JP2011202589A - Centrifugal compressor - Google Patents

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正明 小松
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純治 高堂
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
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    • F04D29/051Axial thrust balancing
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D29/05Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/051Axial thrust balancing
    • F04D29/0516Axial thrust balancing balancing pistons

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the efficiency of a centrifugal compressor by effectively using the compressed air generated by the rotation of a rotating shaft unit as far as possible.SOLUTION: A compressed air flow passage 76 allowing a compressed air to flow therethrough in contact with the outer surface of a rotor 20, an introduction side passage 78 which allows the compressed air to flow therethrough along the outer peripheral side of an impeller side bearing holder 57A and one end of which communicates with the gap S between the outer peripheral end 26a of an impeller 26 and a scroll 70 and the other end of which communicates with the inlet side of the compressed air flow passage 76, and a lead-out side passage 80 which is provided to a thrust canceller side bearing holder 57B and one end of which communicates with the outlet side of the compressed air flow passage 76 and the other end of which communicates with a canceller chamber 36 are formed in a casing 12 which constitutes the centrifugal compressor 10.

Description

本発明は、永久磁石を設けるロータ、一対のベアリングシャフト、インペラ、及びスラストキャンセラシャフトを設ける回転軸ユニットが筐体内に収容される遠心型圧縮機に関する。   The present invention relates to a centrifugal compressor in which a rotor unit provided with a permanent magnet, a pair of bearing shafts, an impeller, and a rotary shaft unit provided with a thrust canceller shaft are accommodated in a casing.

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、種々の遠心型圧縮機が利用されている。   In general, a centrifugal compressor is employed as a supercharger that efficiently supplies compressed air. For example, various centrifugal compressors are used as an auxiliary machine that supplies compressed air to an engine or an auxiliary machine that supplies compressed air that is an oxidant gas to a fuel cell.

この種の遠心型圧縮機では、回転軸の両側にインペラが設けられており、前記遠心型圧縮機全体が大型化且つ重量化するという問題がある。このため、遠心型圧縮機の小型化及びコスト削減を図るため、回転軸の一方にのみインペラを設ける構成が採用されている。   In this type of centrifugal compressor, impellers are provided on both sides of the rotating shaft, and there is a problem that the entire centrifugal compressor is increased in size and weight. For this reason, in order to reduce the size and cost of the centrifugal compressor, a configuration in which an impeller is provided only on one of the rotating shafts is employed.

例えば、特許文献1に開示されている電動圧縮機では、図7に示すように、筐体1内にインペラ2、回転軸3、スラストキャンセラ4及びモータユニット5が内蔵されている。回転軸3は、スラストエアベアリング6a及びラジアルエアベアリング6bにより軸支されている。   For example, in the electric compressor disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 7, an impeller 2, a rotating shaft 3, a thrust canceller 4, and a motor unit 5 are built in a housing 1. The rotary shaft 3 is pivotally supported by a thrust air bearing 6a and a radial air bearing 6b.

そこで、インペラ2の回転数が上がると、回転軸3にスラスト荷重が生じる一方、圧力室7には、圧縮空気導出部8から圧縮空気通路9を介して、圧縮空気の圧力が作用している。このため、圧縮空気の圧力が、キャンセラシャフト4aに作用し、回転軸3に後方に向けて荷重を生じさせることによって、スラスト荷重を相殺している。   Therefore, when the rotational speed of the impeller 2 increases, a thrust load is generated on the rotating shaft 3, while the pressure of the compressed air acts on the pressure chamber 7 from the compressed air outlet 8 through the compressed air passage 9. . For this reason, the pressure of the compressed air acts on the canceller shaft 4a, and the thrust load is canceled by causing the rotating shaft 3 to generate a load toward the rear.

特開2009−257165号公報JP 2009-257165 A

ところで、上記のインペラ2が回転するため、このインペラ2の外周端2aと筐体1を構成するスクロール1aとの間には、隙間が形成されている。従って、インペラ2が比較的高速で回転すると、このインペラ2の外周端2aとスクロール1aとの隙間から筐体1の内部に圧縮空気が漏れ易い。この漏れた圧縮空気は、何ら利用されずに外部に放出されており、前記圧縮空気を有効利用してポンプ効率を向上させることが望まれている。   By the way, since the impeller 2 rotates, a gap is formed between the outer peripheral end 2a of the impeller 2 and the scroll 1a constituting the housing 1. Therefore, when the impeller 2 rotates at a relatively high speed, the compressed air tends to leak into the housing 1 from the gap between the outer peripheral end 2a of the impeller 2 and the scroll 1a. The leaked compressed air is discharged to the outside without being used at all, and it is desired to improve the pump efficiency by effectively using the compressed air.

本発明はこの種の要請に対応するものであり、回転軸ユニットの回転により発生する圧縮空気を、可及的に有効利用することができ、効率の向上を図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。   The present invention responds to this type of request, and is a centrifugal compressor capable of effectively using as much as possible compressed air generated by the rotation of the rotary shaft unit and improving efficiency. The purpose is to provide.

本発明は、永久磁石を設けるロータ、前記ロータの軸方向両端部に設けられる一対のベアリングシャフト、一方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるインペラ、及び他方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるスラストキャンセラ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と、一対の前記ベアリングシャフトを保持するインペラ側ベアリングホルダ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダと、前記インペラが収納されるスクロール、前記スラストキャンセラシャフトが収納されるキャンセラ室、さらに一対の前記ベアリングシャフト及び前記ステータが収納される中央ケーシングを設ける筐体とを備える遠心型圧縮機に関するものである。   The present invention is provided with a rotor provided with a permanent magnet, a pair of bearing shafts provided at both axial ends of the rotor, an impeller provided at an end of one of the bearing shafts, and an end of the other bearing shaft. A rotating shaft unit comprising a thrust canceller shaft, a stator facing the outer peripheral surface of the rotor, an impeller side bearing holder and a thrust canceller side bearing holder for holding a pair of bearing shafts, a scroll in which the impeller is housed, The present invention relates to a centrifugal compressor including a canceller chamber in which a thrust canceller shaft is accommodated, and a casing provided with a central casing in which a pair of bearing shafts and a stator are accommodated.

筐体内には、ロータの外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路と、インペラ側ベアリングホルダの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側がインペラの外周端とスクロールとの隙間に連通し且つ他端側が前記圧縮空気流通路の入口側に連通する導入側通路と、スラストキャンセラ側ベアリングホルダに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路の出口側に連通し且つ他端側がキャンセラ室に連通する導出側通路とが形成されている。   In the housing, a compressed air flow passage through which compressed air is circulated in contact with the outer surface of the rotor, the compressed air is circulated along the outer peripheral side of the impeller side bearing holder, and one end side is an outer peripheral end of the impeller An inlet side passage that communicates with a gap between the scroll and the other end side communicates with an inlet side of the compressed air flow passage, a thrust canceller side bearing holder, and one end side communicates with an outlet side of the compressed air flow passage and A lead-out side passage having the other end communicating with the canceller chamber is formed.

そして、圧縮空気は、隙間から導入側通路、圧縮空気流通路、導出側通路及びキャンセラ室に向かって流通している。   The compressed air flows from the gap toward the introduction side passage, the compressed air flow passage, the outlet side passage, and the canceller chamber.

また、インペラ側ベアリングホルダは、ロータ側に向かって傾斜し、導入側通路を流通する圧縮空気を圧縮空気流通路の入口側に向かって案内する傾斜ガイド面を設けることが好ましい。   The impeller side bearing holder is preferably provided with an inclined guide surface that is inclined toward the rotor side and guides the compressed air flowing through the introduction side passage toward the inlet side of the compressed air flow passage.

さらに、筐体は、ステータの外周に沿って冷媒流路を形成するとともに、導入側通路は、前記冷媒流路の外周に沿って延在する冷却用通路部を有することが好ましい。   Further, it is preferable that the casing forms a refrigerant flow path along the outer periphery of the stator, and the introduction side passage has a cooling passage portion extending along the outer periphery of the refrigerant flow path.

さらにまた、一対のベアリングシャフトは、気体軸受を構成することが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the pair of bearing shafts constitute a gas bearing.

本発明では、インペラが回転する際に発生する圧縮空気の一部は、前記インペラの外周端とスクロールとの隙間から導入側通路に導入される。圧縮空気は、インペラ側ベアリングホルダの外周側に沿って流通し、圧縮空気流通路に導入されてロータの外表面に接して流通する。さらに、圧縮空気は、スラストキャンセラ側ベアリングホルダに設けられた導出側通路からキャンセラ室に流通する。   In the present invention, a part of the compressed air generated when the impeller rotates is introduced into the introduction-side passage through the gap between the outer peripheral end of the impeller and the scroll. The compressed air flows along the outer peripheral side of the impeller side bearing holder, is introduced into the compressed air flow passage, and flows in contact with the outer surface of the rotor. Further, the compressed air flows from the outlet side passage provided in the thrust canceller side bearing holder to the canceller chamber.

従って、インペラの外周端とスクロールとの隙間から漏れた圧縮空気は、一対のベアリングシャフト及びロータを冷却するための冷却空気として利用することができるとともに、キャンセラ室に導入されてキャンセラ圧力を発生させる加圧空気として利用することが可能になる。これにより、回転軸ユニットの回転により発生する圧縮空気を、可及的に有効利用することができ、遠心型圧縮機全体の効率の向上が容易に図られる。   Accordingly, the compressed air leaking from the gap between the outer peripheral end of the impeller and the scroll can be used as cooling air for cooling the pair of bearing shafts and the rotor, and is introduced into the canceller chamber to generate the canceller pressure. It can be used as pressurized air. Thereby, the compressed air generated by the rotation of the rotary shaft unit can be effectively used as much as possible, and the efficiency of the entire centrifugal compressor can be easily improved.

本発明の第1の実施形態に係る遠心型圧縮機の断面説明図である。It is a section explanatory view of the centrifugal compressor concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記遠心型圧縮機の要部断面説明図である。It is principal part sectional explanatory drawing of the said centrifugal compressor. 前記遠心型圧縮機の、図2中、III−III線断面図である。It is the III-III sectional view taken on the line of the centrifugal compressor in FIG. 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。It is a perspective explanatory view of a thrust air bearing constituting the centrifugal compressor. 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。FIG. 5 is a sectional view of the thrust air bearing taken along line VV in FIG. 4. 本発明の第2の実施形態に係る遠心型圧縮機の断面説明図である。It is a section explanatory view of the centrifugal compressor concerning a 2nd embodiment of the present invention. 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。It is explanatory drawing of the electric compressor currently disclosed by patent document 1. FIG.

図1に示すように、本発明の第1の実施形態に係る遠心型圧縮機(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。   As shown in FIG. 1, the centrifugal compressor (electric centrifugal compressor) 10 according to the first embodiment of the present invention includes a housing 12. A rotating shaft unit 14 is rotatably mounted in the housing 12.

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、第1の本実施形態では、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。   As shown in FIGS. 1 and 2, the rotary shaft unit 14 is provided with an annular permanent magnet 16 and a cylindrical shape that is provided on the outer periphery of the permanent magnet 16 and accommodates (for example, shrink fit) the permanent magnet 16. The rotor 20 constituted by the protective ring 18, at least one of axial end portions of the rotor 20, in the first embodiment, bearing shafts 22, 24 provided on both, the rotor shaft 20 side of the bearing shaft 22 And an impeller 26 provided at the opposite axial end.

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。   The impeller 26 constitutes a centrifugal compression part 28 and an end surface thereof abuts on the large diameter part 30 a of the tension shaft 30. On the tension shaft 30, the bearing shaft 22, the rotor 20, and the bearing shaft 24 are arranged in this order from the impeller 26 side, and these are integrally held by a fixing member 32 that is screwed into the tension shaft 30.

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。   The fixed member 32 is provided with a canceller mechanism 34 having a function of reducing a thrust force generated in the direction of the arrow A1 when the rotary shaft unit 14 rotates. As shown in FIG. 1, the canceller mechanism 34 includes a thrust canceller shaft 38 that can slide in a canceller chamber (pressurizing chamber) 36 in the direction of arrow A.

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。   An annular stator 42 is mounted in the casing 12 so as to be positioned on the outer periphery of the rotor 20. The stator 42 and the rotor 20 constitute a motor unit 46.

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(冷媒流路)48が周回形成される。   The protection ring 18 constituting the rotor 20 is required to have high rigidity and is made of a nickel-based superalloy, for example, Inconel (trade name of Special Metal). A plurality of cooling water flow paths (refrigerant flow paths) 48 are formed around the outer periphery of the stator 42.

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。   As shown in FIG. 2, the protection ring 18 is provided with cylindrical protrusions 18 a and 18 b protruding outward in the axial direction from the end surfaces 16 a and 16 b of the permanent magnet 16 on the end surfaces where the bearing shafts 22 and 24 are provided.

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。   The bearing shaft 22 has a cylindrical portion 22a opened at one end in the axial direction, and forms a bottom portion 22b protruding radially inward at the other end in the axial direction. Similarly, the bearing shaft 24 has a cylindrical portion 24a opened at one axial end and a bottom 24b projecting radially inward at the other axial end.

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。   The bottom 22b of the bearing shaft 22 is in contact with one cylindrical protrusion 18a of the protection ring 18, and the bottom 24b of the bearing shaft 24 is in contact with the other cylindrical protrusion 18b of the protection ring 18. The bottom portions 22b and 24b and the end surfaces 16a and 16b of the permanent magnet 16 are separated by distances S1 and S2, respectively.

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。   A foil type gas bearing 50 is provided which faces the outer peripheral surfaces of the bearing shafts 22 and 24 and holds the bearing shafts 22 and 24. The foil type gas bearing 50 includes journal air bearings 52 a and 52 b that hold the radial positions of the bearing shafts 22 and 24, and a thrust air bearing 54 that holds the axial position of the bearing shaft 22.

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。   The bearing shafts 22 and 24 constitute journal air bearings 52a and 52b, and are made of, for example, a nickel-based superalloy that is the same material as the protective ring 18. Each of the journal air bearings 52a and 52b includes ring members 56A and 56B that are arranged with a predetermined gap around the outer periphery of the bearing shafts 22 and 24.

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、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。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は、ロータ20側に向かってテーパ状又は円弧状に傾斜する傾斜ガイド面57a、57bを設ける。   The ring members 56A, 56B rotatably support the bearing shafts 22, 24, and are fixed to the impeller side bearing holder 57A and the thrust canceller side bearing holder 57B so as not to rotate. The impeller side bearing holder 57A and the thrust canceller side bearing holder 57B are provided with inclined guide surfaces 57a and 57b which are inclined in a tapered shape or an arc shape toward the rotor 20 side.

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。   As shown in FIG. 3, the corrugated bump foil 58 and the flat top foil 60 are arranged in this order on the inner peripheral surface 56 a of the ring member 56 </ b> A. The bump foil 58 is composed of one sheet or a plurality of sheets. One end 58a of the bump foil 58 is welded to the inner peripheral surface 56a of the ring member 56A, and the other end forms a free end. The top foil 60 has a flat plate curved in an annular shape, and one end 60a is welded to the inner peripheral surface 56a of the ring member 56A, while the other end is a free end. The ring member 56B is configured similarly to the ring member 56A described above.

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。   As shown in FIGS. 1 and 2, a large-diameter flange portion 62 constituting a thrust air bearing 54 is provided on the outer peripheral portion of the bearing shaft 22. Ring members 64a and 64b are arranged on both sides in the axial direction across the large-diameter flange portion 62.

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。   As shown in FIG. 4, the ring members 64 a and 64 b are provided with a corrugated bump foil 66 and a flat top foil 68 on the surfaces facing the large-diameter flange portion 62. A plurality of the bump foil 66 and the top foil 68 are arranged in an annular shape around the inner peripheral surfaces of the ring members 64a and 64b.

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。   As shown in FIG. 5, each bump foil 66 has one end 66a welded to the ring members 64a and 64b and the other end 66b constituting a free end. Each top foil 68 has one end 68a welded to the ring members 64a and 64b, while the other end 68b is a free end.

図2に示すように、インペラ26の外周端(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)。   As shown in FIG. 2, the outer peripheral end (axial end) 26 a of the impeller 26 is fitted coaxially with the cylindrical portion 22 a of the bearing shaft 22 (inlay structure). As for the bearing shafts 22 and 24, each bottom part 22b and 24b fits coaxially to the cylindrical projection parts 18a and 18b of the protection ring 18 (inlay structure).

筐体12は、インペラ26が収納されるスクロール70、スラストキャンセラシャフト38が収納されるキャンセラ室36、さらに一対のベアリングシャフト22、24及びステータ42が収納される中央ケーシング72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74が設けられる。   The housing 12 is provided with a scroll 70 in which the impeller 26 is accommodated, a canceller chamber 36 in which a thrust canceller shaft 38 is accommodated, a central casing 72 in which a pair of bearing shafts 22 and 24 and a stator 42 are accommodated, and the scroll. 70 is provided with a compressor outlet 74.

図1及び図2に示すように、筐体12内には、ロータ20の外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路76と、インペラ側ベアリングホルダ57Aの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側がインペラ26の外周端26aとスクロール70との隙間Sに連通し、且つ他端側が前記圧縮空気流通路76の入口側に連通する導入側通路78と、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ57Bに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路76の出口側に連通し、且つ他端側がキャンセラ室36に連通する導出側通路80とが形成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the housing 12, the compressed air flow passage 76 through which the compressed air flows in contact with the outer surface of the rotor 20 and the outer peripheral side of the impeller side bearing holder 57A are described above. The compressed air is circulated, an introduction side passage 78 having one end side communicating with the clearance S between the outer peripheral end 26a of the impeller 26 and the scroll 70, and the other end side communicating with the inlet side of the compressed air flow passage 76, a thrust Provided in the canceller side bearing holder 57 </ b> B is formed an outlet side passage 80 having one end communicating with the outlet side of the compressed air flow passage 76 and the other end communicating with the canceller chamber 36.

インペラ側ベアリングホルダ57Aには、導入側通路78を構成する通路部82が形成される一方、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ57Bには、導出側通路80を構成する通路部84が形成される。   The impeller side bearing holder 57A is formed with a passage portion 82 constituting the introduction side passage 78, while the thrust canceller side bearing holder 57B is formed with a passage portion 84 constituting the outlet side passage 80.

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。   The operation of the centrifugal compressor 10 configured as described above will be described below.

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。   First, by energizing the stator 42 constituting the electric motor, the permanent magnet 16 and the protective ring 18 constituting the rotor 20 rotate integrally with the tension shaft 30. For this reason, the impeller 26 held by the tension shaft 30 rotates at a relatively high speed, and air is sucked from the atmosphere via the centrifugal compressor 28.

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。   The air sucked by the impeller 26 is pumped by the centrifugal compressor 28 and is sent to, for example, an oxidant gas supply system of a fuel cell (not shown). Fuel gas (hydrogen gas) is supplied to the fuel cell from a fuel gas supply system (not shown). Therefore, power generation is performed by a reaction between air supplied to the cathode side and hydrogen supplied to the anode side.

この場合、第1の実施形態では、遠心圧縮部28により吸引される空気の一部は、インペラ26の外周端26aとスクロール70との隙間Sに導入され、この隙間Sに連通する導入側通路78に沿って流通する。導入側通路78では、圧縮空気がインペラ側ベアリングホルダ57Aの外周側に沿って流通し、通路部82を通ってこのインペラ側ベアリングホルダ57Aに形成されている傾斜ガイド面57aの案内作用下に、ロータ20側に向かって流通する。   In this case, in the first embodiment, a part of the air sucked by the centrifugal compressor 28 is introduced into the gap S between the outer peripheral end 26a of the impeller 26 and the scroll 70, and the introduction side passage communicating with the gap S is provided. 78 is distributed. In the introduction side passage 78, the compressed air flows along the outer peripheral side of the impeller side bearing holder 57A, and passes through the passage portion 82 under the guiding action of the inclined guide surface 57a formed in the impeller side bearing holder 57A. It circulates toward the rotor 20 side.

導入側通路78は、圧縮空気流通路76の入口側に連通している。このため、圧縮空気は、圧縮空気流通路76に沿って矢印A2方向に移動しながら、ロータ20の外表面を冷却する。圧縮空気流通路76の出口側には、導出側通路80が連通しており、圧縮空気は、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ57Bの傾斜ガイド面57bから通路部84を通って、キャンセラ機構34のキャンセラ室36内に導入される。   The introduction side passage 78 communicates with the inlet side of the compressed air flow passage 76. For this reason, the compressed air cools the outer surface of the rotor 20 while moving in the arrow A2 direction along the compressed air flow passage 76. The outlet side passage 80 communicates with the outlet side of the compressed air flow passage 76, and the compressed air passes from the inclined guide surface 57 b of the thrust canceller side bearing holder 57 B through the passage portion 84 to the canceller chamber of the canceller mechanism 34. 36.

従って、圧縮空気は、キャンセラ室36内でキャンセラ圧力を発生させ、スラストキャンセラシャフト38は、前記キャンセラ室36内で矢印A2方向に付勢される。このため、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が、有効に緩和される。   Therefore, the compressed air generates a canceller pressure in the canceller chamber 36, and the thrust canceller shaft 38 is urged in the direction of the arrow A2 in the canceller chamber 36. For this reason, the thrust force generated in the direction of the arrow A1 when the rotary shaft unit 14 rotates is effectively reduced.

このように、第1の実施形態では、インペラ26が回転する際に、このインペラ26の外周端26aとスクロール70との隙間Sから漏れた圧縮空気は、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を冷却するための冷却空気として利用することができるとともに、キャンセラ室36に導入されてキャンセル圧力を発生させる加圧空気として利用することが可能になる。   As described above, in the first embodiment, when the impeller 26 rotates, the compressed air leaked from the clearance S between the outer peripheral end 26a of the impeller 26 and the scroll 70 is the bearing shaft 22, the rotor 20, and the bearing shaft 24. Can be used as cooling air for cooling the air, and can also be used as pressurized air that is introduced into the canceller chamber 36 to generate a cancel pressure.

これにより、回転軸ユニット14の回転により発生する圧縮空気を、可及的に有効利用することができ、遠心型圧縮機10全体の効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。   Thereby, the compressed air generated by the rotation of the rotary shaft unit 14 can be effectively used as much as possible, and the effect of easily improving the efficiency of the entire centrifugal compressor 10 can be obtained.

また、筐体12内部の圧力は、キャンセラ室36内の圧力と同一圧力に維持されている。このため、空気の粘度が上がり、特に、フォイル式気体軸受50では、空気膜の形成能力が向上して安定した回転に寄与することができるという利点がある。   Further, the pressure inside the housing 12 is maintained at the same pressure as the pressure inside the canceller chamber 36. For this reason, the viscosity of air rises, and in particular, the foil type gas bearing 50 has the advantage that the ability to form an air film is improved and it can contribute to stable rotation.

図6は、本発明の第2の実施形態に係る遠心型圧縮機90の断面説明図である。   FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of a centrifugal compressor 90 according to the second embodiment of the present invention.

なお、第1の実施形態に係る遠心型圧縮機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。   In addition, the same referential mark is attached | subjected to the component same as the centrifugal compressor 10 which concerns on 1st Embodiment, and the detailed description is abbreviate | omitted.

遠心型圧縮機90は、筐体92を備えるとともに、前記筐体92内には、一端側がインペラ26の外周端26aとスクロール70との隙間Sに連通し、且つ他端側が圧縮空気流通路76に連通する導入側通路94が形成される。導入側通路94は、冷却水流路48の外周に沿って延在する冷却用通路部94aを有する。この冷却用通路部94aは、冷却水流路48の外周に矢印A2方向に延在した後、折り返して矢印A1方向に平行に延在している。   The centrifugal compressor 90 includes a housing 92. In the housing 92, one end side communicates with the gap S between the outer peripheral end 26a of the impeller 26 and the scroll 70, and the other end side is a compressed air flow passage 76. An introductory side passage 94 is formed which communicates with. The introduction side passage 94 has a cooling passage portion 94 a extending along the outer periphery of the cooling water passage 48. The cooling passage portion 94a extends in the arrow A2 direction on the outer periphery of the cooling water passage 48, and then turns back and extends in parallel with the arrow A1 direction.

このように構成される第2の実施形態では、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に、導入側通路94に導入された圧縮空気は、冷却水流路48の外周に沿って延在する冷却用通路部94aを流通している。従って、圧縮空気は、冷却用通路部94aを流通することにより一旦冷却された後、導入側通路94から圧縮空気流通路76に供給されている。このため、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を冷却する直前の圧縮空気を予め冷却することができ、前記圧縮空気による冷却効果が一層向上するという利点がある。   In the second embodiment configured as described above, the same effects as those of the first embodiment described above can be obtained, and in particular, the compressed air introduced into the introduction side passage 94 is placed on the outer periphery of the cooling water passage 48. It circulates through the cooling passage portion 94a extending along. Therefore, the compressed air is once cooled by flowing through the cooling passage portion 94 a and then supplied from the introduction side passage 94 to the compressed air flow passage 76. For this reason, the compressed air immediately before cooling the bearing shaft 22, the rotor 20, and the bearing shaft 24 can be cooled in advance, and the cooling effect by the compressed air is further improved.

10、90…遠心型圧縮機 12、92…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…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
38…スラストキャンセラシャフト 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
57A…インペラ側ベアリングホルダ 57a、57b…傾斜ガイド面
57B…スラストキャンセラ側ベアリングホルダ
56a…内周面 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…中央ケーシング 76…圧縮空気流通路
78、94…導入側通路 80…導出側通路
82、84…通路部 94a…冷却用通路部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 90 ... Centrifugal compressor 12, 92 ... Case 14 ... Rotating shaft unit 16 ... Permanent magnet 18 ... Protective ring 20 ... Rotor 22, 24 ... Bearing shaft 22a, 24a ... Cylindrical shape part 22b, 24b ... Bottom part 26 ... Impeller 30 ... Tension shaft 32 ... Fixing member 34 ... Cancer mechanism 36 ... Cancer chamber 38 ... Thrust canceller shaft 42 ... Stator 46 ... Motor 48 ... Cooling water flow path 50 ... Foil type gas bearings 52a, 52b ... Journal air bearing 54 ... Thrust Air bearing 56A, 56B ... Ring member 57A ... Impeller side bearing holder 57a, 57b ... Inclined guide surface 57B ... Thrust canceller side bearing holder 56a ... Inner peripheral surface 58, 66 ... Bump foil 60, 68 ... Top foil 70 ... Scroll 72 ... Central casing 7 ... compressed air channels 78,94 ... introduction side passage 80 ... outlet side passage 82, 84 ... passage 94a ... cooling passage

Claims (4)

永久磁石を設けるロータ、前記ロータの軸方向両端部に設けられる一対のベアリングシャフト、一方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるインペラ、及び他方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるスラストキャンセラ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と、
一対の前記ベアリングシャフトを保持するインペラ側ベアリングホルダ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダと、
前記インペラが収納されるスクロール、前記スラストキャンセラシャフトが収納されるキャンセラ室、さらに一対の前記ベアリングシャフト及び前記ステータが収納される中央ケーシングを設ける筐体と、
を備える遠心型圧縮機であって、
前記筐体内には、前記ロータの外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路と、
前記インペラ側ベアリングホルダの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側が前記インペラの外周端と前記スクロールとの隙間に連通し且つ他端側が前記圧縮空気流通路の入口側に連通する導入側通路と、
前記スラストキャンセラ側ベアリングホルダに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路の出口側に連通し且つ他端側が前記キャンセラ室に連通する導出側通路と、
が形成され、前記圧縮空気が前記隙間から前記導入側通路、前記圧縮空気流通路、前記導出側通路及び前記キャンセラ室に向かって流通することを特徴とする遠心型圧縮機。
A rotor provided with a permanent magnet, a pair of bearing shafts provided at both axial ends of the rotor, an impeller provided at one end of the bearing shaft, and a thrust canceller shaft provided at an end of the other bearing shaft A rotating shaft unit comprising:
A stator facing the outer peripheral surface of the rotor;
An impeller side bearing holder and a thrust canceller side bearing holder for holding the pair of bearing shafts;
A housing for providing a scroll for storing the impeller, a canceller chamber for storing the thrust canceller shaft, and a central casing for storing the pair of bearing shafts and the stator;
A centrifugal compressor comprising:
In the housing, a compressed air flow passage through which compressed air flows in contact with the outer surface of the rotor;
The compressed air flows along the outer peripheral side of the impeller side bearing holder, one end side communicates with the gap between the outer peripheral end of the impeller and the scroll, and the other end side communicates with the inlet side of the compressed air flow passage. An introductory passage to
An outlet side passage provided in the thrust canceller side bearing holder, one end side communicating with the outlet side of the compressed air flow passage and the other end side communicating with the canceller chamber;
Is formed, and the compressed air flows from the gap toward the introduction side passage, the compressed air flow passage, the outlet side passage, and the canceller chamber.
請求項1記載の遠心型圧縮機において、前記インペラ側ベアリングホルダは、前記ロータ側に向かって傾斜し、前記導入側通路を流通する前記圧縮空気を前記圧縮空気流通路の入口側に向かって案内する傾斜ガイド面を設けることを特徴とする遠心型圧縮機。   2. The centrifugal compressor according to claim 1, wherein the impeller side bearing holder is inclined toward the rotor side and guides the compressed air flowing through the introduction side passage toward an inlet side of the compressed air flow passage. A centrifugal compressor characterized in that an inclined guide surface is provided. 請求項1又は2記載の遠心型圧縮機において、前記筐体は、前記ステータの外周に沿って冷媒流路を形成するとともに、
前記導入側通路は、前記冷媒流路の外周に沿って延在する冷却用通路部を有することを特徴とする遠心型圧縮機。
The centrifugal compressor according to claim 1 or 2, wherein the casing forms a refrigerant flow path along an outer periphery of the stator.
The centrifugal compressor according to claim 1, wherein the introduction side passage has a cooling passage portion extending along an outer periphery of the refrigerant flow path.
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、一対の前記ベアリングシャフトは、気体軸受を構成することを特徴とする遠心型圧縮機。   The centrifugal compressor according to any one of claims 1 to 3, wherein the pair of bearing shafts constitute a gas bearing.
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