JP7018932B2 - コンプレッサのスクロール形状及び過給機 - Google Patents

Description

本発明は、タービンとコンプレッサとが回転軸により連結される過給機において、コンプレッサのスクロール形状、このコンプレッサのスクロール形状が適用される過給機に関するものである。

排気タービン過給機は、コンプレッサとタービンとが回転軸により一体に連結され、このコンプレッサ及びタービンがハウジング内に回転自在に収容されて構成されている。そして、排気ガスがハウジング内に供給され、タービンを回転することで回転軸が駆動回転し、コンプレッサを回転駆動する。コンプレッサは、外部から空気を吸入し、羽根車で加圧して圧縮空気とし、この圧縮空気を内燃機関などに供給する。

このような排気タービン過給機において、遠心圧縮機としてのコンプレッサは、コンプレッサ羽根車の外周部に複数のブレードが固定されて構成されており、コンプレッサハウジング内に収容されている。このコンプレッサハウジングは、コンプレッサの外周側にディフューザとスクロール部と吐出口が設けられている。ディフューザは、略ドーナツ形状をなし、コンプレッサから吐出される流体を減速させることによって静圧を回復させる。スクロール部は、その外周側に通路断面積が周方向に向かって渦巻状に拡大するように形成され、全周にわたって流体を集める。そのため、コンプレッサが回転すると、各ブレードが吸入口から吸入した流体を圧縮し、圧縮空気がコンプレッサの外周側からディフューザに吐出され、スクロール部を通って吐出口から外部へ送出される。

従来のスクロール部は、スクロール巻き終り位置を基準の０°とすると、時計回りに略６０°にある舌部位置から３６０°位置にかけて通路断面積が徐々に大きくなっている。スクロール通路断面積の増加率は、設計流量において流速が周方向に略一定になるよう設計されるが、設計流量よりも少ない流量で作動する場合には、スクロール巻き終わり側から舌部側に向かって再循環する流れの効果によって、舌部近傍の流速が増加する。この結果、流速は相対的に下流側ほど低速となる。このようなコンプレッサとしては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特許第５４３９４２３号公報

図１５は、従来のコンプレッサのスクロール形状におけるスクロール角度に対する体積流量及び流速を表すグラフである。

図１５に示すように、従来のコンプレッサは、スクロール部の略６０°にある舌部位置から３６０°の位置にかけて通路断面積が徐々に大きくなっている（図１５で表す一点鎖線）。設計流量よりも少ない流量で作動する場合には、前述の再循環流れの効果によって流速（図１５で表す実線）が徐々に低下する。ところが、実際には、ＣＦＤ解析により、スクロール部の略６０°にある舌部位置を超えた位置から１８０°の位置あたりまでの領域で、流速が上昇した後に急激に低下（図１５で表す二点鎖線）することが分かった。これは、流速の急激な減速によってスクロール内ではく離が生じることでスクロールの有効流路面積が減少し、局所的に流速が増加したことによって生じたものである。

その結果、効率低下やサージマージン減少をもたらすおそれがある。即ち、スクロール部で発生する流体のはく離は、再循環流の発生に伴って通路断面積の小さな巻き始め部で流速が極端に増加する結果、スクロール巻き始め部から周方向下流側に向かって流体が急減速することに起因すると推定される。

なお、上述した特許文献１の圧縮機のスクロール形状にあっては、スクロール巻き始め部からスクロール巻き終り位置の領域で、強い減速に伴うはく離が発生したり、減速領域と増速領域とが混在することによって効率が低下してしまうおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、スクロール部における流体のはく離の発生を抑制して効率の向上を図るコンプレッサのスクロール形状及び過給機を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明のコンプレッサのスクロール形状は、コンプレッサにおける流体の流れ方向の下流側に設けられるディフューザから吐出される流体の流路を渦巻き状に形成するコンプレッサのスクロール形状において、スクロール部の通路断面積をＡとし、前記コンプレッサの中心から前記スクロール部の通路断面の中心までの半径をＲとしたとき、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定される、ことを特徴とするものである。

スクロール部は、巻き始め位置から巻き終り位置まで通路断面積が徐々に大きくなっており、設計流量において流速が周方向に略一定になるよう設計されるが、設計流量よりも少ない流量で作動する場合には、スクロール部の巻き終わり側から巻き始め側に再循環する流れが発生し、上流側で流速が増速され、下流側では通路断面積が大きくなることから低速となる。すると、スクロール部の巻き始め位置より下流側で流速が急激に低下してスクロール部ではく離が生じやすくなる。従って、スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、通路断面積Ａに対する半径Ｒの比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定する。そのため、スクロール部の巻き始め位置より下流側での通路断面積が減少することで流れが増速され、巻き始め位置との流速差が小さくなり、流速の減速率が緩和される。その結果、スクロール部の巻き始め位置より下流側で流速が急激に低下することが抑制される。その結果、スクロール部の壁面からの流体のはく離が抑制され、特に、小流量作動点における効率の向上を図ることができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、前記比Ａ／Ｒの増加度合いは、前記比Ａ／Ｒの変化率であり、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置に向かって、前記比Ａ／Ｒの変化率が大きくなるように設定されることを特徴としている。

従って、スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置に向かって比Ａ／Ｒの変化率が大きくなるように設定することで、スクロール部の巻き始め位置より下流側での通路断面積が減少することで流れが増速され、巻き始め位置との流速差が小さくなり、流速の減速率が緩和されることとなり、スクロール部の巻き始め位置より下流側で流速が急激に低下することが抑制され、スクロール部の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、横軸を前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域変化とし、縦軸を前記比Ａ／Ｒとしたときのグラフにおいて、前記比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなすことを特徴としている。

従って、流速の急激な低下が抑制され、スクロール部の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、前記スクロール部の巻き終り位置の角度を０°としたとき、前記スクロール部の巻き始め側に向けて少なくとも６０°から２４０°の領域で、前記比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなすことを特徴としている。

従って、少なくともスクロール部の巻き始め側の領域での流速の急激な低下が抑制され、スクロール部の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなる領域と、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが一定となる領域が設定されることを特徴としている。

従って、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなる領域で流速の急激な低下を抑制し、スクロール部の壁面からの流体のはく離を抑制することができる一方で、比Ａ／Ｒの増加度合いが一定となる領域で減速を促進して流速増加に伴う圧損の増加を低減することができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが小さくなる領域が存在しないことを特徴としている。

従って、流速の急激な変動によるスクロール部の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、前記スクロール部の巻き始め位置における前記比Ａ／Ｒは、前記スクロール部の巻き終り位置における前記比Ａ／Ｒの２０％以上に設定されることを特徴としている。

従って、スクロール部の巻き始め位置における通路断面積を拡大することで、流速が急激に低下することが抑制され、スクロール部の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

また、本発明のコンプレッサのスクロール形状は、コンプレッサにおける流体の流れ方向の下流側に設けられるディフューザから吐出される流体の流路を渦巻き状に形成するコンプレッサのスクロール形状において、スクロール部の通路断面積をＡとし、前記コンプレッサの中心から前記スクロール部の通路断面の中心までの半径をＲとしたとき、前記スクロール部の巻き始め位置における比Ａ／Ｒが巻き終り位置における前記比Ａ／Ｒの２０％以上に設定されると共に、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置に向けて前記比Ａ／Ｒが増加するように設定される、ことを特徴とするものである。

従って、スクロール部の巻き始め位置における通路断面積Ａに対する半径Ｒの比Ａ／Ｒを巻き終り位置における前記比Ａ／Ｒの２０％以上に設定することで、スクロール部の巻き始め位置における通路断面積が拡大され、巻き始め位置より下流側との流速差が小さくなり、流速の減速率が緩和される。その結果、スクロール部の巻き始め位置より下流側で流速が急激に低下することが抑制される。その結果、スクロール部の壁面からの流体のはく離が抑制され、特に、小流量作動点における効率の向上を図ることができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状では、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが一定になるように設定されることを特徴としている。

従って、減速を促進して流速増加に伴う圧損の増加を低減することができる。

また、本発明の過給機は、中空形状をなすハウジングと、前記ハウジングに回転自在に支持される回転軸と、前記回転軸における軸方向の一端部に設けられるタービンと、前記回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサと、を備え、前記ハウジングにおける前記コンプレッサのスクロール部に前記コンプレッサのスクロール形状が適用される、ことを特徴とするものである。

従って、コンプレッサのスクロール部において、スクロール部の巻き始め位置より下流側で流速が急激に低下することが抑制され、スクロール部の壁面からの流体のはく離が抑制され、特に、小流量作動点における効率の向上を図ることができる。

本発明のコンプレッサのスクロール形状及び過給機によれば、スクロール部における流体のはく離の発生を抑制して効率の向上を図ることができる。

図１は、第１実施形態の排気タービン過給機を表す全体構成図である。 図２は、第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状を表す概略図である。 図３は、スクロール部を表す断面図である。 図４は、スクロール部を表す概略図である。 図５は、スクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフである。 図６は、スクロール角度に対する流速を表すグラフである。 図７は、第１実施形態の変形例のスクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフである。 図８は、第１実施形態の変形例のスクロール角度に対する流速を表すグラフである。 図９は、第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状におけるスクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフである。 図１０は、第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状におけるスクロール角度に対する流速を表すグラフである。 図１１は、第２実施形態の変形例のスクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフである。 図１２は、第２実施形態の変形例のスクロール角度に対する流速を表すグラフである。 図１３は、本実施形態のコンプレッサのスクロール形状における空気流量に対する給気圧縮比を表すグラフである。 図１４は、本実施形態のコンプレッサのスクロール形状における空気流量に対する効率を表すグラフである。 図１５は、従来のコンプレッサのスクロール形状におけるスクロール角度に対する体積流量及び流速を表すグラフである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るコンプレッサのスクロール形状及び過給機の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の排気タービン過給機を表す全体構成図である。

図１に示すように、排気タービン過給機１１は、主に、タービン１２と、コンプレッサ１３と、回転軸１４とにより構成され、これらがハウジング１５内に収容されている。

ハウジング１５は、内部が中空に形成され、タービン１２の構成を収容する第一空間部Ｓ１をなすタービンハウジング１５Ａと、コンプレッサ１３の構成を収容する第二空間部Ｓ２をなすコンプレッサハウジング１５Ｂと、回転軸１４を収容する第三空間部Ｓ３をなすベアリングハウジング１５Ｃとを有している。ベアリングハウジング１５Ｃの第三空間部Ｓ３は、タービンハウジング１５Ａの第一空間部Ｓ１とコンプレッサハウジング１５Ｂの第二空間部Ｓ２との間に位置している。

回転軸１４は、タービン１２側の端部がタービン側軸受であるジャーナル軸受２１により回転自在に支持され、コンプレッサ１３側の端部がコンプレッサ側軸受であるジャーナル軸受２２により回転自在に支持され、且つ、スラスト軸受２３により回転軸１４が延在する軸方向への移動を規制されている。回転軸１４は、軸方向における一端部にタービン１２のタービンディスク２４が固定されている。タービンディスク２４は、タービンハウジング１５Ａの第一空間部Ｓ１に収容され、外周部に軸流型をなす複数のタービン翼２５が周方向に所定間隔で設けられている。また、回転軸１４は、軸方向における他端部にコンプレッサ１３のコンプレッサ羽根車２６が固定されている。コンプレッサ羽根車２６は、コンプレッサハウジング１５Ｂの第二空間部Ｓ２に収容され、外周部に複数のブレード２７が周方向に所定間隔で設けられている。

タービンハウジング１５Ａは、タービン翼２５に対して排気ガスの入口通路３１と排気ガスの出口通路３２が設けられている。そして、タービンハウジング１５Ａは、入口通路３１とタービン翼２５との間にタービンノズル３３が設けられており、このタービンノズル３３により静圧膨張された軸方向の排気ガス流が複数のタービン翼２５に導かれることで、タービン１２を駆動回転することができる。コンプレッサハウジング１５Ｂは、コンプレッサ羽根車２６に対して吸入口３４と圧縮空気吐出口３５が設けられている。そして、コンプレッサハウジング１５Ｂは、コンプレッサ羽根車２６と圧縮空気吐出口３５との間にディフューザ３６が設けられている。コンプレッサ羽根車２６により圧縮された空気は、ディフューザ３６を通って排出される。

そのため、この排気タービン過給機１１は、エンジン（図示せず）から排出された排ガスによりタービン１２が駆動し、タービン１２の回転が回転軸１４に伝達されてコンプレッサ１３が駆動し、このコンプレッサ１３が燃焼用気体を圧縮してエンジンに供給する。従って、エンジンからの排気ガスは、排気ガスの入口通路３１を通り、タービンノズル３３により静圧膨張され、軸方向の排気ガス流が複数のタービン翼２５に導かれることで、複数のタービン翼２５が固定されたタービンディスク２４を介してタービン１２が駆動回転する。そして、複数のタービン翼２５を駆動した排気ガスは、出口通路３２から外部に排出される。一方、タービン１２により回転軸１４が回転すると、一体のコンプレッサ羽根車２６が回転し、吸入口３４を通って空気が吸入される。吸入された空気は、コンプレッサ羽根車２６で加圧されて圧縮空気となり、この圧縮空気は、ディフューザ３６を通り、圧縮空気吐出口３５からエンジンに供給される。

上述した排気タービン過給機１１にて、コンプレッサ１３におけるスクロールは、圧縮空気（以下、流体と称する）の流路として、コンプレッサハウジング１５Ｂにおけるコンプレッサ羽根車２６より下流側、つまり、コンプレッサ羽根車２６の外周側に略ドーナツ形状（渦巻き形状）をなすスクロール部４１として設けられている。このスクロール部４１は、ディフューザ３６の外周側に断面積が巻き方向（圧縮空気が流れる方向）に向かって渦巻状に拡大するように形成されている。そのため、コンプレッサ羽根車２６から吐出される流体は、ディフューザ３６により減速されて静圧が回復され、スクロール部４１により減速して昇圧され、圧縮空気吐出口３５から外部に排出される。

ここで、第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状について説明する。図２は、第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状を表す概略図、図３は、スクロール部を表す断面図、図４は、スクロール部を表す概略図である。

図２に示すように、第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状は、スクロール部４１のラジアル方向における断面が略円形状をしており、スクロール部４１の通路断面積は、スクロール部４１の終点（巻き終り位置）Ｚ（３６０°）を０°の基準として、巻き方向（図２の時計回り方向）に移行した略６０°の位置からスクロール部の終点Ｚである３６０°の位置までの領域で渦巻状に漸次拡大している。ここで、通路断面とは、スクロール部４１における流体の流れ方向に沿う中心線Ｐ１に直交する面である。

また、スクロール部４１は、巻き方向の６０°の位置付近に巻き始め位置にほぼ一致する部位で、且つ、ディフューザ３６から吐出される流体とスクロール部４１を流れてきた流体との隔壁端縁である舌部４２が設けられている。

ところで、通常、スクロール部４１内を流れる流体は、角運動量が一定であることを条件として以下の式が用いられる。ここで、周方向速度をＶθ、コンプレッサ羽根車２６の半径をｒとする。

この場合、スクロール部４１における流体の流れ方向における各部位にて、通路断面の内側と外側とでは、（１）式からも明らかなように、内側の流体の速度が外側の流体の速度より速くなっている。そのため、スクロール部４１内を流れる流体の体積流量Ｑは、通路断面の大きさ（形状）とスクロール部４１の半径を考慮する必要がある。

そのため、図３に示すように、体積流量Ｑは、スクロール部４１の通路断面を半径一定ｒｉの帯状の領域（断面積Ａｉ）に分割することで、（１）式より次式（２）で求められる。

一方、（１）式より、Ｖθｉ×ｒｉ＝Ｖθ×ｒが成立する。

そして、（３）式を（２）式に代入する。

（４）式からＶθｒは、コンプレッサ羽根車２６から吐出される流体のディフューザ３６の外周部における速度を示し、ディフューザ３６の外周部全域において同じ速度であることから、設計時に決まる定数とみなすことができる。
従って、（５）式は、スクロール部４１の各通路断面形状に沿った面積を考慮した値となる。

そこで、下記のように置き換える。

すると、（４）式の体積流量Ｑは（７）式として表すことができる。

スクロール部４１の各通路断面を通過する体積流量Ｑは、各通路断面において一定とすると、その流速Ｖは、通路断面積Ａに対する半径Ｒの比Ａ／Ｒによって決まり、比Ａ／Ｒが大きいと流速Ｖは減少する。また、半径Ｒが一定で通路断面積Ａを小さくすると、ここを流れる流体の流速Ｖは増加する。

そして、図４は、スクロール部４１の巻き方向（流体の流れる方向）における各部位θ１からθ６での通路断面積を積層して表示した断層図であり、比Ａ／Ｒの断面積拡大比率を変えた場合の分布を示している。即ち、図２に現したスクロール部４１の周方向における各部位θ１、θ２、θ３、θ４、θ５、θ６までの断面積を積層したものである。スクロール部４１は、スクロール部４１のほぼ全周にわたってコンプレッサ羽根車２６からの流体がディフューザ３６を介して流入する。本実施形態では、スクロール部４１の各通路断面における比Ａ／Ｒをスクロール角度θの増加に伴って増加させている。

図５は、スクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフ、図６は、スクロール角度に対する流速を表すグラフである。

第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状は、図２に示すように、スクロール部４１の通路断面積をＡとし、コンプレッサ羽根車２６の中心Ｌ１からスクロール部４１の通路断面の中心（中心線）Ｐ１までの半径をＲとしたとき、スクロール部４１の巻き始め位置（舌部４２の位置）から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定される。

即ち、図５に示すように、スクロール部４１の巻き終り位置０°に対して巻き方向に移行したスクロール角度θ＝略６０°の位置から、スクロール部４１の巻き終り位置であるスクロール角度θ＝３６０°の位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いとしての比Ａ／Ｒの変化率は、スクロール角度θが略６０°から３６０°に増加するのに伴って大きくなるように設定されている。

つまり、横軸をスクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域変化とし、縦軸を比Ａ／Ｒとしたとき、比Ａ／Ｒの線形は、０側に向けて凸形状をなしている。ここで、従来、比Ａ／Ｒの線形は、直線（点線）であり、比Ａ／Ｒは、スクロール角度θの増加に伴って変化率が一定である。一方、第１実施形態の比Ａ／Ｒの線形は、凹形状（実線）となっている。ここで、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合い（変化率）が小さくなる領域は存在しない。

そのため、図６に示すように、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、点線で表す従来のスクロール形状による流速は、スクロール角度θ＝略６０°より下流側で流速が急激に減速する。そのため、スクロール角度θ＝略６０°から１８０°領域ではく離が発生しやすい。一方、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、実線で表す本実施形態のスクロール形状による流速は、ほぼ一定に減速する。そのため、スクロール角度θ＝略６０°より下流側の領域ではく離が発生しにくい。

なお、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置まで移行する領域で、比Ａ／Ｒの変化率は上述したものに限定されるものではない。図７は、第１実施形態の変形例のスクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフ、図８は、第１実施形態の変形例のスクロール角度に対する流速を表すグラフである。

第１実施形態の変形例のスクロール形状は、図７に示すように、スクロール部４１の巻き始め位置となるスクロール角度θ＝略６０°から巻き終り位置となるスクロール角度θ＝２４０°までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合い（変化率）が大きくなるように設定される。即ち、少なくともスクロール角度θ＝略６０°の位置からスクロール角度θ＝２４０°の位置までの領域で、比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなしている。そして、スクロール角度θ＝２４０°の位置からスクロール角度θ＝３６０°の位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合い（変化率）が一定となることで、比Ａ／Ｒの線形が直線状をなしている。この変形例では、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなる領域と、比Ａ／Ｒの増加度合いが一定となる領域が設定されている。この場合でも、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合い（変化率）が小さくなる領域は存在しない。

そのため、図８に示すように、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、点線で表す従来のスクロール形状による流速は、スクロール角度θ＝略６０°より下流側で流速が急激に減速する。そのため、スクロール角度θ＝略６０°から１８０°領域ではく離が発生しやすい。一方、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、実線で表す本実施形態のスクロール形状による流速は、変化率が小さくなる。そのため、この領域ではく離が発生しにくい。

このように第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状にあっては、コンプレッサ１３における流体の流れ方向の下流側に設けられるディフューザ３６から吐出される流体の流路を渦巻き状に形成するコンプレッサのスクロール形状において、スクロール部４１の通路断面積をＡとし、コンプレッサ羽根車２６の中心Ｌ１からスクロール部４１の通路断面の中心Ｐ１までの半径をＲとしたとき、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定している。

この場合、比Ａ／Ｒの増加度合いは、比Ａ／Ｒの変化率であり、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置に向かって比Ａ／Ｒの変化率が大きくなるように設定している。具体的には、横軸をスクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域変化とし、縦軸を比Ａ／Ｒとしたときのグラフにおいて、比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなしている。

従って、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、通路断面積Ａに対する半径Ｒの比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定することで、スクロール部４１の巻き始め位置より下流側での通路断面積が減少して流れが増速され、巻き始め位置との流速差が小さくなり、流速の減速率が緩和される。その結果、スクロール部４１の巻き始め位置より下流側で、流速が急激に低下することが抑制される。その結果、スクロール部４１の壁面からの流体のはく離が抑制され、特に、小流量作動点における効率の向上を図ることができる。そして、小流量作動点の効率が向上し、サージマージン（作動レンジ）を拡大することができる。

第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状では、スクロール部４１のスクロール角度が少なくとも略６０°から２４０°の領域で、比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなす。従って、少なくともスクロール部４１の巻き始め側の領域での流速の急激な低下が抑制され、スクロール部４１の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状では、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなる領域と、比Ａ／Ｒの増加度合いが一定となる領域を設定している。従って、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなる領域で流速の急激な低下を抑制し、スクロール部４１の壁面からの流体のはく離を抑制することができる一方で、比Ａ／Ｒの増加度合いが一定となる領域で減速を促進して流速増加に伴う圧損の増加を低減することができる。

第１実施形態のコンプレッサのスクロール形状では、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが小さくなる領域を設けていない。従って、流速の急激な変動によるスクロール部４１の壁面からの流体のはく離を抑制することができる。

また、第１実施形態の過給機にあっては、中空形状をなすハウジング１５と、ハウジング１５に回転自在に支持される回転軸１４と、回転軸１４における軸方向の一端部に設けられるタービン１２と、回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサ１３とを備え、ハウジング１５におけるコンプレッサ１３のスクロール部４１にて、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定する。

従って、コンプレッサ１３のスクロール部４１において、流体の再循環流の発生によりスクロール巻き始め位置で流速が急激に低下することが抑制され、スクロール部４１の壁面からの流体のはく離が抑制され、特に、小流量作動点における効率の向上を図ることができる。

［第２実施形態］
図９は、第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状におけるスクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフ、図１０は、第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状におけるスクロール角度に対する流速を表すグラフである。

第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状は、図９に示すように、スクロール部４１の通路断面積をＡとし、コンプレッサ羽根車２６の中心Ｌ１からスクロール部４１の通路断面の中心Ｐ１までの半径をＲとしたとき、スクロール部４１の巻き始め位置となるスクロール角度θ＝略６０°の位置から、巻き終り位置となるスクロール角度θ＝３６０°の位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合い（変化率）が大きくなるように設定されている。

つまり、横軸をスクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域変化とし、縦軸を比Ａ／Ｒとしたとき、比Ａ／Ｒの線形は、０側に向けて凸形状をなしている。ここで、従来、比Ａ／Ｒの線形は、直線（点線）であり、比Ａ／Ｒは、スクロール角度θの増加に伴って変化率が一定である。一方、第１実施形態の比Ａ／Ｒの線形は、凹形状（実線）となっている。

また、第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状は、スクロール部４１の巻き始め位置となるスクロール角度θ＝略６０°の位置での比Ａ／Ｒが、スクロール部４１の巻き終り位置となるスクロール角度θ＝３６０°の位置での比Ａ／Ｒの２０％以上に設定されている。つまり、第１実施形態のスクロール部４１における比Ａ／Ｒの線形（実線）は、スクロール角度θ＝略６０°～３６０°の領域で、従来のスクロール部における比Ａ／Ｒの線形（点線）より高く設定されている。但し、スクロール部４１における比Ａ／Ｒの線形の一部が従来のスクロール部における比Ａ／Ｒの線形（点線）より低くてもよい。

そのため、図１０に示すように、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、実線で表す本実施形態のスクロール形状による流速は、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）で従来（点線）より低値となり、ほぼ一定に減速する。そのため、この領域ではく離が発生しにくい。

なお、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置まで移行する領域で、比Ａ／Ｒの変化率は上述したものに限定されるものではない。図１１は、第２実施形態の変形例のスクロール角度に対するＡ／Ｒを表すグラフ、図１２は、第２実施形態の変形例のスクロール角度に対する流速を表すグラフである。

第２実施形態の変形例のコンプレッサのスクロール形状は、図１１に示すように、スクロール部４１の巻き始め位置となるスクロール角度θ＝略６０°の位置から、巻き終り位置となるスクロール角度θ＝３６０°の位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合い（変化率）が一定に設定されている。また、スクロール部４１の巻き始め位置となるスクロール角度θ＝略６０°の位置での比Ａ／Ｒが、スクロール部４１の巻き終り位置となるスクロール角度θ＝３６０°の位置での比Ａ／Ｒの２０％以上に設定されている。

そのため、図１２に示すように、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）から巻き終り位置（スクロール角度θ＝３６０°）までの領域で、実線で表す本実施形態のスクロール形状による流速は、スクロール部４１の巻き始め位置（スクロール角度θ＝略６０°）で従来（点線）より低値となり、変化率が小さくなる。そのため、この領域ではく離が発生しにくい。

このように第２実施形態のコンプレッサのスクロール形状にあっては、スクロール部４１の通路断面積をＡとし、コンプレッサ羽根車２６の中心Ｌ１からスクロール部４１の通路断面の中心Ｐ１までの半径をＲとしたとき、スクロール部４１の巻き始め位置における比Ａ／Ｒがスクロール部４１の巻き終り位置における比Ａ／Ｒの２０％以上に設定すると共に、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置に向けて比Ａ／Ｒが増加するように設定する。

従って、スクロール部４１の巻き始め位置における通路断面積Ａに対する半径Ｒの比Ａ／Ｒを巻き終り位置における比Ａ／Ｒの２０％以上に設定することで、スクロール部４１の巻き始め位置における通路断面積が拡大され、巻き始め位置より下流側との流速差が小さくなり、流速の減速率が緩和される。その結果、スクロール部４１の巻き始め位置より下流側で流速が急激に低下することが抑制される。その結果、スクロール部４１の壁面からの流体のはく離が抑制され、特に、小流量作動点における効率の向上を図ることができる。

［実施形態の効果］
図１３は、本実施形態のコンプレッサのスクロール形状における空気流量に対する給気圧縮比を表すグラフ、図１４は、本実施形態のコンプレッサのスクロール形状における空気流量に対する効率を表すグラフである。

図１３に示すように、空気流量に対する給気圧力比は、点線で表す従来の給気圧力比に比べて、実線で表す第１、第２実施形態の給気圧力比は、特に、高回転側で向上し、作動レンジを拡大することができる。また、図１４に示すように、空気流量に対する効率は、点線で表す従来の効率に比べて、実線で表す第１、第２実施形態の効率は、特に、小流量側で向上している。

なお、上述した実施形態では、スクロール部４１の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域における通路断面積Ａに対する半径Ｒの比Ａ／Ｒを規定したが、通路断面積Ａで規定してもよい。

１１ 排気タービン過給機
１２ タービン
１３ コンプレッサ
１４ 回転軸
１５ ハウジング
２１，２２ ジャーナル軸受
２３ スラスト軸受
２４ タービンディスク
２５ タービン翼
２６ コンプレッサ羽根車
２７ ブレード
３４ 吸入口
３５ 圧縮空気吐出口
３６ ディフューザ
４１ スクロール部
４２ 舌部

Claims (5)

1. コンプレッサにおける流体の流れ方向の下流側に設けられるディフューザから吐出される流体の流路を渦巻き状に形成するスクロール外径が周方向に一定でないコンプレッサのスクロール形状において、
   前記ディフューザの外周側に断面積が巻き方向に向かって渦巻状に拡大するように形成され、
   スクロール部の通路断面積をＡとし、前記コンプレッサの中心から前記スクロール部の通路断面の中心までの半径をＲとしたとき、
   前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなるように設定され、
   且つ、前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの全ての領域で、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが小さくなる領域が存在せず、
   前記スクロール部の巻き始め位置における前記比Ａ／Ｒは、前記スクロール部の巻き終り位置における前記比Ａ／Ｒの２０％以上に設定される、
   ことを特徴とするコンプレッサのスクロール形状。
2. 横軸を前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域変化とし、縦軸を前記比Ａ／Ｒとしたときのグラフにおいて、前記比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のコンプレッサのスクロール形状。
3. 前記スクロール部の巻き終り位置の角度を０°としたとき、前記スクロール部の巻き始め側に向けて少なくとも略６０°から２４０°の領域で、前記比Ａ／Ｒの線形が０側に向けて凸形状をなすことを特徴とする請求項２に記載のコンプレッサのスクロール形状。
4. 前記スクロール部の巻き始め位置から巻き終り位置までの領域で、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが大きくなる領域と、前記比Ａ／Ｒの増加度合いが一定となる領域が設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコンプレッサのスクロール形状。
5. 中空形状をなすハウジングと、
   前記ハウジングに回転自在に支持される回転軸と、
   前記回転軸における軸方向の一端部に設けられるタービンと、
   前記回転軸における軸方向の他端部に設けられるコンプレッサと、
   を備え、
   前記ハウジングにおける前記コンプレッサのスクロール部に請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のコンプレッサのスクロール形状が適用される、
   ことを特徴とする過給機。

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