JP5857421B2 - ターボ圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、インペラを回転させることでガスを圧縮するターボ圧縮機に関する。

従来技術に係るターボ圧縮機として、車両用エンジンに用いられる過給器を構成する圧縮機には遠心圧縮機が広く用いられている。過給器を構成する圧縮機としては、低流量域から作動することが求められているが、遠心圧縮機においては、空気流量が減少してくると、インペラとハウジングとの間の隙間から圧縮された空気が逆流する現象が発生することが確認されている。また、この逆流流れが、インペラに吸込まれる主流を乱し、サージを引き起こす一因にもなっていることも確認されている。

そこで、サージの発生を抑制するとともに、圧縮機の作動領域を拡げるため、特許文献１〜特許文献３に示すように、インペラに吸込まれた空気の一部をインペラの上流側に戻し、循環させることが行なわれている。つまり、インペラに吸込まれた空気の一部を上流側に戻し、循環させることによって、圧縮機に吸込まれる空気量よりも、循環する分だけインペラに吸込まれる空気量を増やすことができる。その結果として、循環する空気流量分だけ、サージ発生の限界域を低流量側へ移動させ、遠心圧縮機の作動領域を拡大している。

特開２００１−２８９１９７号公報 特開２００３−３１４４９６号公報 特開２００５−２３７９２号公報

ところが、上記従来の遠心圧縮機のように、吸入空気の一部を循環させる構成に対しても、さらに低流量側へ圧縮機の作動領域を拡げることが望まれている。しかしながら、吸入空気の一部を循環させる手法は、循環する空気流量分だけ圧縮機から吐出される空気流量が減少し、損失となるため、循環させる流量をできるだけ抑えなければならない。

そこで、本発明は、循環する空気流量を増大させることなく、低流量側へ作動領域を拡げることができるターボ圧縮機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のターボ圧縮機は、回転軸周りに回転可能に配置されたインペラと、
該回転軸に沿った略筒形状を有し、内部に該インペラが軸支されたハウジングと、
該ハウジングの筒壁内に周方向に沿って連通する環状のキャビティ部と、
該キャビティ部の上流側に連通する上流側連通部を介して、該インペラの上流に開口する上流側開口部と、
該キャビティ部の該上流側連通部よりも下流側に連通する下流側連通部を介して、該インペラの側方に開口する下流側開口部とを備えたターボ圧縮機であって、
前記上流側連通部内に、周方向に等間隔に、且つ外径側から内径側に向けて板状の導流板が立設され、
該導流板の内径側端部に、前記回転軸方向に沿って、且つ前記上流側開口部から内径側に突出する板状の整流板を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のターボ圧縮機によれば、上流側開口部に整流板を設けることによって、上流側開口部から流出し、インペラの回転方向に旋回しつつ、ハウジングの内周壁に沿って逆流する流れの旋回を止めつつ、逆流を弱めることができる。これによって、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、作動領域を拡大することができる。

また、上流側連通部内に導流板が立設され、導流板の内径側端部に整流板を一体に形成したことによって、インペラの回転方向と逆回転方向の流れが、ハウジングの内周壁に沿って流出するため、インペラの回転方向に旋回しつつ、ハウジングの内周壁に沿って逆流する流れをより効果的に抑制することができる。これによって、サージ発生の限界域がさらに低流量側へ移動し、作動領域を拡大することができる。

請求項２に記載した本発明のターボ圧縮機は、請求項１に記載のターボ圧縮機において、
前記整流板が前記上流側開口部よりも上流側へ延設されたことを特徴とする。

請求項２に記載した本発明のターボ圧縮機によれば、整流板が上流側開口部よりも上流側へ延設されたことによって、インペラの回転方向に旋回しつつ、ハウジングの内周壁に沿って逆流する流れを広い範囲で抑制することができる。これによって、サージ発生の限界域をさらに低流量側へ移動し、作動領域を拡大することができる。

請求項３に記載した本発明のターボ圧縮機は、請求項１または請求項２に記載のターボ圧縮機において、
前記上流側開口部の内径側に、前記ハウジングの内周面から所定の間隔を空けて同心円状に配置される円筒状の筒状体を備え、
該筒状体が前記整流板によって支持されたことを特徴とする。

請求項３に記載した本発明のターボ圧縮機によれば、上流側開口部の内径側に、ハウジングの内周面から所定の間隔を空けて同心円状に配置される円筒状の筒状体を備えたことによって、ハウジングの内周壁に沿って逆流する流れは、ハウジングの内周壁と筒状体との間に留まり、回転軸方向へ拡がることを抑制される。これにより、インペラには安定した流れが供給され、サージ発生を抑制することができる。

請求項４に記載した本発明のターボ圧縮機は、請求項３に記載のターボ圧縮機において、
前記筒状体が前記上流側開口部よりも上流側へ延設されたことを特徴とする。

請求項４に記載した本発明のターボ圧縮機によれば、筒状体が上流側開口部よりも上流側へ延設されたことによって、ハウジングの内周壁に沿って逆流する流れを、回転軸方向へ拡がることを広い範囲に渡って抑制することができる。これにより、インペラにはさらに安定した流れが供給され、サージ発生をより一層抑制することができる。
請求項５に記載した本発明のターボ圧縮機は、インペラと、
前記インペラの上流に開口する上流側開口部と前記インペラの下流に開口する下流側開口部とを連通する循環路が形成されたハウジングと、
前記上流側開口部に設けられた整流板と、
前記循環路内に外径側から内径側に向けて設けられた導流板と、を有し、
前記整流板は、前記導流板の内径側端部に延設されていることを特徴とする。
請求項５に記載した本発明のターボ圧縮機によれば、請求項１と同様の作用効果を得ることができる。

本発明のターボ圧縮機では、循環する空気流量を増大させることなく、サージ発生の限界域を低流量側へ移動し、作動領域を拡大することができる。

本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る循環路内に配置される導流板と整流板を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は基部側から見た平面図である。 本発明の第２実施形態に係る遠心圧縮機の別態様を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る循環路内に配置される導流板と整流板、および筒状体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は基部側から見た平面図である。 本発明の第４実施形態に係る遠心圧縮機の別態様を示す断面図である。

本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。本実施形態のターボ圧縮機は、車両用エンジン（図示せず）の過給器を構成し、回転軸方向に沿って導入する空気を圧縮しつつ、放射状に吐出する遠心圧縮機１である。この遠心圧縮機１は、主にインペラ１１と、ハウジング２１とで構成されている。

インペラ１１は、回転軸Ｌ周りに回転可能に軸支され、上流側から下流側に向かって拡径する末広がりの略円錐台形状を備えたハブ１２と、ハブ１２の回転軸Ｌに対して傾斜する傾斜側面１３に所定の間隔で配置されたブレード１４とで構成されている。

ハウジング２１は、ハウジング２１の最上流側に位置し、円筒形状を有し、筒内に導入された空気が流れる主流路５０が形成され、環状の入口縁２２からブレード１４の上流端１５に向けて主流路５０が徐々に縮径する導入部２３と、導入部２３の下流側に位置し、上流側から下流側に向かってインペラ１１の外形形状に沿って徐々に拡径する円筒形状を有し、筒内にインペラ１１を回転可能に収容する圧縮部２４と、圧縮部２４の下流側に位置し、インペラ１１から放射状に排出された圧縮空気を機外に吐出する渦巻き状の導出部２５と、導出部２５の中心に位置し、インペラ１１を軸支する基部２６と、で構成されている。

ハウジング２１の導入部２３から圧縮部２４に移行する部位には、筒壁内に周方向に沿って連通する環状のキャビティ部３４と、キャビティ部３４の上流側に連通する上流側連通部３３を介して、インペラ１１の上流に開口する上流側開口部３２と、キャビティ部３４の上流側連通部３３よりも下流側に連通する下流側連通部３５を介して、インペラ１１の側方に開口する下流側開口部３６とからなる循環路３１が設けられている。

また、上流側開口部３２には、回転軸方向に沿って、且つ内径側に突出する板状の整流板４２が、周方向に等間隔に設けられている。各整流板４２は、上流側開口部３２の上流側に突設されつつ、上流側開口部３２上に重なるように延びている。整流板４２の導入部２３内面からの径方向高さは、回転軸Ｌの上流側からインペラ１１を見た際に、整流板４２がインペラ１１に重ならないように設定されている。

上記構成において、インペラ１１が回転すると、入口縁２２から回転軸Ｌ方向に沿って導入部２３に導入された空気は、インペラ１１に吸込まれる。そして、吸込まれた空気は、ハブ１２の傾斜側面１３に沿いつつ、インペラ１１のブレード１４によって旋回しながら圧縮され、導出部２５から吐出される。

また、インペラ１１に吸込まれた空気の一部は、下流側開口部３６から循環路３１を通じて上流側開口部３２から導入部２３内へ流出する。上流側開口部３２から導入部２３内へ流出した空気は、上流の入口縁２２から導入された空気と合流し、インペラ１１に吸込まれる。

そして、上記構成において、サージ発生の限界域付近まで空気流量が減少した場合には、上流側開口部３２から導入部２３内に流出した循環流の一部が、導入部２３内面に沿ってインペラ１１の回転方向に旋回しながら入口縁２２に向かって逆流を始めようとするが、逆流しようとする流れは、上流側開口部３２に設けられた整流板４２によって、旋回が妨げられて不安定になり、逆流が弱められ、あるいは消される。これによって、インペラ１１に吸込まれる空気の流れが安定して、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機１の作動領域を拡大することができる。

次に、本発明の第２実施形態について図２、図３を参照して説明する。本実施形態の構成と上記第１実施形態の構成とで大きく異なるのは、循環路３１ａ、および整流板４２ａの構成である。その他の構成は第１実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。

本実施形態の循環路３１ａには、図３に示すように、上流側連通部３３内に、周方向に等間隔に、且つ外径側から内径側に向けて板状の導流板４１ａを備えている。各導流板４１ａは、回転軸Ｌを中心とする半径方向に対して斜めに配置されている。各導流板４１ａの半径方向に対する角度は、上流側開口部３２から導入部２３内に流出する循環流が、インペラ１１の回転方向と逆向きに旋回するように設定されている。また、整流板４２ａが、導流板４１ａの内径側端部に上流側開口部３２から導入部２３内へ突出するように延設されている。なお、整流板４２ａの導入部２３内面からの径方向高さは、上記第１実施形態と同様に、回転軸Ｌの上流側からインペラ１１を見た際に、整流板４２ａがインペラ１１に重ならないように設定されている。

上記構成において、インペラ１１が回転した際に、インペラ１１に吸込まれた空気の一部は、循環路３１ａ内の導流板４１ａ、および整流板４２ａによって、インペラ１１の回転方向と逆向きに旋回しつつ、上流側開口部３２から導入部２３内へ流出する。

そして、上記構成において、サージ発生の限界域付近まで空気流量が減少した場合には、上流側開口部３２から導入部２３内に流出した循環流の一部が、導入部２３内面に沿ってインペラ１１の回転方向に旋回しながら入口縁２２に向かって逆流を始めようとするが、逆流しようとする流れは、循環流がインペラ１１に対して逆旋回していることによって、旋回が妨げられて不安定になり、逆流が弱められ、あるいは消される。これによって、インペラ１１に吸込まれる空気の流れが安定して、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機１の作動領域を拡大することができる。

第２実施形態の別態様として、図４に示すように、上流側開口部３２から導入部２３内に突出する整流板４２ａを、上流側開口部３２からの突出寸法はそのままに、上流側に延長したものがある。

このような態様では、整流板４２ａが上流側へ延長されたことによって、逆流しようとする流れの発生を広い範囲で防ぐことができるので、インペラ１１に吸込まれる空気の流れがさらに安定して、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機１の作動領域を拡大することができる。

次に、本発明の第３実施形態について図５を参照して説明する。本実施形態の構成と上記第１実施形態の構成とで大きく異なるのは、整流板４２ｂで筒状体を支持している点である。その他の構成は第１実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。

本実施形態の循環路３１内には、第１実施形態と同様に、導流板４１ａは配置されておらず、回転軸方向に沿って、且つ内径側に突出する板状の整流板４２ｂが、周方向に等間隔に設けられている。各整流板４２ｂは、上流側開口部３２の上流側に突設されつつ、上流側開口部３２上に重なるように延びている。

そして、整流板４２ｂの内径側端縁には、導入部２３と同心円状に配置される円筒状の筒状体４３ｂが配置されている。筒状体４３ｂの半径は、回転軸Ｌの上流側からインペラ１１を見た際に、筒状体４３ｂがインペラ１１に重ならないように設定されている。つまり、上流側開口部３２の内径側に、筒状体４３ｂが整流板４２ｂによって支持されている。

上記構成において、インペラ１１が回転した際に、インペラ１１に吸込まれた空気の一部は、循環路３１を通じて、インペラ１１の回転方向に旋回しつつ、上流側開口部３２から循環流として導入部２３内へ流出する。導入部２３内に流出した循環流は、筒状体４３ｂの外周面と、整流板４２ｂと導入部内面とで囲まれた筒状流路５１ｂを通じて、インペラ１１に吸込まれる。

そして、上記構成において、サージ発生の限界域付近まで空気流量が減少した場合には、上流側開口部３２から導入部２３内に流出した循環流の一部が、導入部２３内面に沿ってインペラ１１の回転方向に旋回しながら入口縁２２に向かって逆流を始めようとするが、逆流しようとする流れは、上流側開口部３２に設けられた整流板４２ｂと筒状体４３ｂとによって、旋回が妨げられるとともに、内径側へ拡がることが妨げられて不安定になり、逆流が弱められ、あるいは消される。これによって、インペラ１１に吸込まれる空気の流れがより一層安定して、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機１の作動領域を拡大することができる。

次に、本発明の第４実施形態について図６、図７を参照して説明する。本実施形態の構成と上記第２実施形態の構成とで大きく異なるのは、整流板４２ｃで筒状体を支持している点である。その他の構成は第２実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。

本実施形態の循環路３１ｃ内には、第２実施形態と同様に、循環路３１ｃ内に導流板４１ｃが配置され、導流板４１ｃの内径側端部には、上流側開口部３２から導入部２３内へ突出するように整流板４２ｃが延設されている。

そして、整流板４２ｃの内径側端縁には、導入部２３と同心円状に配置される円筒状の筒状体４３ｃが配置されている。筒状体４３ｃの半径は、回転軸Ｌの上流側からインペラ１１を見た際に、筒状体４３ｃがインペラ１１に重ならないように設定されている。

上記構成において、インペラ１１が回転した際に、インペラ１１に吸込まれた空気の一部は、循環路３１ｃを通じて、インペラ１１の回転方向と逆向きに旋回しつつ、上流側開口部３２から循環流として導入部２３内へ流出する。導入部２３内に流出した循環流は、筒状体４３ｃの外周面と、整流板４２ｃと導入部内面とで囲まれた筒状流路５１ｃを通じて、インペラ１１に吸込まれる。

そして、上記構成において、サージ発生の限界域付近まで空気流量が減少した場合には、上流側開口部３２から導入部２３内に流出した循環流の一部が、導入部２３内面に沿ってインペラ１１の回転方向に旋回しながら入口縁２２に向かって逆流を始めようとするが、逆流しようとする流れは、上流側開口部３２に設けられた整流板４２ｃと筒状体４３ｃとによって、旋回が妨げられるとともに、内径側へ拡がることが妨げられて不安定になり、逆流が弱められ、あるいは消される。これによって、インペラ１１に吸込まれる空気の流れがより一層安定して、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機１の作動領域を拡大することができる。

第４実施形態の別態様として、図８に示すように、上流側開口部３２から導入部２３内に突出する整流板４２ｃと筒状体４３ｃとを、上流側に延長したものがある。

このような態様では、整流板４２ｃと筒状体４３ｃとが上流側へ延長されたことによって、逆流しようとする流れの発生を広い範囲で防ぐことができるので、インペラ１１に吸込まれる空気の流れがさらに安定して、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機１の作動領域を拡大することができる。

１…遠心圧縮機（ターボ圧縮機）
２１…ハウジング
３２…上流側開口部
３３…上流側連通部
３４…キャビティ部
４１ａ，４１ｃ…導流板
４２，４２ａ，４２ｂ，４２ｃ…整流板
４３ｂ，４３ｃ…筒状体

Claims (5)

1. 回転軸周りに回転可能に配置されたインペラと、
   該回転軸に沿った略筒形状を有し、内部に該インペラが軸支されたハウジングと、
   該ハウジングの筒壁内に周方向に沿って連通する環状のキャビティ部と、
   該キャビティ部の上流側に連通する上流側連通部を介して、該インペラの上流に開口する上流側開口部と、
   該キャビティ部の該上流側連通部よりも下流側に連通する下流側連通部を介して、該インペラの側方に開口する下流側開口部とを備えたターボ圧縮機であって、
   前記上流側連通部内に、周方向に等間隔に、且つ外径側から内径側に向けて板状の導流板が立設され、
   該導流板の内径側端部に、前記回転軸方向に沿って、且つ前記上流側開口部から内径側に突出する板状の整流板を備えたことを特徴とするターボ圧縮機。
2. 請求項１に記載のターボ圧縮機において、
   前記整流板が前記上流側開口部よりも上流側へ延設されたことを特徴とするターボ圧縮機。
3. 請求項１または請求項２に記載のターボ圧縮機において、
   前記上流側開口部の内径側に、前記ハウジングの内周面から所定の間隔を空けて同心円状に配置される円筒状の筒状体を備え、
   該筒状体が前記整流板によって支持されたことを特徴とするターボ圧縮機。
4. 請求項３に記載のターボ圧縮機において、
   前記筒状体が前記上流側開口部よりも上流側へ延設されたことを特徴とするターボ圧縮機。
5. インペラと、
   前記インペラの上流に開口する上流側開口部と前記インペラの下流に開口する下流側開口部とを連通する循環路が形成されたハウジングと、
   前記上流側開口部に設けられた整流板と、
   前記循環路内に外径側から内径側に向けて設けられた導流板と、を有し、
   前記整流板は、前記導流板の内径側端部に延設されていることを特徴とするターボ圧縮機。

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