(57)【要約】耐侵食性被膜によって覆われた流路空洞を持つ、複合材料で作られたインペラーを提供する。インペラーを製造するため、流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ除去可能なモールドを、メッキ又は溶射により耐侵食性被膜で覆う。前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形して硬化させ、その後、前記複合インペラー上に前記耐侵食性被膜を保ちながら、前記モールドを除去する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
模範的な一実施形態によれば、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーを製造する方法（１００）であって、
流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つモールドを設ける工程（Ｓ１１０）と、
前記モールドを耐侵食性被膜で覆う工程（Ｓ１２０）と、
所定のインペラー・ジオメトリに従って、前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形する工程（Ｓ１３０）と、
前記複合材料を硬化させる工程（Ｓ１４０）と、
前記複合インペラーの前記流路空洞上に前記耐侵食性被膜を残すように前記モールドを除去する工程（Ｓ１５０）と、
を有する方法。
【請求項２】
前記モールドを耐侵食性材料で覆う態様が、モールド材料に応じて定められる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記複合材料が樹脂を含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記モールドが水溶性材料で作られており、前記モールドの前記除去が、水性溶液中で溶解させることによって遂行される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記モールドを耐侵食性被膜で覆う前記工程は、（イ）前記モールドを封止材で被覆し、（ロ）前記封止材の上に導電性塗料を塗布し、そして（ハ）前記導電性塗料の上に耐侵食性の層をメッキする工程を有している、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記封止材がエポキシ塗料である、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記導電性塗料が銀である、請求項５記載の方法。
【請求項８】
耐侵食性の層をメッキする前記工程は、前記導電性塗料の上にＮｉ基材の層をメッキし、次いで無電極ニッケル・メッキ（ＥＮＰ）法を用いて、前記Ｎｉ基材の層の上に耐侵食性の層をメッキする工程を有している、請求項５記載の方法。
【請求項９】
前記導電性塗料の上にＮｉ基材の層をメッキする前記工程は、ウッズ・ニッケル・ストライクを用いて遂行される、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記導電性塗料の上の前記Ｎｉ基材の層は、厚さが１ミル未満である、請求項８記載の方法。
【請求項１１】
ＥＮＰを用いてメッキされた前記耐侵食性の層は、寸法２μｍ未満のダイヤモンドを、約３５容積％の割合で含んでいる、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記モールドが金属で作られており、前記モールドの前記除去が、酸性溶液中で又は塩基性溶液中で溶解させることによって遂行される、請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記モールドが銅又は軟鋼で作られている、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記モールドの前記除去が、硝酸中で溶解させることによって遂行される、請求項１２記載の方法。
【請求項１５】
前記モールドを耐侵食性被膜で覆う前記工程は、溶射によって遂行される、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記耐侵食性被膜は、セラミック及び金属接着剤で作られている。請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
（ａ）前記セラミックがＷＣであり、且つ前記金属接着剤が、（イ）Ｃｏ及びＣｒの組合せ、又は（ロ）Ｎｉ、又は（ハ）Ｎｉ及びＣｒの組合せであり、或いは（ｂ）前記セラミックがＣｒ２  Ｃｏ３  であり、且つ金属接着剤がＮｉ及びＣｒの組合せである、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記耐侵食性被膜は少なくとも１０ミルの厚さを持っている、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
複数の羽根（３）と、前記複数の羽根（３）と接触していて、その中を通る複数の流路空洞を持つシュラウド（４）と、前記複数の流路空洞上の耐侵食性被膜（２０）と、を有するインペラー（１，４０）であって、
前記耐侵食性被膜が、流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ水溶性のモールドを設け（Ｓ２１０）、前記モールドを封止材で被覆し（Ｓ２２０）、前記封止材の上に導電性塗料を塗布し（Ｓ２３０）、前記導電性塗料の上に耐侵食性の層をメッキし（Ｓ２４０）、所定のジオメトリに従って、前記封止材、前記導電性塗料及び前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形し（Ｓ２５０）、前記複合材料を硬化させ（Ｓ２６０）、当該インペラーの前記流路空洞上に少なくとも前記耐侵食性被膜を残しながら、水性溶液中で前記モールドを溶解させる（Ｓ２７０）ことによって作られていること、
を特徴とするインペラー（１，４０）。
【請求項２０】
複数の羽根（３）と、前記複数の羽根（３）と接触していて、その中を通る複数の流路空洞を持つシュラウド（４）と、前記複数の流路空洞上の耐侵食性被膜（２０）と、を有するインペラー（１，４０）であって、
前記耐侵食性被膜が、流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ金属製モールドを設け（Ｓ３１０）、溶射を用いて、前記モールドを耐侵食性の層で覆い（Ｓ３２０）、所定のインペラー・ジオメトリに従って、前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形し（Ｓ３３０）、前記複合材料を硬化させ（Ｓ３４０）、そして当該インペラーの前記流路空洞上に前記耐侵食性被膜を残しながら、酸性溶液中で又は塩基性溶液中で前記モールドを溶解させることによって、作られていること、
を特徴とするインペラー（１，４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的に云えば、インペラー(impeller)の製造方法、及びに耐侵食性被膜を持つように製造されたインペラーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機は、機械的エネルギを使用することによって圧縮性流体（例えば、ガス）の圧力を増大する特定の種類のターボ機械である。様々な種類の圧縮機が、石油及びガス産業における処理工場で使用されている。このような様々な圧縮機の中に、遠心加速度によってガス粒子にエネルギを供給するいわゆる遠心圧縮機がある。遠心加速度は、回転部材によって達成することができる。回転部材は、１つ又は複数のインペラーを含む。
【０００３】
その特定の幾何学的形状及びその機能原理に応じて、インペラーは、明確に画成された流体流路を含むことができる。例えば、図１に示されている遠心インペラー１は、ハブ２に接続され且つシュラウド４によって覆われた複数の羽根３を持っており、これは複合材料で作ることができる。インペラー１は、回転軸Ｘ３Ｄの周りに実質的に３次元の輪郭を持つ。軸方向入口流が、軸方向入口オリフィス５から実質的に半径方向の出口オリフィス７へ向かって通る。入口オリフィス５と出口オリフィス７との間の通路は、流路空洞である。
【０００４】
以前は、インペラーは金属で作られていた。近年になって、部分的に又は完全に複合材料から作られたインペラーが、インペラー市場において割合が増大してきている。部分的に又は完全に複合材料から作られたインペラーは、石油及びガス掘削において生じるような、或る環境内で良好な耐腐食性を持つ。
【０００５】
複合インペラーによる１つの問題は、複合材料が金属よりも耐侵食性が低いこと、すなわち、複合材料が流れの中の固体粒子又は液滴との衝突に起因して摩耗することである。特に流路空洞の周りにおける、この低い耐侵食性は、インペラーの比較的急速な破損を招き、従ってそれを交換するための運転停止につながる。
【０００６】
耐侵食性を良くしようとして、複合インペラーにエポキシ塗料が適用されている。しかしながら、このような塗料は接着性が低く、例えば、主として流体の流れが固体粒子又は液滴を含んでいる石油及びガス産業においてインペラーが使用されるとき、充分な保護を行えない。
【０００７】
従って、上述の問題及び欠点を防止するシステム及び方法を提供することは望ましいと考えられる。
【発明の概要】
【０００８】
模範的な一実施形態によれば、流路空洞に耐侵食性被膜を設けた複合インペラーを製造する方法が提供される。本方法は、（１）流路空洞の負のジオメトリ(negative geometry) に対応する形状を持つモールドを設ける工程と、（２）前記モールドを耐侵食性被膜で覆う工程と、（３）所定のインペラー・ジオメトリに従って、前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形する工程と、（４）前記複合材料を硬化(cure)させる工程と、（５）前記複合インペラーの前記流路空洞上に前記耐侵食性被膜を残すように前記モールドを除去する工程と、を含む。
【０００９】
別の実施形態によれば、インペラーが、複数の羽根と、前記複数の羽根と接触していて、その中を通る複数の流路空洞を持つシュラウドと、前記複数の流路空洞上の耐侵食性被膜とを持つ。前記耐侵食性被膜は、（１）流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ水溶性のモールドを設け、（２）前記モールドを封止材で被覆し、（３）前記封止材の上に導電性塗料を塗布し、（４）前記導電性塗料の上に耐侵食性の層をメッキし、（５）所定のジオメトリに従って、前記封止材、前記導電性塗料及び前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形し、（６）前記複合材料を硬化させ、（７）前記インペラーの前記流路空洞上に少なくとも前記耐侵食性被膜を残しながら、水性溶液中で前記モールドを溶解させることによって作られる。
【００１０】
別の模範的な実施形態によれば、インペラーが、複数の羽根と、前記複数の羽根と接触していて、その中を通る複数の流路空洞を持つシュラウドと、前記複数の流路空洞上の耐侵食性被膜とを持つ。前記耐侵食性被膜は、（１）流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ金属製モールドを設け、（２）溶射を用いて、前記モールドを耐侵食性の層で覆い、（３）所定のジオメトリに従って、前記耐侵食性被膜で覆われた前記モールドの周囲に複合材料を成形し、（４）前記複合材料を硬化させ、（５）前記インペラーの前記流路空洞上に少なくとも前記耐侵食性被膜を残しながら、酸性溶液中で又は塩基性溶液中で前記モールドを溶解させることによって作られる。
【００１１】
添付の図面は、本明細書に取り入れられて明細書の一部を構成するが、本発明の実施形態を例示していて、以下の記載では、これらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、その中に明確に画成された流路を持つインペラーを例示する斜視図である。
【図２】図２は、様々な模範的な実施形態で使用可能な流路空洞モールドを例示する斜視図である。
【図３】図３は、模範的な一実施形態に従った、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーを製造する方法の流れ図である。
【図４】図４は、様々な模範的な実施形態で取り入れられる、耐侵食性被膜で覆われたモールドの周囲の複合材の成形を例示する斜視図である。
【図５】図５は、モールド材料を溶解する前の、様々な実施形態に従った複数の材料層の概略図である。
【図６】図６は、別の模範的な実施形態に従った、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーを製造する方法の流れ図である。
【図７】図７は、別の模範的な実施形態に従った、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーを製造する方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
模範的な実施形態についての以下の説明では、添付の図面を参照する。異なる図面中の同じ参照数字は、同じ又は同様な要素を表す。以下の詳しい説明は、本発明を制限するものではない。代わりに、本発明の範囲は、別書の「特許請求の範囲」によって定められる。以下の実施形態についての説明は、簡単にするために、石油又はガス産業で使用されているような複合インペラーについての技術用語及び構造を用いて行う。しかしながら、以下に説明する実施形態はこのようなシステムに限定されず、固体粒子又は液滴を含む流体の流れの中で複合インペラーを使用する他のシステムにも適用することができる。
【００１４】
明細書全体を通じて用いる「一実施形態」又は「実施形態」とは、或る実施形態に関して述べた特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書の様々な場所に現れる語句「一実施形態では」又は「実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を表すものではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は１つ以上の実施形態において適当な態様で組み合わせることができる。
【００１５】
流路空洞を持つ複合インペラーを製造する際に、流路空洞の可溶性のモールドが使用される。流路空洞のモールド１０が、図２に例示されている。それらのモールド１０の各々は複雑な３次元形状を持ち、すなわち、製造されたインペラー内の流路空洞のジオメトリに対して相補的であるジオメトリを持つ。相補的であると云うことは、モールドが、インペラーの空洞を満たす液体の形状を持つことを意味し、そこで、該モールドのジオメトリは「負のジオメトリ」と表すことができる。
【００１６】
各モールド１０は、水溶性の材料、或いは強酸性又は塩基性溶液で溶解可能である金属で作ることができる。水溶性材料の例としては、水溶性のエポキシ樹脂、又は（スイス国所在のエアロコンサルタンツ社によって製造された）商品名「ＡＱＵＡＰＯＵＲ（登録商標）」で現在市販されている材料を挙げることができる。モールドを製造することが可能な金属は、銅及び軟鋼（すなわち、１５％未満のＣ（炭素）を含む鋼）及び他の金属合金である。
【００１７】
図３には、模範的な一実施形態に従った、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーを製造する方法１００の流れ図が例示されている。方法１００は、流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つモールド（例えば、モールド１０）を設ける工程Ｓ１１０を含み、また、例えば、耐侵食性被膜でモールドを覆う工程Ｓ１２０を含む。方法１００は更に、所定のインペラー・ジオメトリに従って、耐侵食性被膜で覆われたモールドの周囲に複合材料を成形する工程Ｓ１３０、及び複合材料を硬化させる工程Ｓ１４０を含む。所定のインペラー・ジオメトリに従って、耐侵食性被膜で覆われたモールドの周囲に複合材料を成形するやり方は、図４に例示されており、この場合、耐侵食性被膜２０で覆われたモールド１０は、コア３０の周りに配列されて、複合材料４０によって取り囲まれる。複合材料は樹脂を含むことができる。その正確な組成に応じて、硬化温度は室温から摂氏数百度までの温度にすることができる。
【００１８】
最後に、方法１００は、所定のインペラー・ジオメトリを持つ複合インペラー（例えば、複合インペラー４０）の流路空洞上の耐侵食性被膜（例えば、耐侵食性被膜２０）を残すようにモールド（例えば、モールド１０）を溶解させる工程Ｓ１５０を含む。モールドを溶解させる前、モールド材料１０と複合材料４０との間の界面には、図５に示されているように耐侵食性の層２０がある。モールド１０が溶解された後では、複合材料４０と耐侵食性の層２０とが一緒に留まる。
【００１９】
耐侵食性の層（例えば、層２０）をモールド（例えば、モールド１０）上に塗布する態様は、モールド材料に左右される。モールドが水溶性材料で作られている場合、メッキ処理を使用することができる。モールドが金属で作られている場合、メッキ処理、溶射処理、物理的蒸着（ＰＶＤ）処理、化学的蒸着（ＣＶＤ）処理、又は低温吹付け処理を使用することができる。
【００２０】
水溶性モールドに適用されるメッキ処理は、（イ）モールドを封止材で被覆し、（ロ）封止材の上に導電性塗料を塗布し、そして（ハ）その導電性の層の上に耐侵食性の層をメッキすることを含む。封止材は、ブラシを用いて塗布されたエポキシ塗料の薄い層とすることができる。導電性の層は、銀（Ａｇ）を含む塗料の薄い層とすることができ、またブラシにより塗布することができる。
【００２１】
耐侵食性の層のメッキは、Ｎｉ基材の層をメッキして、その上に耐侵食性構造を成長させる基盤を構成することを含むことができる。Ｎｉ基材の層のメッキは、ウッズ・ニッケル・ストライク(Woods nickel strike) 法を用いて遂行することができる。Ｎｉ基材の層の厚さは、１ミル（すなわち、１０００分の１インチ）よりも小さくすることができる。
【００２２】
次いで、無電極ニッケル・メッキ（ＥＮＰ）を用いて、耐侵食性の層の材料を適用することができる。無電極メッキは、金属イオンを含有する化学溶液を利用するが、直流は印加しない。無電極メッキは、複雑なジオメトリを持つ物体上に一様な層を一様に設けることができると云う利点がある。
【００２３】
ＥＮＰを用いてメッキされた耐侵食性の層は、最大寸法２μｍ未満のダイヤモンドを、約３５容積％の割合で含むことができる。複合材料を硬化させた後、水溶性のモールドは、水を用いて容易に除去される。このような耐侵食性の層を持つインペラーの耐侵食性は、このような層の存在しないインペラーよりも約５倍大きい。
【００２４】
メッキ処理はまた、金属で作られたモールドにも適用することができる。しかしながら、金属で作られたモールド上に、溶射処理により耐侵食性の層を設けることができる。溶射によって設けられた耐侵食性の層は、メッキによる耐侵食性の層よりも耐侵食性が１０倍よくなる。
【００２５】
溶射によって設けられる耐侵食性の層は、金属又はサーメットのいずれかにすることができる。好ましい耐侵食性溶射被膜はサーメットであり、それは、セラミックと金属マトリクスとの両方を含む。例えば、セラミックはＷＣであり、また金属マトリクスは、Ｃｏ及びＣｒの組合せ、又はＮｉ、又はＮｉ及びＣｒの組合せとすることができる。詳しく述べると、セラミックがＷＣの場合、組合せ１０Ｃｏ４Ｃｒを試験した。ここで、１０及び４は、金属の容積％を表す。別の例では、セラミックはＣｒ２  Ｃｏ３  であり、また金属マトリクスはＮｉＣｒである。溶射を用いて設けられる耐侵食性の層の厚さは、１０ミル以上にすることができる。
【００２６】
別の模範的な実施形態に従った、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーは、図６に示された方法２００を用いて製造することができる。方法２００は、流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ水溶性モールドを設ける工程Ｓ２１０と、モールドを封止材で被覆する工程Ｓ２２０と、封止材の上に導電性塗料を塗布する工程Ｓ２３０と、導電性塗料の上に耐侵食性の層をメッキする工程Ｓ２４０と、所定のインペラー・ジオメトリに従って、封止材、導電性塗料及び耐侵食性被膜で覆われたモールドの周囲に複合材料を成形する工程Ｓ２５０と、複合材料を硬化させる工程Ｓ２６０と、複合インペラー上に少なくとも耐侵食性被膜を残しながら、水性溶液中でモールドを溶解させる工程Ｓ２７０とを含む。
【００２７】
別の模範的な実施形態に従った、耐侵食性被膜を設けた流路空洞を持つ複合インペラーは、図７に示された方法３００を用いて製造することができる。方法３００は、流路空洞の負のジオメトリに対応する形状を持つ金属製モールドを設ける工程Ｓ３１０と、溶射により耐侵食性被膜でモールドを覆う工程Ｓ３２０と、所定のインペラー・ジオメトリに従って、耐侵食性被膜で覆われたモールドの周囲に複合材料を成形する工程Ｓ３３０と、複合材料を硬化させる工程Ｓ３４０と、複合材料上に少なくとも耐侵食性被膜を残しながら、酸性溶液中で又は塩基性溶液中でモールドを溶解させる工程Ｓ３５０とを含む。
【００２８】
開示された模範的な実施形態は、耐侵食性被膜で覆われた流路空洞を持つインペラーを複合材料で製造する方法を提供し、該耐侵食性被膜は最初にメッキ又は溶射によってモールド上に設けられる。この記載は本発明を限定しようとするものはないことを理解されたい。様々な模範的な実施形態は、「特許請求の範囲」によって規定される本発明の精神及び範囲に含まれる代替態様、修正及び等価な態様を包含することを意図している。更に、模範的な実施形態の詳しい説明において、本発明を包括的に理解できるように多数の特定の詳細な事項を記述した。しかしながら、当業者には、このような特定の詳細な事項がなくても様々な実施形態を実施できることが理解されよう。
【００２９】
本発明の模範的な実施形態の様々な特徴及び要素を該実施形態において特定の組合せで説明したが、各々の特徴又は要素は、該実施形態の他の特徴及び要素が無くても単独で用いることができ、或いは本書に開示された他の特徴及び要素と共に、又はそれらがなくても、様々な組合せで用いることができる。
【００３０】
本明細書は、当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、本発明の様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲内に入るものとする。
【符号の説明】
【００３１】
１  遠心インペラー
２  ハブ
３  羽根
４  シュラウド
５  軸方向入口オリフィス
７  半径方向の出口オリフィス
Ｘ３Ｄ  回転軸
１０  流路空洞のモールド
２０  耐侵食性被膜
３０  コア
４０  複合材料
１００  複合インペラーを製造する方法
２００  複合インペラーを製造する方法
３００  複合インペラーを製造する方法
【図１】
2014527589.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014527589.tif 000007
【図６】
2014527589.tif 000008
【図７】
2014527589.tif 000009
【国際調査報告】
2014527589.tif 000010
2014527589.tif 000011
2014527589.tif 000012