特許第6791421号(P6791421)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(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】6791421
(24)【登録日】2020年11月9日
(45)【発行日】2020年11月25日
(54)【発明の名称】インペラおよび過給機
(51)【国際特許分類】
   F04D 29/28 20060101AFI20201116BHJP
【FI】
   F04D29/28 J
【請求項の数】2
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2020-74792(P2020-74792)
(22)【出願日】2020年4月20日
(62)【分割の表示】特願2017-543501(P2017-543501)の分割
【原出願日】2016年9月28日
(65)【公開番号】特開2020-115015(P2020-115015A)
(43)【公開日】2020年7月30日
【審査請求日】2020年4月20日
(31)【優先権主張番号】特願2015-196472(P2015-196472)
(32)【優先日】2015年10月2日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社IHI
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】吉崎 太記
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 康太郎
(72)【発明者】
【氏名】吉田 隆
(72)【発明者】
【氏名】小篠 拓也
(72)【発明者】
【氏名】飯塚 国彰
【審査官】 井古田 裕昭
(56)【参考文献】
【文献】 特開昭59−085499(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2006/0140767(US,A1)
【文献】 特開2011−085088(JP,A)
【文献】 特開2009−167882(JP,A)
【文献】 特開2007−120409(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2012/0156026(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F04D 29/28
F04D 29/30
F02B 39/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸方向の一方側から他方側に向かって拡径する本体部と、
前記回転軸方向の一方側に臨む前記本体部の外周面に設けられた複数の長羽根と、
前記外周面に設けられ、前記回転軸方向の一方側の端部が、前記長羽根における前記回転軸方向の一方側の端部よりも前記回転軸方向の他方側に位置する複数の短羽根と、
前記本体部のうち前記回転軸方向の他方側に臨む背面に形成され、前記回転軸方向の一方側に向けて窪み、前記長羽根における前記回転軸方向の一方側の端部と、前記短羽根における前記回転軸方向の一方側の端部との間に位置する最深部を有する肉抜部と、
前記本体部の背面側に形成され、前記回転軸方向の他方側に突出し、突出方向の端部が前記肉抜部内に設けられ、シャフトが挿通される挿通孔が形成される円筒部と、
前記円筒部から前記シャフトの径方向に離隔して配され、前記本体部の背面から前記回転軸方向の他方側に突出し、突出方向の端部が前記肉抜部内に設けられる環状のリブと、
を備えるインペラ。
【請求項2】
前記請求項1に記載されたインペラを備える過給機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、本体部の外周面に複数の羽根が設けられたインペラおよび過給機に関する。
【背景技術】
【0002】
ロータがシャフトに設けられ、ハウジング側にステータが設けられた電動過給機が知られている。電動過給機では、ロータとステータとの間の磁力によってシャフトが回転駆動する。電動過給機は過給機の一種である。電動過給機のシャフトにはインペラが設けられている。電動機によってシャフトが回転すると、シャフトと共にインペラが回転する。電動過給機は、インペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに送出する。
【0003】
過給機のインペラは、本体部を有している。本体部は、回転軸方向の一方側から他方側に向かって拡径する。本体部の外周面には複数の羽根が設けられている。特許文献1に記載されたインペラでは、本体部の背面に、回転軸方向の一方側に向けて窪む肉抜部が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平2−132820号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の特許文献1に記載されたように、インペラの本体部の背面に肉抜部を設けることで、インペラが軽量化する。こうして、インペラのイナーシャが低減される。インペラの応答性能の向上が図られる。しかし、単に肉抜部を設けただけでは、インペラの強度が低下してしまう。そこで、特許文献1のインペラの肉抜部には、強度を向上するためにリブが設けられている。リブは、径方向に延在する。しかし、このようなリブを設けると、リブが空気抵抗を受ける。その結果、効率が低下してしまう。
【0006】
本開示の目的は、効率低下を抑えつつ軽量化と強度の確保を両立させることが可能なインペラおよび過給機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、インペラは、回転軸方向の一方側から他方側に向かって拡径する本体部と、回転軸方向の一方側に臨む本体部の外周面に設けられた複数の長羽根と、外周面に設けられ、回転軸方向の一方側の端部が、長羽根における回転軸方向の一方側の端部よりも回転軸方向の他方側に位置する複数の短羽根と、本体部のうち回転軸方向の他方側に臨む背面に形成され、回転軸方向の一方側に向けて窪み、長羽根における回転軸方向の一方側の端部と、短羽根における回転軸方向の一方側の端部との間に位置する最深部を有する肉抜部と、本体部の背面側に形成され、回転軸方向の他方側に突出し、突出方向の端部が肉抜部内に設けられ、シャフトが挿通される挿通孔が形成される円筒部と、円筒部からシャフトの径方向に離隔して配され、本体部の背面から回転軸方向の他方側に突出し、突出方向の端部が肉抜部内に設けられる環状のリブと、を備える。
【0008】
上記課題を解決するために、過給機は、上記インペラを備える。
【発明の効果】
【0009】
本開示のインペラおよび過給機によれば、効率を低下させることなく軽量化と強度の確保を両立させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】電動過給機(過給機)の概略断面図である。
図2図2(a)はコンプレッサインペラの外観斜視図である。図2(b)は、図2(a)のIIb矢視図である。
図3】コンプレッサインペラの回転軸を含む面による断面図である。
図4図3の二点鎖線部分の抽出図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0012】
図1は、電動過給機C(過給機)の概略断面図である。以下では、図1に示す矢印L方向を電動過給機Cの左側として説明する。図1に示す矢印R方向を電動過給機Cの右側として説明する。図1に示すように、電動過給機Cは、過給機本体1を備える。この過給機本体1は、モータハウジング2を備える。モータハウジング2の左側には、締結ボルト3によってコンプレッサハウジング4が連結される。モータハウジング2の右側には、締結ボルト5によってプレート部材6が連結される。プレート部材6の右側には、締結ボルト7によってコードハウジング8が連結される。モータハウジング2、コンプレッサハウジング4、プレート部材6、コードハウジング8は、一体化されている。
【0013】
モータハウジング2の内部には、図1中、右側に開口するモータ穴2aが形成される。モータ穴2aの内部には、電動機9が収容されている。電動機9は、ステータ10とロータ11を含んで構成される。ステータ10は、ステータコア12にコイル13が巻回されて形成される。ステータコア12は円筒形状である。
【0014】
コイル13は、ステータコア12の周方向に複数配される。コイル13は、供給される交流電力の位相がU相、V相、W相の順に配される。導線14は、U相、V相、W相それぞれに設けられる。導線14の一端が、U相、V相、W相それぞれのコイル13に結線する。導線14は、コイル13に交流電力を供給する。
【0015】
また、ステータコア12は、モータ穴2aの開口側からモータ穴2aに挿通される。ステータコア12は、モータ穴2aの内部に取り付けられている。このモータ穴2aの右側の開口は、プレート部材6によって塞がれている。プレート部材6に連結されるコードハウジング8は、コード孔8aを有する。コード孔8aは、図1中左右方向に貫通する。コード孔8aの一端がプレート部材6によって塞がれる。プレート部材6には、プレート孔6aが設けられている。プレート孔6aによって、モータ穴2aとコード孔8aが連通している。導線14は、プレート孔6aを通ってコイル13からコード孔8aまで延在する。
【0016】
コード孔8aには、導線14が収容されている。導線14のうち、コイル13と反対側の他端がコネクタ15に結線される。コネクタ15は、フランジ部15aを有する。フランジ部15aは、コードハウジング8のコード孔8aの他端を塞ぐ。フランジ部15aは、締結ボルト16によってコードハウジング8に取り付けられる。コネクタ15、導線14を介してステータ10のコイル13に交流電力が供給される。ステータ10は電磁石として機能する。
【0017】
また、ロータ11は、シャフト17に取り付けされる。ロータ11は、ステータコア12に挿通される。ロータ11は、ステータコア12に対してシャフト17の径方向に間隙を有する。詳細には、ロータ11は、ロータコア18を含んで構成される。ロータコア18は、円筒部材である。ロータコア18には、シャフト17の軸方向に貫通する孔が形成される。このロータコア18の孔の内部に磁石19(永久磁石)が収容されている。電動機9は、ロータ11とステータ10との間に生じる相互力によって、シャフト17に回転方向の駆動力を発生させる。
【0018】
シャフト17は、モータハウジング2のハウジング孔2bに挿通される。ハウジング孔2bは、モータ穴2aの底面を構成する壁部2cをシャフト17の軸方向に貫通する。ハウジング孔2bにはボールベアリング20が配されている。ボールベアリング20によってシャフト17が軸支される。
【0019】
シャフト17のうち、ロータ11よりもプレート部材6側に突出した一端は、ボス穴6bに挿通される。ボス穴6bはプレート部材6に形成される。プレート部材6には、環状突起6cが設けられている。環状突起6cはモータ穴2aの内部に突出している。環状突起6cは、ボス穴6bを形成する外壁の一部を成している。ボス穴6bの内部には、ボールベアリング21が配される。ボールベアリング21によってシャフト17が軸支される。
【0020】
シャフト17の他端側は、ハウジング孔2bからコンプレッサハウジング4の内部に突出する。シャフト17のうち、コンプレッサハウジング4の内部に突出した部位には、コンプレッサインペラ22(インペラ)が設けられている。コンプレッサインペラ22は、コンプレッサハウジング4の内部に回転自在に収容されている。
【0021】
コンプレッサハウジング4には、吸気口23が形成されている。吸気口23は、電動過給機Cの左側に開口する。吸気口23は、不図示のエアクリーナに接続される。また、締結ボルト3によってモータハウジング2とコンプレッサハウジング4が連結された状態で、ディフューザ流路24が形成される。ディフューザ流路24は、モータハウジング2とコンプレッサハウジング4の対向面によって形成される。ディフューザ流路24は、空気を昇圧する。ディフューザ流路24は、シャフト17の径方向内側から外側に向けて環状に形成されている。上記の径方向内側において、コンプレッサインペラ22を介して吸気口23に連通している。
【0022】
また、コンプレッサハウジング4には、環状のコンプレッサスクロール流路25が設けられている。コンプレッサスクロール流路25は、ディフューザ流路24よりもシャフト17の径方向外側に位置する。コンプレッサスクロール流路25は、不図示のエンジンの吸気口と連通している。コンプレッサスクロール流路25は、ディフューザ流路24にも連通している。
【0023】
電動機9から発生した駆動力によりコンプレッサインペラ22が回転する。コンプレッサインペラ22の回転によって、コンプレッサハウジング4内に空気が吸引される。空気は、吸気口23からシャフト17の軸方向に吸引される。当該吸気された空気は、コンプレッサインペラ22の翼間(後述する複数の羽根27の間)を流通する過程において、遠心力の作用により増速される。増速された空気は、ディフューザ流路24およびコンプレッサスクロール流路25に送出されて昇圧(圧縮)される。昇圧された空気は、エンジンの吸気口に導かれる。
【0024】
図2(a)は、コンプレッサインペラ22の外観斜視図である。図2(b)は、図2(a)のIIb矢視図である。
【0025】
コンプレッサインペラ22は、例えば、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)で構成される。コンプレッサインペラ22は、図2(a)に示すように、本体部26と、複数の羽根27を有している。本体部26は、回転軸方向の一方側(図2(a)中、左側の破線の矢印で示す)から他方側(図2(a)中、右側の一点鎖線の矢印で示す)に向かって拡径する。本体部26には、挿通孔26aが形成される。挿通孔26aは、コンプレッサインペラ22が回転する回転軸の軸方向(以下、回転軸方向と称す)に、本体部26を貫通する。すなわち、挿通孔26aは、シャフト17の軸方向に本体部26を貫通する。挿通孔26aにシャフト17が挿通される(図1参照)。
【0026】
本体部26は、回転軸方向の一方側に外周面26bを臨ませる(有する)。本体部26は、回転軸方向の他方側に背面26cを臨ませる(有する)。外周面26bおよび背面26cは、回転軸方向に見たときの外形が円形である。本体部26の外周面26bは、回転軸方向の他方側に向かって徐々に外径が大きくなっている。
【0027】
外周面26bには、複数の羽根27が設けられている。複数の羽根27は、外周面26bの周方向に離隔する。複数の羽根27は、外周面26bから径方向に突出している。複数の羽根27は、コンプレッサインペラ22の回転軸方向に対して、外周面26bの周方向に傾斜する向きに延在する。
【0028】
本体部26の背面26cには、肉抜部26eが形成されている。肉抜部26eは、前端面26d側に向けて窪む部位である。前端面26dは、本体部26のうち、回転軸方向の一方側の先端に形成される。背面26cは、肉抜部26eの内壁の一部となっている。背面26cが形成された部位の肉厚が概ね一定となるように、例えば、肉抜部26eが形成されている。
【0029】
肉抜部26eには、円筒部26fが形成されている。円筒部26fは、肉抜部26eの内周面から、コンプレッサインペラ22の回転軸方向の背面26c側(回転軸の他方側)に突出している。円筒部26fの内周側に、挿通孔26aが形成されている。すなわち、円筒部26fは、挿通孔26aのうち、背面26c側の部位の外壁となっている。
【0030】
肉抜部26eには、円筒部26fよりも本体部26の径方向外側にリブ26gが設けられている。図2(a)、図2(b)に示すように、リブ26gは、環状に形成される。リブ26gは、円筒部26fから本体部26の径方向に離隔して配される。
【0031】
図3は、コンプレッサインペラ22の回転軸を含む面による断面図である。図3では、羽根27をコンプレッサインペラ22の回転方向に投影した形状(子午面形状)が示される。
【0032】
図3に示すように、円筒部26fは、肉抜部26eの最深部26hから、回転軸方向に沿って背面26c側に突出している。
【0033】
複数の羽根27は、長羽根28(図3中、一点鎖線で示す)と短羽根29(図3中、破線で示す)とを含んで構成される。長羽根28および短羽根29は、回転軸方向の一方側(前端面26d側)から他方側(背面26c側)に向かうにしたがって、外周面26bの径方向外側に突出する。短羽根29のうち、回転軸方向の一方側の端部29aは、長羽根28のうち、回転軸方向の一方側の端部28aよりも、回転軸方向の他方側に位置している。短羽根29の方が長羽根28よりも回転軸方向の長さが短い。長羽根28と短羽根29は、外周面26bの周方向(回転方向)に交互に配されている。
【0034】
長羽根28のうち、本体部26における外周面26bの径方向外側の端部28b、および、短羽根29のうち、本体部26における外周面26bの径方向外側の端部29bは、径方向および回転軸方向にほぼ同じ位置まで延在している。
【0035】
ここで、コンプレッサインペラ22の周りを流れる空気の流れについて簡単に説明する。吸気口23から流入した空気は、長羽根28の端部28a側から隣り合う複数の長羽根28の間を流れる。隣り合う複数の長羽根28の間を流れた空気は、短羽根29の端部29a側から、隣り合う複数の羽根27(長羽根28および短羽根29)の間を流れる。隣り合う複数の羽根27の間を流れた空気は、本体部26の外周面26bおよび複数の羽根27に沿って、背面26c側に向かいながら径方向外側に送出される。
【0036】
すなわち、長羽根28の端部28aは、長羽根28において、空気の流れ方向の上流端となる。短羽根29の端部29aは、短羽根29において、空気の流れ方向の上流端となる。長羽根28の端部28bは、長羽根28において、空気の流れ方向の下流端となる。短羽根29の端部29bは、短羽根29において、空気の流れ方向の下流端となる。
【0037】
長羽根28の上流端(端部28a)においては、短羽根29が長羽根28の間に延在していないため、流路が短羽根29によって分断されない。そのため、多量の空気が羽根27の間に流入する。
【0038】
また、上記のように、コンプレッサインペラ22は、短羽根29および肉抜部26eを備える。肉抜部26eによって軽量化が図られる。短羽根29は、リブとして機能する。そのため、肉抜部26eの内部の空気抵抗を上昇させずに、強度を向上することが可能となる。
【0039】
図4は、図3の二点鎖線部分の抽出図である。図4では、短羽根29の端部29aのうち、最も径方向内側の部位29cから、コンプレッサインペラ22の回転軸に対して垂直な方向に伸ばした引き出し線aを示す。図4に示すように、短羽根29の端部29aは、コンプレッサインペラ22の回転軸の垂直面方向に対して、僅かに傾斜している。短羽根29の最も径方向内側の部位29cは、短羽根29の中で最も前端面26d側(図4中、左側)に位置している。
【0040】
引き出し線aと肉抜部26eを比較すると、肉抜部26eの最深部26hは、短羽根29の前端面26d側の端部29aよりも深い位置まで達している。肉抜部26eの最深部26hは、回転軸方向の位置が、短羽根29の端部29aおよび長羽根28の端部28aの間となっている。すなわち、肉抜部26eは、回転軸方向に、短羽根29の端部29aおよび長羽根28の端部28aの間まで延在している。ここでは、肉抜部26eの最深部26hが、短羽根29の前端面26d側の端部29aよりも深い位置まで達している場合を例に挙げた。ただし、肉抜部26eの最深部26hは、短羽根29の前端面26d側の端部29aと同じ位置まで延在してもよい。
【0041】
上記のように、コンプレッサインペラ22は、短羽根29やリブ26gによって強度が向上している。そのため、肉抜部26eの最深部26hを、短羽根29の前端面26d側の端部29aよりも深い位置まで延在させることができる。または、肉抜部26eの最深部26hを、短羽根29の前端面26d側の端部29aと同じ位置まで延在させることができる。こうして、一層の軽量化を図ることが可能となる。
【0042】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記の実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。
【0043】
例えば、上述した実施形態では、リブ26gを設ける場合について説明した。ただし、少なくとも長羽根28と短羽根29を設ければ、リブ26gは省略してもよい。リブ26gを設ける場合、例えば、リブが径方向に延在する場合と比べて、コンプレッサインペラ22が回転したときに、肉抜部26eの内部の空気抵抗が抑えられる。つまり、強度を向上させつつ効率低下を抑制することが可能となる。
【0044】
また、上述した実施形態では、複数の羽根27に長羽根28と短羽根29を含む場合について説明した。ただし、少なくともリブ26gを設ければ、短羽根29を省略してもよい。この場合、全ての羽根27が長羽根28となる。例えば、流入する空気量を確保するためには、短羽根29を省略した分、羽根枚数が半分となる。ただし、リブ26gを設けているので、上記のように、リブ26gによって強度を向上させ、リブ26gの空気抵抗による効率低下を抑制することが可能となる。
【0045】
また、上述した実施形態では、背面26cが形成された部位の肉厚が概ね一定となるように、肉抜部26eが形成されている場合について説明した。ただし、背面26cが形成された部位の肉厚は、概ね一定でなくてもよい。背面26cが形成された部位の肉厚が概ね一定となるように、肉抜部26eを形成する場合、以下の効果がある。すなわち、例えば、射出成型などを用いてコンプレッサインペラ22を製作する場合、成型時の流動性が向上する。
【0046】
また、上述した実施形態では、肉抜部26eの最深部26hは、短羽根29の前端面26d側の端部29aと同じ位置にある場合について説明した。または、肉抜部26eの最深部26hは、端部29aよりも深い位置まで達している場合について説明した。ただし、肉抜部26eの最深部26hは、短羽根29の前端面26d側の端部29aよりも浅くてもよい。
【0047】
また、上述した実施形態では、電動過給機Cを例に挙げて説明した。ただし、電動過給機C以外の過給機に上記構成を適用してもよい。また、過給機に限らず、例えば、遠心圧縮機などのインペラに上記構成を適用してもよい。電動過給機Cのコンプレッサインペラ22に上記構成を適用する場合、肉抜部26eを大きくする事で一層の軽量化を図ることが可能となる。なぜなら、コンプレッサインペラ22の使用回転数が比較的低いことから要求される強度が高くなり過ぎないためである。
【0048】
また、上述した実施形態では、コンプレッサインペラ22を例に挙げて説明したが、過給機のタービンインペラに上記構成を適用してもよい。
【0049】
また、上述した実施形態では、コンプレッサインペラ22がCFRPで構成される場合について説明した。ただし、コンプレッサインペラ22が、アルミニウム合金などの他の材料で構成されてもよい。コンプレッサインペラ22をCFRPで構成する場合、上記構成と併せて、一層の軽量化を図り、強度を相乗的に向上させることが可能となる。なぜなら、CFRPが軽量かつ高強度なためである。
【産業上の利用可能性】
【0050】
本開示は、本体部の外周面に複数の羽根が設けられたインペラおよび過給機に利用することができる。
【符号の説明】
【0051】
C 電動過給機(過給機)
17 シャフト
22 コンプレッサインペラ(インペラ)
26 本体部
26a 挿通孔
26b 外周面
26c 背面
26e 肉抜部
26f 円筒部
26g リブ
26h 最深部
27 羽根
28 長羽根
28a 端部
29 短羽根
29a 端部
図1
図2
図3
図4