JP2013224584A

JP2013224584A - 遠心圧縮機及び過給機

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Publication number: JP2013224584A
Application number: JP2012095920A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakano; 健中野; Yutaka Hirata; 豊平田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-04-19
Also published as: JP6106944B2

Abstract

【課題】空気循環通路を形成するシュラウド壁の構造について、安価な鋳造法で製造が行えるようし、これによって製造コストの低減化を可能にした、遠心圧縮機及び過給機を提供する。
【解決手段】回転可能に軸支された羽根車１２と、羽根車１２の周囲から上流側に延設されて吸入口１３を形成するシュラウド壁１４と、を有する遠心圧縮機１０である。シュラウド壁１４には、羽根車１２と対向する部位に設けられた第１の開口部２１と、羽根車１２の設置位置より上流側の吸入口１３の外周部に設けられた第２の開口部２２と、第１の開口部２１と第２の開口部２２とを連通させる連通流路２３と、を有する空気循環通路２０が設けられている。シュラウド壁１４における連通流路２３の内周側壁部２４の、少なくとも連通流路２３側の一部が、内筒部材２６によって形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心圧縮機及び過給機に関する。

内燃機関を過給するために加圧空気を供給する過給機は、例えば、内燃機関の排気を利用してタービンを回転させ、このタービンと直結した圧縮機の羽根車を回転することにより、空気を圧縮して内燃機関の吸気側に供給している。なお、羽根車は、モータにより駆動するものであってもよい。
このような過給機に使用される遠心圧縮機には、圧縮機に流れる空気量が減少してくると、圧縮機特性曲線がサージ線を越えてサージング領域に入ってしまうと云う特性がある。そこで、圧縮機特性曲線におけるサージ線を少しでも低流量側へ移動させて、内燃機関の運転範囲に対してより広い範囲で圧縮機を適用させる試みが提案されている。

例えば特許文献１には、このようなサージング領域を小流量側に移動するための構造が提案されている。この特許文献１の遠心圧縮機は、回転可能に軸支された羽根車と、該羽根車の周囲から上流側に延設されて吸入口を形成するシュラウド壁とを有し、吸入口から羽根車の外周部に到るシュラウド壁の内部に空気循環路を形成している。これにより、遠心圧縮機を運転した際、羽根車に吸引される空気の一部が空気循環通路を介して循環させられ、サージングの発生する流量容量が減少させられるようになっている。

特開２００９−２５７１７７号公報

ところで、特許文献１に記載されたような遠心圧縮機では、サージング領域を小流量側に移動させるため空気循環通路の形状を、吸入口から羽根車に向かう方向に長く（深く）、かつ、その幅を狭く形成する必要がある。しかし、このような形状のため、空気循環通路部分についてのシャラウド壁の製造方法としては、中子が薄くなりすぎるなどの理由によって比較的安価な鋳造法を用いるのが難しく、比較的高価な切削加工等の機械加工法を採用せざるを得ない。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特に空気循環通路を形成するシュラウド壁の構造について、安価な鋳造法でその製造が行えるようし、これによって製造コストの低減化を可能にした、遠心圧縮機及び過給機を提供することにある。

本発明の遠心圧縮機は、回転可能に軸支された羽根車と、該羽根車の周囲から上流側に延設されて吸入口を形成するシュラウド壁と、を有する遠心圧縮機であって、
前記シュラウド壁には、前記羽根車と対向する部位に設けられた第１の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸入口の外周部に設けられた第２の開口部と、該第１の開口部と第２の開口部とを連通させる連通流路と、を有する空気循環通路が設けられ、
前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部の、少なくとも該連通流路側の一部が、内筒部材によって形成されていることを特徴とする。

また、前記遠心圧縮機において、前記内筒部材は、前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部の、該連通流路側の一部を形成するとともに、該連通流路の内周側壁部の残部に保持されていることが好ましい。

また、前記遠心圧縮機において、前記シュラウド壁の前記吸入口側には、該吸入口の外周部に取り付けられることで前記空気循環通路の第２の開口部を形成するインサートリングが取り付けられ、前記内筒部材は、前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部の、該連通流路側の一部を形成するとともに、前記インサートリングに保持されていることが好ましい。

また、前記遠心圧縮機において、前記シュラウド壁の前記吸入口側には、該吸入口の外周部に取り付けられることで前記空気循環通路の第２の開口部を形成するインサートリングが取り付けられ、前記内筒部材は、前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部全体を形成するとともに、前記インサートリングに保持されていることが好ましい。
また、前記遠心圧縮機において、前記インサートリングには、前記第２の開口部内及び前記連通流路内に配置されるフィンが設けられていることが好ましい。

本発明の過給機は、内燃機関から排出される燃焼ガスの流動エネルギーを回転駆動力に変換するタービン部と、該タービン部の回転駆動力により駆動され気体を圧縮して前記内燃機関に供給する圧縮部とを備える過給機であって、
前記圧縮部として、前記遠心圧縮機を備えることを特徴とする。

本発明の遠心圧縮機によれば、シュラウド壁における連通流路の内周側壁部の、少なくとも該連通流路側の一部を、内筒部材によって形成しているので、シュラウド壁を製造する際、空気循環通路を形成する部位については、空気循環通路に対応する空洞に加えて内筒部材を組み込む部分も空洞に形成することができ、したがってこれら空洞を合わせて比較的大きな空洞部を形成すればよいため、対応する中子を比較的厚くすることができることにより、鋳造法を採用することが可能になる。したがって、比較的安価な鋳造法でシュラウド壁の空気循環通路を形成する部位の製造を行うことができ、これによって製造コストの低減化を図ることができる。
また、本発明の過給機によれば、圧縮部として前記遠心圧縮機を備えることにより、製造コストの低減化を図ることができる。

本発明に係る遠心圧縮機の第１実施形態の概略構成図である。本発明に係る遠心圧縮機の第１実施形態の要部断面図である。内筒部材の概略構成を示す斜視図である。インサートリングを示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。鋳造法で製造されたシュラウド壁の一例を示す要部断面図である。内筒部材を一体的に保持したインサートリングの斜視図である。本発明に係る遠心圧縮機の第２実施形態の要部断面図である。

以下、本発明の遠心圧縮機の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。なお、以下の図面においては、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。

図１は、本発明に係る遠心圧縮機の第１実施形態の概略構成図、図２は、図１に示した遠心圧縮機の要部拡大断面図であり、これらの図において符号１０は遠心圧縮機である。この遠心圧縮機１０は、ハウジング１１内に羽根車１２を回転可能に軸支し、この羽根車１２の回転によって吸入口１３から吸入した空気を、遠心力によりシュラウド壁１４に沿って圧縮流路１６へ導く。そして、このように圧縮流路１６へ導くことによって吸入した空気を圧縮し、圧縮した空気を内燃機関のマニホールドへ供給する。

羽根車１２は、回転軸１７にナット等で固定されたハブ部１８とシュラウド部１９とを有している。シュラウド部１９は、ハブ部１８の外周に設けられた複数の羽根１２ａによって形成されている。シュラウド部１９に対向するシュラウド壁１４は、羽根車１２の周囲から上流側に延設されて吸入口１３を形成している。

また、シュラウド壁１４には、図２に示すように羽根車１２の羽根１２ａと対向する部位に第１の開口部２１が形成され、さらに羽根車１２の設置位置から外れた上流側の吸入口１３の外周部に第２の開口部２２が形成されている。さらに、シュラウド壁１４の内部には、第１の開口部２１と第２の開口部２２とを連通する環状の連通流路２３が形成されている。このような構成のもとにシュラウド壁１４には、第１の開口部２１と連通流路２３と第２の開口部２２とを有してなる空気循環通路２０が形成されている。

第１の開口部２１は、後述するようにハウジング１１を鋳造した後に、鋳造時に予め形成した連通流路２３に向かって全周に亘って旋盤加工で切削されることにより、形成されたものである。すなわち、第１の開口部２１は、シュラウド壁１４における、連通流路２３の内周側壁部２４が旋盤加工によってその全周が切削され、該内周側壁部２４の内側（羽根車１２が収容配置された側）から連通流路２３内までを連通させるように形成されたものである。

このように第１の開口部２１が全周に亘って形成されているため、連通流路２３の内周側壁部２４は第１の開口部２１によってシャラウド壁１４から離間させられている。そこで、本実施形態では、連通流路２３内の第１の開口部２１側に複数のリブ２５を形成し、これらリブ２５によって内周側壁部２４をシャラウド壁１４に連結、固定している。したがって、第１の開口部２１の加工に伴い、シュラウド壁１４の内周側壁部２４がシュラウド壁１４から脱落することはない。

ただし、本実施形態では、シュラウド壁１４の内周側壁部２４は、特に連通流路２３側の一部が、円筒状の内筒部材２６によって形成されている。内筒部材２６は、図３に示すように一方の側に前記リブ２５に係合する切欠２７を複数有し、これら切欠２７がリブ２５に係合することで、これらリブ２５に干渉されることなく、内周側壁部２４の残部２４ａ内に収容保持されたものである。このような構成のもとに本実施形態では、内周側壁部２４は連通流路２３側に配置された内筒部材２６と、これの内周面を保持する前記残部２４とによって形成されている。

そして、内筒部材２６は、リブ２５によってシュラウド壁１４に連結した内周側壁部２４の残部２４ａ内に収容保持されたことにより、シュラウド壁１４に一体的に組み付けられたものとなっている。本実施形態では、図２に示すように内筒部材２６の他方の側（切欠２７と反対の側）に段差部２８が形成されており、この段差部２８が前記内周側壁部２４の残部２４ａに形成された段差部（図示せず）に係合することにより、位置決めされるようになっている。また、内筒部材２６の段差部２８の大径側が残部２４ａの段差部の小径部に圧入されたことにより、内筒部材２６は残部２４ａに固定されている。

第２の開口部２２は、連通流路２３に連続する凹部２９にインサートリング３０が取り付けられたことにより、形成されたものである。凹部２９は、ハウジング１１の鋳造時に予め形成されたもので、吸入口１３と対応する位置に形成されている。インサートリング３０は、ボルト３１によってシュラウド壁１４に固定されたもので、図４（ａ）、（ｂ）に示すようにリング本体３２とこれの先端側に設けられた複数のフィン３３とが一体に形成されたものである。

リング本体３２は略円筒状のもので、図４（ｂ）に示すようにその後端側に円環状に延出した取付部３２ａを有している。そして、この取付部３２ａに形成されたボルト孔３２ｂにボルト３１が挿入されることにより、リング本体３２（インサートリング３０）はシュラウド壁１４に固定される。その際、リング本体３２は、前記内周側壁部２４に対して所定の間隔をあけて配置されるようになっている。このようにして形成された、内周側壁部２４とリング本体３２との間の隙間が、図２に示した第２の開口２２となる。また、リング本体３２内が、シュラウド壁１４の吸入口１３となる。

フィン３３は、図２、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の開口部２２内に配置された第１フィン３３ａと、連通流路２３内に配置される第２フィン３３ｂとからなっている。これら第１フィン３３ａ、第２フィン３３ｂは、図４（ａ）に示すようにリング本体３２の半径方向に対し、所定の角度で傾斜して形成されている。このような構成によってフィン３３は、図２に示す連通流路２３、第２の開口部２２を流れる空気に対し、該空気が旋回して旋回流になるように整流している。

ここで、このように空気を旋回流にするための整流は、主に第２の開口部２２内に配置された第１フィン３３ａによってなされる。したがって、この第１フィン３３ａの、空気流れに沿う長さ、すなわちこれに対応する第２の開口部２２の長さについては、なるべく長くするのが好ましい。そのため、前述したように空気循環通路２０の形状を、その幅が狭くなるようにし、これによって内周側壁部２４の厚さを厚くし、第２の開口部２２の長さを長くしている。

しかしながら、このように空気循環通路２０の幅、すなわち連通流路２３の幅を狭くすると、このような連通流路２３を有するシュラウド壁１４を鋳造法で製造しようとした場合、連通流路２３に対応する中子が薄くなりすぎてしまい、製造が困難になってしまう。したがって、従来では、連通流路２３の幅を比較的広くして鋳造法で製造するか、もしくは、切削加工等の機械加工法で加工していた。

これに対し、本実施形態の遠心圧縮機１０にあっては、内周側壁部２４を内筒部材２６と前記残部２４ａとによって形成しているので、連通流路２３については、内筒部材２６に相当する分幅を広く形成しておき、その後、内筒部材２６を組み込むことで幅の狭い連通流路２３を形成することができる。

すなわち、このような連通流路２３を有するシュラウド壁１４を製造するには、鋳造法によって例えば図５に示すような形状に形成する。連通流路については、図２に示した連通流路２３の幅（空洞）に内筒部材２６に相当する分の幅（空洞）を加え、これによって見掛け上幅の広い連通流路部３４（空洞部）を形成する。したがって、この連通流路部３４（空洞部）に対応させるため、使用する中子についても比較的厚いものを用いることができる。

なお、この鋳造製造の際に、リブ２５についても形成する。また、内周側壁部３５については充分に厚く形成しておき、その後の切削加工（機械加工）により、図５中破線で示すように図２に示した形状の内周側壁部２４の残部２４ａに形成する。また、残部２４ａの段差部（図示せず）や、第１の開口部２１も形成する。

次いで、形成した連通流路部３４に別に用意した内筒部材２６を嵌め込み、切欠２７をリブ２５に係合させる。さらに、内筒部材２６の段差部２８の大径側を、残部２４ａの段差部の小径部に圧入し、これによって内筒部材２６を前記残部２４ａ内に固定する。内筒部材２６は一旦連通流路部３４に組み込み、連通流路２３の内周側壁部２４の一部としたら、その後これを取り外す必要はない。したがって、内筒部材２６についてはこれを着脱可能に構成することなく、圧入によってシュラウド壁１４に固定することができる。

その後、図２に示すように連通流路２３に連続する凹部２９にインサートリング３０を取り付け、さらにボルト３１でシュラウド壁１４に固定する。これにより、第２の開口部２２を形成して第１の開口部２１、連通流路２３、第２の開口部２２からなる空気循環流路２０を形成するとともに、吸入口１３を形成する。

このようにして形成された遠心圧縮機１０は、図示しないタービンと直結した回転軸１７の回転に伴って羽根車１２を回転し、吸入口１３から空気を吸入する。
吸入された空気は、羽根１２ａによってシュラウド部１９を介して圧縮され、圧縮流路１６へと導かれ、エンジンの吸気管側へ供給される。また、低流量運転時には、羽根車１２のすべての領域における圧力が空気循環通路２０内の圧力よりも高くなり、羽根１２ａを通過する空気の一部は空気循環流路２０内、すなわち第１の開口部２１から連通流路２３、第２の開口部２２を通る空気流Ａとなる。

一方、吸入口１３から入ってくる空気Ｂは、空気流Ａと合流し第１の開口部２１方向へ流れる空気流となる。したがって、空気循環通路２０に矢印Ａで示す循環流が発生する。この循環流Ａにより、圧縮機のサージング領域に入るような低流量容量の運転状況においても、サージング領域に入らないようにすることができる。

本実施形態の遠心圧縮機１０にあっては、シュラウド壁１４における連通流路２３の内周側壁部２４の、該連通流路２３側の一部を内筒部材２６によって形成しているので、シュラウド壁１４を製造する際、空気循環通路２０（連通流路２３）を形成する部位については、連通流路２３に対応する空洞に加えて内筒部材２６を組み込む部分も空洞に形成することができる。したがって、これら空洞を合わせて比較的大きな空洞部（連通流路部３４）を形成すればよいため、対応する中子を比較的厚くすることができ、したがって鋳造法を無理なく採用することができる。よって、比較的安価な鋳造法でシュラウド壁１４の空気循環通路２０を形成する部位を製造することができるため、製造コストの低減化を図ることができる。

また、内筒部材２６を、前記連通流路２３の内周側壁部２４の残部２４ａに圧入によって保持させ、固定しているので、連通流路２３の形成が極めて容易になり、したがって製造コストの低減化を図ることができる。
また、インサートリング３０に、第２の開口部２２内及び連通流路２３内に配置されるフィン３３を設けているので、フィン３３によって空気循環流路２０を流れる空気を所望の方向に旋回する旋回流となるように整流することができる。

なお、前記実施形態では、インサートリング３０として、リング本体３２とフィン３３とが一体に形成されたものを用いたが、前記実施形態においては、フィン３３を有することなく、リング本体３２のみによってインサートリング３０を形成してもよい。

また、前記実施形態のようにリング本体３２とフィン３３とが一体に形成されたインサートリング３０を用いた場合、内筒部材２６については、図６に示すようにインサートリング３０に一体的に保持されていてもよい。
図６において内筒部材２６は、略Ｌ形状に形成された複数のフィン３３の、第１フィン３３ａの先端縁３６ａ上で、かつ第２フィン３３ｂの内周縁３６ｂ間に嵌め込まれ、ここに一体的に保持されている。または、内筒部材２６とインサートリング３０とは、予め一体化した単一部品として作製されていてもよい。

このように構成すれば、内筒部材２６とインサートリング３０とを単一部品として扱うことができ、したがって遠心圧縮機１０の部品点数を見掛け上、あるいは実際に減らすことができる。また、内筒部材２６をインサートリング３０に一体的に保持させるので、前記第１実施形態のように、内筒部材２６に段差部２８を形成して内筒部材２６の位置決めや圧入を行う必要がなくなり、したがって内筒部材２６の加工やこの圧入に要する工程を省略することができる。よって、製造コストの低減化を図ることができる。

図７は、本発明に係る遠心圧縮機の第２実施形態の要部拡大断面図である。図７に示した遠心圧縮機４０が図２に示した遠心圧縮機１０と主に異なるところは、図２に示した遠心圧縮機１０では、シュラウド壁１４における連通流路２３の内周側壁部２４の一部を内筒部材２６で形成していたのに対し、図７に示した遠心圧縮機４０では、シュラウド壁４１における連通流路２３の内周側壁部全体を内筒部材４２で形成している点である。

すなわち、本実施形態では、図７に示したように連通流路２３の内周側壁部全体を内筒部材４２で形成し、さらに、この内筒部材４２を図６に示した例のようにインサートリング３０に保持させている。このように構成することで、内筒部材４２からなる内周側壁部２４は、第１実施形態と異なり、その全体がインサートリング３０を介してシュラウド壁４１に保持固定される。

したがって、第１実施形態では連通流路２３の第１の開口部２１側にリブ２５を形成していたのに対し、本実施形態では、リブ２５の形成を省略することができる。また、リブ２５を形成しないため、内筒部材４２についても、リブ２５に係合する切欠（２７）の形成を省略することができる。

このような構成からなる遠心圧縮機４０のシュラウド壁４１を製造するには、鋳造法によってさらに容易に行うことができる。すなわち、図５に示す内周側壁部に対応する箇所について、連通流路部３４だけでなく、図５中Ｃ−Ｃ線で示す矢印側を、さらに空洞部として形成することができる。その際、リブ２５の形成も省略することができる。したがって、中子の形状を単純にし、かつ、第１実施形態の場合よりもさらに大きくすることができる。もしくは、中子を不要にすることができる。

このようにして鋳造を行ったら、形成した空洞部に別に用意した内筒部材４２を保持するインサートリング３０を取り付け、ボルト３１でシュラウド壁４１に固定する。その際内筒部材４２を、その先端面がシュラウド壁４１と所定の隙間をあけて離間するように配置する。これにより、シュラウド壁４１と内筒部材４２の先端面との間に、第１の開口部２１を形成することができる。したがって、内筒部材４２を保持するインサートリング３０を取り付けることにより、第１の開口部２１、連通流路２３、第２の開口部２２を同時に形成し、空気循環流路２０を形成するとともに、吸入口１３も形成することができる。

本実施形態の遠心圧縮機４０にあっては、シュラウド壁４１における連通流路２３の内周側壁部全体を、内筒部材４２で形成するとともに、この内筒部材４２をインサートリング３０に保持させているので、リブ２５の形成や第１の開口部２１の加工を省略することができる。また、中子の形状を単純にし、かつ、大きくすることができる、もしくは、中子を不要にすることができるため、鋳造法によるシュラウド壁４１の製造をより容易にすることができる。よって、製造コストのさらなる低減化を図ることができる。

なお、前記内筒部材４２を保持したインサートリング３０についても、図６に示した例と同様に、内筒部材４２がインサートリング３０のフィン３３に保持された形態としてもよく、あるいは、内筒部材４２とインサートリング３０とが予め一体化した単一部品として作製されていてもよい。

以上、図面を参照して本発明の実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されないのはもちろんであり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
例えば、前記実施形態では、内筒部材２６（４２）をインサートリング３０に保持させる形態として、フィン３３に嵌合させることで保持固定させているが、フィン３３が無い場合には、内筒部材２６（４２）をネジ止めすることなどによってリング本体３２に保持固定させてもよい。

また、前記実施形態の遠心圧縮機は、過給機の圧縮部として適用することができる。すなわち、一般に過給機は、内燃機関から排出される燃焼ガスの流動エネルギーを回転駆動力に変換するタービン部と、該タービン部に回転軸を介して接続されて、該タービン部の回転駆動力により駆動され気体を圧縮して前記内燃機関に供給する圧縮部と、を備えて構成される。このような過給機における圧縮部として、前記実施形態に示した遠心圧縮機を備えることにより、この過給機も、製造コストの低減化が図られた優れたものとなる。

１０…遠心圧縮機、１１…ハウジング、１２…羽根車、１３…吸入口、１４…シュラウド壁、１７…回転軸、１９…シュラウド部、２０…空気循環通路、２１…第１の開口部、２２…第２の開口部、２３…連通通路、２４…内周側壁部、２４ａ…残部、２５…リブ、２６…内筒部材、３０…インサートリング、３３…フィン、３４…連通流路部、３５…内周側壁部、４０…遠心圧縮機、４１…シュラウド壁、４２…内筒部材

Claims

回転可能に軸支された羽根車と、該羽根車の周囲から上流側に延設されて吸入口を形成するシュラウド壁と、を有する遠心圧縮機であって、
前記シュラウド壁には、前記羽根車と対向する部位に設けられた第１の開口部と、前記羽根車の設置位置より上流側の前記吸入口の外周部に設けられた第２の開口部と、該第１の開口部と第２の開口部とを連通させる連通流路と、を有する空気循環通路が設けられ、
前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部の、少なくとも該連通流路側の一部が、内筒部材によって形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
前記内筒部材は、前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部の、該連通流路側の一部を形成するとともに、該連通流路の内周側壁部の残部に保持されていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
前記シュラウド壁の前記吸入口側には、該吸入口の外周部に取り付けられることで前記空気循環通路の第２の開口部を形成するインサートリングが取り付けられ、
前記内筒部材は、前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部の、該連通流路側の一部を形成するとともに、前記インサートリングに保持されていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
前記シュラウド壁の前記吸入口側には、該吸入口の外周部に取り付けられることで前記空気循環通路の第２の開口部を形成するインサートリングが取り付けられ、
前記内筒部材は、前記シュラウド壁における前記連通流路の内周側壁部全体を形成するとともに、前記インサートリングに保持されていることを特徴とする請求項１記載の遠心圧縮機。
前記インサートリングには、前記第２の開口部内及び前記連通流路内に配置されるフィンが設けられていることを特徴とする請求項３又は４に記載の遠心圧縮機。
内燃機関から排出される燃焼ガスの流動エネルギーを回転駆動力に変換するタービン部と、該タービン部の回転駆動力により駆動され気体を圧縮して前記内燃機関に供給する圧縮部とを備える過給機であって、
前記圧縮部として、請求項１〜５のいずれか一項に記載の遠心圧縮機を備えることを特徴とする過給機。