JP2011202566A - 電動遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、ロータを効率的に冷却することができるとともに、騒音を抑制し、良好に高速回転を行うことを可能にする。
【解決手段】電動遠心圧縮機１０は、テンションシャフト３０が、内部に軸方向に延在する空間部７４と、前記空間部７４の一端側に連通し、スクロール７０の内部に開口する第１孔部７６と、前記空間部７４の他端側に連通し、第２ベアリングシャフト２４の内部に開口する第２孔部７８とを設ける。第２ベアリングシャフト２４は、テンションシャフト３０が挿入される貫通孔８０と、冷却流路７３と第２孔部７８とを連通するガイド孔８２とを設け、冷却風は、前記冷却流路７３から前記ガイド孔８２及び前記第２孔部７８を通って空間部７４に導入された後、第１孔部７６からスクロール７０の内部に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石を設けるロータ、ベアリングシャフト及びインペラをテンションシャフトで一体に挟持する回転軸ユニットが筐体内に収容される電動遠心圧縮機に関する。

一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、電動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、種々の電動遠心圧縮機が利用されている。

この種の電動遠心圧縮機では、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８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。しかしながら、回転軸３を高速回転させると、ロータ５ａの鉄損（ヒステリシス損・渦電流損）が増加してしまい、磁石の耐熱温度以下での運転が困難になるという問題がある。

その際、電動機５のステータ５ｂは、外部の水冷冷却や空冷フィン等により冷却することができる。一方、ロータ５ａは、回転しているため、冷却水や冷却エアを前記ロータ５ａの内部に循環させることができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、ロータを効率的に冷却することができるとともに、騒音を抑制し、良好に高速回転を行うことが可能な電動遠心圧縮機を提供することを目的とする。

本発明は、永久磁石を設けるロータ、前記ロータの少なくとも軸方向一端部側に設けられるベアリングシャフト、前記ロータの軸方向他端部側に設けられるインペラ、及び前記インペラ、前記ロータ及び前記ベアリングシャフトの軸芯を貫通し且つ軸方向両端から一体に挟持するテンションシャフトを備える回転軸ユニットと、前記ロータの外周面に対向するステータ、前記ベアリングシャフトの外周面に少なくとも一部が対向して設けられる軸受機構、前記ロータを冷却するための冷却風を導入するための冷却流路、及び前記インペラが収納されるスクロールを設ける筐体とを備える電動遠心圧縮機に関するものである。

この電動遠心圧縮機は、テンションシャフトが、内部に軸方向に延在する空間部と、前記空間部の一端側に連通し、スクロールの内部に開口する第１孔部と、前記空間部の他端側に連通し、ベアリングシャフトの内部に開口する第２孔部とを設けている。

そして、ベアリングシャフトは、軸方向に延在してテンションシャフトが挿入される貫通孔と、ステータと軸受機構との間に位置する外周面に設けられ、冷却流路と前記第２孔部とを連通するガイド孔とを設け、冷却風は、前記冷却流路から前記ガイド孔及び第２孔部を通って空間部に導入された後、第１孔部からスクロールの内部に排出されている。

また、軸受機構は、フォイル式気体軸受を備え、ベアリングシャフトの内周面とテンションシャフトの外周面との間には、ガイド孔と第２孔部とを連通する周回溝部が形成されるとともに、前記周回溝部は、前記ベアリングシャフトの軸方向に沿う軸長範囲の少なくとも一部が、前記ベアリングシャフトの径方向に沿った延長線上に前記フォイル式気体軸受と重なる重合領域を有することが好ましい。

さらに、この電動遠心圧縮機は、ガイド孔と第２孔部とが、ベアリングシャフトの軸方向に沿って互いに異なる位置に設けられることが好ましい。

本発明では、冷却風が、筐体に設けられた冷却流路からベアリングシャフトのガイド孔に供給され、さらにテンションシャフトの第２孔部を通って前記テンションシャフトの空間部に導入されている。冷却風は、空間部に沿ってテンションシャフトの軸方向に流通して前記テンションシャフトを良好に冷却した後、前記テンションシャフトの第１孔部からスクロールの内部に排出されている。

このため、テンションシャフトの内部から効果的に冷却することができ、ロータの高速回転が良好に遂行可能になる。しかも、冷却風は、第１孔部からスクロールの内部に排出されるため、排気による騒音が抑制される。その上、スクロールの内部に発生する負圧を利用して、冷却風の強制排気が有効に行われる。

これにより、簡単な構成で、ロータを効率的に冷却することができるとともに、騒音を抑制し、良好に高速回転を行うことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る電動遠心圧縮機の断面説明図である。 前記電動遠心圧縮機の要部断面説明図である。 前記電動遠心圧縮機の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記電動遠心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。 前記電動遠心圧縮機の、図２中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電動遠心圧縮機の断面説明図である。 特許文献１に開示されている電動圧縮機の説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る電動遠心圧縮機１０は、筐体１２を備える。この筐体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の軸方向両端部に設けられる第１及び第２ベアリングシャフト２２、２４、及び前記第１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側から第１ベアリングシャフト２２、ロータ２０及び第２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機構３４が設けられる。図１に示すように、キャンセラ機構３４は、キャンセラ室（加圧室）３６内を矢印Ａ方向に摺動自在なスラストキャンセラシャフト３８を備える。

筐体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、第１及び第２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。

第１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。第２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。

第１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、第２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。

第１及び第２ベアリングシャフト２２、２４の外周面に対向し、前記第１及び第２ベアリングシャフト２２、２４を保持する軸受機構、例えば、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、第１及び第２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、前記第１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。

第１及び第２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、第１及び第２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、第１及び第２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、インペラ側ベアリングホルダ５７Ａ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂ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、第１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、第１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）。第１及び第２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）。

図１に示すように、筐体１２は、インペラ２６が収納されるスクロール７０を設けるとともに、前記スクロール７０には、コンプレッサ出口７２が設けられる。筐体１２には、ロータ２０を冷却するための冷却風を導入する冷却流路７３が設けられ、この冷却流路７３は、コンプレッサ出口７２を介して冷却エア入口７５に連通する。コンプレッサ出口７２からの吐出エアの一部は、冷却流路７３に供給される。コンプレッサ出口７２からの吐出エアの一部は、キャンセラ室３６に供給される。

テンションシャフト３０は、内部に軸方向に延在する空間部７４と、前記空間部７４の一端側（矢印Ａ１方向先端側）に連通し、スクロール７０の内部に開口する第１孔部７６と、前記空間部７４の他端側（矢印Ａ２方向先端側）に連通し、第２ベアリングシャフト２４の内部に開口する第２孔部７８とを設ける。第１及び第２孔部７６、７８は、それぞれテンションシャフト３０の外周に等角度間隔ずつ（例えば、９０度ずつ）離間して４箇所に形成される（図６参照）。

第２ベアリングシャフト２４は、図１及び図２に示すように、軸方向に延在してテンションシャフト３０が挿入される貫通孔８０と、ステータ４２とジャーナルエア軸受５２ｂとの間に位置する外周面２４ｃに設けられ、冷却流路７３と第２孔部７８とを連通する４つのガイド孔８２とを設ける。

図６に示すように、各ガイド孔８２は、第２ベアリングシャフト２４の外周面２４ｃに直径方向から偏位して形成されるとともに、前記外周面２４ｃには、楔状の切り欠き部８４が形成される。切り欠き部８４は、第２ベアリングシャフト２４の回転方向（矢印Ｃ方向）に向かって大きく切り欠いている。

第２ベアリングシャフト２４の内周面２４ｄとテンションシャフト３０の外周面３０ｂとの間には、ガイド孔８２と第２孔部７８とを連通する周回溝部８６が形成される。周回溝部８６は、図１及び図２に示すように、第２ベアリングシャフト２４の軸方向（矢印Ａ方向）に沿う軸長範囲の少なくとも一部が、前記第２ベアリングシャフト２４の径方向（矢印Ｂ方向）に沿った延長線上にジャーナルエア軸受５２ｂと重なる重合領域８８を有する。

このように構成される電動遠心圧縮機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。

この場合、第１の実施形態では、遠心圧縮部２８により吸引される圧縮空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２から冷却エア入口７５に冷却エアとして導入される。この冷却エアは、冷却流路７３を流通し、回転している第２ベアリングシャフト２４の外周面２４ｃにステータ４２とジャーナルエア軸受５２ｂとの間に位置して形成された切り欠き部８４に、導入される。

図６に示すように、第２ベアリングシャフト２４は、矢印Ｃ方向に回転しており、切り欠き部８４のエア圧が上昇している。このため、切り欠き部８４に導入された冷却エアは、第２ベアリングシャフト２４の軸内部に、すなわち、各ガイド孔８２を通って周回溝部８６に一旦供給される。

周回溝部８６には、テンションシャフト３０の第２孔部７８が連通しており、冷却エアは、前記第２孔部７８を通って前記テンションシャフト３０の空間部７４に導入される。さらに、冷却エアは、空間部７４に沿ってテンションシャフト３０の軸方向（矢印Ａ１方向）に流通して前記テンションシャフト３０を冷却した後、前記テンションシャフト３０の第１孔部７６からスクロール７０の内部に排出される。

このため、第１の実施形態では、回転しているテンションシャフト３０の内部からロータ２０及び永久磁石１６を効果的に冷却することができ、前記ロータ２０の高速回転が良好に遂行可能になる。しかも、冷却エアは、第１孔部７６からスクロール７０の内部に排出されるため、排気による騒音が抑制されるとともに、前記スクロール７０の内部に発生する負圧を利用して、前記冷却エアの強制排気が有効に行われる。

これにより、簡単な構成で、ロータ２０を効率的に冷却することができるとともに、騒音を抑制し、良好に高速回転を行うことが可能になるという効果が得られる。

さらに、周回溝部８６の少なくとも一部は、第２ベアリングシャフト２４の径方向に沿った延長線上にジャーナルエア軸受５２ｂと重なる重合領域８８を有している。従って、周回溝部８６に導入された冷却エアにより、ジャーナルエア軸受５２ｂを有効に冷却することができるという利点がある。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る電動遠心圧縮機１００の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る電動遠心圧縮機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。

電動遠心圧縮機１００は、テンションシャフト１０２を備えるとともに、前記テンションシャフト１０２は、第２ベアリングシャフト２４の内部に開口する第２孔部１０４を設ける。ガイド孔８２と第２孔部１０４とは、第２ベアリングシャフト２４の軸方向に沿って互いに異なる位置に設けられる。

具体的には、第２孔部１０４は、軸方向に沿ってジャーナルエア軸受５２ｂの後方（矢印Ａ２方向）に配置される。第２孔部１０４とガイド孔８２とは、ジャーナルエア軸受５２ｂの軸長と同等以上の間隔を有して離間する。

このように構成される第２の実施形態では、特に第２孔部１０４とガイド孔８２との間隔、すなわち、周回溝部８６の矢印Ａ方向に軸長さが、ジャーナルエア軸受５２ｂの軸長と同等以上に設定されている。このため、周回溝部８６を流通する冷却エアにより、ジャーナルエア軸受５２ｂの冷却効率が一層向上する他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００…電動遠心圧縮機 １２…筐体
１４…回転軸ユニット １６…永久磁石
１８…保護環 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、１０２…テンションシャフト ３２…固定部材
３４…キャンセラ機構 ３６…キャンセラ室
４２…ステータ ４６…モータ部
４８…冷却水流路 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 ５８、６６…バンプフォイル
６０、６８…トップフォイル ７０…スクロール
７２…コンプレッサ出口 ７３…冷却流路
７４…空間部 ７６、７８、１０４…孔部
８０…貫通孔 ８２…ガイド孔
８４…切り欠き部 ８６…周回溝部

Claims (3)

1. 永久磁石を設けるロータ、前記ロータの少なくとも軸方向一端部側に設けられるベアリングシャフト、前記ロータの軸方向他端部側に設けられるインペラ、及び前記インペラ、前記ロータ及び前記ベアリングシャフトの軸芯を貫通し且つ軸方向両端から一体に挟持するテンションシャフトを備える回転軸ユニットと、
   前記ロータの外周面に対向するステータ、前記ベアリングシャフトの外周面に少なくとも一部が対向して設けられる軸受機構、前記ロータを冷却するための冷却風を導入するための冷却流路、及び前記インペラが収納されるスクロールを設ける筐体と、
   を備える電動遠心圧縮機であって、
   前記テンションシャフトは、内部に軸方向に延在する空間部と、
   前記空間部の一端側に連通し、前記スクロールの内部に開口する第１孔部と、
   前記空間部の他端側に連通し、前記ベアリングシャフトの内部に開口する第２孔部と、
   を設けるとともに、
   前記ベアリングシャフトは、軸方向に延在して前記テンションシャフトが挿入される貫通孔と、
   前記ステータと前記軸受機構との間に位置する外周面に設けられ、前記冷却流路と前記第２孔部とを連通するガイド孔と、
   を設け、
   冷却風は、前記冷却流路から前記ガイド孔及び前記第２孔部を通って前記空間部に導入された後、前記第１孔部から前記スクロールの内部に排出されることを特徴とする電動遠心圧縮機。
2. 請求項１記載の電動遠心圧縮機において、前記軸受機構は、フォイル式気体軸受を備え、
   前記ベアリングシャフトの内周面と前記テンションシャフトの外周面との間には、前記ガイド孔と前記第２孔部とを連通する周回溝部が形成されるとともに、
   前記周回溝部は、前記ベアリングシャフトの軸方向に沿う軸長範囲の少なくとも一部が、前記ベアリングシャフトの径方向に沿った延長線上に前記フォイル式気体軸受と重なる重合領域を有することを特徴とする電動遠心圧縮機。
3. 請求項１又は２記載の電動遠心圧縮機において、前記ガイド孔と前記第２孔部とは、前記ベアリングシャフトの軸方向に沿って互いに異なる位置に設けられることを特徴とする電動遠心圧縮機。

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