JP2007218147A - 圧縮機及びこれを備える車両用過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素且つ小型な構成で、空気ロスが無く、低騒音化が実現可能な圧縮機を提供する。
【解決手段】羽根車３の外周側に位置されるシュラウド壁１１のうち、羽根車３の入口部の外周側に位置する部分１７に多数の小径穴１５を設け、これら小径穴１５の内部を、シュラウド壁１１の壁面に位置する一端のみ開放された空間とする。羽根車３と一緒に回転する羽根車周囲の圧力場は、小径穴１５を通過するときに吸収される。これにより圧力場のピークが減少し、圧縮機の低騒音化が達成される。シュラウド壁１１の一部に小径穴１５を設けるだけなので簡素且つ小型な構成である。また小径穴１５に流入した空気は外部に排出されないので空気ロスの無い高効率の圧縮機を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮機及びこれを備える車両用過給機に係り、特に、圧縮機の運転時における騒音を防止する技術に関する。

車両用過給機としてはターボ過給機（ターボチャージャ）が一般的であり、このターボ過給機は、エンジンから排出された排気ガスのエネルギを利用してタービンを駆動し、このタービンと同軸連結された圧縮機を駆動して、吸入空気を圧縮し、エンジンを過給するようになっている。

ところで、圧縮機において羽根車が回転するとき、羽根車の羽根が空気の流れを横切って移動することにより、羽根車の周方向において圧力が交互に増減する圧力場が生じ、この圧力場に起因して騒音が生じることが知られている。この騒音は、圧縮機から吸気管内を上流側に伝播し、エアクリーナを通じて外部に放出されるので、車内及び車外において問題となる。

かかる騒音を低減するための一方策として例えば特許文献１に記載されたものがある。これは空気調和機の送風機に関し、羽根車の各羽根が、多数の微細孔を有する中空体で構成され、各羽根の表面を流れる空気の一部が微細孔、羽根中空部を介して吸引手段によって外部に吸引排出される。さらに、羽根の吸込方向と平行な端部にシュラウドが一体に形成され、シュラウドが、多数の微細孔を有する中空体で構成される。シュラウド中空部と羽根中空部とは連通される。これにより、シュラウドの表面を流れる空気流の一部も、シュラウドの微細孔、シュラウド中空部、羽根中空部を介して吸引手段によって外部に吸引排出される。これは、シュラウドの吸込側に生ずる境界層の発達を抑制し、送風機の運転騒音を低減することを狙いとしている。

特許第３１１６５８０号公報

しかし、この特許文献１に記載の技術では、羽根及びシュラウドが中空体で構成されるため、構造が複雑且つ大型化する。また、羽根及びシュラウドに設けられた微細孔から空気の一部を羽根中空部及びシュラウド中空部内に吸引して外部に排出するため、空気の一部が結局は何等利用されることなく捨て去られてしまう。よって、特許文献１に記載の技術を車両用過給機の圧縮機に適用しようとしても、構造が複雑・大型すぎて適用は極めて困難であり、また、吸入空気の一部が捨て去られてしまうことから圧縮機効率の低下などを招き、現実的ではない。特に、過給機の圧縮機の場合、送風機に比べて圧力比が高いことから、微細な孔であっても漏れ量ないしロス分は無視できない程大きなものとなる。そしてこのように空気の一部がロスすれば、当然に圧縮機効率も低下することになる。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡素且つ小型な構成で、空気ロスが無く、低騒音化が実現可能な圧縮機及びこれを備えた車両用過給機を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の第一の形態は、羽根車と、該羽根車の外周側に位置されるシュラウド壁とを備える圧縮機において、前記シュラウド壁のうち、前記羽根車の入口部の外周側に位置する部分に多数の小径穴を設け、これら小径穴の内部を、前記シュラウド壁の壁面に位置する一端のみ開放された空間としたことを特徴とする。

この本発明の第一の形態によれば、回転中の羽根車の周囲に形成されて羽根車と一緒に回転する圧力場の一部が、多数の小径穴のそれぞれを通過するときに各小径穴によって吸収され、圧力場の圧力ピークが減少される。これにより羽根車の回転に伴って発生する圧力エネルギは全体として減少され、圧縮機の運転時における騒音を低減することが可能になる。シュラウド壁の一部に多数の小径穴を設けるだけなので、簡素且つ小型な構成で低騒音化を実現できる。また、小径穴の内部が、シュラウド壁の壁面に位置する一端のみ開放された空間なので、小径穴に流入した空気が外部に排出されたり、羽根をバイパスして通過したり、逆流したりすることがない。よって空気ロスの無い高効率の圧縮機を実現することができる。

ここで、前記羽根車の羽根のリーディングエッジに対しその上流側から下流側に延びる所定区間の前記シュラウド壁の部分に前記小径穴が設けられるのが好ましい。羽根車の回転に伴う騒音の発生位置は羽根のリーディングエッジ付近だからである。

また、好ましくは圧縮機ハウジングをさらに備え、該圧縮機ハウジングのうち、前記小径穴が設けられる部分が別体で構成され、該部分が、前記圧縮機ハウジングに設けられた溝に挿入固定されるのが好ましい。これにより小径穴の形成、圧縮機ハウジングの組み立てひいては圧縮機の製造が容易となる。

前記圧縮機は遠心圧縮機であるのが好ましい。こうすることにより圧縮機が小型化され、車両用過給機に好適に適用可能となる。

また、本発明の第二の形態は、前記圧縮機を備えることを特徴とする車両用過給機である。この本発明の第二の形態によれば、過給機の運転騒音が低減され、車内及び車外における騒音を低減することができる。この場合、吸気通路の上流端に設置されたエアクリーナによって塵埃が除去された後の清浄な空気が圧縮機に導入されるので、小径穴の目詰まりが防止される。

本発明によれば、簡素且つ小型な構成で、空気ロスが無く、低騒音化が実現可能な圧縮機及びこれを備えた車両用過給機を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本発明の実施形態に係る圧縮機の全体を符号Ｃで示す。この圧縮機Ｃは車両用（特に自動車用）ターボ過給機Ｔの圧縮機として適用されるもので、図外左方には圧縮機Ｃと同軸連結されたタービンが備えられている。本実施形態の圧縮機Ｃは遠心圧縮機である。

図示するように、圧縮機Ｃは圧縮機ハウジング１を備え、圧縮機ハウジング１は、圧縮機Ｃとタービンとの間に位置するベアリングハウジング２に取り付けられている。圧縮機ハウジング１内には羽根車３が回転自在に収容されている。羽根車３はタービンシャフト４に固定して取り付けられ、タービンシャフト４はベアリングハウジング２内の軸受部５によって回転自在に支持されている。なお軸受部５は、タービンシャフト４をラジアル方向から支持するフローティングメタルと、タービンシャフト４をスラスト方向から支持するスラスト軸受等からなっている。タービンシャフト４の図外の左方にはタービンホイールが取り付けられる。両ハウジング１，２内の空間はシールプレート６によって仕切られ、シールプレート６はベアリングハウジング２に取り付けられて、油切り７との間でシールを行っている。

羽根車３は、例えばダイキャスト用アルミニウム合金（ADC10,12等）を用いて鋳造により一体に形成され、タービンシャフト４の外周側に嵌合されるハブ８と、ハブ８の表面上に周方向等間隔で立設された複数（本実施形態では６枚）の羽根９とから構成されている。羽根車３はタービンシャフト４上に嵌合された後、タービンシャフト４の先端部に設けられた雄ねじ４Ａにナット２０を螺合してタービンシャフト４上に固定される。矢示されるように、エンジンの吸入空気は羽根車３の軸方向先端側から羽根車３に流入し、羽根車３を通過する過程で流れ方向を９０°曲げられた後、径外方向に排出される。羽根９において、その入口側の端縁をリーディングエッジ９Ａ、その出口側の端縁をトレーリングエッジ９Ｂ、これらリーディングエッジ９Ａとトレーリングエッジ９Ｂとを結ぶ外周側の端縁をシュラウド９Ｃと称する。他方、圧縮機ハウジング１のうち、羽根車３ないしシュラウド９Ｃの外周側に位置されてシュラウド９Ｃに対面するのがシュラウド壁１１である。羽根車３とシュラウド壁１１との間には僅かなクリアランスが設けられる。シュラウド壁１１は羽根車３と共に空気が流されるための流路を形成する。

圧縮機ハウジング１も、羽根車３と同様に、例えばダイキャスト用アルミニウム合金（ADC10,12等）を用いて鋳造により一体に作られる。圧縮機ハウジング１は、羽根車３から流出されたガスを径外方向に導くディフューザ１６と、ディフューザ１６から流出されたガスを膨張させるスクロール室１９とを区画形成する。

ところで、本実施形態に係る圧縮機Ｃにおいては、羽根車３の入口部の外周側に位置するシュラウド壁１１の部分に多数の小径穴１５が設けられている。これら小径穴１５は、シュラウド壁１１の壁面に位置する一端のみが開放され、その他端（即ち底部）は閉止されている。従って小径穴１５の内部は、シュラウド壁１１の壁面に位置する一端のみが開放された空間となっている。

より具体的には、羽根車３の羽根９のリーディングエッジ９Ａに対し、その上流側から下流側に延びる所定区間Ｌのシュラウド壁１１の部分１７に小径穴１５が設けられる。以下、この小径穴１５が設けられる部分１７を小径穴形成部と称す。ここで小径穴形成部１７は圧縮機ハウジング１とは別体のリング状の部材として形成とされ、圧縮機ハウジング１の周方向に沿って設けられるリング状の溝１３に、例えば圧入により挿入固定される。小径穴形成部１７の組付けを容易にするため、小径穴形成部１７は周方向に沿って複数に分割されるのが好ましい。

図２にも詳しく示すように、小径穴１５は、圧縮機の半径方向に沿って直線状に且つ放射状に形成されている。小径穴１５は、圧縮機の軸方向及び周方向に等ピッチで、小径穴形成部１７に例えばドリル加工により穿設されている。本実施形態では小径穴１５が、小径穴形成部１７を肉厚方向（圧縮機半径方向）に貫通しないような長さとされているが、別段、小径穴形成部１７を肉厚方向に貫通していても構わない。また、本実施形態では小径穴１５が円形断面を有するが、その断面形状は特に限定されず、例えば矩形断面であってもよい。

さて、前述したように、かかる圧縮機Ｃにおいては、羽根車３が回転するとき、各羽根９が空気の流れを横切って移動することに起因して、羽根車３の周方向に交互に圧力が増減する圧力場が生じ、この圧力場に起因して騒音が生じる。そして、この騒音が圧縮機Ｃから吸気管内を上流側に伝播し、エアクリーナを通じて外部に放出され、車内及び車外において問題となる。

これをより詳しく説明すると、羽根車３の回転中、羽根車３に対して軸方向に流入してくる空気流を、周方向に移動する羽根９が直角に横切り、これにより羽根９の移動方向の面には正圧場が、その裏面には負圧場ができる。そしてこの羽根９毎の正圧場及び負圧場に対応して、羽根車３の周方向には羽根９の枚数と同数の圧力ピークが生じる。

これを図示したのが図３に示される圧力ロブパターンである。図示される線図は、羽根車３の軸方向上流側から見たときに羽根車３の周囲にできる圧力場を示し、羽根車３の中心Ｏから半径方向外側にいくに従って圧力値は大きくなる。そして、各羽根９の位相位置で、羽根９が空気流を横切ることに起因する圧力ピークＰが生じる。この圧力ピークＰは羽根９の枚数（本実施形態では６）と同数、且つ羽根９と同一の位相位置で発生する。圧縮機Ｃの運転中は、回転する羽根車３と同一位相且つ同一回転数で、羽根車３と一緒に、図示される圧力ロブパターンが中心Ｏの回りを回転すると考えてよい。

この圧力ロブパターンの回転に伴って、翼通過周波数（BPF; Blade Passing Frequency）騒音（以下ＢＰＦ騒音という）が発生する。このＢＰＦ騒音は、羽根車３の回転数Ｎ（１／sec）と羽根車３の羽根枚数Ｚｉとの積ｆ＝Ｚｉ×Ｎ（１／sec）で表される周波数にピークをもった騒音である。この騒音の発生位置は羽根形状に起因して羽根車３の入口付近、特に羽根９のリーディングエッジ９Ａ付近である。羽根車３が高速回転することから、圧力ロブパターンは羽根車３の上流側にも伸びている。

ところで、本実施形態によれば、羽根車３の入口部の外周側に位置するシュラウド壁１１の部分１７に多数の小径穴１５が設けられている。これにより、圧力場の一部が、多数の小径穴１５のそれぞれを通過するときに各小径穴１５によって吸収ないし減衰され、圧力ロブパターンの圧力ピークＰは実線から破線へというように減少される。こうして羽根車３の回転に伴って発生する圧力エネルギは全体として減少され、ＢＰＦ騒音レベルを低減することが可能になる。

本実施形態の構成は、基本的に、シュラウド壁１１の一部に多数の小径穴１５を設けるだけの極めて簡単な構成である。しかも特許文献１に見られるような中空部は無く、既存の圧縮機のサイズを何等変更するものではない。よって簡素且つ小型な構成で車両用過給機に適した圧縮機を実現することができる。

また、小径穴１５の内部が、シュラウド壁１１の壁面に位置する一端のみが開放された空間となっているので、小径穴１５に流入した空気が外部に排出されることはない。しかも、小径穴１５に流入した空気が圧縮機の軸方向に抜けることもなく、従って羽根９を通らずにバイパスしたり、逆流して循環するような流れも生じない。よって空気ロスの無い高効率の圧縮機を実現することができる。

ここで、小径穴１５の断面寸法（穴径等）及び深さは、問題となる対象の周波数の音に対してダクト遮断（duct cut off）となるように設定するのが好ましい。ダクト遮断については例えば流体工学便覧Ａ５−１３４に説明されているが、ここでより簡単に述べる。ダクトの中を伝播する音について、ダクトの形状に対して伝播しやすい周波数の音と、伝播しにくい周波数の音とがある。そして伝播しにくい周波数の音の場合をダクト遮断という。つまり、本実施形態では、小径穴１５をダクトと見立てたとき、小径穴１５の中を、対象周波数を持つ音が伝播しないように、小径穴１５の断面寸法及び深さを設定するのが好ましい。

なお、車両用過給機の場合、圧縮機Ｃに導入される空気はエアクリーナによって塵埃が除去された後の清浄な空気である。従って、小径穴１５に塵埃が詰まって目詰まりを起こすことはなく、従って特許文献１に見られるような吸引手段は不要である。

本実施形態によれば、圧縮機ハウジング１のうち、多数の小径穴１５が設けられる部分即ち小径穴形成部１７が圧縮機ハウジング１と別体に構成され、圧縮機ハウジング１の溝１３に挿入固定されるので、小径穴１５の形成、圧縮機ハウジング１の組み立て、ひいては圧縮機Ｃの製造が容易となる。なお、小径穴形成部１７の圧縮機ハウジング１への固定方法は様々な方法が考えられ、例えば溶接やボルト止めなども可能である。

本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、本実施形態ではシュラウド壁１１の全周に亘って小径穴１５を設けるようにしたが、シュラウド壁１１の周方向に間欠的に小径穴１５を設けてもよい。小径穴１５は、例えば、その長手方向の途中で曲がっている曲がり穴とすることもできる。また小径穴１５の設置間隔は不等ピッチであってもよく、小径穴１５同士が隣接するように間隔をゼロに近づけたりすることもできる。小径穴１５の配列方法も本実施形態のような格子状配列のほかに千鳥状配列など、他の配列方法が可能である。過給機は機械式過給機（スーパーチャージャ）或いは電動式過給機などであってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

本発明の実施形態に係る圧縮機を示す縦断側面図である。 小径穴及びこれが設けられる小径穴形成部を拡大して示し、（ａ）が縦断側面図、（ｂ）が小径穴形成部を内径側から見たときの図である。 圧力ロブパターンを示す線図である。

符号の説明

１ 圧縮機ハウジング
３ 羽根車
９ 羽根
９Ａ リーディングエッジ
１１ シュラウド壁
１３ 溝
１５ 小径穴
１７ 小径穴形成部
Ｃ 圧縮機
Ｔ ターボ過給機
Ｌ 所定区間

Claims (5)

1. 羽根車と、該羽根車の外周側に位置されるシュラウド壁とを備える圧縮機において、前記シュラウド壁のうち、前記羽根車の入口部の外周側に位置する部分に多数の小径穴を設け、これら小径穴の内部を、前記シュラウド壁の壁面に位置する一端のみ開放された空間としたことを特徴とする圧縮機。
2. 前記羽根車の羽根のリーディングエッジに対しその上流側から下流側に延びる所定区間の前記シュラウド壁の部分に前記小径穴が設けられることを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
3. 圧縮機ハウジングをさらに備え、該圧縮機ハウジングのうち、前記小径穴が設けられる部分が別体で構成され、該部分が、前記圧縮機ハウジングに設けられた溝に挿入固定されることを特徴とする請求項１又は２記載の圧縮機。
4. 遠心圧縮機であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の圧縮機。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の圧縮機を備えることを特徴とする車両用過給機。
   

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