JP2019218941A - 遠心圧縮機、ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】低圧力比域においても、サージングの発生を抑制することができる遠心圧縮機、及びターボチャージャを得る。【解決手段】逆方向へ流れた空気は、副流路１１２を螺旋状に流れる。さらに、螺旋状に流れる空気は、連通路１１４を通って主流路１１０側へ流れ、空気の流れ方向において本体部の上流端からインペラ側へ流れる空気と合流して、インペラ側へ流れる。このように、副流路１１２を螺旋状に流れる空気が流れ方向を変えずに、インペラ側へ流れる空気と合流することがない。【選択図】図１

Description

本発明は、遠心圧縮機、及びターボチャージャに関する。

特許文献１に記載の遠心圧縮機は、インペラの回転により空気を圧縮する遠心圧縮機であって、インペラへ空気を導入する導入管と、導入管内に設けられ、インペラの上流側で空気の流れを規制し、かつ、空気の流れを規制する状態と規制しない状態との間で変位する規制部材とを有する。

特開２０１０−１３８７６５号公報

遠心圧縮機では、回転するインペラによって、圧縮される空気の流量が小さくなると、遠心圧縮機の出口側の圧力が高くなる。これにより、空気の一部が、インペラの出口から、インペラとハウジングとの隙間を通って、インペラの入口側に逆流する。この逆流に起因して、遠心圧縮機では、サージングが発生することがある。
サージングを抑制するアイテムとしてケーシングトリートメントが知られているが、ケーシングトリートメントによるサージング抑制は、圧力比の高い場合には効果があるものの圧力比が低くなるとその効果が少なくなる。また、近年では遠心圧縮機のより広い動作領域での使用が求められており、このため、低圧力比、低流量でのサージング抑制が強く求められている。

本願発明の課題は、低圧力比域においても、サージングの発生を抑制することである。

本発明の請求項１に係る遠心圧縮機は、軸周りに回転し、軸方向から流入する空気を圧縮して径方向へ流すインペラと、空気の流れ方向において前記インペラの上流側で、前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した断面が円状とされた内周面が形成された本体部と、前記内周面の内側に配置され、前記内周面と空間を空けて対向する対向面と、前記対向面の反対側で前記インペラへ空気を案内する案内面とが形成され、前記インペラの回転軸における周方向に離間して複数設けられている内側部材であって、複数の前記内側部材の前記案内面で囲まれた主流路と、前記内周面と前記対向面との間に形成された副流路とを連通する連通路が前記周方向で隣り合う前記内側部材の間に形成されると共に、前記インペラ側から逆流した空気が前記副流路に流入する流入口が形成されている前記内側部材と、を備えていることを特徴とする。

上記構成によれば、回転するインペラは、インペラへ流入する空気を圧縮し、圧縮した空気を径方向へ流す。インペラによって圧縮された圧縮空気の流量が小さい場合には、インペラから径方向へ流れる圧縮空気は、径方向へ流れ続ける空気と、逆方向へ折り返してインペラの空気入口側へ流れる空気とに分かれる（剥離する）。この逆方向への空気の流れ（逆流）に起因して、サージングが発生する。

逆方向へ流れた空気は、流入口から内周面と対向面との間に形成された副流路に流入し、本体部の内周面と内側部材の対向面との間を螺旋状に流れる。さらに、螺旋状に流れる空気は、隣り合う内側部材の間の連通路を通って、インペラへ空気を案内する案内面側の主流路へ流れる。また、案内面側の主流路へ流れた空気は、空気の流れ方向において本体部の上流端からインペラ側へ流れる空気と合流して、インペラ側へ流れる。つまり、インペラを通過して逆流した空気が、副流路及び連通路を通って案内面側の主流路へ流れ、再度インペラ側へ向かって流れるように循環する（循環空気）。

具体的には、軸方向から見て、内周面に沿って内周面の周方向へ旋回する空気が、隣り合う内側部材の間の連通路を通ることで、その旋回が弱められた状態となり、インペラの回転軸側へ流れる。そして、インペラの回転軸側へ流れる空気が、空気の流れ方向において本体部の上流端からインペラ側へ流れる空気と合流して、インペラ側へ流れる。

このため、内側部材が設けられていないことで、内周面に沿って流れる空気が、空気の流れ方向において本体部の上流端からインペラ側へ流れる空気と合流する場合と比して、インペラ側へ流れる空気の流れ方向が、周方向でインペラの回転側に傾くのが抑制される。

さらに、インペラ側へ流れる空気の流れ方向が、周方向でインペラの回転側に傾くのが抑制されることで、インペラが空気に与える角運動量が増加して、インペラから押し出される空気の圧力は高くなる。また、低流量域においてもインペラから押し出される空気の圧力を高くすることができるので、低流量域における流量ｖｓ圧力比の特性は、流量の減少とともに圧力比が上がるような左上がりの特性となる。即ち、低流量域でのサージング発生を抑制して作動領域を拡大しつつ、低流量域での遠心圧縮機の安定動作を確保することができる。

本発明の請求項２に係る遠心圧縮機は、請求項１に記載の遠心圧縮機において、前記主流路は、前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した断面が円状で、前記インペラへ空気を案内する流路であって、前記主流路の径寸法は、前記流れ方向の上流側から下流側に向かうに従って小さくなっていることを特徴とする。

上記構成によれば、主流路の径寸法は、流れ方向の上流側から下流側に向かうに従って小さくなっている。このため、主流路の径寸法が一定の場合と比して、案内面側へ流れる循環空気の流量を増加させることができる。

本発明の請求項３に係る遠心圧縮機は、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機において、前記内側部材には、前記連通路を臨む側面が形成されており、前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、前記連通路を形成する一対の前記側面は、前記インペラの回転中心を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされ、かつ、一対の前記側面は、回転軸を通り径方向に延びている直線に沿って延びており、互いに平行とされていることを特徴とする。

上記構成によれば、逆方向へ流れた空気は、本体部の内周面と内側部材の対向面との間の空間を螺旋状に、インペラの回転側へ流れる。さらに、螺旋状に流れる空気は、連通路を通って、複数の内側部材の案内面で囲まれた空間側へ流れる。ここで、インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路を形成する一対の側面は、インペラの回転中心を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされ、回転軸中心を通り、径方向に延びている直線に対して平行に延びており、かつ、互いに平行とされている。換言すれば、インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路は、径方向に延びている。このため、連通路が径方向に対して傾斜している場合と比して、インペラ側への空気の流れが、軸方向から見て、周方向でインペラの回転側に傾くのを抑制することができる。

さらに、インペラ側への空気の流れが、軸方向から見て、周方向でインペラの回転側に傾くのが抑制されることで、連通路が径方向に対して傾斜している場合と比して、サージングの発生を抑制することができる。

本発明の請求項４に係る遠心圧縮機は、請求項１又は２に記載の遠心圧縮機において、前記内側部材には、前記連通路を臨む側面が形成されており、前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、前記連通路を形成する一対の前記側面は、前記インペラの回転中心を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされ、かつ、前記連通路の通路幅は、前記副流路から、前記主流路へ向かうに従って狭くなっていることを特徴とする。

上記構成によれば、逆方向へ折り返してインペラの空気入口側へ流れる空気は、本体部の内周面と内側部材の対向面との間の空間を螺旋状に流れる。さらに、螺旋状に流れる空気は、連通路を通って、複数の内側部材の案内面で囲まれた空間側へ流れる。ここで、インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路を形成する一対の側面は、インペラの回転中心を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされている。さらに、連通路の通路幅は、副流路から主流路へ向かうに従って狭くなっている。このため、連通路の通路幅が一定である場合と比して、複数の内側部材の案内面で囲まれた空間側への空気の流れが速くなり、インペラ側へ流れる空気が回転軸側に押される。これにより、インペラから押し出される空気の圧力を高くすることができる。

また、インペラから押し出される空気の圧力が高くなることで、連通路の通路幅が一定である場合と比して、サージングの発生を抑制することができる。

本発明の請求項５に係るターボチャージャは、エンジンから排出される排気ガスが流れる力によって回転するタービンロータを有するタービンユニットと、前記タービンロータから回転力が前記インペラに伝達され、前記エンジンに供給する空気を圧縮する請求項１〜４の何れか１項に記載の遠心圧縮機と、を備えたことを特徴とする。

上記構成によれば、請求項１〜４の何れか１項に記載の遠心圧縮機を備えることで、圧縮空気をエンジンに効率よく供給することができる。

本発明によれば、低圧力比域においても、サージングの発生を抑制することができる。

（Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機を示した正面図、及び断面図である。 本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機を示した断面図である。 本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機を示した正面図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機を示した断面図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機において、空気の流れ方向を矢印で示した説明図である。 本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機、及び比較形態に係る遠心圧縮機の評価結果をグラフで示した図面である。 本発明の第１実施形態に係るターボチャージャを示した断面図である。 本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機の内側部材等を示した斜視図である。 （Ａ）（Ｂ）本発明の第１実施形態に対する比較形態に係る遠心圧縮機において、空気の流れ方向を矢印で示した説明図である。 本発明の第１実施形態に対する比較形態に係る遠心圧縮機を示した断面図である。 本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機を示した断面図である。 本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機を示した断面図である。 本発明の第４実施形態に係る遠心圧縮機を示した断面図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機、及びターボチャージャの一例について図１〜図１０を用いて説明する。

（全体構成）
本第１実施形態に係るターボチャージャ１０は、図７に示されるように、タービンユニット２０、遠心圧縮機３０、及びタービンユニット２０と遠心圧縮機３０とを連結する連結ユニット４０を備えている。そして、タービンユニット２０は、自動車のエンジン（図示省略）の排気通路１２の途中に配置され、遠心圧縮機３０は、このエンジンの吸気通路１４の途中に配置されている。

タービンユニット２０は、ハウジング２４を備え、遠心圧縮機３０は、ハウジング５０を備え、連結ユニット４０は、ハウジング２４とハウジング５０とを連結するハウジング４４を備えている。

さらに、ターボチャージャ１０は、ハウジング２４、ハウジング４４、及びハウジング５０の内部を通る回転軸４２を備えている、そして、この回転軸４２の軸方向（図中矢印Ｅ方向：以下単に「軸方向」）の一端側（図中右側）から他端側（図中左側）へ、ハウジング２４、ハウジング４４、及びハウジング５０は、この順番で図示せぬ固定具を用いて互いに固定され、並んでいる。

〔タービンユニット〕
タービンユニット２０は、図７に示されるように、ハウジング２４と、タービンロータ２２とを備えている。ハウジング２４は、内部が空洞とされ、このハウジング２４の内部に、タービンロータ２２が配置されている。そして、タービンロータ２２は、回転軸４２の軸方向の一端側の部分に固定されているロータ軸部２８と、ロータ軸部２８から延びている複数のタービン翼２６とを有している。

また、ハウジング２４においてタービンロータ２２に対して回転軸４２の径方向（図中矢印Ｄ方向：以下単に「径方向」）の外側の部分には、排気通路１２を流れる排気ガスをハウジング２４の内部へ流入させる渦巻き状の渦巻き流路２４Ａが形成されている。さらに、ハウジング２４においてタービンロータ２２に対して軸方向の外側（ハウジング４４側とは反対側）の部分には、排気ガスをハウジング２４の外部へ排出させて排気通路１２へ流出させる排出流路２４Ｂが形成されている。

この構成において、渦巻き流路２４Ａからハウジング２４の内部へ流入した排気ガス（流体の一例）は、隣り合うタービン翼２６の間へ流れ込む。そして、排気ガスは、複数のタービン翼２６を押すことで、タービンロータ２２を回転させる。さらに、タービンロータ２２を回転させた排気ガスは、排出流路２４Ｂから排出される。このように、タービンロータ２２は、所謂ラジアルタービンロータとされている。

〔連結ユニット〕
連結ユニット４０は、図７に示されるように、ハウジング４４を備えている。そして、このハウジング４４は、回転軸４２を回転可能に支持する支持部４４Ａを有している。

さらに、ハウジング４４は、循環しながら支持部４４Ａへ供給されるエンジンオイルをハウジング４４の内部へ流入させる開口（図示省略）と、エンジンオイルをハウジング４４の内部から排出させる排出口（図示省略）とを有している。

この構成において、ハウジング４４の内部へ流入したエンジンオイルは、支持部４４Ａに供給され、回転軸４２が滑らかに回転する。

〔遠心圧縮機〕
遠心圧縮機３０は、図７に示されるように、ハウジング５０と、インペラ３２とを備えている。ハウジング５０は、内部が空洞とされ、このハウジング５０の内部に、インペラ３２が配置されている。そして、インペラ３２は、回転軸４２の軸方向の他端側の部分に固定されている回転軸部３４と、回転軸部３４から延びている複数のインペラ翼３６とを有している。

また、ハウジング５０においてインペラ３２に対して軸方向の外側（ハウジング４４側とは反対側）の部分には、吸気通路１４を流れる空気をインペラ３２へ導く主流路１１０が形成されている。さらに、ハウジング５０においてインペラ３２に対して径方向の外側（回転軸４２とは反対側）の部分には、空気をハウジング５０の外部へ排出して吸気通路１４へ流入させる渦巻き状の渦巻き流路６８（所謂スクロール流路）が形成されている。なお、遠心圧縮機３０については詳細を後述する。

（全体構成の作用）
次に、ターボチャージャ１０の作用について説明する。
タービン翼２６は、渦巻き流路２４Ａからハウジング２４の内部へ流入した排気ガスによって押されて回転する。タービンロータ２２の回転力は、回転軸４２を介してインペラ３２に伝達される。なお、ハウジング２４の内部でタービンロータ２２を回転させた排気ガスは、排出流路２４Ｂから排出される。

インペラ３２は、回転軸４２を介してタービンロータ２２の回転力が伝達されることで回転する。そして、回転するインペラ３２は、吸気通路１４からハウジング５０の主流路１１０によってインペラ３２側へ導かれた空気を圧縮する。また、回転するインペラ３２は、圧縮した空気を径方向へ流す。さらに、径方向へ流された圧縮空気は、渦巻き流路６８を流れて吸気通路１４へ排出される。渦巻き流路６８から排出された空気は、燃焼用の圧縮空気としてエンジンに供給される。

（要部構成）
次に、遠心圧縮機３０について説明する。
遠心圧縮機３０は、図１（Ａ）（Ｂ）に示されるように、インペラ３２と、内部にインペラ３２が配置されているハウジング５０と、ハウジング５０に取り付けられている複数の内側部材１００（図１（Ａ）参照）とを備えている。

〔インペラ３２〕
インペラ３２は、図１（Ａ）（Ｂ）、図３に示されるように、回転軸４２の軸方向の他端側の部分に固定されている回転軸部３４と、回転軸部３４から延びている複数のインペラ翼３６とを有している。

回転軸部３４は、軸方向の外側（ハウジング４４側とは反対側：図中左側）に向かうに従って徐々に細くなっている。また、夫々のインペラ翼３６は、図１（Ａ）に示されるように、軸方向から見て、回転軸部３４から湾曲しながら径方向の外側へ延びている。そして、夫々のインペラ翼３６は、図１（Ｂ）に示されるように、軸方向の外側の部分で径方向へ延びている先端縁３６Ａと、先端縁３６Ａの径方向の外側の端部に接続されて、湾曲しながら軸方向の内側（ハウジング４４側：図中右側）へ延びている湾曲縁３６Ｂとを有している。さらに、夫々のインペラ翼３６は、湾曲縁３６Ｂの端部に接続されて、軸方向へ延びている基端縁３６Ｃを有している。

この構成において、回転するインペラ３２は、インペラ翼３６の先端縁３６Ａから流入する空気を圧縮し、圧縮した空気（圧縮空気）をインペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側へ流す。

〔ハウジング５０〕
ハウジング５０は、図１（Ｂ）、図３に示されるように、インペラ３２に対して空気の流れ方向の上流側の本体部５２と、回転するインペラ３２によって空気が圧縮される圧縮路５６が形成された圧縮部５８とを有している。さらに、ハウジング５０は、インペラ３２によって圧縮された圧縮空気が流れる拡散流路６２が形成された拡散部６４と、拡散流路６２を通った圧縮空気を吸気通路１４（図１参照）へ排出する渦巻き流路６８が形成された渦巻き部７０とを有している。

圧縮部５８に形成された圧縮路５６は、インペラ３２を収容するように形成されている。また、圧縮路５６には、インペラ翼３６の湾曲縁３６Ｂと隙間６０を空けて対向する対向面５６Ａが形成されている。

拡散部６４に形成された拡散流路６２は、軸方向から見て、インペラ３２を囲むように形成されている（図３参照）。そして、拡散流路６２は、回転するインペラ３２によって圧縮され、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側へ流された圧縮空気を渦巻き流路６８へ流すようになっている。

渦巻き部７０に形成された渦巻き流路６８は、軸方向から見て、拡散流路６２を囲むように渦巻き状に形成されている。また、渦巻き流路６８の一端には、圧縮空気を吸気通路１４へ排出するための排出口６８Ａが形成されている。この渦巻き流路６８の流路断面は、略円形状とされている。そして、渦巻き流路６８は、拡散流路６２を通過した圧縮空気を、吸気通路１４へ排出させるようになっている。

本体部５２は、インペラ３２に対して空気の流れ方向の上流側に配置されている。さらに、本体部５２には、インペラ３２の回転軸Ｃ１に対して直交する方向で切断した切断面において円状で、かつ、径寸法が空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に小さくなる内周面７４が形成されている。また、本体部５２には、内周面７４に対して空気の流れ方向の下流端に一端に接続され、他端が圧縮部５８の対向面５６Ａに接続され、他端側の部分が空気の流れ方向の上流側を向いた湾曲面７６が形成されている。さらに、本体部５２には、空気の流れ方向において内周面７４の上流端に接続され、断面Ｌ字状のＬ字面７８が形成されている。

〔内側部材１００〕
内側部材１００は、図１（Ａ）（Ｂ）に示されるように、本体部５２の内周面７４の内側に配置されており、周方向に離間して複数（本実施形態では６個）設けられている。

夫々の内側部材１００には、本体部５２の内周面７４及び湾曲面７６と対向する対向面１０２と、対向面１０２の反対側で、インペラ３２へ空気を案内する案内面１０４とが形成されている。さらに、夫々の内側部材１００には、周方向において隣に配置された内側部材１００側を向いた側面１０６と、本体部５２のＬ字面７８に接触する取付面１０８とが形成されている。

−対向面１０２−
対向面１０２は、前述したように、本体部５２の内周面７４及び湾曲面７６と対向している。本実施形態では、内側部材１００の対向面１０２と本体部５２の内周面７４との距離（図１（Ｂ）のＬ１）は、一例として、２〔ｍｍ〕とされている。

さらに、本体部５２の湾曲面７６と内側部材１００の対向面１０２との距離（図１（Ｂ）のＬ２）は、一例として、２〔ｍｍ〕以上５〔ｍｍ〕以下とされており、開口側が広くなっている。また、本体部５２の湾曲面７６と内側部材１００の対向面１０２とで形成される開口は、インペラ３２の回転軸Ｃ１側を向いており、径方向で回転軸Ｃ１と対向している。このように、内周面７４及び湾曲面７６と、対向面１０２との間に形成された空間に、インペラ３２側から逆流した空気（詳細は後述）が流入する、流入口８４が形成されている。

そして、内側部材１００の対向面１０２と、本体部５２の内周面７４及び湾曲面７６との間が、インペラ３２側から逆流した空気が流れる副流路１１２とされている。

−案内面１０４−
案内面１０４は、前述したように、対向面１０２の反対側、つまり、回転軸Ｃ１側を向いており、軸方向に対して直交する方向で切断した切断形状が円弧状とされている（図４（Ｂ）参照）。そして、複数の内側部材１００の案内面１０４で囲まれた空間が、インペラ３２へ空気を案内する主流路１１０とされている。また、主流路１１０は、インペラ３２の回転軸Ｃ１を中心とする断面円状とされている。さらに、主流路１１０の径寸法は、空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に小さくなる。また、空気の流れ方向において案内面１０４の下流端は、軸方向から見て、回転するインペラ翼３６の先端縁３６Ａによって描かれる円と比して、径方向の外側に配置されている。なお、本実施形態では、案内面１０４については、軸方向に対して直交する方向で切断した切断形状が円弧状とされたが、一部が直線状であってもよい。

−側面１０６−
側面１０６は、前述したように、周方向において隣に配置された内側部材１００側を向くように形成されている。つまり、隣り合う内側部材１００に形成された側面１０６は、周方向で対向している。そして、対向する一対の側面１０６の間が、主流路１１０と副流路１１２とを連通する連通路１１４とされている。

また、回転軸Ｃ１に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路１１４を形成する一対の側面１０６は、図４（Ｂ）に示されるように、回転軸Ｃ１を通り、径方向に延びている直線に対して対称の形状とされ、かつ、回転軸Ｃ１を通り径方向に延びている直線に沿って延びており、互いに平行とされている。そして、連通路１１４は、軸方向から見て、径方向へ延びている。換言すると、回転軸Ｃ１に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路１１４は、径方向に延びいている。さらに、対向する一対の側面１０６の距離（図４（Ｂ）のＬ３）は、一例として、８〔ｍｍ〕とされている。

また、図１（Ａ）示されるように、案内面１０４において空気の流れ方向の下流側の一対の角部の回転角を角度θ１とし、連通路１１４において空気の流れ方向の下流側の一対の端部の回転角を角度θ２とする。そうすると、角度θ１を１０とすると、角度θ２は、２以上６以下が好ましく、３以上５以下がより好ましい。

−取付面１０８−
取付面１０８は、図１（Ｂ）に示されるように、空気の流れ方向において、対向面１０２の上流側に配置されており、本体部５２のＬ字面７８に接触するように形成されている。内側部材１００の取付面１０８が、図示せぬ固定部材を用いて本体部５２のＬ字面７８に固定されることで、内側部材１００は、ハウジング５０に取り付けられている。これにより、副流路１１２において取付面１０８側は、閉じている。

−その他−
隣り合う内側部材１００を連結する連結部１２０が、図１（Ａ）に示されるように、隣り合う内側部材１００の間に形成されている。具体的には、空気の流れ方向において、隣り合う内側部材１００の上流側の部分に、連結部１２０が形成されている。また、連結部１２０において主流路１１０に臨んだ面は、案内面１０４と滑らかに繋がっている。これにより、複数の内側部材１００は、複数の連結部１２０によって連結されており、一体的に形成されている。

（作用）
次に、第１実施形態に係る遠心圧縮機３０の作用について、比較形態に係る遠心圧縮機２００と比較しつつ説明する。先ず、比較形態に係る遠心圧縮機２００の構成について、遠心圧縮機３０と異なる部分を主に説明する。

比較形態に係る遠心圧縮機２００は、図１０に示されるように、内側部材１００を備えていない。遠心圧縮機２００においては、本体部５２の内周面７４及び湾曲面７６に囲まれた空間が、インペラ３２へ空気を案内する主流路２１０とされている。なお、遠心圧縮機２００の他の構成については、遠心圧縮機３０と同様である。

−遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量が小さい場合−
先ず、遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量が小さい場合について説明する。遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量が小さい場合には、遠心圧縮機２００の圧力比は、遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量が大きい場合に比して、大きくなる。なお、圧力比とは、遠心圧縮機２００のインペラ３２から流出する空気の圧力Ｐ２と、インペラ３２へ流入する空気の圧力Ｐ１との比Ｐ２／Ｐ１である。

回転するインペラ３２は、図１０に示されるように、主流路２１０を、空気の流れ方向において本体部５２の上流端からインペラ３２側へ流れインペラ翼３６の先端縁３６Ａ側から流入する空気（矢印Ｋ１）を圧縮する。そして、回転するインペラ３２は、圧縮した空気を、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側の拡散流路６２側へ流す。

さらに、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側の拡散流路６２側へ流れた空気は、渦巻き流路６８側へ流れる空気（矢印Ｋ２）と、逆方向へ折り返してインペラ翼３６の湾曲縁３６Ｂとハウジング５０との隙間６０を通って主流路２１０側へ流れる空気（矢印Ｋ３）とに分かれる（剥離する）。

さらに、主流路２１０側へ逆流した空気は、図９（Ａ）（Ｂ）、図１０に示されるように、主流路２１０を形成している湾曲面７６及び内周面７４に沿ってインペラ３２の回転方向に回りながら螺旋状に流れる（矢印Ｋ４）。そして、内周面７４に沿って螺旋状に流れる空気は、空気の流れ方向において本体部５２の上流端からインペラ３２側へ流れる空気（矢印Ｋ１）と合流して、インペラ３２側へ流れる。

ここで、遠心圧縮機２００には内側部材が設けられていない。このため、内周面７４に沿って螺旋状に流れる空気が、流れ方向を変えることなく、空気の流れ方向において本体部５２の上流端からインペラ３２側へ流れる空気に合流する。このため、インペラ３２側への空気（矢印Ｋ１）の流れが、軸方向から見て、周方向でインペラ３２の回転側に傾いてしまう。換言すれば、インペラ３２側へ流れる空気（矢印Ｋ１）は、周方向でインペラ３２の回転側の成分をもってインペラ側へ流れる。

なお、遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量が大きい場合には、遠心圧縮機２００の圧力比は、遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量が小さい場合と比して、小さくなる。このため、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側の拡散流路６２側へ流れた空気の逆流が抑制される。

−遠心圧縮機３０から排出される圧縮空気の流量が小さい場合−
次に、遠心圧縮機３０から排出される圧縮空気の流量が小さい場合について説明する。

回転するインペラ３２は、図２に示されるように、主流路１１０を、空気の流れ方向において本体部５２の上流端からインペラ３２側へ流れ、インペラ翼３６の先端縁３６Ａから流入する空気（矢印Ｍ１）を圧縮し、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側の拡散流路６２側へ流す。ここで、遠心圧縮機３０から排出される圧縮空気の流量が小さい場合には、遠心圧縮機３０の圧力比は、遠心圧縮機３０から排出される圧縮空気の流量が大きい場合と比して、大きくなっている。

このため、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側の拡散流路６２側へ流れ込んだ空気は、渦巻き流路６８側へ流れる空気（矢印Ｍ２）と、逆方向へ折り返してインペラ翼３６の湾曲縁３６Ｂとハウジング５０との隙間６０を通って主流路１１０側へ流れる空気（矢印Ｍ３）とに分かれる（剥離する）。

さらに、主流路１１０側へ逆流した空気は、図２、図４（Ａ）（Ｂ）に示されるように、本体部５２の湾曲面７６、及び内周面７４に沿ってインペラ３２の回転方向に回りながら螺旋状に流れる（矢印Ｍ４）。具体的には、主流路１１０側へ逆流した空気は、流入口８４を通って、内側部材１００の対向面１０２と、本体部５２の内周面７４及び湾曲面７６との間の副流路１１２を螺旋状に流れる。

また、副流路１１２を螺旋状に流れる空気は、連通路１１４を通って主流路１１０側へ流れる（矢印Ｍ５）。さらに、主流路１１０側へ流れた空気は、空気の流れ方向において本体部５２の上流端からインペラ３２側へ流れる空気（矢印Ｍ１）と合流して、インペラ３２側へ流れる。

ここで、軸方向から見て、連通路１１４は、径方向へ延びている。このため、軸方向から見て、連通路１１４を通って主流路１１０側へ流れる空気は、径方向に沿って、主流路１１０側へ流れる。このため、インペラ３２側への空気（矢印Ｍ１）の流れが、遠心圧縮機２００を用いる場合と比して、軸方向から見て、周方向でインペラ３２の回転側に傾くのが抑制される。これにより、インペラ３２から押し出される空気の圧力は、遠心圧縮機２００を用いる場合と比して高くなる。

〔解析〕
次に、遠心圧縮機３０、２００に対して行ったＣＦＤ（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析について説明する。遠心圧縮機３０と遠心圧縮機２００とで、インペラ３２側へ流れる空気の流量を同様とし、軸方向から見た空気の流れ方向についてＣＦＤ解析を行った。

図５（Ａ）が遠心圧縮機３０を用いた場合の解析結果を示し、図５（Ｂ）が遠心圧縮機２００を用いた場合の解析結果を示している。矢印の方向が軸方向から見た空気の流れ方向を示し、矢印の長さが軸方向から見た速度成分の大きさを示す。つまり、矢印が長い場合は、短い場合と比して、軸方向から見た空気の流れが速くなっている。

図５（Ａ）（Ｂ）に示されるように、遠心圧縮機３０を用いた場合は、遠心圧縮機２００を用いた場合と比して、軸方向から見て、インペラ３２側へ流れる空気が周方向でインペラ３２の回転側に傾くのが抑制されている。これにより、インペラ３２から押し出される空気の圧力については、遠心圧縮機３０を用いた場合は、遠心圧縮機２００を用いた場合と比して高くなる。

〔サージング〕
−サージング限界−
次に、遠心圧縮機３０、２００のサージング限界について説明する。

図６に示されるグラフの縦軸は遠心圧縮機３０、２００を用いた場合の圧力比を示し、横軸は遠心圧縮機３０、２００から排出される圧縮空気の流量〔ｇ／ｓｅｃ〕を示している。

図６に示すグラフ中の実線Ｇ１は、インペラ３２の回転数を一定にし、遠心圧縮機３０から排出される圧縮空気の流量を変えた場合の圧縮空気の流量と圧力比との関係を示している。これに対して、一点鎖線Ｊ１は、インペラ３２の回転数を実線Ｇ１と同様の回転数にし、遠心圧縮機２００から排出される圧縮空気の流量を変えた場合の圧縮空気の流量と圧力比との関係を示している。

そして、圧縮空気の流量を徐々に小さくし、サージング（遠心圧縮機が正常に機能しなくなる現象）が発生する圧縮空気の流量と圧力比とを検出した。遠心圧縮機３０については、点ｇ１でサージングが発生し、遠心圧縮機２００については、点ｊ１でサージングが発生した。なお、ハウジング５０に圧力計又は振動計を取り付けて、振幅が予め定められた閾値に達した場合に、サージングの発生と判断した。

また、実線Ｇ２は、遠心圧縮機３０を用い、実線Ｇ１と比して回転数を高くした場合を示している。そして、遠心圧縮機３０においては、点ｇ２でサージングが発生した。これに対して、一点鎖線Ｊ２は、遠心圧縮機２００を用い、インペラ３２の回転数を実線Ｇ２と同様の回転数とした場合を示している。そして、遠心圧縮機２００においては、点ｊ２でサージングが発生した。

また、実線Ｇ３は、遠心圧縮機３０を用い、実線Ｇ２と比して回転数を高くした場合を示している。そして、遠心圧縮機３０においては、点ｇ３でサージングが発生した。これに対して、一点鎖線Ｊ３は、遠心圧縮機２００を用い、インペラ３２の回転数を実線Ｇ３と同様の回転数とした場合を示している。そして、遠心圧縮機２００においては、点ｊ３でサージングが発生した。

また、他の回転数においても実線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３及び一点鎖線Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３と同様の作業を行い、遠心圧縮機３０、２００においてサージングが発生する圧縮空気の流量と圧力比とを求めた。

そして、グラフ中の破線Ｈ１が、遠心圧縮機３０を用いた場合のサージング限界線Ｈ１（以下「限界線Ｈ１」）であり、グラフ中の破線Ｈ２が、遠心圧縮機２００を用いた場合のサージング限界線Ｈ２（以下「限界線Ｈ２」）である。

遠心圧縮機３０では、グラフ中の限界線Ｈ１よりも右側（流量が大きい側）のエリアでサージングが発生することがない。また、遠心圧縮機２００では、グラフ中の限界線Ｈ２よりも右側（流量が大きい側）のエリアでサージングが発生することがない。

ここで、限界線Ｈ１と限界線Ｈ２とを比較すると、限界線Ｈ１が限界線Ｈ２と比して図中左側（空気流量が小さい側）に位置している。これにより、圧縮空気の流量が小さい場合に、遠心圧縮機３０では、遠心圧縮機２００と比して、サージングの発生が抑制されていることが分かる。

−サージングの発生理由−
次に、インペラ３２の回転数を同様にして圧縮空気の流量を小さくすると、サージングが発生する理由について説明する。

圧縮空気の流量が小さくなると、前述したように、インペラ翼３６の基端縁３６Ｃから径方向の外側の拡散流路６２側へ流れ込んだ空気は、渦巻き流路６８側へ流れる空気と、逆方向へ折り返す空気とに分かれる（図２参照）。逆方向へ折り返す空気は、インペラ翼３６の湾曲縁３６Ｂとハウジング５０との隙間６０を通って主流路１１０側へ流れる。この逆方向への空気の流れ（逆流）に起因して、サージングが発生してしまう。

ここで、遠心圧縮機３０では、遠心圧縮機２００と比して、サージングの発生が抑制されている理由について考察する。

前述したように、圧縮空気の流量が小さい場合（低流量域の場合）に、遠心圧縮機３０を用いた場合のインペラ３２側への空気の流れは、遠心圧縮機２００を用いる場合と比して、軸方向から見て、周方向でインペラ３２の回転側に傾くのが抑制される。これにより、遠心圧縮機３０では、遠心圧縮機２００と比して、インペラ３２から押し出される空気の圧力は高くなる。

また、インペラ３２から押し出される空気の圧力が高くなることで、拡散流路６２で逆方向へ折り返す空気の流量は小さくなる。これにより、遠心圧縮機３０では、遠心圧縮機２００と比して、サージングの発生が抑制されている。

（まとめ）
以上説明したように、内側部材１００を備えている遠心圧縮機３０では、インペラ３２側への空気の流れが、遠心圧縮機２００を用いる場合と比して、軸方向から見て、周方向でインペラ３２の回転側に傾くのが抑制される。これにより、遠心圧縮機３０では、遠心圧縮機２００と比して、サージングの発生を抑制することができる。

また、主流路１１０の径寸法は、空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に小さくなっている（図８参照）。換言すれば、主流路１１０の径寸法は、空気の流れ方向の下流側から上流側に向かって徐々に大きくなっている（拡径している）。このため、主流路１１０の径寸法が一定の場合と比して、流れ方向の上流側では、対向する連通路１１４同士の距離が長くなるため、連通路１１４から主流路１１０への噴出する空気が対向する連通路１１４から噴出する空気と干渉しにくい。そこで、主流路１１０からインペラ３２を通過して逆流した空気が、内周面７４と対向面１０２との間に形成された空間を通って再度主流路１１０に流れるように循環する循環空気の流量を大きくすることができる。

また、循環空気の流量を大きくすることができるため、主流路１１０の径寸法が一定の場合と比して、サージングの発生を抑制することができる。

また、回転軸Ｃ１に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路１１４を形成する一対の側面１０６は、回転軸Ｃ１を通り径方向に延びている直線に沿って延びており、互いに平行とされている。換言すると、軸方向から見て、連通路１１４は、径方向に延びている。このため、軸方向から見て、連通路が径方向に対して傾斜している場合と比して、インペラ３２側への空気の流れが、軸方向から見て、周方向でインペラ３２の回転側へ傾くのを抑制することができる。

また、インペラ３２側への空気の流れが、軸方向から見て、周方向でインペラ３２の回転側に傾くのを抑制されることで、連通路が径方向に対して傾斜している場合と比して、サージングの発生を抑制することができる。

また、ターボチャージャ１０においては、遠心圧縮機３０におけるサージングの発生が抑制されることで、圧縮空気をエンジンに効率よく供給することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機、及びターボチャージャの一例について図１１を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。

第２実施形態の遠心圧縮機３３０の内側部材４００には、対向面１０２と、対向面１０２の反対側でインペラ３２へ空気を案内する案内面１０４とが形成されている。さらに、内側部材４００には、周方向において隣に配置された内側部材４００側を向いた側面４０６が形成されている。そして、対向する一対の側面４０６の間に形成された空間が、主流路１１０と副流路１１２とを連通する連通路４１４とされている。

具体的には、回転軸Ｃ１に対して直交する方向で切断した切断面において、連通路４１４を形成する一対の側面４０６は、回転軸Ｃ１を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされている。さらに、連通路４１４の通路幅が、副流路１１２から主流路１１０へ向かうに従って狭くなるように、一対の側面４０６が形成されている。

このため、連通路４１４の通路幅が、副流路１１２側の通路幅の値で一定の場合と比して、連通路４１４を通って主流路１１０側への空気の流れが速くなり、インペラ３２側へ流れる空気（矢印Ｍ１）が回転軸Ｃ１側に押される。これにより、インペラ３２側へ流れる空気の方向をより正確に軸に向かわせることができる。

また、インペラ３２側へ流れる空気の方向がより正確に軸に向かうことで、連通路４１４の通路幅が、副流路１１２側の通路幅の値で一定の場合と比して、サージングの発生を抑制することができる。

他の作用については、連通路１１４を形成する一対の側面１０６が、回転軸Ｃ１を通り径方向に延びている直線に沿って延びることで奏する第１実施形態の作用以外の第１実施形態の作用と同様である。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機、及びターボチャージャの一例について図１２を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。

第３実施形態の遠心圧縮機５３０のハウジング５５０における本体部５５２には、径寸法が空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に小さくなる内周面５７４が形成されている。また、本体部５５２には、空気の流れ方向において内周面５７４の下流端に一端に接続され、他端が圧縮部５８の対向面５６Ａに接続され、他端側の部分が空気の流れ方向の上流側を向いた湾曲面５７６が形成されている。そして、この湾曲面５７６は、インペラ翼３６の先端縁３６Ａに対して、空気の流れ方向の下流側に配置されている。

内側部材６００には、本体部５５２の内周面５７４及び湾曲面５７６と対向する対向面６０２と、対向面６０２の反対側でインペラ３２へ空気を案内する案内面６０４とが形成されている。さらに、内側部材６００には、周方向において隣に配置された内側部材６００側を向いた側面６０６と、本体部５５２のＬ字面７８に接触する取付面１０８とが形成されている。そして、本体部５５２の湾曲面５７６と内側部材６００の対向面６０２とで形成される開口は、インペラ翼３６の先端縁３６Ａに対して、空気の流れ方向の下流側に配置されている。

この構成において、主流路１１０側へ逆流した空気は、本体部５５２の湾曲面５７６と内側部材６００の対向面６０２とで形成される開口から副流路１１２へ流れる。第３実施形態の遠心圧縮機５３０の他の作用については、第１実施形態の遠心圧縮機３０の作用と同様である。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る遠心圧縮機、及びターボチャージャの一例について図１３を用いて説明する。なお、第１実施形態と同一部材等については、同一符号を付してその説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。

第４実施形態の遠心圧縮機７３０のハウジング７５０における本体部７５２には、径寸法が空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に小さくなる内周面７７４が形成されている。なお、本体部７５２には、湾曲面は形成されていない。

また、内側部材８００には、本体部７５２の内周面７７４と対向する対向面８０２と、対向面８０２の反対側でインペラ３２へ空気を案内する案内面８０４とが形成されている。さらに、内側部材８００には、周方向において隣に配置された内側部材８００側を向いた側面８０６と、本体部７５２のＬ字面７８に接触する取付面１０８とが形成されている。

第４実施形態の遠心圧縮機７３０の作用については、第１実施形態の遠心圧縮機３０の作用と同様である。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、複数の内側部材１００、４００、６００、８００が、連結部１２０によって連結されていたが、夫々が分割されていてもよい。

また、上記実施形態では、主流路１１０の径寸法は、空気の流れ方向の上流側から下流側に向かって徐々に小さくなったが、径寸法が一定であってもよい。この場合には、主流路１１０の径寸法が徐々に小さくなることで奏する作用は奏しない。

また、上記第１実施形態では、軸方向から見て、一対の側面１０６は、回転軸Ｃ１を通り径方向に延びている直線に沿って延びたが、側面が、径方向に対して傾斜していてもよい。しかし、この場合には、一対の側面が回転軸Ｃ１を通り径方向に延びている直線に沿って延びていることで奏する効果は奏しない。

１０ ターボチャージャ
２０ タービンユニット
２２ タービンロータ
３０ 遠心圧縮機
３２ インペラ
５２ 本体部
７４ 内周面
８４ 流入口
１００ 内側部材
１０２ 対向面
１０４ 案内面
１０６ 側面
１１０ 主流路
１１２ 副流路
１１４ 連通路
３３０ 遠心圧縮機
４００ 内側部材
４０６ 側面
４１４ 連通路
５３０ 遠心圧縮機
５５２ 本体部
５７４ 内周面
６００ 内側部材
６０２ 対向面
６０４ 案内面
６０６ 側面
７３０ 遠心圧縮機
７５２ 本体部
７７４ 内周面
８００ 内側部材
８０２ 対向面
８０４ 案内面
８０６ 側面

Claims (5)

1. 軸周りに回転し、軸方向から流入する空気を圧縮して径方向へ流すインペラと、
   空気の流れ方向において前記インペラの上流側で、前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した断面が円状とされた内周面が形成された本体部と、
   前記内周面の内側に配置され、前記内周面と空間を空けて対向する対向面と、前記対向面の反対側で前記インペラへ空気を案内する案内面とが形成され、前記インペラの回転軸における周方向に離間して複数設けられている内側部材であって、複数の前記内側部材の前記案内面で囲まれた主流路と、前記内周面と前記対向面との間に形成された副流路とを連通する連通路が前記周方向で隣り合う前記内側部材の間に形成されると共に、前記インペラ側から逆流した空気が前記副流路に流入する流入口が形成されている前記内側部材と、
   を備えた遠心圧縮機。
2. 前記主流路は、前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した断面が円状で、前記インペラへ空気を案内する流路であって、
   前記主流路の径寸法は、前記流れ方向の上流側から下流側に向かうに従って小さくなっている請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記内側部材には、前記連通路を臨む側面が形成されており、
   前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、前記連通路を形成する一対の前記側面は、前記インペラの回転中心を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされ、かつ、一対の前記側面は、回転軸を通り径方向に延びている直線に沿って延びており、互いに平行とされている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記内側部材には、前記連通路を臨む側面が形成されており、
   前記インペラの回転軸に対して直交する方向で切断した切断面において、前記連通路を形成する一対の前記側面は、前記インペラの回転中心を通り径方向に延びている直線に対して対称の形状とされ、かつ、前記連通路の通路幅は、前記副流路から、前記主流路へ向かうに従って狭くなっている請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
5. エンジンから排出される排気ガスが流れる力によって回転するタービンロータを有するタービンユニットと、
   前記タービンロータから回転力が前記インペラに伝達され、前記エンジンに供給する空気を圧縮する請求項１〜４の何れか１項に記載の遠心圧縮機と、
   を備えたターボチャージャ。