JP3860362B2 - 縦型回転体用軸受装置 - Google Patents
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- F16C2361/00—Apparatus or articles in engineering in general
- F16C2361/55—Flywheel systems
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、縦型回転体用軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の制動時、高速運転から減速していく際に電気ブレーキを使って電力を架線に戻しているが、低速段階から停止までは機械式ブレーキを使っている。近年、地球の温暖化対策の一環として低速段階からの制動エネルギも回生して、エネルギ消費を減らしたいという要求があった。
【０００３】
車両の制動エネルギを回生するものとして、発電機を駆動したり、あるいは回転体を高速回転させてエネルギを蓄積する回転エネルギ蓄積装置を用いることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、重量が大きい回転体の軸受構造としてメカニカルべアリング等を用いた場合、摩擦損失が大きく、十分な耐久性を確保することが難しいという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、重量の大きい回転体に適用可能な縦型回転体用軸受装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、回転体の回転中心線を略垂直に配置し、回転体と共に回転するタービンブレードを備え、タービンブレードの回転に伴って減圧される減圧室を回転体の上面によって画成し、タービンブレードの回転に伴って加圧される加圧室を回転体の下面によって画成し、回転体の下面から突出する回転軸を形成し、回転軸の下端面を油圧によって浮遊支持する油圧静圧軸受を備えるものとした。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、油圧静圧軸受に連通する油圧源として作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプによって加圧された作動油を蓄圧するアキュムレータとを備え、回転体の回転開始時にアキュムレータに蓄圧された作動油を油圧静圧軸受に導く構成とした。
【０００８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、油圧静圧軸受のシール部として回転軸の側面にラビリンス溝を形成し、油圧静圧軸受の作動油を戻すドレン通路をラビリンス溝の下流側に開口するものとした。
【０００９】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明において、油圧静圧軸受の軸受隙間に面して放射状に延びる油溝を形成するものとした。
【００１０】
第５の発明は、第１から第４のいずれか一つの発明において、回転体とこれを収装するハウジングの間にベアリングを介装し、ベアリングが回転体の下面に当接することにより回転体をスラスト方向に支持するとともに回転軸の側面に当接することにより回転体をラジアル方向について支持するものとした。
【００１１】
第６の発明は、第１から第５のいずれか一つの発明において、回転軸とこれを収装するハウジングに軸受隙間を挟むようにして永久磁石を固定し、各永久磁石どうしの反発力によって回転軸をスラスト方向とラジアル方向について支持するものとした。
【００１２】
第７の発明は、第１から第６のいずれか一つの発明において、回転体の回転に伴って作動油を軸受隙間に循環させる循環回路を備えるものとした。
【００１３】
第８の発明は、第１から第７のいずれか一つの発明において、回転軸の下端面に永久磁石を固定し、永久磁石の回転に伴って磁性流体を軸受隙間に循環させる循環回路を備えるものとした。
【００１４】
第９の発明は、第１から第８のいずれか一つの発明において、減圧室に空気を供給する空気供給通路と、タービンブレードによって加圧された空気を排出する空気排出通路とを備え、空気供給通路と空気排出通路の少なくとも一方に可変絞り弁を介装するものとした。
【００１５】
【発明の作用および効果】
第１の発明において、油圧静圧軸受を構成する回転軸の下端面は回転体から突出形成されているため十分な剛性が確保され、重量の大きい回転体に対しても軸受隙間を均一にして回転体を浮遊支持することが可能となる。
【００１６】
回転体と共にタービンブレードが回転することにより、減圧室の圧力が低下するとともに、加圧室の圧力が高められることにより、回転体の下面と上面に作用する圧力差によって油圧静圧軸受に懸かる荷重が減らされ、摩擦損失の低減がはかれる。
【００１７】
そして、減圧室の圧力を低下させることにより、回転体の空気に対する摩擦損失を減らし、回転体の運動エネルギを有効に維持することができる。
【００１８】
第２の発明において、油圧ポンプから吐出される作動油が油圧静圧軸受に導かれ、回転体が浮遊支持される。回転体の回転開始時にアキュムレータに蓄圧された作動油が油圧静圧軸受へと供給され、回転体が浮遊支持され、摩擦損失の低減がはかれる
第３の発明において、ラビリンス溝は軸受隙間を上昇する作動油の流れに抵抗を付与して、軸受隙間の上部を密封するシール機能を果たす。作動油の一部はラビリンス溝を超えて上昇して回転体の下面を浮遊支持し、ドレン通路を通して戻される。
【００１９】
また、油圧静圧軸受への加圧作動油の供給が途絶えてもラビリンス溝に溜まった作動油によって回転軸の摺動部に油膜がつくられて潤滑が維持される。
【００２０】
第４の発明において、放射状に延びる各油溝は、回転体の回転に伴って作動油を軸受隙間へと導くポンプ機能を果たす。
【００２１】
第５の発明において、ベアリングが回転体の下面に当接することにより回転体をスラスト方向に支持するとともに回転軸の側面に当接することにより回転体をラジアル方向について支持する。
【００２２】
回転体が停止状態から回転し始めるとき、回転体の下面はベアリングに当接して、軸受隙間の上部を密封するシール機能を果たして油圧静圧軸受の圧力を高め、回転開始時から回転体が浮遊支持される。
【００２３】
第６の発明において、各永久磁石が互いに離れようとする磁力により回転体のスラスト荷重とラジアル荷重が支持され、その分だけ油圧静圧軸受に懸かる荷重が減らされ、摩擦損失の低減がはかれるとともに、回転体のハウジングに対する同心度が維持される。
【００２４】
第７の発明において、回転体の回転に伴って作動油が軸受隙間に循環し、軸受隙間に充満する作動油により回転体が浮遊支持される。この場合、循環回路にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００２５】
第８の発明において、回転体と共に永久磁石が回転するのに伴って、磁性流体が永久磁石の磁力によって軸受隙間へと吸い出され、軸受隙間に充満する磁性流体により回転体が浮遊支持される。この場合、循環回路にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００２６】
第９の発明において、可変絞り弁を介して空気供給通路を絞ることにより、減圧室の圧力を真空に近い状態に低下させることが可能となり、回転体の空気に対する摩擦損失を減らすことができる。
【００２７】
また、可変絞り弁を介して空気排出通路を開くことにより、装置を通過する空気量が増え、装置の冷却効果を高められる。
【００２８】
また、各可変絞り弁を介して空気供給通路と空気排出通路の両方を絞ることにより、空気排出通路から外部に排出される空気の吹き出し音を小さくして騒音の低減がはかれる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１に示すように、ハウジング２０の内部に回転体１が回転可能に収装され、回転体１を回転させて発電するようになっており、例えば鉄道車両の制動エネルギを回生する装置として用いられる。
【００３１】
回転体１の回転中心線Ｏは垂直に配置されるように車両に搭載される。円盤状をした回転体１の上面１８の中央部から動力伝達軸１１が突出し、動力伝達軸１１とハウジング２０の間にはベアリング３３が介装される。ベアリング３３は、ラジアル２重ベアリングで構成され、動力伝達軸１１をラジアル方向に支持する。動力伝達軸１１はその図示しない上端が車輪の駆動軸に接続されている。車両の制動時に回転体１が発電機として作動することにより、制動エネルギを回収しながら制動が行われる。一方、車両の発進時や加速時に回転体１を電動機として作動させ、その回転力を車輪に伝えることによりエネルギの節約が行われる。
【００３２】
なお、動力伝達軸１１をクラッチを介して車輪の駆動軸に接続し、回転体１を高速回転させてエネルギを蓄積する回転エネルギ蓄積装置に適用してもよい。この場合、車両の制動時にクラッチを接続して回転体１の回転速度を高めることにより、制動エネルギを蓄積しながら制動が行われる。一方、車両の発進時や加速時にクラッチを接続して回転体１の回転力を車輪に伝えることによりエネルギの節約が行われる。
【００３３】
回転体１はその下面１７の中央部から回転軸１２が突出する段付きピストン形状をしており、回転軸１２を浮遊支持する油圧静圧軸受３が設けられる。油圧静圧軸受３は回転軸１２の下端面１３によって画成される軸受隙間４と、回転軸１２の側面１４によって画成される軸受隙間５と、軸受隙間４に加圧作動油を供給する作動油供給通路１０とを備える。
【００３４】
作動油供給通路１０は油圧ポンプ７の吐出側に連通する。油圧ポンプ７は回転体１の回転に連動して作動するようになっている。なお、油圧ポンプ７を電動モータによって駆動してもよい。
【００３５】
また、油圧ポンプ７から吐出される作動油の一部をベアリング３３等や他のころがり軸受に供給してこれらの強制潤滑が行われるように構成してもよい。
【００３６】
作動油供給通路１０の途中にはチェック弁６が介装され、チェック弁６より下流側に蓄圧用アキュムレータ８が接続される。アキュムレータ８の内部にはガスが封入されており、このガスを圧縮して加圧された作動油が蓄えられる。
【００３７】
作動油供給通路１０の途中にはアキュムレータ８の接続部より下流側に電磁開閉弁６１が介装され、電磁開閉弁６１は回転体１の回転停止時に閉弁して作動油を蓄圧し、回転開始時に開弁してアキュムレータ８に蓄圧された作動油を油圧静圧軸受３に導く構成とする。
【００３８】
軸受隙間４は回転軸下端面１３とハウジング２０の第一底面２１の間に円盤状の空間として画成され、回転体１のスラスト荷重を支持する。回転軸下端面１３とハウジング第一底面２１は回転体１の回転中心線Ｏに対して直交する平面にそれぞれ形成される。
【００３９】
ハウジング第一底面２１の中央には作動油供給通路１０を画成する導入ポート１９が開口される。ハウジング第一底面２１には導入ポート１９から回転体１の回転径方向に延びる例えば４、５本の油溝２３が形成される。各油溝２３はハウジング第一底面２１の中央から放射状に延び、導入ポート１９に供給される加圧作動油は油溝２３を介して軸受隙間４に導かれる。各油溝２３の外周端２４
は回転軸下端面１３に対峙する位置に形成される。
【００４０】
軸受隙間５は回転軸側面１４とハウジング２０の第一側面２２の間に円筒状の空間として画成される。回転軸側面１４とハウジング第一側面２２はそれぞれ回転体１の回転中心線Ｏを中心とする円筒面によって形成される。
【００４１】
油圧静圧軸受３のシール部として回転軸側面１４の途中には複数の環状溝で構成されるラビリンス溝１６が形成される。ラビリンス溝１６は軸受隙間５を通って上昇する作動油の流れに対して抵抗を付与して、作動油がハウジング２０内の上部へと流れることを抑える。
【００４２】
ハウジング２０と回転体１の間にはベアリング３０が設けられ、静圧軸受３の油圧低下時に回転体１がベアリング３０を介してハウジング２０に回転可能に支持される。ベアリング３０のアウターレースはハウジング２０に固定される。ベアリング３０のインナーレースは回転体１の回転軸側面１４および下面１７に当接可能に対峙して、回転体１のスラスト荷重とラジアル荷重を支持する。ベアリング３０はスラスト２重ベアリングとラジアル２重ベアリングを組み合わせた構造となっている。
【００４３】
ハウジング２０の第二底面２５にはドレン通路９が回転体１の下面１７に対峙して開口される。ラビリンス溝１６を超えて上昇する作動油の一部は回転体１の下面１７を浮遊支持し、ドレン通路９を通して戻される。
【００４４】
なお、ドレン通路９を分岐させてラビリンス溝１６に対峙して開口させてもよい。
【００４５】
ハウジング２０と回転体１には軸受隙間６０を挟んで互いに対峙する永久磁石３１，３２がそれぞれ固定され、各永久磁石３１，３２が互いに離れようとする磁力により回転体１をスラスト方向とラジアル方向について支持するようになっている。永久磁石３１，３２はそれぞれ径の異なる環状に形成され、大径の永久磁石３１がハウジング２０の第二底面２５に埋設される一方、小径の永久磁石３２が回転体１の下面１７に固定され、各永久磁石３１，３２の反発力によって回転体１のハウジング２０に対する同心度が維持される。
【００４６】
動力伝達軸１１の途中にはタービンブレード３５が結合される。ハウジング２０には隔壁２６が形成され、隔壁２６によって回転体１を収装する減圧室３７と、タービンブレード３５を収装するタービン室２７とが画成される。隔壁２６と動力伝達軸１１の間には両室３７，２７を連通する連通路２８が画成される。動力伝達軸１１が図中矢印で示す方向に回転するのに伴って、減圧室３７の空気が図中矢印で示すように連通路２８を通ってタービン室２７へと吸い出されるようになっている。
【００４７】
回転体１の下面１７にはその外周部に複数の環状溝で構成されるラビリンス溝２９が形成される。ハウジング２０の内部空間はラビリンス溝２９より内周側に位置する加圧室３６と、ラビリンス溝２９よって外周側に位置する減圧室３７に分けられる。換言すると、タービンブレード３５の回転に伴って減圧される減圧室３７を回転体１の上面１８および側面３４によって画成し、タービンブレード３５の回転に伴って加圧される加圧室３６を回転体１の下面１７によって画成している。
【００４８】
減圧室３７に空気を取り入れる空気供給通路４１が設けられる。空気導入通路４１の途中には可変絞り弁４２が介装される。可変絞り弁４２の開度に応じて空気の流入量が調節される。
【００４９】
タービン室２７から空気を流出させる空気排出通路４３が設けられる。空気排出通路４３の途中には可変絞り弁４４が介装される。可変絞り弁４４の開度に応じて空気の流出量が調節される。
【００５０】
空気排出通路４３の可変絞り弁４４より上流側と加圧室３６を連通する加圧空気供給通路４５が設けられる。加圧室３６には加圧空気供給通路４５から加圧空気が導かれることにより、回転体１がスラスト方向に浮遊支持される。
【００５１】
加圧室３６の上部を画成するハウジング２０の上壁部４７には放熱フィン４６が突出形成されるとともに、加圧室３６の下部を画成するハウジング２０の下壁部４８には放熱フィン４９が突出形成される。これにより、減圧室３７にて回転体１の熱を吸収した空気はタービン室２７を通過する過程で放熱フィン４６を介して放熱が促されるとともに、加圧室３６を通過する過程で放熱フィン４９を介して放熱が促される。
【００５２】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００５３】
回転体１が停止状態から回転し始めるとき、回転体１の下面１７はベアリング３０のインナーレースに当接して、軸受隙間５の上部を密封するシール機能を果たしており、電磁開閉弁６１が開弁してアキュムレータ８に蓄圧された作動油が油圧静圧軸受３へと供給され、回転体１が浮遊支持され、摩擦損失の低減がはかれる。
【００５４】
ハウジング第一底面２１に形成された放射状に延びる各油溝２３は、回転軸下端面１３の回転に伴って導入ポート１９に供給される加圧作動油を軸受隙間４へと導くポンプ機能を果たす。
【００５５】
ラビリンス溝１６は軸受隙間を上昇する作動油の流れに抵抗を付与して軸受隙間５の上部を密封するシール機能を果たす。作動油の一部はラビリンス溝１６を超えて上昇して回転体１の下面１７とハウジング第二底面２５の間に介在して回転体１を浮遊支持し、ドレン通路９を通して戻される。
【００５６】
そして、アキュムレータ８から油圧静圧軸受３への加圧作動油の供給が途絶えてもラビリンス溝１６に溜まった作動油によって回転軸１２の摺動部に油膜がつくられて潤滑が維持される。
【００５７】
減圧室３７と油圧静圧軸受３の間には加圧室３６が介在しているため、油圧静圧軸受３はその作動油が吸い上げられることなく、回転体１を浮遊支持することができる。
【００５８】
回転体１の回転速度がある程度上昇するまでの間、回転体１のスラスト荷重は油圧静圧軸受３とベアリング３０とに分担して支持され、回転速度の上昇に伴って回転体１は主として油圧静圧軸受３によって支持される。
【００５９】
回転体１の回転が上昇する過程にて、油圧静圧軸受３における潤滑状態が回転速度の上昇に伴って境界潤滑、混合潤滑、流体潤滑へと順に移行する。つまり、軸受隙間４における潤滑領域はいわゆるストライベック線図にしたがって遷移し、回転体１の高速回転時における摩擦損失を小さくし、車両の制動エネルギを有効に回生できる。
【００６０】
油圧静圧軸受３を構成する回転軸下端面１３は回転体１に一体形成されているため十分な剛性が確保され、重量の大きい回転体１に対しても軸受隙間４の隙間を均一にして回転体１を浮遊支持することが可能となる。
【００６１】
各永久磁石３１，３２が互いに離れようとする磁力により回転体１のスラスト荷重とラジアル荷重が支持され、その分だけ油圧静圧軸受３に懸かる荷重が減らされ、摩擦損失の低減がはかれる。そして、回転体１のハウジング２０に対する同心度が維持される。
【００６２】
動力伝達軸１１の回転に伴ってタービンブレード３５が回転することにより、冷却空気として外気が空気供給通路４１を通って減圧室３７に流入し、減圧室３７から連通路２８を通ってタービン室２７へと吸い出され、タービン室２７の圧力が高められる。タービン室２７から空気排出通路４３へと吐出される加圧空気はその一部が加圧室３６に導かれ、残りが空気排出通路４３から外部へと排出される。
【００６３】
回転体１の高速回転時にタービンブレード３５を介して減圧室３７の圧力が低下するとともに、加圧室３６の圧力が高められることにより、回転体１の下面１７と上面１８に作用する空気圧力差によって油圧静圧軸受３に懸かる荷重が減らされ、やがて回転体１は空気圧力差と磁気反発力のみによって荷重分が非接触支持され、作動油を介さずに支持されるので摩擦損失の大幅な低減がはかれる。
【００６４】
可変絞り弁４２を介して空気供給通路４１を絞ることにより、減圧室３７の圧力を真空に近い状態に低下させることが可能となり、回転体１の空気に対する摩擦損失を減らし、回転体１の運動エネルギを有効に維持することができる。
【００６５】
タービン室２７の空気が空気排出通路４３から外部へと排出されることにより、回転体１およびハウジング２０の熱が持ち去られ、装置の冷却が行われる。可変絞り弁４２を開くことにより、ハウジング２０を流れる空気量が増え、装置の冷却効果を高められる。
【００６６】
また、可変絞り弁４２と可変絞り弁４４をそれぞれ絞ることにより、空気排出通路４３から外部に排出される空気の吹き出し音を小さくして騒音の低減がはかれる。
【００６７】
次に図２に示す他の実施の形態を説明する。なお、前記実施の形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００６８】
ハウジング２０の第一底面２１の中央には導入穴６３が開口される。ハウジング第一底面２１には導入ポート１９から回転体１の回転径方向に延びる複数の油溝２３が放射状に形成される。
【００６９】
導入穴６３と軸受隙間４を連通する循環回路６４が設けられ、循環回路６４に作動油が充填される。
【００７０】
油圧静圧軸受３のシール部として回転軸側面１４の途中には複数の環状溝で構成されるラビリンス溝１６が形成される。
【００７１】
ハウジング２０の第二底面２５には循環回路６４の取り入れ口が回転体１の下面１７に対峙して開口される。ラビリンス溝１６を超えて上昇する作動油の一部は回転体１の下面１７を浮遊支持し、循環回路６４を通して戻される。
【００７２】
なお、循環回路６４を分岐させてラビリンス溝１６に対峙して開口させてもよい。
【００７３】
以上のように構成されて、ハウジング第一底面２１に形成された放射状の各油溝２３は、回転軸下端面１３の回転に伴って作動油を導入穴６３から軸受隙間４へと送るポンプ機能を果たし、回転軸１２が浮遊支持される。
【００７４】
この場合、循環回路６４にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００７５】
さらに他の実施の形態として、図３に示すように、回転軸下端面１３に円盤状の永久磁石５１を埋設し、永久磁石５１の回転に伴って磁性流体を軸受隙間４に流入させる構成としてもよい。
【００７６】
ハウジング２０の第一底面２１の中央には導入ポート１９が開口される。第一底面２１には導入ポート１９から回転体１の回転径方向に延びる油溝２３が形成される。
【００７７】
軸受隙間５は回転軸側面１４とハウジング２０の第一側面２２の間にはシール部５２が設けられ、軸受隙間５と加圧室３６の密封がはかられる。導入ポート１９と軸受隙間４を連通する循環回路５３が設けられ、循環回路５３に磁性流体が充填される。
【００７８】
以上のように構成されて、回転体１と共に永久磁石５１が回転するのに伴って、磁性流体が永久磁石５１の磁力によって導入ポート１９から油溝２３を介して軸受隙間４へと吸い出され、軸受隙間４，５に磁性流体が充満し、回転軸１２が浮遊支持される。
【００７９】
この場合、循環回路５３にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００８０】
さらに他の実施の形態として、永久磁石３１，３２の互いに対峙する面をそれぞれ円錐面状に形成し、各永久磁石３１，３２が互いに離れようとする磁力により回転体１をスラスト方向とラジアル方向について支持するようにしてもよい。
【００８１】
なお、本発明は例えば水力発電に用いられる縦型回転体の軸受装置等にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す断面図。
【図２】他の実施の形態を示す断面図。
【図３】さらに他の実施の形態を示す断面図。
【符号の説明】
１ 回転体
３ 油圧静圧軸受
４ 軸受隙間
５ 軸受隙間
７ 油圧ポンプ
８ アキュムレータ
９ ドレン回路
１２ 回転軸
１３ 回転軸下端面
１４ 回転軸側面
１６ ラビリンス溝
２０ ハウジング
２７ タービン室
２８ 連通路
２９ ラビリンス溝
３０ ベアリング
３１ 永久磁石
３２ 永久磁石
３５ タービンブレード
３６ 加圧室
３７ 減圧室
４１ 空気供給通路
４２ 可変絞り弁
４３ 空気排出通路
４４ 可変絞り弁
４５ 加圧空気供給通路
５１ 永久磁石
５３ 循環回路
６４ 循環回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、縦型回転体用軸受装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄道車両の制動時、高速運転から減速していく際に電気ブレーキを使って電力を架線に戻しているが、低速段階から停止までは機械式ブレーキを使っている。近年、地球の温暖化対策の一環として低速段階からの制動エネルギも回生して、エネルギ消費を減らしたいという要求があった。
【０００３】
車両の制動エネルギを回生するものとして、発電機を駆動したり、あるいは回転体を高速回転させてエネルギを蓄積する回転エネルギ蓄積装置を用いることが考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、重量が大きい回転体の軸受構造としてメカニカルべアリング等を用いた場合、摩擦損失が大きく、十分な耐久性を確保することが難しいという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、重量の大きい回転体に適用可能な縦型回転体用軸受装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、回転体の回転中心線を略垂直に配置し、回転体と共に回転するタービンブレードを備え、タービンブレードの回転に伴って減圧される減圧室を回転体の上面によって画成し、タービンブレードの回転に伴って加圧される加圧室を回転体の下面によって画成し、回転体の下面から突出する回転軸を形成し、回転軸の下端面を油圧によって浮遊支持する油圧静圧軸受を備えるものとした。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、油圧静圧軸受に連通する油圧源として作動油を吐出する油圧ポンプと、油圧ポンプによって加圧された作動油を蓄圧するアキュムレータとを備え、回転体の回転開始時にアキュムレータに蓄圧された作動油を油圧静圧軸受に導く構成とした。
【０００８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、油圧静圧軸受のシール部として回転軸の側面にラビリンス溝を形成し、油圧静圧軸受の作動油を戻すドレン通路をラビリンス溝の下流側に開口するものとした。
【０００９】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明において、油圧静圧軸受の軸受隙間に面して放射状に延びる油溝を形成するものとした。
【００１０】
第５の発明は、第１から第４のいずれか一つの発明において、回転体とこれを収装するハウジングの間にベアリングを介装し、ベアリングが回転体の下面に当接することにより回転体をスラスト方向に支持するとともに回転軸の側面に当接することにより回転体をラジアル方向について支持するものとした。
【００１１】
第６の発明は、第１から第５のいずれか一つの発明において、回転軸とこれを収装するハウジングに軸受隙間を挟むようにして永久磁石を固定し、各永久磁石どうしの反発力によって回転軸をスラスト方向とラジアル方向について支持するものとした。
【００１２】
第７の発明は、第１から第６のいずれか一つの発明において、回転体の回転に伴って作動油を軸受隙間に循環させる循環回路を備えるものとした。
【００１３】
第８の発明は、第１から第７のいずれか一つの発明において、回転軸の下端面に永久磁石を固定し、永久磁石の回転に伴って磁性流体を軸受隙間に循環させる循環回路を備えるものとした。
【００１４】
第９の発明は、第１から第８のいずれか一つの発明において、減圧室に空気を供給する空気供給通路と、タービンブレードによって加圧された空気を排出する空気排出通路とを備え、空気供給通路と空気排出通路の少なくとも一方に可変絞り弁を介装するものとした。
【００１５】
【発明の作用および効果】
第１の発明において、油圧静圧軸受を構成する回転軸の下端面は回転体から突出形成されているため十分な剛性が確保され、重量の大きい回転体に対しても軸受隙間を均一にして回転体を浮遊支持することが可能となる。
【００１６】
回転体と共にタービンブレードが回転することにより、減圧室の圧力が低下するとともに、加圧室の圧力が高められることにより、回転体の下面と上面に作用する圧力差によって油圧静圧軸受に懸かる荷重が減らされ、摩擦損失の低減がはかれる。
【００１７】
そして、減圧室の圧力を低下させることにより、回転体の空気に対する摩擦損失を減らし、回転体の運動エネルギを有効に維持することができる。
【００１８】
第２の発明において、油圧ポンプから吐出される作動油が油圧静圧軸受に導かれ、回転体が浮遊支持される。回転体の回転開始時にアキュムレータに蓄圧された作動油が油圧静圧軸受へと供給され、回転体が浮遊支持され、摩擦損失の低減がはかれる
第３の発明において、ラビリンス溝は軸受隙間を上昇する作動油の流れに抵抗を付与して、軸受隙間の上部を密封するシール機能を果たす。作動油の一部はラビリンス溝を超えて上昇して回転体の下面を浮遊支持し、ドレン通路を通して戻される。
【００１９】
また、油圧静圧軸受への加圧作動油の供給が途絶えてもラビリンス溝に溜まった作動油によって回転軸の摺動部に油膜がつくられて潤滑が維持される。
【００２０】
第４の発明において、放射状に延びる各油溝は、回転体の回転に伴って作動油を軸受隙間へと導くポンプ機能を果たす。
【００２１】
第５の発明において、ベアリングが回転体の下面に当接することにより回転体をスラスト方向に支持するとともに回転軸の側面に当接することにより回転体をラジアル方向について支持する。
【００２２】
回転体が停止状態から回転し始めるとき、回転体の下面はベアリングに当接して、軸受隙間の上部を密封するシール機能を果たして油圧静圧軸受の圧力を高め、回転開始時から回転体が浮遊支持される。
【００２３】
第６の発明において、各永久磁石が互いに離れようとする磁力により回転体のスラスト荷重とラジアル荷重が支持され、その分だけ油圧静圧軸受に懸かる荷重が減らされ、摩擦損失の低減がはかれるとともに、回転体のハウジングに対する同心度が維持される。
【００２４】
第７の発明において、回転体の回転に伴って作動油が軸受隙間に循環し、軸受隙間に充満する作動油により回転体が浮遊支持される。この場合、循環回路にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００２５】
第８の発明において、回転体と共に永久磁石が回転するのに伴って、磁性流体が永久磁石の磁力によって軸受隙間へと吸い出され、軸受隙間に充満する磁性流体により回転体が浮遊支持される。この場合、循環回路にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００２６】
第９の発明において、可変絞り弁を介して空気供給通路を絞ることにより、減圧室の圧力を真空に近い状態に低下させることが可能となり、回転体の空気に対する摩擦損失を減らすことができる。
【００２７】
また、可変絞り弁を介して空気排出通路を開くことにより、装置を通過する空気量が増え、装置の冷却効果を高められる。
【００２８】
また、各可変絞り弁を介して空気供給通路と空気排出通路の両方を絞ることにより、空気排出通路から外部に排出される空気の吹き出し音を小さくして騒音の低減がはかれる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１に示すように、ハウジング２０の内部に回転体１が回転可能に収装され、回転体１を回転させて発電するようになっており、例えば鉄道車両の制動エネルギを回生する装置として用いられる。
【００３１】
回転体１の回転中心線Ｏは垂直に配置されるように車両に搭載される。円盤状をした回転体１の上面１８の中央部から動力伝達軸１１が突出し、動力伝達軸１１とハウジング２０の間にはベアリング３３が介装される。ベアリング３３は、ラジアル２重ベアリングで構成され、動力伝達軸１１をラジアル方向に支持する。動力伝達軸１１はその図示しない上端が車輪の駆動軸に接続されている。車両の制動時に回転体１が発電機として作動することにより、制動エネルギを回収しながら制動が行われる。一方、車両の発進時や加速時に回転体１を電動機として作動させ、その回転力を車輪に伝えることによりエネルギの節約が行われる。
【００３２】
なお、動力伝達軸１１をクラッチを介して車輪の駆動軸に接続し、回転体１を高速回転させてエネルギを蓄積する回転エネルギ蓄積装置に適用してもよい。この場合、車両の制動時にクラッチを接続して回転体１の回転速度を高めることにより、制動エネルギを蓄積しながら制動が行われる。一方、車両の発進時や加速時にクラッチを接続して回転体１の回転力を車輪に伝えることによりエネルギの節約が行われる。
【００３３】
回転体１はその下面１７の中央部から回転軸１２が突出する段付きピストン形状をしており、回転軸１２を浮遊支持する油圧静圧軸受３が設けられる。油圧静圧軸受３は回転軸１２の下端面１３によって画成される軸受隙間４と、回転軸１２の側面１４によって画成される軸受隙間５と、軸受隙間４に加圧作動油を供給する作動油供給通路１０とを備える。
【００３４】
作動油供給通路１０は油圧ポンプ７の吐出側に連通する。油圧ポンプ７は回転体１の回転に連動して作動するようになっている。なお、油圧ポンプ７を電動モータによって駆動してもよい。
【００３５】
また、油圧ポンプ７から吐出される作動油の一部をベアリング３３等や他のころがり軸受に供給してこれらの強制潤滑が行われるように構成してもよい。
【００３６】
作動油供給通路１０の途中にはチェック弁６が介装され、チェック弁６より下流側に蓄圧用アキュムレータ８が接続される。アキュムレータ８の内部にはガスが封入されており、このガスを圧縮して加圧された作動油が蓄えられる。
【００３７】
作動油供給通路１０の途中にはアキュムレータ８の接続部より下流側に電磁開閉弁６１が介装され、電磁開閉弁６１は回転体１の回転停止時に閉弁して作動油を蓄圧し、回転開始時に開弁してアキュムレータ８に蓄圧された作動油を油圧静圧軸受３に導く構成とする。
【００３８】
軸受隙間４は回転軸下端面１３とハウジング２０の第一底面２１の間に円盤状の空間として画成され、回転体１のスラスト荷重を支持する。回転軸下端面１３とハウジング第一底面２１は回転体１の回転中心線Ｏに対して直交する平面にそれぞれ形成される。
【００３９】
ハウジング第一底面２１の中央には作動油供給通路１０を画成する導入ポート１９が開口される。ハウジング第一底面２１には導入ポート１９から回転体１の回転径方向に延びる例えば４、５本の油溝２３が形成される。各油溝２３はハウジング第一底面２１の中央から放射状に延び、導入ポート１９に供給される加圧作動油は油溝２３を介して軸受隙間４に導かれる。各油溝２３の外周端２４
は回転軸下端面１３に対峙する位置に形成される。
【００４０】
軸受隙間５は回転軸側面１４とハウジング２０の第一側面２２の間に円筒状の空間として画成される。回転軸側面１４とハウジング第一側面２２はそれぞれ回転体１の回転中心線Ｏを中心とする円筒面によって形成される。
【００４１】
油圧静圧軸受３のシール部として回転軸側面１４の途中には複数の環状溝で構成されるラビリンス溝１６が形成される。ラビリンス溝１６は軸受隙間５を通って上昇する作動油の流れに対して抵抗を付与して、作動油がハウジング２０内の上部へと流れることを抑える。
【００４２】
ハウジング２０と回転体１の間にはベアリング３０が設けられ、静圧軸受３の油圧低下時に回転体１がベアリング３０を介してハウジング２０に回転可能に支持される。ベアリング３０のアウターレースはハウジング２０に固定される。ベアリング３０のインナーレースは回転体１の回転軸側面１４および下面１７に当接可能に対峙して、回転体１のスラスト荷重とラジアル荷重を支持する。ベアリング３０はスラスト２重ベアリングとラジアル２重ベアリングを組み合わせた構造となっている。
【００４３】
ハウジング２０の第二底面２５にはドレン通路９が回転体１の下面１７に対峙して開口される。ラビリンス溝１６を超えて上昇する作動油の一部は回転体１の下面１７を浮遊支持し、ドレン通路９を通して戻される。
【００４４】
なお、ドレン通路９を分岐させてラビリンス溝１６に対峙して開口させてもよい。
【００４５】
ハウジング２０と回転体１には軸受隙間６０を挟んで互いに対峙する永久磁石３１，３２がそれぞれ固定され、各永久磁石３１，３２が互いに離れようとする磁力により回転体１をスラスト方向とラジアル方向について支持するようになっている。永久磁石３１，３２はそれぞれ径の異なる環状に形成され、大径の永久磁石３１がハウジング２０の第二底面２５に埋設される一方、小径の永久磁石３２が回転体１の下面１７に固定され、各永久磁石３１，３２の反発力によって回転体１のハウジング２０に対する同心度が維持される。
【００４６】
動力伝達軸１１の途中にはタービンブレード３５が結合される。ハウジング２０には隔壁２６が形成され、隔壁２６によって回転体１を収装する減圧室３７と、タービンブレード３５を収装するタービン室２７とが画成される。隔壁２６と動力伝達軸１１の間には両室３７，２７を連通する連通路２８が画成される。動力伝達軸１１が図中矢印で示す方向に回転するのに伴って、減圧室３７の空気が図中矢印で示すように連通路２８を通ってタービン室２７へと吸い出されるようになっている。
【００４７】
回転体１の下面１７にはその外周部に複数の環状溝で構成されるラビリンス溝２９が形成される。ハウジング２０の内部空間はラビリンス溝２９より内周側に位置する加圧室３６と、ラビリンス溝２９よって外周側に位置する減圧室３７に分けられる。換言すると、タービンブレード３５の回転に伴って減圧される減圧室３７を回転体１の上面１８および側面３４によって画成し、タービンブレード３５の回転に伴って加圧される加圧室３６を回転体１の下面１７によって画成している。
【００４８】
減圧室３７に空気を取り入れる空気供給通路４１が設けられる。空気導入通路４１の途中には可変絞り弁４２が介装される。可変絞り弁４２の開度に応じて空気の流入量が調節される。
【００４９】
タービン室２７から空気を流出させる空気排出通路４３が設けられる。空気排出通路４３の途中には可変絞り弁４４が介装される。可変絞り弁４４の開度に応じて空気の流出量が調節される。
【００５０】
空気排出通路４３の可変絞り弁４４より上流側と加圧室３６を連通する加圧空気供給通路４５が設けられる。加圧室３６には加圧空気供給通路４５から加圧空気が導かれることにより、回転体１がスラスト方向に浮遊支持される。
【００５１】
加圧室３６の上部を画成するハウジング２０の上壁部４７には放熱フィン４６が突出形成されるとともに、加圧室３６の下部を画成するハウジング２０の下壁部４８には放熱フィン４９が突出形成される。これにより、減圧室３７にて回転体１の熱を吸収した空気はタービン室２７を通過する過程で放熱フィン４６を介して放熱が促されるとともに、加圧室３６を通過する過程で放熱フィン４９を介して放熱が促される。
【００５２】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００５３】
回転体１が停止状態から回転し始めるとき、回転体１の下面１７はベアリング３０のインナーレースに当接して、軸受隙間５の上部を密封するシール機能を果たしており、電磁開閉弁６１が開弁してアキュムレータ８に蓄圧された作動油が油圧静圧軸受３へと供給され、回転体１が浮遊支持され、摩擦損失の低減がはかれる。
【００５４】
ハウジング第一底面２１に形成された放射状に延びる各油溝２３は、回転軸下端面１３の回転に伴って導入ポート１９に供給される加圧作動油を軸受隙間４へと導くポンプ機能を果たす。
【００５５】
ラビリンス溝１６は軸受隙間を上昇する作動油の流れに抵抗を付与して軸受隙間５の上部を密封するシール機能を果たす。作動油の一部はラビリンス溝１６を超えて上昇して回転体１の下面１７とハウジング第二底面２５の間に介在して回転体１を浮遊支持し、ドレン通路９を通して戻される。
【００５６】
そして、アキュムレータ８から油圧静圧軸受３への加圧作動油の供給が途絶えてもラビリンス溝１６に溜まった作動油によって回転軸１２の摺動部に油膜がつくられて潤滑が維持される。
【００５７】
減圧室３７と油圧静圧軸受３の間には加圧室３６が介在しているため、油圧静圧軸受３はその作動油が吸い上げられることなく、回転体１を浮遊支持することができる。
【００５８】
回転体１の回転速度がある程度上昇するまでの間、回転体１のスラスト荷重は油圧静圧軸受３とベアリング３０とに分担して支持され、回転速度の上昇に伴って回転体１は主として油圧静圧軸受３によって支持される。
【００５９】
回転体１の回転が上昇する過程にて、油圧静圧軸受３における潤滑状態が回転速度の上昇に伴って境界潤滑、混合潤滑、流体潤滑へと順に移行する。つまり、軸受隙間４における潤滑領域はいわゆるストライベック線図にしたがって遷移し、回転体１の高速回転時における摩擦損失を小さくし、車両の制動エネルギを有効に回生できる。
【００６０】
油圧静圧軸受３を構成する回転軸下端面１３は回転体１に一体形成されているため十分な剛性が確保され、重量の大きい回転体１に対しても軸受隙間４の隙間を均一にして回転体１を浮遊支持することが可能となる。
【００６１】
各永久磁石３１，３２が互いに離れようとする磁力により回転体１のスラスト荷重とラジアル荷重が支持され、その分だけ油圧静圧軸受３に懸かる荷重が減らされ、摩擦損失の低減がはかれる。そして、回転体１のハウジング２０に対する同心度が維持される。
【００６２】
動力伝達軸１１の回転に伴ってタービンブレード３５が回転することにより、冷却空気として外気が空気供給通路４１を通って減圧室３７に流入し、減圧室３７から連通路２８を通ってタービン室２７へと吸い出され、タービン室２７の圧力が高められる。タービン室２７から空気排出通路４３へと吐出される加圧空気はその一部が加圧室３６に導かれ、残りが空気排出通路４３から外部へと排出される。
【００６３】
回転体１の高速回転時にタービンブレード３５を介して減圧室３７の圧力が低下するとともに、加圧室３６の圧力が高められることにより、回転体１の下面１７と上面１８に作用する空気圧力差によって油圧静圧軸受３に懸かる荷重が減らされ、やがて回転体１は空気圧力差と磁気反発力のみによって荷重分が非接触支持され、作動油を介さずに支持されるので摩擦損失の大幅な低減がはかれる。
【００６４】
可変絞り弁４２を介して空気供給通路４１を絞ることにより、減圧室３７の圧力を真空に近い状態に低下させることが可能となり、回転体１の空気に対する摩擦損失を減らし、回転体１の運動エネルギを有効に維持することができる。
【００６５】
タービン室２７の空気が空気排出通路４３から外部へと排出されることにより、回転体１およびハウジング２０の熱が持ち去られ、装置の冷却が行われる。可変絞り弁４２を開くことにより、ハウジング２０を流れる空気量が増え、装置の冷却効果を高められる。
【００６６】
また、可変絞り弁４２と可変絞り弁４４をそれぞれ絞ることにより、空気排出通路４３から外部に排出される空気の吹き出し音を小さくして騒音の低減がはかれる。
【００６７】
次に図２に示す他の実施の形態を説明する。なお、前記実施の形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００６８】
ハウジング２０の第一底面２１の中央には導入穴６３が開口される。ハウジング第一底面２１には導入ポート１９から回転体１の回転径方向に延びる複数の油溝２３が放射状に形成される。
【００６９】
導入穴６３と軸受隙間４を連通する循環回路６４が設けられ、循環回路６４に作動油が充填される。
【００７０】
油圧静圧軸受３のシール部として回転軸側面１４の途中には複数の環状溝で構成されるラビリンス溝１６が形成される。
【００７１】
ハウジング２０の第二底面２５には循環回路６４の取り入れ口が回転体１の下面１７に対峙して開口される。ラビリンス溝１６を超えて上昇する作動油の一部は回転体１の下面１７を浮遊支持し、循環回路６４を通して戻される。
【００７２】
なお、循環回路６４を分岐させてラビリンス溝１６に対峙して開口させてもよい。
【００７３】
以上のように構成されて、ハウジング第一底面２１に形成された放射状の各油溝２３は、回転軸下端面１３の回転に伴って作動油を導入穴６３から軸受隙間４へと送るポンプ機能を果たし、回転軸１２が浮遊支持される。
【００７４】
この場合、循環回路６４にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００７５】
さらに他の実施の形態として、図３に示すように、回転軸下端面１３に円盤状の永久磁石５１を埋設し、永久磁石５１の回転に伴って磁性流体を軸受隙間４に流入させる構成としてもよい。
【００７６】
ハウジング２０の第一底面２１の中央には導入ポート１９が開口される。第一底面２１には導入ポート１９から回転体１の回転径方向に延びる油溝２３が形成される。
【００７７】
軸受隙間５は回転軸側面１４とハウジング２０の第一側面２２の間にはシール部５２が設けられ、軸受隙間５と加圧室３６の密封がはかられる。導入ポート１９と軸受隙間４を連通する循環回路５３が設けられ、循環回路５３に磁性流体が充填される。
【００７８】
以上のように構成されて、回転体１と共に永久磁石５１が回転するのに伴って、磁性流体が永久磁石５１の磁力によって導入ポート１９から油溝２３を介して軸受隙間４へと吸い出され、軸受隙間４，５に磁性流体が充満し、回転軸１２が浮遊支持される。
【００７９】
この場合、循環回路５３にポンプ等を介装する必要がなく、構造の簡素化がはかれる。
【００８０】
さらに他の実施の形態として、永久磁石３１，３２の互いに対峙する面をそれぞれ円錐面状に形成し、各永久磁石３１，３２が互いに離れようとする磁力により回転体１をスラスト方向とラジアル方向について支持するようにしてもよい。
【００８１】
なお、本発明は例えば水力発電に用いられる縦型回転体の軸受装置等にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す断面図。
【図２】他の実施の形態を示す断面図。
【図３】さらに他の実施の形態を示す断面図。
【符号の説明】
１ 回転体
３ 油圧静圧軸受
４ 軸受隙間
５ 軸受隙間
７ 油圧ポンプ
８ アキュムレータ
９ ドレン回路
１２ 回転軸
１３ 回転軸下端面
１４ 回転軸側面
１６ ラビリンス溝
２０ ハウジング
２７ タービン室
２８ 連通路
２９ ラビリンス溝
３０ ベアリング
３１ 永久磁石
３２ 永久磁石
３５ タービンブレード
３６ 加圧室
３７ 減圧室
４１ 空気供給通路
４２ 可変絞り弁
４３ 空気排出通路
４４ 可変絞り弁
４５ 加圧空気供給通路
５１ 永久磁石
５３ 循環回路
６４ 循環回路
Claims (9)
- 回転体の回転中心線を略垂直に配置し、
前記回転体と共に回転するタービンブレードを備え、
前記タービンブレードの回転に伴って減圧される減圧室を前記回転体の上面によって画成し、
前記タービンブレードの回転に伴って加圧される加圧室を前記回転体の下面によって画成し、
前記回転体の下面から突出する回転軸を形成し、
前記回転軸の下端面を油圧によって浮遊支持する油圧静圧軸受を備えたことを特徴とする縦型回転体用軸受装置。 - 前記油圧静圧軸受に連通する油圧源として作動油を吐出する油圧ポンプと、
前記油圧ポンプによって加圧された作動油を蓄圧するアキュムレータとを備え、
前記回転体の回転開始時にアキュムレータに蓄圧された作動油を前記油圧静圧軸受に導く構成としたことを特徴とする請求項１に記載の縦型回転体用軸受装置。 - 前記油圧静圧軸受のシール部として前記回転軸の側面にラビリンス溝を形成し、
前記油圧静圧軸受の作動油を戻すドレン通路を前記ラビリンス溝の下流側に開口したことを特徴とする請求項１または２に記載の縦型回転体用軸受装置。 - 前記油圧静圧軸受の軸受隙間に面して放射状に延びる油溝を形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の縦型回転体用軸受装置。
- 前記回転体とこれを収装するハウジングの間にベアリングを介装し、
前記ベアリングが前記回転体の下面に当接することにより前記回転体をスラスト方向に支持するとともに前記回転軸の側面に当接することにより前記回転体をラジアル方向について支持することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の縦型回転体用軸受装置。 - 前記回転軸とこれを収装するハウジングに前記軸受隙間を挟むようにして永久磁石を固定し、
前記各永久磁石どうしの反発力によって前記回転軸をスラスト方向とラジアル方向について支持することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の縦型回転体用軸受装置。 - 前記回転体の回転に伴って作動油を前記軸受隙間に循環させる循環回路を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の縦型回転体用軸受装置。
- 前記回転軸の下端面に永久磁石を固定し、
前記永久磁石の回転に伴って磁性流体を前記軸受隙間に循環させる循環回路を備えたことを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の縦型回転体用軸受装置。 - 前記減圧室に空気を供給する空気供給通路と、
前記タービンブレードによって加圧された空気を排出する空気排出通路とを備え、
前記空気供給通路と前記空気排出通路の少なくとも一方に可変絞り弁を介装したことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の縦型回転体用軸受装置。
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