JPH0525011B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、自動車のエンジンに適用されてい
るターボチヤージヤのシヤフト構造に関する。

〔従来の技術〕

従来、内燃機関の排気ガスエネルギーによつて
駆動されるタービンのシヤフトに電動−発電機を
設けて排気ガスエネルギーの有効活用を計る超高
速電動−発電機については、本出願人が既に先願
として出願した特願昭60−190095号に開示されて
いる。

この超高速電動−発電機について、第２図を参
照して概説する。この超高速電動−発電機３０
は、内燃機関の排気ガスエネルギーにより駆動さ
れるタービン３２に連結したものであり、三対以
上の対磁極を有する永久磁石の回転子３４と、フ
エライトコアから成る固定子コア３５とを有する
ものである。

この回転子３４は、リング状の構造であり、タ
ービンインペラ３６とコンプレツサインペラ３７
との間のシヤフト３１に設けられている。また、
この回転子３４の外周部に対して固定子コア３５
が配設されている。更に、強力な永久磁石の回転
子３４の外周には、チタン合金、或いは部分安定
化ジルコニア、又はステンレンススチールより成
る高抗張力薄肉パイプ３８を圧入して補強し、永
久磁石が超高速回転による遠心力や振動を受けて
も、十分に強固な永久磁石の回転子３４として耐
久力を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般に、ターボチヤージヤの耐久性、信頼性で
最も重要なことの１つに、ターボチヤージヤシヤ
フト軸受との間の焼付け防止が挙げられる。元
来、ターボチヤージヤとレシプロエンジンとで
は、潤滑特性が大幅に異なるので、潤滑油を共用
で使用するのには無理がある。しかし、別の潤滑
系を設け、潤滑系を２系統にすることは、コスト
的、構造上等から極めて無理なことである。従つ
て、ターボチヤージヤシヤフトとベアリングとを
セラミツクス化することによつて、焼付き現象を
防止することが有効である。

ところで、上記特願昭60−190095号に開示され
ている超高速電動−発電機３０では、タービン３
２は排気ガスエネルギーから熱エネルギーを得て
高温になるが、このタービン３２が高温になるこ
とによつてタービン３２とコンプレツサ３３との
間に配設された永久磁石から成る回転子３４はそ
の温度の影響即ち輻射、伝導によつて伝わる熱の
影響を受けることになる。

更に、タービン３２とコンプレツサ３３とを駆
動連結するシヤフト３１には永久磁石から成る交
流器等の回転子３４が配設されており、排気ガス
の高温の熱がタービン３２のタービンインペラ３
６及びシヤフト３１を通じて回転子３４に伝わる
という現象が生じる。しかしながら、永久磁石か
ら成る回転子３４は高温の熱に弱いという問題点
を有している。

即ち、磁石は温度の上昇に伴つてキユーリー点
を超えて磁力が低下する特性を持つているため、
シヤフト３１からの熱伝導を極力抑え、磁石の温
度上昇を防ぐことが、ターボチヤージヤジエネレ
ータの発電性能を低下させないために必要であ
る。即ち、永久磁石については、熱に対して極め
て弱く、温度が約200℃以上になると、減磁率は
大幅に劣化するものであり、例えば、約200℃で
の減磁率は約５％であるが、約300℃での減磁率
は約30％にも達する性質を有している。また、シ
ヤフト３１が、例えば、10万rpm以上の超高速回
転する場合に、シヤフト３１の曲がり現象が生じ
るという問題点を有している。

そこで、この発明の目的は、上記の問題点を解
消することであり、エンジンの排気ガスの熱を受
けて高温状態になるタービンから伝導、輻射によ
つて伝えられる熱、即ち、前記タービンとコンプ
レツサとを駆動連結するシヤフトを介して伝わる
高温の熱を遮熱し、前記タービンと前記コンプレ
ツサとの間に配設された永久磁石から成る回転子
を高熱から保護してターボチヤージヤジエネレー
タの発電性能の低下を阻止し、また前記シヤフト
が超高速回転になつても前記シヤフトが曲がるよ
うな現象が生じるのを防止し、更にコンプレツサ
のインペラの温度上昇を防止し、過給空気温度の
上昇を防止するターボチヤージヤのシヤフト構造
を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、次
のように構成されている。即ち、この発明は、一
端にタービンブレードを他端にインペラを固定し
たシヤフト、該シヤフトの高速回転時の前記シヤ
フトの曲がりを防止する補強のため前記シヤフト
の外周に断熱層を設けて嵌合したセラミツク材料
から成る高剛性パイプ部材、及び前記タービンブ
レードと前記インペラとの間で前記高剛性パイプ
部材の外周に固定し且つ電動・発電機を構成する
永久磁石から成る回転子、を有することを特徴と
するターボチヤージヤのシヤフト構造に関する。

また、このターボチヤージヤのシヤフト構造に
おいて、前記断熱層は前記高剛性パイプ部材の内
周面に形成された空気層で構成されている。

また、このターボチヤージヤのシヤフト構造に
おいて、前記インペラは断熱材を介して前記シヤ
フトに固定されているものである。

また、このターボチヤージヤのシヤフト構造に
おいて、前記高剛性パイプ部材を構成するセラミ
ツク材料はサーメツト材料である。

〔作用〕

この発明によるターボチヤージヤのシヤフト構
造は、以上のように構成されており、次のように
作用する。即ち、このターボチヤージヤのシヤフ
ト構造は、一端にタービンブレードを他端にイン
ペラを固定したシヤフトの外周に断熱層を設けて
高剛性パイプ部材を嵌合し、前記高剛性パイプ部
材の外周に永久磁石から成る回転子を配設したの
で、前記シヤフトが超高速回転したとしても、前
記シヤフトは前記高剛性パイプ部材で補強される
ので、曲がるようなことがない。また、前記高剛
性パイプ部材は前記シヤフトに断熱層を設けて嵌
合固定しているので、タービンからの熱伝導は阻
止され、前記永久磁石から成る前記回転子に対し
て前記タービンからの熱が完全に遮熱され、前記
永久磁石から成る前記回転子は熱影響を受けるこ
とがない。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるターボ
チヤージヤのシヤフト構造の一実施例を詳述す
る。第１図において、この発明によるターボチヤ
ージヤのシヤフト構造が符号１０によつて示され
ている。このターボチヤージヤのシヤフト構造１
０が適用された内燃機関のターボチヤージヤは、
エンジンの排気ガスによつて駆動されるタービ
ン、前記タービンの駆動によつて過給するコンプ
レツサ、及び前記タービンによつて駆動される超
高速電動−発電機を有する。

前記タービンについては、タービンケーシング
内に排気ブレード即ちタービンブレード４が配置
されたものである。また、前記コンプレツサにつ
いては、コンプレツサケーシング内にインペラ２
が配置されたものである。更に、タービンブレー
ド４とインペラ２とは、シヤフト１によつて伝動
連結されている。即ち、ターボチヤージヤのシヤ
フト１の一端にはインペラ２がコンプレツサ軸１
１を介して固定され、またターボチヤージヤのシ
ヤフト１の他端にはタービンブレード４がタービ
ン軸１２を介して固定されている。

また、タービンブレード４とインペラ２とを連
結するシヤフト１の中間部に配設されている超高
速電動−発電機については、ここでは上記特願昭
60−190095号に開示されている内燃機関のターボ
チヤージヤにおける超高速電動−発電機と同様な
構成及び機能を有するものであり、電動機又は発
電機として機能する。

この超高速電動−発電機は、センタケーシング
内を貫通するシヤフト１の中央部に取付けられた
軸方向に伸長する永久磁石から成る回転子３、薄
肉パイプ、固定子コア、固定子巻線等（図示省
略）から成る。

ターボチヤージヤのシヤフト１は、センタケー
シングに固定されたベアリング及びフロートベア
リングを介して回転自在に支持されている（図示
省略）。タービンブレード４は、タービンスクロ
ールにエンジンの排気マニホルドを通じて送込ま
れる排気ガスの流れ即ち排気ガスエネルギーを受
けて回転し、排気ガスを軸線方向に排気する（図
示省略）。また、コンプレツサのインペラ２は、
吸気口からコンプレツサスクロールに導入された
空気をデイフユーザによつて圧力変換してエンジ
ンの吸気マニホルドに送込む作用を果たす（図示
省略）。

超高速電動−発電機は、タービンによつて駆動
され、ステータコイルに電圧を誘起し、この電圧
を電源側に戻す機能を果たすもので、即ち回生電
圧をバツテリに充電したり又は負荷として利用で
きるように機能するものである。

以上の構成において、この発明によるターボチ
ヤージヤのシヤフト構造１０については、シヤフ
ト１の一端にタービンブレード４を固定し且つ他
端インペラ２を固定しているが、更にシヤフト１
の外周にはサーメツト材料、セラミツク材料等か
ら成る高剛性パイプ部材５が嵌合されている。

サーメツトについては、主成分はチタンカーバ
イト、窒化チタンで、硬さ、耐熱性、耐摩耗性等
に富んだ強靭性、可塑性等を有する一種のセラミ
ツク複合材料である。このサーメツト材料につい
ては、ヤング率：約4.5、抗折力：150Kg／mm²、比
重：６であり、それ故に高剛性を有する材料であ
る。従つて、このサーメツト材料をパイプ形状に
形成して高剛性パイプ部材５を構成し、この高剛
性パイプ部材５を剛性体として使用するのは極め
て有効である。即ち、例えば、10万rpm以上の超
高速に回転するシヤフト１の外側に嵌合して使用
した場合に、高速によつて生じるシヤフト１の撓
み、曲がりを防止し、且つシヤフト１に伝わつた
熱を断熱するのに極めて有効である。

更に、シヤフト１と高剛性パイプ部材５との間
に空気層である断熱層６を形成し、高剛性パイプ
部材５上に超高速電動−発電機における永久磁石
から成る回転子３を配設している。この断熱層６
は、高剛性パイプ部材５の内周面に形成された複
数個の環状溝によつて形成されている空気層であ
る。この断熱層６には、場合によつては、チタン
酸カリウムウイスカー等から成る断熱材を充填す
ることもできることは勿論である。このようにし
て、シヤフト１と高剛性パイプ部材５との間に断
熱層６を形成し、高剛性パイプ部材５をサーメツ
ト材料等で構成することによつて、タービンブレ
ード４及びシヤフト１からの熱伝導を遮熱し、高
剛性パイプ部材５の外周部に熱が伝導される現象
を防止できる。

一方、高剛性パイプ部材５は炭化珪素、窒化珪
素等から作ることも可能であり、窒化珪素材を使
えば、軽量化を実現する利点もある。

即ち、内燃機関の排気ガスエネルギーの熱を受
けて高温状態になるタービンから伝導、輻射によ
つて伝えられる熱は、タービンとコンプレツサと
を伝導連結するシヤフト１を介して伝導される
が、このシヤフト１からの熱伝導を高剛性パイプ
部材５及び断熱層６によつて阻止し、高剛性パイ
プ部材５の外周に配設された永久磁石から成る回
転子３の温度上昇を防止することができる。ま
た、セラミツク材料のシヤフトを超高速回転シヤ
フトに使うことにより、焼付性が少なくなり、耐
久性に優れるという利点もある。

また、コンプレツサのインペラ２は、チタン酸
カリウムウイスカー等から成る断熱材７を介して
シヤフト１に固定されている。詳しくは、シヤフ
ト１と一体に形成されたコンプレツサ軸１１即ち
シヤフト１の一端部にパイプ状の断熱材７を嵌合
し、断熱材７の外周にインペラ２を嵌合し、コン
プレツサ軸１１の端部に形成されたボルト９にナ
ツト８を螺入し、インペラ２をシヤフト１に固定
している。インペラ２とシヤフト１との間に断熱
材７を介在させることによつて、シヤフト１から
の熱伝導を抑え、インペラ２自体の温度上昇を阻
止し、インペラ２によつて過給空気の温度上昇を
防止することができる。

断熱材７については、例えば、チタン酸カリウ
ムウイスカーを主成分とする断熱シート、チタン
酸カリウムウイスカーとアルミナフアイバとを混
合した断熱シート、或いはこれらの断熱シートを
ステンレススチール等で被覆補強した断熱ガスケ
ツト等を使用することができる。

〔発明の効果〕

この発明によるターボチヤージヤのシヤフト構
造は、以上のように構成されているので、次のよ
うな特有の効果を奏する。即ち、この発明は、一
端にタービンブレードを他端にインペラを固定し
たシヤフトの外周に断熱層を設けて高剛性パイプ
部材を嵌合し、前記高剛性パイプ部材外周に永久
磁石から成る回転子を配設したので、前記永久磁
石から成る前記回転子に対してタービンからの熱
が完全に遮熱され、前記永久磁石から成る前記回
転子は前記タービンからの高温の熱影響を受ける
ことがなく本来の永久磁石の機能を果たすことが
でき、従つてターボチヤージヤジエネレータの発
電性能が低下するようなことがなく、しかも高剛
性であるばかでなく、耐摩耗性も良好であり、耐
久性に富んだものとなる。

また、前記インペラは断熱材を介して前記シヤ
フトに固定されているので、前記タービンから前
記シヤフトを通じて伝導される熱伝導を抑え、前
記インペラ自体の温度上昇を阻止し、コンプレツ
サを通る過給空気が前記インペラによつて温度上
昇するのを防止することができる。

また、前記シヤフトの外周に嵌合した高剛性パ
イプ部材をサーメツト材料等のセラミツク材料か
ら構成しているので、この前記高剛性パイプ部材
で補強した前記シヤフトを、例えば、10万rpm以
上の超高速で回転するシヤフトとして使用した場
合に、高速によつて生じる前記シヤフトの撓み、
曲がりを防止し、且つ前記シヤフトに伝わつた熱
を断熱するのに極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるターボチヤージヤのシ
ヤフト構造の一実施例を示す断面図、及び第２図
は従来の超高速電動−発電機を示す断面図であ
る。 １……シヤフト、２……インペラ、３……回転
子、４……タービンブレード、５……高剛性パイ
プ部材、６……断熱層、７……断熱材、１０……
ターボチヤージヤのシヤフト構造、１１……コン
プレツサ軸、１２……タービン軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一端にタービンブレードを他端にインペラを
   固定したシヤフト、該シヤフトの高速回転時の前
   記シヤフトの曲がりを防止する補強のため前記シ
   ヤフトの外周に断熱層を設けて嵌合したセラミツ
   ク材料から成る高剛性パイプ部材、及び前記ター
   ビンブレードと前記インペラとの間で前記高剛性
   パイプ部材の外周に固定し且つ電動・発電機を構
   成する永久磁石から成る回転子、を有することを
   特徴とするターボチヤージヤのシヤフト構造。 ２ 前記断熱層は前記高剛性パイプ部材の内周面
   に形成された空気層であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項に記載のターボチヤージヤのシ
   ヤフト構造。 ３ 前記インペラは断熱材を介して前記シヤフト
   に固定されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のターボチヤージヤのシヤフト構
   造。 ４ 前記高剛性パイプ部材を構成するセラミツク
   材料はサーメツト材料であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のターボチヤージヤの
   シヤフト構造。