JP2002129969A - ターボチャージャ用回転支持装置 - Google Patents

ターボチャージャ用回転支持装置

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JP2002129969A
JP2002129969A JP2000325239A JP2000325239A JP2002129969A JP 2002129969 A JP2002129969 A JP 2002129969A JP 2000325239 A JP2000325239 A JP 2000325239A JP 2000325239 A JP2000325239 A JP 2000325239A JP 2002129969 A JP2002129969 A JP 2002129969A
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lubricating oil
ball bearing
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Yutaka Kondo
豊 近藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐久性を確保しつつ、ターボチャージャ用回
転支持装置の小型化及びこの小型化に基づく低コスト化
を図る。 【解決手段】 ハウジング6aに設けた給油通路19a
を流通する潤滑油のみにより、第一、第二の玉軸受7
a、8aを含む構成各部を冷却自在とする。そして、上
記ハウジング6aを耐熱鋳物製とし、上記各玉軸受7
a、8aを構成する外輪10a及び内輪12aを耐熱金
属製とし、更に、保持器を金属製とする。即ち、ウォー
タジャケット(冷却水通路)を省略する事により、上記
各玉軸受7a、8aを含む構成各部が温度上昇し易くな
ったとしても、十分な耐久性を確保できる様にしてい
る。この結果、ウォータジャケットの省略による、上記
回転支持装置の小型化及び製造作業の容易化を図れ、こ
れら小型化及び製造作業の容易化に基づくコスト低減を
図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明のターボチャージャ用
回転支持装置は、例えば自動車用エンジンの出力を向上
させる為のターボチャージャに組み込み、タービンとイ
ンペラとを接続する回転軸をハウジングに対し、回転自
在に支持する為に利用する。特に本発明は、ターボチャ
ージャ用回転支持装置の小型化を、耐久性を確保しつつ
図るものである。
【0002】
【従来の技術】エンジンの出力を排気量を変えずに増大
させる為、エンジンに送り込む空気を排気のエネルギに
より圧縮するターボチャージャが、広く使用されてい
る。このターボチャージャは、排気のエネルギを、排気
通路の途中に設けたタービンにより回収し、このタービ
ンをその端部に固定した回転軸により、給気通路の途中
に設けたコンプレッサのインペラを回転させる。このイ
ンペラは、エンジンの運転に伴って数万乃至は十数万mi
n-1 (r.p.m.)の速度で回転し、上記給気通路を通じて
エンジンに送り込まれる空気を圧縮する。
【0003】図5は、この様なターボチャージャの1例
を示している。このターボチャージャは、排気流路1
(図5には省略。後述する発明の実施の形態の第2例を
示す図3参照)を流通する排気により、回転軸2の一端
(図5の右端)に固定したタービン3を回転させる。こ
の回転軸2の回転は、この回転軸2の他端(図5の左
端)に固定したインペラ4に伝わり、このインペラ4が
給気流路5内で回転する。この結果、この給気流路5の
上流端開口から吸引された空気が圧縮されて、ガソリ
ン、軽油等の燃料と共にエンジンのシリンダ室内に送り
込まれる。この様なターボチャージャの回転軸2は、数
万〜十数万min-1 もの高速で回転し、しかも、エンジン
の運転状況に応じてその回転速度が頻繁に変化する。従
って、上記回転軸2は、ハウジング6に対し、小さな回
転抵抗で支持する必要がある。
【0004】この為に従来から、上記ハウジング6の内
側に上記回転軸2を、第一、第二の玉軸受7、8によ
り、回転自在に支持している。これら第一、第二の玉軸
受7、8は、図6に示す様なアンギュラ型玉軸受であ
る。これら第一、第二の玉軸受7、8の構成は、基本的
には同じである。但し、これら両玉軸受7、8のうち、
高温の排気が流通する排気流路1に近く、温度上昇が著
しい第一の玉軸受7の潤滑条件は、低温の空気が流通す
る給気流路5に近く、温度上昇がそれ程著しくはない、
第二の玉軸受8に比べて厳しい。
【0005】この様な第一、第二の玉軸受7、8は、内
周面に外輪軌道9を有する外輪10と、外周面に内輪軌
道11を有する内輪12と、これら外輪軌道9と内輪軌
道11との間に転動自在に設けられた複数個の玉13、
13とを備える。又、これら各玉13、13は、円環状
の保持器14(図5には省略)に設けた複数のポケット
15内に、それぞれ1個ずつ転動自在に保持している。
又、図示の例の場合には、上記内輪12を、片側の肩部
をなくした、所謂カウンタボアとしている。又、上記保
持器14の外周面を、上記外輪10の内周面に近接対向
させる事により、この保持器14の直径方向位置をこの
外輪10により規制する、外輪案内としている。
【0006】この様な第一、第二の玉軸受7、8は、上
記ハウジング6の内側に設けた軸受支持部16に、それ
ぞれ円環状の押圧環17、17を介して支持されてい
る。即ち、この軸受支持部16の両端部内側にこれら各
押圧環17、17をそれぞれ内嵌し、これら各押圧環1
7、17の内側に上記各玉軸受7、8の外輪10、10
を内嵌している。そして、これら各玉軸受7、8の内輪
12、12を上記回転軸2の両端部に外嵌固定する事に
より、この回転軸2を上記ハウジング6に対し回転自在
に支持している。
【0007】又、上記第一、第二の玉軸受7、8を構成
する1対の外輪10、10には、圧縮ばね18により互
いに離れる方向の弾力を付与している。即ち、上記各押
圧環17、17の互いに対向する端面同士の間に上記圧
縮ばね18を狭持し、これら各押圧環17、17に内嵌
した上記各外輪10、10に、互いに離れる方向の弾力
を付与している。従って、上記第一、第二の玉軸受7、
8は、互いに接触角の方向を逆にした状態{背面組み合
せ(DB)型}で組み込まれている。
【0008】更に、上記ハウジング6内に給油通路19
を設けて、上記各玉軸受7、8を潤滑自在としている。
即ち、ターボチャージャを装着したエンジンの運転時に
潤滑油は、上記給油通路19の上流端に設けたフィルタ
20により異物を除去されてから、上記軸受支持部16
の内周面と上記各押圧環17、17の外周面との間に存
在する環状の隙間空間21、21に送り込まれる。尚、
これら各隙間空間21、21は、上記軸受支持部16と
上記各押圧環17、17との嵌合を隙間嵌めにする事に
より設けている。そして、これら各隙間空間21、21
を上記潤滑油で満たす事により、上記各押圧環17、1
7の外周面と上記軸受支持部16の内周面との間に全周
に亙って油膜(オイルフィルム)を形成し、これら各押
圧環17、17の振動を上記軸受支持部16に伝わりに
くくしている。言い換えれば、上記各隙間空間21、2
1に満たされた潤滑油によって、上記回転軸2の回転に
基づく振動を減衰させている(オイルフィルムダン
パ)。更に、上記隙間空間21、21に送り込まれた潤
滑油の一部は、上記各押圧環17、17に設けたノズル
孔22から、上記第一、第二の玉軸受7、8を構成する
各内輪12、12の外周面に向け、径方向外方から斜め
に噴出し、これら第一、第二の玉軸受7、8を潤滑(オ
イルジェット潤滑)する。この様にして第一、第二の玉
軸受7、8に向けて噴出した潤滑油は、排油口23より
排出される。
【0009】尚、図示の例の場合、各押圧環17、17
の外周面に複数本(図示の例では2本)の凹部24、2
4を、径方向内方に凹入する状態で全周に亙って設けて
いる。即ち、上記軸受支持部16の内周面と上記各押圧
環17、17の外周面との間の各隙間空間21、21に
潤滑油を、上記各凹部24、24を設けた分だけ多く確
保できる。この為、上記各押圧環17、17の振動が、
上記軸受支持部16にまでは、より伝わりにくくなる。
又、上記第一、第二の玉軸受7、8の各外輪10、10
の外周面と上記各押圧環17、17の内周面との間に
も、それぞれ隙間空間が存在している。そして、これら
各隙間空間にも上記潤滑油が満たされており、上記回転
軸2の回転に基づく振動の減衰を図っている。
【0010】又、上記ハウジング6内にウォータジャケ
ット(冷却水通路)25を設けて、ターボチャージャ用
回転支持装置を冷却自在としている。即ち、ターボチャ
ージャを装着したエンジンの運転時に、このエンジン内
を循環する冷却水の一部が上記ウォータジャケット25
を流通する事により、上記第一、第二の玉軸受7、8を
含む構成各部の温度上昇を抑えている。この様な水冷式
(冷却水による冷却)の場合には、比較的低温の空気に
曝される前記インペラ4側に設ける第二の玉軸受8は勿
論、(最高で1000℃近くの)高温の排気に曝される
前記タービン3側に設ける第一の玉軸受7に就いても、
十分に冷却できる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述の様に従来のター
ボチャージャ用回転支持装置の場合は、ハウジング6内
にウォータジャケット25を設け、このウォータジャケ
ット25を流通する冷却水により冷却を行なっている。
この様に冷却水により冷却を行なう事は、冷却性能の確
保の面からは好ましい。ところが、上記ウォータジャケ
ット25をハウジング6内に設ける分、上記回転支持装
置が大型化すると共に、製造作業も面倒になり、コスト
が嵩む事が避けられない。しかも、上記ウォータジャケ
ット25を流通する冷却水は通常、エンジン内を循環す
る冷却水の一部を使用する。この為、エンジンの冷却装
置から冷却水を導く為の冷却ホースやポンプ等を設ける
必要があり、ターボチャージャ装置全体が大型化、複雑
化する。
【0012】この様な不都合を解決する為に、上記ウォ
ータジャケット25を省略する事が考えられる。ところ
が、ただ単にウォータジャケット25を省略するだけで
は、冷却性能が低下し、第一、第二の玉軸受7、8を含
む構成各部の温度上昇が著しくなる。そして、この様な
著しい温度上昇は、これら各玉軸受7、8の外輪軌道9
や内輪軌道11に剥離や焼き付き等の損傷を生じ易くす
るだけでなく、保持器14やハウジング6等も破損し易
くする為、耐久性が低下する可能性がある。本発明は、
この様な事情に鑑みて、ターボチャージャ用回転支持装
置の耐久性を確保しつつ、この回転支持装置の小型化及
びこの小型化に基づく低コスト化を図るべく発明したも
のである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明のターボチャージ
ャ用回転支持装置は、前述した従来から知られているタ
ーボチャージャ用回転支持装置と同様に、その一端部に
タービンを、その他端部にインペラを、それぞれ固定し
た回転軸を、ハウジングの内側に回転自在に支持する
為、このハウジングの内側に設けた軸受支持部の内周面
と上記回転軸の外周面との間に、外輪の内周面に形成し
た外輪軌道と内輪の外周面に形成した内輪軌道との間に
円環状の保持器により保持された複数個の玉を転動自在
に配置して成る玉軸受を設けている。そして、この玉軸
受に向けて潤滑油を供給する事により、この玉軸受の潤
滑を行なう様に構成している。
【0014】特に、本発明のターボチャージャ用回転支
持装置に於いては、上記玉軸受を含む構成各部を上記潤
滑油のみにより冷却自在とすると共に、上記ハウジング
を耐熱鋳物製とし、上記外輪及び内輪を耐熱金属製と
し、更に、上記保持器を金属製としている。又、より好
ましくは、上記各玉をセラミック製とする。
【0015】尚、上記ハウジング用の耐熱鋳物として
は、ダクタイル(球状黒鉛鋳鉄)、高シリコン(Si)・
モリブデンダクタイル、ニレジスト(低ニッケルレジス
ト、高ニッケルレジスト)、耐熱鋳鋼等が使用可能であ
る。又、上記内輪及び外輪用の耐熱金属としては、M5
0(耐熱鋼、AISI規格)等が使用可能である。又、
上記保持器用の金属としては、鋼、銅合金、チタン合
金、アルミニウム合金、マグネシウム合金等が使用可能
である。又、上記各玉用のセラミックとしては、窒化珪
素等が使用可能である。
【0016】
【作用】上述の様に構成する本発明のターボチャージャ
用回転支持装置の場合には、玉軸受に供給する潤滑油の
みにより、この玉軸受を含む構成各部を冷却でき、しか
も、この様な潤滑油のみによる冷却でも耐久性を十分に
確保できる。即ち、ウォータジャケット(冷却水通路)
の省略により冷却性能が低下し、運転時に上記回転支持
装置が温度上昇し易くなったとしても、ハウジングを耐
熱鋳物製とし、上記玉軸受を構成する外輪及び内輪を耐
熱金属製とし、更に、保持器を金属製としている為、温
度上昇に拘らず、耐久性を十分に確保できる。更には、
上記玉軸受を構成する複数個の玉をセラミック製とすれ
ば、より十分な耐久性の確保を図れる。この結果、上記
ウォータジャケットの省略による、上記回転支持装置の
小型化及び製造作業の容易化を図れ、これら小型化及び
製造作業の容易化に基づくコスト低減を図れる。しか
も、エンジンの冷却装置から冷却水を導く為の冷却ホー
スやポンプ等を設ける必要もなくなり、ターボチャージ
ャ装置全体が大型化、複雑化する事もない。
【0017】
【発明の実施の形態】図1〜2は、請求項1〜2に対応
する、本発明の実施の形態の第1例を示している。尚、
本発明の特徴は、ターボチャージャ用回転支持装置の構
成各部の冷却を第一、第二の玉軸受7a、8aに供給す
る潤滑油のみにより行ない、しかも、この様な潤滑油の
みによる冷却でも耐久性を十分に確保できる様にする点
にある。上記ターボチャージャ用回転支持装置の全体構
成に就いては、前述の図5に示した構造を含み、従来か
ら知られている回転支持装置と同様であるから、同等部
分に関する説明は省略若しくは簡略にし、以下、本発明
の特徴部分を中心に説明する。
【0018】本例の場合は、ハウジング6a内に設けた
給油通路19aを流通する潤滑油のみにより、上記第
一、第二の玉軸受7a、8aを潤滑自在とすると共に、
これら各玉軸受7a、8aを含む構成各部を冷却自在と
している。即ち、ターボチャージャを装着したエンジン
の運転時に潤滑油は、上記給油通路19aの上流端に設
けたフィルタ20により異物を除去されてから、上記ハ
ウジング6aの内側に設けた軸受支持部16の内周面
と、上記各玉軸受7a、8aを内嵌する各押圧環17、
17の外周面との間の隙間空間21、21に送り込まれ
る。そして、これら各隙間空間21、21を上記潤滑油
で満たす事により、上記各押圧環17、17の外周面と
上記軸受支持部16の内周面との間に全周に亙って油膜
(オイルフィルム)を形成し、これら各押圧環17、1
7の振動を上記軸受支持部16に伝わりにくくすると共
に、これら各押圧環17、17及び軸受支持部16の冷
却を行なう。更に、上記隙間空間21、21に送り込ま
れた潤滑油の一部は、上記各押圧環17、17に設けた
ノズル孔22から、上記第一、第二の玉軸受7a、8a
を構成する各内輪12a、12aの外周面に向け、径方
向外方から斜めに噴出し、これら第一、第二の玉軸受7
a、8aを潤滑(オイルジェット潤滑)すると共に、こ
れら第一、第二の玉軸受7a、8aを冷却する。この様
にして第一、第二の玉軸受7a、8aに向けて噴出した
潤滑油は、排油口23より排出される。
【0019】尚、本例の場合、各押圧環17、17の外
周面に複数本(図示の例では2本)の凹部24、24
を、径方向内方に凹入する状態で全周に亙って設けてい
る。即ち、上記軸受支持部16の内周面と上記各押圧環
17、17の外周面との間の各隙間空間21、21に潤
滑油を、上記各凹部24、24を設けた分だけ多く確保
できる。この為、上記各押圧環17、17及び軸受支持
部16の冷却性能をより確保し易くなると共に、これら
各押圧環17、17の振動が上記軸受支持部16により
伝わりにくくなる。又、上記第一、第二の玉軸受7a、
8aの各外輪10a、10aの外周面と上記各押圧環1
7、17の内周面との間にも、それぞれ隙間空間が存在
している。そして、これら各隙間空間にも上記潤滑油が
満たされており、上記外輪10a、10aの冷却を行な
うと共に、上記回転軸2の回転に基づく振動の減衰を図
っている。
【0020】更に、本例の場合は、上記第一、第二の玉
軸受7a、8aを含む構成各部が温度上昇し易くなって
も、十分な耐久性を確保できる様にしている。即ち、上
記ハウジング6aを耐熱鋳物製とし、上記各玉軸受7
a、8aを構成する外輪10a及び内輪12aを耐熱金
属製とし、更に、保持器14a(図1には省略)を金属
製としている。又、上記各玉軸受7a、8aを構成する
各玉13a、13aをセラミック製としている。より具
体的には、上記ハウジング6aを、ダクタイル(球状黒
鉛鋳鉄)、高シリコン(Si)・モリブデンダクタイル、
ニレジスト(低ニッケルレジスト、高ニッケルレジス
ト)、耐熱鋳鋼等の耐熱鋳物製にする。又、上記外輪1
0a及び内輪12aを、M50(耐熱鋼、AISI規
格)等の耐熱金属製にする。更に、上記保持器14a
を、鋼、銅合金、チタン合金、アルミニウム合金、マグ
ネシウム合金等の金属製にする。特に、この保持器14
a用の材料としては、下記の表1に示す様な各材料の中
から、その特徴を考慮して、適切なものを選択する。
【0021】
【表1】
【0022】尚、上記表1で、低温タフト処理とは、低
温で行なうタフトライド処理(軟窒化処理)で、表面の
摩擦係数を低下させると共に、耐摩耗性及び疲れ寿命の
向上を図れる。又、パルソナイト処理とは、430〜4
90℃程度で行なう低温塩浴窒化処理で、表面の平滑化
や、耐摩耗性及び疲労強度の向上等を図れる。又、クラ
ノダイズ処理とは、リン酸マンガン被膜処理であり、耐
摩耗性及び疲れ寿命の向上等を図れる。又、銅合金とし
ては、黄銅合金等が使用可能であり、鉛を含まない黄銅
合金{例えば、三宝伸銅工業株式会社製のエコブラス
(商品名)}が環境面等を考慮すると好ましい。又、上
記各玉13a、13aを、窒化珪素等のセラミック製に
する。
【0023】上述の様に構成する本発明のターボチャー
ジャ用回転支持装置の場合には、第一、第二の玉軸受7
a、8aに供給する潤滑油のみにより、これら各玉軸受
7a、8aを含む構成各部を冷却でき、しかも、この様
な潤滑油のみによる冷却でも耐久性を十分に確保でき
る。即ち、前述の図5に示した様なウォータジャケット
(冷却水通路)25の省略により冷却性能が低下し、運
転時に上記回転支持装置が温度上昇し易くなったとして
も、上述の様にハウジング6aを耐熱鋳物製とし、上記
各玉軸受7a、8aを構成する外輪10a及び内輪12
aを耐熱金属製とし、更に、保持器14aを金属製とし
ている為、温度上昇に拘らず耐久性を十分に確保でき
る。更には、上記各玉軸受7a、8aを構成する各玉1
3a、13aをセラミック製としている為、より十分に
耐久性の確保を図れる。この結果、上記ウォータジャケ
ット25の省略による、上記回転支持装置の小型化及び
製造作業の容易化を図れ、これら小型化及び製造作業の
容易化に基づくコスト低減を図れる。しかも、エンジン
の冷却装置から冷却水を導く為の冷却ホースやポンプ等
を設ける必要もなくなり、ターボチャージャ装置全体が
大型化、複雑化する事もない。
【0024】次に、図3〜4は、同じく請求項1〜2に
対応する、本発明の実施の形態の第2例を示している。
本例の場合は、前述の図1に示した構造の様に、ハウジ
ング6aと軸受支持部16とを一体に形成せず、軸受支
持部に相当する軸受支持部材26をハウジング6bと別
体に形成している。この様な本例の場合は、温度上昇に
拘らず耐久性を確保する為に、このハウジング6bを前
述の様な耐熱鋳物とする。これに対して、このハウジン
グ6bの内側に設ける上記軸受支持部材26は、必ずし
も耐熱鋳物としなくても良い。即ち、この軸受支持部材
26は、上記耐熱鋳物の代わりとして十分な耐熱性を有
する金属の中から、コスト、加工し易さ、耐摩耗性等を
考慮して適当なものを選択すれば良い。
【0025】又、この様にハウジング6bの内側に軸受
支持部材26を設ける場合には、このハウジング6bの
内周面と、上記軸受支持部材26の外周面との間に隙間
空間27を設け、この隙間空間27を潤滑油で満たす。
尚、この隙間空間27は、上記ハウジング6bと軸受支
持部材26との嵌合を隙間嵌にする事により設ける。そ
して、この様に隙間空間27に満たされた潤滑油によ
り、上記ハウジング6b及び軸受支持部材26の冷却を
行なうと共に、回転軸2の回転に基づく振動の減衰を図
る(オイルフィルムダンパ)。更に、上記隙間空間27
に送り込まれた潤滑油の一部を、1対の押圧環17a、
17aのうちのタービン3側の押圧環17aに設けたノ
ズル孔22を通じて、第一、第二の玉軸受7a、8aの
うちのタービン3側に設けた第一の玉軸受7aに向けて
送り込み、この第一の玉軸受7aの冷却及び潤滑(オイ
ルジェット潤滑)を行なう。この様にして第一の玉軸受
7aに送り込まれた潤滑油は、この第一の玉軸受7aの
他、上記第二の玉軸受8aも潤滑及び冷却してから、排
油口23より排出される。その他の構成及び作用は、前
述した第1例の場合と同様であるから、重複する図示並
びに説明は省略する。
【0026】
【発明の効果】本発明は、以上に述べた通り構成し作用
する為、耐久性を確保しつつ、小型で低コストのターボ
チャージャ用回転支持装置を実現でき、この回転支持装
置を組み込むターボチャージャ装置の小型化、簡素化及
び低コスト化に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の第1例を示す断面図。
【図2】玉軸受を取り出して示す断面図。
【図3】本発明の実施の形態の第2例を示す断面図。
【図4】図3のA部拡大図。
【図5】従来構造の1例を示す断面図。
【図6】玉軸受を取り出して示す断面図。
【符号の説明】
1 排気流路 2 回転軸 3 タービン 4 インペラ 5 給気流路 6、6a、6b ハウジング 7、7a 第一の玉軸受 8、8a 第二の玉軸受 9 外輪軌道 10、10a 外輪 11 内輪軌道 12、12a 内輪 13、13a 玉 14、14a 保持器 15 ポケット 16 軸受支持部 17、17a 押圧環 18 圧縮ばね 19、19a 給油通路 20 フィルタ 21 隙間空間 22 ノズル孔 23 排油口 24 凹部 25 ウォータジャケット 26 軸受支持部材 27 隙間空間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) F16C 33/66 F16C 33/66 Z 37/00 37/00 B Fターム(参考) 3G005 EA16 FA29 FA31 GB32 GB55 GB93 3J017 EA01 GA01 3J101 AA02 AA32 AA42 AA51 AA62 BA10 BA50 BA70 BA77 CA08 CA13 CA22 CA32 EA01 EA02 EA14 EA44 FA44 FA53 FA55 GA01

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 その一端部にタービンを、その他端部に
    インペラを、それぞれ固定した回転軸を、ハウジングの
    内側に回転自在に支持する為、このハウジングの内側に
    設けた軸受支持部の内周面と上記回転軸の外周面との間
    に、外輪の内周面に形成した外輪軌道と内輪の外周面に
    形成した内輪軌道との間に円環状の保持器により保持さ
    れた複数個の玉を転動自在に配置して成る玉軸受を設
    け、この玉軸受に向けて潤滑油を供給する事により、こ
    の玉軸受の潤滑を行なう様に構成したターボチャージャ
    用回転支持装置に於いて、この玉軸受を含む構成各部を
    上記潤滑油のみにより冷却自在とすると共に、上記ハウ
    ジングを耐熱鋳物製とし、上記外輪及び内輪を耐熱金属
    製とし、更に、上記保持器を金属製とした事を特徴とす
    るターボチャージャ用回転支持装置。
  2. 【請求項2】 複数個の玉をセラミック製とした、請求
    項1に記載したターボチャージャ用回転支持装置。
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