JPS58214018A - 動力伝達方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高温下でも使用しうる動力伝達方法に関するも
のであり、特にはセラミック軸を用いる動力伝達方法に
関するものである。

高温ガス送風ファンその他の高温下で使用する回転機器
の軸は、従来、耐熱合金などの金属材料で構成していた
。こうした金属材料の強度は使用温度の上昇につれて急
激に低下するので、かかる軸の使用温度は約８００〜−
８５０℃以下に限定されるのみ力らず、さらに高温ガス
など彊雰囲気に酸化性や腐食性がある場合には軸したが
って回転機器の寿命が著しく短縮されるなどの欠点を有
していた。

より高温の雰囲気下でも使用可能で耐食性にも優れるセ
ラミックでこうした軸を構成することも提案されている
。このときセラミック軸に動力を伝達するための動力側
、またはこのセラミック軸から動力を伝達される負荷側
の機器類は金属製であることがほとんどであり、したが
ってこうした桟器類の軸も金ｈ＆！であることが違例で
あるので、セラミック軸と金属軸とを接続する必要があ
る。

この接続の方法には、セラミック軸と金属軸の軸端面同
士を無機系接着剤などで接着するもの、セラミック軸の
軸端部を金属軸の軸端部で焼きばめまたは焼結収縮ばめ
するもの、中空管状としたセラミック軸の中空部に金属
軸を挿入すると共に部側面状の両軸接触面に接着力また
は固着力などを生ぜしめるものなどが挙げられる。しか
しこれらはいずれ、も、高温下での使用、あるいは高温
を含む温度変化サイクル下での使用においては接着力ま
たは固着力が不足して動力伝達に必要な接続状態が維持
されなかったり、あるいはセラミック部分に各種の迦太
な応力集中が起こり、ついにはセラミック部分に欠陥が
大きく成長し、破損につながるなどの問題点があった。

本発明は従来のセラミック軸を用いる動力伝達方法のか
かる問題点などを解決し、信頼性が高く、高温下におい
ても充分に使用しうるセラミック軸と金属軸の相互間の
動力伝達方法を提供するものである。

すなわち本発明は、セラミック軸の軸端部と金属軸の軸
端部を接合してなる両軸の一方の軸から他方の軸への動
力伝達方法であって、セラ六− ミック軸の軸端部は軸端に向って縮小している八 内径面を有する管状であり、金属軸の軸端部でセラミッ
ク軸の軸端部を焼きばめまたは焼結収縮ばめするととも
に、セラミック軸の該内径面を金属軸に連結する部材で
押圧するようにしたことを特徴とする両軸の一方の軸か
ら他方の軸への動力伝達方法を提供するものである。

図面で説明すると第１図は本発明の一つの好ましい実施
例である動力伝達方法を用いたセラミンク製高温ガス送
風ファンを示す。ケーシング−と翼車２を備えるファン
のセラミック軸３は管状の軸端部４を有する。軸方向に
貫通する中空部７を有する金属軸５の軸端部６は、軸端
部４を内側にして同軸に把合するようにして、軸端部４
に焼きはめまたは焼結収縮ばめされている。

なお、本発明でいう焼きばめとは、金属の熱膨張性を利
用して加熱によりセラミックよりも相対的に膨張拡大さ
せた状態の金属でセラミックを把合し、これを冷却して
金属を収縮せしめてセラミックと金属とを強固に接合す
ることである。また、本発明でいう焼結収縮ばめとは、
たとえば粉末冶金技術にみられるように、成形後未焼結
または仮焼結状態の金属でセラミックを把合し、これを
熱炉；結して金属を収縮せし、；ｌ）＾ てセラミックと金属とを強固に接合することである。軸
端部４は軸端８に向かって縮小している内径Ｂｉ　９を
有している。この内径面に接する座金１０および金島軸
の末端に配置された板ノ（ネ１１を介して長ボルト１２
が軸端部４の中空部および金属軸の中空部を貫いて挿通
し、板バネの弾性に抗してナツト１３により締めつけら
れている。金属軸の中空部７には突起部１４が適宜設け
られて長ボルトの振動防止をしている。

このようにしてセラミック軸と金塊軸とを接転 合することにより、金塊軸に与えられた回転力は高温時
、高速回転時においても充分にセラミック軸に伝達され
るものである。すなわち、セラミック軸と金属軸との結
合力の主体を接着剤による接着力に依存する場合には、
現在の技術水準ではしばしば信頼性に欠けたり、高温下
長時間の耐久性に劣るものであるが、本発明ではこうし
た接着剤の採用は必須ではない。また従来のセラミック
軸と金属軸との焼きはめのみによる接合においては、充
分な接合強度を与えよヱ　うとすれば、室温時の金塊軸
焼きばめ部内径をセラミック軸焼きばめ部外径に比べて
かなり小さくしておき、金属軸焼きばめ部を相対的にか
なりの高温にまで加熱してその内径を膨張拡大させてお
いてはめ合うものであり、室温に戻したときには焼きば
め接合強度は充分大きいが、同時にセラミック軸焼きば
め部に加わる応力も大きく、このままでも、あるいはわ
ずかの回転使用によってもセラミック部分が破損しやす
いものである。これを避けて室温時の金属軸焼きばめ部
内径をセラミック軸焼きばめ部外径に比べてわずかに小
さくしておき、これを焼きばめした場合には、室温時で
の使用においても接合強度が不足しがちであるのみなら
ず、この接合部分が高温ガス雰囲気にさらされたり高温
部からの伝熱により加熱されると、接合強度が急速に低
下して回転力を伝達できなくなるものであった。

同様にして従来のセラミック軸と金属軸との焼結収縮ば
めのみによる接合においても、充分な接合強度を与えよ
うとすれば接合後のセラミックに加わる応力が過大とな
って破損しやすくなり、これを避けようとすれば接合強
度が不足しがちとなるものであった。

しかるに、本発明の動力伝達方法では第１図に示したよ
うに、焼きばめまたは焼結収縮はめによる圧縮力とナツ
ト締めに基づき内径面を押圧してこの面に働く摩擦力と
がセラミック軸の軸端部の外側と内側とから作用して金
属軸とセラミック軸とは強固に接合される。このため焼
きばめまたは焼結収縮ばめによる結合力を過大にとる必
要がなく、セラミック軸の軸端部の応力が過大になって
セラミック部分が破損することもない。またセラミック
軸の軸端部で接合しているためにセラミック軸を高温下
に直接さらされる翼車部分から延出させることも可能で
あり、延出した軸部はそのままでも、あるいはこの部分
に適宜な強制冷却手段を講することにより、両軸接合部
分を翼車部分に比べて相対的に低温度に保持でき、充分
な接合強度を維持するのが容易である。また両軸接合部
分がかなりの高温下にさらされて焼きばめに基づく接合
強度が低下しても長ボルトなどの連結部材による押圧に
基づく接合力が有効に作用して動力伝達が可能である。

さらに金属軸と長ボルトなどの連結部材とを同種の材質
で構成してナツト締めに基づく接合力を接合部分の温度
によらずほぼ一定に維持することもでき、あるいは両者
を熱膨張率の異なる材質で構成して、接合部分が加熱さ
れて焼きばめに基づく接合力が低下すると抑圧に基づく
接合力がこれを補償するように設計することもできる。

第１図のファンのセラミック軸の軸端部を拡大図でみる
と、第２図に示すように、軸部側の内径ｄに比べて軸端
側の内径ｄ′は小さく、かつ、軸部側から軸端側に向か
って内径はアール部、テーバ部、アール部を経てｄから
ｄ′まで漸次縮小するように構成されている。なお、本
発明において漸次縮小するとは内径が変化しない部分、
すなわち断面図において内径を示す線が軸に平行な直線
で示される部分が局部的に存在する場合をも含む概念で
ある。また軸部側の外径りに比べて軸端側の外径ｄ′は
大きく、がっ、軸部側から軸端側に向がって外径はアー
ル部、テーバ部、アール部を経てＤからＤ′まで漸次拡
大するように構成されている。なお、本発明において漸
次拡大するとは内径におけると同様に外径が変化しない
部分が局部的に存在する場合をも含む概念である。

しかして第２図の場合には、本発明にいう軸端に向かっ
て漸次縮小している内径面、軸端に向かって漸次拡大し
ている外径面はどちらも円錐台側面類似形状をしている
。

第３図、第４図、第５図はいずれも本発明の動力伝達方
法の異なる実施例のセラミック軸の軸端部を示す。第３
図の軸端部はつねに一定の外径を有し、内径のみが軸端
側に向かって段差をもって縮小している。しかしてこの
段差部分すなわち中空円面状部分が本発明でいう軸端に
向かって縮小している内径面である。この場合には構造
が簡単であシ、あるいは製作が容易である。第４図は外
径については第３図の場合と同様であるが、内径が軸端
に向かってテーバ部を経て漸次縮小している。すなわち
軸端に向かつて縮小している内径面は円錐台側面状をし
ている。この場合には部材の抑圧で生じる摩擦力に起因
してセラミック軸端部に作用する応力の集中が第３図の
場合に比べて大巾に緩和されるなどの長所を有する。さ
らに内径について第２図のようにテーパ部分の両側にア
ール部分をとることにより、応力集中はさらに緩和され
る。

また外径は第３図、第４図に示すように軸端部でつねに
一定であってもよいが、テーパ部分を設けるなどして軸
端に向って漸次拡大している外径面を有することが焼き
ばめまたは焼結収縮ばめに起因してセラミック軸端部に
作用する応力の集中が緩和されて好ましい。さらに第２
図に示すようにテーパ部分の両側にアール部分をも設け
る々どして外径をなめらかにかつ漸次犬きくなるように
桿成することはよシ好ましい。

笛５図の軸端部は第４図のそれと同様の内径面を有する
とともに、外径は軸端に向かって商次拡大したのち、ゆ
るやかに先細りになっている。

この場合には金輌軸軸端部とセラミック軸端部の寸法誤
差が多少存在していても容易に焼きばめまたは焼結収縮
ばめで接合できる。

また外径側テーパ部分を設ける場合には第２図に示すよ
うに内径側テーパ部分より軸端部りに位置していること
が接合状態におけるセラミック部分への応力集中を緩和
し破損を防止する上で好ましいが、必ずしも限定される
ものではなく、両者がほぼ同位置にあっても、あるいは
内径側テーパ部分が外径側テーパ部分よシ軸端寄シに位
置していてもさしつかえ力い。

軸端側の内径ｄ′は軸部側の内径ｄの０．８〜０３倍、
特には０．７〜０．４倍であることが、必要な摩擦力を
確保しゃすいなどの点で好ましい。軸端側の外径Ｄ′は
軸部側の外径りの１．０１〜１５倍、特には１．０３〜
１．２倍であることが、焼きばめまたは焼結収縮ばめに
基づく応力集中緩和などの点で好ましい。また軸端に向
かって縮小している内径面から軸端までの長さはＤの０
．５〜３倍が好ましい。

セラミック軸はその軸端部が管状であればよいが、軸全
体が貫通する中空管状であることがより好ましい。これ
は例えば長ボルト＆どの連結部材を反対側の軸端から容
易に挿入取付できるからである。反対側の軸端が閉じて
いる場合にあっては、例えば長ボルトを軸に平行に複数
個に分割して管状軸端部側から挿入したのち適宜な方法
で一体化してもよい。

セラミック軸の軸端部は接合前に充分に焼結されている
ことが好ましい。これは接合時または使用時にさらに焼
結が進行して寸法変化あるいは接合強度の不足や低下金
起こすのを防止するためである。セラミックの材質とし
ては高温でも高強度を有するものであれば特に限定され
ず、炭化ケイ素質、窒化ケイ素質、サイアロン’ＪＬ−
ｙルミナ質、ジルコニア質、窒化アルミニウム質などが
採用可能である。なかでも反応焼結法によりなる炭化ケ
イ素質または窒化ケイ素質のセラミックは焼結による寸
法変化がほとんどなく、所定寸法の、かつ複雑な形状の
セラミック焼結体が容易に得られて好適である。

金属軸の軸端部はセラミック軸の軸端部を焼きばめまた
は焼結収縮ばめすることかできる形状であればよく、通
常はセラミック軸の軸端部を摺合できる程度に中空状で
あればよい。さらに第１図に示すように金属軸の他端に
まで貫通する中空部を有してもよく、あるいは金属軸の
中はどまで貫通していてもよい。

金属軸の材質は適宜な鋼あるいは合金が採用しうる。な
かでも耐熱鋼、耐熱合金、超耐熱合金などが好ましい。

耐熱鋼などにあってはその加工性、熱膨張性を利用して
セラミック軸端部と焼きばめ接合するのが一般に好まし
く、一方、超耐熱合金などにあっては粉末冶金技術で成
形後、セラミック軸端部と焼結収縮はめ接合するのが一
般に好ましい。

本発明においては、セラミック軸の軸端に向かって縮小
している内径面を金属軸に連結する部材で押圧するよう
にしてセラミック軸と金属軸とを接合する。ことも必須
であり、この連結部材の少くとも一部がセラミック軸と
金属軸の中空部を挿通してなることは構成が簡便容易と
なって好ましい。

この連結部材は第１図の場合のように座金１０、長ボル
ト】２、ナツト１３、板バネ】１によって構成されてい
てもよ°く、この場合には板バネを介して金属軸に連結
している。もちろん板バネをコイルバネその他の各種バ
ネまたは同等の機能を有するもので代替してもさしつが
えない。

めるいは本発明の他の実施例である第６図のように、連
結部材は頭部形状を座金と一体化したごとき長ボルト１
２′とナツト１３によって構成されていてもよく、この
場合にはナツトによって金属軸に連結している。また本
発明の別の実施例である第７図のように、連結部材は〃
金１０、ナツト１３および金属軸と一体化して金属軸中
空部に突出するボルト状部分１２〃とによって構成され
ていてもよく、この場合には金属軸に直接に連結してい
るボルト部分がセラミック軸と金属軸の中空部を挿通し
ている。さらに第７図ではこのボルト状部分は金属軸と
一体につくられているが、この代りに例えは金属軸にこ
のボルト状部分をねじ込みなどによりとシつけてもよい
し、温度的に許容される場合にはナツトと座金の間にバ
ネを入れてもよい。

いずれの場合もこのように構成してセラミック軸の軸端
に向かって縮小している内径面を押圧しているのでこの
内径面に摩擦力に基づく接合力が生じて、前述した外側
から作用する接合力と相まって両軸を強固に接合するも
のである。

なかでも第１図、第７図のようにバネを介して連結する
場合にはこの内径面に作用する接合力を適宜調節するこ
とが容易であり、また使用により接合力が低下してきた
場合、などに再調整しやすい。

本発明の動力伝達方法は第１図のファンの如く、動力源
側である金属軸から負荷側であるセラミック軸に動力を
伝達する場合に適用できるのみならず、セラミック軸か
ら金属軸に動力を伝達する場合にも同様に適用可能であ
る。しかして本発明の動力伝達方法は高温ガス用ファン
のみならず、プロア、コンプレッサ、さらにはガスター
ビン、ターボチャージャヵど各種のターボ機械類にも応
用できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図はいずれも断面図であって、第１図は本
発明の方法を用いたセラミック製高温ガス送風ファン、
第２図は第１図のファンのセラミック軸の軸端部の拡大
図、第３図〜第５図は本発明の方法の異なる実施例のセ
ラミック軸の軸端部の拡大図、第６図および第７図は本
発明の方法のさらに別の実施例を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　セラミック軸の軸端部と金属軸の軸端部を接
   合してなる両軸の一方の軸から他力の軸への動力伝達方
   法であって、セラミック軸の軸端部は軸端に向って縮小
   している内径面を有＾ する管状であり、金属軸の軸端部でセラミック軸の軸端
   部を焼きばめまたは焼結収縮ばめするとともに、セラミ
   ック軸の該内径面を、金属軸に連結する部材で押圧する
   ようにしたことを％徴とする両軸の一方の軸から他方の
   軸への動力伝達方法。 （２）　　金属軸に連結する部材の少くとも一部はセラ
   ミック軸と金り軸の中空部を挿通してなる特許請求の範
   囲１記載の動力伝達方法。 ハ 縮小してへる内径面を有する特許請求の範囲】または２
   記載の動力伝達方法。 （荀　セラミック軸の軸端部は軸端に向って漸次＾ 拡大している外径面を有する特許請求の範囲１乃至３の
   いずれか記載の動力伝達方法。 ＾ （５）　　金属軸に連結する部材はバネを介して金属軸
   に連結する特許請求の範囲１乃至４のいずれかに記載の
   動力伝達方法。