JP2020033875A - 圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮装置における冷却効率を高める。【解決手段】圧縮装置１０は、第１流路１１０に設けられ、第１流路を流れる空気を圧縮する第１インペラ１１と、第１インペラが接続された回転軸３１と、回転軸に取り付けられたロータ３３と、ロータの外周面に対向して配置されたステータ３４と、を備えるモータ３０と、第１インペラを収容せずモータを収容し、回転軸が貫通するモータハウジング５０であって、モータハウジング外の空気をモータハウジング内に導入するための導入孔５３と、モータハウジング内の空気をモータハウジング外へ排出するための排出孔５４と、を備えるモータハウジングと、排出孔から排出された空気が流れる第２流路１２０と、第１流路における第１インペラよりも上流側に設けられ、第２流路と接続されたエゼクタ７０と、を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、圧縮装置に関する。

特許文献１には、コンプレッサインペラと、タービンインペラと、コンプレッサインペラとタービンインペラが取り付けられた回転軸を回転させるモータと、モータを収容するモータケーシングと、を備えるコンプレッサが記載されている。モータケーシングには、コンプレッサインペラにより圧縮された空気を、回転軸を支持する空気動圧軸受部に導入するための導入流路と、空気動圧軸受部を流通した空気をタービンインペラに供給するための排出流路と、が形成されている。特許文献１記載のコンプレッサでは、導入流路から空気動圧軸受部を通り排出流路から排出される空気によって、空気動圧軸受部及びモータケーシングを冷却させている。

特開２０１３−００８４４５号公報

しかし、空気が圧縮される際に空気の温度が上昇するため、特許文献１記載のコンプレッサでは、十分な冷却効果が得られない場合があった。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、圧縮装置が提供される。この圧縮装置は、第１流路に設けられ、前記第１流路を流れる空気を圧縮する第１インペラと、前記第１インペラが接続された回転軸と、前記回転軸に取り付けられたロータと、前記ロータの外周面に対向して配置されたステータと、を備えるモータと、前記第１インペラを収容せず前記モータを収容し、前記回転軸が貫通するモータハウジングであって、前記モータハウジング外の空気を前記モータハウジング内に導入するための導入孔と、前記モータハウジング内の空気を前記モータハウジング外へ排出するための排出孔と、を備えるモータハウジングと、前記排出孔から排出された空気が流れる第２流路と、前記第１流路における前記第１インペラよりも上流側に設けられ、前記第２流路と接続されたエゼクタと、を有する。

この形態の圧縮装置によれば、エゼクタにより、導入孔からモータハウジング内を通り、排出孔から第２流路へ流れる気流が形成される。そのため、導入孔から導入される外気によりモータハウジング内のモータを含む部品を冷却することができる。したがって、圧縮された空気によってモータハウジング内の部品を冷却する場合と比較して、冷却効率を高めることができる。

本開示は、上述した圧縮装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、圧縮装置の冷却方法等の形態で実現することができる。

第１実施形態における圧縮装置の概略断面図。 第２実施形態における圧縮装置の概略断面図。 第３実施形態における圧縮装置の概略断面図。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態における圧縮装置１０の概略断面図である。圧縮装置１０は、いわゆる遠心式電動コンプレッサである。本実施形態において、圧縮装置１０は、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック１５０に、圧縮された空気を供給する。

圧縮装置１０は、第１インペラ１１と、モータ３０と、モータ３０を収容するモータハウジング５０と、エゼクタ７０と、第２流路１２０と、を備える。圧縮装置１０は、更に、第２インペラ２１と、スラストベアリング４０と、ラジアルベアリング４３、４４及びベアリングケース４５、４６と、を備える。図１には、圧縮装置１０に加え、圧縮装置１０と接続される第１流路１１０及び第３流路１３０と、燃料電池スタック１５０とが示されている。図１には、相互に略直交するＸＹＺ軸が図示されている。Ｙ軸方向は鉛直方向である。Ｚ軸方向は、モータ３０の備える回転軸３１の軸方向である。なお、図１は、圧縮装置１０の技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各部の寸法を正確に示すものではない。

第１流路１１０は、大気開放口と燃料電池スタック１５０とを接続する。第１流路１１０は、燃料電池スタック１５０へ供給される空気が流れる流路である。第３流路１３０は、燃料電池スタック１５０と大気開放口とを接続する。第３流路１３０は、燃料電池スタック１５０から排出される排気が流れる流路である。

第１インペラ１１は、第１流路１１０に設けられた回転体である。第１インペラ１１は、モータ３０の有する回転軸３１の一方の端部ｅ１に接続され、モータ３０によって回転される。本実施形態では、第１インペラ１１は、第１流路１１０に形成された第１インペラ収容部１５内に配置されている。第１インペラ１１は、回転することにより第１インペラ収容部１５内で空気を圧縮して、燃料電池スタック１５０へ送り出す。第１インペラ１１は、コンプレッサホイールとも呼ばれる。

第２インペラ２１は、第３流路１３０に設けられた回転体である。第２インペラ２１は、回転軸３１の他方の端部ｅ２に接続されている。本実施形態では、第２インペラ２１は、第３流路１３０に形成された第２インペラ収容部２５内に配置されている。第２インペラ２１は、第３流路１３０を流れる排気によって回転されることで、回転軸３１を回転させる。第２インペラ２１は、タービンホイールとも呼ばれる。

モータ３０は、第１インペラ１１を回転させる電動機である。モータ３０は、第１インペラ１１と第２インペラ２１の間に位置し、モータハウジング５０内に収容されている。モータ３０は、回転軸３１と、回転軸３１に取り付けられたロータ３３と、コイルを備えロータ３３の外周面に対向して配置されたステータ３４とを有する。ロータ３３の表面には磁石が設けられており、ロータ３３は、回転軸３１と一体に回転する。ステータ３４は、電力を供給されてロータ３３を回転させる。本実施形態では、回転軸３１は、回転軸３１の径方向に突出するフランジ３２を備えている。

モータ３０は、図示しない制御装置により通電される。制御装置は、燃料電池スタック１５０への発電要求に応じてモータ３０の回転数を制御することで、圧縮装置１０に燃料電池スタック１５０の発電量に応じた圧力を発生させる。回転数は、モータハウジング５０内の第２インペラ２１側に配置された、レゾルバ６０によって検出される。

スラストベアリング４０は、回転軸３１を回転可能に支持し、軸方向に働く力を受け止める空気軸受である。スラストベアリング４０は、フォイル軸受とも呼ばれる。スラストベアリング４０は、回転軸３１が挿通された回転子４１と、モータハウジング５０に固定された固定子４２とを備える。図１に示すように、スラストベアリング４０は、回転軸３１のフランジ３２と第１インペラ１１の間に配置されている。回転子４１は、第１インペラ１１の背面と回転軸３１のフランジ３２とに接触しており、回転軸３１と一体に回転する。

ラジアルベアリング４３、４４は、回転軸３１を回転可能に支持し、軸方向に垂直な方向に働く力を受け止める空気軸受である。ラジアルベアリング４３、４４は、フォイル軸受とも呼ばれる。ラジアルベアリング４３、４４には回転軸３１が挿通されており、それぞれロータ３３に接触する。具体的には、ラジアルベアリング４３は、モータハウジング５０内における第１インペラ１１側に位置し、回転軸３１のフランジ３２とロータ３３とに接触する。ラジアルベアリング４４は、モータハウジング５０内における第２インペラ２１側に位置し、ロータ３３とレゾルバ６０とに接触する。ラジアルベアリング４３は、モータハウジング５０内における第１インペラ１１側に配置されたベアリングケース４５に収容されている。ラジアルベアリング４４は、モータハウジング５０内における第２インペラ２１側に配置されたベアリングケース４６に収容されている。

モータハウジング５０は、内部に、モータ３０と、ラジアルベアリング４３、４４と、ベアリングケース４５、４６とを収容し、回転軸３１が貫通する筐体である。モータハウジング５０の図１における−Ｚ方向側においては、回転軸３１の一方の端部ｅ１が第１インペラ収容部１５に突出している。モータハウジング５０の図１における＋Ｚ方向側においては、回転軸３１の他方の端部ｅ２が第２インペラ収容部２５に突出している。モータハウジング５０には、モータハウジング５０内に向かって突出する環状の凸部５２が形成されている。環状の凸部５２の内側には、ベアリングケース４５、４６が嵌め込まれて固定されている。モータハウジング５０は、ベアリングハウジングとも呼ばれる。

モータハウジング５０を形成する壁部５１には、導入孔５３と排出孔５４とが形成されている。導入孔５３は図１における＋Ｙ方向に設けられており、排出孔５４は図１における−Ｙ方向に設けられている。排出孔５４は、後述する第２流路１２０と接続されている。導入孔５３は、モータハウジング５０外の空気（外気）をモータハウジング５０内に導入するための孔である。排出孔５４は、モータハウジング５０内の空気をモータハウジング５０外へ排出するための孔である。

第２流路１２０は、排出孔５４とエゼクタ７０の吸引孔７１とを接続する流路である。第２流路１２０には、モータハウジング５０内から排出孔５４を介して排出された空気が流れる。

エゼクタ７０は、第１流路１１０における第１インペラ１１よりも上流側に設けられている。エゼクタ７０は、ノズル部分のベンチュリ効果により、ノズル部分に接続された吸引孔７１を介して、排出孔５４から排出されて第２流路１２０を流れる空気を吸い込む。エゼクタ７０は、第１インペラ１１よりも上流側の空気を駆動流体とし、第２流路１２０を流れる空気を吸引孔７１から吸引して、第１インペラ１１に向けて吐出する。エゼクタ７０は、第１インペラ１１よりも上流側における第１流路１１０を流れる空気と、第２流路１２０を流れる空気と、の混合気体が第１インペラ１１側へ流れる流路でもある。

この形態によれば、モータハウジング５０は、導入孔５３と、第２流路１２０と接続された排出孔５４と、を備える。また、圧縮装置１０には、第１流路１１０における第１インペラ１１よりも上流側に、第２流路１２０と接続されたエゼクタ７０が設けられている。そのため、エゼクタ７０により、図１に実線矢印で示すように、導入孔５３からモータハウジング５０内を通り、排出孔５４から第２流路１２０へ流れる気流が形成される。したがって、導入孔５３から導入される外気によりモータハウジング５０内のモータ３０を含む部品を冷却することができる。そのため、圧縮された空気によってモータハウジング５０内の部品を冷却する場合と比較して、冷却効率を高めることができる。

この形態によれば、オイルを用いることなくモータハウジング５０内の部品を冷却することができる。圧縮装置１０から第１インペラ１１側へオイルが流出した場合には、第１インペラ１１によって圧縮され燃料電池スタック１５０に送られる圧縮空気にオイルが混入するおそれがある。しかし、この形態によれば、圧縮空気にオイルが混入するおそれを排除することができる。

Ｂ．第２実施形態
図２は、第２実施形態における圧縮装置１０ａの概略断面図である。図２及び以降の説明では、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を用い、説明を省略する。本実施形態における圧縮装置１０ａが第１実施形態における圧縮装置１０と異なる主な点は、モータ３０ａの備えるステータ３４ａ内にステータ流路３９が形成されている点である。

ステータ流路３９は、モータハウジング５０ａ内に導入された外気をステータ３４ａ内に流通させて、ステータ３４ａ及びロータ３３を冷却するための流路である。本実施形態では、ステータ流路３９は、図２に示す＋Ｙ方向及び−Ｙ方向においてモータハウジング５０ａに近接する開口を有している。モータハウジング５０ａにおいて、図２における＋Ｙ方向であってステータ流路３９の＋Ｙ方向における開口付近には、外気をモータハウジング５０ａ内に導入するための導入孔５３ａが形成されている。モータハウジング５０ａにおいて、図２における−Ｙ方向であってステータ流路３９の−Ｙ方向における開口付近には、モータハウジング５０ａ内の空気を第２流路１２０に排出するための排出孔５４ａが形成されている。

圧縮装置１０ａでは、ステータ３４ａ内にステータ流路３９が形成されているため、エゼクタ７０により、図２に実線矢印で示すように、導入孔５３ａからステータ３４ａ内を通り排出孔５４ａから第２流路１２０へ流れる気流が形成される。なお、圧縮装置１０ａにおいて、図１に実線矢印で示した気流も発生するが、図示は省略する。

この形態によれば、導入孔５３ａから導入される外気により、ステータ３４ａの内部を冷却することができる。そのため、第１実施形態の効果を奏するのに加え、ステータ３４ａの冷却効率をより高めることができる。

Ｃ．第３実施形態
図３には、第３実施形態における圧縮装置１０ｂの概略断面図が示されている。本実施形態における圧縮装置１０ｂが第１実施形態における圧縮装置１０と異なる点は、モータハウジング５０ｂの壁部５１のうち、モータ３０ｂの備えるステータ３４ｂに対向する部分に、冷媒流路５９が形成されている点である。冷媒流路５９には、図示しない循環ポンプにより、冷媒が循環される。冷媒は例えば水である。冷媒流路５９は、モータハウジング５０ｂの内部に圧入されたステータ３４ｂを冷却する。本実施形態における圧縮装置１０ｂのその他の構成は、第１実施形態における圧縮装置１０と同様であるため説明を省略する。

この形態によれば、第１実施形態の効果を奏するのに加え、冷媒流路５９を流れる冷媒によってステータ３４ｂを冷却することができる。

Ｄ．他の実施形態
Ｄ１．他の実施形態１
圧縮装置１０、１０ａ、１０ｂは、燃料電池スタック１５０に限らず、エンジン等、他の装置へ圧縮された空気を供給してもよい。

Ｄ２．他の実施形態２
圧縮装置１０、１０ａ、１０ｂは第２インペラ２１を備えていなくともよい。また、回転軸３１はフランジ３２を備えていなくともよく、回転子４１は、フランジ３２に代えて、例えば、回転軸３１に挿通されたスペーサに接触していてもよい。

Ｄ３．他の実施形態３
上記種々の実施形態におけるスラストベアリング４０、ラジアルベアリング４３、４４は、フォイル軸受である。これに代えて、スラストベアリング４０、ラジアルベアリング４３、４４は、磁気軸受や、グリス封入型のボールベアリングであってもよい。

Ｄ４．他の実施形態４
上記第２実施形態において、ステータ３４ａは、導入孔５３ａ及び排出孔５４ａとステータ流路３９とが接続されるように構成されていてもよい。

Ｄ５．他の実施形態５
上記第２実施形態と第３実施形態とは組み合わせられてもよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、他の実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０、１０ａ、１０ｂ…圧縮装置、１１…第１インペラ、１５…第１インペラ収容部、２１…第２インペラ、２５…第２インペラ収容部、３０、３０ａ、３０ｂ…モータ、３１…回転軸、３２…フランジ、３３…ロータ、３４、３４ａ、３４ｂ…ステータ、３９…ステータ流路、４０…スラストベアリング、４１…回転子、４２…固定子、４３、４４…ラジアルベアリング、４５、４６…ベアリングケース、５０、５０ａ、５０ｂ…モータハウジング、５１…壁部、５２…凸部、５３、５３ａ…導入孔、５４、５４ａ…排出孔、５９…冷媒流路、６０…レゾルバ、７０…エゼクタ、７１…吸引孔、１１０…第１流路、１２０…第２流路、１３０…第３流路、１５０…燃料電池スタック、ｅ１、ｅ２…端部

Claims (1)

1. 圧縮装置であって、
   第１流路に設けられ、前記第１流路を流れる空気を圧縮する第１インペラと、
   前記第１インペラが接続された回転軸と、前記回転軸に取り付けられたロータと、前記ロータの外周面に対向して配置されたステータと、を備えるモータと、
   前記第１インペラを収容せず前記モータを収容し、前記回転軸が貫通するモータハウジングであって、前記モータハウジング外の空気を前記モータハウジング内に導入するための導入孔と、前記モータハウジング内の空気を前記モータハウジング外へ排出するための排出孔と、を備えるモータハウジングと、
   前記排出孔から排出された空気が流れる第２流路と、
   前記第１流路における前記第１インペラよりも上流側に設けられ、前記第２流路と接続されたエゼクタと、
   を有する、圧縮装置。

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