WO2017126543A1 - シュラウド構造体及びターボチャージャ - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボチャージャに設置されるシュラウド構造体に関する。シュラウド構造体（５０Ａ）は、排気の圧力によって回転駆動するタービンインペラ（１２）のうち、ブレード（１４）を覆う金属製のタービンシュラウド（１６）と、タービンインペラ（１２）のブレード（１４）と対向する位置に取り付けられたセラミック部材（５２）と、セラミック部材（５２）をタービンシュラウド（１６）に向けて押し付ける押し付け部材（５４）とを有する。

Description

シュラウド構造体及びターボチャージャ

　本発明は、ターボチャージャに設置されるシュラウド構造体及びターボチャージャに関する。

　一般に、ターボチャージャの例えばタービン側は、図１０に示すように、ブレード１００を有するインペラ１０２と、該インペラ１０２のブレード１００を覆う金属製のシュラウド１０４とを備えている。通常、排気入口から流入した排気の圧力によって、インペラ１０２を回転させ、その回転エネルギーをコンプレッサで回収することができればよい。しかし、排気がインペラ１０２を回転させずに、シュラウド１０４とインペラ１０２間の隙間（クリアランスｄ）を通過してしまい、エネルギーの回収率が低下するという問題がある。この問題は、コンプレッサ側のインペラ１０２とシュラウド１０４との間でも生じている。そこで、従来から、インペラ１０２とシュラウド１０４間のクリアランスｄをできるだけ小さくするための取り組みが行われている。

　例えば特許第３６３９８４６号公報では、コンプレッサ側において、金属材料を摩耗させない樹脂で構成された滑り部材をシュラウドの一部に採用（アブレーダブルシール：ａｂｒａｄａｂｌｅ　ｓｅａｌ）することで、上述のクリアランスをほぼゼロにしている。

　特開平２－１９６１０９号公報では、金属製のシュラウド上に、多孔質セラミックにて結合したセラミックシール層を、熱膨張差を吸収する中間層を介して接合した例が記載されている。また、特開平６－３９８２０号公報では、焼きばめが検討されている。

　ところで、特許第３６３９８４６号公報に記載の方法は、コンプレッサ側において、樹脂で構成された滑り部材をシュラウドの一部に採用している。コンプレッサ側は、タービン側と比して低温（２００℃程度）であるため、樹脂製の滑り部材を使用することができる。しかし、タービン側は、高温（８００℃以上）になるため、樹脂製の滑り部材では耐熱性が持たない。

　特開平２－１９６１０９号公報に記載の方法では、金属製のシュラウド上にセラミックシール層をアブレーダブルシールとして採用している。しかし、室温から高温に昇温した際に、セラミックと金属との熱膨張係数差で熱応力が発生する。これにより、シュラウドとセラミックシール層との接合界面で割れが生じたり、剥がれが生じ、位置がずれるおそれがある。この場合、本来の目的のインペラとシュラウド間のクリアランスを小さくすることができなくなる。熱応力を緩和するために中間層を介在させているが、熱応力が大きすぎて緩和しきれないという問題もある。

　特開平６－３９８２０号公報に記載の方法では、焼きばめが検討されている。しかし、室温から高温に昇温した際に、金属部材が大きく膨らむ一方で、セラミック部材はほとんど膨らまないため、金属部材とセラミック部材間にギャップが発生する。この場合、セラミック部材が位置ずれを起こし、本来の目的であるインペラとシュラウド間のクリアランスを小さくすることができなくなるおそれがある。場合によっては、回転軸ずれによるインペラとの干渉、磨耗によって、クリアランスがさらに大きくなるおそれもある。

　このように、セラミック部材を金属部材にクリアランスを小さい状態に保ったまま固定したいが、化学的、物理的に固定（接合）する上述の２つの手法のどちらにおいても課題がある。

　本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、金属製のシュラウドにセラミック部材を具備させ、且つ、昇温の前後において、インペラとシュラウド間のクリアランスを、ほぼゼロに近いクリアランスに維持させることができ、ターボチャージャにおけるエネルギーの回収率の低下を抑えることができるシュラウド構造体を提供することを目的とする。

　また、本発明は、昇温の前後において、インペラとシュラウド間のクリアランスを、ほぼゼロに近いクリアランスに維持させることができ、エネルギーの回収率の低下を抑えることができるターボチャージャを提供することを目的とする。

［１］　第１の本発明に係るシュラウド構造体は、排気の圧力によって回転駆動するインペラのうち、ブレードを覆う金属製のシュラウドを有するシュラウド構造体であって、前記シュラウドと、前記シュラウドのうち、前記インペラのブレードと対向する位置に取り付けられたセラミック部材と、前記セラミック部材を前記シュラウドに向けて押し付ける押し付け部材とを有することを特徴とする。

［２］　第１の本発明において、前記シュラウドは、前記セラミック部材が取り付けられた部分に少なくとも１つの第１傾斜面を有し、前記セラミック部材は、前記シュラウドの前記第１傾斜面に対向する少なくとも１つの第２傾斜面を有してもよい。

［３］　この場合、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、前記押し付け部材による押し付け方向に対して同じ角度を有することが好ましい。

［４］　また、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面は、前記押し付け部材による押し付け方向に対して０°を超えて９０°未満の角度を有してもよい。

［５］　第１の本発明において、前記押し付け部材による押し付け方向が、前記インペラの軸方向に沿い、且つ、前記インペラから遠ざかる方向であってもよい。

［６］　第１の本発明において、前記押し付け部材による押し付け方向が、前記インペラの軸方向に沿い、且つ、前記インペラに向かう方向であってもよい。

［７］　第１の本発明において、前記押し付け部材は、前記セラミック部材のうち、前記インペラのブレードに対向していない露出面を押し付けることが好ましい。

［８］　この場合、前記押し付け部材は、前記セラミック部材の前記露出面に接触し、且つ、低温部分において前記シュラウドに固定された金属部材を有し、前記金属部材は、前記シュラウドを構成する金属材料の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有することが好ましい。

［９］　さらに、前記シュラウドは、前記金属部材のうち、前記セラミック部材の前記露出面に接触する面と反対の面を固定する部材を有してもよい。

［１０］　あるいは、前記シュラウドは、前記金属部材に向かって張り出す第１張り出し部を有し、前記金属部材は、前記シュラウドに向かって張り出す第２張り出し部を有し、前記押し付け部材は、さらに、前記第１張り出し部の先端部と前記第２張り出し部の先端部を締結するクランプ部材を有してもよい。

［１１］　また、前記シュラウドは、複数の前記第１傾斜面を有し、前記セラミック部材は、複数の前記第２傾斜面を有し、且つ、複数の前記第２傾斜面間に段差を有し、前記段差は、前記露出面から遠ざかる方向に延びていてもよい。

［１２］　第１の本発明において、前記セラミック部材の気孔率は１～８０％であることが好ましい。

［１３］　この場合、前記セラミック部材の気孔率は、シュラウドと対向する部分の気孔率が、インペラのブレードと対向する部分の気孔率より低いことが好ましい。

［１４］　第１の本発明において、前記セラミック部材の熱膨張係数は０．１～１８．０×１０^－６／Ｋであることが好ましい。

［１５］　第１の本発明において、前記シュラウドと前記セラミック部材との間に潤滑剤が介在されていてもよい。

［１６］　第２の本発明に係るターボチャージャは、排気の圧力によって回転駆動するインペラと、該インペラのブレードを覆う金属製のシュラウドとを有するターボチャージャにおいて、前記シュラウドと、前記シュラウドのうち、前記インペラのブレードと対向する位置に取り付けられたセラミック部材と、前記セラミック部材を前記シュラウドに向けて押し付ける押し付け部材とを有することを特徴とする。

［１７］　第２の本発明において、前記インペラがタービン側に設置されるタービンインペラであり、前記シュラウドがタービンに設置されるタービンシュラウドであってもよい。

　本発明に係るシュラウド構造体によれば、金属製のシュラウドにセラミック部材を具備させ、且つ、昇温の前後において、インペラとシュラウド間のクリアランスをほぼゼロに近いクリアランスに維持させることができ、ターボチャージャにおけるエネルギーの回収率の低下を抑えることができる。

　本発明に係るターボチャージャによれば、昇温の前後において、インペラとシュラウド間のクリアランスをほぼゼロに近いクリアランスに維持させることができ、エネルギーの回収率の低下を抑えることができる。

図１は、本実施の形態に係るターボチャージャの概略構成を一部省略して示す断面図である。 図２Ａは、第１の実施の形態に係るシュラウド構造体（第１シュラウド構造体）を示す断面図である。図２Ｂは、第１シュラウド構造体のタービンシュラウドを示す断面図である。図２Ｃは、第１シュラウド構造体のセラミック部材を示す断面図である。 図３Ａは、第１シュラウド構造体の昇温前の状態を一部省略して示す断面図である。図３Ｂは、第１シュラウド構造体の昇温後の状態を一部省略して示す断面図である。 図４Ａは、第１押し付け部材を備えた第１シュラウド構造体を一部省略して示す断面図である。図４Ｂは、第２押し付け部材を備えた第１シュラウド構造体を一部省略して示す断面図である。 図５Ａは、第２の実施の形態に係るシュラウド構造体（第２シュラウド構造体）を一部省略して示す断面図である。図５Ｂは、第２シュラウド構造体のタービンシュラウドを示す断面図である。図５Ｃは、第２シュラウド構造体のセラミック部材を示す断面図である。 図６Ａは、第３の実施の形態に係るシュラウド構造体（第３シュラウド構造体）を一部省略して示す断面図である。図６Ｂは、第３シュラウド構造体のタービンシュラウドを示す断面図である。図６Ｃは、第３シュラウド構造体のセラミック部材を示す断面図である。 図７Ａは、第３シュラウド構造体の昇温前の状態を一部省略して示す断面図である。図７Ｂは、第３シュラウド構造体の昇温後の状態を一部省略して示す断面図である。 図８Ａは、実施例１に係るセラミック部材１（又はセラミック部材２）の構成を示す断面図である。図８Ｂは、実施例１に係る金属円筒の構成を示す断面図である。図８Ｃは、実施例１において金属円筒の内周面にセラミック部材１（又はセラミック部材２）を嵌め合わせた状態を示す断面図である。 図９Ａは、比較例１に係るセラミック部材１（又はセラミック部材２）の構成を示す断面図である。図９Ｂは、比較例１に係る金属円筒の構成を示す断面図である。図９Ｃは、比較例１において金属円筒の内周面にセラミック部材１（又はセラミック部材２）を嵌め合わせた状態を示す断面図である。 従来のターボチャージャの例えばタービン側の作用を示す説明図である。

　以下、本発明に係るシュラウド構造体及びターボチャージャの実施の形態例を図１～図９Ｃを参照しながら説明する。

　先ず、本実施の形態に係るターボチャージャ１０は、図１に示すように、タービン側に、排気の圧力によって回転駆動する金属製のタービンインペラ１２と、該タービンインペラ１２のうち、ブレード１４の部分を覆う金属製のタービンシュラウド１６とが設置されている。コンプレッサ側には、タービンインペラ１２とローターシャフト１８を介して連結された金属製のコンプレッサインペラ２０と、該コンプレッサインペラ２０のうち、ブレード２２の部分を覆う金属製のコンプレッサシュラウド２４とが設置されている。

　このターボチャージャ１０は、図示しない排気入口から流入した排気の圧力によってタービンインペラ１２が回転する。タービンインペラ１２の回転力は、ローターシャフト１８を介してコンプレッサインペラ２０に伝わり、図示しない新気入口から取り入れた新気は、コンプレッサインペラ２０に設けられた複数のブレード２２の間の流路を通り、圧縮されつつ内燃機関へと圧送される。

　そして、第１の実施の形態に係るシュラウド構造体５０Ａ（以下、第１シュラウド構造体５０Ａを記す）は、図２Ａに示すように、例えばタービン側に設置され、上述した金属製のタービンシュラウド１６と、タービンシュラウド１６のうち、タービンインペラ１２のブレード１４と対向する位置に取り付けられた環状のセラミック部材５２と、セラミック部材５２をタービンシュラウド１６に向けて押し付ける押し付け部材５４（図３Ａ参照）とを有する。

　例えば室温下でタービンシュラウド１６にセラミック部材５２を取り付ける場合には、図２Ｂに示すように、タービンシュラウド１６にセラミック部材５２を嵌め込む形態で取り付けられる。しかし、後述するように、タービンシュラウド１６の周辺が高温となって、タービンシュラウド１６が熱膨張すると、セラミック部材５２はタービンシュラウド１６に対して摺動することとなる（図３Ｂ参照）。

　タービンシュラウド１６は、セラミック部材５２が取り付けられた部分に少なくとも１つの第１傾斜面５８を有する。セラミック部材５２は、タービンシュラウド１６の第１傾斜面５８に対向する少なくとも１つの第２傾斜面６０を有する。

　タービンシュラウド１６に設けられた第１傾斜面５８及びセラミック部材５２に設けられた第２傾斜面６０は、押し付け部材５４による押し付け方向に対して同じ角度θを有する。この第１シュラウド構造体５０Ａでは、第１傾斜面５８及び第２傾斜面６０は、押し付け部材５４による押し付け方向（図３Ａ参照）に対して０°を超えて９０°未満の角度、好ましくは３０°以上９０°未満の角度、さらに好ましくは６０°以上９０°未満の角度を有する。

　押し付け部材５４による押し付け方向は、図３Ａに示すように、タービンインペラ１２の軸方向に沿い、且つ、タービンインペラ１２から遠ざかる方向である。また、押し付け部材５４は、セラミック部材５２のうち、タービンインペラ１２のブレード１４に対向していない露出面５６を押し付ける。押し付け部材５４の具体的構成例については後述する。

　上述のように、タービンシュラウド１６のうち、タービンインペラ１２のブレード１４と対向する位置にセラミック部材５２を設置することで、タービンインペラ１２のブレード１４とセラミック部材５２との間には、一定のクリアランスｄ、すなわち、ほぼゼロに近いクリアランスｄが維持されている。

　そして、高温の排気が流れ込むことによって、図３Ｂに示すように、タービンシュラウド１６並びにその周辺が昇温すると、タービンシュラウド１６は熱膨張によって径方向に拡大する。すなわち、外径、内径が大きくなる。このとき、セラミック部材５２は熱膨張係数が小さいため、ほとんど拡大しない。しかも、セラミック部材５２は押し付け部材５４によってタービンシュラウド１６に向かって押し付けられている。そのため、セラミック部材５２は、第２傾斜面６０がタービンシュラウド１６の第１傾斜面５８に沿って摺動し、タービンシュラウド１６の拡大に抗して昇温前の形状を維持する。すなわち、セラミック部材５２は剥離や破壊することなく、昇温前の位置を維持する。その結果、タービンシュラウド１６並びにその周辺が高温になっても、タービンインペラ１２のブレード１４とセラミック部材５２との間には、ほぼゼロに近いクリアランスｄが維持され、クリアランスｄの拡大に伴うエネルギーの回収率の低下を抑制することができる。

　特に、タービンシュラウド１６に設けられた第１傾斜面５８及びセラミック部材５２に設けられた第２傾斜面６０は、押し付け部材５４による押し付け方向に対して同じ角度θを有する。そのため、セラミック部材５２の第２傾斜面６０は、タービンシュラウド１６の第１傾斜面５８に対してスムーズに摺動することができ、セラミック部材５２に割れ等の発生を抑制することができる。また、図示しないが、タービンシュラウド１６の第１傾斜面５８とセラミック部材５２の第２傾斜面６０との間に潤滑剤を介在させることで、さらに、セラミック部材５２の第２傾斜面６０を、タービンシュラウド１６の第１傾斜面５８に対してスムーズに摺動させることができる。

　また、押し付け部材５４によって、セラミック部材５２のうち、タービンインペラ１２のブレード１４に対向していない露出面５６を押し付けるようにしている。そのため、押し付け部材５４はタービンインペラ１２の回転を阻害することなく、セラミック部材５２をタービンシュラウド１６に向けて押し付けることが可能となる。

　ここで、押し付け部材５４のいくつかの構成例について図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら説明する。

　先ず、第１の構成例に係る押し付け部材（以下、第１押し付け部材５４Ａと記す）は、図４Ａに示すように、セラミック部材５２の露出面５６に接触し、且つ、低温領域６４においてタービンシュラウド１６に固定された環状の金属部材６２を有する。金属部材６２は、タービンシュラウド１６を構成する金属材料の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有する。

　タービンインペラ１２には高温の排気が供給されることから、タービンインペラ１２並びにその周辺部分は高温となる。具体的には、径がタービンインペラ１２の外径とほぼ同じ筒状の領域（二点鎖線で示す）が高温領域６６となる。高温領域６６から離れれば離れるほど低温になる。従って、高温領域６６の外側は、供給される排気によってほとんど昇温しない部分、すなわち、低温領域６４と称することができる。

　一方、タービンシュラウド１６は、金属部材６２のうち、セラミック部材５２の露出面５６に接触する面と反対の面を固定する固定部材６８を有する。この固定部材６８は、例えばタービンシュラウド１６と一体に形成され、タービンシュラウド１６の外周部分からコンプレッサ側に延びる環状の外壁６８ａと、外壁６８ａの端部からタービンインペラ１２に向かって延びる環状の固定壁６８ｂとを有する。金属部材６２は、セラミック部材５２の露出面５６と固定部材６８の上記外壁６８ａの内面と固定部材６８の上記固定壁６８ｂとの間に形成される環状の空間に設置される。

　金属部材６２の熱膨張係数は、タービンシュラウド１６を構成する金属材料の熱膨張係数よりも高いため、タービンシュラウド１６がほとんど熱膨張しなくても、金属部材６２はある程度熱膨張することから、セラミック部材５２をタービンシュラウド１６に向かって押し付けることが可能となる。もちろん、室温の際にも、金属部材６２はセラミック部材５２をタービンシュラウド１６に向かって押し付けている。なお、金属部材６２は、熱膨張係数がタービンシュラウド１６を構成する金属材料の熱膨張係数よりも高ければよく、タービンシュラウド１６を構成する金属材料と異なる金属材料でもよいし、同種の金属材料でもよい。

　次に、第２の構成例に係る押し付け部材（以下、第２押し付け部材５４Ｂと記す）は、図４Ｂに示すように、上述した第１押し付け部材５４Ａの金属部材６２と同様の金属部材６２を用いる点では同じであるが、以下の点で異なる。

　すなわち、タービンシュラウド１６は、後部（コンプレッサ側）から金属部材６２に向かって、且つ、高温領域６６から離間する方向に張り出す第１張り出し部７０を有する。

　金属部材６２は、後部（コンプレッサ側）に厚肉のフランジ部７２を有し、このフランジ部７２からセラミック部材５２の露出面５６に向かって突出する薄肉の筒状部７４と、フランジ部７２と筒状部７４の境界部分からタービンシュラウド１６の第１張り出し部７０に向かって、且つ、高温領域６６から離間する方向に張り出す第２張り出し部７６とを有する。

　さらに、第２押し付け部材５４Ｂは、第１張り出し部７０の先端部と第２張り出し部７６の先端部とを低温領域６４で締結するクランプ部材７８を有する。クランプ部材７８としては、例えば市販のクランプ・センターリング等を用いることができる。

　このように、第１張り出し部７０の先端部と第２張り出し部７６の先端部を締結することによって、低温領域６４において金属部材６２をタービンシュラウド１６に固定することができる。特に、高温領域６６から距離を離した低温領域６４で締結することができるため、締結力が緩みにくいという利点がある。

　この場合も、金属部材６２の熱膨張係数は、タービンシュラウド１６を構成する金属材料の熱膨張係数よりも高い。そのため、タービンシュラウド１６がほとんど熱膨張しなくても、金属部材６２はある程度熱膨張することから、金属部材６２の筒状を介してセラミック部材５２をタービンシュラウド１６に向かって押し付けることが可能となる。なお、室温の際にも、金属部材６２はセラミック部材５２をタービンシュラウド１６に向かって押し付けている。また、第１押し付け部材５４Ａと同様に、金属部材６２は、熱膨張係数がタービンシュラウド１６を構成する金属材料の熱膨張係数よりも高ければよく、タービンシュラウド１６を構成する金属材料と異なる金属材料でもよいし、同種の金属材料でもよい。

　次に、第２の実施の形態に係るシュラウド構造体（以下、第２シュラウド構造体５０Ｂと記す）について図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら説明する。

　この第２シュラウド構造体５０Ｂは、上述した第１シュラウド構造体５０Ａとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。

　すなわち、図５Ａ～図５Ｃに示すように、タービンシュラウド１６は、２つの第１傾斜面５８（外周側の第１傾斜面５８ａ及び内周側の第１傾斜面５８ｂ）を有する。セラミック部材５２は、２つの第２傾斜面６０（外周側の第２傾斜面６０ａ及び内周側の第２傾斜面６０ｂ）を有する。また、セラミック部材５２は、２つの第２傾斜面６０間に段差８０を有する。この段差８０は、露出面５６から遠ざかる方向に延びている。これらの構成によって、露出面５６に対向する外周側の第１傾斜面５８ａの径方向の長さｄａを小さくすることができる。そのため、セラミック部材５２の熱膨張も考慮した場合に、セラミック部材５２の横方向の熱膨張による変化量が小さくなる。

　セラミック部材５２の熱膨張による変化量が大きいと、金属部材６２の熱膨張とセラミック部材５２の変化量とを考慮して金属部材６２の寸法や材料を選ばなければならない。一方、セラミック部材５２の変化量が小さければ、ほとんど金属部材６２の熱膨張のみを考慮して金属部材６２の寸法や材料を選べばよいため、様々な材料を選ぶことが可能となり、設計の自由度の拡大、材料費の低減等を実現することができる。図５Ａ及び図５Ｂの例では、第１押し付け部材５４Ａを採用した例を示したが、第２押し付け部材５４Ｂ（図４Ｂ参照）を採用しても同様の効果を得ることができる。

　次に、第３の実施の形態に係るシュラウド構造体（以下、第３シュラウド構造体５０Ｃと記す）について図６Ａ～図７Ｂを参照しながら説明する。

　この第３シュラウド構造体５０Ｃは、図６Ａ～図６Ｃ及び図７Ａに示すように、上述した第１シュラウド構造体５０Ａとほぼ同様の構成を有するが、以下の点で異なる。

　すなわち、タービンシュラウド１６は、タービンインペラ１２（図７Ａ参照）に向かって厚みが徐々に厚くなる構造を有し、内周面自体が第１傾斜面５８を構成している。セラミック部材５２は、タービンシュラウド１６内に設置され、その外周面自体が第２傾斜面６０を構成している。押し付け部材５４は、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、セラミック部材５２のうち、タービンインペラ１２のブレード１４に対向していない露出面５６を押し付けるが、この場合、押し付け方向は、タービンインペラ１２の軸方向に沿い、且つ、タービンインペラ１２に向かう方向である。

　第１傾斜面５８及び第２傾斜面６０は、押し付け部材５４による押し付け方向に対して同じ角度を有し、０°を超えて９０°未満の角度、好ましくは３０°以上９０°未満の角度、さらに好ましくは６０°以上９０°未満の角度を有する。

　そして、図７Ｂに示すように、セラミック部材５２は、押し付け部材５４によってタービンシュラウド１６に向かって押し付けられている。そのため、タービンシュラウド１６が熱膨張によって径方向に拡大すると、セラミック部材５２の第２傾斜面６０がタービンシュラウド１６の第１傾斜面５８に沿って摺動し、タービンシュラウド１６の拡大に抗して昇温前の形状を維持する。すなわち、セラミック部材５２は破壊することなく、昇温前の位置を維持する。その結果、タービンシュラウド１６並びにその周辺が高温になっても、タービンインペラ１２のブレード１４とセラミック部材５２との間には、ほぼゼロに近いクリアランスｄが維持され、クリアランスｄの拡大に伴うエネルギーの回収率の低下を抑制することができる。

　なお、押し付け部材５４の構成例としては、上述した第１押し付け部材５４Ａ又は第２押し付け部材５４Ｂを好ましく採用することができる。

　上述した第１シュラウド構造体５０Ａ～第３シュラウド構造体５０Ｃにおいて、セラミック部材５２の気孔率は１～８０％、好ましくは１０～７０％、さらに好ましくは２０～６０％である。気孔率が低い、すなわち、緻密であると、セラミック部材５２をタービンインペラ１２のブレード１４で削ることができず、タービンインペラ１２のブレード１４を破損するおそれがある。反対に、気孔率が高すぎると、機械的強度が弱くなり、押し付け部材５４による押圧によって破損するおそれがある。

　また、セラミック部材５２の気孔率は、タービンシュラウド１６と対向する部分の気孔率が、タービンインペラ１２のブレード１４と対向する部分の気孔率より低いことが好ましい。タービンシュラウド１６と対向する部分の気孔率が高いと、セラミック部材５２をタービンシュラウド１６に取り付ける際に削れてしまい、寸法が変化するおそれがある。タービンインペラ１２のブレード１４と対向する部分の気孔率が低いと、ブレード１４を傷つけるおそれがある。

　セラミック部材５２の熱膨張係数は、０．１～１８．０×１０^－６／Ｋ、好ましくは０．５～１１．０×１０^－６／Ｋ、さらに好ましくは１～５．０×１０^－６／Ｋである。熱膨張係数が低すぎると、昇温した際に、高熱膨張係数のタービンシュラウド１６（金属製）との寸法差が大きく広がってしまい、第１傾斜面５８と第２傾斜面６０同士の摺動で寸法差を吸収できなくなるおそれがある。また、熱膨張係数が高すぎると、昇温した際に、セラミック部材５２自身の温度差で発生する熱応力で割れが生じるおそれがある。

　セラミック部材５２の構成材料としては、窒化珪素、サイアロン、ジルコニア、コージェライト、炭化珪素、もしくは雲母、タルク、チタンシリコンカーバイド、窒化ホウ素等のマシナブルセラミック、又はこれらの材料を少なくとも１つを含む混合物を好ましく採用することができる。

　タービンシュラウド１６やタービンインペラ１２等の金属部品については、耐熱鋳鋼等、ニッケル合金、例えばインコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）等を使用することが好ましい。耐熱性が高いため、高温（８００℃以上）の使用環境下に適する。

　実施例１～１２及び比較例１について、セラミック部材の剥がれ、割れを確認した。

（実施例１）
［セラミック部材１の作製］
　イットリア部分安定化ジルコニアの粉末を一軸プレス成形、ＣＩＰ（冷間等方圧加圧法）を施し、円柱のペレットを作製した後に、大気雰囲気中にて１２００℃２時間にて焼成することで多孔質セラミックの円柱を得た。これを機械加工することで、図８Ａに示すように、一方の端部の外径がφ３０ｍｍ、他方の端部の外径がφ７０ｍｍ、内径が一方の端部から他方の端部にかけて一定のφ３０ｍｍで、一方の端部から他方の端部までの距離（高さ）が２０ｍｍの円筒状のセラミック部材１を得た。外周面の傾斜角は４５°である。

　セラミック部材１の気孔率は、アルキメデス法（ＪＩＳ１６３４－１９９８）で測定したところ、５０％であった。熱膨張係数は、ＪＩＳ１６１８－２００２に準じて測定したところ、１０．５×１０^－６／Ｋであった。

［セラミック部材２の作製］
　イットリア部分安定化ジルコニアの粉末を溶剤に混ぜた後、型に流し込み、乾燥後１２００℃２時間にて焼成することで、上述したセラミック部材１と同様の形状を有するセラミック部材２を得た。セラミック部材２においても、セラミック部材１と同様に、気孔率が５０％、熱膨張係数が１０．５×１０^－６／Ｋであった。

［金属円筒］
　図８Ｂに示すように、内径が一方の端部から他方の端部に向かって拡大する形状の金属円筒を用意した。一方の端部の内径がφ１０ｍｍ、他方の端部の内径がφ７０ｍｍである。外径は一方の端部から他方の端部にかけて一定のφ７０ｍｍである。一方の端部から他方の端部までの距離（高さ）は３０ｍｍである。内周面の傾斜角は４５°である。金属円筒の熱膨張係数は１２．０×１０^－６／Ｋであった。

［実験方法］
　図８Ｃに示すように、タービンシュラウド１６を想定した金属円筒の内周面に、セラミック部材５２を想定したセラミック部材１の外周面を嵌め合せた後、セラミック部材１を１ＭＰａの圧力で押圧することで固定した。この状態で、金属円筒及びセラミック部材１全体を５００℃まで昇温した。昇温後、セラミック部材１が剥がれていないか、また、割れていないかどうかを検査した。室温に降温した後にも同様の検査を行った。

　同様に、金属円筒の内周面に今度はセラミック部材２の外周面を嵌め合せた後、セラミック部材２を１０ＭＰａの圧力で押圧することで固定した。この状態で、金属円筒及びセラミック部材２全体を５００℃まで昇温した。昇温後、セラミック部材２が剥がれていないか、また、割れていないかどうかを検査した。室温に降温した後にも同様の検査を行った。

（実施例２）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製した。すなわち、原料として窒化珪素、助剤としてイットリア、アルミナ、造孔剤として樹脂を用いて、窒素雰囲気中で１７５０℃で２時間焼成した以外は実施例１と同様にして、セラミック部材１及びセラミック部材２を作製した。そして、実施例１と同様の方法で実験を行った。

（実施例３）
　セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を１０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例４）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製し、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を１０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例５）
　セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例６）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製し、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例７）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製し、セラミック部材１及びセラミック部材２の気孔率を３０％、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例８）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製し、セラミック部材１及びセラミック部材２の気孔率を６０％、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例９）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製し、セラミック部材１及びセラミック部材２の気孔率を６０％、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８８°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例１０）
　窒化珪素でセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数２．８×１０^－６／Ｋ）を作製し、セラミック部材１及びセラミック部材２の気孔率を６０％、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を６０°とした点以外は、実施例１と同様にして実験を行った。

（実施例１１）
　炭化珪素とシリコンでセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数４．５×１０^－６／Ｋ）を作製した。すなわち、原料として炭化珪素、シリコン、造孔剤として樹脂を用いて、アルゴン雰囲気中で１４３０℃で２時間焼成した以外は実施例１と同様にして、セラミック部材１及びセラミック部材２を作製した。そして、セラミック部材１及びセラミック部材２の気孔率を６０％、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８０°とした点以外は、実施例１と同様の方法で実験を行った。

（実施例１２）
　コージェライトでセラミック部材１及びセラミック部材２（熱膨張係数１．５×１０^－６／Ｋ）を作製した。すなわち、原料としてタルク、アルミナ、カオリン、シリカ、造孔剤として樹脂を用いて、大気雰囲気中で１４２０℃で２時間焼成した以外は実施例１と同様にして、セラミック部材１及びセラミック部材２を作製した。そして、セラミック部材１及びセラミック部材２の気孔率を６０％、セラミック部材１、セラミック部材２及び金属円筒の傾斜角を８０°とした点以外は、実施例１と同様の方法で実験を行った。

（比較例１）
　セラミック部材１及びセラミック部材２については、図９Ａに示すように、外径が一方の端部から他方の端部にかけて一定のφ５０ｍｍ、内径が一方の端部から他方の端部にかけて一定のφ１０ｍｍで、高さが２０ｍｍの円筒状とした。

　金属円筒については、図９Ｂに示すように、外径を一方の端部から他方の端部にかけて一定のφ７０ｍｍとした。内径は２段階に変化させた。すなわち、一方の端部から他方の端部に向かって１０ｍｍにわたる部分の内径をφ１０ｍｍとし、他方の端部から一方の端部に向かって２０ｍｍにわたる部分の内径をφ５０ｍｍとした。一方の端部から他方の端部までの距離（高さ）を３０ｍｍとした。つまり、金属円筒の他方の端部に、セラミック部材１又はセラミック部材２を挿入するための凹部が形成された構造を有する。

　そして、図９Ｃに示すように、金属円筒の他方の端部に形成された凹部内にセラミック部材１を嵌め合せた後、セラミック部材１を１０ＭＰａの圧力で押圧することで固定した。この状態で、金属円筒及びセラミック部材１全体を５００℃まで昇温した。昇温後、セラミック部材１が剥がれていないか、また、割れていないかどうかを検査した。室温に降温した後にも同様の検査を行った。セラミック部材２についても同様の実験を行った。

（評価）
　昇温後にセラミック部材１及びセラミック部材１の剥がれや割れが生じなかった場合は「○」と判定し、セラミック部材１及びセラミック部材１のいずれか１つでも剥がれや割れが生じた場合を「×」と判定した。実施例１～１２、比較例１の内訳並びに評価結果を下記表１に示す。

　表１から、タービンシュラウド１６を想定した金属円筒の内周面に、セラミック部材５２を想定したセラミック部材１及びセラミック部材２を嵌め合せた構成、すなわち、実施例１～１２については、いずれもセラミック部材１及びセラミック部材２の剥がれや割れは生じなかった。

　従来の構成を想定した比較例については、セラミック部材１及びセラミック部材２のいずれも割れが生じた。

　なお、本発明に係るシュラウド構造体及びターボチャージャは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

　すなわち、上述の例では、シュラウド構造体を、高温となるタービン側のタービンシュラウド１６に適用した例を示したが、コンプレッサ側のコンプレッサシュラウド２４（図１参照）に適用してもよい。低温といっても２００℃程度であって、室温（２５℃）と比べれば高温である。このような環境においても、本実施の形態に係るシュラウド構造体を適用することで、コンプレッサシュラウド２４に設置されたセラミック部材５２とコンプレッサインペラ２０のブレード２２間のクリアランスを温度変化にかかわりなく、一定に維持することができ、エネルギー効率の低下の抑制効果をさらに高めることができる。

　また、本発明に係るシュラウド構造体並びにターボチャージャの構成をガスタービンにも転用できることはもちろんである。

Claims (17)

1. 　排気の圧力によって回転駆動するインペラ（１２）のうち、ブレード（１４）を覆う金属製のシュラウド（１６）を有するシュラウド構造体であって、
   　前記シュラウド（１６）と、
   　前記シュラウド（１６）のうち、前記インペラ（１２）のブレード（１４）と対向する位置に取り付けられたセラミック部材（５２）と、
   　前記セラミック部材（５２）を前記シュラウド（１６）に向けて押し付ける押し付け部材（５４）とを有することを特徴とするシュラウド構造体。
2. 　請求項１記載のシュラウド構造体において、
   　前記シュラウド（１６）は、前記セラミック部材（５２）が取り付けられた部分に少なくとも１つの第１傾斜面（５８）を有し、
   　前記セラミック部材（５２）は、前記シュラウド（１６）の前記第１傾斜面（５８）に対向する少なくとも１つの第２傾斜面（６０）を有することを特徴とするシュラウド構造体。
3. 　請求項２記載のシュラウド構造体において、
   　前記第１傾斜面（５８）及び前記第２傾斜面（６０）は、前記押し付け部材（５４）による押し付け方向に対して同じ角度（θ）を有することを特徴とするシュラウド構造体。
4. 　請求項２又は３記載のシュラウド構造体において、
   　前記第１傾斜面（５８）及び前記第２傾斜面（６０）は、前記押し付け部材（５４）による押し付け方向に対して０°を超えて９０°未満の角度（θ）を有することを特徴とするシュラウド構造体。
5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
   　前記押し付け部材（５４）による押し付け方向が、前記インペラ（１２）の軸方向に沿い、且つ、前記インペラ（１２）から遠ざかる方向であることを特徴とするシュラウド構造体。
6. 　請求項１～４のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
   　前記押し付け部材（５４）による押し付け方向が、前記インペラ（１２）の軸方向に沿い、且つ、前記インペラ（１２）に向かう方向であることを特徴とするシュラウド構造体。
7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
   　前記押し付け部材（５４）は、
   　前記セラミック部材（５２）のうち、前記インペラ（１２）のブレード（１４）に対向していない露出面（５６）を押し付けることを特徴とするシュラウド構造体。
8. 　請求項７記載のシュラウド構造体において、
   　前記押し付け部材（５４Ａ）は、
   　前記セラミック部材（５２）の前記露出面（５６）に接触し、且つ、低温部分において前記シュラウド（１６）に固定された金属部材（６２）を有し、
   　前記金属部材（６２）は、前記シュラウド（１６）を構成する金属材料の熱膨張係数よりも高い熱膨張係数を有することを特徴とするシュラウド構造体。
9. 　請求項８記載のシュラウド構造体において、
   　前記シュラウド（１６）は、前記金属部材（６２）のうち、前記セラミック部材（５２）の前記露出面（５６）に接触する面と反対の面を固定する部材（６８）を有することを特徴とするシュラウド構造体。
10. 　請求項８記載のシュラウド構造体において、
    　前記シュラウド（１６）は、前記金属部材（６２）に向かって張り出す第１張り出し部（７０）を有し、
    　前記金属部材（６２）は、前記シュラウド（１６）に向かって張り出す第２張り出し部（７６）を有し、
    　前記押し付け部材（５４Ｂ）は、さらに、前記第１張り出し部（７０）の先端部と前記第２張り出し部（７６）の先端部を締結するクランプ部材（７８）を有することを特徴とするシュラウド構造体。
11. 　請求項７～１０のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
    　前記シュラウド（１６）は、複数の第１傾斜面（５８）を有し、
    　前記セラミック部材（５２）は、複数の第２傾斜面（６０）を有し、且つ、複数の前記第２傾斜面（６０）間に段差（８０）を有し、
    　前記段差（８０）は、前記露出面（５６）から遠ざかる方向に延びていることを特徴とするシュラウド構造体。
12. 　請求項１～１１のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
    　前記セラミック部材（５２）の気孔率は１～８０％であることを特徴とするシュラウド構造体。
13. 　請求項１２記載のシュラウド構造体において、
    　前記セラミック部材（５２）の気孔率は、前記シュラウド（１６）と対向する部分の気孔率が、前記インペラ（１２）のブレード（１４）と対向する部分の気孔率より低いことを特徴とするシュラウド構造体。
14. 　請求項１～１３のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
    　前記セラミック部材（５２）の熱膨張係数は０．１～１８．０×１０^－６／Ｋであることを特徴とするシュラウド構造体。
15. 　請求項１～１４のいずれか１項に記載のシュラウド構造体において、
    　前記シュラウド（１６）と前記セラミック部材（５２）との間に潤滑剤が介在されていることを特徴とするシュラウド構造体。
16. 　排気の圧力によって回転駆動するインペラ（１２）と、該インペラ（１２）のブレード（１４）を覆う金属製のシュラウド（１６）とを有するターボチャージャにおいて、
    　前記シュラウド（１６）と、
    　前記シュラウド（１６）のうち、前記インペラ（１２）のブレード（１４）と対向する位置に取り付けられたセラミック部材（５２）と、
    　前記セラミック部材（５２）を前記シュラウド（１６）に向けて押し付ける押し付け部材（５４）とを有することを特徴とするターボチャージャ。
17. 　請求項１６記載のターボチャージャにおいて、
    　前記インペラ（１２）がタービン側に設置されるタービンインペラであり、
    　前記シュラウド（１６）がタービンに設置されるタービンシュラウドであることを特徴とするターボチャージャ。

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