JPH0521637Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は、動圧式空気軸受を用いてタービンシ
ヤフトに加わるスラスト荷重を受けるようにした
ターボチヤージヤの構造に関する。

［従来の技術］ 従来から、テーパランド部が円周方向に複数配
設され、回転体との間の相対回転により、テーパ
ランド部上に空気膜を生成し、該空気膜の動圧に
よりスラスト荷重を受けるようにした動圧式空気
軸受が知られている。たとえば、特開昭60−8524
号公報には、フオイル式の動圧式空気軸受が開示
されている。このような動圧式空気軸受は、回転
抵抗が非常に少なく、高速回転でも安定した性能
を発揮するため、ターボチヤージヤのタービンシ
ヤフトに加わるスラスト荷重を受ける軸受として
使用する試みがなされている。

従来の動圧式空気軸受ターボチヤージヤの構造
は、たとえば第４図に示すようになつている。図
において、１はコンプレツサ、２はタービンであ
り、タービンシヤフト３に両側に、それぞれコン
プレツサ１のインペラ４とタービン２のタービン
ホイール５が設けられている。このタービンシヤ
フト３には、主としてインペラ４の背面側にかか
る空気圧と、タービンホイール５の背面側にかか
るガス圧とのバランスにより、スラスト荷重が加
わる。タービンシヤフト３の適当な位置に、スラ
ストランナー６を設け、該スラストランナー６の
両側に動圧式空気軸受７，８を設けて、タービン
シヤフト３に加わるスラスト荷重を受けるように
なつている。

動圧式空気軸受は、高速回転に対する安定性に
優れるものの、負荷能力は、静圧型空気軸受や油
潤滑式軸受に比べると、本質的に劣る。このた
め、動圧式空気軸受ターボチヤージヤを自動車用
エンジンに用いた場合、とくに高速、高負荷時に
スラスト荷重が過大となり、適切な空気膜が生成
されず、スラストランナーと軸受との間で焼付き
易くなるおそれがある。

このような問題に対し、先に本出願人により、
動圧式空気軸受のテーパランド部間に、コンプレ
ツサ出口側の高圧空気を導き、動圧式空気軸受の
負荷容量を高めるようにした構造が提案されてい
る（実願昭62−30002号）。この構造では、第５図
に示すように、ターボチヤージヤの運転時には、
タービンシヤフト１１と一体に回転するスラスト
ランナー１２と動圧式空気軸受１３間に、高圧空
気導入通路１４を介してコンプレツサ１５出口側
の高圧空気が常に導かれるようになつている。

［考案が解決しようとする問題点］ しかしながら、第５図の軸受構造の場合は、つ
ぎの問題が存在した。

エンジンの高回転域では、タービン側の圧力と
コンプレツサ側の圧力とのアンバランスによつて
生じるスラスト力を高圧空気の導入による軸受負
荷容量の増大によつて受けることが可能である
が、エンジン低、中回転数域では、タービン入口
圧とコンプレツサ出口圧とにそれ程大きな差はな
く、ほぼ等しいので、スラスト力はたとえ発生し
たとしても元々小さい。このときに、コンプレツ
サ出口側から高圧空気を空気軸受に供給すると、
それによる軸受負荷によつて却つてスラスト力に
アンバランスを生じるおそれがある。そして、
低、中回転数域は使用頻度が高いので、スラスト
力のアンバランスにより空気軸受の耐久信頼性を
損うおそれがある。

本考案は、上記の問題点に着目し、動圧空気軸
受の負荷容量を特定の時のみに限つて高めるとと
もに、動圧式式空気軸受の耐久信頼性を向上する
ことを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この目的に沿う本考案の動圧式空気軸受ターボ
チヤージヤは、タービンシヤフトに、該タービン
シヤフトと一体に回転するスラストランナーを設
け、該スラストランナーの両側に、スラスト荷重
を受ける動圧式空気軸受をそれぞれ設け、該二つ
の動圧式空気軸受のうち一方の動圧式空気軸受
に、コンプレツサ出口側の高圧空気を導く高圧空
気導入通路を接続し、該高圧空気導入通路に、該
高圧空気導入通路をエンジンの高回転時のみ開く
制御弁を設けたものから成る。

［作用］ このように構成された動圧式空気軸受ターボチ
ヤージヤにおいては、高圧空気導入通路に設けら
れる制御弁は、エンジンの高回転時にのみ開くの
で、ターボチヤージヤのタービン側の圧力とコン
プレツサ側の圧力とに大きなアンバランスが生じ
ても、この圧力アンバランスに起因するスラスト
荷重を十分に受け止めることが可能となる。すな
わち、エンジン高回転時には、一方の動圧式空気
軸受には高圧空気導入通路を介して高圧空気が供
給されるので、この高圧空気による空気膜を介し
てスラストランナーを十分に支持することが可能
となる。

この高圧空気の動圧式空気軸受への導入は、タ
ービン側の圧力とコンプレツサ側圧力とがほぼバ
ランスするエンジンの低、中回転時には行われな
いので、不必要なスラスト力が動圧式空気軸受に
作用することもなくなり、動圧式空気軸受の耐久
信頼性が高められる。

［実施例］ 以下に、本考案の望ましい実施例を、図面を参
照して説明する。

第１図および第２図は、本考案の一実施例に係
る動圧式空気軸受ターボチヤージヤを示してい
る。図において、２２はターボチヤージヤ２１の
コンプレツサを示しており、２３は、コンプレツ
サハウジングを示している。コンプレツサハウジ
ング２３内には、タービンシヤフト２４の一端側
にナツト２５等を介して固定されたインペラ２６
が設けられており、タービンシヤフト２４の他端
側には第４図に示したと同様のタービンホイール
（図示略）が設けられている。

タービンシヤフト２４には、ラジアル荷重を受
けるジヤーナル軸受２７が設けられている。ター
ビンシヤフト２４のインペラ２６の背面側には、
タービンシヤフト２４と一体に回転するスラスト
ランナー２８が固定されている。このスラストラ
ンナー２８の両側に、スラスト荷重を受ける動圧
式空気軸受２９，３０が配設されている。タービ
ン側の動圧式空気軸受２９は、センタハウジング
３１とコンプレツサハウジング２３とにより、コ
ンプレツサハウジング２３の内周面に固定されて
おり、インペラ側の動圧式空気軸受３０は、押え
板３２を介してコンプレツサハウジング２３の内
周面側に固定されている。両動圧式空気軸受２
９，３０間には、スペーサ３３が介装され、両動
圧式空気軸受２９，３０を固定するとともに、両
者の間隔を一定に保つている。

動圧式空気軸受２９は、平面形状が円形に形成
されている。動圧式空気軸受２９の片面には、円
周方向に配設された複数のテーパランド部２９ａ
が形成されている。動圧式空気軸受２９は、スラ
ストランナー２８との相対回転により、テーパラ
ンド部２９ａ上に空気膜を形成してスラスト軸受
として機能するようになつている。

動圧式空気軸受３０は、動圧式空気軸受２９と
同様に平面形状が円形に形成されている。動圧式
空気軸受３０の片面側には、第１図に示すよう
に、円方向に配置された複数のテーパランド部３
０ａが形成されている。動圧式空気軸受３０は、
スラストランナー２８との相対回転により、テー
パランド部３０ａ上に空気膜を形成してスラスト
軸受として機能するようになつている。

ターボチヤージヤ２１のコンプレツサ２２とタ
ービン側の動圧式空気軸受２９との間には、コン
プレツサ２２の出口側の高圧空気を動圧式空気軸
受２９のテーパランド部３４間に導く高圧空気導
入通路３５が設けられている。高圧空気導入通路
３５は、コンプレツサ２２の出口側からコンプレ
ツサハウジング２３の外部まで延びる通路３６
と、通路３６から動圧式空気軸受２９へと延びる
通路３７と、通路３７に連通する動圧式空気軸受
２９の外周に形成された円環状の溝３８と、溝３
８に連通し動圧式空気軸受２９内を半径方向に延
びる連通路３９（本実施例では４本）と、連通路
３９に連通し各テーパランド部３４の間に開口す
る小孔４０とから成つている。

高圧縮空気導入通路３５の通路３６と通路３７
との間には、エンジンの高負荷高回転時にのみ高
圧空気導入通路３５を開く制御弁４１が介装され
ている。本実施例では、制御弁４１は３方弁から
なつており、通路３７への連通を、通路３６側つ
まりコンプレツサ出口側からの高圧空気側と、大
気導入口４２側とに切換えるようになつている。
この大気導入口４２は、必ずしも必要ではなく、
制御弁４１は単に高圧空気導入通路を開閉可能な
弁であつてもよい。また、コンプレツサ２２の出
口側の高圧空気は、この圧縮空気を冷却するイン
タクーラ（図示略）を介してとるようにしてもよ
い。

制御弁４１は、ECU４３に接続されECU４３
からの信号に基づいて作動するようになつてい
る。ECU４３には、エンジン回転数センサ４４
からの信号と、負荷センサ４５からの信号が入力
されており、これらセンサ４４，４５からの信号
に基づき、ECU４３から制御弁４１の作動信号
が発せられる。

なお、本実施例では、動圧式空気軸受２９の内
周面部位にラビリンスシール４６が、スペーサ３
３の内周面部位にラビリンスシール４７が、それ
ぞれ設けられており、導入される高圧空気の逃げ
が抑制さけれている。

つぎに、本実施例における作用について説明す
る。

コンプレツサ２１のインペラ２６により圧縮さ
れた高圧空気の一部は、コンプレツサ出口側か
ら、高圧空気導入通路３５を介して動圧式空気軸
受２９の各テーパランド部２９ａの間に導かれ
る。この高圧空気が、タービンシヤフト２４の回
転に伴ないスラストランナー２８と各テーパラン
ド部３４との間に巻き込まれ、空気膜を生成する
ので、低圧の空気による場合に比べスラスト荷重
に対する負荷容量が高められ、スラスト空気軸受
としての負荷容量が高められる。

また、小孔４０がテーパランド部３４と同数設
けられ、各テーパランド部２９ａの間に開口され
ているので、各テーパランド部２９ａに高圧空気
が均等に導入される。したがつて、各テーパラン
ド部２９ａの負荷容量は均等化され、空気軸受全
体の負荷容量が増大する。

この負荷容量の増大は、エンジンが高負荷、高
回転のときのみに行われる。つまり、ECU４３
からの信号に基づき、エンジンが一定値以上の高
負荷、高回転数域のときのみに制御弁４１の作動
により通路３６，３７が連通され、コンプレツサ
２１の出口側の高圧空気が動圧式空気軸受２９部
に導入される。

第３図は、エンジン回転数との関係について示
している。図に示すように、高負荷、高回転数域
においてはタービン入口圧（タービン背面圧力）
P₁がコンプレツサ出口圧（コンプレツサインペ
ラ背面圧力）P₂よりも相当高くなる傾向にあり、
タービンシヤフト２４に相当大きなスラスト荷重
が発生する傾向にあるが、高圧空気導入によりス
ラストランナー２８両側に生じる差圧により、動
圧式空気軸受２９が受けるべきスラスト負荷が第
３図の特性ＡからＢのように低減され、結果とし
て動圧式空気軸受２９の負荷容量が高められる。

一方、低、中回転数域におては、特性Ａに示す
ように元々スラスト力は小さいので、仮にこの領
域においても高圧空気を導入するとすれば、特性
Ｂのうちの部分B′のように却つてアンバランス
が生じて望ましくないスラスト力を発生させてし
まう。そこで、この領域では高圧空気導入を停止
して、制御弁４１を介して大気が導入され、特性
Ａに戻される。つまり、本考案においては、太線
特性Ｃになるように制御される。その結果、エン
ジン全回転数域において、最もスラスト力が小さ
くなる方向に制御される。

［考案の効果］ 本考案の動圧式空気軸受ターボチヤージヤによ
れば、タービンシヤフトと一体に回転するスラス
トランナーを支持する２つの動圧式空気軸受のう
ち一方の動圧式空気軸受に、コンプレツサ出口側
の高圧空気を導く高圧空気導入通路を接続し、こ
の高圧空気導入通路に、エンジンの高回転時のみ
高圧空気導入通路を開く制御弁を設けたので、エ
ンジンの高回転時には、動圧式空気軸受の負荷容
量を高めることができ、ターボチヤージヤのター
ビン側の圧力とコンプレツサ側の圧力とに大きな
アンバランスが生じても、この圧力のアンバラン
スに起因するスラスト荷重を十分に受け止めるこ
とが可能となる。

エンジンの低、中回転数域では空気軸受への高
圧空気の導入が停止されるので、スラストランナ
ーにかかるスラスト力は最も小さい状態に保たれ
る。したがつて、不必要なスラスト力が動圧式空
気軸受に作用することがなくなり、動圧式空気軸
受の耐久信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例に係る動圧式空気軸
受ターボチヤージヤの部分縦断面図、第２図は第
１図の装置における動圧式空気軸受部の拡大正面
図、第３図はエンジン回転数と、スラスト荷重、
タービン入口圧、コンプレツサ出口圧との関係
図、第４図は従来の動圧式空気軸受ターボチヤー
ジヤの半断面図、第５図は先に本出願人が提案し
た動圧式空気軸受ターボチヤージヤの部分縦断面
図、である。 ２１……ターボチヤージヤ、２２……コンプレ
ツサ、２４……タービンシヤフト、２８……スラ
ストランナー、２９，３０……動圧式空気軸受、
３５……高圧空気導入通路、４１……制御弁、４
３……ECU、４４……エンジン回転数センサ、
４５……負荷センサ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. タービンシヤフトに、該タービンシヤフトと一
   体に回転するスラストランナーを設け、該スラス
   トランナーの両側に、スラスト荷重を受ける動圧
   式空気軸受をそれぞれ設け、該二つの動圧式空気
   軸受のうち一方の動圧式空気軸受に、コンプレツ
   サ出口側の高圧空気を導く高圧空気導入通路を接
   続し、該高圧空気導入通路に、該高圧空気導入通
   路をエンジンの高回転時のみ開く制御弁を設けた
   ことを特徴とする動圧式空気軸受ターボチヤージ
   ヤ。