JP6782430B2 - ターボ機械 - Google Patents

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Description

本開示は、ターボ機械に関する。
従来、ターボ機械は、翼車の両面に生じる差圧に伴う軸方向荷重（スラスト荷重）を支持するスラスト軸受と、半径方向荷重（ラジアル荷重）を支持するラジアル軸受とをそれぞれ個別に備えている。また、ターボ機械は、スラスト荷重及びラジアル荷重を支持するアンギュラ玉軸受を備えていることもある。また、回転軸の軸受として、テーパー状の軸受が知られている。
特許文献１には、図３に示す通り、空気軸受装置５００が記載されている。空気軸受装置５００は、回転軸５０１、軸受部材５０３、軸受部材５０４、空気軸受５０６、空気軸受５０７、流路５０８、及び流路５０９を備えている。空気軸受５０６は、回転軸５０１と軸受部材５０３との間に形成されている。空気軸受５０７は、回転軸５０１と軸受部材５０４との間に形成されている。軸受部材５０３に流路５０８が設けられており、軸受部材５０４に流路５０９が設けられている。流路５０８から空気軸受５０６に加圧空気が供給される。また、流路５０９から空気軸受５０７に加圧空気が供給される。空気軸受５０６及び空気軸受５０７は、テーパー状に形成され、空気軸受５０６の大径側及び空気軸受５０７の大径側が互いに向かい合っている。
軸受部材５０３の軸受面には圧力センサ５１５が設けられている。圧力センサ５１５は、空気軸受５０６内の圧力Ｐを検知し、圧力センサ５１５からの出力信号ｐが演算部５１６に伝達される。演算部５１６は、圧力Ｐを軸受隙間Ｃに換算して又はそのまま制御用の信号として使用する。出力信号ｐが予め定めた値になるように、送りモータ５１４にて軸受部材５０３を図３において右方向又は左方向に移動させ、軸受隙間Ｃの値を変化させる。これにより、軸受隙間Ｃが最適な値に保たれる。
特開昭５８−１９６３１９号公報
特許文献１に記載の技術によれば、別の観点からターボ機械の信頼性を高めるための検討を行う余地を有する。そこで、本開示は、高い信頼性を有する新規なターボ機械を提供する。
本開示は、
軸線方向における端に向かって減少する直径を有するテーパー部及び前記テーパー部の大径端に隣接する円柱状部を有する軸と、
前記軸の軸線方向を向いている吸込面を有するとともに前記円柱状部に固定されているインペラであって、常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い作動流体を前記吸込面に接触させつつ吸い込んで送り出すインペラと、
前記インペラの前記吸込面が向いている方向に前記インペラから離れて配置されて前記軸を支持する軸受であって、前記テーパー部における前記軸の外周面との間に潤滑剤を介在させて前記テーパー部を支持するテーパー支持面と、前記円柱状部における前記軸の外周面との間に潤滑剤を介在させて前記円柱状部を支持する円柱状支持面とを含む支持面を有する軸受と、を備え、
前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、黒鉛を６質量％以上含有している銅を主成分とした合金でできている、
ターボ機械を提供する。
上記のターボ機械は、高い信頼性を有する。
本開示のターボ機械の一例を示す断面図 図１に示すターボ機械の一部を拡大して示す断面図 従来の空気軸受装置を示す断面図
＜本発明者らの検討に基づく知見＞
本発明者らは、常温（２０℃±１５℃、日本工業規格：JIS Z 8703）における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い作動流体が使用されるターボ機械の信頼性を高めるための検討を行った。検討の結果、テーパー部及び円柱状部を有する軸のテーパー部及び円柱状部を軸受によって潤滑剤を介在させて支持することによりターボ機械の信頼性を高めることができることを見出した。軸がほぼ水平に配置されるようにターボ機械が設置されている場合、軸の重量による鉛直下向きの荷重が軸受のラジアル方向にかかる。軸が高速で回転している状態では、軸の外周面と軸受の支持面との間に存在している潤滑剤の圧力がくさび効果により上昇する。これにより、ラジアル方向の荷重が支持され、軸と軸受との潤滑の状態は流体潤滑の状態である。このため、軸と軸受とが直接接触する固体接触は生じず、軸及び軸受は摩耗しない。
一方、ターボ機械の起動運転又は停止運転において軸が低速で回転している状態では、くさび効果が発生せず、潤滑剤の圧力による支持力が低下し、軸の外周面と軸受の支持面との間の隙間がほぼゼロになる。このため、軸と軸受との間の潤滑の状態は境界潤滑の状態であり、軸と軸受とが接触しながら摺動する。このとき、軸受又は軸の外周面（滑り面）が摩耗する。特に、軸の重量が大きい場合、軸の荷重により摩耗が過度に進み、軸又は軸受が損傷してターボ機械の信頼性が損なわれる可能性がある。このような事情に鑑み、本発明者らは、軸が低速で回転している状態でも軸の荷重による軸又は軸受の摩耗を防止し、ターボ機械の信頼性を高めることができる技術について日夜検討を重ねた。検討の結果、本発明者らは、軸の円柱状部を支持する軸受の支持面の少なくとも一部が特定の材料でできていると、軸が低速で回転している状態でも軸の荷重による摩耗を抑制できることを新たに見出した。このような新たな知見に基づいて、本発明者らは本開示のターボ機械を案出した。なお、上記の知見は、発明者らの検討に基づく知見であり、先行技術として自認するものではない。
本開示の第１態様は、
軸線方向における端に向かって減少する直径を有するテーパー部及び前記テーパー部の大径端に隣接する円柱状部を有する軸と、
前記軸の軸線方向を向いている吸込面を有するとともに前記円柱状部に固定されているインペラであって、常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い作動流体を前記吸込面に接触させつつ吸い込んで送り出すインペラと、
前記インペラの前記吸込面が向いている方向に前記インペラから離れて配置されて前記軸を支持する軸受であって、前記テーパー部における前記軸の外周面との間に潤滑剤を介在させて前記テーパー部を支持するテーパー支持面と、前記円柱状部における前記軸の外周面との間に潤滑剤を介在させて前記円柱状部を支持する円柱状支持面とを含む支持面を有する軸受と、を備え、
前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、黒鉛を６質量％以上含有している銅を主成分とした合金でできている、
ターボ機械を提供する。
第１態様によれば、軸の重量が大きく、ターボ機械の起動運転又は停止運転において軸と軸受との潤滑の状態が境界潤滑の状態である場合に、円柱状支持面が軸のラジアル荷重を支持する。円柱状支持面の少なくとも一部は、黒鉛を６質量％以上含有している銅を主成分とした合金でできており、黒鉛の一部が円柱状支持面に存在している。これにより、軸と軸受との摩耗が抑制される。その結果、第１態様のターボ機械は高い信頼性を有する。また、ラジアル荷重を主に支持する円柱状支持面の少なくとも一部のみが上記の合金でできているので、軸受の製造が複雑になることを防止できる。
本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、前記合金に代えて、ゴムでできている、ターボ機械を提供する。第２態様によれば、ゴムが軸の外周面の凹凸の形状に沿って変形するので、軸の回転速度が比較的低い段階で流体潤滑の状態に移行しやすい。これにより、軸の重量が大きい場合でも、軸と軸受との摩耗が抑制される。その結果、第２態様のターボ機械は高い信頼性を有する。
本開示の第３態様は、第１態様に加えて、前記潤滑剤は、液体の水を主成分として含有しており、前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、前記合金に代えて、窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできている、ターボ機械を提供する。第３態様によれば、潤滑剤が液体の水を主成分として含有しているので、潤滑剤の粘度が低い。この場合、くさび効果を適切に発生させるために必要な潤滑膜の厚さは、高粘度の潤滑剤（例えば潤滑油）を使用するときに必要な潤滑膜の厚さよりも薄くなる。潤滑膜が薄い場合、軸の回転速度がある程度高くなければ、ターボ機械の起動運転又は停止運転において潤滑状態が流体潤滑になりにくい。しかし、第３態様によれば、円柱状支持面と軸との摩擦によりトライボケミカル反応が生じ、窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料に含まれる珪素原子と水とが反応して円柱状支持面にシラノール等の低摩擦物質が生成される。これにより、軸及び軸受の耐摩耗性が向上する。その結果、軸の重量が大きく、ターボ機械の起動運転又は停止運転において軸が低速で回転している場合でも、軸と軸受との摩耗が抑制されて、ターボ機械が高い信頼性を有する。
特許文献１によれば、流路５０８から空気軸受５０６に加圧空気が供給され、流路５０９から空気軸受５０７に加圧空気が供給される。このため、回転軸５０１が低速で回転する場合であっても加圧空気が供給されている期間は回転軸５０１と軸受部材５０３又は軸受部材５０４とは空気によって潤滑される。このように、特許文献１では、回転軸５０１が低速で回転する場合に、回転軸５０１と軸受部材５０３とが接触することは想定されていない。また、軸受部材５０３及び軸受部材５０４は、回転軸５０１のテーパー状に形成された部分に対応して配置されており、回転軸５０１の円柱状の部分には軸受は配置されていない。このため、特許文献１の記載に基づいて当業者が第１態様〜第３態様のターボ機械を想到することはできない。
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、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１に示す通り、本開示のターボ機械１は、軸１０と、インペラ２０と、軸受３０とを備えている。軸１０は、テーパー部１１及び円柱状部１２を有する。テーパー部１１は、軸線方向における軸１０の端１０ｅに向かって減少する直径を有する。円柱状部１２は、テーパー部１１の大径端に隣接している。インペラ２０は、軸１０の軸線方向を向いている吸込面２１を有するとともに円柱状部１２に固定されている。インペラ２０は、常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い作動流体を吸込面２１に接触させつつ吸い込んで送り出す。軸受３０は、インペラ２０の吸込面２１が向いている方向にインペラ２０から離れて配置されて軸１０を支持する。図２に示す通り、軸受３０は、テーパー支持面３２ａと、円柱状支持面３２ｂとを含む支持面３２を有する。テーパー支持面３２ａは、テーパー部１１における軸１０の外周面との間に潤滑剤を介在させてテーパー部１１を支持する。円柱状支持面３２ｂは、円柱状部１２における軸１０の外周面との間に潤滑剤を介在させて円柱状部１２を支持する。軸受３０の支持面３２のうち円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみは、黒鉛を６質量％以上含有している銅を主成分とした合金でできている。なお、本明細書において「主成分」とは質量基準で最も多く含まれる成分を意味する。
図１に示す通り、例えば、ターボ機械１は、モータ回転子５、モータ固定子６、第二軸受４０、及びケーシング５０をさらに備えている。例えば、軸受３０は、軸１０の軸線方向における一方の端部を支持し、第二軸受４０は、軸１０の軸線方向における他方の端部を支持している。モータ回転子５は、軸１０の軸線方向においてインペラ２０と第二軸受４０との間で軸１０に固定されている。モータ固定子６は、モータ回転子５を軸１０の周方向に取り囲んで配置されている。モータ固定子６によって誘起される回転磁界によりモータ回転子５に回転トルクが生じる。これにより、軸１０及びインペラ２０が高速回転するように駆動される。インペラ２０の周囲には、常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い作動流体が存在している。ケーシング５０の内部には、軸１０の軸線方向においてインペラ２０と軸受３０との間に吸入空間７が定められている。また、ケーシング５０の内部には、インペラ２０の半径方向外側に吐出空間８が定められている。
典型的には、ターボ機械１は、圧縮機として機能し、軸１０の軸線は水平に延びている。インペラ２０が高速で回転すると、吸入空間７に存在する作動流体がインペラ２０に吸い込まれる。作動流体は、インペラ２０を通過することにより圧縮され、圧縮された高圧の作動流体が吐出空間に供給される。吸入空間７には低圧の作動流体が存在し、インペラ２０の背面には吐出空間８に由来する高圧の作動流体の圧力の影響が及ぶ。この為、インペラ２０から軸受３０に向かう方向にスラスト荷重が発生する。この場合、軸受３０のテーパー支持面３２ａによってテーパー部１１の外周面との間に潤滑剤が介在した状態で軸１０のスラスト荷重を支持できる。一方、軸受３０の円柱状支持面３２ｂによって円柱状部１２の外周面との間に潤滑剤が介在した状態で軸１０のラジアル荷重が支持される。このため、テーパー支持面３２ａに印加されるラジアル荷重は非常に小さい。
ターボ機械１の起動運転又は停止運転において軸が低速で回転すると、軸１０と軸受３０との潤滑の状態が境界潤滑になる可能性がある。この場合、上記の通り、円柱状支持面３２ｂが主に軸１０のラジアル荷重を支持する。円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部は、黒鉛を６質量％以上含有している銅を主成分とした合金でできており、黒鉛の一部が円柱状支持面３２ｂに存在している。このため、黒鉛の固体潤滑作用により軸１０と軸受３０との摩耗が抑制される。黒鉛の固体潤滑作用が適切に発揮される観点から合金における黒鉛の含有率は６質量％以上である。さらに、合金が銅を主成分としていることにより、黒鉛に対する濡れ性が高まり、円柱状支持面３２ｂに黒鉛が均一に分散しやすい。これにより、固体潤滑作用が適切に発揮される。軸１０の重量が大きい場合でも、ターボ機械１の起動運転又は停止運転において、軸受３０の摩耗が抑制される。その結果、ターボ機械１は高い信頼性を有する。加えて、ラジアル荷重を主に支持する円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみが上記の合金でできているので、軸受３０の製造が複雑になることを防止できる。
例えば、円柱状支持面３２ｂの面積の５０％以上が上記の合金でできている。この場合、例えば、少なくとも円柱状支持面３２ｂの下半分が上記の合金でできている。望ましくは円柱状支持面３２ｂの全体が上記の合金でできている。
上記の合金は、望ましくは錫を含有している。これにより、黒鉛に対する濡れ性がさらに高まり、円柱状支持面３２ｂに黒鉛が均一に分散しやすい。
図２に示す通り、軸受３０は、例えば、円筒部品３３及びテーパー部品３５を備えている。テーパー部品３５は円筒状の部品であり、テーパー部品３５の内周面は、テーパー支持面３２ａを含んでいる。テーパー支持面３２ａによってテーパー穴が定められている。テーパー部品３５の内周面は、上記の合金とは異なる種類の材料でできている。テーパー部品３５の内周面は、例えば、真鍮でできている。この場合、テーパー部品３５の加工が容易であり、テーパー支持面３２ａを形成するための切削加工の精度を高めることができる。また、例えば、軸１０が鋼鉄製である場合、テーパー支持面３２ａが軸１０と焼付きにくい。なお、テーパー部品３５は、高精度な機械加工が可能で、ターボ機械１の運転中における変形が無視できるほど高い剛性を有するのであれば、真鍮以外の材料でできていてもよい。テーパー部品３５は、例えば、セラミックス、高剛性樹脂、又は多孔質金属でできていてもよい。
テーパー部品３５の内周面は、例えば、円柱状支持面３２ｂの一部をさらに含んでいる。円柱状支持面３２ｂによって、軸線方向に一定の穴径を有するストレート穴が定められている。
図２に示す通り、円筒部品３３は、テーパー部品３５の内部に取付けられている。円筒部品３３の内周面は、円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部を定めている。円筒部品３０の内周面は上記の合金でできている。上記の合金としては、例えば、大同メタル工業社製のサーマロイ（登録商標）Ｄタイプを使用できる。
第二軸受４０は、特に制限されないが、例えば軸受３０と同様に構成されている。第二軸受４０は、例えば、軸１０の外周面との間に潤滑剤が介在した状態で軸１０のラジアル荷重を支持可能な支持面を有し、その支持面の少なくとも一部が上記の合金でできている。
潤滑剤は、特に制限されないが、ターボ機械１の作動流体と同一種類の成分を含んでいる液体であってもよい。例えば、ターボ機械１が冷凍サイクルの圧縮機として機能する場合、冷凍サイクルにおける液体の冷媒が潤滑剤として軸受３０の支持面３２と軸１０の外周面との間に供給される。
軸受３０の支持面３２のうち円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみは、上記の合金に代えて、ゴムでできていてもよい。この場合、ゴムは金属よりも柔軟であるので、円柱状支持面３２ｂが、円柱状部１２の外周面の形状に沿って変形する。これにより、軸１０の回転速度が比較的低い段階で軸１０と軸受３０との潤滑の状態が流体潤滑になりやすい。このため、軸１０の重量が大きく、ターボ機械１の起動運転又は停止運転において軸１０が低速で回転している場合でも、軸１０及び軸受３０の摩耗が抑制されて、ターボ機械１が高い信頼性を有する。
例えば、ターボ機械１が冷凍サイクルの圧縮機として機能し、かつ、液体の冷媒が潤滑剤として支持面３２と軸１０の外周面との間に供給される場合、支持面３２と軸１０の外周面との間に形成される潤滑膜は薄くなりやすい。なぜなら、冷媒は、蒸発器等の熱交換器を通過するときに発生する圧力損失が小さいように低い粘度を有することが多く、低粘度の潤滑剤でくさび効果による支持力を適切に発生させるためには潤滑膜の厚さが薄い必要があるためである。すべり面の外周面の凹凸が潤滑膜の厚みよりも高いと軸と軸受との潤滑の状態が境界潤滑になる。このため、ターボ機械１が冷凍サイクルの圧縮機として機能し、かつ、液体の冷媒が潤滑剤として支持面３２と軸１０の外周面との間に供給される場合、軸１０が比較的高い回転数で回転していても潤滑の状態が境界潤滑になりやすい。しかし、円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみがゴムでできていれば、ターボ機械１の起動運転又は停止運転において軸１０が比較的低い回転数で回転している場合に軸１０と軸受３０との潤滑状態が流体潤滑になりやすい。これにより、ターボ機械１が冷凍サイクルの圧縮機として機能し、かつ、液体の冷媒が潤滑剤として支持面３２と軸１０の外周面との間に供給される場合でも、ターボ機械１が高い信頼性を有する。
軸受３０の支持面３２のうち円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみがゴムでできている場合、そのゴムは、例えば、天然ゴム、スチレン‐ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン‐プロピレンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴム、又はウレタンゴムである。
例えば、円柱状支持面３２ｂの面積の５０％以上がゴムでできている。この場合、例えば、少なくとも円柱状支持面３２ｂの下半分がゴムでできている。望ましくは円柱状支持面３２ｂの全体がゴムでできている。
軸受３０の支持面３２のうち円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみは、上記の合金に代えて、窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできていてもよい。この場合、潤滑剤は、液体の水を主成分として含有している。この場合、潤滑剤の粘度が低いので、くさび効果を適切に発生させるために必要な潤滑膜の厚さは、高粘度の潤滑剤（例えば潤滑油）を使用するときに必要な潤滑膜の厚さよりも薄くなる。潤滑膜が薄い場合、軸の回転速度がある程度高くなければ、ターボ機械の起動運転又は停止運転において軸と軸受との潤滑の状態が流体潤滑になりにくい。支持面３２のうち円柱状支持面３２ｂの少なくとも一部のみが、上記の合金に代えて、窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできていれば、円柱状支持面３２ｂと軸１０との摩擦によりトライボケミカル反応が生じる。例えば、窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料に含まれる珪素原子と水とが反応して円柱状支持面３２ｂにシラノール等の低摩擦物質が生成される。これにより、軸１０及び軸受３０の耐摩耗性が向上する。その結果、軸１０の重量が大きく、ターボ機械１の起動運転又は停止運転において軸１０が低速で回転している場合でも、軸１０と軸受３０との摩耗が抑制されて、ターボ機械１が高い信頼性を有する。
例えば、円柱状支持面３２ｂの面積の５０％以上が窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできている。この場合、例えば、少なくとも円柱状支持面３２ｂの下半分が窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできている。望ましくは円柱状支持面３２ｂの全体が窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできている。
本開示のターボ機械は、ターボ冷凍機又は業務用空調機等の空調製品に利用可能な冷凍サイクル装置における圧縮機として有利に使用できる。
１ ターボ機械
１０ 軸
１０ｅ 端
１１ テーパー部
１２ 円柱状部
２０ インペラ
２１ 吸込面
３０ 軸受
３２ 支持面
３２ａ テーパー支持面
３２ｂ 円柱状支持面

Claims (3)

  1. 軸線方向における端に向かって減少する直径を有するテーパー部及び前記テーパー部の大径端に隣接する円柱状部を有する軸と、
    前記軸の軸線方向を向いている吸込面を有するとともに前記円柱状部に固定されているインペラであって、常温における飽和蒸気圧が絶対圧で大気圧よりも低い作動流体を前記吸込面に接触させつつ吸い込んで送り出すインペラと、
    前記インペラの前記吸込面が向いている方向に前記インペラから離れて配置されて前記軸を支持する軸受であって、前記テーパー部における前記軸の外周面との間に潤滑剤を介在させて前記テーパー部を支持するテーパー支持面と、前記円柱状部における前記軸の外周面との間に潤滑剤を介在させて前記円柱状部を支持する円柱状支持面とを含む支持面を有する軸受と、を備え、
    前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、黒鉛を６質量％以上含有している銅を主成分とした合金でできている、
    ターボ機械。
  2. 前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、前記合金に代えて、ゴムでできている、請求項１に記載のターボ機械。
  3. 前記潤滑剤は、液体の水を主成分として含有しており、
    前記軸受の前記支持面のうち前記円柱状支持面の少なくとも一部のみは、前記合金に代えて、窒化珪素又は炭化ケイ素を主成分とする材料でできている、請求項１に記載のターボ機械。
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