JP2016033367A - Spindle device and electrostatic coating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はスピンドル装置及び静電塗装装置に関する。 The present invention relates to a spindle apparatus and an electrostatic coating apparatus.
例えば特許文献１，２には、スピンドル装置や塗料噴霧装置に使用される衝動式のタービン羽根車が開示されている。このタービン羽根車は、ノズルから噴出された気体を受ける複数のタービン翼を備えているが、このタービン翼の形状の工夫によって、噴出された気体の衝撃力をタービン羽根車の回転駆動力に変換する効率を高めている。
具体的には、タービン翼は、タービン羽根車の回転方向の後方に向き気体を受ける後方曲面と、タービン羽根車の回転方向の前方を向き隣のタービン翼の後方曲面に対向する前方曲面とを備えているが、両曲面の曲率を規定することにより、タービン羽根車からの気体の排気効率を向上させている。その結果、低流量の気体で高速回転、高トルクを実現している。
For example, Patent Documents 1 and 2 disclose impulse-type turbine impellers used in spindle devices and paint spraying devices. This turbine impeller is provided with a plurality of turbine blades that receive the gas ejected from the nozzles, and the impact force of the ejected gas is converted into the rotational driving force of the turbine impeller by devising the shape of the turbine blade. To improve efficiency.
Specifically, the turbine blade has a rear curved surface that receives the gas directed rearward in the rotational direction of the turbine impeller, and a front curved surface that faces the rear curved surface of the adjacent turbine blade facing forward in the rotational direction of the turbine impeller. Although it is provided, the exhaust efficiency of gas from the turbine impeller is improved by defining the curvature of both curved surfaces. As a result, high speed rotation and high torque are realized with a low flow rate gas.
特許文献１，２のタービン羽根車は、噴出された気体の衝撃力を効率的にタービン羽根車の回転駆動力に変換しているが、気体の運動エネルギーをさらに高効率で回転駆動力に変換することが望まれていた。
また、タービン羽根車を高速回転させると、遠心力の作用によりタービン翼に変形や損傷が生じるおそれがあるので、それらを防止することが求められていた。
そこで、本発明は上記のような従来技術が有する問題点を解決し、気体の運動エネルギーを高効率で回転駆動力に変換するとともに、高速回転させても変形や損傷が生じにくいスピンドル装置及び静電塗装装置を提供することを課題とする。
The turbine impellers of Patent Documents 1 and 2 efficiently convert the impact force of the ejected gas into the rotational driving force of the turbine impeller, but convert the kinetic energy of the gas into the rotational driving force with higher efficiency. It was hoped to do.
Further, when the turbine impeller is rotated at a high speed, the turbine blades may be deformed or damaged by the action of centrifugal force, and it has been required to prevent them.
Accordingly, the present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, converts the kinetic energy of the gas into a rotational driving force with high efficiency, and is free from deformation and damage even when rotated at high speed. It is an object to provide an electropainting device.
前記課題を解決するため、本発明の態様は、次のような構成からなる。すなわち、本発明の一態様に係るスピンドル装置は、略筒状のハウジングと、前記ハウジングに挿通され軸受を介して回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に同心に取り付けられ前記回転軸と一体に回転するタービン羽根車と、前記タービン羽根車を回転させるための気体を噴出するノズルと、前記タービン羽根車に形成され前記ノズルから噴出された気体を受ける複数のタービン翼と、を備え、以下の６つの条件Ａ〜Ｆを満足する。 In order to solve the above-described problems, an aspect of the present invention has the following configuration. That is, a spindle device according to an aspect of the present invention includes a substantially cylindrical housing, a rotary shaft that is inserted through the housing and is rotatably supported via a bearing, and the rotary shaft that is concentrically attached to the rotary shaft. A turbine impeller that rotates integrally with the turbine impeller, a nozzle that ejects gas for rotating the turbine impeller, and a plurality of turbine blades that are formed in the turbine impeller and receive the gas ejected from the nozzle. The following six conditions A to F are satisfied.
条件Ａ：前記複数のタービン翼は、前記タービン羽根車の外周に沿って環状に並べられており、隣接するタービン翼同士の間隔は等間隔とされている。
条件Ｂ：前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の表面から突出して形成されている。
条件Ｃ：前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の回転方向の前方に向く前方面と、
前記タービン羽根車の回転方向の後方に向き前記気体を受ける後方面と、を備えている。
Condition A: The plurality of turbine blades are arranged in an annular shape along the outer periphery of the turbine impeller, and the intervals between adjacent turbine blades are equal.
Condition B: Each turbine blade is formed so as to protrude from the surface of the turbine impeller.
Condition C: each turbine blade has a front surface facing forward in the rotational direction of the turbine impeller;
And a rear surface for receiving the gas facing rearward in the rotational direction of the turbine impeller.
条件Ｄ：前記後方面は、凹状円柱面を有し、前記前方面は、凸状円柱面を有する。
条件Ｅ：隣接する２つのタービン翼の対向する前方面と後方面とに挟まれた空間が、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に前記気体が流れる流路を構成し、前記ノズルから噴出された気体が、前記流路の一端側の開口から流入し、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて他端側の開口から流出するようになっている。
条件Ｆ：前記タービン翼に、肉抜き穴が形成されている。
Condition D: The rear surface has a concave cylindrical surface, and the front surface has a convex cylindrical surface.
Condition E: a space sandwiched between the opposed front and rear surfaces of two adjacent turbine blades constitutes a flow path for the gas to flow in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and from the nozzle The ejected gas flows from the opening on one end side of the flow path, flows in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and flows out from the opening on the other end side.
Condition F: A hollow hole is formed in the turbine blade.
上記のスピンドル装置においては、前記肉抜き穴は、前記タービン翼の突出方向端面に円形状の開口を有し、前記タービン翼の突出方向に深さを持つ円柱形状をなしていることが好ましい。また、前記肉抜き穴の開口面中心は、前記タービン翼におけるタービン羽根車の半径方向の最大外径と最小内径との中央に位置するのが好ましい。
また、前記肉抜き穴は、有底孔であり、前記タービン翼の突出量と等しい深さを有するのが好ましい。
In the above spindle apparatus, it is preferable that the hollow hole has a circular opening having a circular opening at the end face in the protruding direction of the turbine blade and having a depth in the protruding direction of the turbine blade. Moreover, it is preferable that the opening surface center of the said hollow hole is located in the center of the radial direction maximum outer diameter and minimum inner diameter in the turbine blade.
Moreover, it is preferable that the said hollow hole is a bottomed hole and has the depth equal to the protrusion amount of the said turbine blade.
また、上記のスピンドル装置の一態様としては、前記肉抜き穴は、前記タービン翼及び前記タービン羽根車を貫通する貫通孔であることが好ましい。
さらに、本発明の他の態様に係る静電塗装装置は、上記のスピンドル装置のいずれかを備える。
Moreover, as one aspect of the above spindle device, it is preferable that the lightening hole is a through hole that penetrates the turbine blade and the turbine impeller.
Furthermore, an electrostatic coating apparatus according to another aspect of the present invention includes any one of the above spindle apparatuses.
本発明のスピンドル装置及び静電塗装装置は、タービン羽根車のタービン翼が、噴出された気体を受けてその衝撃力をタービン羽根車の回転駆動力に変換するとともに、タービン羽根車からの気体の排出による反動力も受けるので、気体の運動エネルギーを高効率で回転駆動力に変換することができる。
また、本発明のスピンドル装置及び静電塗装装置は、タービン翼がタービン羽根車の表面から突出して形成されており、タービン翼に、肉抜き穴が形成されているのでタービン翼が軽量化され、タービン羽根車の高速回転時にも遠心力の影響を少なくすることができ、タービン羽根車の変形を少なくすることができる。
In the spindle device and the electrostatic coating device of the present invention, the turbine blade of the turbine impeller receives the ejected gas and converts the impact force into the rotational driving force of the turbine impeller. Since the reaction force due to the discharge is also received, the kinetic energy of the gas can be converted into a rotational driving force with high efficiency.
Further, in the spindle device and the electrostatic coating device of the present invention, the turbine blade is formed so as to protrude from the surface of the turbine impeller, and the turbine blade is reduced in weight because a hollow hole is formed in the turbine blade, Even when the turbine impeller rotates at high speed, the influence of centrifugal force can be reduced, and deformation of the turbine impeller can be reduced.
本発明に係るスピンドル装置及び静電塗装装置の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るスピンドル装置の一実施形態の構造を示す断面図（回転軸の軸線を含む平面で切断した断面図）である。また、図２は、図１のスピンドル装置のタービン羽根車及びその周辺部分の構造を説明する図である。さらに、図３は、タービン翼及びノズルを拡大して示した斜視図である。さらに、図４は、タービン羽根車のタービン翼を拡大して示した正面図である。さらに、図５は、タービン羽根車との境界部分の形状を示すタービン翼の斜視図である。さらに、図６は、タービン羽根車との境界部分の形状を説明する、図４のＩ−Ｉ断面図である。
Embodiments of a spindle apparatus and an electrostatic coating apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of an embodiment of a spindle apparatus according to the present invention (a sectional view cut along a plane including an axis of a rotation axis). FIG. 2 is a view for explaining the structure of the turbine impeller and its peripheral portion of the spindle device of FIG. FIG. 3 is an enlarged perspective view showing the turbine blade and the nozzle. Further, FIG. 4 is an enlarged front view showing the turbine blades of the turbine impeller. Further, FIG. 5 is a perspective view of the turbine blade showing the shape of the boundary portion with the turbine impeller. 6 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 4 for explaining the shape of the boundary portion with the turbine impeller.
本実施形態のスピンドル装置は、静電塗装装置、歯科用ハンドピース等に好適に用いることができるエアタービン駆動方式のスピンドル装置であって、略筒状のハウジング１と、このハウジング１に同軸に連結された略筒状の給気用部品３と、ハウジング１及び給気用部品３に挿通された回転軸２と、を備えている。そして、この回転軸２は、ハウジング１に設けられたラジアル軸受とアキシアル軸受とによって、ハウジング１及び給気用部品３の内側に回転自在に支持されている。図１においては、回転軸２は中空状であるが、中実軸を用いてもよい。
The spindle device according to the present embodiment is an air turbine drive type spindle device that can be suitably used for an electrostatic coating device, a dental handpiece, and the like. The spindle device is coaxial with the substantially cylindrical housing 1. A substantially cylindrical
なお、本実施形態のスピンドル装置を例えば静電塗装装置用途に用いた場合には、塗料を飛散霧化するための塗装用治具であるベルカップが一体回転可能に回転軸２に取り付けられるが、本実施形態においては、回転軸２の両端のうちベルカップが取り付けられる側（図１においては左側）の端部を先端、反対側（図１においては右側）の端部を後端と記す。 When the spindle device of the present embodiment is used for, for example, an electrostatic coating device, a bell cup, which is a coating jig for spraying paint, is attached to the rotary shaft 2 so as to be integrally rotatable. In this embodiment, the end on the side (left side in FIG. 1) to which the bell cup is attached among both ends of the rotating shaft 2 is referred to as the front end, and the end on the opposite side (right side in FIG. 1) is referred to as the rear end. .
ここで、ラジアル軸受について説明する。ハウジング１の内周面には円筒状の多孔質部材４が取り付けられており、この多孔質部材４の内周面が回転軸２の外周面に対向している。また、ハウジング１の後端部に取り付けられた給気用部品３の外面に開口する軸受用給気口１１と多孔質部材４とを連通する軸受用給気路１２が、ハウジング１及び給気用部品３の内部に形成されている。
そして、軸受用給気路１２を介して導入した気体（例えば空気）を多孔質部材４の内周面から回転軸２の外周面に吹き付けることにより気体軸受が形成され、回転軸２のラジアル方向の動きはこの気体軸受により規制されるので、回転軸２は外周面が多孔質部材４の内周面に接触することなく回転自在に支持される。
Here, the radial bearing will be described. A cylindrical porous member 4 is attached to the inner peripheral surface of the housing 1, and the inner peripheral surface of the porous member 4 faces the outer peripheral surface of the rotating shaft 2. Further, a bearing
A gas bearing is formed by blowing gas (for example, air) introduced through the bearing
次に、アキシアル軸受について説明する。回転軸２は、その後端近傍部分に、軸方向に対して直角をなす方向に突出するタービン羽根車６を有しており、このタービン羽根車６はハウジング１の後端側端面と給気用部品３との間に配されている。タービン羽根車６は、軸方向に対して直角をなす平面を有し、例えば、回転軸２の外周面から突出する円板部でもよいし、回転軸２よりも大径な円筒部でもよい（図１には、円板部の場合を示してある）。
ハウジング１の後端側端面には、タービン羽根車６の平面６ａに対向するように磁石７（永久磁石でもよいし、電磁石でもよい）が取り付けられている。そして、この磁石７によりタービン羽根車６の平面６ａに磁気力が作用して、タービン羽根車６がハウジング１の方（軸方向の先端側）に引きつけられている。
Next, the axial bearing will be described. The rotary shaft 2 has a
A magnet 7 (which may be a permanent magnet or an electromagnet) is attached to the rear end side end surface of the housing 1 so as to face the
また、ハウジング１の後端側端面には、タービン羽根車６の平面６ａに対向するように多孔質部材５が取り付けられている。そして、軸受用給気路１２を介して導入した気体（例えば空気）を多孔質部材５からタービン羽根車６の平面６ａに吹き付けられるようになっている。よって、タービン羽根車６には反力が作用して、タービン羽根車６は軸方向の後端側に押圧される。
そして、多孔質部材５からタービン羽根車６の平面６ａに気体が吹き付けられることにより生じる反力と、磁石７により生じ前記反力に釣り合う磁気力（引力）とにより、複合軸受が形成され、回転軸２のアキシアル方向の動きはこの複合軸受により規制される。よって、タービン羽根車６の平面６ａが多孔質部材５の後端側端面に接触することなく回転軸２が回転自在に支持される。
Further, a
A composite bearing is formed by the reaction force generated by the gas blown from the
このように、ラジアル軸受及びアキシアル軸受によって、ハウジング１及び給気用部品３に接触することなく回転軸２がハウジング１に回転自在に支持されている。なお、本実施形態においては、アキシアル軸受を気体及び磁石による複合軸受としたが、気体軸受としてもよい。すなわち、タービン羽根車６を挟んで両側に多孔質部材を配し、タービン羽根車６の両平面６ａ，６ｂに気体を吹き付けて気体軸受を形成すれば、回転軸２のアキシアル方向の動きはこの気体軸受により規制されるので、タービン羽根車６の両平面６ａ，６ｂが両多孔質部材に接触することなく回転自在に支持される。
As described above, the rotary shaft 2 is rotatably supported by the housing 1 without contacting the housing 1 and the
また、本実施形態においては、ラジアル軸受を気体軸受とし、この気体軸受によって回転軸２をハウジング１に回転自在に支持したが、気体軸受の代わりに転がり軸受（例えば、高速回転に適したアンギュラ玉軸受）を用いても差し支えない。すなわち、ハウジング１の内周面と回転軸２との間に転がり軸受を配すれば、この転がり軸受によって回転軸２をハウジング１に回転自在に支持することができる。 In this embodiment, the radial bearing is a gas bearing, and the rotary shaft 2 is rotatably supported by the housing 1 by this gas bearing. However, instead of the gas bearing, a rolling bearing (for example, an angular ball suitable for high-speed rotation) is used. Bearings may be used. That is, if a rolling bearing is disposed between the inner peripheral surface of the housing 1 and the rotating shaft 2, the rotating shaft 2 can be rotatably supported on the housing 1 by the rolling bearing.
さらに、タービン羽根車６の両平面６ａ，６ｂのうち多孔質部材５と対向する側の平面６ａとは反対側の平面６ｂ（すなわち、後端側の平面６ｂ）には、複数のタービン翼９が設けられている。すなわち、タービン羽根車６は、タービンのタービン羽根車を構成している。
ここで、タービン翼９及びその周辺部分の構造について、図１〜３を参照しながらさらに詳細に説明する。円板状のタービン羽根車６の平面６ｂの径方向外方部分に、複数のタービン翼９が、タービン羽根車６の外周に沿って環状に並べられており、隣接するタービン翼９同士の間隔は等間隔とされている。
Furthermore, a plurality of
Here, the structure of the
なお、本実施形態においては、タービン翼９は、平面６ｂから軸方向後端側に突出するように設けられているが、タービン羽根車６の外周に沿って環状に並べられ且つ気体が適切に吹き付けられるならば、タービン羽根車６の外周面から径方向外方に突出するように設けてもよい。あるいは、タービン羽根車６の径方向外方部分から軸方向後端側に突出するように円筒部を設け、この円筒部の内周面から径方向内方に突出するようにタービン翼を設けてもよい。
In the present embodiment, the
一方、給気用部品３の内周面のタービン翼９と対向する部分には、タービン羽根車６を回転させるための気体を噴出するノズル１０が設けられている。ノズル１０は、タービン翼９の回転軌跡の接線方向に沿う方向に向けられ、気体を同方向に噴出する。ノズル１０の数は特に限定されるものではなく、１個でもよいし複数個（図２の例では３個）でもよい。
On the other hand, a
また、給気用部品３内には、給気用部品３の外面に開口するタービン用給気口１４とノズル１０とを連通するタービン用給気路１５が、周方向に連続して形成されている。よって、タービン用給気口１４から供給された気体がタービン用給気路１５を通ってノズル１０に至り、ノズル１０から噴出され、径方向外方側からタービン翼９に吹き付けられるようになっている。タービン用給気路１５は、軸受用給気路１２とは別系統の給気路となっているので、軸受への給気圧を一定に保ちつつ、タービン羽根車６へ供給する気体の給気圧及び流量を正確に制御することができる。その結果、回転軸２の回転速度を正確に制御することができる。
In addition, a turbine
次に、ノズル１０から噴出された気体を受けるタービン翼９の形状について、主に図４を参照しながらさらに詳細に説明する。
タービン翼９は、タービン羽根車６の平面６ｂから軸方向後端側に突出するように設けられている。この突出量（平面６ｂからの突出長さ）は、タービン羽根車６との境界部分９ａを除くタービン翼９の大部分においては、ノズル１０の開口径とほぼ同じ大きさとしてある。これにより、ノズル１０から噴出された気体をタービン翼９で効率良く受けることができる。
Next, the shape of the
The
また、各タービン翼９は、全て同形状であり、タービン羽根車６の回転方向の前方に向く前方面２１と、タービン羽根車６の回転方向の後方に向き気体を受ける後方面２２と、を備えている。この後方面２２は曲率半径Ｒ１を有する凹状円柱面であり、凹状円柱面の軸がタービン翼９の突出方向と同方向となるように、凹状円柱面が形成されている。
Each
一方、前方面２１は、Ｒ１よりも大きい曲率半径Ｒ２を有する凸状円柱面２１ａと平面２１ｃとの間に、Ｒ１よりも小さい曲率半径Ｒ３を有する凸状円柱面２１ｂを配して、滑らかに連続させた面であり、全体として湾曲した略凸状面となっている。このとき、前方面２１を構成する３つの面２１ａ，２１ｂ，２１ｃの配置については、曲率半径Ｒ３を有する凸状円筒面２１ｂを挟んで径方向外方側に、曲率半径Ｒ２を有する凸状円柱面２１ａが配され、径方向内方側に平面２１ｃが配されている。そして、後方面２２と同様に、２つの凸状円柱面２１ａ，２１ｂが形成されているとともに、タービン翼９の突出方向と平行に平面２１ｃが形成されている。
On the other hand, the
隣接する２つのタービン翼９，９の対向する前方面２１と後方面２２とに挟まれた空間に、ノズル１０から気体が吹き込まれるが、該空間が気体の流路を構成する。すなわち、ノズル１０から噴出された気体は、図２において矢印で示すように空間の径方向外方側端部の開口３１から流入し（以下、この開口３１を「流入口３１」と記すこともある）、後方面２２に衝突する。よって、凸状円柱面２１ａの曲率半径Ｒ２は、ノズル１０から噴出された気体が流入口３１に流入することを妨げないような大きさであることが好ましい。
すなわち、湾曲度が小さく平面状に近い円柱面であることが好ましい。
Gas is blown from the
That is, it is preferably a cylindrical surface that has a small curvature and is nearly flat.
そして、気体は、後方面２２を構成する凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて、図２において矢印で示すように空間の径方向内方側端部の開口３２（以下、この開口３２を「流出口３２」と記すこともある）から流出し、給気用部品３の外面に開口するタービン用排気口１７からスピンドル装置の外部に排気される。
Then, the gas flows in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface constituting the
また、タービン翼９の端面９ｃには肉抜き穴９ｄが形成されている。肉抜き穴９ｄは、タービン翼９の端面９ｃの領域内に設けられる。これにより、タービン翼９は軽量化され、タービン羽根車６が高速回転する際にタービン翼９に働く遠心力を軽減し、タービン羽根車６の変形を抑制することができる。肉抜き穴９ｄの開口面及び断面形状は加工のし易さから円形状が好ましい。すなわち、肉抜き穴９ｄは、タービン翼９の突出方向に深さを持つ円柱形状が好ましい。また、肉抜き穴９ｄの開口面中心はタービン翼９におけるタービン羽根車６の半径方向の最大外径と最小内径との中央線上に位置するのが好ましい。なお、本実施形態（図６）では、肉抜き穴９ｄはタービン翼９及びタービン羽根車６を貫通しているが、図７，図８に示すようにタービン羽根車６側に底部を有する有底孔（非貫通孔）である肉抜き穴９ｅであってもよい。肉抜き穴９ｅは、タービン羽根車６からのタービン翼９の突出寸法と同じ深さで形成されるのが好ましい。また、肉抜き穴９ｄ，９ｅは、タービン翼９の端面９ｃからタービン羽根車６側に向かって開口面直径が連続的に小さくなるように形成されたテーパ穴であっても良い。
Further, the
また、後方面２２は、以下の条件を満たしていることが好ましい。すなわち、ノズル１０から噴出される気体の噴出方向と、噴出された気体を受けるタービン翼９の後方面２２を構成する凹状円柱面のうち流入口側端部と、のなす角度は、７５°以上１０５°以下であることが好ましい。このような構成であれば、ノズル１０から噴出される気体の衝撃力を効率良く回転駆動力に変換することができる。ノズル１０から噴出される気体の衝撃力を最も高効率で回転駆動力に変換するためには、ノズル１０から噴出される気体の噴出方向と、噴出された気体を受けるタービン翼９の後方面２２を構成する凹状円柱面のうち流入口側端部と、のなす角度を、９０°とすることが最も好ましい。
Moreover, it is preferable that the
さらに、タービン翼９に備えられた後方面２２は、以下の条件を満たしていることが好ましい。すなわち、後方面２２の流出口側端部における接平面４１と、この後方面２２の流出口側端部の回転軌跡の流出口側端部における接平面４３とのなす角度θは、２０°以上５０°以下であることが好ましく、４０°であることが特に好ましい。
さらに、前方面２１の平面２１ｃは、以下の条件を満たしていることが好ましい。すなわち、前方面２１の平面２１ｃは、隣のタービン翼９の後方面２２と対向しているが、この対向する後方面２２の流出口側端部における接平面４２と平面２１ｃとは、平行をなしていることが好ましい。
Furthermore, it is preferable that the
Furthermore, it is preferable that the
さらに、凸状円柱面２１ａのうち流路の流入口３１から最も遠い部分と、この凸状円柱面２１ａに対向する隣のタービン翼９の後方面２２のうち流入口側端部との間の距離をＡとし、前方面２１の平面２１ｃと、この平面２１ｃに対向する隣のタービン翼９の後方面２２の流出口側端部における接平面４２との間の距離をＢ（すなわち、互いに平行なこれら平面２１ｃと接平面４２とに直交する直線の両平面２１ｃ，４２間の長さがＢである）とした場合に、距離Ｂは距離Ａ未満とすることが好ましい。すなわち、流路の流出口３２の幅は、流入口３１の幅未満とすることが好ましい。
Further, between the portion of the convex
これにより、流入口３１から流路内に流入した気体は、後方面２２への衝突により一旦流速が低下するが、その後に前方面２１の平面２１ｃと後方面２２との間の部分を通過する際に流速が高められる。この流速が高められた気体が流出口３２から流路外に流出する直前に反動力が生じ、この反動力を後方面２２が受けるため、ノズル１０から噴出される気体の衝撃力とともに該反動力も回転駆動力に変換される。よって、衝撃力のみを利用した一般的なエアタービン駆動方式のスピンドル装置と比べて、気体の運動エネルギーを極めて高効率で回転駆動力に変換することができる。その結果、比較的低流量の気体を用いても、スピンドル装置の高速回転、高トルクを達成可能である。
As a result, the gas that has flowed into the flow path from the
また、特許文献１，２に開示の技術では、気体の流路の断面積（流路内を流れる気体の流れ方向に直交する平面による断面積）が大きいので、タービン翼を切削加工で作製する場合には加工量が多くなり加工コストが高くなるが、本実施形態の技術であれば気体の流路の断面積が小さいので、タービン翼９を切削加工で作製する場合の加工量が少なく、加工コストが低い。
Further, in the techniques disclosed in Patent Documents 1 and 2, since the cross-sectional area of the gas flow path (the cross-sectional area by a plane perpendicular to the flow direction of the gas flowing in the flow path) is large, the turbine blade is manufactured by cutting. In this case, the amount of processing increases and the processing cost increases, but with the technique of this embodiment, the cross-sectional area of the gas flow path is small, so the processing amount when the
一方、スピンドル装置が高速回転すると大きな遠心力が発生するため、タービン翼９には径方向外方に向かう応力及び軸方向に向かう応力（本実施形態においては、タービン翼９がタービン羽根車６の後端側の平面６ｂに形成されているので、軸方向先端側に向かう応力）が負荷されることとなる。その結果、タービン翼９に変形が生じやすくなる。特に、タービン翼９は、タービン羽根車６の平面６ｂから突出して形成されているため、タービン翼９のうちタービン羽根車６との境界部分９ａに応力が集中しやすい。
On the other hand, since a large centrifugal force is generated when the spindle device rotates at high speed, the
仮に、タービン羽根車６の平面６ｂとタービン翼９の側面９ｂ（タービン翼９の外面のうち突出方向に沿う面であり、例えば前方面２１や後方面２２）とが直角に交差し、該交差により形成される隅部が角形であると、この角形の隅部に応力が集中するため、タービン翼９に変形が生じやすく、さらに、タービン翼９に繰り返し負荷される応力の大きさが、タービン翼９を構成する材料の疲労限度以上になると、タービン翼９が繰り返し運転により破損するおそれがある。
Temporarily, the
しかしながら、本実施形態のスピンドル装置においては、タービン翼９の突出方向に沿う平面で切断した境界部分９ａの側面の断面形状を曲線とすることにより、タービン翼９のうち境界部分９ａが、図５，６に示すように、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状をなしている。すなわち、タービン翼９のうち境界部分９ａは、図６から分かるように、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが、タービン翼９の外端部から内側に向かって徐々に長くなる形状をなしている。前記曲線の種類は特に限定されるものではないが、図５，６に示すように、円弧が好ましい。
However, in the spindle device of the present embodiment, the
よって、タービン羽根車６の平面６ｂとタービン翼９の側面９ｂとは直角に交差しておらず、境界部分９ａによって滑らかに連続しており、前記交差により形成される隅部が丸形となっている。言い換えれば、前記交差により形成される隅部に、丸み付け（日本工業規格ＪＩＳ Ｂ０７０１に規定のもの）が施されている。その結果、境界部分９ａへの応力集中が緩和されるので、スピンドル装置が高速回転条件で使用されて遠心力によって大きな応力がタービン翼９に負荷されたとしても、タービン翼９の変形が防止される。これにより、タービン翼９に繰り返し負荷される応力の大きさが、タービン翼９を構成する材料の疲労限度以上になりにくくなるので、タービン翼９が繰り返し運転により破損するおそれはほとんどない。
Therefore, the
なお、タービン翼９を切削加工で作製する場合の加工性、及び、流路内の気体の流れやすさを考慮すると、境界部分９ａの前記円弧の曲率半径は０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。
また、図５，６に示すように、境界部分９ａの全て（すなわち、タービン翼９の全周）を、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状とすることが好ましく、そうすれば応力集中を緩和する効果が最も高いが、境界部分９ａの一部を、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状としてもよい。
In consideration of workability when the
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, it is preferable that the
さらに、本実施形態においては、前記交差により形成される隅部に丸み付けを施したが、面取りを施してもよい。すなわち、タービン翼９の突出方向に沿う平面で切断した境界部分９ａの側面の断面形状を、タービン羽根車６の平面６ｂに対して傾斜する直線とすることにより、タービン翼９のうち境界部分９ａが、タービン羽根車６の平面６ｂからの突出長さが一定でない形状をなしていてもよい。境界部分９ａの前記直線の傾斜角度は４５°が好ましいが、他の角度でもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the corner formed by the intersection is rounded, but it may be chamfered. That is, by making the cross-sectional shape of the side surface of the
次に、このスピンドル装置の動作について説明する。ハウジング１の後端部に取り付けられた給気用部品３の外面に開口する軸受用給気口１１に圧縮空気等による気体を供給すると、この気体は軸受用給気路１２を通って多孔質部材４の外周面側に達する。そして、気体は多孔質部材４中を通って、多孔質部材４の内周面から噴出し、回転軸２の外周面に吹き付けられるとともに、多孔質部材５の後端側端面から噴出し、タービン羽根車６の平面６ａに吹き付けられる。
Next, the operation of this spindle device will be described. When a gas such as compressed air is supplied to a bearing
これにより、回転軸２の外周面と多孔質部材４の内周面とが非接触状態となり、回転軸２が浮上支持される。さらに、タービン羽根車６の平面６ａに作用した反力により、回転軸２が軸方向後端側に移動し、タービン羽根車６の平面６ａと多孔質部材５の後端側端面は非接触状態となる。そして、磁石７により生じた磁気力（引力）と前記反力とが釣り合う位置で、回転軸２が浮上支持される。
Thereby, the outer peripheral surface of the rotating shaft 2 and the inner peripheral surface of the porous member 4 are brought into a non-contact state, and the rotating shaft 2 is supported in a floating manner. Further, due to the reaction force acting on the
このような気体軸受への気体の供給と同時に又は遅れて、給気用部品３内に形成されたタービン用給気路１５に圧縮空気等による気体を供給すると、タービン用給気路１５を流れた気体はノズル１０へと至り、回転軸２の後端側端部に同心に設けられたタービン羽根車６のタービン翼９に気体が吹き付けられるため、回転軸２がタービン羽根車６と一体に高速で回転駆動される。このとき、タービン翼９に吹き付けられた気体の衝撃力とともに、気体がタービン羽根車６の外に流出する直前に生じる反動力も回転駆動力に変換されるので、気体の運動エネルギーが極めて高効率で回転駆動力に変換される。
When gas such as compressed air is supplied to the turbine
このような本実施形態のスピンドル装置は、静電塗装装置に適用することができる。静電塗装装置は、スピンドル装置と、塗料を飛散霧化するための塗装用治具であるベルカップ（図示せず）と、例えば塗料，シンナーをベルカップに供給する各供給管（図示せず）と、塗料に電荷を印加する高電圧発生器（図示せず）と、を備えている。塗料供給管及びシンナー供給管は、中空の回転軸２の内部に挿通されており、ベルカップは回転軸２の先端に一体回転可能に取り付けられている。 Such a spindle apparatus of the present embodiment can be applied to an electrostatic coating apparatus. The electrostatic coating device includes a spindle device, a bell cup (not shown) which is a coating jig for spraying paint, and each supply pipe (not shown) for supplying paint and thinner to the bell cup. ) And a high voltage generator (not shown) for applying an electric charge to the paint. The paint supply pipe and the thinner supply pipe are inserted into the hollow rotary shaft 2, and the bell cup is attached to the tip of the rotary shaft 2 so as to be integrally rotatable.
高電圧発生器によって回転軸２の内部を高電圧の静電場に置くとともに、気体をタービン羽根車６のタービン翼９に吹き付けて回転軸２を高速回転させた状態で、回転軸２の内部を通る塗料供給管及びシンナー供給管を介して塗料及びシンナーをベルカップに供給する。すると、回転軸２の先端で高速回転しているベルカップから、帯電霧化した塗料が被塗装物に噴霧される。これにより、被塗装物の塗装を行うことができる。ベルカップのサイズ、形状等を変更すれば、様々な被塗装物への塗装が可能である。
The inside of the rotating shaft 2 is placed in a high-voltage electrostatic field by a high voltage generator, and the inside of the rotating shaft 2 is rotated at a high speed by blowing gas onto the
なお、本実施形態は本発明の一例を示したものであって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。例えば、遠心力による破損や繰り返し応力による破損が生じなければ、タービン翼９の材質は特に限定されるものではない。よって、密度の小さい材質でタービン翼９を構成すれば、回転開始から所定の回転速度に到達するまでの時間が短くなるので、例えば、スピンドル装置を静電塗装装置に適用した場合には、塗装作業時間の短縮を図ることができる。
また、タービン羽根車６のタービン翼９に吹き付ける気体の種類は、特に限定されるものではなく、圧縮空気等の空気の他、窒素、水蒸気等の他種の気体を用いることも可能である。
In addition, this embodiment shows an example of this invention and this invention is not limited to this embodiment. For example, the material of the
In addition, the type of gas blown to the
１ ハウジング
２ 回転軸
３ 給気用部品
４ 多孔質部材
５ 多孔質部材
６ タービン羽根車
６ａ 平面
６ｂ 平面
７ 磁石
９ タービン翼
９ａ 境界部分
９ｂ 側面
９ｃ 端面
９ｄ，９ｅ 肉抜き穴
１０ ノズル
２１ 前方面
２１ａ 曲率半径Ｒ２を有する凸状円柱面
２１ｂ 曲率半径Ｒ３を有する凸状円柱面
２１ｃ 平面
２２ 後方面
３１ 流入口
３２ 流出口
４１ 接平面
４２ 接平面
４３ 接平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing 2
Claims (7)
条件Ａ：前記複数のタービン翼は、前記タービン羽根車の外周に沿って環状に並べられており、隣接するタービン翼同士の間隔は等間隔とされている。
条件Ｂ：前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の表面から突出して形成されている。
条件Ｃ：前記各タービン翼は、前記タービン羽根車の回転方向の前方に向く前方面と、前記タービン羽根車の回転方向の後方に向き前記気体を受ける後方面と、を備えている。
条件Ｄ：前記後方面は、凹状円柱面を有し、前記前方面は、凸状円柱面を有する。
条件Ｅ：隣接する２つのタービン翼の対向する前方面と後方面とに挟まれた空間が、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に前記気体が流れる流路を構成し、前記ノズルから噴出された気体が、前記流路の一端側の開口から流入し、前記凹状円柱面の円弧状湾曲に沿う方向に流れて他端側の開口から流出するようになっている。
条件Ｆ：前記タービン翼に、肉抜き穴が形成されている。 A substantially cylindrical housing; a rotating shaft that is inserted into the housing and rotatably supported via a bearing; a turbine impeller that is concentrically attached to the rotating shaft and rotates integrally with the rotating shaft; and the turbine blade A spindle that includes a nozzle that ejects gas for rotating a vehicle and a plurality of turbine blades that are formed in the turbine impeller and receive gas ejected from the nozzle, and that satisfies the following six conditions A to F: apparatus.
Condition A: The plurality of turbine blades are arranged in an annular shape along the outer periphery of the turbine impeller, and the intervals between adjacent turbine blades are equal.
Condition B: Each turbine blade is formed so as to protrude from the surface of the turbine impeller.
Condition C: Each turbine blade includes a front surface facing forward in the rotation direction of the turbine impeller and a rear surface facing rearward in the rotation direction of the turbine impeller and receiving the gas.
Condition D: The rear surface has a concave cylindrical surface, and the front surface has a convex cylindrical surface.
Condition E: a space sandwiched between the opposed front and rear surfaces of two adjacent turbine blades constitutes a flow path for the gas to flow in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and from the nozzle The ejected gas flows from the opening on one end side of the flow path, flows in a direction along the arcuate curve of the concave cylindrical surface, and flows out from the opening on the other end side.
Condition F: A hollow hole is formed in the turbine blade.
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