JP2017075533A - 流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】軸受を有する流体機械において、軸受部の温度上昇を防ぐ。【解決手段】羽根車と、羽根車を覆うケーシングと、羽根車を駆動する電動機と、羽根車と電動機とを連結する回転軸と、ケーシングと回転軸との間に設けたシール部と、回転軸を支持する軸受と、を備えた流体機械であって、ケーシングと軸受との間には、空気室が設けられ、空気室は、シール部と軸受との間に設けられた２つ以上の静止部品が接触して形成されたものであり、回転軸とシール部との間を通過した空気が遮断される構成を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、羽根車を有する流体機械に関するものであり、より詳細には、羽根車を駆動する電動機の軸受部の温度上昇を防ぐためのものである。

回転する羽根車を有する流体機械は、従来、様々なプラントや空調機器、液体圧送ポンプ、ターボチャージャー等において利用されている。近年の環境負荷低減要求の高まりを受けて、これら流体機械には、従来以上の高効率化が求められている。

流体機械の高効率化達成のための考えうる手法の一つとして、磁気軸受の採用が考えられる。磁気軸受の採用により、転がり軸受やすべり軸受といった従来の軸受で生じる摩擦損失を大幅に低減できるため、流体機械の効率を向上させることができる。その一方で、磁気軸受に使用される絶縁種の耐熱温度は、従来の軸受に対して低いため、軸受の温度管理が重要となる。絶縁種は、耐熱温度が高いものほど高価のため、コスト削減の観点からは、軸受周囲の温度をできるだけ低温に保つべきである。また、流体機械を駆動するための電動機は、設置面積縮小のニーズ拡大の観点から、小型高速化が望まれている。電動機の小型化は、発熱密度の上昇を招くため、モータ温度が上昇することとなる。そのため、軸受部を含む電動機の冷却は、高効率の流体機械を開発する上で大きな課題である。

流体機械の電動機部の冷却効率向上のために、これまでに様々な手法が提案されている。

例えば、特許文献１では、電動送風機のフレームに設けた複数の開口によって、インペラから吐出された気流を、穴から電動送風機の固定子コアに導くことで、モータ内部の冷却効率を向上させている。また、この開口によって、フレームの外側を流れる気流の乱流化を促進し、固定子コア外部冷却流れの熱伝達係数向上効果も同時に得ている。

また、特許文献２では、駆動用の半導体素子を電動送風機の通風経路内に設置することで、電動送風機の小型化と冷却性能の向上とを同時に実現している。

特開２０１３−２９０３４号公報 特開平１１−３３６６９６号公報

従来技術は、モーター部の冷却を主としたものであり、モーターにより駆動される送風機などの流体機械側の軸受部の冷却については考慮されていないものと考えられる。

軸受部の温度上昇の主な要因は、軸受そのものの損失による発熱と、送風機側のシールからの高温の漏れ流れによる温度上昇との２種類が考えられる。

特に、送風機側のシールからの漏れ流れの影響は、送風機が取り扱う流体そのものの温度や、送風機の効率によって変化する。送風機の流体温度が１００℃を超えるような場合、圧縮された空気の温度は、場合によっては、絶縁種の耐熱温度を大きく超えることも想定される。

従来技術においては、シール部からの高温度の漏れ流れが軸受部に及ぼす影響については考慮されていないと考えられる。磁気軸受を設けた電動機の場合は、軸受部の温度上昇が大きな問題となる。

本発明は、上記従来技術の状況に鑑みなされたものであり、その目的は、軸受を有する流体機械において、軸受部の温度上昇を防ぐことにある。更に具体的には、軸受部の温度上昇の一因である、送風機のシール部からの漏れ流れの抑制を実現することを目的とする。

本発明の流体機械は、羽根車と、羽根車を覆うケーシングと、羽根車を駆動する電動機と、羽根車と電動機とを連結する回転軸と、ケーシングと回転軸との間に設けたシール部と、回転軸を支持する磁気軸受と、を備え、ケーシングと磁気軸受との間には、空気室が設けられ、空気室は、シール部と軸受との間に設けられた２つ以上の静止部品が接触して形成されたものであり、回転軸とシール部との間を通過した空気が遮断される構成を有する。

本発明によれば、軸受が送風機からの高温の漏れ流れに曝されることを防ぐことができ、かつ、送風機側と電動機側との間を断熱することができるため、軸受の温度上昇を防ぐことができる。加えて、送風機の漏れ流れを抑制することができるため、送風機の効率も合わせて向上させることができる。

実施例１の流体機械を示す部分断面図である。 実施例２の流体機械を示す部分断面図である。 実施例２の流体機械の変形例を示す部分断面図である。 実施例３の流体機械を示す部分断面図である。 実施例４の流体機械を示す部分断面図である。 実施例５の流体機械を示す部分断面図である。 本発明の流体機械の全体構造を示す断面斜視図である。

本発明は、タッチダウンベアリングの周囲に設けられたベアリングカバーと、流体機械（送風機）のケーシングの壁面とが接する面を有し、その接触面よりも羽根車の半径方向外側において、送風機と電動機との間を断熱するための空気室を有することを特徴とする。

本発明の適用分野は、設置スペースを小さくした機電一体型の送風機又は圧縮機であり、具体的には、下水処理場用の曝気ブロワ、高温多湿となる石油・ガス掘削現場の送風機等である。

以下、図面を用いて説明する。

はじめに、本発明の流体機械の全体構造について説明する。

図７は、本発明の流体機械の例を示したものである。

本図において、流体機械２００は、ケーシング２０１と、電動機２０２と、羽根車２０３と、スラスト軸受２０４と、ラジアル軸受２０５、２０６と、シール２０８と、を備えている。電動機２０２の回転に伴い、羽根車２０３が回転する。これにより、吸込流路２０７から空気が吸い込まれ、羽根車２０３の遠心方向に吐出される。

例えば、流体機械が昇圧すべき流体が空気であり、その空気の温度が２０℃程度の場合、圧縮した後であっても流体の温度は１００℃程度であるため、その流体がシール２０８を介してラジアル軸受２０６に当たった場合であっても、信頼性の観点で特に問題とならない。しかし、昇圧すべき流体の温度が１００℃程度の場合、または運転条件が設計点から大きく外れ、流体機械の圧縮効率が低い場合では、ラジアル軸受２０６に当たる流体の温度は１５０℃を超える。この場合、軸受の耐熱温度以上の流体が軸受に当たるため、信頼性の観点から大きな問題となる。特に、ラジアル軸受２０６に磁気軸受を採用している場合、磁気軸受に使用する絶縁種の耐熱温度が低いため、温度管理は製品の信頼性確保のためには非常に重要となる。

ここで、絶縁種には、Ｆ種、Ｈ種等がある。許容最高温度は、Ｆ種が１５５℃であり、Ｈ種が１８０℃である。許容最高温度が低い方が安価であるため、Ｆ種が使用可能な装置構成とする方がコストの面から望ましい。

つぎに、実施例の要部について説明する。

図１は、単段の流体機械に設けられた羽根車の回転軸を通る平面における縦断面を示したものである。ここでは、流体機械の一例として、遠心式で、羽根車段が単段（１段）のものを取り上げたが、本発明は、単段、多段、遠心、軸流、斜流、容積型の流体機械全てに適用できるものであり、特に遠心式単段のものに限るものではない。

本図において、流体機械は、回転することで流体にエネルギを付与するための遠心式羽根車１と、この遠心式羽根車１を回転させるための回転軸２と、遠心式羽根車１の空気導入部分上流に設けられた図示されていない吸込口配管と、遠心式羽根車１の半径方向外側にあって遠心式羽根車１の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換するディフューザ３と、ディフューザ３の下流に設けられた図示されていないスクロールと、を備えている。

遠心式羽根車１は、回転軸２と締結される円形の心板１１と、心板１１に複数枚並べて付設された翼１２と、側板１３と、から構成されている。図１の場合、心板１１は、回転軸２に固定され、表面が回転軸方向から半径方向へと湾曲した形状をもち、翼１２がこの軸方向に湾曲した外周面に周方向に所定間隔をもって固定されている。ディフューザ３については、周方向に並ぶ複数枚の翼が存在するベーン付きディフューザや、翼のないベーンレスディフューザなどがある。

ディフューザ３は、ハブ側ケーシング２１とシュラウド側ケーシング２２との間に流路として形成されている。回転軸２は、ラジアル軸受３１、アキシャル軸受３２及びタッチダウンベアリング３３により支持されている。この回転軸２の端部には、駆動装置４０が連結されている。タッチダウンベアリング３３の周囲には、タッチダウンベアリング３３を固定するためのベアリングカバー３４が設けられている。ラジアル軸受３１、アキシャル軸受３２及び駆動装置４０は、電動機ケーシング４１によって支えられている。

シュラウド側ケーシング２２は、この羽根車１の軸方向に沿って流体が吸入される吸入通路を形成しており、流体をこの吸入流路を介して羽根車１に取り込む。ハブ側ケーシング２１とシュラウド側ケーシング２２は、羽根車１の外周側に、この羽根車１で圧縮された流体を、この羽根車の径方向に沿って排出するための流路を形成している。

ハブ側ケーシング２１と回転軸２との間には、シール３５（シール部）が設けられている。

したがって、駆動装置４０により回転軸２が回転すると、羽根車１が回転し、流体が図示しない吸入口配管を通して羽根車１内に吸い込まれる。吸い込まれた流体は、羽根車１を通過する過程で昇圧された後、ディフューザ３、図示しないスクロールを経る際に圧縮流体の動圧が静圧に変換され、吐出口から外部へと吐出される。このとき、羽根車１によって昇圧された流体の一部は、心板１１の裏側の隙間の圧力を高める。この圧力は、シール３５と回転軸２との間からラジアル軸受３１側に伝播する。

本図においては、ハブ側ケーシング２１の電動機ケーシング４１側に突起板５０を設け、この突起板５０がベアリングカバー３４と接するように配置している。これにより、ハブ側ケーシング２１、突起板５０、ベアリングカバー３４及びラジアル軸受３１とで囲まれる領域に空気室５１を形成している。

突起板５０及びベアリングカバー３４は共に、送風機が運転中であっても静止している部品であるため、完全に接した状態を維持できる。そのため、回転軸２とシール３５との間のような隙間は設ける必要がない。これにより、羽根車１によって昇圧された流体がシール３５と回転軸２との間からラジアル軸受３１に流れ込むことを防止することができる。このため、ラジアル軸受３１に、直接、高温度の流体が接触することを防止することができる。

また、ハブ側ケーシング２１とラジアル軸受３１との間に空気室５１を設けることにより、高温の流体に温められたハブ側ケーシング２１の温度が、熱伝導によってラジアル軸受３１側に伝わらないように断熱を図ることが可能となる。さらに、突起板５０及びベアリングカバー３４によって流体の通過を抑制することができ、シール３５単独の場合よりも流体が漏れる量を減らすことが可能となる。流体の漏れは、流体機械の性能の低下の一因であるため、これを抑制することにより、流体機械の効率も同時に向上させることができる。

図２は、突起板５０の代わりに、既存の構成部品同士を接触させることにより、空気室を設けた実施例を示したものである。

本図においては、ハブ側ケーシング２１の電動機ケーシング４１側の面とベアリングカバー３４とを接触させることにより、ラジアル軸受３１とハブ側ケーシング２１との間に空気室５１を形成している。本図の場合、ハブ側ケーシング２１の一部を図１よりも回転軸２の中心側に伸長している。

図３は、本実施例の変形例を示したものである。本図の場合、ベアリングカバー３４の一部を回転軸２の中心軸方向に伸長している。

図２及び３のいずれの場合であっても、静止部品同士の接触により流体の漏れが抑制されるとともに、ベアリングカバー３４とラジアル軸受３１との間に設けられた空気室５１による断熱が図られることとなる。

本実施例によれば、追加部品を必要としないため、追加部品分のコストを増大させることなく、ラジアル軸受３１の温度上昇の抑制と流体機械の効率の向上とを同時に達成することができる。

図４は、ベアリングカバー３４とシール３５とが接触する構成を示したものである。本実施例においても、実施例２と同様の効果を得ることができる。本実施例の場合も、追加部品を加えることなく、既存の静止部品同士を接触させることによって達成される。

以上のように、実施例２及び３においては、ハブ側ケーシング２１、ベアリングカバー３４及びシール３５の何れか２種が接触する場合について説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。静止部品同士が接触するように構成することにより、シール３５を通過した流体を遮断することができればよい。

図５は、静止部品にパッキンを設けた構成を示したものである。

本図においては、突起板５０に設けたパッキン５２とベアリングカバー３４とが接触するように構成している。これにより、静止部品同士の接触を考慮する際に問題となる、製作の際のずれが生じた場合であっても、流体の漏れを防止することができ、ラジアル軸受３１側に高温度の流体が到達することを防ぐことができる。加えて、パッキン５２は、一般に非金属材料で製作されるため、熱伝導率が金属材料と比して小さい。そのため、突起板５０とベアリングカバー３４との間の熱抵抗を大きくすることができ、軸受側の温度上昇を更に抑制することができる。

なお、本図においては、パッキン５２を突起板５０に設けているが、パッキンの配置はこれに限定されるものではなく、ベアリングカバー３４側にパッキンを設けてもよい。また、ハブ側ケーシング２１又はシール３５にパッキンを設け、ベアリングカバー３４と接触させてもよい。

図６は、空気室５１から流体機械の外部へと通じる通気口５３を設けた構成を示したものである。

本図においては、ハブ側ケーシング２１に貫通孔である通気口５３を設けている。これにより、空気室５１の空気が自然対流により常時外気と交換され、空気室５１の空気の温度を低下させることができ、ラジアル軸受３１の温度を低く保つことができる。さらに、場合によっては、図示しない空冷用ファン等によって空気室５１に外気を導入し、ラジアル軸受３１を強制空冷することも可能である。

以上により、本実施例では、送風機側からの高温の漏れ流れによる磁気軸受の温度上昇を防ぐことと、漏れ流れの抑制による送風機の流体効率向上を同時に実現可能な流体機械を提供できる。

本発明は、実施例として遠心式流体機械について説明したが、遠心式に限らず、回転機械全般に適用可能な技術である。

また、本発明で対象とした軸受は、磁気軸受式のものであるが、その一部に磁気軸受を使用する場合、または、温度管理が問題となるその他の軸受であっても適用可能な技術である。

なお、上述の実施例においては、ラジアル軸受が空気室の壁面を構成する場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、アキシャル軸受が空気室の壁面を構成してもよい。これは、ラジアル軸受とアキシャル軸受との配置が変更されたものである。

１：遠心式羽根車、２：回転軸、３：ディフューザ、１１：心板、１２：翼、１３：側板、２１：ハブ側ケーシング、２２：シュラウド側ケーシング、３１：ラジアル軸受、３２：アキシャル軸受、３３：タッチダウンベアリング、３４：ベアリングカバー、３５：シール、４０：駆動装置、４１：電動機ケーシング、５０：突起板、５１：空気室、５２：パッキン、５３：通気口、２００：流体機械、２０１：ケーシング、２０２：電動機、２０３：羽根車、２０４：スラスト軸受、２０５、２０６：ラジアル軸受、２０８：シール。

Claims (10)

1. 羽根車と、
   前記羽根車を覆うケーシングと、
   前記羽根車を駆動する電動機と、
   前記羽根車と前記電動機とを連結する回転軸と、
   前記ケーシングと前記回転軸との間に設けたシール部と、
   前記回転軸を支持する軸受と、を備え、
   前記ケーシングと前記軸受との間には、空気室が設けられ、
   前記空気室は、前記シール部と前記軸受との間に設けられた２つ以上の静止部品が接触して形成されたものであり、前記回転軸と前記シール部との間を通過した空気が遮断されている、流体機械。
2. 前記空気室は、環状に配置され、その内周の直径は前記回転軸の直径より大きい、請求項１記載の流体機械。
3. 前記静止部品のうち前記シール部側の１つは、突起板、前記ケーシング、パッキン又は前記シール部である、請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 前記静止部品のうち前記軸受側の１つは、突起板、パッキン又はベアリングカバーである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体機械。
5. 前記突起板は、前記ケーシングと一体となっている、請求項３記載の流体機械。
6. 前記突起板は、前記軸受と一体となっている、請求項４記載の流体機械。
7. 前記突起板は、前記シール部と一体となっている、請求項３記載の流体機械。
8. 前記パッキンは、前記突起板と前記軸受との間に設けられている、請求項３又は４に記載の流体機械。
9. 前記空気室は、外部に通じる通気口を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の流体機械。
10. 前記軸受は、スラスト軸受又はラジアル軸受である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の流体機械。

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