用でき、種類に関しては
特に限定はない。

【００２４】ここで、織物の繊維密度とは、次式で定義
される値をいう。織物の繊維密度（ｇ／ｍ³）＝［織物目付（ｇ／
ｍ²）］／［織物厚さ（ｍｍ）］なお、織物目付（ｇ／ｍ²）および織物厚さ（ｍｍ）
は、それぞれＪＩＳＲ７６０２に準拠して測定した値
である。

【００２５】このような強化繊維織物からなる強化繊維
材が複数層積層され、樹脂が含浸されてＦＲＰに成形さ
れる。織物の積層構成としては特に限定されず、一方向
でも交差積層でもよい。一方向性織物を用いる場合に
は、織糸配列方向を、高速回転体の強度特性が要求され
る方向に向ければよい。例えばフライホイールにおいて
は、回転体の回転方向に織物を巻いていき、その方向に
織糸が延設されるようにすればよい。また、風車の羽根
においては、羽根の長手方向に一方向性織物の織糸が延
びるように配設し、その方向と直交する方向にも強度が
要求されるので、該直交方向にも少数一方向性織物ある
いは他の織物を配設すればよい。

【００２６】本発明においては、強化繊維織物の強化繊
維糸として炭素繊維糸を使用するが、使用する炭素繊維
扁平糸の特性として、引張弾性率が高く、破壊歪エネル
ギーが大きく、引張強度（引張破断強度）が高いことが
好ましい。引張弾性率としては、２０×１０³ｋｇｆ／
ｍｍ²以上であることが好ましく、とくに本発明では、
破壊歪エネルギーとしては、４．０ｍｍ・ｋｇｆ／ｍｍ
³以上としている。高引張弾性率とすることにより、高
速回転体として好ましい剛性等が確保され、高破壊歪エ
ネルギーとすることにより、成形されるＦＲＰの耐衝撃
性が向上し、風車の羽根等において万一外部衝撃力が加
わったとしても、容易に破壊しないだけの高い耐衝撃性
を発揮できる。炭素繊維糸の引張強度としては、４５０
ｋｇｆ／ｍｍ²以上であることが好ましく、これによっ
て、成形されるＦＲＰの強度が確保される。

【００２７】上記において、引張弾性率はＪＩＳ−Ｒ７
６０１に準拠して測定されるものである。破壊歪エネル
ギー（ｗ）は、ＪＩＳ−Ｒ７６０１に準拠して測定され
た引張強度をσ（ｋｇｆ／ｍｍ²）を、上記引張弾性率
をＥ（ｋｇｆ／ｍｍ²）としたとき、式、ｗ＝σ²／２Ｅで定義されるものである。

【００２８】上述のような強化繊維織物からなる強化繊
維材が複数層積層され、該強化繊維材に樹脂が含浸さ
れ、ＦＲＰからなる高速回転体に成形される。高速回転
体は、このＦＲＰを用いた構成、例えば、該ＦＲＰから
なる部位と軸体あるいは支持体との組合せ構造に構成さ
れている。

【００２９】なお、本発明に係るＦＲＰ成形に使用する
マトリクス樹脂としては、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、ポリイミド樹脂、フ
ェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。これらの
熱硬化性樹脂は、織物に含浸された状態ではＢステージ
である。また、マトリクス樹脂として、ナイロン樹脂、
ポリエステル樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ビスマ
レイミド樹脂等の熱可塑性樹脂も使用することができ
る。

【００３０】本発明に係る高速回転体においては、その
ＦＲＰ成形に用いられる強化繊維織物を特定の扁平糸織
物としたので、軽量化は勿論のこと、表面平滑性に優
れ、かつ、機械的特性、耐衝撃性に優れた部材を実現で
きる。したがって、このような優れた特性を有するＦＲ
Ｐは、各種の高速回転体、例えば、各種のフライホイー
ル、遠心分離機のローター、風車の羽根等の高速回転体
に適用できる。

【００３１】

【実施例】以下に、本発明に係る高速回転体について、
図面を参照して各々具体的に説明する。図１は、本発明
の一実施例に係る高速回転体としてのフライホイール１
を示している。フライホイール１は、回転質量部２と、
軸体３とから構成されており、この回転質量部２が本発
明に係るＦＲＰから構成されている。

【００３２】回転質量部２は、本発明に係る扁平糸織物
を回転質量部２の回転方向に巻いていき、それに樹脂を
含浸させてＦＲＰに成形することにより、形成される。
扁平糸織物は一方向性織物でも交差織物でもよいが、一
方向性織物の場合には扁平糸の配列方向を回転質量部２
の回転方向に合わせるとよい。

【００３３】このようなＦＲＰを含むフライホイール
は、高速回転に対して極めて高い機械的強度を発揮でき
る。

【００３４】図２は、遠心分離機（例えばウラン遠心分
離機）の内部構造を示したものである。図において、２
１は真空タンク、２２は誘導式のモータを示しており、
該モータ２２によって、上部軸受２３および下部軸受２
４を介して回転自在に支持されたローター２５が回転さ
れるようになっている。このローター２５に、とくにそ
の回転胴部２６に本発明に係る扁平糸織物を含むＦＲＰ
を用いることができる。

【００３５】このようなＦＲＰを含む遠心分離機用ロー
ター２５は、高速回転に対して極めて高い機械的強度を
発揮できる。

【００３６】図３は、風車３１を示している。風車３１
は、鉄塔３２、回転支承部３３を備えており、該回転支
承部３３に羽根３４が回転自在に支承されている。羽根
３４は、例えば図４に示すように羽根部３５と基部３６
とを有する構造に構成されているが、この羽根部３５に
本発明に係る扁平糸織物を含むＦＲＰを用いることがで
きる。

【００３７】羽根部３５は、とくにその長手方向Ｘ−Ｘ
に強度を高める必要があるので、織物中の扁平糸がとく
にこの方向に配列されるようにすることが好ましい。

【００３８】このようなＦＲＰを含む風車の羽根３４
は、比較的高速の回転に対して極めて高い機械的強度を
発揮でき、さらに、鳥やひょう等による外部衝撃に対し
ても高い耐衝撃性を発揮できる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の高速回転
体によるときは、特定の扁平糸織物を用いて成形したＦ
ＲＰを含む構成としたので、軽量化を達成しつつ、高い
機械的強度、良好な表面平滑性および高い耐衝撃性を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフライホイールの斜視図である。

【図２】本発明に係るローターを有する遠心分離機の概
略縦断面図である。

【図３】本発明に係る羽根を有する風車の側面図であ
る。

【図４】図３の風車の羽根の平面図である。

【符号の説明】

１フライホイール２回転質量部３軸体２１真空タンク２２モータ２３上部軸受２４下部軸受２５ローター２６回転胴部３１風車３２鉄塔３３回転支承部３４羽根３５羽根部３６基部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＤ０３Ｄ 15/12 Ｂ２９Ｋ 105:08 // Ｂ２９Ｋ 105:08 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｘ (56)参考文献特開平６−136632（ＪＰ，Ａ) 特開平７−118988（ＪＰ，Ａ) 特開平６−210748（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−8687（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16F 15/305 B29C 70/10 B32B 5/00 C08J 5/24 D03D 15/00 F16F 15/305 B29C 70/00 - 70/88 B32B 5/00 C08J 5/24 D03D 15/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数層の強化繊維材に樹脂が含浸されて
なる繊維強化プラスチックを含む高速回転体において、
少なくとも１層の強化繊維材が、単糸の糸幅が３〜１６
ｍｍ、糸幅／厚み比が２０以上の扁平で、かつ破壊歪み
エネルギーが４．０ｍｍ・ｋｇｆ／ｍｍ ³ 以上である炭
素繊維糸をたて糸とよこ糸の少なくとも一方とする強化
繊維織物であって、前記たて糸とよこ糸の少なくとも一
方は織物の状態で繊維が並行している扁平糸織物からな
ることを特徴とする高速回転体。
【請求項２】前記たて糸とよこ糸の少なくとも一方は
前記扁平な炭素繊維糸が複数積層されてなる、請求項１
の高速回転体。
【請求項３】前記炭素繊維糸の引張弾性率が２０×１
０ ³ ｋｇｆ／ｍｍ ² 以上である、請求項１または２の高
速回転体。
【請求項４】前記炭素繊維糸の引張強度が４５０ｋｇ
ｆ／ｍｍ ² 以上である、請求項１ないし３のいずれかに
記載の高速回転体。
【請求項５】織物目付が１００〜６００ｇ／ｍ ² であ
る、請求項１ないし４のいずれかに記載の高速回転体。
【請求項６】前記繊維強化プラスチックが、炭素繊維
とガラス繊維とのハイブリッド構成を有している、請求
項１ないし５のいずれかに記載の高速回転体。
【請求項７】フライホイールである、請求項１ないし
６のいずれかに記載の高速回転体。
【請求項８】遠心分離機のローターである、請求項１
ないし６のいずれかに記載の高速回転体。
【請求項９】風車の羽根である、請求項１ないし６の
いずれかに記載の高速回転体。