JP6012572B2 - 過給機 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に用いられる過給機に関する。

従来、内燃機関に供給する空気を圧縮するための過給機として、空気を圧縮するためのインペラと、インペラを収容し空気を案内するための空気案内筒とを有するものが用いられている。
特許文献１に記載の過給機には、インペラの一部がバーストして外方に飛散した際に、ジャーナル軸受を潤滑するための潤滑油のヘッドタンクが破損してオイル漏れが発生しないように、コンプレッサのディフューザとヘッドタンクとの間に衝撃吸収隔壁が設けられている。

特開２００１−１３２４６５号公報

近年、インペラが破断してもインペラ破片が過給機の外部に飛散しないように、インペラを過給機の内部に格納した状態を維持する性能（インペラの格納性）が過給機に対して求められている。
この点に関し、特許文献１には、上述のようにインペラの一部が飛散した際に、過給機の内部で潤滑油ヘッドタンクを破損させないための構成は記載されているものの、インペラ破片が過給機の外部に飛散しないように、インペラを過給機の内部に格納した状態を維持するための構成については開示されていない。

本発明の幾つかの実施形態の目的は、インペラの破断時にインペラ破片が過給機の外部へ飛散することを効果的に抑制し、インペラを過給機の内部に格納した状態をより確実に維持できる過給機を提供することである。

本発明の幾つかの実施形態に係る過給機は、
（１）空気を圧縮するためのインペラと、
前記インペラを収容し前記空気を案内するための空気案内筒と、
前記空気案内筒の周りに巻かれた少なくとも１本のワイヤロープと、
を有する。

過給機においてインペラが破断した場合に、インペラ破片がインペラの半径方向外側に向かって飛散して、空気案内筒を突き破ってしまう可能性がある。
この点に関し、上記（１）に記載の過給機においては、インペラ破片が飛散して空気案内筒を突き破ったとしても、インペラ破片は空気案内筒の周りに巻かれた少なくとも１本のワイヤロープに衝突する。ワイヤロープは、複数のワイヤを縒って形成されているため、インペラ破片の衝突時にワイヤロープ自体の変形によってインペラ破片の運動エネルギーを効果的に吸収して、インペラ破片を受け止めることができる。したがって、インペラの破断時にインペラ破片が過給機の外部へ飛散することを効果的に抑制し、インペラを過給機の内部に格納した状態をより確実に維持することができる（インペラの格納性を向上することができる）。
また、上記（１）に記載の過給機の構成は、既存の過給機に対してインペラを収容する空気案内筒の周りに少なくとも１本のワイヤロープを巻くことで実現しうる。すなわち、あらたに全ての構成を調達せずとも、既存の過給機に対して付加的に少なくとも１本のワイヤロープを設ければ製造できるという生産容易性の観点でのメリットもある。

幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の過給機において、
（２）前記空気案内筒を通過した空気を外部へ案内するためのスクロール室を形成するスクロール室フレームを更に備え、
前記少なくとも１本のワイヤロープの少なくとも一部は、前記空気案内筒と前記スクロール室フレームとの間に設けられる。

従来の過給機において空気案内筒とスクロール室フレームとの間にはデッドスペースが存在しており、このデッドスペースは十分に活用されていなかった。これに対し、上記（２）に記載の過給機によれば、少なくとも１本のワイヤロープの少なくとも一部をこのデッドスペースに設けることにより、過給機の空気案内筒を肉厚化することなく、インペラ破片が過給機の外部に飛散することを効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の過給機において、
（３）前記少なくとも１本のワイヤロープの前記少なくとも一部は、前記インペラの軸方向において前記インペラの翼の存在範囲内に位置する。

上記（３）に記載の過給機によれば、インペラが破断した際にインペラ破片が飛散する可能性が高い位置にワイヤロープが位置するため、ワイヤロープによってインペラ破片を効果的に受け止めることができる。

幾つかの実施形態では、上記（３）に記載の過給機において、
（４）前記インペラの軸方向における前記インペラの翼の存在範囲のうちの少なくとも一部の範囲において、
前記少なくとも１本のワイヤロープが前記インペラの半径方向に積み重なる高さは、前記空気案内筒内を前記空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて高くなる。

インペラの翼高さは、空気案内筒内を空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて高くなる。そこで、インペラの翼高さに応じた空気案内筒の損傷予測に基づいて、インペラの半径方向にワイヤロープが積み重なる高さ（空気案内筒の表面からインペラの半径方向におけるワイヤロープの外端までの距離、或いはインペラの半径方向へのワイヤロープの巻き数）を調節することで、インペラ破片が過給機外部に飛散することを効率的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の過給機において、
（５）前記少なくとも１本のワイヤロープの一端部と他端部とをかしめる少なくとも１つのかしめ部材を更に有する。

上記（５）に記載の過給機によれば、簡易な構成でワイヤロープを空気案内筒の周りに設置することができる。したがって、インペラが破断した場合であっても、インペラを過給機の内部に格納した状態を、簡易な構成でより確実に維持することができる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）のいずれか１項に記載の過給機において、
（６）前記ワイヤロープは複数本設けられている。

空気案内筒の周りに巻かれた１本のワイヤロープが切断された場合、当該ワイヤロープの張力が減少し、当該ワイヤロープによって吸収可能なインペラ破片の運動エネルギーが減少してしまう。
これに対し、上記（６）に記載の過給機によれば、インペラ破片の衝突によって１本のワイヤロープが切断されたとしても、切断されたワイヤロープとは別のワイヤロープの張力は維持される。すなわち、１本のワイヤロープが切断されたとしても、他のワイヤロープによってインペラ破片の運動エネルギーを効果的に吸収することができる。したがって、インペラの破断時にインペラ破片が過給機の外部へ飛散することを効果的に抑制し、インペラを過給機の内部に格納した状態をより確実に維持することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、インペラの破断時にインペラ破片が過給機の外部へ飛散することを効果的に抑制し、インペラを過給機の内部に格納した状態をより確実に維持することが可能となる。

幾つかの実施形態に係る内燃機関システムの全体構成を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係る過給機の一部を示す概略断面図である。 幾つかの実施形態に係るワイヤロープの構造を示す図である。 幾つかの実施形態に係るかしめ部材の構造を示す図である。 幾つかの実施形態に係る過給機の一部を示す概略断面図である

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、幾つかの実施形態に係る内燃機関システム１００の全体構成を示す概略図である。図１に示す内燃機関システム１００は、内燃機関２と、内燃機関２への吸気を加圧する過給機４と、過給機４が有するタービン６によって駆動される発電機８とを備える。

図１に示す過給機４は、内燃機関２への吸気を加圧する遠心式のコンプレッサ１０と、コンプレッサ１０と回転軸１２を介して連結され内燃機関２の排気により駆動されるタービン６とを備えている。
図１に示す過給機４では、このように、内燃機関２の排気により駆動されるタービン６によってコンプレッサ１０を駆動する排気タービン式の過給機（所謂ターボチャージャ）を用いている。他の実施形態に係る過給機４では、内燃機関２の出力軸からベルト等を介して取り出した動力によってコンプレッサ１０を駆動する機械式の過給機（所謂スーパーチャージャ）を用いてもよい。また、内燃機関２としては、例えばディーゼルエンジンやガソリンエンジン等を適宜選択することができる。

次に、過給機４の具体的構成例について図２を用いて以下に説明する。

図２は、幾つかの実施形態に係る過給機４の一部を示す概略断面図である。図２に示すコンプレッサ１０は、空気を圧縮するためのインペラ１４と、インペラ１４を収容し空気を案内するための空気案内筒１６と、空気案内筒１６の周りに巻かれたワイヤロープ１８と、を含む。インペラ１４は、ハブ１９とハブの周りに設けられた複数の翼２０とを含む。

過給機４においてインペラ１４が破断した場合に、インペラ破片（例えばインペラ１４の翼２０の一部）がインペラ１４の半径方向外側に向かって飛散して、空気案内筒１６を突き破ってしまう可能性がある。

この点に関し、図２に示す過給機４の空気案内筒１６の周りにはワイヤロープ１８が巻かれているため、インペラ破片が飛散して空気案内筒１６を突き破ったとしても、インペラ破片は空気案内筒１６の周りに巻かれたワイヤロープ１８に衝突する。ワイヤロープ１８は、複数のワイヤ２２を縒って形成されている（図３参照）ため、インペラ破片の衝突時にワイヤロープ１８自体の変形によってインペラ破片の運動エネルギーを効果的に吸収して、インペラ破片を受け止めることができる。したがって、インペラ１４の破断時にインペラ破片が過給機４の外部へ飛散することを効果的に抑制し、インペラ１４を過給機４の内部に格納した状態をより確実に維持することができる（インペラ１４の格納性を向上することができる）。

なお、ワイヤロープ１８の材料は、必要な強度に応じて適宜選択すればよく、例えばステンレス等を用いればよい。ワイヤロープ１８の太さも、必要な強度に応じて適宜選択すればよく、例えば直径１〜２４ｍｍ程度のものを用いてもよい。ただし、ワイヤロープ１８の材料及び太さはこれに限らない。

図２に例示する実施形態では、過給機４は、空気案内筒１６を通過した空気を外部へ案内するためのスクロール室２４を形成するスクロール室フレーム２５を更に備え、ワイヤロープ１８の少なくとも一部は、空気案内筒１６とスクロール室フレーム２５との間に設けられている。

従来の過給機４において空気案内筒１６とスクロール室フレーム２５との間にはデッドスペースが存在しており、このデッドスペースは十分に活用されていなかった。これに対し、ワイヤロープ１８の少なくとも一部をこのデッドスペースに設けることにより、過給機４の空気案内筒１６を肉厚化することなく、インペラ破片が過給機４の外部に飛散することを効果的に抑制することができる。

幾つかの実施形態では、図２に示すように、ワイヤロープ１８の少なくとも一部は、インペラ１４の軸方向（回転軸１２の軸線方向）においてインペラ１４の翼２０の存在範囲Ｗ内に位置する。

このように、インペラ１４が破断した際にインペラ破片が飛散する可能性が高い位置にワイヤロープ１８が位置するため、ワイヤロープ１８によってインペラ破片を効果的に受け止めることができる。

幾つかの実施形態では、図２に示すように、インペラ１４の軸方向におけるインペラ１４の翼２０の存在範囲Ｗのうちの少なくとも一部の範囲において、ワイヤロープ１８がインペラ１４の半径方向に積み重なる高さ（空気案内筒１６の表面からインペラ１４の半径方向におけるワイヤロープ１８の外端までの距離）は、空気案内筒１６内を空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて高くなる。

インペラ１４の翼２０の高さは、空気案内筒１６内を空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて高くなる。よって、インペラ１４の軸方向におけるインペラ１４の翼２０の存在範囲Ｗにおいては、空気案内筒１６内を空気が流れる方向Ｐにおいて上流側に向かうにつれて、インペラ１４が破断した際に発生するインペラ破片が大きくなる可能性が高い。

したがって、インペラ１４の半径方向にワイヤロープ１８が積み重なる高さを上記のようにリスクに応じた高さに設定することで、ワイヤロープ１８を必要以上に使用することなく、インペラ１４を過給機４の内部に格納した状態をより確実に維持することができる。

幾つかの実施形態では、図４に示すように、過給機４は、ワイヤロープ１８の一端部２８と他端部３０とをかしめるかしめ部材３２を含む。これにより、簡易な構成でワイヤロープ１８を空気案内筒１６の周りに設置することができる。したがって、インペラ１４が破断した場合であっても、インペラ１４を過給機４の内部に格納した状態を、簡易な構成でより確実に維持することができる。

ところで、図２に示す過給機４において空気案内筒１６の周りに巻かれたワイヤロープ１８が切断された場合、ワイヤロープ１８の張力が減少し、ワイヤロープ１８によって吸収可能なインペラ破片の運動エネルギーが減少してしまう。

これに対し、図５に例示する実施形態では、過給機４は、空気案内筒１６の周りに巻かれた複数のワイヤロープ３４〜３７を有している。図５は、過給機４における空気案内筒１６周辺を拡大して示している。複数のワイヤロープ３４〜３７の材料及び直径は、図２を用いて説明したワイヤロープ１８と同様の材料及び直径を採用可能である。

図５に示す過給機４では、インペラ破片の衝突によってワイヤロープ３４が切断されたとしても、ワイヤロープ３５〜３７の張力に対して基本的に影響を及ぼさない。したがって、ワイヤロープ３４が切断されたとしても、ワイヤロープ３４の上に順に重なるワイヤロープ３５〜３７によってインペラ破片の運動エネルギーを効果的に吸収することができる。したがって、インペラ１４の破断時にインペラ破片が過給機４の外部へ飛散することを効果的に抑制し、インペラ１４を過給機４の内部に格納した状態をより確実に維持することができる。

図５に例示する実施形態では、複数のワイヤロープ３４〜３７の少なくとも一部は、空気案内筒１６とスクロール室フレーム２５との間に設けられている。

複数のワイヤロープ３４〜３７の少なくとも一部を空気案内筒１６とスクロール室フレーム２５との間のデッドスペースに設けることにより、過給機４の空気案内筒１６を肉厚化することなく、インペラ破片が過給機４の外部に飛散することを効果的に抑制することができる。

図５に示す過給機４において、複数のワイヤロープ３４〜３７の少なくとも一部は、インペラ１４の軸方向においてインペラ１４の翼２０の存在範囲Ｗ内に位置する。
このように、インペラ１４が破断した際にインペラ破片が飛散する可能性が高い位置にワイヤロープ３４〜３７が位置するため、ワイヤロープ３４〜３７によってインペラ破片を効果的に受け止めることができる。

図５に示す過給機４において、インペラ１４の軸方向におけるインペラ１４の翼２０の存在範囲Ｗのうちの少なくとも一部の範囲において、複数のワイヤロープ３４〜３７がインペラ１４の半径方向に積み重なる高さは、空気案内筒１６内を空気が流れる方向Ｐにおいて上流側に向かうにつれて高くなる。

インペラ１４の翼２０の高さは、空気案内筒１６内を空気が流れる方向Ｐにおいて上流側に向かうにつれて高くなる。したがって、インペラ１４の軸方向におけるインペラ１４の翼２０の存在範囲Ｗにおいては、空気案内筒１６内を空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて、インペラ１４が破断した際に発生するインペラ破片が大きくなる可能性が高い。

したがって、インペラ１４の半径方向に複数のワイヤロープ３４〜３７が積み重なる高さを上記のようにリスクに応じた高さに設定することで、ワイヤロープを必要以上に使用することなく、インペラ１４を過給機４の内部に格納した状態をより確実に維持することができる。

複数のワイヤロープ３４〜３７は、それぞれの一端部と多端部とをかしめるかしめ部材（図４に示したかしめ部材３２と同様のもの）によってかしめられている。このようにかしめ部材を設けることにより、簡易な構成でワイヤロープ３４〜３７を空気案内筒１６の周りに設置することができる。したがって、インペラ１４が破断した場合であっても、インペラ１４を過給機４の内部に格納した状態を、簡易な構成でより確実に維持することができる。

２ 内燃機関
４ 過給機
６ タービン
８ 発電機
１０ コンプレッサ
１２ 回転軸
１４ インペラ
１６ 空気案内筒
１８，３４〜３７ ワイヤロープ
１９ ハブ
２０ 翼
２２ ワイヤ
２４ スクロール室
２５ スクロール室フレーム
２８ 一端部
３０ 他端部
３２ かしめ部材
１００ 内燃機関システム
Ｐ 空気案内筒内を空気が流れる方向
Ｗ インペラの軸方向におけるインペラの翼の存在範囲

Claims (6)

1. 空気を圧縮するためのインペラと、
   前記インペラを収容し前記空気を案内するための空気案内筒と、
   前記空気案内筒の周りに巻かれた少なくとも１本のワイヤロープと、
   を有し、
   前記インペラの軸方向における少なくとも一部の範囲において、
   前記少なくとも１本のワイヤロープが前記インペラの半径方向に積み重なる高さは、前記空気案内筒内を前記空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて高くなる過給機。
2. 前記空気案内筒を通過した前記空気を外部へ案内するためのスクロール室を形成するスクロール室フレームを更に備え、
   前記少なくとも１本のワイヤロープの少なくとも一部は、前記空気案内筒と前記スクロール室フレームとの間に設けられる請求項１に記載の過給機。
3. 前記少なくとも１本のワイヤロープの前記少なくとも一部は、前記インペラの軸方向において前記インペラの翼の存在範囲内に位置する請求項２に記載の過給機。
4. 前記インペラの軸方向における前記インペラの翼の存在範囲のうちの少なくとも一部の範囲において、
   前記少なくとも１本のワイヤロープが前記インペラの半径方向に積み重なる高さは、前記空気案内筒内を前記空気が流れる方向において上流側に向かうにつれて高くなる請求項３に記載の過給機。
5. 前記少なくとも１本のワイヤロープの一端部と他端部とをかしめる少なくとも１つのかしめ部材を更に有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の過給機。
6. 前記ワイヤロープは複数本設けられている請求項１〜５のいずれか１項に記載の過給機。

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