JP2019100309A - コンプレッサハウジングの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンプレッサハウジングにおけるスクロール通路や収容部の設計自由度を向上する。【解決手段】コンプレッサハウジングの製造方法では、製作工程において、スクロール通路に対応した形状の本体部７１と本体部７１から吸気導入側に向かって突出する脚部７２とを備える中子７０を製作する。鋳造工程において、コンプレッサハウジングにおけるベアリングハウジング側の部分に対応した形状を有する第１型部８１と、コンプレッサハウジングにおける吸気導入側の部分に対応した形状を有し、中子７０における脚部７２を支持する第２型部８２とを対向配置させる。そして、第１型部８１及び第２型部８２の間に中子７０を配置した状態で、溶融した金属を流して固める。除去工程において、固まった金属の内部から中子７０を除去する。そして、閉塞工程において、中子７０の脚部７２が位置していたことにより形成されたスクロール通路の壁部の孔を塞ぐ。【選択図】図３

Description

本発明は、コンプレッサハウジングの製造方法に関する。

特許文献１には、ターボチャージャにおけるタービンハウジングが記載されている。特許文献１のタービンハウジングは、タービンホイールが収容される収容部、収容部に接続されるとともに収容部を取り囲むように円弧状に延びるスクロール通路、及び収容部に接続され、排気を外部に排出する排出通路を備えている。

また、特許文献１には、上記タービンハウジングを鋳造で製造する方法が開示されている。この鋳造方法においては、第１型部と第２型部との間に、スクロール通路の内部空間を成形するための砂製の中子を配置する。上記一対の型部のうち、第１型部は、タービンハウジングにおけるベアリングハウジング側の部分の形状に対応しており、第２型部は、タービンハウジングにおける排気排出側の部分の形状に対応している。そして、第１型部及び第２型部によって区画されるキャビティ内に溶融した金属を流す。溶融した金属が固まった後において、その固まった金属を第１型部及び第２型部から取り出して中子を崩す。こうして所望の形状のスクロール通路を備えたタービンハウジングが形成される。

特許文献１の鋳造方法において、中子は、スクロール通路の内部空間と同一形状の本体部、及び本体部から突出する脚部を備えている。そして、第１型部及び第２型部によって区画されるキャビティ内において、中子の脚部はタービンハウジングにおける収容部に対応する空間に突出され、当該空間において中子の脚部が第１型部や第２型部に支持されている。

国際公開第２００９／０５２８８３号

ターボチャージャにおけるコンプレッサハウジングは、タービンハウジングと同様に、コンプレッサホイールが収容される収容部、収容部に接続され、吸気を収容部に導入する導入通路、及び収容部に接続されるとともに収容部を取り囲むように円弧状に延びるスクロール通路を備えている。そして、ターボチャージャにおいては、特に、コンプレッサハウジングにおける収容部の壁部の形状を、コンプレッサホイールの外周部の形状に応じた形状にすることで、吸気の効率的な圧縮が実現される。

特許文献１のタービンハウジングの鋳造方法をコンプレッサハウジングに適用した場合には、第１型部及び第２型部によって区画されるキャビティ内において、中子の脚部がコンプレッサハウジングにおける収容部に対応する空間内に突出することになる。そして、この中子の脚部を介して当該中子を適切に支持するためには、脚部の大きさとして相応の大きさを確保する必要がある。この中子の脚部の存在により、スクロール通路や収容部の設計自由度が制約され、スクロール通路、収容部、及びコンプレッサホイールを、吸気の効率的な圧縮が実現できる所望の形状に設計できないおそれがある。

上記課題を解決するためのコンプレッサハウジングの製造方法は、コンプレッサホイールが収容される収容部、前記収容部に接続され、吸気を前記収容部に導入する導入通路、及び前記収容部に接続されるとともに前記収容部を取り囲むように円弧状に延びるスクロール通路を備えるターボチャージャにおけるコンプレッサハウジングの製造方法であって、前記スクロール通路に対応した形状の本体部、及び前記コンプレッサハウジングを成形した場合におけるターボチャージャのベアリングハウジング側とは反対側の吸気導入側又は前記コンプレッサホイールの中心軸線に対する径方向外側に向かって前記本体部から突出する脚部を有する中子を製作する製作工程と、前記製作工程の後、前記コンプレッサハウジングにおける前記ベアリングハウジング側の部分に対応した形状を有する第１型部と、前記コンプレッサハウジングにおける前記吸気導入側の部分に対応した形状を有し、前記中子における前記脚部を支持する第２型部とを対向配置させ、前記第１型部及び前記第２型部の間に前記中子を配置した状態で、溶融した金属を流して固める鋳造工程と、前記鋳造工程の後、固まった金属の内部から前記中子を除去する除去工程と、前記除去工程の後、前記脚部が位置していたことにより形成された前記スクロール通路の壁部の孔を塞ぐ閉塞工程とを備える。

上記構成では、鋳造工程において、中子の脚部が吸気導入側の形状に対応する第２型部に支持される。その一方で、第１型部と第２型部とで区画されるキャビティ内で中子を支持するための構成を、キャビティ内においてスクロール通路に対応する部分よりも径方向内側且つベアリングハウジング側に位置する収容部に対応する空間に突出させる必要がない。そのため、中子の脚部によってコンプレッサハウジングにおけるスクロール通路や収容部の形状が制約されにくく、スクロール通路、収容部及びコンプレッサホイールの設計自由度が向上する。その結果、スクロール通路、収容部及びコンプレッサホイールの形状を、効率的な吸気の圧縮が実現できる形状に設計しやすくなる。なお、上記構成では、スクロール通路を区画する壁部に、中子の脚部に対応した孔が成形されることになるが、閉塞工程において、スクロール通路の壁部の孔が塞がれるので、特に問題は生じない。

ターボチャージャの断面図。 コンプレッサハウジングの側面図。 コンプレッサハウジングの製造工程を示す説明図。 コンプレッサハウジングの製造工程を示す説明図。

以下、本発明の実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。先ず、車両に搭載されるターボチャージャ１００の構成について説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ１００は、内燃機関の吸気通路に取り付けられるコンプレッサハウジング１０と、内燃機関の排気通路に取り付けられる図示しないタービンハウジングと、コンプレッサハウジング１０及びタービンハウジングを接続するベアリングハウジング４０とを備えている。なお、以下の説明では、図１に示すように、ベアリングハウジング４０が位置する側（図１における右側）をベアリングハウジング４０側、ベアリングハウジング４０側とは反対側（図１における左側）を吸気導入側として説明する。

ベアリングハウジング４０は、略円柱形状の軸状部４１を備えている。軸状部４１には、当該軸状部４１の中心軸線Ｘ上を挿通孔４１ａが貫通している。軸状部４１における吸気導入側の端部からは、径方向外側に向かって略円板状の固定部４２が延びている。

ベアリングハウジング４０の固定部４２には、アルミニウム合金製のコンプレッサハウジング１０が固定されている。図１及び図２に示すように、コンプレッサハウジング１０は、ベアリングハウジング４０の軸状部４１の中心軸線Ｘ方向に延びる円筒状の筒状部１１と、筒状部１１の外周を取り囲む円弧部１２とを備えている。円弧部１２は、筒状部１１の軸線方向において、当該筒状部１１のベアリングハウジング４０側の端部の外周を取り囲むように配置されている。

図１に示すように、筒状部１１の内部空間のうち、ベアリングハウジング４０側の一部は、コンプレッサホイール５１が収容される収容部２２になっている。筒状部１１のベアリングハウジング４０側の一部の内径は、ベアリングハウジング４０側ほど大きくなっている。換言すると、収容部２２の径は、ベアリングハウジング４０側ほど大きくなっている。筒状部１１の内部空間のうち、吸気導入側の一部は、収容部２２に吸気を導入する導入通路２１になっている。すなわち、導入通路２１は、収容部２２に接続されている。

図２に示すように、筒状部１１における吸気流れ方向の上流端（吸気導入側の端部）からは、板状の取付部３１が２つ突出している。取付部３１においては、当該取付部３１の厚み方向にボルト孔３１ａが貫通している。このボルト孔３１ａに図示しないボルトが挿通されることで、筒状部１１（コンプレッサハウジング１０）が、内燃機関におけるターボチャージャ１００よりも上流側の吸気通路に固定される。

図１及び図２に示すように、円弧部１２の内部には、筒状部１１における収容部２２を取り囲むように円弧状に延びるスクロール通路２３が区画されている。図２に示すように、スクロール通路２３は、筒状部１１の周方向のほぼ全体に亘って延びている。また、スクロール通路２３の吸気流れ方向下流側の一部は、筒状部１１の外周円に対する接線方向に延びている。円弧部１２における吸気流れ方向の下流端からは、スクロール通路２３の中心軸線に対して外側に向かってフランジ部３２が張り出している。このフランジ部３２には、図示しないボルト孔が厚み方向に貫通しており、当該ボルト孔にボルトが挿通されることで、円弧部１２（コンプレッサハウジング１０）が、内燃機関におけるターボチャージャ１００よりも下流側の吸気通路に固定される。

図１に示すように、円弧部１２におけるベアリングハウジング４０側の端面１２ａは、ベアリングハウジング４０における固定部４２の吸気導入側の端面４２ａに固定されている。また、筒状部１１におけるベアリングハウジング４０側の端面１１ａと、ベアリングハウジング４０における固定部４２の吸気導入側の端面４２ａとの間には、隙間が確保されている。この隙間が、筒状部１１における収容部２２と円弧部１２におけるスクロール通路２３とを接続する接続通路２４として機能している。すなわち、スクロール通路２３は、接続通路２４を介して収容部２２に接続されている。

図１に示すように、円弧部１２におけるスクロール通路２３の壁部を構成する部分には、ねじ孔２６が貫通している。ねじ孔２６は、円弧部１２のうちの吸気導入側に位置している。図２に示すように、本実施形態では、円弧部１２において３つのねじ孔２６が貫通している。３つのねじ孔２６は、スクロール通路２３の周方向において間隔を開けて配置されている。

図１に示すように、ねじ孔２６には、プラグ３５が挿通されている。プラグ３５の軸部３６は、ねじ孔２６にねじ込まれている。なお、この実施形態では、プラグ３５における軸部３６の先端は、円弧部１２における内壁（スクロール通路２３を区画する壁）から突出しないようになっている。プラグ３５の頭部３７は、ねじ孔２６の外部に位置している。

図１に示すように、コンプレッサハウジング１０の収容部２２には、略円柱形状のコンプレッサホイール５１が収容されている。コンプレッサホイール５１の中心軸線は、中心軸線Ｘと同軸上に位置している。コンプレッサホイール５１の外周部と筒状部１１における収容部２２の壁部との間には、僅かな隙間が確保されている。なお、図１では、コンプレッサホイール５１の外周部と筒状部１１における収容部２２の壁部との隙間を省略して図示している。

コンプレッサホイール５１には、略棒状の連結シャフト５２の一端部が連結されている。連結シャフト５２は、ベアリングハウジング４０の挿通孔４１ａに挿通されている。連結シャフト５２の中心軸線は、中心軸線Ｘと同軸上に位置している。連結シャフト５２は、図示しないベアリングによって回転可能に支持されている。連結シャフト５２の他端部には、図示しないタービンホイールが連結されている。タービンホイールは、タービンハウジングの内部に収容されている。タービンホイールの回転に伴ってコンプレッサホイール５１が回転すると、当該コンプレッサホイール５１が吸気を圧縮する。

次に、コンプレッサハウジング１０の製造方法について説明する。
先ず、製作工程において、その後の鋳造工程で用いる砂製の中子７０を製作する。中子７０を製作する際には、中子７０の外形に合わせて成形された金属製の中子用金型の内部に砂を十分に充填し、砂を固める。そして、中子用金型から固まった砂を取り出すことで中子７０が形成される。

図３に示すように、中子７０は、スクロール通路２３の内部空間に対応した形状の本体部７１を備えている。すなわち、本体部７１は、スクロール通路２３の形状と略同様に円弧状に延びている。本体部７１からは、略円柱形状の脚部７２が突出している。脚部７２は、コンプレッサハウジング１０を成形した場合における吸気導入側に向かうように突出している。なお、脚部７２の外径は、製造後のコンプレッサハウジング１０に設けられるねじ孔２６の内径よりも小さくなっている。中子７０における本体部７１に対する脚部７２の位置は、コンプレッサハウジング１０（円弧部１２）におけるスクロール通路２３に対するねじ孔２６の位置と略同じになっている。中子７０は、３つの脚部７２を備えている。

その後、鋳造工程では、図３に示すように、コンプレッサハウジング１０におけるベアリングハウジング４０側の部分に対応した形状を有する金属製の金型である第１型部８１と、コンプレッサハウジング１０における吸気導入側の部分に対応した形状を有する金属製の金型である第２型部８２とを用いる。第１型部８１は、略四角板形状の型部本体８１ａと、型部本体８１ａからコンプレッサハウジング１０を成形した場合における吸気導入側に向かって突出する形成突部８１ｂとを備えている。形成突部８１ｂは、コンプレッサハウジング１０における円弧部１２の端面１２ａ、スクロール通路２３、筒状部１１の端面１１ａ、及び収容部２２の形状に対応して突出している。

第２型部８２は、略四角柱形状になっている。第２型部８２におけるコンプレッサハウジング１０を成形した場合のベアリングハウジング４０側の端面からは、コンプレッサハウジング１０を成形した場合における吸気導入側に向かって形成凹部８２ａが窪んでいる。形成凹部８２ａは、コンプレッサハウジング１０における円弧部１２の吸気導入側の外面、筒状部１１の吸気導入側の外面、導入通路２１、及び収容部２２の形状に対応して窪んでいる。

第２型部８２における形成凹部８２ａのうちの円弧部１２の外面に対応した部分からは、コンプレッサハウジング１０を成形した場合における吸気導入側に向かって支持凹部８２ｂが窪んでいる。支持凹部８２ｂの内径は、中子７０の脚部７２の外径と略同じになっている。第２型部８２における形成凹部８２ａに対する支持凹部８２ｂの位置は、中子７０における本体部７１に対する脚部７２の位置と略同じになっている。第２型部８２は、３つの支持凹部８２ｂを備えている。

図３に示すように、鋳造工程において、先ず、第２型部８２の形成凹部８２ａの内部に中子７０を配置する。そして、第２型部８２における３つの支持凹部８２ｂに対して中子７０における３つの脚部７２を挿入し、第２型部８２によって中子７０の脚部７２を支持させる。次に、第１型部８１を、第２型部８２の形成凹部８２ａと第１型部８１の形成突部８１ｂとが対向するように配置させる。こうして第１型部８１と第２型部８２との間に区画されるキャビティ内に中子７０が配置される。そして、第１型部８１及び第２型部８２の間に中子７０を配置した状態で、第１型部８１と第２型部８２との間に区画されるキャビティ内に溶融したアルミニウム合金を流し、当該アルミニウム合金を固める。

図４に示すように、その後、除去工程において、第１型部８１と第２型部８２との間から固まったアルミニウム合金を取り出す。そして、固まったアルミニウム合金の内部の中子７０を崩して砂を排出する。こうしてコンプレッサハウジング１０における導入通路２１、収容部２２、及びスクロール通路２３が形成される。また、コンプレッサハウジング１０（円弧部１２）におけるスクロール通路２３を構成する部分には、中子７０の脚部７２が位置していた脚部挿通孔２６Ａが形成される。

また、除去工程では、コンプレッサハウジング１０の内面や外面に残った砂を、金属球を衝突させるショットブラスト処理によって取り除く。そして、コンプレッサハウジング１０における円弧部１２の内部（スクロール通路２３）には、３つの脚部挿通孔２６Ａから金属球を導入してショットブラスト処理を行う。

その後、閉塞工程において、コンプレッサハウジング１０における脚部挿通孔２６Ａに切削加工でねじ溝を形成することにより、脚部挿通孔２６Ａをねじ孔２６にする。そして、図１に示すように、ねじ孔２６にプラグ３５の軸部３６をねじ込んで、プラグ３５をねじ孔２６に挿通する。すなわち、コンプレッサハウジング１０（円弧部１２）におけるスクロール通路２３の壁部のねじ孔２６をプラグ３５によって塞ぐ。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
本実施形態では、図３に示すように、鋳造工程において、第２型部８２における３つの支持凹部８２ｂに対して中子７０における３つの脚部７２が挿入されることで、中子７０の脚部７２が吸気導入側の部分に対応した形状を有する第２型部８２に支持される。ここで、仮に、第１型部８１と第２型部８２との間に区画されるキャビティ内において、中子７０の脚部７２がコンプレッサハウジング１０における収容部２２に対応する空間側に突出している場合には、中子７０の脚部７２が第１型部８１に支持される。このように収容部２２に対応した空間を介して、中子７０の脚部７２が支持される場合には、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３や収容部２２の形状が制約されやすい。この場合には、スクロール通路２３や収容部２２の設計自由度が制約され、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３、収容部２２、及びコンプレッサホイール５１を、吸気の効率的な圧縮が実現できる所望の形状に設計できないおそれがある。

これに対して、本実施形態では、中子７０の脚部７２がコンプレッサハウジング１０を成形した場合における吸気導入側に向かって突出している。そして、鋳造工程において、中子７０の脚部７２が第２型部８２に支持される。その一方で、第１型部８１と第２型部８２とで区画されるキャビティ内で中子７０を支持するための構成を、キャビティ内においてスクロール通路２３に対応する部分よりも径方向内側且つベアリングハウジング４０側に位置する収容部２２に対応する空間に突出させる必要がない。そのため、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３や収容部２２の形状が制約されにくい。これにより、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３、収容部２２、及びコンプレッサホイール５１の設計自由度を向上できる。その結果、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３、収容部２２、及びコンプレッサホイール５１の形状を、効率的な吸気の圧縮が実現できる形状に設計しやすくなる。

また、鋳造工程において、コンプレッサハウジング１０（円弧部１２）におけるスクロール通路２３を構成する壁部には、中子７０の脚部７２が位置していたことにより脚部挿通孔２６Ａが形成される。本実施形態では、その後の閉塞工程において、切削加工によって脚部挿通孔２６Ａをねじ孔２６にする。そして、コンプレッサハウジング１０（円弧部１２）におけるスクロール通路２３の壁部のねじ孔２６がプラグ３５によって塞がれる。そのため、例えば、ターボチャージャ１００の過給時において、コンプレッサハウジング１０におけるねじ孔２６から吸気が漏れる等の問題は生じない。

ところで、除去工程において、例えば、スクロール通路２３の下流端側から当該スクロール通路２３の内部に金属球を導入してショットブラスト処理を行う場合には、スクロール通路２３が円弧状に延びているため、当該ショットブラスト処理によってスクロール通路２３の内部に残存した砂を完全に除去できないことがある。これに対して、本実施形態では、コンプレッサハウジング１０における３つの脚部挿通孔２６Ａからスクロール通路２３の内部に金属球を導入してショットブラスト処理を行うことで、スクロール通路２３の内部の隅々に金属球が衝突しやすい。これにより、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３の内部の砂を適切に除去することができる。また、スクロール通路２３の内部の隅々に金属球を衝突するようにショットブラスト処理を行うことで、スクロール通路２３の内面の平滑度を高めるなど、内面における面性状の改善に寄与できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記構成において、中子７０の形状は適宜変更できる。例えば、脚部７２の数を変更したとしても、鋳造工程において中子７０を第２型部８２によって支持できるのであれば、中子７０における脚部７２の数は２つ以下や４つ以上でもよい。この場合には、脚部７２の数に合わせて、第２型部８２における支持凹部８２ｂの数を変更すればよい。

また、鋳造工程において中子７０を第２型部８２によって支持できるのであれば、中子７０における本体部７１に対する脚部７２の位置、脚部７２の大きさ、及び脚部７２の形状を適宜変更できる。

・上記構成において、中子７０における脚部７２の突出方向を変更してもよい。例えば、脚部７２は、コンプレッサハウジング１０を成形した場合におけるターボチャージャ１００のコンプレッサホイール５１の中心軸線に対する径方向外側に向かって突出していてもよい。そして、鋳造工程において、中子７０の脚部７２が第２型部８２によって支持されていればよい。この場合にも、コンプレッサハウジング１０におけるスクロール通路２３や収容部２２の形状が制約されにくくなる。

・上記構成において、プラグ３５における軸部３６の先端は、円弧部１２における内壁（スクロール通路２３を区画する壁）から突出してもよい。例えば、スクロール通路２３を流通する吸気の流れに対する影響が小さいのであれば、プラグ３５における軸部３６の長さを適宜変更してもよい。

・上記構成における閉塞工程では、コンプレッサハウジング１０における脚部挿通孔２６Ａを塞ぐ構成を適宜変更してもよい。例えば、閉塞工程においては、コンプレッサハウジング１０における脚部挿通孔２６Ａに金属球を圧入することで、当該脚部挿通孔２６Ａを塞いでもよい。この場合には、コンプレッサハウジング１０における脚部挿通孔２６Ａを切削加工によってねじ孔２６にする作業を省略できる。

・上記構成において、除去工程におけるショットブラスト処理の作業方法を変更してもよい。例えば、スクロール通路２３の下流端側から当該スクロール通路２３の内部に金属球を導入するショットブラスト処理によって、スクロール通路２３の内部の砂を適切に除去できるのであれば、脚部挿通孔２６Ａからスクロール通路２３の内部に金属球を導入するショットブラスト処理を行わなくてもよい。

・上記構成において、コンプレッサハウジング１０の材質は適宜変更できる。例えば、コンプレッサハウジング１０の材質は鋳鉄としてもよい。この場合、鋳造工程における第１型部８１及び第２型部は砂を固めた砂型としてもよい。

Ｘ…中心軸線、１０…コンプレッサハウジング、１１…筒状部、１１ａ…端面、１２…円弧部、１２ａ…端面、２１…導入通路、２２…収容部、２３…スクロール通路、２４…接続通路、２６…ねじ孔、２６Ａ…脚部挿通孔、３１…取付部、３１ａ…ボルト孔、３２…フランジ部、３５…プラグ、３６…軸部、３７…頭部、４０…ベアリングハウジング、４１…軸状部、４１ａ…挿通孔、４２…固定部、４２ａ…端面、５１…コンプレッサホイール、５２…連結シャフト、７０…中子、７１…本体部、７２…脚部、８１…第１型部、８１ａ…型部本体、８１ｂ…形成突部、８２…第２型部、８２ａ…形成凹部、８２ｂ…支持凹部、１００…ターボチャージャ。

Claims (1)

1. コンプレッサホイールが収容される収容部、前記収容部に接続され、吸気を前記収容部に導入する導入通路、及び前記収容部に接続されるとともに前記収容部を取り囲むように円弧状に延びるスクロール通路を備えるターボチャージャにおけるコンプレッサハウジングの製造方法であって、
   前記スクロール通路に対応した形状の本体部、及び前記コンプレッサハウジングを成形した場合におけるターボチャージャのベアリングハウジング側とは反対側の吸気導入側又は前記コンプレッサホイールの中心軸線に対する径方向外側に向かって前記本体部から突出する脚部を有する中子を製作する製作工程と、
   前記製作工程の後、前記コンプレッサハウジングにおける前記ベアリングハウジング側の部分に対応した形状を有する第１型部と、前記コンプレッサハウジングにおける前記吸気導入側の部分に対応した形状を有し、前記中子における前記脚部を支持する第２型部とを対向配置させ、前記第１型部及び前記第２型部の間に前記中子を配置した状態で、溶融した金属を流して固める鋳造工程と、
   前記鋳造工程の後、固まった金属の内部から前記中子を除去する除去工程と、
   前記除去工程の後、前記脚部が位置していたことにより形成された前記スクロール通路の壁部の孔を塞ぐ閉塞工程とを備える
   ことを特徴とするコンプレッサハウジングの製造方法。