JP4826417B2 - 過給器 - Google Patents

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Description

本発明は、過給器に関する。
自動車等のエンジンには、排気ガスの圧力を利用してエンジンに送り込む空気を圧縮し、出力を高める過給器が用いられているものがある。このような過給器には、一端部にタービンホイールが固定されるとともに他端部にコンプレッサインペラが固定されたタービン軸と、前記タービン軸を回転自在に支持する軸受装置と、軸方向両端面から前記タービンホイール及びコンプレッサインペラを露出させた状態で、前記軸受装置を内部に収納した軸受ハウジングと、を備えたターボチャージャーがある。
前記ターボチャージャーは、タービンホイールによって排気ガスの圧力を回転力に変換し、タービン軸によってタービンホイールと一体回転するコンプレッサインペラによって、エンジンに送り込む空気を圧縮するように構成されている。タービンホイールは、上述のように高温の排気ガスに直接曝されるため、非常に高い温度になる。温度上昇したタービンホイールの熱は、軸受装置に伝達して軸受装置の温度をも上昇させ、当該軸受装置の潤滑状態を悪化させて焼き付きの原因となり、その耐久性を低下させる。このため、上記過給器では、通常、軸受装置を収納する軸受ハウジング内部に、エンジンオイルや、エンジンの冷却水等を循環させることによって軸受装置を冷却するように構成されている。
また、上記のような冷却機構に加え、タービンホイールと軸受ハウジングとの間に遮熱板を配置し、タービンホイールの熱が軸受ハウジングを介して軸受装置に伝達するのを防止する、といった方策も採られていた(例えば、特許文献1,2参照)。
特開2002−106569号公報(図1) 特開平7−189724号公報(図1)
上記従来例では、冷却水による冷却や遮熱板によって軸受装置の極端な温度上昇は抑えられるものの、軸受装置の耐久性維持の観点からみると、十分に温度上昇が抑えられているとは言えず、軸受装置の耐久性の低下を抑制すべく、軸受装置の温度上昇をさらに効果的に抑制する方策が嘱望されていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、タービン軸を支持する軸受装置の温度上昇を効果的に抑制し、耐久性の低下を抑制することができる過給器を提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明は、回転中心と同心の中心孔が設けられたタービンホイールと、前記中心孔に挿入されるとともに、一端部が前記中心孔に設けられた軸支持部に固定されたタービン軸と、前記タービン軸を回転自在に支持する軸受装置と、軸方向一端面から前記タービンホイールを露出させた状態で、前記軸受装置を内部に収納した軸受ハウジングと、前記軸受ハウジングの軸方向一端面に固定され前記タービンホイールを囲うタービンハウジングと、を備えた過給器であって、前記中心孔と、前記タービン軸の外周面との間に、一端が前記軸受ハウジング側に向かって開口する円筒状隙間が形成されており、前記軸受ハウジングの軸方向一端面と、前記タービンホイールとの間に配置されて両者間を遮熱する本体部と、この本体部から前記タービン軸の外周側を覆うように前記円筒状隙間に配置され、前記タービン軸と前記タービンホイールとの間を遮熱する筒状部と、を有する遮熱部材をさらに備えていることを特徴としている。
上記のように構成された過給器によれば、タービンホイールの中心孔とタービン軸の外周面との間に円筒状隙間が形成されているので、例えば、中心孔の内周面が、軸方向全域に亘ってタービン軸の外周面に接触し固定されている場合と比較して、タービンホイールとタービン軸との接触面積を減少させることができる。これにより、排気ガスによって昇温するタービンホイールと、タービン軸との間における熱伝導の効率を低下させることができるので、タービン軸を介して軸受装置に伝達する熱量をも減少させることができる。この結果、軸受装置の温度上昇を抑制することができる。
また、上記筒状部によって、熱源であるタービンホイールの中心孔の内周面からタービン軸の外周面に向かって放射される熱を遮蔽するとともに、円筒状隙間内における空気の対流による伝熱を防止できるので、タービン軸の温度上昇を抑制できる。また、遮熱部材の本体部によって、タービンホイールから軸受ハウジングに向かって放射される熱を遮蔽し、軸受ハウジングの温度上昇を抑制できる。以上のように、遮熱部材によって、タービンホイールから放射される熱による軸受ハウジング及びタービン軸の温度上昇を抑制できるので、軸受ハウジング及びタービン軸を介して、軸受装置に伝達する熱量をより減少させることができる。
また、上記過給器において、前記遮熱部材の本体部の外周縁が、前記軸受ハウジングの一端面外周部と前記タービンハウジングの一端面外周部との間で挟持されていることが好ましい。
この場合、遮熱部材の固定が容易となる。また、温度が上昇するタービンハウジングと、軸受ハウジングとで遮熱部材を挟持することで、両者間に遮熱部材を介在させることができる。このため、タービンハウジングから軸受ハウジングへの熱伝導の効率を低下させ、この結果、軸受装置に伝達する熱量を減少させることができる。
また、上記過給器において、前記中心孔と、前記タービン軸の外周面との間に、低熱伝導率材料からなるスリーブを介在していてもよい。
この場合、低熱伝導材料からなるスリーブによって、タービンホイールからタービン軸への熱伝導の効率を低下させ、タービン軸を介して軸受装置に伝達する熱量を減少させることができる。
また、前記タービン軸の一端部には、当該タービン軸の一端面に開口し軸方向に延びる孔部が形成されていてもよい。
この場合、孔部は、タービン軸の一端部の内部で空隙を構成するので、この一端部における実質的な熱容量を減少させることができる。このため、タービンホイールからタービン軸に伝達する熱量を減少させることができ、この結果、軸受装置に伝達する熱量を減少させることができる。
前記孔部には、低熱伝導材料からなり当該孔部内部を埋める埋込部材が挿嵌されていてもよく、この場合においても上記と同様、タービン軸一端部における実質的な熱容量を減少させることができる。さらに、この埋込部材によって、タービン軸一端部の強度が低下するのを抑制できる。
本発明の過給器によれば、タービン軸を支持する軸受装置の温度上昇を効果的に抑制できるので、当該過給器の耐久性の低下を抑制することができる。
次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図1は本発明の第1の実施形態である過給器の断面図である。
図1において、この過給器1は、自動車のエンジンに用いられる、いわゆるターボチャージャーであり、一端部にエンジンの排気ガスの圧力を回転力に変換するタービンホイール2が固定されるとともに、他端部に空気を圧縮するためのコンプレッサインペラ4が固定されたタービン軸3と、このタービン軸3を回転自在に支持する軸受装置5と、この軸受装置5を内部に収納する軸受ハウジング6とを有している。
軸受ハウジング6は、外周がほぼ円柱形状とされた本体部6aを有しており、その径方向中心部には、軸線Cを中心とした中心孔6b1が形成されたジャーナル6bが設けられている。この中心孔6b1には、上記のようにタービン軸3を回転自在に支持する軸受装置5が配置されている。
軸受装置5は、上記のように中心孔6b1に配置されて、軸受ハウジング6の内部に収納されており、中心孔6b1に挿入されたスリーブ5aと、このスリーブ5aの内周側に軸方向に所定の間隔を空けて配置された一対の転がり軸受5b等によって構成されている。軸受装置5は、この一対の転がり軸受5bによって、タービン軸3を軸線C回りに回転可能に支持している。
また、軸受ハウジング6は、その本体部6aの一端面6a1からタービンホイール2を露出させるとともに、他端面6a2からコンプレッサインペラ4を露出させた状態で、軸受装置5を収納している。
軸受ハウジング6の本体部6aの内部には、冷却水ジャケット6cが形成されている。この冷却水ジャケット6cは、内部にエンジンの冷却水が導入される水路であり、ジャーナル6bの外周側を取り囲むように螺旋状に形成されている。また、本体部6aには、冷却水ジャケット6cにエンジンの冷却水を導入、排出するための図示しない給排水口が形成されており給排水口からエンジンの冷却水を給排することで、冷却水ジャケット6cの内部で冷却水を循環させ、この冷却水によって、軸受ハウジング6、及び、ジャーナル6bに配置された軸受装置5を冷却するように構成されている。
また、本体部6aの内部には、冷却水ジャケット6cの他、軸受装置5に供給するための潤滑油が貯留されたタンク部6dも形成されている。このタンク部6dに貯留された潤滑油は、図示しない潤滑油供給機構によって、軸受装置5に供給できるように構成されている。軸受装置5は、このタンク部6dの潤滑油のみで潤滑される。
また、軸受ハウジング6の本体部6aの一端部側及び他端部側の外周面には、それぞれ、径方向外方に延びる第1及び第2のフランジ部6e,6fが形成されている。第2のフランジ部6fには、本体部6aの他端面6a2で露出するコンプレッサインペラ4を囲むコンプレッサハウジング7が固定されている。コンプレッサハウジング7には、エンジンに吸入される空気を圧縮するための圧縮流路が形成されており、コンプレッサインペラ4が回転することによって、外気を圧縮流路に吸入し圧縮する。
一方、第1のフランジ部6eには、本体部6aの一端面6a1で露出するタービンホイール2を囲むタービンハウジング8が固定されている。タービンハウジング8には、エンジンの排気ガスの流路が形成されており、この流路で流速が高められた排気ガスによって、タービンホイール2を回転させる。
図2は、軸受ハウジング6と、タービンハウジング8との接続部分を拡大して示した断面図である。タービンハウジング8は、その一端部に、本体部6aの第1のフランジ部6eに突き合わされたフランジ部8aが形成されている。タービンハウジング8の一端面外周部に位置するフランジ部8aのフランジ面8a1と、軸受ハウジング6の一端面6a1外周部に位置する第1のフランジ部6eのフランジ面6e1との間には、後述するタービンホイール2からの熱を遮蔽する遮熱部材10が介在している。さらにフランジ部8aの周縁には、フランジ面8a1から軸方向に突出した環状の突出部8a2が形成されている。この突出部8a2の先端は、第1のフランジ部6eのフランジ面6e1に当接しており、軸受ハウジング6に対するタービンハウジング8の軸方向位置の位置決めがなされる。
また、フランジ部8a、及び第1のフランジ部6eの外周側には、これら両フランジ部8a,6eを突き合わせた状態で両者を固定するクランプ9が装着されている。このクランプ9は、ほぼ全周にわたって両フランジ部8a,6eを軸方向に互いに突き合わせる方向に押し付けており、このクランプ9によって、軸受ハウジング6とタービンハウジング8とは、強固に固定されている。
ここで、タービンホイール2とタービン軸3との固定部分の態様について詳述する。
図2において、タービン軸3の一端部外周面には、タービンホイール2が接触状態で外嵌している小径外周面31が形成されている。また、小径外周面31の軸受ハウジング6側には、傾斜面33を介して繋げられた、小径外周面31よりも大径の大径外周面32が形成されている。
一方、タービンホイール2には、その回転中心である軸心Cを中心とした中心孔20が形成されており、この中心孔20にタービン軸3が挿入されている。
中心孔20の内周面側には、タービン軸3の小径外周面31が接触状態で挿入され溶接等によって固定された軸支持部としての小径内周面21が形成されている。この小径内周面21は、軸方向位置がタービン軸3の小径外周面31とほぼ一致する位置に設けられている。小径内周面21の軸受ハウジング6側には、傾斜面23を介して繋げられた、小径内周面21よりも大径の大径内周面22が形成されている。
この大径内周面22の内径は、タービン軸3の大径外周面32の外径よりも大径に形成されており、大径内周面22と、大径外周面32との間に、円筒状隙間Sを形成している。中心孔20の大径内周面22と、タービン軸3の大径外周面32との間に形成された円筒状隙間Sは、タービン軸3の傾斜面33、及び中心孔20の傾斜面23によって形成される底部から、軸方向に沿って延び、その端部が軸受ハウジング6側に向かって開口している。
また、図2に示すように、タービンホイール2は、本体部6aの一端面6a1に対して所定寸法をもって軸方向に離間した状態で配置されており、この両者の間には、空間Kが設けられている。従って、上記の軸受ハウジング6側に向かって開口している円筒状隙間Sは、空間Kと繋がっている。
なお、空間Kは、この空間Kに存在する空気層によって、排気ガスを受けることで昇温するタービンホイール2から軸受ハウジング6に向かって放射される熱を遮蔽することができる。
これら互いに繋がる空間K及び円筒状隙間Sには、上述の遮熱部材10が配置されている。遮熱部材10は、空間Kに配置された本体部10aと、この本体部10aから軸方向に延ばされることで円筒状隙間Sに配置された筒状部10bとを有している。
遮熱部材10は、例えば、耐熱性の高い金属材料からなる板材等をプレス成形することによって、本体部10aと筒状部10bとが一体形成されている。本体部10aは、上記のように空間Kに配置されることで、タービンホイール2と軸受ハウジング6との間を遮熱する部材であり、空間Kに位置する円盤部10a1と、この円盤部10a1の周縁から軸受ハウジング6の第1のフランジ部6eに向かって延びる筒部10a2と、この筒部10a2から、径方向外方に折り曲げられて第1のフランジ部6eのフランジ面6e1に当接している折曲部10a3とが形成されている。
この本体部10aの外周縁となる折曲部10a3は、上述したように、タービンハウジング8に設けられたフランジ部8aのフランジ面8a1と、第1のフランジ部6eのフランジ面6e1との間で挟持されている。この折曲部10a3の厚みは、フランジ面8a1と、フランジ面6e1との間で形成される隙間の幅寸法よりもわずかに厚く形成されており、折曲部10a3は、両フランジ面8a1,6e1によって挟持されることで、両フランジ面8a1,6e1に接触した状態で強固に保持されている。遮熱部材10は、上記のように折曲部10a3を両フランジ面8a1,6e1で挟持されることで、タービンハウジング8と、軸受ハウジング6との間で固定され、空間K及び円筒状隙間Sに配置される。
また、タービンハウジング8と、軸受ハウジング6とで、折曲部10a3を挟持することで、両者間に折曲部10a3(遮熱部材10)を介在させることができるので、タービンハウジング8から軸受ハウジング6への熱伝導の効率を低下させることができる。このため、タービンハウジング8が排気ガスに曝されることで高い温度となったとしても、当該タービンハウジング8から軸受ハウジング6及び軸受装置5に伝達する熱量を減少させることができる。
折曲部10a3に繋がる筒部10a2は、第1のフランジ部6eのフランジ面6e1から一端面6bに繋がる側面部6a3に外嵌するように形成されている。
円盤部10a1は、その中心にタービン軸3が挿通された孔部10a4が形成されている。この円盤部10a1は、タービンホイール2と軸受ハウジング6との間に配置され、タービンホイール2からの放熱を遮断している。
円盤部10a1の孔部10a4の周縁には、当該周縁を基端として、上記筒状部10bが、軸方向タービンホイール2側に向かって延ばされている。筒状部材10bは、タービン軸3の大径外周面32を覆うように円筒状隙間Sに配置されており、その先端は、円筒状隙間Sを構成している傾斜面23,33の近傍まで延ばされている。このように筒状部材10bは、円筒状隙間Sの軸方向ほぼ全域に亘って配置されており、タービン軸3とタービンホイール2との間を遮熱する。
上記のように構成された過給器1によれば、タービンホイール2の中心孔20とタービン軸3の大径外周面32との間に円筒状隙間Sが形成されているので、例えば、中心孔20の内周面が、軸方向全域に亘ってタービン軸3の外周面に接触し固定されている場合と比較して、タービンホイール2とタービン軸3との接触面積を減少させることができる。これにより、排気ガスによって昇温するタービンホイール2と、タービン軸3との間における熱伝導の効率を低下させることができ、タービン軸3を介して軸受装置5に伝達する熱量を減少させることができる。この結果、軸受装置5の温度上昇を抑制することができ、過給器1の耐久性の低下を抑制することができる。
また、上記実施形態では、遮熱部材10の筒状部10bによって、熱源であるタービンホイール2の中心孔20の大径内周面22からタービン軸3の大径外周面32に向かって放射される熱を遮蔽するとともに、円筒状隙間S内における空気の対流による伝熱を防止できるので、タービン軸3の温度上昇を抑制できる。また、遮熱部材10の本体部10aによって、タービンホイール2から軸受ハウジング6に向かって放射される熱を遮蔽し、軸受ハウジング6の温度上昇を抑制できる。以上のように、遮熱部材10によって、タービンホイール2から放射される熱による軸受ハウジング6及びタービン軸3の温度上昇を抑制できるので、軸受ハウジング6及びタービン軸3を介して、軸受装置5に伝達する熱量をより減少させることができ、過給器1の耐久性の低下をより効果的に抑制することができる。
図3は、本発明の第2の実施形態である過給器1の要部断面図である。本実施形態と第1の実施形態との主な相違点は、タービンホイール2の中心孔20の小径内周面21と、タービン軸3の小径外周面31との間に、円環状のスリーブ40を介在している点である。その他の点については、第1の実施形態と同様なので説明を省略する。
スリーブ40は、ジルコニア等の低熱伝導材料を用いて形成されており、タービンホイール2とタービン軸3とは、低熱伝導材料からなるスリーブ40を介在して固定されている。このため、本実施形態の過給器1によれば、第1の実施形態のように、小径内周面21と、小径外周面31とを直接接触させて固定した場合と比較して、タービンホイール2からタービン軸3への熱伝導の効率を低下させることができ、その結果、タービン軸3を介して軸受装置5に伝達する熱量をより減少させることができる。
図4は、本発明の第3の実施形態である過給器1の要部断面図である。本実施形態と第1の実施形態との主な相違点は、タービン軸3の一端部に、当該タービン軸3の先端面34に開口し軸方向に延びる孔部35が形成されている点である。
この場合、孔部35は、タービン軸3の一端部の内部で空隙を構成するので、このタービン軸3一端部における実質的な熱容量を減少させることができる。このため、タービンホイール2からタービン軸3に伝達する熱量を減少させることができ、この結果、軸受装置5に伝達する熱量を減少させることができる。
また、図5に示すように、孔部35には、当該孔部35の内部を埋める埋込部材36が挿嵌されていてもよい。この埋込部材36は、ジルコニア等の低熱伝導部材を用いて形成される。この場合においても上記と同様、タービン軸3一端部における実質的な熱容量を減少させることができる。さらに、この埋込部材36によって、孔部35を設けたことによって、薄肉になるタービン軸3一端部の強度が低下するのを抑制できる。
図6は、参考例に係る過給器1の断面図である。本参考例と第1の実施形態との主な相違点は、軸受ハウジング6の内部に、コンプレッサインペラ4によって圧縮された圧縮空気をタービン軸3に導く送風通路50が設けられている点、及び、タービン軸3とタービンホイール2とが一体形成されるとともにタービン軸3の内部に前記圧縮空気が導入される中空室61が形成されている点である。
送風通路50は、コンプレッサハウジング7に囲まれた軸受ハウジング6の本体部6aの他端面6a2に開口する開口部51を一端に有するとともに、本体部6aに形成されタービン軸3が挿通された軸孔6a4の内周面に開口する開口部52を他端に有しており、コンプレッサハウジング7内と、軸孔6a4の内周面側とを連通している。
軸孔6a4の内周側には、タービン軸3におけるタービンホイール2と軸受装置5との間に位置する中間部60が位置している。この中間部60には、上述の中空室61が形成されている。中空室61は、タービン軸3の端面から軸心に沿って形成された孔部64の開口をプラグ65によって閉塞することで形成される。
また、中間部60には、軸方向が開口部52と一致する周溝62がその外周面に形成されるとともに、この周溝62の底部と、中空室61とを連通する多数の連通孔63が周方向に並べて形成されている。
さらに本体部6aの内部には、軸孔6a4の内周面に開口する開口部71と、本体部6aの外部に開口する開口部72とを有する排気通路70が形成されている。開口部71は、軸孔6a4において、開口部52に対して軸方向位置がほぼ同一でかつ軸心を挟んだ反対側に設けられている。
上記構成の過給器1では、コンプレッサハウジング7内の圧縮空気は、開口部51から送風通路50に導入され、開口部52から軸孔6a4の内周側に導かれて、中間部60を送風冷却する。そして、軸孔6a4の内周側に導かれた圧縮空気は、周溝62及び連通孔63を通じて中空室61にも導入される。そして、この圧縮空気は、同じく周溝62及び連通孔63を通じて、排気通路70の開口部71に導かれ、当該排気通路70を介して開口部72から外部に排気される。
なお、周溝62の軸方向両側には、圧縮空気が軸受装置5や、タービンホイール2側に洩れないようにシール部材が設けられている。
上記構成の過給器によれば、タービンホイール2からの熱がタービン軸3の中間部60に達して当該中間部60の温度が上昇した場合にも、中間部60をコンプレッサインペラ4からの圧縮空気によって送風冷却することができる。すなわち、タービンホイール2から伝わる熱を軸受装置5に到達する前に冷却することができるので、軸受装置5に伝達する熱量を減少させることができる。この結果、軸受装置5の温度上昇を効果的に抑制でき、過給器1の耐久性の低下を抑制することができる。
また、本参考例では、中間部60に導かれる圧縮空気を、中空室61の内側面に接触させることができるため、中間部60に対して、圧縮空気が接触する接触面積を増加させることができる。このため、より効果的に中間部60を冷却でき、軸受装置5に伝達する熱量をさらに減少させることができる。
なお、本発明の過給器は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、中心孔20に大径内周面22、タービン軸3の外周面に大径外周面32を形成することで、円筒状隙間Sを形成したが、例えば、中心孔20もしくはタービン軸3いずれか一方の周面のみに異径の周面を形成することで、円筒状隙間Sを形成することもできる。
また、上記参考例において、圧縮空気を導入する態様については図示の形態に限定されるものではなく、圧縮空気をタービン軸に導くことができればいかなる態様でもよい。また、参考例においては、タービンホイール2とタービン軸3とを一体に形成したが、図7に示すように、第1の実施形態と同様に、タービンホイール2とタービン軸3とを別体とし、両者の間に円筒状隙間Sを形成した構成とすることもできる。
本発明の第1の実施形態である過給器の断面図である。 軸受ハウジングと、タービンハウジングとの接続部分を拡大して示した断面図である。 本発明の第2の実施形態である過給器の要部断面図である。 本発明の第3の実施形態である過給器の要部断面図である。 第3の実施形態である過給器の変形例を示した要部断面図である。 参考例である過給器の断面図である。 参考例である過給器の変形例を示した要部断面図である。
符号の説明
1 過給器
2 タービンホイール
3 タービン軸
4 コンプレッサインペラ
5 軸受装置
6 軸受ハウジング
6a1 一端面
8 タービンハウジング
10 遮熱部材
10a 本体部
10b 筒状部
20 中心孔
21 小径内周面(軸支持部)
34 先端面
35 孔部
36 埋込部材
40 スリーブ
50 送風通路
60 中間部
61 中空室
S 円筒状隙間

Claims (5)

  1. 回転中心と同心の中心孔が設けられたタービンホイールと、
    前記中心孔に挿入されるとともに、一端部が前記中心孔に設けられた軸支持部に固定されたタービン軸と、
    前記タービン軸を回転自在に支持する軸受装置と、
    軸方向一端面から前記タービンホイールを露出させた状態で、前記軸受装置を内部に収納した軸受ハウジングと、
    前記軸受ハウジングの軸方向一端面に固定され前記タービンホイールを囲うタービンハウジングと、を備えた過給器であって
    前記中心孔と、前記タービン軸の外周面との間に、一端が前記軸受ハウジング側に向かって開口する円筒状隙間が形成されており、
    前記軸受ハウジングの軸方向一端面と、前記タービンホイールとの間に配置されて両者間を遮熱する本体部と、この本体部から前記タービン軸の外周側を覆うように前記円筒状隙間に配置され、前記タービン軸と前記タービンホイールとの間を遮熱する筒状部と、を有する遮熱部材をさらに備えていることを特徴とする過給器。
  2. 前記遮熱部材の本体部の外周縁が、前記軸受ハウジングの一端面外周部と前記タービンハウジングの一端面外周部との間で挟持されている請求項1に記載の過給器。
  3. 前記中心孔と、前記タービン軸の外周面との間に、低熱伝導率材料からなるスリーブを介在している請求項1に記載の過給器。
  4. 前記タービン軸の一端部には、当該タービン軸の一端面に開口し軸方向に延びる孔部が形成されている請求項1に記載の過給器。
  5. 前記孔部には、低熱伝導材料からなり当該孔部内部を埋める埋込部材が挿嵌されている請求項4に記載の過給器
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