JP2010242822A - タービン発電機の軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン発電機に備えられる玉軸受の外輪に外力が作用する問題を防止する。
【解決手段】反タービン側の玉軸受２０を構成する外輪２０ｂにおけるロータ１の軸方向外側端面２０'に当接するよう配置したリング状の外輪ストッパ３１と、外輪ストッパ３１と蓋部材２２との間に配置して外輪ストッパ３１を外輪２０ｂの軸方向外側端面２０'に予圧する予圧バネ３２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、タービン発電機の軸受構造に関するものである。

近年、内燃機関の排熱を利用して発電を行うタービン発電機を車両等に搭載し、エネルギーの有効利用を図ることが提案されている。

この種の装置としては、例えば、図４に示される如く、エンジン６０を冷却して高温となったクーラントをラジエータ６１で冷却しポンプ６２により循環させるようにした内燃機関において、ラジエータ６１の上流側に熱交換器６３を配設し、該熱交換器６３に液状の冷却用媒体をポンプ６４により供給して前記高温のクーラントと熱交換させ、冷却用媒体が気化して生じた作動流体をタービン発電機１００のタービン４に供給することにより発電機Ｍにて発電を行い、該タービン４を回転駆動した後の低圧の作動流体を凝縮器６５によって冷却凝縮させて液化させた後、再び前記熱交換器６３に供給するようにしたものがある。

尚、図４に示されるような排熱を利用して発電する装置の一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

一方、図５は、本発明者等が開発した初期のタービン発電機１００の一例を示す側断面図であり、図５中、１は両側に軸２，３を備えたロータであり、該ロータ１の一方の軸２にはタービン４が一体に嵌着されている。５は前記タービン４を収容するように形成されたタービンハウジングであり、該タービンハウジング５は、圧力を有する作動流体を前記タービン４に導くためのスクロール通路６を有していると共に、タービン４を回転駆動した後の低圧となった作動流体を排気するための排出通路６ａを有している。

７は固定ボルト８によってその前端面７ａを前記タービンハウジング５に一体に組み付けるようにしたステータハウジングであり、該ステータハウジング７は、前記一方の軸２に近づくよう内周側に突出し更に内周部がロータ１に近づくように環状に突出した筒状突出部９を有しており、該筒状突出部９によって形成されるモータステータ収容部１０ａに、ロータ１を包囲するように形成したモータステータ１０のタービンハウジング５側の前端部（図５の例では左側端部）を収容して保持するようになっている。更に、前記筒状突出部９の内周部と一方の軸２との間には、タービン側の玉軸受１１が配置されて一方の軸２を回転可能に支持するようになっている。前記モータステータ１０は、内側のコイルからなるステータ１２と、該ステータ１２より軸方向の長さが長い外側のステータスリーブ１３とにより構成されている。

又、前記タービンハウジング５に一体に組み付けられるステータハウジング７の前端面７ａには、前記スクロール通路６の作動流体をタービン４へ周方向から導くノズル部１４に対して周方向に複数配置するようしたベーン１５を有し、且つ該各ベーン１５を固定するプレート１６が凹部１６ａに配置されており、該プレート１６は前記タービンハウジング５とステータハウジング７の組み付けによってその相互間に挾持されるようになっている。

１７は固定ボルト１８によって前記ステータハウジング７の後端面７ｂに一体に組み付けるようにした軸受フランジであり、該軸受フランジ１７は、前記モータステータ１０の反タービンハウジング５側の後端部（図５の例では右側端部）の内側において軸方向へ突出して該モータステータ１０の他端部を保持するようにした筒状突出部１９を有しており、更に、該筒状突出部１９の内周部と前記ロータ１の他方の軸３との間には、反タービン側の玉軸受２０が配置されて他方の軸３を回転可能に支持するようになっている。２１は、前記軸受フランジ１７における他方の軸３が対応する位置（他方の軸３の延長上）に貫通するように形成された開口である。

前記モータステータ１０は、軸受フランジ１７をステータハウジング７に固定ボルト１８で締め付け固定する際に、モータステータ１０のステータスリーブ１３に軸受フランジ１７が当接することによって軸方向への移動が固定されている。

２２は固定ボルト２３によって前記軸受フランジ１７に一体に組み付けるようにした蓋部材であり、該蓋部材２２は、前記軸受フランジ１７に備えた開口２１を塞ぐように突出して該開口２１に嵌合される凸部２４を有している。尚、図５中、２５は、タービンハウジング５とステータハウジング７との間、モータステータ１０の外周とステータハウジング７との間、及び、軸受フランジ１７と蓋部材２２との間に設けたシールリング等からなるシール材であり、前記モータステータ１０の外周とステータハウジング７との間に設けたシール材２５は、ステータハウジング７に形成されたモータステータ１０用の冷却水路７Ｈに対し給排口（図示せず）を介して流通される冷却水のシールを行うようになっている。

前記タービン側の玉軸受１１を構成する内輪１１ａは嵌め合いによって一方の軸２に固定され、更に止めナット２６によって軸方向の移動が拘束されている。又、タービン側の玉軸受１１を構成する外輪１１ｂは嵌め合いによって筒状突出部９の内周面に固定され、更に筒状突出部９に設けた段部２７によって外輪１１ｂが前側へ抜け出るのを防止している。１１ｃは玉軸受１１のボールである。

又、反タービン側の玉軸受２０を構成する内輪２０ａは、図６に示すように、嵌め合いによって他方の軸３に固定され、更に止めナット２８によって軸方向の移動が拘束されている。又、反タービン側の玉軸受２０を構成する外輪２０ｂは嵌め合いによって筒状突出部１９の内周面に固定されるが、この時、最後に組み立てられる反タービン側の玉軸受２０の外輪２０ｂは、組み立てによる誤差を吸収して支持する必要があり、このために、外輪２０ｂの後端面２０'（ロータ１の軸方向外側端面）と筒状突出部１９に設けた段部２９との間には、予圧を与えるようにしたシム３０を配置している。２０ｃは玉軸受２０のボールである。

そして、前記ロータ１とモータステータ１０により発電機Ｍが形成され、更に、前記ロータ１とタービン４が、タービンハウジング５と、ステータハウジング７と、軸受フランジ１７と、蓋部材２２とからなる外殻部材の組み立てによって包囲されたタービン発電機１００が構成されている。このように構成されるタービン発電機１００は組み立てが容易でありしかもコンパクトな形状とすることができる。

特開２００８−００８２２４号公報

しかし、前記タービン発電機１００を内燃機関等に設置する際等の取り扱い時において、タービン発電機１００を落下させたり或いは他の部材と衝突する等の不測の事態が発生した場合に蓋部材２２に衝撃的な外力（負荷）が作用することがある。このように蓋部材２２に衝撃的な外力が作用した場合には、その外力がシム３０を介して反タービン側の玉軸受２０の外輪２０ｂに直接作用することになるために、ボール２０ｃに過大な外力が作用してボール２０ｃにフレーキング（剥離）が発生するといった問題を有していた。玉軸受２０のボール２０ｃにフレーキングが生じた場合には、ロータ１の回転が著しく阻害されることになり、タービン発電機１００による発電性能が大幅に低下する問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、タービン発電機に備えられる反タービン側の玉軸受の外輪に外力が作用する問題を防止するようにしたタービン発電機の軸受構造を提供することを目的とする。

本発明は、両側に軸を有し一方の軸にタービンが備えられたロータと、
前記タービンを包囲して収容するタービンハウジングと、前記ロータの外周に後端が開放されたモータステータ収容部を有し且つ前記一方の軸との間にタービン側の玉軸受を備えて前端面が前記タービンハウジングに固定されるステータハウジングと、前記ロータの他方の軸との間に反タービン側の玉軸受を備え且つ前記他方の軸の延長上に貫通した開口を備えて前記ステータハウジングの後端面に固定される軸受フランジと、前記開口を閉塞するように前記軸受フランジの後端面に固定される蓋部材とから組み立てられる外殻部材と、を有するタービン発電機の軸受構造であって、
前記反タービン側の玉軸受を構成する外輪におけるロータの軸方向外側端面に当接するよう配置したリング状の外輪ストッパと、該外輪ストッパと外殻部材との間に配置して外輪ストッパを外輪の軸方向外側端面に予圧する予圧バネとを備えたことを特徴とするタービン発電機の軸受構造、に係るものである。

上記タービン発電機の軸受構造において、前記予圧バネは、前記外輪におけるロータの軸方向外側端面と蓋部材との間に配置することができる。

又、上記タービン発電機の軸受構造において、前記予圧バネは、前記外輪におけるロータの軸方向外側端面とステータハウジングとの間に配置することができる。

本発明のタービン発電機の軸受構造によれば、組み立て作業が容易であり、更に、反タービン側の玉軸受を構成する外輪におけるロータの軸方向外側端面に当接した外輪ストッパを備えると共に、該外輪ストッパを外輪の軸方向外側端面に予圧する予圧バネを備えた構成を有するので、タービン発電機の設置時等の取り扱い時に、タービン発電機を落下させたり或いは他の部材と衝突するような不測の事態が発生して外殻部材の特に蓋部材に衝撃的な外力が作用しても、前記外力が外輪に作用する問題を確実に防止して玉軸受の安全を図ることができる効果がある。

又、前記予圧バネによって反タービン側の玉軸受の外輪を予圧することにより、タービン側の玉軸受の外輪も同時に予圧できる効果がある。

本発明を実施するタービン発電機の一例の全体を示す側断面図である。 反タービン側の玉軸受に適用した本発明の一実施例を示す側断面図である。 本発明の他の実施例を示す側断面図である。 内燃機関にタービン発電機を搭載した場合の一例を示す全体概要構成図である。 本発明者等が実施した初期のタービン発電機の一例の全体を示す側断面図である。 図５における反タービン側の玉軸受の構成を示す側断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１、図２は、前記図５に示した初期のタービン発電機１００に適用した本発明の実施例であって、図中、図４、図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図４及び図５に示すものと同様であり、本実施例の特徴とするところは、図１、図２に示す如く、反タービン側の玉軸受２０を構成する外輪２０ｂにおけるロータ１の軸方向外側端面２０'に当接するようにしたリング状の外輪ストッパ３１を設け、更に、該外輪ストッパ３１と外殻部材である蓋部材２２の凸部２４との間に、外輪ストッパ３１をロータ１の軸方向内側（外輪２０ｂ側）へ予圧するように予め圧縮された予圧バネ３２を配置した点にある。

図２では、玉軸受２０を嵌め合いによって設置するように軸受フランジ１７に設けた段部２９を後方に延長させた延長部２９'に前記外輪ストッパ３１を配置しており、更に、外輪ストッパ３１は内輪２０ａを固定する止めナット２８に干渉しないように断面Ｌ字形を有している。

図３は他の実施例を示したもので、図３では、前記延長部２９'に設けた外輪ストッパ３１と、外殻部材である軸受フランジ１７に設けた前記延長部２９'を更に延長させた延長部２９''との間に、外輪ストッパ３１をロータ１の軸方向内側（外輪２０ｂ側）へ予圧するように予め圧縮された予圧バネ３２を配置している。

次に、図１〜図３に示した装置の作動を説明する。

図１に示すタービン発電機１００に備えられる反タービン側の玉軸受２０を構成する外輪２０ｂは、図２、図３に示すように、予圧バネ３２の弾撥力により外輪ストッパ３１を介して軸方向外側端面２０'を押されて、常に予圧が掛った状態に保持される。

この時、上記したように予圧バネ３２によって反タービン側の玉軸受２０の外輪２０ｂが予圧されることにより、タービン側の玉軸受１１の外輪１１ｂも同時に予圧されるようになる。

上記タービン発電機１００の設置時等の取り扱い時に、タービン発電機１００を落下させたり或いは他の部材と衝突するような不測の事態が発生して外殻部材の特に蓋部材２２に衝撃的な外力が作用しても、玉軸受２０の外輪２０ｂは予圧バネ３２の予圧によって支持されているため、前記外力が玉軸受２０の外輪２０ｂに作用する問題を確実に防止される。よって、タービン発電機１００に衝撃的な外力が作用しても玉軸受２０を安全な状態に保持することができる。

更に、前記外輪ストッパ３１と予圧バネ３２は、タービン発電機１００の組立時に装入するのみで組み立てることができるため、タービン発電機１００の組立作業も容易に行うことができる。

上記したように、小型でしかも組立性に優れ、更に外力の作用に対する安全性を高めた軸受構造を有するタービン発電機１００は、図４に示すように車両の内燃機関の排熱によって冷却用媒体を気化させて生じた作動流体により発電を行う場合に適用できる他、内燃機関からの排気ガスの圧力を利用して発電を行うような場合にも適用することができ、更には、車両以外の各種の装置機器からの排気ガス或いは排熱を利用する場合にも適用することができる。

尚、本発明のタービン発電機の軸受構造は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、外輪ストッパ及び予圧バネの形状は種々変更し得ること、可能な場合にはタービン側の玉軸受に適用するようにしてもよいこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ロータ
２ 一方の軸
３ 他方の軸
４ タービン
５ タービンハウジング（外殻部材）
７ａ 前端面
７ｂ 後端面
７ ステータハウジング（外殻部材）
１０ モータステータ
１０ａ モータステータ収容部
１１ タービン側の軸受
１７ 軸受フランジ（外殻部材）
２０ 反タービン側の軸受
２０ｂ 外輪
２０' 軸方向外側端面
２２ 蓋部材（外殻部材）
３１ 外輪ストッパ
３２ 予圧バネ
１００ タービン発電機

Claims (3)

1. 両側に軸を有し一方の軸にタービンが備えられたロータと、
   前記タービンを包囲して収容するタービンハウジングと、前記ロータの外周に後端が開放されたモータステータ収容部を有し且つ前記一方の軸との間にタービン側の玉軸受を備えて前端面が前記タービンハウジングに固定されるステータハウジングと、前記ロータの他方の軸との間に反タービン側の玉軸受を備え且つ前記他方の軸の延長上に貫通した開口を備えて前記ステータハウジングの後端面に固定される軸受フランジと、前記開口を閉塞するように前記軸受フランジの後端面に固定される蓋部材とから組み立てられる外殻部材と、を有するタービン発電機の軸受構造であって、
   前記反タービン側の玉軸受を構成する外輪におけるロータの軸方向外側端面に当接するよう配置したリング状の外輪ストッパと、該外輪ストッパと外殻部材との間に配置して外輪ストッパを外輪の軸方向外側端面に予圧する予圧バネとを備えたことを特徴とするタービン発電機の軸受構造。
2. 前記予圧バネは、前記外輪におけるロータの軸方向外側端面と蓋部材との間に配置される請求項１に記載のタービン発電機の軸受構造。
3. 前記予圧バネは、前記外輪におけるロータの軸方向外側端面とステータハウジングとの間に配置される請求項１に記載のタービン発電機の軸受構造。

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