JP5369723B2 - 遠心圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、車両用過給機等の過給機に用いられ、空気等のガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機に関する。

近年、車両用過給機に用いられる遠心圧縮機については種々の開発がなされており、先行技術として特許文献１に示すものがある。そして、先行技術に係る遠心圧縮機の構成等について説明すると、次のようになる。

即ち、先行技術に係る遠心圧縮機は、ケーシングを具備しており、このケーシングは、内側に、シュラウド壁を有している。また、ケーシングのシュラウド壁内には、インペラが回転可能に設けられており、このインペラは、軸心（インペラの軸心、換言すれば、ケーシングの軸心）周りに回転可能なハブ、及びこのハブの外周面に間隔を置いて設けられかつ外縁がケーシングのシュラウド壁に沿うように延びた複数枚のブレードを備えている。なお、ハブは、車両用過給機におけるタービンホイールにタービン軸を介して連動連結してある。

ケーシングのシュラウド壁の上流側周縁には、空気（ガスの一例）を給気する給気口が形成されており、ケーシングのシュラウド壁の下流側周縁には、圧縮した高圧空気（高圧ガスの一例）を排気する排気流路が形成されている。そして、ケーシングには、バイパス流路が排気流路とインペラの入口側を連絡するように形成されており、このバイパス流路は、インペラの入口側に開口した開口部（戻し口）を有している。更に、ケーシングの適宜位置には、バイパス流路を開閉するバイパス弁機構が設けられている。

従って、タービンホイールの回転によって複数枚のブレードをハブと一体的に回転させ、換言すれば、インペラを回転させることにより、給気口からインペラ側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮した高圧空気は、排気流路から排気される。

遠心圧縮機の稼働中に、例えばアクセルオフ等により給気口から空気が給気されなくなると、バイパス弁機構によってバイパス流路を開いて、排気流路側からインペラの入口側へ高圧空気の一部を戻す（インペラの入口側へ高圧空気を流出させる態様の１つ）。これにより、遠心圧縮機がサージングに突入することを防止できる。

実開昭６１−３３９１８号公報

ところで、バイパス流路の開口部の位置がインペラに近いと、バイパス弁機構によってバイパス流路を閉じた状態、換言すれば、遠心圧縮機の通常の稼動状態において、バイパス流路の開口部との干渉により乱れた流れの空気がインペラに流入して、遠心圧縮機の圧縮機効率等の性能が低下することになる。

一方、遠心圧縮機の性能の低下を抑えるために、バイパス流路の開口部の位置をインペラから遠ざけると、ケーシングの軸長が長くなって、遠心圧縮機の大型化及び重量増大を招くことになる。

つまり、サージングを考慮してインペラの入口側へ高圧空気を流出可能にした場合に、遠心圧縮機のコンパクト化及び軽量化を図りつつ、遠心圧縮機の性能を維持することは極めて困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成の遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、過給機に用いられ、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、内側にシュラウド壁を有したケーシングと、前記ケーシングの前記シュラウド壁内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なハブ、及び前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ外縁が前記ケーシングの前記シュラウド壁に沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、前記ケーシングの前記シュラウド壁の上流側周縁にガスを給気（吸入）する給気口（吸入口）が形成され、前記給気口が下流側へ向かって内径を徐々に縮径してあって、前記ケーシングの前記シュラウド壁の下流側周縁に圧縮した高圧ガスを排気する排気流路が形成され、前記ケーシングのシュラウド壁における前記インペラの上流側近傍に下流側へ向かって内径を徐々に縮径した絞り部が形成され、前記ケーシングのシュラウド壁は、前記給気口と前記絞り部の間に前記ケーシングの軸方向に平行な部分を有し、前記ケーシングの内部に高圧ガスを流通可能な高圧ガス流路が形成され、前記高圧ガス流路は、前記インペラの入口側に開口しかつ高圧ガスを供給する高圧ガス供給源に接続及び遮断可能な開口部を有し、前記ケーシングの軸方向における前記ブレードの長さをＬ１、前記軸方向における前記ブレードの前縁から前記高圧ガス流路の開口部の下流端までの長さをＬ２とした場合に、（Ｌ２／Ｌ１）＜１．５の関係が成立するようになってあって、前記高圧ガス流路の前記開口部の下流端は、前記軸方向における前記絞り部の上流端と同じ位置又は前記絞り部の上流端よりも上流側に位置し、前記高圧ガス流路の前記開口部は、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記平行な部分に位置していることを要旨とする。

ここで、（Ｌ２／Ｌ１）＜１．５の関係が成立するようにしたのは、前記高圧ガス流路の前記開口部の位置が前記インペラから遠くなりすぎて、前記ケーシングの軸長が長くなるからである。

なお、特許請求の範囲及び明細書において、「上流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て上流側のことであって、「下流側」とは、主流のガスの流れ方向から見て下流側のことである。また、「複数枚のブレード」は、軸長の異なる複数種のブレードからなるものであってもよく、この場合に、「前記ブレードの長さ」とは、最も軸長の長いブレードの長さことであって、「前記ブレードの前縁」とは、最も軸長の長いブレードの前縁のことである。

本発明の特徴によると、複数枚の前記ブレードを前記ハブと一体的に回転させ、換言すれば、前記インペラを回転させることにより、前記給気口から前記インペラ側に給気したガスを遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮した高圧ガスは、前記排気流路から排気される。

前記遠心圧縮機の稼働中に、例えばアクセルオフ等により前記給気口からガスが給気されなくなると、前記高圧ガス流路の前記開口部を前記高圧ガス供給源に接続して、前記高圧ガス供給源側から前記インペラの入口側へ高圧ガスを流出させる。これにより、前記遠心圧縮機がサージングに突入することを防止できる。

前述の作用の他に、前記ケーシングのシュラウド壁における前記インペラの上流側近傍に下流側へ向かって内径を徐々に縮径した前記絞り部が形成され、前記高圧ガス流路の前記開口部の下流端が前記軸方向における前記絞り部の上流端と同じ位置又は前記絞り部の上流端よりも上流側に位置しているため、前記インペラの入口付近において縮流による整流作用を効果的に発揮させることができる。これにより、前記高圧ガス流路の前記開口部を前記インペラから遠ざけなくても、前記高圧ガス流路の前記開口部が前記高圧ガス源に遮断された状態、換言すれば、前記遠心圧縮機の通常の稼動状態において、前記高圧ガス流路の前記開口部との干渉により乱れた流れのガスが前記インペラに流入することを抑制することができる。

本発明によれば、前記高圧ガス流路の前記開口部を前記インペラから遠ざけなくても、前記遠心圧縮機の通常の稼動状態において、前記高圧ガス流路の前記開口部との干渉により乱れた流れのガスが前記インペラに流入すること抑制できるため、前述のように、サージングを考慮して前記インペラの入口側へ高圧ガスを流出可能にした場合でも、前記遠心圧縮機のコンパクト化及び軽量化を図りつつ、前記遠心圧縮機の圧縮機効率等の性能を維持することができる。

第１実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。 第２実施形態に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。 第３実施形態に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。 第１比較例に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。 第２比較例に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。 実施例１〜３の場合及び比較例１，２の場合における圧縮機効率を示す図である。

［第１実施形態］
第１実施形態について図１を参照して説明する。

ここで、図１は、第１実施形態に係る遠心圧縮機の模式的な側断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図１に示すように、第１実施形態に係る遠心圧縮機１は、車両用過給機に用いられ、遠心力を利用して空気（ガスの一例）を圧縮するものである。そして、第１実施形態に係る遠心圧縮機１の具体的な構成は、以下のようになる。

遠心圧縮機１は、ケーシング３を備えており、このケーシング３は、内側に、シュラウド壁５を有している。また、ケーシング３は、別のケーシング（図示省略）に一体的に取付られている。

ケーシング３のシュラウド壁５内には、インペラ７が回転可能に設けられている。具体的には、ケーシング３のシュラウド壁５内には、ハブ９が設けられており、このハブ９の外周面は、ケーシング３の軸方向（換言すれば、インペラ７の軸方向）から徐々にケーシング３の径方向（換言すれば、インペラ７の径方向）の外側へ向かって延びている。また、ハブ９は、インペラ７の軸心（換言すれば、ケーシング３の軸心）周りに回転可能であって、別のケーシングに回転可能に設けられたタービンホイール（図示省略）にタービン軸１１を介して連動連結してある。更に、ハブ９の外周面には、複数枚（１枚のみ図示）の長ブレード（フルブレード）１３及び複数枚（１枚のみ図示）の短ブレード（スプリッタブレード）１５が周方向に間隔を置いて交互に設けられている。ここで、長ブレード１３の前縁は、短ブレード１５の前縁よりも上流側（前側）に位置してあって、長ブレード１３の外縁及び短ブレード１５の外縁は、ケーシング３のシュラウド壁５に沿うように延びている。なお、軸長の異なる２種類のブレード１３，１５を用いる代わりに、軸長の同じブレードを用いても構わない。

ケーシング３のシュラウド壁５の上流側周縁（インペラ７の入口側周縁）には、空気をインペラ７側へ給気（吸入）する給気口（吸入口）１７が形成されており、ケーシング３のシュラウド壁５の下流側周縁（インペラ７の出口側周縁）には、圧縮した高圧空気（高圧ガスの一例）を減速させて排気する環状のディフューザ流路１９（排気流路の１つ）が形成されている。また、ケーシング３の内部におけるディフューザ流路１９の周縁側には、高圧空気を排気する渦巻き状のスクロール流路２１（排気流路の１つ）が形成されている。そして、ケーシング３の適宜位置には、高圧空気を吐出する吐出口２３が形成されており、この吐出口２３は、スクロール流路２１及びディフューザ流路１９に連通してあって、内燃機関の吸気マニホールド（図示省略）に接続されている。

ケーシング３の内部の適宜位置には、高圧ガスを流通可能な高圧ガス流路としてのバイパス流路２７がスクロール流路２１とインペラ７の入口側を連絡するように形成されており、このバイパス流路２７は、インペラ７の入口側に開口した開口部（戻し口）２９を有している。また、ケーシング３の前側の適宜位置には、バイパス流路２７を開閉するバイパス弁機構３１が設けられており、このバイパス弁機構３１は、前述の特許文献１に示すように、公知の構成からなるものであって、弁体３３、及び車両の運転状態に応じて弁体３３を作動させるアクチュエータ３５を備えている。ここで、バイパス弁機構３１によってバイパス流路２７を開閉することによって、バイパス流路２７の開口部２９は、高圧空気を供給する高圧ガス供給源としてのスクロール流路２１に接続及び遮断（連通及び遮断）可能になっている。

ケーシング３のシュラウド壁５におけるインペラ７の上流側近傍（手前側）には、絞り部２５が形成されており、この絞り部２５は、下流側へ向かって内径を徐々に縮径してある。また、ケーシング３の軸心（換言すれば、インペラ７の軸心）に対する絞り部２５のテーパ角（勾配角）θは、３０°以下（好ましくは、２０°以下）に設定されている。具体的には、第１実施形態にあっては、絞り部２５のテーパ角θ＝２０°、絞り部２５の下流端２５ｄの内径をＲ１、上流端２５ｕの内径をＲ２とした場合、（Ｒ２／Ｒ１）＝１．１２に設定されている。ここで、絞り部２５のテーパ角θを３０°以下としたのは、絞り部２５のテーパ角θが３０°を超えると、絞り部２５との衝突による空気の流れの乱れが懸念されるからである。

ケーシング３の軸方向（換言すれば、インペラ７の軸方向）における長ブレード１３の長さをＬ１、ケーシング３の軸方向における長ブレード１３の前縁からバイパス流路２７の開口部２９の下流端２９ｄまでの長さをＬ２とした場合に、（Ｌ２／Ｌ１）＜１．５の関係が成立するようになっている。具体的には、第１実施形態にあっては、（Ｌ２／Ｌ１）＝０．４８に設定されている。ここで、（Ｌ２／Ｌ１）＜１．５の関係が成立するようにしたのは、バイパス流路２７の開口部２９の位置がインペラ７から遠くなりすぎて、ケーシング３の軸長が長くなるからである。

バイパス流路２７の開口部２９の下流端２９ｄは、ケーシング３の軸方向における絞り部２５の上流端２５ｕと同じ位置に位置している。なお、バイパス流路２７の開口部２９の下流端２９ｄが絞り部２５の上流端２５ｕと同じ位置に位置する代わりに、絞り部２５の上流端２５ｕよりも上流側に位置するようにしても構わない。

続いて、第１実施形態の作用及び効果について説明する。

タービンホイールの回転によりタービン軸１１を回転させることにより、複数枚のブレード１３，１５をハブ９と一体的に回転させ、換言すれば、インペラ７を回転させる。これにより、給気口１７からインペラ７側に給気した空気を遠心力を利用して圧縮することができる。そして、圧縮した高圧空気は、ディフューザ流路１９及びスクロール流路２１から排気され、吐出口２３を経由して内燃機関の吸気マニホールドに送られる。

遠心圧縮機１の稼働中に、例えばアクセルオフ等により給気口１７から空気が給気されなくなると、バイパス弁機構３１によってバイパス流路２７を開いて、スクロール流路２１側から高圧空気の一部をインペラ７の入口側へ戻す（インペラ７の入口側へ高圧空気を流出させる態様の１つ）。これにより、遠心圧縮機１がサージングに突入することを防止できる。

前述の作用の他に、ケーシング３のシュラウド壁５におけるインペラ７の上流側近傍に下流側へ向かって内径を徐々に縮径した絞り部２５が形成され、バイパス流路２７の開口部２９の下流端２９ｄがケーシング３の軸方向における絞り部２５の上流端２５ｕと同じ位置又は前記絞り部の上流端よりも上流側に位置しているため、インペラ７の入口付近において縮流による整流作用を効果的に発揮させることができる。これにより、バイパス流路２７の開口部２９をインペラ７から遠ざけなくても、バイパス流路２７の開口部２９がスクロール流路２１に遮断された状態、換言すれば、遠心圧縮機１の通常の稼動状態において、バイパス流路２７の開口部２９との干渉により乱れた流れの空気がインペラ７に流入することを抑制することができる。

従って、第１実施形態によれば、前述のように、サージングを考慮してスクロール流路２１側から高圧空気の一部をインペラ７の入口側へ戻し可能にした場合でも、遠心圧縮機１のコンパクト化及び軽量化を図りつつ、遠心圧縮機１の圧縮機効率等の性能を維持することができる（後述の実施例参照）。

［第２実施形態］
第２実施形態について図２を参照して簡単に説明する。

ここで、図２は、第２実施形態に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図２に示すように、第２実施形態に係る遠心圧縮機３７は、（Ｌ２／Ｌ１）＝１．０８、（Ｒ２／Ｒ１）＝１．２０、θ＝１８°に設定した点を除き、第１実施形態に係る遠心圧縮機１と同様の構成を有している。そして、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の作用及び効果を奏するものである。

［第３実施形態］
第３実施形態について図３を参照して簡単に説明する。

ここで、図３は、第３実施形態に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図３に示すように、第３実施形態に係る遠心圧縮機３９は、（Ｌ２／Ｌ１）＝０．４６、（Ｒ２／Ｒ１）＝１．２０、θ＝３１°に設定した点を除き、第１実施形態に係る遠心圧縮機１と同様の構成を有している。そして、第３実施形態においても、第１実施形態と同様の作用及び効果を奏するものである。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、絞り部２５の断面形状を直線状にする代わりに、曲線状にする等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

（比較例）
実施例の具体的な内容について説明する前に、比較例１，２に係る遠心圧縮機について図４及び図５を参照して説明する。

ここで、図４は、第１比較例に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図、図５は、第２比較例に係る遠心圧縮機の要部の模式的な側断面図である。なお、図面中、「Ｆ」は、前方向を指し、「Ｒ」は、後方向を指してある。

図４に示すように、第１比較例に係る遠心圧縮機４１は、第１〜３実施形態に係る遠心圧縮機１，３７，３９と異なり、バイパス流路２７の開口部２９の下流端２９ｄが絞り部２５の上流端２５ｕよりも下流側に位置するようになっている。また、（Ｌ２／Ｌ１）＝０．４８、（Ｒ２／Ｒ１）＝１．２０、θ＝１８°に設定されている。

図５に示すように、第２比較例に係る遠心圧縮機４３は、第１〜３実施形態に係る遠心圧縮機１，３７，３９と異なり、絞り部２５が省略されている。また、（Ｌ２／Ｌ１）＝０．４８に設定されている。

（具体的な内容）
第１〜第３実施形態に係る遠心圧縮機１，３７，３９を実施例１〜３の場合とし、第１，第２比較例に係る遠心圧縮機４１，４３を比較例１，２の場合として、それぞれの場合について、圧縮機効率をＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析によって求めると、図６に示すようになる。ここで、図６は、実施例１〜３の場合及び比較例１，２の場合における圧縮機効率を示す図であって、実施例１の場合における圧縮機効率を指標（基準）としている。

ＣＦＤ解析結果によると、実施例１〜３の場合の方が比較例１，２の場合に比べて、圧縮機効率が高いことが確認された。

１ 遠心圧縮機
３ ケーシング
５ シュラウド壁
７ インペラ
１３ 長ブレード
１５ 短ブレード
１７ 給気口
１９ ディフューザ流路
２１ スクロール流路
２３ 吐出口
２５ 絞り部
２５ｄ 下流端
２５ｕ 上流端
２７ バイパス流路
２９ 開口部
２９ｄ 下流端
３１ バイパス弁機構
３７ 遠心圧縮機
３９ 遠心圧縮機

Claims (3)

1. 過給機に用いられ、ガスを遠心力を利用して圧縮する遠心圧縮機において、
   内側にシュラウド壁を有したケーシングと、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁内に回転可能に設けられ、軸心周りに回転可能なハブ、及び前記ハブの外周面に周方向に間隔を置いて設けられかつ外縁が前記ケーシングの前記シュラウド壁に沿うように延びた複数枚のブレードを備えたインペラと、を具備し、
   前記ケーシングの前記シュラウド壁の上流側周縁にガスを給気する給気口が形成され、前記給気口が下流側へ向かって内径を徐々に縮径してあって、前記ケーシングの前記シュラウド壁の下流側周縁に圧縮した高圧ガスを排気する排気流路が形成され、
   前記ケーシングのシュラウド壁における前記インペラの上流側近傍に下流側へ向かって内径を徐々に縮径した絞り部が形成され、
   前記ケーシングのシュラウド壁は、前記給気口と前記絞り部の間に前記ケーシングの軸方向に平行な部分を有し、
   前記ケーシングの内部に高圧ガスを流通可能な高圧ガス流路が形成され、前記高圧ガス流路は、前記インペラの入口側に開口しかつ高圧ガスを供給する高圧ガス供給源に接続及び遮断可能な開口部を有し、
   前記ケーシングの軸方向における前記ブレードの長さをＬ１、前記軸方向における前記ブレードの前縁から前記高圧ガス流路の開口部の下流端までの長さをＬ２とした場合に、（Ｌ２／Ｌ１）＜１．５の関係が成立するようになってあって、
   前記高圧ガス流路の前記開口部の下流端は、前記軸方向における前記絞り部の上流端と同じ位置又は前記絞り部の上流端よりも上流側に位置し、
   前記高圧ガス流路の前記開口部は、前記ケーシングの前記シュラウド壁における前記平行な部分に位置していることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記ケーシングの軸心に対する前記絞り部のテーパ角は、３０°以下に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記高圧ガス供給源は、前記排気流路であって、前記高圧ガス流路は、前記ケーシングに前記排気流路と前記インペラの入口側を連絡するように形成されたバイパス流路であって、前記ケーシングに前記バイパス流路を開閉するバイパス弁機構が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遠心圧縮機。

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