WO2016152139A1 - 過給装置 - Google Patents

Abstract

　過給装置は、回転駆動されるシャフト（１４）と、シャフト（１４）を回転自在に支持するベアリング（１６）と、ベアリング（１６）を支持するハウジング（１５）と、ベアリング（１６）よりシャフト（１４）の自由端側に固定されるコンプレッサホイール（６）と、シャフト（１４）とハウジング（１５）の間を、ベアリング（１６）よりコンプレッサホイール（６）側においてシールするシール部（２３）と、を具備する。コンプレッサホイール（６）のうち、ベアリング（１６）に近い面を裏面、ベアリング（１６）から遠い面を表面とし、シャフト（１４）の中心軸が伸びる方向を軸方向とした場合、コンプレッサホイール（６）の裏面に、裏面の周囲に比較して表面側へ向かって窪む凹部（２４）を設けて、凹部（２４）とシール部（２３）を軸方向にてオーバーラップさせる。

Description

過給装置 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１５年３月２３日に出願された日本特許出願番号２０１５－６０１６４号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、エンジン（内燃機関）に供給する吸気の過給を行う過給装置に関する。なお、以下では、説明の便宜上、コンプレッサホイールのうち、ベアリングに近い面を裏面、ベアリングから遠い面を表面とし、シャフトの中心軸が伸びる方向を軸方向と称する。

　従来技術について述べる。エンジンに供給する吸気の過給を行う過給装置として、シャフトの自由端側にコンプレッサホイールを固定した過給装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の過給装置は、遠心式の吸気コンプレッサと電動モータとを組み合わせた電動過給機であり、コンプレッサホイールが固定されるシャフトは、電動モータの出力軸であり、２個以上のベアリングによって回転自在に支持される。また、ベアリングを支持するハウジングとシャフトの間にはシール部が設けられており、コンプレッサホイールの軸周りからベアリングへ、ダスト等が侵入するのを防いでいる。

　従来技術の問題点について述べる。「コンプレッサホイールに最も近いベアリングからコンプレッサホイールが固定される側のシャフトの先端までの長さ」と「コンプレッサホイールに最も近いベアリングからコンプレッサホイールをシャフトに固定するためのナットの先端までの長さ」を比較して「長い方」の長さをオーバーハングと称する。

　過給装置の過給圧を高めるには、シャフトの回転速度を高めることが有効である。シャフトを高回転化するには、安全性を確保する目的で、回転部品の１次の共振周波数を高く確保する必要がある。１次の共振周波数は、回転部品の極慣性モーメントＩｐと直径に関する慣性モーメントＩの比Ｉｐ／Ｉの影響を受ける。このため、１次の共振周波数を高くするために、オーバーハングを短縮して上記の比Ｉｐ／Ｉを増加することが要求される。しかし、ベアリングとコンプレッサホイールとの間には、上述したようにシール部が配置される。このため、シール部の軸方向寸法によってオーバーハングが長くなってしまい、１次の共振周波数を高めることが阻害されている｛図２（ｂ）参照｝。

　なお、上記では電動過給機を例に説明したが、ターボチャージャにおいても同様の問題が生じる。このことを具体的に説明すると、電動過給機の場合は、シャフトを高回転化するために、１次の共振周波数を高める必要がある。これに対し、ターボチャージャの場合は、シャフトの高回転化や安全性を高めるために、オーバーハング範囲における３次の共振周波数を高めることが望まれる。このように、３次の共振周波数を高めるためにもオーバーハングを短縮することが有効であるが、シール部によってオーバーハングが長くなってしまい、３次の共振周波数を高めることが困難になっている。

特表２００４－５２１２６７号公報

　本開示は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的はベアリングとコンプレッサホイールとの間にシール部が介在する構造であってもオーバーハングを短縮可能な過給装置の提供にある。

　上記目的を達成するため、本開示の１つの態様は、コンプレッサホイールの裏面に凹部を設けて、凹部とシール部を軸方向にてオーバーラップさせる構成を採用する。これにより、コンプレッサホイールとシール部を軸方向においてオーバーラップさせることができるため、従来技術に比較してオーバーハングを短縮できる。このように、オーバーハングを短縮することにより、１次の共振周波数または３次の共振周波数を高めることができ、シャフトおよびコンプレッサホイールの高回転化が可能になる。これによって、過給装置の過給圧を高めることができ、エンジンの高出力化が可能になる。あるいは、過給装置の過給圧を従来と同等にする場合、過給装置の小型化が可能になる。即ち、本態様を採用することによって、遠心式の吸気コンプレッサを用いた過給装置（電動過給機やターボチャージャ）の高出力化、あるいは小型化が可能になる。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
過給装置の概略図である（実施例１）。 図２（ａ）は実施例１の過給装置の要部断面図であり、図２（ｂ）は従来技術の過給装置の要部断面図である。 過給装置の要部断面図である（実施例２）。 過給装置の要部断面図である（実施例３）。 過給装置の要部断面図である（実施例４）。

　以下において実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。

　本開示を電動過給機に適用した実施例を説明する。なお、以下で開示する実施例は、一例を開示するものであって、本開示が実施例に限定されないことは言うまでもない。
（実施例１）
　図１、図２に基づいて実施例１を説明する。車両走行用のエンジン１（燃料の燃焼により回転動力を発生する内燃機関：燃料の種類やエンジン形式を問わない）は、電動過給機２を搭載する。

　エンジン１は、吸気をエンジン気筒内へ導く吸気通路３を備える。電動過給機２は、吸気通路３の途中に配置される遠心式の吸気コンプレッサ４と、この吸気コンプレッサ４を駆動する電動モータ５とを備える。吸気コンプレッサ４は、電動モータ５が発生する回転力により駆動されて吸気を加圧するコンプレッサホイール６と、吸気通路３の途中に介在され、コンプレッサホイール６を収容する渦巻形状のコンプレッサケーシング７とを備える。

　電動モータ５は、電力を回転出力に変換する周知の電動機であり、具体的な型式は限定するものではないが、一例として三相かご型誘導電動機等が用いられる。この電動モータ５は、周知の制御装置１０により通電制御される。具体的な一例として、制御装置１０は、電源１１（車載バッテリやオルタネータ等）から供給される直流電力を交流に変換するインバータ１２と、このインバータ１２の切替状態をコントロールすることで電動モータ５に与える電圧や周波数を任意に変更するＥＣＵ１３とを備える。このＥＣＵ１３は、エンジン１の燃料噴射制御を行うエンジンコントロールユニットであり、エンジン１の運転状態に応じてインバータ１２を介して電動モータ５の回転数をコントロールすることで、エンジン１の運転状態に応じた過給圧を発生させる。

　電動モータ５は、機械的な構造として、回転自在に支持されるシャフト１４と、このシャフト１４と一体に回転するロータと、このロータと協動してロータを回転駆動するステータと、ロータおよびステータを収容するハウジング１５とを備える。

　ハウジング１５は、軸方向に離間した２つのベアリング１６を備える。なお、図２では、コンプレッサホイール６に近い側のベアリング１６のみを示す。ハウジング１５によって支持されるベアリング１６は、シャフト１４を回転自在に支持するためのものであり、ボールベアリングなどの転がりベアリングであっても良いし、滑りによってシャフト１４を支持するメタルベアリングであっても良い。

　シャフト１４には、ハウジング１５の外部に突出する部分（以下、シャフト突出部）を備える。このシャフト突出部は、コンプレッサホイール６が組付けられ箇所であり、コンプレッサホイール６を結合するための雄ネジと段差が設けられている。雄ネジは、シャフト突出部の先端（図２（ａ）の右端部分）に設けられる。段差は、雄ネジよりハウジング１５側（図２（ａ）の左側）に設けられるものであり、段差より雄ネジ側（図２（ａ）の右側）が小径に設けられる。なお、段差より図示左側のシャフト１４を大径シャフトと称し、段差より図示右側のシャフト１４を小径シャフトと称する。

　コンプレッサホイール６は、金属の削り出し等により製造されるものであり（限定しない）、略円錐形状を呈するベース部１７と、回転によって吸気を駆動する複数のコンプレッサブレード１８とを備える。また、コンプレッサホイール６の中心部には、コンプレッサホイール６をシャフト１４に取り付けるための貫通穴が形成されている。

　貫通穴の途中には、段差と軸方向において圧接するホイール側段差が設けられており、ホイール側段差より表面側（図２（ａ）の右側）が小径に設けられている。なお、ホイール側段差より図示左側の貫通穴を大径穴と称し、ホイール側段差より図示右側の貫通穴を小径穴と称する。そして、シャフト１４とコンプレッサホイール６の軸芯を一致させるべく、「大径シャフトと大径穴」または「小径シャフトと小径穴」の少なくとも一方が略同径に設けられる。

　コンプレッサホイール６の表面側の中心部には、シャフト１４の先端に螺合するナット２１から締結力を受けるネジ座面２２が設けられている。このネジ座面２２は、軸方向に対して垂直な平面部であり、ベース部１７の頂部に設けられる。そして、シャフト１４のシャフト突出部にコンプレッサホイール６を組付け、シャフト１４の先端の雄ネジにナット２１を締結することで、コンプレッサホイール６がシャフト１４に結合される。

　電動過給機２は、過給装置の一例であり、上述したように、回転駆動されるシャフト１４と、このシャフト１４を回転自在に支持するベアリング１６と、このベアリング１６を支持するハウジング１５と、ベアリング１６よりシャフト１４の自由端側に固定されるコンプレッサホイール６と、を備えて構成される。

　また、電動過給機２は、ベアリング１６よりコンプレッサホイール６側（図示右側）に配置したシール部２３によって、シャフト１４とハウジング１５の間をシールする構造を採用する。即ち、ハウジング１５とシャフト１４の間にシール部２３を配置し、コンプレッサホイール６の軸周りからベアリング１６へ、ダスト等の異物が侵入するのを防いでいる。なお、シール部２３は、リップシールやダストシールなど周知なものであり、構造等を限定するものではない。

　従来技術では、図２（ｂ）に示すように、ベアリング１６とコンプレッサホイール６との間にシール部２３を配置することにより、オーバーハングＬが長くなってしまい、オーバーハング範囲の１次の共振周波数を高めることの阻害要因になっていた。これに対し、この実施例１の電動過給機２では、図２（ａ）に示すように、コンプレッサホイール６の裏面の中央部に、裏面の周囲に比較して表面側へ向かって窪む凹部２４を設けて、この凹部２４とシール部２３とを軸方向にオーバーラップさせる構成を採用している。

　凹部２４の具体的な一例を説明する。ここで、コンプレッサホイール６の裏面のうち、凹部２４より外径側の面を外周裏面２５とする。また、凹部２４のうちで、最も表面（図示右側）に近い面を底面２６とし、凹部２４のうちで、外周裏面２５から底面２６へ向かう面を環状壁２７とする。

　この実施例１の凹部２４は、コンプレッサホイール６を裏面側から見た場合に丸穴形状の窪みに設けられる（限定しない）。具体的な一例として、底面２６は軸方向に垂直平面に設けられており、環状壁２７は円筒面に設けられる。

　一方、シール部２３の周囲を支持する箇所のハウジング１５には、図２（ａ）に示すように、コンプレッサホイール６側（図示右側）に向かって膨出する凸部２８が設けられており、この凸部２８の内側にシール部２３が配置される。即ち、この実施例１では、シール部２３と凸部２８が、コンプレッサホイール６の裏面に設けた凹部２４と軸方向においてオーバーラップするように設けられている。なお、図面では、凸部２８の形状を、図２（ａ）の右側に向かって縮径する円錐面に設けているが、もちろん限定するものでなない。

　実施例１の効果について述べる。この実施例１の電動過給機２は、上述したように、コンプレッサホイール６の裏面に凹部２４を設けて、凹部２４とシール部２３を軸方向においてオーバーラップさせる構成を採用する。これにより、コンプレッサホイール６とシール部２３を軸方向にオーバーラップさせることができるため、図２（ａ）に示すように、オーバーハングＬを短縮することができる。このように、オーバーハングＬを短縮することにより、オーバーハング範囲における回転部品の１次の共振周波数を高めることができ、シャフト１４およびコンプレッサホイール６の高回転化が可能になる。これによって、電動過給機２の過給圧を高めることができ、エンジン１の高出力化が可能になる。あるいは、電動過給機２の過給圧を従来技術と同等にする場合、電動過給機２の小型化が可能になる。
（実施例２）
　図３に基づいて実施例２を説明する。なお、以下の各実施例において上記実施例１と同一符号は、同一機能物を示すものである。上記の実施例１では、凹部２４の環状壁２７を円筒面に設ける例を示した。これに対し、この実施例２では、外周裏面２５と環状壁２７の境界部である角部２７ａと、環状壁２７と底面２６の境界部である隅部２７ｂの両方を、底面２６から外周裏面２５（図示左方向）に向かって広がる断面が直線のテーパ面に設けたものである。なお、図３では、角部２７ａのテーパ面と隅部２７ｂのテーパ面を連続して設ける例を示すが、角部２７ａのテーパ面と隅部２７ｂのテーパ面が独立するもの（非連続の傾斜面）であっても良い。

　このように、角部２７ａと隅部２７ｂをテーパ面に設けることで、コンプレッサホイール６の裏面側において遠心力により生じる応力集中を緩和することができる。このため、凹部２４の軸方向の深さを深く設けることが可能になる。その結果、凹部２４とシール部２３の軸方向におけるオーバーラップ量をさらに大きくすることが可能になり、オーバーハングＬをさらに短縮することができる。
（実施例３）
　図４に基づいて実施例３を説明する。上記の実施例２では、角部２７ａと隅部２７ｂを断面が直線のテーパ面（円錐面）に設ける例を示した。これに対し、この実施例３は、角部２７ａと隅部２７ｂのそれぞれを、底面２６側から外周裏面２５方向へ向かって広がる曲面に設けたものである。なお、曲面は、曲率が一定のＲ面（円弧面）であっても良いし、曲率が一定でない断面が楕円や放物線等の曲面であっても良い。この実施例３を採用しても、上記実施例２と同様の効果を得ることができる。
（実施例４）
　図５に基づいて実施例４を説明する。この実施例４は、コンプレッサブレード１８の軸方向における表面側の先端部（図示右側の端）より、ネジ座面２２を裏面側（図示左側）に近づけたものである。即ち、この実施例のコンプレッサホイール６は、ベース部１７を偏平化し、凹部２４の底面２６とネジ座面２２との距離を短くしたものである。

　このように、ネジ座面２２を凹部２４の底面２６に近づけたことで、さらにオーバーハングＬを短縮することが可能になり、電動過給機２の大幅な高回転化が可能になる。即ち、実施例４を採用することによって、電動過給機２の高過給圧化や小型化の効果を高めることができる。

　産業上の利用可能性について述べる。上記の実施例では、本開示を電動過給機２に適用する例を示したが、エンジン１の排気圧によって吸気コンプレッサ４を駆動するターボチャージャに本開示を適用しても良い。なお、ターボチャージャに適用する場合、オーバーハングＬを短縮することで、オーバーハング範囲における３次の共振周波数を高めることができる。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (5)

1. 　回転駆動されるシャフト（１４）と、
   　このシャフト（１４）を回転自在に支持するベアリング（１６）と、
   　このベアリング（１６）を支持するハウジング（１５）と、
   　前記ベアリング（１６）より前記シャフト（１４）の自由端側に固定されるコンプレッサホイール（６）と、
   　前記シャフト（１４）と前記ハウジング（１５）の間を、前記ベアリング（１６）より前記コンプレッサホイール（６）側においてシールするシール部（２３）と、
   を具備する過給装置において、
   　前記コンプレッサホイール（６）のうち、前記ベアリング（１６）に近い面を裏面、前記ベアリング（１６）から遠い面を表面とし、前記シャフト（１４）の中心軸が伸びる方向を軸方向とした場合、
   　前記コンプレッサホイール（６）の前記裏面に、前記裏面の周囲に比較して前記表面側へ向かって窪む凹部（２４）を設けて、前記凹部（２４）と前記シール部（２３）を軸方向にてオーバーラップさせることを特徴とする過給装置。
2. 　請求項１に記載の過給装置において、
   　この過給装置は、前記コンプレッサホイール（６）を電動モータ（５）により駆動する電動過給機（２）であることを特徴とする過給装置。
3. 　請求項１または請求項２に記載の過給装置において、
   　前記裏面は、前記凹部（２４）の周囲の外周裏面（２５）を備え、
   　前記凹部（２４）は、当該凹部（２４）のうちで最も前記表面に近い底面（２６）と、前記外周裏面（２５）から前記底面（２６）へ向かう環状壁（２７）とを備え、
   　前記外周裏面（２５）と前記環状壁（２７）の境界部である角部（２７ａ）と、前記環状壁（２７）と前記底面（２６）の境界部である隅部（２７ｂ）は、前記底面（２６）から前記外周裏面（２５）に向かって広がる断面が直線のテーパ面に設けられることを特徴とする過給装置。
4. 　請求項１または請求項２に記載の過給装置において、
   　前記裏面は、前記凹部（２４）の周囲に外周裏面（２５）を備え、
   　前記凹部（２４）は、当該凹部（２４）のうちで最も前記表面に近い底面（２６）と、前記外周裏面（２５）から前記底面（２６）へ向かう環状壁（２７）とを備え、
   　前記外周裏面（２５）と前記環状壁（２７）の境界部である角部（２７ａ）と、前記環状壁（２７）と前記底面（２６）の境界部である隅部（２７ｂ）は、前記底面（２６）側から前記外周裏面（２５）方向へ向かって広がる曲面に設けられることを特徴とする過給装置。
5. 　請求項１または請求項２に記載の過給装置において、
   　前記コンプレッサホイール（６）の表面には、回転によって吸気を駆動する複数のコンプレッサブレード（１８）の他に、前記シャフト（１４）の先端に螺合するナット（２１）から締結力を受けるネジ座面（２２）が設けられ、
   　前記ネジ座面（２２）は、前記コンプレッサブレード（１８）の軸方向における表面側の先端部より、前記裏面側に設けられることを特徴とする過給装置。

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