JPH02269766A - 内燃機関部品並びに補機部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、繊維強化樹脂製内燃機関部品並びに補機部
品、特に遠心圧縮機に用いられるインペラや動力伝達用
歯車等に関する。

〔従来の技術］ 従来の繊維強化樹脂製インペラとしては、例えば特公昭
５２−４８６８４号、特開昭５７−１３５１３２号、特
開昭５７−１１９１０５号、特開昭５９−１８２９６号
、特開昭６１−２８３７９７号公報に記載されているも
のがあるが、これらのインペラを構成する樹脂材料は、
炭素繊維を樹脂の補強材として用いることを特徴として
いる。特に、特開昭５７−１１９１０５号公報には、耐
熱性のある熱可塑性樹脂又は、熱硬化性樹脂をマトリク
ス樹脂として用いた炭素繊維強化樹脂が、インペラに用
いられることが記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、遠心圧縮機インペラの使用条件は一５０
℃から２００℃（常用使用時最高温度として１６５℃）
最大回転数が１３Ｘ　１０’　ｒｐｍになり、しかも最
大回転時に発生する応力は現行品（アルミニウム合金製
、外径的６０ｍｍ）で約２０ｋｇ／ｍｍ”、翼の付は根
部で約１０ｋｇ７／＋＋＋ｍ”にもなる。これを比重の
小さい繊維強化樹脂を用いることにより１回転時の最大
応力を約坏程度に低下させることが出来る。このように
、現行の使用条件から、耐熱性、強度（引張り、曲げ、
圧縮）１弾性率（引張り、曲げ）、耐久疲労性（引張り
、曲げ）、クリープ特性（引張り、圧縮）等を加味して
材料を選定すると、特開昭５７−１１９１０５号公報に
開示される熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂か、そのまま
インペラに使用出来るわけではない。

これらの条件を満足する繊維強化樹脂組成物としては、
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（ＰＡＥに）、芳香族ポ
リアミド（ＰＡ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリ
イミド（ＰＩ）等の耐熱性樹脂と、炭素繊維、ガラス繊
維、ウィスカ等とを複合化した組成物が考えられる。

しかし、上述した樹脂は溶融温度が高−いので、成形時
の樹脂溶融温度を３５０℃から４３０℃とかなり高温に
して成形する必要がある。また、現在市販されている樹
脂強化用炭素繊維は、その収束剤として熱可塑性樹脂用
としてのポリアミド系樹脂（分解温度２８０”Ｃ）　、
熱硬化性樹脂用としてのエポキシ系樹脂（分解温度３０
０℃）が主として用いられており、前述の成形時の樹脂
溶融温度（３５０℃から４３０℃）ではそれら収束剤が
分解しやすく、炭素繊維とマトリクス樹脂との濡れ不足
による界面強度の低下が起こり、また強度のバラツキも
生じやすく、繊維強化樹脂製遠心圧縮機のインペラ用材
料として用いる場合には、炭素繊維での補強効果が有効
に生かされず強度が低いという問題点があった。さらに
、炭素繊維とマトリクス樹脂との濡れ性を最大限に引き
出した場合の組み合わせによるマトリクス樹脂では、ガ
ラス転移温度が低く、常用使用時最高温度の１６５℃で
の使用では剛性不足であるという問題点もあった。

本発明の目的は、耐熱性が高く、高温領域においても、
強度、剛性の低下の少ない繊維強化樹脂製内燃機関部品
並びに補機部品を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは前記目的を達成するために種々検討した結
果、特定の繊維補強樹脂を用いることによって、優れた
内燃機関部品並びに補助部品が得られることを見出し、
本発明を完成するにいたった。

すなわち本発明は、繊維強化樹脂からなる内燃機関部品
並びに補機部品において、該繊維強化樹脂が、 （ａ）下記（１）式で表される繰り返し単位を有する芳
香族ポリエーテルケトン９５〜６０重量％と、下記（２
）式で表される繰り返し単位を有するポリエーテルイミ
ド５〜４０重１％とからなる樹脂組成物の７５〜５５重
量％と、 （ｂｌ芳香族ポリスルホン樹脂で表面を被覆した後、３
００〜４００℃で加熱された炭素繊維の２５〜４５重量
％とからなる芳香族ポリエーテルケトン系樹脂組成物で
あることを特徴とする内燃機関部品並びに補機部品であ
る。

一般にマトリクス樹脂としては、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）、
ポリケドンサルファイド（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（ＰＡ　Ｉ　）　、ポリイミド（ＰＩ
）等が用いられる。しかしながら、成形がしやすく、し
かも耐熱強度が高いものとして有効なのは本発明に用い
るようなポリエーテルケトンとポリエーテルイミドから
なる所謂ポリマーアロイ樹脂である。

マトリクス樹脂として用いるポリマーアロイ樹脂を構成
するポリエーテルケトンは、下記−数式％式％ 本発明においては、＾ＳＴＭＤＩ２３８に準じ、３８０
℃、２．ｌ６ｋｇ荷重条件下で測定したメルトフローイ
ンデックスが５〜５０ｇ／ｌ０ｍ１ｎ　、望ましくはＩ
Ｏ〜２５ｇ／ＩＯ＋ｎｉｎの範囲内のボッエーテルケト
ンが好ましく用いられる。

市販されているものとして、英国インペリアル・ケミカ
ル・インタ゛ストリーズ社の「ピクトレックス　ポリニ
ーデルケトンＩＩＥＫ　２２叶（商標）」があげられる
。

本発明において用いられるポリエーテルイミドは下記式
（２）で表される構造を有する。市販されているものと
しては、米国ゼネラル・エレクトリック社製の商品名「
ウルテム」が広く知られており、例えば特開昭５８−８
２６号公報に記載された方法によって容易に製造するこ
とができる。

本発明においては、３２０℃、２．１６ｋｇ荷重条件下
で測定したメルトフローインデックスが０．３〜５ｇ／
ｌ０ｍ１ｎ　、望ましくは０．５〜３　ｇ／ｌ０ｎｉｎ
の範囲のポリエーテルイミドが好ましく用いられる。

芳香族ポリエーテルケトンとポリエーテルイミドの配合
割合は、芳香族ポリエーテルケトン９５〜７０重量％、
ポリニーテルゴミ６５〜３０重看％が適当である。芳香
族ポリエーテルケトンが９５重量％を越え、ポリエーテ
ルイミドが５重量％未満の場合には目的とする樹脂組成
物の高温での機械強度の向上効果が不十分であり、また
芳香族ポリエーテルケトンが７０重量％未満、ポリエー
テルイミドが３０重量％を越えた場合には得られる樹脂
組成物は、芳香族ポリエーテルケトンが有している優れ
た化学的特性を失ってくる。

本発明において、収束剤として炭素繊維の表面を被覆す
るのに用いられる芳香族ポリスルホン樹脂は、アリーレ
ン結合、エーテル結合及びスルホン結合を結合単位とす
る線状重合体であり、例えば、次式のような繰り返し単
位からなるものが知られている。このうち特に式（３）
の樹脂が好ましい。

＋３１−＋Ｏ−＠−３Ｏ□（）士 Ｈ３ （り） 斗０つ一５Ｏべ）０号−〇（神− ＋７１　　十〇舎ＳＯ□−く８間（÷ ｆｌｌｌｌ　　−ｆ−０つ−ＳＯ□（バ）ＳＯ□（）０
（）トｆ？ｌ　−＋０−Ｃ）ＳＯ□−０００℃■１□−
＠＋これらの芳香族ポリスルホン樹脂は、例えば特公昭
４０−１００６７号公報、特公昭４２−７７９９号公報
、及び特公昭４１−６１７号公報等に記載された方法に
よって製造することができ、少なくともこれらの一種ま
たは二種以上の混合物が用いられる。市販されているも
のとしては５式（３）で示される代表例として、英国イ
ンペリアル・ケミカル・インダストリーズ社の［ピクト
レックス　ポリエーテルスルホン（商標）」、住人化学
■の「スミブロイＳ（商標）」、また、三井東圧化学−
の［ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）Ｊが挙げられ、
式（２）で示される代表例として、米国アモコ・ケミカ
ル社の「ニーデル・ポリスルホン（商標）」等がある。

また本発明で使用される炭素繊維はアクリル系、レーヨ
ン系、リグニン系、ピッチ系等が挙げられ、いずれも使
用される１本発明では繊維強度の最も高いアクリル系が
最も好ましく使用される。炭素繊維の形態は、チョップ
トストランド。

ロービング、織物等いずれでも良い、望ましいのは、ポ
リアクリロニトリルフィラメント、レーヨンフィラメン
トあるいは石油ピッチを焼成して得られたものであり、
特にアクリロニトリルフィラメントからのものが好適で
ある。これらの炭素繊維は予めその表面をオゾン又は電
解酸化等で酸化処理しておくと更に好ましい。これら炭
素繊維への芳香族ポリスルホン樹脂への被覆方法として
は、芳香族ポリスルホン樹脂をジクロルメタン。

クロロホルム、１．２ジクロルエタン、１．１．ｌ、２
．２−テトラクロルエタン、ジメチルスルホオキシド、
ノルマルメチルベンクン、メチルエチルケトン、１．１
．２−トリクロルエタンなどの溶剤に溶解した溶液に、
炭素繊維を浸し、その後乾燥し溶剤を除去して、芳香族
ポリスルホン樹脂を被覆した炭素繊維を得る。

通常、炭素繊維に対する芳香族ポリスルホン樹脂の被覆
量は炭素繊維１００重量部に対し０．１〜１０重量部が
良＜、０．１重量部以下では本発明の効果はえられず、
また１０重量部以上被覆させても、機械強度の向上は期
待できず意味がない。

以上のようにして芳香族ポリスルホン樹脂を被覆した炭
素繊維の熱処理は、空気中３００〜４００℃、特に好ま
しくは３４０〜３８０℃の温度下に曝すことにより行わ
れる。加熱処理時間は３〜２０時間、特に好ましくは５
〜１５時間である。

このようにして得られる芳香族ポリスルホン樹脂を被覆
した炭素繊維と芳香族ポリエーテルケトンとポリエーテ
ルイミドの樹脂組成物との混合には種々の手法が採用で
きる。例えば被覆、加熱処理した炭素繊維を３〜６ｍｍ
長さに切断し、これと芳香族ポリエーテルケトンとポリ
エーテルイミドの樹脂組成物を個々別々に溶融押出機に
供給して混合することもできるし、あらかじめヘンシェ
ルミキサー、スーパーミキサー、リボンブレンダーなど
の混合機で予備ブレンドした後、溶融押出機に供給する
こともできる。更に被覆、加熱処理した炭素繊維ロービ
ングを直接溶融押出機に供給し、芳香族ポリエーテルケ
トンとポリエーテルイミドの樹脂組成物と混合すること
もできる。すなわち、炭素繊維、ポリエーテルケトン、
ポリエーテルイミドの３成分は最終的に本発明の組成比
になるのであればその混合順序、混合方法に制限は無い
。

本発明において芳香族ポリスルホン樹脂を被覆した炭素
繊維と芳香族ポリエーテルケトンとポリエーテルイミド
の樹脂組成物との配合割合は、炭素繊維２５〜４５重量
％、芳香族ポリエーテルケトンとポリエーテルイミドの
混合物７５〜５５重量％である。炭素繊維の量が２５重
量％未溝の場合には、得られる樹脂組成物の機械強度が
低く好ましくない。また炭素繊維を４５重量％越えて配
合した場合には、得られた樹脂組成物の均一な溶融混合
か難しくなり、溶融流動性も著しく低下して射出成形な
どの加工性を損なう結果となる。樹脂組成物には、必要
に応じ、タルク、炭酸力ルシュウム、マイカ、ガラスピ
ーズ等の充填材、ガラス繊維、チタン酸カリ繊維、アラ
ミド繊維、セラミック質繊維等の繊維状補強材、安定剤
、着色剤を樹脂組成物の品質、性能を損なわない範囲で
混和してもよい。

炭素繊維強化ポリエーテルケトンとポリエーテルイミド
のポリマーアロイ樹脂組成物は、通常取り扱いやすいベ
レット状の成形材料として射出成形工程に供されるが、
例えばこれらは公知の一軸、または二軸の押出し機を用
いてポリエーテルケトン樹脂とポリエーテルイミド樹脂
と炭素繊維とを配合し、シリンダ温度３６０℃〜４２０
℃、好ましくは３７０℃〜３９０℃で押出し機のスクリ
ューでの圧縮比を２〜３にして押出し賦形することによ
り得られる。射出成形は通常の射出成形機を用い、シリ
ンダ温度３６０℃〜４２０℃、好ましくは３８０℃〜４
００℃で、金型温度は１５０℃〜２３０℃、好ましくは
１８０℃〜２００℃で行なうことができ、複雑な形状の
炭素繊維強化樹脂製遠心圧縮機のインペラや、動力伝達
用歯車等を容易に得ることが出来る。

以下、この発明のインペラを図面に基づいて説明する。

第１図は、この発明の一実施例を示す図である。

まず構成を説明すると、図示するように遠心圧縮機のイ
ンペラは複雑な形状をしており、しかも精密な寸法精度
を必要とする。このインペラ１は、第２図に示すように
スリーブ２とワッシャ３とにより挟まれ、ナツト４でシ
ャフト部５に固定されている。

この発明のインペラは前記樹脂組成物を用い、押出し成
形や、射出成形等の良く知られている方法で製造するこ
とが出来る。例えば、第３図に示す金型を用いてインペ
ラを成形することができる。即ち、インペラ形状を彫り
込んだ組み立て成金型６と組み合わせた下金型ｌＯにピ
ン７を取り付け、しかる後、上金型８を密着固定し、六
方向からゲート９を通して成形材料を射出、あるいは押
し出しインペラ形状部（キャビティ部）　１１に充填し
成形する。

（繊維強化樹脂製造例） 製造例１ 電解酸化により表面処理を施したポリアクリロニトリル
系炭素繊維（東邦レーヨン■製、ＨＴＡタイプ）を芳香
族ポリスルホン樹脂で表面を被覆した後、６ｍｍ長さに
切断してチョツプド炭素繊維とし、空気雰囲気の熱処理
炉中で３７０℃で１０時間熱処理を行なった。

次に、マトリクス樹脂としてのポリエーテルケトン樹脂
（三井東圧化学■製ＰＥＫ）と、ポリエーテルイミド樹
脂（ＧＥ社製ＰＥＩ）とのポリマーアロイ樹脂の配合比
率を第１表に示し、それぞれの配合比率でのマトリクス
樹脂と上記で処理した炭素繊維とを炭素繊維の含有率を
３０重量％になる様に配合した。このものをＬ／Ｄ＝２
３、圧縮比３の６５φ−軸ベント式押出し機を用い、シ
リンダ温度３８０℃、スクリュー回転数４５ｒｐｍで押
し出しストランドを切断しベレット状の成形材料を得た
。このものを１５０℃で５時間熱風乾燥した後、Ｈ精樹
脂工業■製８０ＴＯＮ（型締圧）射出成形機を用い、シ
リンダ温度３８０℃、金型温度１８０℃で厚み３ｍｍの
ＪＩＳ　１号ダンベル試験片を成形し、その後、２３０
℃１３時間加熱処理を施し室温下と、高温下（１６５℃
）で引張試験（＾ＳＴＭ　Ｄ−６３８）　、曲げ試に示
す。ポリエーテルケトンとポリエーテルイミドとの配合
比率と引張強度、曲げ弾性率との間の相関をみると、最
適な領域はマトリクス樹脂合計量に対するポリエーテル
ケトン樹脂の配合比率が７０〜９５重量％が特に好まし
い。

製造例２ 電解酸化により表面処理を施したポリアクリロニトリル
系炭素繊維（東邦レーヨン■製、ＨＴＡタイプ）を芳香
族ポリスルホン樹脂で表面を被覆した後、６１ｎｆｆ＋
長さに切断してチョツプド炭素繊維とし、空気雰囲気の
熱処理炉中で３７０℃で１０時間熱処理を行なった。

次に、マトリクス樹脂としてポリエーテルケトン樹脂（
三井東圧化学■製ＰＥに）とポリエーテルイミド樹脂（
ＧＥ社製ＰＥＩ）の配合比率を８０／２０としたポリマ
ーアロイ樹脂と上記で処理した炭素繊維とを実施例１に
記載した様な混線条件で混練し、炭素繊維の含有率が２
０．３０．４０．５０重量％となるように配合して、ベ
レット状の樹脂組成物を調整した。この樹脂組成物を用
い、　１．８０℃で３時間熱風乾燥した後、日精樹脂工
業■製８０ＴＯＮ　（型締圧）射出成形機を用い、シリ
ンダ温度３９０℃、金型温度１９０℃で厚み３＋ｎｍの
ＪＩＳ　１号ダンベル試験片を成形し、その後、２３０
℃で３時間〜４５重量％の領域に有る。

実施例１〜３ 第２表に示す組成を有する繊維強化樹脂ベレットを府記
製造例１に従い作製し、そわを用いて。

シリンダ温度３９０℃、金型温度１８０℃、射出圧力２
１００ｋｇ／ｃｍ２の成形条件で第３図に示す様な構造
の金型に射出し、インペラ形状物を得た。得られた形状
物を２３０℃で３時間の加熱処理の後、パリ取り、バラ
ンスチエツクなどの機械加工を行ない、第２図に示す様
な構造でシャフトに固定し、空気加熱装置付きく温度範
囲０〜６００℃）の高速回転強度試験機（回転数Ｏ〜２
５Ｘ　１０’　ｒｐｍ　）にセットし、回転数が１３Ｘ
　１０’　ｒｐｍの場合のインペラ圧縮空気出口温度を
１６５℃になる様に調節しながら連続耐久試験を行なっ
た。得られた結果を第２表に示す。連続耐久２００時間
に耐えるものを良好（Ｏマーク）と判定した。

実施例４ 第２表に示す組成（炭素繊維４０ｗｔ％）を有する繊維
強化樹脂ベレットを前記製造例１に従い作製し、それを
用いて、金型温度２００℃にする以外は実施例１〜３と
同様にしてインペラ形状物を作製し、試験を行なった。

得られた結果を第２表に示す。

比較例１〜３ 第２表に示す組成を有する繊維強化樹脂ベレットを用い
た以外は、実施例１〜３と同様にしてインペラ形状物を
作製し、試験を行なった。得られた結果を第２表に示す
。

比較例４および５ 第２表に示す組成（炭素繊維２０ｗｔ％、５０ｗｔ％）
を有する繊維強化樹脂ベレットを用いた以外は実施例４
と同様にしてインペラ形状物を作製し、試験を行なった
。得られた結果を第２表に示す。

第２表の結果より、実施例において成形したインペラは
、比較例のものに比べて耐熱強度並びに耐クリープ特性
に優れていることが分かる。

第１表 樹 と 物 註） 炭素繊維含有率は３０重量％一定。

（発明の効果〕 以−Ｆ説明してきた様に、本発明の部品は、使用する繊
維強化樹脂における炭素繊維とマトリクス樹脂との濡れ
性が向上し強度の向上がはからむ、しかもガラス転移温
度の向上もはかられるので、耐熱性が高く、　１６５℃
以上の高温領域においても強度、剛性の低下が少ないた
め高速連続耐久で破損しないという効果が得られる。又
、各実施例は、それぞれ上記共通の効果に加えて、更に
以下のような効果がある。インペラの軽量化により、エ
ンジン負荷変動に対する追従性が改善される。

また、製品表面の精度がアルミ合金製のものに比へて極
めて向上するために、高速回転時の吸入空気の翼表面か
らの剥離現象を低減することができ、吸入圧縮効率が向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のｍ個インベラの斜視図、第２図はシ
ャフト部へ取り付けたインペラの断面図、 第３図はインペラ成形用金型の断面図、（Ｌ：Ｌ）、　
（い 第５゛図１Ｆ鴫造例２における評価結果を示す図である
。 １・・・インペラ　　　　　２・・・スリーブ３・・・
ワッシャ　　　　　４・・・ナツト５・・・シャフト　
　　　　６・・・組立て成金型７・・・ビン　　　　　
　　８・・・上金型９・・・ゲート　　　　　　１０−
・・下金型＋１・・・インペラ形状部（キャビティ）Ａ
・・・成形材料入口 特許出願人　　三井東圧化学株式会社 日産自動車株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 繊維強化樹脂からなる内燃機関部品並びに補機部品にお
   いて、該繊維強化樹脂が、 （ａ）下記（１）式で表される繰り返し単位を有する芳
   香族ポリエーテルケトン９５〜６０重量％と、下記（２
   ）式で表される繰り返し単位を有するポリエーテルイミ
   ド５〜４０重量％とからなる樹脂組成物の７５〜５５重
   量％と、 （１）▲数式、化学式、表等があります▼ （２）▲数式、化学式、表等があります▼ （ｂ）芳香族ポリスルホン樹脂で表面を被覆した後、３
   ００〜４００℃で加熱された炭素繊維の２５〜４５重量
   ％とからなる芳香族ポリエーテルケトン系樹脂組成物で
   あることを特徴とする内燃機関部品並びに補機部品。