JP6374048B2 - 流体機械の羽根車回転体の製造方法 - Google Patents
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Description
これら羽根車は、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。
異音発生防止を目的として、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上記目的を達成している。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。繊維強化樹脂製インペラの製造方法については、炭素繊維強化樹脂ペレットを用いて、所定の射出成型条件で成形することが開示されている。
連続繊維による繊維強化樹脂との組み合せによって製造することについては開示されていない。
前記回転体の回転部分の一部を、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予備成形する工程と、前記予備成形された予備成形品を、射出成形機の金型内に前記連続繊維樹脂の融点未満の温度域に管理してセットする工程と、その後、金型内に溶融した不連続繊維樹脂を射出して前記予備成形品を該不連続繊維樹脂と融着させる工程と、を備えたことを特徴とする。
また、射出成形機の金型内に前記連続繊維樹脂の融点未満の温度域に管理してセットするため、予備成形品の形状が変形することなく位置決めが確実になされるため、予備成形品のインサートが容易となる。
これによって、金型内で、不連続繊維樹脂によって形成される流体機械の回転体の一部に又は回転体の内部に予備成形品を確実にインサートして成形することができる。
すなわち、金型の渦巻き状の外周壁面よりも自然状態における渦巻き径が大径となるようにプリフォームし、縮径した状態で金型内の渦巻き状の外周壁面に保持されるようにし、また逆に、渦巻き状の内周壁面よりも自然状態における渦巻き径が小径となるようにプリフォームし、拡径した状態で渦巻き状の内周壁面に保持されるように構成することで、別途位置決め用の治具などを用いずとも、安定した状態で金型内に保持させることが可能となる。
さらに、金型のスクロールラップを成形するキャビティの入口部側から不連続繊維樹脂を供給するので、該不連続繊維樹脂の充填に伴って、予備成形品がラップ高さ方向に伸ばされるため、予備成形品のしわの発生を防止できる。
また、円周方向の連続繊維を配向するために、プリプレグUDテープ(一方向テープ、Uni−Directional tape)を、回転軸回りに巻きつけるようにして設置することで簡単に予備成形品を製造できる。
第1実施形態は、流体機械の回転体として、スクロール圧縮機またはスクロール膨脹機を構成するスクロール回転体を例として説明する。特に、スクロール圧縮機のスクロール回転体について説明する。
クランクピン13には、ドライブブッシュ15、フローティングブッシュ17、及びドライブ軸受19を介して、旋回スクロール21が旋回駆動されるようになっている。
また、固定側ラップ27のチップ面29には、チップシール29aが埋設されている。また、固定スクロール23の略中心位置には、圧縮された作動ガスを固定端板25の裏側に吐出するための吐出口25Aが形成されている。
図4は、固定スクロール23および旋回スクロール21の断面形状を示し、固定側ラップ27および旋回側ラップ33の少なくともいずれか一方には、連続繊維47に樹脂を含浸した少なくとも1層以上のプリプレグを積層することで形成されるプリプレグシート部材49がインサートされて、連続繊維部51を形成している。
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。
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。
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連続して配列されているものである。
また、不連続繊維樹脂としては、具体的には、繊維が炭素繊維もしくはガラス繊維で、その長さが0.5〜9mmの長繊維であり、マトリックス樹脂としては、ポリアミド、変性ポリアミド、もしくはポリエーテルエーテルケトン等の組み合わせである。
連続繊維部51は、固定側ラップ27及び旋回側ラップ33ともにその腹面側ラップ面27a、33aにのみ形成されるか、又は固定側ラップ27及び旋回側ラップ33ともにその背面側ラップ面27b、33bにのみ形成されている。
図3に示す実施形態では、連続繊維部51が固定側ラップ27及び旋回側ラップ33の腹面側ラップ面27a、33aだけに形成されている例を示す。
なお、連続繊維部51は、プリプレグシート部材49をインサートする位置に応じて配置できるため、腹面側ラップ面27a、33aにのみ、または、背面側ラップ面27b、33bにのみ形成されているだけでなく、両面側に配置してもよい。
全体の製造工程の流れは、図7のフローチャートに示すように、開始するとまずステップS1において、プリプレグシートカッティングし、プリプレグシート部材49を所定の形状にカットする。次にステップ2において、カッティングしたプリプレグシート部材49をインサートする形状に予備成形する。次にステップS3において、予備成形したプリプレグシート部材49を金型内にセットする。このセットの際には、プリプレグシート部材49に予熱を加えて、セットし易くするが、融点以下の冷間でセットする。その後、ステップS4で、不連続繊維としての長繊維を樹脂で被覆したペレットを、射出成形機に供給して溶融樹脂として型内に射出充填し保圧し冷却する。そして、次のステップS5において、金型を開放して製品を取り出す。
先ず、図5A(フローチャートのステップS1に相当)に示すように、プリプレグシート素材を所定枚数積層することで形成されるプリプレグシート原材を所定の形状にカットする。カット形状はインサートされるプリプレグシート部材49の展開形状であり、略長方形状をしており、長さH2はラップ全長に相当し、高さH1はラップ高さに相当する。また、突出部Vは、図5Aのラップ根本部に位置する箇所に設けられる屈曲部(当接部)56に相当する箇所を示している。
プリプレグシート部材49を用いて、カットおよびローラ等で予備成形品を成形するため、簡単に予備成形品を製造できる。
このため、予備成形品の形状が変形することなく位置決めできるので、インサート成形が容易となる。
なお、図5Cにおける右側の図は、可動金型64及び固定金型62の縦断面図、左側の図は、可動金型64をB−B方向から視認した平断面図である。
プリプレグシート部材49は、屈曲部56がプリフォームされた状態で金型内の空洞部70の第2キャビティ70bに挿入される。そして、屈曲部56の一面56aが空洞部70を画定する壁面71cの一部と当接した状態で、空洞部70に保持される。この時、空洞部70はプリプレグシート部材49に含まれる樹脂の融点よりも低い温度雰囲気下にあり、含有樹脂が溶融することでプリプレグシート部材49が変形してしまうことがないようになっている。
従って、プリフォームされたプリプレグシート部材49を金型にセットするときの金型内の空洞部70内の温度域は、前述したようにプリプレグシート部材49に含まれる樹脂の融点よりも低い温度雰囲気下にあるとともに、金型内に射出される溶融樹脂60Aの熱量により、プリプレグシート部材49に含まれる樹脂の表面が溶融される温度に管理される。これは、予め適切な温度に計算等によって求めて管理されている。
プリプレグシート部材49を第2キャビティ70bの外周壁面71aと内周壁面71bとの中間に保持する場合と比べて、プリプレグシート部材49の位置決めを容易に行うことができる。
次に、図8、9を参照して第2実施形態について説明する。
第2実施形態は、射出成形後に取り出されたスクロール回転体のラップ部を、研磨加工して寸法精度を高めるものである。
このステップS16は成形品の仕上げ工程であり、取り出された成形品の寸法仕上げを行う。
図9に示すように、固定側ラップ27および旋回側ラップ33の少なくともいずれか一方と、固定側ラップ27および旋回側ラップ33におけるラップ面の仕上がり形状に対応して形成された渦巻き状の砥石面84a、84bを有するマスタースクロール80とが摺動自在に噛合された状態で、両者を相対的に旋回させることで行われる。
次に、図10を参照して第3実施形態について説明する。
図10のように、ラップ部分を成形する金型の第2キャビティ70b内においては、連続繊維樹脂が形成される連続繊維部51側と接する面91Aと、不連続繊維部55側と接する面91Bとの部分に、それぞれ金型温度を制御する金型温度調整手段93が設けられている。
例えば、電気ヒータ95A、95Bが、それぞれの面に沿って埋め込まれている。連続繊維樹脂のマトリックス樹脂の熱膨脹係数と、不連続繊維樹脂のマトリックス樹脂の線膨脹係数とを基に、可動金型64内への不連続繊維樹脂の射出後に、連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂との冷却による収縮量の差異を解消するように金型の温度を制御する制御装置97が設けられている。
制御装置97によって、熱収縮率が大きい樹脂材料を用いている方の冷却を緩やかに低下させるように、ヒータで加熱して、冷却速度を制御している。
すなわち、旋回端板31に垂直に立設される旋回側ラップ33の垂直度、および固定端板25に垂直に立設される固定側ラップ27の垂直度を正確に製造できるため、製品の品質の向上が図れる。
次に、図11を参照して第4実施形態について説明する。
第1実施形態から第3実施形態までは、前述のようにスクロール回転体の例として説明したが、第4実施形態以降は、羽根車回転体を例として説明する。
図11は、流体機械の羽根車101を示し、該羽根車101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を例として示すものである。
図11において、排気ターボ過給機の遠心圧縮機(コンプレッサ)103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105を介して伝達されるようになっている。
また、翼部121には、上流側の縁部である前縁121aと、下流側の縁部である後縁121bと、径方向外側の縁部である外周縁(外周部)121cとがそれぞれ形成され、この外周縁121cは、コンプレッサハウジング109のシュラウド部123によって覆われた側縁の部分をいう。そして、外周縁121cは、シュラウド部123の内表面の近傍を通過するように配置されている。
また、ハブ部119は、連続繊維124(124a、124b)に樹脂を含浸した少なくとも1層以上のプリプレグを積層することで形成されたプリプレグシート部材125a、及びプリプレグテープ部材125bがインサートされて形成された連続繊維部151によって形成されている。
この不連続繊維部129および連続繊維部151は既に第1実施形態で説明した不連続繊維部55および連続繊維部51と同様であり、マトリックス樹脂および繊維材料についても前記例示したものが用いられる。
網の目状に織られて形成されているか、または、織られていなくてもプリプレグ素材シートを複数枚重ねて、円盤状のプリプレグシート部材125a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。
さらに、背板131を構成する、円盤状のプリプレグシート部材125aは、連続繊維は回転軸105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131、さらにはハブ部119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。
特に、背板131の外周はハブ部119の外径が最も大きくなる形状が多いため、この背板131部分を連続繊維部151で補強して強度を高めることはハブ部119全体の強度向上に効果的である。
製造方法の主な流れは、図7のフローチャートで既に説明したものと同様である。
図14A(フローチャートのステップS1に相当)に示すように、まず、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125から、所定の径の円盤状のプリプレグシート部材125aにカッティングする。背板131の形状に沿った径を1枚若しくは複数枚切り出す。
また同時に、回転軸105の周りに巻き付けて、周方向に連続繊維が配向されるように、連続繊維124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125bを準備する。
まず、プリプレグテープ部材125bを回転軸に相当する治具の周りに巻きつける。次に、機械加工によって、ハブ部119の外形形状に合うように切断して形状を整える。次に、前述の円盤状のプリプレグシート部材125aによって形成された背板131の部分を回転軸に相当する治具に挿入する。次に、背板131の円盤状のプリプレグシート部材125aの部分と、背板131以外のプリプレグテープ部材125bの部分とを重ね合わせて、ホットプレスで一体化して、プリフォーム(予備成形品)110を製造する。
射出された溶融樹脂134に含まれている不連続繊維122は、空洞部において任意の方向に配向される。
なお、射出される溶融樹脂134が熱可塑性樹脂の場合は、空洞部を冷却することで溶融樹脂134を硬化させる。射出される溶融樹脂が熱硬化性樹脂の場合は、空洞部を加熱することで溶融樹脂を硬化させてもよい。硬化した溶融樹脂134は、スクロール回転体の不連続繊維部129を構成する。また、硬化したプリプレグシート部材125aは、ハブ部119の背板131の連続繊維部151を構成し、硬化したプリプレグテープ部材125bは、ハブ部119の背板131部分以外の連続繊維部151を構成する。
また、翼部121に対しては、長繊維の不連続繊維樹脂による射出成形で製造するため、翼部121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121の製造が容易に行われる。
次に、図15を参照して第5実施形態について説明する。
図15に示すように、ハブ部133を構成する連続繊維樹脂の繊維の配向が、全て回転軸105の回転軸線Mに対して直角方向に向いたプリプレグシート部材125aによって形成されるものである。
製造方法は、図14Bのプリフォームの作成の際に、ハブ部119の全体、すなわち軸方向の全体を、回転軸方向に複数の径の異なる円盤状のプリプレグシート部材125aを積層して形成する。このため、製造が容易となる。
また、直線状の連続繊維124aは回転軸105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。
円盤状のプリプレグシート部材125aは、遠心応力や周方向応力に対して、連続繊維124aが強度を高める方向に作用して背板131、さらにはハブ部119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。
次に、図16を参照して第6実施形態について説明する。
図16に示すように、回転軸135は、ハブ部136の先端部136aと翼部121と不連続繊維122によって金型内の射出成形時に一体成形されて一体回転軸を形成している。
23 固定スクロール(スクロール回転体)
21 旋回スクロール(スクロール回転体)
27 固定側ラップ(スクロールラップ)
33 旋回側ラップ(スクロールラップ)
27a、33a 腹面側ラップ面
27b、33b 背面側ラップ面
49 プリプレグシート部材
47、124(124a、124b) 連続繊維
51、151 連続繊維部
53、122 不連続繊維
55、130 不連続繊維部
56 屈曲部(当接部)
60、110 プリフォーム(予備成形品)
62、130b 固定金型
64、130a 可動金型
80 マスタースクロール
84a、84b 砥石面
101 羽根車(羽根車回転体)
103 遠心圧縮機(流体機械)
105、135 回転軸
119、133、136 ハブ部
120 内周穴
121 翼部
125 プリプレグ部材(プリプレグ)
125a、49 プリプレグシート部材
125b プリプレグテープ部材
130 金型
131 背板
135 回転軸
L1〜L4 直線状連続繊維の配向
L5 円周方向連続繊維の配向
Claims (5)
- 回転軸に取り付けられるハブ部と、該ハブ部の外周面に設けられる複数枚の翼部とを含む、遠心流体機械の羽根車回転体の製造方法であって、
連続繊維に樹脂を含浸した連続繊維樹脂からなるプリプレグ部材を予備成形することで前記ハブ部に相当する部分を形成する予備成形工程と、
前記羽根車回転体の前記ハブ部に相当する空間を有する第1キャビティ、及び、前記第1キャビティと連通する第2キャビティであって前記羽根車回転体の前記翼部に相当する空間を有する第2キャビティ、を含む空洞部を内部に画定する金型、を準備する準備工程と、
前記予備成形された前記プリプレグ部材を、前記連続繊維に含浸された前記樹脂の融点未満の温度域に管理されている前記金型内の前記第1キャビティにセットするセット工程と、
その後、前記金型内に溶融した不連続繊維樹脂を射出して前記プリプレグ部材を該不連続繊維樹脂と融着させる射出工程と、を備え、
前記プリプレグ部材は、
前記連続繊維が複数方向に配向されるプリプレグシート部材と、
前記連続繊維が長手方向に沿って配向されるプリプレグテープ部材と、を含み、
前記予備成形工程は、
少なくとも1枚の前記プリプレグシート部材を積層して、前記ハブに相当する部分の内、前記ハブの背板に相当する部分を形成する工程と、
前記回転軸の周りに前記連続繊維を配向するように、前記回転軸に前記プリプレグテープ部材を巻き付けて、前記ハブに相当する部分の内、前記背板に相当する以外の部分を形成する工程と、
前記背板に相当する部分と、前記背板に相当する以外の部分とを一体化する工程と、を含む
流体機械の羽根車回転体の製造方法。 - 回転軸に取り付けられるハブ部と、該ハブ部の外周面に設けられる複数枚の翼部とを含む、遠心流体機械の羽根車回転体の製造方法であって、
連続繊維に樹脂を含浸した連続繊維樹脂からなるプリプレグ部材を予備成形することで前記ハブ部に相当する部分を形成する予備成形工程と、
前記羽根車回転体の前記ハブ部に相当する空間を有する第1キャビティ、及び、前記第1キャビティと連通する第2キャビティであって前記羽根車回転体の前記翼部に相当する空間を有する第2キャビティ、を含む空洞部を内部に画定する金型、を準備する準備工程と、
前記予備成形された前記プリプレグ部材を、前記連続繊維に含浸された前記樹脂の融点未満の温度域に管理されている前記金型内の前記第1キャビティにセットするセット工程と、
その後、前記金型内に溶融した不連続繊維樹脂を射出して前記プリプレグ部材を該不連続繊維樹脂と融着させる射出工程と、を備え、
前記プリプレグ部材は、前記連続繊維が複数方向に配向されるプリプレグシート部材を含み、
前記予備成形工程は、複数の径の異なる前記プリプレグシート部材を前記回転軸の方向に沿って積層することで前記ハブに相当する部分の全体を形成する工程を含む
流体機械の羽根車回転体の製造方法。 - 前記回転軸が、前記翼部とともに前記不連続繊維樹脂によって一体成形される請求項2記載の流体機械の羽根車回転体の製造方法。
- 前記プリプレグ部材を前記金型の前記第1キャビティ内にセットするときの前記金型内の温度域を、前記金型内の前記空洞部に射出される前記溶融した不連続繊維樹脂の熱量により、前記連続繊維に含浸された前記樹脂の表面が溶融される温度に管理する請求項1乃至3の何れか1項に記載の流体機械の羽根車回転体の製造方法。
- 前記射出工程の後に、前記金型内から前記羽根車回転体を取り出す工程を更に有するとともに、該取り出す工程において、前記連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂との冷却による収縮量の差異を解消するように、前記連続繊維樹脂と不連続繊維樹脂とに対応する金型温度制御する請求項1乃至4の何れか1項に記載の流体機械の羽根車回転体の製造方法。
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