(57)【要約】【課題】超小型のインペラーと極細の回転軸の同心度を確保することができ、強固に連結でき、分解・組立が容易かつ悪影響なくでき、超高速回転とスラスト力を支持することができ、回転速度を正確に計測することができる超高速マイクロ回転機械のロータ構造を提供する。【解決手段】細長い中空円筒部分６ａと同心に一体成形された円板部分６ｂとからなる中空軸受部材６と、中空軸受部材の端部に位置し軸心に貫通穴を有するインペラー２，４と、中空軸受部材及びインペラーの貫通穴に貫通させて締結する締結部材８，９とを備える。凹凸の円錐面２ａ，４ａ，６ｃの嵌合により、同心位置にかつ所定の軸位置に位置決めされる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心に貫通穴を有する細長い中空円筒部分と該中空円筒部分の一部に同心に一体成形され回転軸に直交して半径方向外方に延びる円板部分とからなる中空軸受部材と、該中空軸受部材の端部に位置し軸心に貫通穴を有するインペラーと、前記中空軸受部材及びインペラーの貫通穴に貫通させて締結する締結部材と、を備えたことを特徴とする超高速マイクロ回転機械のロータ構造。
【請求項２】
前記中空軸受部材は、その両端に内方に凹んだ円錐面を有し、該端面に接触するインペラー又は締結部材は、その接触部に前記円錐面に嵌合する凸の円錐面を有し、前記凹凸の円錐面の嵌合により、同心位置にかつ所定の軸方向位置に位置決めされる、ことを特徴とする請求項１に記載の超高速マイクロ回転機械のロータ構造。
【請求項３】
前記締結部材はタイボルトとナットからなり、
タイボルトは、中空軸受部材及びインペラーの貫通穴より外径が大きい頭部と、該貫通穴を貫通し端部に雄ネジ部を有する細長い軸部とからなり、
ナットは、軸部の雄ネジ部と螺合しかつ貫通穴より外径が大きく、
前記タイボルトの雄ネジ部は、ナットの締結位置より外方に十分長く設けられている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超高速マイクロ回転機械のロータ構造。
【請求項４】
前記中空軸受部材の円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の超高速マイクロ回転機械のロータ構造。
【請求項５】
前記中空軸受部材の円筒部分の外周面に回転速度計測用の半円溝が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の超高速マイクロ回転機械のロータ構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速マイクロ回転機械のロータ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工技術の発展により、超小型の機械が各種実現できるようになってきた。これにより可能性が開けてきた機械の１つにマイクロマシン・ガスタービンやマイクロ・ターボチャージャー等の超高速マイクロ回転機械がある。
マイクロマシン・ガスタービンのうち、直径１０ｍｍ前後の３次元インペラーを備えたものは、手のひらに載るパームトップサイズで１００Ｗ前後の発電が可能であり、汎用バッテリーに代わる広い用途が期待されている。
【０００３】
かかるパームトップガスタービンは、その高性能を発揮するために、インペラーを８０万ｒｐｍを超える超高速回転で運転する必要がある。また、インペラーを支持する軸は、直径が数ｍｍ（３〜５ｍｍ）の極細となる。
このような超高速回転を支持する軸受には、動圧流体軸受が適しており、かかる動圧流体軸受に関して特許文献１、２が開示されている。また、小型ガスタービンの構造に関して特許文献３が開示されている。
【０００４】
特許文献１の「動圧流体軸受の溝加工方法」は、図６（Ａ）に示すように、完成した軸の外径より各動圧発生溝の溝深さを差し引いた外径の軸心材５１を予め製造しておき、この軸心材５１に耐摩耗性硬質無電解メッキを行って、動圧発生溝の溝深さと同等の厚さのメッキ層５２を形成し、メッキ層５２の周囲の動圧発生溝を形成すべき部位以外の部分にレジスト５３を印刷し、ついで、エッチングにより、動圧発生溝となる部位のメッキ層５２を除去したのち、レジスト５３を除去して動圧発生溝を有する軸を製造するものである。なお、この例で、レジストは図６（Ｂ）に示すグラビアオフセット印刷機で印刷している。
【０００５】
特許文献２の「動圧気体軸受」は、図７に示すように、滑り軸受の相対向する各摺動面部に、反応性イオンエッチングによりガス化処理できる硬質膜を被着し、一方の摺動面部に被着した硬質膜６１に、反応性イオンエッチングにより動圧発生溝６２を形成したものある。なお、図７（Ａ）はラジアル軸受、図７（Ｂ）はスラスト軸受の例である。
【０００６】
特許文献３の「小型ガスタービン」は、図８に示すように、ハウジング７１、回転軸７２、インペラ７３、ディフューザ７４、シュラウド７５を備え、ディフューザ７４にガイドベーン７６が設けられている小型ガスタービンにおいて、ディフューザ７４とシュラウド７５とが、インロー構造により芯出しされているものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平５−９３２８５号公報
【特許文献２】
特開２０００−３４６０５９号公報
【特許文献３】
特開２００２−１４７３９４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
直径１０ｍｍ前後の３次元インペラーを備えた超高速マイクロ回転機械では、インペラー（コンプレッサやタービン）を極細（例えば直径が３〜５ｍｍ）の回転軸に、同心度を確保して固定する必要がある。
従来の高速回転機械では、インペラーと回転軸の同心度を確保するためにインペラーに円筒形のインロー穴を設け、インペラーを加熱して熱膨張させて軸を嵌合させる「焼き嵌め」によってインペラーと回転軸を連結している。
しかし、超高速マイクロ回転機械では、インペラーと回転軸を焼き嵌めで連結すると、全体が超小型のため熱伝導が早く、外側のみを熱膨張させて分解することは実質的に不可能となる。
【０００９】
また、超高速マイクロ回転機械では、例えば、８０万ｒｐｍを超える超高速回転で運転するため、この超高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持する必要となる。
更に、この超高速回転をインペラーの回転を維持したまま正確に回転速度を計測する必要がある。
【００１０】
本発明は上述した超高速マイクロ回転機械に要求される課題を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、超小型のインペラーと極細の回転軸の同心度を確保することができ、超高速回転による緩みが発生しないように強固に連結でき、インペラーと回転軸の分解・組立が容易かつ悪影響なくでき、超高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができ、超高速回転時の回転速度を正確に計測することができる超高速マイクロ回転機械のロータ構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、軸心に貫通穴を有する細長い中空円筒部分と該中空円筒部分の一部に同心に一体成形され回転軸に直交して半径方向外方に延びる円板部分とからなる中空軸受部材と、該中空軸受部材の端部に位置し軸心に貫通穴を有するインペラーと、前記中空軸受部材及びインペラーの貫通穴に貫通させて締結する締結部材と、を備えたことを特徴とする超高速マイクロ回転機械のロータ構造が提供される。
【００１２】
上記本発明の構成によれば、締結部材を中空軸受部材及びインペラーの貫通穴に貫通させて締結するので、インペラーと回転軸（中空軸受部材）を容易に一体化することができる。
また、中空軸受部材は、一体成形された中空円筒部分と円板部分からなるので、中空円筒部分の外周面と円板部分の両面で超高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記中空軸受部材は、その両端に内方に凹んだ円錐面を有し、該端面に接触するインペラー又は締結部材は、その接触部に前記円錐面に嵌合する凸の円錐面を有し、前記凹凸の円錐面の嵌合により、同心位置にかつ所定の軸方向位置に位置決めされる。
【００１４】
この構成により、凹凸の円錐面を嵌合させて締結部材で密着させることにより、同心位置にかつ所定の軸方向位置に位置決めすることができ、超小型のインペラーと極細の回転軸の同心度を確保することができる。
【００１５】
前記締結部材はタイボルトとナットからなり、タイボルトは、中空軸受部材及びインペラーの貫通穴より外径が大きい頭部と、該貫通穴を貫通し端部に雄ネジ部を有する細長い軸部とからなり、ナットは、軸部の雄ネジ部と螺合しかつ貫通穴より外径が大きく、前記タイボルトの雄ネジ部は、ナットの締結位置より外方に十分長く設けられている。
【００１６】
この構成により、タイボルトとナットの螺合で、インペラーと回転軸（中空軸受部材）を容易に強固に一体化することができる。また、タイボルトの雄ネジ部が、ナットの締結位置より外方に十分長く設けられているので、タイボルトの端部に別の雌ネジ金具を取り付け、タイボルトに所定の引張力を付与した状態でナットを締結位置に位置決めすることにより、中空軸受部材及びタイボルトに捩りトルクを付与することなく、超高速回転による緩みが発生しないようにタイボルトに所定の張力を付与することができる。更にこの構造により、インペラーと回転軸の分解・組立を容易かつ悪影響なくできる。
【００１７】
前記中空軸受部材の円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されている。
【００１８】
この構成によれば、中空軸受部材の細長い円筒部分と半径方向外方に延びる円板部分が同心に一体成形されているので、中空軸受部材の強度を確保することができる。また、円筒部分の外周面と円板部分の両面に動圧発生用の溝が形成されているので、円筒部分の外周面で動圧を発生してインペラーの高速回転を支持でき、円板部分の両面で動圧を発生してインペラーに作用するスラスト力を支持することができる。
【００１９】
前記中空軸受部材の円筒部分の外周面に回転速度計測用の半円溝が形成されている。
この構造により、半円溝をレーザープローブ等で検出することにより、その深さ変化から超高速回転時の回転速度を正確に計測することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２１】
【実施例】
図１は、本発明のロータ構造を備えた超高速マイクロ回転機械の断面図である。
この例において、超高速マイクロ回転機械は、直径１０ｍｍの遠心コンプレッサ２と遠心タービン４を直結したマイクロ・ターボチャージャーである。このマイクロ・ターボチャージャーは、遠心コンプレッサ２と遠心タービン４を有するロータ部１０、ロータ部１０の回転を支持する軸受ハウジング１２、遠心コンプレッサ２を囲むコンプレッサハウジング１３、遠心タービン４を囲むタービンハウジング１４、軸受ハウジング１２とコンプレッサハウジング１３の間に挟持されるコンプレッサ中間板１５、及び軸受ハウジング１２とタービンハウジング１４の間に挟持されるタービン中間板１６からなる。
【００２２】
ハウジング１２〜１４と中間板１５、１６は図示しない締結部材（例えばボルト・ナット）により、ロータ部１０の軸方向Ｚに密着して締結されている。また、ハウジング１２〜１４と中間板１５、１６の間にはシール部材１７（例えばＯリング）が挟持されその間を気密にシールしている。
なお本発明のロータ構造は、マイクロ・ターボチャージャーに限定されず、マイクロマシン・ガスタービンやその他の高速回転機械にも適用することができる。
【００２３】
この例において、マイクロ・ターボチャージャーは、計画回転速度８７万ｒｐｍ、圧縮比はコンプレッサが３．０とタービンが４．０である。このマイクロ・ターボチャージャーの主要な仕様を表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
図２は、図１のロータ部の構造図である。この図に示すように、この超高速マイクロ回転機械のロータ部１０は、インペラー（遠心コンプレッサ２及び遠心タービン４）、中空軸受部材６及び締結部材（タイボルト８とナット９）からなる。
【００２６】
インペラー（遠心コンプレッサ２及び遠心タービン４）は、中空軸受部材６の両端部に位置し、軸心にタイボルト８が通る貫通穴を有する。また、インペラー２、４は、中空軸受部材６に接触する接触部に凸の円錐面２ａ，４ａを有する。
【００２７】
中空軸受部材６は、細長い中空円筒部分６ａと回転軸Ｚに直交して半径方向外方に延びる円板部分６ｂとからなる。中空円筒部分６ａは軸心にタイボルト８が通る貫通穴を有する。また、円板部分６ｂは中空円筒部分６ａの一部に同心に一体成形されている。さらに中空軸受部材６は、その両端に内方に凹んだ円錐面６ｃを有する。なおこの例において、中空円筒部分６ａの外径は４ｍｍである。
【００２８】
インペラー２、４の凸の円錐面２ａ，４ａと中空軸受部材６の凹んだ円錐面６ｃは、同一の円錐角を有し、凹凸の円錐面２ａ，４ａ，６ｃの嵌合により、互いに同心位置にかつ所定の軸方向位置に位置決めされる。
【００２９】
締結部材はタイボルト８とナット９からなる。タイボルト８は、中空軸受部材６及びインペラー２，４の貫通穴より外径が大きい頭部８ａと、これらの貫通穴を貫通し端部に雄ネジ部を有する細長い軸部８ｂとからなる。なおこの例において、軸部８ｂの外径は１．６ｍｍである。
ナット９は、軸部８ｂの雄ネジ部と螺合しかつ貫通穴より外径が大きく形成されている。
【００３０】
また、タイボルト８の雄ネジ部は、ナットの締結位置より外方に十分長く設けられており、タイボルト８の端部に別の雌ネジ金具（図示せず）を取り付け、タイボルト８に所定の引張力を付与した状態でナット９を所定の締結位置に位置決めすることにより、中空軸受部材６及びタイボルト８に捩りトルクを付与することなく、超高速回転による緩みが発生しないようにタイボルトに所定の張力を付与するようになっている。
【００３１】
さらにタイボルト８の軸部８ｂの外径は、インペラー２，４の貫通穴をスムースに通せるように貫通穴よりわずかに細くなっている。また、軸部８ｂの中間部の外径は、両端部よりわずかに太く、中空軸受部材６に高速回転時に接触して、振れ回りを防ぐようになっている。
【００３２】
図３は、図２の中空軸受部材の構成図である。この図に示すように、中空軸受部材６の円筒部分６ａの外周面と円板部分６ｂの両面に動圧発生用の溝７ａ，７ｂ（以下、「動圧発生溝」と呼ぶ）がそれぞれ形成されている。
この例において、中空軸受部材６の動圧気体軸受は、直径４ｍｍのチタン合金軸表面のヘリンボーン溝７ａと、直径１０ｍｍのスラストディスク両面のスパイラル溝７ｂからなる。この中空軸受部材６の計画回転速度は表１に示したように８７万ｒｐｍである。動圧発生溝７ａ，７ｂは、ＣＦＤ解析（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙａｍｉｃｓ）で種々の運転状態における軸受負荷を計算し、この軸受負荷に基に設計した。
【００３３】
図１に示すように、中空軸受部材６の円筒部分６ａは、軸受ハウジング１２の内面に支持され、円板部分６ｂの両面は、軸受ハウジング１２とコンプレッサ中間板１５の端面に支持される。また、軸受ハウジング１２とコンプレッサ中間板１５にはバランスポート１２ａ，１５ａが設けられ、円板部分６ｂの両面と円筒部分６ａが同圧となり、動圧発生溝７ａ，７ｂが正常に機能するようになっている。
なお、本発明は動圧軸受に限定されず、静圧軸受であってもよい。
【００３４】
図３において、中空軸受部材６の円筒部分６ａの外周面に回転速度計測用の半円溝１１ａ，１１ｂが形成されている。この半円溝１１ａ，１１ｂは、それぞれ円筒部分６ａの半周部分に設けられた溝であり、半円溝１１ａ，１１ｂは、軸方向に間隔を隔て、かつ動バランスを保持するように、溝深さが軸対称に形成されている。
図１に示すように、軸受ハウジング１２に設けた計測用ポート１２ｂから、半円溝の一方１１ａをレーザープローブ等（図示せず）で検出し、その深さ変化から超高速回転時の回転速度を計測する。
【００３５】
図４は、製造した超高速マイクロ回転機械のロータ部の拡大写真である。製造した超高速マイクロ動圧軸受にインペラを組立てた拡大写真である。完成した軸受を直径１０ｍｍの３次元インペラー付きのマイクロターボチャージャで試験した。インペラは、ＣＦＤ解析と有限要素法により設計し、特殊な５軸高速ミーリング装置を用いて製造した。この試験の目的は８７万ｒｐｍに達する高速回転と室温で６５％以上の圧縮効率を実証することにある。
【００３６】
図５は、製造したマイクロ・ターボチャージャーの最初の試験結果である。軸受は、少なくとも５万６千ｒｐｍまで良好に作動したが、軸受ステータのエッジ処理不良によりロータが破壊したため、それ以上の高速回転は未確認である。しかし、この試験結果から、少なくとも本発明のロータ構造が５万６千ｒｐｍ以上の超高速に適用可能であることが確認された。
【００３７】
上述した本発明の構成によれば、締結部材８を中空軸受部材６及びインペラー２、４の貫通穴に貫通させて締結するので、インペラー２、４と回転軸（中空軸受部材６）を容易に一体化することができる。
また、中空軸受部材６は、一体成形された中空円筒部分６ａと円板部分６ｂからなるので、中空円筒部分の外周面と円板部分の両面で超高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができる。
【００３８】
また、凹凸の円錐面２ａ，４ａ，６ｃを嵌合させて締結部材８，９で密着させることにより、同心位置にかつ所定の軸方向位置に位置決めすることができ、超小型のインペラー２，４と極細の回転軸の同心度を確保することができる。
【００３９】
また、タイボルト８とナット９の螺合で、インペラー２，４と回転軸（中空軸受部材）を容易に強固に一体化することができる。また、タイボルト８の雄ネジ部が、ナット９の締結位置より外方に十分長く設けられているので、インペラーと回転軸の分解・組立を容易かつ悪影響なくできる。
【００４０】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４１】
【発明の効果】
上述したように、本発明の超高速マイクロ回転機械のロータ構造は、超小型のインペラーと極細の回転軸の同心度を確保することができ、超高速回転による緩みが発生しないように強固に連結でき、インペラーと回転軸の分解・組立が容易かつ悪影響なくでき、超高速回転とインペラーに作用するスラスト力を支持することができ、超高速回転時の回転速度を正確に計測することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロータ構造を備えた超高速マイクロ回転機械の断面図である。
【図２】図１のロータ部の構造図である。
【図３】図２の中空軸受部材の構成図である。
【図４】製造した超高速マイクロ回転機械のロータ部の拡大写真である。
【図５】製造したマイクロターボチャージャの試験結果である。
【図６】特許文献１の「動圧流体軸受の溝加工方法」の模式図である。
【図７】特許文献２の「動圧気体軸受」の模式図である。
【図８】特許文献３の「小型ガスタービン」の模式図である。
【符号の説明】
２  インペラー（遠心コンプレッサ）、２ａ  円錐面、
４  インペラー（遠心タービン）、４ａ  円錐面、
６  中空軸受部材、６ａ  中空円筒部分、６ｂ  円板部分、６ｃ  円錐面、
７ａ，７ｂ  動圧発生溝、
８  タイボルト、８ａ  頭部、８ｂ  軸部、９  ナット、
１０  ロータ部、１１ａ，１１ｂ  半円溝、
１２  軸受ハウジング、１２ａ  バランスポート、１２ｂ  計測用ポート、
１３  コンプレッサハウジング、１４  タービンハウジング、
１５  コンプレッサ中間板、１５ａ  バランスポート、
１６  タービン中間板、１７  シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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