(57)【要約】【課題】  作動中の信頼性を下げる温度に軸受が加熱されることを防止し得るターボチャージャーを提供する。【解決手段】  タービンハウジング６内に設けられたタービンホイール３をインペラーホイール４に接続するシャフト２を備えるとともに、該シャフト２を内部に支持するベアリングと軸受ハウジング５とを有する軸受装置を中間に備えるターボチャージャー１において、前記シャフト２はタービンホイール３と軸受装置との間に設けられ、該シャフトには少なくとも一つの断熱部１６，１７が設けられ、該断熱部は、その熱伝導性が断熱部に隣接するシャフト部分の熱伝導性よりも低く、熱がシャフトを介して伝達することを防止するものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンハウジング（６）内に設けられたタービンホイール（３）をインペラーホイール（４）に接続するシャフト（２）と、該シャフト（２）を内部に支持する軸受と軸受ハウジング（５）とを有する中間軸受装置とを備えるターボチャージャー（１）において、
前記シャフト（２）はタービンホイール（３）と軸受装置との間に設けられ、該シャフトには少なくとも一つの断熱部（１６，１７）が設けられ、該断熱部は、その熱伝導性が断熱部に隣接するシャフト部分の熱伝導性よりも低く、熱がシャフトを介して伝達することを防止するものであることを特徴とするターボチャージャー。
【請求項２】
前記断熱部は、シャフト（２）の断面全体にわたる断熱層（１６）を備え、該断熱層はシャフト（２）の材料よりも熱伝導性が小さいことを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャー。
【請求項３】
前記断熱層（１６）は金属からなることを特徴とする請求項２に記載のターボチャージャー。
【請求項４】
前記金属は、ニッケルクロム合金若しくは高級合金鋼であることを特徴とする請求項３に記載のターボチャージャー。
【請求項５】
前記断熱部（１７）は、シャフト（２）の断面積の小さい領域を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
【請求項６】
シャフト（２）内に空洞部（１７）を形成することによってシャフト（２）の断面積が小さくなっていることを特徴とする請求項５に記載のターボチャージャー。
【請求項７】
タービンハウジング（６）内に収容されたタービンホイール（３）をインペラーホイール（４）に接続するシャフト（２）と、シャフト（２）用の軸受を収容する軸受ハウジング（５）を有する中間軸受装置とを備えるターボチャージャー（１）において、前記シャフトは、タービンホイール（３）と軸受装置との間に補助熱伝達表面（２２）を有することを特徴とするターボチャージャー。
【請求項８】
前記熱伝達表面は、シャフトに取付けられた少なくとも一つの冷却ディスク（２２）からなることを特徴とする請求項７に記載のターボチャージャー。
【請求項９】
前記熱伝達表面（２２）は、ターボチャージャー（１）の圧縮側から分岐する冷却ガスの付帯的な流れを受けることを特徴とする請求項７又は８に記載のターボチャージャー。
【請求項１０】
タービンハウジング（６）内に収容されたタービンホイール（３）をインペラーホイール（４）に接続するシャフト（２）と、シャフト（２）用の軸受を収容する軸受ハウジング（５）を有する中間軸受装置とを備え、前記軸受ハウジング（５）とタービンハウジング（６）とはフランジ（１２，１３）によって相互に接続されているターボチャージャー（１）において、前記フランジ（１２，１３）には、フランジ（１２，１３）自体の熱伝導性よりも低い熱伝導性の断熱部（１８，１９，２０）が設けられていることを特徴とするターボチャージャー。
【請求項１１】
前記断熱部は、フランジ（１２，１３）の材料の熱伝導性よりも低い熱伝導性の断熱層（１８）を備えていることを特徴とする請求項１０に記載のターボチャージャー。
【請求項１２】
前記断熱層（１８）は金属からなることを特徴とする請求項１１に記載のターボチャージャー。
【請求項１３】
前記金属は、ニッケルクロム合金若しくは高級合金鋼であることを特徴とする請求項１２に記載のターボチャージャー。
【請求項１４】
前記断熱部は、互いに隣接するフランジ接続のフランジ（１２，１３）が互いに接触する手段となる断熱隆起部（１９，２０）を備えていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のターボチャージャー。
【請求項１５】
前記断熱隆起部（１９，２０）は、少なくとも一つの空洞部（２１）を取り囲むことを特徴とする請求項１４に記載のターボチャージャー。
【請求項１６】
タービンハウジング（６）内に設けられたタービンホイール（３）をインペラーホイール（４）に接続するシャフト（２）と、軸受ハウジング（５）内に構成されるシャフト（２）のための軸受を有する中間軸受装置とを備えるターボチャージャー（１）において、タービンハウジング（６）及び／又は軸受ハウジング（５）は、大気への放熱性を高める被膜が少なくとも部分的に且つ外面に設けられていることを特徴とするターボチャージャー。
【請求項１７】
前記被膜の熱伝導性は、タービンハウジング（６）又は軸受ハウジング（５）の材料の熱伝導性よりも大きいことを特徴とする請求項１６に記載のターボチャージャー。
【請求項１８】
前記被膜は、タービンハウジング（６）又は軸受ハウジング（５）の材料よりも高い放熱性を有することを特徴とする請求項１６又は１７に記載のターボチャージャー。
【請求項１９】
タービンハウジング（６）内に設けられたタービンホイール（３）をインペラーホイール（４）に接続するシャフト（２）と、軸受ハウジング（５）内に構成されるシャフト（２）のための軸受を備える中間軸受装置とを備えるターボチャージャー（１）において、タービンハウジング（６）は、その内面の少なくとも一部分に、タービンハウジング（６）の熱吸収性を減少させる被膜が設けられていることを特徴とするターボチャージャー。
【請求項２０】
前記被膜は、タービンハウジング（６）の材料よりも熱吸収率が小さいことを特徴とする請求項１９に記載のターボチャージャー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス駆動されるターボスーパーチャージャーに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャーは、タービンホイール内に取付けられたタービンホイールをインペラーホイールに接続するシャフトと、シャフトを取り囲む軸受及び軸受ハウジングを備える軸受装置とを中間に備えている。
【０００３】
ターボチャージャーは内燃機関の出力効率を改善する。ターボチャージャーは、一端でタービンホイールに取付けられ且つ他端でインペラーホイールに取付けられたシャフトを備える。タービンホイールは内燃機関からの排出空気の流れによって駆動され、基本的には、排気ガスの熱エネルギーはタービンホイールによって回転に変換される。インペラーはシャフトによって駆動され、内燃機関の吸気口内へ高圧力で流れる外気を引き込む。充填速度はこの方法で改善される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボチャージャーシャフトの軸受装置は高い要求を満たす必要がある。一つには、このシャフトは３００，０００ｒｐｍを超える高回転速度になる。他方では、ターボチャージャーは、タービン側で排ガス流によって高温に曝され、その温度は、コンプレッサー側では一般的に１５０℃にすぎないのに対して、火花点火式エンジンでは１０００℃を超えることもある。したがって、タービン側の軸受は明らかに巨大な熱応力を受ける。
【０００５】
滑り軸受若しくはボールベアリングに関しては、この規模の温度は第１にオイルの循環を危険に曝す。限界温度を超えたとき、カーボン付着の状態にある残留オイルは、シャフト焼き付きのために、かなり短い時間でターボチャージャーの故障を引き起こす。スパークエンジンの技術事情により、軸受ハウジングの温度を好ましい制限値以内に保つ冷却水ジャケットを有する軸受装置のハウジングが要求される。しかし、この特徴的構成は、ターボチャージャーを一層高価にする。
【０００６】
近年、旧来から使用されていた軸受（即ち、滑り軸受若しくは転がり軸受）を磁石式軸受に置換する提案がなされている。この方法によれば、シャフトは非接触で案内保持される（例えば、ドイツ特許公報ＤＥ１０２１６４４７Ｃ１参照）。上記の磁石式軸受は、潤滑油なしで作動可能であるという利点があり、その結果上記の故障が避けられる。他方、そのような目的で使用される永久磁石は、高温に加熱されるとその磁気的性質が恒久的に失われる。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、作動中の信頼性を下げる温度に軸受が加熱されることを防止するように始めに引用した種類のターボチャージャーを経済的な方法で設計することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。
【０００９】
即ち、本発明のターボチャージャーは、タービンホイール内に取付けられたタービンホイールをインペラーホイールに接続するシャフトと、シャフトを取り囲む軸受及び軸受ハウジングを備える中間軸受装置とを備え、タービンホイールと軸受装置との間のシャフトに、少なくとも一つの断熱部が設けられている。該断熱部は、その熱伝導性が断熱部に隣接するシャフト部分の熱伝導性よりも低く、熱がシャフトを介して伝達することを防止するものとすることができる。この特徴的構成は、タービン側で発生する熱の大部分がシャフトを介して軸受装置に伝達されるという知見に基づくものである。上記断熱部を設けたので、該断熱部の好ましい選択と、特有の要求を満たす設計寸法（dimensioning）とによって、軸受装置への熱伝導が小さくなる。この断熱部は、シャフトの軸方向一箇所に設けられていてもよく、軸方向複数箇所に設けられていてもよい。また、断熱部は、タービンハウジング及びタービンホイールよりも軸受装置側で、且つ、軸受装置よりもタービンホイール側に設けるのが好ましい。また、上記軸受装置は、好ましくはタービンホイールとインペラーホイールとの中間に設けることができる。
【００１０】
本発明において、断熱部は、シャフト断面において断熱層を有することができる。この断熱層は、それ自体がシャフトの材料よりも低い熱伝導性を示す。この断熱層は、上記限界温度に耐えることができ、さらに、シャフトを機械的に過度に弱くしないものであるのが好ましい。十分な機械的強度と、残存するシャフト部分よりも低い、好ましくはかなり低い、ある程度の熱伝導性とを有する金属が特に好適である。最も好ましくは、例えば「ＩＮＣＯＮＥＬ」や「ＩＮＣＯＬＯＹ」の商品名で知られるようなニッケルクロム合金を断熱層として利用することができ、高級合金鋼もまた利用可能である。
【００１１】
断熱層に代えて若しくは断熱層とともに、断熱部は、熱伝達を防止するようにシャフトの断面積を減少させる領域を備えることができる。これは例えば、シャフト内に空洞部を形成することによって構成できる。この空洞部は、シャフト全長にわたって延びるものであってよく、言い換えればシャフトは空洞であってよい。
【００１２】
上記構成とともに、若しくは、上記構成に代えて、本発明の目的は、タービンホイールと軸受装置との間のシャフト及び／又は軸受ハウジングに、追加的な熱伝達表面を設けることによっても解決し得る。この追加的熱伝達表面は、大気への熱放散を改善する。例えば、熱伝達表面は、シャフトに取付けられた少なくとも一つの冷却ディスクの形態であってよい。
【００１３】
上記構成とともに、若しくは、上記構成に代えて、本発明の目的は、軸受ハウジングとタービンハウジングとを接続するフランジに、フランジよりも熱伝導性の小さい断熱部を設けることによっても解決し得る。これによれば、ハウジング間の熱伝導が減少する。
【００１４】
この構成を実施する最も簡単な方法は、前記断熱部に、フランジ材料よりも熱伝導性の低い断熱層を備えることである。この断熱層は各フランジの間に設けられる。シャフトの断熱部と同様に、フランジの上記断熱層は金属製であってよく、例えば、ニッケルクロム合金や高級合金鋼であってよい。しかし、他の熱伝導性の悪い材料、例えば無機化合物やセラミックスもまた使用可能である。
【００１５】
この断熱部は、断熱層に代えて若しくは断熱層とともに、断熱隆起部を備えることができる。この断熱隆起部によってフランジ同士がフランジ接続において互いに接触する。この構成は、フランジが相互に接触する表面積を小さくするという設計思想に基づく。断熱隆起部は、断熱材料で選択的に満たされた空洞部を取り囲むことによって構成することができる。
【００１６】
本発明の目的を解決する他の構成は、タービンハウジング及び／又は軸受ハウジングの少なくとも一部分に、外気への熱発散を改善するように外面被膜を設けることである。この構成もまた、熱応力に対するベアリングの耐性を高めるために上記構成とともに採用できる。上記被膜の熱伝導性は、タービンハウジング又は軸受ハウジングを構成する材料よりも大きいものとすることができる。例えば、その表面は、フレーム溶射（flame spraying）によって被膜が形成されたアルミニウムであってよい。また、上記被膜はタービンハウジング及び／又は軸受ハウジングの材料よりも高い放射性を有していてもよい。
【００１７】
また、タービンハウジングの内面の少なくとも一部分に被膜形成されていてもよく、これにより熱吸収が減少される。この被膜の熱吸収性は、タービンハウジングの材料よりも小さい。この構成は、タービンハウジングの熱吸収を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示すターボチャージャー１の構造は従来公知のものであり、右側にタービンホイール３が取付けられるとともに左側にインペラーホイール４が取付けられたシャフト２を備えている。図示例において、シャフト２は、管状の軸受ハウジング５内に図示省略された軸受を用いて保持されている。該軸受は、ドイツ特許公報ＤＥ１０２１６４４７Ｃ１に図示されるような磁石式であってよい。
【００２０】
タービンホイール３は、図示省略された放射状の吸気孔を有するタービンハウジング６によって囲まれている。インペラーホイール４は、中心吸気口１０を有する圧縮ハウジング９によって囲まれている。インペラーホイール４の回転によって、空気が吸気口１０に吸い込まれ、環状の空間１１に偏向される。その結果、その圧縮空気は、ここで詳細には示されていない排気口を通って内燃機関への取り込み口に向かって環状空間１１から排出される。
【００２１】
タービンハウジング６とインペラーハウジング９は、対のフランジ１２，１３と１４，１５によってそれぞれ接続されている。フランジ１２，１３とフランジ１４，１５は、それぞれ図示省略したねじによって互いに締結されている。
【００２２】
図２はタービンハウジング５とタービンホイール３のそれぞれに近傍のシャフトの詳細を示している。スペーサ１６はニッケルクロム合金からなり、したがって本質的に鉄からなるシャフト２よりも熱伝導性が低い。該スペーサ１６はシャフト内に溶接されている。スペーサ１６は断熱層として機能し、タービンホイール３への熱伝導を防止して、軸受ハウジング５内の軸受への熱伝導を防止する。
【００２３】
図３は同じ場所に取付けられたシャフトの他の実施例を詳細に示している。本実施例において、シャフト２は、外側の環状領域への熱伝導に利用できるシャフト２の断面積を減らす空洞部１７を備え、これにより熱伝導が防止される。
【００２４】
図４は軸受ハウジング５と隣接するタービンハウジング６の上部を示し、シャフト２とタービンホイール３は除外して示してある。図５は、軸受ハウジング５とタービンハウジング６との間のフランジ接続の一例を詳細に示している。断熱層１８は、二つのフランジ１２，１３の間に設けられ、タービンハウジング６から軸受ハウジング５への熱伝導を減少させる。
【００２５】
フランジ１２，１３の間の熱伝導は、図６に詳細に示すように隆起部１９，２０でのみフランジ１２，１３を互いに隣接接触させることによって阻止することもできる。隆起部１９，２０は、フランジ１２，１３の全周にわたって環状に延び、これにより空洞部２１を取り囲む。隆起部１９，２０の小さな断面は、タービンハウジング６の一部分であるフランジ１２から、軸受ハウジング５のフランジ１３への熱伝導を防止する。
【００２６】
図７は、どのハウジングも除外して、タービンホイール３とインペラーホイール４とともにシャフト２を示す。冷却ディスク２２がシャフト２に取付けられ、冷却ディスク２２はシャフト２と一体的に回転する。冷却ディスクは、空間への熱伝達面を増大させ、その回転によって、熱発散を促進させる対流を生じさせる。
【００２７】
なお、タービンハウジング６は、空間への熱伝導が改善されるように一側部に外面被膜が塗装されていてもよく、上記被膜は、タービンハウジング６の材料よりも高い熱伝導性及び／又は熱放射性を示す。タービンハウジング６はまた、その内側で熱吸収を減少させる被膜を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ターボチャージャーの縦断面図である。
【図２】図１に示すターボチャージャーのシャフトを詳細に示す側面図である。
【図３】図１に示すシャフトの他の実施例を詳細に示す側面図である。
【図４】図１に示すターボチャージャーのハウジング部分の縦断面図である。
【図５】図４に示すハウジング部分の詳細縦断面図である。
【図６】図４に示すハウジング部分の別の実施例を詳細に示す縦断面図である。
【図７】図１に示すターボチャージャー用のシャフトによって接続されたタービンホイール及びインペラーホイールの側面図である。
【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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