JP5392163B2 - ケーシング構造 - Google Patents

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Description

本発明は、ケーシング構造に関するものである。
空気や冷媒ガス等の気体を、インペラの回転により圧縮して排出するターボ圧縮機が知られている。このようなターボ圧縮機は、例えば特許文献1に示すように、回転動力を発生するモータと、モータの回転動力が伝達されて回転するインペラと、モータの回転動力をインペラに伝達する一対のギアとを備えている。モータはモータケーシング内に配置され、インペラ及び一対のギアはまとめて1つの圧縮部ケーシング内に配置される。モータケーシングと圧縮部ケーシングとの連結部は、環状のシール部材を配置することで気密に保たれている。
特許第2910472号公報
ところで、上述の圧縮部ケーシングはインペラ及び一対のギアを共に囲んで設けられているため、圧縮部ケーシングの形状は複雑になり、その外形は大きくなりやすい。このような圧縮部ケーシングの製造工程は煩雑になり、製造の手間やコストが増加する。そのため、圧縮部ケーシングの代わりに、インペラを囲むインペラケーシング(第1ケーシング)と一対のギアを収容するギアケーシング(第2ケーシング)とを連結したケーシング構造を用いる場合がある。なお、インペラケーシングとギアケーシングとの連結部を気密に保つため、この連結部にも環状のシール部材が配置される。
また、インペラケーシングとギアケーシングとの連結には複数のネジ部材(ボルト等)が用いられるが、これらのケーシングを出来るだけ小型化するため、上記ネジ部材の一部を、インペラケーシングとギアケーシングとが連結して形成される内部空間側から螺入する場合がある。
しかしながら、連結部におけるシール部材とネジ部材との一般的な配置関係は、シール部材の径方向外側にネジ部材が配置されるため、内部空間側のネジ部材が挿入される貫通孔を介して、内部空間内の気体(インペラ側から流動した気体)が外部に流出したり、外部から内部空間内に気体が流入したりする虞があった。
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、第1ケーシングと第2ケーシングとを連結するネジ部材の一部が、これらのケーシングが連結して形成される内部空間側から螺入される場合であっても、第1ケーシングと第2ケーシングとの連結部における気体の流出・流入を防止できるケーシング構造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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係るケーシング構造は、第1ケーシングと第2ケーシングとが連結して形成される内部空間と外部との間を、第1ケーシングと第2ケーシングとの連結部において気密に保つ環状のシール部材を備えるケーシング構造において、内部空間側から螺入されるとともにシール部材の径方向内側に配置され第1ケーシングと第2ケーシングとを締結する第1ネジ部材と、外部から螺入されるとともにシール部材の径方向外側に配置され第1ケーシングと第2ケーシングとを締結する第2ネジ部材とを備える、という構成を採用する。
本発明では、第1ネジ部材は上記内部空間側から螺入されており、第1ケーシング及び第2ケーシングの一方に形成され第1ネジ部材が挿入される貫通孔は、上記内部空間と連通している。そのため、この貫通孔を介して、内部空間内の気体が外部に流出しようとしたり、外部の気体が内部空間に流入しようとしたりする。しかし、本発明では、環状のシール部材の径方向内側に第1ネジ部材が配置されることから、上記貫通孔を介した気体の流出・流入はシール部材により防止される。
また、本発明に係るケーシング構造は、第1ケーシングと第2ケーシングとが所定の2つの軸線をそれぞれ囲んで設けられ、2つの軸線は互いに偏心して配置される、という構成を採用する。
また、本発明に係るケーシング構造は、シール部材が連結部において円環状に配置される、という構成を採用する。
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、第1ケーシングと第2ケーシングとを連結するネジ部材の一部である第1ネジ部材が、これらのケーシングが連結して形成される内部空間側から螺入される場合であっても、第1ケーシングと第2ケーシングとの連結部において気体の流出・流入を防止できるという効果がある。
本発明の実施形態におけるターボ圧縮機の水平断面図である。 本発明の実施形態におけるターボ圧縮機が備える圧縮機ユニット及びギアユニットを拡大した水平断面図である。 図2のA−A線視断面図である。 本発明の実施形態における第1連結部の一変形例を示す概略図である。
以下、本発明の実施の形態を、図1から図4を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
図1は、本実施形態におけるターボ圧縮機1の水平断面図である。また、図2は、ターボ圧縮機1が備える圧縮機ユニット20及びギアユニット30を拡大した水平断面図である。また、図3は、図2のA−A線視断面図である。なお、図3において、第2インペラケーシング22eは第1枠部22fのみを記載し、ギアケーシング33は仮想線で表している。
本実施形態におけるターボ圧縮機1は、空調用の冷却水を生成するためにビルや工場等に設置されるターボ冷凍機(図示せず)において用いられ、ターボ冷凍機の蒸発器(図示せず)から導入される冷媒ガスを圧縮して排出するためのものである。図1に示すように、ターボ圧縮機1は、モータユニット10と、圧縮機ユニット20と、ギアユニット30とを備えている。
モータユニット10は、出力軸11を有するとともに圧縮機ユニット20を駆動させるための回転動力を発生するモータ12と、該モータ12を囲むとともに上記モータ12が設置されるモータケーシング13とを備えている。なお、圧縮機ユニット20を駆動させる駆動部としてはモータ12に限定されず、例えば内燃機関であってもよい。
モータ12の出力軸11は、モータケーシング13に固定される第1軸受14と第2軸受15とによって回転自在に支持されている。
圧縮機ユニット20は、冷媒ガスを吸入して圧縮する第1圧縮段21と、第1圧縮段21にて圧縮された冷媒ガスをさらに圧縮して圧縮冷媒ガスとして排出する第2圧縮段22とを備えている。
図2に示すように、第1圧縮段21は、スラスト方向から供給される冷媒ガスに速度エネルギを付与してラジアル方向に排出する第1インペラ21aと、第1インペラ21aによって冷媒ガスに付与された速度エネルギを圧力エネルギに変換することによって圧縮する第1ディフューザ21bと、第1ディフューザ21bによって圧縮された冷媒ガスを第1圧縮段21の外部に導出する第1スクロール室21cと、冷媒ガスを吸入して第1インペラ21aに供給する吸入口21dとを備えている。
なお、第1ディフューザ21b、第1スクロール室21c及び吸入口21dの一部は、第1インペラ21aを囲う第1インペラケーシング21eによって形成されている。
圧縮機ユニット20内には、第1圧縮段21と第2圧縮段22とに亘って延在する回転軸23が設けられている。第1インペラ21aは、回転軸23に固定され、回転軸23に対してモータ12(図2では図示せず)の出力軸11から回転動力が伝達されることによって回転駆動される。
また、第1圧縮段21の吸入口21dには、第1圧縮段21の吸入容量を調節するためのインレットガイドベーン21gが複数設置されている。
各インレットガイドベーン21gは、第1インペラケーシング21eに固定された駆動機構21hによって冷媒ガスの流れ方向上流側からの見かけ上の面積が変更可能なように回転自在とされている。また、第1インペラケーシング21eの外部には、駆動機構21hと連結され各インレットガイドベーン21gを回転駆動させるベーン駆動部24(図1参照)が設置されている。
第2圧縮段22は、第1圧縮段21にて圧縮された後にスラスト方向から供給される冷媒ガスに速度エネルギを付与してラジアル方向に排出する第2インペラ22aと、第2インペラ22aによって冷媒ガスに付与された速度エネルギを圧力エネルギに変換することによって圧縮して圧縮冷媒ガスとして排出する第2ディフューザ22bと、第2ディフューザ22bから排出された圧縮冷媒ガスを第2圧縮段22の外部に導出する第2スクロール室22cと、第1圧縮段21にて圧縮された冷媒ガスを第2インペラ22aに導く導入スクロール室22dとを備えている。
なお、第2ディフューザ22b、第2スクロール室22c及び導入スクロール室22dは、回転軸23の軸線23aを囲んで設けられるとともに第2インペラ22aを収容する第2インペラケーシング(第1ケーシング)22eによって形成されている。
第2インペラ22aは、上述した回転軸23に第1インペラ21aと背面合わせとなるように固定され、回転軸23に対してモータ12の出力軸11から回転動力が伝達されることによって回転駆動される。
なお、第1圧縮段21の第1スクロール室21cと、第2圧縮段22の導入スクロール室22dとは、第1圧縮段21及び第2圧縮段22とは別体で設けられる外部配管(図示せず)を介して接続されており、該外部配管を介して第1圧縮段21にて圧縮された冷媒ガスが第2圧縮段22に供給される。
また、回転軸23は、第1圧縮段21と第2圧縮段22との間の空間25において第2圧縮段22の第2インペラケーシング22eに固定される第3軸受26と、ギアユニット30側において第2インペラケーシング22eに固定される第4軸受27とによって回転自在に支持されている。回転軸23には、導入スクロール室22dからギアユニット30側への冷媒ガスの流動を抑制するためのラビリンスシール23bが設けられている。
ギアユニット30は、モータ12の回転動力を出力軸11から回転軸23に伝達するためのものであり、モータ12の出力軸11に固定される大径歯車31と、回転軸23に固定されるとともに大径歯車31と噛合する小径歯車32と、大径歯車31及び小径歯車32を収容するギアケーシング(第2ケーシング)33とを備えている。
大径歯車31は、小径歯車32よりも大きな外径を備えており、大径歯車31及び小径歯車32が協働することで出力軸11の回転数に対して回転軸23の回転数が増加するようにモータ12の回転動力を回転軸23に伝達する。なお、このような伝達方法に限定されるものではなく、出力軸11の回転数に対して回転軸23の回転数が同数又は減少するように複数の歯車の径を設定してもよい。
互いに噛合する大径歯車31及び小径歯車32の円滑な回転を確保するために、それらの間隔は適切な値に設定されている。大径歯車31は出力軸11に、小径歯車32は回転軸23に固定されていることから、回転軸23の軸線23aは、出力軸11の軸線11aと所定の間隔をあけ偏心して設けられている。
ギアケーシング33は、その内部に大径歯車31及び小径歯車32を収容し、モータケーシング13及び第2インペラケーシング22eと別体に成形されるとともに、それぞれを連結するものである。ギアケーシング33は、出力軸11の軸線11aを囲んで設けられている。また、ギアケーシング33には、ターボ圧縮機1の摺動部位に供給される潤滑油が回収され貯留される油タンク34(図1参照)が接続されている。
ギアケーシング33は、第2インペラケーシング22eと第1連結部(連結部)C1において連結され、モータケーシング13と第2連結部C2において連結される。
第1連結部C1にて互いに連結される第2インペラケーシング22eとギアケーシング33とにより、本実施形態の特徴部分であるケーシング構造40が構成されている。
ケーシング構造40の内部には、大径歯車31及び小径歯車32が収容される収容空間(内部空間)33aが形成されている。収容空間33aは第2インペラケーシング22eとギアケーシング33とが連結することで形成される。なお、本実施形態の収容空間33aは、モータケーシング13とギアケーシング33とが連結することで閉空間となっている。
第2インペラケーシング22eには、第1連結部C1においてギアケーシング33と連結する環状の第1枠部22fが設けられている。一方、ギアケーシング33には、第1連結部C1において第2インペラケーシング22eの第1枠部22fと連結する環状の第2枠部33bが設けられている。なお、回転軸23の軸線23aが出力軸11の軸線11aと偏心して設けられることから、第2枠部33bは、ギアケーシング33の、軸線11a周りに設けられる本体部33cから回転軸23側に変位した位置に設けられている。
第1枠部22fは、第2枠部33bに対向する平面状に形成される環状の第1当接面22gと、第1当接面22gの径方向内側に全周に亘って形成され第2枠部33bに向かって突出する第1凸部22hとを備えている。
第2枠部33bは、第1当接面22gに平行する平面状に形成され第1当接面22gに当接する第2当接面33dと、第2当接面33dの径方向内側に全周に亘って形成され第1凸部22hが密接して(又は精度上許容できる微少な隙間をあけて)嵌合する第1凹部33eとを備えている。
第1当接面22gと第2当接面33dとの間には、第1連結部C1を気密に保つ円環状の第1シール部材(シール部材)22iが設けられている。第1シール部材22iは、第1当接面22gに形成される円環状の溝部(図示せず)内に配置されている。
また、第1連結部C1には、収容空間33a側から螺入され第1枠部22fと第2枠部33bとを締結する複数の第1ボルト(第1ネジ部材)35と、ギアケーシング33の外側から螺入され第1枠部22fと第2枠部33bとを締結する複数の第2ボルト(第2ネジ部材)36とが用いられている。なお、第2ボルト36は、第2インペラケーシング22eの外側から螺入されていてもよい。
図3に示すように、複数の第1ボルト35は第1シール部材22iの径方向内側に配置され、複数の第2ボルト36は第1シール部材22iの径方向外側に配置されている。
第1ボルト35が収容空間33a側から螺入されているため、ターボ圧縮機1の外側から螺入されるボルト(ネジ部材)を取り付けるための所定のフランジ部等を、第2インペラケーシング22e及びギアケーシング33のそれぞれの外部に設ける必要がなく、各ケーシングを小型化することができる。また、第1ボルト35は、第2ボルト36と同一の螺入方向となっており、第1ボルト35及び第2ボルト36を一方側からまとめて螺入できることから、作業性も向上する。
図2に示すように、モータケーシング13には、第2連結部C2においてギアケーシング33と連結する環状の第1フランジ部13aが設けられている。一方、ギアケーシング33には、第2連結部C2においてモータケーシング13の第1フランジ部13aと連結する環状の第2フランジ部33fが設けられている。
第1フランジ部13aは、第2フランジ部33fに対向する平面状に形成される環状の第3当接面13bと、第3当接面13bの径方向内側に全周に亘って形成され第2フランジ部33fに向かって突出する第2凸部13cとを備えている。
第2フランジ部33fは、第3当接面13bに平行する平面状に形成され第3当接面13bに当接する第4当接面33gと、第4当接面33gの径方向内側に全周に亘って形成され第2凸部13cが密接して(又は精度上許容できる微少な隙間をあけて)嵌合する第2凹部33hとを備えている。
第3当接面13bと第4当接面33gとの間には、第2連結部C2を気密に保つ円環状の第2シール部材13dが設けられている。第2シール部材13dは、第3当接面13bに形成される円環状の溝部(図示せず)内に配置されている。
また、第2連結部C2には、モータケーシング13の外側から螺入され、第1フランジ部13aと第2フランジ部33fとを締結する複数の第3ボルト16が用いられている。複数の第3ボルト16は第2シール部材13dの径方向外側に配置されている。
第1連結部C1において第1凹部33eに第1凸部22hが嵌合し、第2連結部C2において第2凹部33hに第2凸部13cが嵌合することで、第2インペラケーシング22e及びモータケーシング13はそれぞれギアケーシング33に対して位置決めされる。このような位置決めの結果、出力軸11と回転軸23との間隔、すなわち大径歯車31と小径歯車32との間隔が円滑な回転を確保できる適切な値に設定される。
また、大径歯車31と小径歯車32との間隔を適切な値に設定するためには、ギアケーシング33における、第1凹部33eと第2凹部33hとの相対位置を適切な関係に設定する必要がある。ギアケーシング33は鋳造法(砂型鋳造、金型鋳造等)を用いて成形されるため、第2枠部33b及び第2フランジ部33fを精度よく成形することは難しく、鋳造後それらの部分を機械加工(切削加工、研削加工等)により加工し成形する。
なお、第2インペラケーシング22eも鋳造法により成形されることから、第1枠部22fにおける、第1当接面22g、第1凸部22h及び第1シール部材22iが配置される溝部は、いずれも機械加工により成形される。ここで、第1シール部材22iが配置される溝部は円環状に成形されるため、溝部が多角形状である場合や径の異なる円弧が接続してなる溝部等に比べて、簡単に且つ低コストに加工できる。
続いて、本実施形態におけるターボ圧縮機1の動作を説明する。
まず、モータ12の回転動力が大径歯車31及び小径歯車32を介して回転軸23に伝達され、これによって圧縮機ユニット20の第1インペラ21aと第2インペラ22aとが回転駆動される。
第1インペラ21aが回転駆動されると、第1圧縮段21の吸入口21dが負圧状態となり、冷媒ガスが吸入口21dを介して第1圧縮段21に流入する。
第1圧縮段21の内部に流入した冷媒ガスは、第1インペラ21aにスラスト方向から流入し、第1インペラ21aによって速度エネルギを付与されてラジアル方向に排出される。
第1インペラ21aから排出された冷媒ガスは、第1ディフューザ21bによって速度エネルギを圧力エネルギに変換されることで圧縮される。
第1ディフューザ21bから排出された冷媒ガスは、第1スクロール室21cを介して第1圧縮段21の外部に導出される。
そして、第1圧縮段21の外部に導出された冷媒ガスは、外部配管を介して第2圧縮段22に供給される。
第2圧縮段22に供給された冷媒ガスは、導入スクロール室22dを介してスラスト方向から第2インペラ22aに流入し、第2インペラ22aによって速度エネルギを付与されたラジアル方向に排出される。
第2インペラ22aから排出された冷媒ガスは、第2ディフューザ22bによって速度エネルギを圧力エネルギに変換されることでさらに圧縮されて圧縮冷媒ガスとされる。
第2ディフューザ22bから排出された圧縮冷媒ガスは、第2スクロール室22cを介して第2圧縮段22の外部に導出される。
以上で、ターボ圧縮機1の動作が終了する。
ここで、ケーシング構造40の第1連結部C1に設置される、第1シール部材22iの気密作用について説明する。
導入スクロール室22dに導入された冷媒ガスは、回転軸23に設けられるラビリンスシール23bによって、そのギアユニット30側への流動が抑制される。しかしながら、ラビリンスシール23bの気密作用は完全なものではなく、特に回転軸23の回転数が低いときには冷媒ガスがギアケーシング33の収容空間33a内に流入する。そのため、収容空間33aの内圧はターボ圧縮機1の外部に比べ高くなっており、第1連結部C1及び第2連結部C2を介して冷媒ガスが外部に流出しようとする。
なお、第2連結部C2における、第2シール部材13dと第3ボルト16との位置関係は一般的なものであり、冷媒ガスの流出を十分に防止することができる。
一方、第1連結部C1における第1ボルト35は収容空間33a側から螺入されており、冷媒ガスは、第2枠部33bに成形され第1ボルト35が挿入される貫通穴内に流入したり、第1当接面22gと第2当接面33dとの間を通ったりして、外部に流出しようとする。しかし、本実施形態では、第1シール部材22iの径方向内側に第1ボルト35が設けられていることから、第1当接面22gと第2当接面33dとの間を気密に保つ第1シール部材22iの働きにより、上記貫通穴や第1当接面22gと第2当接面33dとの間を介して冷媒ガスが外部に流出することを防止することができる。
なお、第1連結部C1における第1シール部材22iと第2ボルト36との位置関係は一般的なものであり、冷媒ガスの流出を十分に防止することができる。
よって、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、ケーシング構造40において、第2インペラケーシング22eとギアケーシング33とを連結する第1ボルト35が、これらのケーシング22e,33が連結して形成される収容空間33a側から螺入される場合であっても、ケーシング22e,33の第1連結部C1において冷媒ガスの流出を防止できるという効果がある。
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上記実施形態では、収容空間33aの内圧が外部よりも高い場合について説明したが、これに限定されるものではない。収容空間33aの内圧が外部に比べ低い場合であっても、上述した配置関係で第1シール部材22iと第1ボルト35とを配置することで、第1連結部C1において外部から収容空間33aに向かう気体の流入を防止することができる。
また、上記実施形態におけるケーシング構造40に対して、図4に示す第1連結部C1の変形例を適用してもよい。図4は、第1連結部C1の一変形例である第1連結部(連結部)C1Aを示す概略図である。なお、図4は、上記変形例を適用したケーシング構造40における、図2のA−A線視断面図である。第1連結部C1Aでは、第1ボルト35及び第2ボルト36は、1つの円環経路37上に配置されている。第1シール部材22iの代わりに設置される非円環シール部材(シール部材)22jは、径の異なる2つの円弧が連結された形状となっており、円環経路37の径方向外側に設けられ且つ第1ボルト35の外側に設けられる部分と、円環経路37の径方向内側に設けられ且つ第2ボルト36の内側に設けられる部分とを備えている。
このような非円環シール部材22jを用いた場合にも、第1連結部C1Aにおいて収容空間33aと外部との間で気体の流出・流入を防止できる。また、非円環シール部材22jが設置される溝部の加工の手間が上記実施形態に比べて増加するものの、第1枠部22f及び第2枠部33bの径方向での幅を上記実施形態に比べて狭くすることができる。
また、上記実施形態では、ケーシング構造40はターボ圧縮機1において用いられているが、これに限定されるものではなく、複数のケーシングが連結して所定の流体の配管又は貯留槽等として利用される場合に用いてもよい。
11a…軸線、22e…第2インペラケーシング(第1ケーシング)、22i…第1シール部材(シール部材)、22j…非円環シール部材(シール部材)、23a…軸線、33…ギアケーシング(第2ケーシング)、33a…収容空間(内部空間)、35…第1ボルト(第1ネジ部材)、36…第2ボルト(第2ネジ部材)、40…ケーシング構造、C1,C1A…第1連結部(連結部)

Claims (3)

  1. 第1ケーシングと第2ケーシングとが連結して形成される内部空間と外部との間を、前記第1ケーシングと前記第2ケーシングとの連結部において気密に保つ環状のシール部材を備えるケーシング構造において、
    前記内部空間側から螺入されるとともに、前記シール部材の径方向内側に配置され、前記第1ケーシングと前記第2ケーシングとを締結する第1ネジ部材と、
    外部から螺入されるとともに、前記シール部材の径方向外側に配置され、前記第1ケーシングと前記第2ケーシングとを締結する第2ネジ部材と、を備えることを特徴とするケーシング構造。
  2. 請求項1に記載のケーシング構造において、
    前記第1ケーシングと前記第2ケーシングとは、所定の2つの軸線をそれぞれ囲んで設けられ、
    前記2つの軸線は、互いに偏心して配置されることを特徴とするケーシング構造。
  3. 請求項1又は2に記載のケーシング構造において、
    前記シール部材は、前記連結部において円環状に配置されることを特徴とするケーシング構造。
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