(57)【要約】【課題】遠心圧縮機等の羽根車において、羽根の接合端部に周囲を囲むように連続した突起を設け、この突起を溶接、突起に囲まれたくぼみをろう付けとすることで、強度の高い羽根車を得る。さらに、余盛を機械加工することにより、流体性能をよくすることを目的とする。【解決手段】羽根の接合端部に周囲を囲むように連続した突起を設け、この突起を溶接、突起に囲まれたくぼみをろう付けとすることで、羽根と側板を未溶着なく接合することができる。さらに、溶接後の余盛表面を凹な曲率を有する面あるいは平面にすることで、疲労強度を高くするとともに、流体性能がよくなる。また、側板の羽根との接合面にくぼみを設け、このくぼみをろう付け、羽根の側板との接合端部を溶接とすることもできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状の芯板の表面に板状の羽根が放射状に複数形成され、別体の円板状の側板の表面に前記羽根の他端を接合して成る羽根車において、
前記羽根と前記側板と接合面の一方にろう材設置用のくぼみを設け、接合面の周囲を溶接により溶融した溶接部とし、接合面の内側の前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部としたことを特徴とする羽根車。
【請求項２】
前記羽根の前記側板との接合面に連続した突起で囲んでくぼみを形成し、接合面の周囲を溶接により前記突起を溶融した溶融部としたことを特徴とする請求項１記載の羽根車。
【請求項３】
前記側板の前記羽根との接合面に前記羽根の板厚より狭い幅のくぼみを形成し、前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部としたことを特徴とする請求項１記載の羽根車。
【請求項４】
前記羽根と前記側板を溶接とろう材で接合した後に、溶接部の余盛表面を凹である曲率を有する面に形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の羽根車。
【請求項５】
前記羽根と前記側板を溶接とろう材で接合した後に、溶接部の余盛表面を平面にしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の羽根車。
【請求項６】
回転軸に固定された羽根車と、該羽根車が設けられた前記回転軸を駆動する駆動源を有して、前記羽根車を回転させて流体を圧縮する圧縮機において、
前記羽根車は、円板状の芯板の表面に板状の羽根が放射状に複数形成され、別体の円板状の側板の表面に前記羽根の他端を接合して成り、前記羽根の前記側板との接合面にろう材設置用のくぼみを設け、接合面の周囲を溶接により溶融した溶接部とし、接合面の内側の前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部としたことを特徴とする圧縮機。
【請求項７】
前記羽根車は、前記羽根の前記側板との接合面に連続した突起で囲んでくぼみを形成し、接合面の周囲を溶接により前記突起を溶融した溶融部としたことを特徴とする請求項６記載の圧縮機。
【請求項８】
前記羽根車は、前記側板の前記羽根との接合面に前記羽根の板厚より狭い幅のくぼみを形成し、前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部としたことを特徴とする請求項６記載の羽根車。
【請求項９】
円板状の芯板の表面に板状の羽根を放射状に複数形成し、別体の円板状の側板の表面に前記羽根の他端を接合する羽根車の製造方法において、
前記羽根の前記側板との接合面にろう材設置用のくぼみを設け、ろう剤を設置した状態で接合面の周囲を溶接し、その後羽根車をろう剤の溶融温度に加熱して接合面の内側をろう付けしたことを特徴とする羽根車の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧縮機やポンプ等における羽根車の製造に好適な溶接とろう付けを併用した羽根車、羽根車を用いた圧縮機、および羽根車の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機等の羽根車において、羽根を側板あるいは芯板に接合する手段として、溶接やろう付けが用いられている。クローズドタイプと呼ばれる羽根車において、羽根の外周側に設置される円板状の板が側板であり、回転させる軸に羽根車を固定するための円板状の板が芯板である。しかし、一般的なすみ肉溶接で羽根車を製作すると、羽根と側板あるいは芯板の溶接部において、溶接面内部では温度が充分上昇しないために、溶け込み不足による未溶着ができることがある。この未溶着が存在すると、羽根車の起動・停止等による遠心力の繰返しにより、未溶着から疲労き裂が発生することがある。この未溶着をなくすために、開先溶接法が用いられることがある。この開先溶接法は、図２に示すように羽根先端を鋭い形状にしてから、溶接する方法である。このように先端を鋭い形状にすることにより、羽根の内部まで溶接熱を到達させて、溶け込み不足による未溶着をなくすことができる。しかし、この方法の短所として、羽根先端を鋭い形状にする機械加工に時間と費用がかかる点があげられる。また、多くの溶接熱が必要となり、熱変形が起きやすいという短所もある。
【０００３】
他の接合方法として、ろう付けがある。ろう付けでは羽根と側板あるいは芯板との接合部に未溶着のような欠陥が生じる可能性はほとんどないが、ろう付け部の強度は溶接と比較して高くないので、羽根車に要求される強度を充分に確保できるとは限らない。
【０００４】
次に、溶接だけだと羽根と側板あるいは芯板の接合面内部に未溶着が残る可能性があるので、電子ビーム溶接あるいは真空拡散接合とろう付けを併用する方法について説明する。電子ビーム溶接とろう付けを用いる方法（特許文献１）では、羽根と側板の接合面にろう箔あるいは接合面端部にろうワイヤを配置する。そして、接合面と反対側の面から電子ビーム溶接を行うと、羽根と側板が電子ビーム溶接されるとともに、その溶接熱により接合面にろう付けが施されるものである。この方法を用いると、羽根の接合面内部と側板は溶接され、羽根の接合端部と側板はろう付けされて接合端部にはろうによりフィレットが形成される。しかし、この方法では接合面内部より応力が高いフィレットが溶接より低強度のろう材より形成されているので、羽根車の起動・停止等による遠心力の繰返しにより、フィレットから疲労き裂が発生する可能性がある。
【０００５】
また、他の羽根車の製造方法として、真空拡散接合とろう付けを用いる方法がある（特許文献２）。この方法は羽根と芯板の接合面内部を真空拡散接合とし、接合端部にろう付けによりフィレットを形成するものである。真空拡散接合は母材を溶融させることなく加熱、加圧し、各材料間で原子を相互拡散させて接合する方法である。真空拡散接合では接合端部にはフィレットができないので未接合部が残りやすく、応力集中が大きくなる。そこで、ろう付けで端部にフィレットを形成させることにより、端部の応力集中を小さくするものである。しかし、この方法も特許文献１と同様に、応力が集中する接合端部ではろう付けとなっているので、羽根車の起動・停止等による遠心力の繰返し負荷により、接合端部から疲労き裂が発生する可能性がある。
【０００６】
以上説明したように、従来の溶接だけでは未溶着、接合面内部を電子ビーム溶接あるいは真空拡散接合し、接合端部をろう付けする方法では、接合面内部より応力が集中する接合端部で強度が低くなるという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開昭６４−４８６８２号公報
【特許文献２】特開平０５−２０２７０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように羽根と側板あるいは芯板を接合するために、接合面内部を電子ビーム溶接あるいは真空拡散接合で接合し、接合端部をろう付けする方法では、接合端部ではろう付けなので、溶接あるいは真空拡散接合より強度が低く、羽根車に遠心力等の繰返し荷重が負荷されると接合端部から疲労き裂が発生することがある。また、溶接後、接合端部は余盛と呼ばれる凸の形状になっていることが多く、そのままでは流体性能のよい羽根車が得られないことがある。
そこで、本発明は羽根と側板あるいは芯板の接合面内部の未溶着をなくし、接合端部の強度が高く、余盛を機械加工仕上げすることにより流体性能の高い羽根車を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、円板状の芯板の表面に板状の羽根が放射状に複数形成され、別体の円板状の側板の表面に前記羽根の他端を接合して成る羽根車において、前記羽根と前記側板の接合面の一方にろう材設置用のくぼみを設け、接合面の周囲を溶接により溶融した溶接部とし、接合面の内側の前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部としたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記羽根の前記側板との接合面に連続した突起で囲んでくぼみを形成し、接合面の周囲を溶接により前記突起を溶融した溶融部とした。また、前記側板の前記羽根との接合面に前記羽根の板厚より狭い幅のくぼみを形成し、前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部とした。また、前記羽根と前記側板の接合面の周囲の溶接部の表面を凹である曲率を有する面に形成した。また、前記羽根と前記側板を溶接とろう材で接合した後に、溶接部の余盛表面を平面にした。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、回転軸に固定された羽根車と、該羽根車が設けられた前記回転軸を駆動する駆動源を有して、前記羽根車を回転させて流体を圧縮する圧縮機において、前記羽根車は、円板状の芯板の表面に板状の羽根が放射状に複数形成され、別体の円板状の側板の表面に前記羽根の他端を接合して成り、前記羽根の前記側板との接合面にろう材設置用のくぼみを設け、接合面の周囲を溶接により溶融した溶接部とし、接合面の内側の前記くぼみをろう材の溶融によるろう付け部としたことを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、円板状の芯板の表面に板状の羽根を放射状に複数形成し、別体の円板状の側板の表面に前記羽根の他端を接合する羽根車の製造方法において、前記羽根の前記側板との接合面にろう材設置用のくぼみを設け、ろう剤を設置した状態で接合面の周囲を溶接し、その後羽根車をろう剤の溶融温度に加熱して接合面の内側をろう付けしたことを特徴とする。
【００１３】
羽根と側板あるいは芯板の接合する方法として、羽根の接合面内部（中央部分）ではろう付けとし、接合面内部より応力が高い接合端部では溶接とする。さらに、溶接後に余盛表面を機械加工等により、曲率を有する面あるいは平面に加工することにより、接合端部の応力集中を緩和することができ、羽根車の強度を高くすることができる。さらに、溶接後の余盛表面を凹の曲率を有する面あるいは平面にすることで流体性能を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、羽根と側板あるいは芯板の接合面の内部に未溶着を残すことなく、羽根車の応力分布に応じた強度で接合することで全体として強度が高く、流体性能を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明実施例について説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の実施例１を図面を用いて説明する。図３は実施例１を示す遠心圧縮機等で使用される羽根車の主要構造を示した図である。羽根車には羽根の外周側に側板と呼ばれるカバーを有するクローズドタイプと羽根の外周側にカバーを有しないオープンタイプがある。図３にはクローズドタイプの羽根車の構成を示す。本実施例では羽根を側板に接合する構成で説明するが、羽根と芯板を接合する場合にも適用することができる。
【００１７】
また、オープンタイプの羽根車では、羽根と芯板の接合に本実施例を適用することができる。図４は図３中のＡ-Ａ´断面を示した図である。図３、図４に示すように羽根車１は芯板２に接続されている羽根３の回転により、気体入口部５より吸い込んだ気体を主として遠心力によって気体出口部６へ圧縮・排出し、ここから決められた外部機器に送られるようになっている。
【００１８】
次に、羽根３と側板４の接合方法について図１、図５、図６を用いて説明する。図５に示すように例えばステンレス製等の羽根３の先端には機械加工等により側板４と接合される面に、全周を囲むように突起７が設けられている。そして、図６に示すように、この突起7で囲まれているくぼみ８にはろう材９が設置される。ろう材９としてはニッケル系や金系が使用されることが多い。ろう材９をくぼみ８に設置後、羽根３を側板４の接合部に合わせる。このろう材９は棒状、箔状、ペースト状等のものが使用可能である。くぼみの深さより０．１ｍｍ程度厚いろう材９を配置する。そして、羽根３の接合端部の周囲をアーク等により側板４に溶接する。
【００１９】
このとき、突起7の厚さ（肉厚）部分が溶融して全て側板４に溶接されるように、突起７の厚さ寸法７ａを調整（熱容量の調整）することが望ましい。このように突起７の厚さ７ａを調整すれば、溶接熱によりろう材９も突起７を介して伝熱され、突起７に隣接している部分は少し溶融した状態になるので、図１に示すように金属とろうが混合した部分１０ができ、機械的強度が一層高くなる。
【００２０】
このように全ての羽根端部の突起７を側板４に溶接の後、ろう材９が溶ける所定の温度（溶融温度）に羽根車1全体を加熱する。ろう材9が溶けることで、羽根の突起７に囲まれたくぼみ８と側板４が接合されて一体となり、図１に示すように羽根の端面と側板が全て接合される。流体から受ける羽根に加わる応力を羽根の接合面で負担するとき、接合面の内部（中央部分）より外側が高いので、接合面内部をろう付けとし、周囲の外側をろう付けより接着強度の高い溶接とすることで接合面全体の強度は大きく向上させることができる。
【実施例２】
【００２１】
本実施例は、ろう材を配置するくぼみを側板４に設けたものである。図７のように側板４の羽根３との接合面にはくぼみ８を加工する。このくぼみ８の幅は羽根３の板厚３ａより狭くなっており、くぼみ８の開口を全て羽根３の接合面で閉塞するように構成している。この側板４に設けたくぼみ８ろう材９を配置する。次に、羽根３を側板４の接合部に合わせる。そして、実施例１と同様に、アーク等により羽根３の側板４との接合面全周を溶接後、羽根車１全体をろう材の溶融温度以上に加熱することにより、図８のように羽根３と側板４を接合する。実施例１と同様に接合面内部をろう付けとし、周囲の外側をろう付けより接着強度の高い溶接で接合することで接合面全体の接合強度は大きく向上する。本実施例では、側板４を下にしてその上に羽根３を載せてろう付けや溶接が出来るので、作業が安定して行え能率が良くなる。
【実施例３】
【００２２】
本発明の実施例３を説明する。本実施例は羽根と側板を接合後、溶接部の余盛表面を曲率を有する面形状に仕上げることに関するものである。溶接後の端部の形状は図１に示すように、凸の形状になっていることが多く、この部分は一般的に余盛１１と呼ばれる。このような形状の状態にしておくと、余盛１１の羽根３との接合点、および余盛１１と側板４の接合点では、急激に肉厚が変化しているので応力が集中することにより、強度低下が起こる。そこで、図９のように余盛１１の表面を溶接後に機械加工等により、凹の曲率を有する面１２に仕上げることで応力集中を緩和することができる。また、凹曲面なので流体抵抗が低下し流体性能も凸なときよりもよくなる。この曲率半径は大きいほど、応力集中を緩和することができる。
【実施例４】
【００２３】
本発明の実施例４を図１０を用いて説明する。羽根と側板を接合後、溶接部の余盛１１表面を機械加工等により、平面１３に仕上げる。このように溶接部の余盛１１の表面を平面にすると、実施例３で示した余盛１１を半円１２にしたときより応力集中は大きくなるが、羽根車の遠心力により応力集中部に発生する応力が材料の設計許容値以下になるのであれば、このように余盛１１の表面を平面１３とすることもできる。このときの羽根３と平面１３のなす角度Φと切欠き係数の関係を図１１に示す。材料に正弦波等の繰返し荷重を１０7回、加えても破壊しない応力を疲労限と定義すると、切欠き係数βは
β＝（応力集中がないときの疲労限）／（応力集中を有するときの疲労限）
で与えられる。図１１のように角度Φは４５゜以上でほぼ一定になり、４５゜より小さくなるにつれて徐々に小さくなる。よって、角度Φを小さくすることにより、羽根車の疲労強度を高くすることができ、余盛が凸なときよりも流体性能はよくなる。
【実施例５】
【００２４】
本発明の実施例５を説明する。本実施例はろう付けと溶接の順序を変える羽根の接合方法である。実施例１と異なり、初めにろう付けを行い、その後、溶接を行う。実施例１と同様に、羽根の先端に設けられているくぼみ８にろう材９を設置する。この状態でろう材９が溶ける所定の温度（溶融温度）に羽根車1全体を加熱する。ろう材９が溶けることで、羽根３の突起７に囲まれたくぼみ８と側板４が接合される。
【００２５】
次に、羽根３を側板４にアーク溶接等により、接合面全周を溶接する。羽根端部の接合面の厚さを調整して、溶接時に突起のくぼみ８と接している部分まで溶接熱が到達するようにする。溶接熱により、突起７とくぼみ８の境界部近傍のろう材９が再度溶融することになるが、ろう材９は再び温度が低下すれば凝固するので、羽根３と側板４を接合することができる。このように羽根と側板の境界まで溶接熱が到達すれば、溶接部とろう付け部の間に未溶着部は存在しないので、強固に接合できる。この場合は、最初のろう付けで羽根３と側板４の位置合わせが出来ているので、その後の溶接の作業性が良い。
【００２６】
このようにはじめにろう付けを行い、その後、溶接を行う方法は実施例２の側板にくぼみを設けて、ろう材を配置する場合にも適用できる。
【実施例６】
【００２７】
本発明の実施例６を図１２を用いて説明する。図１２は一般的な遠心圧縮機の主要構造を示した図である。遠心圧縮機は羽根車１とこの羽根車を収納するケーシング１６、羽根車を回転させるシャフト１７および軸受１８からなっている。吸込口１４から流入した空気は羽根車１を通る間に圧縮され、圧縮された空気は吐出口１５から流出する。この遠心圧縮機に実施例１、２で説明した羽根車を用いることができる。遠心圧縮機の羽根車は起動・停止時に遠心力の負荷・除荷が繰返される。
【００２８】
このような繰返し荷重が羽根車に負荷されると、羽根と側板あるいは羽根と芯板の接合部では高い応力になる。そこで、前記各実施例の羽根車を用いれば、応力が集中する羽根と側板、あるいは羽根と芯板の接合面は、周囲を溶接で接合し内部はろう付けで接合されるので、接合面に未溶着がなく全体が溶着され、強度の高い接合が実現できる。従って、高速回転の遠心圧縮機の羽根車にを回転させることができる。
【００２９】
本実施例は本発明の羽根車を遠心圧縮機に適用した例であるが、同様な羽根車を有するポンプや送風機等の産業機器に本発明の羽根車を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１の部分断面図である。
【図２】開先形状の説明図である。
【図３】羽根車の平面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ´断面図である。
【図５】本発明の実施例１の斜視図である。
【図６】本発明の実施例１の接合前の状態を示した部分断面図である。
【図７】本発明の実施例２の側板にくぼみを加工した部分断面図である。
【図８】本発明の実施例２の部分断面図である。
【図９】本発明の実施例３の部分断面図である。
【図１０】本発明の実施例４の部分断面図である。
【図１１】テーパ角度と切欠き係数の関係の説明図である。
【図１２】本発明の実施例６の遠心圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…羽根車、２…芯板、３…羽根、４…側板、５…気体入口部、６…気体出口部、７…突起、８…くぼみ、９…ろう材、１０…金属とろうが混合した部分、１１…余盛、１２…曲率を有する面、１３…平面、１４…吸込口、１５…吐出口、１６…ケーシング、１７…シャフト、１８…軸受。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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