JP2020133500A

JP2020133500A - ターボ式流体機械

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Publication number: JP2020133500A
Application number: JP2019028177A
Authority: JP
Inventors: 英文森; Hidefumi Mori; 潤也鈴木; Junya Suzuki; 和貴岡崎; Kazuki Okazaki
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-08-31
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: CN111594464B; JP7103263B2; DE102020104404A1; US20200263698A1; CN111594464A; US11221012B2

Abstract

【課題】タービン室側からモータ室側への流体侵入を抑制し、ハウジング内のシャフト周辺の温度上昇も抑制するターボ式流体機械を得る。【解決手段】コンプレッサインペラ２２により昇圧された流体の一部は、入口側固定絞りＴＨ１を有する入口側流路ＩＮを介してモータ収容空間１８に導入され、モータ収容空間１８に導入された流体は、出口側固定絞りＴＨ２を有する出口側流路ＥＮを介してモータ収容空間１８から排出される。出口側流路ＥＮのうちのモータ収容空間１８への接続部は、第２区画壁１５とシャフト２１との間の隙間とは別に設けられ、入口側流路ＩＮのうちのモータ収容空間１８への接続部とは軸方向においてモータ２８に対して反対側に位置する。入口側固定絞りＴＨ１および出口側固定絞りＴＨ２は、タービンホイール背面領域３９の圧力よりもモータ収容空間１８の圧力の方が高くなるように構成される。【選択図】図２

Description

本明細書は、ターボ式流体機械に関する。

特許文献１に開示されているように、モータを備えた流体機械（流体ポンプ）においては、モータ室に流体が侵入するとモータに錆が発生しやすくなるため、モータ室への流体の侵入を抑制することが望まれる。

特開２００４−１８３５９８号公報

ターボ式流体機械においては、コンプレッサインペラとタービンホイールとシャフトとを含む回転部材がハウジングの中に配置される。このような回転部材は、モータによって回転される。ハウジング内に形成された流路等の内圧を利用することにより差圧が発生し、タービン室側からモータ室側に流体が侵入することを抑制できる。

ここで、ハウジング内のシャフト周辺は温度が上昇しやすい。特に、モータ室への流体の侵入を抑制した場合、流体の流れが抑制されることにより、ハウジング内のシャフト周辺における温度が一層上昇しやすくなり、温度上昇の抑制が望まれる。ハウジング内に形成された流路等の内圧を利用して差圧を発生させるために流体を移動させる場合、ハウジング内のシャフト周辺の温度の上昇も併せて抑制できることが望ましい。

本明細書は、タービン室側からモータ室側に流体が侵入することを抑制できるとともに、ハウジング内のシャフト周辺の温度上昇も併せて抑制可能な構造を備えたターボ式流体機械を開示することを目的とする。

本開示に基づくターボ式流体機械は、第１区画壁および第２区画壁を含み、軸方向における上記第１区画壁と上記第２区画壁との間にモータ収容空間が形成され、上記第１区画壁に対して上記モータ収容空間の反対側にインペラ室が形成され、上記第２区画壁に対して上記モータ収容空間の反対側にタービン室が形成されたハウジングと、上記第１区画壁および上記第２区画壁を貫通するように配置されたシャフトと、上記シャフトに固定されるとともに上記インペラ室内に配置されて流体の圧縮作用を行うコンプレッサインペラと、上記シャフトに固定されるとともに上記タービン室内に配置されて回生作用を行うタービンホイールと、を含む、回転部材と、上記モータ収容空間内に配置され、上記回転部材を回転させるモータと、を備え、上記第２区画壁の上記タービン室側にはタービンホイール背面領域が形成され、上記第２区画壁と上記シャフトとの間に軸シール部が配置され、上記モータ収容空間と上記タービンホイール背面領域との流体の連通を制限しており、上記コンプレッサインペラにより昇圧された流体の一部は、入口側固定絞りを有する入口側流路を介して上記モータ収容空間に導入され、上記モータ収容空間に導入された流体は、出口側固定絞りを有する出口側流路を介して上記モータ収容空間から排出可能となっており、上記出口側流路のうちの上記モータ収容空間への接続部は、上記第２区画壁と上記シャフトとの間の隙間とは別に設けられ、かつ、上記入口側流路のうちの上記モータ収容空間への接続部とは軸方向において上記モータに対して反対側に位置し、上記入口側固定絞りおよび上記出口側固定絞りは、上記タービンホイール背面領域の圧力よりも上記モータ収容空間の圧力の方が高くなるように構成されている。

上記ターボ式流体機械によれば、ハウジング内に形成された流路の内圧を利用することにより差圧が発生しており、タービンホイール背面領域の圧力に比べて、モータ収容空間の圧力の方が高くなっている。したがってタービン室側からモータ室側に流体が侵入することを抑制可能となっている。また、入口側流路のうちのモータ収容空間への接続部と、出口側流路のうちのモータ収容空間への接続部とは、モータに対して互いに反対側に位置している。流体は、入口側からモータを挟んでその反対側の出口側へと流れるため、流体によるシャフトの周辺空間に対する放熱効果が得られ、ハウジング内のシャフト周辺の温度の上昇も併せて抑制することが可能となっている。

上記ターボ式流体機械においては、上記ハウジングには、上記出口側流路を通過した流体を上記コンプレッサインペラの上流側の吸入ポートに供給するための接続流路がさらに設けられていてもよい。

上記ターボ式流体機械によれば、ターボ式流体機械をたとえば空気圧縮機として燃料電池システムに用いる場合に、エアフローメータによって、空気が燃料電池システムのスタックにどのくらい供給されるのかを測定ないし制御することが可能となるが、ターボ式流体機械は接続流路をさらに備えていることにより、エアフローメータの測定値と、実際に吐出室から送り出される圧縮空気との間に生じ得る流量の誤差を小さくすることが可能となる。差圧の形成および放熱のために供給される空気の流量も、必要最低限とすることが可能となる。

上記ターボ式流体機械は、上記シャフトを軸支するフォイル軸受をさらに備え、上記モータ収容空間内を流れる流体が、上記フォイル軸受と上記シャフトとの間を通過するように構成されていてもよい。

上記ターボ式流体機械によれば、フォイル軸受に対する放熱効率も向上させることが可能となる。

上記ターボ式流体機械は、上記シャフトの回転角度を検知するレゾルバをさらに備え、上記レゾルバは、上記シャフトに一体回転可能に固定されたレゾルバロータと、上記ハウジングに固定されたレゾルバステータと、を有し、上記モータ収容空間を流れる流体が、上記レゾルバロータと上記レゾルバステータとの間を通過するように構成されていてもよい。

上記ターボ式流体機械によれば、レゾルバに対する放熱効率も向上させることが可能となる。

上記ターボ式流体機械においては、上記第１区画壁の上記インペラ室側にはコンプレッサインペラ背面領域が形成され、上記第１区画壁には、上記シャフトの周囲を取り囲むように環状に延在し、上記コンプレッサインペラ背面領域を内径側空間と外径側空間とに分ける区画部が設けられていてもよい。

上記ターボ式流体機械によれば、コンプレッサインペラの背面荷重の増加は内径側空間の存在によって抑制されており、ひいては吸入ポートの入口側に向かってコンプレッサインペラが変位することも抑制されている。

上記ターボ式流体機械においては、上記入口側固定絞りは、上記区画部により形成されていてもよい。

上記ターボ式流体機械によれば、コンプレッサインペラの背面荷重を低減するためにコンプレッサインペラ背面領域を内径側空間と外径側空間とに分ける区画部を、入口側固定絞りを形成するための手段として機能させることができ、レイアウト上の高い利用効率も得られる。

上記ターボ式流体機械においては、上記コンプレッサインペラの下流側の吐出ポートと、上記第２区画壁の上記モータ側に形成された空間とを接続することにより、上記流体は、上記モータ収容空間に導入されており、上記出口側固定絞りは、上記第１区画壁と上記シャフトとの間に形成され、上記ハウジングには、流体の圧送時に上記内径側空間の圧力が上記外径側空間の圧力よりも低くなるように上記内径側空間を上記外径側空間以外の空間に接続する流路がさらに設けられていてもよい。

上記ターボ式流体機械によっても、タービン室側からモータ室側に流体が侵入することが抑制可能であり、流体によるシャフトの周辺空間に対する放熱効果が得られる。

上記ターボ式流体機械においては、上記コンプレッサインペラの下流側の吐出ポートと、上記第１区画壁のうちの上記シャフトの外周に位置する軸孔とを接続することにより、上記流体は、上記モータ収容空間に導入されており、上記ハウジングには、流体の圧送時に上記内径側空間の圧力が上記外径側空間の圧力よりも低くなるように上記内径側空間を上記外径側空間以外の空間に接続する流路がさらに設けられていてもよい。

上記ターボ式流体機械によれば、モータ収容空間の圧力を高い値に設定したとしても、その影響がコンプレッサインペラの背面荷重の上昇に直接的に繋がることは抑制されている。吸入ポートの入口側に向かってコンプレッサインペラが変位することをより一層抑制することが可能となる。

本明細書に開示されたターボ式流体機械によれば、タービン室側からモータ室側に流体が侵入することを抑制できるとともに、ハウジング内のシャフト周辺の温度上昇も併せて抑制可能となる。

実施の形態１におけるターボ式流体機械１０１を示す断面図である。実施の形態１におけるターボ式流体機械１０１の運転時の様子を示す断面図である。実施の形態１におけるターボ式流体機械１０１の運転時の圧力分布を示すグラフである。実施の形態２におけるターボ式流体機械１０２を示す断面図である。実施の形態３におけるターボ式流体機械１０３を示す断面図である。実施の形態３におけるターボ式流体機械１０３の運転時の様子を示す断面図である。実施の形態４におけるターボ式流体機械１０４を示す断面図である。実施の形態４におけるターボ式流体機械１０４の運転時の様子を示す断面図である。

実施の形態におけるターボ式流体機械について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
（ターボ式流体機械１００）
図１に示すようにターボ式流体機械１０１は、ハウジング１０、回転部材２０、およびモータ２８を備える。ハウジング１０は、コンプレッサハウジング１１、第１区画壁１２、センターハウジング１３，１４、第２区画壁１５、および、タービンハウジング１６を含む。ハウジング１０を構成するこれらの部材は軸方向（シャフト２１の中心軸が延びる方向）に結合される。

軸方向における第１区画壁１２と第２区画壁１５との間に、モータ室１７を含むモータ収容空間１８が形成される。モータ収容空間１８内、より特定的にはモータ室１７内に、モータ２８（ステータ２８ａおよびロータ２８ｂ）が配置される。第１区画壁１２に対してモータ収容空間１８の反対側にインペラ室１１ｂが形成される。第２区画壁１５に対してモータ収容空間１８の反対側にタービン室１６ｂが形成される。第１区画壁１２には軸孔１２ａが形成されており、第２区画壁１５には軸孔１５ａが形成されている。第２区画壁１５（軸孔１５ａの内周部）とシャフト２１との間には、軸シール部１９が配置されている。軸シール部１９は、たとえばＣ字状の構成を有しており、周方向における一部に切欠が設けられている。

回転部材２０は、シャフト２１、コンプレッサインペラ２２、およびタービンホイール２３を含む。シャフト２１は大径部２１ａおよび内輪２１ｂ，２１ｃを有し、軸孔１２ａ，１５ａを貫通するように配置される。コンプレッサインペラ２２はシャフト２１の一端部に固定され、インペラ室１１ｂ内に配置される。タービンホイール２３はシャフト２１の他端部に固定され、タービン室１６ｂ内に配置される。

コンプレッサインペラ２２は流体の圧縮作用を行なう。タービンホイール２３はコンプレッサインペラ２２で圧縮された流体からエネルギーを回収するという、回生作用を行なう。コンプレッサインペラ２２は、円盤状の基板２２ａと、基板２２ａの一方側に形成されたブレード２２ｂとを有し、基板２２ａにおけるブレード２２ｂと反対側が背面部２２ｃとされている。同様に、タービンホイール２３は、円盤状の基板２３ａと、基板２３ａの一方側に形成されたブレード２３ｂとを有し、基板２３ａにおけるブレード２３ｂと反対側が背面部２３ｃとされている。

ハウジング１０の内部にはスラストフォイル軸受２４およびラジアルフォイル軸受２５，２６が設けられる。シャフト２１はこれらの軸受によって支持される。スラストフォイル軸受２４および大径部２１ａは、第１区画壁１２およびセンターハウジング１３に区画された空間３７内に配置される。モータ２８によって、シャフト２１はコンプレッサインペラ２２およびタービンホイール２３とともに回転する。シャフト２１は、モータ２８単独からの動力を受けて回転することができ、モータ２８だけでなくタービンホイール２３の補助的な動力を受けて回転することもできる。

第１区画壁１２は、コンプレッサインペラ２２の背面部２２ｃに間隔を空けて対向する。コンプレッサインペラ２２がインペラ室１１ｂ内に配置されることで、軸方向における第１区画壁１２とコンプレッサインペラ２２との間（第１区画壁１２のインペラ室１１ｂ側）にはコンプレッサインペラ背面領域３０が形成される。

第２区画壁１５は、タービンホイール２３の背面部２３ｃに間隔を空けて対向する。タービンホイール２３がタービン室１６ｂ内に配置されることで、軸方向における第２区画壁１５とタービンホイール２３との間（第２区画壁１５のタービン室１６ｂ室側）にはタービンホイール背面領域３９が形成される。第２区画壁１５のモータ室１７室側には空間３８が形成される。空間３８には、シャフト２１の回転角度を検知するレゾルバ２７が設けられているとよい。レゾルバ２７は、回転部材２０としてのシャフト２１に一体回転可能に固定されたレゾルバロータ２７ａと、センターハウジング１４に固定されたレゾルバステータ２７ｂとを有する。空間３７、モータ室１７および空間３８は、この順に並んで互いに接続されており、モータ収容空間１８を形成している。モータ収容空間１８は、軸シール部１９と後述する区画部１２ｂとによって区画された空間を形成している。モータ収容空間１８とタービンホイール背面領域３９との間の流体の連通は、軸シール部１９によって制限されている。

ハウジング１０には、入口側流路ＩＮ、出口側流路ＥＮおよび連通路ＣＮが設けられる。入口側流路ＩＮは、入口側固定絞りＴＨ１を含む。入口側固定絞りＴＨ１は、コンプレッサインペラ２２の位置よりも軸方向においてタービンホイール２３の側に形成されている。

本実施の形態においては、第１区画壁１２に区画部１２ｂが設けられている。区画部１２ｂは、シャフト２１の周囲を取り囲むように環状に延在し、コンプレッサインペラ背面領域３０を内径側空間３１と外径側空間３２とに分ける。本実施の形態においては、入口側固定絞りＴＨ１は、区画部１２ｂにより形成されている。入口側流路ＩＮは、入口側固定絞りＴＨ１および内径側空間３１を含み、軸孔１２ａを介してモータ収容空間１８に接続している。

内径側空間３１は、軸孔１２ａ、モータ室１７、空間３８および出口側流路ＥＮを介して外部空間に接続されている。内径側空間３１は、外径側空間３２以外の空間である外部空間に、外径側空間３２を介することなく連通している。すなわち、コンプレッサインペラ２２により昇圧された流体の一部は、入口側固定絞りＴＨ１を有する入口側流路ＩＮを介してモータ収容空間１８に導入される。入口側固定絞りＴＨ１の絞り構造により流体の圧送時には、内径側空間３１の圧力が外径側空間３２の圧力よりも低くなる。

出口側流路ＥＮは、出口側固定絞りＴＨ２を含む。出口側固定絞りＴＨ２は、タービンホイール２３の位置よりも軸方向においてコンプレッサインペラ２２の側に形成される。モータ収容空間１８に導入された流体は、出口側固定絞りＴＨ２を有する出口側流路ＥＮを介してモータ収容空間１８から排出可能となっている。出口側流路ＥＮのうちのモータ収容空間１８への接続部ＥＮａは、第２区画壁１５とシャフト２１との間の隙間とは別に設けられている。出口側流路ＥＮのうちのモータ収容空間１８への接続部ＥＮａは、入口側流路ＩＮのうちのモータ収容空間１８への接続部ＩＮａとは軸方向においてモータ２８に対して反対側に位置している。本実施の形態においては、出口側流路ＥＮはセンターハウジング１４に設けられており、空間３８と外部空間とを連通させる。連通路ＣＮは、入口側流路ＩＮと出口側流路ＥＮとを接続し、第２区画壁１５のモータ室１７側に位置する空間３８に連通するように形成されている。

図２は、ターボ式流体機械１０１の運転時の様子を示す断面図である。流体は、吸入ポート１１ａより取り込まれてコンプレッサインペラ２２により昇圧される。昇圧された流体の一部はディフューザを通過して吐出室１１ｃに向かって移動する。昇圧された流体の他の一部は外径側空間３２および入口側固定絞りＴＨ１を通過する。入口側固定絞りＴＨ１を通過することで圧力は減少する（図３中のＡ部を参照）。

入口側流路ＩＮ（入口側固定絞りＴＨ１）を通過した流体はその後、モータ２８を挟んで入口側固定絞りＴＨ１とは反対側に向かって、シャフト２１の少なくとも一部に沿って流れるように連通路ＣＮを通過する。本実施の形態においては、連通路ＣＮは、モータ収容空間１８内を流れる流体が、軸孔１２ａとシャフト２１との間の位置、スラストフォイル軸受２４と大径部２１ａとの間の位置、ラジアルフォイル軸受２５と内輪２１ｂとの間の位置、ステータ２８ａとロータ２８ｂとの間の位置、ラジアルフォイル軸受２６と内輪２１ｃとの間の位置、ならびに、レゾルバロータ２７ａとレゾルバステータ２７ｂとの間の位置を通過するように形成されている。この間の圧力は略一定であるか、わずかに減少する（図３中のＢ部を参照）。連通路ＣＮを通過した流体、すなわち空間３８に到達した流体は、出口側流路ＥＮをさらに通過する。出口側流路ＥＮの出口側固定絞りＴＨ２を通過することで圧力はさらに減少し（図３中のＣ部を参照）、吸気圧相当の圧力値となっている。

図３に示すように、入口側流路ＩＮから連通路ＣＮに供給された圧力によって連通路ＣＮの圧力が高められている（図３中のＢ部）。すなわち、入口側固定絞りＴＨ１および出口側固定絞りＴＨ２は、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８、すなわちモータ収容空間１８の圧力（図３中のＢ部）の方が高くなるように構成されている。

（作用および効果）
ターボ式流体機械１０１は、たとえば空気圧縮機として燃料電池システムに用いられる。モータ２８およびタービンホイール２３によってコンプレッサインペラ２２が回転駆動され、外部流体としての空気が機内に吸入され、コンプレッサインペラ２２によって圧縮された空気は吐出室１１ｃへ圧送される。吐出室１１ｃ内の高圧の空気が燃料電池システムのスタックに供給される。タービンホイール２３は、ＦＣスタック５０（図１）から排出された空気によって回転し、シャフト２１の回転動作を補助する。

流体の圧送に伴い、コンプレッサインペラ背面領域３０内の圧力（インペラ背面圧）は高くなる。背面圧は、背面荷重として、吸入ポート１１ａの入口側に向かってコンプレッサインペラ２２を変位させるように作用する。本実施の形態においては、入口側固定絞りＴＨ１が区画部１２ｂによって形成されており、入口側固定絞りＴＨ１によりコンプレッサインペラ背面領域３０が低圧の内径側空間３１と高圧の外径側空間３２とに分けられている。背面荷重の増加は内径側空間３１の存在によって抑制されており、ひいては吸入ポート１１ａの入口側に向かってコンプレッサインペラ２２が変位することも抑制されている。スラストフォイル軸受２４がシャフト２１の大径部２１ａから過剰な力を受けることも抑制されている。入口側固定絞りＴＨ１が区画部１２ｂによって形成されていることで、コンプレッサインペラ２２の背面荷重を低減するためにコンプレッサインペラ背面領域３０を内径側空間３１と外径側空間３２とに分ける区画部１２ｂを、入口側固定絞りＴＨ１を形成するための手段として機能させることができ、レイアウト上の高い利用効率も得られる。

回転部材２０はモータ２８によって回転される。ハウジング１０内に形成された流路の内圧を利用することにより差圧が発生しており、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８の圧力（図３中のＢ部）の方が高くなっている。したがってタービン室１６ｂ側からモータ室１７側に流体が侵入することを抑制可能となっている（図３中の矢印Ｄを参照）。

入口側固定絞りＴＨ１と出口側固定絞りＴＨ２との少なくとも２カ所で圧力を減少させるという構成を採用することにより、上記のような差圧を容易に形成することが可能である。差圧は、入口側固定絞りＴＨ１の流路断面積と出口側固定絞りＴＨ２の流路断面積との大きさおよび／または比を調整することで容易に形成可能であり、たとえば、入口側固定絞りＴＨ１の流路断面積の方が出口側固定絞りＴＨ２の流路断面積よりも大きくなるようにするとよい。当該構成によれば、タービンホイール２３の背面圧と大気圧との平均値よりも、モータ室１７の圧力の方を容易に高くすることが可能となり、ひいては、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８の圧力（図３中のＢ部）の方を容易に高くすることが可能となる。なお、第２区画壁１５と軸シール部１９（軸シール部１９に形成された切欠）との間を流体が漏れて通過する場合の流路断面積は、入口側固定絞りＴＨ１および出口側固定絞りＴＨ２の流路断面積よりも小さくされている。

上述の実施の形態１においては、出口側固定絞りＴＨ２の下流側を吸気圧相当の圧力値となるように設定しているが、上記のような差圧が形成可能な範囲内であれば、出口側固定絞りＴＨ２の下流側を大気圧相当の圧力値となるように設定してもよいし、タービンホイール２３による排気圧相当の圧力値となるように設定してもよい。上記のような差圧の形成については、入口側固定絞りＴＨ１と出口側固定絞りＴＨ２とに加えて、弁機能を任意箇所（たとえば入口側流路ＩＮ、連通路ＣＮおよび出口側流路ＥＮの任意箇所）に配置して、弁機能によって差圧形成を補助するようにしてもよい。

ここで、ハウジング１０内のシャフト２１の周辺は、特段の対策を講じない場合には温度が上昇しやすい。特に、モータ室１７への流体の侵入を抑制した場合、流体の流れが抑制されることにより、ハウジング１０内のシャフト２１周辺における温度が一層上昇しやすい。本実施の形態においては、ハウジング１０内に形成された流路の内圧を利用して差圧を発生させるため、流体が入口側流路ＩＮ、連通路ＣＮおよび出口側流路ＥＮヘと順に移動する。入口側流路ＩＮ（接続部ＩＮａ）からの流体は、モータ２８に対して接続部ＩＮａとは反対側に位置する出口側流路ＥＮ（接続部ＥＮａ）に向かって流れるように連通路ＣＮを通過するため、流体によるシャフト２１の周辺空間に対する放熱効果が得られ、ハウジング１０内のシャフト２１周辺の温度の上昇も併せて抑制することが可能となっている。すなわち、出口側流路ＥＮがスラストフォイル軸受２４やラジアルフォイル軸受２５，２６よりもタービンホイール２３の側に設けられており、これらの放熱ないし冷却が可能となっており、出口側流路ＥＮがレゾルバ２７よりもタービンホイール２３の側に設けられており、レゾルバ２７の放熱ないし冷却も可能となっている。

上述の実施の形態１においては、出口側流路ＥＮはセンターハウジング１４に設けられており、空間３８と外部空間とを連通させる。仕様に応じて、出口側流路ＥＮを形成するためにセンターハウジング１４に加工を施すことを不要とすることも可能である。この場合にも、入口側固定絞りＴＨ１の流路断面積の方が出口側固定絞りＴＨ２の流路断面積よりも大きくなるようにするとよい。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２におけるターボ式流体機械１０２を示す断面図である。ターボ式流体機械１０２においては、ハウジング１０に、出口側流路ＥＮを通過した流体をコンプレッサインペラ２２の上流側の吸入ポート１１ａに供給するための接続流路２９がさらに設けられている。

ターボ式流体機械１０２をたとえば空気圧縮機として燃料電池システムに用いる場合には、エアフローメータ４０によって、空気が燃料電池システムのスタックにどのくらい供給されるのかを測定ないし制御することが可能となる。ターボ式流体機械１０２は接続流路２９をさらに備えていることにより、エアフローメータ４０の測定値と、実際に吐出室１１ｃから送り出される圧縮空気との間に生じ得る流量の誤差を小さくすることが可能となる。差圧の形成および放熱のために供給される空気の流量も、必要最低限とすることが可能となる。

接続流路２９は、図示しないウォータジャケットが設けられたセンターハウジング１３に形成するようにしてもよい。接続流路２９を利用するということは、圧縮された流体を再び吸入ポート１１ａに戻すという構成であり、当該構成を採用する場合には吐出温度が上昇しやすい。ウォータジャケットとの熱交換が可能なように接続流路２９を設けることで、吸入温度の上昇を抑制可能となり、発熱に伴って流量が減少することも抑制可能となる。また下流側にインタークーラ等が設けられている場合にはその仕事量も減らすことが可能となる。当該構成によれば、スラストフォイル軸受２４、ラジアルフォイル軸受２５，２６およびレゾルバ２７に対する放熱効率も向上させることが可能となる。

［実施の形態３］
図５は、実施の形態３におけるターボ式流体機械１０３を示す断面図である。ターボ式流体機械１０３においては、ハウジング１０に２つの流路２９ａ，２９ｂが設けられている。入口側流路ＩＮは、流路２９ａの内部に設けられる。入口側流路ＩＮは、コンプレッサインペラ２２の下流側の吐出ポート１１ｄと、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８とを接続するように形成されている。

出口側固定絞りＴＨ２は、第１区画壁１２（軸孔１２ａ）とシャフト２１との間の軸シール部に形成される。流路２９ｂは、流体の圧送時に内径側空間３１の圧力が外径側空間３２の圧力よりも低くなるように、内径側空間３１を外径側空間３２以外の空間（ここではコンプレッサインペラ２２の上流側の吸入ポート１１ａ）に接続している。

図６は、ターボ式流体機械１０３の運転時の様子を示す断面図である。流体は、吸入ポート１１ａより取り込まれてコンプレッサインペラ２２により昇圧される。昇圧された流体のほとんどはディフューザを通過して吐出室１１ｃに向かって移動する。昇圧されて吐出室１１ｃに到達した流体の一部は、吐出ポート１１ｄ、流路２９ａおよび入口側固定絞りＴＨ１を通過する。入口側固定絞りＴＨ１を通過することで圧力は減少する。

流体は、入口側流路ＩＮ（入口側固定絞りＴＨ１）を通過する。その後、入口側流路ＩＮ（接続部ＩＮａ）からの流体は、モータ２８に対して接続部ＩＮａとは反対側に位置する出口側流路ＥＮ（接続部ＥＮａ）に向かって、シャフト２１の少なくとも一部に沿って流れるように連通路ＣＮを通過する。本実施の形態においては、連通路ＣＮは、連通路ＣＮを流れる流体が、ラジアルフォイル軸受２６と内輪２１ｃとの間の位置、ステータ２８ａとロータ２８ｂとの間の位置、ラジアルフォイル軸受２５と内輪２１ｂとの間の位置、ならびに、スラストフォイル軸受２４と大径部２１ａとの間の位置を通過するように形成されている。入口側固定絞りＴＨ１の位置をさらに第２区画壁１５寄りに設定し、流体がレゾルバロータ２７ａとレゾルバステータ２７ｂとの間の位置も通過するようにしてもよい。この間の圧力は略一定であるか、わずかに減少する。

連通路ＣＮを通過した流体、すなわち軸孔１２ａとシャフト２１との間の位置（すなわち出口側固定絞りＴＨ２）に到達した流体は、出口側流路ＥＮを通過することでその流体の圧力がさらに減少する。流体はさらに、内径側空間３１および流路２９ｂを通過する。入口側流路ＩＮから連通路ＣＮに供給された圧力によって連通路ＣＮの圧力が高められており、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８（モータ収容空間１８）の圧力の方が高くなっている。したがって当該構成によっても、上述の実施の形態１と同様の作用および効果を得ることができる。

［実施の形態４］
図７は、実施の形態４におけるターボ式流体機械１０４を示す断面図である。ターボ式流体機械１０４においても、ハウジング１０に２つの流路２９ａ，２９ｂが設けられている。入口側流路ＩＮは、流路２９ａの内部に設けられる。入口側流路ＩＮは、コンプレッサインペラ２２の下流側の吐出ポート１１ｄと、第１区画壁１２のうちのシャフト２１の外周に位置する軸孔１２ａとを接続するように形成されている。

出口側固定絞りＴＨ２は、センターハウジング１４に設けられる。入口側流路ＩＮから連通路ＣＮに供給された圧力によって、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８（モータ収容空間１８）の圧力の方が高くなるように、出口側固定絞りＴＨ２は、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８と当該空間３８以外の空間とを接続している。流路２９ｂは、流体の圧送時に内径側空間３１の圧力が外径側空間３２の圧力よりも低くなるように内径側空間３１を外径側空間３２以外の空間に接続している。

図８は、ターボ式流体機械１０４の運転時の様子を示す断面図である。流体は、吸入ポート１１ａより取り込まれてコンプレッサインペラ２２により昇圧される。昇圧された流体の一部はディフューザを通過して吐出室１１ｃに向かって移動する。昇圧されて吐出室１１ｃに到達した流体の一部は、吐出ポート１１ｄ、流路２９ａおよび入口側固定絞りＴＨ１を通過する。入口側固定絞りＴＨ１を通過することで圧力は減少する。

流体は、入口側流路ＩＮ（入口側固定絞りＴＨ１）を通過する。その後、入口側流路ＩＮ（接続部ＩＮａ）からの流体は、モータ２８に対して接続部ＩＮａとは反対側に位置する出口側流路ＥＮ（接続部ＥＮａ）に向かって、シャフト２１の少なくとも一部に沿って流れるように連通路ＣＮを通過する。本実施の形態においては、連通路ＣＮは、連通路ＣＮを流れる流体が、軸孔１２ａとシャフト２１との間の位置、スラストフォイル軸受２４と大径部２１ａとの間の位置、ラジアルフォイル軸受２５と内輪２１ｂとの間の位置、ステータ２８ａとロータ２８ｂとの間の位置、ラジアルフォイル軸受２６と内輪２１ｃとの間の位置、ならびに、レゾルバロータ２７ａとレゾルバステータ２７ｂとの間の位置を通過するように形成されている。この間の圧力は略一定であるか、わずかに減少する。

連通路ＣＮを通過した流体、すなわち空間３８に到達した流体は、出口側流路ＥＮをさらに通過する。出口側流路ＥＮの出口側固定絞りＴＨ２を通過することで圧力はさらに減少し、たとえば吸気圧相当の圧力値となっている。入口側流路ＩＮから連通路ＣＮに供給された圧力によって連通路ＣＮの圧力が高められており、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８の圧力の方が高くなっている。したがって当該構成によっても、上述の実施の形態１と同様の作用および効果を得ることができる。

流体の圧送に伴い、コンプレッサインペラ背面領域３０内の圧力（インペラ背面圧）は高くなる。背面圧は、吸入ポート１１ａの入口側に向かってコンプレッサインペラ２２を変位させるように作用する。このように作用する背面圧は低い方が好ましい。一方で、第２区画壁１５のモータ室１７側に形成された空間３８の圧力は、タービンホイール背面領域３９の圧力に比べて高い値とする必要がある。

本実施の形態においては、流路２９ｂが第１区画壁１２に設けられており、流路２９ｂは上記の空間３８とはほとんど連通していない。したがって空間３８の圧力を高い値に設定したとしても、その影響がコンプレッサインペラ２２の背面圧（背面荷重）の上昇に直接的に繋がることは抑制されている。吸入ポート１１ａの入口側に向かってコンプレッサインペラ２２が変位することをより一層抑制することが可能となっている。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ハウジング、１１コンプレッサハウジング、１１ａ吸入ポート、１１ｂインペラ室、１１ｃ吐出室、１１ｄ吐出ポート、１２第１区画壁、１２ａ，１５ａ軸孔、１２ｂ区画部、１３，１４センターハウジング、１５第２区画壁、１６タービンハウジング、１６ｂタービン室、１７モータ室、１８モータ収容空間、１９軸シール部、２０回転部材、２１シャフト、２１ａ大径部、２１ｂ，２１ｃ内輪、２２コンプレッサインペラ、２２ａ，２３ａ基板、２２ｂ，２３ｂブレード、２２ｃ，２３ｃ背面部、２３タービンホイール、２４スラストフォイル軸受、２５，２６ラジアルフォイル軸受、２７レゾルバ、２７ａレゾルバロータ、２７ｂレゾルバステータ、２８モータ、２８ａステータ、２８ｂロータ、２９接続流路、２９ａ，２９ｂ流路、３０コンプレッサインペラ背面領域、３１内径側空間、３２外径側空間、３７，３８空間、３９タービンホイール背面領域、４０エアフローメータ、５０ＦＣスタック、１００，１０１，１０２，１０３，１０４ターボ式流体機械、ＣＮ連通路、ＥＮ出口側流路、ＥＮａ，ＩＮａ接続部、ＩＮ入口側流路、ＴＨ１入口側固定絞り、ＴＨ２出口側固定絞り。

Claims

第１区画壁および第２区画壁を含み、軸方向における前記第１区画壁と前記第２区画壁との間にモータ収容空間が形成され、前記第１区画壁に対して前記モータ収容空間の反対側にインペラ室が形成され、前記第２区画壁に対して前記モータ収容空間の反対側にタービン室が形成されたハウジングと、
前記第１区画壁および前記第２区画壁を貫通するように配置されたシャフトと、前記シャフトに固定されるとともに前記インペラ室内に配置されて流体の圧縮作用を行なうコンプレッサインペラと、前記シャフトに固定されるとともに前記タービン室内に配置されて回生作用を行なうタービンホイールと、を含む、回転部材と、
前記モータ収容空間内に配置され、前記回転部材を回転させるモータと、を備え、
前記第２区画壁の前記タービン室側にはタービンホイール背面領域が形成され、
前記第２区画壁と前記シャフトとの間に軸シール部が配置され、前記モータ収容空間と前記タービンホイール背面領域との間の流体の連通を制限しており、
前記コンプレッサインペラにより昇圧された流体の一部は、入口側固定絞りを有する入口側流路を介して前記モータ収容空間に導入され、
前記モータ収容空間に導入された流体は、出口側固定絞りを有する出口側流路を介して前記モータ収容空間から排出可能となっており、
前記出口側流路のうちの前記モータ収容空間への接続部は、前記第２区画壁と前記シャフトとの間の隙間とは別に設けられ、かつ、前記入口側流路のうちの前記モータ収容空間への接続部とは軸方向において前記モータに対して反対側に位置し、
前記入口側固定絞りおよび前記出口側固定絞りは、前記タービンホイール背面領域の圧力よりも前記モータ収容空間の圧力の方が高くなるように構成されている、
ターボ式流体機械。
前記ハウジングには、前記出口側流路を通過した流体を前記コンプレッサインペラの上流側の吸入ポートに供給するための接続流路がさらに設けられている、
請求項１に記載のターボ式流体機械。
前記シャフトを軸支するフォイル軸受をさらに備え、
前記モータ収容空間内を流れる流体が、前記フォイル軸受と前記シャフトとの間を通過するように構成されている、
請求項１または２に記載のターボ式流体機械。
前記シャフトの回転角度を検知するレゾルバをさらに備え、
前記レゾルバは、前記シャフトに一体回転可能に固定されたレゾルバロータと、前記ハウジングに固定されたレゾルバステータと、を有し、
前記モータ収容空間を流れる流体が、前記レゾルバロータと前記レゾルバステータとの間を通過するように構成されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載のターボ式流体機械。
前記第１区画壁の前記インペラ室側にはコンプレッサインペラ背面領域が形成され、
前記第１区画壁には、前記シャフトの周囲を取り囲むように環状に延在し、前記コンプレッサインペラ背面領域を内径側空間と外径側空間とに分ける区画部が設けられている、
請求項１から４のいずれか１項に記載のターボ式流体機械。
前記入口側固定絞りは、前記区画部により形成されている、
請求項５に記載のターボ式流体機械。
前記コンプレッサインペラの下流側の吐出ポートと、前記第２区画壁の前記モータ側に形成された空間とを接続することにより、前記流体は、前記モータ収容空間に導入されており、
前記出口側固定絞りは、前記第１区画壁と前記シャフトとの間に形成され、
前記ハウジングには、流体の圧送時に前記内径側空間の圧力が前記外径側空間の圧力よりも低くなるように前記内径側空間を前記外径側空間以外の空間に接続する流路がさらに設けられている、
請求項５に記載のターボ式流体機械。
前記コンプレッサインペラの下流側の吐出ポートと、前記第１区画壁のうちの前記シャフトの外周に位置する軸孔とを接続することにより、前記流体は、前記モータ収容空間に導入されており、
前記ハウジングには、流体の圧送時に前記内径側空間の圧力が前記外径側空間の圧力よりも低くなるように前記内径側空間を前記外径側空間以外の空間に接続する流路がさらに設けられている、
請求項５に記載のターボ式流体機械。