JP2019094834A - タービンハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジング部材とシュラウド部材との間の気密性を確保しつつ、シュラウド部材を適切に支持し得るタービンハウジングを提供する。【解決手段】ターボチャージャＴＣに接合されるカップリングフランジ１に対し、下流側の排気系部材に接合される出口フランジ２が、ハウジング部材１０によって所定の位置関係に保持されている。ハウジング部材内にスクロール空間ＳＳが形成され、これに連通するように入口フランジ３が配設され、上流側の排気系部材に接合されている。筒状のシュラウド部材３０がタービンホイールに対向して配置され、その入口端部３１がハウジング部材に接合されると共に、出口端部３２が出口フランジに摺動自在に支持されている。そして、シュラウド部材の出口端部の外周面と出口フランジの内周面との間に、少なくとも環状のハーフビード部を有するメタルガスケット４０が介装されている。【選択図】図１

Description

本発明は、自動車のターボチャージャに好適なタービンハウジングに係る。

一般的にターボチャージャと呼ばれる排気タービン式過給機は、エンジンの排気ガスのエネルギーによってタービンが回転駆動され、これに直結されたコンプレッサによって吸入空気が圧縮されてエンジンに供給されるように構成されている。このターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングに関し、例えば特許文献１には、「ターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングに関し、ハウジング部材及びシュラウド部材の熱膨張時にもタービンホイールに干渉することなく安定した回転を確保し得るタービンハウジングを提供する」（特許文献１の段落〔０００７〕に記載）ことを目的とし、「タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングにおいて、前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、該カップリングフランジの開口中心軸と同軸の開口中心軸を有し前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、該出口フランジを前記カップリングフランジの開口中心軸方向及び該開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持する保持部材と、前記カップリングフランジに一方の開口端部が接合され前記カップリングフランジと前記出口フランジとの間にスクロール空間を形成するハウジング部材と、前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジと、前記タービンホイールを囲繞するように配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材の他方の開口端部に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材とを備える」タービンハウジングが提案されている（同段落〔０００８〕に記載）。また、下記の特許文献２においても、上記と同様の基本構成を有するタービンハウジングが開示されている。

一方、特許文献３においては、「重量増大を抑制しつつ内側ハウジング部材の振動を好適に抑制することのできるタービンハウジング」（特許文献３の段落〔０００９〕に記載）を提供することを目的とし、「タービンホイールを囲繞するタービンハウジングにおいて、外側ハウジング部材と、外側ハウジング部材の内部に設けられるとともにタービンホイールの軸線方向において同タービンホイールの羽根部に対向するシュラウド面を有する内側ハウジング部材と、を備え、前記軸線方向においてタービンシャフトに近接する側を基端側とし、タービンシャフトから離間する側を先端側とするとき、内側ハウジング部材の先端部は前記軸線方向において外側ハウジング部材に対して変位可能な可動部とされ、内側ハウジング部材の基端部は外側ハウジング部材の基端部よりも先端側において該外側ハウジング部材に固定され、内側ハウジング部材と、同内側ハウジング部材よりも基端側に位置する外側ハウジング部材の部位とによってスクロール部が形成されている」タービンハウジングが提案されている（同段落〔００１０〕に記載）。

特開２０１６−３１０２７号公報 特開２０１６−１０８９７４号公報 特許第５２９９５７４号公報

そして、具体的な実施形態に関し、上記特許文献１の段落〔００２８〕及び特許文献２の段落〔００３５〕には、「出口フランジ２に対するシュラウド部材３０の一層の気密性を確保するため、支持部２ｇと出口端部３２との間にガスケット等を介装することとしてもよい。」旨記載されており、気密性を確保するためガスケット等が示唆されているが、具体的な態様は明示されていない。上記の出口フランジとシュラウド部材との間に介装されるガスケット等については、静的及び動的なズレに対するシール機能が要求される。即ち、静的なズレは両者間の組付時の軸方向のズレや経年変化による軸方向のズレであり、動的なズレは熱膨張差や振動に起因する軸方向のズレであり、上記特許文献１及び２に記載の構成においては、前述の保持部材によって径方向の構造的なズレは最小限に抑えられるものの、軸方向及び径方向の静的及び動的なズレに対する一層確実な気密性の確保が要請されていた。

一般的なタービンハウジングに供されるシール部材については、上記特許文献３の段落〔００２４〕に「可動部と支持部材との間隙をシールするシール部材が設けられる」と記載され、段落〔００２６〕に「シール部材はセラミックファイバーと結合剤とにより形成されるといった態様が好ましい」と記載されている。更に、同段落〔００４１〕には、「本実施形態では、シール部材６０としてセラミックファイバー製マットが採用されている。このシール部材６０は、耐熱性を有するセラミックファイバー（例えばアルミナ）とセラミックファイバーを互いに結合させる機能を有するとともに高い熱膨張率を有する結合剤とからなるものであり、車載内燃機関の触媒装置等においてシール部材として従来一般に用いられているものである。」と記載されている。然し乍ら、上記特許文献１及び２に記載の基本構成を有するタービンハウジングには、上記特許文献３に記載のセラミックファイバー製マットといったシール部材では、上記の軸方向及び径方向の静的及び動的なズレに対する気密性を確保することはできず、従って、特許文献３に記載のシール部材を上記特許文献１及び２に記載のタービンハウジングに適用することはできない。

そこで、本発明は、ターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングに関し、ハウジング部材とシュラウド部材との間の気密性を確保しつつ、シュラウド部材を適切に支持し得るタービンハウジングを提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングであって、前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、該カップリングフランジの開口中心軸と同軸の開口中心軸を有し前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、該出口フランジ及び前記カップリングフランジに接合され、当該出口フランジと前記カップリングフランジとの間にスクロール空間を形成すると共に、当該出口フランジを前記カップリングフランジの開口中心軸方向及び該開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持するハウジング部材と、前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジと、前記タービンホイールに対向して配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材と、該シュラウド部材の前記出口端部の外周面と前記出口フランジの内周面との間に介装され、少なくとも環状のハーフビード部を有するメタルガスケットとを備えることとしたものである。

上記のタービンハウジングにおいて、前記メタルガスケットは、円筒状の基部と、該基部の一方の開口端部から径方向外側に屈曲形成される環状の折返部と、該折返部の外周端から前記基部に対し平行に屈曲形成され、前記基部と共に前記出口フランジを保持する円筒状の係止部と、前記基部の他方の開口端部から径方向内側に屈曲形成されると共に、先端に円筒状の当接部が形成されて成る前記ハーフビード部を有し、前記基部と前記係止部との間に前記出口フランジの先端部が保持されると共に、前記当接部の内周面が前記シュラウド部材の前記出口端部の外周面に押接されている構成とするとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明のタービンハウジングにおいては、ターボチャージャに接合されるカップリングフランジの開口中心軸と同軸の開口中心軸を有し下流側の排気系部材に出口フランジが接合される。この出口フランジ及びカップリングフランジにハウジング部材が接合され、出口フランジとカップリングフランジとの間にスクロール空間が形成されると共に、出口フランジがカップリングフランジの開口中心軸方向及び該開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持される。そして、筒状のシュラウド部材がタービンホイールに対向するように配置され、その入口端部がハウジング部材に接合されると共に、出口端部が出口フランジに摺動自在に支持されている。そして、シュラウド部材の出口端部の外周面と出口フランジの内周面との間に、少なくとも環状のハーフビード部を有するメタルガスケットが介装されている。このメタルガスケットによって、出口フランジとシュラウド部材との間の軸方向及び径方向の静的及び動的なズレに対する気密性を確保しつつ、径方向に対する相対的位置決めを実現し、シュラウド部材を適切に支持することができる。而して、駆動流体である排気ガスの熱によって、ハウジング部材及びシュラウド部材が熱膨張しても、シュラウド部材は、その出口端部が出口フランジに対し摺動し、タービンホイールから離隔する方向に移動する。従って、ハウジング部材及びシュラウド部材の熱膨張時にもタービンホイールに干渉することなく安定した回転を確保することができる。

上記のタービンハウジングにおいて、メタルガスケットが、円筒状の基部と、この基部の一方の開口端部から径方向外側に屈曲形成される環状の折返部と、折返部の外周端から基部に対し平行に屈曲形成され、基部と共に出口フランジを保持する円筒状の係止部と、基部の他方の開口端部から径方向内側に屈曲形成されると共に、先端に円筒状の当接部が形成されて成るハーフビード部を有し、基部と係止部との間に出口フランジの支持部が保持されると共に、当接部の内周面がシュラウド部材の出口端部の外周面に押接されている構成とすれば、出口フランジ及びシュラウド部材に対し若干の軸方向移動が許容される状態で、出口フランジに確実に保持され、径方向のみならず軸方向のズレも防止できると共に、ハーフビード部の弾性復元力によって、出口フランジ及びシュラウド部材の全周に亘って両者間の安定した気密性が確保され、熱膨張時にも気密性を維持することができる。

本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの縦断面図である。 本発明の一実施形態に供される出口フランジ、シュラウド部材及びメタルガスケットを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるメタルガスケットの縦断面図である。 本発明の一実施形態に供される出口フランジ、シュラウド部材及びメタルガスケットの組付状態を模式的に示す断面図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係るタービンハウジングを示すもので、タービンホイール（図示せず）を囲繞するように図１に二点鎖線で示すターボチャージャＴＣに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材ＥＵ及びＥＤに接合される。従って、例えばクランプによってターボチャージャＴＣに接合されるカップリングフランジ１と、例えばボルトによって下流側の排気系部材ＥＤに接合される出口フランジ２と、例えばボルトによって上流側の排気系部材ＥＵに接合される入口フランジ３を備えている。尚、排気系部材ＥＵ及びＥＤは装着対象の排気マニホールドや排気管等を含み、駆動流体である排気ガスの流れを図１に白抜き矢印で示す。また、上流側の排気系部材ＥＵには内燃機関（図示せず）が含まれ、タービンハウジングは内燃機関に直接接合され得る。

カップリングフランジ１及び出口フランジ２には、ハウジング部材１０が接合され、カップリングフランジ１と出口フランジ２との間のハウジング部材１０内にスクロール空間ＳＳが形成されると共に、出口フランジ２がカップリングフランジ１の開口中心軸方向及び開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持されている。また、ハウジング部材１０には、入口管３ａ及び入口フランジ３が装着され、これらを介してスクロール空間ＳＳに連通するように配設されている。出口フランジ２は、円筒状の開口部２ａと、これに連続するテーパ状の内周面の筒体部２ｂを有し、その小径側開口端の円筒状の内周面には、段付内周面を有する支持部２ｇが形成されている。更に、タービンホイール（図示せず）に対向して筒状のシュラウド部材３０が配置され、その入口端部３１がハウジング部材１０に接合されると共に、出口端部３２が出口フランジ２の支持部２ｇに摺動自在に支持されている。尚、この支持構造については後述する。

本実施形態のハウジング部材１０は、板金によってハーフシェル形状に形成されたインナシェル１１、第１のアウタシェル１２及び第２のアウタシェル１３が、例えば溶接によって接合されて、中央に開口部を有するシェル形状に形成されている。インナシェル１１は開口端部１１ａ、筒体部１１ｂ及び開口端部１１ｃを有し、開口端部１１ａが（第１のアウタシェル１２の開口端部１２ａを介して）カップリングフランジ１に接合され、開口端部１１ｃがシュラウド部材３０に接合される。第１のアウタシェル１２は、その開口端部１２ａがカップリングフランジ１に接合され、また、第２のアウタシェル１３は、その開口端部１３ａが出口フランジ２に接合され、これらによって気密空間が形成される。

本実施形態においては、図１に示すように、カップリングフランジ１の外周面に環状溝１ｇが形成されており、この環状溝１ｇに第１のアウタシェル１２の開口端部１２ａが溶接によって接合される。また、出口フランジ２の筒体部２ｂの外周面には環状段部２ｄが形成されており、この環状段部２ｄに第２のアウタシェル１３の開口端部１３ａが溶接によって接合される。上記のように、図３に示す各部材が接合されて、図１に示すタービンハウジングが構成される。尚、本実施形態においては、ハウジング部材１０は前述の特許文献１及び２に記載の外側ハウジング部材２０を含み、第１のアウタシェル１２が特許文献１及び２に記載の第２のインナシェルを兼ねているが、別途第２のインナシェルを設けることとし、同文献記載と同様の構造としてもよい。また、図１に示すスクロール空間ＳＳを区画するため、カップリングフランジ１にはタング部１ｔが一体的に形成されているが、前掲の特許文献２と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態のシュラウド部材３０は、タービンホイール（図示せず）を構成するタービンブレード（図示せず）に対し対向するように拡径され、段付内周面が形成された入口端部３１を有すると共に、これに連続する円筒状の出口端部３２を有する。特に本実施形態においては、入口端部３１の段付内周面に可変ベーンユニット（図示せず）が嵌合固定されるが、可変ベーンユニットを介在させない場合は、タービンブレードに対し全周に亘って最小のクリアランスを以って対向するようなファンネル形状としてもよい。このシュラウド部材３０としては、装着対象の変形による影響を受けない剛性を確保するため、ハウジング部材１０の厚さ以上肉厚とし、鋳造や機械加工（削り出し）による一体成形とすることが望ましい。尚、シュラウド部材３０は図１に示す断面形状に限定されず、前掲の特許文献１に記載のように、入口端部が拡径されており、その内周面が図１に示すような段付内周側面ではなく、タービンホイールの外周面に対し一定の間隙を以って対向する湾曲面に形成されている部材も包含される。

上記のように形成されたシュラウド部材３０は、その入口端部３１の外周側面が、例えば溶接によって、インナシェル１１の開口端部１１ｃに接合され、出口端部３２は出口フランジ２に対し摺動自在に支持される。即ち、図１に示すように、出口フランジ２の支持部２ｇに出口端部３２が嵌合され、シュラウド部材３０が支持部２ｇに対して気密的摺動可能に配設される。特に、常態において、支持部２ｇの軸方向底部（段部）と出口端部３２との間に間隙（ｄ）が形成されるように配設される。この間隙（ｄ）は、シュラウド部材３０及びハウジング部材１０と出口フランジ２との間の軸方向熱膨張差を吸収し得る寸法に設定される。尚、スクロール空間ＳＳを区画するため、カップリングフランジ１のタング部１ｔに代えて、前掲の特許文献１と同様、シュラウド部材３０にタング部材（図示せず）を一体的に形成することとしてもよい。

そして、シュラウド部材３０（出口端部３２）の外周面と出口フランジ２（支持部２ｇ）の内周面との間には、メタルガスケット４０が介装されている。本実施形態のメタルガスケット４０は弾性金属板、例えばステンレス鋼板によって形成され、図４に詳細に示すように、円筒状の基部４１と、この基部４１の一方の開口端部から径方向外側（放射方向）に屈曲形成される環状の折返部４２と、この折返部４２の外周端から基部４１に対し平行に屈曲形成され、基部４１と共に支持部２ｇを保持する円筒状の係止部４３と、基部４１の他方の開口端部から径方向内側（求心方向）に屈曲形成されると共に、先端に円筒状の当接部４４ａが形成されて成る環状のハーフビード部４４を有する。従って、基部４１、折返部４２及び係止部４３によって、図４に示すようにコ字状断面部分が形成され、この内側に出口フランジ２の支持部２ｇ（図４に二点鎖線で示す）の先端部が収容されると共に、支持部２ｇと出口端部３２との間にハーフビード部４４が挟持された状態で、メタルガスケット４０が保持される。尚、上記のコ字状断面部分と支持部２ｇとの間は、図５に模式的に拡大して示すように、軸方向に所定の間隙が形成されるように配設され、また、径方向に若干の間隙が残存してもよい。即ち、必ずしも折返部４２及び係止部４３によって支持部２ｇを挟持する必要はなく、これについては以下に説明する。

而して、メタルガスケット４０が図１に示すように配設されると、出口フランジ２の支持部２ｇの先端部が基部４１と係止部４３との間に保持されると共に、支持部２ｇと出口端部３２との間にハーフビード部４４が挟持され、その当接部４４ａの内周面がシュラウド部材３０の出口端部３２の外周面に押接される。これにより、メタルガスケット４０は、図５に示すように弾性変形し、支持部２ｇ及び出口端部３２に対し若干の軸方向移動が許容される状態で、確実に支持部２ｇに保持されると共に、ハーフビード部４４の弾性復元力によって、支持部２ｇ及び出口端部３２の全周に亘って両者間の安定したシール性（気密性）が確保される。特に、図５に示すように、ハーフビード部４４が、その基部４１との接合部が支持部２ｇの内周面に押接されると共に、当接部４４ａの内周面が出口端部３２の外周面に押接されて密着した状態で保持されているので、メタルガスケット４０による気密性が維持される。

本実施形態のタービンハウジングは上記のように構成されており、駆動流体である排気ガスの熱によって、インナシェル１１及びシュラウド部材３０が熱膨張しても、シュラウド部材３０は出口フランジ２の支持部２ｇを摺動し、タービンホイール（図示せず）から離隔する方向に移動するので、タービンブレード（図示せず）との干渉を適切に回避することができる。この場合において、シュラウド部材３０は出口フランジ２の支持部２ｇに対しメタルガスケット４０を介して気密的摺動可能に配設されており、入口フランジ３からスクロール空間ＳＳに排気ガスが導入される際に、出口フランジ２から放出されるといった流れは最小限に抑えられるので、所望のタービン性能を維持することができる。特に、本実施形態においては、出口フランジ２の支持部２ｇとシュラウド部材３０の出口端部３２との間に、図４に示すメタルガスケット４０が介装され、図１及び図５に示すように配設されているので、出口フランジ２に対するシュラウド部材３０の安定した気密性が確保されている。

１ カップリングフランジ
２ 出口フランジ
２ｂ 筒体部
２ｄ 環状段部
２ｇ 支持部
３ 入口フランジ
３ａ 入口管
１０ ハウジング部材
１１ インナシェル
１２ 第１のアウタシェル
１３ 第２のアウタシェル
３０ シュラウド部材
３１ 入口端部
３２ 出口端部
４０ メタルガスケット
４１ 基部
４２ 折返部
４３ 係止部
４４ ハーフビード部
４４ａ 当接部

Claims (2)

1. タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングであって、
   前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、
   該カップリングフランジの開口中心軸と同軸の開口中心軸を有し前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、
   該出口フランジ及び前記カップリングフランジに接合され、当該出口フランジと前記カップリングフランジとの間にスクロール空間を形成すると共に、当該出口フランジを前記カップリングフランジの開口中心軸方向及び該開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持するハウジング部材と、
   前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジと、
   前記タービンホイールに対向して配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材と、
   該シュラウド部材の前記出口端部の外周面と前記出口フランジの内周面との間に介装され、少なくとも環状のハーフビード部を有するメタルガスケットとを備えた
   ことを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記メタルガスケットは、
   円筒状の基部と、
   該基部の一方の開口端部から径方向外側に屈曲形成される環状の折返部と、
   該折返部の外周端から前記基部に対し平行に屈曲形成され、前記基部と共に前記出口フランジを保持する円筒状の係止部と、
   前記基部の他方の開口端部から径方向内側に屈曲形成されると共に、先端に円筒状の当接部が形成されて成る前記ハーフビード部を有し、
   前記基部と前記係止部との間に前記出口フランジの支持部が保持されると共に、前記当接部の内周面が前記シュラウド部材の前記出口端部の外周面に押接されている
   ことを特徴とする請求項１記載のタービンハウジング。

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