JP6482359B2 - チョッパーディスク並びにその製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、中性子ビームに処理を施す装置のための、炭素繊維糸を用いて製造されたチョッパーディスクに関する。この種のチョッパーディスクは、回転軸受に連結されるハブを収容するための、チョッパーディスクの回転軸に対して同心的な円筒孔を備えている。また、このチョッパーディスクへ到来する中性子を吸収するための、チョッパーディスクの回転軸に対して同心的に形成された吸収領域を備えている。この吸収領域は中性子ビームの中性子が通過可能な少なくとも１つの通過窓を備えている。

Ｘ線ビームと同様に蛍光透視法によって材料試験片の解析を行うためなどに利用される中性子ビームに対し、処理を施すために、いわゆるチョッパー装置が用いられている。回転チョッパーとも呼ばれるチョッパーディスクは、連続ビームの形の中性子ビームの一部を切り取ることにより、時間的及び空間的に限局された中性子パルスを生成するものである。単位時間当たりのパルス生成数と、パルス持続時間とは、チョッパーディスクの吸収領域に形成されている通過窓の個数及び寸法に左右される。前後に並べて設置したチョッパーディスクを互いに同期して回転させることによって、特定のエネルギ形態（これは「色」と呼ばれている）の中性子パルスだけを選択的に生成することができる。

中性子ビームに処理を施す装置を好適に動作させるためには、チョッパーディスクをできるだけ高速で回転させることが望まれる。そのため、回転軸受としては、非接触型の磁気軸受が用いられており、この種の軸受は、中性子ビームが存在する環境下において、無潤滑で、メンテナンスフリーで、毎分２万回転以上の回転速度で連続回転させることができる。

回転速度が毎分約１万５千回転を超える場合には、機械的安定性という理由から、炭素繊維糸を用いて製造されたチョッパーディスクが用いられる。回転速度が高速になるにつれて、チョッパーディスクに要求される強度も増大する。しかしながら、強度を向上させるために、チョッパーディスクに組み込む炭素繊維糸の本数を増やした場合には、それによってチョッパーディスクの重量が増大することになり、重量の増大は回転速度の高速化の妨げとなる。

炭素繊維糸を用いてチョッパーディスクを製造するために、これまでは、炭素繊維糸で形成した層状体を適宜に裁断した炭素繊維糸マットが用いられていた。炭素繊維糸マットを形成している炭素繊維糸は、互いに平行に延在するように配向されている。予め樹脂を含浸させた炭素繊維糸で炭素繊維糸マットを形成することもあれば、炭素繊維糸マットを形成した後に炭素繊維糸に樹脂を含浸させることもある。複数枚の炭素繊維糸マットを用いて１枚のチョッパーディスクが製造される。通常は少なくとも４枚の炭素繊維糸マットを積層するようにしており、その際に、各層の炭素繊維糸の配向方向は、それに隣接する層の炭素繊維糸の配向方向に対して所定の角度をなすように回転させている。また、通常は、４枚の炭素繊維糸マットをそのように積層したものを１枚のパッケージとし、以上に示した高速の回転速度で回転させたときに作用する力に耐えられるだけの枚数のパッケージを用いるようにしている。

以上のようにして製造されるチョッパーディスクには、比較的重量の重い炭素繊維糸が多く用いられるために、チョッパーディスクそのものが大重量となり、それによって回転速度の上限が制約されるという短所があった。更に、チョッパーディスクが回転しているとき、その回転により発生している荷重（遠心力）に耐えるための強度に貢献している炭素繊維糸は、ごく一部でしかないということも短所となっていた。

本発明の目的は、より高い回転速度で使用できるように、構造上及び／または機能上の改良を施したチョッパーディスクを提供することにある。本発明の更なる目的は、かかるチョッパーディスクの製造装置及び製造方法を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載した特徴を備えたチョッパーディスク、請求項１３に記載した特徴を備えた巻付けマンドレル、請求項１７に記載した特徴を備えたチョッパーディスクの製造装置、並びに、請求項２２に記載した特徴を備えたチョッパーディスクの製造方法により達成される。尚、従属請求項は、特に有利な実施の形態にかかる特徴を記載したものである。

本発明の第１の態様によれば、中性子ビームに処理を施す装置のための、炭素繊維糸を用いて製造されたチョッパーディスクが提供される。このチョッパーディスクは、回転軸受に連結されるハブを収容するための、該チョッパーディスクの回転軸に対して同心的な円筒孔を備える。また、該チョッパーディスクに到来する中性子を吸収するための、該チョッパーディスクの回転軸に対して同心的に形成された吸収領域を備える。該吸収領域は、例えば、該チョッパーディスクの外周部分にリング形に形成するなどするとよい。該吸収領域には、前記中性子ビームの中性子が通過可能な少なくとも１つの通過窓を備えている。該通過窓の個数と寸法とは、中性子ビームに処理を施すための装置の要求条件に応じて選定される。本発明によれば、前記炭素繊維糸は、該チョッパーディスクの外周縁から前記円筒孔へ向かって略々径方向に延在し、且つ、前記円筒孔に接線をなすようにして接している。

そのため、個々の炭素繊維糸が、チョッパーディスクの回転軸に関して略々径方向に延在している。炭素繊維糸の配列がこのように最適化されていることによって、チョッパーディスクが軽量化され、その強度が向上している。更なる利点として、炭素繊維糸をここに提案するように配置することによって、チョッパーディスクの各部分の厚さと当該部分に発生する応力との比が最適化された、どの部分も略々一様な強度を有するチョッパーディスクが得られることが挙げられる。そのため、このチョッパーディスクは、より高速の回転速度で回転させることができるものとなっている。

より具体的には、該チョッパーディスクの個々の炭素繊維糸は、２つの直線状部分と１つの円弧状部分とを含んでいる。２つの直線状部分は、それら直線状部分の前記円筒孔の側の端部が、前記円筒孔に接線を成すようにして接している。２つの直線状部分の間をつないで延在している円弧状部分は、その延在経路が該チョッパーディスクの前記円筒孔の口縁部に略々沿っている。

好ましい１つの実施形態によれば、前記炭素繊維糸の少なくとも大部分が、該チョッパーディスクの前記外周縁から前記円筒孔へ向かって略々径方向に延在し、且つ、前記円筒孔に接線をなすようにして接している。また、別の具体的な１つの実施形態によれば、前記炭素繊維糸の全てが、該チョッパーディスクの前記外周縁から前記円筒孔へ向かって略々径方向に延在し、且つ、前記円筒孔に接線をなすようにして接している。これらによって、炭素繊維糸の配列を、軽量化を達成しつつ強度を向上させることのできる最適な配列形態とすることができる。

１つの実施形態によれば、前記炭素繊維糸の第１端部及び第２端部の各々が前記外周縁に達している。それら第１端部と第２端部との間の中点近傍部分が円弧形をなしており、該中点近傍部分の延在経路は前記円筒孔の口縁部に略々沿っている。従って、前記炭素繊維糸は、その各々が３つの部分を含んでおり、それらは、第１直線状部分、第２直線状部分、及びそれにそれら第１直線状部分と第２直線状部分とを接続している円弧状部分である。前記第１直線状部分と前記第２直線状部分とが成す角度（外角）は、例えば、１８０°〜２７０°の範囲内の大きさとするとよい。そうすることで高い安定性が確実に得られる。また同時に、それによって、チョッパーディスクの形成材料が大きな厚さを持つ領域が、前記円筒孔の近傍領域に（即ち後にハブが装着される箇所の近傍領域に）確実に限局され、また、前記炭素繊維糸どうしが交差する交差箇所が存在する領域も、内周側の領域に確実に限局される。これによって、外周側の領域は、所要の高速の回転速度で回転させるときに作用する大きな力から防護される。２つの直線状部分が成す角度、即ち、円弧状部分が延在する角度（即ち回り込み角度）の理想的な大きさは、本発明に係るチョッパーディスクに組み込まれる炭素繊維糸の本数に左右され、また特に、積層される炭素繊維糸層の層数に左右される。その角度の最適値は、最適化作業によって決定することもでき、また、経験的に決定することもできる。

前記炭素繊維糸の第１端部及び第２端部（即ち、前記第１直線状部分及び前記第２直線状部分）は、それらが該チョッパーディスクの外周縁に交わる交点において、該チョッパーディスクの外周縁に接する接線に略々直交するようにして交差する。ただし、これら第１端部及び第２端部（即ち、前記第１直線状部分及び前記第２直線状部分）と、それらに対応した夫々の接線との交差は、完全な直交ではなくあくまでも略々直交しているだけである。なぜならば、前記ハブを収容するための前記円筒孔が存在していることから、前記炭素繊維糸は該チョッパーディスクの中心を（即ち回転軸を）通って延在することができないからである。前記炭素繊維糸の理想的な延在経路は径方向に延在する経路であり、その理想的な延在経路にできるだけ近付けるために、前記炭素繊維糸の直線状部分が前記円筒孔の口縁部に接線をなすようにして接するようにしている。

各々の前記炭素繊維糸が別の前記炭素繊維糸との間に交点を持たないようにしてもよく、１つの交点を持つようにしてもよく、２つの交点を持つようにしてもよく、または３つ以上の交点を持つようにしてもよい。この交点の数は、ある１本の前記炭素繊維糸の直線状部分が別の前記炭素繊維糸に対して成す角度（外角）が、同一角度であるのか異なった角度であるのかに左右される。

該チョッパーディスクの回転軸を含む平面に沿った該チョッパーディスクの断面形状における該チョッパーディスクの厚さは、前記回転軸から前記外周縁へ近付くにつれて連続的に減少している。該チョッパーディスクは段部を持たないため、複数枚の炭素繊維糸マットを積層して製造したチョッパーディスクと比べて、より軽量でより高強度のものとすることができる。またこれに関連して、該チョッパーディスクの前記断面形状は、その両側の夫々に少なくとも部分的に膨出部を有する形状とすることが特に好ましい。該チョッパーディスクの前記断面形状（即ち当該断面における該チョッパーディスクの輪郭形状）は、前記炭素繊維糸を巻き重ねる工程だけで形成されるものではなく、プレス用ツールを用いて圧縮する工程もその形状の形成に関与している。該チョッパーディスクの形状（即ち外表面の輪郭形状）は、当該プレス用ツールの形状を倣ったものとなる。それゆえ当該プレス用ツールは、前記膨出部を形成することができるように、陥凹部を備えたものとされている。

前記炭素繊維糸が樹脂系材料の中に埋入されているか、或いは樹脂系材料に囲繞されているようにすることが好ましい。その樹脂系材料としては、例えば、ＨＥＸＯＮ社の製品である「Ｌ２０」樹脂に硬化剤を添加した材料を用いることができ、その硬化剤としては、例えば「ＥＰＨ９６０」硬化剤を用いることができる。以下に説明する、該チョッパーディスクの製造方法から明らかなように、前記炭素繊維糸の「巻き重ね」を行う前に、前記炭素繊維糸に樹脂系材料を含浸させておくようにしてもよく、また、その巻き重ねを行った後に樹脂系材料を含浸させるようにしてもよい。

１つの具体的な実施形態によれば、該チョッパーディスクの直径は５０ｃｍ〜８０ｃｍの範囲内とされている。前記ハブの直径は５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内とされている。繊維体積含有率は５０％〜７０％の範囲内とされている。

少なくとも１つの前記通過窓が該チョッパーディスクの前記外周縁に接した部分に設けられているようにするとよい。かかる通過窓は、該チョッパーディスクを製造するための上述した製造工程が完了した後に、フライス加工などの切削加工によって形成するようにしてもよい。

本発明の第２の態様によれば、以上に述べたチョッパーディスクを製造するための巻付けマンドレルが提供される。該巻付けマンドレルはその軸方向長さが半径寸法よりはるかに小さい円筒体を備える。該円筒体の半径寸法は、製造しようとするチョッパーディスクの直径寸法に対応した半径寸法より幾分大きなものとするとよい。該円筒体の軸方向長さは、例えば、半径寸法の１０分の１以下とするとよい。該巻付けマンドレルは更に、前記円筒体の互いに対向する両端部に配設された２つの端面画成キャップを備え、それら端面画成キャップの各々が夫々に内側へ陥凹した陥凹部を備えている。前記円筒体と前記２つの端面画成キャップとは一体形成するようにしてもよい。前記２つの端面画成キャップが夫々に内側へ陥凹した前記陥凹部を備えているため、円筒形の前記巻付けマンドレルの軸方向長さは、外周近傍領域より回転軸の近傍領域で小さくなっている。更に、該巻付けマンドレルは、前記円筒体及び前記端面画成キャップを貫通して該巻付けマンドレルの軸方向に延在する、該巻付けマンドレルの軸に対して同心的な嵌合孔を備えており、該嵌合孔は、回転駆動手段に連結される、例えば２つの部分に分割された軸が嵌合する嵌合孔である。

該巻付けマンドレルは、本発明に係るチョッパーディスクを製造するための製造装置の構成要素であり、炭素繊維糸で形成した層状体を適宜に裁断した炭素繊維糸マットを用いるのではなく、連続した１本の炭素繊維糸を巻付けマンドレルに巻付けることにより、上で説明したようなチョッパーディスクを同時に２枚形成するものである。特に、該巻付けマンドレルを使用し、それに対応した製造方法を採用することにより、回転軸から外周縁へ近付くにつれて厚さが連続的に減少していて段部が存在していないチョッパーディスクを製造することができる。これによって、各部分の強度が略々一様で、各部分の厚さと当該部分に作用する応力との比が最適化されたチョッパーディスクが得られる。

該巻付けマンドレルの１つの実施形態によれば、前記円筒体の外周縁に、周方向に列設された複数本のピンから成る周方向ピン列または滑り止め面が設けられている。これら周方向ピン列または滑り止め面は、該巻付けマンドレルに巻付ける炭素繊維糸を、前記２つの端面画成キャップのうちの一方の端面画成キャップの表面から他方の端面画成キャップの表面へと取回すことができるようにするものである。これらによって、巻付けた炭素繊維糸が周方向にずれることが防止される。前記滑り止め面は、例えば、ゴムまたは多孔性表面の適宜の材料を用いて形成してもよい。

既述のごとく、該巻付けマンドレルの直径は、製造するチョッパーディスクの直径より幾分大きなものとされる。１つの実施形態によれば、該巻付けマンドレルの直径は５５ｃｍ〜９０ｃｍの範囲内にある。また、該巻付けマンドレルの軸方向長さは例えば５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内とすることができる。

本発明の第３の態様によれば、以上に説明したようにチョッパーディスクを製造するための製造装置が提供される。該製造装置は、以上に説明したように構成された巻付けマンドレルを備える。該製造装置は更に、前記巻付けマンドレルの前記嵌合孔に嵌合され、前記巻付けマンドレルに係止連結及び／または圧入連結される軸を備える。該製造装置は更に、前記軸を回転させるための駆動手段を備える。該製造装置は更に、連続する炭素繊維糸を供給可能に構成された、前記巻付けマンドレルに対して相対移動可能な炭素繊維糸供給装置を備える。該製造装置は更に、前記連続する炭素繊維糸を前記巻付けマンドレルに巻付けるために、前記巻付けマンドレルの回転速度及び回転角を前記炭素繊維糸供給装置の移動に連係した所定の方式で制御する制御装置を備える。

以上に列挙した構成要素が協働することにより、連続する炭素繊維糸を前記巻付けマンドレルに巻付けることが可能となっている。またそれによって、優れた性能を有する上述したチョッパーディスクを一度の前段工程で２枚形成することができる。

上で説明したような巻付けを確実に行えるようにするには、前記軸を、前記巻付けマンドレルから両側へ遠ざかるにつれて直径が増大するテーパ軸とすることが好ましい。こうすることで、巻付けられる炭素繊維糸が、前記巻付けマンドレルの前記円筒孔の口縁部に沿って（即ち前記軸の外周に沿って）何度も巻き重ねられたときに、その巻き重ねられた炭素繊維糸が前記巻付けマンドレルの方へ確実に押付けられるようになり、もって、前記炭素繊維糸が意図せぬ位置へずれて緩みが生じるということがなくなる。

更なる１つの実施形態によれば、前記連続する炭素繊維糸に樹脂系材料を含浸させる含浸ユニットを備え、該含浸ユニットは巻付け工程に先立って、前記炭素繊維糸を前記樹脂系材料に浸漬しまたは前記炭素繊維糸に前記樹脂系材料を含浸させるものである。別実施形態として、前記炭素繊維糸の巻付けが完了したのちに、前記炭素繊維糸を前記樹脂系材料に浸漬または前記炭素繊維糸に前記樹脂系材料を含浸させるような構成とすることも可能である。

更なる１つの実施形態によれば、前記製造装置は、各々が前記巻付けマンドレルの１つずつの前記陥凹部に対応した陥凹部を備えると共に、前記巻付けマンドレルに対応した直径を有しており、前記巻付け工程の完了後に、前記巻付けマンドレルの両側から、前記軸上を移動するように互いに押付けられる方向に押圧される２枚のプレス用ディスクを備える。前記２枚のプレス用ディスクによって、前記巻付けマンドレルに巻付けられた前記連続する炭素繊維糸の圧縮が行われ、それによって、巻付けを行っているときに生じた隙間が確実に除去されて、前記チョッパーディスクが対称形状に成形される。前記巻付けマンドレルの前記端面画成キャップの前記陥凹部と前記２枚のプレス用ディスクの前記陥凹部とが、同一の陥凹形状に形成されているために、確実に対称形状に成形される。

前記圧縮はオートクレーブの中で行い、その圧縮を行っている間に、前記プレス用ディスクにより押圧した状態で負圧下での硬化処理を併せて施すようにすることが好ましい。

本発明の第４の態様によれば、以上に説明した製造装置を用いて以上に説明したように構成されたチョッパーディスクを製造するための製造方法が提供される。該製造方法は以下の工程を含むものである。
ａ）前記炭素繊維糸供給装置から連続的に供給される炭素繊維糸を、所定の巻き重ねプログラムに従って前記巻付けマンドレルに巻付け、その巻付けの際に、前記炭素繊維糸が、前記軸に接線をなすようにして接すると共に、前記周方向ピン列または前記滑り止め面を経由して延在するように、前記炭素繊維糸を取回し、それによって、前記巻付けマンドレルの両側に１枚ずつのチョッパーディスクを形成する巻付け工程。
ｂ）前記巻付けマンドレルの両側において前記軸上で前記プレス用ディスクを移動させることで前記炭素繊維糸を圧縮する圧縮工程。
ｃ）圧縮されている前記炭素繊維糸を前記巻付けマンドレルの外周縁の近傍領域で切断することで、２枚のチョッパーディスクを得るようにする切断工程。
ｄ）圧縮されているままの前記炭素繊維糸に対して、オートクレーブ内で、負圧下の硬化処理を所定の時間に亘って所定の温度−時間曲線に従って施す硬化処理工程。
ｅ）前記プレス用ディスク（５１、５２）を取外す工程。
ｆ）前記チョッパーディスク（１；４０、４１）の各々の輪郭形状を成形して少なくとも１つの通過窓（５）を形成する工程。

該製造方法の更なる実施形態によれば、切削加工のためのウォータージェット切断加工またはフライス加工を用いて前記外周縁及び前記少なくとも１つの通過窓を形成するようにしている。

前記炭素繊維糸に、前記炭素繊維糸供給装置において前記樹脂系材料を含浸させるようにしてもよい。そうすることに替えて、或いは、そうすると共に、前記巻付け工程の完了後に、形成された炭素繊維糸巻き重ね体に前記樹脂系材料を導入してもよい。また、その導入は前記圧縮工程に先立って行うことが好ましい。

以下に、図面に示した典型的な実施の形態に即して本発明を更に詳細に説明して行く。

複数の通過窓が形成された従来のチョッパーディスクの平面図である。 図１に示したチョッパーディスクの断面図である。 本発明に係るチョッパーディスクを製造するために用いられる巻付けマンドレルの断面図である。 図３に示した巻付けマンドレル上に取回された２本の炭素繊維糸部分の具体例を示した巻付けマンドレルの平面図である。 連続する炭素繊維糸が巻付けられた巻付けマンドレルが装填された状態の本発明に係るプレス装置の断面図示した図である。 外周縁に周方向ピン列が備えられた本発明に係る巻付けマンドレルの斜視図である。 図５に示したプレス装置に、完成形状の２枚の本発明に係るチョッパーディスクを併せて示した図である。 炭素繊維糸巻き重ね体に硬化処理を施すためにオートクレーブの中に装填されたプレス装置を示した図である。

図１及び図２に示したのは、従来のチョッパーディスク１の平面図及びそのＡ−Ａ線に沿った断面図である。このチョッパーディスク１は、回転軸受に連結されるハブ３を収容するための、チョッパーディスクの回転軸に対して同心的な円筒孔２を備えている。回転軸受としては、例えば磁気軸受などが用いられる。このチョッパーディスク１は、炭素繊維糸で形成した層状体を適宜に裁断した炭素繊維糸マットを複数枚用いて製造されたものである。

通常、このようなチョッパーディスクは、４枚の炭素繊維糸マットを積層して１枚のパッケージを形成し、そのようなパッケージを複数枚用いて製造されている。個々の炭素繊維糸マットを形成している炭素繊維糸は、互いに平行に延在するように配向されている。１枚のパッケージを形成している複数枚の炭素繊維糸マットは、それらの炭素繊維糸の延在方向が互いに相対的に回転した関係にあり、即ち、各層の炭素繊維糸の配向方向が、それに隣接する層の炭素繊維糸の配向方向に対して所定の角度で回転した関係にある。そのような複数枚の炭素繊維糸マットを積層した後に、適宜に裁断して、チョッパーディスク１の外周縁６の円形の形状にしている。

また、外周部に吸収領域４が設けられている。吸収領域４には複数の通過窓５が形成されている。それら通過窓５はスリット形状であり、例えばフライス加工やウォータージェット切断加工などによって吸収領域４に形成されている。吸収領域４には、例えばホウ素などの中性子吸収材料を用いて中性子不透過性が付与されている。

所定の回転速度（通常は毎分２万回転以上である）で回転させたときに発生する回転軸７から離れるほど大きくなる力を、できるだけ小さく抑えられるように、このチョッパーディスク１の厚さは、回転軸７から離れるにつれて減少する。厚さを薄くするには、例えばフライス加工などによって削り取る方法、または、炭素繊維糸層を低減するという方法が用いられることもある。いずれの方法にせよ、図２に参照符号８で示した同心円形状の不連続移行部（エッジ部）が形成されることになる。この不連続移行部では材料強度が低下している。更に、炭素繊維糸の多くが、その延在方向が遠心力の方向と一致していないために、殆ど或いは全く強度に貢献していない。これらのことによって、このチョッパーディスク１はその許容最大回転数が制約されている。そして、強度に貢献していない炭素繊維糸でも、その重量が荷重の発生要因となっており、そのことによってこのチョッパーディスク１の総合的な強度が制約されている。

これに対して、本発明に係るチョッパーディスク１は、炭素繊維糸の積層体を適宜に裁断して形成した炭素繊維糸マットを用いずに、図３及び図４に示した巻付けマンドレル１０を用いた巻付け工程を実行することにより製造するものである。巻付けマンドレル１０は、円板体ないし円筒体として構成された本体（以下、円筒体９という）を備えており、この巻付けマンドレル１０即ち円筒体９の軸方向長さ１６は、半径寸法１７よりはるかに小さい。このことは図３から見て取れる通りである。巻付けマンドレル１０の半径寸法１７は、製造しようとするチョッパーディスクの完成半径寸法より僅かに大きなものとしてある。チョッパーディスクの半径寸法を２５ｃｍ〜４０ｃｍの範囲内の寸法とする場合には、巻付けマンドレル１０の半径寸法をそれよりも例えば２．５ｃｍ〜５ｃｍほど大きくするとよい。

巻付けマンドレル１０は円筒体９を備えると共に、更に巻付けマンドレル１０の第１端面と第２端面とを画成する第１の端面画成キャップ１４及び第２の端面画成キャップ１５を備えている。端面画成キャップ１４と端面画成キャップ１５とは、軸方向に延展する円筒体９の外周面１３を介して互いに接続している。外周面１３と端面画成キャップ１４、１５とは、それらを一体部品として形成してもよい。或いはまた、それらを、互いに係止連結及び／または圧入連結される別体の部品として形成してもよい。

図３の断面図から明らかなように、端面画成キャップ１４、１５は陥凹部１８、１９を備えており、そのため巻付けマンドレル１０の軸方向長さは、回転軸１２の近傍領域における軸方向長さが、外周近傍領域における軸方向長さより小さくなっている。以下の説明から明らかとなるように、それら陥凹部１８、１９は、ひとつには、炭素繊維糸を巻付けて形成する炭素繊維糸巻き重ね体をその中に収容する機能を提供し、また、もうひとつには、チョッパーディスク１の厚さが回転軸１２から離れるにつれて減少するようにする機能を提供する。

巻付け工程のために、巻付けマンドレル１０は更に、その外周面１３に、周方向ピン列２５（図６参照）を備えるか、または滑り止め面を備えるようにしている。それら周方向ピン列２５または滑り止め面は、外周面１３を横切って端面画成キャップ１４、１５のうちの一方の表面と他方の表面とを交互に通過するように炭素繊維糸２０を取回して巻付けマンドレル１０に巻付ける際に、その炭素繊維糸２０が外周面１３の上で横滑りするのを防止するために用いられるものである。このように外周面１３に周方向ピン列２５または滑り止め面を備えることによって、連続した１本の炭素繊維糸の使用を可能なものとしている。

単なる例示のために、図４の巻付けマンドレル１０の平面図には、炭素繊維糸の２つの部分の延在経路の具体例を示している。参照符号２０は、連続した１本の炭素繊維糸を示している。この炭素繊維糸２０は、最初の一巻きが、実線で示された部分２１、２２、２３を含む経路上を延在するように巻付けられている。また、炭素繊維糸２０は、後続の別の一巻き（これは最初の一巻きの直後の一巻きとは限らず、１００回なり５００回なり巻回した後の一巻きであることもある）が、破線で示された部分２１’、２２’、２３’を含む経路上を延在するように巻付けられている。

炭素繊維糸２０の最初の一巻きの部分は、第１直線状部分２１と、第２直線状部分２２と、それらの間をつなぐ円弧状中間部分２３とを含んでいる。２つの直線状部分２１、２２は、巻付けマンドレル１０の外周縁から（即ち外周面１３から）、嵌合孔１１へ向かって径方向に延在しており、嵌合孔１１には軸３０が嵌合されている。そのためそれら直線状部分２１、２２は、嵌合孔１１に（即ち軸３０に）接線をなすようにして接している。またそれら直線状部分２１、２２は、その接した点から、中間部分２３に移行しており、この中間部分２３の延在経路は、嵌合孔１１の口縁に（即ち軸３０の外周に）実質的に対応している。第１直線状部分２１と第２直線状部分２２とが成す角度（外角）２４は、１８０°〜２２５°の範囲内の角度とすることが好ましい。

第２直線状部分２２が外周縁に（即ち外周面１３に）到達すると、そこから回転軸１２の軸心方向へと延在方向を転換して外周面１３を横断し、そして、図では見えていない巻付けマンドレル１０の裏面上を、以上に説明した延在経路と同様の延在経路をたどるように巻付けられる。図では見えていない巻付けマンドレル１０の裏面上に同様にして巻付けられたならば、炭素繊維糸２０は再び軸心方向へと延在方向を転換して外周面１３を横切るように取回され、そして再び、図示されている端面画成キャップ１４の表面上をたどるように巻付けられ、それによって、炭素繊維糸２０は例えば破線で示された延在経路をたどることになる。この破線で示された延在経路の第１直線状部分２１’の延在開始点は、実線２１で示された延在経路の第１直線状部分２１の延在開始点から、所定の角度２６だけ角度変位している。１つの端面画成キャップ上のある一巻きの炭素繊維糸の部分とその直後の一巻きの炭素繊維糸の部分との間のこの角度変位の大きさは、計算によってその最適値を求めるようにしてもよく、或いは、実際に試して最適値を求めるようにしてもよい。

以上に説明した炭素繊維糸を巻付ける際の延在経路の取り方から分かるように、外周面１３に備える周方向ピン列２５または滑り止め面は、連続する１本の炭素繊維糸のうちの外周面１３上を軸方向に延在する部分をずれないように固定する機能を提供するものである。

以上の巻付け工程を反復実行することによって、所定層数の炭素繊維糸の層を積層形成する。４層〜８層の（軸方向の上下に積層した）炭素繊維糸の層を形成すれば十分である。

炭素繊維糸２０のうちの、軸３０の外周に沿って延在する部分である前述の中間部分２３が巻付けマンドレル１０から離れないようにするために、軸３０（この軸３０は図３及び図４には示していない）は、その直径が嵌合孔１１から離れるにつれて拡大するテーパ軸として形成することが好ましい。そのような軸は、図示していない。

連続した炭素繊維糸を供給するには、樹脂浴の中を通過させて樹脂を含浸させた炭素繊維糸（炭素繊維粗紡糸）を供給するように構成した炭素繊維糸供給装置を用いるとよい。また、巻付けマンドレルへの炭素繊維糸の巻き重ねは、所定の巻き重ねプログラムに従って機械的に行うようにするとよい。

容易に理解されるように、以上によって、チョッパーディスク２枚分の炭素繊維糸巻き重ね体が形成され、即ち、２つの端面画成キャップ１４、１５の各々の表面に１枚ずつのチョッパーディスクが形成される。炭素繊維糸の巻き重ねを行っているときには、炭素繊維糸の重量に基づいて、繊維体積含有率の制御及び調節が行われている。また、炭素繊維糸の巻き重ねを行っているときには、炭素繊維糸に径方向の内側から外側へ引っ張るような張力が加えられている。また、炭素繊維糸は隙間なく一様に重なるように巻き重ねられる。巻き重ねが完了して全ての炭素繊維糸層が積層して形成されると、図５に模式的に示されたプレス装置５０を用いて圧縮を行う。それには、巻付けマンドレル１０の両側から軸３０の両端の外周にプレス用ディスク５１、５２を嵌合する。それらプレス用ディスク５１、５２は、複数のスペーサカラー５７によって、それらの間の間隔が所定の大きさになるようにされている。孔５８、５９、６０は、それらプレス用ディスク５１、５２の外周部どうしが、スペーサカラー５７を介して互いに係合できるようにするために形成されている。プレス用ディスク５１、５２への押圧力の印加は、押圧用カラー５３、５４を介して行われる。押圧用カラー５３、５４は軸３０上を案内され、また、プレス用ディスク５１、５２に力を印加することができるように軸３０に結合される。

図５の断面図から明らかなように、第１プレス用ディスク５１と第２プレス用ディスク５２とは、夫々に陥凹部５５、５６を備えており、それら陥凹部５５、５６は、巻付けマンドレルの陥凹部１８、１９と同一形状に形成されている。これによって、それら陥凹部に対応する２枚のチョッパーディスク４０、４１（図７参照）が、確実に対称形状に形成されるようになっている。

もし、巻付け工程の実行時点で炭素繊維糸への樹脂系材料の含浸がまだ行われていない場合には、圧縮工程の実行に先立って、或いは、圧縮工程の実行と同時に、炭素繊維糸に樹脂系材料を含浸させるようにすればよい。

圧縮の実行中に炭素繊維糸の積層体は、巻付けマンドレル１０の外周縁に沿って切断される。この切断は、例えば、フライス加工、切断加工、或いはウォータージェット切断加工などによって行うとよい。この切断が行われているとき、その形状が既に固定されているチョッパーディスク４０、４１は、まだプレス装置５０に挟まれていて、軽く押圧力が加えられている。

続いて、オートクレーブ内で硬化処理を施すようにし、その具体例が図８に示されている。オートクレーブ７０は、底板７１と蓋体７２とを備えている。底板７１と蓋体７２との間に、それらの外周縁に沿って延在するガスケット７３が装備されている。オートクレーブ７０内で、所定の圧力−温度−時間曲線に従って硬化処理を施す。硬化処理が完了したならば型出しを行い、その後、２枚のチョッパーディスク４０、４１に対して、無拘束状態でアニール処理を施す。このアニール処理は、所定の温度−時間曲線に従って所定の方法で行われる。

続いて、切削加工により周縁部及び周縁スリット部（通過窓）の加工形成が行われる。それには、例えば、ウォータージェット切断加工などが用いられ、それによって、チョッパーディスクの外輪郭形状が画成され、即ち、チョッパーディスクの半径寸法が決定され、また吸収領域に、所要の個数及び形状の通過窓が形成される。更に、吸収領域に、例えばホウ素などの中性子吸収材料が公知の方法でコーティングされる。

以上によって、２枚のチョッパーディスクが製造され、それらチョッパーディスクにおいては、完成時点では切断されて個別のものとなっている複数本の炭素繊維糸の全てが、略々径方向に延在している。また、以上の製造方法によれば、チョッパーディスクは、その厚さが、回転軸から外周方向へと連続的に減少するものとなる。また、このチョッパーディスクは、その両面に膨出部を備えている。それによって、このチョッパーディスクは、各部分の厚さと当該部分に発生する応力との比が最適化されており、どの部分も略々一様な強度を有している。そのため、このチョッパーディスクは、より高速の回転速度で使用することができる。

このチョッパーディスクは、連続する１本の炭素繊維糸を用いて製造されるものであるが、ただし完成時点では、多数の個別の炭素繊維糸を備えたものとなっており、それら多数の炭素繊維糸は、チョッパーディスクの外周縁からハブを収容するための円筒孔へ向かって径方向に延在し、その円筒孔に接線をなすようにして接している。

１ チョッパーディスク
２ 円筒孔
３ ハブ
４ 吸収領域
５ 通過窓
６ 外周縁
７ 回転軸
８ 不連続移行部（エッジ部）
９ 円筒体
１０ 巻付けマンドレル
１１ 軸が嵌合する嵌合孔
１２ 回転軸
１３ 円筒体の外周面
１４ 巻付けマンドレルの端面画成キャップ（第１端面）
１５ 巻付けマンドレルの端面画成キャップ（第２端面）
１６ 巻付けマンドレルの（円筒体の）軸方向長さ
１７ 巻付けマンドレルの（円筒体の）半径
１８ 陥凹部
１９ 陥凹部
２０ 炭素繊維糸
２１ 炭素繊維糸２０の第１直線状部分
２２ 炭素繊維糸２０の第２直線状部分
２３ 炭素繊維糸２０の円弧状中間部分
２１’ 炭素繊維糸２０の第１直線状部分
２２’ 炭素繊維糸２０の第２直線状部分
２３’ 炭素繊維糸２０の円弧状中間部分
２４ 第１直線状部分２１と第２直線状部分２２との成す角度（外角）
２５ 周方向ピン列
２６ 角度
３０ 軸
４０ 第１チョッパーディスク
４１ 第２チョッパーディスク
５０ プレス装置
５１ 第１プレス用ディスク
５２ 第２プレス用ディスク
５３ 第１押圧用カラー
５４ 第２押圧用カラー
５５ 第１プレス用ディスク５１の陥凹部
５６ 第２プレス用ディスク５２の陥凹部
５７ スペーサカラー
５８ 孔
５９ 孔
６０ 孔
７０ オートクレーブ
７１ 底板
７２ 蓋体
７３ ガスケット

Claims (25)

1. 中性子ビームに処理を施す装置のための、炭素繊維糸（２０）を用いて製造されたチョッパーディスク（１）であって、
   回転軸受に連結されるハブを収容するための、前記チョッパーディスクの回転軸に対して同心的な円筒孔（２）と、
   前記チョッパーディスク（１）に到来する中性子を吸収するための、該チョッパーディスクの回転軸に対して同心的に形成された吸収領域（４）と、
   前記吸収領域（４）に形成された、前記中性子ビームの中性子が通過可能な少なくとも１つの通過窓（５）とを備え、
   前記炭素繊維糸（２０）は、前記チョッパーディスク（１）の外周縁（６）から前記円筒孔（２）へ向かって略々径方向に延在し、且つ、前記円筒孔（２）に接線をなすようにして接している、
   ことを特徴とするチョッパーディスク（１）。
2. 前記炭素繊維糸（２０）の少なくとも大部分が、前記チョッパーディスク（１）の前記外周縁（６）から前記円筒孔（２）へ向かって略々径方向に延在し、且つ、前記円筒孔（２）に接線をなすようにして接していることを特徴とする請求項１記載のチョッパーディスク（１）。
3. 前記炭素繊維糸（２０）の全てが、前記チョッパーディスク（１）の前記外周縁（６）から前記円筒孔（２）へ向かって略々径方向に延在し、且つ、前記円筒孔（２）に接線をなすようにして接していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のチョッパーディスク（１）。
4. 前記炭素繊維糸（２０）の第１端部及び第２端部の各々の先端が前記外周縁（６）に達しており、それら第１端部と第２端部との間の中点近傍部分（２３）が円弧形をなしており、該中点近傍部分の延在経路が前記円筒孔（２）の口縁部に略々沿っていることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
5. 各々の前記炭素繊維糸（２０）が別の前記炭素繊維糸（２０）との間に交点を持たないか、１つの交点を持つか、２つの交点を持つか、または３つ以上の交点を持つことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
6. 前記チョッパーディスク（１）の回転軸（７）を含む平面に沿った該チョッパーディスク（１）の断面形状における該チョッパーディスク（１）の厚さは、前記回転軸（７）から前記外周縁へ近付くにつれて連続的に減少していることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
7. 前記チョッパーディスク（１）の前記断面形状は、その両側の夫々に少なくとも部分的に膨出部を有する形状であることを特徴とする請求項６記載のチョッパーディスク（１）。
8. 前記炭素繊維糸（２０）が樹脂系材料の中に埋入されているか、または樹脂系材料に囲繞されていることを特徴とする請求項１〜請求項７の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
9. 前記チョッパーディスク（１）の直径が５０ｃｍ〜８０ｃｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
10. 前記ハブの直径が５０ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
11. 繊維体積含有率が５０％〜７０％の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜請求項１０の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
12. 少なくとも１つの前記通過窓（５）が前記チョッパーディスク（１）の前記外周縁（６）に接した部分に設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項１１の何れか１項に記載のチョッパーディスク（１）。
13. 請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載のチョッパーディスクを製造するための巻付けマンドレル（１０）であって、
    軸方向長さ（１６）が半径寸法（１７）よりはるかに小さい円筒体（９）と、
    前記円筒体（９）の互いに対向する両端部に配設されており、各々が夫々に内側へ陥凹した陥凹部を有する２つの端面画成キャップ（１４、１５）と、
    前記円筒体（９）及び前記端面画成キャップ（１４、１５）を貫通して前記巻付けマンドレル（１０）の軸方向に延在する、該巻付けマンドレルの軸に対して同心的な嵌合孔（１１）とを備え、
    該嵌合孔（１１）は、回転駆動手段に連結され、例えば２つの部分に分割された軸（３０）が嵌合する嵌合孔である、
    ことを特徴とする巻付けマンドレル（１０）。
14. 前記円筒体（９）の外周縁（６）に、周方向に列設された複数本のピンから成る周方向ピン列（２５）または滑り止め面が設けられていることを特徴とする請求項１３記載の巻付けマンドレル（１０）。
15. 直径が５５ｃｍ〜９０ｃｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１３又は請求項１４記載の巻付けマンドレル（１０）。
16. 軸方向長さが５ｃｍ〜２０ｃｍの範囲内にあることを特徴とする請求項１３〜請求項１５の何れか１項に記載の巻付けマンドレル（１０）。
17. 請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載のチョッパーディスクを製造するための製造装置であって、
    請求項１３〜請求項１６の何れか１項に記載の巻付けマンドレル（１０）と、
    前記巻付けマンドレル（１０）の前記嵌合孔（１１）に嵌合され、前記巻付けマンドレル（１０）に係止連結及び／または圧入連結される軸（３０）と、
    前記軸（３０）を回転させるための駆動手段と、
    連続する炭素繊維糸（２０）を供給可能に構成された、前記巻付けマンドレル（１０）に対して相対移動可能な炭素繊維糸供給装置と、
    前記連続する炭素繊維糸（２０）を前記巻付けマンドレル（１０）に巻付けるために、前記巻付けマンドレル（１０）の回転速度及び回転角を前記炭素繊維糸供給装置の移動に連係した所定の方式で制御する制御装置と、
    を備えたことを特徴とする製造装置。
18. 前記軸（３０）は、前記巻付けマンドレル（１０）から両側へ遠ざかるにつれて直径が増大するテーパ軸であることを特徴とする請求項１７記載の製造装置。
19. 前記連続する炭素繊維糸（２０）に樹脂系材料を含浸させる含浸ユニットを備え、該含浸ユニットは巻付け工程に先立って、前記炭素繊維糸（２０）を前記樹脂系材料に浸漬または前記炭素繊維糸（２０）に前記樹脂系材料を含浸させることを特徴とする請求項１７又は請求項１８記載の製造装置。
20. ２枚のプレス用ディスク（５１、５２）を備え、それらプレス用ディスクの各々が前記巻付けマンドレル（１０）の１つずつの前記陥凹部に対応した陥凹部を備えると共に、前記巻付けマンドレル（１０）に対応した直径を有しており、前記巻付け工程の完了後に、前記巻付けマンドレル（１０）の両側から、前記軸（３０）上を移動するように互いに押付けられる方向に押圧されるものであることを特徴とする請求項１７〜請求項１９の何れか１項に記載の製造装置。
21. 前記プレス用ディスク（５１、５２）によって押圧した状態で負圧下での硬化処理を施すためのオートクレーブ（７０）を備えることを特徴とする請求項２０記載の製造装置。
22. 請求項１７〜請求項２１の何れか１項に記載の製造装置を用いて請求項１〜請求項１２の何れか１項に記載のチョッパーディスクを製造するための製造方法において、
    ａ）前記炭素繊維糸供給装置から連続的に供給される炭素繊維糸（２０）を、所定の巻き重ねプログラムに従って前記巻付けマンドレル（１０）に巻付け、その巻付けの際に、前記炭素繊維糸（２０）が、前記軸（３０）に接線をなすようにして接すると共に、前記周方向ピン列（２５）または前記滑り止め面を経由して延在するように、前記炭素繊維糸（２０）を取回し、それによって、前記巻付けマンドレル（１０）の両側に１枚ずつのチョッパーディスク（１；４０、４１）を形成する巻付け工程と、
    ｂ）前記巻付けマンドレル（１０）の両側において前記軸（３０）上で前記プレス用ディスク（５１、５２）を移動させることで前記炭素繊維糸（２０）を圧縮する圧縮工程と、
    ｃ）圧縮されている前記炭素繊維糸（２０）を前記巻付けマンドレル（１０）の外周縁の近傍領域で切断することで、２枚のチョッパーディスク（１；４０、４１）を得る切断工程と、
    ｄ）圧縮されているままの前記炭素繊維糸（２０）に対して、オートクレーブ内で、負圧下の硬化処理を所定の時間に亘って所定の温度−時間曲線に従って施す硬化処理工程と、
    ｅ）前記プレス用ディスク（５１、５２）を取外す工程と、
    ｆ）前記チョッパーディスク（１；４０、４１）の各々の輪郭形状を成形して少なくとも１つの通過窓（５）を形成する工程とを含む、
    ことを特徴とする製造方法。
23. 切削加工のためのウォータージェット切断加工またはフライス加工を用いて前記外周縁及び前記少なくとも１つの通過窓（５）を形成することを特徴とする請求項２２記載の方法。
24. 前記炭素繊維糸（２０）に、前記炭素繊維糸供給装置において前記樹脂系材料を含浸させることを特徴とする請求項２１又は請求項２２記載の製造方法。
25. 前記巻付け工程の完了後に、形成された炭素繊維糸巻き重ね体に前記樹脂系材料を導入することを特徴とする請求項２２〜請求項２４の何れか１項に記載の製造方法。