JP6568898B2 - 流量調整機構および内圧防爆形回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、流量調整機構およびそれを用いた内圧防爆形回転電機に関する。

工場その他の事業場において、可燃性ガスまたは引火性液体の蒸気などの爆発性ガスが爆発または火災を生じるおそれのある濃度で存在し、または存在するおそれのある危険場所に、回転電機などの電気設備を設置し、または使用する場合には、電気設備が爆発または火災の原因となる可能性がある。たとえば、回転電機において、爆発性ガスが回転電機内に流入した場合、短絡等により火花が発生すれば危険ガスが爆発する事態を招く。

したがって、このような事態の発生を未然に防止するための措置をとる必要がある。具体的には、たとえば、回転電機を内圧防爆構造とすることが行われている。すなわち、清浄な空気あるいは不活性ガスなどの保護気体により、回転電機の内部を加圧して、爆発性ガスが回転電機の内部に流入することを防止している。

特許第４３４８８６０号公報

保護気体を回転電機の内部に密封したとしても、爆発性ガスの混入を完全に防止することは困難である。したがって、たとえば、回転電機内に混入した爆発性ガスを回転電機外に排出し、回転電機内を常に新しい保護気体で満たし、かつ、回転電機内の圧力を正圧、すなわち雰囲気の圧力より高い圧力に維持することが行われている（特許文献１参照）。

このため、常時、保護気体を回転電機内に供給するとともに、回転電機内の保護気体を排出する必要がある。また、この保護気体の供給と排出によって、回転電機の内部の圧力を所定の範囲に維持する必要がある。そのためには、保護気体の供給量と排出量とを適切に調整する必要がある。ここで、調整を適切に行うには、流体の流れを変化させる部分の構成が連続的に変化し得ることが望ましい。

以上、内圧防爆型の回転電機における保護気体の流量調整について述べたが、回転電機としては、これ以外にも、たとえば、強制給油方式のすべり軸受を有する回転電機の場合におけるすべり軸受への給油量の調整など、流体の流量を適切に調整する必要ある対象が存在する。

また、回転電機以外においても、複雑な機構に拠らずに流体の流量を調整することについての必要性は大きい。

そこで、本発明は、複雑な機構に拠らずに流体の流量を微細に調整することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、流体の流量を制御する流量調整機構であって、上流側配管に接続され中央に流体が通過する開口が形成された上流側押さえ板と、下流側配管に接続され中央に流体が通過する開口が形成された下流側押さえ板と、前記上流側押さえ板と前記下流側押さえ板との間に配されて、前記上流側押さえ板と前記下流側押さえ板とに挟まれる保持部と、前記保持部の内側に接続された先端に開口を有する先細錐部と、を有する可撓性部材と、前記可撓性部材と前記上流側押さえ板との間に配されて、前記上流側押さえ板と前記下流側押さえ板とに挟まれる押さえ部と、前記可撓性部材の内側を軸方向に移動することにより径方向内側から前記可撓性部材を押圧して拡張する筒部と、を有する拡張部材と、前記拡張部材の押さえ部と前記可撓性部材の保持部との間に配されて、軸方向の厚みが変更可能な圧縮部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に設けられ軸方向に間隔をあけて径方向の流路が形成された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する軸受と、前記軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの前記軸方向の端部に接続するとともに前記フレームと相俟って閉空間を形成する軸受ブラケットと、前記閉空間に保護気体を供給する経路となる給気装置と、前記閉空間内の保護気体を排出する経路となる排気装置と、を備える内圧防爆形回転電機であって、前記給気装置および前記排気装置の少なくともいずれかは、上記の流量調整機構を有することを特徴とする。

本発明によれば、複雑な機構に拠らずに流体の流量を微細に調整することができる。

第１の実施形態に係る内圧防爆形回転電機の構成を示す図３のＩ−Ｉ線矢視断面図である。 第１の実施形態に係る内圧防爆形回転電機の外観を示す図３のＩＩ−ＩＩ線矢視側面図である。 第１の実施形態に係る内圧防爆形回転電機の外観を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視正面図である。 第１の実施形態に係る流量調整機構の構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係る流量調整機構の可撓性部材の構成例を示す展開図である。 第１の実施形態に係る流量調整機構の作用を説明する縦断面図である。 第２の実施形態に係る流量調整機構の構成を示す縦断面図である。 第３の実施形態に係る流量調整機構の構成を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る流量調整機構および内圧防爆形回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る内圧防爆形回転電機の構成を示す図３のＩ−Ｉ線矢視断面図である。図２は、図３のＩＩ−ＩＩ線矢視側面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視正面図である。

内圧防爆形回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、軸受３０、冷却器６０、給気装置１００および排気装置１５０を有する。

回転子１０は、水平に延びて両端を回転可能に支持されたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に配された円筒形状の回転子鉄心１２とを有する。ロータシャフト１１の一方の端部には、結合対象との結合のための結合部１１ａが設けられている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に、ギャップ１８を介して配された円筒状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の径方向内側表面に形成され、軸方向に延びて周方向に互いに間隔をもって配された複数の固定子スロット（図示せず）内を貫通する固定子巻線２２とを有する。

回転子鉄心１２および固定子２０は、フレーム４０内に収納されている。フレーム４０の軸方向両端部はそれぞれ、軸受ブラケット４５により閉止されている。それぞれの軸受ブラケット４５は、軸受３０を静止支持している。２つの軸受３０は、ロータシャフト１１を回転可能に支持している。フレーム４０には、端子箱８０が取り付けられている。

フレーム４０の上部には、冷却器６０が搭載されている。冷却器６０は、内部を水などの冷却用媒体が通過する少なくとも１本の冷却管６１、および冷却管６１を収納する冷却器カバー６３を有する。冷却管６１は、伝熱面積を確保するために、通常、冷却器カバー６３内でいくつかのＵ字部分を有するように曲がっている。冷却管６２は、冷却器カバー６３の外側で、冷却管フランジ６２により外部配管と結合する。

フレーム４０、軸受ブラケット４５および冷却器カバー６３は互いに相俟って保護気体を収納する閉空間７０を形成する。フレーム４０内の空間と冷却器カバー６３内の空間は、冷却器入口開口６４および冷却器出口開口６５によって互いに連通している。

冷却器カバー６３の上面には、保護気体の供給流路となる給気装置１００が設けられている。また、フレーム４０の側面には、閉空間７０内の保護気体を排出する経路となる排気装置１５０が設けられている。以下、給気装置１００について説明するが、排気装置１５０も同様の構成である。

給気装置１００は、給気管１０２上に設けられた給気弁１０１および流量調整機構１１０を有する。給気弁１０１側と、流量調整機構１１０側とは、それぞれの接続フランジ１０３ａおよび１０３ｂにより互いに接続される。

ロータシャフト１１には、内扇５１が設けられ、閉空間７０内の保護気体を駆動して、閉空間７０内を循環させる。すなわち、保護気体は内扇５１により軸方向に回転子鉄心１２および固定子２０の方向に駆動される。駆動された保護気体は、回転子鉄心１２および固定子２０に流入し、これらを冷却した後に、軸方向に内扇５１とは反対側に流出し、冷却器入口開口６４から冷却器カバー６３内の空間に流入する。保護気体は、冷却器カバー６３内で冷却管６１内を通過する冷却用媒体に冷却された後、冷却器出口開口６５を経由して冷却器カバー６３内の空間からフレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した保護気体は、ファンガイド５２にガイドされて内扇５１に再び流入する。

図４は、第１の実施形態に係る流量調整機構の構成を示す縦断面図である。ここで、Ｚ方向は、流体の流れ方向である。また、Ｒ方向は、上流側配管１１１および下流側配管１１７の軸中心からＺ方向に垂直な方向である。

流量調整機構１１０は、そこを流れる流体の流量を制御する。本実施形態の場合は、供給される保護気体および排出される保護気体の流量をそれぞれ制御する。上流側配管１１１にこれと同軸に接続された上流側押さえ板１１２、下流側配管１１７にこれと同軸に接続された下流側押さえ板１１６、拡張部材１１３、圧縮部材１１４、および可撓性部材１１５を有する。

上流側押さえ板１１２は、Ｚ方向に垂直な方向に拡がって、中央には流体が通過する開口１１２ａが形成された環状平板のフランジである。下流側押さえ板１１６は、環状平板のフランジであるが、中央に形成された開口１１６ａは下流側配管１１７の内径に等しく、かつ、上流側の開口部の縁を丸みを帯びた曲面状に形成する加工が施されている。

拡張部材１１３は、Ｚ方向に垂直な方向に拡がる押さえ部１１３ａとＺ方向に延びる円筒部１１３ｂを有する。押さえ部１１３ａは、中央に円形の開口１１３ｈが形成された円板状である。円筒部１１３ｂは、押さえ部１１３ａに接続され、その内径は、押さえ部１１３ａの内径に等しい。円筒部１１３ｂの外径は、下流側配管１１７の内径より、所定のギャップ分ΔＲだけ小さい。すなわち、下流側配管１１７と、拡張部材１１３の円筒部１１３ｂとの間にはアニュラス状空間１１３ｓが形成されている。また、円筒部１１３ｂの先端の外側の縁は丸みを帯びた曲面状に形成されている。

可撓性部材１１５は、保持部１１５ａおよび円錐部１１５ｂを有する。保持部１１５ａは、上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６との間に配されて、圧縮部材１１４を介して、上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６とに挟まれる。円錐部１１５ｂは、荷重が作用しない状態では、円錐状であり、保持部１１５ａに接続されている。

圧縮部材１１４は、拡張部材１１３の押さえ部１１３ａと可撓性部材１１５の保持部１１５ａとの間に配された環状の部材である。圧縮部材１１４は、軸方向の荷重を変化させることにより軸方向の厚みを変更可能な部材である。圧縮部材１１４は、伸縮量が大きく、かつ内部流体の浸透性のない材料、たとえば、スポンジパッキンを用いることができる。

上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６は、複数のボルト１１８およびナット１１９により、結合している。また、圧縮部材１１４が伸縮する範囲で、上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６間の間隔を調整可能である。

上流側押さえ板１１２と拡張部材１１３の押さえ部１１３ａとの間、可撓性部材１１５の保持部１１５ａと下流側押さえ板１１６との間には、図示しないが、内部流体である保護気体の流出を防止するために、必要に応じて、それぞれガスケットあるいはパッキンを挿入しシール性を確保する。

流量調整機構１１０においては、可撓性部材１１５は、円錐部１１５ｂの先端をＺ軸方向にして流量調整機構１１０に組み込まれている。また、円錐部１１５ｂは、その先端近傍を除いて、下流側配管１１７と、拡張部材１１３の円筒部１１３ｂとの間のアニュラス状空間１１３ｓ内に配されている。このとき、円錐部１１５ｂは、拡張部材１１３の円筒部１１３ｂにより、内側から円錐部１１５ｂを主に周方向に広げようとする引張荷重を受ける。

径方向内側に拡張部材１１３が存在しない円錐部１１５ｂの先端に近い部分は、すなわち、下流側は、内側から主に周方向に広げようとする引張荷重を受けない、あるいは、引張荷重が小さいため、ほぼ、自然状態、すなわち円錐形状となっている。

図５は、第１の実施形態に係る流量調整機構の可撓性部材の構成例を示す展開図である。可撓性部材１１５は、弾性膜１１５ｃおよび弾性膜１１５ｃの一方の面に取り付けられた複数の弾性板１１５ｄを有する。

弾性膜１１５ｃは、扇状であり、径の小さい側は、円錐部１１５ｂに対応し、径の大きな側は保持部１１５ａに対応する。保持部１１５ａに対応する部分には、図５の破線で示すように切欠き部１１５ｆがあってもよい。弾性膜１１５ｃの材質は、たとえば、伸縮性のある樹脂、ゴムなどの、伸縮性に優れ、流体が漏れにくい材料である。

複数の弾性板１１５ｄのそれぞれは、互いに周方向に間隔を有しながら径方向に延びている。それぞれの弾性板１１５ｄは、面を弾性膜１１５ｃに密着する向きで弾性膜１１５ｃに取り付けられている。弾性板１１５ｄの取り付けは、たとえば、接着剤を用いた方法、あるいはさらに縫製などの機械的な接続法を用いることができる。

弾性板１１５ｄの材料は、通常の板バネの材料でよい。ただし、弾性板１１５ｄと拡張部材１１３のそれぞれの材質は、互いにかじりにくい組み合わせである必要がある。たとえば、弾性板１１５ｄが、ばね用ステンレス鋼帯である場合は、拡張部材１１３は、炭素鋼など、ステンレス鋼より硬い材料を用いる。また、拡張部材１１３の円筒部１１３ｂの外表面にクロムメッキ等を施してもよい。あるいは、弾性板１１５ｄの拡張部材１１３と接する可能性のある範囲にテフロン（登録商標）などを用いた含浸を施すなどをしてもよい。

弾性膜１１５ｃの周方向の２つの縁部１１５ｇおよび１１５ｈは、互いに接着されて可撓性部材１１５が形成される。ここで、接着は、接着剤を用いた方法、あるいは、溶融による方法などを用いることができる。

なお、図５では、可撓性部材１１５全体が展開すると扇形である場合を例にとって示したが、円錐部１１５ｂのみが、展開すると扇形であり、それに開口を有する円板状の保持部１１５ａが接続されることでもよい。あるいは、円錐部１１５ｂを円錐形状に限定せず先細の錐形の、先細錐部であればよい。また、アニュラス状空間１１３ｓ内に配され拡張部材１１３により径が拡大されることのない部分が存在する場合には、図示しないが、円錐部１１５ｂと保持部１１５ａの間にさらに円筒などの筒部を設け、保持部１１５ａの開口と円錐部１１５ｂとの間を円筒部で接続することでもよい。

図６は、流量調整機構の作用を説明する縦断面図である。図４に示す状態から、周方向に間隔を以て配された複数のボルト１１８とナット１１９とにより、上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６間を締め付けると、圧縮部材１１４の厚みが小さくなり、上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６の面間の寸法がｄ１からｄ２に減少する。

したがって、拡張部材１１３は、上流側押さえ板１１２に押されてＺ方向に移動し下流側押さえ板１１６側に近づく。このため、拡張部材１１３の円筒部１１３ｂは、軸方向に、可撓性部材１１５の円錐部１１５ｂの内側に入り込む。この結果、可撓性部材１１５の円錐部１１５ｂの先端を押し広げようとする力が増加し、先端の径は、ｒ１からｒ２に増加する。

以上のように、本実施形態においては、ボルト１１８とナット１１９の締付および緩めにより上流側押さえ板１１２と下流側押さえ板１１６の面間の寸法を変更することにより、可撓性部材１１５の円錐部１１５ｂの先端の径寸法を変化させることができる。この結果、流量を微細に調節することができる。

なお、以上のように流量調整機構１１０においては、上流側押さえ板１１２のＺ方向の高さ位置が変化する。この点については、流量調節機構１１０の入口にフレキシブルチューブなどの長手方向に長さが変化できる要素を設けるか、上流側配管１１１の引き回しで上流側配管１１１がフレキシブルに上流側押さえ板１１２の位置の変化に追従できるようにするなどの対策をすればよい。

以上、本実施形態に示したように、複雑な機構に拠らずに流体の流量を微細に調整することができる。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る流量調整機構の構成を示す縦断面図である。本第２の実施形態は第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態の流量調整機構１１０ａにおいては、上流側配管１１１と上流側押さえ板１１２との関係、下流側押さえ板１１６と下流側配管１１７との関係が第１の実施形態と異なる。その他の点では第１の実施形態と同様である。

まず、上流側押さえ板１１２の開口１１２ａが上流側配管１１１の内面と同径に形成されている。また、拡張部材１１３の押さえ部１１３ａの開口１１３ｈの径および円筒部１１３ｂの内径は、上流側配管１１１と同径である。

この結果、下流側押さえ板１１６の開口１１６ａの径は、上流側配管１１１の内径よりも大きくなる。このため、下流側配管１１７と下流側押さえ板１１６とを接続するために、下流側押さえ板１１６の開口と内径の等しい延長管１１６ｅを設け、さらに延長管１１６ｅと下流側配管１１７とをレデューサ１１６ｆで接続している。なお、下流側配管１１７の内径を上流側配管１１１の内径と等しくする必要が無い場合には、延長管１１６ｅをそのまま下流側配管１１７とすればよい。

本第２の実施形態によれば、可撓性部材１１５の円錐部１１５ｂに至る前には流路の内径は一定であるので、流れの乱れは少ない。この結果、円錐部１１５ｂによる絞りの効果がより大きくなり、さらに微細な流量調整が可能となる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る流量調整機構の構成を示す縦断面図である。

本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態における流量調整機構１１０ｂにおいては、圧縮部材１１４ａが、板バネである点が第１の実施形態とは異なる。その他の点では、第１の実施形態と同様である。

圧縮部材１１４ａは、断面がＵ字形の環状の、たとえば金属製のバネである。凸部を径方向内側に向けるように形成されている。ただし、凸部を径方向外側に向けた形状でもよい。圧縮部材１１４ａである板バネと拡張部材１１３の押さえ部１１３ａとの間、板バネと可撓性部材１１５の保持部１１５ａとの間のそれぞれ、あるいはいずれかにパッキンあるいはガスケットなどを設けてもよい。

本第３の実施形態による流量調整機構１１０ｂにおいては、ばねの剛性を確保することにより、よりシール性を高めることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態において、内圧防爆形回転電機は、横置き形の回転電機の場合を例にとって示したが、横置き形に限らない。すなわち、縦置き形の場合であってもよい。また、水冷方式の冷却器が設けられている場合を示したが、他の冷却方式の場合でもよい。また、冷却器が設けられておらず自然放熱による場合でもよい。

また、実施形態による内圧防爆形回転電機では、流量調整機構が気体を調整する場合を例にとって示したがこれには限定されない。たとえば、流体が液体の場合であってもよい。また、流量調整機構が、軸回りに回転対象である場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、拡張部材の円筒部１１３ｂに代えて円筒以外の筒状の筒部でもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第２の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせてもよい。

さらに、実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…結合部、１２…回転子鉄心、１８…ギャップ、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、５１…内扇、５２…ファンガイド、６０…冷却器、６１…冷却管、６２…冷却管フランジ、６３…冷却器カバー、６４…冷却器入口開口、６５…冷却器出口開口、７０…閉空間、８０…端子箱、１００…給気装置、１０１…給気弁、１０２…給気管、１０３ａ、１０３ｂ…接続フランジ、１１０、１１０ａ、１１０ｂ…流量調整機構、１１１…上流側配管、１１２…上流側押さえ板、１１２ａ…開口、１１３…拡張部材、１１３ａ…押さえ部、１１３ｂ…円筒部（筒部）、１１３ｈ…開口、１１３ｓ…アニュラス状空間、１１４、１１４ａ…圧縮部材、１１５…可撓性部材、１１５ａ…保持部、１１５ｂ…円錐部（先細錐部）、１１５ｃ…弾性膜、１１５ｄ…弾性板、１１５ｆ…切欠き部、１１５ｇ、１１５ｈ…縁部、１１６…下流側押さえ板、１１６ａ…開口、１１６ｅ…延長管、１１６ｆ…レデューサ、１１７…下流側配管、１１８…ボルト、１１９…ナット、１５０…排気装置、２００…内圧防爆形回転電機

Claims (5)

1. 流体の流量を制御する流量調整機構であって、
   上流側配管に接続され中央に流体が通過する開口が形成された上流側押さえ板と、
   下流側配管に接続され中央に流体が通過する開口が形成された下流側押さえ板と、
   前記上流側押さえ板と前記下流側押さえ板との間に配されて、前記上流側押さえ板と前記下流側押さえ板とに挟まれる保持部と、前記保持部の内側に接続された先端に開口を有する先細錐部と、を有する可撓性部材と、
   前記可撓性部材と前記上流側押さえ板との間に配されて、前記上流側押さえ板と前記下流側押さえ板とに挟まれる押さえ部と、前記可撓性部材の内側を軸方向に移動することにより径方向内側から前記可撓性部材を押圧して拡張する筒部と、を有する拡張部材と、
   前記拡張部材の押さえ部と前記可撓性部材の保持部との間に配されて、軸方向の厚みが変更可能な圧縮部材と、
   を備えることを特徴とする流量調整機構。
2. 前記圧縮部材の材料は、スポンジパッキンであることを特徴とする請求項１に記載の流量調整機構。
3. 前記圧縮部材は、環状の板バネであることを特徴とする請求項１に記載の流量調整機構。
4. 軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に設けられ軸方向に間隔をあけて径方向の流路が形成された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
   前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、
   前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する軸受と、
   前記軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの前記軸方向の端部に接続するとともに前記フレームと相俟って閉空間を形成する軸受ブラケットと、
   前記閉空間に保護気体を供給する経路となる給気装置と、
   前記閉空間内の保護気体を排出する経路となる排気装置と、
   を備える内圧防爆形回転電機であって、
   前記給気装置および前記排気装置の少なくともいずれかは、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の流量調整機構を有することを特徴とする内圧防爆形回転電機。
5. 冷却管を有する冷却器と、
   前記冷却器を収納し、前記フレーム、前記軸受ブラケットとともに閉空間を形成する冷却器カバーと、
   前記閉空間内で前記ロータシャフトに取り付けられて前記保護気体を駆動する内扇と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の内圧防爆形回転電機。

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