(57)【要約】【課題】高い強度、弾性率を有する繊維強化プラスチック製羽根車を提供すること。【解決手段】中心孔を有する円板状の主板と、円筒状の側板と、羽根板とからなる繊維強化プラスチック製羽根車であって、前記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を整列・配向されたものであることを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心孔を有する円板状の主板と、円筒状の側板と、羽根板とからなる繊維強化プラスチック製羽根車であって、
前記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を整列・配向されたものであることを特徴とする繊維強化プラスチック製羽根車。
【請求項２】
前記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を円周方向と半径方向とに整列・配向されたものであることを特徴とする請求項１記載の繊維強化プラスチック製羽根車。
【請求項３】
前記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、半径方向の強化繊維に対する円周方向の強化繊維の体積比を２以上２０以下に整列・配向されたものであることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化プラスチック製羽根車。
【請求項４】
前記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、コア材を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の繊維強化プラスチック製羽根車。
【請求項５】
前記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、熱硬化性樹脂を含浸させた後、硬化させたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の繊維強化プラスチック製羽根車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチック製羽根車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
腐食性薬剤の輸送に用いられるファン、ポンプ等の羽根車として、腐食性、機械的強度に優れた繊維強化プラスチック製のものが使用される傾向にある。しかしながら、繊維強化プラスチック製のものは、金属に比べて軽量である反面、応力の作用する方向と繊維軸方向とが異なり、強度（機械的特性）が低いといった欠点があった。
【０００３】
すなわち、繊維強化プラスチック製のものは、一般に一方向シートからなる、カーボン、ガラス、セラミック等の強化繊維を重ね合わせた平板状の強化繊維基材、又は、強化繊維をＩ型やＴ型等のような桁材に加工した強化繊維基材、あるいは、シートワインダー、フィラメントワインダー、ブレイダー等の組成装置を用いて加工された強化繊維からなる強化繊維基材を熱硬化性樹脂等で固めてなるものであるが、いずれの場合も機械的特性が低いといった欠点があった（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
そこで、疑似等方向性の強化繊維基材をえるため、疑似等方向性の強化繊維からなるマット材、０、６０、１２０°等に配向した三軸織物、０、９０、±４５°等に配向した積層構成であるクロス材又は一軸疑似等方向性材としていた。
【０００５】
【特許文献１】
昭５７−３６４３７号公報（セイコー化工機株式会社）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、羽根車は、高速で回転し、その速度を圧力に変換させる機能を要求されている。
【０００７】
しかしながら、羽根車を高速で回転させている最中に破壊を起こす可能性があるという不都合な点があった。
【０００８】
一般に、半径ａの中心孔がある一様厚さ、半径ｂの回転円板において、半径方向の応力（σｒ）と円周方向の応力（σθ）とは、以下の式（１）、（２）で表される。
【０００９】
【式１】
2004346860.tif 000003
また、半径方向の最大応力（σｒｍａｘ）と円周方向の最大応力（σθｍａｘ）とは、以下の式（３）、（４）で表される。
【００１０】
【式２】
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したがって、半径方向の最大応力（σｒｍａｘ）と円周方向の最大応力（σθｍａｘ）との比は、以下の式（５）で表される。
【００１１】
【式３】
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このσθｍａｘ／σｒｍａｘは、例えば、ポアソン比ν＝０．３の材料からなり、半径ａの中心孔がある一様厚さ、半径ｂの回転円板において、表１のようになる。
【００１２】
【表１】
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このように応力は、半径方向に比べ、円周方向に強く働いていることがわかる。
【００１３】
したがって、羽根車が円周方向に強く、かつ、均一な強度、弾性率の材料で構成されていないため、羽根車を高速で回転させるには限界が生じる。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、高い強度、弾性率を有する繊維強化プラスチック製羽根車を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、中心孔を有する円板状の主板と、円筒状の側板と、羽根板とからなる繊維強化プラスチック製羽根車であって、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を整列・配向されたものであることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を整列・配向されたものであるので、均質かつ合理的な繊維軸配向となっており、高い強度、弾性率を有し、壊れることはない。
【００１７】
また、強化繊維で形成されているため、軽量であるとともに、優れた耐食性をも示す。
【００１８】
なお、本発明において、「円筒状」とは、上部から下部へと一定の大きさの円形孔を有することのみを意味するのではなく、上部から下部へと連続した円形孔を有することをいう。したがって、上部の円形孔と下部の円形孔との大きさが異なるものであってもよく、例えば、円錐状、ベルマウス状等が挙げられる。
【００１９】
また、本発明は、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を円周方向と半径方向とに整列・配向されたものであることが好ましい。
【００２０】
このように、主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化繊維を円周方向と半径方向とに整列・配向されたものであるので、円周方向に均質かつ合理的な繊維軸配向となっており、回転時に壊れることなく、高速回転で使用されることができる。
【００２１】
また、本発明は、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、半径方向の強化繊維に対する円周方向の強化繊維の体積比を２以上２０以下に整列・配向されたものであることが好ましい。
【００２２】
また、本発明は、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、コア材を備えていてもよい。
【００２３】
このように、コア材を備えているので、剛性を高めるとともに、軽量化を可能にしている。
【００２４】
さらに、本発明は、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、熱硬化性樹脂を含浸させた後、硬化させたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の一形態の繊維強化プラスチック製羽根車１０を簡略化して示す斜視図であり、図２は、図１の分解斜視図である。
【００２７】
図１において、主板１、側板２及び羽根板３は熱硬化性樹脂等で接着されて一体となり繊維強化プラスチック製羽根車１０を形成している。
【００２８】
図２に示すように、主板１は、中心孔を有する円板状である。
【００２９】
側板２は、上部の円形孔より下部の円形孔を大きくした円筒状２ｂを有し、円筒状２ｂの上端部に、肉厚を厚くしたマウス部２ａを有している。
【００３０】
羽根板３は、主板１と側板２との間に多数の羽根３ａを等間隔に備えられたものであり、さらに、羽根３ａは曲線を有する板状に形成されている。
【００３１】
次に、図３及び図４は、主板１の繊維軸配向の状態を示し、図５及び図６は、側板２の繊維軸配向の状態を示している。なお、図３は、主板１の繊維軸配向の状態を示す、図３のＡ−Ａ線断面図であり、図５は、側板２の繊維軸配向の状態を示す、図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３２】
主板１及び側板２は、強化繊維を円周方向と半径方向とに整列・配向されたものである。
【００３３】
すなわち、円周方向に連続して形成された強化繊維を、半径方向の強化繊維によりステッチング（例えば、チェーンステッチ、ロックステッチ等）で連結している。半径方向の強化繊維は、円周方向で一定の間隔をおいて設けられている。
【００３４】
さらに、側板のマウス部２ａは、図５で示すように、強化繊維を２重とし、上端部の肉厚を厚くしている。
【００３５】
なお、羽根３ａは、モールドを用いて成形されたものであり、主板１及び側板２に熱硬化性樹脂等で接着されている。
【００３６】
上記強化繊維としては、特に限定されないが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ質繊維、及び、シリコンカ−バイド繊維からなる群から選ばれた少なくとも１種の繊維が挙げられる。これらの中で、強度及び剛性が大きい方が軽量化でき、高速回転で使用できるので、炭素繊維が好ましい。また、ガラス繊維はコストが低い点で好ましい。さらに、これらの繊維を目的に応じて２種以上組み合わせて使用することも好ましい。例えば、炭素繊維とガラス繊維とのハイブリッド使用は性能とコストとのバランスの面から好ましい。
【００３７】
上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、半径方向の強化繊維に対する円周方向の強化繊維の体積比を２以上２０以下に整列・配向されたものであることが好ましい。
【００３８】
さらに、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、材質や形状において、同一の強化繊維で形成されていてもよく、異なる強化繊維で形成されていてもよい。
【００３９】
そして、円周方向の強化繊維と半径方向の強化繊維とも、材質や形状において、同一の強化繊維で形成されていてもよく、異なる強化繊維で形成されていてもよい。
【００４０】
上記強化繊維の強度が、１０００ＭＰａ／ｍｍ２  以上であることが好ましい。１０００ＭＰａ／ｍｍ２未満であると、強度が低下し高速回転で使用することができなくなる。
【００４１】
さらに、上記強化繊維の弾性率が、７０ＧＰａ／ｍｍ２  以上であることが好ましい。７０ＧＰａ／ｍｍ２  未満であると、剛性が低下し、高速回転で使用できなくなる。
【００４２】
なお、上記強化繊維は、肉厚を調整するために、何重で形成されてもよい。
【００４３】
また、羽根も、強化繊維を整列・配向された後、裁断、トリミング、型による造形等の二次的な加工を行われて作製されたものであってもよい。
【００４４】
また、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、コア材を備えていてもよい。コア材を備えているので、剛性を高めるとともに、軽量化できる。コア材は、強化繊維に全面的に覆われているほうが好ましい。コア材が表面にあると薬品等により劣化を生じることがある。
【００４５】
上記コア材としては、ハニカム、プラスチックフォーム材、中空フィラー等の剛性があって、低密度のものが好ましい。
【００４６】
そして、上記主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、熱硬化性樹脂を含浸させた後、硬化させたものであってもよい。
【００４７】
上記熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、強度及び経済性から、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂等を主成分とするものが挙げられる。
【００４８】
次に、図７は、本発明の繊維強化プラスチック製羽根車１０を組み込んだターボファン１１の断面図、図８は、図７における繊維強化プラスチック製羽根車１０の拡大断面図、図９は、図７における繊維強化プラスチック製羽根車１０の拡大正面図である。
【００４９】
まず、本発明の繊維強化プラスチック製羽根車１０を組み込んだターボファン１１について、その構成を説明する。
【００５０】
ターボファン１１は、ケーシング４でファン室を形成し、ファン室内に流体を加圧する繊維強化プラスチック製羽根車１０を装備し、当該ファン室には吸込コーン５及び吐出口１４を関係づけてファン部を構成している。繊維強化プラスチック製羽根車１０には、結合されたボス部７により主軸６が固定されてあり、主軸６は軸受箱８を突き抜けて、モータ９に連結されたＶベルト１２を外周に連結してあり、回転自在になっている。すなわち、繊維強化プラスチック製羽根車１０は、接続されたモータ９の回転とともに回転するようになっている。なお、ボス部７はカバー１３でシールされている。
【００５１】
次に、上記構成のターボファン１１の動作について説明を行う。
【００５２】
モータ９が回転すると繊維強化プラスチック製羽根車１０も回転し、ファン室において流体を加圧する。実際の流体の動きは、吸込コーン５より流入し、繊維強化プラスチック製羽根車１０により加圧され、吐出口１４より吐出される。なお、繊維強化プラスチック製羽根車１０が回転すると、円周方向に強い力が働くが、強化繊維を整列・配向されたものであるので、均質かつ合理的な繊維軸配向となっており、高い強度、弾性率を有し、壊れることはない。したがって、高速回転での運転が可能となる。
【００５３】
次に、図１０は、本発明の繊維強化プラスチック製羽根車１０を組み込んだ他の形態のターボファン２１の断面図である。
【００５４】
ターボファン２１について、その構成のみを説明する。
【００５５】
ターボファン２１は、ケーシング２４でファン室を形成し、ファン室内に流体を加圧する繊維強化プラスチック製羽根車１０を装備し、当該ファン室には吸込コーン２５及び吐出口３４を関係づけてファン部を構成している。繊維強化プラスチック製羽根車１０には、結合されたボス部２７により主軸２６が固定されてあり、主軸２６は軸受箱２８を突き抜けて、モータ２９に連結されたカップリング３２に連結してあり、回転自在になっている。すなわち、繊維強化プラスチック製羽根車１０は、接続されたモータ２９の回転とともに回転するようになっている。なお、ボス部２７はカバー３３でシールされている。
【００５６】
なお、本発明は、シロックファン、ターボファン、その他のポンプ等の羽根車に使用できる。
【００５７】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明を詳述するが、この実施例の記載に基づいて本発明が限定的に解釈されるべきものではないことはもちろんである。
【００５８】
（実施例１）
ガラス繊維（直径１０〜２０μｍの単繊維を４００本束ねたもの）を円周方向と半径方向とに整列・配向（半径方向の体積：円周方向の体積＝１：１０）した、一様厚さ３ｍｍ、半径３００ｍｍの回転円板を得た。
【００５９】
（比較例１）
ガラス繊維からなる縦糸と、ガラス繊維からなる横糸とで織られた織物であるクロスで、一様厚さ３ｍｍ、半径３００ｍｍの回転円板を得た。
【００６０】
（比較例２）
ガラス繊維からなる縦糸と、ガラス繊維からなる横糸とで織られた織物であるクロスに、ガラス繊維からなる縦糸と、ガラス繊維からなる横糸とで織られた織物であるクロスを４５°に配向して積層した、一様厚さ３ｍｍ、半径３００ｍｍの回転円板を得た。
【００６１】
（比較例３）
ガラス繊維を切断することなく０°、９０°、±４５°に配向した、一様厚さ３ｍｍ、半径３００ｍｍの回転円板を得た。
【００６２】
（比較例４）
ガラス繊維を５ｃｍの長さに切断し、空中散布してシート状に回収したものであるマットで、一様厚さ３ｍｍ、半径３００ｍｍの回転円板を得た。
【００６３】
（評価方法）
（１）強度
実施例１及び比較例１〜４にかかる円板を各角度で円周方向に幅１０ｍｍ長さ１２０ｍｍの試験片に切り出して、その試験片を（株）島津製作所製オートグラフ（機種：ＡＧ５００１３）により、ＪＩＳ  Ｋ  ７０５４（ガラス繊維強化プラスチック引張試験方法）に基づき引張試験をした。その結果を図１１に示した。
【００６４】
（２）弾性率
実施例１及び比較例１〜４にかかる円板を各角度で円周方向に幅１０ｍｍ長さ１２０ｍｍの試験片に切り出して、その試験片を（株）島津製作所製オートグラフ（機種：ＡＧ５００１３）により、ＪＩＳ  Ｋ  ７０５４（ガラス繊維強化プラスチック引張試験方法）に基づき引張試験をした。その結果を図１２に示した。
【００６５】
実施例１で得られた円板では、強度、弾性率ともに均一で高い値を示したが、比較例１で得られた円板では、不均一であり、比較例２、３で得られた円板では、低い値となった。
【００６６】
また、比較例４にかかる円板では、強度を均一としたが、低い値となった。
【００６７】
すなわち、実施例１及び比較例１〜４にかかる円板に中心孔を形成し、繊維強化プラスチック製羽根車の主板として用いた場合、実施例１にかかる繊維強化プラスチック製羽根車は、円周方向の強度を３００ＭＰａとし、比較例４にかかる繊維強化プラスチック製羽根車は、円周方向の強度を９０ＭＰａとするので、実施例１にかかる繊維強化プラスチック製羽根車の円周方向の強度は、比較例４にかかる繊維強化プラスチック製羽根車の円周方向の強度の約３．３倍となり、回転させた際には、最大応力を繊維強化プラスチック製羽根車の付け根に受けることになるが、約１．８倍の回転を可能とすることが示された。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、主板、側板、及び／又は、羽根板の一部は、強化樹脂を整列・配向されたものであるので、均質かつ合理的な繊維軸配向となっており、高い強度、弾性率を有し、壊れることはない。
【００６９】
また、強化繊維で形成されているため、軽量であるとともに、優れた耐食性をも示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の繊維強化プラスチック製羽根車を簡略化して示す斜視図である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】主板１の繊維軸配向の状態を示す図である。
【図４】主板１の繊維軸配向の状態を示す断面図である。
【図５】側板２の繊維軸配向の状態を示す図である。
【図６】側板２の繊維軸配向の状態を示す断面図である。
【図７】本発明の繊維強化プラスチック製羽根車を組み込んだターボファンの断面図である。
【図８】図７における繊維強化プラスチック製羽根車の拡大断面図である。
【図９】図７における繊維強化プラスチック製羽根車の拡大正面図である。
【図１０】本発明の繊維強化プラスチック製羽根車を組み込んだ他の形態のターボファンの断面図である。
【図１１】回転円板の異方性を測定した結果を示す図である。
【図１２】回転円板の弾性率を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１  主板
２  側板
３  羽根板
４、２４  ケーシング
５、２５  吸込コーン
６、２６  主軸
７、２７  ボス部
８、２８  軸受箱
９、２９  モータ
１０  繊維強化プラスチック製羽根車
１１、２１  ターボファン
１２  Ｖベルト
１３、３３  カバー
１４、３４  吐出口
３２  カップリング
【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】
2004346860.tif 000013
【図８】
2004346860.tif 000014
【図９】
2004346860.tif 000015
【図１０】
2004346860.tif 000016
【図１１】
2004346860.tif 000017
【図１２】
2004346860.tif 000018