JP2011220230A

JP2011220230A - 遠心圧縮機

Info

Publication number: JP2011220230A
Application number: JP2010090356A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Kitada; 孝佳北田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP5573317B2

Abstract

【課題】回転軸の軸線方向の寸法の拡大を抑えることが可能な遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】遠心圧縮機２は、回転軸３と一体回転するインペラ１５の外周に設けられたディフューザ通路２６に、ディフューザディスク３７に設けられたベーン翼３６をカム機構３８を利用して軸線Ａｘ１方向に向けて出没させることができる。カム機構３８は、軸線Ａｘ方向の高低差が与えられた駆動カム部４１を有する回転可能な駆動リング４０と、ディフューザディスク３７の外周面から半径方向外側に突出し、かつ駆動リング４０が回転した際に駆動カム部４１に追従してディフューザディスク３７を軸線Ａｘ１方向に移動させる被駆動部４２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はディフューザ通路にベーン翼を出没させるように構成された遠心圧縮機に関する。

遠心圧縮機として、低流量から高流量に亘ってディフューザ効果が十分に得られるようにするため、ベーン翼又はディフューザ壁をディフューザ通路に出没させるものが知られている。例えば、ディフューザ壁の裏面側に設けられたカム機構を利用してディフューザ壁をディフューザ通路に出没させる遠心圧縮機が提案されている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００８−９５６７８号公報特開２００１−３２９９９６号公報

特許文献１の遠心圧縮機は、ディフューザ壁の裏面側に可動カム及びそれと組み合わされる固定カムをそれぞれ設けてディフューザ壁を回転軸の軸線方向に移動させている。そのため、各カムの搭載スペースをディフューザ壁の裏面側に確保しなければならないので軸線方向の寸法が拡大する。その結果、遠心圧縮機が軸線方向に大型化し、エンジン等の搭載対象への搭載性が悪化する。

そこで、本発明は、回転軸の軸線方向の寸法の拡大を抑えることが可能な遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の遠心圧縮機は、回転軸と一体回転するインペラの外周に設けられたディフューザ通路に、ディフューザディスクに設けられたベーン翼をカム機構を利用して前記回転軸の軸線方向に向けて出没可能な遠心圧縮機において、前記カム機構は、前記軸線方向の高低差が与えられた駆動カム部材を有する回転可能な駆動リングと、前記ディフューザディスクの外周面から半径方向外側に突出し、かつ前記駆動リングが回転した際に前記駆動カム部材に追従して前記ディフューザディスクを前記軸線方向に移動させる被駆動部と、を備えるものである（請求項１）。

この遠心圧縮機によれば、駆動カム部に追従する被駆動部がディフューザディスクの外周面から半径方向外側に突出しているので、ディフューザディスクが後退する際にその裏面の位置を駆動カム部の最も高い部位よりも後退させることができる。従って、ディフューザディスクの裏面に被駆動部を設ける場合と比較して、軸線方向の寸法を少なくともディフューザディスクの板厚相当分短縮できる。これにより軸線方向の寸法の拡大を抑えることができる。

本発明の遠心圧縮機の一態様において、前記駆動リングは、前記被駆動部を除いた前記ディフューザディスクの外径よりも大きい内径を持つ円筒状に構成され、かつその端面に前記駆動カム部が形成されてもよい（請求項２）。この態様によれば、ディフューザディスクがその後退時に駆動リングの中空部に入り込むことができるので、軸線方向の寸法を更に短縮できる。

本発明の遠心圧縮機の一態様において、前記ディフューザ通路と前記ディフューザディスクとの間に位置して前記ディフューザ通路の通路壁として機能するとともに、前記ベーン翼が挿入されるスリットが形成された壁部材を更に備え、前記壁部材には、前記ディフューザディスクが前記軸線方向に移動する際に前記ディフューザディスクの回転を規制した状態で前記被駆動部と接触しながら案内する案内部が設けられてもよい（請求項３）。この態様によれば、ディフューザディスクの移動時に回転が規制された状態で案内部にて案内されるので、壁部材に形成されたスリットとベーン翼との干渉を容易に回避できる。

以上説明したように、本発明の遠心圧縮機によれば、ディフューザディスクの外周面から半径方向外側に突出した被駆動部によって、軸線方向の寸法を少なくともディフューザディスクの板厚相当分短縮できるため、軸線方向の寸法の拡大を抑えることができる。

本発明の一形態に係る遠心圧縮機が組み込まれたターボチャージャの一部を示した断面図。主要部品の分解斜視図。図１と異なる翼が格納する状態の断面を示した部分断面図。図１及び図３と異なる断面を示した部分断面図。ディフューザディスクの移動時に作用する力を説明する説明図。図１の矢印VIの方向から環状プレート及びディフューザディスクを見た状態を示した図。

図１は本発明の一形態に係る遠心圧縮機が組み込まれたターボチャージャの一部を示した断面図であり、図２は主要部品の分解斜視図である。ターボチャージャ１は不図示のタービンとそのタービンにて駆動される遠心圧縮機（以下、圧縮機と略称する）２とを備えている。圧縮機２はタービンにて回転駆動される回転軸３を有しており、その回転軸３はタービンと圧縮機２との間に設けられたベアリングハウジング４によって不図示のベアリングを介して回転自在に支持されている。圧縮機２の各構成要素はコンプレッサハウジング８にて収容されている。コンプレッサハウジング８は気密性を保持するために設けられたシールプレート１０に固定されている。シールプレート１０はベアリングハウジング４に対してボルト１２にて固定されている。

回転軸３はシールプレート１０を貫いてコンプレッサハウジング８側に突き出ている。その回転軸３の端部にはインペラ１５がスラストカラー１８及びシーリングカラー１９をそれぞれ介在させた状態でナット２０がねじ込まれることにより固定されている。これにより、インペラ１５は回転軸３と一体回転する。スラストカラー１８とシールプレート１０との間にはスラストベアリング２２が介在する。シーリングカラー１９とシールプレート１０との間には、シールプレート１０と回転軸３との間の気密性を保持するためシールリング２３が装着されている。

コンプレッサハウジング８の内部には、軸線Ａｘ１の方向（以下、軸線方向という）に開口する導入通路２５と、インペラ１５の外周に設けられたディフューザ通路２６と、そのディフューザ通路２６に通じる渦巻き状のスクロール通路２７とがそれぞれ形成される。ディフューザ通路２６はコンプレッサハウジング８と、壁部材としての環状プレート３０とによって規定されており、その環状プレート３０は不図示のボルトにてシールプレート１０に固定され、ディフューザ通路２６の通路壁として機能している。

圧縮機２には、ディフューザ通路２６を流れる流体の特性を変化させる可変機構３５が設けられている。可変機構３５は、軸線方向に突出したベーン翼３６が一体に設けられたディフューザディスク３７と、ディフューザ通路２６にベーン翼３６を軸線方向に向けて出没させるためのカム機構３８とを備えている。ベーン翼３６はディフューザディスク３７の周方向に複数個（６個）並べられている。なお、環状プレート３０にはベーン翼３６が挿入されるスリット３９がベーン翼３６の位置に合わせて６個形成されている（図２参照）。

図３は図１と異なる翼が格納する状態の断面を示した部分断面図である。この図に示したように、ディフューザディスク３７は環状プレート３０との間に装着された付勢手段であるコイルスプリング３２にてディフューザ通路２６から遠ざかる方向に付勢されている。コイルスプリング３２はその一端がディフューザディスク３７に形成された凹部３１に嵌め込まれて位置ずれが防止されている。コイルスプリング３２及び凹部３１のそれぞれはディフューザディスク３７の周方向の３箇所に設けられ、その位置は複数のベーン翼３６間に設定されている（図２参照）。図３に示したように、ディフューザディスク３７がシールプレート１０に突き当てられると、ベーン翼３６はディフューザ通路２６から環状プレート３０の裏面側に後退し、環状プレート３０とシールプレート１０との間に形成される格納室３３に格納される。なお、付勢手段として金属製のコイルスプリング３２を用いているため、付勢手段としてゴム製のダイヤフラム等を用いる場合に比べて、エンジンのＰＣＶオイルや排ガス等に曝されるような搭載環境が厳しい場合でもこれらによる腐食損傷がない。また、高熱に曝されても熱損傷がない。更に、ゴム製のダイヤフラム特有のヒステリシスによる応答遅れが発生することもない。

図１及び図２に示したように、カム機構３８は、駆動カム部４１を有し軸線Ａｘ１の回りに回転可能な状態で設けられた駆動リング４０と、ディフューザディスク３７に設けられて駆動カム部４１に対面する被駆動部４２とを備えている。駆動リング４０は円筒状に構成されており、その端面４０ａに駆動カム部４１が形成されている。その反対側はシールプレート１０に形成された環状溝３４に嵌め込まれている。駆動カム部４１は軸線方向に対して傾斜することによって軸線方向の高低差が与えられている。駆動カム部４１は駆動リング４０の周方向に所定間隔で３個並べられている。被駆動部４２はディフューザディスク３７の外周面３７ａから半径方向外側に突出しており、かつ駆動カム部４１と接触する接触面４２ａ（図２）が軸線方向に対して駆動カム部４１と同方向に傾斜している。従って、駆動リング４０が図２の矢印方向に回転すると被駆動部４２が駆動カム部４１に追従し、これによってディフューザディスク３７が軸線方向に移動して図１に示したようにベーン翼３６がディフューザ通路２６内に突き出る。

このように、被駆動部４２がディフューザディスク３７の外周面３７ａから半径方向外側に突出しているので、ディフューザディスク３７が後退する際にその裏面の位置を駆動カム部４１の最も高い端面４０ａよりも後退させることができる。従って、ディフューザディスク３７の裏面に被駆動部４２を設ける場合と比較して、軸線方向の寸法を少なくともディフューザディスク３７の板厚相当分短縮できる。これにより軸線方向の寸法の拡大を抑えることができる。また、駆動リング４０は、その内径Ｄａが被駆動部４２を除いたディフューザディスク３７の外径Ｄｂよりも大きくなっている。そのため、ディフューザディスク３７がその後退時に駆動リング４０の中空部に入り込むことができるので、軸線方向の寸法を更に短縮できる。

駆動リング４０の回転駆動は駆動機構４５にて行われる。図４は図１及び図３と異なる断面を示した部分断面図である。図２及び図４に示したように、駆動機構４５は図４の紙面に垂直な方向に動作する直動アクチュエータ４６と、その直動アクチュエータ４６の動力を駆動リング４０に伝達するリンク機構４７とを備えている。直動アクチュエータ４６は負圧で動作する周知のものである。リンク機構４７は、軸線Ａｘ２の回りに回転可能な状態でベアリング５５を介してシールプレート１０に支持された支持軸４８と、その支持軸４８の一端に固定された駆動アーム４９と、支持軸４８の他端に固定された被駆動アーム５０とを有する。駆動アーム４９の先端部は直動アクチュエータ４６にリンク結合されており、被駆動アーム５０の先端部は駆動リング４０にリンク結合されている。従って、図２に示すように、直動アクチュエータ４６の動力が駆動アーム４９の端部に伝達されると、駆動アーム４９が軸線Ａｘ２の回りに回転し、同時に被駆動アーム５０も軸線Ａｘ２の回りに回転する。これにより、被駆動アーム５０の先端部に連結された駆動リング４０が図２の矢印方向に回転駆動される。

図５は、ディフューザディスク３７の移動時に作用する力を説明する説明図である。図示するように、駆動リング４０が矢印方向に回転すると、駆動カム部４１と被駆動部４２との接触部にそれと垂直な力Ｆが作用し、その力Ｆの回転方向の分力Ｆ２によってディフューザディスク３７は回転方向に力を受ける。その分力Ｆ２を受け止めてディフューザディスク３７の回転を阻止する適当な手段が存在しなければ、ディフューザディスク３７と一体のベーン翼３６がスリット３９の縁に突き当たりつつ軸線方向（図の上方）に移動することになるので、ベーン翼３６とスリット３９との摩擦による抵抗が大きくなる。そのため、駆動リング４０に与える駆動力が増大するとともに、ベーン翼３６が摩耗するおそれがある。

本形態の圧縮機２には、こうしたベーン翼３６とスリット３９との干渉を回避するため、ディフューザディスク３７の移動時に分力Ｆ２を受ける案内部６０が設けられている。図６は図１の矢印VIの方向から環状プレート３０及びディフューザディスク３７を見た状態を示している。図１及び図６から理解できるように、案内部６０は被駆動部４２が嵌り得る凹部として環状プレート３０の裏面側に設けられている。図６に示したように、案内部６０はディフューザディスク３７の移動時に被駆動部４２が突き当たって上述した回転方向の分力Ｆ２を受け止める回転規制壁６０ａを有している。

この回転規制壁６０ａと被駆動部４２との間に形成されるθ方向の隙間Ｇ１はベーン翼３６とスリット３９との間に形成されるθ方向の隙間Ｇ２（図５）よりも小さく設定されている。従って、ディフューザディスク３７の移動時にはベーン翼３６とスリット３９とが干渉することなく案内部６０の回転規制壁６０に被駆動部４２が突き当たってディフューザディスク３７の回転が規制される。そして、案内部６０は被駆動部４２と接触しながら軸線方向（図６の紙面と垂直な方向）に被駆動部４２を案内する。これにより、ベーン翼３６とスリット３９との干渉を容易に回避できる。従って、ベーン翼３６及びスリット３９の摩擦による摩耗が発生しないので、圧縮機２の稼働時間に拘わらずベーン翼３６とスリット３９との間の隙間（図５参照）が拡大しない。よって、圧縮機２の稼働時間の経過に従ってディフューザ通路２６の流体がその隙間を通じて漏れ易くなることを防止できる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。本発明の遠心圧縮機はターボチャージャに組み込んで実施することが必須ではなく、圧縮機単独で実施することも可能である。上記形態で示した駆動カム部４１及び被駆動部４２の各形状は一例にすぎない。例えば、本発明に係る駆動カム部を曲面状のカム面を持つ形状で実施することもできる。また、本発明に係る被駆動部をピン等の断面円形状で実施することもできる。

２遠心圧縮機
３回転軸
１５インペラ
２６ディフューザ通路
３０環状プレート（壁部材）
３６ベーン翼
３７ディフューザディスク
３７ａ外周面
３８カム機構
３９スリット
４０駆動リング
４０ａ端面
４１駆動カム部
４２被駆動部
６０案内部
Ａｘ１軸線
Ｄａ駆動リングの内径
Ｄｂディフューザディスクの外径

Claims

回転軸と一体回転するインペラの外周に設けられたディフューザ通路に、ディフューザディスクに設けられたベーン翼をカム機構を利用して前記回転軸の軸線方向に向けて出没可能な遠心圧縮機において、
前記カム機構は、前記軸線方向の高低差が与えられた駆動カム部を有する回転可能な駆動リングと、前記ディフューザディスクの外周面から半径方向外側に突出し、かつ前記駆動リングが回転した際に前記駆動カム部に追従して前記ディフューザディスクを前記軸線方向に移動させる被駆動部と、を備える遠心圧縮機。
前記駆動リングは、前記被駆動部を除いた前記ディフューザディスクの外径よりも大きい内径を持つ円筒状に構成され、かつその端面に前記駆動カム部が形成されている請求項１に記載の遠心圧縮機。
前記ディフューザ通路と前記ディフューザディスクとの間に位置して前記ディフューザ通路の通路壁として機能するとともに、前記ベーン翼が挿入されるスリットが形成された壁部材を更に備え、
前記壁部材には、前記ディフューザディスクが前記軸線方向に移動する際に前記ディフューザディスクの回転を規制した状態で前記被駆動部と接触しながら案内する案内部が設けられている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。