JP2016173051A - 遠心圧縮機のインペラトリム比可変機構 - Google Patents

Abstract

【課題】インペラの形状を変更することなく、インペラのトリム比を変更したのと同等の（近い）サージング防止効果が得られる機構を提供すること。
【解決手段】アーム部２を有する複数の絞り板３をインペラ２２先端部の周囲に配置する。絞り板３とその駆動リング４とは一対のリングプレート５，６で挟まれるような形態とされる。駆動リング４が回転することで、吸気通路２６の内方および外方へ絞り板３は移動する。吸気通路２６の内方へ絞り板３が移動すると、インペラ２２の直上流部（直近）の吸気通路２６が絞られ、その内径は、Ｄ１ｂ（＜Ｄ１ａ）となる。これにより、インペラトリム比が（Ｄ１ｂ）²／（Ｄ２）²という形状が異なるインペラに近いサージング防止効果が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンが吸入する空気の圧力を高める過給機を構成する遠心圧縮機に適用されるのに好適なインペラトリム比可変機構に関する。

過給機（ターボチャージャ）で用いる遠心圧縮機においては、空気量が減少してくると、その特性曲線がサージ線を越えてサージング領域に入る。サージ線を低流量側へ移動させることができれば、エンジンの運転範囲に対してより広い範囲にわたりサージングを防止できる。サージ線を低流量側へ移動させるための技術、すなわちサージングを防止する技術として、下記の特許文献１〜３に記載されたものがある。

特許文献１に記載の従来技術は、次のように構成されている。シュラウド部に空気室を設けこの空気室にガイドベーンを配設して、この部分を空気が循環するようにしている。且つ、空気流旋回機構を上流側の流路に配設して、この部分を流れる空気にインペラと同一方向の旋回を与えるようにしている。

特許文献２に記載の従来技術は、次のように構成されている。コンプレッサハウジングに接続されている吸気管内に開閉弁を配設し、この開閉弁を制御してコンプレッサの出口と入口との前後圧力を同一に保持するようにしている。

特許文献３に記載の従来技術は、次のように構成されている。インペラの上流の吸入流路内に変形可能ベーンを配置して、この部分を流れる空気が旋回するようにしている。変形可能なベーンとしているのは、所望の正または負の事前旋回流を発生させるためにベーンを変形させるためである。

特開２００５−２３７９２号公報 特開昭６１−１６４０３８号公報 特開２００４−１６２７１６号公報

上記の従来技術には次の問題がる。インペラ直前の空気を循環させて渦の発生を抑制したり、インペラ上流の吸入流路内の空気が旋回するようにしたり等を行うのは、サージングの防止に一定の効果があるものの、サージングが発生するか否かはコンプレッサのインペラのトリム比（入口径の２乗／出口径の２乗）に大きく依存する。すなわち、インペラの形状を変更しないとコンプレッサの作動範囲を大きく変えることはできない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、インペラの形状を変更することなく、インペラのトリム比を変更したのと同等の（近い）サージング防止効果が得られる機構を提供することである。

本発明は、遠心圧縮機のインペラトリム比可変機構であり次の構成を備える。インペラ先端部の周囲に配置されるアーム部を有する複数の絞り板と、前記アーム部の移動ガイド部と、前記アーム部に係合する係合部を有し、回転することで前記移動ガイド部に沿って前記アーム部を移動させることで、前記絞り板を吸気通路の内方および外方へ移動させる駆動リングと、を備えるインペラトリム比可変機構である。

本発明によれば、複数の絞り板をインペラ先端部に配置し、当該複数の絞り板を吸気通路の内方へ突出させることで、インペラの入口径が小さい状態に近い状態を作り出すことができる。これにより、インペラのトリム比を変更したのと同等の（近い）サージング防止効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るインペラトリム比可変機構の分解図である。 図１に示すインペラトリム比可変機構をターボチャージャのコンプレッサに配設したときのコンプレッサの側断面図である。 図１に示すインペラトリム比可変機構をターボチャージャのコンプレッサに配設したときのコンプレッサの一部正面断面図である。 ターボチャージャの構造を説明するための概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

まず、図４に基づいて、ターボチャージャ１００（過給機）の構造を説明する。エンジンへの過給を行うターボチャージャ１００は、タービン２１（タービンホイール）とインペラ２２（コンプレッサホイール）とがタービンシャフト２３を介して一体構造とされている。タービン２１は、タービンハウジング２４の中に収容され、インペラ２２は、コンプレッサハウジング２５の中に収容される。エンジンからの排気によってタービン２１が回転し、その動力でインペラ２２が回転する。インペラ２２の回転により圧縮した空気がエンジンに供給される。

（インペラトリム比可変機構の構造）
図１から図３は、本発明の一実施形態に係るインペラトリム比可変機構を説明するための図であり、本発明のインペラトリム比可変機構をターボチャージャ１００のコンプレッサ（遠心圧縮機）に適用した場合を例示したものである。なお、本発明のインペラトリム比可変機構を適用できるのは、過給機（ターボチャージャ）を構成する遠心圧縮機に限られるものではなく、空気源設備等として用いられる遠心圧縮機にも適用することができる。

図１に示すように、インペラトリム比可変機構は、アーム部としてのピン２が取り付けられてなる複数の絞り板３と、当該絞り板３の駆動手段である円環状の駆動リング４と、複数の絞り板３と駆動リング４とを挟み込むように固定配置される一対のリングプレート５，６とを備えている。

絞り板３は、扇状の絞り板本体１にピン２を取り付けたものであり、絞り板本体１の両面からピン２が突出させられている。図２に示したように絞り板本体１の内周面１ａは、インペラ２２側へ向かうにつれて吸気通路２６の内方へ傾斜するテーパ面とされている。図３（ｂ）に示すように、コンプレッサハウジング２５に設けられた円環状の孔２５ａ（図２参照）から吸気通路２６の内方へ絞り板３が進出した状態において、複数の絞り板３は相互に接触して全体として隙間の無いリング形状の板となる。すなわち、各絞り板本体１は、例えば、リング形状の１枚の板を複数の扇状に分割したものであり、本実施形態では６等分したものである。絞り板３（絞り板本体１）は、図２に示したように、インペラ２２の先端部の周囲、換言すれば、インペラ２２の直上流部（直近）に配置される。

なお、複数の絞り板３が吸気通路２６の内方へ進出した状態において側面同士が接触する絞り板本体１に代えて、吸気通路２６の内方へ進出した状態において絞り板本体の表面や裏面の一部同士が重なり合う形状・寸法の絞り板本体とすることも好ましい。空気の流れ方向で視たときに、隙間の無いリング形状を形成し易いからである。

駆動リング４は、円環状の駆動リング本体８と、駆動リング本体８からリング中央へ延びる複数の係合部９とを有する。係合部９は、絞り板３のピン２が嵌り込むコ字状の溝部９ａを有する。複数の係合部９は、駆動リング本体８の周方向に所定の間隔をあけて配置されるものであり、本実施形態では等間隔で配置されている。駆動リング４は、例えば、リンク機構（不図示）、歯車機構（不図示）などを介してモータ（不図示）により回転駆動される。

第１リングプレート５には、その周方向に対して斜めに延びる複数のスリット孔５ａが形成されている。第２リングプレート６についても同様であり、その周方向に対して斜めに延びる複数のスリット孔６ａが第２リングプレート６に形成されている。スリット孔５ａ，６ａは、絞り板３のピン２が嵌り込む部分であり当該ピン２の移動をガイドする役割を担う細長い孔である。これらリングプレート５，６は、駆動リング４に対して平行となる向きで、コンプレッサハウジング２５などに固定される。第１リングプレート５と第２リングプレート６との間には、これらプレートの周方向に所定の間隔をあけてスペーサ７が配設されている。第１リングプレート５と第２リングプレート６との間隔は、絞り板３の移動および駆動リング４の回転がスムーズになされるよう、このスペーサ７により、絞り板本体１の厚みと駆動リング４の厚みとを足した寸法よりも若干大きくされる。

（インペラトリム比可変機構の動作）
前記したインペラトリム比可変機構の動作について説明する。図２（ａ）および図３（ａ）に示す絞り板３退避状態は、吸気通路２６を流れる空気の量が多いときのものであり、インペラトリム比（入口径の２乗／出口径の２乗）は、（Ｄ１ａ）²／（Ｄ２）²である。

吸気通路２６を流れる空気の量が少なくなり、図２（ａ）および図３（ａ）に示す絞り板３退避状態から、図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す絞り板３進出状態へ切り換えるときは、ＥＣＵ（不図示）からの信号で、駆動リング４を所定角度回転させる。すると、リングプレート５，６のスリット孔５ａ，６ａ内に挿入されている絞り板３のピン２が駆動リング４の係合部９で押されることでスリット孔５ａ，６ａに沿って移動し、これにより、ピン２が固定されている絞り板本体１は、吸気通路２６の内方へ向かって斜めに進出する。絞り板本体１が進出した状態が図２（ｂ）および図３（ｂ）に示す状態である。複数の絞り板３によりインペラ２２の直上流部（直近）の吸気通路２６が絞られ、その内径は、Ｄ１ｂ（＜Ｄ１ａ）となる。これにより、インペラトリム比が（Ｄ１ｂ）²／（Ｄ２）²という形状が異なるインペラに近い効果が得られるようになり、ターボチャージャ１００を構成するコンプレッサのサージング領域が低流量側へ移動し、コンプレッサのサージングが抑制される。

吸気通路２６を流れる空気の量が増加したら、駆動リング４を逆方向に回転させて元の位置（位相）に戻す。そうすると、図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、絞り板３（絞り板本体１）は、コンプレッサハウジング２５の壁内に格納される。インペラトリム比は（Ｄ１ａ）²／（Ｄ２）²であるので、コンプレッサのサージング領域、チョーク領域は大流量側へ移動する。

（作用・効果）
上記構成のインペラトリム比可変機構では、インペラ２２の先端部の周囲に配置した複数の絞り板３を、吸気通路２６の内方へ突出させることで、インペラ２２の入口径が小さい状態を作り出すことができる。これにより、インペラ２２のトリム比を変更したのと同等の（近い）サージング防止効果を得ることができ、吸気通路２６の流れる空気の量が少ない場合であってもサージングを抑制することができる。また、吸気通路２６の流れる空気の量が多くなった場合には、インペラ２２の入口径を元に戻すことで、チョーク領域は大流量側に戻る。すなわち、コンプレッサの作動範囲が拡大する。

また、前記した実施形態では、複数の絞り板３と駆動リング４とを挟むように一対のリングプレート５，６をコンプレッサハウジング２５などに固定配置している。この構成によると、吸気通路２６の内方および外方への絞り板３の移動を簡易な構成でより確実なものとすることができる。

また、前記した実施形態では、複数の絞り板３は、吸気通路２６の内方へ進出した状態においては、吸気通路２６の上流側から視たときに全体としてリング形状となり、吸気通路２６の外方へ後退した状態においては、インペラ２２を収容するコンプレッサハウジング２５の壁内に格納される。この構成によると、低流量時には、インペラのトリム比を小さくしたのと同等の（近い）コンプレッサ特性がより確実に得られ、大流量時には、（Ｄ１ａ）²／（Ｄ２）²というインペラトリム比によるコンプレッサ特性が確実に得られる。

（変形例）
上記の実施形態は、次のように変更可能である。
一対のリングプレート５，６で絞り板３と駆動リング４とを挟むようにするのではなく、リングプレート５，６のうちのいずれか一方のリングプレートのみとしてもよい。この場合、より簡易な構成で絞り板３を移動させることができる。

また、絞り板３のピン２の移動ガイド部となる細長い溝（前記したスリット孔５ａ，６ａの代わりとなるもの）を、コンプレッサハウジング自体に形成してもよい。この場合、リングプレート５，６が不要となる。

また、前記した実施形態では、絞り板３のピン２に係合する駆動リング４が有する係合部９がコ字状とされているが、これに代えて、駆動リング本体８からリング中央へ延びる単なる棒状の係合部としてもよい。この場合、駆動リング本体８の周方向で隣り合う２つの係合部でピン２を押すことになる。駆動リング本体８を回転させることで一方の係合部でピン２を押して絞り板３を動かし、駆動リング本体８を逆方向に回転させることで隣り合う他方の係合部でピン２を押して絞り板３を元の位置に戻す。なお、駆動リングに設けられる係合部は、コ字状や棒状に限定されるものでもない。

また、前記した実施形態では、空気の流れの上流側から、第１リングプレート５、絞り板３、駆動リング４、第２リングプレート６の順に各部品を並べているが、これら各部品が並ぶ順番は、これに限られるものではない。

また、吸気通路２６の内方への絞り板本体１の進出量は、０％（図３（ａ）の状態）、１００％（図３（ｂ）の状態）の２種類だけでなく、その中間の進出量としてもよい。この態様は、絞り板本体１が吸気通路２６の内方へ進出した状態において絞り板本体の表面や裏面の一部同士が重なり合う形状・寸法の絞り板本体を有する場合に特に好適である。
その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

１：絞り板本体
２：ピン（アーム部）
３：絞り板
４：駆動リング
５：第１リングプレート
５ａ：スリット孔（移動ガイド部）
６：第２リングプレート
６ａ：スリット孔（移動ガイド部）
７：スペーサ
８：駆動リング本体
９：係合部
２２：インペラ
２５：コンプレッサハウジング
２６：吸気通路

Claims (4)

1. インペラ先端部の周囲に配置される、アーム部を有する複数の絞り板と、
   前記アーム部の移動ガイド部と、
   前記アーム部に係合する係合部を有し、回転することで前記移動ガイド部に沿って前記アーム部を移動させることで、前記絞り板を吸気通路の内方および外方へ移動させる駆動リングと、
   を備える、遠心圧縮機のインペラトリム比可変機構。
2. 請求項１に記載のインペラトリム比可変機構において、
   前記駆動リングに対して平行となる向きで固定配置され、前記アーム部が嵌り込む前記移動ガイド部としてのスリット孔が形成されたリングプレートをさらに備える、遠心圧縮機のインペラトリム比可変機構。
3. 請求項２に記載のインペラトリム比可変機構において、
   前記複数の絞り板と前記駆動リングとを挟むように一対の前記リングプレートが固定配置される、遠心圧縮機のインペラトリム比可変機構。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のインペラトリム比可変機構において、
   前記複数の絞り板は、吸気通路の内方へ進出した状態においては、吸気通路の上流側から視たときに全体としてリング形状となり、吸気通路の外方へ後退した状態においては、インペラを収容するハウジングの壁内に格納される、遠心圧縮機のインペラトリム比可変機構。

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