JP2005240569A - 作動流体還流路を有する過給用コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】過給用コンプレッサに於ける作動流体の還流によるサージ抑制のメカニズムを改善し、可及的に低い作動流体還流量によっても高いサージ抑制効果を得る。
【解決手段】ロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部により付勢された作動流体の一部を作動流体付勢流路の入口部へ還流させることによりサージを抑制する過給用コンプレッサに於いて、作動流体還流路の出口を、還流される作動流体が作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対しそれに合流するまでロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入されるように方向付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、過給用コンプレッサに係り、特に作動流体還流路を有する過給用コンプレッサに係る。

内燃機関の出力性能を上げるべくその吸気を加圧することが過給として知られており、そのための手段が過給用コンプレッサとして知られている。過給用コンプレッサは、通常、内燃機関の排気により駆動される排気タービンにより駆動され、内燃機関の排気よりエネルギを回収して内燃機関の熱効率を高めることにも寄与する。

過給用コンプレッサが排気タービンにて駆動される場合、特に内燃機関が車輌の内燃機関であるときには、その負荷は車輌の運行状況に応じて随時低負荷から高負荷の間で大幅且つ急速に変化し、それに対応する過給用コンプレッサの位置に於ける吸気流量の増減とそれを駆動する排気タービンの位置に於ける排気流量の増減の間にはかなりの時間的ずれが生ずるので、過給用コンプレッサに於ける作動流体（空気）の流量と圧力比との関係は、流量と圧力比とを２つの座標軸とするコンプレッサ作動特性図で見ると座標領域内にて広範囲に変動し、時としてコンプレッサ作動に於けるサージ領域に侵入する。かかる問題に対処し、コンプレッサの出口部をコンプレッサの入口部へ連通させる開閉弁付きの作動流体還流路を設け、サージ発生の虞れがあるときには前記開閉弁を開いてコンプレッサの出口部より作動流体の一部をコンプレッサの入口部へ還流させ、吸気流量に対比してコンプレッサに於ける作動流体の見掛けの流量を増大させてサージ発生を回避することが、例えば下記の特許文献１に記載されている如く、知られている。
特開平１１-１８２２５７

上記の如きサージ回避のための作動流体の還流は、排気タービンにより発生された回転エネルギの一部を作動流体の内部エネルギに戻すものであり、それだけ車輌の燃費を悪化させることになる。本発明は、この点に鑑み、過給用コンプレッサに於ける作動流体の還流によるサージ抑制のメカニズムを改善し、可及的に少ない作動流体還流量によっても高いサージ抑制効果を得ることのできる過給用コンプレッサを提供することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、コンプレッサハウジングと、該コンプレッサハウジング内に回転式に装着され回転により作動流体を付勢する作動流体付勢流路を備えたロータとを有し、前記ロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部により付勢された作動流体の一部を該作動流体付勢流路の入口部へ還流させる作動流体還流路が設けられている過給用コンプレッサにして、前記作動流体還流路の出口は還流される作動流体を前記作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対し前記ロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入するよう方向付けられ且つ該還流される作動流体が前記作動流体付勢流路へ流入する作動流体に合流するまで該還流される作動流体を案内する複数のガイドベーンにより並列に仕切られていることを特徴とする過給用コンプレッサを提案するものである。

上記の如き過給用コンプレッサに於いて、前記作動流体還流路は、前記ロータの前記作動流体付勢流路の少なくとも一部を囲む環状壁面を呈する筒状体と前記複数のガイドベーンとを該ガイドベーンが前記筒状体の外周面に沿って湾曲して延在し且つ該筒状体の一端部を越えて突き出る状態に有する形状であってよい。

上記の如き過給用コンプレッサに於いて、前記作動流体還流路は、更にその入口が回転中の前記ロータの前記作動流体付勢流路の少なくとも一部を通って流れた作動流体の一部をその周方向速度成分を生かして受け入れるよう方向付けられるように構成されていてよい。この場合、前記入口は、特に前記ロータの作動流体付勢流路の途中に対向して開口していてよい。また、その場合、前記作動流体還流路は前記入口より前記出口まで前記コンプレッサハウジング内を通って延在していてよい。

また前記筒状体と前記ガイドベーンとは一体の環状要素として形成され、前記作動流体還流路は前記環状要素を前記コンプレッサハウジングに形成された前記ガイドベーンの全長を受け入れる長さの環状窪みに嵌装することにより形成されていてよい。

上記の如く、コンプレッサハウジングと、該コンプレッサハウジング内に回転式に装着され回転により作動流体を付勢する作動流体付勢流路を備えたロータとを有し、前記ロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部により付勢された作動流体の一部を該作動流体付勢流路の入口部へ還流させる作動流体還流路が設けられている過給用コンプレッサに於いて、前記作動流体還流路の出口が還流される作動流体を該作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対し前記ロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入するよう方向付けられ且つ該還流される作動流体が該作動流体付勢流路へ流入する作動流体に合流するまで該還流される作動流体を案内する複数のガイドベーンにより並列に仕切られていれば、作動流体付勢流路を形成するインペラベーンのリーディングエッジに対する作動流体の入射角を還流により低減する作用が行われ、それに相当してサージが起こりにくくなり、しかも、そのような作用が、隣り合った還流路間の作動流体流の干渉により打ち消されることのないよう、複数のガイドベーンにより並列に仕切られた個別の還流路内にて行われるので、より効果的に達成される。

即ち、ロータの作動流体付勢流路は通常コーン状のロータ外周面に沿って設けられた複数のインペラベーンによって仕切られた流路として形成され、ロータはこれらのインペラベーンを推進翼とするロータリインペラの形をなしており、ロータの回転に伴ってこれらのリーディングエッジがそれに接する作動流体をベーン間に形成された作動流体付勢流路内へ導入するようになっているが、このとき作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対しロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を有する還流が噴き付けられると、これによって作動流体付勢流路へ流入する作動流体のインペラリーディングエッジに対する入射角が低減されることとなる。コンプレッサがサージ領域にて運転されるときサージを誘起させる原因の一つは、インペラリーディングエッジに対する作動流体の入射角の増大によるインペラベーンリーディングエッジに於ける流体流の剥離である。従って、還流を作動流体付勢流路入口近傍にある作動流体対しロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入することにより、インペラベーンリーディングエッジに対する作動流体の入射角を低減し、その分インペラベーンリーディングエッジに於ける流体流の剥離を抑制することにより、還流によるサージ抑制効果をより一層高めることができ、従ってまた、逆にそれに対応して、同一のサージ抑制効果を得るに必要な還流量を低減することができる。

この場合、特に還流路の出口が、還流される作動流体を作動流体付勢流路へ流入する作動流体に合流するまで案内する複数のガイドベーンにより並列に仕切られていれば、隣り合った還流路の流れが干渉して還流によりインペラベーンのリーディングエッジに対する作動流体の入射角を低減しようとする作用が妨害されるような事態が確実に回避され、還流される作動流体を作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対しロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入することによるサージ抑制作用がより一層効果的に達成されやすくなる。

また、作動流体還流路が、前記ロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部を囲む環状壁面を呈する筒状体と前記複数のガイドベーンとを該ガイドベーンが前記筒状体の外周面に沿って湾曲して延在し且つ該筒状体の一端部を越えて突き出る状態に有する形状とされていれば、還流される作動流体を、それが作動流体付勢流路へ流入する作動流体に合流するまで、ロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を有するように案内することを確実に実現することができる。

作動流体還流路の入口が回転中のロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部を通って流れた作動流体の一部をその周方向速度成分を生かして受け入れるよう方向付けられていれば、還流には作動流体の付勢の結果得られる静圧上昇に加えてロータの回転に伴う作動流体の周方向速度成分による動圧が加わるので、それだけ作動流体還流路の出口から流出する還流をより強く付勢することができ、上記のインペラリベーンリーディングエッジに対する作動流体入射角低減効果を高めることができる。作動流体還流路の入口がロータの作動流体付勢流路の途中に対向して開口していれば、回転中のロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部を通って流れた作動流体をその周方向速度成分をよりよく生かして受け入れることができる。

作動流体還流路の出口が還流される作動流体を作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対しロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入するよう方向付けられ、作動流体還流路の入口が回転中のロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部を通って流れた作動流体の一部をその周方向速度成分を生かして受け入れるようロータの作動流体付勢流路の途中に対向して開口するとの構成条件に対しては、作動流体還流路が入口より出口までコンプレッサハウジング内を通って延在するように設けられれば、作動流体還流路を可及的に短く且つ単調に構成し、作動流体付勢流路の途中より作動流体還流路入口へ取り込まれる還流の動圧をよりよく保持して、作動流体付勢流路へ流入する作動流体をロータ回転方向とは逆の周方向に付勢する効果をより大きくすることができる。

また、前記筒状体と前記ガイドベーンとが一体の環状要素として形成され、作動流体還流路はかかる環状要素をコンプレッサハウジングに形成されたガイドベーンの全長を受け入れる長さの環状窪みに嵌装することにより形成されるようになっていれば、上記の如き作用をなす作動流体還流路が実用に適した構造に於いて容易に得られる。

添付の図１は本発明による作動流体還流路を備えた過給用コンプレッサを一つの実施の形態に於いて示す幾分解図的縦断面図であり、図２は図１に示す構造に於いて作動流体還流路を構成している環状要素を取り出して示す斜視図である。

これらの図に於いて、１０はそのロータであり、コンプレッサハウジング１２内にて回転中心軸線Ｃの周りに回転するよう、図には示されていない軸受装置により回転式に支持されている。ロータ１０には、そのコーン状のロータ外周面に沿って設けられた複数のインペラベーン１４によって仕切られ、各々回転中心軸線Ｃの周りに放射方向延在成分をもって延在する作動流体付勢流路１６が形成されており、これによってロータは、それが回転するとき、これらのインペラベーンを推進翼として作動流体付勢流路１６内にそれに沿う空気流を惹起するロータリインペラの形をなしている。

即ち、過給される空気はコンプレッサハウジング１２の図１で見て左端に開口する空気取入口１８より過給用コンプレッサ内に取り入れられ、ロータのハブ部の周りに形成された環状の作動流体付勢流路入口２０へ向けて流れ、そこにインペラベーン１４の図１に於ける左端がリーディングエッジ２２として臨んでいる。リーディングエッジ２２は、図示の実施の形態では、図１のロータが図の右側から見て反時計廻り方向に回転するものとして、図で見てロータの裏側に位置するインペラベーンについて破線により解図的に示されている如く、ロータの回転に伴ってそれに接する作動流体が作動流体付勢流路１６内へ流入し易いように傾斜している。作動流体付勢流路１６は入口２０より出口２４まで延在しており、インペラベーン１４についてみれば、作動流体付勢流路１６の出口２４を形成する部分はトレーリングエッジ２６である。

尚、図１の過給用コンプレッサでは、インペラベーン１４は全てが作動流体付勢流路１６の入口２０から出口２４まで延在するベーンとなっているが、インペラベーン１４は、入口２０から出口２４まで延在する全翼と、入口２０と出口２４の間の途中の位置から出口２４まで延在する半翼とが、交互に配列された型のベーンであってもよい。これらのロータリインペラの翼構造自体はいずれもこの技術の分野に於いては周知のものである。

作動流体付勢流路１６の出口２４の周りには、環状のディフューザ室２８とそれに続く蝸牛状の昇圧空気集合室３０が設けられている。ディフューザ室２８は図示の例の如きガイドベーン無しの構造、或は図には示されていないガイドベーンを備えた構造であってよく、またガイドベーンを備える場合にも、ガイドベーンは固定式または可変式（いずれも周知）であってよい。

コンプレッサには、更にロータの作動流体付勢流路１６の少なくとも一部（図示の実施の形態では約１／４）により付勢された作動流体の一部を作動流体付勢流路の入口部へ還流させる作動流体還流路３２が設けられている。この場合、作動流体還流路の出口３４は、還流される作動流体を作動流体付勢流路１６へ流入する作動流体に対しロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入するよう方向付けられている。即ち、図１のロータは図の右側から見て反時計廻り方向に回転するものとされているので、作動流体還流路の出口３４はこれを図１で図の右側から見ると還流を時計廻り方向に放出するように方向付けられている。このことは、図示の実施の形態では、作動流体還流路３２を形成するように設けられている幾つか（図示の例では７つ）のガイドベーン３６の下流端部３８が図１で図の右側から見て時計廻り方向に偏向されていることにより行なわれている。これは、発明の効果のところに記載した通り、これによって作動流体付勢流路１６を形成するインペラベーン１４のリーディングエッジ２２に対する作動流体の入射角を低減し、それに相当してサージを起こりにくくするものである。

図１および２に示す実施の形態に於いては、ガイドベーン３６はロータの作動流体付勢流路１６の少なくとも一部（図示の例では約１／４）と重なり合う環状壁面を呈する筒状体４０上に担持され、一体の環状要素４２上に設けられた状態にてその下流端部３８が筒状体４０の一端から突き出し、この突出部にて、還流される作動流体を、それが作動流体付勢流路１６に流入する作動流体に合流するまで、ロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を有するよう案内するようになっている。かかる環状要素４２を、コンプレッサハウジングに形成された対応する環状窪みであって、ガイドベーンの全長を受け入れる長さの環状窪み４４に嵌装することにより形成されている。かかる構成によれば、環状要素４２は注型等により容易に製造でき、上記の如き流体力学上の効果を得ることのできる作動流体還流路を機械製作上有利で実用に適した構造に於いて実現することができる。

尚、図示の実施の形態に於いては、作動流体還流路３２は、作動流体付勢流路１６の少なくとも一部を通って流れた作動流体の一部をその周方向速度成分を生かして受け入れるよう方向付けられている。即ち、作動流体還流路３２は作動流体付勢流路１６の途中に対向して開口する入口４６より作動流体の一部を還流として受け入れるが、ガイドベーン３６の上流端部４８はロータの回転に伴う周方向速度成分を有する還流をその周方向速度成分に向かい合って受け取るように傾斜されており、還流はその動圧をよりよく保持して作動流体還流路３２内へ導入され、その出口３４へ向かうようになっている。これによって、還流される作動流体にはその付勢の結果得られる静圧上昇に加えてロータの回転に伴う作動流体の周方向速度成分による動圧が付与され、作動流体還流路出口３４から流出する還流はより強く付勢され、インペラベーンリーディングエッジ２２に対する作動流体入射角低減効果がより一層高められる。

また、図示の構造から理解される通り、作動流体還流路３２が入口４６より出口３４までコンプレッサハウジング内を通って延在するよう設けられれば、作動流体還流路は最低限の長さとなり且つ単調な通路として構成されるので、作動流体付勢流路１６の途中より作動流体還流路入口４６へ取り込まれる還流の動圧をよりよく保持し、それを作動流体付勢流路１６の入口２０にて作動流体に対しロータ回転方向とは逆の周方向に付与し、インペラベーンリーディングエッジ２２に対する作動流体入射角を低減する効果をより大きくすることができる。

以上に於いては本発明を一つの実施の形態について詳細に説明したが、かかる実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による作動流体還流路を備えた過給用コンプレッサを一つの実施の形態について示す幾分解図的縦断面図。 図１に示す構造に於いて作動流体還流路を構成している環状要素を取り出して示す斜視図。

符号の説明

１０…ロータ、１２…コンプレッサハウジング、１４…インペラベーン、１６…作動流体付勢流路、１８…空気取入口、２０…作動流体付勢流路の入口、２２…インペラベーンのリーディングエッジ、２４…作動流体付勢流路の出口、２６…インペラベーンのトレーリングエッジ、２８…ディフューザ室、３０…昇圧空気集合室、３２…作動流体還流路、３４…作動流体還流路の出口、３６…ガイドベーン、３８…ガイドベーンの下流端部、４０…筒状体、４２…環状要素、４４…環状窪み、４６…作動流体還流路の入口、４８…ガイドベーンの上流端部

Claims (6)

1. コンプレッサハウジングと、該コンプレッサハウジング内に回転式に装着され回転により作動流体を付勢する作動流体付勢流路を備えたロータとを有し、前記ロータの作動流体付勢流路の少なくとも一部により付勢された作動流体の一部を該作動流体付勢流路の入口部へ還流させる作動流体還流路が設けられている過給用コンプレッサにして、前記作動流体還流路の出口は還流される作動流体を前記作動流体付勢流路へ流入する作動流体に対し前記ロータの回転方向とは逆の周方向速度成分を伴って注入するよう方向付けられ且つ該還流される作動流体が前記作動流体付勢流路へ流入する作動流体に合流するまで該還流される作動流体を案内する複数のガイドベーンにより並列に仕切られていることを特徴とする過給用コンプレッサ。
2. 前記作動流体還流路は前記ロータの前記作動流体付勢流路の少なくとも一部を囲む環状壁面を呈する筒状体と前記複数のガイドベーンとを該ガイドベーンが前記筒状体の外周面に沿って湾曲して延在し且つ該筒状体の一端部を越えて突き出る状態に有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の過給用コンプレッサ。
3. 前記作動流体還流路の入口は回転中の前記ロータの前記作動流体付勢流路の少なくとも一部を通って流れた作動流体の一部をその周方向速度成分を生かして受け入れるよう方向付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の過給用コンプレッサ。
4. 前記作動流体還流路の入口は前記ロータの作動流体付勢流路の途中に対向して開口していることを特徴とする請求項３に記載の過給用コンプレッサ。
5. 前記作動流体還流路は前記入口より前記出口まで前記コンプレッサハウジング内を通って延在していることを特徴とする請求項４に記載の過給用コンプレッサ。
6. 前記筒状体と前記ガイドベーンとは一体の環状要素として形成され、前記作動流体還流路は前記環状要素を前記コンプレッサハウジングに形成された前記ガイドベーンの全長を受け入れる長さの環状窪みに嵌装することにより形成されていることを特徴とする請求項２に記載の過給用コンプレッサ。
   

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