特許 6783191 インペラ及び回転機械

(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】6783191

(24)【登録日】2020年10月23日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】インペラ及び回転機械

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/02 20060101AFI20201102BHJP

   F04D 29/28 20060101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   F04D29/02

   F04D29/28 R

   F04D29/28 C

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-111137(P2017-111137)

(22)【出願日】2017年6月5日

(65)【公開番号】特開2018-204546(P2018-204546A)

(43)【公開日】2018年12月27日

【審査請求日】2019年10月10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】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100210572

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(72)【発明者】

【氏名】岡部 良次

(72)【発明者】

【氏名】池田 航介

(72)【発明者】

【氏名】佐近 佳奈

【審査官】 大瀬 円

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１２４９９４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／１３５７８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−０８９５１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３４５９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０１８９１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｄ ２９／０２

Ｆ０４Ｄ ２９／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

前面、背面及びハブ面を有し、緻密な繊維強化材で形成された緻密部と、発泡されている繊維強化材で形成された発泡部と、を有するインペラであって、
径方向について表層を形成し、前記ハブ面側において、周方向に複数配列されたブレードを有するインペラ表層部と、
前記径方向について内層を形成し、前記前面側から前記背面側に向う方向に沿って貫通するボス孔を有し、少なくとも一部に前記発泡部を有するインペラ内層部と、
を備えるインペラ。

【請求項2】

前記発泡部は短繊維強化材である請求項１に記載のインペラ。

【請求項3】

前記発泡部の繊維強化材は短繊維強化材であり、前記緻密部の繊維強化材は長繊維強化材である請求項１に記載のインペラ。

【請求項4】

請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインペラと、
前記インペラの前記ボス孔に挿入され、前記インペラを回転させる回転軸と、
を備える回転機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インペラ及び回転機械に関する。

【背景技術】

【0002】

インペラを備えた回転機械のうちの１つとして、ターボチャージャがある。ターボチャージャは、圧縮空気をエンジンに送り込んで燃料を燃焼させることで自然吸気のエンジンに比べて燃費改善、及びＣＯ_２削減の効果を高めることが可能な回転機械である。

【0003】

例えば、特許文献１には、所定の過給機能を発揮するインペラを用いたターボチャージャが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実開平０３−１００４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

引用文献１には、インペラのブレードの倒れ変形や背板部のうねり変形を抑制するために、合成樹脂のインペラの背板部に金属リングを設けることが開示されている。
しかしながら、径方向におけるインペラの内層部には、遠心力によって、高い応力ではないものの、多方向の応力場が発生する。このため、インペラの背板部に金属リングを設けるだけでは、インペラの内層部が多方向の応力場に対応できないことがある。

【0006】

本発明は、インペラの内層部が多方向の応力場に対応可能なインペラ及び回転機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の態様は、前面、背面及びハブ面を有し、長繊維強化材で形成された長繊維強化部と、短繊維強化材で形成された短繊維強化部と、を有するインペラであって、前記ハブ面側において、周方向に複数配列されたブレードを有するインペラ表層部と、前記前面側から前記背面側に向う方向に沿って貫通するボス孔を有し、少なくとも一部に前記短繊維強化部を有するインペラ内層部と、を備えるインペラである。

【0008】

本態様によれば、インペラは、長繊維強化材で形成された長繊維強化部と、短繊維強化材で形成された短繊維強化部と、を有する。他方、インペラは、インペラ内層部の少なくとも一部に短繊維強化部を有する。
強化繊維を含む複合材は、繊維長によって強度異方性が異なり、長繊維であるほど配向方向の機械強度が高く、短繊維であるほど機械強度の異方性が緩和される。このため、多軸の応力場となるインペラ内層部の少なくとも一部を短繊維化することで、インペラは、応力状態に対応した機械強度を有する材料構成となる。
したがって、インペラの内層部が、多方向の応力場に対応可能である。

【0009】

第２の態様は、前記インペラ表層部が、長繊維強化部である第１の態様のインペラである。

【0010】

本態様によれば、インペラは、一軸方向が高応力となるインペラ表層部と、多軸の低応力場となるインペラ内層部の少なくとも一部とで、強化繊維の繊維長が異なる。表層部を長繊維化、内層部の少なくとも一部を短繊維化することで、インペラは、応力状態に合わせた機械強度を有する材料構成となる。

【0011】

第３の態様は、前記長繊維強化材が、前記短繊維強化材に比べて、統計的に長い繊維長の強化繊維を含む第１又は第２の態様のインペラである。

【0012】

本態様によれば、長繊維強化材の繊維長が統計的に長いので、長繊維強化材においては高応力が発生する方向の機械強度を高くすることができる。他方、短繊維強化材の繊維長が統計的に短いので、短繊維強化材においては多軸の応力場に対応した機械物性が得られる。

【0013】

第４の態様は、前記長繊維強化材が、０．２ｍｍ以下の繊維長を有する強化繊維の累積体積率が５０％未満であって、且つ１ｍｍ以上の繊維長を有する強化繊維の累積体積率が少なくとも３０％以上である強化繊維で構成され、前記短繊維強化材が、０．２ｍｍ以下の繊維長を有する強化繊維の累積体積率が少なくとも５０％以上である強化繊維で構成されている第３の態様のインペラである。

【0014】

本態様によれば、長繊維強化材の繊維長が統計的にさらに長いので、長繊維強化材において高応力が発生する方向の機械強度をさらに高くできる。他方、短繊維強化材の繊維長が統計的にさらに短いので、短繊維強化材において多軸の応力場にさらに対応した機械物性が得られる。

【0015】

第５の態様は、前記長繊維強化材が、さらに、１ｍｍ以上の繊維長を有する強化繊維の累積体積率が少なくとも５０％以上である強化繊維で構成されている第４の態様のインペラである。

【0016】

本態様によれば、長繊維強化材の繊維長が統計的にさらに長いので、長繊維強化材において高応力が発生する方向の機械強度をさらに高くできる。

【0017】

第６の態様は、前記短繊維強化材が、さらに、０．２ｍｍ以下の繊維長を有する強化繊維の累積体積率が少なくとも８０％以上である強化繊維で構成されている第４又は第５の態様のインペラである。

【0018】

本態様によれば、短繊維強化材の繊維長が統計的にさらに短いので、短繊維強化材において多軸の応力場にさらに対応した機械物性が得られる。

【0019】

第７の態様は、前記短繊維強化部が、前記ボス孔を取り囲むように形成された第１から第６のいずれかの態様のインペラである。

【0020】

本態様によれば、多軸の応力場が発生するボス孔周辺が、短繊維強化材で形成されるため、インペラは、ボス孔周辺の機械強度を向上させることができる。

【0021】

第８の態様は、前記短繊維強化部が、破断伸びが４％以上の樹脂を含む複合材で形成されている第１から第７のいずれかの態様のインペラである。

【0022】

本態様によれば、短繊維強化部に高延性の樹脂を用いることで、繊維配向の少ない方向の靱性が向上し、その結果強度異方性が緩和される。このため、短繊維強化部は、さらに多軸応力場に対応した機械物性を有する。

【0023】

第９の態様は、前記短繊維強化部が、破断伸びが８％以上の樹脂を含む複合材で形成されている第８の態様のインペラである。

【0024】

本態様によれば、短繊維強化部にさらに高延性の樹脂を用いることで、維配向の少ない方向の靱性が向上し、その結果強度異方性が緩和される。このため、短繊維強化部は、さらに多軸応力場に対応した機械物性を有する。

【0025】

第１０の態様は、前記短繊維強化部が、エラストマが添加された樹脂を含む複合材で形成されている第１から第９のいずれかの態様のインペラである。

【0026】

本態様によれば、短繊維強化部に高延性の樹脂を用いることで、維配向の少ない方向の靱性が向上し、その結果強度異方性が緩和される。このため、短繊維強化部は、さらに多軸応力場に対応した機械物性を有する。

【0027】

第１１の態様は、前面、背面及びハブ面を有し、緻密な繊維強化材で形成された緻密部と、発泡されている繊維強化材で形成された発泡部と、を有するインペラであって、前記ハブ面側において、周方向に複数配列されたブレードを有するインペラ表層部と、前記前面側から前記背面側に向う方向に沿って貫通するボス孔を有し、少なくとも一部に前記発泡部を有するインペラ内層部と、を備えるインペラである。

【0028】

本態様によれば、インペラは、緻密な繊維強化材で形成された緻密部と、発泡されている繊維強化材で形成された発泡部と、を有する。他方、インペラは、インペラ内層部の少なくとも一部に発泡部を有する。
強化繊維を含む複合材は、樹脂の発泡により、強化繊維の配向がランダム化し、強度異方性が緩和される。このため、多軸の応力場となるインペラ内層部の少なくとも一部を発泡部とすることで、インペラは、応力状態に対応した機械強度を有する材料構成となる。
したがって、インペラの内層部が、多方向の応力場に対応可能である。
さらに、発泡部とすることで、インペラの軽量化が可能となり、慣性力の低減が可能となる。

【0029】

第１２の態様は、第１から第１１のいずれかの態様のインペラと、前記インペラの前記ボス孔に挿入され、前記インペラを回転させる回転軸と、を備える。

【0030】

本態様によれば、インペラ内層部の機械強度が向上した回転機械とすることができる。

【0031】

第１３の態様は、長繊維強化材で形成された長繊維強化部と、短繊維強化材で形成された短繊維強化部と、を有するインペラの製造方法であって、インペラの金型と、前面側にピンと、を設置する設置工程と、表層に溶融された長繊維強化材、内層に溶融された短繊維強化材が二層構造で射出されるように、背面側から前記金型及び前記ピンに向かって、前記溶融された長繊維強化材及び前記溶融された短繊維強化材を射出する射出工程と、を実施するインペラの製造方法である。

【0032】

本態様によれば、インペラ内層部の少なくとも一部に短繊維強化部を有するインペラを形成することができる。このため、インペラの内層部が多方向の応力場に対応可能なインペラを製造することができる。
さらに、表層と内層で二層構造とした材料を射出成形可能なサンドイッチ成形法により、二材の樹脂が一体成形されたインペラを製造することができる。サンドイッチ成形法を適用することで、表層部と内層部が溶融状態で一体化されるため、界面強度低下等の可能性を軽減できると共に、一体成形により生産性が向上、製造コスト低減が可能となる。

【0033】

第１４の態様は、緻密な繊維強化材で形成された緻密部と、発泡されている繊維強化材で形成された発泡部と、を有するインペラの製造方法であって、インペラの金型と、前面側にピンと、を設置する設置工程と、表層に溶融された非発泡性繊維強化材、内層に溶融された発泡性繊維強化材が二層構造で射出されるように、背面側から前記金型及び前記ピンに向かって、前記溶融された非発泡性繊維強化材及び前記溶融された発泡性繊維強化材を射出する射出工程と、を実施するインペラの製造方法である。

【0034】

本態様によれば、インペラ内層部の少なくとも一部に発泡部を有するインペラを形成することができる。このため、インペラの内層部が多方向の応力場に対応可能なインペラを製造することができる。
さらに、表層と内層で二層構造とした材料を射出成形可能なサンドイッチ成形法により、二材の樹脂が一体成形されたインペラを製造することができる。サンドイッチ成形法を適用することで、表層部と内層部が溶融状態で一体化されるため、界面強度低下等の可能性を軽減できると共に、一体成形により生産性が向上、製造コスト低減が可能となる。

【発明の効果】

【0035】

本発明の一態様によれば、インペラの内層部が、多方向の応力場に対応可能である。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】第一の実施形態に係る回転機械の軸線に沿った断面図である。

【図2】第一の実施形態に係るインペラの軸線に沿った断面図である。

【図3】図２のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。

【図4】各繊維長における体積率を示すグラフである。

【図5】各繊維長における累積体積率を示すグラフである。

【図6】第一の実施形態に係るインペラの製造方法のフローチャートである。

【図7】第一の実施形態に係るインペラの製造方法を説明する図である。

【図8】第一の実施形態に係るインペラの製造方法で用いる長繊維強化材の成形原料ペレットの斜視図である。

【図9】第一の実施形態に係るインペラの製造方法で用いる短繊維強化材の成形原料ペレットの斜視図である。

【図10】第二の実施形態に係るインペラの軸線に沿った断面図である。

【図11】図１０のＸＩ部の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、本発明に係る各種実施形態について、図面を用いて説明する。

【0038】

＜第一の実施形態＞
以下、第一の実施形態に係るターボチャージャ１（回転機械）について説明する。
図１に示すようにターボチャージャ１は、回転軸２と、回転軸２と共に回転するタービン３及び圧縮機４と、タービン３と圧縮機４を連結するとともに回転軸２を支持するハウジング連結部５とを備える。
このターボチャージャ１では、図示しないエンジンからの排気ガスＧによりタービン３が回転し、当該回転に伴って圧縮機４が圧縮した空気ＡＲをエンジンに供給する。

【0039】

回転軸２は、軸線Ａｘに沿って延び、軸線Ａｘを中心として回転する。

【0040】

タービン３は、軸線Ａｘに沿う方向の一方側（図１の紙面に向かって右側）に配置されている。
以下の説明においては、特に言及しない限り、軸線Ａｘに沿う方向を単に「軸方向Ｄａ」と、回転軸２の周方向を「周方向Ｄｃ」と、回転軸２の径方向を「径方向Ｄｒ」という。

【0041】

このタービン３は、回転軸２が取付けられるとともにタービンブレード１５を有するタービンインペラ１４と、タービンインペラ１４を外周側から覆うタービンハウジング１１とを備える。

【0042】

タービンインペラ１４には、回転軸２が嵌り込んでいる。このため、タービンインペラ１４は、軸線Ａｘを中心として、回転軸２と共に軸線Ａｘ回りに回転可能となっている。

【0043】

タービンハウジング１１は、タービンインペラ１４を覆っている。タービンハウジング１１は、タービンブレード１５の前縁部（径方向Ｄｒ外側の端部）から径方向Ｄｒ外側に向かって延びると共に、径方向Ｄｒ外側の位置で軸線Ａｘを中心とした環形状を有する。タービンハウジング１１には、タービンハウジング１１の内外を連通するスクロール通路１２が形成されている。このスクロール通路１２から排気ガスＧがタービンインペラ１４に導入されることで、タービンインペラ１４及び回転軸２が回転する。

【0044】

また、タービンハウジング１１には、軸線Ａｘの一方側で開口する排出口１３が形成されている。タービンブレード１５を通過した排気ガスＧは、軸方向Ｄａの一方側に向かって流通し、排出口１３からタービンハウジング１１の外部に排出される。

【0045】

圧縮機４は、軸方向Ｄａの他方側（図１の紙面に向かって左側）に配置されている。
圧縮機４には、回転軸２が取付けられる。圧縮機４は、インペラ２４と、インペラ２４を外周側から覆う圧縮機ハウジング２１とを備える。

【0046】

インペラ２４の後述するボス孔２７ａには、回転軸２が嵌り込んでいる。このため、インペラ２４は、軸線Ａｘを中心として、回転軸２と共に軸線Ａｘ回りに回転可能となっている。

【0047】

圧縮機ハウジング２１は、インペラ２４を覆っている。そして、圧縮機ハウジング２１には軸方向Ｄａの他方側（インペラ２４の前面側）で開口する吸込口２３が形成されており、この吸込口２３を通じて圧縮機ハウジング２１の外部から空気ＡＲをインペラ２４に導入する。そして、インペラ２４に、タービンインペラ１４からの回転力が回転軸２を介して伝達されることで、インペラ２４が軸線Ａｘ回りに回転し、空気ＡＲが圧縮される。

【0048】

圧縮機ハウジング２１には、後述するブレード２５の後縁部（空気ＡＲの流れの下流端部）から径方向Ｄｒ外側に向かって延びると共に、径方向Ｄｒ外側の位置で軸線Ａｘを中心とした環形状を有して圧縮機ハウジング２１の内外を連通する圧縮機通路２２が形成されている。圧縮機通路２２へインペラ２４で圧縮された空気ＡＲが導入される。このため、圧縮された空気ＡＲは、圧縮機ハウジング２１の外部に吐出される。

【0049】

ハウジング連結部５は、圧縮機ハウジング２１とタービンハウジング１１との間に配置されて、圧縮機ハウジング２１とタービンハウジング１１とを連結している。さらに、ハウジング連結部５は、回転軸２を外周側から覆う軸受６を備える。軸受６によって、ハウジング連結部５は、回転軸２をハウジング連結部５に対して相対回転可能となるように支持している。

【0050】

（インペラ）
次に、図２〜図５を参照して、インペラ２４の構造について詳しく説明する。
インペラ２４は、径方向Ｄｒについてインペラ２４の表層を形成するインペラ表層部２６と、径方向Ｄｒについてインペラ２４の内層を形成するインペラ内層部２７と、を備える。インペラ２４は、さらに、前面２４ａと、背面２４ｂと、ハブ面２４ｃとを有する。
インペラ表層部２６は、ハブ面２４ｃ側の周方向Ｄｃに複数配列されたブレード２５を有する。
インペラ内層部２７は、径方向Ｄｒ内側において、軸方向Ｄａに延びるボス孔２７ａを有する。ボス孔２７ａには、回転軸２が挿通されて嵌合される。

【0051】

図２及び図３に示されるように、インペラ２４は、複合材で形成された複合材部５０を有する。
複合材部５０は、樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成されている。

【0052】

複合材部５０に用いられる樹脂は、熱可塑樹脂であって、後述する金型に溶融状態で充填後、冷却することにより、固化させることができる。熱可塑樹脂としては、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリケトンサルファイド（ＰＫＳ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）等が例示される。

【0053】

複合材に用いられる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ウイスカー（Ｗｈｉｓｋｅｒ）等が例示される。

【0054】

複合材部５０は、後述の長繊維強化材で形成された長繊維強化部５１と、後述の短繊維強化材で形成された短繊維強化部５２と、を有する。長繊維強化材は、樹脂及び強化繊維を含む複合材である。短繊維強化材も、樹脂及び強化繊維を含む複合材である。
インペラ２４の複合材部５０は、インペラ内層部２７の少なくとも一部に短繊維強化部５２を有する。本実施形態の場合、インペラ内層部２７の全てが短繊維強化部５２となっている。
他方、短繊維強化部５２以外の複合材部５０は、長繊維強化部５１である。すなわち、少なくともインペラ表層部２６の複合材部５０は、長繊維強化部５１である。本実施形態の場合、インペラ表層部２６の全てが長繊維強化部５１となっている。

【0055】

本実施形態において、短繊維強化部５２は、インペラ２４のボス孔２７ａを画成する内周面５２ａと、長繊維強化部５１に覆われ、長繊維強化部５１の後述の内周面５１ａと接する外周面５２ｂと、を有する。短繊維強化部５２の内周面５２ａは、軸方向Ｄａに沿って延びている。短繊維強化部５２の外周面５２ｂは、インペラ２４の前面２４ａ側から背面２４ｂ側に向かって、径方向Ｄｒの径が徐々に変化している。短繊維強化部５２の外周面５２ｂの径は、前面２４ａ側から背面２４ｂ側に向かって大きくなり、背面２４ｂ近傍で小さくなっている。
短繊維強化部５２に高延性の樹脂が用いられている。本実施形態では、破断伸びが４％以上の樹脂が、高延性の樹脂として用いられる。望ましくは、８％以上の樹脂が、高延性の樹脂として用いられてもよい。
変形例として、エラストマを添加した樹脂が、高延性の樹脂として用いられてもよい。

【0056】

長繊維強化部５１は、短繊維強化部５２の外周面５２ｂを覆う内周面５１ａと、複数のブレード２５を含むインペラ２４のハブ面２４ｃ及び背面２４ｂの外形を形成する外周面５１ｂと、を有する。長繊維強化部５１の内周面５１ａは、短繊維強化部５２の外周面に沿った形状を有する。長繊維強化部５１の外周面５１ｂは、インペラ２４の前面２４ａ側から背面２４ｂ側に向かって、径方向Ｄｒの径が徐々に変化している。長繊維強化部５１の外周面５１ｂは、インペラ２４の前面２４ａ側から背面２４ｂ側に向かって、径がテーパ状に大きくなり、インペラ２４の背面２４ｂの外縁につながっている。
長繊維強化部５１の外周面５１ｂは、さらに突出する形状を有し、複数のブレード２５を形成している。したがって、長繊維強化部５１の外周面５１ｂは、複数のブレード２５と、ブレード２５を支持するハブ面２４ｃを形成している。

【0057】

（長繊維強化材及び短繊維強化材）
長繊維強化材と、短繊維強化材の材質の違いについて説明する。
長繊維強化部５１の複合材として用いられる長繊維強化材は、短繊維強化部５２の複合材として用いられる短繊維強化材に比べて、統計的に長い強化繊維を含む複合材である。
長繊維強化材は主に０．１ｍ〜５ｍｍの繊維長の強化繊維を有し、短繊維強化材は主に０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの繊維長の強化繊維を有する。

【0058】

図４に示されるように、長繊維強化材の強化繊維は、短繊維強化材の強化繊維に比べて、繊維長の長い強化繊維の体積率が大きくなるように分布している。
図４のグラフは、各強化材を構成する強化繊維の各繊維長（横軸）における体積率（縦軸）を示す。図４において、長繊維強化材の各データは「長繊維」と示され、短繊維強化材の各データは「短繊維」と示される。

【0059】

図４の累積分布である図５に示されるように、長繊維強化材は、０．２ｍｍ以下の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が５０％未満であって、且つ１ｍｍ以上の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）繊維長の累積体積率が少なくとも３０％以上である強化繊維で構成されている。
他方、図５に示されるように、短繊維強化材は、０．２ｍｍ以下の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が少なくとも５０％以上である強化繊維で構成されている。
図５のグラフは、各強化材を構成する強化繊維の各繊維長（横軸）以下の強化繊維の累積体積率（縦軸）を示す。図５において、長繊維強化材の各データは「長繊維」と示され、短繊維強化材の各データは「短繊維」と示される。

【0060】

（製造方法）
次に、図６〜図９を参照して、インペラ２４の製造方法について説明する。

【0061】

まず、図６に示すように、インペラ２４の金型ＤＩと、前面側にピンＰＩＮと、が設置される（ＳＴ０１：設置工程）。

【0062】

設置工程ＳＴ０１に続いて、表層ＭＢに溶融された長繊維強化材、内層ＭＡに溶融された短繊維強化材が二層構造で射出されるように、背面側から金型ＤＩ及びピンＰＩＮに向かって、図７のように、金型ＤＩ内に溶融された長繊維強化材及び短繊維強化材が射出、充填され、金型ＤＩ内で冷却・固化される（ＳＴ０２：射出工程）。図７において、背面側は射出方向Ｄｉｎの上流側、前面側は射出方向Ｄｉｎの下流側である。

【0063】

射出工程ＳＴ０２に続いて、金型ＤＩを分割することによって、固化された構造体ＳＴＲが金型ＤＩから取り出される。さらに、余分な部分が除去され、ボス孔２７ａが貫通されることによって、取り出された構造体ＳＴＲがインペラ２４に整形される（ＳＴ０３：整形工程）。

【0064】

本実施形態において、インペラ２４の製造方法の射出工程ＳＴ０２では、溶融された長繊維強化材及び溶融された短繊維強化材は、溶融された短繊維強化材の径方向Ｄｒ外側の周りに、溶融された長繊維強化材が積層された状態で射出される。このため、金型ＤＩ内においても、概ね短繊維強化材の径方向Ｄｒ外側の周りに、長繊維強化材が積層された状態となっている。
さらに、本実施形態において、インペラ２４の製造方法の射出工程ＳＴ０２では、溶融された長繊維強化材が射出された後、溶融された長繊維強化材が射出されている途中で、短繊維強化材が射出される。このため、金型ＤＩやピンＰＩＮの表面付近には、長繊維強化材が先に充填される。
したがって、図７に示すように、金型ＤＩやピンＰＩＮの表面と内層ＭＡとの間に、表層ＭＢが形成される。

【0065】

図８及び図９に示されるように、表層ＭＢに射出される長繊維強化材の成形原料ペレットＰＬは、内層ＭＡに射出される短繊維強化材の成形原料ペレットＰＳに比べて、長い強化繊維が含まれている。

【0066】

長繊維強化材の成形原料ペレットＰＬとしては、例えば、３ｍｍ〜２０ｍｍの炭素繊維の繊維束ＰＬａと樹脂ＰＬｂとが一体化されたペレットを用いる。
短繊維強化材の成形原料ペレットＰＳとしては、例えば、樹脂ＰＳｂに１ｍｍ未満の炭素繊維ＰＳａが混練され、分散されたペレットを用いる。
１ｍｍ未満の炭素繊維ＰＳａが混練され、分散されたペレットを用いる場合、製造されるインペラ２４の短繊維強化部５２は、１ｍｍ未満の強化繊維で形成される。

【0067】

（作用及び効果）
本実施形態のインペラ２４は、長繊維強化材で形成された長繊維強化部５１と、短繊維強化材で形成された短繊維強化部５２と、を有する。他方、インペラ２４は、インペラ内層部２７の少なくとも一部に短繊維強化部５２と、を有する。
強化繊維を含む複合材は、繊維長によって強度異方性が異なり、長繊維であるほど長繊維の配向方向の機械強度が高く、短繊維であるほど機械強度の異方性が緩和される。このため、多軸の応力場となるインペラ内層部２７の少なくとも一部を短繊維化することで、インペラ２４は、応力状態に対応した機械強度を有する材料構成となる。

【0068】

例えば、インペラ内層部２７を長繊維強化部５１としたとする。この場合、インペラ内層部２７において、強化繊維が特定方向に配向しやすくなる。
強化繊維を含む複合材は、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。
このため、インペラ内層部２７において、強化繊維が特定方向に配向すると、配向しない方向の機械的強度が弱くなる。このため、遠心力によって、インペラ内層部２７に多軸の応力場が発生すると、インペラ内層部２７の機械的強度が確保できない可能性がある。
これに対し、インペラ内層部２７の少なくとも一部を短繊維化することで、強化繊維が特定方向に配向しにくく、多方向の応力場に対応できるので、インペラ内層部２７の機械的強度が確保できる。
したがって、インペラ内層部２７は、多方向の応力場に対応可能である。

【0069】

さらに、本実施形態のインペラ２４は、一軸方向が高応力となるインペラ表層部２６と、多軸の低応力場となるインペラ内層部２７の少なくとも一部とで、強化繊維の繊維長が異なる。インペラ表層部２６を長繊維化、インペラ内層部２７の少なくとも一部を短繊維化することで、インペラ２４は、応力状態に合わせた機械強度を有する材料構成となる。

【0070】

さらに、本実施形態のインペラ２４は、多軸の応力場が発生するボス孔２７ａ周辺が、短繊維強化材で形成される。このため、インペラ２４は、ボス孔２７ａ周辺の機械強度を向上させることができる。

【0071】

さらに、本実施形態のインペラ２４は、短繊維強化部５２に高延性の樹脂を用いることで、繊維配向の少ない方向の靱性が向上し、その結果強度異方性がより緩和されるとともに、成形後の固化収縮時に発生する残留ひずみも樹脂自体のクリープ変形により緩和することができる。この結果として、短繊維強化部５２において、多軸応力場に対応した機械物性が得られる。

【0072】

本実施形態のインペラ２４の製造方法は、インペラ内層部２７の少なくとも一部に短繊維強化部５２を有するインペラを形成することができる。このため、インペラの内層部が多方向の応力場に対応可能なインペラを製造することができる。
さらに、表層と内層で二層構造とした材料を射出成形可能なサンドイッチ成形法により、二材の樹脂が一体成形されたインペラを製造することができる。サンドイッチ成形法を適用することで、表層と内層が溶融状態で一体化されるため、界面強度低下等の可能性を軽減できると共に、一体成形により生産性が向上、製造コスト低減が可能となる。

【0073】

＜第二の実施形態＞
以下、第二の実施形態に係るインペラ１２４について説明する。
本実施形態のインペラ１２４は、第一の実施形態のインペラ２４と基本的に同じであるが、インペラ１２４が、緻密部と発泡部とを有する点が異なる。
本実施形態のインペラ１２４は、第一の実施形態のインペラ２４に代えて、ターボチャージャ１（回転機械）に設けられる。

【0074】

図１０及び図１１を参照して、インペラ１２４について詳しく説明する。
インペラ１２４は、径方向Ｄｒについてインペラ１２４の表層を形成するインペラ表層部２６と、径方向Ｄｒについてインペラ１２４の内層を形成するインペラ内層部１２７と、を備える。インペラ１２４は、さらに、前面１２４ａと、背面１２４ｂと、ハブ面１２４ｃとを有する。
インペラ内層部１２７は、径方向Ｄｒ内側において、軸方向Ｄａに延びるボス孔１２７ａを有する。ボス孔１２７ａには、回転軸２が挿通されて嵌合される。

【0075】

図１０に示されるように、インペラ１２４は、複合材で形成された複合材部１５０を有する。
複合材部１５０は、樹脂及び強化繊維を含む複合材により形成されている。

【0076】

複合材部１５０に用いられる樹脂は、熱可塑樹脂であって、後述する金型により加熱することにより、硬化させることができる。熱可塑樹脂としては、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリケトンサルファイド（ＰＫＳ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）等が例示される。

【0077】

複合材に用いられる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ウイスカー（Ｗｈｉｓｋｅｒ）等が例示される。

【0078】

複合材部１５０は、緻密な繊維強化材で形成された緻密部１５１と、発泡されている繊維強化材で形成された発泡部１５２と、を有する。
発泡されている繊維強化材は、樹脂及び強化繊維を含む複合材であって、樹脂内に多くの泡を含む。発泡されている繊維強化材は、長繊維強化材であってもよいし、短繊維強化材であってもよい。

【0079】

図１１には、発泡部１５２の強化繊維をＦＢ、樹脂をＲＧで示す。図１１に示すように、発泡部１５２は、樹脂ＲＧ内に泡ＢＢをさらに有する。

【0080】

緻密な繊維強化材は、樹脂及び強化繊維を含む複合材である。緻密な繊維強化材では、発泡されている繊維強化材に比べて、発泡が抑制されており、樹脂内に分布する泡が少なく、強化繊維が緻密に分布している。
本実施形態において緻密な繊維強化材は、長繊維強化材である。

【0081】

インペラ１２４の複合材部１５０は、インペラ内層部１２７の少なくとも一部に発泡部１５２を有する。本実施形態の場合、インペラ内層部１２７の全てが発泡部１５２となっている。
他方、発泡部１５２以外の複合材部１５０は、緻密部１５１である。すなわち、少なくともインペラ表層部２６の複合材部１５０は、緻密部１５１である。本実施形態の場合、インペラ表層部２６の全てが緻密部１５１となっている。

【0082】

インペラ１２４は、樹脂ＲＧ内に泡ＢＢを設ける以外、第一の実施形態のインペラ２４と同様な方法によって製造される。
複合材の成形原料ペレットや溶融された複合材に発泡剤や液体窒素を分散させた発泡性複合材を射出することによって、樹脂ＲＧ内に泡ＢＢを設けることができる。
すなわち、表層ＭＢに溶融された非発泡性繊維強化材が、内層ＭＡに溶融された発泡性繊維強化材が二層構造で射出されるように、背面側から金型ＤＩ及びピンＰＩＮに向かって、溶融された非発泡性繊維強化材及び溶融された発泡性繊維強化材が射出される。
その後、金型ＤＩ内で固化されると、表層ＭＢが緻密な繊維強化材となり、内層ＭＡが発泡されている繊維強化材となる。

【0083】

本実施形態のインペラ１２４は、インペラ内層部１２７が泡ＢＢを有することにより、発泡部１５２内の強化繊維の配向がランダム化し、強度異方性が緩和される。このため、発泡部１５２は、さらに多軸応力場に対応した機械物性を有する。
他方、本実施形態の場合、インペラ表層部２６において泡ＢＢの発生が抑制されている。このため、長繊維強化材の配向を維持できるため、高応力が発生する方向の機械強度を維持できる。
さらに、発泡部とすることで、インペラの軽量化が可能となり、慣性力の低減が可能となる。

【0084】

＜変形例＞
各実施形態における長繊維強化材及び短繊維強化材の各構成は前述のとおりである。
変形例として、長繊維強化材が、０．２ｍｍ以下の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が５０％未満であって、且つ１ｍｍ以上の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が少なくとも５０％以上である強化繊維で構成されてもよい。
他の変形例として、短繊維強化材が、０．２ｍｍ以下の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が少なくとも８０％以上である強化繊維で構成されてもよい。
さらに他の変形例として、長繊維強化材が、０．２ｍｍ以下の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が５０％未満であって、且つ１ｍｍ以上の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が少なくとも５０％以上である強化繊維で構成されると共に、短繊維強化材が、０．２ｍｍ以下の繊維長の強化繊維の（体積率を累積した）累積体積率が少なくとも８０％以上である強化繊維で構成されてもよい。
長繊維強化材の繊維長が、統計的に長いほど、長繊維強化材が配向する方向の機械強度が高くなる。他方で、短繊維強化材の繊維長が、統計的に短いほど、多軸の応力場に対応した機械物性が得られる。

【0085】

各実施形態において、ブレード２５やハブ面２４ｃ、１２４ｃは、樹脂及び強化繊維を含む複合材を用いているが、変形例として、（強化繊維を含まない）樹脂や金属を用いてもよい。ブレード２５やハブ面２４ｃ、１２４ｃに用いられる樹脂としては、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリケトンサルファイド（ＰＫＳ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、芳香族ポリアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリイミド（ＰＩ）等が例示される。

【0086】

第一の実施形態において、インペラ２４は、インペラ内層部２７の全てが短繊維強化部５２となっているが、インペラ内層部２７の少なくとも一部に短繊維強化部５２を有するものであってもよい。 変形例として、インペラ内層部２７のうち、ボス孔２７ａ周辺部が長繊維強化部５１であって、他の部分が短繊維強化部５２であってもよい。
他の変形例として、インペラ内層部２７のうち、インペラ２４の背面２４ｂが長繊維強化部５１であって、他の部分が短繊維強化部５２であってもよい。 同様に、インペラ２４は、インペラ表層部２６の全てが長繊維強化部５１となっているが、変形例として、インペラ表層部２６の少なくとも一部に長繊維強化部５１を有するものであってもよい。

【0087】

第二の実施形態において、インペラ１２４は、インペラ内層部１２７の全てが発泡部１５２となっているが、インペラ内層部１２７の少なくとも一部に発泡部１５２を有するものであってもよい。
変形例として、インペラ内層部１２７のうち、ボス孔１２７ａ周辺部が緻密部１５１であって、他の部分が発泡部１５２であってもよい。
他の変形例として、インペラ内層部１２７のうち、インペラ１２４の背面１２４ｂが緻密部１５１であって、他の部分が発泡部１５２であってもよい。
同様に、インペラ１２４は、インペラ表層部２６の全てが緻密部１５１となっているが、変形例として、インペラ表層部２６の少なくとも一部に緻密部１５１を有するものであってもよい。

【0088】

各実施形態において、変形例として、発泡部１５２に高延性の樹脂を用いてもよい。発泡部１５２に高延性の樹脂を用いることで、繊維配向の少ない方向の靱性が向上し、その結果強度異方性が緩和されるとともに、成形後の固化収縮時に発生する残留ひずみも樹脂自体のクリープ変形により緩和することができる。この結果として、発泡部１５２において、さらに多軸応力場に対応した機械物性が得られる。
本変形例では、破断伸びが４％以上の樹脂が、高延性の樹脂として用いられる。望ましくは、８％以上の樹脂が、高延性の樹脂として用いられてもよい。
他の変形例として、エラストマを添加した樹脂が、高延性の樹脂として用いられてもよい。

【0089】

各実施形態において、複合材部５０、１５０に熱可塑樹脂を用いているが、変形例として、熱硬化樹脂を用いてもよい。熱硬化樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、シリコン樹脂等が例示される。

【0090】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。

【0091】

例えば、各実施形態では、回転機械の一例として、ターボチャージャを例に挙げて説明しているが、ターボチャージャ以外の回転機械にも適用可能である。

【符号の説明】

【0092】

１ ターボチャージャ
２ 回転軸
３ タービン
４ 圧縮機
５ ハウジング連結部
６ 軸受
１１ タービンハウジング
１２ スクロール通路
１３ 排出口
１４ タービンインペラ
１５ タービンブレード
２１ 圧縮機ハウジング
２２ 圧縮機通路
２３ 吸込口
２４ インペラ
２４ａ 前面
２４ｂ 背面
２４ｃ ハブ面
２５ ブレード
２６ インペラ表層部
２７ インペラ内層部
２７ａ ボス孔
５０ 複合材部
５１ 長繊維強化部
５１ａ 内周面
５１ｂ 外周面
５２ 短繊維強化部
５２ａ 内周面
５２ｂ 外周面
１２４ インペラ
１２４ａ 前面
１２４ｂ 背面
１２４ｃ ハブ面
１２７ インペラ内層部
１２７ａ ボス孔
１５０ 複合材部
１５１ 緻密部
１５２ 発泡部
ＡＲ 空気
Ａｘ 軸線
ＢＢ 泡
Ｄａ 軸方向
Ｄｃ 周方向
ＤＩ 金型
Ｄｉｎ 射出方向
Ｄｒ 径方向
ＦＢ 強化繊維
Ｇ 排気ガス
ＭＡ 内層
ＭＢ 表層
ＰＩＮ ピン
ＰＬ 成形原料ペレット
ＰＬａ 繊維束
ＰＬｂ 樹脂
ＰＳ 成形原料ペレット
ＰＳａ 炭素繊維
ＰＳｂ 樹脂
ＲＧ 樹脂
ＳＴＲ 構造体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】