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８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に供給するようにしたものがある。

尚、図８に示されるような排熱を利用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９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９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、タービンインペラ４ａを有するタービン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（ガス入口側）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（ガス出口側）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９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との間には第一の軸受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の端面には、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の角度を一斉に調節するようにしたリンク式のベーン角度調整機構を有するベーン装置１６が嵌合凹部に配置されており、該ベーン装置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９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との間には第二の軸受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。

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９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。

しかしながら、図９に示されるようなタービン発電機１００においては、運転時にタービン４のガス出口側の圧力Ｐ２が、タービン４のガス入口からロータ１の他方の軸３までのロータ周囲側の圧力Ｐ１よりも低くなり、この差圧（Ｐ１−Ｐ２）がタービン４とロータ１を介して第一の軸受１１及び第二の軸受２０に作用し、第一の軸受１１及び第二の軸受２０へのスラスト負荷を増大させ、第一の軸受１１及び第二の軸受２０の寿命を短くするという問題があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、第一の軸受及び第二の軸受の寿命を延ばすタービン発電機を提供することを目的とするものである。

本発明は、両側に軸を有し一方の軸にタービンが設けられたロータと、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一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二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、
前記ロータの他方の軸を配する空間を仕切るようにロータの他方の軸にバランスピストンを設けると共に、前記バランスピストンで仕切られた空間のバランスピストンのロータ軸方向外側と、前記タービンのガス出口側とを連通する連通ラインを備え、前記バランスピストンのロータ軸方向外側の圧力を、前記タービンのガス入口からバランスピストンまでのロータ周囲側の圧力より低くするように構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。

本発明において、バランスピストンの外周と、該バランスピストンの外周に対向する軸受フランジの内周面との間にラビリンス構造を形成することが好ましい。

本発明において、バランスピストンの外周から軸受フランジの内周面までの隙間と、前記バランスピストンの外周の軸方向幅とでクリアランスシールを構成することが好ましい。

本発明において、連通ラインは、バランスピストンのロータ軸方向外側から外部へ貫通する第一の貫通孔と、タービンのガス出口側から外部へ貫通する第二の貫通孔と、ステータハウジングの外部で延在して第一の貫通孔及び第二の貫通孔を接続する接続ラインとで構成されることが好ましい。

本発明において、連通ラインは、ロータの軸心を貫通して一方の軸端から他方の軸端へ延在するロータ貫通孔で構成されることが好ましい。

タービン発電機の運転時には、ロータの他方の軸を配する空間を仕切るようにバランスピストンが回転すると共に、連通ラインにより、タービンのガス出口側と、バランスピストンのロータ軸方向外側とを連通する。 そしてタービンのガス出口側の圧力は、ロータ周囲側の圧力より低くなって差圧を生じると共に、バランスピストンのロータ軸方向外側の圧力も、ロータ周囲側の圧力より低くなって差圧を生じる。

本発明のタービン発電機によれば、バランスピストンと連通ラインによりロータ周囲側とバランスピストンのロータ軸方向外側とに差圧を生じ、ガス出口側とロータ周囲側との差圧をキャンセルするので、第一の軸受及び第二の軸受へのスラスト負荷を低減し、第一の軸受及び第二の軸受の寿命を延ばすことができるという種々の優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の第一例を示す側断面図である。

バランスピストンと軸受フランジとの間に構成されたラビリンス構造を示す概念図である。

接続ラインを流体継手で接続する状態を示す概念図である。

本発明を実施する形態の第二例を示す側断面図である。

バランスピストンと軸受フランジとの間に構成されたクリアランスシールを示す概念図である。

本発明を実施する形態の第三例を示す側断面図である。

本発明を実施する形態の第四例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。

本発明者等が開発した初期のタービン発電機の一例を示す側断面図である。

以下、本発明を実施する形態の第一例を添付図面を参照して説明する。

図１〜図３は本発明を実施する形態の第一例であって、図中、図８及び図９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８及び図９に示すものと同様であるが、第一例の特徴とするところは、図１〜図３に示す如くロータ１にバランスピストン４０を配置すると共に、ロータ１の他方の軸３を配する空間と、タービン４のガス出口側とを連通する連通ライン４１を備えた点にある。

バランスピストン４０は、ロータ１の一方の軸２と反対側に位置する他方の軸３の先端に配置され、他方の軸３を配する空間を、バランスピストン４０のロータ軸方向外側と、タービン４のガス入口からバランスピストン４０までのロータ周囲側とに仕切るように、円盤のプレートで構成されている。 又、バランスピストン４０の外周と、バランスピストン４０の外周に対向する軸受フランジ１７の内周面との間には、ラビリンス構造４２が形成されている。

ラビリンス構造４２は、図２に示す如くバランスピストン４０の外周面に形成される第一凸部４２ａと、軸受フランジ１７の内周面に形成される第二凸部４２ｂとを備えており、第一凸部４２ａは、バランスピストン４０の軸方向に所定の間隔で配置されて溝部４２ｃを等間隔に形成し、第二凸部４２ｂは、非接触で溝部４２ｃに位置するように形成されている。 ここで、ラビリンス構造４２は、バランスピストン４０又は軸受フランジ１７のいずれか一方に構成されるものでも良いし、他の部材により構成されるものでも良いし、互いに非接触で両側の差圧を維持するならば他の形状や構造でも良い。

一方、連通ライン４１は、バランスピストン４０のロータ軸方向外側から外部へ貫通する第一の貫通孔４３と、タービン４のガス出口側から外部へ貫通する第二の貫通孔４４と、ステータハウジング７の外部で延在して第一の貫通孔４３及び第二の貫通孔４４を接続する接続ライン４５とを備えて構成されている。

第一の貫通孔４３は、軸受フランジ１７に固定された蓋部材２２を貫通し、バランスピストン４０の外側面近傍から外部へ通じるようになっている。 ここで第一の貫通孔４３は、蓋部材２２でなく、軸受フランジ１７に設けても良いし、蓋部材２２及び軸受フランジ１７の両方に設けても良い。

又、第二の貫通孔４４は、ステータハウジング７に固定されたタービンハウジング５を貫通し、ガス出口の所定位置から外部へ通じるようになっている。

更に接続ライン４５は、ステータハウジング７の外部で延在するようにゴムホースや配管等で構成され、図３に示す如く第一の貫通孔４３及び第二の貫通孔４４に接続されたニップル等の流体継手４６に対し、クリップ等の固定手段４７を介して接続されている。 ここで流体継手４６は蓋部材２２等にねじ込みで固定されても良いし、他の手段で固定されても良い。

次に本発明を実施する形態の第一例の作用を説明する。

タービン発電機１００の運転時には、ロータ１の他方の軸３を配する空間を仕切るようにバランスピストン４０が回転すると共に、連通ライン４１により、タービン４のガス出口側と、バランスピストン４０のロータ軸方向外側とを連通して略同じ圧力にする。

そしてタービン４のガス出口側の圧力Ｐ２は、ガスの排出に伴い、タービン４のガス入口からバランスピストン４０までのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じる（Ｐ１−Ｐ２）と共に、バランスピストン４０のロータ軸方向外側の圧力Ｐ２も、連通ライン４１によって、タービン４のガス入口からバランスピストン４０までのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じ（Ｐ１−Ｐ２）、ガス出口側の差圧とバランスピストン４０のロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。

このように第一例のタービン発電機によれば、バランスピストン４０と連通ライン４１によりロータ周囲側とバランスピストン４０のロータ軸方向外側とに差圧（Ｐ２−Ｐ１）を生じ、ガス出口側とロータ周囲側との差圧（Ｐ２−Ｐ１）をキャンセルするので、第一の軸受１１及び第二の軸受２０へのスラスト負荷を低減し、第一の軸受１１及び第二の軸受２０の寿命を延ばすことができる。

第一例のタービン発電機１００において、バランスピストン４０の外周と、バランスピストン４０の外周に対向する軸受フランジ１７の内周面との間にラビリンス構造４２を形成すると、ロータ周囲側とバランスピストン４０のロータ軸方向外側とに差圧（Ｐ２−Ｐ１）を適切に発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧（Ｐ２−Ｐ１）を好適にキャンセルし、第一の軸受１１及び第二の軸受２０の寿命を大幅に延ばすことができる。

第一例のタービン発電機１００において、連通ライン４１は、バランスピストン４０のロータ軸方向外側から外部へ蓋部材２２又は／及び軸受フランジ１７を貫通する第一の貫通孔４３と、タービン４のガス出口側から外部へタービンハウジング５を貫通する第二の貫通孔４４と、ステータハウジング７の外部で延在して第一の貫通孔４３及び第二の貫通孔４４を接続する接続ライン４５とで構成されると、連通ライン４１を容易に設けることができる。 又、連通ライン４１によってロータ周囲側とバランスピストン４０のロータ軸方向外側に差圧（Ｐ２−Ｐ１）を適切に発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧（Ｐ２−Ｐ１）を好適にキャンセルし、第一の軸受１１及び第二の軸受２０の寿命を大幅に延ばすことができる。

以下、本発明を実施する形態の第二例を添付図面を参照して説明する。

図４、図５は本発明を実施する形態の第二例であって、図中、図１〜図３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１〜図３に示すものと同様であるが、第二例の特徴とするところは、ラビリンス構造４２のシールを図４、図５に示すクリアランスシール４８に変更した点にある。

クリアランスシール４８は、バランスピストン４０ａの外周面及び軸受フランジ１７の内周面等にラビリンス構造を構成することなく、バランスピストン４０ａの外周面から軸受フランジ１７の内周面までの小さな隙間（ギャップクリアランス）ｔと、バランスピストン４０ａの外周の充分に長い軸方向幅ｂとで構成されている。

ここで隙間ｔは、ロータ１の軸３の振動振幅及び、軸受フランジ（ケーシング）１７とバランスピストン４０ａの熱膨張差により定まる値であり、可能な限り小さく設定されることが好ましい。 又、ロータ１の軸３の振動振幅は、バランスピストン４０ａの摺動方向（図４では左右方向）に対して直角方向（図４の上下方向）に振動する際の振動振幅を意味している。 更にクリアランスシール４８は、互いに非接触で両側の差圧を維持するならば他の形状や構造でも良い。

また第二例は、第一例と同様にロータ１の他方の軸３を配する空間と、タービン４のガス出口側とを連通する連通ライン４１を備えている。

次に本発明を実施する形態の第二例の作用を説明する。

タービン発電機１００の運転時には、第一例と同様にロータ１の他方の軸３を配する空間を仕切るようにバランスピストン４０ａが回転すると共に、連通ライン４１により、タービン４のガス出口側と、バランスピストン４０ａのロータ軸方向外側とを連通して圧力Ｐ２を略同じ圧力にする。

そしてタービン４のガス出口側の圧力Ｐ２は、第一例と同様にガスの排出に伴い、タービン４のガス入口からバランスピストン４０ａまでのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じる（Ｐ１−Ｐ２）と共に、バランスピストン４０ａのロータ軸方向外側の圧力Ｐ２も、連通ライン４１によって、タービン４のガス入口からバランスピストン４０ａまでのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じ（Ｐ１−Ｐ２）、ガス出口側の差圧とバランスピストン４０ａのロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。

このように第二例のタービン発電機によれば、第一例と同様な作用効果を得ることができる。

第二例のタービン発電機１００において、バランスピストン４０ａの外周から軸受フランジ１７の内周面までの隙間ｔと、バランスピストン４０ａの外周の軸方向幅ｂとでクリアランスシール４８を構成すると、複雑な形状や構成を必要とすることがなく、バランスピストン４０ａのロータ軸方向外側の圧力Ｐ２と、タービン４のガス入口からバランスピストン４０ａまでのロータ周囲側の圧力Ｐ１とによる差圧（Ｐ２−Ｐ１）を容易に且つ低コストに発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧（Ｐ２−Ｐ１）を好適にキャンセルし、第一の軸受１１及び第二の軸受２０の寿命を大幅に延ばすことができる。

以下、本発明を実施する形態の第三例を添付図面を参照して説明する。

図６は本発明を実施する形態の第三例であって、図中、図１〜図３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１〜図３に示すものと同様であるが、第二例の特徴とするところは、ロータ１の他方の軸３を配する空間と、前記タービン４のガス出口側とを連通する連通ライン４１を、図６に示す連通ライン５１に変更した点にある。

連通ライン５１は、ロータ１の軸心を直線状に貫通して一方の軸端から他方の軸端へ延在するロータ貫通孔５２で構成されている。 ここで第二例は、第一例と同様にバランスピストン４０及びラビリンス構造４２を備えている。

次に本発明を実施する形態の第三例の作用を説明する。

タービン発電機１００の運転時には、第一例と同様にロータ１の他方の軸３を配する空間を仕切るようにバランスピストン４０が回転すると共に、連通ライン５１により、タービン４のガス出口側と、バランスピストン４０のロータ軸方向外側とを連通して圧力Ｐ２を略同じ圧力にする。

そしてタービン４のガス出口側の圧力Ｐ２は、第一例と同様にガスの排出に伴い、タービン４のガス入口からバランスピストン４０までのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じる（Ｐ１−Ｐ２）と共に、バランスピストン４０のロータ軸方向外側の圧力Ｐ２も、連通ライン５１によって、タービン４のガス入口からバランスピストン４０までのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じ（Ｐ１−Ｐ２）、ガス出口側の差圧とバランスピストン４０のロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。

このように第三例のタービン発電機によれば、第一例と同様な作用効果を得ることができる。

第三例のタービン発電機１００において、連通ライン５１は、ロータ１の軸心を貫通して一方の軸端から他方の軸端へ形成されるロータ貫通孔５２で構成されると、連通ライン５１により、タービン４のガス出口側と、バランスピストン４０のロータ軸方向外側とを他の部材を用いることなく、同じ圧力にすると共に短い距離で連通することができる。 又、連通ライン５１によってロータ周囲側とバランスピストン４０のロータ軸方向外側とに差圧（Ｐ２−Ｐ１）を適切に発生させるので、ガス出口側とロータ周囲側との差圧（Ｐ２−Ｐ１）を好適にキャンセルし、第一の軸受１１及び第二の軸受２０の寿命を大幅に延ばすことができる。

以下、本発明を実施する形態の第四例を添付図面を参照して説明する。

図７は本発明を実施する形態の第四例であって、図中、図６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６に示すものと同様であるが、第四例の特徴とするところは、第三例のラビリンス構造４２のシールを図７、図５に示す第二例のクリアランスシール４８に変更した点にある。

クリアランスシール４８は、第二例と同様に、バランスピストン４０ａの外周面及び軸受フランジ１７の内周面等にラビリンス構造を構成することなく、バランスピストン４０ａの外周面から軸受フランジ１７の内周面までの小さな隙間（ギャップクリアランス）ｔと、バランスピストン４０ａの外周の充分に長い軸方向幅ｂとで構成されている。

ここで隙間ｔは、ロータ１の軸３の振動振幅及び、軸受フランジ（ケーシング）１７とバランスピストン４０ａの熱膨張差により定まる値であり、可能な限り小さく設定されることが好ましい。 又、ロータ１の軸３の振動振幅は、バランスピストン４０ａの摺動方向（図４では左右方向）に対して直角方向（図４の上下方向）に振動する際の振動振幅を意味している。 更にクリアランスシール４８は、互いに非接触で両側の差圧を維持するならば他の形状や構造でも良い。

また第四例は、第三例と同様にロータ１の他方の軸３を配する空間と、タービン４のガス出口側とを連通する連通ライン５１を備えている。

次に本発明を実施する形態の第四例の作用を説明する。

タービン発電機１００の運転時には、第三例と同様にロータ１の他方の軸３を配する空間を仕切るようにバランスピストン４０ａが回転すると共に、連通ライン５１により、タービン４のガス出口側と、バランスピストン４０ａのロータ軸方向外側とを連通して圧力Ｐ２を略同じ圧力にする。

そしてタービン４のガス出口側の圧力Ｐ２は、第一例と同様にガスの排出に伴い、タービン４のガス入口からバランスピストン４０ａまでのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じる（Ｐ１−Ｐ２）と共に、バランスピストン４０ａのロータ軸方向外側の圧力Ｐ２も、連通ライン５１によって、タービン４のガス入口からバランスピストン４０ａまでのロータ周囲側の圧力Ｐ１より低くなって差圧を生じ（Ｐ１−Ｐ２）、ガス出口側の差圧とバランスピストン４０ａのロータ軸方向外側の差圧とで圧力バランスをとる。

このように第四例のタービン発電機によれば、第一例〜第三例と同様な作用効果を得ることができる。

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６ スクロール通路（ガス入口側）
６ａ 排出通路（ガス出口側）
７ ステータハウジング１０ モータステータ１１ 第一の軸受１７ 軸受フランジ２０ 第二の軸受４０ バランスピストン４０ａ バランスピストン４１ 連通ライン４２ ラビリンス構造４３ 第一の貫通孔４４ 第二の貫通孔４５ 接続ライン４８ クリアランスシール５１ 連通ライン５２ ロータ貫通孔１００ タービン発電機Ｐ１ 圧力Ｐ２ 圧力ｔ 隙間ｂ 軸方向幅