(57)【要約】【課題】根元部の層間剥離を抑制し、羽根車のボスでの破損を抑制することができる羽根車を得る。【解決手段】この発明に係る羽根車は、繊維強化プラスチックからなる羽根基材２１、及びこの羽根基材２１を覆い羽根基材２１で強化された樹脂で構成され、回転軸線上のボスから径方向に三次元的に捩じれて外側に延びた複数の羽根が、回転により軸線方向の力を生じさせる羽根車において、羽根基材２１は、内径側にそれぞれ前記回転軸線の周囲を部分的に囲った根元部６ａ，７ａ，８ａを有する繊維基材部６，７，８で構成され、各繊維基材部６，７，８は、隣接した根元部６ａ，７ａ，８ａ同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化プラスチックからなる羽根基材、及びこの羽根基材を覆い羽根基材で強化された樹脂で構成され、回転軸線上のボスから径方向に三次元的に捩じれて外側に延びた複数の羽根が、回転により軸線方向の力を生じさせる羽根車において、
前記羽根基材は、内径側にそれぞれ前記回転軸線の周囲を部分的に囲った根元部を有する複数の繊維基材部で構成され、
各前記繊維基材部は、隣接した前記根元部同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置されている羽根車。
【請求項２】
各前記繊維基材部は、前記羽根に作用する遠心力方向に対して同じ繊維配向で、かつ同じ繊維量である請求項１に記載の羽根車。
【請求項３】
各前記繊維基材部は、前記根元部が隣接した前記繊維基材部の前縁まで延びている請求項１または２に記載の羽根車。
【請求項４】
前記繊維強化プラスチックは、縦糸と横糸の打ち込み量の等しい直交織物である請求項１〜３の何れか１項に記載の羽根車。
【請求項５】
前記請求項１に記載の前記羽根車の製造方法であって、
成形型に各前記繊維基材部を隣接した前記根元部同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置する工程と、
前記成形型に注入された前記樹脂を硬化させて前記羽根車を成形する工程と、
前記羽根車を脱型する工程と、を備えた羽根車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば送風機に使用される繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）製の羽根車に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流型の羽根車は、送風機に多く採用されており、気体を軸線方向から吸い込んで軸線方向に送風するために複数枚の羽根が、回転軸付近で一体化または連結されており、それぞれの羽根が三次元的に捩れた同一の形状を有している。
また、それぞれの羽根は、遠心力方向に対して同じ形状でかつ同じ剛性であるため、回転してもアンバランスを生じることがなく、振動を抑制することができる。
そして、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があるが、どちらも羽根に働く遠心力により遠心力方向に引張られるとともに、捩れた形状の羽根が平板になろうとする方向にモーメントを受け、羽根の根元部や羽根の前縁には高い応力が発生して羽根車が破損するという問題がある。
そのため、羽根の根元周辺や前縁部の断面係数を部分的に向上させる目的で、板厚を増したり、リブを設けたりする方法が考えられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方で、繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化プラスチック(ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics)は、積層面内で高い比強度・比剛性を実現できる複合材料であり、人工衛星・航空機などで多く採用されている。
また、大きな異方性を設計でき、積層面内の必要な方向に必要な特性を与えることができるため、構造物の更なる軽量化と使用材料の低減を可能にする材料である。
繊維強化プラスチックを用いた羽根車は、軽量で比強度・比剛性が高く、異方性を持たせることが可能なため、破損を生ずることなく、より大型でより高速回転が可能で大容量の送風性能を有する送風機を実現できる（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０８２５８６号公報
【特許文献２】特開平６-２１２９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２のように繊維強化プラスチックを用いた羽根車によれば、大容量の送風性能を有する送風機を実現できるが、この送風機を製造するに当たり、各羽根を個別に成形した後に、それぞれの羽根を接合して羽根車を製造した場合には、羽根の成形回数が多く生産性が悪いという問題点がある。
【０００６】
これに対しては、例えば各羽根に対応して繊維強化プラスチックを分割し、この分割された各繊維基材部を径方向内側の円環状の根元部で積層し、各繊維基材部を一体化した羽根基材を樹脂成形することで羽根の成形回数を削減することができるものの、根元部での積層面外方向の引張強度の低い繊維強化プラスチックでは、羽根車のボス周辺の積層面外方向（剥離方向）に発生した応力により、層間剥離が生じ、羽根車が破損するという問題点がある。
【０００７】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、根元部での層間剥離による羽根車のボスでの破損を抑制することができるとともに、生産性が向上する羽根車、及びその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る羽根車は、繊維強化プラスチックからなる羽根基材、及びこの羽根基材を覆い羽根基材で強化された樹脂で構成され、回転軸線上のボスから径方向に三次元的に捩じれて外側に延びた複数の羽根が、回転により軸線方向の力を生じさせる羽根車において、
前記羽根基材は、内径側にそれぞれ前記回転軸線の周囲を部分的に囲った根元部を有する複数の繊維基材部で構成され、
各前記繊維基材部は、隣接した前記根元部同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置されている。
【０００９】
この発明に係る羽根車の製造方法は、成形型に各繊維基材部を隣接した根元部同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置する工程と、
前記成形型に注入された樹脂を硬化させて前記羽根車を成形する工程と、
前記羽根車を脱型する工程と、を備えている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明に係る羽根車によれば、各繊維基材部は、隣接した根元部同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置されているので、根元部での積層面外方向の応力が負(圧縮応力)となり、積層面外方向の引張強度が低い繊維強化プラスチックであっても根元部での層間剥離が抑制できる。
【００１１】
また、この発明に係る羽根車の製造方法によれば、成形型に各繊維基材部を隣接した根元部同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置する工程を備えているので、羽根車を１回の樹脂成形で得ることができ、生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１による羽根車を示す斜視図である。
【図２】図１の羽根車の羽根基材を示す上面投影図である。
【図３】図２の羽根基材のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視投影図である。
【図４】図３の第１の繊維基材部を示す上面投影図である。
【図５】図１の羽根車の製造工程を示す上面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った矢視断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２による羽根車の羽根基材を示す上面投影図である。
【図８】図７の第１の繊維基材部を示す上面投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の各実施の形態の羽根車について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による羽根車１を示す斜視図である。
羽根車１は、軸流型であって気体を軸線方向から吸い込んで軸線方向に送風する羽根車であり、矢印イの方向に回転する。この羽根車１は、回転軸線５上のボス２０から径方向に延びて、周方向に等間隔をおいて第１の羽根２、第２の羽根３及び第３の羽根４が設けられている。羽根車１の回転により、第１の羽根２、第２の羽根３及び第３の羽根４には、それぞれ矢印ロの方向に遠心力が作用する。
この羽根車１は、炭素繊維強化プラスチック製であり、強化材である炭素繊維強化プラスチックと、この炭素繊維強化プラスチックで強化された母材であって炭素繊維強化プラスチックを覆ったビニルエステル樹脂とから構成されている。
第１の羽根２、第２の羽根３及び第３の羽根４は、何れも同じ形状で三次元的に捩じれた形状であり、各羽根２，３，４の各前縁が各後縁よりも上方（Ｚ軸正方向）に位置している。
【００１５】
図２は、図１の羽根車１の骨格である炭素繊維強化プラスチックで構成された羽根基材２１を示す上面投影図、図３は、図２の羽根基材２１のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った矢視投影図、図４は、図３の第１の繊維基材部６を示す上面投影図である。
羽根基材２１は、第１の繊維基材部６、第２の繊維基材部７及び第３の繊維基材部８で構成されている。第１の繊維基材部６、第２の繊維基材部７及び第３の繊維基材部８は、同一形状であり、それぞれ内径側に回転軸線５の周囲を部分的に囲った半円環状の根元部６ａ，７ａ，８ａが形成されている。
【００１６】
各繊維基材部６，７，８は、何れも遠心力方向ロに対して同じ繊維配向で同じ繊維量である。
また、各繊維基材部６，７，８は、縦糸と横糸の打ち込み量の等しい直交織物であり、熱膨張率が面内で等方性である。
織物の組織は、特に限定されるものではないが、ここでは織物の非対称性の無い平織材を用いている。
各繊維基材部６，７，８は、それぞれ目付け３２０g/m２の平織材１枚で構成されている。
繊維方向は、強度と剛性が必要な方向に自由に設計できるが、今回は遠心力に対する積層面内の強度を確保するため、遠心力方向に対して並行に縦糸を配向させている。
【００１７】
各根元部６ａ，７ａ，８ａでは、第１の繊維基材部６の根元部６ａのうち、前縁側が第２の繊維基材部７の根元部７ａの後縁側で上側に位置しており、後縁側が第３の繊維基材部８の根元部８ａの前縁側で下側に位置している。
この位置関係は、羽根２，３，４の枚数回の回転対称を成しており、同様に第２の繊維基材部７の根元部７ａのうち、前縁側が第３の繊維基材部８の根元部８ａの後縁側で上側に位置しており、後縁側が第１の繊維基材部６の根元部６ａの前縁側で下側に位置している。同様に第３の繊維基材部８の根元部８ａのうち、前縁側が第１の繊維基材部６の根元部６ａの後縁部側で上側に位置しており、後縁側が第２の繊維基材部７の根元部７ａの前縁側で下側に位置している。
つまり、第１の繊維基材部６の根元部６ａの下に第２の繊維基材部７の根元部７ａが、第２の繊維基材部７の根元部７ａの下に第３の繊維基材部８の根元部８ａが、第３の繊維基材部８の根元部８ａの下に第１の繊維基材部６の根元部６ａがそれぞれ重ねられている。
【００１８】
この実施の形態による羽根車１によれば、羽根基材２１は、矢印イの方向に回転し、各繊維基材部６，７，８は、矢印ロの方向に遠心力を受けることで、捩れた形状を有する各繊維基材部６，７，８は、平板に戻ろうとする図３の矢印ハの方向にモーメントを受ける。なお、図３の７ｂは第２の繊維基材部７の外周端面であり、８ｂは第３の繊維基材部８の外周端面である。
この実施の形態の繊維基材部６，７，８では、隣り合う根元部６ａ，７ａ，８ａ同士がこのモーメントを打ち消す順序で上下互い違いに重なり合うように積層されているので、根元部６ａ，７ａ，８ａでは、積層面外（図３の上下方向、Ｚ方向）の剥離応力が負（圧縮応力）となる。
従って、繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化プラスチックは、一般に層間の引張強度が他の方向に比べて低いことが知られているが、根元部６ａ，７ａ，８ａでの層間の圧縮強度は、引張強度以上の絶対値を有するため、羽根車１のボス２０での破損を抑制することができる。
【００１９】
また、各繊維基材部６，７，８は、何れも遠心力方向に対して同じ繊維配向で同じ繊維量であるので、羽根車１が回転したときのアンバランスを抑制することができる。
また、各繊維基材部６，７，８は、縦糸と横糸の打ち込み量の等しい直交織物であり、熱膨張率が面内で等方性なので、重ね合わせ領域において温度変化を受けたときの熱膨張率差による反りを抑制できる。
【００２０】
次に、上記構成の羽根車１の製造方法について説明する。
図５は、上記羽根車１をＶａＲＴＭ法（Vacuum assist Resin Transfer Molding：真空含浸成形法）により製造する工程を示す上面図、図６は図５のＶＩ-ＶＩ線に沿った矢視断面図である。
成形型１２は、ガラス繊維強化プラスチック製の成形型であり、表面が目的の形状を有しており、離型処理が施されている。
予め目的形状に切断された第１の繊維基材部６、第２の繊維基材部７、第３の繊維基材部８を成形型１２上に賦型する。
このとき、各根元部６ａ，７ａ，８ａでは、第１の繊維基材部６の根元部６ａのうち、前縁側が第２の繊維基材部７の根元部７ａの後縁側で上側に位置し、後縁側が第３の繊維基材部８の根元部８ａの前縁側で下側に位置するように賦型する。同様に、第２の繊維基材部７の根元部７ａのうち、前縁側が第３の繊維基材部８の根元部８ａの後縁側で上側に位置し、後縁側が第１の繊維基材部６の根元部６ａの前縁側で下側に位置するように賦型する。同様に、第３の繊維基材部８の根元部８ａのうち、前縁側が第１の繊維基材部６の根元部６ａの後縁部側で上側に位置し、後縁側が第２の繊維基材部７の根元部７ａの前縁側で下側に位置して賦型する。
【００２１】
続いて、各繊維基材部６，７，８の上に、樹脂１９が硬化した後に引き剥がして除去するシート、いわゆるピールプライ１３を積層し、その上に樹脂１９を各繊維基材部６，７，８の全面に拡散させるための媒体いわゆるフローメディア１４を置く。
次に、真空ポンプの空気の吸引口１５と樹脂タンク（図示せず）からの注入される樹脂１９の注入口１６を取り付け、全体をバギングフィルム１７で覆い、空気が漏れないようにバギングフィルム１７の周囲を、シーラント１８で型に密着させる。
ついで、真空ポンプによってバギングフィルム１７で覆われた繊維織物を含めた内部を、真空状態にしたのち、バルブ（図示せず）を解放して樹脂１９を注入する。バギングフィルム１７で覆われた中は真空状態であり、樹脂１９はフローメディア１４の全面に拡がりながら繊維織物の厚さ方向の含浸が進行する。
樹脂含浸完了後、バルブを閉口し樹脂１９を硬化させる。
樹脂１９が硬化した後、ピールプライ１３を剥いで、フローメディア１４やバギングフィルム１７を除去し、成形型１２から脱型することによって羽根車１を得る。
【００２２】
この製造方法によれば、成形型１２に各繊維基材部６，７，８を隣接した根元部６ａ，７ａ，８ａ同士が周方向に沿って上下互い違いに重なって配置する工程を備えているので、羽根車を１回の樹脂成形で得ることができ、生産性が向上する。
なお、注入口１６は、羽根基材２１の中心に指向しているので、成形型１２内に樹脂１９を注入する際に注入圧で各繊維基材部６，７，８が離間するようなことはない。
【００２３】
実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２における羽根基材２１Ａを示す上面模式図、図８は、図７の第１の繊維基材部９を示す上面模式図である。
この実施の形態では、実施の形態１の羽根基材２１と同様に、第１の繊維基材部９、第２の繊維基材部１０及び第３の繊維基材部１１は、同一形状であり、それぞれ内径側に回転軸線５の周囲を部分的に囲った根元部９ａ，１０ａ，１１ａが形成されている。
また、第１の繊維基材部９、第２の繊維基材部１０及び第３の繊維基材部１１は、実施の形態１と同様に、隣接した根元部９ａ，１０ａ，１１ａ同士が周方向に沿って上下互い違いに重なっている。
また、第１の繊維基材部９の根元部９ａは、第２の繊維基材部１０の上を前縁まで延びて重なっており、第２の繊維基材部１０の根元部１０ａは、第３の繊維基材部１１の上を前縁まで延びて重なっており、また第３の繊維基材部１１の根元部１１ａは、第１の繊維基材部９の上を前縁まで延びて重なっている。
他の構成は、実施の形態１の羽根車１と同じである。
【００２４】
この実施の形態の羽根車１によれば、  各繊維基材部９，１０，１１は、根元部９ａ，１０ａ，１１ａが隣接した繊維基材部９，１０，１１の前縁まで延びているので、実施の形態１の羽根車１と比較して、高い応力が発生する各羽根２，３，４の前縁部位が肉厚であり、その部位の応力を緩和することができる。
即ち、応力が高い部位のみを肉厚とし、羽根車１の全体を肉厚する必要はなく、軽量な羽根車を得ることができる。
【００２５】
なお、上記各実施の形態では、各羽根２，３，４の母材として、強度、剛性の観点からビニルエステル樹脂を用いたが、勿論このものに限定されるものではなく、その他樹脂としては、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、アクリロニトリル等の樹脂であってもよい。
また、繊維基材部６，７，８，９，１０，１１の材料として、強度及び剛性が優れた炭素繊維強化プラスチックを用いたが、その他の繊維強化プラスチックとして、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維等の強化プラスチックであってもよい。
また、繊維基材部６，７，８，９，１０，１１は、平織材１枚で構成されているが、羽根車の使用条件によっては目付けと枚数を変えてもよい。
例えば、各繊維基材部６，７，８，９，１０，１１を各２枚積層し、それぞれを根元部で接続したものを羽根基材としてもよい。
また、各実施の形態では、各羽根２，３，４は、それぞれ一つの繊維基材部６，７，８，９，１０，１１で構成されていたが、各羽根２，３，４は、それぞれ複数に分割された繊維基材部であってもよい。
また、羽根車１の羽根２，３，４は、３枚に限定されないのは勿論である。
【００２６】
また、繊維方向は、強度と剛性が必要な方向に自由に設計することができるのは勿論である。
また、送風機に使用される繊維強化プラスチック製羽根車１以外の他の用途の、風車、水車等の羽根車にもこの発明は適用できる。
【００２７】
また、この羽根車１を製造するに際して、ＶａＲＴＭ法以外のオートクレーブ法、ハンドレイアップ法、ＲＴＭ法等、織物、プリプレグ、シート、コンパウンド等を積層する工程を有する成形型法であってもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１  羽根車、２  第１の羽根、３  第２の羽根、４  第３の羽根、５  回転軸、６  第１の繊維基材部、６ａ  根元部、６ｂ  外周端面、７  第２の繊維基材部、７ａ  根元部、７ｂ  外周端面、８  第３の繊維基材部、８ａ  根元部、８ｂ  外周端面、９  第１の繊維基材部、９ａ  根元部、１０  第２の繊維基材部、１０ａ  根元部、１１  第３の繊維基材部、１１ａ  根元部、１２  成形型、１３  ピールプライ、１４  フローメディア、１５  吸引口、１６  注入口、１７  バギングフィルム、１８  シーラント、１９  樹脂、２０  ボス、２１，２１Ａ  羽根基材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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