JP7187542B2 - 遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャ - Google Patents

Description

本開示は、遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャに関する。

ターボチャージャ等の遠心圧縮機は、インペラの吐出側にディフューザ通路及びスクロール通路を有している。インペラによって圧縮された流体は、ディフューザ通路において流速が低下してその動圧成分の一部が静圧に変換された後、スクロール通路に流入する。ディフューザ通路の形状は一般的に、ディフューザ通路を画定する２つの壁が互いに平行なもの（平行壁）と、２つの壁間の間隔が径方向外側に向かって減少する部分を有するもの（ピンチド壁）とがある。ピンチド壁で形成されたディフューザ通路を有する遠心圧縮機が、例えば特許文献１に記載されている。

特許第６１１２２２３号公報

ピンチド壁で形成されるディフューザ通路として、例えば図６に示されるように、シュラウド壁１０２とハブ壁１０３との間に画定されたディフューザ通路１００において、シュラウド壁１０２がインペラ１０５の出口部分１０１から径方向外側に向かってハブ壁１０３に近づくように一定の傾きで傾斜するピンチド部１１０と、ピンチド部１１０よりも径方向外側でシュラウド壁１０２及びハブ壁１０３が互いに平行な平行部１１１とをディフューザ通路１００が含む構成を想定する。インペラ１０５の軸線Ｌを含む断面において、インペラ１０５の翼１０６の外周縁部１０６ａの径方向最外部１０６ａ１を径方向外側に向けて延長した直線Ｌ_３と、シュラウド壁１０２の表面上の任意の位置における接線とのなす角度をλとする。また、インペラ１０５の軸線Ｌから径方向外側に向かう距離であるＲに関して、インペラ１０５の軸線Ｌからインペラ１０５の出口部分１０１までの距離をＲ_０とし、インペラ１０５の軸線Ｌからピンチド部１１０と平行部１１１との境界部分１０４までの距離をＲ_１とする。

図７に、横軸にＲをとるとともに縦軸にλをとったＲ－λ平面において、Ｒとλとの関係を関数ｆによってλ＝ｆ（Ｒ）と表す。Ｒ≦Ｒ_０の範囲では、シュラウド壁１０２の表面は滑らかな減少関数となるが、Ｒ＝Ｒ_０においてλが不連続的に上昇し、Ｒ_０≦Ｒ＜Ｒ_１の範囲では、シュラウド壁１０２が一定の傾きで傾斜するため、λが一定値をとる。また、Ｒ＝Ｒ_１においてλが不連続的に低下し、Ｒ≧Ｒ_１の範囲では、シュラウド壁１０２とハブ壁１０３とが互いに平行となっているため、λが一定値をとる。このように、インペラ１０５の出口部分１０１や、ピンチド部１１０と平行部１１１との境界部分１０４で、シュラウド壁１０２に不連続な部分が存在してしまう。このような不連続な部分では、損失が生じたり、剥離が生じたりするといった問題点があった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、ディフューザ通路における損失又は剥離の発生を抑制した遠心圧縮機及びこの遠心圧縮機を備えたターボチャージャを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る遠心圧縮機は、
ハウジング内に回転可能に設けられたインペラを備える遠心圧縮機であって、
前記ハウジングは、前記インペラの出口に連通するディフューザ通路を画定するシュラウド壁及びハブ壁を含み、
前記ディフューザ通路は、
前記インペラの出口から前記遠心圧縮機の径方向外側に向かって前記シュラウド壁が前記ハブ壁に近づくよう構成されたピンチド部と、
前記ピンチド部よりも前記遠心圧縮機の径方向外側で前記ピンチド部に連通するとともに前記シュラウド壁及び前記ハブ壁が互いに平行に構成された平行部と
を含み、
前記インペラ及び前記ハブ壁に面する前記シュラウド壁の表面は、前記インペラの軸線を含む断面において任意の位置で接線が存在し得る断面形状を有し、
前記インペラの軸線から前記遠心圧縮機の径方向外側に向かう距離であるＲに関し、前記インペラの軸線から前記インペラの出口までの距離をＲ_０とし、前記インペラの軸線から前記ピンチド部と前記平行部との境界部分までの距離をＲ_１とすると、
Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲における前記断面形状は、
Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_２（Ｒ_０＜Ｒ_２＜Ｒ_１）の範囲において前記ハブ壁に対して凹状に湾曲した第１曲線と、
Ｒ_２≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲において前記ハブ壁に対して凸状に湾曲した第２曲線と
を含む曲線であり、
前記インペラの軸線を含む断面において、前記インペラの翼の外周縁部の径方向最外部を径方向外側に向けて延長した直線と前記接線とのなす角度をλとし、前記Ｒと前記λとの関係を関数ｆによってλ＝ｆ（Ｒ）と表すと、関数λ＝ｆ（Ｒ）は、任意のＲにおいて微分可能である。

上記（１）の構成によると、インペラ及びハブ壁に面するシュラウド壁の表面は、インペラの軸線を含む断面において任意の位置で接線が存在し得る断面形状を有していることにより、シュラウド壁の表面が滑らかな形状でありシュラウド壁の表面に不連続な部分が存在しないので、ディフューザ通路における損失又は剥離の発生を抑制することができる。

Ｒ _０ ≦Ｒ≦Ｒ _１ の範囲におけるシュラウド壁の表面の断面形状がハブ壁に対して凸状に湾曲した曲線のみから構成されると、ディフューザ通路の形状に制約が生じる場合がある。しかし、上記（１）の構成によると、Ｒ _０ ≦Ｒ≦Ｒ _１ の範囲における断面形状を、Ｒ _０ ≦Ｒ≦Ｒ _２ （Ｒ _０ ＜Ｒ _２ ＜Ｒ _１ ）の範囲においてハブ壁に対して凹状に湾曲した第１曲線と、Ｒ _２ ≦Ｒ≦Ｒ _１ の範囲においてハブ壁に対して凸状に湾曲した第２曲線とを含む曲線とすることにより、ディフューザ通路の形状の制約を緩和しながら、シュラウド壁の表面に不連続な部分が形成されないようにピンチド部を構成することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
ｆ（Ｒ）の１次導関数をｆ’（Ｒ）とすると、Ｒ_０≦Ｒ＜Ｒ_１においてｆ’（Ｒ）＜０である。

上記（２）の構成によると、ピンチド部において径方向外側に向かってシュラウド壁が滑らかにハブ壁に近づくよう構成されているので、ディフューザ通路における損失又は剥離の発生を抑制することができる。

（３）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るターボチャージャは、
上記（１）または（２）の遠心圧縮機を備える。

上記（３）の構成によると、インペラ及びハブ壁に面するシュラウド壁の表面は、インペラの軸線を含む断面において任意の位置で接線が存在し得る断面形状を有していることにより、シュラウド壁の表面が滑らかな形状でありシュラウド壁の表面に不連続な部分が存在しないので、ディフューザ通路における損失又は剥離の発生を抑制することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、インペラ及びハブ壁に面するシュラウド壁の表面は、インペラの軸線を含む断面において任意の位置で接線が存在し得る断面形状を有していることにより、シュラウド壁の表面が滑らかな形状でありシュラウド壁の表面に不連続な部分が存在しないので、ディフューザ通路における損失又は剥離の発生を抑制することができる。

本開示の実施形態１に係る遠心圧縮機の断面図である。 本開示の実施形態１に係る遠心圧縮機におけるディフューザ通路の部分拡大断面図である。 本開示の実施形態１に係る遠心圧縮機におけるディフューザ通路におけるＲとλとの関係を示す模式的なグラフである。 本開示の実施形態２に係る遠心圧縮機におけるディフューザ通路の部分拡大断面図である。 本開示の実施形態２に係る遠心圧縮機におけるディフューザ通路におけるＲとλとの関係を示す模式的なグラフである。 従来の遠心圧縮機の断面模式図である。 従来の遠心圧縮機におけるディフューザ通路におけるＲとλとの関係を示す模式的なグラフである。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

以下に示す本開示のいくつかの実施形態に係る遠心圧縮機を、ターボチャージャの遠心圧縮機を例にして説明する。ただし、本開示における遠心圧縮機は、ターボチャージャの遠心圧縮機に限定するものではなく、単独で動作する任意の遠心圧縮機であってもよい。以下の説明において、この圧縮機によって圧縮される流体は空気であるが、任意の流体に置き換えることが可能である。

（実施形態１）
図１に示されるように、本開示の実施形態１に係る遠心圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２内において軸線Ｌを中心に回転可能に設けられたインペラ３とを備えている。ハウジング２はシュラウド壁４及びハブ壁５を含み、シュラウド壁４とハブ壁５との間には、インペラ３の周囲に沿ってインペラ３の出口に連通するディフューザ通路１０が画定されている。

ディフューザ通路１０は、インペラ３の出口から遠心圧縮機１の径方向外側（以下、単に「径方向外側」という）に向かって延びるピンチド部１１と、ピンチド部１１よりも径方向外側でピンチド部１１に連通するとともに径方向外側に向かって延びる平行部１２とを含んでいる。ピンチド部１１は、径方向外側に向かってシュラウド壁４がハブ壁５に近づくよう構成されている。すなわち、ピンチド部１１は、径方向外側に向かってインペラ３の軸線Ｌの方向の流路幅が減少するように構成されている。平行部１２は、シュラウド壁４及びハブ壁５が互いに平行となるように構成されている。

インペラ３及びハブ壁５に面するシュラウド壁４の表面４ａは、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において、インペラ３の翼６の外周縁部６ａに沿った部分で凸状に滑らかに湾曲した曲線７ａと、ピンチド部１１を画定する部分で凸状に滑らかに湾曲した曲線７ｂと、平行部１２を画定する部分で径方向外側に向かって水平に延びる直線７ｃとによって形成された断面形状７を有している。曲線７ａと曲線７ｂとは、インペラ３の出口に位置する境界部分１８において滑らかに接続されている。曲線７ｂと直線７ｃとは、境界部分１８よりも径方向外側に位置する境界部分１９において滑らかに接続されている。

インペラ３の軸線Ｌを含む断面において、曲線７ａ及び７ｂが凸状に滑らかに湾曲していることと、曲線７ａと曲線７ｂとが滑らかに接続されていることと、曲線７ｂと直線７ｃとが滑らかに接続されていることとによって、シュラウド壁４の表面４ａは滑らかに連続しており、表面４ａに不連続な部分、例えば、急激な出っ張りや窪み等が存在していない。尚、インペラ３の翼６の後縁部６ｂはインペラ３の軸線Ｌと平行に構成されている。

次に、シュラウド壁４の表面４ａが滑らかに連続した形状であることをさらに詳細に説明する。
図２に示されるように、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において、インペラ３の翼６の外周縁部６ａの径方向最外部６ａ１を径方向外側に向けて延長した直線Ｌ_１と、表面４ａ上の任意の位置における接線Ｌ_２とのなす角度をλとする。また、インペラ３の軸線Ｌから径方向外側に向かう距離であるＲに関して、インペラ３の軸線Ｌからインペラ３の出口すなわち境界部分１８までの距離をＲ_０とし、インペラ３の軸線Ｌからピンチド部１１と平行部１２との境界部分１９までの距離をＲ_１とする。

図３に示されるように、横軸にＲをとるとともに縦軸にλをとったＲ－λ平面において、Ｒとλとの関係を関数ｆによってλ＝ｆ（Ｒ）と表す。Ｒ≦Ｒ_０の範囲では、表面４ａが翼６の外周縁部６ａに沿っているため（図２参照）、関数λ＝ｆ（Ｒ）は下に凸の滑らかな減少関数となる。Ｒ_０≦Ｒ＜Ｒ_１の範囲では、径方向外側に向かってシュラウド壁４がハブ壁５に近づく構成となっているため（図１参照）、関数λ＝ｆ（Ｒ）は下に凸の滑らかな減少関数となる。Ｒ≧Ｒ_１の範囲では、シュラウド壁４とハブ壁５とが互いに平行となっているため（図１参照）、λが一定値、すなわち、関数λ＝ｆ（Ｒ）がＲ軸に平行な直線となっている。

表面４ａは、上述したように、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において滑らかに連続した断面形状を有しているため（図２参照）、関数λ＝ｆ（Ｒ）には不連続な点が存在せず、関数λ＝ｆ（Ｒ）は、任意のＲにおいて微分可能となっている。言い換えると、表面４ａは、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において任意の位置で接線Ｌ_２が存在し得る断面形状を有していると言い換えることができ、不連続な部分が存在しない滑らかに連続した形状である。

これに対し、図３には、ピンチド壁で形成された従来技術のディフューザ通路として、図７に示されるシュラウド壁１０２におけるＲとλとの関係も、一点鎖線で示している。上述したように、図６に示されるような構成では、インペラ１０５の出口部分１０１や、ピンチド部１１０と平行部１１１との境界部分１０４で、シュラウド壁１０２に不連続な部分が存在する。

このように、ピンチド壁で形成された従来技術のディフューザ通路では、Ｒ＝Ｒ_０及びＲ＝Ｒ_１のそれぞれにおいて、シュラウド壁１０２の表面の断面形状におけるＲとλとの関係が不連続となる。すなわち、シュラウド壁１０２の表面の断面形状におけるＲとλとの関係を表す関数は、Ｒ＝Ｒ_０及びＲ＝Ｒ_１のそれぞれにおいて微分可能ではない。さらに言い換えると、シュラウド壁１０２の断面形状では、出口部分１０１（図６参照）及び境界部分１０４（図６参照）において接線が存在しない。

また、実施形態１に係る関数λ＝ｆ（Ｒ）は、ピンチド部１１（図２参照）を構成するＲ_０≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲で下に凸の曲線となっているので、Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲における下に凸の曲線は、Ｒ≦Ｒ_０の範囲における下に凸の曲線と、Ｒ≧Ｒ_１の範囲におけるＲ軸に平行な直線とのそれぞれに滑らかに接続することができる。このため、シュラウド壁４の表面４ａに不連続な部分が形成されないようにピンチド部１１を構成することができる。

さらに、関数λ＝ｆ（Ｒ）は、Ｒ＝Ｒ_１では、Ｒ≧Ｒ_１の範囲において一定のλを表すＲ軸に平行な直線に滑らかに接続されているので、１階微分係数ｆ’（Ｒ_１）はゼロとなっている。しかし、Ｒ_０≦Ｒ＜Ｒ_１の範囲では、Ｒの増加に伴ってλが減少している。すなわち、ｆ（Ｒ）の１次導関数ｆ’（Ｒ）は、Ｒ_０≦Ｒ＜Ｒ_１の範囲においてｆ’（Ｒ）＜０となっている。これにより、ピンチド部１１（図２参照）において径方向外側に向かってシュラウド壁４（図２参照）が滑らかにハブ壁５（図２参照）に近づくよう構成される。

図１に示されるように、実施形態１に係る遠心圧縮機１では、インペラ３の回転によって圧縮された空気がディフューザ通路１０を流通する。上述したようにシュラウド壁４の表面４ａに不連続な部分が存在しないので、インペラ３の回転によって圧縮された空気がディフューザ通路１０を流通する際に、表面４ａの不連続な部分に起因する損失又は剥離が発生することはない。このため、ディフューザ通路１０における損失又は剥離の発生を抑制することができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係る遠心圧縮機について説明する。実施形態２に係る遠心圧縮機は、実施形態１に対して、ピンチド部１１を画定する部分のシュラウド壁４の表面４ａの形状を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４に示されるように、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において、シュラウド壁４の表面４ａの断面形状７の曲線７ｂは、Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_２（Ｒ_０＜Ｒ_２＜Ｒ_１）の範囲においてハブ壁５（図１参照）に対して凹状に湾曲した第１曲線７ｂ１と、Ｒ_２≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲においてハブ壁５に対して凸状に湾曲した第２曲線７ｂ２とを含んでいる。第１曲線７ｂ１と第２曲線７ｂ２とは滑らかに接続されている。その他の構成は実施形態１と同じである。

図５には、実施形態２に係る遠心圧縮機において、インペラ３の軸線Ｌを含む断面におけるシュラウド壁４の表面４ａの断面形状７のＲとλとの関係を表す関数λ＝ｆ（Ｒ）を示している。Ｒ≦Ｒ_０の範囲及びＲ≧Ｒ_１の範囲は、実施形態１に係る関数λ＝ｆ（Ｒ）と同じである。一方、Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_２の範囲では、関数λ＝ｆ（Ｒ）は上に凸の減少関数となり、Ｒ_２≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲では、関数λ＝ｆ（Ｒ）は下に凸の減少関数となる。

実施形態２でも、表面４ａは、上述したように、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において滑らかに連続した断面形状を有しているため（図４参照）、関数λ＝ｆ（Ｒ）には不連続な点が存在せず、関数λ＝ｆ（Ｒ）は、任意のＲにおいて微分可能となっている。言い換えると、表面４ａは、インペラ３の軸線Ｌを含む断面において任意の位置で接線Ｌ_２が存在し得る断面形状を有していると言い換えることができ、不連続な部分が存在しない滑らかに連続した形状である。

ここで、実施形態１のように曲線７ｂがハブ壁５（図１参照）に対して凸状に湾曲した曲線のみから構成される場合、曲線７ｂと直線７ｃとを滑らかに接続するためには、平行部１２の軸線Ｌの方向の流路幅をある程度の大きさにする必要があったり、平行部１２の軸線Ｌの方向の流路幅を小さくするためにピンチド部１１の径方向の長さを長くしたりといったディフューザ通路１０の形状に制約が生じる場合がある。また、ディフューザ通路１０を所望の形状にするために、インペラ３の翼６の形状を変えなければならない場合も考えられる。

しかしながら、実施形態２では、曲線７ｂが、Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_２（Ｒ_０＜Ｒ_２＜Ｒ_１）の範囲においてハブ壁５に対して凹状に湾曲した第１曲線７ｂ１と、Ｒ_２≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲においてハブ壁５に対して凸状に湾曲した第２曲線７ｂ２とを含むことにより、平行部１２の軸線Ｌの方向の流路幅やピンチド部１１の径方向の長さのようなディフューザ通路１０の形状の制約を緩和しながら、シュラウド壁４の表面４ａに不連続な部分が形成されないようにピンチド部１１を構成することができる。

実施形態２においても、シュラウド壁４の表面４ａに不連続な部分が存在しないので、実施形態１と同様に、インペラ３の回転によって圧縮された空気がディフューザ通路１０を流通する際に、表面４ａの不連続な部分に起因する損失又は剥離が発生することはない。このため、ディフューザ通路１０における損失又は剥離の発生を抑制することができる。

１ 遠心圧縮機
２ ハウジング
３ インペラ
４ シュラウド壁
４ａ （シュラウド壁の）表面
５ ハブ壁
６ 翼
６ａ （翼の）外周縁部
６ａ１ （翼の外周縁部の）径方向最外部
６ｂ （翼の）後縁部
７ （シュラウド壁の表面の）断面形状
７ａ 曲線
７ｂ 曲線
７ｂ１ 第１曲線
７ｂ２ 第２曲線
７ｃ 直線
１０ ディフューザ通路
１１ ピンチド部
１２ 平行部
１８ 境界部分
１９ 境界部分
Ｌ （インペラの）軸線
Ｒ 距離

Claims (3)

1. ハウジング内に回転可能に設けられたインペラを備える遠心圧縮機であって、
   前記ハウジングは、前記インペラの出口に連通するディフューザ通路を画定するシュラウド壁及びハブ壁を含み、
   前記ディフューザ通路は、
   前記インペラの出口から前記遠心圧縮機の径方向外側に向かって前記シュラウド壁が前記ハブ壁に近づくよう構成されたピンチド部と、
   前記ピンチド部よりも前記遠心圧縮機の径方向外側で前記ピンチド部に連通するとともに前記シュラウド壁及び前記ハブ壁が互いに平行に構成された平行部と
   を含み、
   前記インペラ及び前記ハブ壁に面する前記シュラウド壁の表面は、前記インペラの軸線を含む断面において任意の位置で接線が存在し得る断面形状を有し、
   前記インペラの軸線から前記遠心圧縮機の径方向外側に向かう距離であるＲに関し、前記インペラの軸線から前記インペラの出口までの距離をＲ_０とし、前記インペラの軸線から前記ピンチド部と前記平行部との境界部分までの距離をＲ_１とすると、
   Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲における前記断面形状は、
   Ｒ_０≦Ｒ≦Ｒ_２（Ｒ_０＜Ｒ_２＜Ｒ_１）の範囲において前記ハブ壁に対して凹状に湾曲した第１曲線と、
   Ｒ_２≦Ｒ≦Ｒ_１の範囲において前記ハブ壁に対して凸状に湾曲した第２曲線と
   を含む曲線であり、
   前記インペラの軸線を含む断面において、前記インペラの翼の外周縁部の径方向最外部を径方向外側に向けて延長した直線と前記接線とのなす角度をλとし、前記Ｒと前記λとの関係を関数ｆによってλ＝ｆ（Ｒ）と表すと、関数λ＝ｆ（Ｒ）は、任意のＲにおいて微分可能である遠心圧縮機。
2. ｆ（Ｒ）の１次導関数をｆ’（Ｒ）とすると、Ｒ_０≦Ｒ＜Ｒ_１においてｆ’（Ｒ）＜０である、請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 請求項１または２に記載の遠心圧縮機を備えるターボチャージャ。

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