特表 2023-503744 多芯繊維複合材料における直交構造成分、製造技術、及び薄膜材料

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-01

(54)【発明の名称】多芯繊維複合材料における直交構造成分、製造技術、及び薄膜材料

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/68 20060101AFI20230125BHJP

   C08J 9/32 20060101ALI20230125BHJP

   B29C 70/06 20060101ALI20230125BHJP

   B29C 70/42 20060101ALI20230125BHJP

   B29C 44/00 20060101ALI20230125BHJP

   B29C 44/12 20060101ALI20230125BHJP

【ＦＩ】

B29C70/68

C08J9/32 CER

C08J9/32 CEZ

B29C70/06

B29C70/42

B29C44/00 F

B29C44/12

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021560993

(86)(22)【出願日】2020-04-20

(85)【翻訳文提出日】2022-01-05

(86)【国際出願番号】 IB2020053723

(87)【国際公開番号】W WO2020212959

(87)【国際公開日】2020-10-22

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521449784

【氏名又は名称】アメリカン インベストミント コーポ

【氏名又は名称原語表記】Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｖｅｓｔｍｉｎｔ Ｃｏｒｐ

【住所又は居所原語表記】５ Ｅａｓｔ ２２ｎｄ Ｓｔｒｅｅｔ ２５Ｐ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ ＮＹ １００１０ ＵＳＡ

(74)【代理人】

【識別番号】100185694

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 隆志

(72)【発明者】

【氏名】チョー ジェリー

【テーマコード（参考）】

4F074

4F205

4F214

【Ｆターム（参考）】

4F074BA91

4F074DA20

4F074DA59

4F205AB02

4F205AD16

4F205AG03

4F205AG18

4F205AG20

4F205AH04

4F205HA08

4F205HA11

4F205HA19

4F205HA27

4F205HA35

4F205HB01

4F205HB11

4F205HK04

4F205HK12

4F205HK31

4F214AB02

4F214AD16

4F214AG03

4F214AG18

4F214AG20

4F214AH04

4F214UA37

4F214UB01

4F214UB11

4F214UF05

(57)【要約】

本発明は、繊維複合材料の加工・製造の技術分野に属し、特に、多室型繊維複合材料における直交構造部材、その製造方法およびフィルム材料に関するものである。多室型繊維複合材料の直交構造部材は、構造パネルからなるシェルと、構造パネルの間に形成された少なくとも2つのチャンバーとを含み、チャンバー壁は、隣接する2つのチャンバーごとに配置され、構造パネルに対して垂直である。シェルとチャンバーの壁は、炭素繊維材料またはガラス繊維材料で作られています。各室には、発泡プラスチック製のコアが設けられており、構造パネル、室、室壁、およびコアは、繊維材料と発泡プラスチックの熱成形プロセスによって一体的に形成されている。この製造方法は、予備成形された芯体を用意する工程と、予備成形された芯体に型入れを行う工程と、繊維シェルと芯構造を一体的に形成する工程とを含む。本発明の多室型繊維複合材料における直交構造部材は、高強度、軽量、良好な安定性、高い適用性などの技術的効果を有している。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法であって、予備成形された芯体を準備する工程を含み、発泡材料を含む発泡材料室を作るためにフィルム材料が使用される；発泡材料室に適量の発泡材料を充填して予備成形された芯体を準備する；予備成形された芯材に型入れを行い、予備成形された芯材を準備するステップで作られた複数の予備成形された芯材を、所定の空間配置に従って金型に入れる；各予備成形芯体は、繊維材料の層で封止され、繊維シェルとコア構造が一体的に形成される；金型キャビティの温度を上昇させ、発泡材料の膨張圧力下で、チャンバー壁（130）および構造パネル（110）を同期して形成して、少なくとも2つのチャンバー（120）を含む構造部材シェル（10）を形成する；一方、予備成形されたコア本体内の発泡材料が膨張して各チャンバー（120）を満たし、チャンバー壁（130）内の構造パネル（110）に直交する複数チャンバーの空間構造を形成する。

【請求項2】

請求項１に記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法は、発泡材料のモノマー粒子がマイクロカプセル構造であることを特徴とする；前記マイクロカプセル構造は、プラスチック材料からなるカプセルシェルを含み、前記発泡材料は前記カプセルシェルに内包されていることを特徴とする。

【請求項3】

また、請求項１に記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法は、フィルム材が、ワックス-樹脂層（1）、接着性樹脂層（2）、発泡材ポリマー樹脂混合物層（3）を含むことを特徴とする。発泡材ポリマー樹脂混合物層（3）は、発泡材ポリマー樹脂混合物で被覆されて形成され、体積分率が30％以下の発泡材からなる。

【請求項4】

請求項１に記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法は、層材が、粘性接着剤層（A＊）とポリマー接着剤を有する水不溶性ワックス-層（B）とを含むことを特徴とする；粘接着剤層（A＊）は、溶媒担体、発泡材、水不溶性の膨張性粘性高分子接着剤および感熱成形樹脂を含み、発泡材は溶媒担体中に均一に分散しており、溶媒担体に対する発泡材の体積分率は30％以上であることを特徴とする。

【請求項5】

シェル（10）を含む、多室型繊維複合材料の直交構造部材であって、直交構造部材は、シェル（10）が、複数の構造パネル（110）と、構造パネル（110）の間に配置された少なくとも2つのチャンバー（120）とからなることを特徴とする；チャンバー壁（130）は、隣接する2つのチャンバー（120）ごとの間に配置され、構造パネル（110）と直交している；シェル（10）およびチャンバー壁（130）は、炭素繊維材料または複合材料で作られている；チャンバー（120）は、内部に発泡プラスチック製のコア（20）を備えており、構造パネル（110）、チャンバー（120）、チャンバー壁（130）およびコア（20）は、繊維材料と発泡プラスチックの熱成形プロセスによって一体的に形成されている。

【請求項6】

シェル（10）を含む、多室型繊維複合材料における直交構造部材であって、直交構造部材は、シェル（10）が、複数の構造パネル（110）と、構造パネル（110）の間に配置された少なくとも2つのチャンバー（120）とを備えるように特徴付けられている；チャンバー壁（130）は、2つの隣接するチャンバー（12）ごとの間に配置され、構造パネル（110）に対して直交している；シェル（10）およびチャンバー壁（130）は、炭素繊維材料または複合材料で作られている；チャンバー（120）の内部には、発泡プラスチック製のコア（20）が設けられている；構造パネル（110）、チャンバー（120）、チャンバー壁（130）およびコア（20）は、請求項１?４のいずれかに記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程を通じて一体的に形成されている。

【請求項7】

請求項５または請求項６に記載の複室型繊維複合材料における直交構造部材は、ブレード形状の構造であることを特徴とする；また、構造用パネル（110）がブレード形状のパネルであるか、または、複室型繊維複合材料における直交構造部材がシート形状の構造であることを特徴とする；構造パネル（110）がシート状パネルであり、室（120）がハニカム状または直交格子状または従属格子状または帯状に分布していることを特徴とする。

【請求項8】

また、請求項５または請求項６に記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材は、シェル（10）が扇形であることを特徴とする；前記室（120）は、前記シェル（10）の径方向に延び、前記シェル（10）の周方向に均等に配置されている、または、前記室（120）は、前記シェル（10）の周方向に延び、前記シェル（10）の径方向に均等に配置されていることを特徴とする。

【請求項9】

前記室（120）に前記コア（120）が充填されていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材。

【請求項10】

シェル（10）が閉じたシェルであることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の多室型繊維複合材料における直交構造部材である。

【請求項11】

ワックスフィルム樹脂層（1）、接着剤樹脂層（2）および発泡性材料ポリマー樹脂混合物層（3）を含むことを特徴とするフィルム材料である；発泡性材料ポリマー樹脂混合物層（3）は、発泡性材料ポリマー樹脂混合物で被覆されて形成されている；発泡性材料ポリマー樹脂混合物は、体積分率30％以上の発泡性材料からなる。

【請求項12】

粘性接着剤層（A*）とポリマー接着剤を有する水不溶性ワックスフィルム層（B）とを含むことを特徴とするフィルム材料；粘性接着剤層（A*）は、溶剤キャリア、発泡材料、水不溶性の膨張性粘性ポリマー接着剤および感熱成形樹脂を含み、発泡材料は溶剤キャリア中に均一に分散され、溶剤キャリアに対する発泡材料の体積分率は50％以上である。

【請求項13】

ワックスフィルム樹脂層（1）、接着性樹脂層（2）およびマイクロカプセルを含む発泡ゲル型ポリマー樹脂混合物（3）を含むことを特徴とするフィルム材； 前記発泡ゲル型ポリマー樹脂混合物層は、加熱硬化の過程で発泡材料の劣化や収縮を起こさない；繊維材料の層は、炭化水素（3）からなり、発泡ゲル型ポリマー樹脂混合物で被覆されて形成されている；発泡ゲル型ポリマー樹脂混合物は、体積分率が30％以上の発泡材料から構成されている。

【請求項14】

請求項１に記載の製造方法であって、前記フィルム材料は、ゲル状の高分子樹脂からなることを特徴とする製造方法。

【請求項15】

ワックスフィルム樹脂（1）、接着性樹脂（2）、マイクロカプセル（3）、炭化水素（3）、および体積分率が30％以上の発泡材からなる、樹脂ゲル状のゲル型ポリマー樹脂。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維複合体の加工及び製造の技術分野に属する。
[産業上の利用分野]本発明は、多室ファイバ内の直交構造部材に関する複合材料、製造プロセス及びフィルム材料に関するものである。

【背景技術】

【0002】

世界中の経済レベルや技術レベルが徐々に向上するにつれ、人々は既存の様々な機器や現場の板材の強度、重量、使用性能に対してより多くの要求を出している。例えば、作業場や家屋の床、側壁、天井などに使用される板材や、工事車両や産業機器のシェルなどに使用される板材は、一般的に金属または非金属材料（プラスチックなど）で作られているため、現場の作業員の労働負荷が高い、安全上の危険が潜んでいる、設置時の工事難易度が高いなどの技術的な問題がある。

【0003】

また、使用中に腐食や変形を起こしやすく、強度が要求に応えられない、耐震性が低いなどの問題があった。これらの問題を解決するために、メーカーは繊維複合材料を用いた代替品を開発した。これらの繊維複合材料による板材製品は、優れた機械的強度に加えて、高い引張強度、良好な耐食性、優れた耐震性と耐衝撃性の優位性など、既存の金属やプラスチックの板材にはない多くの特性を持っている。しかしながら、構造やプロセスなどの制約から、既存の繊維複合材料製の板材を使用するには、まだいくつかの問題がある。例えば、ブレードや各種タービンブレードの用途では、既存の繊維複合材料製ブレードは、中実構造や中空構造、あるいは分割単芯構造が一般的であるため、重量が大きい、強度が不足している、耐震性が低い、起動トルクが大きい、安定性が不足しているなどの問題が残されている。風力発電機のブレードの技術開発の現状を例に、既存の様々な技術の長所と短所を以下に詳しく紹介する。

【0004】

気候悪化の圧力や環境保護の推進により、人々のクリーンエネルギーへのニーズは飛躍的な発展の段階に入るだろう。国際風力エネルギー委員会によると、2022年の世界の風力発電容量は1,000GWに成長すると推定されている。したがって、風力発電装置の国際市場は巨大であり、現在のブレードの製造コストは風力発電装置の総コストの約15％を占めており、風力発電装置の主要部品であるブレードは150億ドルの市場シェアを有することになる。

【0005】

基本風力発電設備は、単一構造のブレードを採用している。
強度的に不十分であり、破損しやすく、故障しやすいという問題があった。
以下、本発明の実施の形態について説明する。現代の設計思想では、風をブレードの基本構造とするため、風力エネルギーを有効に取り込めない、風速が高い（時速22マイル以上）、起動トルクが大きいなどの欠点がある。現在の主な設計方式は、セミコア構造の翼型形状のブレードを使用することである。各ブレードは、独立して形成された2つの半ブレードを含み、2つの半ブレードは、半ブレードの間に配置された発泡材を介して接着されている。各ブレードの中間に配置された発泡樹脂構造は、振動や騒音を低減し、ブレードの安定性を高めることができる。しかし、このブレードは、分割されたブレード構造のため、接合部に沿ってクラックが発生しやすく、機械的強度が不十分であるなどの欠点があった。接合部に沿って機械的強度等が不十分である。この調査によれば、大型の風力発電システムでは、セミコア構造の10万枚のブレードが必要である。現状では補修や交換が可能であり、後の時期にはメンテナンスコストが膨大になるとのことである。

【0006】

一方で、国内の膨大なエネルギー消費を背景に、低風速・低高度の風力エネルギーソリューションの開発を目指す企業もある。例えば、アメリカのある家庭の重油やガスなどの年間エネルギー消費コストが約15,000ドル、現在市販されている5kWの風力発電システムの設置コストが約7,500ドルだとすると、風力エネルギーを利用すれば、クリーンエネルギーの応用で年間7,500ドルの収益が得られることになる。住宅や商業ビルでは、低速風力発電の市場は巨大だが、現状では実現可能な解決方法がない。

【0007】

米国では、約7500万戸の戸建て住宅、3000万棟の集合住宅、600万棟のオフィスビルに低速風力発電設備を設置することができ、その潜在市場収入は年間5600億円を超えるとされている。米国には約7500万戸の独立型住宅があり、その平均エネルギー消費量は年間2,400ドルである。年間の平均エネルギー消費量の約50％の利益を得られる風力発電装置を設置する、あるいは年間1,200ドルの利益を得られるという観点で計算すると、3年後の年間国民所得は1,800億ドルになる。300万棟のマンションについては、仮に1棟のマンションに20戸あるとすると、平均エネルギー消費量は年間2万ドルで、1万ドルの年収で計算すると、市場需要は年間3000億ドルになる。また、低風速・低高度の風力発電は、商業施設のオフィスビルにも適用できる。低平均エネルギー消費量が30,600ドルであることから、2012年の米国における560万棟の商業用オフィスビルの規模に基づくと、潜在的な市場規模は年間860億ドルとなる。クリーンエネルギーの提案により、世界各国の政府は近い将来、再生可能エネルギーの利用に大きな推進力を与えるか、強制的に実施することになるだろう。

【0008】

したがって、高効率で、エネルギー消費量と故障率が低く、低風速・低高度の発電に適した風力発電ブレードを開発することは、社会的・経済的に大きな意義がある。一方で、より高い機械的強度、より優れた耐震性、より完璧な機械構造、より優れた強度対重量比（強度/重量）を持つ板材などの構造部材と、それに対応する加工技術が開発されており、社会経済や技術開発の進歩性に重要な意味を持つことになる。

【発明の概要】

【0009】

本発明は、先行技術の技術的課題に鑑み、理論解析と現場での実践に基づき、複室型繊維複合材料における直交構造部材、その製造方法、及びフィルム材を提供するものである。多室型繊維複合材料における直交構造部材は、様々なサイズや風速の風力発電機システムのブレードや、高い強度が要求される他の板材などの適用環境として用いることができ、機器の機械強度の向上、機器のエネルギー消費の低減、機器の適用範囲の拡大、既存の機器や設備の使い勝手を向上させることができる。

【0010】

本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法は以下の通りである。多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法は、以下の工程を含む。 発泡材料を収容するための発泡材料室を形成するためのフィルム材料を用いて、発泡材料室に適量の発泡材料を充填して予備成形された芯材を準備する工程と 前記予備成形された芯材を準備するステップで準備された複数の予備成形された芯材を、所定の空間レイアウトに従って金型に配置し、各予備成形された芯材を繊維材料の層で封止することにより、予備成形された芯材を金型に充填するステップと 繊維シェルとコア構造を一体的に形成するステップであって、ダイキャビティの温度を上昇させ、発泡材料の膨張圧力の影響下で、チャンバー壁と構造パネルを同期して形成し、少なくとも2つのチャンバーを有する構造部材シェルを形成し、一方で、予備成形されたコア本体の発泡材料が膨張して各チャンバーを満たし、チャンバー壁に構造パネルと直交する複数チャンバーの空間構造を形成するステップである。

【0011】

好ましくは、本発明が提供する多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程において、フィルム材料は、光学フィルム、複合フィルム、超伝導フィルム、ポリエステルフィルム、ナイロンフィルム、プラスチックフィルム、繊維フィルム、ワックスペーパーフィルム、発泡材料からなるフィルムなど、様々な層を採用することができる。フィルムは、良好な成形性を有し、多室型繊維複合材料における直交構造部材の具体的な構造に応じて適切な形状の予備成形芯体を作製するために用いることができるものであれば、予備成形芯体を準備するステップに適用することができる。

【0012】

さらに好ましくは、本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程で採用するフィルム材が、ワックスフィルム樹脂層、接着剤樹脂層および発泡材ポリマー樹脂混合層を含み、発泡材ポリマー樹脂混合層が発泡材ポリマー樹脂混合物で被覆されて形成されており、発泡材ポリマー樹脂混合物が体積率65％以上の発泡材料からなることである。発泡材料高分子樹脂混合物は、エチレン-酢酸ビニル共重合体などの炭化水素系溶剤を含む樹脂ゲルが好ましく、繊維材料の層を加熱硬化させる過程で発泡材料の劣化や収縮を防止するために使用される。ワックスフィルム樹脂層、接着剤樹脂層および発泡材ポリマー樹脂混合層を有するフィルム材は、成形特性が良好であるだけでなく、多室型繊維複合材料における直交構造部材の特定構造に応じた適切な形状の予備成形芯体の製造に用いることができ、繊維材料の層の加熱硬化の過程で発泡材が分解、収縮することを防止することが可能である。

【0013】

さらに好ましくは、本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程で採用するフィルム材は、粘接着剤層と高分子接着剤付き水不溶性ワックスフィルム層を含み、粘接着剤層が溶剤担体と発泡材と水不溶性膨張性粘接着剤と感温性成形樹脂とを含み、溶剤担体に対する発泡材の体積分率は50％を下回らないことを特徴とするものである。

【0014】

好ましくは、上記複室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程において、発泡体のモノマー粒子はマイクロカプセル構造であり、マイクロカプセル構造はプラスチック材料からなるカプセルシェルを含み、本発明により提供される複室型繊維複合材料における直交構造部材は以下のようなものである。多室型繊維複合材料における直交構造部材がシェルを含み、シェルが複数の構造パネルと、構造パネル間に配置された少なくとも2つのチャンバーからなり、チャンバー壁が隣接する2つのチャンバーごとに配置され、構造パネルと直交し、シェルおよびチャンバー壁が炭素繊維材料またはガラス繊維材料からなり、チャンバーは内部に発泡プラスチック製のコアを備え、繊維材料および発泡プラスチックの熱成形プロセスによって構造パネル、チャンバー、チャンバー壁およびコアが一体成形されていることを特徴とする、直交型繊維複合材料における直交型繊維複合部材である。

【0015】

本発明の複室型繊維複合材料における好ましい直交構造部材として、構造パネル、チャンバー、チャンバー壁及びコアは、上記いずれかの技術方式に記載の複室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程を通じて一体的に形成されている。

【0016】

本発明の複室型繊維複合材料における好ましい直交構造部材としては、複室型繊維複合材料における直交構造部材が刃状構造体であり、構造パネルが刃状パネルであることが挙げられる。

【0017】

本発明の複室型繊維複合材料における好ましい直交構造部材としては、シェルが扇形であり、室がシェルの半径方向に延び、シェルの周方向に均等に分布しているもの、または、室がシェルの周方向に延び、シェルの半径方向に均等に分布しているものであることが挙げられる。

【0018】

本発明の複室型繊維複合材料における好ましい直交構造部材としては、構造パネルが板状パネルであり、室がハニカム状または直交もしくは異方性の格子状または帯状に分布している板状構造体が挙げられる。

【0019】

本発明の複室型繊維複合材料における好ましい直交構造部材としては、室内に芯材が充填されているものが挙げられる。

【0020】

本発明の複室型繊維複合材料における好ましい直交構造部材としては、シェルがクローズドシェルであることが挙げられる。

【0021】

本発明の多室型繊維複合材料における直交構造部材の加工に用いるフィルム材は、ワックスフィルム樹脂層、接着剤樹脂層および発泡材ポリマー樹脂混合物層からなり、発泡材ポリマー樹脂混合物層が発泡材ポリマー樹脂混合物で被覆されて形成されており、発泡材ポリマー樹脂混合物が体積率65％以上の発泡材からなることを特徴とするものである。または、粘接着剤層と高分子接着剤付き水不溶性ワックスフィルム層とからなり、粘接着剤層が溶剤担体と発泡性材料と水不溶性膨張性粘接着剤と感熱性成形樹脂とを含み、発泡性材料が溶剤担体に均一に分布し、溶剤担体に対する発泡性材料の体積率が50％を下らないことを特徴とするフィルム材料である。

【0022】

本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交構造部材は、複室内の直交空間構造を採用し、繊維シェルとコア構造を一体化する熱成形プロセスを採用することにより、直交構造部材がより高い強度、優れた強度対重量比、より優れた安定性と耐衝撃性と、より完璧な空間構造を有するという主に次の技術効果を奏するものである。風力発電機のブレードを例にとると、本願発明が提供する多室型繊維複合材料製ブレードおよびその加工技術は、先行技術における技術課題を解決し、風力発電および関連技術の分野における画期的進歩を促進するものである。

【0023】

まず、先行技術である分割帯状羽根ブレードを使用する技術的限界を打破し、羽根ブレードとして高強度・軽量の大面積ファイバーブレードを採用したことである。同じ発電量を確保することを前提に、始動トルクを大幅に低減している。風受け面積が飛躍的に拡大し、風速の大きい自然環境でも小さい自然環境でも使用でき、発電効率を効果的に向上させることができる。

【0024】

第二に、先行技術における分割半コア組立技術解決方法の技術的限界を突破し、多室一体成形の直交成形技術解決法を採用し、複数の充填コアと複数の室壁を有するため、本願が提供するブレード製造工程を通じて、繊維シェルとプラスチックコアをオールインワンで一体化できる。効果的にブレードの全体的な機械的強度を高め、ブレード回転時の振動や騒音を大幅に低減し、動作時のブレードの安定性を向上させるだけでなく、ブレード繊維シェルと充填コアの間の接続の気密性を効果的に向上させ、ブレード全体の信頼性も改善される。一方、多室一体成形の技術的解決策は、発電効率の向上と始動トルクの低減において、大面積翼構造の技術的解決策を現実のものとするものでもある。

【0025】

第三に、先行技術におけるプラスチックコアとブレードパネル間の非直交配置の技術的限界を打破し、チャンバー壁がコアに対して垂直または垂直なパネルのマルチチャンバー空間構造は、ファイバーシェルとマルチチャンバーを成形しながら加工することが可能である。この空間構造は、ブレードの耐圧性を向上させ、振動や動作音を低減させるのに最も資する、理論的に最も強く、完璧な構造である。本願が提供するマルチチャンバー繊維複合材料における直交構造部材及び対応する製造方法は先行技術に存在しないため、本願が開示する技術的解決策は、市場のギャップを埋め、先行技術に存在する技術的問題を解決するものである。

【0026】

明らかな技術的進歩、社会的、経済的、環境保護的意義を有する。以下、本発明の技術的解決策及び技術的効果をより明確かつ曖昧にするために、本発明に開示された複室型繊維複合材料における直交構造部材及び対応する製造工程を添付図面及び具体的実施形態と合わせて詳細に説明する。

【0027】

以下、本発明の技術的解決策及び技術的効果をより明確かつ明白にするために、本発明に開示された複室型繊維複合材料における直交構造部材及び対応する製造工程を添付図面及び具体的実施形態と合わせて詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】第1の実施形態におけるブレード構造の全体斜視図である

【図2】図2におけるAA断面図である

【図3】第1の好ましい態様におけるブレード製造工程の模式図

【図4】第2実施形態におけるブレード構造の全体斜視図である

【図5】第3の実施形態におけるハニカムチャンバーの概略図である

【図6】本出願における内部直交構造の説明図である

【図7】三層フィルム材構造の概略図である

【図8】フィルム材構造体の2層模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

図1及び図2を参照して、閉殻10を含む扇形多室型繊維複合材料ブレードを開示する本願の好ましい実施形態1の適用例を説明する。シェル10は、2つの構造パネル110(すなわちブレードパネル)を含む。風力発電機のローターを組み立てるとき、2つの構造パネルブレード110はそれぞれブレードのフロントパネルとリアパネルを形成する。シェル10の全体形状は扇形で、その表面積は同じ長さの既存の帯状の羽根ブレードの6?10倍であり、これはブレードの風受け面積を大規模に増加させるのに有益である。シェル10内部には、5つのコーン型チャンバー120が設けられており、チャンバー120は、シェル10に沿った径方向に延び、シェル10に沿った周方向に均一に分布している。この5つのチャンバー120のうち、隣接する2つのチャンバー120ごとに、インナーパネル構造体110に対して垂直なチャンバー壁130、が設定されている。シェル10及びチャンバー壁体130の材料は、いずれも炭素繊維複合材料であり、チャンバー120には発泡プラスチック20で形成されたコアが設けられ、コア20がチャンバー120を充填し、構造パネル110、チャンバー120チャンバー壁体130及びコア20は、図3に示す繊維材料及び発泡プラスチックの熱成形加工、即ち本願請求項のマルチチャンバー繊維複合材料における直交構造部の製造方法により一体的に形成されている。

【0030】

図3を参照すると、本願が提供する多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造工程は、薄膜材料を用いて発泡材料を収容するための発泡材料室を作り、発泡材料室に適量の発泡材料を充填して前芯プラスチック体を準備する前芯プラスチック体準備ステップと、発泡材料室に発泡材料を充填して前芯プラスチック体を準備する前芯プラスチック体準備ステップとを含む。薄膜材料は、多室型繊維複合材料における直交構造部材の具体的な構造に応じて適切な形状の予備コアプラスチック体を準備するために用いることができる成形性の良いものであれば、光学フィルム、複合フィルム、超電導フィルム、ポリエステルフィルム、ナイロンフィルム、プラスチックフィルム、繊維フィルム、ロウ紙フィルム、発泡材料フィルム等の各種フィルムであっても良く、予備コアプラスチック体準備ステップに適用することが可能である。本実施形態で用いる薄膜材料は、本発明者が独自に発明した専用薄膜材料であり、図7を参照して、ロウ膜樹脂層、接着剤樹脂層、発泡材料高分子樹脂混合層；発泡材料高分子樹脂を含んでいる。混合物層は、発泡材料高分子樹脂混合物を塗布することにより形成される。発泡材料ポリマー樹脂混合物は、発泡材料とゲル状ポリマー樹脂とを含み、発泡材料の体積分率が65％以上である。具体的には、ゲル状高分子樹脂は、エチレン-酢酸ビニル共重合体などの炭化水素系溶剤を含む樹脂ゲルや床用接着剤、コーキング用接着剤などであってもよい。 ワックスフィルム樹脂層、接着性樹脂層、発泡性材料重合体を有することにより、樹脂混合層の薄膜材料は、成形性が良いだけでなく、多室型繊維複合材料における直交構造部材の特定構造に応じて適切な形状のプレコア樹脂体とすることができ、また加熱硬化時に繊維材料層中の発泡性材料が劣化・収縮することを防止することができる。

【0031】

繊維材料層のホットメルト、成形、硬化の工程は数十分から数時間かかることが多いため、プレコアプラスチックに使用する発泡材にコアの劣化や収縮を防ぐ機能がなければ、複合材料において理想的な多室繊維の直交空間アーキテクチャを生成することができない。実際の検出と理論分析によると、薄膜材料の発泡高分子樹脂混合層の最適な技術パラメータは、熱伝導率3W/mk、熱容量1J/gk、誘電率200VAC/mil、動作温度68～395度F、散逸係数0.002/100 kHzである。いくつかの改良された実施形態では、本発明者によって独立して発明された別の特殊な薄膜材料を、本発明によって提供されるマルチチャンバー繊維複合材料における直交構造の製造工程において使用してもよく、図8を参照して、ポリマー接着剤を有する粘性形状接着層と水不溶性ワックスフィルム層、ポリマー接着剤を有する水不溶性ワックスフォーム層上にコーティングされた粘性接着層が含まれている。粘着性接触層は、溶剤担体、発泡材料、水不溶性膨張性粘性ポリマー接着剤、および感熱性成形樹脂を含み、溶剤担体が樹脂ゲルまたは床接着剤、コーキング剤などであり、発泡材料が溶剤担体中に均一に分散し、溶剤担体中の体積分率が50％以上であることを特徴とする。また、粘着層付き薄膜材料と高分子接着剤付き水不溶性ワックスフォーム層は、繊維材料層の加熱硬化時にフォーム材料の劣化や収縮を防ぐことができ、コアに完全な多室直交空間アーキテクチャを実現することができる。

【0032】

プレコアプラスチック体成形ステップ、複数のプレコアプラスチック体準備ステップで製造されたプレコアプラスチック体を、所定の空間レイアウトまたは必要な空間レイアウト（本実施形態では、直径に沿って、円周方向に均一に延びる）に従って金型に入れ、繊維材料の層で完全に封入される。具体的な操作としては、金型に繊維材料層を設置し、図3が示す空間配置の金型に、プリコアプラスチック体準備工程で製造した複数のプリコアプラスチック体を配置し、繊維材料層を用いてプリコアプラスチック体を完全にカプセル化することができ、代わりに、図3が示す空間配置に従って繊維材料層を用いて複数のプリコアプラスチック体を完全にカプセル化し、カプセル化したプリコアプラスチック体を繊維材料層と共に金型に装入することができる。ファイバーシェルとコアアーキテクチャをオールインワンで成形するステップ: 金型キャビティの温度を繊維材料層と発泡材料の溶融温度と硬化温度に合わせ昇降させ、発泡材料の膨張圧の作用の下、チャンバー壁130と構造パネル110を同期的に成形し、複数のチャンバーコア120からなるシェル10を形成し、同時にプレコアプラスチックボディの発泡材料を各コア120に充填し、構造パネル110のマルチチャンバー空間構造に対して直交するようにチャンバー壁130を形成する。

【0033】

本願では、炭素繊維材料またはガラス繊維材料が硬化する前に一定の圧力を維持できるものであれば、入手可能な任意の発泡プラスチック材料を芯材として用いることができ、熱成形工程で形成されるチャンバー壁130は構造パネル110と直交するため、本願が提供する技術解決法に適用して所望の技術効果を達成することが可能である。例えば、モノマー粒子径が10?30ミクロン、モノマー密度が1.03g / cm3、膨張係数が50?70のこの好ましい実施形態では、発泡材料がコア材料として使用されており、繊維シェルとコア構造の完全な同期成形効果を達成している。この好ましい実施形態で用いられる発泡材料は、炭素繊維材料またはガラス繊維材料を硬化させる前に一定の圧力を維持することができるので（具体的には、70℃前に7kg／cm2以上の圧力の強さを維持できる）、熱成形工程で形成したチャンバー壁130が構造パネル110に対して内部で直交していても差し支えない。使用される発泡材料が繊維材料を硬化させる前に一定の圧力を維持できない場合、チャンバー壁は構造パネルと直交または直角にならないため、完成品の技術性能、例えば風力と起動トルク、低速風の捕捉効率などの技術パラメータに影響を与える。

【0034】

好ましくは、本願発泡材料のモノマー粒子は、プラスチック材料からなるカプセルシェルを含むマイクロカプセル構造を有し、発泡材料はカプセルシェルに内包されている。マイクロカプセル粒子が均一に分散され、溶融後に発泡材料が速やかに放出され濃縮されるため、マイクロカプセル構造の発泡材料は、均一加熱、高速熱伝導、良好な発泡同期性という技術特性を有している。風力発電の規模が拡大し、使用環境が変化するにつれ、風力発電用ブレードも規模や使用環境の変化に対応できるよう、体積や構造を変化させる必要があり、ブレードの研究機関やメーカーへの要求が高まっている。従来の帯状ブレードの設計思想とは異なるが、本願発明者は、高強度、軽量の扇状ブレードが風力エネルギーの捕捉効率の向上に役立つだけでなく、低風速、低高度、低トルクの適用が可能になることを発見した。

【0035】

ブレードの長さが等しいという前提で、本願発明が提供する扇形多室型繊維複合材料ブレードの有効風受け面積は、従来の短冊型ブレードの6?10倍である。先行技術では、従来のセミコア構造の風車は、出力5kw、ブレード長9フィートを例にとると、ブレードの表面積は約15平方フィートである。表面積も15平方フィートであるという同じ前提で本願が提供する扇形多室繊維複合材料ブレードを使用すると、風力ブレードの長さはわずか2.5フィートである。実際に検出され、5kW応用発電機セットにおいて、本願の複合多室繊維扇形ブレードは11?13マイル／時の風速を提供し、1000?1600回転／分の運転で、3000回転／分の風扇速度を提供でき、風速3マイル／時の条件で、0.1NM非常に低い起動トルクを提供し、羽根の総重量は15kgだけである。したがって本発明が提供するマルチチャンバー繊維複合直交翼は、依然として低風速で通常の操作で連続的なエネルギー生産を維持することができる。

【0036】

本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交構造部の製造工程を経て、複室構造とブレードパネルに直交するコア壁とを有するブレードを作製することができる。繊維複合材料ブレードにおける多室壁体および直交構造体は、最も強度が高く、強度重量比が最適化された繊維複合材料リーフ構造体である。総重量685gのアプリケーションを例にとると、ブレードの最も厚い部分のサイズは7mmで、最も薄い部分の厚さは3mmである。

【0037】

本発明が提供する複室型繊維複合材料構造体およびその製造方法においては、繊維材料と発泡プラスチックの熱成形加工により、複室空間構造体と繊維殻が一体的に形成される。コアの形成に用いる発泡体は、炭素繊維材料またはガラス繊維材料が固化する前に一定の圧力を維持できるため、熱成形工程において、ブレードパネルと直交する複数のチャンバー壁を同時に形成することが可能である。
先行技術における種々の繊維複合材料加工技術では、本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交ブレードの繊維殻構造、およびパネルと室壁が互いに直交するコア構造を製造することはできない。また、製造された帯状ブレードは、本発明によって提供されるマルチチャンバー繊維複合材料における直交ブレードの機械的強度および強度重量比に到達することができない。本発明が提供する複室型繊維複合材料における直交翼では、チャンバー壁における翼パネルが直交しているため、大面積の極薄翼パネルに、風による発生圧力に耐える十分な強度を持たせることができる。

【0038】

先行技術における繊維熱成形風車製品では、風車の振動や騒音を低減し、安定性を向上させるために、単機能セミコアブレードと発泡プラスチック充填構造が採用されている。数十年来、繊維熱成形プロセスと羽根ブレード構造の革新はほとんどなく、その結果、近年の風力発電の総合効率が低く、入力と出力が比較的大きく、低風速と低高度発電に適用できない新しい応用要求がある。本願発明は、コア材に高密度・低重量の発泡プラスチックを使用し、扇形大面積翼と多室コアの直交内部空間構造を採用し、高速運転時の翼の振動と騒音を効果的に低減し、翼の安定性を改善し、また、風力エネルギーの捕捉能力が高く、起動トルクが小さく、住宅発電、商業ビル発電などの適用環境で広く使用できるようにしたものである。

【0039】

両者の好ましい実施形態 風力発電機用ブレードの別の用途
図4は、本願発明の多室型繊維複合材料における直交構造部材の他の実施形態とその製造工程を示す図である。
好ましい実施形態では、シェル10において、チャンバー120と、チャンバー120に充填されたコア20は、いずれもリング構造である。チャンバー120は、シェル10の周方向に沿って延びるとともに、均等に配置されたシェル10の径方向に沿って延びている。ブレードの構造変更に伴い、プレコアプラスチック本体準備ステップでは、発泡材料を保持するために用いられる発泡材料チャンバーの形状もリング構造となり、プレコアプラスチック本体成形ステップでは、プレコアプラスチックも径方向に沿って均等に配置され、周方向に沿って広がる空間配置にする必要がある。その他の点は、第1の好ましい実施形態と同様であり、当業者は実施態様を参照することができる。

【0040】

実施例3、好ましい実施形態：本発明の別の好ましい実施形態におけるプラント、チャンバーまたは他のアプリケーションの板材は、高強度、軽量内部直交板材構造を開示し、それは斜方構造部品または平板または曲面板または曲線パネルであってもよく、広く船舶、車両、家や工場の設備などの床、外壁材、天井、シェル構造などの様々な板材を作るために使用することができる。図5を参照していただきたいが、シェル内の複数のチャンバーはハニカム構造体である。他の実施形態では、もちろん、直交または斜めのグリッド構造など、他のマルチチャンバ空間アーキテクチャを開発することも可能である。

【0041】

複数のチャンバーはシェル内に均等に配置され、チャンバー壁はシェルのパネルと直交している。構造変化に適応するために、プレコアプラスチック体準備ステップでは、発泡材料を保持するために使用する発泡材料室の形状もハニカムユニット構造とし、プレコアプラスチック体成形ステップでは、3次元ハニカムの空間構造に従ってプレコアプラスチック体を配置し、繊維材料層で封止する必要がある。その他の点は、基本的に好ましい実施の形態1及び好ましい実施の形態2と同様であり、当業者は、実施の形態を参照することができる。

【0042】

好ましい実施形態4：本出願によると、従来の風力タービンブレードまたはナイフストリップ風を使用すると、マルチチャンバー繊維とタービンに直交ブレード実施形態のローターのスタイルで開示された第2の好ましい実施形態による複合材料内に好ましくは、ブレードは間違いなく非常に有益な技術効果を達成するだろう。最も簡単で実現可能な技術的解決策の一つは、既存のエアーナイフのブレードにマルチチャンバー直交構造を有する繊維複合材料を与えることであり、これにより既存のエアーナイフのブレードは、本願で既に述べた様々な利点を有するだけでなく、設置されている様々な支援設備に完璧に適応することができる。したがって、本願に開示された多室型繊維複合材料における直交構造部品の製造工程と、多室型繊維複合材料における対応する直交構造部品を従来のエアーナイフの刃に直接適用することも、本願の保護範囲に属するものである。

【0043】

なお、上記で紹介した様々な実施形態や変更形態は、そのほとんどが平面構造パネルの適用に基づくものである。しかし、本願によって提供される解決策は、平面構造パネルの適用に限定されるものではない。図6を参照してください。 図6は、不規則に湾曲した構造部材を示す図である。不規則に湾曲した構造部材は、不規則に湾曲した構造パネルを有する。不規則に湾曲した構造部材は、本願で主張する保護も有する。そして、マルチチャンバー繊維複合材料内の直交構造部分の技術的特性を有する。したがって、本願で説明する内部の直交性の理解は、平面構造パネルの垂直構造に限らず、不規則に湾曲した構造パネルの3次元空間における直交構造も含むものである。

【0044】

上記、本発明の詳細な実施形態の添付図面に関連して、好ましくは、本発明の範囲は、上記の実施形態に限定されないことに留意すべきである。添付図面に開示された特定の構成は、好ましい実施形態によると、比較的本発明であり、当業者は、これに基づいて他の実施形態を開発してもよい。また、本発明の革新的な概念から逸脱しない範囲で、簡単な修正または同等の置換を行ったものは、本発明に含まれ、本発明の保護範囲に該当する。

【符号の説明】

【0045】

A*粘着層、
B-高分子接着剤付き水不溶性ワックスフィルム層
1-ワックスフィルム樹脂層、
2-接着剤樹脂層、
3-発泡材料 高分子樹脂混合物層。
10シェル、
20コア；
110構造パネル、
120チャンバー、
130チャンバー壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【手続補正書】

【提出日】2022-03-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

多室型繊維複合材料における直交構造部材の製造方法であって、予備成形された芯体を準備する工程を含み、発泡材料を含む発泡材料室を作るためにフィルム材料が使用される；
発泡材料室に適量の発泡材料を充填して予備成形された芯体を準備する；
予備成形された芯材に型入れを行い、予備成形された芯材を準備するステップで作られた複数の予備成形された芯材を、所定の空間配置に従って金型に入れる；
各予備成形芯体は、繊維材料の層で封止され、繊維シェルとコア構造が一体的に形成される；
金型キャビティの温度を上昇させ、発泡材料の膨張圧力下で、チャンバー壁（130）および構造パネル（110）を同期して形成して、少なくとも２つのチャンバー（120）を含む構造部材シェル（10）を形成する；
一方、予備成形されたコア本体内の発泡材料が膨張して各チャンバー（120）を満たし、チャンバー壁（130）内の構造パネル（110）に直交する複数チャンバーの空間構造を形成する。

【請求項2】

シェル（10）を含む、多室型繊維複合材料の直交構造部材であって、直交構造部材は、シェル（10）が、複数の構造パネル（110）と、構造パネル（110）の間に配置された少なくとも２つのチャンバー（120）とからなることを特徴とする；
チャンバー壁（130）は、隣接する２つのチャンバー（120）ごとの間に配置され、構造パネル（110）と直交している；
シェル（10）およびチャンバー壁（130）は、炭素繊維材料または複合材料で作られている；
チャンバー（120）は、内部に発泡プラスチック製のコア（20）を備えており、構造パネル（110）、チャンバー（120）、チャンバー壁（130）およびコア（20）は、繊維材料と発泡プラスチックの熱成形プロセスによって一体的に形成されている。

【請求項3】

ワックスフィルム樹脂層（1）、接着剤樹脂層（2）および発泡性材料ポリマー樹脂混合物層（3）を含むことを特徴とするフィルム材料である；
発泡性材料ポリマー樹脂混合物層（3）は、発泡性材料ポリマー樹脂混合物で被覆されて形成されている；
発泡性材料ポリマー樹脂混合物は、体積分率30％以上の発泡性材料からなる。

【請求項4】

粘性接着剤層（A*）とポリマー接着剤を有する水不溶性ワックスフィルム層（B）とを含むことを特徴とするフィルム材料；
粘性接着剤層（A*）は、溶剤キャリア、発泡材料、水不溶性の膨張性粘性ポリマー接着剤および感熱成形樹脂を含み、発泡材料は溶剤キャリア中に均一に分散され、溶剤キャリアに対する発泡材料の体積分率は50％以上である。

【請求項5】

ワックスフィルム樹脂（1）、接着性樹脂（2）、マイクロカプセル（3）、炭化水素（3）、および体積分率が30％以上の発泡材からなる、樹脂ゲル状のゲル型ポリマー樹脂。

【国際調査報告】