JPH09267402A - フライホイールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速回転しても亀裂が生じにくい、優れた耐久
性を有するフライホイールを提供する。 【解決手段】補強繊維が一方向に引き揃えられたエポキ
シ樹脂プリプレグを、前記補強繊維が周方向に配向する
よう周巻きしてなる繊維強化プラスチックからなるフラ
イホイールであって、前記繊維強化プラスチック中のボ
イド率が３％以下であることを特徴とするフライホイー
ル、およびその製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、優れた強度を発揮
するフライホイールおよびその製造方法に関し、さらに
詳しくは、優れた強度を発揮するエネルギー貯蔵用フラ
イホイールおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維、ガラス繊維、芳香族ポリアミ
ド繊維などの補強繊維とエポキシ樹脂からなる繊維強化
プラスチックは、金属材料などに比べて比強度が高いこ
とが特長であり、単位重量当りに貯えられるエネルギー
が大きくなる利点を生かして、エネルギー貯蔵用フライ
ホイールに使われようとしている。フライホイールの成
形には、繊維強化プラスチック中の繊維配列方向を厳密
にコントロールしやすい等の点から、通常フィラメント
ワインディング法（以下ＦＷ法と略する）が好ましく使
用されている。また、フライホイールは高速回転に伴う
大きな遠心力を受けるため、亀裂の発生による破壊を引
き起こしやすい。日本複合材料学会誌 第８巻 第４号
（１９８２）１２８〜１３５ページによれば、ＦＷ法で
成形したフライホイールの検討例を挙げている。例えば
断面形状を変化させた繊維強化プラスチック製のフライ
ホイールがＦＷ法で作製されているが、かかるフライホ
イールは回転試験中に周方向剥離が生じたと報告されて
いる。また、一方向Ｓガラス繊維／エポキシ樹脂あるい
は一方向炭素繊維／エポキシ樹脂を擬似等方性に積層
後、その断面形状を機械加工によりテーパー形にしたフ
ライホイールが記載されているが、かかるフライホイー
ルは高速回転中に層間剥離を生じて破壊したと報告され
ている。さらに、補強繊維を内側からＳガラス／ケブラ
ー２９／ケブラー４９の順で積層したフライホイール等
があるが、いずれも高速回転試験中に破損したと報告さ
れている。

【０００３】このように、ＦＷ法を用いて製造されたフ
ライホイールについて、亀裂発生を抑制すべく、その構
成を変化させるなどの検討が種々なされているが、何れ
も十分に満足できる結果に結び付いていないのが現状で
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
に鑑みてなされたものであり、高速回転しても亀裂が生
じにくい、優れた耐久性を有するフライホイールを提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のフライホイール
は、上記課題を達成するために次の構成を有する。すな
わち、補強繊維が一方向に引き揃えられたエポキシ樹脂
プリプレグを、前記補強繊維が周方向に配向するよう周
巻きした繊維強化プラスチックからなるフライホイール
であって、前記繊維強化プラスチック中のボイド率が３
％以下であることを特徴とするフライホイールである。

【０００６】また、本発明のフライホイールの製造方法
は、上記課題を達成するために次の構成を有する。すな
わち、巻き芯に、補強繊維が一方向に引き揃えられたエ
ポキシ樹脂プリプレグを、前記補強繊維が周方向に配向
するよう、かつ、張力を２４，０００フィラメント当た
り５〜１００Ｎとして、周巻きして後、加熱硬化せしめ
て中空円筒体を得、その後該中空円筒体を輪切りするこ
とを特徴とするフライホイールの製造方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳細に説明
する。

【０００８】本発明のフライホイールは、補強繊維が一
方向に引き揃えられたエポキシ樹脂プリプレグを、前記
補強繊維が周方向に配向するよう周巻きしてなる繊維強
化プラスチックからなる。

【０００９】本発明において、エポキシ樹脂プリプレグ
は、エポキシ樹脂組成物と補強繊維とからなり、補強繊
維は一方向に引き揃えられている。エポキシ樹脂組成物
は以下に示したポリエポキシドと硬化剤を主成分として
含有する。

【００１０】ポリエポキシドは、分子中に平均して１個
より多いエポキシ基を有する化合物であり、このエポキ
シ基は末端基として存在するものであってもよく、また
分子内部にあってもよい。ポリエポキシドは、飽和ある
いは不飽和の脂肪族、環状脂肪族、芳香族または複素環
式化合物であってもよく、さらにハロゲン原子、水酸
基、エーテル基等を含む化合物であってもよい。例え
ば、ビスフェノールＡ、ＦおよびＳのグリシジル化合
物、クレゾールノボラックまたはフェノールノボラック
のグリシジル化合物、芳香族アミンのグリシジル化合物
および環状脂肪族エポキシ樹脂などがある。

【００１１】本発明で使用される硬化剤としては、ポリ
アミン、酸無水物、ポリフェノール、ポリメルカプタン
などが挙げられる。

【００１２】この他、エポキシ樹脂組成物への配合剤と
して、熱可塑性樹脂、エラストマー、無機粒子、反応性
希釈剤、硬化促進剤などを適宜組み合わせて使用するこ
とができる。

【００１３】本発明で用いる補強繊維としては、炭素繊
維（黒鉛繊維を含む）、ガラス繊維、アラミド繊維、窒
化珪素繊維などを単独もしくは組み合わせて使用でき
る。しかし、フライホイールの力学物性を低下させるこ
となく軽量化し、そのエネルギー密度を高くするために
は炭素繊維を必須の補強繊維として使用することが好ま
しい。

【００１４】本発明のフライホイールは、それを構成す
る繊維強化プラスチック中のボイド率が３．０％以下で
ある。ボイド率が３．０％を越えるフライホイールは、
それを例えば２０，０００ｒｐｍ以上の高速回転で使用
すると、亀裂が多数発生して損傷がひどくなるために好
ましくない。ボイド率は以下のようにして測定すること
ができる。

【００１５】すなわち、フライホイールを構成する繊維
強化プラスチックを繊維方向と直角にほぼ均等な間隔で
５箇所で切断し、その５箇所の各断面をサンディングペ
ーパーで研磨した後に実体顕微鏡を用いて、各断面につ
いて１００倍に拡大した像を写真撮影する。個々の断面
について、写真像を複写して、繊維強化プラスチックの
断面部分を切り取り、その重量（Ｗ）を測定してから、
次いでボイドに相当する黒色部分を切り取って重量
（ｗ）を測定する。繊維強化プラスチック中のボイド率
（％）は、１００×ｗ／Ｗで求められる個々の切断面で
のボイド率を５箇所の切断面で平均した値として求めら
れる。

【００１６】また本発明のフライホイールを構成する繊
維強化プラスチックにおいて、補強繊維として、弾性率
の異なる少なくとも２種の補強繊維を用い、それら補強
繊維のうち、弾性率が小さい補強繊維をフライホイール
の内層側に、弾性率が大きい補強繊維をフライホイール
の外層側に配することが好ましい。外層に配する補強繊
維の弾性率と内層に配する補強繊維の弾性率の比は、好
ましくは１．１〜１２、より好ましくは１．２〜１０で
あるのがよい。かかる比が、１．１より小さいと遠心力
による伸びの是正効果を十分に発揮せしめることができ
ず、１２より大きいと内層が圧縮破壊することがある。
高速回転による遠心力の受け方はフライホイールの内層
よりも外層の方が大きくなるが、かかる構成を取ること
によって伸びの不均等を是正できるのである。弾性率の
異なる補強繊維としては、例えば炭素繊維の内、弾性率
の異なる品種であっても良いし、種類の異なる補強繊維
の組み合わせであっても良い。たとえば、炭素繊維とガ
ラス繊維の組み合わせにおいては、ガラス繊維を内層側
に、炭素繊維を外層側に配するのがよい。

【００１７】本発明のフライホイールにおいて、繊維強
化プラスチックが上記構造を有しているので、層と層の
間に段差が生じることはなく、従ってボイドなどの欠点
が少なくするメリットを有し、具体的にはボイド率を前
記範囲とすることができる。本発明のフライホイールに
おいて、エポキシ樹脂プリプレグの幅、すなわちフライ
ホイールの高さは、好ましくは１０〜５００ｍｍ、より
好ましくは８０〜４００ｍｍとする。幅が１０ｍｍに満
たない場合はフライホイールの重量が小さすぎて蓄エネ
ルギー量が少なくなり、逆に５００ｍｍを越える大型の
フライホイールの場合、成形時の割れを防止するために
複数の成形パターンを組み合わせたり、昇温・降温スピ
ードを極端に小さくすることが必要になり成形に要する
時間が長くなることがある。

【００１８】また、本発明のフライホイールは中空部分
の直径が好ましくは２０〜５００ｍｍ、より好ましくは
５０〜３５０ｍｍであり、（外径−内径）／２の値が好
ましくは２０〜３００ｍｍ、より好ましくは３０〜２０
０ｍｍの範囲の中空円盤または円柱構造であることが好
ましい。中空部分の直径が２０ｍｍ未満の時にはフライ
ホイールを取り付けるローターの直径が小さくなり、安
定した高速回転を維持することが困難となることがあ
り、逆に中空部分の直径が５００ｍｍを越えると、フラ
イホイールとローターとの間にスポークなどを介して結
合することが必要となり安定な取り付けが困難となるこ
とがある。また、（外径−内径）／２の値が２０ｍｍ未
満であった場合、フライホイールの重量が小さすぎて蓄
エネルギー量が少なくなり、逆に（外径−内径）／２の
値が３００ｍｍを越えると、前述したように大型の繊維
強化プラスチックを成形する困難に直面することにな
る。

【００１９】本発明においては上述した優れた性能を有
するフライホイールの製造方法をも開示している。すな
わち、巻き芯に、補強繊維が一方向に引き揃えられたエ
ポキシ樹脂プリプレグを、前記補強繊維が周方向に配向
するよう周巻きして後、加熱硬化せしめて得られる中空
円筒体を輪切りするのである。ＦＷ法では繊維束と繊維
束の間に空間が生じやすく、また樹脂含浸繊維束の含浸
性が不良となりやすいために、しばしば繊維強化プラス
チック中にボイドが多発する。

【００２０】補強繊維が一方向に引き揃えられたエポキ
シ樹脂プリプレグは、前記したエポキシ樹脂組成物を一
方向に引き揃えた補強繊維に含浸させることによって製
造することができる。このようなエポキシ樹脂プリプレ
グは、ウエット法またはホットメルト法によって製造す
ることができる。ウエット法では、メチルエチルケトン
などのエポキシ樹脂溶解能を有する溶媒にエポキシ樹脂
組成物を均一に混合した後に、この中に一方向に引き揃
えた補強繊維を所望の繊維含有量となるように浸漬・走
行させた後に熱風乾燥機等の中で溶媒を揮発させる。こ
の時、しごきロール等を使用して補強繊維に対する樹脂
の含浸性を向上させることができる。一方、ホットメル
ト法では、各樹脂成分をニーダーなどで溶剤を使用せず
に均一に混練した樹脂組成物を、シリコーン等をコーテ
ィングした離型性の紙またはフィルム上に均一に塗布し
た樹脂フィルムを一旦作製する。次いで、一方向に引き
揃えた補強繊維の少なくとも一方の面に上記樹脂フィル
ムを使用して離型性の紙またはフィルムで挟み込み、加
熱・加圧して樹脂を含浸させる。このようにして作製し
たエポキシ樹脂プリプレグはＦＷ法に比べて樹脂の含浸
性を良好なものとすることができるので、繊維強化プラ
スチック中にボイドが発生しにくくし、繊維強化プラス
チック中のボイド率を前記範囲とし得るというメリット
を有する。

【００２１】特に、補強繊維として、弾性率の異なる少
なくとも２種の補強繊維を用いたエポキシ樹脂プリプレ
グを用い、それらのうち、弾性率が小さい補強繊維を用
いたエポキシ樹脂プリプレグを周巻きして後、その上か
ら弾性率が大きい補強繊維を用いたエポキシ樹脂プリプ
レグを周巻きすることにより、前記本発明の好ましい態
様のフライホイールを得ることができる。

【００２２】エポキシ樹脂プリプレグ中に補強繊維が占
める重量比率、いわゆるWfは好ましくは４５〜８０％、
より好ましくは６０〜７６％とする。Wfが４５％より小
さいとフライホイールの単位体積質量あたりの許容応力
が低くなりがちであり、逆にＷｆが８０％を越えると樹
脂の含浸状態が悪くなりフライホイール中にホイドなど
の欠点が生じやすくなる。

【００２３】本発明において用いるエポキシ樹脂プリプ
レグは、その幅を好ましくは５０〜２，０００ｍｍ、よ
り好ましくは２５０〜１，５００ｍｍとするものを用い
る。幅が５０ｍｍに満たない場合は一回の周巻き工程で
得られるフライホイールの数が少なくなり生産性が低く
なる。また、このように幅の狭いエポキシ樹脂プリプレ
グを使用して大型の成形品を作製しようとすると、ＦＷ
法の場合と同様に段差が発生して成形品中にボイドが多
発することがある。逆に幅が２，０００ｍｍを越えると
エポキシ樹脂プリプレグに皺などの欠点が発生しやすく
なり、また樹脂や繊維の目付が安定しにくくなる。

【００２４】本発明において用いる巻き芯は、通常、そ
の直径が２０〜５００ｍｍの円筒状であり、エポキシ樹
脂プリプレグを巻き付け厚みが２０〜３００ｍｍとなる
ように周巻きする。この時、エポキシ樹脂プリプレグ製
造工程で一旦巻き取ったプリプレグを改めて周巻き工程
で巻き出して使用しても良いし、エポキシ樹脂プリプレ
グ製造工程で直接巻き芯に巻き取る方法を取ってもよ
い。また、エポキシ樹脂プリプレグに離型紙や離型フィ
ルムなどが貼付している場合には、周巻き時に除去する
必要がある。さらに周巻きする際にエポキシ樹脂プリプ
レグに掛かる張力の値は、例えば２４，０００本のフィ
ラメントからなるストランドを考えた場合、５〜１００
Ｎ、好ましくは１０〜８０Ｎの範囲とするのがよい。張
力が５Ｎより小さいとプリプレグ層間に気泡が残存しや
すくなり繊維強化プラスチック中のボイドの一因となり
やすい。逆に、張力が１００Ｎより大きいと積層体の形
が崩れて対称なフライホイールが成形できない場合が多
い。これは一方向プリプレグを使用しているために繊維
横方向の結束力が小さいためである。

【００２５】このようにして作製された積層体は巻き芯
ごとエポキシ樹脂組成物が硬化する条件で成形する。成
形方法は通常の繊維強化エポキシ樹脂を成形する何れの
方法であってもよい。例えば、セロファンテープやポリ
プロピレンなどの熱可塑性テープで積層体をラッピング
した後に硬化炉中で成形する方法がある。この場合の熱
可塑性テープのラッピング張力は０．５〜５．０Ｋｇｆ
／ｃｍ² （４９〜４９０ＫＰａ）の範囲が好ましく使用
される。また、ナイロンなどの熱可塑性フィルムで積層
体を真空パックした後にオートクレーブ中で成形する方
法がある。この場合のオートクレーブ中の圧力は１．０
〜１０．０Ｋｇｆ／ｃｍ² （９８〜９８０ＫＰａ）の範
囲が好ましく使用される。何れの成形方法を採用した場
合にも成形温度および昇温・降温スピードはエポキシ樹
脂と硬化剤の組み合わせによって種々の設定が可能であ
るが、通常は成形温度が室温〜２００℃であり、昇温・
降温スピードは０．１〜５．０℃/ 分の範囲が好ましく
使用される。繊維強化プラスチックの割れなどの欠点を
最小限にするためには、成形温度を室温〜１３０℃、昇
温・降温スピードを０．１〜３．０℃/ 分の範囲とする
ことがさらに好ましい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例によってさらに具体的
に説明する。

【００２７】（実施例１）液状ビスフェノールＡエポキ
シ（油化シェルエポキシ社製“エピコート”（商標）８
２８）７０部、固形ビスフェノールＡエポキシ（油化シ
ェルエポキシ社製“エピコート”（商標）１００１）３
０部、硬化剤としてジシアンジアミド５重量部および３
−（３、４−ジクロロフェニル）−１、１−ジメチル尿
素５重量部とを均一に混合して一液硬化エポキシ樹脂組
成物を得た。この樹脂組成物を離型紙にコーティングし
た樹脂フィルムを作製し、一方向に引き揃えた炭素繊維
“トレカ”（登録商標）T700SC-12K（東レ（株）製、弾
性率２３０ＧＰａ）を上下から挟みこんで加熱・加圧し
てエポキシ樹脂組成物が炭素繊維中に均一に含浸した幅
１，０００ｍのプリプレグ（ＣＦ目付１７０ｇ／ｍ² 、
Wf６４％）を得た。このプリプレグを直径150mm のマン
ドレル上に、マンドレルの長手方向に対して９０°とな
る構成で、離型紙を剥がしながら幅１，０００ｍｍに渡
って巻き付け厚みが50mmになるまで巻き付けを行い、表
面より熱収縮テープをラッピング巻きした。このときの
張力はフィラメント２４，０００本当り３Ｋｇｆ（２９
Ｎ）であった。得られた積層体を８０℃×５時間、さら
に１１０℃×５時間の条件で硬化させた。マンドレルを
抜き取った後に輪切りにして、高さ１５０ｍｍのフライ
ホイールを得た（Wf６６％）。このフライホイールにつ
いて、補強繊維に対して直角方向の５ヶ所の異なる断面
を観察したところ、ボイド率の平均は２．１％であっ
た。また、このディスクを高速回転ローターに取り付け
て約２０，０００ｒｐｍで５時間保持したが、ディスク
の外観には何等の損傷も見られなかった。

【００２８】（実施例２）実施例１と同じエポキシ樹脂
組成物をマトリックスとし、補強繊維としては東レ社製
の炭素繊維“トレカ”（登録商標）Ｔ７００ＳＣ−１２
Ｋの他に同社製の炭素繊維“トレカ”（登録商標）Ｍ３
０ＳＣ−１８Ｋ（弾性率２９４ＧＰａ）および日東紡社
製ガラス繊維ＥＣＤ９００−１／０ １Ｚを使用して、
夫々実施例１と同様にして一方向プリプレグを作製し
た。次いで直径１５０ｍｍのマンドレル上に、マンドレ
ルの長手方向に対して直角となる構成で幅１，０００ｍ
ｍに渡ってガラス繊維ＥＣＤ９００−１／０ １Ｚ使い
の前記プリプレグを、巻き付け厚みが２０ｍｍになるま
で巻き付けを行い、さらにその上から炭素繊維“トレ
カ”（登録商標）Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ使いの前記プリ
プレグを、トータル巻き付け厚みが３５ｍｍになるまで
巻きつけを行った。最後に、この巻き付け体の上に炭素
繊維“トレカ”（登録商標）Ｍ３０ＳＣ−１８Ｋ使いの
前記プリプレグを、トータル巻き付け厚みが５０ｍｍに
なるまで巻き付けてから、表面に熱収縮テープをラッピ
ング巻きした。実施例１と同様にして成形した後にマン
ドレルを抜き取り輪切りにして、高さ１５０ｍｍのフラ
イホイールを得た（Wf６５％）。このフライホイールに
ついて、補強繊維に対して直角方向の５ヶ所の異なる断
面を観察したところ、ボイド率の平均は１．９％であっ
た。また、このフライホイールを高速回転ローターに取
り付けて約２０，０００ｒｐｍで５時間保持したが、フ
ライホイールの外観には何等の損傷も見られなかった。

【００２９】（比較例１）実施例１のエポキシ樹脂組成
物をトリクレン／エタノール混合溶媒（１／１比）２４
０部に溶解し均一透明な溶液を調製した。この溶液をフ
ィラメントワインディング装置の含浸槽に入れ、サプラ
イボビンから引き出した“トレカ”（登録商標）炭素繊
維Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋを該含浸槽に浸漬後、出口にセ
ットしたガラス細管中に樹脂含浸繊維束を通過させるこ
とによって過剰の樹脂を除去した。次いで約５０℃の熱
風乾燥機中で溶剤を揮散させた後に直径１５０ｍｍのマ
ンドレル上に、マンドレルの長手方向に対して直角とな
る構成で幅１，０００ｍｍに渡って巻き付け厚みが５０
ｍｍになるまで巻き付けを行い、表面に熱収縮テープを
ラッピング巻きした。次いで実施例１と同様に成形し高
さ１５０ｍｍのフライホイールを得た（Wf６８％）。こ
のフライホイールについて、補強繊維に対して直角方向
の５ヶ所の異なる断面を観察したところ、ボイド率の平
均は３．５％であった。また、このフライホイールを高
速回転ローターに取り付けて約２０，０００ｒｐｍで回
転させたところ１時間経過後に破壊した。

【００３０】（比較例２）プリプレグをマンドレルに巻
き付けるときの張力を、フィラメント２４，０００本当
り０．２Ｋｇｆ（２．０Ｎ）とした以外は、実施例１と
同様にしてＷｆ６３％のフライホイールを成形した。こ
のフライホイールについて、補強繊維に対して直角方向
の５ヶ所の異なる断面を観察したところ、ボイド率の平
均は３．９％であった。また、このフライホイールを高
速回転ローターに取り付けて約２０，０００ｒｐｍで回
転させたところ１時間経過後に破壊した。

【００３１】

【発明の効果】本発明のフライホイールは、高速回転に
よる遠心力に対しても亀裂が生じにくく十分な抵抗力を
有している。従って、これまでの繊維強化プラスチック
製のフライホイールに比べて高速回転時の耐久性を格段
に優れたものとできる。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｋ 105:08 307:04 309:08 Ｂ２９Ｌ 31:32

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】補強繊維が一方向に引き揃えられたエポキ
   シ樹脂プリプレグを、前記補強繊維が周方向に配向する
   よう周巻きした繊維強化プラスチックからなるフライホ
   イールであって、前記繊維強化プラスチック中のボイド
   率が３％以下であることを特徴とするフライホイール。
2. 【請求項２】補強繊維が、弾性率の異なる少なくとも２
   種の補強繊維であり、それら補強繊維のうち、弾性率が
   小さい補強繊維を内層に、弾性率が大きい補強繊維を外
   層に配することを特徴とする請求項１記載のフライホイ
   ール。
3. 【請求項３】弾性率の異なる少なくとも２種の補強繊維
   が、いずれも炭素繊維であることを特徴とする請求項２
   記載のフライホイール。
4. 【請求項４】弾性率が小さい補強繊維がガラス繊維であ
   り、弾性率が大きい補強繊維が炭素繊維であることを特
   徴とする請求項２記載のフライホイール。
5. 【請求項５】内径が２０〜５００ｍｍ、( 外径−内径)
   ／２が２０〜３００ｍｍ、幅が１０〜５００ｍｍの中空
   円盤であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに
   記載のフライホイール。
6. 【請求項６】巻き芯に、補強繊維が一方向に引き揃えら
   れたエポキシ樹脂プリプレグを、前記補強繊維が周方向
   に配向するよう、かつ、張力を２４，０００フィラメン
   ト当たり５〜１００Ｎとして、周巻きして後、加熱硬化
   せしめて中空円筒体を得、その後該中空円筒体を輪切り
   することを特徴とするフライホイールの製造方法。
7. 【請求項７】補強繊維が一方向に引き揃えられたエポキ
   シ樹脂プリプレグが、その幅を５０〜２，０００ｍｍと
   するものであることを特徴とする請求項６記載のフライ
   ホイールの製造方法。
8. 【請求項８】巻き芯が直径２０〜５００ｍｍの円筒状で
   あり、中空円筒体がその肉厚を２０〜３００ｍｍとする
   ものであり、かつ、中空円筒体を輪切りする際の間隔が
   １０〜５００ｍｍであることを特徴とする請求項６また
   は請求項７記載のフライホイールの製造方法。