JP2011169190A - 遠心型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸ユニット全体の軽量化を図ることができ、効率的な高速回転が遂行されるとともに、ロータの飛散を良好に防止することを可能にする。
【解決手段】遠心型圧縮機１０を構成する回転軸ユニット１４は、永久磁石１６の外周が保護環１８により覆われて構成されるロータ２０、前記ロータ２０の軸方向端部に設けられるベアリングシャフト２２、２４、及び前記ベアリングシャフト２２に設けられるインペラ２６を備える。保護環１８は、永久磁石１６の端面１６ａよりも軸方向外方に突出する円筒状突起部１８ａを設ける。ベアリングシャフト２２は、軸方向一端に開放される円筒形状部２２ａを有し且つ軸方向他端に底部２２ｂを形成し、前記底部２２ｂは、保護環１８の円筒状突起部１８ａと接触する一方、該底部２２ｂと永久磁石１６の端面１６ａとは、離間する。
【選択図】図２

Description

本発明は、フォイル式気体軸受により回転軸ユニットを支持する遠心型圧縮機に関する。

一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、遠心型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。

この種の遠心型圧縮機では、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用過給機が知られている。この過給機は、図６に示すように、ケーシング１内に設けられた圧縮機２と、前記圧縮機２の回転軸３を支持する軸受装置４とを備えている。

ケーシング１内には、回転軸３を高速回転させる電動機５、前記回転軸３を径方向から支持する前後一対のラジアルフォイル軸受６、前記回転軸３をアキシアル方向（前後方向）から支持する前後一対のアキシアルフォイル軸受７、並びに該回転軸３を径方向及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８が設けられている。

軸受装置４は、ラジアルフォイル軸受６、アキシアルフォイル軸受７及び補助軸受手段８によって構成されている。回転軸３は、段付形状を有し、大径部側に電動機５のロータ５ａが設けられるとともに、小径部一方には、インペラ９が取り付けられている。

特開２００７−９２６４６号公報

この種の過給機では、回転軸３を高速回転させることが望まれている。従って、回転軸３の剛性を確保する必要があり、前記回転軸３を比較的大径に構成している。これにより、回転軸３は、相当に重量物となってしまい、この回転軸３を高速回転させると、回転慣性モーメントが増大して効率的な過給機能が得られ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、回転軸ユニット全体の軽量化を図ることができ、効率的な高速回転が遂行されるとともに、ロータの飛散を良好に防止することが可能な遠心型圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、円環状の永久磁石の外周が保護環により覆われて構成されるロータ、前記ロータの軸方向端部の少なくとも一方に設けられるベアリングシャフト、及び前記ベアリングシャフトの前記ロータ側とは反対の軸方向端部に設けられるインペラを備える回転軸ユニットと、前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記ロータの外周面に対向するステータと、前記ベアリングシャフトの外周面に対向して設けられ、前記ベアリングシャフトを保持するフォイル式気体軸受とを備える遠心型圧縮機に関するものである。

保護環は、ベアリングシャフトが設けられる端面に、永久磁石の端面よりも軸方向外方に突出する円筒状突起部を設けるとともに、前記ベアリングシャフトは、軸方向一端に開放される円筒形状部を有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部を形成し、前記底部は、ロータ側に配置されて前記保護環の前記円筒状突起部と接触する一方、該底部と前記永久磁石の端面とは離間している。

また、インペラは、回転軸ユニットの端部に同軸的に嵌合することが好ましい。

さらに、ベアリングシャフトは、保護環の円筒状突起部に同軸的に嵌合することが好ましい。

さらにまた、フォイル式気体軸受は、ベアリングシャフトの径方向の位置を保持するジャーナルエア軸受と、前記ベアリングシャフトの軸方向の位置を保持するスラストエア軸受とを備えることが好ましい。

本発明では、ベアリングシャフトは、実質的に有底円筒形状に構成されるため、直径を比較的大径に維持しながら、回転軸ユニット全体の大幅な軽量化を図ることができる。従って、高速回転時に、遠心応力及び曲げ応力に対して十分な耐性を有するとともに、ベアリングシャフトの慣性モーメントが低減され、回転の応答性が良好に向上する。これにより、回転軸ユニットの高速回転が、効率的に遂行可能になる。

しかも、ベアリングシャフトの底部は、ロータ側に配置されている。このため、ロータを構成する永久磁石が破損した際に、前記永久磁石が軸方向に飛散することを確実に阻止することが可能になる。

本発明の実施形態に係る遠心型圧縮機の断面説明図である。 前記遠心型圧縮機の要部断面説明図である。 前記遠心型圧縮機の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記遠心型圧縮機を構成するスラストエア軸受の斜視説明図である。 前記スラストエア軸受の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池用過給機の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る遠心型圧縮機（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、回転軸ユニット１４が回転自在に装着される。

回転軸ユニット１４は、図１及び図２に示すように、円環状の永久磁石１６と、前記永久磁石１６の外周に設けられ、該永久磁石１６を収納（例えば、焼き嵌め）する円筒状の保護環１８とにより構成されるロータ２０、前記ロータ２０の軸方向端部の少なくとも一方、本実施形態では、両方に設けられるベアリングシャフト２２、２４、前記ベアリングシャフト２２の前記ロータ２０側と反対の軸方向端部に設けられるインペラ２６とを備える。

インペラ２６は、遠心圧縮部２８を構成するとともに、テンションシャフト３０の大径部３０ａに端面が当接する。テンションシャフト３０には、インペラ２６側からベアリングシャフト２２、ロータ２０及びベアリングシャフト２４の順に配置され、これらが、前記テンションシャフト３０に螺合する固定部材３２により一体的に保持される。

固定部材３２には、回転軸ユニット１４の回転時に矢印Ａ１方向に発生するスラスト力を緩和する機能を有するキャンセラー機構３４が設けられる。図１に示すように、キャンセラー機構３４は、加圧室３６内を矢印Ａ方向に摺動自在なキャンセラーディスク３８を備える。この加圧室３６には、通路４０を介してインペラ２６の回転により発生する空気が流入される。

ケーシング１２内には、ロータ２０の外周に位置して円環状のステータ４２が装着される。このステータ４２及びロータ２０によりモータ部４６が構成される。

ロータ２０を構成する保護環１８は、高剛性が要求されており、ニッケル系超合金、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。ステータ４２の外周側には、複数の冷却水流路４８が周回形成される。

図２に示すように、保護環１８は、ベアリングシャフト２２、２４が設けられる端面に、永久磁石１６の端面１６ａ、１６ｂよりも軸方向外方に突出する円筒状突起部１８ａ、１８ｂを設ける。

ベアリングシャフト２２は、軸方向一端に開放される円筒形状部２２ａを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部２２ｂを形成する。ベアリングシャフト２４は、同様に軸方向一端に開放される円筒形状部２４ａを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部２４ｂを有する。

ベアリングシャフト２２の底部２２ｂは、保護環１８の一方の円筒状突起部１８ａに接触し、ベアリングシャフト２４の底部２４ｂは、前記保護環１８の他方の円筒状突起部１８ｂに接触する。底部２２ｂ、２４ｂと永久磁石１６の端面１６ａ、１６ｂとは、それぞれ距離Ｓ１、Ｓ２だけ離間する。

ベアリングシャフト２２、２４の外周面に対向し、前記ベアリングシャフト２２、２４を保持するフォイル式気体軸受５０が設けられる。フォイル式気体軸受５０は、ベアリングシャフト２２、２４の径方向の位置を保持するジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂと、前記ベアリングシャフト２２の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受５４とを備える。

ベアリングシャフト２２、２４は、ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂを構成するとともに、例えば、保護環１８と同一材料であるニッケル系超合金により構成される。各ジャーナルエア軸受５２ａ、５２ｂは、ベアリングシャフト２２、２４の外周に所定の隙間を設けて配置されるリング部材５６Ａ、５６Ｂを備える。リング部材５６Ａ、５６Ｂは、ベアリングシャフト２２、２４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５６Ａの内周面５６ａには、波板形状のバンプフォイル５８と平板形状のトップフォイル６０との順に配置される。バンプフォイル５８は、一枚又は複数枚で構成され、その一端５８ａがリング部材５６Ａの内周面５６ａに溶接されるとともに、その他端が自由端を構成する。トップフォイル６０は、平板を環状に湾曲させており、その一端６０ａがリング部材５６Ａの内周面５６ａに溶接される一方、その他端が自由端となっている。なお、リング部材５６Ｂは、上記のリング部材５６Ａと同様に構成される。

図１及び図２に示すように、ベアリングシャフト２２の外周部には、スラストエア軸受５４を構成する大径フランジ部６２が設けられる。大径フランジ部６２を挟んで軸方向両側には、リング部材６４ａ、６４ｂが配置される。

図４に示すように、リング部材６４ａ、６４ｂには、互いに大径フランジ部６２に対向する面に、波板形状のバンプフォイル６６と平板形状のトップフォイル６８とが設けられる。バンプフォイル６６及びトップフォイル６８は、リング部材６４ａ、６４ｂの内周面を周回して、それぞれ円環状に複数配置される。

図５に示すように、各バンプフォイル６６は、一端６６ａがリング部材６４ａ、６４ｂに溶接されるとともに、他端６６ｂが自由端を構成する。各トップフォイル６８は、一端６８ａがリング部材６４ａ、６４ｂに溶接される一方、他端６８ｂが自由端となっている。

図２に示すように、インペラ２６の軸方向端部２６ａは、ベアリングシャフト２２の円筒形状部２２ａに同軸的に嵌合する（インロー構造）。ベアリングシャフト２２、２４は、それぞれの底部２２ｂ、２４ｂが保護環１８の円筒状突起部１８ａ、１８ｂに同軸的に嵌合する（インロー構造）。

ケーシング１２内には、図１に示すように、モータ部４６を構成する保護環１８とステータ４２との間に、冷媒用流通路７０が形成される。この流通路７０の入口側及びキャンセラー機構３４の通路４０は、遠心圧縮部２８のコンプレッサ出口７２に連通している。インペラ２６が回転することにより圧縮された空気は、コンプレッサ出口７２から流通路７０の入口側及びキャンセラー機構３４の通路４０に送風される。

このように構成される遠心型圧縮機１０の動作について、以下に説明する。

先ず、電動機を構成するステータ４２に通電することにより、ロータ２０を構成する永久磁石１６及び保護環１８は、テンションシャフト３０と一体に回転する。このため、テンションシャフト３０に保持されているインペラ２６は、比較的高速で回転し、遠心圧縮部２８を介して大気から空気の吸引が行われる。

インペラ２６により吸引された空気は、遠心圧縮部２８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２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からケーシング１２内の流通路７０に供給される。この流通路７０を通過してモータ部４６を冷却した冷却風は、外部に排出される。

また、遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からキャンセラー機構３４を構成する通路４０を通って加圧室３６に供給される。従って、加圧室３６に配設されるキャンセラーディスク３８には、インペラ２６から離間する方向（矢印Ａ２方向）に押圧力が付与される。これにより、インペラ２６の回転によって、矢印Ａ１方向に作用するスラスト力は、キャンセラー機構３４により緩和される。

この場合、本実施形態では、ベアリングシャフト２２は、一端に開放される円筒形状部２２ａを有し且つ他端に底部２２ｂを形成する略有底円筒形状に構成されている。同様にベアリングシャフト２４は、一端に開放される円筒形状部２４ａを有し且つ他端に底部２４ｂを形成する有底円筒形状に構成されている。このため、ベアリングシャフト２２、２４は、比較的大径な直径を維持しながら、大幅な軽量化を図ることができる。

従って、回転軸ユニット１４が高速回転する際に、ベアリングシャフト２２、２４は、遠心応力及び曲げ応力に対して十分な耐性を有するとともに、前記ベアリングシャフト２２、２４の慣性モーメントが低減され、回転の応答性が良好に向上する。これにより、回転軸ユニット１４の高速回転が、効率的に遂行可能になるという効果が得られる。

しかも、ベアリングシャフト２２、２４は、ロータ２０側に各底部２２ｂ、２４ｂが配置されている。このため、ロータ２０を構成する永久磁石１６が破損した際に、前記永久磁石１６が飛散することを確実に阻止することができる。

さらにまた、インペラ２６は、端部２６ａがベアリングシャフト２２の円筒形状部２２ａに同軸的に嵌合している。その上、ベアリングシャフト２２、２４は、保護環１８の円筒状突起部１８ａ、１８ｂに各底部２２ｂ、２４ｂ側を同軸的に嵌合している。従って、回転軸ユニット１４に振動が発生することを有効に阻止し、高速回転が良好に遂行されるという利点がある。

１０…遠心型圧縮機 １２…ケーシング
１４…回転軸ユニット １６…永久磁石
１６ａ、１６ｂ…端面 １８…保護環
１８ａ、１８ｂ…円筒状突起部 ２０…ロータ
２２、２４…ベアリングシャフト ２２ａ、２４ａ…円筒形状部
２２ｂ、２４ｂ…底部 ２６…インペラ
３０…テンションシャフト ３２…固定部材
３４…キャンセラー機構 ３６…加圧室
３８…キャンセラーディスク ４０…通路
４２…ステータ ４６…モータ部
５０…フォイル式気体軸受 ５２ａ、５２ｂ…ジャーナルエア軸受
５４…スラストエア軸受 ５６Ａ、５６Ｂ…リング部材
５６ａ…内周面 ５８、６６…バンプフォイル
６０、６８…トップフォイル ７０…流通路

Claims (4)

1. 円環状の永久磁石の外周が保護環により覆われて構成されるロータ、前記ロータの軸方向端部の少なくとも一方に設けられるベアリングシャフト、及び前記ベアリングシャフトの前記ロータ側とは反対の軸方向端部に設けられるインペラを備える回転軸ユニットと、
   前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記ロータの外周面に対向するステータと、
   前記ベアリングシャフトの外周面に対向して設けられ、前記ベアリングシャフトを保持するフォイル式気体軸受と、
   を備える遠心型圧縮機であって、
   前記保護環は、前記ベアリングシャフトが設けられる端面に、前記永久磁石の端面よりも軸方向外方に突出する円筒状突起部を設けるとともに、
   前記ベアリングシャフトは、軸方向一端に開放される円筒形状部を有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部を形成し、
   前記底部は、前記ロータ側に配置されて前記保護環の前記円筒状突起部と接触する一方、該底部と前記永久磁石の端面とは離間することを特徴とする遠心型圧縮機。
2. 請求項１記載の遠心型圧縮機において、前記インペラは、前記回転軸ユニットの端部に同軸的に嵌合することを特徴とする遠心型圧縮機。
3. 請求項１又は２記載の遠心型圧縮機において、前記ベアリングシャフトは、前記保護環の前記円筒状突起部に同軸的に嵌合することを特徴とする遠心型圧縮機。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心型圧縮機において、前記フォイル式気体軸受は、前記ベアリングシャフトの径方向の位置を保持するジャーナルエア軸受と、
   前記ベアリングシャフトの軸方向の位置を保持するスラストエア軸受と、
   を備えることを特徴とする遠心型圧縮機。

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