JP2008151207A

JP2008151207A - 圧縮機

Info

Publication number: JP2008151207A
Application number: JP2006338324A
Authority: JP
Inventors: Manabu Taniguchi; 学谷口; Hirotomo Kamiyama; 拓知上山; Hirotoyo Miyagawa; 裕豊宮川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】高速回転時の外乱振動や衝撃等が発生した場合でも、インペラとスクロールハウジング部との接触を防止することができる圧縮機を提供する。
【解決手段】軸受装置14は、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および１対の転がり軸受27,28を有している。ラジアルフォイル軸受21,22の軸受隙間をＡ、転がり軸受27,28の軸受隙間をＢ、インペラ13aとスクロールハウジング部11bとの間の隙間をＣとして、Ａ＜Ｂ＜Ｃとされている。
【選択図】図３

Description

この発明は、圧縮機に関し、特に、ごみや油分を含まない空気供給が必要な場合に使用される圧縮機に関する。

特許文献１には、ごみや油分を含まない空気供給が必要な一例である燃料電池システムに使用される圧縮機として、ハウジング内に配置された回転軸と、回転軸端部に設けられかつハウジングのスクロールハウジング部内に配置されたインペラと、空気動圧軸受を有し回転軸を支持する軸受装置と備えているものが提案されている。
特開２００６−２８６５５９号公報

軸受装置において、ラジアル軸受としてフォイル軸受を使用したものでは、外力がフォイル軸受の剛性を超えると、通常設定された軸受隙間以上に軸受が弾性変形して、回転軸が偏心して回転することがあり、この場合、インペラとスクロールハウジング部との隙間が詰まり、接触して回転に悪影響を与える恐れがある。

この発明の目的は、高速回転時の外乱振動や衝撃等が発生した場合でも、インペラとスクロールハウジング部との接触を防止することができる圧縮機を提供することにある。

この発明による圧縮機は、ハウジング内に配置された回転軸と、回転軸端部に設けられかつハウジングのスクロールハウジング部内に配置されたインペラと、回転軸を支持する軸受装置と備えている圧縮機において、軸受装置は、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および１対の転がり軸受を有しており、転がり軸受は、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間よりも小さい軸受隙間を有していることを特徴とするものである。

圧縮機は、インペラを回転駆動して空気等のガスを昇圧するもので、例えば、燃料電池車において、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コンプレッサとして使用することができるほか、その他の用途用のコンプレッサ（ターボチャージャー用コンプレッサなど）や、ガスタービンなどのタービンにも使用できる。また、送風機と称されているもの（ブロワ）にも適用可能である。

各隙間は、偏心がないとしたときの径方向の距離で、軸受隙間は、軸受の内径と回転軸の外径との距離となり、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間は、回転軸が軸方向に若干移動することも考慮した上での最小の隙間とされる。

転がり軸受は、例えば、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受とされ、各ラジアルフォイル軸受の近傍に設けられることが好ましい。

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外輪とを備えているものとされる。

転がり軸受装置は、径方向の支持を行う上記ラジアルフォイル軸受および転がり軸受に加えて、軸方向の支持を非接触で行う軸受を備えていることが好ましく、例えば、回転軸に設けられたフランジ部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またはアキシアル磁気軸受（より好ましくはアキシアル磁気軸受）がこのための軸受として使用される。この場合のアキシアル磁気軸受は、電磁石ヨークおよび電磁石コイルからなる１対のアキシアル電磁石間に作用する力を制御するもの（制御型）とされ、アキシアル電磁石の電磁石コイルに流される電流が制御されることにより、非接触で回転軸が保持される。また。より好ましくは、ラジアルフォイル軸受の外輪が電磁石ヨークを兼ねさせられ、ラジアルフォイル軸受の外輪に設けられた凹部に電磁石コイルが嵌め入れられることにより、アキシアル磁気軸受の各アキシアル電磁石がラジアルフォイル軸受に一体化される。そして、一方のアキシアル電磁石が回転軸の一端に設けられたフランジ部に対向させられ、他方のアキシアル電磁石が回転軸の他端に設けられたフランジ部に対向させられる。電磁石ヨークは、ラジアルフォイル軸受の外輪とは別の部材としてもよい。

上記軸受装置によると、通常の回転状態では、ラジアル方向の支持はラジアルフォイル軸受が受け持ち、回転軸の回転時に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。高速回転時の外乱振動、衝撃等によって、回転軸が偏心すると、インペラがスクロールハウジング部に接触する可能性があるが、転がり軸受は、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間よりも小さい軸受隙間を有しているので、インペラとスクロールハウジング部とが接触する前に、回転軸が転がり軸受に規制され、これにより、インペラの破損や焼付きが防止される。

ラジアルフォイル軸受の軸受隙間をＡ、転がり軸受の軸受隙間をＢ、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間をＣとして、Ａ＜Ｂ＜Ｃとされていることが好ましい。このようにすると、通常の回転では、ラジアルフォイル軸受が回転軸を支持することによって、転がり軸受も回転軸に接触しない非接触支持が実現されて、回転軸を高速回転させることが可能となり、高速回転時に特に問題となりやすいインペラとスクロールハウジング部との間の隙間詰まりは、隙間がある程度小さくなった時点で転がり軸受が回転軸に接触することによって防止される。

この発明の圧縮機によると、転がり軸受は、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間よりも小さい軸受隙間を有しているので、高速回転時の外乱振動や衝撃等が発生した場合、インペラとスクロールハウジング部とが接触する前に、回転軸が転がり軸受に規制されるので、インペラとスクロールハウジング部との接触を防止することができる。

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１の右を前、左を後というものとする。

図１は、この発明による圧縮機の１実施形態を示すもので、圧縮機(1)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ハウジング(11)内に配置された水平軸状の回転軸(13)と、回転軸(13)端部に設けられたインペラ(13a)と、回転軸(13)を支持する軸受装置(14)とを備えている。

ハウジング(11)は、前側にあって軸受支持部となる軸受ハウジング部(11a)と、後側にあって気体流通部となるスクロールハウジング部(11b)とから構成されている。

回転軸(13)は、段付軸状をなし、軸受ハウジング部(11a)内の空間内に配置されている。インペラ(13a)は、回転軸(13)の後端に固定されて、スクロールハウジング部(11b)内に配置されている。

軸受ハウジング部(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)、および前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)に一体化されて回転軸(13)をアキシアル方向（前後方向）から支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(23)が設けられている。

電動機(20)は、軸受ハウジング部(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)、前後転がり軸受(27)(28)およびアキシアル磁気軸受(23)によって構成されている。

スクロールハウジング部(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)からスクロールハウジング部(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)が軸方向中間部分に設けられている大径部(31)と、大径部(31)の後側に連なる小径部(32)と、大径部(31)の前端部に設けられた前側フランジ部(34)と、大径部(31)の後端部に設けられた後側フランジ部(35)とからなる。インペラ(13a)は、小径部(32)の後端部に取り付けられており、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、各フランジ部(34)(35)との間にわずかな隙間が形成されるように、大径部(31)の両端部近傍に設けられている。

図２に示すように、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸大径部(31)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(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(43c)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(43c)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)と回転軸大径部(31)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(43c)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。

前後転がり軸受(27)(28)の外輪(27a)(28a)は、軸受ハウジング部(11a)に固定されており、内輪(27b)(28b)は、回転軸(13)の外周面に適当な隙間をあけて対向するように配置されている。

各ラジアルフォイル軸受(21)(22)の外輪(43)は、磁性体製とされており、前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)の軸方向外側端面（前端面）に、環状凹所(43a)が前側フランジ部(34)に臨まされるように設けられており、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)の軸方向外側端面（後端面）に、環状凹所(43b)が後側フランジ部(35)に臨まされるように設けられている。

前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)の環状凹所(43a)に電磁石コイル(24a)が嵌め入れられており、また、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)の環状凹所(43b)に電磁石コイル(25a)が嵌め入れられている。この結果、磁性体製の外輪(43)は、アキシアル電磁石(24)(25)のヨーク(24b)(25b)を兼ねさせられ、前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)＝電磁石ヨーク(24b)と電磁石コイル(24a)とによって、前側フランジ部(34)に臨まされている前側アキシアル電磁石(24)が形成され、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)＝電磁石ヨーク(25b)と電磁石コイル(24b)とによって、後側フランジ部(35)に臨まされている後側アキシアル電磁石(25)が形成されている。

アキシアル磁気軸受(23)は、上記のように形成された前側アキシアル電磁石(24)と後側アキシアル電磁石(25)とからなる。

前側フランジ部(34)の後面には、小径の環状溝(51)と大径の環状溝(52)とが設けられており、これにより、大径の環状溝(52)の径方向内方に、前側アキシアル電磁石(24)から吸引力を受ける内側吸引部(53)が形成され、大径の環状溝(52)の径方向外方に、前側アキシアル電磁石(24)から吸引力を受ける外側吸引部(54)が形成されている。大径の環状溝(52)は、アキシアル電磁石(24)の電磁石コイル(24a)に軸方向からちょうど対向するように設けられており、内側吸引部(53)および外側吸引部(54)は、回転軸(13)の同心状態が確保された状態では、電磁石ヨーク(24b)と対向して、それぞれアキシアル方向だけの力を受けている。回転軸(13)が偏心すると、アキシアル電磁石(24)と各吸引部(53)(54)との間には、ラジアル方向の力が発生し、このラジアル方向の力は、偏心状態となった回転軸(13)を同心状態へ戻す方向に作用する。こうして、内側吸引部(53)と外側吸引部(54)とは、前側アキシアル電磁石(24)から前側フランジ部(34)に作用する吸引力がラジアル方向吸引力を有しているようにする前側ラジアル方向吸引力発生部(50)を構成している。

同様に、後側フランジ部(35)の前面には、小径の環状溝(56)と大径の環状溝(57)とが設けられており、これにより、大径の環状溝(57)の径方向内方に、後側アキシアル電磁石(25)から吸引力を受ける内側吸引部(58)が形成され、大径の環状溝(57)の径方向外方に、後側アキシアル電磁石(25)から吸引力を受ける外側吸引部(59)が形成されている。大径の環状溝(57)は、アキシアル電磁石(25)の電磁石コイル(25a)に軸方向からちょうど対向するように設けられており、内側吸引部(58)および外側吸引部(59)は、回転軸(13)の同心状態が確保された状態では、電磁石ヨーク(25b)と対向して、それぞれアキシアル方向だけの力を受けている。回転軸(13)が偏心すると、アキシアル電磁石(25)と各吸引部(58)(59)との間には、ラジアル方向の力が発生し、このラジアル方向の力は、偏心状態となった回転軸(13)を同心状態へ戻す方向に作用する。こうして、内側吸引部(58)と外側吸引部(59)とは、後側アキシアル電磁石(25)から後側フランジ部(35)に作用する吸引力がラジアル方向吸引力を有しているようにする後側ラジアル方向吸引力発生部(55)を構成している。

軸受ハウジング部(11a)には、回転軸(13)のアキシアル方向の位置を検出するアキシアル位置センサ(26)が設けられている。そして、この位置センサ(26)で検出された回転軸(13)の位置に基づいて、アキシアル磁気軸受(23)の前側アキシアル電磁石(24)の電磁石コイル(24a)の電流および後側アキシアル電磁石(25)の電磁石コイル(25a)の電流が制御されている。各電磁石コイル(24a)(25a)に流される電流は、回転によりインペラ(13a)に作用する力に釣り合う吸引力がアキシアル電磁石(24)(25)に生成されるように制御され、これにより、回転軸(13)は、アキシアル方向の所定位置に非接触支持される。

図３に模式的に示すように、ラジアルフォイル軸受(21)(22)の軸受隙間（偏心せずに回転しているときのトップフォイル(41)内径と回転軸(13)外径との距離）をＡ、転がり軸受(27)(28)の軸受隙間（偏心せずに回転しているときの内輪(27b)(28b)内径と回転軸(13)外径との距離）をＢ、インペラ(13a)外径とスクロールハウジング部(11b)内径との間の隙間（インペラ(13a)に作用する力によって回転軸(13)が軸方向に移動することを考慮した場合の最小隙間）をＣとして、Ａ＜Ｂ＜Ｃとされている。すなわち、通常の回転（高速回転時）では、ラジアルフォイル軸受(21)(22)が回転軸(13)を支持して、転がり軸受(27)(28)は回転軸(13)に接触しない非接触支持となり、回転軸(13)が偏心した場合には、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とが接触する前に、転がり軸受(27)(28)が回転軸(13)に接触することで、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)との接触が防止される。

なお、図示省略するが、ラジアルフォイル軸受(21)(22)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、回転軸に対向する軸受面を持つ複数の可撓性フォイル片からなる軸受フォイルと、軸受フォイルを回転軸との間に保持する外輪とを備えているものであってもよい。

上記圧縮機(1)によると、回転軸(13)のラジアル方向の支持は、ラジアルフォイル軸受(21)(22)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、各フォイル軸受(21)(22)で発生する動圧によって非接触でラジアル方向に支持される。また、回転軸(13)のアキシアル方向の支持は、アキシアル磁気軸受(23)が受け持っており、インペラ(13a)に作用するアキシアル方向の力が変動した場合には、これに見合った吸引力がアキシアル電磁石(24)(25)に生成される。これにより、回転軸(13)は、回転負荷変動の影響を受けずに、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。

また、回転軸(13)は、ラジアルフォイル軸受(21)(22)によって非接触支持されるので、高速回転が可能となり、転がり軸受(27)(28)によって、高速回転時に特に問題となりやすいインペラ(13a)の破損や焼付きが防止される。

さらにまた、回転軸(13)のフランジ部(34)(35)のアキシアル電磁石対向面（前側フランジ部(34)の後面および後側フランジ部(35)の前面）に、アキシアル電磁石(24)(25)からフランジ部(34)(35)に作用する吸引力がラジアル方向吸引力を有しているようにするラジアル方向吸引力発生部(50)(55)が形成されていることにより、回転軸(13)が偏心した場合には、アキシアル磁気軸受(23)は、偏心状態となった回転軸(13)を同心状態へ戻す方向の拘束力を発生させることができ、ラジアル磁気軸受としての機能を併せ持ったものとなっている。これにより、ラジアルフォイル軸受(21)(22)の浮上回転数を低下させることができ、ラジアルフォイル軸受(21)(22)の寿命を向上させることができる。

図１は、この発明による圧縮機の１実施形態を模式的に示す縦断面図である。図２は、この発明による圧縮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３は、図１における各部の隙間の関係を説明する図である。

符号の説明

(1) 圧縮機
(11) ハウジング
(11b) スクロールハウジング部
(13) 回転軸
(13a) インペラ
(14) 軸受装置
(21)(22) ラジアルフォイル軸受
(23) 制御型アキシアル磁気軸受
(27)(28) 転がり軸受

Claims

ハウジング内に配置された回転軸と、回転軸端部に設けられかつハウジングのスクロールハウジング部内に配置されたインペラと、回転軸を支持する軸受装置と備えている圧縮機において、
軸受装置は、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および１対の転がり軸受を有しており、転がり軸受は、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間よりも小さい軸受隙間を有していることを特徴とする圧縮機。
ラジアルフォイル軸受の軸受隙間をＡ、転がり軸受の軸受隙間をＢ、インペラとスクロールハウジング部との間の隙間をＣとして、Ａ＜Ｂ＜Ｃとされていることを特徴とする請求項１の圧縮機。