JP2009036099A - 遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】遠心ポンプにおけるインペラの回転抵抗を抑制する効果を高める。
【解決手段】ターボチャージャ１１は、タービンホイール１７を内蔵するタービンハウジング１２と、コンプレッサホイール１８を内蔵するコンプレッサハウジング１３と、タービンハウジング１２とコンプレッサハウジング１３とを連結する連結ハウジング１４とを備えている。連結ハウジング１４の端壁１４２とコンプレッサホイール１８との間には回転体１９がロータシャフト１５に自由回転可能に支持された状態で配設されている。円板部１９１の半径Ｄは、コンプレッサホイール１８の最大の半径ｄよりも大きくしてあり、円板部１９１の外周部は、コンプレッサホイール１８の軸部１８１の外周から側方へはみ出して送出通路１３３へ入り込んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、インペラの回転によってインペラの周囲に放出されるガスの流通路を形成する形成壁がインペラの回転軌跡の周囲に設けられている遠心ポンプに関する。

内燃機関に空気を過給するターボチャージャに用いられる遠心ポンプ（例えば特許文献１参照）では、インペラの回転による遠心作用によって空気が高速でディフューザに送り込まれる。空気が高速でディフューザに流入すると、ディフューザの形成壁の近傍の空気の流速と、高速で流入する空気の流速との大きな空気流速差のために、衝撃波が発生することがある。又、この空気流速差は、定常運転時よりも、過渡運転時やサージング領域付近での運転時に大きくなる傾向がある。この衝撃波は、インペラに対する造波抗力となってインペラの回転抵抗となり、過給効率が低下する。

特許文献１に開示の遠心ポンプでは、空気力学的な抗力を低減するためのコーティングが前記形成壁の一部に施されている。
特開２０００−２６５９９８号公報 特開２００３−２１０９６号公報

しかし、特許文献１に開示のコーティング方式では、衝撃波の発生を防止して回転抵抗を抑制するには不十分である。
特許文献２に開示の遠心ポンプでは、インペラのシュラウドと、インペラを囲むケーシングとの間に自由回転可能なフローティング部材が設けられているが、このフローティング部材は、円板摩擦による損失を少なくするためのものであって、前記した回転抵抗を抑制するものではない。

本発明は、遠心ポンプにおけるインペラの回転抵抗を抑制する効果を高めることを目的とする。

本発明は、インペラの回転によってインペラの周囲に放出されるガスの流通路を形成する形成壁が前記インペラの回転軌跡の周囲に設けられている遠心ポンプを対象とし、請求項１の発明は、前記インペラの回転方向と同一方向に回転可能な回転体が前記インペラの回転軸線の周りに回転可能に前記流通路内に配置されていることを特徴とする。

流通路内の回転体は、インペラの周囲に放出されるガスの流速と回転体の近傍のガスの流速との差を、インペラの周囲に放出されるガスの流速と形成壁近傍のガスの流速との差よりも小さくする。そのため、衝撃波の発生が防止され、衝撃波の発生に起因するインペラの回転抵抗が抑制される。

好適な例では、前記回転体の最大の回転半径は、前記インペラの最大の回転半径よりも大きい。
回転体の外周部がインペラの最大の回転半径よりも外方にはみ出すため、インペラの周囲に放出されるガスの流速と、回転する回転体の外周部の近傍のガスの流速との差がインペラの周囲に放出されるガスの流速と形成壁近傍のガスの流速との差よりも小さくなり、衝撃波の発生が防止される。

好適な例では、前記回転体は、自由回転可能に支持されており、前記回転体は、前記ガスの流れを受けて回転される。
回転体は、インペラの周囲に放出されるガスの流れによって回転され、インペラの周囲に放出されるガスの流速と、回転する回転体の外周部の近傍のガスの流速との差がインペラの周囲に放出されるガスの流速と形成壁近傍のガスの流速との差よりも小さくなる。

好適な例では、前記インペラは、回転可能に支持された支軸に固定されており、前記回転体は、前記支軸に自由回転可能に支持されている。
このような構成は、回転体を自由回転可能に支持する上で簡便な構成である。又、回転体は、回転する支軸から幾らかの回転力を受けるため、回転体が回転し易い。

好適な例では、前記回転体は、前記インペラの回転半径よりも大きい半径の円板部を有し、前記円板部は、前記インペラから前記インペラの周囲に放出されるガスの流れを受ける円板面を有する。

円板部を有する回転体は、インペラの周囲に放出されるガスの流れを受けて円滑に回転する上で好適な回転体である。
好適な例では、前記円板面は、前記インペラの回転軸線に対して垂直である。

円板面を有する回転体の中心軸線をインペラの回転軸線に略一致させれば、平板面は、周方向においてインペラの周囲に放出されるガスの流れによる回転力を略均等に受け、回転体が円滑に回転する。

本発明は、遠心ポンプにおけるインペラの回転抵抗を抑制する効果を高めることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明をターボチャージャに具体化した第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１（ａ）に示すように、ターボチャージャ１１は、内燃機関（図示略）の排気通路（図示略）に配設されるタービンハウジング１２と、内燃機関の吸気通路（図示略）に配設されるコンプレッサハウジング１３と、タービンハウジング１２とコンプレッサハウジング１３とを連結する連結ハウジング１４とを備えている。

連結ハウジング１４には軸孔１４１が貫設されており、軸孔１４１内にはロータシャフト１５がラジアルベアリング１６Ａ，１６Ｂを介して回転可能に配設されている。
タービンハウジング１２内にはタービンホイール１７が配設されており、コンプレッサハウジング１３内にはインペラとしてのコンプレッサホイール１８が配設されている。タービンホイール１７とコンプレッサホイール１８とは、ロータシャフト１５によって連結されており、タービンホイール１７、ロータシャフト１５及びコンプレッサホイール１８は、回転軸線１５１を中心にして一体的に回転可能である。ロータシャフト１５は、コンプレッサホイール１８の支軸である。

タービンハウジング１２は、タービンホイール１７の外周を囲うように、且つ渦巻き状に延びるように連結ハウジング１４の一端に取り付けられている。タービンハウジング１２内には渦巻き状のスクロール通路１２１が設けられている。スクロール通路１２１は、内燃機関の排気通路に連通しており、燃焼室から排気通路へ排出された排気ガスがスクロール通路１２１に送り込まれる。タービンハウジング１２内には環状通路１２２がスクロール通路１２１に沿って設けられている。スクロール通路１２１内の排気ガスは、環状通路１２２を介してタービンホイール１７へ向けて吹き付けられる。

コンプレッサハウジング１３は、コンプレッサホイール１８の外周を囲うように、且つ渦巻き状に延びるように連結ハウジング１４の他端に取り付けられている。コンプレッサハウジング１３は、回転軸線１５１の方向に向けて外部に開口する流入通路１３１が設けられている。コンプレッサハウジング１３内には渦巻き状のコンプレッサ通路１３２及び環状の送出通路１３３が設けられている。コンプレッサ通路１３２は、燃焼室に連通しており、流通路としての送出通路１３３は、コンプレッサ通路１３２に沿って設けられている。送出通路１３３は、コンプレッサハウジング１３の一部である通路形成壁１３４と、連結ハウジング１４の一部である端壁１４２との間に形成されている。通路形成壁１３４及び端壁１４２は、流通路としての送出通路１３３を形成する形成壁である。

タービンホイール１７は、タービンハウジング１２側からコンプレッサハウジング１３側へ向かうにつれて拡径してゆく軸部１７１と、軸部１７１の周面に一体形成された複数の羽根１７２とを備えている。内燃機関の燃焼室から前記排気通路へ排出された排気ガスは、スクロール通路１２１及び環状通路１２２を介して羽根１７２に吹き付けられる。これいより、タービンホイール１７は、矢印Ｒで示す方向へ回転される。

コンプレッサホイール１８は、コンプレッサハウジング１３側からタービンハウジング１２側へ向かうにつれて拡径してゆく軸部１８１と、軸部１８１の周面に一体形成された複数の羽根１８２を備えている。コンプレッサホイール１８は、タービンホイール１７の回転に伴って一体的に回転し、回転する複数の羽根１８２は、吸気通路内の空気（ガス）を流入通路１３１へ導入すると共に、遠心作用によって送出通路１３３へ放出する。送出通路１３３内へ放出された空気は、スクロール通路１２１を経由して燃焼室へ過給される。

図１（ｂ）に示すように、連結ハウジング１４の端壁１４２と、コンプレッサホイール１８の軸部１８１の端壁面１８３との間は、隙間を設けられており、端壁１４２と端壁面１８３との間には回転体１９がロータシャフト１５に自由回転可能に支持された状態で配設されている。回転体１９は、平板形状の円板部１９１と、円板部１９１の中心部に一体形成された筒形状の筒部１９２と、筒部１９２の内周面及び端面にコーティングされたコーティング層１９３とを備えている。コーティング層１９３は、滑り性能に優れた樹脂（例えば、ポリテトラフルオロチレン）からなる。円板部１９１の径中心は、回転軸線１５１に略一致させてある。

筒部１９２とラジアルベアリング１６Ａとの間のロータシャフト１５には位置規制リング２０が止着されている。筒部１９２の内周面上のコーティング層１９３は、ロータシャフト１５の周面に摺接可能である。コンプレッサホイール１８に対向する筒部１９２の端面上のコーティング層１９３は、軸部１８１の端壁面１８３に摺接可能であり、ラジアルベアリング１６Ａに対向する筒部１９２の端面上のコーティング層１９３は、位置規制リング２０に摺接可能である。円板部１９１は、コンプレッサホイール１８の軸部１８１と、連結ハウジング１４の端壁１４２とのいずれに対しても接触しない。

円板部１９１の半径〔回転体１９の最大の回転半径Ｄであって図１（ａ）に示す〕は、コンプレッサホイール１８の最大の半径〔コンプレッサホイール１８の最大の回転半径ｄであって図１（ａ）に示す〕よりも大きくしてあり、円板部１９１の外周部は、コンプレッサホイール１８の軸部１８１の外周から側方へはみ出して送出通路１３３へ入り込んでいる。つまり、コンプレッサホイール１８側における円板部１９１の円板面１９４の外周部は、軸部１８１の端壁面１８３とは対向しないで送出通路１３３内に露出している。円板部１９１の円板面１９４は、ロータシャフト１５の回転軸線１５１に対して垂直である。

コンプレッサホイール１８が回転すると、流入通路１３１内の空気が送出通路１３３内へ高速で放出される。送出通路１３３内へ高速で放出された空気は、コンプレッサホイール１８の回転方向〔図２に矢印Ｒで示す方向〕へ流れる。そのため、送出通路１３３内へ高速で放出された空気は、送出通路１３３内に露出する円板面１９４に回転力を付与して回転体１９を回転方向Ｒへ回転させる。回転体１９は、コンプレッサホイール１８の回転によってコンプレッサホイール１８の周囲（送出通路１３３内）へ放出される空気の流れによって、コンプレッサホイール１８の回転速度よりも小さい回転速度で、回転軸線１５１を中心にして連れ回りする。

回転体１９は、コーティング層１９３を介してロータシャフト１５の周面、コンプレッサホイール１８の軸部１８１、あるいは位置規制リング２０に接する。ロータシャフト１５、コンプレッサホイール１８及び位置規制リング２０は、一体的に回転するため、回転体１９は、ロータシャフト１５、コンプレッサホイール１８及び位置規制リング２０の回転からも回転力を得る。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１）コンプレッサホイール１８から放出される空気は、コンプレッサホイール１８の回転方向と同じ方向の流速成分を有している。又、コンプレッサホイール１８と同じ方向に回転する回転体１９は、摩擦力により円板面１９４の近傍の空気を回転体１９の回転方向へ引きずり、円板面１９４の近傍の空気に対して回転体１９の回転方向と同方向の流速成分を与える。そのため、コンプレッサホイール１８から円板面１９４上に放出される空気の流速と、円板面１９４上の空気流速との差が小さくなる。その結果、衝撃波の発生が防止され、衝撃波の発生に起因するコンプレッサホイール１８の回転抵抗が抑制される。

（２）自由回転可能にロータシャフト１５に支持された回転体１９は、コンプレッサホイール１８の周囲に放出される空気によって、コンプレッサホイール１８の回転方向Ｒへ回転される。空気流を利用して回転体１９を回転させる構成は、回転体１９を回転させるための専用の駆動機構を不要にする。このような専用の駆動機構を不要とする構成は、ターボチャージャ１１の機構の簡素化に寄与する。

（３）ロータシャフト１５によって回転体１９を自由回転可能に支持した構成は、回転体１９を自由回転可能に支持する上で簡便な構成である。ロータシャフト１５に自由回転可能に支持された回転体１９は、回転するロータシャフト１５からも回転力を受けるため、回転体１９が回転し易い。

（４）コンプレッサホイール１８の最大の回転半径ｄよりも大きい半径Ｄの円板部１９１の径中心は、ロータシャフト１５の回転軸線１５１に略一致させてあり、円板部１９１は、回転軸線１５１を中心にして回転する。円板面１９４を有する回転体１９は、コンプレッサホイール１８の周囲に放出される空気流を円板部１９１の周方向全体にわたって略均等に受ける。そのため、回転体１９は、周方向全体にわたって空気流による回転力を略均等に付与されることになり、回転体１９が円滑に回転する。円板部１９１を備えた回転体１９は、円滑に回転する上で好適な回転体である。

次に、図３の第２の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符号が用いてある。
円板部１９１の円板面１９４の外周部は、粗面１９５に形成されている。粗面１９５は、表面が凸凹になっている状態を意味し、例えばディンプルが形成された面や、面粗さの粗い面等が該当する。粗面１９５は、コンプレッサホイール１８の回転によって送出通路１３３内へ放出される空気の流れによる回転力を受け易く、粗面１９５を備えた回転体１９は、回転し易い。

次に、図４の第３の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符号が用いてある。
回転体１９Ａは、円板部１９１Ａと、円板部１９１Ａの中心部に一体形成された筒部１９２Ａとを備えている。筒部１９２Ａと軸孔１４１の内周面との間にはラジアルベアリング２１が介在されており、回転体１９Ａは、ラジアルベアリング２１を介して連結ハウジング１４に回転可能に支持されている。回転体１９Ａは、コンプレッサホイール１８の軸部１８１、ロータシャフト１５及び連結ハウジング１４のいずれにも接触しない。

ラジアルベアリング２１によって回転体１９Ａを自由回転可能に支持する構成では、ロータシャフト１５によって回転体１９を摺接可能に支持する構成に比べて、回転体１９Ａが回転し易い。

次に、図５の第４の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符号が用いてある。
回転体１９Ｂは、平板形状のリング部１９６と、リング部１９６の内周縁に一体形成された筒部１９７とを備えている。連結ハウジング１４の端壁１４２には環状溝１４３が形成されている。環状溝１４３の内側周面と筒部１９７との間にはラジアルベアリング２２が介在されており、回転体１９Ａは、ラジアルベアリング２２を介して連結ハウジング１４に回転可能に支持されている。リング部１９６の内径は、コンプレッサホイール１８の最大の回転半径以上の大きさであり、リング部１９６のリング板面１９８は、全て送出通路１３３内に露出している。リング板面１９８は、回転軸線１５１に対して垂直である。

第４の実施形態においても、コンプレッサホイール１８の回転によって送出通路１３３内へ放出される空気の流れが回転体１９Ｂを回転させ、衝撃波の発生が防止される。
次に、図６の第５の実施形態を説明する。第１の実施形態と同じ構成部には同じ符号が用いてある。

第５の実施形態では、平板形状のリング２３が複数の連結片２４を介して回転体１９Ａの円板部１９１Ａに連結されており、リング２３は、回転体１９Ａと一体的に回転する。リング２３は、円板部１９１Ａの外周部と対向するようにコンプレッサハウジング１３の通路形成壁１３４側に設けられている。送出通路１３３内へ放出された空気は、複数の連結片２４の間を通ってコンプレッサ通路１３２へ流出する。

送出通路１３３内へ放出された空気の速度と、平板形状のリング２３近傍の空気流速との差は、リング２３の存在によって、送出通路１３３内へ放出された空気流速と、通路形成壁１３４近傍の空気流速との差よりも小さくなる。従って、衝撃波発生防止効果が一層高くなる。

本発明では以下のような実施形態も可能である。
○電動モータによって回転体をコンプレッサホイール１８の回転速度よりも低速で回転させるようにしてもよい。

○減速機構を介してロータシャフト１５の回転を回転体に伝えて回転体を回転させるようにしてもよい。
○第４の実施形態における回転体１９Ｂのリング部１９６に一体的に回転可能に連結された平板形状のリング（第５の実施形態におけるリング２３に相当）をコンプレッサハウジング１３の通路形成壁１３４側に設けてもよい。

○遠心式送風機、遠心式ブロアに本発明を適用してもよい。
前記した実施形態から把握できる技術思想について以下に記載する。
〔１〕前記インペラの回転方向と同一方向に回転可能な回転体が前記インペラの回転速度よりも低速で回転可能に前記流通路内に配置されている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

〔２〕請求項１乃至請求項６、前記〔１〕項のいずれか１項に記載の遠心ポンプを備えたターボチャージャ。

第１の実施形態を示し、（ａ）は、ターボチャージャの側断面図。（ｂ）は、部分拡大側断面図。 図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図。 第２の実施形態を示す断面図。 第３の実施形態を示す部分拡大側断面図。 第４の実施形態を示す部分拡大側断面図。 第５の実施形態を示す部分拡大側断面図。

符号の説明

１１…ターボチャージャ。１３３…流通路としての送出通路。１３４…形成壁としての通路形成壁。１５…支軸としてのロータシャフト。１５１…回転軸線。１８…インペラとしてのコンプレッサホイール。１９，１９Ａ，１９Ｂ…回転体。１９１…円板部。１９４…円板面。Ｒ…回転方向。Ｄ，ｄ…最大の回転半径。

Claims (6)

1. インペラの回転によって前記インペラの周囲に放出されるガスの流通路を形成する形成壁が前記インペラの周囲に設けられている遠心ポンプにおいて、
   前記インペラの回転方向と同一方向に回転可能な回転体が前記インペラの回転軸線の周りに回転可能に前記流通路内に配置されている遠心ポンプ。
2. 前記回転体の最大の回転半径は、前記インペラの最大の回転半径よりも大きい請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記回転体は、自由回転可能に支持されており、前記回転体は、前記ガスの流れを受けて回転される請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
4. 前記インペラは、回転可能に支持された支軸に固定されており、前記回転体は、前記支軸に自由回転可能に支持されている請求項３に記載の遠心ポンプ。
5. 前記回転体は、前記インペラの最大の回転半径よりも大きい半径の円板部を有し、前記円板部は、前記インペラから前記インペラの周囲に放出されるガスの流れを受ける円板面を有する請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記円板面は、前記インペラの回転軸線に対して垂直である請求項５に記載の遠心ポンプ。

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