JP2020084918A - ターボ式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトをより高速で回転させても、ロータの回転バランスを調整可能なターボ式流体機械を提供する。【解決手段】本発明のターボ式流体機械では、シャフト３５は、第１ラジアルフォイル軸受１１の一部を構成する第１内輪３５ｂと、第２ラジアルフォイル軸受１３の一部を構成する第２内輪４３を備えている。第１内輪３５ｂとロータ３９との間、及び第２内輪４３とロータ３９との間の少なくとも一方には、ロータ３９の回転バランスを調整する環状のバランサ３７、３９がシャフト３５と同期回転するように設けられている。バランサ３７、３９は、第１内輪３５ｂとの間、第２内輪４３との間、及びロータ３９との間の少なくとも一箇所に、軸Ｏ方向で間隙Δ１、Δ２を有している。【選択図】図１

Description

本発明はターボ式流体機械に関する。

特許文献１に従来のターボ式流体機械が開示されている。この流体機械は、ハウジングと、インペラと、シャフトとを具備している。

ハウジングには、インペラ室と、モータを収容するモータ室とが形成されている。インペラは、インペラ室に収容され、モータの回転によって流体を圧送する。シャフトは軸方向に延びてインペラとモータとを連結する。

モータは、ハウジングに固定されたステータと、ステータの内周側で回転するロータと、を備えている。ハウジングには、シャフトを回転可能に支持する第１ラジアルフォイル軸受及び第２ラジアルフォイル軸受が設けられている。シャフトは、第１ラジアルフォイル軸受の一部を構成する第１内輪と、第２ラジアルフォイル軸受の一部を構成する第２内輪を備えている。シャフトにはインペラ側から第１内輪、ロータ及び第２内輪がこの順に配置され、これらはシャフトの他端側に螺合する固定部材により一体的に保持されている。

このターボ式流体機械が空気圧縮機として燃料電池システムに用いられる場合、モータのロータが回転することによりシャフトを介してインペラが回転する。このため、外部の流体としての空気が圧送され、燃料電池システムのスタックに供給される。

特開２０１１−１６９１９０号公報

しかし、上記従来のターボ式流体機械では、第１内輪、ロータ及び第２内輪がシャフトと固定部材との螺合によって一体化されているに過ぎず、ターボ式流体機械として求められるシャフトの軸力に懸念がある。このため、ロータを高速で回転すると、シャフトが曲がり、インペラがインペラ室内で壁面に干渉して異音が生じる等の不具合を生じるおそれがある。特に、ターボ式流体機械では、ロータが高速で回転するため、ロータのアンバランスによってもこれらの不具合を生じ易い。

このため、ロータが大きな軸力を有するように、第１内輪及び第２内輪によってロータを軸方向で圧縮することが考えられる。また、回転バランスを調整するため、第１内輪とロータとの間に第１バランサを設け、かつロータと第２内輪との間に第２バランサを設けることが考えられる。この場合、シャフト、第１内輪、第２内輪、ロータ等について、各部材の厚み偏差、各部材同士の接合面のシャフトに対する直角度のずれ等があったとしても、軸方向に加圧する工程の後、第１バランサや第２バランサを切削する等によって、回転バランスを修正し得る。この場合、仮にシャフトが曲がっていても、運転前は、回転バランスが調整された状態とすることが可能である。

しかしながら、ロータが高速で回転することによって高温になった時点で、第１バランサや第２バランサが他の部材よりも大きく熱膨張した場合、軸力を与えられた状態での荷重の釣り合いが崩れ、シャフトの曲がり具合が変化し、回転バランスが悪化し易い。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、シャフトをより高速で回転させても、ロータの回転バランスを調整可能なターボ式流体機械を提供することを解決すべき課題としている。

本発明のターボ式流体機械は、インペラ室と、モータを収容するモータ室とが形成されたハウジングと、
前記インペラ室に収容され、前記モータの回転によって流体を圧送するインペラと、
軸方向に延びて前記インペラと前記モータとを連結するシャフトと、を具備し、
前記モータは、前記ハウジングに固定されたステータと、前記ステータの内周側で回転するロータと、を備え、
前記ハウジングには、前記シャフトを回転可能に支持する第１ラジアルフォイル軸受及び第２ラジアルフォイル軸受が設けられ、
前記シャフトは、前記第１ラジアルフォイル軸受の一部を構成する第１内輪と、前記第２ラジアルフォイル軸受の一部を構成する第２内輪を備え、
前記第１内輪と前記ロータとの間、及び前記第２内輪と前記ロータとの間の少なくとも一方に、前記ロータの回転バランスを調整する環状のバランサが前記シャフトと同期回転するように設けられており、
前記バランサは、前記第１内輪との間、前記第２内輪との間、及び前記ロータとの間の少なくとも一箇所に、前記軸方向で間隙を有していることを特徴とする。

本発明のターボ式流体機械では、第１内輪及び第２内輪がロータに軸方向で予荷重を付与している。このため、ロータが高速回転することによってシャフトが湾曲しようとしても、第１内輪と第２内輪とがその湾曲を抑制する。

すなわち、仮にシャフトの軸方向の中央部分が外周側に突出するように湾曲しようとすると、シャフトの両端側は逆方向に突出し、第１内輪とロータとの間やロータと第２内輪との間が互いに離れる方向に引っ張られることになるが、第１内輪と第２内輪とがロータに対して軸方向に予荷重を付与しているため、それらの引張力を低減できる。このため、シャフトが湾曲し難くなっている。

この際、第１内輪とロータとの間に位置するバランサは第１内輪又はロータとは軸方向で間隙を有し、ロータと第２内輪との間に位置するバランサはロータ又は第２内輪とは軸方向で間隙を有している。このため、予荷重を付与されたロータが高速回転しても、回転バランスが悪化し難い。

こうして、このターボ式流体機械では、シャフトが大きな軸力を有し、かつ運転時の回転バランスも良好に調整できる。このため、ロータが高速回転しても、インペラがインペラ室内で壁面に干渉して異音が生じる等の不具合を生じ難い。換言すれば、ロータの許容回転数が向上する。

したがって、本発明のターボ式流体機械では、シャフトをより高速で回転させることが可能である。

第１内輪は、軸方向の一端側の端面がロータと当接し、外周面に第１バランサが嵌合される第１小径部を有し得る。また、第２内輪は、軸方向の他端側の端面がロータと当接し、外周面に第２バランサが嵌合される第２小径部を有し得る。この場合、第１バランサを第１内輪と別部品とし、第２バランサを第２内輪と別部品とし、本発明を具体化できる。

本発明のターボ式流体機械はハウジングに固定されたレゾルバステータを備ええる。この場合、ロータは、第２内輪よりもシャフトの他端側に位置してレゾルバステータとレゾルバ機構を構成するレゾルバロータを有し得る。そして、第２内輪とレゾルバロータとの間には、前記レゾルバロータの回転バランスを調整する環状の第３バランサが設けられていることが好ましい。この場合、レゾルバロータを有するロータに対し、第３バランサによっても回転バランスを調整することができる。

第１内輪は、シャフトの一部として形成されていることが好ましい。この場合、第１内輪が第２内輪との間にロータを強固に挟み込み、そのシャフトの湾曲を抑制できる。

本発明のターボ式流体機械では、シャフトをより高速で回転させても、ロータの回転バランスを調整することが可能である。

図１は、実施例１のターボ式流体機械の断面図である。 図２は、実施例１のターボ式流体機械に係るシャフト等の分解断面図である。 図３は、実施例１のターボ式流体機械に係る未完成のシャフト等の断面図である。 図４は、実施例１のターボ式流体機械に係るシャフト等の断面図である。 図５は、実施例２のターボ式流体機械に係るシャフト等の断面図である。

以下、本発明を具体化した実施例１、２を図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
実施例１のターボ式流体機械は、図１に示すように、ハウジング１と、インペラ３と、シャフト３３とを具備している。以下、ターボ式流体機械のインペラ３側を前方として説明する。

ハウジング１は、フロントハウジング１５と、センターハウジング１７と、シリンダ１９と、リヤハウジング２１とからなる。フロントハウジング１５、センターハウジング１７、シリンダ１９及びリヤハウジング２１はこの順序で軸Ｏ方向に接合されている。

フロントハウジング１５及びセンターハウジング１７にはインペラ室２３が形成され、インペラ室２３はフロントハウジング１５に形成された吸入ポート２５によって外部に開口している。また、フロントハウジング１５及びセンターハウジング１７には、インペラ室２３と連通するディフューザ２７が形成されているとともに、ディフューザ２７と連通する吐出室２９が形成されている。吐出室２９はフロントハウジング１５に形成された吐出ポート３１によって外部に開口している。

センターハウジング１７、シリンダ１９及びリヤハウジング２１によってモータ室３３が形成されている。インペラ室２３とモータ室３３とはセンターハウジング１７に形成された軸孔１７ａによって連通している。また、リヤハウジング２１には、軸孔１７ａと軸Ｏ方向で離間しつつ軸孔１７ａと同軸をなす軸孔２１ａが形成されている。

インペラ室２３にインペラ３が回転可能に設けられている。モータＭはステータ５とロータ３５とを備えている。モータ室３３内ではステータ５がシリンダ１９の内周面に固定されている。また、モータ室３３内には、ステータ５の内周側で軸Ｏ方向に延びてインペラ３とモータＭとを連結するシャフト３５が収容されている。回転体９は、シャフト３５と、第１バランサ３７と、ロータ３５と、第２内輪４３と、第２バランサ４１と、第３バランサ４５と、レゾルバロータ４７とからなる。

ロータ３９は、図２に示すように、積層鋼板からなるロータコア３９ａと、ロータコア３９ａ内に保持された適数個の永久磁石３９ｂとからなる。ロータ３９の外径は第１内輪３５ｂの大径部３６ａと等しくされている。

センターハウジング１７には第１ラジアルフォイル軸受１１が設けられ、リヤハウジング２１には第２ラジアルフォイル軸受１３が設けられており、これら第１ラジアルフォイル軸受１１及び第２ラジアルフォイル軸受１３によってシャフト３５が回転可能に支持されている。

シャフト３５は、軸Ｏ方向に延びるシャフト本体３５ａと、シャフト本体３５ａの前端側で第１ラジアルフォイル軸受１１の一部を構成する第１内輪３５ｂとが一体形成され、一体品をなすものである。シャフト本体３５ａは小径の円柱状であり、第１内輪３５ｂはシャフト本体３５ａよりも大径の円柱状である。シャフト本体３５ａと第１内輪３５ｂとは同軸である。このシャフト３５は、鉄合金製のシャフト素材を切削して形成したものである。シャフト３５のシャフト本体３５ａの前端にはインペラ３が固定されている。

第１内輪３５ｂは大径部３６ａと第１小径部３６ｂとからなる。第１小径部３６ｂは大径部３６ａの軸Ｏ方向の後端側で大径部３６ａよりやや小径とされている。第１小径部３６ｂの外周面には、図３に示すように、円筒状の第１バランサ３７が圧入される。第１バランサ３７はリン青銅製である。

シャフト３５のシャフト本体３５ａの後方側には、円筒状をなすロータ３９が外装される。図４に示すように、シャフト３５におけるシャフト本体３５ａの後端側には、円筒状をなし、第２ラジアルフォイル軸受１３の一部を構成する第２内輪４３が圧入されている。第２内輪４３は鉄合金製である。第２内輪４３は大径部４３ａと第２小径部４３ｂとからなる。第２小径部４３ｂは大径部４３ａの軸Ｏ方向の前端側で大径部４３ａよりやや小径とされている。第１内輪３５ｂの第１小径部３６ｂと第２内輪４３の第２小径部４３ｂとは同径である。第２小径部４３ｂの外周面には、円筒状の第２バランサ４１が圧入される。第２バランサ４１もリン青銅製である。

第２内輪４３をシャフト本体３５ａの後端側に圧入するに当たっては、まず第２小径部４３ｂに第２バランサ４１を圧入し、この状態でロータ３９を第１内輪３５ｂ側に加圧しつつ第２内輪４３をシャフト本体３５ａに圧入する。

また、シャフト３５におけるシャフト本体３５ａのさらに後端側には、円筒状の第３バランサ４５が圧入される。第３バランサ４５もリン青銅製である。シャフト本体３５ａのさらに後端側には、レゾルバステータ７の内周側に位置するレゾルバロータ４７が焼き嵌めによって固定されている。レゾルバロータ４７は磁性を有する鉄合金製であり、レゾルバステータ７とともにレゾルバ機構を構成する。

シャフト３５に第１バランサ３７、ロータ３９、第２バランサ４１、第２内輪４３、第３バランサ４５、レゾルバロータ４７及びインペラ３を組付けた後、第１バランサ３７、第２バランサ４１及び第３バランサ４５を切削して回転体９の回転バランスを調整する。

こうして得られた回転体９がハウジング１等とともに組みつけられてターボ式流体機械が得られる。ロータ３９は、シャフト本体３５ａの外周側で第１内輪３５ｂと第２内輪４３との間に位置している。より詳細には、第１内輪３５ｂにおける第１小径部３６ｂの後面とロータ３９の前面とは当接し、ロータ３９の後面と第２内輪４３における第２小径部４３ｂの前面とは当接している。そして、第１内輪３５ｂと第２内輪４３とはロータ３９に軸Ｏ方向で予荷重を付与している。第２内輪４３の大径部４３ａの外径は第１内輪３５ｂの大径部３６ａ及びロータ３９と等しくされている。

但し、第１バランサ３７の後面とロータ３９の前面との間には間隙Δ１が設けられ、第２バランサ４１の前面とロータ３９の後面との間には間隙Δ２が設けられている。

このターボ式流体機械が空気圧縮機として燃料電池システムに用いられる場合、ロータ３９が回転することによりインペラ３がインペラ室２３内で回転する。このため、外部の流体としての空気が吸入ポート２５から吸入され、ディフューザ２７でその空気の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換されて圧縮され、圧縮された空気が吐出室２９へ圧送される。吐出室２９内の高圧の空気が吐出ポート３１から燃料電池システムのスタックに供給される。

ここで、このターボ式流体機械では、シャフト本体３５ａと第１内輪３５ｂとが一体品であるシャフト３５とされ、第２内輪４３がシャフト本体３５ａに固定されている。また、第２内輪４３は第１内輪３５ｂとともにロータ３９を軸Ｏ方向で挟み込み、予荷重を付与している。このため、ロータ３９が高速回転することにより、仮にシャフト３５が湾曲しようとしても、第１内輪３５ｂと第２内輪４３とがその湾曲を抑制する。

すなわち、仮にシャフト３５の軸方向の中央部分が外周側に突出するように湾曲しようとすると、シャフト３５の両端側は逆方向に突出し、第１内輪３５ｂとロータ３９との間やロータ３９と第２内輪４３との間が互いに離れる方向に引っ張られることになるが、第１内輪３５ｂと第２内輪４３とがロータ３９に対して軸Ｏ方向に予荷重を付与しているため、それらの引張力を低減できる。このため、シャフト３５が湾曲し難くなっている。

この際、第１内輪３５ｂとロータ３９との間に位置する第１バランサ３７はロータ３９とは軸Ｏ方向で間隙Δ１を有し、ロータ３９と第２内輪４３との間に位置する第２バランサ４１はロータ３９とは軸Ｏ方向で間隙Δ２を有している。このため、予荷重を付与されたロータ３９が高速回転しても、回転バランスが悪化し難い。

こうして、このターボ式流体機械では、シャフト３５が大きな軸力を有し、かつ運転時の回転バランスも良好に調整できる。このため、ロータ３９が高速回転しても、インペラ３がインペラ室２３内で壁面に干渉して異音が生じる等の不具合を生じ難い。換言すれば、ロータ３９の許容回転数が向上する。

したがって、このターボ式流体機械では、シャフト３５をより高速で回転させても、ロータ３９の回転バランスを調整することが可能である。

（実施例２）
実施例２のターボ式流体機械は、図５に示すように、第１内輪３５ｂの第１小径部３６ｂの外周面に第１バランサ３８が溶着されている。また、第２内輪４３の第２小径部４３ｂの外周面に第２バランサ４０が溶着されている。ターボ式流体機械及び回転体９の他の構成は実施例１と同様である。

このターボ式流体機械においても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

例えば、第１バランサ３７は、ロータ３９と当接していても、第１内輪３５ｂの大径部３６ａとの間で軸Ｏ方向で間隙を有すればよい。また、第２バランサ４１も、ロータ３９と当接していても、第２内輪４３の大径部４３ａとの間で軸Ｏ方向で間隙を有すればよい。

また、第１バランサ３７のみを設けたり、第２バランサ４１のみを設けたりしてもよい。

また、レゾレバステータ７がないターボ式流体機械においては、第３バランサ４５及びレゾレバロータ４７を有さない回転体を採用すればよい。

実施例では、第１バランサ３７及び第２バランサ４１の材料をリン青銅としたが、材料はこれに限られず、被削性のある材料であればよい。例えば、真鍮（黄銅）、快削ステンレス鋼（ＳＵＳ３０３）等を採用することができる。

間隙Δ１や間隙Δ２に、樹脂等の線熱膨張係数の低い介在部材を介在させてもよい。この介在部材は、間隙を埋めるように設けてもよく、小径部とロータとの間に挟みこんでもよい。

本発明は、燃料電池システムに用いられる空気圧縮機等に利用可能である。

２３…インペラ室
Ｍ…モータ
３３…モータ室
１…ハウジング
３…インペラ
Ｏ…軸
３５…シャフト
５…ステータ
３９…ロータ
１１…第１ラジアルフォイル軸受
１３…第２ラジアルフォイル軸受
３５ｂ…第１内輪
４３…第２内輪
３７…第１バランサ
４１…第２バランサ
Δ１、Δ２…間隙
３６ｂ…第１小径部
４３ｂ…第２小径部
７…レゾルバステータ
４７…レゾルバロータ
４５…第３バランサ

Claims (4)

1. インペラ室と、モータを収容するモータ室とが形成されたハウジングと、
   前記インペラ室に収容され、前記モータの回転によって流体を圧送するインペラと、
   軸方向に延びて前記インペラと前記モータとを連結するシャフトと、を具備し、
   前記モータは、前記ハウジングに固定されたステータと、前記ステータの内周側で回転するロータと、を備え、
   前記ハウジングには、前記シャフトを回転可能に支持する第１ラジアルフォイル軸受及び第２ラジアルフォイル軸受が設けられ、
   前記シャフトは、前記第１ラジアルフォイル軸受の一部を構成する第１内輪と、前記第２ラジアルフォイル軸受の一部を構成する第２内輪を備え、
   前記第１内輪と前記ロータとの間、及び前記第２内輪と前記ロータとの間の少なくとも一方に、前記ロータの回転バランスを調整する環状のバランサが前記シャフトと同期回転するように設けられており、
   前記バランサは、前記第１内輪との間、前記第２内輪との間、及び前記ロータとの間の少なくとも一箇所に、前記軸方向で間隙を有していることを特徴とするターボ式流体機械。
2. 前記バランサは第１バランサ及び第２バランサからなり、
   前記第１内輪は、前記軸方向の一端側の端面が前記ロータと当接し、外周面に前記第１バランサが嵌合される第１小径部を有し、
   前記第２内輪は、前記軸方向の他端側の端面が前記ロータと当接し、外周面に前記第２バランサが嵌合される第２小径部を有する請求項１記載のターボ式流体機械。
3. 前記ハウジングに固定されたレゾルバステータを備え、
   前記ロータは、前記第２内輪よりも前記シャフトの他端側に位置して前記レゾルバステータとレゾルバ機構を構成するレゾルバロータを有し、
   前記第２内輪と前記レゾルバロータとの間には、前記レゾルバロータの回転バランスを調整する環状の第３バランサが設けられている請求項１又は２記載のターボ式流体機械。
4. 前記シャフトと前記第１内輪とは一体に形成されている請求項１乃至３のいずれか１項記載のターボ式流体機械。

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