JP2007064139A

JP2007064139A - 高速回転装置

Info

Publication number: JP2007064139A
Application number: JP2005253260A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Saito; 英文斎藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】潤滑性能を維持することで高速回転軸を温度上昇や振動を生じることなく安定して支持できる高速回転装置を提供する。
【解決手段】翼車３、４に一体化される回転軸２を転がり軸受５、６により支持し、ハウジング７により覆う。ハウジング７内に液面２０ａを有するように潤滑油２０を貯留する。超音波発生装置３０は、液面２０ａから潤滑油２０の微小粒子を放出させるために潤滑油２０内で超音波を発生する超音波振動子３０ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、翼車に一体化された回転軸を有する高速回転装置に関し、その翼車により気体を圧縮する圧縮装置として用いるのに適する。

例えば、レーザ発信器のような種々の気体を用いるプロセス装置においては、その気体をブロワやコンプレッサのような圧縮装置により圧縮して循環させている。圧縮される気体の体積流量が多い場合、容積型圧縮装置に比べて小型の遠心型の圧縮装置が一般的に使用される。遠心型圧縮装置における翼車の周速は、必要な圧縮比を得るために音速近くまたは音速を越える場合があり、この場合、翼車と一体的に回転する回転軸の回転速度は数万〜十数万ｒｐｍに達する。

そのような用途では大気圧より低い領域での運用が多いが、気圧が低いため、高速回転軸の軸受としてティルティングパッドやフォイルの動圧軸受や静圧軸受を用いる場合、低圧環境下で支持に必要な力を発生するためには軸受が大きくなってしまったり、軸受面での保持圧確保のため多量のガスやオイルを供給する必要がある。また、そのような回転軸の軸受としてターボ分子ポンプ等において実用化されている磁気軸受装置を用いる場合、ターボ分子ポンプ等に比べて高い圧力下で運用されるプロセス装置等においては支持に必要な磁力を大きくする必要があるため、軸受装置が大掛かりなものとなる。すなわち、真空領域までは行かないが大気圧より低いプロセス圧力で運用されるプロセス装置等においては、高速回転軸の軸受として静圧流体軸受、動圧流体軸受、磁気軸受装置等は実用的でないことから、質量が小さく面圧強度の高いセラミック等のボールやローラを転動体とする転がり軸受が採用される場合が多い。

転がり軸受は、負荷能力が高く小型化が容易であるが、転動体の転動面において油膜を維持するための潤滑が必要である。その油膜の厚さが過大になると転動体に対する粘性抵抗が大きくなり、回転摩擦による発熱増加や振動を生じる。そのため、油膜切れを起こさず、かつ、油膜厚さが過大にならないように潤滑油を供給する必要がある。また、回転軸を覆うハウジング内における雰囲気圧力が低く気体が希薄になると、回転軸から周囲へ熱を放散し難くなる。特に、そのハウジング内において翼車の駆動用モータのロータが回転軸に一体化され、そのモータのステータがハウジングに取り付けられる場合、モータの銅損による熱も放散し難くなる。そのため、十分な潤滑ができないと、回転軸やモータにおいて強度低下が生じたり、熱膨張による変形により質量分布がアンバランスになって振動が生じる。

そのような高速回転軸の潤滑を行うため、縦軸心の回転軸の中心に沿って中空部を設け、その回転軸を潤滑油内で回転させることで、遠心力により潤滑油を中空部内に吸引し、その中空部内から潤滑部位に油路を介して潤滑油を導くことが提案されている（特許文献１参照）。また、毛管現象で潤滑油を吸い上げるウイックを回転軸に接触させることも行われている。
特開２００１−１２３８６号公報

従来の潤滑構造によれば、回転軸の回転数等の動作条件が変化した場合、その変化に応じて最適な潤滑状態になるように潤滑性能を変化させることが困難であった。本発明は、そのような課題を解決することのできる高速回転装置を提供することを目的とする。

本発明の高速回転装置は、回転軸と、前記回転軸に一体化される翼車と、前記回転軸を支持する転がり軸受と、少なくとも前記回転軸と前記転がり軸受を覆うハウジングと、前記ハウジング内または前記ハウジングに連通するタンク内に液面を有するように貯留される潤滑油と、前記液面から前記潤滑油の微小粒子を放出させるために前記潤滑油内で超音波を発生する超音波振動子を有する超音波発生装置とを備える。
本発明によれば、潤滑油内で超音波振動子を高周波数で振動させることにより、超音波キャビテーション現象により潤滑油液面から潤滑油の微小粒子を霧状に放出させることができる。その微小粒子化された潤滑油の放出量や径は回転軸の回転数等の動作条件の影響を受けないため、転がり軸受の転動体の転動面における油膜厚さを適正に制御でき、回転軸の冷却を確実に行える。例えば、回転軸の回転速度に応じて潤滑油の霧化量を変更したり、振動子の振動周波数を変更することで潤滑油の微小粒子の径を変更することで、軸受や回転軸への潤滑油供給量を調整できる。これにより、転動体の転動面における油膜切れや油膜厚さが過大になるのを容易に防止でき、また、回転軸の強度低下や変形を防止できる。

前記ハウジング内の気圧の最小値が大気圧未満とされ、前記ハウジング内において、前記翼車の駆動用モータのロータが前記回転軸に一体化され、そのモータのステータが前記ハウジングに取り付けられるのが好ましい。これにより、ハウジング内においてモータの発熱量が増大し、ハウジング内の気圧が大気圧未満となって回転軸やモータから周囲へ熱を放散し難くても、ハウジング内において漂う潤滑油の微小粒子の量を確保でき、回転軸、軸受、モータの十分な潤滑と冷却状態を維持できるので、本発明を効果的に利用することができる。

本発明においては、微小粒子化された前記潤滑油を、前記液面から前記ハウジング内における予め定められた位置に導く誘導路が設けられているのが好ましい。これにより、潤滑が必要な部位に微小粒子化された潤滑油を確実に導くことができる。

前記超音波の強さは可変とされているのが好ましい。これにより、ハウジング内の温度上昇時に微小粒子化される潤滑油の量を増大させ、温度低下を図ることができる。

前記超音波の周波数は可変とされているのが好ましい。これにより、微小粒子化される潤滑油の量を変化させることなく、その微小粒子の径を変化させることで、微小粒子化された潤滑油がハウジング内で漂う時間を変化させ、潤滑性能を適正化できる。

本発明の高速回転装置によれば、高速回転軸を温度上昇や振動を生じることなく安定して支持でき、その回転軸にモータのロータが一体化される場合や低圧環境下でも潤滑性能を維持できる。

図１に示す高速回転装置１は気体の圧縮装置として用いられるもので、回転軸２、回転軸２の一端に一体化される第１遠心翼車３、回転軸２の他端に一体化される第２遠心翼車４、回転軸２の一端近傍を支持する第１転がり軸受５、回転軸２の他端近傍を支持する第２転がり軸受６、回転軸２を覆うハウジング７を備える。各軸受５、６は、本実施形態ではセラミック製ボールを転動体５ａ、６ａとするセラミック軸受とされ、ラビリンスシール８、９を介してハウジング７の内端面に取り付けられる。なお、転動体５ａ、６ａはボールでなくローラであってもよい。ハウジング７内において、翼車３、４を駆動する誘導モータ１１のロータ１１ａが回転軸２に一体化され、そのモータ１１のステータ１１ｂがハウジング７に取り付けられる。モータ１１の回転速度は、図外電源からステータ１１ｂのコイル１１ｂ′に印加される交流電圧の周波数をインバータ１２により変化させることで可変とされている。

各翼車３、４はスクロール１５、１６により覆われ、モータ１１により駆動されることで高速回転する。本実施形態においては、各翼車３、４の外周における周速の最大値が音速以上とされる。高速回転する各翼車３、４によりスクロール１５、１６内に吸引された気体が圧縮される。例えば、５００〜４０００ｍ³／時程度の体積流量のプロセス用ガスを圧縮するために高速回転装置１は用いられる。ハウジング７の内部とスクロール１５、１６の内部との間はラビリンスシール８、９を介して閉鎖されるが、気体の漏れがあるため、その気体の吸引圧が大気圧より低くなることでハウジング７内の気圧の最小値は大気圧未満とされる。

ハウジング７内に潤滑油２０が貯留される。潤滑油２０はハウジング７の底部近傍にのみ貯留されることで液面２０ａを有するものとされる。モータ１１のステータ１１ｂはハウジング７の底部に対しては支持部材２１を介して取り付けられ、支持部材２１には潤滑油２０の連通路２１ａが形成されている。なお、貯留された潤滑油２０を冷却するため、例えばハウジング７にフィンを設け、そのフィンに冷却風を送るファン等を有する冷却機構を設けてもよい。

潤滑油２０内で超音波を発生する複数の超音波振動子３０ａを有する超音波発生装置３０が設けられている。各超音波振動子３０ａはハウジング７内の底面に取り付けられている。超音波振動子３０ａの振動によって超音波が発生することで、液面２０ａから潤滑油２０の微小粒子が放出される。各超音波振動子３０ａは、電源回路３１から供給される交流電圧の周波数に応じた周波数て振動することにより超音波を発生し、その超音波の周波数はインバータ１２により電源周波数を変化させることで可変とされ、また、その超音波の強さは電源回路３１の出力電圧を変化させることで可変とされている。その超音波の周波数が大きくなる程に液面２０ａから放出される潤滑油２０の微小粒子は小さくなり、その超音波の強さが強くなる程に液面２０ａから放出される潤滑油２０の微小粒子の量が多くなる。

その微小粒子化された潤滑油２０を液面２０ａからハウジング７内における予め定めた位置に導く誘導路４０が設けられている。本実施形態における誘導路４０は、ハウジング７に取り付けられるプレート等により囲まれる空間により構成され、予め定めた位置として、各軸受５、６と、モータ１１と、回転軸２の配置位置に微小粒子化された潤滑油２０を図中矢印Ａで示すように導く。これにより、微小粒子化された潤滑油２０により軸受５、６が潤滑され、モータ１１と回転軸２が冷却される。

上記実施形態によれば、潤滑油２０内で超音波振動子３０ａを高周波数で振動させることにより、超音波キャビテーション現象により液面２０ａから潤滑油２０の微小粒子を霧状に放出させることができる。その微小粒子化された潤滑油２０の放出量や径は回転軸２の回転数等の動作条件の影響を受けないため、軸受５、６の転動体５ａ、６ａの転動面における油膜厚さを適正に制御でき、回転軸２の冷却を確実に行える。例えば、回転軸２の回転速度に応じて潤滑油２０の霧化量を変更したり、超音波振動子３０ａの振動周波数を変更することで潤滑油２０の微小粒子の径を変更することで、軸受５、６や回転軸２への潤滑油２０の供給量を調整できる。これにより、転動体５ａ、６ａの転動面における油膜切れや油膜厚さが過大になるのを容易に防止でき、また、回転軸２の強度低下や変形を防止できる。さらに、ハウジング７内においてモータ１１の発熱量が増大し、ハウジング７内の気圧が大気圧未満となって回転軸やモータ１１から周囲へ熱を放散し難くても、ハウジング７内において漂う潤滑油２０の微小粒子の量を確保でき、回転軸２、軸受５、６、モータ１１の十分な潤滑と冷却状態を維持できる。さらに誘導路４０により、軸受５、６における転動体５ａ、６ａの転動面や発熱源となるモータ１１やモータ１１の熱が伝わる回転軸２といった部位に、微小粒子化された潤滑油２０を確実に導くことができ、軸受５、６における油膜切れの防止や発熱部位の温度低下を確実に実現できる。その超音波の強さを可変とすることで、ハウジング７内の温度上昇時に微小粒子化される潤滑油２０の量を増大させ、温度低下を図ることができる。また、その超音波の周波数を可変とすることで、微小粒子化される潤滑油２０の量を変化させることなく、その微小粒子の径を変化させることで、微小粒子化された潤滑油２０がハウジング７内で漂う時間を変化させ、潤滑性能を適正化することができる。この場合、電源回路３１の出力電圧や電源周波数を制御するスイッチを手動により操作することで、あるいは、回転軸２の回転速度、モータ１１の駆動電流等のハウジング７内の温度に相関する値を検出するセンサを設け、その検出値に応じて電源回路３１の出力電圧や電源周波数を変化させる制御装置を設けることで自動的に、超音波の強さや周波数を可変としてもよい。

図２は本発明の変形例を示す。上記実施形態との相違は、ハウジング７に通気管５１を介して連通するタンク５０内に、ハウジング７内に代えて、潤滑油２０が貯留され、超音波振動子３０ａが設けられ、潤滑油の微小粒子がガイド管５２を介してハウジング７内に導入される。他は上記実施形態と同様で同一部分は同一符号で示す。なおタンク５０を複数設けてもよい。

本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。例えば、誘導路４０は微小粒子化された潤滑油２０を軸受５、６とモータ１１と回転軸２の中の何れか一つのみに導くものでもよく、また、その他の位置に導くものでもよく、要は潤滑が必要な部位に潤滑油２０を導くことができればよい。軸受５、６は転がり軸受であればセラミック軸受である必要はない。また、回転軸２をハウジング７の外部に設ける駆動源により駆動してもよいし、翼車３、４や軸受５、６の数は特に限定されない。

本発明の実施形態に係る高速回転装置の構成説明用断面図本発明の変形例に係る高速回転装置の構成説明用断面図

符号の説明

１高速回転装置
２回転軸
３、４翼車
５、６転がり軸受
７ハウジング
１１モータ
１１ａロータ
１１ｂステータ
２０潤滑油
２０ａ液面
３０超音波発生装置
３０ａ超音波振動子
４０誘導路
５０タンク

Claims

回転軸と、
前記回転軸に一体化される翼車と、
前記回転軸を支持する転がり軸受と、
少なくとも前記回転軸と前記転がり軸受を覆うハウジングと、
前記ハウジング内または前記ハウジングに連通するタンク内に液面を有するように貯留される潤滑油と、
前記液面から前記潤滑油の微小粒子を放出させるために前記潤滑油内で超音波を発生する超音波振動子を有する超音波発生装置とを備える高速回転装置。
前記ハウジング内の気圧の最小値が大気圧未満とされ、
前記ハウジング内において、前記翼車の駆動用モータのロータが前記回転軸に一体化され、そのモータのステータが前記ハウジングに取り付けられる請求項１に記載の高速回転装置。
微小粒子化された前記潤滑油を、前記液面から前記ハウジング内における予め定められた位置に導く誘導路が設けられている請求項１または２に記載の高速回転装置。
前記超音波の強さは可変とされている請求項１〜３の中の何れかに記載の高速回転装置。
前記超音波の周波数は可変とされている請求項１〜４の中の何れかに記載の高速回転装置。