JP2014238084A - 遠心圧縮機の羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】排ターボ過給機を構成する遠心圧縮機の羽根車において、羽根車を構成するハブ部と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部とを、連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂とを組み合わせて形成するともに連続繊維の配向を改良して、高耐久性を有するとともに製造容易な遠心圧縮機の羽根車を提供することを目的とする。【解決手段】回転軸５に設けられたハブ部１９と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部２１とを備え、翼部２１は不連続繊維２２を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、ハブ部１９のうち少なくとも該ハブ部の背面部を形成する背板２０部分を、回転軸５に対して直角方向に配列された複数の連続繊維に樹脂を含浸した円盤プリプレグシート部材２５ａからなる連続繊維樹脂によって形成されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機の羽根車に関し、特に、排気ターボ過給機の遠心圧縮機であって、該遠心圧縮機が繊維強化樹脂によって形成される羽根車に関する。

ハブに取り付けられた複数の翼からなり、エンジンの排気ターボ過給の遠心圧縮機の羽根車において、該羽根車は、強度を確保しつつ、慣性モーメントをより一層低減するために繊維強化樹脂製によって形成されるものが知られている。

例えば、特許第３０１８８５３号公報（特許文献１）、および米国特許出願公開第２０１２／０１２４９９４号明細書及び図面（特許文献２）に示されている。

この特許文献１には、繊維強化樹脂製インペラについて開示されており、ターボチャージャ搭載車独自の異音の発生を抑えた、安価な繊維強化樹脂製インペラについて示されている。
異音発生防止のために、インペラの軸穴の内面とシャフトの外面との間で形成される隙間を管理することで達成している。特に、インペラの軸穴の内面と接触する背板側軸穴径管理部位と、ボス側軸穴径管理部位とにおける軸穴径と該軸穴に嵌合するシャフトのシャフト径との隙間関係を一定の範囲内とすることで異音の発生を防止することが示されている。

また、特許文献２には、その文献の図１〜４にターボチャージャのコンプレッサ羽根車１０が繊維強化樹脂によって形成され、軸方向に延びるハブ１２の外周面にコンプレッサ翼２６が複数枚取り付けられ、このコンプレッサ翼２６の部分を、連続繊維３８を含む樹脂で形成されることが示され、該連続繊維の方向が回転軸の径方向２５に配向している場合（特許文献２の図２）、ハブ外周面の方向に沿った方向２９に配向している場合（図３）、これらが組み合わせされた方向に配向される場合（図４）が示されている。さらに、ハブ１２は不連続繊維３２で強化されて形成されることが示されている。

特許第３０１８８５３号公報 米国特許出願公開第２０１２／０１２４９９４号公報

しかし、前述の特許文献１は、繊維強化樹脂製インペラについて開示しているが、インペラの軸穴の内面とシャフトの外面との間で形成される隙間を管理することで異音の防止を図る技術であり、繊維の配向を高耐久性に適したものにすることまでは開示されていない。

また、特許文献２には、繊維強化樹脂製のターボチャージャのコンプレッサ羽根車について開示されているが、コンプレッサ翼２６の部分は特定の方向に配向した連続繊維３８を含む樹脂で構成され、ハブ１２の部分は不連続繊維３２を含む樹脂で形成されるものである。

一般的に、翼が取り付けられるハブには径方向の応力及び周方向の応力が複雑に作用し、特に、ハブの外周部および背面部を形成する背板部分には、回転による遠心応力が作用するとともに、遠心圧縮機の外周部分は作動流体を圧縮することによる高温化によって高温化されやすく、熱的にも厳しい環境に晒される場合が多い。

従って、背板部分を不連続繊維樹脂で形成すると、連続繊維の配列による繊維強化作用が得られ難く、ハブ全体の強度および耐久性において問題を生じるおそれがあり、高耐久性を有した繊維強化樹脂製の遠心圧縮機の羽根車の実現が困難となる。

さらに、翼部はハブ外周面に沿って取り付けられると共に、ハウジング内に所定の隙間を介在して配置しなければならないため、翼形状としての寸法精度が要求されるが、この特許文献２のように特定の方向に配向した繊維を侵入させて複雑な翼形状に製造することは製造工数及び製造コストの増大を招きやすい。

そこで、本発明はかかる技術的課題に鑑みてなされたものであり、排ターボ過給機を構成する遠心圧縮機の羽根車において、ハブ部を連続繊維樹脂により、翼部を不連続繊維樹脂により形成するとともに、連続繊維の配向を改良して高耐久性を有するとともに製造容易な遠心圧縮機の羽根車を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、排気ターボ過給機を構成する遠心圧縮機の羽根車であって、
回転軸に設けられたハブ部と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部とを備え、前記翼部は不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、前記ハブ部のうち少なくとも該ハブ部の背面部を形成する背板部分が、一定方向に配列された連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成され、該連続繊維は回転軸に対して直角方向の面に沿って配向されるとともに該面内において交差するように複数方向の配向を有していることを特徴とする。

かかる発明によれば、翼部を、不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成し、ハブ部の少なくとも背面部を形成する背板部分を、連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成するものである。
このように、不連続繊維樹脂と連続繊維樹脂とを組み合わせて羽根車を形成するため、軽量で高強度の羽根車を形成できる。

さらに、少なくともハブ部の背板部分を、プリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成し、連続繊維を回転軸に対して直角方向の面に沿って配向するとともに該面内において交差するように複数方向に配向するので、背板部分の外周部に作用する遠心応力や、背板部分の外周部に作用する高温化による熱応力に対し、さらに、翼の付け根部分に作用する周方向応力に対して、連続繊維の強度化によって、背板部分の強度を向上することができ、これによってハブ部全体の強度も向上でき高い耐久性を実現できる。
特に、背板の外周はハブ部の外径が最も大きくなることが多いため、この背板部分を連続繊維樹脂で補強することはハブ部全体の強度向上に効果的である。

また、プリプレグ（Ｐｒｅ−ｐｒｅｇ）とは、前もって樹脂を含浸したという意味であり、樹脂を浸み込ませた中間材料のことをいう。従って、連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグによってハブ部が構成されるため、連続繊維の強化樹脂材からなるハブ部の製造が容易となる。

また、本発明において好ましくは、前記連続繊維の一定方向の配向は、回転軸の直角面において少なくとも４５°で交差する４方向の配向を有しているとよい。

背板部分は、図５に示すように、径の中心側では周方向応力が大きく現れ、中央部分では径方向応力が大きく現れ、外周側では翼の付け根の影響で周方向応力が大きく現れる。このように、種々の方向の応力が混在するため、強度確保の上で、満遍なく繊維を配向するためには、回転軸の直角面において少なくとも４５°で交差して４方向に配列されることが望ましく、これにより、繊維による強度向上が効果的に得られる。

また、本発明において好ましくは、前記ハブ部は、回転軸方向に複数の径の異なる円盤プリプレグシート部材を積層して形成されるとよい。

このように、ハブ部が円盤状のプリプレグシート部材を、回転軸方向に積層して形成されるので、ハブ部の製造が容易になる。

また、本発明において好ましくは、前記連続繊維の一定方向の配向が円周方向に連続した連続繊維をさらに有するとよい。

このように、周方向に配向した連続繊維を有することによって、周方向応力に対しての強度を向上できる。

また、本発明において好ましくは、前記円周方向に連続した連続繊維の前記回転軸の直角面における配合比率は、前記ハブ部において所望の発生応力になるように変化させるとよい。

このように、ハブ部の各部位に要求される所望の応力になるように周方向の連続繊維の配合比率を変化させることによって、ハブ部の軸方向及び径方向における強度の偏りをなくして均一化できる。

また、本発明において好ましくは、前記翼部が取り付けられるハブ外周部を前記不連続繊維樹脂によって形成するとともに、前記ハブ外周部と前記翼部とを一体化して翼付きハブ外周部を形成し、該翼付きハブ外周部がハブ本体側に接合されて形成されるとよい。

このように、翼付きハブ外周部として一体成形構造とすることによって、翼部の付け根をハブ部の外周面に直接取り付けるよりも、接合面積を拡大して接合強度を増大できる。これによって、翼部の取り付け強度が向上する。

また、本発明において好ましくは、前記翼付きハブ外周部と前記ハブ本体側との接合境界面は、該接合境界面の径がハブ部の軸方向において徐々に変化するように傾斜面によって形成されるとよい。

このように、前記翼付きハブ外周部と前記ハブ本体側との接合境界面の径が、ハブ部の軸方向において徐々に変化するように傾斜しているため、ハブ部の急激な剛性の変化を防止することができる。すなわち、連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂との接合面積を軸方向において急激に変化させることを防止することができるため、羽根車全体としての強度の安定化を図ることができる。

また、本発明において好ましくは、前記回転軸が前記ハブ部と一体成形されて一体化されるとよい。

このように、回転軸とハブ部とを一体成形されて一体化することによって、回転軸の羽根車への取り付け作業を別途行わずに済み、羽根車を備えた圧縮機やタービンの組立工数を低減できる。

本発明によれば、排ターボ過給機を構成する遠心圧縮機の羽根車において、羽根車を回転軸に設けられたハブ部と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部とで構成し、翼部は不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、ハブ部のうち少なくとも該ハブ部の背面部を形成する背板部分を、回転軸に対して直角方向に配列された複数の連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成されることによって、高耐久性を有するとともに製造容易な遠心圧縮機の羽根車が得られる。

本発明の第１実施形態を示し、遠心圧縮機の羽根車の全体構成を示す要部断面図である。 図１の羽根車の拡大説明図である。 第２実施形態を示す羽根車の説明図である。 第２実施形態におけるハブ部を構成する円盤プリプレグシート部材を模式的に示す説明図である。 ハブ部を背面側より見た背面視（図１の矢印Ｚ方向視）の説明図である。 本発明の第１、第２、および第３実施形態における円盤プリプレグシート部材を構成する連続繊維の配向を示す説明である。 第４実施形態を示す羽根車の説明図である。 第４実施形態の変形例の説明図である。 第５実施形態を示す羽根車の説明図である。 図９のＡ−Ａ線断面図を示す。 第６実施形態を示す羽根車の説明図である。 第６実施形態の羽根車の製造工程を示す説明図である。 羽根車の製造工程全体を示す説明図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施例に係る複合材製の羽根車１を示し、該羽根車１は、エンジンに設けられる排気ターボ過給機の遠心圧縮機の羽根車である。
図１において、排気ターボ過給機の遠心圧縮機（コンプレッサ）３は、エンジンの排ガスによって駆動される図示しないタービンロータの回転力が、回転軸５を介して伝達されるようになっている。

この遠心圧縮機３は、回転軸５の回転軸線Ｍを中心として回転可能に羽根車１がコンプレッサハウジング９内に支持されている。圧縮される前の吸気ガス、例えば空気を羽根車１に導く吸気通路１１が回転軸線Ｍ方向に、且つ同心軸状に円筒形状に延びている。そして、該吸気通路１１に繋がる吸気口１３が吸気通路１１の端部に開口している。

羽根車１の外側には回転軸線Ｍと直角方向に延びるディフューザ１５が形成され、該ディフューザ１５の外周側には渦巻状の空気通路１７が設けられている。この渦巻状の空気通路１７は、コンプレッサハウジング９の外周部分を形成している。

また、羽根車１には、回転軸線Ｍを中心に回転駆動されるハブ部１９と、該ハブ部１９の外周面上に複数枚の翼部２１とが設けられている。ハブ部１９の内周穴には金属製の回転軸５が圧入嵌合して結合されている。

また、翼部２１は、回転駆動されることによって、空気を吸気口１３から吸込み、吸気通路１１を通った空気を圧縮するものであり、形状については特に限定するものではない。このため、短翼と長翼とが植設されるスプリッタブレードであってもよい。
また、翼部２１には、上流側の縁部である前縁２１ａと、下流側の縁部である後縁２１ｂと、径方向外側の縁部である外周縁（外周部）２１ｃとがそれぞれ形成され、この外周縁２１ｃは、コンプレッサハウジング９のシュラウド部２３によって覆われた側縁の部分をいう。そして、外周縁２１ｃは、シュラウド部２３の内表面の近傍を通過するように配置されている。

コンプレッサ３の羽根車１は、回転軸５の回転駆動力によって、回転軸線Ｍを中心として回転駆動される。そして、吸気口１３から外部の空気が引き込まれて、羽根車１の複数枚の翼部２１間を流れて、主に動圧が上昇されたけ後に、径方向外側に配置されたディフューザ１５に流入して、動圧の一部が静圧に変換されて圧力が高められて渦巻状の空気通路１７を通って排出される。そして、内燃機関に加圧された空気が供給されるようになっている。

羽根車１は、前述のように、回転軸５に取り付けられて回転されるハブ部１９と、該ハブ部１９の外周面上に設けられ複数枚の翼部２１とから成っており、この翼部２１は、短繊維若しくは長繊維の不連続繊維２２を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成される。
一方、ハブ部１９は、連続繊維２４に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成されている。

プリプレグとは、既に説明したが、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸した成形中間品であり、一般にシート状をなしている。

また、本発明の不連続繊維樹脂及び続繊維樹脂における繊維材料及びマトリックス樹脂材料としては次の材料を用いる。
強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維、ナイロン繊維、高強度ポリエステル繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維などの各種の無機繊維及び有機繊維、またはこれらを組み合わせたものを用いることができる。中でも比強度および比弾性に優れる点から炭素繊維が特に好ましい。

また、本発明のマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂を用いることができる。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィンや、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、液晶ポリマーなどの結晶性樹脂、スチレン系樹脂の他や、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレートなどの非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール（レゾール型）樹脂、ユリア・メラミン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。なお、これらの共重合体、変性体、および／または、これらの２種以上をブレンドした樹脂などを適用しても良い。

繊維の長さとしては、平均繊維長が０．５〜１ｍｍ 程度の短繊維、または５〜１０ｍｍ程度の長繊維が用いられて成形される。そして成形後にこれら短繊維、長繊維の配向は一定性を有せずに任意の方向に配向されて不連続性を有している。
これに対して前述した連続繊維樹脂は、繊維長さが１０ｍｍを超えて、繊維の配向が一定の方向性を有して配列されているものである。

本実施形態のハブ部１９を構成する連続繊維樹脂としては、具体的には繊維が炭素繊維であり、マトリックス樹脂がポリアミド等の組み合わせよりなる。
また、不連続繊維樹脂としては、具体的には、繊維が炭素繊維で、その長さが１０ｍｍ程度の長繊維であり、マトリックス樹脂としては、ポリアミド等の組み合わせよりなる。

連続繊維樹脂としては具体的には、連続した炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸してシート状になったプリプレグ素材シート（例えば厚さ１５〜５００μｍ）を複数枚、繊維方向が所定方向を指向するように重ね合わせて、ある程度の厚み（例えば０．５〜４．５ｍｍ）を有したプリプレグシート部材２５として形成する。

このプリプレグシート部材２５を、図２のように、ハブ部１９の背面部を形成する背板２０の形状に沿った径の円盤状の円盤プリプレグシート部材２５ａを切り出す（図１３（Ａ）参照）。
そして、この円盤プリプレグシート部材２５ａを、１枚若しくは複数枚積層してハブ部１９の背板２０が形成される。例えば、イメージとしては図４に示す、右側の２枚の円盤プリプレグシート部材２５ａを重ねて背板２０を構成する。

プリプレグシート部材２５の各シートにおける炭素繊維の回転軸線Ｍ方向視における配向は、図６のＬ１〜Ｌ４で示す直線状（平織クロスの繊維等の略直線状に延びる状態も含む）の連続繊維２４の方向、つまりそれぞれ４５°方向に交差するように４方向の配向を有している。
連続繊維は、網の目状に織られて形成される平織クロスなどのクロス材や、ステッチ糸を織り込んで繊維束を固定するステッチファブリックに樹脂を含浸したプリプレグ素材シート、または、織られていなくても繊維のみを一方向に引き揃えて樹脂を含浸させたプリプレグ素材シートを複数枚重ねて、プリプレグシート部材２５を形成する際に、プリプレグ素材シートにおける繊維の配向がそれぞれ４５°方向に交差するようにして重ね合わせてもよい。
なお、配向については、少なくとも４５°方向に４方向配置されていればよく、これより狭い角度で交差する繊維がさらに配置されて、４方向以上の配向を有していてもよい。

そして、連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成された背板２０の部分と、不連続繊維樹脂で形成された翼部２１とが、不連続繊維樹脂による翼部２１の射出成型時に同時に接合されて羽根車１が形成される。

このように、不連続繊維樹脂と連続繊維樹脂とを組み合わせて羽根車１が形成されるため、軽量で高強度の羽根車を形成できる。
さらに、連続繊維は回転軸に直角方向の面において少なくともそれぞれ４５°に交差して４方向の配向を有しているので、遠心応力や周方向応力に対して、連続繊維が強度を高める方向に作用して背板２０、さらにはハブ部１９全体の強度を向上することができ、高い耐久性を実現できる。

図５は、図１のハブ部１９を背板２０側より見た図であり、矢印Ｚ方向の背面視図を示す。図５のように、ハブ部１９の中心側では回転軸５からの回転力が作用するため周方向応力が大きく現れ、中央部分では遠心力による径方向応力が大きく現れ、外周側では翼の付け根での翼の倒れ込みによる影響で周方向応力が大きく現れる。このように、種々の方向の応力が混在するため、強度確保の上で、回転軸の直角面において少なくとも４５°に交差するように４方向の配列を有することによって、背板２０の強度確保を効果的に行うことができる。
特に、背板２０の外周はハブ部１９の外径が最も大きくなることが多いため、この背板２０部分を連続繊維樹脂で補強することはハブ部１９全体の強度向上に効果的である。

次に、羽根車１の製造方法の概要について図１３を参照して説明する。製造方法の主な流れは、プリプレグを用いて連続繊維樹脂によってハブ部１９をプレフォーム形成し、このプレフォームしたハブ部１９を射出成型機の金型内にセットし、若しくは金型内でプレフォーム成形し、その後に不連続繊維樹脂を金型内に射出して翼部を射出成形するとともにプリプレグと融着させる。そして冷却して金型から製品を取り出す。
すなわち、プリプレグを用いて連続繊維樹脂によってハブ部１９をプレフォーム形成し、このプレフォームしたハブ部１９を射出成型機の金型内にセットして、インサート成形を行う。

まず、図１３（Ａ）のように、プリプレグ素材シートを複数枚、繊維方向が所定方向を指向するように重ね合わせて形成されたプリプレグシート部材２５を形成し、このプリプレグシート部材２５から、所定の径の円盤プリプレグシート部材２５ａをカッティングする。ハブ部１９の外周形状に沿った径を複数枚切り出す。

次に、図１３（Ｂ）のように、射出成型機２８の金型３０（可動金型３０ａ、固定金型３０ｂ）内に前記所定の径に切り出した円盤プリプレグシート部材２５ａを重ね合わせてセットし、背面側から減圧するとともに、型締めして型内でプリフォーム（予備成形）を行う。その際に円盤プリプレグシート部材２５ａを構成する熱可塑性樹脂の融点以下の温度で予熱しておくことで、金型内でのプリフォームが容易化する。
また、別工程でプレフォームした背板２０を射出成型機の金型内にセットする際も、金型内温度を、円盤プリプレグシート部材２５ａを構成する熱可塑性樹脂の融点以下の温度にしておくことで、金型内でプリフォームの形状が変形せずに確保でき、インサート成形が可能になる。

次に、図１３（Ｃ）のように、前記の金型内でプリフォームされた円盤プリプレグシート部材２５ａに対して、不連続長繊維樹脂を型内に射出して、各円盤プリプレグシート部材２５ａを貼合一体化するとともに、翼部２１も一体に不連続長繊維樹脂で成型する。その際に円盤プリプレグ部材２５ａと不連続長繊維樹脂とが融着する。そして型内で保圧、冷却を行う。
その後、図１３（Ｄ）のように、成形品として取り出す。

このように、ハブ部１９が円盤プリプレグシート部材２５ａを回転軸方向に積層して形成されるので、ハブ部１９の製造が容易となる。
また、翼部２１に対しては、長繊維不連続樹脂による射出成型で製造するため、翼部２１の複雑な形状に対しても、製造可能となり、強度を確保した翼部２１の製造が容易である。

（第２実施形態）
図３、４を参照して、第２実施形態について説明する。
この第２実施形態は、第１実施形態では、円盤プリプレグシート部材２５ａによって、背板２０を形成したが、背板２０だけでなく背板２０以外のハブ部１９も円盤プリプレグシート部材２５ａを積層して形成するものである。

図３のように、プリプレグシート部材２５から、ハブ部１９の外周形状に沿った径の円盤状の円盤プリプレグシート部材２５ａを切り出す（図１３（Ａ）参照）。そして、この円盤プリプレグシート部材２５ａを、さらに複数枚積層してハブ部１９が形成される。

このうに、背板２０だけでなく、背板２０以外のハブ部１９の全体が連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成され、さらに、翼部２１が不連続繊維樹脂で形成され、不連続繊維樹脂と連続繊維樹脂とを組み合わせて羽根車１が形成されるため、軽量で高強度の羽根車を形成できる。
さらに、背板２０だけでなくハブ部１９全体が、回転軸５に直角方向の面において少なくともそれぞれ４５°に交差して４方向の配向を有した連続繊維を有しているので、遠心応力や周方向応力に対して強度を向上することができ、一層高い耐久性を実現できる。

（第３実施形態）
図６を参照して、第３実施形態について説明する。
この第３実施形態は、第１実施形態の背板２０、および第２実施形態のハブ部１９を構成する円盤プリプレグシート部材２５ａにおける繊維の配向を円周方向にしたものをさらに含めるものである。

図６のように、円盤プリプレグシート部材２５ａを構成するプリプレグ素材シートの連続繊維の配列方向が、直線状の連続繊維２４に加えて円周方向Ｌ５の環状の連続繊維３４が配置されている。

この周方向に配向して連続繊維を設けることによって、周方向応力に対しての強度を向上できる。特に、遠心応力が大きく作用する外周部分に設けることで、遠心力による周方向応力に対する強度を向上できる。また、回転軸５からの回転力がハブ部１９に作用するハブ部内周部分に設けることで、回転軸５からの回転力による周方向応力に対する強度を向上できる。

また、円周方向に連続した連続繊維の回転軸の直角面における配合比率を軸方向の位置において変化させるとよく、例えば、ハブ部１９の径が小さくなる先端部ほど増加するように配合されている。
背面部分は最も外径形状が大きくなるため、遠心力の作用で周方向応力が大きくなるため、背面部では配合比率が高くされている。

この配合比率とは、円盤プリプレグシート部材２５ａの１枚当たり、もしくは、単位軸方向長さ当たりにおける、円周方向の連続繊維３４の本数と、直線状の連続繊維２４の本数との比をいう。

なお、円盤プリプレグシート部材２５ａの１枚当たりにおける配合比率を調整するのではなく、円周方向の連続繊維３４を有する円盤プリプレグシート部材２５ａの設置枚数を調整してもよく、また、これら、円盤プリプレグシート部材２５ａの１枚当たりにおける配合比率の調整と、円周方向の連続繊維を有する円盤プリプレグシート部材２５ａの設置枚数の調整とを組み合わせてもよい。

このように、ハブ部１９の径が小さくなるに従って、回転軸５からの回転力の作用が大きく影響して、径方向応力よりも周方向応力の比率が大きくなることに対応させて、周方向の連続繊維の配合比率を増大させることによって、ハブ部１９の軸方向における強度の偏りをなくして均一化できる。

（第４実施形態）
図７、８を参照して、第４実施形態について説明する。
この第４実施形態は、第３実施形態のハブ部１９を構成する円盤プリプレグシート部材２５ａ内に円周方向の連続繊維３４を配置するものではなく、プリプレグテープ部材２５ｂを回転軸周りに付けて円周方向の連続繊維３４を配置してハブ部１９を形成するものである。

すなわち、周方向に連続繊維が配向されるように連続繊維３４に樹脂を含浸した少なくとも１層以上のプリプレグテープからなるプリプレグテープ部材２５ｂを回転軸５の周りに巻き付けることで形成される。
プリプレグテープ部材２５ｂによる連続樹脂部は、図６のように、背板２０の外周部および回転軸周りの内周部であって、中央部から先端にかけての範囲に設けられている。
これら部位は、羽根車１の回転による遠心応力、さらに、回転軸５からの回転力の影響が大きい箇所に設けられることで、円周方向の連続繊維３４による強度向上が大きく得られる。

円周方向の連続繊維３４については、ハブ部１９の内周側や外周側に設置する場合には図７のように所定幅ＷのプリプレグＵＤテープ（一方向テープ、Ｕｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｔａｐｅ）を、回転軸線Ｍ回りに巻きつけるようにしてプリプレグテープ部材２５ｂを径方向に重ねて形成する。

このようにプリプレグテープ部材２５ｂを径方向に重ねて巻きつけることで、前記第２実施形態のように円盤プリプレグシート部材２５ａ内に周方向に連続繊維を配置するよりも簡単に周方向の連続繊維３４を形成できる。これによって、ハブ部１９内において周方向繊維による強化が必要な個所に簡単に配置できる。

また、図８は、第４実施形態の変形例である。図８は、第１実施形態のハブ部１９の背板２０を円盤プリプレグシート部材２５ａによって形成し、その他のハブ部１９は、前記プリプレグテープ部材２５ｂを、径方向に重ねて巻き付けて形成したものである。

そして、背板２０の部分は、第１実施形態で説明したように図５のＬ１〜Ｌ４で示す直線状の連続繊維２４の方向、つまりそれぞれ４５°方向に交差するように４方向に配向されて形成されている。
このように構成することによって、回転軸５の直角面において少なくとも４５°に交差するように４方向の配列を有することによって、背板２０の強度確保を効果的に行うことができるとともに、背板２０の外周はハブ部１９の外径が最も大きくなる形状が多いため、この背板２０部分を連続繊維３４で補強して強度を高めることはハブ部１９全体の強度向上を効果的に得られる。
従って、強度は背板２０によって確保し、背板２０以外の部分は、プリプレグテープ部材２５ｂを巻き付ける構造とすることで製造が容易化する。

（第５実施形態）
図９、１０を参照して、第５実施形態について説明する。この第５実施形態は、図９のようにハブ外周部２７ａと翼部２１とを一体化して翼付きハブ外周部２９を形成し、この翼付きハブ外周部２９をハブ本体２７ｂ側に接合して構成される。

図９において、ハブ部２７は、背面から軸方向長さＭ１までの部分は、前記第２実施形態のハブ部１９と同様に、円盤プリプレグシート部材２５ａを複数枚、軸方向に積層して形成し、残りの軸方向長さＭ２の部分は、翼部２１と同じ長繊維の不連続繊維樹脂によって形成されている。
そして、長繊維の不連続繊維樹脂によって、翼部２１およびハブ外周部２７ａが一体になった翼付きハブ外周部２９が形成される。

また、翼付きハブ外周部２９の内周面と、ハブ本体２９ｂとの接合境界面Ｎは、接合境界面Ｎの径ＤＮがハブ部２７の軸方向において徐々に変化するように傾斜面Ｓによって形成されている。

なお、傾斜面Ｓは、図９のように軸方向断面形状において、曲線状に湾曲して傾斜していても、直線状に傾斜してもよい。

このように、ハブ外周部２７ａと翼部２１とを一体化して翼付きハブ外周部２９として、一体成形構造とすることによって、翼部２１の付け根をハブ部２７の外周面に直接取り付けるよりも、接合面積を拡大して接合強度を増大できる。これによって、翼部２１の取り付け強度が向上できる。

翼付きハブ外周部２９のハブ外周部２７ａの厚さｔ１は、図１０で示すように、少なくとも翼部２１の厚さｔ２と同等、若しくはそれ以上の厚さを有していることが、翼部２１付け根部の強度確保において好ましい。

また、翼付きハブ外周部２９とハブ本体２７ｂ側との接合境界面Ｎの径がハブ部２７の軸方向において徐々に変化するように傾斜面によって形成されているので、例えば、先端部に行くに従って、小径となっているため、ハブ部２７の軸方向における急激な剛性の変化を防止することができる。
このように、連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂との接合面積を軸方向において急激に変化させることを防止することができるため、羽根車１の強度の安定化を図ることができる。

（第６実施形態）
図１１、１２を参照して、第６実施形態について説明する。
この第６実施形態は、図１１のように回転軸５が翼部２１と一体成形されて回転軸３１を形成するものである。

図１１において、ハブ部３５の先端部３５ａを除いた部分までは、第２実施形態で説明したように、連続繊維樹脂によって構成された円盤プリプレグシート部材２５ａを積層して形成され、回転軸３１の先端部３１ａとハブ部３５の先端部３５ａとは繋がり、さらに翼部２１と繋がって、これら部分が長繊維の不連続樹脂によって、一体化されて形成されている。

この回転軸３１の製造は、図１２に示すように、円盤プリプレグシート部材２５ａを積層してプリフォームを形成して、それを金型内にセットして、金型内に長繊維の不連続樹脂を射出して成形する。
金型内で、回転軸３１の先端部３１ａとハブ部３５の先端部３５ａとが繋がり、さらに翼部２１が繋がって、これら部分が長繊維の不連続樹脂によって、一体成形される。

このように、回転軸３１とハブ部３５と翼部２１を一体成形されて一体化することによって、回転軸３１の羽根車３３への取り付け作業を別途行わずに済み、羽根車３３を備えた圧縮機やタービンの組立工数を低減できる。

以上の各実施形態で説明した羽根車１の構造、繊維の配向は適宜組み合わせて構成してもよいことは勿論である。
例えば、第４実施形態に対して第５実施形態の翼付きハブ外周部２９を用いて、また、第１実施形態に対して第６実施形態のように回転軸３１まで一体化する構造にしてもよい。

本発明によれば、翼部は不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、ハブ部のうち少なくとも該ハブ部の背面部を形成する背板部分を、連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成されることによって、高耐久性を有するとともに製造容易な遠心圧縮機の羽根車が得られるので、排気ターボ過給機の遠心圧縮機の羽根車への利用に適している。

１、３３ 羽根車
３ 遠心圧縮機
５、３１ 回転軸
１９、２７、３５ ハブ部
２０ 背板
２１ 翼部
２２ 不連続繊維
２４ 直線状の連続繊維
２５ プリプレグ部材（プリプレグ）
２５ａ 円盤プリプレグシート部材
２５ｂ プリプレグテープ部材
２７ａ ハブ外周部
２７ｂ ハブ本体
２９ 翼付きハブ外周部
３４ 円周状の連続繊維
Ｌ１〜Ｌ４ 直線状連続繊維の配向
Ｌ５ 円周方向連続繊維の配向
Ｎ 接合境界面
Ｓ 傾斜面

Claims (8)

1. 排気ターボ過給機を構成する遠心圧縮機の羽根車であって、
   回転軸に設けられたハブ部と該ハブ部の外周面に取り付けられた複数の翼部とを備え、前記翼部は不連続繊維を樹脂で被覆した不連続繊維樹脂によって形成され、前記ハブ部のうち少なくとも該ハブ部の背面部を形成する背板部分が、一定方向に配列された連続繊維に樹脂を含浸したプリプレグからなる連続繊維樹脂によって形成され、該連続繊維は回転軸に対して直角方向の面に沿って配向されるとともに該面内において交差するように複数方向の配向を有していることを特徴とする遠心圧縮機の羽根車。
2. 前記連続繊維の一定方向の配向は、回転軸の直角面において少なくとも４５°で交差する４方向の配向を有していることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機の羽根車。
3. 前記ハブ部は、回転軸方向に複数の径の異なる円盤プリプレグ部材を積層して形成されることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機の羽根車。
4. 前記連続繊維の一定方向の配向が円周方向に連続した連続繊維をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の遠心圧縮機の羽根車。
5. 前記円周方向に連続した連続繊維の前記回転軸の直角面における配合比率は、において所望の発生応力になるように変化させること特徴とする請求項４に記載の遠心圧縮機の羽根車。
6. 前記翼部が取り付けられるハブ外周部を前記不連続繊維樹脂によって形成するとともに、前記ハブ外周部と前記翼部とを一体化して翼付きハブ外周部を形成し、該翼付きハブ外周部をハブ本体側に接合してなることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機の羽根車。
7. 前記翼付きハブ外周部と前記ハブ本体側との接合境界面は、該接合境界面の径がハブ部の軸方向において徐々に変化するように傾斜面によって形成されることを特徴とする請求項６に記載の遠心圧縮機の羽根車。
8. 前記回転軸が前記ハブ部と一体成形されて一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機の羽根車。
   
   

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