JP4613582B2 - ターボ形高速回転機器 - Google Patents

Description

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形高速回転機器に関する。

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形高速回転機器が使用されている。

この種のターボ形高速回転機器は、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）。

このターボ形高速回転機器の具体的な構成は、図５に示すとおりで、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、同じく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。

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。

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、これら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はポンプ機能を発揮する。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。

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。

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最小径の貫通孔１Ａ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と貫通孔１Ａ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。

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ＶＰ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。

このように、特にレーザ発振器に利用されるターボ形高速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。そのために図４に示すように上部軸受５を保持する軸受保持部材９をハウジング１に一体的に設置する工夫が提案されている。
図４は、図５と同様従来におけるターボ形高速回転機器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を保持する方式にあり、図５の場合はハウジング１が直接上部軸受５を保持する構成であるが、図４は軸受保持部材９が別個に設けられ、この軸受保持部材９がハウジング１に一体的に設置された構成である。同時にシール部Ｓを構成するシール部材８もハウジング１とは別体で構成されている。１１はこれらシール部材８と軸受保持部材９をハウジング１に一体的に固定する固定ねじである。８Ａはシール部材８に穿設された貫通孔である。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。

このような構成においては、軸受保持部材９には中央部に回転軸４の貫通孔９Ｈを有し、したがって回転軸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。
特開２０００−２０９８１５号公報（第１−３頁、第１図−第８図）

しかしながら従来における軸受機構では、つぎの２つの問題を有している。第１は、回転軸４の射出孔４Ｔから射出されるオイルＬの量と上部軸受５に入るオイルＬの量が釣合わず、射出孔４Ｔからの射出量が多すぎる場合、一部は軸受保持部材９の貫通孔９Ｈにおける回転軸４との隙間を経てオイルＬが上方へ流動し、オイルＬが軸受保持部材９の上面に噴き出すことになる。第２は、上部軸受５を軸受内部にオイルＬが常に入る構造とした場合、回転軸４からのオイルＬの供給が多すぎると軸受の損失が大きくなりロスが増える。

第１の問題については、モータ室Ｍ内で発生したオイルＬのミストが、シール部Ｓの間隙を介して上部のガス圧縮室Ｃに流れ込むことになる。第２の問題については、上部軸受５の破壊などによりモータ室Ｍの排気量を増大させる必要があり、レーザ発信器に使用する場合、ガスの消費量が大きくランニングコストが大きくなる。
本発明はこのような問題を解決するターボ形高速回転機器を提供することを目的とする。

本発明が提供するターボ形高速回転機器は、上記課題を解決するために、ハウジングと一体的に設置され中央に前記回転軸の貫通孔が穿設されて前記上部軸受機構を保持する軸受保持盤を設け、この軸受保持盤の上面には傘状のテーパ部が形成されるとともにこのテーパ部の周端部にはオイルが下方に滴下するのを許容する多孔質部を設置したものである。したがって、軸受保持盤の上方まで流動したオイルはテーパ面を流下し、多孔質部を経て滴下する。また、多孔質部の介設によりモータ室側のオイルミストが、オイル滴下する箇所から貯留部側に上昇することを防ぎ、トラップされる。

軸受保持盤の介設によって、回転軸から供給する潤滑用のオイルが過剰な場合、上方への流動を容易にし、そのオイルはテーパ面にて流下することになり、上部軸受が過剰オイル状態に継続されることは少なくなる。他方、テーパ面を流下したオイルは、多孔質体を介して下方に滴下されオイル循環が行われ、また多孔質体にオイルが保持されることで、モータ室のオイルミストが上方へ流動することがトラップされることになる。

本発明が提供するターボ形高速回転機器の特徴は、回転軸から供給される潤滑用のオイルが多すぎて、上部軸受が過剰な状態になることを防ぐように構成されている点にあり、そのために上部軸受から上方への流動を許容する構成と、上方に流出したオイルは軸受保持盤のテーパ面を介して流下させる構成およびテーパ面を流下したオイルは多孔質体を介して下方に滴下させる構成を備えていることが基本的な条件となる。軸受保持盤は回転軸の貫通を許容する中央孔が穿設され、この中央孔と回転軸との間には一定の間隙が設けられるが、上部軸受に多量のオイルが入らないようこの間隙は若干大き目に設定し、上方への流動を許容する構成が望ましい。また、テーパ面を流下したオイルは多孔質部に円滑に流入しオイルにて浸漬させる形が望ましい。この状態が維持できる構成が最良の形態となる。

本発明が提供するターボ形高速回転機器の構成は図１に示される。図１は図４、図５と同様に縦断面を示している。
本発明の特徴は、上部軸受５をハウジング１に対して保持する軸受保持盤１０の形状にあり、回転軸側から供給されたオイルＬを上部軸受５に滞留することなく、余剰オイルを上方へ流動させ、上方へ流出したオイルＬはテーパ面Ｔで流下させて多孔質部を構成する多孔質体１３に流入させるようにした点にある。すなわち、図１において、１０は上部軸受５を保持するための軸受保持盤で、盤状をなし中央部には回転軸４を貫通させるための中央孔１０Ｈが穿設されるとともに、外周端部にはハウジング１に一体的に固定させるための取付用孔１０Ｋが穿設されている。固定ねじ１１にて軸受保持盤１０はシール部材８とともにハウジング１に一体的に固定される。また、この軸受保持盤１０は図に示すとおり中央部は上方に盛りあがった肉部を有し、中央孔１０Ｈの周囲から下方に広がるテーパ面Ｔが形成されている。

図２はこの軸受保持盤１０を中心に拡大して示す拡大図で、この図２からも明らかなとおり軸受保持盤１０におけるテーパ面Ｔの周端から一定の水平な面を有し外周端部は肉厚になっていてこの肉厚部に前記取付用孔１０Ｋが穿設される形になっている。したがって、テーパ面Ｔと外周端部の肉厚部によってテーパ面Ｔの周端にはオイルＬの貯留部１０Ｐが形成されている。同時にこのテーパ面Ｔの周端近傍すなわち貯留部１０Ｐの底板にはオイルＬを下方に滴下させるための通過部が設置されている。

この通過部は具体的にはつぎのように構成されている。貯留部１０Ｐの底板には貫通孔１０Ａが穿設されている。この貫通孔１０Ａは円周に等間隔にたとえば４個穿設され、各貫通孔１０Ａには図２に示すとおり多孔質体１３が埋設されている。この多孔質体１３の埋設は貫通孔１０Ａに気密に嵌合され、オイルＬが流入したとき下方のモータ室Ｍからのオイルミストがこの貫通孔１０Ａから上方のガス圧縮室Ｃに流入しないよう、すなわちトラップされるよう構成されている。この多孔質体１３としては、具体的には多孔質状の焼結金属などが適用される。さらに回転軸４にはこの軸受保持盤１０の上方にスリンガー１２が嵌設されている。このスリンガー１２の介設によって上部軸受５から上方に流動するオイルＬの貫通孔８Ａへの流出を阻止し軸受保持盤１０にオイルＬを案内するようになっている。
〔参考例〕

図３に示す参考例は、軸受保持盤１０に設置される通過部を実施例と異なる構成にしたものである。すなわち、図３は軸受保持盤１０における通過部のみを拡大して示しているが、軸受保持盤１０に通過部を構成する細孔１０Ｓが複数個穿設されている。この複数個の細孔１０Ｓの穿設によってオイルＬがこの細孔１０Ｓを徐々に流下し滴下していくことになる。
なお、以上、実施例及び参考例を示したが、図１、図２および図３において図４、図５と同一の符号で示される部品は図４、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。

本発明は以上のように構成されているから、ターボ形高速回転機器が運転され、回転軸４の射出孔４ＴからオイルＬが上部軸受５に供給されると、オイルＬは上部軸受５に供給される。供給量が過剰になるとオイルＬは上方へ流動しスリンガー１２で阻止され、軸受保持盤１０の上面に導かれる。上面に導出されたオイルＬは外周方向に流動しテーパ面Ｔを流下し貯留部１０Ｐに貯留される。この場合、多孔質部である多孔質体１３が設けられているので、オイルＬはこの多孔質体１３に滲み込んでいく。そしてそのオイルＬは次第に多孔質体１３内を降下しハウジング１の下方すなわちオイル槽１Ｙへと滴下する。各に多孔質体１３にオイルＬが滲み込み充填されることによって軸受保持盤１０は密閉盤として機能し、モータ室Ｍのオイルミストをトラップする。

本発明が提供するターボ形高速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く、種々の変形例を包含する。特に通過部の構成については、図示例では軸受保持盤１０のテーパ面Ｔの周端近傍に貫通孔１０Ａを穿設し、この貫通孔１０Ａに多孔質体１３を埋設する方式と、軸受保持盤１０自体に細孔１０Ｓを穿設する例を示したが、これらの方式以外に軸受保持盤１０のテーパ面Ｔの周端より外方における一定幅の外周面部（リング状部分）を多孔質材で形成するようにすることもできる。すなわち、リング状の多孔質材を軸受保持盤１０に介在させる方式である。このように通過部については種々の変形例を挙げることができる。

本発明の構成を示す縦断面図である。 本発明の構成の要部を拡大して示す縦断面図である。 本発明の参考例の構成の要部を拡大して示す縦断面図である 従来の構成を示す縦断面図である。 従来の構成を示す縦断面図である。

１ ハウジング
１Ａ 貫通孔
１Ｈ 排気口
１Ｋ 吸気口
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
４Ｓ 取付軸
４Ｈ 中空孔
４Ｔ 射出孔
５ 上部軸受
６ 下部軸受
７ ターボ翼
８ シール部材
８Ａ 貫通孔
９ 軸受保持部材
９Ｈ 貫通孔
１０ 軸受保持盤
１０Ａ 貫通孔
１０Ｈ 中央孔
１０Ｋ 取付用孔
１０Ｐ 貯留部
１０Ｓ 細孔
１１ 固定ねじ
１２ スリンガー
１３ 多孔質体
Ｒ 排気パイプ
ＶＰ 真空ポンプ
Ｃ ガス圧縮室
Ｍ モータ室
Ｓ シール部
Ｔ テーパ面
Ｌ オイル

Claims (1)

1. ガス圧縮を行なうターボ翼と、このターボ翼を高速回転駆動するモータと、この両者を連結する回転軸と、この回転軸を上部と下部でそれぞれ回転自在に保持する両軸受機構と、前記ターボ翼が配設されたガス圧縮室と前記軸受機構およびモータが配設されたモータ室を区画する区画壁をハウジング内に有し、この区画壁に前記回転軸を貫通させる貫通孔を穿設するとともにこの貫通孔と回転軸との間にシール機構が設けられ、また前記回転軸には軸心上に中空孔が形成されこの中空孔の下方部内孔の下方部位が潤滑用のオイル内に浸漬され回転軸の回転による遠心力の作用にてオイルが中空孔の内方を上昇し上方の射出孔より射出されて上部軸受機構の潤滑を行う潤滑機構を備え、前記ターボ翼の高速回転駆動によって吸気口からのガスを圧縮して排気口に排出する高速回転機器において、ハウジ
   ングと一体的に設置され中央に前記回転軸の貫通孔が穿設されて前記上部軸受機構を保持する軸受保持盤を設け、この軸受保持盤の上面はオイルが流下するように形成されるとともに、この軸受保持盤の周端部にはオイルが通過し下方に滴下するのを許容する通過部が設置され、前記通過部は、貫通孔とこの貫通孔に埋設された多孔質体で構成されていることを特徴とするターボ形高速回転機器。

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