(57)【要約】【課題】コンプレッサの稼働状態のほぼ全域に亘ってレスポンスよく流体の剥離を制御することを課題とする。【解決手段】ターボチャージャ１のコンプレッサインペラ２１の表面には、プラズマ発生素子１００が装着されている。プラズマ発生素子１００は、コンプレッサインペラ２１の表面と面一となるように埋設されている。プラズマ発生素子１００は、誘電体１０１と絶縁層１０２とを備えている。誘電体１０１は、セラミック素材からなり、絶縁層１０２は、ポリイミドを用いたシート状素材からなる。誘電体１０１の表面側及び裏面側には誘電体１０１を挟むように一対の電極が装着されている。プラズマ発生素子１００は誘電体１０１側を流体が流れるように装着される。プラズマ発生素子１００の表面側にプラス電極１０３を装着し、裏面側にマイナス電極１０４を装着している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インペラの表面に装着されたプラズマ発生素子と、
当該プラズマ発生素子に電圧を印加する電源装置と、
を備えたことを特徴とするコンプレッサ。
【請求項２】
請求項１記載のコンプレッサにおいて、
前記電源装置は、コンプレッサの回転軸に設けられ、Ｓ極及びＮ極の磁石が配置されたロータと、当該ロータの周囲に配置されるステータとを含むことを特徴としたコンプレッサ。
【請求項３】
請求項１記載のコンプレッサにおいて、
前記電源装置は、コンプレッサの回転軸に設けられたコイル部と当該コイル部の周囲に配置された磁石を含むことを特徴としたコンプレッサ。
【請求項４】
請求項１記載のコンプレッサにおいて、
前記電源装置は、コンプレッサの回転軸に配置された磁石と当該磁石の周囲に配置されたコイル部とを含むことを特徴としたコンプレッサ。
【請求項５】
請求項１記載のコンプレッサにおいて、
前記電源装置は、バッテリを含むことを特徴とするコンプレッサ。
【請求項６】
請求項１記載のコンプレッサにおいて、
前記電源装置は、バッテリと、インバータとを含むことを特徴としたコンプレッサ。
【請求項７】
請求項１記載のコンプレッサにおいて、
前記電源装置は、バッテリと、インバータと前記プラズマ発生素子へ供給する電圧を制御する制御部を含むことを特徴としたコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャ等と組み合わせて用いられるコンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンのターボチャージャやガスタービンエンジンに用いられる遠心式のコンプレッサは、截頭円錐台形をなす回転ハブの外周面に中心軸線に対して捻じれた面を有する複数のブレードが設けられたインペラを備えている。このインペラは、回転速度等の条件によっては、ブレードからの流体剥離に伴うサージングの発生や二次流れの発生に起因する損失がみられる。
【０００３】
このような現象を抑制する対策として、例えば、特許文献１には、遠心圧縮機のインペラにおけるブレードの少なくとも一部の径方向についての暑さの増大率を、基端部へ近づくに連れて負圧面側のみ漸増させるものとした構成が開示されている。これにより、ハブ近傍の応力を増大させずに通路断面積を減少することができるので、ハブ付近の負荷が局所的に低減され、サージ特性が高まると共に２次流れの巻上がりが減少し、損失を低減することができるとされている。
【０００４】
また、コンプレッサは、インペラ周囲を流通する流体の特性が複雑に影響し合うことからコンプレッサに関する発明では種々の課題が掲げられ、また、種々の解決手段が提案されている。例えば、特許文献２には、気体の流量が低流量であっても、インデューサ部の負圧面に対する気体の境界層の剥離を防止又は剥離を抑制することを課題として、正圧面と負圧面とが形成されたインペラのインデューサ部に、正圧面と負圧面を連通する通孔を設けた構成が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３６５６７号公報
【特許文献２】特開２００６−１９４２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のインペラにおける剥離抑制等を目的としたコンプレッサの提案はいずれもケーシングやダクトの形状、翼形状を改良するものが大半であり、コンプレッサが実現する流量や圧力比の条件に対し、その全域に対して対応できるものではなかった。すなわち、コンプレッサは稼働条件、稼働状態によってコンプレッサを通過する流体の流量、圧力比は変化するが、形状の改良のみではこのような変化に対応することは困難であった。また、コンプレッサの翼に向かって流す流体の向き、流速を制御することも考えられてはいるが、このような制御はモータ又は負圧を用いるものが多く、制御時間が遅くなる等の問題を有していた。
【０００７】
そこで、本発明は、コンプレッサの稼働状態のほぼ全域に亘ってレスポンスよく流体の剥離を制御することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するための、本発明のコンプレッサは、インペラの表面に装着されたプラズマ発生素子と、当該プラズマ発生素子に電圧を印加する電源装置と、を備えたことを特徴とする（請求項１）。インペラの表面に装着されたプラズマ発生素子に電圧を印加することによってプラズマを発生させ、このとき、電界により正イオンがコンプレッサの吸気流体に運動量を伝え、これにより、プラズマ発生素子が装着されたインペラの表面と流体との境界層にて意図的に流れ（空気流）を創り出し、周囲の流れとの速度差を緩和して流体の剥離を抑制し、サージングの抑制、チョーキング領域の高流量側への移行を図ることができる。プラズマ発生素子は、誘電体と絶縁層とを設け、誘電体の表裏に電極を配置したもの採用することができる。このようなプラズマ発生素子に印加する電圧は交流電圧とすることが望ましい。交流電圧とすることにより、継続的なプラズマ発生を実現することができ、境界層での整流に寄与することができる。なお、このようなプラズマ発生素子は、所望の効果を得ることができるインペラの任意の位置に装着することができる。
【０００９】
このようなコンプレッサにおける電源装置は、コンプレッサの回転軸に設けられ、Ｓ極及びＮ極の磁石が配置されたロータと、当該ロータの周囲に配置されるステータとを含む構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすれば、コンプレッサ自身の回転からプラズマ発生素子に供給する電気を確保することができる。
【００１０】
また、このようなコンプレッサにおける前記電源装置は、コンプレッサの回転軸に設けられたコイル部と当該コイル部の周囲に配置された磁石を含む構成とすることができる（請求項３）。
【００１１】
さらに、前記電源装置は、コンプレッサの回転軸に配置された磁石と当該磁石の周囲に配置されたコイル部とを含む構成とすることもできる（請求項４）。もちろん、バッテリを電源としてプラズマ発電素子に電圧を印加するようにしてもよい（請求項５）。コンプレッサの回転を利用して発生させた電気を一旦バッテリへ蓄える構成とすることもできる。コンプレッサの回転により取り出された電気が交流の場合は整流処理をして直流に変換した後、バッテリへ供給するようにする。
【００１２】
さらに、前記電源装置は、バッテリと、インバータとを含む構成とすることができる（請求項６）。インバータを備えることにより、プラズマ発生素子に印加する電圧を交流とすることができる。また、バッテリと接続したインバータにおけるスイッチングのタイミングを変更することにより、コンプレッサの稼働状況に即したプラズマ発生素子への電圧印加を実現することができる。
【００１３】
より正確な制御を行うべく、前記電源装置は、バッテリと、インバータと前記プラズマ発生素子へ供給する電圧を制御する制御部を含む構成とすることができる（請求項７）。制御部は、流通する空気の量や、過給圧等の値を参照してプラズマ発生素子へ印加する電圧値、周波数を指示することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、インペラの表面にプラズマ発生素子を装着し、プラズマを発生させることによって流体とインペラとの間に流れを生じさせるようにしたので、コンプレッサの稼働状態に応じた流体の剥離の抑制を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は、本発明のコンプレッサ２０を備えたターボチャージャ１の構成を示した図である。ターボチャージャ２は、軸方向における一方側にコンプレッサ２０を備え、他方側にタービン３０を備えている。具体的には、回転軸３のタービン３０側の端部にはタービンインペラ３１が一体に形成されており、コンプレッサ２０側の端部にはコンプレッサインペラ２１が嵌め込まれナット２５により締め付け固定されている。このコンプレッサインペラ２１が本発明におけるインペラに相当する。コンプレッサインペラ２１の外周にはコンプレッサハウジング２２が設けられ、タービンインペラ３１の外周にはタービンハウジング３２が設けられている。
【００１７】
前記コンプレッサ２０側とタービン３０側との間にはベアリングハウジング１０が配設されており、このベアリングハウジング１０内には発電装置６０が組み込まれている。発電装置６０は、ロータ６１と、ステータ６２とを備えている。ロータ６１は、回転軸３の周囲に巻回して設けられたロータコイルの周囲にＳ極とＮ極とからなるロータコアが配置されて形成されている。ロータコイルの両端は回転軸状に絶縁して取り付けられた２個のスリップリング６３に接続されている。また、このスリップリング６３にそれぞれ接触するブラシ６４が設けられている。ロータ６１は図示しないダイオードが組み込まれており、直流電流が取り出されるようになっている。ブラシ６４の他端は、それぞれバッテリ６５へ接続されている。
【００１８】
ロータ６１の両側には回転軸３を支持するラジアル軸受４０、４５が配設されている。タービン側のラジアル軸受４０は回転軸３に固定したスリーブ４１と、このスリーブ４１の外周に対向するように配置したラジアル軸受部４２とを含んでいる。ラジアル軸受部４２は、両側に配置したスナップリング４３により軸方向の位置決めがされている。ラジアル軸受部４２の背部側にはベアリングハウジング１０に形成したオイル通路１６により潤滑油が供給されている。
【００１９】
一方のコンプレッサ側のラジアル軸受４５の周辺構造は、タービン側とは異なっている。ラジアル軸受４５はベアリングハウジング１０とコンプレッサインペラ２１との間に配置したベアリングプレート１１内の中心部に設けられている。ラジアル軸受４５は回転軸３に固定したスリーブ７１と、このスリーブ７１の外周に対向するように配置したラジアル軸受部４６とを含んでいる。ラジアル軸受部４６のコンプレッサ側にはスナップリング４３が配設されている。ラジアル軸受部４２の背部側にはベアリングプレート１１に形成したオイル通路１５により潤滑油が供給されている。
【００２０】
なお、スリーブ７１よりコンプレッサ側の回転軸３には、シーリングカラーを介挿してコンプレッサインペラ２１が嵌め込まれている。このコンプレッサインペラ２１をナット２５で締め付けることにより、反対側のタービンインペラ３１からコンプレッサインペラ２１までに配置した各部材が回転軸３に沿って位置決めされている。
【００２１】
以上のように構成されるターボチャージャ１のコンプレッサインペラ２１の表面には、プラズマ発生素子１００が装着されている。プラズマ発生素子１００は、コンプレッサインペラ２１の表面と面一となるように埋設されている。このようなプラズマ発生素子１００の構成につき、図２を参照しつつ説明する。プラズマ発生素子１００は、誘電体１０１と絶縁層１０２とを備えている。誘電体１０１は、セラミック素材からなり、絶縁層１０２は、ポリイミドを用いたシート状素材からなる。誘電体１０１の表面側及び裏面側には誘電体１０１を挟むように一対の電極が装着されている。プラズマ発生素子１００は誘電体１０１側を流体が流れるように装着される。本実施例では、誘電体１０１の表面側すなわち、プラズマ発生素子１００の表面側にプラス電極１０３を装着し、裏面側にマイナス電極１０４を装着している。プラス電極１０３は、流体の流れの上流側に位置し、マイナス電極１０４は、流体の流れの下流側に位置させている。このように電極を流体の流通方向にずらすことによってプラズマ発生に伴って発生する境界層における空気流れを流体の流れ方向と一致させることができる。
【００２２】
回転軸３は、コンプレッサ側の端部に開口するから中空部３ａを有しており、この中空部内に２個のスリップリング５１が内装されている。このスリップリング５１にはプラス電極１０３、マイナス電極１０４からのリード線が電気的に接続されている。
【００２３】
プラズマ発生素子１００はその大きさが大きくなるほど強い空気流れを発生することができ、これに伴って制御の範囲も広くなる。ただし、装着場所によって大きさの制約を受けることになる。本実施例では、コンプレッサインペラ２１のブレード部に装着することができる大きさとしている。
【００２４】
このようなプラズマ発生素子１００は、インバータ１１０を介してバッテリ６５から電気の供給を受ける。インバータ１１０から引き出されるリード線はスリップリング５１と接触できるように回転軸３の中空部３ａへ引き込まれている。インバータ１１０はＥＣＵ（Electronic  control  unit）１１１と電気的に接続されており、ＥＣＵ１１１は、バッテリ６５から供給される直流電流を交流電流に変換し、プラズマ発生素子１００に交流電圧を印加する際の制御を行う。ＥＣＵ１１１には各種センサからの測定値が収集され、この測定値に基づいてプラズマ発生素子１００への通電制御を行う。なお、発電装置６０、バッテリ６５、インバータ１１０、ＥＣＵ１１１が本発明における電源装置を構成している。
【００２５】
次に、以上のように構成されるコンプレッサ２０の動作につき説明する。ＥＣＵ１１１は、エンジンに供給される空気の流量、過給圧、コンプレッサ２０の前圧力から、コンプレッサ内の各場所での流速を演算、推測する。ＥＣＵ１１１は予め備えた流速と印加交流電圧との対応関係に関するマップを参照して印加交流電圧のスペックを決定する。制御の対称となる印加電圧の数値は、電圧値と周波数であり、それぞれ、５〜１０ｋｖの範囲、１〜１０ｋＨｚの範囲で制御される。周波数は高くなるほど、発生する空気の流れは速くなる。周波数は、インバータ１１０における直流から交流へのスイッチングのタイミングによって所望の値に制御することができる。ＥＣＵ１１１は、これらの数値を制御することにより、コンプレッサインペラ２１周囲の流体の速度と調和する空気の流れを創り出し、コンプレッサにおける流体の剥離を抑制する。この結果、サージング、チョーキングの抑制が図られる。
【実施例２】
【００２６】
次に本発明の実施例２について説明する。実施例２は、図３に示すように実施例１における発電装置６０を発電装置８０に置き換えている。発電装置８０は、回転軸３にＳ極とＮ極の磁石８１を配置し、その周囲にコイル部８２を配置している。磁石８１とコイル部８２とは「ステラの交流発電機」を構成している。このような発電装置から取り出される電気は交流であるため、コイル部８２とバッテリ６５との間に整流器８３を介在させている。これにより、バッテリ６５へは直流の電気が供給される。なお、詳細な制御を求めない場合は、発生した交流電圧をそのままプラズマ発生素子１００へ印加する簡易な構成とすることもできる。
【００２７】
他の構成は実施例１と同様であるので、共通する構成要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００２８】
次に本発明の実施例３について、図４を参照しつつ説明する。実施例３の電源装置９０は、コンプレッサ２０の回転軸３に設けられたコイル部９１とこのコイル部９１の周囲に配置された磁石９２を含んでいる。このような電源装置９０では、回転軸３と共に回転するからコイル部９１から交流電流を取り出すことができるので、コイル部９１から引き出されるリード線は回転軸３の内部を通って直接、スリップリング５１に接続されている。なお、リード線は、スリップリング５１と共に回転することから、ハンダ付け等により固定してよい。
【００２９】
このような構成とすることにより、リード線をターボチャージャ１の外部へ引き出さずに、プラズマ発生素子１００へ交流電圧を印加することができる。
【００３０】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【００３１】
例えば、図５に示すように、発電装置を備えない電源装置、すなわち、バッテリ６５とインバータ１１０を通じてプラズマ発生素子１００へ交流電圧印加を行うようにしてもよい。
【００３２】
回転軸３の回転を利用して発電を行う場合、交流電圧が取り出せるときは直接プラズマ発生素子１００へ電圧印加する構成とすることができるが、プラズマ発生素子１００へ印加する交流電圧のスペックを制御するときは、一旦バッテリ６５へ貯留した後、インバータ１１０を介して電圧印加を行う。このとき、発電装置ではスリップリング、ブラシの配置によって直流電流を取り出すようにしてもよいし、整流器を通過させて直流電流を得るようにしてもよい。また、プラズマ発生素子１００の素材を適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施例１のコンプレッサを備えたターボチャージャの概略構成図である。
【図２】プラズマ発生素子の構成を示す説明図である。
【図３】実施例２のコンプレッサを備えたターボチャージャの概略構成図である。
【図４】実施例３のコンプレッサを備えたターボチャージャの概略構成図である。
【図５】さらに他の実施例のコンプレッサを備えたターボチャージャの概略構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  ターボチャージャ
３  回転軸
２０  コンプレッサ
２１  コンプレッサインペラ
３０  タービン
３１  タービンインペラ
６０、８０、９０  発電装置
６１  ロータ
６２  ステータ
６４  ブラシ
６５  バッテリ
８１、９２  磁石
８２、９１  コイル部
８３  整流器
１００  プラズマ発生素子
１０１  誘電体
１０２  絶縁層
１０３  プラス電極
１０４  マイナス電極
１１０  インバータ
【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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