JP2020115015A - インペラおよび過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を低下させることなく軽量化と強度の確保を両立させる。【解決手段】コンプレッサインペラ２２（インペラ）は、回転軸の一方側から他方側に向かって拡径する本体部２６と、本体部のうち回転軸方向の他方側に臨む背面に形成され、回転軸方向の一方側に向けて窪む肉抜部２６ｅと、回転軸方向の一方側に臨む本体部の外周面２６ｂに設けられた複数の長羽根２８と、外周面に設けられ、回転軸方向の一方側の端部２９ａが、長羽根における回転軸方向の一方側の端部２８ａよりも回転軸方向の他方側に位置する複数の短羽根２９と、を備え、肉抜部の最深部は、長羽根における回転軸方向の一方側の端部と、短羽根における回転軸方向の一方側の端部との間に位置する。【選択図】図３

Description

本開示は、本体部の外周面に複数の羽根が設けられたインペラおよび過給機に関する。

ロータがシャフトに設けられ、ハウジング側にステータが設けられた電動過給機が知られている。電動過給機では、ロータとステータとの間の磁力によってシャフトが回転駆動する。電動過給機は過給機の一種である。電動過給機のシャフトにはインペラが設けられている。電動機によってシャフトが回転すると、シャフトと共にインペラが回転する。電動過給機は、インペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに送出する。

過給機のインペラは、本体部を有している。本体部は、回転軸方向の一方側から他方側に向かって拡径する。本体部の外周面には複数の羽根が設けられている。特許文献１に記載されたインペラでは、本体部の背面に、回転軸方向の一方側に向けて窪む肉抜部が設けられている。

特開平２−１３２８２０号公報

上記の特許文献１に記載されたように、インペラの本体部の背面に肉抜部を設けることで、インペラが軽量化する。こうして、インペラのイナーシャが低減される。インペラの応答性能の向上が図られる。しかし、単に肉抜部を設けただけでは、インペラの強度が低下してしまう。そこで、特許文献１のインペラの肉抜部には、強度を向上するためにリブが設けられている。リブは、径方向に延在する。しかし、このようなリブを設けると、リブが空気抵抗を受ける。その結果、効率が低下してしまう。

本開示の目的は、効率低下を抑えつつ軽量化と強度の確保を両立させることが可能なインペラおよび過給機を提供することである。

上記課題を解決するために、インペラは、回転軸方向の一方側から他方側に向かって拡径する本体部と、本体部のうち回転軸方向の他方側に臨む背面に形成され、回転軸方向の一方側に向けて窪む肉抜部と、回転軸方向の一方側に臨む本体部の外周面に設けられた複数の長羽根と、外周面に設けられ、回転軸方向の一方側の端部が、長羽根における回転軸方向の一方側の端部よりも回転軸方向の他方側に位置する複数の短羽根と、を備え、肉抜部の最深部は、長羽根における回転軸方向の一方側の端部と、短羽根における回転軸方向の一方側の端部との間に位置する。

上記課題を解決するために、過給機は、上記インペラを備える。

本開示のインペラおよび過給機によれば、効率を低下させることなく軽量化と強度の確保を両立させることが可能となる。

電動過給機（過給機）の概略断面図である。 図２（ａ）はコンプレッサインペラの外観斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ矢視図である。 コンプレッサインペラの回転軸を含む面による断面図である。 図３の二点鎖線部分の抽出図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、電動過給機Ｃ（過給機）の概略断面図である。以下では、図１に示す矢印Ｌ方向を電動過給機Ｃの左側として説明する。図１に示す矢印Ｒ方向を電動過給機Ｃの右側として説明する。図１に示すように、電動過給機Ｃは、過給機本体１を備える。この過給機本体１は、モータハウジング２を備える。モータハウジング２の左側には、締結ボルト３によってコンプレッサハウジング４が連結される。モータハウジング２の右側には、締結ボルト５によってプレート部材６が連結される。プレート部材６の右側には、締結ボルト７によってコードハウジング８が連結される。モータハウジング２、コンプレッサハウジング４、プレート部材６、コードハウジング８は、一体化されている。

モータハウジング２の内部には、図１中、右側に開口するモータ穴２ａが形成される。モータ穴２ａの内部には、電動機９が収容されている。電動機９は、ステータ１０とロータ１１を含んで構成される。ステータ１０は、ステータコア１２にコイル１３が巻回されて形成される。ステータコア１２は円筒形状である。

コイル１３は、ステータコア１２の周方向に複数配される。コイル１３は、供給される交流電力の位相がＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に配される。導線１４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに設けられる。導線１４の一端が、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれのコイル１３に結線する。導線１４は、コイル１３に交流電力を供給する。

また、ステータコア１２は、モータ穴２ａの開口側からモータ穴２ａに挿通される。ステータコア１２は、モータ穴２ａの内部に取り付けられている。このモータ穴２ａの右側の開口は、プレート部材６によって塞がれている。プレート部材６に連結されるコードハウジング８は、コード孔８ａを有する。コード孔８ａは、図１中左右方向に貫通する。コード孔８ａの一端がプレート部材６によって塞がれる。プレート部材６には、プレート孔６ａが設けられている。プレート孔６ａによって、モータ穴２ａとコード孔８ａが連通している。導線１４は、プレート孔６ａを通ってコイル１３からコード孔８ａまで延在する。

コード孔８ａには、導線１４が収容されている。導線１４のうち、コイル１３と反対側の他端がコネクタ１５に結線される。コネクタ１５は、フランジ部１５ａを有する。フランジ部１５ａは、コードハウジング８のコード孔８ａの他端を塞ぐ。フランジ部１５ａは、締結ボルト１６によってコードハウジング８に取り付けられる。コネクタ１５、導線１４を介してステータ１０のコイル１３に交流電力が供給される。ステータ１０は電磁石として機能する。

また、ロータ１１は、シャフト１７に取り付けされる。ロータ１１は、ステータコア１２に挿通される。ロータ１１は、ステータコア１２に対してシャフト１７の径方向に間隙を有する。詳細には、ロータ１１は、ロータコア１８を含んで構成される。ロータコア１８は、円筒部材である。ロータコア１８には、シャフト１７の軸方向に貫通する孔が形成される。このロータコア１８の孔の内部に磁石１９（永久磁石）が収容されている。電動機９は、ロータ１１とステータ１０との間に生じる相互力によって、シャフト１７に回転方向の駆動力を発生させる。

シャフト１７は、モータハウジング２のハウジング孔２ｂに挿通される。ハウジング孔２ｂは、モータ穴２ａの底面を構成する壁部２ｃをシャフト１７の軸方向に貫通する。ハウジング孔２ｂにはボールベアリング２０が配されている。ボールベアリング２０によってシャフト１７が軸支される。

シャフト１７のうち、ロータ１１よりもプレート部材６側に突出した一端は、ボス穴６ｂに挿通される。ボス穴６ｂはプレート部材６に形成される。プレート部材６には、環状突起６ｃが設けられている。環状突起６ｃはモータ穴２ａの内部に突出している。環状突起６ｃは、ボス穴６ｂを形成する外壁の一部を成している。ボス穴６ｂの内部には、ボールベアリング２１が配される。ボールベアリング２１によってシャフト１７が軸支される。

シャフト１７の他端側は、ハウジング孔２ｂからコンプレッサハウジング４の内部に突出する。シャフト１７のうち、コンプレッサハウジング４の内部に突出した部位には、コンプレッサインペラ２２（インペラ）が設けられている。コンプレッサインペラ２２は、コンプレッサハウジング４の内部に回転自在に収容されている。

コンプレッサハウジング４には、吸気口２３が形成されている。吸気口２３は、電動過給機Ｃの左側に開口する。吸気口２３は、不図示のエアクリーナに接続される。また、締結ボルト３によってモータハウジング２とコンプレッサハウジング４が連結された状態で、ディフューザ流路２４が形成される。ディフューザ流路２４は、モータハウジング２とコンプレッサハウジング４の対向面によって形成される。ディフューザ流路２４は、空気を昇圧する。ディフューザ流路２４は、シャフト１７の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ２２を介して吸気口２３に連通している。

また、コンプレッサハウジング４には、環状のコンプレッサスクロール流路２５が設けられている。コンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２４よりもシャフト１７の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路２５は、不図示のエンジンの吸気口と連通している。コンプレッサスクロール流路２５は、ディフューザ流路２４にも連通している。

電動機９から発生した駆動力によりコンプレッサインペラ２２が回転する。コンプレッサインペラ２２の回転によって、コンプレッサハウジング４内に空気が吸引される。空気は、吸気口２３からシャフト１７の軸方向に吸引される。当該吸気された空気は、コンプレッサインペラ２２の翼間（後述する複数の羽根２７の間）を流通する過程において、遠心力の作用により増速される。増速された空気は、ディフューザ流路２４およびコンプレッサスクロール流路２５に送出されて昇圧（圧縮）される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。

図２（ａ）は、コンプレッサインペラ２２の外観斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ矢視図である。

コンプレッサインペラ２２は、例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）で構成される。コンプレッサインペラ２２は、図２（ａ）に示すように、本体部２６と、複数の羽根２７を有している。本体部２６は、回転軸方向の一方側（図２（ａ）中、左側の破線の矢印で示す）から他方側（図２（ａ）中、右側の一点鎖線の矢印で示す）に向かって拡径する。本体部２６には、挿通孔２６ａが形成される。挿通孔２６ａは、コンプレッサインペラ２２が回転する回転軸の軸方向（以下、回転軸方向と称す）に、本体部２６を貫通する。すなわち、挿通孔２６ａは、シャフト１７の軸方向に本体部２６を貫通する。挿通孔２６ａにシャフト１７が挿通される（図１参照）。

本体部２６は、回転軸方向の一方側に外周面２６ｂを臨ませる（有する）。本体部２６は、回転軸方向の他方側に背面２６ｃを臨ませる（有する）。外周面２６ｂおよび背面２６ｃは、回転軸方向に見たときの外形が円形である。本体部２６の外周面２６ｂは、回転軸方向の他方側に向かって徐々に外径が大きくなっている。

外周面２６ｂには、複数の羽根２７が設けられている。複数の羽根２７は、外周面２６ｂの周方向に離隔する。複数の羽根２７は、外周面２６ｂから径方向に突出している。複数の羽根２７は、コンプレッサインペラ２２の回転軸方向に対して、外周面２６ｂの周方向に傾斜する向きに延在する。

本体部２６の背面２６ｃには、肉抜部２６ｅが形成されている。肉抜部２６ｅは、前端面２６ｄ側に向けて窪む部位である。前端面２６ｄは、本体部２６のうち、回転軸方向の一方側の先端に形成される。背面２６ｃは、肉抜部２６ｅの内壁の一部となっている。背面２６ｃが形成された部位の肉厚が概ね一定となるように、例えば、肉抜部２６ｅが形成されている。

肉抜部２６ｅには、円筒部２６ｆが形成されている。円筒部２６ｆは、肉抜部２６ｅの内周面から、コンプレッサインペラ２２の回転軸方向の背面２６ｃ側（回転軸の他方側）に突出している。円筒部２６ｆの内周側に、挿通孔２６ａが形成されている。すなわち、円筒部２６ｆは、挿通孔２６ａのうち、背面２６ｃ側の部位の外壁となっている。

肉抜部２６ｅには、円筒部２６ｆよりも本体部２６の径方向外側にリブ２６ｇが設けられている。図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、リブ２６ｇは、環状に形成される。リブ２６ｇは、円筒部２６ｆから本体部２６の径方向に離隔して配される。

図３は、コンプレッサインペラ２２の回転軸を含む面による断面図である。図３では、羽根２７をコンプレッサインペラ２２の回転方向に投影した形状（子午面形状）が示される。

図３に示すように、円筒部２６ｆは、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈから、回転軸方向に沿って背面２６ｃ側に突出している。

複数の羽根２７は、長羽根２８（図３中、一点鎖線で示す）と短羽根２９（図３中、破線で示す）とを含んで構成される。長羽根２８および短羽根２９は、回転軸方向の一方側（前端面２６ｄ側）から他方側（背面２６ｃ側）に向かうにしたがって、外周面２６ｂの径方向外側に突出する。短羽根２９のうち、回転軸方向の一方側の端部２９ａは、長羽根２８のうち、回転軸方向の一方側の端部２８ａよりも、回転軸方向の他方側に位置している。短羽根２９の方が長羽根２８よりも回転軸方向の長さが短い。長羽根２８と短羽根２９は、外周面２６ｂの周方向（回転方向）に交互に配されている。

長羽根２８のうち、本体部２６における外周面２６ｂの径方向外側の端部２８ｂ、および、短羽根２９のうち、本体部２６における外周面２６ｂの径方向外側の端部２９ｂは、径方向および回転軸方向にほぼ同じ位置まで延在している。

ここで、コンプレッサインペラ２２の周りを流れる空気の流れについて簡単に説明する。吸気口２３から流入した空気は、長羽根２８の端部２８ａ側から隣り合う複数の長羽根２８の間を流れる。隣り合う複数の長羽根２８の間を流れた空気は、短羽根２９の端部２９ａ側から、隣り合う複数の羽根２７（長羽根２８および短羽根２９）の間を流れる。隣り合う複数の羽根２７の間を流れた空気は、本体部２６の外周面２６ｂおよび複数の羽根２７に沿って、背面２６ｃ側に向かいながら径方向外側に送出される。

すなわち、長羽根２８の端部２８ａは、長羽根２８において、空気の流れ方向の上流端となる。短羽根２９の端部２９ａは、短羽根２９において、空気の流れ方向の上流端となる。長羽根２８の端部２８ｂは、長羽根２８において、空気の流れ方向の下流端となる。短羽根２９の端部２９ｂは、短羽根２９において、空気の流れ方向の下流端となる。

長羽根２８の上流端（端部２８ａ）においては、短羽根２９が長羽根２８の間に延在していないため、流路が短羽根２９によって分断されない。そのため、多量の空気が羽根２７の間に流入する。

また、上記のように、コンプレッサインペラ２２は、短羽根２９および肉抜部２６ｅを備える。肉抜部２６ｅによって軽量化が図られる。短羽根２９は、リブとして機能する。そのため、肉抜部２６ｅの内部の空気抵抗を上昇させずに、強度を向上することが可能となる。

図４は、図３の二点鎖線部分の抽出図である。図４では、短羽根２９の端部２９ａのうち、最も径方向内側の部位２９ｃから、コンプレッサインペラ２２の回転軸に対して垂直な方向に伸ばした引き出し線ａを示す。図４に示すように、短羽根２９の端部２９ａは、コンプレッサインペラ２２の回転軸の垂直面方向に対して、僅かに傾斜している。短羽根２９の最も径方向内側の部位２９ｃは、短羽根２９の中で最も前端面２６ｄ側（図４中、左側）に位置している。

引き出し線ａと肉抜部２６ｅを比較すると、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈは、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａよりも深い位置まで達している。肉抜部２６ｅの最深部２６ｈは、回転軸方向の位置が、短羽根２９の端部２９ａおよび長羽根２８の端部２８ａの間となっている。すなわち、肉抜部２６ｅは、回転軸方向に、短羽根２９の端部２９ａおよび長羽根２８の端部２８ａの間まで延在している。ここでは、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈが、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａよりも深い位置まで達している場合を例に挙げた。ただし、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈは、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａと同じ位置まで延在してもよい。

上記のように、コンプレッサインペラ２２は、短羽根２９やリブ２６ｇによって強度が向上している。そのため、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈを、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａよりも深い位置まで延在させることができる。または、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈを、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａと同じ位置まで延在させることができる。こうして、一層の軽量化を図ることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記の実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、リブ２６ｇを設ける場合について説明した。ただし、少なくとも長羽根２８と短羽根２９を設ければ、リブ２６ｇは省略してもよい。リブ２６ｇを設ける場合、例えば、リブが径方向に延在する場合と比べて、コンプレッサインペラ２２が回転したときに、肉抜部２６ｅの内部の空気抵抗が抑えられる。つまり、強度を向上させつつ効率低下を抑制することが可能となる。

また、上述した実施形態では、複数の羽根２７に長羽根２８と短羽根２９を含む場合について説明した。ただし、少なくともリブ２６ｇを設ければ、短羽根２９を省略してもよい。この場合、全ての羽根２７が長羽根２８となる。例えば、流入する空気量を確保するためには、短羽根２９を省略した分、羽根枚数が半分となる。ただし、リブ２６ｇを設けているので、上記のように、リブ２６ｇによって強度を向上させ、リブ２６ｇの空気抵抗による効率低下を抑制することが可能となる。

また、上述した実施形態では、背面２６ｃが形成された部位の肉厚が概ね一定となるように、肉抜部２６ｅが形成されている場合について説明した。ただし、背面２６ｃが形成された部位の肉厚は、概ね一定でなくてもよい。背面２６ｃが形成された部位の肉厚が概ね一定となるように、肉抜部２６ｅを形成する場合、以下の効果がある。すなわち、例えば、射出成型などを用いてコンプレッサインペラ２２を製作する場合、成型時の流動性が向上する。

また、上述した実施形態では、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈは、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａと同じ位置にある場合について説明した。または、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈは、端部２９ａよりも深い位置まで達している場合について説明した。ただし、肉抜部２６ｅの最深部２６ｈは、短羽根２９の前端面２６ｄ側の端部２９ａよりも浅くてもよい。

また、上述した実施形態では、電動過給機Ｃを例に挙げて説明した。ただし、電動過給機Ｃ以外の過給機に上記構成を適用してもよい。また、過給機に限らず、例えば、遠心圧縮機などのインペラに上記構成を適用してもよい。電動過給機Ｃのコンプレッサインペラ２２に上記構成を適用する場合、肉抜部２６ｅを大きくする事で一層の軽量化を図ることが可能となる。なぜなら、コンプレッサインペラ２２の使用回転数が比較的低いことから要求される強度が高くなり過ぎないためである。

また、上述した実施形態では、コンプレッサインペラ２２を例に挙げて説明したが、過給機のタービンインペラに上記構成を適用してもよい。

また、上述した実施形態では、コンプレッサインペラ２２がＣＦＲＰで構成される場合について説明した。ただし、コンプレッサインペラ２２が、アルミニウム合金などの他の材料で構成されてもよい。コンプレッサインペラ２２をＣＦＲＰで構成する場合、上記構成と併せて、一層の軽量化を図り、強度を相乗的に向上させることが可能となる。なぜなら、ＣＦＲＰが軽量かつ高強度なためである。

本開示は、本体部の外周面に複数の羽根が設けられたインペラおよび過給機に利用することができる。

Ｃ 電動過給機（過給機）
１７ シャフト
２２ コンプレッサインペラ（インペラ）
２６ 本体部
２６ａ 挿通孔
２６ｂ 外周面
２６ｃ 背面
２６ｅ 肉抜部
２６ｆ 円筒部
２６ｇ リブ
２６ｈ 最深部
２７ 羽根
２８ 長羽根
２８ａ 端部
２９ 短羽根
２９ａ 端部

Claims (2)

1. 回転軸方向の一方側から他方側に向かって拡径する本体部と、
   前記本体部のうち前記回転軸方向の他方側に臨む背面に形成され、前記回転軸方向の一方側に向けて窪む肉抜部と、
   前記回転軸方向の一方側に臨む前記本体部の外周面に設けられた複数の長羽根と、
   前記外周面に設けられ、前記回転軸方向の一方側の端部が、前記長羽根における前記回転軸方向の一方側の端部よりも前記回転軸方向の他方側に位置する複数の短羽根と、
   を備え、
   前記肉抜部の最深部は、前記長羽根における前記回転軸方向の一方側の端部と、前記短羽根における前記回転軸方向の一方側の端部との間に位置するインペラ。
2. 前記請求項１に記載されたインペラを備える過給機。

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