JPWO2019087231A1 - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

ターボチャージャは、シャフトと、ベアリングハウジングと、タービンハウジングと、締結部材と、を備える。ベアリングハウジングは、シャフトの径方向に沿って突出する第１接合部であって、径方向に沿って延在する第１面を有する第１接合部を含み、タービンハウジングは、シャフトの径方向に沿って突出する第２接合部であって、径方向に沿って延在するとともに第１面に対面する第２面を有する第２接合部を含み、締結部材は、第１接合部および第２接合部に対して外側から嵌合されることで、第１接合部および第２接合部を挟持するように構成され、第１面や第２面の径方向内側に環状の凹部を有し、環状の凹部にシール部材が配置される。

Description

本開示は、ベアリングハウジングと、タービンハウジングと、これらの接合部に対して外側から嵌合される締結部材と、を備えるターボチャージャに関する。

ターボチャージャには、タービンハウジングとベアリングハウジングとを組み合わせたものの内部に、タービンホイールが回転可能に設けられるものがある（例えば、特許文献１）。該ターボチャージャは、エンジンから排出されるエネルギがタービンホイールを回転させる動力になり、タービンホイールの回転を利用してエンジンに供給される空気が過給される。上述した排ガスは、タービンハウジング内に形成されるスクロール状の排ガス流路であるスクロール流路を通った後に、タービンホイールに供給される。

特許文献１には、タービンハウジングとベアリングハウジングとの互いの接合部の間にバックプレート（遮熱板）を挟み込んだ状態で、互いの接合部を挟持するように外側から締結部材を嵌合させることにより、タービンハウジングとベアリングハウジングとを締結する締結構造が記載されている。該締結構造は、バックプレート（遮熱板）をタービンハウジングとベアリングハウジングとの間に挟み込むことで、排ガスが外部に漏れ出さないようにシールするようになっている。

特許文献２には、タービンハウジングの接合部の内周側には、接合部の外周側の端面より軸線方向に沿って凹んだ内側端面を有する段差部が形成され、該段差部にベアリングハウジングのフランジ部を嵌入させた状態で、接合部の外周側に形成されたボルト孔につば付きボルトを螺合することで、つば付きボルトのつばとタービンハウジングの内側端面との間に、ベアリングハウジングのフランジ部が挟持されるターボチャージャが記載されている。該ターボチャージャは、ベアリングハウジングのフランジ部とタービンハウジングの内側端面との間に四角断面の環状空間が形成され、該環状空間にシールリングが介装さることで、排ガスが外部に漏れ出さないようにシールするようになっている。

特開２０１３−１７４１２９号公報 特開２０１５−２５４６０号公報

近年、エンジン出力を向上させるために、エンジンの燃焼ガス温度が上昇傾向にあり、これに伴いエンジンから排出される排ガスの温度もまた上昇傾向にある。排ガスの温度が高くなると、タービンハウジングやベアリングハウジングの熱膨張や熱変形が大きくなるので、タービンハウジングとベアリングハウジングとの間に隙間が形成されて、該隙間から排ガスが漏れ出す虞が高まる。

例えば、特許文献１に記載のターボチャージャは、高温下におけるタービンハウジングやベアリングハウジングの熱膨張や熱変形により、タービンハウジングとベアリングハウジングとによるバックプレートを締付ける力が弱まり、タービンハウジングとバックプレートとの間に隙間が生じ、該隙間を通り排ガスが外部に漏れ出す虞がある。

また、特許文献２に記載のターボチャージャは、高温下におけるタービンハウジングやベアリングハウジングの熱膨張や熱変形により、タービンハウジングの接合部が軸線方向に沿って伸びて、つば付きボルトのつばとタービンハウジングの内側端面とによりベアリングハウジングのフランジ部を締付ける力が弱まる虞がある。ベアリングハウジングのフランジ部を締付ける力が弱まると、シールリングを押し付ける力が弱まりシール性能が低下するので、排ガスが外部に漏れ出す虞がある。

上述した事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、タービンハウジングやベアリングハウジングが熱膨張や熱変形した場合であっても、排ガスが外部に漏れ出すことを抑制可能であり、シール部材が良好なシール性能を発揮可能なターボチャージャを提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態にかかるターボチャージャは、
シャフトと、
前記シャフトを回転可能に支持するベアリングを収容するベアリングハウジングと、
前記シャフトの軸線方向の一端に設けられたタービンホイールを収容するタービンハウジングと、
前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとを締結する締結部材と、を備えるターボチャージャであって、
前記ベアリングハウジングは、前記シャフトの径方向に沿って突出する第１接合部であって、前記径方向に沿って延在する第１面を有する第１接合部を含み、
前記タービンハウジングは、前記シャフトの径方向に沿って突出する第２接合部であって、前記径方向に沿って延在するとともに前記第１面に対面する第２面を有する第２接合部を含み、
前記締結部材は、前記第１接合部および前記第２接合部に対して外側から嵌合されることで、前記第１接合部および前記第２接合部を挟持するように構成され、
前記第１面および前記第２面の少なくとも何れか一方は前記シャフトの径方向内側に環状の凹部を有し、前記環状の凹部にシール部材が配置される。

上記（１）の構成によれば、ベアリングハウジングは、シャフトの径方向に沿って突出する第１接合部を含み、第１接合部は、径方向に沿って延在する第１面を有している。タービンハウジングは、シャフトの径方向に沿って突出する第２接合部を含み、第２接合部は、径方向に沿って延在するとともに第１接合部の第１面に対面する第２面を有している。締結部材は、第１接合部の第１面と第２接合部の第２面とを対面させた状態で、第１接合部および第２接合部に対して外側から嵌合されることで、第１接合部および第２接合部を挟持する。

そして、締結部材は、第１接合部および第２接合部に対して外側から嵌合されることで、第１接合部および第２接合部を挟持するように構成されているので、タービンハウジングやベアリングハウジングは、高温下における熱膨張や熱変形によりシャフトの軸線方向に沿って伸びることができる。タービンハウジングは、ベアリングハウジングよりも排ガスによる熱の影響が大きいので、ベアリングハウジングよりもシャフトの軸線方向に沿って長く伸びる。このため、第２接合部は、第１面と第２面との間の隙間が小さく、又は零になるように第１接合部に近づくことになる。第１面や第２面における径方向内側の環状の凹部に配置されたシール部材は、上述した排ガスによる熱の影響により第１接合部と第２接合部とが近づくことで、環状の凹部や第１面、第２面によりシャフトの軸線方向に沿って圧縮するように付勢される。このため、シール部材は、環状の凹部や第１面、第２面により確実に挟持されるので、排ガスが外部に漏れ出すことを抑制可能であり、且つ、良好なシール性能を発揮することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記締結部材は、
前記第１接合部の前記シャフトの軸線方向における前記第１面とは反対側の第３面に係止する第１端部と、
前記第２接合部の前記シャフトの軸線方向における前記第２面とは反対側の第４面に係止する第２端部と、
前記第１端部および前記第２端部に連結される連結部と、を含む。

上記（２）の構成によれば、締結部材は、ベアリングハウジングの第３面に係止する第１端部と、タービンハウジングの第４面に係止する第２端部と、第１端部および第２端部に連結される連結部と、を含んでいるので、第１端部、第２端部および連結部によりシャフトの径方向の内側に設けられた嵌合凹部に、第１接合部や第２接合部が嵌合される。そして、締結部材は、第１端部や第２端部が第１接合部の第３面や第２接合部の第４面に係止するので、第１接合部や第２接合部がシャフトの軸線方向において所定距離以上離隔することを防止することができる。このため、第１接合部と第２接合部との間をシールするシール部材は、良好なシール性能を発揮することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記第１接合部は、前記第３面に外周面より前記シャフトの径方向の内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパが形成され、
前記第２接合部は、前記第４面に外周面より前記シャフトの径方向の内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパが形成され、
前記締結部材の前記第１端部および前記第２端部は、互いの先端が離隔するように前記シャフトの径方向に対して傾斜する方向に沿って延在する。

上記（３）の構成によれば、第１接合部は、第３面に外周面よりシャフトの径方向内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパが形成され、第２接合部は、第４面に外周面よりシャフトの径方向内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパが形成されている。そして、締結部材の第１端部や第２端部は、互いに先端が離隔するようにシャフトの径方向に対して傾斜する方向に沿って延在する。このため、締結部材は、第１端部が第３面に形成されたテーパに沿うように係止するとともに、第２端部が第４面に形成されたテーパに沿うように係止するので、第１接合部や第２接合部をシャフトの径方向に沿った方向だけでなく、シャフトの軸線方向に沿った方向にも挟持することができる。また、タービンハウジングの第２接合部が、高温下における熱膨張や熱変形によりシャフトの径方向外側に向かって伸びた場合には、締結部材による第１接合部および第２接合部に対する締付け力が増加する。このため、第１接合部や第２接合部は、締結部材により強固に挟持されるので、第１接合部と第２接合部との間をシールするシール部材は、高温下においても良好なシール性能を発揮することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の構成において、
前記ターボチャージャは、前記タービンホイールと前記ベアリングハウジングとの間に配置されるバックプレートをさらに備え、
前記ベアリングハウジングは、前記第１接合部に対して前記シャフトの軸線方向における前記タービンホイール側に設けられるとともに、前記シャフトの径方向に沿って延在する端面を有し、
前記タービンハウジングは、前記第２接合部に対して前記シャフトの軸線方向における前記タービンホイール側に設けられるとともに、前記シャフトの径方向に沿って前記径方向の内側に延在するバックプレート支持部をさらに含み、
前記バックプレートは、前記シャフトの径方向に沿って延在する外周縁部が前記バックプレート支持部と前記端面との間に挟持される。

上記（４）の構成によれば、第１接合部や第２接合部は、シャフトの軸線方向において、バックプレート、ベアリングハウジングの端面およびタービンハウジングのバックプレート支持部による排ガスのシール部に比べて、タービンホイールやタービンホイールに排ガスを流す排ガス流路から離れた位置に設けられるので、排ガスによる温度の上昇が小さく熱膨張や熱変形の影響も小さい。このため、第１接合部と第２接合部との間をシールするシール部材は、高温下においても良好なシール性能を発揮することができる。

そして、第１接合部と第２接合部との間をシールするシール部材もまた、排ガスによる温度の上昇が小さいため、シール部材が金属材料により形成されている場合には、高価な耐熱合金を使用しなくてもよいので、シール部材やシール部材を備えるターボチャージャの高価格化を防止することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記環状の凹部は、前記第２接合部に設けられた。

上記（５）の構成によれば、第２接合部に設けられた環状の凹部に配置されたシール部材は、環状の凹部と第１接合部の第１面とにより挟持されるので、良好なシール性能を発揮することができる。また、シール部材が第２接合部の環状の凹部に配置されているので、タービンハウジングに対してベアリングハウジングを組み付ける場合には、シール部材の脱落を防止できるため、組み付け作業性を向上させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記環状の凹部は、前記第１接合部に設けられた。

上記（６）の構成によれば、第１接合部に設けられた環状の凹部に配置されたシール部材は、環状の凹部と第２接合部の第２面とにより挟持されるので、良好なシール性能を発揮することができる。また、シール部材が第１接合部の環状の凹部に配置されているので、ベアリングハウジングに対してタービンハウジングを組み付ける場合には、シール部材の脱落を防止できるため、組み付け作業性を向上させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の構成において、
前記環状の凹部は、前記第２接合部および前記第１接合部に設けられた。

上記（７）の構成によれば、シール部材は、第１接合部に設けられた環状の凹部と、第２接合部に設けられた環状の凹部と、の間に配置され、これらの環状の凹部により挟持されるので、良好なシール性能を発揮することができる。また、環状の凹部は第１接合部および第２接合部の両方に設けられているので、ベアリングハウジングに対してタービンハウジングを組み付ける場合には、シール部材を第１接合部の環状の凹部に配置することができ、タービンハウジングに対してベアリングハウジングを組み付ける場合には、シール部材を第２接合部の環状の凹部に配置することができるため、シール部材の脱落を防止できるとともに、組み立て作業の自由度および作業性を向上させることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の構成において、
前記ベアリングハウジングは、前記環状の凹部よりも前記径方向の内側に設けられる冷却水を流すための冷却水流路をさらに含む。

上記（８）の構成によれば、ベアリングハウジングは、環状の凹部よりも径方向の内側に冷却水を流すための冷却水流路が設けられているので、第１接合部と第２接合部の温度上昇を抑制し、第１接合部、第２接合部およびこれらの間に設けられたシール部材の熱膨張や熱変形を小さくできるので、シール部材が良好なシール性能を発揮することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（８）の構成において、
前記シール部材は、環状に形成されるとともに、前記シャフトの軸線方向に沿った断面において、前記第１接合部に接する第１辺と、前記第２接合部に接する第２辺と、前記第１辺と前記第２辺とを繋ぐような所定の曲率を有する湾曲部と、を含む。

上記（９）の構成によれば、シール部材は、環状に形成されているので第１接合部と第２接合部との間を全周にわたりシールすることができる。そして、シール部材は、第１辺と、第２辺と、第１辺と第２辺とを繋ぐような所定の曲率を有する湾曲部と、を含んでいるので、シャフトの軸線方向に沿って圧縮させることが容易であり、該圧縮により生じた復元力（弾性力）によってシール性能を発揮することができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記タービンホイールは、ホイール径が２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であり、
前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングの熱膨張係数が同等であり、
前記シール部材は、前記シール部材の外径寸法をＤＯ、内径寸法をＤＩ、断面幅をＬ、高さ寸法をＨ、板厚をＴ、および前記湾曲部の曲率をＲとした場合に、
前記断面幅ＬがＬ＝（ＤＯ−ＤＩ）／２、
前記高さ寸法と前記板厚との比であるＨ／Ｔが８．０≦Ｈ／Ｔ≦２５．０、
前記高さ寸法と前記曲率との比であるＨ／Ｒが２．０≦Ｈ／Ｒ≦６．０、および
前記高さ寸法と前記断面幅との比であるＨ／Ｌが０．５≦Ｈ／Ｌ≦３．５の条件を満たし所定のスプリングバック特性を有する。

上記（１０）の構成によれば、タービンホイールは、ホイール径が２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下である。このようなタービンホイールは、自動車用のターボチャージャに好適である。また、ベアリングハウジングとタービンハウジングの熱膨張係数が同等である。本発明者らは、シール部材が所定のスプリングバック特性を満足することにより、良好なシール性能を発揮することができることを見出した。そして、シール部材は、上述した条件を満たすことにより、自動車用のターボチャージャにおいて所定のスプリングバック特性を満足することができ、良好なシール性能を発揮することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、タービンハウジングやベアリングハウジングが熱膨張や熱変形した場合であっても、排ガスが外部に漏れ出すことを抑制可能であり、シール部材が良好なシール性能を発揮可能なターボチャージャが提供される。

本発明の一実施形態にかかるターボチャージャの全体構成を概略的に示す概略断面図である。 本発明の一実施形態にかかるターボチャージャを説明するための図であって、タービンハウジングの第２接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。 本発明の他の一実施形態にかかるターボチャージャを説明するための図であって、ベアリングハウジングの第１接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。 本発明の他の一実施形態にかかるターボチャージャを説明するための図であって、ベアリングハウジングの第１接合部およびタービンハウジングの第２接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。 本発明の他の一実施形態におけるシール部材を説明するための図であって、タービンハウジングの第２接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。 本発明の一実施形態にかかるターボチャージャの非定常熱変形解析による算出された第１面と第２面との間の高さ変化を初期高さに対する比で示すグラフである。 本発明の一実施形態におけるシール部材を説明するための図であって、シャフトの軸線方向に沿って切断して示す断面図である。 図７に示すＡ部分を拡大して示す概略部分拡大端面図である。

以下、添付図面を参照して本発明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、本発明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」、「具える」、「具備する」、「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。

図１は、本発明の一実施形態にかかるターボチャージャの全体構成を概略的に示す概略断面図である。図１〜８に示される実施形態では、ターボチャージャ１は、図１に示されるように、シャフト７と、シャフト７を回転可能に支持するベアリング３を収容するベアリングハウジング２と、シャフト７の軸線方向（中心軸線ＣＡの延在方向）の一端に設けられたタービンホイール５を収容するタービンハウジング４と、シャフト７の軸線方向の他端に設けられたコンプレッサのインペラー１０を収容するコンプレッサハウジング１１と、ベアリングハウジング２とタービンハウジング４とを締結する締結部材６と、を備えている。

図１に示すように、ターボチャージャ１は、不図示のエンジンから排出された排ガスが、タービンハウジング４の内部に設けられた渦巻き状のスクロール流路４８を通り、タービンホイール５に供給されてタービンホイール５を中心軸線ＣＡ周りに回転させる。タービンホイール５は、シャフト７を介してコンプレッサのインペラー１０に連結されており、コンプレッサのインペラー１０と同軸上に設けられている。シャフト７は、シャフト７の軸線方向において互いに離間する一対のベアリング３により回転可能に支持されている。このため、コンプレッサのインペラー１０は、タービンホイール５の回転に併せて中心軸線ＣＡ周りに回転し、該回転によりエンジンに供給される空気が過給される。

図２〜４は、各々一実施形態にかかるターボチャージャを説明するための図である。図２は、タービンハウジングの第２接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。図３は、ベアリングハウジングの第１接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。図４は、ベアリングハウジングの第１接合部およびタービンハウジングの第２接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。図５は、本発明の他の一実施形態におけるシール部材を説明するための図であって、タービンハウジングの第２接合部に環状の凹部が設けられたターボチャージャを概略的に示す部分拡大断面図である。なお、図２〜５においては、説明の便宜上、締結部材６における第１端部６１、連結部６３および第２端部６２の境界を点線により示しているが、これらは一体的に形成されている。

ベアリングハウジング２は、図２〜５に示されるように、シャフト７の径方向（中心軸線ＣＡの延在方向に直交する方向）に沿って突出する第１接合部２１を含んでいる。第１接合部２１は、図２〜５に示されるように、シャフト７の軸線方向におけるタービンホイール５側（図中上側）において径方向に沿って延在する第１面２２と、軸線方向において第１面２２とは反対側に設けられた第３面２４と、を有している。

また、ベアリングハウジング２は、図２〜５に示されるように、第１接合部２１に対してシャフト７の軸線方向におけるタービンホイール５側に設けられるとともに、シャフト７の径方向に沿って延在する端面２６と、端面２６と第１接合部２１の第１面２２との間に設けられる段差により画定される外側面２７と、を有している。

タービンハウジング４は、図２〜５に示されるように、上述したスクロール流路４８が内部に設けられている。また、タービンハウジング４は、図２〜５に示されるように、スクロール流路４８に対してシャフト７の軸線方向におけるベアリングハウジング２の第１接合部２１側（図中下側）に設けられるとともに、シャフト７の径方向に沿って突出する第２接合部４１を含んでいる。第２接合部４１は、図２〜５に示されるように、シャフト７の軸線方向における第１接合部２１側において径方向に沿って延在するとともに第１面２２に対面する第２面４２と、軸線方向において第２面４２とは反対側に設けられた第４面４４と、を有している。

また、タービンハウジング４は、図２〜５に示されるように、バックプレート支持部４６と、嵌合部４７と、をさらに含んでいる。バックプレート支持部４６は、図２〜５に示されるように、第２接合部４１に対してシャフト７の軸線方向におけるタービンホイール５側に設けられるとともに、第２接合部４１に対してシャフト７の径方向に沿って径方向の内側に延在してタービンホイール５側が上述したスクロール流路４８に面している。嵌合部４７は、図２〜５に示されるように、シャフト７の軸線方向に沿って延在するとともに、下端が第２接合部４１に一体的に接続されているとともに上端がバックプレート支持部４６に接続されている。嵌合部４７は、内側面がベアリングハウジング２の外側面２７に対向するようにベアリングハウジング２に嵌合されるようになっている。

締結部材６は、図１〜５に示されるように、第１接合部２１および第２接合部４１に対して外側から嵌合されることで、第１接合部２１および第２接合部４１を挟持するように構成されている。

ターボチャージャ１は、図２〜５に示されるように、第１接合部２１の第１面２２および第２接合部４１の第２面４２の少なくとも何れか一方がシャフト７の径方向内側に環状の凹部２３、４３を有し、環状の凹部２３、４３にシール部材８が配置される。シール部材８は、第１接合部２１と第２接合部との間をシールするものであり、環状に形成されるとともにシャフト７の軸線方向に沿って弾性変形可能に構成されている。

上述したように、幾つかの実施形態にかかるターボチャージャ１は、図２〜５に示されるように、上述したシャフト７と、上述したベアリングハウジング２と、上述したタービンハウジング４と、上述した締結部材６と、上述したシール部材８と、を備えている。

上記の構成によれば、図２〜５に示されるように、ベアリングハウジング２は、シャフト７の径方向に沿って突出する第１接合部２１を含み、第１接合部２１は、径方向に沿って延在する第１面２２を有している。タービンハウジング４は、シャフト７の径方向に沿って突出する第２接合部４１を含み、第２接合部４１は、径方向に沿って延在するとともに第１接合部２１の第１面２２に対面する第２面４２を有している。締結部材６は、第１接合部２１の第１面２２と第２接合部４１の第２面４２とを対面させた状態で、第１接合部２１および第２接合部４１に対して外側から嵌合されることで、第１接合部２１および第２接合部４１を挟持する。

そして、締結部材６は、第１接合部２１および第２接合部４１に対して外側から嵌合されることで、第１接合部２１および第２接合部４１を挟持するように構成されているので、タービンハウジング４やベアリングハウジング２は、高温下における熱膨張や熱変形によりシャフト７の軸線方向に沿って伸びることができる。タービンハウジング４は、ベアリングハウジング２よりも排ガスによる熱の影響が大きいので、ベアリングハウジング２よりもシャフト７の軸線方向に沿って長く伸びる。このため、第２接合部４１は、第１面２２と第２面４２との間の隙間が小さく、又は零になるように第１接合部２１に近づくことになる。第１面２２や第２面４２における径方向内側の環状の凹部２３、４３に配置されたシール部材８は、上述した排ガスによる熱の影響により第１接合部２１と第２接合部４１とが近づくことで、環状の凹部２３、４３や第１面２２、第２面４２によりシャフト７の軸線方向に沿って圧縮するように付勢される。このため、シール部材８は、環状の凹部２３、４３や第１面２２、第２面４２により確実に挟持されるので、排ガスが外部に漏れ出すことを抑制可能であり、且つ、良好なシール性能を発揮することができる。

幾つかの実施形態では、図２〜５に示されるように、上述した締結部材６は、上述した第３面２４に係止する第１端部６１と、上述した第４面４４に係止する第２端部６２と、第１端部６１および第２端部６２に連結される連結部６３と、を含んでいる。

上記の構成によれば、図２〜５に示されるように、締結部材６は、ベアリングハウジング２の第３面２４に係止する第１端部６１と、タービンハウジング４の第４面４４に係止する第２端部６２と、第１端部６１および第２端部６２に連結される連結部６３と、を含んでいるので、第１端部６１、第２端部６２および連結部６３によりシャフト７の径方向の内側に設けられた嵌合凹部６４に、第１接合部２１や第２接合部４１が嵌合される。そして、締結部材６は、図２〜５に示されるように、第１端部６１や第２端部６２が第１接合部２１の第３面２４や第２接合部４１の第４面に係止するので、第１接合部２１や第２接合部４１がシャフト７の軸線方向において所定距離以上離隔することを防止することができる。このため、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールするシール部材８は、良好なシール性能を発揮することができる。

幾つかの実施形態では、図２〜５に示されるように、上述した第１接合部２１は、第３面２４に第１接合部２１の外周面よりシャフト７の径方向の内側に向かうにつれて徐々にシャフト７の軸線方向における肉厚が厚くなるようなテーパ２５が形成されている。また、図２〜５に示されるように、上述した第２接合部４１は、第４面４４に第２接合部４１の外周面よりシャフト７の径方向の内側に向かうにつれて徐々にシャフト７の軸線方向における肉厚が厚くなるようなテーパ４５が形成されている。図２〜５に示されるように、上述した締結部材６の第１端部６１および第２端部６２は、互いの先端が離隔するようにシャフト７の径方向に対して傾斜する方向に沿って延在するようになっている。図２〜５に示されるように、第１接合部２１の第３面２４に形成されたテーパ２５は、締結部材６の第１端部６１に係止されており、第２接合部４１の第４面４４に形成されたテーパ４５は、締結部材６の第２端部６２に係止されている。

上記の構成によれば、図２〜５に示されるように、第１接合部２１は、第３面２４に第１接合部２１の外周面よりシャフト７の径方向の内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパ２５が形成され、第２接合部４１は、第４面４４に第２接合部４１の外周面よりシャフト７の径方向の内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパ４５が形成されている。そして、締結部材６の第１端部６１や第２端部６２は、互いに先端が離隔するようにシャフト７の径方向に対して傾斜する方向に沿って延在する。このため、締結部材６は、第１端部６１が第３面２４に形成されたテーパ２５に沿うように係止するとともに、第２端部６２が第４面４４に形成されたテーパ４５に沿うように係止するので、第１接合部２１や第２接合部４１をシャフト７の径方向に沿った方向だけでなく、シャフト７の軸線方向に沿った方向にも挟持することができる。また、タービンハウジング４の第２接合部４１が、高温下における熱膨張や熱変形によりシャフト７の径方向外側に向かって伸びた場合には、締結部材６による第１接合部２１および第２接合部４１に対する締付け力が増加する。このため、第１接合部２１や第２接合部４１は、締結部材６により強固に挟持されるので、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールするシール部材８は、高温下においても良好なシール性能を発揮することができる。

幾つかの実施形態では、図２〜５に示されるように、上述したターボチャージャ１は、上述したタービンホイール５と上述したベアリングハウジング２との間に配置されるバックプレート９をさらに備えている。バックプレート９は、図２〜５に示されるように、外周縁部９１と内周縁部９２とを有する環状に形成されており、シャフト７の軸線方向におけるタービンホイール５側の面がタービンホイール５やスクロール流路４８に面している。

バックプレート９は、図２〜５に示されるように、内周縁部９２が、ベアリングハウジング２の端面２６よりシャフト７の軸線方向に沿って突出する突出部２９の外周に嵌合するとともに、シャフト７の径方向に沿って延在する外周縁部９１が、バックプレート支持部４６のシャフト７の軸線方向におけるタービンホイール５側とは反対側の面と、ベアリングハウジング２の端面２６と、の間に挟持される。このため、バックプレート９、ベアリングハウジング２の端面２６およびタービンハウジング４のバックプレート支持部４６によりシール部１２が形成され、シール部１２により排ガスが外部に漏れ出さないようにシールしているが、高温下におけるベアリングハウジング２やタービンハウジング４の熱膨張や熱変形により、シール部１２のシールが緩む虞がある。

上記の構成によれば、図２〜５に示されるように、第１接合部２１や第２接合部４１は、シャフト７の軸線方向において、バックプレート９、ベアリングハウジング２の端面２６およびタービンハウジング４のバックプレート支持部４６による排ガスのシール部１２に比べて、タービンホイール５やタービンホイール５に排ガスを流すスクロール流路４８（排ガス流路）から離れた位置に設けられるので、排ガスによる温度の上昇が小さく熱膨張や熱変形の影響も小さい。このため、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールするシール部材８は、高温下においても良好なシール性能を発揮することができる。

そして、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールするシール部材８もまた、排ガスによる温度の上昇が小さいため、シール部材８が金属材料により形成されている場合には、高価な耐熱合金を使用しなくてもよいので、シール部材８やシール部材８を備えるターボチャージャ１の高価格化を防止することができる。

幾つかの実施形態では、図２、５に示されるように、上述した環状の凹部４３は、上述した第２接合部４１に設けられる。図２および５に示される実施形態では、第２接合部４１の第２面４２におけるシャフト７の径方向の内側の縁部よりシャフト７の軸線方向に沿って凹んだ環状の凹部４３に、シール部材８が配置されている。シール部材８は、環状の凹部４３の底面と第１接合部２１の第１面２２との間に配置されることで、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールする。

上記の構成によれば、図２、５に示されるように、第２接合部４１に設けられた環状の凹部４３に配置されたシール部材８は、第２接合部４１の環状の凹部４３と第１接合部２１の第１面２２とにより挟持されるので、良好なシール性能を発揮することができる。また、シール部材８が第２接合部４１の環状の凹部４３に配置されているので、タービンハウジング４に対してベアリングハウジング２を組み付ける場合には、シール部材８の脱落を防止できるため、組み付け作業性を向上させることができる。

他の幾つかの実施形態では、図３に示されるように、上述した環状の凹部２３は、上述した第１接合部２１に設けられる。図３に示される実施形態では、第１接合部２１の第１面２２におけるシャフト７の径方向の内側の縁部よりシャフト７の軸線方向に沿って凹んだ環状の凹部２３に、シール部材８が配置されている。シール部材８は、環状の凹部２３の底面と第２接合部４１の第２面４２との間に配置されることで、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールする。

上記の構成によれば、図３に示されるように、第１接合部２１に設けられた環状の凹部２３に配置されたシール部材８は、環状の凹部２３と第２接合部４１の第２面４２とにより挟持されるので、良好なシール性能を発揮することができる。また、シール部材８が第１接合部２１の環状の凹部２３に配置されているので、ベアリングハウジング２に対してタービンハウジング４を組み付ける場合には、シール部材８の脱落を防止できるため、組み付け作業性を向上させることができる。

他の幾つかの実施形態では、図４に示されるように、上述した環状の凹部２３は、上述した第１接合部２１に設けられる。また、上述した環状の凹部４３は、上述した第２接合部４１に設けられる。図４に示される実施形態では、環状の凹部２３は、第１接合部２１の第１面２２におけるシャフト７の径方向の内側の縁部よりシャフト７の軸線方向に沿って凹んで形成されている。また、環状の凹部４３は、第２接合部４１の第２面４２におけるシャフト７の径方向の内側の縁部よりシャフト７の軸線方向に沿って凹んで形成されている。シール部材８は、上述した環状の凹部２３の底面と環状の凹部４３の底面との間に配置されることで、第１接合部２１と第２接合部４１との間をシールする。

上記の構成によれば、シール部材８は、上述した環状の凹部２３と上述した環状の凹部４３との間に配置され、これらの環状の凹部２３、４３により挟持されるので、良好なシール性能を発揮することができる。

また、環状の凹部２３および環状の凹部４３の両方が設けられているので、ベアリングハウジング２に対してタービンハウジング４を組み付ける場合には、シール部材８を第１接合部２１の環状の凹部２３に配置することができ、タービンハウジング４に対してベアリングハウジング２を組み付ける場合には、シール部材８を第２接合部４１の環状の凹部４３に配置することができるため、シール部材８の脱落を防止できるとともに、組み立て作業の自由度および作業性を向上させることができる。

なお、ベアリングハウジング２とタービンハウジング４との間の熱の影響の差を考慮して、タービンハウジング４の材料を例えば耐熱合金とし、ベアリングハウジング２の材料を例えば鋳鉄などの耐熱合金よりも安価な、且つ、切削加工性に優れる材料にした場合には、環状の凹部２３は環状の凹部４３に比べて形成が容易である。

幾つかの実施形態では、図２〜５に示されるように、上述したベアリングハウジング２は、環状の凹部２３、４３よりもシャフト７の径方向の内側に設けられる冷却水を流すための冷却水流路２８をさらに含んでいる。上記の構成によれば、ベアリングハウジング２は、環状の凹部２３、４３よりもシャフト７の径方向の内側に冷却水を流すための冷却水流路２８が設けられているので、第１接合部２１と第２接合部４１の温度上昇を抑制し、第１接合部２１、第２接合部４１およびこれらの間に設けられたシール部材８の熱膨張や熱変形を小さくできるので、シール部材８が良好なシール性能を発揮することができる。

図７は、本発明の一実施形態におけるシール部材を説明するための図であって、シャフトの軸線方向に沿って切断して示す断面図である。図８は、図７に示すＡ部分を拡大して示す概略部分拡大端面図である。

幾つかの実施形態では、図７、８に示されるように、シール部材８は、環状に形成されるとともに、シャフト７の軸線方向に沿った断面において、第１接合部２１に接する第１辺８１と、第２接合部４１に接する第２辺８２と、第１辺８１と第２辺８２とを繋ぐような所定の曲率を有する湾曲部８３と、を含む。図２〜４に示される実施形態では、シール部材８は、断面形状がＣ字状のシール部材８Ａ（Ｃリング）を含み、シール部材８Ａは、第１辺８１と第２辺８２と湾曲部８３とを含んでおり、第１辺８１と第２辺８２と湾曲部８３によって、径方向の内側において径方向外側に凹んだ凹部が形成されている。また、図５に示される実施形態では、シール部材８は、断面形状がＥ字状のシール部材８Ｂ（Ｅリング）を含み、シール部材８Ｂは、第１辺８１と第２辺８２と湾曲部８３とを含んでおり、第１辺８１と第２辺８２と湾曲部８３によって、径方向の内側において径方向外側に凹んだ凹部が２つ形成されている。

上記の構成によれば、図２〜５に示されるように、シール部材８は、環状に形成されているので第１接合部２１と第２接合部４１との間を全周にわたりシールすることができる。そして、シール部材８は、図５に示されるように、上述した第１辺８１と、上述した第２辺８２と、第１辺８１と第２辺８２とを繋ぐような所定の曲率を有する湾曲部８３と、を含んでいるので、シャフト７の軸線方向に沿って圧縮させることが容易であり、該圧縮により生じた復元力（弾性力）によってシール性能を発揮することができる。

なお、シール部材８Ｂは、シール部材８Ａに比べて、シャフト７の軸線方向に沿って圧縮させることが容易であり、該圧縮により生じた復元力（弾性力）によってシール性能を発揮することができる。

（スプリングバック特性について）
本発明者らは、鋭意創作の結果、上述したシール部材８が所定のスプリングバック特性を満足することにより、良好なシール性能を発揮することができることを見出した。そして、タービンホイール５のホイール径が２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下のターボチャージャ１について、非定常熱変形解析を用いて、シール部材８に要求されるスプリングバック特性を算出した。非定常熱変形解析にあたり、ベアリングハウジング２およびタービンハウジング４の構成材料の熱膨張係数を互いに同等にしている。同等とは、ベアリングハウジング２およびタービンハウジング４の構成材料の熱膨張係数が完全に一致していることのみを意味するものではなく、ベアリングハウジング２やタービンハウジング４の熱膨張や熱変形による第１面２２と第２面４２との間の高さ変化が所定量以下に収まる範囲内（例えば初期高さに対して４％以下）で両者の熱膨張係数に差がある場合を含む。今回の非定常熱変形解析においては、ベアリングハウジング２およびタービンハウジング４の熱膨張係数は同等であり、これらの構成部材の熱膨張係数を、８〜２２×１０＾−６ｍｍ／ｍｍ／℃としている。

図６は、本発明の一実施形態にかかるターボチャージャの非定常熱変形解析による算出された第１面２２と第２面４２との間の高さ変化を初期高さに対する比で示すグラフである。ここで、同図中実線で示すＴ／Ｔｍａｘは、スクロール流路４８を流れる排ガスの温度Ｔを最高ガス温度Ｔｍａｘで除したものである。同図中点線で示すΔＨ／Ｈは、第１面２２と第２面４２との間の高さ変化ΔＨを初期高さＨで除したものである。

図６に示されるように、ターボチャージャ１の運転時においては、ベアリングハウジング２やタービンハウジング４の熱膨張や熱変形により、第１面２２と第２面４２との間の隙間が常に狭くなっており、高さ変化は初期高さに対して４％に満たない。このため、シール部材８の排ガスの漏れを防止するために必要なスプリングバック特性（軸線方向に沿った弾性変形量）は初期高さに対して４％以上である。

上述したシール部材８Ａは、図７、８に示されるように、シール部材８Ａの外径寸法をＤＯ［ｍｍ］、内径寸法をＤＩ［ｍｍ］、断面幅をＬ［ｍｍ］、高さ寸法をＨ［ｍｍ］、板厚をＴ［ｍｍ］および湾曲部８３の曲率をＲ［ｍｍ］とした場合に、高さ寸法と板厚との比であるＨ／Ｔが８．０≦Ｈ／Ｔ≦２５．０、高さ寸法と曲率との比であるＨ／Ｒが２．０≦Ｈ／Ｒ≦６．０、および高さ寸法と断面幅との比であるＨ／Ｌが０．５≦Ｈ／Ｌ≦３．５の条件を満たすことによりスプリングバック特性が初期高さに対して４％以上となる。ここで、断面幅Ｌは、Ｌ＝（ＤＯ−ＤＩ）／２の計算式により算出した。

上記の構成によれば、タービンホイール５は、ホイール径が２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下である。このようなタービンホイール５は、自動車用のターボチャージャ１に好適である。また、ベアリングハウジング２とタービンハウジング４の熱膨張係数が同等である。本発明者らは、シール部材８Ａが所定のスプリングバック特性を満足することにより、良好なシール性能を発揮することができることを見出した。そして、シール部材８Ａは、上述した条件を満たすことにより、自動車用のターボチャージャ１において所定のスプリングバック特性を満足することができ、良好なシール性能を発揮することができる。

本発明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。

１ ターボチャージャ
２ ベアリングハウジング
２１ 第１接合部
２２ 第１面
２３ 環状の凹部
２４ 第３面
２５ テーパ
２６ 先端面
２７ 外側面
２８ 冷却水流路
２９ 突出部
３ ベアリング
４ タービンハウジング
４１ 第２接合部
４２ 第２面
４３ 環状の凹部
４４ 第４面
４５ テーパ
４６ バックプレート支持部
４７ 嵌合部
４８ スクロール流路
５ タービンホイール
６ 締結部材
６１ 第１端部
６２ 第２端部
６３ 連結部
６４ 嵌合凹部
７ シャフト
８ シール部材
８１ 第１辺
８２ 第２辺
８３ 湾曲部
９ バックプレート
９１ 外周縁部
９２ 内周縁部
１０ インペラー
１１ コンプレッサハウジング
１２ シール部
ＣＡ 中心軸線

Claims (10)

1. シャフトと、
   前記シャフトを回転可能に支持するベアリングを収容するベアリングハウジングと、
   前記シャフトの軸線方向の一端に設けられたタービンホイールを収容するタービンハウジングと、
   前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングとを締結する締結部材と、を備えるターボチャージャであって、
   前記ベアリングハウジングは、前記シャフトの径方向に沿って突出する第１接合部であって、前記径方向に沿って延在する第１面を有する第１接合部を含み、
   前記タービンハウジングは、前記シャフトの径方向に沿って突出する第２接合部であって、前記径方向に沿って延在するとともに前記第１面に対面する第２面を有する第２接合部を含み、
   前記締結部材は、前記第１接合部および前記第２接合部に対して外側から嵌合されることで、前記第１接合部および前記第２接合部を挟持するように構成され、
   前記第１面および前記第２面の少なくとも何れか一方は前記シャフトの径方向内側に環状の凹部を有し、前記環状の凹部にシール部材が配置される
   ターボチャージャ。
2. 前記締結部材は、
   前記第１接合部の前記シャフトの軸線方向における前記第１面とは反対側の第３面に係止する第１端部と、
   前記第２接合部の前記シャフトの軸線方向における前記第２面とは反対側の第４面に係止する第２端部と、
   前記第１端部および前記第２端部に連結される連結部と、を含む
   請求項１に記載のターボチャージャ。
3. 前記第１接合部は、前記第３面に外周面より前記シャフトの径方向の内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパが形成され、
   前記第２接合部は、前記第４面に外周面より前記シャフトの径方向の内側に向かうにつれて徐々に肉厚が厚くなるようなテーパが形成され、
   前記締結部材の前記第１端部および前記第２端部は、互いの先端が離隔するように前記シャフトの径方向に対して傾斜する方向に沿って延在する
   請求項２に記載のターボチャージャ。
4. 前記ターボチャージャは、前記タービンホイールと前記ベアリングハウジングとの間に配置されるバックプレートをさらに備え、
   前記ベアリングハウジングは、前記第１接合部に対して前記シャフトの軸線方向における前記タービンホイール側に設けられるとともに、前記シャフトの径方向に沿って延在する端面を有し、
   前記タービンハウジングは、前記第２接合部に対して前記シャフトの軸線方向における前記タービンホイール側に設けられるとともに、前記シャフトの径方向に沿って前記径方向の内側に延在するバックプレート支持部をさらに含み、
   前記バックプレートは、前記シャフトの径方向に沿って延在する外周縁部が前記バックプレート支持部と前記端面との間に挟持される
   請求項１乃至３の何れか１項に記載のターボチャージャ。
   
5. 前記環状の凹部は、前記第２接合部に設けられた
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のターボチャージャ。
6. 前記環状の凹部は、前記第１接合部に設けられた
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のターボチャージャ。
7. 前記環状の凹部は、前記第２接合部および前記第１接合部に設けられた
   請求項１乃至４の何れか１項に記載のターボチャージャ。
8. 前記ベアリングハウジングは、前記環状の凹部よりも前記径方向の内側に設けられる冷却水を流すための冷却水流路をさらに含む
   請求項１乃至７の何れか１項に記載のターボチャージャ。
9. 前記シール部材は、環状に形成されるとともに、前記シャフトの軸線方向に沿った断面において、前記第１接合部に接する第１辺と、前記第２接合部に接する第２辺と、前記第１辺と前記第２辺とを繋ぐような所定の曲率を有する湾曲部と、を含む
   請求項１乃至８の何れか１項に記載のターボチャージャ。
10. 前記タービンホイールは、ホイール径が２０ｍｍ以上７０ｍｍ以下であり、
    前記ベアリングハウジングと前記タービンハウジングの熱膨張係数が同等であり、
    前記シール部材は、前記シール部材の外径寸法をＤＯ、内径寸法をＤＩ、断面幅をＬ、高さ寸法をＨ、板厚をＴ、および前記湾曲部の曲率をＲとした場合に、
    前記断面幅ＬがＬ＝（ＤＯ−ＤＩ）／２、
    前記高さ寸法と前記板厚との比であるＨ／Ｔが８．０≦Ｈ／Ｔ≦２５．０、
    前記高さ寸法と前記曲率との比であるＨ／Ｒが２．０≦Ｈ／Ｒ≦６．０、および
    前記高さ寸法と前記断面幅との比であるＨ／Ｌが０．５≦Ｈ／Ｌ≦３．５の条件を満たし所定のスプリングバック特性を有する
    請求項９に記載のターボチャージャ。

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