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、図４に示される如く、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に供給するようにしたものがある。

尚、図４に示されるような排熱を利用して発電する装置の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。

一方、図５は、本発明者等が開発した初期のタービン発電機１００の一例を示す側断面図であり、図５中、１は両側に軸２，３を備えたロータであり、該ロータ１の一方の軸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によってその一端面７ａを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５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の内周部と一方の軸２との間には第１の軸受１１が配置されて一方の軸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の一端面７ａ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が嵌合凹部１６ａに配置されており、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挾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の他端面７ｂ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５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の他方の軸３との間には第２の軸受２０が配置されて他方の軸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。

そして、前記軸受フランジ１７をステータハウジング７に固定ボルト１８で締め付け固定する際に、モータステータ１０のステータスリーブ１３に軸受フランジ１７が当接することで前記モータステータ１０の軸方向への移動を固定するようにしている。 このように、軸受フランジ１７をモータステータ１０に当接させてモータステータ１０の軸方向への移動を拘束しているために、ステータハウジング７内に形成されるモータステータ収容部１０ａの深さとステータスリーブ１３の軸方向の長さは同一になるように形成している。

２２は固定ボルト２３によって前記軸受フランジ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５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７Ｈ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。

そして、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、このように構成したタービン発電機１００によれば、組み立てが容易でしかもコンパクトな形状とすることができる。

一方、ステータハウジングに対してモータステータを取り付けるための取付構造を示すものとしては、モータステータの外周に配置される複数のボルトと該各ボルトとモータステータとの間に配置するスリーブを備えて、モータステータをステータハウジングに取り付けるようにしたものが特許文献２に示されている。

しかし、図５に示したように、軸受フランジ１７をステータハウジング７に固定する際に、ステータスリーブ１３に軸受フランジ１７を当接させることでモータステータ１０を固定するようにしたタービン発電機１００では、組み立て作業は容易であるが、その反面、例えば前記タービン発電機１００を設置する際等の取り扱い時に、タービン発電機１００を落下させたり或いは他の部材に衝突させる等の不測の事態が発生して軸受フランジ１７に衝撃的な負荷が作用した場合には、その負荷が直接モータステータ１０に伝わってしまい、そのためにモータステータ１０が変形する可能性があり、モータステータ１０が変形した場合には発電機Ｍの性能が著しく低下し、タービン発電機１００による電力の回生性能が大幅に低下するという問題を有していた。

また、特許文献２に示すように、複数のボルトと該各ボルトに装着するようにしたスリーブによってモータステータをステータハウジングに取り付けるようにした構造では、装置構成が複雑になると共に組立工数が増加して大幅なコストの増加を招くという問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなしたもので、組み立てが容易であり且つモータステータに外力が作用する問題を防止して高い回生性能を維持できるようにしたタービン発電機を提供することを目的とする。

本発明は、両側に軸を有し一方の軸にタービンが備えられたロータと、前記タービンを包囲して収容するタービンハウジングと、前記ロータを包囲するモータステータを収容し且つ前記一方の軸との間に第１の軸受を備えて前記タービンハウジングに固定されるステータハウジングと、前記ロータの他方の軸との間に第２の軸受を備えて前記ステータハウジングに固定される軸受フランジとを有するタービン発電機であって、
前記モータステータと軸受フランジとの間において、モータステータの端面に当接し且つ外周がステータハウジングの内周面に設けた環状の嵌合溝に嵌合して配置されるスナップリングを有し、
該スナップリングと前記嵌合溝における軸受フランジ側の対向面には、内側から外側に向かって軸受フランジから離反する方向へ傾斜した傾斜面を有しており、
縮径させたスナップリングを、スナップリングの平坦面が前記モータステータの端面に当接し且つ前記スナップリングの傾斜面が嵌合溝の傾斜面に当接するように配置した ことを特徴とするタービン発電機、に係るものである。

上記タービン発電機において、前記モータステータは、内側のステータと外側のステータスリーブにて構成されており、前記嵌合溝に嵌合したスナップリングがステータスリーブの端面に当接していることは好ましい。

本発明のタービン発電機によれば、組み立て作業が容易であり、更に、タービン発電機の設置時等の取り扱い時に、タービン発電機を落下させたり或いは他の部材に衝突させる等の不測の事態が発生して軸受フランジに衝撃的な負荷が作用しても、軸受フランジとモータステータとは接していないために、前記負荷によってモータステータが変形するような問題を防止できる効果を有する。 又、前記負荷によってステータハウジングが軸方向へ移動するようなことが生じても、嵌合溝の傾斜面がスナップリングの傾斜面を押してスナップリングを縮径させるように作用するので、モータステータに負荷が掛ることはなく、モータステータは常にスナップリングによって位置決めされた状態に保持されるという効果を有する。

本発明を実施するタービン発電機の一例の全体を示す側断面図である。

スナップリングの一例を示す正面図である。

スナップリングとスナップリングが嵌合する嵌合溝の形状を示す側断面図である。

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。

本発者等が実施した初期のタービン発電機の一例の全体を示す側断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。

図１は、前記図５に示した初期のタービン発電機１００に適用した本発明の実施例であって、図中、図４及び図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、基本的な構成は図４及び図５に示すものと同様であり、本実施例の特徴とするところは、図１に示す如く、前記ステータハウジング７に支持されるモータステータ１０と軸受フランジ１７との間に、モータステータ１０の端面に当接し、且つ外周がステータハウジング７の内周面に設けた環状の嵌合溝２６に嵌合するようにした図２に示す形状のスナップリング２７を設けた点にある。 尚、図１のモータステータ１０は、コイルからなるステータ１２と樹脂等からなるステータスリーブ１３の軸方向の長さを同一とした場合を示している。

更に、図３に示す如く、前記スナップリング２７と前記嵌合溝２６の軸受フランジ１７側の壁面とが対向している対向面Ｔには、内側から外側に向かって軸受フランジ１７から離反する方向へ傾斜した傾斜面２６ａ，２７ａを形成している。 又、前記スナップリング２７における前記傾斜面２７ａが設けられた側とは反対側の面は、軸に対して鉛直な平坦面２７ｂとなっており、この平坦面２７ｂが前記ステータスリーブ１３の端面１３ａに当接するようになっている。

そして、前記スナップリング２７を設置する際には、先ず、スナップリング２７を縮径させ、スナップリング２７の平坦面２７ｂが前記ステータスリーブ１３の端面１３ａに当接し且つ前記スナップリング２７の傾斜面２７ａが嵌合溝２６の傾斜面２６ａに当接するように嵌合溝２６に嵌合させて配置する。

これにより、ステータスリーブ１３が、スナップリング２７によって軸方向への移動を拘束された状態でステータハウジング７内に支持されたタービン発電機２００が構成される。

次に、図１〜図３に示した実施例の作用を説明する。

先ず、図１のタービン発電機２００を組み立てる方法の一例について説明すると、タービン４を備えていないロータ１の一方の軸２に第１の軸受１１を装着し、該第１の軸受１１がステータハウジング７に備えた筒状突出部９の内側に嵌合されるようにロータ１を右側からステータハウジング７に挿入する。 続いて、前記筒状突出部９の外側に形成されたモータステータ収容部１０ａに、モータステータ１０を右側から挿入して嵌合配置させる。

次に、図２に示すスナップリング２７を縮径させ、前記スナップリング２７の傾斜面２７ａが嵌合溝２６の傾斜面２６ａに当接するように嵌合溝２６に嵌合し、且つスナップリング２７の平坦面２７ｂがモータステータ１０のステータスリーブ１３の端面１３ａに当接するように配置する。

次に、ロータ１の他方の軸３に第２の軸受２０を装着し、該第２の軸受２０の外周に該筒状突出部１９が嵌合するようにして軸受フランジ１７をステータハウジング７の他端面７ｂに当接させ、固定ボルト１８により軸受フランジ１７をステータハウジング７に固定する。

更に、蓋部材２２の凸部２４が軸受フランジ１７の開口２１に嵌合するようにして蓋部材２２を軸受フランジ１７に当接させ、固定ボルト２３により蓋部材２２を軸受フランジ１７に固定する。

一方、前記ロータ１の一方の軸２にタービン４を取り付け、更に、軸受フランジ１７のタービン４側の端面に形成された凹部にベーン１５を固定するプレート１６を嵌合配置し、続いて前記タービン４を包囲するタービンハウジング５を軸受フランジ１７の一端面７ａに当接させ、固定ボルト８によりタービンハウジング５を軸受フランジ１７に固定する。

上記構成を有するタービン発電機２００によれば、短時間で高能率に組み立て作業を行うことができる。 更に、上記したタービン発電機２００を例えば図４に示すような内燃機関に設置する際等の取り扱い時に、タービン発電機２００を落下させたり或いは他の部材に衝突させる等の不測の事態が発生して、軸受フランジ１７に衝撃的な負荷が作用した際には、その負荷がステータハウジング７に対して軸方向に伝わることになるが、軸受フランジ１７とモータステータ１０とは接していないために、軸方向の負荷がモータステータ１０に作用する問題は防止される。 又、前記負荷によってステータハウジング７が軸方向に移動するようなことが起こっても、嵌合溝２６の傾斜面２６ａがスナップリング２７の傾斜面２７ａを押してスナップリング２７を縮径させるように作用するので、モータステータ１０に負荷が掛ることはなく、モータステータ１０は常にスナップリング２７によって位置決めされた状態に良好に保持される。 従って、モータステータ１０が外力によって変形し、そのために発電機Ｍによる発電性能が大幅に低下するといった問題の発生は防止され、よってタービン発電機２００は常に高い回生性能を維持することができる。

又、上記タービン発電機２００を図４に示すような内燃機関に適用した場合には、タービン発電機２００が内燃機関の振動の作用を受ける問題があるが、前記したように、モータステータ１０は軸受フランジ１７とは切り離された状態でスナップリング２７によってステータハウジング７に確実に支持されているので、モータステータ１０が軸方向に振動する問題も低減できる。

上記したように、小型でしかも安定した回生性能を有するタービン発電機２００は、図４に示すように車両の内燃機関の排熱によって冷却用媒体を気化させて生じた作動流体により発電を行う場合に適用できる他、内燃機関からの排気ガスの圧力を利用して発電を行うような場合にも適用することができ、更には、車両以外の各種の装置機器からの排気ガス或いは排熱を利用する場合にも適用することができる。

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 一方の軸 ３ 他方の軸 ４ タービン ５ タービンハウジング ７ ステータハウジング １０ モータステータ １１ 第１の軸受 １２ ステータ １３ ステータスリーブ １３ａ 端面 １７ 軸受フランジ ２０ 第２の軸受 ２６ 嵌合溝 ２６ａ 傾斜面 ２７ スナップリング ２７ａ 傾斜面 ２７ｂ 平坦面２００ タービン発電機 Ｔ 対向面