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※ ChatGPTを利用し、要約された質問です(原文:回転軸の断熱方法)

回転軸の断熱方法についてのアドバイスをお願いします

2023/10/13 21:40

このQ&Aのポイント
  • 回転軸の断熱方法を検討している場合、回転軸の構造や材料について、アドバイスがほしいです。
  • 回転軸の直径は50[mm]で、材質はSUS304です。回転数は20[rpm]で、最大トルクは350[Nm]です。
  • 断熱には、回転軸の一部を切り離し、メタル軸受けとグランドパッキンの間で断熱する方法を考えています。
※ 以下は、質問の原文です

回転軸の断熱方法

2004/06/09 12:03

回転軸の断熱方法を検討しているのですが、構造、材料などでアドバイスいただけたらと思います。
回転軸の詳細としまして、径は50[mm]、材質はSUS304、回転数は20[rpm]、最大トルクは350[Nm]です。
構造は、回転軸の方端は常に600800℃の高温になっています。熱源より遠ざかる方向で、メタル軸受け、グランドパッキン、ベアリング、モータが取り付いています。
ここでグランドパッキンに熱をかけたくないため、メタル軸受けとグランドパッキンの間で回転軸を切り離し、断熱したいと考えています。(グランドパッキン付近の回転軸内部に通水して冷却する方法も検討していますが、構造で熱源から来る熱を遮断できればと考えています)
回転軸の両端は軸受けで支えるため、回転軸の強度はある程度ほしいです。(断熱部で回転軸が曲がることは避けたいです。)
熱源からグランドパッキン間での距離は300[mm]程度で構造上、できれば伸ばしたくないと考えています。
一案として、回転軸をフランジ取り合いにし、間にセラミックスを挟む構造を検討しメーカとも相談しましたが、セラミックスは脆く欠けやすいため、やってみないとわからない・・・との事でした。

良いアドバイスがありましたら、よろしくお願いします。

上記に書き忘れた詳細の仕様です。
・熱源からグランドパッキンまでが負圧(500[Pa]程度)になっています。
・この装置は5日間連続運転(2日停止)します。

回答 (6件中 1~5件目)

2004/06/09 17:41
回答No.6

>もともとの装置の設計は自分ではないので、この2種類を選定した意図は不明ですが、耐熱が700℃までのグランドパッキンがあるのであれば、探してみようと思います。

失礼しました。最高温度は800℃でしたね。グラファイトでも,水冷が必要になります。

>(実際のガスエキスパンダや二相流を扱う流体機械では、どのような構造で冷却しているのでしょうか?)

ケースにジャケットの板を溶接したり,ジャケットだけを作って,ケースにボルト締めしたり,ケースとジャケットを一体で鋳造する3とおりあります。

今回,水で冷却し,また構造を変えることができるのであれば,
?グランドパッキンのケースに水冷ジャケットを溶接して(別ピースはシールの問題あり)水冷する。(軸受を水冷した水を配管を介して,グランドパッキンのケースへ冷却水を入れる)
?確実なのは,グランドパッキンからベローズ型メカニカルシールに変更して,やはり水冷することですが。

お礼

2004/06/09 17:53

アドバイスありがとうございます。
水冷に関して、熱の計算をしていないので何とも言い難いのですが、SUS304のような熱伝導率が悪い材料に対しても、水冷は一般的であるようですね。グランドパッキンのケースの水冷についても検討してみることにします。
あと、メカニカルシールについては、装置設計時に検討されていたらしく、ガスがシール部付近で冷えて固着するため使用していないらしいです。

質問者

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質問する
2004/06/09 15:29
回答No.5

 ひょっとしたら,これはガスエキスパンダか二相流を扱う流体機械でしょうか。そして,熱源から見ると,手前にグランドパッキンがあって,その後に軸受がある構造でしょうか。

 そうならば,グランドパッキンは材料をグラファイト(上限700℃)にして,軸受はグランドパッキンからできるだけ離し,軸端にファンを付けて冷却するか(軸端が大気に出ている場合),または軸受ケースにジャケットを付けて水冷する(軸端が大気に出ていない場合)方法があります。

 いずれにしても,軸受の冷却は必要だと思います。停止中にも熱源が高温であれば,ファンの冷却はできないので,水冷が必要になります。

補足

2004/06/09 16:35

アドバイスありがとうございます。
ガスエキスパンダが分からないのですが、この装置は当社の研究設備である小規模な化学プラントの一部分で、現状、熱が原因でグランドパッキンのシール性に不具合が出ているため改良を検討しております。
構造については、熱源-メタル軸受け-グランドパッキン-ベアリング-モータです。
現状使用しているグランドパッキンは、下記の2種類を積層して使用しております。
 #2205-L 膨張黒鉛シート+SUS繊維 耐熱400℃
  #2940  グラファイトファイバー 耐熱600℃

もともとの装置の設計は自分ではないので、この2種類を選定した意図は不明ですが、耐熱が700℃までのグランドパッキンがあるのであれば、探してみようと思います。

あと、冷却についてですが、グランドパッキン付近の軸内部は通水して冷却する方法も検討しておりますが、材質がSUS304と熱伝導率が悪いため効果があるのか不安であることもあり、回転軸の断熱に行き着きました。(実際のガスエキスパンダや二相流を扱う流体機械では、どのような構造で冷却しているのでしょうか?)

質問者
2004/06/09 14:26
回答No.4

 配置及び周囲の温度をよく理解していませんが,回転軸からの熱に対する断熱対策だけを考えれば,熱源から離す,接触面積を小さくする方法がありますが,この場合,空気も有力候補になると思います。そして動力を伝達する必要もあるようなので,次の方法はいかがでしょうか。

1)回転軸どうしを,ご提案のように,フランジ取合いにして,軸間を可能な限り空ける。

2)動力伝達は,ピン(平行ピン)で行う。
ピンは釣合いのために180°対称に2本設けるが,伝達トルクは1本にしか負荷されない。ピンの半径方向の位置は,半径が大きいほどピン直径は小さくできる。軸間距離が大きい場合は,ピンは片側を太くして,相手側の穴に入る個所だけ細めるて接触面積を小さくする。

補足

2004/06/09 14:49

アドバイスありがとうございます。
質問の内容で書き忘れたのですが、熱源からグランドパッキンまでが負圧(500[Pa]程度)になっています。ですので、雰囲気に放熱させる方法は効果が薄いと考えております。
重要な条件を書き忘れまして申し訳ないです。

質問者
2004/06/09 14:02
回答No.3

 熱の遮断というよりは放熱です。
 このような問題の基本的な考え方は、各部分の上限温度を決めて熱勾配を適正に配することです。

 グランドパッキンの前までに放熱板にて温度勾配を付ける距離は十分ありそうですね。

 熱源からの軸をSUSパイプとすれば熱抵抗を大きくとれなす。
 熱源とグランドパッキンの途中に円盤状の放熱板を何枚か取り付けることにより、適度な温度勾配を持たすこともできるでしょう。
 グランドパッキンに近いところから後ろは熱伝導率の良い材料で構成し、積極的に構造物に放熱します。
 それでも熱勾配に無理があるときは断熱効果の高い材料を挟みますが、軸の剛性など運動特性を犠牲にするので最後の手段と心得るべきでしょう。
 その場合は、ジン性の高いマシナブルセラミックス(マコール、ホトベール、シェイパルMなど)をお勧めします。

補足

2004/06/09 14:21

アドバイスありがとうございます。
熱勾配、検討してみます。ただ、条件に書き忘れましたが、熱源からグランドパッキンまでが負圧(500[Pa]程度)になっており、放熱効果は少ない(あまり期待できない?)かもしれません。
しかしながら、せっかくの剛性体を切断してつなぐことは、やはり得策ではないようですね。熱による膨張などを考えて、フランジを固定するねじの緩み止め対策も必要になりますし。

質問者
2004/06/09 13:07
回答No.2

念のため下記URLをご参考にされてください。

お礼

2004/06/09 14:33

ありがとうございます。
早速メーカに連絡し、詳細を検討してもらうことになりました。回答はまだ来ていませんが、感触的には機械的な衝撃と熱的な衝撃(急温、急冷)による割れを何とかすれば・・・という感じでした。温度については問題ないようです。
また詳細の回答をもらい次第、この場を借りて報告させていただきます。
ありがとうございました。

メーカより回答がありました。
結論から言うと、機械部品としての実績は少ないため、可否の判定は難しいとの事でした。ただ、カップリング形状よりもフランジに挟む板状の方が価格の面で有利だそうです。寸法精度、表面仕上げなどの加工上の問題はないとの事で、試験的に使うことを検討してみようと思います。
ありがとうございました。

質問者

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