JP6249410B2

JP6249410B2 - 羽根車及びその羽根の製造方法

Info

Publication number: JP6249410B2
Application number: JP2014101589A
Authority: JP
Inventors: 広紀小林; 竹谷　元; 元竹谷; 市弥高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-05-15
Also published as: JP2015218627A

Description

この発明は、例えば送風機等に使用されており、繊維強化プラスチックが用いられている羽根車、及びその羽根の製造方法に関するものである。

送風機に多く採用されている軸流型の羽根車は、回転軸付近で一体化又は連結された複数枚の羽根を有しており、気体を軸方向から吸い込んで軸方向へ送風する。羽根は、それぞれが同様に三次元的にねじれた形状を有している。

より大容量の送風性能を実現するためには、高回転数で運転する方法と大型化する方法とがあるが、どちらの方法でも、羽根の質量分布に応じた遠心力が働くことにより、羽根が遠心方向に引っ張られるとともに、ねじれた形状の羽根を平板にする方向にモーメントを受け、羽根車が破損するという問題がある。

特に、羽根の根元や羽根の前縁には、高い応力が発生することが知られている。そのため、羽根を軽くし、かつ曲げ強度及び曲げ剛性を高く保つために、繊維強化プラスチックなどのスキン部材と発泡プラスチックなどのコア部材とを組み合わせたサンドイッチ構造により、破損を抑制しつつ、比較的大容量の送風性能を実現できる羽根車が提案されている。また、羽根の形状を、厚みに適切な変化を持たせた形状（いわゆる偏肉形状）とすることにより、剥離が抑制され、また、均一厚さの羽根に比べて低騒音化が図られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−４８０９３号公報

上記のような従来の羽根車では、低騒音化を実現するために偏肉形状の変更が制限されるので、強度及び剛性が必要な箇所（例えば羽根の根元及び縁部）の板厚を部分的に増して強化することができず、十分な大型化及び高速回転化ができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、流体力学的な設計自由度を損ねることなく、構造力学的な性能をより有利にすることができる羽根車及びその羽根の製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る羽根車は、発泡プラスチックからなるコア部材と、コア部の外周の少なくとも一部を覆い、繊維強化プラスチックからなるスキン部材とを有する複数枚の羽根、及び羽根を連結するボスを備え、各羽根内におけるコア部材の見かけ密度が不均一である。

この発明の羽根車は、羽根内におけるコア部材の見かけ密度を不均一とすることにより、流体力学的な設計自由度を損ねることなく、構造力学的な性能をより有利にすることができる。

この発明の実施の形態１による軸流型の羽根車を示す平面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図２のコア部材を成形する工程を示す断面図である。図２のコア部材の外周にスキン部材を固定する工程を示す断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による軸流型の羽根車を示す平面図である。図において、円筒状のボス（連結部材）１の外周には、周方向に等間隔で複数枚（この例では３枚）の羽根２が固定されている。即ち、羽根２は、ボス１を介して互いに連結されている。また、実施の形態１の羽根車は、図１の時計方向（矢印Ａ方向）へ回転し、気体を軸方向（図１の紙面に垂直な方向）の一側から吸い込んで軸方向の他側へ送風する。

図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図であり、羽根車の径方向中間部で羽根車の回転中心を中心とした円周に沿って切断した羽根２の断面を示している。各羽根２は、コア部材３と、コア部材３の外周の全面又は一部を覆うようにコア部材３に接着されているスキン部材４とを有するサンドイッチ構造である。

コア部材３の材料としては、独立気泡（クローズドセル）型の発泡プラスチックが用いられている。発泡プラスチックの樹脂としては、強度及び剛性の観点と成形性の観点とから、この例ではポリウレタンが用いられている。その他の樹脂として、例えば、フェノール、メラミン、アクリル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリエーテルイミド、又はポリメタクリルイミド等を用いてもよい。

スキン部材４の材料としては、強度、剛性及び比重の観点から、繊維強化プラスチックが用いられている。繊維強化プラスチックの樹脂としては、特に限定されるものではないが、強度、剛性及び密着性の観点から、この例ではビニルエステルが用いられている。その他の樹脂として、例えば、エポキシ、不飽和ポリエステル、フラン、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、又はアクリロニトリル等を用いてもよい。

繊維強化プラスチックの強化繊維としては、所定の性能が得られるものを選択するが、この例では強度及び剛性に優れる炭素繊維が用いられている。その他の強化繊維として、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維、ボロン繊維、又はアルミナ繊維等を用いてもよい。

繊維の形態は、所定の性能が得られるように選定するが、この例は織物が用いられている。織物の組織及び積層方向は、所定の性能が得られるように選定するが、この例では強度及び剛性の観点から、直交の平織とし、縦糸が羽根車の遠心方向に沿うように配置された直交異方性の積層構成を成している。

ここで、図１中の破線は、コア部材３の見かけ密度の分布を示す等密度線である。各羽根２において、前縁２ａの最も径方向内側の部分である前縁内径部２ｂで、コア部材３の見かけ密度が最高となっている。また、後縁２ｃの最も径方向外側の部分である後縁外径部２ｄで、コア部材３の見かけ密度が最低となっている。

ここでの見かけ密度は、気泡を含む体積あたりの質量であり、ＪＩＳＫ７２２２「発泡プラスチック及びゴム−見かけ密度の測定」により定義され測定されるものを指している。図２では、コア部材３の見かけ密度をセルの大きさで図示している。即ち、セルが大きいほど見かけ密度が低く、セルが小さいほど見かけ密度が高いことを示している。

コア部材３のセルは、羽根２の前縁２ａ及び根元（ボス１への固定部）などの比較的応力の高い部分と、径方向内側で回転半径の小さい部分とで、サイズが小さく、見かけ密度が高い。一方、コア部材３のセルは、後縁２ｃなどの比較的応力の低い部分と、回転半径の大きい部分とで、サイズが大きく、見かけ密度が低い。言い換えると、コア部材３の最も高い発泡倍率の部分が羽根２の最も径方向外側に位置しており、コア部材３の最も低い発泡倍率の部分が羽根２の最も径方向内側に位置している。

つまり、実施の形態１の羽根車では、発生応力が高く、回転中心に近い箇所のコア部材３の見かけ密度が高く、発生応力が低く、回転中心から遠い箇所のコア部材３の見かけ密度が低くなるように、コア部材３の見かけ密度を変化させている。

具体的には、前縁内径部２ｂのコア部材３の見かけ密度は、０．８〜１．２ｇ／ｃｍ^３となっている。また、後縁外径部２ｄのコア部材３の見かけ密度は、０．１〜０．４ｇ／ｃｍ^３となっている。

各羽根２において、コア部材３の見かけ密度の最大値と最小値との比は、２〜１２の範囲内である。最大値と最小値との比が１２を超えると、後述するバギング部材で全体を覆う工程から樹脂を硬化させる工程における真空引きによってコア部材３の変形が著しく、寸法精度が悪くなるため適切でない。また、最大値と最小値との比が２未満だと、強度及び剛性の設計自由度が低い上に、軽量化効果も低いため適切でない。

一般に、一定の角速度ωで回転する質点に働く遠心力Ｆは以下の式で表される。
Ｆ＝ｍｒω^２・・・（１）

ここで、ｍは質点の質量、ｒは回転半径である。即ち、遠心力Ｆは、質量に比例し、回転半径に比例するので、上記のような密度分布とした場合、コア部材３の見かけ密度を均等（例えば０．６ｇ／ｃｍ^３）としたを場合と比較して、遠心力の総和を低減することができる。また、比較的高い応力が発生する箇所において、高い曲げ強度及び曲げ剛性を持たせることができる。従って、流体力学的な設計自由度を損ねることなく、構造力学的な性能をより有利にすることができ、羽根車の大型化及び高速回転化を実現することができ、しかも回転した際の破損を抑制することができる。

また、コア部材３の材料として、独立気泡型の発泡プラスチックを用いることにより、スキン部材４に繊維強化プラスチックを用いて成形しても、樹脂がコア部材３に浸入しないようにすることができる。

次に、上記のような羽根車の製造方法について説明する。羽根車を製造する場合、まずコア部材３を成形する。図３は図２のコア部材３を成形する工程を示す断面図である。金属製のコア部材成形金型５は、第１の割り型６と第２の割り型７とを組み合わせて構成されており、内部にキャビティ５ａが形成されている。

このようなコア部材成形金型５のキャビティ５ａに、注入治具８を用いて、未硬化で未発泡の液状樹脂（発泡材）９を注入する。このとき、液状樹脂９として、２液硬化性のポリウレタン樹脂を用いることにより、液状樹脂９は、キャビティ５ａに注入された後に発泡しキャビティ５ａ内に満たされた状態で硬化する。

また、コア部材３を成形する工程では、羽根車として強度及び剛性が必要な箇所、具体的には羽根２の前縁２ａと根元とが下方となるようにする。即ち、液状樹脂９を注入する工程と、液状樹脂９を硬化させる工程との少なくともどちらかは、羽根２の前縁２ａの最も根元側に対応する部分を、羽根２の後縁２ｃの最も径方向外側に対応する部分よりも下にして行う。これにより、小さい気泡は下方に留まり、羽根２の前縁２ａの最も根元側に対応する部分の見かけ密度が高くなる。

なお、発泡材の見かけ密度により大きな分布を持たせるために、コア部材成形金型５の温度を調節してもよい。液状樹脂９が発泡し硬化した後、割り型６，７を分割し、発泡プラスチック製のコア部材３を得る。例えば、羽根２の前縁２ａの最も根元側に対応する部分の温度を、羽根２の後縁２ｃの最も径方向外側に対応する部分の温度よりも低温にすると、羽根２の前縁２ａの最も根元側に対応する部分の見かけ密度が高くすることができる。

次に、図４は図２のコア部材３の外周にスキン部材４を固定する工程を示す断面図である。コア部材３を炭素繊維１０で覆った基材を、羽根成形型１１上にセットする。そして、基材がセットされた羽根成形型１１上に、ピールプライ（剥離布）１２と、樹脂の流動を促進するためのフローメディア１３とを順に重ね、さらにバギング部材としてのバギングフィルム１４で全体を覆った後、シーラント１５で封止する。このとき、シーラント１５に注入口１６及び吸引口１７を取り付ける。

この後、吸引口１７から空気を排気して、バギングフィルム１４内を真空状態にする。そして、注入口１６から未硬化の樹脂を注入して、基材に樹脂を含浸させる。炭素繊維１０の樹脂流動抵抗によっては、インナメディアと呼ばれる製品埋め込み式の樹脂拡散媒体をコア部材３と炭素繊維１０との間に配置して樹脂の流動を補助してもよいが、ここでは流動抵抗が比較的小さい繊維を使用しているため必要ない。

基材に樹脂を含浸させた後、注入した樹脂を所定温度で所定時間硬化させる。ここでは、成形時間を短縮するため、１２０℃の高温槽で２時間加熱して硬化させる。その後、成形体を羽根成形型１１から取り外すと、炭素繊維１０が炭素繊維強化プラスチック製のスキン部材４となり、コア部材３にスキン部材４が接着された羽根２が得られる。上記の工程を複数回繰り返すことで、必要枚数の羽根２を得ることができる。

得られた３枚の羽根２を締結、接着又は嵌合等の方法でボス１に固定することにより、実施の形態１の羽根車が得られる。ここでは、組立が容易なため羽根２を締結によりボス１に固定するが、接合方法は特に限定されるものではない。

このような羽根２の製造方法では、繊維強化プラスチックからなるスキン部材４を有する羽根２を容易に製造することができる。また、液状樹脂９を注入する工程と、液状樹脂９を硬化させる工程との少なくともどちらかは、羽根２の前縁２ａの最も根元側に対応する部分を、羽根２の後縁２ｃの最も径方向外側に対応する部分よりも下にして行うので、重力によってコア部材３の見かけ密度を容易に不均一にすることができる。

なお、上記の例では、羽根２の枚数を３枚としたが、羽根２の枚数は特に限定されるものではない。

１ボス、２羽根、２ａ前縁、２ｃ後縁、３コア部材、４スキン部材、５コア部材成形金型、５ａキャビティ、９液状樹脂（発泡材）、１０炭素繊維、１４バギングフィルム（バギング部材）。

Claims

発泡プラスチックからなるコア部材と、前記コア部の外周の少なくとも一部を覆い、繊維強化プラスチックからなるスキン部材とを有する複数枚の羽根、及び
前記羽根を連結するボス
を備えた羽根車であって、
回転によって前記羽根に空気が流入する側の前記羽根の端部を前縁とし、
回転によって前記羽根から空気が流出する側の前記羽根の端部を後縁としたとき、
前記コア部材の見かけ密度は、
前記羽根の周方向において、前記前縁側から前記後縁側に向かって低くなるように設定されているとともに、
前記前縁の最も径方向内側の部分である前縁内径部で最も高く、
前記後縁の最も径方向外側の部分である後縁外径部で最も低い羽根車。
前記コア部材の見かけ密度の最大値と最小値との比は、２〜１２の範囲内である請求項１記載の羽根車。
前記コア部材を構成する発泡プラスチックは、独立気泡型である請求項１又は請求項２に記載の羽根車。
コア部材成形金型のキャビティに未硬化で未発泡の発泡材を注入し、前記発泡材を発泡させ硬化させることにより、コア部材を成形する工程、
前記コア部材を繊維で覆った基材を羽根成形型にセットする工程、
前記基材がセットされた前記羽根成形型をバギング部材で覆う工程、
前記基材に未硬化の樹脂を含浸させる工程、及び
前記樹脂を硬化させる工程
を含む羽根車の羽根の製造方法であって、
回転によって前記羽根に空気が流入する側の前記羽根の端部を前縁とし、
回転によって前記羽根から空気が流出する側の前記羽根の端部を後縁としたとき、
前記コア部材を成形する工程では、
前記羽根の前記前縁側に対応する部分よりも前記後縁側に対応する部分を鉛直方向で上の位置にするとともに、
前記前縁の最も径方向内側の部分である前縁内径部に対応する部分を鉛直方向で最も低い位置とし、
前記後縁の最も径方向外側の部分である後縁外径部に対応する部分を鉛直方向で最も高い位置とする羽根車の羽根の製造方法。
コア部材成形金型のキャビティに未硬化で未発泡の発泡材を注入し、前記発泡材を発泡させ硬化させることにより、コア部材を成形する工程、
前記コア部材を繊維で覆った基材を羽根成形型にセットする工程、
前記基材がセットされた前記羽根成形型をバギング部材で覆う工程、
前記基材に未硬化の樹脂を含浸させる工程、及び
前記樹脂を硬化させる工程
を含む羽根車の羽根の製造方法であって、
回転によって前記羽根に空気が流入する側の前記羽根の端部を前縁とし、
回転によって前記羽根から空気が流出する側の前記羽根の端部を後縁としたとき、
前記コア部材を成形する工程では、
前記羽根の前記前縁側に対応する部分の温度よりも前記後縁側に対応する部分の温度を高温に設定するとともに、
前記前縁の最も径方向内側の部分である前縁内径部に対応する部分の温度を最も低温とし、
前記後縁の最も径方向外側の部分である後縁外径部に対応する部分の温度を最も高温とする羽根車の羽根の製造方法。