JP6154664B2 - 特に圧力波過給機用のセル式ホイール - Google Patents

Description

本発明は、金属製のセル式ホイールであって、回転軸と同軸に配置された外側スリーブと、外側スリーブと同軸に配置された内側スリーブと、外側スリーブと内側スリーブの間にこれらに同軸に配置された少なくとも１つの中間スリーブと、連続するスリーブの間に配置され、回転軸に対して放射状に配列されて、隣接するスリーブと接合されたフィンとを有し、さらに、外側スリーブの上に係合して、外側スリーブと接合されて、ラビリンスシールのためのシール成型物を有する外側シールスリーブと、回転軸に位置する駆動シャフトと有するセル式ホイールに関する。

ここ数年、ダウンサイジングの方法は、新しい過給機関の設計においてメインテーマの１つである。ダウンサイジングにより、燃料消費、ひいては車の排ガスが削減できる。化石燃料を使用する高いエネルギー消費は大気汚染の大きな原因であり、一層厳しい法的規制が自動車メーカーに課されているため、最近では、これらの目標はますます重要となっている。ダウンサイジングとは、大容量のエンジンを、容量を縮小したエンジンに置き換えることと理解される。同時に、エンジンに給気することによって、エンジン出力が高水準に保たれなければならない。小容量エンジンで、大容量エンジンや同様に強力な自然吸気エンジンに等しい出力値を達成することが目的である。ダウンサイジングの分野における新しい発見によると、特に、容積が２リットル以下の非常に小さいオットーエンジンでは、最も良い結果は、圧力波過給によって達成できることがわかった。

圧力波過給機では、ローターはセル式ホイールとして構成され、共通のケーシングを備える外気及び排気ハウジングによって囲まれる。小型エンジンに過給するための最新の圧力波過給機の開発は、１００ｍｍ以下の大きさの直径を有するセル式ホイールにつながる。最大セル容積及び重量の低減を達成するために、セルの壁厚は０．４ｍｍ以下が目標とされる。１０００℃前後の高い排ガス吸い込み温度では、実際のところ、耐高熱性合金だけが、セル式ホイールの材料として考えることができる。寸法安定性のある、高精度のセル式ホイールの製造は、今日でもなおほとんど不可能か、あるいは、かなりの追加費用を伴う。

セル式ホイールのチャンバを、整列して部分的に重なるＺ型成型物(profile）から形成することが、既に提案されている。しかしながら、このようなセル式ホイールの製造は、かなりの時間的消費を伴う。さらに、要求される許容範囲を満足するのに十分な精密さで、Ｚ型成型物を整列して正確に配置することは、ほとんど実現不可能である。

個々のセルを浸食することによって、固形物からセル式ホイールを製造することも既に提案されている。しかしながら、この方法では、０．５ｍｍ未満のセルの壁厚を達成することはほとんど不可能である。浸食法のさらなる重大なデメリットは、これらに付随する高額の材料費及び加工費である。

上述のタイプのセル式ホイールは、ＷＯ２０１０／０５７３１９Ａ１に開示されている。作動条件下での試運転は、端面の領域でセル式ホイールの内部で、２００〜３００℃の温度差を伴う温度変化が急速に連続して生じた結果、フィンは半径方向に周期的に大きく変動する熱膨張及び収縮を起こした。その結果、連続するスリーブの間に配置されてこれらのスリーブと接合されたフィンは、セル式ホイールの速度のほぼ２倍の振動数の高負荷変動にさらされ、それにより、永続的な熱負荷を受けて、セル式ホイールの端面のフィンとスリーブの接合部の近くにクラックが形成され、その結果、フィン部品の脱落やセル式ホイールの機能停止を引き起こす可能性がある。

本発明の目的は、フィンとスリーブとの接合領域でのクラックの形成を回避しながら、要求される精度で、簡単で費用効率が高い方法でセル式ホイールを製造することである。本発明のさらなる目的は、内燃機関に過給するための、特に、容積が２リットル以下程度の小型オットーエンジンに過給するための、圧力波過給機での使用に適したセル式ホイールを提供することである。特に、作動条件下で機械的に安定であり、フィンとスリーブとの接合領域でクラックが形成されにくい、セルの壁厚が０．５ｍｍ以下のセル式ホイールを製造することが可能となる。

この目的のための本発明による解決方法は、少なくとも、外側スリーブ、内側スリーブ、及び／又は中間スリーブ、又は、中間スリーブが２つ以上の場合は少なくとも１つの中間スリーブが、隣り合うフィンの間にセル式ホイールの両端面から延びる切込を有することで達成される。切込は回転対象であることが好ましい。

この目的のための本発明による解決方法は、少なくとも１つの中間スリーブが、セル式ホイールの両端面から延びる切込を有することだけでも達成される。従って、この場合、外側スリーブと内側スリーブは切込を設けずに形成される。フィンの左と右に、いずれの場合も１つの切込があることが好ましく、又は、２つの隣り合うフィンの間にそれぞれ１つの切込が常にあることが好ましい。中間スリーブに配置された切込は、このようにフィンそれぞれに縁片を提供し、縁片は中間スリーブと他の縁片に対して弾性的に可動に形成され、縁片の実質的に半径方向への動きによって、温度変動に起因するフィンの変形を有利に補償する。これにより、フィンに交互に起こる曲げ応力がかなり減少する。縁片はストラップと呼んでもよい。

好ましくは、２つの隣り合う切込が各スリーブに属する縁片を形成し、１つの縁片が、いずれの場合も１つのフィンに割り当てられる。このような縁片は各スリーブと隣接する縁片に対して、弾性的に可動である。

切込は実質的に各スリーブの円周にわたり、好ましくは均等に分布される。フィンの配置によって他の分布も考えられる。

すべての隣り合うフィンの間に切込があることが好ましい。しかし、スリーブの円周に、より少数の切込を設けることも可能である。例えば、２つ目のフィンの後ごとに、又は３つ目のフィンの後ごとに切込を設けてもよい。

隣り合うフィンの、外側、内側及び／又は中間スリーブとの接合部の間に配置された切込によって、各スリーブはセル式ホイールの縁領域で縁片に分割され、隣接する縁片は互いに半径方向に位置をずらすことができる。結果として、フィンは、フィンに接合された縁片とともにスリーブの最初の位置から半径方向に膨張したり収縮したりでき、その結果、半径方向に急速に連続して起こるフィンの熱膨張及び熱収縮は、外側、内側及び／又は中間スリーブとの接合部の領域のフィンに急速交互負荷がかかることにより、応力増大と応力緩和が小さくなり、この手段によって物質へのダメージを回避できる。

切込の先端での応力ピーク、そして、それに付随するクラックの形成とさらなる伝播を避けるために、いわゆる割れ止めとして凹部を切込の先端に設けてもよい。中心軸に対して垂直な平面図において、凹部の断面を円形又は楕円形にしてもよい。凹部の寸法は、１〜２ｍｍの範囲が好ましい。

本発明によるセル式ホイールの第１の実施形態では、内側スリーブは内側スリーブと同軸に配置され、駆動シャフトと接合されたフランジスリーブ上に置かれ、外側スリーブは、隣り合うフィンの間に、セル式ホイールの両方の端面から延びる切込を有する。シールスリーブの周縁エッジは、セル式ホイールの端面から遠くに位置し、一定の距離だけ切込から突出し、外側シールスリーブは切込から突出する領域でのみ外側スリーブと接合される。

好ましくは、外側シールスリーブのシール成型物は、セル式ホイールの端面と一直線になるシール表面を有し、外側シールスリーブは、セル式ホイールの端面で開いている環状間隙を外側スリーブとともに形成する。

好ましくは、この第１の実施形態では、内側スリーブも、隣り合うフィンの間にセル式ホイールの両方の端面から延びる切込を有する。ここでは、内側スリーブは互いに向かい合って位置する切込の間の隣り合うフィンの間で、フランジスリーブと接合される。

本発明によるセル式ホイールの第２の好ましい実施形態では、内側スリーブは駆動シャフトと接合され、中間スリーブ、又は、中間スリーブが２つ以上の場合は少なくとも１つの中間スリーブが、隣り合うフィンの間でセル式ホイールの両方の端面から延びる凹部を有する。

この第２の実施形態では、好ましくは、外側シールスリーブのシール成型物は、セル式ホイールの端面と一直線になるシール表面を有し、内側スリーブには内側シールスリーブが配置され、この内側シールスリーブは内側スリーブと接合され、セル式ホイールの端面と一直線になるシール表面を有するシール成型物を有し、ラビリンスシールを形成する。

好ましくは、第２の実施形態でもまた、シールスリーブは外側及び／又は内側スリーブと、セル式ホイールの端面から遠くに位置する領域でのみ接合され、外側及び／又は内側スリーブとともに、セル式ホイールの端面で開いている環状間隙を形成する。

シール成型物のシール表面と、シール表面に隣接して、シールスリーブ及び／又は、外側及び／又は内側スリーブとの間に位置する環状間隙が、セル式ホイールの端面とガスハウジング及び空気ハウジングの制御面とのラビリンスシールの気密性を決定し、この制御面は、圧力波過給機のセル式ホイールの端面と向かい合って配置される。セル式ホイールの端面に周期的に作用する圧力波により、ラビリンスシールの領域のガス圧は高くなる。シール成型物のシール表面に隣接する環状間隙は、ガスが環状間隙に流れ込んだときに、シール表面とそれと対向する制御面との間に形成された間隙を通ってガスが漏れることを、わずかな局所的降圧によって防ぎ、従って、圧力波過給機の出力を減少させる圧力損失を防止する。

環状間隙を安定させるために、シールスリーブの円周にわたって分布して配置したスペーサ要素を、セル式ホイールの端面の領域で外側及び／又は内側スリーブに面するシールスリーブ側から突出させてもよい。あるいは、スペーサ要素を、外側及び／又は内側スリーブのシールスリーブに面する側に、外側及び／又は内側スリーブの円周にわたって分布して配置してもよい。

セル式ホイールの端面で開いている環状間隙を、外側及び／又は内側スリーブとともに形成するシールスリーブの上述の実施形態は、その換算質量により、遠心力の低下をもたらし、その結果、寸法安定性が高まり、それによって密封が向上される。

外側スリーブ、内側スリーブ又は中間スリーブ、又は、中間スリーブが２つ以上の場合は少なくとも１つの中間スリーブの切込の長さは、セル式ホイールの長さ、即ち、セル式ホイールの２つの端面の間の距離の約１０％〜３０％の範囲である。

外側スリーブ、内側スリーブ、中間スリーブ、フィン、シールスリーブは、厚さ０．５ｍｍ未満の金属薄板から作られることが好ましい。

本発明によるセル式ホイールの特に好ましい第２の実施形態では、駆動シャフトは２つの環状ウェブを有し、この環状ウェブは駆動シャフトと同軸に配置され、互いに離間して、内側スリーブの支持面として周囲面を有し、環状ウェブの少なくとも１つは内側スリーブと接合される。

内側スリーブのセル式ホイールの端面から遠くに位置する端部が、環状ウェブの１つと接合されると都合がよい。

熱防御として、内側シールスリーブは、セル式ホイールの端面の高温ガス側、即ち、排ガスハウジング側にカバーを接合してもよい。あるいは、又は、さらに、高温ガス側に近い環状ウェブをカバーと接合してもよい。

これらの手段により、圧力波過給機の作動条件下で、駆動軸を比較的低温に維持することができ、ガスハウジングと空気ハウジングの間に囲まれたセル式ホイールの軸クリアランスを、速度範囲全体で約０．０３〜０．０５ｍｍの最小クリアランスを維持するための低温作動状態で、より小さく設定できる。

軽量化のために、駆動シャフトは、管状端部と、円錐中間部と、モーター駆動部に接続される連結片のレセプタクルを有する管状シャフト部とを有する中空シャフトとして構成される。

さらなる軽量化のために、管状端部と円錐中間部は円周上に対称に配置された開口を有することが好都合であり、この開口によって空気の循環も可能となり、それに付随して冷却効果が得られる。

連結片は長手方向リブを設けた連結軸を有することが好ましく、管状シャフト部のレセプタクルに連結片をスライドさせるときに、長手方向リブがレセプタクルの長手方向溝に係合する。

本発明によるセル式ホイールは、内燃機関、特に、容積が好ましくは２リットル以下のオットーエンジンに過給するための圧力波過給機に使用されることが好ましい。

図１は、圧力波過給機用の図４に示されたセル式ホイールの端面を示す。 図２は、駆動シャフトのフランジスリーブに取り付けられた図４のセル式ホイールの、図１のＩ−Ｉ線に沿った長手方向断面図である。 図３は、駆動シャフトのフランジスリーブに取り付けられた図４のセル式ホイールの、図１のII−II線に沿った長手方向断面図である。 図４は、圧力波過給機用のセル式ホイールの第１の実施形態の斜視図である。 図５は、図４のセル式ホイールの細部IIIの拡大図である。 図６は、図３のセル式ホイールの長手方向断面の細部IVの拡大図である。 図７は、図４のセル式ホイールのフィンの斜視図である。 図８は、図７のフィンの細部Ｖの拡大図である。 図９は、圧力波過給機用の図１５に示したセル式ホイールの端面を示す。 図１０は、駆動シャフトに取り付けられた図１５のセル式ホイールの、図９のVI−VI線に沿った長手方向断面図である。 図１１は、図１０のVII−VII線に沿った駆動シャフトの断面図である。 図１２は、図１０のセル式ホイールの長手方向断面の第１の細部VIIIの拡大図である。 図１３は、図１０のセル式ホイールの長手方向断面の第２の細部IXの拡大図である。 図１４は、図１０の長手方向断面の第３の細部Ｘの拡大図である。 図１５は、圧力波過給機用のセル式ホイールの他の実施形態の斜視図である。 図１６は、図１５のセル式ホイールの細部の拡大図である。 図１７は、圧力波過給機用の図１５に示したセル式ホイールの端面の図９の切り取り拡大図である。 図１８は、セル式ホイールの第１の作動状態にある図１７の切り取り拡大図である。 図１９は、セル式ホイールの第２の作動状態にある図１７の切り取り拡大図である。 図２０は、図１５のセル式ホイールの外側シールスリーブの斜視図である。 図２１は、図２０の外側シールスリーブの軸方向断面図である。 図２２は、図２０の外側シールスリーブの端面の切り取り図である。 図２３は、図１５のセル式ホイールの第１の（高温ガス側の）内側シールスリーブの斜視図である。 図２４は、図２３の高温ガス側の内側シールスリーブの軸方向断面図である。 図２５は、図２４の高温ガス側の内側シールスリーブの端面を示す。 図２６は、図１５のセル式ホイール第２の（低温ガス側の）内側シールスリーブの斜視図である。 図２７は、図２６の低温ガス側の内側シールスリーブの軸方向断面図である。 図２８は、図２７の低温ガス側の内側シールスリーブの端面を示す。

本発明のさらなる利点、特徴及び詳細は、以下の好ましい例示的実施形態の説明及び図面から生じるが、これらは単に説明のためのものであって、本発明を限定するものではない。

図には示されていない圧力波過給機の、図１及び４に示したセル式ホイール１０は、セル式ホイール１０の回転軸ｙと同心の外側スリーブ１２と、外側スリーブ１２と同心の内側スリーブ１４と、外側スリーブ１２と内側スリーブ１４の間にこれらに同心に配置された中間スリーブ１８とから構成される。中間スリーブ１８と外側スリーブ１２の間の外側環状チャンバと、中間スリーブ１８と内側スリーブ１４の間の内側環状チャンバは、回転軸ｙに対して放射状に配置された板状フィン１６によって、多数の外側セル２０と多数の内側セル２２に分割されている。例示した、例えば直径Ｄと長さＬがそれぞれ１００ｍｍのセル式ホイール１０は、６０未満の外側セル２０と４０未満の内側セル２２を有する。外側スリーブ１２、中間スリーブ１８、内側スリーブ１４、フィン１６は、例えば０．４ｍｍの均一な壁厚を有し、高温耐熱性の金属材料，例えば、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）２．４８５６から構成される。回転軸ｙの方向の、これらの部品の長さは、セル式ホイール１０の長さと対応する同一の長さＬであり、セル式ホイール１０の２つの端面１１の間に延び、その端面は回転軸ｙに対して垂直である。２つの端面１１の領域には、外側スリーブ１２上に周方向に延び、ラビリンスシールのシール成型物３０のシール表面３２を有する外側シールスリーブ２４が配置され、シール表面はセル式ホイール１０の端面１１と一直線になっている。ラビリンスシールに要求されるシール表面３２の合わせ面は、排ガス及び空気ハウジングの制御面によって形成され、この制御面は圧力波過給機のセル式ホイール１０の端面１１と向かい合う。

図１と図４に示したセル式ホイール１０は、図２と図３によると、フランジスリーブ１５によって駆動シャフト１３に接続されている。フランジスリーブ１５は駆動シャフト１３と同心に整列され、そこに溶接されている。駆動シャフト１３の回転軸は、ここではフランジスリーブ１５に取り付けられたセル式ホイール１０の回転軸ｙに相当する。

図４と図５に示されるように、切込２６が外側スリーブ１２に配置され、すなわち、隣り合うフィン１６の外側スリーブ１２との接合部１７の間に配置される。これらの切込２６はフィン１６と平行して、セル式ホイール１０の各端面１１から出発して、例えば１５ｍｍの長さｅにわたって延びる。切込２６は、例えば２ｍｍの直径ｆの円形凹部２８で終わる。さらに、少なくとも１つの中間スリーブ１６に同様の切込を設けることも可能である。

外側シールスリーブ２４の配置を図４と図６に示す。外側シールスリーブ２４の長さｇは、例えば２０ｍｍである。セル式ホイール１０の端面１１上で、外側シールスリーブ２４は、回転軸ｙに垂直に外側に突出する環状フランジに移行し、セル式ホイール１０の端面１１と一直線になるシール表面３２を有するシール成型物３０を形成し、その幅ｈは、例えば１．５ｍｍである。外側シールスリーブ２４は、実質的にポジティブロッキング方法で外側スリーブ１２上に置かれ、自由な周縁エッジ２５が切込２６の自由端の円形凹部２８から、例えば５ｍｍ突出し、２つの周囲溶接シーム３４，３６を介して外側スリーブ１２と接合される。

図４と図５に示すように、切込２６は内側スリーブ１４にも、すなわち、隣り合うフィン１６の内側スリーブ１４との接合部１７の間にも配置される。これらの切込２６はフィン１６と平行して、セル式ホイール１０のそれぞれの端面１１から出発し、例えば１５ｍｍの長さｅにわたって延びる。切込２６は、例えば２ｍｍの直径ｆの円形凹部２８で終わる。

また、この実施形態では、任意の切込２６を少なくとも１つの中間スリーブに配置してもよい。

フィン１６は通常、一定の厚さの矩形の帯状片である。接合ゾーン近くでは、機械的ストレスが最も高くなり、それによりクラックが形成される傾向が増大するので、フィンはその長手方向縁の領域に材料肉厚部１９を有してもよい（図７及び図８）。フィン１６の、この２つの平行な長手方向縁に隣接する領域は、平らにしてもよく、又は、視線方向に見て、一方又は両方の側に向けてカーブさせてもよく、又は、寸法安定性を高めるためにビードを設けてもよい。

セル式ホイール１０を製造するために、内側スリーブ１４は、その内径と長さをフランジスリーブ１５の外径と長さに合わせ、あらかじめ内側スリーブ１４と正確な位置で長手方向縁とを接合した、自由な長手方向縁が放射状に外側に突出するフィン１６を備え、両方の端面１１から延びる切込２６を設け、その切込の先端に円形の凹部２８を設ける。続いて、このように処理した内側スリーブ１４を、外側に突出するフィン１６とともに，フランジスリーブ１５上に軸方向ｙに同軸に取り付け、ＮＣ制御レーザービームによって、そこに、すなわち、互いに対向する凹部２８の間の領域のフィン１６の間に溶接する。溶接シームは凹部から凹部へ連続させてもよく、又は、各凹部２８から３〜５ｍｍの長さだけそれぞれ延ばしてもよい。最適な堅固さを得るために、横断する溶接シームを、隣り合うフィン１６に対して直角にしてもよく、凹部２８から例えば２〜３ｍｍの短い距離にしてもよい。ここでは、Ｕ字形状の溶接シームを形成するために、横断する溶接シームをその端部で、フィン１６に平行に延びる、例えば３〜５ｍｍの縦方向の溶接シームによって補ってもよい。

次の工程では、中間スリーブ１８は、その内径と長さを、内側スリーブから外側に向かって放射状に突出するフィン１６の長手方向の自由縁によって形成された内側スリーブ１４の外径と内側スリーブ１４の長さに合わせ、あらかじめ中間スリーブ１８と長手方向縁で正確に位置付けて接合した自由な長手方向縁が外側に向かって放射状に突出するフィン１６を備え、内側スリーブ１４から外側に放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁上に、軸方向ｙに同軸に取り付けて正確に位置合わせする。続いて、中間スリーブ１８を、下に位置する内側スリーブ１４のフィン１６の自由端縁部に、板溶接のビードによりレーザー光線で溶接し、それにより内側セル２２を形成する。

さらに次の工程で、外側スリーブ１２は、その内径と長さを、中間スリーブ１８から外側に向かって放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁によって形成された中間スリーブの外径と中間スリーブ１８の長さに合わせ、内側スリーブ１４から外側に放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁の上に軸方向ｙに同軸に取り付ける。続いて、外側スリーブ１２を、下に位置する中間スリーブ１８のフィン１６の自由端縁に、板溶接のビードにより溶接し、それにより外側セル２０を形成する。

ここで、外側スリーブ１２に両方の端面１１から延びる切込２６を設け、切込の先端に円形の凹部２８を設ける。

その後、外側シールスリーブ２４を外側スリーブ１２に取り付け、そこに接続する。このために、外側シールスリーブ２４は、その内径を外側スリーブ１２の外径と合せて、外側スリーブ１２上に軸方向ｙに同軸に取り付けられ、切込２６の先端の円形の凹部２８から突出する外側シールスリーブ２４の自由端は、２つの円周溶接シーム３４，３６によって外側スリーブ１２と接合される。

上述の接合はレーザービーム又は電子ビーム、特にレーザービームによって発生させた溶接シームとして実施されることが好ましい。しかし、接合ははんだづけでもよい。切込２６と凹部２８のカッティングもまたレーザービーム又は電子ビーム、特にレーザービームによって実行されることが好ましい。

図９と図１５に示すように、図示しない圧力波過給機のセル式ホイール１０は、セル式ホイール１０の回転軸ｙに同心に位置する外側スリーブ１２と、外側スリーブ１２に同心に位置する内側スリーブ１４と、外側スリーブ１２と内側スリーブ１４の間に同心に配置した中間スリーブ１８とから構成される。中間スリーブ１８と外側スリーブ１２の間の外側環状チャンバと、中間スリーブ１８と内側スリーブ１４の間の内側環状チャンバは、回転軸ｙに対して放射状に配置された帯状片のフィン１６によって、多数の外側セル２０と多数の内側セル２２に細分される。例示した、例えば直径Ｄと長さＬがそれぞれ１００ｍｍのセル式ホイール１０は、５４の外側セル２０と３６の内側セル２２を有する。外側スリーブ１２、中間スリーブ１８、内側スリーブ１４及びフィン１６は、例えば０．４ｍｍの均一な壁厚を有し、例えばインコネル２．４８５６等の高温耐熱性の金属材料からなる。回転軸ｙの方向の、上記部品の長さは、セル式ホイール１０の長さと同一の長さＬであり、セル式ホイール１０の２つの端面１１の間に延び、端面は回転軸ｙに対して垂直である。２つの端面１１の領域には，外側シールスリーブ２４が外側スリーブ１２上に周方向に延びて配置され、ラビリンスシールのシール成型物３０のシール表面３２を有し、このシール表面はセル式ホイール１０の端面１１と一直線になる。ラビリンスシールに要求されるシール表面３２ための合わせ面は、排ガス及び空気ハウジングの制御面によって形成され、制御面は圧力波過給機のセル式ホイール１０の端面１１に面する。

図９と図１５に示したセル式ホイールの場合、図１０の内側スリーブ１４は駆動シャフト１３に直接接続されている。駆動シャフト１３は、互いに離間して筒状先端部４６から放射状に突出する２つの環状ウェブ３８，４０を有する中空シャフトとして構成されている。環状ウェブ３８，４０の端面４２、４４は、駆動シャフト１３と同軸に整列させた内側スリーブ１４に接しており、駆動部側から、より離れて位置する環状ウェブ３８だけが内側スリーブ１４と、例えば、円周レーザー溶接シームによって接合される。駆動シャフト１３の回転軸は、内側スリーブ１４又は駆動シャフト１３に取り付けられたセル式ホイール１０の回転軸ｙに一致する。

円錐中間部４８は駆動シャフト１３の管状先端部４６に接続され、モーター駆動部に接続される連結片５４用のレセプタクル５２を備える実質的に管状のシャフト部５０に移行する。連結片５４は長手方向リブ５８を有する連結軸５６を有し、管状シャフト部５０のレセプタクル５２に連結片５４を挿入する際に、長手方向リブ５８がレセプタクル５２の対応する長手方向溝６０に係合する（図１１）。

図１０に示されるように、円周上に対称的に配置された第１の開口６２が駆動シャフト１３の管状先端部４６の２つの環状ウェブ３８，４０の間に設けられている。円錐中間部４８には、第２の開口６４が同様に円錐の周表面の上に対称的に配置されて設けられている。開口６２，６４は軽量化に役立ち、さらに空気が循環され、それに付随して冷却効果も得られる。

図１５と図１６は、セル式ホイール１０のさらなる実施形態を示す。セル式ホイール１０は、例えば、図２又は図１０の駆動シャフト１３に使用することができる。図１５，図１６，図１７に示すように、切込２６が中間スリーブ１８に、すなわち、隣り合うフィン１６の中間スリーブ１８との接合部１７の間に配置される。これらの図は、切込２６が中間スリーブ１８だけに設けられ、外側スリーブ１２と内側スリーブ１４は切込を有さない実施形態を示す。しかし、以下の説明は、外側スリーブ１２及び／又は中間スリーブ１８及び／又は内側スリーブ１４に切込を有する上述の実施形態にも適用することができる。

中間スリーブ１８のこれらの切込２６はフィン１６と平行に走り、セル式ホイール１０又は中間スリーブ１８の各端面１１から出発して、例えば１５ｍｍの長さにわたって延びる。切込２６は例えば、２ｍｍの直径の円形の凹部２８で終わる。

切込２６の機能を、図１８と図１９、さらに図１５と図１６を参照して以下に、より詳細に説明する。図１８と図１９は、回転軸ｙの方向から見た切り取り部分の概略図である。図１９は、図１５と図１６の、フィン１６とさらに中間スリーブ１８の一部が以下に説明する温度変化により変形している状態を表す。

圧力波過給機中に広がる作動状態によって、高温ガス側とさらに低温ガス側でも温度変化が急速に連続して起こり、端面１１から約２０ｍｍの深さまでの領域のセル式ホイール１０の内部は２００〜３００℃に達し、この領域において半径方向に、フィン１６の周期的に大きく変動する熱膨張と熱収縮が起こる。これらの膨張及び／又は収縮は材料に大きな応力を示し、試験ではフィン１６の領域にクラックが生じた。クラックは接合部１７に沿って、又はフィン１６自体の中に延び、それによりフィン１６のクラックが始まる可能性がある。

図１８は、セル式ホイール１０がその軸方向の長さ全体にわたり実質的に一定の作動温度での作動状態を示す。従って、これらの状況下では、フィン１６の半径方向の熱膨張に関して、セル式ホイール１０の長さ全体にわたり差はない。

図１５，１６，１９は、セル式ホイール１０の端面１１から約１５〜２０ｍｍの深さまで延びる縁領域のフィン１６の温度が、セル式ホイール１０の内部領域の温度より２００〜３００℃高い温度である作動状態を示す。これらの条件下では、縁領域のフィン１６の温度が高くなれば、セル式ホイール１０の内部のフィンに比べて大きな熱膨張が起こる。隣り合うフィン１６の中間スリーブ１８との接合部１７の間に設けられた切込２６により、中間スリーブ１８は、セル式ホイール１０の縁領域において縁片１８ａ，１８ｂに分割されるので、隣接する縁片１８ａ，１８ｂは半径方向に互いに位置をずらすことができる。このため、各フィン１６ａ，１６ｂはそこに接合されている縁片１８ａ，１８ｂとともに中間スリーブ１８の最初の位置から半径方向に膨張することができるので、急速に連続しておこる温度関連の高速負荷変動によって、フィン１６自体と外側及び内側スリーブ１２，１４との接合部１７の領域で引張応力が増大して緩和され、それにより材料にダメージを与えるかもしれないリスクがない。図１５，１６，１９に示した作動状態は、セル式ホイール１０の高温ガス側の高速で周期的な温度増加の結果である。このような切込２６の配置によって、フィン１６の半径方向の変形が可能となり、フィン１６の領域にかかる応力をかなり防止する。

フィン１６の温度関連の膨張の補償を、ここでもう一度図１６を参照して説明する。フィン１６ａは中間スリーブ１８の縁片１８ａに割り当てられ、この縁片は、フィン１６ａの左右に位置する２つの切込２６によって形成される。換言すれば、切込２６により、中間スリーブ１８の基体から突出する縁片１８ａが形成されると言うこともできる。フィン１６ａは接合部１７を介して縁片１８ａにしっかり接続される。温度が上昇する間、フィン１６ａは縁片１８ａを介して前領域で半径方向に変形し、この変形は縁片１８ａの回転軸ｙの方向への移動によって補償される。フィン１６ａ自体には応力が生じないか、あるいは、非常に小さい応力が生じる。

フィン１６ｂに関して、いま説明したことを繰り返すことができ、変形は回転軸ｙから離れる方向に起こる。フィン１６ｂはここでは縁片１８ｂに接続されているが、フィン１６ｂが変形する間は、対応する縁片１８ｂが変形する。この縁片１８ｂは、中間スリーブ１８内のフィン１６ｂの左右に延びる２つの切込２６によって設けられる。

低温ガス側の急速な温度変化の結果、セル式ホイール１０の縁領域のフィン１６は、セル１０の内側のフィンに比べて２００〜３００℃低い作動状態になる。これらの条件下で、セル式ホイール１０の内側のフィンに比べて、セル式ホイール１０の縁領域ではフィン１６の温度は低く、半径方向に強い収縮が起こる。このように、各フィン１６ａ，１６ｂはこれらと接合された縁片１８ａ，１８ｂとともに、中間スリーブ１８の最初の位置から半径方向に収縮することができ、急速に連続しておこる温度関連の高速負荷変動によって、フィン１６自体及び外側及び内側スリーブ１２，１４との接合部１７の領域で圧縮応力が増大して緩和され、材料に損傷を与えるかもしれないリスクがない。

外側シールスリーブ２４の配置を図１２，１４及び１５に示す。円筒状の外側シールスリーブ２４の幅は、例えば、２０ｍｍである。セル式ホイール１０の両方の端面１１では、図２０〜２２に示した外側シールスリーブ２４が、外側に放射状に突出して、セル式ホイール１０の端面１１と一直線になる、例えば１．５ｍｍの幅ｄ３のシール表面３２を有するシール成型物３０を有し、ラビリンスシールを形成する。セル式ホイール１０の端面１１から遠くの領域には、外側シールスリーブ２４が、外側スリーブ１２上に実質的にポジティブロッキング方法で取り付けられ、円周溶接シーム３４を介してこの領域で外側スリーブ１２と接合される。セル式ホイール１０の端面１１から外側スリーブ１２との接合領域まで、例えば０．２５ｍｍの壁厚ｄ１の外側シールスリーブ２４は、例えば０．１３ｍｍの厚さｄ２の減肉領域２３を有し、従って、外側スリーブ１２から半径方向に距離があり、それにより、セル式ホイール１０の端面１１から外側シールスリーブ２４の外側スリーブ１２との接合領域まで、シールスリーブ２４と外側スリーブ１２の間に環状間隙６６が生まれ、その間隙はセル式ホイール１０の端面１１で開いている。シールスリーブ２４と外側スリーブ１２の互いに関連する位置を安定させるために、シールスリーブ２４は、スペーサ６８として、シール成型物３０の下に位置して内側に放射状に突出する、例えば０．１３ｍｍの高さｄ４のノーズを有する。例えば、６個のスペーサ６８がシールスリーブ２４のシール成型物３０の円周にわたり均一に分散して配置される。

図１０，１２，１３，１４及び１７に示すように、図２３〜２５に示される第１内側シールスリーブ７０と図２６〜２８に示される第２内側シールスリーブ７２は、内側スリーブ１４に挿入される。第１内側シールスリーブ７０は高温ガス側に配置され、第２内側シールスリーブ７２はセル式ホイール１０の低温ガス側に配置される。

セル式ホイール１０の端面１１では、内側シールスリーブ７０，７２は、例えば幅１．５ｍｍのシール表面７５を有する環状ウェブの形状の、放射状に内側に突出するシール成型物７４を有し、そのシール表面はセル式ホイールの端面１１と一直線になっている。セル式ホイール１０の端面１１から内側スリーブ１４に延びる、例えばそれぞれ長さ２０ｍｍの領域に，内側シールスリーブ７０，７２は減肉領域７３を有し、それにより内側スリーブ１４から半径方向に距離があり、その結果、セル式ホイール１０の端面１１から出発する、内側シールスリーブ７０，７２と内側スリーブ１４との間の環状間隙６６が生まれ、その間隙は，セル式ホイール１０の端面１１で開いている。環状間隙６６に続いて、内側スリーブ１４の内側シールスリーブ７０，７２は実質的ポジティブロッキング方法で係合し、駆動シャフト１３の管状端部４６でそれぞれ近くの環状ウェブ３８，４０に延び、円周溶接シームによって、それぞれの環状ウェブ３８，４０と接合される。駆動シャフト１３の管状端部４６で環状ウェブ３８，４０は、円周溶接シームによって、内側スリーブ１４と接続される。駆動側からより離れたセル式ホイール１０の端面１１、すなわち、高温ガス側では、シール成型物７４は、内側スリーブ１４を閉じる外部カバー７８に溶接される。同様に、駆動シャフト１３の管状端部４６では駆動側からより離れた環状ウェブ３８が、セル式ホイール１０の内部の内側スリーブ１４を閉じる内部カバー８０に溶接される。内側シールスリーブ７０，７２と内側スリーブ１４の互いに関連する位置を安定させるために、内側シールスリーブ７０，７２は外側に、すなわち、シール成型物７４の上に，内側スリーブ１４に対するスペーサ６８として、半径方向外側に突出するノーズが設けられる。例えば、６個のスペーサ６８を内側シールスリーブ７０，７２の円周にわたり均一に分散して配置させる。図２０〜２２に示した外側シールスリーブ２４の寸法ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４の上記の値は、図２３〜２８に示す内側シールスリーブ７０，７２にも適用される。

セル式ホイール１０の端面１１で、すなわち、シールスリーブ２４，７０，７２と、外側又は内側スリーブ１２との間に、開いた環状間隙６６を作るために、シールスリーブ２４，７０，７２の外径が一定であるのに対し、内径が増加していることは、図１２，１４，１７及び図２０〜２８から特に明らかである。これは立体形成（ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍｉｎｇ）で材料を薄くすることにより達成でき、環状間隙領域から移動させた材料をシール成型物３０，７４の形成に利用する。外側シールスリーブ２４と外側スリーブ１２の間の環状間隙の幅を広げるために、図１２及図１４に示すように、さらに、外側スリーブ１２の外径を環状間隙領域で減少させ、一方で内径を同じに保つ。ここでは、外側スリーブ１２の壁厚ａ１は例えば、０．２５ｍｍであり、減肉領域２３の厚さａ２は、例えば、０．１３ｍｍである。シールスリーブ７０，７２と内側スリーブ１４との間の環状間隙の幅は同様に、内側スリーブ１４の外径は同じままで内径を減少させることにより増加させることができる。外側スリーブ１２のために上述した値ａ１とａ２を内側スリーブ１４にも適用する。

セル式ホイール１０を製造するために、内側スリーブ１４に、長手方向縁と正確に位置合わせをして、自由な長手方向縁が半径方向外側に突出するフィン１６を設ける。続いて、中間スリーブ１８の内径と長さを、内側スリーブから放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁によって形成された外径と内側スリーブ１４の長さに合わせる。中間スリーブ１８は、あらかじめ中間スリーブ１８と長手方向縁と正確に位置合わせをして接合し、自由な長手方向縁で外側に放射状に突出するフィン１６を有し、内側スリーブ１４から外側に放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁の上に軸方向ｙに同軸に取り付けられ、正確に位置合わせされる。その後、中間スリーブ１８を、下に位置する内側スリーブ１４のフィン１６の自由端縁に、板溶接のビードにより溶接し、それにより内側セル２２を形成する。続いて、中間スリーブ１８に両方の端面１１から延びる切込２６を設け、切込の先端に円形凹部２８を設ける。

次の工程では、外側スリーブ１２の内径と長さを、中間スリーブ１８から外側に放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁によって形成された外径と、中間スリーブ１８の長さに合わせ、外側スリーブ１２を、中間スリーブ１４から外側に放射状に突出するフィン１６の自由な長手方向縁の上に軸方向ｙに同軸に取り付ける。次に、外側スリーブ１２を、下に位置する中間スリーブ１８のフィン１６の自由端縁部に、レーザービームを用いて板溶接のビードにより溶接し、それにより外側セル２０を形成する。

さらに次の工程で、外側シールスリーブ２４の内径を外側スリーブ１２の外径に合わせ、外側スリーブ１２上に軸方向ｙに同軸に取り付け、そこに接合する。同様に、内側シールスリーブ７０，７２の外径を内側スリーブ１４の内径に合わせ、内側スリーブ１４内に軸方向ｙに同軸に挿入し、そこに接合し、駆動シャフト１３の管状端部４６で環状ウェブ３８，４０と接合する。続いて、内部及び外部カバー８０，７８を挿入して、管状端部４６の環状ウェブ３８及び高温ガス側のシールスリーブ７０の環状ウェブ７４とそれぞれ接合する。

上述の接合はレーザー又は電子ビームによって、特にレーザービームによって生成された溶接シームとして実現されることが好ましい。しかし、接合ははんだ付けしてもよい。切込２６と凹部２８のカッティングも同様に、レーザー又は電子ビームで、特にレーザービームで実行されることが好ましく、約１５μｍの最小のカッティング幅が達成される。

１０ セル式ホイール
１１ 端面
１２ 外側スリーブ
１３ 駆動シャフト
１４ 内側スリーブ
１５ フランジスリーブ
１６ フィン
１７ 接合部１６／１２，１６／１４
１８ 中間スリーブ
１９ １６の肉厚部
２０ 外側セル
２２ 内側セル
２３ 減肉領域
２４ 外側シールスリーブ
２５ ２４の周縁エッジ
２６ １２，１４，１８の切込
２８ 凹部
３０ シール成型物
３２ ３０のシール表面
３４，３６ 接合部２４／１２
３８，４０ 環状ウェブ
４２，４４ 端部表面
４６ 管状端部
４８ 円錐中間部
５０ 管状シャフト部
５２ レセプタクル
５４ 連結片
５６ 連結軸
５８ 長手方向リブ
６０ 長手方向溝
６２ 第１の開口
６４ 第２の開口
６６ 環状間隙
６８ ノーズ／スペーサ
７０ 第１内側シールスリーブ
７２ 第２内側シールスリーブ
７３ 減肉領域
７４ シール成型物
７５ ７４のシール表面
７６ 凹部
７７ ７０，７２の周縁エッジ
７８ 外部カバー
８０ 内部カバー
ｙ 回転軸
ａ１ １２，１４，１８の厚さ
ａ２ ２３の厚さ
ｄ１ ２４，７０，７２の厚さ
ｄ２ ７３の厚さ
ｄ３ ７４の厚さ
ｄ４ ６８の厚さ
ｅ ２６の長さ
ｆ ２８の直径
ｇ ２４の幅
ｈ ３２の幅
ｍ ２４の干渉部

Claims (17)

1. 金属製のセル式ホイールであって、回転軸（ｙ）と同軸に配置された外側スリーブ（１２）と、前記外側スリーブ（１２）と同軸に配置された内側スリーブ（１４）と、前記外側スリーブ（１２）と前記内側スリーブ（１４）の間にこれらに同軸に配置された少なくとも１つの中間スリーブ（１８）と、連続するスリーブ（１２，１８；１８，１４）の間に配置されて、前記回転軸（ｙ）に対して実質的に放射状に配列されて、隣接するスリーブ（１２，１８；１８，１４）と接合されたフィン（１６）とを有し、
   さらに、前記外側スリーブ（１２）の上に係合して、前記外側スリーブ（１２）と接合されて、ラビリンスシールのためのシール成型物（３０）を有する外側シールスリーブ（２４）と、前記回転軸（ｙ）に位置する駆動シャフト（１３）とを有するセル式ホイールであって、
   少なくとも前記外側スリーブ（１２），前記内側スリーブ（１４）及び／又は前記中間スリーブ（１８）又は少なくとも１つの中間スリーブ（１８）が、隣り合うフィン（１６）の間に，前記セル式ホイールの両方の端面（１１）から延びる切込を有するか、あるいは、
   前記中間スリーブ（１８）だけ、又は少なくとも１つの前記中間スリーブ（１８）だけが前記セル式ホイール（１０）の２つの端面（１１）から延びる切込（２６）を有するセル式ホイール。
2. 前記切込（２６）が凹部（２８）で終わり、及び／又は、いずれの場合も、２つの隣り合う切込（２６）が前記スリーブ（１２，１４，１８）のそれぞれと連結された縁片（１８ａ，１８ｂ）を形成し、１つの縁片が、いずれの場合も１つのフィン（１６）に割り当てられ、前記凹部（２８）の寸法（ｆ）が好ましくは１〜２ｍｍである、請求項１に記載のセル式ホイール。
3. 前記内側スリーブ（１４）が、前記内側スリーブと同軸に配置され、前記駆動シャフト（１３）と接合されたフランジスリーブ（１５）上に配置され、
   前記外側スリーブ（１２）が、隣り合うフィン（１６）の間に前記セル式ホイール（１０）の両方の端面（１１）から延びる切込（２６）を有し、
   前記外側シールスリーブ（２４）の周縁エッジ（２５）が、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）から遠くに配置され、距離（ｍ）だけ前記切込（２６）から突出し、前記外側シールスリーブ（２４）が、前記切込（２６）から突出する領域でのみ前記外側スリーブ（１２）と接合される、請求項１又は２に記載のセル式ホイール。
4. 前記外側スリーブ（２４）のシール成型物（３０）が前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）と一直線になるシール表面（３２）を有し、前記シールスリーブ（２４）が前記外側スリーブ（１２）とともに、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）で開いている環状間隙（６６）を形成する、請求項３に記載のセル式ホイール。
5. 前記内側スリーブ（１４）が、隣り合うフィン（１６）の間に、前記セル式ホイール（１０）の両方の端面（１１）から延びる切込（２６）を有し、前記内側スリーブ（１４）が、互いに対向して位置する切込（２６）の間の隣り合うフィン（１６）の間で、前記フランジスリーブ（１５）と接合される、請求項３又は４に記載のセル式ホイール。
6. 前記内側スリーブ（１４）が前記駆動シャフト（１３）と接合され、前記中間スリーブ（１８）が、隣り合うフィン（１６）の間で、前記セル式ホイール（１０）の両方の端面（１１）から延びる切込（２６）を有する、請求項１に記載のセル式ホイール。
7. 前記外側シールスリーブ（２４）のシール成型物（３０）が、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）と一直線になるシール表面（３２）を有し、前記内側スリーブ（１４）内に、前記内側スリーブ（１４）と接合された内側シールスリーブ（７０，７２）が配置され、該内側シールスリーブが、ラビリンスシールを形成するための、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）と一直線になるシール表面（７５）を有するシール成型物（７４）を有する、請求項６に記載のセル式ホイール。
8. 前記シールスリーブ（２４，７０，７２）が、前記外側及び内側スリーブ（１２，１４）のそれぞれと、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）から遠くに位置する端部の領域でのみ接合され，前記外側及び内側スリーブ（１２，１４）とともに，それぞれ前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）で開いている環状間隙（６６）を形成する、請求項７に記載のセル式ホイール。
9. 前記環状間隙（６６）の体積が、前記環状間隙（６６）の領域で減少する前記シールスリーブ（２４，７０，７２）の壁厚（ｄ２）によって増加し、又は、前記環状間隙（６６）の体積が、前記環状間隙（６６）の領域で減少する前記外側及び内側スリーブ（１２，１４）それぞれの壁厚（ａ２）によって増加する、請求項４又は８に記載のセル式ホイール。
10. 前記環状間隙（６６）を安定させるために、前記シールスリーブ（２４，７０，７２）の円周にわたって分散して配置されたスペーサ要素（６８）が、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）の領域で、前記外側及び内側スリーブ（１２，１４）のそれぞれに面している前記シールスリーブ（２４，７０，７２）の側から突出する、請求項８又は９に記載のセル式ホイール。
11. 前記環状間隙（６６）を安定させるために、前記外側及び内側スリーブ（１２，１４）それぞれの円周にわたって分散して配置したスペーサ要素（６８）が、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）の領域で、前記外側及び内側スリーブ（１２，１４）のそれぞれの、前記シールスリーブ（２４，７０，７２）に面している側から突出する、請求項８〜１０のいずれかに記載のセル式ホイール。
12. 前記切込（２６）の長さ（ｅ）が、前記セル式ホイール（１０）の長さ（Ｌ）の１０％〜３０％であり、及び／又は、前記外側スリーブ（１２）、前記内側スリーブ（１４）、前記中間スリーブ（１８）、前記フィン（１６）及び前記シールスリーブ（２４，７０，７２）が、厚さ０．５ｍｍ未満の金属薄板から作られる、請求項１〜１１のいずれかに記載のセル式ホイール。
13. 前記駆動シャフト（１３）が２つの環状ウェブ（３８，４０）を有し、該環状ウェブは前記駆動シャフト（１３）と同軸に、かつ互いに離間して配置され、前記内側スリーブ（１４）のための支持面として円周面（４２，４４）を有し、前記環状ウェブ（３８，４０）の少なくとも１つが前記内側スリーブ（１４）と接合される、請求項６に記載のセル式ホイール。
14. 前記内側シールスリーブ（７０，７２）の端部が、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）から遠くに位置し、前記環状ウェブ（３８，４０）の１つと接合され、及び／又は、前記セル式ホイール（１０）の前記端面（１１）で内側シールスリーブ（７０）がカバー（７８）と接合され、及び／又は、環状ウェブ（３８）がカバー（７８）と接合される、請求項１３に記載のセル式ホイール。
15. 前記駆動シャフト（１３）が、管状端部（４６）、円錐中間部（４８）及び、モーター駆動部に連結される連結片（５４）用のレセプタクル（５２）を備える管状シャフト部（５０）を有する中空シャフトとして構成される、請求項１３又は１４に記載のセル式ホイール。
16. 前記管状端部（４６）と前記円錐中間部（４８）が、円周にわたって対称に配置された開口（６２，６４）を有し、及び／又は、前記連結片（５４）が長手方向リブ（５８）を有する連結軸（５６）を有し、前記連結片（５４）を前記管状シャフト部（５０）の前記レセプタクル（５２）内にスライドさせる際に、前記長手方向リブ（５８）が前記レセプタクル（５２）の長手方向溝（６０）に係合する、請求項１５に記載のセル式ホイール。
    
17. 内燃機関、特にオットーエンジンに過給するための圧力波過給機における、請求項１〜１６のいずれかに記載のセル式ホイール（１０）の使用。

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