JP2019105233A - 過給機 - Google Patents

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Abstract

【課題】カップリング構造の過給機においても、羽根車へ流体を効率的に導くことができ、また、モータまたは発電機の冷却性能の向上を実現することができる過給機を提供することを目的とする。【解決手段】流体を吸入する吸入部１０ｂと、吸入部１０ｂから供給された流体を圧縮する羽根車１２と、羽根車１２が一端に取り付けられた駆動軸１８と、駆動軸１８の一端にて駆動軸１８が羽根車１２の下流側から上流側に向かって軸線方向に延長されるように設けられた中間軸１６と、中間軸１６の先端に継手２０ａを介して取り付けられたロータ１４ａ、ロータ１４ａに対応して設けられたステータ１４ｃ、及び、ステータ１４ｃを保持する本体部１４ｂを有するモータ１４または発電機と、を備える過給機１０であって、中間軸１６及び継手２０ａを包囲する筒状とされたカバー３０を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば船舶が備えるディーゼル機関等に採用されて好適な過給機に関する。
従来、空気を圧縮して内燃機関の燃焼用空気として燃焼室内へ供給する過給機が知られている。過給機は、例えば舶用ディーゼル機関や発電用ディーゼル機関のような２ストローク低速機関等においても広く使用されている。このような過給機は、燃焼用空気を圧縮する圧縮機と圧縮機の駆動源になるタービンとがロータ軸を介して連結され、ケーシング内に収納されて一体に回転する。タービンは、例えば、内燃機関から排出される排ガスを駆動源として駆動される。
過給機の一種として、ロータ軸に継手を介して電動発電機を接続したハイブリッド過給機が知られている（例えば、特許文献１参照）。このハイブリッド過給機は、通常の過給機と同様に空気を圧縮して燃焼用空気として内燃機関の燃焼室内へ供給するのに加え、内燃機関から排出される余剰の排ガスにより発電を行うこともできる。
また、過給機の一種として、ロータ軸に電動機を接続した電動アシスト過給機が知られている（例えば、特許文献２参照）。この電動アシスト過給機は、ハイブリッド過給機に用いられる電動発電機の発電機能を省略し、電動機能（アシスト機能）に絞ることでモータを小型化したものである。
特許第４６４８３４７号公報 特開２０１５−１５８１６１号公報
特許文献２のように、モータロータ自身には軸受を設けず、過給機のロータ軸の延長部分にモータロータを接続して過給機のロータ軸によってモータロータが支持されているオーバーハング構造の過給機の場合、必然的にモータと羽根車入口が接近するので、羽根車に流入する空気をモータの冷却に利用できる。しかし、タービンに接続された駆動軸に、中間軸や継手を介してモータを接続したカップリング構造の過給機の場合は、モータと羽根車入口が離間してしまうため、羽根車に流入する空気をモータの冷却に利用することが難しく、モータを十分に冷却するためには、特許文献１のように、冷却水循環機構等の冷却機構を追設する必要がある。
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、カップリング構造の過給機においても、羽根車へ流体を効率的に導くことができ、また、モータまたは発電機の冷却性能の向上を実現することができる過給機を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、過給機は以下の手段を採用する。
即ち、本発明の一態様に係る過給機は、流体を吸入する吸入部と、前記吸入部から供給された流体を圧縮する羽根車と、前記羽根車が一端に取り付けられた駆動軸と、前記駆動軸の前記一端にて該駆動軸が前記羽根車の下流側から上流側に向かって軸線方向に延長されるように設けられた中間軸と、前記中間軸の先端に継手を介して取り付けられたロータ、該ロータに対応して設けられたステータ、及び、該ステータを保持する本体部を有するモータまたは発電機と、を備える過給機であって、前記中間軸及び前記継手を包囲する筒状とされたカバーを備えることを特徴とする。
本態様に係る過給機は、中間軸の先端に継手を介してロータが取り付けられたカップリング構造とされている。そして、中間軸と継手を包囲する筒状のカバーを備える。この構造によれば、カバーによって、カバーの外側と内側とで羽根車へ流入する流れを分離して、互いの流れの干渉を抑制することができる。また、カバー周りの流路面積を流体の流れ方向に沿って均一に減少させることができる。これによって、羽根車へ流入する流体の圧力損失を低減したり、整流したりすることで、流体の減速を防ぐことができる。また、羽根車へ流入する流体の流量を十分に確保することができる。即ち、羽根車へ流体を効率的に導くことができる。同時に、モータ内又は発電機内（ロータとステータとの間）にも確実に流体を導くことができるので、流体によるモータ又は発電機の冷却性能の向上を実現する。
なお、筒状のカバーは中間軸の長手方向の全体を包囲する必要は無く、一部を包囲していれば良い。
また、本発明の一態様に係る過給機において、前記吸入部は、前記モータまたは前記発電機の上流側に設けられ、前記カバーの内径は、前記ロータの外径よりも大きいことを特徴とする。
本態様に係る過給機において、吸入部はモータまたは発電機の上流に位置し、カバーの内径は、ロータの外径よりも大きい。これによって、モータ内又は発電機内にも確実に流体を導くことができるので、流体によるモータ又は発電機の冷却性能の向上を実現する。したがって、モータまたは発電機の体格を変更することなく出力を上げることができる。また、モータまたは発電機を冷却するための冷却機構を追設する必要がなく、低コスト化を実現できる。
また、本発明の一態様に係る過給機において、前記カバーの外径は、前記羽根車のハブの前記カバー側の端部の外径と同等であることを特徴とする。
本態様に係る過給機において、カバーの外径は、ハブのカバー側の端部の外径と同等である。これによって、羽根車へ流入する流体の流路面積を確保でき、流体の流れを円滑化することができる。
また、本発明の一態様に係る過給機において、前記カバーは、長手方向に沿って分割可能であることを特徴とする。
本態様に係る過給機において、カバーは長手方向に沿って分割可能である。カバーを取り付ける箇所は、モータ（または発電機）、中間軸、継手などが密集しているため、作業スペースが限られている。カバーを分割可能とすることで、組付性の向上を図ることができる。
また、本発明の一態様に係る過給機において、前記カバーは、長手方向に沿ってリブが設けられていることを特徴とする。
本態様に係る過給機において、カバーは長手方向に沿ってリブが設けられている。これによって、カバーを薄肉構造とした場合でも強度確保できる。即ち、カバーの軽量化と強度確保を実現できる。
また、本発明の一態様に係る過給機において、前記カバーは、前記モータ側または前記発電機側に取り付けられていることを特徴とする。
本態様に係る過給機は、カバーがモータ側または発電機側に取り付けられている。これによって、カバー設置のための支持構造物を追設する必要がなく、低コスト化を実現できる。
本発明に係る過給機によれば、カップリング構造の過給機においても、羽根車へ流体を効率的に導くことができ、また、モータまたは発電機の冷却性能の向上を実現することができる。
本発明の一実施形態の過給機を示す縦断面図である。 図１に示すモータのＡ−Ａにおける断面図である。 図１に示した上部カバーの右側面図である。 図３に示した上部カバーの底面図である。 図１に示した下部カバーの右側面図である。 図５に示した下部カバーの平面図である。
以下、本発明の一実施形態の過給機について図面を参照して説明する。
まず、本実施形態の過給機１０の構成について説明する。
本実施形態の過給機１０は、例えば、船舶に用いられるディーゼル機関（内燃機関）に供給する空気（気体）を一定圧力（例えば、大気圧）以上に高めて、ディーゼル機関の燃焼効率を高める際に用いられる、ハイブリッド過給機や電動アシスト過給機等の過給機である。
図１に示すように、本実施形態の過給機１０は、駆動軸１８と、圧縮部１０ａと、中間軸１６と、モータ１４と、吸入部１０ｂと、カバー３０とを備えている。
圧縮部１０ａには羽根車１２が設けられている。羽根車１２は、ハブ１２ｄと、ハブ１２ｄに設けられた複数の羽根１２ｃを備える。羽根車１２は、軸受（図示せず）によって軸線Ｘ回りに回転自在に支持される駆動軸１８の一端側に取り付けられている。また、駆動軸１８の他端側には、ディーゼル機関から排出される排ガスによって回転駆動されるタービン（図示せず）が設けられている。即ち、圧縮部１０ａに設けられた羽根車１２は、駆動軸１８を介してタービン（図示せず）と連結されている。
駆動軸１８の、羽根車１２が取り付けられている一端側には、駆動軸１８が羽根車１２から空気流れ上流側に向かって（図１の右側から左側に向かって）軸線Ｘに沿って延長されるような方向に、駆動軸１８と同軸線の中間軸１６が設けられている。駆動軸１８と中間軸１６とは、第２継手２０ｂを介して連結されている。なお、第２継手２０ｂを設けないで、軸線方向に駆動軸１８を延長し、駆動軸１８の延長した部分を、中間軸１６に相当する軸としても良い。
一方、中間軸１６の、駆動軸１８が連結されていない端部側（図１左側）には、モータ１４が設置されている。モータ１４は、ロータ１４ａと、ロータ１４ａの半径方向に隙間を空けて設けられたステータ１４ｃと、ステータ１４ｃを保持する本体部１４ｂとを備えている。本体部１４ｂは、半径方向に延在する複数のサポート１４ｄを備えている。これらサポート１４ｄを備えた本体部１４ｂによって、ステータ１４ｃが過給機１０のケーシング１０ｃに対して支持される。
ロータ１４ａの両端は、本体部１４ｂに備えられた軸受１４ｅによって軸線Ｘ回りを回転自在に支持される。また、ロータ１４ａの中間軸１６側（図１右側）の端部と中間軸１６とは、第１継手２０ａを介して連結されている。
本実施形態の過給機１０は、上述したように、中間軸１６の端部に第１継手２０ａを介してロータ１４ａが取り付けられた、所謂、カップリング構造を採用している。
モータ１４の、中間軸１６が連結されていない側には、過給機１０の吸入部１０ｂが設けられ、この吸入部１０ｂから外部の流体を吸入する。吸入部１０ｂの上流側には、例えばサイレンサが設けられている。
また、本実施形態の過給機１０は、中間軸１６及び第１継手２０ａを包囲する筒状とされたカバー３０を備える。カバー３０は、略円筒形状とされており、長手方向に沿って半割となるように分割可能な構成とされている。すなわち、カバー３０は、図３及び４に示すような上部カバー３０ａと、図５及び６に示すような下部カバー３０ｂによって構成される。また、上部カバー３０ａ及び下部カバー３０ｂには、薄板で形成された円筒面の外周側に、それぞれ長手方向に沿って立設する複数本のリブ３０ｃが設けられている。この時、図１に示すように、カバー３０の内径は、ロータ１４ａの外径はよりも大きく、かつ、ステータ１４ｃの内径と同程度以上とされている。また、カバー３０の外径は羽根車１２のハブ径と同等とされている。ハブ径とはハブ１２ｄのカバー３０側の端部の外径である。カバー３０の一端は、中間軸１６のモータ１４側に配置されたサポート１４ｄに対して固定されている。なお、空気案内筒１０ｄから支持を取ってカバー３０を固定しても良い。また、筒状のカバー３０は、中間軸１６の長手方向の全体を包囲する必要は無く、一部を包囲していれば良い。また、筒状のカバー３０は、円筒形状のみならず、多角形の筒状とされても良い。
次に、本実施形態の過給機１０ついてより詳細に説明する。
図１に示すように、圧縮部１０ａが備える羽根車１２は、軸線Ｘに沿って延びる駆動軸１８の一端側に取り付けられており、駆動軸１８が軸線Ｘ回りに回転するのに伴って、軸線Ｘ回りに回転する。駆動軸１８の、羽根車１２が取り付けられていない他端側には、タービン（図示せず）が取り付けられている。駆動軸１８は、タービンが軸線Ｘ回りに回転するのに伴って、軸線Ｘ回りに回転する。即ち、羽根車１２、駆動軸１８及びタービンは、一体となって軸線Ｘ回りに回転する。
過給機１０において、ディーゼル機関から排出される排ガスは、タービンを軸線Ｘ回りに回転させる。タービンの回転に伴い、駆動軸１８を介して羽根車１２は軸線Ｘ回りに回転する。羽根車１２が軸線Ｘ回りに回転することで、吸込口１２ａから流入する流体を圧縮して吐出口１２ｂから吐出する。羽根車１２が軸線Ｘ回りに回転し始めると（圧縮が始まると）、吸込口１２ａ付近では負圧が生じる。この負圧によって、吸入部１０ｂから外部の流体を吸入する。即ち、吸入部１０ｂから圧縮部１０ａへの流体の流れを形成する。
吸入部１０ｂから圧縮部１０ａへの流体の流れは、ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間にある隙間内を流通する冷却空気流Ｆｂと、冷却空気流Ｆｂ以外の、吸込空気流Ｆａに大別される。なお、これらの流体の流れの名称は、それぞれを区別するための名称であり、例えば、冷却空気流Ｆｂのみが、モータ１４の冷却に作用するものではない。
吸込空気流Ｆａは、吸入部１０ｂからサポート１４ｄ同士の間（図２参照）を通過して羽根車１２の吸込口１２ａに導かれる。
一方、冷却空気流Ｆｂは、ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間にある隙間内を通過する。隙間内を通過する冷却空気流Ｆｂは、発熱したモータ１４の熱を奪うため、結果として、モータ１４の冷却に作用する。なお、吸込空気流Ｆａは、本体部１４ｂの外部からモータ１４の冷却に作用する。
ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間にある隙間から流出した冷却空気流Ｆｂは、第１継手２０ａ及び中間軸１６を包囲するカバー３０内に導かれる。なお、カバー３０内では、吸込空気流Ｆａと冷却空気流Ｆｂとが互いに干渉することがない。また、カバー３０によって、カバー３０周りの流路面積が流体の流れ方向に沿って均一に減少していく。
カバー３０内に導かれた冷却空気流Ｆｂ、負圧が発生している吸込口１２ａ付近のカバー開口３０ｄから流出する。流出した冷却空気流Ｆｂは、吸込空気流Ｆａに合流され吸込口１２ａに導かれる。
なお、上述したモータ１４は、ディーゼル機関が低出力で運転され、排出される排ガスが過給機１０に十分な過給能力を与えられない場合に、電力により羽根車１２を回転させて過給能力をアシストするモータ１４であっても良いし、ディーゼル機関から余剰の排ガスが排出される場合に、タービンに連結される駆動軸１８、継手及び中間軸１６を介してロータ１４ａを回転させて発電を行う発電機であっても良い。発電機は、モータ１４を発電機として機能させるものでも良い。
本実施形態の過給機１０によれば、以下の効果を奏する。
カバー３０によって、カバー３０の外側と内側とで、吸込空気流Ｆａと冷却空気流Ｆｂ
との互いの流れの干渉を抑制することができる。また、カバー３０周りの流路面積を流体の流れ方向に沿って均一に減少させることができる。これによって、羽根車１２の吸込口１２ａに導かれる吸込空気流Ｆａの圧力損失を低減したり、整流したりすることで、吸込空気流Ｆａの減速を防ぐことができる。また、羽根車１２の吸込口１２ａに導かれる吸込空気流Ｆａの流量を十分に確保することができる。即ち、羽根車１２へ吸込空気流Ｆａを効率的に導くことができる。
同時に、モータ１４内（ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間の隙間）にも確実に冷却空気流Ｆｂを導くことができる。これは、ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間の隙間から流出した冷却空気流Ｆｂが、吸込空気流Ｆａから干渉されないため、冷却空気流Ｆｂの流れを維持できることによる。また、カバー３０の内径は、ロータ１４ａの外径はよりも大きく、かつ、ステータ１４ｃの内径と同程度以上とされているので、ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間の隙間から流出した冷却空気流Ｆｂはカバー３０に干渉されにくい。更に、隙間から流出した冷却空気流Ｆｂは、カバー３０内に導かれ、負圧が発生している吸込口１２ａ付近のカバー開口３０ｄから流出して、吸込空気流Ｆａに合流される。このとき、カバー３０の外径は羽根車１２のハブ径と同等とされている。カバー３０の外径がハブ径よりも大きい場合、カバー３０と吸込空気流Ｆａとが干渉してしまう。また、カバー３０の外径がハブ径よりも小さい場合、カバー開口３０ｄが過度に縮小して、冷却空気流Ｆｂを効率的に吸込口１２ａ付近に導くことができなくなる。カバー３０の外径が羽根車１２のハブ径と同等であれば、これらの現象を回避できる。このように、カバー開口３０ｄを、負圧が発生している吸込口１２ａに近接させて効率的に冷却空気流Ｆｂを吸込口１２ａ付近に導くことで、カバー３０内の冷却空気流Ｆｂの流速を維持できる。結果として、ロータ１４ａとステータ１４ｃとの間の隙間を流通する冷却空気流Ｆｂの流速を維持できる。これらの効果によって、冷却空気流Ｆｂによるモータ１４の冷却性能の向上を実現する。これによって、モータ１４の体格を変更することなく出力を上げることができる。また、モータ１４を冷却するための冷却機構を追設する必要がなく、低コスト化を実現できる。
モータ１４と羽根車１２の入口とが離間してしまうカップリング構造であってカバー３０が無い場合、吸込空気流Ｆａと冷却空気流Ｆｂとが干渉し合い流れが乱れることで、羽根車１２へ吸込空気流Ｆａを効率的に導くことができず過給機１０の性能が低下したり、冷却空気流Ｆｂの流れを維持できずモータ１４の冷却性能が低下したりする可能性がある。また、冷却空気流Ｆｂは負圧が発生している吸込口１２ａ付近から離間した位置で吸込空気流Ｆａと合流するため、吸込口１２ａ付近との差圧が小さくなり、冷却空気流Ｆｂが適切に形成されない可能性がある。更に、カバー３０周りの流路面積が流体の流れ方向に沿って急拡大するため、圧力損失によって過給機１０の性能が低下する可能性がある。
また、カバー３０を、長手方向に沿って分割可能な構成とすることで、カバー３０の組付性を向上させることができる。カバー３０を設置する空間は、上方のサポート１４ｄ同士の間からアクセスしなければならないうえに、モータ１４、中間軸１６などの部品が密集している。しかし、カバー３０を上部カバー３０ａと下部カバー３０ｂとに分割した場合、サポート１４ｄ間を通すカバー３０のサイズを半分にすることができるので、アクセスが容易になる。また、例えば、予め下部カバー３０ｂを下方のサポート１４ｄに組み付けた状態にしておき、その後、モータ１４を構成する部品や中間軸１６等の部品を設置する。そして、最後に、上部カバー３０ａを予め固定されている下部カバー３０ｂに取り付けることで、カバー３０の組付性を向上させることができる。
また、カバー３０の長手方向に沿ってリブ３０ｃを設けることで、カバー３０を薄肉構造としてもリブ３０ｃによってカバー３０の強度確保ができるので、カバー３０の薄肉構造化による軽量化を実現できる。
１０ 過給機
１０ａ 圧縮部
１０ｂ 吸入部
１０ｃ ケーシング
１０ｄ 空気案内筒
１２ 羽根車
１２ａ 吸込口
１２ｂ 吐出口
１２ｃ 羽根
１２ｄ ハブ
１４ モータ
１４ａ ロータ
１４ｂ 本体部
１４ｃ ステータ
１４ｄ サポート
１４ｅ 軸受
１６ 中間軸
１８ 駆動軸
２０ａ 第１継手（継手）
２０ｂ 第２継手（継手）
３０ カバー
３０ａ 上部カバー
３０ｂ 下部カバー
３０ｃ リブ
３０ｄ カバー開口
Ｆａ 吸込空気流
Ｆｂ 冷却空気流

Claims (6)

  1. 流体を吸入する吸入部と、
    前記吸入部から供給された流体を圧縮する羽根車と、
    前記羽根車が一端に取り付けられた駆動軸と、
    前記駆動軸の前記一端にて該駆動軸が前記羽根車の下流側から上流側に向かって軸線方向に延長されるように設けられた中間軸と、
    前記中間軸の先端に継手を介して取り付けられたロータ、該ロータに対応して設けられたステータ、及び、該ステータを保持する本体部を有するモータ又は発電機と、
    を備える過給機であって、
    前記中間軸及び前記継手を包囲する筒状とされたカバーを備えることを特徴とする過給機。
  2. 前記吸入部は、前記モータ又は前記発電機の上流側に設けられ、
    前記カバーの内径は、前記ロータの外径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の過給機。
  3. 前記カバーの外径は、前記羽根車のハブの前記カバー側の端部の外径と同等であることを特徴とする請求項１に記載の過給機。
  4. 前記カバーは、長手方向に沿って分割可能であることを特徴とする請求項１に記載の過給機。
  5. 前記カバーは、長手方向に沿ってリブが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の過給機。
  6. 前記カバーは、前記モータ側又は前記発電機側に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の過給機。
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