JP2015165102A - 水冷タービンハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】スクロール通路よりも径方向内側の部分にもウォータージャケットを設ける構成を採用してタービンハウジングの耐熱性を確保しつつも、タービンに流入する排気の温度が低くなりすぎてしまうことを抑制することのできる水冷タービンハウジングを提供する。【解決手段】タービンハウジング１０では、冷却水導入口２３から導入された冷却水が分配されて各ウォータージャケット２１，２２内を流れる。そしてタービンハウジング１０では、シュラウド部１１の中心から同タービンハウジング１０の外周面に至る径方向断面内で比較した場合、外側ウォータージャケット２２の通路断面積が内側ウォータージャケット２１の通路断面積よりも小さくなっている。また、スクロール通路１２と内側ウォータージャケット２１との間の壁面２５の厚さＬ１がスクロール通路１２と外側ウォータージャケット２２との間の壁面２６の厚さＬ２よりも厚くなっている。【選択図】図２

Description

この発明は、ウォータージャケットを備えた水冷タービンハウジングに関するものである。

特許文献１には、スクロール通路を取り囲むようにウォータージャケットが形成された水冷タービンハウジングが開示されている。

特開２００４‐３５３５８９号公報

ところで、タービンハウジングにおけるスクロール通路よりも径方向外側の部分だけでなく、スクロール通路よりも径方向内側の部分にまで広がるウォータージャケットを設けるようにした場合には、遠心力によってウォータージャケットの径方向外側の部分に冷却水が偏り、径方向内側の部分にまで冷却水が行き渡らなくなりやすい。

これに対して、冷却水の流量を増やし、大量の冷却水をウォータージャケットに導入すれば、ウォータージャケット全体に冷却水を行き渡らせることができるようになる。しかし、この場合には、タービンハウジングの壁面が過剰に冷却されてしまい、タービンホイールに流入する排気の温度が低下してエンジンの効率が低下してしまうおそれがある。

この発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、スクロール通路よりも径方向内側の部分にもウォータージャケットを設ける構成を採用してタービンハウジングの耐熱性を確保しつつも、タービンホイールに流入する排気の温度が低くなりすぎてしまうことを抑制することのできる水冷タービンハウジングを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するための水冷タービンハウジングは、タービンホイールを収容するシュラウド部と、前記シュラウド部を取り囲むスクロール通路と、前記スクロール通路と前記シュラウド部との間に設けられた内側ウォータージャケットと、前記スクロール通路の径方向外側に設けられた外側ウォータージャケットと、を備えている。この水冷タービンハウジングでは、共通の冷却水導入口から導入された冷却水が前記外側ウォータージャケット及び前記内側ウォータージャケットに分配されて各ウォータージャケット内を流れる。そして、この水冷タービンハウジングでは、前記シュラウド部の中心軸を中心とする同水冷タービンハウジングの周方向と垂直な径方向断面のうちの、前記中心軸から同水冷タービンハウジングの外周面に至る径方向断面内で比較した場合、前記外側ウォータージャケットの通路断面積が前記内側ウォータージャケットの通路断面積よりも小さくなっており、前記スクロール通路と前記内側ウォータージャケットとの間の壁面の厚さが前記スクロール通路と前記外側ウォータージャケットとの間の壁面の厚さよりも厚くなっている。

上記構成では、ウォータージャケットが外側ウォータージャケットと内側ウォータージャケットとに分けられているとともに、外側ウォータージャケットの通路断面積が内側ウォータージャケットの通路断面積よりも小さくなっている。そのため、それほど大量の冷却水をウォータージャケットに導入しなくても、外側ウォータージャケットを冷却水で満たして内側ウォータージャケットに冷却水を導入することができるようになる。

また、スクロール通路と内側ウォータージャケットとの間に位置する径方向外側の壁面の厚さが、スクロール通路と外側ウォータージャケットとの間に位置する径方向内側の壁面の厚さよりも厚くなっているため、スクロール通路における径方向内側の壁面の冷却が抑制されるようになる。したがって、スクロール通路よりも径方向内側の部分を冷却水によって冷却するようにしながらも、スクロール通路における径方向内側の壁面が過剰に冷却されてしまうことを抑制することができる。

すなわち、上記構成によれば、スクロール通路よりも径方向内側の部分にもウォータージャケットを設ける構成を採用してタービンハウジングの耐熱性を確保しつつも、タービンホイールに流入する排気の温度が低くなりすぎてしまうことを抑制することができるようになる。要するに、耐熱性の確保と、エンジンの効率の低下の抑制との両立を図ることができる。

一実施形態にかかる水冷タービンハウジングの正面図。 同水冷タービンハウジングの図１におけるＣ−２線に沿った断面図。 同水冷タービンハウジングの図１におけるＣ−３線に沿った断面図。 同水冷タービンハウジングの図１におけるＣ−４線に沿った断面図。 同水冷タービンハウジングの図１におけるＣ−５線に沿った断面図。 同水冷タービンハウジングの図１におけるＣ−６線に沿った断面図。 変形例の水冷タービンハウジングの正面図。 変形例の水冷タービンハウジングの図７におけるＣ−８線に沿った断面図。 変形例の水冷タービンハウジングの図７におけるＣ−９線に沿った断面図。 変形例の水冷タービンハウジングの図７におけるＣ−１０線に沿った断面図。 変形例の水冷タービンハウジングの図７におけるＣ−１１線に沿った断面図。 変形例の水冷タービンハウジングの図７におけるＣ−１２線に沿った断面図。

以下、水冷タービンハウジングの一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
図１〜図６に示すように、タービンハウジング１０には、タービンホイール（図示略）を収容するシュラウド部１１が設けられている。このシュラウド部１１は内壁面が断面円形状で延びている。またタービンハウジング１０には上記シュラウド部１１の周囲を取り囲む形状で延びるスクロール通路１２が設けられている。図１に示すように、このスクロール通路１２は内部と外部とを連通する排気導入部１３を備えている。そして、図２〜図６に示すように、上記スクロール通路１２よりも内周側の部分には、同スクロール通路１２とシュラウド部１１とを連通する通路（スリット１４）が設けられている。

上記タービンハウジング１０では、排気導入部１３を介してスクロール通路１２内にエンジンの排気が流入し、さらには同排気がスリット１４を介してシュラウド部１１内に流入するようになる。そして、このときシュラウド部１１内に収容されたタービンホイールに排気が吹き付けられて、同タービンホイールが回転するようになる。

図１に示すように、上記タービンハウジング１０の内部には、スクロール通路１２の内周側で延びる内側ウォータージャケット２１とスクロール通路１２の外周側で延びる外側ウォータージャケット２２とが形成されている。内側ウォータージャケット２１は、スクロール通路１２とシュラウド部１１との間で、それらシュラウド部１１およびスクロール通路１２に沿って延びる形状に形成されている。外側ウォータージャケット２２はスクロール通路１２の外周に沿って延びる形状に形成されている。

図１および図２に示すように、内側ウォータージャケット２１および外側ウォータージャケット２２の延設方向における一端は合流しており、その合流部分には各ウォータージャケット２１，２２の内部に冷却水を導入する冷却水導入口２３が設けられている。また、図１および図６に示すように、内側ウォータージャケット２１および外側ウォータージャケット２２の延設方向における上記冷却水導入口２３と反対側の端部は合流しており、その合流部分には各ウォータージャケット２１，２２の内部から冷却水を排出する冷却水排出口２４が設けられている。

図２中に矢印で示すように、上記タービンハウジング１０では、共通の冷却水導入口２３から導入された冷却水が内側ウォータージャケット２１および外側ウォータージャケット２２に分配される。そして、図１〜図６に示すように、分配された冷却水は内側ウォータージャケット２１および外側ウォータージャケット２２の内部を各別に流れる。さらには図６中に矢印で示すように、内側ウォータージャケット２１と外側ウォータージャケット２２とを各別に通過した冷却水は、冷却水排出口２４近傍で合流するとともに同冷却水排出口２４から各ウォータージャケット２１，２２の外部に排出される。

上記タービンハウジング１０では、このようにして内側ウォータージャケット２１および外側ウォータージャケット２２の内部を冷却水が各別に循環するようになっている。そして、各ウォータージャケット２１，２２内を流れる冷却水とタービンハウジング１０との熱交換を通じて同タービンハウジング１０が冷却される。

図２〜図６は、シュラウド部１１の中心軸Ｃを中心とするタービンハウジング１０の周方向と垂直な径方向断面のうちの、同中心軸Ｃからタービンハウジング１０の外周面に至る径方向断面におけるタービンハウジング１０の断面構造を示している。図２〜図６に示すように、本実施形態のタービンハウジング１０では、そうした径方向断面で比較した場合に、外側ウォータージャケット２２の通路断面積が内側ウォータージャケット２１の通路断面積よりも小さくなっている。

また本実施形態のタービンハウジング１０では、スクロール通路１２と内側ウォータージャケット２１との間の壁面２５の厚さＬ１がスクロール通路１２と外側ウォータージャケット２２との間の壁面２６の厚さＬ２よりも厚くなっている。

以下、本実施形態にかかるタービンハウジング１０の作用について説明する。
上記タービンハウジング１０では、冷却水が循環するウォータージャケットが外側ウォータージャケット２２と内側ウォータージャケット２１とに分けられている。ここで、単にウォータージャケットを外側ウォータージャケット２２と内側ウォータージャケット２１とに分けても、遠心力によって外側ウォータージャケット２２に冷却水が偏り、内側ウォータージャケット２１に冷却水が行き渡らなくなるおそれがある。

この点、上記タービンハウジング１０では、外側ウォータージャケット２２の通路断面積が内側ウォータージャケット２１の通路断面積よりも小さくなっているために、外側ウォータージャケット２２の流路抵抗が内側ウォータージャケット２１の流路抵抗と比較して大きくなっている。そのため、それほど大量の冷却水を冷却水導入口２３から各ウォータージャケット２１，２２に導入しなくても、外側ウォータージャケット２２内に冷却水が流入して満たされるようになるとともに、残りの冷却水が内側ウォータージャケット２１に流入するようになる。したがって上記タービンハウジング１０によれば、外側ウォータージャケット２２と内側ウォータージャケット２１とに各別に冷却水を導入することができるようになる。

しかも、スクロール通路１２の外周側から内周側にまで延びる一本のウォータージャケットが設けられるタービンハウジングと比較して、各ウォータージャケット２１，２２の通路断面積が小さいために、各ウォータージャケット２１，２２内での冷却水の流れに偏りが生じにくい。そのため、各ウォータージャケット２１，２２の周囲を満遍なく冷却することができ、また圧損の少ない状態で効率よくタービンハウジング１０を冷却することができる。

ところで、上記タービンハウジング１０は、スクロール通路１２の壁面が、径方向内側に設けられた内側ウォータージャケット２１を通過する冷却水と径方向外側に設けられた外側ウォータージャケット２２を通過する冷却水とによって冷却される。

このように内側と外側との双方からスクロール通路を冷却する構成を採用した場合、スクロール通路の壁面が過剰に冷却されてしまい、同スクロール通路を通過してタービンホイールに流入する排気の温度が過度に低くなることによって、エンジン効率の低下を招くおそれがある。

この点、上記タービンハウジング１０では、スクロール通路１２と内側ウォータージャケット２１との間に位置する径方向内側の壁面２５の厚さＬ１がスクロール通路１２と外側ウォータージャケット２２との間に位置する径方向外側の壁面２６の厚さＬ２よりも厚くなっている。通常、ウォータージャケットとスクロール通路１２との間の壁面が厚いほど、同壁面を通過する熱量が少なくなるため、ウォータージャケット内の冷却水による冷却の度合いは小さくなる。そのため、上記タービンハウジング１０では、スクロール通路１２における径方向外側の壁面２６の冷却と比較して、同径方向内側の壁面２５の冷却が抑制されるようになる。したがって、スクロール通路１２よりも径方向内側の部分（シュラウド部１１など）を内側ウォータージャケット２１を通過する冷却水によって冷却するようにしながらも、スクロール通路１２における径方向内側の壁面２５が内側ウォータージャケット２１を通過する冷却水によって過剰に冷却されてしまうことを抑制することができる。

そのため、スクロール通路１２よりも径方向外側の部分に外側ウォータージャケット２２を設けることに加えて、同スクロール通路１２よりも径方向内側の部分に内側ウォータージャケット２１を設ける構成を採用してタービンハウジング１０の耐熱性を確保することができる。しかも、タービンホイールに流入する排気の温度が低くなりすぎてしまうことを抑制することができるため、エンジンの効率低下を抑制することができる。

以上説明した実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）シュラウド部１１の中心軸Ｃを中心とするタービンハウジング１０の周方向と垂直な径方向断面のうちの、同中心軸Ｃからタービンハウジング１０の外周面に至る径方向断面内で比較した場合に、外側ウォータージャケット２２の通路断面積を内側ウォータージャケット２１の通路断面積よりも小さくした。また、スクロール通路１２と内側ウォータージャケット２１との間の壁面２５の厚さＬ１をスクロール通路１２と外側ウォータージャケット２２との間の壁面２６の厚さＬ２よりも厚くした。そのため、タービンハウジング１０の耐熱性の確保と、エンジンの効率の低下抑制との両立を図ることができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・図７〜図１２に変形例のタービンハウジング３０を示す。なお図７〜図１２に示すタービンハウジング３０は、内側ウォータージャケット３１および外側ウォータージャケット３２以外の部分については上記実施形態のタービンハウジングと同一の構成であるため、同一の部分については同一の符号を付して示すとともにその詳細な説明を割愛する。

図７〜図１２に示すように、スクロール通路１２の径方向内側に設けられた内側ウォータージャケット３１を、内部に隔壁３７を設けることによって、シュラウド部１１の中心軸Ｃ方向における一方側（図中左側）で延びる第１内側ウォータージャケット３１Ａと他方側（図中右側）で延びる第２内側ウォータージャケット３１Ｂとに分割してもよい。また、スクロール通路１２の径方向外側に設けられた外側ウォータージャケット３２を、内部に隔壁３８を設けることによって、シュラウド部１１の中心軸Ｃ方向における一方側（図中左側）で延びる第１外側ウォータージャケット３２Ａと他方側（図中右側）で延びる第２外側ウォータージャケット３２Ｂとに分割してもよい。

１０，３０…タービンハウジング、１１…シュラウド部、１２…スクロール通路、１３…排気導入部、１４…スリット、２１，３１…内側ウォータージャケット、２２，３２…外側ウォータージャケット、２３…冷却水導入口、２４…冷却水排出口、２５，２６…壁面、３１Ａ…第１内側ウォータージャケット、３１Ｂ…第２内側ウォータージャケット、３２Ａ…第１外側ウォータージャケット、３２Ｂ…第２外側ウォータージャケット、３７，３８…隔壁。

Claims (1)

1. タービンホイールを収容するシュラウド部と、前記シュラウド部を取り囲むスクロール通路と、前記スクロール通路と前記シュラウド部との間に設けられた内側ウォータージャケットと、前記スクロール通路の径方向外側に設けられた外側ウォータージャケットと、を備え、共通の冷却水導入口から導入された冷却水が前記外側ウォータージャケット及び前記内側ウォータージャケットに分配されて各ウォータージャケット内を流れる水冷タービンハウジングであり、
   前記シュラウド部の中心軸を中心とする同水冷タービンハウジングの周方向と垂直な径方向断面のうちの、前記中心軸から同水冷タービンハウジングの外周面に至る径方向断面内で比較した場合、前記外側ウォータージャケットの通路断面積が前記内側ウォータージャケットの通路断面積よりも小さくなっており、前記スクロール通路と前記内側ウォータージャケットとの間の壁面の厚さが前記スクロール通路と前記外側ウォータージャケットとの間の壁面の厚さよりも厚くなっている
   ことを特徴とする水冷タービンハウジング。