JPH11141342A - 高速回転機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数の回転翼を有する高速回転機器において、
重心を回転翼駆動軸中央近傍に設定でき、バランス的に
安定なものを得る。 【解決手段】回転翼１を回転翼駆動軸２の両端に配置
し、全体的に対称構造となるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ発振器用ガ
ス循環器等に用いられる遠心式のターボブロワや、ガス
タービン等のターボ機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、遠心式のターボブロワ等のターボ
機械において、ガス圧縮比を大きくするためには、回転
翼駆動軸の一端に複数段に回転翼を積み重ねてガス圧縮
部を構成する方法が採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなものでは、回転翼駆動軸の一方に大きな荷重が作用
するため、重心が回転翼側に偏る。この結果アンバラン
スが生じやすく、特に高回転領域で回転させる場合等に
は、振動が発生しやすくなる。また、軸受が片持ち的に
回転翼駆動軸を支持することになり、軸受寿命にも影響
を与えることになる。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために、本発明は、回転翼と、回転翼に固着した回転翼
駆動軸と、回転翼駆動軸を回動可能に支持する軸受とを
具備してなる高速回転機器において、前記回転翼駆動軸
の両端に対称にそれぞれ１以上の回転翼を配設したこと
を特徴とするものである。

【０００５】このようなものであれば、高いガス圧縮比
を得られると同時に、重心を回転翼駆動軸中央近傍に設
定でき、バランス的に安定させることができる。その結
果、振動発生を抑制することができ、軸受寿命も増大さ
せることができる。また、非接触で回転翼駆動軸を支持
して軸受寿命をさらに増大させるとともに、オイルレス
化を図るためには、軸受を動圧ガス軸受にしておくこと
が好ましい。このようなものであれば、例えばレーザ発
振器のガス循環用に用いた場合に、ガス循環経路内にオ
イルが漏洩してミラーに付着することに起因するレーザ
ー出力低下等の不具合を防止できる。さらに、レーザ発
振器等のガス循環用に用いた場合に、ガス循環経路を、
一部動圧ガス軸受を経由するものにして、軸受で発生す
る熱を同時に発散させたり、配管を有効に省略するに
は、動圧ガス軸受に供給するガスをレーザー発振用のガ
スと同一のものにすることが望ましい。

【０００６】

【実施例】以下本発明の第１実施例を、図１〜図４を参
照して説明する。本実施例による高速回転機器は、例え
ばターボブロワ１００であり、図１に示すように、ケー
シング５と、回転翼駆動軸２と、この回転翼駆動軸２の
両端に対称に固着した一対の回転翼１と、この回転翼駆
動軸２を回動可能に支承する転がり軸受３と、この回転
翼駆動軸２を回転させる電動モータ４とを具備してなる
遠心式のものである。なお、本実施例のものは回転翼駆
動軸２を起立させて使用する。

【０００７】ケーシング５は、回転翼１を内蔵する一対
のガス圧縮室５１と、これらガス圧縮室５１間を連結す
るように設けられ、回転翼駆動軸２を遊嵌させる回転翼
駆動軸保持室５２とを備えてなる。ガス圧縮室５１は、
各回転翼１の頂部方向に開口するガス導入ポート５３
と、回転翼１の側方に開口するガス導出ポート５４とを
備えてなる。回転翼駆動軸保持室５２は、その中央近傍
に設けられ後述する電動モータ４を支持するモータ配設
部５５と、このモータ配設部５５の上下方にそれぞれ設
けられ転がり軸受を支持する軸受支持部５６と、下方の
軸受支持部５６とガス圧縮室５１との間に設けられ後述
するオイルだめ２２を内蔵させるオイルだめ保持部５７
と、オイルだめ保持部５７と略対称位置に設けられ後述
するカウンタバランス材２４を内蔵させるバランス材保
持部５８とを備えてなる。また、図示しないがこの回転
翼駆動軸保持室５２と外部ポートを接続する外部接続経
路を設けている。さらに、回転翼駆動軸保持室５２とガ
ス圧縮室５１とは、例えば回転翼駆動軸２の各端に周設
したラビリンスシール等のシール機構８により区切って
いる。

【０００８】回転翼１は、切頭円錐状の基体１１の斜面
部に螺旋状に複数の翼体１２を立設したもので一般に知
られているものである。回転翼駆動軸２は、軸本体２１
と、下端近傍に配設され内部に軸受潤滑用のオイルを内
蔵する中空円盤状のオイルだめ２２と、オイルだめ２２
からオイルを吸い上げる遠心ポンプ部２３と、上端近傍
に配設した円盤状のカウンタバランス材２４とを備えて
なる。

【０００９】オイルだめ２２は、その上板２２ａの中央
近傍に貫通孔あるいは貫通溝等２２ｃを設けており、落
下するオイルを受け止めて内部空間２２ｂに保持させる
ことが可能なものである。軸本体２１は、オイルだめ２
２により２分しており、上側軸本体２１Ａと下側軸本体
２１Ｂとから構成している。上側軸本体２１Ａは、オイ
ルだめ２２の上板２２ａに固着するとともにこの上板２
２ａを貫通して内部空間２２ｂにその下端を位置させた
もので、その内部には、一端を内部空間２２ｂに開口さ
せ、他端を転がり軸受の上側に開口させたオイル供給路
２５を設けている。

【００１０】遠心ポンプ部２３は、オイル供給路２５の
一端に一体に設けたもので、オイル供給路２５の内側面
を、開口面に向かって徐々に断面積が小さくなるように
テーパ状に絞ったものである。そして、回転翼駆動軸２
が回転する事により、遠心力で前記内側面に沿ってオイ
ルを上昇させポンプ作用を営ませるものである。転がり
軸受３は、軸受支持部５６に支持させたもので、本実施
例では、アンギュラタイプのものを採用し、ジャーナル
方向、スラスト方向に作用する両荷重を支持しうるよう
にしている。

【００１１】電動モータ４は、ロータ４１を回転翼駆動
軸２に外嵌させて固着するとともに、ロータ４１の周囲
にケーシング５に支持させてステータ４２を配設した例
えばＤＣブラシレス式のものであって、回転翼駆動軸２
と一体的に設け、直接的に回転翼駆動軸２を駆動させる
ものである。本実施例では電動モータ４の駆動源として
インバータ４３を用いている。

【００１２】このような本ターボブロワ１００の動作を
特に潤滑に着目して説明すると、電動モータ４による高
速回転中は、潤滑オイルは遠心ポンプ部２３の作用でオ
イルだめ２２の内部空間２２ｂからオイル供給路２５に
沿って上昇し、転がり軸受３に強制的に供給される。そ
して、転がり軸受３を通過したオイルのうち、液状のも
のは、軸受３から重力により下方に落ちてゆくが、落ち
たオイルはオイルだめ２２で受け止められる。したがっ
て、液状のオイルが下方のシール機構８付近に滞留して
必要な潤滑オイルが供給されなくなったり、滞留したオ
イルがシール機構８を介してガス圧縮室５１へ漏洩した
りすることを防止できる。また噴霧状態で回転翼駆動軸
保持室５２内に存在するオイルは、シール機構８でシー
ルできるので、やはりガス圧縮室５１への漏洩を引き起
こすことはない。

【００１３】したがって、本実施例のターボブロワ１０
０によれば、回転翼１を回転翼駆動軸２の両端に配置す
るだけでなく、オイルだめ２２に対称にカウンタバラン
ス材２４を設けるなどして、全体的に対称構造となるよ
うにしているので、バランスを良好なものにできる。し
たがって、回転数上昇による振動発生を防止できるだけ
でなく、軸受３に片持ち的に負荷が作用しないようにで
きるので、軸受３の寿命を増大させることが可能とな
る。また、２段の回転翼１が完全に分離した形で構成さ
れているので、外部配管を変えるだけで、流量を必要と
する場合と、圧縮比を必要とする場合とを切り換えるこ
とができる。すなわち、図２に示すように、ガス導入ポ
ート５３同士を連通するとともに、ガス導出ポート５４
同士を連通して、ガス圧縮室５１をパラレルに接続する
ことにより大流量を得ることができる。また、図３に示
すように、一方のガス圧縮室５１のガス導出ポート５４
と他方のガス圧縮室５１のガス導入ポート５３とを接続
し、ガス圧縮室５１同士をシリアルに接続することによ
り、高圧縮比を得ることができる。さらに、片方のガス
圧縮室５１のみを使用することも可能である。

【００１４】次に第２実施例について説明する。なお、
第１実施例と同様の部材には同一の符号を付す。本実施
例のターボブロワ１０１は、第１実施例の転がり軸受に
代えて動圧ガス軸受を採用したものである。したがっ
て、回転翼やガス圧縮室の構成は第１実施例と同様であ
るが、軸受の違いにより、回転翼駆動軸、軸受保持室、
シール機構の構成に差異を生じる。

【００１５】差異部分を図４に基づいて個々に説明する
と、回転翼駆動軸１０２は、回転翼１同士を連結する軸
本体１２１と、下端部近傍に設けた円盤体１２２とを備
えてなる。軸受保持室１５２には、その中央近傍に電動
モータ４を配設し得るモータ配設部５５と、その下端近
傍に後述するスラスト軸受１３２を配設するスラスト軸
受配設部１５６とを設けている。さらに、ケーシング５
の外面に開口する外部ポート７と連通させる外部接続経
路６を設けている。また、軸受保持室１５２とガス圧縮
室５１とは、回転翼駆動軸１０２の両端端に周設したシ
ール機構１０８により区切っている。このシール機構１
０８は軸受保持室１５２とガス圧縮室５１とを完全に分
離してしまうものではなく、若干の隙間をもって連通さ
せるとともに絞り機能を有するものである。

【００１６】軸受は、動圧ガス軸受と称されるもので、
本実施例では、ジャーナル方向に作用する負荷に対して
回転翼駆動軸１０２を支持するジャーナル軸受１３１
と、スラスト方向に作用する負荷に対して回転翼駆動軸
２を支持するスラスト軸受１３２とから構成している。
ジャーナル軸受１３１は、回転翼駆動軸１０２の中間よ
り上方よりおよび下方よりの２カ所に配設したもので、
例えば、矩形状の薄板を丸めて形成するとともにその一
端を後述する軸受保持室１５２の内壁面に支持させ、回
転翼駆動軸１０２の周囲に配置したジャーナル支持板１
３３と、このジャーナル支持板１３３の外方に周設さ
れ、ジャーナル支持板１３３を内方に弾性付勢して回転
翼駆動軸１０２に押接させる複数の板ばね材１３４とか
ら構成したものである。スラスト軸受１３２は、例え
ば、円盤体１２２の上下にそれぞれ配設したスラスト支
持板１３６と、これらスラスト支持板１３６の上下に配
設されスラスト支持板１３６を弾性付勢して円盤体１２
２に押接させる板ばね材１３７とから構成している。そ
して、回転翼駆動軸１０２が静止もしくは一定回転数以
下の場合には、前記弾性付勢力により回転翼駆動軸１０
２をがたなく支承し、一定回転数以上になると回転翼駆
動軸１０２の回転により巻き込まれるガスを利用して、
回転翼駆動軸１０２の周囲および円盤体１２２の上下面
に動圧を発生させ、この動圧によりジャーナル支持板１
３３およびスラスト支持板１３６を後退させて気体膜を
形成し、回転翼駆動軸１０２を非接触に支持する機能を
有するものである。

【００１７】このように構成したターボブロワ１０１
は、回転翼１を電動モータ４により回転させることによ
り、ガス導入ポート５３からガスを吸い込み、ガス導出
ポート５４からこのガスを加圧して導出する作用を営む
ものであるが、その際、軸受保持室１５２に上記ガスと
同一のガスを導き、動圧ガス軸受１３１、１３２に供給
するようにして使用する。

【００１８】具体的に、このようなターボブロワ１０１
を用いてレーザ発振器用ガス循環器を構成する場合を例
にして図５に基づいて以下に説明する。このレーザ発振
器用ガス循環器は、図５に示すように、ガス循環経路Ｒ
Ｔと、ガス循環経路ＲＴ上に設けたレーザ発振部ＬＲ
と、レーザ発振部ＬＲに直列にガス循環経路ＲＴ上に設
けたターボブロワ１０１と、ターボブロワ１０１の下流
に設けた熱交換器ＲＤと、ガス循環経路ＲＴを循環する
ガスを供給する混合ガスボンベＢと、真空ポンプＰとか
ら構成したものである。

【００１９】本実施例では、ターボブロワ１０１のガス
圧縮室５１同士を第１実施例において説明したようにシ
リアルに接続するとともに、ガス循環経路ＲＴ上のター
ボブロワ１０１の下流側に混合ガスボンベＢと真空ポン
プＰを、それぞれ開閉弁Ｖ１、Ｖ２を介して接続してい
る。そして、本ターボブロワ１０１を作動させるにあた
っては、最初ガス循環経路ＲＴに使用ガスを所定圧まで
充満する。これには、開閉弁Ｖ２を開いて真空ポンプＰ
により真空状態にした後、開閉弁Ｖ２を閉止する。しか
る後、開閉弁Ｖ１を開いて混合ガスボンベＢからガスパ
ージし、ガス循環経路ＲＴが所定圧になった時点で開閉
弁Ｖ１を閉止する。実際にはこの操作を何回か繰り返
し、ガス純度を所定以上にする。

【００２０】次に、ターボブロワ１０１、レーザ発振部
ＬＲを作動させる。その際、開閉弁Ｖ１を若干開き、レ
ーザ発振部ＬＲで消費されるガス量分のガスをガス循環
経路ＲＴに補充する。一方、動圧ガス軸受１３１、１３
２にはガスを供給し続けることが可能であるが、本実施
例の場合には、ガス圧縮室５１をシリアルに接続してい
るため、ガス圧縮室５１間に差圧が生じ、この差圧によ
り、シール機構１０８を介して軸受保持室１５２を通過
するガス流れｘ１が生じる。その結果動圧ガス軸受１３
１、１３２にガスを供給し続けることが可能になる。

【００２１】すなわち、このようなものであれば、第１
実施例同様の効果を奏するだけでなく、そもそも潤滑オ
イルを用いないので、ガス循環経路ＲＴに潤滑オイルが
混入することがなく、レーザ発振部ＬＲ内の図示しない
光学ミラー表面にオイルが付着してレーザ出力値が低下
するといった問題を抜本的に解決できる。また、軸受保
持室１５２にガスが流出入するのでので、動圧ガス軸受
１３１、１３２にガスを供給できるだけでなく、動圧ガ
ス軸受１３１、１３２において発生する熱を同時に発散
させることになり、放熱機構をも不要にできる。さら
に、稼働中のレーザ発振器用ガス循環器には、レーザ発
振部ＬＲで消費される分のガス量のみを混合ガスボンベ
Ｂから供給してやればよく、ガス消費量を抑えてランニ
ングコストの低減することもできる。

【００２２】また、放熱効果をより高めるには、図６、
図７に示すような配管接続をしても良い。図６は、外部
ポート７を介して、混合ガスボンベＢから開閉弁Ｖ３を
介して軸受保持室１５２に強制的にガスを送り込み、大
きなガス流れｘ２を生じさせて、放熱効果を高めるもの
である。送り込まれたガスは、シール機構１０８を介し
て、ガス循環経路ＲＴ内に導入されるが、この場合は、
ガス循環経路ＲＴから真空ポンプＰによりガスを排出し
て、常にガス循環経路ＲＴ内のガス量が一定に保たれる
ようにする。図６の場合の特有の効果としては、軸受保
持室１５２を高圧にできるので、気体膜の圧力を容易に
高めることができ、動圧ガス軸受１３１、１３２の支持
力を大きくして軸受性能を有効に高められるという点が
挙げられる。また、図７は、真空ポンプＰを、開閉弁Ｖ
４を介して外部ポート７に接続し、ガス循環経路ＲＴか
ら強制的にガスを吸引して、大きなガス流れｘ３を生じ
させて、放熱効果を高めるものである。この場合は、混
合ガスボンベＢによりガスをガス循環系路ＲＴにガスを
導入して、常にガス循環経路ＲＴ内のガス量が一定に保
たれるようにする。

【００２３】なお、本発明は以上示した実施例のみに限
定されるものではない。例えば動圧ガス軸受は、実施例
のものに限らず、他のタイプのものでも適用可能であ
る。また、レーザ発振器用ガス循環器の構成も適用例に
おいて説明したものには限らない。例えば真空ポンプや
混合ガスボンベの配設位置を適宣変えても構わない。さ
らに、本発明はターボブロワに適用できるだけでなく、
ガスタービン等のターボ機械に適用して同様の効果を奏
するものである。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範
囲で種々変形が可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、前記回転翼駆動軸の両端に対称にそれぞれ１以上の
回転翼を配設しているので、高いガス圧縮比を得られる
と同時に、重心を回転翼駆動軸中央近傍に設定でき、バ
ランス的に安定させることができる。その結果、振動発
生を抑制することができ、軸受寿命も増大させることが
できる。

【００２５】また、軸受を動圧ガス軸受にしたものであ
れば、非接触で回転翼駆動軸を支持して軸受寿命をさら
に増大できるうえに、オイルレス化により、例えばレー
ザ発振器のガス循環用に用いた場合に、ガス循環経路内
にオイルが漏洩してミラーに付着することに起因するレ
ーザー出力低下等の不具合を防止できる。この場合に、
動圧ガス軸受に供給するガスを、ガス循環経路を循環す
るガスと同種のものにしておけば、動圧ガス軸受に供給
するガスがガス循環経路に混入しても問題とはならな
い。したがって、従来必要であったシール材を排除した
りあるいはシール性能の劣るものを使用することができ
る。この結果、回転翼駆動軸を回転中は完全に非接触状
態にすることも可能となり、製品寿命を延ばせるだけで
なく、メンテナンスの頻度を減少させるといったことも
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すターボブロワの全体
模式図。

【図２】同実施例のターボブロワの外部配管例を示す概
略回路図。

【図３】同実施例のターボブロワの外部配管例を示す概
略回路図。

【図４】本発明の第２実施例を示すターボブロワの全体
模式図。

【図５】同実施例のターボブロワにより構成したレーザ
発振器用ガス循環器を示す概略回路図。

【図６】同実施例のターボブロワの外部配管例を示す概
略回路図。

【図７】同実施例のターボブロワの外部配管例を示す概
略回路図。

【符号の説明】

１００、１０１…ターボブロワ（高速回転機器） １…回転翼 ２、１０２…回転翼駆動軸 ３…転がり軸受 １３１…動圧ガス軸受（ジャーナル軸受） １３２…動圧ガス軸受（スラスト軸受）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転翼と、回転翼に固着した回転翼駆動軸
   と、回転翼駆動軸を回動可能に支持する軸受とを具備し
   てなる高速回転機器において、前記回転翼駆動軸の両端
   に対称にそれぞれ１以上の回転翼を配設したことを特徴
   とする高速回転機器。
2. 【請求項２】軸受が動圧ガス軸受であることを特徴とす
   る請求項１記載の高速回転機器。