JP2017210878A - 電動式ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸方向において回転軸におけるインペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受の圧縮後流体による熱影響を低減した電動式ターボ機械を提供すること。【解決手段】予圧ばね３５を収容する収容室３３を、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に設けた。これによれば、第１転がり軸受３１を、回転軸２０の軸方向においてインペラ２１に対して収容室３３分だけ遠くすることができる。したがって、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に収容室３３が設けられていない場合に比べて、第１転がり軸受３１の圧縮後の空気による熱影響が低減される。【選択図】図１

Description

本発明は、電動モータの駆動に伴う回転軸の回転によりインペラが回転する電動式ターボ機械に関する。

従来の電動式ターボ機械として、例えば、特許文献１に開示の軸受装置を備える電動圧縮機が知られている。この電動圧縮機は、ハウジングに、回転軸が回転可能に支持されており、回転軸の軸方向の一端側にはインペラが連結されている。また、このハウジングの内部には、回転軸を回転させる電動モータが収容されている。さらに、ハウジングには、流体が吸入される吸入口と、吸入口に連通するとともにインペラが収容されたインペラ室と、インペラによって圧縮された流体が吐出される吐出室と、インペラ室と吐出室とを連通するディフューザ流路と、が形成されている。

そして、電動モータを駆動させて回転軸を回転させるとインペラが回転し、その回転するインペラの遠心力によって吸入口から吸入された流体に速度エネルギーが与えられる。速度エネルギーが与えられて高速となった流体はインペラの出口に設けられたディフューザ流路にて減速され、流体の速度エネルギーが圧力エネルギーに変換される。そして、高圧となった流体は吐出室より吐出される。

また、この電動圧縮機は、回転軸の軸方向において回転軸におけるインペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受と、回転軸の軸方向において回転軸における第１転がり軸受よりもインペラから遠い部位を回転可能に支持する第２転がり軸受とを備えている。さらに、電動圧縮機は、第１転がり軸受及び第２転がり軸受の一方に対して回転軸の軸方向に予圧を付与する予圧ばねを備えている。

そして、この電動圧縮機においては、インペラが回転すると、インペラには、回転軸の軸方向において第２転がり軸受から第１転がり軸受に向かう方向へ回転軸を引っ張ろうとするスラスト力が発生する。このとき、第１転がり軸受及び第２転がり軸受は、回転軸を介してスラスト力を受けながら回転軸を回転可能に支持している。

特開２０１５−７４５１号公報

ところで、電動式ターボ機械においては、ディフューザ流路を通過後の圧縮された流体の温度は、インペラ通過前の流体の温度に比べて高温になっている。このため、回転軸の軸方向において回転軸におけるインペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受は、回転軸の軸方向において回転軸における第１転がり軸受よりもインペラから遠い部位を回転可能に支持する第２転がり軸受に比べて、圧縮後流体による熱影響を受け易い。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、回転軸の軸方向において回転軸におけるインペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受の圧縮後流体による熱影響を低減した電動式ターボ機械を提供することにある。

上記課題を解決する電動式ターボ機械は、ハウジングと、前記ハウジングに回転可能に支持される回転軸と、前記回転軸の軸方向の一端側に連結されるインペラと、前記ハウジングに収容されるとともに前記回転軸を回転させる電動モータと、前記回転軸の軸方向において前記回転軸における前記電動モータよりも前記インペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受と、前記回転軸の軸方向において前記回転軸における前記第１転がり軸受よりも前記インペラから遠い部位を回転可能に支持する第２転がり軸受と、前記ハウジング内において前記回転軸の軸方向における前記インペラと前記第１転がり軸受との間に設けられる収容室と、前記収容室に収容されるとともに前記第１転がり軸受に対して前記回転軸の軸方向に定圧予圧を付与する予圧ばねと、を備えた。

これによれば、第１転がり軸受を、回転軸の軸方向においてインペラに対して収容室分だけ遠くすることができる。よって、ハウジング内において回転軸の軸方向におけるインペラと第１転がり軸受との間に収容室が設けられていない場合に比べて、回転軸の軸方向において回転軸における電動モータよりもインペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受の圧縮後流体による熱影響を低減することができる。

上記電動式ターボ機械において、前記第１転がり軸受を保持するとともに前記回転軸との間に前記収容室を区画する第１軸受ケースを備え、前記予圧ばねは、前記回転軸の軸方向に変位可能に前記第１軸受ケースに保持される外輪に対して定圧予圧を付与することが好ましい。このような構成は、ハウジング内において回転軸の軸方向におけるインペラと第１転がり軸受との間に収容室を設ける構成として好適である。

上記電動式ターボ機械において、前記予圧ばねの付勢力は、前記インペラの最大回転時に該インペラに発生するスラスト力よりも大きいことが好ましい。これによれば、インペラの最大回転時においても、予圧ばねによって、第１転がり軸受に対して回転軸の軸方向に予圧を付与することができる。

この発明によれば、回転軸の軸方向において回転軸におけるインペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受の圧縮後流体による熱影響を低減した電動式ターボ機械を提供することができる。

実施形態における電動式ターボ機械を示す側断面図。 第１転がり軸受の周辺を拡大して示す側断面図。 第２転がり軸受の周辺を拡大して示す側断面図。 インペラの回転数とスラスト力との関係を示すグラフ。 インペラの回転数と第１転がり軸受に作用する荷重との関係を示すグラフ。

以下、電動式ターボ機械を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。なお、本実施形態の電動式ターボ機械は自動車のエンジンルームに搭載され、エンジンに流体としての空気を圧縮して供給するために用いられる電動過給機である。

図１に示すように、電動式ターボ機械１０のハウジング１１は、円板状の底壁１２ａと、底壁１２ａの外周縁から筒状に延設する周壁１２ｂとを有する有底筒状のモータハウジング１２を備えている。また、ハウジング１１は、モータハウジング１２の底壁１２ａの外面に連結される円板状の第１シールプレート１３と、モータハウジング１２の周壁１２ｂの開口部に連結される円板状の第２シールプレート１４とを備えている。さらに、ハウジング１１は、第１シールプレート１３におけるモータハウジング１２とは反対側に連結されるコンプレッサハウジング１５を備えている。モータハウジング１２、第１シールプレート１３、第２シールプレート１４及びコンプレッサハウジング１５はアルミニウム製である。

モータハウジング１２の底壁１２ａには、第１貫通孔１２ｈが形成されている。第１貫通孔１２ｈには、筒状の第１軸受ケース１６が取り付けられている。第２シールプレート１４には、第２貫通孔１４ｈが形成されている。第２貫通孔１４ｈには、筒状の第２軸受ケース１７が取り付けられている。第２軸受ケース１７の内周面には、円環状の係合部１７ａが突出している。第１軸受ケース１６及び第２軸受ケース１７は鉄製である。なお、ハウジング１１は、第２シールプレート１４に取り付けられたカバー１８を備えている。カバー１８は、第２軸受ケース１７を支持している。

電動式ターボ機械１０は、ハウジング１１に回転可能に支持される回転軸２０を備えている。回転軸２０は、第２軸受ケース１７内からモータハウジング１２内、第１軸受ケース１６内を通過するとともに第１シールプレート１３を貫通してコンプレッサハウジング１５内に突出している。本実施形態では、回転軸２０におけるコンプレッサハウジング１５内に突出している側が回転軸２０の軸方向の一端側に対応し、回転軸２０における第２軸受ケース１７側が回転軸２０の軸方向の他端側に対応する。回転軸２０の軸方向の一端側にはインペラ２１が連結されている。

モータハウジング１２の底壁１２ａ及び周壁１２ｂと第２シールプレート１４とで囲まれた空間には、回転軸２０を回転させる電動モータ２２が収容されている。電動モータ２２は、回転軸２０と一体的に回転するロータ２２ａと、ロータ２２ａを取り囲むとともにコイル２２ｃが捲回されたステータ２２ｂとを備えている。回転軸２０は、コイル２２ｃに電流が供給されることによりロータ２２ａと一体的に回転する。

図２に示すように、回転軸２０は、第１軸受ケース１６内を通過する第１小径部２０ａと、第１小径部２０ａよりも電動モータ２２寄りに設けられるとともに第１小径部２０ａよりも外径が大きい第１大径部２０ｂと、回転軸２０の径方向に延びて第１小径部２０ａと第１大径部２０ｂとを繋ぐ円環状の第１段差部２０ｃとを有する。

電動式ターボ機械１０は、回転軸２０の軸方向において回転軸２０における電動モータ２２よりもインペラ２１に近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受３１を備えている。第１転がり軸受３１は、回転軸２０の第１小径部２０ａと第１軸受ケース１６との間に介在されるとともに、回転軸２０の軸方向において、第１軸受ケース１６内における第１シールプレート１３とは反対側の端部に配置されている。

第１転がり軸受３１は、第１外輪３１ａと第１内輪３１ｂとの間に転動体である第１玉３１ｃ（第１ボール）が複数配置されることにより構成されており、複数の第１玉３１ｃは第１保持部３１ｄにより保持されている。第１外輪３１ａは第１軸受ケース１６の内周面に対して隙間嵌めになっているとともに、第１内輪３１ｂは回転軸２０の第１小径部２０ａに対して圧入されている。よって、第１外輪３１ａは、回転軸２０の軸方向に変位可能に第１軸受ケース１６に保持される外輪である。第１軸受ケース１６は、第１転がり軸受３１を保持している。回転軸２０の軸方向において、第１外輪３１ａと第１内輪３１ｂとの間における両開口は、第１シール部材３１ｅによって塞がれている。そして、第１外輪３１ａの内周面、第１内輪３１ｂの外周面及び両第１シール部材３１ｅによって囲まれた空間にグリース３１ｇが封入されている。よって、第１転がり軸受３１は、グリース３１ｇが封入されたアンギュラ玉軸受である。

図３に示すように、回転軸２０は、第２軸受ケース１７内を通過する第２小径部２０ｄと、第２小径部２０ｄよりも電動モータ２２寄りに設けられるとともに第２小径部２０ｄよりも外径が大きい第２大径部２０ｅと、回転軸２０の径方向に延びて第２小径部２０ｄと第２大径部２０ｅとを繋ぐ円環状の第２段差部２０ｆとを有する。

電動式ターボ機械１０は、回転軸２０の軸方向において回転軸２０における第１転がり軸受３１よりもインペラ２１から遠い部位を回転可能に支持する第２転がり軸受３２を備えている。第２転がり軸受３２は、回転軸２０の第２小径部２０ｄと第２軸受ケース１７との間に介在されている。

第２転がり軸受３２は、第２外輪３２ａと第２内輪３２ｂとの間に転動体である第２玉３２ｃ（第２ボール）が複数配置されることにより構成されており、複数の第２玉３２ｃは第２保持部３２ｄにより保持されている。第２外輪３２ａは第２軸受ケース１７の内周面に対して圧入されているとともに、第２内輪３２ｂは回転軸２０の第２小径部２０ｄに対して圧入されている。回転軸２０の軸方向において、第２外輪３２ａと第２内輪３２ｂとの間における両開口は、第２シール部材３２ｅによって塞がれている。そして、第２外輪３２ａの内周面、第２内輪３２ｂの外周面及び両第２シール部材３２ｅによって囲まれた空間にグリース３２ｇが封入されている。よって、第２転がり軸受３２は、グリース３２ｇが封入されたアンギュラ玉軸受である。

図２に示すように、第１軸受ケース１６内において回転軸２０の軸方向における第１転がり軸受３１と第１シールプレート１３との間には収容室３３が設けられている。よって、収容室３３は、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に設けられている。第１軸受ケース１６は、収容室３３を区画する。収容室３３には、円環状のワッシャ３４及び予圧ばね３５が収容されている。

予圧ばね３５の軸方向一端は第１シールプレート１３に当接するとともに、予圧ばね３５の軸方向他端はワッシャ３４を介して第１転がり軸受３１の第１外輪３１ａの端面に当接している。予圧ばね３５は、回転軸２０の軸方向に圧縮された状態で第１シールプレート１３とワッシャ３４との間に配置されている。そして、予圧ばね３５は、圧縮された予圧ばね３５の原形状へ復帰しようとする力によって回転軸２０の軸方向においてインペラ２１とは反対側へ第１転がり軸受３１を付勢している。よって、予圧ばね３５は、第１転がり軸受３１に対して回転軸２０の軸方向に定圧予圧を付与する。予圧ばね３５における第１転がり軸受３１に作用する付勢力Ｆ１の方向は、回転軸２０の軸方向においてインペラ２１とは反対側に向いている。

予圧ばね３５の付勢力Ｆ１は、ワッシャ３４を介して第１外輪３１ａに伝達される。したがって、予圧ばね３５は、第１外輪３１ａに対して定圧予圧を付与する。第１外輪３１ａに伝達された付勢力は、第１玉３１ｃを介して第１内輪３１ｂに伝達されて第１内輪３１ｂが回転軸２０の軸方向においてインペラ２１とは反対側に押圧される。そして、第１内輪３１ｂが回転軸２０の第１段差部２０ｃに当接するとともに、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１が第１内輪３１ｂから回転軸２０に伝達され、回転軸２０が回転軸２０の軸方向においてインペラ２１とは反対側に向けて移動しようとする。

図３に示すように、回転軸２０の第２段差部２０ｆは、第２転がり軸受３２の第２内輪３２ｂに当接しており、第２玉３２ｃは、第２内輪３２ｂによって回転軸２０に軸方向においてインペラ２１とは反対側に押し付けられて、第２外輪３２ａを押圧する。そして、第２外輪３２ａは、第２玉３２ｃに押し付けられることにより、第２軸受ケース１７の係合部１７ａに当接している。

図１に示すように、コンプレッサハウジング１５は、空気（新気）が吸入される吸入口１５ａと、吸入口１５ａに連通するとともにインペラ２１が収容されたインペラ室１５ｂと、インペラ２１によって圧縮された空気が吐出される吐出室１５ｃと、インペラ室１５ｂと吐出室１５ｃとを連通するディフューザ流路１５ｄとを有している。そして、電動モータ２２を駆動させて回転軸２０を回転させるとインペラ２１が回転し、その回転するインペラ２１の遠心力によって吸入口１５ａから吸入された空気に速度エネルギーが与えられる。速度エネルギーが与えられて高速となった空気はインペラ２１の出口に設けられたディフューザ流路１５ｄにて減速され、流体の速度エネルギーが圧力エネルギーに変換される。そして、高圧となった空気は吐出室１５ｃより吐出され、図示しないエンジンに供給される。

電動式ターボ機械１０において、インペラ２１の回転時には、インペラ２１に、回転軸２０の軸方向において第２転がり軸受３２から第１転がり軸受３１に向かう方向へ回転軸２０を引っ張ろうとするスラスト力Ｆ２が発生する。スラスト力Ｆ２の方向は、予圧ばね３５における第１転がり軸受３１に作用する付勢力Ｆ１の方向とは反対方向である。第１転がり軸受３１及び第２転がり軸受３２は、回転軸２０を介してスラスト力Ｆ２を受けながら回転軸２０を回転可能に支持している。

図４に示すように、スラスト力Ｆ２は、インペラ２１の回転数（回転軸２０の回転数）が上昇するにつれて大きくなっていく。なお、スラスト力Ｆ２は、インペラ２１の外径や電動式ターボ機械１０に要求される目標過給圧などによって決まる。本実施形態では、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１は、スラスト力Ｆ２の最大値よりも大きい。ここで、スラスト力Ｆ２の最大値とは、電動式ターボ機械１０に要求される目標過給圧の最大値、すなわち、インペラ２１の回転数が最大回転数のときにインペラ２１に発生するスラスト力Ｆ２の値である。

次に、本実施形態の作用について説明する。
ところで、電動式ターボ機械１０においては、インペラ２１通過後の空気は、インペラ２１通過前の空気に比べて高温高圧になる。このため、回転軸２０の軸方向において回転軸２０における電動モータ２２よりもインペラ２１に近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受３１は、第２転がり軸受３２に比べて、圧縮後の空気による熱影響を受け易い。

本実施形態では、第１転がり軸受３１に定圧予圧を付与する予圧ばね３５を収容する収容室３３を、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に設けたので、第１転がり軸受３１を、回転軸２０の軸方向においてインペラ２１に対して収容室３３分だけ遠くに配置することができる。よって、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に収容室３３が設けられていない場合に比べて、第１転がり軸受３１の圧縮後の空気による熱影響が低減される。

図５では、第１転がり軸受３１に対して予圧ばね３５の付勢力Ｆ１の方向に作用する荷重を、第１転がり軸受３１に作用する正の荷重とし、第１転がり軸受３１に対してスラスト力Ｆ２の方向に作用する荷重を、第１転がり軸受３１に作用する負の荷重としている。図５に示すように、インペラ２１（回転軸２０）が回転しておらず、インペラ２１にスラスト力Ｆ２が発生していないとき、第１転がり軸受３１に作用する荷重は、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１に基づく荷重である。そして、インペラ２１が回転して、インペラ２１にスラスト力Ｆ２が発生すると、スラスト力Ｆ２の方向が、予圧ばね３５における第１転がり軸受３１に作用する付勢力Ｆ１の方向とは反対方向であるため、スラスト力Ｆ２と予圧ばね３５の付勢力Ｆ１とが打ち消し合うことになる。インペラ２１の回転数が上昇するにつれて、インペラ２１に発生するスラスト力Ｆ２が大きくなっていくため、結果として、第１転がり軸受３１に作用する荷重は減少していく。

ここで、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１は、インペラ２１の最大回転時にインペラ２１に発生するスラスト力Ｆ２よりも大きくなるように設定されているため、インペラ２１の最大回転時においても、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１からスラスト力Ｆ２を差し引いた荷重が第１転がり軸受３１に予圧として作用している。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）予圧ばね３５を収容する収容室３３を、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に設けた。これによれば、第１転がり軸受３１を、回転軸２０の軸方向においてインペラ２１に対して収容室３３分だけ遠くすることができる。したがって、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に収容室３３が設けられていない場合に比べて、第１転がり軸受３１の圧縮後の空気による熱影響を低減することができる。

（２）電動式ターボ機械１０は、第１転がり軸受３１を保持するとともに回転軸２０との間に収容室３３を区画する第１軸受ケース１６を備える。予圧ばね３５は、回転軸２０の軸方向に変位可能に第１軸受ケース１６に保持される第１外輪３１ａに対して定圧予圧を付与する。このような構成は、ハウジング１１内において回転軸２０の軸方向におけるインペラ２１と第１転がり軸受３１との間に収容室３３を設ける構成として好適である。

（３）予圧ばね３５の付勢力Ｆ１が、インペラ２１の最大回転時にインペラ２１に発生するスラスト力Ｆ２よりも大きい。これによれば、インペラ２１の最大回転時においても、予圧ばね３５によって、第１転がり軸受３１に対して回転軸２０の軸方向に予圧を付与することができる。

（４）本実施形態によれば、インペラ２１が高速で回転しているときに予圧ばね３５の付勢力Ｆ１にスラスト力Ｆ２が加算されて第１転がり軸受３１に過度な予圧がかかってしまうことが防止される。第１転がり軸受３１に過度な予圧がかかってしまうと、第１転がり軸受３１の寿命低下や異常発熱、さらには、回転トルクの増大などを招いてしまうが、本実施形態ではそのような虞は無い。

（５）予圧ばね３５は、電動式ターボ機械１０において既存の構成であり、予圧ばね３５を収容する収容室３３は、電動式ターボ機械１０において必要な構成である。本実施形態では、この既存の構成の配置を変更することにより、第１転がり軸受３１の圧縮後の空気による熱影響を低減している。よって、例えば、第１転がり軸受３１を冷却するための冷却構造をハウジング１１に別途設けたりすることで、ハウジング１１の構成が複雑化してしまうといったことが無く、簡素な構成で、第１転がり軸受３１の圧縮後の空気による熱影響を低減することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１が、インペラ２１の最大回転時にインペラ２１に発生するスラスト力Ｆ２と同じであってもよいし、予圧ばね３５の付勢力Ｆ１が、インペラ２１の最大回転時にインペラ２１に発生するスラスト力Ｆ２よりも小さくてもよい。

○ 実施形態において、第１転がり軸受３１及び第２転がり軸受３２は、ころ軸受であってもよい。
○ 実施形態において、電動式ターボ機械１０は、例えば、空調装置の一部を構成するとともに流体としての冷媒を圧縮する電動圧縮機として用いられてもよい。

１０…電動式ターボ機械、１１…ハウジング、１６…第１軸受ケース、２０…回転軸、２１…インペラ、２２…電動モータ、３１…第１転がり軸受、３１ａ…外輪である第１外輪、３２…第２転がり軸受、３３…収容室、３５…予圧ばね。

Claims (3)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに回転可能に支持される回転軸と、
   前記回転軸の軸方向の一端側に連結されるインペラと、
   前記ハウジングに収容されるとともに前記回転軸を回転させる電動モータと、
   前記回転軸の軸方向において前記回転軸における前記電動モータよりも前記インペラに近い部位を回転可能に支持する第１転がり軸受と、
   前記回転軸の軸方向において前記回転軸における前記第１転がり軸受よりも前記インペラから遠い部位を回転可能に支持する第２転がり軸受と、
   前記ハウジング内において前記回転軸の軸方向における前記インペラと前記第１転がり軸受との間に設けられる収容室と、
   前記収容室に収容されるとともに前記第１転がり軸受に対して前記回転軸の軸方向に定圧予圧を付与する予圧ばねと、を備えたことを特徴とする電動式ターボ機械。
2. 前記第１転がり軸受を保持するとともに前記回転軸との間に前記収容室を区画する第１軸受ケースを備え、
   前記予圧ばねは、前記回転軸の軸方向に変位可能に前記第１軸受ケースに保持される外輪に対して定圧予圧を付与することを特徴とする請求項１に記載の電動式ターボ機械。
3. 前記予圧ばねの付勢力は、前記インペラの最大回転時に該インペラに発生するスラスト力よりも大きいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動式ターボ機械。

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