JP4779750B2 - 可変ディフューザ付き遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、吸入気体を加圧して圧送する遠心圧縮機に関し、詳しくは、可変ディフューザを備えた可変ディフューザ付き遠心圧縮機に関するものである。

コンプレッサハウジング内で回転するコンプレッサホイールにより吸入した気体をコンプレッサホイールの周囲に形成されたスクロール流路に向けて圧送することで吸入気体を加圧する遠心圧縮機が従来一般に知られている。そして、この種の遠心圧縮機として、圧縮空気の加圧力を可変に調整できる可変ディフューザを備えた可変ディフューザ付き遠心圧縮機（例えば特許文献１参照）や、圧縮空気を加圧する際の圧力変換効率を向上できるように改良されたディフューザベーンを備える遠心圧縮機（例えば特許文献２参照）が知られている。

ここで、特許文献１には、コンプレッサロータ（コンプレッサホイール）の基端部外周とディフューザ列出口空間（スクロール流路）との間の環状の気体流路に、可変ディフューザとしての環状のディフューザ列を構成する一連の翼型ベーン（可動翼）を配置し、各翼型ベーンをそれぞれ回動支軸を介して一斉に傾動操作することで各翼型ベーンの傾動角（翼角）を一斉に変更するようにした構造が開示されている。

一方、特許文献２には、圧縮空気の圧力変換効率を向上できるようにディフューザベーンの端面とシールプレートとの気密性を向上させる構造が開示されている。すなわち、ディフューザベーンの端面側にシール用溝を形成し、このシール用溝に凸型断面のシール部材を嵌着すると共に、シール部材の狭幅部分が貫通するカバー部材をディフューザベーンの端面に固定した構造が開示されている。ここで、ディフューザベーンには、渦巻き室（スクロール流路）側のガス圧をシール用溝内に導入するガス導入開口部が形成されており、シール用溝内に導入されたガス圧をシール部材の広幅部分に作用させることでシール部材の狭幅部分をシールプレートに押し付けるようにしている。
特開２００５−１６３６９１号公報（段落番号１３、段落番号１５、図１、図２） 特開平８−３１２５０９号公報（段落番号１６、図１）

ところで、特許文献１に記載された一連の翼型ベーン（可動翼）は、例えば特許文献２に記載されたようなシール構造を備えていないため、前述した環状の気体流路を形成するコンプレッサハウジングのシュラウド壁面との間のサイドクリアランスを詰めることが難しく、サイドクリアランスが大きいと圧縮空気の圧力変換効率が低下する虞がある。

一方、特許文献２に記載されたディフューザベーンは、前述したように構造が複雑であり、しかも、シール部材とディフューザベーンのシール用溝およびカバー部材との間に高い加工精度が要求される。また、シール部材は、ディフューザベーンの長手方向の両端部をシールできないため、吸入ガスの圧力変換効率を向上させる点で大きな効果は期待できない。そして、シール部材、ディフューザベーン、カバー部材の加工精度が低い場合には、かえって圧力変換効率が低下する虞もある。

そこで、本発明は、可変ディフューザによる吸入気体の圧力変換効率を確実に向上させることができる可変ディフューザ付き遠心圧縮機を提供することを課題とする。

本発明に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機は、コンプレッサハウジング内のコンプレッサホイールの基端部外周とその周囲のスクロール流路との間に吸入気体の圧力を可変に上昇させるための可変ディフューザを備えた可変ディフューザ付き遠心圧縮機であって、可変ディフューザは、コンプレッサハウジングのシュラウド壁面との間に環状の気体流路を形成するベースプレートと、このベースプレート上に環状に配列され、かつ、回動支軸を介して等翼角に一斉に傾動操作可能にベースプレート上に支持された一群の可動翼とを備え、各可動翼は、その圧力面に作用する吸入気体の圧力により弾性変形してシュラウド壁面に接触する構造とされていることを特徴とする。

本発明に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機では、可変ディフューザを構成する各可動翼の圧力面に吸入気体の圧力が作用すると、各可動翼が弾性変形してコンプレッサハウジングのシュラウド壁面に接触し、両者の間のサイドクリアランスが詰められる。その結果、可変ディフューザによる吸入気体の圧力変換効率が確実に向上する。

本発明の可変ディフューザ付き遠心圧縮機において、可変ディフューザを構成する各可動翼は、回動支軸に板ばねを介して連結された翼本体を有する構造とすることができる。また、各可動翼は、その圧力面側に湾曲した状態で回動支軸に固定された薄板部材からなる翼本体を有する構造とすることができる。

本発明に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機では、可変ディフューザを構成する各可動翼のシュラウド壁面側の従動翼部がベースプレート側の傾動翼部に対し、傾斜分割面に沿って可動翼の翼厚を増大する方向に摺動することにより、各可動翼の従動翼部がコンプレッサハウジングのシュラウド壁面に接触して両者の間のサイドクリアランスが詰められる。従って、本発明の可変ディフューザ付き遠心圧縮機によれば、可変ディフューザによる吸入気体の圧力変換効率を確実に向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は第１実施形態に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機をコンプレッサとして備えたターボチャージャの概略構造を示す断面図、図２は図１に示した可変ディフューザの斜視図、図３は図２に示した可動翼の拡大斜視図、図４は図３に示した可動翼の縦断面図である。

第１実施形態に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機は、図１に示すターボチャージャ１のコンプレッサとして構成されている。このターボチャージャ１は、図示しない車両用エンジンの排気系の途中に介設されるタービン用のタービンハウジング２と、吸入系の途中に介設されるコンプレッサ用のコンプレッサハウジング３と、両者を接続するセンターハウジング（ベアリングハウジング）４とを備えている。

タービンハウジング２内には、車両用エンジンの排気系を流通する排ガスを導入するスクロール流路２Ａが形成されている。そして、このスクロール流路２Ａから流入する排ガスの通過によって回転駆動されるタービンホイール５がタービンハウジング２内に収容されている。

一方、コンプレッサハウジング３内には、車両用エンジンの吸入系の空気を大気圧以上に加圧して過給するためのコンプレッサホイール６が収容されている。このコンプレッサホイール６の周囲には、圧縮空気を加圧しつつ車両用エンジンの吸入系に圧送するスクロール流路３Ａが形成されている。

タービンハウジング２内のタービンホイール５と、コンプレッサハウジング３内のコンプレッサホイール６とは、一体に回転するようにシャフト７を介して相互に連結されている。このシャフト７は、図示しないフローティングベアリングを介してセンターハウジング４に回転自在に支持されている。

ここで、コンプレッサハウジング３内のコンプレッサホイール６の基端部外周とその周囲のスクロール流路３Ａとの間には、圧縮空気の圧力を可変に上昇させるための可変ディフューザ８が設置されている。

可変ディフューザ８は、コンプレッサハウジング３内のセンターハウジング４側に嵌合固定されてコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂとの間に環状の空気流路を形成する扁平なリング状のベースプレート９と、図２に示すようにベースプレート９の表面９Ａ上に等角度間隔で同心状に環状に配列された一群の可動翼１０とを備えている。

各可動翼１０は、図３に拡大して示すように、ベースプレート９（図２参照）を貫通する短円柱状の回動支軸１０Ａと、この回動支軸１０Ａの一端部に連結された長方形の厚板状の翼本体１０Ｂとを有する。この翼本体１０Ｂは、例えばアルミニウムの鋳造品からなり、その翼長方向に沿う長辺部分が半円状の断面形状に形成されてシール部１０Ｃ，１０Ｄを構成している。そして、この翼本体１０Ｂの一方のシール部１０Ｃの中央部付近が回動支軸１０Ａの一端面１０Ｅに線接触している。

ここで、各可動翼１０の翼本体１０Ｂを回動支軸１０Ａを介して等翼角に一斉に傾動操作するため、図１に示すように、ベースプレート９の背面側には、複数のガイドローラ１１を介してベースプレート９に同心状に回動自在に支持されたユニゾンリング１２が配設されている。

ユニゾンリング１２は、ベースプレート９を貫通する各回動支軸１０Ａの他端部に固定された各操作アーム（図示省略）の揺動端部に係合している。そして、このユニゾンリング１２は、例えばコンプレッサハウジング３に付設された駆動モータ（図示省略）によりリンク機構１３を介して回動操作されると、各操作アーム（図示省略）を介して各回動支軸１０Ａを一斉に回動させることで、各翼本体１０Ｂを等翼角に一斉に傾動させる。

ここで、図４に示すように、各可動翼１０の翼本体１０Ｂは、板ばね１０Ｆを介して回動支軸１０Ａに連結されている。この板ばね１０Ｆは、翼本体１０Ｂと回動支軸１０Ａとに跨る状態で両者に埋設されており、その埋設部分は外部に露出しないようになっている。そして、板ばね１０Ｆが回動支軸１０Ａの一端面１０Ｅ付近で無理なく屈曲できるように、翼本体１０Ｂのシール部１０Ｃには、板ばね１０Ｆの両面側に隙間を空ける逃がし溝１０Ｇが形成されている。

このように板ばね１０Ｆを介して回動支軸１０Ａに連結された翼本体１０Ｂは、一方のシール部１０Ｃと他方のシール部１０Ｄとの間隔がベースプレート９の表面９Ａとコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂとの間隔より若干大きく設定されている。そして、この翼本体１０Ｂは、その圧力面側に予め屈曲された板ばね１０Ｆと共に圧力面側に若干傾倒しており、この初期状態で翼本体１０Ｂは、板ばね１０Ｆの弱い弾性復元力により、一方のシール部１０Ｃがベースプレート９の表面９Ａに弱い弾性力で僅かに線接触し、他方のシール部１０Ｄがシュラウド壁面３Ｂに弱い弾性力で僅かに線接触している。

ここで、翼本体１０Ｂの圧力面とは、図２に示したベースプレート９の内周側から外周側へ向かって圧縮空気が各可動翼１０の翼本体１０Ｂ間を旋回しつつ流通する際にその圧縮空気の圧力を受ける面であり、図２に示す各翼本体１０Ｂでは、ベースプレート９の外周側に向いている面となる。

以上のように構成されたターボチャージャ１においては、図示しない車両用エンジンの運転に伴いその排気系に排出された排ガスが図１に示すタービンハウジング２内のスクロール流路２Ａからタービンホイール５を通過して流通することにより、タービンホイール５が回転駆動される。そして、このタービンホイール５の回転によりコンプレッサハウジング３内のコンプレッサホイール６が回転駆動されることにより、車両用エンジンの吸入系の空気が大気圧以上に加圧されてスクロール流路３Ａから圧送される。

その際、第１実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機として構成されたターボチャージャ１のコンプレッサにおいて、コンプレッサホイール６の基端部外周からスクロール流路３Ａに向けて圧送される圧縮空気は、可変ディフューザ８のベースプレート９の表面９Ａとコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂとの間に形成された環状の空気流路を各可動翼１０の翼本体１０Ｂに沿って流通することにより、流速が徐々に低下して圧力が徐々に上昇する。

その際、翼本体１０Ｂの翼長方向に沿って流通する圧縮空気の圧力が図４に矢印で示すように翼本体１０Ｂの圧力面に作用するため、翼本体１０Ｂが板ばね１０Ｆと共に起立する方向に押動される。その結果、翼本体１０Ｂの一方のシール部１０Ｃが回動支軸１０Ａの一端面１０Ｅおよびベースプレート９の表面９Ａに密着すると共に、翼本体１０Ｂの他方のシール部１０Ｄがコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂに密着する。すなわち、翼本体１０Ｂのシール部１０Ｃと回動支軸１０Ａの一端面１０Ｅおよびベースプレート９の表面９Ａとの間のクリアランスが詰められると共に、翼本体１０Ｂのシール部１０Ｄとシュラウド壁面３Ｂとの間のサイドクリアランスが詰められる。

従って、ターボチャージャ１のコンプレッサとして構成された第１実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機によれば、可変ディフューザ８の各可動翼１０の翼本体１０Ｂの相互間を通過する圧縮空気の圧力が翼本体１０Ｂの圧力面側から反対側の負圧面側に逃げるのを確実に防止することができ、可変ディフューザ８による圧縮空気の圧力変換効率を確実に向上することができる。

また、前述したように、各可動翼１０の翼本体１０Ｂにおける半円状の断面形状に形成された一方のシール部１０Ｃがベースプレート９の表面９Ａとに線接触し、他方のシール部１０Ｄがシュラウド壁面３Ｂに線接触するため、各翼本体１０Ｂを等翼角に一斉に傾動操作する際の摺動抵抗が低減する。従って、第１実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機によれば、可変ディフューザ８の各可動翼１０の翼角を一斉に変更する際の動作を円滑に行うことができる。

次に、図５〜図７を参照して第２実施形態に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機を説明する。この第２実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機も第１実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機と同様に図１に示したターボチャージャ１のコンプレッサとして構成されている。

ここで、ターボチャージャ１のコンプレッサホイール６の基端部外周とその周囲のスクロール流路３Ａとの間に設置される可変ディフューザ８は、図５に示すように、ベースプレート９と、一群の可動翼１０に代わる一群の可動翼２０とを備えている。なお、図１に示したターボチャージャ１のその他の構造部分は特に変更がないので説明を省略する。

各可動翼２０は、図６に拡大して示すように、ベースプレート９（図５参照）を貫通する短円柱状の回動支軸２０Ａと、この回動支軸２０Ａの一端部に連結された薄板部材からなる翼本体２０Ｂとを有する。この翼本体２０Ｂは、例えば弾力のある薄い金属板からなり、長方形に形成された翼部２０Ｃの一方の長辺の中央部には、図７に示すように回動支軸２０Ａの一端部に埋設される連結片２０Ｄが一体に形成されている。

図６に示すように、翼本体２０Ｂの翼部２０Ｃは、回動支軸２０Ａの一端面２０Ｅ上に突出して回動支軸２０Ａの軸方向と直交する方向に延びている。そして、この翼部２０Ｃの翼長方向に沿う長辺部分がシール部２０Ｆ，２０Ｇとして構成されている。

ここで、図７に示すように、翼本体２０Ｂの翼部２０Ｃは、一方のシール部２０Ｆと他方のシール部２０Ｇとの間隔がベースプレート９の表面９Ａとコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂとの間隔より若干大きく設定されている。そして、この翼部２０Ｃは、翼長方向に直交する翼幅方向が予め翼部２０Ｃの圧力面側に湾曲しており、この初期状態で翼部２０Ｃの一方のシール部２０Ｆがベースプレート９の表面９Ａに弱い弾性力で僅かに線接触し、他方のシール部２０Ｇがシュラウド壁面３Ｂに弱い弾性力で僅かに線接触している。

このように構成された一群の可動翼２０を備えるターボチャージャ１のコンプレッサ（第２実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機）において、コンプレッサホイール６の基端部外周からスクロール流路３Ａに向けて圧送される圧縮空気は、可変ディフューザ８のベースプレート９の表面９Ａとコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂとの間に形成された環状の空気流路を各可動翼２０の翼部２０Ｃに沿って流通することにより、流速が徐々に低下して圧力が徐々に上昇する。

その際、翼部２０Ｃの翼長方向に沿って流通する圧縮空気の圧力が図７に矢印で示すように翼部２０Ｃの湾曲した内面側の圧力面に作用するため、翼部２０Ｃが起立する方向に押動される。その結果、翼部２０Ｃの一方のシール部２０Ｆが回動支軸２０Ａの一端面２０Ｅおよびベースプレート９の表面９Ａに密着すると共に、翼部２０Ｃの他方のシール部２０Ｇがコンプレッサハウジング３のシュラウド壁面３Ｂに密着する。すなわち、翼部２０Ｃのシール部２０Ｆと回動支軸２０Ａの一端面２０Ｅおよびベースプレート９の表面９Ａとの間のクリアランスが詰められると共に、翼部２０Ｃのシール部２０Ｇとシュラウド壁面３Ｂとの間のサイドクリアランスが詰められる。

従って、ターボチャージャ１のコンプレッサとして構成された第２実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機によれば、可変ディフューザ８の各可動翼２０の翼部２０Ｃの相互間を通過する圧縮空気の圧力が翼部２０Ｃの圧力面側から反対側の負圧面側に逃げるのを確実に防止することができ、可変ディフューザ８による圧縮空気の圧力変換効率を確実に向上することができる。

また、前述したように、各可動翼２０の翼部２０Ｃの一方のシール部２０Ｆがベースプレート９の表面９Ａに線接触し、他方のシール部２０Ｇがシュラウド壁面３Ｂに線接触するため、各可動翼２０の翼部２０Ｃを等翼角に一斉に傾動操作する際の摺動抵抗が低減する。従って、第２実施形態の可変ディフューザ付き遠心圧縮機によれば、可変ディフューザ８の各可動翼２０の翼部２０Ｃの翼角を一斉に変更する際の動作を円滑に行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機をコンプレッサとして備えたターボチャージャの概略構造を示す断面図である。 図１に示した可変ディフューザの斜視図である。 図２に示した可動翼の拡大斜視図である。 図３に示した可動翼の縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る可変ディフューザ付き遠心圧縮機の要部を構成する可変ディフューザの斜視図である。 図５に示した可動翼の拡大斜視図である。 図６に示した可動翼の縦断面図である。

符号の説明

１…ターボチャージャ、２…タービンハウジング、３…コンプレッサハウジング、３Ａ…スクロール流路、３Ｂ…シュラウド壁面、５…タービンホイール、６…コンプレッサホイール、８…可変ディフューザ、９…ベースプレート、１０…可動翼、１０Ａ…回動支軸、１０Ｂ…翼本体、１０Ｃ…一方のシール部、１０Ｄ…他方のシール部、１０Ｅ…回動支軸の一端面、１０Ｆ…板ばね、１０Ｇ…逃がし溝、１１…ガイドローラ、１２…ユニゾンリング、１３…リンク機構。

Claims (3)

1. コンプレッサハウジング内のコンプレッサホイールの基端部外周とその周囲のスクロール流路との間に吸入気体の圧力を可変に上昇させるための可変ディフューザを備えた可変ディフューザ付き遠心圧縮機であって、
   前記可変ディフューザは、コンプレッサハウジングのシュラウド壁面との間に環状の気体流路を形成するベースプレートと、このベースプレート上に環状に配列され、かつ、回動支軸を介して等翼角に一斉に傾動操作可能にベースプレート上に支持された一群の可動翼とを備え、
   前記各可動翼は、その圧力面に作用する吸入気体の圧力により弾性変形して前記シュラウド壁面に接触する構造とされていることを特徴とする可変ディフューザ付き遠心圧縮機。
2. 前記各可動翼は、前記回動支軸に板ばねを介して連結された翼本体を有することを特徴とする請求項１に記載の可変ディフューザ付き遠心圧縮機。
3. 前記各可動翼は、その圧力面側に湾曲した状態で前記回動支軸に固定された薄板部材からなる翼本体を有することを特徴とする請求項１に記載の可変ディフューザ付き遠心圧縮機。
   

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