JP6704456B2 - シャフト・ハブ結合 - Google Patents

Description

本発明は、特にシャフトへのロータホイールの結合のためのシャフト・ハブ結合に関する。

シャフト・ハブ結合は、従来技術から、たとえば非特許文献１から、多様な実施形態で知られている。

しかし公知のシャフト・ハブ結合は、小さい設計サイズ、高い力伝達・トルク伝達、高い強度という特性を兼ね備えてはいない。たとえば、スプラインシャフト結合は高いトルク伝達を有しているものの、軸方向力の伝達にはあまり適していない；そのためには、追加の軸方向の固定部をさらに設けなければならず、この固定部がさらに追加の設計スペースを必要とする。

教科書「Roloff/Matek 機械要素：標準化、計算、構成」、Vieweg + Teubner出版社

それに対して本発明によるシャフト・ハブ結合は、高い力伝達・トルク伝達と高い強度とを小さい設計サイズで有している。

そのためにシャフト・ハブ結合は、シャフトと、ハブと、充填材料とを有している。シャフトは端部に端部区域を有する。ハブには収容領域が配置されている。端部区域は、充填材料を介在させたうえで、収容領域に配置される。充填材料は、端部区域と収容領域に対してアンダーカットを軸方向と回転方向で構成し、それによりシャフト・ハブ結合が形状接合式に製作される。

形状接合式のアンダーカットにより、非常に高い力とトルクを伝達することができ、初期応力によって強度がマイナスの影響を受けることがない。さらにこの結合は、ハブの収容領域で省スペースに配置される；ねじなどの追加の機械要素がそれによって不要となる。シャフト・ハブ結合のアンダーカットはクリアランスなしに製作されるのが好ましく、それにより、力伝達・トルク伝達が損失や衝撃なしに行われる。このように、シャフト・ハブ結合の効率と耐用寿命も最大化される。

本発明によるシャフト・ハブ結合は、特に、ロータホイールをシャフトに組み付けるのに適しており、このときロータホイールがハブを形成する。ロータホイールの流動ジオメトリーは、ロータホイールの内部でのシャフト・ハブ結合の配置によって、これによる影響を受けない。

好ましい発展例では、端部区域は位置決め区域を有している。充填材料は、位置決め区域に構成された構造部とともに回転式のアンダーカットを形成する。回転式のアンダーカットは、そのようにして非常に高いトルク伝達の役目を果たす。この構造部は、シャフト・ハブ結合の高い強度を保証するために、比較的低い切欠き効果を有するように構成されるのが好ましい。

構造部は溝として軸方向に構成されるのが好ましい。このとき、複数の溝が円周にわたって配分されて配置されるのが好ましい。それにより特別に高く、均等でもあるトルク伝達がもたらされる。

好ましい実施形態では、端部区域は、位置決め区域に隣接する結合区域を有する。充填材料は、位置決め区域から結合区域への移行部とともに軸方向のアンダーカットを形成する。軸方向のアンダーカットにより、非常に高い軸方向力を伝達することができる。位置決め区域から結合区域への移行部は、シャフト・ハブ結合の高い強度を保証するために、比較的低い切欠き効果を有するように構成されるのが好ましい。

回転式のアンダーカットと軸方向のアンダーカットは、いずれもハブないしロータホイールの内部に配置されるのが非常に好ましい。それにより、シャフト・ハブ結合が非常に省スペースに製作される；それと同時に、シャフトおよび特にハブの外側ジオメトリーも、たとえばねじ止めなどの別途の結合技術による不都合な影響を受けることがない。

好ましい発展例では、収容領域は位置決め領域を有しており、充填材料は、位置決め領域に構成されたジオメトリーとともに別の回転式のアンダーカットを形成する。この別の回転式のアンダーカットは、そのようにして非常に高いトルク伝達の役目を果たす。このジオメトリーは、シャフト・ハブ結合の高い強度を保証するために、比較的低い切欠き効果を有するように構成されるのが好ましい。

このジオメトリーは、軸方向の貫通溝として構成されるのが好ましい。このとき、複数の貫通溝が円周にわたって配分されて配置されるのが好ましい。それにより特別に高く、均等でもあるトルク伝達がもたらされる。

好ましい実施形態では、位置決め領域は位置決め区域を外側で取り囲むように配置される。それにより、シャフトとハブの間のトルク伝達が最適化される；充填材料の不都合なトーションが、そのようにして防止される。

好ましい発展例では、位置決め区域の外径Ｄ_１１ａは位置決め領域の内径Ｄ_２１ａとちょうど同じ大きさである。それによって位置決め区域が位置決め領域と半径方向で協同作用し、それにより、ハブに対するシャフトの同軸のアライメントが実現される。

位置決め領域に少なくとも１つのアンダーカット面が構成されるのが好ましい。充填材料は、少なくとも１つのアンダーカット面とともに軸方向のアンダーカットを形成する。任意選択として、複数のアンダーカット面が設けられていてもよい。軸方向のアンダーカットは、充填材料がハブから引き出されるのを防止するように作用する；すなわち、アンダーカット面は収容領域の内部のほうを向いている。

好ましい発展例では、端部区域は、位置決め区域に隣接する結合区域と、これに接続する押除け区域とを有している。押除け区域には少なくとも１つの軸方向面が構成される。充填材料は、少なくとも１つの軸方向面とともに別の軸方向のアンダーカットを形成する。任意選択として、複数の軸方向面が設けられていてもよい。別の軸方向のアンダーカットは、充填材料からシャフトが引き出されるのを防止するように作用する；すなわち、軸方向面は収容領域の内部から外を向いている。

好ましい実施形態では、ハブに構成された端面が、シャフトに構成された肩部とシャフトの軸方向で協同作用する。それにより、シャフト・ハブ結合の組立中にハブへのシャフトの軸方向の突き当りが生じ、それにより、シャフトをハブに対して軸方向で一義的に位置決めすることができる。シャフト・ハブ結合の軸方向の許容差がそれによって最小化される。

充填材料は、自動的に、または温度作用のもとで硬化する注型材料できているのが好ましい。それにより、シャフト・ハブ結合の製造プロセスが非常に容易に実行される。

このとき、充填材料は接着剤またはエラストマーでできているのが好ましい。それによってシャフト・ハブ結合が良好な緩衝特性を有し、それに応じて、衝撃負荷を良好に減衰することができる。

本発明に基づく別の実施形態では、シャフト・ハブ結合はタービンで使用される。このときタービンは、シャフトに配置されたロータホイールを含んでいる。ロータホイールは、上に説明したシャフト・ハブ結合によってシャフトに配置される。このときロータホイールが、シャフト・ハブ結合のハブをなす。シャフト・ハブ結合のコンパクトな設計形態により、ロータホイールを非常に小さく施工することもでき、その際にロータホイールの流動ジオメトリーがマイナスの影響を受けることがない。

好ましい実施形態では、タービンは内燃機関の排熱回収システムの内部に配置される。排熱回収システムは、作動媒体を通す循環路を有している。この循環路は、作動媒体の流れ方向で見て、ポンプと、気化器と、バイパス弁と、膨張器と、凝縮器とを含んでいる。膨張器は、本発明に基づくシャフト・ハブ結合を有するタービンとして施工される。このような適用ケースについてはタービンの動作状態が非常に頻繁に変化し、それに伴ってロータホイールの回転数も変化する。シャフト・ハブ結合のクリアランスのない施工はそのために特別に良く適している。さらに、特に自動車分野での用途としては、排熱回収システムおよびこれに伴ってタービンの小さい設計サイズが必要であり、そのために、上に説明したシャフト・ハブ結合の実施形態が良く適している。

別の好ましい実施形態では、タービンは熱ポンプに配置される。熱ポンプは、凝縮器と、気化器と、タービンとを含んでおり、タービンのロータホイールが、気化器と凝縮器との間で圧縮機として作用する。小さい設計サイズと、高いトルクを伝達する能力とによって、本発明に基づくシャフト・ハブ結合は熱ポンプのために特別に良く適している。

別の好ましい実施形態では、タービンはマイクロガスタービンに配置されており、タービンのロータホイールは、マイクロガスタービンのタービン羽根車のための圧縮機として作用する。小さい設計サイズと、高いトルクを伝達する能力とによって、本発明に基づくシャフト・ハブ結合を有するタービンは、マイクロガスタービンの圧縮機として特別に良く適している。

別案として、ロータホイールはマイクロガスタービンのタービン羽根車として作用することもできる。

別の好ましい実施形態では、タービンは内燃機関に配置されており、タービンのロータホイールは、内燃機関に供給される燃焼空気を圧縮するための追加圧縮機として作用する。このような種類のロータホイールに対する要求事項は、小さい設計サイズ、高いトルク伝達、および高い強度である。したがって本発明によるシャフト・ハブ結合は、シャフトとロータホイールとの間の結合技術として非常に良く適している。

組立前のシャフト・ハブ結合の各構成要素を示す図であり、主要な領域だけが示されている。 組立状態のシャフト・ハブ結合を示す模式的な図である。 本発明によるシャフト・ハブ結合を組立状態で示す図であり、ハブはフェードアウトされている。 本発明によるシャフト・ハブ結合の別の実施形態を組立状態で示す図であり、ハブはフェードアウトされている。 シャフト・ハブ結合の充填材料を別の実施形態で示す縦断面図である。 排熱回収システムを示す模式的な図である。 熱ポンプを示す模式的な図である。 マイクロガスタービンを示す模式的な図である。 別のマイクロガスタービンを示す模式的な図である。 追加圧縮機を有する内燃機関を示す模式的な図である。

図１は、組立状態のときにシャフト・ハブ結合１へ接合されるロータホイールのシャフト１０とハブ２０、および充填材料３０を示している。ここで図１は、シャフト・ハブ結合１へ接合される前の両方のコンポーネントであるシャフト１０とハブ２０の状態、ならびに充填材料３０の状態を示している。本発明によると、充填材料３０はシャフト・ハブ結合１への接合プロセス中に大きく変形ないし可塑化され、それにより形状接合式の結合が成立する。それにより、非常に高い力とトルクを伝達することができ、それは、たとえば従来式のプレス結合や噛み合い結合ないしスプライン結合よりも高い。

図１の実施例では、充填材料３０はシャフト・ハブ結合１への接合中に、任意選択として充填材料３０の強力な加熱のもとで、大きく変形する。そのために充填材料３０はたとえばリング状に、ないしは中空円筒として構成されていてもよい。シャフト１０は３部分からなる端部区域１１を有しており、端部区域１１はシャフト１０の中央領域１９に比べて直径に関して縮小されている。ハブ２０は、ほぼ任意の複雑な切欠きの形態の収容領域２１を有している。図１の実施例では、収容領域２１は２部分で製作されている。

端部区域１１は、シャフト・ハブ結合１の組立状態のときに場合によっては充填材料３０を介在させながらハブ２０の収容領域２１と協同作用して、力とトルクを伝達するシャフト１０の領域である。

ハブ２０の内側ジオメトリー、すなわち収容領域２１のジオメトリー、およびシャフト１０の端部区域１１の外側ジオメトリーは、いずれも半径方向のジオメトリーと軸方向のジオメトリーとを有している。

収容領域２１は、位置決め領域２１ａとアンダーカット領域２１ｂとを有している。端部区域１１は、内側から外側に向かって、位置決め区域１１ａと、結合区域１１ｂと、押除け区域１１ｃとを有している。結合区域１１ｂと押除け区域１１ｃは、シャフト・ハブ結合１が組み立てられた最終状態にあるときにアンダーカット領域２１ｂに配置されるシャフト１０の領域である。位置決め区域１１ａは、好ましくは充填材料３０を介在させながら位置決め領域２１ａと形状接合式に協同作用して、その場合ハブ２０に対するシャフト１０の相互回転と相互摺動が防止されるようになっている。

ハブ２０に対してシャフト１０を軸方向で位置決めするために、シャフト１０ないしハブ２０には１組のストッパ面が構成されており、そこでは次の２通りの選択肢がある：

−ハブ２０に構成された端面２２が、シャフト１０に構成された肩部１２とシャフト１０の軸方向で協同作用する。このとき肩部１２は、端部区域１１からシャフト１０の中央領域１９への移行部にある端面側の面である。
−収容領域２１に構成された穴底面２３が、押除け区域１１ｃに構成された上面１３と協同作用する。このとき上面１３は押除け区域１１ｃの端面であり、すなわち、シャフト１０のもっとも外側の端面である。

１組のストッパ面が、すなわち端面２２／肩部１２または穴底面２３／上面１３が、組立中に接触したときに、ハブ２０に対してシャフト１０を軸方向で位置決めする。このときストッパ面、肩部１２と端面２２が利用されるのが好ましい。これらは充填材料３０を介在させることなく、互いに押し合わされるからである。

シャフト・ハブ結合１が接合されるとき、充填材料３０は特に端部区域１１によって押し除けられ、その場合結合区域１１ｂと押除け区域１１ｃの周りで環状に配置され、すなわち、いわば軸方向で位置決め区域１１ａと押除け区域１１ｃとの間に張り渡される。これに関しては図３を参照。

しかしながら充填材料３０は、端部区域１１と収容領域２１の間で、すなわち位置決め区域１１ａと位置決め領域２１ａの間でも、すべての中空スペースを充填するのが好ましい。これに関しては図２を参照。そのために端部区域１１は位置決め区域１１ａと中央区域１９との間に、さらに好ましくは円筒状の環状区域１１ｄを有しており、この環状区域が、端部区域１１と収容領域２１の間の中空スペースから充填材料３０が押し出されるのを防止する。

図１の実施例では、位置決め区域１１ａと押除け区域１１ｃはスプライン軸状に構成され、結合区域１１ｂは円筒状に構成されている。このとき、結合区域１１ｂの直径Ｄ_１１ｂは位置決め区域１１ａの外径Ｄ_１１ａよりも小さく、さらに、押除け区域１１ｃの外径Ｄ_１１ｃよりも小さいのが好ましい；それにより、充填材料３０に対するシャフト１０の軸方向のアンダーカットが生じる。

押除け区域１１ｃと結合区域１１ａは、製造コストを最小化するために、断面で見て同じジオメトリーを有するのが好ましい。このとき押除け区域１１ｃのジオメトリーは、組立中に位置決め領域２１ａの上で押除け区域１１ｃをスライドさせることができるように選択される。押除け区域１１ｃとアンダーカット領域２１ｂの間の中空スペースをできるだけ小さく抑えるのが好ましく、それにより、あまりに多くの充填材料３０をこの中空スペースへ充填しなくてよくなる。この中空スペースはシャフト・ハブ結合１の機能にとって、いくつかの実施形態では−特に比較的大きな軸方向力がないとき−副次的だからである。円筒状の押除け区域１１ｃを有する例を図４が示している。

図１の実施例では、位置決め区域１１ａは溝１１ａ１を有するスプライン軸状に構成されるのが好ましく、それは、これらの溝１１ａ１の中で充填材料３０の定着を実現するためである；それにより、回転式のアンダーカットが創出される。任意選択として、図１に示すように、押除け区域１１ｃも同じくこのような種類の溝１１ｃ１を有することができる。さらに位置決め領域２１ａは、同じく充填材料を定着させるために、ないしはさらに別の回転式のアンダーカットを創出するために、貫通溝２１ａ１を有している。

図１の実施形態では、アンダーカット領域２１ｂは直径Ｄ_２１ｂを有する円筒状に製作されており、Ｄ_２１ｂは位置決め領域２１ａの内径Ｄ_２１ａよりも大きい；それにより、アンダーカット領域２１ｂから位置決め領域２１ａへの移行部で、ハブ２０に対する充填材料３０のアンダーカットが生じる。

シャフト１０およびハブ２０に対する充填材料３０のそれぞれのアンダーカットは、ハブ２０からシャフト１０が引き出されるのを充填材料３０が妨げるように協同作用する。したがって、シャフト・ハブ結合１を解体することができるのは、充填材料３０が再び溶融された場合に限られる。

シャフト１０とハブ２０とないしロータホイール２０との間でのトルク伝達は、まず第１に、位置決め区域１１ａ、充填材料３０、および位置決め領域２１ａを介して行われる。充填材料は、シャフト１０の溝１１ａ１およびハブ２０の貫通溝２１ａ１の中に定着し、そのようにして、シャフト１０とハブ２０に対する形状接合を回転方向で形成する。図１の実施形態では、溝１１ａ１と貫通溝２１ａ１の個数がそれに応じて異なっていてもよい。

そして位置決め区域１１ａの外径Ｄ_１１ａは、位置決め領域２１ａの内径Ｄ_２１ａよりも大きくないのが好ましい。Ｄ_１１ａとＤ_２１ａは等しい大きさであるのが特別に好ましく、それにより外径Ｄ_１１ａと内径Ｄ_２１ａは、図５にも示すように、シャフト１０に対するハブ２０の同軸のアライメントを惹起するように協同作用する。

そのために位置決め区域１１ａに、厳密にはそれぞれの溝１１ａ１の間の歯に、全体として切欠きのある直径Ｄ_１１ａの円筒状の面を生じさせる外面１１ａ２が構成されている。これと同様に位置決め領域２１ａに、厳密にはそれぞれの貫通溝２１ａ１の間の歯に、全体として切欠きのある直径Ｄ_２１ａの円筒状の面を生じさせる内面２１ａ２が構成されている。製造公差の枠内において、この実施形態ではシャフト１０とハブ２０の同軸の位置決めのためにＤ_１１ａ＝Ｄ_２１ａである。このとき、外面１１ａ２と内面２１ａ２の数は等しい大きさであるのが好ましい。

図１の実施形態の発展例では、位置決め区域１１ａと位置決め領域２１ａは、−場合により充填材料３０を介在させながら−スプライン軸結合を構成するように構成されていてもよい。その場合、位置決め領域２１ａは、製造公差と嵌め合い公差の枠内において、位置決め区域１１ａの雌型を有する。それに応じてこの実施形態では、位置決め区域１１ａの外径Ｄ_１１ａは、位置決め領域２１ａの内径Ｄ_２１ａよりも大きい。

シャフト１０は、充填材料３０を介して、ハブ２０と軸方向でクリアランスなしに固定されるのが好ましい。その場合、軸方向の力の流れは１組のストッパ面−すなわち端面２２／肩部１２または穴底面２３／上面１３−を介して、および充填材料３０の軸方向のアンダーカットを介して、収容領域２１および端部区域１１へと作用する；そのために押除け区域１１ｃに−および任意選択として位置決め区域１１ａに−、軸方向面１１ａ３，１１ｃ３が好ましくは溝１１ａ１，１１ｃ１の端面として構成される。さらに位置決め領域２１ａにも、同じく軸方向面がアンダーカット面２１ａ３として、好ましくは貫通溝２１ａ１の端面として構成される。

このように、軸方向で複数のアンダーカットが構成される：
−充填材料３０と、位置決め領域２１ａのアンダーカット面２１ａ３との間の軸方向のアンダーカット。これはハブ２０からの充填材料３０の引き出しを防止する。
−充填材料３０と、位置決め区域１１ａの軸方向面１１ａ３との間の任意選択の軸方向のアンダーカット。
−充填材料３０と、押除け区域１１ｃの軸方向面１１ｃ３との間の別の軸方向のアンダーカット。これは充填材料３０からのシャフト１０の引き出しを防止する。

アンダーカット領域２１ｂ、結合区域１１ｂ、押除け区域１１ｃ、位置決め領域２１ａ、位置決め区域１１ａ、および充填材料３０の寸法設定は、シャフト・ハブ結合１の組立後に高い充填度を実現することができるように、相互に調整されていなければならない。充填材料３０は、たとえば組立中に（たとえば誘導による）加熱によって溶融し、ハブ２０へのシャフト１０の接合によりアンダーカット領域２１ｂへ押し込まれる金属であってよい。

あるいは別案として充填材料３０は、液体の形態で充填され、次いで組立時にアンダーカット領域２１ｂおよび場合により位置決め領域２１ａに配分されて、引き続き硬化する二成分接着剤であってもよい。このとき硬化は自動的に行われるのが好ましい。同様に、エラストマーや種々のグラニュールのようなその他の材料も充填材料３０として利用することができる。充填材料３０としてエラストマーが利用されると、シャフト・ハブ結合１は高い緩衝度を有する。充填材料３０としてグラニュールが利用されるときは、場合により、充填材料３０が最終硬度に達するようにするために、組み立てられたシャフト・ハブ結合１の熱処理が実行される。

上方から収容領域２１へのシャフト１０の組立方向が有意義に提供されるのは、充填材料３０が重力に基づいて収容領域２１から外に出ないようにするためである。組立中に端部区域１１と収容領域２１の間の中空スペースから押し除けられるべき空気は、相応に構成された通路を通って逃がすことができる。充填材料３０は、特別な環境条件に合わせて、特に熱機械的な負荷に合わせて、設計されなければならない。

図２は、シャフト・ハブ結合１を組み立てられた、ないしは接合された状態で示している。充填材料３０はその最終コンフィギュレーションに達しており、収容領域２１と端部区域１１の間の中空スペースを充填する。このとき充填材料３０は結合区域１１ｂを取り囲むように配置され、そのようにして、形状接合式の結合を軸方向で具体化する、シャフト１０とハブ２０に対するアンダーカットを生成する。さらに充填材料３０は、位置決め区域１１ａと押除け区域１１ｃも取り囲む。

１つの実施形態では、充填材料３０が位置決め区域１１ａと位置決め領域２１ａの間のクリアランス領域を充填することにより、位置決め区域１１ａと位置決め領域２１ａの間のスプライン軸結合を介してトルク伝達がクリアランスなしに行われる。

別の実施形態では充填材料３０は、充填材料３０が回転方向でシャフト１０とハブ２０の間に形状接合を生成するように溝１１ａ１および貫通溝２１ａ１を充填し、その場合この形状接合もクリアランスフリーとなる。

これら両方の実施形態において、シャフト・ハブ結合１がそれに伴って非常に高い剛性で施工される。さらに、このようにしてシャフト１０とハブ２０の間でねじ結合が不要となる。ハブ２０がタービンのロータホイール２０として構成されるとき、軸方向で収容領域に向かい合うように配置されるロータホイール２０のホイールハブ２９を流体工学的に最適化して構成することができ、その際にねじ止めを考慮に入れる必要がない。

図３は、本発明によるシャフト・ハブ結合１を組立状態で示しており、ハブ２０ないしロータホイール２０はフェードアウトされている。充填材料３０はシャフト１０の結合区域１１ｂを環状に取り囲むように配置されている。それにより、フェードアウトされているハブ２０の位置決め領域２１ａのジオメトリーに対して軸方向の形状接合が生成される。

シャフト・ハブ結合１の大半の実施例において、充填材料３０は押除け区域１１ｃおよび任意選択として位置決め区域１１ａも環状に取り囲むように配置される。しかしながら図示の都合上、そのことはこの図３には描き込まれていない。

図４は、本発明によるシャフト・ハブ結合１の別の実施例を組立状態で示しており、ハブ２０はフェードアウトされている。図３の実施形態とは異なり、押除け区域１１ｃは円筒状に製作されており、充填材料３０は位置決め区域１１ａを部分的に取り囲むように配置される。

図５は、プレスされた状態ないし組み付けられた状態の充填材料の縦断面図を示している。この実施形態では、位置決め区域１１ａの外径Ｄ_１１ａと位置決め領域２１ａの内径Ｄ_２１ａが等しい大きさである。それにより、位置決め領域２１ａの内面２１ａ２が位置決め区域１１ａの外面１１ａ２と協同作用し、そのようにしてシャフト１０に対して同軸にハブ２０をアライメントする。

図６は排熱回収システム１００を示している。排熱回収システム１００は作動媒体を通す循環路１００ａを有しており、この循環路は、作動媒体の流動方向で見て、ポンプ１０２と、気化器１０３と、バイパス弁１０４ａと、膨張器１０４と、凝縮器１０５とを含んでいる。集合容器１０１がバルブ構造１０１ａを介して循環路１００ａに接続されている；別案として、集合容器が循環路１００ａに組み込まれていてもよい。

液体の作動媒体はポンプ１０２によって循環路１００ａから、ないしは集合容器１０１から気化器１０３へと運ばれ、そこで内燃機関の排ガスの熱エネルギーによって気化する。気化した作動媒体は、次いで膨張器１０４で、たとえば図示されていない発電機や図示されていない伝動装置へ機械エネルギーを放出しながら膨張する。次いで、作動媒体は凝縮器１０５で再び液化して、集合容器１０１へと戻る。

任意選択として、バイパス配管１０６が膨張器１０４と並列に配置される。内燃機関の動作状態やその帰結として生じる作動媒体の温度などの量に応じて、作動媒体はバイパス弁１０４ａを通って膨張器１０４に供給されるか、または、バイパス配管１０６を通って膨張器のそばを通過する。たとえば温度センサ１０７が凝縮器１０５の前に配置される。温度センサ１０７は作動媒体の温度を凝縮器１０５の前で判定し、相応の信号を図示されていない制御装置に伝送する。制御装置は、たとえば凝縮器１０５の前の作動媒体の温度などのさまざまなデータに依存して、バイパス弁１０４ａを制御する。

本発明によると膨張器１０４はタービンとして構成され、シャフト・ハブ結合１によってシャフト１０に取り付けられたロータホイール２０を含んでおり、シャフト１０はこの実施形態では従動シャフトとして作用する。

図７は、熱ポンプ７０のタービン７５での本発明によるシャフト・ハブ結合１の用途を模式的に示しており、タービン７５は圧縮機として作動する。熱ポンプ７０は、凝縮器７１と、気化器７２と、スロットル７３ないし膨張弁と、タービン７５とを含む作動媒体循環路７７を有している。

気化器７２は、その前は液体である作動媒体を気化させ、次いで、この作動媒体がタービン７５のロータホイール２０により圧縮されて、凝縮器７１に供給される。たとえば家屋の暖房システムなどへ熱エネルギーを放出しながら、作動媒体が凝縮器７１で再び液化する。次いで、作動媒体がスロットル７３で、または膨張弁を介して膨張し、再び気化器７２へ供給される。

本発明によると、タービン７５のロータホイール２０が上述したシャフト・ハブ結合１によってシャフト１０に取り付けられ、この実施形態ではシャフト１０は駆動シャフトとして作用する。

図８は、タービン８９での本発明によるシャフト・ハブ結合１の用途を模式的に示しており、タービン８９は圧縮機として作動する。マイクロガスタービン８０は、タービン羽根車８１とタービン８９とを有する。タービン羽根車８１は、タービン８９のロータホイール２０と同じくシャフト１０に配置される。燃焼空気８５がタービン８９で圧縮されて、マイクロガスタービン８０の燃焼室８２に供給される。

燃焼室８２では燃焼空気８５が燃料８６と混合されて点火され、そのようにしてタービン羽根車８１が駆動される。高温の膨張した排ガス８７が生じる。次いで、図示されていない伝熱式熱交換機で排ガス８７が冷却され、それと同時に燃焼空気８５が予加熱される。タービン羽根車８１がシャフト１０を駆動し、これとともにタービン８９のロータホイール２０も駆動する。

本発明によると、タービン８９のロータホイール２０および／またはタービン羽根車８１は上述したシャフト・ハブ結合１によってシャフト１０に取り付けられる。

図９は、タービン９１での本発明によるシャフト・ハブ結合１の別の用途を模式的に示している。マイクロガスタービン９０は、ロータホイール２０を備えるタービン９１と、圧縮機羽根車９３と、燃焼室９２とを有している。

タービン９１のロータホイール２０は、場合により圧縮機羽根車９３と同じくシャフト１０に配置される。燃焼空気９５が圧縮機で圧縮機羽根車９３により圧縮されて、マイクロガスタービン９０の燃焼室９２に供給される。燃焼室９２では燃焼空気９５が燃料９６と混合されて点火され、そのようにして、タービン９１のロータホイール２０が駆動される。高温の膨張した排ガス９７が生じる。タービン９１のロータホイールがシャフト１０を駆動し、それによってひいては圧縮機羽根車９３も駆動される。

本発明によると、タービン９１のロータホイール２０および／または圧縮機羽根車９３は上述したシャフト・ハブ結合１によってシャフト４１に取り付けられる。

図１０は、内燃機関６１の追加圧縮機としての、ロータホイール２０を有するタービン６２の配置を模式的に示している。

燃焼空気６５が吸込配管６６を介してタービン６２へ供給され、そこでロータホイール２０により圧縮される。圧縮された燃焼空気６５は圧力配管６７を介して内燃機関６１へ供給される。内燃機関６１での燃焼プロセスの後、排ガスが排ガス管６８を通して排出される。排ガス管６８の高温の排ガスを、別の実施形態では、吸込配管６６での燃焼空気の予加熱のために利用することもできる。

本発明によると、タービン６２のロータホイール２０は、上に説明したシャフト・ハブ結合１によってシャフト１０ないし駆動シャフトに取り付けられる。

本発明によるシャフト・ハブ結合１の機能形態は次のとおりである：

充填材料３０は、円周方向でも軸方向でも、シャフト１０とハブ２０の間にアンダーカットを生成する。これらのアンダーカットはクリアランスフリーであるのが好ましく、それにより、シャフト１０とハブ２０の間で力とトルクを効率的に伝達することができる。

このようなシャフト・ハブ結合１は、特に、たとえば小型のタービン６２，７５，８９，９１のような比較的小型の設計形態に適しており、このときタービン６２，７５，８９，９１のロータホイール２０はシャフト・ハブ結合１によって相応のシャフト１０に取り付けられる。

特にロータホイール２０の小型の設計サイズの場合、シャフト１０へのねじ結合は設計スペースの欠如のためにほぼ不可能である。さらに、他ならぬ小型の設計サイズの場合には流れを促進するホイールハブ２９の構成に大きな利点があるが、このことは、ねじ結合によっては最善に実現することができない。

シャフト１０の両方の端部にロータホイール２０を取り付けなければならない特別な利用ケースでは、第２のロータホイール２０の組付時に、相応の初期応力ないし締付トルクを有するねじ結合を生成するために、シャフト１０と第１のロータホイール２０からなる複合体の固定が必要になるという追加の問題が生じることになる。第１のロータホイール２０の固定は、繊細な構造に基づいてほぼ不可能であり、ないしは非常に不都合である。このことは、ロータホイール２０の変形ないし損傷につながるからである。ロータホイール２０のジオメトリーは、特に小型の設計サイズの場合、組立のための応力をかけるのにあまり適していない。

それに対して本発明によるシャフト・ハブ結合１は、シャフト１０とロータホイール２０との結合部をハブ２０ないしロータホイール２０の中へと移す。このとき追加の材料（たとえば融点の低い材料、注型材料、接着剤、エラストマー）、すなわち充填材料３０が、たとえば外部の熱源によって溶融されて、あるいは液体の形態で充填されて、シャフト１０の端部区域１１がハブ２０へ接合されることによって相応の中空スペースに押し入れられ、それにより、半径方向と軸方向で形状接合式の結合が、シャフト１０の端部区域１１とハブ２０の収容領域２１との間に生じる。

溶融される充填材料３０のケースでは、充填材料が引き続いて再び硬化される；エラストマーや種々のグラニュールのようなその他の充填材料３０は、接合プロセス後の熱処理によって最終強度ないし最終コンフィギュレーションに−場合により化学反応の後に−される。

このように生成されるシャフト・ハブ結合１の利点は次のとおりである：
・シャフト１０とハブ２０の間の半径方向と軸方向の同時の形状接合、
・低コストな結合、
・ハブ２０に対するシャフト１０の半径方向と軸方向の位置決めにあたっての高い精度、
・従来の結合技術に比べて明らかな設計スペース削減、
・ホイール取込部ジオメトリーないしホイールハブ２９を流動案内に関して最善に構成することができる、
・適用ケースに応じた潜在的な充填材料３０の幅広い選択、
・特別な充填材料３０により、たとえば緩衝などの他の機能を実現することさえ可能である。

１ シャフト・ハブ結合
１０ シャフト
１１ 端部区域
１１ａ 位置決め区域
１１ａ１ 溝
１１ｂ 結合区域
１１ｃ 押除け区域
１１ｃ３ 軸方向面
１２ 肩部
２０ ハブ、ロータホイール
２１ 収容領域
２１ａ 位置決め領域
２１ａ１ 貫通溝
２１ａ３ アンダーカット面
２２ 端面
３０ 充填材料
６２，７５，８９，９１ タービン
６１ 内燃機関
６５ 燃焼空気
７０ 熱ポンプ
７１ 凝縮器
７２ 気化器
８０，９０ マイクロガスタービン
１００ 排熱回収システム
１００ａ 循環路
１０２ ポンプ
１０３ 気化器
１０４ 膨張器
１０４ａ バイパス弁
１０５ 凝縮器
Ｄ_１１ａ 外径
Ｄ_２１ａ 内径

Claims (14)

1. シャフト（１０）にロータホイールを組み付けるためのシャフト・ハブ結合（１）であって、前記シャフト・ハブ結合（１）は、シャフト（１０）と、ハブ（２０）と、充填材料（３０）とを有しており、前記シャフト（１０）は端部に端部区域（１１）を含んでおり、前記ハブ（２０）には収容領域（２１）が配置されているシャフト・ハブ結合において、
   前記端部区域（１１）は前記充填材料（３０）を介在させたうえで前記収容領域（２１）に配置されており、前記充填材料（３０）は前記端部区域（１１）および前記収容領域（２１）に対してアンダーカットを軸方向と回転方向で構成し、それにより前記シャフト・ハブ結合（１）が形状接合式に製作され、
   前記端部区域（１１）は位置決め区域（１１ａ）を有し、
   前記収容領域（２１）は位置決め領域（２１ａ）を有し、
   前記位置決め区域（１１ａ）の外面（１１ａ２）までの外径（Ｄ１１ａ）は、前記位置決め領域（２１ａ）の内面（２１ａ２）までの内径（Ｄ２１ａ）と同じ大きさである
   ことを特徴とするシャフト・ハブ結合。
2. 前記端部区域（１１）は位置決め区域（１１ａ）を有しており、前記充填材料（３０）は前記位置決め区域（１１ａ）に構成される構造部とともに回転式のアンダーカットを形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
3. 前記収容領域（２１）は位置決め領域（２１ａ）を有しており、前記充填材料（３０）は前記位置決め領域（２１ａ）に構成されるジオメトリーとともに別の回転式のアンダーカットを形成する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
4. 前記位置決め領域（２１ａ）は前記位置決め区域（１１ａ）を外側で取り囲むように配置される
   ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
5. 前記位置決め領域（２１ａ）に少なくとも１つのアンダーカット面（２１ａ３）が構成されており、前記充填材料（３０）は少なくとも１つの前記アンダーカット面（２１ａ３）とともに軸方向のアンダーカットを形成する
   ことを特徴とする請求項３または４に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
6. 前記端部区域（１１）は、前記位置決め区域（１１ａ）に隣接する結合区域（１１ｂ）と、これに接続する押除け区域（１１ｃ）とを有しており、前記押除け区域（１１ｃ）には少なくとも１つの軸方向面（１１ｃ３）が構成されており、前記充填材料（３０）は少なくとも１つの前記軸方向面（１１ｃ３）とともに別の軸方向のアンダーカットを形成する
   ことを特徴とする請求項５に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
7. 前記ハブ（２０）に構成された端面（２２）が前記シャフト（１０）に構成された肩部（１２）と前記シャフト（１０）の軸方向で協同作用する
   ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
8. 前記充填材料（３０）は注型材料でできている
   ことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載のシャフト・ハブ結合（１）。
9. シャフト（１０）に配置されたロータホイール（２０）を有するタービン（６２，７５，８９，９１）において、前記ロータホイール（２０）が請求項１から８の何れか１項に記載のシャフト・ハブ結合（１）によって前記シャフト（１０）に配置されている
   ことを特徴とするタービン。
10. 作動媒体を通す循環路（１００ａ）を有する排熱回収システム（１００）において、前記循環路（１００ａ）は、前記作動媒体の流れ方向で見て、ポンプ（１０２）と、気化器（１０３）と、バイパス弁（１０４ａ）と、膨張器（１０４）と、凝縮器（１０５）とを含んでおり、前記膨張器（１０４）が請求項９に記載のタービンとして構成されている排熱回収システム。
11. 凝縮器（７１）と、気化器（７２）と、請求項９に記載のタービン（７５）とを有する熱ポンプ（７０）において、前記ロータホイール（２０）が気化器と凝縮器との間で圧縮機として作用する熱ポンプ。
12. 請求項９に記載のタービン（８９）を有するマイクロガスタービン（８０）において、前記ロータホイール（２０）が前記マイクロガスタービンのタービン羽根車のための圧縮機として作用するマイクロガスタービン。
13. 請求項９に記載のタービン（９１）を有するマイクロガスタービン（９０）において、前記ロータホイールが前記マイクロガスタービン（９０）のタービン羽根車として作用するマイクロガスタービン。
14. 請求項９に記載のタービンを有する内燃機関（６１）において、前記内燃機関（６１）に供給される燃焼空気（６５）を圧縮するための追加圧縮機として前記ロータホイール（２０）が作用する内燃機関。
    

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