(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸に沿って延びる回転軸と、
円盤状をなし、中心軸回りに回転可能に設けられたディスクと、
前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第一の側を向く表面に、前記中心軸回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレードと、備え、
前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第二の側を向く背面は、前記ディスクの中央部の少なくとも一部に、前記中心軸方向の第二の側に向かって凸となり、前記中心軸を含む断面において一定の曲率半径を有する凸曲面を備えているインペラと、
前記回転軸に設けられ、前記インペラの前記背面の前記凸曲面に突き当たるカラーと、を備え、
前記インペラは、
前記凸曲面の径方向外側に連続して形成され、前記中心軸方向の第二の側に向かって凹となる凹曲面を備え、
前記背面のうち、前記カラーと接触する前記凸曲面の接触面よりも径方向外側に配置される前記背面は、前記凸曲面の接触面よりも前記中心軸方向の第一側に配置されている回転機械。
【請求項２】
中心軸に沿って延びる回転軸と、
円盤状をなし、中心軸回りに回転可能に設けられたディスクと、
前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第一の側を向く表面に、前記中心軸回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレードと、を備え、
前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第二の側を向く背面は、前記ディスクの中央部の少なくとも一部に、前記中心軸方向の第二の側に向かって凸となり、前記中心軸を含む断面において一定の曲率半径を有する凸曲面を備えるインペラと、
前記回転軸に設けられ、前記インペラの前記背面の前記凸曲面に突き当たるカラーと、を備え、
前記インペラは、
前記凸曲面の径方向外側に連続して形成され、前記中心軸方向の第二の側に向かって凹となる凹曲面を備え、
前記背面のうち、前記カラーと接触する前記凸曲面の接触面よりも径方向外側に配置される前記背面は、前記凸曲面の接触面よりも前記中心軸方向の第一側に配置されているターボチャージャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転機械、ターボチャージャに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャーのコンプレッサーホイールは、回転軸に固定されたディスクと、ディスクの回転軸の中心軸方向一方の側の表面に設けられた複数のブレードと、を一体に備えている場合が多い。このようなターボチャージャーは、高性能化に伴ってコンプレッサーホイールの回転も高速化している。【０００３】
コンプレッサーホイールの回転時には、ディスクの自重による遠心応力が作用する。この遠心応力を低減するため、ディスクの外周側を中心軸方向に薄くしてディスクの外周部の質量を抑えつつ、剛性を確保するためにディスクの内周側を中心軸方向に厚くすることが行われている。【０００４】
例えば特許文献１には、ディスクの径方向外周部の背面（ブレードが設けられた表面とは反対側）にテーパを設けることで、ディスクの遠心応力を低減する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２７０４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、コンプレッサーホイールの回転高速化に伴い、ディスクに作用する応力への影響は大きくなっている。例えば、コンプレッサーホイールの中心軸方向への位置決めのため、コンプレッサーホイールの背面にカラー等の部材が設けられている場合、この部材との接触によってコンプレッサーホイールの背面に応力が生じることもある。これに対し、強度を高めるために、ディスクをむやみに中心軸方向に厚くしてしまえば、上記したような遠心応力の影響が増大してしまう。
この発明は、ディスク背面における応力を低減し、信頼性を高めることのできる回転機械、ターボチャージャー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】
【０００７】
この発明に係る第一態様によれば、インペラは、円盤状をなし、中心軸回りに回転可能に設けられたディスクと、前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第一の側を向く表面に、前記中心軸回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレードと、を備える。前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第二の側を向く背面は、前記ディスクの中央部の少なくとも一部に、前記中心軸方向の第二の側に向かって凸となる凸曲面を備え、前記インペラは、前記凸曲面の径方向外側に連続して形成され、前記中心軸方向の第二の側に向かって凹となる凹曲面を備え、前記背面のうち、前記カラーと接触する前記凸曲面の接触面よりも径方向外側に配置される前記背面は、前記凸曲面の接触面よりも前記中心軸方向の第一側に配置されている。
このような構成によれば、インペラのディスクの背面の少なくとも中央部に凸曲面を形成すると、凸曲面を形成した部分において、ディスクの径方向の厚みを大きく確保することができる。これにより、ディスクの強度を高めることができる。
また、ディスクの背面に他の部品が突き当たる場合、他の部品への接触面積を小さくし、他の部品との接触部位における局所的な応力集中を防ぐことができる。
さらに、ディスク部の外周部における中心軸方向の厚みを抑え、ディスクの外周部の質量を抑える。これによって、ディスクの自重による遠心応力を抑えることができる。
【００１３】
この発明の第二態様によれば、ターボチャージャーは、中心軸に沿って延びる回転軸と、円盤状をなし、中心軸回りに回転可能に設けられたディスクと、前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第一の側を向く表面に、前記中心軸回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられたブレードと、を備え、前記ディスクにおいて前記中心軸方向の第二の側を向く背面は、前記ディスクの中央部の少なくとも一部に、前記中心軸方向の第二の側に向かって凸となる凸曲面を備えるインペラと、前記回転軸に設けられ、前記インペラの前記背面の前記凸曲面に突き当たるカラーと、を備え、前記インペラは、前記凸曲面の径方向外側に連続して形成され、前記中心軸方向の第二の側に向かって凹となる凹曲面を備え、前記背面のうち、前記カラーと接触する前記凸曲面の接触面よりも径方向外側に配置される前記背面は、前記凸曲面の接触面よりも前記中心軸方向の第一側に配置されている。
【発明の効果】
【００１４】
上述したインペラ、回転機械、ターボチャージャーによれば、ディスク背面における応力を低減し、信頼性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。
【図２】上記ターボチャージャーに備えられたコンプレッサーホイールのディスクの背面の形状を示す断面図である。
【図３】上記コンプレッサーホイールのディスクの背面の形状の第一変形例を示す断面図である。
【図４】上記コンプレッサーホイールのディスクの背面の形状の第二変形例を示す断面図である。
【図５】上記コンプレッサーホイールのディスクの背面の形状の第三変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
この発明の実施形態におけるインペラ、回転機械、ターボチャージャーを図面に基づき説明する。
図１は、この発明の実施形態におけるターボチャージャーの断面図である。
図１に示すように、ターボチャージャー（回転機械）１は、タービンホイール２、コンプレッサーホイール（インペラ）３、回転軸４、軸受５Ａ，５Ｂ、及び軸受ハウジング６を備えている。このターボチャージャー１は、例えば、回転軸４が水平方向に延びるような姿勢で自動車等にエンジンの補機として搭載される。ここで、図１に示す一点鎖線は、回転軸４の中心軸Ｃを示している。
【００１７】
軸受ハウジング６は、ブラケット（図示せず）、コンプレッサーＰ、タービンＴ等を介して車体等に支持されている。軸受ハウジング６は、その一端側に開口部６０ｂを有し、その他端側に開口部６０ａを有している。回転軸４は、軸受ハウジング６に保持された軸受５Ａ，５Ｂによって、中心軸Ｃ回りに回転自在に支持されている。この回転軸４の第一端部４ａ、第二端部４ｂは、開口部６０ａ，６０ｂを通して軸受ハウジング６の外部に突出している。つまり、回転軸４は、中心軸Ｃに沿った長さ方向の一部が軸受ハウジング６に収容されている。
【００１８】
軸受ハウジング６の第二端部４ｂ側には、タービンＴが設けられている。タービンＴは、タービンホイール２と、タービンホイール２を収容したタービンハウジング３１と、を備えている。
タービンホイール２は、回転軸４の第二端部４ｂに一体に設けられ、回転軸４と一体に中心軸Ｃ回りに回転する。タービンホイール２は、周方向に複数のタービン翼２ｗを備えている。
タービンハウジング３１は、軸受ハウジング６の一端側に取付金具３２を介して取り付けられている。タービンハウジング３１は、軸受ハウジング６に対向する位置に開口部３１ａを有している。この開口部３１ａ内に、タービンホイール２が収容されている。
【００１９】
タービンハウジング３１は、ガス導入部（図示無し）と、スクロール流路３４と、排気部３５と、を備えている。
ガス導入部（図示無し）は、エンジン（図示無し）から排出される排気ガスの一部をタービンハウジング３１内に送り込む。
スクロール流路３４は、ガス導入部（図示無し）に連続して、タービンホイール２の外周側を取り囲むように周方向に連続して形成されている。スクロール流路３４は、その周方向の少なくとも一部で、タービンホイール２の外周部に連通するよう設けられ、タービンホイール２を回転駆動させる排ガスが流れる流路を形成する。
【００２０】
ガス導入部３３から流れ込んだ排気ガスは、スクロール流路３４に沿ってタービンホイール２の外周側を周方向に沿って流れる。このように周方向に沿って流れる排気ガスがタービンホイール２のタービン翼２ｗに当たることで、タービンホイール２が回転駆動される。また、排気ガスは、タービンホイール２の外周側で各タービン翼２ｗに当たることで、その流れの向きが変わる。タービン翼２ｗによって流れの向きが変換された排気ガスは、タービンホイール２の内周側から排気部３５内に排出される。
【００２１】
軸受ハウジング６の第一端部４ａ側には、コンプレッサーＰが設けられている。コンプレッサーＰは、コンプレッサーホイール３と、コンプレッサーケーシング１０とを備えている。
【００２２】
コンプレッサーホイール３は、ディスク２２と、ブレード２３と、を備える。
ディスク２２は、径方向外側に延びる円盤状をなし、その中央部に、回転軸４が挿通された挿通孔２２ｈが形成されている。ディスク２２は、中心軸Ｃ方向に一定長を有し、回転軸４の第一端部４ａに固定されている。ディスク２２は、中心軸Ｃ方向の第一の側（図１において左方）に、ディスク面（表面）２２ｆを有している。ディスク面２２ｆは、中心軸Ｃ方向の第一の側のホイール入口流路１１側から中心軸Ｃ方向の第二の側の軸受ハウジング６側に向かうにしたがって、漸次径方向外側に向かう湾曲面により形成されている。
ブレード２３は、ディスク面２２ｆに、中心軸Ｃ回りの周方向に間隔をあけて複数が設けられている。
【００２３】
このようなコンプレッサーホイール３に対し、軸受ハウジング６側に、スラストカラー（カラー）５０が設けられている。スラストカラー５０は、円筒状で、その内側に回転軸４が挿通されている。スラストカラー５０は、円環状のスペーサ５１を介し、回転軸４に形成された段部４ｄに突き当たることで、中心軸Ｃ方向において、タービンホイール２側への移動が規制されている。
コンプレッサーホイール３は、回転軸４の第一端部４ａに形成されたネジ部４ｎにナット７をねじ込むことで、スラストカラー５０とナット７とに挟み込まれて回転軸４に結合されている。
【００２４】
このようなコンプレッサーホイール３は、タービンホイール２が回転すると、回転軸４と一体に中心軸Ｃ回りに回転する。コンプレッサーホイール３は、ブレード２３で空気（吸気）を昇圧および昇温して、その径方向外側に送り出す。
【００２５】
コンプレッサーケーシング１０は、ホイール入口流路１１と、ホイール流路１２と、ディフューザ１３と、スクロール１４と、を形成する。
【００２６】
ホイール入口流路１１は、例えば、エアクリーナボックス等から延びる吸気管（図示せず）とホイール流路１２との間に形成されている。
ホイール流路１２は、コンプレッサーホイール３を収容する空間からなる。このホイール流路１２は、コンプレッサーホイール３のディスク２２との間に、圧縮空気の流れる流路を形成する。
【００２７】
ディフューザ１３は、ホイール流路１２の最外周部１２ａから、中心軸Ｃを中心とした径方向外側に向かって延びている。このディフューザ１３は、例えば、コンプレッサーホイール３により圧縮された空気の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換する。このディフューザ１３は、ホイール入口流路１１とスクロール１４とを繋いでいる。
【００２８】
スクロール１４は、ディフューザ１３から流入した空気の運動エネルギーを更に圧力エネルギーに変換して、コンプレッサーケーシング１０の外部に排出する。このスクロール１４を経て排出された空気は、図示しないエンジンのシリンダー等に供給される。スクロール１４は、中心軸Ｃを中心とした周方向に延びている。このように形成されたスクロール１４の断面積は、コンプレッサーＰの排出口（図示せず）に向かって漸次拡大している。
【００２９】
図２は、コンプレッサーホイール３のディスク２２の背面２２ｒの形状を示す断面図である。
図２に示すように、ディスク２２は、中心軸Ｃ方向の第二の側に、背面２２ｒを有している。背面２２ｒは、ディスク２２の中央部を含む少なくとも一部に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図１、図２において右方）に向かって凸となる凸曲面２５を備えている。凸曲面２５は、背面２２ｒに対し、中心軸Ｃ方向の第一の側（図２において右方）のディスク面２２ｆ側にオフセットした位置２５ｃを中心とした一定の曲率半径で形成されている。
【００３０】
さらに、背面２２ｒは、凸曲面２５の径方向外側に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図２において右方）に向かって凹となる凹曲面２７が連続して形成されている。凹曲面２７は、背面２２ｒに対し、タービンＴ（図１参照）側にオフセットした位置２７ｃを中心とした一定の曲率半径で形成されている。
【００３１】
このようなコンプレッサーホイール３は、背面２２ｒの凸曲面２５が、スラストカラー５０に突き当たるよう設けられている。
【００３２】
上述した実施形態のコンプレッサーホイール３、ターボチャージャー１によれば、コンプレッサーホイール３のディスク２２の背面２２ｒの少なくとも中央部に凸曲面２５を形成すると、凸曲面２５を形成した部分において、ディスク２２の径方向の厚みＴを大きく確保することができる。これにより、ディスク２２の強度を高めることができる。
また、凸曲面２５により、ディスク２２の背面２２ｒに突き当たるスラストカラー５０への接触面積を小さくし、スラストカラー５０との接触部位における局所的な応力集中を防ぐことができる。
さらに、凸曲面２５の外周側に凹曲面２７を形成することで、ディスク２２の外周部における中心軸Ｃ方向の厚みを抑え、ディスク２２の外周部の質量を抑えることができる。これによって、ディスク２２の自重による遠心応力を抑えることができる。
このようにして、ディスク２２の背面２２ｒにおける応力集中を低減し、コンプレッサーホイール３の信頼性を高めることが可能となる。
【００３３】
（実施形態の変形例）
上述した第１実施形態においては、ディスク２２の背面２２ｒが、中央部に凸曲面２５を形成し、外周側に凹曲面２７を形成するにした。しかし、この構成に限られるものではない。
以下に、ディスク２２の背面２２ｒの形状について複数の変形例を示す。
【００３４】
（第一変形例）
図３は、上記コンプレッサーホイールのディスクの背面の形状の第一変形例を示す断面図である。
図３に示すように、ディスク２２の背面２２ｒの中央部には、スラストカラー５０と接触する接触平面２４を形成する。この接触平面２４は、中心軸Ｃに直交する平面である。
【００３５】
ディスク２２の背面２２ｒにおいて、接触平面２４の径方向と外側に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図４において右方）に向かって凸となる凸曲面２５を備えている。
さらに、背面２２ｒは、凸曲面２５の径方向外側に、中心軸Ｃ方向の第一の側（図３において右方）に向かって凸となる凹曲面２７が連続して形成されている。
【００３６】
このような構成においても、ディスク２２の背面２２ｒにおける応力集中を低減し、コンプレッサーホイール３の信頼性を高めることが可能となる。
【００３７】
（第二変形例）
図４は、上記コンプレッサーホイールのディスクの背面の形状の第二変形例を示す断面図である。
図４に示すように、ディスク２２の背面２２ｒは、ディスク２２の中央部に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図１、図２において右方）に向かって凸となる凸曲面２５を備えている。
また、背面２２ｒは、凸曲面２５の径方向外側に連続し、中心軸Ｃ方向の第二の側（図４において右方）に向かって凸となり、凸曲面２５とは異なる曲率で形成された外周凸曲面２６を備えている。
【００３８】
さらに、背面２２ｒは、外周凸曲面２６の径方向外側に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図４において右方）に向かって凹となる凹曲面２７が連続して形成されている。
【００３９】
このような構成においても、ディスク２２の背面２２ｒにおける応力集中を低減し、コンプレッサーホイール３の信頼性を高めることが可能となる。
【００４０】
（第三変形例）
図５は、上記コンプレッサーホイールのディスクの背面の形状の第三変形例を示す断面図である。
図５に示すように、ディスク２２の背面２２ｒは、ディスク２２の中央部に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図５において右方）に向かって凸となる凸曲面２５を備えている。
また、背面２２ｒは、凸曲面２５の径方向外側に、凸曲面２５の外周端部２５ｓに連続して接線方向に延びるテーパ面２９が形成されている。
【００４１】
さらに、背面２２ｒは、テーパ面２９の径方向外側に、中心軸Ｃ方向の第二の側（図５において右方）に向かって凹となる凹曲面２７が連続して形成されている。
【００４２】
このような構成においても、ディスク２２の背面２２ｒにおける応力集中を低減し、コンプレッサーホイール３の信頼性を高めることが可能となる。
【００４３】
（その他の実施形態）
この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
例えば、ディスク２２の背面２２ｒの形状は、上記実施形態及び各変形例で例示した以外の形状とすることも可能である。例えば、凸曲面２５は、一定の曲率で形成するのみならず、例えば、自由曲線で形成することも可能である。
さらに、背面２２ｒにおいて、中央部の凸曲面２５の径方向外側の形状については、上記実施形態及び各変形例で例示した以外の形状とすることも可能である。
【００４４】
また、例えば、上述した実施形態においては、オープン型のインペラを一例に説明した。しかし、インペラは、オープン型に限られず、例えば、カバー部を一体に備えるクローズ型のインペラであっても良い。
【００４５】
さらに、回転機械として、ターボチャージャー１を例にして説明した。しかし、インペラを備える回転機械は、ターボチャージャーに限られず、例えば、遠心圧縮機等であっても良い。さらに、この発明は、タービンが無い電動コンプレッサにも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
この発明は、インペラ、回転機械、ターボチャージャーに適用できる。この発明によれば、ディスク背面における応力を低減し、信頼性を高めることが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
１  ターボチャージャー（回転機械）
２  タービンホイール
２ｗ  タービン翼
３  コンプレッサーホイール（インペラ）
４  回転軸
４ａ  第一端部
４ｂ  第二端部
４ｄ  段部
４ｎ  ネジ部
５Ａ，５Ｂ  軸受
６  軸受ハウジング
７  ナット
１０  コンプレッサーケーシング
１１  ホイール入口流路
１２  ホイール流路
１２ａ  最外周部
１３  ディフューザ
１４  スクロール
１６  軸受ハウジング
２２  ディスク
２２ｆ  ディスク面（表面）
２２ｈ  挿通孔
２２ｒ  背面
２３  ブレード
２４  接触平面
２５  凸曲面
２５ｃ  位置
２５ｓ  外周端部
２６  外周凸曲面
２７  凹曲面
２７ｃ  位置
２９  テーパ面
３１  タービンハウジング
３１ａ  開口部
３２  取付金具
３３  ガス導入部
３４  スクロール流路
３５  排気部
５０  スラストカラー（カラー）
５１  スペーサ
６０ａ，６０ｂ  開口部
Ｃ  中心軸
Ｐ  コンプレッサー
Ｔ  タービン
【図１】
0006745331.tif 000002
【図２】
0006745331.tif 000003
【図３】
0006745331.tif 000004
【図４】
0006745331.tif 000005
【図５】
0006745331.tif 000006