JP2015503703A - シャフトにインペラを接続するためのコネクターを有するターボチャージャ - Google Patents

Abstract

インペラ（１）をシャフト（２）に接続するためのコネクター（３）が提供される。インペラは、中心凹部が設けられたシャフト側のハブ伸長部（Ｈ）を有する。インペラは、シャフトの材料よりも大きい熱膨張係数を有する材料から成る。コネクターが、凹部に挿入され、ハブ伸長部の半径方向の内面にコネクターの外側に向いた面（１４）が摩擦接続する。コネクターがネジ山を持つネジ部（１１）を有し、これが、シャフトの対応のネジ部（７）に螺合し、コネクターが、インペラとシャフト間に回転固定の接続を提供する。コネクターは、シャフトの材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を持つ材料から成る。

Description

本発明は、シャフトにインペラを接続するためのコネクターに関し、排他的ではないものの、より端的には、ターボチャージャのインペラをターボチャージャのシャフトに接続するためのコネクターに関する。

ターボチャージャインペラは、典型的にはアルミニウム合金から成り、商業的に許容されるコストにて合理的強度で低回転慣性を提供する。鋼鉄のターボチャージャシャフトへのインペラの取り付けは、様々な方法で達成される。例えば、アルミニウムの相対的な弱さとシャフトの小径のため、一つのオプションでは、シャフトに螺合可能であるネジ山が設けられたソケットを含む鋼鉄製の挿入物がインペラに設けられる。この構成は、シャフトがアルミニウム本体に直接螺入される際の連結よりも高トルクを得ることができる（ジョイントを介して伝達する動力にトルクが比例し、そのために直接のネジ接続がある場合よりも高い圧力比でインペラを用いることができる）。
典型的には、そのような挿入物がインペラ内に焼嵌め（shrink fitting）により適合される；インペラのアルミニウム本体が加熱され、鋼鉄製の挿入物を受け入れる穴が拡大し、他方、挿入物が、穴に挿入される前、例えば液体窒素を用いて冷却される。結果として得られる干渉接続が、材料特性に影響が出るまでのアルミニウムを加熱できる温度、及び鋼鉄を冷却できる温度により制限される。

説明した構成は申し分無く動作できるが、レストから全負荷へのターボチャージャのサイクル過程で問題が生じ得る。ターボチャージャが回転を開始し、ジョイントが遠心力を受け、これによりアルミニウムが鋼鉄製の挿入物から外側へ離れるように伸びる。これにより挿入物とインペラ間の干渉力が減じられ、また設計制約のため、この減少が挿入物の他端よりも一端で大きい傾向があることが分かった。その結果、挿入物は、その端部の他方よりも一方でより強固にグリップされる。次に、ターボチャージャが熱くなり始め、アルミニウム合金と鋼鉄間の異なる熱膨張係数のため、アルミニウムが鋼鉄よりも軸方向に伸び、インペラが挿入物を依然として強固にグリップする場所を除いて、お互いに対する両金属の摺動が生じる。シャットダウンの際、遠心性ストレスが除去されるが、ターボチャージャが冷えるため、数分間、熱ストレスが残存するこのプロセスにおいては、挿入物上のインペラのグリップ箇所が一端から他端へ移り、ターボチャージャが冷えるためにインペラに沿って挿入物が「歩行」する。

ある非常に周期的な条件（例えば、高い周囲温度の高速フェリー用途）においては、ターボチャージャに故障が生じるまでインペラに沿って挿入物が遠くまで動き得ると観察されている。構成部品間の初期の干渉を高めることによって影響をある程度は緩和できるが、上述の理由のためにこの解決手法が制限され、従って、挿入物の一端から他端へのシフトではなく、動作サイクル過程で同じ場所にグリップ箇所が留まることを確実にする設計を達成することが望ましい。

それ故、欧州特許出願公開第１３９４３８７号明細書が、アルミニウムインペラと挿入物間の摩擦接触を増強する外側の鋼鉄性製の拘束リングを提案する。リングは、ターボチャージャが熱くなるに応じてインペラ本体と同程度で膨張しないため、インペラと挿入物間のグリップ箇所が、ターボチャージャの全動作サイクル過程でリングの軸方向の範囲内に残り、これにより、インペラが挿入物に沿って「歩行」する傾向が妨げられる。結果として、拘束リングを持たない従来のターボチャージャと比較してターボチャージャの動作寿命が相当に延長される。

しかしながら、そのようなジョイントの組立はやや複雑である。まず、挿入物とインペラ穴が厳しい公差で製造される。次に、典型的には、挿入物が冷却され、インペラが加熱され、そして挿入物が、インペラのハブ伸長部のインペラ穴内に配置される。挿入物が温まり、インペラが冷えるため、焼嵌めジョイントが形成されるが、インペラの非軸対称形状のため、幾らかの歪みがインペラに生じる。従って、一般的には、インペラハブ伸長部の外面を軸対称になるまで研磨しなければならず、これにより拘束リングとの外側の連結が適切になる。次に、追加のリングが挿入物のフランジ部上に焼嵌めされてインペラから拘束リングが外れることが阻止され得る。

欧州特許出願公開第１３９４３８７号明細書

より簡単に実装できるものであるが、高トルクを伝達することができ、またインペラの「歩行」の傾向を妨げる若しくは低減できるインペラとシャフト間の接続を提供することが望ましい。

従って、本発明は、第１側面において、インペラをシャフトに接続するための、特にターボチャージャのインペラをターボチャージャのシャフトに接続するためのコネクターを提供する。インペラは、中心凹部が設けられたシャフト側のハブ伸長部を有し、インペラは、シャフトの材料よりも大きい熱膨張係数を有する材料から形成される。コネクターが、凹部に挿入され、ハブ伸長部の半径方向の内面とコネクターの外側に向いた面が摩擦接続する；当該コネクターが、シャフトの対応のネジ部に螺合するネジ山を持つネジ部を有し、当該コネクターが、インペラ及びシャフト間に回転固定の接続を提供する；及び当該コネクターが、シャフトの材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材料で形成される。

コネクターをそのような熱膨張係数の材料で形成することにより、インペラの「歩行」を促す差分の熱的力を低減でき、これによりジョイントのトルク容量が維持しつつインペラの「歩行」の傾向が低減される。加えて、欧州特許出願公開第１３９４３８７号明細書に記載の種類の制約リングをハブ伸長部に嵌合することが通常は不要であるため、コネクターの嵌合後のハブ伸長部の研磨を避けることができる。

本発明の第２の側面が、中心凹部が設けられたシャフト側のハブ伸長部を有し、また第１側面に係るコネクターが嵌合されたインペラを提供する。コネクターは、ハブ伸長部の半径方向の内面に対して外側に向いた面で摩擦接続される。

本発明の第３側面が、第２側面のコネクターが嵌合されたインペラを提供する。インペラが、対応のネジ部を有するシャフトに接続され、コネクターのネジ部のネジ山が、シャフトの対応のネジ部に螺合される。

本発明の第４側面が、接続された第３側面のインペラとシャフトを有するターボチャージャを提供する。

本発明のオプションの特徴が提示される。これらは、単独で若しくは本発明の任意の側面の任意の組み合わせにおいて適用可能である。

中心凹部がめくら穴（つまり、底面を有する）である。従って、インペラが、インペラの一方から他方へ延びる貫通孔を有しない。

コネクターの外側に向いた面が、略円筒形状である。外側に向いた面と摩擦接続するインペラのシャフト側のハブ伸長部の半径方向の内面が、対応して略円筒である。

コネクターとハブ伸長部間の摩擦接続が、例えば、圧入若しくは焼嵌めにより達成可能である。特には、コネクター材料が従来のコネクターのものよりも大きい熱膨張係数を有するため、焼嵌めを用いてインペラとのより堅い干渉を生成することができ、他方、嵌合過程のコネクターが冷却され、またインペラが加熱される温度を維持することができる。

（外側に向いた面とネジ部を提供する）コネクターは、一体の本体として形成可能である。

回転固定の接続を提供するため、ネジ山が、例えば、テーパー付けられた、緩まないロッキング（positive locking）であり得る。しかしながら、別のオプションは、コネクターが接合面（例えば、フランジ部により提供される）を有し、ネジ山部分が一緒に螺合される時、これがシャフトの対応の接合面（例えば、肩により提供される）に係合し、これにより、ネジ山が締められて回動固定の接続が提供される。

コネクターのネジ部が持つネジ山が、コネクターに嵌合される螺旋構造により保護され得る。コネクターの材料がシャフトの材料よりも弱いならば、螺旋構造が、コネクターのネジ山への損傷を阻止することができる。

コネクターのネジ部が中心凹部内にあり得る。この場合には、軸方向にコンパクトな組立が達成される。

好ましくは、コネクターの外側に向いた面とハブ伸長部の半径方向の内面の間の摩擦接続が、使用に際してシャフト及びインペラ間で実質的に全てのトルクを伝達する。

コネクターは、インペラの材料よりも高強度の材料で形成され得る。コネクターは、インペラの材料よりも低い熱膨張係数の材料で形成され得る。例えば、シャフトが鋼鉄（例えば、高強度鋼鉄）で形成可能であり、これは典型的には約１１×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有し、またインペラがアルミニウム合金から形成可能であり、これは典型的には約２２．７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有する。好ましくは、コネクターが、シャフトとのかじり（galling）に耐性がある材料で形成される。コネクターは、例えば、マグネシウム合金、青銅、真鍮又はステンレス鋼で形成可能である。一般的には、インペラのものに等しい又は近いコネクターの熱膨張係数の値が、インペラに「歩行」を促す差分の熱的力を低減するために選ばれる。従って、好ましくは、（α_c−α_s）/（α_i−α_s）の値が０．２よりも大きく、またより好ましくは、０．３又は０．４よりも大きく、ここで、α_cがコネクターの熱膨張係数であり、α_iがインペラの熱膨張係数であり、またα_sがシャフトの熱膨張係数である。しかしながら、シャフトのものよりも十分に大きいコネクターの熱膨張係数のリスクが、結果の高温でのシャフトの伸長がシャフトの破損に繋がり得ることにある。従って、少なくともインペラ及びシャフトの典型的な材料（例えば、各々についてアルミニウム合金及び鋼鉄）については、好ましくは、（α_c−α_s）/（α_i−α_s）の値が、０．９未満であり、より好ましくは０．８又は０．７未満である。しかしながら、これは、（α_c−α_s）/（α_i−α_s）の値が１以上であることを排除するものではない。端的には、（α_i−α_s）の値が減じられれば、（α_c−α_s）/（α_i−α_s）の高い値がシャフト破損のリスク無しで適用可能である。従って、一つのオプションが、炭化ケイ素の量に依存して典型的には１４〜１７×１０^-6／Ｋの範囲の熱膨張係数を有する強化炭化ケイ素アルミニウム合金といった相対的な低い熱膨張係数を有する材料でインペラを形成する。そのような場合、コネクターの相対的な高い熱膨張係数が、インペラの「歩行」の傾向を低減できるばかりか、コネクターとハブ伸長部の間の焼嵌めされた摩擦接続の産出を補助することもできる。

コネクター及び／又はインペラが、シャフトの１以上の対応のセンタリング部に係合する係合面を有する１以上のセンタリング部を有し、コネクターのネジ部及びコネクター及び／又はインペラのセンタリング部が、インペラ軸に沿って配される。コネクターのネジ山面及びコネクター及び／又はインペラの係合面が半径方向内側に向くことができ、シャフトに沿う係合面及びネジ山の各径がインペラに向かって減少できる。

一般的には、インペラがケースを有し、コネクター及び／又はハブ伸長部が、ケースの区分とシールを形成することができる。例えば、シールが封止リングを含むことができ、これがケース区分に保持され、またこれがコネクター及び／又はハブ伸長部の外面に形成された対応の周リセスにより受容される。封止リングが、その半径方向内面に１以上の環状溝を有し、リセスが、その溝に受容される対応の周リブを有する。別のオプションは、シールがラビリンスシールを含み、ケース区分及びコネクター及び／又はハブ伸長部の対向面上の構造がラビリンスを形成する。

該コネクターが、その半径方向の外面にオイル切り周構造が形成され若しくはオイル切り周構造を持つ。

本発明の更なるオプションの特徴が以下に説明される。

本発明の実施形態が、添付図面を参照して例示のために記述される。
図１は、本発明の実施形態に係るコネクターによりシャフトに接合されたターボチャージャインペラの断側面図である。 図２は、図１のインペラのケースの区分とインペラのハブ伸長部間のシールの拡大概略図である。 図３は、コネクターの更なる実施形態のスリーブ部分とインペラのケースの区分間のシールの拡大概略図である。 図４は、コネクターの更なる実施形態の断側面図を概略的に示す。

まず図１を参照すると、アルミニウム合金インペラ１が、コネクター３によって鋼鉄のターボチャージャシャフト２に取り付けられる。インペラを成す合金（米国では名称「２６１８Ａ」で知られている）が、約２００℃の温度までの使用のために相対的に高い強度を有し、約２．５ｗｔ％の銅及びより少量のマグネシウム、鉄及びニッケルを含むアルミニウムの組成を有する。

インペラ１の合金が約２２．７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有し、シャフト２の鋼鉄が約１１×１０^-6／Ｋの熱膨張係数を有する。コネクター３の材料は、好ましくは、（α_c−α_s）/（α_i−α_s）の値が０．２よりも大きく、より好ましくは０．３又は０．４よりも大きい熱膨張係数を有する。例えば、コネクター３が、マグネシウム合金（約２６×１０^-6／Ｋの熱膨張係数）、青銅（典型的には、約１８×１０^-6／Ｋの熱膨張係数、但し、マンガン青銅については２０〜２１×１０^-6／Ｋに達する）、真鍮（約１８．７×１０^-6／Ｋの熱膨張係数）又はステンレス鋼（１６〜１７．３×１０^-6／Ｋの範囲の熱膨張係数）から成り得る。そのような合金は、またシャフト２の鋼鉄とのかじりに耐性があり得る。

コネクター３がカップ状の形状であり、インペラ１に接続するための外面１４、カップの基部を形成するネジ穴１１を有するネジ部１２、及びカップの口の周囲のフランジ部８を有する。

シャフト２は、その端部に、円柱状のセンタリング部５を周囲する第１肩４、及びセンタリング部の端部から延びる更に減じられた直径のスクリューネジ部７が形成される。コネクター３がハブ伸長部Ｈに形成されためくら穴の中心凹部内に挿入され、コネクター３の外面１４がハブ伸長部Ｈの半径方向の内面に摩擦接続される。コネクター３のフランジ部８がシャフト側のハブ伸長部Ｈの端面９に対して係合し、コネクター３とハブ伸長部Ｈの相対的な軸方向位置が決定される。フランジ部８は、その他の面にてシャフト２の肩４に係合される。シャフトのセンタリング部５が、窮屈（tight fit）ではないがぴったりとして（close fit）コネクターの対応のセンタリング部１０に受容される。ネジ穴１１がシャフトのスクリューネジ部７に係合する。ネジ部１２が、凹部の底から小さいクリアランスを有する。

コネクター３が冷却により収縮し、またインペラの加熱によりハブ伸長部Ｈが膨張することによりコネクター３がハブ伸長部Ｈに嵌合し、ハブ伸長部Ｈの中心凹部へコネクター３が挿入され、フランジ部８がハブ伸長部Ｈの端面９に接触するに至る。それらが熱的な変動から復帰する際、コネクター３とハブ伸長部Ｈが、コネクター３の外面１４とハブ伸長部Ｈの半径方向の内面に亘り摩擦でグリップする。外面１４が、ハブ伸長部Ｈの軸方向の長さの大半に亘り延び、従ってそこに摩擦接触する。

フランジ部８の外径にはオイル捕獲／切りリングＲが設けられ、本発明のこの実施形態においては、フランジ部８内に機械仕上げされる。しかしながら、別オプションでは、リングＲを別部材で形成する。

図２により良く示すように、インペラケースの区分１５とハブ伸長部Ｈの外面が近接しており、インペラ１とケース間のオイル循環及び圧力シールを提供するのを助ける。シール性を向上するため、ハブ伸長部Ｈがその外面にリセス１３を有し、このリセス１３は、コネクターの第１構成要素のフランジ部８により一端で縁取られ、またケース区分１５に連行される封止リング１６を受容する。封止リング１６とハブ伸長部Ｈ間のかじりを低減するため、ケース区分１５が、封止リング１６のシャフト側（図１の右側）に小さい接合面２０を有し、これに対して封止リング１６が寄りかかる。改良された封止を提供するため、欧州特許出願公開第１１３０２２０号明細書に記述のように、封止リング１６が、その半径方向内面に環状の溝１８を有し、リセスが溝に受容される対応の周リブ１７を有する。しかしながら、代替としては、封止リングが平坦なリング（つまり、溝がない）であり、平坦なリセス（つまり、リブがない）内に受容される。封止リング１６がケース区分１５と協働してアセンブリのシャフト側へ注油されるオイル及びアセンブリのインペラ側（図１の左側）への圧縮空気を保持するように寄与する。圧縮空気が、インペラ１の本体、封止リング１６が設けられたハブ伸長部Ｈ、及び（不図示の）片持ちベアリング（overhung bearings）での回動のためにインペラアセンブリが実装されるインペラケース間に閉じ込められる。

コネクター３がハブ伸長部Ｈに嵌合した後、シャフト２のスクリューネジ部７がコネクター３のネジ部１２に螺合され、個別のセンタリング部５、１０が、インペラの軸にシャフトが整合することを保証する。ネジ山が締められ、フランジ部８と肩４の対向面が接合するに至り、これによりネジ山が締結されてインペラ１とシャフト２間の回動固定の接続が提供される。

有利には、コネクター３を中間の熱膨張係数を有する材料で形成することにより、シャフトの熱膨張係数と同一の熱膨張係数を有する材料で形成されたコネクターと比較して、コネクター３とインペラ１間の摩擦接続に亘って作用する差分の熱的力が減じられる。このようにしてインペラが「歩行」する傾向も減じられ、これによりインペラがより高いトルクで駆動され、従ってインペラの最大圧力比が高められる。加えて、ハブ伸長部Ｈの中心凹部にてコネクター３とシャフト２の間のネジ接続を含めることで軸方向にコンパクトな組立が達成される。コネクター３とインペラ間の摩擦接続が、使用において、シャフト２とインペラ１間で実質的に全てのトルクを伝達する。更には、欧州特許出願公開第１３９４３８７号明細書に記述の種類の制約リングをハブ伸長部Ｈに嵌合する必要がなく、コネクター３の嵌合過程において研磨工程（regrinding operations）を回避することができる。

インペラ１が「歩行」する傾向があるならば、有利には、これが、フランジ部８と端面９の間で広がるだろうギャップのサイズの測定によりモニターされる。この理由から、フランジ部８と端面９が、コネクター３及びハブ伸長部Ｈの相対的な軸方向位置を定めることが望ましい。互いに接合し、これにより相対的な軸方向位置を定めることができるように構成可能である対向の特徴の代替の組み合わせ（例えば、ネジ部１２と凹部の底面）は、検査処理され難い。

図３は、コネクター３の更なる実施形態のインペラのケースの区分とフランジ部８の間のシールの拡大概略図である。この場合、封止リングにより形成されたシールの代わりに、一方側のハブ伸長部Ｈとフランジ部８と他方側のケース区分１５が、一連の切削溝が個別に設けられた係合面１９を有し、それらが噛み合ってラビリンスシールを形成する。

図４は、コネクターの更なる実施形態の断側面図を概略的に示す。この実施形態は、シャフト２が２つのセンタリング部５ａ、５ｂを有し、コネクターが対応のセンタリング部１０ａ、１０ｂを有する点を除いて、図１の実施形態と同様である。シャフト２とコネクターのネジ部７、１２が、係合した組み合わせのセンタリング部の軸方向の間に設けられ、シャフトとコネクターの各々において、ネジ部とセンタリング部の各直径がインペラに向かって減少する。図１の実施形態に対する更なる相違は、ネジ山がテーパー付けられ、ただネジ部７、１２を締結することによりインペラ１とシャフト２間の回転固定の接続に帰結する。

上述の例示の実施形態と併せて本発明を記述したが、多くの均等な修正又は変更が、この開示により当業者には明白になるであろう。例えば、シャフトが凹部の基部に配されるセンタリング部５ｂを有する図４の実施形態といった実施形態においては、センタリング部１０ｂを有するコネクターの代わりに、インペラは、シャフトのセンタリング部５ｂに係合するセンタリング部を凹部の基部に有し得る。別例においては、コネクター３のネジ部１２が持つネジ山が、螺旋構造によって保護され、シャフト１の強材料からコネクター３のネジ山への損傷が阻止される。従って、上述の本発明の例示の実施形態が、例示であり限定ではないものと理解される。

記述の実施形態に対する様々な変更が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく為され得る。

上述した全文献が、参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (13)

1. インペラ（１）をシャフト（２）に接続するためのコネクター（３）にして、前記インペラは、中心凹部が設けられたシャフト側のハブ伸長部（Ｈ）を有し、前記インペラは、前記シャフトの材料よりも大きい熱膨張係数を有する材料で形成される、コネクターであって、
   当該コネクターが前記中心凹部に挿入され、前記ハブ伸長部の半径方向の内面と前記コネクターの外側に向いた面（１４）が摩擦接続する；
   当該コネクターが、前記シャフトの対応のネジ部（７）に螺合するネジ山を持つネジ部（１２）を有し、当該コネクターが、前記インペラ及び前記シャフト間に回転固定の接続を提供する；及び
   当該コネクターが、前記シャフトの材料の熱膨張係数よりも大きい熱膨張係数を有する材料で形成される、コネクター。
2. 前記中心凹部がめくら穴である、請求項１に記載のコネクター。
3. （α_c−α_s）／（α_i−α_s）の値が０．２よりも大きく、ここで、α_cが前記コネクターの熱膨張係数であり、α_iが前記インペラの熱膨張係数であり、及びα_sが前記シャフトの熱膨張係数である、請求項１又は２に記載のコネクター。
4. （α_c−α_s）／（α_i−α_s）の値が１以上である、請求項３に記載のコネクター。
5. 当該コネクターが、前記インペラの材料よりも高強度の材料で形成される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコネクター。
6. 前記コネクターの前記外側に向いた面と前記ハブ伸長部の前記半径方向の内面の間の摩擦接続が、使用に際して前記シャフト及び前記インペラ間で実質的に全てのトルクを伝達する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のコネクター。
7. 前記コネクターの前記ネジ部が前記中心凹部内にある、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のコネクター。
8. 前記コネクター及び／又は前記インペラが、前記シャフトの１以上の対応のセンタリング部（５；５ａ、５ｂ）に係合する係合面を有する１以上のセンタリング部（１０；１０ａ、１０ｂ）を有し、前記コネクターの前記ネジ部及び前記コネクター及び／又は前記インペラの前記センタリング部がインペラ軸に沿って配される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のコネクター。
9. 前記インペラがケースを有し、前記コネクター及び／又は前記ハブ伸長部が、前記ケースの区分（１５）とシールを形成する、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のコネクター。
10. 当該コネクターが、その半径方向の外面にオイル切り周構造（Ｒ）が形成され若しくはオイル切り周構造（Ｒ）を持つ、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のコネクター。
11. 中心凹部が設けられたシャフト側のハブ伸長部を有し、また請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のコネクターが嵌合したインペラであって、前記コネクターが、前記ハブ伸長部の半径方向の内面に対して外側に向いた面で摩擦接続される、インペラ。
12. 当該インペラが、対応のネジ部を有するシャフトに接続され、前記コネクターの前記ネジ部のネジ山が、前記シャフトの前記対応のネジ部に螺合される、請求項１１に記載のコネクターが嵌合されたインペラ。
13. 請求項１２に記載の接続されたインペラとシャフトを有するターボチャージャ。

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