(57)【要約】【課題】循環する空気流量を増大させることなく、回転軸周りの圧力のばらつきを低減し、インペラを通過する空気の流れを安定させることで、低流量側へ作動領域を拡げることができるターボ圧縮機を提供する。【解決手段】ハウジングの筒壁内に周方向に沿って循環路３１を備えたターボ圧縮機１について、回転軸Ｌ周りの任意の角度における循環路３１の流路長を、角度に応じて所定の寸法に設定する。【選択図】  図３
2012172598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸周りに回転可能に配置されたインペラと、
該回転軸に沿った略筒形状を有し、内部に該インペラが軸支されたハウジングと、
該ハウジングに形成され、該インペラの出口部を周方向に一周するスクロール状の導出部と、
該ハウジングの筒壁内に周方向に沿って連通する筒状のキャビティ部と、
該キャビティ部の上流側に連通する上流側連通部を介して、該インペラの上流に開口する上流側開口部と、
該キャビティ部の該上流側連通部よりも下流側に連通する下流側連通部を介して、該インペラの側方に開口する下流側開口部とを備え、
上流側連通部とキャビティ部と下流側連通部とから循環路が構成されるターボ圧縮機であって、
前記回転軸周りの任意の角度における前記循環路の流路長が、角度に応じて所定の寸法に設定されたことを特徴とするターボ圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載のターボ圧縮機において、
前記回転軸周りの任意の角度における前記上流側開口部と前記下流側開口部の軸方向の位置は一定に設定され、
前記キャビティ部は、該回転軸周りの任意の角度における軸方向寸法を一定、且つ該回転軸周りの任意の角度における半径方向の寸法を所定の寸法とすることで、前記循環路の流路長が設定されていることを特徴とするターボ圧縮機。
【請求項３】
請求項２に記載のターボ圧縮機において、
前記回転軸周りの任意の角度における前記キャビティ部の内壁と外壁の間隔を一定にしつつ、該内壁と該外壁との中間点と該回転軸との間の寸法を所定の寸法に設定することで、前記循環路の流路長が設定されていることを特徴とするターボ圧縮機。
【請求項４】
請求項２に記載のターボ圧縮機において、
前記回転軸周りの任意の角度における前記キャビティ部の内壁と外壁の間隔を変えつつ、該内壁と該外壁との中間点と該回転軸との間の寸法を所定の寸法に設定することで、前記循環路の流路長が設定されていることを特徴とするターボ圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インペラを回転させることでガスを圧縮するターボ圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術に係るターボ圧縮機として、車両用エンジンに用いられる過給器を構成する圧縮機には遠心圧縮機が広く用いられている。過給器を構成する圧縮機としては、低流量域から作動することが求められているが、遠心圧縮機においては、空気流量が減少してくると、インペラとハウジングとの間の隙間から圧縮された空気が逆流する現象が発生することが確認されている。また、この逆流流れが、インペラに吸込まれる主流を乱し、サージを引き起こす一因にもなっていることも確認されている。
【０００３】
そこで、サージの発生を抑制するとともに、圧縮機の作動領域を拡げるため、特許文献１〜特許文献４に示すように、インペラに吸込まれた空気の一部をインペラの上流側に戻し、循環させることが行なわれている。つまり、インペラに吸込まれた空気の一部を上流側に戻し、循環させることによって、圧縮機に吸込まれる空気量よりも、循環する分だけインペラに吸込まれる空気量を増やすことができる。その結果として、循環する空気流量分だけ、サージ発生の限界域を低流量側へ移動させ、遠心圧縮機の作動領域を拡大している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２６３２３４Ａ１号明細書
【特許文献２】特開２００１−２８９２９７号公報
【特許文献３】特開２００９−２５７１７７号公報
【特許文献４】特開２０１０−１９００８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記従来の遠心圧縮機のように、吸入空気の一部を循環させる構成に対しても、さらに低流量側へ圧縮機の作動領域を拡げることが望まれている。しかしながら、吸入空気の一部を循環させる手法は、循環する空気流量分だけ圧縮機から吐出される空気流量が減少し、損失となるため、循環させる流量をできるだけ抑えなければならない。
【０００６】
また、遠心圧縮機のように、インペラの回転によって圧縮された吸入空気を、スクロール状の導出部に合流させる構成では、低流量域で導出部内の圧力が安定せず、回転軸周り方向に圧力差が生じて、サージ発生の起点となるおそれがあった。
【０００７】
そこで、本発明は、循環する空気流量を増大させることなく、回転軸周りの圧力のばらつきを低減し、インペラを通過する空気の流れを安定させることで、低流量側へ作動領域を拡げることができるターボ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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のターボ圧縮機は、回転軸周りに回転可能に配置されたインペラと、
該回転軸に沿った略筒形状を有し、内部に該インペラが軸支されたハウジングと、
該ハウジングに形成され、該インペラの出口部を周方向に一周するスクロール状の導出部と、
該ハウジングの筒壁内に周方向に沿って連通する筒状のキャビティ部と、
該キャビティ部の上流側に連通する上流側連通部を介して、該インペラの上流に開口する上流側開口部と、
該キャビティ部の該上流側連通部よりも下流側に連通する下流側連通部を介して、該インペラの側方に開口する下流側開口部とを備え、
上流側連通部とキャビティ部と下流側連通部とから循環路が構成されるターボ圧縮機であって、
前記回転軸周りの任意の角度における前記循環路の流路長が、角度に応じて所定の寸法に設定されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載した本発明のターボ圧縮機によれば、インペラに吸込まれる空気のインペラ入口とインペラ出口の圧力差は、循環路の流路長に応じて変化するため、回転軸周りの任意の角度における循環路の流路長を、角度に応じて所定の寸法に設定することによって、インペラに吸込まれる空気の回転軸周りの圧力のばらつきが改善される。
【００１０】
これにより、インペラを通過する空気の流れが安定し、サージ発生が抑制され、ターボ圧縮機の作動領域を低流量側へ拡げることができる。
【００１１】
請求項２に記載した本発明のターボ圧縮機は、請求項１に記載のターボ圧縮機において、
前記回転軸周りの任意の角度における前記上流側開口部と前記下流側開口部の軸方向の位置は一定に設定され、
前記キャビティ部は、該回転軸周りの任意の角度における軸方向寸法を一定、且つ該回転軸周りの任意の角度における半径方向の寸法を所定の寸法とすることで、前記循環路の流路長が設定されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載した本発明のターボ圧縮機よれば、キャビティ部が設定される回転軸からの距離によって、回転軸周りの任意の角度における循環路の流路長が設定されることで、キャビティ部が設定される回転軸からの距離に応じて、インペラに吸込まれる空気のインペラ入口とインペラ出口の圧力差が変化する。
【００１３】
これにより、回転軸周りの任意の角度における循環路の流路長を、角度に応じて所定の寸法に設定することによって、インペラに吸込まれる空気の回転軸周りの圧力のばらつきが改善されるため、インペラを通過する空気の流れが安定し、サージ発生が抑制され、ターボ圧縮機の作動領域を低流量側へ拡げることができる。
【００１４】
請求項３に記載した本発明のターボ圧縮機は、請求項２に記載のターボ圧縮機において、
前記回転軸周りの任意の角度における前記キャビティ部の内壁と外壁の間隔を一定にしつつ、該内壁と該外壁との中間点と該回転軸との間の寸法を所定の寸法に設定することで、前記循環路の流路長が設定されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載した本発明のターボ圧縮機よれば、請求項２と同様の作用効果が得られる。
【００１６】
請求項４に記載した本発明のターボ圧縮機は、請求項２に記載のターボ圧縮機において、
前記回転軸周りの任意の角度における前記キャビティ部の内壁と外壁の間隔を変えつつ、該内壁と該外壁との中間点と該回転軸との間の寸法を所定の寸法に設定することで、前記循環路の流路長が設定されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載した本発明のターボ圧縮機よれば、請求項２と同様の作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のターボ圧縮機では、循環する空気流量を増大させることなく、回転軸周りの圧力のばらつきを低減し、インペラを通過する空気の流れを安定させることで、低流量側へ作動領域を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る遠心圧縮機を示す断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るハウジングを示す正面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る図１のX-X線に沿ったハウジングのキャビティ部を示す要部断面図、（ｂ）は（ａ）の別態様に係る図１のX-X線に沿ったハウジングのキャビティ部を示す要部断面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２実施形態に係る図１のX-X線に沿ったハウジングのキャビティ部を示す要部断面図、（ｂ）は（ａ）の別態様に係る図１のX-X線に沿ったハウジングのキャビティ部を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の第１実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。本実施形態のターボ圧縮機は、車両用エンジン（図示せず）の過給器を構成し、回転軸方向に沿って導入する空気を圧縮しつつ、放射状に吐出する遠心圧縮機１である。この遠心圧縮機１は、主にインペラ１１と、ハウジング２１とで構成されている。
【００２１】
インペラ１１は、回転軸Ｌ周りに回転可能に軸支され、上流側から下流側に向かって拡径する末広がりの略円錐台形状を備えたハブ１２と、ハブ１２の回転軸Ｌに対して傾斜する傾斜側面１３に所定の間隔で配置されたブレード１４とで構成されている。
【００２２】
ハウジング２１は、ハウジング２１の最上流側に位置し、円筒形状を有し、筒内に導入された空気が流れる主流路５０が形成され、環状の入口縁２２からインペラ入口部１５に向けて主流路５０が徐々に縮径する導入部２３と、導入部２３の下流側に位置し、上流側から下流側に向かってインペラ１１の外形形状に沿って徐々に拡径する円筒形状を有し、筒内にインペラ１１を回転可能に収容する圧縮部２４と、圧縮部２４の下流側に位置し、インペラ１１から放射状に排出された圧縮空気を機外に吐出する渦巻き状の導出部２５と、導出部２５の中心に位置し、インペラ１１を軸支する基部２６と、で構成されている。
【００２３】
ハウジング２１の導入部２３から圧縮部２４に移行する部位には、筒壁内に周方向に沿って連通する環状のキャビティ部３４と、キャビティ部３４の上流側に連通する上流側連通部３３を介して、インペラ１１の上流に開口する上流側開口部３２と、キャビティ部３４の上流側連通部３３よりも下流側に連通する下流側連通部３５を介して、インペラ１１の側方に開口する下流側開口部３６とからなる循環路３１が設けられている。
【００２４】
上流側開口部３２と下流側開口部３６のそれぞれの軸方向の位置は、一定に設定されており、回転軸Ｌ周りの任意の角度で開口する位置が異なることはない。
【００２５】
キャビティ部３４は、下流側端３７の軸方向の位置が、下流側開口部３６と一致するように設定されるとともに、上流側端３８の軸方向の位置が、上流側開口部３２と一致するように設定されている。
【００２６】
また、キャビティ部３４は、図３（ａ）に示されるように、回転軸Ｌ周りの任意の角度におけるキャビティ部の内壁４１と外壁４２の間隔が一定となるように設定されている。また、図３（ａ）における下半分の断面形状が、回転軸Ｌからの距離が一定な半円形に設定され、図３（ａ）における上半分の断面形状が、短軸が下半分の半円の直径と一致する半楕円形に設定されている。そして、回転軸Ｌ周りの任意角度における内壁４１と外壁４２との中間点４３を循環路３１の流路長の代表寸法と設定すると、循環路３１の流路長は、図の上半分の方が下半分よりも長くなるように設定されている。
【００２７】
なお、上記第１実施形態の別態様として、図３（ｂ）に示すように、循環路３１の流路長を、上半分の方が下半分よりも短く設定することも可能である。この別態様のキャビティ部３４は、回転軸Ｌ周りの任意の角度におけるキャビティ部３４の内壁４１と外壁４２の間隔が一定となるように設定されている。また、図３（ｂ）における下半分の断面形状が、回転軸Ｌからの距離が一定な半円形に設定され、図３（ｂ）における上半分の断面形状が、長軸が下半分の半円の直径と一致する半楕円形に設定されている。
【００２８】
ハウジング２１の導出部２５は、図２に示すように、小径の断面略円形形状を備えた巻始め部５１から大径の巻始め部５２まで、インペラ出口部１６（インペラの出口部）を周方向に一周しつつ、徐々に拡径するスクロール状の流路を備え、巻始め部５２から吐出口３９を通じて、外部に圧縮した空気を吐出する。また、巻始め部５２は、舌部５４を介して、巻始め部５１に折重なりつつ、連通するように形成されている。
【００２９】
上記構成において、インペラ１１が回転すると、入口縁２２から回転軸Ｌ方向に沿って導入部２３に導入された空気は、インペラ１１に吸込まれる。そして、吸込まれた空気は、ハブ１２の傾斜側面１３に沿いつつ、インペラ１１のブレード１４によって旋回しながら圧縮され、導出部２５から吐出される。
【００３０】
また、インペラ１１に吸込まれた空気の一部は、下流側開口部３６から循環路３１を通じて上流側開口部３２から導入部２３内へ流出する。上流側開口部３２から導入部２３内へ流出した空気は、上流の入口縁２２から導入された空気と合流し、インペラ１１に吸込まれる。
【００３１】
上流側連通部３３と下流側連通部３５は、回転軸Ｌ周りの任意の角度において、半径方向に沿って形成され、各開口部３２，３６とキャビティ部３４とをそれぞれ連通している。
【００３２】
上記構成では、導出部３５がスクロール状に巻重なる形状のため、遠心圧縮機１が作動した際に、インペラ１１に吸込まれる空気のインペラ入口部１５とインペラ出口部１６の圧力差が、回転軸Ｌ周りの角度毎にばらついてしまう。しかしながら、本実施形態では、圧縮部２４に循環路３１を設け、循環路３１の長さを回転軸周りの角度に応じて所定の寸法に設定している。このような循環路３１の構成とすることによって、インペラ入口部１５とインペラ出口部１６の圧力差のばらつきを改善することができる。そして、インペラ１１に吸込まれる空気の回転軸周りの圧力差のばらつきが改善されることで、インペラ１１を通過する空気の流れが安定し、サージ発生が抑制され、遠心圧縮機１の作動領域を低流量側へ拡げることができる。
【００３３】
なお、本実施形態、および別態様では、キャビティ部３４の回転軸Ｌから中間点４３までの距離が変化する範囲が、図の上半分（１８０度の範囲）となるように設定されているが、変化する範囲が９０度程度と狭くても良く、さらには局所的に変化するように設定されていても良い。また、キャビティ部３４の回転軸Ｌから中間点４３までの距離が変化する位置は、図の上方に限らず、任意の角度に設定することができる。
【００３４】
次に、本発明の第２実施形態について図４（ａ）を参照して説明する。本実施形態の構成と上記第１実施形態の構成とで大きく異なるのは、キャビティ部３４ａの構成である。その他の構成は第１実施形態と同様であり、同様の構成については同一の符号を付すとともに、詳細な説明を省略する。
【００３５】
本実施形態のキャビティ部３４ａは、内壁４１ａが、断面の中心が回転軸Ｌと一致する円形に形成され、外壁４２ａが、断面の中心Ｏが回転軸Ｌから図の下方に所定の寸法ｓだけ偏心した円形に形成されている。外壁４２ａが回転軸Ｌに対して偏心していることで、循環路３１ａの内壁４１ａと外壁４２ａの間隔が、回転軸周りの任意の角度に応じて所定の寸法に設定されている。
【００３６】
そして、回転軸Ｌ周りの任意角度における内壁４１ａと外壁４２ａとの中間点４３ａを循環路３１ａの流路長の代表寸法と設定し、回転軸Ｌ周りの任意角度における流路長を比較すると、図４（ａ）の下方の流路長が、上方の流路長よりも長くなる。
【００３７】
また、内壁４１ａと外壁４２ａの間隔が変わることで、流通抵抗が変化するため、流路長を変える以上の変化が期待できる。
【００３８】
なお、本実施形態では、外壁４２ａの中心Ｏが、図４（ａ）の鉛直下方に偏心するように設定されているが、偏心する方向は鉛直方向に限らず、図４（ｂ）に示すように、別態様として、鉛直線から任意の角度θだけ回転させることも可能である。また、本実施形態では、外壁４２ａを所定の寸法ｓだけ偏心させることで、回転軸Ｌ周りの任意の角度に応じて内壁４１ａと外壁４２ａとの間隔が変わるように設定されているが、間隔の変化する範囲が９０度程度と狭くても良く、さらには局所的に変化するように設定されていても良い。
【００３９】
なお、上記実施形態では、遠心圧縮機について説明をしてきたが、ターボ圧縮機として、インペラの出口部を周方向に一周するスクロール状の導出部を備えた斜流圧縮機に本実施形態の循環路を設けた場合についても、遠心圧縮機と同様の作用効果が得られる。
【符号の説明】
【００４０】
１…遠心圧縮機（ターボ圧縮機）
１１…インペラ
１５…インペラ入口部
１６…インペラ出口部
２１…ハウジング
２２…入口縁
２３…導入部
２４…圧縮部
２５…導出部
２６…基部
３１、３１ａ…循環路
３２…上流側開口部
３３…上流側連通部
３４、３４ａ…キャビティ部
３５…下流側連通部
３５…導出部
３６…下流側開口部
４１、４１ａ…内壁
４２、４２ａ…外壁
４３、４３ａ…中間点
【図１】
2012172598.tif 000003
【図２】
2012172598.tif 000004
【図３】
2012172598.tif 000005
【図４】
2012172598.tif 000006