JP6320281B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、自動車のターボチャージャに好適なタービンハウジングに係る。

一般的にターボチャージャと呼ばれる排気タービン式過給機は、エンジンの排気ガスのエネルギーによってタービンが回転駆動され、これに直結されたコンプレッサによって吸入空気が圧縮されてエンジンに供給されるように構成されている。このターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングに関し、例えば特許文献１には、「タービンホイールを囲繞するタービンハウジングにおいて、板金により形成されるハウジング本体と、前記ハウジング本体の内周面に固定されるとともに同ハウジング本体とは別体のタング部材であって、インレットポートとスクロール空間とを同ハウジング本体の内部において区画する前記タング部材とを備える」ことが提案されている（特許文献１の段落〔００１５〕に記載）。

また、特許文献２には、「ターボチャージャのタービンを収容するタービンハウジングであって、鋼板製の２つの半割シェル部材を接合したシェル構造のスクロール部を有し、このスクロール部の入口側に助走部を区画するタングが前記半割シェル部材のフレア接合によって一体に形成されている」タービンハウジングが提案されている（特許文献２の段落〔０００６〕に記載）。

特許第５３３８９９１号公報 特開２００６−１６１５７４号公報

上記の特許文献１に記載のタービンハウジングにおいては、「板金により形成されるハウジング本体」に対し、「タング部材」は「ハウジング本体の内周面に固定されるとともに同ハウジング本体とは別体」とされている。然しながら、タング部材を閉空間の適切な位置に組み付けることは至難であり、組み付けに問題があると、駆動流体である排気ガスの漏れが生じ、エネルギーロスを惹起するおそれがある。また、タング部材は高温の排気ガスに晒されるため熱容量の小さな別部材では耐熱強度を維持することが困難である。一方、特許文献２に記載のように鋼板製のハウジング自体にタングを有するものにおいては、プレス成形時にタングを所定の形状に形成することは容易ではない。また、タングの厚肉化も容易ではなく耐熱強度を維持することが困難である。このため、特許文献１においてはタングを別部材とすることが提案されている。

そこで、本発明は、ターボチャージャに接合されるタービンハウジングに関し、ハウジング部材に対する組付け及び位置決めが容易で耐熱強度を維持し得るタング部を備えたタービンハウジングを提供することを課題とする。

上記の課題を達成するため、本発明は、タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングにおいて、前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、前記カップリングフランジに一方の開口端部が接合され前記カップリングフランジと前記出口フランジとの間にスクロール空間を形成するハウジング部材と、前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジとを備え、前記スクロール空間を区画するタング部が前記カップリングフランジに一体的に形成されている構成としたものである。

上記のタービンハウジングにおいて、前記ハウジング部材は、前記タング部に係合する係合部を有するものとするとよい。特に、前記カップリングフランジは、円筒状の本体部と、該本体部の外周側面に形成された膨出部を有し、該膨出部の端面から軸方向に延出するように前記タング部が一体的に形成されており、前記ハウジング部材の係合部は、前記タング部に対し前記カップリングフランジの円周方向の少なくとも一方側で当接するように形成されたものとするとよい。

上記のタービンハウジングにおいて、前記タービンホイールを囲繞するように配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材の他方の開口端部に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材を備えたものとしてもよい。

また、上記のタービンハウジングにおいて、前記ハウジング部材は板金製とし、前記一方の開口端部を有する第１のインナシェルと、該第１のインナシェルに接合され当該第１のインナシェルとの間に前記スクロール空間が形成され、前記他方の開口端部を有する第２のインナシェルとを備えたものとしてもよい。

更に、上記のタービンハウジングにおいて、前記ハウジング部材を囲繞するように配置され、少なくとも前記カップリングフランジと前記出口フランジに接合される外側ハウジング部材を備え、該外側ハウジング部材によって前記出口フランジを前記カップリングフランジに対し所定の位置関係に保持するように構成してもよい。前記外側ハウジング部材は、前記タング部に対し前記カップリングフランジの円周方向の少なくとも一方側で当接するように形成された係合部を有するものとするとよい。

そして、前記外側ハウジング部材は板金製とし、前記カップリングフランジに接合される第１のアウタシェルと、該第１のアウタシェルに接合されると共に前記出口フランジに接合される第２のアウタシェルとを備えたものとしてもよい。

本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明のタービンハウジングにおいては、タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングにおいて、ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、カップリングフランジに一方の開口端部が接合されカップリングフランジと出口フランジとの間にスクロール空間を形成するハウジング部材と、スクロール空間に連通するように配設され上流側の排気系部材に接合される入口フランジとを備え、スクロール空間を区画するタング部がカップリングフランジに一体的に形成されているので、ハウジング部材へのタング部の組み付けが容易であり、ハウジング部材に対するタング部の相対的な位置関係を適切に維持することができる。しかも、タング部は、熱容量が大きなカップリングフランジに一体的に形成されているので、必要な耐熱強度を維持することができる。

上記のタービンハウジングにおいて、ハウジング部材は、タング部に係合する係合部を有するものとすれば、ハウジング部材へのカップリングフランジ及びタング部の組み付けが一層容易となり、ハウジング部材に対するタング部の相対的な位置関係を確実に維持することができる。また、カップリングフランジは、円筒状の本体部と、該本体部の外周側面に形成された膨出部を有し、膨出部の端面から軸方向に延出するようにタング部が一体的に形成され、ハウジング部材の係合部は、タング部に対しカップリングフランジの円周方向の少なくとも一方側で当接するように形成されたものとすれば、ハウジング部材に対するカップリングフランジ及びタング部の相対的な位置関係を確実に維持することができる。

更に、筒状のシュラウド部材がタービンホイールを囲繞するように配置され、その入口端部がハウジング部材に接合されると共に、出口端部が出口フランジに摺動自在に支持されるように構成すれば、駆動流体である排気ガスの熱によって、ハウジング部材及びシュラウド部材が熱膨張しても、シュラウド部材は、その出口端部が出口フランジに対し摺動し、タービンホイールから離隔する方向に移動する。従って、ハウジング部材及びシュラウド部材の熱膨張時にもタービンホイールに干渉することなく安定した回転を確保することができる。

上記のタービンハウジングにおいて、ハウジング部材を板金製とすれば、軽量化及び低熱容量化が可能となる。特に、ハウジング部材は、一方の開口端部を有する第１のインナシェルと、第１のインナシェルに接合され第１のインナシェルとの間にスクロール空間が形成され、他方の開口端部を有する第２のインナシェルとを備えたものとすることができ、板金によって容易且つ安価に形成することができる。

また、上記のタービンハウジングにおいて、ハウジング部材を囲繞するように配置され、少なくともカップリングフランジと出口フランジに接合される外側ハウジング部材を設け、外側ハウジング部材によって出口フランジをカップリングフランジに対し所定の位置関係に保持するように構成すれば、外側ハウジング部材と上記のハウジング部材との間に適切な断熱空間を形成することができる。更に、外側ハウジング部材は、タング部に対しカップリングフランジの円周方向の少なくとも一方側で当接するように形成された係合部を有するものとすれば、外側ハウジング部材及びハウジング部材に対するカップリングフランジ及びタング部の位置決めを容易に行うことができ、相対的な位置関係を確実に維持することができる。

そして、外側ハウジング部材も板金製とし、カップリングフランジに接合される第１のアウタシェルと、第１のアウタシェルに接合されると共に出口フランジに接合される第２のアウタシェルとを備えたものとすれば、容易且つ安価に形成することができ、上記の断熱空間を容易に形成することができる。

本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの縦断面図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジの平面図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジの斜視図で、図２の矢印Ａ方向から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジの斜視図で、図２の矢印Ｂ方向から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジの斜視図で、図２の矢印Ｃ方向から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジの斜視図で、図２の矢印Ｄ方向から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に係るタービンハウジングの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジの斜視図で、図２の矢印Ｅ方向から見た斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジに第１のアウタシェルが組み付けられた状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に供されるカップリングフランジ及び第１のアウタシェルに第１のインナシェルが組み付けられた状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に供される第１のアウタシェルに入口管が組み付けられた状態を示す斜視図である。

以下、本発明の望ましい実施形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係るタービンハウジングを示し、図７に各構成部品を示している。図７において、曲面部分の主要な凹凸部を適宜細線で示している。本実施形態のタービンハウジングは、タービンホイール（図示せず）を囲繞するように図１に二点鎖線で示すターボチャージャＴＣに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材ＥＵ及びＥＤに接合される。従って、例えばクランプによってターボチャージャＴＣに接合されるカップリングフランジ１と、例えばボルトによって下流側の排気系部材ＥＤに接合される出口フランジ２と、例えばボルトによって上流側の排気系部材ＥＵに接合される入口フランジ３を備えている。尚、排気系部材ＥＵ及びＥＤは装着対象の排気マニホールドや排気管等を含み、駆動流体である排気ガスの流れを図１に白抜き矢印で示す。また、上流側の排気系部材ＥＵには内燃機関（図示せず）が含まれ、タービンハウジングは内燃機関に直接接合され得る。

カップリングフランジ１には、ハウジング部材１０の一方の開口端部（１１ａ）が接合され、カップリングフランジ１と出口フランジ２との間のハウジング部材１０内にスクロール空間ＳＳが形成され、入口フランジ３から入口管３ａを介してスクロール空間ＳＳに連通するように配設されている。出口フランジ２は、円筒状の開口部２ａと、これに連続する内周面の筒体部２ｂを有し、その小径側開口端の内周面には支持部２ｇが形成されている。更に、タービンホイール（図示せず）を囲繞するように筒状のシュラウド部材３０が配置され、その入口端部３１が、ハウジング部材１０の他方の開口端部（１２ａ）に接合されると共に、出口端部３２が出口フランジ２の支持部２ｇに摺動自在に支持されている。

本実施形態のハウジング部材１０は、開口端部１１ａ、筒体部１１ｂ及びフランジ部１１ｃを有する板金製の第１のインナシェル１１と、開口端部１２ａ、筒体部１２ｂ及びフランジ部１２ｃを有する板金製の第２のインナシェル１２から成り、フランジ部１１ｃとフランジ部１２ｃが当接した状態で例えば溶接によって接合され、中央に開口部を有するシェル形状に形成されている。即ち、板金によってハーフシェル形状に形成された第１のインナシェル１１と、板金によってハーフシェル形状に形成された第２のインナシェル１２とが接合されて、シェル形状のハウジング部材１０が構成されている。

本実施形態においては、更に、ハウジング部材１０を囲繞するように外側ハウジング部材２０が配置され、カップリングフランジ１と出口フランジ２に接合されている。この外側ハウジング部材２０は、第１のアウタシェル２１及び第２のアウタシェル２２が夫々板金によってハーフシェル形状に形成され、例えば溶接によって接合されて、中央に開口部を有するシェル形状に形成されている。そして、第１のアウタシェル２１の開口端部２１ａがカップリングフランジ１に例えば溶接によって接合されると共に、第２のアウタシェル２２の開口端部２２ａが出口フランジ２に例えば溶接によって接合されている。即ち、出口フランジ２の筒体部２ｂの外周面には環状段部２ｄが形成されており、この環状段部２ｄに第２のアウタシェル２２の開口端部２２ａが溶接によって接合されている。而して、ハウジング部材１０と外側ハウジング部材２０との間に気密空間が形成され、断熱層が形成されている。

本実施形態のカップリングフランジ１は、図１及び図２に示すように、円筒状の本体部１ａを有し、一方の開口端面に環状凸部１ｐが形成され、その内側にテーパ面１ｓが形成され、その外側に環状段部１ｑ及び１ｒが形成されている。そして、最外側の環状段部１ｒに第１のアウタシェル２１の開口端部２１ａが配置されると共に、環状段部１ｑに第１のインナシェル１１の開口端部１１ａが配置され、従って、開口端部１１ａと環状段部１ｒとの間に開口端部２１ａが挟持されるように配置され、これらが例えば溶接によって接合される。更に、カップリングフランジ１には、本体部１ａの外周側面に膨出部１ｂが形成されると共に、膨出部１ｂの端面から軸方向に延出するようにタング部１ｔが一体的に形成されている。尚、本実施形態のカップリングフランジ１は円筒状の本体部１ａの外周側面に膨出部１ｂのみが形成されているが、装着対象の部品に接合する場合には、上記の膨出部１ｂに加え、接合用のボルトやナット（図示せず）の台座として複数の膨出部（図示せず）が本体部１ａの外周側面に形成される。

上記のタング部１ｔは図２乃至図６に示す形状を有し、この形状の特徴については後述するが、金属切削加工による一体削り出し、鍛造による形成、一体鋳造等、何れの方法によって形成してもよい。尚、第１のインナシェル１１及び第１のアウタシェル２１には上記のタング部１ｔに係合する係合部が形成されているが、これらについても後述する。

シュラウド部材３０は、タービンホイール（図示せず）を構成するタービンブレード（図示せず）に対し全周に亘って最小のクリアランスを以って囲繞するように拡径され、段付内周側面が形成された入口端部３１を有すると共に、これに連続する円筒状の出口端部３２を有する。シュラウド部材３０としては、装着対象の変形による影響を受けない剛性を確保するため、ハウジング部材１０の厚さより肉厚とし、鋳造や機械加工（削り出し）による一体成形とすることが望ましい。シュラウド部材３０は、その入口端部３１の外周側面が、例えば溶接によって、第２のインナシェル１２の開口端部１２ａに接合され、出口端部３２は出口フランジ２に対し摺動自在に支持される。即ち、図１に示すように、出口フランジ２の筒体部２ｂの内周面に形成された支持部２ｇに出口端部３２が嵌合され、シュラウド部材３０が支持部２ｇに対して気密的摺動可能に配設される。

本実施形態のカップリングフランジ１は、前述のように、環状凸部１ｐ、テーパ面１ｓ、環状段部１ｑ及び１ｒが本体部１ａの開口端面に形成されると共に、スクロール空間ＳＳを区画するためのタング部１ｔが膨出部１ｂに一体的に形成されている。カップリングフランジ１は図２に平面を表すように形成されており、図３、図４、図５及び図６は夫々、図２の矢印Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤ方向から見た斜視図である。

カップリングフランジ１に一体的に形成されるタング部１ｔは、図２乃至図６に示すように、環状段部１ｒと同一面上の膨出部１ｂの端面から軸方向に延出形成される円弧状の立壁部を有し、その外側面１ｔａ及び内側面１ｔｅは湾曲面に形成され、その頂面１ｔｂは平坦な面に形成されている。そして、タング部１ｔの一方の周方向側面側には、頂面１ｔｂから環状凸部１ｐに至る湾曲面１ｔｃが形成され、他方の周方向側面側には段部１ｔｄが形成されている。この段部１ｔｄは、頂面１ｔｂと環状凸部１ｐとの間に位置するように形成され、第１のインナシェル１１の板厚分の段差を有する。

上記の構成になるカップリングフランジ１に対し、図７の下方の部材から順に組み付けられるが、以下、図８に示すカップリングフランジ１に対し、図９乃至図１１に示すように、第１のアウタシェル２１、第１のインナシェル１１及び入口管３ａが順次組み付けられる状態を説明する。尚、図８乃至図１１に示すカップリングフランジ１（及びタング部１ｔ）は、図２のＥ方向から見た斜視図であり、図１乃至図６に示すカップリングフランジ１と同一である。また、タング部１ｔに係合する係合部として、図７に示すように、ハウジング部材１０を構成する第１のインナシェル１１には、周方向端部１１ｄ及び１１ｅ間の切除部が形成され、外側ハウジング部材２０を構成する第１のアウタシェル２１には周方向凹部２１ｃが形成されている。

而して、先ず、図９に示すように、カップリングフランジ１に第１のアウタシェル２１が載置される。このとき、図１に示すように第１のアウタシェル２１の開口端部２１ａがカップリングフランジ１の環状段部１ｒに載置されると共に、第１のアウタシェル２１の周方向凹部２１ｃが図９に示すように、タング部１ｔに対しカップリングフランジ１の円周方向の少なくとも一方側（本実施形態では両側）で当接するように組み付けられので、両者が所定の位置関係に適切に配置される。この状態で、例えば点溶接によってカップリングフランジ１と第１のアウタシェル２１を仮止めしておき、全ての組み付け完了後に全周を溶接することとするとよい。

次に、図１０に示すように、カップリングフランジ１及び第１のアウタシェル２１に対し、第１のインナシェル１１が載置される。このとき、第１のインナシェル１１の開口端部１１ａが図１に示すようにカップリングフランジ１の環状段部１ｑに載置されると共に、第１のインナシェル１１の周方向端部１１ｄが、図１０に示すようにタング部１ｔの段部１ｔｄに係合し、且つ、周方向端部１１ｅが湾曲面１ｔｃの下端に当接するように組み付けられので、両者が所定の位置関係に適切に配置される。この状態で、上記と同様、例えば点溶接によってカップリングフランジ１と第１のインナシェル１１を仮止めしておき、全ての組み付け完了後に全周を溶接することとするとよい。この結果、第１のインナシェル１１の周方向端部１１ｄの頂面はタング部１ｔの頂面１ｔｂと面一になり、この周方向端部１１ｄを除き、図１に示すように第１のインナシェル１１の開口端部１１ａの内側壁面はカップリングフランジ１の環状凸部１ｐの頂面と面一になる。

続いて、図１１に示すように、入口管３ａが第１のアウタシェル２１の入口部２１ｂに嵌合される。更に、図１１には示されていないが、図７に示す第２のインナシェル１２が第１のアウタシェル２１内に収容される。但し、この前工程で、図１に示すように第２のインナシェル１２の開口端部１２ａにシュラウド部材３０が接合される。そして、第１のインナシェル１１のフランジ部１１ｃに第２のインナシェル１２のフランジ部１２ｃが当接すると共に、第２のインナシェル１２の平面部１２ｄ（図１及び図７に示す）がタング部１ｔの頂面１ｔｂに当接するように配置され、更に、図７に示すように第２のアウタシェル２２及び出口フランジ２が装着され、溶接により接合されて図１に示す状態となる。

この結果、タング部１ｔの内側面１ｔｅは第１のインナシェル１１及び第２のインナシェル１２内に形成されるスクロール空間ＳＳの壁面の一部を構成し、ハウジング部材１０内の流路がタング部１ｔによって遮蔽され、スクロール空間ＳＳが確実に区画される。而して、例えば図１１に二点鎖線の矢印で示すように、入口管３ａから導入される空気は、第１のインナシェル１１（及び第２のインナシェル１２）内のスクロール空間ＳＳ（図１）に案内される。

以上のように、本実施形態においては、タング部１ｔがカップリングフランジ１に一体的に形成されており、ハウジング部材１０に対するタング部１ｔの相対的な位置関係を適切に維持することができるので、組み付けが容易であるだけでなく、所定の耐熱強度を維持することができる。しかも、第１のアウタシェル２１の係合部（周方向凹部２１ｃ）及び第１のインナシェル１１の係合部（周方向端部１１ｄ及び１１ｅ間の切除部）が、タング部１ｔに対しカップリングフランジ１の円周方向の少なくとも一方側（本実施形態では両側）で当接するように構成されているので、組み付け時に、ハウジング部材１０に対するタング部１ｔの相対的な位置関係を容易に確定することができる。

また、駆動流体である排気ガスの熱によって、ハウジング部材１０及びシュラウド部材３０が熱膨張しても、シュラウド部材３０は出口フランジ２の支持部２ｇを摺動し、タービンホイール（図示せず）から離隔する方向に移動するので、タービンブレード（図示せず）との干渉を適切に回避することができる。この場合において、シュラウド部材３０は出口フランジ２の支持部２ｇに対し気密的摺動可能に配設されており、入口フランジ３からスクロール空間ＳＳに排気ガスが導入される際に、ハウジング部材１０と外側ハウジング部材２０との間の空間に流出して出口フランジ２から放出されるといった流れは最小限に抑えられるので、所望のタービン性能を確保することができる。尚、出口フランジ２に対するシュラウド部材３０の一層の気密性を確保するため、支持部２ｇと出口端部３２との間にガスケット等を介装することとしてもよい。

１ カップリングフランジ
１ｔ タング部
２ 出口フランジ
３ 入口フランジ
１０ ハウジング部材
１１ 第１のインナシェル
１２ 第２のインナシェル
２０ 外側ハウジング部材
２１ 第１のアウタシェル
２２ 第２のアウタシェル
３０ シュラウド部材
ＥＵ，ＥＤ 排気系部材
ＳＳ スクロール空間

Claims (8)

1. タービンホイールを囲繞するようにターボチャージャに接合されると共に、上流側及び下流側の排気系部材に接合されるタービンハウジングにおいて、前記ターボチャージャに接合されるカップリングフランジと、前記下流側の排気系部材に接合される出口フランジと、前記カップリングフランジに一方の開口端部が接合され前記カップリングフランジと前記出口フランジとの間にスクロール空間を形成するハウジング部材と、前記スクロール空間に連通するように配設され前記上流側の排気系部材に接合される入口フランジとを備え、前記スクロール空間を区画するタング部が前記カップリングフランジに一体的に形成されていることを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記ハウジング部材は、前記タング部に係合する係合部を有することを特徴とする請求項１記載のタービンハウジング。
3. 前記カップリングフランジは、円筒状の本体部と、該本体部の外周側面に形成された膨出部を有し、該膨出部の端面から軸方向に延出するように前記タング部が一体的に形成されており、前記ハウジング部材の係合部は、前記タング部に対し前記カップリングフランジの円周方向の少なくとも一方側で当接するように形成されていることを特徴とする請求項２記載のタービンハウジング。
4. 前記タービンホイールを囲繞するように配置される筒状のシュラウド部材であって、前記ハウジング部材の他方の開口端部に入口端部が接合されると共に、前記出口フランジに出口端部が摺動自在に支持されるシュラウド部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービンハウジング。
5. 前記ハウジング部材は板金製であって、前記一方の開口端部を有する第１のインナシェルと、該第１のインナシェルに接合され当該第１のインナシェルとの間に前記スクロール空間が形成され、前記他方の開口端部を有する第２のインナシェルとを備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービンハウジング。
6. 前記ハウジング部材を囲繞するように配置され、少なくとも前記カップリングフランジと前記出口フランジに接合される外側ハウジング部材を備え、該外側ハウジング部材によって前記出口フランジを前記カップリングフランジに対し所定の位置関係に保持するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のタービンハウジング。
7. 前記外側ハウジング部材は、前記タング部に対し前記カップリングフランジの円周方向の少なくとも一方側で当接するように形成された係合部を有することを特徴とする請求項６記載のタービンハウジング。
8. 前記外側ハウジング部材は板金製であって、前記カップリングフランジに接合される第１のアウタシェルと、該第１のアウタシェルに接合されると共に前記出口フランジに接合される第２のアウタシェルとを備えたことを特徴とする請求項６又は７記載のタービンハウジング。

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