JP5963268B2

JP5963268B2 - タイヤ加硫用送風装置

Info

Publication number: JP5963268B2
Application number: JP2013160855A
Authority: JP
Inventors: 光夫橋本
Original assignee: HMC LLC.
Current assignee: HMC LLC.
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-08-01
Also published as: JP2015033208A

Description

本発明は、タイヤ加硫用送風装置に関する。

回転軸のインペラとは反対側の軸端にモータのロータが軸受箱内に片持ち支持により配設され、ロータの外周部にロータと非接触の状態で配置されるモータのステータが軸受箱の内周部に支持固定され、軸受箱のインペラと反対側の端部に密閉用フランジが配置され、かつ、軸受箱冷却用ヒートシンクが軸受箱に直接または密閉用フランジを介して配設されている固体酸化物型燃料電池の高温燃料ガスの送風用ファンが知られている（特許文献１）。

特許第５００１６６５号明細書

本発明は、高温、高圧の流体の漏洩を防止しつつ、モータの出力の低下を抑制することができる小型で経済性の高いモータ及び送風装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１記載のタイヤ加硫用送風装置は、
回転軸の一端に固定された羽根車と、
流体の吸入口と吐出口を有し前記羽根車を回転可能に収容するケーシングと、
前記回転軸の他端側に固定されたロータと、
前記ロータに対向して円周上に配置されたステータと、
前記ロータの両側で前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記ケーシングに接続され、前記回転軸、前記ロータ、前記ステータを収容する内部空間を有し前記ステータ及び前記軸受を保持するハウジングと、
前記ハウジングの前記内部空間に０．２％耐力を超える圧力を受けて前記ステータの内周部の周方向に配列された各歯部の隙間に対向した面が前記隙間を内周面から膨らんで塞いだ状態で配置された非磁性の薄板鋼板と、を備えた、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、高温、高圧の流体の漏洩を防止しつつ、モータの出力の低下を抑制することができる小型で経済性の高いタイヤ加硫用送風装置を提供することができる。

（ａ）は送風装置１の概略縦断面図、（ｂ）は送風部１０の横断面図である。（ａ）はモータ部２０の横断面図、（ｂ）はモータ部２０の縦断面図である。（ａ）はステータ５０と隔壁２５の密着状態を説明するための部分拡大断面図、（ｂ）はステータ５０の開口部Ｇに隔壁２５が塑性変形して固定された状態を説明するための部分拡大断面図である。内面（ロータ２２側）から圧力ｐを受けた隔壁２５の厚みを決定する過程を説明する模式図である。送風装置１における流体の移動を説明するための断面模式図である。比較例の送風装置１００の縦断面図である。（ａ）は比較例の送風装置２００の縦断面図、（ｂ）比較例の送風装置３００の縦断面図である。

次に図面を参照しながら、以下に実施形態を挙げ、本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
尚、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）送風装置の構成
図１（ａ）は本実施形態に係る送風装置１の概略縦断面図、（ｂ）は送風部１０の横断面図である。以下、図面を参照しながら、送風装置１の全体構成を説明する。
尚、各図面において、薄板部材の一例としての隔壁２５は説明のために実際の厚みより厚く図示している。

送風装置１は、送風部１０、モータ部２０、連結部３０、制御部４０を備えて構成され、モータ部２０に連結された送風部１０の羽根車１２を回転させて、吸入口１３から吸入した流体を圧縮して吐出口１４から吐出する。

送風部１０は、ケーシング１１と、ケーシング１１内で回転自在に支持された羽根車１２とからなる。
ケーシング１１には、中央部分に吸入口１３が形成され、外周に吐出口１４が形成されている。吸入口１３と吐出口１４はケーシング１１内に連通されている。

モータ部２０は、送風部１０の側方に配置され、回転軸２１、ロータ２２、ステータ５０を備えたブラシレスモータを構成する。
回転軸２１の一端には羽根車１２が固定され、他端側にはロータ２２が固定されている。回転軸２１は、ロータ２２の両側でそれぞれの軸受２３を介してハウジング２４に回転自在に支持されている。

ロータ２２は、磁性材料によって形成され、周方向に複数の磁極を有する永久磁石２２ａが埋め込まれている。また、永久磁石２２ａを埋め込まずに周方向に複数の磁極を有するように等方多極に磁化処理が施されてもよい。
ステータ５０は、ロータ２２の外周側に間隙を有して、ロータ２２と対向して配置されている。
ロータ２２とステータ５０との間隙には、ステータ５０の内周部に密着して薄板部材の一例としての隔壁２５が固定されている。

連結部３０は、断熱板３１と環状空間部３２からなり、送風部１０とモータ部２０との間で、回転軸２１の一端側が挿通された状態で送風部１０のケーシング１１の一端とモータ部２０のハウジング２４の一端が断熱板３１を介して連結されている。
また、環状空間部３２の内部では、外部から供給される冷媒が循環し、送風部１０からモータ部２０への伝熱を抑制している。

制御部４０は、ステータ５０への給電制御を行う制御基板４１（不図示）を有し、外部電源（不図示）に配線を介して接続されている。制御基板４１は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やトランジスタ等の半導体素子を有し外部電源から供給される電力を切替制御しながらステータ５０へ供給する。

このように構成される送風装置１は、制御部４０を介してステータ５０へ外部電源から電力が供給されて、ステータ５０と隔壁２５に対向配置されたロータ２２が回転駆動される。そして、ロータ２２が一端に固定された回転軸２１が羽根車１２を伴って回転し、羽根車１２の回転によって吸入口１３からケーシング１１内に流体を吸入するとともに、吸入した流体を圧縮・昇圧して吐出口１４から排出する。

（２）モータ部の構成
図２（ａ）はモータ部２０の横断面図、図２（ｂ）はモータ部２０の縦断面図、図３（ａ）はステータ５０と隔壁２５の密着状態を説明するための部分拡大断面図、図３（ｂ）はステータ５０の開口部Ｇに隔壁２５が塑性変形して固定された状態を説明するための部分拡大断面図である。
図２に示すように、モータ部２０は、円筒形のロータ２２と、ロータ２２に径方向外側に間隙を有して対向配置されたステータ５０とを有している。ロータ２２とステータ５０との間隙には、ステータ５０の内周部に密着して隔壁２５が固定されている。

（２．１）ステータ
ステータ５０は、ステータコア５１と、ステータコア５１の両端面に取り付けられたインシュレータ５２と、ステータコア５１及びインシュレータ５２に巻回されたコイル５３とを有する。

ステータコア５１は、積層された電磁鋼板からなり、径方向内側に突出する歯部５４を有し、歯部５４は周方向に等間隔に配列されている。
隣り合う歯部５４の間には内周側（ロータ２２側）に開口した開口部Ｇを有するスロット部５５が歯部５４と同数形成されている。

コイル５３は、各スロット部５５の内周側に開口した開口部Ｇから挿通されて各歯部５４にステータコア５１とコイル５３を絶縁するインシュレータ５２を挟持して巻回されている。
尚、スロット部５５の数は特に限定されるものではないが、本実施形態に係る送風装置１においては、ステータ５０は９つのスロット部５５を有し、これに対応してロータ２２は６極とされている。

（２．２）隔壁
図３（ａ）に示すように、ステータ５０の内周面は、ステータコア５１の隣り合う歯部５４の間に開口部Ｇが周方向に等間隔に形成されている。
隔壁２５は円筒形の非磁性の薄板部材で、例えば、板厚０．１ｍｍ程度の非磁性ステンレス鋼よりなり、ステータ５０の内周面に密着して固定され、開口部Ｇを内周面から塞いだ状態で配置されている。

図３（ｂ）に示すように、隔壁２５は、円筒形の非磁性の薄板部材をステータ５０の内周面に密着して配置された状態で、ステータ５０及びロータ２２を内部に支持するハウジング２４の内部空間Ｒに隔壁２５の耐力以上の圧力ｐをかけて塑性変形させて固定しても良い。
具体的には、内面（ロータ２２側）から圧力ｐを受けた隔壁２５は、ステータ５０の内周面に密着し、ステータ５０の内周面に形成された開口部Ｇと対向する領域は、耐力を超える圧力ｐを受けて開口部Ｇ側へ膨らんだ状態で塑性変形して固定される。

（２．３）隔壁の板厚の決定
図４は内面（ロータ２２側）から圧力ｐを受けた隔壁２５の厚みを決定する過程を説明する模式図である。
（２．３．１）圧力ｐが隔壁２５の耐力以下の場合
隔壁２５が内面から圧力ｐを受けてステータ５０の内周面に密着し、ステータ５０の内周面に形成された開口部Ｇと対向する領域は、圧力ｐを受ける薄肉円筒胴とみなして、周方向に作用する応力σは隔壁２５の耐力以下では下記式（１）で表される。
周方向応力：σ＝ｐＤ／２ｔ・・・（１）
但し、（１）式において、
Ｄは開口部Ｇの開口幅（ｃｍ）、ｔは隔壁２５の厚さ（ｃｍ）、ｐは内部空間Ｒにかかる圧力（ｋｇ／ｃｍ^２）である。

（１）式において、開口部Ｇの開口幅Ｄ＝１．０ｃｍ、圧力ｐ＝２０ｋｇ／ｃｍ^２、隔壁２５のステンレス鋼材料の０．２％耐力をσ＝２０００ｋｇ／ｃｍ^２として、隔壁２５の厚さを計算すると、ｔ＝０．００５ｃｍ＝０．０５ｍｍとなる。
すなわち、市販の標準厚み０．１ｍｍのステンレス鋼薄板を用いれば、機械材料強度として十分となる。

尚、流体が高温・高圧、例えば、圧力ｐが２ＭＰａ程度でかつ温度が３００°Ｃの加熱流体である場合には、隔壁２５のステンレス鋼材料の０．２％耐力をσ＝１５００ｋｇ／ｃｍ^２として、隔壁２５の厚さを計算すると、ｔ＝０．００６７ｃｍ＝０．０６７ｍｍとなる。
すなわち、高温・高圧の加熱流体であっても、市販の標準厚み０．１ｍｍのステンレス鋼薄板を用いれば、機械材料強度として十分となる。

（２．３．２）圧力ｐが隔壁２５の耐力を超える場合
隔壁２５が内面から耐力以上の圧力ｐを受けて、ステータ５０の内周面に形成された開口部Ｇと対向する領域を塑性変形させて固定した場合の近似値は下記式（２）で表される。
ｐ＝Ｅ・［ｍ^２／４（ｍ^２−１）］・［８ｔ^３／Ｄ^３］・・・（２）
但し、（２）式において、
Ｄは開口部Ｇの開口幅（ｃｍ）、ｔは隔壁２５の厚さ（ｃｍ）、ｍはポアソン比、Ｅはヤング率である。

（２）式において、開口部Ｇの開口幅Ｄ＝１．０ｃｍ、隔壁２５の厚さｔ＝０．０１ｃｍ＝０．１ｍｍとして、圧力ｐを計算すると、ｐ＝４０ＭＰａとなり、相当の高圧でも塑性変形はしにくい結果となる。
一方、開口部Ｇの開口幅Ｄ＝２．０ｃｍとして、ステータ５０の隣り合う歯部５４の開口部Ｇの開口幅Ｄを広くした場合、ｐ＝５ＭＰａとなり、コイル５３の巻回作業を容易化しつつ、高温・高圧の加熱流体であっても、市販の標準厚み０．１ｍｍのステンレス鋼薄板を用いて、十分な機械材料強度を得ることができる。

（２．４）ハウジング
ハウジング２４は、内部に隔壁２５が内周面に密着したステータ５０を支持して内部空間Ｒ内の高温・高圧の流体を保持するとともに、ロータ２２の両側で回転軸２１を回転自在に支持するそれぞれの軸受２３を保持する。
また、ハウジング２４の外周面の一端からは、ステータ５０に巻回されたコイル５３に電力を供給するケーブルが外部へ引き出される。

（３）送風装置の作用・効果
本実施形態に係る送風装置１の作用・効果について説明する前に、比較例の送風装置１００、２００の問題点について説明する。

（３．１）送風装置１００の構成及び動作
図６は、比較例の送風装置１００の縦断面図である。
送風装置１００は、送風部１１０、モータ部１２０、連結部１３０及び制御部１４０を備えて構成されている。
回転軸１２１の一端には羽根車１１２が固定され、他端側にはロータ１２２が固定されている。回転軸１２１は、ロータ１２２の両側でそれぞれの軸受１２３を介して回転自在にハウジング１２４に支持されている。

回転軸１２１の連結部１３０とそれぞれの軸受１２３との間には軸封部材として、グランドパッキン、オイルシール、Ｏリング等から選択されたシール部材Ｓが設けられている。
一方、送風装置１００によって送り出される流体が高温・高圧である場合には、ゴム、又は合成樹脂を主材料としたグランドパッキン、オイルシール、Ｏリング等では、材料が劣化して軸封部材としての寿命が短いという問題があった。

特に、例えば、タイヤ加硫装置において使用される加熱流体は、圧力ｐが２ＭＰａ程度でかつ温度が３００°Ｃに達するために、シール部材Ｓは短時間で劣化して、シール部材Ｓを通過した高温・高圧の加熱流体がモータ部１２０のステータ１５０内部に入り込み（図６中矢印参照）、コイルが損傷を受ける虞があった。

（３．２）送風装置２００、３００の構成及び動作
図７（ａ）は比較例の送風装置２００の縦断面図、図７（ｂ）比較例の送風装置３００の縦断面図である。
送風装置２００は、送風部２１０、モータ部２２０、制御部２４０を備えて構成されている。
回転軸２２１の一端には羽根車２１２、他端側にはロータ２２２が固定され、ロータ２２２の両側がそれぞれの軸受２２３を介して回転自在にハウジング２２４に支持されている。
ロータ２２２とステータ２５０との間には、有底の樹脂製の隔壁２２５を非接触で配置している。

係る送風装置２００において、送り出される流体が高温・高圧である場合、特に、例えば、圧力ｐが２ＭＰａ程度でかつ温度が３００°Ｃの加熱流体である場合には、樹脂製の隔壁２２５の肉厚を厚くする必要がある。そのために、ロータ２２２とステータ２５０との間のギャップは大きくなり、モータ性能の低下を招くという問題があった。

特に、樹脂製の隔壁２２５をロータ２２２とステータ２５０との間に非接触で配置し、ロータ２２２が固定された回転軸２２１の軸受２２３を支持するためには、樹脂製の隔壁２２５にハウジングとしての機械的強度を確保するために、さらに大きな肉厚が必要とされた。

また、図７（ｂ）に示すように、送風装置３００は、軸受２２３をモータ部２２０のハウジング２２４で支持する。そのために、ロータ２２２と羽根車２１２との間にそれぞれの軸受２２３を配置する必要があり、モータ部２２０と送風部２１０との連結部２３０が長くなり、送風装置３００が大型化するという問題があった。

（３．３）送風装置１の作用
図５は送風装置１内における流体の移動を説明するための断面模式図である。
本実施形態に係る送風装置１は、モータ部２０が送風部１０の側方に配置され、回転軸２１、ロータ２２、ステータ５０を備えたブラシレスモータを構成する。
回転軸２１の一端には羽根車１２が固定され、他端側にはロータ２２が固定されている。回転軸２１は、ロータ２２の両側で、それぞれの軸受２３を介して回転自在にハウジング２４に支持されている。

ロータ２２とステータ５０との間隙には、ステータ５０の内周部に密着して隔壁２５が固定されている。隔壁２５は円筒形の非磁性の薄板部材で、ステータコア５１の隣り合う歯部５４の間に等間隔で形成されている開口部Ｇを内周面から塞いだ状態で配置されている。

このように構成された送風装置１においては、一端にロータ２２が固定された回転軸２１が羽根車１２を伴って回転し、羽根車１２の回転によって吸入口１３からケーシング１１内に高温・高圧の流体を吸入するとともに、吸入した流体をさらに圧縮・昇圧して吐出口１４から排出する。
圧縮・昇圧された高温・高圧の流体は、吐出口１４から排出されるが、一部はケーシング１１と回転軸２１の挿通部から連結部３０を通過する。そして、高温・高圧の流体がハウジング２４に保持されて回転軸２１を支持する軸受２３から、ロータ２２が支持されているハウジング２４の内部空間Ｒへ流入する（図５中矢印参照）。

ハウジング２４の内部空間Ｒは、ロータ２２と対向するステータ５０の内周面に厚み０．１ｍｍのステンレス鋼からなる隔壁２５が密着して固定されているために、気密状態とされている。
その結果、内部空間Ｒへ流入した高温・高圧の流体は、内部空間Ｒ内で滞留し、送風部１０のケーシング１１内と略等しい加圧状態となる。
そのために、ロータ２２とステータ５０の間隙を広げることなく回転軸２１とロータ２２を密封構造として、モータ性能の低下を防止することができる。

隔壁２５がステータ５０の内周面に密着して気密状態とされたハウジング２４の内部空間Ｒには、一旦流入した流体が滞留し、内部空間Ｒ内の流体は入れ替わることがないために、送風部１０によって高温の加熱流体が継続して送り出されても、内部空間Ｒ内の温度上昇は抑制される。

隔壁２５が、ハウジング２４の内部空間Ｒに隔壁２５の耐力以上の圧力ｐをかけてステータ５０の内周面に形成された開口部Ｇと対向する領域が開口部Ｇ側へ膨らんだ状態で塑性変形して固定された状態では、より高圧の流体が流入した場合でも、ロータ２２とステータ５０の間隙を広げることなく回転軸２１とロータ２２を密封構造として保持することができる。

すなわち、予め隔壁２５の内面に最高使用圧力以上の圧力ｐをかけて塑性変形させ、そのままの状態で密封構造の隔壁２５として使用することができ、通常予定されている高圧の流体に対しては充分な強度を有し、密封構造の内部空間Ｒを備えた送風装置１をより低コストで製造することができる。

回転軸２１は、ロータ２２の両側でそれぞれ軸受２３によって回転自在に支持され、軸受２３は、ハウジング２４に保持されている。
その結果、一端側に羽根車１２が固定されて回転する回転軸２１の支持が安定し、モータ部２０を含む送風装置１を小型化し、経済性を高くすることができる。

本実施形態に係る送風装置１は、未加硫タイヤの内面にセットしたブラダーに高温・高圧の不活性ガスを供給して加硫を行うタイヤ加硫機における送風装置として好適に用いることができる。
又、据え置き型の固体酸化物型燃料電池の高温燃料ガス再循環用送風装置としても好適である。

１、１００、２００、３００・・・送風装置
１０、１１０、２１０・・・送風部
１１・・・ケーシング
１２、１１２、２１２・・・羽根車
１３・・・吸入口
１４・・・吐出口
２０、１２０、２２０・・・モータ部
２１、１２１、２２１・・・回転軸
２２、１２２、２２２・・・ロータ
２３、１２３、２２３・・・軸受
２４、１２４、２２４・・・ハウジング
２５、２２５・・・隔壁
３０、１３０、２３０・・・連結部
３１・・・断熱板
３２・・・環状空間部
４０、１４０、２４０・・・制御部
４１・・・制御基板
５０、１５０、２５０・・・ステータ
５１・・・
ステータコア
５２・・・インシュレータ
５３・・・コイル
５４・・・歯部
５５・・・スロット部
Ｇ・・・開口部
Ｒ・・・内部空間
Ｓ・・・シール部材

Claims

回転軸の一端に固定された羽根車と、
流体の吸入口と吐出口を有し前記羽根車を回転可能に収容するケーシングと、
前記回転軸の他端側に固定されたロータと、
前記ロータに対向して円周上に配置されたステータと、
前記ロータの両側で前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、
前記ケーシングに接続され、前記回転軸、前記ロータ、前記ステータを収容する内部空間を有し前記ステータ及び前記軸受を保持するハウジングと、
前記ハウジングの前記内部空間に０．２％耐力を超える圧力を受けて前記ステータの内周部の周方向に配列された各歯部の隙間に対向した面が前記隙間を内周面から膨らんで塞いだ状態で配置された非磁性の薄板鋼板と、を備えた、
ことを特徴とするタイヤ加硫用送風装置。