JP2008193756A - 回転機器 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機器において、熱膨張によって回転軸の長さが長くなることを抑制しつつ、羽根車とケーシングとの接触を防止する。
【解決手段】回転機器は、回転軸２１に一体に設けられるロータ２３と、ケーシング１０に固定されるステータ２２とを備えるモータ２０によって、回転軸２１の端部に固定された羽根車１１が回転駆動され、回転軸２１をアキシャル方向において支承する軸受が磁気軸受５０，６０である。回転機器は、ケーシング１０のステータ２２の近傍にステータ２２を冷却する冷却部７０を設け、冷却部７０によってケーシング１０を冷却しないよう冷却部７０とケーシング１０とを隔絶する断熱部材８０を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、圧縮機、ブロワ、タービン等の回転機器に関する。

圧縮機、ブロワ、タービン等の回転機器には、回転軸を回転駆動するモータ及び回転軸を支承する軸受装置が備えられている。特に小型な回転機器やオイルの使用を避けたい回転機器においては、軸受装置に磁気軸受やフォイル軸受が用いられている。このような軸受装置では、磁気軸受がアキシャル方向軸受として用いられるとともに、フォイル軸受がラジアル方向軸受として用いられる。磁気軸受やフォイル軸受は、オイルを用いず、回転時に非接触であるため、軸受の耐久性を高くすることができる（特許文献１参照。）。

上記の軸受装置が備えられた圧縮機においては、図５に示されるように、圧縮部１の羽根車１１と一体に回転する回転軸２１と、同回転軸２１を駆動する駆動部２とが備えられており、同駆動部２に回転軸２１を支承する軸受装置３としてのフォイル軸受３０，４０と同じく軸受装置３としてのアキシャル磁気軸受５０，６０とが設けられている。同回転軸２１は、駆動部２に設けられるビルトイン型のモータ２０により駆動される。モータ２０は、駆動部ケーシング１０ｂの内壁に設けられたステータ２２と、回転軸２１の外周に一体に設けられるロータ２３とにより構成される。

両フォイル軸受３０，４０は、回転軸２１の軸方向においてモータ２０を挟むように位置している。両アキシャル磁気軸受５０，６０は、回転軸２１の軸方向においてフォイル軸受３０，４０のモータ２０から離間する側にそれぞれ位置している。両アキシャル磁気軸受５０，６０は、回転軸２１に一体回転可能に設けられるフランジ部５１，６１と、軸受ハウジング３１，４１のフランジ部５１，６１と対向する部位に設けられる電磁石５２，６２とからなる。軸受ハウジング３１，４１のフランジ部５１，６１と対向する面には、環状の凹部３１ａ，４１ａが形成され、同凹部３１ａ，４１ａに電磁石コイル５２ａ，６２ａが収容されている。軸受ハウジング３１は、磁性体により形成されており、電磁石ヨーク５２ｂ，６２ｂを兼ねている。すなわち、電磁石コイル５２ａ，６２ａ及び電磁石ヨーク５２ｂ，６２ｂより電磁石５２，６２が構成されている。電磁石コイル５２ａ，６２ａに電流が流されると、電磁石ヨーク５２ｂ，６２ｂに生じる電磁力によりフランジ部５１，６１が吸引される。駆動部ケーシング１０ｂの内壁においては、回転軸２１の羽根車１１が設けられる端部と反対側の端部に対向する部位には、回転軸２１のアキシャル方向の位置を検出する位置センサ２６が設けられている。同位置センサ２６によって検出された回転軸２１の位置に基づいて、電磁石コイル５２ａ，６２ａの電流がそれぞれ制御される。回転軸２１の位置制御は、回転軸２１の末端位置が変化しないように制御される。これにより、回転軸２１は、アキシャル方向の所定位置に非接触状態で支承される。
特開平１０−２９２８１８号公報

ところで、駆動部２においては、継続して駆動するとモータ２０による発熱及び空気との摩擦熱による回転軸２１自体の発熱によって、回転軸２１が熱膨張し、軸方向の長さが長くなる。このように回転軸２１の長さが長くなると、回転軸２１の位置制御が回転軸２１の羽根車１１が設けられる端部と反対側の端部の末端位置が変化しないように行われるため、回転軸２１の端部に設けられる羽根車１１が圧縮部ケーシング１０ａの内壁に近くなり、接触するおそれがある。

上記のような回転軸の熱膨張は、ブロワ、タービン等の回転機器においても同様に発生するおそれがある。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転機器において、熱膨張によって回転軸の長さが長くなることを抑制しつつ、羽根車とケーシングとの接触を防止することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、回転軸に一体に設けられるロータと、ケーシングに固定されるステータとを備えるモータによって、同回転軸の端部に固定された羽根車が回転駆動され、同回転軸をアキシャル方向において支承する軸受が磁気軸受である回転機器において、前記ケーシングのステータの近傍に同ステータを冷却する冷却部を設け、同冷却部によって同ケーシングを冷却しないよう同冷却部と同ケーシングとを隔絶する断熱部材を設ける回転機器であることをその要旨としている。

回転機器が継続して駆動されるとモータによる発熱及びロータを備えた回転軸自体の発熱によって、回転軸が熱膨張するとともに、ケーシングも熱膨張する。そこで、上記構成によれば、ケーシングのステータ近傍に設けられた冷却部により、ステータを冷却することができるため、ステータからロータへの熱伝達が減少し、回転軸の熱膨張が減少する。この結果、回転軸の長さが長くなることを抑制することができる。また、ケーシングを冷却すると、ケーシングの熱膨張は抑制されるが、回転軸の熱膨張は少なからず残るため、回転軸２１と駆動部ケーシング１０ｂとの熱膨張が異なり、軸方向においてそれぞれの伸びに差ができ、羽根車とケーシングとが接触するおそれがある。そこで、上記構成では、冷却部とケーシングとを隔絶する断熱部材を設けることにより、モータのステータは冷却しつつも、あえてケーシングの熱膨張を残すことにより、回転軸及びケーシングのそれぞれの熱膨張による伸びの差を小さくすることができる。この結果、回転軸がケーシングに接触することを防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の回転機器において、前記冷却部には、冷却水が循環されることをその要旨としている。
同構成によれば、冷却部に冷却水が循環されることによって、冷却水がステータの熱を奪い、効率良く冷却することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の回転機器において、前記冷却部には、前記ステータに接触して設けられる放熱フィンが設けられることをその要旨としている。

同構成によれば、ステータに接触して設けられる放熱フィンによって、ステータにおいて発生した熱を効率良く冷却することができる。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機器において、前記冷却部は、前記ステータの全周に対応して設けられることをその要旨としている。

同構成によれば、冷却部がステータの全周に設けられるため、ステータを確実に冷却することができる。また、請求項２に記載のように、冷却水を循環させる構成に本発明を適用した場合には、流路の形成が容易になる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の回転機器において、前記冷却部の流路は、前記ステータの軸方向において螺旋状に形成されてなることをその要旨としている。
同構成によれば、冷却水が螺旋状の流路によってステータにおいて発生した熱を奪いながらステータの全周を流れるため、効率良く冷却することができる。

本発明によれば、回転機器において、熱膨張によって回転軸の長さが長くなることを抑制しつつ、羽根車とケーシングとの接触を防止することができる。

以下、本発明にかかる軸受装置を圧縮機に具体化した一実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
圧縮機は、駆動装置に設けられる回転軸の軸線が水平方向となる横置きで用いられる。図１に示されるように、圧縮機には、圧縮部１及び駆動装置としての駆動部２が設けられている。これら圧縮部１及び駆動部２は、ケーシング１０を構成する圧縮部ケーシング１０ａと駆動部ケーシング１０ｂとをそれぞれ備えている。圧縮部１は、駆動部２の前方（同図左側）に位置している。圧縮部１には、気体（空気）が流入する気体流入路１２と、同圧縮部ケーシング１０ａ内で回転することにより気体流入路１２を通じて流入した気体を圧縮するとともに図示しない気体流出路を通じて吐出する羽根車１１とが設けられている。駆動部２には、モータ２０と、同モータ２０によって回転駆動される回転軸２１と、同回転軸２１を支承する軸受装置３とが設けられている。モータ２０は、駆動部ケーシング１０ｂの内壁に設けられたステータ２２と、回転軸２１の外周に設けられたロータ２３とを備えている。回転軸２１の先端には、圧縮部１に設けられた羽根車１１が接続されている。

図２に示されるように、駆動部ケーシング１０ｂには、ステータ２２を冷却する冷却部７０がステータ２２の近傍に設けられ、冷却部７０と駆動部ケーシング１０ｂとの間にはこれらを隔絶する断熱部材８０が設けられている。すなわち、冷却部７０は、ステータ２２の外周に対応して設けられ、ステータ２２の外径とその内径がほぼ一致するように円筒状に形成されている。そして、同冷却部７０の内部には、駆動部ケーシング１０ｂの外部から送入路７１を通じて冷却水が送入され、排出路７２を通じて駆動部ケーシング１０ｂの外部へ排出される。これにより冷却部７０には冷却水が循環される。同冷却部７０のステータ２２側には、冷却水の流路を形成する放熱フィン７３が設けられている。放熱フィン７３は、送入路７１から送入された冷却水がステータ２２の外周を螺旋状に流れ、排出路７２から排出されるように形成されている。放熱フィン７３は、円筒状の接触部７３ｂと、接触部７３ｂの外周面に螺旋状に設けられたフィン７３ａとを備えてなる。接触部７３ｂの内周面は、駆動部ケーシング１０ｂの内周面と面一をなすように露出してステータ２２に接触するとともに、螺旋状の流路を形成するフィン７３ａによってステータ２２を効率良く冷却する。断熱部材８０は、冷却部７０と駆動部ケーシング１０ｂとの間、並びに送入路７１及び排出路７２と駆動部ケーシング１０ｂとの間に、冷却部７０、送入路７１、及び排出路７２によって駆動部ケーシング１０ｂの冷却が行われないように互いを隔絶して設けられている。断熱部材８０は、例えばＰＰＳ樹脂によって形成され、低熱伝導であることに加え、１５０℃程度の耐熱性があることが望ましい。

図１に示されるように、軸受装置３には、回転軸２１の軸方向においてモータ２０を挟むように前後（同図左右）に位置し回転軸２１をラジアル方向において支承する前後一対の前側フォイル軸受３０及び後側フォイル軸受４０と、回転軸２１をアキシャル方向において支承する前側アキシャル磁気軸受５０及び後側アキシャル磁気軸受６０とが設けられている。

前側フォイル軸受３０は、回転軸２１においてモータ２０より前方（同図左側）、すなわち、ロータ２３と羽根車１１との間に配設されている。そして、前側フォイル軸受３０は、駆動部ケーシング１０ｂに固定される円筒状の前側軸受ハウジング３１を備え、同前側軸受ハウジング３１の内周面には、波形状のバンプフォイル３２及びスリーブ状のトップフォイル３３が配設されている。回転軸２１は、同トップフォイル３３内に位置している。後側フォイル軸受４０は、回転軸２１においてモータ２０より後方（同図右側）に配設されている。後側フォイル軸受４０は、前側フォイル軸受３０と同様に構成されており、駆動部ケーシング１０ｂに固定される後側軸受ハウジング４１と、バンプフォイル４２と、トップフォイル４３とを備えている。

前側アキシャル磁気軸受５０は、回転軸２１の前側フォイル軸受３０より前方に一体回転可能に設けられる前側フランジ部５１と、前側軸受ハウジング３１に設けられる電磁石５２とを備えている。前側軸受ハウジング３１の前側フランジ部５１に対向する面には、環状の凹部３１ａが形成されており、同凹部３１ａには電磁石コイル５２ａが収容されている。前側軸受ハウジング３１は、磁性体により形成されており、電磁石ヨーク５２ｂを兼ねている。すなわち、電磁石コイル５２ａ及び電磁石ヨーク５２ｂより電磁石５２が構成されている。前側フランジ部５１の前側軸受ハウジング３１に対向する面は、電磁石５２によって発生する磁力によって吸引される。後側アキシャル磁気軸受６０は、前側アキシャル磁気軸受５０と同様に構成されており、後側フォイル軸受４０より後方（同図右側）の回転軸２１に一体回転可能に設けられる後側フランジ部６１並びに、後側フォイル軸受４０を構成する磁性体よりなる軸受ハウジング４１（電磁石ヨーク６２ｂ）と、その後側フランジ部６１と対向する面に形成された凹部４１ａに収容された電磁石コイル６２ａとからなる電磁石５２を備えている。駆動部ケーシング１０ｂ内部の回転軸２１末端に対向する部位には、回転軸２１のアキシャル方向の位置を検出する位置センサ２６が設けられている。同位置センサ２６によって検出された回転軸２１の位置に基づいて、前側アキシャル磁気軸受５０に設けられる電磁石コイル５２ａ及び後側アキシャル磁気軸受６０に設けられる電磁石コイル６２ａの電流がそれぞれ制御される。回転軸２１の位置制御は、回転軸２１の末端位置が変化しないように制御される。これにより、回転軸２１は、アキシャル方向の所定位置に非接触状態で支承される。

次に、前述のように構成された圧縮機の動作態様について説明する。
圧縮機は、駆動部２に設けられるモータ２０が回転すると回転軸２１が回転し、回転軸２１に接続された圧縮部１に設けられる羽根車１１が回転される。これにより、圧縮部１において気体流入路１２を通じて、流入した気体が圧縮され、圧縮部ケーシング１０ａに設けられた図示しない気体流出路から吐出される。

回転軸２１が回転されると、回転軸２１の外周面とトップフォイル３３，４３の内周面との間に好適な動圧が発生する。そして、同動圧による気体潤滑作用によって、回転軸２１が前後フォイル軸受３０，４０と非接触状態で支承される。

圧縮機が継続して駆動されると、モータ２０による発熱及び空気との摩擦熱による回転軸２１自体の発熱によって、回転軸２１が熱膨張し、軸方向の長さが長くなるが、本実施形態では、駆動部ケーシング１０ｂのステータ２２近傍に設けられた冷却部７０によってステータ２２を冷却するため、ステータ２２からロータ２３への熱伝達が減少し、回転軸２１の熱膨張が減少する。しかしながら、回転軸２１においては、空気との摩擦熱による熱膨張が残る。一方で、同冷却部７０によって駆動部ケーシング１０ｂが冷却されると、駆動部ケーシング１０ｂの熱膨張を抑制することができるが、回転軸２１の熱膨張は残るため、回転軸２１の熱膨張が駆動部ケーシング１０ｂより大きくなる。このようになると、回転軸２１と駆動部ケーシング１０ｂとのそれぞれの熱膨張による伸びの差が大きくなり、羽根車１１と圧縮部ケーシング１０ａとが接触するおそれがある。本実施形態では、冷却部７０と駆動部ケーシング１０ｂとを隔絶する断熱部材８０を冷却部７０と駆動部ケーシング１０ｂとの間に設けることにより、冷却部７０による冷却が駆動部ケーシング１０ｂに及ばない。すなわち、冷却部７０と駆動部ケーシング１０ｂとの熱交換が行われない。したがって、ステータ２２は冷却しつつも、あえてケーシング１０の熱膨張を残すことにより、回転軸２１及びケーシング１０のそれぞれの熱膨張による軸方向における伸びの差を小さくすることができる。この結果、回転軸２１がケーシング１０に接触することを防止することができる。

以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）ケーシング１０のステータ２２近傍に設けられた冷却部７０により、ステータ２２を冷却することができるため、ステータ２２からロータ２３への熱伝達が減少し、回転軸２１の熱膨張が減少する。この結果、回転軸２１の長さが長くなることを抑制することができる。また、冷却部７０とケーシング１０との間に断熱部材８０を設けることにより、モータ２０のステータ２２は冷却しつつも、あえてケーシング１０の熱膨張を残すことにより、回転軸２１及びケーシング１０のそれぞれの熱膨張による伸びの差を小さくすることができる。この結果、回転軸２１がケーシング１０に接触することを防止することができる。

（２）冷却部７０に冷却水が循環されることによって、冷却水がステータ２２の熱を奪い、効率良く冷却することができる。
（３）ステータ２２に接触して設けられる放熱フィン７３によって、ステータ２２において発生した熱を効率良く冷却することができる。

（４）冷却部７０がステータ２２の全周に設けられるため、ステータ２２を確実に冷却することができる。また、流路の形成が容易である。
（５）冷却水が螺旋状の流路によってステータ２２において発生した熱を奪いながらステータ２２の全周を流れるため、効率良く冷却することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記実施形態では、冷却水の流路を放熱フィン７３によって螺旋状に形成したが、螺旋状に限らない。例えば、図３に示されるように、流路がステータ２２の外周を覆うように円筒状に形成してもよい。また、ステータ２２において発熱が大きい部分に重点的に冷却水が循環するような流路を形成してもよい。

・上記実施形態では、冷却部７０をステータ２２の全周に対応して設けたが、必ずしも全周に設ける必要はなく、例えば、ステータ２２の周りに別々に複数設けてもよい。
・上記実施形態では、冷却部７０に放熱フィン７３を設けたが、冷却水の循環によって、冷却効果が得られるならば、図４に示されるように、フィン７３ａを省略した構成にしてもよい。

・上記実施形態では、放熱フィン７３は、冷却部７０の一部として形成したが、放熱フィンをステータ２２に予め一体形成して、冷却部に組付けるようにしてもよい。
・上記実施形態では、冷却水を循環させるようにしたが、空気を循環させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、圧縮機に具体化したが、ブロア等に適宜変更可能である。

圧縮機の断面図。 圧縮機のケーシングの部分断面図。 圧縮機のケーシングの部分断面図。 圧縮機のケーシングの部分断面図。 圧縮機の断面図。

符号の説明

１…圧縮部、２…駆動部、３…軸受装置、１０…ケーシング、１０ａ…圧縮部ケーシング、１０ｂ…駆動部ケーシング、１１…羽根車、１２…気体流入路、２０…モータ、２１…回転軸、２２…ステータ、２３…ロータ、２６…位置センサ、３０…前側フォイル軸受、３１…前側軸受ハウジング、３１ａ，４１ａ…凹部、３２，４２…バンプフォイル、３３，４３…トップフォイル、４０…後側フォイル軸受、４１…後側軸受ハウジング、５０…前側アキシャル磁気軸受、５１…前側フランジ部、５２，６２…電磁石、５２ａ，６２ａ…電磁石コイル、５２ｂ，６２ｂ…電磁石ヨーク、６０…後側アキシャル磁気軸受、６１…後側フランジ部、７０…冷却部、７１…送入路、７２…排出路、７３…放熱フィン、７３ａ…フィン、７３ｂ…接触部、８０…断熱部材。

Claims (5)

1. 回転軸に一体に設けられるロータと、ケーシングに固定されるステータとを備えるモータによって、同回転軸の端部に固定された羽根車が回転駆動され、同回転軸をアキシャル方向において支承する軸受が磁気軸受である回転機器において、
   前記ケーシングのステータの近傍に同ステータを冷却する冷却部を設け、同冷却部によって同ケーシングを冷却しないよう同冷却部と同ケーシングとを隔絶する断熱部材を設ける
   ことを特徴とする回転機器。
2. 請求項１に記載の回転機器において、
   前記冷却部には、冷却水が循環される
   ことを特徴とする回転機器。
3. 請求項１又は２に記載の回転機器において、
   前記冷却部には、前記ステータに接触して設けられる放熱フィンが設けられる
   ことを特徴とする回転機器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機器において、
   前記冷却部は、前記ステータの全周に対応して設けられる
   ことを特徴とする回転機器。
5. 請求項４に記載の回転機器において、
   前記冷却部の流路は、前記ステータの軸方向において螺旋状に形成されてなる
   ことを特徴とする回転機器。

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