JPS61145587A - ターボチヤージヤにおける熱伝導の制御方法およびターボチヤージヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はターボチャージャにおける熱伝導制御方法およ
びターボチャージャに関する。

本発明は燃焼用の圧縮エヤな内燃機関へ送るターボチャ
ージャ、特にハウジング内にタービンおよびコンプレッ
サが収容されると共に回転可能に長手のシャフトが枢支
されるターボチャージャに適用して有用である。

（従来の技術） 一般に燃焼用の圧縮エヤなオツドサイクルあるいはディ
ーゼルナイクルの内燃機関へ供給するターボチャージャ
は当業者には周知である。従来のターボチャージャは静
止形あるいは農場用大型自動車若しくは工事用自動車等
の大形エンジ゛ンに使用されておシ、当該ターボチャー
ジャのハウジングには一般に排気ガスを入口部から導入
し回転ターｌ’ｙヲ経て出口部へ流動させるタービンハ
ウジング部が包有される。タービンによりハウジング内
に枢支されたシャフトが回動され、タービンハウジング
部に対し離間してシャフト上に付設されたコンプレッサ
が回動される。コンプレッサはコンプレッサハウジング
部内に配設され、コンプレッサハウジング部内には外部
のエヤを導入する入口部とコンプレッサにより圧縮され
たエヤをエンジンの入口マニホルドへ供給する出口部と
が具備されている。

この種の大形の従来のターボチャージャと連係するエン
ジンの出力は比較的低く、排気ガスの温度も低く、また
エンジンを停止する頻度は少ないので、シャフトおよび
シャフトを枢支するベアリングを冷却するために格別留
意する必要がながった。実際上ターボチャージャの作動
中エンジンによジオイルを供給して潤滑し且冷却するこ
とによシシャフトおよびベアリングは好適に低温に維持
されるので、エンジン停止後、ターボチャージャにおい
てオイルのコーキング現象が抑止されていた。即ちター
ボチャージャの高温タービン側部における動作温度が相
対的に低くターボチャージャが比較的大きいので、オイ
ルの供給が停止された後も、シャフトおよびベアリング
が受ける最高温度がさ程嶌くなく、従ってエンジン停止
後ターボチャージャ内に残留するオイルの劣化、オイル
コーキングが引き起されることはなかった。

−万乗用車用の相対的に小型のターボチャージャには多
くの問題があった。即ちエンジンの出力が高くなると通
常排気ガスの温度も高くなる。またターボチャージャ自
体が大形のものより相当に小さいので、熱質量が小さく
なシ従ってエンジン停止後、タービンハウジング部およ
びタービンからの残留熱が放熱される。この結果、エン
ジン停止後、タービンハウジング部およびタービンから
ハウジングのシャフトおよび他部へ熱が吸収・伝達され
て高温になるので、ハウジング内に残留するオイルの劣
化若しくはオイルコーキングが生じている。この場合オ
イルにコーキングが生ずるとオイルがベアリング内に詰
まるため、稜続のオイルの流通が不可能となり、潤滑お
よび冷却作用が失なわれて、ターボチャージャのベアリ
ングが故障する問題があった。

上記の問題の解決法として逆止め・計量弁を備えた油圧
アキュムレータをエンジンとターボチャージャとの間の
オイル供給導管に配設する構成が提案されている。この
場合エンジン作動中、このアキュムレータに圧縮オイル
が充填され、エンジン停止峙にオイルが所定の割合でタ
ーボチャージャへのみ供給され、ベアリングおよびシャ
フトが冷却されると共に、ターボチャージャの他部も冷
却されるように構成されている。しかしながらこの構成
では乗用車が頻繁に停止・再始動された場合、アキュム
レータにオイルを充満する充分な時間がないため、所期
の作用を得れず、依然としてターボチャージャ（二故障
の危惧があった。

更に米国特許第４，０６８，６１２号等には液体冷却ジ
ャケットをタービンハウジング部に近接してタービンハ
ウジング部の一部に設ける構成を有したターボチャージ
ャが開示されている。この構成ではエンジンの作動中冷
却液がエンジンの冷却機構を介してジャケットに循環さ
れる。エンジンが停止されると、ジャケット内に残留し
た冷却液により放熱されるので、タービンハクジンク部
からの残留熱によりシャフトおよびベアリングが不都合
な高温レベルまで上昇することが抑止されている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら上記米国特許第４，０６８，６１２号のタ
ーボチャージャにおいては、冷却液用の供給および帰り
パイプをターボチャージャに配管す′る必要があシ、通
常柔軟で耐用性の高い高価なパイプが使用され、総じて
ターボチャージャがコスト高になる問題があった。また
このような配管を行なうと保守が必要となり且またパイ
プに破断が生ずると冷却液が漏出して乗用車の駆動が不
能となる危惧もあった。

しかして本発明の一目的は冷却液を用いず、これに伴う
配管構成を不要にし、エンジン停止後のシャフトおよび
ベアリングの温度上昇を抑止し得る制御方法を提供する
ことにある。

本発明の他の目的はエンジンに対し所定のエヤ、排気ガ
スおよび潤滑用のオイルの流路な除いて一体化し得、エ
ンジンの冷却機構によらず過度の温度上昇を防止できる
ターボチャージャを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、熱伝導性および熱吸収性を有する材料
を準備し、ターボチャージャの作動中に比較的低エネル
ギの分子状態をなしエンジンが停止し冷却用のオイルの
供給が停止されたときターボチャージャのタービンハウ
ジング部からの残留熱を吸収し、同時に熱をタービンハ
ウジング部からシャフトおよびオイルコーキングの生じ
るベアリングを経てターボチャージャの比較的低温部へ
と伝導させる熱伝導路として上記熱伝導性および熱吸収
性を有する材料を機能させることによりエンジン停止後
のターボチャージャ内の熱伝導を制御する方法により上
記目的が達成される。

また本発明によれば、長手のシャフトが内部に枢支され
るハウジングと、シャフトの端部に駆動可能に支承され
たタービンと、シャフトの他端部に駆動可能に支承され
たコンプレッサと、タービンに対する排気ガス用の入口
部および出口部を有するタービンハウジング部と、コン
プレツナに対するエヤ用の入口部および出口部を有する
コンプレッサハウジング部と、タービンハウジング部と
コンプレッサハウジング部との間に配設され、シャフト
の周囲の少なくとも一部に位置する空洞部を有１−だ中
央ハウジング部と、空洞部内に収容され、ターボチャー
ジャが所定の温度で動作しているとき第１の低分子エネ
ｉレギレベルを示し、且温度が上昇しタービンハウジン
グ部からの残−奮然が伝導されるとき熱を吸収して第２
の高分子エネルギレベルへ変化する所定量の充填材とを
備えたターボチャージャによシ、上記目的が達成される
。

（作用） 上述のように構成された本発明によれば、中央ハウジン
グ部の空洞部内に、異なった分子エネルギレベルを、と
り状態変化する充填材を収容せしめ、この充填材により
シャフトの一部が囲繞される構成をとるから、特に一対
のベアリングの一方の温度低下が図られる反面、ベアリ
ングの他方の温度維持が図られる作用を得ることができ
る。

（実施例） 第１図〜第４図を参照するにハウジングＣ１２１を有す
るターボチャージャａαが示されている。ハウジング（
１２の中央ハウジング部Ｉ内には互いに離間され、且長
手のシャフト■が貫装された一対のジャーナルベアリン
グαｅ、鱈が配設される。シャフト（イ）の一端部には
タービン羽根車＠が付設あるいは一体に形成される。シ
ャフト■の他端部にはコンプレッサ羽根車＠が装着され
、シャフトに螺合されるナツト（至）を介しシャツｌ）
と共に回転可能に固設されている。

タービンハウジング部（２）は中央ハウジング部Ｉに隣
接して配設され、タービンハウジング部翰にはタービン
羽根車＠の、半径方向外側領域に連通する排気ガス導入
用の入口部３０と、タービン羽根車器を介し入口部（至
）と連通する排気ガス導出用の出口部Ｃ３２とが区画さ
れる。同様にコンプレッサハウジング部（ロ）が中央ハ
ウジング部Ｉを介在させてタービンハウジング部（ハ）
と連設されている。コンプレッサハウジング部（至）に
はコンプレッサ羽根車（財）の、半径方向内側領域に連
通するエヤ導入用の入口部（至）とコンプレッサ羽根車
（財）の、半径方向外側の拡散室（至）に連通するエヤ
導出用の出口部（図示せず）とが区画される。

また中央ハウジング部Ｉには、流路（４３、（４４）を
介しジャーナルベアリングαＧ　、　１８に連通された
オイル供給用の入口部ｈａと、ジャーナルベアリング（
１６１゜Ｑ８１を流通したオイルをオイル用の出口部０
咎へ送る流路（ハ）とが区画されている。中央ハクジン
グ部Ｉ内には更に閉鎖された空洞部（至）が具備される
（特に第２図〜第４図参照）。当該空洞部［相］は第３
図および第４図に示す如くシャフト■の位置より上方か
ら円周方向にシャフト（イ）の両側へ向って延設されて
いる。即ち空洞部（イ）がシャフト■およびジャーナル
ベアリングｃ１６１　、　ｕに対しサドル状をなす即ち
幾分跨がって囲繞するように設けられる。

空洞部ω内には、特に熱伝導係数、熱サイクルに対する
化学的安定性、コスト面および融解熱即ち状態熱容量の
変化が好適な所定量の充填材５ｚが充填される。充填材
１５２の選定に当っては状態熱吸収性および熱発生の生
じる温度を特に勘案する。

この場合ターボチャージャ（１１１の製造時に好ましく
は中実のペレット又は粒状の充填材５ｚを開口部図から
空洞部６ｑに充填せしめ、その後中央ハウジング部（１
４１の開口部６４にプラグ部材間を螺合して空洞部−を
閉鎖する。このプラグ部材□□□は例えば嫌気性を有す
る接着剤を介し中央ハウジング部Ｉに対し看脱可能に固
設してもよく、また例えば溶接によシ中央ハウジング部
Ｉに永久的に固設してもよい。いずれの場合も、プラグ
部材間により開口部（財）は緊密に閉鎖され得、空洞部
６Ｉはターボチャージャ（１０１の使用期間中閉鎖され
る。即ち充填材（５２は空洞部印肉に永久に封入し得る
。また充填材５６はペレットあるいは粒状の態様で空洞
部６０内に封入されることが理解されよう。更にこの充
填材鏝はターボチャージャａαがエンジンによシ駆動さ
れ熱により一時停止されるような状態では空洞部（至）
内において溶融状態となる。

次に上述のターボチャージャａ１の動作について説明す
る。内燃機関（図示せず）が駆動され、アーボチャージ
ャａωが作動されると、高温、高圧の排気ガスが入口部
（至）からハウジング（ｌｚ内に導入され且出口部ｃ３
２へ送出され、このときタービン羽根車器が駆動される
。タービン羽根車のの駆動時には排気ガスの圧力が低下
する。タービン羽根車＠の回転駆動によりコンプレッサ
羽根車（２）を支承するシャフト■が回動され、コンブ
レンチ羽根車＠が連動回転されて外部のエヤが入口部（
至）からコンプレッサ内へ導入され、圧縮されて拡散室
（至）と連通ずる出口部（図示せず）に放出される。ハ
ウジング（１３のタービン部内に送られる排気ガスはエ
ンジンおよびターボチャージャααが作動している限り
、ハウジング鰺およびタービン羽根車器へ実質的に連続
的に熱を伝達する熱源として作用する。

従ってターボチャージャＣＩＯ＋の作動中、熱は加熱さ
れたタービンハウジング部（至）およびタービン羽根車
＠からターボチャージャααの低温部へ実質的に連続し
て伝播される。この熱伝導はシャフト（イ）および中央
ハウジング部ｃＬ４１を介して第１図の左側、即ちコン
ブレンチ側にも達する◎ 同時に比較的低温の潤滑用のオイルが入口部（４０から
流路（４１，（４４へと送られる。このオイルは流路！
４ｚ、■からジャーナルベアリングαＱ、α＆を通り流
路−へ移動されるとき、ターボチャージャ（１０１の熱
を吸収してターボチャージャααを冷却する。またター
ボチャージャααはその外面から輻射および対流により
外部へ放熱する。且ターボチャージャα■の熱はコンプ
レッサ羽根声Ｑ４から拡散室（ハ）を経て出口部へ流動
するエヤに伝達される。この熱伝導、伝達により、ジャ
ーナルベアリング住ｅ、餞は低温で作動され得、オイル
コーキング現象が防止され得る。このとき充填材５ｚは
比較的低エネルギの分子状態に維持される。

排気ガスをハウジングα２の入口部■へ供給するエンジ
ンが停止されると、ターボチャージャＱｌに対する熱源
とオイルによる冷却源とが停止されるが、タービンハウ
ジング部（２）とタービン羽根車器には熱が残留する。

この残留熱はターボチャージャα０）の作動中と同様に
ターボチャージャの低温部へ伝導される。このときオイ
ルは流れないので、シャフト■および中央ハウジング部
Ｉの温度は通常の動作温度より高くなる傾向にあり、温
度の上昇を抑止しないと、ジャーナルベアリング（１６
１、αＳ。

特にジャーナルベアリング（Ｉεの温度が上昇されて内
部に残留するオイルが劣化あるいはコーキングの危惧が
ある。

しかして本発明においてはターボチャージャααの空洞
部ＧＱ内に収容された充填材りにより熱伝導が制御され
る。即ち充填材５６は高温のタービンハウジング部＠か
ら、シャフト■およびジャーナルベアリング（１６１、
（１８）に対し離間した流路を介し低温のコンプレッサ
ハウジング部（ロ）へ熱を伝導させるように機能すると
共に材料の分子状態変化による熱エネルギを吸収するよ
う作用する。また充填材５ｚは中央ハウジング部（１４
１の通常予測される動作温度を考慮して、所定の高温で
高エネルギ状態への状態変化が生じるよう選択される。

この構成により相当の熱が吸収されて、ジャーナルベア
リングαｅ、α樽の温度がオイルコーキングを引き起こ
すような高レベルには達しない。無論、時間が経過する
に応じターボチャージャ（１１全体はその表面から放熱
が行なわれ、冷却される。

例えば錫と鉛の合金（これは通常低温ハンダ用に使用さ
れる）を充填材りとして採用した場合極めて良好な上述
の作用を得れることが判明している。一方、空洞部ｒ５
０を備える反面、空洞部印肉に充填材５ｚを挿入してな
い第１図の構成の第１図のターボチャージャＣｌ０Ｉに
対し実験を行なった結果、タービンハウジング部（至）
およびタービン羽根車＠からジャーナルベアリングσＧ
、錦へ伝導される熱が吸収された後の、各ジャーナルベ
アリング（１６１。

錦における最高温度は夫々４５０°Ｆ（約２３２°Ｃ）
および６４０°Ｆ（約３３８’Ｃ）になった。この温度
は夫々の通常の動作温度２２５°Ｆ（約１０７＠Ｏ）お
よび３１０°Ｆ（約１５４″Ｃ）に比べ高温であシ、ジ
ャーナルベアリングαε内にオイルコーキングが生じた
。

換言すればこの温度は中央ハウジング部に対する冷却構
成を具備していない従来のターボチャージャにおける温
度と実質的に同じである。

一方本発明による、上述のハンダ合金でなる充填材１５
２を空洞部１５Ｇ内に充填した場合、上記実験と同一条
件下でベアリング（１６１’＋α趨の最高温度は４８０
’Ｆ　（約２４９°Ｃ）および５２５°Ｆ（約２７４＠
Ｃ）になった。即ち、ジャーナルベアリングαａの最高
温度が空洞部５Ｑに充填材５２を充填していない場合に
比べ１１５°Ｆ（約４６°Ｃ）、低下せしめられた。ま
たジャーナルベアリング（ｌｅの最高温度は３０°Ｆ（
約１７°Ｃ）だけ高く維持されて、充填材りの状態変化
によυ相当量の熱が吸収される反面、ターボチャージャ
Ｑｌの低温部へは充填材５２を介して熱が伝導される。

充填材の熱伝導作用は、低温のコンプレッサハウジング
部（ロ）において相当量の残留熱を吸収でき、極めて好
ましい。またコンプレッサハウジング部（至）により更
に輻射および対流の冷却作用が行なわれ、ターボチャー
ジャが迅速に冷却される。上記の作用によシジャーナル
ベアリングαＳの最高温度が低く抑えられ、オイルコー
キング現象が有効に防止され得る。

エンジンが再始動され、これに伴いターボチャージャ１
１が再始動される場合、ターボチャージャ（ｌｅに相当
の残留熱があってもコンプレッサハウジング部（２）に
当初に導入されるエヤによりターボチャージャ（ロ）の
内部が放熱される。同様に中央ハウジング部Ｉに当初に
導入されるオイルにより中央ハウジング部α滲の温度が
迅速に通常レベルまで低下される。この結果ターボチャ
ージャ（ｌｅは通常の動作に戻され、空洞部６２内の材
料も冷却されて、低エネルギの分子状態へ変化せしめら
れ放熱される。放熱された熱の大半は中央ハウジング部
（１４１内を流れるオイルに吸収されるため、ターボチ
ャージャａαはエンジンの頻繁な停止や再始動に対して
も充分対応し得る。

（発明の効果） 上述のように構成された本発明によれば、複雑な冷却構
成を有することなく簡潔な構成をもってベアリングの過
度の温度上昇を防ぎ、コーキング現象を有効に抑止して
装置の信頼性を低減できる。

またエンジンにおける冷却機構を援用したターボチャー
ジャに対する配管作業を除去でき、これに伴う設置およ
び保守を簡単化すると共に、オイルを用いず、エヤによ
り冷却する態様のエンジンに連係するターボチャージャ
にも適用できる等々の多岐に亘る効果を達成゛する。

本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、特許
請求の範囲の技術的思想に含まれる設計変更を包有する
ことは理解されよう。

本発明の実施態様を以下に簡潔に記載する。

１、一端部に配設されるタービンハウジング部および他
端部に配設されるコンプレッサハウジング部を有し、長
手のシャフトを回転可能に支＊する互いに離間された一
対のベアリングを収容する長手のハウジングと、シャフ
トの一端部および他端部に夫々回転可能に支承されるタ
ービン羽根車およびコンプレッサ羽根車とを包有したタ
ーボチャージャにおいて、タービンハウジング部とコン
プレッサハウジング部との間に延び一対のベアリングの
、タービンハウジング部に近い一方のベアリングを実質
的に囲繞する空洞部をハウジング内に形成する工程と、
熱伝導性かつ熱吸収性を示す充填材を空洞部内に充填す
る工程と、充填材を介在して一方のベアリングから離間
した熱伝導路を形成することにより残留熱をコンプレッ
サハウジング部へ伝導し、同時に残留熱を吸収し充填材
を温度上昇させる工程とを包有してなるターボチャージ
ャにおける熱伝導の制御方法。

２各所定温度で分子状態が変化する充填材の群から−の
充填材を選択する工程を包有してなる上記第１項記載の
方法。

１充填材として金属、金属合金を選択する工程を包有し
てなる上記第２項記載の方法。

未材料として錫と鉛の合金を選択する工程を包有してな
る上記第３項記載の方法。

翫排気タービンへクジング部とタービンハウジング部か
ら離間されたエヤコンプレッサハウジング部とタービン
ハウジング部およびコンプレッサハウジング部間に延び
る空洞部とを有するハウジング装置と、空洞部内に収容
され、ターボチャージャが作動されていないときタービ
ンハウジング部からコンプレッサハウジング部へ残留熱
へ伝導させ且残奮然を吸収して分子状態が変化する熱伝
導装置とを備えてなるターボチャージャ装置。

ａ内燃機関の排気ガスから機械的なエネルギを取出す排
気タービン装置と、排気タービン装置に対し離間されか
つ機械的に連結され、排気タービン装置により取出され
た機械的エネルギを利用して内燃機関の燃焼用のエヤな
圧縮するエヤコンプレッサ装置と、内部に排気タービン
装置およびエヤコンプレッサ装置が収容され且排気ター
ビン装置とエヤコンプレッサ装置との間に延びる空洞部
を有するハウジング装置と、空洞部内に収容され排気タ
ービン装置からエヤコンプレッサ装置へ熱を伝達し、且
所定の条件下で熱エネルギを吸収する熱伝導性および熱
吸収性を示す充填材とを備えてなるターボチャージャ装
置。

２充填材が金属である上記第６項記載のターボチャージ
ャ装置。

８、充填材が錫と鉛の合金である上記第７項記載のター
ボチャージャ装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるターボチャージャの一部を断面で
示す側面図、第２図は第１図の線２−２に沿った部分断
面図、第３図は第１図の９３−３に沿った断面図、第４
図は第１図の線４−４に沿った断面図である。 １０・・・ターボチャージャ、１２・・・ハウジング、
１４・・・中央ハウジング部、１６　、１８・・・ジャ
ーナルベアリング、２０・・・シャフト、２２・・・タ
ービン羽根車、２４・・・コンプレッサ羽根車、２６・
・・ナツト、２８・・・タービンハウジング部、３０・
・・入口部３２・・・出口部、３４・・・コンプレッサ
ハウジング部３６・・・入口部、３８・・・拡散室、４
０・・・入口部、４２　、４４・・・流路、４６・・・
流路、４８・・・出口部、５０・・・空洞部、５２・・
・充填材、５４・・・開口部、５６・・・プラグ部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中央ハウジング部内においてタービンハウジング部
   とコンプレツサハウジング部との間に軸方向に延び、高
   温になるベアリングとベアリングに枢支されたシャフト
   との周囲の、少なくとも一部に位置する空洞部を形成す
   る工程と、ハウジングの動作温度が所定値より高いとき
   熱を吸収し状態が変化する熱伝導性および熱吸収性を示
   す充填材を空洞部内に収容する工程と、充填材を介しタ
   ービンハウジング部からコンプレツサハウジング部へ残
   留熱を伝導させ同時に残留熱の一部を吸収し充填材の状
   態を変化させる工程とを包有してなる、ターボチャージ
   ャにおける熱伝導の制御方法。 ２、シャフトの一端部に駆動可能に支承されたタービン
   羽根車と、シャフトの他端部に駆動可能に支承されたコ
   ンプレツサ羽根車と、内部に長手のシャフトが枢支され
   タービン羽根車とコンプレツサ羽根車との間に延び、且
   シャフトの周囲の少なくとも一部に位置する空洞部を有
   したハウジングと、空洞部内に収容され所定量の熱伝導
   性および熱吸収性を示す充填材とを備えてなり、且ハウ
   ジングはタービン羽根車に対する排ガス用の入口部およ
   び出口部並びにコンプレツサ羽根車に対するエヤ用の入
   口部および出口部を具備してなるターボチャージャ。 ３、空洞部が閉鎖可能に且サドル状に設けられ、ハウジ
   ングはシャフトの下部且空洞部の垂下部間に位置するオ
   イル用の流路を具備してなる特許請求の範囲第２項記載
   のターボチャージャ。 ４、ハウジングは上部にオイル用の流路と連通するオイ
   ルの入口部を具備し、オイル用の流路はシャフトに連通
   され、サドル状の空洞部はオイル用の流路から離間して
   この流路を囲繞し且シャフトを実質的に囲繞するように
   設けられてなる特許請求の範囲第３項記載のターボチャ
   ージャ。 ５、ハウジングは空洞部から外側へ向つて開放する開口
   部を具備し、開口部に空洞部を閉鎖するプラグ装置が螺
   結されてなる特許請求の範囲第２項記載のターボチャー
   ジャ。 ６、充填材が金属である特許請求の範囲第２項記載のタ
   ーボチャージャ。 ７、充填材が鉛と錫を含む合金である特許請求の範囲第
   ６項記載のターボチャージャ。