JP2009281214A - 遠心型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を図るとともに、ラジアルフォイル軸受の負荷容量を高めることができる遠心型圧縮機を提供する。
【解決手段】 遠心型圧縮機1の回転軸支持装置14は、モータステータ20aとモータロータ20bとの間に配置されたラジアルフォイル軸受21と、ラジアルフォイル軸受21の両側に配置された前後アキシアル電磁石24,25からなるアキシアル磁気軸受23とを有している。
【選択図】 図１

Description

この発明は、遠心型圧縮機に関し、例えば、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用途に使用されるのに適した遠心型圧縮機に関する。

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に際し、遠心型圧縮機を使用するとともに、その回転軸支持装置として、動圧軸受であるラジアルフォイル軸受とアキシアル磁気軸受とを組み合わせて使用することが提案されている。
特開２００７−１９２１１６号公報

上記遠心型圧縮機によると、燃料電池車で使用される燃料電池装置において、圧縮機を小型化できるという利点を有しているが、性能をさらに向上するため、ラジアルフォイル軸受の負荷容量を高めることが課題となっている。ラジアルフォイル軸受の負荷容量を上げるには、ラジアルフォイル軸受の長さを長くすればよいが、この場合には、軸長が長くなって、軸固有振動数が低下し、高速回転に不利となるという問題がある。

この発明の目的は、上記実情に鑑み、小型化を図るとともに、ラジアルフォイル軸受の負荷容量を高めることができる遠心型圧縮機を提供することにある。

この発明による遠心型圧縮機は、回転軸を支持する軸受ハウジング部およびインペラが配置されているスクロールハウジング部を有するハウジングと、一端にインペラを有し軸受ハウジング部の内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する回転軸支持装置と、軸受ハウジング部に設けられたモータステータおよび回転軸に設けられたモータロータからなるモータとを備えている遠心型圧縮機において、回転軸支持装置は、モータステータとモータロータとの間に配置されたラジアルフォイル軸受と、ラジアルフォイル軸受の少なくとも一側に配置されたアキシアル磁気軸受とを有していることを特徴とするものである。

従来の遠心型圧縮機で使用されている回転軸支持装置は、ラジアル方向を支持するラジアルフォイル軸受とアキシアル方向を支持するアキシアル磁気軸受とが組み合わされるとともに、両者が一体化されて、モータの両側に配置されている。これに対し、この発明による遠心型圧縮機では、ラジアルフォイル軸受とアキシアル磁気軸受とは別体とされて、アキシアル磁気軸受は、従来と同様に、例えばモータの両側に配置され、ラジアルフォイル軸受は、モータを配置するための空間とされていたモータステータとモータロータとの間に配置されて、モータと一体化される。

ラジアルフォイル軸受は、例えば、モータロータ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（トップフォイル）と、軸受フォイルを支持する弾性体（バンプフォイル）と、軸受フォイルおよび弾性体をモータステータとの間に保持する外輪（スリーブ）とを備えているものとされる。軸受フォイル、弾性体および外輪は、モータに影響を及ぼさないように、例えばＳＵＳ等の非磁性体金属製とされる。

アキシアル磁気軸受は、例えば、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。アキシアル磁気軸受は、１対のアキシアル電磁石によって、回転軸の傾斜を補正する調心機能を有しているものとされることが好ましい。

上記回転軸支持装置によると、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。また、アキシアル方向の支持はアキシアル磁気軸受が受け持ち、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。

遠心圧縮機は、回転軸をモータで高速回転させることにより、回転軸の一端に設けられたインペラに軸方向から空気を流入させ、圧縮空気を径方向に流出させるものであることから、回転軸には、アキシアル方向の大きな力が作用する。したがって、アキシアル方向の支持をアキシアルフォイル軸受で行った場合には、軸受の剛性が不足する可能性がある。これに対し、アキシアル方向の支持をアキシアル磁気軸受で行うことにより、負荷容量が増大するとともに、アキシアル方向の力の変動に応じて制御電流を変化させることにより、回転負荷変動に対してもアキシアル方向の非接触支持が確保される。

ラジアル方向を支持するラジアルフォイル軸受は、モータと一体化されていることで、軸方向長さおよび軸径を大きくすることができ、その負荷容量を高めることができる。また、ラジアルフォイル軸受とアキシアル磁気軸受とは、別体とされることから、ラジアルフォイル軸受の外輪の外側にアキシアル磁気軸受の電磁石を配置する構成とする必要がなくなり、アキシアル磁気軸受の電磁石の径を小さくすることが可能となり、これに伴って、磁気軸受のターゲットになるディスク径（回転軸のフランジ部の径）を小さくすることができ、回転時の風損を低減することができる。

この発明の遠心型圧縮機によると、回転軸が径方向からラジアル動圧軸受に支持されているとともに、軸方向から制御型アキシアル磁気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、圧縮機の小型化が図られる。さらにまた、ラジアルフォイル軸受は、モータと一体化されていることで、軸方向長さおよび軸径を大きくすることができ、その負荷容量を高めることができるとともに、ラジアルフォイル軸受とアキシアル磁気軸受とが別体とされることによって、アキシアル磁気軸受の電磁石の径を小さくすることが可能となり、これに伴って、磁気軸受のターゲットになるディスク径を小さくすることができ、回転時の風損を低減することができる。

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、この発明による遠心型圧縮機の概略構成を示すもので、圧縮機(1)は、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)を支持する回転軸支持装置(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、後側にあってスクロールハウジング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モータ(20)が設けられている。モータ(20)は、軸受ハウジング部(11a)側に設けられたモータステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたモータロータ(20b)から構成されている。

回転軸支持装置(14)は、モータステータ(20a)とモータロータ(20b)との間に配置されて回転軸(13)を径方向から支持するラジアルフォイル軸受（ラジアル動圧軸受）(21)と、ラジアルフォイル軸受(21)の両側に配置された前後アキシアル電磁石(24)(25)を有しており、回転軸(13)を軸方向（前後方向）から支持する制御型アキシアル磁気軸受(23)とを備えている。各アキシアル電磁石(24)(25)は、電磁石コイル(24a)(25a)およびヨーク(24b)(25b)からなる。

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、モータ(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（小径部(32)との境界部）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、アキシアル磁気軸受(23)の前後のアキシアル電磁石(24)(25)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、ラジアルフォイル軸受(21)は、モータロータ(20b)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)の径方向外側かつモータステータ(20a)の径方向内側に挿入されたスリーブ（外輪）(43)とからなる。

ラジアルフォイル軸受(21)のトップフォイル(41)、バンプフォイル(42)およびスリーブ(43)は、モータ(20)に影響を及ぼさないように、ＳＵＳ製（非磁性体製）とされている。

ハウジング(11)の軸受ハウジング部(11a)の前壁後面には、回転軸(13)の前側フランジ部(34)の中心部に臨まされて回転軸(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。アキシアル磁気軸受(23)は、位置センサ(26)で検出された回転軸(13)の位置に基づいて、その電磁石コイル(24a)(25a)に流される電流が制御されている。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。

上記の遠心型圧縮機(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（動圧軸受）(21)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、フォイル軸受(21)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、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。

この発明による遠心型圧縮機で使用されているラジアルフォイル軸受(21)は、アキシアル磁気軸受と一体化されて、モータの両側に配置されている従来のものに比べて、フォイル軸受(21)の面積（軸方向長さおよび軸径の両方とも）を大きくすることができ、従来のものから全長を長くすることなく、負荷容量を上げることができる。また、アキシアル磁気軸受(23)の電磁石(24)(25)の径を小さくすることが可能となり、これに伴って、アキシアル磁気軸受(23)のターゲットになる前側および後側フランジ部（ディスク）(34)(35)の径を小さくすることができ、回転時の風損を低減することもできる。

図１は、この発明による遠心型圧縮機の１実施形態を模式的に示す縦断面図である。 図２は、この発明による遠心型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。

符号の説明

(1) 遠心型圧縮機
(11) ハウジング
(11a) 軸受ハウジング部
(11b) スクロールハウジング部
(13) 回転軸
(13a) インペラ
(14) 回転軸支持装置
(20) モータ
(20a) モータステータ
(20b) モータロータ
(21) ラジアルフォイル軸受
(23) 制御型アキシアル磁気軸受

Claims (1)

1. 回転軸を支持する軸受ハウジング部およびインペラが配置されているスクロールハウジング部を有するハウジングと、一端にインペラを有し軸受ハウジング部の内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する回転軸支持装置と、軸受ハウジング部に設けられたモータステータおよび回転軸に設けられたモータロータからなるモータとを備えている遠心型圧縮機において、
   回転軸支持装置は、モータステータとモータロータとの間に配置されたラジアルフォイル軸受と、ラジアルフォイル軸受の少なくとも一側に配置されたアキシアル磁気軸受とを有していることを特徴とする遠心型圧縮機。

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