JPS6345947B2 - - 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であつて、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
体では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、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小さくした円筒型表面
にマトリツクスを含浸した連続繊維を巻付けたの
ち、その上から円周方向に分割した内面にベロー
形状を有する円筒型で巻付けられた連続繊維を覆
い、巻付型のベローに相当する部分又は全部をは
ずし、巻付けられた連続繊維の内面をゴム状弾性
体で覆い、この内面から内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小さくした円筒型の少な
くともベローに相当する部分がゴム状弾性体を用
いた円筒型と、その内側にこれを支える円筒型と
からなり、この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その上から円周方向に
分割した内面にベロー形状を有する円筒型で巻付
けられた連続繊維を覆い、ゴム状弾性体を用いた
円筒型を支える円筒型をはずし、ゴム状弾性体の
内面に内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付円筒体
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、第２図
は円筒部とベロー部とを連続した繊維を用いて別
別に製作し、これらを接着剤を用いて一体となし
たものである。

第３図〜第６図は本発明に係る巻付型の一例で
あつて、第３図は平坦な円筒型の一例で円筒体の
平坦部に相当する部分の円筒型１およびベロー部
に相当する円筒型２を芯型３上に配置したもので
あつて、芯型３は必要に応じて省略し、この替わ
りに型の両端にフランジを設け円筒型を固定して
もよい。第３図に示す巻付型を用いてマトリツク
スを含浸した連続繊維を巻付けた場合は、円周方
向に分割し割れ型とした円筒型２をはずし、円周
方向に分割した内面にベロー形状を有する円筒型
で繊維表面を覆つたのちに第９図に示すように連
続繊維の内面をゴム状弾性体で覆い、この内面に
内圧をかけるが、円筒型１および２を１体とし、
内圧をかける際に円筒型全体をはずし、連続繊維
の内面をゴム状弾性体で覆い、この内面に内圧を
かけることも可能である。第４図は円筒体のベロ
ー部に相当する位置の径を他の部分よりも小さく
した円筒型の一例で、円筒体の平坦部に相当する
円筒型１およびベロー部に相当する円筒型２を芯
型３上に配置したもので、ベロー部に相当する円
筒型２は円筒体を貫通した構造となつている。第
４図に示す巻付型を用いる場合はマトリツクスを
含浸した連続繊維を巻付けたのち、芯型３および
円筒型２をはずし、繊維の上から円周方向に分割
した内面にベロー形状を有する円筒型で覆い、か
つ連続繊維の内面をゴム状弾性体で覆い、この内
面に内圧をかけて成形する。この場合も芯型３を
省略し円筒型２の両端をフランジで固定すること
も可能で、また、ベロー部に相当する円筒型２の
平坦部の長さはベローズの全長(L)すなわち軸方向
にベローに沿つた最短直線距離に等しいかそれ以
上とし、巻付られたマトリツクスを含浸した連続
繊維を全長にわたつてすべらせるよりも、この部
分のみで変形させベロー形状とした方が巻付繊維
の乱れを生じさせないためにも好適である。

本願の意図するところは円筒形状に巻付けた樹
脂を含浸させた連続繊維をゴム状弾性体を介して
内圧をかけ、ベロー形状に変形させることにあ
り、このとき連続繊維は円筒の軸方向に引張り力
を受け、繊維１本１本が軸方向にずれ、ベロー形
状を呈する。

即ち第１０図に概念図を示すように、巻付けた
連続繊維部１１をゴム状弾性体４を介して内圧を
かけた場合、連続繊維部１１は円筒軸方向に軸力
を受け（Ａ状態）、連続繊維の外側に設けた内側
にベロー形状を有する円筒型２１に沿つた形に変
形する（Ｂ状態）。

このとき、各連続繊維はそれぞれベロー形状を
呈するに必要な長さだけ軸方向に移動し、上記形
状を確保する。

第５図は平坦な円筒型のベロー部に相当する部
分にゴム状弾性体を用いた一例で、円筒体の平坦
部に相当する部分の円筒型１およびベロー部に相
当する部分のゴム状弾性体を用いた円筒型４を支
える円筒型（芯型）３上に配置したもので、第３
図に示す２の部分或いは１および２の部分、さら
には第４図に示す２の部分或いは１および２の部
分をゴム状弾性体を用いた円筒型としてもよく、
この場合マトリツクスを含浸した連続繊維を型表
面上に巻付け、その上を円周方向に分割した内面
にベロー形状を有する円筒型で覆い芯型３をはず
しゴム状弾性体の内側に内圧をかけ、内圧によつ
てゴム状弾性体を外型に設けられたベロー形状に
変形することにより、繊維をベロー形状に沿わし
て成形する。芯型３は省略することも可能でその
場合は円筒体の両端をフランジで固定する。この
場合も繊維を全長にわたつてすべらせるよりも、
ゴム状弾性体の円筒型内でベロー形状に沿わした
方が巻付繊維の乱れを生じさせないためにも好適
である。

さらに第６図はベロー部に相当する位置の径を
他の部分よりも小さくした円筒型のベローに相当
する部分にゴム状弾性体を用いた円筒型とその内
側にこれを支える円筒型を設けた一例で、円筒体
の平坦部に相当する部分の円筒型１およびベロー
部に相当する部分のゴム状弾性体を用いた円筒型
４をこれを支える円筒型３上に配置したもので円
筒型３は両端にフランジ部を設けて固定してあ
る。

第７図および第８図は円周方向に分割したベロ
ー形状を有する円筒型２１を組み込んだ状態を示
した一例で、円筒型２１は２分割してある。すな
わちマトリツクスを含浸して巻付けられた連続繊
維１１は第７図においては円筒体の平坦部に相当
する円筒型１およびベロー部に相当するゴム状弾
性体を用いた円筒型４、さらに第８図では平坦な
円筒体全面のゴム状弾性体を用いた円筒型４を通
じて内圧がかけられ、円筒型２１のベロー形状に
変形される。また円周方向に分割したベロー形状
を有する円筒型２１の固定方法は第７図に示すご
とく、ボルトナツトで締付ける方法、第８図に示
すように円筒型２１の外径に等しいか若干大きい
内径を有する円筒を挿入する方法等種々のものが
考えられ、分割数についても適宜変更可能であ
る。ベローの形状が内付の場合はベロー部分の径
を他よりも小さくした方が円筒型２１の挿入時に
繊維の乱れを生じさせないためにも好適で、この
場合ベローの平坦部の径はベローの谷の径に等し
いかもしくはそれ以下とした方がよい。

次に内圧をかける成形する方法としては第９図
に示すようにゴム状弾性体の内面を密閉構造とし
てここに油圧又は空気圧により内圧を負荷する方
法、第１１図に示すようにゴム状弾性体の内面よ
りベロー形状を呈した分割型を挿入した上でこの
分割型に油圧、空気圧或いは機械的手段により内
圧をかけ分割型を拡径し、円筒形を巻付けた連続
繊維をベロー形状にする方法、或いは第１２図に
示すようにベロー山部に相当するゴム状弾性体の
内面に周方向に分割した金属製の帯を配置し、こ
れを油圧、空気圧或いは機械的手段により拡径し
円筒形に巻付けた連続繊維をベロー形状にする方
法等が考えられる。

さらに円筒形に巻付けた連続繊維を内圧により
ベロー形状に沿わせた後、この状態で加圧、加熱
硬化することによつて得られた繊維強化複合材料
製ベローズを脱型する場合は円筒型２１をはず
し、さらに巻付型を脱型することにより容易に行
なえる。また巻付型のベローに相当する部分又は
全部をマトリツクスを含浸した連続繊維を巻付た
のちにはずす場合は、マトリツクスはそのままの
状態でもよいが、繊維の乱れを防止するために
は、これを一旦固化し、とくに熱硬化性樹脂をマ
トリツクスとして使用する場合は成形温度よりも
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行な
つた方が好適である。

上記の如く具体例をあげて詳述したが、本発明
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
材料製ベローズを製作するにあたつて連続繊維を
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、かつ設計巻角を維持したままその乱れ
のない製造方法を提供するものであつて、ベロー
の形状、山数さらに型の形状、分割方法等は具体
例に限定されるものではなく用途に応じて適宜用
いられるべきものである。

また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、ケプラー繊維、カーボ
ン繊維、シリコンカーバイト繊維、アルミナ繊
維、ボロン繊維といつた種々の繊維が目的に応じ
て使い分けられるが、とく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、比弾性にすぐれるためこうしたベロー付円筒
体としては好適な材料と言える。またマトリツク
スもプラスチツクス、金属等が考えられ、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、さらに織物を円筒状とした円筒
クロス等と組合せて適宜使用されるべきである。

【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
の一例、第３図〜第６図 本発明に係る巻付型の
一例であり、１は側面図、２は１のＡ−A′断面
図である。第７図、第８図 本発明に係る内圧の
かけ方の一例であり、２は断面図、１はＡ−
A′断面図である。第９図 本発明に係る内圧の
かけ方のもう一方の一例、第１０図１，２ 本発
明に係る内圧の負荷に伴なう変形の概念図、第１
１，１２図 本発明に係る内圧のかけ方のもう一
方の一例 １……円筒体の平坦部に相当する部分の円筒
型、２……ベロー部に相当する部分の円筒型、３
……ゴム状弾性体を支える円筒型（芯型）、４…
…ゴム状弾性体を用いた円筒型、５……流体流入
管、６……内圧負荷部材、１１……繊維強化複合
材料、２１……円周方向に分割したベロー形状を
有する円筒型、３１……周方向を分割したベロー
形状型、３２……内圧負荷テーパ円筒、４１……
金属製帯、４２……内圧負荷治具。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 平坦なもしくはベロー部に相当する位置の径
   を他の部分よりも小さくした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たのち、その
   上から円周方向に分割した内面にベロー形状を有
   する円筒型で巻付けられた連続繊維を覆い、巻付
   型のベローに相当する部分又は全部をはずし、巻
   付けられた連続繊維の内面をゴム状弾性体で覆
   い、この内面から内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
   を他の部分よりも小さくした円筒型の小なくとも
   ベローに相当する部分がゴム状弾性体を用いた円
   筒型とその内側にこれを支える円筒型とからなり
   この型表面にマトリツクスを含浸した連続繊維を
   巻付けたのち、その上から円周方向に分割した内
   面にベロー形状を有する円筒型で巻付けられた連
   続繊維を覆い、ゴム状弾性体を用いた円筒型を支
   える円筒型をはずし、ゴム状弾性体の内面に内圧
   をかけて成形することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の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
   りも径の小さな平坦部の長さがベローズの全長(L)
   に等しいかもしくはそれ以上とすることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項及び第２項記載の繊維
   強化複合材料製ベローズの製造方法。 ４ 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第１
   項乃至第３項記載の繊維強化複合材料製ベローズ
   の製造方法。