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JP2794338B2 - 孔なしハブコンプレツサホイールを備えるターボチヤージヤコンプレツサホイール装置 - Google Patents

孔なしハブコンプレツサホイールを備えるターボチヤージヤコンプレツサホイール装置

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JP2794338B2
JP2794338B2 JP2508475A JP50847590A JP2794338B2 JP 2794338 B2 JP2794338 B2 JP 2794338B2 JP 2508475 A JP2508475 A JP 2508475A JP 50847590 A JP50847590 A JP 50847590A JP 2794338 B2 JP2794338 B2 JP 2794338B2
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JP
Japan
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compressor wheel
mounting sleeve
opening
hub
back plate
Prior art date
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JP2508475A
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ピー. フルーリイ,ジイーン―ルク
ダブリユ. トンプソン,ジエロメ
カニゴフスキー,ボイテク
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ARAIDO SHIGUNARU Inc
Original Assignee
ARAIDO SHIGUNARU Inc
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Publication date
Application filed by ARAIDO SHIGUNARU Inc filed Critical ARAIDO SHIGUNARU Inc
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/057Bearings hydrostatic; hydrodynamic
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    • F04D29/284Rotors specially for elastic fluids for centrifugal or helico-centrifugal pumps for radial-flow or helico-centrifugal pumps for compressors
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (技術分野) 本発明はターボチヤージヤのコンプレツサホイール等
の改良およびホイール疲れ寿命を延ばすよう設計された
コンプレツサホイール装置に関する。特に本発明はコン
プレツサホイールがターボチヤージヤ等に容易に組込可
能な孔なしハブタイプの改良遠心コンプレツサホイール
に関する。
(背景技術) 一般に遠心コンプレツサホイールはターボチヤージヤ
等に使用されており、コンプレツサホイールには輪郭が
流体力学的に有効な一連のインペラ羽根が包有され、イ
ンペラ羽根は中央ホイールハブ部に支承され、ハブ部自
体は共に回転可能に回転シヤフトに装着されることは当
業者には周知である。例えばターボチヤージヤでは、周
知の如くホイールのハブ部にシヤフトを貫通する軸方向
に延びる中央開口部が形成され、ネジ山付きのナツトが
コンプレツサホイールのノーズ端部においてシヤフトに
取り付けられシヤフトの肩部に対し、あるいはシヤフト
と共に回転可能な半径方向に拡大された他の構造体に対
しハブ部が堅固に保持される。回転可能なシヤフトによ
りコンプレツサホイールがある方向に駆動され、羽根を
介して空気が導入され、コンプレツサハウジングの渦巻
き形チヤンバ内で高圧をもつて半径方向外側へ放出され
る。圧縮空気は次にハウジングから燃焼エンジンの空気
取込マニホルドへ供給され、燃料と混合されて燃焼され
ることも周知の通りである。
近年コンプレツサの技術あるいは設計の改良によりコ
ンプレツサの自立および流量範囲が次第に増加され、過
渡応答特性がより迅速となつている。例えば、ターボチ
ヤージヤのコンプレツサホイールは周知であり、インペ
ラ羽根は複合された複雑な曲線を描き、最適な動作効率
あるいは流量の範囲となるよう構成される。このように
複雑な羽根形状は鋳造工程によつて最適に経済的に得ら
れ、この場合ホイールのハブ部および羽根はエンジンの
過渡動作状態において比較的低い慣性を有し、迅速にホ
イールを加減速できるよう選定されるアルミニウム若し
くはアルミニウム合金のような軽量材料によつて一体成
形されることが望ましい。
一方この一般的なタイプの鋳造コンプレツサホイール
は比較的疲れ寿命が短いので、動作中疲れによる故障が
ホイールに生じ好ましくない。更に詳述するにコンプレ
ツサホイールが100,000rpm以上の速度で回転されると、
鋳造アルミニウム材料は特に最大ホイール直径のハブ部
領域で半径方向に相対的高い引張荷重を受け、コンプレ
ツサホイールのハブ部領域は高速で回転するホイール質
量を支承する必要がある。この引張荷重のインパクトは
特にコンプレツサホイールが比較的高速・高速サイクル
環境下で、例えば最新ターボチヤージヤにおける作動状
態では厳しくなる。上述したように、コンプレツサホイ
ールのハブ部領域には正常時に回転可能にシヤフトを受
容する中央開口部のような大きな穴を具備させる必要が
あり、中央開口部はハブ部領域において疲れ障害を引き
起こす大きな応力発生源として働いてしまう。この疲れ
により金属くず(dross)、間隙、鋳造工程中に起きる
含有物等の冶金的欠陥が重複して生じコンプレツサホイ
ールのハブ部領域に集中する問題がある。
鋳造コンプレツサホイールの改良は孔なしハブ部を設
けることにより、従来のシヤフトの開口部により生じる
応力発生場所を除いたコンプレツサホイールを形成する
ことになる。このようなコンプレツサホイール構成は理
論的には疲れ寿命を延長し得るが、別種の重要な構成上
の問題があつた。
例えば、孔なしハブ部を備えたコンプレツサホイール
には通常、孔なしハブ部から同軸に延び回転可能なシヤ
フトのネジ山端部に付設可能なる内部ネジ山スリーブが
包有される。ネジ山スリーブはホイールの最大直径に相
当する平面とノーズ端部との間の軸方向スパンに沿つて
遠心コンプレツサホイール内に内部開口部を持つ要のな
いよう形成される。ターボチヤージヤ等の軸方向の不都
合な寸法の増大を避けるため、ネジ山スリーブは回転可
能なシヤフトに直接付設可能にコンプレツサバツクプレ
ート内の隣接開口部に貫通させて取り付けられ、1個あ
るいはそれ以上の密封リングがバツクプレートに対し気
密にスリーブの周囲に支承される。一方スリーブの螺着
を含む各種部材の組み立てまたはバツクプレートの開口
部内での1以上の密封リングの取り付けが大幅に異な
る。一方、ネジ山スリーブが同一の軽量材料で形成され
るコンプレツサホイールと一体鋳造される場合、スリー
ブの構造的な硬度が不十分となり、密封リングの不必要
な摩耗を生じつゝ支承することになる。米国特許第4,70
5,463号に開示される別の構成によれば好適な硬質な支
承材料で作られた別個のスリーブが孔なしハブホイール
に溶接されるが、これは平衡上大きな問題が生じ且つ溶
接熱を受けるのでハブ部内がまた別途の新たな応力発生
部となり好ましくない。
従つて、孔なしハブを有するコンプレツサホイールが
ターボチヤージヤシヤフトに対し容易に組立可能であ
り、コンプレツサバツクプレートの開口部を貫通する流
路が密封されたターボチヤージヤのコンプレツサホイー
ルの改良および孔なしハブタイプのホイール装置が望ま
れていた。本発明によれば、これらの条件が満足され更
にこれらに関連した利点を有する。
(発明の開示) 本発明によれば、孔なしハブ部を有する遠心コンプレ
ツサホイールを備えたターボチヤージヤに使用可能なコ
ンプレツサホイール装置が提供される。コンプレツサホ
イールには一体鋳造され内部にネジ山を形成した取付ス
リーブが包有され、取付スリーブは孔なしハブ部から同
軸に延びターボチヤージヤ等の回転可能なシヤフトに螺
合可能に設けられる。取付スリーブおよびシヤフトはス
ラストカラースペーサと組合せられ、スラストカラース
ペーサにはコンプレツサバツクプレートの開口部を貫通
する取付スリーブの流路を密封する装置が包有される。
本発明の好ましい実施例によれば、コンプレツサホイ
ールはアルミニウム若しくは良好に選択されたアルミニ
ウム合金材料から鋳造により作られ、孔なしハブ部が流
体力学的な輪郭の一連のインペラ羽根と組み合わせて形
成され、羽根は全体として比較的大きな直径の円形のホ
イールベースデイスクと小さな直径のホイールのノーズ
部との間に延びる。取付スリーブはコンプレツサホイー
ルと一体鋳造され、ホイールのノーズ部と反対方向にハ
ブ部から同軸に延びる。取付スリーブには内部開口部が
形成され、開口部は浅い平滑壁の円筒状の入口領域と入
口領域に連続するネジ山領域とにより区画される。
コンプレツサホイールはシヤフト端部のネジ山連結部
により回転可能なターボチヤージヤシヤフトのネジ山端
部において取付スリーブのネジ山領域内へ迅速かつ容易
に取り付けられ得る。この取付け構成により、シヤフト
上の円筒状のランド部が取付スリーブの浅い円筒状の入
口領域内へ移動され、プレス嵌めされて着座される。ス
ラストカラースペーサは取付スリーブの端部および回転
可能なシヤフトに形成される半径方向に拡大された肩部
により夫々形成される軸方向に対向した肩部間に配設さ
れる。当業者には周知のようにスラストカラースペーサ
によつて、ターボチヤージヤのハウジングに対しシヤフ
トおよびコンプレツサホイールが軸方向の所望の位置に
固定される。
スラストカラースペーサにはほぼ環形で軸方向に長手
の密封フランジが具備され、密封フランジは取付スリー
ブを中心に同心に且つ離間されてコンプレツサホイール
へ軸方向に延びる。この密封フランジは好適な硬度に選
択された支承材料で作られコンプレツサバツクプレート
の開口部内に軸方向に延びる。少なくとも1個の密封リ
ングが密封フランジ内の外側で開口する溝内に受容さ
れ、開口部内でバツクプレートが接触されて取付スリー
ブの貫通する通路が密封される。
本発明の他の特徴と利点は本発明の一実施例の構成を
示す添付図面に沿う以下の詳しい説明から明らかとなろ
う。
(図面の簡単な説明) 第1図は本発明の新規な特徴を具現化したコンプレツ
サホイール装置を含むターボチヤージヤの縦断面図、第
2図はほぼ第1図の円で囲んだ領域2に相当する拡大部
分縦断面図、第3図は第1図および第2図のコンプレツ
サ装置に使用されるスラストカラースペーサの好ましい
構造を示す斜視図である。
(発明を実施するための最良の形態) 第1図に1例としてのターボチヤージヤ10が示されて
おり、ターボチヤージヤ10の改良されたコンプレツサホ
イール装置12は穴のないハブのコンプレツサホイール14
を有する。コンプレツサホイール装置12はコンプレツサ
ホイール14を回転可能なターボチヤージヤシヤフト16に
迅速且つ容易に取付可能に設けられ、ホイール連結構造
体の通路を密封する改良された密封装置がコンプレツサ
ーバツクプレート20内の開口部18を貫通して配設されて
いる。
本発明の改良されたコンプレツサホイール装置12には
孔なしハブ形のコンプレツサホイール14が好適に採用さ
れており、例えば現在のターボチヤージヤの環境下での
通常動作中のホイール回転速度範囲が大幅に改良され疲
労寿命が延ばされる。この場合コンプレツサホイール14
の遠心コンプレツサホイールは比較的狭い小径ノーズ部
23と大幅に直径が大きく且つほぼ円形状のベースデイス
ク24との間に回転軸に沿つて延びる中央ハブ22を有して
いる。中央ハブ22には流体力学的に効果的な輪郭を有す
るインペラ羽根26が支承され、インペラ羽根26は小径ノ
ーズ部23とベースデイスク24との間で複雑な曲率を有し
て円滑に掃引角を持つ。コンプレツサホイール14はアル
ミニウム若しくは所定のアルミニウム合金のような比較
的軽量で比較的慣性力の小さな材料を鋳造することによ
り形成することが好ましい。特に第1図に示すように重
要な点は小径ノーズ部23とベースデイスク24により形成
される最大のホイール直径の平面との間で軸方向に延び
る領域内に内部間隙がないことにあり、コンプレツサホ
イール18の中央ハブ22は孔なしにされる。当業者には周
知のように、孔なしタイプのコンプレツサホイールを使
用することによつて、ターボチヤージヤシヤフト16の貫
通に従来の中央開口部を具備することが避けられる。こ
の場合この中央開口部により不都合に応力が上昇されて
この応力によりコンプレツサホイールの最大回転速度が
制限され、特に迅速速度サイクルの環境下でホイール疲
れ寿命が短くなることが避けられ得る。これは例えば米
国特許第4,705,463号に開示される。本発明によれば孔
なしタイプのハブホイール14は容易に製造可能であり、
比較的簡単に平衡が取れ且つ高速回転可能に構成され、
更に比較的容易にコンパクトなターボチヤージヤハウジ
ング内にコンプレツサバツクプレートを貫通させる部材
通路を効果的に密封して取り付け可能にさせる。
図示のコンプレツサホイール装置12はほぼ周知の構成
と動作のターボチヤージヤ10内に設けられる。簡単に説
明するに特に第1図に示す如く、ターボチヤージヤ10の
タービンホイール27はエンジン(図示せず)からの排気
ガスの貫通路と適合するタービンハウジング28内に装着
される。排気ガスによりタービンホイール27が回動さ
れ、これに応じていわゆる中央ハウジング32内の好適な
ベアリング30に支承されたターボチヤージヤシヤフト16
が回転される。中央ハウジング32の潤滑油ポート34およ
びこれに関連する流路により潤滑油がベアリング30へ循
環され、このような潤滑油流路およびベアリング構成に
よつて比較的高速にシヤフトが回転できる。ターボチヤ
ージヤシヤフト16自体はコンプレツサホイール14に連結
され、これによりコンプレツサハウジング36内のコンプ
レツサホイールが回動される。この回転中、コンプレツ
サホイール14により軸方向吸気部38を介して外気が導入
され、渦室40内に半径方向に高圧をもつて放出される。
この圧縮空気はコンプレツサハウジング36から燃焼エン
ジンの吸気マニホルド等へ送られ燃料と混合されて燃焼
される。圧縮空気がエンジンに与えられることにより、
エンジンの流量が大幅に増加され、これに応じてエンジ
ン動作が高性能レベルで行われることになる。
第2図に示すように、孔なしタイプのハブコンプレツ
サホイール14の取付スリーブ42はターボチヤージヤシヤ
フト16のこれと隣接する端部に螺着可能である。取付ス
リーブ42にはコンプレツサホイール14が一体に鋳造形成
されて、コンプレツサホイール14および取付スリーブ42
は同一の材料で作られ、回転ホイール軸に対し大幅に且
つ正確に平衡をとつて取り付けられる。以下に詳しく説
明するが、中央開口部44は取付スリーブ42内に形成さ
れ、ターボチヤージヤシヤフト16の端部を受容する。一
方本発明の重要な実施態様によれば中央開口部44の終端
部がベースデイスク24の最大ホイール直径の平面に対し
軸方向に離間れている。従つてコンプレツサホイールは
孔なしハブを有し、取付スリーブは小径ノーズ部23と反
対方向にベースデイスク24から同軸方向に延びている。
取付スリーブ42の中央開口部44は特にターボチヤージ
ヤシヤフトをコンプレツサホイールに対し比較的正確に
且つ同軸に付設可能に構成される。更に詳述するに第2
図に示す如く中央開口部44は浅くて平滑な入口領域46
と、入口領域46と連結され内部に雌ネジを形成した内側
ネジ山領域48とにより区画される。これらの雌ネジを形
成し入口領域46を正確に寸法決めすることはホイール鋳
造後好適に機械加工することによつて行うことが好まし
い。更に好ましい実施例によれば内側ネジ山領域48にタ
ーボチヤージヤシヤフト16に確実に同軸に付設するため
少なくとも6個のネジ山を有する構成が取られる。
ターボチヤージヤシヤフト16の端部のネジ山部52上に
は取付スリーブ42内において雌ネジに対し螺合する雄ネ
ジが形成される。重要な点はネジ山部52が円筒形のラン
ド部54に隣接して形成され、ランド部54の直径が取付ス
リーブの平滑壁の入口領域46内にプレス嵌め可能な寸法
にされることにある。ランド部54の直径寸法およびこれ
に関連するスリーブ入口領域46はシヤフトネジ山の最大
直径より少なくともわずかに大にされ、シヤフトのネジ
山部52が容易に中央開口部44内に導入されスリーブネジ
山と螺合される。
コンプレツサホイール14のターボチヤージヤシヤフト
16に対する軸方向の正確位置は好適なベアリング材料等
で作られたスラストカラースペーサ56により調整され
る。特に第2図および第3図に示す如く、このスラスト
カラースペーサ56には、軸方向に正確なスパンを有する
環形カラーセグメント58とランド部54を近接摺動受容す
る内側開口部60とが包有される。環形カラーセグメント
58は夫々取付スリーブ42の端部におよびターボチヤージ
ヤシヤフト16の半径方向に拡大された半径方向拡大部66
に形成された軸方向に対向する一対の肩部62、64間に配
設される。従つて取付スリーブ42がターボチヤージヤシ
ヤフト16に螺合される場合、ランド部54は入口領域46に
プレス嵌めされる。一方取付スリーブ42のターボチヤー
ジヤシヤフト16上での螺合の進行はスラストカラースペ
ーサ56のカラーセグメントがこれと対向する肩部62、64
間を軸方向に堅固着座されるまで継続せしめられる。こ
のスラストカラースペーサ56には周知のスラストベアリ
ング70を受容する半径方向外側に開口した環形溝68が具
備され、スラストベアリング70は通常時には回転可能な
部材を軸方向に設置し保持するため中央ハウジング32と
コンプレツサーバツクプレート20との間を軸方向に保持
される。
第2図に示すようにスラストベアリング70によつてコ
ンプレツサホイール14が配置され、取付スリーブ42はバ
ツクプレートの開口部18内に突出される。この場合本発
明の更に別の実施例態様によればスラストカラースペー
サ56に軸方向に延び、ほぼ環形の環形密封フランジ72が
スペーサの一部として形成され、環形密封フランジ72は
取付スリーブ42と開口部18のバツクプレートの一部との
間をほぼ同心に離間されてバツクプレートの開口部18内
に延びるよう構成される。少なくとも1個で半径方向外
側に開口する溝74は環形密封フランジ72の外側端部近傍
に形成され、標準的な密封リング76を受容してコンプレ
ツサーバツクプレート20に対し密封して密封リング76を
受容する。従つて潤滑油の中央ハウジング32内のバツク
プレートの開口部18を経る漏れは環形密封フランジ72お
よび標準密封リング76により実質的に防止される。バツ
クプレートの開口部18へ流れる傾向にある潤滑油はスラ
ストカラースペーサの一部として形成され、開口部を有
したスリンジヤリング78により半径方向外側へと好適に
移動される。
ここに説明する各種の部材は面倒な手動行程若しくは
近接可視検査の必要なく製造中に迅速に組立可能に設計
されることが好ましい。更に詳述するにターボチヤージ
ヤ10は通常タービンハウジング28から上方に突出するタ
ーボチヤージヤシヤフト16に対して一部組み立て、ター
ビンハウジング28は支承固定装置(図示せず)に好適に
保持される。ターボチヤージヤシヤフト16はその上に設
置されたコンプレツサーバツクプレート20を僅かに貫通
して突出し、スラストカラースペーサ56はシヤフトの肩
部64と当接してターボチヤージヤシヤフト16を中心に前
以て着座される。環形密封フランジ72をバツクプレート
の開口部18を突出させコンプレツサーバツクプレート20
を中央ハウジング32上に配置することは、開口部18をラ
イニングするように延びる環形リツプ部82の先端縁部に
形成される傾斜部80により容易にされる。次にコンプレ
ツサホイール14は環形密封フランジ72内のターボチヤー
ジヤシヤフト16に取付スリーブ42を螺入することによつ
て迅速且つ容易に設置可能である。環形密封フランジ72
の外側縁部は好適に湾曲あるいは傾斜付けされているの
で、取付スリーブの肩部62がスラストカラースペーサ56
の環形カラーセグメント58に対し顕著に引かれるので部
材が正確に確実に嵌められ得る。スリーブとシヤフトの
ネジ山の方向はターボチヤージヤの動作中自然に締ま得
るよう設定されることが好ましい。
本発明のコンプレツサホイール装置の各種の設計変更
若しくは改良は当業者には明らかであろう。従つて本発
明は上述の説明あるいは添付図面に示す実施例に限定さ
れず添付のクレームのみに限定される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トンプソン,ジエロメ ダブリユ. アメリカ合衆国 カリフオルニア州 90630,サイプレス,ブランカ ドライ ブ 4599 (72)発明者 カニゴフスキー,ボイテク アメリカ合衆国 カリフオルニア州 92643,ガーデン グローブ,フイリー ズ プレイス 13782 (56)参考文献 特開 昭50−30110(JP,A) 実開 昭63−46602(JP,U) 実開 昭63−79495(JP,U) 特表 平5−504804(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02B 33/00 - 39/16

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】バツクプレート開口部を形成するコンプレ
    ツサバツクプレートと、ネジ山端部を有する回転可能な
    シヤフトと、遠心コンプレツサホイールと、スラストカ
    ラースペーサと、少なくとも1個の密封リングとを備
    え、コンプレツサホイールは一連のインペラ羽根を支承
    する孔なしハブとハブと一体形成されハブから同軸に延
    びる取付スリーブとを有し、取付スリーブには内部ネジ
    山を有する開口部が具備され、取付スリーブはバツクプ
    レート開口部内へと延び、取付スリーブ開口部内のネジ
    山端部はシヤフト端部のネジ山部と螺合され、取付スリ
    ーブおよびシヤフトにはそれぞれシヤフト端部が取付ス
    リーブ開口部内に螺合されるとき軸方向に対向する第1
    および第2の肩部が形成され、スラストカラースペーサ
    のカラーセグメントは第1および第2の肩部間に軸方向
    に配置され、シヤフト端部が取付スリーブの開口部に螺
    入されると第1および第2の肩部と当接してコンプレツ
    サホイールがシヤフトに対し軸方向に配置され、スラス
    トカラースペーサには更に環形の密封フランジが包有さ
    れ、密封フランジはバツクプレートの開口部内で取付ス
    リーブとバツクプレートとの間で実質的に同心に離間さ
    れてバツクプレート開口部内に軸方向に延び、密封リン
    グは密封フランジとバツクプレートとの間で実質的に密
    封して密封フランジに支承されてなるコンプレツサホイ
    ール装置。
  2. 【請求項2】コンプレツサホイールが比較的低い慣性材
    料で鋳造されて作られてなる請求項1記載のコンプレツ
    サホイール装置。
  3. 【請求項3】比較的低い慣性材料がアルミニウム材料で
    なる請求項2記載のコンプレツサホイール装置。
  4. 【請求項4】シヤフトにはほぼ円筒状のランド部が形成
    され、ランド部はネジ山端部と第2の肩部との間に軸方
    向に配置され、ランド部の直径サイズは第2の肩部の直
    径サイズより小さく、取付スリーブに形成される内部口
    径部は浅くほぼ平滑な壁からなる入口領域と雌ネジ山が
    形成され入口領域と連続される雌ネジ山領域とを有し、
    入口領域の直径サイズはカラーセグメントが第1および
    第2の肩部と当接するときシヤフトのランド部の少なく
    とも一部を相対的に密接摺動受容可能に設定されてなる
    請求項1記載のコンプレツサホイール装置。
  5. 【請求項5】第1の肩部はハブと対向して配設される取
    付スリーブの軸方向端部に形成されてなる請求項4記載
    のコンプレツサホイール装置。
  6. 【請求項6】ハブは一方の軸方向端部において直径方向
    に拡大されたベースデイスクとこれと対向する軸方向端
    部において直径の小さなノーズ部との間を軸方向に延び
    てなる請求項1記載のコンプレツサホイール装置。
  7. 【請求項7】密封フランジがスラストカラースペーサの
    カラーセグメントと一体形成されてなる請求項1記載の
    コンプレツサホイール装置。
  8. 【請求項8】バツクプレートには一方の軸方向側部で開
    口するバツクプレートを囲繞し、バツクプレートの開口
    部内に密封フランジを容易に受容可能にする傾斜された
    縁部が形成されてなる請求項1記載のコンプレツサホイ
    ール装置。
  9. 【請求項9】密封フランジにはカラーセグメントと対向
    する軸方向端部に配設され、密封フランジ内に取付スリ
    ーブを容易に受容可能にする傾斜された環形縁部が形成
    されてなる請求項1記載のコンプレツサホイール装置。
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