JP5680560B2 - ロータ組立体 - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮機用のロータ組立体に関する。
図1は、インペラ2がシャフト3上に圧力嵌めされたロータ組立体1の例を示す。インペラ2の製造に伴う公差によって、シャフト3が中に圧力嵌めされたボア4の心ずれが起こる。例証の目的で誇張されたボア4の心ずれは、圧縮機の性能に悪影響を与える。起こり得る心ずれを最小にするために、インペラ2及びシャフト3は、典型的には、厳しい公差を実現する精密プロセスを用いて製造される。しかしながら、精密製造は、高額であり、用いなければ必要な公差を実現することができない特定の材料及びプロセスの使用を不可能にする。
第1の態様において、本発明は、シャフトとインペラとを含み、シャフトは、インペラの中心線に対するシャフトの同心度が、中心線に対するボアの同心度よりも小さくなるように、接着剤によってインペラのボア内に固定されたロータ組立体を提供する。
シャフトをインペラのボアと固定するために接着剤を用いることによって、高精度の製造を必要とせずに、より厳しい同心度公差を有するロータ組立体を実現することができる。従って、ロータ組立体をより安価に製造することができる。さらに、ロータ組立体の構成部品は、他の場合にはそれらの関連公差により使用することができない材料及びプロセスを用いて製造することができる。
シャフトとボアの同心度の比は、0.9以下であることが好ましい。これは、10%の同心度の改善に相当する。シャフトの同心度は、0.07mm以下であることが有利である。
シャフトの半径は第1の公差を有することができ、ボアの半径は第2の公差を有することができ、ボアの同心度は、第3の公差を有することができる。理想的には、ボアの公称半径は、シャフトの公称半径よりも、少なくとも第1の公差、第2の公差及び第3の公差の和だけ大きい。従って、ボアは、シャフトがボアの同心度公差よりも厳しい同心度公差を有するように、シャフトをボア内に固定することができる程度に、十分な半径を有する。
ロータ組立体は、インペラ及びロータ・コアを含み、シャフトは、接着剤によって、インペラ及びロータ・コアの各々のボア内に固定されることが好ましい。その際、インペラ及びロータ・コアに対するシャフトの同心度公差は、それぞれ、インペラ及びロータ・コアのボアの同心度公差よりも小さい。これにより、各々が有意な慣性モーメントを与えるインペラ及びロータ・コアは、シャフト且つ互いに対してより厳しい同心度を有するので、ロータ組立体のバランスをとることがより容易になるという利点を有する。
ロータ組立体は、インペラとロータ・コアとの間に配置された軸受カートリッジを含むことが有利である。これにより完成ユニットとして動的にバランスをとることができるロータ組立体の小型の設計を提供する。軸受カートリッジは、スリーブによって取り囲まれた一対の離間軸受を含むことが理想的であり、ロータ組立体をフレーム、ハウジング等に固定することができる比較的大きな表面積の単一の締結を提供する。軸受カートリッジの対向する側に配置されたインペラ及びロータ・コアを有する場合、軸受の各々の半径方向の負荷のバランスをより均等にすることができ、それにより軸受カートリッジの寿命を延ばすことができる。
インペラは、プラスチックで形成することができ、それにより安価で軽量であるにもかかわらず比較的厳しい同心度を実現できるインペラが提供される。
ロータ・コアは、希土類磁性材料で形成することができる。このことは、優れた磁気特性を提供できるという利点を有する。ロータ・コアに対するシャフトの同心度が改善されるので、ロータ組立体のバランスをとることがより容易になる。これは、材料の欠けやすい性質によって、ロータ・コアからマスを容易に取り除くことができないので、ロータ・コアが希土類磁性材料で形成される際に特に有用である。
の態様において、本発明は、シャフトを準備するステップと、インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つを準備するステップと、インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つに対するシャフトの同心度公差がボアの同心度公差よりも小さくなるように、シャフトを、少なくとも1つのインペラ及びロータ・コアのボア内に接着するステップとを含み、シャフトをボアに接着するステップは、接着剤をシャフトに塗布するステップと、インペラ又はロータ・コアに対してシャフトを回転させながら、シャフトをボアに挿入するステップとを含む、ロータ組立体を製造する方法を提供する。
方法は、シャフトとインペラ又はロータ・コアとの間に良好な接着剤の適用範囲を提供し、これにより良好な接合を確実にするという利点を有する。
方法は、治具の2つの半体が位置合わせされた治具の1つの半体に、シャフト及びインペラ又はロータ・コアの各々を取り付けることを含むことができる。その場合、方法は、治具の1つの半体を治具の他方の半体に対して回転させながら、治具の2つの半体を共に動かすことをさらに含む。治具の1つの半体を治具の他方の半体に対して回転させることによって、2つの半体が共に動かされる際に、シャフトとインペラ又はロータ・コアとの間に良好な接着剤の適用範囲が提供される。
シャフトの半径は第1の公差を有することができ、ボアの半径は第2の公差を有することができ、ボアの同心度は第3の公差を有することができる。そして、インペラ及びロータ・コアのうちの少なくとも1つを提供するステップは、シャフトの公称半径よりも、少なくとも第1の公差、第2の公差及び第3の公差の和だけ大きい公称半径のボアを備えた、インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つを提供するステップを含むことが好ましい。これにより、シャフトがボアの同心度公差よりも厳しい同心度公差を有するようにシャフトをボア内に固定するのに十分な半径のボアが提供される。方法は、シャフトの公称半径よりも、少なくとも第1の公差、第2の公差及び第3の公差、並びに公称半径方向間隙の和だけ大きい公称半径のボアを備えたインペラ又はロータ・コアを提供するステップを含むことがより好ましい。従って、最悪の公差条件において、シャフトとボアとの間に、接着剤のウィッキングを促進する半径方向間隙が存在する。
本発明をより容易に理解することができるように、ここで、添付の図面を参照ながら、一例として本発明の実施形態を説明する。
心ずれしたインペラを有するロータ組立体の断面図である。 本発明によるロータ組立体の断面図である。 (a)接着剤がシャフトに適用され、(b)シャフトがロータ・コアに部分的に挿入され、(c)シャフトがロータ・コアに完全に挿入される、図2のロータ組立体の製造における特定のステップを示す。
図2のロータ組立体10は、シャフト11、インペラ12、ロータ・コア13及び軸受カートリッジ14を含む。インペラ12及びロータ・コア13は、シャフト11の両端でシャフト11に固定される。軸受カートリッジ14は、インペラ12とロータ・コア13との間でシャフト11に固定される。
インペラ12は、接着剤17の手段によってシャフト11が中に固定されるボア15を含む。インペラ12の製造の際の公差により、ボア15は、インペラ12の中心線に対して同心度公差を有する。シャフト11も同様に、インペラ12の中心線に対して同心度公差を有する。しかしながら、シャフト11は、シャフト11の同心度公差がボア15の同心度公差よりも小さくなるように、ボア15内に固定される。
図2に示されたインペラ12は、遠心インペラである。しかしながら、ロータ組立体10の意図する用途に従って、他の種類のインペラも同じく用いることもできる。
ロータ・コア13は、硬質又は軟質磁性材料で形成された円筒形本体を含む。インペラ12と同様に、ロータ・コア13は、接着剤17の手段によってシャフト11が中に固定されるボア16を含む。同じように、ロータ・コア13の製造の際の公差により、ボア16は、ロータ・コア13の中心線に対して同心度公差を有する。シャフト11も同様に、ロータ・コア13の中心線に対して同心度公差を有する。しかしながら、シャフト11は、シャフト11の同心度公差がボア16の同心度公差よりも小さくなるように、ボア16内に固定される。
図2に示されたロータ・コア13は、単一の円筒形本体を含むが、ロータ・コア13は、各々が接着剤17によってシャフト11が中に固定されるボアを含む複数の積層されたリングで形成することもできる。
軸受カートリッジ14は、一対の離間軸受18、19と、ばね20と、スリーブ21とを含む。ばね20は、シャフト11を取り囲み、軸受18、19の各々に対して前負荷を与える。スリーブ21は、軸受18、19及びばね20を取り囲み、ロータ組立体10を圧縮機のフレーム、ハウジング等に固定することができる面を提供する。2つの離間軸受18、19を有する場合、軸受カートリッジ14は、ロータ組立体10に対して効果的な支持を提供する。インペラ12及びロータ・コア13を軸受カートリッジ14の対向する側に配置することによって、軸受18、19の各々の半径方向の負荷はより均等にバランスされ、その結果、軸受18、19の寿命は延びる。
ロータ組立体10を製造する方法を、図3を参照しながら以下に説明する。
軸受カートリッジ14が、最初に、シャフト11に固定される。軸受カートリッジ14がシャフト11に固定される方法は、本発明とは関係ない。単なる例として、軸受18、19は、シャフト11に圧力嵌めすることができ、次に、スリーブ22を、軸受18、19の上に圧力嵌め又は接着することができる。インペラ12及びロータ・コア13とは異なり、軸受カートリッジ14は、厳しい公差で製造される。その結果、シャフト11に固定される際、シャフト11の軸受カートリッジ14に対する同心度公差は、比較的小さい。
次に、ロータ・コア13が、シャフト11の一端に固定される。これは、治具の1つの半体にシャフト11を取り付け、治具の他方の半体にロータ・コア13を取り付けることによって実現される。治具の2つの半体は、シャフト11及びロータ・コア13が同心になるように位置合わせされる。ここで図3を参照すると、少量の接着剤17が、シャフト11の自由端から少し離れたところでシャフト11に適用される(図3(a))。シャフト11がロータ・コア13のボア16に挿入されるように、治具の2つの半体が、互いに合わせられる。シャフト11は、ロータ・コア13が少量の接着剤17に接触する点まで挿入される。接着剤17に接触すると、毛細管現象により、接着剤17は、ロータ・コア13とシャフト11との間のボア16の中に引き込まれる(図3(b))。このステップにおいて、十分な接着剤17がボア16の中に引き込まれることを可能にするために、シャフト11をボア16に更に挿入するのを一時、停止することができる。次いで、ボア16の中へのシャフト11の挿入は、シャフト11とロータ・コア13との間で接着剤17が良好な適用範囲を実現する速度で継続される。シャフト11が挿入される速度が速すぎると、接着剤17が、ボア16の長さに沿った様々な点においてボア16の周囲に吸い上げられる際に、空気が接着剤17に閉じ込められる可能性がある。他方、シャフト11が挿入される速度が遅すぎると、接着剤17は硬化し始める場合があり、これによって、粘度が高まり、接着剤17のウィッキングが減少する。不十分な適用範囲は、その後の接着剤17の不具合をもたらす場合があるので、シャフト11の挿入速度は、良好な接着剤の適用範囲を実現するように制御されることが理想的である。
治具の2つの半体が互いに合わせられ、シャフト11がボア16に挿入されると、治具の1つの半体が、他方の半体に対して回転される。従って、シャフト11をロータ・コア13に対して回転され、これにより、シャフト11とロータ・コア13との間で、接着剤17をさらに均等に分散させることができる。最終的には、シャフト11がロータ・コア13のボア16に完全に挿入された(図3(c))後で、治具の2つ半体の相対的動きを停止し、接着剤17が(例えば、UV光によって)硬化する。
次に、インペラ12が、シャフト11の自由端に固定される。インペラ12がシャフト11に固定される方法は、ロータ・コア13の方法とほぼ同一である。しかしながら、図2に示されたロータ組立体10の特定の設計により、シャフト11を治具の半体に取り付ける際に、シャフトを直接保持することは不可能である。これは、シャフト11の唯一の自由部分がインペラ12を固定する端部であるためである。従って、シャフト11を治具に取り付けるとき、シャフト11ではなく、軸受カートリッジ14が、治具によって直接保持される。インペラ12は、その他の点では、ロータ・コア13に関して上述されたものと同じ方法でシャフト11に固定される。特に、少量の接着剤17がシャフト11に適用され、治具の1つの半体は他方の半体に対して回転され、シャフト11がインペラ12のボア15に挿入されるように、治具の2つの半体が互いに合わせられる。同様に、治具の1つの半体の他方の半体に対する移動及び回転の速度は、シャフト11とインペラ12との間で接着剤17が良好な適用範囲を実現するために制御される。シャフト11がインペラ12のボア15に完全に挿入された後で、治具の2つの半体の相対的動きを停止し、接着剤17を硬化させる。
インペラ12をシャフト11に固定する際は、軸受カートリッジ14が、治具で直接保持される。代替的に、ロータ・コア13を、治具で直接保持してもよい。しかしながら、軸受カートリッジ14の外径は、典型的には、ロータ・コア13の公差よりも厳しい公差を有する。これは、ロータ・コア13が、比較的厳しい公差を実現することが困難である焼結又は接着された磁性材料で形成される場合、特に当てはまる。このため、インペラ12をシャフト11に固定する際に、ロータ・コア13ではなく軸受カートリッジ14を保持することが理想的である。しかしながら、軸受カートリッジ14を保持する際は、治具は、ロータ・コア13を保持するか、或いは、摩擦力をロータ・コア13に与える。これにより、治具の2つの半体が互いに合わせられると、シャフト11は、軸受カートリッジ14ではなく、インペラ12に対して回転することが確実にされる。
図2に示されたロータ組立体10の特定の設計については、インペラ12を固定する際に、シャフト11を治具に直接保持することは不可能である。しかしながら、ロータ組立体の代替的な設計においては、シャフト11を直接保持することが可能な場合もある。例えば、図2のロータ組立体10のシャフト11を、ロータ・コア13の端部を超えて突出するように長くしてもよい。更に別の例として、軸受カートリッジ14を、ロータ・コア13から離間配置して、シャフト11の一部を露出させ、治具によって保持することもできる。
ロータ・コア13が最初にシャフト11に固定され、続いてインペラ12が固定されるが、インペラ12及びロータ・コア13がシャフト11に固定される順序は、重要ではない。ロータ・コア13の前に、インペラ12をシャフト11に固定してもよい。しかしながら、インペラ12は、一般にロータ・コア13よりも大きいので、より小さい部材を最初にシャフト11に固定する方が、通常は組立が容易である。
インペラ12及びロータ・コア13のボア15、16に対するシャフト11の移動及び回転の速度については、上述された。移動及び回転の速度は、シャフト11とインペラ12又はロータ・コア13との間で接着剤17の良好な適用範囲を実現するために選択されることが理想的である。従って、移動及び回転の速度は、幾つかの要因、特に、接着剤17の粘度、接着剤17の硬化速度、シャフト11の半径、シャフト11とボア15、16との間の半径方向の間隙に依存する。例示のみとして、シャフト半径1.5mm、半径方向の間隙が0.1mm及び接着剤粘度が400−600mPa.s(Brookfield RVT、20rpmでスピンドル2、25℃)の場合、移動速度が0.6乃至0.7m/s及び回転速度が10−20rpmであれば、良好な接着剤の適用範囲を提供できることが分かっている。
シャフト11とボア15、16との間の半径方向の間隙が増大するほど、接着剤17によって排出される必要がある空気の量は増大する。その結果、シャフト11がボア15、16に挿入される速度は、空気の閉じ込めの尤度を低減するために遅くされることが理想的である。遅いシャフト挿入速度に加えて、大きな間隙は、必然的に、より多くの接着剤17を必要とする。これは、費用を増加させるだけではなく、接着剤17が硬化するために必要な時間の長さも延びて、脆弱な接合をもたらす可能性がある。従って、シャフト11とボア15、16との間隙は、良好なウィッキング、従って良好な接着剤の適用範囲を実現するのに必要な間隙よりも大きくないことが理想的である。下記で説明されるように、インペラ12及びロータ・コア13のボア15、16は、ボア15、16の中へシャフト11を同心挿入できるような大きさにされる。従って、各ボア15、16の半径は、シャフト11の半径よりも、公差の積み重なりを計算した量だけ大きい。従って、シャフト11と各ボア15、16との半径方向の間隙の大きさは、公差の累積の大きさにより影響を受ける。
シャフト11及びボア15、16の各々の半径は、公差を有する。さらに、各ボア15、16の同心度に伴う公差がある。シャフト11がインペラ12及びロータ・コア13と同心となるようにシャフト11を各ボア15、16に挿入できるように、各ボア15、16の公称半径は、シャフト11の公称半径よりも、少なくとも半径及び同心度公差を計算した量だけ大きい。その結果、シャフト11は公称半径s及び公差±Δsを有し、ボア15、16は半径公差±Δbを有し、ボア15、16の同心度は公差±Δcを有する場合、ボアの公称半径rは、次のように表される。
r≧s+Δs+Δb+Δc
インペラ12及びロータ・コア13は、異なる公差で製造される場合がある。その結果、インペラ12及びロータ・コア13のボア15、16の半径は、異なる場合がある。
最悪な場合の公差条件では、シャフト11は、ボア15、16の壁に接触する場合がある。接触する点においては、シャフトとボア15、16との間には接着剤は存在しない。従って、接着剤がシャフト11の外周及び長さの全部の周囲に適用されることを確実にするために、最小半径方向間隙gを取り入れる必要がある。次いで、ボア15、16の公称半径を増大して、最小の半径方向の間隙を考慮する必要がある。すなわち
r≧s+Δs+Δb+Δc+g
である。
ロータ組立体10を組み立てる際、治具の2つの半体は、同心状に位置合わせされる。しかし、治具の位置合わせには幾何学的公差が伴う。その結果、治具の2つの半体が互いに合わされた際に、インペラ12及びロータ・コア13の中心線に対するシャフト11の同心度公差が生じる。しかし、シャフト11の同心度公差は、インペラ12及びロータ・コア13のボア15、16の各々の同心度公差よりも小さい。
上述のロータ組立体10について、シャフト11は、3.0025±0.0025mmの外径を有する。インペラ12のボア15は、3.25±0.10mmの直径及び0.009mmの同心度公差を有する。ロータ・コア13のボア16は、3.22±0.075mmの直径及び0.008mmの同心度公差を有する。シャフト11は、ボア15の同心度公差よりも小さい0.07mmの同心度公差を有するように、インペラ12のボア15内に固定される。さらに、シャフト11は、同じくボア16の同心度公差よりも小さい0.07mmの同心度公差を有するように、ロータ・コア13のボア16内に固定される。
シャフト11とインペラ12のボア15との同心度公差の比は、0.78であり、22%の同心度改善を示す。シャフト11とロータ・コア13のボア16との同心度公差の比は、0.875であり、12.5%の同心度改善を示す。その結果、上述の製造方法を用いると、少なくとも10%の同心度改善を実現することが可能であり、これは、0.9以下のシャフトとボアとの同心度公差との比と同じである。さらに、0.07mm以下のシャフトの同心度公差を実現することが可能である。
シャフトが中に接着される大きめのボアを提供することにより、本発明のロータ組立体10は、精密製造を必要とせずに同心度の改善を実現する。その結果、ロータ組立体10は、より安価に製造することができる。さらに、ロータ組立体10は、他の場合では付随する公差により使用できない材料及びプロセスを用いて製造することができる。特に、インペラ12は、プラスチックで形成することができ、これは、典型的には同等の金属よりも安価で且つ軽い。
ロータ・コア13は、希土類磁性材料で形成することができる。希土類磁石は、優れた磁気特性を示す。しかしながら、磁石は、一般に脆性であり、シャフトに容易に圧力嵌めすることができない。本発明は、比較的厳しい同心度を確実にする方法で希土類磁石をシャフト11に固定することができる、ロータ組立体10を製造する方法を提供する。このことは、脆性の性質のために材料を磁石から容易に取り除くことができないため、希土類磁石を用いる際に重要である、ロータ組立体10のバランスをとることを容易にする。
図2のロータ組立体10は、特に小型の設計である。これは、軸受カートリッジ14を、シャフト11に両端で固定されたインペラ12とロータ・コア13との間に固定することにより実現される。小型の設計であることに加えて、ロータ組立体10は、圧縮機内に装備される前に、完成ユニットとして動的にバランスをとることができる。これは、ロータを圧縮機内で組み立てる必要がある他のロータ組立体とは対照的である。さらに、シャフト11とインペラ12及びロータ・コア13との間でより厳しい同心度が実現されるロータ組立体10を提供することによって、ロータ組立体10のバランスをとることが、より容易になる。
1、10:ロータ組立体
2、12:インペラ
3、11:シャフト
4、15、16:ボア
13:ロータ・コア
14:軸受カートリッジ
17:接着剤
18、19:軸受
20:ばね
21:スリーブ

Claims (9)

  1. シャフトとインペラとを含み、前記インペラのボアの半径は、前記シャフトの半径よりも大きく、前記シャフトは、前記ボア内における前記インペラの中心線に対する該シャフトの同心度が、前記ボア内における前記中心線に対する前記ボアの同心度よりも小さくなるように、前記ボアの長さに沿って当該シャフトの外周に適用された接着剤によって前記ボア内に固定されることを特徴とするロータ組立体。
  2. 前記シャフトと前記ボアの前記同心度の比は、0.9以下であることを特徴とする、請求項1に記載のロータ組立体。
  3. 前記シャフトの前記同心度は、0.07mm以下であることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のロータ組立体。
  4. 前記ロータ組立体は、インペラとロータ・コアとを含み、前記シャフトは、接着剤によって前記インペラ及び前記ロータ・コアの各々のボア内に固定され、前記インペラの中心線に対する前記シャフトの前記同心度は、前記インペラの前記中心線に対する該インペラ内の前記ボアの前記同心度より小さく、前記ロータ・コアの中心線に対する該シャフトの同心度は、前記ロータ・コアの前記中心線に対する前記ロータ・コア内の前記ボアの同心度より小さいことを特徴とする、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載のロータ組立体。
  5. ロータ組立体を製造する方法であって、
    シャフトを準備するステップと、
    前記シャフトの半径よりも大きい半径のボアを備えたインペラ及びロータ・コアの少なくとも1つを準備するステップと、
    前記インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つに対する前記ボア内における前記シャフトの同心度公差が前記インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つに対する前記ボア内における前記ボアの同心度公差よりも小さくなるように、前記シャフトを前記ボア内に接着するステップと、
    を含み、
    前記シャフトを前記ボア内に接着するステップは、接着剤を前記シャフトの外周に塗布するステップと、前記インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つに対して前記シャフトを回転させながら、前記シャフトを前記ボアに挿入するステップとを含むことを特徴とする方法。
  6. 前記シャフトと前記ボアとの前記同心度公差の比は、0.9以下であることを特徴とする請求項5に記載の方法。
  7. 前記シャフト並びに前記少なくとも1つのインペラ及びロータ・コアの各々を、治具の1つの半体に取り付け、前記治具の前記2つの半体を位置合わせし、該治具の前記半体を該治具の前記他方の半体に対して回転させながら、該治具の該2つの半体を互いに合わせるステップを含むことを特徴とする、請求項5又は請求項6に記載の方法。
  8. 前記シャフトの前記半径は第1の公差を有し、前記ボアの前記半径は第2の公差を有し、前記ボアの前記同心度は第3の公差を有し、前記方法は、前記シャフトの前記公称半径よりも、少なくとも前記第1の公差、前記第2の公差及び前記第3の公差の和だけ大きい公称半径のボアを備えた、前記インペラ及びロータ・コアのうちの少なくとも1つを準備するステップを含む、請求項5から請求項7までのいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記方法は、前記シャフトの公称半径よりも、少なくとも前記第1の公差、前記第2の公差、前記第3の公差、並びに前記シャフトと前記ボアとの間で前記接着剤のウィッキングを促進する公称半径方向間隙の和だけ大きい公称半径のボアを備えた、前記インペラ及びロータ・コアの少なくとも1つを準備するステップを含むことを特徴とする、請求項8に記載の方法。
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