JP2017203427A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサに生じる気流音を抑制することが可能なターボチャージャの提供にある。【解決手段】空気入口部とディフューザを備えたハウジングと、ハウジング内にて回転可能なコンプレッサインペラ１７と、を備え、コンプレッサインペラ１７は、ハブ２５と、ハブ２５の周方向に配設され、空気入口部から空気出口部へ向けて延在する複数のインペラ翼と、を備えたターボチャージャにおいて、ハブ２５における空気出口部側の外周縁部２７は、ハブ２５の周方向にＶ字型の切り欠き４０が連続して配設されてなる鋸歯状部を備えた。【選択図】 図２

Description

この発明は、コンプレッサインペラを備えたターボチャージャに関する。

ターボチャージャに関係する従来技術としては、例えば、特許文献１に開示された圧縮機のインペラが知られている。特許文献１に開示された圧縮機のインペラは、ハブと、このハブの表面上に放射状に配置された複数枚のブレードとを備える。インペラは回転軸線に沿ってブレード前縁側から流れ込んだ流体が、流れの方向を変えて半径方向外側に向かってブレードの後縁側から流出していくことにより、回転軸線まわりに回転する。インペラは、ブレードの後縁部が位置するハブの周縁部で、回転方向前側に位置するブレードと、このブレードの回転方向後側に隣接配置されたブレードとの間に、板厚方向に貫通し、回転方向前側に位置するブレードの翼根近傍で、回転方向前側に位置するブレードの翼根に沿って切欠きが設けられている。特許文献１に開示された圧縮機のインペラは、ハブの周縁部は、インペラの周方向において切欠きと切欠きとの間を繋ぐ円弧状の周縁を有している。

特開２００９−１３３２６７号公報

ところで、ターボチャージャに設けられたコンプレッサでは、コンプレッサインペラの外周にディフューザが設けられている。コンプレッサにおいて空気の出口となるコンプレッサインペラの外周縁部では空気流の速度が最大となり、コンプレッサインペラの外周縁部から流出する高速の空気流はディフューザで減速されて圧力に変換される。従って、インペラの外周縁部からディフューザに至るまでに空気流の速度勾配は一気に大きくなり、空気流における急激な速度勾配は渦を発生しやすくする。渦の発生はコンプレッサにおいて気流音を生じるという問題がある。因みに、この気流音は空気の流量に関わらず発生する。
なお、特許文献１に開示された圧縮機のインペラでは、ハブの周縁部は、インペラの周方向において切欠きと切欠きとの間を繋ぐ円弧状の周縁を有しており、この円弧状の周縁の存在により気流音を抑制することは困難である。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、コンプレッサに生じる気流音を抑制することが可能なターボチャージャの提供にある。

上記の課題を解決するために、本発明は、空気入口部とディフューザを備えたハウジングと、前記ハウジング内にて回転可能なコンプレッサインペラと、を備え、前記コンプレッサインペラは、ハブと、前記ハブの周方向に配設され、前記空気入口部側から前記ディフューザ側へ向けて延在する複数のインペラ翼と、を備えたターボチャージャにおいて、前記ハブにおける前記ディフューザ側の外周縁部は、前記ハブの周方向にＶ字型の切り欠きが連続して配設されてなる鋸歯状部を備えることを特徴とする。

本発明では、ハブにおけるディフューザ側の外周縁部は、ハブの周方向にＶ字型の切り欠きが連続して配設されてなる鋸歯状部を備える。このため、コンプレッサインペラを通過する空気のうち、Ｖ字型の切り欠きを通じてディフューザへ至る空気は、コンプレッサインペラからＶ字型の切り欠き間を通ってディフューザへ至る空気と比べて、空気の速度勾配が緩和される。従って、ディフューザの入口付近では、速度勾配の異なる空気流が混在する。その結果、コンプレッサインペラからディフューザへ至る空気流の急激な速度勾配が緩和され、空気流の急激な速度勾配により生じていた気流音を抑制することができる。

また、上記のターボチャージャにおいて、前記Ｖ字型の切り欠きは、当該Ｖ字型の切り欠きを形成する２辺の内、前記コンプレッサインペラの回転方向の後方側となる辺を、前方側となる辺より長く形成した構成としてもよい。
この場合、Ｖ字型の切り欠きを形成する２辺の内、コンプレッサインペラの回転方向の後方側となる辺を、前方側となる辺より長く形成したＶ字型の切り欠きとすることにより、空気の流れに対応するＶ字型の切り欠きとすることが可能である。

また、上記のターボチャージャにおいて、前記Ｖ字型の切り欠きは円弧状の底部を有する構成としてもよい。
この場合、円弧状の底部はＶ字型の切り欠きの底部を通る空気の流れを乱しにくくし、Ｖ字型の切り欠きを通過する空気流の円滑な流れを実現することができる。

本発明によれば、コンプレッサに生じる気流音を抑制することが可能なターボチャージャを提供することができる。

第１の実施形態に係るターボチャージャの概要を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るターボチャージャのコンプレッサインペラの斜視図である。 第１の実施形態に係るターボチャージャのコンプレッサインペラの要部の拡大図である。 第２の実施形態に係るターボチャージャのコンプレッサインペラの要部の拡大図である。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係るターボチャージャについて図面を参照して説明する。本実施形態では、本実施形態のターボチャージャは車載用のターボチャージャである。なお、説明の便宜上、図１に示すターボチャージャの左方を前方とし、右方を後方とする。

図１に示すターボチャージャは、中央部に位置する軸受ハウジング１１と、軸受ハウジング１１の前部に備えられたコンプレッサ１２と、軸受ハウジング１１の後部に備えられたタービン１３と、を有する。軸受ハウジング１１内には、回転軸１４を回転自在に支持するラジアル軸受１５が備えられているほか、回転軸１４のスラスト方向の荷重を受けるスラスト軸受（図示せず）が備えられている。回転軸１４の軸心Ｐは前後方向となっており、回転軸１４の前部は、コンプレッサ１２に達しており、回転軸１４の後部はタービン１３付近に達している。

軸受ハウジング１１の前端部には、コンプレッサハウジング１６が接合されている。ハウジング内には、回転可能なコンプレッサインペラ１７が設けられている。コンプレッサインペラ１７は回転軸１４に固定されている。

コンプレッサハウジング１６の前部には、空気の入口となる空気入口部１８が形成されている。空気入口部１８は、エンジンの吸気通路（図示せず）に接続されている。コンプレッサハウジング１６におけるコンプレッサインペラ１７の外径部の外側には、環状のディフューザ１９が形成されている。ディフューザ１９は、軸受ハウジング１１とコンプレッサハウジング１６との間に形成されている。ディフューザ１９は、空気入口部１８から吸入され、コンプレッサインペラ１７により圧縮された空気の圧力を増大させる流路である。コンプレッサハウジング１６には、渦巻状のスクロール室２０が形成されている。スクロール室２０はディフューザ１９と連通している。スクロール室２０には、空気の出口となる吐出口（図示せず）が設けられており、この吐出口はエンジンの吸気マニホールド（図示せず）に接続されている。

軸受ハウジング１１の後方には、タービン１３が設けられている。軸受ハウジング１１の後部は、タービンハウジング２１と接合されている。タービンハウジング２１は軸受ハウジング１１およびコンプレッサハウジング１６とともにターボチャージャのハウジングを構成する。タービンハウジング２１内には、タービンインペラ２２が設けられている。タービンインペラ２２は、回転軸１４の後部に固定されている。

タービンハウジング２１には、排気ガスの入口となるガス取入口（図示せず）が形成されている。このガス取入口は、エンジンの排気マニホールド（図示せず）に接続されている。タービンハウジング２１の内部には、タービンスクロール室２３がタービンインペラ２２を囲むように渦巻状に形成されている。タービンスクロール室２３は、ガス取入口と連通している。タービンハウジング２１には、排気ガスを排出するガス排出口２４が形成されている。ガス排出口２４は、排気ガスの出口であり、タービンスクロール室２３と連通し、排気管（図示せず）に接続されている。タービン１３は、エンジンの排気通路に介装される。

図２に示すように、コンプレッサインペラ１７は略円錐台状のハブ２５を備えている。ハブ２５の外周径は、軸心Ｐ方向において空気入口部１８側から軸受ハウジング１１へ向かう所定の位置までは一定であり、所定の位置から軸受ハウジング１１へ近づくにつれて大きくなっている。従って、ハブ２５において空気入口部１８側と対向する端部２６はハブ２５において最小外周径となる部位であり、ディフューザ１９側となる外周縁部２７はハブ２５において最大外周径となる部位である。

ハブ２５のハブ表面２８には、周方向に設けた複数のインペラ翼を備えている。本実施形態のインペラ翼は、ハブ表面２８における空気入口部１８側からディフューザ１９の入口側まで延在する複数の長翼３１と、長翼３１よりも延在長さが短い複数の短翼３２とを備えている。長翼３１と短翼３２とはハブ２５と一体形成されており、ハブ表面２８の周方向において交互に配置されている。長翼３１および短翼３２は三次元的に湾曲した板状に形成されている。

長翼３１は、空気入口部１８に対向する前縁（リーディングエッジ）３３とディフューザ１９に対向する後縁（トレーディングエッジ）３４を有する。長翼３１は、前縁３３と後縁３４とを結び、湾曲線として描かれる外周縁（インペラシュラウドライン）３５を有している。外周縁３５の前縁３３側はほぼ直線であり、後縁３４へ向けて円弧を描くように後縁３４に達している。長翼３１の後縁３４は径方向においてハブ２５の外周縁部２７に位置する。

短翼３２は、空気入口部１８に対向する前縁（リーディングエッジ）３６とディフューザ１９に対向する後縁（トレーディングエッジ）３７を有する。短翼３２は、前縁３６と後縁３７とを結び、湾曲線として描かれる外周縁（インペラシュラウドライン）３８を有している。短翼３２の前縁３６は、回転軸１４の軸心Ｐ方向において長翼３１の前縁３３よりも空気入口部１８から離れて位置する。短翼３２の後縁３７は径方向においてハブ２５の外周縁部２７に位置する。従って、短翼３２の外周縁３８の長さは長翼３１の外周縁３５の長さより短い。外周縁３８は前縁３６から円弧を描くように後縁３７に達している。

本実施形態のコンプレッサインペラ１７には、コンプレッサ１２において生じる気流音を抑制するための工夫が凝らされている。ハブ２５のディフューザ１９側の外周縁部２７は、ハブ２５の周方向に複数のＶ字型の切り欠き４０が連続して配設されてなる鋸歯状部を備えている。図３に示すように、Ｖ字型の切り欠き４０は、ハブ２５に形成された一対の切欠面４１（４１Ａ、４１Ｂ）と、底部側の円弧面４２と、開口側の一対の円弧面４３（４３Ａ、４３Ｂ）により形成されている。一対の切欠面４１（４１Ａ、４１Ｂ）はＶ字型の切り欠き４０を形成する２辺を有する。

一対の切欠面４１Ａ、４１Ｂの間は鋭角を成しており、Ｖ字型の切り欠き４０の開口側から底部へ向かうにつれて、一対の切欠面４１Ａ、４１Ｂの間の間隔は狭くなる。円弧面４２は、Ｖ字型の切り欠き４０の底部側にて一対の切欠面４１Ａ、４１Ｂを接続する円弧状の面であり、Ｖ字型の切り欠き４０の底部を形成する。一対の円弧面４３Ａ、４３Ｂのうち、一方の円弧面４３Ａは一方のＶ字型の切り欠き４０の開口側にて一方の切欠面４１Ａと接続される円弧状の面である。一対の円弧面４３Ａ、４３Ｂのうち、他方の円弧面４３Ｂは他方の切欠面４１Ｂと接続される円弧状の面である。一方の円弧面４３ＡはＶ字型の切り欠き４０の一方にて隣り合うＶ字型の切り欠き４０の他方の円弧面４３Ｂと接続され、他方の円弧面４３ＢはＶ字型の切り欠き４０の他方にて隣り合うＶ字型の切り欠き４０の一方の円弧面４３Ａと接続されている。従って、連続して配設されるＶ字型の切り欠き４０とＶ字型の切り欠き４０の間には略三角形の突起部４５が形成されている。複数のＶ字型の切り欠き４０は互いに同じ形状、寸法に設定されている。

一対の円弧面４３Ａ、４３Ｂを第１仮想直線Ｌ１にて結び、第１仮想直線の中間点Ｍから底部の最も深い最深点Ｎへ向けて第２仮想直線Ｌ２を結ぶ。第２仮想直線Ｌ２はＶ字型の切り欠き４０の深さ方向を示す。第２仮想直線Ｌ２は、回転軸１４の軸心Ｐへ向かっている。従って、本実施形態では、Ｖ字型の切り欠き４０の深さ方向はハブ２５の径方向である。本実施形態では、複数のＶ字型の切り欠き４０が周方向に連続して配設されるから、外周縁部２７は鋸歯状の鋸歯状部を備える。

Ｖ字型の切り欠き４０はエンドミル等によって切削加工することが可能である。本実施形態ではＶ字型の切り欠き４０と長翼３１の後縁３４および短翼３２の後縁３７がハブ２５の径方向において一致しないようにＶ字型の切り欠き４０が配設されている。なお、Ｖ字型の切り欠き４０の深さや数は、コンプレッサ１２の諸条件に応じて設定される。

次に、本実施形態のターボチャージャの作用について説明する。ターボチャージャが一定の回転数で回転されるとき、コンプレッサインペラ１７には空気が取り込まれる。コンプレッサインペラ１７に取り込まれた空気の流速は、コンプレッサインペラ１７を通過する際に増速される。増速された空気はコンプレッサインペラ１７からディフューザ１９へ送り出されて圧縮される。

コンプレッサインペラ１７の外周縁部２７では空気流の速度が最大となり、コンプレッサインペラ１７の外周縁部２７から流出する高速の空気流はディフューザ１９で減速されて圧力に変換される。本実施形態では、空気がコンプレッサインペラ１７におけるディフューザ１９側の外周縁部２７を通過する際に、Ｖ字型の切り欠き４０を通じてディフューザ１９へ至る空気は、Ｖ字型の切り欠き４０を通らずにディフューザ１９へ至る空気と比べて、空気の速度勾配が緩和される。従って、コンプレッサインペラ１７における外周縁部２７では、速度勾配の異なる空気流が混在する。速度勾配の異なる空気流が混在することにより、外周縁部２７からディフューザ１９に至るまでに、空気流における渦や不連続な流れの発生が抑制される。その結果、コンプレッサインペラ１７からディフューザ１９へ至る空気流の急激な速度勾配が緩和され、空気流の急激な速度勾配により生じていた気流音が抑制される。

本実施形態のターボチャージャは以下の作用効果を奏する。
（１）ハブ２５のディフューザ１９側の外周縁部２７は、ハブ２５の周方向に複数のＶ字型の切り欠き４０が連続して配設されてなる鋸歯状部を備えている。このため、コンプレッサインペラ１７を通過する空気のうち、Ｖ字型の切り欠き４０を通じてディフューザ１９へ至る空気は、コンプレッサインペラ１７からＶ字型の切り欠き４０間を通ってディフューザ１９へ至る空気と比べて、空気の速度勾配が緩和される。従って、ディフューザ１９の入口付近では、速度勾配の異なる空気流が混在する。その結果、コンプレッサインペラ１７からディフューザ１９へ至る空気流の急激な速度勾配が緩和され、空気流の急激な速度勾配により生じていた気流音を抑制することができる。

（２）Ｖ字型の切り欠き４０が円弧面４２による円弧状の底部を有するため、円弧状の底部はＶ字型の切り欠き４０の底部を通る空気の流れを乱しにくくし、Ｖ字型の切り欠き４０を通過する空気流の円滑な流れを実現することができる。また、Ｖ字型の切り欠き４０の開口側には円弧面４３が形成されており、Ｖ字型の切り欠き４０の開口側における空気の流れが円滑となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るターボチャージャについて説明する。本実施形態のターボチャージャは、Ｖ字型の切り欠きの構成が先の実施形態と異なる。本実施形態では、第１の実施形態と同じ構成については、第１の実施形態の説明を援用し、符号を共通して用いる。

図４に示すように、ハブ２５の外周縁部２７には、略三角形の複数のＶ字型の切り欠き５０が、外周縁部２７の周方向に配設されている。本実施形態のＶ字型の切り欠き５０は、ハブ２５に形成された一対の切欠面５１（５１Ａ、５１Ｂ）と、底部側の円弧面５２と、開口側の一対の円弧面５３（５３Ａ、５３Ｂ）により形成されている。一対の切欠面５１（５１Ａ、５１Ｂ）はＶ字型の切り欠き５０を形成する２辺を有する。

一対の切欠面５１Ａ、５１Ｂの間は鋭角を成しており、Ｖ字型の切り欠き５０の開口側から底部へ向かうにつれて、一対の切欠面５１Ａ、５１Ｂの間の間隔は狭くなる。本実施形態では、Ｖ字型の切り欠き５０を形成する２辺の内、コンプレッサインペラ１７の回転方向の後方側となる辺を、前方側となる辺より長く形成されるように、前方側である一方の切欠面５１Ａが後方側である他方の切欠面５１Ｂより長く設定されている。円弧面５２は、Ｖ字型の切り欠き５０の底部側にて一対の切欠面５１Ａ、５１Ｂを接続する円弧状の面であり、Ｖ字型の切り欠き５０の底部を形成する。一対の円弧面５３Ａ、５３Ｂのうち、一方の円弧面５３Ａは一方のＶ字型の切り欠き５０の開口側にて一方の切欠面５１Ａと接続される円弧状の面である。一対の円弧面５３Ａ、５３Ｂのうち、他方の円弧面５３Ｂは他方の切欠面５１Ｂと接続される円弧状の面である。一方の円弧面５３ＡはＶ字型の切り欠き５０の一方にて隣り合うＶ字型の切り欠き５０の他方の円弧面５３Ｂと接続され、他方の円弧面５３ＢはＶ字型の切り欠き５０の他方にて隣り合うＶ字型の切り欠き５０の一方の円弧面５３Ａと接続されている。従って、連続して配設されるＶ字型の切り欠き５０とＶ字型の切り欠き５０の間には略三角形の突起部５５が形成されている。複数のＶ字型の切り欠き５０は互いに同じ形状、寸法に設定されている。

一対の円弧面５３Ａ、５３Ｂの間を第３仮想直線Ｌ３にて結び、第３仮想直線の中間点Ｍから底部の最も深い最深点Ｎに向けて第４仮想直線Ｌ４を結ぶ。第４仮想直線Ｌ４はＶ字型の切り欠き５０の深さ方向と一致する。第４仮想直線Ｌ４は、回転軸１４の軸心Ｐから外れる方向へ向かっている。従って、Ｖ字型の切り欠き５０の深さ方向は、ハブ２５の径方向に対して傾斜する方向である。本実施形態では、複数のＶ字型の切り欠き５０が周方向に連続して配設されるから、外周縁部２７は鋸歯状の鋸歯状部を備える。

本実施形態では、コンプレッサインペラ１７を流れる空気流に対応させてＶ字型の切り欠き５０を形成する２辺の内、コンプレッサインペラ１７の回転方向の後方側となる辺を、前方側となる辺より長く形成したことにより、より効果的な気流音の抑制が可能となる。

なお、上記の実施形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、下記のように発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能である。

○ 上記の実施形態では、２種類の翼（長翼と短翼）を備えたコンプレッサインペラについて例示したが、この限りではない。例えば、短翼を備えず長翼のみを備えるコンプレッサインペラを有するターボチャージャであってもよい。
○ 上記の実施形態では、Ｖ字型の切り欠きは円弧状の底部を有するとしたがこの限りではない。Ｖ字型の切り欠きの底部は円弧状以外の形状であってもよく、Ｖ字型の切り欠きが円弧状以外の形状の場合でも、コンプレッサに生じる気流音を抑制することが可能である。
○ 上記の実施形態では、Ｖ字型の切り欠きの形状・サイズを同じとしたが、この限りではない。Ｖ字型の切り欠きの形状・サイズは、コンプレッサインペラの回転バランスを維持できる範囲であれば、形状およびサイズの異なるＶ字型の切り欠きを設けるようにしてもよい。

１２ コンプレッサ
１３ タービン
１６ コンプレッサハウジング
１７ コンプレッサインペラ
１８ 空気入口部
１９ ディフューザ
２０ スクロール室
２１ タービンハウジング
２５ ハブ
２７ 外周縁部
２８ ハブ表面
３１ 長翼
３２ 短翼
４０、５０ Ｖ字型の切り欠き
４１Ａ、４１Ｂ、５１Ａ、５１Ｂ 切欠面
４２、５２ 円弧面
４３Ａ、４３Ｂ、５３Ａ、５３Ｂ 円弧面
４５、５５ 突起部

Claims (3)

1. 空気入口部とディフューザを備えたハウジングと、
   前記ハウジング内にて回転可能なコンプレッサインペラと、を備え、
   前記コンプレッサインペラは、ハブと、前記ハブの周方向に配設され、前記空気入口部側から前記ディフューザ側へ向けて延在する複数のインペラ翼と、を備えたターボチャージャにおいて、
   前記ハブにおける前記ディフューザ側の外周縁部は、前記ハブの周方向にＶ字型の切り欠きが連続して配設されてなる鋸歯状部を備えることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記Ｖ字型の切り欠きは、当該Ｖ字型の切り欠きを形成する２辺の内、前記コンプレッサインペラの回転方向の後方側となる辺を、前方側となる辺より長く形成したことを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ。
3. 前記Ｖ字型の切り欠きは円弧状の底部を有することを特徴とする請求項１又は２記載のターボチャージャ。

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