JP5880706B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ機械に関する。本願は、２０１２年６月１１日に日本に出願された特願２０１２−１３１７８５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

ターボ圧縮機や過給機等のターボ機械では、シャフトから回転動力が伝達されることで回転されるインペラを備えている（特許文献１〜特許文献４）。
特許文献１及び特許文献２には、インペラとシャフトとに形成された雄ネジと雌ネジとを螺合させてインローを組み合わせることにより、インペラとシャフトとを締結する構成が開示されている。

特許文献３には、テンションボルトを用いることにより、殆どインペラをシャフトに対して回転移動をさせることなく、インペラとシャフトとを強固に締結する構成が開示されている。
特許文献４には、インペラ側のネジ部のピッチとシャフト側のネジ部のピッチとが異なる差動ネジを用いることにより、インペラとシャフトとを締結する構成が開示されている。

日本国実開平５−５２３５６号公報 日本国実開平５−５７４５０号公報 日本国特許第４８７６８６７号公報 日本国特許第４０８９８０２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示された構成では、インペラとシャフトとを締結する際に、インペラをシャフトに対して回転移動させる必要がある。つまり、インペラを回転移動させながら徐々にシャフトに近づけていく必要がある。このため、インペラをシャフトに取り付ける際のインペラの移動量が、インペラを回転移動させずにシャフトに取り付ける際のインペラの移動量よりも遥かに増大する。したがって、特許文献１及び特許文献２の技術では、インペラとシャフトとを締結する際に必要となる仕事量が増大する。

また、インペラとシャフトとが回転方向にずれることを防止するためには、インペラとシャフトとの間に十分な摩擦力が存在することが望ましい。このためには、インペラとシャフトとを取り付ける際に、インペラが着座面（インペラと接触するシャフトの端面）に接触した後にさらにインペラをシャフトに向かう方向に押し込み、インペラを弾性変形させておくことが好ましい。ところが、特許文献１及び特許文献２の技術においては、インペラが着座面に接触した後でインペラと着座面との間に摩擦力が働くため、摩擦抵抗が増大する。すなわち、インペラをシャフトに向かう方向に押込むために大きな締結トルクが必要となる。

また、特許文献３では、テンションボルトを用いることから、油圧テンショナ等の複雑かつ大きな装置が別に必要になる。また、予張力による伸びの分の仕事量（エネルギー）が増大する。
また、特許文献４では、差動ネジを用いることにより、特許文献１及び特許文献２における課題などを解消しているが、インペラに螺合するネジ部のネジ径と、シャフトに螺合するネジ部のネジ径とが異なる。そのため、ネジ径の異なる部位に生じる応力を緩和するべく、差動ネジの長さが長くなるという新たな課題がある。すなわち、このようにネジ径の異なる部位間に大きな段差を有する段差部が形成されるため、この段差部での応力集中が大きくなる。したがって、段差部を比較的長いテーパ形状に形成し、応力集中をなるべく少なくする必要がある。しかしながら、このように新たな課題の解決を考慮して差動ネジの長さを長くすると、特許文献３のテンションボルトを用いた場合と同様に、予張力による伸びの分だけ仕事量が増大する。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、予張力に起因する仕事量の増大を抑制したターボ機械を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、回転されるインペラと、このインペラに回転動力を伝達するシャフトとを備えるターボ機械であって、一端側に設けられ前記インペラに螺合されるインペラ螺合部と、他端側に設けられ前記シャフトに螺合されるシャフト螺合部とを備え、前記インペラと前記シャフトとを締結している差動ネジを備える。この差動ネジは、前記インペラ螺合部に形成されるネジ山のネジ径と、前記シャフト螺合部に形成されるネジ山のネジ径とが同一に、前記インペラ螺合部に形成されるネジ山の旋回方向と、前記シャフト螺合部に形成されるネジ山の旋回方向とが同一方向に、かつ、前記インペラ螺合部に形成されるネジ山のピッチが、前記シャフト螺合部に形成されるネジ山のピッチより小さく、形成されている。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様におけるターボ機械において、前記インペラ螺合部が、前記シャフト螺合部より長い。
本発明の第３の態様は、前記第１または第２の態様におけるターボ機械において、前記インペラは、その回転軸に沿って前記差動ネジの前記インペラ螺合部と螺合する貫通孔を備え、前記貫通孔の前記シャフトから遠い開口部に、この開口部を閉塞する蓋体が着脱可能に設けられている。

本発明の第４の態様は、前記第１〜３の態様のいずれかのターボ機械において、前記差動ネジは、前記インペラよりも熱伝導率が高い材料によって形成されている。
本発明の第５の態様は、前記第４の態様のターボ機械において、前記インペラがチタン合金によって形成され、前記差動ネジが鉄鋼材料によって形成されている。

本発明の第６の態様は、前記第１〜５のいずれかのターボ機械において、前記シャフトに対する前記インペラの回転移動を抑止する回転抑止手段を備える。
本発明の第７の態様は、前記第６の態様のターボ機械において、前記回転抑止手段は、前記インペラの回転軸方向を長手方向とし、前記インペラの回転軸から外れた位置に設けられた嵌合穴と、前記シャフトの回転軸から外れた位置に設けられた嵌合穴とに嵌合されるピン部材である。
本発明の第８の態様は、前記第７の態様のターボ機械において、複数の前記ピン部材は、前記インペラの回転軸を中心とした周方向に等間隔で配置されている。

本発明の第９の態様は、前記第６の態様のターボ機械において、前記回転抑止手段は、前記インペラの回転軸方向から見た外形形状が円形形状から外れると共に、前記インペラ及び前記シャフトの一方に前記回転軸方向に突出して設けられる嵌合突起と、前記インペラおよび前記シャフトの他方に設けられると共に、前記嵌合突起が嵌合される嵌合穴と、を備える。
本発明の第１０の態様は、前記第９の態様のターボ機械において、前記嵌合突起は、回転軸を重心とする形状を有している。

本発明の第１１の態様は、前記第１〜１０の態様のいずれかのターボ機械において、前記シャフト螺合部に形成されたネジ山の旋回方向は、前記シャフトが回転する際に生じる反力によって前記差動ネジと前記シャフトとの締結力が高まる方向に設定されている。
本発明の第１２の態様は、前記第１〜１１の態様のいずれかのターボ機械において、前記差動ネジの前記インペラ側の端面に、この差動ネジを回転させる治具の係合部に係合する係合穴あるいは係合突起が設けられ、前記インペラに前記係合穴あるいは係合突起を露出させる貫通孔が設けられていることが好ましい。
本発明の第１３の態様は、前記第１２の態様のターボ機械において、前記差動ネジを回転させる治具の係合部に係合する前記係合穴あるいは係合突起が、前記インペラの回転軸を重心とする形状を有している。

本発明のターボ機械では、特にインペラ螺合部に形成されるネジ山のネジ径とシャフト螺合部に形成されるネジ山のネジ径とを同一にした差動ネジを用い、インペラとシャフトとを締結している。そのため、従来のようにネジ径の異なる部位で生じる応力を緩和するために差動ネジの長さを長くする必要が無くなる。したがって、予張力に起因する仕事量の増大を抑制することができる。

本発明に係る第１実施形態のターボ圧縮機の概略構成を示す側断面図である。 本発明の第１実施形態におけるターボ圧縮機が備えるコンプレッサインペラとシャフトとの締結作業を説明するための模式図である。 本発明の第２実施形態におけるターボ圧縮機の概略構成を示す側断面図である。 本発明の第２実施形態におけるターボ圧縮機の概略構成を示す正面図である。 本発明の第３実施形態におけるターボ圧縮機の概略構成を示す側断面図である。 本発明の第３実施形態におけるターボ圧縮機の概略構成を示す正面図である。 本発明の第１実施形態におけるターボ圧縮機の変形例を示す断面図である。

以下、本発明に係るターボ機械の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。 また、以下の図面においては、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。
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圧縮機を挙げて説明するが、本発明のターボ機械はターボ圧縮機に限定されるものではなく、過給機等のインペラとシャフトとを備えるターボ機械の全般に適用することができる。

（第１実施形態）
図１は、本発明に係る第１実施形態のターボ圧縮機Ｓ１の概略構成を示す側断面図である。ターボ圧縮機Ｓ１は、空気等のガスを圧縮して圧縮ガスとして吐出するものであり、図１に示すように、コンプレッサ１と、シャフト２と、差動ネジ３と、駆動ユニット４とを備えている。

コンプレッサ１は、駆動されることによってガスを圧縮する装置であり、コンプレッサインペラ１ａ（本発明のインペラ）と、コンプレッサハウジング１ｂとを備えている。

コンプレッサインペラ１ａは、ガスに運動エネルギーを付与して加速させる装置であり、回転軸Ｌ方向から吸い込んだガスを加速させて半径方向に吐出するラジアルインペラである。図１に示すように、このコンプレッサインペラ１ａは、シャフト２に締結されるベース部１ｃと、このベース部１ｃの表面に回転方向に等間隔で配列された複数の翼１ｄとを備えている。

ベース部１ｃには、駆動ユニット４に向けて開口しており、シャフト２が備える嵌合突起２ａに嵌合する嵌合穴１ｅが形成されている。ベース部１ｃの内部には、嵌合穴１ｅに連通して、差動ネジ３を収容する収容空間としての貫通孔１ｆが形成されている。この収容空間の内壁面には、差動ネジ３の一端側の部分が螺合可能なネジ溝から成る雌ネジ部（図示せず）が形成されている。

詳しくは、コンプレッサインペラ１ａの先端から差動ネジ３の一端面を露出させる貫通孔１ｆが、ベース部１ｃの内部にコンプレッサインペラ１ａの回転軸Ｌに沿って形成されている。この貫通孔１ｆのシャフト２（あるいは、嵌合穴１ｅ）側の端部が、差動ネジ３を収容する収容空間となっている。したがって、貫通孔１ｆと嵌合穴１ｅとは、コンプレッサインペラ１ａの回転軸Ｌに沿って直線状に連続して配置されている。
また、貫通孔１ｆは、後述する差動ネジ３を回転させる治具１０（図２参照）が挿通可能となるように、この治具１０より大きな内径を有している。

また、貫通孔１ｆは、コンプレッサインペラ１ａの先端面（すなわち、コンプレッサインペラ１ａのシャフト２側の端面と反対側に位置する端面）に開口する開口部１ｊ側の内壁面に、この開口部１ｊを閉塞するノーズキャップ（蓋）９を螺着させるための雌ネジ部（図示せず）が形成されている。
このような構成からなるコンプレッサインペラ１ａは、圧縮するガスに応じて、例えば、チタン合金、アルミニウム合金、あるいはステンレス鋼によって形成される。

コンプレッサハウジング１ｂは、コンプレッサ１の外形形状を形作ると共に内部にガスの流路を有する装置であり、コンプレッサインペラ１ａを収容して配置されている。
また、コンプレッサハウジング１ｂは、ガスを吸入する吸入開口１ｇと、コンプレッサインペラ１ａによって加速されたガスを減速して圧縮するディフューザ１ｈと、圧縮ガスの流路となるスクロール流路１ｉと、圧縮ガスが吐出される吐出開口（図示せず）とを備えている。

シャフト２は、駆動ユニット４によって発生された動力を回転動力としてコンプレッサインペラ１ａに伝達する装置であり、駆動ユニット４に接続されている。
また、シャフト２の一端側には嵌合突起２ａが形成されており、この嵌合突起２ａはコンプレッサインペラ１ａのベース部１ｃに形成された嵌合穴１ｅに嵌合している。このように嵌合突起２ａと嵌合穴１ｅとが嵌合することにより、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とは、半径方向で位置決めされ、同軸上に位置するように調整されている。

また、嵌合突起２ａには、差動ネジ３の他端側に位置する部分が螺合可能な雌ネジ部（図示せず）が、形成されている。
このようなシャフト２は、例えば、鉄鋼材料（例えば、クロム及びモリブデンを含む鉄鋼材料）によって形成されている。

差動ネジ３は、コンプレッサインペラ１ａと、シャフト２とを締結する装置であり、この差動ネジ３は、その一端側に設けられたコンプレッサインペラ１ａに螺合されるインペラ螺合部３ａと、その他端側に設けられたシャフト２に螺合されるシャフト螺合部３ｂとを備えている。
また、差動ネジ３では、インペラ螺合部３ａに形成されるネジ山のネジ径と、シャフト螺合部３ｂに形成されるネジ山のネジ径とが同一とされていると共に、インペラ螺合部３ａに形成されるネジ山の旋回方向と、シャフト螺合部３ｂに形成されるネジ山の旋回方向とが同一方向とされている。
さらに、差動ネジ３では、インペラ螺合部３ａに形成されるネジ山のピッチが、シャフト螺合部３ｂに形成されるネジ山のピッチより小さく形成されている。

このように、インペラ螺合部３ａのネジ径とシャフト螺合部３ｂのネジ径とを同一に形成しているので、この差動ネジ３は、従来（特許文献４）の差動ネジと異なり、ネジ径の異なる部位で生じる応力を緩和する目的で差動ネジの長さを長くする必要が無い。したがって、従来の差動ネジに比べて、差動ネジ３を充分に短く形成することができる。

また、インペラ螺合部３ａに形成されるネジ山の旋回方向とシャフト螺合部３ｂに形成されるネジ山の旋回方向とを同一方向としているので、後述するように、この差動ネジ３を用いてコンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結する際、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを、相対的に回転させる必要が無く、締結することができる。
さらに、インペラ螺合部３ａに形成されるネジ山のピッチをシャフト螺合部３ｂに形成されるネジ山のピッチより小さく形成しているので、後述するようにコンプレッサインペラ１ａの先端側から貫通孔１ｆに治具を挿し入れ単に差動ネジ３を回転させることにより、ピッチの差がコンプレッサインペラ１ａをシャフト２に近づくように移動させる。これにより、最終的に差動ネジ３とコンプレッサインペラ１ａとを締結することができる。

ここで、シャフト螺合部３ｂに形成されたネジ山の旋回方向は、シャフト２が回転する際に生じる反力によって、差動ネジ３とシャフト２との締結力が増加する方向に設定されている。これにより、このような反力によって過大なトルクがシャフト２と差動ネジ３との間に加えられても、このトルクはシャフト２から差動ネジ３を外す方向に作用することなく、差動ネジ３をシャフト２に向かってねじ込む方向に作用する。そのため、シャフト２とコンプレッサインペラ１ａとの間の締結力が緩むことが、防止されている。

一方、このコンプレッサインペラ１ａが回転する際に生じる反力によって過大なトルクがコンプレッサインペラ１ａと差動ネジ３との間に加えられると、このトルクはコンプレッサインペラ１ａから差動ネジ３を外す方向に作用する。しかし、前述したようにインペラ螺合部３ａとシャフト螺合部３ｂとのピッチの差により、前記の過大なトルクはコンプレッサインペラ１ａをシャフト２に近づけるように作用する。そのため、シャフト２とコンプレッサインペラ１ａとの間の締結力が緩むことが、防止されている。

また、本実施形態の差動ネジ３では、インペラ螺合部３ａが回転軸Ｌ方向にシャフト螺合部３ｂより長く形成されている。これは、後述するようにコンプレッサインペラ１ａとシャフト２との間に差動ネジ３を取り付ける際、最初にインペラ螺合部３ａをコンプレッサインペラ１ａに深く螺合させる必要があるためである。このようにインペラ螺合部３ａをシャフト螺合部３ｂより長くすることで、コンプレッサインペラ１ａに差動ネジ３を安定した状態に取り付けておくことができる。

また、本実施形態の差動ネジ３では、インペラ螺合部３ａとシャフト螺合部３ｂとの間には、ネジ山を形成しない非ネジ部を設けている。なお、インペラ螺合部３ａを長く形成することなく、差動ネジ３の取り付けを目的として非ネジ部を貫通孔１ｆ内に挿通可能にするためには、差動ネジ３を製造する際、非ネジ部の径をインペラ螺合部３ａの最外径よりもネジ山に相当する長さ分を小さく形成する必要がある。しかし、このように非ネジ部の径を小さくするための加工を別に行うより、単にインペラ螺合部３ａを長く形成すれば十分であり加工が容易である。したがって、インペラ螺合部３ａをシャフト螺合部３ｂより長く形成することにより、製造コストを抑えることが可能になる。

差動ネジ３の一端面（コンプレッサインペラ１ａ側の面）には、係合穴３ｃが形成されており、この係合穴３ｃは、差動ネジ３を回転させるための治具１０の係合部（図示せず）と係合可能となっている。この係合穴３ｃは、回転軸Ｌ方向から見て、回転軸Ｌを重心とする形状（例えば正六角形）に設定されている。これにより、コンプレッサインペラ１ａが回転する際にコンプレッサインペラ１ａにおける回転軸Ｌを中心とした重量分布を均等に保つことができるため、コンプレッサインペラ１ａを安定して回転させることができる。なお、差動ネジ３の一端面は、前述したようにコンプレッサインペラ１ａのベース部１ｃに形成された貫通孔１ｆによって、貫通孔１ｆの外部に露出している。そのため、差動ネジ３の一端面に形成された係合穴３ｃも、貫通孔１ｆの外部に露出している。

また、差動ネジ３は、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との締結に必要な剛性を確保する必要があるため、コンプレッサインペラ１ａよりも熱伝導率が高い材料によって形成されていることが好ましい。
具体的には、例えばコンプレッサインペラ１ａがチタン合金によって形成されている場合、差動ネジ３を鉄鋼材料で形成することが好ましい。
このように、差動ネジ３をコンプレッサインペラ１ａより熱伝導率が高い材料で形成することにより、ガスの圧縮によって高温化したコンプレッサインペラ１ａからシャフト２に向かう伝熱を促進させることができ、不図示の冷却機構にて冷却される潤滑油への伝熱を素早く行うことができる。

また、差動ネジ３が鉄鋼材料で形成され、コンプレッサインペラ１ａがチタン合金で形成されている場合には、差動ネジ３の熱膨張が、コンプレッサインペラ１ａの熱膨張よりも大きくなる。このため、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との締結部が高温になると、特にコンプレッサインペラ１ａよりも差動ネジ３が大きく熱膨張することにより、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とが離れる可能性がある。しかし、前述したように差動ネジ３による伝熱促進に基づく冷却によって締結部の温度変化を小さく抑えることができると熱膨張を低減することができるため、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とが離れることを抑止することができる。このため、例えばコンプレッサインペラ１ａと差動ネジ３との締結力が緩むことを防止することができる。

なお、本実施形態では、差動ネジ３とコンプレッサインペラ１ａとが螺合され、差動ネジ３とシャフト２とが螺合されているため、差動ネジ３とコンプレッサインペラ１ａとの接触面積及び差動ネジ３とシャフト２との接触面積が広がる。したがって、伝熱面積が増大するため、前述の伝熱がより促進される。

駆動ユニット４は、コンプレッサインペラ１ａを回転させる動力を発生してシャフト２に伝達する装置であり、例えば、モータやギア等を備えている。
貫通孔１ｆの、コンプレッサインペラ１ａの先端面に形成された開口部１ｊを閉塞するノーズキャップ９は、半球状のキャップ本体９ａと、雄ネジ部９ｂとを備えている。キャップ本体９ａには、ノーズキャップ９を回転させるための治具に係合する係合部（図示せず）が形成されている。そして、雄ネジ部９ｂが貫通孔１ｆの開口部１ｊ側に形成された雌ネジ部（図示せず）に螺合されることにより、キャップ本体９ａは開口部１ｊを覆っている。これにより、ノーズキャップ９は貫通孔１ｆの開口部１ｊに着脱可能に取り付けられ、開口部１ｊを閉塞している。なお、このようなノーズキャップ９の取り付けに際しては、雄ネジ部９ｂにＯリング（図示せず）を外挿しておき、開口部１ｊの周囲とキャップ本体９ａとの間に前記Ｏリングを介在させ、ノーズキャップ９とコンプレッサインペラ１ａとの間の気密性を高めておくことが好ましい。

ここで、ノーズキャップ９の雄ネジ部９ｂに形成されたネジ山の旋回方向は、コンプレッサインペラ１ａが回転する際に生じる反力によって、雄ネジ部９ｂとコンプレッサインペラ１ａとの締結力が増加する方向に設定されている。これにより、コンプレッサインペラ１ａが回転する際の反力によって過大なトルクがノーズキャップ９とコンプレッサインペラ１ａとの間に加えられても、このトルクはコンプレッサインペラ１ａからノーズキャップ９を外す方向に作用すること無く、ノーズキャップ９を貫通孔１ｆにねじ込む方向に作用する。そのため、ノーズキャップ９とコンプレッサインペラ１ａとの間の締結力が緩むことが防止されている。

このような構成を有する本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１の組立て時において、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結するには、まず、コンプレッサインペラ１ａの貫通孔１ｆにおいてシャフト２と連結する部分に、差動ネジ３のインペラ螺合部３ａを螺合する。その際、シャフト螺合部３ｂより長く形成しているインペラ螺合部３ａの全てを、貫通孔１ｆの収容空間に螺着させる。

続いて、貫通孔１ｆから突出しているシャフト螺合部３ｂの先端部を、シャフト２に設けられた雌ネジ部に僅かに螺合させる。
次いで、図２に示すように、治具１０（六角レンチ）をコンプレッサインペラ１ａのベース部１ｃに形成された貫通孔１ｆに挿入し、治具１０の先端に配置された係合部を貫通孔１ｆから露出した係合穴３ｃに嵌合させる。そして、治具１０を回転させることによって、差動ネジ３を回転させる。

その結果、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に向かって回転移動させること無く、回転軸Ｌに沿う直線移動により、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に近づけることができる。これは、インペラ螺合部３ａのネジ山の旋回方向とシャフト螺合部３ｂのネジ山の旋回方向とが同一方向であり、かつ、インペラ螺合部３ａのネジ山のピッチがシャフト螺合部３ｂのネジ山のピッチより小さいことに起因する。そして、嵌合突起２ａが嵌合穴１ｅに嵌合し、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とが密着するまで差動ネジ３を回転させることにより、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結する。

本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１においては、インペラ螺合部３ａに形成されるネジ山のネジ径とシャフト螺合部３ｂに形成されるネジ山のネジ径とを同一にした差動ネジ３を用い、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結している。そのため、従来のようにネジ径の異なる部位に生じる応力を緩和する目的で差動ネジ３の長さを長くする必要が無くなる。したがって、予張力に起因する仕事量の増大を抑制することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１においては、インペラ螺合部３ａとシャフト螺合部３ｂとのピッチの差によって、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に向かって直線移動させることにより、最終的に差動ネジ３によってコンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結している。そのため、着座面（インペラと接触するシャフトの端面）でコンプレッサインペラ１ａの回転に伴う摩擦力が生じることなく、ネジが形成された面に生じる摩擦力だけでコンプレッサインペラ１ａとシャフト２との締結を行うことができる。したがって、締結に必要なトルクを小さくして、締結の際の仕事量を低減することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１においては、差動ネジ３にテンションボルトを使用した場合のような大きなテンションを掛けることなく、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結することができる。そのため、油圧テンショナ等複雑かつ大きな装置を別に必要とすることなく、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に締結することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１においては、コンプレッサインペラ１ａの内部に設けられた貫通孔１ｆの内壁部において、最も高い応力がかかることで負荷が多大となるコンプレッサインペラ１ａの最大径部分に対応する領域（最大応力部）に、雌ネジを形成している。ただし、ピッチが小さいインペラ螺合部３ａに対応させてこの雌ネジのピッチも小さくしているので、円周方向の応力が生じにくくなり、耐久性が向上している。
また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１においては、インペラ螺合部３ａのネジ山ピッチをシャフト螺合部３ｂのネジ山のピッチよりも小さくしているので、このインペラ螺合部３ａでは貫通孔１ｆとの間でネジ山同士の接触面積が大きくなる。したがって、最も高温となるインペラ最大径部（最大高温部）から熱を逃がし易くなる。
また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１においては、差動ネジ３を一回回転させた際のコンプレッサインペラ１ａの送り量が小さいため、移動に必要なトルクを小さくすることができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１では、インペラ螺合部３ａがシャフト螺合部３ｂより長くなるように差動ネジ３を形成している。そのため、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との間に差動ネジ３を取り付ける際、最初にインペラ螺合部３ａをコンプレッサインペラ１ａに深く螺合させることができる。したがって、コンプレッサインペラ１ａに差動ネジ３を安定した状態に取り付けておくことができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１では、貫通孔１ｆの開口部１ｊにノーズキャップ９を着脱可能に取り付け、開口部１ｊを閉塞している。これにより、貫通孔１ｆ内に水分や異物が入り込むことが無いため、水分による差動ネジ３の錆び付き、異物による差動ネジ３の損傷などを防ぐことができる。すなわち、メンテナンス時などに差動ネジ３をコンプレッサインペラ１ａ及びシャフト２から取り外す必要がある場合に、差動ネジ３が外れなくなることを防止することができる。したがって、差動ネジ３の耐久性を高めることができるため、例えば差動ネジ３に比較的安価な材質を使用することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１では、シャフト螺合部３ｂに形成されたネジ山の旋回方向を、シャフト２が回転する際に生じる反力によって差動ネジ３とシャフト２との締結力が高まる方向に設定している。そのため、このような反力によって過大なトルクがシャフト２と差動ネジ３との間に加えられても、このトルクはシャフト２から差動ネジ３を外す方向に作用することなく、差動ネジ３をシャフト２にねじ込む方向に作用する。そのため、シャフト２とコンプレッサインペラ１ａとの間の締結力が緩むことを防止することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１では、差動ネジ３のコンプレッサインペラ１ａ側の端面に、差動ネジ３を回転する治具１０の係合部が係合可能な係合穴３ｃを設けていると共に、コンプレッサインペラ１ａに係合穴３ｃを露出する貫通孔１ｆを設けている。そのため、貫通孔１ｆに治具１０を挿し入れることにより、治具１０の係合部と係合穴３ｃとの係合を利用して差動ネジ３を容易に回転させることができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ１では、差動ネジ３によってコンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結する。そのため、従来のターボ圧縮機のように、コンプレッサインペラ１ａを固定するためにシャフト２をコンプレッサインペラ１ａの先端まで伸ばす必要がない。結果として、シャフト２を短くすることができ、シャフト２の剛性を高めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態の説明において前記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略し、あるいは簡略化する。

図３Ａ及び図３Ｂは、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２の概略構成を示す図であり、図３Ａは側断面図、図３Ｂはシャフト２を回転軸Ｌ方向から見た正面図である。
これらの図３Ａ及び図３Ｂに示すように、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２は、回転軸Ｌ方向を長手方向とし、コンプレッサインペラ１ａの回転軸Ｌから外れた位置に設けられた嵌合穴（図示せず）と、シャフト２の回転軸Ｌから外れた位置に設けられた嵌合穴（図示せず）とに、嵌合されるピン部材５を備えている。

ピン部材５は、シャフト２に対するコンプレッサインペラ１ａの回転移動を抑止するためのものであり、本発明の回転抑止手段として機能する。
そして、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２においては、図３Ｂに示すように、複数（本実施形態では、４つ）のピン部材５が、コンプレッサインペラ１ａの回転軸Ｌを中心とした周方向に等間隔で配置されている。なお、複数のピン部材５の数は、上記配置条件に従うように設けられていればよく、４つに限定する必要はない。

このような構成を有する本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２によれば、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に取り付ける際に、ピン部材５によってコンプレッサインペラ１ａがシャフトに対して回転することを抑止することができる。したがって、回転しない安定状態でコンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結することができる。
また、ピン部材５をコンプレッサインペラ１ａとシャフト２との接合箇所における補強材として機能させることができるため、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との接合箇所の強度を向上させることができる。

なお、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２によれば、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結する際には、ピン部材５をコンプレッサインペラ１ａ及びシャフト２の一方に嵌合させておき、差動ネジ３の回転によってコンプレッサインペラ１ａをシャフト２に近づけて他方に嵌合させる。
このため、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結する際にコンプレッサインペラ１ａをシャフト２に対して回転移動させる従来の締結方法では、ピン部材５を配置することができない。
つまり、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２は、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との接合箇所の強度を向上させる効果を実現できる。一方、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に対して回転移動させる従来の締結方法を用いるターボ圧縮機では、このような効果を実現することができない。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ２においては、複数のピン部材５をコンプレッサインペラ１ａの回転軸Ｌを中心とした周方向に等間隔に配置している。そのため、コンプレッサインペラ１ａが回転する際に、回転軸Ｌを中心としたコンプレッサインペラ１ａにおける回転方向に沿った重量分布を均等に保つことができる。したがって、コンプレッサインペラ１ａを安定して回転させることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、第３実施形態の説明においても、前記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４Ａ及び図４Ｂは、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ３の概略構成を示す図であり、図４Ａは側断面図、図４Ｂはシャフト２を回転軸Ｌ方向から見た正面図である。
これらの図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ３は、コンプレッサインペラ１ａの回転軸Ｌ方向から見た形状が、各頂点に丸みを帯びた略三角形（円形から外れた形状）であると共に、回転軸Ｌを重心とする嵌合突起７と、この嵌合突起７が嵌合される嵌合穴６とを備えている。

このような嵌合突起７と嵌合穴６とは、嵌合することによってシャフト２に対するコンプレッサインペラ１ａの回転移動を抑止し、本発明の回転抑止手段として機能する。

なお、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ３においては、嵌合突起７がシャフト２に設けられ、嵌合穴６がコンプレッサインペラ１ａに設けられている。
ただし、反対に、嵌合突起７をコンプレッサインペラ１ａに設け、嵌合穴６をシャフト２に設ける構成を採用することもできる。

このような構成を有する本実施形態のターボ圧縮機Ｓ３によれば、嵌合突起７及び嵌合穴６によって、コンプレッサインペラ１ａをシャフト２に取り付ける際にコンプレッサインペラ１ａが回転することを抑止することができる。したがって、回転しない安定状態でコンプレッサインペラ１ａとシャフト２とを締結することができる。

また、本実施形態のターボ圧縮機Ｓ３においては、嵌合突起７が回転軸Ｌを重心とする形状を有している。そのため、コンプレッサインペラ１ａが回転する際に、回転軸Ｌを中心としたコンプレッサインペラ１ａにおける回転方向に沿った重量分布を均等に保つことができる。したがって、コンプレッサインペラ１ａを安定して回転させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されない。前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の変更が可能である。

例えば、本発明の実施形態においては、嵌合突起２ａがシャフト２に設けられ、嵌合穴１ｅがコンプレッサインペラ１ａに設けられている。
ただし、図５に示すように、反対に嵌合突起をコンプレッサインペラ１ａに設け、嵌合穴をシャフト２に設けることもできる。

この場合、図５に示すように差動ネジ３が、シャフト２の内部のより深い位置に入り込んで配置される。このため、コンプレッサインペラ１ａの内部に設けられた貫通孔１ｆの内壁面における、最も大きい応力がかかることで負荷が多大となるコンプレッサインペラ１ａの最大径部分に対応する領域（最大応力部）から、差動ネジ３を逃がすことができる。そのため、差動ネジ３に作用する負荷を低減させることができる。また、差動ネジ３をコンプレッサインペラ１ａの最大応力部から外すことで、より高い軸力をコンプレッサインペラ１ａに付加することができ、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との締結力を増加させることができる。

また、本発明の実施形態においては、コンプレッサインペラ１ａとシャフト２との間の回転防止とその位置決めのために、嵌合突起と嵌合穴とを用いる構成やピン部材を用いたが、これらに代えて、例えばカービックカップリングを用いてもよい。
また、本発明の実施形態においては、稼働中に熱膨張による締結力の緩みを抑止するため、熱膨張による締結力の緩みを緩和可能な軸力を差動ネジ３に付与しておいてもよい。

また、本発明の実施形態においては、図２に示すように、差動ネジ３は、治具１０が係合される係合穴３ｃを備える。
しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、差動ネジ３には係合穴３ｃに代えて、治具の係合部が係合可能な係合突起を設けてもよい。

また、本発明の実施形態においては、１つのシャフトと、このシャフトの一端に１つのコンプレッサインペラ１ａが締結されたターボ圧縮機について説明した。
しかしながら、本発明は、に限定されない。例えば、１つのシャフトの両端に各々コンプレッサインペラ１ａが締結されたターボ圧縮機、複数のシャフトを備えると共に各シャフトにコンプレッサインペラが設けられたターボ圧縮機、また、圧縮ガスを冷却するクーラ等の他の設備を備えるターボ圧縮機に適用することも可能である。

本発明のターボ機械によれば、特にインペラ螺合部に形成されるネジ山のネジ径とシャフト螺合部に形成されるネジ山のネジ径とを同一にした差動ネジを用い、インペラとシャフトとを締結している。そのため、従来のようにネジ径の異なる部位で生じる応力を緩和するために差動ネジの長さを長くする必要が無くなる。したがって、予張力に起因する仕事量の増大を抑制することができる。

Ｓ１〜Ｓ３ ターボ圧縮機（ターボ機械）
１ コンプレッサ
１ａ コンプレッサインペラ（インペラ）
１ｂ コンプレッサハウジング
１ｃ ベース部
１ｄ 翼
１ｅ 嵌合穴
１ｆ 貫通孔
１ｇ 吸入開口
１ｈ ディフューザ
１ｉ スクロール流路
１ｊ 開口部
２ シャフト
２ａ 嵌合突起
３ 差動ネジ
３ａ インペラ螺合部
３ｂ シャフト螺合部
３ｃ 係合穴
４ 駆動ユニット
５ ピン部材（回転抑止手段）
６ 嵌合穴（回転抑止手段）
７ 嵌合突起（回転抑止手段）
９ ノーズキャップ（蓋）
１０ 治具

Claims (12)

1. 回転されるインペラと、このインペラに回転動力を伝達するシャフトとを備えるターボ機械であって、
   一端側に設けられ前記インペラに螺合されるインペラ螺合部と、他端側に設けられ前記シャフトに螺合されるシャフト螺合部とを有し、前記インペラと前記シャフトとを締結している差動ネジを備え、
   前記差動ネジは、
   前記インペラ螺合部に形成されるネジ山のネジ径と、前記シャフト螺合部に形成されるネジ山のネジ径とが同一に、
   前記インペラ螺合部に形成されるネジ山の旋回方向と、前記シャフト螺合部に形成されるネジ山の旋回方向とが同一方向に、かつ、
   前記インペラ螺合部に形成されるネジ山のピッチが、前記シャフト螺合部に形成されるネジ山のピッチより小さく、
   形成されており、
   前記差動ネジの前記インペラ側の端面に、この差動ネジを回転させる治具の係合部に係合する係合穴あるいは係合突起が設けられ、
   前記インペラに前記係合穴あるいは係合突起を露出させる貫通孔が設けられている
   ターボ機械。
2. 前記インペラ螺合部が、前記シャフト螺合部より長い請求項１に記載のターボ機械。
3. 前記インペラは、その回転軸に沿って前記差動ネジの前記インペラ螺合部と螺合する貫通孔を備え、
   前記貫通孔の前記シャフトから遠い開口部に、この開口部を閉塞する蓋体が着脱可能に設けられている請求項１に記載のターボ機械。
4. 前記差動ネジは、前記インペラよりも熱伝導率が高い材料によって形成されている請求項１に記載のターボ機械。
5. 前記インペラがチタン合金によって形成され、前記差動ネジが鉄鋼材料によって形成されている請求項４に記載のターボ機械。
6. 前記シャフトに対する前記インペラの回転移動を抑止する回転抑止手段を備える請求項１に記載のターボ機械。
7. 前記回転抑止手段は、前記インペラの回転軸方向を長手方向とし、前記インペラの回転軸から外れた位置に設けられた嵌合穴と、前記シャフトの回転軸から外れた位置に設けられた嵌合穴とに嵌合されるピン部材である請求項６に記載のターボ機械。
8. 複数の前記ピン部材は、前記インペラの回転軸を中心とした周方向で等間隔に配置されている請求項７に記載のターボ機械。
9. 前記回転抑止手段は、
   前記インペラの回転軸方向から見た外形形状が円形形状から外れると共に、前記インペラ及び前記シャフトの一方に前記回転軸方向に突出して設けられる嵌合突起と、
   前記インペラ及び前記シャフトの他方に設けられると共に、前記嵌合突起が嵌合される嵌合穴と、
   を備える請求項６に記載のターボ機械。
10. 前記嵌合突起は、回転軸を重心とする形状を有している請求項９に記載のターボ機械。
11. 前記シャフト螺合部に形成されたネジ山の旋回方向は、前記シャフトが回転する際に生じる反力によって前記差動ネジと前記シャフトとの締結力が高まる方向に設定されている請求項１に記載のターボ機械。
12. 前記差動ネジを回転させる治具の係合部に係合する前記係合穴あるいは係合突起が、前記インペラの回転軸を重心とする形状を有している請求項１に記載のターボ機械。

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