JP5223779B2 - コンプレッサ及びこれを用いたターボチャージャ - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサ及びこれを用いたターボチャージャに係り、特に、自動車等に搭載されるターボチャージャ用のコンプレッサ及びこれを用いたターボチャージャに関する。

近年、自動車用エンジンに対して、クリーンな排気と低燃費が求められている。そのためには、高効率はターボチャージャが必要とされている。ターボチャージャは、エンジンから高温高速で排出される排ガスによりタービンを高速回転させ、これによりタービンに回転シャフトを介して連結されるコンプレッサのインペラを高速回転させて、ハウジング内に取り込んだ大気圧の空気を遠心圧縮して燃焼用空気としてエンジンに過給するものである。

図１に、ターボチャージャ１０の概略構成を示す。ターボチャージャ１０のコンプレッサ１２は、コンプレッサハウジング(以下、適宜に「ハウジング」とだけいう。)１４と、ハウジング１４内に回転可能に収容配置されるインペラ１６とを備える。ハウジング１４は、管状部材２０を介して大気圧の空気をハウジング内に取り込むための空気入口部２２と、高速回転するインペラ１６によって圧縮された空気が噴出する空気出口部２４とを有する。ハウジング１４の空気出口部２４から噴出した圧縮空気は、管状部材２６を介して図示しないエンジンに燃焼用の過給気として供給される。

上記コンプレッサ１２のインペラ１６には、複数の翼（以下、適宜に「インペラ翼」という。）１８が設けられている。インペラ翼１８は、平面視で円盤状をなすインペラ１６の回転軸を中心として略渦巻状をなすように形成されると共に、周方向に所定間隔を置いて配列されている。

上記コンプレッサ１２のインペラ１６には、回転シャフト２８の一端側が連結されている。回転シャフト２８は、スラスト軸受やラジアル軸受等を含んで構成される軸受部３０によって回転可能に支持されている。回転シャフト２８の他端側には、タービン３２が連結されている。タービン３２は、タービンハウジング３４内に回転可能に収容配置されている。

タービンハウジング３４は、エンジンから排出された高温の排ガスがハウジング内へと高速で流入する排ガス入口部３６と、ハウジング内でタービン３２を回転させる仕事を行った後の排ガスが図示しないマフラへと排出される排ガス出口部３８とを有する。

タービン３２もまた、上記インペラ１６と類似の構成を有する。すなわち、タービン３２には、複数の翼（以下、適宜に「タービン翼」という。）４０が設けられている。タービン翼４０は、平面視で円盤状をなすタービン３２上で周方向に所定間隔を置いて配列されている。これらのタービン翼４０に排ガス入口部３６から高速で噴出した排ガスが衝突することによってタービン３２が高速回転し、これにより回転シャフト２８を介して連結されているインペラ１６もまた高速回転することになる。

図２は、上記コンプレッサ１２についてインペラ１６の回転軸Ｘに対して略上側半分だけを示す部分拡大断面図である。インペラ１６は、略錘台状をなすインペラ本体１７と、その外周部に固定された複数のインペラ翼１８とからなっている。三次元的に湾曲した板状部材で形成されるインペラ翼１８は、湾曲線として描かれる径方向縁部１９を有している。

インペラ１６の高速回転時にインペラ翼１８がコンプレッサハウジング１４の内壁面１５と接触しないように、ハウジング１４の内壁面１５とこれに対向するインペラ翼１８の径方向縁部１９との間には、所定幅Ｃのクリアランス４２が設けられている。回転時に想定されるインペラ１６の移動量または移動距離は、軸受部３０に用いられるラジアル軸受の径方向隙間（例えば０．３〜０．５ｍｍ程度）、スラスト軸受の軸方向隙間（例えば０．３〜０．５ｍｍ程度）、および、インペラ１６と回転シャフト２８とタービン３２とを含む回転体の全体についてのアンバランスによる二次振動モードでの振れ回りによって決まってくる。そのため、インペラ１６が軸方向および径方向の移動や上記振れ回りによる傾斜が生じてもインペラ１６がハウジング１４の内壁面１５と接触しないように、上記クリアランス４２の幅Ｃが設定されている。このクリアランス４２の幅Ｃは、インペラ翼１８の径方向縁部１９の空気入口部側端部１９ａから空気出口部側端部１９ｂにかけて同一幅となるようにハウジング内壁面１５が形成されるのが一般的であるが、上記径方向縁部１９の空気入口部側端部１９ａにおけるクリアランス幅ＣＬ１から上記径方向縁部１９の空気出口部側端部１９ｂにおけるクリアランス幅ＣＬ２にかけて、クリアランス幅Ｃが漸近的に減少または増加するようにハウジング内壁面１５が形成される場合もある。

コンプレッサ１２が運転される際に、上記クリアランス４２の領域を入口部２２側から出口部２４側へと流れる空気は、高速回転するインペラ１６による空気の圧縮という仕事に関与しない損失となるものである。そのため、クリアランス４２の領域を通過する空気量を低減してコンプレッサ１２の高効率化を図るには、インペラ翼１８とハウジング内壁面１５との間のクリアランス４２を可及的に小さく又は狭くすることが望ましい。

図３は、クリアランス４２の幅とコンプレッサ１２の効率η03（推定値）との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はクリアランス４２の大きさを係数として表しており、「１」がクリアランス大で、「０」がクリアランス小を示すものである。また、グラフ線において、実線部は効率η03を単項式で計算した結果を示す領域であり、破線部は効率η03を多項式で計算した結果を示す領域である。このグラフから分かるように、クリアランス４２が小さくなるほど、コンプレッサ１２の効率が高くなることが明らかである。

例えば、特許文献１には、タービンホイールとタービンハウジングとの間のクリアランスを極限まで小さくしてタービン効率を向上させることを課題として、タービンホイールが対向するハウジング内壁の一部分を切削性のある材料（例えばセラミックス）で形成し、高温の排ガスに晒されることで熱膨張した状態で高速回転するタービンホイールとの接触によって上記切削性材料を切削するように構成したターボチャージャが記載されている。

特開２００５−２２６４７０号公報

しかし、上記特許文献１のターボチャージャのようにハウジングの一部を切削性の材料で形成する構成にすると、ハウジングの加工工数および製造コストが増加する、切削によって生じた削りくずが軸受部に入り込んで損傷させるおそれがある等の問題がある。

本願発明者は、上記クリアランスを小さくしてコンプレッサ効率を如何に向上させるかにつき鋭意検討した結果、高速回転するインペラに軸方向移動および径方向移動、あるいは、軸方向移動および二次振動モードによる傾斜角度が生じても、インペラの翼の径方向縁部が対向するハウジングの内壁面においてインペラ翼との接触が発生し難い領域があることを見出すに至った。

本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、その目的は、構成の複雑化や加工工数よび製造コストの増加を招くことなくコンプレッサ効率を向上させることができるコンプレッサおよびこれを用いたターボチャージャを提供することにある。

本発明は、空気の入口部および圧縮空気の出口部を有するコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内に回転軸を中心として回転可能に収容配置されるインペラと、を備えるコンプレッサであって、コンプレッサハウジングの内壁面とこの内壁面に対向するインペラの翼の径方向縁部との間のクリアランスが、翼の径方向縁部についての入口部側の端部領域と出口部側の端部領域との間の中間位置において最小となるようコンプレッサハウジングの内壁面が滑らかに膨出形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るコンプレッサにおいて、コンプレッサハウジングの内壁面の膨出形状は、コンプレッサハウジングの内壁面とインペラ翼の径方向縁部の出口部側端部領域との間のクリアランスを無くすようにインペラを所定配置位置から軸方向に移動させた場合における翼の径方向縁部に対応する第１の仮想曲線と、コンプレッサハウジングの内壁面と翼の径方向縁部の入口部側端部領域との間のクリアランスを無くすようにインペラを所定配置位置から径方向に移動させた場合における翼の径方向縁部に対応する第２の仮想曲線とによって規定されてもよい。

また、本発明に係るコンプレッサにおいて、コンプレッサハウジングの内壁面の膨出形状は、コンプレッサハウジングの内壁面とインペラ翼の径方向縁部の出口部側端部領域との間のクリアランスを無くすようにインペラを所定配置位置から軸方向に移動させた場合における翼の径方向縁部に対応する第１の仮想曲線と、コンプレッサハウジングの内壁面と翼の径方向縁部の入口部側端部領域との間のクリアランスを無くすようにインペラを所定配置位置から径方向に移動させた後にそこから更に入口側端部を中心として出口部側端部が上記内壁面から離れる方向に所定角度だけ回転移動させた場合における翼の径方向縁部に対応する第３の仮想曲線とによって規定されてもよい。ここで、上記所定角度は、インペラが二次振動モードで回転したときの振れ回り傾斜角度に相当するとしてもよい。

本発明に係るターボチャージャは、上記構成を備える本発明に係るコンプレッサと、コンプレッサのインペラに一端側が連結される回転シャフトと、回転シャフトを回転可能に支持する軸受部と、回転シャフトの他端側に連結されるタービンと、排ガスの入口部および出口部を有しタービンを内部に回転可能に収容配置するタービンハウジングとを備えるターボチャージャであって、タービンハウジングの内壁面とこの内壁面に対向するタービンの翼の径方向縁部との間のクリアランスがコンプレッサと同様になるようタービンハウジングの内壁面が滑らかに膨出形成されていることを特徴とする。

本発明に係るコンプレッサによれば、コンプレッサハウジングの内壁面とこの内壁面に対向するインペラの翼の径方向縁部との間のクリアランスが、翼の径方向縁部についての入口部側の端部領域と出口部側の端部領域との間の中間位置において最小となるようコンプレッサハウジングの内壁面が滑らかに膨出形成されていることで、クリアランス領域を通過する空気量すなわち損失を低減して、高速回転するインペラとハウジングとの接触を回避しつつコンプレッサ効率を向上させることができる。

また、ハウジングの一部分をインペラで切削可能な材料で形成する場合に比べて、構成が簡素であり、加工工数および製造コストの増加を抑制できる。

さらに、本発明に係るターボチャージャによれば、タービン側のクリアランスについてもコンプレッサと同様に形成されることでタービン効率も向上し、ターボチャージャ全体として高効率化することができる。

図１は、ターボチャージャの概略構成を示す図である。 図２は、図１のコンプレッサについてインペラの回転軸に対して略上側半分だけを示す部分拡大断面図である。 図３は、クリアランスの幅とコンプレッサの効率η03（推定値）との関係を示すグラフである。 第１の実施形態のコンプレッサの一部を示す図２と同様の部分拡大断面図である。 図４のコンプレッサにおけるインペラ翼とハウジング内壁面との間のクリアランスを模式的に示す図である。 第２の実施形態のコンプレッサの一部を示す図２と同様の部分拡大断面図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、下記においては、背景技術として図１，２を参照して説明したターボチャージャと異なる点について主に説明することとし、同一の要素および部分には同一符号を付してそれらの説明を援用により省略する。

図４は、第１の実施形態であるターボチャージャ１０のコンプレッサ１２ａについて、インペラ１６の回転軸Ｘに対して略上側半分だけを示す部分拡大断面図である。

本実施形態のコンプレッサ１２ａでは、コンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａとこの内壁面１５ａに対向するインペラ１６の翼１８の径方向縁部１９との間のクリアランス４２が、翼１８の径方向縁部１９についての空気入口部２２側の端部１９ａおよびその近傍の領域（以下、これらをまとめて「空気入口部側端部領域」という、第２の実施形態についても同様。）と空気出口部２４側の端部１９ｂおよびその近傍の領域（以下、これらをまとめて「空気出口部側端部領域」という、第２の実施形態についても同様。）との間の中間位置において最小となるようコンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａが滑らかに膨出形成されている。

より具体的には、上記コンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａの膨出形状は、コンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａと翼１８の径方向縁部１９の空気出口部側端部領域との間のクリアランス４２（幅：ＣＬ２）を無くすようにインペラ１６を所定配置位置から軸方向に図中左側へ移動させた場合における翼１８の径方向縁部１９に対応する一点鎖線で示される第１の仮想曲線５０と、コンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａと翼１８の径方向縁部１９の空気入口部側端部領域との間のクリアランス４２（幅：ＣＬ１）を無くすようにインペラ１６を所定配置位置から径方向に図中上側へ移動させた場合における翼１８の径方向縁部１９に対応する二点鎖線で示される第２の仮想曲線５２とによって規定されている。これら第１および第２の仮想曲線５０，５２の交差領域でのハウジング内壁面１５は、滑らかに湾曲する曲面として形成されている。

ここで、上記空気入口部側端部領域におけるクリアランス４２の幅ＣＬ１は、通常、軸受部３０のラジアル軸受の径方向最大隙間（例えば０．５ｍｍ）よりも若干大きい寸法に設定されており、上記空気出口部側端部領域におけるクリアランス４２の幅ＣＬ２は、通常、軸受部３０のスラスト軸受の軸方向最大隙間（例えば０．５ｍｍ）よりも若干大きい寸法に設定されている。また、上記「所定配置位置」とは、ターボチャージャ１０が例えば自動車に取り付けられて、かつ、インペラ１６が静止した状態にあるときのコンプレッサハウジング１４ａ内でのインペラ１６の配置位置のことである。

このようにインペラ翼１８の径方向縁部１９が対向するコンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａをインペラ１６側に向かって滑らかに膨出する形状に形成してあることで、図５中の実線４４で示すようにクリアランス４２の幅は、空気入口部２２側から空気出口部２４側へ向かうにつれて次第に小さくなり、上記空気入口部側端部領域と上記空気出口部側端部領域との略中央位置で最小となり、そこから更に空気出口部２４側へ向かうにつれて次第に大きくなっている。

なお、図５において、一点鎖線４６はクリアランス４２の幅がインペラ翼１８の径方向縁部１９の空気入口部側端部１９ａから空気出口部側端部１９ｂにかけて同一である場合を示し、この場合におけるハウジング内壁面が図４において破線４７で示されている。また、図５における破線４８は、クリアランス４２の幅がインペラ翼１８の径方向縁部１９の空気入口部側端部１９ａから空気出口部側端部１９ｂに向かって漸減している場合を示している。

上記のように規定されるコンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａの膨出形状およびその位置は、インペラ１６がスラスト軸受の軸方向隙間に相当する分だけ軸方向に移動し、且つ、ラジアル軸受の径方向隙間に相当する分だけ径方向に移動した状態で高速回転しても、翼１８の径方向縁部１９がハウジング内壁面１５ａに接触しない形状および位置に設定されている。

これにより、本実施形態のコンプレッサ１２ａおよびこれを用いたターボチャージャ１０によれば、インペラ翼とハウジング内壁面との間のクリアランスを同一幅に形成したコンプレッサに比べて、クリアランス４２が途中で狭くなっている分、クリアランス４２を通過する空気量を減少させることができる。これにより、インペラ１６がコンプレッサハウジング１４ａの内壁面１５ａに接触するのを回避しつつ、コンプレッサ１２ａの損失を低減して空気圧縮効率を向上させることができる。

上述した本実施形態のコンプレッサ１２ａを含むターボチャージャ１０において、タービンハウジング３４の内壁面についても上記コンプレッサハウジング１４ａと同様に、ハウジング内壁面を膨出形成してもよい。すなわち、タービンハウジング３４の内壁面とこの内壁面に対向するタービン３２のタービン翼４０の径方向縁部との間のクリアランスが、タービン翼４０の径方向縁部についての排ガス入口部３６側の端部およびその近傍の領域（以下、これらをまとめて「排ガス入口部側端部領域」という。）と排ガス出口部３８側の端部およびその近傍の領域（以下、これらをまとめて「排ガス出口部側端部領域」という。）との間の中間位置において最小となるようタービンハウジング３４の内壁面が滑らかに膨出形成されている。

より具体的には、上記タービンハウジング３４の内壁面の膨出形状は、タービンハウジング３４の内壁面とタービン翼４０の径方向縁部の排ガス入口部側端部領域との間のクリアランスを無くすようにタービン３２を所定配置位置から軸方向に図１中右側へ移動させた場合におけるタービン翼４０の径方向縁部に対応する第１の仮想曲線と、タービンハウジング３４の内壁面とタービン翼４０の径方向縁部の排ガス出口部側端部領域との間のクリアランスを無くすようにタービン３２を所定配置位置から径方向に図１中上側へ移動させた場合におけるタービン翼４０の径方向縁部に対応する第２の仮想曲線とによって規定されている。これら第１および第２の仮想曲線の交差領域でのハウジング内壁面は、滑らかに湾曲する曲面として形成されている。

このようにターボチャージャ１０のタービン側についてもタービン３２とハウジング内壁面との間のクリアランスを途中でより小さくなるようハウジング内壁面を膨出形成することによってタービン効率も向上し、ひいては、ターボチャージャ１０全体としての過給効率を向上させることができる。

次に、図６を参照して、第２の実施形態のターボチャージャ１０のコンプレッサ１２ｂについて説明する。図６は、第２の実施形態であるコンプレッサ１２ｂについて、インペラ１６の回転軸Ｘに対して略上側半分だけを示す部分拡大断面図である。

本実施形態のコンプレッサ１２ｂでは、コンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ｂとこの内壁面１５ｂに対向するインペラ１６の翼１８の径方向縁部１９との間のクリアランス４２が、翼１８の径方向縁部１９についての空気入口部２２側の端部１９ｂおよびその近傍の領域と空気出口部２４側の端部１９ｂおよびその近傍の領域との間の中間位置において最小となるようコンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ｂが滑らかに膨出形成されている。

より具体的には、上記コンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ａの膨出形状は、コンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ｂと翼１８の径方向縁部１９の空気出口部側端部領域との間のクリアランス４２（幅：ＣＬ２）を無くすようにインペラ１６を所定配置位置から軸方向に図中左側へ移動させた場合における翼１８の径方向縁部１９に対応する一点鎖線で示される第１の仮想曲線５０と、コンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ｂと翼１８の径方向縁部１９の空気入口部側端部領域との間のクリアランス４２（幅：ＣＬ１）を無くすようにインペラ１６を所定配置位置から径方向に図中上側に移動させた後にそこから更に空気入口部側端部１９ａを中心として空気出口部側端部１９ｂが上記内壁面１５ｂから離れる方向、すなわち時計周り方向に所定角度だけ回転移動させた場合における翼１８の径方向縁部１９に対応する二点鎖線で示す第３の仮想曲線５４とによって規定されている。ここで、上記所定角度は、インペラ１６が二次振動モードで回転したときの振れ回り傾斜角度に相当するものであり、例えば１〜２度程度である。また、これら第１および第３の仮想曲線５０，５４の交差領域でのハウジング内壁面１５ｂは、滑らかに湾曲する曲面として形成されている。なお、他の点については、上記第１の実施形態と同様である。

上述したように第２の実施形態のコンプレッサ１２ｂでは、インペラ１６が回転軸Ｘに対して平行に振れ回るのではなく二次振動モードによる傾斜角度をもって振れ回った場合を想定している。この場合、コンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ｂの膨出形状は、第１の実施形態と比べて、空気入口部側端部領域に近い箇所において径方向内側へ若干大きくせり出した形状となり、その箇所ではクリアランス４２がより狭くなっている。

これにより、本実施形態のコンプレッサ１２ｂおよびこれを用いたターボチャージャ１０によれば、第１の実施形態のコンプレッサ１２ａよりも更にクリアランス４２を通過する空気量を減少させることができる。これにより、インペラ１６がコンプレッサハウジング１４ｂの内壁面１５ｂに接触するのを回避しつつ、コンプレッサ１２ｂの空気圧縮効率をより一層向上させることができる。また、この場合においても、ターボチャージャ１０のタービン側についてタービンハウジング３４の内壁面を上記コンプレッサハウジング１４ｂと同様の膨出形状とすることでタービン効率が更に向上し、ひいては、ターボチャージャ１０全体としての過給効率をより一層向上させることができる。

なお、上述した実施形態のコンプレッサおよびターボチャージャは、エンジンと共に自動車に好適に搭載されるものであるが、本発明に係るコンプレッサおよびこれを用いたターボチャージャは、自動車に限定されるものではなく、エンジンを動力源として有する他の乗物や産業機械等に適用されてもよい。

１０ ターボチャージャ、１２ａ，１２ｂ コンプレッサ、１４ａ，１４ｂ コンプレッサハウジング、１５ａ，１５ｂ 内壁面、１６ インペラ、１７ インペラ本体、１８ 翼またはインペラ翼、１９ 径方向縁部、１９ａ 空気入口部側端部、１９ｂ 空気出口部側端部、２２ 空気入口部、２４ 空気出口部、２８ 回転シャフト、３０ 軸受部、３２ タービン、３４ タービンハウジング、３６ 排ガス入口部、３８ 排ガス出口部、４０ タービン翼、４２ クリアランス、５０ 第１の仮想曲線、５２ 第２の仮想曲線、５４ 第３の仮想曲線、Ｃ，ＣＬ１，ＣＬ２ クリアランス幅、Ｘ 回転軸。

Claims (5)

1. 空気の入口部および圧縮空気の出口部を有するコンプレッサハウジングと、
   前記コンプレッサハウジング内に回転軸を中心として回転可能に収容配置されるインペラと、を備えるコンプレッサであって、
   前記コンプレッサハウジングの内壁面とこの内壁面に対向する前記インペラの翼の径方向縁部との間のクリアランスが、前記翼の径方向縁部についての前記入口部側の端部領域と前記出口部側の端部領域との間の中間位置において最小となるよう前記コンプレッサハウジングの内壁面が滑らかに膨出形成されていることを特徴とするコンプレッサ。
2. 請求項１に記載のコンプレッサにおいて、
   前記コンプレッサハウジングの内壁面の膨出形状は、前記コンプレッサハウジングの内壁面と前記翼の径方向縁部の出口部側端部領域との間のクリアランスを無くすように前記インペラを所定配置位置から軸方向に移動させた場合における前記翼の径方向縁部に対応する第１の仮想曲線と、前記コンプレッサハウジングの内壁面と前記翼の径方向縁部の入口部側端部領域との間のクリアランスを無くすように前記インペラを所定配置位置から径方向に移動させた場合における前記翼の径方向縁部に対応する第２の仮想曲線とによって規定されることを特徴とするコンプレッサ。
3. 請求項１に記載のコンプレッサにおいて、
   前記コンプレッサハウジングの内壁面の膨出形状は、前記コンプレッサハウジングの内壁面と前記翼の径方向縁部の出口部側端部領域との間のクリアランスを無くすように前記インペラを所定配置位置から軸方向に移動させた場合における前記翼の径方向縁部に対応する第１の仮想曲線と、前記コンプレッサハウジングの内壁面と前記翼の径方向縁部の入口部側端部領域との間のクリアランスを無くすように前記インペラを所定配置位置から径方向に移動させた後にそこから更に入口側端部を中心として前記出口部側端部が前記内壁面から離れる方向に所定角度だけ回転移動させた場合における前記翼の径方向縁部に対応する第３の仮想曲線とによって規定されることを特徴とするコンプレッサ。
4. 請求項３に記載のコンプレッサにおいて、
   前記所定角度は、前記インペラが二次振動モードで回転したときの振れ回り傾斜角度に相当することを特徴とするコンプレッサ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のコンプレッサと、前記コンプレッサのインペラに一端側が連結される回転シャフトと、前記回転シャフトを回転可能に支持する軸受部と、前記回転シャフトの他端側に連結されるタービンと、排ガスの入口部および出口部を有し前記タービンを内部に回転可能に収容配置するタービンハウジングと、を備えるターボチャージャであって、
   前記タービンハウジングの内壁面とこの内壁面に対向する前記タービンの翼の径方向縁部との間のクリアランスが前記コンプレッサと同様になるよう前記タービンハウジングの内壁面が滑らかに膨出形成されていることを特徴とするターボチャージャ。

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