JP5305659B2 - 多段コンプレッサ及びそのハウジング - Google Patents

Description

本発明は一般に多段コンプレッサに関し、特に、コンプレッサの段を通してガスを連続的に送給し、それによって多段においてガスを順々に圧縮するための第１段及び第２段を備えた多段遠心又は半径流コンプレッサに関する。

ターボチャージャに使用されるようなコンプレッサは典型的にはハウジング内で回転自在に装着されたコンプレッサホイールを有し、このコンプレッサホイールはハウジングの内表面の近傍で半径方向外方に延びるブレードを画定する。ハウジングは軸方向で空気又は他のガスを受け取るための入口を画定し、環状のディフューザは半径方向においてそこから空気を受け取るためにホイールのまわりで円周方向に延びる。ディフューザから半径方向外方に位置するボリュートはディフューザから空気を受け取るように構成される。作動中、空気はコンプレッサホイールのブレードの回転により圧縮され、ディフューザを通してボリュートへ半径方向外方に送給される。コンプレッサホイールは通常高速度で回転し、そのため、空気はディフューザへ高速で移動し、次いで、ディフューザは空気速度を遅くし、空気の静圧を増大させる。ディフューザに比べて比較的大きな容積を提供するボリュートにおいては、空気の速度は更に減少し、空気の静圧はまた増大する。

多数の連続する段を備えたコンプレッサの場合、空気は第１段において第１の圧力に圧縮され、次いで、第２段において一層高圧に圧縮することができる。例えば、２０００年5月１６日に発行され、本出願人に譲渡された米国特許第6，０６２，０２８号明細書は「低速高圧比ターボチャージャ」を記載されており、このコンプレッサは一体の空気流ダクトを備えた背中合わせの半径流コンプレッサホイールを具備する２段コンプレッサを含むことができる。ターボチャージャの回転速度は減少させることができ及び（又は）圧力比は単段装置に関して増大させることができる。
米国特許第6，０６２，０２８号明細書

従来の２段コンプレッサは有効で、ある単段コンプレッサよりも優れた利点を提供することが分かったが、多段においてガスを順々に圧縮するために使用できる改善されたコンプレッサの要求が引き続き存在する。特に、コンプレッサは、好ましくは第１段から出るガスの渦運動を減少させながら及び（又は）第２段から出るガスと第１段から第２段へ流れる空気との間の熱エネルギの伝達を減少させながら、第１段の出口から第２段の入口へのガスの円滑な流れを提供すべきである。

一般的な用語で本発明を説明するに当って、ここで、必ずしも実寸で示すとは限らない添付図面を参照する。ここで、添付図面を参照しながら本発明を以下に一層詳細に説明し、添付図面には、本発明の全てではないいくつかの実施の形態を示す。事実、本発明は多くの異なる形で具体化することができ、ここで述べる実施の形態のセットに限定されるものと解釈すべきではない；逆に、これらの実施の形態は、この開示が適切な法定の要求を満たすように、提供されるものである。図面全体にわたって同様の符号は同様の素子を示す。

図１を参照すると、本発明の１つの実施の形態に係る多段コンプレッサ１２を有するターボチャージャ１０を示す。コンプレッサ１２はコンプレッサハウジング２０の本体により画定された空洞即ち孔１８内に回転自在に装着されたコンプレッサホイール１６を有する。ターボチャージャ１０はタービンハウジング２４内に位置するタービンホイール２２を備えたタービン１４を有する。コンプレッサホイール１６はこれらの間を軸方向に延びるシャフト２６によりタービンホイール２２に接続される。図１に示すように、シャフト２６はコンプレッサ１２とタービン１４との間で中央ハウジング２８内において回転自在に装着され、中央ハウジング２８内の軸受３０により支持される。中央ハウジング２８はまた潤滑及び冷却のためにオイルの流れを受け取り、循環させるための１又はそれ以上の通路３２を画定することができる。

ターボチャージャ１０は、内燃エンジン（図示せず）の排気ガスからエネルギを抽出するように形状づけられる。特に、タービンホイール２２はタービンハウジング２４を通る排気ガスの流れにより回転させることができ、それによって、コンプレッサホイール１６がコンプレッサハウジング２０を通って流れる空気を圧縮し、圧縮した空気をタービン（図示せず）の吸入部へ送給するように、シャフト２６を回転させる。ターボチャージャ１０の１つの実施の形態を図１に示すが、本発明に従ってターボチャージャの他の形状を使用できることを認識されたい。更に、本発明の他の実施の形態においては、コンプレッサ１２は他の目的に使用できる他のガスを圧縮するために使用することができ、また、ターボチャージャ以外の装置に関連して使用することができる。

複数のブレード３４ａ、３４ｂはコンプレッサホイール１６から半径方向外方へ延び、ブレード３４ａ、３４ｂは、空気又は他のガスを圧縮し、ハウジング２０を通してそのガスを送給するためにコンプレッサホイール１６を使用できるように、ハウジング２０の輪郭付けした内表面の近くへ延びる。一層詳細には、コンプレッサ１２は、典型的には第１段３８ａにおいて第１の圧力に、次いで、第２段３８ｂにおいて一層高い第２の圧力に、空気又は他のガスを連続的に圧縮するための第１及び第２の段３８ａ、３８ｂを有する。このようにして、コンプレッサ１２は従来の単段コンプレッサよりも一層高い圧力及び（又は）一層小さな作動速度を実質上達成することができる。

コンプレッサ１２は、圧縮の第１及び第２の段に対応する第１及び第２のホイールのような、ガスを連続的に圧縮するための多数のコンプレッサホイールを有することができ、ホイールは同じ又は異なる回転軸線に沿って類似又は比類似の形状として形状づけることができる。代わりに、図１に示すように、単一のコンプレッサホイール１６は圧縮の異なる段に対応する異なる部分を画定することができる。即ち、コンプレッサホイール１６はコンプレッサ１２の第１段３８ａ内に位置する第１組のブレード３４ａ及びコンプレッサ１２の第２段３８ｂ内に位置する第２組のブレード３４ｂを画定することができる。第１組のブレード３４ａ、及び第２組のブレード３４ｂは半径方向外方に延び、コンプレッサ１２の軸方向に指向する。特に、第１組のブレード３４ａはコンプレッサハウジング２０の第１段の入口４０に向かって第１の軸方向に指向し、第２組のブレード３４ｂはコンプレッサハウジング２０の第２段の入口４２に向かって第２の反対の軸方向に指向する。

図１−図８に示すように、コンプレッサ１２の第１及び第２の段３８ａ、３８ｂは「背中合わせの」形状を画定し、この場合、第１段の入口４０及び第２段の入口４２は軸方向反対向きに指向する。即ち、コンプレッサホイール１６は第１の方向において第１段の入口４０内へ及びほぼ反対向きの同一線上の方向において第２段の入口４２内へガスを受け取るように形状づけられる。ガスはコンプレッサ１２の第１段３８ａから第２段３８ｂへ循環し、これについては後述する。その後、ガスは第２段の出口４４を介して第２段３８ｂから排出することができ、この出口は内燃エンジン等の入口に向かってほぼ接線方向に延びることができる。

図示のように、例えば図5、図８に示すように、コンプレッサハウジング２０はコンプレッサ１２の第１及び第２の段３８ａ、３８ｂに対応する第１段及び第２段のボリュート４６、４８を画定する。各ボリュート４６、４８はディフューザ５０、５２を介してほぼ半径方向外向き方向においてコンプレッサホイール１６の第１組のブレード３４ａ及び第２組のブレード３４ｂの各組のブレードからそれぞれガスを受け取るように形状づけられる。即ち、ハウジング２０により画定された第１段のディフューザ５０は第１組のブレード３４ａのまわりで円周方向に延び、孔１８を第１段のボリュート４６に流体接続する。同様に、ハウジング２０により画定された第２段のディフューザ５２は第２組のブレード３４ｂのまわりで円周方向に延び、孔１８を第２段のボリュート４８に流体接続する。従って、コンプレッサ１２の各段３８ａ、３８ｂはほぼ軸方向においてガスを受け取り、それぞれのディフューザ５０、５２を介してそれぞれのボリュート４６、４８内へほぼ半径方向外方にガスを送給するように形状づけられる。

第１及び第２のディフューザ５０、５２はバッフル５４又はシール板（図１）により分離される。バッフル５４は典型的には、コンプレッサホイール１６がバッフル５４に隣接して回転するように、ハウジング２０に関して静止状態に維持されるように形状づけられるが、他の場合、バッフル５４はホイール１６と一緒に回転できる。いずれにしても、ディフューザ５０、５２又はボリュート４６、４８間でガスが直接流れるのを阻止するために、バッフル５４とホイール１６及び（又は）ハウジング２０との間にシール５６を設けることができる。

ここで、ボリュート４６、４８の形状を参照すると、図１、２、７には、第１段のボリュート４６が第１及び第２のセグメント即ち部分４６ａ、４６ｂを有することを示している。各部分４６ａ、４６ｂはホイール１６のまわりで約１８０度延び、２つの通路５８ａ、５８ｂ又は導管の対応する１つにより第２段の入口４２に流体接続される。各通路５８ａ、５８ｂは第１段のボリュート４６と第２段の入口４２との間で軸方向に延び、第２段のボリュート４８の半径方向外方を通過する。

第１段及び第２段のボリュート４６、４８及び通路５８ａ、５８ｂの形状を図９−１２に更に示すが、これらの各図は、図を明瞭にする目的で実線として、コンプレッサを通る流れ経路の一部により画定された空隙、特に、ボリュート４６、４８及び通路５８ａ、５８ｂのみにより画定された空隙を示す。これに関して、「ボリュート」、「通路」及び「ディフューザ」という用語は対応する構造体及びそれにより画定される空隙又は空間を参照するためにここで使用されることに留意されたい。図示のように、第２段のボリュート４８はハウジング２０の孔１８のまわりで実質上連続的に環状に延びることができる。典型的には、第２段のボリュート４８はそこを通るガスの流れの方向において増大する横断面寸法を画定する。第２段のボリュート48からの出口４４は第２段のボリュート４８からほぼ接線方向外方に延びることができる。

同様に、第１段のボリュート４６は環状の形状として連続的に延びることができ、この場合、第１段のボリュート４６の各部分４６ａ、４６ｂはほぼ１８０度だけ延びる。また、第１段のボリュート４６の各部分４６ａ、４６ｂは、ガスの流れの方向において、そこから第２段の入口４２へ延びる通路５８ａ、５８ｂの対応する１つに向かって増大する横断面寸法を有することができる。従って、ガスの速度はボリュート４６、４８内で減少させることができる。

上述のように、第２段のボリュート４８は典型的には第１段のボリュート４６と第２段の入口４２との間で軸方向に位置し、各通路５８ａ、５８ｂは第１段のボリュート４６を第２段の入口４２に接続するように第２段のボリュート４８を越えて軸方向に延びる。これに関して、各通路５８ａ、５８ｂは、第１段のボリュート４６から、第２段のボリュート４８の半径方向外方の位置へ、そして、そこから第２段の入口４２へ延びることができる。典型的には、通路５８ａ、５８ｂは第１段のボリュート４６のそれぞれの部分から実質上接線方向に延びるが、通路５８ａ、５８ｂは第２段の入口４２におけるガスの渦を減少させるように第２段の入口４２に隣接して実質上半径方向に延びることができる。さらに、通路５８ａ、５８ｂは、第１段のボリュート４６におけるほぼ管状の形状から、第２段の入口４２における平坦な形状、即ち、第１段のボリュート４６の幅よりも大きく及び（又は）軸方向での各通路５８ａ、５８ｂの第２の垂直な寸法よりも大きなコンプレッサハウジング２０の横断方向における第１の寸法を有する横断面寸法を備えた形状へと、遷移することができる。

２つの通路５８ａ、５８ｂは第１段のボリュート４６を第２段の入口４２に接続するためのものとして上述したが、任意の数の通路を設けることができることを認識されたい。例えば、ある場合、３つ、４つ、５つ又はそれ以上の通路を画定することができ、均一又は不均一な円周方向の離間間隔で通路を設けることができる。多数の通路５８ａ、５８ｂを設けることにより、ガスの流れに対する抵抗を減少させることができ、実質上均一な流れを第２段の入口４２に対して提供できる。ある場合、通路５８ａ、５８ｂと第２段のボリュート４８との間の熱連絡も最少化することができ、典型的には付加的な圧縮操作を受け、それ故通路５８ａ、５８ｂ内のガスよりも一層高温の第２段のボリュート４８内のガスからの通路５８ａ、５８ｂ内のガスの加熱を減少させることができる。例えば、通路５８ａ、５８ｂは第２段のボリュート４８から一層大きな距離を隔てて位置させることができ及び（又は）各通路５８ａ、５８ｂの表面積に対する各通路５８ａ、５８ｂの横断面寸法の比は、例えば各通路５８ａ、５８ｂの少なくとも一部に対してほぼ管状の横断面を提供することにより、増大させることができる。

ある場合、そこを通るガスの流れを導き及び（又は）制御するための羽根又は他の部材をコンプレッサ１２内に設けることができる。例えば、調整可能な羽根又は他の調整可能な部材を一方又は両方のディフューザ５０、５２内に設けることができる。調整可能な羽根は更に、本出願人に譲渡された、２００３年１２月１６日に発行された「可変幾何学形状ターボチャージャのための制御方法及び関連するシステム」という名称の米国特許第6，６６５，６０４号明細書；２００４年１月２７日に発行された「可変幾何学形状ターボチャージャの制御のための方法及びシステム」という名称の米国特許第6，６８１，５７３号明細書；及び２００４年１月２０日に発行された「可変幾何学形状ターボチャージャ」という名称の米国特許第6，６７９，０５７号明細書に記載されている。このような羽根は、そこを通る可変のマスフロー量でのコンプレッサ１２の有効な作動にとって適当となるように、作動中ディフューザ５０、５２の横断面寸法を調整するために使用することができる。

更に、羽根又は他の流れ部材は、上記の米国特許第6，０６２，０２８号明細書に記載されたように、そこへ流れを導くために第２段の入口４２に設けることができるが、コンプレッサ１２はこのような羽根の使用なしに作動できることを認識されたい。事実、通路５８ａ、５８ｂは、入口４２の流れ経路内での羽根又は他の部材の使用なしに、第２段の入口４２上に実質上均一な流れを提供するように形状づけることができ、それによって、コンプレッサ１２の重量を減少させる。上記米国特許6，６６５，６０４号、同第6，６８１，５７３号、同第6，６７９，０５７号及び同第6，０６２，０２８号各明細書の内容は参照としてその全体をここに組み込む。
米国特許第6，６６５，６０４号明細書 米国特許第6，６８１，５７３号明細書 米国特許第6，６７９，０５７号明細書。

本発明の１つの実施の形態に係る作動において、空気のようなガスはコンプレッサ１２の第１及び第２の段３８ａ、３８ｂにおいて連続的に圧縮される。特に、ガスは第１段の入口４０を通してコンプレッサホイール１６の第１のセットのブレード３４ａ即ちホイール１６の第１段に受け取られる。コンプレッサホイール１６が回転すると、ガスは第１の圧力に圧縮され、第１段のボリュート４６へ送給される。ガスは第１段のボリュート４６から第１及び第２の通路５８ａ、５８ｂを通り、そこから第２段の入口４２を通ってほぼ軸方向にホイール１６の第２のセットのブレード３４ｂ即ちホイール１６の第２段へ循環する。特に、ガスは第２段のボリュート４８を越えて半径方向外方に延びる経路内の各通路５８ａ、５８ｂを通り、第１段のボリュート４６から、第１段のボリュート４６からは第２段のボリュート４８とは軸方向反対側の位置へ循環する。ガスは第１段８ａへ入るガスの方向とは反対の軸方向において第２段へ入ることができる。次いで、ガスは再度圧縮され、第２の圧力で第２段のボリュート４８へ送給される。

上述のように、流れは第２段の入口４２に対して実質上均一で提供することができ、流れは渦の少ない状態で出口４２に対して提供できる。これに関して、各通路５８ａ、５８ｂは第１段のボリュート４６の対応する部分４６ａ、４６ｂからほぼ接線方向に延び、各通路５８ａ、５８ｂは図１１に示すように、ガスの円周方向の速度（又は渦）が減少するように、軸方向（又はほぼ軸方向）へ曲がることができることに留意すべきである。さらに、次いで、通路５８ａ、５８ｂは流れを第２段の入口４２の方へ半径方向（又はほぼ半径方向）に導くように曲がることができる。従って、ガスは渦の少ない状態で第２段の入口４２に入ることができる。

図１０に示すように、通路５８ａ、５８ｂは、ガスが実質上均一な圧力及び速度で第２段の入口４２に入るように、第２段の入口４２の円周のまわりで流れを拡げることができる。例えば、通路５８ａ、５８ｂは第２段の入口の直径よりも大きな幅を画定でき、通路５８ａ、５８ｂを画定する壁５９はガスを半径方向内方に導くように湾曲することができる。更に、通路５８ａ、５８ｂの形状は、少なくとも部分的に第２段の入口４２内への所望の流れに従って、設計できることを認識されたい。ある場合、通路５８ａ、５８ｂを画定する壁５９の角度及び曲率は第２段の入口４２に対する所望の流れに従って形状づけることができる。例えば、図１３、１４は、通路５８ａ、５８ｂの壁５９が約９０度の湾曲を画定するような実施の形態を示す。従って、図１３に示すように、通路５８ａ、５８ｂを通って流れるガスは、渦の少なき状態で及び実質上均一な圧力及び速度で、第２段の入口４２に対してほぼ半径方向内方に導かれる。

上述の説明及び関連する図面に提示された教示の利益を有する、ここで述べた本発明に対する多くの修正及び他の実施の形態は、本発明に関連する当業者なら考えられよう。それ故、本発明は開示した特定の実施の形態に限定されないこと、及び、修正及び他の実施の形態は本発明の要旨内に含まれることを理解すべきである。ここでは特定の用語を使用したが、これらの用語は一般的及び記述的な意味でのみ使用されるものであり、限定を目的とするものではない。

本発明の１つの実施の形態に係る多段コンプレッサを有するターボチャージャを示す断面図である。 図１のターボチャージャのコンプレッサハウジングを示す立面図である。 図２の右側から見た、図２のコンプレッサハウジングを示す立面図である。 図3の右側から見た、図２のコンプレッサハウジングを示す立面図である。 図２の５−５線における図２のコンプレッサハウジングの断面図である。 図２のコンプレッサハウジングを示す斜視図である。 図２のコンプレッサハウジングを示す斜視図である。 図２のコンプレッサハウジングを示す部分破断図である。 図２のコンプレッサハウジングの流れ経路のモデルを示す立面図である。 図２のコンプレッサハウジングの流れ経路のモデルを示す立面図である。 図２のコンプレッサハウジングの流れ経路のモデルを示す斜視図である。 図２のコンプレッサハウジングの流れ経路のモデルを示す斜視図である。 本発明の別の実施の形態に係るコンプレッサハウジングを示す立面図である。 図１３のコンプレッサハウジングの流れ経路のモデルを示す立面図である。

Claims (7)

1. ターボチャージャ（１０）であって、
   軸方向に対向する側を有する中央ハウジング（２８）であって、貫通する孔（１８）を画定し、該孔（１８）に軸受け（３０）が取り付けられ、回転可能なシャフト（２６）が前記軸受け（３０）に支持されており、前記シャフト（２６）は、対向する端部を有する、前記中央ハウジング（２８）と、
   前記シャフト（２６）の一端に取り付けられたコンプレッサホイール（１６）と、
   前記シャフト（２６）の他端に取り付けられたタービンホイール（２２）と、
   前記コンプレッサホイール（１６）を取り囲むコンプレッサハウジング（２０）であって、対向する第１端及び第２端を有し、前記第２端が前記中央ハウジング（２８）の一側に取り付けられている前記コンプレッサハウジング（２０）と、
   前記タービンホイール（２２）を取り囲み、前記中央ハウジング（２８）の他側に取り付けられたタービンハウジング（２４）であって、排気ガスを受け入れ及び径方向内方に前記タービンホイール（２２）へ方向付けるために前記タービンホイール（２２）を囲む環状チャンバを画定し、前記中央ハウジング（２８）から軸方向に離れた排気ガス用の出口を画定する、前記タービンハウジング（２４）と、
   前記コンプレッサホイール（１６）は、背中合わせに配置された第１段の羽根車（３４ａ）及び第２段の羽根車（３４ｂ）を有し、
   前記コンプレッサハウジング（２０）は、前記第１段の羽根車（３４ａ）にエアを供給するために前記コンプレッサハウジング（２０）の第１側内に軸方向に延びる第１段の入口（４０）を画定し、前記第２段の羽根車（３４ｂ）にエアを供給するために前記コンプレッサハウジング（２０）の第２側内に前記軸方向の反対側に延びる第２段の入口（４２）を画定し、
   前記コンプレッサハウジング（２０）は、前記第１段の羽根車（３４ａ）を囲み、前記第１段の羽根車（３４ａ）から排出されるエアを受け取る概ね環状の第１段のボリュート（４６）と、前記第２段の羽根車（３４ｂ）を囲み、前記第２段の羽根車（３４ｂ）から排出されるエアを受け取る概ね環状の第２段のボリュート（４８）と、前記第２段のボリュート（４８）に連結され、前記第２段のボリュート（４８）から概ね接線方向で外方へ延びる出口通路（４４）とを画定し、
   前記コンプレッサハウジング（２０）は、前記第１段のボリュート（４６）を前記第２段の入口（４２）に連結する２つの別々の通路（５８ａ、５８ｂ）を有し、前記通路（５８ａ、５８ｂ）の各々は前記第２段のボリュート（４８）の径方向外方で延びている、ターボチャージャ。
2. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、前記第２段の入口（４２）へ径方向内方に延びる各通路（５８ａ、５８ｂ）の一部は、前記コンプレッサハウジング（２０）の壁と前記中央ハウジング（２８）の壁との間に画定されている、ターボチャージャ。
3. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、前記第１段のボリュート（４６）が少なくとも２つの部分（４６ａ、４６ｂ）を画定し、これらの各部分（４６ａ、４６ｂ）が前記２つの通路（５８ａ、５８ｂ）の間を延び、前記第１段のボリュート（４６）から概ね接線方向に延びる前記通路（５８ａ、５８ｂ）の対応する１つに向かう方向において増大する横断面寸法を有する、ターボチャージャ。
4. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、前記第２段のボリュート（４８）の横断面寸法が、前記出口通路(４４)に向かう方向において増大する、ターボチャージャ。
5. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、前記第１段のボリュート（４６）が、２つの概ね半環状の区画（４６ａ、４６ｂ）を有し、これらの区画（４６ａ、４６ｂ）が合わさって実質的に第１段の羽根車（３４ａ）を取り囲み、前記通路の一方（５８ａ）が前記区画の一方（４６ａ）に接続され、前記通路の他方（５８ｂ）が前記区画（４６ｂ）の他方に連結されている、ターボチャージャ。
6. 請求項１に記載のターボチャージャにおいて、前記コンプレッサハウジング（２０）は、２つの別々の第１及び第２の区画で形成され、前記第１の区画が、前記第１のボリュート（４６）と各通路（５８ａ、５８ｂ）の第１の部分とを画定し、前記第２の区画が、前記第２のボリュート（４８）と前記各通路（５８ａ、５８ｂ）の第２の部分とを画定し、前記第１及び第２の区画は結合部にて互いに連結されている、ターボチャージャ。
7. 請求項６に記載のターボチャージャにおいて、前記コンプレッサハウジング（２０）の前記第１及び第２の区画とは別体に形成され且つ前記第１及び第２の区画の間に配置されたバッフル（５４）を有し、該バッフル（５４）は、前記第１段のボリュート（４６）を前記第２段のボリュート（４８）から離間させている、ターボチャージャ。

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