(57)【要約】【課題】  高速回転による遠心力や高温、常温などの温度差の繰り返しによってターボ翼と回転軸との嵌合が悪化し、ターボ翼と回転軸との接触面でのズレによる不具合が生じるが、この課題を解決するターボ型回転機器を提供する。【解決手段】  回転軸４には上部段部の位置にカップリング１４が固定されている。このカップリング１４はその断面形状が２つの異径環状部を有し、小径の内孔に回転軸４が貫設され大径の環状部にはターボ翼７の軸心方向端（下方）の外周面７Ｓが嵌合している。この嵌挿は締り嵌めとなっている。このような構成によってターボ翼７はカップリング１４に対する接触ズレなどが発生することはない。また、シール部材８の中央孔８Ｈにカップリング１４が貫設されている。したがって、カップリング１４の小径外周面１４Ｆがシール部材８の中央孔８Ｈに近接対向しており、この両者間にシール機構が形成される。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動源にて回転駆動される回転軸にターボ翼を取り付け、このターボ翼の回転にてポンプ機能を行うターボ機構を設けたターボ型回転機器において、前記ターボ翼の軸方向一端側の外周面が嵌挿できる環状部を有しかつ中央貫通孔を介して前記回転軸に嵌挿固定されるカップリングを備え、このカップリングを前記回転軸に嵌挿固定するとともに、ターボ翼の前記一端側を前記カップリングの環状部に嵌挿させることによってターボ翼と回転軸を連結したことを特徴とするターボ型回転機器。
【請求項２】
カップリングに対するターボ翼の嵌挿が締り嵌めであることを特徴とする請求項１記載のターボ型回転機器。
【請求項３】
ターボ翼の外周面をテーパ状に形成するとともにカップリングの環状部における内周面を前記テーパ状に対応する円錐状に形成し、ターボ翼の外周面とカップリングの円錐状内周面の接合にてターボ翼と回転軸を結合することを特徴とする請求項１記載のターボ型回転機器。
【請求項４】
カップリングはその材質が回転軸と同一または同程度の線膨張係数を有する材料で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載のターボ型回転機器。
【請求項５】
カップリングはその材質が仕切盤と同一または同程度の線膨張係数を有する材料で構成したことを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載のターボ型回転機器。
【請求項６】
回転駆動源にて回転駆動される回転軸にターボ翼を取り付け、このターボ翼の回転にてポンプ機能を行うターボ機構を設けるとともに回転駆動源側とターボ機構側を仕切る隔壁部を設け、この隔壁部を前記回転軸が貫通するターボ型回転機器において、前記ターボ翼の軸方向一端側の外周面に係合する環状部を有し前記回転軸に取り付けられたカップリングを備え、このカップリングが前記隔壁部の位置に配置されるとともにカップリングの外周面と隔壁部との間にシール機構が構成されていることを特徴とする請求項１記載のターボ型回転機器。
【請求項７】
カップリングと隔壁部とのシール機能にラビリンス構造が備えられていることを特徴とする請求項６記載のターボ型回転機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば気体レーザ発振器装置におけるガス循環用の電動コンプレッサとしてのブロワ等に適用できるターボ型回転機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばフロー型二酸化炭素ガスレーザ発振器装置の場合、炭酸ガスと他のガスの混合ガスを流しながら圧縮し、レーザ発振器に供給して共振させるようになっており、装置内にガス循環回路が構成されている。その循環回路の構成における一要素のブロワとしてターボ翼を高速で回転させてガスを圧縮し、レーザ発振器に供給するターボ型回転機器が使用されている。
【０００３】
この種のターボ型回転機器は、ハウジング内の上方にターボ翼が回転可能に配設され、ガスを圧縮して排出する機構を設けるとともに、下方にはこのターボ翼を高速回転駆動させるモータが配設されている。そして、このモータの回転子とターボ翼ならびに回転軸等からなる回転体は、機械的な軸受で軸支され、オイルによる潤滑手段が併設されている。そのため、オイルミストが発生するが、このオイルミストがガス圧縮とともに排出されないよう真空ポンプで排気する方式が採用されている（特許文献１参照）。
【０００４】
このターボ型回転機器の構成は図５に示すとおりである。図５は概略的に示す縦断面図で、ハウジング１の内方でその上方にターボ翼７が回転可能に配設されるとともに下方にはこのターボ翼７を高速回転駆動させるモータ２が配設され、両者が回転軸４にて連結されている。このモータ２はハウジング１の側に固設された電極コイル２Ｋと、この電極コイル２Ｋに対応して回転軸４に固設された回転子２Ｍで構成され、電極コイル２Ｋにインバータ３から電気エネルギーが供給される。
【０００５】
回転軸４は上部軸受５と下部軸受６を介してハウジング１に対し、回転可能に保持されているが、この回転軸４の上方に形成された取付軸４Ｓにターボ翼７が固設されている。このモータ２と回転子２Ｍおよび回転軸４からなる回転体が、軸受機構を構成する上部軸受５と下部軸受６に保持されている。なお、この上部軸受５と下部軸受６はモータ室Ｍ内に配設されている
ターボ翼７がモータ２によって高速回転駆動されると、ガスは吸気口１Ｋから吸入され、圧縮されて排気口１Ｈより排出される。この吸気口１Ｋから排気口１Ｈまでがガス圧縮室Ｃを形成する。この排気口１Ｈからのガスは上記したようにガス循環回路（図示せず）を経てレーザ発振器（図示せず）に供給される。
【０００６】
ところで、回転軸４には図５に示すとおり、軸心上に中空孔４Ｈが形成されているが、この中空孔４Ｈの下方部は内孔が上方拡がりのテーパ状をなし、この下方部位が潤滑用のオイルＬ内に浸漬されている。したがって、中空孔４Ｈの下方域に侵入している潤滑用のオイルＬは、回転軸４の回転による遠心力の作用を受けて中空孔４Ｈの内方を上方に移動し、この作用で中空孔４Ｈはポンプ機能を生起する。こうして潤滑用のオイルＬは順次上方へ送り出され、射出孔４Ｔより外方に放出されてモータ２の冷却や上部軸受５と下部軸受６の潤滑を行なう。潤滑や冷却を終えた潤滑用のオイルＬは再び下方のオイル槽１Ｙに溜められ、再び吸い上げられて循環することになる。
【０００７】
このように潤滑用のオイルＬは、循環して上部軸受５や下部軸受６の潤滑を行なうが、この潤滑によって特にモータ室Ｍ内には噴霧状のオイルＬ（オイルミスト）が存在し浮遊することになる。モータ室Ｍにおける噴霧状のオイルＬの存在は、上部軸受５と下部軸受６等における潤滑を良好にするが、このオイルミストがガス圧縮室Ｃに流入するとレーザ発振器などに流入し、レーザの発振機能を低下させる。
【０００８】
このことからガス圧縮室Ｃとモータ室Ｍとは、ハウジング１ないしハウジング１と一体の部材からなる隔壁部におけるシール部Ｓで遮断されるようになっている。すなわち、ハウジング１には上部軸受５の上方位置において回転軸４が非接触で貫通できる範囲の貫通部が穿設され、回転軸４と協働してシール部Ｓが形成されている。このシール部Ｓはたとえば図示例に示すラビリンスシール等が適用される。このラビリンスシールによるシール部Ｓは、回転軸４と貫通部との間隙は通常数１０ミクロンに設定されている。ラビリンスシール以外にも、数１０ミクロンの微小な平行隙間に設定されたガスシールも採用されている。
【０００９】
他方、モータ室Ｍは排気パイプＲを介して外設した真空ポンプ（図示せず）にて真空に排気される。これは上記したように、モータ室Ｍが潤滑用のオイルＬのミストが充満しており、シール部Ｓの小さい隙間からガス圧縮室Ｃに漏洩するのを防止するためである。
【００１０】
このように、特にレーザ発振器に利用されるターボ型回転機器においてはオイルＬのミストの存在と対策が重要であるが、ミストの発生源であるオイルＬの存在も無視できない。特に回転軸４の射出孔４Ｔから放出されるオイルＬが上方のシール部Ｓに至るのをなるべくさける必要がある。そのために後述するように上部軸受５の上方に仕切盤を設置する工夫が提案されている。
【００１１】
すなわち図４は、図５におけるターボ型回転機器の構成特に回転軸４とターボ翼７との結合関係の構成を概略的に示す縦断面図である。図４の構成が図５の構成と異なる点は、上部軸受５を保持する方式とシール部Ｓを構成するシール部材８が軸受保持部材９の上面に載置された形となっている点である。８Ａはこのシール部材８を貫通する回転軸４のために穿設された貫通孔であり、さらに９Ｈは軸受保持部材９の中央部に穿設された貫通孔である。なお、シール部材８と軸受保持部材９は図５に示すボルト１１を介してハウジング１に固定されている。そして１６が上述した仕切盤を示している。この仕切盤１６は回転軸４に嵌挿され、上部軸受５とシール部材８との間に配設されている。なお、図４において図５と同一の符号で示される部品は図５と同一の機能を有するものであり、詳細な説明は省略する。
【００１２】
このような構成において、シール部材８には貫通孔８Ａが穿設され、回転軸４との間に一定の間隙を有している。この間隙を小さくすることで上部軸受５に供給されるオイルＬがシール部Ｓに流動するのを軽減させることができる。
【特許文献１】特開２０００−２０９８１５号公報（第１−３頁、第１図−第８図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
高圧縮の流量性能を必要とするブロワの場合を図４にしたがって説明すると、ターボ翼７が大径となり、またより高速回転で運用することとなるため、回転時に遠心力に伴いターボ翼７の内部に発生する応力と回転体の剛性を高めるための軽量化ならびにガス圧縮及びモータ損失等に伴いターボ翼７が高温になることを考慮すると、何よりもまずターボ翼７の材料選定が重要かつ必須事項となる。そこで軽量かつ高強度のチタンあるいは、アルミ合金鍛造品等の素材が用いられているのが一般的である。また、ターボ翼７と回転軸４との結合は、ターボ翼７の中央に回転軸４が貫通する穴を長手方向に備え、回転軸４側には、組立時にターボ翼７の端面に対応するよう回転軸４に異径部を備え、また回転軸４上端部の取付軸４Ｓにネジを備え、ナット等でターボ翼７の上面を抑え固定する方法を採用している。
【００１４】
ターボ翼７にチタン材料を採用する場合には、素材費及び加工費が高額となり、またアルミニウム材の場合は回転軸４の材料（通常鋼材）と線膨張係数の差異が大きく、運転時と停止時の温度差に伴い、ターボ翼７と回転軸４との接触面でのずれが生じ、このような状態での長期間の運用によって回転軸４の芯に対してターボ翼７の中心が偏位することがある。また、弾性係数が大きいことからターボ翼７が大径化の場合、回転軸４の接触面に対し、若干でも不均一に変形すると起動、停止の繰り返しで、上述と同様に相対的に偏位することがある。ターボ翼７と回転軸４の互いの軸心のずれは回転体のアンバランスの増加を招き、過大な振動及び軸受の故障を誘発する。このため、高圧縮比を必要とするブロワを達成するには小径のターボ翼７を複数段備えなければならない。
【００１５】
他方、ガス圧縮室Ｃとモータ室Ｍとを区画する隔壁部としてのシール部材８と回転軸４との間をシールするシール機構については、運転中の回転体の振れによりシール部材８における貫通孔８Ａ側と回転軸４との接触を防止するため、貫通孔８Ａの回転軸４側に対する同心性は強く求められており厳しいが、そのためにターボ型回転機器の組立時の同心確認、調整は容易ではない。また、部品間のはめあい精度により決める場合には、関わる複数の部品の同心及び加工精度の要求値が厳しくなると共に、一方で、隙間の低減に対しても限界が設定されている。
【００１６】
したがって、隙間が広がると運用中のシール部Ｓの真空引き量が増加し、レーザ発振器のブロアとして使用する場合、消費レーザガス量の増加、ランニングコストアップとなる。また、このシール機構をラビリンスシールで構成する場合、加工が複雑であり、回転軸４の一部に加工を施すことは、コスト面運用面でも問題であり、別部品とせざるを得ないのが実情である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明が提供するターボ型回転機器は、上記課題を解決するためにターボ翼の軸方向一端側の外周面が嵌挿できる環状部を有しかつ中央貫通孔を介して前記回転軸に嵌挿固定されるカップリングを備え、このカップリングを前記回転軸に嵌挿固定するとともに、ターボ翼の前記一端側を前記カップリングの環状部に嵌挿させることによってターボ翼と回転軸を連結したものである。
さらに本発明はカップリングの材質を回転軸または仕切盤の材料と同程度の線膨張係数を有する材料としたものである。
【００１８】
そして本発明が第２に提供するターボ型回転機器は、圧縮室とモータ室とを区画する隔壁部としてのシール部材との間に設けるシール機構を、カップリングとシール部材との間において設けたものである。具体的にはシール機構はカップリングの外周面とシール部材との間に設け、さらにシール機構をラビリンスにて構成したものである。したがって、カップリングのタガによりターボ翼の軸方向一端（基部）における内径近傍の変形を抑制することができ、起動と停止のサイクルを繰り返しても、回転軸の芯に対しターボ翼の中心がずれることを抑制することができる。
【００１９】
また、カップリングの材質を回転軸等の材料と同様にすることで、温度上昇に伴う相対位置のずれも抑制することができる。カップリングとターボ翼を組み付けない状態でシール部静止側の回転軸に対するセンタリングの組立調整作業が容易になる。また、ラビリンスシール構造を採用する場合には、カップリングに２つの機能を有することを可能とし、部品点数の削減等に有効となる。
【発明の効果】
【００２０】
大径のターボ翼を備えた単段のブロワで、ターボ翼の軸心が回転軸の軸心に対して偏位することはなく信頼性の高い高圧縮のターボ型回転機器を提供できる。
また、圧縮室とモータ室間の隔壁部のシール機能が向上し、ランニングコストを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の第１の特徴は、ターボ翼が回転軸に取り付ける構成においてターボ翼の軸方向端部の外周面をカップリングにて包囲（囲繞）し、したがって回転・停止による温度差が生起してもターボ翼と回転軸との接触面での偏位が生じない点にある。
さらに本発明の第２の特徴は、圧縮室とモータ室を区画する隔壁部であるシール部材とカップリングとの間にシール機構を設けた点にある。
さらに本発明の第３の特徴は、カップリングとこのカップリングが固設される回転軸等の材料を同一ないし同一程度の線膨張係数とすることで昇温時における膨張による両者のズレを生起させないようにした点である。
したがって本発明の最良の形態としてはこれら３つの特徴を共に備えたターボ型回転機器である。すなわちカップリングでターボ翼を取り付けるとともに、そのカップリングの外周部とシール部材との間にシール機構を形成したものである。しかもシール機構としてはラビリンスシール構造として非接触でシールできる構造とするとともにカップリングと回転軸等の線膨張係数を同一ないし同一程度にしたものである。
【実施例１】
【００２２】
本実施例は図１に示される。図１は特にターボ翼７と回転軸４との結合部のみを拡大して示す断面図である。この図１には回転軸４の軸受機構ならびに回転軸４とシール部材８とのシール機構も示されている。
すなわち、図１に示すように、ターボ翼７にはその中心部に中央孔７Ｈが穿設されていて、この中央孔７Ｈに回転軸４の取付軸４Ｓが貫設されている。そして取付軸４Ｓの上端に座金１２を介してナット１３が螺合されターボ翼７が固着されている。ターボ翼７は図示のとおり、回転軸４とこの回転軸４より小径の取付軸４Ｓとの段部に対して軸方向に一定距離の間隔を有して固定された形となっている。
【００２３】
そして以上のような構成において、回転軸４には上部段部の位置にカップリング１４が固定されている。このカップリング１４はその断面形状が２つの異径環状部を有し、小径の内孔に回転軸４が貫設され大径の環状部にはターボ翼７の軸心方向端（下方）の外周面７Ｓが嵌挿されている。この嵌挿は締り嵌めとなっている。このような構成によってターボ翼７はカップリング１４に対する接触ズレなどが発生することはない。また図１においては、シール部材８が軸受保持部材９に面接合の形で載置されていて、その中央孔８Ｈにカップリング１４が貫設されている。しかもカップリング１４の材料と回転軸４の材料は、それぞれその線膨張係数が同一ないし同程度に設定されており、したがって温度上昇によるカップリング１４と回転軸４が膨張しても両者間にズレは生ぜず、結果としてターボ翼７と回転軸４もズレは生ぜず両者の関係は保障される。
【００２４】
したがって、カップリング１４の小径外周面１４Ｆがシール部材８の中央孔８Ｈに近接対向しており、この両者間にシール機構が形成される。ターボ型回転機器の組立作業において、カップリング１４およびターボ翼７を回転軸４に締結するに際しては、シール部材８の中央孔８Ｈが回転軸４に対し軸ずれを微小に抑制できるよう位置決めし、前記シール部材８を軸受保持部材９に固定する。この際、カップリング１４の外周がシール隙間の小径外周面１４Ｆとなることおよびカップリング１４を組込み前であり空間が充分確保できることでシール部Ｓの静止側の中央孔８Ｈの位置決めが容易にかつ精度よく調整することができる。具体的には図２に示すようにカップリング１４の小径外周面１４Ｆに近接対向するシール部材８の中央孔８Ｈの内周面にはラビリンス溝８Ｍが形成され、カップリング１４とシール部材８との間でラビリンス形シール機構が構成されている。非接触であり高速回転体との間でシール機構が発揮される。
図１に示す実施例では、仕切盤１６はカップリング１４と上部軸受５との間に介設されている。上記はカップリング１４が回転軸４に固定せず、仕切盤１６を回転軸４に固定し、この仕切盤１６とカップリング１４を接合する例である。接合の仕方としては、カップリング１４と仕切盤１６を取付軸４Ｓの上端にねじ込まれたナット１３を締結することによって固定接合する方式である。この場合、昇温時における膨張による両者のズレを生起させないために両者の材料の線膨張係数を同一ないし同一程度に設定する。
さらに他の変形例として、回転軸４の上方部をカップリング１４の外径まで拡大する拡大径形回転軸とし、この拡大径形回転軸の上端にカップリング１４を固定させる方式を挙げることができる。また仕切盤１６を省いてもよい。この場合はカップリング１４と回転軸４のそれぞれの材料の線膨張係数を等しくすることで両者間のズレは生起しない。本発明はこれらを包含するものである。
なお図１、図２において、図５、図４に示される符号と同一の符号で示される部品は図５、図４と同一ないし同様の機能を有するものであり、詳細な説明は省略する。なお図２におけるラビリンス溝８Ｍはカップリング１４側に備えてもよい。
【実施例２】
【００２５】
本実施例は図３に示される。図３は図１と同様、ターボ翼７と回転軸４との結合部を拡大して示す縦断面図である。図３に示すように本実施例においては、カップリング１５とターボ翼７の軸心方向端（下方）の結合がテーパ機構で行われている例である。ターボ翼７の軸心方向端（図示下方端）にはテーパ部７Ｔが形成され、他方回転軸４の上方に形成された取付軸４Ｓには環状部の内周面断面がＶ字形のカップリング１５が嵌挿固着されている。このＶ字形のカップリング１５の環状部の内周面は上方開口形のテーパ面１５Ｔをなし、このテーパ面１５Ｔにターボ翼７のテーパ部７Ｔが圧入されている。
【００２６】
そして、取付軸４Ｓの上端にねじ込まれたナット１３を締結することによってターボ翼７は下方に押圧され、そのテーパ部７Ｔがカップリング１５のテーパ面１５Ｔに圧入されることになる。このようにしてターボ翼７は接触ズレなどの発生がなくなる。なお図３において、図５、図４に示される符号と同一の符号で示される部品は図５、図４と同一ないし同様の機能を有するものであり、詳細な説明は省略する。
さらにこの実施例においてもカップリング１５と回転軸４の結合の仕方は仕切盤１６を回転軸４に固定し、この仕切盤１６とカップリング１５を固定結合させる方式とする。また回転軸４の上部を拡大径形にしてその上方にカップリング１５を固定するようにすることもできる。また仕切盤１６を省いてもよい。そしてこれらを含む図３の実施例においても、カップリング１５の材料と、回転軸４あるいは仕切盤１６の材料はその線膨張係数が同一ないし同一程度に設定されている。
【００２７】
本発明が提供するターボ型回転機器の特徴は以上詳述したとおりであるが、上記ならびに図示例に限定されるものではない。特にカップリング１４、１５については内径の異なる２つの内周面を有する環状形の実施例を示したが、大径環状部の外周に円周形のリブを形成して補強するようにすることもできる。また、図示例では仕切盤１６を回転軸４に対して溶着させた例を示したが、螺着方式でもよいし、スプライン結合でもよい。あるいはネジ止め方式で着脱可能にすることもできる。カップリング１４、１５は仕切盤１６を介して回転軸４に固定することもできる。この場合、回転軸４に仕切盤１６が固定されカップリング１４をその底面が仕切盤１６の上面に接合するように載置する。このような構成において、カップリング１４と仕切盤１６の線膨張係数を同一程度にする。そのことによって昇温時の膨張によっても両者間にズレが生じることはない。本発明はこのような実施例をも包含する。このカップリング１４、１５の材質についても上記以外の強度の大きい材料を使用することも可能で上記材質に限定されない。さらに回転軸全長を同一径とするターボ型回転機器にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明が提供するターボ型回転機器の要部の構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明が提供するターボ型回転機器の要部を拡大して示す縦断面図である。
【図３】従来におけるターボ型回転機器の構成を示す図である。
【図４】従来におけるターボ型回転機器のターボ翼の取付部の構成を示す図である。
【図５】従来におけるターボ型回転機器の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  ハウジング
１Ｋ  吸気口
１Ｈ  排気口
１Ｙ  オイル槽
２  モータ
２Ｋ  電極コイル
２Ｍ  回転子
３  インバータ
４  回転軸
４Ｈ  中空孔
４Ｓ  取付軸
４Ｔ  射出孔
５  上部軸受
６  下部軸受
７  ターボ翼
７Ｈ  中央孔
７Ｓ  外周面
７Ｔ  テーパ部
８  シール部材
８Ａ  貫通孔
８Ｈ  中央孔
８Ｍ  ラビリンス溝
９  軸受保持部材
９Ｈ  貫通孔
１１  ボルト
１２  座金
１３  ナット
１４  カップリング
１４Ｆ  小径外周面
１５  カップリング
１５Ｔ  テーパ面
１６  仕切盤
Ｃ  ガス圧縮室
Ｌ  オイル
Ｍ  モータ室
Ｓ  シール部
Ｒ  排気パイプ
【図１】
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【図２】
2006214341.tif 000004
【図３】
2006214341.tif 000005
【図４】
2006214341.tif 000006
【図５】
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