JP4888155B2 - 回転機器 - Google Patents

Description

本発明は、たとえば気体レーザ発振器装置におけるガス循環用の電動コンプレッサとしてのブロワあるいは遠心分離機等に適用できるターボ型の回転機器に関する。

たとえばフロー型二酸化炭素ガスレーザ発振器装置の場合、炭酸ガスと他のガスの混合ガスを流しながら圧縮し、レーザ発振器に供給して共振させるようになっており、装置内にガス循環回路が構成されている。その循環回路の構成における一要素のブロワとしてターボ翼（回転体）を高速で回転させてガスを圧縮し、レーザ発振器に供給するターボ型の回転機器が使用されている。以下背景技術をこのターボ型の回転機器を例として説明する。

この種ターボ型の回転機器は、ハウジング内の上方にターボ翼が回転可能に配設され、ガスを圧縮して排出する機構を設けるとともに、下方にはこのターボ翼を高速回転駆動させる回転駆動源(たとえば電動機、以下モータと略称する)が配設されている。そして、このモータの回転子とターボ翼ならびに回転軸等からなる回転体は、機械的な軸受で軸支され、オイルによる潤滑手段が併設されている。そのため、オイルミストが発生するが、このオイルミストがガス圧縮とともに排出されないよう真空ポンプで排気する方式が採用されている（特許文献１参照）。

この回転機器の構成は図７に示すとおりである。図７は概略的に示す縦断面図で、ハウジング１の内方でその上方にターボ翼７が回転可能に配設されるとともに下方にはこのターボ翼７を高速回転駆動させるモータ２が配設され、両者が回転軸４にて連結されている。このモータ２はハウジング１の側に固設された電極コイル２Ｋと、この電極コイル２Ｋに対応して回転軸４に固設された回転子２Ｍで構成され、電極コイル２Ｋにインバータ３から電気エネルギーが供給される。

回転軸４は上部軸受５と下部軸受６を介してハウジング１に対し、回転可能に保持されているが、この回転軸４の上方に形成された取付軸４Ｓにターボ翼７が固設されている。このモータ２と回転子２Ｍ及び回転軸４からなる回転体が、軸受機構を構成する上部軸受５と下部軸受６に保持されている。なお、この上部軸受５と下部軸受６は軸受室Ｍ内に配設されている
ターボ翼７がモータ２によって高速回転駆動されると、ガスは吸気口１Ｋから吸入され、圧縮されて排気口１Ｈより排出される。この吸気口１Ｋから排気口１Ｈまでがガス圧縮を行う圧縮室Ｃを形成する。この排気口１Ｈからのガスは上記したようにガス循環回路（図示せず）を経てレーザ発振器（図示せず）に供給される。

ところで、回転軸４には図７に示すとおり、軸心上に中空孔４Ｈが形成されているが、この中空孔４Ｈの下方部は内孔が上方拡がりのテーパ状をなし、この下方部位が潤滑用のオイルＬ内に浸漬されている。したがって、中空孔４Ｈの下方域に侵入している潤滑用のオイルＬは、回転軸４の回転による遠心力の作用を受けて中空孔４Ｈの内方を上方に移動し、この作用で中空孔４Ｈはポンプ機能を生起する。こうして潤滑用のオイルＬは順次上方へ送り出され、射出孔４Ｔより外方に放出されてモータ２の冷却や上部軸受５と下部軸受６の潤滑を行なう。潤滑や冷却を終えた潤滑用のオイルＬは再び下方のオイル槽１Ｙに溜められ、再び吸い上げられて循環することになる。

このように潤滑用のオイルＬは、循環して上部軸受５や下部軸受６の潤滑を行なうが、この潤滑によって特に軸受室Ｍ内には噴霧状のオイルＬ（オイルミスト）が存在し浮遊することになる。軸受室Ｍにおける噴霧状のオイルＬの存在は、上部軸受５と下部軸受６等における潤滑を良好にするが、このオイルミストが圧縮室Ｃに流入するとレーザ発振器などに流入し、レーザの発振機能を低下させる。

このことから圧縮室Ｃと軸受室Ｍとは、ハウジング１ないしハウジング１と一体の部材からなる隔壁部材８にて遮断されるようになっている。すなわち、ハウジング１には上部軸受５の上方位置において回転軸４が非接触で貫通できる貫通孔８Ａが穿設され、回転軸４と協働してシール部Ｓが形成されている。このシール部Ｓはたとえば図示していないがラビリンスシール等が適用される。このシール部Ｓは、回転軸４と貫通部との間隙は通常数１０ミクロンに設定されている。ラビリンスシール以外にも、数１０ミクロンの微小な平行隙間に設定されたガスシールも採用されている。なお、９は軸受保持部材であり、９Ｈは貫通孔である。

他方、軸受室Ｍは排気パイプＲを介して外設した真空ポンプ（図示せず）にて真空に排気される。これは上記したように、軸受室Ｍが潤滑用のオイルＬのミストが充満しており、シール部Ｓの小さい隙間から圧縮室Ｃに漏洩するのを防止するためである。

このように、特にレーザ発振器に利用されるターボ型の回転機器においてはオイルＬのミスト（ガス）の存在と対策が重要であるが、ミストの発生源であるオイルＬの存在も無視できない。特に回転軸４の射出孔４Ｔから放出されるオイルＬが上方のシール部Ｓに至るのをなるべくさける必要がある。そのために後述するように上記シール部Ｓにガスの流れを付勢する手段を設ける工夫が提案されている。この工夫は図６に示されている。

すなわち図６は、図７におけるターボ型の回転機器において、回転軸４が貫通孔を貫通する部位に螺旋溝４Ｍを設けたものである。この螺旋溝４Ｍは図５に詳細に示すように隔壁部材８の中間部位を界に、それぞれ反対方向の螺旋溝４ＭＡと４ＭＯが形成されている。上方の螺旋溝４ＭＡは圧縮室Ｃから軸受室Ｍへの流体の流れを抑制するための流体漏出抑制領域ＹＥを形成するものである。具体的には回転軸４が矢印方向に回転駆動されるとき、螺旋溝４ＭＡの溝間隔の流体は上方へと移動する。すなわち螺旋溝４ＭＡはガスを含む流体を圧縮室Ｃ側へ付勢する順方向螺旋溝である。

この螺旋溝４ＭＡの回転によりガスが軸受室Ｍへ流動することが抑制される。他方、下方の螺旋溝４ＭＯは回転軸４の矢印方向の回転によって、螺旋溝４ＭＯの溝間隔の流体は下方へと移動するよう作動する流体付勢領域ＡＥを形成する。すなわち流体を軸受室Ｍ側に付勢するよう機能する逆方向螺旋溝である。このようにしてそれぞれの螺旋溝４ＭＡ、４ＭＯによりシール部Ｓにおける上方位の流体は圧縮室Ｃ側に付勢され、下方位の流体は軸受室Ｍ側に付勢される。したがってオイルミストを含むガスが圧縮室Ｃ側に流入することは阻止される。

なお、図５及び図６において図７と同一の符号で示される部品は図７の部品と同一で同様の機能を有するものであり、これら各部品の作動の詳細な説明は省略する。
なお、シール部Ｓと軸受保持部材９は図６および図７に示すようにボルト１１を介してハウジング１に固定されている。
特開２０００−２０９８１５号公報（第１−３頁、第１図−第８図）

圧縮室Ｃと軸受室Ｍとを区画する隔壁部材８のシール機構については、つぎのような問題を有している。まずラビリンスシール方式では、運転中の回転体の振れにより隔壁部材８における貫通孔８Ａ側と回転軸４との接触を防止するため、貫通孔８Ａの回転軸４側に対する同心性は強く求められており厳しいが、そのために回転機器の組立時の同心確認、調整は容易ではない。また、部品間のはめあい精度により決める場合には、関わる複数の部品の同心及び加工精度の要求値が厳しくなるとともに、一方で、隙間の低減に対しても限界が設定されている。

したがって、隙間が広がると運用中のシール部Ｓの真空引き量が増加し、レーザ発振器のブロアとして使用する場合、消費レーザガス量の増加、ランニングコストアップとなる。また、このシール機構をラビリンスシールで構成する場合、加工が複雑であり、回転軸４の一部に加工を施すことは、コスト面運用面でも問題であり、別部品とせざるを得ないのが実情である。他方、図６およびより詳細に示す図５に示す螺旋溝方式の場合も種々の問題を有している。すなわち、これらの螺旋溝方式の場合もガス圧縮側の圧縮室Ｃ内で圧力の脈動が発生した場合、一時的にシール部Ｓの差圧が低下し、そのために軸受室Ｍ側のオイルミストがシール部Ｓを介して圧縮室Ｃ側に流入する場合が生じ、充分にオイルミストの流入を防止できない。したがって螺旋溝の加工そのものにより精度が求められ、加工が困難である。

本発明が提供する回転機器は、上記課題を解決するために圧縮室と軸受室の隔壁を貫通する部位における回転軸の外周面に螺旋溝を形成するとともに貫通孔内周面と軸受室側とを連通する連通路を隔壁に設けたものである。したがってシール部位における空間と軸受室の連通で、圧縮室内の圧力脈動が生じてもシール部の差圧が大きく変動することはなく、しかもオイルミストの圧縮室への流入は完全に防止できる。

そこで本発明が第１に提供する回転機器は、螺旋溝を隔壁部における中間部位より下方位に設けるとともに、シール部位の下方側の螺旋溝がシール部位のガスを上方に付勢する機能を発揮するよう構成されている。さらに連通路には潤滑用流体をトラップするフィルタと軸受室の排気手段が併設されてオイルミストの圧縮室への流入が防止される。

さらに本発明が第２に提供する回転機器は、螺旋溝が貫通孔の中間部位を中心とする上下両側に設けられ、しかもそれぞれの螺旋溝は流体を中間部位の方向に付勢するよう形成されたものであり、構成が簡略化される。本発明の場合も連通路の軸受室側に潤滑用流体をトラップするフィルタを設けるが、軸受室の排気手段は不要である。オイルミストの流入は阻止できかつガスは連通路を流れるのでガスの付勢機能は保障される。

螺旋溝部では、螺旋によりシール機構が有効に働くことで、軸受室からの真空排気量を低減した状態でシール部の差圧を確保でき、オイルミストの上昇や、圧縮室への流入を抑制できる。オイルの表面張力による滞留が妨げられる。さらに軸受室側から連通する通路を静止側に備えることでバイパス流路となり、螺旋溝効果により上方へのガス流れが過剰になった場合においても、螺旋溝を備えていないシール隙間上側においては、真空排気により下流へのガス流れを形成ができる。これによりシール上面へのオイルの逆流を防ぐことができる。また、ガスの消費量を軽減できる。

本発明の第１の特徴は、回転軸が隔壁を貫通する部位における回転軸の外周に螺旋溝を形成するとともに隔壁部に連通路を形成した点である。この２点の構成を特徴とするが、本発明は前述した目的から軸受室を排気することおよび螺旋溝による流体の付勢を行うことが前提にあり、この前提との関連で螺旋溝の形成の仕方を考慮したものである。このような理由から本発明の最良の形態はつぎの２つを基本とする。
第１は螺旋溝が貫通孔における中間部位より下方位のみに形成される。第２は排気手段を必要とせず、貫通孔の中間部位を中心に上下両部位に螺旋溝を設け、シール部位の空間においては、中間部位に向けた流体の流れを付勢するものである。

したがって本発明としてはこれらの回転機器が最良の形態である。すなわち、回転軸の貫通によるシール部を螺旋溝方式で構成してシール特性を良好ならしめるとともに、圧縮室の圧力脈動に対して連通路の介設で圧力変動を軽減でき、フィルタの介設でオイルミストの流入が阻止できる。

本発明による第１の実施例は図１に示される。図１は回転軸４が隔壁部材８を貫通する部位を拡大して示す断面図で、この図から明らかなように、隔壁部材８を貫通する部位の中間部位４ＭＣから上方は単なる回転軸４の円柱部４ＥＵのみである。したがって、この円柱部４ＥＵの外周における流動域ＮＥは、この第１の実施例においては図６、図７に示すように軸受室Ｍを真空に排気する排気手段が設けられており、軸受室Ｍを真空排気することで、ガスの下方への流動域となる。他方中間部位４ＭＣから下方には回転軸４と隔壁部材８との空間に螺旋溝４ＭＤが形成されている。しかもこの螺旋溝４ＭＤは回転軸４と隔壁部材８の内周面における流体を中間部位４ＭＣ側に付勢する方向で形成されている。

なお図１において図５と同一の符号で示される部品は図５における符号の部品と同一の機能を有するものであり、これらの符号の部品についての詳細な説明は省略する。
さらに本実施例では図１に示すとおり８Ｐが隔壁部材８に穿設された連通路で、軸受室Ｍへの開口部にはフィルタＦが設置されている。他方の開口は両方の螺旋溝４ＭＵと４ＭＤの中間部位４ＭＣに対応している。

したがってターボ型の回転機器がガス圧縮機として作動するとき、回転軸４の円柱部４ＥＵにおける流動域ＮＥにおいては、連通路８Ｐを介して排気が行われているので、下方への流体の流れが生起する。同時に螺旋溝４ＭＤが形成されている下方の流体付勢領域ＡＥにおいては、螺旋溝４ＭＤが回転方向と逆方向であり、流体の流れを上方に付勢する。すなわち、図１においてＡＥは流体付勢領域である。したがって円柱部４ＥＵにおいて真空排気に伴う上方からのガスの流れと螺旋溝４ＭＤによるガスの上方への付勢によってガスは中間部位４ＭＣで合流し、連通路８Ｐを介して軸受室Ｍ側へ流動する。

またオイルの表面張力による滞留が妨げられる。さらに軸受室Ｍ側に連通する連通路８Ｐを固定側に設けることで、連通路８Ｐはバイパス路として機能する。特に圧縮室Ｃ内で圧力の脈動が発生した場合は一時的にシール部Ｓの差圧が低下して軸受室Ｍのオイルミストの上昇の流れを生じることになるが、連通路８Ｐの存在でこの一時的低下は生起せずオイルミストの上昇逆流もない。この機能によりオイルのシール部Ｓより上方への逆流を防ぐことができる。さらに本発明ではフィルタＦが設置されているので、オイルトラップが確実に行われる。

本実施例は図２に示される。図２は図１と同様、ターボ翼７と回転軸４との結合部を拡大して示す縦断面図である。図２に示すように本実施例においては、２個の螺旋溝４ＭＵと４ＭＤが貫通孔８Ａの内周面側に形成された実施例である。上方の螺旋溝４ＭＵは回転軸４の矢印方向の回転によって、シール部位の空間においては流体が中間部位４ＭＣの側に付勢されるよう機能する。

すなわち図２においてＹＥは、圧縮室Ｃ側への流体の漏出を抑制する流体漏出抑制領域を示している。他方下方の螺旋溝４ＭＤは回転軸４の矢印方向の回転により、シール部Ｓにおける流体が上方に付勢されるよう形成されている。回転軸４と螺旋溝４ＭＵ、４ＭＤの形成方向は密接な関係にあり、回転軸４の回転方向に沿って設定され形成される。

さらに図２に示すとおり連通路８Ｐが設けられ、軸受室Ｍ側開口部にはフィルタＦが設置されている。したがってターボ型の回転機器がガス圧縮機として作動するとき、回転軸４に形成された螺旋溝４ＭＵ、４ＭＤが形成されているのでこれら螺旋溝４ＭＵ、４ＭＤの回転により、流体の流れが中間部位４ＭＣに付勢される。したがって螺旋溝４ＭＵによる上方からのガスの流れと螺旋溝４ＭＤによるガスの上方への付勢によってガスは中間部位で合流し、連通路８Ｐを介して軸受室Ｍ側へ流動する。

またオイルの表面張力による滞留が妨げられる。さらに軸受室Ｍ側に連通する連通路８Ｐを固定側に設けることで、連通路８Ｐはバイパス路として機能する。特に圧縮室Ｃ内で圧力脈動が発生した場合は一時的にシール部Ｓの差圧が低下して軸受室Ｍのオイルミストの上昇の流れを生じることになるが、連通路８Ｐの存在でこの一時的低下は生起せずオイルミストの上昇逆流もない。この機能によりオイルのシール部Ｓより上方への逆流を防ぐことができる。さらに本発明ではフィルタＦが設置されているので、オイルトラップが確実に行われる。

本実施例は図３、図４に示される。図３は図１に示す実施例において、螺旋溝４ＭＤを設ける代わりに隔壁８の内周面と回転軸４との空間において隔壁８の内周面側に螺旋溝８ＭＤを形成した例で、螺旋溝４ＭＤ程に強力な付勢力を有しないが実施例１と同様に一定の付勢力を有する。図４は図２に示す実施例において螺旋溝４ＭＵ、４ＭＤの代わりに隔壁８の内周面側に螺旋溝８ＭＤ、８ＭＵを形成した例でその機能は図３と同様である。

本発明が提供する回転機器の特徴は以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではない。特に上記実施例ではターボ型の回転機器について説明したが、ターボ方式以外の軸流ポンプにおいても実施できる。さらに、連通路８Ｐの形状については図示例のようにＬ字形に必ずしなければならないということではなく、たとえば図示例の両開口を直線で結ぶこともできる。さらに図示例は片方側に１個のＬ字形連通路８Ｐを設けることもできる。

さらに隔壁部材８を図示例ではハウジング１と別個の部材で実施した例であるが、この隔壁部材８はハウジング１と一体に形成することもできる。本発明が特許請求の範囲において特定する「隔壁」はこれらハウジング１と一体に形成された隔壁や図示例の隔壁部材を含むものであり、本発明はこれら変形例をすべて包含するものである。

本発明が提供する回転機器の要部の構成を示す縦断面図である。 本発明が提供する回転機器の要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明における回転機器において回転軸が隔壁を貫通する部位を拡大して示す図である。 本発明における回転機器のターボ翼の取付部である回転軸に改良を加えた構成を示す図である。 従来における回転機器の構成を概略的に示す図である。 従来の回転機器において螺旋溝を簡略に示す図である。 従来における回転機器を示す図である。

符号の説明

１ ハウジング
１Ｋ 吸気口
１Ｈ 排気口
１Ｙ オイル槽
２ モータ
２Ｋ 電極コイル
２Ｍ 回転子
３ インバータ
４ 回転軸
４ＥＵ 円柱部
４Ｈ 中空孔
４Ｍ 螺旋溝
４ＭＡ 螺旋溝
４ＭＣ 中間部位
４ＭＤ 螺旋溝
４ＭＯ 螺旋溝
４ＭＵ 螺旋溝
４Ｓ 取付軸
４Ｔ 射出孔
５ 上部軸受
６ 下部軸受
７ ターボ翼
８ 隔壁部材
８Ａ 貫通孔
８ＭＤ 螺旋溝
８ＭＵ 螺旋溝
８Ｐ 連通路
９ 軸受保持部材
９Ｈ 貫通孔
１１ ボルト
ＡＥ 流体付勢領域
Ｃ 圧縮室
Ｆ フィルタ
Ｌ オイル
Ｍ 軸受室
ＮＥ 流動域
Ｓ シール部
Ｒ 排気パイプ
ＹＥ 流体漏出抑制領域

Claims (5)

1. 回転により室内にガス圧縮を行う回転体を内設した圧縮室と、前記回転体を回転駆動す
   る回転駆動源および回転体と回転駆動源を連結する回転軸と軸受等の駆動系を内設した軸
   受室を備え、この圧縮室と軸受室を隔壁にて区画するとともに、前記隔壁に回転軸を貫挿
   する貫通孔を穿設したハウジングと、軸受室内を圧縮室より低圧に保持する排気手段を備
   え、回転駆動源を回転駆動させて回転体を回転させ圧縮機能を行わせる回転機器において
   、貫通孔の中間部位より下方部位における回転軸の外周面と貫通孔内周面との間に、貫通
   孔内の流体を貫通孔の中間部位に向けて付勢する螺旋溝を設けるとともに一端が軸受室側
   に開口し、他端が貫通孔の中間部位に開口して貫通孔内周面と軸受室側とを連通する連通
   路を隔壁に設けたことを特徴とする回転機器。
2. 螺旋溝が隔壁に穿設された貫通孔の内周面に形成されていることを特徴とする請求項１
   記載の回転機器。
3. 回転により室内にガス圧縮を行う回転体を内設した圧縮室と、前記回転体を回転駆動す
   る回転駆動源および回転体と回転駆動源を連結する回転軸と軸受等の駆動系を内設した軸
   受室を備え、この圧縮室と軸受室を隔壁にて区画するとともに、前記隔壁に回転軸を貫挿
   する貫通孔を穿設したハウジングと、回転駆動源を回転駆動させて回転体を回転させ圧縮
   機能を行わせる回転機器において、貫通孔の中間部位における回転軸の外周面と貫通孔内
   周面との間に、貫通孔の中間部位を中心とする上下両側に、流体を中間部位に向かって付勢する方向に螺旋溝を設けるとともに一端が軸受室側に開口し、他端が貫通孔の中間部位に開口して貫通孔内周面と軸受室側とを連通する連通路を隔壁に設けたことを特徴とする回転機器。
4. 螺旋溝が隔壁に穿設された貫通孔の内周面に形成されていることを特徴とする請求項３
   記載の回転機器。
5. 連通路の軸受室側開口部に潤滑用流体をトラップするフィルタを設けたことを特徴とす
   る請求項１ または請求項２ または請求項３ または請求項４ 記載の回転機器。

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