JP2012219756A

JP2012219756A - コンプレッサ

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Publication number: JP2012219756A
Application number: JP2011088344A
Authority: JP
Inventors: Minoru Ishino; 実石野; Masayoshi Otsuka; 正義大塚; Masakazu Tabata; 正和田畑
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-12
Also published as: JP5192060B2; WO2012140509A2; WO2012140509A3

Abstract

【課題】インペラ収容室内に流入する空気の流量が少ないときのコンプレッサ効率を上げると共に、該流量が多いときのコンプレッサ効率の低下を抑制することができるコンプレッサを得る。
【解決手段】コンプレッサ部３０は、ディフューザ室５４と、スクロール室５６と、ディフューザベーン３８とを有している。ディフューザベーン３８は、単翼で、且つインペラ収容室５２側の先端位置を表す角度θが０°≦θ≦１８０°となるように配置されている。ここで、流量が少ない場合には、インペラ３２から出た空気の流れがディフューザベーン３８で偏向されて減速し、圧力が上昇するため、コンプレッサ効率が上がる。一方、流量が多い場合は、ディフューザベーン３８が単翼でスロート径が存在しないため、空気の流れがチョークしなくなり、コンプレッサ効率の低下を抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャに用いられるコンプレッサに関する。

特許文献１には、案内羽根をディフューザ内に突出させ又はディフューザ内から退避させる構成としたコンプレッサが記載されている。

非特許文献１には、複数枚（６枚）の翼付きディフューザを用いたコンプレッサが記載されている。

非特許文献２には、ディフューザ内の空気の流路の開度を変更可能とする可変ベーン付きディフューザが記載されている。

特許第４３８９４４２号

日本ガスタービン学会誌、ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．４（２００５．７）、ｐ．２８８−２９４「Garrett Electric Boosting Systems Program」Federal Grant DE-FC05-000R22809、Ｕ．Ｓ．ＤＯＥレポート（２００５．６）．ｐ５７−５８

しかしながら、特許文献１、非特許文献１、及び非特許文献２のように、円周方向に複数枚の翼を配置しているディフューザでは、隣接する翼間に形成される流路の最小面積で流量が制限されるため、流量が最適流量から増加したときのコンプレッサ効率の低下を抑制することが困難であった。

また、翼無しのディフューザを用いた場合は、流量が最適流量から減少したとき、インペラからの流出角度が小さいため、流路がディフューザ内で長くなり、摩擦損失が増加して、コンプレッサ効率を上げることが困難であった。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、インペラ収容室内に流入する空気の流量が少ないときのコンプレッサ効率を上げると共に、該流量が多いときのコンプレッサ効率の低下を抑制することができるコンプレッサを得ることを目的とする。

本発明の請求項１に係るコンプレッサは、流入した空気を回転により加速するインペラが収容されるインペラ収容室の外周に沿って形成されると共に該インペラ収容室の内部と連通し、前記インペラの回転で加速された空気を減速させて加圧するディフューザ室と、前記ディフューザ室の外側に渦巻き状に形成されると共に前記ディフューザ室の内部と連通し、前記ディフューザ室で加圧された空気を外部へ流すスクロール室と、前記ディフューザ室内に設けられ、直線状又は曲線状のキャンバーラインを備えた単翼あるいは空気の流れる一方向に沿って並べられた複数の翼からなる翼列で構成され、前記翼列のうち空気の流れる方向における最も上流側に配置された翼あるいは前記単翼の前記インペラ収容室側の先端位置と前記インペラの回転中心位置とを結ぶ線分と、前記インペラの回転中心位置と前記スクロール室の空気の流れる方向と直交する断面積が最大となる基準位置とを結ぶ線分との成す角度θが、該基準位置から上流側へ向けて０°≦θ≦１８０°となるように配置され、前記インペラ収容室から流入した空気を前記スクロール室へ案内するディフューザベーンと、を有する。

上記構成によれば、インペラ収容室の外周に沿ってディフューザ室が形成され、インペラ収容室とディフューザ室は連通して空気が流通可能となっている。さらに、ディフューザ室の外側にスクロール室が形成され、ディフューザ室とスクロール室は連通して空気が流通可能となっている。これにより、インペラ収容室に流入した空気は、インペラの回転により加速され、運動エネルギーを与えられた状態でディフューザ室に流入する。そして、ディフューザ室で減速されることで加圧され、運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。そして、ディフューザ室で加圧された空気は、スクロール室で集められ、スクロール室の外部へ流される。

ここで、ディフューザベーンは、単翼（１枚の翼）又は一方向に沿って並べられた複数の翼からなる翼列（単翼と同様の作用となる）であり、且つディフューザベーンのインペラ収容室側の先端位置が規定されている。これにより、予め設定された流量よりも少ない流量の空気がインペラ収容室内に流入する場合には、インペラから出た空気の流れが、ディフューザ室内の単翼（又は翼列）のディフューザベーンでインペラの接線方向から半径方向に偏向されて減速し、圧力が上昇するため、ディフューザベーンを設けていないコンプレッサに比べて、少流量側のコンプレッサ効率を上げることができる。

一方、予め設定された流量よりも多い流量がインペラ収容室内に流入する場合には、ディフューザベーンが単翼で隣接する翼が無く（又は翼列において翼と翼の間が狭く）スロート径が存在しないため、空気の流れがチョークしなくなる（翼と翼の間で空気の流れが詰まるチョーク現象が起こらない）。これにより、複数のディフューザベーンをそれぞれ異なる方向に沿って設けたコンプレッサに比べて、流量が多い側のコンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

本発明の請求項２に係るコンプレッサは、前記翼列を構成する前記複数の翼において、前記インペラ収容室側の先端位置と前記インペラの回転中心位置とを結ぶ線分の距離は、前記一方向における下流側にある前記翼の方が上流側にある前記翼よりも長い。

上記構成によれば、翼列において、インペラ収容室側の先端位置とインペラの回転中心位置とを結ぶ線分の距離は、下流側にある翼の方が上流側にある翼よりも長いので、空気の流れは、インペラの接線方向に対して半径方向により多く偏向され減速することになる。これにより圧力が上昇するため、少流量側のコンプレッサ効率を上げることができる。

本発明の請求項３に係るコンプレッサは、前記ディフューザベーンは、前記ディフューザ室内に対する突出及び退避が可能とされ、前記ディフューザベーンを前記ディフューザ室内に移動する移動手段が設けられている。

上記構成によれば、一例として、インペラ収容室内に流入する空気の流量が多いとき、移動手段によって、ディフューザベーンをディフューザ室内から退避させる。これにより、ディフューザベーンにおける境界層剥離による圧力損失を抑制し、コンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

本発明の請求項４に係るコンプレッサは、前記ディフューザベーンは、前記インペラの回転軸方向に沿った回転軸を備え、前記回転軸を回して前記ディフューザベーンの前縁部のキャンバーラインと前記インペラの外周の接線との成す角度を変更する変更手段が設けられている。

上記構成によれば、流量により変化するディフューザベーンへの空気の流入角度に合わせて、変更手段がディフューザベーンの回転軸を回し、ディフューザベーンの角度を変更する（例えば、角度を揃える）。これにより、ディフューザベーンの前縁部の迎角が適正範囲内となり、前縁部での境界層剥離や衝突によるエネルギー損失が抑制されるので、コンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

本発明は、上記構成としたので、インペラ収容室内に流入する空気の流量が少ないときのコンプレッサ効率を上げると共に、該流量が多いときのコンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係るターボチャージャの概略構成を示す全体図である。（Ａ）本発明の第１実施形態に係るコンプレッサ部の概略構成を示す説明図である。（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るコンプレッサ部の部分断面図である。（Ａ）本発明の第１実施形態に係るディフューザベーンの模式図である。（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るディフューザベーンの他の実施例の模式図である。（Ａ）〜（Ｄ）本発明の第１実施形態に係るディフューザベーンの配置位置を０°、４５°、９０°、１８０°と変更したときのコンプレッサ部の模式図である。本発明の第１実施形態に係る１枚のディフューザベーンによるコンプレッサハウジング内の圧力上昇領域を示す模式図である。（Ａ）比較例としてのディフューザベーンの無いコンプレッサ部における圧力分布を示す模式図である。（Ｂ）本発明の第１実施形態に係るコンプレッサ部における圧力分布を示す模式図である。（Ａ）本発明の第１実施形態のコンプレッサ部と比較例のコンプレッサ部（ディフューザベーン無し、ディフューザベーン７枚）について、コンプレッサ部内に流入する空気流量とコンプレッサ効率との関係を計算により求めたグラフである。（Ｂ）本発明の第１実施形態のコンプレッサ部と比較例のディフューザベーン無しのコンプレッサ部について、コンプレッサ部内に流入する空気流量とコンプレッサ効率との関係を実測したグラフである。本発明の第１実施形態のコンプレッサ部と比較例のコンプレッサ部（ディフューザベーン無し）におけるディフューザベーン配置角度とコンプレッサ効率の関係を計算により求めたグラフである。（Ａ）、（Ｂ）本発明の第１実施形態の他の第１実施例に係るコンプレッサ部のディフューザベーンをディフューザ室内に突出させた状態又はディフューザ室内から退避させた状態を示す説明図である。本発明の第１実施形態の他の第２実施例に係るコンプレッサ部の角度変更可能なディフューザベーンを示す説明図である。本発明の第２実施形態に係るコンプレッサ部の概略構成を示す説明図である。本発明の第２実施形態に係るディフューザベーン列の配置を示す模式図である。

本発明の第１実施形態に係るコンプレッサの一例について説明する。

図１には、第１実施形態のターボチャージャ１０の概略構成が示されている。ターボチャージャ１０は、一例として、車のエンジン（図示省略）の排気通路１２に設けられたタービン部２０と、該内燃機関の吸気通路１４に設けられたコンプレッサの一例としてのコンプレッサ部３０と、タービン部２０及びコンプレッサ部３０を連結する連結部４０とを有している。連結部４０内には、回転シャフト４２が回転可能に設けられており、回転シャフト４２の一端側（タービン部２０側）にはタービン２２が連結され、回転シャフト４２の他端側（コンプレッサ部３０側）にはインペラ３２が連結されている。

タービン２２は、複数枚のタービン翼２３を有しており、タービン翼２３は、平面視で円盤状をなすタービン２２上で周方向に所定の間隔をあけて立設されている。そして、タービン２２は、タービンハウジング２４内に回転可能に収容されている。タービンハウジング２４は、内燃機関から排出された高温の排ガスＧ１が流入する排ガス入口２６と、タービンハウジング２４内でタービン２２を回転させる仕事を行った後の排ガスＧ２が排出される排ガス出口２８とを有している。

一方、インペラ３２は、複数枚のインペラ翼３３を有しており、インペラ翼３３は、平面視で円盤状をなすインペラ３２上で周方向に所定の間隔をあけて立設されている。そして、インペラ３２は、コンプレッサハウジング５０内に回転可能に収容されている。コンプレッサハウジング５０は、大気圧の空気Ａ１を内部に取り込むための空気入口部３４と、高速回転するインペラ３２によって圧縮された圧縮空気Ａ２が噴出する空気出口３６とを有している。なお、空気出口３６から噴出した圧縮空気Ａ２は、前述のエンジンに燃焼用の過給気として供給されるようになっている。

ここで、排ガス入口２６から高速で噴出された排ガスＧ２がタービン翼２３に衝突することにより、タービン２２が高速回転し、回転シャフト４２を介して連結されているインペラ３２が高速回転する。これにより、コンプレッサ部３０に空気が流入し、この流入した空気が、インペラ３２の回転で圧縮されると共に空気出口３６から上記エンジンへ圧送される構成となっている。

図２（Ａ）に示すように、コンプレッサハウジング５０は、インペラ３２が収容されたインペラ収容室５２と、インペラ収容室５２の外周に沿って形成され該インペラ収容室５２の内部と連通したディフューザ室５４と、ディフューザ室５４の外側に形成されると共にディフューザ室５４の内部と連通したスクロール室５６と、ディフューザ室５４内に設けられた１枚の（単翼の）ディフューザベーン３８と、を含んで構成されている。

図２（Ｂ）に示すように、インペラ収容室５２は、インペラ３２の軸方向（以後、矢印Ｚ方向と記載する）で回転シャフト４２とは反対側に開口部５８が形成されており、開口部５８は、空気入口部３４（図１参照）に接続されている。これにより、空気入口部３４から開口部５８を通ってインペラ収容室５２内に空気が流入する構成となっている。また、インペラ３２は、タービン２２（図１参照）の回転によって回転し、流入した空気を加速してディフューザ室５４内に送り込むようになっている。

図２（Ａ）に示すように、ディフューザ室５４は、矢印Ｚ方向に見てインペラ収容室５２の外側に略環状に形成されている。また、ディフューザ室５４は、矢印Ｚ方向における高さがインペラ収容室５２の高さよりも低くなっており、インペラ収容室５２から加速状態で流入した空気が減速され、加圧されるようになっている。さらに、ディフューザ室５４は、矢印Ｚ方向に見て略環状の底壁５５を有している。なお、本実施形態では、底壁５５とディフューザベーン３８が一体形成されているが、別体で設けられていてもよい。

スクロール室５６は、矢印Ｚ方向に見てディフューザ室５４の外側に渦巻き状に形成されており、ディフューザ室５４で加圧された空気を集めると共に外部（下流側）へ流すようになっている。なお、矢印Ｚ方向に見たときのスクロール室５６におけるスクロール開始点（渦巻きの開始位置）の近傍であり、且つスクロール面積が最大面積Ｓ１となる位置を点ＰＡ（基準位置）とする。また、スクロール面積とは、スクロール室５６内における空気（流体）の流れる方向と直交する断面積である。

図３（Ａ）に示すように、ディフューザベーン３８は、矢印Ｚ方向に見て、直線状のキャンバーライン（中心線）Ｍ１を挟んで外側（インペラ３２とは反対側）に凸の外形線Ｌ１と、内側（インペラ３２側）に凸の外形線Ｌ２とを備えている。なお、ディフューザベーン３８のインペラ３２側の先端位置を点ＰＢ、インペラ３２側とは反対側の後端位置を点ＰＣとする。

また、インペラ３２の半径方向を矢印Ｘ方向、インペラ３２の接線方向を矢印Ｙ方向とし、矢印Ｙ方向とディフューザベーン３８の前縁部（先端側）のキャンバーラインＭ１との間の角度をαとする。角度αは、０°≦α≦３０°の範囲で設定される。このように、ディフューザベーン３８は、先端位置を表す角度θと配置角度を表す角度αを決定することで、配置が決定される。なお、キャンバーラインは、外形線Ｌ１、Ｌ２に内接する円の中点を結ぶことによって得られる。

ここで、図２（Ａ）において、インペラ３２の回転中心位置を点Ｏとして、点ＰＡと点Ｏを結ぶ線分と、点Ｏと点ＰＢを結ぶ線分との成す角度をθとする。この角度θは、基準位置である点ＰＡから上流側に向かう方向（空気が流れる方向とは逆方向であり、図示の反時計回り方向）に設定される角度である。つまり、角度θは、ディフューザベーン３８のインペラ３２側の先端位置を表している。なお、図２（Ａ）では、θ＝１３５°の場合のディフューザベーン３８の配置が示されているが、図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に一例として示すように、θ＝０°、４５°、９０°、１８０°となるようにディフューザベーン３８を配置してもよい。また、図３（Ａ）、（Ｂ）では、θ＝９０°の場合を示している。

図３（Ｂ）に示すように、本実施形態のディフューザベーン３８（図３（Ａ）参照)の他の実施例として、曲線状のキャンバーラインＭ２を有するディフューザベーン６２を用いてもよい。ディフューザベーン６２は、矢印Ｚ方向に見て、キャンバーラインＭ２を挟んで外側（インペラ３２とは反対側）に凸の外形線Ｌ３と、同じく外側に凸の外形線Ｌ４とを備えている。また、矢印Ｙ方向とディフューザベーン６２の前縁部（先端側）のキャンバーラインＭ２との間の角度はβとなっている。角度βについても０°≦β≦３０°の範囲で設定される。

次に、第１実施形態の作用について説明する。

図１に示すように、ターボチャージャ１０において、排ガス入口２６から高速で噴出された排ガスＧ２がタービン翼２３に衝突することで、タービン２２が高速回転し、回転シャフト４２を介して連結されているインペラ３２が高速回転する。

続いて、図２に示すように、インペラ収容室５２に流入した空気は、インペラ３２の回転により加速された状態でディフューザ室５４に流入すると共に、ディフューザ室５４で減速されることで加圧（圧縮）される。そして、ディフューザ室５４で加圧された空気は、スクロール室５６で集められ、空気出口３６からコンプレッサハウジング５０の外部にあるエンジン（図示省略）へ圧送される。

図５に示すように、コンプレッサ部３０では、インペラ３２が矢印Ｒ方向（図示の時計回り方向）に回転し、インペラ収容室５２からディフューザ室５４内に空気が流入したとき、この空気の流れがディフューザベーン３８でスクロール室５６の出口方向に偏向され、図示の流線Ｑａで示す流れとなる。そして、偏向された空気の流れが減速する結果、図示の領域ＳＡにおいて速度エネルギーが圧力エネルギーに変換され、ディフューザ室５４の出口の圧力が高まる。

続いて、領域ＳＡで空気の流れが減速する結果、領域ＳＡに連なる領域ＳＢの流れも減速し、圧力が上昇する。そして、領域ＳＡ及び領域ＳＢで流れが減速する結果、スクロール室５６内の領域ＳＣにおいても流れが減速して圧力が上昇する。さらに、領域ＳＣで流れが減速する結果、領域ＳＣの上流側にあたる領域ＳＤにおいても流れが減速し、圧力が上昇する。このようにして、コンプレッサ部３０内での圧力が上昇する。

ここで、予め設定された流量よりも少ない流量の空気がインペラ収容室５２内に流入する場合には、上記のように、インペラ３２からの流れが、ディフューザ室５４内の１枚のディフューザベーン３８でインペラ３２の接線方向から半径方向に偏向されて減速し、圧力が上昇するため、ディフューザベーン３８を設けていないコンプレッサに比べて、少流量側のコンプレッサ効率を上げることができる。

なお、比較例であるディフューザベーン３８を設けていないコンプレッサの場合は、流線が破線表示した流線Ｑｂとなり、流路がディフューザ室５４内で長くなって摩擦損失が増加し、さらに減速もしにくいため、速度エネルギーから圧力エネルギーへの変換率が低下し、コンプレッサ効率が低下することになる。

図６（Ａ）には、ディフューザベーン３８が設けられていない比較例のコンプレッサ部２００におけるインペラ３２回転時の圧力分布（計算結果）が示されている。また、図６（Ｂ）には、本実施形態のコンプレッサ部３０におけるインペラ３２回転時の圧力分布（計算結果）が示されている。なお、図中の圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の大きさは、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４となっており、圧力Ｐ４の占有領域が広いほど、コンプレッサ部内の圧力が高いことを表している。また、図６（Ｂ）では、ディフューザベーン３８の位置が、θ＝９０°（図４（Ｃ）参照）となっている。

図６（Ａ）に示すように、ディフューザベーン３８が無い比較例のコンプレッサ部２００では、インペラ収容室５２（内側）からスクロール室５６（外側）までの圧力分布が、圧力Ｐ１の領域、圧力Ｐ２の領域、圧力Ｐ３の領域となっており、最大圧力はＰ３となっている。

一方、図６（Ｂ）に示すように、第１実施形態のコンプレッサ部３０では、インペラ収容室５２（内側）からスクロール室５６（外側）までの圧力分布が、圧力Ｐ２の領域、圧力Ｐ３の領域、圧力Ｐ４の領域となっており、最大圧力はＰ４となっている。このことからも、ディフューザベーン３８が１枚の本実施形態のコンプレッサ部３０の方が、ディフューザベーン３８が無い比較例のコンプレッサ部２００に比べて出口圧力が高くなり、即ち、コンプレッサ効率が高くなることが分かる。

図７（Ａ）には、第１実施形態の１枚のディフューザベーン３８を設けた場合（グラフＡ）と、比較例として、ディフューザベーン３８が無い場合（グラフＢ）、ディフューザベーン３８がディフューザ室５４の周方向に均等な間隔で７枚配置された場合（グラフＣ）とにおける、空気流量とコンプレッサ効率との関係（計算結果）が示されている。なお、コンプレッサ効率は、一例として、公知の技術（特開２００６−００９７６７数式（６））を用いて、コンプレッサ部３０の入口側における温度及び圧力と、出口側における温度及び圧力と、コンプレッサ部３０に流入する空気の比熱比とに基づいて求めている。また、第１実施形態のディフューザベーン３８の配置は、θ＝９０°に設定されている。

図７（Ａ）において、予め設定された空気流量（図示省略）よりも少ない空気流量をＶ１とし、予め設定された空気流量よりも多い空気流量をＶ２とする。ここで、空気流量がＶ１のとき、第１実施形態のコンプレッサ部３０（図２（Ａ）参照）では、コンプレッサ効率がＫ３となり、ディフューザベーン３８（図２（Ａ）参照）が無い比較例のコンプレッサ部のコンプレッサ効率Ｋ２よりも大きくなっている。即ち、第１実施形態のコンプレッサ部３０では、少流量側のコンプレッサ効率が上がることが分かる。

一方、空気流量がＶ２のとき、第１実施形態のコンプレッサ部３０では、コンプレッサ効率がＫ３となっており、ディフューザベーン３８（図２（Ａ）参照）が７枚の比較例のコンプレッサ部のコンプレッサ効率Ｋ１よりも大きくなっている。即ち、第１実施形態のコンプレッサ部３０では、流量が多い側でのコンプレッサ効率の低下が抑制されることが分かる。

ディフューザベーン３８を７枚設けた多翼構成の比較例の場合にコンプレッサ効率が低下する要因としては、隣接する翼間にスロート面積が存在するため、流量が増加したときに流れがチョークして効率が悪化するためと考えられる。また、第１実施形態のコンプレッサ部３０のコンプレッサ効率が高い要因としては、ディフューザベーン３８が単翼でスロート径が存在せず、チョークしないこと、及びディフューザベーン３８の境界層剥離に起因する圧力損失が、単翼のため、多翼に比べて少なくなることが考えられる。

図７（Ｂ）には、第１実施形態の１枚のディフューザベーン３８を設けた場合（グラフＤ）と、比較例として、ディフューザベーン３８が無い場合（グラフＥ）とにおける、空気流量とコンプレッサ効率との関係（実験結果）が示されている。第１実施形態のディフューザベーン３８の配置は、θ＝９０°に設定されている。ここで、グラフＤとグラフＥの比較から、コンプレッサ効率の差分ΔＫは３ポイント程度であることが分かった。

次に、ディフューザベーン３８の配置の最適範囲について説明する。

図８には、ディフューザベーン３８（図２（Ａ）参照）の配置（空気が流れる方向の上流側に向けた角度θ）を変更したときのコンプレッサ効率の変化のグラフＦが示されている。なお、グラフＧはグラフＦの平均効率を表しており、グラフＨは、ディフューザベーン３８が無い比較例のコンプレッサ効率である。

図８では、比較例のコンプレッサ効率がＫａと低いままであるのに対し、第１実施形態のコンプレッサ効率は、角度θが変わっても比較例のコンプレッサ効率Ｋａより高くなっている（Ｋａ＜Ｋｂ＜Ｋｃ＜Ｋｄ）。なお、第１実施形態のコンプレッサ平均効率はＫｃとなっている。

一方、第１実施形態のグラフＦを見ると、角度θが０°から１８０°までの範囲で平均効率Ｋｃを上回っており、角度θが１８０を越えて３６０°までの範囲で平均効率Ｋｃを下回っていることが分かる。即ち、ディフューザベーン３８の配置の角度θにより、コンプレッサ効率の大きさは変化し、角度θは、０°≦θ≦１８０°の範囲で設定することが好適であることが分かる。なお、第１実施形態では、θ＝９０°のときにコンプレッサ効率が最大値（Ｋｄ）となった。

次に、第１実施形態のコンプレッサ部３０の他の実施例について説明する。

第１実施形態のディフューザベーン３８は、ディフューザ室５４の底壁５５と一体化させて固定するだけでなく、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ディフューザ室５４内に突出又はディフューザ室５４内から退避するように構成してもよい。

図９（Ａ）に示すように、第１実施形態のコンプレッサ部３０の他の第１実施例であるコンプレッサ部７０は、ディフューザベーン７２が移動可能に設けられたコンプレッサハウジング７４と、ディフューザベーン７２を移動させる移動手段の一例としての偏心カム７６と、を含んで構成されている。コンプレッサハウジング７４内は、ディフューザベーン７２を移動させる部位を除いてコンプレッサハウジング５０（図１参照）と同様の構成となっており、インペラ収容室５２、ディフューザ室５４、及びスクロール室５６を有している。

ディフューザベーン７２は、ディフューザ室５４内に突出した部分が前述のディフューザベーン３８（図２（Ａ）参照）と同様の大きさ、形状となっている。また、偏心カム７６は、モータ（図示省略）により矢印＋Ｒ方向（図示の時計回り方向）に揺動してディフューザベーン７２をディフューザ室５４内に突出させるようになっている。さらに、ディフューザベーン７２の偏心カム７６側の面には、引張りバネ７８の一端が取付けられて戻り力が付与されている。これにより、偏心カム７６がモータにより矢印−Ｒ方向（図示の反時計回り方向）に揺動すると、ディフューザベーン７２がディフューザ室５４から外側へ退避するようになっている。

ここで、コンプレッサ部７０内に流入する空気流量が、例えば、図７（Ａ）に示す空気流量Ｖ３より多い場合に、図９（Ｂ）に示すように、偏心カム７６を動作させてディフューザベーン７２をディフューザ室５４から退避させる。これにより、ディフューザ室５４内にディフューザベーンが無くなるため、コンプレッサ効率のグラフは、図７（Ａ）の単翼のディフューザベーン３８のときのグラフＡではなく、グラフＢとなる。即ち、図９（Ｂ）において、ディフューザベーン３８における境界層剥離による圧力損失がなくなるので、コンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

なお、コンプレッサ部７０内に流入する空気流量のデータを得る方法としては、例えば、エンジン回転数、アクセル開度と対応させた空気流量のデータ表を予め設定しておき、得られたエンジン回転数、アクセル開度に基づいて、空気流量を決定してもよい。また、このように間接的に流量データを得るだけでなく、吸気通路１４（図１参照）に流量センサを設けて、直接、流量データを得るようにしてもよい。

一方、ディフューザベーン３８は、ディフューザ室５４内で固定するだけでなく、ディフューザ室５４内で設置角度を変更可能に設けてもよい。

図１０に示すように、第１実施形態のコンプレッサ部３０の他の第２実施例であるコンプレッサ部８０は、前述のコンプレッサ部３０（図２（Ａ）参照）において、ディフューザベーン３８に換えて、ディフューザベーン８２が設けられた構成となっている。ディフューザベーン８２は、基本的にディフューザベーン３８と同様の大きさとなっているが、インペラ３２の回転軸方向（矢印Ｚ方向）と平行な軸方向を有する回転軸８４が設けられている点が異なる。回転軸８４は、モータ及びリンク機構（図示省略）を含んで構成された変更手段の一例としての角度変更部８６によって回転（回動）され、前述の角度α（図３（Ａ）参照）が変更可能となっている。

ここで、コンプレッサ部８０では、流入する空気の流量が異なると、ディフューザベーン８２の前縁部への流入角度が変化するが、予め、流量と流入角度との関係を設定しておき、流入する空気の流量を前述の方法（エンジン回転数、アクセル開度、流量測定）で得ることで、角度変更部８６が流入角度のデータを得ることができる。そして、角度変更部８６がディフューザベーン８２の角度αを流入角度に対して０°≦α≦３０°の範囲で変更することで、前縁部での境界層剥離や衝突によるエネルギー損失が抑制されるので、コンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係るコンプレッサの一例について説明する。なお、前述した第１実施形態と基本的に同一の部材には、前記第１実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する場合がある。

図１１には、第２実施形態のコンプレッサの一例としてのコンプレッサ部９０が示されている。コンプレッサ部９０は、第１実施形態のコンプレッサ部３０（図２（Ａ）参照）において、単翼のディフューザベーン３８に換えて、翼列の一例としてのディフューザベーン列９２が設けられており、さらに、インペラ３２、インペラ収容室５２、ディフューザ室５４、及びスクロール室５６を含んで構成されている。

図１２に示すように、ディフューザベーン列９２は、空気の流れる一方向（図示の矢印Ｔ方向）に沿って並べられた上流側の翼の一例としての第１ディフューザベーン９２Ａと、下流側の翼の一例としての第２ディフューザベーン９２Ｂとで構成されている。第１ディフューザベーン９２Ａと第２ディフューザベーン９２Ｂは、一例として、同じ形状（同じキャンバーライン形状）、同じ大きさとなっており、第１ディフューザベーン９２Ａは、インペラ３２（図２（Ａ）参照）の回転方向である矢印Ｒ方向において、全体が第２ディフューザベーン９２Ｂよりも上流側に配置されている。また、第１ディフューザベーン９２Ａの後端部と第２ディフューザベーン９２Ｂの先端部は、矢印Ｔ方向と直交する矢印Ｗ方向から見て、重なるように配置されている。

ここで、第１ディフューザベーン９２Ａのインペラ３２側（矢印Ｔ方向における上流側）の先端位置を点ＰＤ、インペラ３２側とは反対側（矢印Ｔ方向における下流側）の後端位置を点ＰＥとする。そして、第２ディフューザベーン９２Ｂの矢印Ｔ方向における上流側の先端位置を点ＰＦ、下流側の後端位置を点ＰＧとする。なお、矢印Ｔ方向は、一例として、点ＰＤ及び点ＰＧを通り、ディフューザ室５４からスクロール室５６側（外側）へ向かう方向となっている。また、図１２では、インペラ３２（図２（Ａ）参照）の図示を省略しており、コンプレッサハウジング５０については、一部のみを二点鎖線で図示している。

コンプレッサ部９０では、一例として、点ＰＡと点Ｏを結ぶ距離Ｒ０の線分と、点Ｏと点ＰＤとを結ぶ距離Ｒ１の線分とのなす角度θＡ（点ＰＡから上流側への角度）が、θＡ＝１３５°に設定されている。また、点ＰＡと点Ｏを結ぶ距離Ｒ０の線分と、点Ｏと点ＰＦとを結ぶ距離Ｒ２の線分とのなす角度θＢ（点ＰＡから上流側への角度）が、θＢ＝１１２．５°（即ち、θＡ＞θＢ）に設定されている。そして、矢印Ｔ方向における下流側にある第２ディフューザベーン９２Ｂの距離Ｒ２の方が、上流側にある第１ディフューザベーン９２Ａの距離Ｒ１よりも長くなっている。

さらに、コンプレッサ部９０において、点ＰＡと点Ｏを結ぶ線分と平行で且つ点ＰＤを通る線をＮ１とし、第１ディフューザベーン９２Ａの先端側（点ＰＤ側）のキャンバーライン（図示省略）と線Ｎ１とのなす角度をθａとする。同様に、点ＰＡと点Ｏを結ぶ線分と平行で且つ点ＰＦを通る線をＮ２とし、第２ディフューザベーン９２Ｂの先端側（点ＰＦ側）のキャンバーライン（図示省略）と線Ｎ２とのなす角度をθｂとする。ここで、角度θａ、θｂについて、θａ＞θｂとなるように、第１ディフューザベーン９２Ａ及び第２ディフューザベーン９２Ｂが配置されている。

一方、第１ディフューザベーン９２Ａの後端部（点ＰＥ側）と第２ディフューザベーン９２Ｂの先端部（点ＰＦ側）との間には、隙間９４が形成されている。隙間９４の大きさは、第１ディフューザベーン９２Ａ及び第２ディフューザベーン９２Ｂが、１枚（単翼）のディフューザベーンと同様に空気を流すように、予め実験によって設定されている。

次に、第２実施形態の作用について説明する。

図１１に示すように、コンプレッサ部９０では、インペラ３２が矢印Ｒ方向に回転し、インペラ収容室５２からディフューザ室５４内に空気が流入したとき、この空気の流れが、ディフューザベーン列９２によってスクロール室５６の出口方向に偏向され、図示の流線Ｑｃで示す流れとなる。そして、偏向により空気の流れが減速する結果、速度エネルギーが圧力エネルギーに変換され、ディフューザ室５４の出口の圧力が高まり、コンプレッサ部９０内での圧力が上昇する。

ここで、ディフューザベーン列９２は、第１ディフューザベーン９２Ａのインペラ収容室５２側の先端位置が規定されており、且つ矢印Ｔ方向（図１２参照）に沿って並べられた第１ディフューザベーン９２Ａ及び第２ディフューザベーン９２Ｂが、単翼と同様に作用して空気を流す。これにより、予め設定された流量よりも少ない流量の空気がインペラ収容室５２内に流入する場合は、インペラ３２から出た空気の流れが、ディフューザ室５４内のディフューザベーン列９２でインペラ３２の接線方向から半径方向に偏向されて減速し、ディフューザ室５４の出口の圧力が上昇する。このため、コンプレッサ部９０では、ディフューザベーン列９２又は単翼のディフューザベーンを設けていないコンプレッサに比べて、少流量側のコンプレッサ効率を上げることができる。

一方、予め設定された流量よりも多い流量の空気がインペラ収容室５２内に流入する場合は、ディフューザベーン列９２において、第１ディフューザベーン９２Ａと第２ディフューザベーン９２Ｂの間隔が狭く、且つディフューザベーン列９２に隣接する他のディフューザベーンが無いため、スロート径が存在せず、空気の流れがチョークしなくなる（空気の流れが詰まるチョーク現象が起こらない）。これにより、コンプレッサ部９０では、複数のディフューザベーンをそれぞれ異なる方向に沿って設けたコンプレッサに比べて、流量が多い側のコンプレッサ効率の低下を抑制することができる。

さらに、図１１及び図１２に示すように、コンプレッサ部９０の第１ディフューザベーン９２Ａ及び第２ディフューザベーン９２Ｂにおいて、インペラ収容室５２側の先端位置（点ＰＤ、点ＰＦ）とインペラ３２の回転中心位置（点Ｏ）とを結ぶ線分の距離は、下流側にある第２ディフューザベーン９２Ｂ（距離Ｒ２）の方が、上流側にある第１ディフューザベーン９２Ａ（距離Ｒ１）よりも長いので、空気の流れは、インペラ３２の接線方向に対して半径方向により多く偏向され、減速することになる。これによりディフューザ室５４の出口の圧力が上昇するため、少流量側のコンプレッサ効率をさらに上げることができる。

ここで、ディフューザベーン列９２が単翼として作用するように、第１ディフューザベーン９２Ａ及び第２ディフューザベーン９２Ｂの形状、大きさ、隙間９４を設定することで、第１実施形態におけるディフューザベーン３８（図２（Ａ）参照）を用いた場合の図６〜図８の結果と同様の結果（作用）が得られることが分かっている。即ち、ディフューザベーン列９２の配置を、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す単翼のディフューザベーン３８の配置と同様の角度θの範囲に設定することで、インペラ収容室５２内に流入する空気の流量が少ないときのコンプレッサ効率を上げると共に、該流量が多いときのコンプレッサ効率の低下を抑制する効果がある。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。

ディフューザベーン列９２は、単翼として作用する範囲であれば、２枚の翼からなる翼列（第１ディフューザベーン９２Ａ、第２ディフューザベーン９２Ｂ）に限らず、３枚以上の翼からなる翼列としてもよい。また、ディフューザベーン列９２を、図９（Ａ）、（Ｂ）に示す偏心カム７６のような移動手段でディフューザ室５４内に出し入れするように構成してもよい。さらに、第１ディフューザベーン９２Ａ及び第２ディフューザベーン９２Ｂの配置角度を図１０に示す角度変更部８６を用いて変更するようにしてもよい。

３０コンプレッサ部（コンプレッサの一例）
３２インペラ
３８ディフューザベーン
５２インペラ収容室
５４ディフューザ室
５６スクロール室
７０コンプレッサ部
７２ディフューザベーン
７６偏心カム（移動手段の一例）
８０コンプレッサ部
８２ディフューザベーン
８４回転軸
８６角度変更部（変更手段の一例）
９０コンプレッサ部（コンプレッサの一例）
９２ディフューザベーン列（翼列の一例）
９２Ａ第１ディフューザベーン（翼の一例）
９２Ｂ第２ディフューザベーン（翼の一例）
Ｍ１キャンバーライン

Claims

流入した空気を回転により加速するインペラが収容されるインペラ収容室の外周に沿って形成されると共に該インペラ収容室の内部と連通し、前記インペラの回転で加速された空気を減速させて加圧するディフューザ室と、
前記ディフューザ室の外側に渦巻き状に形成されると共に前記ディフューザ室の内部と連通し、前記ディフューザ室で加圧された空気を外部へ流すスクロール室と、
前記ディフューザ室内に設けられ、直線状又は曲線状のキャンバーラインを備えた単翼あるいは空気の流れる一方向に沿って並べられた複数の翼からなる翼列で構成され、前記翼列のうち空気の流れる方向における最も上流側に配置された翼あるいは前記単翼の前記インペラ収容室側の先端位置と前記インペラの回転中心位置とを結ぶ線分と、前記インペラの回転中心位置と前記スクロール室の空気の流れる方向と直交する断面積が最大となる基準位置とを結ぶ線分との成す角度θが、該基準位置から上流側へ向けて０°≦θ≦１８０°となるように配置され、前記インペラ収容室から流入した空気を前記スクロール室へ案内するディフューザベーンと、
を有するコンプレッサ。
前記翼列を構成する前記複数の翼において、前記インペラ収容室側の先端位置と前記インペラの回転中心位置とを結ぶ線分の距離は、前記一方向における下流側にある前記翼の方が上流側にある前記翼よりも長い請求項１に記載のコンプレッサ。
前記ディフューザベーンは、前記ディフューザ室内に対する突出及び退避が可能とされ、前記ディフューザベーンを前記ディフューザ室内に移動する移動手段が設けられている請求項１又は請求項２に記載のコンプレッサ。
前記ディフューザベーンは、前記インペラの回転軸方向に沿った回転軸を備え、
前記回転軸を回して前記ディフューザベーンの前縁部のキャンバーラインと前記インペラの外周の接線との成す角度を変更する変更手段が設けられている請求項１又は請求項２に記載のコンプレッサ。