JP2012107527A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】インペラ周りに翼体が配列されたターボチャージャにおいて、翼体を通過することなく上流側から下流側にバイパスする漏れ流体を低減する。
【解決手段】ベアリングハウジングとノズルプレートとの間に配置される付勢手段が、ベアリングハウジングとノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にてベアリングハウジングと面接触して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャに関するものである。

従来から、車両には、燃費向上及び出力向上のためにターボチャージャが搭載される場合がある。
このターボチャージャは、特許文献１に示すように、タービンとコンプレッサとを備えており、タービンにおいて排気ガスに含まれるエネルギを回転動力として回収し、この回収した回転動力を用いてコンプレッサにおいて内燃機関に供給する空気を圧縮するものである。

ところで、タービン及びコンプレッサは、内部に回転駆動されるインペラを備えている。そして、上述のようなターボチャージャにおいては、例えば、特許文献１及び特許文献２に示すように、タービンあるいはコンプレッサにおける流体の整流を行う翼体がインペラ周りに複数配置されることがある。

特開２００８−２１５０８３号公報 特開２００９−１４４５４６号公報

上述のような翼体をインペラ周りに配列することによってタービン及びコンプレッサの性能が向上するものの、翼体を設置すると、特許文献２に示すように、翼体が設置されるノズルプレートの裏面側に隙間が形成され、翼体の上流側と下流側とをバイパスする漏れ流路が形成される場合がある。
このような漏れ流路が形成されると、流体の一部が翼体を介することなく上流側から下流側に流れることとなり、整流効果が弱まってしまうこととなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、インペラ周りに翼体が配列されたターボチャージャにおいて、翼体を通過することなく上流側から下流側にバイパスする漏れ流体を低減することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、インペラを収容するインペラハウジングと、上記インペラと接続されるシャフトを収容するベアリングハウジングと、上記インペラ周りに配置される複数の翼体を支持するノズルプレートと、上記ベアリングハウジングと上記ノズルプレートとの間の隙間に配置されると共に上記ノズルプレートを上記インペラハウジング側に付勢する付勢手段とを備えるターボチャージャであって、上記付勢手段が、上記ベアリングハウジングと上記ノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にて上記ベアリングハウジングと面接触して配置されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記付勢手段が、上記ベアリングハウジングの表面のうち上記インペラの回転軸方向を向く第１面と上記インペラの回転軸方向と直交する方向を向く第２面との両方に面接触して配置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記付勢手段が、断面が環状とされた中空のチューブ形状を有するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記付勢手段が、上記ベアリングハウジングと上記ノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向の上流側に向けて開口する開口部を有するという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記付勢手段が、上記ベアリングハウジングと上記ノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にて上記ノズルプレートと面接触して配置されているという構成を採用する。

本発明によれば、ベアリングハウジングとノズルプレートとの間に配置される付勢手段が、ベアリングハウジングとノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にてベアリングハウジングと面接触している。
このため、ベアリングハウジングとノズルプレートとの間の隙間における抵抗が増大し、当該隙間を流れる流体の流量を低減させることができる。
したがって、本発明によれば、翼体を通過することなく上流側から下流側にバイパスする漏れ流体を低減することが可能となる。

本発明の第１実施形態のターボチャージャの概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態のターボチャージャが備える皿バネの斜視図である。 本発明のターボチャージャの変形例を示す拡大断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るターボチャージャの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のターボチャージャＳ１の概略構成を示す断面図である。
本実施形態のターボチャージャＳ１は、自動車に搭載されるものであり、自動車のエンジンから排気される排気ガスに含まれるエネルギを回転動力として回収し、当該回転動力を用いてエンジンに供給する空気を圧縮するものである。
そして、本実施形態のターボチャージャＳ１は、図１に示すように、タービン１と、ノズル機構２と、コンプレッサ３と、軸部４とを備えている。

タービン１は、排気ガスに含まれるエネルギを回転動力として回収するものであり、タービンハウジング１ａ（インペラハウジング）と、タービンインペラ１ｂ（インペラ）とを備えている。

タービンハウジング１ａは、タービン１の外形を形作る中空部材であり、内部にスクロール流路１ａ１と、インペラ収容空間１ａ２と、接続流路１ａ３とが設けられている。
スクロール流路１ａ１は、エンジンから排気された排気ガスをターボチャージャＳ１の内部に取り込むための流路であり、タービンインペラ１ｂの回転軸を中心として当該タービンインペラ１ｂを囲んで設けられている。
インペラ収容空間１ａ２は、タービンインペラ１ｂを収容する領域であり、タービンインペラ１ｂの回転軸方向から見てタービンハウジング１ａの中央部に設けられている。なお、図１に示すように、タービンハウジング１ａには排気ガスを排出するための排気口１ａ４が設けられており、インペラ収容空間１ａ２は、当該排気口１ａ４と接続されている。
接続流路１ａ３は、スクロール流路１ａ１とインペラ収容空間１ａ２との間に設けられた流路である。なお、接続流路１ａ３は、図１に示すように、タービンハウジング１ａの内壁面と、ノズル機構２が備える後述するノズルプレート２ａとの間に設けられており、ノズルプレート２ａに固定されたノズル翼２ｂ（翼体）が配置される流路である。

タービンインペラ１ｂは、上述のようにインペラ収容空間１ａ２内に収容され、スクロール流路１ａ１から接続流路１ａ３を通過して供給される排気ガスによって回転駆動されるラジアルインペラである。

ノズル機構２は、スクロール流路１ａ１からタービンインペラ１ｂに供給される排気ガスを接続流路１ａ３にて整流するものであり、ノズルプレート２ａと、複数のノズル翼２ｂとを備えている。

ノズルプレート２ａは、ノズル翼２ｂを設置するための円板形状のプレートであり、中央部にタービンインペラ１ｂを挿通可能なように開口が設けられている。
また、ノズルプレート２ａは、タービンインペラ１ｂの回転軸方向から見て、タービンインペラ１ｂよりも大径に設定されており、タービンインペラ１ｂから食み出した領域にノズル翼２ｂが設けられている。
なお、本実施形態のターボチャージャＳ１においてノズルプレート２ａは、タービンインペラ１ｂと、軸部４の後述するベアリングハウジング４ａとの間に介挿されており、タービン１から軸部４への熱の伝達を抑制するための遮熱板としても機能する。

ノズル翼２ｂは、タービンインペラ１ｂに対して供給される排気ガスを接続流路１ａ３において整流するものであり、タービンインペラ１ｂの回転軸方向から見て、当該回転軸を中心として等間隔かつ環状に複数配列されている。
なお、ノズル翼２ｂは、隣り合うノズル翼２ｂ同士の間に隙間流路（ノズル）を形成する。そして、排気ガスは、当該隙間流路を通過することによって整流される。

また、本実施形態のターボチャージャＳ１においては、ノズルプレート２ａをタービンハウジング１ａ側に押圧して付勢する皿バネ５（付勢手段）を備えている。
この皿バネ５は、ノズルプレート２ａとベアリングハウジング４ａとの間に介挿されており、ノズルプレート２ａをタービンハウジング１ａ側に付勢することによってノズル翼２ｂをタービンハウジング１ａの内壁に押し付け、これによってノズル翼２ｂとタービンハウジング１ａとの間における隙間を小さくするものである。

コンプレッサ３は、タービン１によって得られた回転動力を用いてエンジンに供給される空気を圧縮するものであり、コンプレッサハウジング３ａと、コンプレッサインペラ３ｂとを備えている。

コンプレッサハウジング３ａは、コンプレッサ３の外形を形作る中空部材であり、内部にスクロール流路３ａ１と、インペラ収容空間３ａ２と、接続流路３ａ３とが設けられている。
スクロール流路３ａ１は、コンプレッサインペラ３ｂによって圧縮された空気をエンジンに案内するための流路であり、コンプレッサインペラ３ｂの回転軸を中心として当該コンプレッサインペラ３ｂを囲んで設けられている。
インペラ収容空間３ａ２は、コンプレッサインペラ３ｂを収容する領域であり、コンプレッサインペラ３ｂの回転軸方向から見てコンプレッサハウジング３ａの中央部に設けられている。なお、図１に示すように、コンプレッサハウジング３ａには空気を取り込むための吸入口３ａ４が設けられており、インペラ収容空間３ａ２は、当該吸入口３ａ４と接続されている。
接続流路３ａ３は、スクロール流路３ａ１とインペラ収容空間３ａ２との間に設けられた流路である。

コンプレッサインペラ３ｂは、上述のようにインペラ収容空間３ａ２内に収容され、タービンインペラ１ｂから軸部４を介して伝達される回転動力によって回転駆動されるラジアルインペラである。
そして、コンプレッサインペラ３ｂは、吸入口３ａ４から取り込んだ空気を圧縮し、接続流路３ａ３を介してスクロール流路３ａ１に送り込む。

軸部４は、タービン１で回収された回転動力をコンプレッサ３に伝達するものであり、タービン１とコンプレッサ３との間に配置されている。
そして、軸部４は、図１に示すように、ベアリングハウジング４ａと、シャフト４ｂとを備えている。

ベアリングハウジング４ａは、軸部４の外形を形作る中空部材であり、内部にシャフト４ｂを収容するシャフト収容空間４ａ１を有している。
このベアリングハウジング４ａは、タービンハウジング１ａとコンプレッサハウジング３ａとの間に配置されており、これらのタービンハウジング１ａとコンプレッサハウジング３ａとに固定されている。
なお、ベアリングハウジング４ａの内部には、シャフト４ｂの潤滑及び冷却を行う潤滑油の流路が形成されており、ベアリングハウジング４ａは、当該潤滑油の供給及び回収装置（不図示）と接続されている。

シャフト４ｂは、ベアリングハウジング４ａのシャフト収容空間４ａ１内に収容されており、不図示の軸受によって軸支されている。
このシャフト４ｂは、一端がタービンインペラ１ｂと接続され、他端がコンプレッサインペラ３ｂと接続されている。そして、シャフト４ｂは、タービンインペラ１ｂの回転に伴って回転し、同時にコンプレッサインペラ３ｂを回転させる。

そして、本実施形態のターボチャージャＳ１においては、ノズルプレート２ａとタービンハウジング１ａとの間及びノズルプレート２ａとベアリングハウジング４ａとの間に隙間が設けられている。
このため、このようなターボチャージャＳ１では、ノズルプレート２ａがタービンインペラ１ｂの回転軸方向に僅かに移動可能とされている。

このように、ノズルプレート２ａがタービンインペラ１ｂの回転軸方向に移動可能とされていると、可動時の高温環境によって各部材が熱膨張によって変形した場合であっても、皿バネ５の付勢力によってノズルプレート２ａを常にタービンハウジング１ａの内壁面に向けて付勢することができる。よって、ノズル翼２ｂとタービンハウジング１ａとの間の隙間を常に最小限に抑えることができる。

ただし、上述のようにノズルプレート２ａをタービンインペラ１ｂの回転軸方向に僅かに移動可能とするためには、ノズルプレート２ａとタービンハウジング１ａとの間及びノズルプレート２ａとベアリングハウジング４ａとの間に隙間が設けられることとなる。このため、図１の拡大図に示すように、ノズルプレート２ａのノズル翼２ｂが設置される側を表面とすれば、ノズルプレート２ａの裏面側にスクロール流路１ａ１とインペラ収容空間１ａ２とを接続する漏れ流路Ｒが形成されてしまう。
このような漏れ流路Ｒが形成されると、排気ガスの一部がノズル翼２ｂを介することなくタービンインペラ１ｂに供給されてしまうため、ノズル翼２ｂとタービンハウジング１ａとの間の隙間を最小限とした場合の効果が最大限に得られなくなってしまう。

これに対して、本実施形態のターボチャージャＳ１においては、皿バネ５が、漏れ流路Ｒの流れ方向において２箇所にてベアリングハウジング４ａと面接触している。
図２は、皿バネ５の斜視図である。皿バネ５は、中央部に円形の開口部５ａが設けられた環状形状を有している。そして、皿バネ５は、ベアリングハウジング４ａ側の面のうち内側端５ｂ側の２つの領域（第１領域Ｒａと第２領域Ｒｂ）がベアリングハウジング４ａと面接触し、ノズルプレート２ａ側の面のうち外側端５ｃ側の１つの領域（第３領域Ｒｃ）がノズルプレート２ａと面接触する湾曲形状を有している。

より詳細には、第１領域Ｒａは、皿バネ５の全周に亘って設けられている領域であって、ベアリングハウジング４ａの表面のうち、タービンインペラ１ｂの回転軸方向を向く正面Ｍ１（第１面）と面接触している。
また、第２領域Ｒｂは、皿バネ５の全周に亘って設けられている領域であって、ベアリングハウジング４ａの表面のうち、タービンインペラ１ｂの回転軸と直交する方向を向く側面Ｍ２（第２面）と面接触している。

なお、第１領域Ｒａがベアリングハウジング４ａの正面Ｍ１と面接触していることによって、ノズルプレート２ａをタービンハウジング１ａ側に付勢する押圧力が発生すると共に、面接触領域における流体に対する抵抗が増大する。
また、第２領域Ｒｂがベアリングハウジング４ａの側面Ｍ２と面接触していることによって、面接触領域における流体に対する抵抗が増大する。

次に、以上のような構成を有する本実施形態のターボチャージャＳ１の動作について説明する。
エンジンより排気ガスがタービン１に供給されると、排気ガスは、スクロール流路１ａ１、接続流路１ａ３を介してタービンインペラ１ｂに供給される。
タービンインペラ１ｂに排気ガスが供給されると、排気ガスの流れによってタービンインペラ１ｂが回転駆動され、これによって排気ガスに含まれるエネルギが回転動力として回収される。
なお、エネルギが回収された排気ガスは、排気口１ａ４を介してターボチャージャＳ１の外部に排出される。

タービンインペラ１ｂが回転駆動されると、シャフト４ｂを介してコンプレッサインペラ３ｂに回転動力が伝達され、これによってコンプレッサインペラ３ｂが回転駆動される。
この結果、吸入口３ａ４から取り込まれた空気がコンプレッサインペラ３ｂによって圧縮され、圧縮空気が接続流路３ａ３及びスクロール流路３ａ１を介してエンジンに供給される。

ここで、本実施形態のターボチャージャＳ１においては、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間に配置される皿バネ５が、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にてベアリングハウジング４ａと面接触している。
このため、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における抵抗が増大し、当該隙間を流れる流体の流量を低減させることができる。
したがって、本実施形態のターボチャージャＳ１によれば、ノズル翼２ｂを通過することなく上流側から下流側にバイパスする漏れ流体を低減することが可能となる。

また、本実施形態のターボチャージャＳ１においては、皿バネ５は、ベアリングハウジング４ａの表面のうちタービンインペラ１ｂの回転軸方向を向く正面Ｍ１とタービンインペラ１ｂの回転軸方向と直交する方向を向く側面Ｍ２との両方に面接触して配置されている。
側面Ｍ２はノズルプレート２ａの付勢方向と異なる方向に向いている。このため、側面Ｍ２に皿バネ５が面接触しても、皿バネ５がノズルプレート２ａを付勢する押圧力への影響を最小限に抑えることができる。
このため、本実施形態のターボチャージャＳ１によれば、確実にノズルプレート２ａを付勢しつつ、シール性を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３（ａ）は、本実施形態のターボチャージャにおける図１に示す拡大図に相当する断面図である。
この図に示すように、本実施形態のターボチャージャが備える皿バネ５Ａは、漏れ流路Ｒの流れ方向において２箇所にてノズルプレート２ａと面接触している。
具体的には、皿バネ５は、ノズルプレート２ａ側の面のうち外側端５ｃ側の２つの領域（第４領域Ｒｄと第５領域Ｒｅ）がノズルプレート２ａと面接触している。

より詳細には、第４領域Ｒｄは、皿バネ５Ａの全周に亘って設けられている領域であって、ノズルプレート２ａの表面のうち、タービンインペラ１ｂの回転軸方向を向く正面Ｍ３と面接触している。
また、第５領域Ｒｅは、皿バネ５Ａの全周に亘って設けられている領域であって、ノズルプレート２ａの表面のうち、タービンインペラ１ｂの回転軸と直交する方向を向く側面Ｍ４と面接触している。

なお、第４領域Ｒｄがベアリングハウジング４ａの正面Ｍ３と面接触していることによって、ノズルプレート２ａをタービンハウジング１ａ側に付勢する押圧力が発生すると共に、面接触領域における流体に対する抵抗が増大する。
また、第５領域Ｒｅがベアリングハウジング４ａの側面Ｍ４と面接触していることによって、面接触領域における流体に対する抵抗が増大する。

このような構成を有する本実施形態のターボチャージャによれば、上記第１実施形態のターボチャージャＳ１よりも皿バネ５Ａがノズルプレート２ａに面接触する箇所が増える。
このため、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における抵抗がより増大し、当該隙間を流れる流体の流量をより低減させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３（ｂ）は、本実施形態のターボチャージャにおける図１に示す拡大図に相当する断面図である。
この図に示すように、本実施形態のターボチャージャは、皿バネ５に換えて、断面が環状とされ、中空のチューブ形状に設定された可撓性部材６（付勢手段）を備えている。
この可撓性部材６は、径方向に圧縮されてベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間に配置されており、皿バネ５と同様にノズルプレート２ａをタービンハウジング１ａに向けて付勢している。

そして、可撓性部材６は、図３（ｂ）に示すように、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にてベアリングハウジング４ａと面接触している。

このような構成を有する本実施形態のターボチャージャにおいても、上記第１実施形態と同様に、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における抵抗が増大し、当該隙間を流れる流体の流量を低減させることができる。
したがって、本実施形態のターボチャージャによれば、ノズル翼２ｂを通過することなく上流側から下流側にバイパスする漏れ流体を低減することが可能となる。

また、可撓性部材６の内部に、排気ガスよりも熱膨張率の高いガスを封入しても良い。ターボチャージャの稼動時においては可撓性部材６が加熱されるため、可撓性部材６の内部に排気ガスよりも熱膨張率の高いガスを封入することによって、可撓性部材６が大きく膨張する。
この結果、可撓性部材６とベアリングハウジング４ａとの接触面積が増大し、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における抵抗をより増大させることができる。

また、図３（ｃ）に示すように可撓性部材６に対して、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における流体の流れ方向の上流側に向けて開口する開口部６ａを有するように構成しても良い。
この結果、流体が可撓性部材６の内部に流れ込み、これによって可撓性部材６を膨張させることができる。
よって、可撓性部材６とベアリングハウジング４ａとの接触面積が増大し、ベアリングハウジング４ａとノズルプレート２ａとの間の隙間における抵抗をより増大させることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、本発明の翼体としてノズルプレート２ａに固定されたノズル翼２ｂを有する固定翼式ターボチャージャＳ１を挙げて説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、可動翼式ターボチャージャに適用することも可能である。
可動翼式ターボチャージャは、両側若しくは片側に配置されたノズルプレートにノズル翼が軸支され、ノズル翼の傾斜角度によってノズル開口を変化させて容量調整を行うものである。このような可動翼式ターボチャージャにおいても、ノズルプレートの裏面側に漏れ流路を有する場合があるため、上記実施形態のターボチャージャと同様に、漏れ流路にインロー部を設けることによって排気ガスの漏れ量を低減させることが可能となる。

また、上記実施形態においては、タービン１の接続流路１ａ３にノズルプレートに設けられる翼体を配置する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、コンプレッサ３の接続流路３ａ３にノズルプレートに設けられた翼体を配置する構成を採用することもできる。
この際、ノズルプレートの裏面側に漏れ流路が生じる場合には、付勢手段をコンプレッサハウジング３ａに対して複数個所にて接触させることによって、ノズルプレートの裏面側の漏れ流路を通過して漏れる空気の漏れ量を低減させることができる。

Ｓ１……ターボチャージャ、１……タービン、１ａ……タービンハウジング（インペラハウジング）、１ｂ……タービンインペラ（インペラ）、２……ノズル機構、２ａ……ノズルプレート、２ｂ……ノズル翼（翼体）、３……コンプレッサ、３ａ……コンプレッサハウジング、４……軸部、４ａ……ベアリングハウジング、５，５Ａ……皿バネ（付勢手段）、６……可撓性部材（付勢手段）

Claims (5)

1. インペラを収容するインペラハウジングと、前記インペラと接続されるシャフトを収容するベアリングハウジングと、前記インペラ周りに配置される複数の翼体を支持するノズルプレートと、前記ベアリングハウジングと前記ノズルプレートとの間の隙間に配置されると共に前記ノズルプレートを前記インペラハウジング側に付勢する付勢手段とを備えるターボチャージャであって、
   前記付勢手段は、前記ベアリングハウジングと前記ノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にて前記ベアリングハウジングと面接触して配置されていることを特徴とするターボチャージャ。
2. 前記付勢手段は、前記ベアリングハウジングの表面のうち前記インペラの回転軸方向を向く第１面と前記インペラの回転軸方向と直交する方向を向く第２面との両方に面接触して配置されていることを特徴とするターボチャージャ。
3. 前記付勢手段は、断面が環状とされた中空のチューブ形状を有することを特徴とする請求項１または２記載のターボチャージャ。
4. 前記付勢手段は、前記ベアリングハウジングと前記ノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向の上流側に向けて開口する開口部を有することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載のターボチャージャ。
5. 前記付勢手段は、前記ベアリングハウジングと前記ノズルプレートとの間の隙間における流体の流れ方向において複数の領域にて前記ノズルプレートと面接触して配置されていることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載のターボチャージャ。

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