JP5365528B2 - ベーン機構 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機のベーン機構に関するものである。

一般に圧縮機は、タービンインペラとコンプレッサインペラを同一回動軸上に配置し、タービンインペラの回転駆動によってコンプレッサインペラを回転させ、内燃機関の性能向上を図るようにしている。

コンプレッサインペラはハウジング内に配置されており、ハウジングは、コンプレッサインペラの回転による遠心力の作用により、流路内に吸い込んだ吸気をディフューザ等へ送給し得るように構成されている。

又、コンプレッサインペラの上流側に位置するハウジングは、吸気が流れ込む円筒状の内部流路に複数の可変インレットガイドベーン（以下、ベーンと記載する。）を設置し、吸気の流量が少ない場合等に、ベーンの開度を調整してコンプレッサインペラの入射角への整流を行うことが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

ベーンは、ハウジングの内部流路の周面に対応して一定のクリアランスを保持する円弧形状の外周縁辺部と、外周縁辺部の両側からハウジングの内部流路の中心線に向かって延在する斜辺部と、二辺の斜辺部を接続する先端部とを備えて扇形状に構成されている。又、ベーンは、ハウジングの外部から操作し得る回動軸を備え、回動軸の操作によりベーンの開度を調整するようにしている。

一方、特許文献１の実施例の１つには、ベーンが三角形の外観を備えて、ハウジングの内部流路の周面に対応するベーンの辺部を直線状に形成することが記載されていると共に、ハウジングの内部流路の周面には、奥側の面を平面状にした凹部を備えてベーンの可動域を形成すると共に、ベーンの直線状の辺部と凹部の奥側の面との間には一定のクリアランスを保持することが記載されている。

特開２００１−１９３６９５号公報

しかしながら、ベーンを回動して円弧形状の外周縁辺部をハウジングの内部流路の軸線方向に向けた際には円弧形状の外周縁辺部の両側部分とハウジングの周面との間に、一定のクリアランスよりも大きいクリアランスを生じ、吸気の旋回流に乱れを生じてコンプレッサインペラの流入角への整流を十分に行うことができず、又、圧力損失が発生して圧縮機の性能が低下するという問題があった。更に特許文献１の実施例の如くベーンを回動して直線状の辺部をハウジングの内部流路の軸線方向に向けた際には、直線状の辺部と凹部の奥側の面との間に一定のクリアランスを保持する一方で、内部流路の凹部によって吸気に乱流を生じ、コンプレッサインペラの流入角への整流を十分に行うことができないという問題があった。又、ハウジングの内部流路の周面に凹部を構成してベーンを配置する場合には、ハウジングの構造が複雑になるため、容易に製造することができず、製造コストが増加するという問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ベーンを回動してベーンの辺部をハウジングの内部流路の軸線方向へ向けた場合であっても、吸気に対してコンプレッサインペラの流入角への整流を十分に行い、且つ圧力損失を抑制して圧縮機の性能を維持し、更にハウジングを容易に製造し得るベーン機構を提供しようとするものである。

本発明のベーン機構は、コンプレッサインペラの上流側で吸気が内部流路に流れ込むハウジングと、該ハウジングの内部流路の内周方向に沿って配置され且つ回動軸を介して回動する複数のベーンとを備えるベーン機構であって、
前記ハウジングは、ベーンを配置する内部流路を、上流側から凹部を介することなく形成すると共に、前記内部流路の周面を、内部流路の軸線方向の垂直断面で多角形にし、且つ多角形の内部流路の各辺を夫々１枚のベーンの可動域に対応する１つの平面部で構成し、
前記ベーンは、三角形の外観を有し、且つハウジングの平面部に対して平行に形成される直線状の辺部と、該辺部の両側からハウジングの内部流路の中心線に向かって延在する斜辺部とを備えるものである。

又、本発明のベーン機構において、ハウジングは、ベーンの回動軸を挟み込んで配置し得るように吸気側の第一部材とコンプレッサインペラ側の第二部材とに区分けして構成され、第一部材及び第二部材は夫々一体成型によって構成されることが好ましい。

更に、本発明のベーン機構において、ハウジングは、ベーンの回動軸を第一部材と第二部材の間に配置し得るように、第一部材又は／及び第二部材に切欠きを配してベーンの回動軸を配置し得る貫通孔を備え、
ベーンは、ハウジング内の圧がハウジングと回動軸の間の隙間から漏れないように、内部流路の周面に配置して隙間を塞ぐシール体を備えることが好ましい。

更に又、本発明のベーン機構において、ベーンは、隣接の他のベーンに対応する平面部へ延在するように辺部から延在して配置される隅部と、ベーンを閉止側に回動した際に隣接の他のベーンの斜辺部と重なり合う斜辺部とを備えることが好ましい。

本発明のベーン機構によれば、ハウジングは、内部流路の周面を、ベーンの枚数により設定される多角形にし、且つ多角形の内部流路の各辺を１枚のベーンの可動域に対応する１つの平面部で構成すると共に、ベーンは、三角形の外観を有し、且つハウジングの平面部に対して平行に形成される直線状の辺部と、該辺部の両側からハウジングの内部流路の中心線に向かって延在する斜辺部とを備えるので、ベーンを回動して直線状の辺部を内部流路の軸線方向に向けた場合であっても、直線状の辺部と、内部流路の平面部との間に一定のクリアランスを保持し、吸気に対してインペラの流入角への整流を十分に行い且つ圧力損失を抑制して圧縮機の性能を維持することができる。又、前記ベーンを配置する内部流路を、上流側から凹部を介することなく形成するので、吸気の乱れを抑制し、吸気に対してインペラの流入角への整流を十分に行うことができる。更に前記内部流路に凹部を介することなくハウジングを形成すると共に、前記内部流路の周面をベーンの枚数により設定される多角形にするので、ハウジングの構造を単純化し、容易に製造して製造コストを低減することができるという優れた効果を奏し得る。

本発明のベーン機構を示す概念図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向の矢視図である。 第一の内部流路と第二の内部流路との境界部の一例を示す拡大図である。 第一の内部流路と第二の内部流路との境界部の他例を示す拡大図である。 本発明の圧縮機のハウジング、全てのベーンの一例を示す垂直断面方向の概念図である。 本発明の圧縮機のハウジング、一枚のベーン、回動軸の一例を示す垂直断面方向の概念図である。 本発明の圧縮機のハウジング、全てのベーンの他例を示す垂直断面方向の概念図である。 本発明の圧縮機のハウジング、一枚のベーン、回動軸の他例を示す垂直断面方向の概念図である。 本発明の圧縮機のベーンの別例を示す概念図である。 本発明の圧縮機のハウジング、全てのベーンの別例を示す垂直断面方向の概念図である。 本発明の圧縮機のハウジング、一枚のベーン、回動軸の別例を示す垂直断面方向の概念図である。 ハウジングの切欠きをベーンのシール体で塞ぐ状態を示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１〜図１２は本発明を実施する形態の一例である。

実施の形態例の圧縮機のベーン機構Ａ（インレットガイドベーン機構）は、圧縮機のコンプレッサインペラ５の上流側で吸気が流れ込むハウジング１と、ハウジング１の内部流路２，３の内周方向に沿って配置される複数枚のベーン４との構成を説明するものである。

ベーン機構Ａは、ハウジング１、ベーン４、ベーン駆動機構４Ａを備えており、ハウジング１は、コンプレッサインペラ５を配置するコンプレッサハウジング６内に配置されており、ハウジング１の一端はコンプレッサハウジング６の内側面に支持されていると共に、ハウジング１の他端はコンプレッサハウジング６の端側で固定部材７により固定されている。

又、ハウジング１は、ベーン４の上流側に位置する第一の内部流路２と、複数枚のベーン４を配置する第二の内部流路３とを備え、第一の内部流路２の吸気下流側から第二の内部流路３の吸気上流側への周面は、凹部を形成することなく、連続的に連なるように構成されている。

第一の内部流路２は、ハウジング１内で、吸気側からコンプレッサインペラ５側に向かって径が小さくなる円筒状の周面で構成されており、第二の内部流路３は、ハウジング内で、第二の内部流路３の軸線方向から見て（第二の内部流路３の垂直断面で）、第二の内部流路３内のベーン４の枚数（図５では七枚）により設定される多角形（図２、図５、図６では七角形）の周面で構成されている。ここで多角形の数はベーン４の枚数と同じであり、ベーン４の枚数が五枚の場合には五角形であり、ベーン４の枚数が六枚の場合には六角形であり、ベーン４の枚数が八枚の場合には八角形であり、多角形の数及びベーン４の枚数は特定の数に制限されるものではない。更に断面円筒状の第一の内部流路２と、断面七角形状の第二の内部流路３とは、境界部Ｒを介して連なっており、境界部Ｒには、図１、図３に示すように角を有しても良いし、図４に示すように丸みを有しても良い。又、図４に示すように丸みを有する境界部Ｒの場合には、吸気側からコンプレッサインペラ５側に向かうに従い次第に内径が小さくなるように、円滑な曲面状に形成されており、境界部Ｒの断面形状（軸線を含む面による断面形状）は、円弧状となっている。このように境界部Ｒを円滑な曲面状にすると、境界部Ｒ付近において吸気が乱れることを抑制できる。

第二の内部流路３を形成する多角形（図２、図５、図６では七角形）の各辺部は、夫々１枚のベーン４の可動域に対応する１つの平面部８を備えており、平面部８は、第二の内部流路３の軸線方向に沿って第一の内部流路２の下流端からハウジング１の外端まで延在している。ここで多角形の角部（隣接する平面部８同士の間に形成される内角に相当する部分）には、図１０〜図１１に示すように吸気の乱れを抑制するように曲面部８ａ（図１０、図１１参照）を備えても良い。

更にハウジング１は、第二の内部流路３の軸線方向において、中途位置を軸線垂直方向で区分けするように、吸気側の第一部材９とコンプレッサインペラ５側の第二部材１０とからなる部材で構成されている。又、第一部材９及び第二部材１０は夫々一体成型によって構成されている。ここで第一部材９及び第二部材１０は、一体成型で構成されるならば材質は特に制限されるものではなく、金属等による鋳造品でも良いし、ポリマー等による射出成型品でも良い。又、ハウジング１は、第一部材９、第二部材１０に分割されていることにより、一体成形（鋳造、射出成形等）のみによって成形できる構成となり、よって後述の貫通孔１３を形成するための切削等の後加工を不要にすると共に、製作を容易にできる。

又、第一部材９は、第二部材１０に接触する対応面９ａを備えると共に、第二部材１０は、第一部材９に接触する対応面１０ａを備えており、第一部材９の対応面９ａ及び第二部材１０の対応面１０ａには、第二の内部流路３の外周を周回する環状の内部空間１１が形成されている。更に第一部材９の対応面９ａには、径方向垂直断面でＵ字状の溝からなり且つ全ての平面部８から径方向外側へ向って放射状に延在する切欠き１２を備え、第一部材９の対応面９ａの切欠き１２は、第二部材１０の対応面１０ａの平面と合わせて、全ての平面部８から環状の内部空間１１を介してコンプレッサハウジング６の内周側まで貫通する複数の貫通孔１３（図１２参照）を構成している。更に又、コンプレッサハウジング６には、貫通孔１３の１つと同軸上で内周側から外周側へ貫通する接続用の貫通孔１４を備えている。ここで切欠き１２は、第一部材９の対応面９ａでなく、第二部材１０の対応面１０ａに形成されるものでも良いし、第一部材９の対応面９ａ及び第二部材１０の対応面１０ａの両方に形成されるものでも良い。又、貫通孔１３及び切欠き１２は他の構成や形状にしても良い。

一方、複数枚のベーン４（図５では７枚）は、夫々、軸線側を頂点とする三角形の外観を有しており、且つハウジング１の平面部８に対して平行に形成される直線状の辺部４ａと、隣接の他のベーン４に対応する平面部８に沿うように辺部４ａから延在して配置される隅部４ｂと、辺部４ａの両側の隅部４ｂから第二の内部流路３の中心線に向かって延在する斜辺部４ｃと、二つの斜辺部４ｃの先端を接続する先端部４ｄとを備えている。ここでベーン４の斜辺部４ｃ及び隅部４ｂは、隣接の他のベーン４の斜辺部４ｃ及び隅部４ｂと重なり合うように張り出し、吸気の整流や流路の閉止を適切に為し得るようにしている。又、先端部４ｄは、ベーン４の破損を抑制するように若干の丸みを付けて形成されている。更に図１、図２、図５、図６に示すように、隅部４ｂの外縁をほぼ直線状にしてベーン４を確実に閉じることができるようにしても良いし、図７、図８に示すように隅部４ｂの外縁に若干の丸みを付けても良いし、図９〜図１１に示すように隅部４ｂの外縁を円弧状にしても良い。ここで図９〜図１１に示すように隅部４ｂの外縁を円弧状にした場合には、隅部４ｂと辺部４ａは連続的に円滑につながっている（辺部４ａの外縁は隅部４ｂの外縁の円弧に対する接線）各隅部４ｂの外縁の曲率半径と、曲面部８ａ（隣りあう平面部８の間に形成された曲面）の曲率半径は、互いにほぼ同一であることが望ましい。すなわち、ベーン４が閉じた状態（図１０のような状態）のとき、各隅部４ｂは、それぞれ対向する曲面部８ａに沿った形状であることが望ましく、各辺部４ａは、それぞれ対向する平面部８に沿った形状であることが望ましい。このような形状であれば隅部４ｂの外縁を円弧状にした場合であってもベーン４を確実に閉じることができる。

ベーン４にはベーン駆動機構４Ａが備えられており、ベーン駆動機構４Ａは、回動軸１５、歯車１８、伝達部材１９、駆動手段２０、歯車２１によって構成されている。具体的に説明すると、回動軸１５は、ベーン４が第二の内部流路３で回動し得るようにベーン４の一端に接続され、且つ第一部材９と第二部材１０の間に挟み込まれて支持されるように貫通孔１３に収納されている。更に回動軸１５の同軸上でベーン４側の端部には、円板状のシール体１７（フランジ）が備えられており、シール体１７は、回動軸１５の軸方向から見て図１２に示す如く回動軸１５とハウジング１との隙間を覆うことができる大きさを備え、ハウジング１内の圧が当該隙間から漏れないように第二の内部流路３の周面上に配置されている。ここでシール体１７の形状は、円板等の板状体に限定されるものではなく、回動軸１５とハウジング１の隙間を塞ぐ大きさを備えるものでならば、他の形状や他の構造体にしても良い。又、隙間は、回動軸１５の外周面、第一部材９、第二部材１０で形成されるものならば特に形状は制限されるものではない。尚、シール体１７は、薄板状、外周縁形状が曲面状であること、たとえば本実施形態のように薄い円板状等であることが好ましい。そうすれば、シール体１７付近において吸気が乱されることを抑制し、シール体１７が吸気に及ぼす影響を少なくすることができる。

又、全ての回動軸１５の同軸上には、内部空間１１に配置される歯車１８が備えられている。更に全ての回動軸１５のうちの一本には、コンプレッサハウジング６の貫通孔１３に挿通する伝達部材１９が接続されていると共に、伝達部材１９には、ハウジング１の外部でアクチュエータ等の駆動手段２０が接続されている。又、環状の内部空間１１には、全ての回動軸１５の歯車１８に噛み合う環状の歯車２１が設置されており、駆動手段２０によりベーン４に動力を伝える際には、伝達部材１９に接続された回動軸１５からベーン４へ動力を伝えると共に、歯車２１及び他の回動軸１５等を介して他のベーン４へ動力を伝えるようにしている。更に環状の歯車２１は、板バネ等の付勢手段２２により付勢され、全ての歯車１８に常に噛み合うようになっている。ここで歯車１８は、回動軸１５よりも大径となっており、図２の例では、歯車１８は円環状ではなく、不要な部分（歯車２１に接しない部分）が除かれた略円弧状に形成されている。又、歯車２１は、歯車１８に接する部分にのみ歯が形成され、歯車２１の剛性を高め、寿命を延ばすようにしている。

以下本発明を実施する形態例の作用を説明する。

ハウジング１及びベーン４を組み立てる際には、第二部材１０の内部空間１１に付勢手段２２及び環状の歯車２１を配置し、環状の歯車２１に歯車１８を噛み合わせ且つ回動軸１５を両側で支持させるように回動軸１５を第二部材１０の切欠き１２に挿入し、ベーン４を第二の内部流路３に配置する、そして第一部材９の対応面９ａと第二部材１０の対応面１０ａとを組み合わせてハウジング１を構成し、その後、コンプレッサハウジング６、伝達部材１９、駆動手段２０等を組み付ける。

一方、排ガス等のエネルギによってタービンインペラ（図示せず）を駆動してコンプレッサインペラ５を回転させる際には、コンプレッサインペラ５の回転により給気を圧縮してディフューザ等へ送給する。又、排ガス等のエネルギが変化してコンプレッサインペラ５の回転数が変化する場合には、駆動手段２０の操作より伝達部材１９及び回動軸１５等を介してベーン４の開度を調整し、吸気に最適な旋回流を与えて吸気を適切な状態にする。

ここでベーン４を閉止側に回動してベーン４の辺部４ａを第二の内部流路３の軸線と垂直方向（図１の実線方向）に向けた場合には、直線状の辺部４ａと、平面部８との間に一定のクリアランスを保持している。又、ベーン４が開放側に回動してベーン４の辺部４ａを第２の内部流路の軸線方向（図１の仮想線方向）に向けた場合には、直線状の辺部４ａと、平面部８との間に同様な一定のクリアランスを保持している。

而して、このように実施の形態例によれば、ハウジング１は、第二の内部流路３の周面を、ベーン４の枚数により設定される多角形にし、且つ多角形の各辺を夫々１枚のベーン４の可動域に対応する１つの平面部８で構成すると共に、ベーン４は、三角形の外観を有し、且つハウジング１の平面部８に対して平行に形成される直線状の辺部４ａと、辺部４ａの両側からハウジング１の第二の内部流路３の中心線に向かって延在する斜辺部４ｃとを備えるので、ベーン４を回動して直線状の辺部４ａを第二の内部流路３の軸線方向に向けた場合であっても、直線状の辺部４ａと、第二の内部流路３の平面部８との間に一定のクリアランスを保持し、吸気に対してコンプレッサインペラ５の流入角への整流を十分に行い且つ圧力損失を抑制して圧縮機の性能を維持することができる。又、ベーン４を配置する第二の内部流路３を、上流側から凹部を介することなく形成するので、吸気の乱れを抑制し、吸気に対してコンプレッサインペラ５の流入角への整流を十分に行うことができる。更にハウジング１の内面（内部流路２，３を囲む面）に段差（凹部）がないため、ハウジング１の内面によって吸気が乱されることを抑制できる。又、第一の内部流路２及び第二の内部流路３に凹部を介することなくハウジング１を形成すると共に、第二の内部流路３の周面をベーン４の枚数により設定される多角形にするので、ハウジング１の構造を単純化し、容易に製造して製造コストを低減することができる。

実施の形態例において、ハウジング１は、ベーン４の回動軸１５を挟み込んで配置し得るように吸気側の第一部材９とコンプレッサインペラ５側の第二部材１０とに区分けして構成され、第一部材９及び第二部材１０は夫々一体成型によって構成されると、ハウジング１の極めて容易に製造し得るので、製造コストを大幅に低減することができる。

実施の形態例において、ハウジング１は、ベーン４の回動軸１５を第一部材９と第二部材１０の間に配置し得るように、第一部材９又は／及び第二部材１０に切欠き１２を配してベーン４の回動軸１５を配置し得る貫通孔１３を備え、ベーン４は、ハウジング１内の圧がハウジング１と回動軸１５の間の隙間から漏れないように、第二の内部流路３の周面に配置して隙間を塞ぐシール体１７を備えると、ベーン４及びシール体１７の構成により、ハウジング１内の圧を好適に維持し、吸気に対してコンプレッサインペラ５の流入角への整流を十分に行い且つ圧力損失を抑制して圧縮機の性能を維持することができる。又、シール体１７が貫通孔１３を覆うことにより、貫通孔１３の開口縁部（エッジ）が吸気を乱すことを抑制できる。

実施の形態例において、ベーン４は、隣接の他のベーン４に対応する平面部８へ延在するように辺部４ａから延在して配置される隅部４ｂと、ベーン４を閉止側に回動した際に隣接の他のベーン４の斜辺部４ｃと重なり合う斜辺部４ｃとを備えると、吸気に対してコンプレッサインペラ５の流入角への整流を十分に行い且つ圧力損失を抑制して圧縮機の性能を維持することができる。

尚、本発明のベーン機構は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ハウジング
２ 第一の内部流路
３ 第二の内部流路
４ ベーン
４ａ 辺部
４ｂ 隅部
４ｃ 斜辺部
４ｄ 先端部
５ コンプレッサインペラ
８ 平面部
９ 第一部材
１０ 第二部材
１２ 切欠き
１３ 貫通孔
１５ 回動軸
１７ シール体

Claims (4)

1. コンプレッサインペラの上流側で吸気が内部流路に流れ込むハウジングと、該ハウジングの内部流路の内周方向に沿って配置され且つ回動軸を介して回動する複数のベーンとを備えるベーン機構であって、
   前記ハウジングは、ベーンを配置する内部流路を、上流側から凹部を介することなく形成すると共に、前記内部流路の周面を、内部流路の軸線方向の垂直断面で多角形にし、且つ多角形の内部流路の各辺を夫々１枚のベーンの可動域に対応する１つの平面部で構成し、
   前記ベーンは、三角形の外観を有し、且つハウジングの平面部に対して平行に形成される直線状の辺部と、該辺部の両側からハウジングの内部流路の中心線に向かって延在する斜辺部とを備えることを特徴とするベーン機構。
2. ハウジングは、ベーンの回動軸を挟み込んで配置し得るように吸気側の第一部材とコンプレッサインペラ側の第二部材とに区分けして構成され、第一部材及び第二部材は夫々一体成型によって構成されたことを特徴とする請求項１に記載のベーン機構。
3. ハウジングは、ベーンの回動軸を第一部材と第二部材の間に配置し得るように、第一部材又は／及び第二部材に切欠きを配してベーンの回動軸を配置し得る貫通孔を備え、
   ベーンは、ハウジング内の圧がハウジングと回動軸の間の隙間から漏れないように、内部流路の周面に配置して隙間を塞ぐシール体を備えたことを特徴とする請求項２に記載のベーン機構。
4. ベーンは、隣接の他のベーンに対応する平面部へ延在するように辺部から延在して配置される隅部と、ベーンを閉止側に回動した際に隣接の他のベーンの斜辺部と重なり合う斜辺部とを備えたことを特徴する請求項１〜３のいずれかに記載のベーン機構。

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