JP2015121138A - 断熱軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高温ガスに接触するインペラの回転軸を確実に回転支持することができる断熱軸受構造を提供する。
【解決手段】回転軸５の側面を三方から３つの円盤２３の外縁により当接支持する構造にため、回転軸５と円盤２３との接触面積が小さく、回転軸５から円盤２３側への伝熱が小さい。そのため、回転軸５が高温になっても確実に支持することができる。また円盤２３にはフィン２８が形成され、回転時に周辺空気Ａを巻き込んで外縁から回転軸５と円盤２３との当接部に吹き出すため、当接部が冷却されて更に支持が確実になる。
【選択図】図２

Description

本発明は断熱軸受構造に関するものである。

高温ガスにより回転させられるタービン或いは回転することにより高温ガスを送出するポンプとしては、高温ガスに直接接触するインペラを回転軸の一端に固定し、その回転軸を転がり軸受により回転自在に支持した構造が一般的に採用されている。転がり軸受の高温化を防止するため、回転軸の周囲には水冷ジャケットが形成され、冷却水を循環することで回転軸周辺を冷却している（例えば、特許文献１参照）

特開２００７−９７０２号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、水冷ジャケット構造により回転軸周辺を冷却する構造になっているものの、装置の構造によっては大きな面積の水冷ジャケット構造を設けられない場合がある。

また近年太陽熱利用技術分野において太陽集光により１０００℃以上の高温ガスを作りだし、その高温ガスを必要な場所に送るために高温に耐えられるポンプが必要となるが、このようなタイプのポンプの場合、全ての冷却に水冷ジャケットを採用すると構造が複雑になりすぎるため、水冷に頼らない新規な耐熱構造の軸受けが求められる。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、高温ガスに接触するインペラの回転軸を水冷に頼らずに確実に回転支持することができる断熱軸受構造を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、高温ガスと接触するインペラを一端に固定した回転軸を支持する断熱軸受構造であって、前記回転軸の側面に三方からそれぞれ外縁が当接する３つで一組の円盤をそれぞれ回転軸と平行な回転シャフトを中心に回転自在に支持すると共に、該円盤に回転時に外縁から放射方向に雰囲気ガスを吹き出すフィンを設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、円盤が二枚の円形板の間にフィンを挟持した構造で、円形板の一方の中心に回転シャフトが固定され、他方の中心に回転時に雰囲気ガスを吸引する吸引孔が形成されていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、回転軸に円盤の外縁に相応する小径部を形成し、該小径部に円盤の外縁を当接させて回転軸のスラスト方向での位置規制もすることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、回転軸の側面を三方から３つの円盤の外縁により当接支持する構造のため、回転軸と円盤との接触面積が小さく、回転軸から円盤側への伝熱が小さい。そのため、水冷に頼らずとも、高温になった回転軸を確実に支持することができる。また円盤にはフィンが形成され、回転時に周辺空気を巻き込んで外縁から回転軸と円盤との当接部に吹き出すため、当接部が冷却されて更に支持が確実になる。

請求項２記載の発明によれば、フィンが２枚の円形板により挟持され、一方の円形板に吸引孔が形成されているため、円盤を回転させると吸引孔から周辺空気が円盤の内部に吸引され、それが円盤の外縁から外側へ吹き出される。このように導入した空気を分散せずに円盤の外縁から回転軸との当接部に向けて吹き出すことができるため、当接部をより確実に冷却することができる。

請求項３記載の発明によれば、円盤の外縁が回転軸に形成された小径部に当接しているため、３つの円盤は回転軸のラジアル方向での位置規制だけでなく、スラスト方向での位置規制も行うことができる。

本発明の実施形態に係る断熱軸受構造を示す全体斜視図。 断熱軸受構造の図６中ＳＡ−ＳＡ線に沿う断面図。 断熱軸周辺の構造を示す分解斜視図。 シャッター構造を示す一部破断の斜視図。 シャッター構造を示す断面図。 ３つの円盤を示す平面図。 円盤を示す分解斜視図。 回転軸の羽根を示す斜視図。 ピン係合構造を示す斜視図。

図１〜図９は、本発明の好適な実施形態を示す図である。

この実施形態に係る断熱軸受構造は縦型で上端にインペラ１が設置されている。インペラ１はハウジング２内に収納されている。ハウジング２の周囲は断熱材３，４により覆われている。断熱材３はテーパ形状で、断熱材４はその周辺を構成する。断熱材３、４がこのような２分割構造になっているのは、メンテナンスの際にテーパ形状の断熱材３より下側の構造を断熱材３ごと全体的に外せるようにするためである。

インペラ１は回転することよりハウジング２の中心部に形成された吸引管５から高温ガスＧを吸引して吐出管６側へ吹き出すポンプとして機能する。この際インペラ１も大変に高温となる。そのためインペラ１は耐熱性の高い金属又はセラミックで形成されている。この実施例における高温ガスＧは太陽集光装置のレシーバーにより１５００℃程度に加熱された空気である。用途によっては不活性ガス（窒素やアルゴン等）が使用される場合もある。

インペラ１を固定する回転軸７の上端部は円柱状でセラミック製の断熱軸８により形成され、中間部は金属製の回転軸本体９により形成され、下端部は金属製の連結軸１０により形成されている。断熱軸８の上下側面にはＶ溝８ａ、８ｂが円周方向に形成されている。回転軸７の下端を形成する連結軸１０にはベース１１に支持されたモータＭが連結され、このモータＭの回転が回転軸７を介してインペラ１に伝達される。そして高温となっているインペラ１の熱が回転軸７を介して支持構造やモータＭやに伝わらないように工夫されたのがこの耐熱軸受構造の特長である。

回転軸本体９の上端にはアダプタ１２がネジ１３により固定されている。アダプタ１２は下部にテーパ面１４を有し、中間部にネジフランジ１５を有し、上部にＶ溝１２ａが円周方向に形成されている。

インペラ１の下面には二割フランジ１６が固定されている。二割フランジ１６は下端に円周方向に延在する爪１６ａを有し、別々にインペラ１に対して固定することによりその爪１６ａを断熱軸８の上部のＶ溝８aに係合させている。

断熱軸８の下端はアダプタ１２内に挿入され、その外側は二割シリンダ１７にて覆われる。二割シリンダ１７の上下には爪１７ａ、１７ｂが形成され、各爪１１７ａ、１７ｂが断熱軸８とアダプタ１２の各Ｖ溝８ｂ、１２ａに係合されている。

二割シリンダ１７の外側には同じく筒形状のキャップ１８が被せられる。キャップ１８にはネジフランジ１５に螺合するネジ部１９が形成されている。キャップ１８が被せられることにより二割シリンダ１７は断熱軸８とアダプタ１２から外れず、Ｖ溝８ｂ、１２ａと爪１７ａ、１７ｂとの係合状態が維持される。断熱軸８とアダプタ１２と回転軸本体９の回転方向での固定は図示せぬキー係合その他になされている。そして長手方向での固定を、前記ネジ１３に加えて、前述のような二割フランジ１６、二割シリンダ１７、キャップ１８により機械的に行うため、全体が高温化しても長手方向での固定は強固で確実である。しかも二割フランジ１６や二割フランジ１７（キャップ１８）を外すことにより長手方向で離脱させることも容易である。

アダプタ１２の周囲にはシャッター構造２０がベース２１に固定された状態で設けられている。シャッター構造２０は、ケース２２と、中間にスペース２３を有する２枚で一対のカーボン板２４と、カーボン板２４を上方へ付勢するリングスプリング２５とで形成されている。リングスプリング２５は複数のリングの円周方向で相違する位置を交互に連結した構造で、連結点以外は撓むため、下端をケース２１側から延長した部分で下側から支持することにより、厚さ方向での付勢力をカーボン板２４に及ぼし、カーボン板２４をアダプタ１２側（上側）へ押すことになる。

カーボン板２４は中心孔２４ａ、２４ｂを有し、その内縁はアダプタ１２のテーパ面１４に相応した斜面になっている（図５参照）。カーボン板２４の下面には孔２６も形成されている。

回転軸５が回転すると、カーボン板２４の中心孔２４ａ、２４ｂの内縁がテーパー面１４に対して相対的に高速回転する。上側の中心孔２４ａの方が下側の中心孔２４ｂよりも径が大きいため、同じ回転数であっても、中心孔２４ａの方が中心孔２４ｂよりもテーパ面１４に対する相対速度は大きく遠心力も大きい。そのため中心孔２４ａとテーパー面１４との微小隙間は減圧度が大きくなり、スペース２３内の空気Ａは中心孔２４ａからインペラ１側へわずかに流れる。インペラ側１へ流れた分の空気Ａは孔２６から順次スペース２３内に導入される。

つまり空気Ａはシャッター構造２０の下側から孔２６を介してスペース２３内に侵入し、スペース２３から上側の中心孔２４ａとテーパ面１４との微小隙間を通過してインペラ１側へ流れる。このようにシャッター構造２０ではシャッター構造２０より下方から上方への一方的な空気Ａの流れが生じるため、インペラ１側からの熱が空気Ａの流れによって下方へ移動することはない。

シャッター構造２０よりも下方の回転軸本体９に対応する部分には、回転軸本体９の側面に三方からそれぞれ外縁が当接する３つで一組の円盤２７、２８が上下逆向きで２組設けられている。円盤２７、２８はそれぞれ回転軸本体９と平行な回転シャフト２９、３０により支持されている。回転シャフト２９、３０はベース３１に対してベアリング３２により回転自在に支持されている。尚、下側の円盤２８は回転軸本体９に形成された小径部３３に当接している。

円盤２７、２８は同様の構造のため、以下図７に基づいて上側の円盤２７を例に説明する。

円盤２７は二枚の円形板３４、３５の間にフィン３６を挟持した構造である。下側の円形板３５には中心孔３５ａが形成され、上側の円形板３４には回転時に空気Ａを吸引する吸引孔３４ａが形成されている。吸引孔３４ａ及び中心孔３５ａは２枚の円形板３４、３５に形成された凹部３７、３８に形成されている。そしてフィン３６は下側の円形板３５における凹部３８の周囲に形成されている。

上下の円形板３４、３５は凹部３７、３８にセンタ部３９を嵌め込んだ状態で重合される。上下の円形板３４、３５はフィン３６の厚さ分だけ互いに離間した状態で重合される。センタ部３９を嵌め込むことにより上下の円形板３４、３５のセンターは一致して位置ずれが防止される。そして下側の円形板３５の中心孔３５ａに回転シャフト３０が固定される。さらにセンタ部３９にも中心に孔が形成されているため、上側の吸引孔３４ａとフィン３６の間の隙間はセンタ部３９を介して連通状態となる。円盤２７、２８の機能は後述する。

回転軸本体９における上下の円盤２７、２８の間には羽根４０が形成されている。羽根４０は図示せぬ手段によりベース３１に固定された筒型のフード４１により覆われている。羽根４０が回転することにより空気Ａを回転軸本体９に沿って流すことができる。

連結軸１０はベアリング４２によりベース４３に対して回転自在に支持されている。連結軸１０の上下はピン結合構造４４、４５が設けられている。ピン結合構造４４、４５は対応する一対のフランジ４６、４７に二本のピン４８と２つの切欠４９を形成し、両者を係合させることにより回転を伝達する構造で、接触面積が小さいため回転軸本体９の熱が連結軸８を介してモータＭに伝達するのを防止している。

次にこの実施形態の作用を説明する。

耐熱軸
耐熱軸８の周辺はインペラ１に近いため高温になる。そのため確実な固定が必要となる。回転方向での固定はキー係合等によりなされるが問題は長手方向での固定である。高温になるためネジ１３だけでは不十分である。そのためこの実施形態では、二割フランジ１６、二割シリンダ１７、キャップ１８により機械的に結合した。Ｖ溝８ａ、８ｂ、１２ｂと爪１６a、１７a、１７ｂとの係合により長手方向の結合が確実になされる。また二割フランジ１６と二割シリンダ１７を分割構造としたことにより、固定の解除も容易である。

シャッター構造
インペラ１に近い上方部は周辺空気も高温のため、その高温空気を下方へ移動させたくない。そのためシャッター構造２０を設けて基本的に上方に存在する高温空気が下方へ移動するのを遮断する。更に、テーパ面１４の回転により空気に遠心力が作用して微小隙間における空気Ａの上方への流れが生じ、中心孔２４ａの下面側よりも上面側の気圧が下がるため（減圧作用）、上方から下方への空気Ａの移動を完全に防止し、下方構造を熱から守る。なお、中心孔２４ｂでも同様の減圧作用が生じるが、中心孔２４ａにおける減圧作用の方が大きいためスペース２３の気圧も減圧される。

円盤による耐熱構造
上下２組の円盤２７、２８は回転軸７を主として支持する部分であり、回転軸７と強接触する。この部分の熱伝達を防止することが全体の耐熱性能上最も重要である。

まず上下の円盤２７、２８の外縁が三方から回転軸本体９に接触するため、回転軸本体９をラジアル方向で確実に支持する。また下方の円盤２８が回転軸本体９の小径部３３に当接するため、回転軸本体９のスラスト方向の支持も確実となる。

この円盤２７、２８による支持構造では、円盤２７、２８の外縁が回転軸本体９に三方から接触するため、強接触ではあるが点接触あるいは線接触に近く接触面積が小さいので熱伝導は小さい。従って回転軸本体９が高温になっても円盤２７、２８が熱による影響を受けることが少なく確実な回転支持が行える。

更に回転軸本体９の回転に伴って円盤２７、２８も受動的に回転するが、円盤２７、２８が回転するとフィン３６の作用により、一方の円形板３４の中心に形成された吸引孔３４ａから周辺空気Ａが２枚の円形板３４、３５の隙間内に導入され、その導入された空気Ａがそのまま円盤２７、２８の外縁より円盤２７、２８と回転軸本体９との当接部に吹き出される。そのため円盤２７、２８と回転軸本体９の当接部を冷却することができ、当接部を介した熱伝達を更に防止する。周辺空気Ａを２枚の円形板３４、３５の隙間に通してから外縁より吹き出すため、導入された空気Ａが分散されずに外縁より吹き出され、円盤２７、２８と回転軸本体９との当接部を確実に冷却することができる。

羽根による冷却
回転軸本体９の回転に伴って羽根４０が回転し、この羽根４０により回転軸本体９に沿った空気Ａの流れが生じるため、回転軸本体９自体を冷却すると共に、空気Ａを上側の円盤２７、２８と回転軸本体９との当接部に向けて吹き出すため、当接部の冷却も行える。また羽根４０が筒型のフード４１により覆われているため、羽根４０よる空気Ａの流れを回転軸本体９に沿わせることができると共に、効率的に円盤２７、２８と回転軸本体９との当接部に当てることができる。

ピン結合構造
モータＭに近い連結軸１０において２箇所にピン結合構造４４、４５を設けているため、回転軸本体９からの面を通しての伝熱を確実に遮断することができる。すなわち２箇所のピン結合構造４４、４５では、ピン４８と切欠４９との係合で回転を伝達する構造で、両者の接触面積が小さいため、回転軸本体９の熱がモータＭ側に伝わりにくい。そのため最終的にモータＭを熱から守ることができる。

以上の説明では、縦に設置した回転軸７の上端にインペラ１を設けられた例を示したが、回転軸７の向きは横でも斜めでも良く、またインペラ１は回転軸７のいずれの端部に固定されていても良い。

また２枚の円形板３４、３５の隙間にフィン３６を設けた構造の円盤２７、２８を例にしたが、例えば１枚の円形板３５の片面にフィン３６を設けた構造でも良い。

１ インペラ
７ 回転軸
２７、２８ 円盤
２０ シャッター構造
２７、２８ 円盤
２９、３０ 回転シャフト
３４、３５ 円形板
３６ フィン
４４、４５ ピン結合構造
Ａ 空気
Ｇ 高温ガス
Ｍ モータ

Claims (3)

1. 高温ガスと接触するインペラを（１）一端に固定した回転軸（７）を支持する断熱軸受構造であって、
   前記回転軸の側面に三方からそれぞれ外縁が当接する３つで一組の円盤（２７／２８）をそれぞれ回転軸と平行な回転シャフト（２９／３０）を中心に回転自在に支持すると共に、該円盤に回転時に外縁から放射方向に雰囲気ガスを吹き出すフィン（３６）を設けたことを特徴とする断熱軸受構造。
2. 円盤が二枚の円形板（３４，３５）の間にフィン（３６）を挟持した構造で、円形板の一方の中心に回転シャフト（２９／３０）が固定され、他方の中心に回転時に雰囲気ガスを吸引する吸引孔（３４ａ）が形成されていることを特徴とする請求項１記載の断熱軸受構造。
3. 回転軸に円盤の外縁に相応する小径部（３３）を形成し、該小径部に円盤の外縁を当接させて回転軸のスラスト方向での位置規制もすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の断熱軸受構造。

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