JP2011202589A - Centrifugal compressor - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (4)
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.
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.
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