JP2011007125A - 遠心圧縮機及びターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】気体の流動の損失を低減させ、効率をさらに向上させることのできる遠心圧縮機及びターボチャージャを提供する。
【解決手段】本発明の遠心圧縮機４は、回転翼４２を収容し開口部４１ａを備えるハウジング４１と、開口部４１ａを覆う蓋部３３と、回転翼４２を囲んで略環状に形成された環状流路４６、４７とを有する遠心圧縮機であって、ハウジング４１と蓋部３３との接続部Ｋに設けられ、環状流路４６、４７の一部を形成する環状部材４３を有するという構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機及びターボチャージャに関するものである。

従来から、回転翼の回転により空気や冷媒ガス等の気体を圧縮する遠心圧縮機が、内燃機関の性能を向上させるターボチャージャや冷蔵・冷凍装置等に用いられている。
遠心圧縮機に導入された気体は、回転翼の回転により、回転翼を囲んで設けられる環状流路に送り出され、環状流路内を流動すると共に圧縮される。

環状流路を備え遠心圧縮機の外殻を構成する部材であるハウジングは、一般的に鋳造法を用いて成形されている。また、ハウジングを均一な品質で大量に成形するために、繰り返し使用可能な金型を用いた金型鋳造法、特にダイキャスト法が多く用いられている。
金型鋳造法においては、成形される部材に金型からの離型を妨げる部分、いわゆるアンダーカットを設けることはできない。そのため、閉じられた空間である環状流路を１つの部材から形成することはできず、開口部を有するハウジングと、開口部を覆う蓋部とを組み合わせることで、環状流路を形成している（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−４１９９８号公報

しかしながら、上述した従来技術には、以下のような課題が存在する。
上述した遠心圧縮機では、ハウジングと蓋部とが接続して環状流路を形成しているため、これらの部材の接続部を気体の流動に適した形状とすることが難しく、その接続部で損失が生じて遠心圧縮機の効率を低下させるという課題があった。
また、特許文献１に開示されている遠心圧縮機では、蓋部の周縁部からハウジング側に突出する突出部を設けることで、接続部での損失が生じにくい形状としているものの、その損失を大きく低減させることはできなかった。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、気体の流動の損失を低減させ、効率をさらに向上させることのできる遠心圧縮機及びターボチャージャを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の遠心圧縮機は、回転翼を収容し開口部を備えるハウジングと、開口部を覆う蓋部と、回転翼を囲んで略環状に形成された環状流路とを有する遠心圧縮機であって、ハウジングと蓋部との接続部に設けられ、環状流路の一部を形成する環状部材を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、ハウジングと蓋部との接続部に環状部材が設けられることで、上記接続部が気体の流動に適した形状となり、流動の損失が低減する。

また、本発明の遠心圧縮機は、環状流路を形成する環状部材の流路形成面における、回転翼の中心軸を含む所定の面での断面形状が、略円弧状に形成されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、環状流路内を流動する気体が、環状部材の流路形成面に沿って円滑に流動するため、流動の損失が生じにくい。

また、本発明の遠心圧縮機は、環状流路を形成する環状部材の流路形成面における、蓋部と隣接する隣接面が、環状流路を形成する蓋部の第２流路形成面と略面一に形成され、流路形成面における、ハウジングと隣接する第２隣接面が、環状流路を形成するハウジングの第３流路形成面と略面一に形成されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、環状流路内を流動する気体が、第２流路形成面から隣接面に沿って進むとき、及び第２隣接面から第３流路形成面に沿って進むときに円滑に流動できるため、流動の損失が生じにくい。

また、本発明の遠心圧縮機は、環状部材の周方向での環状部材と蓋部との位置決めを行う位置決め部と、上記周方向での環状部材とハウジングとの位置決めを行う第２位置決め部とを有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、蓋部とハウジングとが環状部材を介することで周方向に関して適切な位置関係に保持される。

また、本発明の遠心圧縮機は、環状流路を形成する環状部材の流路形成面が、回転翼の中心軸周りに形成されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、環状部材の形状が回転翼の中心軸周りで軸対称となることから、環状部材の成形が容易であり、その製造の手間及びコストが抑制される。

また、本発明の遠心圧縮機は、環状部材が、環状流路の流路形状に応じた形状で形成されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、環状流路と同様に、環状部材が周方向に関して漸次変化する形状で形成されているため、環状流路がさらに気体の流動に適した形状となり、遠心圧縮機の効率が向上する。

また、本発明の遠心圧縮機は、回転翼に対向しつつハウジングに設けられ、略環状に形成された第２環状部材を有し、環状部材の内径は、第２環状部材の外径よりも大きく形成されているという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、環状部材及び第２環状部材を共にハウジングに接続した後に、環状部材及び第２環状部材の蓋部側の表面をまとめて加工することができるため、加工の手間及びコストが抑制される。

また、本発明のターボチャージャは、請求項１から７のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を有するという構成を採用する。
このような構成を採用する本発明では、ハウジングと蓋部との接続部に環状部材が設けられることで、上記接続部が気体の流動に適した形状となり、流動の損失が低減する。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
ハウジングと蓋部との接続部に環状部材を設けることで、接続部を気体の流動に適した形状とすることができ、気体の流動の損失を低減させることができる。したがって、本発明によれば、遠心圧縮機の効率をさらに向上させることができるという効果がある。

ターボチャージャ１の全体構成図である。 図１における環状部材４３及び第２環状部材４４の拡大図である。 環状部材４３の概略図である。 図１におけるコンプレッサ部４の拡大図である。

以下、本発明の遠心圧縮機に係る実施の形態を、図１から図４を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。また、各図面における矢印Ｆは、前方向を示している。
本実施形態では、遠心圧縮機を備えるターボチャージャの例を示す。

図１は、本実施形態に係るターボチャージャ１の全体構成図である。
ターボチャージャ１は、車両等に設けられ、内燃機関から排出される排気ガスのエネルギーを用いて空気を圧縮し、圧縮された空気を内燃機関に過給することで内燃機関の性能を向上させるものである。ターボチャージャ１は、タービン部２と、軸受部３と、コンプレッサ部（遠心圧縮機）４とを有しており、タービン部２、軸受部３及びコンプレッサ部４は、前方より順次配置され一体的に設けられている。

タービン部２は、内燃機関の排気ガスのエネルギーを、後述するタービンインペラ２２の回転駆動力に変換するものであって、タービンハウジング２１と、タービンインペラ２２とを有している。

タービンハウジング２１は、タービン部２の外殻を構成する部材であって、その内部にはタービンインペラ２２が設けられている。
タービンインペラ２２は、タービンハウジング２１の内部に前後方向で延びる所定の軸周りで回転自在に設けられ、排気ガスの流動によって回転する回転翼である。タービンインペラ２２は、略円錐形に形成されたタービンホイールの外周面に、複数の翼が周方向に並んで配設された構成となっており、後述する回転軸３２と一体的に接続されている。

また、タービンハウジング２１は、タービンスクロール流路２３と、タービン出口２４とを有している。
タービンスクロール流路２３は、タービンインペラ２２を囲んで略環状に形成された流路であって、内燃機関の排気口と連通する不図示のガス導入口と接続され、その径方向内側の部分でタービンインペラ２２の設置箇所と連通している。
タービン出口２４は、前方に向けて開口する排気ガスの吐出口であって、タービンインペラ２２の設置箇所と連通している。また、タービン出口２４は、不図示の排気ガス浄化装置と接続している。

軸受部３は、タービンインペラ２２や後述するコンプレッサインペラ４２を回転自在に軸支するものであって、軸受ハウジング３１と、回転軸３２とを有している。
軸受ハウジング３１の後側には、略円板状に形成された蓋部３３が設置されている。蓋部３３には、後述する環状部材４３との間の密着性を高めるためのシール部材３４が設けられている。

回転軸３２は、前後方向で延びる軸部材であって、軸受３５を介して軸受ハウジング３１に回転自在に軸支されている。また、回転軸３２の前端部にはタービンインペラ２２が一体的に接続され、後端部には後述するコンプレッサインペラ４２が一体的に接続されており、タービンインペラ２２及びコンプレッサインペラ４２は、回転軸３２及び軸受３５を介して軸受ハウジング３１に回転自在に軸支されている。

コンプレッサ部（遠心圧縮機）４は、タービンインペラ２２の回転駆動力を用いて、外部から導入された空気を圧縮するものであって、コンプレッサハウジング（ハウジング）４１と、コンプレッサインペラ（回転翼）４２と、環状部材４３と、第２環状部材４４とを有している。

コンプレッサハウジング（ハウジング）４１は、コンプレッサ部４の外殻を構成する部材であって、その内部にはコンプレッサインペラ４２が設けられている。また、コンプレッサハウジング４１は、前側に開口する開口部４１ａを有している。開口部４１ａには蓋部３３が開口部４１ａを覆うように嵌合し、ボルト４１ｂを用いて蓋部３３とコンプレッサハウジング４１とが一体的に接続されている。
コンプレッサインペラ（回転翼）４２は、タービンインペラ２２と同様の構成となっており、回転軸３２の後端部に一体的に接続されている。すなわち、コンプレッサインペラ４２は、コンプレッサハウジング４１の内部に、回転軸３２の軸周りで回転自在に設けられている。

また、コンプレッサハウジング４１は、コンプレッサ入口４５と、ディフューザ流路（環状流路）４６と、コンプレッサスクロール流路（環状流路）４７とを有している。
コンプレッサ入口４５は、後側に向けて開口する空気の導入口であって、不図示のエアクリーナと接続されている。また、コンプレッサ入口４５は、コンプレッサインペラ４２の設置箇所と連通している。

ディフューザ流路（環状流路）４６は、コンプレッサインペラ４２を囲んで略環状に形成された流路であって、蓋部３３と第２環状部材４４との間に設けられている。また、ディフューザ流路４６は、その径方向内側の部分でコンプレッサインペラ４２の設置箇所と連通している。
コンプレッサスクロール流路（環状流路）４７は、コンプレッサインペラ４２を囲んで略環状に形成された流路であって、その前端部でディフューザ流路４６と連通している。また、コンプレッサスクロール流路４７は、周方向に関して漸次変化する形状となっており、不図示の空気吐出口と接続され、この空気吐出口は内燃機関の吸気口と接続されている。

環状部材４３は、コンプレッサインペラ４２を囲んで略環状に形成された部材であって、蓋部３３とコンプレッサハウジング４１との接続部Ｋにおける、コンプレッサハウジング４１の内部側に設けられている。なお、環状部材４３の詳細は後述する。
第２環状部材４４は、コンプレッサインペラ４２を囲んで略環状に形成された部材であって、コンプレッサインペラ４２に対向しつつコンプレッサハウジング４１に設けられている。なお、第２環状部材４４の詳細は後述する。

次に、環状部材４３及び第２環状部材４４の詳細を、図２から図４を参照して説明する。
図２は、図１における環状部材４３及び第２環状部材４４の拡大図である。
図３は、環状部材４３の概略図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
図４は、図１におけるコンプレッサ部４の拡大図である。

図２に示すように、環状部材４３は、蓋部３３とコンプレッサハウジング４１との接続部Ｋにおける、コンプレッサハウジング４１の内部側に設けられている。すなわち、環状部材４３は、ディフューザ流路４６及びコンプレッサスクロール流路４７に臨んで設けられ、ディフューザ流路４６及びコンプレッサスクロール流路４７の一部を形成する流路形成面４３ａを有している。なお、環状部材４３が接続部Ｋに設けられていることから、接続部Ｋを空気の流動に適した形状とすることが可能となる。

また、流路形成面４３ａにおける、コンプレッサインペラ４２の中心軸Ｃを含む所定の面での断面形状は、略円弧状に形成されている。
さらに、流路形成面４３ａは、中心軸Ｃ周りに形成されている。そのため、環状部材４３の形状が中心軸Ｃ周りで軸対称となることから、環状部材４３の成形が容易であり、その製造の手間及びコストを抑制することができる。

加えて、流路形成面４３ａにおける、蓋部３３と隣接する隣接面４３ｂは、ディフューザ流路４６を形成する蓋部３３の第２流路形成面３３ａと略面一に形成され、同じく流路形成面４３ａにおける、コンプレッサハウジング４１と隣接する第２隣接面４３ｃは、コンプレッサスクロール流路４７を形成するコンプレッサハウジング４１の第３流路形成面４１ｂと略面一に形成されている。

図３に示すように、環状部材４３の前側に臨む面である端面４３ｄには、前側に向けて突出する凸部（位置決め部）４３ｅが設けられている。また、蓋部３３には、凸部４３ｅが挿入される凹部（位置決め部）３３ｂが設けられている（図１参照）。なお、端面４３ｄは、蓋部３３及びシール部材３４との密着性を高めるために、環状部材４３がコンプレッサハウジング４１に接続された後に、略平面となるように加工されている。
環状部材４３の後側の縁部には、第２凹部（第２位置決め部）４３ｆが設けられている。また、コンプレッサハウジング４１の開口部４１ａには、第２凹部４３ｆに挿入される不図示の第２凸部（第２位置決め部）が設けられている。

図２に示すように、第２環状部材４４は、ディフューザ流路４６に臨み且つコンプレッサインペラ４２に対向しつつ、コンプレッサハウジング４１に設けられている。すなわち、第２環状部材４４は、ディフューザ流路４６を形成し、コンプレッサインペラ４２に対向する第４流路形成面４４ａを有している。
第４流路形成面４４ａは、空気が圧縮されながら流動するディフューザ流路４６を形成し、コンプレッサインペラ４２の翼と極僅かな隙間を残して設けられることから、その表面は高い精度で滑らかな面に加工されている。そのため、第４流路形成面４４ａは、第２環状部材４４がコンプレッサハウジング４１に一体的に接続された後に加工される。

上述の通り、環状部材４３の前側に臨む端面４３ｅも、第４流路形成面４４ａと同様に、環状部材４３がコンプレッサハウジング４１に一体的に接続された後に加工される。
ここで、図４に示すように、環状部材４３の内径Ｄ１と、第２環状部材４４の外径Ｄ２とを比較すると、内径Ｄ１は外径Ｄ２よりも大きく形成されている。そのため、環状部材４３及び第２環状部材４４を共にコンプレッサハウジング４１に接続したとしても、それらの要加工面はいずれも前方に対して露出している。よって、環状部材４３及び第２環状部材４４を共にコンプレッサハウジング４１に接続した後に、それらの要加工面をまとめて加工して端面４３ｅ及び第４流路形成面４４ａを形成することができるため、加工に関する手間及びコストを抑制することができる。

なお、環状部材４３及び第２環状部材４４の、コンプレッサハウジング４１との接続の方法は、圧入法又は温嵌め法（外側の部材を加熱し熱膨張させた状態で、加熱していない内側の部材を挿入し、外側の部材を冷却し収縮させることで、両部材を一体的に接続する方法）等が用いられる。

続いて、本実施形態に係るターボチャージャ１の動作を説明する。
まず、内燃機関から排出される排気ガスの流動によって、タービンインペラ２２が回転する。
内燃機関の作動と共に排出された排気ガスが、不図示のガス導入口を介してタービン部２のタービンスクロール流路２３に導入される。タービンスクロール流路２３に導入された排気ガスは、タービンスクロール流路２３内でタービンインペラ２２周りを旋回して流動し、タービンインペラ２２へ旋回しつつ導入される。排気ガスの導入によってタービンインペラ２２の複数の翼が付勢され、タービンインペラ２２は回転する。その後、排気ガスはタービン出口２４から排出され、不図示の排気ガス浄化装置によって浄化される。

次に、タービンインペラ２２の回転駆動力を用いて、コンプレッサ部４が空気を圧縮する。
タービンインペラ２２が回転することで、回転軸３２を介して接続されたコンプレッサインペラ４２が回転する。コンプレッサインペラ４２が回転することで、コンプレッサ入口４５を介して外部から導入された空気が吸引され、その後空気はコンプレッサインペラ４２の径方向外側に設けられたディフューザ流路４６に送り出される。空気はディフューザ流路４６内を流動すると共に圧縮され、環状部材４３の流路形成面４３ａに沿って流動することで、その流動の方向が後側に変更され、コンプレッサスクロール流路４７へ導入される。

ここで、流路形成面４３ａの断面形状は、上述の通り略円弧状に形成されているため、空気は流路形成面４３ａに沿って円滑に流動し、大きな損失を生じることなく空気の流動の方向が後側に変更される。
また、上述の通り、流路形成面４３ａの隣接面４３ｂと蓋部３３の第２流路形成面３３ａとが互いに略面一に形成され、流路形成面４３ａの第２隣接面４３ｃとコンプレッサハウジング４１の第３流路形成面４１ｂとが互いに略面一に形成されている。そのため、空気が第２流路形成面３３ａから隣接面４３ｂに沿って進むとき、及び第２隣接面４３ｃから第３流路形成面４１ｂに沿って進むときに円滑に流動できるため、流動の損失が生じにくい。
よって、空気が蓋部３３とコンプレッサハウジング４１との接続部Ｋ近傍を流動するにあたり、発生する流動の損失を低減させることができる。

圧縮された空気は、コンプレッサスクロール流路４７へ導入された後、不図示の空気吐出口を介して内燃機関に導入される。内燃機関に圧縮された空気が過給されることで、内燃機関の性能を向上させることができる。
以上で、ターボチャージャ１の動作が終了する。

したがって、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、蓋部３３とコンプレッサハウジング４１との接続部Ｋに環状部材４３を設けることで、接続部Ｋを空気の流動に適した形状とすることができ、空気の流動の損失を低減させることができる。したがって、本実施形態によれば、コンプレッサ部４及びターボチャージャ１の効率をさらに向上させることができるという効果がある。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態では、遠心圧縮機であるコンプレッサ部４はターボチャージャ１に設けられているが、これに限定されるものではなく、コンプレッサ部４を冷蔵・冷凍装置に設け、冷媒ガス等を圧縮するものとして用いてもよい。

また、上記実施形態では、環状部材４３の形状は中心軸Ｃ周りで軸対象となっているが、これに限定されるものではなく、環状部材４３が、コンプレッサスクロール流路４７の流路形状に応じた形状で形成されていてもよい。
この場合、コンプレッサスクロール流路４７と同様に、環状部材４３が周方向に関して漸次変化する形状となっているため、コンプレッサスクロール流路４７の流路形状がさらに気体の流動に適した形状となり、コンプレッサ部４の効率を向上させることができる。

また、上記実施形態では、蓋部３３は軸受ハウジング３１と一体的に形成されていたが、これに限定されるものではなく、軸受ハウジング３１と独立した個別の部材であってもよい。

１…ターボチャージャ、３３…蓋部、３３ａ…第２流路形成面、３３ｂ…凹部（位置決め部）、４…コンプレッサ部（遠心圧縮機）、４１…コンプレッサハウジング、４１ａ…開口部、４１ｂ…第３流路形成面、４２…コンプレッサインペラ（回転翼）、４３…環状部材、４３ａ…流路形成面、４３ｂ…隣接面、４３ｃ…第２隣接面、４３ｅ…凸部（位置決め部）、４３ｆ…第２凹部（第２位置決め部）、４４…第２環状部材、４６…ディフューザ流路（環状流路）、４７…コンプレッサスクロール流路（環状流路）、Ｃ…中心軸、Ｋ…接続部

Claims (8)

1. 回転翼を収容し開口部を備えるハウジングと、前記開口部を覆う蓋部と、前記回転翼を囲んで略環状に形成された環状流路とを有する遠心圧縮機であって、
   前記ハウジングと前記蓋部との接続部に設けられ、前記環状流路の一部を形成する環状部材を有することを特徴とする遠心圧縮機。
2. 請求項１に記載の遠心圧縮機において、
   前記環状流路を形成する前記環状部材の流路形成面における、前記回転翼の中心軸を含む所定の面での断面形状が、略円弧状に形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載の遠心圧縮機において、
   前記環状流路を形成する前記環状部材の流路形成面における、前記蓋部と隣接する隣接面が、前記環状流路を形成する前記蓋部の第２流路形成面と略面一に形成され、
   前記流路形成面における、前記ハウジングと隣接する第２隣接面が、前記環状流路を形成する前記ハウジングの第３流路形成面と略面一に形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、
   前記環状部材の周方向での、前記環状部材と前記蓋部との位置決めを行う位置決め部と、
   前記周方向での、前記環状部材と前記ハウジングとの位置決めを行う第２位置決め部とを有することを特徴とする遠心圧縮機。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、
   前記環状流路を形成する前記環状部材の流路形成面は、前記回転翼の中心軸周りに形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、
   前記環状部材は、前記環状流路の流路形状に応じた形状で形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の遠心圧縮機において、
   前記回転翼に対向しつつ前記ハウジングに設けられ、略環状に形成された第２環状部材を有し、
   前記環状部材の内径は、前記第２環状部材の外径よりも大きく形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を有することを特徴とするターボチャージャ。
   

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