JP7413514B2 - スクロールケーシングおよび遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本開示は、スクロールケーシングおよび該スクロールケーシングを備える遠心圧縮機に関する。

車両用又は舶用のターボチャージャのコンプレッサ部などに用いられる遠心圧縮機は、インペラの回転によって流体に運動エネルギを与えて径方向の外側に流体を吐出し、遠心力を利用して流体の圧力上昇を得るものである。かかる遠心圧縮機には、広い運転範囲において高圧力比と高効率化が求められており、種々の工夫が施されている。

一般的には、遠心圧縮機は、渦巻状のスクロール流路を形成するスクロール部を有するスクロールケーシングを備え、スクロール流路の断面形状（スクロール断面）は、スクロール流路の全周に亘るような近円形状に形成される。従来の遠心圧縮機として、第１の曲率半径を有する第１円弧部と、第１の曲率半径とは異なる第２の曲率半径を有する第２円弧部と、を含むスクロール断面を有するものが知られている。

スクロール断面に歪さが生じるとスクロール流路における圧力損失の発生を招く虞があるため、スクロール断面を真円に近づけることが行なわれる。スクロール断面を真円に近づける方策の一つとして、スクロール断面の大部分を第１円弧部により形成し、スクロール断面の残りの部分を第２円弧部により形成することが考えられる。第２円弧部は、第１円弧部の一端とディフューザ流路のチップ側流路面とを繋いでいる。この場合には、第１円弧部と第２円弧部との間に極端な曲率変化が生じるため、スクロール流路における圧力損失の発生を招く虞がある。

特許第６０５３９９３号公報

また、スクロール断面を真円に近づける方策の一つとして、スクロール断面が全体として円形に近い形状となるように、第１の曲率半径と第２の曲率半径との差を小さなものにすることが考えられる。この場合には、第１円弧部と第２円弧部との間における曲率の変化を緩やかなものにできるため、上記の方策に比べて、スクロール流路における圧力損失の発生を抑制でき、遠心圧縮機の効率を向上させることができる。遠心圧縮機の更なる効率化を図るため、この方策よりも効果的にスクロール流路における圧力損失の発生を抑制することが求められる。

なお、特許文献１には、第１の曲率半径を有する第１円弧部と、第２の曲率半径を有する第２円弧部と、第３の曲率半径を有する第３円弧部と、を含むスクロール断面を有する遠心圧縮機のスクロール部が開示されている。特許文献１のスクロール部は、第２円弧部を第１円弧部や第３円弧部よりもフラットな形状にすることで、スクロール流路の断面形状が近円形状である場合に比べて、スクロール流路に導入された流体をスクロール流路における内周側に導きやすくしている。このように特許文献１のスクロール部は、スクロール流路の断面形状を、意図的に円形状から離れた形状にしている。このため、特許文献１は、本開示との関連性が低い。

上述した事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態の目的は、スクロール流路における圧力損失の発生を抑制できるスクロールケーシング、および該スクロールケーシングを備える遠心圧縮機を提供することにある。

本開示にかかるスクロールケーシングは、
遠心圧縮機のスクロールケーシングであって、
前記遠心圧縮機のスクロール流路を形成するスクロール部を備え、
前記スクロール部の内周面において、
前記遠心圧縮機のディフューザ流路のハブ側流路面との接続位置を第１位置、
前記遠心圧縮機の径方向における最外側端を第２位置、
前記遠心圧縮機の軸方向における最前側端を第３位置、
前記径方向における最内側端を第４位置、
前記スクロール部の前記内周面に沿って前記第１位置から前記第４位置に向かう側である一方向側の端位置を第５位置、と定義した場合に、
前記スクロール部は、
前記第１位置から前記一方向側に延在する第１円弧部と、
前記第１円弧部よりも前記一方向側に形成された第２円弧部であって、前記第２位置から前記第４位置の間における少なくとも一部の領域を含むように形成された第２円弧部と、
前記第２円弧部よりも前記一方向側に形成された第３円弧部であって、少なくとも前記第５位置を含むように形成された第３円弧部と、を少なくとも含むとともに、
前記第２円弧部の曲率半径をＲ２、前記第３円弧部の曲率半径をＲ３と定義した場合に、Ｒ２＞Ｒ３の関係を満たす近円形スクロール断面を有する。

本開示にかかる遠心圧縮機は、前記スクロールケーシングを備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、スクロール流路における圧力損失の発生を抑制できるスクロールケーシング、および該スクロールケーシングを備える遠心圧縮機が提供される。

一実施形態にかかる遠心圧縮機を備えるターボチャージャの構成を説明するための説明図である。 一実施形態にかかる遠心圧縮機を備えるターボチャージャのコンプレッサ側を概略的に示す概略断面図であって、遠心圧縮機の軸線を含む概略断面図である。 一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。 一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。 比較例にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。 図３、図４に示される一実施形態にかかるスクロール部の形状と、図５に示される比較例にかかるスクロール部の形状と、を比較するための比較図である。 一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。 一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。 一実施形態にかかる遠心圧縮機の軸方向視におけるスクロール流路の概略図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、本開示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。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

（遠心圧縮機、ターボチャージャ）
図１は、一実施形態にかかる遠心圧縮機を備えるターボチャージャの構成を説明するための説明図である。図２は、一実施形態にかかる遠心圧縮機を備えるターボチャージャのコンプレッサ側を概略的に示す概略断面図であって、遠心圧縮機の軸線を含む概略断面図である。
本開示の幾つかの実施形態にかかる遠心圧縮機１は、図１、２に示されるように、インペラ２と、スクロールケーシング３と、を備える。スクロールケーシング３は、図２に示されるように、インペラ２の周囲に配置された渦巻状のスクロール流路３１を形成するスクロール部３２を少なくとも有する。

遠心圧縮機１は、例えば、自動車用、舶用又は発電用のターボチャージャ１０や、その他産業用遠心圧縮機、送風機などに適用可能である。図示される実施形態では、遠心圧縮機１は、ターボチャージャ１０に搭載される。ターボチャージャ１０は、図１に示されるように、遠心圧縮機１と、タービン１１と、回転シャフト１２と、を備える。タービン１１は、回転シャフト１２を介してインペラ２に機械的に連結されたタービンロータ１３と、タービンロータ１３を回転可能に収容するタービンケーシング１４と、を備える。

図示される実施形態では、ターボチャージャ１０は、図１に示されるように、回転シャフト１２を回転可能に支持する軸受１５と、軸受１５を収容するように構成された軸受ケーシング１６と、をさらに備える。軸受ケーシング１６は、スクロールケーシング３とタービンケーシング１４との間に配置され、例えば締結ボルトなどの締結部材により、スクロールケーシング３やタービンケーシング１４に機械的に連結されている。

以下、例えば図１に示されるように、遠心圧縮機１の軸線、すなわち、インペラ２の軸線ＣＡが延在する方向を軸方向Ｘとし、軸線ＣＡに直交する方向を径方向Ｙとする。軸方向Ｘのうち、遠心圧縮機１の吸入方向における上流側、すなわち、インペラ２に対して流体導入口３３が位置する側（図中左側）を前側ＸＦとする。また、軸方向Ｘのうち、遠心圧縮機１の吸入方向における下流側、すなわち、流体導入口３３に対してインペラ２が位置する側（図中右側）を後側ＸＲとする。

図示される実施形態では、図１に示されるように、スクロールケーシング３は、スクロールケーシング３の外部から流体（例えば、空気）を導入するための流体導入口３３と、インペラ２およびスクロール流路３１を通過した流体をスクロールケーシング３の外部に排出するための流体排出口３４と、が形成されている。タービンケーシング１４は、タービンケーシング１４の内部に排ガスを導入する排ガス導入口１４１と、タービンロータ１３を通過した排ガスをタービンケーシング１４の外部に排出するための排ガス排出口１４２と、が形成されている。

回転シャフト１２は、図１に示されるように、軸方向Ｘに沿って長手方向を有する。回転シャフト１２は、その長手方向の一方側（前側ＸＦ）にインペラ２が機械的に連結されており、その長手方向の他方側（後側ＸＲ）にタービンロータ１３が機械的に連結されている。なお、本開示における「或る方向に沿って」とは、或る方向だけでなく、或る方向に対して傾斜する方向をも含むものである。

ターボチャージャ１０は、不図示の排ガス発生装置（例えば、エンジンなどの内燃機関）から排ガス導入口１４１を通って、タービンケーシング１４の内部に導入された排ガスにより、タービンロータ１３を回転させる。インペラ２は、回転シャフト１２を介してタービンロータ１３に機械的に連結されているので、タービンロータ１３の回転に連動して回転する。ターボチャージャ１０は、インペラ２を回転させることにより、流体導入口３３を通って、スクロールケーシング３の内部に導入された流体を圧縮し、流体排出口３４を通じて流体の供給先（例えば、エンジンなどの内燃機関）に送るようになっている。

（インペラ）
インペラ２は、図２に示されるように、ハブ２１と、ハブ２１の外面２２に設けられた複数のインペラ翼２３と、を含む。ハブ２１は、回転シャフト１２の一方側に機械的に固定されているため、ハブ２１や複数のインペラ翼２３は、インペラ２の軸線ＣＡを中心として回転シャフト１２と一体的に回転可能に設けられている。インペラ２は、軸方向Ｘの前側ＸＦから導入される流体を径方向Ｙにおける外側に導くように構成されている。図示される実施形態では、複数のインペラ翼２３の夫々は、軸線ＣＡ周りの周方向に互いに間隔を開けて配置されている。複数のインペラ翼２３のチップ側縁２４は、チップ側縁２４に対向するように凸状に湾曲するシュラウド面３５との間に隙間（クリアランス）が形成されている。

（スクロールケーシング）
図示される実施形態では、スクロールケーシング３は、図２に示されるように、スクロールケーシング３の外部からインペラ２に流体を導くための吸気流路３６を形成する吸気流路部３７と、シュラウド面３５を有するシュラウド部３８と、インペラ２を通過した流体をスクロールケーシング３の外部へ導くための上述したスクロール流路３１を形成するスクロール部３２と、を有する。スクロール流路３１および吸気流路３６の夫々は、スクロールケーシング３の内部に形成されている。

吸気流路部３７は、吸気流路３６を形成する内壁面３７０を有する。内壁面３７０は、軸方向Ｘに沿って延在し、その前側ＸＦ端には、上述した流体導入口３３が形成されている。スクロール部３２は、スクロール流路３１を形成する内周面３２０を有する。

また、図示される実施形態では、スクロールケーシング３は、図２に示されるように、他の部材（例えば、軸受ケーシング１６など）と組み合わされることで、インペラ２を回転可能に収容する空間であるインペラ室３９と、インペラ２からの流体をスクロール流路３１に導くためのディフューザ流路４０と、が形成される。

上述したシュラウド部３８は、吸気流路部３７とスクロール部３２との間に設けられる。シュラウド部３８のシュラウド面３５は、インペラ室３９の前側ＸＦ部分を形成している。また、シュラウド部３８は、ディフューザ流路４０の前側ＸＦ部分を形成するチップ側流路面４１であって、シュラウド面３５とスクロール部３２の内周面３２０の一端とを繋ぐチップ側流路面４１をさらに有する。図示される実施形態では、軸受ケーシング１６は、シュラウド面３５に対して後側ＸＲに位置し、且つインペラ室３９の後側ＸＲ部分を形成するインペラ室形成面１６１と、チップ側流路面４１よりも後側ＸＲにチップ側流路面４１に対向して設けられるハブ側流路面１６２であって、インペラ室形成面１６１とスクロール部３２の内周面３２０の他端（後述する第１位置Ｐ１）とを繋ぐハブ側流路面１６２と、を有する。図２に示されるような軸線ＣＡに沿った断面において、チップ側流路面４１およびハブ側流路面１６２の夫々は、軸線ＣＡに交差（図示例では直交）する方向に沿って延在している。

スクロールケーシング３の内部に導入された流体は、吸気流路３６を後側ＸＲに向かって流れた後に、インペラ２に送られる。インペラ２に送られた流体は、ディフューザ流路４０およびスクロール流路３１をこの順に流れた後に、流体排出口３４からスクロールケーシング３の外部に排出される。

（スクロール断面）
図３および図４の夫々は、一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。図３、図４では、スクロールケーシング３の軸線ＣＡに沿った断面を概略的に示している。
以下、図３、図４に示されるように、スクロール部３２の内周面３２０において、遠心圧縮機１のディフューザ流路４０のハブ側流路面１６２との接続位置を第１位置Ｐ１、遠心圧縮機１の径方向Ｙにおける最外側端を第２位置Ｐ２、遠心圧縮機１の軸方向Ｘにおける最前側端を第３位置Ｐ３、径方向Ｙにおける最内側端を第４位置Ｐ４、スクロール部３２の内周面３２０に沿って第１位置Ｐ１から第４位置Ｐ４に向かう側である一方向ＵＤ側の端位置を第５位置Ｐ５と定義する。なお、第１位置Ｐ１は、内周面３２０において、軸方向Ｘにおける後側端であって、曲率半径が無限大（直線）から有限のものに変化する位置である。また、一方向ＵＤは、スクロールケーシング３の軸線ＣＡに沿った断面における、スクロール流路３１の中心ＳＣを中心とする反時計回り方向であり、一方向ＵＤ側は、その下流側である。

幾つかの実施形態にかかるスクロールケーシング３は、図３、図４に示されるように、遠心圧縮機１のスクロール流路３１を形成するスクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）を備える。スクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）は、図３、図４に示されるように、第１位置Ｐ１から一方向ＵＤ側に延在する第１円弧部５と、第１円弧部５よりも一方向ＵＤ側に形成された第２円弧部６と、第２円弧部６よりも一方向ＵＤ側に形成された第３円弧部７と、を少なくとも含む近円形スクロール断面４２を有する。第２円弧部６は、第２位置Ｐ２から第４位置Ｐ４の間における少なくとも一部の領域を含むように形成されている。第３円弧部７は、少なくとも第５位置Ｐ５を含むように形成されている。なお、図３、図４では、第１円弧部５を一点鎖線で示し、第２円弧部６を点線で示し、第３円弧部７を二点鎖線で示している。

第１円弧部５の曲率半径をＲ１、第２円弧部６の曲率半径をＲ２、第３円弧部７の曲率半径をＲ３と定義する。図３および図４に示される実施形態では、第１円弧部５、第２円弧部６および第３円弧部７の夫々は、各々の上流端から下流端までに亘り曲率半径Ｒ１～Ｒ３が一定になるように形成されている。

図３、図４に示されるように、第１円弧部５は、ハブ側流路面１６２や第２円弧部６に滑らかに連続していることが好ましい。また、第３円弧部７は、第２円弧部６に滑らかに連続していることが好ましい。また、近円形スクロール断面４２は、真円に近い形状が好ましい。

以下、一方向ＵＤにおける上流端を単に「上流端」と表記し、一方向ＵＤにおける下流端を単に「下流端」と表記することがある。

図３に示される実施形態では、スクロール部３２（３２Ａ）の第１円弧部５は、内周面３２０における第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２までに亘り延在している。第２円弧部６は、内周面３２０における第２位置Ｐ２から第３位置Ｐ３までに亘り延在している。第３円弧部７は、内周面３２０における第３位置Ｐ３から第５位置Ｐ５までに亘り延在している。

スクロール部３２（３２Ａ）の第１円弧部５は、その上流端５１が第１位置Ｐ１においてハブ側流路面１６２に接続され、その下流端５２が第２位置Ｐ２において第２円弧部６の上流端６１に接続されている。第３円弧部７は、その上流端７１が第３位置Ｐ３において第２円弧部６の下流端６２に接続され、その下流端７２が第５位置Ｐ５に位置している。

図４に示される実施形態では、スクロール部３２（３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、第１円弧部５と第２円弧部６とを接続する第１直線部８をさらに含む。第１直線部８は、軸方向Ｘに沿って延在している。スクロール部３２（３２Ｂ）の第１円弧部５は、内周面３２０における第１位置Ｐ１から、第２位置Ｐ２よりも一方向ＵＤにおける上流側の位置Ｐ６までに亘り延在している。第２円弧部６は、内周面３２０における第２位置Ｐ２から第４位置Ｐ４までに亘り延在している。第３円弧部７は、内周面３２０における第４位置Ｐ４から第５位置Ｐ５までに亘り延在している。

スクロール部３２（３２Ｂ）の第１円弧部５は、その上流端５１が第１位置Ｐ１においてハブ側流路面１６２に接続され、その下流端５２が第２位置Ｐ２よりも一方向ＵＤにおける上流側の位置Ｐ６において第１直線部８の上流端（後側端）８１に接続されている。第２円弧部６は、その上流端６１が第２位置Ｐ２において第１直線部８の下流端（前側端）に接続され、その下流端６２が第４位置Ｐ４において第３円弧部７の上流端７１に接続されている。第３円弧部７の下流端７２は、第５位置Ｐ５に位置している。

なお、他の幾つかの実施形態では、スクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、第２円弧部６と第３円弧部７とを接続する不図示の第２直線部をさらに含んでいてもよい。

図５は、比較例にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。図６は、図３、図４に示される一実施形態にかかるスクロール部の形状と、図５に示される比較例にかかるスクロール部の形状と、を比較するための比較図である。図６では、スクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ）の内周面３２０における位置と曲率半径との関係を示している。
比較例にかかるスクロールケーシング３０は、図５に示されるように、スクロール流路３１を形成するスクロール部３２Ｃを備える。スクロール部３２Ｃは、第１位置Ｐ１から一方向ＵＤ側に延在する第１円弧部５Ａと、第１円弧部５Ａよりも一方向ＵＤ側に形成された第２円弧部６Ａであって、少なくとも第５位置Ｐ５を含むように形成された第２円弧部６Ａと、を含む近円形スクロール断面４２Ａを有する。第１円弧部５Ａの曲率半径をＲ４とし、第２円弧部６Ａの曲率半径をＲ５と定義する。第１円弧部５Ａおよび第２円弧部６Ａの夫々は、各々の上流端から下流端までに亘り曲率半径Ｒ４、Ｒ５が一定になるように形成されている。なお、図５では、第１円弧部５Ａを一点鎖線で示し、第２円弧部６Ａを二点鎖線で示している。

第１円弧部５Ａは、その上流端５１Ａが第１位置Ｐ１においてハブ側流路面１６２に接続され、その下流端５２Ａが第２円弧部６Ａの上流端６１Ａに接続されている。第２円弧部６Ａの下流端６２Ａは、第５位置Ｐ５に位置している。

図６に示されるように、スクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、三つの円弧部（第１円弧部５、第２円弧部６および第３円弧部７）を含む。この場合には、二つの円弧部（第１円弧部５Ａおよび第２円弧部６Ａ）を含む近円形スクロール断面４２Ａ（比較例）に比べて、第２位置Ｐ２よりも一方向ＵＤ側において、円弧部間の曲率半径の差を小さく抑えることができる。例えば、スクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）における第２円弧部６と第３円弧部７との間の曲率半径の差を、比較例にかかるスクロール部３２Ｃの第１円弧部５Ａと第２円弧部６Ａとの間の曲率半径の差よりも小さなものにできる。

例えば図３に示されるように、ディフューザ流路４０からスクロール流路３１内に流れ込んだ流体は、旋回速度成分を有するので、第２位置Ｐ２よりも一方向ＵＤ側において、内周面３２０に沿って一方向ＵＤ側に向かって流れる旋回流ＳＦを形成する。内周面３２０における第２位置Ｐ２よりも一方向ＵＤ側において、円弧部間の曲率半径の差を小さく抑え、内周面３２０の曲率変化量を小さなものにすることで、スクロール流路３１内の旋回流ＳＦの圧力損失を抑制できる。遠心圧縮機１の高流量運転時には、旋回流ＳＦの旋回速度成分が大きなものになるので、スクロール流路３１内の旋回流ＳＦの圧力損失度合いが大きくなる。これに対して、内周面３２０の曲率変化量を小さなものにすることで、高い圧力損失低減効果を得ることができる。これにより、遠心圧縮機１の高流量運転時における効率を効果的に向上させることができる。

上記の構成によれば、スクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）は、少なくとも第１位置Ｐ１を含む第１円弧部５と、第１円弧部５よりも一方向ＵＤ側に形成され、第２位置Ｐ２から第４位置Ｐ４の間の少なくとも一部の領域を含む第２円弧部６と、第２円弧部６よりも一方向ＵＤ側に形成され、少なくとも第５位置Ｐ５を含む第３円弧部７と、を含む近円形スクロール断面４２を有する。この場合には、近円形スクロール断面４２は、三つの円弧部（第１円弧部５、第２円弧部６および第３円弧部７）を含むので、二つの円弧部（例えば、第１円弧部５Ａ、第２円弧部６Ａ）を含む場合に比べて、円弧部間の曲率半径の差を小さく抑えることができる。これにより、近円形スクロール断面４２の第１円弧部５から第３円弧部７までに亘り、曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。

幾つかの実施形態では、図６に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）の内周面３２０は、少なくとも第２位置Ｐ２から第５位置Ｐ５に亘る範囲（好ましくは、第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５に亘る範囲）において、その曲率半径が一方向ＵＤ側に向かうにつれて単調減少するように形成されている。この場合には、近円形スクロール断面４２における曲率の変化を緩やかなものにできるので、スクロール流路３１における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を抑制できる。

幾つかの実施形態では、図３、図４、図６に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ａ、３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、Ｒ２＞Ｒ３の関係を満たす。第２円弧部６の曲率半径Ｒ２を、第３円弧部７の曲率半径Ｒ３よりも大きなものにすることで、近円形スクロール断面４２における第２円弧部６と第３円弧部７との間の曲率の変化を緩やかなものにできる。第２円弧部６と第３円弧部７との間の曲率の変化を緩やかにすることで、第２円弧部６と第３円弧部７との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を抑制できる。また、上記の構成によれば、内周面３２０における第２位置Ｐ２から第５位置Ｐ５に亘る範囲において、内周面３２０の曲率半径を一方向ＵＤ側に向かうにつれて単調減少させることができる。

幾つかの実施形態では、図３、６に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ａ）の近円形スクロール断面４２は、Ｒ１＞Ｒ２の関係を満たす。第１円弧部５の曲率半径Ｒ１を、第２円弧部６の曲率半径Ｒ２よりも大きなものにすることで、近円形スクロール断面４２における第１円弧部５と第２円弧部６との間の曲率の変化を緩やかなものにできる。これにより、第１円弧部５と第２円弧部６との間の曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。また、上記の構成によれば、内周面３２０における第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５に亘る範囲において、内周面３２０の曲率半径を一方向ＵＤ側に向かうにつれて単調減少させることができる。

幾つかの実施形態では、図４、図６に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、Ｒ２＞Ｒ１の関係を満たす。第１円弧部５の曲率半径Ｒ１を、第２円弧部６の曲率半径Ｒ２よりも小さなものにすることで、スクロール流路３１の径方向における最外側端（第２位置Ｐ２）の、遠心圧縮機１の軸線ＣＡからの距離を短いものにできるため、スクロールケーシング３０の小型化、ひいては遠心圧縮機１の小型化が図れる。また、スクロール流路３１における第１円弧部５に面する領域３１Ａは、ディフューザ流路４０からの流れが入り込む領域であり、スクロール流路３１内に形成される旋回流ＳＦは、上記領域３１Ａよりも下流側（一方向ＵＤ側）に形成される。このため、第１円弧部５の曲率半径Ｒ１が、第２円弧部６の曲率半径Ｒ２よりも小さくても、上記領域３１Ａよりも下流側における圧力損失の発生を抑制することで、スクロール流路における圧力損失の発生を十分に抑制できる。なお、第１円弧部５の曲率半径Ｒ１は、第３円弧部７の曲率半径Ｒ３よりも小さくしてもよい。

幾つかの実施形態では、図４に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、Ｒ２＞Ｒ１の関係を満たす。また、上述した近円形スクロール断面４２は、第１円弧部５と第２円弧部６とを接続する第１直線部８を含む。

スクロール流路３１の径方向における最外側端（第２位置Ｐ２）の、遠心圧縮機１の軸線ＣＡからの距離を短くしたときに、第１円弧部５と第２円弧部６とを直接接続させることが困難となる虞がある。上記の構成によれば、第１円弧部５と第２円弧部６とを接続する第１直線部８により、第１円弧部５と第２円弧部６とが接続する形状を容易に成立させることができる。なお、第１直線部８が長いと、スクロール流路３１における圧力損失の増加を招く虞があるため、第１直線部８はできる限り短いものにすることが好ましい。

図７は、一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。図７では、上述したスクロール部３２（３２Ａ）の内周面３２０における位置と曲率半径との関係を示している。また、図７には、内周面３２０の曲率を一方向ＵＤ側に向かうにつれて連続的に小さくなるように構成された無限数の円弧部を含むスクロール部３２Ｄを併せて示している。

幾つかの実施形態では、図７に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ａ）の近円形スクロール断面４２は、Ｒ２／Ｒ１≧０．８、且つ、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。好ましくは、近円形スクロール断面４２は、Ｒ２／Ｒ１≧０．９、且つ、Ｒ３／Ｒ２≧０．９の関係を満たす。

上記の構成によれば、近円形スクロール断面４２は、Ｒ２／Ｒ１≧０．８の関係を満たす。換言すると、第２円弧部６の曲率半径Ｒ２は、第１円弧部５の曲率半径Ｒ１に対する曲率半径の低減率が２０％以下である。第１円弧部５と第２円弧部６との間の曲率変化量を小さなものにすることで、第１円弧部５と第２円弧部６との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。また、近円形スクロール断面４２は、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。換言すると、第３円弧部７の曲率半径Ｒ３は、第２円弧部６の曲率半径Ｒ２に対する曲率半径の低減率が２０％以下である。第２円弧部６と第３円弧部７との間の曲率変化量を小さなものにすることで、第２円弧部６と第３円弧部７との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。
特に、近円形スクロール断面４２が、Ｒ２／Ｒ１≧０．９、且つ、Ｒ３／Ｒ２≧０．９の関係を満たす場合には、近円形スクロール断面４２における内周面３２０の曲率を一方向ＵＤ側に向かうにつれて連続的に減少させた場合（スクロール部３２Ｄ）と殆ど遜色のない圧力損失の低減効果を得ることができる。

図８は、一実施形態にかかるスクロールケーシングのスクロール部の形状を説明するための説明図である。図８では、上述したスクロール部３２（３２Ｂ）の内周面３２０における位置と曲率半径との関係を示している。また、図８には、内周面３２０の曲率を一方向ＵＤ側に向かうにつれて連続的に小さくなるように構成された無限数の円弧部を含む減少させたスクロール部３２Ｅを併せて示している。

幾つかの実施形態では、図８に示されるように、上述したスクロール部３２（３２Ｂ）の近円形スクロール断面４２は、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。好ましくは、近円形スクロール断面４２は、Ｒ３／Ｒ２≧０．９の関係を満たす。

上記の構成によれば、近円形スクロール断面４２は、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。換言すると、第３円弧部７の曲率半径Ｒ３は、第２円弧部６の曲率半径Ｒ２に対する曲率半径の低減率が２０％以下である。第２円弧部６と第３円弧部７との間の曲率変化量を小さなものにすることで、第２円弧部６と第３円弧部７との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。
特に、近円形スクロール断面４２が、Ｒ３／Ｒ２≧０．９の関係を満たす場合には、近円形スクロール断面４２における内周面３２０の曲率を一方向ＵＤ側に向かうにつれて連続的に減少させた場合（スクロール部３２Ｅ）と殆ど遜色のない圧力損失の低減効果を得ることができる。

上述した幾つかの実施形態では、上述した近円形スクロール断面４２は、各々が一定の曲率半径を有する三つの円弧部（第１円弧部５、第２円弧部６および第３円弧部７）を含んでいたが、他の幾つかの実施形態では、近円形スクロール断面４２は、例えば、図７、図８に示されるような、内周面３２０における少なくとも第２位置Ｐ２から第５位置Ｐ５までに亘る範囲（好ましくは第１位置Ｐ１から第５位置Ｐ５までに亘る範囲）において、内周面３２０の曲率を一方向ＵＤ側に向かうにつれて連続的に減少させるように形成されている。この場合には、スクロール流路３１における圧力損失を効果的に抑制できるが、内周面３２０の形状の形成が困難であり、スクロールケーシング３の製造コストの増大化を招く虞がある。これに対して、上述した三つの円弧部を含む近円形スクロール断面４２は、内周面３２０の形状の形成が容易であり、スクロールケーシング３の製造コストの増大化を抑制できる。

図９は、一実施形態にかかる遠心圧縮機の軸方向視におけるスクロール流路の概略図である。
図９に示されるように、上述したスクロール流路３１におけるスクロール中心Ｏ周りの角度位置θについて、スクロール流路３１の巻き始め３１１と巻き終わり３１２の合流位置を６０度とし、合流位置からスクロール流路３１の下流側（図中スクロール中心Ｏ周りの時計回り方向）に向かって徐々に角度が大きくなるように角度位置θを定義する。
幾つかの実施形態では、図９に示されるように、上述した近円形スクロール断面４２は、角度位置θが１２０度から３６０度に亘る範囲Ｓに形成される。

スクロール流路３１は、巻き始め側に近いほどスクロール断面積が小さくなる。このため、巻き始め側では、上記近円形スクロール断面４２の形成が困難となる虞がある。上記の構成によれば、近円形スクロール断面４２の形成が容易である、角度位置θが１２０度から３６０度に亘る範囲Ｓに近円形スクロール断面４２を形成することにより、スクロール流路３１における圧力損失の発生を十分に抑制できる。なお、近円形スクロール断面４２を、角度位置θが０度から１２０度に亘る範囲Ｔにも形成してもよい。近円形スクロール断面４２は、上記範囲Ｓおよび範囲Ｔに形成されることが好ましい。

幾つかの実施形態では、図３に示されるように、上述したスクロール部３２における第３円弧部７は、少なくとも第３位置Ｐ３、第４位置Ｐ４及び第５位置Ｐ５を含むように形成される。図示される実施形態では、第３円弧部７は、第３位置Ｐ３から第５位置Ｐ５までに亘り、その曲率半径Ｒ３が一定になっている。上記の構成によれば、第３円弧部７は、第３位置Ｐ３、第４位置Ｐ４及び第５位置Ｐ５を含むので、近円形スクロール断面４２は、スクロール断面４２内に形成される旋回流ＳＦの旋回状態を決定するために需要な範囲である、第３位置Ｐ３から第５位置Ｐ５までに亘る範囲において、曲率の変化を緩やかなものにでき、上記範囲における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。特に、第３位置Ｐ３から第５位置Ｐ５までに亘る範囲において曲率半径Ｒ３を一定にすることで、上記範囲における曲率の急変に伴う圧力損失の発生をより効果的に抑制できる。

幾つかの実施形態にかかる遠心圧縮機１は、図２に示されるように、上述したスクロールケーシング３を備える。この場合には、スクロール流路３１における圧力損失の発生を抑制できるため、遠心圧縮機１の効率を向上できる。特に、高流量運転時に遠心圧縮機１の効率を効果的に向上できる。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握されるものである。

１）本開示の少なくとも一実施形態にかかるスクロールケーシング（３）は、
遠心圧縮機（１）のスクロールケーシング（３）であって、
前記遠心圧縮機のスクロール流路（３１）を形成するスクロール部（３２）を備え、
前記スクロール部の内周面（３２０）において、
前記遠心圧縮機のディフューザ流路（４０）のハブ側流路面（１６２）との接続位置を第１位置（Ｐ１）、
前記遠心圧縮機の径方向における最外側端を第２位置（Ｐ２）、
前記遠心圧縮機の軸方向における最前側端を第３位置（Ｐ３）、
前記径方向における最内側端を第４位置（Ｐ４）、
前記スクロール部の前記内周面に沿って前記第１位置（Ｐ１）から前記第４位置（Ｐ４）に向かう側である一方向（ＵＤ）側の端位置を第５位置（Ｐ５）、と定義した場合に、
前記スクロール部（３２）は、
前記第１位置（Ｐ１）から前記一方向側に延在する第１円弧部（５）と、
前記第１円弧部（５）よりも前記一方向側に形成された第２円弧部（６）であって、前記第２位置（Ｐ２）から前記第４位置（Ｐ４）の間における少なくとも一部の領域を含むように形成された第２円弧部（６）と、
前記第２円弧部（６）よりも前記一方向側に形成された第３円弧部（７）であって、少なくとも前記第５位置（Ｐ５）を含むように形成された第３円弧部（７）と、を少なくとも含むとともに、
前記第２円弧部（６）の曲率半径をＲ２、前記第３円弧部（７）の曲率半径をＲ３と定義した場合に、Ｒ２＞Ｒ３の関係を満たす近円形スクロール断面（４２）を有する。

上記１）の構成によれば、スクロール部（３２）は、少なくとも第１位置（Ｐ１）を含む第１円弧部（５）と、第１円弧部（５）よりも一方向（ＵＤ）側に形成され、第２位置（Ｐ２）から第４位置（Ｐ４）の間の少なくとも一部の領域を含む第２円弧部（６）と、第２円弧部（６）よりも上記一方向側に形成され、少なくとも第５位置（Ｐ５）を含む第３円弧部（７）と、を含む近円形スクロール断面（４２）を有する。この場合には、近円形スクロール断面（４２）は、三つの円弧部（第１円弧部５、第２円弧部６および第３円弧部７）を含むので、二つの円弧部を含む場合に比べて、円弧部間の曲率半径の差を小さく抑えることができる。これにより、近円形スクロール断面（４２）の第１円弧部（５）から第３円弧部（７）までに亘り、曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。

また、上記１）の構成によれば、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２は、第３円弧部（７）の曲率半径Ｒ３よりも大きい。この場合には、近円形スクロール断面（４２）における第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間の曲率の変化を緩やかなものにできる。第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間の曲率の変化を緩やかにすることで、第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を抑制できる。

２）幾つかの実施形態では、上記１）に記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記近円形スクロール断面（４２）は、前記第１円弧部（５）の曲率半径をＲ１と定義した場合に、Ｒ１＞Ｒ２の関係を満たす。

上記２）の構成によれば、近円形スクロール断面（４２）において、第１円弧部（５）の曲率半径Ｒ１は、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２よりも大きい。この場合には、近円形スクロール断面（４２）における第１円弧部（５）と第２円弧部（６）との間の曲率の変化を緩やかなものにできる。これにより、第１円弧部（５）と第２円弧部（６）との間の曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。

３）幾つかの実施形態では、上記１）に記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記近円形スクロール断面（４２）は、前記第１円弧部（５）の曲率半径をＲ１と定義した場合に、Ｒ２＞Ｒ１の関係を満たす。

上記３）の構成によれば、近円形スクロール断面（４２）において、第１円弧部（５）の曲率半径Ｒ１は、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２よりも小さい。この場合には、スクロール流路（３１）の径方向における最外側端（第２位置Ｐ２）の、遠心圧縮機の軸線（ＣＡ）からの距離を短いものにできるため、スクロールケーシング（３０）の小型化、ひいては遠心圧縮機（１）の小型化が図れる。また、スクロール流路（３１）における第１円弧部（５）に面する領域（３１Ａ）は、ディフューザ流路（４０）からの流れが入り込む領域であり、スクロール流路（３１）内に形成される旋回流（ＳＦ）は、上記領域（３１Ａ）よりも下流側（一方向ＵＤ側）に形成される。このため、第１円弧部（５）の曲率半径Ｒ１が、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２よりも小さくても、上記領域（３１Ａ）よりも下流側における圧力損失の発生を抑制することで、スクロール流路（３１）における圧力損失の発生を十分に抑制できる。

４）幾つかの実施形態では、上記３）に記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記近円形スクロール断面（４２）は、前記第１円弧部（５）と前記第２円弧部（５）とを接続する第１直線部（８）をさらに含む。

スクロール流路（３１）の径方向における最外側端（第２位置Ｐ２）の、遠心圧縮機（１）の軸線（ＣＡ）からの距離を短くしたときに、第１円弧部（５）と第２円弧部（６）とを直接接続させることが困難となる虞がある。上記４）の構成によれば、第１円弧部（５）と第２円弧部（６）とを接続する第１直線部（８）により、第１円弧部（５）と第２円弧部（６）とが接続する形状を容易に成立させることができる。

５）幾つかの実施形態では、上記２）に記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記近円形スクロール断面（４２）は、Ｒ２／Ｒ１≧０．８、且つ、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。

上記５）の構成によれば、近円形スクロール断面（４２）は、Ｒ２／Ｒ１≧０．８の関係を満たす。換言すると、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２は、第１円弧部（５）の曲率半径Ｒ１に対する曲率半径の低減率が２０％以下である。第１円弧部（５）と第２円弧部（６）との間の曲率変化量を小さなものにすることで、第１円弧部（５）と第２円弧部（６）との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。また、近円形スクロール断面（４２）は、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。換言すると、第３円弧部（７）の曲率半径Ｒ３は、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２に対する曲率半径の低減率が２０％以下である。第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間の曲率変化量を小さなものにすることで、第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。

６）幾つかの実施形態では、上記３）又は４）に記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記近円形スクロール断面（４２）は、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。

上記６）の構成によれば、近円形スクロール断面（４２）は、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす。換言すると、第３円弧部（７）の曲率半径Ｒ３は、第２円弧部（６）の曲率半径Ｒ２に対する曲率半径の低減率が２０％以下である。第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間の曲率変化量を小さなものにすることで、第２円弧部（６）と第３円弧部（７）との間における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。

７）幾つかの実施形態では、上記１）～６）の何れかに記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記スクロール流路（３１）におけるスクロール中心（Ｏ）周りの角度位置（θ）について、前記スクロール流路（３１）の巻き始め（３１１）と巻き終わり（３１２）の合流位置を６０度とし、前記合流位置から前記スクロール流路（３１）の下流側に向かって徐々に角度が大きくなるように角度位置（θ）を定義した場合に、
前記近円形スクロール断面（４２）は、前記角度位置（θ）が１２０度から３６０度に亘る範囲（Ｓ）に形成される。

スクロール流路（３１）は、巻き始め（３１１）側に近いほどスクロール断面積が小さくなる。このため、巻き始め側では、上記近円形スクロール断面（４２）の形成が困難となる虞がある。上記７）の構成によれば、近円形スクロール断面（４２）の形成が容易である、角度位置（θ）が１２０度から３６０度に亘る範囲（Ｓ）に近円形スクロール断面（４２）を形成することにより、スクロール流路（３１）における圧力損失の発生を十分に抑制できる。

８）幾つかの実施形態では、上記１）～７）の何れかに記載のスクロールケーシング（３）であって、
前記第３円弧部（７）は、少なくとも前記第３位置（Ｐ３）、前記第４位置（Ｐ４）、及び前記第５位置（Ｐ５）を含むように形成される。

上記８）の構成によれば、第３円弧部（７）は、第３位置（Ｐ３）、第４位置（Ｐ４）及び第５位置（Ｐ５）を含むので、近円形スクロール断面（４２）は、スクロール断面（４２）内に形成される旋回流（ＳＦ）の旋回状態を決定するために需要な範囲である、第３位置から第５位置までに亘る範囲において、曲率の変化を緩やかなものにでき、上記範囲における曲率の急変に伴う圧力損失の発生を効果的に抑制できる。

９）本開示の少なくとも一実施形態にかかる遠心圧縮機（１）は、
上記１）～８）の何れかに記載のスクロールケーシング（３）を備える。

上記９）の構成によれば、スクロール流路（３１）における圧力損失の発生を抑制できるため、遠心圧縮機（１）の効率を向上できる。特に、高流量運転時に遠心圧縮機（１）の効率を効果的に向上できる。

１ 遠心圧縮機
２ インペラ
２１ ハブ
２２ 外面
２３ インペラ翼
２４ チップ側縁
３，３０ スクロールケーシング
３１ スクロール流路
３１Ａ 領域
３２，３２Ａ～３２Ｅ スクロール部
３２０ 内周面
３３ 流体導入口
３４ 流体排出口
３５ シュラウド面
３６ 吸気流路
３７ 吸気流路部
３７０ 内壁面
３８ シュラウド部
３９ インペラ室
４０ ディフューザ流路
４１ チップ側流路面
４２，４２Ａ 近円形スクロール断面
５，５Ａ 第１円弧部
５１，５１Ａ 上流端
５２，５２Ａ 下流端
６，６Ａ 第２円弧部
６１，６１Ａ 上流端
６２，６２Ａ 下流端
７ 第３円弧部
７１ 上流端
７２ 下流端
８ 第１直線部
１０ ターボチャージャ
１１ タービン
１２ 回転シャフト
１３ タービンロータ
１４ タービンケーシング
１４１ 排ガス導入口
１４２ 排ガス排出口
１５ 軸受
１６ 軸受ハウジング
１６１ インペラ室形成面
１６２ ハブ側流路面
ＣＡ 軸線
Ｐ１ 第１位置
Ｐ２ 第２位置
Ｐ３ 第３位置
Ｐ４ 第４位置
Ｐ５ 第５位置
Ｐ６ 位置
Ｒ１～Ｒ５ 曲率半径
Ｓ，Ｔ 範囲
ＳＦ 旋回流
ＵＤ 一方向
Ｘ 軸方向
ＸＦ （軸方向の）前側
ＸＲ （軸方向の）後側
Ｙ 径方向

Claims (5)

1. 遠心圧縮機のスクロールケーシングであって、
   前記遠心圧縮機のスクロール流路を形成するスクロール部を備え、
   前記スクロール部の内周面において、
   前記遠心圧縮機のディフューザ流路のハブ側流路面との接続位置を第１位置、
   前記遠心圧縮機の径方向における最外側端を第２位置、
   前記遠心圧縮機の軸方向における最前側端を第３位置、
   前記径方向における最内側端を第４位置、
   前記スクロール部の前記内周面に沿って前記第１位置から前記第４位置に向かう側である一方向側の端位置を第５位置、と定義した場合に、
   前記スクロール部は、
   前記第１位置から前記一方向側に延在する第１円弧部と、
   前記第１円弧部よりも前記一方向側に形成された第２円弧部であって、前記第２位置から前記第４位置の間における前記第２位置及び前記第３位置を含んだ少なくとも一部の領域を含むように形成された第２円弧部と、
   前記第２円弧部よりも前記一方向側に形成された第３円弧部であって、少なくとも前記第５位置を含むように形成された第３円弧部と、を少なくとも含むとともに、
   前記第１円弧部の曲率半径をＲ１、前記第２円弧部の曲率半径をＲ２、前記第３円弧部の曲率半径をＲ３と定義した場合に、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３の関係を満たす近円形スクロール断面を有する、
   スクロールケーシング。
2. 前記近円形スクロール断面は、Ｒ２／Ｒ１≧０．８、且つ、Ｒ３／Ｒ２≧０．８の関係を満たす、
   請求項１に記載のスクロールケーシング。
3. 前記スクロール流路におけるスクロール中心周りの角度位置について、前記スクロール流路の巻き始めと巻き終わりの合流位置を６０度とし、前記合流位置から前記スクロール流路の下流側に向かって徐々に角度が大きくなるように角度位置を定義した場合に、
   前記近円形スクロール断面は、前記角度位置が１２０度から３６０度に亘る範囲に形成される、
   請求項１又は２に記載のスクロールケーシング。
4. 前記第３円弧部は、少なくとも前記第３位置、前記第４位置、及び前記第５位置を含むように形成される、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のスクロールケーシング。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載のスクロールケーシングを備える遠心圧縮機。

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