JP2007092646A - 燃料電池用過給機 - Google Patents

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Abstract

【課題】高速回転での使用に有利でしかも耐久性に優れている燃料電池用過給機を提供する。
【解決手段】燃料電池用過給機6は、ケーシング11内に設けられた遠心圧縮機12と、圧縮機12の回転軸13を支持する軸受装置14とを備えている。軸受装置14は、回転軸13に同心状に設けられて回転軸13を径方向から支持する１対のラジアルフォイル軸受21,22と、回転軸13に軸方向から対向させられて回転軸13を軸方向から支持する１対のアキシアルフォイル軸受23,24と、複数の永久磁石61a,61b,62a,62b,63a,63b,64a,64bが組み合わされて構成され静止状態で回転軸13を非接触に保持する補助軸受手段25とを備えている。
【選択図】図２

Description

この発明は、水素および酸素からエネルギーを生成する燃料電池装置の酸素供給側に設置されて圧縮空気を燃料電池に供給する燃料電池用過給機に関し、特に、燃料電池車への搭載に適した燃料電池用過給機に関する。
燃料電池を搭載して走行する燃料電池車は、そのプロトタイプが既に製造されており、特許文献１には、燃料電池車の燃料電池に圧縮空気を供給するための過給機に適するものとして、スクロール型圧縮機を備えたものが提案されている。
特開２００２−７０７６２号公報
燃料電池車で使用される燃料電池装置においては、その小型化、コスト低減および軽量化などが重要な課題となっており、過給機に対しても、より一層の小型化が求められている。
そこで、容積形圧縮機の１種である上記特許文献１のスクロール型圧縮機に代えて、圧縮変動がなくかつ小型化が可能な非容積形の遠心圧縮機を使用することが考えられるが、遠心圧縮機では、インペラに作用する軸方向力の変動が大きいため、その軸受装置の耐久性の確保が課題となる。また、燃料電池車では、アイドリング時の低速回転と通常走行時の高速回転とが連続で繰り返されることから、過給機に対し、さらに、高速回転での使用に有利なことおよび耐久性に優れていることが要求されている。
この発明の目的は、上記実情に鑑み、遠心圧縮機を使用することで小型化を図るとともに、その際に課題となるインペラの回転に伴う軸方向力の変動を吸収し、高速回転での使用に有利でしかも耐久性に優れている燃料電池用過給機を提供することにある。
この発明による燃料電池用過給機は、燃料電池に空気を圧縮して供給する燃料電池用過給機であって、ケーシング内に設けられた遠心圧縮機と、圧縮機の回転軸を支持する軸受装置とを備えており、軸受装置は、回転軸に同心状に設けられて回転軸を径方向から支持する１対のラジアルフォイル軸受と、回転軸に軸方向から対向させられて回転軸を軸方向から支持する１対のアキシアルフォイル軸受とを備えていることを特徴とするものである。
ラジアルフォイル軸受は、例えば、回転軸に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを支持する弾性体と、軸受フォイルおよび弾性体を回転軸との間に保持する軸受ハウジングとを備えているものとされる。
また、アキシアルフォイル軸受は、回転軸に軸方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを支持する弾性体と、軸受フォイルおよび弾性体を回転軸との間に保持する軸受ハウジングとを備えているものとされる。回転軸には、スラスト板として機能するフランジ部が設けられ、１対のアキシアルフォイル軸受は、このフランジ部を介して対向させられる。
上記フォイル軸受によると、回転軸の回転時には、周囲の空気が軸受フォイルと回転軸との間に引き込まれて圧力（動圧）を発生することにより、非接触で回転軸が保持される。
軸受装置は、複数の永久磁石が組み合わされて構成され静止状態で回転軸を非接触保持する補助軸受手段をさらに備えていることが好ましい（請求項２）。
通常回転時においては、回転軸は各フォイル軸受によって非接触で支持されるが、低速回転または停止時においては、動圧が低下して、回転軸と各フォイル軸受とが接触することになる。補助軸受手段は、永久磁石間に作用する反発力を利用して静止状態で（したがって回転軸が停止状態から通常回転状態に移行するまでの間および完全停止前の低速回転状態から停止状態に移行するまでの間）回転軸を非接触保持するもので、回転軸が停止状態から回転状態に移行するときおよび回転状態から停止状態に移行するときには、この補助軸受手段が回転軸を非接触で支持することにより、各フォイル軸受と回転軸との接触が防止される。
補助軸受手段は、例えば、回転軸の両端部およびその近傍に配置された１対の磁石組からなる第１補助軸受と、回転軸に設けられたフランジ部およびその近傍に配置された１対の磁石組からなる第２補助軸受とを備えているものとされる。各磁石組は、回転軸に固定された環状回転磁石と、回転磁石に反発力を付与するようにケーシングに固定された環状固定磁石とから構成される。
第１補助軸受の１対の磁石組（回転磁石および固定磁石）は、いずれも径方向に着磁され、第２補助軸受の１対の磁石組（回転磁石および固定磁石）は、いずれも軸方向に着磁される。そして、例えば、第１補助軸受の各磁石組（回転磁石および固定磁石）がちょうど径方向に対向するように配置され、第２補助軸受の各磁石組（回転磁石および固定磁石）がちょうど軸方向に対向するように配置される。各磁石組の配置は、これに限られるものではなく、径方向に着磁された第１補助軸受の磁石組がちょうど径方向に対向する位置から軸方向に若干ずれるように配置されてもよく、軸方向に着磁された第２補助軸受の磁石組がちょうど軸方向に対向する位置から径方向に若干ずれるように配置されてもよい。このようにずらして配置することにより、磁石間には径方向の反発力および軸方向の反発力の両方が生成され、回転軸を安定して保持することが可能となる。
ずらして配置する場合には、１対の磁石組によって補助軸受手段を構成することも可能であり、このような補助軸受手段は、回転軸に固定された少なくとも２つの環状回転磁石と、ケーシングに固定されて回転磁石に反発力を付与する少なくとも２つの環状固定磁石とを有しており、固定磁石は、径方向内向き力および軸方向内向き力の両方が回転磁石に作用するように、回転磁石に対しずらされているものとされる（請求項３）。
この発明の燃料電池用過給機によると、回転軸が径方向および軸方向の両方からフォイル軸受（動圧ガス軸受）に支持されているので、高速回転による軸受の疲労寿命の低下が抑えられ、また、潤滑のためのオイルを循環させるための機能が不要となるので、過給機の小型化が図られる。
そして、複数の永久磁石が組み合わされて構成され静止状態で回転軸を非接触保持する補助軸受手段をさらに備えているものでは、回転停止時、回転開始時および低速回転時に、回転軸とフォイル軸受とが接触することに伴って起こり得る部分摩耗や回転性能低下などの問題が防止されるので、過給機の耐久性をより一層向上させることができる。
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、図２の右を前、左を後というものとする。
図１は、この発明による燃料電池用過給機が使用される車載用の燃料電池装置を示すもので、燃料電池装置(1)は、燃料電池スタック(2)と、燃料電池スタック(2)から供給される電力を制御する電力制御装置(3)と、燃料電池スタック(2)に水素を供給する高圧水素タンク(4)および水素ポンプ(5)と、燃料電池スタック(2)に圧縮空気を供給する過給機(6)と、過給機(6)で得られた圧縮空気を加湿する加湿器(7)と、燃料電池スタック(2)および電力制御装置(3)を冷却する冷却装置(8)とを備えており、燃料電池スタック(2)で得られた電気エネルギーによって自動車を走行させるための電動機(9)が駆動されている。
図２は、この発明による燃料電池用過給機の概略構成を示すもので、燃料電池用過給機(6)は、ケーシング(11)内に設けられた遠心圧縮機(12)と、圧縮機(12)の回転軸(13)を支持する軸受装置(14)とを備えている。
遠心圧縮機(12)は、非容積形の圧縮機で、前後方向の水平軸上に配置された略円筒状の密閉ケーシング(11)の内側で水平軸状の回転軸(13)が回転する。
ケーシング(11)は、前側の回転軸支持部(11a)と、後側の気体流通部(11b)とから構成されている。
回転軸(13)は、段付軸状をなし、回転軸支持部(11a)内の空間内に配置されている。回転軸(13)の後端には、気体流通部内(11b)の空間内に位置するインペラ(13a)が固定されている。
回転軸支持部(11a)の内周に、回転軸(13)を高速回転させるビルトイン型電動機(20)、回転軸(13)を径方向から支持する前後１対のラジアルフォイル軸受(21)(22)、回転軸(13)をアキシアル方向（前後方向）から支持する前後１対のアキシアルフォイル軸受(23)(24)、ならびに回転軸(13)を径方向およびアキシアル方向の両方から補助的に支持する補助軸受手段(25)が設けられている。
電動機(20)は、回転軸支持部(11a)側に設けられたステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたロータ(20b)から構成されている。
軸受装置(14)は、前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)、前後アキシアルフォイル軸受(23)(24)および補助軸受手段(25)によって構成されている。
気体流通部(11b)内の空間の後端に気体流入路(11c)が設けられている。回転軸(13)が回転することにより、インペラ(13a)が回転し、インペラ(13a)の回転により、空気が、気体流入路(11c)から気体流通部(11b)内の空間(11d)に流入し、同空間(11d)内で圧縮され、同空間(11d)に通じる気体流出路（図示略）を通って排出される。
段付き状の回転軸(13)は、電動機(20)のロータ(20b)が設けられている大径部(31)と、大径部(31)の前後方向外側に連なる前側および後側の小径部(32)(33)とからなる。前側小径部(32)の軸方向中間部分には、フランジ部(34)が設けられている。後側小径部(33)の後端部はさらに小径とされており、インペラ(13a)はこの部分に取り付けられている。
各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸(13)の前後小径部(32)(33)の大径部(31)寄り部分に設けられている。
図３に示すように、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸小径部(32)(33)の径方向外側に軸受隙間(44)を隔てて配置される可撓性を有するトップフォイル（軸受フォイル）(41)と、このトップフォイル(41)の径方向外側に配置されるバンプフォイル（弾性体）(42)と、このバンプフォイル(42)の径方向外側に配置される外輪（軸受ハウジング）(43)とからなる。
トップフォイル(41)は、帯状ステンレス鋼板製で、帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形した後、この円筒形に成形された鋼板の一端部の軸方向の両端部を径方向に切り起こして先端を屈曲させて形成されている。切り起こされた部分以外の円筒部(41a)がトップフォイルの主部になっており、切り起こされた部分(41b)がトップフォイル(41)の係合部になっている。
バンプフォイル(42)は、ステンレス鋼製の波形板材を円筒形に成形した円筒部(42a)と、円筒部(42a)の一端に連なり円筒部(42a)の径方向外側に位置する係合部(42b)とからなる。
外輪(43)の内周面には、略径方向に延びる係合溝(43a)が形成されている。そして、バンプフォイル(42)の円筒部(42a)が外輪(43)の内周面に沿うように配置されて、その係合部(42b)が外輪(43)の係合溝(43a)に係合させられることにより、バンプフォイル(42)が外輪(43)に取り付けられ、このバンプフォイル(42)と回転軸小径部(32)(33)との間にトップフォイル(41)の円筒部(41a)が介在させられるとともに、その係合部(41b)が外輪(43)の係合溝(43a)に係合させられることにより、トップフォイル(41)が外輪(43)に取り付けられている。
ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、トップフォイル(41)が帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形されているので、曲率半径が一定で真円度が高いものとなっていることから、回転軸(13)の支持性能が高くかつ回転軸(13)の浮上特性も良好なものとなっている。
図４に示すように、各アキシアルフォイル軸受(23)(24)は、ケーシング(11)に固定された軸受ハウジング(51)と、軸受ハウジング(51)と回転軸(13)のフランジ部(34)との間の周方向に配置され一端が軸受ハウジング(51)に固定された複数の可撓性フォイル片(52a)からなる軸受フォイル(52)と、軸受フォイル(52)と軸受ハウジング(51)との間に配置され軸受フォイル(52)を弾性支持する弾性体(53)とからなる。回転軸(13)のフランジ部(34)は、アキシアルフォイル軸受(23)(24)において、軸受ハウジング(51)に対向し回転軸(13)と一体に回転するスラスト板として機能している。
なお、ラジアルフォイル軸受(21)(22)およびアキシアルフォイル軸受(23)(24)は、上記のものに限られるものではなく、ラジアルフォイル軸受は、図５（ａ）に示すように、回転軸(13)に対向する軸受面を持つ複数の可撓性フォイル片(46a)からなる軸受フォイル(46)と、軸受フォイル(46)を回転軸(13)との間に保持する軸受ハウジング(47)とを備えているものであってもよく、アキシアルフォイル軸受は、図５（ｂ）に示すように、回転軸フランジ部(34)に対向する軸受面を持つ可撓性のトップフォイル（軸受フォイル）(56)と、トップフォイル(56)を支持するバンプフォイル（弾性体）(57)と、トップフォイル(56)およびバンプフォイル(57)を回転軸フランジ部(34)との間に保持する軸受ハウジング(58)とを備えているものであってもよい。
補助軸受手段(25)は、図６に詳細を示す第１補助軸受(26)と、図７に詳細を示す第２補助軸受(27)とからなる。
第１補助軸受(26)は、回転軸(13)の前小径部(32)前端部に固定された環状の前側回転磁石(61a)および回転軸(13)の前小径部(32)前端部に対応するケーシング(11)の部分に固定された環状の前側固定磁石(61b)からなる前側磁石組(61)と、回転軸(13)の後小径部(33)後端部に固定された環状の後側回転磁石(62a)および回転軸(13)の後小径部(33)後端部に対応するケーシング(11)の部分に固定された環状の後側固定磁石(62b)からなる後側の磁石組(62)との前後１対の磁石組(61)(62)によって構成されている。各回転磁石(61a)(62a)は、回転軸(13)の前後小径部(32)(33)の外側の端部に設けられた環状の凹所に、回転軸(13)の前後小径部(32)(33)と面一になるように埋め込まれている。
第２補助軸受(27)は、回転軸(13)のフランジ部(34)の前側に固定された環状の前側回転磁石(63a)および回転軸(13)のフランジ部(34)の前側部分に対応するケーシング(11)の部分に固定された環状の前側固定磁石(63b)からなる前側磁石組(63)と、回転軸(13)のフランジ部(34)の後側に固定された環状の後側回転磁石(64a)および回転軸(13)のフランジ部(34)の後側部分に対応するケーシング(11)の部分に固定された環状の後側固定磁石(64b)からなる後側磁石組(64)との前後１対の磁石組(63)(64)によって構成されている。各回転磁石(63a)(64a)は、回転軸(13)のフランジ部(34)の前後側面に設けられた環状の凹所に、フランジ部(34)と面一になるように埋め込まれている。
第１補助軸受(26)の前後１対の磁石組(61)(62)を構成している回転磁石(61a)(62a)および固定磁石(61b)(62b)は、いずれも径方向にかつ互いに反発力を及ぼすように着磁されており、固定磁石(61b)(62b)は、回転磁石(61a)(62a)を径方向外方から臨むようにケーシング(11)に固定されている。また、第２補助軸受(27)の前後１対の磁石組(63)(64)を構成している回転磁石(63a)(64a)および固定磁石(63b)(64b)は、いずれも軸方向にかつ互いに反発力を及ぼすように着磁されており、固定磁石(63b)(64b)は、回転磁石(63a)(64a)を軸方向外方から臨むようにケーシング(11)に固定されている。
各固定磁石(61b)(62b)(63b)(64b)をケーシング(11)に固定するに際し、径方向に着磁された第１補助軸受(26)の磁石組(61)(62)では、回転磁石(61a)(62a)と固定磁石(61b)(62b)とがちょうど径方向に対応させられているのではなく、径方向に対向する位置から固定磁石(61b)(62b)が軸方向外方に若干ずれるように配置されており、軸方向に着磁された第２補助軸受(27)の磁石組(63)(64)では、回転磁石(63a)(64a)と固定磁石(63b)(64b)とがちょうど軸方向に対応させられているのではなく、ちょうど軸方向に対向する位置から固定磁石(63b)(64b)が径方向外方に若干ずれるように配置されている。こうして、いずれの磁石組(61)(62)(63)(64)においても、各固定磁石(61b)(62b)(63b)(64b)とこれに対応する回転磁石(61a)(62a)(63a)(64a)との間には径方向の反発力および軸方向の反発力の両方が生成されている。
上記の燃料電池用過給機(6)によると、回転軸(13)は、高速回転時には、各フォイル軸受(21)(22)(23)(24)で発生する動圧によって非接触で支持される。低速回転になると、各フォイル軸受(21)(22)(23)(24)の動圧が小さくなって、回転軸(13)が各フォイル軸受(21)(22)(23)(24)に接触しようとするが、回転軸(13)には径方向内向きおよび軸方向内向きの力が補助軸受手段(25)から作用しているので、回転軸(13)が各フォイル軸受(21)(22)(23)(24)に接触する方向に変位することが防止される。これにより、回転軸(13)は、高速回転および低速回転を問わず、安定的に非接触支持され、そのスムーズな回転が保証されるとともに、耐久性（寿命）も優れたものとなる。
なお、補助軸受手段(14)の構成は、上記に限られるものではなく、複数の永久磁石によって静止状態で（したがって回転軸が停止状態から通常回転状態に移行するまでの間および完全停止前の低速回転状態から停止状態に移行するまでの間）回転軸を非接触に保持するものであれば、種々の変更が可能である。
図１は、この発明による燃料電池用過給機が使用される燃料電池装置を示すブロック図である。 図２は、この発明による燃料電池用過給機を模式的に示す縦断面図である。 図３は、この発明による燃料電池用過給機で使用されているラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。 図４は、この発明による燃料電池用過給機で使用されているアキシアルフォイル軸受を示す図で、図４（ａ）は拡大縦断面図、図４（ｂ）は、周方向に沿う断面図である。 図５は、この発明による燃料電池用過給機で使用可能な他の形式のフォイル軸受を示すもので、図５（ａ）はラジアルフォイル軸受の横断面図、図５（ｂ）はアキシアルフォイル軸受の周方向に沿う断面図をそれぞれ示している。 図６は、この発明による燃料電池用過給機の補助軸受手段のうちの第１補助軸受を模式的に示す図である。 図７は、この発明による燃料電池用過給機の補助軸受手段のうちの第２補助軸受を模式的に示す図である。
符号の説明
(2) 燃料電池
(6) 燃料電池用過給機
(11) ケーシング
(12) 圧縮機
(13) 回転軸
(14) 軸受装置
(21)(22) ラジアルフォイル軸受
(23)(24) アキシアルフォイル軸受
(25) 補助軸受手段
(61a)(62a) 回転磁石
(61b)(62b) 固定磁石
(63a)(64a) 回転磁石
(63b)(64b) 固定磁石

Claims (3)

  1. 燃料電池に空気を圧縮して供給する燃料電池用過給機であって、ケーシング内に設けられた遠心圧縮機と、圧縮機の回転軸を支持する軸受装置とを備えており、軸受装置は、回転軸に同心状に設けられて回転軸を径方向から支持する１対のラジアルフォイル軸受と、回転軸に軸方向から対向させられて回転軸を軸方向から支持する１対のアキシアルフォイル軸受とを備えていることを特徴とする燃料電池用過給機。
  2. 軸受装置は、複数の永久磁石が組み合わされて構成され静止状態で回転軸を非接触保持する補助軸受手段をさらに備えている請求項１の燃料電池用過給機。
  3. 補助軸受手段は、回転軸に固定された少なくとも２つの環状回転磁石と、ケーシングに固定されて回転磁石に反発力を付与する少なくとも２つの環状固定磁石とを有しており、固定磁石は、径方向内向き力および軸方向内向き力の両方が回転磁石に作用するように、回転磁石に対しずらされている請求項２の燃料電池用過給機。
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