JP2009191638A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】製造及び組み付け作業を容易に行うことができるターボ機械を提供する。
【解決手段】風力原動機１は、ハウジング２の内部において回転可能に支持されたシャフト５と、シャフト５に設けられるとともにハウジング２の外部において回転する羽根車７とを備えている。さらに、風力原動機１は、羽根車７とハウジング２とにより形成された空間Ｘの圧力を検出する圧力センサ９と、圧力センサ９の検出結果に基づいて空間Ｘの圧力を調整するための圧力調整装置１０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、羽根車を用いて、流体に運動エネルギーを与える、または流体から運動エネルギーを得る流体機械であるターボ機械に関する。

自動車において、流体に運動エネルギーを与える、または流体から運動エネルギーを得る流体機械である小型のターボ機械を備えることが知られており、このようなターボ機械としては、例えば、羽根車を回転させることにより流体である気体をエンジンへ圧送する圧縮機が知られている。また、自動車が備えるターボ機械として、発電を行うために、エンジンから排出された気体（即ち、排気）により羽根車を回転させる風力原動機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ターボ機械において、羽根車が設けられたシャフトを支持するための軸受として、シャフトと軸受との接触を抑制してシャフトを高速回転可能に支持するとの観点から、非接触型の気体軸受を使用することが知られている（例えば、特許文献２参照）。

非接触型の気体軸受を使用した小型のターボ機械は、例えば、図３に示すような風力原動機１０１であって、発電を行うために、エンジン（不図示）から排出された気体により羽根車１０７を回転させるものである。より具体的には、風力原動機１０１は、ハウジング１０２の内部において回転可能に支持されたシャフト１０５と、シャフト１０５に設けられるとともにハウジング１０２の外部において回転する羽根車１０７とを備えている。ハウジング１０２の内部には、ステータ１０３とロータ１０６とから構成される発電用のジェネレータＨと、シャフト１０５の回転軸（図中の一点鎖線で示す軸）に垂直な方向（即ち、ラジアル方向Ｒ）においてシャフト１０５を支持するために非接触型の気体軸受であるラジアルフォイル軸受１０４とが設けられている。

非接触型の気体軸受であるラジアルフォイル軸受１０４のみによってシャフト１０５が支持される場合は、シャフト１０５の回転軸に平行な方向（即ち、アキシアル方向Ａ）において変位する。このため、羽根車１０７の回転により発生するスラスト力（推進力）によってシャフト１０５がアキシアル方向において変位しないように、風力原動機１０１は、非接触型の気体軸受であるスラスト気体軸受１１３をさらに備えている。このスラスト気体軸受１１３は、シャフト１０５に設けられたスラストカラー１１３ａと、ハウジング１０２に設けられたスラストパッド１１３ｂとから構成されている。
特開平１１−１８７６１８号公報 特開平６−１７６０３号公報

しかしながら、上記の風力原動機１０１においては、スラストカラー１１３ａまたはスラストパッド１１３ｂには、動圧を発生させるための動圧発生溝（不図示）を形成する必要があり、このような動圧発生溝を形成するためには、数マイクロメートル単位の高精度な加工が必要となる。また、スラストカラー１１３ａとスラストパッド１１３ｂにより数マイクロメートルの微小な隙間が形成されるように組み立てる必要があった。従って、上記のようなスラスト気体軸受１１３を備えるターボ機械においては、その製造及び組み付け作業が面倒であるという問題があった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造及び組み付け作業を容易に行うことができるターボ機械を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、ハウジングの内部において回転可能に支持されたシャフトと、シャフトに設けられるとともにハウジングの外部において回転する羽根車とを備えるターボ機械において、羽根車とハウジングとにより形成された空間の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサの検出結果に基づいて上記空間の圧力を調整するための圧力調整装置とをさらに備えることを特徴とする。

同構成によれば、羽根車とハウジングとにより形成された空間の圧力を検出する圧力センサと、圧力センサの検出結果に基づいて上記空間の圧力を調整するための圧力調整装置とを備えている。このため、例えば、圧力センサの検出結果が、上記空間の圧力が大きいことを示している場合は、圧力調整装置によって上記空間の圧力が小さくなるように調整して、シャフトの回転軸に平行な方向（即ち、アキシアル方向）において、羽根車が設けられたシャフトが変位することを抑制することができる。また、例えば、圧力センサの検出結果が、上記空間の圧力が小さいことを示している場合は、圧力調整装置によって上記空間の圧力が大きくなるように調整して、シャフトの回転軸に平行な方向において、羽根車が設けられたシャフトが変位することを抑制することができる。従って、アキシアル方向においてシャフトを支持するためのスラスト気体軸受が不要となるため、製造及び組み付け作業を容易に行うことができる。

請求項２に記載の発明は、ハウジングの内部において回転可能に支持されたシャフトと、シャフトに設けられるとともにハウジングの外部において回転する羽根車とを備えるターボ機械において、シャフトの回転軸に平行な方向における羽根車の変位を検出する変位センサと、変位センサの検出結果に基づいて羽根車とハウジングとにより形成された空間の圧力を調整するための圧力調整装置とをさらに備えることを特徴とする。

同構成によれば、シャフトの回転軸に平行な方向（即ち、アキシアル方向）における羽根車の変位を検出する変位センサと、変位センサの検出結果に基づいて羽根車とハウジングとにより形成された空間の圧力を調整するための圧力調整装置とを備えている。このため、例えば、変位センサの検出結果が、羽根車がハウジングから遠ざかる方向へ変位したことを示している場合は、圧力調整装置によって上記空間の圧力が小さくなるように調整して、シャフトの回転軸に平行な方向において、羽根車が設けられたシャフトが変位することを抑制することができる。また、例えば、変位センサの検出結果が、羽根車がハウジングに近づく方向へ変位したことを示している場合は、圧力調整装置によって上記空間の圧力が大きくなるように調整して、シャフトの回転軸に平行な方向において、羽根車が設けられたシャフトが変位することを抑制することができる。従って、スラスト気体軸受が不要となり、ターボ機械の製造及び組み付け作業を容易に行うことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のターボ機械であって、ハウジングには、上記空間と、この空間の圧力と異なる圧力を有する他の空間とが連通するための連通路が形成され、圧力調整装置は、連通路を開閉する圧力調整弁と、圧力センサの検出結果に基づき圧力調整弁を制御する制御部とを備えることを特徴とする。

同構成によれば、圧力調整装置は、上記空間と他の空間とが連通するための貫通孔を開閉する圧力調整弁と、圧力センサの検出結果に基づき圧力調整弁を制御する制御部とを備えている。このため、上記空間の圧力を調整する場合に、制御部によって圧力調整弁を開くように制御することで、上記空間の圧力と他の空間との圧力の差によって、流体を上記空間から排出させる、または流体を上記空間に流入させることができる。従って、圧力調整弁の開閉を制御するだけの簡単な構成で上記空間の圧力を調整することができる。

本発明によれば、シャフトの回転軸に平行な方向においてシャフトを支持するためのスラスト気体軸受が不要となるため、製造及び組み付け作業を容易に行うことができる。

（第１の実施形態）
以下に本発明に係る第１の実施形態について、図１を参照しながら説明する。なお、図中の矢印Ａは、シャフトの回転の中心となる回転軸（図中の一点鎖線で示す軸）に平行なアキシアル方向を示すとともに、図中の矢印Ｒは、アキシアル方向に垂直なラジアル方向を示している。

本実施形態に係るターボ機械は、自動車（不図示）に搭載される小型の風力原動機１であって、エンジン（不図示）によって排出された流体である気体から運動エネルギーを得て、発電を行うためにシャフト５を回転させる発電用風力原動機（即ち、風力発電機）である。

円筒状のハウジング２の内周２ａには、ステータコア３ａと、ステータコア３ａに巻かれた導線からなるコイル３ｂとから構成された略円筒状のステータ（固定子）３が設けられている。

また、ハウジング２の開口端部２ｂ，２ｃには、非接触型の気体軸受であるラジアルフォイル軸受４が設けられている。円筒状のラジアルフォイル軸受４は、環状のバンプフォイル４ａと、バンプフォイル４ａの内周に設けられたトップフォイル４ｂとから構成されており、シャフト５の回転によって発生する動圧を利用してシャフト５をラジアル方向Ｒに支持する非接触型の気体軸受である。

ラジアルフォイル軸受４によって支持されるシャフト５の外周５ａには、ステータ３と対向しているロータ（回転子）６が設けられている。ロータ６は円筒状の永久磁石であって、ロータ６の外周面６ａには、シャフト５の回転方向に沿って磁極が交互に着磁されている。

上記のステータ３とロータ６により発電用のジェネレータＧが構成されており、ロータ６が回転することにより、コイル３ｂを貫く磁束が変化するとともに、コイル３ｂに誘導電流が流れる（即ち、電気が発生する）。

また、ハウジング２から突出しているシャフト５の端部５ｂには、気体から運動エネルギーを得るための羽根車（インペラ）７が固定されている。羽根車７は、図中の矢印Ｃで示す方向から流入する気体によって回転するとともに、図中の矢印Ｄで示す方向へ気体を排出する。

そして、上記のように羽根車７へ流入して排出される気体の流路を形成するために、ハウジング２には、羽根車７を覆うようにケーシング８が固定されている。従って、羽根車７は、ケーシング８の内部であってハウジング２の外部である空間Ｙにおいて回転する。

以上のように構成された、風力原動機１は、ハウジング２の内部において回転可能に支持されたシャフト５と、シャフト５に設けられるとともにハウジング２の外部において回転する羽根車７とを備え、羽根車７を用いて流体から運動エネルギーを得る流体機械である。

ここで、本実施形態においては、風力原動機１が、羽根車７とハウジング２とにより形成された空間Ｘの圧力を検出する圧力センサ９と、圧力センサ９の検出結果に基づいて空間Ｘの圧力を調整するための圧力調整装置１０とをさらに備えている点に特徴がある。

より具体的には、ハウジング２には貫通孔２ｓが形成されて、この貫通孔２ｓを介して空間Ｘの圧力を検出する圧力センサ９が、ハウジング２の外周２ｄに設けられている。そして、圧力センサ９は、空間Ｘの圧力を随時検出して、この検出結果を示す信号を圧力調整装置１０へ出力する。

このようにして圧力センサ９により随時検出される空間Ｘの圧力は、スラスト力が発生する際に変動する。即ち、羽根車７が低速で回転している場合は、矢印Ｃで示すように流入する気体の一部が空間Ｘへ流れ込み、空間Ｘの圧力が大きくなる。このような空間Ｘの圧力変動により、図中の矢印Ｄの方向へ羽根車７及びシャフト５が変位するようにスラスト力が発生する。また、羽根車７が高速で回転している場合は、多くの流体が矢印Ｄで示す方向へ気体が排出されることにより、空間Ｘの圧力が小さくなる。このような空間Ｘの圧力変動により、図中の矢印Ｅの方向へ羽根車７及びシャフト５が変位するようにスラスト力が発生する。従って、空間Ｘの圧力の大きさを検出することで、スラスト力の発生を検出することができる。

また、ハウジング２には、貫通孔２ｔが形成されることにより、空間Ｘと、風力原動機１の外部Ｚとが連通するための連通路２ｕが形成されている。風力原動機１の外部Ｚは、空間Ｘの圧力と異なる圧力を有する他の空間であって、羽根車７が回転していない状態においては空間Ｘの圧力と風力原動機１の外部Ｚの圧力は等しいが、羽根車７が回転することによって空間Ｘの圧力と風力原動機１の外部Ｚの圧力には差が生じる。なお、羽根車７が回転することによって外部Ｚの圧力が変動することはない。

圧力調整装置１０は、上述の連通路２ｕを開閉する圧力調整弁１１と、圧力センサ９の検出結果に基づき圧力調整弁１１を制御する制御部１２とから構成されおり、圧力センサ９から出力された信号は、制御部１２へ入力される。

制御部１２は、圧力調整弁１１の開度を算出するためのプログラムに基づき演算処理を行う演算処理装置（不図示）や、上述のプログラムや風力原動機１の外部Ｚの圧力が記憶されたメモリ（不図示）等から構成されている。この制御部１２は、圧力センサ９によって随時検出された空間Ｘの圧力に基づき、圧力調整弁１１の開度を算出する。なお、空間Ｘの圧力と風力原動機１の外部Ｚの圧力との差が大きいほど、制御部１２によって算出される圧力調整弁１１の開度は大きい。

そして、制御部１２は、圧力調整弁１１が所定の開度となるように制御する。その結果、図中の矢印Ｄの方向へ羽根車７が変位するようにスラスト力が発生している場合は、上述のごとく、空間Ｘの圧力が大きくなっているため、空間Ｘにおける気体が、空間Ｘの圧力よりも小さい圧力を有する風力原動機１の外部Ｚへ排出されて、空間Ｘの圧力が小さくなるように調整される。また、図中の矢印Ｅの方向へ羽根車７が変位するようにスラスト力が発生している場合は、上述のごとく、空間Ｘの圧力が小さくなっているため、空間Ｘの圧力よりも大きい圧力を有する風力原動機１の外部Ｚから、空間Ｘへ気体が流入して、空間Ｘの圧力が大きくなるように調整される。

従って、圧力センサ９の検出結果が、空間Ｘの圧力が大きいことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が小さくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５の変位が抑制される。また、圧力センサ９の検出結果が、空間Ｘの圧力が小さいことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が大きくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５の変位が抑制される。

本実施形態の風力原動機１によれば、下記（１）、（２）の効果を得ることができる。
（１）風力原動機１は、ハウジング２の内部において回転可能に支持されたシャフト５と、シャフト５に設けられた羽根車７とを備え、羽根車７とハウジング２とにより形成された空間Ｘの圧力を検出する圧力センサ９と、空間Ｘの圧力を調整するための圧力調整装置１０とをさらに備えている。このため、圧力センサ９の検出結果が、空間Ｘの圧力が大きいことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が小さくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５が変位することを抑制することができる。また、例えば、圧力センサ９の検出結果が、空間Ｘの圧力が小さいことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が大きくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５が変位することを抑制することができる。従って、アキシアル方向Ａにおいてシャフト５を支持するためのスラスト気体軸受が不要となるため、風力原動機１の製造及び組み付け作業を容易に行うことができる。

（２）ハウジング２には、空間Ｘと風力原動機１の外部Ｚとが連通するための連通路２ｕが形成され、圧力調整装置１０は、連通路２ｕを開閉する圧力調整弁１１と、圧力センサ９の検出結果に基づき圧力調整弁１１を制御する制御部１２とを備えている。このため、空間Ｘの圧力を調整する場合に、制御部１２によって圧力調整弁１１を開くように制御することで、空間Ｘの圧力と風力原動機１の外部Ｚとの圧力の差によって、気体を空間Ｘから排出させる、または気体を空間Ｘに流入させることができる。従って、圧力調整弁１１の開閉を制御するだけの簡単な構成で空間Ｘの圧力を調整することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態について、図２を参照しながら説明する。なお、ターボ機械の全体構成については、上述の第１の実施形態と同様であるため、ここでは詳しい説明を省略する。

本実施形態においては、風力原動機１が、アキシアル方向Ａにおける羽根車７の変位を検出する変位センサ１４と、変位センサ１４の検出結果に基づいて羽根車７とハウジング２とにより形成された空間Ｘの圧力を調整するための圧力調整装置１０とを備える点に特徴がある。

より具体的には、ハウジング２には、羽根車７の背面７ａに対向する位置に変位センサ１４が設けられている。変位センサ１４は、変位センサ１４から羽根車７までの距離（即ち、アキシアル方向Ａにおける空間Ｘの長さ）を随時検出することでアキシアル方向Ａにおける羽根車７の変位を検出して、この検出結果を示す信号を圧力調整装置１０へ出力する。

このようにして変位センサ１４により検出される羽根車７の変位は、スラスト力が発生していることを示している。即ち、上述したように、羽根車７が低速で回転している場合は、空間Ｘの圧力が大きくなるため、図中の矢印Ｄの方向へ羽根車７及びシャフト５が変位するようにスラスト力が発生して、羽根車７が矢印Ｄの方向へ変位する。また、上述したように、羽根車７が高速で回転している場合は、空間Ｘの圧力が小さくなるため、図中の矢印Ｅの方向へ羽根車７及びシャフト５が変位するようにスラスト力が発生して、羽根車７が矢印Ｅの方向へ変位する。従って、羽根車７の変位を検出することで、スラスト力の発生を検出することができる。

圧力調整装置１０の制御部１２は、変位センサ１４の検出結果に基づき圧力調整弁１１を制御するものであって、圧力調整弁１１の開度を算出するためのプログラムに基づき演算処理を行う演算処理装置や、上述のプログラムが記憶されたメモリ等から構成されている。なお、この制御部１２は、変位センサ１４によって検出された羽根車７の変位に基づき、圧力調整弁１１の開度を算出する。なお、羽根車７の変位が大きいほど、制御部１２によって算出される圧力調整弁１１の開度は大きい。

そして、制御部１２は、圧力調整弁１１が所定の開度となるように制御する。その結果、上述の第１の実施形態の場合と同様に、図中の矢印Ｄの方向へ羽根車７が変位している場合は、空間Ｘの圧力が大きくなっているため、空間Ｘにおける気体が、空間Ｘの圧力よりも小さい圧力を有する風力原動機１の外部Ｚへ排出されて、空間Ｘの圧力が小さくなるように調整される。また、図中の矢印Ｅの方向へ羽根車７が変位している場合は、空間Ｘの圧力が小さくなっているため、空間Ｘの圧力よりも大きい圧力を有する風力原動機１の外部Ｚから、空間Ｘへ気体が流入して、空間Ｘの圧力が大きくなるように調整される。

従って、変位センサ１４の検出結果が、羽根車７がハウジング２から遠ざかる方向（即ち、図中の矢印Ｄの方向）へ変位したことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が小さくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５の変位が抑制される。また、変位センサ１４の検出結果が、羽根車７がハウジング２に近づく方向（即ち、図中の矢印Ｅの方向）へ変位したことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が大きくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５の変位が抑制される。

本実施形態の風力原動機１によれば、下記（３）の効果と上記（２）の効果を得ることができる。
（３）風力原動機１は、ハウジング２の内部において回転可能に支持されたシャフト５と、シャフト５に設けられた羽根車７とを備え、アキシアル方向Ａにおける羽根車７の変位を検出する変位センサ１４と、変位センサ１４の検出結果に基づいて空間Ｘの圧力を検出するための圧力調整装置１０とをさらに備えている。このため、変位センサ１４の検出結果が、羽根車７がハウジング２から遠ざかる方向へ変位したことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が小さくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５が変位することを抑制することができる。また、変位センサ１４の検出結果が、羽根車７がハウジング２に近づく方向へ変位したことを示している場合は、圧力調整装置１０によって空間Ｘの圧力が大きくなるように調整して、アキシアル方向Ａにおいて、羽根車７が設けられたシャフト５が変位することを抑制することができる。従って、アキシアル方向Ａにおいてシャフト５を支持するためのスラスト気体軸受が不要となり、風力原動機１の製造及び組み付け作業を容易に行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態においては、圧力調整装置１０は、圧力調整弁１１と制御部１２とを備えていたが、他の構成であってもよい。例えば、圧力調整弁１１の代わりに、圧力調整ポンプ（不図示）を用いて、制御部１２が、圧力センサ９または変位センサ１４の検出結果に基づき圧力調整ポンプを制御するようにしてもよい。そして、圧力調整装置１０は、空間Ｘの圧力を小さくするため、または大きくするために、ハウジング２に形成された貫通孔２ｔを介して、圧力調整ポンプを作動させることによって、空間Ｘから気体を排出させる、または空間Ｘに気体を流入させるようにしてもよい。このように構成しても上記（１）や（３）の効果を得ることができる。

・上記実施形態においては、ターボ機械は風力原動機１であったが、圧縮機であってもよい。この場合、ステータ３とロータ６により電動モータが構成され、コイル３ｂに電流が流れてステータ３が回転磁界を発生させることにより、ロータ６、シャフト５、及び羽根車７が回転する。そして、羽根車７は、流体である気体に運動エネルギーを与えるためのものであって、矢印Ｄの方向から気体を吸い込むとともに、矢印Ｃの反対の方向へ気体を圧送する。

本発明の実施形態に係るターボ機械である風力原動機を示す概略構成図。 変形例に係るターボ機械である風力原動機を示す概略構成図。 従来のターボ機械である風力電動機を示す概略構成図。

符号の説明

Ａ…アキシアル方向（シャフトの回転軸に平行な方向）、Ｒ…ラジアル方向、Ｘ…羽根車とハウジングとにより形成された空間、Ｙ…空間（ハウジングの外部）、Ｚ…風力原動機の外部（他の空間）、１…風力原動機（ターボ機械）、２…ハウジング、２ｕ…連通路、３…ステータ、４…ラジアルフォイル軸受（気体軸受）、５…シャフト、６…ロータ、７…羽根車、８…ケーシング、９…圧力センサ、１０…圧力調整装置、１１…圧力調整弁、１２…制御部、１４…変位センサ。

Claims (3)

1. ハウジングの内部において回転可能に支持されたシャフトと、前記シャフトに設けられるとともに前記ハウジングの外部において回転する羽根車とを備えるターボ機械において、
   前記羽根車と前記ハウジングとにより形成された空間の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出結果に基づいて前記空間の圧力を調整するための圧力調整装置とをさらに備えることを特徴とするターボ機械。
2. ハウジングの内部において回転可能に支持されたシャフトと、前記シャフトに設けられるとともに前記ハウジングの外部において回転する羽根車とを備えるターボ機械において、
   前記シャフトの回転軸に平行な方向における前記羽根車の変位を検出する変位センサと、前記変位センサの検出結果に基づいて前記羽根車と前記ハウジングとにより形成された空間の圧力を調整するための圧力調整装置とをさらに備えることを特徴とするターボ機械。
3. 前記ハウジングには、前記空間と、前記空間の圧力と異なる圧力を有する他の空間とが連通するための連通路が形成され、
   前記圧力調整装置は、前記連通路を開閉する圧力調整弁と、前記圧力センサの検出結果に基づき前記圧力調整弁を制御する制御部とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のターボ機械。

Images