JP2014005728A - タービン発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】製造面での加工性を良好とし且つ強度面での改善を図りつつ、軸受内部の潤滑油の漏れを防止し得、軸受の潤滑不良をなくして寿命延長を図り得るタービン発電機を提供する。
【解決手段】軸受手段２７における内部封入潤滑油と接触しない部位に、ステータハウジング７の内部空間と前記軸受手段２７で仕切られる外側とを連通する等圧用連通手段２８を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン発電機に関するものである。

近年、内燃機関の排熱を利用して発電を行うタービン発電機を車両等に搭載し、エネルギーの有効利用を図ることが提案されている。

この種の装置としては、例えば、エンジンを冷却して高温となったクーラントをラジエータで冷却しポンプにより循環させるようにした内燃機関において、前記ラジエータの上流側に熱交換器を配設し、該熱交換器に液状の冷却用媒体をポンプにより供給して前記高温のクーラントと熱交換させ、冷却用媒体が気化して生じた作動流体を前記タービン発電機のタービンに供給することにより発電機にて発電を行い、該タービンを回転駆動した後の低圧の作動流体を凝縮器によって冷却凝縮させて液化させた後、再び前記熱交換器に供給するようにしたものがある。

又、前記タービン発電機としては、例えば、両側に回転軸を有しタービンが一方の側の回転軸に取り付けられるロータと、該ロータの回転軸を回転自在に支持する第一の軸受及び第二の軸受からなる軸受手段と、前記ロータの外周を包囲するように配設されるモータステータと、前記ロータ及びモータステータが内部空間に収容されるよう前記軸受手段が組み付けられるハウジングとを備えるようにしたものがある。前記ハウジングには、前記第一の軸受のタービン側とロータ側における圧力差をなくす通気孔を、前記軸受手段の軸線方向に対し斜め方向へ延びるよう穿設すると共に、第二の軸受のロータ側と反ロータ側における圧力差をなくす通気孔を、前記軸受手段の軸線方向に対し斜め方向へ延びるよう穿設している。

これにより、前記第一の軸受のタービン側とロータ側が通気孔によって連通され、第一の軸受のタービン側における圧力がロータ側における圧力より高くならず、圧力差が生じなくなるため、第一の軸受内に封入されたグリースが漏出して飛散してしまうことが避けられ、該第一の軸受が円滑に機能するようになっている。又、前記第二の軸受のロータ側と反ロータ側が通気孔により連通され、第二の軸受のロータ側における圧力が反ロータ側における圧力より高くならず、圧力差が生じなくなるため、第二の軸受内に封入されたグリースが漏出して飛散してしまうことが避けられ、該第二の軸受が円滑に機能するようになっている。

尚、前記タービン発電機と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。

特開２０１０−２４２５５１号公報

ところで、前記タービン発電機のロータ及びモータステータや軸受手段から発生する熱により、前記第一の軸受で仕切られるハウジングの内部空間及び第二の軸受で仕切られるハウジングの内部空間の圧力が外側より高くなることが、本願発明者等によって確認されている。

ここで、前記タービン発電機は、そのメンテナンス性を考慮して前記第一の軸受及び第二の軸受としてそれぞれ潤滑油を封入した軸受が採用されている。又、前記タービン発電機は高速回転機械のため、前記第一の軸受内部及び第二の軸受内部に封入した潤滑油のシールは接触形リップシールよりも長寿命化が図れる非接触形シールドを採用している。しかし、前記第一の軸受で仕切られるハウジングの内側と外側並びに第二の軸受で仕切られるハウジングの内側と外側に圧力差が生じた場合、仮に、特許文献１に開示されているような通気孔をハウジングに穿設しておかないと、微少隙間を有する前記非接触形シールドから空気の流れが生じて前記第一の軸受内部及び第二の軸受内部の潤滑油が漏れ出す可能性があり、特許文献１に開示されている技術的手段は非常に有効であった。

しかしながら、前述のように、前記ハウジングに、前記第一の軸受のタービン側とロータ側における圧力差をなくす通気孔を、前記軸受手段の軸線方向に対し斜め方向へ延びるよう穿設すると共に、第二の軸受のロータ側と反ロータ側における圧力差をなくす通気孔を、前記軸受手段の軸線方向に対し斜め方向へ延びるよう穿設することは、加工が行いにくく、製造が困難となる。又、装置全体を支える前記ハウジングに孔をあけることは強度面からも改善の余地が残されていた。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、製造面での加工性を良好とし且つ強度面での改善を図りつつ、軸受内部の潤滑油の漏れを防止し得、軸受の潤滑不良をなくして寿命延長を図り得るタービン発電機を提供しようとするものである。

本発明は、両側に回転軸を有しタービンが一方の側の回転軸に取り付けられるロータと、
該ロータの回転軸を回転自在に支持する軸受手段と、
前記ロータの外周を包囲するように配設されるモータステータと、
前記ロータ及びモータステータが内部空間に収容されるよう前記軸受手段が組み付けられるハウジングと
を備えたタービン発電機であって、
前記軸受手段に、前記ハウジングの内部空間と前記軸受手段で仕切られる外側とを等圧にする等圧用連通手段を形成したことを特徴とするタービン発電機にかかるものである。

上記手段によれば、以下のような作用が得られる。

前述したように軸受手段に、前記ハウジングの内部空間と前記軸受手段で仕切られる外側とを等圧にする等圧用連通手段を形成すると、該等圧用連通手段により、前記ハウジングの内部空間と前記軸受手段で仕切られる外側との圧力が同一となる。

ここで、前記タービン発電機は、そのメンテナンス性を考慮して前記軸受手段を潤滑油が封入されたものとしている。又、前記タービン発電機は高速回転機械のため、前記軸受手段内部に封入した潤滑油のシールは接触形リップシールよりも長寿命化が図れる非接触形シールドを採用している。そして、前記タービン発電機のロータ及びモータステータや軸受手段から発生する熱により、該軸受手段で仕切られるハウジングの内部空間の圧力が外側より高くなろうとしても、前記等圧用連通手段によって圧力差が生じることが避けられ、微少隙間を有する前記非接触形シールドからの空気の流れが生じなくなって前記軸受手段内部の潤滑油が漏れ出す可能性がなくなる。

しかも、前記軸受手段に、前記ハウジングの内部空間と前記軸受手段で仕切られる外側とを等圧にする等圧用連通手段を形成したことにより、従来のようにハウジングに斜めに孔をあけるのに比べ、軸受手段は相対的に小さくて加工が行いやすく、製造が容易になると共に、装置全体を支える前記ハウジングに孔をあけなくて済むため、強度面からも改善が可能となる。

前記タービン発電機においては、前記軸受手段を、軸受と該軸受の外周に嵌着されるスリーブとから構成し、
該スリーブの外周、前記スリーブの内周、前記軸受の外輪の外周、又は前記軸受の内輪の内周に前記等圧用連通手段を形成することができる。

この場合、前記等圧用連通手段は軸受手段の軸線方向へ延びる溝とすることが、加工をより行いやすくして製造を更に容易とする上で好ましい。

本発明のタービン発電機によれば、製造面での加工性を良好とし且つ強度面での改善を図りつつ、軸受内部の潤滑油の漏れを防止し得、軸受の潤滑不良をなくして寿命延長を図り得るという優れた効果を奏し得る。

本発明のタービン発電機の実施例を示す側断面図である。 （ａ）は図１の本発明のタービン発電機の実施例においてスリーブの外周に等圧用連通手段としての溝を形成した例を示す斜視図、（ｂ）は図１の本発明のタービン発電機の実施例においてスリーブの内周に等圧用連通手段としての溝を形成した例を示す斜視図、（ｃ）は図１の本発明のタービン発電機の実施例において軸受の外輪の外周に等圧用連通手段としての溝を形成した例を示す斜視図、（ｄ）は図１の本発明のタービン発電機の実施例において軸受の内輪の内周に等圧用連通手段としての溝を形成した例を示す斜視図である。 内燃機関にタービン発電機を搭載した場合の一例を示す全体概要構成図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図３は本発明のタービン発電機の実施例であって、図１中、１は両側に回転軸２，３を備えたロータであり、該ロータ１の一方の回転軸２にはタービン４が一体に嵌着されている。５は前記タービン４を収容するように形成されたタービンハウジングであり、該タービンハウジング５は、圧力を有する作動流体を前記タービン４に導くためのスクロール通路６を有していると共に、タービン４を回転駆動した後の低圧となった作動流体を排気するための排出通路６ａを有している。

７は固定ボルト８によって前記タービンハウジング５に一体に組み付けるようにしたステータハウジングであり、該ステータハウジング７は、前記一方の回転軸２に近づくよう内周側に突出し更に内周部がロータ１に近づくように環状に突出した筒状突出部９を有しており、該筒状突出部９によって形成されるモータステータ収容部１０ａに、ロータ１を包囲するように形成したモータステータ１０のタービンハウジング５側の一端部（図１の例では左側端部）を収容して保持するようになっている。更に、前記筒状突出部９の内周部と一方の回転軸２との間には第一の軸受１１が配置されて一方の回転軸２を回転可能に支持するようになっている。前記モータステータ１０は、内側のコイルからなるステータ１２と、該ステータ１２より軸方向の長さが長い外側のステータスリーブ１３とにより構成されている。

又、前記タービンハウジング５に一体に組み付けられるステータハウジング７の端面における嵌合凹部７ｂには、前記スクロール通路６の作動流体をタービン４へ周方向から導くノズル部１４に対して周方向に複数配置するようしたベーン１５を有し且つ該各ベーン１５を固定するプレート１６が配置されており、該プレート１６は前記タービンハウジング５とステータハウジング７の組み付けによってその相互間に挟持されるようになっている。

１７は固定ボルト１８によって前記ステータハウジング７に一体に組み付けるようにした軸受フランジであり、該軸受フランジ１７は、前記モータステータ１０の反タービンハウジング５側の他端部（図１の例では右側端部）の内側において軸方向へ突出して該モータステータ１０の他端部を保持するようにした筒状突出部１９を有しており、更に、該筒状突出部１９の内周部と前記ロータ１の他方の回転軸３との間には第二の軸受２０が配置されて他方の回転軸３を回転可能に支持するようになっている。２１は、前記軸受フランジ１７における他方の回転軸３が対応する位置に貫通するように形成された開口である。

２２は固定ボルト２３により前記軸受フランジ１７に一体に組み付けるようにした蓋部材であり、該蓋部材２２は、前記軸受フランジ１７に備えた開口２１を塞ぐように突出して該開口２１に嵌合される凸部２４を有している。尚、図１中、２５は、タービンハウジング５とステータハウジング７との間、モータステータ１０の外周とステータハウジング７との間、及び、軸受フランジ１７と蓋部材２２との間に設けたシールリング等からなるシール材であり、前記モータステータ１０の外周とステータハウジング７との間に設けたシール材２５は、ステータハウジング７に形成されたモータステータ１０用の冷却水路７ａに対し給排口（図示せず）を介して流通される冷却水のシールを行うようになっている。

前記ロータ１とモータステータ１０とにより発電機Ｍが形成され、該発電機Ｍの同軸上に前記タービン４が備えられることによってタービン発電機１００が構成されている。

因みに、前述のように構成したタービン発電機１００は、組み立てが容易でしかもコンパクトな形状となっており、例えば、図３に示すように、エンジン６０を冷却して高温となったクーラントをラジエータ６１で冷却しポンプ６２により循環させるようにした内燃機関において、ラジエータ６１の上流側に熱交換器３１を配設し、該熱交換器３１に液状の冷却用媒体をポンプ３２により供給して前記高温のクーラントと熱交換させ、冷却用媒体が気化して生じた作動流体を前記タービン発電機１００のタービン４に供給することにより発電機Ｍにて発電を行い、該タービン４を回転駆動した後の低圧の作動流体を凝縮器３３によって冷却凝縮させて液化させた後、再び前記熱交換器３１に供給するようになっている。

そして、本実施例の場合、前記ステータハウジング７はアルミニウムで形成され、前記第一の軸受１１及び第二の軸受２０は軸受鋼で形成されており、該第一の軸受１１及び第二の軸受２０のステータハウジング７に対する嵌め合い部には、微小振幅の滑り振動により摩耗が集中的に発生する、いわゆるフレッティングが生じるため、該フレッティングを防止する目的で、前記第一の軸受１１及び第二の軸受２０の外周にはスリーブ２６を嵌着して軸受手段２７を構成しているが、該軸受手段２７に、前記ステータハウジング７の内部空間と前記軸受手段２７で仕切られる外側とを連通する等圧用連通手段２８を形成したことを特徴としている。

前記等圧用連通手段２８は、例えば、図２（ａ）に示すように、前記スリーブ２６の外周にその軸線方向へ延びる溝２８ａを凹設することにより構成することができる。前記スリーブ２６の外周は、前記軸受手段２７における内部封入潤滑油と接触しない部位になっている。

又、前記等圧用連通手段２８は、例えば、図２（ｂ）に示すように、前記スリーブ２６の内周にその軸線方向へ延びる溝２８ａを凹設することにより構成することもできる。前記スリーブ２６の内周も、前記軸受手段２７における内部封入潤滑油とは接触しない部位になっている。

更に又、前記等圧用連通手段２８は、例えば、図２（ｃ）に示すように、前記第一の軸受１１の外輪１１ａの外周及び第二の軸受２０の外輪２０ａの外周にその軸線方向へ延びる溝２８ａを凹設するか、或いは図２（ｄ）に示すように、前記第一の軸受１１の内輪１１ｂの内周及び第二の軸受２０の内輪２０ｂの内周にその軸線方向へ延びる溝２８ａを凹設することにより構成しても良い。前記第一の軸受１１の外輪１１ａの外周及び第二の軸受２０の外輪２０ａの外周、或いは前記第一の軸受１１の内輪１１ｂの内周及び第二の軸受２０の内輪２０ｂの内周も、前記軸受手段２７における内部封入潤滑油とは接触しない部位になっている。

次に、上記実施例の作用を説明する。

前述したように軸受手段２７における内部封入潤滑油と接触しない部位に、前記ステータハウジング７の内部空間と前記軸受手段２７で仕切られる外側とを連通する等圧用連通手段２８を形成すると、該等圧用連通手段２８（例えば、図２（ａ）に示すようなスリーブ２６の外周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａ、図２（ｂ）に示すようなスリーブ２６の内周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａ、或いは図２（ｃ）に示すような第一の軸受１１の外輪１１ａの外周及び第二の軸受２０の外輪２０ａの外周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａ）により、前記ステータハウジング７の内部空間と前記軸受手段２７で仕切られる外側との圧力が同一となる。

ここで、前記タービン発電機１００は、そのメンテナンス性を考慮して前記軸受手段２７を構成する第一の軸受１１及び第二の軸受２０としてそれぞれ潤滑油を封入した軸受が採用されている。又、前記タービン発電機１００は高速回転機械のため、前記第一の軸受１１内部及び第二の軸受２０内部に封入した潤滑油のシールは接触形リップシールよりも長寿命化が図れる非接触形シールドを採用している。そして、前記タービン発電機１００のロータ１及びモータステータ１０や軸受手段２７から発生する熱により、前記第一の軸受１１で仕切られるステータハウジング７の内部空間及び第二の軸受２０で仕切られるステータハウジング７の内部空間の圧力が外側より高くなろうとしても、前記等圧用連通手段２８によって圧力差が生じることが避けられ、微少隙間を有する前記非接触形シールドからの空気の流れが生じなくなって前記第一の軸受１１内部及び第二の軸受２０内部の潤滑油が漏れ出す可能性がなくなる。

しかも、前記軸受手段２７に、前記ステータハウジング７の内部空間と前記軸受手段２７で仕切られる外側とを等圧にする等圧用連通手段２８を形成したことにより、従来のようにハウジングに斜めに孔をあけるのに比べ、軸受手段２７は相対的に小さくて加工が行いやすく、製造が容易になると共に、装置全体を支える前記ハウジングに孔をあけなくて済むため、強度面からも改善が可能となる。

又、前記等圧用連通手段２８を、例えば、図２（ａ）に示すようなスリーブ２６の外周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａ、図２（ｂ）に示すようなスリーブ２６の内周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａ、図２（ｃ）に示すような第一の軸受１１の外輪１１ａの外周及び第二の軸受２０の外輪２０ａの外周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａ、或いは図２（ｄ）に示すような第一の軸受１１の内輪１１ｂの内周及び第二の軸受２０の内輪２０ｂの内周にその軸線方向へ延びるよう凹設した溝２８ａとすると、従来のようにハウジングに孔をあけたり、或いは前記ロータ１に孔をあけたりするのに比べても、加工がより行いやすく、製造が更に容易となる。

こうして、製造面での加工性を良好とし且つ強度面での改善を図りつつ、軸受手段２７を構成する第一の軸受１１及び第二の軸受２０内部の潤滑油の漏れを防止し得、該軸受手段２７を構成する第一の軸受１１及び第二の軸受２０の潤滑不良をなくして寿命延長を図り得る。

尚、本発明のタービン発電機は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ロータ
２ 回転軸
３ 回転軸
４ タービン
７ ステータハウジング（ハウジング）
１０ モータステータ
１１ 第一の軸受
１１ａ 外輪
１１ｂ 内輪
２０ 第二の軸受
２０ａ 外輪
２０ｂ 内輪
２６ スリーブ
２７ 軸受手段
２８ 等圧用連通手段
２８ａ 溝
１００ タービン発電機
Ｍ 発電機

Claims (3)

1. 両側に回転軸を有しタービンが一方の側の回転軸に取り付けられるロータと、
   該ロータの回転軸を回転自在に支持する軸受手段と、
   前記ロータの外周を包囲するように配設されるモータステータと、
   前記ロータ及びモータステータが内部空間に収容されるよう前記軸受手段が組み付けられるハウジングと
   を備えたタービン発電機であって、
   前記軸受手段に、前記ハウジングの内部空間と前記軸受手段で仕切られる外側とを等圧にする等圧用連通手段を形成したことを特徴とするタービン発電機。
2. 前記軸受手段を、軸受と該軸受の外周に嵌着されるスリーブとから構成し、
   該スリーブの外周、前記スリーブの内周、前記軸受の外輪の外周、又は前記軸受の内輪の内周に前記等圧用連通手段を形成した請求項１記載のタービン発電機。
3. 前記等圧用連通手段を軸受手段の軸線方向へ延びる溝とした請求項２記載のタービン発電機。

Images