特許 6208704 羽根車の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6208704

(24)【登録日】2017年9月15日

(45)【発行日】2017年10月4日

(54)【発明の名称】羽根車の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 45/73 20060101AFI20170925BHJP

   B29C 45/78 20060101ALI20170925BHJP

   B29C 70/06 20060101ALI20170925BHJP

   F04D 29/28 20060101ALI20170925BHJP

【ＦＩ】

   B29C45/73

   B29C45/78

   B29C70/06

   F04D29/28 R

【請求項の数】6

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2015-52792(P2015-52792)

(22)【出願日】2015年3月17日

(65)【公開番号】特開2016-172342(P2016-172342A)

(43)【公開日】2016年9月29日

【審査請求日】2016年5月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100077

【弁理士】

【氏名又は名称】大場 充

(74)【代理人】

【識別番号】100136010

【弁理士】

【氏名又は名称】堀川 美夕紀

(74)【代理人】

【識別番号】100130030

【弁理士】

【氏名又は名称】大竹 夕香子

(72)【発明者】

【氏名】岡部 良次

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 保徳

(72)【発明者】

【氏名】池田 航介

【審査官】 長谷部 智寿

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０７−０７１２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２７３７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２２５６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０４９０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０９７９３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ４５／００−４５／８４

Ｂ２９Ｃ ７０／００−７０／８８

Ｆ０４Ｄ ２９／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正面側と背面側を有し、羽根車の回転軸線に沿って形成されるボス孔を有するボスを備えるハブと、
前記ハブの正面側に設けられる複数のブレードと、を備え、強化繊維が分散された樹脂により構成される羽根車を、金型のキャビティに射出成形することにより製造する方法であって、
前記回転軸線の方向に沿い、かつ、前記強化繊維を含む溶融樹脂が流入するゲートの側からその反対である反ゲートの側に向けて、前記溶融樹脂を前記キャビティに充填する射出工程と、
充填された前記溶融樹脂に必要な圧力を付与する保圧工程と、を備え、
前記射出工程及び前記保圧工程において、
前記ゲートの側から前記反ゲートの側に向けて、相対的に温度が低くなるように温度勾配を設ける指向性冷却を行い、かつ、
前記ボス孔に対応する位置に、内部に冷却水が循環される冷却用ピンを挿入し、前記キャビティをその内周側からも冷却を行い、
前記溶融樹脂は、前記背面側から前記正面側に向けた第一の向き、または、その逆の第二の向きで射出され、
前記冷却用ピンは、
前記第一の向きで前記溶融樹脂が射出される場合には、前記正面側から挿入され、その先端が前記ボスの前記背面側から前記正面側に後退して配置され、
前記第二の向きで前記溶融樹脂が射出される場合には、前記背面側から挿入され、その先端が前記ボスの前記正面側から前記背面側に後退して配置される、
ことを特徴とする羽根車の製造方法。

【請求項2】

前記射出工程において、
前記キャビティに至るまでの前記溶融樹脂の流入通路、並びに、前記キャビティの前記ゲート及びその近傍領域をその周囲から加熱する一方、
前記キャビティをその周囲から冷却することにより、前記指向性冷却を行う、
請求項１に記載の羽根車の製造方法。

【請求項3】

前記保圧工程において、
それまで加熱していた前記キャビティの前記ゲート及びその近傍領域を冷却する、
請求項２に記載の羽根車の製造方法。

【請求項4】

前記ゲートの冷却を開始するまで、射出圧力の保持を行う、
請求項３に記載の羽根車の製造方法。

【請求項5】

前記保圧工程において、
前記ゲートの近傍における前記溶融樹脂の温度が、当該樹脂の融点とガラス転移温度との間の温度域で保持を継続する、
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。

【請求項6】

前記保圧工程における、射出圧力保持は１４０ＭＰａ以上で行われる、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の羽根車の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維強化樹脂により構成される羽根車を射出成形により製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

市販の乗用車に搭載されるターボチャージャ（タービン式過給機）は、当初は、比較的排気量の大きいエンジンの出力を増大することを主たる目的としていた。
ところが、環境保護の観点から、排気量の小さい自動車への志向が高まる中で、小排気量のエンジンの出力を補うために、ターボチャージャの需要が高まっている。その中で、ターボ車特有のいわゆるターボラグの低減が望まれている。

【0003】

ターボラグを低減するには、ターボチャージャの羽根車を軽量化して慣性モーメントを低減することが有効であり、これまで、金属材料に比べて大幅に軽量化できるセラミック材料の採用、さらには、特許文献１，２に開示されるように、繊維強化樹脂の採用も検討されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第２６６７５４４号公報

【特許文献2】特許第３０１８８５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

繊維強化樹脂により羽根車を製造するには射出成形を用いることになるが、羽根車は複雑な形状をなしており、かつ、樹脂中に強化繊維が含まれるために、健全な成形品を射出成形により得ることは容易でない。健全な成形品であることの一つの要素として、成形品内部の全体が緻密であることが必要であるが、射出成形品の肉厚部分には割れが発生することが知られている。
そこで本発明は、繊維強化樹脂で構成される羽根車を射出成形により製造する際に、内部割れの発生を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、正面側と背面側を有し、羽根車の回転軸線に沿って形成されるボス孔を有するボスを備えるハブと、ハブの正面側に設けられる複数のブレードと、を備え、強化繊維が分散された樹脂により構成される羽根車を、金型のキャビティに射出成形することにより製造する方法に関する。
この製造方法は、回転軸線の方向に沿い、かつ、強化繊維を含む溶融樹脂が流入するゲートの側からその反対である反ゲートの側に向けて、溶融樹脂をキャビティに充填する射出工程と、充填された溶融樹脂に必要な圧力を付与する保圧工程と、を備え、射出工程及び保圧工程において、ゲートの側から反ゲートの側に向けて、相対的に温度が低くなるように温度勾配を設ける指向性冷却を行うことを特徴とする。

【0007】

本発明の羽根車の製造方法によると、反ゲートの側の温度が低いので、溶融樹脂の温度低下に伴う収縮は反ゲートの側が先行する形で生じる。一方で、ゲートの側の温度を相対的に高くすることで、反ゲートの側の収縮分に対してゲートの側から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張応力や割れの発生を防止できる。

【0008】

本発明の射出工程において、指向性冷却を実現するための具体的な手法として、キャビティに至るまでの溶融樹脂の流入通路、並びに、キャビティのゲート及びその近傍領域をその周囲から加熱する一方、キャビティをその周囲から冷却することができる。

【0009】

本発明の保圧工程において、それまで加熱していたキャビティのゲート及びその近傍領域を冷却することが好ましい。
また、本発明の保圧工程において、ゲートの冷却を開始するまで、射出圧力の保持が行われることが好ましい。
また、本発明の保圧工程において、ゲートの近傍における溶融樹脂の温度が、当該樹脂の融点とガラス転移温度との間の温度域で保持することが好ましい。
また、本発明の保圧工程において、射出圧力は１００ＭＰａ以上で行われることが好ましく，１４０ＭＰａ以上で行われることがより好ましい。

【0010】

また、本発明の射出成形工程及び保圧工程において、ボス孔に対応する位置に、内部に冷却水が循環される冷却用ピンを挿入し、キャビティの中心からも冷却を行う。
この場合、溶融樹脂が背面側から正面側に向けた第一の向きで射出される場合には、冷却用ピンは、正面側から挿入され、その先端がボスの背面側から正面側に後退して配置されることが好ましい。また、溶融樹脂が正面側から背面側に向けた第二の向きで射出される場合には、冷却用ピンは、背面側から挿入され、その先端がボスの正面側から背面側に後退して配置されることが好ましい。いずれの場合であっても、冷却用ピンの先端は、製品部キャビティの内部、特に最大径位置の内部に留まる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、本発明の羽根車の製造方法によると、反ゲートの側の温度が低いので、溶融樹脂の温度低下に伴う収縮が反ゲートの側に生じる。一方で、ゲートの側の温度を相対的に高くすることで、反ゲートの側の収縮分に対してゲートの側から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張応力や割れの発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態に係る羽根車を示し、（ａ）は縦断面、（ｂ）は背面図である。

【図2】本実施形態に係る第１領域及び第２領域を得る手法を説明する図である。

【図3】本実施形態に係る第１領域における強化繊維の配向例を示す図である。

【図4】本実施形態に係る第１領域における強化繊維の配向例を示す図である。

【図5】本実施形態の羽根車を成形する型締め装置の要部を示す縦断面図である。

【図6】図５の金型を用いて本実施形態の羽根車を成形する際の、金型の加熱及び冷却の手順を示すタイミングチャートである。

【図7】図５の金型を用いて本実施形態の羽根車を成形する際の、金型の加熱及び冷却の手順を示す図である。

【図8】図６の変形例を示す図である。

【図9】図６の変形例を示す図である。

【図10】本実施形態の羽根車が適用されるターボチャージャを示す縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る羽根車は、図１０に示すようなターボチャージャ１に適用される。
ターボチャージャ１は、排気を受けて回転するタービン羽根車１７と、このタービン羽根車１７に追従する回転によって吸気及び圧縮をして図示を省略する当該機関のシリンダへと送り込むコンプレッサ羽根車１０とを備えている。
コンプレッサ羽根車１０とタービン羽根車１７とは、ターボチャージャ１の内部に回転可能に軸支されたシャフト１９によって一体となって回転するように連結されている。

【0014】

コンプレッサ羽根車１０は、コンプレッサハウジング２０の内部に収容されている。
コンプレッサハウジング２０は、コンプレッサ羽根車１０の正面側に、吸気を導入するための吸入口２１と、コンプレッサ羽根車１０の外周に、渦巻き状に延びるコンプレッサ通路２３と、を備えている。このコンプレッサ通路２３は、コンプレッサ羽根車１０の外周部に開口する吐出口２２に接続されている。

【0015】

タービン羽根車１７は、タービンハウジング３０の内部に収容されている。
タービンハウジング３０は、タービン羽根車１７の外周に、渦巻き状に延びるスクロール通路３３を備えている。図示を省略する内燃機関より排出された排気は、このスクロール通路３３に導入され、スクロール通路３３を通過する過程で回転力を得た排気は、図１０に矢印にて示すように、スクロール通路３３の内面に形成された導入口３２を通じてタービン羽根車１７のタービンブレード１８へと吹き付けられる。こうして吹き付けられた排気によって、タービン羽根車１７が回転される。なお、タービン羽根車１７に吹き付けられた排気は、タービン羽根車１７の正面側に開口した排出口３１を通じて排出される。

【0016】

タービン羽根車１７の回転がシャフト１９を通じて伝達され、コンプレッサ羽根車１０が回転されると、吸入口２１を通じて吸気が吸引される。吸引された吸気は、コンプレッサ羽根車１０に設けられたコンプレッサブレード１５によって圧縮され、吐出口２２を通じてコンプレッサ通路２３へと強制的に送り込まれる。コンプレッサ通路２３へと送り込まれた吸気は、内燃機関のシリンダ（図示略）へと送られ、過給が行われる。

【0017】

本実施形態に係るコンプレッサ羽根車１０は、繊維強化樹脂を射出成形することにより形成されている所に特徴を有するが、始めにコンプレッサ羽根車１０の概略の構成について説明する。
コンプレッサ羽根車１０は、図１（ａ）に示すように、図１０に示したシャフト１９と同軸に設けられる円盤状のハブ１１と、ハブ１１の一方の面側から各々が立ち上がり、吸気の流路を形成する複数の羽根形状のコンプレッサブレード１５と、を備えている。なお、コンプレッサ羽根車１０において、コンプレッサブレード１５が設けられる側を正面１１ａ、その反対側を背面１１ｂと定義する。また、コンプレッサ羽根車１０において、回転軸線Ｃに近い側を内径側とし、遠い側を外径側とする。
ハブ１１は、正面１１ａが、外径側から内径側に向かうのにつれて連続的に突出するように湾曲している。ハブ１１は、シャフト１９が嵌合されるボス孔１２を備えるとともに、ボス孔１２の周囲には、コンプレッサ羽根車１０の回転軸線Ｃを取り囲むボス１３を備える。
コンプレッサブレード１５は、本実施形態では、長翼１５ａと短翼１５ｂの２種類を備えており、長翼１５ａと短翼１５ｂは交互に配列されている。

【0018】

コンプレッサ羽根車１０は、繊維強化樹脂により形成されているが、特にボス１３における強化繊維Ｆの配向に特徴を有している。
コンプレッサ羽根車１０を繊維強化樹脂により形成するには、強化繊維を含む溶融樹脂を回転軸線Ｃに沿って射出する。そうすると、ボス孔１２の周囲のいわゆるスキン層において、強化繊維Ｆは射出方向に沿って配向されるので、そのままでは回転軸線Ｃに沿って配向される。
しかし、本実施形態によるコンプレッサ羽根車１０は、ボス孔１２の周囲を囲むボス１３のスキン層に対応する部分について、配向の向きが異なる二つの部分を備える。つまり、本実施形態は、回転軸方向断面で捉えると、図１（ａ）に示すように、強化繊維Ｆがボス１３（ハブ１１）の径方向に対して傾斜する配向領域（以下、第１領域α）と、強化繊維Ｆがボス１３（ハブ１１）の回転軸線Ｃに沿う配向領域（以下、第２領域β）と、を備える。

【0019】

繊維強化樹脂は、一般的に、強化繊維が配向する方向と同じ方向に対する機械的な強度（例えば、引張り強度）は高いが、強化繊維の配向方向と直交する方向に対する機械的な強度は低い。
コンプレッサ羽根車１０が回転している間に、コンプレッサ羽根車１０のボス１３の部分には、図１（ｂ）に示すように、主応力Ｓ_Ｐが周方向に生じる。特に、第１領域αは、ハブ１１の外径が大きく肉厚が厚いために、第２領域βに比べて大きい主応力Ｓ_Ｐが生じる。そこで、回転による主応力Ｓ_Ｐに強度的に対応するためには、第１領域αのように強化繊維Ｆを径方向に傾斜して配向させることで、主応力Ｓ_Ｐに対する強度を確保する。この第１領域αは、ハブ１１の外径が最大になる回転軸線Ｃ方向の位置を含んでいる。
一方で、コンプレッサ羽根車１０は、ボルトによる締め付けにより固定されるが、この締め付けによりボス１３の部分には、回転軸線Ｃに沿う圧縮応力が生じる。第２領域βにおいては、主応力Ｓ_Ｐよりもこの圧縮応力に対向することを優先させるために、第２領域βにおいては、強化繊維Ｆを回転軸線Ｃに沿うように配向させる。
強化繊維を含む溶融樹脂を回転軸線Ｃに沿って射出すると、強化繊維Ｆは回転軸線Ｃに沿って配向されるので、第２領域βを得ることは比較的に容易と言えるが、第１領域αを得るには格別の処置が必要である。以下、図２を参照して説明する。なお、図２は、コンプレッサ羽根車１０を成形するためのキャビティ４２とスプルーＲの外径を示しているが、説明の必要上、コンプレッサ羽根車１０に対応する部位にはコンプレッサ羽根車１０における符号を付している。

【0020】

本実施形態は、コンプレッサ羽根車１０を射出成形する際に、第１領域αに対応する領域に、強化繊維Ｆをボス１３の径方向に傾斜して配向させる溶融樹脂の流れを生じさせる。具体的には、本実施形態では、射出成形している最中に、ボス孔１２に対応して配置されるセンターピン４９の長さを特定する。以下、図２（ａ）と図２（ｂ）と比較して具体的に説明する。なお、図２（ａ）は本実施形態に係り、センターピン４９がボス１３を貫通しないで、背面１１ｂから所定の寸法だけ、正面１１ａの側にずれた位置にその先端４９Ｅが留まっている。この先端４９Ｅは、成形される製品であるコンプレッサ羽根車１０に対応するキャビティ４２の内部、特に径が最大になる位置に留まる。これに対して図２（ｂ）は、センターピン４９がボス１３を回転軸線Ｃの方向に貫通して設けられている。なお、図２において、破線で示す矢印Ａ１〜Ａ３は、溶融樹脂が流れる向きを示している。また、センターピン４９は、コンプレッサ羽根車１０の正面１１ａの側から挿入されることを前提とする。

【0021】

通常、強化繊維を含む溶融樹脂を平板状のキャビティに射出した際の繊維の配向として、以下が知られている。
流動状態にある溶融樹脂のキャビティ壁面の近傍、つまりスキン層に相当する部分にはせん断応力が作用するため、溶融樹脂中の強化繊維は溶融樹脂の流動方向に配向する。一方、キャビティ壁面から離れた厚さ方向の中央付近、つまりコア層に相当する部分にはせん断応力が作用しないため、溶融樹脂中の強化繊維は溶融樹脂の流動方向と直交する方向に配向する。すなわち、成形品の肉厚の中心部分では流動方向と直交かる方向に強化繊維が配向するため、平板状の成形品の肉厚の中心部分では強化繊維は幅方向に配向し、円柱状の成形品の肉厚の中心部分では強化繊維は円柱の横断面内にランダムに配向する現象がある。本発明はこの現象を利用している。
はじめに、図２（ａ）に示す例では、第一領域αに対応する領域では、センターピン４９が存在しないため、ボス１３の繊維配向は回転軸線Ｃの横断面内にランダムに配向し、第二領域βに対応する領域では、センターピン４９の外周面によるせん断応力によってボス孔１２の周囲は回転軸線Ｃ方向に繊維が配向することとなる。
一方で，図２（ｂ）の場合においては、第一領域αに対応する領域にてセンターピン４９の外周面によるせん断応力によって回転軸線Ｃの方向に繊維が配向することとなり、センターピン４９の先端４９Ｅの位置に応じて、ボス１３に繊維配向の異なる領域を設けることが可能となる。

【0022】

ここで、図２（ａ），（ｂ）において、二点鎖線より図中の左側は、溶融樹脂の通り道であるスプルーＲであり、射出成形後に加工により除去される。つまり、コンプレッサ羽根車１０として残る射出成形体は、二点鎖線より図中の右側である。そこで、図２（ａ）と図２（ｂ）を比較すると、センターピン４９を貫通させない図２（ａ）、つまり本実施形態は、溶融樹脂の流れが径方向に沿う領域が、コンプレッサ羽根車１０の範囲に内に収まり、センターピン４９を貫通させない図２（ｂ）は、溶融樹脂の流れが径方向に沿う領域は除去され、コンプレッサ羽根車１０に残らない。
以上のように、センターピン４９を挿入する深さを調整することにより、第１領域αと第２領域βが並存するコンプレッサ羽根車１０を得ることができる。

【0023】

図１（ｂ）及び図２（ａ）に示す強化繊維Ｆが周方向に配向される形態は、第１領域αにおける最も好ましい配向の形態であるが、現実には、すべての強化繊維Ｆが周方向に配向されるとは限らない。
したがって、例えば、図３（ｂ）に示すように、ボス１３の横断面において、強化繊維Ｆがボス１３の径方向に対して傾斜するように配向されていてもよい。この傾斜配向の場合にも、強化繊維Ｆは主応力Ｓ_Ｐと交差するので、主応力Ｓ_Ｐに対する強度を担保できる。また、本実施形態は、図３（ｃ）に示すように、周方向に配向される強化繊維Ｆ１と傾斜配向される強化繊維Ｆ２が混じっていてもよく、本実施形態は、両者を含めて傾斜配向という。

【0024】

以上説明したように、本発明は、第１領域αにおいて、ボス１３の径方向に対して強化繊維Ｆを傾斜するように配向することによって、主応力Ｓ_Ｐに対する強度を向上させる。この傾斜の角度は、０°を超え９０°（直交）以下の範囲とされるが、傾斜角度が大きくなるほど主応力Ｓ_Ｐに対する強度が向上するので、好ましくは３０°以上、さらに好ましくは５０°以上、より好ましくは７０°以上とする。

【0025】

本発明の第１領域αにおいて、主応力Ｓ_Ｐに対する強度の向上は、ボス１３の横断面における強化繊維Ｆをボス１３の径方向に対して傾斜させることが支配的であるが、縦断面について言及すると以下の通りである。図４（ａ）に示すように、強化繊維Ｆは、回転軸線Ｃと直交するように配向されていてもよく、また、図４（ｂ）に示すように、強化繊維Ｆは、回転軸線Ｃに対して傾斜するように配向されていてもよい。

【0026】

以上、本実施形態における第１領域α及び第２領域βのそれぞれについて説明したが、第１領域αと第２領域βの境界部分は、両者における強化繊維Ｆの配向が入り混じることになる。つまり、本実施形態におけるボス１３は、ハブ１１の径方向に対して傾斜して配向される強化繊維の頻度が高い第１領域αと、回転軸線Ｃの方向に配向される強化繊維Ｆの頻度が高い第２領域βと、第１領域αと第２領域βの間に設けられ、傾斜配向される強化繊維Ｆと軸線方向配向される強化繊維Ｆが入り混じる第３領域とから構成される。

【0027】

本実施形態において、ボス１３の周囲のハブ１１の部分の強化繊維Ｆの配向は任意である。ただし、繊維強化樹脂は、スキン層よりも外径側の領域については、強化繊維Ｆの配向がランダムになり、傾斜配向される強化繊維Ｆも相当に含まれる。したがって、当該部分については、このランダムな配向をそのまま利用すればよい。

【0028】

コンプレッサ羽根車１０を構成する樹脂（母材）及び強化繊維Ｆは任意である。母材は、射出成形に供されるものであるから、熱可塑性樹脂が用いられ、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンなどの汎用樹脂や、ポリアミドやポリカーボネートなどの耐熱性を有するエンジニアリングプラスチックなどの公知の樹脂を用いることができる。また、強化繊維Ｆとしては、ガラス繊維、炭素繊維などの公知の強化繊維など、公知の繊維を用いることができる。なお、一般的にターボチャージャのコンプレッサ羽根車１０は回転の上昇に伴い、圧縮する空気温度が上昇し、これによりコンプレッサ羽根車１０自体の温度も上昇していくことから、前記コンプレッサ羽根車１０を構成する樹脂は、前記回転上昇時のコンプレッサ羽根車１０の到達温度に対し適切なガラス転移温度を有する耐熱性の熱可塑性樹脂で構成されることが好ましい。
また、強化繊維Ｆの含有量は、好ましくは５質量％〜６０質量％の範囲、より好ましくは２５質量％〜４５質量％の範囲とすればよい。
強化繊維Ｆは、同じ繊維長のものを用いることができるが、相対的に長い強化繊維Ｆと短い強化繊維Ｆを混在させることができる。
また、コンプレッサ羽根車１０は、熱可塑性樹脂及び強化繊維Ｆに加えて、熱可塑性エラストマを添加することができる。熱可塑性エラストマを含有することで、繊維強化樹脂の延性が向上し割れ発生に対する感度を低減できるとともに、射出成形時の高圧での溶融樹脂の圧縮性が増加し、冷却固化収縮を補うだけの膨張量を確保でき、引張残留応力の発生や割れの防止に有効である。本発明者らの検討によると、０．１質量％〜３０質量％の熱可塑性エラストマを含有することにより、引張残留応力や割れを、更に低減できる。
また、ハブ１１の背面１１ｂに窪みを設けることにより、ハブ１１の肉厚を低減すれば、射出成形時における溶融樹脂の収縮量の絶対値が小さくなるので、引張応力や割れを低減できる。

【0029】

［製造方法］
以上、説明したコンプレッサ羽根車１０は、繊維強化樹脂を固定金型と可動金型を備える射出成形機を用いて製造される。
射出成形機は、型締め装置と可塑化装置を備えている。型締め装置は、固定金型が取り付けられる固定ダイプレートと、可動金型が取り付けられた可動ダイプレートとを備え、型開閉用の油圧シリンダの作動により可動ダイプレートを移動させて可動金型を固定金型に強固に当接さて型締めを行う。可動金型と固定金型からなる金型の内部には、コンプレッサ羽根車１０を成形するための空隙であるキャビティが形成される。
可塑化装置は、筒型の可塑化シリンダと、可塑化シリンダの内部に設けられるスクリュと、強化繊維と樹脂原料が投入される供給部と、を備える。供給部は、強化繊維を投入する部分と樹脂原料を投入する部分を個別に設けることもできる。
スクリュを回転させることで樹脂原料を溶融し、型締め装置に保持される金型の内部のキャビティに向けて強化繊維Ｆが分散された溶融樹脂を射出する。

【0030】

以下、図５を参照して、コンプレッサ羽根車１０を成形するのに好適な金型４０を説明する。本実施形態における金型４０は、コンプレッサ羽根車１０を射出成形する際に、指向性冷却ができる点に特徴を有している。なお、金型４０は、要部のみを示している。

【0031】

金型４０は、図５に示すように、図示を省略する固定ダイプレートに取り付けられる固定金型４１と、図示を省略する可動ダイプレートに取り付けられる可動金型４３とを備え、型開閉用の油圧シリンダを動作させることにより可動ダイプレートを移動させて可動金型４３を固定金型４１に強固に当接させて型締めを行う。可動金型４３と固定金型４１の間には、コンプレッサ羽根車１０を成形するための空隙であるキャビティ４２が形成される。可動金型４３には、スプルーを形成するスプルー金型４４が取り付けられており、可塑化装置からの溶融樹脂はスプルー金型４４を介してキャビティ４２に供給される。また、可動金型４３は、コンプレッサ羽根車１０の形状に応じて、破線で示すように第１要素４３Ａ、第２要素４３Ｂ及び第３要素４３Ｃに分割することができる。

【0032】

スプルー金型４４は、円筒状の形態をなしており、その外周に沿って、第１ヒータ４５Ａと第２ヒータ４５Ｂが設けられている。第１ヒータ４５Ａと第２ヒータ４５Ｂは、主に、可塑化装置から供給される溶融樹脂が、スプルーＲを通る間に、必要な温度を維持するために設けられている。
また、可動金型４３の内部には、第２ヒータ４５Ｂよりも外側に第３ヒータ４５Ｃが設けられている。第３ヒータ４５Ｃは、可動金型４３に形成された円環状の溝に挿入されている。第３ヒータ４５Ｃは、主に、キャビティ４２に連なるゲートＧを通る溶融樹脂を必要な温度にするために設けられている。
以上のように、第１ヒータ４５Ａ、第２ヒータ４５Ｂ及び第３ヒータ４５Ｃは、溶融樹脂が供給される上流側に設けられている。なお、第１ヒータ４５Ａ、第２ヒータ４５Ｂ及び第３ヒータ４５Ｃの構成要素は任意であり、電熱線を加熱要素として備えるヒータや、加熱した油や加圧水を金型内に設置した温調回路に流通するなど、公知の加熱方法を適用することができる。

【0033】

次に、可動金型４３には、その外周の近傍に第１冷却水路４７Ａ、第２冷却水路４７Ｂ及び第３冷却水路４７Ｃを備えている。第１冷却水路４７Ａ、第２冷却水路４７Ｂ及び第３冷却水路４７Ｃは、図示を省略する供給源から供給される冷却水が内部を循環することにより、キャビティ４２に供給される溶融樹脂をその周囲から冷却するために設けられている。なお、第１冷却水路４７Ａ、第２冷却水路４７Ｂ及び第３冷却水路４７Ｃは、それぞれ、第１要素４３Ａ、第２要素４３Ｂ及び第３要素４３Ｃに設けられており、それぞれが冷却水を独立して流すことができるようになっている。
また、可動金型４３には、コンプレッサ羽根車１０にボス孔１２を形成するために、中心部にセンターピン４９が挿入されている。センターピン４９は、正面１１ａの側から挿入されるが、キャビティ４２を貫通することなく、その先端４９Ｅが背面１１ｂの側から後退してキャビティ４２の内部に留まっている。その理由は、前述した通りである。
センターピン４９は、内部に第４冷却水路４９Ａが形成されており、図示を省略する供給源から供給される冷却水が内部を循環することにより、キャビティ４２に供給される溶融樹脂を中心から冷却することができる。
以上のように、可動金型４３は、キャビティ４２を外周側及び内周側の双方から冷却する機構を備えているとともに、外周側からの冷却機構は、軸方向に沿って独立して冷却できる冷却機構を備えている。

【0034】

次に、指向性冷却をしながらコンプレッサ羽根車１０を射出成形により得る手順を図６及び図７を参照して説明する。ここで、スプルー金型４４が設けられる側をゲート（正面）側Ｐ１とし、その逆側を反ゲート（背面）側Ｐ２とすると、本実施形態における指向性冷却とは、反ゲートの側Ｐ２からゲートの側Ｐ１に向けて、温度が高くなるように温度勾配を設けること、逆の言い方をすると、ゲートの側Ｐ１から反ゲートの側Ｐ２に向けて、温度が低くなるように温度勾配を設けることをいう。この指向性冷却を実現するために、第１ヒータ４５Ａ、第２ヒータ４５Ｂ及び第３ヒータ４５Ｃ、並びに、第１冷却水路４７Ａ、第２冷却水路４７Ｂ、第３冷却水路４７Ｃ及び第４冷却水路４９Ａの動作を制御する。

【0035】

射出成形の一連の工程は、図６に示すように、溶融樹脂をキャビティ４２に充填する射出工程と、キャビティ４２に溶融樹脂が充填された後に、キャビティ４２内の溶融樹脂に必要な圧力を付与する保圧工程とを備える。この工程に応じてヒータによる加熱と冷却水による冷却が制御されるが、射出工程より後は、射出された溶融樹脂が冷却される冷却工程ということができる。

【0036】

射出工程においては、図６及び図７（ａ）に示すように、第１ヒータ４５Ａ、第２ヒータ４５Ｂ及び第３ヒータ４５Ｃはいずれも加熱状態（図６ ＯＮ）とされる。一方で、第１冷却水路４７Ａを除いて、第２冷却水路４７Ｂ、第３冷却水路４７Ｃ及び第４冷却水路４９Ａに冷却水を循環（図６ ＯＮ）させる。このように、射出工程においては、キャビティ４２のゲートの側Ｐ１に近い領域の温度を高く維持している。なお、図７において、加熱状態にあるヒータには網掛けを施し、加熱状態にないヒータは白抜きで示している。同様に、冷却水が循環される冷却水路には網掛けを施し、冷却水が循環されていない冷却水路は白抜きで示している。

【0037】

次に、射出工程から保圧工程に移行すると、図６及び図７（ｂ）に示すように、第３ヒータ４５Ｃによる加熱を停止する（図６ ＯＦＦ）とともに、第１冷却水路４７Ａにも冷却水を循環（図６ ＯＮ）させる。これにより、射出工程では温度が維持されていた領域が冷却に転じる。この状態を保圧工程が完了してから所定時間だけ継続して冷却工程を完了し、その後は、型開きを行ってコンプレッサ羽根車１０を取り出す。

【0038】

次に、以上の手順による効果を説明する。
ヒータによる加熱と冷却水による冷却を制御して温度勾配を付けることで、反ゲートの側Ｐ２から溶融樹脂の冷却を行い、溶融樹脂の温度低下に伴う収縮が反ゲートの側Ｐ２に発生させる。一方で、ゲートの側Ｐ１を加熱・圧力保持することで、反ゲートの側Ｐ２の収縮分に対してゲートの側Ｐ１から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張応力や割れの発生を防止できる。
次に、溶融樹脂の充填が済んで射出工程が完了した時点から、第１冷却水路４７Ａにも冷却水を循環させることで、反ゲートの側Ｐ２からゲートの側Ｐ１への軸線方向の冷却に加え、コンプレッサ羽根車１０の半径方向において、キャビティ４２の外径側から中心側に向け冷却が進む。したがって、本実施形態によると、半径方向に対する溶融樹脂の収縮に対しても、収縮分に対してゲートの側Ｐ１から溶融樹脂を補充できるので、収縮による内部の引張応力や割れの発生を防止できる。また、時間差を置いて第１冷却水路４７Ａに冷却水を流して、ゲートＧ及びその近傍領域の冷却を開始することで、ゲートＧの直下の樹脂の冷却・固化を進め、最終の冷却固化位置をゲート内部に追い出すことが可能で、肉厚部の引張残留応力の発生や割れの発生を防止できる。
また、指向性冷却を行うことにより、当初に冷却されているハブ１１の正面１１ａと加熱されている背面１１ｂを比べると、背面１１ｂの表面粗さが小さい。射出成形において，金型温度を高い状態で溶融樹脂を射出した場合、樹脂成形品は金型壁面の転写性が向上し、平滑鏡面に仕上げた金型では、成形品の表面平滑性が格段に向上することが知られている。よって、本実施形態では、背面１１ｂ側の金型を高温に保持した状態で射出成形することで、背面１１ｂの表面平滑性を向上させている。これは、コンプレッサ羽根車１０を回転させている際に、空気との摩擦による発熱を抑えることができることを示唆している。特に、背面１１ｂの側は、圧縮した空気の漏れを防止するため、ベアリングハウジングの固定面と微小な隙間を持って組み付けられ、かつ高速回転するため、空気の摩擦発熱等により、正面１１ａに比べて温度上昇がしやすい。したがって、本実施形態による指向性冷却を行うことにより、この発熱の低減にも有効である。

【0039】

本実施形態において、ヒータによる加熱と冷却水による冷却の条件を図８に示すように変更することもできる。
図８に示す条件によると、第１冷却水路４７Ａに冷却水を流してゲートＧの冷却を開始するまで、射出圧力の保持（保圧工程）を行い、成形品の収縮分に対してゲートの側Ｐ１から溶融樹脂を順次押し込むことができる。そうすると、収縮に対する溶融樹脂の補充と、ゲート直下の製品部最終冷却固化位置の応力や割れの発生を防止できる。

【0040】

本実施形態において、保圧工程における射出圧力は任意であるが、好ましくは１４０ＭＰａ以上、より好ましくは２００ＭＰａ以上で保持を行う。そうすることで、粘性のある溶融樹脂の補充性や、溶融樹脂の圧縮量を確保し、冷却固化収縮を補うだけの膨張量を確保でき、引張応力や割れの防止に有効である。
また、保圧工程において、ゲート近傍の樹脂温度が樹脂の融点とガラス転移温度との間の温度域で保持を継続することが好ましい。これにより、樹脂流動が可能な温度域のみに圧力保持を行えば足りるので、射出軸の圧力保持の動力が必要最小限となり、省エネルギーに寄与する。

【0041】

以上、本発明好ましい実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
例えば、強化繊維Ｆの傾斜配向については、長翼，短翼の二種類のブレードを備える羽根車に限らず、一種類のブレードだけを備える羽根車について適用することができる。
また、以上では羽根車としてコンプレッサ羽根車１０を例にして説明したが、タービン羽根車、他の羽根車について、本発明を適用することができる。
さらにまた、以上説明した実施形態は、コンプレッサ羽根車１０の背面１１ｂの側にゲートＧを設ける一方、正面１１ａを反ゲートの側とした例を示したが、本発明方法はこの射出の向き（第一の向き）に限るものでなく、図９に示すように、コンプレッサ羽根車１０の正面１１ａの側にゲートＧを設ける一方、背面１１ｂを反ゲートの側とする射出の向き（第二の向き，破線矢印）にすることもできる。この第二の向きで溶融樹脂を射出成形する場合にも、冷却用のセンターピン４９は、上記と同じ効果が得られるようにする。つまり、センターピン４９は、背面１１ｂの側から挿入され、その先端がボス１３の正面１１ａの側から背面１１ｂの側に後退して配置されることが好ましい。

【符号の説明】

【0042】

１ ターボチャージャ
１０ コンプレッサ羽根車
１１ ハブ
１１ａ 正面
１１ｂ 背面
１２ ボス孔
１３ ボス
１５ コンプレッサブレード
１５ａ 長翼
１５ｂ 短翼
１７ タービン羽根車
１８ タービンブレード
１９ シャフト
２０ コンプレッサハウジング
２１ 吸入口
２２ 吐出口
２３ コンプレッサ通路
３０ タービンハウジング
３１ 排出口
３２ 導入口
３３ スクロール通路
４０ 金型
４１ 固定金型
４２ キャビティ
４３ 可動金型
４３Ａ 第１要素
４３Ｂ 第２要素
４３Ｃ 第３要素
４４ スプルー金型
４５Ａ 第１ヒータ
４５Ｂ 第２ヒータ
４５Ｃ 第３ヒータ
４７Ａ 第１冷却水路
４７Ｂ 第２冷却水路
４７Ｃ 第３冷却水路
４９ センターピン
４９Ａ 第４冷却水路
４９Ｅ 先端
Ｃ 回転軸線
Ｓ_Ｐ 主応力
α 第１領域
β 第２領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】