JP4448064B2

JP4448064B2 - タービンハウジング

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Publication number: JP4448064B2
Application number: JP2005185714A
Authority: JP
Inventors: 浩市秋田; 佐藤　　明
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: JP2007002791A

Description

本発明はタービンハウジングに係り、特に、内側ハウジングとこの内側ハウジングを覆う外側ハウジングとを備えたターボ過給機のタービンハウジングに関する。

ターボ過給機のタービンハウジングとしては鋳造製のものが一般的である。これに対し、板金製のタービンハウジングも例えば特許文献１により提案されており、これにおいては、金属板を適宜加工してなる板金製の内側ハウジングと外側ハウジングとが備えられ、内側ハウジングを隙間を介して外側ハウジングにより覆う構造となっている。このタービンハウジングにおいては、内側ハウジングを二分割形成してそれらを嵌合させると共に、内側ハウジングの排気ガス出口側の一端部をタービン軸方向にスライド可能に支持することで、排気ガスの熱を直接受ける内側ハウジングが熱膨張したときの逃げを提供し、内側ハウジングへの応力を緩和することとしている。

特開２００２−００４８７１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のタービンハウジングでは、内側ハウジングの嵌合部（特許文献１の図１、図４参照）から外側ハウジングと内側ハウジングとの間の隙間に排気ガスが流入するおそれがあり、その排気ガスが、内側ハウジングの一端部がスライド可能に支持されることに起因して、タービンホイールを通過せずに、そのスライド支持部を通過してタービン下流側に漏れ出てしまうことがある。こうなると排気ガスの一部が全く仕事をせずに捨て去られることになり、タービン効率の低下が生じるという問題がある。

そこで、本発明は、排気ガスを無駄なく利用して、タービン効率の低下を防止することができるタービンハウジングを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るタービンハウジングは、内側ハウジングと、該内側ハウジングを覆う外側ハウジングとを備えたタービンハウジングにおいて、タービンホイールのシュラウド部を取り囲むためのシュラウド部材を設け、該シュラウド部材と、前記外側ハウジングの出口側端部とにより隙間を形成してその隙間に前記内側ハウジングの出口側端部を挿入し、前記隙間を、前記タービンホイールの出口側に対し閉止すると共に、前記タービンホイールの上流側に開放させたことを特徴とする。

このタービンハウジングでは、シュラウド部材と外側ハウジングの出口側端部とにより形成される隙間がタービンホイールの出口側に対し閉止されるので、該隙間からタービンホイールの出口側への排気ガスの漏れが防止される。また、該隙間は、タービンホイールの上流側に開放されるので、隙間に存在する排気ガスはタービンホイールの上流側に流れ、タービンホイールの駆動に供される。これによりタービン効率の低下を防止することができる。

前記内側ハウジングの出口側端部が前記隙間にスライド可能に挿入されているのが好ましい。これにより内側ハウジングの出口側端部がスライド可能に支持される。

さらに、前記内側ハウジングと前記外側ハウジングとがそれらの出口側端部において互いにスライド可能に嵌め合わされる嵌合部が設けられ、該嵌合部において、前記内側ハウジングの出口側端部に、前記外側ハウジング側に突出して前記外側ハウジングにスライド可能に当接する肉厚部が設けられたことを特徴とすると好ましい。これにより、内側ハウジングが排気ガスの熱により熱変形しても、その肉厚部がスライドするので、適切に応力緩和を図ることが可能となる。さらに、外側ハウジングに当接する肉厚部が内側ハウジングに設けられているので、当該肉厚部の部分で内側ハウジングの剛性を向上できると共に、当該肉厚部により外側ハウジングとの間の嵌め合い精度を高めるような加工代を内側ハウジングに確保することが出来る。

さらに、前記シュラウド部材は管材からなるのが好ましい。これにより、シュラウド部材をプレス加工等により安価に且つ容易に作製することができる。

さらに、前記内側ハウジングおよび前記外側ハウジングが板金製であると好ましい。これにより、内側ハウジングおよび外側ハウジングは、比較的容易に且つ安価に作製される。

あるいは、前記内側ハウジングが鋳造製であり、前記外側ハウジングが板金製であると好ましい。これにより、内側ハウジングの設計の自由度を向上することができる。また外側ハウジングについては比較的容易に且つ安価に作製することが可能になる。内側ハウジングは鋳造製であるので、例えばその肉厚を必要に応じて部位毎に適切に設定することが可能であり、部分的に肉厚を厚くすることも可能になる。

また、本発明に係る他のタービンハウジングは、内側ハウジングと、該内側ハウジングを覆う外側ハウジングとを備えたタービンハウジングにおいて、前記内側ハウジングを鋳造製とし、前記外側ハウジングを板金製としたことを特徴とする。これにより、内側ハウジングについては設計の自由度を向上することが可能になる。また外側ハウジングについては前述の如く比較的容易に且つ安価に作製することが可能になる。内側ハウジングは鋳造製であるので、例えばその肉厚を必要に応じて部位毎に適切に設定することが可能であり、部分的に肉厚を厚くすることも可能になる。

この上記本発明に係る他のタービンハウジングにおいて、前記内側ハウジングと前記外側ハウジングとが互いにスライド可能に嵌め合わされる嵌合部が設けられ、該嵌合部において、前記内側ハウジングに、前記外側ハウジング側に突出して前記外側ハウジングにスライド可能に当接する肉厚部が設けられたことを特徴とすると好ましい。これにより、内側ハウジングが排気ガスの熱により熱変形しても、その肉厚部がスライドするので、適切に応力緩和を図ることが可能となる。さらに、外側ハウジングに当接する肉厚部が内側ハウジングに設けられているので、当該肉厚部の部分で内側ハウジングの剛性を向上できると共に、当該肉厚部により外側ハウジングとの間の嵌め合い精度を高めるような加工代を内側ハウジングに確保することが出来る。これにより嵌合部のシール性を高め、排気ガスの漏れを防止し、タービン効率の低下を防止することが可能となる。

また、上記本発明に係る他のタービンハウジングにおいて、前記内側ハウジングがタービンホイールの上流側から下流側に排気ガスをバイパスさせるためのバイパス通路を区画形成し、前記バイパス通路の出口部と、前記内側ハウジングの出口側端部とが互いに併設され、前記内側ハウジングの出口側端部が、少なくとも前記バイパス通路の出口部より下流側に位置するように延在されていることを特徴とすると好ましい。これにより、タービンホイールを回転駆動させた後の排気ガスの流れに、バイパスされた排気ガスの流れが干渉することが防止される。

本発明によれば、排気ガスを無駄なく利用して、タービン効率の低下を防止することができるという優れた効果が発揮される。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。なお以下の実施形態に係るタービンハウジングは、車両用ターボ過給機のラジアル形タービンに適用されるものである。

図１から図３に、第一実施形態のタービンハウジング１の外観図を示す。図１はタービンハウジング１の側面図であり、図２はその正面図であり、図３はその背面図である。図１に白抜き矢印で排気ガスの流れを示す。エンジン（図示せず）からの排気ガスは、図中下方の入口７０からタービンハウジング１内に入り、タービンハウジング１内で直角に向きを変え、タービン軸方向に沿って出口８０からタービンハウジング１外に排出される。入口７０付近には入口側フランジ部３０が設けられ、入口側フランジ部３０はエンジン側の排気管または排気マニホールド（図示せず）との接続に利用される。出口８０付近には出口側フランジ部４０が設けられ、出口側フランジ部４０はその下流側の排気管（図示せず）との接続に利用される。またセンターハウジング５（図５参照）との接続に利用されるセンターフランジ部５０も設けられる。

タービンハウジング１の断面図を図４および図５に示す。図４は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図、換言すると、タービン軸線Ｌに直交する面で切断した断面図である。図５は、図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図、換言すると、タービン軸線Ｌを含む面で切断した断面図である。

これら図から理解されるように、タービンハウジング１は、ともにプレス成形可能な板金製の内側ハウジング１０および外側ハウジング２０からなるいわゆる二重殻構造とされている。内側ハウジング１０が、ハウジング内部の排気ガスの流路を実質的に区画形成し、外側ハウジング２０は内側ハウジング１０を隙間Ｇを介して覆い、内側ハウジング１０を保護すると同時に断熱し、且つタービンハウジング１としての剛性を高める役割も担う外殻ないし構造体をなしている。内側ハウジング１０によって区画される排気ガスの流路は、上流側から順に、入口７０、助走室Ｓ１、スクロール室Ｓ２、タービンホイール室Ｓ３、出口室Ｓ４および出口８０となっており、スクロール室Ｓ２の半径方向内側にタービンホイール室Ｓ３が形成され、タービンホイール室Ｓ３にはタービンホイール１ａが回転可能に収容される。内側ハウジング１０と外側ハウジング２０との間の隙間Ｇには、該隙間の良好な維持や内側ハウジング１０の形状保持、断熱等のため、ＳＵＳメッシュやセラミックウールなどの耐熱性、耐食性、可撓性に優れた充填部材が全体的または部分的に配設され得る。

図５に示されるように、センターハウジング５の一端にタービンハウジング１のセンターフランジ部５０が接続固定される。この固定には図示されるような断面コ字状且つリング状の締結具５１が用いられる。センターハウジング５の他端には図示しないコンプレッサハウジングが接続固定されており、コンプレッサハウジングには、タービン軸５ａによりタービンホイール１ａと同軸連結されたコンプレッサホイールが収容される。

内側ハウジング１０は、第一内側ハウジング部材１１と、第二内側ハウジング部材１２との二つの部材から分割形成されていて、互いを嵌め合せ、全周に渡って溶接等により固定することで作製される。詳しくは、第一内側ハウジング部材１１と第二内側ハウジング部材１２とは、内側ハウジング１０をタービン軸線Ｌに直交する面で二分割するように形成されている。そのタービン軸線Ｌに沿った分割位置は、スクロール室Ｓ２の最外径位置付近であり、助走室Ｓ１とスクロール室Ｓ２とを半割りするような位置である。第一内側ハウジング部材１１は第二内側ハウジング部材１２よりもタービン軸方向先端側に位置される。第一内側ハウジング部材１１と第二内側ハウジング部材１２とは、それぞれ金属の板材料をプレス成形することで作製される板金製である。これにより作製は比較的容易に且つ安価に行うことができる。金属板材料の厚さは、例えば０．４ｍｍから２．０ｍｍとされ、外側ハウジング２０をなす金属板材料よりも薄いものが使用される。内側ハウジング１０の金属板材料は、耐食性および耐熱性に優れたものが採用され、例えばステンレス鋼が用いられる。なお、本発明に係る内側ハウジングはこのような構成、寸法、材料等に限定されるものではない。内側ハウジングは異なる方法で分割されても良い。

図４に示されるように、内側ハウジング１０には、助走室Ｓ１からスクロール室Ｓ２への排気ガスの流入を円滑にすべく、舌片状のタングＴが設けられている。当該タングＴは、図６に示されるように、第一および第二内側ハウジング部材１１、１２に形成された凸平面状のタング部１３、１４を、互いの接合面１３ａ、１４ａで接合させ、溶接等により固定して形成される。なお助走室Ｓ１とは入口７０からタングＴの下流端までの空間をいう。タング部１３、１４の基端位置には、互いに適合形状とされた位置決め部が設けられる。一方のタング部１３の位置決め部のみを図４に１３ｂで示す。第一内側ハウジング部材１１と第二内側ハウジング部材１２との嵌合時に、位置決め部同士を互いに適合ないし嵌め合わせることで、第一内側ハウジング部材１１と第二内側ハウジング部材１２との回転方向の位置決めを容易に且つ正確に行うことができる。内側ハウジング１０においては、排気バイパスのためのバイパス穴１７が助走室Ｓ１に設けられている。

他方、外側ハウジング２０は、内側ハウジング１０と同様、第一外側ハウジング部材２１と第二外側ハウジング部材２２との二つの部材から分割形成されていて、互いを嵌め合せ、全周に渡って溶接等により固定することで作製される。第一外側ハウジング部材２１と第二外側ハウジング部材２２とは、外側ハウジング２０をタービン軸線Ｌに直交する面で二分割するように形成されており、そのタービン軸線Ｌに沿った分割位置は内側ハウジング１０と同じである。第一外側ハウジング部材２１と第二外側ハウジング部材２２とは、それぞれ金属製板材料をプレス成形することで作製される板金製である。これにより作製は比較的容易に且つ安価に行うことができる。金属板材料の厚さは、内側ハウジング１０よりも厚くされ、例えば１．５ｍｍから３．０ｍｍとされる。外側ハウジング２０の金属板材料も、耐食性および耐熱性に優れたものが採用され、例えばオーステナイト系ステンレス鋼やフェライト系ステンレス鋼が用いられる。なお、本発明に係る外側ハウジングはこのような構成、寸法、材料等に限定されるものではない。ただし外側ハウジング２０はタービンハウジング１の外殻であるため、ある一定以上の強度、剛性を有することが必要とされる。

外側ハウジング２０は、入口側端部２３（図７参照）と、出口側端部２４と、バイパス穴２５とを備えている。バイパス穴２５は、前述の内側ハウジング１０のバイパス穴１７に整列され、排気バイパスのために利用される。これらバイパス穴１７と共にバイパス穴２５は、タービンホイール１ａの上流側から下流側に排気ガスをバイパスさせるためのバイパス通路Ｐを区画形成する。このバイパス穴２５は不図示のウェイストゲート弁により出口８０側から開閉される（図３参照）。

図４および図７に示されるように、入口側フランジ部３０は例えば厚肉（５ｍｍから１５ｍｍ）の金属板材料のプレス加工により作製される。ここで入口側フランジ部３０には外側ハウジング２０の入口側端部２３が挿入されて溶接等により固定される。なお入口側フランジ部３０には、外側ハウジング２０の入口側端部２３を位置決めするための段部３１が設けられている。

これに対し、外側ハウジング２０の入口側端部２３の内側には、内側ハウジング１０の入口側端部１５が単にスライド可能に嵌め合わされるだけであり、これにより内側ハウジング１０と外側ハウジング２０との熱変形差が吸収されるようになっている。即ち、タービン運転時は内側ハウジング１０が排気ガスの熱を直接受け、高温となるため、内側ハウジング１０の方が外側ハウジング２０より熱膨張量が大きい。このときの熱膨張差が、外側ハウジング２０の入口側端部２３に対する内側ハウジング１０の入口側端部１５のスライド移動により吸収され、内側ハウジング１０内の流路の形状を保つと共に、内側ハウジング１０に作用する応力を緩和するようにしている。いわばこのスライド部は熱膨張差を吸収するための内側ハウジング１０のための逃げである。このようなスライド部は後述する出口側にも設けられ、このタービンハウジング１では入口側と出口側との二箇所で内側ハウジング１０がスライド可能に支持される。このスライド部では、微視的に見れば、部材間の境界に隙間があり、この隙間を排気ガスが微量ながら通過する。この点については後に詳しく述べる。入口側の隙間が図７に誇張してＧ４で示され、この隙間Ｇ４はメインの隙間Ｇに連通される。隙間Ｇ４は、例えば０．１ｍｍから０．２５ｍｍとされる。

一方、図５に示されるように、内側ハウジング１０および外側ハウジング２０はセンターフランジ部５０に溶接等により接続固定される。内側ハウジング１０はセンターフランジ部５０の内側端面５２に接続固定され、外側ハウジング２０はセンターフランジ部５０に形成された段部５３に接続固定される。

タービンハウジング１の出口側では、外側ハウジング２０の出口側端部２４に出口管４１を介して出口側フランジ部４０が取り付けられている。外側ハウジング２０の出口側端部２４は、全体として円筒状をなすと共に、その末端部２４ａが縮径されるようクランク状に成形され、その末端部２４ａの外側に出口管４１の一端部が嵌められ、溶接等により固定されている。出口管４１の他端部はプレス加工等により直角に曲げられ、そこに平板リング状の出口側フランジ部４０が溶接等により固着される。出口側フランジ部４０は管材を切断したり鋳造したりすることによって作製できる。これら出口管４１および出口側フランジ部４０により出口室Ｓ４および出口８０が形成される。

特に本第一実施形態のタービンハウジング１は、タービンホイール１ａのシュラウド部１ｄを取り囲むためのシュラウド部材６０を備えている。シュラウド部材６０は、円筒状に形成され、その上流側部分６０ａがタービンホイール１ａのシュラウド部１ｄのシュラウド曲線に倣うようなフレア形状とされ、その下流側端部６０ｂが、外側ハウジング２０の末端部２４ａの内側に嵌め入れられて、全周に亘って溶接等により固定される。これによりシュラウド部材６０はタービン軸線Ｌ上に中心を持ち、外側ハウジング２０の円筒状の出口側端部２４と同軸に配置されるようになる。

特に本第一実施形態においてシュラウド部材６０は管材からなり、この管材をプレス加工にて曲げ成形することにより容易に且つ安価に作製できる。タービンホイール１ａのシュラウド部１ｄと、シュラウド部材６０との間のクリアランス（チップクリアランス）は、タービン効率に影響を及ぼすため重要である。そこでこのチップクリアランスを高精度に保つため、そのシュラウド部１ｄに対向するシュラウド部材６０の表面は機械加工により高精度に仕上げられる。ただし曲げ成形のみで精度が得られる場合は機械加工を省略しても良い。シュラウド部材６０をなす管材の厚さは、機械加工を行う場合は加工代を見込んで内側ハウジング１０よりも厚くされ（例えば１．５ｍｍから３．０ｍｍ程度）、機械加工を行わない場合は内側ハウジング１０よりも厚くされるかまたは同等とされる。なお、シュラウド部材６０の厚さを大きくするとその剛性が高くなり、運転中の熱変形が抑制される。シュラウド部材６０の内側には高温の排気ガスが通過するので、シュラウド部材６０は耐熱性、耐食性に優れた材料で作製される。このシュラウド部材６０によりタービンホイール室Ｓ３が形成される。

このようにして外側ハウジング２０にシュラウド部材６０を組み付けると、外側ハウジング２０とシュラウド部材６０との間にリング状の隙間Ｇ０が形成される。この隙間Ｇ０は、シュラウド部材６０の出口側端部６０ｂと外側ハウジング２０の末端部２４ａとの固着部即ち閉止部により、タービンホイール１ａの出口側即ち出口室Ｓ４および出口８０に対し閉止され、他方、タービンホイール１ａの上流側即ちスクロール室Ｓ２に対しては開放されることとなる。この隙間Ｇ０に、内側ハウジング１０の出口側端部１６が挿入されている。内側ハウジング１０の出口側端部１６は、第一内側ハウジング部材１１のスクロール室形成部１１ａから出口側に向かって突出形成され、全体として円筒状に形成されると共に、シュラウド部材６０の外周面に沿う湾曲形状とされている。そしてその先端部が隙間Ｇ０に挿入されている。この挿入部において出口側端部１６はスライド可能であり、即ち、出口側端部１６の内周面がシュラウド部材６０の外周面に対しスライド可能であり、出口側端部１６の外周面が外側ハウジング２０の出口側端部２４の内周面に対しスライド可能である。

こうして、内側ハウジング１０の出口側端部１６がタービン軸線Ｌ方向にスライド可能に支持され、内側ハウジング１０と外側ハウジング２０との熱変形差を吸収するスライド支持部が、タービン出口側にも形成されることになる。このスライド支持部においても、微視的に見れば部材間の境界に隙間がある。この隙間は、図８に誇張して示されるように、出口側端部１６と外側ハウジング２０との間の隙間Ｇ１、および出口側端部１６とシュラウド部材６０との間の隙間Ｇ３である。隙間Ｇ１、Ｇ３は、例えば０．１ｍｍから０．２５ｍｍとされる。出口側端部１６と前記閉止部との間にも軸方向の比較的大きな隙間Ｇ２があり、この隙間Ｇ２により出口側端部１６の移動が十分許容される。なお本第一実施形態ではスクロール室形成部１１ａ付近の出口側端部１６がシュラウド部材６０に重ね合わされており、これらの境界部に前記隙間Ｇ３に連通する隙間が形成される。以下これらを総じて隙間Ｇ３とする。

結局、図８に示されるように、隙間Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３によりＵターン状の流路が形成され、この流路は、内側ハウジング１０と外側ハウジング２０との間のメインの隙間Ｇにその上流端が連通接続されると共に、その下流端がタービンホイール１ａのリーディングエッジ部１ｃ直前のスクロール室Ｓ２に連通接続される。

次に、上記第一実施形態のタービンハウジング１に関し、その作用および効果について詳述する。

ターボ過給機の運転時、エンジンからの排気ガスは、入口７０からタービンハウジング１内へ入り、助走室Ｓ１、スクロール室Ｓ２を順に経てタービンホイール室Ｓ３に入り、ここでタービンホイール１ａを回転駆動する。その後、出口室Ｓ４を経て出口８０から排出される。タービンホイール１ａの回転駆動によりコンプレッサホイールが回転駆動され、エンジンへ空気が過給されることとなる。

一方、図７に示した隙間Ｇ４から、微量ながら排気ガスが隙間Ｇに流入する。この排気ガスは、図８に矢印で示されるように、出口側の隙間Ｇ０に到達し、隙間Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を順に経てタービンホイール１ａの上流側に戻される。隙間Ｇ０がタービンホイール１ａの出口側に対し閉止されているので、隙間Ｇに流入した排気ガスがタービンホイール１ａ（シュラウド部１ｄの外周面とシュラウド部材６０の内周面との間）を通過せずに出口室Ｓ４側へ漏れ出すことはない。一方、この隙間Ｇ０がタービンホイール１ａの上流側に開放されているので、隙間Ｇに流入した排気ガスは全てタービンホイール１ａの駆動に供される。結局、隙間Ｇに流入した排気ガスを無駄にすることなく全て回収してタービンホイール１ａの駆動に利用できるので、タービン効率の低下を防止することが可能となる。

また、本第一実施形態のシュラウド部材６０は、管材を適宜加工して作られるので、容易且つ安価に作製することができる。もっとも本発明にいうシュラウド部材には管材以外からなるものも含まれ、例えば鋳造品であってもよい。シュラウド部材６０は、その出口側端部６０ｂでのみ固定されており、反対側の上流側端部は熱伸縮可能である。これによりシュラウド部材６０の熱応力も緩和できる。また、シュラウド部材６０は軸対称な円筒状であるため熱変形も軸対称となり、つまり拡縮径するのみである。よってチップクリアランスを全周に渡り良好に維持することが可能となる。さらに、シュラウド部材６０は内側ハウジング１０とは別個の部材であるから、内側ハウジング１０が熱変形の繰り返し等で劣化してもその影響はシュラウド部材６０には及ばず、チップクリアランスに影響を及ぼさない。従って内側ハウジング１０の劣化に伴うタービン性能の劣化を回避することができる。

上記の如く、隙間Ｇ０に挿入された内側ハウジング１０の出口側端部１６は移動可能であり、それ故、内側ハウジング１０が排気ガスからの熱により膨張することとなっても、その出口側端部１６が移動する（つまり逃げる）ことにより、内側ハウジング１０への応力が緩和され、タービンハウジング１の劣化は抑制される。即ち、仮にその出口側端部１６が外側ハウジング２０等に固定され拘束されていれば、内側ハウジング１０が熱膨張するときの応力によりタービンハウジング１の劣化は早まるであろう。また、内側ハウジング１０の出口側端部１６がタービン軸線Ｌ方向に移動して内側ハウジング１０の熱膨張や熱収縮を緩衝するため、内側ハウジング１０の半径方向の張り出しは抑制される。たとえ内側ハウジング１０の半径方向内側への張り出しが生じることがあっても、強固なシュラウド部材６０がタービンホイール１ａの周囲に存在し、タービンホイール１ａを保護するので、内側ハウジング１０のタービンホイール１ａへの干渉は確実に防止される。

同様に、タービンハウジング１の入口側にも内側ハウジング１０のためのスライド支持部があるので、内側ハウジング１０の熱膨張時における応力が、内側ハウジング１０の助走室方向への伸びにより緩和され、タービンハウジング１の劣化は抑制される。

さらに、タービンハウジング１は上記の如く二重殻構造とされている。このため、タービンハウジングを一体の鋳造品とする場合に比して、ハウジングの肉厚（本第一実施形態の場合、内側ハウジング１０と外側ハウジング２０との合計肉厚）を薄くできる。また、隙間Ｇによって断熱効果が発揮されて、内側ハウジング１０の内部から外部への散熱が抑制される。従って、タービンハウジング１内で排気ガスから熱が奪われることが抑制され、より高温の排気ガスがタービンハウジング１から排出されることとなる。タービンハウジング１の下流側に排気浄化用の触媒がある場合には、エンジン冷間始動後における触媒の早期活性化に貢献できる。加えて、ハウジングの肉厚が薄くされるので、過給機の軽量化も達成されることとなり、ひいては燃費向上にもつながることとなる。内側ハウジング１０と外側ハウジング２０との間の隙間Ｇにセラミックウールなどの部材を充填した場合には、その空間を埋めると同時に内側ハウジング１０の変形を抑制でき、さらには隙間Ｇへの排気ガスの流入も抑制することが可能となり、比較的厳しい使用条件下（排気ガス温度が高温の場合など）においてもタービン性能の低下が抑制される。

以上、本発明に係るタービンハウジングを第一実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記第一実施形態においてはシュラウド部材６０と外側ハウジング２０とを直接固定して隙間Ｇ０の閉止部を形成するようにしたが、この閉止部の構造は様々なものが考えられ、例えば、シュラウド部材６０と外側ハウジング２０との間に他の部材（例えば出口管４１）を介装し、これら３部材をまとめて固着して閉止部を形成するようにしてもよい。またタービンハウジングの出口側および（または）入口側のスライド部に、スライドを良好にさせるための緩衝部材（例えばＳＵＳメッシュやセラミックウール（触媒マット））を介在させてもよい。内側ハウジングや外側ハウジングを助走室側とスクロール室側とに分けて分割形成しても良い。あるいは、第一内側ハウジング部材１１と第二内側ハウジング部材１２とを一体に成形することとしても良い。また本発明に係るタービンハウジングは例えば斜流タービンや可変容量タービン等の他のタービン形式にも適用できる。

次に、本発明の第二実施形態について、図９に基づいて説明する。第二実施形態のタービンハウジング１０１は、上記第一実施形態のタービンハウジング１と比較して、内側ハウジング１１０を板金製ではなく鋳造製とし、その出口側端部１１６に肉厚部１１８を設けた点で異なる。以下相違点について主に説明し、共通点については図中同一符号を付して説明を省略する。なお、本第二実施形態のタービンハウジング１０１の外観は上記第一実施形態の外観と概ね同じである（図１〜図３参照）。図９は図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。

本第二実施形態のタービンハウジング１０１における内側ハウジング１１０は鋳造製であり一体として作製される。外側ハウジング２０とシュラウド部材６０との間の隙間Ｇ０に、内側ハウジング１１０の出口側端部１１６の先端部に形成された肉厚部１１８がスライド可能に挿入される。なお内側ハウジング１１０の出口側端部１１６は、内側ハウジング１１０のスクロール室形成部１１１ａから出口側に向かって突出形成され、全体として略円筒状に形成されると共に、上記シュラウド部材６０の外周面に沿う湾曲形状とされている。

内側ハウジング１１０と外側ハウジング２０とは、それら出口側端部１１６，２４において互いにスライド可能に嵌め合わされ、嵌合部を形成している。そして、内側ハウジング１１０の出口側端部１１６には、外側ハウジング２０側即ち径方向外側に突出して外側ハウジング２０にスライド可能に当接する肉厚部１１８が設けられている。肉厚部１１８の外周面は、好ましくは、外側ハウジング２０の出口側端部２４の当接面２６と所定の嵌め合い公差をなすように機械加工される。言い換えればこのような機械加工のための加工代を確保すべく肉厚部１１８が設けられる。これにより嵌合部の嵌め合い状態が最適化され、その嵌め合い精度を高めることができる。この肉厚部１１８の利点については後にさらに詳述する。

このタービンハウジング１０１では、内側ハウジング１１０が鋳造により作製されているので、内側ハウジング１１０の設計の自由度を増すことができる。まず、内側ハウジング１１０を概ね薄肉とすることが可能になる。本第二実施形態の内側ハウジング１１０は外側ハウジング２０とほぼ同じ厚みを有するが、本発明はこれに限定されず、内側ハウジング１１０を外側ハウジング２０よりも薄肉にしても良い。さらに、内側ハウジング１１０を部分的に薄肉にしたり、部分的に厚肉にしたりして、内側ハウジング１１０が部位毎に応じて必要な強度を有するように厚みを変えることが可能である。このため強度確保と軽量化とが両立可能である。なお、内側ハウジング１１０を薄肉とする場合には、例えば２．０ｍｍ程度、もしくはそれより薄い厚さにすることが可能でなる。薄肉の内側ハウジングにすることで、排気ガスの熱が内側ハウジング１１０に奪われることが抑制され、触媒の暖機に有利となる。さらに、内側ハウジング１１０の形状自由度も高まる。例えば内側ハウジングを所謂ツインスクロール形状とすることが容易に可能である。さらに可変ノズル（ＶａｒｉａｂｌｅＮｏｚｚｌｅ；ＶＮ）型ターボチャージャ用の形状とすることも容易に可能である。さらに、きつい曲がり形状や複雑形状も容易に作れるので小型ターボチャージャに好適である。

かかる鋳造製内側ハウジング１１０の材質としては、排気ガスの温度に照らして、鋳鉄や耐熱鋳鋼などが選択され得るが、オーステナイト鋳鉄（例えばニレジスト）、オーステナイト系耐熱鋳鋼もしくはフェライト系耐熱鋳鋼が用いられると良い。

上記第一及び第二実施形態に係るタービンハウジングでは、内側ハウジングを覆うように外側ハウジングが配置されるので、内側ハウジングが板金製か鋳造製かのいずれかを問わず、薄く作製された場合、喩えタービンハウジング内に収容されたタービンホイールが破損等して、その破片などが内側ハウジングを突き破るようなことがあっても、外側ハウジングでそれらの外部への飛散等が防止可能である。

ところで、背景技術の欄でも触れたように、ターボ過給機のタービンハウジングとしては一体且つ単一の鋳造製のものが一般的である。これに対して、軽量化、低熱容量化などを目的として、上記第一実施形態の如く板金製の内側ハウジングと板金製の外側ハウジングとを備えるタービンハウジングが好適である。一方、上記第二実施形態の如く、外側ハウジングを板金製としつつ内側ハウジングを鋳造製としたタービンハウジングは、上記したような鋳造製内側ハウジングの利点に鑑みれば、それ自体好ましいことが理解される。そこで、以下このような鋳造製内側ハウジングと板金製外側ハウジングとを備えたタービンハウジングに関する発明（以下、当該発明を第二発明と称し、これに対して上記の実施形態に関わる発明を第一発明と称する。）について、その実施形態に基づいて説明する。なお、以下に説明する第二発明の実施形態は、シュラウド部材６０が備えられていない点で上記第一発明の実施形態と異なる。また上記第一発明の実施形態と同一の構成については図中同一符号を付し説明を省略する。以下のいずれの実施形態も、タービンハウジングの外観は上記第一発明の実施形態と同様である（図１〜図３参照）。

図１０及び図１１に示すように、本第二発明の第一実施形態に係るタービンハウジング２０１は、鋳造製の内側ハウジング２１０と板金製の外側ハウジング２０とからなるいわゆる二重殻構造とされている。これら内側ハウジング２１０と外側ハウジング２０とは、それら出口側端部２１６、２４同士が互いに嵌め合わされ、それら入口側端部同士２１５、２３も互いに嵌め合わされる。そして内側ハウジング２１０は、そのセンター嵌合部２１９において、センターフランジ部５０に嵌め合わされ、結局、タービンハウジング２０１には３カ所の嵌合部（入口側嵌合部α、出口側嵌合部β及びセンター側嵌合部γ）が形成される。内側ハウジング２１０の外側ハウジング２０に対する熱膨張差を吸収し、内側ハウジング２１０への熱応力を低減するため、これら３カ所の嵌合部は、少なくともいずれか１カ所がスライド可能とされる。そしてスライド可能とされない箇所は溶接等で互いに固定される。本第二発明の第一実施形態の場合、入口側嵌合部αとセンター側嵌合部γとがスライド可能とされ残りの嵌合部（出口側嵌合部β）は固定されるが、残りの嵌合部をスライド可能としてもよい。スライド可能とされる箇所では、嵌合部の直径方向の隙間が０．２５ｍｍ以下とされるのが好ましい。シュラウド部材の省略に伴い、タービンホイール（図示せず）のシュラウド部を取り囲む内側ハウジング２１０の内面は、機械加工される。この第二発明の第一実施形態のタービンハウジング２０１により、鋳造製の内側ハウジング２１０が有する上記作用効果を発揮することができる。

次に、第二発明の第二実施形態に係るタービンハウジングを図１２及び図１３に基づいて説明する。図示されるように、このタービンハウジング３０１では、内側ハウジング３１０がツインスクロール形状をなすように形成されており、スクロール室を仕切る隔壁３１０Ｐが内側ハウジング３１０に一体に形成されている。３カ所の嵌合部α、β、γは全てスライド可能に嵌め合わされており、そのうち特に入口側嵌合部αと出口側嵌合部βとにおいては、内側ハウジング３１０に肉厚部３２０、３１８が設けられている。肉厚部３２０、３１８は、上記第一発明の第二実施形態（図９参照）と同様のものであり、それぞれ入口側端部αと出口側端部βとの先端部に、外側ハウジング２０側に突出して設けられている。そして肉厚部３２０、３１８の外周面が外側ハウジング２０の入口側端部２３及び出口側端部２４の内周面にそれぞれスライド可能に当接する。肉厚部３２０、３１８の外周面は、好ましくは、外側ハウジング２０の入口側端部２３と出口側端部２４との内周面と所定の嵌め合い公差をなすように機械加工される。センター側嵌合部γでは前記同様のセンター嵌合部３１９が内側ハウジング３１０に設けられる。なおセンター側嵌合部γの内側の開口部には排気ガス通路の一部を区画するインシュレータ５５がセンターフランジ部５０に支持されて設けられる。

これら肉厚部３２０、３１８によれば、入口側嵌合部αと出口側嵌合部βとにおけるシール性を高め、排気ガスの通過を防止することができる。即ち、まず、肉厚部３２０、３１８により機械加工のための加工代が十分確保でき、肉厚部３２０、３１８の外周面と被接触側の内周面との間の嵌め合い精度をバラツキなく高精度に保つことができる。また、肉厚部３２０、３１８により、自由端である入口側端部３１５と出口側端部３１６との剛性を向上でき、タービン作動時の振れを抑制することができる。これらにより、タービン作動時には、内側ハウジング３１０の熱膨張時も含め、内側ハウジング３１０と外側ハウジング２０との好適な嵌め合い状態を維持でき、これをもって嵌合部のシール性を高め、ガスの通過を防ぐことができる。特に、出口側嵌合部βの肉厚部３１８によれば、排気ガスの外部への漏れを防止でき、タービン効率の向上に寄与できる。

このように、スライド可能な嵌合部には肉厚部を設けることが好ましいが、必ずしも必須ではない。本第二発明の第二実施形態においても、その第一実施形態の入口側端部２１５を図１１に示したように、入口側端部３１５の肉厚部を省略してもよい。また図１４に示すように、センター側嵌合部γにおいて、内側ハウジング３１０のセンター嵌合部３１９に肉厚部３２１を設け、出口側嵌合部βから肉厚部を省略してもよい。

上述の如く、かかる第二発明によれば、内側ハウジングが鋳造性なのでその形状には高い自由度がある。そこで、ここで説明する第二発明の第三実施形態においては、既述の実施形態において内側ハウジングと別体であった部材を内側ハウジングと一体とする。例えば、図１５に示すように、センターフランジ部４２２が内側ハウジング４１０と一体に形成されていてもよい。この場合、センター側嵌合部が存在しないので、入口側嵌合部αと出口側嵌合部βとの少なくともいずれか一方をスライド可能とすることが必要である。勿論、スライド可能な嵌合部には肉厚部を設けることが好ましい。

ところで、図３からも理解されるように、既述の実施形態においてはいずれも、内側ハウジングの出口側端部とバイパス通路Ｐの出口部とが並設されている。そして、ターボチャージャの作動時にウェイストゲート弁が開かれて排気バイパスが実行されると、バイパス通路Ｐを抜け出た排気ガスが、タービンホイールを通過した後の主流の排気ガスに干渉し、タービン効率低減の原因となる場合がある。そこで、このような干渉を防止するための構成が以下の第二発明の第四実施形態において採用されている。

図１６および図１７に示すように、当該第四実施形態において、内側ハウジング５１０の出口側端部５１６は、少なくともバイパス通路Ｐの出口部Ｐ１より下流側に位置するように延在される。即ち、出口側端部５１６の先端５１６Ａは、少なくとも図１７中Ｘで示すバイパス通路Ｐの出口端位置よりも下流側に位置される。出口側端部５１６のうち、位置Ｘより下流側に位置される部分を延在部５１６Ｅとする。前記干渉防止という観点からは、内側ハウジング５１０の出口側端部５１６はできるだけ下流側に延在されるのが好ましい。本第二発明の第四実施形態では、出口側端部５１６の先端５１６Ａの位置が出口側フランジ部４０の表面４０Ａの位置に一致され、つまりタービンハウジングからはみ出ない最大限の長さまで、内側ハウジング５１０の出口側端部５１６が延在されている。これによれば、バイパス通路Ｐの出口部Ｐ１から出たバイパスガスが、隔壁としての延在部５１６Ｅによって、内側ハウジング５１０内に逆流・混入することが妨げられる。そして、タービンホイールを通過した後の主流の排気ガスは、バイパスガスにより干渉されることなく、延在部５１６Ｅによって出口８０に導かれ、タービンハウジング５０１の外部に排出される。特に本実施形態の構成によれば、出口側端部５１６がタービンハウジング５０１からはみ出ないぎりぎりの長さまで延在されているので、少なくともタービンハウジング５０１内における干渉は確実に防止される。これにより、タービンホイール１ａ通過後の排気ガスの抜けが向上してタービン効率の向上に寄与できる。なお、延在部５１６Ｅの長さは、タービンハウジング下流側の触媒への排気ガスの供給が好適になるように定めてもよい。

なお、上記では本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。

本第一発明の第一実施形態に係るタービンハウジングの右側面図である。図１に示したタービンハウジングの正面図である。図１に示したタービンハウジングの背面図である。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図４のＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、図４に示されない第二内側ハウジング部材も併せて示す。図４のＩ１部拡大図である。図５のＩ２部拡大図である。本第一発明の第二実施形態のタービンハウジングの、図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。本第二発明の第一実施形態のタービンハウジングの、図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。本第二発明の第一実施形態のタービンハウジングの、図３のＤ−Ｄ線断面相当図である。本第二発明の第二実施形態のタービンハウジングの、図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。本第二発明の第二実施形態のタービンハウジングの、図３のＤ−Ｄ線断面相当図である。図１２に示したタービンハウジングの変形例を説明するための、図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。本第二発明の第三実施形態のタービンハウジングの、図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。本第二発明の第四実施形態のタービンハウジングの、図２のＢ−Ｂ線断面相当図である。本第二発明の第四実施形態のタービンハウジングの、図３のＥ−Ｅ線断面相当図である。

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１、４０１、５０１タービンハウジング
１ａタービンホイール
１ｂタービンブレード
１ｃリーディングエッジ部
１ｄシュラウド部
１０、１１０、２１０、３１０、４１０、５１０内側ハウジング
１１第一内側ハウジング部材
１２第二内側ハウジング部材
２０外側ハウジング
２１第一外側ハウジング部材
２２第二外側ハウジング部材
３０、４０、５０フランジ部
６０シュラウド部材

Claims

内側ハウジングと、該内側ハウジングを覆う外側ハウジングとを備えたタービンハウジングにおいて、
タービンホイールのシュラウド部を取り囲むためのシュラウド部材を設け、
該シュラウド部材と、前記外側ハウジングの出口側端部とにより隙間を形成してその隙間に前記内側ハウジングの出口側端部を挿入し、
前記隙間を、前記タービンホイールの出口側に対し閉止すると共に、前記タービンホイールの上流側に開放させたことを特徴とするタービンハウジング。
前記内側ハウジングの出口側端部が前記隙間にスライド可能に挿入されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンハウジング。
前記内側ハウジングと前記外側ハウジングとがそれらの出口側端部において互いにスライド可能に嵌め合わされる嵌合部が設けられ、
該嵌合部において、前記内側ハウジングの出口側端部に、前記外側ハウジング側に突出して前記外側ハウジングにスライド可能に当接する肉厚部が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のタービンハウジング。
前記シュラウド部材が管材からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のタービンハウジング。
前記内側ハウジングおよび前記外側ハウジングが板金製であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタービンハウジング。
前記内側ハウジングが鋳造製であり、前記外側ハウジングが板金製であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタービンハウジング。