JP5226950B2 - 型枠を備えた改良構造用サンドイッチ板 - Google Patents
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Description
本発明は、一対の外側プレートと、この外側プレートに接合されたプラスチック又はポリマー材料からなるコア（芯材）とを具備してなる構造用サンドイッチ板であって、このコアがこのサンドイッチ板の構造強度に実質的に寄与するような十分な強度で前記外側プレートに接合されてなるものに関する。
構造用サンドイッチ板は特許文献１並びに特許文献２（いずれも参照としてここに組み込まれるものとする）に記載されており、これはスチールなどの外側金属板(複数)を具備してなり、これらが例えば未発泡ポリウレタンからなる中間エラストマーコアに接合されたものとなっている。このような構造用サンドイッチ板システムは補剛スチール板、成形スチール板に代って多くの形の構造に使用することができる。しかも、結果的に得られる構造を簡素化し、重量を軽減させながら強度および構造性能(例えば、剛性、防振性)を改善させるものとなる。このような構造用サンドイッチ板を更に改善させたものが特許文献３（参照としてここに組み込まれるものとする）に記載されている。この特許文献に記載されているように、コア層に気泡形状を組み込み、重量を軽減させ、横断金属シアプレートを加えて剛性を改善することもできる。
この特許文献３の教示によれば、上記の気泡形状は中空であっても、あるいは中実であってもよい。中空の気泡形状は重量を著しく軽くするという点で有利である。この特許文献３に記載されている形状は軽量の発泡材料から作られるものに限定されず、ウール又はスチールボックスのような他の材料からなるものでもよいとされている。
国際特許出願である下記の特許文献４には、中空形状を含む構想を更に発展させたもので、製造および組立てが容易となる形状物が記載されている。ここには特に、スナップ嵌め片から作られた中空長尺形状のものが記載されている。この特許文献４において優先権が主張されている英国特許出願公開第２３７４０３８Ａ号明細書には球状部材の使用が提案されている。しかし、具体的な詳細、例えば、サイズやその材質については何ら言及されていない。
特許文献３および４においては、長尺形状物（型枠）が、製造されるサンドイッチ板に応じてその大きさが定められている。すなわち、これら２つの特許文献に記載されている技術は、同一のサンドイッチ板を多数作り、この形状物が経済的に大量生産（例えば成形により）できる場合に最も適している。或るサイズ又は或る形状のサンドイッチ板を少数作成するとなると、この形状物を人手で作ることが必要となり、比較的高価なものとなる。
本発明は、異なるサイズ及び/又は形状のプレートに容易に適用できる型枠（フォーム；ｆｏｒｍｓ）又はインサートを備えた構造用サンドイッチ板を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、第１および第２の外側プレートと、これら外側プレートに対し、これらの間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で、接合されたプラスチック又はポリマー材料からなるコアと、このコア内に設けられた複数の軽量型枠とを具備してなり、これら型枠が金属製の前記外側プレートに平行な面で互いにぴったり合致せず（すなわち、実施的に隙間なく互いにぴったり合致しない:以下同様）、その主要寸法が前記外側金属プレート間の距離の２０ないし２００％の範囲である構造用サンドイッチ板を提供するものである。
“主要寸法”の用語は、球の直径、卵形体の長径および短径、立方体の長さ、深さおよび幅などを示すものである。不規則な形状の場合は、この主要寸法は、その形状が嵌挿し得る最小の四角形のボックスの寸法とみなすことができる。
一対の金属層間の間隙と寸法がほぼ同等であり、従ってサンドイッチ板の横方向寸法（長さ／幅）と比較して比較的小さい型枠を使用することにより、任意の形状のプレートを、手による調整を要することなく、大量生産の標準型枠を使用して製造することができる。この型枠の具体的形状は多くの場合、重要でないが、特定の形状で更なる利点を得ることもできる。これら型枠はぴったり合致しないものであることが必要であり、従ってこれら型枠間に、外側プレートを接合させるコア材料のための空隙が形成される。この型枠の形状および配置を変化させ、コア材料により占められる外側プレート間の容積の割合を変化させることができる。
この型枠は単一層又は複数層で配置することができる。複数層の場合、或る用途においては、１つの層の型枠がその下層の型枠と直接重なるようにし、それによりコア材料が外側プレート間にて垂直に延出する部分が存在することになる。型枠を複数層に設けた場合、中間層をこれら型枠の層間に設けてもよい。この中間層は高張力材料、例えばＫｅｖｌａｒ(登録商標)又はＳｐｅｃｔｒａ(登録商標)などの高張力繊維、繊維強化プラスチック、あるいはサンドイッチ板の爆風及び/又は銃弾抵抗を改善する他の適当な繊維、メッシュ又はセラミックシートからなるものでよい。この中間層は、製造時にコア全域にコア材料の流れを可能にするように孔を設け、又はその他の形状とし、それにより外側層間のせん断強度を向上させたものでもよい。この中間層は更に、型枠の配置を助けるため、例えば外側層間の間隙を定めるため、又は異なる層中での型枠の相対的位置を定めるために使用することができる。それにより、サンドイッチ板の性能を向上させることができる。
特に好ましい型枠は球状中空ボールであって、直径が前記外側金属層間の距離の１／Ｎに実質的に等しいものである。ここで、Ｎは１ないし５の自然数である。例えば、これらのボールは２０ないし１００mmの範囲の直径を有し、サンドイッチ板内にて単一層又は複数層として使用することができ、この場合、コアの厚みは２０ないし１００mmの範囲とする。ポリプロピレンからなるボールが特に好ましく、これは中実のもの、又は好ましくは固い外皮を有する中空のものでよい。中実のボールは重量の大きな軽減を齎すものではないが、コア材料として好ましいエラストマーよりも安価であるという利点を有する。このようなボールは広く入手可能であり、安価に製造することができる。
この型枠には複数の突起を設けて型枠相互間の間隙を増大するようにし、コア材料により占められるコアのキャビティの割合を増大させてもよい。これら突起は、隣接する型枠との関係での相対的形状および位置を適当に決定するように配置させることができ、それによりコア材料により満たされる空隙の形状を決定させ、例えばコア材料の連続体の形成を確保するようにしてもよい。
これら型枠の配置を助け、型枠相互間を離間させ、及び/又は型枠を外側金属層から離間させるためにワイヤーなどのメッシュを使用することもできる。
本発明の構造用サンドイッチ板の外側プレートの材料、寸法および一般的特性は、この構造用サンドイッチ板が使用される具体的用途に適応させて選択することができ、一般に、特許文献１および特許文献２に記述されているようなものでよい。スチール又はステンレススチールは通常、０．５ないし２０mmの厚みのものが使用され、アルミニウムは、軽量な製品が望ましい場合に使用することができる。一般に、アルミニウムはスチールの２ないし４倍の厚みのもの（すなわち、１ないし５０mm）が使用され、同等の強度が得られるようにする。同様に、プラスチック又はポリマーコアは任意の適当な材料、例えば特許文献１および特許文献２に記載されているように、ポリウレタンなどのエラストマーからなるものでよい。
更に、本発明は構造用サンドイッチ板の製造方法を提供するものである。この方法は、第１および第２の外側プレートを互いに離間させ、その間の空隙に複数の軽量型枠を配置させる工程であって、これら型枠が外側金属プレートに平行な面で互いにぴったり合致せず、その主要寸法が前記外側金属プレート間の距離の２０ないし２００％の範囲であるものと、未硬化のプラスチック又はポリマー材料を、前記外側プレートと、前記の複数の型枠の周面との間に形成された空間に満たす工程と、このプラスチック又はポリマー材料を硬化させ、外側プレート間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で前記外側プレートを互いに接合させる工程と、を具備してなることを特徴とする。
以下、本発明を、添付図面を参照して具体例について説明する。これら図面において、同一部分に対しては同一の参照符号が付されている。
図１に示す構造用サンドイッチ板は、上方外側プレート１１および下方外側プレート１２（これらをフェースプレートとも呼ぶ）を具備してなり、これらはスチール（厚みが例えば０．５mmないし２０mmの）又はアルミニウム（厚みが例えば１mmないし５０mmの）製のものである。これらフェースプレート１１，１２間にはその外側周縁に沿ってエッジプレートが溶接され、それにより閉塞キャビティが形成されている。その他、このサンドイッチ板を成形型内で組立て、エッジプレートを必要としないようにしてもよい。これらフェースプレート１１，１２間のキャビティ内にはプラスチック又はポリマー材料、好ましくはポリウレタンエラストマーなどの熱硬化性材料からなるコア１３が配置されている。このコアは厚みが１５ないし２００mmの範囲のものでよく、ここでは５０mmの厚みが適当である。このコア１３は、これらフェースプレート１１，１２に対し十分な強度で接合され、これらプレート間で使用時に予想されるせん断力を伝達するのに十分な機械的特性を有している。なお、この場合、コンパクトに作成することが好ましい。このコア１３と、これらフェースプレート１１，１２との間の接着強度は３ＭＰaよりも大きく、好ましくは６ＭＰａよりも大きいことが要求される。コア材料の弾性率は２００ＭＰａよりも大きく、好ましくは２５０ＭＰａよりも大きいことが要求される。より低い弾性率のものは高温条件に曝されない場合に使用される。例えば通常の使用および占有荷重が１．４ｋＰａないし７．２ｋＰａの程度である床パネルなどの低荷重での用途においては、この接着強度はより低いもの、例えば、約１ＭＰａであってもよい。このコア層の存在により、この構造用サンドイッチ板は、厚みが実質的に大きく、剛性を有意に付加した剛性スチールプレートと同程度の強度および耐荷力を有することになる。このプレートはもちろん平坦である必要はなく、使用目的に応じて必要な任意の形状のものであってよい。
図１に示す構造用サンドイッチ板は、上方外側プレート１１および下方外側プレート１２（これらをフェースプレートとも呼ぶ）を具備してなり、これらはスチール（厚みが例えば０．５mmないし２０mmの）又はアルミニウム（厚みが例えば１mmないし５０mmの）製のものである。これらフェースプレート１１，１２間にはその外側周縁に沿ってエッジプレートが溶接され、それにより閉塞キャビティが形成されている。その他、このサンドイッチ板を成形型内で組立て、エッジプレートを必要としないようにしてもよい。これらフェースプレート１１，１２間のキャビティ内にはプラスチック又はポリマー材料、好ましくはポリウレタンエラストマーなどの熱硬化性材料からなるコア１３が配置されている。このコアは厚みが１５ないし２００mmの範囲のものでよく、ここでは５０mmの厚みが適当である。このコア１３は、これらフェースプレート１１，１２に対し十分な強度で接合され、これらプレート間で使用時に予想されるせん断力を伝達するのに十分な機械的特性を有している。なお、この場合、コンパクトに作成することが好ましい。このコア１３と、これらフェースプレート１１，１２との間の接着強度は３ＭＰaよりも大きく、好ましくは６ＭＰａよりも大きいことが要求される。コア材料の弾性率は２００ＭＰａよりも大きく、好ましくは２５０ＭＰａよりも大きいことが要求される。より低い弾性率のものは高温条件に曝されない場合に使用される。例えば通常の使用および占有荷重が１．４ｋＰａないし７．２ｋＰａの程度である床パネルなどの低荷重での用途においては、この接着強度はより低いもの、例えば、約１ＭＰａであってもよい。このコア層の存在により、この構造用サンドイッチ板は、厚みが実質的に大きく、剛性を有意に付加した剛性スチールプレートと同程度の強度および耐荷力を有することになる。このプレートはもちろん平坦である必要はなく、使用目的に応じて必要な任意の形状のものであってよい。
このサンドイッチ板の重量を軽くするため、複数の軽量型枠１４をコア内に設けてもよい。この実施例では、型枠１４は中空で、固い外皮のポリウレタンボールからなり、その直径は外側プレート１１，１２間の距離“Ｄ”と実質的に等しくなっている。図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示す図２に示すように、これらボール１４は直交する行列に配置され、これらボール間に実質的な間隙が残されている。この型枠の配列は、使用時における主たる荷重が、図２に矢線で示す横方向および縦方向に沿って向けられる場合に特に適している。これらの間隙には、外側金属プレートを互いに接合させるコア材料が充填される。このボールの曲率のため、コア材料は、外側プレート間に直接延出し、この外側プレートに対し広範囲で接合されたカラム状構造を形成する。従って、その接合強度は中実のコアと比較してほぼ５％以下減少するに過ぎず、せん断力伝達能は維持されることになる。
このボール１４は更に、図３に示すような六角形配列で高密度で詰められていてもよい。これは、より軽いサンドイッチ板２０を生じさせる。なぜならば、コア材料１３で占められるコアキャビティの割合が減少するからである。このサンドイッチ板は、図３に矢線で示すように、主な荷重が斜め方向に向けて付加されるような用途に特に適している。
構造用サンドイッチ板１０を製造するため、エッジプレートを下方フェースプレート１２の周縁に沿って溶接し、ついでボール１４が、得られた開口キャビティ内に配置される。この段階で、コアの任意のプレキャスト(成形済み)部分を所定位置に配置することができる。同じく、所望のせん断プレート又は他の取付け部品も所定位置に配置することができる。ついで、上方フェースプレート１１をエッジプレートに溶接し、閉塞したキャビティを形成し、これにプラスチック又はポリマー材料を注入しコア１３を形成する。ついで、注入された材料を硬化させ、この注入工程で使用された注入ポートをつぶし、通気孔と共に封止する。これらの工程は現場又は工場内のオフサイトで行うことができる。完成したパネルは設置現場に輸送される。このコアの注入の前において、このボール１３は上方フェースプレート１１を支持するのに役立ち、従って、たるみを生じさせることなく、かつ、内部支持部材を必要とすることなく、より大きなサンドイッチ板を製造することができる。
本発明の第２の実施例が図４に示されている。この第２の実施例による構造用サンドイッチ板３０は、ボール１４の層が２層になっている以外は第１の実施例と同様である。これにより、コアのカラム状構造の間隙を増大することなく、より厚いサンドイッチ板を作ることを可能にする。好ましくは、図示するように、１つの層のボールが他の層のボールと重なるようにする。しかし、より小さな荷重の用途においては、これらボールを垂直方向に、あるいは水平方向に密に詰めてもよい。もちろん、この型枠を３層以上に設けてもよく、更に、各層が全て同じものである必要はない。しかし、５層以下とすることが好ましい。
図５は、本発明の第３の実施例を示している。この場合、ボールの層の上下にメッシュ１５が設けられていて、これらボールを外側金属プレートから離間させ、コアと外側金属プレートとの間の接合領域を増大させている。金属プレート１１，１２に隣接するコア材料の中実層の存在は、硬化を改善させ、サンドイッチ板全体を通してより均一な衝撃抵抗を確保させることになる。このメッシュは、手で所望の形状に成形することができる単線メッシュであってもよい。このメッシュは一対のボール層間に設けて、ボールの配置を助け、更に、ボールを相互に離間させるのに利用してもよい。
本発明の第４の実施例が図６に示されている。第２の実施例のような型枠１４の２つの層に加えて、この第４の実施例のサンドイッチ板５０には中間層１９が２つの型枠層間に設けられている。この中間層１９は、異なる種々の用途に応じて異なる形をとることができる。爆風及び/又は銃弾防護の改善を目的とする場合は、この中間層１９は、金属、Ｋｅｖｌａｒ(登録商標)又はＳｐｅｃｔｒａ(登録商標)などの高張力繊維、繊維強化プラスチック、その他の適当な繊維、メッシュ、セラミックシートからなるものでもよい。この目的のための中間層の適当な材料および形態が、本願と共に係属する英国特許出願第０３２６６０９．５号（２００３年１１月１４日出願；発明の名称：「改良構造用サンドイッチ板」）に記載されている。この文献は、その全体を参照としてここに組み込まれるものとする。この中間層は更に、型枠の配置を助けたり、決定するのに役立つように成形することができる（例えば、それらの間隔、向き、異なる層間の相対的位置関係）。これがこの中間層の唯一の目的の場合は、この中間層はコアと同一の材料から形成することができ、あるいは、より安価な材料、特にメッシュからなるものでもよい。
ボール間の間隔を増大させる他のアプローチは図７に示すように、突起を設けることである。これは本発明の第５の実施例のサンドイッチ板６０を示している。このものは第１の実施例とほぼ同様であるが、異なる点は、ボール１６に複数の突起１８がその表面に設けられていることである。これらの突起１８は、ボール相互間の間隔を増大させると共に、ボールと金属プレートとの間隔も増大させ、ボールの金属プレートに対する接合強度およびせん断力伝達能を増大させている。
このサンドイッチ板の使用目的に応じて、軽量型枠１４，１６についての異なる材料を使用し、型枠のための異なる充填物を設けることにより、このサンドイッチ板の特性を種々向上させることができる。例えば、型枠１４，１６は、金属、セラミック、Ｋｅｖｌａｒ又は他の高強度材料から形成させ、サンドイッチ板の爆風および銃弾抵抗を増強させたり、銃弾の破片捕捉能および破片抵抗を改善させたりすることができる。これは、もし上述のような中間層も爆風および銃弾抵抗の増大を目的として設けられる場合に、特に有利となる。耐火性を増大させるために、これら型枠は金属、セラミックから作ることができ、更に、不活性又は難燃性材料で充填してもよい。その他のガス又は液体充填物を使用して金属プレートの音響及び/又は熱絶縁性を改善することもできる。同様の理由から型枠を真空にしてもよい。
なお、以上の記載は本発明の制限を意図したものではなく、その他の改良、変形も、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲に包含されるものであることを理解されたい。例えば、以上の実施例では、全ての型枠を同一のものとしたが、異なる形状及び/又はサイズの型枠の混合物を使用することも可能である。
１０，２０，３０，４０，５０，６０…構造用サンドイッチ板、１１…フェースプレート、１２…フェースプレート、１３…コア、１４，１６…型枠（ボール）、１８…突起
Claims (4)
- 金属製の第１及び第２の外側プレートと；
これら外側プレートに対し、これらの間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で、接合されたポリウレタンエラストマー材料からなるコアと；
このコア内に設けられた複数の軽量体と、を具備し、
前記軽量体はポリプロピレン材料からなる中空の球状の固い外皮からなるものであって、
複数の前記軽量体が、前記第１及び第２の外側プレート間において単一層に配置され、
前記軽量体の直径は、２０mm以上で１００mm以下の範囲であって、かつ、前記第１及び第２の外側プレート間の距離に実質的に等しい長さのものであり、及び
前記第１及び第２の外側プレートは、それぞれ０．５mm以上の厚みを有するものであることを特徴とする構造用サンドイッチ板。 - 前記軽量体が、金属、セラミック又は高張力繊維から作られたものである請求項１に記載の構造用サンドイッチ板。
- 前記軽量体が、複数の突起を有し、それにより前記軽量体相互間の間隙を増大させ、コア材料により占められるコアのキャビティの割合を増大させたものである請求項１又は２に記載の構造用サンドイッチ板。
- 前記軽量体が、不活性ガス又は難燃性物質又は熱若しくは音響絶縁性流体又は部分的真空で充填されている請求項１から３のいずれかの請求項に記載の構造用サンドイッチ板。
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