JP2007154678A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】流体機械において、シャフトとインペラとを締まりばめにより相互結合する際の、両者間の軸線方向への相対位置ずれを、簡易な構成により確実に防止する。
【解決手段】流体機械１０は、シャフト１２とインペラ１４との間に設けられ、シャフトの予め定めた位置にインペラを位置決めする位置決め部１８と、位置決め部に隣接して軸穴１６の中に設けられ、シャフトとインペラとの間に締まりばめを形成する嵌合部２０と、嵌合部に隣接して軸穴の中に設けられ、シャフトとインペラとの間に隙間を形成する遊挿部２２とを備える。焼きばめ及び冷やしばめの少なくとも一方の手法によってシャフトをインペラに固定する際に、位置決め部の作用によりインペラをシャフト上の軸線方向所定位置に正確に位置決めした状態で、シャフトとインペラとを、嵌合部における締まりばめにより強固に結合させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体機械に関し、特に、シャフトとインペラとが締まりばめにより相互結合される流体機械に関する。

レーザ発振器で使用される送風機のような高速回転型の流体機械においては、シャフト（回転軸）にインペラを精度良く強固に取り付ける必要がある。そこで従来、例えば特許文献１に記載されるように、インペラをシャフトに焼きばめすることで、両者の高速回転中に生じ得る周方向への相対的変動を防止し、安定した高速回転を遂行できるようにしている。また、特許文献２に記載されるように、インペラに設けられる軸穴の一部分のみを、焼きばめによりシャフトに嵌合させる構成も知られている。特許文献２にはさらに、インペラを、そのガス入口側を上に向けて定盤に載せ、その状態で、インペラの軸穴のガス入口側に設けた嵌合部を加熱して拡径し、シャフトをインペラの上方から軸穴に所定位置まで挿入した時点で、加熱を解除して焼きばめを完了させる手法が記載されている。

特開平７−６３１９３号公報（図２） 特開２００４−６０４６０号公報（図１、図２）

従来の流体機械において、インペラをシャフトに焼きばめする構成では、一般に、インペラの収縮時にインペラとシャフトとが最初に係合した箇所が基準となって両者の相互固定位置が決まり、その後にインペラが完全に収縮してシャフトに強固に固定される。このとき、シャフト上でのインペラの固定位置（すなわち最初の係合箇所の位置）は、それぞれの加工精度のばらつき等に起因して、正確に予測することが一般に困難である。したがって、シャフト上でインペラを、予め定めた軸線方向位置に正確に位置決めして固定することが困難になり、結果として、流体機械の作動信頼性や性能に悪影響を及ぼすことが懸念される。

例えば、インペラに隣接して軸シールや軸受が設置される構成では、シャフト上でのインペラの軸線方向位置が設定位置からずれていると、その影響で軸シールや軸受の軸線方向位置も設定位置からずれることになる。特に、軸受に位置ずれが生じると、シャフトの高速回転中に異常振動を発生し、軸受や流体機械本体に損傷を招ずる恐れもある。このような問題は、前述した特許文献１に記載されるような、インペラを軸穴の全体でシャフトに固定する構成だけでなく、前述した特許文献２に記載されるような、インペラを軸穴の一部分でシャフトに固定する構成においても、シャフト上でのインペラの固定位置（すなわち最初の係合箇所の位置）の特定が困難であるという理由から、同様に起こり得るものである。

このような問題を解決するために、焼きばめ工程に際し、インペラが完全に収縮するまでの間、インペラとシャフトとをプレス機械等で拘持することにより、両者間の軸線方向への相対位置ずれを防止する方策が採られる場合がある。また、インペラの収縮完了までの時間を短縮する目的で、専用の冷却機構を用意する場合もある。しかし、これらプレス機械や冷却機構等の付帯設備は、流体機械の製造コストを増加させる要因となり得る。

本発明の目的は、シャフトとインペラとが締まりばめにより相互結合される流体機械において、シャフトとインペラとを結合する際の両者間の軸線方向への相対位置ずれを、簡易な構成により確実に防止でき、以って、安全性及び作動信頼性に優れた安価でかつ高性能の流体機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、シャフトと、シャフトが挿入される軸穴を有するインペラとを具備し、インペラがシャフトに締まりばめにより結合される流体機械において、シャフトとインペラとの間に設けられ、シャフトの予め定めた位置にインペラを位置決めする位置決め部と、位置決め部に隣接して軸穴の中に設けられ、シャフトとインペラとの間に締まりばめを形成する嵌合部と、嵌合部に隣接して軸穴の中に設けられ、シャフトとインペラとの間に隙間を形成する遊挿部と、を具備することを特徴とする流体機械を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の流体機械において、位置決め部が、シャフト及びインペラとは別体の部材を具備する流体機械を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の流体機械において、位置決め部が、シャフト及びインペラの少なくとも一方の一部分を具備する流体機械を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体機械において、嵌合部及び遊挿部が、シャフトの外径とインペラの軸穴の内径との少なくとも一方を、軸線方向に沿って変化させることにより形成される流体機械を提供する。

請求項１に記載の発明によれば、焼きばめ及び冷やしばめの少なくとも一方の手法によってシャフトをインペラに固定する際に、位置決め部に隣接してインペラの軸穴内に嵌合部を設けたことにより、シャフト上でのインペラの固定位置（すなわち最初の係合箇所の位置）を容易かつ確実に特定して、嵌合部における締まりばめを達成することができる。そして、軸穴内に嵌合部に隣接して遊挿部を設けたことで、嵌合部における締まりばめ後のシャフトの膨張方向及びインペラの収縮方向を規定の方向に制御することができる。その結果、シャフトとインペラとを相互結合する際の両者間の軸線方向への相対位置ずれを、簡易な構成により確実に防止して、シャフト上でのインペラの軸線方向位置精度を向上させるとともに、インペラに隣接してシャフトに取り付けられる他部品の軸線方向位置精度も向上させることができる。したがって、安全性及び作動信頼性に優れた安価でかつ高性能の流体機械が提供される。

請求項２に記載の発明によれば、インペラに隣接してシャフトに取り付けられる他部品を流用して位置決め部を構成できるので、加工工数及び部品点数を削減することができる。

請求項３に記載の発明によれば、位置決め部による安定した位置決め機能を維持することができる。

請求項４に記載の発明によれば、嵌合部及び遊挿部を極めて簡易に構成できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明の一実施形態による流体機械１０のシャフト１２とインペラ１４とを示す。図示実施形態による流体機械１０は、遠心式送風機の構成を有するものであり、インペラ１４の羽根構造及びハウジング（図示せず）の構造はいずれも公知のものを使用できるから、その説明を省略する。なお本発明は、遠心式送風機に限らず、他の様々な流体機械にも適用できる。

流体機械１０は、シャフト１２と、シャフト１２が挿入される軸穴１６を有するインペラ１４とを備え、インペラ１４がシャフト１２に締まりばめにより結合される構成を有する。流体機械１０はさらに、シャフト１２とインペラ１４との間に設けられ、シャフト１２の予め定めた位置にインペラ１４を位置決めする位置決め部１８と、位置決め部１８に隣接して軸穴１６の中に設けられ、シャフト１２とインペラ１４との間に締まりばめを形成する嵌合部２０と、嵌合部２０に隣接して軸穴１６の中に設けられ、シャフト１２とインペラ１４との間に隙間を形成する遊挿部２２とを備える。

シャフト１２は、シャフト１２及びインペラ１４の回転軸線Ａに沿って階段状に外径を変化させて延びる段付円筒状の外周面１２ａを有し、その軸線方向所定位置にインペラ１４が同心配置で固定される。インペラ１４の軸穴１６は、シャフト１２及びインペラ１４の回転軸線Ａに沿って同一内径で延びる円筒状の内周面１６ａを有する。インペラ１４を固定したシャフト１２は、その軸線方向所定位置に取り付けた軸受２４を介して、図示しないハウジングに回転可能に支持される。インペラ１４と軸受２４との間には、軸シール２６が、シャフト１２の軸線方向所定位置に固定的に設置される。

シャフト１２の外周面１２ａは、軸受２４及び軸シール２６が設置される円筒状の大径部分２８と、大径部分２８に軸線方向へ隣接して配置され、回転軸線Ａに略直交する第１環状肩面１２ｂを介して僅かに縮径した円筒状の中径部分３０と、中径部分３０に軸線方向へ隣接して配置され、回転軸線Ａに略直交する第２環状肩面１２ｃを介して僅かに縮径した円筒状の小径部分３２とを含む。軸シール２６は、シャフト１２の大径部分２８に嵌合する円筒状の基部３４を有し、基部３４が、その軸線方向一端（図で上端）で、シャフト１２の第１環状肩面１２ｂに整合して配置されるとともに、その軸線方向他端（図で下端）で軸受２４に隣接して配置される。インペラ１４は、軸穴１６の内周面１６ａの、軸線方向一端（図で下端）から所定長さに渡る第１領域３６で、シャフト１２の中径部分３０に固定される。インペラ１４の軸穴内周面１６ａの残りの領域（第２領域）３８は、シャフト１２の小径部分３２に非接触に配置される。

図示実施形態では、位置決め部１８は、シャフト１２の第１環状肩面１２ｂと、シャフト１２及びインペラ１４のいずれとも別体の部材である軸シール２６の基部３４とを含んで構成される。インペラ１４は、軸穴１６の軸線方向一端（図で下端）から、シャフト１２の小径部分３２及び中径部分３０を順次受容して、軸穴１６の軸線方向一端の開口に隣接する軸線方向端面の環状領域１４ａで、シャフト１２の第１環状肩面１２ｂと軸シール２６の基部３４の軸線方向一端面（図で上端面）とに当接される。その状態で、インペラ１４は、シャフト１２上の軸線方向所定位置に正確に位置決めされる。

また、図示実施形態では、嵌合部２０は、シャフト１２の外周面１２ａの中径部分３０と、軸穴１６の内周面１６ａの第１領域３６との協働により構成される。嵌合部２０における締まりばめ構造は、インペラ１４を加熱してシャフト１２に取り付ける「焼きばめ」と、シャフト１２を冷却してインペラ１４に取り付ける「冷やしばめ」との、少なくとも一方の手法（すなわち併用も含む）によって確保することができる。シャフト１２の中径部分３０の外径と軸穴１６の第１領域３６の内径とは、所望強度の締まりばめ構造を達成するに十分な締め代を確保するように設定される。また、シャフト１２の中径部分３０の軸線方向寸法は、シャフト１２に対するインペラ１４の軸線の傾きを排除するに十分な大きさに設定される。さらに、図示実施形態では、遊挿部２２は、シャフト１２の外周面１２ａの小径部分３２と、軸穴１６の内周面１６ａの第２領域３８との協働により構成される。

上記構成を有する流体機械１０では、焼きばめ及び冷やしばめの少なくとも一方の手法によってシャフト１２をインペラ１４に固定する際に、まず、シャフト１２の小径部分３２及び中径部分３０を順次、インペラ１４の軸穴１６に挿入して、位置決め部１８（シャフト１２の第１環状肩面１２ｂ及び軸シール２６の基部３４）にインペラ１４の軸線方向端面の環状領域１４ａを当接させることで、インペラ１４をシャフト１２上の軸線方向所定位置に正確に位置決めすることができる。その状態で放置すれば、焼きばめの場合には加熱したインペラ１４が収縮し、また冷やしばめの場合には冷却したシャフト１２が膨張して、嵌合部２０（シャフト１２の中径部分３０及び軸穴１６の第１領域３６）においてシャフト１２とインペラ１４とが最初に係合する。このとき、インペラ１４の自重又は軽度の外力により、インペラ１４の環状領域１４ａが位置決め部１８に当接した状態を簡単に維持することができるので、インペラ１４をシャフト１２上の軸線方向所定位置に位置決めした状態で、シャフト１２とインペラ１４とが嵌合部２０の任意箇所において最初に係合することになる。

続いて、相互接触したシャフト１２とインペラ１４とが熱交換することで、シャフト１２の膨張とインペラ１４の収縮とが実質的に同時進行して、嵌合部２０における締まりばめが完了する。その後に生じるシャフト１２の膨張とインペラ１４の収縮とは、図１に矢印で示すように互いに逆方向へ進行するが、そのような逆方向への両者の熱変形は、遊挿部２２（シャフト１２の小径部分３２及び軸穴１６の第２領域３８）の存在により円滑に行われる。そして、シャフト１２及びインペラ１４の双方の熱変形が終了した時点で、シャフト１２へのインペラ１４の取付作業が完了する。このようにしてシャフト１２に取り付けられたインペラ１４は、軸線方向への位置精度が極めて高いものとなる。

このように、流体機械１０においては、焼きばめ及び冷やしばめの少なくとも一方の手法によってシャフト１２をインペラ１４に固定する際に、位置決め部１８に隣接して軸穴１６内に嵌合部２０を設けたことにより、シャフト１２上でのインペラ１４の固定位置（すなわち最初の係合箇所の位置）を容易かつ確実に特定して、嵌合部２０における締まりばめを達成することができる。そして、軸穴１６内に嵌合部２０に隣接して遊挿部２２を設けたことで、締まりばめ後のシャフト１２の膨張方向及びインペラ１４の収縮方向を規定の方向に制御することができる。その結果、シャフト１２とインペラ１４とを相互結合する際の両者間の軸線方向への相対位置ずれを、簡易な構成により確実に防止して、シャフト１２上でのインペラ１４の軸線方向位置精度を向上させるとともに、シャフト１２に取り付けられる軸受２４や軸シール２６等の他部品の軸線方向位置精度も向上させることができる。したがって流体機械１０は、安全性及び作動信頼性に優れた安価でかつ高性能のものとなる。

なお、シャフト１２とインペラ１４との締まりばめを、焼きばめ及び冷やしばめの少なくとも一方の手法によって確保する上記構成では、シャフト１２とインペラ１４とが、互いに熱収縮率の異なる材料から作製されることが、締まりばめ作用を促進する観点で有利である。

上記した流体機械１０において、位置決め部１８は、軸シール２６の基部３４（すなわちシャフト１２及びインペラ１４とは別体の部材）と、シャフト１２の第１環状肩面１２ｂ（すなわちシャフト１２の一部分）との、いずれか一方のみによって構成することもできる。インペラ１４に隣接してシャフト１２に取り付けられる軸シール２６等の他部品を流用して位置決め部１８を構成すれば、加工工数及び部品点数を削減することができる。他方、シャフト１２及びインペラ１４の少なくとも一方の一部分によって位置決め部１８を構成すれば、安定した位置決め機能を維持することができる。

また、嵌合部２０及び遊挿部２２は、シャフト１２の外周面１２ａの径寸法とインペラ１４の軸穴１６の内周面１６ａの径寸法との少なくとも一方を、軸線方向に沿って変化させることにより形成することができる。このような構成によれば、嵌合部２０及び遊挿部２２を極めて簡易に構成できる。以下、図２〜図５を参照して、上記した流体機械１０の各種変形例を説明する。なお、図２〜図５では、図１の流体機械１０に対応する構成要素に共通の参照符号を付して、重複説明を省略する。

図２に示す変形例では、シャフト１２の外周面１２ａに、前述した中径部分３０に代えて、第１環状肩面１２ｂから小径部分３２に至る間で外径寸法を漸減させるテーパ部分４０を設けている。テーパ部分４０は、第１環状肩面１２ｂに隣接する部位で、インペラ１４の軸穴１６の、位置決め部１８側の開口端に隣接する前述した第１領域３６の末端部分３６ａに締まりばめ状態で係合して、嵌合部２０を構成する。この構成では、嵌合部２０における締まりばめの締め代を十分に確保することで、所要強度の嵌合を達成できるとともに、位置決め部１８（シャフト１２の第１環状肩面１２ｂ及び軸シール２６の基部３４）の作用により、シャフト１２に対するインペラ１４の軸線の傾きを排除できる。このような構成によっても、図１に示す流体機械１０と同等の作用効果が奏される。

図３に示す変形例では、シャフト１２の外周面１２ａから、前述した中径部分３０及び第２環状肩面１２ｃを省略して、大径部分２８と小径部分３２とが第１環状肩面１２ｂを介して隣接する形状にする一方、インペラ１４の軸穴１６の内周面１６ａを、小径の円筒面からなる前述した第１領域３６と、第１領域３６よりも大径の円筒面からなる前述した第２領域３８とを含む、段付円筒状に形成している。インペラ１４の軸穴１６の第１領域３６は、シャフト１２の小径部分３２の、第１環状肩面１２ｂに隣接する基端領域４２に締まりばめ状態で係合して、嵌合部２０を構成する。この構成では、嵌合部２０における締まりばめの締め代及び軸線方向長さを十分に確保することで、所要強度の嵌合を達成できるとともに、シャフト１２に対するインペラ１４の軸線の傾きを排除できる。このような構成によっても、図１に示す流体機械１０と同等の作用効果が奏される。

図４に示す変形例では、シャフト１２の外周面１２ａを、図３の構成と同様に大径部分２８と小径部分３２とが第１環状肩面１２ｂを介して隣接する形状にする一方、インペラ１４の軸穴１６の内周面１６ａに、大径の円筒面からなる前述した第２領域３８と、第２領域３８から位置決め部１８側の開口端に至る間で内径寸法を漸減させるテーパ領域４４とを設けている。軸穴１６のテーパ領域４４は、位置決め部１８側の開口端に隣接する部位で、シャフト１２の小径部分３２の、第１環状肩面１２ｂに隣接する末端部分３２ａに締まりばめ状態で係合して、嵌合部２０を構成する。この構成では、嵌合部２０における締まりばめの締め代を十分に確保することで、所要強度の嵌合を達成できるとともに、位置決め部１８（シャフト１２の第１環状肩面１２ｂ及び軸シール２６の基部３４）の作用により、シャフト１２に対するインペラ１４の軸線の傾きを排除できる。このような構成によっても、図１に示す流体機械１０と同等の作用効果が奏される。

図５に示す変形例では、軸シール２６を併用する前述した位置決め部１８に代えて、インペラ１４の軸穴１６の内部に、シャフト１２及びインペラ１４の双方の一部分からなる位置決め部４６を採用している。具体的には、シャフト１２の外周面１２ａを、大径部分２８と小径部分３２とが第１環状肩面１２ｂを介して隣接する形状にするとともに、大径部分２８を軸シール２６の基部３４から突出するように延長してインペラ１４の軸穴１６に挿入する構成としている。他方、インペラ１４の軸穴１６の内周面１６ａを、軸シール２６側の開口端に隣接する大径の第１領域３６と、反対側の開口端に隣接する大径の第２領域３８と、第１領域３６及び第２領域３８の間に位置する小径の第３領域４８とを含む、段付円筒状に形成している。インペラ１４の軸穴１６の第１領域３６と第３領域４８との間には、軸線Ａに略直交する環状肩面１６ｂが形成される。インペラ１４の軸穴１６の環状肩面１６ｂは、シャフト１２の第１環状肩面１２ｂと協働して、位置決め部４６を構成する。また、インペラ１４の軸穴１６の第３領域４８は、シャフト１２の小径部分３２の、第１環状肩面１２ｂに隣接する基端領域５０に締まりばめ状態で係合して、嵌合部２０を構成する。

上記構成では、焼きばめ及び冷やしばめの少なくとも一方の手法によってシャフト１２をインペラ１４に固定する際に、まず、シャフト１２の小径部分３２及び大径部分２８を順次、インペラ１４の軸穴１６に挿入して、シャフト１２の第１環状肩面１２ｂとインペラ１４の軸穴１６の環状肩面１６ｂとを相互に当接させることで、位置決め部４６の作用によりインペラ１４をシャフト１２上の軸線方向所定位置に正確に位置決めすることができる。その状態で、嵌合部２０（シャフト１２の小径部分３２の基端領域５０及び軸穴１６の第３領域４８）において締まりばめを完了させることで、インペラ１４を、シャフト１２上の軸線方向所定位置に正確に位置決めした状態で、シャフト１２に取り付けることができる。なお、嵌合部２０において相互接触したシャフト１２とインペラ１４とが熱交換する間の両者の熱変形は、図５に矢印で示す方向へ進行することになる。この構成においても、軸穴１６内に位置決め部４６と嵌合部２０とを互いに隣接して設けたことにより、シャフト１２上でのインペラ１４の固定位置（すなわち最初の係合箇所の位置）を容易かつ確実に特定して、嵌合部２０における締まりばめを達成することができる。その結果、図１に示す流体機械１０と同等の作用効果が奏される。

本発明の一実施形態による流体機械のシャフトとインペラとを示す断面図である。 図１の流体機械の変形例を示す断面図である。 図１の流体機械の他の変形例を示す断面図である。 図１の流体機械のさらに他の変形例を示す断面図である。 図１の流体機械のさらに他の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 流体機械
１２ シャフト
１２ａ 外周面
１２ｂ 第１環状肩面
１２ｃ 第２環状肩面
１４ インペラ
１６ 軸穴
１６ａ 内周面
１８、４６ 位置決め部
２０ 嵌合部
２２ 遊挿部
２４ 軸受
２６ 軸シール
２８ 大径部分
３０ 中径部分
３２ 小径部分
３４ 基部
３６ 第１領域
３８ 第２領域
４０ テーパ部分
４２、５０ 基端領域
４４ テーパ領域
４８ 第３領域

Claims (4)

1. シャフトと、該シャフトが挿入される軸穴を有するインペラとを具備し、該インペラが該シャフトに締まりばめにより結合される流体機械において、
   前記シャフトと前記インペラとの間に設けられ、該シャフトの予め定めた位置に該インペラを位置決めする位置決め部と、
   前記位置決め部に隣接して前記軸穴の中に設けられ、前記シャフトと前記インペラとの間に前記締まりばめを形成する嵌合部と、
   前記嵌合部に隣接して前記軸穴の中に設けられ、前記シャフトと前記インペラとの間に隙間を形成する遊挿部と、
   を具備することを特徴とする流体機械。
2. 前記位置決め部が、前記シャフト及び前記インペラとは別体の部材を具備する、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記位置決め部が、前記シャフト及び前記インペラの少なくとも一方の一部分を具備する、請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 前記嵌合部及び前記遊挿部が、前記シャフトの外径と前記インペラの前記軸穴の内径との少なくとも一方を、軸線方向に沿って変化させることにより形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体機械。

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