JP2003094148A - 鋳造チタン製コンプレッサ羽根車 - Google Patents

鋳造チタン製コンプレッサ羽根車

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】生産性が高く、コスト低減が可能な鋳造チタン
製コンプレッサ羽車を得る。 【解決手段】 コンプレッサ羽根車のろう模型を製造す
る過程の間、空気通路を占め且つ羽根を画成するダイイ
ンサートを羽根によって妨害されずに引き出すことを許
容し得るようにコンプレッサ羽根車を再設計する。この
改変された羽根の設計は簡略化した金型を使用してろう
模型を自動的に製造することを可能にする。これらのろ
う模型は大規模なインベストメント鋳造法にて使用する
ことができ、高昇圧力／ＲＰＭにて空気力学的に機能す
る経済的な鋳造チタン製コンプレッサ羽根車を製造す
る。コンプレッサ羽根車はサイクルの低疲労を促進し、
高温度及び温度変化に耐え、高昇圧力比である一方、軽
重量、低慣性抗力、優れた応答状態にての作動を可能に
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、受容可能な空気力
学的性能にて高い回転速度（ＲＰＭ）で作動することが
でき、しかもインベストメント鋳造法により経済的に製
造することのできる空気昇圧装置内で使用されるチタン
製コンプレッサホイールすなわち羽根車に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料空気の総供給量及び密度を向上さ
せ、これにより、内燃機関の動力及び応答性を高めるた
め、空気昇圧装置（ターボ過給機、過給機、電気コンプ
レッサ等）が使用されている。ターボ過給機の設計及び
機能は、例えば、その開示内容を参考として引用し本明
細書に含めた、米国特許第４，７０５，４６３号、米国
特許第５，３９９，０６４号、米国特許第６，１６４，
９３１号のような、従来の技術に詳細に記載されてい
る。
【０００３】コンプレッサ羽根車の羽根は、（ａ）空気
を軸方向に吸引し、（ｂ）空気を遠心力により加速し、
（ｃ）空気を高圧力にて半径方向外方にコンプレッサハ
ウジングの渦巻き形状のチャンバ内に排出するため、極
めて複雑な形状をしている。これら３つの別個の機能を
最大の効率及び最小の乱流状態にて実現するため、羽根
は、３つの別個の領域を有すると説明することができ
る。
【０００４】第一に、羽根の前縁は、空気を掬い且つ空
気を軸方向に動かし得るようにされた鋭角なつる巻き線
として説明することができる。羽根の前縁のみを考える
ならば、片持状すなわち外側先端は、ハブに最も近い部
分よりも速く移動し（ＭＰＳ）、また、全体として、ハ
ブに最も近い部分よりも大きいピッチ角度が付与されて
いる（図１参照）。このように、羽根の前縁の迎え角
は、ハブ付近の低ピッチから前縁の外先端における高ピ
ッチまで捩れを受ける。更に、羽根の前縁は、全体とし
て、湾曲しており且つ平面状ではない。更に、羽根の前
縁は、全体として、ハブの付近の「くぼみ」と、羽根先
端の外側１／３に沿った「隆起部」すなわち凸部とを有
している。これらの設計上の特徴は、全て、空気を軸方
向に吸引する機能を向上させることを目的としている。
【０００５】次に、羽根の第二の領域において、これら
の羽根は、空気流の方向を軸方向から半径方向に変化さ
せると同時に、空気を遠心力により急速に旋回させ且つ
空気を高速度に加速して、インペラを去った後、渦巻き
チャンバ内で拡散させたとき、エネルギが上昇した圧力
の形態にて回収されるような仕方にて湾曲している。羽
根の間に画成され且つコンプレッサ羽根車ハウジングに
おける内壁と床空間を画成するハブの半径方向に拡張し
たディスク状部分との間に画成された空気流の通路内に
空気が捕捉される。このハウジングの床空間は空気の流
動方向に狭小となる。
【０００６】最後に、第三の領域において、羽根は、空
気をコンプレッサ羽根車の外に半径方向に推進する設計
とされた前縁にて終わる。この羽根の後縁の設計は、
（ａ）ピッチと、（ｂ）半径方向からずらした角度と、
及び（又は）（ｃ）後方テーパー付き又は後部屈曲若し
くは後退角（ｂａｃｋ ｓｗｅｅｐ）（これらは、前縁
における前進角と共に、羽根に対し全体的な「Ｓ」字形
の形状を与える）とが設けられており、全体として複雑
である。このようにして押出された空気は、高流量であ
るのみならず、高圧力でもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】最近、エンジン排気物
のより厳しい規則のため、より大きい圧力比の昇圧装置
への関心が高まっている。しかし、現在のコンプレッサ
羽根車は、大きい圧力比（＞３．８）に繰り返してさら
されることに耐えることができない。アルミニウムは、
低重量及び低コストのため、コンプレッサ羽根車用とし
て選ばれる材料ではあるが、高い回転速度（ＲＰＭ）時
の増加した遠心力に起因する羽根先端の温度及び圧力
は、従来から採用されているアルミニウム合金の能力を
上廻る。アルミニウム製コンプレッサ羽根車に対して改
良が加えられているが、アルミニウムの性質上の制限さ
れた強度のため、更なる有意義な改良は何ら期待できな
い。従って、圧力比の大きい昇圧装置は、実際には、寿
命が短く、保守コストが高くなり、このため、広く普及
するためには、製品の寿命コストが過度となることが分
かっている。
【０００８】高強度及び軽重量であることが既知のチタ
ンは、最初、次世代の適宜な材料であろうと考えられ
た。大型のチタン製コンプレッサ羽根車は、実際上、Ｂ
−５２Ｂ／ＲＢ−５２ＢからＦ−２２までターボエンジ
ン及びジェットエンジンにて永年、使用されてきた。し
かし、チタンは、加工が最も難しい金属の１つであり、
現在、チタン製コンプレッサ羽根車に関係した製造コス
トは、極めて高くなり、チタンの広い採用を制限してい
る。
【０００９】現在、自動車又はトラック業界規模のチタ
ン製コンプレッサ羽根車を製造するための経済的な製造
技術は何も知られていない。自動車業界は、経済性に支
配される。高性能コンプレッサ羽根車が必要とされてい
るが、このコンプレッサ羽根車は妥当なコストで製造し
得るものでなければならない。
【００１０】コンプレッサ羽根車の鋳造を教示する特許
の一例は、「脆弱で且つ複雑な形状品の鋳造方法及び装
置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｃ
ａｓｔｉｎｇ ｏｆ Ｆｒａｇｉｌｅ ａｎｄ Ｃｏｍ
ｐｌｅｘ Ｓｈａｐｅｓ）」という名称の米国特許第
４，５５６，５２８号（ゲルシエ（Ｇｅｒｓｃｈ）ら）
である。この特許は、コンプレッサ羽根車の複雑な設計
（上記に詳細に説明したように）及びその後に、金型を
製作するために使用される弾性的な模型を製造するとき
に関係する複雑な方法を記載している。より具体的に
は、ゲルシエらは、インペラの中実な陽型の弾性的な原
模型を適宜な型枠内に配置することと、シラスティック
又は白金ゴム材料のような可撓性で且つ弾性的な材料を
原模型の上に鋳込むことと、原模型の逆すなわち陰型キ
ャビティを有する可撓性の金型を製作し得るようにイン
ペラの中実な原模型を硬化させ且つ可撓性の材料から引
抜くこととを備える方法を教示している。次に、可撓性
で且つ弾性的な硬化可能な材料を逆金型のキャビティ内
に鋳込む。可撓性で且つ弾性的な材料が硬化してインペ
ラの陽型の可撓性の模型を製作した後、その模型を可撓
性の陰型金型から除去する。次に、可撓性の陽型模型を
頂部開放の金属製の型枠内に配置し、その型枠内に鋳造
用石膏を鋳込む。石膏が硬化した後、陽型の可撓性の模
型を石膏から除去し、陰型の石膏金型が残るようにす
る。石膏金型内に非鉄の溶融材料（例えば、アルミニウ
ム）を鋳込む。非鉄の溶融材料が凝固し且つ冷却した
後、石膏を破壊し且つ除去して、原部品の陽型の非鉄複
製品を製造する。
【００１１】ゲルシエらの方法は、鋳造アルミニウム製
コンプレッサ羽根車を製造するのに効果的ではあるが、
この方法は、非鉄すなわち低温度又は最小反応性鋳造材
料に限定されており、鉄金属及びチタンのような高温度
鋳造材料にて部品を製造するために使用することはでき
ない。チタンは、極めて高反応性であるためセラミック
製シェルを必要とする。
【００１２】「複雑な金属部品の鋳造方法（Ｍｅｔｈｏ
ｄ ｏｆ Ｃａｓｔｉｎｇ ａ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｍｅ
ｔａｌ Ｐａｒｔ）」という名称の米国特許第６，０１
９，９２７号（ギャリンジャー（Ｇａｌｌｉｇｅｒ））
は、チタン製ガスタービンインペラの鋳造方法を教示す
るが、このインペラはコンプレッサ羽根車と形状が相違
するが、アンダーカット空間を画成する壁又は羽根を有
する複雑な幾何学的形状である。可撓性で且つ弾性的な
陽型模型が形成され、この模型を乾燥及び硬化が可能な
セラミック製成形媒体内に浸漬させる。可撓性の模型の
上にセラミック層を形成し得るように模型をこの媒体か
ら除去し、層を砂にて被覆し且つ空気乾燥させてセラミ
ック層を形成する。多層のセラミックシェルを形成し得
るように浸漬、砂被覆及び乾燥工程を数回繰り返す。必
要であるならば、部品を画成する陰型キャビティを有す
る第一のセラミックシェル金型を製作し得るように吸引
力により部分的につぶれさせることにより、可撓性の壁
模型をシェルから除去する。部品の後部及び鋳込み通路
を画成し得るように第二のセラミックシェル金型を第一
のシェル金型上に形成し、その組み合わせたシェル金型
を炉内で焼く。高温度鋳造材料をシェル金型内に鋳込
み、鋳造材料が凝固した後、破断させることによりシェ
ル金型を除去する。
【００１３】ギャリンジャーのガスタービンの可撓性の
模型は、（ａ）つぶれ可能であり、（ｂ）ジェット又は
ターボジェットエンジン用の大型のガスタービンインペ
ラを製造することを目的とするものであることが明らか
である。この技術は非つぶれ型模型を使用して薄い羽根
を有する自動車規模のコンプレッサ羽根車を大量生産す
るには適していない。ギャリンジャーは、自動車業界に
適用可能にする方法を教示していない。
【００１４】上述した鋳造金型を製作する「ゴム模型」
技術に加えて、コンプレッサ羽根車を製造するために使
用することができ、（１）片持状翼型を有するハブのろ
う模型を作成することと、（２）ろう模型の周りに耐火
性塊体を鋳造することと、（３）鋳造金型を製作し得る
ように溶剤又は熱的手段によりろうを除去することと、
（４）鋳造材を鋳込み且つ凝固させることと、（５）成
形材料を除去することとを備える、「インベストメント
鋳造」と称される周知の方法が存在している。
【００１５】しかし、コンプレッサ羽根車のろう模型を
製作するという最初のステップに関係する顕著な問題点
がある。ろう模型を鋳造するためダイが使用されると
き、製品を剥離するため鋳造ダイを開放しなければなら
ない。金型の幾つかの部品（金型インサート）の各々を
全体として直線（半径方向）線内でのみ引込めなければ
ならない。
【００１６】上述したように、コンプレッサ羽根車の羽
根は複雑な形状をしている。複合的な曲線を有する個々
の空気翼型の捩れにより形成されるアンダーカットリセ
ス部及び（又は）後方テーパー部分を有するコンプレッ
サ羽根車の複雑な幾何学的形態は、羽根の前縁に沿って
へこみ及び突起を生じるのはもちろんのこと、ダイのイ
ンサートの引き抜きをも妨害する。
【００１７】これらの複雑さを回避するため、ろう羽根
の各々及びろうハブに対し別個の金型を製作することが
既知である。別個のろう羽根及びハブを次に組み立て且
つ融接してろうのコンプレッサ羽根車の模型を形成す
る。しかし、翼の同一平面性、適正な迎え角又は捩れ角
及び等しい間隔で、必要な程度の精度にて別個のろう部
品からコンプレッサ模型を組み立てることは困難であ
る。更に、組み立て中、応力が生じて組み立て保持具か
ら除去した後、変形を生じさせる。最後に、これは労働
集約的であり、このため、コスト高の工程である。この
技術は工業的規模で採用することはできない。
【００１８】確かに、チタン製コンプレッサ羽根車は、
アルミニウム又はスチール製コンプレッサ羽根車よりも
望ましいように思われるであろう。チタンは丈夫で且つ
軽量であるため、遠心力に起因する過度の応力を受ける
ことなく高い回転速度（ＲＰＭ）にて駆動することので
きる薄く軽量なコンプレッサ羽根車を製造するため、そ
れ自体利用可能である。
【００１９】しかし、上述したように、チタンは、最も
加工が難しい材料の１つであり、その結果、コンプレッ
サ羽根車の製造は、実施できない程に高コストとなる。
この製造コストは、その広範囲に亙る採用を妨げてい
る。コスト面の利点を伴わない限り、新しい技術を工業
的に採用することはできない。
【００２０】このため、チタン製コンプレッサ羽根車を
大量生産するための簡単で且つ経済的な方法、並びにこ
の方法により製造された低コストのチタン製コンプレッ
サ羽根車が必要とされている。この方法は、特に、薄い
羽根において、寸法上又は構造上の欠陥があるという従
来技術の問題点を伴わずにコンプレッサ羽根車を確実に
且つ反復的に製造することができなければならない。
【００２１】本発明は、内燃機関に対する空気圧力を昇
圧させ且つ総供給量を増加させると共に、次の２つの
（矛盾すると思われる）必要条件を満足させ得るように
チタン製コンプレッサ羽根車を設計することができるか
どうかという問題点を課題とするものである。
【００２２】空気力学性；チタン製コンプレッサ羽根車
が作動可能である高い回転速度（ＲＰＭ）にて作動する
ときの空気力学的効率は、複雑で最新式のコンプレッサ
羽根車の設計の効率と同程度でなければならない。
【００２３】製造の容易性；コンプレッサ羽根車は、従
来から採用されている上述の方法よりも効率的な仕方に
て大量生産できるものでなければならない。
【００２４】
【課題を解決するための手段】この問題点は、当該発明
者達によって驚くべき仕方にて解決された。簡単に説明
すれば、当該発明者達は、独自の考えに基づいてこの問
題点を解決しようと試みた。従来、製品を設計し、次
に、その製品の製造方法を案出することにより製造過程
は開始する。殆どのコンプレッサ羽根車は、最適な空気
力学的効率が得られるように設計されており、このた
め、羽根間の間隔は短く、また、前縁及び後縁の設計は
複雑なものとなる（余剰なすくい角、アンダーカット、
後部屈曲、複雑な曲がり及び前縁のへこみ及び突起）。
【００２５】従来の技術的アプローチ法と相違して且つ
最初に、最終製品を検討せずに、ろう模型を製作する色
々な過程を検討することにより、驚くべきことに本発明
が為された。次に、当該発明者達は、「引出し可能性」
（引出し可能なダイインサートを使用して製造可能な能
力である）に基づいて色々なコンプレッサ羽根車を設計
し、次に、これらの簡略化した模型から製造された色々
なコンプレッサ羽根車の作動特性を、高い回転速度（Ｒ
ＰＭ）で反復的な負荷サイクルにて且つ長時間かけて試
験した（実際的な環境内での長時間の使用を模擬するた
め）。その結果は、（ａ）チタンを鋳造することにより
それ自体、経済的な製造が実現可能であり、また、
（ｂ）高い回転速度（ＲＰＭ）にて、完全に満足し得る
空気力学的性能を発揮する、簡略化したコンプレッサ羽
根車の設計が得られた。
【００２６】より具体的には、本発明は、空気力学的
に、複雑なコンプレッサ羽根車の羽根の設計と同程度の
効率を有し、しかも、製造上の観点からして、自動型
（及び「引出し可能な」）ダイから低コストにて容易に
製造可能なろう模型を使用してインベストメント鋳造法
（ろう原型法）にて経済的に製造することのできる、簡
略化した設計の羽根を備える、チタン製コンプレッサ羽
根車を提供するものである。
【００２７】この知見に基づいて、一般的な自動車の技
術のため、チタン製コンプレッサ羽根車に有利なよう
に、経済的な等式を始めて工夫した。従って、第一の実
施の形態において、本発明は、次のような、簡略化した
羽根の設計のコンプレッサ羽根車に関するものである。
【００２８】すなわち、ろう模型は、コンプレッサ羽根
車の１つの空気通路当たり（すなわち、羽根の間の空間
当たり）、１つ又はより多くのダイインサートから成
り、好ましくは、１つの空気通路当たり２つのダイイン
サートから成るようにする。
【００２９】また、ダイインサートは、容易に除去し得
るように、ろう模型を露出させるべくダイインサート
（複数）を半径方向に又は相当に複合的な曲線又は軸に
沿って自動的に引抜くことができるようにする。
【００３０】コンプレッサ羽根車の羽根の設計は、曲率
を有するものとすることができ、また、羽根の前縁が何
らのへこみ又は突起を有しない限り、また、羽根が、ダ
イインサートを半径方向に引抜き又は何らかの曲線部又
は円弧に沿って簡単な方法にて除去するのを妨げる程度
の複合的曲線部を有するアンダーカットリセス部分及び
（又は）後方テーパー付き部分が個々の空気翼型を捩る
ことにより形成されることがない限り、任意の設計とす
ることができる。
【００３１】最も簡単な形態において、各空気通路に相
応する１つのダイインサートを有するダイからろう金型
が製作される。羽根が簡単なダイインサートを引き出す
ことを許容するように（すなわち、１つの空気通路当た
り１つのダイインサートがある）設計とされるならば、
このことは可能である。しかし、以下に説明するよう
に、ダイは、２つ又はより多くのダイインサートから成
るが、経済上の理由のため、１つの空気通路当たり２つ
のインサートがあるようにすることが好ましい。
【００３２】より先端的な形態において、羽根は、ある
程度のすくい角又は後部曲がりすなわち曲率を有する設
計とされているが、その曲率の程度は、１つの空気通路
当たり、２つ又はより多数、好ましくは、２つのインサ
ートを容易に自動的に引抜くことができる程度に過ぎな
い。かかる配置は、ろう成形金型のコスト及び細工を僅
かに増加させるが、より複雑な形状のろう金型、従っ
て、コンプレッサ羽根車を製造することを許容する。１
つの空気通路当たり、２つのインサートが引き出される
場合、引張り方向は、必ずしも、対のインサートの部材
の各々に対し同一である必要はない。２つの羽根の間に
１つの空気の通路領域を画成する１つのダイインサート
は、僅かに前方に傾けて半径方向に引張ることができる
一方、他の通路部分を画成する第二のダイインサート
は、羽根の僅かな後部屈曲若しくは後退角のため僅かな
円弧に沿って引張ることができる。この実施の形態は、
「複合ダイインサート」の実施の形態と称されている。
引出し可能性を説明する１つの方法は、羽根表面が凸型
でないことである。すなわち、引出し軸に沿って確実な
抜け勾配が存在する。
【００３３】一度びろう模型が製作されたならば、チタ
ンのインベストメント鋳造法は、従来の方法にて続行す
る。本発明は、内燃機関に対し容易に製造できる長寿命
のチタン製コンプレッサ羽根車を提供することと、燃焼
空気の総供給量及び密度を高め且つ排気分を減少させる
べく高い回転速度（ＲＰＭ）にてチタン製コンプレッサ
羽根車を駆動することとを備える、内燃機関を作動させ
る経済的な方法に更に関するものである。
【００３４】本発明のチタン製コンプレッサ羽根車は、
簡略化した極めて自動化した方法にて製造することが可
能である設計を有する。上述したことは、以下の本発明
の詳細な説明を一層良く理解することができるようにま
た、技術に対し本発明が寄与する程度をより完全に理解
し得るようにするため、本発明のより関連し且つ重要な
特徴をかなり広く概説したものである。
【００３５】本発明の更なる特徴は、以下に説明する
が、これらは、本発明の請求の範囲の主題を構成するも
のである。当該技術分野の当業者は、開示した着想及び
特定の実施の形態が、本発明と同一の目的を達するよう
にその他のコンプレッサ羽根車を改変し又は設計するた
めの基礎として容易に利用することができることが理解
されよう。また、当該技術分野の当業者には、かかる等
価物的な構造は、特許請求の範囲に記載された本発明の
精神及び範囲から逸脱しないことをも理解されよう。
【００３６】本発明の性質及び目的を一層完全に理解す
るため、添付図面と共に、以下の詳細な説明を参照すべ
きである。
【００３７】
【発明の実施の形態】本発明の１つの主な特徴は、最初
に、利用された完全な形状品として自動ダイ内で製造可
能な鋳造したチタン製コンプレッサ羽根車を製造すると
きの基本となるろう模型を製作し得るように空気力学的
に受容可能な設計又は羽根の幾何学的形態を調節するこ
とに基づくものである。本発明は、（ａ）簡略化した型
を使用してろう模型を製作することを許容し、また、
（ｂ）空気力学的に効果的である簡略化した羽根の設計
を提供するものである。この改変した羽根の設計は、鋳
造チタンコンプレッサ羽根車を製造するための簡単で且
つ経済的な方法の基礎となるものである。
【００３８】本発明は、簡単、低コストで且つ経済的な
方法によりチタン製コンプレッサ羽根車を大量生産する
ための方法を初めて提供するものである。以下に、本発
明は、最初に、簡単なダイインサート（複数の）、すな
わち、１つの空気通路当たり、１つのダイインサートを
使用する場合について説明し、その後、複合ダイインサ
ートを有する実施の形態、すなわち、１つの空気通路当
たり、２つ又はより多くのダイインサートを使用する実
施の形態について説明する。
【００３９】「チタン製コンプレッサ羽根車」という語
は、本明細書にて、専らチタンで出来たコンプレッサ羽
根車を指し、また、好ましくは、チタンアルミニウム合
金のような軽量な合金であるチタン合金を含む。
【００４０】本発明の理解の開始点として、羽根の形
状、輪郭及び湾曲は、一方にて、高い回転速度（ＲＰ
Ｍ）にて空気力学的に受容可能な特性を提供し、他方に
て、自動複合ダイを使用して経済的にろう模型を製作す
ることを可能にする設計を提供し得るように改変してあ
る。すなわち、ろう模型を鋳造する間、空気通路を画成
すべく使用するダイインサートは、「引出し可能」であ
ること、すなわち、半径方向に又は湾曲に沿って引き出
すことができることが本発明にとって中心的なことであ
る。ダイインサートを引込み可能とするため、以下の特
徴を考慮に入れた。
【００４１】コンプレッサ羽根車は十分な羽根間の間隔
を有すること；コンプレッサ羽根車は、羽根の前縁又は
後縁の過剰なすくい角及び（又は）後部屈曲を示さない
こと；羽根に過剰な捩れが存在しないこと；ダイインサ
ートの引出しを妨げるであろうへこみ又は突起が羽根の
前縁に沿って存在しないこと；羽根を過剰に湾曲させな
いこと；ろう模型を製作するときに使用されるダイイン
サートは、直線又は簡単な曲線に沿って引込み可能であ
ること。
【００４２】一度び上記の必要条件を満足させるろう模
型が製作されたならば、鋳造技術の残りの部分は、チタ
ンを鋳造するため当該技術分野で既知の改変を加えて従
来のインベストメント鋳造法とすることができる。ろう
模型は、何回もセラミックスラリー中に浸漬させる。乾
燥過程後、シェルを「脱ろう」し、加熱により硬化させ
る。次のステップは、金型に溶融金属を充填することを
含む。溶融チタンは、極めて反応性を有し、利用可能な
酸素無しにて特殊なセラミックシェル材料を必要とす
る。鋳込みは、また、高真空圧にて行うことも好まし
い。一部の鋳造所は、金型を充填するため遠心鋳造法を
使用する。殆どは、良好な鋳造を実現し得るように、複
雑な湯口による重力鋳込み法を使用する。冷却した後、
シェルを破壊し且つ除去し、通常、化学的フライス加工
によって、金型−金属の反応層を除去すべく鋳物に対し
特殊な加工を施す。
【００４３】過程がさもなければ過剰な内部空隙を残す
ならば、ＨＩＰ（熱間静水圧圧縮成形法）による何らか
の圧密化が必要となる。以下に、従来技術のコンプレッ
サ羽根車と、本発明のコンプレッサ羽根車を図面を参照
しつつ比較することにより、本発明を詳細に説明する。
【００４４】図１及び図３には、基部３を形成し得るよ
うに基部部分にて半径方向外方に伸びる環状ハブ２を備
える、従来技術のコンプレッサ羽根車１が図示されてい
る。ハブから基部への遷移部分は湾曲させる（溝付きと
する）ことができ、又は、角度を付けることができる。
均一に隔てられた一連の薄肉厚の完全な羽根４及び「ス
プリッタ」羽根５は、コンプレッサ羽根車の一体部分を
形成する。スプリッタ羽根は、主としてその前縁が完全
な羽根と比較したとき、更に軸方向下流にて開始する点
にて、完全な羽根と相違している。コンプレッサ羽根車
は、羽根の自由外端縁がコンプレッサハウジングの内壁
に接近した状態でコンプレッサハウジング内に配置され
る。空気は、コンプレッサ入口内に吸引されると、速く
回転するコンプレッサ羽根車の空気通路を通って流れ、
コンプレッサ羽根車の基部に沿って外方に環状の渦巻き
チャンバ内に放出され（遠心力により）、この圧縮され
た空気は、次に、エンジン吸気口に運ばれる。羽根の前
縁に沿ったへこみ６及び突起７と、個々の空気翼型を複
合的な曲率にて捩ることにより形成されたアンダーカッ
トリセス部９と、羽根の後縁におけるすくい角又は後方
テーパー付き部分（後部屈曲）８とを有するコンプレッ
サ羽根車の複雑な幾何学的形態は、その幾何学的形態が
ダイインサート又は金型部材を引抜くことを妨げるか
ら、かかる形状品を自動的な過程にて単一物として鋳造
することを不可能にする。
【００４５】図２及び図４には、ダイインサートを容易
に引込み可能とし、このため、十分な羽根の間隔、羽根
の前縁及び後縁の余剰なすくい角及び（又は）後部屈曲
の不存在、前縁に沿ったへこみ又は突起の不存在、及び
直線又は簡単な曲線に沿ってダイインサートを引抜く可
能性という相互に関係した思想を最優先的に考慮して設
計された、本発明によるコンプレッサ羽根車が比較のた
め図示されている。簡単に説明すると、本発明の主たる
特徴的な性質は、インサートの「引出し可能性」を妨げ
るであろう羽根の特徴が存在しないことである。
【００４６】これらの設計上の考慮により、図２及び図
４に図示するように、コンプレッサ羽根車１１が得られ
る（ろう模型は、最終的なチタン製品と同一形状であ
る。図面は、ろう模型又は鋳造したチタン製コンプレッ
サ羽根車の何れかを示すものとして見ることができ
る）。この羽根車は、ハブ基部１３を有するハブ１２
と、均一に隔てた一連の薄肉厚の完全な羽根１４と、コ
ンプレッサ羽根車の一体部分として鋳造された「スプリ
ッタ」羽根１５とを備えている。
【００４７】羽根の前縁１７は、ダイインサートの半径
方向への引抜きを妨げるであろうへこみ又は突起が無
い、実質的に直線状であることが理解できる。すなわ
ち、羽根がハブに接続する箇所たる、僅かな丸型の隆起
部分１８（すなわち、羽根のピッチに沿った羽根の連続
部分）が存在するが、この曲率は、ダイインサートの引
出し可能性を妨げない。
【００４８】羽根の間隔は十分に広く、また、羽根のす
くい角及び（又は）後部屈曲は、直線又は簡単な曲線に
沿ってインサートを引抜くのを妨げる程、大きくは無い
ことが理解できる。
【００４９】羽根１４の後縁１６は、１つの設計におい
て、ハブの中心（ハブの軸）から相対的に半径方向外方
に伸びるようにし、又は、より好ましくは、ハブディス
クの外端縁上の１点からハブ軸の外（前）周縁上の１点
まで仮想線に沿って伸びるようにする。コンプレッサ羽
根車の側部から見たときの羽根の後縁は、ハブ軸に対し
て平行に方向決めすることができるが、図２に図示する
ように、ハブの基部を越えて片持状に支え且つ基部を越
えて三角形に伸びるようにすることが好ましく、また、
羽根の他の部分と同一とし、又は増大させることのでき
るピッチにて傾斜させてある。最後に、図１１に図示す
るように、羽根は、僅かな程度の後部屈曲（これは、前
縁の前進角と共に見たとき、僅かに「Ｓ」字形の形状を
生じた）を有するが、後縁付近の羽根の領域は、比較的
平坦であることが好ましい。
【００５０】１つの基本的な実施の形態において、コン
プレッサ羽根車は、８乃至１２枚の完全な羽根を有する
が、スプリッタ羽根は無い。１つの好ましい実施の形態
において、コンプレッサ羽根車は、４乃至８枚、好まし
くは６枚の完全な羽根を有し、また、同数のスプリッタ
羽根を有する。
【００５１】図３には、羽根の前縁がダイインサートの
半径方向への引き抜きを妨げる形状を生ずるへこみ６及
び突起７を呈する、従来技術の部分的なコンプレッサ羽
根車が側面外形図で図示されている。
【００５２】図４には、図３の羽根車と同様の寸法とし
た部分的コンプレッサ羽根車が図示されているが、理解
し得るように、ネック部１８から先端１９まで羽根の実
質的に直線上の肩部を有している。
【００５３】図５には、へこみ６と、突起７と、前縁の
湾曲状態及び曲率とを示す、従来技術の設計のコンプレ
ッサ羽根車の拡大部分断面図が立面斜視図で図示されて
いる。「捩れ」（前縁に沿ったピッチの差）は、曲率に
加えて、ダイインサートを半径方向に引抜くことを不可
能にすることも理解できる。
【００５４】図６には、図５と同様の寸法としたが、本
発明に従った設計とされる、本発明による部分コンプレ
ッサ羽根車の拡大断面図が図示されており、直線状の前
縁１９を示し且つダイインサートの引出しを妨げるであ
ろう何らの程度の捩れ及び曲率が存在しない状態が示さ
れている。
【００５５】もちろん、上記の寸法はろう模型及び完成
したコンプレッサ羽根車の双方に等しく当て嵌まる。ろ
う模型は、主として、ろう漏斗が含まれる点にて最終製
品と相違する。このことは、鋳造中、溶融金属が鋳込ま
れるセラミック鋳型空隙内に漏斗を形成する。鋳造後に
この漏斗領域に残る全ての余剰な金属は通常機械加工に
よって最終製品から除去する。
【００５６】図７において、ろう形態物を製作する工具
又はダイは、図６に図示した断面線８に沿って且つ本発
明の必須な特徴を一層良く理解し得るように簡略化して
（機械的引抜き手段を省略する等）断面図で閉じた状態
で図示され、コンプレッサ羽根車形状の金型の断面を示
している。該金型は、ハブキャビティと、羽根の間の空
気通路を占める多数のインサート２０とを画成し、これ
により羽根と、ハブの壁と、ハブの基部の空気通路の床
部分とを画成する。これらインサートが図７に図示した
所要位置にあるとき、溶融した犠牲材料としてのろうを
ダイ内に鋳込む。ろうは冷却させ、個々のインサート２
０は、図８に図示するように自動的に半径方向に引き抜
かれ又は図９、図１０に図示するように幾つかの簡単な
又は複合的曲線に沿って引き抜かれ、中実なろう模型２
１を露出させ且つダイから模型を除去することを可能に
する。図７及び図８には、半径方向への引抜き状態が図
示され、図９及び図１０には、オフセットアーム２２を
使用して簡単な曲線に沿った引抜き状態が比較のため図
示されている。
【００５７】図７乃至図１０には、図面の便宜上６個の
ダイと、６枚の羽根とが図示されている。しかし、上述
したように、ダイは、合計で６枚の完全な長さの羽根、
及び６枚の「スプリッタ」羽根を形成し得るよう合計１
２個（簡略型）又は２４個（複合型）インサートを有す
ることが好ましい。上述したように、２４個の複合型イ
ンサートの場合、最初に、１２個の相応するインサート
から成る一組みを同時に引き抜き、次に、１２個の相応
するインサートの第二の組みを同時に引抜く。複合型ダ
イインサートは、空気キャビティを２つの部分に分割す
ることにより製造し、また、ダイインサートを羽根の設
計に依存して、半径方向に又は曲線に沿って引抜くこと
ができる。
【００５８】本発明によるろう鋳造法は完全に自動的に
行われる。インサートを組み立てて金型を製作し、ろう
を射出し、連動して引込ませる機構によりインサートを
最適なタイミングで引抜く。
【００５９】一度びろう模型（鋳込み漏斗を有する）が
製作されたならば、セラミック金型の製作過程及びチタ
ン鋳造法を従来の仕方にて行う。鋳込み漏斗を有するろ
う模型をセラミックスラリーに浸漬させ、スラリーから
取り出し且つ砂又はバーミキュライトにて被覆し、ろう
模型にセラミック層を形成する。層を乾燥させ、浸漬、
砂被覆及び乾燥工程を数回繰り返して組み合わさったろ
う模型を取り囲み又は包み込む多層セラミックシェル型
を製作する。シェル型及び鋳込み漏斗を有するろう模型
を次に炉内に投入し且つ焼いてろうを除去し、鋳込み漏
斗を有するセラミックシェル型を硬化させる。
【００６０】溶融チタンをシェル型内に鋳込み、チタン
が硬化した後、金型を壊してシェル型を除去し、高い回
転速度（ＲＰＭ）及び高温度に耐えることのできる軽
量、精密な鋳造コンプレッサ羽根車を製作する。
【００６１】本発明のチタン製コンプレッサ羽根車は、
簡略化した極めて自動化した過程にて製造することがそ
れ自体可能である設計を有している。その結果、コンプ
レッサ羽根車が、弾性的な変形可能な金型を使用すると
きに生じ又は従来技術の方法に従って別個の羽根をハブ
に組み立てるときに生じるような何らの変形は生じな
い。
【００６２】同様の設計のアルミニウム製コンプレッサ
羽根車と比較試験したとき、アルミニウム製コンプレッ
サ羽根車は高い圧力比に繰り返して露呈させることに耐
えることができない一方、チタン製コンプレッサ羽根車
は、アルミニウム製コンプレッサ羽根車の作動サイクル
数の１３倍以上も運転したときでさえ、何ら疲労の兆候
が見られなかった。
【００６３】本発明は、チタン製コンプレッサ羽根車に
関してある程度具体的にその好ましい形態について説明
したが、好ましい形態のこの開示は単に一例として記載
したものであり、本発明の精神及び範囲から逸脱せず
に、構造及び組み合わせの組成の細部の点で多数の変更
が可能であることが理解される。
【００６４】図１１には、羽根の後縁１６に僅かな程度
の後部屈曲が提供される点を除いて、実質的に図２のコ
ンプレッサ羽根車に相応するコンプレッサ羽根車が図示
されている。羽根の前縁に沿った前方すくい角と共にこ
の僅かな程度の後部屈曲は空気通路の全体を画成する単
一のダイインサートを容易に引抜くことを困難にするで
あろう。ダイインサートの除去を容易にするため図１１
に図示したコンプレッサ羽根車は、複合型ダイインサー
ト、すなわち、空気通路の最初すなわち入口領域を画成
する第一のダイインサートと、残りの空気通路の領域を
画成する第二のダイインサートとを使用して製造するこ
とができる。空気通路を２つの領域に分割する方法は特
に重要ではなく、第一及び第二のダイインサートを同時
に又は順次に引抜くことができるようにすれば十分であ
る。
【００６５】自動車又はトラック業界に適した実施の形
態に関して鋳造チタン製コンプレッサ羽根車について極
めて詳細に説明したが、コンプレッサ羽根車及びその製
造方法は、燃料電池作動乗物のような多数のその他の適
用例にて使用するのに適していることが容易に明らかで
あろう。本発明は自動車の内燃機関のコンプレッサ羽根
車に関し特に具体的にその好ましい形態にて説明した
が、好ましい形態のこの開示は単に一例として記載した
ものであり、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに構造
及び組み合わせの組成の細部の点で多数の変更が具体化
可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の設計のコンプレッサ羽根車を示す立
面斜視図である。
【図２】本発明に従って設計されたコンプレッサ羽根車
を図１と比較して示す立面斜視図である。
【図３】従来技術の設計の部分的コンプレッサ羽根車の
側面外形図である。
【図４】本発明に従って設計された部分的コンプレッサ
羽根車を図３と比較して示す側面外形図である。
【図５】従来技術の設計のコンプレッサ羽根車の拡大部
分断面図を示す立面斜視図である。
【図６】本発明に従って設計されたコンプレッサ羽根車
の拡大部分断面図を示す図５と比較して示す立面斜視図
である。
【図７】ダイインサートがコンプレッサ羽根車のハブ及
び羽根を画成する、コンプレッサ羽根車の回転軸に対し
垂直な簡略化した断面図である。
【図８】ハブの略中心にて回転軸に対し垂直な断面のコ
ンプレッサ羽根車を示す図７に相応する頂面図である。
【図９】ダイを簡単な曲線に沿って引抜く簡略化した配
置を示す図である。
【図１０】ダイを簡単な曲線に沿って引抜く簡略化した
配置を示す図である。
【図１１】複合型ダイインサートを使用して製造するた
めの僅かな後部屈曲を持たせた後縁を有する、本発明に
よるコンプレッサ羽根車の図である。
【符号の説明】
１ 従来技術のコンプレッサ羽根車 ２ 環状ハブ ３ 基部 ４ 完全な羽根 ５ 「スプリッタ」羽根 ６ へこみ ７ 突起 ８ 後方テーパー
付き部分（後部屈曲） ９ アンダーカットリセス部 １１ コンプレッ
サ羽根車 １２ ハブ １３ ハブ基部 １４ 羽根 １５ 「スプリッ
タ」羽根 １６ 羽根の後縁 １７ 羽根の前縁 １８ 隆起部分／ネック部 １９ 先端 ２０ ダイインサート ２１ ろう模型／コンプレッサ羽根車の模型 ２２ オフセットアーム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500124378 Ｐｏｗｅｔｒａｉｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ 3800 Ａｕｔｏｍａｔｉ ｏｎ Ａｖｅｎｕｅ Ｓｕｉｔｅ 100, Ａｕｂｕｒｎ Ｈｉｌｌｓ，Ｍｉｃｈｉｇ ａｎ 48326−1782 Ｕ．Ｓ．Ａ (72)発明者 デイヴィッド・デッカー アメリカ合衆国インディアナ州46112，ブ ラウンスバーグ，ウィンドソング・コート 6922 (72)発明者 ステファン・ロビィ アメリカ合衆国ノース・カロライナ州 28803，アッシュヴィル，ウィンドオーヴ ァー・ドライブ 123 Ｆターム(参考） 3G005 EA04 FA00 GB78 KA00 KA09 3H033 AA02 AA17 BB03 BB06 CC02 CC06 DD04 DD12 DD25 DD26 EE00 4E093 FC04 GB03

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 インベストメント鋳造法により形成され
    たチタン製コンプレッサ羽根車において、 回転軸を画成するハブ（１）と、 該ハブの表面の上に保持された空気力学的羽根（４、
    ５）とを備え、 前記チタン製コンプレッサ羽根車が金型内でインベスト
    メント鋳造法により形成され、 前記金型がコンプレッサ羽根車の模型（２１）の周りで
    ロストワックス法により形成され、 前記コンプレッサ羽根車の模型が複数のダイインサート
    （２０）を含むダイ内に犠牲材料を鋳込み、その後、前
    記ダイインサート（２０）を半径方向に又は曲線に沿っ
    て引抜いて前記コンプレッサ羽根車の模型を露出させる
    ことにより形成される、チタン製コンプレッサ羽根車。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のチタン製コンプレッサ
    羽根車において、空気通路が前記羽根の間に画成され、
    前記ダイが、１つの空気通路当たり１つ乃至３つのダイ
    インサート（２０、２０´）を備える、チタン製コンプ
    レッサ羽根車。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のチタン製コンプレッサ
    羽根車において、前記ダイインサートが同時に引抜かれ
    る、チタン製コンプレッサ羽根車。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のチタン製コンプレッサ
    羽根車において、前記空気力学的羽根が交互に現れる完
    全な羽根（４）及びスプリッタ羽根（５）を備える、チ
    タン製コンプレッサ羽根車。
  5. 【請求項５】 鋳造チタン製コンプレッサ羽根車におい
    て、 環状ハブ（１）と、 各々が前縁（１８）と、コンプレッサハウジングに対し
    近接して通過し得るようにされた外端縁と、後縁（１
    ６）とを有する複数の羽根（４、５）とを備え、 前記前縁（１８）が実質的に直線状端縁であり、 前記羽根（４、５）が、隣接する羽根の間で空間を画成
    する単一のダイインサート（２０）を隣接する羽根の間
    に挿入し且つ半径方向又は湾曲経路に沿って引込めるこ
    とができるような設計とされた、鋳造チタン製コンプレ
    ッサ羽根車。
  6. 【請求項６】 チタン製コンプレッサ羽根車の製造方法
    において、 回転軸を画成するハブ（１）と、該ハブの上に保持され
    た空気力学的羽根（４、５）とを備えるコンプレッサ羽
    根車の模型を形成し得るように犠牲材料を複数のダイイ
    ンサート（２０）を含むダイ内に導入することと、 前記ダイインサート（２０）を半径方向に又は曲線に沿
    って引抜き前記コンプレッサ羽根車の模型を露出させる
    ことと、 前記コンプレッサ羽根車の模型（２１）の周りにロスト
    ワックス法により金型を形成することと、 金型内でインベストメント鋳造法により前記チタン製コ
    ンプレッサ羽根車を形成することとを備える、製造方
    法。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の方法において、前記ダ
    イインサートの引抜きが自動化した方法により行われ
    る、方法。
  8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、前記自
    動化した方法が液圧、空圧又は電気的方法である、方
    法。
  9. 【請求項９】 請求項７に記載の方法において、前記ダ
    イインサートが同時に引抜かれる、方法。
  10. 【請求項１０】 鋳造チタン製コンプレッサ羽根車の製
    造方法において、 環状ハブ（１）と、複数の羽根（４、５）とを備え、羽
    根の各々が前縁（１８）と、コンプレッサハウジングに
    対して近接して通過し得るようにされた外端縁と、後縁
    （１６）とを有するようにコンプレッサ羽根車の模型の
    形状を設計し、前記前縁（１８）が実質的に直線状端縁
    であり、前記羽根（４、５）は、隣接する羽根の間の空
    間が、隣接する羽根の間に挿入され且つそれぞれ自動化
    した方法により半径方向又は湾曲経路に沿って引込み可
    能である３つ以下のダイインサート（２０）によって画
    成されるような、輪郭とされ、 複数のダイインサート（２０）から成るダイ内に犠牲材
    料を導入することにより前記コンプレッサ羽根車の模型
    を形成することと、 前記コンプレッサ羽根車の模型を露出させ得るように前
    記ダイインサート（２０）を半径方向に又は曲線に沿っ
    て自動的に引抜くことと、 前記コンプレッサ羽根車の模型（２１）の周りにロスト
    ワックス法により金型を製作することと、 前記金型内でインベストメント鋳造法により前記チタン
    製コンプレッサ羽根車を形成することとを備える、製造
    方法。
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