JPS6345946B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維強化複合材料製ベローズの製造方
法に関し、さらに詳しくはベロー部に連続繊維を
切断することなく配列した曲がりに対して信頼性
の高い繊維強化複合材料製ベローズの製造方法に
関する。

繊維強化複合材料製はガス又は液体の輸送管、
又は比強度、比弾性にすぐれることから高速回転
円筒といつた用途に用いられるものあつて、ガス
又は液体の輸送管を曲げ易くしたり、危険回転数
を越えて定速で回転する高速回転円筒の弾性曲げ
振動を吸収し、危険速度を下げるといつたように
繊維強化複合材料製ベローズの応用分野は広く考
えられている。しかし均一材料の場合と異なり繊
維強化複合材料は極端な異方性を示すため、これ
をベロー形状に成形するには種々の問題があり実
用化されていないのが現状である。すなわちベロ
ー部の役割を考えると円周方向に強く、軸方向に
曲がり易く、かつ曲がりに対して強いことが必須
となるが、繊維強化複合材料の強度は繊維の配
列、密度および連続性に大きく依存し、とくにベ
ロー形状の場合はいかに連続繊維を切断すること
なく設計通りに繊維の乱れのないように配列する
かが問題となる。また高速回転体を考えると、特
に炭素繊維強化プラスチツクス（CFRPと略）の
ごとく比強度、比弾性にすぐれた繊維強化複合材
料を遠心力に耐え得る極限で設計する場合が多
く、こうした高速回転体では繊維の配列も円周方
向の強度が高くなるように設定するため軸方向に
はその比率を多くとることができず、ベローの曲
がりに利く軸方向に寄与する繊維を無駄なく利用
する必要がある。さらに付言すれば危険回転数を
越えて定速回転に到るような比較的長胴の高速回
転体で危険速度通過時に弾性曲げ振動を生じる危
険があるため、バランス調整を行ない振動を極力
抑える方式を採つているが、危険回転数が大きく
なるにつれてバランスの微調整が必要となり、た
めに多大の時間をかけねばならず、これにベロー
を適用して危険速度を下げることは工業的見地か
らも極めて有効な手段と言える。

こうした観点から本発明者等は円周方向の強度
を低下することなく、軸方向の曲がりに対して強
くかつ曲がり易い繊維強化複合材料製ベローズを
得るためには連続繊維を用い、連続繊維の切断に
つながる機械加工を出来るだけ抑え、設計巻角を
維持したまま繊維の乱れのない繊維強化複合材料
製ベローズを製作せねばならず、その製造方法に
ついて鋭意研究した結果、本発明を完成するに到
つた。

すなわち、円周方向に分割したベロー形状を有
する円筒型表面上にマトリツクスを含浸した連続
繊維を巻付け、外圧をかけて成形するか或いは平
坦なもしくはベロー部に相当する位置の径を他の
部分よりも大きくした円筒型表面上にマトリツク
スを含浸した連続繊維を巻付け、円筒型のベロー
に相当する部分又は全部をはずし、円周方向に分
割したベロー形状を有する円筒型を挿入し、外圧
をかけて成形することにより、上記特性を兼ね備
えた繊維強化複合材料製ベローズの製作が可能と
なることを見出したのである。

以下本発明を具体例を挙げながら詳述する。第
１図および第２図は本発明に係る製造方法により
製作された繊維強化複合材料製ベローズを有する
円筒体の一例で、第１図は円筒部およびベロー部
を連続した繊維を用いて一体で製作したものであ
り、第２図は円筒部とベロー部を連続した繊維を
用いて別々に製作し、これらを接着剤を用いて接
合し、一体となしたものである。

第３図は本発明に係る繊維強化複合材料製ベロ
ーズ付円筒体を一体で製作するための巻付型もし
くは挿入型の一例で１１は円筒体を貫通する芯
型、１２は円周方向に分割したベロー形状を有す
る円筒型、１３は円筒体の両端のベローのない部
分を成形するための円筒型を示し、１２と１３と
の接合部分は凹凸をつけ、割れ型１２を円筒型１
３で固定してある。また第４図は外付ベローを有
する円筒体を一体で製作するための巻付型もしく
は挿入型の一例で、この場合、円筒体を貫通する
芯型１１と円周方向に分割したベロー形状を有す
る円筒型１２より構成されている。さらに第５図
は巻付型もしくは挿入型の別の例を示すもので、
円周方向に分割したベロー形状を有する円筒型１
２を円筒型の径方向にエヤーシリンダー又はター
ンバツクルを挿入した１４で固定した場合を示し
ている。

本発明に係る繊維強化複合材料の一つの場合
は、第３図〜第５図に示す巻付型を用い、巻付型
表面にマトリツクスを含浸した連続繊維を所定の
巻付角に巻付け、その上から外圧をかけて成形し
たのち、巻付型より脱型することにより製作す
る。

すなわち、巻付型１上に巻付けられた連続繊維
２１は緊張下で巻付けられるため、ベローズの形
状に沿つては巻付けられずベロー凹凸は巻付のみ
では期待できない。

（第６図１参照） したがつて巻付後、巻付けられた連続繊維上か
ら外圧を負荷することにより、連続繊維１本１本
に圧力を負荷し、連続繊維を巻付型軸方向にすべ
らせベロー形状とする。（第６図２参照） さらに本発明に係るもう一つの場合は、第７図
或いは第８図に示す巻付型を用いるものであつ
て、第７図は平坦な円筒型で、ベローに相当する
位置が円周方向に分割した割れ型となつており、
円筒型表面上にマトリツクスを含浸した連続繊維
を巻付けたのち、割れ型をはずし、ここに第３図
〜第５図に相当する円周方向に分割したベロー形
状を有する円筒型を挿入し連続繊維の上から外圧
をかけて成形する方法であり、第８図はベローに
相当する位置の径を他の部分よりも大きくした円
筒型でこの表面上に第７図の場合と全く同様に連
続繊維を巻付け、円筒型全部をとりはずし、第３
図〜第５図に相当する円周方向に分割したベロー
形状を有する円筒型を挿入し、連続繊維の上から
外圧をかけて成形後脱型する。ベローに相当する
位置の径についてはベローの山部の径に等しい
か、それ以上とし挿入型の挿入に際し繊維の乱れ
を防止するのが好適である。また第７図、第８図
においてそれぞれ巻付型のとりはずし方は限定さ
れず、一部又は全部を任意にとりはずせばよい。
ここでベローに相当する位置の平坦部の長さは巻
付けられた繊維を全体で型表面上にすべらせて、
ベローズの全長(L)とするよりも、平坦部の長さを
ベローズの全長に等しいか、もしくはそれ以上と
し、この部分のみでベローズの形状となす方が巻
付られた繊維の乱れを生じさせないためにも好適
である。ここでベローズの全長(L)は軸方向にベロ
ーズ表面を覆う最短直線距離である。また、巻付
型をはずし挿入型を挿入する場合はマトリツクス
を一旦固化するか、もしくは熱硬化性樹脂をマト
リツクスとして使用する場合はとくに成形温度よ
りも低い温度で固化するか、液体窒素等で冷却し
固化するか、或いはプリプレグ状態としたのちに
とりはずし、挿入作業を行なえば、繊維の乱れを
生じにくく好適である。

次に第９図、第１０図は本発明に係る外圧をか
ける場合の一例を示したもので、第９図は巻付型
もしくは挿入型上に所定の巻付角で巻付けられた
マトリツクスを含浸した連続繊維を線状体を用い
て張力をかけながら、円周方向に巻付けることに
より外圧をかける場合の一例で２１はマトリツク
スを含浸した連続繊維、３１は線状体を示してい
る。線状体としては例えばシリコンゴム、テフロ
ンゴム、銅線、鉄線等が挙げられる。

第１０図は巻付型もしくは挿入型上のマトリツ
クスを含浸した連続繊維をゴム状弾性体４１で覆
つたのち外圧をかける場合を示した例で、外圧を
かける方法としてはローラーを用いる方法、窒素
ガスをかける方法等種々の方法が考えられ、また
第９図に示す線状体の替りにローラーを用いるこ
とも可能である。

いずれにせよ、フイラメントワインデイング法
によつて巻付けられた繊維は、前述の如く完全な
ベロー形状をしておらず外圧を負荷することによ
つて、巻付られた連続繊維を軸方向に滑らせ完全
なベロー形状とすることが必須である。

またとくにヘリカル巻によつて連続繊維を巻付
ける場合には通常型の両端にコーン形状をした型
よりも一段小さい径をもつた部分を設け、これに
繊維をひつかけて巻付けることにより繊維の乱れ
を防止しているが、直接巻付型を用いてこれに外
圧をかける場合は巻付けられた繊維を全体に型表
面をすべらせる必要があるため、両端部に巻付け
られた繊維を円周方向に切断したのちに外圧をか
けるべきである。

また上記の如く成形された繊維強化複合材料製
ベローズ付円筒体を脱型する際には、円筒体を貫
通する芯型をはずし、ベロー部に設けた円周方向
に分割した円筒型を内側にはずすか、或いは径方
向に型を固定した軸のエヤーシリンダーもしくは
ターンバツクルをゆるめることにより、容易に脱
型することができる。

特に高速回転体の如く円筒の軸芯のズレが位置
のアンバランスとして生じ製品の価値に大きく依
存するような場合は巻付型もしくは挿入型の円筒
体を貫通する芯型の外径をその上に設ける円筒型
の内径より大きくし、かつ芯型に熱膨脹係数の大
きな材料を用い、これを冷しバメして一体となし
たのち型として使用すれば、製作するベロー付円
筒の軸心のズレを極力抑えることが可能となり有
効である。

次にベローズに用いられる材料については、強
化繊維としてはガラス繊維、ケブラー繊維、シリ
コンカーバイト繊維、アルミナ繊維、ボロン繊
維、炭素繊維といつた種々の繊維が用途に応じて
種々用いられるが、特にプラスチツクスをマトリ
ツクスとした炭素繊維強化複合材料は比強度、比
弾性にすぐれているため、こうしたベロー付円筒
体としては好適な材料といえる。またマトリツク
スも上記プラスチツク、金属が考えられ、繊維の
形態、ロービング・ヤーンといつた一方向繊維、
織物状のクロス、さらに円筒クロス等と組合せて
使用目的に応じて適宜使用されるべきである。

なお本発明は、円周方向に強く、かつ軸方向の
曲がりに対しても曲がり易く強い構造をもつた繊
維強化複合材料製ベローズの製造方法に関するも
のであつて、ベロー形状、山数等は具体例に限定
されるものではなく、またその用途についてもそ
の応用範囲は広いといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、本発明に係る製造方法によつ
て製作された繊維強化複合材料製ベローズ付円筒
体の一例、第３図１，２〜第５図１，２本発明に
係る巻付型もしくは挿入型の一例、第６図１，２
本発明に係る外圧負荷時の巻付繊維の動きを示す
概念図、第７図１，２、第８図１，２本発明に係
る平坦な、もしくはベロー位置の径を他よりも大
きくした巻付型の一例、第９図、第１０図本発明
に係る外圧のかけ方の一例であり、１は側面図、
２はＡ−A′断面図である。 １……分割巻付型、１１……円筒体を貫通する
芯型、１２……円周方向に分割したベロー形状を
有する円筒型、１３……円筒体のベローのない部
分を成形するための円筒型、１４……ターンバツ
クルもしくはエヤーシリンダー付軸、２１……繊
維強化複合材料、３１……線状体、４１……ゴム
状弾性体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円周方向に分割したベロー形状を有する円筒
   型表面にマトリツクスを含浸した連続繊維を巻付
   け、外圧をかけて成形することを特徴とする繊維
   強化複合材料製ベローズの製造方法。 ２ 平坦な、もしくはベロー部に相当する位置の
   径を他の部分よりも大きくした円筒型表面上にマ
   トリツクスを含浸した連続繊維を巻付け、円筒型
   のベローに相当する部分又は全部をはずし、円周
   方向に分割したベロー形状を有する円筒型を挿入
   し、外圧をかけて成形することを特徴とする繊維
   強化複合材料製ベローズの製造方法。 ３ ベロー部に相当する位置に設けた他の部分よ
   りも径の大きな平坦部の長さが、ベローズの全長
   に(L)に等しいか、もしくはそれ以上であることを
   特徴とする特許請求の範囲２記載の繊維強化複合
   材料製ベローズの製造方法。 ４ 巻付型もしくは挿入型が円筒体を貫通する芯
   型と、その上に設ける円周方向に分割したベロー
   形状を有する円筒型とを必須成分とすることを特
   徴とする特許請求の範囲１、２、３記載の繊維強
   化複合材料製ベローズの製造方法。 ５ 巻付型もしくは挿入型の円筒体を貫通する芯
   型の外型がその上に設ける円筒型の内径よりも大
   きく、かつ芯型の方が熱膨脹係数の大きな材料か
   らなり、これを冷しバメして一体となして用いる
   ことにより成形体の軸芯のズレを抑えることを特
   徴とする特許請求の範囲１、２、３、４記載の繊
   維強化複合材料製ベローズの製造方法。 ６ マトリツクスを含浸した連続繊維を巻付けた
   のち、この上から線状体を用いて張力をかけなが
   らこれを円周方向に巻付けることにより外圧をか
   けることを特徴とする特許請求の範囲１、２記載
   の繊維強化複合材料製ベローズの製造方法。 ７ 繊維強化複合材料が炭素繊維強化プラスチツ
   クスであることを特徴とする特許請求の範囲１、
   ２、３、４、５、６記載の繊維強化複合材料製ベ
   ローズの製造方法。