(57)【要約】【課題】  高速インペラーを提供する。【解決手段】  本発明は、例えば排気ガスターボチャージャ用のコンプレッサホイール（２）として、気体または液体の媒体を分配する高速インペラーに関する。高速インペラーは、強化されたコア構造（４）および外側に設けられた機能片部（６）を有する。本発明は、強化スリーブ（８）がコア構造（４）を製造するために、互いに同心円状に押し込まれ、その場合、それぞれの強化スリーブ（８）の長さ（１０）は様々である。さらに、機能片部（６）はコア構造（４）上に鋳造成形される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化されたコア構造（４）と外側の機能片部（６）とを有する、気体または液体状の媒体を分配する高速インペラーであって、
・強化スリーブ（８）は前記コア構造（４）を製造するために同心円状に互いに押し込められ、
・前記強化スリーブ（８）それぞれの長さ（１０）は、様々であり、
・前記機能片部（６）は、前記コア構造（６）上に鋳造成形されることを特徴とする高速インペラー。
【請求項２】
前記強化スリーブ（８）それぞれの長さ（１０）は、該強化スリーブの外径が増加すると共に減少することを特徴とする請求項１に記載の高速インペラー。
【請求項３】
強化されたコア構造（４）と外側の機能片部（６）とを有する、気体または液体状の媒体を分配する高速インペラーであって、
・前記コア構造（４）を製造するために、それぞれ同じ直径を有する内部ボア（２２）を備えた複数の強化スリーブ（２０）が、一直線に配列され、
・前記内部ボア（２２）が適合的に一直線に並べられ、
・前記強化スリーブ（２０）の外径（２４）が、前記コア構造（４）の所定の横断面形状を再現するように変化し、
・前記機能片部（６）が、前記コア構造（４）上に鋳造成形されることを特徴とする高速インペラー。
【請求項４】
適合的に一直線に並べられた前記内部ボア（２２）を備えた、前記強化スリーブ（２０）は、同じ種類の強化スリーブ（２６）に、同心円状に押し込まれることを特徴とする請求項３に記載の高速インペラー。
【請求項５】
前記強化スリーブ（８、２０）は、繊維強化材料から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高速インペラー。
【請求項６】
前記強化スリーブ（８、２０）は、長繊維強化巻装体を有することを特徴とする請求項５に記載の高速インペラー。
【請求項７】
前記強化スリーブ（８、２０）は、短繊維で強化した金属基複合材料から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の高速インペラー。
【請求項８】
前記強化スリーブ（８、２０）は、金属浸透多孔性セラミックから成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高速インペラー。
【請求項９】
前記強化スリーブ（８、２０）は、噴霧圧縮された金属材料から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高速インペラー。
【請求項１０】
前記強化スリーブ（８、２０）は、高強度鍛錬用合金から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の高速インペラー。
【請求項１１】
前記高速インペラー（２）は、排気ガスターボチャージャのコンプレッサホイールまたはタービンホイールであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高速インペラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前文および請求項３の前文による、気体または液体の媒体を分配する高速インペラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、金属から製造され、局部的な繊維強化部を有するロータディスクを開示する。この場合、繊維強化部は、金属基複合材料（ＭＭＣ）から成る。これらの内部のＭＭＣリングは、ラジアルプレス嵌めによってロータディスクの周囲に圧入される。
【０００３】
複合材料から成るロータは、特許文献２に記載されており、繊維強化巻装体の様々なリングが互いに同心円状に滑入されるので、均一な円筒状ロータディスクを形成する。
【０００４】
【特許文献１】独国特許発明第１０１  ６３  ９５１  Ｃ１号明細書
【特許文献２】国際公開第０２／０１３１１  Ａ１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記例は、高い遠心荷重を受けるインペラーを強化する方法を示す。但し、上記記載の構造は、複雑なインペラー構造を再現できない、または繊維強化部をインペラーと完全に一体化できない欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、複雑な横断面形状の一体化された強化部を有する高速インペラーを提供することにある。
【０００７】
この目的の解決法は、特許請求項１の特徴、および特許請求項３の特徴にある。
【０００８】
特許請求項１に記載の高速インペラーは、気体または液体の媒体を分配する働きをし、その場合、この高速インペラーは、例えば、エアコンプレッサホイールとしても使用できる。この高速インペラーは、外側の、つまり外側に設けられた機能片部で包囲される強化されたコア構造を有する。
【０００９】
本発明は、上記コア構造を製造するために、強化スリーブが互いに同心円状に押し込められることを特徴とする。この場合、「互いに同心円状に押し込められる」とは、外側の強化スリーブが内側の強化スリーブにほとんど遊びもなく押し込められる程度まで、内側の強化スリーブの外径が外側の強化スリーブの内径に等しいことを意味する。
【００１０】
この場合、それぞれの強化スリーブの長さは様々であり、具体的には、所定のコア構造の輪郭の横断面形状をほぼ再現できるように変化する。
【００１１】
コア構造はこのような構成であるため、従来技術に記載される円筒状構造の補強部とは異なり、例えば、双曲線形状または上昇する指数曲線状に設計されるインペラーの強化部が製造できる。ゆえに、その強化部を、狭い円筒状領域に施すことができるだけでなく、高速インペラーの複雑な横断面構造に沿って適合させることもできる。
【００１２】
多くの場合、高速インペラーの横断面形状は、直径が増加すると共に、細くなるという理由のため、本発明の発展形態においては、強化スリーブの長さが、該強化スリーブの外径の増加と共に減少すると好都合である。
【００１３】
本発明の他の一体化された部分は、特許請求項３の特徴による高速インペラーを構成する。このような高速インペラーも、請求項１に記載の高速インペラーのように、外側の機能片部で包囲される強化されたコア構造を同様に有する。但し、請求項３に記載の高速インペラーでは、コア構造を製造するために、それぞれ同じ直径を有する内部ボアを備えた複数の強化スリーブが、これらの内部ボアが適合的に一直線に並ぶように、配列されることを特徴とする。この場合における表現「適合的に」とは、配列された内部ボアにほとんど遊びもなく、１つの軸を押し込むことができるように、これら内部ボアが重なり合うことを意味する。但し、配列された強化スリーブの外径は、所定のコア構造の横断面形状を再現できるように変化する。高速インペラーの機能片部も同様にコア構造上に鋳造成形される。
【００１４】
改良された強化スリーブの配列構造によって、請求項３に記載の本発明による高速インペラーは、特許請求項１に記載の高速インペラーの構造によっても記載されるものと同じ利点を達成する。
【００１５】
上記の通り、適合的に重ね合わされた内部ボアを有する強化スリーブの配列構造が、１つの軸に、押し込められる。但し、上記強化スリーブの配列構造は、同じ種類の１つの強化スリーブに押し込まれる。要するに、適合的に一直線に並べられた内部ボアを備えた、強化スリーブは、同じ種類の１つの強化スリーブに、同心円状に押し込まれる。このようにして、さらなる半径方向および軸方向の強化が達成される。
【００１６】
本発明の好ましい発展形態において、強化スリーブは、繊維強化材料から製造される。この場合、引張り強さの著しい増加、それゆえに高速インペラーの強度の著しい増加が達成される、いかなる形態の繊維強化材料も、適する。さらなる他の発展形態において、強化スリーブは、長繊維強化巻装体を具備する。このような巻装体は、機能片部の一体鋳造成形前に、金属ですでに浸透されるかまたは、機能片部の一体鋳造成形中に、機能片部の金属で浸透されても良い。
【００１７】
さらに、強化スリーブは、短繊維で強化された金属基複合材料から成っても良い。さらに、金属浸透多孔質セラミック、つまり、金属が浸透した多孔質セラミックが、強化スリーブに使用されても良い。引張り強さや弾性率の増加も、これらの強化スリーブによって達成される。
【００１８】
非繊維強化高強度金属材料、例えば噴霧圧縮された金属材料または高強度鍛錬用合金から、強化スリーブを製造することも好都合である。一般に、これらのような材料は、繊維強化材料よりもコスト効率よく製造でき、構成要素のコストに関してほとんど余裕がない場合に使用される。
【００１９】
本発明による高速インペラーは、特に、排気ガスターボチャージャにおいて使用されることが好都合であり、特には、コンプレッサホイールまたはタービンホイールとして使用されることが、好都合である。高速インペラーはまた、ガスタービンホイールとしてまたはウォータポンプホイールとして都合良く使用されてもよい。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態を以下の図面を参照して詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
排気ガスターボチャージャについてのコンプレッサホイール２の形態の高速インペラーの概略図が図１で示される。このコンプレッサホイール２は、例えばコンプレッサブレード７を具備する機能片部６を有する。さらに、コンプレッサホイール２は、コンプレッサホイール２の中心にあるボア９の回りの同心領域から始まるコア構造４を具備しており、直径の増加と共に外側に延び、コンプレッサブレード７の支持構造として設計される。
【００２２】
明瞭にするため、コア構造の横断面だけを図２〜図５で示している。コンプレッサブレード７を有する機能片部６の図示は省略する。図２〜図５において、左側には、互いに同心円状に押し込められた又は一直線上に配列された状態のコア構造の横断側面図が示され、右側には、分解された状態のコア構造の側面図が示されている。
【００２３】
図２に示される実施形態は、互いに同心円状に押し込まれる複数の強化スリーブ８から製造されるコア構造４である。明瞭にするために、２つの強化スリーブ８だけに対応する参照番号を付し、対応する表示部分には同じ参照番号を付す。
【００２４】
強化スリーブ８は、外径１２と内径１４とを有する。この場合、強化スリーブ８の外径１２はそれぞれ、隣の強化スリーブ８の内径１４に、２つの隣接する強化スリーブ８が互いにほとんど遊びもなく押し込まれる程度になるように、構成される（例えば、図２の右側参照）。この場合、図２による例において、これらの強化スリーブ８はそれぞれ、内側から外側に向かうほどより短くなる、すなわち強化スリーブ８の長さ１０はそれぞれ、内側から外側に向かうと共に減少する。要するに、各強化スリーブ８の長さ１０は、内側に押し込まれる強化スリーブ８よりも外側に押し込まれる強化スリーブ８になるほど、短くなる。コア構造４の横断面を再現するために、必要なら、壁の厚み１３は、ある強化スリーブ８とその隣の強化スリーブ８とで異なっても良い。
【００２５】
このようなタイプの互いに同心円状に押し込められた構造の結果が、図２の左側に概略的に示される。２点鎖線で示された、強化されたコア構造４の横断面形状は、指数曲線に類似した形状に外側に延び、最大値に達した後、中心軸１６の方向に向けてほぼ双曲線状に再び降下するように延びる。この場合、図２の左側の図の上部にコア構造４の平面図が描かれており、同じ図の下部にコア構造４の断面が示されている。
【００２６】
図３に示される実施形態に係るコア構造４が、図２に示される実施形態に係るコア構造４と異なる点は、それぞれが同じ直径の内部ボア２２を有する強化スリーブ２０が、提供されることである。強化スリーブ２０は、内部ボア２２が適合的に一直線に並ぶように配列され、同じ種類の１つの強化スリーブ２６は、その外径２８を強化スリーブ２０の内部ボア２２内にほとんど遊びもなく押し込むことができるように、示されている。ゆえに、これらの強化スリーブ２０は、同じ種類の上記強化スリーブ２６上に一直線に配列される。図３の例によれば、強化スリーブ２０各々も、強化スリーブ８と同様に、様々な長さ１０を有する。例えば、各強化スリーブ２６の外径が大きくなるほど、その強化スリーブ２６の長さが短くなる。上記によって、図３の左側の図に２点鎖線で示されるコア構造４の所定の横断面形状が、可能な限り完全に満たされる。つまり、強化スリーブ２６が上記のように様々な長さを有することにより、コア構造４の横断面形状は、図３の左側の図に２点鎖線で示されるコア構造４の所定の横断面形状に可能な限り近いものとなる。
【００２７】
それぞれ一定の直径の内部ボア２２を有する、様々なスリーブ２０の配列構造が、図４の実施の形態例で示されており、この点は図３の実施の形態例と同様である。図３との違いは、強化スリーブ２０の配列構造が押し込まれる、同じ種類の１つの強化スリーブ２６がここでは使用されない点にある。図４の強化スリーブ２０の配列構造では、例えば、どのような材料が強化スリーブ２０に使用されるかに依存して、ハンダ付け、接着接合、または縫合が行われる。そして、強化スリーブ２０のこの配列構造は、中心軸上に貼り合わせられて配置される。
【００２８】
強化スリーブ２０の配列構造が、図４の実施の形態例と同様に、図５で示されている。図５の実施形態の特徴では、図５中、例えば左端の強化スリーブ２０を除いて、強化スリーブ２０が事実上同じ長さ１０を有するので、単純化した形態となる。図５の左側の図に見られるように、強化されたコア構造４の横断面形状は、例えば、図４の典型的な実施形態のように、所定の横断面形状に可能な限り近づく最適範囲までは満たされない。但し、このようにより単純なコスト効率のよいタイプの構造は、あまり高い荷重を受けないような単純なコンプレッサホイールには有利である。
【００２９】
図２〜図５に示される強化コア構造４のタイプは、比較的複雑な配列構造を伴う。ゆえに、実際には、２つの隣り合う強化スリーブ８だけが、図２の例により互いに同心円状に押し込まれることが、コスト的に好都合となることが多い。例えば、図３により、２本の隣り合う強化スリーブ２０だけが一直線に配列されること、および前記強化スリーブ２０が、同じ種類の強化スリーブ２６に嵌入されるか、またはひとつの軸に直接押し込まれること（ここでは図示せず）も好都合となる。この場合、コンプレッサホイール２における既存の荷重条件やコストの枠組みがそれぞれの場合で考慮されなければならない。
【００３０】
強化スリーブ８、２０を製造するのに使用される材料も同様に、コンプレッサホイール２に作用する機械的応力に適合される。繊維強化材料から強化スリーブを製造することが、好都合であることが分かっている。
【００３１】
強化スリーブ８、２０を製造することに関し予想される例では、長繊維材料、またはスパン短繊維材料の巻装体を製造することが挙げられる。この場合、これらの繊維は、ワックス、樹脂、またはポリマー内で含浸される。この含浸された材料は、巻装体が巻き上げられた後に硬化し、これによって強化スリーブ８、２０の「プリフォーム」となる。これら強化スリーブ８、２０のプリフォームは、所望の長さ１０のセグメントに切断される、その場合、ここで使用される表現として、これらのセグメントは、すでに強化スリーブ８、２０と称されるものであってもよい。これらの強化スリーブ８、２０は、例えば、接着接合、プレス加圧、縫合、積層またはホットメルト接着によって、互いに貼り付けられるかまたは互いに押し込まれる。従って、予備的な固定法がすでに存在し、コア構造４の横断面形状をすでに呈する。
【００３２】
次に、ワックス若しくはポリマーのような有機材料が溶融されるか、または、樹脂、ポリマー、若しくはワックスが、強化スリーブ８、２０から焼きとばされる。ゆえに有機接合剤を用いない強化スリーブ８、２０は鋳造型に入れられ、金属溶融体で注入される間に浸透され、これは続いて機能片部６をも形成する。この場合、ダイカストまたは高圧鋳造法が好都合である。適切であれば、焼きとばしや金属溶融体の注入が同時に行われてもよい。
【００３３】
コア構造４を製造する他の様々な方法において、ポリマーまたは樹脂またはワックスを浸透させる繊維強化巻装体は、先の例と同様の方法で製造され、図２〜図５と同様にコア構造４を形成するために組み立てられ、有機材料−ワックス、樹脂、またはポリマーが飛ばされ、コア構造４は、対応する鋳造方法、例えばダイカスト法において、特殊金属を浸透させられる。このように浸透させたコア構造４は、次に精密鋳造または他の低圧鋳造プロセスにおいて機能片部６と共に封入される。
【００３４】
最後に記載された鋳造プロセスにおいて、機能片部６の一体鋳造中に液状金属がコア構造４に一層効果的に接着するよう、そして堅い接合を成すように、すでに予め接着層を浸透させたコア構造４を提供すると好都合である。
【００３５】
繊維巻装体が液状金属を浸透させられる場合において、一方では、繊維と浸透金属との反応が回避されるように、他方では、より良好な湿潤およびより良好な浸透が確保されるように、繊維を被覆することは恐らく目的に適っている。
【００３６】
コストの理由で、コンプレッサ２への、または一般に製造される高速インペラーへの機械的要求があまり厳しくない場合には、強化スリーブが、例えば、鍛錬用合金、特にアルミニウム鍛錬用合金から製造されてもよい。適切であれば、強化スリーブ８、２０に、短繊維で強化される金属基複合材料を使用すること、または噴霧圧縮された金属材料を使用することが、好都合である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】排気ガスターボチャージャのコンプレッサインペラーのグラフィック図を示す。
【図２】互いに押し込められた強化スリーブを有するコア構造の概略図を示す。
【図３】一定の内径を有する一直線に配列した強化スリーブを有し、その配列構造が同じ種類の強化スリーブに、同心円状に押し込められる、コア構造の概略図を示す。
【図４】それぞれが同一の内径を有する一直線に配列された強化スリーブを備えたコア構造の概略図を示す。
【図５】それぞれが同一の内径を有する一直線に配列された強化スリーブを備えたコア構造の概略図を示す。
【符号の説明】
【００３８】
２  コンプレッサホイール
４  コア構造
６  機能片部
７  コンプレッサブレード
８、２０  強化スリーブ
９  ボア
１０  長さ
１２、２４、２８  外径
１３  壁の厚み
１４  内径
１６  中心軸
２２  内部ボア
２６  同じ種類の強化スリーブ
【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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