JP2016089725A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で第２軸受の放熱性を向上させることができるターボ機械を提供すること。
【解決手段】ターボ機械１０は、シャフトＭａにおけるインペラ１７に近い部位を支持する第１軸受２０と、第１軸受２０よりもインペラ１７から遠い部位を支持する第２軸受３０と、を備える。ターボ機械１０は、第２軸受３０を収納した状態でハウジング１１に組み付けられた第２軸受ケース３１を備える。第２軸受ケース３１は、第２軸受３０の第２外輪３３が内部に圧入された第２筒部３１ａと、第２筒部３１ａの外周面から外方へ突出した形状の第２フランジ３１ｂと、を有する。第２軸受ケース３１は、第２フランジ３１ｂに、第１軸受２０側から第２軸受３０側に向けた反力が作用する状態で、ボルト３２によってハウジング１１に組み付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シャフトを支持する第１軸受と第２軸受とを備えるターボ機械に関する。

この種のターボ機械としては、例えば、特許文献１が挙げられる。図４に示すように、特許文献１に開示のターボ機械８０において、ケーシング８１の内部には、インペラ８２を収容するインペラ収容空間Ｋ１や、モータ８３を収容するモータ収容空間Ｋ２が設けられている。モータ８３によって回転するシャフト８４は、シャフト８４のインペラ８２寄りを支持するインペラ側軸受（第１軸受）８５と、シャフト８４の地面寄りを支持する地面側軸受（第２軸受）８６とによって支持されている。インペラ側軸受８５の外輪は、インペラ側軸受支持部８７に固定されて支持されている。また、地面側軸受８６の外輪は、ケーシング８１の嵌合孔８１ａに嵌合された地面側軸受支持部８８に摺動可能に支持されている。

また、地面側軸受支持部８８の内部には、底面と地面側軸受８６との間に介装される予圧バネ８９が配置されている。予圧バネ８９は、地面側軸受支持部８８の内部において摺動可能な地面側軸受８６を支持部材９１を介して下方から支え、地面側軸受８６とシャフト８４を介してインペラ側軸受８５に予圧を与える。

特開２０１１−５２５５０号公報

ところが、特許文献１のターボ機械８０において、予圧バネ８９によってインペラ側軸受８５に予圧を与えるため、地面側軸受８６の外輪は地面側軸受支持部８８に対し摺動可能である。このため、地面側軸受８６の外輪と地面側軸受支持部８８との間には隙間が存在し、地面側軸受８６の転動体が転動して発生した熱が外部に伝わりにくく、地面側軸受８６の放熱性が低い。また、予圧バネ８９によってインペラ側軸受８５に予圧を与えるためには、予圧バネ８９を支持部材９１を介してインペラ側軸受８５の外輪に当接させており、部品点数が増えて構造が複雑化してしまっている。

本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、簡易な構成で第２軸受の放熱性を向上させることができるターボ機械を提供することにある。

上記問題点を解決するためのターボ機械は、ハウジングと、前記ハウジングに収容されたモータと、前記モータによって回転するシャフトと、前記シャフトに固定されたインペラと、前記シャフトの軸方向に沿う部位のうち前記インペラに近い部位を支持する第１軸受と、前記シャフトの軸方向に沿う部位のうち前記第１軸受よりも前記インペラから遠い部位を支持する第２軸受と、を備えるターボ機械であって、前記第２軸受を収納した状態で前記ハウジングに組み付けられた軸受ケースを備え、前記軸受ケースは、前記第２軸受の外輪が内部に圧入された筒部と、前記筒部の外周面から外方へ突出した形状のフランジと、を有し、前記軸受ケースは、前記フランジに、前記第１軸受側から前記第２軸受側に向けた反力が作用する状態で、固定部材によって前記ハウジングに組み付けられていることを要旨とする。

これによれば、第２軸受の外輪は、軸受ケースの筒部に圧入されている。このため、例えば、筒部に対し、外輪が、シャフト軸方向へ摺動可能に組み付けられている場合と比べると、外輪の外周面と筒部の内周面との接触面積が増加し、外輪から筒部への伝熱性が高まる。また、フランジがハウジングに組み付けられることにより、フランジは、ハウジングと熱的に結合されている。このため、第２軸受で発生した熱を、筒部及びフランジを介してハウジングに伝え、さらに、ハウジングから外気へ放出することができる。よって、軸受ケースに外輪を圧入し、その軸受ケースをハウジングに組み付けることで、第２軸受の放熱性を高めることができる。

また、外輪が圧入された軸受ケースは、ハウジングへの組み付けにより、シャフト軸方向への移動が規制されている。この軸受ケースにおいて、フランジに対し、第１軸受側から第２軸受側へ向けた反力が作用するように固定部材をハウジングに固定している。このため、固定部材によるフランジの固定により、筒部には、第２軸受側から第１軸受側に向けた付勢力が発生している。よって、筒部に圧入された外輪には、第２軸受側から第１軸受側に向けた荷重が加わっている。その結果、第２軸受の転動体及び内輪を介してシャフトにも荷重が加わり、このシャフトを介して第１軸受にも荷重を加えることができる。すなわち、第１軸受に予圧を与えることができる。よって、第２軸受に荷重を加えるために、第２軸受の外輪に対し、ワッシャ等を介して予圧バネを当接させる必要が無く、予圧バネを無くした簡易な構成とすることができる。

また、ターボ機械について、前記フランジは板状であり、前記フランジを前記ハウジングに固定する前は、前記フランジと前記ハウジングの対向面同士の間にクリアランスが存在する。

これによれば、クリアランスの大きさを調整することで、フランジに作用する反力を調整でき、筒部に発生させる付勢力を調整することができる。よって、クリアランスの大きさを調整することで、筒部に圧入された外輪に加わる荷重をコントロールすることができる。

本発明によれば、簡易な構成で第２軸受の放熱性を向上させることができる。

実施形態のターボ機械を示す断面図。 軸受ケース及びカバーを固定する前の第２軸受付近を示す拡大断面図。 軸受ケース及びカバーを固定した後の第２軸受付近を示す拡大断面図。 背景技術を示す図。

以下、ターボ機械を具体化した一実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、ターボ機械１０は、アルミニウム製及び筒状のモータハウジング１１ａを備える。モータハウジング１１ａの軸方向一端には、アルミニウム製及び円環状の第１シールプレート１２が固定され、モータハウジング１１ａの軸方向他端には、アルミニウム製及び円環状の第２シールプレート１３が固定されている。ハウジング１１は、モータハウジング１１ａと、第１シールプレート１２と、第２シールプレート１３とで囲まれたモータ収容空間Ｓを備える。モータ収容空間ＳにはモータＭが収容されている。モータ収容空間Ｓは、第１シールプレート１２と第２シールプレート１３によってシールされている。

モータＭによって回転するシャフトＭａにおいて、第１シールプレート１２からの突出端部にはインペラ１７が固定されている。第１シールプレート１２にはコンプレッサハウジング１８が取り付けられている。コンプレッサハウジング１８には、気体を吸入するための吸気口１８ａが設けられている。コンプレッサハウジング１８と第１シールプレート１２との間には、インペラ１７を中心として渦巻状に形成されたスクロール流路１８ｂが形成されている。そして、吸気口１８ａからコンプレッサハウジング１８に吸入された気体は、スクロール流路１８ｂを通過して図示しないエンジンに供給される。

また、第２シールプレート１３には、後述の第２軸受ケース３１を覆うカバー１９が取り付けられている。よって、本実施形態では、ターボ機械１０のハウジング１１は、モータハウジング１１ａと、第１シールプレート１２と、第２シールプレート１３と、コンプレッサハウジング１８と、カバー１９とから構成されている。

モータハウジング１１ａは、第１シールプレート１２に臨む端部に軸受支持部１４を備える。軸受支持部１４には、モータ収容空間Ｓに連通する開口部１４ａが形成されている。また、モータハウジング１１ａは、軸受支持部１４における第１シールプレート１２に臨む端部に収容凹部１４ｂを備える。収容凹部１４ｂは、開口部１４ａを円形状に取り囲む。さらに、モータハウジング１１ａは、軸受支持部１４における収容凹部１４ｂの内底面に雌ねじ部１４ｃを複数備える。

モータハウジング１１ａの軸受支持部１４には、第１軸受ケース２１を介して第１軸受２０が支持されている。また、第２シールプレート１３には、第２軸受ケース３１を介して第２軸受３０が支持されている。そして、モータＭのシャフトＭａの軸方向に沿う部位のうち、インペラ１７に近い部位が第１軸受２０によって回転可能に支持されている。また、シャフトＭａの軸方向に沿う部位のうち、第１軸受２０よりもインペラ１７から離れた部位は第２軸受３０によって回転可能に支持されている。

第１軸受２０は、第１軸受ケース２１の内部に収納されている。第１軸受ケース２１は、軸受支持部１４に固定されている。また、第１軸受ケース２１は鉄製である。第１軸受ケース２１は、円筒状の第１筒部２２と、この第１筒部２２の軸方向両端部のうち第１シールプレート１２に近い端部に一体の第１フランジ２３とを有する。第１フランジ２３は、第１筒部２２の径方向に沿って外に広がる円環状の板状である。さらに、第１軸受ケース２１は、第１筒部２２の軸方向両端部のうち第１シールプレート１２に近い端部に一体の係合部２４を有する。係合部２４は、第１筒部２２の径方向に沿って内に広がる円環状の板状である。第１筒部２２は、軸受支持部１４の開口部１４ａに挿入されている。そして、第１軸受ケース２１の第１筒部２２には、シャフトＭａが挿通されている。

第１フランジ２３は複数の挿通孔２３ｂを有する。そして、第１軸受ケース２１は、軸受支持部１４の開口部１４ａに第１筒部２２が挿入されているとともに、第１フランジ２３が収容凹部１４ｂに収容されている。また、第１フランジ２３の各挿通孔２３ｂに挿通されたボルト２９が、軸受支持部１４の雌ねじ部１４ｃに螺合され、第１軸受ケース２１が軸受支持部１４に固定されている。

第１軸受ケース２１に挿通されたシャフトＭａは、第１軸受２０によって回転可能に支持されている。第１軸受２０は、シャフトＭａと一体回転するように、該シャフトＭａに圧入された第１内輪２５と、第１軸受ケース２１に対し、軸方向への移動が規制された第１外輪２６と、第１内輪２５と第１外輪２６の間に介在する第１転動体２７とを有する。第１内輪２５及び第１外輪２６は鉄製である。

第１外輪２６は、第１軸受ケース２１の係合部２４に軸方向の端面が係合しており、係合部２４よりインペラ１７側への移動が規制されている。また、第１外輪２６は第１筒部２２に圧入されている。第１外輪２６の外周面は、全面に亘って第１筒部２２の内周面に面接触している。加えて、第１外輪２６の外周面は、第１筒部２２の内周面と熱的に結合されている。

第２軸受３０は、ハウジング１１の第２シールプレート１３に組み付けられた第２軸受ケース３１の内部に収納されている。第２軸受ケース３１は、円筒状の第２筒部３１ａと、この第２筒部３１ａの軸方向両端部のうち第２シールプレート１３よりも外に突出した端部に一体の第２フランジ３１ｂとを有する。第２筒部３１ａは、第２シールプレート１３を貫通し、かつモータハウジング１１ａの軸方向他端部に挿入されている。そして、第２軸受ケース３１の第２筒部３１ａには、シャフトＭａが挿通されている。

第２フランジ３１ｂは、第２筒部３１ａの径方向に沿って外に広がり、第２筒部３１ａを取り囲む板状である。第２フランジ３１ｂは、周方向に沿って複数の挿通孔３５を有する。そして、カバー１９を貫通し、かつ第２フランジ３１ｂの挿通孔３５に挿通されたボルト３２を、モータハウジング１１ａにおける第２シールプレート１３側の端面に設けられた雌ねじ部３７に螺合することによって、第２軸受ケース３１はモータハウジング１１ａに固定されている。カバー１９は、第２軸受ケース３１の第２フランジ３１ｂ側の開口を閉塞している。

第２筒部３１ａに挿通されたシャフトＭａは、第２軸受３０によって回転可能に支持されている。第２軸受３０は、シャフトＭａと一体回転するように、該シャフトＭａに圧入された第２内輪３６と、第２筒部３１ａに対し、その軸方向への移動が規制された第２外輪３３と、第２内輪３６と第２外輪３３の間に介在する第２転動体３４とを有する。第２フランジ３１ｂは、ボルト３２による締結によって、カバー１９側から第２シールプレート１３に向けて凸になる状態で撓んでいる。

ここで、図２に、第２軸受ケース３１を第２シールプレート１３に固定する前の状態を示す。第２軸受ケース３１の第２フランジ３１ｂは、第２筒部３１ａの径方向に沿って延びる板状である。また、カバー１９も、平板状である。

第２内輪３６は、シャフトＭａに圧入され、シャフトＭａの軸方向への移動が規制されている。また、第２外輪３３は、第２転動体３４を介して第２内輪３６に当接することで、第１軸受２０に向けた移動が規制されている。このように第１軸受２０に向けた移動の規制された第２外輪３３に対し、第２軸受ケース３１が圧入によって一体化されており、第２軸受ケース３１は、第１軸受２０に向けた移動が規制されている。

そして、ボルト３２によって第２軸受ケース３１を第２シールプレート１３に固定する前において、第１軸受２０と第２軸受３０等に力をかけないで隙間無く組み合わせた状態では、第２フランジ３１ｂは、第２シールプレート１３から離間している。よって、ボルト３２によって第２軸受ケース３１を第２シールプレート１３に固定する前において、第１軸受２０と第２軸受３０等に力をかけないで隙間無く組み合わせた状態では、第２フランジ３１ｂと第２シールプレート１３の対向面同士の間には、クリアランス４０が存在している。そして、クリアランス４０が存在した状態で、カバー１９及び、第２フランジ３１ｂの挿通孔３５に挿通したボルト３２を、第２シールプレート１３の雌ねじ部３７に螺合する。すると、ボルト３２の雌ねじ部３７への螺合によって、第２フランジ３１ｂには、第２軸受３０側から第１軸受２０側へ向けた力が作用する。

このとき、第２軸受ケース３１は、第１軸受２０に向けた移動が規制されているため、ボルト３２の螺合により、第２フランジ３１ｂの第２筒部３１ａ側が、図３に示すように、第２シールプレート１３に向けて凸となる状態に撓む。このように第２フランジ３１ｂを撓ませることにより、第２フランジ３１ｂには、ボルト３２による固定方向に対向する反力が発生する。この反力は、第１軸受２０側から第２軸受３０側に向かう力である。

すると、反力の発生した第２フランジ３１ｂと一体の第２筒部３１ａには、第２軸受３０側から第１軸受２０側に向けた付勢力が発生する。よって、第２軸受ケース３１の第２筒部３１ａに圧入された第２外輪３３には、第２軸受３０側から第１軸受２０側に向けた荷重が加わる。その結果として、第２外輪３３、第２転動体３４、第２内輪３６、及びシャフトＭａを介して第１軸受２０には予圧が与えられる。

次に、ターボ機械１０の作用を記載する。
ターボ機械１０では、モータＭによってシャフトＭａが回転する。シャフトＭａは、第１軸受２０及び第２軸受３０によって支持されている。そして、第１軸受２０では、第１転動体２７の回転によって、第１内輪２５及び第１外輪２６には摩擦熱が発生する。第１内輪２５で発生した熱は第１転動体２７を介して第１外輪２６に伝わり、第１転動体２７で発生した熱は第１外輪２６に伝わる。第１外輪２６に伝わった熱は、第１軸受ケース２１の第１筒部２２及び第１フランジ２３から第１シールプレート１２に伝わる。そして、第１シールプレート１２に伝わった熱は、外気に放出される。

また、第２軸受３０では、第２転動体３４の回転によって、第２内輪３６及び第２外輪３３には摩擦熱が発生する。第２内輪３６で発生した熱は第２転動体３４を介して第２外輪３３に伝わり、第２転動体３４で発生した熱は第２外輪３３に伝わる。第２外輪３３に伝わった熱は、第２軸受ケース３１の第２筒部３１ａに伝わる。第２外輪３３と第２筒部３１ａとは面接触しており、第２外輪３３の熱は第２筒部３１ａに効率良く伝わる。

第２筒部３１ａに伝わった熱は、第２フランジ３１ｂを介して第２シールプレート１３及びカバー１９に伝わり、外気へ放出される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）第２軸受３０の第２外輪３３を第２軸受ケース３１に圧入した。このため、第２外輪３３の外周面と第２軸受ケース３１の内周面との接触面積を、第２外輪３３が第２軸受ケース３１に対し摺動可能とした場合より広くできる。その結果として、第２軸受３０から第２軸受ケース３１への伝熱性を高めることができ、第２軸受３０の放熱性を高めることができる。

（２）第２軸受３０の第２外輪３３を第２軸受ケース３１に圧入した。そして、第２軸受ケース３１の第２フランジ３１ｂをボルト３２で第２シールプレート１３に固定する際、その固定方向に対向する反力を第２フランジ３１ｂに作用させ、第２フランジ３１ｂに弾性力を持たせた。このため、第２フランジ３１ｂと一体の第２筒部３１ａには、第２軸受３０側から第１軸受２０側への付勢力を発生させ、第２軸受ケース３１を介して第２外輪３３に荷重を加え、シャフトＭａを介して第１軸受２０に予圧を与えることができる。

（３）第２軸受ケース３１をボルト３２で第２シールプレート１３に固定した状態では、第２フランジ３１ｂは、第２シールプレート１３及びカバー１９に面接触している。このため、第２外輪３３から第２筒部３１ａに伝わった熱を、第２フランジ３１ｂから第２シールプレート１３及びカバー１９に伝えることができる。よって、第２シールプレート１３及びカバー１９に伝わった熱を、外気に放出することができ、第２軸受３０の放熱性を良好なものとすることができる。

（４）ボルト３２によって第２フランジ３１ｂを固定する前の状態では、第２フランジ３１ｂと第２シールプレート１３の対向面の間にはクリアランス４０が存在している。そして、このクリアランス４０が無くなるように、ボルト３２の螺合によって第２フランジ３１ｂを第２シールプレート１３に押し付けることにより、第２フランジ３１ｂを撓ませ、第２外輪３３に荷重を加え、第１軸受２０に予圧を与えることができる。よって、クリアランス４０を調整することで、第２フランジ３１ｂの撓み量を調整し、第１軸受２０に与える予圧をコントロールすることができる。

（５）ボルト３２を第２シールプレート１３に螺合して第２軸受ケース３１がハウジング１１に組み付けられている。ボルト３２の螺合量を調整することで、第２フランジ３１ｂの撓み量を調整することができる。その結果として、第２軸受ケース３１の付勢力、すなわち、第２外輪３３に加える荷重を調整し、第１軸受２０に与える予圧をコントロールすることができる。

（６）第２軸受ケース３１の第２フランジ３１ｂをボルト３２で第２シールプレート１３に固定することで、第２軸受ケース３１、第２軸受３０及びシャフトＭａを介して、第１軸受２０に予圧を与えることができる。よって、特許文献１のように、予圧バネを支持部材（ワッシャ等）を介して第２軸受３０の第２外輪３３に当接させて予圧を与える必要がなく、予圧バネ及び支持部材が不要になる。また、支持部材が軸受や軸受ケースに対し回転しないようにする構成も不要となり、予圧を与えるための構成を簡素化できる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第２シールプレート１３と第２フランジ３１ｂの対向面間との間に、シムといった厚み調整部材を介装し、クリアランス４０の大きさを適宜調整してもよい。

○ 第１軸受２０の第１内輪２５、第２軸受３０の第２内輪３６は、シャフトＭａに対し、隙間嵌めであってもよいし、第１軸受２０の第１外輪２６は第１軸受ケース２１の第１筒部２２に対し、隙間嵌めであってもよい。

○ 固定部材としてのボルト３２によって第２フランジ３１ｂを第２シールプレート１３に固定したが、固定部材はブラインドリベットや圧入ピン等に変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。

（イ）前記第２軸受における前記外輪の外周面は、前記軸受ケースにおける前記筒部の内周面に面接触しているターボ機械。
（ロ）前記固定部材はボルトであり、前記固定部材は前記ハウジングに螺合されているターボ機械。

（ハ）前記フランジは前記筒部を取り囲む環状であるターボ機械。

Ｍ…モータ、Ｍａ…シャフト、１０…ターボ機械、１１…ハウジング、１７…インペラ、２０…第１軸受、３０…第２軸受、３１…第２軸受ケース、３１ａ…第２筒部、３１ｂ…第２フランジ、３２…固定部材としてのボルト、３３…第２外輪、４０…クリアランス。

Claims (2)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに収容されたモータと、
   前記モータによって回転するシャフトと、
   前記シャフトに固定されたインペラと、
   前記シャフトの軸方向に沿う部位のうち前記インペラに近い部位を支持する第１軸受と、
   前記シャフトの軸方向に沿う部位のうち前記第１軸受よりも前記インペラから遠い部位を支持する第２軸受と、を備えるターボ機械であって、
   前記第２軸受を収納した状態で前記ハウジングに組み付けられた軸受ケースを備え、
   前記軸受ケースは、前記第２軸受の外輪が内部に圧入された筒部と、
   前記筒部の外周面から外方へ突出した形状のフランジと、を有し、
   前記軸受ケースは、前記フランジに、前記第１軸受側から前記第２軸受側に向けた反力が作用する状態で、固定部材によって前記ハウジングに組み付けられていることを特徴とするターボ機械。
2. 前記フランジは板状であり、前記フランジを前記ハウジングに固定する前は、前記フランジと前記ハウジングの対向面同士の間にクリアランスが存在する請求項１に記載のターボ機械。