JP5696832B2 - 伝熱抑制結合構造とこれを備える可変ノズル付きタービン - Google Patents

Description

本発明は、温度差がある第１および第２の部材を結合し両者間の熱伝導を抑制する伝熱抑制結合構造に関する。また、本発明は、この伝熱抑制結合構造を備える可変ノズル付きタービンに関する。

第１および第２の部材をボルトで結合させる場合に、両者の伝熱を抑制するために、両者の間に遮熱板を配置することが考えられる。
このような構成は、例えば、可変ノズル付のタービンにおいて用いられる。可変ノズル付きタービンは、タービン翼への駆動ガスの流路を有する高温のタービンハウジング（第１の部材）と、前記流路に設けられタービン翼への駆動ガスの流速を調整するノズルと、ノズルを動作させるアクチュエータと、アクチュエータが結合された取り付け部材（第２の部材）とを備える。取り付け部材は、タービンハウジングにボルトで取り付けられる。高温側のタービンハウジングから低温側の取り付け部材への伝熱を抑制するために、両者の間に遮熱板を設ける。

なお、熱伝導を抑制する先行技術文献として、下記の特許文献１がある。特許文献１では、タービンハウジングとシリンダヘッドとの間の熱伝導を防止するため、両者の間にスペーサを配置している。

特開２００５−３４４６６７号公報

しかし、従来において、第１の部材（例えば、上述のタービンハウジング）と第２の部材（例えば、上述の取り付け部材）とをボルトにより結合する場合には、ボルトを介して、第１の部材と第２の部材との間で熱伝導が生じる。

そこで、本発明の目的は、温度差がある第１および第２の部材をボルトで結合する場合に、両部材間の伝熱を、一層、抑制できる伝熱抑制結合構造を提供することにある。
また、本発明の目的は、このような伝熱抑制結合構造を備えた可変ノズル付きタービンを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明によると、温度差がある第１および第２の部材を結合し両者間の熱伝導を抑制する伝熱抑制結合構造であって、
第１の部材は、貫通孔が形成されている貫通孔形成部を有し、
前記貫通孔に通され、第２の部材に一端側が結合しているボルトと、
前記ボルトの他端側に螺合しているナットと、を備え、
前記ナットと第２の部材とで貫通孔形成部を挟み込むことにより、貫通孔形成部を第２の部材に結合しており、
前記貫通孔形成部と第２の部材との間で両者に接触する接触面を有し、両者間の熱伝導を抑制する第１の伝熱抑制部材と、
前記ナットと貫通孔形成部との間で両者に接触する接触面を有し、両者間の熱伝導を抑制する第２の伝熱抑制部材と、を備え、
前記ボルトは、貫通孔の内周壁と前記第１および第２の伝熱抑制部材とに接触することなく貫通孔と前記第１および第２の伝熱抑制部材とを貫通する、ことを特徴とする伝熱抑制結合構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によると、第１の伝熱抑制部材若しくは第２の伝熱抑制部材の前記接触面は、または、当該接触面に接触する接触面は、表面粗さとしての多数の凹凸を有する。

好ましくは、第１または第２の伝熱抑制部材は、第１および第２の部材の材料よりも熱伝導率が低い材料で形成されている。

本発明の好ましい実施形態によると、前記ボルトは、前記貫通孔の内周壁に接触することなく前記貫通孔を貫通している。

上述した目的を達成するため、本発明によると、駆動用ガスにより回転駆動されるタービン翼と、タービン翼を内部に収容するとともにタービン翼へ駆動用ガスを供給する流路が内部に形成されたタービンハウジングと、前記流路に設けられた可動翼と、該可動翼を駆動することにより駆動用ガスの流速を調節するアクチュエータと、前記アクチュエータに結合された取り付け部材と、を備え、該取り付け部材は、前記タービンハウジングに取り付けられている可変ノズル付きタービンであって、
上述の伝熱抑制結合構造を備え、
前記取り付け部材と前記アクチュエータのうち、一方は前記第１の部材であり、他方は前記第２の部材である、ことを特徴とする可変ノズル付きタービンが提供される。

上述した本発明によると、貫通孔形成部（第１の部材）と第２の部材との間に伝熱抑制部材を設けることにより、第１および第２の部材との間の直接的な熱伝導を防止できるだけでなく、ボルトに螺合したナットと貫通孔形成部（第１の部材）との間にも伝熱抑制部材を設けることにより、ボルトを介した、第１および第２の部材間の熱伝導も防止できる。よって、第１および第２の部材間の伝熱を、一層、抑制できる。

本発明の実施形態による可変ノズル付きタービンを備えた過給機を示す。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。 図１の部分拡大図であり、本発明の実施形態による伝熱抑制結合構造を示す。 図１のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、タービンハウジング近傍を示す。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態による可変ノズル付きタービン１０を備えた過給機２０を示す。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。

可変ノズル付きタービン１０は、駆動用ガスにより回転駆動されるタービン翼３と、タービン翼３を内部に収容するとともにタービン翼３へ駆動用ガスを供給する流路５ａが内部に形成されたタービンハウジング５と、タービン１０の周方向に間隔をおいて流路５ａに設けられ可変ノズルを構成する複数の可動翼７と、該可動翼７を駆動することにより駆動用ガスの流速を調節するアクチュエータ９と、タービンハウジング５に取り付けられた取り付け部材１１と、を備える。取り付け部材１１に、アクチュエータ９を結合している。

可変ノズル付きタービン１０は、図１の例では、過給機２０に設けられている。すなわち、複数のタービン翼３により構成されるタービン羽根車１３は、回転シャフト１５を介しコンプレッサ羽根車１７に連結され、コンプレッサ羽根車１７と一体的に回転するようになっている。従って、図示しないエンジンからの駆動用ガス（排ガス）によりタービン羽根車１３が回転駆動されることにより、コンプレッサ羽根車１７は、回転駆動されて吸入空気を圧縮してエンジンへ送出する。

アクチュエータ９は、複数のボルト１９により取り付け部材１１に結合されている。取り付け部材１１は、タービンハウジング５から受ける熱でアクチュエータ９よりも高温になる。

図３は、図１の部分拡大図であり、可変ノズル付きタービン１０に設けた伝熱抑制結合構造３０を示す。伝熱抑制結合構造３０は、温度差がある取り付け部材（第１の部材）１１とアクチュエータ（第２の部材）９とを結合しつつ両者間の熱伝導を抑制する。

伝熱抑制結合構造３０は、取り付け部材１１と、アクチュエータ９と、ボルト１９と、ナット２１と、第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５とを備える。

取り付け部材１１は、貫通孔２７が形成されている貫通孔形成部１１ａを有する。取り付け部材１１は、タービン１０の軸方向に関してタービンハウジング５の一方側（この例では、タービン１０の排気口１２ａ側）に位置する。排気口１２ａは、タービン翼３を駆動した駆動用ガスを排出する。排気口１２ａは、図１の例では、タービンハウジング５に取り付けられた排気口形成部材１２により形成されている。
図１の例では、取り付け部材１１は、タービン１０の軸方向に薄い板状であり、その前後面が該軸方向を向いている。

ボルト１９は、貫通孔２７に通され、アクチュエータ９に一端側が結合している。図３の例では、ボルト１９は、一端側がアクチュエータ９のボルト孔に螺合することによりアクチュエータ９に結合している。

ナット２１は、ボルト１９の他端側に螺合している。ナット２１とアクチュエータ９とで貫通孔形成部１１ａを挟み込むことにより、貫通孔形成部１１ａ（取り付け部材１１）とアクチュエータ９とを結合している。

第１の伝熱抑制部材２３は、貫通孔形成部１１ａとアクチュエータ９との間に配置され、両者間の熱伝導を抑制する。第１の伝熱抑制部材２３は、貫通孔形成部１１ａに接触する接触面２３ａと、アクチュエータ９のフランジ部９ａに接触する接触面２３ｂとを有する。

第２の伝熱抑制部材２５は、ナット２１と貫通孔形成部１１ａとの間に配置され、両者間の熱伝導を抑制する。第２の伝熱抑制部材２５は、ナット２１に接触する接触面２５ａと、貫通孔形成部１１ａに接触する接触面２５ｂとを有する。

第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂは、好ましくは多数の凹凸を有する。これにより、第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂと、相手側部材（すなわち、アクチュエータ９、貫通孔形成部１１ａまたはナット２１）との接触面積を少なくすることができる。例えば、接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂは、相手側部材と、多数の局所部分（点部分）でのみ接触するようにしてよい。

この構成により、第１または第２の伝熱抑制部材２３、２５と相手側部材との熱伝導を低減できる。２つの部材間における単位時間当たりの伝熱量ｑは、一般的に以下の式（１）で表される。

ｑ＝λ×Ａ×（Ｔ１−Ｔ２） ・・・（１）

ここで、λは熱伝導率であり，Ａは伝熱面積であり、Ｔ１−Ｔ２は２つの部材間の温度差である。２つの部材間の接触面が多数の凹凸を有した場合、上式（１）のＡが小さくなる。また、熱伝導率が小さい材料を使用した場合、上式（１）のλが小さくなる。従って、第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂが多数の凹凸を有することにより、上式（１）のｑを小さくすることが可能となる。
なお、多数の凹凸を有する接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂの面粗さは、一例では、２５Ｒａ程度である

第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５は、本実施形態において、タービンハウジング５の材料（例えば、鋳鉄）および取り付け部材１１の材料（例えば、鋳鉄）よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。

第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５は、各ボルト１９毎に設けられ、該伝熱抑制部材２３、２５は、該ボルト１９が貫通するようになっている。そのために、伝熱抑制部材２３、２５は、ボルト１９の軸方向から見た場合に、中心部にボルト１９が貫通する環状であってよい。

ボルト１９は、貫通孔２７の内周壁に接触することなく貫通孔２７を貫通している。この構成で、貫通孔形成部１１ａとボルト１９との間の熱伝導を抑制できる。

上述した伝熱抑制結合構造３０により、アクチュエータ９の温度を約２％下げることができる。

可変ノズル付きタービン１０は、好ましくは、以下の構成１〜４の少なくともいずれかを有する。すなわち、可変ノズル付きタービン１０は、構成１〜４のいずれかを、または、構成１〜４を任意に組み合わせたものを有する。

（構成１）
タービンハウジング５と取り付け部材１１との間には、図１のように、スペーサ部材２９が設けられる。図１の例では、スペーサ部材２９は、取り付け部材１１をタービンハウジング５に結合させるボルト３１の位置に設けられる。すなわち、各ボルト３１毎に、スペーサ部材２９が設けられ、該スペーサ部材２９には、該ボルト３１が貫通するようになっている。そのために、スペーサ部材２９は、ボルト３１の軸方向から見た場合に、中心部にボルト３１が貫通する環状であってよい。
このようなスペーサ部材２９により、タービンハウジング５と取り付け部材１１が直接接触しないようにすることができる。この構成１により、アクチュエータ９の温度を約４％下げることができる。
なお、図１、図２では、ボルト３１の一端側部分がタービンハウジング５のボルト孔と螺合し、ボルト３１の他端側部分にナット３３を螺合させ、ナット３３を締め付ける。これにより、取り付け部材１１をタービンハウジング５に取り付けている。

（構成２）
取り付け部材１１におけるタービンハウジング５側のタービン軸方向を向く受熱面１１ｂに、インシュレータ（断熱材）３５を設ける。図２において、インシュレータ３５は、破線による斜線部分である。図１、図２の例では、取り付け部材１１がボルト３１でタービンハウジング５に結合されている部位の近傍にわたってインシュレータ３５が存在している。また、インシュレータ３５は、受熱面１１ｂを覆うように受熱面１１ｂに沿って延びている。インシュレータ３５は、タービンハウジング５の材料および取り付け部材１１の材料よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。
このようなインシュレータ３５により、タービンハウジング５から取り付け部材１１への輻射熱を遮断することができる。この構成２により、アクチュエータ９の温度を約５％下げることができる。

（構成３）
図１、図２のように、取り付け部材１１には、その厚み方向（タービン１０の軸方向）に貫通する空気穴１１ｃが形成されている。この空気穴１１ｃは、タービン１０の半径方向に関してアクチュエータ９とタービンハウジング５との間に存在する空間３７に、タービン１０の軸方向に連通している。これにより、取り付け部材１１を設けても、空間３７は、タービン１０の軸方向両側に開放されるので、当該軸方向に関して、空間３７を通した空気の流れを促進することができる。従って、空間３７の温度を低下させることができる。

（構成４）
上述の構成３を採用する場合に、図１、図２のように、第１の遮熱板３９が、タービン１０の半径方向に関してタービンハウジング５と空間３７との間に配置される。第１の遮熱板３９は、タービン１０の半径方向に関してタービンハウジング５と空間３７とを遮断する。第１の遮熱板３９は、タービンハウジング５の材料および取り付け部材１１の材料よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。従って、タービン１０の半径方向に関して、空間３７からアクチュエータ９へ伝わる熱量を減らすことができる。
好ましくは、第２の遮熱板４１が、タービン１０の半径方向に関してアクチュエータ９と空間３７との間に配置される。第２の遮熱板４１は、タービン１０の半径方向に関してアクチュエータ９と空間３７とを遮断する。第２の遮熱板４１は、タービンハウジング５の材料および取り付け部材１１の材料よりも熱伝導率が低い材料（例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ））で形成されている。従って、タービン１０の半径方向に関して空間３７からアクチュエータ９へ伝わる熱量を減らすことができ、その結果、タービン１０の半径方向に関して、タービンハウジング５から空間３７を介してアクチュエータ９に伝わる熱量を減らすことができる。
なお、第１または第２の遮熱板３９、４１を取り付け部材１１に結合するために、例えば、タービン１０の軸方向に薄い板状部分４２（図２を参照）を遮熱板３９、４１に固定し、この板状部分４２をボルトなどで取り付け部材１１に結合してよい。

可動翼７を動作させる構成について説明する。図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、タービンハウジング５近傍を示す。

上述の実施形態において、アクチュエータ９はサーボモータであり、サーボモータ９の回転駆動力を、伝動機構４３により複数の可動翼７に伝達して、複数の可動翼７を揺動させる。
伝動機構４３は、図１、図２、図４の例では、第１〜３連結部材４５、４７、４９、連結シャフト５１、第１の揺動部材５３、回動リング５５、第２の揺動部材５７、および回動ピン５９を有する。

第１の連結部材４５の一端部が、図２のように、タービン１０の軸方向と平行に配置されたサーボモータ９の出力シャフト９ｂに固定される。第１の連結部材４５は、サーボモータ９により、出力シャフト９ｂの中心軸Ｃａを中心に出力シャフト９ｂと一体的に回転駆動される。
第１の連結部材４５の他端部は、第２の連結部材４７に対して中心軸Ｃ１回りに回転可能に、第２の連結部材４７の一端部に連結される。
第２の連結部材４７の他端部は、第３の連結部材４９に対して中心軸Ｃ２回りに回転可能に第３の連結部材４９の一端部に連結される。
第３の連結部材４９の他端部は、図１、図４のように、タービン１０の軸方向と平行に配置された連結シャフト５１の一端部に固定されている。連結シャフト５１は、自身の軸回りに回転自在に取り付け部材１１に支持されている。
連結シャフト５１の他端部は、第１の揺動部材５３の一端部に固定されている。
第１の揺動部材５３の他端部は、回動リング５５に係合している。
回動リング５５は、タービンハウジング５に対しタービン１０の中心軸Ｃｔ回りに回転可能に、タービンハウジング５に取り付けられている。
回動リング５５には、タービン１０の軸方向に延びる複数のピン５５ａが一体的に結合されており、各ピン５５ａには、第２の揺動部材５７の一端部が係合している。
第２の揺動部材５７の他端部には、回動ピン５９の一端部が固定されている。回動ピン５９は、自身の軸周りに回転可能に、タービンハウジング５に支持されている。
回動ピン５９の他端部には可動翼７が固定されている。

上述の構成で、サーボモータ９の出力シャフト９ｂが回転すると、出力シャフト９ｂと一体的に回転する第１の連結部材４５は、第２の連結部材４７を介して第３の連結部材４９を連結シャフト５１の軸回りに回転させる。第２の連結部材４９と一体的に、連結シャフト５１および第１の揺動部材５３も回転する。第１の揺動部材５３が回転すると、第１の揺動部材５３に係合している回動リング５５が、図４の矢印Ａ方向に回動する。この回動により、回動リング５５のピン５５ａに係合している各第２の揺動部材５７は、回動ピン５９と一体的に、回動ピン５９の軸を中心に回動する。その結果、回動ピン５９に固定されている可動翼７は、回動ピン５９の軸を中心に揺動させられる。このような動作により、複数の可動翼７により構成されている可変ノズルを動作させて、タービン翼３へ供給される駆動ガスの流速を調節する。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の変更例１〜３の１つまたは複数を採用してもよい。この場合、他の構成は、上述と同様である。

（変更例１）
図３において、取り付け部材１１の代わりに、アクチュエータ９のフランジ部９ａが、貫通孔が形成されている貫通孔形成部を有していてもよい。この場合、ボルト１９は、当該貫通孔に通され、取り付け部材１１に一端側が結合し、ボルト１９の他端側にナット２１が螺合し、ナット２１と取り付け部材１１とでフランジ部９ａの前記貫通孔形成部を挟み込むことにより、当該貫通孔形成部を取り付け部材１１に結合させ、第１の伝熱抑制部材２３は、当該貫通孔形成部と取り付け部材１１との間で両者に接触する接触面を有し両者間の熱伝導を抑制し、第２の伝熱抑制部材２５は、ナット２１と貫通孔形成部との間で両者に接触する接触面を有し両者間の熱伝導を抑制する。

（変更例２）
上述の実施形態では、第１の部材は、タービンハウジング５であり、第２の部材は、取り付け部材１１であったが、第１および第２の部材は、互いに温度差があり、本発明の伝熱抑制結合構造３０により両者の熱伝導が抑制される他のものであってもよい。

（変更例３）
第１および第２の伝熱抑制部材２３、２５の接触面２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂが多数の凹凸を有する代わりに、上述の相手側部材が上述した多数の凹凸を有していてもよい。

３ タービン翼、５ タービンハウジング、５ａ 流路、
７ 可動翼、９ アクチュエータ（サーボモータ）、
１０ 可変ノズル付きタービン、１１ 取り付け部材、
１１ａ 貫通孔形成部、１９ ボルト、２０ 過給機、
２１ ナット、２３ 第１の伝熱抑制部材、
２３ａ、２３ｂ 接触面、２５ 第２の伝熱抑制部材、
２５ａ、２５ｂ 接触面、２７ 貫通孔、３０ 伝熱抑制結合構造

Claims (4)

1. 温度差がある第１および第２の部材を結合し両者間の熱伝導を抑制する伝熱抑制結合構造であって、
   第１の部材は、貫通孔が形成されている貫通孔形成部を有し、
   前記貫通孔に通され、第２の部材に一端側が結合しているボルトと、
   前記ボルトの他端側に螺合しているナットと、を備え、
   前記ナットと第２の部材とで貫通孔形成部を挟み込むことにより、貫通孔形成部を第２の部材に結合しており、
   前記貫通孔形成部と第２の部材との間で両者に接触する接触面を有し、両者間の熱伝導を抑制する第１の伝熱抑制部材と、
   前記ナットと貫通孔形成部との間で両者に接触する接触面を有し、両者間の熱伝導を抑制する第２の伝熱抑制部材と、を備え、
   前記ボルトは、貫通孔の内周壁と前記第１および第２の伝熱抑制部材とに接触することなく貫通孔と前記第１および第２の伝熱抑制部材とを貫通する、ことを特徴とする伝熱抑制結合構造。
2. 第１の伝熱抑制部材若しくは第２の伝熱抑制部材の前記接触面は、または、当該接触面に接触する接触面は、表面粗さとしての多数の凹凸を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の伝熱抑制結合構造。
3. 第１または第２の伝熱抑制部材は、第１および第２の部材の材料よりも熱伝導率が低い材料で形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の伝熱抑制結合構造。
4. 駆動用ガスにより回転駆動されるタービン翼と、タービン翼を内部に収容するとともにタービン翼へ駆動用ガスを供給する流路が内部に形成されたタービンハウジングと、前記流路に設けられた可動翼と、該可動翼を駆動することにより駆動用ガスの流速を調節するアクチュエータと、前記アクチュエータに結合された取り付け部材と、を備え、該取り付け部材は、前記タービンハウジングに取り付けられている可変ノズル付きタービンであって、
   請求項１、２または３に記載の伝熱抑制結合構造を備え、
   前記取り付け部材と前記アクチュエータのうち、一方は前記第１の部材であり、他方は前記第２の部材である、ことを特徴とする可変ノズル付きタービン。