JP4763698B2 - 圧縮機翼車ハウジング - Google Patents

Description

ここに開示されている主題内容は、概括的には、遠心圧縮機アッセンブリに関し、具体的には、内燃機関のターボ過給機の圧縮機翼車を収納するのに適した圧縮機ハウジングに関する。

羽根無しディフューザハウジングを有する遠心圧縮機の効率は、ディフューザハウジングの形状に影響される。従来のハウジングは、ピンチ区間の後に圧縮機スクロールまで伸張している平行区間が続く構成を採用しており、この構成では、ピンチ区間は圧縮機翼車出口付近の絞りとなっており、一方、平行区間は拡散機能を提供している。例えば、従来の各種ハウジングに比較して、効率を高めることができる代表的なピンチ及び／又はディフューザ区間がここに開示されている。

本発明の或る態様によれば、ターボ過給機圧縮機翼車用の圧縮機翼車ハウジングが提供されており、このハウジングは、基点を圧縮機翼車のｚ面に置き、圧縮機翼車の回転軸に沿って半径方向寸法と軸方向寸法に関して定義可能な略筒状のシュラウド面であって、シュラウド面の軸方向位置は、半径方向位置が圧縮機翼車ブレード外縁半径まで大きくなるにつれて、低くなる、シュラウド面と、筒状のシュラウド面から半径方向外向きに且つ軸方向下向きに伸張しているディフューザ面であって、圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．２５倍未満の半径方向位置に最小ディフューザ面軸方向位置を含んでおり、且つ、最小軸方向位置に対応する半径方向位置を越えた半径方向位置により大きな軸方向位置を含んでいる、ディフューザ面と、を備えている。

本発明の第２の態様によれば、ターボ過給機圧縮機翼車用の圧縮機翼車ハウジングが提供されており、このハウジングは、基点を圧縮機翼車のｚ面に置き、圧縮機翼車の回転軸に沿って半径方向寸法と軸方向寸法に関して定義可能な略筒状のシュラウド面であって、シュラウド面の軸方向位置は、半径方向位置が圧縮機翼車ブレード外縁半径まで大きくなるにつれて、ｚ面に対して約２０度以下の角度で低くなる、シュラウド面と、筒状のシュラウド面から半径方向外向きに且つ軸方向下向きに伸張しているディフューザ面であって、圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．２５倍未満の半径方向位置に最小ディフューザ面軸方向位置を含んでおり、且つ、ｚ面に対して約１０度以下の角度で、この最小部に近づく、ディフューザ面と、を備えている。

ここに開示している各種方法、システム、装置など、並びにその等価物については、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、更に完全に理解頂けるであろう。

図１は、代表的な内燃機関１１０と代表的なターボ過給機１２０を含んでいる代表的なシステム１００を示している。この内燃機関１１０は、シャフト１１２を作動的に駆動する１つ又はそれ以上の燃焼室（例えば、シリンダーなど）を収納しているエンジンブロック１１８を含んでいる。図１に示すように、吸気口１１４は、エンジンブロック１１８までの吸気が流れる経路を提供しており、一方、排気口１１６は、エンジンブロック１１８からの排気が流れる経路を提供している。

代表的なターボ過給機１２０は、排気からエネルギーを抽出し、このエネルギーを使用して、吸気過給圧（例えば、吸気の圧力など）を増強する働きをする。図１に示すように、ターボ過給機１２０は、圧縮機１２４と、タービン１２６と、吸気部１３４と、排気排出部１３６と、を有するシャフト１２２を含んでいる。機関１１０からの、タービン１２６に向けて分岐した排気は、シャフト１２２を回転させ、これにより圧縮機１２４が回転する。圧縮機１２４は、回転しているときは、吸気にエネルギーを与えて吸気圧（例えば、単位面積当たりの力又は単位容積当たりのエネルギー）を「加圧する」が、それを一般に「ブースト圧力」と呼ぶ。このようにして、ターボ過給機は、より大きな質量の空気を（通常は、炭素を主成分とする及び／又は水素を主成分とする燃料と混合して）機関に供給するのを助けており、これは、燃焼の際により大きな機関出力を提供すると言い換えることができる。

排気タービン又はターボ過給機は、随意的に、排気タービンへの排気の流れを制御するため可変ジオメトリ機構又は他の機構を含んでいる。市販されている可変ジオメトリターボ過給機（ＶＧＴ）としては、限定するわけではないが、登録商標GARRETT VNT及びAVNTターボ過給機が挙げられ、それらは、ノズルを通り、タービンを横断する排気の流れを制御するのに複数の調整可能な羽根を使用している。また、代表的なシステム１００は、付帯する電気モーター及び／又はジェネレータと、シャフト（例えば、圧縮機シャフト、タービンシャフトなど）を加速及び／又は減速させることのできる付帯する出力電子機器と、を有するターボ過給機又は圧縮機を含んでいる。出力電子機器は、ＤＣ電源で作動し、ＡＣ信号を生成してモーター及び／又はジェネレータを駆動する。

図２は、圧縮機翼車２０２と、代表的な圧縮機ハウジング２１０と、プレート２３０と、を含んでいる圧縮機アッセンブリ２００の断面図（定数φのｒ−ｚ面）を示している。圧縮機翼車２０２は、軸を中心にし且つそれぞれ外縁２０８を有する１つ又は複数のブレード２０６を有しているロータ２０４を含んでいる。図示のように、ブレード２０６の外縁２０８は、ロータ２０４の軸から測定して半径ｒ_１を有している。各造形は、ｒ軸及び／又は圧縮機翼車２０２の回転軸であるｚ軸に関して説明する。例えば、圧縮機翼車は、ブレードの外縁２０８の低い地点に又はその付近にｚ面を含んでいる。様々な例で、ｚ面はｚ軸の基点としての役目を果たしている。

代表的な圧縮機ハウジング２１０は、実質的に軸方向のシュラウド壁区間２１２と、半径ｒ_１よりも大きい半径でディフューザ区間に到る輪郭付けされたシュラウド壁区間２１４と、を含んでいる。このディフューザ区間は、その中で更に分割され、集束発散ディフューザ壁区間２１６と、圧縮機スクロール２２０に到る略平行のディフューザ壁区間２１８とに分割されている。ハウジング２１０の面輪郭は、シュラウド区間２１２の間は略筒状で、更に、軸方向の寸法が小さくなるにつれて半径が半径ｒ_１まで拡大する。半径ｒ_１では、シュラウド区間は、部分的にはディフューザ面又は壁により画定されているディフューザ区間に移行している。

平行ディフューザ壁区間は、上側面と下側面との間の一定の分離距離を意味している。一般に、上側面はハウジングかその構成要素の面であり、下側面はプレートの面である。その様な面は、それらのｚ軸に沿う位置で多少変化しているが、両面の間の間隔は、平行ディフューザ壁区間では、半径が大きくなっても実質的に一定に維持されている。

この例では、プレート２３０は、概ねブレード２０６の外縁２０８の位置（即ち、半径ｒ_１）に位置する内側壁２３４から、スクロール２２０とディフューザ区間の遠位端とに近接する外側壁２３８まで伸張している。プレートは、内側壁２３４から外側壁２３８まで伸張してディフューザ区間の下側壁を形成している、上側面２３２を有している。図示のように、略平行なディフューザ壁区間２１８は、プレート２３０の上側面２３２に実質的に平行であり、軸に沿って高さｈ_ｄｉｆｆを有している。平行なディフューザ壁区間２１８では、ｈ_ｄｉｆｆは、寸法ｒに対して実質的に一定で、即ちｈ_ｄｉｆｆ（ｒ）＝ｈ_‖＋／−εであり、ここに、εはｈ_‖に比べ小さい偏差値である。

図２の例では、最大の壁発散は、発散壁区間２１６の発散部分に亘って生じ、より大きい直径又は半径の位置では、壁区間は、特にスクロール２２０に近づくにつれて、実質的に平行になっている。集束発散壁区間２１６は、プレート２３０の上側面２３２に対する最小高を有しており、この最小高（例えば、ｈ_ｍｉｎ）は、半径ｒ_ｍｉｎに生じる。

一般に、従来の圧縮機アッセンブリは、拡散の大部分が起こる平行ディフューザ区間を有している。そのようなディフューザ区間では、ディフューザの高さが低くなるにつれて壁摩擦が大きくなる。その結果、その様な平行ディフュー区間のディフューザ高が低くなるにつれて、圧縮機効率は著しく低下する。また、このジオメトリのせいで、半径が拡大するにつれｚφ面の全体流面積が大きくなり、この作用でｒ軸に沿う気体速度と気体混合が低下する。

代表的な圧縮機アッセンブリ２００によれば、集束発散ディフューザ壁区間２１６は、改善された効率及び／又は性能を提供している。具体的には、集束区間は、圧縮機翼車出口付近に絞りを提供するピンチとして機能し（即ち、ディフューザを通るより均一な流れを確立している）、一方、発散区間は、壁摩擦を低減するように機能する（即ち、ディフューザの「動水半径」を大きくしている）。拡散は、この発散区間に渡って生じ、流れを更に安定させると共にディフューザの効率を高めるように作用する。

図３は、圧縮機翼車３０２と、代表的な圧縮機ハウジング３１０と、プレート３３０と、を含んでいる圧縮機アッセンブリ３００の断面図（定数φのｒ−ｚ面）を示している。圧縮機翼車３０２は、軸に中心にし且つそれぞれ外縁３０８を有する１つ又は複数のブレード３０６を有しているロータ３０４を含んでいる。図示のように、ブレード３０６の外縁３０８は、ロータ３０４のｚ軸から測定して半径ｒ_１を有している。代表的な圧縮機ハウジング３１０は、実質的に軸方向のシュラウド壁区間３１２と、半径ｒ_１よりも大きい半径でディフューザ区間に到る輪郭付けされたシュラウド壁区間３１４と、収束ディフューザ壁区間３１６と、圧縮機スクロール３２０に到る略平行のディフューザ壁区間３１８と、を含んでいる。この例では、プレート３３０は、ほぼブレードの外縁３０８（即ち、半径ｒ_１）に位置している内側壁３３４から、スクロール３２０とディフューザ区間の遠位端に近接する外側壁３３８まで伸張している。プレートは、内側壁３３４から外側壁３３８まで伸張して、ディフューザ区間の下側壁を形成している、上側面３３２を有している。図示のように、略平行のディフューザ壁区間３１８は、プレート３３０の上側面３３２に実質的に平行であり、ｚ軸に沿って高さｈ_ｄｉｆｆを有している。この例では、殆どのディフューザ壁集束は、集束壁区間３１６上で生じるが、この箇所は、半径ｒ_１（例えば、ほぼブレード３０６の外縁３０８の位置）と、半径ｒ_‖から始まる略平行のディフューザ壁区間３１８の開始位置の間の半径ｒ_{ｃｏｎｖ．}に位置している。集束壁区間３１６は、プレート３３０の上側面３３２に対して最小高（例えば、ｈ_ｍｉｎ）まで集束し、この最小高は、半径ｒ_‖又はｒ_‖よりも大きい半径で生じる。

一般に、ターボ過給機に使用される羽根無しハウジングを備えた遠心圧縮機の効率は、ディフューザの形状によって左右される。従来の圧縮機ハウジングは、通常、ｒ−ｚ面で、半径ｒ_１の圧縮機翼車出口縁３０８と同じ半径から、翼車出口のシュラウド側と同じ傾斜を有する線を経て伸張するシュラウド壁輪郭を含んでいる。この半径方向寸法が大きくなると共に軸方向寸法が小さくなる角度の付いた線がディフューザピンチ区間を形成しており、そこから半径方向に伸張して略平行なディフューザ区間を形成している。代表的な圧縮機アッセンブリ３００では、圧縮機ハウジング３１０は、ターボ過給機用の従来の圧縮機ハウジングに通常使用されているよりも小さい半径で集束してディフューザピンチ区間を形成する、湾曲する集束壁区間を有している。

流体力学によれば、流体が圧縮機翼車を（例えば、ｒ_１よりも大きい半径で）出て行く際に流体混合が起こり、これに付随して大きな混合損失が生じ、これが圧縮機の効率を下げる作用をする。一般に、ディフューザの効果は、この入口点での流体流入特性に依存している。薄い境界層を有する均一な流れの場は、通常、低運動量領域と厚い境界層を有する流れの場よりも効果的である。代表的な圧縮機ハウジング３１０によれば、早期ピンチは、圧縮機翼車出口で、流体の早期且つ強力な加速度を作り出す。その結果、ディフューザ入口には、更に薄い境界層を有する更に均一な流れの場が生まれる。この様な流れの場は、その後の拡散にとって都合よく整えられたものとなり、圧縮機翼車出口での混合損失が低減されることになる。

ここで説明している代表的な各種圧縮機ハウジングは、限定するわけではないが、図２と図３に関連付けて上で説明したものの様な、集束発散壁区間及び／又は早期集束区間を含んでいる。具体的には、詳細な説明は、集束発散区間を有する代表的な圧縮機ハウジングについて行い、これに続いて、早期集束区間を有する代表的な圧縮機ハウジングの詳細な説明をする。この様な例の各特性は、例えば、早期集束区間と発散区間を有する代表的な圧縮機ハウジングとして組み合わせてもよい。

図４は、代表的な圧縮機アッセンブリ４００の断面図（ｒ−ｚ面）を示している。代表的な圧縮機アッセンブリ４００は、プレート４３０と、集束発散ディフューザ壁区間を有する圧縮機ハウジング４１０と、を含んでいる。圧縮機ハウジング４１０は、圧縮機スクロール４２０も形成している。或る例では、代表的な圧縮機ハウジング４１０は、中心軸からの半径として与えられ、圧縮機翼車ブレード（単数又は複数）の外縁の半径であるｒ_１に対して正規化されている、以下の寸法を有している。

この例によれば、代表的な圧縮機ハウジングは、約１．２未満の無次元半径（即ち、ｒ_１に対して正規化された半径）を有する箇所の集束発散壁区間と、約１．８以上の無次元半径で圧縮機スクロールに繋がっているディフューザ区間と、を含んでいる。この例では、集束発散区間は、ディフューザ区間が圧縮機スクロールに繋がる地点の半径の約３分の２以下の半径にある。

この例では、圧縮機翼車出口は、軸方向寸法が４．００ｍｍであり、ディフューザは、ディフューザを画定している下側プレートの上側面から測定して、最大軸方向寸法が平行区間の３．３０ｍｍ、最小軸方向寸法がｒ_ｃｏｎｖの２．９７ｍｍである。圧縮機翼車出口の環状面積は約６５３ｍｍ^２（４．００ｍｍｘπｘ２ｘ２６ｍｍ）であり、ｒ_ｃｏｎｖにおけるディフューザの対翼車出口の環状面積比は約０．８０以下で、ディフューザのｒ_ｄｉｖ対ｒ_ｃｏｎｖの環状面積比は約１．２５以上である。寸法は、半径として説明しているが、直径を採用してもよい。また、様々な表面は、寸法ｒ及び／又はｚの関数として説明することもできる。この例では、軸方向寸法を規定するのにＡ面を採用しており、ｈ_{Ａ−ｐｌａｎｅ}と記す。例えば、ディフューザの上側面は、ｒ_{ｃｏｎｖ．}で約６．５９ｍｍのｈ_{Ａ−ｐｌａｎｅ}を、ディフューザの平行区間で約６．９２ｍｍのｈ_{Ａ−ｐｌａｎｅ}を含んでいる。この様に、軸方向寸法は、半径方向寸法の関数であり、ディフューザの少なくとも一部に亘って変化する。図４では、翼車寸法ｈ_{ｗｈｅｅｌ}も、Ａ面から測定した寸法で記載されている。

ここで開示している代表的な各種ハウジングは、流れの接線成分、例えば、接線速度、を下げることを目的としている。従来のハウジングでは、断面積と流れの体積は、半径が大きくなると共に増す。代表的なハウジングでは、半径に対する断面積と流れの体積は増大するが、集束壁区間を設けることによって、従来のハウジングに見られる関係と比較した場合、半径に対する断面積と流量を減少させるように機能する。ここで説明しているように、流路の軸方向寸法と環状面積（即ち、断面積）の変化は、表面摩擦とディフューザ損失に実質的な効果を有する。この様な変化は、流れの半径方向成分、例えば、半径方向速度に影響する。代表的なハウジングは、半径方向速度を上げるように作用するので、ストールとサージの危険性が軽減する。ストールとサージは、一般に、流れの不適切な半径方向成分（例えば、不適切な半径方向速度）により特徴付けられる不適切な流れに伴って生じるものである。

図５Ａは、代表的な圧縮機アッセンブリ５００の断面図（ｒ−ｚ面）を示している。代表的な圧縮機アッセンブリ５００は、プレート５３０を含んでおり、その縁部は、早期集束壁区間を有するディフューザ及び圧縮機ハウジング５１０の底部境界を画定している。圧縮機ハウジング５１０は、圧縮機スクロール５２０も形成している。圧縮機ハウジング５１０は、内側壁半径ｒ_ｗａｌｌ、ディフューザ区間壁がプレート５３０の上側面と略平行になる地点の半径ｒ_‖、ディフューザ区間が圧縮機スクロール５２０に繋がる地点の半径ｒ_ｅｎｄ、を含む様々な寸法を有している。この例では、半径ｒ_‖は、従来の圧縮機ハウジングについて示されており、半径ｒ_‖−ＥＰは、早期ピンチ又は集束区間を有する代表的な圧縮機ハウジングについて示されている。代表的な圧縮機ハウジング５１０は、半径ｒ_‖−ＥＰに対応する角度Θ_‖−ＥＰと、半径ｒ_‖に対応する従来の圧縮機ハウジング角度Θ_‖も含んでいる。

或る例では、代表的な圧縮機ハウジング５１０は、角度、高さ、又は中心軸からの半径として与えられた表２に示す寸法を有しており、ここで、半径は、圧縮機翼車ブレード（単数又は複数）の外縁の半径であるｒ_１に対して適切に正規化されている。

この例によれば、代表的な圧縮機ハウジングは、約１．２５未満の無次元半径を有する箇所に集束壁区間を含んでいる。
図５Ｂは、半径ｒ_‖−ＥＰに対応する角度Θ_‖−ＥＰと、半径ｒ_‖に対応する従来の圧縮機ハウジング角度Θ_‖と、を含んでいる代表的な圧縮機ハウジング５１０の拡大図を示している。この例では、早期ピンチ又は集束は、（i）壁が実質的に平行になる半径ｒ_‖−ＥＰと、（ii）半径ｒ_‖−ＥＰに近づくにつれて壁の表面と整列する、当該半径における壁の角度Θ_‖−ＥＰと、により特徴付けられる。この例では、壁が、プレート５３０の上側面に対して実質的に平行になる半径は、従来の圧縮機ハウジングの場合の半径（例えば、ｒ_‖につき）よりも実質的に小さい。また、従来の圧縮機ハウジングの角度は、代表的な圧縮機ハウジング５１０の角度よりもかなり大きい点に注目されたい。図５Ｂは、ｚ軸に沿うディフューザ高ｈ_ｄｉｆｆと、ブレードの外縁、半径ｒ_１、でのｚ軸に沿うブレード高ｈ_Ｂも示している。

ターボ過給機圧縮機翼車用の代表的な圧縮機翼車ハウジングは、基点を圧縮機翼車のｚ面に置き、圧縮機翼車の回転軸に沿って半径方向寸法と軸方向寸法に関して定義可能な略筒状のシュラウド面であって、シュラウド面の軸方向位置は、半径方向位置が圧縮機翼車ブレード外縁半径まで大きくなるにつれて、低くなる、シュラウド面と、筒状のシュラウド面から半径方向外向きに且つ軸方向下向きに伸張しているディフューザ面であって、圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．２５倍未満の半径方向位置に最小ディフューザ面軸方向位置を含んでおり、且つ、最小軸方向位置に対応する半径方向位置を越えた半径方向位置に大きな軸方向位置を含んでいる、ディフューザ面と、を含んでいる。この様な代表的な圧縮機翼車ハウジングは、随意的に、軸方向位置が当該区間の半径に亘って実質的に一定である区間を有するディフューザ面、及び／又はスクロールまで半径方向外向きに伸張しているディフューザ面、を含んでいてもよく、このスクロールは、軸周りの角度に関して変化する。

別の代表的なアッセンブリは、この様な代表的な圧縮機翼車ハウジングと、ｚ面に近接した面を含んでおり且つハウジングのディフューザ面と共にディフューザ区間を形成しているプレートと、を含んでおり、このディフューザ区間の軸方向高さは、ディフューザ区間の少なくとも一部では半径方向寸法に対して変化する。この様な代表的なアッセンブリは、随意的に、半径が大きくなるにつれて軸方向高さが低くなり次いで実質的に一定の軸方向高さまで高くなる、ディフューザ区間を含んでいてもよい。

別の代表的な圧縮機翼車ハウジングは、基点を圧縮機翼車のｚ面に置き、圧縮機翼車の回転軸に沿って半径方向寸法と軸方向寸法に関して定義可能な略筒状のシュラウド面であって、シュラウド面の軸方向位置は、半径方向位置が圧縮機翼車ブレード外縁半径まで大きくなるにつれて、ｚ面に対して約２０度以下の角度で低くなる、シュラウド面と、筒状のシュラウド面から半径方向外向きに且つ軸方向下向きに伸張しているディフューザ面であって、圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．２５倍未満の半径方向位置に最小ディフューザ面軸方向位置を含んでおり、且つ、ｚ面に対して約１０度以下の角度で、この最小部に近づく、ディフューザ面と、を含んでいる。

代表的なアッセンブリは、この様な代表的な圧縮機翼車ハウジングと、ｚ面に近接する面を含んでおり且つハウジングのディフューザ面と共にディフューザ区間を形成しているプレートと、を含んでおり、このディフューザ区間の軸方向高さは、最小ディフューザ軸方向位置に至るディフューザ区間の少なくとも一部では半径方向寸法に対して変化する。この様な代表的なアッセンブリは、随意的に、半径が大きくなるにつれて軸方向高さが最小になるまで低くなり次いで実質的に一定の軸方向高さを維持する、ディフューザ区間を含んでいてもよい。

図６から図１１は、代表的な各種圧縮機ハウジング、及び／又は比較のための基線として使用される従来の圧縮機ハウジング、の圧縮機流れマップを示している。具体的には、図６から図８は、代表的な集束発散区間を有する圧縮機ハウジングに属し、一方、図９から図１１は、代表的な早期ピンチ又は早期集束区間を有する圧縮機ハウジングに属する。

圧縮機流れマップ、例えば、圧力比対質量空気流量のプロットは、圧縮機の性能を特徴付ける際に助けとなる。流れマップでは、圧力比は、通常、圧縮機出口の空気圧を圧縮機入口の空気圧で割ったものとして定義される。質量空気流は、空気密度又は空気圧と空気温度を知ることにより体積空気流量に変換することができる。圧縮は、空気の分子間に摩擦を発生させて、摩擦熱を発生させる。従って、圧縮機出口の空気は、一般に、圧縮機入口の空気よりもかなり高い温度を有しており、圧縮機の効率は常に１未満である。

圧縮機流れマップは、一般に、圧縮機の効率を示している。圧縮機の効率は、圧力、圧力比、温度、温度上昇、圧縮機翼車回転速度などを含む様々な要素によって変化する。一般に、圧縮機は、高い効率で、又は少なくとも或る一定の効率範囲内で、運転するのがよい。１つの運転境界は、一般にはサージ限界と呼ばれ、一方、別の運転境界は、一般にはチョーク域と呼ばれる。圧縮機の効率は、諸条件がサージ限界又はチョーク域に近づくにつれ、著しく落ち込む。チョーク域は、圧縮機翼車回転速度と空気中での音速に関係する限界に起因する。一般に、圧縮機の効率は、圧縮機翼車内の流れが空気中での音速を超えると急速に落ち込む。従って、チョーク域限界は、一般には、圧縮機の効率や圧縮機の圧力比には関わり無く、最大質量空気流量に近い。

サージ限界は、殆どの圧縮機翼車回転速度に存在し、圧縮機流れマップ上に低質量空気流量と高圧比が実現できない区域を画定している。言い換えると、サージ限界は、所与の圧縮機翼車回転速度と所与の圧縮機入口対出口間圧力差で維持できる最小質量空気流量を表している。また、圧縮機の運転は、通常、この領域では不安定である。圧縮機出口に背圧が立ち上がるとサージが生じ、圧縮機を通る質量空気流量を減少させるように働く。最悪の場合、背圧が圧縮機を通り抜けると、負の質量空気流量を作り出す恐れがあり、そうなると圧縮機翼車にストールが起きる確率が高い。

図６は、表１に示した寸法を有する代表的な圧縮機ハウジング４１０の流れマップである。図７は、図６の流れマップ６００と比較される、従来の圧縮機ハウジングの基線流れマップ７００を示している。

流れマップ６００、７００において、代表的な圧縮機ハウジングと従来の圧縮機ハウジングは、同じ最大ディフューザギャップ（約３．３ｍｍ）を有しているが、集束発散圧縮機は、小さな最小ディフューザギャップ（約２．９７ｍｍ）を有している。流れマップ６００と流れマップ７００の比較から、表１に示した寸法を有する代表的な集束発散圧縮機ハウジングを使用することにより、一点効率利得を実現できたことが分かる。

図８は、従来の圧縮機ハウジングと代表的な集束発散圧縮機ハウジングに関する、可動背板式可変ジオメトリ圧縮機構成に使用した場合の結果を含んでいる、流れマップ８００を示している。可動背板式可変ジオメトリ圧縮機は、軸方向に動かしてディフューザの軸方向ギャップｈを調整することのできる図３の要素３３０の様な背板を有している。ギャップが縮小するにつれ、圧縮機サージ線は、通常、圧縮機マップで左に移動する。

流れマップ８００の比較において、両方のハウジングは、同じ最小ディフューザギャップを有しているが、集束発散ハウジングの方は、ディフューザ区間がスクロール区間に繋がるディフューザ出口のギャップが広くなっている。流れマップ８００は、２つのハウジングが同様のサージ流を有していることを示しているが、集束発散ハウジングでは小幅な改善が起きている。また、各回転速度線の圧力比は、代表的な集束発散ハウジングの方が相当高く、これは、高い効率が実現されたことを示している。具体的には、約８０，０００ｒｐｍでは８ポイントの圧縮機効率の向上、約１８０，０００ｒｐｍでは１．５ポイントの圧縮機効率の向上が、実現された。低速低流量での圧縮機効率の実質的な向上は、乗用車のターボ過給機にとってはとりわけ重要である。従って、低速低流量での効率を向上させる代表的な集束発散圧縮機ハウジングは、乗用車ターボ過給機に使用するのに適している。また、効率改善によって圧縮機のチョーク流が増し、使用可能圧縮機マップ幅を広げることができたので、この様な可変ジオメトリ装置の制御性が改善されたことになる。

図９から図１１は、代表的な各種早期ピンチ又は早期集束壁区間に関するプロットである。例えば、図５Ａと図５Ｂは、代表的な早期集束壁区間を示している。図９から図１１は、約２．４７ｍｍ、約２．８７ｍｍ、及び約３．２７ｍｍという３通りのディフューザギャップ（平行区間）で実施されたガス−スタンド試験に対応している。ハウジングを機械加工し、金属を除去して、ディフューザギャップを広げることにより、異なるディフューザギャップを実現した。図９から図１１のプロットは、圧縮機効率が、代表的な各種早期ピンチ又は早期集束壁区間により改善されたことを示している。

図９は、早期ピンチ又は集束壁区間を有する代表的な圧縮機ハウジングでの圧力比対修正空気流のプロット９００を示している。プロット９００では、太い線は、約２．４７ｍｍのギャップを含んでいる代表的な集束壁区間ハウジングの性能を表しており、一方、細い線は、約２．４６ｍｍのギャップを含んでいる従来の壁区間の性能を表している。代表的なハウジングのデータと従来のハウジングのデータを比較すると、代表的なハウジングでは効率の向上していることが分かる。例えば、７６％及び７７％効率の輪郭が大きくなっている。

図１０は、早期ピンチ、即ち早期集束、壁区間を有する代表的な圧縮機ハウジングでの圧力比対修正空気流のプロット１０００を示している。プロット１０００では、太い線は、約２．８７ｍｍのギャップを含んでいる代表的な集束壁区間ハウジングの性能を表しており、一方、細い線は、約２．８６ｍｍのギャップを含んでいる従来の壁区間の性能を表している。代表的なハウジングのデータと従来のハウジングのデータを比較すると、代表的なハウジングでは効率の向上していることが分かる。例えば、７６％及び７８％効率の輪郭が大きくなっている。

図１１は、早期ピンチ、即ち早期集束、壁区間を有する代表的な圧縮機ハウジングでの圧力比対修正空気流のプロット１１００を示している。プロット１１００では、太い線は、約３．２７ｍｍのギャップを含んでいる代表的な集束壁区間ハウジングの性能を表しており、一方、細い線は、約３．２６ｍｍのギャップを含んでいる従来の壁区間の性能を表している。代表的なハウジングのデータと従来のハウジングのデータを比較すると、代表的なハウジングでは効率の向上していることが分かる。例えば、７８％及び８０％効率の輪郭が大きくなっている。

ターボ過給機と内燃機関を含んでいる代表的なシステムを示している簡略図である。 集束発散壁区間を有するディフューザを含んでいる圧縮機ハウジングを有する代表的な圧縮機アッセンブリの断面図である。 早期集束区間を有するディフューザを含んでいる圧縮機ハウジングを有する代表的な圧縮機アッセンブリの断面図である。 集束発散壁区間を含んでいる代表的な圧縮機ハウジングの断面図である。 図５Ａは、早期ピンチ又は集束壁区間を含んでいる代表的な圧縮機ハウジングの断面図である。

図５Ｂは、図５Ａの圧縮機ハウジングの拡大図である。
集束発散壁区間（約３．００ｍｍから約３．３０ｍｍ）を有する代表的な圧縮機ハウジングの圧力比対修正空気流を示すプロットである。 平行壁区間（ギャップ約３．３０ｍｍ）を有するディフューザを有している従来の圧縮機ハウジングの圧力比対修正空気流を示すプロットである。 従来の圧縮機ハウジングと、可動背板式可変ジオメトリ圧縮機構成に使用される代表的な集束発散圧縮機ハウジングの、圧力比対修正空気流の比較結果を示すプロットである。 早期ピンチ又は集束壁区間（ギャップ約２．４７ｍｍ）を有する代表的な圧縮機ハウジングの圧力比対修正空気流のプロットと、従来の圧縮機ハウジングの場合のプロットを、重ね合わせて比較した図である。 早期ピンチ又は集束壁区間（ギャップ約２．８７ｍｍ）を有する代表的な圧縮機ハウジングの圧力比対修正空気流のプロットと、従来の圧縮機ハウジングの場合のプロットを、重ね合わせて比較した図である。 早期ピンチ又は集束壁区間（ギャップ約３．２７ｍｍ）を有する代表的な圧縮機ハウジングの圧力比対修正空気流のプロットと、従来の圧縮機ハウジングの場合のプロットを、重ね合わせて比較した図である。

Claims (9)

1. ターボ過給機圧縮機翼車用の圧縮機翼車ハウジングにおいて、
   基点を圧縮機翼車のｚ面に置き、圧縮機翼車の回転軸に沿って半径方向寸法と軸方向寸法に関して定義可能な略筒状のシュラウド面であって、前記シュラウド面の前記軸方向位置は、前記半径方向位置が圧縮機翼車ブレード外縁半径まで大きくなるにつれて、低くなる、シュラウド面と、
   前記筒状のシュラウド面から半径方向外向きに且つ軸方向下向きに伸張しているディフューザ面であって、前記圧縮機翼車ブレード外縁半径（ｒ_１）の約１．２５倍未満の半径方向位置にディフューザ面最小軸方向位置（ｒ_ｍｉｎ）を有しており、且つ、前記最小軸方向位置に対応する半径方向位置を越えた半径方向位置に、より大きな軸方向位置を有している、ディフューザ面と、を備えており、
   前記ディフューザ面は、前記より大きな軸方向位置に対応する半径方向位置を超えた半径方向位置からスクロールまで、一定の軸方向位置を維持して伸長している、圧縮機翼車ハウジング。
2. ｚ面に近接する面を含んでおり且つ前記ハウジングのディフューザ面と共にディフューザ区間を形成しているプレートを更に備えており、前記ディフューザ区間の軸方向高さは、半径方向寸法の関数であり、前記ディフューザ区間の少なくとも一部では、半径方向寸法に対して変化する、請求項１に記載の圧縮機翼車ハウジング。
3. 前記軸方向高さは、半径が大きくなるにつれて、低くなり、次に実質的に一定の軸方向高さまで高くなる、請求項２に記載の圧縮機翼車ハウジング及びプレート。
4. スクロールは、前記圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．８倍の半径方向距離に存在している、上記請求項の何れかに記載の圧縮機翼車ハウジング。
5. 前記ディフューザ面は、前記圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．２倍の半径方向距離と前記圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．８倍の半径方向距離の間に、実質的に一定の軸方向位置を有している、上記請求項の何れかに記載の圧縮機翼車ハウジング。
6. 前記ディフューザ面は、前記圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．１０倍未満の半径方向位置に、最小ディフューザ面軸方向位置を含んでいる、請求項１から４の何れかに記載の圧縮機翼車ハウジング。
7. ターボ過給機圧縮機翼車用の圧縮機翼車ハウジングにおいて、
   基点を圧縮機翼車のｚ面に置き、圧縮機翼車の回転軸に沿って半径方向寸法と軸方向寸法に関して定義可能な略筒状のシュラウド面であって、前記シュラウド面の軸方向位置は、半径方向位置が圧縮機翼車ブレード外縁半径まで大きくなるにつれて、ｚ面に対して約２０度以下の角度で低くなる、シュラウド面と、
   前記筒状のシュラウド面から半径方向外向きに且つ軸方向下向きに伸張しているディフューザ面であって、前記圧縮機翼車ブレード外縁半径の約１．２５倍未満の半径方向位置にディフューザ面最小軸方向位置を有しており、且つ、ｚ面に対して約１０度以下の角度で、前記最小部に近づく、ディフューザ面と、を備えており、
   前記ディフューザ面は、前記最小軸方向位置を有する半径方向位置を超えた半径方向位置からスクロールまで、一定の軸方向位置を維持して伸長している、ハウジング。
8. ｚ面に近接する面を含んでおり且つ前記ハウジングのディフューザ面と共にディフューザ区間を形成しているプレートを更に備えており、前記ディフューザ区間の軸方向高さは、半径方向寸法の関数であり、前記ディフューザ面最小軸方向位置に至る前記ディフューザ区間の少なくとも一部では、半径方向寸法に対して変化する、請求項７に記載の圧縮機翼車ハウジング。
9. 前記ディフューザ区間は、半径が大きくなるにつれて、前記ディフューザ面最小軸方向位置まで低くなり、次に実質的に一定の軸方向高さを維持する、軸方向高さを含んでおり、前記実質的に一定の軸方向高さは、随意的に、前記最小部を含んでいる、請求項８に記載のハウジング。

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