JP6364331B2 - タービンハウジング - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャーにおける排気タービン用のハウジング（タービンハウジング）に関し、特に水冷ジャケット付きのタービンハウジングに関する。

従来の一般的なタービンハウジングは、鋳造による鋳物製品である。鋳物製ハウジングの長所は、形状設定の自由度が大きく生産性が良好なこと、並びに、耐熱鋼の使用および高剛性化が容易で耐久性に優れることである。近年、エンジンの燃費向上に伴い排気ガス温度が高温化しているため、オーステナイト等の鉄系材料を使用する傾向にある。ただし、オーステナイトは耐熱性等に優れるものの、コストが高いという欠点がある。また、鉄系の鋳造品は重く、薄肉化するにも限界があるという欠点がある。

タービンハウジングを従来よりも軽量化及び低コスト化するための試みとして、ハウジング本体のステンレス板金製化や、水冷ジャケット付きアルミニウム合金製（以下単に「水冷アルミ製」という）化が提案されている。しかしながら、ステンレス板金製のタービンハウジングには、高精度加工が必要な部位の製造上の問題や薄肉化による変形のために、機能（耐久信頼性等）とコストとの両立が非常に難しいという欠点がある。他方、水冷アルミ製のタービンハウジングによれば、水冷ジャケットを併設することでアルミ材の使用が可能となり、オーステナイトに比べて材料コストを低減できるというメリットがある。ただし、アルミは鋳鉄に比べて熱伝導率がかなり大きい（３００℃におけるアルミの熱伝導率：２３３（Ｗ／ｍ・Ｋ）に対し、３００℃における鋳鉄の熱伝導率：３１（Ｗ／ｍ・Ｋ）程度）。このため、タービンハウジング内を流れる排気ガスの熱がアルミ製のハウジング壁を介して水冷ジャケットに過度に伝わり、排気ガスの冷え過ぎによる熱又は運動エネルギーの減少、ひいては過給性能の低下を招く結果となっている。また、水冷ジャケットを流れる冷却水が過度に高温化することで、エンジン側での冷却性能の向上（即ちラジエータの大容量化）が必要になり、結果的にコスト増につながってしまう。

なお、特許文献１は、水冷ジャケット付きのタービンハウジングの一例を開示する。特許文献１によれば、タービンハウジング(10)の本体は、アルミニウム合金又は他の金属からなる鋳造部品である。該ハウジング本体の周囲に中空室(12)を形成するために、二つのシェル部材(14,16)が設けられており、これらシェル部材によって冷却ジャケット(18)が構成されている。また、冷却ジャケット(18)の内部であって前記ハウジング本体の外周部には、冷却液を導くための少なくとも１つのフローエレメント(28)が設けられている。同文献１のＦＩＧ．１及び２には、フローエレメントは突条の形態で描かれている。

国際公開ＷＯ２００９／１０６１６６号公報

本発明は、従来の鋳物製タービンハウジングの長所を生かしつつ従来の水冷アルミ製タービンハウジングの欠点を克服することを意図したものである。即ち、本発明の目的は、排気ガス流路を流れる排気ガスの冷え過ぎによる熱又は運動エネルギーの減少を極力回避して過給効率の低下を防止することができると共に、水冷ジャケットを流通する冷却水の量を低減可能な水冷ジャケット付きタービンハウジングを提供することにある。

本発明は、排気タービンの収容室およびそれを取り囲む排気ガス流路を内部に区画形成するスクロール本体部と、前記スクロール本体部の外側に配設され、前記スクロール本体部の外壁面との間に水冷ジャケットを区画形成するシェルとを備えたタービンハウジングであって、
前記スクロール本体部は、鉄系材料からなる鋳物として構成され、
前記スクロール本体部の外壁面には、前記水冷ジャケット内を二つの冷却水流路に区分する流路仕切り部が設けられると共に、複数の放熱用の凸部又は凹凸部が設けられており、
前記流路仕切り部は、スクロール本体部の入口ポート付近に起点を持ち、この起点から前記排気ガス流路に沿って延びると共に、前記スクロール本体部の側面を約半周したところの位置にある終点まで延びており、
起点及び終点を有する前記流路仕切り部は、
冷却水導入口からの冷却水を当該流路仕切り部に沿って前記終点までガイドする流入側冷却水流路と、
前記流入側冷却水流路に沿って水冷ジャケットの奥にまで流れ入ると共に前記終点に達したところで折り返し反転した冷却水を冷却水導出口に向けて当該流路仕切り部に沿ってガイドする流出側冷却水流路とを提供する、ことを特徴とするタービンハウジングである。

なお、前記シェルが板金製または樹脂製であることは好ましい。

［作用］
本発明によれば、排気タービンの収容室およびそれを取り囲む排気ガス流路を形成するスクロール本体部を、熱伝導率がアルミよりも低い鉄系材料の鋳物製としている。このため、スクロール本体部を流れる排気ガスの熱が水冷ジャケットを流れる冷却水に必要以上に伝達される事態を防止して排気ガスの冷え過ぎを回避することができ、ひいては熱又は運動エネルギーの過度な減少による過給効率の低下を防止することができる。
また、本発明のタービンハウジングではスクロール本体部の外壁面において、流路仕切り部の他に、放熱用の凸部又は凹凸部を複数設けている。これら複数の放熱用凸部又は凹凸部は、水冷ジャケットを流れる冷却水とスクロール本体部の外壁面との接触面積を増大させて効率的な熱移動を可能にするため、従来よりも少ない冷却水量で鋳物製スクロール本体部の冷却（高温化阻止）を図ることができる。

なお、鋳物製スクロール本体部の外側において水冷ジャケットを区画形成するシェルを、鋳物製ではなく板金製または樹脂製とすることで、水冷ジャケット付きタービンハウジングの軽量化を図ることができる。

本発明のタービンハウジングによれば、排気ガス流路を流れる排気ガスの冷え過ぎによる熱又は運動エネルギーの減少を極力回避して過給効率の低下を防止することができると共に、水冷ジャケットを流通する冷却水の必要量を従来よりも低減することができる。

図１及び図２は本発明の一実施形態に従う水冷ジャケット付きタービンハウジングの全体像を示し、図１の（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図。 図２の（Ａ）は背面図、（Ｂ）は平面図（上面図）。 図３は、図１（Ｂ）のＸ−Ｘ線での概略断面図。 図４は、図３のＹ−Ｙ線での概略断面図。 図５は、鋳物製スクロール本体部の一側面図。 図６は、鋳物製スクロール本体部の平面図（上面図）。 図７の（Ａ）〜（Ｄ）は、鋳物製スクロール本体部の外壁面に設けられた放熱用の凸部又は凹凸部のバリエーション（構成例）を示す部分拡大図。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１〜図４に示すように、本発明の一実施形態に従う水冷ジャケット付きタービンハウジングは、鋳物製のスクロール本体部１０、板金製又は樹脂製の第１及び第２のシェル２１，２２、金属製の入口フランジ３０、並びに、金属製の出口フランジ４０を備える。

特に図３及び図４に示すように、スクロール本体部１０は、その中心域に排気タービン（図示略）の収容室１１を区画形成すると共に、その排気タービン収容室１１を取り囲む位置に略環状（より具体的には略渦巻き状）の排気ガス流路１２を区画形成することを基本形状（この基本形状自体は公知）とする中空な鋳物部品である。スクロール本体部１０の正面サイド（図４の左側）には、車両エンジンからの排気ガスを排気ガス流路１２に導入するための入口ポート１３が設けられている。また、スクロール本体部１０の一方側面の中央付近（図３の右側）には、排気ガス流路１２を経て排気タービン収容室１１に集められた排気ガスを車両の排気系（触媒コンバータやマフラー等）に向けて排出するための出口ポート１４が設けられている。なお、スクロール本体部１０の外壁面部の構造については後述する。

図１〜図４に示すように、スクロール本体部１０の外側には、第１のシェル２１及び第２のシェル２２が配設されている。これら第１及び第２のシェル２１，２２は、スクロール本体部１０の左側半部及び右側半部を覆うようなカバー状の部材としてそれぞれ形成されており、第１及び第２のシェル２１，２２が組み合わされることで、スクロール本体部１０が両シェル内に包み込まれる。そして、第１及び第２のシェル２１，２２がスクロール本体部１０に装着されると、両シェルの内壁面とスクロール本体部の外壁面との間には、水冷ジャケット２３が区画形成される。水冷ジャケット２３は、その内部に冷却水流路（２４，２５）を提供する。

図１（Ａ）、図２（Ａ）及び図４に示すように、入口フランジ３０は、スクロール本体部の入口ポート１３の位置に取り付けられ、同位置において、スクロール本体部の入口ポート１３を区画する周壁部と第１及び第２のシェル２１，２２の端縁部とを連結している。図１（Ａ）及び図４から見て取れるように、入口フランジ３０には、その中央域において前記入口ポート１３と連通する排気ガス用の中央開口３１が形成され、その中央開口３１の下及び上の各位置に冷却水導入口３２及び冷却水導出口３３がそれぞれ形成されている。冷却水導入口３２及び冷却水導出口３３は、水冷ジャケット２３内に設定された冷却水流路と連通する。なお、入口フランジ３０は、車両エンジンの排気マニホルド及び冷却系統と、当該水冷ジャケット付きタービンハウジングとを連結するためのフランジ部品である。この入口フランジ３０が車両エンジンの排気マニホルド等に連結されると、前記中央開口３１が排気マニホルドの下流側に接続されると共に、前記冷却水導入口３２及び冷却水導出口３３が車両エンジンの冷却系統（ラジエータを含む）に接続されることになる。

図３に示すように、出口フランジ４０は、スクロール本体部の出口ポート１４の位置に配置されると共に、当該出口ポート１４を区画する周壁部に対して外嵌状態で固定されている。出口フランジ４０は、前記排気マニホルドよりも更に下流側にある車両の排気系（触媒コンバータやマフラー等）と、当該水冷ジャケット付きタービンハウジングとを連結するためのフランジ部品である。この出口フランジ４０が車両の排気系に連結されることで、出口ポート１４が車両の排気系につながる。

本発明では、スクロール本体部１０は、鉄系材料からなる鋳物として構成されている。鉄系材料としては、鋳鉄（球状黒鉛鋳鉄、ねずみ鋳鉄など）、鋳鋼を例示することができる。これら鉄系材料はいずれも、アルミニウム又はアルミニウム合金に比べて熱伝導率が低い金属である。そして、このスクロール本体部１０を鋳造する際には、スクロール本体部の外壁面１５に、流路仕切り部１６と、複数の放熱用の凸部又は凹凸部１７が同時に形成される（図３，５〜７参照）。

図３、図５及び図６に示すように、スクロール本体部の左右の外壁面１５上には、それぞれ一条の流路仕切り部（流路仕切り突条）１６が設けられている。流路仕切り部１６の各々は、スクロール本体部１０の入口ポート付近を起点（図５，６に符号「１６ａ」で示す）として排気ガス流路１２に沿うように延びると共に（図５参照）、スクロール本体部１０の側面を約半周したところの該本体部の最も低い位置にある終点（図５に符号「１６ｂ」で示す）まで延びている。これら左右一対の流路仕切り部１６は、各々が水冷ジャケット２３の内部を該流路仕切り部の下側領域（内側領域）と上側領域（外側領域）とに区分する。

即ち、流路仕切り部１６の下側領域（内側領域）は、入口フランジの冷却水導入口３２と連通すると共に、冷却水導入口３２からの冷却水を流路仕切り部１６に沿ってガイドする流入側冷却水流路２４を提供する。これに対し、流路仕切り部１６の上側領域（外側領域）は、入口フランジの冷却水導出口３３と連通する。そして、この流路仕切り部１６の上側領域（外側領域）は、前記流入側冷却水流路２４に沿って水冷ジャケット２３の奥にまで流れ入った冷却水が、流路仕切り部の終点１６ｂに達したところで折り返し反転（Ｕターン）した後に、冷却水導出口３３に向けて冷却水を流路仕切り部１６に沿ってガイドする流出側冷却水流路２５を提供する。

なお、スクロール本体部１０の外側に第１及び第２のシェル２１，２２が装着された状態において、流路仕切り部１６の頂部（該突条の高さ方向の頂上部位）がシェルの内壁面に接するか、又は、流路仕切り部１６の頂部とシェル内壁面との間に存する隙間が０．５ｍｍ以下となるように、流路仕切り部１６の高さが設定されている。このように０．５ｍｍ以下の隙間であれば、かかる隙間が存在していても、流路仕切り部１６の「流路仕切り」としての機能は何ら損なわれない。

図５及び図６に示すように、スクロール本体部の上下左右の外壁面１５上には、上記左右一対の流路仕切り部（流路仕切り突条）１６の他に、複数の放熱用凸部又は凹凸部１７が設けられている。図５及び図６に描かれた「複数本の太い破線」は、かかる放熱用凸部又は凹凸部１７の配置又は配列の状況を模式的・概念的に示したものであり、太い破線自体は、放熱用凸部又は凹凸部１７の具体的形態を表すものではない。

図７（Ａ）〜（Ｄ）は、上記放熱用凸部又は凹凸部１７の好ましい、あるいは採用し得る構成例を示す。例えば図７（Ａ）に示すように、長さの短いリブ条の突起１７ａを冷却水の流れ方向（同図中に矢印で示す）に沿って直列に配置すると共に、直列配列したリブ条突起１７ａからなる列を略平行に複数列配置してもよい。また、図７（Ｂ）に示すように、正面から見て円形状の小突起１７ｂを規則的に配置（例えば正方格子の格子点位置に配置）してもよい。また、図７（Ｃ）に示すように、正面から見て十文字形状の小突起１７ｃを規則的に配置（例えば正方格子の格子点位置に配置）してもよい。また、図７（Ｄ）に示すように、垂直方向に延びる複数の突条と、水平方向に延びる複数の突条とが交差配置されてなる一群の格子状突条１７ｄとして構成してもよい。

なお、放熱用凸部又は凹凸部１７（１７ａ〜１７ｄ）の高さは、スクロール本体部１０の外壁面とシェル２１，２２の内壁面との平均的な間隔の半分程度、例えば１．２〜２．５ｍｍ程度であることが好ましい。

本実施形態のタービンハウジングが、入口フランジ３０を介して車両エンジンに連結されると、車両エンジンの冷却系統の主要な構成要素であるラジエータからの冷却水（即ちエンジンクーラント）が冷却水導入口３２を介して水冷ジャケット２３内に導入可能となる。冷却水導入口３２から導入された冷却水は、流路仕切り部１６の下側領域（内側領域）を占める流入側冷却水流路２４に沿って水冷ジャケット２３の奥にまで流れ入り、その後、流路仕切り部１６の上側領域（外側領域）を占める流出側冷却水流路２５に沿って入口フランジ３０に向けて逆流する。そして冷却水は、冷却水導出口３３から水冷ジャケット２３の外に流れ出て、車両エンジンの冷却系統に戻される。

本実施形態では、排気タービン収容室１１および排気ガス流路１２を形成するスクロール本体部１０を、熱伝導率がアルミよりも低い鉄系材料の鋳物製としている。このため、スクロール本体部１０を流れる排気ガスの熱が水冷ジャケット２３を流れる冷却水に必要以上に伝達される事態を防止して排気ガスの冷え過ぎを極力回避することができる。その結果、排気ガスの熱又は運動エネルギーの過度な減少による過給効率の低下を防止することができる。また、本タービンハウジングの水冷ジャケット２３を出た後にエンジンの冷却系統に戻される冷却水は過度に高温化されていないため、ラジエータの熱交換負荷を殊更に高めることは無く、ひいてはラジエータ容量の増加を図る必要が無く、冷却系統の設備コストを増大させるおそれがない。

本実施形態のタービンハウジングでは、スクロール本体部１０の外壁面１５において、流路仕切り部１６の他に放熱用の凸部又は凹凸部１７（１７ａ〜ｄ）を複数設けている。これら複数の放熱用凸部又は凹凸部１７は、水冷ジャケット２３を流れる冷却水とスクロール本体部の外壁面１５との接触面積を増大させて効率的な熱移動を可能にする。このため、従来よりも少ない冷却水量で鋳物製スクロール本体部１０の冷却（高温化阻止）を図ることができる。また、スクロール本体部１０がアルミよりも高温耐熱性に優れた鉄系材料（例えば鋳鉄）であることも、必要冷却水量の低減に貢献する。また、必要冷却水量が少なくて済むことは、冷却系統の設備コストを低く抑えることにも貢献する。

本実施形態では、水冷ジャケット２３を区画形成するシェル２１，２２を、鋳物製ではなく板金製または樹脂製とすることで、水冷ジャケット付きタービンハウジングの軽量化を図ることができる。

［変更例］
上記実施形態では、水冷ジャケット２３を形成するためのシェルを二つの部品（２１，２２）で構成したが、単一のシェル部品で水冷ジャケット２３を形成してもよい。

１０ スクロール本体部
１１ 排気タービン収容室
１２ 排気ガス流路
１５ スクロール本体部の外壁面
１６ 流路仕切り部（流路仕切り突条）
１７（１７ａ〜ｄ） 放熱用の凸部又は凹凸部
２１ 第１のシェル
２２ 第２のシェル
２３ 水冷ジャケット
２４，２５ 冷却水流路

Claims (2)

1. 排気タービンの収容室およびそれを取り囲む排気ガス流路を内部に区画形成するスクロール本体部と、
   前記スクロール本体部の外側に配設され、前記スクロール本体部の外壁面との間に水冷ジャケットを区画形成するシェルとを備えたタービンハウジングであって、
   前記スクロール本体部は、鉄系材料からなる鋳物として構成され、
   前記スクロール本体部の外壁面には、前記水冷ジャケット内を二つの冷却水流路（２４，２５）に区分する流路仕切り部（１６）が設けられると共に、複数の放熱用の凸部又は凹凸部が設けられており、
   前記流路仕切り部（１６）は、スクロール本体部の入口ポート付近に起点（１６ａ）を持ち、この起点から前記排気ガス流路に沿って延びると共に、前記スクロール本体部の側面を約半周したところの位置にある終点（１６ｂ）まで延びており、
   起点（１６ａ）及び終点（１６ｂ）を有する前記流路仕切り部（１６）は、
   冷却水導入口からの冷却水を当該流路仕切り部（１６）に沿って前記終点（１６ｂ）までガイドする流入側冷却水流路（２４）と、
   前記流入側冷却水流路（２４）に沿って水冷ジャケットの奥にまで流れ入ると共に前記終点（１６ｂ）に達したところで折り返し反転した冷却水を冷却水導出口に向けて当該流路仕切り部（１６）に沿ってガイドする流出側冷却水流路（２５）とを提供する、
   ことを特徴とするタービンハウジング。
2. 前記シェルは、板金製または樹脂製である、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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