JPH02173322A - ターボチャージャ用タービンホイール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はターボチャージャ用タービンホイールに関する
。

〈従来の技術〉 内燃機関のターボチャージャは排気エネルギーでタービ
ンホイールを回し、その動力でコンプレッサーを駆動す
ることにより吸入空気又は混合気を予圧する装置である
。ターボチャージャにおける回転部品（以後、タービン
回転体という）は、タービンホイール、シャフトおよび
インペラ（コンプレッサーホイール）から成っているが
、それらは異なる材料でできている。つまり、高温排気
ガスに曝されるタービンホイールは耐熱強度、耐酸化性
が要求されることから、例えばインコネル７１３Ｃ等の
超合金で作られており、軸受に支えられながら高回転す
るシャフトは耐摩耗性が要求されることがら５Ｃｒ４０
等の合金鋼で作られ、そして他方の回転羽根であるイン
ペラは軽量のアルミ合金で作られている。

このように三種の異なる材料で作られているタービン回
転体において、第３図に示すようにタービンホイール１
とシャフト２は摩擦溶接５により接合され、インペラ（
図示せず）は上記シャフト２の他端２ａにネジ止めされ
ている。

ところでターボチャージャ付エンジンの欠点として、タ
ーボ回転の立ち上がりの遅れが指摘されているが、この
タービンホイールの重量の重いことが一因とされている
。比重の大きな上記超合金製のタービンホイールでは回
転体の慣性モーメントが大となるため、ターボチャージ
ャのレスポンスの向上に限界があった。

その対策としてタービンホイールを金属に比べ軽量で耐
熱性に優れ、しかも金属なみの強さを有しているセラミ
ック（例えば５ｉＪ４）で作ることが提案されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしその場合、シャフトまで一体的にセラミックで成
形することは」１業的製造の上で実現困難であり、且つ
従来のような摩擦溶接をセラミックと金属の接合に適用
することは不可能であるので、タービンホイールのみを
セラミックで作り、第４図に示すようにセラミック製タ
ービンボイル１と合金鋼製シャフト２をロウ付け６によ
り接合せざるを得なかった。またセラミックは従来材の
超合金に比べて強度面、製造面の制約で、タービン羽根
形状も肉厚となり、全体として効率の大きな向上は望め
ない。すなわち加速レスポンスの改善にあたりセラミッ
クの比重が少ないという特徴を生かしきれていないとい
う問題があった。

なおセラミックに代えて、ＴｉＡ１、Ｔ１３Ａ１等の低
比重の金属間化合物でタービンホイール１を製作するこ
とも提案されているが、シャフト２との接合が第５図に
示すようにセラミックの場合と同の方法に頼らざるを得
す、実際上の問題として製造過程に難点があった。

本発明は上記問題を解決することを目的としてなされた
ものであり、その解決しようとする課題は、軽量でレス
ポンスが良く、しかも容易に製造できるターボチャージ
ャ用タービンホイールを提供することである。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決できる本発明のターボチャージャ用ター
ビンホイールは、ホイールとシャフトが体成形されてお
り、その材質がＴｊＡｌ及び／又はＴ　１３Ａ　、１で
あることを特徴とする。

」１記のシャフトと−・体止したタービンホイールは例
えばセラミックシェル鋳型を用いて真空鋳造法により製
造することができる。

また本発明のタービンホイールにおいては、タビンホイ
ールとシャフトの境界部をＲ面形状（Ｒ＞１）とするの
が耐久性の而で好ましい。

他の好ましい態様として、インペラ取付軸部を圧入タイ
プとし、ネジ切り加工を不要にしたものや、流体抵抗を
減少させるためにタービン出口側ハブ先端形状を円筒状
もしくはテーパ状にしたものを挙げることができる。

〈イ乍用〉 タービンホイール材料を上記チタンアルミ合金とすると
、従来の超合金（インコネル７１３Ｃ等）製タービンホ
イールに比べ重量が軽（なり、慣性モメントが小となる
ことから加速レスポンスが良くなる。

またチタンアルミ合金を用いると、セラミックと違って
、タービンホイールとシャフトを一体的に鋳造すること
が可能であることから、タービンホイールとシャフトと
のロウ付は工程が不要となる。

即ち本発明の上記構成は、ターボチャージャの性能を向
上させるとともに、その製造を容易にする。

〈実施例〉 以下、実施例により本発明を更に詳しく説明するが、こ
れによって本発明は何ら限定されるものではない。

実施例１ 第１図は本発明の一実施例に係わる、シャフト２と一体
になったタービンホイール１を示す断面図である。本タ
ービンホイール１は、セラミ・ツクシェル鋳型に真空溶
解したＴｊＡｌを注湯することにより鋳造したものであ
る。その製造方法を以下に説明する。

先ず第１図に示したのと同じような形のホイルとシャフ
トが一体の模型をワ・ソクスで製作し、該模型を第２図
に示すようにツリー状に組み立てて、このツリーを耐火
性スラリーへ浸漬し、引上げてスタッコ砂を振り掛けて
乾燥するという工程を数回繰り返してセラミックシェル
を形成し、その後内部の模型を脱型し、焼成して鋳型と
する。

一方、ＴｊＡｌを真空下で溶解し上記鋳型に流し込み真
空鋳造する。凝固時、シャツ］・が突出しているため、
第２図で説明すればシャツｌ−２→ホイール１→堰３へ
の指向性の強い凝固が行われ鋳巣が発生しない。この鋳
造粗材に対して羽根部の仕上加工およびシャフト部の研
磨し上げを施し、シャフトと一体のタービンホイールを
得た。その後、シャフト他端２ａのネジ切り加工を行い
、そこにインペラをネジ止めして重量バランス調整を行
い、ターボチャージやアッシーを組み立てた。

実施例２ 実施例１とほぼ同様であるが下記の点で異なるタービン
ホイールを製造した。

即ち、シャフト他端のネジ切り加工は面倒であるので、
そこを圧入タイプとし、加工性の問題回避と軽量化（イ
ンペラ取り付はネジの省略）を実現した。またタービン
ホイールとシャフトの境界部７（第１図参照）をＲ面形
状（Ｒ＞１）とし、耐久性の向上を図った。更にタービ
ンホイールとシャツｉ〜の摩擦溶接を行わないため、タ
ービン出口側ハブ形状を円筒状もしくはテーパ状として
流体抵抗を減少させた。

比較例１〜３ 比較例１．２および３として、それぞれインコネル７１
３Ｃ，５Ｌ３Ｎ４およびＴｊＡｌで製作したタービンホ
イールに、５Ｃｒ４０製シヤフトを摩擦溶接もしくはロ
ウ付けしたものを製造した。次いでそれらのシャフト他
端にネジ止めによりインペラを固定し、各々ターボチャ
ージャアッシーを組み立て、実施例１および２のそれと
比較検討した。その結果を第１表に示す。なお各材料の
物性値は第２表に示す通りである。

第１表 第２表 第１表中の重量、慣性モーメント、タービン効率および
加速レスポンスは、全てホイール材質がインコネル７１
３Ｇのものを基準（＝１）にして示しである。第１表か
らホイールとシャフトが一体のＴｉＡｌ製タービンホイ
ールが従来のもの（比較例１〜３）に比べ非常に優れて
いることが分かる。

〈発明の効果〉 本発明のターボチャージャ用タービンホイールによれば
以下のような効果を奏する。

先ずホイールとシャフトの一体化物として鋳造できるた
め、ホイールとシャフトの同軸度が良くなり、回転バラ
ンスの乱れから来る故障が生じない。

またホイール、シャツ）・ともに、比重がインコネル７
１３Ｇや合金鋼５Ｃｒ４０の半分以下のＴｉＡ１ででき
ているため、加速レスポンスが良い。

しかもＴｉＡｌは熱膨張率、ヤング率等の物性値が超合
金インコネル７１３Ｃと同等で、室温から１０００°Ｃ
までの範囲の比強度（強度を比重で割った値）は超合金
やセラミックより太き（、熱衝撃性に優れ、セラミック
のように翼厚を増して羽根数を減らしたり、翼端とター
ビンハウジングとの間隙を大きく取ったりする必要がな
いので、タービン効率が高い。

更にはホイールとシャフトの接合という工程を省（こと
ができるため、製造が容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のタービンホイールを示す断
面図、 第２図は上記タービンホイールの製造用鋳型を作るため
の模型ツリーを概略的に示す図、第３図、第４図及び第
５図は夫々異なる従来のシャフトが接合されたタービン
ホイールを示す断面図である。 図中： １・・・タービンホイール ２・・・シャフト 特 許 出 願 人 トヨタ自動車株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ホィールとシャフトが一体成形されており、その材質が
   ＴｉＡｌ及び／又はＴｉ＿３Ａｌであることを特徴とす
   るターボチャージャ用タービンホィール。