JP6658861B2

JP6658861B2 - 回転機械

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Publication number: JP6658861B2
Application number: JP2018503046A
Authority: JP
Inventors: 拓也小篠; 良介湯本
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: CN108700083B; JPWO2017150254A1; US20190055953A1; WO2017150254A1; US10975878B2; DE112017001096T5; DE112017001096B4; CN108700083A

Description

本開示は、回転するインペラを備えた回転機械に関するものである。

樹脂製のインペラを備えた回転機械が知られている。例えば、特許文献１に記載の回転機械では、インペラのハブ部にタービン軸を貫通し、このタービン軸の突出端にナットを螺合して締め付けることにより、インペラをタービン軸に取り付けている。

実開平１−１５８５２５号公報

しかしながら、従来の回転機械では、ナットで締結されるインペラが樹脂製である場合、時間の経過に伴ってインペラにクリープ変形が生じやすい。このため、仮に運転状況やナット締結力の大きさなどによって、インペラのクリープ変形が大きくなると、インペラを保持する締結力が低下して、インペラの回転が不安定となる可能性があった。

本開示は、樹脂製のインペラの回転を安定的に維持するのに好適な回転機械を説明する。

本開示の一態様は、回転する樹脂製のインペラと、インペラを貫通する回転軸と、回転軸に螺合する締結部と、を備え、回転軸は、インペラの内周面に対向する貫通軸部と、締結部に螺合される先端軸部と、締結部との間でインペラを挟持する締結受け部と、を備え、貫通軸部は、回転軸線に直交する断面の外形が、回転軸線を中心とした真円から外れた非円形部を備え、インペラは、非円形部に係合する連結部を備えている回転機械である。

本開示のいくつかの態様によれば、樹脂製のインペラの回転を安定的に維持するのに好適である。

図１は、本開示の実施形態に係る電動過給機の断面図である。図２は、図１中の回転軸の先端側である一部分を拡大して示す断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図であり、回転軸に取り付けられたインペラを、回転軸線に直交する面で切断した断面図である。図４は、回転軸に取り付けられるインペラを一部破断して示し、（ａ）図は分解斜視図、（ｂ）図は組立図である。図５は、本実施形態の変形例に係る回転軸、及び回転軸に取り付けられるインペラを一部破断して示し、（ａ）図は組み立てた状態を示す斜視図、（ｂ）図は回転軸の一部分を示す斜視図、（ｃ）図は、回転軸の非円形部とハブ部の非円周面部とを回転軸線に直交する断面で切断した端面図である。図６は、第１の参考形態に係る回転軸の先端側の一部分を示す断面図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面の端面図である。図８は、スリーブを示し、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は（ａ）図のｂ−ｂ線に沿った断面図である。図９は、第２の参考形態に係る回転軸の先端側の一部分を拡大して示す断面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿った断面の端面図である。

本態様では、回転軸が回転すると、貫通軸部の非円形部とインペラの連結部とが係合し、回転力が伝達される。つまり、インペラは、締結部のみならず、互いに係合する非円形部及び連結部からも回転力を受けることができる。この非円形部と連結部との係合は、回転軸の回転方向で互いに係り合う関係であり、締結部の締結によって生じるクリープ変形の影響を受けづらい。その結果、樹脂製のインペラにクリープ変形が生じても、回転軸からの回転力は、非円形部と連結部とを介してインペラに伝達されるので、樹脂製のインペラが空転することを防止し、回転を安定的に維持するのに好適であり、長寿命化に有利である。

いくつかの態様において、非円形部には、真円から外れた複数の係止部が設けられており、複数の係止部は、回転軸の周方向に等間隔で配置されており、連結部には、複数の係止部のそれぞれに係合する複数の係止受け部が設けられており、複数の係止受け部は、回転軸の周方向に等間隔で配置されている回転機械とすることができる。複数の係止部、及び複数の係止受け部を回転軸の周方向に等間隔で配置することにより、回転体としてのアンバランス量の増加を低減し、回転の偏心による振れ回り量の増大を防止する。その結果、インペラの回転を安定的に維持するのに好適である。

いくつかの態様において、インペラは、貫通軸部を囲むハブ部と、ハブ部の外周に設けられ、回転軸の周方向に沿って交互に配置された複数の長羽根部、及び複数の短羽根部とを備え、貫通軸部は、非円形部よりも締結受け部側に設けられ、外周がハブ部に接する円柱状の主円形部を備え、主円形部は、少なくともハブ部の締結受け部側の端部から短羽根部を超える位置まで延在している回転機械とすることができる。ハブ部の短羽根部が設けられた部分には、回転軸の周方向で交互となるように長羽根部も設けられており、短羽根部と長羽根部とが交互に設けられた部分は、ハブ部の基幹部分とも言える。そして、本態様に係る主円形部によれば、より確実にハブ部の基幹部分を支持でき、インペラの安定した回転を維持する上で有利である。

いくつかの態様において、貫通軸部は、非円形部よりも締結受け部側に設けられ、外周がインペラの内周面に対向する円柱状の主円形部を備え、連結部は主円形部から離間している回転機械とすることができる。締結部でインペラを回転軸に取り付けた際、インペラは、締結部と締結受け部との間で挟持された状態になる。本態様では、連結部が主円形部から離間しているので、実質的に連結部が主円形部に係合することはなく、インペラの挟持状態が安定して維持される。

いくつかの態様において、インペラは、締結部に当接する端面を有し、端面は、先端軸部の貫通軸部側の根本部分から離間している回転機械とすることができる。締結部は、先端軸部に螺合してインペラの端面に当接することでインペラを挟持している。本態様では、インペラの端面が先端軸部の貫通軸部側の根本部分から離間しているので、インペラの端面に当接する締結部が実質的に貫通軸部の係合を受け難く、インペラの安定した回転を維持する上で有利である。

本開示の一態様は、樹脂製のインペラと、樹脂製のインペラを貫通する回転軸と、回転軸に螺合してインペラを締結する締結部と、を備え、回転軸は、インペラとの回転方向における係合によって回転力をインペラに伝達する、回転機械である。本態様では、回転軸が回転するとインペラに係合し、回転力が伝達される。つまり、インペラは、締結部による締結力のみならず、回転軸との係合によっても回転力を受けることができ、樹脂製のインペラの回転を安定的に維持するのに好適である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、第１実施形態の電動過給機（回転機械）１について説明する。図１に示されるように、電動過給機１は、たとえば車両や船舶の内燃機関に適用されるものである。電動過給機１は、コンプレッサ７を備えている。電動過給機１は、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によってコンプレッサインペラ８を回転させ、空気等の流体を圧縮し、圧縮空気を発生させる。

電動過給機１は、ハウジング２内で回転可能に支持された回転軸１２と、回転軸１２の先端側に取り付けられたコンプレッサインペラ８とを備える。ハウジング２は、ロータ部１３およびステータ部１４を収納するモータハウジング３、モータハウジング３の背面側（図１における右側）の開口を閉鎖する端壁４、及びモータハウジング３の前面側（図１における左側）に取り付けられ、且つコンプレッサインペラ８を収納するコンプレッサハウジング６を備えている。コンプレッサハウジング６は、吸入口９と、スクロール部１０と、吐出口（図示省略）とを含んでいる。

コンプレッサインペラ８は、たとえば樹脂製または炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」という。ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）製であり、これによって軽量化が図られている。

ロータ部１３は、回転軸１２に固定されており、回転軸１２に取り付けられた１または複数の永久磁石（図示せず）を含む。ステータ部１４は、ロータ部１３を包囲するようにしてモータハウジング３の内面に固定されており、導線が巻回されてなるコイル部（図示せず）を含む。導線を通じてステータ部１４のコイル部に交流電流が流されると、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によって、回転軸１２とコンプレッサインペラ８とが一体になって回転する。コンプレッサインペラ８が回転すると、コンプレッサインペラ８は、吸入口９を通じて外部の空気を吸入し、スクロール部１０を通じて空気を圧縮し、吐出口から吐出する。吐出口から吐出された圧縮空気は、前述の内燃機関に供給される。

電動過給機１は、回転軸１２を回転可能に支持する前後一対の玉軸受２０Ａ，２０Ｂを備える。前側の玉軸受２０Ａは回転軸１２の先端側から挿入（例えば、圧入）され、後側の玉軸受２０Ｂは回転軸１２の基端側から挿入（例えば、圧入）され、それぞれ、所定位置に取り付けられている。回転軸１２は、一対の玉軸受２０Ａ，２０Ｂにより、両持ちで支持されている。玉軸受２０Ａ，２０Ｂは、例えば、グリース潤滑式のラジアル玉軸受である。より詳細には、玉軸受２０Ａ，２０Ｂは、深溝玉軸受であってもよく、アンギュラ玉軸受であってもよい。なお、玉軸受２０Ａ，２０Ｂは、回転軸１２に圧入された内輪２０ａと、複数の玉２０ｃを介して内輪２０ａに対して相対回転可能な外輪２０ｂとを含んでいる。

回転軸１２は、ロータ部１３が設けられた主軸部２１と、コンプレッサインペラ８が取り付けられたインペラ軸部２２と、主軸部２１とインペラ軸部２２との間に設けられ、前側の玉軸受２０Ａの位置決め機能を果たす締結受け部２５とを備えている。インペラ軸部２２には、コンプレッサインペラ８を貫通する貫通軸部２６と、コンプレッサインペラ８から突き出した雄ネジ部（先端軸部）２７とを備えている。雄ネジ部２７には、コンプレッサインペラ８を回転軸１２に取り付けるための締結ナット（締結部）３１が螺合する。コンプレッサインペラ８は、すきま嵌め、中間嵌め、または締り嵌め等により回転軸１２に装着されており、更に、雄ネジ部２７に螺合する締結ナット３１の締め付けにより、玉軸受２０Ａを介して締結受け部２５と締結ナット３１との間で挟持され、回転軸１２に取り付けられる。

貫通軸部２６（図２参照）は、コンプレッサインペラ８のハブ部４０の内周面４４に対向する円柱状の主円形部２６ａと、主円形部２６ａよりも雄ネジ部２７側に設けられた非円形部２６ｂとを備えている。主円形部２６ａにおける回転軸線Ｓに直交する断面の外形（図３参照）は、回転軸線Ｓを中心とした仮想の真円Ｃに沿った円形になっている。一方で、非円形部２６ｂにおける回転軸線Ｓに直交する断面の外形は、上述の仮想の真円Ｃから外れた非円形になっている。より詳細に説明すると、非円形部２６ｂ（図３参照）には、二面加工が施され、回転軸線Ｓを挟んで線対象となる位置に、互いに略平行となる一対の平面部２６ｃが設けられている。平面部２６ｃは、仮想の真円Ｃの一部を切り欠いたような外形となっている。一対の平面部２６ｃは回転軸１２の周方向Ｒに等間隔で配置された複数の係止部の一例である。

図２及び図４に示されるように、コンプレッサインペラ８は、貫通軸部２６を囲むハブ部４０と、ハブ部４０に設けられた複数の長羽根部４１、及び複数の短羽根部４２とを備えている。複数の長羽根部４１、及び複数の短羽根部４２は、回転軸１２の周方向Ｒに沿って交互に配置されている。ハブ部４０から立ち上がる長羽根部４１の根本と短羽根部４２の根本とを比較した場合、長羽根部４１の締結ナット３１側の端部４１ａは、短羽根部４２の締結ナット３１側の端部４２ａよりも締結ナット３１に近い位置となる。

なお、貫通軸部２６の主円形部２６ａは、少なくともハブ部４０の締結受け部２５側の後端面（端部）４５から短羽根部４２を超える位置まで延在している（図１参照）。この短羽根部４２を超える位置とは、主円形部２６ａの締結ナット３１側の端部が、回転軸線Ｓに沿った方向Ｘにおいて、短羽根部４２の締結ナット３１側の端部４２ａよりも、雄ネジ部２７に近い位置に配置されていることを意味する。これは、主円形部２６ａの締結ナット３１側の端部が、回転軸線Ｓに沿った方向Ｘにおいて、端部４２ａと雄ネジ部２７の間に位置することを含む。なお、本実施形態の主円形部２６ａは、ハブ部４０の後端面４５を超えて、締結受け部２５まで延びており、図１では、主円形部２６ａの回転軸線Ｓに沿った方向Ｘの寸法範囲をＤｘで示している。

ハブ部４０は、貫通軸部２６が貫通する円筒部４０ａに対して一体的に設けられて回転軸１２の径方向に広がる羽根基部４０ｂを備え、円筒部４０ａから羽根基部４０ｂにかけての連続する外周面４３に、長羽根部４１、及び短羽根部４２が設けられている。また、ハブ部４０は、回転軸１２が挿通する内周面４４、玉軸受２０Ａに接する後端面４５、及び締結ナット３１に当接する前端面４６を備えている。ハブ部４０の内周面４４は、本実施形態におけるインペラの内周面の一例である。

内周面４４には、貫通軸部２６（回転軸１２）の主円形部２６ａに対向する円周面部４４ａと、回転軸１２の非円形部２６ｂに対向する非円周面部（連結部）４４ｂとが設けられている。非円周面部４４ｂは、円周面部４４ａよりも前端面４６側に形成されている。なお、非円周面部４４ｂは、回転軸１２の非円形部２６ｂに係合しており、この係合とは、仮に両者の接触面に摩擦が発生しないとしても、非円周面部４４ｂが非円形部２６ｂに引っ掛かることで、非円形部２６ｂの回転が非円周面部４４ｂに伝達される構造を意味する。

非円周面部４４ｂ（図３参照）には、非円形部２６ｂの平面部２６ｃに接する平面受け部４４ｃが設けられている。より詳細に説明すると、非円周面部４４ｂには、回転軸線Ｓを挟んで線対象となる位置に、一対の平面部２６ｃのそれぞれに対向する一対の平面受け部４４ｃが設けられている。非円周面部４４ｂにおける回転軸線Ｓに直交する断面の外形は、回転軸線Ｓを中心とした仮想の真円Ｃ（図３中の二点鎖線）に対し、内側に膨らんだ一対の直線部分を有する略小判状であり、この一対の直線部分が一対の平面受け部４４ｃに相当する。一対の平面受け部４４ｃは、一対の平面部２６ｃに対応し、回転軸１２の周方向Ｒに等間隔で配置された複数の係止受け部の一例である。

ハブ部４０の後端面４５が玉軸受２０Ａに接した状態において、ハブ部４０の非円周面部４４ｂは回転軸１２の主円形部２６ａに対し、僅かな寸法ｄａだけ離間している（図２参照）。つまり、玉軸受２０Ａに当接する位置までハブ部４０を押し込む際、ハブ部４０の非円周面部４４ｂは回転軸１２の主円形部２６ａとは干渉せず、ハブ部４０の後端面４５が玉軸受２０Ａまで達するのを邪魔しない。その結果、コンプレッサインペラ８を回転軸１２に組み付ける際、コンプレッサインペラ８を奥まで（玉軸受２０Ａに当接する位置まで）押し込んで確実に設置できる。また、コンプレッサインペラ８を実際に回転させている状態においても、実質的にハブ部４０の非円周面部４４ｂが回転軸１２の主円形部２６ａに干渉することなく、コンプレッサインペラ８の挟持状態が安定して維持される。

また、ハブ部４０の前端面４６は、雄ネジ部２７の根本部分２７ａに対し、僅かな寸法ｄｂだけ離間するように設計されている。雄ネジ部２７の根本部分２７ａとは、貫通軸部２６と雄ネジ部２７との境界部分である。従って、締結ナット３１を雄ネジ部２７に螺合してコンプレッサインペラ８を締め付ける際、及び締め付けてコンプレッサインペラ８を取り付けた状態において、ハブ部４０の前端面４６は貫通軸部２６から離間した状態を維持される。

締結ナット３１は、雄ネジ部２７に螺合してハブ部４０の前端面４６に当接し、コンプレッサインペラ８を押し込んでいる。その結果、締結ナット３１は、玉軸受２０Ａを介し、締結受け部２５との間でコンプレッサインペラ８を挟持している。なお、本実施形態では、締結ナット３１と締結受け部２５との間で、玉軸受２０Ａを介して間接的にコンプレッサインペラ８を挟持しているが、回転軸１２を支持する軸受を別の場所に配置することにより、締結ナット３１と締結受け部２５との間で、直接的にコンプレッサインペラ８を挟持してもよい。また、締結ナット３１と雄ネジ部２７との螺合の向きは任意にすることができる。例えば、コンプレッサインペラ８の回転方向とは逆向きに螺子を形成し、螺合してもよい。コンプレッサインペラ８は、空気を送り出す運転時に、コンプレッサインペラ８の回転方向とは逆向きに流体力を受ける。したがって、例えば、回転方向に対して締結方向が逆向きになる螺子を形成すると、螺子が締まる方向にコンプレッサインペラ８への流体力が生じるため、インペラ締結力（保持力）の低下を防止することができる。

以上は基本例であるが、次に、回転軸１２の非円形部２６ｂ及びハブ部４０の非円周面部４４ｂの変形例について、図５を参照して説明する。図５は、回転軸、及び回転軸に取り付けられるコンプレッサインペラを一部破断して示し、（ａ）図は組み立てた状態を示す斜視図、（ｂ）図は回転軸の一部分を示す斜視図、（ｃ）図は、回転軸の非円形部とハブ部の非円周面部との連結箇所を、回転軸線に直交する断面で切断した端面図である。

本変形例では、真円Ｃから外れた一対の平面部（係止部）２６ｃが二組設けられており、各組の一対の平面部２６ｃは回転軸線Ｓを挟んで線対象となるように配置されている。すなわち、本変形例では、計四箇所に平面部２６ｃが設けられており、コンプレッサインペラ８のハブ部４０には、四箇所の平面部２６ｃに対応し、四箇所の平面受け部４４ｃが設けられている。四箇所の平面部２６ｃ及び四箇所の平面受け部４４ｃは、回転軸１２の周方向Ｒに等間隔で配置されている。

次に、上述の基本例及び変形例を含む実施形態に係る電動過給機１の作用、効果について説明する。例えば、樹脂製のインペラをナットの締結によって回転軸に取り付けられた従来の態様では、運転状況によってはインペラに対して持続的に高圧の締結力（軸力）が作用し、金属製のインペラと比べて、クリープ変形（クリープ歪ともいう）が生じやすい。また、樹脂の種類にもよるが、例えば樹脂製の部材を締結した場合のクリープ変形は、時間の経過に伴って徐々に大きくなり、所定の時間を超えると急激に増加する。このようなクリープ変形が大きくなると、ナットに緩みが生じて締結力が弱まり、その結果、インペラが空転する可能性がある。つまり、インペラは、運転時に回転方向に対して逆方向に流体力を受け、回転軸との相対位置が回転方向または径方向にずれる可能性がある。その結果、場合によって回転が不安定になる可能性、つまり、回転体としてのアンバランス量が増加し、回転の偏心によって振れ回り量が大きくなる可能性もある。

ここで、本実施形態では、回転軸１２が回転すると、貫通軸部２６の非円形部２６ｂとコンプレッサインペラ８は非円周面部４４ｂとが係合し、回転力が伝達される。つまり、コンプレッサインペラ８は、締結ナット３１のみならず、互いに係合する非円形部２６ｂ及び非円周面部からも回転力を受けることができる。この非円形部２６ｂと非円周面部４４ｂとの係合は、回転軸１２の回転方向で互いに係り合う関係であり、例えば、コンプレッサインペラ８に対し、回転軸線Ｓに沿った方向Ｘに生じるクリープ変形の影響を受けづらい。その結果、樹脂製のコンプレッサインペラ８にクリープ変形が生じても、回転軸１２からの回転力は、非円形部２６ｂ、及び非円周面部４４ｂを介してコンプレッサインペラ８に伝達されるので、樹脂製のコンプレッサインペラ８が空転することを防止し、回転を安定的に維持するのに好適であり、長寿命化に有利である。

また、非円形部２６ｂには、真円Ｃから外れた複数の平面部２６ｃが設けられており、複数の平面部２６ｃは、回転軸１２の周方向Ｒに等間隔で配置されている。例えば、本実施形態では、図３に示されるように、回転角が１８０°となる等間隔の二箇所に平面部２６ｃが形成されている。また、ハブ部４０の非円周面部４４ｂには、複数の平面部２６ｃそれぞれに接する複数の平面受け部４４ｃが設けられており、複数の平面受け部４４ｃは、回転軸１２の周方向Ｒに等間隔で配置されている。本実施形態では、図３に示されるように、例えば、回転角が１８０°となる等間隔の二箇所に平面受け部４４ｃが形成されている。複数の平面部２６ｃ、及び複数の平面受け部４４ｃを回転軸１２の周方向Ｒに等間隔で配置することにより、回転体としてのアンバランス量の増加を低減し、回転の偏心による振れ回り量の増大を防止する。その結果、コンプレッサインペラ８の回転を安定的に維持するのに好適である。

また、回転軸１２の貫通軸部２６における主円形部２６ａは、少なくともハブ部４０の後端面４５から短羽根部４２を超える位置まで延在している。ハブ部４０の短羽根部４２が設けられた部分には、回転軸１２の周方向Ｒで交互となるように長羽根部４１も設けられており、短羽根部４２と長羽根部４１との両方が交互に設けられた部分は、ハブ部４０の基幹部分とも言える。本実施形態によれば、ハブ部４０の基幹部分全体を円柱状の主円形部２６ａが支えることになる。その結果、主円形部２６ａによってハブ部４０の基幹部分をより確実に支持でき、コンプレッサインペラ８の安定した回転を維持する上で有利である。

また、ハブ部４０の非円周面部４４ｂは、回転軸１２の主円形部２６ａに対し、回転軸線Ｓに沿った方向Ｘにおいて離間するように設計されている。締結ナット３１でコンプレッサインペラ８を回転軸１２に取り付けた際、コンプレッサインペラ８は、締結ナット３１と締結受け部２５との間で挟持された状態になる。本実施形態では、非円周面部４４ｂが主円形部２６ａから離間しているので、実質的に非円周面部４４ｂが主円形部２６ａに干渉することはなく、コンプレッサインペラ８の挟持状態が安定して維持される。

また、ハブ部４０は、締結ナット３１に当接する前端面４６を有し、前端面４６は、雄ネジ部２７の貫通軸部２６側の根本部分２７ａから離間している。従って、締結ナット３１を締め付ける際、及び締め付けてコンプレッサインペラ８を取り付けた状態において、前端面４６に当接する締結ナット３１が貫通軸部２６から離間した状態を維持される。その結果、実質的に締結ナット３１が貫通軸部２６の干渉を受け難く、コンプレッサインペラ８の安定した回転を維持する上で有利である。またここで、ハブ部４０の非円周面部４４ｂと回転軸１２の主円形部２６ａとの離間量は、コンプレッサインペラ８が運転時にクリープ変形を生じても、当接しない距離にすることができる。例えば、数ｍｍ程度、離間するようにしてもよい。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、適宜に変形例を構成することも可能であり、後述の参考形態を適宜に組み合わせることも可能である。

例えば、回転軸の非円形部は、回転軸線を中心とした仮想の真円から外れ、少なくとも、インペラの連結部に接して回転力の伝達を受けることが可能であれば足りる。そのため、上述の実施形態及びその変形例に限定されず、回転軸線に直交する断面の形状が楕円形や多角形状、その他の不規則な形状でもよく、また、仮想の真円から外方に張り出したピン状の突起等を有する形状であってもよい。

また、本発明の構造は、樹脂製のインペラが締結部の締結により回転軸に取り付けられた、あらゆる回転機械に適用可能である。例えば、タービンを備えモータによって回転を補助するタイプの電動過給機に本発明を適用することもできるし、電動過給機以外の一般の過給機に適用することもできる。また、コンプレッサを備える回転機械に限られず、タービンによって発電を行う発電機に本発明を適用することもできる。

次に、図６、図７、及び図８を参照し、第１の参考形態に係る電動過給機（回転機械）１Ａについて説明する。図６は、第１の参考形態に係る回転軸の先端側の一部分を示す断面図、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面の端面図、図７はスリーブを示し、（ａ）図は側面図、（ｂ）図は（ａ）図のｂ−ｂ線に沿った断面図である。

上述したように、従来の回転機械では、ナットで回転軸に取り付けられるインペラが樹脂製であるため、金属製のインペラと比べて、時間の経過に伴ってインペラにクリープ変形が生じやすい。その結果、運転状況によっては、インペラが空転して、場合により、回転が不安定となる可能性があった。本参考形態に係る発明は、樹脂製のインペラの回転を安定的に維持するのに好適な回転機械を提供することを目的とする。

つまり、第１の参考形態は、流体を移送する電動過給機（回転機械）１Ａであって、回転によって流体を移送する樹脂製のコンプレッサインペラ（インペラ）８と、コンプレッサインペラ８を貫通する回転軸１２と、コンプレッサインペラ８と回転軸１２との間に配置されたスリーブ５０と、回転軸１２に螺合し、且つスリーブ５０の端部５１に圧着、つまり圧力がかかった状態で当接する締結ナット（締結部）３１と、を備えている。回転軸１２は締結受け部２５を備え、締結ナット（締結部）３１は締結受け部２５との間でスリーブ５０を挟持する。

スリーブ５０は、回転軸線Ｓに直交する断面の外形が、回転軸線Ｓを中心とした真円Ｃから外れた非円管部５３を備え、非円管部５３には、複数の孔部（係止受け部）５３ａが設けられている。また、コンプレッサインペラ８は、非円管部５３に係合する非円周面部４４ｄを備え、非円周面部４４ｄには、複数の孔部５３ａに嵌合する複数の係止突部（係止部）４４ｇが設けられている。本参考形態では、複数の孔部５３ａ、及び複数の係止突部４４ｇは、それぞれ回転軸１２の周方向Ｒに沿って等間隔で形成されている。

以下、第１の参考形態について、より詳しく説明するが、第１の参考形態に係る電動過給機１Ａは、上述の実施形態に係る電動過給機１と同様の要素や構造を備えている。従って、以下の説明では、相違点を中心に説明し、同様の要素や構造については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

電動過給機１Ａ（図１、及び図６参照）は、上述の実施形態同様、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によってコンプレッサインペラ８を回転させ、空気等の流体を圧縮し、圧縮空気を発生させる。電動過給機１Ａは、ハウジング２内で回転可能に支持された回転軸１２と、樹脂製のコンプレッサインペラ８に一体成形され、回転軸１２に装着されたスリーブ５０とを備える。

回転軸１２は、主軸部２１（図１参照）、インペラ軸部２２、及び締結受け部２５を備えている。インペラ軸部２２は、スリーブ５０に挿通された貫通軸部２６と、スリーブ５０から突き出した雄ネジ部（先端軸部）２７とを備えている。雄ネジ部２７には、締結ナット３１が螺合する。雄ネジ部２７に螺合した締結ナット３１はスリーブ５０に圧着、つまり圧力がかかった状態で当接する。その結果、スリーブ５０は、玉軸受２０Ａを介して締結受け部２５と締結ナット３１との間で挟持され、回転軸１２に取り付けられる。スリーブ５０はコンプレッサインペラ８に一体成形されているので、スリーブ５０を回転軸１２に取り付けることにより、結果的にコンプレッサインペラ８も回転軸１２に取り付けられる。

スリーブ５０は、クリープ変形の影響を受け難い炭素鋼などの金属製であり、射出成型時に樹脂製のコンプレッサインペラ８に一体成形される。スリーブ５０の両方の端部５１，５２は、フランジ状に張り出した肉厚部分であり、一方の端部５１は締結ナット３１に当接し、他方の端部５２は、締結受け部２５側である玉軸受２０Ａに当接する。また、スリーブ５０は、コンプレッサインペラ８のハブ部４０に内接する円筒状の円管部５４と、非円管部５３とを備えている。

円管部５４における回転軸線Ｓに直交する断面の外形（図７参照）は、回転軸線Ｓを中心とした仮想の真円Ｃ（図７の破線参照）に沿った円形になっている。一方で、非円管部５３における回転軸線Ｓに直交する断面の外形は、回転軸線Ｓを中心とした真円Ｃから外れている。より詳細には、非円管部５３には、一対（複数）の孔部５３ａが設けられており、一対の孔部５３ａは回転軸線Ｓを挟んで線対象となる位置に設けられている。本実施形態に係る孔部５３ａは、円形を想定しているが、孔部５３ａは、円形に限定されず、他の形状、例えば回転軸線Ｓに沿った長孔や複数のスリットであってもよく、また、貫通孔に限定されず、有底孔であってもよい。また、孔部５３ａは複数に限定されず、単数でも良いが、複数の場合、回転軸１２の周方向Ｒで等間隔に配置するのが望ましい。なお、本参考形態はスリーブ５０に孔部５３ａを設ける形態であり、これに対し、例えば、スリーブに突起などを設けたり、スリーブの筒状の本体部分を複雑な形状にしたりするなどの特殊な形態も想定できる。しかしながら、本参考形態のようにスリーブ５０に孔部５３ａを設ける場合、上記の特殊な形態に比べ、製造方法にもよるが、通常は加工性の向上に有利である。

コンプレッサインペラ８とスリーブ５０とを一体成形する結果、コンプレッサインペラ８のハブ部４０には、スリーブ５０の孔部５３ａに嵌合する複数の係止突部４４ｇが形成される。孔部５３ａに係止突部４４ｇが嵌合するように接することにより、スリーブ５０の回転に連動し、コンプレッサインペラ８が確実に回転することになる。

次に、本参考形態に係る電動過給機１Ａの作用、効果について説明する。例えば、樹脂製のインペラを直接、ナットの締結によって回転軸に取り付けた従来の態様では、運転条件によっては、インペラに対して持続的に高圧の締結力が作用し、クリープ変形（クリープ歪ともいう）が生じる可能性がある。また、樹脂の種類にもよるが、例えば樹脂製の部材を締結した場合のクリープ変形は、時間の経過に伴って徐々に大きくなり、所定の時間を超えると急激に増加する。このようなクリープ変形が大きくなると、ナットに緩みが生じて締結力が弱まり、その結果、インペラが空転する可能性がある。つまり、インペラは、運転時に回転方向に対して逆方向に流体力を受け、回転軸との相対位置が回転方向または径方向にずれる可能性がある。その結果、場合によって回転が不安定になる可能性、つまり、回転体としてのアンバランス量が増加し、回転の偏心によって振れ回り量が大きくなる可能性もある。

ここで、本参考形態では、締結ナット３１が樹脂製のコンプレッサインペラ８では無く、主としてスリーブ５０の端部５１に当接している。つまり、締結ナット３１の締結により、スリーブ５０が締結ナット３１と締結受け部２５との間で強固に挟持される。スリーブ５０は金属製であるため、締結ナット３１で強固に締め付けてもクリープ変形等への影響は、樹脂と比較して小さく、従って、回転軸１２の回転力は安定してスリーブ５０に伝達される。更に、スリーブ５０の回転力は、スリーブ５０の孔部５３ａとハブ部４０の係止突部４４ｇとが係り合うことにより、コンプレッサインペラ８に伝達される。また、孔部５３ａと係止突部４４ｇとの係り合いもクリープ変形等の影響を受けづらい。つまり、本参考形態に係る電動過給機１Ａによれば、樹脂製のコンプレッサインペラ８の回転を安定的に維持するのに好適であり、長寿命化に有利である。

なお、スリーブ５０の孔部５３ａは、係止受け部の一例であるが、係止受け部は、回転軸線Ｓを中心とした真円Ｃから外れた外形を備えた部分であれば足り、ピン状の突起などであってもよい。また、ハブ部４０の係止突部４４ｇは、係止受け部に対応する係止部の一例であるが、スリーブ５０の係止受け部がピン状の突起等である場合には、ピン状の突起等が嵌合する孔等であってもよい。

次に、図９、及び図１０を参照し、第２の参考形態に係る電動過給機１Ｂについて説明する。図９は、第２の参考形態に係る回転軸の先端側の一部分を拡大して示す断面図、図１０は、図９のＸ−Ｘ線に沿った断面の端面図である。

つまり、第２の参考形態は、流体を移送する電動過給機（回転機械）１Ｂであって、回転によって流体を移送する樹脂製のコンプレッサインペラ（インペラ）８と、コンプレッサインペラ８を貫通する回転軸１２と、回転軸１２に螺合する締結ナット（締結部）３１と、を備えている。回転軸１２は、コンプレッサインペラ８の内周面４４に対向する貫通軸部２６と、締結ナット３１に螺合される雄ネジ部（先端軸部）２７と、締結ナット３１との間でコンプレッサインペラ８を挟持する締結受け部２５（図１参照）と、を備えている。

コンプレッサインペラ８は、貫通軸部２６が貫通する円周面部４４ａと、雄ネジ部２７が貫通し、且つ締結ナット３１に当接している前端部４８と、を備えている。雄ネジ部２７の外径Ｌｂは、貫通軸部２６の外径Ｌａよりも小さく、前端部４８は、雄ネジ部２７の縮径に対応し、円周面部４４ａに比べて回転軸線Ｓ側である内方に張り出している。

以下、第２の参考形態について、より詳しく説明するが、第２の参考形態に係る電動過給機１Ｂは、上述の実施形態に係る電動過給機１と同様の要素や構造を備えている。従って、以下の説明では、相違点を中心に説明し、同様の要素や構造については、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。

電動過給機１Ｂ（図１、及び図９参照）は、上述の実施形態同様、ロータ部１３およびステータ部１４の相互作用によってコンプレッサインペラ８を回転させ、空気等の流体を圧縮し、圧縮空気を発生させる。電動過給機１Ｂは、ハウジング２内で回転可能に支持された回転軸１２と、樹脂製のコンプレッサインペラ８とを備える。

回転軸１２は、主軸部２１、インペラ軸部２２、及び締結受け部２５を備えている。インペラ軸部２２は、貫通軸部２６と、雄ネジ部（先端軸部）２７とを備えている。雄ネジ部２７の外径Ｌｂは、貫通軸部２６の外径Ｌａよりも小さく、後述の締結力のばらつきを低減できる程度であればよい。例えば、貫通軸部２６の外径Ｌａに対する雄ネジ部２７の外径Ｌｂの比率は、３対２程度以下である。また、インペラ軸部２２は、貫通軸部２６と雄ネジ部２７とを連絡するテーパ状の連結軸部２８を備える。連結軸部２８は、貫通軸部２６と雄ネジ部２７との間に設けられ、貫通軸部２６から雄ネジ部２７にかけて漸次縮径している。

コンプレッサインペラ８のハブ部４０は、貫通軸部２６が貫通する円周面部４４ａと、雄ネジ部２７が貫通する前端部４８と、を備えている。前端部４８には、雄ネジ部２７に螺合する締結ナット３１が圧着、つまり圧力がかかった状態で当接する。また、前端部４８は、円周面部４４ａに比べて、回転軸線Ｓ側である内方に張り出しており、更に、インペラ軸部２２の連結軸部２８に対応して、テーパ状の拡径孔部４４ｈが設けられている。締結ナット３１を締め付けてコンプレッサインペラ８を回転軸１２に取り付けた状態において、拡径孔部４４ｈは連結軸部２８から離間している。

雄ネジ部２７には、締結ナット３１が螺合する。雄ネジ部２７の外径Ｌｂは、貫通軸部２６の外径Ｌａよりも小さい。つまり、本参考形態に係る締結ナット３１は、貫通軸部２６と同径の雄ねじ部に螺合する締結ナットに比べて小さいサイズを用いている。

次に、本参考形態に係る電動過給機１Ｂの作用、効果について説明する。例えば、樹脂製のインペラを直接、ナットの締結によって回転軸に取り付けた従来の態様では、運転条件によっては、インペラに対して持続的に高圧の締結力が作用し、クリープ変形（クリープ歪ともいう）が生じる可能性がある。また、樹脂の種類にもよるが、例えば樹脂製の部材を締結した場合のクリープ変形は、時間の経過に伴って徐々に大きくなり、所定の時間を超えると急激に増加する。このようなクリープ変形が大きくなると、ナットに緩みが生じて締結力が弱まり、その結果、インペラが空転する可能性がある。つまり、インペラは、運転時に回転方向に対して逆方向に流体力を受け、回転軸との相対位置が回転方向または径方向にずれる可能性がある。その結果、場合によって回転が不安定になる可能性、つまり、回転体としてのアンバランス量が増加し、回転の偏心によって振れ回り量が大きくなる可能性もある。

ここで、本参考形態に係る雄ネジ部２７の外径Ｌｂは、貫通軸部２６の外径Ｌａよりも小さくなっている。雄ネジ部２７の小径化は、締結ナット３１の小径化に有利となり、締結ナット３１が小径化すれば発生軸力のばらつきが小さくなり、実質的にクリープ変形を抑えるのに有利に働く。具体的には、例えば、締結ナット３１をトルクレンチなどの所定の工具を用いてトルク法で締結する場合、締結トルク値のばらつきは、所定の締結トルク値が小さくなると、相対的に大きくなる。このため、雄ネジ部２７を小径化することで、所定の発生軸力に対して、相対的に締付トルク値を大きく設定することができ、締付トルク値のばらつきを低減して発生軸力のばらつきを小さくすることができる。一方で、回転軸全体を細く（小径化）して締結ナットを小型にしてしまうと、軸剛性が落ち、軸振動が大きくなってコンプレッサインペラ８の回転を安定的に維持するのに不向きとなる。つまり、本参考形態によれば、回転軸１２の全体では無く、先端側の一部分である雄ネジ部２７のみを縮径して、締結ナット３１を小型にするので、軸剛性を維持しつつ、樹脂製のコンプレッサインペラ８の回転を安定的に維持するのに好適となる。

更に、雄ネジ部２７が貫通する前端部４８は、円周面部４４ａに比べて回転軸線Ｓ側である内方に張り出している。つまり、内方への張り出しが無い態様に比べ、小径化した締結ナット３１がより大きな接触面積を確保して、前端部４８（ハブ部４０）に圧着、つまり圧力がかかった状態で当接することになる。その結果、締結ナット３１と締結受け部２５との間でコンプレッサインペラ８を強固に、且つ安定して挟持するのに有利である。

更に、本参考形態に係る回転軸１２は、貫通軸部２６と雄ネジ部２７との間に連結軸部２８を備え、コンプレッサインペラ８の前端部４８には、連結軸部２８に対応する拡径孔部４４ｈが設けられ、拡径孔部４４ｈは連結軸部２８から離間している。この離間により、コンプレッサインペラ８を回転軸１２に組み付ける際、前端部４８が貫通軸部２６に干渉することなく、コンプレッサインペラ８を奥まで（玉軸受２０Ａに当接する位置まで）押し込んで確実に設置できる。また、コンプレッサインペラ８を実際に回転させている状態においても、実質的にハブ部４０の前端部４８が回転軸１２の貫通軸部２６に干渉することなく、コンプレッサインペラ８の挟持状態が安定して維持される。またここで、ハブ部４０の拡径孔部４４ｈと回転軸１２の連結軸部２８との離間量は、コンプレッサインペラ８が運転時にクリープ変形を生じても、当接しない距離にすることができる。例えば、数ｍｍ程度、離間するようにしてもよい。

以上、第１の参考形態、及び第２の参考形態に付いて説明したが、これらの参考形態において説明を省略した技術内容は、矛盾の無い範囲において上述の実施形態と共通し、更に、上述の実施形態に記載されている技術的事項を利用して、適宜に変形例を構成することも可能である。

また、第１の参考形態、及び第２の参考形態に係る発明は、樹脂製のインペラが締結部の締結により回転軸に取り付けられた、あらゆる回転機械に適用可能である。例えば、タービンを備えモータによって回転を補助するタイプの電動過給機に本参考形態を適用することもできるし、電動過給機以外の一般の過給機に適用することもできる。また、コンプレッサを備える回転機械に限られず、タービンによって発電を行う発電機に本参考形態を適用することもできる。

１電動過給機（回転機械）
８コンプレッサインペラ
１２回転軸
２５締結受け部
２６貫通軸部
２６ａ主円形部
２６ｂ非円形部
２６ｃ平面部（係止部）
２７雄ネジ部（先端軸部）
２７ａ根本部分
３１締結ナット（締結部）
４０ハブ部
４１長羽根部
４２短羽根部
４３外周面（外周）
４４内周面（インペラの内周面）
４４ｂ非円周面部（連結部）
４４ｃ平面受け部（係止受け部）
４６前端面（端面）
Ｓ回転軸線
Ｃ真円
Ｒ回転軸の周方向

Claims

回転する樹脂製のインペラと、
前記インペラを貫通する回転軸と、
前記回転軸に螺合する締結部と、を備え、
前記回転軸は、前記インペラの内周面に対向する貫通軸部と、前記貫通軸部から突出して前記締結部に螺合される先端軸部と、前記締結部との間で前記インペラを挟持する締結受け部と、を備え、
前記貫通軸部は、回転軸線に直交する断面の外形が、前記回転軸線を中心とした真円から外れた非円形部を備え、
前記インペラは、前記非円形部に係合する連結部を備えており、
前記貫通軸部は、前記非円形部よりも前記締結受け部側に設けられ、外周が前記インペラの内周面に対向する円柱状の主円形部を備え、
前記連結部は前記主円形部から離間しており、
前記インペラは、前記貫通軸部を囲むハブ部と、前記ハブ部の外周に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って交互に配置された複数の長羽根部、及び複数の短羽根部とを備え、
前記貫通軸部は、前記非円形部よりも前記締結受け部側に設けられ、外周が前記ハブ部に接する円柱状の主円形部を備え、
前記主円形部は、少なくとも前記ハブ部の前記締結受け部側の端部から前記短羽根部を超えると共に、前記長羽根部を超えない位置まで延在している、回転機械。
前記非円形部には、前記真円から外れた複数の係止部が設けられており、
前記複数の係止部は、前記回転軸の周方向に等間隔で配置されており、
前記連結部には、前記複数の係止部のそれぞれに係合する複数の係止受け部が設けられており、
前記複数の係止受け部は、前記回転軸の周方向に等間隔で配置されている、請求項１記載の回転機械。
前記インペラは、前記貫通軸部を囲むハブ部と、前記ハブ部の外周に設けられ、前記回転軸の周方向に沿って交互に配置された複数の長羽根部、及び複数の短羽根部とを備え、
前記貫通軸部は、前記非円形部よりも前記締結受け部側に設けられ、外周が前記ハブ部に接する円柱状の主円形部を備え、
前記主円形部は、少なくとも前記ハブ部の前記締結受け部側の端部から前記短羽根部を超える位置まで延在している、請求項２記載の回転機械。
前記インペラは、前記締結部に当接する端面を有し、
前記端面は、前記先端軸部の前記貫通軸部側の根本部分から離間している、請求項１〜３のいずれか一項記載の回転機械。