(57)【要約】      （修正有）【課題】吐出流路内での圧力損失を低減できる遠心圧縮機を提供することを目的とする。【解決手段】コンプレッサ翼車と、コンプレッサ翼車の周囲に配置され、且つ流路５３が形成されたスクロール７と、を備え、流路５３は、コンプレッサ翼車の回転方向Ｒｄに沿ったスクロール流路５４と、スクロール流路５４の回転方向の終点部分５４ｂに接続された吐出流路５５と、スクロール流路５４の回転方向Ｒｄの始点部分５４ａと吐出流路５５の側部５６とを接続する合流口５７とを備え、回転方向Ｒｄに沿って始点部分５４ａから合流口５７までの領域において、流路５３の中心線に直交する流路断面の面積が最大となる部分を最大断面部とした場合に、合流口５７から吐出流路５５における下流側の領域において、最大断面部よりも流路断面の面積が小となる絞り断面部が設けられている、コンプレッサである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラと、前記インペラの周囲に配置され、且つ流路が形成されたスクロールと、を備え、
前記流路は、前記インペラの回転方向に沿ったスクロール流路と、前記スクロール流路の前記回転方向の終点部分に接続された吐出流路と、前記スクロール流路の前記回転方向の始点部分と前記吐出流路の側部とを接続する合流口とを備え、
前記回転方向に沿って前記始点部分から前記合流口までの領域において、前記流路の中心線に直交する流路断面の面積が最大となる部分を最大断面部とした場合に、
前記合流口から前記吐出流路における下流側の領域において、前記最大断面部よりも前記流路断面の面積が小となる絞り断面部が設けられている、遠心圧縮機。
【請求項２】
前記最大断面部の面積をＳ１、前記絞り断面部の面積をＳ２、前記スクロール流路における流路断面が最小となる最小断面部の面積をＳ３と定義した場合に、以下の式１を満たす、請求項１記載の遠心圧縮機。
Ｓ１-Ｓ３≦Ｓ２・・・（式１）
【請求項３】
前記吐出流路は、前記インペラの回転軸線に近い側の内側部と、前記回転軸線から遠い側の外側部とを備え、
前記絞り断面部は、前記内側部が前記流路の中心線側である内方に窪んでいる、請求項１または２記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記スクロールは、前記スクロール流路が形成されたボリュート部と、前記吐出流路が形成された吐出部と、前記合流口の下流側の縁に沿って設けられた舌部とを備え、
前記絞り断面部は、前記舌部に接する部分に設けられている、請求項１〜３のいずれか一項記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
インペラと、前記インペラの周囲に配置され、且つ流路が形成されたスクロールと、を備え、
前記流路は、前記インペラの回転方向に沿ったスクロール流路と、前記スクロール流路の前記回転方向の終点部分に接続された吐出流路と、前記スクロール流路の前記回転方向の始点部分と前記吐出流路の側部とを接続する合流口とを備え、
前記スクロールは、前記スクロール流路が形成されたボリュート部と、前記吐出流路が形成された吐出部と、前記合流口の下流側の縁に沿って設けられた舌部とを備え、
前記舌部は、前記流路の中心線側である内方に突き出ている、遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インペラの外周にディフューザを介して渦巻状のスクロールを配置した遠心圧縮機が知られている。この種の遠心圧縮機では、インペラによって圧縮された流体がディフューザを介してスクロールに導入され、スクロールで適宜に減速されて静圧回復が図られる。スクロール内には螺旋状のスクロール流路が形成されており、スクロール流路の流れ方向の終点部分には吐出流路が接続されている。スクロール流路の始点部分は吐出流路の側部に接続されて舌部が形成されており、吐出流路を流れる流体の一部は、舌部に案内されるようにスクロール流路内に再流入して循環する。スクロール流路は、通常、図心を一定にしつつ、始点部分から終点部分までの流れ方向において、面積が徐々に拡大するように形成されている（特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開２０１２／０９０６４９号
【特許文献２】国際公開２０１２／１３２５２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の遠心圧縮機では、特に小流量作動時において、吐出流路内で逆流による圧力損失を引き起こす可能性があった。
【０００５】
本発明は、吐出流路内での圧力損失を低減できる遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、吐出流路の舌部よりも下流側において剥離による逆流が生じている箇所があり、この逆流によって圧力損失が生じているとの知見を得た。この剥離は、小流量作動時において吐出流路に向かわずスクロール流路内を再循環する流量の割合が増加することによって、吐出部を通過する流量が減少し、その結果、スクロール流路の始点部分と吐出流路とを接続する合流口を境に流路断面が急拡大となることによって生じていると考えられる。ここで、再循環によって減少する流量を考慮し、流路断面を絞り適切な断面積とすることで、逆流を防止できるとの着想を得たが、一方で流路断面を絞ることで大流量作動時には逆に圧力損失の増加が懸念された。そこで、小流量作動時における圧力損失の低減と大流量作動時における圧力損失の増加とを比較検証したところ、流路断面を絞ったとしても小流量作動時の圧力損失の低下に比べて、大流量作動時の圧力損失の増加の程度は小さいとの知見を得て、本発明に想到した。
【０００７】
本発明の一態様は、インペラと、インペラの周囲に配置され、且つ流路が形成されたスクロールと、を備え、流路は、インペラの回転方向に沿ったスクロール流路と、スクロール流路の回転方向の終点部分に接続された吐出流路と、スクロール流路の回転方向の始点部分と吐出流路の側部とを接続する合流口とを備え、回転方向に沿って始点部分から合流口までの領域において、流路の中心線に直交する流路断面の面積が最大となる部分を最大断面部とした場合に、合流口から吐出流路における下流側の領域において、最大断面部よりも流路断面の面積が小となる絞り断面部が設けられている、遠心圧縮機である。
【０００８】
この遠心圧縮機では、合流口から吐出流路における下流側の領域に絞り断面部を設けており、その結果、特に小流量作動時における流体の逆流を防ぎ易くなり、圧力損失の低減に有利となる。
【０００９】
いくつかの態様において、最大断面部の面積をＳ１、絞り断面部の面積をＳ２、スクロール流路における流路断面が最小となる最小断面部の面積をＳ３と定義した場合に、下記の式１を満たす遠心圧縮機とすることができる。
Ｓ１-Ｓ３≦Ｓ２・・・（式１）
【００１０】
この遠心圧縮機によれば、大流量作動時の圧力損失の増加を抑えながら小流量作動時の圧力損失を効果的に低減し易くなる。
【００１１】
いくつかの態様において、吐出流路は、インペラの回転軸線に近い側の内側部と、回転軸線から遠い側の外側部とを備え、絞り断面部は、内側部が流路の中心線側である内方に窪んでいる遠心圧縮機とすることができる。吐出流路の逆流は、吐出流路の内側部側で生じる剥離が原因と考えられる。そして内側部を内方に窪ませることにより、剥離が生じ易い領域を減らすことができ、逆流の効果的な抑止に有利である。
【００１２】
いくつかの態様において、スクロールは、スクロール流路が形成されたボリュート部と、吐出流路が形成された吐出部と、合流口の下流側の縁に沿って設けられた舌部とを備え、絞り断面部は、舌部に接する部分に設けられている遠心圧縮機とすることができる。舌部に接する部分を絞り断面部にすると、絞り断面部は、合流口の下流側の縁に沿って設けられていることになり、その結果、絞り断面部を合流口に近接して設けることが可能になり、逆流の効果的な抑止に有利である。更に、舌部に接する部分を絞り断面部とすることで、舌部によって流体を合流口に導く機能が向上する。その結果、スクロール流路を流れる再循環流量の維持、拡大に有利であり、吐出流路を流れる流量の最適化に有利である。
【００１３】
本発明の一態様は、インペラと、インペラの周囲に配置され、且つ流路が形成されたスクロールと、を備え、流路は、インペラの回転方向に沿ったスクロール流路と、スクロール流路の回転方向の終点部分に接続された吐出流路と、スクロール流路の回転方向の始点部分と吐出流路の側部とを接続する合流口とを備え、スクロールは、スクロール流路が形成されたボリュート部と、吐出流路が形成された吐出部と、合流口の下流側の縁に沿って設けられた舌部とを備え、舌部は、流路の中心線側である内方に突き出ている遠心圧縮機とすることができる。この遠心圧縮機では、舌部が吐出流路の中心線側である内方に突き出ており、その結果、特に小流量作動時における流体の逆流を防ぎ易くなり、圧力損失の低減に有利となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のいくつかの態様によれば、吐出流路内での圧力損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係るコンプレッサを備えた過給機の断面図である。
【図２】スクロールを示す斜視図である。
【図３】スクロールを回転軸線に直交する面で切断した断面図である。
【図４】スクロールに形成された流路の合流口付近を中心に示す仮想的な斜視図である。
【図５】図４に対応する部分の仮想的な平面図である。
【図６】実施形態に係る吐出流路の流れを模式的に示す図である。
【図７】比較形態に係る吐出流路の流れを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
過給機１は、例えば、船舶や車両の内燃機関に適用されるものである。図１に示されるように、過給機１は、タービン２とコンプレッサ（遠心圧縮機）３とを備えている。タービン２は、タービンハウジング４と、タービンハウジング４に収納されたタービン翼車１６と、を備えている。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５と、コンプレッサハウジング５に収納されたコンプレッサ翼車（インペラ）１７と、を備えている。タービン翼車１６は回転軸１４の一端に設けられており、コンプレッサ翼車１７は回転軸１４の他端に設けられている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間には、軸受ハウジング１３が設けられている。回転軸１４は、軸受を介して軸受ハウジング１３に回転可能に支持されており、回転軸１４、タービン翼車１６及びコンプレッサ翼車１７が一体の回転体１２として回転軸線Ｘを中心に回転する。
【００１８】
タービンハウジング４には、排気ガス流入口（図示省略）及び排気ガス流出口１０が設けられている。内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、排気ガス流入口を通じてタービンハウジング４内に流入し、タービン翼車１６を回転させ、その後、排気ガス流出口１０を通じてタービンハウジング４外に流出する。
【００１９】
コンプレッサハウジング５には、吸入部９及び排出部（図示省略）が設けられている。タービン翼車１６が回転すると、回転軸１４を介してコンプレッサ翼車１７が回転する。回転するコンプレッサ翼車１７は、吸入部９を通じて空気等の外部の流体（流体）を吸入し、圧縮して吐出部から吐出（圧送）する。排出部から排出された圧縮流体は、前述の内燃機関に供給される。
【００２０】
コンプレッサハウジング５は、コンプレッサ翼車１７の周囲に配置されたディフューザ６と、ディフューザ６の周囲に配置されたスクロール７とを備えている。スクロール７は、コンプレッサ翼車１７の回りを一重の渦巻状に配置されたボリュート部７１（図２参照）と、ボリュート部７１に一体的に設けられた吐出部７２とを備えている。スクロール７にはディフューザ６から導入されるガスなどの流体が通過する流路５３が形成されている。スクロール７は流路５３に面する内壁面を備えている。
【００２１】
図３、及び図４に示されるように、スクロール７の流路５３は、ボリュート部７１の内部に形成されたスクロール流路５４と、スクロール流路５４に連通し、吐出部７２の内部に形成された吐出流路５５と、を備えている。スクロール流路５４はコンプレッサ翼車１７の回転方向Ｒｄに沿った流路である。スクロール流路５４の始点部分５４ａは、回転方向Ｒｄに対して逆方向である上流側の端であり、終点部分５４ｂは、回転方向Ｒｄに沿った下流側の端である。なお、スクロール流路５４の始点部分５４ａが位置する部位はボリュート部７１の巻き始め部７１ａであり、終点部分５４ｂが位地する部位はボリュート部７１の巻き終り部７１ｂである。
【００２２】
スクロール流路５４の終点部分５４ｂには、流体の流れに沿うように吐出流路５５が接続されている。吐出流路５５は回転方向Ｒｄに沿った方向以外への流れが主体的に形成される流路である。回転方向Ｒｄに沿った方向以外への流れとは、例えば、回転方向Ｒｄに対する接線方向への流れなどであるが、この流れに限定されず、周囲の機器や配管等の関係で適宜に湾曲等して向きが変わっていても良い。つまり、吐出流路５５が接続されるスクロール流路５４の終点部分５４ｂは、流体の流れ方向が回転方向Ｒｄから他の方向に切り替わる部分と表現することも可能である。
【００２３】
ボリュート部７１の巻き始め部７１ａは吐出部７２の側部に接続されており、スクロール流路５４の始点部分５４ａは、吐出流路５５の側部５６に連通可能に接続されている。スクロール流路５４の始点部分５４ａと吐出流路５５の側部５６との接続部分は、吐出流路５５を流れる流体の一部がスクロール流路５４に再び流入して再循環流となる合流口５７である。なお、吐出流路５５の外周である側部５６を、コンプレッサ翼車１７に近い側と遠い側とに分けて考えた場合、近い側は内側部５６ａであり、遠い側は外側部５６ｂである。そして、合流口５７は、内側部５６ａに設けられている。
【００２４】
巻き始め部７１ａには舌部７３が形成されている。舌部７３は合流口５７の下流側の縁に沿って設けられており、合流口５７の下流側の縁に比べ、流路５３の中心線Ｌａ側（図５参照）である内方に向けて突出している。流路５３の中心線Ｌａとは、流れ方向で連続する流路断面を規定した場合に各流路断面の図心同士を結んだ線を意味する。また、合流口５７の下流側の縁とは、吐出流路５５を通過する流体の流れを基準にして、合流口５７の外縁（縁）全体を例えば二分割して上流側と下流側とに分け、その場合の下流側の縁の部分を意味する。なお、舌部７３の形成は、下流側の縁の全域であっても良いし、一部であっても良い。
【００２５】
上述の通り、スクロール７に形成された流路５３は、スクロール流路５４と吐出流路５５とを備えており、流路断面、つまり、流路５３の中心線Ｌａに直交する断面を仮想的に定義した場合、その断面形状や断面積は流体の流れ方向に沿った各位置に応じて変化する。具体的には、スクロール流路５４の流路断面は始点部分５４ａの近傍で最も断面積が小さく、回転方向Ｒｄに沿って漸次拡大していく。吐出流路５５はスクロール流路５４の終点部分５４ｂから流れ方向に沿って合流口５７まで漸次拡大していくが、合流口５７に沿って設けられた舌部７３の位置で一旦縮小する。舌部７３よりも下流側の吐出流路５５の断面は流れ方向で一定、または漸次拡大していてもよい。
【００２６】
以上の通り、本実施形態に係る流路５３は、回転方向Ｒｄに沿って始点部分５４ａから合流口５７までの領域において、流路断面が最大となる最大断面部５３ａは、合流口５７よりも流れ方向の上流側で、合流口５７に近接する直前部分である。一方で、舌部７３が設けられた部分は、最大断面部５３ａよりも流路断面の面積が小となる絞り断面部５３ｂである。また、スクロール流路５４の始点部分５４ａの近傍には、少なくともスクロール流路５４のなかで、流路断面の面積が最小となる最小断面部５３ｃが設けられている。
【００２７】
小流量作動時における圧力損失の低減を主体的な目標とした場合、最大断面部５３ａの面積（１００％）に対する絞り断面部５３ｂの面積比は、例えば９５％以下にすることができ、８０％以下が望ましい。一方で、最大断面部５３ａの面積（１００％）に対する絞り断面部５３ｂの面積比は、７５％以上であると望ましい。
【００２８】
次に、合流口５７から吐出流路５５における下流側の領域において、絞り断面部５３ｂを設ける技術的意義について、図６、及び図７を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る吐出流路５５の流れを模式的に示す図であり、図７は比較形態に係る吐出流路の流れを模式的に示す図である。
【００２９】
吐出流路５５，１０５を流れる流体の一部は、合流口５７，１０７からスクロール流路５４，１０４に再び流入し、再循環流を形成する。その結果、合流口５７，１０７よりも下流側の領域では、流量が減ることになり、特に小流量作動時において吐出流路５５，１０５の内側部５６ａ，１０６ａ側で、吐出部７２（図３参照）の内壁面から剥離し易い環境が生じる。そして、図７に示されるように、比較形態に係る吐出流路１０５では、絞り断面部に相当する部分が形成されていないため、流れる流体が内壁面から剥離して逆流が生じ、圧力損失が大きくなる。この剥離は、小流量作動時において吐出流路１０５に向かわずスクロール流路１０４内を再循環する流量の割合が増加することによって、吐出部を通過する流量が減少し、その結果、スクロール流路１０４の始点部分と吐出流路１０５とを接続する合流口１０７を境に流路断面が急拡大となることによって生じていると考えられる。
【００３０】
これに対し、本実施形態に係る吐出流路５５（図６参照）では、合流口５７よりも下流側の領域において流路断面の面積を意図的に絞る絞り断面部５３ｂが設けられている。絞り断面部５３ｂを設けることにより、再循環によって減少する流量を考慮し、適切な断面積とすることが可能になり、吐出流路５５の内側部５６ａ側における内壁面からの剥離を抑止し、逆流の発生を阻止して圧力損失を低減できる。
【００３１】
以上は、主に小流量作動時における利点であるが、大流量作動時には、絞り断面部５３ｂを設けることで流速が上昇し、逆に圧力損失の増加も懸念される。しかしながら、小流量作動時における圧力損失の低減と大流量作動時における圧力損失の増加とを比較検証したところ、流路断面を絞ったとしても小流量作動時の圧力損失の低下に比べて、大流量作動時の圧力損失の増加の程度は小さいことが確認された。
【００３２】
なお、小流量作動時とは、例えば、コンプレッサ３の作動可能範囲における小流量側の作動限界に近い作動点を意図し、流量等は、コンプレッサ３等の大小により、また、同じコンプレッサ３等であっても、回転数によって異なる。また、大流量作動時とは、例えば、コンプレッサ３の作動可能範囲における大流量側の作動限界に近い作動点を意図する。
【００３３】
また、本実施形態では、最大断面部５３ａの断面積をＳ１、絞り断面部の断面積をＳ２、および最小断面部５３ｃの断面積をＳ３と定義すると、流路５３は以下の式（１）を満たす。
【００３４】
Ｓ１-Ｓ３≦Ｓ２・・・（式１）
【００３５】
式（１）について補足すると、絞り断面部の断面積Ｓ２が小さ過ぎると、小流量作動時の圧力損失の低下分よりも、大流量作動時の圧力損失の増大分の方が大きくなり、流路断面の最適化が難しくなる。ここで、上記の式（１）を満たすように断面積Ｓ２を設計するようにすると、大流量作動時の圧力損失に配慮した流路断面の最適化を図り易くなり、大流量作動時の圧力損失の増加を抑えながら小流量作動時の圧力損失を効果的に低減し易くなる。
【００３６】
また、本実施形態に係る絞り断面部５３ｂは、内側部５６ａが流路５３の中心線Ｌａ側である内方に窪んでいる。吐出流路５５の逆流は、吐出流路５５の内側部５６ａ側で生じる剥離が原因と考えられる。つまり、この内側部５６ａを中心線Ｌａ側に窪ませることにより、剥離が生じ易い領域を減らすことができ、逆流の効果的な抑止に有利である。
【００３７】
また、本実施形態では、舌部７３が吐出流路５５の内方に突き出しており、舌部７３の突き出しによって絞り断面部５３ｂが形成されている。つまり、絞り断面部５３ｂは、舌部７３に接する部分に設けられており、合流口５７の下流側の縁に沿って設けられている。つまり、絞り断面部５３ｂは合流口５７に近接して設けられていることになり、逆流の効果的な抑止に有利である。更に、舌部７３に接する部分を絞り断面部５３ｂとすることで、舌部７３による流体導入機能、つまり、吐出流路５５を流れる流体を合流口５７に導く機能が向上する。その結果、スクロール流路５４を流れる再循環流量の維持、拡大に有利であり、吐出流路５５を流れる流量の最適化に有利である。
【００３８】
なお、本実施形態では、上述の通り、舌部７３に接する部分に絞り断面部５３ｂが設けられているが、絞り断面部５３ｂを設ける位置は、舌部７３に接する部分に限定されず、合流口５７よりも下流側で、合流口５７から離れた場所に設けることもできる。この形態によれば、絞り断面部５３ｂよりも下流側における逆流の発生を抑止することができる。また、本実施形態では、好適な例として、例えば、絞り断面部５３ｂに内側部５６ａを流路５３の中心線Ｌａ側である内方に窪ませる形態を説明したが、例えば、外側部５６ｂが内方に窪んでいる形態とすることもできる。
【００３９】
本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、各実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。
【００４０】
また、本発明は、自動車用過給機に適用されるものに限定されず、船舶その他に適用されてもよい。更に、過給機以外の遠心圧縮機に適用されてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
７  スクロール
１７  コンプレッサ翼車（インペラ）
５３  流路
５３ａ  最大断面部
５３ｂ  絞り断面部
５３ｃ  最小断面部
５４  スクロール流路
５４ａ  始点部分
５４ｂ  終点部分
５５  吐出流路
５６  側部
５６ａ  内側部
５６ｂ  外側部
５７  合流口
Ｒｄ  回転方向
Ｌａ  中心線
【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】
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