JP2010096113A - インペラ締結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】両方向の緩み止めができ、組立て・組ばらし時における嵌め合い部の精度の低下を防止でき、オーバーハング重量を減らすことができ、テーパ部を設けることなくインペラの高速回転時の同芯度を確保できる、インペラ締結構造を提供する。
【解決手段】本発明のインペラ締結構造１Ａは、軸方向に貫通する貫通穴４を中心部に有するインペラ３と、先端がインペラ３の背面側に挿入された回転軸５と、緩み防止機能を有しインペラ３と回転軸５とを締結するボルト７（スプリングボルト）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、インペラと回転軸を締結するためのインペラ締結構造に関する。

従来、インペラと回転軸を締結するための構造として、種々の締結構造が提案されている。

特許文献１に記載された構造は、図４（Ａ）に示すように、回転軸３０の先端をインペラ３１の背面に一体的に固定されたブッシュ３２に螺合させ、両者を結合した構造となっている。図４（Ｂ）は図４（Ａ）の拡大図であり、回転軸３０の先端部近傍には雄ねじ部３３が形成され、ブッシュ３２の内周面には雌ねじ部３４が形成されている。雄ねじ部３３と雌ねじ部３４の前後の位置に、ブッシュ３２と回転軸３０との嵌め合い面３５が設定されている。

図４（Ａ）及び（Ｂ）の構造において回転軸３０とインペラ３１とを締結するには、回転軸３０とインペラ３１とを相対回転させ、嵌め合い面３５を滑らせて回転させながらねじ込む。雄ねじ部３３と雌ねじ部３４のねじの方向は、回転軸３０とインペラ３１の回転方向から緩まない方向を選定する。

特許文献２に記載された構造は、図５に示すように、インペラ４０に貫通穴４１を設け、この貫通穴４１に回転軸４２を通して回転軸４２の先端部にナット４３を螺合することで、インペラ４０と回転軸４２とを締結するようになっている。ナット４３とインペラ４０との間には座金４４が配置されている。ナット４３の緩み防止のため、座金４４として、一般的には、ばね座金やプラスチック製の緩み止め部品が用いられる。

特許文献３に記載された構造は、図６に示すように、回転軸５０の先端部にテーパ部５１を設け、テーパ部５１に対応するようにインペラ５２の中心穴をテーパ形状とし、ボルト５３及びナット５４によってインペラ５２と回転軸５０とを締結する構造となっている。この構造は、ボルト５４を締め付けたときにインペラ５２に円周方向の応力と面圧を発生させることで、高速回転中でもインペラ５２と回転軸５０との同芯度を確保することを狙っている。

特開２００５−５３２５０６号公報 特開平５−７９３４６号公報 特開２００１−１７３５９７号公報

上述した特許文献１の構造の場合、ねじ部の緩み防止が一方向のみしか効かない。また、嵌め合い部３５を滑らせて回す構造となっているため、嵌め合い部３５に傷が付き、組立て・組ばらしの度に嵌め合い部３５の精度が低下するという問題がある。

上述した特許文献２の構造の場合、ナット４３と座金４４の重量がある分、軸のオーバーハング重量が増えるため回転軸４２の危険速度が低下する。また、座金４４は回転軸４２の芯と合わせることが難しくアンバランス重量が大きくなる。さらに、プラスチック製の緩み止め部品は高温または低温では機能を維持できない。

上述した特許文献３の構造の場合、テーパの締め代を最適にするため高精度のテーパ加工を必要とし非常にコストが高い。また、ある程度以上の高速回転では、遠心力でインペラの中心穴の変形量が大きくなり過ぎて同芯度を維持できない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、両方向の緩み止めができ、組立て・組ばらし時における嵌め合い部の精度の低下を防止でき、オーバーハング重量を減らすことができ、テーパ部を設けることなくインペラの高速回転時の同芯度を確保できる、インペラ締結構造を提供することを課題とする。

上記の問題を解決するため、本発明のインペラ締結構造は、以下の技術的手段を採用する。

（１）本発明のインペラ締結構造は、軸方向に貫通する貫通穴を中心部に有するインペラと、先端が前記インペラの背面側に挿入された回転軸と、緩み防止機能を有し前記インペラと前記回転軸とを締結するボルトとを備える、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、回り止め防止機能を有するボルトによりインペラと回転軸を締結するので、一方向のみでなく、両方向の緩み止めが可能となる。
また、嵌め合い部を回すことなく軸方向に滑らせて、軸とインペラの嵌め合せ及びばらしができるので、組立て・組ばらし時における嵌め合い部の精度の低下を防止できる。
また、軸がインペラから突出しないので、オーバーハング重量を抑制できる。

（２）また、上記（１）のインペラ締結構造において、前記ボルトは、ねじ山の先端にスリットが設けられたスプリングボルトである。

上記の構成によれば、スプリングボルトを用いることにより、効果的に緩み止めを行うことができる。

（３）また、上記（１）又は（２）のインペラ締結構造において、前記インペラと前記ボルトとの間に、前記インペラに対して同芯で嵌合するスリーブ部を持つ金属製の座金が配置されている。

上記の構成によれば、インペラとの嵌め合い部を持つ座金を用いることによりアンバランス重量を増加させることがない。またプラスチック材料でなく金属製の座金を用いることにより、温度条件が低温あるいは高温になっても機能を保持できる。

（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかのインペラ締結構造において、前記インペラは、背面側に、前記貫通穴を中空部とする第１中空円筒部を有し、前記回転軸は、先端部に、前記第１中空円筒部を囲む第２中空円筒部を有し、前記第１中空円筒部の外周面と前記第２中空円筒部の内周面が、前記インペラと前記回転軸との嵌め合い部を成している。

上記の構成によれば、インペラと軸との嵌め合い部の外側に回転軸（第２中空円筒部）を、嵌め合い部の内側にインペラ（第１中空円筒部）を配置したことにより、高速回転時においてインペラに大きな遠心力が作用しても、インペラの第１中空円筒部が、その外側の第２中空円筒部でしっかりとサポートされるので、同芯度を維持できる。したがって、高精度で難しいテーパ加工を行くことなく高速回転時の同芯度を確保できる。

本発明によれば、両方向の緩み止めができ、組立て・組ばらし時における嵌め合い部の精度の低下を防止でき、オーバーハング重量を減らすことができ、テーパ部を設けることなくインペラの高速回転時の同芯度を確保できる。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態に係るインペラ締結構造１Ａを示す図である。本実施形態は、例えばアルミインペラを用いた低温コンプレッサや低温液体循環ポンプのように回転速度が比較的低く、計画された運転状態（回転数、温度）において、嵌め合い部１１における貫通穴４の内径が回転軸５の外径よりあまり大きくならないか、わずかに小さくなる場合に適している。

図１のインペラ締結構造１Ａにおいて、インペラ３と回転軸５とがボルト７によって締結されている。インペラ３は、たとえば、コンプレッサインペラやタービンインペラなどであり、図１では左側が前面側、右側が背面側である。符号ａは、インペラ３及び回転軸５の軸心である。

インペラ３は、その中心部に、軸方向に貫通する貫通穴４を有している。貫通穴４は、円形穴であり、インペラ３の背面寄りの位置に形成され回転軸５が挿入される大径部４ａと、大径部４ａのインペラ３の前面側に隣接し大径部４ａよりも径が小さい小径部４ｂとを有する。

回転軸５は、先端部がインペラ３の背面側に挿入されている。具体的には、回転軸５の先端部が、インペラ３の貫通穴４の大径部４ａに挿入されている。図１中、符号１１は回転軸５とインペラ３との嵌め合い部１１である。本実施形態において、回転軸５の先端部の端面は、大径部４ａと小径部４ｂの段差による壁に接触している。回転軸５の先端部には軸方向に延びる穴が形成され、この穴の内面に雌ねじ部６ａが形成されている。

運転時にインペラ３の貫通穴４の内径が遠心力によって拡大することを考慮し、インペラ３と回転軸５との嵌め合いは、インペラ３の大径部４ａの内径を回転軸５の外径よりわずかに小さく設定し、締り嵌めとするのがよい。この場合、回転軸５とインペラ３を組み付けるときには、インペラ３を少し温めるなどして内径を拡大して回転軸５を嵌めることにより、嵌め合い部１１における回転軸５とインペラ３との擦れ合いによる傷つきを防止できる。また、分解するときも、インペラ３を温めて内径を拡大させ回転軸５を抜きやすくすることで、嵌め合い部１１の傷つきを防止できる。

ボルト７は、インペラ３と回転軸５とを締結する部品である。ボルト７には回転軸５の雌ねじ部６ａと螺合する雄ねじ部６ｂが形成されている。本発明において、ボルト７は、緩み防止機能を有している。このような緩み防止機能を有するボルト７として、例えば、ねじ山の先端にスリットが設けられたスプリングボルトを適用できる。このスリットは、ねじ山の先端に沿って螺旋状に延びる溝であり、このようなスリットを有することにより、雄ねじと雌ねじのフランクに弾性応力が発生し緩み防止効果が発揮される。

ボルト７の頭７ａの裏面（図１ではボルト７の頭７ａと座金９との当たり面）から、インペラ３と回転軸５の先端との当たり面までの距離Ｌは、熱膨張差によるボルト７の緩みを防ぐため、あまり長くしないのがよい。

上記のように構成されたインペラ締結構造１Ａによれば、回り止め防止機能を有するボルト７によりインペラ３と回転軸５を締結するので、一方向のみでなく、両方向の緩み止めが可能となる。また、嵌め合い部１１を回すことなく軸方向に滑らせて、回転軸５とインペラ３の嵌め合せ及びばらしを行うことができるので、組立て・組ばらし時における嵌め合い部１１の精度の低下を防止できる。また、回転軸５がインペラ３から突出しないので、オーバーハング重量を抑制できる。

インペラ３がアルミ合金など硬さの低い材料からなる場合、図１の構成例のように、インペラ３とボルト７との間に、座金９を配置するのがよい。この座金９は、金属製であり、インペラ３に対して同芯で嵌合する中空円筒型のスリーブ部９ａと、ボルト７が貫通する円形開口部を持ちボルト頭７ａとインペラ３との間に挟まれる平板部９ｂとからなる。

このような構成の座金９は、インペラ３と同芯で嵌合するので、座金９を追加することによるアンバランス重量の増加は生じない。またプラスチック材料でなく金属製の座金９を用いることにより、温度条件が低温あるいは高温になっても機能を保持できる。

図２は、本発明の第２実施形態に係るインペラ締結構造１Ｂを示す図である。本実施形態は、回転数が速いなどの理由で運転時に嵌め合い部１１のインペラ３側の内径が大きくなり、図１の構成では遠心力による変形が大きくなり過ぎて、インペラ３と回転軸５の同芯度を適正に保てなくなる状況が予想される場合に適している。

図２において、インペラ３は、中心部に貫通穴４を有しているが、第１実施形態と異なり、回転軸５を挿入するための大径部４ａは設けられていない。本実施形態において、インペラ３は、背面側に、貫通穴４を中空部とする第１中空円筒部３ａを有する。回転軸５は、先端部に、第１中空円筒部３ａを囲む第２中空円筒部５ａを有する。第１中空円筒部３ａの外周面と第２中空円筒部５ａの内周面が、インペラ３と回転軸５との嵌め合い部１１を成している。

図２の構成例では、インペラ３において第１中空円筒部３ａを囲むように軸方向及び円周方向に延びる円環状溝１２が形成されている。円環状溝１２は軸心周りを一周している。円環状溝１２の径方向外側の壁の内径は、第２中空円筒部５ａの外周面の径よりも大きく、円環状溝１２に回転軸５の先端部（第２中空円筒部５ａ）が挿入されている。第２中空円筒部５ａの端面は、円環状溝１２の軸方向の最奥部の壁に接触している。

回転軸５において、雌ねじ部６ａは、第２中空円筒部５ａよりも回転軸５の軸方向の奥側（図２で右側）に形成されている。そのため、第２実施形態におけるボルト７は、第１実施形態におけるボルト７と比べて長くなっている。

インペラ３と回転軸５との嵌め合いは、第１中空円筒部３ａの外径を、第２中空円筒部５ａの内周面の径とほぼ同じに設定して中間嵌めとするか、あるいは第２中空円筒部５ａの内周面の径より僅かに大きく設定して締り嵌めとするのがよい。この場合、回転軸５とインペラ３を組み付けるときには、インペラ３を液体窒素などの低温の液化ガスで冷却して第１中空円筒部３ａの外径を小さくすることにより、嵌め合い部１１における回転軸５とインペラ３との擦れ合いによる傷つきを防止できる。また、分解するときも、インペラ３を液体窒素などの低温の液化ガスで冷却して回転軸５を抜きやすくすることで、嵌め合い部１１の傷つきを防止できる。

ボルト７の頭７ａの裏面（図２ではボルト７の頭７ａと座金９との当たり面）から、インペラ３と回転軸５の先端との当たり面までの距離Ｌは、熱膨張差によるボルト７の緩みを防ぐため、あまり長くしないのがよい。なお、インペラ３と回転軸５との軸方向の当たり面が第１中空円筒部３ａの先端面となるように構成することも可能であるが、上記の観点より、第２中空円筒部５ａの先端面がインペラ３と回転軸５との軸方向の当たり面となるように構成するのがよい。

本実施形態の構成によれば、インペラ３と回転軸５との嵌め合い部１１の外側に回転軸５（第２中空円筒部５ａ）を、嵌め合い部１１の内側にインペラ３（第１中空円筒部３ａ）を配置したことにより、高速回転時においてインペラ３に大きな遠心力が作用しても、インペラ３の第１中空円筒部３ａが、その外側の第２中空円筒部５ａでしっかりとサポートされるので、同芯度を維持できる。したがって、高精度で難しいテーパ加工を行くことなく高速回転時の同芯度を確保できる。

図３は、図２のＡ部拡大図である。図３に示すように、円環状溝１２の最奥部の径方向内側には、半径方向内側に窪み円周方向に延びる内側リング溝１４が形成されている。内側リング溝１４は軸心周りを一周している。この溝がない場合、第２中空円筒部５ａの先端面を円環状溝１２の最奥部の壁に確実に当てるためには、第２中空円筒部５ａの先端部の面取りを十分に大きく取る必要が生じ、この結果、当たり面１３の面積を十分に確保することが困難となる。これに対し、図３の構成例のように内側リング溝１４を設けた場合、第２中空円筒部５ａの先端部の面取りを極力小さくできるので、当たり面１３の面積を確保しやすくなる。

なお、上記において、本発明の実施形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明の第１実施形態に係るインペラ締結構造を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るインペラ締結構造を示す図である。 図２のＡ部拡大図である。 特許文献１に記載された従来技術を示す図である。 特許文献２に記載された従来技術を示す図である。 特許文献３に記載された従来技術を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ インペラ締結構造
３ インペラ
３ａ 第１中空円筒部
４ 貫通穴
４ａ 大径部
４ｂ 小径部
５ 回転軸
５ａ 第２中空円筒部
６ａ 雌ねじ部
６ｂ 雄ねじ部
７ ボルト
７ａ ボルトの頭
９ 座金
９ａ スリーブ部
９ｂ 平板部
１１ 嵌め合い部
１２ 円環状溝
１３ 当たり面
１４ 内側リング溝

Claims (4)

1. 軸方向に貫通する貫通穴を中心部に有するインペラと、
   先端が前記インペラの背面側に挿入された回転軸と、
   緩み防止機能を有し前記インペラと前記回転軸とを締結するボルトとを備える、ことを特徴とするインペラ締結構造。
2. 前記ボルトは、ねじ山の先端にスリットが設けられたスプリングボルトである請求項１記載のインペラ締結構造。
3. 前記インペラと前記ボルトとの間に、前記インペラに対して同芯で嵌合するスリーブ部を持つ金属製の座金が配置されている、請求項１又は２記載のインペラ締結構造。
4. 前記インペラは、背面側に、前記貫通穴を中空部とする第１中空円筒部を有し、
   前記回転軸は、先端部に、前記第１中空円筒部を囲む第２中空円筒部を有し、
   前記第１中空円筒部の外周面と前記第２中空円筒部の内周面が、前記インペラと前記回転軸との嵌め合い部を成している、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のインペラ締結構造。

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