JPH0642302A - 繊維強化樹脂製インペラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一体型繊維強化樹脂製インペラに要求される
耐異物衝突性、翼部剛性、圧縮クリープ特性、圧縮強
度、等を満たした一体型繊維強化樹脂製インペラを提供
する。 【構成】 繊維強化樹脂製インペラの平均炭素繊維含有
率が、マトリックス樹脂がポルエーテルエーテルケトン
樹脂，ポリエーテルケトン樹脂，ポリエーテルケトン／
ポリエーテルイミドのブレンド樹脂，ポリエーテルニト
リル樹脂の場合に２０〜４０重量％、また、マトリック
ス樹脂がポリエーテルイミド樹脂，ポリエーテルサルホ
ン樹脂，ポリアミドイミド樹脂の場合に２５〜４０重量
％となるように炭素長繊維強化樹脂ペレットを単独ない
しは少なくとも炭素長繊維強化樹脂ペレットを含む混合
原料を使用して成形した一体型繊維強化樹脂製インペラ
１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐熱性と機械的強度に
優れた繊維強化樹脂材料からなる内燃機関部品、特に、
翼部・基部一体型繊維強化樹脂製インペラに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ポリエーテルサルホン（以下、「ＰＥ
Ｓ」と略記する）、ポリエーテルケトン（以下、「ＰＥ
Ｋ」と略記する）、ポリエーテルエーテルケトン（以
下、「ＰＥＥＫ」と略記する）、ポリエーテルニトリル
（以下、「ＰＥＮ」と略記する）、ポリエーテルイミド
（以下、「ＰＥＩ」と略記する）、ポリアミドイミド
（以下、「ＰＡＩ」と略記する）等の耐熱性樹脂は、耐
熱性・機械的強度の点で汎用のエンジニアリングプラス
チックよりも大幅に優れていることから、スーパーエン
ジニアリングプラスチックと称されており、電気・電子
機器、自動車等の用途に種々使用されている。

【０００３】しかし、最近の技術の進歩により、これら
の耐熱性樹脂が有する特性、特に機械的強度を高めたも
のが要求されるようになってきた。

【０００４】このため、これら耐熱性樹脂に繊維状補強
材、特に炭素繊維を配合することによって、機械的強
度，耐熱性を改良する方法が実施されてきた。

【０００５】そして、内燃機関部品、例えば、ターボチ
ャージャ用インペラは、比較的大きな遠心応力が発生す
るうえに、使用温度が通常時に−４０〜１５０℃、ヒー
トソーク時には２００℃近くに達するため、炭素繊維で
補強した前記のようなスーパーエンジニアリングプラス
チックの適用が検討されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、内燃機関用
部品、例えば一体型繊維強化樹脂製インペラでは、優れ
た耐熱性と１００，０００ｒｐｍ以上にも達する高速回
転の使用に耐えうる強度、ならびに高速回転下において
も翼部がコンプレッサハウジングと接触しない高剛性が
要求されるために、特開平２−１７５９７２号公報に記
載されているような市販の炭素繊維強化スーパーエンジ
ニアリングプラスチックの特性を大幅に上回る材料が開
発され、市販に向けて研究・開発が進められている。

【０００７】しかし、一体型繊維強化樹脂製インペラ
は、その軽量を利して、従来のアルミニウム合金製イン
ペラよりも約５〜２０％の加速性能の向上を提供可能と
するが、すべての面でアルミニウム合金製インペラを上
回っているわけではない。

【０００８】実用化に際しては、破壊回転数ならびに耐
久性能が最も優先するが、このほかに、吸気系より侵入
する微細な異物がインペラに衝突した場合の耐久性、イ
ンペラを締結するナットの締め付けにより生じる座面の
へたりとその結果として生じるインペラの位相変化に起
因する異音、より高速回転の仕様になった場合のコンプ
レッサハウジングとの接触を防止しうる翼部の剛性確保
等、実用化に際して、一体型繊維強化樹脂製インペラ用
材料に要求される特性は多い。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、破壊回転数や耐久時間といっ
た一般的な意味での耐久信頼性はもとより、一体型繊維
強化樹脂製インペラの実用化に際して要求される諸特
性、例えば、耐異物衝突性、コンプレッサハウジングと
の接触を生じない優れた翼部剛性、座面のへたりを低減
する優れた圧縮クリープ特性、締結トルク（軸力）の増
大を可能とする優れた圧縮強度、等を満たした一体型繊
維強化樹脂製インペラを提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、繊維強化樹
脂からなる翼部・基部一体型繊維強化樹脂製インペラに
おいて、繊維強化樹脂製インペラの平均炭素繊維含有率
が、マトリックス樹脂がＰＥＥＫ，ＰＥＫ，ＰＥＫ／Ｐ
ＥＩ，ＰＥＮの場合には２０〜４０重量％となるように
炭素長繊維強化樹脂ペレットを単独ないしは少なくとも
炭素長繊維強化樹脂ペレットを含む混合成形材料を使用
して成形し、また、マトリックス樹脂がＰＥＩ，ＰＥ
Ｓ，ＰＡＩの場合には２５〜４０重量％となるように炭
素長繊維強化樹脂ペレットを単独ないしは少なくとも炭
素長繊維強化樹脂ペレットを含む混合成形材料を使用し
て成形する構成としたことを特徴としており、このよう
な一体型繊維強化樹脂製インペラに係わる発明の構成を
もって前述した従来の課題を解決するための手段として
いる。

【００１１】ところで、長繊維強化樹脂ペレットは、成
形品中の繊維長を大きくすれば優れた機械的特性が得ら
れるであろうという発想から何十年も前から試みられて
おり、特公昭４３−７４４８号公報や特公昭４４−１６
７９３号公報といったかなり古い公報にも、このアイデ
アは散見される。

【００１２】しかし、こう言った発明の多くは繊維長の
増大の効果は見られたが、フィラメントと樹脂との間の
濡れ性が悪いために物性値の改善には至らないことが多
く、場合によっては、含浸不良部位がそのまま成形品中
に導入されるために、チョップド繊維を使用したときよ
りもむしろ機械的特性が悪いことさえあった。

【００１３】実質的な意味で長繊維強化樹脂ペレットが
使用されるようになったのは、英国ＩＣＩ社が“Ｖｅｒ
ｔｏｎ”の商標で市販した一連のガラス長繊維強化ポリ
アミド６６樹脂ペレット以後であり、現在、我が国では
ポリプラスチック（株）の“セルストラン”や三井東圧
化学（株）の“ＭＴＣ−ＴＰＣＭ（ＬＥＰ）”等が市販
されている。

【００１４】短繊維強化複合材料の強度に関するＫｅｌ
ｌｙの理論では、複合材料の強度σ_ｃｕは、繊維の強度
σ_ｆｕ、マトリックス樹脂の強度σ_ｍｕ、臨界繊維長Ｌ
_ｃ、複合材料中の繊維長Ｌ_ｆ、繊維の体積含有率Ｖ_ｆ、
マトリックス樹脂の体積含有率Ｖ_ｍが既知であれば、 σ_ｃｕ＝σ_ｆｕ（１−Ｌ_ｃ／２Ｌ_ｆ）Ｖ_ｆ＋σ_ｍｕＶ_ｍ により計算できるとされてきた。

【００１５】上記の式が実際に成立するとなると、長繊
維強化樹脂ペレットの使用によって繊維長Ｌ_ｆの増大が
可能になれば大幅な強度向上が期待できる。

【００１６】しかし、実際には、衝撃強度は飛躍的に増
大したが、引張り強度や曲げ強度はチョップド繊維を混
練して製造した短繊維強化樹脂ペレットを使用した場合
と比較すると、同等もしくは〜２０ＭＰａ程度の増大に
とどまった。

【００１７】図６および図７は、発明者が行ったポリア
ミド６６樹脂／ガラス系（図６，７ではＰＡ６６／ＧＦ
と略記）の引張り強度ならびに平均繊維長の計測結果を
示すものである。

【００１８】長繊維強化樹脂ペレット（英国ＩＣＩ社
製：Ｖｅｒｔｏｎ ＲＦ７００７，ＲＦ７００−１０，
ＲＦ７００−１２と非強化ポリアミド６６樹脂：マラニ
ールＡ２２５を使用、図ではＬＧＦと略記）を使用した
場合と、短繊維強化樹脂ペレット（英国ＩＣＩ社製：Ａ
６９０、Ａ１９０とマラニールＡ２２５を使用、図６，
７ではＳＧＦと略記）を使用した場合とを比較すると、
ガラス繊維含有率が３０重量％ではほぼ同等の引張り強
度であり、繊維含有率の増加とともに若干のメリットが
見られるようになるが、そのメリットは繊維含有率が５
０重量％の場合ですら約２０ＭＰａにすぎない。そし
て、図７に示したように、繊維長自体は長繊維強化樹脂
ペレットを使用すると約２倍の値が得られており、Ｋｅ
ｌｌｙの理論との相違は非常に大きい。

【００１９】図６および図７に示したように、繊維長の
増大のメリットは以外に小さく、炭素繊維で補強する系
について試みられることは皆無であった。

【００２０】短繊維強化樹脂ペレットの場合、ガラス繊
維を補強材として使用すると、成形品中の繊維長は通常
３００〜４００μｍとなるが、炭素繊維を補強材として
使用した場合には１００μｍ程度の繊維長しか得られな
い。このように、繊維破断の生じやすい炭素繊維では長
繊維化のメリットはほとんどないと言われてきた。ま
た、炭素繊維は一般にガラス繊維と比較すると繊維径が
小さいため、繊維がからまって破断したり、成形品中に
からまった状態で導入されて欠陥となったりするうえ
に、繊維間に樹脂が含浸しにくいため、長繊維化を検討
されることなく現在にいたっている。

【００２１】これとは別に、一体型繊維強化樹脂製イン
ペラの開発に携わってきた本発明者は、チョップドタイ
プの炭素繊維を使用して製造した一体型繊維強化樹脂製
インペラの信頼性の向上を達成するために、その破壊機
構の研究を行い、Ｋｅｌｌｙらとは別の結論に達した。

【００２２】図８は、３０重量％の炭素短繊維で強化し
たＰＥＫ樹脂の破壊過程の観察結果である。Ｋｅｌｌｙ
の理論では、繊維の端部ではマトリックス樹脂が降伏す
るために応力一定と仮定し、繊維に作用する応力が繊維
強度に達すると繊維が破断するとしている。しかし、実
際には繊維端部の応力集中によって繊維端部よりクラッ
クが発生し、隣接した繊維端部より生じたクラックと合
体して最終破壊に至っている。

【００２３】最終破壊時の不安定亀裂進展や外的応力方
向に配向していない繊維が時々破断するケースも見られ
るが、これらの繊維の破断はＫｅｌｌｙの理論にしたが
って破断したものではなく、また、これらの繊維の破断
が最終破壊を決定づけているわけでもない。

【００２４】本発明者の観察によると、炭素短繊維強化
樹脂の最終破壊はＫｅｌｌｙの理論には全く従っておら
ず、主として繊維端部より生じるクラックの合体によっ
て決まる。

【００２５】以上のような考え方に基づいて、長繊維強
化樹脂ペレットの効果に関するデータを見直してみる
と、ガラス繊維強化の場合に長繊維化のメリットが少な
いのは、繊維径が大きく（通常、ガラス繊維の繊維径は
１３μｍが多い。図６および図７に示したポリアミド６
６樹脂／ガラスでは平均値が１８μｍであった。）、比
較的繊維が長く残りやすいガラスを使用すると、単位面
積当りの繊維端部の数が少ないために、繊維の合体が本
質的に生じにくいので、少しくらい長繊維化されたとし
ても繊維端部間の距離が十分にあるため、強度向上のメ
リットが生じないのではないかと推測した。繊維含有率
が大きくなると、単位面積当りの繊維端部の数が増大す
るため、繊維端部間の距離が小さくなるので、クラック
の合体が生じやすくなる。

【００２６】このため、繊維含有率が大きくなると、少
しずつ長繊維化のメリットが生じ始める。この推定は図
６および図７の結果を非常にうまく説明している。

【００２７】前述のような理由から、補強材として炭素
繊維を用いた長繊維強化樹脂ペレットを検討した例は皆
無に近かったが、本発明者の理論が正しいとすると、炭
素繊維を用いたほうがガラス繊維を用いた場合よりもむ
しろ効果が大きいことになる。繊維径が小さく、繊維の
破断が生じやすい炭素繊維を用いた場合には、単位面積
当りの繊維端部の数はガラス繊維を補強材として使用し
た場合よりもはるかに多いはずである。この場合、繊維
端部間の距離はクラックの合体が容易に生じるには十分
な距離であるはずである。

【００２８】炭素繊維は、前記のように非常に折れやす
いために、ガラス長繊維強化樹脂ペレットを用いて得ら
れるような繊維長、つまり、７００〜８００μｍの繊維
が残ることはあまり期待できないが、繊維端部間の距離
が非常に小さい炭素繊維強化の場合であれば、たとえ２
００〜３００μｍ程度の繊維長しか得られなくても、ク
ラックの早期合体を防止する効果が十分あると本発明者
は考えた。

【００２９】図９に、本発明者らが試作した炭素繊維強
化ＰＥＥＫ（図９にはＰＥＥＫ／ＣＦと略記）の場合に
ついて、長繊維強化樹脂ペレット（図９にはＬＣＦと略
記）を使用した場合と短繊維強化樹脂ペレット（図９に
はＳＣＦと略記）を使用した場合の単位面積当りの繊維
端部の数を比較した結果を示す。同時に、図１０に、図
６および図７に示したポリアミド６６樹脂／ガラス（図
１０にはＰＡ６６／ＧＦと略記）の場合について、長繊
維強化樹脂ペレット（図１０にはＬＧＦと略記）を使用
した場合と短繊維強化樹脂ペレット（図１０にはＳＧＦ
と略記）を使用した場合の比較結果をも示した。

【００３０】図１０に示すように、ポリアミド６６樹脂
／ガラスの場合には、ペレットの相違による単位面積当
りの繊維端部数の差は〜６０個／ｍｍ^２にすぎないのに
対して、図９に示すようにＰＥＥＫ／炭素繊維の場合に
は、ペレットの相違による単位面積当りの繊維端部数の
差は大きく、〜８００個／ｍｍ^２もの繊維端部数減少効
果がある。

【００３１】したがって、本発明者の理論によれば、長
繊維強化樹脂ペレットを使用して成形した一体型繊維強
化樹脂製インペラの耐久信頼性は、従来から使用されて
いる短繊維強化樹脂ペレットを使用して成形した一体型
繊維強化樹脂製インペラよりも格段に優れているはずで
ある。

【００３２】

【実施例】以下、この発明の実施例を比較例とともに説
明する。

【００３３】図１は、この発明の一実施例による翼部・
基部一体型繊維強化樹脂製インペラを示している。

【００３４】図１に示すように、繊維強化樹脂製インペ
ラ１は複雑な形状をしており、翼部１ａと基部１ｂとが
一体となっていると共に、精密な寸法精度を必要とする
ものである。

【００３５】この繊維強化樹脂製インペラ１は、図２に
示すようにインナーレース２、スラストスペーサー３、
ロックナット４でシャフト５に固定されている。

【００３６】この発明に係わる繊維強化樹脂製インペラ
１は、前記成形材料を用い、押出し成形や、射出成形等
の良く知られている方法で成形することができる。

【００３７】例えば、図３に示す金型を用いて繊維強化
樹脂製インペラ１を成形することができる。すなわち、
この成形金型１０は、インペラ形状を掘り込んだ組立て
式金型１１と組み合わせた下金型１２にピン１３を取り
付け、しかる後、上金型１４を固定し、Ａ方向からゲー
ト１５を通して成形材料を射出あるいは押し出しにより
装入することによってインペラ形状部（キャビティ部）
１６に充填して成形する。

【００３８】（実施例１）炭素繊維（東邦レーヨン
（株）製：ＨＴＡ−７、３Ｋ）をφ４０ｍｍ−２ベント
押出成形機の先端に設置した４００℃のダイ（出口断面
積：幅３．０ｍｍ、厚さ１．５ｍｍ）に通した後、ポリ
エーテルケトン樹脂（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ
ＰＥＫ ２２０Ｐ）とポリエーテルイミド樹脂（米国
ＧＥ社製：Ｕｌｔｅｍ １０００）の８０：２０（重量
比）の混合物を押出機より供給し、３９０〜４００℃で
溶融・混練し、加熱ダイ内に押し出しながら、前記樹脂
混合物が融着した炭素繊維を１０ｍ／ｍｉｎで引き抜い
た。この引抜物を水槽中に走行させて冷却固化した後、
長さ１０ｍｍに切断して６０重量％炭素長繊維強化樹脂
ペレットを得た。

【００３９】次に、炭素繊維を含まない前記混合物を溶
融・混練・押し出して、非強化樹脂ペレットを製造し、
前記長繊維強化樹脂ペレットと混合して混合成形材料の
平均繊維含有率が３０重量％となるように調製した。

【００４０】このようにして得られた長繊維強化樹脂ペ
レットを含む混合成形材料を１８０℃で５時間熱風乾燥
した後、型締圧７５ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリ
ンダ温度４１０℃、金型温度２１０℃の成形条件で図３
に示した成形金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペ
ラ１の成形を行った。

【００４１】なお、長繊維強化樹脂ペレット中の繊維の
破断を最小限度に留めるため、射出成形機のスクリュー
回転数は３０ｒｐｍとした。同様の理由から、以下の実
施例においてもすべてスクリュー回転数は３０ｒｐｍと
している。

【００４２】また、長繊維強化樹脂ペレット中の炭素繊
維の長さは、長繊維強化樹脂ペレットの長手方向の寸法
と同一であり、以下の実施例についても全く同様であ
る。

【００４３】（実施例２）ポリエーテルケトン樹脂と炭
素繊維よりなる２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×３ｍｍの一方
向炭素繊維強化混繊布積層板（日東紡績（株）製：炭素
繊維含有率：６０重量％、ポリエーテルケトン樹脂は英
国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＫ２２０Ｐ、炭素
繊維は東邦レーヨン（株）製：ＨＴＡ−７、３Ｋ）を切
断して１０ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの長方体形状の６０重
量％炭素長繊維強化樹脂ペレットを製造した。

【００４４】次に、このペレットにポリエーテルケトン
樹脂（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＫ ２２
０Ｇ）ペレットを混合して混合成形材料の平均繊維含有
率が３０重量％となるように調製した。

【００４５】このようにして得られた混合成形材料を１
８０℃×５時間で熱風乾燥した後、実施例１と同様の成
形機、予備乾燥・成形条件で繊維強化樹脂製インペラ１
を成形した。

【００４６】（実施例３）ポリエーテルエーテルケトン
樹脂のプリプレグシート（英国ＩＣＩ社製：ＡＰＣ−２
炭素繊維：ＡＳ４、１ｍｍ＝約８プライ）を［０°］
_２４構成（０°方向に２４枚積層）として、２５０ｍｍ
×２５０ｍｍ×３ｍｍの一方向連続繊維強化ポリエーテ
ルエーテルケトン樹脂積層板（炭素繊維含有率：６７重
量％）を得た。

【００４７】次に、この積層板を切断して１０ｍｍ×１
０ｍｍ×３ｍｍの長方体形状の６７重量％炭素長繊維強
化ポリエーテルエーテルケトン樹脂ペレットを得た。

【００４８】このようにして得られた長繊維強化樹脂ペ
レットに非強化のポリエーテルエーテルケトン樹脂ペレ
ット（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＥＫ ４
５０Ｇ）を混合成形材料の平均繊維含有率が３０重量％
となるように混合した後、実施例１に記載の成形機、予
備乾燥・成形条件によって繊維強化樹脂製インペラ１を
成形した。なお、成形品中の繊維の長さを大きくするた
めに、やや高めのシリンダ温度設定となっている（ただ
し、４００℃以下のシリンダ温度設定でも成形可能であ
る。）。

【００４９】（実施例４）炭素繊維（東邦レーヨン
（株）製：ＨＴＡ−７、３Ｋ）を実施例１に記載のダイ
付き押出し機に通した後、ポリエーテルニトリル樹脂
（出光興産（株）製：ＩＤ３００ ナチュラル）を押出
機より供給し、３４０〜３５０℃で溶融・混練し、加熱
ダイ内に押し出しながら、ポリエーテルニトリル樹脂が
融着した炭素繊維を１０ｍ／ｍｉｎで引き抜いた。この
引抜物を水槽中に走行させて冷却固化した後、長さ１０
ｍｍに切断して６０重量％炭素長繊維強化樹脂ポリエー
テルニトリル樹脂ペレットを得た。

【００５０】このペレットにポリエーテルニトリル樹脂
ペレット（出光興産（株）製：ＩＤ３００ ナチュラ
ル）を混合成形材料の平均繊維含有率が３０重量％とな
るように混合した。

【００５１】このようにして得られた混合成形材料の予
備乾燥を行った後、型締圧７５ＴＯＮの射出成形機を使
用してシリンダ温度３５０℃、金型温度２２０℃の成形
条件で図３に示したような成形金型１０を用いて繊維強
化樹脂製インペラ１を成形した。

【００５２】（実施例５）炭素繊維（東邦レーヨン
（株）製：ＨＴＡ−７、１Ｋ）を実施例１に記載のダイ
付き押出し機に通した後、ポリアミドイミド樹脂（米国
ＡＭＯＣＯ社製：Ｔｏｒｌｏｎ ４２０３Ｌ）を押出機
より供給し、３７０〜３８０℃で溶融・混練し、加熱ダ
イ内に押し出しながら、ポリアミドイミド樹脂が融着し
た炭素繊維を１０ｍｍ／ｍｉｎで引き抜いた。この引抜
物を水槽中に走行させて冷却固化した後、長さ７ｍｍに
切断して４０重量％炭素長繊維強化ポリアミドイミド樹
脂ペレットを製造した。

【００５３】このペレットにポリアミドイミド樹脂ペレ
ット（米国ＡＭＯＣＯ社製：Ｔｏｒｌｏｎ ４２０３
Ｌ）を混合成形材料の平均繊維含有率が３０重量％とな
るように混合した。

【００５４】このようにして得られ混合成形材料に対し
１２０℃×２４時間の予備乾燥を行った後、型締圧５０
ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度３７０℃、
金型温度２２０℃の成形条件で繊維強化樹脂製インペラ
を成形した後、熱風循環式オーブンを使用し、１６５℃
×２４時間＋２４５℃×２４時間＋２６０℃×１７０時
間のアフターキュアを行った。

【００５５】（実施例６）ポリエーテルイミド樹脂と炭
素繊維の２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×３ｍｍの一方向炭素
繊維強化混繊布積層板（日東紡績（株）製：ＴＥＸＸＥ
Ｓ ｈｙｂｒｉｄｆａｂｒｉｃｓ ＵＤ）を切断して１
０ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍの長方体形状の長繊維強化樹脂
ペレットを製造した。

【００５６】このようにして得られたペレットに非強化
のポリエーテルイミド樹脂ペレット（米国ＧＥ社製：Ｕ
ｌｔｅｍ １０００）を混合成形材料の平均繊維含有率
が３０重量％となるように混合し、１５０℃×５時間の
予備乾燥を行った。

【００５７】この混合成形材料を用いて、実施例１に記
載の成形機・成形条件で繊維強化樹脂製インペラ１の成
形を行った。

【００５８】（実施例７）炭素繊維（東邦レーヨン
（株）製：ＨＴＡ−７、３Ｋ）をＮ，Ｎ−ジメチルホル
ムアミド：シクロヘキサノン：メチルエチルケトン＝２
０：８０：２５（容積比）にディッピングしたのち１５
０℃×１０分間の加熱処理で溶媒を除去し、実施例１に
記載のダイ付き押出し機に通した後、ポリエーテルサル
ホン樹脂（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＳ
４１００Ｐ）を押出機より供給し、３７０℃で溶融・混
練し、加熱ダイ内に押し出しながら、ポリエーテルサル
ホン樹脂が融着した炭素繊維を１０ｍ／ｍｉｎで引き抜
いた。この引抜物を水槽中に走行させて冷却固化した
後、長さ１０ｍｍに切断して５０重量％炭素長繊維強化
ポリエーテルサルホン樹脂ペレットを得た。

【００５９】このようにして得られたペレットにポリエ
ーテルサルホン樹脂ペレット（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃ
ｔｒｅｘ ＰＥＳ ３６００Ｇ）を混合成形材料の平均
繊維含有率が３０重量％となるように混合した。次い
で、この混合成形材料を１８０℃×５時間熱風乾燥した
後、型締圧７５ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ
温度３８０℃、金型温度２００℃で繊維強化樹脂製イン
ペラ１の成形を行った。

【００６０】（比較例１）ポリエーテルサルホン樹脂
（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＳ ５００３
Ｐ）２０重量％、ジクロルメタン４０重量％、１，１，
２−トリクロルエタン４０重量％を使用してポリエーテ
ルサルホン溶液を調製した。次いで、表面を酸処理した
アクリル系炭素繊維（東邦レーヨン（株）製：ＨＴＡ）
のロービングをポリエーテルサルホン溶液に６０ｍ／ｈ
の速度で連続的に浸漬し、乾燥して脱溶剤を行った後、
３ｍｍ長さに切断してチョップドストランドとした。

【００６１】このチョップドストランドをステンレス鋼
製のバッドに入れ、３７０℃に昇温して電気炉に装入
し、空気雰囲気下で１０時間の加熱処理を行った。以下
に述べる比較例２〜比較例７においても全く同様な処理
を施した炭素繊維を使用した。

【００６２】このようにして得られた炭素繊維チョップ
ドストランドとポリエーテルケトン樹脂（英国ＩＣＩ社
製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＫ ２２０Ｐ）およびポリエ
ーテルイミド樹脂（米国ＧＥ社製：Ｕｌｔｅｍ １００
０）をポリエーテルケトン樹脂とポリエーテルイミド樹
脂の割合が重量比で８０：２０となるように、また、炭
素繊維含有率が前記樹脂に炭素繊維を加えた総重量に対
して３０重量％となるようにドライブレンドした後、６
５ｍｍ径押出機にて押出温度３８０℃で溶融・混練しな
がら押出す操作を行って、均一配合ペレットを得た。

【００６３】次に、上記の均一配合ペレットを型締圧７
５ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度４００
℃、金型温度２１０℃の成形条件で図３に示したような
成形金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペラ１の成
形を行った。

【００６４】なお、比較例５を除くすべての比較例にお
いて、１８０℃×５時間のペレットの予備乾燥処理を行
っている。

【００６５】（比較例２）比較例１に記載の処理を行っ
た炭素繊維チョップドストランドとポリエーテルケトン
樹脂（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＫ ２２
０Ｐ）を炭素繊維含有率が３０重量％となるようにドラ
イブレンドした後、６５ｍｍ押出機にて押出温度３８０
℃で溶融・混練しながら押出す操作を行って、均一配合
ペレットを得た。

【００６６】次に、上記均一配合ペレットを型締圧７５
ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度４００℃、
金型温度２００℃の成形条件で図３に示したような成形
金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペラ１の成形を
行った。

【００６７】（比較例３）比較例１に記載の処理を行っ
た炭素繊維チョップドストランドとポリエーテルエーテ
ルケトン樹脂（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥ
ＥＫ ４５０Ｐ）を炭素繊維含有率が３０重量％となる
ようにドライブレンドした後、６５ｍｍ押出機にて押出
温度３８０℃で溶融・混練しながら押出す操作を行って
均一配合ペレットを得た。

【００６８】次に、上記均一配合ペレットを型締圧７５
ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度３９０℃、
金型温度２００℃の成形条件で図３に示したような成形
金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペラ１の成形を
行った。

【００６９】（比較例４）比較例１に記載の処理を行っ
た炭素繊維チョップドストランドとポリエーテルニトリ
ル樹脂（出光興産（株）製：ＩＤ３００ ナチュラル）
を炭素繊維含有率が３０重量％となるようにドライブレ
ンドした後、６５ｍｍ押出機にて押出温度３５０℃で溶
融・混練しながら押出す操作を行って均一配合ペレット
を得た。

【００７０】次に、上記均一配合ペレットを型締圧７５
ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度３５０℃、
金型温度２２０℃の成形条件で図３に示したような成形
金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペラ１の成形を
行った。

【００７１】（比較例５）比較例１に記載の処理を行っ
た炭素繊維チョップドストランドとポリアミドイミド樹
脂（米国ＡＭＯＣＯ社製：Ｔｏｒｌｏｎ ４２０３Ｌ）
を炭素繊維含有率が３０重量％となるようにドライブレ
ンドした後、６５ｍｍ押出機にて押出温度３８０℃で溶
融・混練しながら押出す操作を行って均一配合ペレット
を得た。

【００７２】このペレットを１２０℃×１０時間の熱風
乾燥を行った後、型締圧５０ＴＯＮの射出成形機を用い
て、シリンダ温度３５０℃、金型温度２１０℃の成形条
件で図３に示したような成形金型１０を使用して繊維強
化樹脂製インペラ１の成形を行った。そして、成形後
に、１４９℃×２４時間＋２１６℃×２４時間＋２４３
℃×２４時間＋２６０℃×１６８時間のアフターキュア
を行った。

【００７３】（比較例６）比較例１に記載の処理を行っ
た炭素繊維チョップドストランドとポリエーテルイミド
樹脂（米国ＧＥ社製：Ｕｌｔｅｍ １０００）を炭素繊
維含有率が３０重量％となるようにドライブレンドした
後、６５ｍｍ押出機にて押出温度３８０℃で溶融・混練
しながら押出す操作を行って均一配合ペレットを得た。

【００７４】次に、上記均一配合ペレットを型締圧７５
ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度３８０℃、
金型温度２００℃の成形条件で図３に示したような成形
金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペラ１の成形を
行った。

【００７５】（比較例７）比較例１に記載の処理を行っ
た炭素繊維チョップドストランドとポリエーテルサルホ
ン樹脂（英国ＩＣＩ社製：Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＥＳ ４
１００Ｐ）を炭素繊維含有率が３０重量％となるように
ドライブレンドした後、６５ｍｍ押出機にて押出温度３
８０℃で溶融・混練しながら押出す操作を行って均一配
合ペレットを得た。

【００７６】次に、上記均一配合ペレットを型締圧７５
ＴＯＮの射出成形機を用いて、シリンダ温度３８０℃、
金型温度２００℃の成形条件で図３に示したような成形
金型１０を使用して繊維強化樹脂製インペラ１の成形を
行った。

【００７７】（評価試験例）実施例５，比較例５を除く
他の実施例，比較例の繊維強化樹脂製インペラについて
は、残留ひずみの除去と結晶化（マトリックス樹脂が結
晶性高分子の場合）のために２３０℃×５時間の熱処理
を行い、その後以下の試験に供した。

【００７８】（１）バースト試験 （目的） 遠心応力は回転数の２乗に比例するため、バ
ースト（破壊）回転数を測定することによって樹脂製イ
ンペラの実体強度の評価ができる。

【００７９】（方法） スピンテスターを使用し、減圧
（−７４０〜−７５０ｍｍＨｇ）下で試験を行った。

【００８０】（２）連続耐久試験 （目的） 実体の疲労・クリープ寿命の評価と翼部の変
形によって発生するコンプレッサハウジングとの接触に
よる破壊の評価。

【００８１】（方法） 耐久試験装置を用いて、吸入空
気温度４０℃（エアダクト入口）、回転数１３０，００
０ｒｐｍで２００時間を目処に試験を行った。

【００８２】（３）異物投入試験 （目的） 吸気系異物による損傷度合いの評価。

【００８３】（方法） コンプレッサ入口より０．５ｍ
ｇ、１．０ｍｇの金属片を５個投入し、損傷部位の数を
測定した。

【００８４】（４）翼部の接触試験 （目的） インペラとコンプレッサハウジング間の距離
を変えて、翼部破壊の有無を調べる。クリアランスは翼
部破壊が生じなければ小さいほうが圧縮効率が良いため
望ましい。

【００８５】（方法） クリアランスを３通りに設定し
て、各々５個ずつ試験に供し、破壊個数を測定した。

【００８６】（５）実体圧縮試験 （目的） インペラ／シャフト間の位相変化が生じると
異音が発生するため望ましくない。軸力（トルク）を大
きくすると異音の発生を防止できるが、圧縮破壊の危険
が生じる。このため圧縮強度の向上が重要となる。

【００８７】（方法） 変位速度一定型試験機を用いて
インペラの実体圧縮試験を行い、圧縮破壊荷重を測定し
た。

【００８８】（６）振動Ｇ測定 （目的） 各実施例・比較例で成形したインペラの振動
特性の評価を行った。この試験の目的はベアリングへの
負荷の評価と異音発生の評価を兼ねている。

【００８９】（方法）インペラの締結時の軸力を試験
（５）で測定した実体圧縮強度の１／２となるように締
結し、２４時間放置後、６０，０００ｒｐｍ、１００，
０００ｒｐｍでの振動Ｇを測定した。

【００９０】表１〜表６に評価結果を示す。

【００９１】

【表１】

【００９２】

【表２】

【００９３】

【表３】

【００９４】

【表４】

【００９５】

【表５】

【００９６】

【表６】

【００９７】表１に示したように、バースト（破壊）回
転数は大幅に改良されたことが明らかである。この表１
より、遠心応力は回転数の２乗に比例するため、例え
ば、実施例２と比較例２との比較では、２２９，０００
^２／２０４，０００^２≒１．２６となり、２６％もの強
度向上が達成されることになる。

【００９８】図６に示したポリアミド６６樹脂／ガラス
（ＰＡ６６／ＧＦ）の場合には、強度向上代が１０％に
も満たないことを考えると極めて劇的な効果といえる。

【００９９】前記したように、繊維端部の数が耐久信頼
性に大きく影響しているために、ガラス長繊維強化樹脂
ペレットを使用した場合のデータからは予測できないほ
ど大きな効果が得られている。

【０１００】表２に示したように、耐久性も大きく改善
されたことが明らかである。とくに、比較例４〜７では
２０〜３０時間で破壊していたインペラが実施例４〜７
では実施例１〜３と共に１００時間以上の寿命を持つに
至った。高周波疲労やクリープは、荷重付加が不連続の
場合には発熱の影響の減少やひずみ回復効果が期待でき
るため、連続耐久試験で１００時間以上の寿命を有して
いれば十分使用可能と言える。

【０１０１】表３に示すように異物衝突による欠けの生
じる割合も減少したことが明らかである。異物衝突によ
る欠けが生じても圧縮効率は大して悪化しないが、クラ
ックの起点となるため望ましくない。

【０１０２】破壊靭性の劣るＰＥＮ，ＰＡＩ，ＰＥＩ，
ＰＥＳをマトリックスとして使用した場合の信頼性が大
きく改善されていると考えられる。

【０１０３】表４に示すように、長繊維強化樹脂ペレッ
トの使用によって、コンプレッサハウジングとインペラ
間のクリアランス設定が５００μｍから３００μｍに変
更可能となった。そのため、圧縮効率の改善が実現され
る。

【０１０４】表５および表６に示したように、実体圧縮
強度の改善によってインペラ締結時の軸力増加が可能と
なったため、振動Ｇ特性が大幅に改善されたことが明ら
かである。これによって、異音のないより静かなターボ
チャージャ搭載車を作ることが可能となった。

【０１０５】この実施例および比較例の結果より明らか
なように、長繊維強化樹脂ペレットの採用によって、繊
維強化樹脂製インペラの諸特性は大幅に改善された。

【０１０６】最後に、各マトリックス樹脂と炭素繊維を
組み合わせた場合に、繊維強化樹脂製インペラとして十
分使用可能な繊維含有率を調べた。

【０１０７】前述のように、バースト回転数は実体強度
をおおよそ表しており、表１および表２に示したよう
に、バースト回転数が２００，０００ｒｐｍを超えるも
のはいずれも十分な耐久性が得られているため、バース
ト回転数２００，０００ｒｐｍを最低目標値とし、この
目標が達成される最低繊維含有率を測定した。インペラ
の製造方法は繊維含有率を除いてはすべて実施例記載の
方法と同じである。

【０１０８】ここでは、短繊維強化樹脂ペレットおよび
長繊維強化樹脂ペレットのうちいずれのペレットを使用
しても２００時間耐久試験中に破壊しないＰＥＥＫ樹脂
をマトリックス樹脂として使用した場合と、長繊維強化
樹脂ペレットを使用したときにのみ２００時間耐久試験
をクリアするＰＥＮ樹脂を使用した場合、そしてバース
ト回転数と２００時間耐久試験時の耐久時間が最も小さ
いＰＥＳ樹脂をマトリックス樹脂として使用した場合に
ついてそれぞれ測定を行った。

【０１０９】図４および図５にこれらの結果を示す。

【０１１０】長繊維強化樹脂ペレットを使用する場合
は、短繊維強化樹脂ペレットを使用する場合よりも流動
特性が低下するため、いずれのマトリックス樹脂を使用
したときでも繊維含有率が４０重量％までしか成形でき
なかった。また、短繊維強化樹脂ペレットの場合は４５
重量％まで成形可能である。

【０１１１】２００時間耐久試験をクリアしているＰＥ
ＥＫ／炭素繊維系（図４にはＰＥＥＬ／ＬＣＦと略
記）、ＰＥＮ／炭素（長）繊維系（図４にはＰＥＮ／Ｌ
ＣＦと略記）では、繊維含有率が２０重量％の時にもバ
ースト回転数は２００，０００ｒｐｍに達しており、繊
維強化樹脂製インペラとして十分使用可能と考えられる
が、ＰＥＳ／炭素繊維系（図５にはＰＥＳ／ＬＣＦと略
記）では２００，０００ｒｐｍ以上のバースト回転数を
得るには繊維含有率が２５重量％以上であることが必要
であった。

【０１１２】したがって、マトリックス樹脂がＰＥＫ／
ＰＥＩ、ＰＥＫ、ＰＥＥＫ、ＰＥＮの場合には繊維含有
率が２０重量％以上４０重量％以下、マトリックス樹脂
がＰＡＩ、ＰＥＩ、ＰＥＳの場合には２５重量％以上４
０重量％以下であれば十分な信頼性を有する繊維強化樹
脂製インペラを提供することができる。

【０１１３】なお、前記実施例では、より安価な提供を
可能とするため、製造コストが高い長繊維強化樹脂ペレ
ットについては繊維含有率が大きいものを使用し、これ
に非強化樹脂ペレットを混ぜる方法を用いているが、所
望の繊維含有率を有する長繊維強化樹脂ペレットを単独
で使用してもかまわない。

【０１１４】また、十分な信頼性が得られる範囲内で長
繊維強化樹脂ペレットにチョップド繊維を加えたり、あ
るいは、長繊維強化樹脂ペレットと短繊維強化樹脂ペレ
ットを混合した成形材料を製造して、所望の繊維含有率
の成形品を得るようにしてもよい。

【０１１５】さらに、当然のことながら、製品の信頼性
を損なわない範囲内で、各種充填剤、離型剤、難燃剤、
酸化防止剤、紫外線吸収剤、潤滑剤、着色剤、熱安定剤
等を加えてもかまわない。

【０１１６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、繊維強化樹脂からなる翼部・基部一体型繊維強化樹
脂製インペラにおいて、繊維強化樹脂製インペラの平均
炭素繊維含有率が、マトリックス樹脂がポルエーテルエ
ーテルケトン樹脂，ポリエーテルケトン樹脂，ポリエー
テルケトン／ポリエーテルイミドのブレンド樹脂，ポリ
エーテルニトリル樹脂の場合には２０〜４０重量％、ま
た、マトリックス樹脂がポリエーテルイミド樹脂，ポリ
エーテルサルホン樹脂，ポリアミドイミド樹脂の場合に
は２５〜４０重量％となるように炭素長繊維強化樹脂ペ
レットを単独ないしは少なくとも炭素長繊維強化樹脂ペ
レットを含む混合原料を使用して成形してなるものとし
たから、射出成形や押し出し成形などによってインペラ
の成形が可能であると共に、バースト回転数が大きい軽
量なインペラを提供することが可能であり、炭素長繊維
強化樹脂ペレットを使用することによって、実体強度の
向上、耐久寿命の改良、耐異物衝突性の向上、コンプレ
ッサハウジングとインペラ間のクリアランスの縮小によ
る圧縮効率の改善、圧縮破壊強度の向上とそれにともな
う軸力増加による異音の解消などの効果が得られるよう
になるという著しく優れた効果がもたらされる。また、
従来のチョップド繊維との組み合わせでは耐久性に不安
のあったＰＡＩ／炭素繊維系、ＰＥＩ／炭素繊維系、Ｐ
ＥＳ／炭素繊維系でも繊維強化樹脂製インペラ用材料と
して使用可能となった。とくに、ＰＥＩおよびＰＥＳは
比較的安価なため、より安価な製品を提供可能とした意
義も大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による繊維強化樹脂製インペ
ラの斜視説明図である。

【図２】図１に示した繊維強化樹脂製インペラをシャフ
ト部へ取り付けた状態を示す断面説明図である。

【図３】インペラ用成形金型の断面説明図である。

【図４】本発明に係わる繊維強化樹脂製インペラ（ＰＥ
ＥＫ／ＬＣＦ，ＰＥＮ／ＬＣＦ）のバースト回転数の繊
維含有率依存性を示すグラフである。

【図５】本発明に係わる繊維強化樹脂製インペラ（ＰＥ
Ｓ／ＬＣＦ）のバースト回転数の繊維含有率依存性を示
すグラフである。

【図６】ポリアミド６６樹脂／ガラス繊維（ＰＡ６６／
ＧＦ）の引張り強度の繊維含有率依存性を示すグラフで
ある。

【図７】ポリアミド６６樹脂／ガラス繊維（ＰＡ６６／
ＧＦ）の平均繊維長の繊維含有率依存性を示すグラフで
ある。

【図８】炭素短繊維分散強化複合材料の繊維端部からの
破壊を示す組織写真図である。

【図９】ポリエーテルエーテルケトン樹脂／炭素繊維
（ＰＥＥＫ／ＣＦ）の単位面積当りの繊維端部数の繊維
含有率依存性を示すグラフである。

【図１０】ポリアミド６６樹脂／ガラス繊維（ＰＡ６６
／ＧＦ）の単位面積当りの繊維端部数の繊維含有率依存
性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 繊維強化樹脂製インペラ １ａ 翼部 １ｂ 基部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年７月２４日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０８Ｌ 71/10 ＬＱＫ 9167−4Ｊ 79/08 ＬＲＢ 9285−4Ｊ ＬＲＣ 9285−4Ｊ 81/06 ＬＲＦ 7308−4Ｊ Ｆ０１Ｄ 5/04 7825−3Ｇ Ｆ０２Ｂ 39/00 Ｑ 9332−3Ｇ Ｕ 9332−3Ｇ // Ｂ２９Ｋ 71:00 105:08 Ｂ２９Ｌ 31:08 4Ｆ Ｃ０８Ｌ 71:00 9167−4Ｊ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 繊維強化樹脂からなる翼部・基部一体型
   繊維強化樹脂製インペラにおいて、繊維強化樹脂製イン
   ペラの平均炭素繊維含有率が、マトリックス樹脂がポル
   エーテルエーテルケトン樹脂，ポリエーテルケトン樹
   脂，ポリエーテルケトン／ポリエーテルイミドのブレン
   ド樹脂，ポリエーテルニトリル樹脂の場合には２０〜４
   ０重量％、また、マトリックス樹脂がポリエーテルイミ
   ド樹脂，ポリエーテルサルホン樹脂，ポリアミドイミド
   樹脂の場合には２５〜４０重量％となるように炭素長繊
   維強化樹脂ペレットを単独ないしは少なくとも炭素長繊
   維強化樹脂ペレットを含む混合原料を使用して成形して
   なることを特徴とする一体型繊維強化樹脂製インペラ。