JP2004197611A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の漏れを防止して効率低下を防ぐことができると共に、簡単な制御弁の構成及び制御で安定して作動させることができ、低流量側での作動領域を拡大し得ると共に高流量側で効率向上できる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】遠心圧縮機１０には、案内羽根３２を有する案内羽根ユニット３０がハブ側通路壁１５に形成された円環状の案内孔２０に摺動移動可能に嵌合し、操作機構４０によって突出・退避可能に設けられている。操作機構４０は、案内孔２０の背面側の流体室４１がダイアフラム４２によって前後の気室４１Ｆ，４１Ｒに仕切られ、後方側の気室４１Ｒに突出スプリング４３が配設されると共にこの気室４１Ｒに制御弁を介して負圧源が接続され、更に、後方側の気室４１Ｒとディフューザ通路１４とが通気孔５０によって連通されて構成されている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用過給機の圧縮機等に用いられる遠心圧縮機に関し、詳しくは、ディフューザ通路に案内羽根が突出・退避可能に設けられて成る遠心圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
遠心圧縮機は、インペラとスクロールの間に形成された円環状のディフューザ通路によって、インペラから吐出される流体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するように構成されている。また、ディフューザ通路に流体の流れを制御する案内羽根を設けてエネルギー変換の効率向上を図ったものもある。
【０００３】
ディフューザ通路に案内羽根を備える遠心圧縮機は、低流量域では効率を向上し得る一方高流量域では案内羽根を備えないものに比較して効率が低下し、高効率を得られる流量範囲が狭くなるという欠点がある。このため、広い流量範囲にわたって高い効率を求められる車両用過給機等では、引用文献１乃至４に開示されるように、案内羽根をディフューザ壁に出没可能に設け、案内羽根がディフューザ通路内に突出した状態とディフューザ通路から退避した状態とに切り替えることのできる構成が種々提案されている。このような構成により、低流量域では案内羽根を突出させて効率を高めることができると共に高流量時には案内羽根をディフューザ通路内から退避させることで効率の低下を防ぐことができ、広い流量範囲で高い効率を得ることができる。
【０００４】
ここで、特許文献４における案内羽根の出没構造は、断面図である図５に示すように、案内羽根６１の背後に形成された流体室６２内に、ダイアフラム等の弾性仕切部材６３がスプリング６４によってディフューザ通路６５側に付勢されて設けられており、この弾性仕切部６３が流体圧によって移動駆動されて案内羽根６１を出没させるようになっている。
【０００５】
弾性仕切部材６３によって仕切られた前後の気室６２Ｆ，６２Ｒは第一開閉弁によって連通・遮断可能に、また、反ディフューザ側の気室６２Ｒは負圧源と第二開閉弁によって連通・遮断可能とされるが、図示構成では電磁三方弁６６がこれら第一開閉弁及び第二開閉弁の機能を兼ねている。つまり、この電磁三方弁６６は、前後の気室６２Ｆ，６２Ｒを連通する状態と、ディフューザ側の気室６２Ｆが閉じて反ディフューザ側の気室６２Ｒが負圧源に連通した状態とに切り替え得るように構成されている。
【０００６】
そして、前後の気室６２Ｆ，６２Ｒを連通させることでスプリング６４の付勢力によって弾性仕切部材６３がディフューザ側に移動して案内羽根６１をディフューザ通路６５内に突出させ、ディフューザ側の気室６２Ｆを閉じて反ディフューザ側の気室６２Ｒを負圧源に連通させることでスプリング６４の付勢力に抗して弾性仕切部材６３を反ディフューザ側に移動させて案内羽根６１をディフューザ通路６５内から退避させるようになっているものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６４−６６４１９号公報
【特許文献２】
特開平５−９９１９９号公報
【特許文献３】
特開２０００−２０５１８６号公報
【特許文献４】
特開２００１−３２９９９６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のごとき案内羽根をディフューザ壁に出没可能に設けた従来構成の遠心圧縮機では、案内羽根はディフューザ壁に形成された案内羽根の断面形状と対応する形状の孔を介して出没するように構成されていることから、孔と案内羽根の間に存する摺動に必要な隙間を介して流体が漏出して効率が低下するという問題があった。また、案内羽根と対応した複雑な形状の孔を多数形成しなければならないため、加工が面倒で時間を要すると共にコストアップとなるという問題もあった。
【０００９】
更に、上述の特許文献４における案内羽根の移動構造では、ディフューザ側の気室６２Ｆ内はディフューザ通路６５内の流体圧が漏洩して反ディフューザ側の気室６２Ｒ内に対して高圧となる。つまり、前後の気室６２Ｆ，６２Ｒに圧力差が生ずることとなり、このために、退避状態の案内羽根６１をディフューザ通路６５内に突出させるスプリング６４にはこの圧力差に抗する大きな付勢力が必要となる。しかし、構成上軸方向の厚さが限られる気室６２Ｒ内に配設し得るスプリング６４で大きな付勢力を得ることは困難であり、その結果、突出動作が不安定となるという問題がある。この問題は、特にタービンが隣接する車両用ターボチャージャーにおいて著しい。
【００１０】
また、案内羽根６１の突出・退避の切り替えを行う電磁三方弁６６は前後の気室６２Ｆ，６２Ｒの圧力差に耐え得る特殊なものが必要であってコストを要し、それを避けるために二つの制御弁を独立して設けると弁制御が複雑で面倒なものとなる。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、流体の漏れを防止して効率低下を防ぐことができると共に、簡単な制御弁の構成及び制御で安定して作動させることができ、低流量側での作動領域を拡大し得ると共に高流量側で効率向上できる遠心圧縮機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決する為の手段】
上記目的を達成する本発明の遠心圧縮機は、インペラの吐出側とスクロールを連通するディフューザ通路の対向するディフューザ壁の少なくとも一方に、案内羽根が移動操作手段によって突出・退避可能に設けられて成る遠心圧縮機において、前記案内羽根は、一方のディフューザ壁に形成された円環状の案内孔に摺動移動可能に嵌合した円環状の基板部材に立設されており、前記移動操作手段は、前記案内孔の背後に形成された流体室と、前記基板部材と結合され前記流体室を前後に仕切って配設された弾性仕切部材と、該弾性仕切部材を前記案内羽根の突出側に付勢する突出付勢手段と、前記弾性仕切部材の後方側の気室に負圧を印加して前記弾性仕切部材を移動駆動する負圧印加手段と、前記後方側の気室と前記ディフューザ通路とを連通する通気孔と、を備えて構成されていることを特徴とする。
【００１３】
この構成により、案内羽根は基板部材が案内孔内を摺動して出没するためにシール面の形状は単純な円環状であり容易に製作し得ると共に流体の漏洩を防ぐことができ、移動操作手段の弾性仕切部材も流体の漏洩を防ぐ。移動操作手段は、突出付勢手段による弾性仕切部材の突出付勢によって案内羽根をディフューザ通路内に突出させ、負圧印加手段によって弾性仕切部材の後方側の気室に負圧を印加することで弾性仕切部材を突出付勢手段の付勢力に抗して後方側に移動させることで案内羽根をディフューザ通路内から退避させる。後方側の気室とディフューザ通路とを連通する通気孔は、後方側の気室にディフューザ通路の圧力を供給するように作用し、これによって前後の気室の圧力差がなくなって突出付勢手段に大きな付勢力を要することなく案内羽根の安定作動が可能となる。
【００１４】
また、上記構成に加え、上記案内羽根の先端には、突出時に対向する他方のディフューザ壁の一部を形成すると共に退避時に上記案内孔を閉塞して前記一方のディフューザ壁を形成する円環状の先端板部材が設けられて構成されていることを特徴とする。
【００１５】
この構成により、案内羽根の退避時には、先端板部材が案内孔を閉塞して流体の漏洩を防ぐ。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明に係る遠心圧縮機の一構成例であるエンジンの吸気を加圧供給する車両用過給機の遠心圧縮機の縦断面図，図２はそのＡ−Ａ線に相当するケーシングを除いた一部破断断面図である。尚、図２は上半分は案内羽根がディフューザ通路内に突出した状態，下半分は案内羽根がディフューザ通路から退避した状態を示している。また、図３は図１中のＸ部で示すディフューザ通路部分の拡大断面図であって案内羽根がディフューザ通路内に突出した状態を示し，図４は図３の状態から案内羽根が退避した状態を示す図である。
【００１７】
図１に示す遠心圧縮機１０は、ハウジング１１内に、図示しないタービンによって回転駆動されるタービン軸９に取り付けられたインペラ１２が配設され、その吐出側とハウジング１１の外周側に形成されたスクロール１３とがディフューザ通路１４によって連通している。
【００１８】
ディフューザ通路１４は、ディフューザ壁としての対向するハブ側通路壁１５とシュラウド側通路壁１６によって挟まれた所定幅の円環状の通路であり、そのハブ側通路壁１５はスクロール１３とそのハブ側の開口端部に締着されたボディプレート１９の間に介設された外周カバープレート１７と内周カバープレート１８によって構成され、シュラウド側通路壁１６はハウジング１１の壁面で構成されている。
【００１９】
ハブ側通路壁１５を構成する外周カバープレート１７と内周カバープレート１８は、それぞれ所定厚さの円環状であってインペラ１２の回転軸を中心として同心状に設けられており、これら外周カバープレート１７の内周縁と内周カバープレート１８の外周縁でハブ側通路壁１５に円環状の案内孔２０を形成している。また、その案内孔２０の背面側にはボディプレート１９によって操作手段としての操作機構４０の流体室４１が形成されている。
【００２０】
案内孔２０には、案内羽根３２を備える案内羽根ユニット３０がインペラ１２の回転軸と平行な方向に移動可能に設けられている。この案内羽根ユニット３０は移動操作手段としての操作機構４０によって移動操作されて、案内羽根３２がディフューザ通路１４内に位置する突出状態と、ディフューザ通路１４から引っ込んだ退避状態の何れかの状態を択一的に採り得るようになっている。
【００２１】
案内羽根ユニット３０は、基板部材としての円環状のディフューザプレート３１に案内羽根３２が周方向に等間隔で例えば１３〜１７枚立設され、その先端に先端板部材としての円環状のクラウンプレート３３が設けられて構成されている。そして、この案内羽根ユニット３０がディフューザ通路１４内に突出した状態では、図３に示すようにクラウンプレート３３の外面がシュラウド側通路壁１６に密着してその内面がシュラウド側の通路壁となると共にディフューザプレート３１が案内孔２０の開口部を閉塞してハブ側の通路壁を形成する。また、案内羽根ユニット３０がディフューザ通路１４から退避した状態では、図４に示すようにクラウンプレート３３が案内孔２０を閉塞してハブ側の通路壁を形成するようになっている。
【００２２】
ディフューザプレート３１は、案内孔２０に摺動可能に嵌合する所定厚さの円環状で、その外周内側には段差部３１Ａが形成されている。一方、案内孔２０の外周内側を形成する外周カバープレート１７の角部には段差部２０Ａが形成されており、案内羽根ユニット３０が突出した状態では段差部３１Ａが段差部２０Ａに当接してその位置を規定すると共に空気の漏洩を防ぐようになっている。尚、これに代えて、ディフューザプレート３１の内周に形成された段差部が案内孔２０の内周内側に形成された段差部に当接して案内羽根ユニット３０の位置を規定すると共に空気の漏洩を防ぐ構成としても良い。
【００２３】
クラウンプレート３３は、案内孔２０をディフューザ通路１４側から閉塞し得る内外径の円環状で、案内羽根３２側の内面はインペラ１２の中心軸と直交する平面となっている。また、外面は、ディフューザ通路１４の入口側が先細りの傾斜面３３Ａ、後端側が平面部３３Ｂとなっている。平面部３３Ｂは、案内羽根３２の移動方向と直交する平面で、所定幅に形成されている。これにより、クラウンプレート３３は，ディフューザ通路１４の入口側は先端が尖った楔状で出口側は所定の一定厚さの板状の断面形状を呈している。そして、図４に示す案内羽根ユニット３０がディフューザ通路１４から退避した状態では、尖った先端部が内周カバープレート１８に当接して滑らかに連続する壁面を形成するようになっている。
【００２４】
一方、シュラウド側通路壁１６のクラウンプレート３３と対向する部位は、クラウンプレート３３の外面と対応して傾斜部１６Ａと平面部１６Ｂが連続する形状に形成されており、案内羽根ユニット３０がディフューザ通路１４内に突出した状態では、クラウンプレート３３の傾斜面３３Ａがシュラウド側通路壁１６のの傾斜部１６Ａに、クラウンプレート３３の平面部３３Ｂがシュラウド側通路壁１６の平面部１６Ｂにそれぞれ当接し、クラウンプレート３３の内面とハウジング１１とが滑らかに連続するようになっている。
【００２５】
このように、クラウンプレート３３がシュラウド側通路壁１６に傾斜面３３Ａと平面部３３Ｂで当接することにより、クラウンプレート３３の平面部３３Ｂがシュラウド側通路壁１６の平面部１６Ｂに気密的に密着し、クラウンプレート３３とシュラウド側通路壁１６の間の隙間を介してスクロール側からディフューザ通路１４の入口側へ空気が環流することを防ぐことができる。つまり、クラウンプレート３３の外面全体が傾斜面では、クラウンプレート３３の全周に亘ってシュラウド側通路壁１６に気密的に密着させることが難しく、両者の間に形成された隙間を介してスクロール側からディフューザ通路１４の入口側へ空気の環流が生じて効率低下を来してしまうが、本構成のように平面部３３Ｂを設けることによってクラウンプレート３３の全周に亘って気密的に密着させることが容易となり、効率低下を防ぐことができるものである。尚、クラウンプレート３３の外面にゴム等の弾性密着層を焼き付け等によって形成しても良く、そうすればより一層気密性を高めることができる。
【００２６】
操作機構４０は、図３，４に示すように、案内孔２０の背面側にボディプレート１９によって密閉形成された流体室４１の内部に、弾性仕切部材としてのダイアフラム４２が当該流体室４１内を前後の気室４１Ｆ，４１Ｒに仕切って設けられ、その後方側の気室４１Ｒに突出付勢手段としての突出スプリング４３が配設されると共にこの気室４１Ｒに図示しないが制御弁を介して負圧源が接続されて構成されている。
【００２７】
ダイアフラム４２は流体室４１と対応する円環状であってその幅方向中央が案内羽根ユニット３０のディフューザプレート３１に締着され、突出スプリング４３によって前方側に押圧付勢されている。
【００２８】
突出スプリング４３は、コイルスプリングであって、気室４１Ｒ内にその周方向に複数配設され、リテーナー４４を介してダイアフラム４２を前方側に押圧付勢している。
【００２９】
このように構成された操作機構４０は、通常状態ではダイアフラム４２が突出スプリング４３によって前方側に押圧付勢されて案内羽根ユニット３０を突出状態とし、制御弁の開放によって気室４１Ｒに負圧源の負圧を印加することでダイアフラム４２を突出スプリング４３の付勢力に抗して後方側に変位させて案内羽根ユニット３０を退避状態とするように作用する。
【００３０】
ここで、後方側の気室４１Ｒとディフューザ通路１４とを連通する通気孔５０が、外周カバープレート１７とボディプレート１９を貫通して設けられている。
【００３１】
通気孔５０は、外周カバープレート１７を厚さ方向に貫通する通気孔５１とボディプレート１９を厚さ方向に貫通する通気孔５２とが、外周カバープレート１７とボディプレート１９の接合面で連通するように形成されている。その径及び数は、気室４１Ｒにディフューザ通路の圧力を作用させ得、且つ、負圧源からの負圧の印加によるダイアフラム４２の移動操作を妨げることがないように最小限に設定される。例えば、周方向に一カ所、径１ｍｍ程度で形成すれば良い。
【００３２】
このような通気孔５０を備えることにより、ディフューザ通路１４の圧力が後方側の気室４１Ｒに作用することとなって、ディフューザ通路１４の圧力が漏洩する前方側の気室４１Ｆと後方側の気室４１Ｒと内圧が均等化され、その結果、小さな付勢力の突出スプリング４３で案内羽根ユニット３０を突出操作して突出状態を安定的に保つことができる。つまり、通気孔５０が無い場合には前方側の気室４１Ｆの圧力のみが高くなってダイアフラム４２に作用することから案内羽根ユニット３０を突出させる突出スプリング４３にはこの圧力に抗する大きな付勢力が必要となるが、通気孔５０によって前後の気室４１Ｆ，４１Ｒの圧力差をなくすことで小さな力で駆動し得るものである。尚、本構成では、通気孔５０のディフューザ通路１４への開口位置は案内羽根ユニット３０が退避状態の時にクラウンプレート３３によって覆われる位置に設定されているが、通気孔５０が密閉閉塞されて後方側の気室４１Ｒへの圧力供給が不能となる虞がある場合には、クラウンプレート３３の通気孔５０の開口部と対応する位置に貫通孔を設ければ良い。
【００３３】
上記のごとく構成された遠心圧縮機１０は、低流量域では操作機構４０の制御弁を閉じた状態として、案内羽根３２がディフューザ通路１４内に位置するように案内羽根ユニット３０をディフューザ通路１４内に突出させ、高流量域では制御弁を開いて案内羽根ユニット３０をディフューザ通路１４から退避させる。これにより、低流量域では案内羽根３２によって効率を高めることができると共に高流量域における効率の低下を防ぐことができ、広い流量範囲で高い効率を得ることができる。
【００３４】
案内羽根ユニット３０の移動は操作機構４０の一つの制御弁の開閉制御のみによって可能であって極めて単純であり、制御弁も単純なもので良いために安価に構成できる。
【００３５】
案内羽根ユニット３０がディフューザ通路１４内に突出した状態では、案内孔２０をディフューザプレート３１が閉塞すると共にディユーザプレート３１の段差部３１Ａが案内孔２０の段差部２０Ａに当接してディフューザ通路１４内の空気の流体室４１への漏出を防ぎ、また、流体室４１内のダイアフラム４２が気密を保持するために空気の漏洩による効率低下を防ぐことができる。クラウンプレート３３の内面はケーシング１１と滑らかに連続するため、インペラ１２から吐出される空気を円滑に流すことができる。
【００３６】
一方、案内羽根ユニット３０がディフューザ通路１４から退避した状態では、案内孔２０をクラウンプレート３３が閉塞してディフューザ通路１４内の空気の流体室４１への漏洩を防ぎ、また、クラウンプレート３３の外面がカバープレート１８と滑らかに連続してインペラ１２から吐出される空気を円滑に流すことができる。
【００３７】
尚、上記構成例は、車両用過給機に適用した遠心圧縮機について説明したが、本発明は車両用過給機に限らず、広い流量範囲で運転する他の遠心圧縮機にも同様に適用することができる。また、案内羽根はディフューザ通路のハブ側の壁面に設けられているが、スペース的な余裕があればシュラウド側の壁面に設けても良いものである。更に、通気孔の位置及び形状も上記構成例に限定されるものではなく、適宜変更可能なものである。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る遠心圧縮機によれば、案内羽根は、一方のディフューザ壁に形成された円環状の案内孔に摺動移動可能に嵌合した円環状の基板部材に立設されており、移動操作手段は、前記案内孔の背後に形成された流体室と、基板部材と結合され流体室を前後に仕切って配設された弾性仕切部材と、該弾性仕切部材を案内羽根の突出側に付勢する突出付勢手段と、弾性仕切部材の後方側の気室に負圧を印加して弾性仕切部材を移動駆動する負圧印加手段と、後方側の気室とディフューザ通路とを連通する通気孔と、を備えて構成されていることにより、案内羽根が出没移動する案内孔は単純な円環状であるために製作が容易で安価に製作できると共に、移動操作手段の弾性仕切部材と相俟って流体の漏洩が無く効率低下を防ぐことができる。また、移動操作手段は、その後方側の気室に通気孔を介してディフューザ通路の圧力が供給されて前後の気室に圧力差がなくなることから小さな付勢力の突出付勢手段によっての案内羽根の安定作動が可能であり、更に、弾性仕切部材の後方側の気室への負圧の供給・停止のみによって案内羽根の出没移動が可能であるため、単純で安価に構成できると共に制御も容易となるものである。つまり、流体の漏れを防止して効率低下を防ぐことができると共に、簡単な制御弁の構成及び制御で安定して作動させることができ、低流量側での作動領域を拡大し得ると共に高流量側で効率向上できるものである。
【００３９】
また、上記構成に加え、案内羽根の先端には、突出時に対向する他方のディフューザ壁の一部を形成すると共に退避時に案内孔を閉塞して一方のディフューザ壁を形成する円環状の先端板部材が設けられて構成されていることにより、案内羽根の退避時に先端板部材が案内孔を閉塞して流体の漏洩を阻止し、効率の低下を防ぐことができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る遠心圧縮機の一構成例であるエンジンの吸気を加圧供給する車両用過給機の遠心圧縮機の縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に相当するケーシングを除いた一部破断断面図である。
【図３】図１のＸ部拡大断面図であって案内羽根がディフューザ通路内に突出した状態を示す図である。
【図４】図３から案内羽根が退避した状態を示す図である。
【図５】従来例としての案内羽根の出没構造を示す遠心圧縮機の断面図である。
【符号の説明】
１０ 遠心圧縮機
１２ インペラ
１３ スクロール
１４ ディフューザ通路
１５ ハブ側通路壁（ディフューザ壁）
１６ シュラウド側通路壁（ディフューザ壁）
２０ 案内孔
３１ ディフューザプレート（基板部材）
３２ 案内羽根
３３ クラウンプレート（先端板部材）
４０ 操作機構（移動操作手段）
４１ 流体室
４１Ｆ 気室
４１Ｒ 気室（弾性仕切部材の後方側の気室）
４２ ダイアフラム（弾性仕切部材）
４３ 突出スプリング（突出付勢手段）
５０ 通気孔

Claims (2)

1. インペラの吐出側とスクロールを連通するディフューザ通路の対向するディフューザ壁の少なくとも一方に、案内羽根が移動操作手段によって突出・退避可能に設けられて成る遠心圧縮機において、
   前記案内羽根は、一方のディフューザ壁に形成された円環状の案内孔に摺動移動可能に嵌合した円環状の基板部材に立設されており、
   前記移動操作手段は、前記案内孔の背後に形成された流体室と、前記基板部材と結合され前記流体室を前後に仕切って配設された弾性仕切部材と、該弾性仕切部材を前記案内羽根の突出側に付勢する突出付勢手段と、前記弾性仕切部材の後方側の気室に負圧を印加して前記弾性仕切部材を移動駆動する負圧印加手段と、前記後方側の気室と前記ディフューザ通路とを連通する通気孔と、を備えて構成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 上記案内羽根の先端には、突出時に対向する他方のディフューザ壁の一部を形成すると共に退避時に上記案内孔を閉塞して前記一方のディフューザ壁を形成する円環状の先端板部材が設けられて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。

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