特許 6372207 コンプレッサに用いるインペラおよびターボチャージャ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6372207

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】コンプレッサに用いるインペラおよびターボチャージャ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/30 20060101AFI20180806BHJP

   F02B 39/00 20060101ALI20180806BHJP

【ＦＩ】

   F04D29/30 C

   F02B39/00 Q

【請求項の数】5

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-140756(P2014-140756)

(22)【出願日】2014年7月8日

(65)【公開番号】特開2016-17461(P2016-17461A)

(43)【公開日】2016年2月1日

【審査請求日】2017年2月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】大塚 正義

【審査官】 原田 愛子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０１６０８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開昭５８−１５００９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３０７９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−００１６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０２７８９３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｄ ２９／３０

Ｆ０２Ｂ ３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、
前記基部の外周面に設けられた根元部、前記根元部よりも翼厚が薄い先端部、および、前記根元部と前記先端部との間であって、流体の流出経路の全長に亘って形成された棚部を有する翼部と、
を備え、
前記棚部は、前記根元部側から前記先端部側にかけて翼厚が徐々に変化し、
前記棚部における翼厚の減少率は、前記根元部における翼厚の減少率および前記先端部の翼厚における減少率より大きく、
前記翼厚の減少率とは、前記根元部から前記先端部に向かう方向の翼厚の減少率である、
コンプレッサに用いるインペラ。

【請求項2】

前記先端部の翼厚は、一定とされている、
請求項１記載のコンプレッサに用いるインペラ。

【請求項3】

前記先端部のうち少なくとも先端側の翼厚は、前記翼部の先端に向かって増大するような形状である、
請求項１記載のコンプレッサに用いるインペラ。

【請求項4】

前記棚部は、前記翼部における前記基部との境界から前記翼部の先端までの翼高の４０％以上かつ８０％以下の範囲に形成されている、
請求項１〜３のいずれか１項に記載のコンプレッサに用いるインペラ。

【請求項5】

タービンロータと、
請求項１〜４のいずれか１項に記載のインペラを有するコンプレッサと、
を備えたターボチャージャ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンプレッサに用いるインペラおよびターボチャージャに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、図９に示されるように、遠心圧縮機に備えられてディスク部と翼部とを有し、前記翼部の出口側かつ先端側の所定の領域が、他の領域よりも薄く形成された翼厚制限部を有するインペラの構成が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−１６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１の遠心圧縮機は、インペラの翼部の出口側かつ先端側の所定の領域が、他の領域よりも薄く形成されていた。しかしながら、遠心圧縮機の高流量側での作動領域を拡大できる余地があった。

【0005】

本発明の課題は、コンプレッサの高流量側での作動領域を拡大させることである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に係るコンプレッサに用いるインペラは、基部と、前記基部の外周面に設けられた根元部、前記根元部よりも翼厚が薄い先端部、および、前記根元部と前記先端部との間であって、流体の流出経路の全長に亘って形成された棚部を有する翼部と、を備え、前記棚部は、前記根元部側から前記先端部側にかけて翼厚が徐々に変化し、前記棚部における翼厚の減少率は、前記根元部における翼厚の減少率および前記先端部の翼厚における減少率より大きく、前記翼厚の減少率とは、前記根元部から前記先端部に向かう方向の翼厚の減少率である。

【0007】

請求項１に係るインペラの翼部には、根元部と先端部との間であって、流体の流出経路に亘って棚部が形成されている。このため、請求項１に係るインペラは、棚部を有さないものと比べて、コンプレッサの高流量側での作動領域を拡大させることができる。

【0008】

請求項２に係るコンプレッサに用いるインペラは、請求項１に記載のインペラにおいて、先端部の翼厚は、一定とされている。

【0009】

請求項２に係るコンプレッサに用いるインペラは、先端部の翼厚が翼部の先端に向かってに減少するものと比べて、翼部の強度を維持することができる。

【0010】

請求項３に係るコンプレッサに用いるインペラは、請求項１に記載のインペラにおいて、前記先端部のうち少なくとも先端側の翼厚は、前記翼部の先端に向かって増大するような形状である。

【0011】

請求項３に係るコンプレッサに用いるインペラは、先端部の翼厚が翼部の先端に向かってに減少するものと比べて、翼部の強度を維持することができる。

【0012】

請求項４に係るコンプレッサに用いるインペラは、請求項１〜３に記載のインペラにおいて、前記棚部は、前記翼部における前記基部との境界から前記翼部の先端までの翼高の４０％以上かつ８０％以下の範囲に形成されている。

【0013】

請求項４に係るコンプレッサに用いるインペラは、翼部における基部との境界から翼部の先端までの翼高の４０％未満となる範囲に棚部が形成されているものに比べて、翼部の強度を維持することができる。

【0014】

請求項５に係るターボチャージャは、タービンロータと、請求項１〜４のいずれか１項に記載のインペラを有するコンプレッサと、を備えている。

【0015】

請求項５に係るターボチャージャは、請求項１〜４のいずれか１項記載のインペラを有するコンプレッサを備えているため、コンプレッサの高流量側での作動領域が拡大することに伴い、エンジンの出力を増加させることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、コンプレッサの高流量側での作動領域を拡大させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態に係るターボチャージャを示す断面図である。

【図2】本実施形態のターボチャージャを構成するコンプレッサのインペラの斜視図である。

【図3】（Ａ）は、本実施形態のインペラに形成された翼部の上面を流入口側から見た図である。（Ｂ）は、本実施形態の翼部の子午面における翼厚分布の図である。（Ｃ）は、本実施形態のインペラに形成された翼部の下面を流出口側から見た図である。（Ｄ）は、変曲点に相当する部位付近の拡大図である。

【図4】比較形態のターボチャージャを構成するコンプレッサのインペラの斜視図である。

【図5】（Ａ）は、比較形態のインペラに形成された翼部の上面を流入口側から見た図である。（Ｂ）は、比較形態の翼部の子午面における翼厚分布の図である。（Ｃ）は、比較形態のインペラに形成された翼部の下面を流出口側から見た図である。

【図6】本実施形態のコンプレッサにおける流体の流量に対するコンプレッサ効率と、比較形態のコンプレッサにおける流体の流量に対するコンプレッサ効率と、を示すグラフであって、（Ａ）はインペラの回転数を一定にした場合のＣＦＤ計算結果、（Ｂ）はインペラの回転数を一定にした場合の実験結果である。

【図7】本実施形態のコンプレッサにおける流体の流量に対するエントロピと、比較形態のコンプレッサにおける流体の流量に対するエントロピと、を示すＣＦＤ計算結果のグラフである。

【図8】本実施形態のインペラを備えたコンプレッサの流入口から２ｍｍ手前の平面における回転軸の軸方向の流体の流速分布のＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図9】本実施形態のインペラを備えたコンプレッサハウジング内の流体の流速分布（子午面マッハ数分布）のＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図10】比較形態のインペラを備えたコンプレッサの流入口から２ｍｍ手前の平面における回転軸の軸方向の流体の流速分布のＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図11】比較形態のインペラを備えたコンプレッサハウジング内の流体の流速分布（子午面マッハ数分布）のＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図12】本実施形態の別形態（別形態１）のインペラに形成された翼の子午面における翼厚分布の図を示す模式図である。

【図13】本実施形態の別形態（別形態２）のインペラに形成された翼の子午面における翼厚分布の図を示す模式図である。

【図14】本実施形態および本実施形態の別形態（別形態１、別形態２および別形態３）のコンプレッサにおける流体の流量に対するコンプレッサ効率と、比較形態のコンプレッサにおける流体の流量に対するコンプレッサ効率と、を示すグラフ（ＣＦＤ計算結果）である。

【図15】比較例（比較例１および比較例２）のコンプレッサにおける流体の流量に対するコンプレッサ効率と、比較形態のコンプレッサにおける流体の流量に対するコンプレッサ効率と、を示すグラフ（ＣＦＤ計算結果）である。

【図16】本実施形態の別形態（別形態３）のインペラに形成された翼部の上面を流入口側から見た図である。

【図17】比較形態のインペラにおける翼部の乱流エネルギーのＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図18】比較例１のインペラにおける翼部の乱流エネルギーのＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図19】本実施形態のインペラにおける翼部の乱流エネルギーのＣＦＤ計算結果を示す図である。

【図20】本実施形態の別形態３のインペラにおける翼部の乱流エネルギーのＣＦＤ計算結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

実施形態に係るコンプレッサおよびターボチャージャについて、図面を参照しつつ説明する。まず、ターボチャージャの全体構成について説明する。コンプレッサについては、ターボチャージャの構成要素であるため、ターボチャージャの全体構成の中で説明する。次いで、本実施形態の作用について説明する。次いで、本実施形態の別形態（別形態１〜３）のシミュレーション結果と比較例（比較例１〜３）のシミュレーション結果について説明する。

【0019】

≪全体構成≫
本実施形態に係るターボチャージャ１０は、図１に示されるように、タービン２０と、コンプレッサ３０と、保持ユニット４０と、を含んで構成されている。そして、タービン２０は車両のエンジン（図示省略）の排気経路１２の途中に配置され、コンプレッサ３０は車両のエンジンの吸気経路１４の途中に配置されるようになっている。

【0020】

＜保持ユニット＞
保持ユニット４０は、図１に示されるように、回転軸４２と、筐体４４と、を備えている。筐体４４は、タービン２０とコンプレッサ３０との間に設けられ、タービン２０とコンプレッサ３０とを保持している。回転軸４２は、筐体４４に回転可能に支持されている。なお、回転軸４２の軸方向（矢印Ｃ方向）の両端部は、筐体４４から突出している。

【0021】

＜タービン＞
タービン２０は、排気経路１２の上流側から流入される排気ガスから力を受けた後述するタービンロータ２２が回転することで、コンプレッサ３０を駆動する機能を有する。

【0022】

タービン２０は、図１に示されるように、タービンロータ２２と、タービンハウジング２４と、を備えている。

【0023】

タービンハウジング２４には、流入口２４Ａと流出口２４Ｂとが形成されている。タービンハウジング２４は、流入口２４Ａが形成された部位で排気経路１２のエンジン側（上流側）の部位に接続されている。そして、タービンハウジング２４内には、流入口２４Ａから排気ガスが流入されるようになっている。また、タービンハウジング２４は、流出口２４Ｂが形成された部位で排気経路１２の下流側の部位に接続されるようになっている。そして、流入口２４Ａからタービンハウジング２４に流入された排気ガスは、流出口２４Ｂから流出されるようになっている。

【0024】

タービンロータ２２は、複数の翼２３を備えている。タービンロータ２２は、回転軸４２における筐体４４の片側端部から突出した部位に固定されている。そして、タービンロータ２２は、排気経路１２の上流側からタービンハウジング２４内に流入される排気ガスから力を受けて、回転軸４２とともに回転軸４２の自軸を中心に回転されるようになっている。

【0025】

＜コンプレッサ＞
コンプレッサ３０は、吸気経路１４の上流側から流入される空気を後述するインペラ８０（翼部８４）が回転されることで圧縮し、圧縮した空気（圧縮空気）を吸気経路１４の下流側に流出する機能を有する。

【0026】

コンプレッサ３０は、図１に示されるように、コンプレッサハウジング５０と、インペラ８０と、を含んで構成されている。

【0027】

［コンプレッサハウジング］
コンプレッサハウジング５０には、流入口５０Ａと流出口５０Ｂとが形成されている。流入口５０Ａは、回転軸４２の軸方向における保持ユニット４０側と反対側に形成されている。また、流入口５０Ａは、回転軸４２の軸方向から見ると、回転軸４２の自軸を中心とした丸穴とされている。流出口５０Ｂは、回転軸４２の軸方向と交差する方向であって、筐体４４側の部位に、回転軸４２の周方向全域に亘って形成されている。そして、コンプレッサハウジング５０の内壁は、回転軸４２の軸方向における流入口５０Ａ側から保持ユニット４０側に亘って、回転軸４２の単位長さ当たりの回転軸４２の自軸との距離の変化率が徐々に拡大する曲面とされている。コンプレッサハウジング５０は、流入口５０Ａが形成された部位で吸気経路１４の上流側の部位に接続されるようになっている。そして、コンプレッサハウジング５０内には、流入口５０Ａから空気が流入されるようになっている。また、コンプレッサハウジング５０は、流出口５０Ｂが形成された部位で吸気経路１４の下流側の部位に接続されるようになっている。ここで、コンプレッサハウジング５０は、ハウジングの一例である。

【0028】

［インペラ］
インペラ８０は、図１および図２に示されるように、基部８２と、複数の翼部８４と、を含んで構成されている。インペラ８０は、図１に示されるように、コンプレッサハウジング５０内に収容されている。インペラ８０の基部８２は、回転軸４２における筐体４４の片側端部から突出した部位に固定されている。そして、インペラ８０（翼部８４）は、タービンロータ２２の回転に伴い、回転軸４２の回転方向（図２の矢印Ｒ方向）に回転されることで、流入口５０Ａから流入される空気を圧縮する機能を有する。なお、インペラ８０により圧縮された圧縮空気は、流出口５０Ｂから吸気経路１４の下流側の部位に流出されて、車両のエンジンに供給される。ここで、空気および圧縮空気は、流体の一例である。

【0029】

〔基部〕
基部８２は、図１および図２に示されるように、回転軸４２を中心に対称（回転軸４２の軸方向から見ると点対称であり、軸方向と交差する方向から見ると線対称である）に形成され、保持ユニット４０側から回転軸４２を中心に突起する部材とされている。そして、基部８２の外周面は、回転軸４２の軸方向における流入口５０Ａ側から保持ユニット４０側に亘って、回転軸４２の単位長さ当たりの回転軸４２の自軸からの距離の変化率が徐々に拡大する曲面とされている。なお、基部８２の外周面（コンプレッサハウジング５０の内壁に対向する面）は、回転軸４２の軸方向における流入口５０Ａ側が回転軸４２の軸方向を向いており、回転軸４２の軸方向における流出口５０Ｂ側が回転軸４２の径方向流入口５０Ａ側を向いている。

【0030】

〔翼部〕
複数の翼部８４は、図２に示されるように、回転軸４２の自軸を中心として、基部８２の外周面に渦巻状に配置されている。各翼部８４には、コンプレッサハウジング５０の内壁を向く面（以下、端面９２という。なお、端面９２は、翼部８４の先端でもある。）と、流入口５０Ａを向く面（以下、上面９４という。）と、流出口５０Ｂを向く面（以下、下面９６という。）と、が形成されている。端面９２は、回転軸４２の軸方向と交差する方向から見ると、コンプレッサハウジング５０の内壁の曲面に沿っており、コンプレッサハウジング５０の内壁と離間している。そして、各翼部８４は、上面９４側の部位が下面９６側の部位よりも回転軸４２の回転方向下流側となるように回転軸４２の回転方向に捩れている。なお、以下の説明では、図１〜３（Ａ）に示されるように、翼部８４における基部８２との境界分を、境界９０という。

【0031】

次に、翼部８４の具体的な構成について、図面を参照しつつ説明する。翼部８４は、図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、根元部９５と、連結部９７と、先端部９９と、を備えている。

【0032】

〈根元部〉
根元部９５は、翼部８４を構成する根元部９５、連結部９７および先端部９９のうち最も基部８２側にある部位であり、基部８２の外周面に設けられている。以下の説明において、翼高とは、境界９０と、境界９０から引いた法線が交差する端面９２と、の距離をいう。また、翼厚ｔとは、キャンバーライン（翼の厚みの中心線）に垂直な法線方向の翼部８４の厚みをいう。根元部９５は、図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、翼部８４の翼高を１００％とした場合、４０％以下となる範囲に備えられている。根元部９５は、翼高方向（翼部８４の境界９０から端面９２に向く方向）に沿って、徐々に翼厚ｔが減少するように構成されている。なお、根元部９５における翼厚が最大となる部位は境界９０の上面９４から下面９６の中間に位置し、一例として２．０ｍｍとされている。

【0033】

〈先端部〉
先端部９９は、翼部８４を構成する根元部９５、連結部９７および先端部９９のうち最もコンプレッサハウジング５０側にある部位であり、根元部９５よりも翼厚ｔが薄く構成されている。なお、先端部９９の翼厚ｔは一定であり、先端部９９の上面９４における翼厚ｔは一例として０．４ｍｍとされている。先端部９９は、図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、翼部８４の翼高を１００％とした場合、８０％以上となる範囲に備えられている。

【0034】

〈連結部〉
連結部９７は、根元部９５と先端部９９の中間にある部位であり、根元部９５と先端部９９とを繋いでいる。連結部９７は、根元部９５から先端部９９にかけて翼厚ｔが徐々に減少するように構成されている。そして、連結部９７には、単位翼高当たりの翼厚ｔの減少率が根元部９５（根元部９５側）および先端部９９（先端部９９側）よりも大きい棚部９８が形成されている。また、棚部９８は、上面９４から下面９６に亘って連続的に形成されている。ここで、上面９４から下面９６に亘る部位は、コンプレッサ３０における空気の流出経路とされることから、棚部９８は、流体の流出経路の全長に亘って形成されているといえる。なお、棚部９８は、図３（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示されるように、翼部８４の翼高を１００％とした場合、４０％以上８０％以下の範囲に形成されている。換言すれば、棚部９８は、翼部８４における基部８２との境界９０から翼部８４の先端（端面９０）までの距離（翼高）の４０％以上かつ８０％以下の範囲に形成されているといえる。ここで、本実施形態における翼厚ｔの減少率とは、根元部９５から先端部９９に向かう方向の翼厚ｔの減少率を示す。

【0035】

別の見方をすると、連結部９７は、図３（Ａ）に示されるように、翼部８４の上面９４を回転軸４２の軸方向から見て、連結部９７の両側面（翼部８４の翼厚方向に向く面）に相当する部位がそれぞれ曲線とされている。また、それぞれの曲線は、境界９０から端面９２に向かう法線（図中の一点鎖線）の方向に対して、根元部９５側から先端部９９にかけて、徐々にこの法線に近づくようになっている。そして、それぞれの曲線における棚部９８に相当する部位は、曲線の傾きの変化率が最大となる変曲点とされている。ここで、図３（Ｄ）は、変曲点に相当する棚部９８に相当する部位付近の拡大図である。変曲点における接線と法線との角度をθ２、変曲点よりも先端部９９側の部位における接線と法線との角度をθ１、変曲点よりも根元部９５側の部位における接線と法線との角度をθ３とした場合、θ２が最大値となる。

【0036】

〈翼部の補足〉
翼部８４は、境界９０における流入口５０Ａ側から流出口５０Ｂに亘る任意の点と、該任意の点から引いた法線が交差する端面９２の点と、を結んだ線分（以下、線分Ｎという。）を含む断面が、上面９４のように変曲点を有している。そして、翼部８４における線分Ｎは、図３（Ｂ）に示されるように、上面９４側から下面９６側に亘って、徐々に短くなっている。

【0037】

また、翼部８４を構成する根元部９５、連結部９７および先端部９９は、上面９４から下面９６に亘っている。このため、棚部９７は、前述のとおり、上面９４から下面９６に亘って、連続的に形成されている。また、棚部９７は、上面９４から下面９６に亘る法線Ｎを含む各断面において、翼部８４の翼高を１００％とした場合、４０％より大きく８０％より小さい範囲の同じ部位に形成されている。

【0038】

≪作用≫
次に、本実施形態についての作用を、図面を参照して説明する。

【0039】

＜ターボチャージャの作用＞
排気ガスは、図１に示されるように、車両のエンジンから排気経路１２に排出され、タービンハウジング２４内に流入される。タービンハウジング２４内に流入された排気ガスは、タービンロータ２２の複数の翼２３に衝突する。これにより、タービンロータ２２が回転軸４２の軸周りに高速回転し、インペラ８０は回転軸４２の周りに高速回転される。なお、タービンハウジング２４内でタービンロータ２２を回転させた後の排気ガスは、流出口２４Ｂから排出される。

【0040】

また、高速回転するインペラ８０は、図１に示されるように、流入口５０Ａからコンプレッサハウジング５０内に流入した空気を圧縮して圧縮空気とし、流出口５０Ｂから吸気経路１４に流出する。そして、吸気経路１４に流出した圧縮空気は、車両のエンジンに、燃焼用の圧縮空気として供給される。

【0041】

以上のとおり、ターボチャージャ１０は、車両のエンジンから排出される排気ガスを用いてタービン２０を回転させ、この回転による力を用いてコンプレッサ３０を駆動させて、車両のエンジンに圧縮空気を供給することを繰り返す。

【0042】

＜コンプレッサによる作用＞
次に、本実施形態の要部であるコンプレッサ３０の作用について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、本実施形態のコンプレッサ３０の作用について、後述する比較形態のコンプレッサと比較しながら説明する。

【0043】

〔比較形態のコンプレッサの構成〕
比較形態のコンプレッサは、本実施形態のコンプレッサ３０に対して、インペラの形状が異なる。この点以外は、同様の構成とされている。以下、比較形態のコンプレッサを構成するインペラ８０Ａが、本実施形態のインペラ８０と異なる点を説明する。

【0044】

インペラ８０Ａの翼部８４Ａでは、図５に示されるように、インペラ８０Ａにおける境界９０Ａから法線方向のベクトルを有する線分ＮＡを含む断面が、等脚台形とされている。換言すれば、インペラ８０Ａの翼部８４Ａには、本実施形態のインペラ８０の翼部８０のように、棚部９８が形成されていない。

【0045】

ここで、比較形態の翼部８４Ａにおける境界９０Ａは、図２、図３（Ａ）および（Ｂ）、図４ならびに図５に示されるように、翼部８４における境界９０に相当する。翼部８４Ａにおける端面９２Ａは、翼部８４における端面９２に相当する。翼部８４Ａにおける上面９４Ａは、翼部８４における上面９４に相当する。翼部８４Ａにおける下面９６Ａは、翼部８４における下面９６Ａに相当する。なお、翼部８４Ａの境界９０Ａにおける翼厚ｔと翼部８４の境界９０における翼厚ｔとは、同じである。以上が、比較形態のコンプレッサの構成についての説明である。

【0046】

〔本実施形態と比較形態との比較〕
次に、本実施形態のインペラ８０と比較形態のインペラ８０Ａとの構成の違いに基づく、作用の違いについて、図４〜図１１を参照しつつ、説明する。

【0047】

〈本実施形態と比較形態との特性の違いについて〉
（コンプレッサ効率）
コンプレッサ効率ηとは、式（１）で表される。
式（１） η＝{（Ｐ１／Ｐ０）^{（κ−１）／κ}−１}／{（Ｔ１／Ｔ０）−１}

【0048】

ここで、Ｐ１は、コンプレッサハウジング５０内の出口側の圧力である。Ｐ０は、コンプレッサハウジング５０内の入口側の圧力である。κは、コンプレッサハウジング５０内に流入する空気の比熱比である。Ｔ１は、コンプレッサハウジング５０内の出口側の温度である。Ｔ０は、コンプレッサハウジング５０内の入口側の温度である。なお、Ｐ０およびＰ１は、圧力センサにより実測される値であり、Ｔ０およびＴ１は、温度センサにより実測される値である。

【0049】

図６（Ａ）は、本実施形態のコンプレッサ３０および比較形態のコンプレッサの空気の流量に対するコンプレッサ効率の数値流体力学（Computational Fluid Dynamics）に基づく計算（以下、ＣＦＤ計算という。）の結果を示している。この試験では、各インペラ（インペラ８０、インペラ８０Ａ）の回転数は同じである。図６（Ａ）に示されるように、本実施形態のコンプレッサ３０は、比較形態のコンプレッサに比べて、コンプレッサ効率が向上している。また、別の見方をすると、本実施形態のコンプレッサ３０は、比較形態のコンプレッサに比べて、同じコンプレッサ効率における空気の流量が大きい（例えば、ＡとＢとを比較すると、ＡはＢに比べてΔＧａ分空気の流量が増加している）。換言すれば、本実施形態のコンプレッサ３０は、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の高流量側での作動領域が拡大されている。

【0050】

また、図６（Ｂ）は、本実施形態のコンプレッサ３０および比較形態のコンプレッサの空気の流量に対するコンプレッサ効率の実験の結果を示している。この試験では、各インペラ（インペラ８０、インペラ８０Ａ）の回転数は同じである。図６（Ｂ）によれば、図６（Ａ）の場合と同様に、本実施形態のコンプレッサ３０が、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の高流量側での作動領域が拡大されている。

【0051】

以上が、本実施形態のコンプレッサ３０と比較形態のコンプレッサとの特性の違いである。

【0052】

次に、本実施形態のコンプレッサ３０と比較形態のコンプレッサとの特性の違いの原因について、以下の３つの観点から説明する。ここで、３つの観点とは、（１）流入口５０Ａから流入する空気の流入量、（２）コンプレッサハウジング５０内のエントロピ、および、（３）コンプレッサハウジング５０内の空気の流速である。

【0053】

〈（１）流入口５０Ａから流入する空気の流入量〉
図８は、本実施形態のコンプレッサ３０における数値流体力学（Computational Fluid Dynamics）に基づく計算（以下、ＣＦＤ計算という。）の結果を示している。これに対し、図１０は、比較形態のコンプレッサにおけるＣＦＤ計算結果を示している。なお、いずれの場合も、インペラ８０およびインペラ８０Ａの（単位時間当たりの）回転数は同じである。なお、図８における空気の流量は、図６（Ａ）におけるＡの条件とされている。また、図１０における空気の流量は、図６（Ａ）におけるＢの条件とされている。

【0054】

前述のとおり、本実施形態のコンプレッサ３０は、比較形態のコンプレッサに比べて、コンプレッサハウジング５０の流入量が多い。

【0055】

そして、本実施形態のコンプレッサ３０が比較形態のコンプレッサに比べて流入量が多くなるメカニズムは、コンプレッサハウジング５０内に流入される空気の流路面積が先端部９９の翼厚ｔが薄くなった分大きくなるためと推認される。

【0056】

なお、本実施形態のコンプレッサ３０と比較形態のコンプレッサとの流速を比較すると、例えば、図８のβ内の空気は、図８のβ内に対応する図１０のγ内の空気よりも流速が速い。これは、本実施形態のコンプレッサ３０が、比較形態のコンプレッサに比べて流入量が多くなるため、空気の活路面積が大きい部位で流速が速くなっているためと推認される。

【0057】

なお、本実施形態のコンプレッサ３０と比較形態のコンプレッサとの流速を比較すると、例えば、図８のβ内の空気は、図８のβ内に対応する図１０のγ内の空気よりも流速が速い。これは、本実施形態のコンプレッサ３０が、比較形態のコンプレッサに比べて流入量が多くなるため、空気の流路面積が大きい部位で流速が速くなっているためと推認される。

【0058】

〈（２）コンプレッサハウジング内のエントロピ〉
図５に示されるように、本実施形態のインペラ８０は、比較形態のインペラ８０Ａに比べて、翼部８４の端面９２側における翼厚ｔが薄い。これに起因して、コンプレッサハウジング５０内に流入された空気の衝突損失が低下する。その結果、本実施形態のコンプレッサ３０は、図７に示されるように、比較形態のコンプレッサに比べて、流入量に対するエントロピが小さい。なお、衝突損失とは、流入する空気が翼部８４における流入口５０Ａ側の部位で衝突して失われるエネルギー損失のことをいう。特に、翼部８４の端面９２側の部位は、境界９０側の部位に比べて、回転速度（周速）が大きいため、衝突損失の影響が大きく寄与する。

【0059】

〈（３）コンプレッサハウジング内の空気の流速〉
次に、図９および図１１を参照して、本実施形態のコンプレッサ３０と比較形態のコンプレッサとの空気の流速について説明する。図９は、本実施形態のインペラ８０を備えたコンプレッサハウジング５０内の空気の流速分布（子午面マッハ数分布）のＣＦＤ計算結果を示す。また、図１１は、比較形態のインペラ８０Ａを備えたコンプレッサハウジング５０内の空気の流速分布（子午面マッハ数分布）のＣＦＤ計算結果を示す。

【0060】

図９および図１１に示されるように、本実施形態のコンプレッサ３０は、比較形態のコンプレッサに比べて、コンプレッサハウジング５０内における、翼部８４の端面９２側且つ上面９４側の部位が通過する部位α（図９参照）の空気の流速が速い。このため、本実施形態のコンプレッサ３０は、比較形態のコンプレッサに比べて、コンプレッサハウジング５０内における、部位αと流出口５０Ｂ付近との間の流速分布の勾配が大きくなるため、圧縮された空気が排出され易い。そして、空気の減速比が大きくなるため、圧縮効率が高まる。

【0061】

そして、本実施形態のコンプレッサ３０が比較形態のコンプレッサに比べて空気の流速が速くなるメカニズムは、以下のように推認される。
図３（Ａ）に示されるように、本実施形態の翼部８４は、根元部９５と、連結部９７と、先端部９９と、を備えている。そして、連結部９７は、根元部９５から先端部９９にかけて翼厚ｔが徐々に減少するように構成されている。また、連結部９７には、単位翼高当たりの翼厚の減少率が根元部９５側および先端部９９側よりも大きい棚部９８が上面９４から下面９６に亘って形成されている。このため、棚部９８（および棚部９８を中心とした連結部９７の部分）に衝突した空気は、衝突前に比べて、コンプレッサハウジング５０側に向く力が付与される。そして、コンプレッサハウジング５０側に向く力が付与された空気は、比較形態のコンプレッサの場合に比べて、衝突損失の少ない先端部９９が通過する領域に移動される。このため、本実施形態のコンプレッサ３０では、比較形態のコンプレッサに比べて、部位α（図９参照）の空気の流速が速くなる。

【0062】

上記の結果は、本実施形態のコンプレッサ３０が、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の流入量が多いこと、エントロピが小さいこと、および、空気の流速が速いこと、に起因すると推認される。

【0063】

以上のとおり、本実施形態のインペラ８０（翼部８４）には、根元部９５から先端部９９にかけて翼厚が徐々に減少するよう連結部９７が備えられている。また、連結部９７には、単位翼高当たりの翼厚の減少率が根元部９５側および先端部９９側よりも大きい棚部９８が上面９４から下面９６に亘って形成されている。

【0064】

なお、本実施形態のコンプレッサ３０は、インペラ８０の先端部９９の翼厚ｔが一定とされているため、翼部の先端部の翼厚が徐々に減少するものと比べて、翼部８４の強度を維持することができる。また、本実施形態のコンプレッサ３０は、翼部８４の翼高の４０％以上８０％以下となる範囲に棚部が形成されているため、翼部の翼高の４０％以下となる範囲に棚部が形成されていないものに比べて、翼部８４の強度を維持することができる。

【0065】

したがって、本実施形態のコンプレッサ３０によれば、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の高流量側での作動領域が拡大される。また、これに伴い、コンプレッサ３０を備えたターボチャージャ１０は、比較形態のコンプレッサを備えたターボチャージャに比べて、空気の高流量側でのエンジンの出力を向上させることができる。

【0066】

以上のとおり、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の実施形態が可能である。

【0067】

例えば、本実施形態の根元部９５は、境界９０の翼厚ｔが最も厚くされており、翼高方向に沿って徐々に翼厚ｔが減少するように構成されているとして説明した。しかしながら、根元部９５と先端部９９とを連結する連結部９７が備えられていれば、根元部９５は、翼高方向に沿って徐々に翼厚ｔが減少するように構成されていなくてもよい。例えば、根元部９５の翼厚ｔは一定であってもよい。

【0068】

また、本実施形態の先端部９９は、一断面における翼厚が一定されているとして説明した。しかしながら、根元部９５と先端部９９とを連結する連結部９７が備えられていれば、先端部９９の翼厚は、連結部９７から端面９２まで徐々に減少する構成となっていてもよい。

【0069】

また、本実施形態の連結部９７の棚部９８は、１箇所であるかの如く構成されているとして説明した。しかしながら、連結部９７に棚部９８が形成されていることの技術的意義は、棚部９８があることで、棚部９８および棚部９８を中心とした連結部９７の部分に衝突した空気にコンプレッサハウジング５０側に向く力が付与されることである。したがって、空気にコンプレッサハウジング５０側に向く力が付与されるのであれば、連結部９７に形成される棚部９８が複数あってもよい。

【0070】

≪本実施形態の別形態についてのシミュレーション結果≫
次に、本実施形態のインペラ８０とは、翼の形状が異なる別の形態（別形態１、別形態２および別形態３）について、空気の流量に対するコンプレッサ効率のＣＦＤ計算を行った。

【0071】

＜別形態１の構成＞
別形態１のインペラ８０Ｂは、図１２に示されるとおり、先端側の端部の翼厚が０．３ｍｍであり、本実施形態のインペラ８０よりも薄い。ただし、別形態１のインペラ８０Ｂは、本実施形態のインペラ８０を構成する根元部９５、先端部９９および連結部９７に相当する、根元部９５Ｂ、先端部９９Ｂおよび連結部９７Ｂを備えている。また、別形態１のインペラ８０Ｂには、単位翼高当たりの翼厚の減少率が根元部９５Ｂ側および先端部９９Ｂ側よりも大きい棚部９８Ｂが形成されている。

【0072】

＜別形態２の構成＞
別形態２のインペラ８０Ｃは、図１３に示されるとおり、先端側の端部の翼厚が０．３ｍｍであり、本実施形態のインペラ８０よりも薄い。ただし、別形態２のインペラ８０Ｃは、本実施形態のインペラ８０を構成する根元部９５、先端部９９および連結部９７に相当する、根元部９５Ｃ、先端部９９Ｃおよび連結部９７Ｃを備えている。また、別形態１のインペラ８０Ｃには、単位翼高当たりの翼厚の減少率が根元部９５Ｃ側および先端部９９Ｃ側よりも大きい棚部９８Ｃが形成されている。

【0073】

＜別形態３の構成＞
別形態のインペラ８０Ｄについて、図１６を参照しつつ説明する。インペラ８０Ｄは、本実施形態のインペラ８０に対して、形状が異なる。具体的には、先端部９９Ｄの翼厚ｔが、連結部９７側から翼部８４Ｄの先端である端面９２Ｄに向けて徐々に減少し、更に、端面９２に向けて徐々に増大している。別の見方をすれば、先端部９９Ｄの翼厚ｔの減少率は、連結部９７から先端部９９Ｄに向けて徐々に減少して０になり、更に、減少率が０となる部位から先端部９９Ｄに向けて負の減少率で更に減少している。別の見方をすれば、先端部９９Ｄのうち少なくとも先端（端面９２Ｄ）側の翼厚ｔは、翼部８４Ｄの先端（端面９２Ｄ）に向かって増大するような形状であるといえる。この点以外は、本実施形態のインペラ８０と同じ構成である。

【0074】

＜別形態１、別形態２および別形態３のＣＦＤ計算の結果＞
図１４は、別形態１、別形態２、別形態３および前述した比較形態のコンプレッサの空気の流量に対するコンプレッサ効率のＣＦＤ計算結果を示している。図１４では、各インペラの回転数は同じである。別形態１、別形態２および別形態３のコンプレッサによれば、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の高流量側においてコンプレッサ効率が向上するというシミュレーションの結果が得られた。換言すれば、別形態１、別形態２および別形態３のコンプレッサによれば、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の高流量側での作動領域が拡大されるというシミュレーションの結果を得られた。

【0075】

≪比較例についてのシミュレーション結果≫
＜比較例１および比較例２の構成＞
比較例１および比較例２のインペラは、前述の比較形態のインペラ８０Ａに対して、翼部８４の先端部９９の翼厚ｔを０．３ｍｍで一定として、根元部９５における境界９０の翼厚ｔを薄くして、本実施形態の翼部８４全体の翼厚よりも翼部８４全体の翼厚を薄くしたものである。具体的には、比較例１のインペラは、比較形態のインペラ８０Ａに対し根元部９５における境界９０の翼厚ｔを、翼高２０％の位置の翼厚としたものである。また、比較例２のインペラは、比較形態のインペラ８０Ａに対し根元部９５における境界９０の翼厚ｔを、翼高５０％の位置の翼厚としたものである。

【0076】

＜比較例１および比較例２のＣＦＤ計算の結果＞
図１５は、比較例１および比較例２ならびに前述した比較形態のコンプレッサに流入する空気流量に対するコンプレッサ効率のＣＦＤ計算結果を示している。図１５では、各インペラの回転数は同じである。

【0077】

比較例１のコンプレッサでは、比較形態のコンプレッサに比べて、相対的に空気の流量の少ない領域ではコンプレッサ効率が向上するものの、相対的に空気の流量の多い領域ではコンプレッサ効率が同等というシミュレーションの結果が得られた。

【0078】

比較例２のコンプレッサでは、比較形態のコンプレッサに比べて、すべての空気の流量でコンプレッサ効率が向上するというシミュレーションの結果を得られた。しかしながら、比較例２の場合、翼厚が薄いため、インペラとして使用した場合、回転軸４２から翼が千切れる等の問題が生じてしまうため、実質上インペラとして使用することができない。

【0079】

≪考察≫
以上のとおり、比較形態を基準に、別形態１、別形態２および別形態３ならびに比較例１および比較例２について、空気の流量に対するコンプレッサ効率のＣＦＤ計算を行った。別形態１、別形態２および別形態３のコンプレッサは、比較形態のコンプレッサならびに比較例１および比較例２のコンプレッサと比較しても、空気の高流量側において、コンプレッサ効率が向上していることがわかる。

【0080】

また、比較例１のコンプレッサは、比較形態のコンプレッサに比べて、全体の翼厚が８０％であるから、コンプレッサハウジング５０内に流入される空気の流路面積が大きい。しかしながら、比較例１のコンプレッサは、図１５に示されるように、比較形態に比べて、空気の高流量側において、コンプレッサ効率が向上していない。

【0081】

また、本実施形態のインペラ８０、別形態１のインペラ８０Ｂ、別形態２のインペラ８０Ｃおよび別形態３のインペラ８０Ｄ（以下、前者という。）は、比較例１のインペラのインペラに比べて（以下、後者という。）、翼部８４の体積が大きい。つまり、前者は、後者に比べて、コンプレッサハウジング５０内の空気の流路面積が小さい。しかしながら、図１４および図１５によれば、前者は、後者に比べて、空気の高流量側において、コンプレッサ効率が向上していた。このことからも、コンプレッサハウジング５０内の空気の流路面積が大きいことだけでは、コンプレッサ効率が向上することにはならないことが分かる。そして、前者には、後者にない棚部９７、９７Ｂ、９７Ｃが形成されている点で異なる。

【0082】

また、図１４に示されるように、別形態３のコンプレッサは、別形態１のコンプレッサおよび別形態２のコンプレッサと比較しても、空気の高流量側において、コンプレッサ効率が向上していることがわかる。そして、比較形態、比較例１、本実施形態および別形態３のインパラにおける翼部の乱流エネルギーのＣＦＤ計算をおこなったところ、各インペラの翼部におけるコンプレッサハウジング５０の流出口５０Ｂを向く面（下面９６）側で違いがあることがわかった。

【0083】

図１７と図１８とを比較すると、比較例１のコンプレッサは、比較形態のコンプレッサに比べて、翼部における下面９６側の乱流エネルギーが増加していることがわかる。これに対して、図１８と図１９とを比較すると、本実施形態のコンプレッサは、比較例１のコンプレッサに比べて、翼部における下面９６側の乱流エネルギーが減少していることがわかる。さらに、図１９と図２０とを比較すると、別形態３のコンプレッサは、本実施形態のコンプレッサに比べて、翼部における下面９６側の乱流エネルギーが減少していることがわかる。また、図１７と図２０とを比較すると、別形態３のコンプレッサと、比較形態のコンプレッサとを比較すると、翼部における下面９６側の乱流エネルギーに大きな差異がないことがわかる。そして、図１４および図１５に示されるように、別形態３のコンプレッサは、比較形態のコンプレッサに比べて、空気の高流量側においてコンプレッサ効率が向上している。これは、別形態３のコンプレッサは、比較形態のコンプレッサに比べて空気の流量が増加しているにも関わらず、翼部における下面９６側の乱流エネルギーに大きな差異がないことによると推認される。

【0084】

以上のとおり、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内にて他の実施形態が可能である。

【0085】

例えば、本実施形態では、連結部９７は根元部９６と先端部９８とを繋いでおり、連結部９７には棚部９８形成されており、棚部９８は連結部９７の一部であるとして説明した。しかしながら、棚部９８が単位翼高当たりの翼厚ｔの減少率が根元部９５（根元部９５側）および先端部９９（先端部９９側）よりも大きければ、棚部９８が連結部９７であってもよい（別言すれば、棚部９７は、連結部９７の全部である。）。

【符号の説明】

【0086】

１０ ターボチャージャ
２２ タービンロータ
３０ コンプレッサ
４２ 回転軸
５０ コンプレッサハウジング（ハウジングの一例）
５０Ａ 流入口
５０Ｂ 流出口
８０ インペラ
８０Ｂ インペラ
８０Ｃ インペラ
８０Ｄ インペラ
８２ 基部
８４ 翼部
８４Ｄ 翼部
９２ 端面（翼部の先端の一例）
９２Ｂ 端面（翼部の先端の一例）
９２Ｃ 端面（翼部の先端の一例）
９２Ｄ 端面（翼部の先端の一例）
９４ 上面
９５ 根元部
９５Ｂ 根元部
９５ 根元部
９５Ｃ 根元部
９６ 下面
９８ 棚部
９８Ｂ 棚部
９８Ｃ 棚部
９９ 先端部
９９Ｂ 先端部
９９Ｃ 先端部
９９Ｄ 先端部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】