JP5428658B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、内部にインペラ収容空間及びモータ収容空間を備えるケーシングと、上記インペラ収容空間に収容されるインペラと、上記モータ収容空間に収容されるモータと、上記インペラと上記モータとを直結して接続するシャフトと、該シャフトを軸支する軸受と、を備えるターボ機械に関するものである。

例えば、ターボ機械の中には、ターボブロワのように、ケーシング内にインペラ、モータ、シャフト及び軸受等が収容された構成を有するものがある（特許文献１〜３参照）。
このようなターボ機械では、モータによってシャフトを介してインペラが回転駆動され、これによって流体が圧送される。

上述のように構成されたターボ機械は、高速回転する部品を含むため、軸受などは使用による劣化等による部品の寿命がある。このため、定期的なメンテナンスを行い、必要に応じて部品の交換を行う必要がある。

特開平７−１５４０１０号公報 特開平９−２７５２３４号公報 特開２００８−１９２７９３号公報

ところで、上述のメンテナンスを行う場合に、従来の方法では、ターボ機械をばらばらに分解し、各部品のチェックを行った後に再度部品の組立てを行っている。このような部品の分解や組立てには、特殊な設備や、経験のある作業者が必要であることから、ターボ機械のメンテナンスは、ターボ機械が設置されている現場に作業者や機材を持ち込んで行うか、またはメンテナンス可能な工場に持ち込んで行われている。

しかしながら、多数出荷されて稼働している小型から中型程度のターボ機械の場合、現場に作業員や機材を持ち込むとメンテナンスにかかる費用が高価となり、またターボ機械全体を取り外してメンテナンス可能な工場まで搬送する場合においても、比較的に重量がかさむため、ターボ機械の使用者に大きな負担を強いることとなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ターボ機械のメンテナンスにおける使用者の負担を低減することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、内部にインペラ収容空間及びモータ収容空間を備えるケーシングと、上記インペラ収容空間に収容されるインペラと、上記モータ収容空間に収容されるモータと、上記インペラと上記モータとを直結して接続するシャフトと、該シャフトを軸支する軸受と、を備えるターボ機械であって、上記インペラ、上記モータのロータ、上記シャフト及び上記軸受を含むと共に上記ケーシングに対して脱着可能とされるモジュール部を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記モジュール部が、上記軸受の外輪を支持すると共に上記ケーシングに対して脱着可能な軸受支持部を備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記モジュール部が、上記シャフトを回転軸方向に予圧する予圧手段を備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記モジュール部が上記軸受の外輪を支持すると共に上記ケーシングに対して脱着可能な軸受支持部を備える場合に、上記予圧手段が上記軸受支持部に支持され、上記軸受支持部を上記ケーシングに装着することにより上記予圧手段が位置決めされるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記ケーシングが上記インペラを囲うと共に脱着可能な取外し部を備え、該取外し部を脱離することにより、上記モジュール部を上記インペラ収容空間及び上記モータ収容空間が開放されるという構成を採用する。

ターボ機械のメンテナンスにおいて特殊な設備や経験の豊富な作業者が必要となるのは、インペラ、モータのロータ、シャフト及び軸受から構成される可動部分である。
そこで、本発明においては、インペラ、モータのロータ、シャフト及び軸受を含むモジュール部を備え、このモジュール部がケーシングに対して脱着可能とされている。つまり、本発明では、ターボ機械の稼動部分であるインペラ、モータのロータ、シャフト及び軸受がモジュール化されてケーシングに対して脱着可能に構成されている。
このような構成を有する本発明によれば、モジュール部だけを取り出すことで、ターボ機械の重量の多くを占めるケーシングを残したままメンテナンスを行うことが可能となる。
したがって、本発明によれば、メンテナンスの際に移動させる重量物がモジュール部のみとなり、作業者の負担や輸送費を低減させることができ、ターボ機械のメンテナンスにおける使用者の負担を低減することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるターボブロワの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるターボブロワの概略構成を示す分解断面図である。 本発明の一実施形態におけるターボブロワを組み立てる際の予圧バネの動きを説明するための断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るターボ機械の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
なお、以下の説明においては、本発明のターボ機械の一例として、ターボブロワを挙げて説明する。

図１は、本実施形態のターボブロワＳ１の概略構成を示す断面図である。本実施形態のターボブロワＳ１は、インペラ及びインペラを回転駆動するモータを備え、モータが駆動することによって気体（流体）を圧送するものである。
そして、図１に示すように、本実施形態のターボブロワＳ１は、ケーシング１と、インペラ２と、モータ３と、シャフト４と、軸受５と、ハーメチックコネクタ６と、水冷ジャケット７とを備えている。

ケーシング１は、ターボブロワＳ１の外形を形作ると共に、内部に気体の流路や、インペラ２、モータ３、シャフト４及び軸受５等を収容するものである。
このケーシング１の内部には、図１に示すように、インペラ２を収容するインペラ収容空間Ｋ１やモータ３を収容するモータ収容空間Ｋ２が設けられている。また、ケーシング１は、気体を吸入するための吸入口１ａや、気体を排出するための吐出口までなだらかに拡張するスクロール流路１ｂを備えている。そして、インペラ収容空間Ｋ１は、吸入口１ａとスクロール流路１ｂとの間に配置されており、気体の流路の一部とされている。

また、ケーシング１は、図１に示すように、インペラ２を囲うと共に脱着可能とされたスクロールハウジング１Ａ（取外し部）を備えている。そして、本実施形態のターボブロワＳ１においては、スクロールハウジング１Ａを脱離することによって、後述するモジュール部１０が脱離あるいは装着可能にインペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２が開放される。

インペラ２は、インペラ収容空間Ｋ１に収容されて配置され、回転することで吸入口１ａから供給される気体をスクロール流路１ｂに圧送するものである。

モータ３は、インペラ２を回転駆動するものであり、モータ収容空間Ｋ２に収容されている。そして、本実施形態においては、モータ３として誘導モータが用いられている。
このモータ３は、かご型の導電材料（コイル）が内蔵されたモータロータ３ａと、このモータロータ３ａを囲んで配置されるモータステータ３ｂとを備えている。そして、不図示の駆動装置からモータステータ３ｂに電力が供給されることによってモータロータ３ａが回転する。

シャフト４は、モータ３とインペラ２とを接続するものであり、モータ３の動力をインペラ２に伝達する。より詳細には、シャフト４は、図１に示すように、一端側がインペラ２と固定された状態でモータロータ３ａに挿通されており、モータロータ３ａの回転と共に回転することによってモータ３の動力をインペラ２に伝達する。
なお、インペラ２とシャフト４との接続方法としては、例えば、ボルト及びナットを用いた接続方法、ネジによる接続方法、焼きばめによる接続方法、溶接による接続方法、一体型化による接続方法等が考えられる。これらのような方法で接続されていることにより、インペラ２は、シャフト４、モータロータ３ａと一体的に回転する。すなわち、インペラ２は、モータ３に対して直結されており、モータ３によって直接回転駆動される。
ボルト及びナットを用いた接続方法は、インペラの中心部に回転軸方向に沿って貫通孔を設け、当該貫通孔にシャフトの一端側を挿通させ、シャフトの先端部を貫通孔開口から突出させ、シャフトの先端部に形成された雄ねじにナットを締結させ、ナットによってインペラ２の先端部を押えることにより、インペラ２をシャフト４に固定するものである。
ネジによる接続方法は、インペラ２とシャフト４とに直接ネジを切る構造である。どちらを雄ネジ、雌ネジとするかは任意である。
一体型化による接続方法は、接合部を作ることなく、一体的にインペラ２とシャフト４とが成形された構造である。
そして、このように締結されたインペラ２とシャフト４とは、モータローラ３ａと一体的に回転する。

軸受５は、シャフト４を直立状態で軸支するものであり、内輪がシャフト４に固定されると共に外輪が後述の軸受支持部９に固定されている。
より詳細には、図１に示すように、軸受５として、シャフト４のインペラ２寄りを軸支するインペラ側軸受５ａと、シャフト４の地面寄りを軸支する地面側軸受５ｂとが設けられている。
そして、インペラ側軸受５ａの外輪は、インペラ２より大径とされると共にケーシング１に対して脱着可能なインペラ側軸受支持部９ａ（軸受支持部）に固定されて支持されている。
また、地面側軸受５ｂの外輪は、モータ収容空間Ｋ２内に形成されたケーシング１の嵌合孔１ｃに嵌合される地面側軸受支持部９ｂ（軸受支持部）に摺動可能に支持されている。

地面側軸受支持部９ｂは、図１に示すように中空の円筒形状を有しており、内壁面において地面側軸受５ｂを摺動可能に支持している。この地面側軸受支持部９ｂは、シャフト４の回転軸方向から見て、モータロータ３ａよりも小径に形成されている。
そして、地面側軸受支持部９ｂの内部には、底面と地面側軸受５ｂとの間に介装される予圧バネ８（予圧手段）が配置されている。
この予圧バネ８は、地面側軸受支持部９ｂの内部において、摺動可能な地面側軸受５ｂを下方から支え、地面側軸受５ｂとシャフト４を介してインペラ側軸受５ａに予圧するものである。そして、予圧バネ８は、地面側軸受支持部９ｂの内部に配置されて支持されているため、地面側軸受支持部９ｂが上記ケーシング１の嵌合孔１ｃに嵌合されることによって位置決めされる。

ハーメチックコネクタ６は、インペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２を封じきった状態を維持しながらモータ３に対して電力供給を可能とするコネクタであり、外部に露出した状態でケーシング１に固定されている。
なお、本実施形態のターボブロワＳ１は、レーザ発振装置に搭載され、外気の流入が許されない環境において気体を圧送することを想定している。このため、ハーメチックコネクタ６を用いている。ただし、インペラ収容空間Ｋ１及びモータ収容空間Ｋ２を封じきる必要がない場合には、ハーメチックコネクタ６に替えて通常のコネクタを用いることができる。

水冷ジャケット７は、モータ３周りのケーシング１内に設けられており、冷却水によりモータの冷却を行う。

そして、本実施形態のターボブロワＳ１においては、図２に示すように、インペラ２、モータロータ３ａ（モータのロータ）、シャフト４、軸受５、予圧バネ８及び軸受支持部９がモジュール化され、モジュール部１０を構成している。
そして、モジュール部１０は、ケーシング１に対して脱着可能に構成されている。具体的には、インペラ側軸受支持部９ａがケーシング１に対して固定され、地面側軸受支持部９ｂが嵌合孔１ｃに嵌合されることによってモジュール部１０がケーシング１に装着される。
このように、本実施形態のターボブロワＳ１は、インペラ２、モータロータ３ａ（モータのロータ）、シャフト４、軸受５、予圧バネ８及び軸受支持部９を含むと共に、ケーシング１に対して脱着可能とされるモジュール部１０を備えている。

このように構成された本実施形態のターボブロワＳ１において、モジュール部１０を取り外す場合には、まずネジ止めされているスクロールハウジング１Ａを取り外し、インペラ収容空間Ｋ１とモータ収容空間Ｋ２とがモジュール部１０を取り外し可能に開放する。
続いて、ケーシング１にネジ止めされたインペラ側軸受支持部９ａの締結を解除し、モジュール部１０を取り外す。

一方、モジュール部１０を取り付ける場合には、地面側軸受支持部９ｂがモータ収容空間Ｋ１内の嵌合孔１ｃに嵌合するようにモジュール部１０を挿入する。この際、インペラ２やシャフト４の重量が摺動する地面側軸受５ｂを介して予圧バネ８に伝達され、図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、予圧バネ８が縮む。これによって予圧バネ８からの反発力が軸受に作用し、軸受が予圧されて正規の位置に配置される。この際、予圧バネ８は、地面側軸受支持部９ｂの内部に配置されて支持されているため、地面側軸受支持部９ｂを嵌合孔１ｃに嵌合することで正規の位置に位置決めされる。よって、軸受を最適に予圧することができ、回転時に軸受５（５ａ、５ｂ）内部の玉の挙動を適正な状態に保つことができ、適正な寿命を保つことが可能となる。
そして、地面側軸受支持部９ｂをシャフト４に固定し、さらにはスクロールハウジング１Ａを固定することによってモジュール部１０の装着が完了する。

このような本実施形態のターボブロワＳ１においては、回転するインペラ２、モータロータ３ａ、シャフト４及び軸受５を含むモジュール部１０を備え、このモジュール部１０がケーシングに対して脱着可能とされている。
このような構成を有する本発明によれば、モジュール部１０だけを取り出すことで、ターボ機械の重量の多くを占めるケーシング１を残したままメンテナンスを行うことが可能となる。
したがって、本実施形態のターボブロワＳ１によれば、メンテナンスの際に移動させる重量物がモジュール部１０のみとなり、作業者の負担や輸送費を低減させることができ、ターボブロワＳ１のメンテナンスにおける使用者の負担を低減することが可能となる。

さらに、既にメンテナンスの完了したモジュール部１０を別に用意しておき、メンテナンスが必要なモジュール部１０を取り外し後、すぐにメンテナンスの完了したモジュール部１０を取り付けることによって、メンテナンスのために操業を停止する期間をモジュール部１０の交換作業時間のみとすることができる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態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、上記実施形態においては、本発明のターボ機械がターボブロワである構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明のターボ機械として、例えばターボポンプ等を用いることも可能である。

Ｓ１……ターボブロワ（回転機械）、２……インペラ、３……モータ、３ａ……モータロータ（モータのロータ）、４……シャフト、５……軸受、８……予圧バネ（予圧手段）、９……軸受支持部、１０……モジュール部、Ｋ１……インペラ収容空間、Ｋ２……モータ収容空間

Claims (4)

1. 内部にインペラ収容空間及びモータ収容空間を備えるケーシングと、前記インペラ収容空間に収容されるインペラと、前記モータ収容空間に収容されるモータと、前記インペラと前記モータとを直結して接続するシャフトと、該シャフトを軸支する軸受と、を備えるターボ機械であって、
   前記インペラ、前記モータのロータ、前記シャフト及び前記軸受を含むと共に前記ケーシングに対して脱着可能とされるモジュール部を備え、
   前記モジュール部は、前記軸受を前記シャフトの径方向外側から覆って前記軸受の外輪を支持すると共に前記ケーシングに対して脱着可能な軸受支持部を備え、
   前記モータのロータに対して前記インペラの反対側に配置される前記軸受支持部は、前記シャフトの軸方向から見て前記モータのロータよりも小径とされている
   ことを特徴とするターボ機械。
2. 前記モジュール部は、前記シャフトを回転軸方向に予圧する予圧手段を備えることを特徴とする請求項１記載のターボ機械。
3. 前記モジュール部が前記軸受の外輪を支持すると共に前記ケーシングに対して脱着可能な軸受支持部を備える場合に、前記予圧手段が前記軸受支持部に支持され、前記軸受支持部を前記ケーシングに装着することにより前記予圧手段が位置決めされることを特徴とする請求項２記載のターボ機械。
4. 前記ケーシングが前記インペラを囲うと共に脱着可能な取外し部を備え、該取外し部を脱離することにより、前記インペラ収容空間及び前記モータ収容空間が開放されることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のターボ機械。

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