JP5905736B2 - 排気タービン過給機の製造方法及び排気タービン過給機 - Google Patents

Description

本発明は、排気タービン過給機及びその製造方法に関する。

従来、例えば特許文献１に記載の排気タービン過給機及びその製造方法がある。この排気タービン過給機は、インペラを囲繞するとともにコンプレッサハウジングを構成するハウジング本体と、ハウジング本体に固定されるとともにインペラに対向するシュラウド面を形成するシール部材とを備えている。このシール部材は、所謂アブレーダブルシールであり、ハウジング本体の材料よりも高い快削性を有する材料により形成されている。

ここで、シール部材においてコンプレッサ内における流路となる面には孔が形成されており、この孔及びハウジング本体に形成された穴に対してねじを挿通することによって、ハウジング本体に対してシール部材が固定されている。

特許第３２９４４９１号公報

ところで、特許文献１に記載の排気タービン過給機では、シール部材においてコンプレッサ内の流路を形成する面にねじを挿通するための孔が形成されている。そのため、ねじの頭部を収容するための凹部と同ねじの頭部との隙間や、同凹部から突き出たねじの頭部によってコンプレッサの流路に段差が生じ、コンプレッサ内の気流が乱れることとなる。その結果、過給機の圧縮効率が低下するといった問題が生じる。

尚、こうした問題は、ねじによりシール部材を固定するものに限らず、その他の係止部材によってシール部材をハウジング本体に固定するものにおいて同様にして生じる。
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、係止部材によってシール部材をハウジング本体に固定することに起因して過給機の圧縮効率が低下することを好適に抑制することのできる排気タービン過給機の製造方法及び排気タービン過給機を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、コンプレッサハウジングを構成するハウジング本体と、前記ハウジング本体に固定されるとともにインペラに対向するシュラウド面を有するシール部材であって前記ハウジング本体の材料よりも高い快削性を有する材料により形成されるシール部材と、を備える排気タービン過給機の製造方法であって、係止部材により前記シール部材を前記ハウジング本体に固定した後に、前記シール部材と共に前記係止部材を削ることにより前記シュラウド面を形成することをその要旨としている。

同構成によれば、シール部材と係止部材とが共に削られることによってシュラウド面が形成されるため、係止部材とシール部材との間の段差がなくなる。このため、コンプレッサ内における流路が滑らかなものとなり、気流が乱れることが抑制されるようになる。したがって、係止部材によってシール部材をハウジング本体に固定することに起因して過給機の圧縮効率が低下することを好適に抑制することができるようになる。

（２）請求項２に記載の発明は、コンプレッサハウジングを構成するハウジング本体と、該ハウジング本体に囲繞されているインペラと、前記ハウジング本体に固定されており前記インペラに対向するシュラウド面をなすシール部材と、を備える排気タービン過給機であって、前記シール部材を前記ハウジング本体に係止するピンを備え、該ピンは、前記ハウジング本体に設けられた穴に挿入されており、前記ピンは軸部と頭部とを有し、該頭部には傾斜した面が設けられており、前記シュラウド面において、前記シール部材と前記ピンの頭部とが連続した曲面形状に形成されていることをその要旨としている。

同構成では、係止部材としてのピンがハウジング本体に設けられた穴に挿入されており、シール部材がハウジング本体に固定されている。ピンはハウジング本体に形成された穴に圧入することが好ましい。こうした構成によれば、例えば、ねじによりシール部材を固定する構成に比べて、シール部材を固定する工程が簡易なものとなる。

また、シュラウド面においてシール部材とピンの頭部とが連続した曲面形状に形成されているため、シール部材とピンの頭部との間の段差がなくなる。このため、コンプレッサ内における流路が滑らかなものとなり、気流が乱れることが抑制されるようになる。したがって、ピンによってシール部材をハウジング本体に固定することに起因して過給機の圧縮効率が低下することを好適に抑制することができるようになる。
例えば、頭部頂面に工具で回すための溝や穴が設けられたねじによってシール部材を固定する場合には、シュラウド面においてシール部材とねじとを連続した曲面形状に形成するために、シール部材と共にねじの頭部を削ると、ねじの溝や穴が依然として残るおそれがある。この場合、こうした溝や穴によって気流が乱れることとなる。これに対して、上記構成によれば、ねじのような溝や穴がないため、気流が乱れることが一層好適に抑制されるようになる。

（３）請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の排気タービン過給機において、前記ピンの頭部は、前記ピンの軸部よりも外径が大きく、前記ピンの頭部が前記シール部材の周縁を係止していることをその要旨としている。

同構成によれば、ピンの頭部がシール部材の周縁を係止していることによって同シール部材がハウジング本体に対して固定される。このため、例えばシール部材の周縁を外周側に延設するとともに当該延設した部位に貫通孔を形成し、同貫通孔にピンを挿入する構成に比べて、シール部材の径方向における体格を小さくすることができる。これにより、シール部材を小型化することができるようになる。

（４）請求項４に記載の発明は、請求項２又は請求項３に記載の排気タービン過給機において、前記ピンは前記ハウジング本体と熱膨張係数が同一の素材からなることをその要旨としている。

ハウジング本体とピンとの間の熱膨張差が大きいと、これらのうちの一方の熱変形に対して他方が好適に追従しないため、これらの熱膨張及び熱収縮が繰り返されることによってハウジング本体からピンが脱落するおそれがある。

この点、上記構成によれば、ハウジング本体とピンとの間の熱膨張差がなくなるため、これらのうちの一方の熱変形に対して他方が好適に追従するようになる。したがって、ハウジング本体からのピンの脱落を抑制することができるようになる。

本発明の一実施形態に係る排気タービン過給機について、コンプレッサの断面構造を示す断面図。 図１のシール部材及びピンを中心に拡大して示す拡大断面図。 図１の矢視Ｂ方向からのコンプレッサハウジングの平面構造を示す平面図。 ピンが圧入されていない状態におけるシュラウドピース及びシール部材の平面構造を示す平面図。 （ａ）〜（ｅ）コンプレッサハウジングの断面図であって、シール部材の組み付け及び加工の手順を説明するための断面図。

以下、図１〜図５を参照して、本発明を具体化した一実施形態について説明する。
尚、以降において、シャフト２の軸線方向、径方向、周方向を単に、軸線方向Ａ、径方向Ｒ、周方向Ｃと称する。また、軸線方向Ａにおいてコンプレッサの入口側（図１における左側）を先端側と称し、ベアリングハウジング４０側（図１における右側）を基端側と称する。

図１に示すように、排気タービン過給機のコンプレッサは、シャフト２に連結されたインペラ４と、インペラ４を囲繞するとともにインペラ４の外周側に略環状のスクロール通路６を有するコンプレッサハウジング８とを備えている。

シャフト２はベアリングハウジング４０の内部に設けられたベアリング４２によって回転可能に支持されている。また、シャフト２の基端にはタービンホイールが連結されている。

インペラ４は複数のブレード４ａを有している。
コンプレッサハウジング８は、大きくは３つのピース（スクロールピース１０、シュラウドピース２０、及びラジアルピース３０）と、これら３つのピース１０、２０、３０とは別体のシール部材５０とによって構成されている。尚、これら３つのピース１０、２０、３０は共に同一の金属材料、具体的にはアルミニウムにより形成されている。

スクロールピース１０は、円筒状の入口部１１、入口部１１の基端から外周側に延びるとともにスクロール通路６の先端面を形成するスクロール部１２、及びスクロール部１２の外周側の端部から基端側に延びる環状の外周壁部１３を有している。また、外周壁部１３には外周側に突出したフランジ部１４が設けられており、フランジ部１４には軸線方向Ａに沿って貫通する挿通孔１４ａが形成されている。

シュラウドピース２０は、円筒状をなす導入部２１、導入部２１の基端から外周側に延びるとともにスクロール通路６の内周側の基端面を形成するスクロール部２２を有している。ここで、スクロールピース１０の入口部１１に対して基端側からシュラウドピース２０の導入部２１が圧入されることによりスクロールピース１０に対してシュラウドピース２０が組み付けられている。こうして組み付けられた状態において、入口部１１の内周面と導入部２１の外周面とが圧接されている。

また、シュラウドピース２０の内周面には全周にわたって凹部２４が形成されている。この凹部２４に対して基端側から略円筒状のシール部材５０が嵌合されている。シール部材５０の内周面及び基端面は曲面状とされ、インペラ４のブレード４ａに対向するシュラウド面Ｓとされている。シュラウドピース２０の基端面には挿入穴２３が形成されており、挿入穴２３に圧入されたピン６０によってシュラウドピース２０に対してシール部材５０が固定されている。尚、ピン６０によるシール部材５０の固定態様については後に詳述する。

シール部材５０は、各ピース１０、２０、３０の材料、すなわちアルミニウムよりも高い快削性を有する材料により形成されている。ちなみに、本実施形態では、シール部材５０は樹脂材料により形成されている。

ラジアルピース３０は、略円環状をなすとともにスクロール通路６の外周側の基端面を形成するスクロール部３２を有している。ここで、ラジアルピース３０はスクロールピース１０の外周壁部１３に対して基端側から圧入されている。

ベアリングハウジング４０の先端には、外周側に延びて略円盤状をなすバックプレート部４１が設けられている。スクロールピース１０の外周壁部１３及びラジアルピース３０に対して基端側からバックプレート部４１が組み付けられた状態でスクロールピース１０のフランジ部１４にワッシャ７２を介してボルト７１が挿通されている。このワッシャ７２によってフランジ部１４と共にこれに隣接するバックプレート部４１の周縁が押圧されている。

また、ベアリングハウジング４０の先端面とこれに対向するシュラウドピース２０の基端面とによってディフューザ通路７が形成されている。
次に、図２〜図４を参照して、コンプレッサハウジング８の構造について更に詳細に説明する。

図２に示すように、シール部材５０は縮径部５１と、縮径部５１よりも基端側に位置するとともに外径が拡大された拡径部５２とを有している。
挿入穴２３は、シュラウドピース２０の基端面に形成される略円柱状の拡径部２３ｂと、拡径部２３ｂの底面に形成されて先端側に延びる円柱状の縮径部２３ａとを有している。これら縮径部２３ａと拡径部２３ｂは同軸上に形成されている。

ピン６０は、円柱状の軸部６１と同軸部６１よりも外径の大きい円柱状の頭部６２とを有している。これら軸部６１と頭部６２とは同軸上に形成されている。
ここで、ピン６０によりシール部材５０をシュラウドピース２０に固定した後に、シール部材５０の内周面及び基端面と共にピン６０の頭部６２を削ることによりシュラウド面Ｓが形成されている。そして、シュラウドピース２０のシュラウド面Ｓ及びピン６０のシュラウド面Ｓは連続的な曲面形状とされている。尚、本発明に係るシュラウド面には、シール部材５０及びシュラウドピース２０においてインペラ４に対向する面に加えて、ディフューザ通路７を区画する面も含まれている。

図４に併せ示すように、シール部材５０の外周面の基端側の周縁５３には係止凹部５４が形成されている。この係止凹部５４は挿入穴２３の拡径部２３ｂと共に円筒状の凹部を形成している。そして、この円筒状の凹部にピン６０の頭部６２が収まることにより、シール部材５０がピン６０により係止される。尚、ピン６０はアルミニウムにより形成されている。すなわち、ピン６０はシュラウドピース２０と熱膨張係数が同一の素材により形成されている。

また、図３に示すように、挿入穴２３、係止凹部５４、及びピン６０は周方向Ｃにおいて等間隔（１２０度間隔）にて３つ形成されている。
次に、本実施形態の作用について説明する。

シール部材５０とピン６０とが共に削られることによってシュラウド面Ｓが形成されるため、ピン６０とシール部材５０との間の段差がなくなる。このため、コンプレッサ内における流路が滑らかなものとなり、気流が乱れることが抑制されるようになる。

また、ピン６０をシュラウドピース２０に形成された挿入穴２３に圧入することによって、シール部材５０がシュラウドピース２０に固定されるため、例えば、ねじによりシール部材を固定する構成に比べて、シール部材５０を固定する工程が簡易なものとなる。

また、例えば頭部頂面に工具で回すための溝や穴が設けられたねじの場合には、シール部材と共にねじの頭部を削ってシュラウド面を形成すると、ねじの溝や穴が依然として残るおそれがある。この場合、こうした溝や穴によって気流が乱れることとなる。これに対して、本実施形態によれば、ピン６０の頭部６２にはねじのような溝や穴がないため、気流が乱れることが一層好適に抑制されるようになる。

ところで、シュラウドピースとピンとの間の熱膨張差が大きいと、これらのうちの一方の熱変形に対して他方が好適に追従しないため、これらの熱膨張及び熱収縮が繰り返されることによってシュラウドピースからピンが脱落するおそれがある。

この点、本実施形態によれば、シュラウドピース２０とピン６０との間の熱膨張差がなくなるため、これらのうちの一方の熱変形に対して他方が好適に追従するようになる。したがって、シュラウドピース２０からピン６０が脱落しないようになる。

次に、図５を参照して、本実施形態の排気タービン過給機の製造方法、詳しくはシール部材５０の組み付け及び加工の手順について説明する。
シール部材５０の組み付け及び加工に先立ち、まずは、スクロールピース１０に対して、未だシュラウド面Ｓの形成されていないシュラウドピース２０を基端側から圧入する（図５（ａ））。

次に、シュラウドピース２０に対して、未だシュラウド面Ｓの形成されていないシール部材を基端側から内挿する（図５（ｂ））。
次に、図５（ｂ）に示すシュラウドピース及びシール部材の基端面に対して、挿入穴２３及び係止凹部５４を切削加工にて形成する（図５（ｃ））。

次に、図５（ｃ）に示す挿入穴２３及び係止凹部５４に対して、基端側からピン６０を圧入する（図５（ｄ））。
最後に、図５（ｄ）に示すシール部材５０の内周面及び基端面、並びにシュラウドピース２０の基端面と共にピン６０の頭部６２の頂面を切削加工にてシュラウド面Ｓとする。ここでは、シュラウド面Ｓとインペラ４のブレード４ａとのチップクリアランスが所定の大きさとなるように削られる（図５（ｅ））。

以上説明した本実施形態に係る排気タービン過給機の製造方法及び排気タービン過給機によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）排気タービン過給機は、コンプレッサハウジング８を構成するハウジング本体（スクロールピース１０、シュラウドピース２０、及びラジアルピース３０）と、ハウジング本体の材料よりも高い快削性を有する材料により形成されるとともにインペラ４に対向するシュラウド面Ｓを有するシール部材５０と、を備えている。この排気タービン過給機の製造方法では、ピン６０によりシール部材５０をシュラウドピース２０に固定した後に、シール部材５０と共にピン６０を削ることによりシュラウド面Ｓを形成するようにしている。こうした構成によれば、ピン６０によってシール部材５０をシュラウドピース２０に固定することに起因して過給機の圧縮効率が低下することを好適に抑制することができるようになる。

（２）ピン６０はシュラウドピース２０の挿入穴２３に対して圧入されている。こうした構成によれば、例えば、ねじによりシール部材を固定する構成に比べて、シール部材５０を固定する工程が簡易なものとすることができ、当該工程に要する時間の短縮により製造コストを低減することができるようになる。また、ねじのような溝や穴がないため、気流が乱れることが一層好適に抑制されるようになる。

（３）ピン６０は軸部６１と同軸部６１よりも外径の大きい頭部６２とを有している。また、シール部材５０の周縁５３に形成された係止凹部５４がピン６０の頭部６２により係止されている。こうした構成によれば、シール部材５０の周縁５３がピン６０の頭部６２により係止されることによってシール部材５０がシュラウドピース２０に対して固定される。このため、例えばシール部材の周縁を外周側に延設するとともに当該延設した部位に貫通孔を形成し、同貫通孔にピンを挿入する構成に比べて、シール部材５０の径方向における体格を小さくすることができる。これにより、シール部材５０を小型化することができ、シール部材５０のコストを低減することができるようになる。

（４）ピン６０はシュラウドピース２０と熱膨張係数が同一の素材により形成されている。こうした構成によれば、シュラウドピース２０からのピン６０の脱落を抑制することができるようになる。

尚、本発明に係る排気タービン過給機の製造方法及び排気タービン過給機は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。

・上記実施形態では、コンプレッサハウジングのハウジング本体が３つのピース１０、２０、３０によって構成されるものとしたが、本発明はこれに限られるものではなく、他に例えばこれらを一体形成するようにしてもよい。

・上記実施形態では、シュラウドピース２０及びピン６０が共にアルミニウムにより形成されるものとしたが、本発明はこれに限らず、他に例えば、これらを共にステンレス鋼によって形成するようにしてもよい。この場合であっても、上記実施形態の効果（４）に準じた効果を奏することができる。また、ピンをシュラウドピースと熱膨張係数の異なる材料によって形成するようにしてもよい。この場合、シュラウドピースからのピンの脱落を抑制する上ではこれらの材料の熱膨張係数を近づけることが望ましい。

・上記実施形態のように、ピン６０の頭部６２によりシール部材５０の周縁５３に形成された係止凹部５４を係止する構成とすることが、シール部材５０の径方向における体格を小さくする上では望ましい。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、他に例えばシール部材の周縁を外周側に延設するとともに当該延設した部位に貫通孔を形成し、同貫通孔及びシュラウドピースにピンを圧入することによりシュラウドピースに対してシール部材を固定するようにすることもできる。

・本発明に係る係止部材はハウジング本体に対して圧入されるピンに限られるものではなく、溶着や接着等の他の態様によってハウジング本体に対して固定されるものとしてもよい。これらの場合であっても、係止部材によりシール部材をハウジング本体に固定した後に、シール部材と共に係止部材を削ることによりシュラウド面を形成するようにすればよい。

２…シャフト、４…インペラ、４ａ…ブレード、６…スクロール通路、７…ディフューザ通路、８…コンプレッサハウジング、１０…スクロールピース、１１…入口部、１２…スクロール部、１３…外周壁部、１４…フランジ部、１４ａ…挿通孔、１６…アウトレットポート、２０…シュラウドピース、２１…導入部、２２…スクロール部、２３…挿入穴、２３ａ…縮径部、２３ｂ…拡径部、３０…ラジアルピース、３２…スクロール部、４０…ベアリングハウジング、４１…バックプレート部、４２…ベアリング、５０…シール部材、５１…縮径部、５２…拡径部、５３…周縁、５４…係止凹部、６０…ピン、６１…軸部、６２…頭部、７１…ボルト、７２…ワッシャ、Ｓ…シュラウド面。

Claims (4)

1. コンプレッサハウジングを構成するハウジング本体と、前記ハウジング本体に固定されるとともにインペラに対向するシュラウド面を有するシール部材であって前記ハウジング本体の材料よりも高い快削性を有する材料により形成されるシール部材と、を備える排気タービン過給機の製造方法であって、
   係止部材により前記シール部材を前記ハウジング本体に固定した後に、前記シール部材と共に前記係止部材を削ることにより前記シュラウド面を形成する
   ことを特徴とする排気タービン過給機の製造方法。
2. コンプレッサハウジングを構成するハウジング本体と、該ハウジング本体に囲繞されているインペラと、前記ハウジング本体に固定されており前記インペラに対向するシュラウド面をなすシール部材と、を備える排気タービン過給機であって、
   前記シール部材を前記ハウジング本体に係止するピンを備え、該ピンは、前記ハウジング本体に設けられた穴に挿入されており、
   前記ピンは軸部と頭部とを有し、該頭部には傾斜した面が設けられており、
   前記シュラウド面において、前記シール部材と前記ピンの頭部とが連続した曲面形状に形成されている
   ことを特徴とする排気タービン過給機。
3. 請求項２に記載の排気タービン過給機において、
   前記ピンの頭部は、前記ピンの軸部よりも外径が大きく、
   前記ピンの頭部が前記シール部材の周縁を係止している
   ことを特徴とする排気タービン過給機。
4. 請求項２又は請求項３に記載の排気タービン過給機において、
   前記ピンは前記ハウジング本体と熱膨張係数が同一の素材からなる
   ことを特徴とする排気タービン過給機。