JP2017129015A

JP2017129015A - 樹脂製インペラ

Info

Publication number: JP2017129015A
Application number: JP2016006893A
Authority: JP
Inventors: 山口　哲雄; Tetsuo Yamaguchi; 哲雄山口; 晋一郎岡本; Shinichiro Okamoto
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2017-07-27
Also published as: WO2017126398A1

Abstract

【課題】効率の向上と出力の向上の両立が可能な樹脂製インペラを提供する。【解決手段】樹脂製インペラは、中心軸部３とその中心軸部３の周囲に等間隔で複数形成された羽根５とを有し、中心軸部３の軸心ＣＬを中心として回転することにより、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った方向から隣り合う羽根５間に流入した流体を中心軸部３の軸心ＣＬに直交する径方向外方側へ向けて流出させる。羽根５は、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った一端側から他端側に向かって螺旋状に形成されている。羽根５の径方向外方端側には、中心軸部３の軸心ＣＬと直交する径方向外方へ向かうに従って回転方向側への変形量が漸増するように形成された第１流れ修整部１１と、第１流れ修整部１１の径方向外方端に滑らかに接続され且つ中心軸部３の軸心ＣＬと直交する径方向外方へ向かうに従って回転方向と逆方向側への変形量が漸増するように形成された第２流れ修整部１２と、を有する。【選択図】図３

Description

この発明は、軸方向に沿って流入した流体を径方向外方へ向けて流出させる樹脂製インペラに関する。

近年、樹脂製のインペラは、射出成形により製造されている。すなわち、樹脂製のインペラは、金型のキャビティ内に溶融樹脂を射出し、金型のキャビティ内に射出した溶融樹脂が冷却固化した後、金型のキャビティ内から取り出される射出成形品である。

図７は、このようなインペラ１００の射出成形金型１０１を示す図である。なお、図７（ａ）は、第１金型１０２を取り除いて示す第２金型１０３の平面図である。また、図７（ｂ）は、射出成形金型１０１の縦断面図である。

この図７に示すように、インペラ１００の射出成形金型１０１は、第１金型１０２と第２金型１０３の型合わせ面１０４側にキャビティ１０５が形成され、このキャビティ１０５に複数の中駒１０６がスライド移動できるように配置され、各中駒１０６間の隙間に流れ込んだ溶融樹脂によって羽根１０７が形成されるようになっている。各中駒１０６は、第１金型１０２と第２金型１０３が分離した後（型開きした後）、インペラ１００の径方向外方へスライド移動させられ、インペラ１００から分離させられることによって、インペラ１００と第２金型１０３との分離を可能にしている（特許文献１参照）。

実開平１−７６５２５号公報（特に、第４頁第１１行乃至第１８行の記載参照）

しかしながら、図７（ａ）に示すインペラ１００は、羽根１０７が一方向に湾曲する円弧形状であるため、回転エネルギーを流体の運動エネルギーに変換する効率の向上と出力（単位時間当たりの流体の流量等）の向上とを両立できないという問題を有していた。

そこで、本発明は、効率の向上と出力の向上を両立できる樹脂製インペラの提供を目的とする。

本発明は、中心軸部３と前記中心軸部３の周囲に等間隔で複数形成された羽根５とを有し、前記中心軸部３の軸心ＣＬを中心として回転することにより、前記中心軸部３の軸心ＣＬに沿った方向から隣り合う前記羽根５，５間に流入した流体を前記中心軸部３の前記軸心ＣＬに直交する径方向外方側へ向けて流出させる樹脂製インペラ１に関するものである。本発明において、前記羽根５は、前記中心軸部３の軸心ＣＬに沿った一端７側から他端８側に向かって螺旋状に形成されている。また、前記羽根５の径方向外方端側には、前記中心軸部３の前記軸心ＣＬと直交する径方向外方へ向かうに従って回転方向側への変形量が漸増するように形成された第１流れ修整部１１と、前記第１流れ修整部１１の径方向外方端に滑らかに接続され且つ前記中心軸部３の前記軸心ＣＬと直交する径方向外方へ向かうに従って前記回転方向と逆方向側への変形量が漸増するように形成された第２流れ修整部１２と、が形成されている。

本発明に係る樹脂製インペラは、羽根の第１流れ修整部が出力の向上を可能にし、羽根の第２流れ修整部が効率の向上を可能にするため、効率の向上と出力の向上を両立することができる。

本発明の実施例に係る樹脂製インペラを示す図であり、図１（ａ）が樹脂製インペラの平面図、図１（ｂ）が樹脂製インペラの正面図、図１（ｃ）が樹脂製インペラの裏面図である。図２（ａ）は本発明の実施例に係る樹脂製インペラの羽根の基本形状を簡略化して示す断面図、図２（ｂ）は図１に示す樹脂製インペラの羽根の形状を簡略化して示す断面図、図２（ｃ）は図１に示す樹脂製インペラの補助羽根の形状を簡略化して示す断面図である。図３（ａ）は図２（ａ）に示す羽根の上端面（中心軸部の軸心に沿った一端側の端面）の形状を示す図であり、図３（ｂ）は図２（ａ）に示す羽根の上端面と下端面（中心軸部の軸心に沿った他端側の端面）との位置関係を示す図（羽根のねじれの程度を示す図）である。羽根の高さ位置（中心軸部の軸心に沿った方向の位置）と羽根の径方向外方端の位置との関係を示す図（羽根のねじれ状態を示す図）である。図５（ａ）は樹脂製インペラの第１成形工程における射出成形金型の断面図であり、図５（ｂ）は樹脂製インペラの第２成形工程における射出成形金型の断面図である。図６（ａ）は樹脂製インペラの第３成形工程における射出成形金型の断面図であり、図６（ｂ）は樹脂製インペラの取り出し工程を示す射出成形金型の断面図である。従来のインペラの射出成形金型を示す図であり、図７（ａ）が第１金型を取り除いて示す第２金型と複数の中駒の平面図、図７（ｂ）が射出成形金型の縦断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づき詳述する。

（インペラ）
図１は、本発明の実施例に係る樹脂製インペラ１（以下、インペラ１と略称する）を示す図である。なお、図１（ａ）は、インペラ１の平面図である。また、図１（ｂ）は、インペラ１の正面図である。また、図１（ｃ）は、インペラ１の裏面図である。

図１に示すように、本実施例に係るインペラ１は、軸穴２が形成された円筒状の中心軸部３と、この中心軸部３の外周側に一体に形成された略テーパ形状の羽根支持部４と、中心軸部３の外周面３ａ及び羽根支持部４の外表面４ａに跨って形成され且つ中心軸部３の周囲に等間隔で位置するように複数形成された羽根５と、隣り合う羽根５，５間の羽根支持部４の外表面４ａに形成された補助羽根６とを有している（図２参照）。このようなインペラ１は、炭素繊維含有ＰＥＥＫ、炭素繊維含有ＰＰＳ等の合成樹脂材料を使用して射出成形される。

羽根５は、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った一端７側から他端８側に向かって一定のねじれ角（θ）で螺旋状に形成されている（図３及び図４参照）。この羽根５のねじれ方向は、図１（ａ）に示すように、インペラ１が反時計回り方向（左回り方向）に回転させられる場合、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った一端７側から他端８側へ向かって時計回り方向（右回り方向）のねじれとなるように形成されている。なお、図４は、羽根５の高さ位置（中心軸部３の軸心ＣＬに沿った方向の位置Ｚ_０〜Ｚ_ｎ）と羽根５の径方向外方端の位置（ｒ_０〜ｒ_ｎ）との関係を示す図（羽根５のねじれ状態を示す図）であり、羽根５が一定のねじれ角θで形成されていることを示している。

図２（ａ）及び図３（ａ）は、インペラ１の羽根５の基本形状を簡略化して示す図であり、インペラ１の断面図である。これらの図に示すように、羽根５は、薄板状に形成されており、中心軸部３の外周面３ａから中心軸部３の軸心ＣＬに直交する径方向外方側へ向かって延び、その径方向外方端が羽根支持部４の径方向外方端に一致している。そして、羽根５は、径方向内方端から径方向外方端寄りの部分まで径方向に沿って直線状に延びる無修整形状部１０が形成されている。また、羽根５の径方向外方端側には、無修整形状部１０の径方向外方端に滑らかに接続され且つ径方向外方へ向かうに従ってインペラ１の回転方向側への変形量が漸増するように形成された第１流れ修整部１１と、第１流れ修整部１１の径方向外方端に滑らかに接続され且つ径方向外方へ向かうに従ってインペラ１の回転方向と逆方向側への変形量が漸増するように形成された第２流れ修整部１２と、が形成されている。これら第１流れ修整部１１と第２流れ修整部１２の接続部分１３は、インペラ１の回転方向に向かって凸形状の湾曲形状になっており、第１流れ修整部１１を流動する流体を第２流れ修整部１２に滑らかに案内できるようになっている。そして、第２流れ修整部１２の径方向外方端は、羽根５の径方向外方端であり、流体の流出端になる。なお、図４の羽根５の高さ寸法（ｈ）は、図２（ａ）において、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った羽根５の一端Ｚ_０から羽根５の他端Ｚ_ｎまでの軸心ＣＬに沿った長さ寸法である。

図２（ｂ）は、図１に示したインペラ１の羽根５の形状を簡略化して示す図であり、インペラ１の断面図である。この図２（ｂ）に示すインペラ１の羽根５は、インペラ１を遠心圧縮機のケース等に収容するため、図２（ａ）に示した羽根５の径方向外方端側で且つ軸心ＣＬに沿った一端７側を略１／４楕円形状に切り欠いた形状になっている。

図２（ｃ）は、図１に示したインペラ１の補助羽根６の形状を簡略化して示す図であり、インペラ１の断面図である。この図２（ｃ）に示すインペラ１の補助羽根６は、図２（ｂ）に示した羽根５の軸心ＣＬに沿った一端７から高さ寸法ｈの６０％を切り欠いた形状（羽根５の流体流入側を切り欠いたような形状）になっている。

図１及び図２に示すように、インペラ１の羽根支持部４は、複数の羽根５を接続し、且つ、隣り合う羽根５，５間の流路の底面を形作るようになっており、中心軸部３の肉厚寸法と同様の肉厚寸法に形成された板状体である。この羽根支持部４の外表面４ａは、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った方向から隣り合う羽根５，５間に流入した流体を中心軸部３の軸心ＣＬに直交する径方向外方側へ向けて滑らかに案内する湾曲面状になっている。この羽根支持部４の裏面４ｂと中心軸部３の外周面３ａとの間には、中心軸部３の軸心ＣＬに沿った断面形状が略三角形状の肉抜き部１４が形成されている。

（射出成形金型）
図５乃至図６は、本発明の実施例に係るインペラ１の射出成形金型２０を示す図である。これらの図に示すように、射出成形金型２０は、固定側金型２１と、可動側金型２２と、これら固定側金型２１と可動側金型２２との間に配置されたキャビティ駒２３と、を有している。そして、図５（ａ）に示すように、射出成形金型２０は、キャビティ駒２３を固定側金型２１と可動側金型２２との間に挟み込む型締め時に、キャビティ駒２３の内部空間がインペラ１を形作るためのキャビティ２４になるように構成されている。また、キャビティ駒２３は、支持駒部２５と、この支持駒部２５に軸受２６を介して回転可能に支持された中駒部２７と、を有している。

（射出成形方法）
図５乃至図６を参照し、本実施例に係るインペラ１の射出成形方法を説明する。

図５（ａ）に示すように、キャビティ駒２３の中駒部２７が固定側金型２１に接触し且つ可動側金型２２がキャビティ駒２３の中駒部２７に接触した型締め状態において、中駒部２７の内部にインペラ１を形作るためのキャビティ２４が形成され、このキャビティ２４内に固定側金型２１のゲート２８から溶融樹脂が射出される（第１成形工程）。

この第１成形工程において、キャビティ２４内にゲート２８から射出された溶融樹脂は、インペラ１の軸心ＣＬに沿った一端７側に位置する小径部分側からインペラ１の軸心ＣＬに沿った他端８側ｂに位置する大径部分側へ円滑に流動するようになっている。そのため、本実施例に係るインペラ１の射出成形方法は、例えば、インペラ１の軸心ＣＬに沿った他端８側に位置する大径部分側からインペラ１の軸心ＣＬに沿った一端７側に位置する小径部分側へ向けて流動するようにゲート２８が配置される場合と比較し、キャビティ２４（特に、羽根５を形作る部分）への充填効率が良くなる。また、射出成形金型２０のゲート２８は、インペラ１の軸心ＣＬに沿った一端７側の小径部分側に配置されているため、インペラ１の軸心ＣＬに沿った他端８側に位置する大径部分の羽根５及び補助羽根６の末端まで保圧を十分に加えることができる。その結果、本実施例に係る射出成形金型２０を使用したインペラ１の射出成形方法によれば、高精度のインペラ１を製造することができる。

次に、キャビティ２４内に射出された溶融樹脂を保圧した状態で冷却固化した後、図５（ｂ）に示すように、キャビティ駒２３と可動側金型２２を一体として固定側金型２１から分離し、キャビティ２４内のインペラ１（キャビティ２４内で固化した樹脂）とゲート２８内の樹脂とを切り離す（第２成形工程）。そして、キャビティ駒２３及び可動側金型２２は、図５（ａ）の型締め位置から図５（ｂ）の第１の離型位置まで一体となって移動する。

この第２成形工程において、キャビティ２４内で冷却固化した樹脂材料製のインペラ１は、金属製のキャビティ駒２３及び可動側金型２２よりも収縮率が大きいため、羽根５及び補助羽根６を形作るための中駒部２７の螺旋状溝３０と羽根５及び補助羽根６との間に隙間が生じ、羽根支持部４が可動側金型２２の軸型部３１及び円錐台形状部３２を締め付ける。また、この第２成形工程において、インペラ１は、羽根５及び補助羽根６が中駒部２７の螺旋状溝３０で形作られ、表面に従来例のような型割面が位置しないため、表面にバリが生じない。

次に、キャビティ駒２３が可動側金型２２と共に第１の離型位置（図５（ｂ）に示す位置）まで移動した後、可動側金型２２がキャビティ駒２３から分離して第２の離型位置（図６（ａ）に示す位置）へ向けて移動すると、インペラ１の羽根支持部４が可動側金型２２の軸型部３１及び円錐台形状部３２を締め付けた状態で可動側金型２２と共に移動し、インペラ１の螺旋状の羽根５及び補助羽根６が中駒部２７の螺旋状溝３０内をスライド移動する（図５（ｂ）及び図６（ａ）参照）。その結果、キャビティ駒２３の中駒部２７は、可動側金型２２と一体に移動するインペラ１の羽根５及び補助羽根６によって回動させられて、可動側金型２２と一体に移動するインペラ１から分離される（第３成形工程）。

次に、図６（ａ）に示すように、可動側金型２２が第２の離型位置まで移動すると、インペラ１は、可動側金型２２に収容されたエジェクタスリーブ３３及びエジェクタピン３４で押されて可動側金型２２から分離され、射出成形金型２０から取り出される（図６（ｂ）参照）。

（本実施例の効果）
以上のような本実施例に係るインペラ１は、羽根５及び補助羽根６の径方向外方端側に形成された第１流れ修整部１１が出口側流路を狭め、第１流れ修整部１１が径方向外方へ向けて流出する流体の流速を滑らかに増すことができると共に、第２流れ修整部１２が羽根５及び補助羽根６の径方向外方端から流体を滑らかに流出させることにより、流体の圧力損失を低減できる。その結果、本実施例に係るインペラ１は、効率（インペラ１の回転エネルギーを流体の運動エネルギーに変換する効率）の向上と出力（単位時間当たりの流体の流量等）の向上とを両立させることができる。

また、以上のような本実施例に係るインペラ１は、羽根５及び補助羽根６が一定のねじれ角θで形成され、螺旋状の羽根５及び補助羽根６が中駒部２７の螺旋状溝３０内をスライド移動することができるため、キャビティ駒２３の中駒部２７を相対回動させながら、キャビティ駒２３の中駒部２７を中心軸部３の軸心ＣＬに沿った方向に相対移動させることができ、キャビティ駒２３の中駒部２７から円滑に分離することが可能になる。その結果、本実施例に係るインペラ１は、羽根５及び補助羽根６を中駒部２７に彫り込まれた螺旋状溝３０（キャビティ２４の一部）で形作ることができ、中駒部２７が各羽根５毎に分割されておらず、羽根５及び補助羽根６の表面に型割面が位置しないため、羽根５及び補助羽根６の表面にバリが生じることがなく、後加工としてのバリ除去に要する製造コストを削減できる。このような本実施例に係るインペラ１に対し、図７に示した従来のインペラ１００は、各中駒１０６と第１金型１０２との型割面（分割面）１０８ａ〜１０８ｃが羽根１０７の表面に位置するため、各羽根１０７の表面稜線に沿ってバリが生じやすい。例えば、ターボチャージャーに使用されるインペラ１００は、羽根１０７の表面稜線にバリが生じると、その羽根１０７のバリによって流体の流れが妨げられ、ターボチャージャーの効率が低下する。そのため、図７に示した従来のインペラ１００は、各羽根１０７の表面に生じたバリを研磨加工等の二次加工によって除去するようになっており、製造コストが嵩むという問題を有していた。本実施例に係るインペラ１は、このような従来のインペラ１００の問題点を解消できる。

（インペラの変形例）
本発明に係るインペラ１は、上記実施例のインペラ１に限定されず、羽根５及び補助羽根６が弾性変形した状態で中駒部２７の螺旋状溝３０内をスライド移動でき、羽根５及び補助羽根６が中駒部２７を回転させながら中駒部２７から円滑に分離される限り、ねじれ角を中心軸部３の軸心ＣＬに沿った一端７側から他端８側に向かって変化させてもよい。

また、本発明に係るインペラ１は、上記実施例のインペラ１に限定されず、補助羽根６の高さ（ｈ１）を羽根５の最大径や求められている出力性能に応じた最適の寸法に決定することができる。

また、本発明に係るインペラ１は、上記実施例のインペラ１に限定されず、羽根５のみで求められている性能を発揮できる場合、補助羽根６を省略してもよい。

１……インペラ（樹脂製インペラ）、３……中心軸部、５……羽根、ＣＬ……軸心、７……一端、８……他端、１１……第１流れ修整部、１２……第２流れ修整部

Claims

中心軸部と前記中心軸部の周囲に等間隔で複数形成された羽根とを有し、前記中心軸部の軸心を中心として回転することにより、前記中心軸部の軸心に沿った方向から隣り合う前記羽根間に流入した流体を前記中心軸部の前記軸心に直交する径方向外方側へ向けて流出させる樹脂製インペラにおいて、
前記羽根は、前記中心軸部の軸心に沿った一端側から他端側に向かって螺旋状に形成され、
前記羽根の径方向外方端側には、前記中心軸部の前記軸心と直交する径方向外方へ向かうに従って回転方向側への変形量が漸増するように形成された第１流れ修整部と、前記第１流れ修整部の径方向外方端に滑らかに接続され且つ前記中心軸部の前記軸心と直交する径方向外方へ向かうに従って前記回転方向と逆方向側への変形量が漸増するように形成された第２流れ修整部と、を有する、
ことを特徴とする樹脂製インペラ。
前記羽根は、前記中心軸部の軸心に沿った一端側から他端側に向かって一定のねじれ角で螺旋状に形成された、
ことを特徴とする請求項１に記載の樹脂製インペラ。
前記中心軸部の外周側には、前記複数の羽根を接続し、且つ、隣り合う前記羽根間の流路の底面を形作る羽根支持部が形成され、
前記羽根支持部は、前記中心軸部の軸心に沿った方向から隣り合う前記羽根間に流入した流体を前記中心軸部の前記軸心に直交する径方向外方側へ向けて滑らかに案内する湾曲面状の外表面が形成され、
前記羽根支持部の前記外表面で且つ隣り合う前記羽根間には、前記羽根の流体流入側を切り欠いたような形状の補助羽根が形成された、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂製インペラ。