JP7123029B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は、循環流路を備えた遠心圧縮機に関する。

車両用エンジンに用いられるターボ過給機の圧縮機として遠心圧縮機が広く用いられている。車両用エンジンのターボ過給機には、低流量域から作動することが求められるが、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隙間から圧縮空気が逆流する現象が発生し、この逆流空気が入口通路を通ってインペラに吸い込まれる主流を乱し、サージを引き起こす一因になっている。サージの発生を抑制し、遠心圧縮機の作動領域を拡げるため、インペラに吸い込まれた空気の一部をインペラよりも上流側の入口通路に戻すための循環通路をハウジングに形成することが知られている（例えば、特許文献１～３参照）。

ハウジングに循環流路が形成されることにより、インペラに吸い込まれる空気量が入口通路に吸い込まれる空気量よりも増えるため、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機の低流量側の作動領域が拡大される。

特開平５－６００９７号公報 特開２００３－３１４４９６号公報 特開２０１５－６３９２０号公報

しかしながら、従来の遠心圧縮機では、循環流路の上流端をなす吸込流路部がインペラに対峙する部分に開口するようにスリット状に形成されている。そのため、循環流路の圧力損失が大きく、循環流量を効率的に増加させることができない。

ここで、循環流量を増加させるために、吸込流路部の流路面積を拡大することや、循環流路の下流端をなす噴出流路部の流路面積を拡大することが考えられる。しかしながら、吸込流路部の流路面積を拡大した場合、インペラに対峙する部分の開口が大きくなり、入口通路を通ってインペラに吸い込まれる空気の圧縮効率の低下を招く。また、噴出流路部の流路面積を拡大したした場合、循環流量の流路面積が噴出流路部で拡大することによって循環流量の圧力損失が増大するため、効率的に循環流量を増加させることができない。

本発明は、このような背景に鑑み、圧縮効率の低下を抑制しつつ効率的に循環流量を増加させ、遠心圧縮機の低流量側の作動領域を拡大できる遠心圧縮機を提供することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、軸線方向（Ｘ）に沿って延びる入口流路（２３）、前記入口流路に連通するインペラ収容部（２４）、前記インペラ収容部の外周部に設けられたディフューザ（２５）及び、前記ディフューザの下流側にて、軸線回りに渦巻状に延びる出口流路（２６）を有するハウジング（２１）と、前記インペラ収容部内で、前記軸線方向に沿って延びる回転軸（４）を介して回転可能に支持されたインペラ（２２）とを備える遠心圧縮機（２）であって、前記インペラ収容部に連通する吸込口（３１）から径方向外方へ延びる吸込流路部（３３）と、前記吸込流路部の下流端から前記軸線方向に前記入口流路の上流側に向けて延びる連結流路部（３４）と、前記連結流路部の下流端から径方向内方に向けて延び、前記入口流路に連通する噴出口（３２）に至る噴出流路部（３５）とを有する循環流路（３０）が前記ハウジングに形成され、前記循環流路の上流端が、前記吸込口に向けて拡開されている。

この構成によれば、循環流路の入口損失が小さくなり、循環流路の圧力損失が低減することから、循環流路を流通する流体の流量（以下、循環流量という）が増加する。一方、循環流路の全体の流路面積が大きくなってないので、インペラに対峙する部分の開口が大きくなっても、入口通路を通ってインペラに吸い込まれる流体の圧縮効率の低下は抑制される。したがって、圧縮効率の低下を抑制しつつ効率的に循環流量を増加させ、遠心圧縮機の低流量側の作動領域を拡大することができる。

好ましくは、前記吸込流路部（３３）が、下流側に向けて漸増する流路面積を有し、前記吸込流路部の最小流路面積部（４２）が、前記吸込口（３１）の流路面積に対して１０％～４０％小さい流路面積を有する。

この構成によれば、より効果的に、圧縮効率の低下を抑制しつつ循環流量を増加させることができる。

好ましくは、前記吸込流路部（３３）と前記連結流路部（３４）とが、湾曲する第１湾曲部（３６）を介して滑らかに接続され、前記連結流路部と前記噴出流路部（３５）とが、湾曲する第２湾曲部（３７）を介して滑らかに接続されている。

この構成によれば、循環流路の圧力損失を効果的に低減して循環流量を増加させることができる。

好ましくは、前記吸込流路部（３３）が、前記吸込口（３１）から前記第１湾曲部（３６）にかけて、前記噴出流路部（３５）から離反する向きに傾斜している。

この構成によれば、吸込流路部の傾斜の向きが入口通路を通ってインペラに吸い込まれる流体の流れ（以下、主流という）の向きと一致することから、循環流路の入口損失を小さくして循環流路の圧力損失を効果的に低減できるとともに、インペラに吸い込まれる流体の圧縮効率の低下を抑制することもできる。

好ましくは、前記噴出流路部（３５）が、前記第２湾曲部（３７）から前記噴出口（３２）にかけて、前記吸込流路部（３３）に近接する向きに傾斜している。

この構成によれば、インペラに向かう主流を乱すことなく循環流量を増加させることができる。したがって、遠心圧縮機の低流量側の作動領域を効果的に拡大することができる。

好ましくは、前記連結流路部（３４）が筒状をなしており、前記連結流路部の下流部に複数の整流ベーン（３８）が周方向に間隔を空けて設けられている。

この構成によれば、循環流路を流れる流体の旋回流を抑制し、インペラに向かう主流の乱れを抑制することができる。また、旋回流が弱くなる連結流路部の下流部に整流ベーンが設けられるため、整流による循環流路の圧力損失の増大を抑制することができる。

好ましくは、前記循環流路（３０）の流路面積が、前記吸込流路部（３３）の最小流路面積部（４２）から前記整流ベーン（３８）に至るまで連続的に増大している。

この構成によれば、循環流路の拡大損失の増大を抑制しつつ、整流ベーンが設けられた連結流路部の下流部における循環流の流速を低減して整流による循環流路の圧力損失の増大を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記連結流路部（３４）の前記整流ベーン（３８）の上流側（Ｃ位置）の流路面積をＡ１とし、前記吸込流路部（３３）の前記最小流路面積部（４２）の流路面積をＡ２としたときに、Ａ１／Ａ２で表される流路面積比が１．５超且つ３未満である。

この構成によれば、最小流路面積部から整流ベーンの上流側部分までに、循環流路を流通する流体の流速が低下し、整流ベーンの上流側での動圧が小さくなることから、整流ベーンを通る際の流体の圧力損失を低減することができる。

好ましくは、前記流路面積比が２超である。

この構成によれば、最小流路面積部から整流ベーンの上流側部分までに、循環流路を流通する流体の流速が確実に低下し、整流ベーンを通る際の流体の圧力損失を確実に低減することができる。

好ましくは、前記循環流路（３０）が同一流路面積の円形断面を有すると仮定したときに、この仮想の前記循環流路（３０'）の、前記吸込流路部（３３）の前記最小流路面積部（４２）に対応する位置から前記整流ベーン（３８）の上流側（Ｃ位置）に対応する位置までの区間の広がり角（２θ）が、３０°以下である。

この構成によれば、仮想の前記循環流路の上記区間の圧力損失が小さくなることで、整流ベーンの上流側での静圧が効果的に回復し、整流ベーンを通る際の流体の圧力損失を効果的に低減することができる。

好ましくは、前記整流ベーン（３８）が、上流端及び下流端にＲ面（３９）を有し、前記軸線方向（Ｘ）に沿って延びる平板状をなしている。

この構成によれば、構成が簡単で製造が容易な整流ベーンにより、循環流路の圧力損失の増大を抑制しつつ、循環流路を流れる流体の旋回流を低減して主流の乱れを抑制することができる。

このように本発明によれば、圧縮効率の低下を抑制しつつ効率的に循環流量を増加させ、遠心圧縮機の低流量側の作動領域を拡大できる遠心圧縮機を提供することができる。

一部を破断して示すターボチャージャの斜視図 図１に示される遠心圧縮機の断面図 図２に示される循環流路の拡大図 一部の壁を透視して示す遠心圧縮機の斜視図 図４中の要部拡大図 仮想循環流路の説明図 （Ａ）実施形態、（Ｂ）比較例１、（Ｃ）比較例２に係る整流ベーンにおける循環流の流れの説明図 図７に示される実施形態、比較例１、比較例２に係る循環流路における各位置の全圧を示すグラフ 図７に示される実施形態、比較例１、比較例２に係る循環流路における各位置の循環流のマッハ数を示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は一部を破断して示すターボチャージャ１の斜視図である。図１に示されるように、本実施形態では、車両用エンジンの過給機であるターボチャージャ１に遠心圧縮機２が適用されている。ターボチャージャ１は、排気エネルギを回転エネルギに変換するタービン３と、タービン３の回転力を出力する回転軸４と、回転軸４により伝達されたタービン３の回転力により駆動されて空気を圧縮する遠心圧縮機２（コンプレッサ）とを備えている。回転軸４は、タービン３と遠心圧縮機２とを連結するセンタハウジング５によりベアリングを介して回転可能に支持されている。以下、回転軸４を基準にして軸線方向Ｘ及び径方向を規定する。

タービン３は、センタハウジング５の一端に結合されたタービンハウジング１１と、回転軸４の一端に結合されたタービンインペラ１２（タービン３ホイール）とを備えている。タービンハウジング１１は、タービンインペラ１２を収容するタービン室１３、タービン室１３に接線方向に連通する排気導入通路１４、タービン室１３から軸線方向Ｘに沿って延出するタービン出口通路１５、タービン出口通路１５の出口側に設けられ、ウェイストゲートバルブ１６を収容するウェイストゲート収容部１７、及び、排気導入通路１４とウェイストゲート収容部１７とを連通するバイパス通路１８を画定している。

タービンハウジング１１の排気導入通路１４の入口部分には入口フランジ１９が一体形成されている。入口フランジ１９は、図示しない排気マニホールドの下流端にボルトにより結合される。ウェイストゲート収容部１７は、タービン出口通路１５とバイパス通路１８とを合流させる排気合流室をなし、軸線方向Ｘに向けて開口する略半球形をしている。ウェイストゲート収容部１７の出口部分には出口フランジ２０が一体形成されている。出口フランジ２０には、排気管や三元触媒、ＤＰＦなどの排気系が接続される。ウェイストゲートバルブ１６は、バイパス通路１８を選択的に開閉させるものであり、タービンハウジング１１に回動可能に支持されてウェイストゲート収容部１７内にて開閉作動する。

タービン３に排ガスが流通すると、タービンインペラ１２が排ガスによって回転駆動され、回転力が回転軸４を介して遠心圧縮機２に伝達される。

図２は、図１に示される遠心圧縮機２の断面図である。図１及び図２に示されるように、遠心圧縮機２は、センタハウジング５の他端に結合されたハウジング２１と、回転軸４の他端に結合されたインペラ２２（コンプレッサホイール）とを備えている。ハウジング２１は、軸線方向Ｘに沿って延びる入口流路２３、入口流路２３に連通するインペラ収容部２４、インペラ収容部２４の外周部に設けられたディフューザ２５及び、ディフューザ２５の下流側にて、軸線回りに渦巻状に延びる出口流路２６（スクロール流路）を画定している。インペラ２２は、インペラ収容部２４内で、軸線方向Ｘに沿って延びる回転軸４を介して回転可能に支持されている。

遠心圧縮機２は、エンジンの吸気系の途中に設けられ、圧縮した空気をエンジンに供給する。具体的には、回転軸４がタービン３によって回転駆動されると、遠心圧縮機２のインペラ２２が回転する。このインペラ２２の回転により、インペラ収容部２４の空気が遠心力によって高速且つ低圧の空気としてディフューザ２５に送られる。この空気の流れはディフューザ２５において低速且つ高圧の流れに変換され、更に渦巻状の出口流路２６においてより低速且つより高圧の流れに変換される。出口流路２６から送られる正圧の空気は吸気系の下流側部分を介してエンジンの燃料室に供給される。一方、インペラ２２の回転により、インペラ収容部２４の入口側は負圧になる。そのため、インペラ収容部２４には、吸気系の上流側部分から入口流路２３を介して負圧の空気が供給される。このようにして、空気は遠心圧縮機２において圧縮されてエンジンに供給される。

ハウジング２１は、センタハウジング５の他端に結合される平板状のバックプレート２７と、バックプレート２７のセンタハウジング５と相反する側に接合されるハウジング主部材２８とを含んでいる。ハウジング主部材２８は、入口流路２３を画定する入口管部２９を備えており、バックプレート２７との間にインペラ収容部２４、ディフューザ２５及び出口流路２６を画定する。入口管部２９の内面は漏斗形状をしており、入口流路２３を下流に向けて縮径させている。入口管部２９の外面は、入口側が細い段付きの円筒形状をしている。

ハウジング２１には、入口管部２９からハウジング主部材２８のインペラ収容部２４を画定する部分にかけて、インペラ収容部２４の圧縮空気を入口流路２３に循環させるための循環流路３０が形成されている。循環流路３０は、インペラ収容部２４に連通する吸込口３１及び、入口流路２３に連通する噴出口３２を有している。また循環流路３０は、吸込口３１から径方向外方へ延びる吸込流路部３３と、吸込流路部３３の下流端から軸線方向Ｘに入口流路２３の上流側に向けて延びる連結流路部３４と、連結流路部３４の下流端から径方向内方に向けて延び、噴出口３２に至る噴出流路部３５とを有している。

このようにハウジング２１に循環流路３０が形成されていることにより、空気流量が減少してきたときに、空気が循環流路３０を流れることで、インペラ２２に吸い込まれる空気量が入口通路に吸い込まれる空気量よりも増える。したがって、インペラ２２とハウジング２１との隙間から圧縮空気が逆流する現象やサージの発生が抑制される。これにより、サージ発生の限界域が低流量側へ移動し、遠心圧縮機２の低流量側の作動領域が拡大される。

図３は、図２に示される循環流路３０の拡大図である。図３に示されるように、吸込流路部３３と連結流路部３４とは、湾曲する第１湾曲部３６を介して滑らかに接続されている。連結流路部３４と噴出流路部３５とは、湾曲する第２湾曲部３７を介して滑らかに接続されている。これらの構成により、循環流路３０の圧力損失が効果的に低減され、循環流路３０を流通する空気の流量（以下、循環流量という）が増加する。

吸込流路部３３は、吸込口３１から第１湾曲部３６にかけて、噴出流路部３５から離反する向きに傾斜している。つまり、吸込流路部３３の傾斜の向きが入口通路を通ってインペラ２２に吸い込まれる空気の流れ（以下、主流という）の向きと一致している。そのため、循環流路３０の入口損失が小さくなり、循環流路３０の圧力損失が効果的に低減されるとともに、インペラ２２に吸い込まれる空気の圧縮効率の低下が抑制される。

噴出流路部３５は、第２湾曲部３７から噴出口３２にかけて、吸込流路部３３に近接する向きに傾斜している。吸込流路部３３のハウジング２１の内面に対する傾斜角度は、噴出流路部３５のハウジング２１の内面に対する傾斜角度よりも小さく設定されている。このように噴出流路部３５が傾斜していることにより、インペラ２２に向かう主流を乱すことなく循環流量を増加させることが可能になる。したがって、遠心圧縮機２の低流量側の作動領域が効果的に拡大する。

図４は、一部の壁を透視して示す遠心圧縮機２の斜視図である。図３及び図４に示されるように、吸込口３１はハウジング２１のインペラ収容部２４を画定する部分の内周面に円環状に形成されている。すなわち、吸込流路部３３はインペラ収容部２４から径方向外方に拡がる略円錐台形のスリットにより形成されている。同様に、噴出口３２はハウジング２１の入口管部２９の内周面に円環状に形成されている。すなわち、噴出流路部３５は入口流路２３から径方向外方に拡がる略円錐台形のスリットにより形成されている。連結流路部３４は、吸込流路部３３の下流端である外縁部と噴出流路部３５の上流端である外縁部とを連結する円筒状のスリットにより形成されている。

連結流路部３４の下流部には、複数の整流ベーン３８が周方向に間隔を空けて設けられている。整流ベーン３８は同一形状の平板状の部材からなり、連結流路部３４において均等間隔に配置されて放射状に延在している。各整流ベーン３８は、下流側の端部において上流側の端部よりも大きな高さを有している。このように筒状をなす連結流路部３４の下流部に複数の整流ベーン３８が周方向に間隔を空けて設けられることにより、循環流路３０を流れる空気の旋回流が抑制され、インペラ２２に向かう主流に乱れが生じることが抑制される。また、旋回流が弱くなる連結流路部３４の下流部に整流ベーン３８が設けられるため、整流による循環流路３０の圧力損失の増大が抑制される。

図５は図４中の要部拡大図である。図５に示されるように、各整流ベーン３８は、軸線方向Ｘに沿って延びる平板状をなしており、連結流路部３４に沿う断面（径方向に直交する断面）において上流端及び下流端にＲ面３９を有している。

図３に示されるように、吸込流路部３３は下流側に向けて漸増する流路面積を有しており、吸込口３１に向けて拡開するファンネル部４１（漏斗状断面形状部）を上流端に有している。ファンネル部４１は上流端（吸込口３１）から下流端に向けて流路面積を縮小させており、ファンネル部４１の下流端は吸込流路部３３において最も流路面積が狭い最小流路面積部４２をなしている。

このように循環流路３０の上流端が吸込口３１に向けて拡開されていることにより、循環流路３０の入口損失が小さくなり、循環流路３０の圧力損失が低減されるため、循環流量が増加する。一方、循環流路３０の全体の流路面積が大きくなってないので、インペラ２２に対峙する部分の開口が大きくなっても、入口通路を通ってインペラ２２に吸い込まれる空気の圧縮効率の低下は抑制される。したがって、圧縮効率の低下を抑制しつつ効率的に循環流量を増加させ、遠心圧縮機２の低流量側の作動領域を拡大することができる。

吸込流路部３３の最小流路面積部４２は、吸込口３１の流路面積に対して１０％～４０％小さい流路面積を有するとよい。このような構成により、より効果的に、圧縮効率の低下を抑制しつつ循環流量を増加させることができる。

図３の断面において、循環流路３０の幅或いは高さは吸込流路部３３の最小流路面積部４２から連結流路部３４の下流端まで連続的に増大している。したがって、循環流路３０の流路面積は吸込流路部３３の最小流路面積部４２から整流ベーン３８に至るまで連続的に増大している。また、整流ベーン３８が設けられた部分においても、上流端のＲ部を除く領域では吸込流路部３３の流路面積は下流に向けて連続的に増大している。図３の断面において、噴出流路部３５の幅或いは高さは下流に向けて連続的に減少している。したがって、循環流路３０の流路面積は噴出流路部３５において連続的に減少している。

このように循環流路３０の流路面積は吸込流路部３３の最小流路面積部４２から整流ベーン３８に至るまで連続的に増大している。これにより、循環流路３０の拡大損失の増大を抑制しつつ、整流ベーン３８が設けられた連結流路部３４の下流部における循環流の流速を低減して、整流による循環流路３０の圧力損失の増大を効果的に抑制することができる。

具体的には、循環流路３０の流路面積は以下のように設定されるとよい。すなわち、連結流路部３４の整流ベーン３８の上流側（整流ベーン３８の手前の位置であり、図３中のＣ位置）の流路面積をＡ１とし、吸込流路部３３の最小流路面積部４２（図３中のＡ位置）の流路面積をＡ２とすると、下式（１）が満たされるとよい。
１．５＜Ａ１／Ａ２＜３ ・・・（１）
このようにＡ１／Ａ２で表される両部分の流路面積比が１．５超且つ３未満に設定されることにより、最小流路面積部４２から整流ベーン３８の上流側部分までに、循環流路３０を流通する空気の流速が低下し、整流ベーン３８の上流側での動圧が小さくなることから、整流ベーン３８を通る際の空気の圧力損失が低減される。

また循環流路３０の流路面積は、下式（２）を満たすことがより好ましい。
２．０＜Ａ１／Ａ２ ・・・（２）
このようにＡ１／Ａ２で表される両部分の流路面積比が２超に設定されることにより、最小流路面積部４２から整流ベーン３８の上流側部分までに空気の流速が確実に低下する。具体的には、連結流路部３４の整流ベーン３８の上流側における空気のマッハ数が、最小流路面積部４２における空気のマッハ数の１／２以下（例えば、最小流路面積部４２におけるマッハ数が０．６以下の場合、整流ベーン３８の上流側におけるマッハ数は０．３以下）に低下する。これにより、整流ベーン３８の上流側での動圧が十分に小さくなり、整流ベーン３８を通る際の空気の圧力損失が確実に低減される。

ここで、流路面積とマッハ数との関係について説明する。下式（３）により表されるように、圧力損失を入口動圧で除して定まる圧力損失係数ωは、翼要素（整流ベーン３８の要素）によってその値が略定まり、その他の要素が大きく変化してもその値は大きく変化しない（値が一定である）。
ω＝（Ｐｔｏｕｔ－Ｐｔｉｎ）／（Ｐｔｉｎ－Ｐｓｉｎ） ・・・（３）
ここで、Ｐｔｏｕｔ：出口（下流側）全圧、Ｐｔｉｎ：入口（上流側）全圧、Ｐｓｉｎ：入口（上流側）の静圧であり、Ｐｔｏｕｔ－Ｐｔｉｎ：圧力損失、入口（上流側）動圧、である。したがって、入口動圧が小さければ、圧力損失は小さくなる。つまり、入口圧力すなわち、整流ベーン３８の上流側での動圧が十分に小さくなることにより、整流ベーン３８を通る際の空気の圧力損失が確実に低減される。

或いは、循環流路３０の流路面積は以下のように設定されるとよい。ここでは、循環流路３０が同一流路面積の円形断面を有するものと仮定する。以下、この仮定の循環流路３０を仮想循環流路３０'と称する。仮想循環流路３０'は、各位置で循環流路３０の対応する位置の流路断面積と同一の流路面積を有する。図６は、仮想循環流路３０'の説明図である。図６に示されるように、仮想循環流路３０'は、吸込流路部３３の最小流路面積部４２に対応する位置にて、第１半径ｒ１を有する第１仮想円をなし、連結流路部３４の整流ベーン３８の上流側に対応する位置にて、第２半径ｒ２を有する第２仮想円をなす。仮想循環流路３０'は、最小流路面積部４２から整流ベーン３８までに循環流路３０の対応する部分間の長さと同じ流路長さＬを有する。このとき、仮想循環流路３０'は、下式（４）を満たす。
ｔａｎθ＝（ｒ２－ｒ１）／Ｌ ・・・（４）
仮想循環流路３０'の、吸込流路部３３の最小流路面積部４２に対応する位置から整流ベーン３８の上流側に対応する位置までの区間の広がり角は、２θ（＝２・ｔａｎ^－１｛（ｒ２－ｒ１）／Ｌ｝）で表される。この仮想循環流路３０'の当該区間の広がり角、すなわち循環流路３０の当該区間の仮想の広がり角が３０°以下（２θ＜３０°）であるとよい。

このように循環流路３０の仮想の広がり角が３０°以下であることにより、吸込流路部３３の最小流路面積部４２から整流ベーン３８の上流側までの循環流路３０の連続的面積変化が制限され、この区間の圧力損失が小さくなることで、整流ベーン３８の上流側での静圧（Ｐｓｉｎ）が効果的に回復する。ここで、効果的にとは、仮想循環流路３０'の広がり角の制限値である３０°が、流体に剥離を発生させない限界であり、広がり角が３０°以上になると剥離の発生によって静圧が効果的に回復しないことを意味する。このように整流ベーン３８の上流側での静圧（Ｐｓｉｎ）が効果的に回復することで、Ｐｔｉｎ－Ｐｓｉｎで表される整流ベーン３８の上流側での動圧が効果的に小さくなり、整流ベーン３８を通る際の空気の圧力損失が効果的に低減される。

図７は、（Ａ）実施形態、（Ｂ）比較例１、（Ｃ）比較例２に係る整流ベーン３８、１３８、２３８における循環流の流れの説明図である。図７（Ａ）の実施形態に係る整流ベーン３８は、上記のように上流端及び下流端にＲ面３９を有し、軸線方向Ｘに沿って延びる平板状をなしている。図７（Ｂ）の比較例１に係る整流ベーン１３８は、上流端及び下流端にＲ面３９を有さず、軸線方向Ｘに沿って延びる平板状をなしている。図７（Ｃ）の比較例２に係る整流ベーン２３８は、上流端及び下流端にＲ面３９を有し、下流部分が軸線方向Ｘに沿って延びる一方、上流部分が軸線方向Ｘに対して循環流の旋回方向に向けて傾斜するように湾曲している。循環流路３０を流れる空気は旋回流を伴って下流へ向けて流れており、整流ベーン３８、１３８、２３８によって整流される。

図７（Ａ）に示されるように、実施形態に係る整流ベーン３８では、整流ベーン３８の上流端がＲ面３９を有することにより、旋回流を伴って整流ベーン３８の上流端に衝突する空気が矢印で示すようにＲ面３９に沿って緩やかに偏向する。また、整流ベーン３８の上流端及び下流端がＲ面３９を有することにより、整流ベーン３８に沿って流れる空気は緩やかに偏向する。そのため、流速の低下は小さい。

一方、図７（Ｂ）に示されるように、比較例１に係る整流ベーン１３８では、整流ベーン１３８の上流端がＲ面３９を有しないため、旋回流を伴って整流ベーン１３８の上流端に衝突する空気が矢印で示すように大きく偏向する。また、循環流路３０の流路面積が急激に縮小するため、縮流が生じ、縮小損失が生じる。更に、整流ベーン１３８の下流端がＲ面３９を有しないため、整流ベーン１３８に沿って流れる空気は整流ベーン１３８の下流側にて大きな剥離を起こし、剥離損失が生じる。また、空気は整流ベーン１３８の下流側にて渦流を発生させ、拡大損失が生じる。したがって、実施形態の整流ベーン１３８に比べて流速の低下が大きい。

他方、図７（Ｃ）に示されるように、比較例２に係る整流ベーン２３８では、旋回流を伴って整流ベーン２３８の上流端に衝突する空気が矢印で示すようにＲ面３９に沿って緩やかに偏向し、整流ベーン２３８の湾曲面に沿って流れる。そのため、凸側の湾曲面に沿う部分で流速が高くなる。ただし、流速が高い領域と流速が低い領域とが生じ、実施形態の整流ベーン２３８に比べて流速変化が大きい。

図８は、図７に示される実施形態、比較例１、比較例２に係る循環流路３０における各位置の全圧を示すグラフである。横軸は循環流路３０の位置を示している。図３に示されるように、Ａ位置は吸込流路部３３の上流端を、Ｂ位置は第１湾曲部３６を、Ｃ位置は整流ベーン３８、１３８、２３８の上流側を、Ｄ位置は整流ベーン３８、１３８、２３８の下流側を、Ｅ位置は第２湾曲部３７を、Ｆ位置は噴出流路部３５の下流端をそれぞれ示している。図８に示されるように、比較例１では、Ｃ位置－Ｄ位置間の圧力低下が大きく、Ｆ位置での全圧が最も小さく（すなわち、循環流路３０の圧力損失が最も大きく）なっている。一方、実施形態及び比較例２では、Ｆ位置での全圧が比較例１に比べて高く、両者に大差はない。

図９は、図７に示される実施形態、比較例１、比較例２に係る循環流路３０における各位置の循環流のマッハ数を示すグラフである。横軸は図８と同じく循環流路３０の位置を示している。図９に示されるように、比較例１では、循環流路３０の圧力損失が最も大きいことから、実施形態及び比較例２に比べ、位置に関わらず全体的にマッハ数が小さくなっており、循環流の流速が落ちていることがわかる。一方、実施形態及び比較例２では、Ｃ位置－Ｄ位置間においてマッハ数が低下しているものの、Ａ位置及びＦ位置でのマッハ数が比較例１に比べて大きく、両者に大差はない。

以上のことから、実施形態及び比較例２は、比較例１に比べて循環流路３０の圧力損失が小さく、循環流量の低下を抑制しつつ、旋回流を伴って循環流路３０を流れる空気を整流できることがわかる。

実施形態の整流ベーン３８は、上流端及び下流端にＲ面３９を有し、軸線方向Ｘに沿って延びる平板状をなすことから、比較例２の整流ベーン２３８に比べ、構成が簡単で製造が容易である。つまり、構成が簡単で製造が容易な整流ベーン３８により、循環流路３０の圧力損失の増大を抑制しつつ、循環流路３０を流れる空気の旋回流を低減して主流の乱れを抑制することができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、遠心圧縮機２が、車両用エンジンの過給機であるスーパーチャージャの電動圧縮機や、車両以外のエンジン（例えば、船舶用エンジンや汎用エンジンなど）の過給機、過給機以外の圧縮機に適用されてもよい。また、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

１ ターボチャージャ
２ 遠心圧縮機
３ タービン
４ 回転軸
５ センタハウジング
２１ ハウジング
２２ インペラ
２３ 入口流路
２４ インペラ収容部
２５ ディフューザ
２６ 出口流路
２７ バックプレート
２８ ハウジング主部材
２９ 入口管部
３０ 循環流路
３１ 吸込口
３２ 噴出口
３３ 吸込流路部
３４ 連結流路部
３５ 噴出流路部
３６ 第１湾曲部
３７ 第２湾曲部
３８ 整流ベーン
３９ Ｒ面
４１ ファンネル部
４２ 最小流路面積部
Ｘ 軸線方向

Claims (6)

1. 軸線方向に沿って延びる入口流路、前記入口流路に連通するインペラ収容部、前記インペラ収容部の外周部に設けられたディフューザ及び、前記ディフューザの下流側にて、軸線回りに渦巻状に延びる出口流路を有するハウジングと、
   前記インペラ収容部内で、前記軸線方向に沿って延びる回転軸を介して回転可能に支持されたインペラとを備える遠心圧縮機であって、
   前記インペラ収容部に連通する吸込口から径方向外方へ延びる吸込流路部と、前記吸込流路部の下流端から前記軸線方向に前記入口流路の上流側に向けて延びる連結流路部と、前記連結流路部の下流端から径方向内方に向けて延び、前記入口流路に連通する噴出口に至る噴出流路部とを有する循環流路が前記ハウジングに形成され、
   前記循環流路の上流端が、前記吸込口に向けて拡開され、
   前記吸込流路部と前記連結流路部とが、内側及び外側が共に湾曲する第１湾曲部を介して滑らかに接続され、前記連結流路部と前記噴出流路部とが、内側及び外側が共に湾曲する第２湾曲部を介して滑らかに接続され、
   前記吸込流路部が、前記吸込口から前記第１湾曲部にかけて、前記噴出流路部から離反する向きに傾斜しており、
   前記噴出流路部が、前記第２湾曲部から前記噴出口にかけて、前記吸込流路部に近接する向きに傾斜しており、
   前記吸込流路部の前記ハウジングの内面に対する傾斜角度は、前記噴出流路部の前記ハウジングの内面に対する傾斜角度よりも小さく設定されており、
   前記連結流路部が筒状をなしており、前記連結流路部の下流部に複数の整流ベーンが周方向に間隔を空けて設けられ、
   前記循環流路の流路面積が、前記吸込流路部の最小流路面積部から前記整流ベーンに至るまで連続的に増大していることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記吸込流路部が、下流側に向けて漸増する流路面積を有し、前記吸込流路部の前記最小流路面積部が、前記吸込口の流路面積に対して１０％～４０％小さい流路面積を有することを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記連結流路部の前記整流ベーンの上流側の流路面積をＡ１とし、前記吸込流路部の前記最小流路面積部の流路面積をＡ２としたときに、Ａ１／Ａ２で表される流路面積比が１．５超且つ３未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心圧縮機。
4. 前記流路面積比が２超であることを特徴とする請求項３に記載の遠心圧縮機。
5. 前記循環流路が同一流路面積の円形断面を有すると仮定したときに、この仮想の前記循環流路の、前記吸込流路部の前記最小流路面積部に対応する位置から前記整流ベーンの上流側に対応する位置までの区間の広がり角が３０°以下であることを特徴とする請求項１～請求項４のいずれかに記載の遠心圧縮機。
6. 前記整流ベーンが、上流端及び下流端にＲ面を有し、前記軸線方向に沿って延びる平板状をなしていることを特徴とする請求項１～請求項５のいずれかに記載の遠心圧縮機。

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