JP2016035247A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】羽根と側板との接合面積を広くすることにより、羽根と側板との接合状態が悪化することを抑えることのできる遠心圧縮機を提供する。【解決手段】コンプレッサ１０は、複数の大羽根２２ａと、大羽根２２ａの回転半径方向外側を覆う側板２３とが接合されているクローズドタイプのインペラ２０を備えている。大羽根２２ａと側板２３とは、側板２３の内周面側から大羽根２２ａの根元に向かって延びるとともに大羽根２２ａの側面形状に沿った形状を有して大羽根２２ａの側面に接合される接合部３２を介して接合する。【選択図】図１

Description

本発明は、クローズドタイプのインペラを備える遠心圧縮機に関するものである。

従来、空気などの流体を圧送するインペラがハウジングの内部に設けられた遠心圧縮機が知られている。
例えば特許文献１や特許文献２には、複数の羽根とそれら羽根の回転半径方向外側を覆う側板（シュラウド）とが接合されているクローズドタイプのインペラを備える遠心圧縮機が開示されている。こうしたクローズドタイプのインペラを備える遠心圧縮機では、回転する羽根とハウジング内周面との間から流体が漏れ出ることを抑えることができるため、運転効率が向上するようになる。

図８に示すように、特許文献１に記載のインペラは、側板１２３の内周面に羽根１２２の対向面１２２ａをロウ付けすることにより、羽根１２２と側板１２３とを接合するようにしている。

また、図９に示すように、特許文献２に記載のインペラは、側板２２３の内周面に羽根１２２の対向面１２２ａを食い込ませて接合することにより、羽根１２２と側板２２３とを接合するようにしている。

特開２００３−２４０５７号公報 特開２０１３−２４０５８号公報（第１１図）

先の図８に二点鎖線にて示すように、インペラの回転中は遠心力によって羽根が倒れ込むように変形し、そうした変形に起因して生じる応力が羽根と側板との接合箇所に作用する。

ここで、先の図８に示したように、側板１２３の内周面に羽根１２２の対向面１２２ａを接合する場合には、羽根１２２の回転方向における対向面１２２ａの長さが羽根１２２の厚さ分しかない。そのため、羽根１２２と側板１２３との接合箇所において広い接合面積を確保することは困難であり、同接合箇所に対して応力が集中的に作用し、羽根１２２と側板１２３との接合状態が悪化するおそれがある。

なお、先の図９に示したように、側板２２３の内周面に羽根１２２の対向面１２２ａを食い込ませて接合する場合には、羽根１２２の対向面１２２ａだけではなく、対向面１２２ａ近傍の羽根１２２の側面も側板２２３と接合するようになる。そのため、羽根１２２と側板１２３とが羽根１２２の対向面１２２ａだけで接合する場合と比較して、接合面積を広くすることができる。しかし、このようにして側板２２３の内周面に羽根１２２の対向面１２２ａを食い込ませて接合する場合、その食い込み量は最大でも側板２２３の厚さｔまでとなるため、それほど広い接合面積を確保できるわけではない。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、羽根と側板との接合面積を広くすることにより、羽根と側板との接合状態が悪化することを抑えることのできる遠心圧縮機を提供することにある。

上記課題を達成する遠心圧縮機は、複数の羽根と、それら羽根の回転半径方向外側を覆う側板とが接合されているクローズドタイプのインペラを備えている。そして、側板の内周面側から羽根の根元に向かって延びるとともに羽根の側面形状に沿った形状を有して羽根の側面に接合される接合部によって羽根と側板とが接合されている。

同構成によれば、羽根と側板との接合は、側板の内周面側から羽根の根元に向かって延びるとともに羽根の側面形状に沿った形状を有する接合部を介して行われるため、上述した従来の技術に比べて羽根と側板との接合面積が広くなる。そのため、羽根と側板との接合箇所において応力は分散しやすくなり、これにより応力集中による羽根と側板との接合状態の悪化を抑えることができるようになる。

一実施形態における遠心圧縮機が適用されるターボチャージャの回転軸方向における部分断面図。 図１の矢印２方向から見たインペラの平面図。 図１の３−３線に沿った断面の形状を直線状に展開した図であって、ブリッジ部材の配設態様を示す模式図。 他の実施形態におけるブリッジ部材の配設態様を示す模式図。 他の実施形態におけるブリッジ部材の配設態様を示す模式図。 （Ａ）は、他の実施形態におけるブリッジ部材の構造を示す模式図。（Ｂ）は、ブリッジ部材の配設態様を示す模式図。 他の実施形態における羽根と側板との接合態様を示す模式図。 従来の羽根と側板との接合態様を示す模式図。 従来の羽根と側板との接合態様を示す模式図。

以下、遠心圧縮機の一実施形態について説明する。
図１に示すように、遠心圧縮機としてのコンプレッサ１０は、内燃機関の排気エネルギーを利用して過給を行う排気駆動式のターボチャージャの一部を構成している。

周知のように、ターボチャージャにおいて、コンプレッサ１０の反対側には、排気エネルギーによって回転するタービンホイールが内装されたタービンが設けられており、タービンホイールとインペラ２０とは、シャフト１５を介して一体回転可能に連結されている。

コンプレッサ１０のハウジング１１には、円筒状に延びるダクト部１２が形成されている。ダクト部１２は、流体としての空気が流入する通路であり、ダクト部１２の内部には、インペラ２０が配設されている。

インペラ２０は、ハブ２１に一体形成された複数の大羽根２２ａ及び小羽根２２ｂと、それら大羽根２２ａ及び小羽根２２ｂの回転半径方向外側を覆う側板２３（いわゆるシュラウド）とが接合されているクローズドタイプのインペラである。

なお、ハブ２１や大羽根２２ａ及び小羽根２２ｂは周知の構成であるため、その詳細な説明は割愛するが、概要は以下のとおりである。
ハブ２１は、ダクト部１２の開口部側の端面である前端面２１ａと、この前端面２１ａに対してシャフト１５の軸方向における反対側の面であって前端面２１ａよりも径の大きい後端面２１ｂとを有しており、前端面２１ａから後端面２１ｂに向けて徐々に拡径する略円錐形状をなしてシャフト１５と一体回転する。なお、ハブ２１は、アルミニウム合金などの金属材料で形成されているが、他の材料で形成してもよい。

大羽根２２ａ及び小羽根２２ｂは、ハブ２１から突設して一体形成されており、シャフト１５の軸方向に向けて螺旋状に延びている。
大羽根２２ａは、ハブ２１の周方向において等間隔となるように並んでいる。小羽根２２ｂは、ハブ２１の周方向において一対の大羽根２２ａの間に設けられている。また、小羽根２２ｂは、シャフト１５の軸方向における長さが大羽根２２ａよりも短くされている。

図２に示すように、本実施形態では、大羽根２２ａが６枚設けられている。以下では、それら６枚の大羽根２２ａを、便宜上、ハブ２１の周方向における時計回りでの配設順に、第１大羽根２２ａ１、第２大羽根２２ａ２、第３大羽根２２ａ３、第４大羽根２２ａ４、第５大羽根２２ａ５、第６大羽根２２ａ６という。なお、大羽根２２ａの枚数は６枚に限らず、適宜変更することができる。

先の図１や図２に示すように、側板２３は、大羽根２２ａ及び小羽根２２ｂの回転半径方向外側を覆う円筒状の板であり、ハブ２１の前端面２１ａから後端面２１ｂに向かう方向において径方向外側に拡径していくように形成されている。なお、側板２３は、ハブ２１よりも比重の小さい材料、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの樹脂材料で形成されているが、他の材料で形成してもよい。

先の図１に示すように、コンプレッサ１０のハウジング１１の内部には、インペラ２０の回転方向における周方向全周において渦巻状に延びるスクロール通路１３が形成されている。このスクロール通路１３とダクト部１２とは、ディフューザ１４を介してインペラ２０の周方向全周に渡って連通されている。

こうしたターボチャージャでは、内燃機関から排出される排気のエネルギーによってタービンホイールが回転すると、インペラ２０も回転する。このインペラ２０の回転による遠心力の作用によって、ダクト部１２に流入する空気がディフューザ１４に圧送される。そして、圧送された空気は、ディフューザ１４において高圧・低速の流れに変換された後、スクロール通路１３及び吸気通路を通じて内燃機関の燃焼室に送られる。また、インペラ２０は、側板２３を備えるクローズドタイプのインペラであるため、ハブ２１と一体回転する大羽根２２ａや小羽根２２ｂといった各羽根の回転方向外側の端面とハウジング１１の内周面との間から空気が漏れることを抑えることができ、これによりターボチャージャの運転効率が向上する。

次に、図３を併せ参照して、インペラ２０における側板２３の接合構造を説明する。なお、図３は、図１の３−３線に沿った断面の形状を直線状に展開して示しており、実際の断面形状は円状である。

図３に示すように、側板２３は、２つのブリッジ部材３０を介して大羽根２２ａに接合されている。なお、以下では、大羽根２２ａにおいて、ハブ２１から回転半径方向外側に向かって延びる面のことを大羽根２２ａの「側面」という。

ブリッジ部材３０は、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの樹脂材料で形成されているが、他の材料で形成してもよい。このブリッジ部材３０は、ハブ２１の周方向に延びて側板２３の内周面２３ａに接合される側板固定部３１と、内周面２３ａ側から大羽根２２ａの根元側に向かって延びるとともに大羽根２２ａの側面形状に沿った形状を有する板状の接合部３２とが一体形成されて構成されている。先の図１に二点鎖線にて示すように、接合部３２は、大羽根２２ａの側面の大部分に接合するようにその形状が形作られている。

先の図３に示すように、接合部３２は、側板固定部３１においてハブ２１の周方向における両端部からそれぞれ大羽根２２ａの根元に向かって延びるように形成されている。
一対の接合部３２は、第１大羽根２２ａ１及び第３大羽根２２ａ３を挟み込むようにして、それら第１大羽根２２ａ１の側面及び第３大羽根２２ａ３の側面にそれぞれ接合されている。

同様に、第４大羽根２２ａ４及び第６大羽根２２ａ６も、ブリッジ部材３０に形成された一対の接合部３２によって挟み込まれており、それら第４大羽根２２ａ４の側面及び第６大羽根２２ａ６の側面に各接合部３２がそれぞれ接合されている。

また、大羽根２２ａと側板２３とをブリッジ部材３０で接合する際に、ブリッジ部材３０の側板固定部３１を側板２３に接合した後、ブリッジ部材３０の接合部３２を大羽根２２ａに接合するようにすると、側板２３が接合された状態で各接合部３２を大羽根２２ａの間に入れなければならない。そのため、各接合部３２を大羽根２２ａの間に入れることは難しく、組み付け性が悪くなる。そこで、本実施形態では、ブリッジ部材３０の接合部３２を大羽根２２ａに接合した後、ブリッジ部材３０の側板固定部３１を側板２３に接合するようにしている。この組み付け順序であれば、側板２３が接合されていない状態で各接合部３２を大羽根２２ａの間に入れることができるため、組み付け性の悪化を避けることができる。

なお、本実施形態では、側板２３と側板固定部３１との接合や、大羽根２２ａと接合部３２との接合を、接着剤による接合で行うようにしているが、他の接合方法を適宜採用してもよい。例えば溶着可能な材料で形成されている場合には、溶着による接合を行ってもよい。

次に、本実施形態の作用を説明する。
大羽根２２ａと側板２３との接合は、側板２３の内周面２３ａ側から大羽根２２ａの根元に向かって延びるとともに大羽根２２ａの側面形状に沿った形状を有する接合部３２を介して行われている。そのため、上述した従来の技術に比べて、大羽根２２ａと側板２３との接合面積は十分に広くなる。従って、大羽根２２ａの変形に起因して生じる応力は、大羽根２２ａと側板２３との接合箇所において分散しやすくなり、これにより応力集中による大羽根２２ａと側板２３との接合状態の悪化が抑えられるようになる。

また、このようにして接合面積が広くなるために、大羽根２２ａと側板２３との接合の強度自体も高まるようになる。
また、ブリッジ部材３０において、接合部３２と側板固定部３１とは一体形成されている。従って、側板固定部３１の両端における接合部３２の強度は、側板の内周面と羽根の対向面とをロウ付けなどで接合する従来の技術に比べて高くなる。そのため、側板２３と大羽根２２ａとの接合箇所が応力によって損傷することを抑えることができる。

また、大羽根２２ａの側面は接合部３２によって補強されるため、回転中の大羽根２２ａの変形が抑えられるようになる。従って、大羽根２２ａの変形に起因して生じる応力も小さくなり、これによっても応力集中による大羽根２２ａと側板２３との接合状態の悪化が抑えられる。

また、接合部３２を複数（本実施形態では４個）備えており、各接合部３２は、それぞれ異なる大羽根２２ａの側面に接合されている。そのため、接合部３２を１つのみ備える場合と比較して、大羽根２２ａの側面とこれに接合する接合部３２との接合箇所に作用する応力であって、大羽根２２ａの１つあたりに作用する応力は小さくなり、これによっても応力集中による大羽根２２ａと側板２３との接合状態の悪化が抑えられる。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）大羽根２２ａと側板２３との接合は、側板２３の内周面２３ａ側から大羽根２２ａの根元に向かって延びるとともに大羽根２２ａの側面形状に沿った形状を有する接合部３２を介して行うようにしている。そのため、大羽根２２ａと側板２３との接合面積は十分に広くなり、応力集中による大羽根２２ａと側板２３との接合状態の悪化が抑えられるようになる。

（２）また、このようにして接合面積が広くなるため、大羽根２２ａと側板２３との接合の強度自体も高まるようになる。
（３）ブリッジ部材３０において、接合部３２と側板固定部３１とは一体形成されている。従って、側板２３と大羽根２２ａとの接合箇所が応力によって損傷することを抑えることができる。

（４）大羽根２２ａの側面が接合部３２によって補強されるため、大羽根２２ａの変形に起因して生じる応力も小さくなり、これによっても応力集中による大羽根２２ａと側板２３との接合状態の悪化が抑えられる。

（５）接合部３２を複数（本実施形態では４個）備えており、各接合部３２は、それぞれ異なる大羽根２２ａの側面に接合されている。そのため、大羽根２２ａの１つあたりに作用する応力は小さくなり、これによっても応力集中による大羽根２２ａと側板２３との接合状態の悪化が抑えられるようになる。

（６）側板２３とは別部材のブリッジ部材３０に接合部３２を設けるようにしている。そのため、ブリッジ部材３０の接合部３２を大羽根２２ａに接合した後、ブリッジ部材３０の側板固定部３１を側板２３に接合することが可能になる。従って、大羽根２２ａと側板２３とを組み付ける際の組み付け性の悪化を避けることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・図４に示すように、上記ブリッジ部材３０と同様な構造を有するブリッジ部材４０で隣り合う大羽根２２ａ同士を挟み込むようにしてもよい。このブリッジ部材４０も、上記側板固定部３１に類似した構造を有する側板固定部４１と、上記接合部３２と同様な構造を有する一対の接合部４２とを備えている。この変形例では、第１大羽根２２ａ１及び第２大羽根２２ａ２において互いに対向する側面とは反対側の側面に一対の接合部４２がそれぞれ接合されている。同様に、第３大羽根２２ａ３及び第４大羽根２２ａ４において互いに対向する側面とは反対側の側面に一対の接合部４２がそれぞれ接合されており、第５大羽根２２ａ５及び第６大羽根２２ａ６において互いに対向する側面とは反対側の側面に一対の接合部４２がそれぞれ接合されている。この場合には、側板２３と大羽根２２ａとが、６つの接合部４２を介して接合されるようになるため、４つの接合部３２を介して接合される上記実施形態と比較して、より広い接合面積を確保することができる。

・図５に示すように、上記ブリッジ部材３０と同様な構造を有するブリッジ部材５０で隣り合う大羽根２２ａの対向面同士を接合するようにしてもよい。このブリッジ部材５０も、上記側板固定部３１に類似した構造を有する側板固定部５１と、上記接合部３２と同様な構造を有する一対の接合部５２とを備えている。この変形例では、第１大羽根２２ａ１及び第２大羽根２２ａ２において互いに対面する側面に一対の接合部５２がそれぞれ接合されている。同様に、第２大羽根２２ａ２及び第３大羽根２２ａ３において互いに対面する側面に一対の接合部５２がそれぞれ接合されている。同様に、第３大羽根２２ａ３及び第４大羽根２２ａ４において互いに対面する側面に一対の接合部５２がそれぞれ接合されている。同様に、第４大羽根２２ａ４及び第５大羽根２２ａ５において互いに対面する側面に一対の接合部５２がそれぞれ接合されている。同様に、第５大羽根２２ａ５及び第６大羽根２２ａ６において互いに対面する側面に一対の接合部５２がそれぞれ接合されている。同様に、第６大羽根２２ａ６及び第１大羽根２２ａ１において互いに対面する側面に一対の接合部５２がそれぞれ接合されている。この場合には、側板２３と大羽根２２ａとが、１２個の接合部５２を介して接合されるようになるため、６つの接合部４２を介して接合される上記変形例（図４参照）と比較して、より広い接合面積を確保することができる。

他方、上述したブリッジ部材３０、４０、５０を使用すると、側板２３の内周面２３ａは、ブリッジ部材４０、５０の側板固定部３１、４１、５１によって補強される。
ここで、先の図４に示した変形例では、隣り合う大羽根２２ａ同士をブリッジ部材４０で挟み込むようにしており、この場合には、隣り合うブリッジ部材４０の間に、側板固定部４１による内周面２３ａの補強が行われていない未補強部位が生じる。この図４に示す変形例において、内周面２３ａの周方向における１箇所当たりの未補強部位の幅を「幅Ｗ１」とする。

一方、先の図５に示した変形例でも、隣り合うブリッジ部材５０の間に、側板固定部５１による内周面２３ａの補強が行われていない未補強部位が生じる。しかし、図５に示す変形例の場合には、隣り合う大羽根２２ａの対向面同士をブリッジ部材５０で接合するようにしており、図４に示す変形例と比較して、より多くのブリッジ部材５０をより近づけて配設することができる。具体的には、図４に示す変形例ではブリッジ部材４０の配設数が「３」であるのに対し、図５に示す変形例ではブリッジ部材５０の配設数が「６」になり、図５に示す変形例において、内周面２３ａの周方向における１箇所当たりの未補強部位の幅を「幅Ｗ２」とすると、この「幅Ｗ２」は、図４に示す変形例での「幅Ｗ１」よりも狭くなる。

従って、インペラ２０が回転すると、遠心力による回転半径方向外側への変形が少なからず側板２３にも生じるのであるが、図５に示す変形例の場合には、図４に示した変形例と比較して内周面２３ａの未補強部位の区間が狭くなるため、遠心力による側板２３の変形をより効果的に抑えることができるようになる。

・図６（Ａ）に示すように、ブリッジ部材３０が備える一対の接合部３２について、大羽根２２ａに組み付ける前の形状は、大羽根２２ａに組み付けた状態と比較して内側に傾いているように、あるいは内側に曲がっているように形成する。そして、内側に曲がった一対の接合部３２を外側に曲げた状態で大羽根２２ａに組み付けるようにしてもよい。この場合には、大羽根２２ａに組み付けられた接合部３２が元の形状に戻ろうとするため、図６（Ｂ）に示すように、接合部３２には復元力Ｆ１が発生し、この復元力Ｆ１によって接合部３２は大羽根２２ａの側面に押し付けられるようになる。そのため、ブリッジ部材３０が各大羽根２２ａを挟み込んだ状態は、治具等を使わなくても維持可能になる。従って、接合部３２と大羽根２２ａの側面とを接合するに際して、それらの接合が完了するまで（例えば接着剤の硬化が完了するまで）治具等で保持する必要がなくなり、接合に必要な治具や工程を減らすことができる。

なお、この変形例は、上記ブリッジ部材４０にも同様な態様で適用可能である。また、この変形例に準じた構成を上記ブリッジ部材５０が備える一対の接合部５２に適用する場合には、大羽根２２ａに組み付ける前の一対の接合部５２の形状が、大羽根２２ａに組み付けた状態と比較して外側に傾いているように、あるいは外側に曲がっているように形成すればよい。

・側板２３とは別体のブリッジ部材３０に接合部３２を設けるようにした。この他、組み付け性の悪化や成形上の不都合の発生等が抑えられるのであれば、図７に示すように、接合部３２と側板２３とを一体形成するようにしてもよい。この場合でも、上記（４）以外の効果に準じた効果を得ることができる。同様に、上述した接合部４２と側板２３とを一体形成したり、上述した接合部５２と側板２３とを一体形成したりしてもよい。

・接合部３２は、大羽根２２ａの側面の大部分に接合するようにその形状が成形されていたが、大羽根２２ａの側面の半分程度の面積で接合するようにその形状を成形したり、大羽根２２ａの側面の半分よりも少ない面積で接合するようにその形状を成形したりしてもよい。この場合でも少なくとも、接合部３２は、側板２３の内周面２３ａ側から大羽根２２ａの根元に向かって延びるとともに大羽根２２ａの側面形状に沿った形状を有していれば、上記（１）に準じた作用効果を得ることができる。

・大羽根２２ａと同様に、小羽根２２ｂの側面に接合する接合部３２を設けてもよい。そしてこの場合の接合部３２の接合箇所としては、大羽根２２ａの側面及び小羽根２２ｂの側面を接合箇所にしたり、小羽根２２ｂの側面のみを接合箇所にしたりしてもよい。また、大羽根２２ａの側面や小羽根２２ｂの側面だけではなく、大羽根２２ａの回転半径方向外側の端面や小羽根２２ｂの回転半径方向外側の端面（従来技術における羽根の対向面に相当）を各ブリッジ部材や側板２３に接合してもよい。

・上記実施形態やその変形例では、接合部３２、４２、５２を複数設けるようにしたが、その配設数は適宜変更することができる。同様に、ブリッジ部材３０、４０、５０の配設数や配設位置も適宜変更することができる。また、必ずしも一対の接合部で大羽根２２ａの側面を接合する必要はなく、例えば１つの接合部のみを有しており、この接合部と１つの大羽根２２ａの側面とを接合するとともに、大羽根２２ａの回転半径方向外側の端面や小羽根２２ｂの回転半径方向外側の端面を側板２３に接合するようにしてもよい。この場合でも、大羽根２２ａの端面や小羽根２２ｂの端面のみを側板２３に接合する場合と比較して、１つの接合部と大羽根２２ａの側面との接合面積の分だけ接合面積を広くすることができる。

・上記実施形態で説明した羽根と側板との接合態様は、排気駆動式のターボチャージャのタービンホイールにも適用可能である。
・上記実施形態の遠心圧縮機は、排気駆動式のターボチャージャに限らず、ハウジングの内部にクローズドタイプのインペラが配設される構造の遠心圧縮機であれば適用することができる。例えば、ヒートポンプや送風機などに用いられる遠心圧縮機にも適用することができる。

・上記実施形態の遠心圧縮機は、空気以外の流体を圧送する遠心圧縮機にも適用することができる。

１０…コンプレッサ、１１…ハウジング、１２…ダクト部、１３…スクロール通路、１４…ディフューザ、１５…シャフト、２０…インペラ、２１…ハブ、２１ａ…前端面、２１ｂ…後端面、２２ａ…大羽根、２２ｂ…小羽根、２２ａ１…第１大羽根、２２ａ２…第２大羽根、２２ａ３…第３大羽根、２２ａ４…第４大羽根、２２ａ５…第５大羽根、２２ａ６…第６大羽根、２３…側板、２３ａ…内周面、３０、４０、５０…ブリッジ部材、３１、４１、５１…側板固定部、３２、４２、５２…接合部、１２２…羽根、１２２ａ…対向面、１２３…側板、２２３…側板。

Claims (1)

1. 複数の羽根と前記羽根の回転半径方向外側を覆う側板とが接合されているクローズドタイプのインペラを備える遠心圧縮機において、
   前記側板の内周面側から前記羽根の根元に向かって延びるとともに前記羽根の側面形状に沿った形状を有して同羽根の側面に接合される接合部を介して前記羽根と前記側板とが接合されている
   ことを特徴とする遠心圧縮機。