JP6170858B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機のタービンハウジングに関する。

従来のタービンハウジングとして、いわゆる二重管構造を有するものが知られている（例えば、特開２００７−２７９１号公報等参照。）。かかる構造によれば、タービンハウジングにおける熱吸収が抑制されることで、排気ガスが高温に維持されたままタービンハウジングから排出され、以て内燃機関の冷間始動時における触媒の早期活性化が図られる。

特開２００７−２７９１号公報

かかる二重管構造のタービンハウジングにおいては、内側ハウジングには高い耐熱性及び形状精度が要求される。このため、内側ハウジングとしては、鋳造品（鋳鉄や鋳鋼等：特に比較的高価なオーステナイト系材料）が用いられることが好適である。一方、外側ハウジングとしては、搭載性やコストの観点から、板金（特に比較的廉価なフェライト系ステンレス板金）製のものが用いられることが好適である。これにより、良好な生産性と、良好な触媒暖機性能とが両立する。

しかしながら、上述のような構成においては、排気ガスに直接接触する内側ハウジングと、かかる内側ハウジングを外側から覆う外側ハウジングと、の間に、熱膨張量の差が生じる。特に、上述のように、内側ハウジングと外側ハウジングとの間で材質が相違する場合、これに伴う熱膨張率の相違により、上述のような熱膨張量の差が顕著となる。このため、二重管構造のタービンハウジングにおいては、内側ハウジングと外側ハウジングとを良好に接合・固定することが課題となる。本発明は、上記に例示した事情等に鑑みてなされたものである。

上記の課題に対処するため、請求項１に記載の発明は、「渦巻状の排気ガス流路を構成するスクロール部と、このスクロール部からタービン回転中心軸線に沿って突設された略円管状の部分であって排気ガスの出口を構成する出口管部と、を備え、鋳造により継目なく一体に形成された、鋳物製の内側ハウジング」と、「板金により形成されていて、前記スクロール部を覆うように設けられた外側ハウジング」とを備え、前記外側ハウジングは、前記内側ハウジングにおける前記出口管部が設けられた側とは反対側の表面に当接され、前記外側ハウジングと前記内側ハウジングとの当接部は、前記タービン回転中心軸線を中心として略円環状に形成され、前記当接部は、前記タービン回転中心軸線を中心とする円周方向について、分割された複数個所にて溶接されたことを特徴としている。

請求項１に記載のタービンハウジングにおいては、内側ハウジングと外側ハウジングとの当接部が、略円環状に形成される。かかる当接部は、その円周方向について、分割された複数個所にて溶接される。すなわち、かかる当接部には、溶接部と非溶接部とが、円周方向について交互に配列形成される。

かかる構成によれば、排気ガスに直接接触する内側ハウジングと、かかる内側ハウジングを外側から覆う外側ハウジングと、の間に温度差が生じても、上述の非溶接部が設けられることにより、熱膨張量の差に起因する応力が良好に緩和される。したがって、本発明によれば、内側ハウジングと外側ハウジングとを良好に接合・固定することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記内側ハウジングは、センターハウジング側に設けられた前記スクロール部の壁部であって前記タービン回転中心軸線を法線とする平面と平行な略円環状の前記表面を有する内側環状壁部と、この内側環状壁部から前記タービン回転中心軸線に沿って前記センターハウジング側に突設された略円管状の部分である嵌合管部と、を有し、前記外側ハウジングは、前記内側環状壁部と接合される略円環状の壁部である外側環状壁部と、この外側環状壁部から前記タービン回転中心軸線に沿って前記センターハウジング側に突設された略円管状の部分であって内側に前記嵌合管部が嵌合されるように形成されたフランジ支持管部と、このフランジ支持管部から外側に向かって突設されていて前記センターハウジングと接合可能に形成されたフランジ部と、を有し、前記外側環状壁部と前記フランジ支持管部と前記フランジ部とが継目なく一体に形成されたことを特徴としている。

請求項２に記載のタービンハウジングにおいては、内側ハウジングにおける内側環状壁部と外側ハウジングにおける外側環状壁部とが当接するとともに、内側ハウジングにおける嵌合管部が外側ハウジングにおけるフランジ支持管部の内側に嵌合される。この状態で、内側環状壁部と外側環状壁部との略円環状の当接部が、その円周方向について分割された複数個所にて溶接される。また、外側ハウジングにおけるフランジ部は、センターハウジングと接合される。

かかる構成によれば、内側ハウジングと外側ハウジングとの接合・固定、及びタービンハウジングとセンターハウジングとの接続が、簡略な構造により良好に行われる。

本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの概略構成を示す断面図。 図１の一部を拡大した断面図。 図１に示されたタービンハウジングの外観図。 一変形例に係るタービンハウジングの構成を示す外観図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、変形例は、当該実施形態の説明中に挿入されると首尾一貫した一実施形態の説明の理解が妨げられるので、末尾にまとめて記載されている。

＜構成＞
図１〜図３を参照すると、本実施形態のタービンハウジング１０は、内側ハウジング１２と外側ハウジング１４とを備えている。内側ハウジング１２は、高耐熱性を有するオーステナイト系の鋳鉄又は鋳鋼からなり、鋳造によって継目なく一体に形成されている。外側ハウジング１４は、内側ハウジング１２を外側から覆うように設けられている。

タービンハウジング１０は、図示しないタービンホイールを回転可能に支持するセンターハウジング１６（図２参照）と気密的に接続されている。具体的には、タービンハウジング１０は、センターハウジング１６に設けられたセンターフランジ１７と接合されつつ、いわゆる「Ｖバンド」である締結具１８により結合されている。

鋳物製の内側ハウジング１２は、スクロール部２１と、出口管部２２と、内側環状壁部２３と、嵌合管部２４と、を有している。スクロール部２１は、渦巻状の排気ガス流路を構成するように、略円環体（リング）状に形成されている。出口管部２２は、内側ハウジング１２における排気ガスの出口を構成する略円管状の部分であって、スクロール部２１から軸方向（タービン回転中心軸線Ｃと平行な方向）に沿って、センターハウジング１６とは反対側に向かって突設されている。ここで、「タービン回転中心軸線Ｃ」は、スクロール部２１の渦巻中心を通る直線であって、上述の図示しないタービンホイールの回転中心軸と同軸上に設けられている。

内側環状壁部２３は、センターハウジング１６側に設けられたスクロール部２１の壁部であって、タービン回転中心軸線Ｃと垂直な略平板状（円板状）に形成されている。嵌合管部２４は、略円管状の部分であって、内側環状壁部２３の内縁部から軸方向に沿ってセンターハウジング１６側に向けて突設されている。嵌合管部２４の周囲には、タービン回転中心軸線Ｃを法線とする平面と平行な、略円環状の内側環状壁部２３の表面である、環状表面２５が設けられている。

外側ハウジング１４は、スクロール部２１を含む内側ハウジング１２のほぼ全体を外側から覆うように設けられている。本実施形態においては、外側ハウジング１４は、第一カバー４１と第二カバー４２とを有している。すなわち、本実施形態においては、外側ハウジング１４は、軸方向について、内側ハウジング１２に対応する位置にて第一カバー４１と第二カバー４２とに分割されている。また、外側ハウジング１４の、タービンハウジング１０における排気ガスの入口側には、入口フランジ４３が設けられている。

第一カバー４１の本体部であって、入口フランジ４３よりも排気ガス通流方向における下流側を構成する部分には、外側環状壁部４１１と、内管被覆部４１２と、フランジ支持管部４１３と、フランジ部４１４と、が設けられている。かかる構成を有する第一カバー４１は、比較的安価なフェライト系ステンレス鋼製の板金に対して、曲げ等の加工を施すことによって、継目なく一体に形成されている。なお、第二カバー４２も、フェライト系ステンレス鋼からなる板金によって形成されている。

外側環状壁部４１１は、第一カバー４１における略円環状の壁部であって、内側環状壁部２３に接合されるように、内側環状壁部２３と平行に対向配置されている。具体的には、外側環状壁部４１１は、タービン回転中心軸線Ｃと垂直な略平板状（円板状）であって、内側環状壁部２３よりも大きな外径に形成されている。

内管被覆部４１２は、二重管構造のタービンハウジング１０における内管を構成する内側ハウジング１２の外側にて、当該内側ハウジング１２を、空隙を隔てて覆うように設けられている。具体的には、内管被覆部４１２は、外側環状壁部４１１の外縁部から外側に向かって延設されつつ、スクロール部２１における円環面状の外側表面に倣って屈曲されている。

フランジ支持管部４１３は、外側環状壁部４１１の内縁部から軸方向に沿ってセンターハウジング１６側に突設された略円管状の部分であって、その内側に嵌合管部２４が嵌合されるように形成されている。フランジ部４１４は、フランジ支持管部４１３の先端部から外側に向かって徐々に拡径するように突設されていて、センターフランジ１７と接合可能に形成されている。

このように、外側ハウジング１４における第一カバー４１は、内側ハウジング１２における環状表面２５（出口管部２２が設けられた側とは反対側の表面）に当接されている。すなわち、内側ハウジング１２における内側環状壁部２３（環状表面２５）と第一カバー４１における外側環状壁部４１１との当接部Ｓは、タービン回転中心軸線Ｃを中心として略円環状に形成されている。

当接部Ｓ（図１及び図２参照）には、複数の溶接部Ｓ１１，Ｓ１２…と、複数の非溶接部Ｓ２０と、が設けられている（図３参照）。溶接部Ｓ１１等は、内側ハウジング１２における内側環状壁部２３と第一カバー４１における外側環状壁部４１１とが、周知の溶接方法（例えばスポット溶接等）により溶接された部分である。一方、非溶接部Ｓ２０は、内側ハウジング１２における内側環状壁部２３と第一カバー４１における外側環状壁部４１１とが溶接されていない部分である。そして、当接部Ｓにおいては、溶接部Ｓ１１等と非溶接部Ｓ２０とが、タービン回転中心軸線Ｃを中心とする円周方向に沿って交互に配列形成されている。すなわち、内側ハウジング１２における内側環状壁部２３と第一カバー４１（外側ハウジング１４）における外側環状壁部４１１とは、タービン回転中心軸線Ｃを中心とする円周方向について、分割された複数個所にて溶接されている。

より詳細には、本実施形態においては、当接部Ｓには、溶接部Ｓ１１，Ｓ１２，及びＳ１３と、非溶接部Ｓ２０と、が設けられている。溶接部Ｓ１１は、図３における位置Ｐを中点とする短い（具体的には図３におけるＣ点を中心とし中心角が４０度程度の）円弧状に形成されている。ここで、上述の位置Ｐは、ガス流入線ＧＬ（入口フランジ４３に形成された排気ガスの入口における中心を通り排気ガス流入方向Ｇと平行な直線）を法線としタービン回転中心軸線Ｃを包含する平面と、当接部Ｓと、が交わる位置であって、当接部Ｓにて排気ガスの流入により最も高温になる位置である。溶接部Ｓ１２及びＳ１３は、上述の円周方向について溶接部Ｓ１１と略同一の長さで形成されている。また、溶接部Ｓ１１，Ｓ１２，及びＳ１３は、上述の円周方向について等間隔に配置されている。

＜作用・効果＞
以下、本実施形態の構成によって得られる作用・効果について説明する。

タービンハウジング１０を高温の排気ガスが通流することで、内側ハウジング１２及び外側ハウジング１４（特に第一カバー４１）に、熱膨張が生じる。かかる熱膨張は、タービン回転中心軸線Ｃを中心とした放射方向（図１における上下方向）、及び上述の円周方向（図３における矢印参照）にて生じる。

ここで、排気ガスに直接接触する内側ハウジング１２と、かかる内側ハウジング１２を外側から覆う部材であって通常は排気ガスに直接接触することはない第一カバー４１と、の間には、温度差が生じる。特に、内側ハウジング１２が鋳造品且つオーステナイト系材料であって、第一カバー４１が板金製且つフェライト系材料であるため、熱膨張率の相違に伴って、両者の熱膨張量の差が顕著となる。

この点、本実施形態の構成においては、非溶接部Ｓ２０にて、内側ハウジング１２における内側環状壁部２３と第一カバー４１における外側環状壁部４１１とが互いに拘束されていない部分が生じる。これにより、熱膨張量の差に起因する応力が良好に緩和される。したがって、かかる構成によれば、内側ハウジング１２と外側ハウジング１４（第一カバー４１）とを良好に接合・固定することが可能となる。

なお、本実施形態の構成においては、センターフランジ１７と外側ハウジング１４におけるフランジ部４１４とが接合されつつ締結具１８によって締結されることで、センターハウジング１６と外側ハウジング１４とが気密的に接続されている。このため、上述のような非溶接部Ｓ２０が設けられていても、これを通過して排気ガスが外部に漏出する懸念はない。

また、本実施形態の構成においては、センターハウジング１６との接続を形成するためのフランジ部４１４が、通常は排気ガスに直接接触することがない第一カバー４１（外側ハウジング１４）の一部として、第一カバー４１の残部と継目なく一体的に形成されている。このため、フランジ部４１４における、排気ガスの通流による温度上昇の度合は、内側ハウジング１２よりも低い。また、高温の内側ハウジング１２と冷却されたセンターハウジング１６との間の伝熱に伴う、センターハウジング１６の不用意な温度上昇やタービンハウジング１０の不用意な冷却が、良好に抑制される。したがって、本実施形態によれば、内側ハウジング１２と外側ハウジング１４との接合・固定、及びタービンハウジング１０とセンターハウジング１６との接続が、簡略な構造により良好に行われる。

＜変形例＞
以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部分に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部分の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が適宜援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態の一部、及び、複数の変形例の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

本発明は、上述した具体的な装置構成（構造及び材質を含む）に限定されない。すなわち、例えば、外側ハウジング１４の分割構造も、上述の具体例に限定されない。また、外側ハウジング１４を構成する材料として、オーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４系材料等：特に、耐熱性に優れたＳＵＳ３０２系材料、ＳＵＳ３０９Ｓ、ＳＵＳ３１０Ｓ、等）製の板金が用いられてもよい。これにより、内側ハウジング１２と外側ハウジング１４との間の熱膨張量の相違を可及的に抑制しつつ、内側ハウジング１２に対して高い耐熱性及び形状精度を付与することが可能となる。

センターハウジング１６との接続を形成するためのフランジ部は、内側ハウジング１２における嵌合管部２４に設けられていてもよい。また、タービンハウジング１０とセンターハウジング１６との接合・固定構造も、上述の具体例から適宜変更され得る。

溶接部Ｓ１１等は、２箇所以上（典型的には３箇所以上：例えば３〜５箇所）設けられていればよい。例えば、図４に示されているように、４箇所の溶接部（溶接部Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３及びＳ１４）が設けられていてもよい。かかる図４に示されている変形例の構成においては、溶接部Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３及びＳ１４は、上述の円周方向について等間隔に配置されている。なお、溶接部Ｓ１１等における、溶接方法、位置、並びに円周方向についての長さ及び間隔（等間隔か不等間隔かをも含む）に関しても、特段の限定はない。

その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構成及びその均等物の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構成をも含む。

１０…タービンハウジング、１２…内側ハウジング、１４…外側ハウジング、１６…センターハウジング、２１…スクロール部、２３…内側環状壁部、２４…嵌合管部、２５…環状表面、４１…第一カバー、４２…第二カバー、４１１…外側環状壁部、４１３…フランジ支持管部、４１４…フランジ部、Ｃ…タービン回転中心軸線、Ｓ…当接部、Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４…溶接部、Ｓ２０…非溶接部。

Claims (2)

1. 渦巻状の排気ガス流路を構成するスクロール部と、このスクロール部からタービン回転中心軸線に沿って突設された略円管状の部分であって排気ガスの出口を構成する出口管部と、を備え、鋳造により継目なく一体に形成された、鋳物製の内側ハウジングと、
   板金により形成されていて、前記スクロール部を覆うように設けられた、外側ハウジングと、
   を備え、
   前記外側ハウジングは、前記内側ハウジングにおける前記出口管部が設けられた側とは反対側の表面に当接され、
   前記外側ハウジングと前記内側ハウジングとの当接部は、前記タービン回転中心軸線を中心として略円環状に形成され、
   前記当接部は、前記タービン回転中心軸線を中心とする円周方向について、分割された複数個所にて溶接されたことを特徴とする、タービンハウジング。
2. 前記内側ハウジングは、センターハウジング側に設けられた前記スクロール部の壁部であって前記タービン回転中心軸線を法線とする平面と平行な略円環状の前記表面を有する内側環状壁部と、この内側環状壁部から前記タービン回転中心軸線に沿って前記センターハウジング側に突設された略円管状の部分である嵌合管部と、を有し、
   前記外側ハウジングは、前記内側環状壁部と接合される略円環状の壁部である外側環状壁部と、この外側環状壁部から前記タービン回転中心軸線に沿って前記センターハウジング側に突設された略円管状の部分であって内側に前記嵌合管部が嵌合されるように形成されたフランジ支持管部と、このフランジ支持管部から外側に向かって突設されていて前記センターハウジングと接合可能に形成されたフランジ部と、を有し、前記外側環状壁部と前記フランジ支持管部と前記フランジ部とが継目なく一体に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のタービンハウジング。

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