JPH065024B2 - タ−ボチヤ−ジヤのシヤフト構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車のエンジンに適用されているターボ
チャージャのシャフト構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、内燃機関の排気ガスエネルギーによって駆動され
るタービンのシャフトに電動−発電機を設けて排気ガス
エネルギーの有効活用を計る超高速電動−発電機につい
ては、本出願人が既に先願として出願した特願昭６０−
１９００９５号に開示されている。

この超高速電動−発電機について、第２図を参照して概
説する。この超高速電動−発電機３０は、内燃機関の排
気ガスエネルギーにより駆動されるタービン３２に連結
したものであり、三対以上の対磁極を有する永久磁石の
回転子３４と、フェライトコアから成る固定子コア３５
とを有するものである。

回転子３４は、リング状の構造であり、タービンブレー
ド３６とコンプレッサインペラ３７との間のシャフト３
１に設けられている。即ち、シャフト３１の両端にター
ビンインペラ３６とインペラ３７とが取付けられてお
り、このシャフト３１は、タービンインペラ３６と強力
な永久磁石の回転子３４との間で軸受４０，４１によっ
てセンタケーシング３９に支持されている。

また、回転子３４の外周部に対して固定子コア３５が配
設されている。更に、回転子３４の外周には、チタン合
金、或いは部分安定化ジルコニア、又はステンレススチ
ールより成る高抗張力薄肉パイプ３８を圧入して補強
し、永久磁石が超高速回転による遠心力や振動を受けて
も、十分に強固な永久磁石の回転子３４として耐久力を
有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般に、ターボチャージャの耐久性、信頼性で重要なこ
ととして、高速回転するターボチャージャのシャフトと
該シャフトを支持する軸受との間のバランス、即ちアン
バランスによって発生する振動、騒音等が挙げられる。

ところで、上記特願昭６０−１９００９５号に開示され
ている超高速電動−発電機３０では、シャフト３１はタ
ービンインペラ３６と回転子３４との間で一対の軸受４
０，４１を介してセンタケーシング３９に支持され、更
に、タービンインペラ３６とインペラ３３との中間に永
久磁石の回転子３４が配設されているが、このような配
置のタイプのターボチャージャに関しては、強力な永久
磁石から成る回転子３４は重量が重く、軸受４１とコン
プレッサブレード即ちインペラ３７との間の片持ち重量
が大きくなり、ターボチャージャ自体の重心がシャフト
３１の片側に寄り過ぎ、軸受４０，４１で支持するに
は、バランスが取れず、アンバランスになり、振動、騒
音等が発生する等の不具合が生じる。

そこで、インペラ３７側の重量を軽くするため、シャフ
ト３１を細く形成することが考えられるが、シャフト３
１を細く構成すると、シャフト３１の強度が弱くなり問
題が生じる。

更に、タービン３２は排気ガスエネルギーから熱エネル
ギーを得て高温になるが、このタービン３２が高温にな
ることによって、タービン３２とコンプレッサ３３とを
駆動連結するシャフト３１はその温度の影響即ち輻射、
伝導によって伝わる熱の影響を受け、高温になる。その
ため耐熱性に関しても問題が生じることになる。また、
シャフト３１が、例えば１０万ｒｐｍ以上の超高速回転
する場合に、シャフト３１の曲がり現象が生じるという
問題点を有している。

この発明の目的は、上記の問題点を解決することであ
り、排気ガスの熱を受けて高温状態になるタービンから
伝導、輻射によって伝えられる熱を受けて前記タービン
とコンプレッサとを駆動連結するシャフトが高温になっ
ても十分なシャフト構造を提供し、また前記シャフトが
超高速回転になっても前記シャフトが曲がるような現象
が生じるのを防止し、しかもターボチャージャ自体のバ
ランスがとれた構造を提供し、振動、騒音等の発生を防
止するターボチャージャのシャフト構造を提供すること
である。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、次のように
構成されている。即ち、この発明は、一端にタービン
を、他端にコンプレッサを且つ中間に永久磁石の回転子
を取り付けたシャフト、前記回転子と前記タービンとの
間で前記シャフトを回転自在に支持する一対の軸受、前
記回転子と一方の前記軸受の間の前記シャフトの外周に
嵌合したセラミックス製高剛性スリーブ、及び前記回転
子と前記コンプレッサの間の前記シャフトの外周に嵌合
したプラスチック製スリーブを有することを特徴とする
ターボチャージャのシャフト構造に関する。

また、このターボチャージャのシャフト構造において、
前記コンプレッサのインペラは耐熱性プラスチック材で
構成されているものである。

〔作用〕

この発明によるターボチャージャのシャフト構造は、以
上のように構成されており、次のように作用する。即
ち、このターボチャージャのシャフト構造は、シャフト
の両端に取り付けたタービンとコンプレッサとの間に永
久磁石から成る回転子を配設し、前記タービンと前記回
転子との間で前記シャフトを一対の軸受を介して支持
し、一方の前記軸受と前記回転子の間の前記シャフトに
セラミックス製高剛性スリーブを嵌合し、更に前記回転
子と前記インペラの間の前記シャフトにプラスチック製
スリーブを嵌合したので、前記軸受と重量の重い永久磁
石の前記回転子との間の前記シャフトの部位を窒化珪素
系、炭化珪素等の剛性の高いセラミックス製スリーブに
よって補強できると共に、軽量化を実現することができ
る。

また、前記回転子と前記コンプレッサとの間の前記シャ
フトを比重の小さいプラスチック製スリーブによって軽
量化を計ることができ、しかもその部位を補強でき、更
に前記シャフトのこれらの部位の断熱効果も期待でき、
更にシャフト自体のバランスが崩れるようなこともな
い。

更に、前記コンプレッサのインペラは耐熱性プラスチッ
ク材で構成されているので、一層軽量化が計れると共
に、断熱効果も期待できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるターボチャージ
ャのシャフト構造の一実施例を詳述する。第１図におい
て、この発明によるターボチャージャのシャフト構造が
符号１０によって示されている。このターボチャージャ
のシャフト構造１０が適用された内燃機関のターボチャ
ージャは、エンジンの排気ガスによって駆動されるター
ビン、該タービンの駆動によって過給するコンプレッ
サ、及び前記タービンによって駆動される超高速電動−
発電機を有する。

タービンはタービンケーシング内に排気ブレード即ちタ
ービンブレード４が配置されたものである。また、コン
プレッサは、コンプレッサケーシング内にインペラ２が
配置されたものである。更に、タービンブレード４とイ
ンペラ２とは、シャフト１によって伝動連結されてい
る。即ち、ターボチャージャのシャフト１の一端にはイ
ンペラ２がシャフト１と一体のコンプレッサ軸部１１を
介して固定され、またターボチャージャのシャフト１の
他端にはタービンブレード４がタービン軸１２を介して
固定されている。

また、タービンブレード４とインペラ２とを連結するシ
ャフト１の中間部に配設されている超高速電動−発電機
については、ここでは上記特願昭６０−１９００９５号
に開示されている内燃機関のターボチャージャにおける
超高速電動−発電機と同様の構成及び機能を有するもの
であり、電動機又は発電機として機能する。超高速電動
−発電機は、センタケーシング内を貫通するシャフト１
に取り付けられた軸方向に伸長する永久磁石から成る回
転子３、薄肉パイプ、固定子コア、固定子巻線等（図示
省略）から成る。

ターボチャージャのシャフト１は、センタケーシングに
固定されたベアリング即ち軸受６，７を介して回転自在
に支持されている（図示省略）。タービンブレード４
は、タービンスクロールにエンジンの排気マニホルドを
通じて送込まれる排気ガスの流れ即ち排気ガスエネルギ
ーを受けて回転し、排気ガスを軸線方向に排気する（図
示省略）。

また、コンプレッサのインペラ２は、吸気口からコンプ
レッサスクロールに導入された空気をディフューザによ
って圧力変換してエンジンの吸気マニホルドに送り込む
作用を果たすものである（図示省略）。

超高速電動−発電機は、タービンによって駆動され、ス
テータコイルに電圧を誘起し、この電圧を電源側に戻す
機能を果たすもので、即ち、回生電圧をバッテリに充電
したり又は負荷として利用できるように機能するもので
ある。

以上の構成において、この発明によるターボチャージャ
のシャフト構造１０については、シャフト１の一端にタ
ービン軸１２を介してタービンブレード４を固定し且つ
他端にインペラ２を固定しているが、軸受７と回転子３
との間のシャフト１の径は一対の軸受６，７によって支
持されているシャフト１の径よりも小さく形成され、し
かも回転子３とインペラ２との間のシャフト１の径は軸
受７と回転子３との間のシャフト１の径よりも小さく形
成されている。図中、符号９及び１６は段部を示す。

更に、回転子３側の一方の軸受７と重量の重い回転子３
との間のシャフト１の部位の外周には、炭化珪素系、窒
化珪素系等の剛性の高いセラミックス製、サーメット製
等から作られた高剛性スリーブ５を嵌合し、上記部位の
シャフト１の強度を補強している。

また、回転子３とインペラ２との間のシャフト１の部位
の外周には、比重の小さい且つ耐熱性に優れたプラスチ
ック製のスリーブ８を嵌合し、上記部位のシャフト１の
強度を補強すると共に、軽量化を向上させている。

更に、エンジンに過給するコンプレッサのインペラ２
を、耐熱性に優れたプラスチック材で構成し、インペラ
２自体の重量を軽くし、軽量化を図っている。

しかも、内燃機関の排気ガスエネルギーの熱を受けて高
温状態になるタービンから伝導、輻射によって伝えられ
る熱は、タービンとコンプレッサとを伝動連結するシャ
フト１に伝導されて高温となるが、その高温の熱に対し
てもセラミックス製の高剛性スリーブ５によって耐える
ことができ、しかも軽量化のため径が順次に小さく形成
されたシャフト１を十分に補強することができる。

また、コンプレッサのインペラ２を、場合によっては、
チタン酸カリウムウィスカー等から成る断熱材を介して
シャフト１に固定することもできる。詳しくは、シャフ
ト１と一体に形成されたコンプレッサ軸部１１即ちシャ
フト１の一端部にインペラ２を嵌合し、コンプレッサ軸
部１１の端部に形成されたボルト１４にナット１３を螺
入し、インペラ２をシャフト１に固定している。しか
も、インペラ２自体を耐熱性に優れたプラスチック材料
で構成しているので、シャフト１からの熱伝導を抑え、
インペラ２自体の温度上昇を阻止し、インペラ２によっ
て過給空気の温度上昇を防止することができる。

〔発明の効果〕

この発明によるターボチャージャのシャフト構造は、以
上のように構成されているので、次のような特有の効果
を奏する。即ち、この発明は、シャフトの両端に取付け
たタービンブレードとインペラとの間に回転子を配設
し、前記タービンブレードと前記回転子との間で前記シ
ャフトを一対の軸受を介して支持し、一方の前記軸受と
前記回転子の間の前記シャフトにセラミックス等の高剛
性をスリーブを嵌合し、更に前記回転子と前記インペラ
の間の前記シャフトにプラスチック材等のスリーブを嵌
合したので、前記軸受と重量の重い永久磁石等の前記回
転子との間の前記シャフトの部位を窒化珪素系、炭化珪
素系等の剛性の高いセラミックス製スリーブによって補
強できると共に、軽量化を計ることができ、また、前記
回転子と前記インペラとの間の前記シャフトの部位を比
重の小さいプラスチック製スリーブによって軽量化を計
ると共に、補強することができ、しかもシャフト自体の
バランスが崩れるようなことがない。

更に、前記軸受から遠ざかる部位の前記シャフトの径を
小さく構成することができ、前記シャフトの強度を低減
することなく、一層の軽量化を計ることができる。ま
た、前記インペラを耐熱性プラスチック材で構成したの
で、一層軽量化が計れる。

それ故に、重量の重い前記回転子及び前記インペラを前
記回転子と前記タービンとの間に位置する一対の軸受で
支持したシャフト構造であるが、前記シャフト自体の強
度が極めて強いので、前記シャフトを高速回転してもバ
ランスが崩れることがなく、アンバランスになって振
動、騒音等が発生するようなことがない。

即ち、前記高剛性パイプ部材及び前記プラスチック製ス
リーブによって所定の部位を補強した前記シャフトを、
例えば、前記シャフトを１０万ｒｐｍ以上の超高速で回
転するターボチャージャのシャフトとして使用した場合
に、超高速回転に耐える強度を十分に備え、超高速回転
によって生じる前記シャフトの撓み、曲がり等の発生を
防止し、しかも耐摩耗性を向上させ、しかも前記シャフ
トに伝わる熱を断熱するのにも極めて有効なものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるターボチャージャのシャフト構
造の一実施例を示す断面図、及び第２図は従来の超高速
電動−発電機を示す断面図である。 １……シャフト、２……インペラ、３……回転子、４…
…タービンブレード、５……セラミックス製高剛性スリ
ーブ、６，７……軸受、８……プラスチック製スリー
ブ、１０……ターボチャージャのシャフト構造、１１…
…コンプレッサ軸部、１２……タービン軸。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端にタービンを、他端にコンプレッサを
   且つ中間に永久磁石の回転子を取り付けたシャフト、前
   記回転子と前記タービンとの間で前記シャフトを回転自
   在に支持する一対の軸受、前記回転子と一方の前記軸受
   の間の前記シャフトの外周に嵌合したセラミックス製高
   剛性スリーブ、及び前記回転子と前記コンプレッサの間
   の前記シャフトの外周に嵌合したプラスチック製スリー
   ブを有することを特徴とするターボチャージャのシャフ
   ト構造。
2. 【請求項２】前記コンプレッサのインペラは耐熱性プラ
   スチック材で構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載のターボチャージャのシャフト構
   造。