JP2011089459A

JP2011089459A - 過給機

Info

Publication number: JP2011089459A
Application number: JP2009243102A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Komatsu; 正明小松; Tetsuya Takezawa; 哲也竹澤; Junji Takado; 純治高堂; Toru Kamiya; 徹神谷
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-22
Also published as: US20110097222A1; JP4856748B2; US8821136B2; EP2314878B1; EP2314878A1

Abstract

【課題】特に高速回転時に、発熱部位からインペラに確実に伝熱させることができ、放熱性を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】過給機１０は、インペラ２４を有する遠心圧縮部２２と、前記インペラ２４に連結される回転軸２６と、ケーシング１２に設けられるステータ１４及びロータ１８を有するモータ部２０と、ジャーナルエア軸受２８ａとを備える。ジャーナルエア軸受２８ａは、円筒状部材３６と、前記円筒状部材３６の内部空間４０に嵌合される熱伝導部４８とを設ける。熱伝導部４８は、円筒状部材３６よりも剛性が低く且つ熱伝導率が大きい部材で構成されるとともに、前記インペラ２４は、前記熱伝導部４８を経由して伝熱された熱を、空気に放熱させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、インペラが回転することにより空気を圧縮する遠心圧縮部と、前記インペラに連結される回転軸と、前記回転軸が収容されるケーシングに設けられるステータ、及び前記回転軸に設けられるロータを有するモータ部と、前記回転軸の径方向の位置を保持するジャーナル軸受とを備える過給機に関する。

一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、遠心圧縮機が採用されている。例えば、エンジンに圧縮空気を供給する補機として、あるいは、燃料電池に酸化剤ガスである圧縮空気を供給する補機として、利用されている。

この種の遠心圧縮機では、円環状に配置されたステータの内周側に、永久磁石を有するロータが設けられており、前記ステータに巻回された巻線に通電することによって、前記ロータが回転するように構成されている。

ロータは、回転軸に設けられるとともに、前記回転軸には、空気を圧縮するためのインペラ及び前記回転軸の径方向の位置を保持するためのジャーナル軸受が設けられている。このため、インペラ、ジャーナル軸受及びロータが回転軸に連結された回転ユニットは、全体として相当な重量物になっている。特に、ロータを高速回転させるため、剛性の大きな部材が用いられており、回転ユニット全体の重量が増加している。

しかしながら、この種の重量物である回転ユニットを高速回転させると、回転慣性モーメントが増大してしまう。これにより、経済的且つ効率的な過給機能が得られないという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている圧縮機が知られている。この圧縮機は、回転可能な軸と、前記軸を回転させるための駆動手段と、前記軸上に取り付けられた少なくとも１つのインペラロータ段と、前記軸に対して設けられた軸受手段とからなり、前記回転軸の少なくとも一部分が実質的に中空であることを特徴としている。

特表平９−５０９９９９号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、回転軸の少なくとも一部分が中空に構成されるため、伝熱経路の断面積が小さくなってしまう。これにより、特に回転中に発熱量が大きいロータやジャーナル軸受（特にジャーナルエア軸受）からインペラロータ段に伝熱される熱量が低減され、良好な放熱機能を有することができないという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、特に高速回転時に、発熱部位からインペラに確実に伝熱させることができ、放熱性を良好に向上させることが可能な過給機を提供することを目的とする。

本発明は、インペラが回転することにより空気を圧縮する遠心圧縮部と、前記インペラに連結される回転軸と、前記回転軸が収容されるケーシングに設けられるステータ、及び前記回転軸に設けられるロータを有するモータ部と、前記回転軸の径方向の位置を保持するジャーナル軸受とを備えるとともに、前記回転軸には、端部側から前記インペラ、前記ジャーナル軸受及び前記モータ部の順に配設される過給機に関するものである。

そして、ジャーナル軸受は、円筒状部材と、前記円筒状部材の内部空間に嵌合される熱伝導部材とを設け、前記熱伝導部材は、前記円筒状部材よりも剛性が低く且つ熱伝導率が大きい部材で構成されるとともに、インペラは、前記熱伝導部材を経由して伝熱された熱を、空気に放熱させている。

また、熱伝導部材は、円筒状部材よりも熱膨張率の大きな部材で構成されるとともに、前記円筒状部材は、内部空間のロータ側に閉塞された端面を有し、前記熱伝導部材は、前記端面に接触して嵌合されることが好ましい。

さらに、インペラとジャーナル軸受との間には、回転軸の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受が設けられることが好ましい。

さらにまた、円筒状部材は、円筒状外周壁の軸方向端面が、ロータの軸方向端面に接触して配設されることが好ましい。

また、ロータは、円筒状の永久磁石と、前記永久磁石を収納する円筒状の保護環とを備えるとともに、前記保護環の軸方向端面と円筒状部材の軸方向端面とが接触して配設されることが好ましい。

さらに、ジャーナル軸受は、ジャーナルエア軸受であることが好ましい。

本発明では、ジャーナル軸受は、円筒状部材を設けることにより、回転ユニット全体の軽量化が容易に図られる。しかも、円筒状部材の内部空間には、熱伝導部材が嵌合されるため、インペラは、前記熱伝導部材を経由して伝熱された熱を、空気に放熱させることができる。これにより、特に高速回転時に、発熱部位からインペラに確実に伝熱させることが可能になり、放熱性を良好に向上させることができる。

本発明の第１の実施形態に係る過給機の断面説明図である。前記過給機の要部断面説明図である。前記過給機の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。本発明の第２の実施形態に係る過給機の要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る過給機１０は、ケーシング１２を備える。このケーシング１２内には、円環状のステータ１４が巻線１６を巻回した状態で装着される。

ステータ１４の外周側には、複数の冷却水流路１７が形成される。ステータ１４の内周側には、巻線１６に通電することにより回転するロータ１８が設けられ、前記ステータ１４及び前記ロータ１８によりモータ部２０が構成される。ケーシング１２の一端部には、遠心圧縮部２２を構成するインペラ２４が回転自在に配設される。

図１及び図２に示すように、インペラ２４には、回転軸２６が連結されるとともに、前記回転軸２６には、端部側から前記インペラ２４、ジャーナル軸受、例えば、ジャーナルエア軸受２８ａ、モータ部２０及びジャーナルエア軸受２８ｂの順に配設される。インペラ２４とジャーナルエア軸受２８ａとの間には、回転軸２６の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受３０が設けられる。

ロータ１８は、円筒状の永久磁石３２と、前記永久磁石３２の外周に設けられ、該永久磁石３２を収納する円筒状の保護環３４とを備える。保護環３４は、高剛性が要求されており、ニッケルの超合金、例えば、インコネル（スペシャルメタル社の商品名）により構成される。

ロータ１８の軸方向両端には、ベアリングシャフトを構成する円筒状部材３６、３８が連結される。円筒状部材３６、３８は、各円筒状外周壁の軸方向端面３６ａ、３８ａが、ロータ１８を構成する保護環３４の端面３４ａ、３４ｂと接触して配置される。円筒状部材３６、３８は、円柱状の内部空間４０、４２を有するとともに、前記内部空間４０、４２のロータ１８側に閉塞された端面４０ａ、４２ａを有する。

円筒状部材３６、３８は、ジャーナルエア軸受２８ａ、２８ｂを構成しており、例えば、保護環３４と同一材料であるインコネルにより構成される。各ジャーナルエア軸受２８ａ、２８ｂは、例えば、フォイル式気体軸受であり、円筒状部材３６、３８の外周に所定の隙間を設けて配置されるリング部材４４を備える。リング部材４４は、円筒状部材３６、３８を回転自在に支持するとともに、回転不能に固定される。

図３に示すように、リング部材４４の内周面４４ａには、波板形状のバンプフォイル４３と平板形状のトップフォイル４５との順に配置される。バンプフォイル４３は、一枚又は複数枚で構成され、その一端４３ａがリング部材４４の内周面４４ａに溶接される。トップフォイル４５は、平板を環状に湾曲させており、その一端４５ａがリング部材４４の内周面４４ａに溶接される一方、その多端が自由端となっている。円筒状部材３６の外周面には、スラストエア軸受３０を構成する大径フランジ部４６が設けられる。

ジャーナルエア軸受２８ａは、円筒状部材３６の内部空間４０に嵌合される熱伝導部（熱伝導部材）４８を設ける。熱伝導部４８は、インペラ２４に一体成形されるとともに、前記熱伝導部４８は、円筒状部材３６よりも剛性が低く且つ熱伝導率が大きく、しかも熱膨張率が大きい部材で構成される。熱伝導部４８は、例えば、銅又はアルミニウム等で構成され、円筒状部材３６の内部空間４０に圧入又は焼き嵌めにより嵌合する。熱伝導部４８は、円筒状部材３６の軸方向端面３６ａに接触して配置される。

回転軸２６は、インペラ２４側に大径部５０を設ける一方、円筒状部材３８側に固定部材５２が取り付けられる。回転軸２６は、インペラ２４、スラストエア軸受３０、ジャーナルエア軸受２８ａ、モータ部２０及びジャーナルエア軸受２８ｂが同軸上に配置された状態で、これらに一体的に挿入されて固定部材５２が取り付けられる。

ケーシング１２内には、モータ部２０を構成する保護環３４と巻線１６（実質的には、ステータ１４）との間に、冷媒用流通路５４が形成される。この流通路５４の入口側は、遠心圧縮部２２に連通する冷却配管５６に連通するとともに、前記冷却配管５６には、インタークーラ５８が配設される。

このように構成される過給機１０の動作について、以下に説明する。

先ず、電動機を構成する巻線１６に通電することにより、ロータ１８を構成する永久磁石３２及び保護環３４は、回転軸２６と一体に回転する。このため、回転軸２６に保持されているインペラ２４は、比較的高速で回転し、遠心圧縮部２２を介して大気から空気の吸引が行われる。

インペラ２４により吸引された空気は、遠心圧縮部２２により圧送され、例えば、図示しない燃料電池の酸化剤ガス供給系に送られる。燃料電池には、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス（水素ガス）が供給される。従って、カソード側に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により、発電が行われる。

遠心圧縮部２２により吸引される圧縮空気の一部は、冷却配管５６を通ってインタークーラ５８で冷却された後、冷却風としてケーシング１２内の流通路５４に供給される。この流通路５４を通過してモータ部２０を冷却した冷却風は、外部に排出される。

上記のように、回転軸２６が高速回転すると、モータ部２０を構成する永久磁石３２に渦電流が発生し、ロータ１８の表面が発熱し易い。さらに、各ジャーナルエア軸受２８ａ、２８ｂでは、発熱が惹起し易くなる。

そこで、第１の実施形態では、ジャーナルエア軸受２８ａ、２８ｂを構成するベアリングシャフトとして中空状の円筒状部材３６、３８が用いられている。このため、回転ユニット全体の軽量化を図るとともに、円筒状部材３６の内部空間４０には、熱伝導部４８が嵌合されている。

ここで、円筒状部材３６は、例えば、インコネル等の強度及び剛性に優れる材料により構成される一方、熱伝導部４８は、前記円筒状部材３６よりも熱伝導率の大きな材料、例えば、銅又はアルミニウム等で構成されている。従って、図２に示すように、ロータ１８の表面に発生した熱及びジャーナルエア軸受２８ａに発生した熱は、熱伝導部４８を経由してインペラ２４に伝達される。その際、インペラ２４が高速回転することによって、熱を空気に放熱させることができる。

これにより、特に回転軸２６の高速回転時に、発熱部位であるロータ１８及びジャーナルエア軸受２８ａからインペラ２４に確実に伝熱させることが可能になり、放熱性を良好に向上させることができるという効果が得られる。

さらに、熱伝導部４８は、円筒状部材３６よりも熱膨張率の大きな材料、例えば、アルミニウムで構成されている。そして、熱伝導部４８は、円筒状部材３６の内部空間４０のロータ側端部を構成する端面４０ａに接触して配置されている。このため、熱伝導部４８の温度が低下して前記熱伝導部４８の外周面と円筒状部材３６の内周面との接触量が低下しても、前記熱伝導部４８が前記円筒状部材３６の端面４０ａに接触しており、該熱伝導部４８による伝熱効果を維持することが可能になる。

さらにまた、過給機１０は、インペラ２４とジャーナルエア軸受２８ａとの間に、スラストエア軸受３０を設けている。このスラストエア軸受３０は、円筒状部材３６の外周面に一体成形されている大径フランジ部４６を有している。従って、回転軸２６の回転作用下に円筒状部材３６が回転する際、大径フランジ部４６の周速が増加し、前記大径フランジ部４６からの放熱効果が良好に向上するという利点がある。

また、円筒状部材３６の軸方向端面３６ａとロータ１８の端面とは、互いに接触して配設されている。このため、渦電流によりロータ１８の表面に発生した熱は、インペラ２４により確実に放熱可能になる。しかも、永久磁石３２を収納する円筒状の保護環３４の端面３４ａと、円筒状部材３６の軸方向端面３６ａとが接触するため、ロータ１８の表面で発生した熱が永久磁石３２に伝熱される量を、有効に低減することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る過給機７０の要部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る過給機１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

過給機７０は、ジャーナルエア軸受２８ａに換えて、ジャーナルエア軸受（例えば、フォイル式気体軸受）７２を備える。ジャーナルエア軸受７２は、円筒状部材３６の内部空間４２に嵌合される熱伝導部材７４を設ける。熱伝導部材７４は、円筒形状を有しており、インペラ２４とは個別に構成される。

熱伝導部材７４は、熱伝導部４８と同様に、円筒状部材３６よりも剛性が低く、且つ熱伝導率が大きい部材、さらに、熱膨張率の大きな部材で構成される。具体的には、熱伝導部材７４は、銅又はアルミニウムで構成される。この熱伝導部材７４は、円筒状部材３６の端面４０ａに接触して配置されるとともに、内部空間４０に対しては、圧入又は焼き嵌め等によって嵌合されている。

このように構成される第２の実施形態では、ジャーナルエア軸受７２が、円筒状部材３６及び熱伝導部材７４を備えており、上記の第１の実施形態に係る過給機１０と同様の効果が得られる。しかも、熱伝導部材７４は、インペラ２４とは別体に構成されており、実質的に円筒状に構成されるだけでよい。従って、熱伝導部材７４の製造工程が一挙に簡素化されるという利点が得られる。

１０、７０…過給機１２…ケーシング
１４…ステータ１６…巻線
１８…ロータ２０…モータ部
２２…遠心圧縮部２４…インペラ
２６…回転軸２８ａ、２８ｂ、７２…ジャーナルエア軸
３０…スラストエア軸３２…永久磁石
３４…保護環３４ａ、３４ｂ、４０ａ、４２ａ…端面
３６、３８…円筒状部材３６ａ、３８ａ…軸方向端面
４０、４２…内部空間４８…熱伝導部
５０…大径部７４…熱伝導部材

Claims

インペラが回転することにより空気を圧縮する遠心圧縮部と、
前記インペラに連結される回転軸と、
前記回転軸が収容されるケーシングに設けられるステータ、及び前記回転軸に設けられるロータを有するモータ部と、
前記回転軸の径方向の位置を保持するジャーナル軸受と、
を備えるとともに、
前記回転軸には、端部側から前記インペラ、前記ジャーナル軸受及び前記モータ部の順に配設される過給機であって、
前記ジャーナル軸受は、円筒状部材と、
前記円筒状部材の内部空間に嵌合される熱伝導部材と、
を設け、
前記熱伝導部材は、前記円筒状部材よりも剛性が低く且つ熱伝導率が大きい部材で構成されるとともに、
前記インペラは、前記熱伝導部材を経由して伝熱された熱を、空気に放熱させることを特徴とする過給機。
請求項１記載の過給機において、前記熱伝導部材は、前記円筒状部材よりも熱膨張率の大きな部材で構成されるとともに、
前記円筒状部材は、前記内部空間の前記ロータ側に閉塞された端面を有し、前記熱伝導部材は、前記端面に接触して嵌合されることを特徴とする過給機。
請求項１又は２記載の過給機において、前記インペラと前記ジャーナル軸受との間には、前記回転軸の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受が設けられることを特徴とする過給機。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機において、前記円筒状部材は、円筒状外周壁の軸方向端面が、前記ロータの軸方向端面に接触して配設されることを特徴とする過給機。
請求項４記載の過給機において、前記ロータは、円筒状の永久磁石と、
前記永久磁石を収納する円筒状の保護環と、
を備えるとともに、
前記保護環の軸方向端面と前記円筒状部材の前記軸方向端面とが接触して配設されることを特徴とする過給機。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の過給機において、前記ジャーナル軸受は、ジャーナルエア軸受であることを特徴とする過給機。