特許 6593225 インペラの取付構造

(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】6593225

(24)【登録日】2019年10月4日

(45)【発行日】2019年10月23日

(54)【発明の名称】インペラの取付構造

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/28 20060101AFI20191010BHJP

【ＦＩ】

   F04D29/28 L

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-37106(P2016-37106)

(22)【出願日】2016年2月29日

(65)【公開番号】特開2017-155602(P2017-155602A)

(43)【公開日】2017年9月7日

【審査請求日】2018年5月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】樹杉 剛

【審査官】 田中 尋

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭３１−００３６０３（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１５／１２８９５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開昭６０−１０７３９２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭６１−００１６９３（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｄ ２９／２８

Ｆ０２Ｂ ３９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シャフトと、
第１貫通孔を有し、前面側に複数の羽根が設けられ、前記第１貫通孔に前記シャフトが隙間嵌めにより挿入されたインペラと、
第２貫通孔を有し、前記第２貫通孔に前記シャフトが挿入され、前記インペラの背面に対向するように配置されたカラーと、
前記インペラと前記カラーとの間に設けられた取付リングと、
前記シャフトに締結され、前記インペラの前記前面側から前記背面側に向かう方向の付勢力を前記インペラに付与する締結部材と、を備え、
前記インペラの前記背面と前記インペラのうちの前記第１貫通孔を形成している第１内周面との間には、前記インペラの前記背面から遠ざかるにつれて内周径が徐々に小さくなる第１テーパー面が形成されており、
前記取付リングは、前記インペラが前記付勢力により前記前面側から前記背面側に押圧されていることで、前記第１テーパー面と前記カラーとの間で挟み込まれており、
前記カラーは、前記インペラの前記背面に対向する対向部を有し、
前記カラーの前記対向部と前記カラーのうちの前記第２貫通孔を形成している第２内周面との間には、前記カラーの前記対向部から遠ざかるにつれて内周径が徐々に小さくなる第２テーパー面が形成されており、
前記取付リングは、前記第１テーパー面と前記第２テーパー面との間で挟み込まれている、
インペラの取付構造。

【請求項2】

シャフトと、
第１貫通孔を有し、前面側に複数の羽根が設けられ、前記第１貫通孔に前記シャフトが隙間嵌めにより挿入されたインペラと、
第２貫通孔を有し、前記第２貫通孔に前記シャフトが挿入され、前記インペラの背面に対向するように配置されたカラーと、
前記インペラと前記カラーとの間に設けられた取付リングと、
前記シャフトに締結され、前記インペラの前記前面側から前記背面側に向かう方向の付勢力を前記インペラに付与する締結部材と、を備え、
前記インペラの前記背面と前記インペラのうちの前記第１貫通孔を形成している第１内周面との間には、前記インペラの前記背面から遠ざかるにつれて内周径が徐々に小さくなる第１テーパー面が形成されており、
前記取付リングは、前記インペラが前記付勢力により前記前面側から前記背面側に押圧されていることで、前記第１テーパー面と前記カラーとの間で挟み込まれており、
前記取付リングの材質は、前記インペラの材質の硬度と同じかそれよりも低い硬度を有しており、
前記カラーの材質は、前記取付リングの材質の硬度と同じかそれよりも高い硬度を有している、
インペラの取付構造。

【請求項3】

前記取付リングは、前記シャフトの外周面を取り囲むように連続する一つの円環状の形状を有している、
請求項１または２に記載のインペラの取付構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インペラをシャフトに取り付けるための構造に関する。

【背景技術】

【0002】

インペラの取付構造は、たとえば遠心圧縮機（ターボチャージャ）の中で使用される。遠心圧縮機においては、内燃機関から排出されたガスのエネルギーがタービンによって回収される。タービンの回転は、シャフトを介してインペラ（コンプレッサ）に伝達される。インペラの回転により、吸入空気が内燃機関に過給される。吸気効率が高まり、出力を向上させることが可能となる。

【0003】

一般的に、インペラにはシャフトを挿入するための貫通孔が設けられている。特許文献１（実開昭６１−１５５６９６号公報）に開示されているように、インペラをシャフトに取り付ける構造の一つとして、インペラの貫通孔に、シャフトをしまり嵌めによって圧入するという構造が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】実開昭６１−１５５６９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

インペラの貫通孔にシャフトをしまり嵌めによって圧入するという手法を採用したとする。この場合、インペラをシャフトに取り付けた後、インペラは圧入による反力をシャフトから受け続けることになり、インペラには内部応力が残留することになる。シャフトの軸方向において広い範囲におよぶようにシャフトがインペラの貫通孔に圧入されていると、内部応力が残留する領域も大きくなる。インペラには、回転によって遠心力も作用する。内部応力の残留は、高速回転するインペラの疲労強度を低下させることに繋がる可能性がある。

【0006】

本発明は、インペラをシャフトに取り付けた際に、インペラに残留する内部応力を軽減可能なインペラの取付構造を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に基づくインペラの取付構造は、シャフトと、第１貫通孔を有し、前面側に複数の羽根が設けられ、上記第１貫通孔に上記シャフトが隙間嵌めにより挿入されたインペラと、第２貫通孔を有し、上記第２貫通孔に上記シャフトが挿入され、上記インペラの背面に対向するように配置されたカラーと、上記インペラと上記カラーとの間に設けられた取付リングと、上記シャフトに締結され、上記インペラの上記前面側から上記背面側に向かう方向の付勢力を上記インペラに付与する締結部材と、を備え、上記インペラの上記背面と上記インペラのうちの上記第１貫通孔を形成している第１内周面との間には、上記インペラの上記背面から遠ざかるにつれて内周径が徐々に小さくなる第１テーパー面が形成されており、上記取付リングは、上記インペラが上記付勢力により上記前面側から上記背面側に押圧されていることで、上記第１テーパー面と上記カラーとの間で挟み込まれている。

【0008】

好ましくは、記カラーは、上記インペラの上記背面に対向する対向部を有し、上記カラーの上記対向部と上記カラーのうちの上記第２貫通孔を形成している第２内周面との間には、上記カラーの上記対向部から遠ざかるにつれて内周径が徐々に小さくなる第２テーパー面が形成されており、上記取付リングは、上記第１テーパー面と上記第２テーパー面との間で挟み込まれている。

【0009】

好ましくは、上記取付リングは、上記シャフトの外周面を取り囲むように連続する一つの円環状の形状を有している。

【0010】

好ましくは、上記取付リングの材質は、上記インペラの材質の硬度と同じかそれよりも低い硬度を有しており、上記カラーの材質は、上記取付リングの材質の硬度と同じかそれよりも高い硬度を有している。

【発明の効果】

【0011】

上記の構成によれば、取付リングが挟み込まれることで圧縮変形し、圧縮変形の反力によってインペラは調芯されることができる。取付リングを用いた取付構造によれば、シャフトの軸方向において広い範囲におよぶようにシャフトがインペラの貫通孔に圧入される場合に比べて、インペラに残留する内部応力を軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１における遠心圧縮機を示す断面図である。

【図2】図１におけるインペラの取付構造１０を拡大して示す断面図である。

【図3】図１におけるインペラの取付構造１０をさらに拡大して示す断面図である。

【図4】図１におけるインペラの取付構造１０（インペラ１、カラー２、取付リング３、固定ナット４、シャフト５）の分解した状態（組み付け前の状態）を示す断面図である。

【図5】比較例におけるインペラの取付構造１０Ｚを示す断面図である。

【図6】実施の形態２におけるインペラの取付構造１０Ａを示す断面図である。

【図7】実施の形態３におけるインペラの取付構造１０Ｂを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

【0014】

［実施の形態１］
（遠心圧縮機１００）
図１は、遠心圧縮機１００を示す断面図である。詳細は後述するが、実施の形態１におけるインペラの取付構造１０は、遠心圧縮機１００の中で使用されている。

【0015】

遠心圧縮機１００は、排気ハウジング７、吸気ハウジング８、軸受ハウジング９を備える。軸受ハウジング９内には、シャフト５が設けられる。シャフト５の排気ハウジング７側に位置する端部には、タービン６が取り付けられる。シャフト５の吸気ハウジング８側に位置する端部には、インペラの取付構造１０を使用して、インペラ１が取り付けられる。

【0016】

排気ハウジング７は、吐出口７Ａ、スクロール室７Ｂを有する。スクロール室７Ｂと吐出口７Ａとの間に、バルブ機構７Ｃおよびタービン６が配置される。内燃機関からの排気ガスは、スクロール室７Ｂを通して導入される。排気ガスは、バルブ機構７Ｃによって流速を調節され、タービン６に供給される。タービン６によりエネルギーが回収された排気ガスは、吐出口７Ａを通して吐出される。

【0017】

吸気ハウジング８は、流入口８Ａ、スクロール室８Ｂ、および図示しない吸気吐出口を有する。流入口８Ａとスクロール室８Ｂとの間に、インペラ１が配置される。内燃機関に供給するための空気は、流入口８Ａを通して導入される。空気は、インペラ１によりスクロール室８Ｂに送られる。空気は、スクロール室８Ｂに送られる際に圧縮され、スクロール室８Ｂおよび図示しない吸気吐出口を通過した後、内燃機関に過給される。

【0018】

（インペラの取付構造１０）
図２は、図１におけるインペラの取付構造１０を拡大して示す断面図である。図３は、図１におけるインペラの取付構造１０をさらに拡大して示す断面図である。本実施の形態のインペラの取付構造１０は、インペラ１、カラー２、取付リング３、固定ナット４（締結部材）、シャフト５を備える。図４は、インペラ１、カラー２、取付リング３、固定ナット４、シャフト５の分解した状態（組み付け前の状態）を示す断面図である。

【0019】

インペラ１の材質としては、たとえばアルミである。シャフト５およびカラー２の材質は、たとえば鉄である。取付リング３の材質は、たとえばアルミである。好ましくは、取付リング３の材質は、インペラ１の材質の硬度と同じかそれよりも低い硬度を有しているとよい。好ましくは、カラー２の材質は、取付リング３の材質の硬度と同じかそれよりも高い硬度を有しているとよい。

【0020】

図２および図３を主として参照して、シャフト５は、小径部５Ａ、大径部５Ｂを含み、小径部５Ａと大径部５Ｂとの間には段差５Ｃが設けられる。小径部５Ａは、円柱状に形成され、その表面は凹凸（突起等）の無い平坦な面形状を呈している。インペラ１は、インペラの取付構造１０を使用して、シャフト５の小径部５Ａに取り付けられる。

【0021】

（インペラ１）
インペラ１は、ハブ部１Ａ、複数の羽根部１Ｂを含む。ハブ部１Ａは、略円錐台の形状を有する（図２参照）。複数の羽根部１Ｂは、ハブ部１Ａの前面１Ｃ上に設けられる。ハブ部１Ａの内径側には、シャフト５の小径部５Ａを挿入するための貫通孔１Ｈ（第１貫通孔）が設けられる。貫通孔１Ｈの内径は、シャフト５の小径部５Ａの外径よりもわずかに大きい。貫通孔１Ｈには、シャフト５の小径部５Ａが隙間嵌めにより挿入される。

【0022】

ハブ部１Ａの背面１Ｄａのうちの内径側の部分には、座面１Ｄｂが設けられる。貫通孔１Ｈの軸方向に対して直交する平面を描いたとすると、座面１Ｄｂはこの平面に対して平行である。このような形状を有する座面１Ｄｂは、必須の構成ではなく、必要に応じてハブ部１Ａの背面１Ｄａに設けられるとよい。

【0023】

インペラ１の背面１Ｄａ（本実施の形態においては座面１Ｄｂ）とインペラ１のうちの貫通孔１Ｈを形成している内周面１Ｓ（第１内周面）との間には、テーパー面１Ｅ（第１テーパー面）が形成される。テーパー面１Ｅは、インペラ１の背面１Ｄａから遠ざかるにつれて（背面１Ｄａの側から前面１Ｃの側に向かうにつれて）内周径が徐々に小さくなる内周面形状を有している（図４も参照）。詳細は後述するが、テーパー面１Ｅは、カラー２に設けられたテーパー面２Ｃと協働して取付リング３を挟み込むことで、取付リング３を圧縮変形させる。

【0024】

（カラー２）
カラー２は、環状の形状を有し、カラー２の内径側には、シャフト５の小径部５Ａを挿入するための貫通孔２Ｈ（第２貫通孔）が設けられている。貫通孔２Ｈの内径は、シャフト５の小径部５Ａよりもわずかに大きい。貫通孔２Ｈには、シャフト５の小径部５Ａが隙間嵌めにより挿入される。

【0025】

カラー２は、インペラ１の背面１Ｄａ（座面１Ｄｂ）とシャフト５の段差５Ｃとの間に配置される。カラー２は、インペラ１の背面１Ｄａ（座面１Ｄｂ）に対向する対向部２Ａと、シャフト５の段差５Ｃに対向する他の対向部２Ｂとを有する。貫通孔２Ｈの軸方向に対して直交する平面を描いたとすると、対向部２Ａおよび他の対向部２Ｂは、この平面に対して平行である。

【0026】

カラー２の対向部２Ａとカラー２のうちの貫通孔２Ｈを形成している内周面２Ｓ（第２内周面）との間には、テーパー面２Ｃ（第２テーパー面）が形成される。テーパー面２Ｃは、カラー２の対向部２Ａから遠ざかるにつれて（対向部２Ａの側から他の対向部２Ｂの側に向かうにつれて）内周径が徐々に小さくなる内周面形状を有している（図４も参照）。

【0027】

（取付リング３、固定ナット４）
取付リング３は、シャフト５の小径部５Ａ上に設けられ、インペラ１とカラー２との間に配置される。取付リング３は、シャフト５（小径部５Ａ）の外周面を取り囲むように連続する一つの円環状の形状を有している。取付リング３は、周方向における一部分に切り欠き（分断されている箇所）が設けられていてもよい。換言すると、取付リング３は、Ｃ型リングであってもよい。

【0028】

固定ナット４は、インペラ１の前端部（前面１Ｃの側に位置する端部）に対向するように配置される。固定ナット４は、インペラ１の前端部を軸方向に押圧するように、シャフト５に締結される。固定ナット４は、インペラ１の前面１Ｃの側から背面１Ｄａの側に向かう方向の付勢力をインペラ１に付与している。

【0029】

インペラ１およびカラー２は、固定ナット４とシャフト５の段差５Ｃとに挟まれ、軸方向および径方向に固定される。インペラ１が上記付勢力により前面１Ｃの側から背面１Ｄａの側に押圧されていることで、取付リング３は、インペラ１に設けられたテーパー面１Ｅとカラー２に設けられたテーパー面２Ｃとの間で挟み込まれ、圧縮変形（塑性変形）している。取付リング３の周方向に対して直交する方向の断面形状を見た場合、圧縮変形される前の取付リング３のその断面形状は、矩形、円、または楕円径であるとよい。

【0030】

インペラ１は、取付リング３が圧縮変形していることによる反力を受けており、この反力によって調芯され、特に径方向において高い精度で位置決めされている。カラー２についても同様である。インペラ１が高速で回転したとしても、アンバランスが発生することや、不必要な振動等が発生することはほとんどない。

【0031】

（インペラの取付構造１０Ｚ）
図５は、比較例におけるインペラの取付構造１０Ｚを示す断面図である。インペラの取付構造１０Ｚにおいては、インペラ１の貫通孔１Ｈの内径は、シャフト５の小径部５Ａの外径よりもわずかに小さい。インペラ１の貫通孔１Ｈには、シャフト５がしまり嵌めによって圧入されている。

【0032】

インペラの取付構造１０Ｚの場合、インペラ１は圧入による反力をシャフト５から受け続けることになり、インペラ１には内部応力が残留することになる。シャフト５の軸方向において広い範囲におよぶようにシャフト５がインペラ１の貫通孔１Ｈに圧入されており、内部応力が残留する領域も大きい。インペラ１には、回転によって遠心力も作用するため、内部応力の残留は、高速回転するインペラ１の疲労強度を低下させることに繋がる可能性がある。

【0033】

これに対して上記のインペラの取付構造１０（実施の形態）においては、貫通孔１Ｈの内径が、シャフト５の小径部５Ａよりもわずかに大きい。シャフト５の小径部５Ａは、貫通孔１Ｈに隙間嵌めにより挿入されている。インペラの取付構造１０を使用してインペラ１がシャフト５の小径部５Ａに取り付けられた状態において、インペラ１が反力をシャフト５から受け続けることはほとんどない。

【0034】

インペラ１がシャフト５に取り付けられた状態においては、インペラ１は、取付リング３、テーパー面１Ｅを介して反力を受ける。インペラ１に残留している内部応力は、実施の形態の場合の方が、比較例の場合に比べて十分に小さい。さらに、軸方向に対して直交する方向の断面の面積を見た場合、テーパー面１Ｅが設けられている位置は、その断面の面積が比較的小さい。換言すると、インペラ１のうちのテーパー面１Ｅが設けられている部分の体積は、羽根部１Ｂが設けられている部分の体積に比べて小さく、テーパー面１Ｅが設けられている部分に回転時に発生する遠心力も小さい。

【0035】

したがって実施の形態におけるインペラの取付構造１０によれば、遠心力および残留応力の両方を比較例の場合に比べて軽減することが可能となっており、高速回転するインペラ１の疲労強度を低下させることはほとんどなく、インペラ１を長期にわたって安定して回転させることができる。さらに、比較例の場合、シャフト５の軸方向において広い範囲におよぶようにシャフト５がインペラ１の貫通孔１Ｈに圧入されており、インペラ１をシャフト５から取り外すことは困難である。実施の形態の場合、シャフト５がインペラ１の貫通孔１Ｈに隙間嵌めにより挿入されている。インペラ１をシャフト５から取り外すことは、比較例の場合に比べて容易である。

【0036】

また、シャフト５の小径部５Ａは、円柱状に形成され、その表面は凹凸（突起等）の無い平坦な面形状を呈している。シャフト５の小径部５Ａに突起等が設けられている場合には、その突起はシャフト５が回転している際に応力集中の原因ともなり得る。本実施の形態のシャフト５の小径部５Ａには、そのような応力集中を発生させるような突起が形成されていない。

【0037】

［実施の形態２］
図６は、実施の形態２におけるインペラの取付構造１０Ａを示す断面図である。実施の形態１におけるインペラの取付構造１０と実施の形態２におけるインペラの取付構造１０Ａとは、以下の点において相違している。インペラの取付構造１０Ａにおいては、カラー２が、テーパー面２Ｃを有していない。取付リング３は、インペラ１に設けられたテーパー面１Ｅとカラー２に設けられた対向部２Ａとの間で挟み込まれている。

【0038】

当該構成によっても、遠心力および残留応力の両方を比較例の場合に比べて軽減することが可能となっており、高速回転するインペラ１の疲労強度を低下させることはほとんどなく、インペラ１を長期にわたって安定して回転させることができる。カラー２がテーパー面２Ｃを有していない分、製造上の都合がよい。

【0039】

［実施の形態３］
図７は、実施の形態３におけるインペラの取付構造１０Ｂを示す断面図である。実施の形態１におけるインペラの取付構造１０と実施の形態３におけるインペラの取付構造１０Ｂとは、以下の点において相違している。

【0040】

実施の形態１におけるテーパー面１Ｅは、インペラ１の背面１Ｄａから遠ざかるにつれて（背面１Ｄａの側から前面１Ｃの側に向かうにつれて）内周径が徐々に小さくなる内周面形状を有している（図４も参照）。この内周径は、線径的に（直線状に）漸減している。一方、本実施の形態におけるテーパー面１Ｅは（図７）、取付リング３が配置されている側に向かって凸状に膨出する湾曲面の形状を有している。カラー２のテーパー面２Ｃについても同様である。

【0041】

当該構成によっても、遠心力および残留応力の両方を比較例の場合に比べて軽減することが可能となっており、高速回転するインペラ１の疲労強度を低下させることはほとんどなく、インペラ１を長期にわたって安定して回転させることができる。

【0042】

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0043】

１ インペラ、１Ａ ハブ部、１Ｂ 羽根部、１Ｃ 前面、１Ｄａ 背面、１Ｄｂ 座面、１Ｅ テーパー面（第１テーパー面）、１Ｈ 貫通孔（第１貫通孔）、１Ｓ 内周面（第１内周面）、２ カラー、２Ａ 対向部、２Ｂ 他の対向部、２Ｃ テーパー面（第２テーパー面）、２Ｈ 貫通孔（第２貫通孔）、２Ｓ 内周面（第２内周面）、３ 取付リング、４ 固定ナット（締結部材）、５ シャフト、５Ａ 小径部、５Ｂ 大径部、５Ｃ 段差、６ タービン、７ 排気ハウジング、７Ａ 吐出口、７Ｂ，８Ｂ スクロール室、７Ｃ バルブ機構、８ 吸気ハウジング、８Ａ 流入口、９ 軸受ハウジング、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｚ 取付構造、１００ 遠心圧縮機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】