JP4983026B2

JP4983026B2 - 回転機器

Info

Publication number: JP4983026B2
Application number: JP2006018981A
Authority: JP
Inventors: 浩司堀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2026-01-27
Also published as: JP2007198527A

Description

本発明は、シャフト挿通孔を備えた隔壁を有するケーシング内に、オイル潤滑式の軸受に回転可能に支持させてなるとともに翼車取付部を延出させたシャフトと、前記翼車取付部に取り付けた翼車とを収納させてなる回転機器に関する。

この種の回転機器として代表的なターボブロワには、隔壁により翼車室及びモータ室に区画された内部空間を有し前記隔壁にシャフトを挿通可能なシャフト挿通孔を設けているケーシングと、前記モータ室内に設けた流体潤滑式の軸受に回転可能に支持させてなる基部及び前記翼車室内に配した翼車取付部を有し前記シャフト挿通孔を通過するシャフトと、前記翼車取付部に取り付けた翼車と、前記モータ室内に設けられ前記シャフト及び前記翼車を駆動するモータとを具備するものが知られている。このような回転機器においては、前記軸受に供給する潤滑材が翼車室側に漏出し、該翼車室を通過するガスが汚染される不具合の発生を防ぐべく、シャフトとケーシングとの間に微小隙間を形成し、この微小隙間による絞り効果で流体のシールを行うようにすることが従来考えられてきている。（例えば特許文献１を参照。）なお、前記特許文献１では、翼車室は循環ガス圧縮室、モータ室は軸受保持室、翼車はターボ翼としてそれぞれ述べられている。
特開平１１−３１１１９７号公報

ところで、前記特許文献１記載の構成では、シャフトとケーシングとの間に微小隙間を形成する際、従来は微小隙間の幅を小さくして翼車室側への極力少なくすべく、精密な加工によりシール部を設けるようにしている。しかし、シール部の形成の際に加工精度が要求されるので、シール部の製造コストがかさむ不具合が生じている。さらに、潤滑材がこの微小隙間に侵入すると、侵入した潤滑材がこの微小隙間に留まり、シャフトとシール部との間に発生する摩擦熱や微小粒子との混合等により潤滑材が劣化する不具合も発生する。

本実施形態は、このような課題を解決すべく、シャフトとケーシングとの間の隙間にオ潤滑材が留まらない構成を実現するものである。

すなわち本発明に係る回転機器は、隔壁により翼車室及びモータ室に区画された内部空間を有し前記隔壁にシャフトを挿通可能なシャフト挿通孔を設けているケーシングと、このケーシングのモータ室内に設けた流体潤滑式の軸受に回転可能に支持させてなる基部及び前記翼車室内に配した翼車取付部を有し前記シャフト挿通孔に挿通させてなるシャフトと、このシャフトの翼車取付部に取り付けた翼車と、この翼車を回転駆動すべく前記モータ室内に設けられ前記シャフトを回転駆動するモータとを具備し、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間に、螺旋溝を利用して流体を前記モータ室側に付勢するための流体付勢領域を設けている回転機器であって、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間の前記流体付勢領域より前記翼車室側に、前記流体付勢領域に設けたものと逆方向の螺旋溝を利用して流体を前記翼車室側に付勢することにより流体の前記翼車室から前記モータ室への流れを抑制するための流体漏出抑制領域を設けているとともに、前記シャフトの前記流体付勢領域と前記流体漏出抑制領域との間に対応する部位に、前記隙間の幅を前記流体付勢領域及び前記流体漏出抑制領域における幅よりも大きくすべく該シャフトの径を小さくした小径部を設けていることを特徴とする。

このように構成すれば、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間に潤滑材が侵入し、この隙間に設けた流体付勢領域に潤滑材が達した際に、潤滑材がモータ室側に付勢されるので、潤滑材が翼車室に侵入しにくくなり、精密な加工によりシール部を設けることなく、前記シャフト又は前記シャフト挿通孔の少なくとも一方に螺旋溝を設ける簡単な加工により翼車室を通過するガス等の流体が潤滑材により汚染されることを防ぐことができる。さらに、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間に潤滑材が侵入しても、シャフトの回転に伴い潤滑材もまたモータ室側に向けて移動するので、前記隙間に潤滑材が留まり潤滑材が劣化する不具合を防ぐこともできる。そして、シャフトの回転そのものを利用して流体をモータ室側に付勢しているので、モータ室内を翼車室内よりも低圧に保つための排気手段を設けている場合に、排気手段の起動直後であってモータ室内と翼車室内との圧力差が小さい場合や、排気手段の脈動により一時的に前記圧力差が逆転する場合であっても潤滑材を含む流体を確実にモータ室側に付勢できる。さらに、シャフトの回転数が高い場合等、流体付勢領域により潤滑材を含む流体に強い付勢力を与えることができる場合には、このような排気手段を省略するようにもできる。

さらに、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間の前記流体付勢領域より前記翼車室側に、螺旋溝を利用して流体の前記翼車室から前記モータ室への流れを抑制するための流体漏出抑制領域を設けているので、精密な加工によりシール部を設けることなく、前記シャフト又は前記シャフト挿通孔の少なくとも一方に螺旋溝を設ける簡単な加工により、翼車室からモータ室へのガス等の流体の漏出を少なくし、流体の空費を抑える効果を実現できる。

本発明に係る回転機器は、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間に流体をモータ保持室側に付勢するための流体付勢領域を螺旋溝を利用して設けているので、前記隙間に侵入した動作液をモータ室側に戻すことができ、精密な加工によりシール部を設けることなく、前記シャフト又は前記シャフト挿通孔の少なくとも一方に螺旋溝を設ける簡単な加工により翼車室を通過するガス等の流体がオイルにより汚染されることを防ぐことができる。さらに、螺旋溝を利用してこのような流体付勢領域を設けているので、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間にオイルが侵入しても、シャフトの回転に伴いオイルもまた移動するので、前記隙間にオイルが留まりオイルが劣化する不具合をも防ぐことができる。そして、シャフトの回転そのものを利用して流体をモータ室側に付勢しているので、モータ室内を翼車室内よりも低圧に保つための排気手段の運転状態に関わらず流体を確実にモータ室側に付勢できるとともに、このような排気手段を省略するようにもできる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る回転機器であるターボブロワ１００は、図示しないＣＯ２ガスレーザ等のレーザ発振部にガスを供給するためのものであり、ガス循環経路上にレーザ発振部と直列して設けられている。

具体的にこのターボブロワ１００は、概略断面図を図１に示すように、隔壁５３により翼車室たるターボ翼室５１及びモータ室５２に区画された内部空間を有するケーシング５と、このケーシング５の内部空間に収納させたシャフト２と、このシャフト２に取り付けた翼車たるターボ翼１と、このターボ翼１を回転駆動すべく前記モータ室５２内に設けられ前記シャフト２を回転駆動するモータ４とを具備する遠心式のものである。なお、本実施例のものはシャフト２を起立させて使用する。

前記ケーシング５のターボ翼室５１内には前記ターボ翼１、モータ室５２内には前記電動モータ４を収納するようにしている。前記隔壁５３には前記シャフト２を挿通可能なシャフト挿通孔５ｘを設けていて、このシャフト挿通孔５ｘを介して前記ターボ翼室５１及び前記モータ室５２を連通させている。さらに詳述すると、前記ターボ翼室５１は、各ターボ翼１の頂部方向に開口するガス導入ポート５４と、ターボ翼１の側方に開口するガス導出ポート５５とを備えている。一方、前記モータ室５２は、その中央近傍に設けられ後述する電動モータ４を配設するためのモータ配設部５６と、このモータ配設部５５の上下方にそれぞれ設けられ転がり軸受３を配設するための上下の軸受配設部５７ａ、５７ｂと、下端部に設けられ軸受潤滑用の潤滑液である潤滑オイルＯＩＬを滞留させておくオイルだめ部５８と備えている。そして本実施形態では、ガスが前記シャフト挿通孔５ｘと前記シャフト２との間の隙間を前記モータ室５２内に向かう方向に流れるようにすべく、前記モータ保持室５２内のガスを排気手段である真空ポンプ９により排気して前記モータ室５２内を前記ターボ翼室５１内よりも低圧に保つようにしている。

上下の転がり軸受３、３は、前記モータ室５２内の上下の軸受配設部５７ａ、５７ｂにそれぞれ支持させたもので、後述する電動モータ４の上下にそれぞれ配置されている。本実施例では、これら転がり軸受３、３としてアンギュラタイプのものを採用し、ジャーナル方向、スラスト方向に作用する両荷重を支持しうるようにしている。そして、これら転がり軸受３、３は、シャフト２内に設けた後述するオイル供給路２１ａを介して潤滑材、具体的には潤滑オイルＯＩＬの供給を受ける流体潤滑式の軸受である。

前記シャフト２は、前記モータ室５２内に配した前記転がり軸受３に回転可能に支持させてなるとともに内部にオイル供給路２１ａを有する基部２１と、この基部２１から延出させているとともに前記シャフト挿通孔５ｘを通過させてなる中間部２２と、この中間部２２から延出させて前記ターボ翼室５１内に配した翼車取付部たるターボ翼取付部２３とを具備する。前記基部２１内部に形成したオイル供給路２１ａはこのシャフト２の下端面に開口し、その開口がオイルだめ部５８内の潤滑オイルＯＩＬに浸かっている状態にしてある。また、各転がり軸受３の上側におけるシャフト２の外周面にもそれぞれ開口するように構成されている。オイル供給路２１ａの下端部２１ｂは、遠心ポンプ部として機能するように構成されている。具体的には下方に向かって断面積が減少するテーパ状のものとなっている。すなわち、シャフト２の回転による遠心力でオイルだめ５８から潤滑オイルＯＩＬをテーパ面に沿って上昇させ、吸い上げたオイルをシャフト２の外周面にそれぞれ設けた開口から噴射して各転がり軸受３に供給できるように構成されている。なお、この潤滑オイルＯＩＬは、シャフト２の回転によって、モータ室５２内では噴霧状態としても存在している。

ターボ翼１は、切頭円錐状の基体１１の斜面部に螺旋状に複数の翼体１２を立設した一般に知られているもので、前記シャフト２のターボ翼取付部２３に取り付けている。

電動モータ４は、ロータ４１をシャフト２に外嵌させて固着するとともに、ロータ４１の周囲にケーシング５に支持させてステータ４２を配設した例えばＤＣブラシレス式のものであって、シャフト２と一体的に設け、直接的にシャフト２を回転駆動させるものである。本実施例ではシャフト２及び電動モータ４の駆動源として図示しないインバータを用いている。

しかして本実施形態では、前記図１、およびこの図１におけるシャフト挿通孔５ｘ付近の拡大図である図２に示すように、前記シャフト２と前記シャフト挿通孔５ｘとの間の隙間Ｓに、第１の螺旋溝２ｘを利用して流体をモータ室５２側に付勢するための流体付勢領域Ａ１を設けている。具体的には、前記シャフト２の中間部２２のうちモータ室５２寄りの部位に、このシャフト２の前記図２における矢印ｘ方向への回転に応じて見かけ位置がモータ室５２側に移動するような第１の螺旋溝２ｘを設けている。ここで、前記図２に示す状態から位相を９０度移動させた状態の図を図３に示す。以下、シャフト２の前記矢印ｘ方向への回転に応じて螺旋溝間に位置するネジ山の見かけ位置がモータ室５２側に移動するような螺旋溝を順方向ネジ溝と称する。また、逆向きの螺旋溝は逆方向ネジ溝と称する。

前記シャフト２を前記図２における矢印ｘ方向に回転させると、この第１の螺旋溝２ｘ内の流体、具体的にはガスと潤滑オイルＯＩＬの微細粒子等との混合物はこの第１の螺旋溝２ｘ内で矢印ｘ方向と逆方向に移動するよう付勢される。すなわち、この第１の螺旋溝２ｘは上述したように順方向ネジ溝であるので、前記流体はモータ室５２側に付勢され、潤滑オイルＯＩＬの微細粒子等がモータ室５２に排出される。また、第１の螺旋溝２ｘを形成するネジ山２ｘ１と前記シャフト挿通孔５ｘとの間に位置する微小隙間ＳＳは、シャフト２の回転につれて移動する。そして、この微小隙間ＳＳに侵入している潤滑オイルＯＩＬも、前記ネジ山２ｘ１に付勢されてシャフト２の回転速度より低い速度で前記矢印ｘ方向に移動し、第１の螺旋溝２ｘ内に達した後、上述したようにこの第１の螺旋溝２ｘ内をモータ室５２側に向けて移動するよう付勢される。

一方、前記シャフト２と前記シャフト挿通孔５ｘとの間の隙間Ｓには、前記流体付勢領域Ａ１よりターボ翼室５１側に、第２の螺旋溝２ｙを利用して流体のターボ翼室５１からモータ室５２への流れを抑制するための流体漏出抑制領域Ａ２も設けている。具体的には、前記シャフト２の中間部２２であって前記第１の螺旋溝２ｘよりターボ翼室５１側の部位に、逆方向ネジ溝である第２の螺旋溝２ｙを設けている。

前記シャフト２を前記図２における矢印ｘ方向に回転させると、この第２の螺旋溝２ｙ内の流体、具体的には主にターボ翼室５１からこの第２の螺旋溝２ｙ内に進入したガスは、この第２の螺旋溝２ｙ内で矢印ｘ方向と逆方向に移動するよう付勢される。すなわち、この第２の螺旋溝２ｙは上述したように逆方向ネジ溝であるので、前記流体はターボ翼室５１側、すなわちこのガスの流れる方向と逆側に付勢される。また、第２の螺旋溝２ｙを形成するネジ山２ｙ１と前記シャフト挿通孔５ｘとの間に位置する微小隙間ＳＳＳも、シャフト２の回転につれて移動する。そして、この微小隙間ＳＳＳに侵入している潤滑オイルＯＩＬも、前記ネジ山２ｘ１に付勢されてシャフト２の回転速度より低い速度で前記矢印ｘ方向に移動し、第２の螺旋溝２ｙ内に達する。

そして本実施形態では、上述したターボ翼室５１からモータ室５２への流体の流れを確保すべく、シャフト２の流体付勢領域Ａ１と流体漏出抑制領域Ａ２との間に対応する部位に、該流体付勢領域Ａ１及び流体漏出抑制領域Ａ２の少なくともネジ山２ｘ１、２ｙ１に対応する部位よりも径を小さくした小径部２２１を設け、シャフト２の小径部２２１と前記シャフト挿通孔５ｘとの間の部位における前記隙間Ｓの幅を、これら流体付勢領域Ａ１と流体漏出抑制領域Ａ２における前記隙間Ｓの幅よりも大きくしている。

また、モータ室５２側の圧力脈動に起因してモータ室５２とターボ翼室５１との間の圧力差が逆転した場合においても上述したターボ翼室５１からモータ室５２への流体の流れを確保できるようにすべく、前記流体付勢領域Ａ１による付勢能力を前記流体漏出抑制領域Ａ２の抑制能力よりも大きくしている。

以上に述べたように、本実施形態に係るターボ型回転機器であるターボブロワ１００の構成によれば、前記シャフト２と前記シャフト挿通孔５ｘとの間の隙間Ｓに順方向ネジ溝である第１の螺旋溝２ｘを利用して流体をモータ室５２側に付勢するための流体付勢領域Ａ１を設けているので、この流体付勢領域Ａ１に達した潤滑オイルＯＩＬ等の不純物の微細粒子はシャフト２の回転に伴い周囲のガスなど他の流体とともに第１の螺旋溝２ｘ内をモータ室５２側に移動するよう付勢され、モータ室５２に排出される。したがって、真空ポンプ９の起動直後のモータ室５２とターボ翼室５１との間の圧力差が小さい時間帯であっても、潤滑オイルＯＩＬ等の不純物をモータ室５２に排出でき、該不純物がターボ翼室５１側に侵入してこのターボ翼室５１を通過するガスが汚染されることを防げる。

また、第１の螺旋溝２ｘを形成するネジ山２ｘ１と前記シャフト挿通孔５ｘとの間に位置する微小隙間ＳＳがシャフト２の回転に伴い移動するので、上述した作用により潤滑オイルＯＩＬが表面張力によりこの微小隙間ＳＳに滞留することを防ぐことができ、従って前記シャフト２と前記シャフト挿通孔５ｘとの間に発生する摩擦熱や微小粒子との混合による潤滑オイルＯＩＬの劣化を防ぐこともできる。

さらに本実施形態では、前記流体付勢領域Ａ１よりターボ翼室５１寄りに逆方向ネジ溝である第２の螺旋溝２ｙを利用して流体をターボ翼室５１側に付勢するための流体漏出抑制領域Ａ２を設けているので、この流体漏出抑制領域Ａ２ではガスが第２の螺旋溝２ｙ内をターボ翼室５１側に移動する方向に付勢され、ターボ翼室５１からモータ室５２へのガスの流出を抑えることができる。さらに、第２の螺旋溝２ｙを形成するネジ山２ｙ１と前記シャフト挿通孔５ｘとの間に位置する微小隙間ＳＳＳがシャフト２の回転に伴い移動するので、上述した作用により潤滑オイルＯＩＬが表面張力によりこの微小隙間ＳＳＳに滞留することを防ぐこともできる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限られない。

例えば、上述したような前記第１の螺旋溝２ｘを利用した流体付勢領域Ａ１に代えて、上述した実施形態における図２に対応する図を図４に示すように、前記シャフト挿通孔５ｘ側に刻設した逆方向ネジ溝５ｙを利用して流体付勢領域ＡＡ１を設けてもよい。このような流体付勢領域ＡＡ１を設けた場合、シャフト２を図４の矢印ｘ方向に回転させると、前記逆方向ネジ溝５ｙ内の流体もこれにつれて矢印ｘ方向に進むよう付勢され、前記逆方向ネジ溝５ｙ内の流体はこの逆方向ネジ溝５ｙ内をモータ室５２側に向けて移動する。

また、上述したような前記第２の螺旋溝２ｙを利用した流体漏出抑制領域Ａ２に代えて、図４に示すように、前記シャフト挿通孔５ｘ側に刻設した順方向ネジ溝５ｚを利用して流体漏出抑制領域ＡＡ２を形成してもよい。このような流体漏出抑制領域ＡＡ２を設けた場合、シャフト２を図４の矢印ｘ方向に回転させると、前記順方向ネジ溝５ｚ内の流体もこれにつれて矢印ｘ方向に進むよう付勢される。すなわち、前記順方向ネジ溝５ｚ内の流体はターボ翼室５１側に向けて付勢される。

もちろん、前記第１、第２の螺旋溝２ｘ、２ｙと、前記シャフト挿通孔５ｘ側に刻設した逆方向ネジ溝、及び前記シャフト挿通孔５ｘ側に刻設した順方向ネジ溝の少なくとも一方を同時に設けてもよく、また、上述した実施形態に係る流体付勢領域Ａ１と前記流体漏出抑制領域ＡＡ２との組合せ、または前記流体付勢領域ＡＡ１と上述した実施形態に係る流体漏出抑制領域Ａ２との組合せを採用してもよい。

加えて、シャフト２の回転速度が十分速く、流体付勢領域のみによりガスをモータ収納室側に付勢できる場合は、排気手段を設ける必要はない。そして、このような構成を採用した場合において、ターボ翼室からモータ室へのガスの流出量が少ない場合には、流体漏出抑制領域を省略してもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の一実施形態に係るターボブロワを示す概略断面図。図１におけるシャフト挿通孔付近の拡大図。同実施形態に係るターボブロワの動作を示す図。本発明の他の実施態様に係るターボブロワにおける図２に対応する図。

符号の説明

１…ターボ翼
２…シャフト
２ｘ…第１の螺旋溝
２ｙ…第２の螺旋溝
３…軸受
４…モータ
５…ケーシング
５１…ターボ翼室
５２…モータ室
５３…隔壁
５ｘ…シャフト挿通孔
Ａ１…流体付勢領域
Ａ２…流体漏出抑制領域

Claims

隔壁により翼車室及びモータ室に区画された内部空間を有し前記隔壁にシャフトを挿通可能なシャフト挿通孔を設けているケーシングと、このケーシングのモータ室内に設けた流体潤滑式の軸受に回転可能に支持させてなる基部及び前記翼車室内に配した翼車取付部を有し前記シャフト挿通孔に挿通させてなるシャフトと、このシャフトの翼車取付部に取り付けた翼車と、この翼車を回転駆動すべく前記モータ室内に設けられ前記シャフトを回転駆動するモータとを具備し、前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間に、螺旋溝を利用して流体を前記モータ室側に付勢するための流体付勢領域を設けている回転機器であって、
前記シャフトと前記シャフト挿通孔との間の隙間の前記流体付勢領域より前記翼車室側に、前記流体付勢領域に設けたものと逆方向の螺旋溝を利用して流体を前記翼車室側に付勢することにより流体の前記翼車室から前記モータ室への流れを抑制するための流体漏出抑制領域を設けているとともに、
前記シャフトの前記流体付勢領域と前記流体漏出抑制領域との間に対応する部位に、前記隙間の幅を前記流体付勢領域及び前記流体漏出抑制領域における幅よりも大きくすべく該シャフトの径を小さくした小径部を設けていることを特徴とする回転機器。