(57)【要約】半径流タービンのためのタービンハウジング13であって、特に排気ガスターボチャージャにおいて用いられるタービン。ハウジングは、タービン軸の周囲に延びる実質的に環状の部分及びそこから延びる入口ダクト20を有する略渦形状を有する。入口ダクト20はハウジングの環状の部分の外面の一部に対向している第１の壁を有し、間隔を空けた一対の羽板44がハウジングの円形の部分の外面から第１の壁に延び、該羽板がその間で谷45を形成する。該構成によってハウジングがより硬化し、疲労亀裂の傾向が減少する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有する半径流タービン用のタービンハウジングであって、該ハウジングは、前記軸の周囲に延びる実質的に環状の部分及びそこから延びている入口ダクトを有する略渦状の形状を具えており、該入口ダクトは前記ハウジングの前記環状の部分の外面の一部に対向している第１の壁と、間隔を空けた少なくとも２つの羽板とを有しており、該羽板はそれぞれハウジングの前記実質的に環状の部分の外面の一部から前記第１の壁に延びており、前記少なくとも２つの羽板はその間で谷を形成しているタービンハウジング。
【請求項２】
前記羽板は、前記ハウジングのそれ以外の部分と一体的に形成される請求項１に記載のタービンハウジング。
【請求項３】
前記ハウジングの実質的に環状の部分から前記入口ダクトの第１の壁にかけて前記羽板の厚みが増加する請求項１又は２に記載のタービンハウジング。
【請求項４】
前記複数の羽板は、前記ハウジングの実質的に環状の部分から前記入口ダクトの第１の壁の方向において分かれている請求項１、２又は３に記載のタービンハウジング。
【請求項５】
前記谷の底部に向かって前記羽板の厚みが増加する上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項６】
前記羽板はそれぞれ少なくとも１つの対向面を有し、前記羽板の該対向面の円弧状下り勾配によって前記谷が形成される上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項７】
前記入口ダクトの第１の壁は円弧状である上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項８】
前記入口の口から前記谷底部まで延びている前記第１の壁に円弧状下り勾配がある上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項９】
前記入口は、外側に延びるフランジを具えた口を有する上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１０】
前記羽板が前記フランジに接合される請求項９に記載のタービンハウジング。
【請求項１１】
前記フランジの外形は略矩形であり、前記羽板はそれぞれフランジの角に実質的に隣接してフランジと接合される請求項１０に記載のタービンハウジング。
【請求項１２】
前記入口ダクトは、前記第１の壁に対向する第２の壁を有し、両壁は中央凹部を有している上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１３】
前記羽板に途切れがない上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１４】
前記ハウジングの環状の部分の外面に鋳造ボスが形成される上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１５】
前記鋳造ボスから前記羽板が延びている請求項１４に記載のタービンハウジング。
【請求項１６】
更に、ハウジングから軸方向に延びる出口を具える上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１７】
前記ハウジングの実質的に環状の部分の外面の隣接した部分から各羽板が延びる上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１８】
２つより多くの羽板が存在し、該羽板の間に複数の谷が形成される上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング。
【請求項１９】
上記請求項の何れかに記載のタービンハウジング内に配置されるタービンホイールを具えるタービン。
【請求項２０】
上記請求項の何れかに記載のタービンハウジングを有するタービンに接続した圧縮機を具えるターボチャージャ。
【請求項２１】
タービンハウジングを鋳造する方法であって、該方法は、溶融材料が注入される開口を形成する鋳造ダイを準備するステップを具えており、該ダイは実質的に環状の部分及びそこからほぼ接線方向に延びる入口ダクトを有する略渦形の形状を有しているタービンハウジングを形成するように成型されており、前記ダイは、入口ダクトの第１の壁を形成するための第１の表面と入口ダクトの第１の壁に対向するハウジングの実質的に環状の部分の隣接した円弧状表面を形成するための第２の表面とを有しており、前記ステップは、第１及び第２表面の間に延びて間隔を空けた流路を提供する間隔を空けた少なくとも２つのチャネルを有するようにダイを構成することと、前記ダイ開口から溶融材料をダイに導入して該材料の一部をチャネルに沿って流れさせ、材料を凝固させて、それから凝固した材料をダイから放出させることとを含む方法。
【請求項２２】
更に、前記開口と前記入口ダクト上に形成されるフランジとの間の２つの流路に沿って材料が流れるように前記チャネルを提供することを具える請求項２１に記載のタービンハウジングを鋳造する方法。
【請求項２３】
前記２つの流路は分かれている請求項２１又は２２に記載の鋳造方法。
【請求項２４】
第１の表面から第２の表面に向かう方向においてチャネルの幅が増大する請求項２１、２２又は２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半径流タービンのためのハウジングに関し、特に、排気ガスターボチャージャに組み込まれるこのようなタービンに関するがこれに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャは、大気圧を上回る圧力（ブースト圧）で内燃機関の通風口に空気を供給する周知の装置で、自動車などに広く使われている。従来のターボチャージャは、図１に示されており、ターボチャージャ軸11の一端に回転可能に取り付けられた排気ガス駆動の半径流タービンホイール10と、前記ターボチャージャ軸の他端に取り付けた圧縮機インペラホイール12とを具えている。両ホイール10、12はそれぞれ、排気ガス入口14と出口15とを有しているタービンハウジング13、及び吸気口17と圧縮空気出口渦18とを有している圧縮機ハウジング16において受け入れられる。排気ガスがタービンハウジングを通過することによって、タービンホイール10が回転駆動され、次に、圧縮機インペラ12がそのハウジング内で回転して圧縮空気を内燃機関の吸気マニホールド（図示せず）に送り、それによって機関軸出力が増大する。
【０００３】
半径流タービンのタービンホイールはタービンハウジング13（図２において外観が示される）内に取り付けられ、タービンホイール10の周囲とハウジング内部との間の空間によって環状の通路19（図１）が形成され、略円筒状の軸方向出口15がタービンホイールから延びている。環状の通路19は、ハウジング内に形成されて前記環状の通路の接線方向に延びる入口ダクト20に接続している。入口ダクト20はその開放端において、排気マニホールドへ接続するために、外側に延びるフランジ21を有する。入口ダクト20に入った排気ガスは、タービンホイール10及び環状の通路19を介して出口15へと流れ、それによってタービンホイール10が駆動される。入口ダクト20、環状の通路19及び出口15を配置することによって、タービンハウジングの外部は渦形又は螺旋形の外観となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボチャージャ操作の間、タービンハウジングは、加熱冷却サイクルに繰り返し曝される。機関が低温度から始まるとき、タービンハウジングは通常周囲温度状態にあるが、特に高負荷の下では、これは通常の操作の間に大きく上昇し、それによってハウジングが膨張する。機関のスイッチを切ると、ハウジングは冷えて収縮し始める。ハウジングが繰り返し伸縮することによって該ハウジングに熱疲労亀裂が発生しやすくなり、伸縮率が異なってもよい領域において特に発生しやすい。特に懸念される領域の１つとしては、入口ダクト20が渦のそれ以外の部分と接合するフィレット22（図２）であり、それは一般にハウジングの「あご」として知られている。実質的に、入口ダクト20が渦形から「巻きが戻る」傾向があるため、高い熱応力はこの接合部で生じる。
【０００５】
疲労寿命を向上させる最も簡単で最も確かな方法は、あごの半径寸法を大きくし、渦と入口の間の遷移をできる限り緩やかにすることであるが、これは広さ制約のため必ずしも適用可能ではない。
【０００６】
この種類のタービンハウジングは通常、矩形開口を有する鋳造型を用いる鋳造操作によって形成される。鋳造作業の結果、鋳造供給ボス23がハウジングの外面上の開口部によって、あご22に隣接して形成される。例えばボス23とあご領域22内の入口ダクト20の外部との間の領域を充填する支持羽板を提供することによってあご領域を材料で充填する試みがなされてきた。この結果、あご領域のハウジングが硬化して疲労亀裂が減少した。これは更に、入口ダクト上のフランジ21を形成するために鋳造作業に必要な大量の溶融材料のための直接の供給通路として働く鋳造「橋」を提供するという利点を有する。しかしながら、必要である莫大な量の材料のために更なる応力が生じることが分かり、いくつかの例においては、このためにフランジに歪曲及び応力が発生した。
【０００７】
本発明の目的は、ターボチャージャのタービンのための改良されたハウジングを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、回転軸を有している半径流タービンのためのタービンハウジングであって、該ハウジングは、前記軸の周囲に延びている実質的に環状であるか又は環状の部分及びそこから延びている入口ダクトを有する略渦形の形状を具えており、該入口ダクトはハウジングの環状の部分の一部に対向している第１の壁と、間隔を空けた少なくとも２つの羽板とを有し、該羽板はそれぞれ、ハウジングの実質的に環状であるか又は環状の部分の外面から第１の壁へと延び、前記少なくとも２つの羽板はその間で谷を形成するタービンハウジングが提供される。
【０００９】
間隔を空けた羽板を用いて、入口ダクトを渦のそれ以外の部分に接続することによって、更なる熱応力を作用させることなくハウジングは疲労亀裂を回避するのに十分に硬化される。
【００１０】
羽板は２つだけではなくそれより多くてもよいことが理解される。
【００１１】
羽板は、ハウジングと一体的に形成されてもよく、環状の部分から入口ダクトにかけて厚みが増大してもよい。羽板は、最初に長さ方向に厚みが減少してもよく、それから入口ダクトに接合する前に厚みが増大してもよい。それらは同じ方向において分岐してもよい。羽板は谷の底部に向かって厚みが増大してもよい。
【００１２】
前記谷は、羽板の互いに対向する面における円弧状下り勾配によって形成される。
【００１３】
入口ダクトの第１の壁は円弧状であってもよい。
【００１４】
開口部の口を谷底部まで延ばしている前記第１の壁上に円弧状下り勾配があってもよい。
【００１５】
入口の口は、外側に延びるフランジを有してもよい。羽板は、前記フランジに接合してもよい。
【００１６】
フランジの輪郭は略矩形であり、羽板はその角と実質的に隣接している（その角に位置していてもよい）フランジに接続する。
【００１７】
入口ダクトは前記第１の壁の反対側に第２の壁を有し、該両壁は中央凹部を有する。前記フランジは、対応する凹部を有してもよい。
【００１８】
羽板は、途切れていなくてもよい。
【００１９】
羽板は、ハウジングの環状部分外面の隣接した部分に形成される鋳造ボスから延びてもよい。
【００２０】
ハウジングは、ハウジングから軸方向に延びる出口を有してもよい。
【００２１】
本発明の第２の態様によれば、ターボチャージャに用いられる半径流タービンが提供され、該タービンは、上記で定義されるようにハウジングに回転式に取り付けられ、回転軸の周囲を回転するタービンホイールを具える。
【００２２】
本発明の第３の態様によれば、上で定義されるようなハウジングを有している半径流タービンに接続している圧縮機を具えるターボチャージャが提供されている。
【００２３】
本発明の第４の態様によれば、タービンハウジングを製造する方法が提供され、該方法は、溶融材料が注入される開口を形成している鋳造ダイを提供するステップを具え、該ダイは、実質的に環状であるか又は環状の部分とそこからほぼ接線方向に延びる入口ダクトとを有する略渦形の形状を具えるタービンハウジングを形成するように成型されており、前記ダイは、入口ダクトの第１の壁を形成する第１の表面と、入口ダクトの第１の壁に対向する、ハウジング環状部分の隣接した円弧状表面を形成する第２の表面とを有しており、前記ステップは、第１及び第２の表面の間に延びて間隔を空けた流路を提供する間隔を空けた少なくとも２つのチャネルを有するようにダイを構成することと、前記ダイ開口から溶融材料をダイに導入して該材料の一部を前記チャネルに沿って流れさせ、材料を凝固させて凝固した材料をダイから放出させることとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明が用いられることができるターボチャージャの径方向に切断された図である。
【図２】図２は、図１のターボチャージャに用いられる従来のタービンハウジングの斜視図である。
【図３】図３は、本発明によるタービンハウジングの第１の実施形態を入口ダクトの方向から見た端面図である。該ハウジングは図１に示されるようなターボチャージャ用に適当である。
【図４】図４は、図３のタービンハウジングを片側から見た斜視図である。
【図５】図５は、本発明によるタービンハウジングの第２の実施形態を片側から見た斜視図である。
【図６】図６は、図２の従来のタービンハウジングに対応するが、鋳造作業の間の、入口ダクトと渦のそれ以外の部分との間における材料の流れを記号で示している。
【図７】図７及び８は、図３及び４に対応するが、本発明によるダイ鋳造プロセスの間の、入口ダクトと渦のそれ以外の部分との間における材料の流路を記号で示している。
【図８】図７及び８は、図３及び４に対応するが、本発明によるダイ鋳造プロセスの間の、入口ダクトと渦のそれ以外の部分との間における材料の流路を記号で示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
ここで本発明の具体的な実施形態を、単に一例として、添付の図面を参照して説明する。
【００２６】
ここで図３及び４を参照して、ターボチャージャタービン用の第１の例示的なタービンハウジング30は、タービンホイール（図示せず）のための中央回転軸Ｘと、該軸の周囲の環状通路31と、該環状通路から略接線方向に延びる入口ダクト32とを形成する略渦形の形状の鋳造物である。前記環状通路は、小さな隙間でタービンホイールを包囲するように設計されている。円筒状の出口ダクト33は、前記ハウジングの片側から軸方向に延びて、前記回転軸と実質的に同軸である。
【００２７】
前記入口ダクト32は互いに対向する側壁34、35によって形成され、該側壁34、35は、互いに対向する前壁及び後壁36、37と接続する。前記側壁34、35は実質的に直線で互いに平行であるのに対して、前壁及び後壁36、37は前記ダクト32によって形成される通路40に内向きに突出する中央凹部38、39を有する。前記入口ダクト32の開放端は外側に延びるフランジ41を有し、該フランジは前記入口ダクトの形状に沿って、開口部がその中心で深く内側に変形している。フランジの四隅には、ターボチャージャが接続される機関の排気マニホールド（図示せず）に接続するための固定開口42が形成される。
【００２８】
渦の曲線状の外面に、入口ダクト32に隣接するが間隔を空けて、およそ矩形の鋳造ボス43が存在する。ハウジング30と一体的に形成される、間隔を空けた一対の羽板（Ｗｅｂ）44は、鋳造ボス43の最も近くの角からフランジ41まで別々に延び、フランジ角に隣接する後壁37と接合する。各羽板44の厚みはフランジ41に向かって徐々に増大しており、両羽板は下方へ、入口ダクトと渦のそれ以外の部分との間に形成される「あご」領域に延びる。そして厚みが再度徐々に増大し、それによって円弧状下り勾配46を有する谷45を形成する。ダクト32及びフランジ41の後壁37の表面も円弧状であり、そのため谷45の全体の形態は、さじの凹部分のようになる。各羽板44の表面、入口ダクト32及びフランジ41の後壁37、そして谷45は、滑らかで途切れがないことが好ましい。
【００２９】
羽板44において薄い部分から厚い部分へ滑らかに遷移することによって、疲労亀裂の危険性が著しく減少する。
【００３０】
羽板44及びその間の谷45によって、ハウジングは更なる剛性を具え、可変形状タービン用の排気ブレーキ又は電気アクチュエータ等の大きい接続物によって課される高い静的及び動的負荷に耐えることができる。ハウジングを硬化させることによって共振条件が機関運転速度以上に保たれ、疲労亀裂だけでなく、入口ダクトと渦のそれ以外の部分との間における材料の熱慣性による応力の発生も通常回避される。
【００３１】
ハウジングの第２の実施形態は、図５において示される。図３及び４の実施形態と共通の構成要素には、同一参照番号に100増加した番号を付し、図３及び４のそれらと異ならない限り更に説明していない。このタービンハウジング130は、壁150が入口の口を２つに分割しているツインエントリー入口132を有している。入口ダクト132は、フランジ141と鋳造ボス143との間にかけて延びる羽板144が同一に配置されることによって渦のそれ以外の部分に接続している。そして、凹状谷145がここでも羽板144の間に形成される。
【００３２】
図６、７及び８は、ダイ鋳造プロセスにおける材料の流れの改良を図示する。図６において従来のタービンハウジングを表しているが、矢印によって表されるように、溶融材料は、鋳造ボス23から流れて渦の環状部分の周囲を流れ、あご領域22へ流れた後、入口ダクト20に沿ってフランジ21に流れる。比較的厚いフランジを形成するために著しい量の材料が必要であり、渦を形成する、ダイの薄い壁の通路に沿ってこの材料が通過しなければならないことが理解されるだろう。一方、図７及び８を参照して、本発明によるタービンハウジングを製作するためのダイは間隔を空けた２つの異なるチャネルを提供し、該チャネルによって、材料は、矢印によって表されるように、渦の環状部分の外面上の鋳造ボス43からフランジ41及び入口ダクト32の前壁36に直接流れる。溶融材料はダイ開口に導入され、該材料のいくらかは開口から入口ダクトまで前記２つのチャネルに沿って流れ、図において表される２つの羽板44を形成する。
【００３３】
上記の構成に対する多数の変形が、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の要旨を逸脱しない範囲で可能であることが理解されるだろう。例えば、ちょうどよい位置に鋳造ボスがない場合、羽板は単にハウジングの曲線状の表面から延びてもよく、該羽板はフランジの角において又はその近くでフランジと接合してもよい。又、本発明が、ターボチャージャ以外に適用される半径流タービンにも適用できることが理解される。更に又、３つ以上の羽板が存在し、隣接した羽板間に谷があるように構成される実施形態が考えられる。
【００３４】
本発明は図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されるが、それは特性において例示的であり限定的でないと見なされ、好ましい実施形態だけが図と共に記載されており、本発明の精神の範囲内で行われるすべての改変と変更態様は保護されることが望まれると理解される。「好ましい」、「好ましくは」、「好まれる」又は「より好ましい」等の語が上記の説明において使用されることによって、そのように説明される特徴がより望ましくてもよく、それでいて必要でなくてもよく、それらの語を伴わない実施形態も、請求項によって定義される本発明の範囲内であると考えられてもよいことが理解される。請求項を読むにあたり、「１つの」、「少なくとも１つの」、又は「少なくとも一部」等の語が用いられるとき、請求項において特にそれと異なる記述がない限り、請求項を１つだけの要素に限定する目的がないことが意図されている。「少なくとも一部」及び／又は「一部」という語が用いられるとき、特にそれと異なる記述がない限り、要素の一部及び／又は要素全体を含んでもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009544882.tif 000009
【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月26日(2009.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
回転軸を有する半径流タービン用のタービンハウジングであって、該ハウジングは、前記軸の周囲に延びる実質的に環状の部分及びそこから延びている入口ダクトを有する略渦状の形状を具える鋳造物からなり、該入口ダクトは前記ハウジングの前記環状の部分の外面の一部に対向している第１の壁と、間隔を空けた少なくとも２つの羽板とを有しており、該羽板はそれぞれハウジングの前記実質的に環状の部分の外面の一部から前記第１の壁に延びており、前記少なくとも２つの羽板はその間で谷を形成しているタービンハウジング。
【国際調査報告】
2009544882.tif 000011
2009544882.tif 000012
2009544882.tif 000013