説明

強化プラスチック構造体、強化プラスチック構造体の製造方法、構造体、風車ブレードおよび風車

【課題】部材が独立して動くことによるずれが生じにくく、かつ設置場所へ容易に設置することが可能な強化プラスチック構造体、強化プラスチック構造体の製造方法、構造体、風車ブレードおよび風車を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る強化プラスチック構造体は、一面側から厚さ方向に形成された複数の切れ目3を有する板状の合成樹脂材2と、合成樹脂材2の他面側に貼付されたシート材4とを有する層部材を備え、層部材が複数積層されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層構造を有する強化プラスチック構造体、強化プラスチック構造体の製造方法、構造体、風車ブレードおよび風車に関するものである。
【背景技術】
【0002】
風力発電装置に用いられる風車ブレードは、外周面を覆いつつ空力形状を構成する外皮と、外皮の内側に設けられる強度部材のスパー、スパーを連結するスパーキャップ、外皮の内面に沿って面状に設けられ、ブレードの座屈防止の役割を担うコア材などからなる。風車ブレードのコア材は、広面積であり、一般に複数のバルサ合板材が並べられて構成される。特許文献1では、FRP(繊維強化プラスチック)構造体およびその製造方法の発明であって、構造体を大型にすることが可能な技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平11−254566号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
風車ブレードのコア材として、バルサ合板材を使用する場合があるが、バルサ合板材の最大サイズは、合板製造装置によって制限される。例えば、バルサ合板材の最大サイズが1,200mm×600mmである場合、風車ブレードのコア材を形成するためには、図8に示すように、外皮31を形成するガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維上に、バルサ合板材32を風車ブレード30の長さ方向に、バルサ合板材の最大幅である600mmピッチで並べていく作業が必要になる。風車ブレード30は、例えば全長50mのものがあり、この場合、多数のバルサ合板材32が並べられることになる。
【0005】
並べられた各バルサ合板材32は固定されておらず、それぞれ独立して動くことができ、またブレード形状は単純な平面ではなく曲面形状であるため、各バルサ合板材32のつなぎ目33にてずれが生じ、つなぎ目33に接する部分のFRPの風車ブレードの外皮を構成する強化繊維に皺ができやすい。そして、強化繊維の皺が強度低下の要因となるため、バルサ合板材32の設置精度には十分に注意を払わなければならない。
【0006】
したがって、バルサ合板材32の積層作業は、製造工程の中で工数が多い工程である上に、品質重視の観点からは作業を簡略化することも難しく、生産サイクルの短縮化におけるボトルネックとなっている。
【0007】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、部材が独立して動くことによるずれが生じにくく、かつ設置場所へ容易に設置することが可能な強化プラスチック構造体、強化プラスチック構造体の製造方法、構造体、風車ブレードおよび風車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明の強化プラスチック構造体、強化プラスチック構造体の製造方法、構造体、風車ブレードおよび風車は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る強化プラスチック構造体は、一面側から厚さ方向に形成された複数の切れ目を有する板状の合成樹脂材と、合成樹脂材の他面側に貼付されたシート材とを有する層部材を備え、層部材が複数積層されている。
【0009】
この発明によれば、複数の層部材が積層されており、各層部材は合成樹脂材とシート材からなる。これにより、合成樹脂材とシート材が交互に配置され、強度の高い構造体を得ることができる。層部材の板状の合成樹脂材には、一面側から厚さ方向に切れ目が形成され、他面側にシート材が貼付される。そのため、層部材は、切れ目に沿って折り曲げ可能であり、曲面形状の型に沿って配置できる。複数の切れ目が互いに平行に形成されている場合、層部材は、巻き取り可能になるため、一方向に長い部材であっても搬出入が容易になる。
【0010】
また、層部材は、合成樹脂材やシート材からなるため、容易に一方向に長い単一部材とすることができ、サイズが限られた部材(例えばバルサ合板材など)を面状に並べたときに生じるずれの問題がない。さらに、合成樹脂材が切れ目によって複数のブロックに分割されても、個々のブロックは、シート材によって連結されていることから、層部材を連続した一つの部材として扱うことができ、設置精度を向上させることができる。シート材は、例えば繊維からなる布地であり、この場合、構造体は繊維強化プラスチック構造体となる。
【0011】
上記発明において、切れ目は、前記合成樹脂材の前記一面側の幅が前記他面側に比べて広くてもよい。
【0012】
この発明によれば、切れ目は、断面が例えば楔形形状または台形形状となるため、シート材の面の方向に対して凸になるように曲げて、曲面形状に追従させて配置することが容易になる。また、切れ目内部に合成樹脂が流入しやすくなり、構造体内部に敷設する樹脂注入用配管を低減できる。
【0013】
また、本発明に係る強化プラスチック構造体の製造方法は、板状の合成樹脂材に一面側から厚さ方向に複数の切れ目を形成するステップと、合成樹脂材の他面側にシート材を貼付するステップと、合成樹脂材と前記シート部材を有する層部材を積層するステップとを含む。
【0014】
この発明によれば、複数の層部材が積層されており、各層部材は合成樹脂材とシート材からなる強化プラスチック構造体が製造される。この構造体の層部材は切れ目に沿って折り曲げ可能であり、曲面形状の型に沿って配置できる。また、合成樹脂材が一方向に長い単一部材であれば、サイズが限られた部材(例えばバルサ合板材など)を面状に並べたときに生じるずれの問題がない。さらに、合成樹脂材が切れ目によって複数のブロックに分割されても、個々のブロックは、シート材によって連結されていることから、層部材を連続した一つの部材として扱うことができ、設置精度を向上させることができる。
【0015】
また、本発明に係る構造体は、一面側から厚さ方向に形成された複数の切れ目を有する板状の芯材と、芯材の他面側に貼付されたシート材とを有する層部材を備え、層部材が複数積層されている。
【0016】
この発明によれば、複数の層部材が積層されており、各層部材は芯材とシート材からなる。これにより、芯材とシート材が交互に配置され、強度の高い構造体を得ることができる。層部材の板状の芯材には、一面側から厚さ方向に切れ目が形成され、他面側にシート材が貼付される。そのため、層部材は切れ目に沿って折り曲げ可能であり、曲面形状の型に沿って配置できる。複数の切れ目が互いに平行に形成されている場合、層部材は巻き取り可能になるため、一方向に長い部材であっても搬出入が容易になる。
【0017】
また、芯材が切れ目によって複数のブロックに分割されても、個々のブロックは、シート材によって連結されていることから、層部材を連続した一つの部材として扱うことができ、設置精度を向上させることができる。さらに、芯材の個々のブロックはシート材に連結されているため、シート材に接合されていないブロックを面状に並べたときに生じるずれの問題がない。芯材が合成樹脂材であり、シート材が繊維からなる布地である場合、構造体は繊維強化プラスチック構造体となる。なお、芯材は、バルサ合成材などの木材でもよい。
【0018】
また、本発明に係る風車ブレードは、上記の強化プラスチック構造体、または上記の構造体を備える。さらに、本発明に係る風車は、上記の風車ブレードを備える。
これらの発明によれば、上記の強化プラスチック構造体または構造体を備えることによって、風車ブレードや風車を容易に製造することが可能となり、サイズが限られた部材からなる強化プラスチック構造体や構造体を使用したときに比べて、強度低下を回避できる。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、強化プラスチック構造体および構造体は、部材が独立して動くことによるずれが生じにくく、かつ設置場所へ容易に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の一実施形態に係るFRP構造体を示す斜視図である。
【図2】図1の部分拡大斜視図である。
【図3】コア材としてFRP構造体を設置した風車ブレードを示す上面図である。
【図4】図3のA−A線で切断した断面図である。
【図5】FRP構造体の巻き取り状態を示す側面図である。
【図6】本発明の一実施形態に係るFRP構造体の第1の変形例を示す側面図である。
【図7】本発明の一実施形態に係るFRP構造体の第2の変形例を使用したコア材を示す側面図である。
【図8】コア材としてバルサ合板材を設置した風車ブレードを示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本発明の一実施形態に係るFRP(Fiber Reinforced Plastics:繊維強化プラスチック)構造体1の構成について、図1〜図4を用いて説明する。
【0022】
本実施形態のFRP構造体1は、図3および図4に示すように、例えば風力発電装置の風車ブレード10のコア材に使用される。コア材は、風車ブレード10の外皮11に沿って設けられ、風車ブレード10の長手方向に沿って長く設置される。
【0023】
FRP構造体1は、複数の層部材が積層されたものであり、各層部材は合成樹脂材2とシート材4からなる。FRP構造体1では、合成樹脂材2とシート材4が交互に配置され、強度の高い構造体を得ることができる。
【0024】
合成樹脂材2は、板状部材であり、例えば発泡材である。合成樹脂材2は、図2に示すように厚さ方向に貫通した貫通穴7が設けられてもよい。合成樹脂材2は、風車ブレード10のコア材として使用される場合、クローズドセル構造の発泡材であることが望ましい。すなわち、VaRTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)法によるFRPの形成において、風車ブレード10のコア材部分には、厚さ方向の貫通穴7や、面内方向に平行な流路(図示せず。)が設けられて、エポキシ樹脂などの母材樹脂(マトリクス樹脂)がコア材の周囲の強化繊維に含浸される。しかし、母材樹脂が合成樹脂材2の貫通穴7や流路以外に浸透して、コア材全体に母材樹脂が満たされることは重量増加の点から望ましくない。そのため、オープンセル構造の発泡材ではなく、クローズドセル構造の発泡材が望ましい。
【0025】
合成樹脂材2は、例えばPVC(ポリ塩化ビニル)、PET(ポリエチレンテレフタレート)などの合成樹脂製である。なお、本明細書では、シート材4に貼付される部材が合成樹脂材2である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば、バルサ合板材などの木材でもよい。
【0026】
合成樹脂材2には、一面側から厚さ方向に切れ目3が形成される。切れ目3は、例えば図1および図2に示すように、格子状に設けられ、一方向(例えばFRP構造体1の長手方向)に平行な複数の切れ目3と、一方向に対して垂直方向(例えばFRP構造体1の幅方向)の複数の切れ目3からなる。図1および図2に示す切れ目3の幅は、厚さ方向に一定である。切れ目3が設けられることによって、型20の曲面形状に追従させてFRP構造体1を配置できる。また、格子の大きさは、一定にする必要はない。例えば、FRP構造体1を配置する型などにて曲率が大きい部分では格子を小さく、曲率が小さい部分では格子を大きくするなど、配置に対応させて変化させてもよい。
【0027】
シート材4は、例えばガラス繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維などの繊維からなる布地である。シート材4は、液状の母材樹脂材が浸透可能な材質でもよく、浸透した合成樹脂材が硬化することで、FRP構造体1の強度が高まる。シート材4は、合成樹脂材2のうち切れ目3が形成された面とは反対の面に、例えば接着剤によって貼付される。シート材4は、切れ目3によって複数のブロックに分割された合成樹脂材2が全て連結するように、合成樹脂材2に貼付される。
【0028】
合成樹脂材2とシート材4からなる層部材は、切れ目3に沿って折り曲げ可能であり、曲面形状の型などに沿って層部材を配置できる。また、複数の切れ目3が互いに平行に形成されている場合、層部材は、図5に示すように、巻き取り可能になるため、層部材が一方向に長い部材であっても搬出入が容易である。
【0029】
また、層部材は、特に合成樹脂材2やシート材4で構成する場合には、容易に一方向に長い単一部材とすることができ、サイズが限られた部材(例えばバルサ合板材など)を面状に並べたときに生じるずれの問題がない。また、合成樹脂材2が切れ目3によって複数のブロックに分割されても、個々のブロックはシート材4に連結されているため、シート材4に接合されていないブロックを面状に並べたときに生じるずれの問題がなく、層部材を連続した一つの部材として扱うことができ、設置精度を向上させることができる。
【0030】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図1および図2に示す切れ目3の幅は、厚さ方向に一定であるが、本発明はこの例に限定されない。図6に示すように、切れ目5は、合成樹脂材2の一面側から他面側まで幅が変化して、合成樹脂材2の一面側の幅が他面側に比べて広くなっており、断面が例えば楔形形状または台形形状であってもよい。また、図7に示すように、切れ目6は、合成樹脂材2の一面側から厚さ方向の途中まで幅が変化するようにして、その後は幅が一定の切れ目3が形成されるようにしてもよい。切れ目5,6が設けられることによって、FRP構造体1は、シート材4が設けられる側が凸になるように曲げられて、型20の曲面形状に追従させてFRP構造体1を配置することが容易になる。
【0031】
また、切れ目5,6は、断面が例えば楔形形状または台形形状となるため、切れ目5,6内部に母材樹脂が流入しやすくなる。そのため、切れ目5,6は、樹脂注入用流路の機能を果たし、従来、製品上部に敷設していた樹脂注入用配管を低減できる。また、図7に示すように、複数の層(第2層、第3層)において、切れ目6による樹脂注入用流路が形成されるため、流入する樹脂量を増大させることができ、効果的に樹脂をコア材の周囲の強化繊維に含浸させることができる。なお、ここでは、外皮11を形成することになる強化繊維に接触する層を第1層とし、内側に向かって積層される層を順に第2層、第3層とした。
【0032】
風車ブレードを製造する際、第1層の層部材は、図7に示すように、楔形または台形といった溝状の切れ目5,6は形成されない。外皮11を構成する繊維が切れ目5,6に落ち込んで、外皮表面が凹凸になるためである。第1層に楔形または台形形状の切れ目5,6を設けた層部材を用いる場合には、第1層の上下面を反転させて積層するか、すべての層部材の上下面を反転させる等して積層する。
【0033】
次に、本実施形態に係るFRP構造体1の製造方法を説明する。
まず、板状の合成樹脂材2を用意し、一面側から厚さ方向に複数の切れ目3を形成する。切れ目3は、例えば格子状に形成される。一方、合成樹脂材2の面積に合わせたシート材4を用意し、シート材4を合成樹脂材2に貼付する。シート材4を貼付する合成樹脂材2の面は、切れ目3が形成された面とは反対の面である。これにより、合成樹脂材2とシート材4からなる層部材が形成される。層部材は、合成樹脂材2が切れ目3によって複数のブロックに分割されていても、一つの部材として扱うことができる。また、層部材は、切れ目3に沿って折り曲げ可能であり、図5に示すように、巻き取った形で搬出入できる。
【0034】
なお、上記の説明では、シート材4を合成樹脂材2に貼付する前に、合成樹脂材2に切れ目3を形成するとしたが、本発明はこの例に限定されない。シート材4を切断してしまわない限り、シート材4を合成樹脂材2に貼付した後、合成樹脂材2に切れ目3を形成してもよい。
【0035】
次に、層部材が積層されたFRP構造体1を風車ブレード10のコア材として使用する場合について説明する。
まず、上記の通りに形成された層部材を、図4に示すように、型20上に設置された外皮を形成する強化繊維11上に配置する。そして、複数の層部材を積層していく。層部材は、切れ目3を有することから、型20の曲面に追従させて層部材を配置できる。層部材が複数積層されたものがFRP構造体1であり、FRP構造体1は、風車ブレード10のコア材として適用される。
【0036】
風車ブレードを製造する場合、コア材のほかに、図4に示すようにコア材としてのFRP構造体1の間にスパーキャップ12を形成することになる強化繊維を、型20に接した外皮11を形成することになる強化繊維上に設置する。そして、図4に示すように、FRP構造体1およびスパーキャップ12上にも外皮11を形成することになる強化繊維を設置する。その後、例えばVaRTM法によって、これらの材料をフィルムバッグで密閉し、フィルムバッグ内を真空引きしながら、母材樹脂を注入して、外皮11やFRP構造体1の切れ目3や貫通穴7などに母材樹脂を浸透させる。これによって、FRP製の風車ブレード10が製造される。ここでは、スパーキャップをブレードと同時に成形する例を説明したが、スパーキャップは、別途予め成形しておき、外皮の成形時に一体化させるようにしてもよい。
【0037】
以上、本実施形態のFRP構造体1は、層部材が1枚のシート材4で連結されていることによって、平面方向、特にコア材の長手方向の部材数を少なくすることができる。また、層部材のうち合成樹脂材2は切れ目3が形成されていることから、FRP構造体1は曲面に追従できる。また、FRP構造体1は、巻き取られた状態で工場などの製造現場に搬出入でき、展開することによって設置できることから、設置工数を低減することができ、設置場所への設置が容易である。
【0038】
さらに、層部材が1枚のシート材4で連結されていることによって、各部材が独立して移動してずれることがなく、FRP製品(例えばFRP製の風車ブレード10)を製造する場合、FRP構造体1に接触する繊維に皺ができにくい。そのため、皺による強度低下の恐れがなくなり、FRP製品の品質向上を図ることができる。
【0039】
また、上記のFRP構造体1を備える風車ブレード10、その風車ブレード10を備える風車によれば、FRP構造体1を備えることによって、風車ブレード10や風車を容易に製造することが可能となり、サイズが限られた部材からなる従来のコア材を使用したときに比べて、強度低下を回避できる。
【符号の説明】
【0040】
1 FRP構造体
2 合成樹脂材
3,5,6 切れ目
4 シート材
10,30 風車ブレード
11,31 外皮
12 スパーキャップ
20 型
32 バルサ合板材
33 つなぎ目


【特許請求の範囲】
【請求項1】
一面側から厚さ方向に形成された複数の切れ目を有する板状の合成樹脂材と、
前記合成樹脂材の他面側に貼付されたシート材と、
を有する層部材を備え、
前記層部材が複数積層された強化プラスチック構造体。
【請求項2】
前記切れ目は、前記合成樹脂材の前記一面側の幅が前記他面側に比べて広い請求項1に記載の強化プラスチック構造体。
【請求項3】
板状の合成樹脂材に一面側から厚さ方向に複数の切れ目を形成するステップと、
前記合成樹脂材の他面側にシート材を貼付するステップと、
前記合成樹脂材と前記シート部材を有する層部材を積層するステップと、
を含む強化プラスチック構造体の製造方法。
【請求項4】
一面側から厚さ方向に形成された複数の切れ目を有する板状の芯材と、
前記芯材の他面側に貼付されたシート材と、
を有する層部材を備え、
前記層部材が複数積層された構造体。
【請求項5】
請求項1もしくは2に記載の強化プラスチック構造体、または請求項4に記載の構造体を備える風車ブレード。
【請求項6】
請求項5に記載の風車ブレードを備える風車。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2012−176542(P2012−176542A)
【公開日】平成24年9月13日(2012.9.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−40585(P2011−40585)
【出願日】平成23年2月25日(2011.2.25)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】