JP6300675B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、自動車のターボチャージャに好適なタービンハウジングに係る。

一般的にターボチャージャと呼ばれる排気タービン式過給機は、エンジンの排気ガスのエネルギーによってタービンが回転駆動され、これに直結されたコンプレッサによって吸入空気が圧縮されてエンジンに供給されるように構成されている。このターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングに関し、例えば特許文献１には、その段落〔０００６〕において「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が提案されている。更に、一般的な鋳造製のものに代えて、板金製とすることも提案されている（同段落〔００１１〕に記載）。

また、特許文献２においては、「タービンホイールを囲繞するタービンハウジングにおいて、板金により形成されるハウジング本体と、前記ハウジング本体の内周面に固定されるとともに同ハウジング本体とは別体のタング部材であって、インレットポートとスクロール空間とを同ハウジング本体の内部において区画する前記タング部材とを備える」ことが提案されており（特許文献２の段落〔００１５〕に記載）、同様の構成が特許文献３にも開示されている。

特開２００７−２７９１号公報 特許第５３３８９９１号公報 実開昭５９−９７２３７号公報

上記のシュラウド部材はディフューザとも呼ばれ、特許文献１においてシュラウド部材を設ける場合には、その図５に示すように、外側ハウジングの出口側端部に固定される構成が前提となるので、シュラウド部材は熱膨張によってタービンホイールに近接する側に軸方向移動し、結果、タービンホイールの周方向のクリアランスを確保することが困難となる。特許文献１の段落〔００３８〕には「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」旨記載されているが、熱膨張によってシュラウド部材全体が軸方向移動するので、タービンホイールへの近接は不可避である。

一方、特許文献２に記載のタービンハウジングにおいては、「板金により形成されるハウジング本体」に対し、「タング部材」は「ハウジング本体の内周面に固定されるとともに同ハウジング本体とは別体」としており、シュラウド部材は設けられていない。従って、特許文献１に記載のようにシュラウド部材を設ける場合には、タング部材はシュラウド部材に隣接配置することになるが、これらを相対的に適切な位置に組み付けることは至難であり、組み付け後、駆動流体である排気ガスの漏れが生じ、エネルギーロスを惹起するおそれがある。

そこで、本発明は、ターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングに関し、ハウジング部材及びシュラウド部材の熱膨張時にもタービンホイールに干渉することなく安定した回転を確保し得るタービンハウジングを提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングにおいて、前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、該カップリングフランジの開口中心軸と同軸の開口中心軸を有し前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、該出口フランジを前記カップリングフランジの開口中心軸方向及び該開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持する保持部材と、前記カップリングフランジに一方の開口端部が接合され前記カップリングフランジと前記出口フランジとの間にスクロール空間を形成するハウジング部材と、前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジと、前記タービンホイールを囲繞するように配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材の他方の開口端部に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材とを備え、該シュラウド部材には、前記スクロール空間を区画するタング部材が一体的に形成されている構成としたものである。

上記のタービンハウジングにおいて、前記ハウジング部材は、板金製とするとよい。そして、前記ハウジング部材は、前記一方の開口端部を有する第１のインナシェルと、該第１のインナシェルに接合され当該第１のインナシェルとの間に前記スクロール空間が形成され、前記他方の開口端部を有する第２のインナシェルとを備えたものとするとよい。

また、前記保持部材は、前記ハウジング部材を囲繞するように配置され、少なくとも前記カップリングフランジと前記出口フランジに接合される外側ハウジング部材で構成するとよい。そして、前記外側ハウジング部材は板金製とし、前記カップリングフランジに接合される第１のアウタシェルと、該第１のアウタシェルに接合されると共に前記出口フランジに接合される第２のアウタシェルとを備えたものとするとよい。

上記のタービンハウジングにおいて、前記ハウジング部材は切欠部を有するものとし、該切欠部に前記タング部材が係止されるように構成するとよい。例えば、前記タング部材は、前記シュラウド部材の入口端部から径方向外側にオフセットした位置で、前記シュラウド部材の開口中心軸に平行に延出形成される立壁部と、前記シュラウド部材の円周方向に延出形成される周方向延出部と、前記シュラウド部材の径方向外側に延出形成される径方向延出部を有するものとし、該径方向延出部が前記切欠部に係止されるように構成するとよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明のタービンハウジングにおいては、ターボチャージャに接合されるカップリングフランジに対し、下流側の排気系部材に接合される出口フランジが、保持部材によって所定の位置関係に保持されている。また、ハウジング部材内にスクロール空間が形成され、これに連通するように入口フランジが配設され、上流側の排気系部材に接合されている。そして、筒状のシュラウド部材がタービンホイールを囲繞するように配置され、その入口端部がハウジング部材に接合されると共に、出口端部が出口フランジに摺動自在に支持されている。而して、駆動流体である排気ガスの熱によって、ハウジング部材及びシュラウド部材が熱膨張しても、シュラウド部材は、その出口端部が出口フランジに対し摺動し、タービンホイールから離隔する方向に移動する。従って、ハウジング部材及びシュラウド部材の熱膨張時にもタービンホイールに干渉することなく安定した回転を確保することができる。しかも、シュラウド部材は、スクロール空間を区画するタング部材が一体的に形成されているので、シュラウド部材及びハウジング部材に対するタング部材の相対的な位置関係を容易且つ適切に維持することができる。即ち、シュラウド部材とタング部材が一体的に形成されているので、シュラウド部材に対するタング部材の相対的な位置関係が変化することはなく、ハウジング部材への組み付けが容易である。しかも、ハウジング部材に対するタング部材の相対的な位置関係を適切に維持することができるので、所望のタービン性能を確保することができる。尚、シュラウド部材及びタング部材は鋳造や機械加工による一体成形とするとよい。

上記のタービンハウジングにおいて、ハウジング部材を板金製とすれば、軽量化及び低熱容量化が可能となる。そして、ハウジング部材は、一方の開口端部を有する第１のインナシェルと、第１のインナシェルに接合され第１のインナシェルとの間にスクロール空間が形成され、他方の開口端部を有する第２のインナシェルとを備えたものとすることができ、板金によって容易且つ安価に形成することができる。

また、保持部材は、ハウジング部材を囲繞するように配置され、少なくともカップリングフランジと出口フランジに接合される外側ハウジング部材で構成すれば、この外側ハウジング部材と上記のハウジング部材との間に断熱空間を形成することができる。そして、外側ハウジング部材も板金製とし、カップリングフランジに接合される第１のアウタシェルと、第１のアウタシェルに接合されると共に出口フランジに接合される第２のアウタシェルとを備えたものとすれば、容易且つ安価に形成することができ、上記の断熱空間も容易に形成することができる。

更に、ハウジング部材の切欠部にタング部材が係止されるように構成すれば、ハウジング部材へのシュラウド部材及びタング部材の組み付けを容易且つ確実に行うことができる。例えば、タング部材は、シュラウド部材の入口端部から径方向外側にオフセットした位置で、シュラウド部材の開口中心軸に平行に延出形成される立壁部と、シュラウド部材の円周方向に延出形成される周方向延出部と、シュラウド部材の径方向外側に延出形成される径方向延出部を有するものとし、径方向延出部が切欠部に係止されるように構成すれば、ハウジング部材への組み付けを容易且つ確実に行うことができ、確実にスクロール空間を区画することができる。

本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの横断面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの平面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの正面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの底面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの縦断面図で、図３のＣ−Ｃ視の断面図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングに供するシュラウド部材の斜視図である。 本発明の一実施形態に供するシュラウド部材のハウジング部材への装着状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態においてシュラウド部材をハウジング部材に装着した状態を示す斜視図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１乃至図６は本発明の一実施形態に係るタービンハウジングＴＨを示すもので、図１は図３のＡ−Ａ線断面を示し、図２は図４のＢ−Ｂ線断面を示し、各図の曲面部分における主要な凹凸部は適宜細線で示している。タービンハウジングＴＨは、図１に二点鎖線で示すようにタービンホイールＴＷを囲繞するようにターボチャージャＴＣに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材ＥＵ及びＥＤに接合される。本実施形態のタービンハウジングＴＨは、ターボチャージャＴＣに例えばクランプによって接合されるカップリングフランジ１と、このカップリングフランジ１の開口中心軸ＯＣと同軸の開口中心軸を有し下流側の排気系部材ＥＤに例えばボルトによって接合される出口フランジ２と、出口フランジ２をカップリングフランジ１の開口中心軸方向及び開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持する保持部材ＨＭとを備えている。尚、排気系部材ＥＵ及びＥＤは装着対象の排気マニホールドや排気管等を含み、駆動流体である排気ガスの流れを図１に白抜き矢印で示す。

カップリングフランジ１には、ハウジング部材１０の一方の開口端部１１ａが接合され、カップリングフランジ１と出口フランジ２との間のハウジング部材１０内にスクロール空間ＳＳが形成されている。また、ハウジング部材１０には、図２に示す入口管４１を介して入口フランジ３が装着され、これらを介してスクロール空間ＳＳに連通するように配設され、入口フランジ３が上流側の排気系部材ＥＵに接合されている。出口フランジ２は、円筒状の開口部２ａと、これに連続する内周面の筒体部２ｂを有し、その小径側開口端の内周面には支持部２ｇが形成されている。更に、タービンホイールＴＷを囲繞するように筒状のシュラウド部材３０が配置され、その入口端部３１が、ハウジング部材１０の他方の開口端部１２ａに接合されると共に、出口端部３２が出口フランジ２の支持部２ｇに摺動自在に支持されている。尚、この支持構造については後述する。

本実施形態のハウジング部材１０は、開口端部１１ａ、筒体部１１ｂ及びフランジ部１１ｃを有する板金製の第１のインナシェル１１と、開口端部１２ａ、筒体部１２ｂ及びフランジ部１２ｃを有する板金製の第２のインナシェル１２から成り、フランジ部１１ｃとフランジ部１２ｃが当接した状態で例えば溶接によって接合され、中央に開口部を有するシェル形状に形成されている。即ち、板金によってハーフシェル形状に形成された第１のインナシェル１１と、板金によってハーフシェル形状に形成された第２のインナシェル１２とが接合されて、シェル形状のハウジング部材１０が構成されている。

本実施形態の保持部材ＨＭは外側ハウジング部材２０で構成され、ハウジング部材１０を囲繞するように外側ハウジング部材２０が配置されている。即ち、本実施形態においては、カップリングフランジ１と出口フランジ２に接合される外側ハウジング部材２０によって保持部材ＨＭが構成されている。この外側ハウジング部材２０は、第１のアウタシェル２１及び第２のアウタシェル２２が夫々板金によってハーフシェル形状に形成され、例えば溶接によって接合されて、中央に開口部を有するシェル形状に形成されている。そして、第１のアウタシェル２１の開口端部２１ａがカップリングフランジ１に例えば溶接によって接合されると共に、第２のアウタシェル２２の開口端部２２ａが出口フランジ２に例えば溶接によって接合されている。而して、ハウジング部材１０と外側ハウジング部材２０との間に気密空間が形成され、断熱層が形成される。

本実施形態における外側ハウジング部材２０の装着構造は、図１に示すように、カップリングフランジ１の外周面に環状溝１ｇが形成されており、この環状溝１ｇに第１のアウタシェル２１の開口端部２１ａ及び第１のインナシェル１１の開口端部１１ａが溶接によって接合される。また、出口フランジ２の筒体部２ｂの外周面には環状段部２ｄが形成されており、この環状段部２ｄに第２のアウタシェル２２の開口端部２２ａが溶接によって接合される。上記の保持部材ＨＭとしては、ハウジング部材１０の気密性及び断熱性が十分であれば、外側ハウジング部材２０に代えて、剛体のアーム等（図示省略）を用いることとしてもよい。而して、図７に示す各部材が上記のように接合され、図１乃至図６に示すタービンハウジングＴＨが構成される。

本実施形態のシュラウド部材３０は図１及び図６に示す断面形状に形成され、入口端部３１が拡径されており、その内周面が、タービンホイールＴＷの外周面に対し一定の間隙を以って対向する湾曲面に形成されている。即ち、シュラウド部材３０は、タービンホイールＴＷを構成するタービンブレード（図示せず）に対し全周に亘って最小のクリアランスを以って囲繞するように拡径され、シュラウド曲面に倣う湾曲内周面が形成された入口端部３１を有すると共に、これに連続する円筒状の出口端部３２を有する。このシュラウド部材３０としては、装着対象の変形による影響を受けない剛性を確保するため、ハウジング部材１０の厚さより肉厚とし、鋳造や機械加工（削り出し）による一体成形とすることが望ましい。

上記のように形成されたシュラウド部材３０は、その入口端部３１が、例えば溶接によって、ハウジング部材１０の他方の開口端部１２ａに接合され、出口端部３２は出口フランジ２に対し摺動自在に支持される。即ち、図１に示すように、出口フランジ２の筒体部２ｂの内周面に形成された支持部２ｇに出口端部３２が嵌合され、シュラウド部材３０が支持部２ｇに対して気密的摺動可能に配設される。特に、常態において、支持部２ｇの軸方向底部（段部）と出口端部３２との間に間隙（ｄ）が形成されるように配設される。この間隙（ｄ）は、シュラウド部材３０及びハウジング部材１０と出口フランジ２との間の軸方向熱膨張差を吸収し得る寸法に設定される。

更に、本実施形態のシュラウド部材３０には、図１及び図２に示すスクロール空間ＳＳを区画するためタング部材３３が一体的に形成されている。タング部材３３は、図８に示すように、シュラウド部材３０の入口端部３１から径方向外側にオフセットした位置で、シュラウド部材３０の開口中心軸（前述のＯＣと同軸）に平行に延出形成される立壁部３３ａと、シュラウド部材３０の円周方向に延出形成される周方向延出部３３ｂと、シュラウド部材３０の径方向外側に延出形成される径方向延出部３３ｅを有する。

一方、ハウジング部材１０を構成する第１のインナシェル１１の開口端部１１ａには、図９に示すように、分割部１１ｄと切欠部１１ｅが形成されており、分割部１１ｄにタング部材３３の立壁部３３ａが嵌合され、筒体部１１ｂの外周面に周方向延出部３３ｂの内周面が当接すると共に、切欠部１１ｅに径方向延出部３３ｅが係止されるように組み付けられる。この状態で、タング部材３３が第１のインナシェル１１に例えば溶接によって接合された後、第１のインナシェル１１と第２のインナシェル１２が溶接接合されると、第１及び第２のインナシェル１１及び１２とシュラウド部材３０が図１０に示す装着状態となる。

而して、図２に示すようにハウジング部材１０内の流路がタング部材３３によって遮蔽され、スクロール空間ＳＳが適切に区画される。尚、タング部材３３を別体で形成してシュラウド部材３０に接合することとしてもよいが、一体とすることが望ましい。また、第１のインナシェル１１の切欠部１１ｅで構成されるタング部材３３の係止手段は、シュラウド部材３０（タング部材３３）とハウジング部材１０（第１のインナシェル１１）の組み付け時の相対位置決めに有効であるが、他の有効な位置決め手段があれば、必ずしも切欠部１１ｅに係止される構造とする必要はない。

本実施形態のタービンハウジングＴＨは上記のように構成されており、駆動流体である排気ガスの熱によって、ハウジング部材１０及びシュラウド部材３０が熱膨張しても、シュラウド部材３０は出口フランジ２の支持部２ｇを摺動し、タービンホイールＴＷから離隔する方向に移動するので、タービンブレード（図示せず）との干渉を適切に回避することができる。この場合において、シュラウド部材３０は出口フランジ２の支持部２ｇに対し気密的摺動可能に配設されており、入口フランジ３からスクロール空間ＳＳに排気ガスが導入される際に、ハウジング部材１０と外側ハウジング部材２０との間の空間に流出して出口フランジ２から放出されるといった流れは最小限に抑えられるので、所望のタービン性能を確保することができる。尚、出口フランジ２に対するシュラウド部材３０の一層の気密性を確保するため、支持部２ｇと出口端部３２との間にガスケット等を介装することとしてもよい。

尚、図１に示す間隙（ｄ）は、前述のようにハウジング部材１０及びシュラウド部材３０と出口フランジ２との間の軸方向熱膨張差を吸収し得る寸法に設定されているが、この設定に際しては一回の運転における最大熱膨張時のシュラウド部材３０の先端位置、及び、運転が繰り返された後の熱変形におけるシュラウド部材３０の先端位置を考慮して、最大（軸方向）移動時に間隙（ｄ）が０となるように設定するとよい。更には、最大移動後に出口フランジ２（筒体部２ｂ）側の熱膨張及び熱変形が主体的となりシュラウド部材３０の先端を軸方向の反対側に押し返す場合までを勘案して、間隙（ｄ）を設定することとしてもよい。

更に、本実施形態においては、タング部材３３がシュラウド部材３０に一体的に形成されており、シュラウド部材３０に対するタング部材３３の相対的な位置関係が変化することはなく、また、ハウジング部材１０に対するタング部材３３の相対的な位置関係を適切に維持することができるので、組み付けが容易であるだけでなく、所望のタービン性能を確保することができる。しかも、ハウジング部材１０（第１のインナシェル１１）の切欠部１１ｅにタング部材３３が係止されるように構成されているので、組み付け時に、ハウジング部材１０に対するタング部材３３の相対的な位置関係を容易に確定することができる。

１ カップリングフランジ
２ 出口フランジ
２ｂ 筒体部
２ｄ 環状段部
２ｇ 支持部
３ 入口フランジ
１０ ハウジング部材
１１ 第１のインナシェル
１１ａ 開口端部
１１ｂ 筒体部
１１ｃ フランジ部
１１ｅ 切欠部
１２ 第２のインナシェル
１２ａ 開口端部
１２ｂ 筒体部
１２ｃ フランジ部
２０ 外側ハウジング部材
２１ 第１のアウタシェル
２２ 第２のアウタシェル
３０ シュラウド部材
３３ タング部材
ＥＵ，ＥＤ 排気系部材
ＳＳ スクロール空間
ＨＭ 保持部材
ＴＨ タービンハウジング

Claims (7)

1. タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングにおいて、前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、該カップリングフランジの開口中心軸と同軸の開口中心軸を有し前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、該出口フランジを前記カップリングフランジの開口中心軸方向及び該開口中心軸に直交する方向に対し所定の位置関係に保持する保持部材と、前記カップリングフランジに一方の開口端部が接合され前記カップリングフランジと前記出口フランジとの間にスクロール空間を形成するハウジング部材と、前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジと、前記タービンホイールを囲繞するように配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材の他方の開口端部に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材とを備え、該シュラウド部材には、前記スクロール空間を区画するタング部材が一体的に形成されていることを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記ハウジング部材は、板金製であることを特徴とする請求項１記載のタービンハウジング。
3. 前記ハウジング部材は、前記一方の開口端部を有する第１のインナシェルと、該第１のインナシェルに接合され当該第１のインナシェルとの間に前記スクロール空間が形成され、前記他方の開口端部を有する第２のインナシェルとを備えたことを特徴とする請求項２記載のタービンハウジング。
4. 前記保持部材は、前記ハウジング部材を囲繞するように配置され、少なくとも前記カップリングフランジと前記出口フランジに接合される外側ハウジング部材であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービンハウジング。
5. 前記外側ハウジング部材は板金製であって、前記カップリングフランジに接合される第１のアウタシェルと、該第１のアウタシェルに接合されると共に前記出口フランジに接合される第２のアウタシェルとを備えたことを特徴とする請求項４記載のタービンハウジング。
6. 前記ハウジング部材は切欠部を有し、該切欠部に前記タング部材が係止されることを特徴とする請求項１記載のタービンハウジング。
7. 前記タング部材は、前記シュラウド部材の入口端部から径方向外側にオフセットした位置で、前記シュラウド部材の開口中心軸に平行に延出形成される立壁部と、前記シュラウド部材の円周方向に延出形成される周方向延出部と、前記シュラウド部材の径方向外側に延出形成される径方向延出部を有し、該径方向延出部が前記切欠部に係止されること特徴とする請求項６記載のタービンハウジング。

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