JPH0693871A - ターボチャージャ用インペラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 合成樹脂からなるインペラのディスク背面側
に生ずる最大応力を小に抑え、インペラの耐久信頼性を
大幅に向上させる。 【構成】 ターボチャージャのインペラ１１を合成樹脂
から構成し、インペラ１１のディスク背面１２ａ側を、
インペラ１１を構成する合成樹脂と一体成形されインペ
ラ１１の外周端１２ｂから半径方向内方に延びる強化繊
維シート１６によた補強する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、合成樹脂からなるター
ボチャージャ用インペラの補強構造に関し、とくにイン
ペラ回転時におけるディスク背面側の最大応力の発生を
小に抑えることが可能なインペラの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボチャージャの過給レスポンスを向
上させるため、インペラおよびタービン翼の軽量化が要
求されており、その一例としてセラミックからなるター
ビン翼が実用化されている。インペラについては、現状
ではアルミニウム合金の採用によって軽量化をはかって
いるが、さらにマグネシウム合金や合成樹脂の採用によ
る軽量化が提案されている。マグネシウム合金の場合は
金属腐食により耐久性が低下するという問題があり、合
成樹脂の場合は材料強度および剛性がアルミニウム合金
に比べて劣るため、破壊限界レベルが低く、これを解決
することが要求される。

【０００３】図８に示すように、インペラ１の回転時に
おける最大発生応力部位Ｍは、ＦＥＭ解析（有限要素
法）などによってディスク部２のディスク背面２ａ側に
存在することが知られている。そこで、合成樹脂からな
るインペラにおいては、この部分を補強することによっ
て破壊限界レベルを高くすることができ、実用化が期待
される。合成樹脂製のインペラの補強技術の一例とし
て、たとえば実開昭６２−１０１００７号公報、実開昭
６２−１１４１０３号公報、実開昭６３−８３４３０号
公報が知られている。

【０００４】図９および図１０は、合成樹脂からなるイ
ンペラの補強の例を示している。図９に示すように、イ
ンペラ１のディスク背面２ａ側には、アルミニウム合金
板３が接着によって取付けられている。また、図１０に
おいてはインペラ１にアルミニウム合金からなる中空部
材４が取付けられており、中空部材４の筒部４ａはイン
ペラ１と嵌合され、フランジ部４ｂはディスク背面２ａ
と接着によって接合されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９お
よび図１０に示すインペラの補強構造には、つぎの問題
が存在する。

【０００６】（１）インペラ１は、回転によって空気を
圧縮するためのものであり１５０℃程度の高温に達す
る。したがって、図９の構造の場合は、インペラ１とア
ルミニウム合金板３とを接合する接着材にはこの温度お
よび高い応力に十分耐えられるものが要求されるが、現
在では十分と言えるものがないため補強効果があまり期
待できない。 （２）図１０の構造の場合は、嵌合部分に応力が集中す
るため、その部分が起点となり低回転域で破壊する可能
性が大きいと考えられる。

【０００７】（３）図９および図１０では、インペラ１
の補強部位が最大応力部位であるディスク背面であるこ
とから、補強部外のディスク背面側の変位は従来のまま
であるが、部分的な補強をしたことによって最大応力発
生部位がＡ部付近に移動する。そのため、インペラ１は
Ａ部を起点として早期に破壊する可能性があると考えら
れる。

【０００８】このように、従来における合成樹脂からな
るインペラの補強技術は、根本的にインペラの強度を高
めることに寄与しておらず、これに対応する補強技術の
開発が望まれる。

【０００９】本発明は、上記の問題に着目し、合成樹脂
からなるインペラのディスク背面側に生ずる最大応力を
小に抑え、耐久信頼性を大幅に向上させることが可能な
補強構造を有するターボチャージャ用インペラを提供す
ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係るターボチャージャ用インペラは、合成樹
脂からなるターボチャージャ用インペラにおいて、該イ
ンペラのディスク背面側を、前記合成樹脂と一体成形さ
れインペラの外周端から半径方向内方に延びる強化繊維
シートにより補強したものから成る。

【００１１】

【作用】このように構成されたターボチャージャ用イン
ペラにおいては、最大応力が発生するインペラのディス
ク背面側が、このインペラを構成する合成樹脂と一体成
形される強化繊維シートにより補強されるので、接着剤
を用いることなくインペラと強化繊維シートとの結合力
を高めることが可能となる。これにより、高温にも十分
に耐え得る補強が可能となる。

【００１２】また、強化繊維シートは繊維を織込んだも
のであるから、その密度は従来用いられていたアルミニ
ウム合金の場合よりも低くなる。インペラに発生する応
力は密度の低い材料ほど小さくなるので、強化繊維シー
トによる補強のほうがアルミニウム合金による補強の場
合よりも発生応力を小とすることができる。

【００１３】さらに、強化繊維シートをインペラの外周
端から半径方向内方に延ばして補強範囲を広くしている
ので、ディスク背面側の変形が非常に小さくなり、これ
によっても発生応力が小に抑えられる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明に係るターボチャージャ用イ
ンペラの望ましい実施例を、図面を参照して説明する。

【００１５】第１実施例 図１ないし図５は、本発明の第１実施例を示している。
図１において、１１はターボチャージャのインペラを示
している。インペラ１１は、中心部にディスク部１２が
形成されており、ディスク部１２の外側に翼部１３が形
成されている。ディスク部１２の中心部には、図示され
ないシャフトが挿入される軸穴１４が形成されている。

【００１６】インペラ１１は、合成樹脂である特殊エン
ジニアリングプラスチックから構成されている。エンジ
ニアリングプラスチックは、周知の通り、構造用および
機械部材用として適しているプラスチックであり、主と
して熱可塑性樹脂の中で耐熱性と強度にとくに優れてい
る。本実施例では、特殊エンジニアリングプラスチック
として、たとえばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、熱可塑性ポ
リイミド（ＴＰＩ）が用いられている。

【００１７】インペラ１１のディスク背面１２ａ側は、
強化繊維シート１６により補強されている。強化繊維シ
ート１６は、図２に示すように、カーボンファイバおよ
びガラスファイバの長繊維１６ａをクロス状に編み込ん
だものであり、繊維方向の引張り強度は非常に高いもの
である。また、長繊維１６ａは上述のようにクロス状に
編み込んだものだけでなく、図３のように一方向に並べ
た繊維１６ａを何方向から重ね合わせた構成としても図
２と同様な補強効果が得られる。

【００１８】強化繊維シート１６は、図２に示すよう
に、本実施例ではインペラ１１の外周端１２ｂから半径
方向内方に延び軸穴１４の外周端に至っている。強化繊
維シート１６は、インペラ１１に接着剤によって取付け
たのでは接合力が小さくて十分に補強効果を発揮するこ
とができないため、後述する成形方法によってインペラ
１１の成形時に合成樹脂と一体化されるようになってい
る。

【００１９】なお、インペラ１１に用いられる特殊エン
ジニアリングプラスチックには、強度を高めるため短繊
維フィラなどを溶融樹脂に混入するので、成形時におけ
る溶融樹脂の流動性があまり良くない。そのため、強化
繊維シート１６の繊維間の隙間に溶融樹脂が流入しにく
くなることが考えられる。この対策として、予め繊維を
樹脂コートした強化繊維シート（プリプレグ等）１６が
用いられている。これにより、インペラ１１の成形時に
高温の溶融樹脂によって強化繊維シート２１の表面にコ
ーティングされた樹脂が溶融され、インペラ１１と強化
繊維シート１６とが強固に結合するようになっている。

【００２０】さらに、強化繊維シート１６とインペラ１
１との結合力を高めるためには、インペラ１１を構成す
る樹脂よりも低融点の樹脂を強化繊維シート１６の接合
面側にコートすればよく、これによって強化繊維シート
１６のコート樹脂の溶融をさらに促進させることが可能
となる。また、強化繊維シート１６にコートされる樹脂
全体を、インペラ１１を形成する樹脂に対して結合力の
高くなる材料とする構成としてもよい。

【００２１】つぎに、第１実施例における作用について
説明する。図４は、射出成形によるインペラ１１の成形
状態を示している。図４において、２１は成形型のうち
可動金型を示しており、２２は固定金型を示している。
固定金型２２には溶融樹脂を射出するインジェクション
ゲート２３が設けられている。成形開始前には、可動金
型２１が固定金型２２に対して後退しており、この状態
で強化繊維シート１６がインペラ１１のディスク背面と
なる部分にセットされる。

【００２２】強化繊維シート１６がセットされると、可
動金型２１が固定金型２２側に移動し、型締めが行われ
る。型締めが終了すると、インジェクションゲート２３
から溶融樹脂が金型内に射出される。射出成形は、周知
の通り、加熱により溶融した流動状態の樹脂を金型内に
圧入して成形するものであり、金型内にセットされた強
化繊維シート１６は金型内に流入した高温の溶融樹脂に
よって押圧される。

【００２３】金型内に流入した溶融樹脂は、インジェク
ションゲート２３からの圧力によって強化繊維シート１
６の繊維間の隙間に進入するので、成形されるインペラ
１１と強化繊維シート１６とは強固に結合される。ま
た、強化繊維シート１６の表面に樹脂コートを施した場
合は、流入した高温の溶融樹脂によって強化繊維シート
１６の表面の樹脂が溶融され、成形されるインペラ１１
と強化繊維シート１６とをさらに強固に結合することが
可能となる。

【００２４】図５は、インペラを補強しない場合と補強
した場合の特性を示している。図５に示すように、ディ
スク背面２ａ側を補強しない場合は、最大応力が１９ｋ
ｇｆ／ｍｍ² と高くなる。ディスク背面２ａ側をアルミ
ニウム合金板３との接着（完全に接着されていると仮
定）によって補強した場合は、最大応力が１７ｋｇｆ／
ｍｍ² と高い。本実施例のように、ディスク背面１２ａ
側を強化繊維シート１６によって補強した場合は、最大
応力が１４ｋｇｆ／ｍｍ² であった。また、強化繊維シ
ート１６のディスク背面１２ａ側の表面では、最大応力
は８ｋｇｆ／ｍｍ² となった。

【００２５】このように、本実施例では、強化繊維シー
ト１６の最表面では最大応力が発生せず、しかも、最大
応力値も境界面で材料強度以下の値となる。このような
応力発生の違いの原因は、インペラの回転時の伸びや変
形が関係している。これについて、図８を参照して説明
する。

【００２６】ディスク部２の先端は肉となっており、軸
中心は厚肉となっている。インペラ１の回転時の遠心力
は、外側になる程高くなるので、ディスク部２の先端部
分は変形しやすく軸中心部は変形しにくい。このため、
その境界線（最大応力部位）の表面に高い応力が発生し
てしまう。この応力発生部位は、インペラの基本形状が
変わらなければ寸法大小に関係なく同様の部位に発生す
る。また、密度の低い材料程発生応力もまた低くなる。
したがって、本発明のようにアルミニウム合金よりも高
強度かつ低密度の材料を用いて、変形しやすいディスク
部の外周端１２ｂから半径方向内方を補強することによ
り、ディスクの変形が非常に小さくなり、その結果、発
生応力の低減にも大きな効果をもたらす。

【００２７】また、インペラは非常に高速で回転するた
め、高い応力の発生するディスク背面の欠陥（ボイド、
加工キズ）は致命傷になる可能性が高い。ボイドや加工
キズは製造上の品質管理で対策できるが、実使用条件で
は外的要因による欠陥発生の可能性がある。例えば、車
両の走行中にエアフィルタを通過した砂の微粒子や吸気
マニホルド内に付着した異物等が、インペラのディスク
背面に入り込んでディスク背面にキズをつける場合など
である。本発明では、ディスク背面１２ａに外的要因で
欠陥が生じたとしても、補強により発生応力が低くなっ
ているため、高回転域でのインペラ破壊の危険性を大巾
に低減できる。

【００２８】第２実施例 図６および図７は、本発明の第２実施例を示している。
第２実施例が第１実施例と異なるところは、強化繊維シ
ートによる補強範囲であり、その他の部分は第１実施例
に準じるので、準じる部分に第１実施例と同一の符号を
付すことにより準じる部分の説明を省略し、異なる部分
についてのみ説明する。

【００２９】図６および図７に示すように、本実施例で
は、強化繊維シート１６は、インペラ１１の外周端１２
ｂから半径方向内方に延びており、内側終端までの距離
は第１実施例よりも短かくなっている。このように、強
化繊維シート１６の半径方向の長さを短かくしているの
は、ディスク背面１２ａ側の変形しやすい部分のみを補
強するためである。

【００３０】このように構成された第２実施例において
は、強化繊維シート１６の内周端が軸穴１４よりも外側
に位置することになるので、ディスク部１２の外周端部
の変形しやすい部分および最大応力が発生する部分の双
方を強化繊維シート１６で補強しつつ、軸穴１４の精度
を維持することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、つぎの効果が得られ
る。

【００３２】（１）合成樹脂からなるインペラのディス
ク背面側を、合成樹脂と一体成形されインペラの外周端
から半径方向内方に延びる強化繊維シートにより補強し
たので、接着剤を用いることなくインペラと強化繊維シ
ートとの結合力を高めることができ、高温にも十分に耐
える補強が可能となる。

【００３３】（２）発生応力は密度の低い材料ほど小さ
くなるので、アルミニウム合金よりも密度の小さな強化
繊維シートを補強材料として採用することにより、発生
応力を小とすることができる。さらに、強化繊維シート
をインペラの外周端から半径方向内方に延ばし補強範囲
を広くしているので、ディスク背面側の変形を非常に小
さくでき、発生応力を小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係るターボチャージャ用
インペラの断面図である。

【図２】図１における強化繊維シートの平面図である。

【図３】図２における強化繊維シートの変形例を示す部
分拡大平面図である。

【図４】図１のインペラの成形工程を示す断面図であ
る。

【図５】図１のインペラにおける補強構造と他の補強構
造とを比較した特性図である。

【図６】本発明の第２実施例に係るターボチャージャ用
インペラの断面図である。

【図７】図６における強化繊維シートの平面図である。

【図８】従来の樹脂製インペラにおける最大応力発生部
位を示す断面図である。

【図９】従来の樹脂製インペラのディスク背面側をアル
ミニウム合金板で補強した場合の断面図である。

【図１０】従来の樹脂製インペラのディスク背面側をア
ルミニウム合金からなる中空部材で補強した場合の断面
図である。

【符号の説明】

１１ インペラ １２ ディスク部 １２ａ ディスク背面 １２ｂ 外周端 １４ 軸穴 １６ 強化繊維シート ２１ 可動金型 ２２ 固定金型 Ｍ 最大応力発生部位

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合成樹脂からなるターボチャージャ用イ
   ンペラにおいて、該インペラのディスク背面側を、前記
   合成樹脂と一体成形されインペラの外周端から半径方向
   内方に延びる強化繊維シートにより補強したことを特徴
   とするターボチャージャ用インペラ。