JP5043686B2 - 圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機に関するものである。特に、本発明は、例えばターボチャージャの圧縮機のような遠心圧縮機の入口構成に関するものである。

圧縮機は、シャフトに取り付けられて圧縮機ハウジング内で回転する複数のブレード(又は羽根)を担持する動翼輪を具えている。動翼輪の回転により、気体(例えば空気)が動翼輪に吸い込まれ、出口チャンバ又は通路に送られる。遠心圧縮機の場合、出口通路は、動翼輪の周囲で圧縮機ハウジングによって形成されているボリュートの形であり、軸流圧縮機の場合、気体は軸方向に吐出される。

ターボチャージャは、大気より高い圧力(ブースト圧力)で内燃機関の吸気口に空気を供給するための周知の装置であり、自動車等に広く用いられている。従来のターボチャージャにおいて、動翼輪はターボチャージャシャフトの一端に取り付けられ、ターボチャージャシャフトの他端のタービンハウジング内に取り付けられた排気駆動のタービンホイールによって回転する。前記シャフトは、圧縮機ハウジングとタービンハウジングとの間に位置するベアリングハウジング内に収容されているベアリングアセンブリに取り付けられて回転する。圧縮空気は内燃機関の吸気マニホールドに送られ、これにより機関出力を増加させる。

ターボチャージャ圧縮機によって発生する騒音は、ユーザにとって不快、場合によっては有害となり得る。圧縮機の入口での騒音の大部分は、動翼輪ブレードからの音響励振の上方伝播の結果としてある。このような騒音は、シャフト回転速度の調波に関連した様々な成分を含んでいる。空気が圧縮機内へと加速するにつれて生じる音波を減衰させるため、圧縮機ハウジングの入口の配管上流に別個の消音器ユニットを設けることが知られている。典型的な消音器は円筒状又は円錐状のハウジングを具え、該ハウジングの軸に沿って軸方向に配置された環状の消音器バッフルが嵌め込まれている。英国特許第GB2364547号に例が説明されている。

別個の消音器装置の採用により、圧縮機装置の複雑さ及び費用が増す。又、共鳴に利用され得る表面の数が増し、動翼輪ブレードの高サイクル疲労の原因となる可能性がある。

ターボチャージャにおいては、圧縮機を通る空気流が大きく制限されないことが特に重要である。これが装置の性能及び効率を損なうことになるからである。このため、バッフル設計は妥協され、圧縮機入口の騒音を減衰させることにおいて限定された能力しか提供しない。

圧縮機ハウジングの配管下流に消音器ユニットを設けて騒音を減衰させ、圧縮機の下流の配管及び中間冷却器で共鳴を起こすのを止めることも知られている。このような消音器は、動翼輪の回転毎に一度発生する騒音を減衰させるように設計され、本発明が対象にしている種類の騒音に関係しない。

幾つかのターボチャージャにおいて、圧縮機入口は「マップ幅増大」(ＭＷＥ)構造として知られるようになってきた構造を有する。ＭＷＥ構造は例えば、米国特許番号4,743,161に説明されている。このようなＭＷＥ圧縮機の入口は、２つの同軸の管状入口部、圧縮機吸気口を形成している外側入口部又は壁と、圧縮機インデューサ、又は主入口を形成している内側入口部壁とを具えている。内側入口部は外側入口部より短く、動翼輪ブレードの縁が通過していく圧縮機ハウジングの内壁の表面の延長である内表面を有する。その構成は、前記２つの管状入口部間に環状流通路が形成され、これはその上流端で開いており、動翼輪に対向している圧縮機ハウジングの内表面に通じている開口をその下流端に設けているものである。

ＭＷＥ構造が最大流量を増加させてサージマージンを改善し、即ち圧縮機がサージする流量を減少させて圧縮機の性能を安定させることはよく知られている。これは、圧縮機特性のプロットである圧縮機「マップ」の幅を増加させることとして知られている。しかしながら、この構造が大きな騒音の源でもあるということが確認されている。

上述の不利点を除去又は緩和し、騒音低減が改善された圧縮機を提供することが本発明の目的である。

本発明の第１の態様によれば、気体を圧縮するための圧縮機が提供され、該圧縮機は、入口及び出口を有するハウジングと、前記入口と出口との間でハウジング内に回転可能に取り付けられた複数の羽根を含む動翼輪とを具え、前記ハウジングの内壁が形成している表面は、動翼輪がその軸を中心に回転するとき前記表面上を通過していく動翼羽根の半径方向外縁に近接して配置され、前記動翼羽根の上流には、前記入口に形成された少なくとも１つの騒音減衰開口が設けられている。

本発明は、圧縮機における騒音低減において大きな改良を提供し、騒音の不利益を増加させることなくより高い圧力比設計を用いることを可能にする。

又、この構成は、圧縮機動翼輪のブレード通過周波数で(即ち動翼輪の回転の周波数の倍数で)の騒音を減衰させる。これは、空気取入れ口へ向かう動翼輪の上流への空気伝搬騒音の伝達を大きく減らすことに役立つ。

理想的には、前記騒音減衰開口は、入口を形成しているハウジングの部分に、より好ましくは、前記入口の内面に形成されている。或いは、これらの孔は、入口に受け止められる部材に形成されていてもよい。該部材はスリーブの形であってもよい。

前記入口は、動翼輪から離れて上流方向に延び、入口の吸気部を形成している外側管状壁と、外側管状壁内で動翼輪から離れて上流方向に延び、入口のインデューサ部を形成している直径を有する内側管状壁と、内側及び外側管状壁間に形成された環状気体流通路とを具え、該環状気体流通路は動翼輪と流体連通している。少なくとも１つの騒音減衰開口が、内側管状壁の内面、外側管状壁の内面、又は内側管状壁の外面の１以上に形成されていてもよい。

前記騒音減衰開口は、好ましくは盲穴であり、又は細長い溝であってもよい。或いは、前記騒音減衰開口は、入口の中又は周囲に形成された密閉チャンバと連通していてもよい。

減衰開口が１又は複数の溝である場合、それらは該開口の周囲を円周状に延びていてもよく、又は入口の中心軸と平行であってもよい。

前記騒音減衰開口は吸音材で内側を覆われていてもよい。各開口の深さは、所定のブレード通過周波数で発せられる騒音の波長の実質的に４分の１である。

前記騒音減衰開口は、実質的に円形でもよく、又は非円形でもよい。

前記入口はハウジングの一体部分であってもよい。

前記ハウジングは単一構造であってもよい。

理想的には、前記面に複数の騒音減衰開口が設けられている。

前記入口は、動翼羽根の外縁が通過していくハウジングの前記表面の上流の延長である内表面を形成していてもよい。

本発明の第２の態様によれば、上記記載のような圧縮機を具えているターボチャージャが提供される。

本発明による圧縮機は、ターボチャージャに含めることに適している。

本発明の他の好ましい有利な特徴は、次の説明から明らかになるであろう。

次に、添付の図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を単に例として説明する。

図１から３を参照すると、図示されたＭＷＥ圧縮機は、圧縮機軸３に沿って延びる回転シャフト(図示省略)の一端の圧縮機ハウジング２内に取り付けられた動翼輪を具えている遠心圧縮機である。明確化のため、動翼輪は図示省略するが、それが占める空間を全体的に参照符号１によって示す。動翼輪は通常、複数の羽根を有し、これらはそれぞれ、動翼輪が軸３を中心に回転するときに内部ハウジング表面５上を通過していく外縁を有する。圧縮機ハウジング２は、動翼輪を包囲している出口ボリュート６と、動翼空間１の上流へ外側に延び、空気のような気体の取入れ口８を形成している外側管状壁７、及び取入れ口８内を途中まで延びて圧縮機インデューサ10を形成している内側管状壁９を具えている一体のＭＷＥ入口構造４とを形成している。内壁９は、外表面11と、動翼ブレードの外側端が通過していくハウジング壁表面５の上流の延長である内表面12とを形成している。外壁７は内表面13を形成している。

内側環状壁９及び外側環状壁７の間には、インデューサ10の周囲に環状流通路14が形成されている。流通路14は、その上流端で入口の取入れ部８に開かれ、ハウジング２の環状壁15によってその下流端で閉じられているが、該壁15を通して形成された開口又はスロット16を介して動翼輪と連通している。

外壁７の内表面13及び内壁９の内及び外表面12、11には、複数の盲穴20が所定の配列で機械加工されている。穴20の配置及び形状は、それらが４分の１波長サイドブランチ共鳴器として働くように設計されている。これは、穴20の深さが、所望の減衰周波数での騒音の波長の４分の１にほぼ等しく設計されていることを意味している。本発明によって減衰する騒音成分は、メインブレードから生じているものである。ブレード通過周波数は、メイン及びスプリッタの両方のブレードを考慮に入れて動翼輪の回転の周波数の１２又は１４倍として説明されているかもしれないことに留意すべきであるが、このような騒音の周波数は、メインブレードの数により、通常は動翼輪の回転の周波数の６から８倍である。図においては、穴20の断面は円形であり、直径は穴の深さより大きくない。穴径は、通常約３又は４ｍｍであってよい。穴断面は重要でなく、長円、四角、スロット形等であってもよいことを理解すべきである。穴20の中心間隔は、慎重に考慮して隣接する共鳴器間の干渉を回避しなければならないが、通常は４ｍｍから７ｍｍの領域であってよい。

穴20は、次の複数の表面、即ち、表面同士が合同で環状流通路の境界となる外壁７の内表面13と内壁９の外表面11と、内壁９の内表面12の１以上に設けられていてもよいことを理解すべきである。

圧縮機ハウジング２は単一鋳造組織であり、盲穴20は入口の内面に形成されているとして示されている。これらは鋳造プロセスの間に作成されてもよいし、鋳造の後に機械加工されてもよい。しかしながら、入口４に挿入する別個の有孔スリーブ又はライニングを設け、スリーブの孔を入口の内面によって効果的に閉じることがおそらくより実用的である。これと同様の例を、以下に説明する図４の実施形態に示す。

動翼羽根の上流に消音器を設けることは、別個の消音器ユニットを有する先行技術の圧縮機設計に勝る利点である。消音器は、圧縮機ハウジングの入口の一部とすることによって、小型、簡素になり、より多くの騒音を生むという危険性を増すことなく、特にブレード通過周波数での騒音を減衰させるように適応させることができる。

図示した実施形態に対する変形例において、穴20は、吸音材で内側を覆われていてもよい。

代替実施形態(図示省略)において、穴20は、ＭＷＥ環状流通路14の外壁７の中又は周囲に形成された密閉チャンバ内に開いている穴に代わる。このような構成はヘルムホルツ型の共鳴器を提供する。

図４は本発明の第２実施形態を示しており、図１から３の部分に対応するものを１００増加させた同一参照符号によって示し、それらが図１から３における対応物と異ならない限り、更には説明しない。この実施形態において、消音器は、圧縮機ハウジングの取入れ口108に挿入されているスリーブ30によって設けられている。スリーブ30は、外側環状壁107の内側で受け止められている第１部分31を有し、その外表面が前記壁の内表面113と係合している。前記壁のこの端部には段がついており、第１部分31が当接する肩部34が設けられている。この第１部分31は、前記表面113に当接する外側環状部と、空気を取入れ口108に導く内側テーパ部32とを有する。スリーブ30の第２部分33は、インデューサ110及び盲穴140を形成する役目を果たしている。内側環状壁109及び外側環状壁107はここでも、ＭＷＥ入口構造の環状流通路114を形成する役目を果たしている。スロット116を通して環状通路内に出て行く空気は、スリーブ30の第１及び第２部分31、33は繋がっており、これら第１及び第２部分31、32の間に形成された不連続な環状スロット35を介してインデューサに再度入ることができる。

図４の実施形態において、穴は傾斜して示されている。即ち、それらは半径方向に延びていないので、それらの縦軸が入口104の軸と直角に交差しない。

穴の代わりに、溝の形の開口が用いられてもよい。図５及び６の実施形態に例を示すが、図１から３の部分に対応するものを２００増加させた同一参照符号によって示し、それらが図１から３における対応物と異ならない限り、更には説明しない。図５において、外壁207の内表面213は、円周上を延びる複数の軸方向に間隔を置いた溝250を有する。ＭＷＥ入口構造は、図４の実施形態同様、挿入スリーブ230によって設けられているが、内壁209に騒音減衰開口が形成されていない。これらの溝250は、動翼に向かって深さが増加していくとして示されている。図６の実施形態は、溝250が代わってＭＷＥ構造の内壁209の外表面211に形成されているという点でのみ図５のそれと異なる。

図７及び８は、騒音減衰開口が盲穴220と溝250の組合せによって設けられている例示的実施形態を示している。図７の実施形態においては、図６の圧縮機同様、内壁209の外表面211に溝250が形成されているが、外壁207の内面213には盲穴220も形成されている。図９においては、溝250及び盲穴220の位置が逆転している。

図９から１２に示したような代替実施形態において、複数の溝360は軸方向に延びていてもよく、この場合は円周方向に間隔を置いている。図９及び１０の実施形態において、溝360はＭＷＥ構造の外壁307の内面313に形成されているのに対し、図１１及び１２の実施形態において、溝360は内壁309の外面311に形成されている。溝350、360は両面に設けられていてもよく、反対側の表面上の盲穴20、120、220で補充されていてもよいことを理解すべきである。これらの溝は、必要に応じて異なる周波数を減衰させるように構成された異なる深さを有することが分かるであろう。

ＭＷＥ環状流通路14の高さＨに対する開口の深さＤ及び幅Ｗは、騒音を減衰させるように構成され、異なる騒音波長に対処するため必要に応じて異なる幅Ｗ及び深さＤが設けられる。従って開口は、関係する騒音を積極的に弱めるため調整されるように設計されている。理想的には、深さＤは減衰すべき騒音の波長の約４分の１であり、幅Ｗは前記通路の高さＨの半分以下である。明らかに、特定の波長及び周波数での騒音問題が大きければ大きいほど、このような騒音を減衰させるように構成される開口の数は大きくなる。

添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、上記した設計に対する多数の変形を行なうことができるということが理解されるであろう。例えば、本発明は、ＭＷＥ入口構造を有しない圧縮機に採用してもよい。又、前記１又は複数の騒音減衰用開口は、穴、溝、スロット又は他の凹み又はキャビティ等のどのような適当な形をとってもよい。何れの開口も、ヘルムホルツ共鳴器を形成するようチャンバに開かれていてもよい。更に又、何れの開口も、吸音材で内側を覆われていてもよい。

本発明による圧縮機は多くの用途を有することができ、特にターボチャージャに組み込むことに適している。

本発明によるＭＷＥ圧縮機の斜視図である。 図１の圧縮機の平面図である。 図２の線Ｙ−Ｙに沿った断面図である。 本発明による圧縮機の第２実施形態の断面側面図である。 本発明による圧縮機の第３実施形態の断面側面図である。 本発明による圧縮機の第４実施形態の断面側面図である。 本発明による圧縮機の第５実施形態の断面側面図である。 本発明による圧縮機の第６実施形態の断面側面図である。 本発明による圧縮機の第７実施形態の正面から見た区分図である。 図９の側面から見た断面図である。 本発明による圧縮機の第８代替実施形態の正面から見た区分図である。 図１１の側面から見た断面図である。 環状通路と騒音減衰開口との寸法の関係を示すために用いている図である。

Claims (35)

1. 入口及び出口を有するハウジングと、
   前記入口と出口との間でハウジング内に回転可能に取り付けられた複数の羽根を含む動翼輪とを具え、前記ハウジングの内壁が形成している表面は、動翼輪がその軸を中心に回転するとき前記表面上を通過していく動翼羽根の半径方向外縁に近接して配置されている、気体を圧縮するための圧縮機において、
   前記入口は、動翼輪から離れて上流方向に延び、入口の吸気部を形成している外側管状壁と、外側管状壁内で動翼輪から離れて上流方向に延び、入口のインデューサ部を形成している直径を有する内側管状壁と、内側及び外側管状壁間に形成された環状気体流通路とを具え、該環状気体流通路は動翼輪と流体連通し、
   前記動翼羽根の上流には、前記入口の長さに沿って、該入口を形成しているハウジングの部分の内面に形成された複数の騒音減衰開口が設けられている圧縮機。
2. 前記入口は、前記ハウジングの内部に配置された部材によって形成され、各騒音減衰開口は前記部材に形成されている請求項１に記載の圧縮機。
3. 前記部材はハウジングの入口部分の一端で支持され、前記内側管状壁は該挿入物によって形成されている請求項２に記載の圧縮機。
4. 前記内側管状壁は、環状気体流通路において支持されていない請求項３に記載の圧縮機。
5. 前記部材は、ハウジングの入口部分の一端で支持されている第１部分を有し、該第１部分の外表面がハウジングの入口部分の前記一端を係合している請求項３又は４に記載の圧縮機。
6. 前記部材の第１部分は、外側管状壁の内表面に係合する外側環状部と、空気を入口部分の取入れ口に導く内側テーパ部とを有する請求項５に記載の圧縮機。
7. 前記部材は、前記内側管状壁を形成する第２部分を有し、該第２部分は、第１部分に繋がっており、第１部分と第２部分の間には不連続な環状スロットが形成されている請求項６又は７に記載の圧縮機。
8. 少なくとも１つの騒音減衰開口が内側管状壁の内面に形成されている請求項１乃至７の何れか１項に記載の圧縮機。
9. 少なくとも１つの騒音減衰開口が外側管状壁の内面に形成されている請求項１乃至８の何れか１項に記載の圧縮機。
10. 少なくとも１つの騒音減衰開口が内側管状壁の外面に形成されている請求項１乃至９の何れか１項に記載の圧縮機。
11. 前記環状気体流通路の長さに沿って複数の騒音減衰開口が形成されている請求項１乃至１０の何れか１項に記載の圧縮機。
12. 少なくとも１つの騒音減衰開口が盲穴である請求項１乃至１１の何れかに記載の圧縮機。
13. 少なくとも１つの騒音減衰開口が細長い溝である請求項１乃至１２の何れかに記載の圧縮機。
14. 前記１又は複数の溝は、入口の周囲を円周状に延びている請求項１３に記載の圧縮機。
15. 前記１又は複数の溝は、入口の中心軸と実質的に平行な方向に延びている請求項１３に記載の圧縮機。
16. 少なくとも１つの騒音減衰開口が、入口の中又は周囲に形成された密閉チャンバと連通している請求項１乃至１５の何れか１項に記載の圧縮機。
17. 少なくとも１つの騒音減衰開口が吸音材で内側を覆われている請求項１乃至１６の何れか１項に記載の圧縮機。
18. 各開口の深さは、所定のブレード通過周波数で発せられる騒音の波長の実質的に４分の１である請求項１乃至１５又は１７の何れか１項に記載の圧縮機。
19. 少なくとも１つの騒音減衰開口が実質的に円形である請求項１乃至１１の何れか１項に記載の圧縮機。
20. 各騒音減衰開口は実質的に非円形である請求項１乃至１８の何れか１項に記載の圧縮機。
21. 前記入口はハウジングの一体部分である請求項１乃至２０の何れか１項に記載の圧縮機。
22. 前記入口は、動翼羽根の外縁が通過していくハウジングの前記表面の上流の延長である内表面を形成している請求項１乃至２１の何れか１項に記載の圧縮機。
23. 各騒音減衰用開口は、非半径方向に延びる縦軸を有する請求項１１又は１８に記載の圧縮機。
24. 前記開口の縦軸は、入口の軸に対して９０°未満の角度で傾斜している方向に延びている請求項２３に記載の圧縮機。
25. 前記ハウジングは鋳造によって形成される請求項１乃至２４の何れかに記載の圧縮機。
26. 請求項１乃至２５の何れかに記載の圧縮機を具えているターボチャージャ。
27. 入口及び出口を有するハウジングと、
    前記入口と出口との間でハウジング内に回転可能に取り付けられた複数の羽根を含む動翼輪とを具え、前記ハウジングの内壁が形成している表面は、動翼輪がその軸を中心に回転するとき前記表面上を通過していく動翼羽根の半径方向外縁に近接して配置されている、気体を圧縮するための圧縮機において、
    前記入口は、動翼輪から離れて上流方向に延び、入口の吸気部を形成している外側管状壁と、外側管状壁内で動翼輪から離れて上流方向に延び、入口のインデューサ部を形成している直径を有する内側管状壁と、内側及び外側管状壁間に形成された環状気体流通路とを具え、該環状気体流通路は動翼輪と流体連通し、
    前記動翼羽根の上流には、前記入口に形成された少なくとも１つの騒音減衰開口が設けられ、
    前記入口は、前記ハウジングの内部に配置された部材によって形成され、前記騒音減衰開口は前記部材に形成され、前記部材はハウジングの入口部分の一端で支持され、前記内側管状壁は前記部材によって形成されている圧縮機。
28. 前記騒音減衰開口は、前記入口を形成しているハウジングの部分の内面に形成されている請求項２７に記載の圧縮機。
29. 前記内側管状壁は、環状気体流通路において支持されていない請求項２８に記載の圧縮機。
30. 前記部材は、ハウジングの入口部分の一端で支持されている第１部分を有し、該第１部分の外表面がハウジングの入口部分の前記一端を係合している請求項２７又は２８に記載の圧縮機。
31. 前記部材の第１部分は、外側管状壁の内表面に係合する外側環状部と、空気を入口部分の取入れ口に導く内側テーパ部とを有する請求項３０に記載の圧縮機。
32. 前記部材は、前記内側管状壁を形成する第２部分を有し、該第２部分は、第１部分に繋がっており、第１部分と第２部分の間には不連続な環状スロットが形成されている請求項３０又は３１に記載の圧縮機。
33. 少なくとも１つの騒音減衰開口が内側管状壁の内面に形成されている請求項２７乃至３２の何れか１項に記載の圧縮機。
34. 少なくとも１つの騒音減衰開口が外側管状壁の内面に形成されている請求項２７乃至３２の何れか１項に記載の圧縮機。
35. 少なくとも１つの騒音減衰開口が内側管状壁の外面に形成されている請求項２７乃至３４の何れか１項に記載の圧縮機。

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