(57)【要約】【課題】回転応答性を高くするとともに、必要な機械的強度を確保できる樹脂製のインペラを提供すること。【解決手段】本発明のコンプレッサインペラ１０は、回転軸線Ｃに沿って形成されるボス孔１２を有するボス１３を備えるハブ１１と、ハブ１１の正面側１１Ａに設けられる複数のタービンブレード１８と、を備える。本発明におけるハブ１１は、第一樹脂からなる第一部材１０Ａと、第一部材１０Ａと接合された、第二樹脂からなる第二部材１０Ｂと、からなり、第一部材１０Ａは、回転軸線Ｃの方向において、背面側１１Ｂ側から正面側１１Ａ側に向けた、ハブ１１の所定範囲を占有し、第一樹脂は第二樹脂よりも、比重が小さい、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正面側と背面側を有し、回転軸線に沿って形成されるボス孔を有するボスを備えるハブと、
前記ハブの前記正面側に設けられる複数のブレードと、を備える樹脂製のインペラであって、
前記ハブは、
第一樹脂からなる第一部材と、
前記第一部材と接合された、第二樹脂からなる第二部材と、を備え、
前記第一部材は、
回転軸線の方向において、前記背面側から前記正面側に向けた、前記ハブの所定範囲を占有し、
前記第一樹脂は前記第二樹脂よりも比重が小さい、
ことを特徴とするインペラ。
【請求項２】
前記第一樹脂は、
前記第二樹脂よりも成形収縮率が小さい、
請求項１に記載のインペラ。
【請求項３】
前記第一部材は、
径方向において、前記ボス孔から径方向の外側の所定位置から、前記ハブの外周面から径方向の内側の所定位置までを占有する、
請求項１又は請求項２に記載のインペラ。
【請求項４】
前記第一部材の前記第一樹脂は、発泡性樹脂からなる、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項５】
前記発泡性樹脂の発泡倍率が１．０５〜２．０倍である、
請求項４に記載のインペラ。
【請求項６】
前記第一部材の前記第一樹脂は、非晶性樹脂からなる、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項７】
前記第一部材の前記第一樹脂は、熱可塑性樹脂からなり、
前記第二部材の前記第二樹脂は、熱硬化性樹脂からなる、
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項８】
前記第一部材の前記第一樹脂及び前記第二部材の前記第二樹脂は、繊維強化樹脂からなり、
前記第一樹脂における強化繊維の含有率が、前記第二樹脂における前記強化繊維の含有率より小さい、
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項９】
前記第二部材は、
複数の前記ブレードを含む前記ハブと前記ボスが一体的に成形されている、
請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項１０】
前記第一部材と前記第二部材の前記背面側を接合する補強体を備える、
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のインペラ。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のインペラの製造方法であって、
前記第一樹脂により成形された前記第一部材を、前記第二部材を射出成形する金型キャビティに配置するステップと、
前記金型キャビティに所定の前記第二樹脂を射出することで、前記第一部材をインサート成形するステップと、
を備えることを特徴とするインペラの製造方法。
【請求項１２】
前記金型キャビティに前記第二樹脂を流入させるゲートが、前記ゲートの中心軸から前記第二樹脂が放射状に広がる円板状のフィンゲートである、
請求項１１に記載のインペラの製造方法。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のインペラと、
前記インペラに取り付けられて、該インペラとともに回転する回転軸と、
を備えることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械に設けられるインペラに関する。
【背景技術】
【０００２】
乗用車に搭載されるターボチャージャ（タービン式過給機）は、当初は、比較的排気量の大きいエンジンの出力を増大することを主たる目的としていた。
ところが、環境保護の観点から、排気量の小さい自動車への志向が高まる中で、小排気量のエンジンの出力を補うために、ターボチャージャの需要が高まっている。その中で、ターボ車特有のいわゆるターボラグを低減して回転応答性を高くすることが望まれている。
【０００３】
ターボラグを低減するには、ターボチャージャのインペラ（羽根車）を軽量化して慣性モーメントを低減することが有効である。そこで、例えば特許文献１〜特許文献３に記載されるように、金属材料に比べて大幅に軽量化できる樹脂、特に金属材料の代替えが可能な高強度を得ることができる繊維強化樹脂を採用することが提案されている。
【０００４】
特許文献１及び特許文献２は、繊維強化樹脂で構成されるインペラにおいて、繊維強化樹脂における強化繊維の配向方向を特定する。その中で、引用文献１のインペラは、その回転軸線に対して周方向に整列させることを提案する。また、特許文献２のインペラは、ボス孔の周囲に分散される強化繊維が、ハブの径方向に対して傾斜して配向される頻度が高い第１領域と、ボス孔の周囲に分散される強化繊維が、回転軸線に沿って配向される頻度が高い第２領域とからなる。
【０００５】
特許文献３は、インペラを複数の樹脂部材から構成することを提案している。特許文献３のインペラの態様の一つは、互いに係合される第一の樹脂部材と第二の樹脂部材からなる。第一の樹脂部材と第二の樹脂部材は、同様の樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成される。第二の樹脂部材は第一の樹脂部材にインサート成形により設けられることで、第一の樹脂部材に係合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭６２−１０１００７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５６３０２号公報
【特許文献３】特開２０１６−９８７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば特許文献１〜特許文献３に記載される繊維強化樹脂で構成されるインペラは、金属材料に比べると比重が小さいので、金属材料からなるインペラに比べると、回転応答性が高くタイムラグを低減できる。タイムラグを低減することはこれからも継続して求められる技術的課題である。
ここで、繊維強化樹脂は強化繊維を含まない樹脂に比べると比重が大きい。したがって、インペラを繊維強化樹脂で製造すると、体積の多くを占めるボスの厚肉領域の回転慣性が大きくなる。これは、インペラの回転応答性を低くする要因になるとともに、遠心力によりボスに発生する応力を大きくしてしまう。タイムラグを低減するために強化繊維の含有量を少なくすればよいが、これでは必要な機械的な強度を得ることができなくなるおそれがある。
【０００８】
以上より、本発明は、回転応答性を高くするとともに、必要な機械的強度を確保できる樹脂製のインペラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、正面側と背面側を有し、回転軸線に沿って形成されるボス孔を有するボスを備えるハブと、ハブの正面側に設けられる複数のブレードと、を備える樹脂製のインペラに関する。
本発明におけるハブは、第一樹脂からなる第一部材と、第一部材と接合された、第二樹脂からなる第二部材と、からなる。
本発明における第一部材は、回転軸線の方向において、背面側から正面側に向けた、ハブの所定範囲を占有し、第一樹脂は第二樹脂よりも比重が小さい。
【００１０】
本発明における第一樹脂は、第二樹脂よりも比重に加えて成形収縮率が小さいことが好ましい。
【００１１】
本発明における第一部材は、径方向において、ボス孔から径方向の外側の所定位置から、ハブの外周面から径方向の内側の所定位置までを占有することが好ましい。
【００１２】
本発明における第一部材の第一樹脂としては、発泡性樹脂、非晶性樹脂から選択できる。発泡性樹脂の場合には、発泡倍率が１．０５〜２．０倍であることが好ましい。
また、本発明における第一部材の第一樹脂として熱可塑性樹脂を選択し、第二部材の第二樹脂として熱硬化性樹脂を選択できる。
【００１３】
本発明における第一部材の第一樹脂及び第二部材の第二樹脂として、繊維強化樹脂を選択する場合には、第一樹脂における強化繊維の含有率が、第二樹脂における強化繊維の含有率より小さいことが好ましい。
【００１４】
本発明のインペラにおいて、第二部材は、複数のブレードを含むハブがボスと一体的に成形されていることが好ましい。
また、本発明のインペラにおいて、第一部材と第二部材の背面側を接合する補強体を備えることが好ましい。
【００１５】
本発明は、以上説明したインペラを製造する方法として、第一樹脂に成形された第一部材を、第二部材を射出成形する金型キャビティに配置するステップと、金型キャビティに所定の第二樹脂を射出することで、第一部材をインサート成形するステップと、を備えるインペラの製造方法を提供する。
【００１６】
本発明の製造方法において、金型キャビティに第二樹脂を流入させるゲートが、ゲートの中心軸から第二樹脂が放射状に広がる円板状のフィンゲートであることが好ましい。
【００１７】
本発明は、以上説明したインペラと、インペラが取り付けられて、インペラとともに回転する回転軸と、を備える回転機械を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、回転応答性を高くできるとともに必要な機械的強度を確保できる、樹脂を用いたインペラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係るインペラを示し、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は背面図である。
【図２】（ａ）は本実施形態に係るインペラの第一部材を射出成形する成形金型を示す縦断面図、（ｂ）は本実施形態に係るインペラの第二部材を射出成形する成形金型を示す縦断面図である。
【図３】本実施形態に係る第一部材を製造する手順を示し、（ａ）は当該金型への樹脂の射出を終えたところを示し、（ｂ）は当該金型から取り出された第一部材を示し、（ｃ），（ｄ）は第一部材からランナを切除する過程を示す図である。
【図４】本実施形態に係る第二部材をインサート成形する手順を示し、（ａ）は当該金型へ第一部材の配置を終えたところを示し、（ｂ）は当該金型に第二部材に対応する第二樹脂の射出を終えたところを示す図である。
【図５】（ａ）は第一部材の射出成形時の強化繊維の配向を示し、（ｂ）は第二部材の射出成形時の強化繊維の配向を示す図である。
【図６】射出成形される樹脂の流れを示し、（ａ）はフィンゲートに係る樹脂の流れを示し、（ｂ）はフィンゲートではないゲートに係る樹脂の流れを示し、（ｃ）は（ｂ）による樹脂流れの結末を示す図である。
【図７】（ａ）は本実施形態のインペラの変形例を示し、（ｂ）は本実施形態のインペラの他の変形例を示す図である。
【図８】本実施形態のインペラの変形例の好ましい製造手順を示す図である。
【図９】本実施形態のインペラが適用されるターボチャージャを示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る樹脂製のコンプレッサインペラ１０は、図９に示すターボチャージャ１に適用される。コンプレッサインペラ１０は、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂの二つの部材から構成され、かつ、この二つの部材の比重を特定することで、回転応答性を高くできるとともに、必要な機械的強度を備えることができる。以下、ターボチャージャ１の構成を説明した後に、コンプレッサインペラ１０の説明を行う。
【００２１】
［ターボチャージャ１］
回転機械としてのターボチャージャ１は、排気を受けて回転するタービンインペラ１７と、このタービンインペラ１７に追従する回転によって吸気及び圧縮をして図示を省略する当該機関のシリンダへと送り込むコンプレッサインペラ１０とを備えている。
コンプレッサインペラ１０とタービンインペラ１７とは、ターボチャージャ１の内部に回転可能に軸支された回転軸１９によって一体となって回転するように連結されている。
【００２２】
コンプレッサインペラ１０は、コンプレッサハウジング２０の内部に収容されている。
コンプレッサハウジング２０は、コンプレッサインペラ１０の正面側に、吸気を導入するための吸入口２１と、コンプレッサインペラ１０の外周に、渦巻き状に延びるコンプレッサ通路２３と、を備えている。このコンプレッサ通路２３は、コンプレッサインペラ１０の外周部に開口する吐出口２２に接続されている。
【００２３】
タービンインペラ１７は、タービンハウジング３０の内部に収容されている。
タービンハウジング３０は、タービンインペラ１７の外周に、渦巻き状に延びるスクロール通路３３を備えている。図示を省略する内燃機関より排出された排気は、このスクロール通路３３に導入され、スクロール通路３３を通過する過程で回転力を得た排気は、図９に矢印にて示すように、スクロール通路３３の内面に形成された導入口３２を通じてタービンインペラ１７のタービンブレード１８へと吹き付けられる。こうして吹き付けられた排気によって、タービンインペラ１７が回転される。なお、タービンインペラ１７に吹き付けられた排気は、タービンインペラ１７の正面側に開口した排出口３１を通じて排出される。
【００２４】
タービンインペラ１７の回転が回転軸１９を通じて伝達され、コンプレッサインペラ１０が回転されると、吸入口２１を通じて吸気が吸引される。吸引された吸気は、コンプレッサインペラ１０に設けられたコンプレッサブレード１５によって圧縮され、吐出口２２を通じてコンプレッサ通路２３へと強制的に送り込まれる。コンプレッサ通路２３へと送り込まれた吸気は、内燃機関のシリンダ（図示省略）へと送られ、過給が行われる。
【００２５】
［コンプレッサインペラ１０］
次に、本実施形態に係るコンプレッサインペラ１０の構成について説明する。
コンプレッサインペラ１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、図９に示した回転軸１９と同軸に設けられる円盤状のハブ１１と、ハブ１１の一方の面側から各々が立ち上がり、吸気の流路を形成する複数の羽根形状のコンプレッサブレード１５と、を備えている。なお、コンプレッサインペラ１０において、コンプレッサブレード１５が設けられる側を正面側１１Ａ、その反対側を背面側１１Ｂと定義する。また、コンプレッサインペラ１０において、回転軸線Ｃに近い側を内径側とし、遠い側を外径側とする。
【００２６】
ハブ１１は、正面側１１Ａが、外径側から内径側に向かうのにつれて連続的に突出するように湾曲している。ハブ１１は、回転軸１９が嵌合されるボス孔１２を備えるとともに、ボス孔１２の周囲には、コンプレッサインペラ１０の回転軸線Ｃを取り囲むボス１３を備える。
コンプレッサブレード１５は、本実施形態では、長翼１５Ａと短翼１５Ｂの２種類を備えており、長翼１５Ａと短翼１５Ｂは交互に配列されている。
【００２７】
次に、コンプレッサインペラ１０のより具体的な構成を説明する前に、当該構成を採用にあたって考慮した事項を説明する。考慮した事項は、回転応答性と応力、及び、成形収縮率である。
【００２８】
［回転応答性と応力］
コンプレッサインペラ１０は、図１（ａ）に示すように、背面側１１Ｂから正面側１１Ａに向けて、回転軸線Ｃの方向の肉厚の厚い領域（厚肉領域）が体積の多くを占めている。したがって、強化繊維を含む分だけ比重の大きい繊維強化樹脂でコンプレッサインペラ１０を製造すると、回転慣性が大きくなるので、コンプレッサインペラ１０の回転応答性が低くなる。また、遠心力がハブ１１を放射方向に拡径変形させるように作用するため、ハブ１１を回転軸１９に固定支持するボス１３に発生する応力が大きくなる。なお、厚肉領域は破線の円で囲まれている。
厚肉領域に含まれる強化繊維の量を多くすれば強度を確保できる。ところが、強化繊維を含む繊維強化樹脂は、一般に強化繊維の含有率が高いほど射出成形時に発生する成形歪みが大きくなる。したがって、形状寸法精度が高速回転時の回転バランスや流体圧縮性能に大きく影響するコンプレッサインペラ１０にとって強化繊維の含有量を多くすることには限界がある。
【００２９】
［成形品のひずみ］
次に、繊維強化樹脂における強化繊維の配向方向は、成形品の表層をなすスキン層とスキン層よりも内側のコア層とで異なる。つまり、スキン層は射出成形時の樹脂の流動方向ＭＤに繊維の長手方向に沿う配向の傾向があるのに対して、コア層は流動方向ＭＤに対して直交方向ＴＤに繊維の長手方向が沿う配向の傾向がある。これは以下の理由によるものと推測される。なお、図５にこれらの配向が示されているので参照願いたい。
樹脂流動に乗った強化繊維が噴流により直交方向ＴＤに配向したまま金型キャビティの壁面に接触し、溶融樹脂がスキン層となって半固化した状態が発生する。このときコア層では樹脂流動が続いているので、スキン層をなす樹脂がコア層をなす樹脂流動に引っ張られることにより、スキン層内の直交方向ＴＤに向いた強化繊維が流動方向ＭＤに配向するものと解される。
なお、流動方向ＭＤに配向するといっても、すべての強化繊維が流動方向ＭＤに沿っていることを意味するのではなく、流動方向ＭＤからずれて配向されている強化繊維も少なからずとも存在する。したがって、流動方向ＭＤに配向するとは、流動方向ＭＤに配向する強化繊維の比率が多いことと捉えるべきである。直交方向ＴＤについても同様である。
【００３０】
ここで、強化繊維に生ずる熱収縮が基地をなす樹脂よりも小さいことから、繊維強化樹脂は、例えば強化繊維の配向方向の射出成形後の成形収縮が小さい。
通常、非常に薄い表層のスキン層における強化繊維の配向は専ら流動方向ＭＤであるのに対して、スキン層に比べて体積が圧倒的に大きなコア層における強化繊維の配向方向は専ら直交方向ＴＤである。このスキン層とコア層の強化繊維の配向の相違により、繊維強化樹脂の冷却固化時にスキン層とコア層とで成形収縮量にずれが生じ、成形品、ここではインペラのひずみが大きくなる。
【００３１】
以上の事項を考慮した結果、コンプレッサインペラ１０は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、ハブ１１が第一部材１０Ａと、第一部材１０Ａに接合された第二部材１０Ｂと、から構成される。そして、第一部材１０Ａは第一樹脂からなり、第二部材１０Ｂは第一樹脂とは異なる第二樹脂からなるとともに、第一樹脂が第二樹脂よりも比重の小さい樹脂から構成される。好ましくは、第一樹脂は第二樹脂よりも成形収縮率が小さい樹脂から構成される。
【００３２】
つまり、コンプレッサインペラ１０は、図１（ａ）に示すように、ハブ１１におけるボス孔１２の周りを第二部材１０Ｂよりも比重の小さい第一部材１０Ａで代替した構成を有している。この第一部材１０Ａは、回転軸線Ｃの方向において、背面側１１Ｂから正面側１１Ａに向けたハブ１１の肉厚領域の所定範囲を占有する。
本実施形態においては、第一部材１０Ａは、図１（ａ）に示すように、背面側１１Ｂの側から正面側１１Ａの側に向けて先細りになる概ね三角形状の縦断面をなしている。この縦断面は、回転軸線Ｃを境にして一方側の形状だけを捉えたものである。これは、コンプレッサインペラ１０のハブ１１及びボス１３の縦断面が、背面側１１Ｂの側から正面側１１Ａの側に向けて先細りの形状を有していることに基づいている。
【００３３】
第一部材１０Ａは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、回転軸線Ｃの周りに連続して連なって設けられている。第一部材１０Ａよりも内側には第二部材１０Ｂがボス１３の一部として存在しており、回転軸線Ｃから径方向の外側に向けて、第二部材１０Ｂ、第一部材１０Ａ及び第二部材１０Ｂの順で配列されている。
【００３４】
［第一部材１０Ａ，第二部材１０Ｂを構成する材料］
コンプレッサインペラ１０を構成する第一部材１０Ａ及び第二部材１０Ｂは、第一部材１０Ａが第二部材１０Ｂより比重の小さい樹脂で構成されている。本実施形態における第一樹脂及び第二樹脂は、強化繊維を含まない樹脂と強化繊維を含む繊維強化樹脂の両方を意味している。
以下、本実施形態の第一樹脂、第二樹脂に用いることのできる樹脂を説明するが、これらの樹脂の中から、比重、成形収縮率の大小を考慮して第一樹脂、第二樹脂に用いられる樹脂が特定される。
【００３５】
［発泡性樹脂］
発泡性樹脂とは、ガスを細かく分散させ、発泡状または多孔質形状に成形された合成樹脂をいう。
成形用樹脂に発泡性を付与するには、以下の二つの方法から一方を選択すればよい。一方は、発泡剤を含んだ樹脂を原料として用いる方法であり、他方は発泡用ガスを成形機の中に直接注入し発泡用ガスを溶融樹脂に溶解させる方法である。
発泡性樹脂は、同じ組成の樹脂に比べて、発泡して気泡を含んでいる分だけ比重が小さくなるので、比重の観点からすると第一樹脂として用いられるのが好ましい。発泡性樹脂を用いる場合に、第一部材１０Ａをなす第一樹脂を発泡性樹脂から構成し、第二部材１０Ｂをなす第二樹脂は発泡性が付与されておらず、かつ、第一部材１０Ａを構成する発泡性樹脂と同じ材質の樹脂から構成することができる。
【００３６】
もっとも、本発明はこの組み合わせに限ることはなく、第一部材１０Ａを構成する発泡性樹脂と異なる材質の樹脂から第二部材１０Ｂが構成されていてもよい。また、本発明は、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂの双方を発泡性樹脂から構成してもよく、この形態においては、発泡の部分を除いて、第一部材１０Ａに第二部材１０Ｂよりも比重の小さい樹脂を用いることになる。
【００３７】
また、本発明の発泡性樹脂における発泡倍率は１．０５〜２．０倍が好ましい。なお、発泡倍率とは、発泡前の素材プラスチックの密度を発泡後のフォームの見掛密度で除した値である。
１．０５倍未満だと本発明による回転応答性を高める効果を有効に得ることができないおそれがある。
また、発泡倍率が２．０倍を超える発泡を行うと、第一部材１０Ａ内の気泡の分布や大きさのバラツキが大きくなり、第一部材１０Ａの見掛密度の回転軸線Ｃに対する線対称性または点対称性が崩れてしまう。ここで、気泡の発生箇所や成長は、発泡ガスが溶融樹脂に溶解している濃度分布や溶融樹脂の粘度分布（温度分布）のバラツキや、発泡過程における溶融樹脂の圧力分布（圧力の伝搬バラツキ）の影響が大きいので制御することは難しい。このため２．０倍を超える発泡倍率で発泡させると、局部的に大きな気泡が発生する箇所や、一度発生した気泡が隣接した気泡に吸収されて消失してしまう箇所が発生してしまい、見掛け密度が大きく異なる箇所が不規則に多数発生する場合がある。第一部材１０Ａの見掛密度の回転軸線Ｃに対する線対称性または点対称性が崩れてしまうと、コンプレッサインペラ１０を高速回転させたときに回転ブレ（振動）が発生してしまい、コンプレッサインペラ１０および周辺部材が衝突して一方或いは互いを破損させてしまう虞がある。
また、本発明による回転応答性を高める効果を有効に得るためには発泡倍率を１．１倍以上にすることが更に好ましい。また見掛密度の回転軸線Ｃに対する線対称性または点対称性を崩さないためには発泡倍率を１．５倍以下とすることが更に好ましい。
【００３８】
［結晶性／非晶性］
次に、結晶性樹脂及び非晶性樹脂について説明する。
樹脂は熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂に区分され、さらに、熱可塑性樹脂は結晶性樹脂と非晶性樹脂とに区分される。
樹脂において、分子鎖が規則正しく配列された状態を結晶領域といい、この結晶領域の量の比率が高い樹脂を結晶性樹脂という。一方、結晶化度が極めて小さいか、結晶化状態になり難い高分子化合物を非晶性樹脂という。
【００３９】
結晶性樹脂と非晶性樹脂とを比較すると、結晶性樹脂は高靭性・高硬度であり、成形収縮率が大きく、非晶性樹脂は柔軟性があり、成形収縮率が小さい。したがって、成形収縮率の観点からすると、非晶性樹脂を第一樹脂とし、結晶性樹脂を第二樹脂として用いることができる。また、以下に例示するように、非晶性樹脂の方が結晶性樹脂よりも比重が概ね小さいので、比重の観点からも第一樹脂として非晶性樹脂を用いることができる。ただし、以下の例示にもあるように、ＰＥＴは成形収縮率が非晶性樹脂と同等であるなどの例外もあるので、具体的に第一樹脂、第二樹脂を定める際には、比重、成形収縮率を確認することが必要である。
【００４０】
結晶性樹脂としては、以下が例示される。なお、カッコ書き中の二つの数値の前者は比重（ｇ／ｃｍ３）を示し、後者は成形収縮率（％）を示している。非晶性樹脂についても同様である。
ＰＰ（ポリプロピレン；０．９０〜０．９１，０．０１〜０．０２５）
ＰＯＭ（ポリアセタール；１．４２，０．０２〜０．０２５）
ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート；１．３１〜１．３８，０．０１５〜０．０２）
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート；１．３４〜１．３９，０．００２〜０．００４）
【００４１】
非晶性樹脂としては、以下が例示される。
ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル；１．３５〜１．４５，０．００１〜０．００５）
ＰＳ（ポリスチレン；１．０４〜１．０９，０．００４〜０．００７）
ＡＳ（アクリルニトリルスチレン；１．０７５〜１．１０，０．００２〜０．００７）
ＡＢＳ樹脂（耐高衝撃性；１．０１〜１．０４，０．００４〜０．００９）、
ＰＭＭＡ（メタクリル樹脂；１．１７〜１．２０，０．００１〜０．００４）
ＰＣ（ポリカーボネート；１．２，０．００５〜０．００７）
【００４２】
［熱可塑性／熱可塑性］
次に、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂について説明する。
本実施形態は、第一樹脂として熱可塑性樹脂を用い、第二樹脂として熱硬化性樹脂を用いることができる。
熱可塑性樹脂は加熱すると軟化・流動して可塑性を示し、冷却すると固化するのに対して、熱硬化性樹脂は熱可塑性と同じく加熱により軟化・流動するが、次第に三次元網目構造を形成する架橋反応を起こして硬化する。機械的な特性を比較すると、熱可塑性樹脂は靭性が高く、熱硬化性は剛性が高い。熱硬化性樹脂は、高温環境下でも軟化せず、かつ成形収縮率が小さいために、寸法安定性や機械的強度や耐薬品性が高いが、比重が大きい。
【００４３】
コンプレッサインペラ１０は、コンプレッサインペラ１０の性能（気体の圧縮効率など）の良否にはその外観形状が維持されるか否かが大きく影響するので、第二部材１０Ｂを高剛性とすることが好ましい。そこで、第二部材１０Ｂをなす第二樹脂として熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。一方で、コンプレッサインペラ１０は、占有体積が大きくコンプレッサインペラ１０の全重量に大きく影響する第一部材１０Ａの部分を比重が小さく靱性の高い熱可塑性樹脂で形成することが好ましい。これにより、コンプレッサインペラ１０は、性能と強度を両立させることができる。
【００４４】
また、コンプレッサブレード１５を含む第二部材１０Ｂを熱硬化性樹脂から構成することにより、金型転写の高い寸法精度が得られる。加えて、圧縮流体の温度が高温の場合でも使用が可能となり、また圧縮流体中に油滴など油成分などを含有した場合でも耐久性を高めることができるため、コンプレッサブレード１５の使用環境範囲の拡大ができる。一方で、第一部材１０Ａを比重の小さい熱可塑性樹脂から構成することにより、第二部材１０Ｂの耐環境性を高めたまま、回転慣性が低減することによりコンプレッサインペラ１０の回転応答性が高くなる。
【００４５】
熱硬化性樹脂としては、以下が例示される。なお、熱可塑性樹脂の例示は、結晶性樹脂及び非晶性樹脂のところで示した通りである。
ＰＦ（フェノール樹脂；１．２１〜１．３０）
ＵＦ（ユリア樹脂；１．４７〜１．５２）
ＭＦ（メラミン樹脂；１．４８）
ＵＰ（不飽和ポリエステル；１．１０〜１．４６）
ＰＵ（ポリウレタン；１．１〜１．５）
ＰＤＡＰ（アリル樹脂；１．５５〜１．６８）
【００４６】
［繊維強化樹脂］
次に、本実施形態は第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂの両方に繊維強化樹脂を用いることができる。ただし、含有させる強化繊維が同じものであることを前提として、第一部材１０Ａの強化繊維の含有率を第二部材１０Ｂの強化繊維の含有率よりも低くする。
これにより、強化繊維含有樹脂を使用する場合でも、体積の多くを占める第一部材１０Ａの強化繊維の含有量が低く抑えられるために、コンプレッサインペラ１０のハブ１１におけるひずみを低減できる。
【００４７】
また、発泡性樹脂からなる第一部材１０Ａに強化繊維を含有させると、強化繊維の配向がランダムとなり第一部材１０Ａの強度の方向性を抑制できる。これにより、偏りのない等方性のある強度を得ることができるとともに、偏った成形収縮による歪みを抑制することができる。
ここで、発泡性樹脂中の強化繊維は気泡の中に入ることはなく樹脂中に留まるが、気泡はランダムに且つ均一に分布するため、気泡間の樹脂もランダム点在するとなる。気泡間の樹脂は気泡が成長する際に気泡が拡径する方向に延伸されるため、樹脂中の繊維も気泡の膨張に沿って配向されやすい。このためランダムに点在する気泡の周りで強化繊維をランダムに配向させることができる。この場合も均一な気泡サイズと分布を得ることができる発泡倍率が、１．０５倍〜２．０倍の発泡成形が好ましい。
【００４８】
本実施形態に適用できる繊維強化樹脂は任意であるが、典型的には、ＣＦＲＰ（Carbon-Fiber Reinforced Plastic）、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）が用いられる。また、繊維強化樹脂の基地をなす樹脂は任意であり、例えばポリエステル、ビニルエステル、エポキシなどから選択できる。また第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂの両方に繊維強化樹脂をそれぞれ異なる素材からなる強化繊維を適用してもよい。例えば第一部材１０ＡにＣＦＲＰを適用し第二部材１０ＢにＧＦＲＰを適用してもよいし、あるいは逆に第一部材１０ＡにＧＦＲＰを適用し第二部材１０ＢにＣＦＲＰを適用してもよい。つまり強化繊維自体の比重に関係なく、強化繊維の含有率をそれぞれ調整するなどにより、強化繊維を含有した第一部材１０Ａの比重が強化繊維を含有した第二部材１０Ｂの比重よりも小さければよい。
【００４９】
［第二部材１０Ｂの一体成形］
コンプレッサインペラ１０は、第二部材１０Ｂの部分が一体的に形成されている。つまり、本実施形態は、高強度、高剛性を必要とされるボス１３を、同じく高強度、高剛性を必要とされるコンプレッサブレード１５を含むハブ１１と同じ樹脂により一体的に成形する。これにより、ボス１３に十分な強度を与えるとともに、ハブ１１に発生する遠心力をボス１３を介して回転軸で支持することができるので、高速回転時のコンプレッサインペラ１０の変形量を微小にすることができる。
【００５０】
また、ハブ１１とボス１３は、予め個別に成形して接着あるいは溶着させるのではなく、一度の射出成形により一体的に成形することが好ましい。特に、第二部材１０Ｂを繊維強化樹脂により成形する場合は、ハブ１１とボス１３を予め個別に成形した後に互いを接着あるいは溶着させると、強化繊維は接合面を跨いてハブ１１とボス１３を連結させることはない。この場合、接合部の接合強度には強化繊維による強度は期待できない。これに対し、ハブ１１とボス１３を一度の射出成形により一体的に成形すると、接合部がなくなるので強化繊維はハブ１１とボス１３の境界部を跨いでハブ１１とボス１３を連結することができ、境界部は強化繊維による強度を備えることができる。
【００５１】
［コンプレッサインペラ１０の製造方法］
次に、コンプレッサインペラ１０を射出成形により製造する好適な製造方法を、図２〜図４を参照して説明する。
本実施形態における製造方法は、第一部材１０Ａを製造する第一ステップと、第二部材１０Ｂにより第一部材１０Ａをインサート成形する第二ステップと、を備えている。以下、第一ステップ、第二ステップの順に説明する。
【００５２】
［第一ステップ］
第一ステップは、図２（ａ）に示すように、第一要素５１と第二要素５５からなる成形金型５０を用いて前述した樹脂を射出成形することにより、第一部材１０Ａを単体で製造する工程である。
【００５３】
第一要素５１は、図示を省略する射出成形機のシリンダから射出される溶融樹脂を第二要素５５に向けて供給することを主たる機能としている。
第一要素５１は、以上の機能を果たすために、射出成形機からの溶融樹脂を通す三角錐状のランナ５２と、第二要素５５との境界部分に設けられ第二要素５５とともに円板状のフィンゲート５３と、を備えている。ランナ５２とフィンゲート５３は、いずれも第一要素５１に形成された空隙からなり、互いに連通している。フィンゲート５３は、流入する樹脂がゲートの中心軸から放射状に広がる。
【００５４】
第二要素５５は、第一要素５１を介して供給される溶融樹脂を受けることで、第一部材１０Ａを成形することを主たる機能とする。
第二要素５５は、以上の機能を果たすために、第一部材１０Ａが成形されるキャビティ５７を備えている。キャビティ５７は、第二要素５５に形成された空隙からなり、フィンゲート５３と全周にわたって連通するとともに、第一部材１０Ａと同等の形状及び寸法を有しており、回転軸線Ｃの周りの周方向に連なって形成されている。
【００５５】
図３（ａ）に示すように、成形金型５０のキャビティ５７に向けて溶融樹脂を射出することにより第一部材１０Ａを成形する。樹脂が固化した後に第一要素５１と第二要素５５を型ばらししてから第一部材１０Ａを成形金型５０から取り出す。取れ出された第一部材１０Ａは、ランナＬが付いているので、図３（ｃ），（ｄ）に示すように、第一部材１０ＡからランナＬを切除する。この第一部材１０Ａは次の第二ステップに供される。なお、図３は成形金型５０のハッチングを省略している。図４も同様である。
【００５６】
［第二ステップ］
次に、第二ステップは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、先に成形された第一部材１０Ａを成形金型６０の所定位置に配置した状態で、第二部材１０Ｂを射出成形することで、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂが接合されたコンプレッサインペラ１０を製造する工程である。第二部材１０Ｂを成形する工程は、いわゆるインサート成形からなる。
【００５７】
第二ステップで用いられる成形金型６０は、図２（ｂ）に示すように、コンプレッサインペラ１０の形状に応じて、第一要素６１、第二要素６２及び第三要素６３の三つの独立した要素を備える。
成形金型６０は、第一要素６１〜第三要素６３に亘って、コンプレッサインペラ１０を成形するための空隙であるキャビティ６４が形成される。第一要素６１は、キャビティ６４の中で主にボス１３に対応する部分を担う。第二要素６２は、キャビティ６４の中でコンプレッサブレード１５に対応する部分を担う。さらに、第三要素６３は、キャビティ６４の中で背面側１１Ｂの側に対応する部分を担う。
【００５８】
成形金型６０は、図２（ｂ）に示すように、位置合わせされた第一要素６１〜第三要素６３を固定して保持するとともに、ランナ６６が設けられる保持金型６５を備える。保持金型６５は、第一要素６１〜第三要素６３をその周囲から取り囲むことで、第一要素６１〜第三要素６３を保持する。図示を省略しているが、ランナ６６に連なるゲートはフィンゲートであることが好ましい。
【００５９】
また、成形金型６０は、コンプレッサインペラ１０にボス孔１２を形成するために、中心部にセンターピン６８が挿入されている。センターピン６８は、本実施形態においては、背面側１１Ｂの側から挿入されるが、キャビティ６４を貫通することなく、その先端６８Ｅが正面側１１Ａの側から後退してキャビティ６４の内部に留まっている。
【００６０】
以上の成形金型６０を用い、図２（ｂ）に破線で示すように、キャビティ６４の所定位置に別途製造された第一部材１０Ａを配置して、溶融樹脂を射出することにより、第一部材１０Ａを第二部材１０Ｂでインサート成形してコンプレッサインペラ１０が得られる。
樹脂が固化した後に成形金型６０を型ばらしすることにより、コンプレッサインペラ１０を成形金型６０から取り出すが、センターピン６８を取り除く。また、ボス１３の先端部分を削除してボス孔１２を貫通させる。ただし、この先端部分の削除をせずにそのまま残してもよい。
以上の工程を辿ることにより、コンプレッサインペラ１０が製造される。
【００６１】
［強化繊維の配向］
次に、第一樹脂及び第二樹脂の両方に繊維強化樹脂を用いたときの、第一ステップと第二ステップのそれぞれにおける強化繊維Ｆの配向方向について、図５を参照して説明する。
前述したように、繊維強化樹脂における強化繊維は、表層のスキン層は樹脂の流動方向ＭＤに沿って配向し、スキン層よりも内側のコア層は流動方向ＭＤに対して直交方向ＴＤに沿って配向する。
【００６２】
したがって、第一ステップで得られる第一部材１０Ａにおいて、図５（ａ）に示すように、表層のスキン層ＳＬは強化繊維Ｆが流動方向ＭＤに配向される。また、スキン層ＳＬよりも内側のコア層ＣＬは強化繊維Ｆが直交方向ＴＤに配向される。この配向状態は、第二ステップのインサート成形後にも維持される。
【００６３】
次に、第二ステップで得られる第二部材１０Ｂについても同様の傾向を示す。つまり、図５（ｂ）に示すように、表層のスキン層ＳＬは強化繊維Ｆが流動方向ＭＤに配向され、スキン層ＳＬよりも内側のコア層ＣＬは強化繊維Ｆが直交方向ＴＤに配向される。
【００６４】
以上のように強化繊維Ｆが配向されたコンプレッサインペラ１０は、図５（ｂ）に示すように、ハブ１１の外周面から回転軸線Ｃに向けて、強化繊維Ｆの配向方向が、ＭＤ方向、ＴＤ方向、ＭＤ方向（第二部材１０Ｂ）、ＭＤ方向、ＴＤ方向、ＭＤ方向（第一部材１０Ａ）となる。このように、コンプレッサインペラ１０は、通常は表層にしか形成されないスキン層を、インサート成形を適用することにより、表層から内側に入った内部に強化繊維Ｆの配向を有する部分を設けることができる。これによりコンプレッサインペラ１０は表層だけでなく内部においても、回転軸線Ｃ方向の応力に耐える強化繊維を配置することができるとともに、成形収縮の偏りを抑制することができる。
【００６５】
［第１実施形態の効果］
次に、第１実施形態が奏する効果について説明する。
＜第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂによる効果＞
体積の多くを占める肉厚領域、つまり第一部材１０Ａを比重の小さい第一樹脂から構成することで当該領域を軽量化できる。これにより、コンプレッサインペラ１０の回転慣性を低減できるので、回転応答性の高いコンプレッサインペラ１０を得ることができるとともに、遠心力を低減することでボス１３に発生する応力を低減できる。
さらに、第一部材１０Ａを成形収縮率の小さい第一樹脂で構成すれば、肉厚領域に引け巣が生じるのを防止できるので、コンプレッサインペラ１０に生ずるひずみを低減できる。
【００６６】
また、第一部材１０Ａをなす第一樹脂として熱可塑性樹脂を用い、第二部材１０Ｂをなす第二樹脂として熱硬化性樹脂を用いれば、コンプレッサインペラ１０の性能と強度を両立させることができる。さらに、当該樹脂を用いることにより、金型転写の寸法精度と耐熱性、耐薬品性の向上、耐環境性を高めたまま、回転慣性の低減による回転応答性の向上にも寄与する。
【００６７】
第一部材１０Ａ及び第二部材１０Ｂの双方を強化繊維含有樹脂から構成する場合であっても、体積の多くを占める第一部材１０Ａの強化繊維の含有量を低く抑えれば、ハブ１１のひずみを低減できる。
【００６８】
＜強化繊維Ｆの配向方向による効果＞
コンプレッサインペラ１０は、回転軸線Ｃに向けて、強化繊維Ｆの配向方向が、ＭＤ方向、ＴＤ方向、ＭＤ方向（第二部材１０Ｂ）、ＭＤ方向、ＴＤ方向、ＭＤ方向（第一部材１０Ａ）となる。このように、コンプレッサインペラ１０を全体として捉えたときに、その表層だけでなくその内部にも強化繊維が流動方向ＭＤに配向された部分が存在するので、成形収縮が偏って生じるのを低減できる。
【００６９】
＜製造方法による効果＞
本実施形態はフィンゲート５３を用いるので、図６（ａ）に示すように、樹脂流ＦＬが回転軸線の方向に沿って全周にわたって周方向に均一にキャビティに流入する。これにより、樹脂流ＦＬがゲート部で分割されずにキャビティ内に流入できるため、キャビティ内で樹脂流ＦＬが合流することがなく、ウェルドの発生を防止できる。したがって本実施形態の製造方法によれば、局部的に強度の低い部分がないために周方向に均一な強度が得られる。
【００７０】
これに対して、図６（ｂ）に示すように、樹脂流れＦＬが周方向に分かれてしまうと、図６（ｃ）に示すように、キャビティ内で樹脂Ｒが合流する。この合流により生じたウェルド（weld）は、溶着の度合いが他の部位よりも低くなり易いので、機械的な強度の低下を招く恐れがある。また、またウェルドを挟んだ両側の強化繊維は、図６（ｃ）に示すように、ウェルドラインと略平行に配向し、ウェルドラインを跨いで配向することはない。このためウェルドの接合部の接合強度には強化繊維による強度は期待できない。これに対して本実施形態によれば、ウェルドが発生しないので、全周にわたって強化繊維の強度を有効に得ることができる。
【００７１】
また、フィンゲート５３を用いかつ繊維強化樹脂を射出成形する場合、図６（ａ）に示すように、樹脂流ＦＬの流れる方向が回転軸線Ｃの一端側から他端側に向けて線対称あるいは点対称になるため、強化繊維を樹脂流ＦＬと直交する方向（直交方向ＴＤ）である周方向に配向することが容易となる。これによりコンプレッサインペラ１０が高速回転する時の遠心力によりハブ１１に発生する周方向の引張応力に対して強化繊維の強度を全周にわたって有効に得ることができる。
【００７２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、図７（ａ）に示すように、コンプレッサインペラ１０の背面側１１Ｂに補強体１０Ｃを設けることができる。この補強体１０Ｃは、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂに跨って、かつ、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂのそれぞれの背面側１１Ｂに接合される。これにより、コンプレッサインペラ１０が回転すると生じる遠心力によって半径方向に作用する力を補強体１０Ｃで受けることで、コンプレッサインペラ１０の強度を増大させることができる。
【００７３】
補強体１０Ｃとしては、高強度である強化繊維シート、例えばプリプレグを用いることができる。
プリプレグとは、繊維状補強材に、硬化剤、着剤材などの添加物を混合したエポキシなどの熱硬化性樹脂を均等に含浸させ、加熱または乾燥して半硬化状態にした樹脂成形品である。
【００７４】
補強体１０Ｃを設けるには、以下の第一手段、第二手段から選択できる。
第一手段：第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂからなるコンプレッサインペラ１０を製造した後に、所定形状に成形されたプリプレグを背面側１１Ｂに例えば接着剤により貼り付ける。接着剤は、プリプレグに含侵されることにより、プリプレグの空隙を埋めるとともに、コンプレッサインペラ１０の背面側１１Ｂと接合される。
【００７５】
第二手段：前述した第一ステップにおいて、補強体１０Ｃとなるプリプレグを第一部材１０Ａとともにインサート成形し、次いで前述した第二ステップにおいてプリプレグが接合された第一部材１０Ａを第二部材１０Ｂでインサート成形する。この製造の過程が図８に示されている。
第二手段はプリプレグを貼り付ける工程を省くことができるので、第一手段より生産効率が高い。
【００７６】
また、補強体１０Ｃは第一部材１０Ａ、第二部材１０Ｂとは別体の部材を接合したが、補強体１０Ｃと同様の機能を有する補強体１０Ｄを第二部材１０Ｂと一体的に設けることもできる。図７（ｂ）がその例を示すが、このコンプレッサインペラ１０は前述した第二ステップにおいて、第一部材１０Ａの背面側１１Ｂを覆うように（第一部材１０Ａを第二部材１０Ｂに内装するように）インサート成形することで製造される。
【００７７】
また、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂの接合強度を確保する他の手段として、第一部材１０Ａと第二部材１０Ｂの境界部分に凸凹形状などによる係合部を設けることができる。第一部材１０Ａの係合部と第二部材１０Ｂの係合部が互いに係合されることで、遠心力によって半径方向に作用する力を受ける。係合部は遠心力で第二部材１０Ｂが第一部材１０Ａから離間するのに抗するように、第一部材１０Ａの外側、あるいは第二部材１０Ｂの内側の境界部分に設けることが好ましい。
【００７８】
また、以上の実施形態における第一部材１０Ａは周方向に連なるリング状の形態をなしているが、周方向に分割された形態にしてもよい。分割された形態の部材は、周方向に間隔をあけて設けることができる。ただし、コンプレッサインペラ１０が高速で回転するものであるから、分割された形態の部材は、分割された第一部材１０Ａは、重心が回転軸線Ｃ上に位置するように配置されるが好ましい。また回転軸線Ｃに対して点対称あるいは線対称をなす位置に、分割された第一部材１０Ａがそれぞれ配置されることが、高速回転時の回転ブレ（振動）を防止するために更に好ましい。
【符号の説明】
【００７９】
１      ターボチャージャ
１０    コンプレッサインペラ
１０Ａ  第一部材
１０Ｂ  第二部材
１０Ｃ，１０Ｄ  補強体
１１    ハブ
１１Ａ  正面側
１１Ｂ  背面側
１２    ボス孔
１３    ボス
１５    コンプレッサブレード
１５Ａ  長翼
１５Ｂ  短翼
１７    タービンインペラ
１８    タービンブレード
１９    回転軸
２０    コンプレッサハウジング
３０    タービンハウジング
５０    成形金型
５１    第一要素
５２    ランナ
５３    フィンゲート
５５    第二要素
５７    キャビティ
６０    成形金型
６１    第一要素
６２    第二要素
６３    第三要素
６４    キャビティ
６５    保持金型
６６    ランナ
６８    センターピン
【図１】
2019124129.tif 000003
【図２】
2019124129.tif 000004
【図３】
2019124129.tif 000005
【図４】
2019124129.tif 000006
【図５】
2019124129.tif 000007
【図６】
2019124129.tif 000008
【図７】
2019124129.tif 000009
【図８】
2019124129.tif 000010
【図９】
2019124129.tif 000011