JP2023095528A - ターボ式流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】軸方向の体格を大きくすることなく、フォイル軸受を効果的に冷却することができるターボ式流体機械を提供する。【解決手段】ハウジング１１の内部を第１羽根車２５が収容される第１羽根車室１３ｂとスラストフォイル軸受３０が収容されるスラスト軸受収容室Ｓ２とに区画する第２プレート１６は、第３被支持部２４ｄに向けて軸心方向に突出した端面６０ａを有する支持部６０を備える。支持部６０の端面６０ａには、外周面まで径方向に延在する溝状の通路６１が凹設されている。一方のフォイル軸受３０は、バンプフォイル３２同士の間隙の位置及びトップフォイル３２同士の間隙の位置に通路６１の位置が対応しつつ、第３被支持部２４ｄと通路６１とが軸心方向に対向するよう、支持部６０の端面６０ａに取り付けられている。【選択図】図６

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。このターボ式流体機械は、軸心周りに回転する回転軸と、板状のスラストカラーと、作動体と、回転軸、スラストカラー及び作動体を収容するハウジングとを備えている。スラストカラーは、回転軸の周面から径方向へ延在するとともに回転軸と一体回転可能である。作動体は、回転軸と一体的に回転して外部流体を圧送する。

このターボ式流体機械は、さらに、板状の軸支部材と、フォイル軸受とを備えている。軸支部材には、回転軸が挿通される挿通孔が貫設されている。フォイル軸受は、スラストカラーを軸支部材に対して回転可能に回転軸の軸心方向に支持する。

フォイル軸受は、波板形状の弾性薄板よりなる複数のバンプフォイルと、弾性薄板よりなる数のトップフォイルとを備えている。バンプフォイルは、軸支部材のスラストカラー側の端面において挿通孔の周囲に間隔を有して並べて取り付けられる。トップフォイルは、一方の面がスラストカラーに対向するとともに他方の面が各バンプフォイルに弾性的に支持される。トップフォイルのスラストカラー側の端面が軸受面となり、スラストカラーのトップフォイル側の端面が軸受面と軸心方向に対向する被軸受面となる。

フォイル軸受では、回転軸の低速回転時に相対回転するスラストカラーをトップフォイルが接触状態で支持する。回転軸が高速回転すれば、被軸受面と軸受面との間の軸受隙間に生じる流体膜でスラストカラーを非接触状態で支持する。

この種のフォイル軸受では、トップフォイルは熱容量の小さい弾性薄板よりなるため高温になりやすく、トップフォイルの耐熱性が問題となりやすい。

上記従来のターボ式流体機械では、フォイル軸受を冷却するための冷却通路がハウジングに設けられている（第３実施形態、図７及び図８参照）。冷却通路の冷却流体は、軸支部材に対してスラストカラーとは反対側の空間（以下、適宜「反対側空間」と称する。）に導入される。反対側空間に導入された流体は、軸支部材の挿入孔と回転軸との間の隙間、及び軸支部材を軸心方向に貫通する貫通孔を介して、軸支部材とスラストカラーとの間の空間（以下、適宜「軸受空間」と称する。）に導かれる。軸受空間に導かれた冷却流体は、周方向に隣り合うバンプフォイル同士の間で径方向に延びる周方向隙間を径方向外側に流れてトップフォイル及びバンプフォイルを冷却する。

国際公開第２０２０／１３０１２４号

しかし、上記のようなターボ式流体機械において、上記反対側空間に作動体が収容される圧縮空間が存在する場合に、フォイル軸受を冷却するための冷却流体を軸支部材の反対側空間に導入するとき、作動体により圧縮される外部流体の圧縮効率を低下させないようにするために、反対側空間において圧縮空間を区画して仕切る仕切壁を軸支部材とは別に設ける必要がある。そうすると、仕切壁の分だけ、そのターボ式流体機械における軸方向の体格が大きくなってしまう。

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、軸方向の体格を大きくすることなく、フォイル軸受を効果的に冷却することができる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、
軸心周りに回転する回転軸と、
前記回転軸の周面から径方向へ延在するとともに前記回転軸と一体回転可能である板状のスラストカラーと、
前記回転軸と一体的に回転して外部流体を圧送する作動体と、
前記回転軸、前記スラストカラー及び前記作動体を収容するハウジングと、
前記回転軸が挿通される挿通孔が貫設されるとともに前記ハウジングの内部を前記作動体が収容される圧縮空間と前記スラストカラーが収容される軸受空間とに区画する隔壁部材と、
前記スラストカラーを前記隔壁部材に対して回転可能に前記軸心方向に支持するフォイル軸受と、を備えるターボ式流体機械であって、
前記隔壁部材は、前記スラストカラーに向けて前記軸心方向に突出した端面を有する支持部を備え、
前記支持部は、前記端面において凹設されるとともに外周面まで前記径方向に延在した溝を有し、
前記フォイル軸受は、前記挿通孔の周囲に間隙を有して並べられ、前記端面に取り付けられた波板形状の弾性薄板よりなる複数のバンプフォイルと、前記挿通孔の周囲に間隙を有して並べられ、一方の面が前記スラストカラーに対向するとともに他方の面が各前記バンプフォイルに弾性的に支持された弾性薄板よりなる複数のトップフォイルと、を備え、
前記フォイル軸受は、前記バンプフォイル同士の間隙の位置及び前記トップフォイル同士の間隙の位置に前記溝の位置が対応しつつ前記スラストカラーと前記溝が前記軸心方向に対向するよう、前記支持部に取り付けられていることを特徴とする。

フォイル軸受では、回転軸と共にスラストカラーが軸心周りに回転すると、低速回転時では、トップフォイルが相対回転するスラストカラーを接触状態で支持する。このとき、トップフォイルのスラストカラー側の端面が軸受面となり、スラストカラーのトップフォイル側の端面、すなわちトップフォイルの軸受面と回転軸の軸心方向に対向する面が被軸受面となる。回転軸が高速回転すれば、トップフォイルの軸受面とスラストカラーの被軸受面との間の軸受隙間における流体膜圧力が高められる。これにより、バンプフォイルに弾性支持されたトップフォイルは、バンプフォイルの弾性変形を伴いながらスラストカラーから浮上し、軸受隙間に生じる流体膜を介してスラストカラーを非接触状態で支持する。

低速回転時においては、トップフォイルが相対回転するスラストカラーを接触状態で支持するため、両者の摺動によって発熱する。また、高速回転時においても、スラストカラーとトップフォイルとの間で流体膜がせん断されて発熱する。トップフォイルは熱容量の小さい弾性薄板よりなる。このため、トップフォイルは高温になりやすく、トップフォイルの耐熱性が問題となりやすい。

本発明のターボ式流体機械では、隔壁部材に対してスラストカラーがフォイル軸受によって支持され、その隔壁部材が、作動体を収容する圧縮空間と、スラストカラーを収容する軸受空間とに区画する。そして、フォイル軸受を冷却するための冷却通路として、隔壁部材のスラストカラー側の端面に溝が設けられている。すなわち、フォイル軸受を冷却するための冷却通路は、隔壁部材を板厚方向に貫通するものではなく、隔壁部材の端面に設けられた溝状の通路である。このため、隔壁部材に対して軸受空間と反対側の反対側空間において圧縮空間を区画して仕切るための仕切壁を別途設ける必要がなく、軸方向の体格が大きくなることはない。

隔壁部材は、スラストカラーに向けて軸心方向に突出する支持部を有し、この支持部の端面に溝が凹設されている。この溝は、支持部の外周面まで回転軸の径方向に延在している。すなわち、フォイル軸受を冷却するための冷却通路としての溝(以下、適宜「通路」と称する）は、支持部の外周面に流入開口を有する。この通路は、回転軸の周方向に隣り合うバンプフォイル同士の間隙の位置に対応して位置する。言い換えると、この通路の少なくとも一部は回転軸の周方向に隣り合うバンプフォイル同士の間に位置する。通路とトップフォイルとの位置関係についても上記と同様である。また、この通路は、支持部の端面から軸心方向に凹設された溝状をなす。このため、流入開口から通路に流入した冷却流体は、径方向に外周側から内周側に流れるとともに、周方向に隣り合うバンプフォイル同士の間で径方向に延びる周方向隙間において通路から流れ出る。通路はスラストカラーと対向しているため、通路からバンプフォイルの周方向隙間に流れ出た冷却流体は、スラストカラーの遠心力を受けて周方向に交差する方向の内周側から外周側へ流れながら、バンプフォイルやトップフォイルを冷却する。こうして周方向に交差する方向の内周側から外周側に流れる冷却流体によって、トップフォイルを効果的に冷却することができる。

したがって、このターボ式流体機械では、軸方向の体格を大きくすることなく、フォイル軸受を効果的に冷却することができる。

周方向に対向して溝を区画する一対の溝側面のうち回転軸の回転方向側の溝側面は、溝の底面から開口端縁に向かって軸心方向に進むに従って回転方向に進むように傾いて延びていることが好ましい。この場合、通路内の冷却流体は、回転軸の回転方向に回転するスラストカラーからの回転力を受けることで、回転方向側の傾いた溝側面に沿ってフォイル軸受内にスムーズに流れ出る。

溝は、外周側から内周側に向かって径方向に延在するに従って回転方向に進むように傾いて延在していることが好ましい。この場合、溝内の冷却流体は、回転軸の回転方向に回転するスラストカラーからの回転力を受けることで、溝内を径方向に外周側から内周側にスムーズに流れる。

本発明のターボ式流体機械によれば、軸方向の体格を大きくすることなく、フォイル軸受を効果的に冷却することができる。

図１は実施例１のターボ式圧縮機の断面図である。 図２は実施例１のターボ式圧縮機の一部を拡大して示す断面図である。 図３は実施例１のターボ式圧縮機の一部を拡大して示す断面図である。 図４は実施例１のターボ式圧縮機に係り、第４プレートを示す斜視図である。 図５は実施例１のターボ式圧縮機に係り、隔壁部材としての第２プレートを示す斜視図である。 図６は実施例１のターボ式圧縮機に係り、隔壁部材の支持部にバンプフォイルが配置された状態を示す平面図である。 図７は実施例１のターボ式圧縮機に係り、隔壁部材の支持部にトップフォイルが配置された状態を示す平面図である。 図８は実施例１のターボ式圧縮機に係り、スラストフォイル軸受の作動を説明する断面図である。 図９は実施例１のターボ式圧縮機に係り、スラストフォイル軸受の作動を説明する断面図である。 図１０は実施例２のターボ式圧縮機に係り、隔壁部材としての第２プレートを示す斜視図である。 図１１は実施例２のターボ式圧縮機に係り、図１０のＸＩ－ＸＩ線断面図である。 図１２は実施例３のターボ式圧縮機に係り、隔壁部材の支持部にトップフォイルが配置された状態を示す平面図である。

以下、本発明を具体化した実施例１～３について図面を参照しつつ説明する。

（実施例１）
この実施例では、本発明のターボ式流体機械をターボ式圧縮機１０に具体化した。ターボ式圧縮機１０は、燃料電池システム１が搭載された燃料電池車に搭載されている。燃料電池システム１は、酸素及び水素を車載用燃料電池に供給して発電させる。ターボ式圧縮機１０は、車載用燃料電池に供給される酸素を含む空気を圧縮する。

図１に示すように、ターボ式流体機械であるターボ式圧縮機１０はハウジング１１を備えている。ハウジング１１は金属材料製であり、例えばアルミニウム合金製である。ハウジング１１は、モータハウジング１２と、コンプレッサハウジング１３と、タービンハウジング１４と、第１プレート１５と、第２プレート１６と、第３プレート１７と、第４プレート２９とを有している。第２プレート１６は、本発明における隔壁部材に相当する。

モータハウジング１２は、板状の端壁１２ａと、周壁１２ｂとを有している。周壁１２ｂは、端壁１２ａの外周部から筒状に延びている。第１プレート１５は、モータハウジング１２の周壁１２ｂの開口側の端部に連結され、周壁１２ｂの開口を閉塞している。

モータハウジング１２の端壁１２ａの内面１２１ａ、周壁１２ｂの内周面１２１ｂ、及び第１プレート１５におけるモータハウジング１２側の端面１５ａによってモータ室Ｓ１が区画されている。モータ室Ｓ１内には、電動モータ１８が収容されている。

第１プレート１５は第１軸受保持部２０を有している。第１軸受保持部２０は、第１プレート１５の端面１５ａの中央部から電動モータ１８に向けて突出している。第１軸受保持部２０は円筒状である。

第１プレート１５におけるモータハウジング１２とは反対側の端面１５ｂには、底面１５ｄを有する凹部１５ｃが形成されている。凹部１５ｃは円孔状である。第１軸受保持部２０の筒内は、第１プレート１５を貫通して凹部１５ｃの底面１５ｄに開口している。凹部１５ｃの軸心と第１軸受保持部２０の軸心とは一致している。凹部１５ｃの内周面１５ｅは、端面１５ｂと底面１５ｄとを接続している。

モータハウジング１２は第２軸受保持部２２を有している。第２軸受保持部２２は、モータハウジング１２の端壁１２ａの内面１２１ａの中央部から電動モータ１８に向けて突出している。第２軸受保持部２２は円筒状である。第２軸受保持部２２の筒内は、モータハウジング１２の端壁１２ａを貫通して端壁１２ａの外面１２２ａに開口している。第１軸受保持部２０の軸心と第２軸受保持部２２の軸心とは一致している。

図２に示すように、第４プレート２９は第１プレート１５の端面１５ｂに連結されている。図４に示すように、第４プレート２９は、中央孔２９ａを有する円環状に形成されている。中央孔２９ａは凹部１５ｃ内に連通している。第４プレート２９における第１プレート１５とは反対側の端面２９ｂには、連通溝２９ｃが凹設されている。連通溝２９ｃは、第４プレート２９の径方向に延びて第４プレート２９の外周面と内周面とに開口している。連通溝２９ｃは、第４プレート２９の外周面から回転軸２４ａの軸心に向かって求心方向に延びている。

第２プレート１６は、第４プレート２９の端面２９ｂに連結されている。第２プレート１６の中央部にはシャフト挿通孔１６ａが形成されている。シャフト挿通孔１６ａは中央孔２９ａを介して凹部１５ｃ内に連通している。シャフト挿通孔１６ａの軸心は、中央孔２９ａの軸心、凹部１５ｃの軸心及び第１軸受保持部２０の軸心と一致している。第２プレート１６における第４プレート２９側の端面１６ｂと、第４プレート２９の中央孔２９ａと、第１プレート１５の凹部１５ｃとによって、スラスト軸受収容室Ｓ２が区画されている。スラスト軸受収容室Ｓ２は、本発明における軸受空間に相当する。

コンプレッサハウジング１３は、空気が吸入される円孔状の吸入口１３ａを有する筒状である。コンプレッサハウジング１３は、第２プレート１６における第１プレート１５とは反対側の端面１６ｃに連結されている。コンプレッサハウジング１３の吸入口１３ａの軸心と、第２プレート１６のシャフト挿通孔１６ａの軸心と、第１軸受保持部２０の軸心とは一致している。吸入口１３ａは、コンプレッサハウジング１３における第２プレート１６とは反対側の端面に開口している。

コンプレッサハウジング１３と第２プレート１６の端面１６ｃとの間には、第１羽根車室１３ｂと、吐出室１３ｃと、第１ディフューザ流路１３ｄとが形成されている。第１羽根車室１３ｂは吸入口１３ａに連通している。吐出室１３ｃは、第１羽根車室１３ｂの周囲で吸入口１３ａの軸心周りに延びている。第１ディフューザ流路１３ｄは、第１羽根車室１３ｂと吐出室１３ｃとを連通している。第１羽根車室１３ｂは、第２プレート１６のシャフト挿通孔１６ａに連通している。第１羽根車室１３ｂは、本発明における圧縮空間に相当する。

図３に示すように、第３プレート１７は、モータハウジング１２の端壁１２ａの外面１２２ａに連結されている。第３プレート１７の中央部にはシャフト挿通孔１７ａが形成されている。シャフト挿通孔１７ａは、第２軸受保持部２２の筒内に連通している。シャフト挿通孔１７ａの軸心は第２軸受保持部２２の軸心と一致している。

タービンハウジング１４は、空気を吐出する円孔状の吐出口１４ａを有する筒状である。タービンハウジング１４は、第３プレート１７におけるモータハウジング１２とは反対側の端面１７ｂに連結されている。タービンハウジング１４の吐出口１４ａの軸心と、第３プレート１７のシャフト挿通孔１７ａの軸心と、第２軸受保持部２２の軸心とは一致している。吐出口１４ａは、タービンハウジング１４における第３プレート１７とは反対側の端面に開口している。

タービンハウジング１４と第３プレート１７の端面１７ｂとの間には、第２羽根車室１４ｂと、吸入室１４ｃと、第２ディフューザ流路１４ｄとが形成されている。第２羽根車室１４ｂは吐出口１４ａに連通している。吸入室１４ｃは、第２羽根車室１４ｂの周囲で吐出口１４ａの軸心周りに延びている。第２ディフューザ流路１４ｄは、第２羽根車室１４ｂと吸入室１４ｃとを連通している。第２羽根車室１４ｂは、第３プレート１７のシャフト挿通孔１７ａに連通している。

図１に示すように、ハウジング１１内には回転体２４が収容されている。回転体２４は、軸部としての回転軸２４ａと、第１被支持部２４ｂと、第２被支持部２４ｃと、第３被支持部２４ｄとを有している。回転軸２４ａは、コンプレッサハウジング１３側の端部である第１端部２４ｅと、タービンハウジング１４側の端部である第２端部２４ｆとを有している。第１被支持部２４ｂは、回転軸２４ａの外周面２４０ａにおける第１端部２４ｅ寄りの部位に設けられるとともに第１軸受保持部２０の筒内に配置されている。第１被支持部２４ｂは、回転軸２４ａに一体的に形成されるとともに回転軸２４ａの外周面２４０ａから環状に突出している。

第２被支持部２４ｃは、回転軸２４ａの外周面２４０ａにおける第２端部２４ｆ寄りの部位に設けられるとともに第２軸受保持部２２の筒内に配置されている。第２被支持部２４ｃは、円筒状をなし、回転軸２４ａの外周面２４０ａから環状に突出した状態で、回転軸２４ａの外周面２４０ａに固定されている。第２被支持部２４ｃは、回転軸２４ａと一体的に回転可能である。

第３被支持部２４ｄはスラスト軸受収容室Ｓ２に配置されている。第３被支持部２４ｄは、円板状をなし、回転軸２４ａの外周面２４０ａから径方向に延在して環状に突出した状態で、回転軸２４ａの外周面２４０ａに固定されている。第３被支持部２４ｄは、回転軸２４ａと一体的に回転可能である。第３支持部２４ｄは、電動モータ１８に対して回転軸２４ａの軸心方向で離隔した位置に配置されている。第３被支持部２４ｄは、本発明におけるスラストカラーに相当する。

以下の説明において、軸心方向、周方向、径方向とは、回転軸２４ａの軸心方向、周方向、径方向をそれぞれ意味する。回転軸２４ａの第１端部２４ｅ側を軸心方向の一方側とし、回転軸２４ａの第２端部２４ｆ側を軸心方向の他方側とする。

回転軸２４ａの第１端部２４ｅには、作動体としての第１羽根車２５が連結されている。第１羽根車２５は、回転軸２４ａにおける第３被支持部２４ｄよりも第１端部２４ｅ寄りに配置されている。第１羽根車２５は第１羽根車室１３ｂに収容されている。回転軸２４ａの第２端部２４ｆには、第２羽根車２６が連結されている。第２羽根車２６は、回転軸２４ａにおける第２被支持部２４ｃよりも第２端部２４ｆ寄りに配置されている。第２羽根車２６は第２羽根車室１４ｂに収容されている。ハウジング１１は、第１羽根車２５、第２羽根車２６及び回転体２４を収容している。

第２プレート１６のシャフト挿通孔１６ａと回転軸２４ａとの間には、第１シール部材２７が設けられている。第１シール部材２７は、シャフト挿通孔１６ａと回転軸２４ａとの間の隙間を封止して、第１羽根車室１３ｂからモータ室Ｓ１に向かう空気の洩れを抑制する。第３プレート１７のシャフト挿通孔１７ａと回転体２４との間には、第２シール部材２８が設けられている。第２シール部材２８は、シャフト挿通孔１７ａと回転軸２４ａとの間の隙間を封止して、第２羽根車室１４ｂからモータ室Ｓ１に向かう空気の洩れを抑制する。第１シール部材２７及び第２シール部材２８は、例えばシールリングである。第１シール部材２７は、本発明における封止部材に相当する。

第２プレート１６がシャフト挿通孔１６ａと回転軸２４ａとの間の隙間を封止する第１シール部材２７をシャフト挿通孔１６ａの内部に有することで、ハウジング１１の内部が、第１羽根車室１３ｂと、スラスト軸受収容室Ｓ２とに区画される。

電動モータ１８は、筒状のロータ３１及び筒状のステータ３２を備えている。ロータ３１は回転軸２４ａに固定されている。ステータ３２はハウジング１１に固定されている。ロータ３１は、ステータ３２の径方向内側に配置されるとともに回転体２４と一体的に回転する。ロータ３１は、回転軸２４ａに止着された円筒状のロータコア３１ａと、ロータコア３１ａに設けられた図示しない複数の永久磁石と、を有している。ステータ３２は、ロータ３１を取り囲んでいる。ステータ３２は、モータハウジング１２の周壁１２ｂの内周面１２１ｂに固定された円筒状のステータコア３３と、ステータコア３３に巻回されたコイル３４と、を有している。回転体２４は、図示しないバッテリからコイル３４に電流が流れることによって、ロータ３１と一体的に回転する。

燃料電池システム１は、車載用燃料電池としての燃料電池スタック１００と、ターボ式圧縮機１０と、供給流路Ｌ１と、吐出流路Ｌ２と、分岐流路Ｌ３とを備えている。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池から構成されている。供給流路Ｌ１は、吐出室１３ｃと、燃料電池スタック１００とを接続する。吐出流路Ｌ２は、燃料電池スタック１００と、吸入室１４ｃとを接続する。供給流路Ｌ１から分岐する分岐流路Ｌ３の途中には、インタークーラ１１０が設けられている。インタークーラ１１０は、分岐流路Ｌ３を流れる空気を冷却する。

回転体２４がロータ３１と一体的に回転すると、第１羽根車２５及び第２羽根車２６が回転体２４と一体的に回転する。すると、吸入口１３ａから吸入された空気が第１羽根車室１３ｂ内で第１羽根車２５によって圧縮されるとともに第１ディフューザ流路１３ｄを通過して吐出室１３ｃから吐出される。吐出室１３ｃから吐出された空気は、供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１００に供給される。燃料電池スタック１００に供給された空気は、燃料電池スタック１００を発電するために使用された後、燃料電池スタック１００の排気として吐出流路Ｌ２へ吐出される。燃料電池スタック１００の排気は、吐出流路Ｌ２を介して吸入室１４ｃに吸入される。吸入室１４ｃに吸入された燃料電池スタック１００の排気は、第２ディフューザ流路１４ｄを通じて第２羽根車室１４ｂに吐出される。第２羽根車室１４ｂに吐出される燃料電池スタック１００の排気により第２羽根車２６が回転する。回転体２４は、電動モータ１８の駆動による回転に加え、燃料電池スタック１００の排気により回転する第２羽根車２６の回転によっても回転する。よって、作動体としての第１羽根車２５は回転体２４と一体的に回転するとともに、外部流体としての空気を圧送する。第２羽根車室１４ｂに吐出された燃料電池スタック１００の排気は、吐出口１４ａから外部へ吐出される。

以下の説明においては、回転体２４がロータ３１と一体的に回転方向Ｒに回転するものとする。図６～図９に回転軸２４ａの回転方向を矢印Ｒで示すように、回転体２４及びロータ３１は、図６における反時計回り方向に回転する。

ターボ式圧縮機１０は、一対のスラストフォイル軸受３０、３０と、一対のラジアルフォイル軸受４０、４０とを有している。一対のスラストフォイル軸受３０、３０は、回転体２４の第３被支持部２４ｄをハウジング１１に対して回転可能に回転軸２４ａの軸心方向に支持する。一対のラジアルフォイル軸受４０、４０は、回転体２４の第１被支持部２４ｂ、第２被支持部２４ｃをハウジング１１に対して回転可能に回転軸２４ａの軸心方向に直交する方向に支持する。

一対のスラストフォイル軸受３０、３０は、スラスト軸受収容室Ｓ２に配置されている。一対のスラストフォイル軸受３０、３０は、スラストカラーとしての第３被支持部２４ｄを挟み込むように配置されている。一対のスラストフォイル軸受３０、３０は、第３被支持部２４ｄに対して、回転軸２４ａの軸心方向で対向している。一方のスラストフォイル軸受３０は、第３被支持部２４ｄに対して、回転軸２４ａの第１端部２４ｅ側に配置されている。他方のスラストフォイル軸受３０は、第３被支持部２４ｄに対して、回転軸２４ａの第２端部２４ｆ側に配置されている。

図２に示すように、第３被支持部２４ｄにおける回転軸２４ａの第１端部２４ｅ側の端面が、一方のスラストフォイル軸受３０に軸心方向に支持される被軸受面２４１ｄとされる。同様に、第３被支持部２４ｄにおける回転軸２４ａの第２端部２４ｆ側の端面が、他方のスラストフォイル軸受３０に軸心方向に支持される被軸受面２４１ｄとされる。

図２及び図５に示すように、第２プレート１６における第４プレート２９側の端面１６ｂには支持部６０が一体に設けられている。支持部６０は、第２プレート１６の中央部において、第３支持部２４ｄに向けて軸心方向に突出している。支持部６０の中央部にもシャフト挿通孔１６ａが連続して延びている。支持部６０は、第４プレート２９の中央孔２９ａ内に配置されている。

支持部６０には、その突出する端面６０ａから軸心方向に６個の溝が凹設されている。すなわち、支持部６０の端面６０ａには６個の溝状の通路６１が形成されている。各通路６１は、回転軸２４ａの周方向において間隔を有して等間隔に配置されている。各通路６１は、支持部６０の外周面６０ｂまで延在している。すなわち、各通路６１は、支持部６０の外周面６０ｂに開口する流入開口６１ａ有する(図６、図７参照）。各通路６１は、支持部６０の外周面６０ｂから回転軸２４ａの軸心に向かって求心方向に延びている。各通路６１における内周側の端部は、シャフト挿通孔１６ａの近傍まで延びている。

図２に示すように、一方のスラストフォイル軸受３０は第２プレート１６における支持部６０の端面６０ａに取り付けられており、他方のスラストフォイル軸受３０は第１プレート１５における凹部１５ｃの底面１５ｄに取り付けられている。なお、他方のスラストフォイル軸受３０は図示しない蓋部材に取り付けられ、その蓋部材が支持部とネジ締結されつつ第１プレート１５に接合されていてもよい。

図６に示すように、支持部６０の端面６０ａには、シャフト挿通孔１６ａの周囲に間隔をおいて等間隔に並べられた６個の板状のバンプフォイル３２が取り付けられている。図８に示すように、各バンプフォイル３２は、周方向の一方側の端部において、溶接によって支持部６０の端面６０ａに固定されている。すなわち、バンプフォイル３２の周方向の一方側の端部が固定端３２ａとされ、周方向の他方側の端部が自由端３２ｂとされている。なお、バンプフォイル３２は、周方向の他方側の端部が固定端とされ、周方向の一方側の端部が自由端とされてもよい。

バンプフォイル３２の外形状は、平面視で略扇状をなしている。バンプフォイル３２は、ステンレス鋼などの金属製の弾性薄板よりなり、山部３２ｃと谷部３２ｄとが回転軸２４ａの周方向に交互に並ぶ波板形状とされている。山部３２ｃの稜線３２ｅは、回転軸２４ａの周方向に並んでいる。各山部３２ｃは第３支持部２４ｄ側に突出し、トップフォイル３３に当接してトップフォイル３３を弾性的に支持しうる。

図７に示すように、支持部６０の端面６０ａには、シャフト挿通孔１６ａの周囲に並べて６個の板状のトップフォイル３３が取り付けられている。図８に示すように、各トップフォイル３３は、周方向の他方側の端部が支持部６０に向けて折り曲げられており、その先端部が溶接によって支持部６０の端面６０ａに固定されている。すなわち、トップフォイル３３の周方向の他方側の端部が固定端３３ａとされ、周方向の一方側の端部が自由端３３ｂとされている。トップフォイル３３の外形状は、平面視で略扇状をなしている。トップフォイル３３は、ステンレス鋼などの金属製の弾性薄板を所定形状に成形して形成されている。

各トップフォイル３３は、各バンプフォイル３２と対応するように回転軸２４ａの周方向に間隔をおいて等間隔に配置されて、各バンプフォイル３２に弾性的に支持されている。トップフォイル３３の一方の面がスラストカラーとしての第３被支持部２４ｄに対向し、トップフォイル３３の他方の面がバンプフォイル３２により弾性的に支持されている。トップフォイル３３におけるバンプフォイル３２により弾性的に支持される面と反対側の面が、第３被支持部２４ｄの被軸受面２４１ｄと軸心方向に対向する軸受面３３ｃとされる。

スラストフォイル軸受３０は、バンプフォイル３２同士の間隔の位置及びトップフォイル３３同士の間隔の位置に各通路６１の位置が対応しつつ、スラストカラーとしての第３支持部２４ｄと各通路６１が軸心方向に対向するように、支持部６０の端面６０ａに取り付けられている。すなわち、各バンプフォイル３２及び各トップフォイル３３は、６個の通路６１を避けつつ、回転軸２４ａの周方向に等間隔に配置されている。支持部６０の端面６０ａにおいて各通路６１を避けた部位に各バンプフォイル３２及び各トップフォイル３３が取り付けられている。これにより、各バンプフォイル３２の荷重は支持部６０の端面６０ａで確実に受けることができる。各通路６１は、周方向に隣り合うバンプフォイル３２同士の間で周方向に交差する方向である径方向に延びる周方向隙間３２ｆに配置されている(図６参照）。以下の説明において、回転軸２４ａの周方向に隣り合うバンプフォイル３２同士の間で周方向に交差する方向に延びる隙間のことを単に周方向隙間３２ｆと称する。

各通路６１は、周方向隙間３２ｆにおいて、バンプフォイル３２における外周端縁から内周端縁の近傍まで連続して延びている。周方向隙間３２ｆと通路６１とは、回転軸２４ａの軸心方向に垂直な仮想平面上に投影されたときに、バンプフォイル３２の径方向幅の大部分の範囲において、周方向に交差する方向である径方向に重複している。

凹部１５ｃに取り付けられた他方のスラストフォイル軸受３０も、支持部６０に取り付けられた一方のスラストフォイル軸受３０と同様、６個のバンプフォイル３２と６個のトップフォイル３３とを備えている。

一方のラジアルフォイル軸受４０は第１軸受保持部２０内に配置されており、他方のラジアルフォイル軸受４０は第２軸受保持部２２内に配置されている。第１軸受保持部２０内において、回転体２４の第１被支持部２４ｂが一方のラジアルフォイル軸受４０に回転可能に支持される。第１被支持部２４ｂの外周面が、一方のラジアルフォイル軸受４０に軸心方向と直交する方向に支持されるラジアル被軸受面２４ｇとされる。第２軸受保持部２２内において、回転体２４の第２被支持部２４ｃが他方のラジアルフォイル軸受４０に回転可能に支持される。第２被支持部２４ｃの外周面が、他方のラジアルフォイル軸受４０に軸心方向と直交する方向に支持されるラジアル被軸受面２４ｇとされる。

一対のラジアルフォイル軸受４０、４０は基本的に同様の構成を有するため、一方のラジアルフォイル軸受４０の構成についてのみ説明し、他方のラジアルフォイル軸受４０の構成についての説明を省略する。

ラジアルフォイル軸受４０は、ラジアルバンプフォイル４２と、ラジアルトップフォイル４３とを備えている。ラジアルバンプフォイル４２及びラジアルトップフォイル４３は、いずれも略円筒状をなしており、ステンレス鋼などの金属製の弾性薄板を所定形状に成形して形成されている。ラジアルバンプフォイル４２及びラジアルトップフォイル４３は、周方向の他方側の端部が径方向外側へ折り曲げられて第１軸受保持部２０の内周面に固定されている。すなわち、ラジアルバンプフォイル４２及びラジアルトップフォイル４３は、周方向の他方側の端部が固定端とされ、周方向の一方側の端部が自由端とされている。

ラジアルバンプフォイル４２は、ラジアルトップフォイル４３側に突出する山部の稜線が回転軸２４ａの周方向に並ぶ波板形状をなしている。ラジアルバンプフォイル４２は、隣り合う山部の間に配置される各谷部が第１軸受保持部２０により支持された状態で、各山部によりラジアルトップフォイル４３を弾性的に支持しうる。ラジアルトップフォイル４３においては、ラジアルバンプフォイル４２により弾性的に支持される面と反対側の面が、ラジアル被軸受面２４ｇに径方向に対向するラジアル軸受面４３ａ（図２、図３参照）とされる。

図８に示すように、一対のスラストフォイル軸受３０、３０においては、回転軸２４ａの回転数が、スラストフォイル軸受３０によりスラストカラーとしての第３被支持部２４ｄが浮上する浮上回転数に達するまでは、トップフォイル３３の軸受面３３ｃと第３被支持部２４ｄの被軸受面２４１ｄとが接触した状態で回転軸２４ａを支持する。

図９に示すように、回転軸２４ａの回転数が浮上回転数に達すると、第３被支持部２４ｄとトップフォイル３３との間に生じる流体膜圧力によって、第３被支持部２４ｄがスラストフォイル軸受３０に対して浮上する。これにより、スラストフォイル軸受３０は、第３被支持部２４ｄと非接触の状態で回転軸２４ａを支持する。

一対のラジアルフォイル軸受４０、４０においても、同様に、回転軸２４ａの回転数が、ラジアルフォイル軸受４０により第１被支持部２４ｂ、第２支持部２４ｃが浮上する浮上回転数に達するまでは、ラジアルトップフォイル４３のラジアル軸受面４３ａと第１被支持部２４ｂ、第２被支持部２４ｃのラジアル被軸受面２４ｇとが接触した状態で回転軸２４ａを支持する。回転軸２４ａの回転数が浮上回転数に達すると、第１被支持部２４ｂ、第２被支持部２４ｃとトップフォイル４３との間に生じる流体膜圧力によって、第１被支持部２４ｂ、第２被支持部２４ｃがラジアルフォイル軸受４０に対して浮上する。これにより、ラジアルフォイル軸受４０は、第１被支持部２４ｂ、第２被支持部２４ｃと非接触の状態で回転軸２４ａを支持する。

図１～図３に示すように、ハウジング１１には冷却流路５０が形成されている。冷却流路５０には流体としての冷却空気が流れる。冷却流路５０は、第２プレート１６、第４プレート２９、第１プレート１５、モータハウジング１２、及び第３プレート１７に亘って形成されている。冷却流路５０は、第１流路５１及び第２流路５２を有している。各通路６１は、冷却流路５０の一部を構成する。

第１流路５１は、第２プレート１６及び第４プレート２９に設けられている。第１流路５１の流入口５１ａは、第４プレート２９の連通溝２９ｃにおける外周側の開口端によって形成される。分岐流路Ｌ３は、供給流路Ｌ１と、第１流路５１の流入口５１ａとを接続する。第１流路５１は、第４プレート２９の連通溝２９ｃ及び中央孔２９ａ、スラスト軸受収容室Ｓ２並びに一方のラジアルフォイル軸受４０を介してモータ室Ｓ１に連通している。

第２流路５２は、第３プレート１７に設けられている。第２流路５２は、第３プレート１７の側端面に設けられた排出口５２ａを有している。第２流路５２は、他方のラジアルフォイル軸受４０を介してモータ室Ｓ１に連通している。

第１流路５１には、燃料電池スタック１００に向かって供給流路Ｌ１を流れる空気の一部が分岐流路Ｌ３を介して流入される。なお、第１流路５１に流入される空気は、分岐流路Ｌ３を流れる途中でインタークーラ１１０によって冷却空気とされている。

第１流路５１の流入口５１ａに流入した冷却空気は、第４プレート２９の連通溝２９ｃを通って中央孔２９ａに到達する。中央孔２９ａに到達した冷却空気は、主に一方のスラストフォイル軸受３０を冷却する。すなわち、連通溝２９ｃから中央孔２９ａに流れ出た冷却空気は、中央孔２９ａ内を周方向に回り込みながら各流入開口６１ａから各通路６１内に流入する。各通路６１内に流入した冷却空気は、径方向に外周側から内周側に流れるとともに、周方向に隣り合うバンプフォイル３２同士の間で径方向に延びる各周方向隙間３２ｆにおいて各通路６１から流れ出る。各通路６１はスラストカラーとしての第３被支持部２４ｄと対向しているため、各通路６１から各周方向隙間３２ｆに流れ出た冷却空気は、第３被支持部２４ｄの遠心力を受けて周方向に交差する方向の内周側から外周側へ流れながら、各バンプフォイル３２や各トップフォイル３３を冷却する。こうして周方向に交差する方向の内周側から外周側に流れる冷却空気によって、トップフォイル３３を効果的に冷却することができる。

一方のスラストフォイル軸受３０を冷却した後の冷却空気は、第３被支持部２４ｄの径方向外方を通過し、他方のスラストフォイル軸受３０内を外周側から内周側に向かって流れて、他方のスラストフォイル軸受３０を冷却する。なお、連通孔２９ｃから中央孔２９ａに流れ出た冷却空気の一部は、一方のスラストフォイル軸受３０を冷却することなく直接他方のスラストフォイル軸受３０を冷却する。

スラスト軸受収容室Ｓ２を通過した冷却空気は、一方のラジアルフォイル軸受４０内を軸心方向の一方側から他方側に向かって流れて、一方のラジアルフォイル軸受４０を冷却する。一方のラジアルフォイル軸受４０を通過した冷却空気はモータ室Ｓ１内に流れ込む。

モータ室Ｓ１内に流れ込んだ空気は、例えば、ロータ３１とステータ３２との間を通過し、他方のラジアルフォイル軸受４０を介して第２流路５２に流れ込み、排出口５２ａから排出される。

このように、冷却空気が冷却流路５０を流れることにより、電動モータ１８、一対のスラストフォイル軸受３０、３０、及び一対のラジアルフォイル軸受４０、４０が冷却空気によって直接冷却される。

スラストフォイル軸受３０やラジアルフォイル軸受４０では、トップフォイル３３やラジアルトップフォイル４３の耐熱性が問題となりやすい。この点、このターボ式圧縮機１０では、スラストフォイル軸受３０内やラジアルフォイル軸受４０内を冷却空気が流通するので、冷却空気によってトップフォイル３３やラジアルトップフォイル４３を冷却することができ、トップフォイル３３やラジアルトップフォイル４３の耐熱性の問題を抑制できる。

特に、このターボ式圧縮機１０では、一対のスラストフォイル軸受３０、３０のうち第１羽根車２５側の一方のスラストフォイル軸受３０には大きなスラスト荷重が作用するため、この一方のスラストフォイル軸受３０を積極的に冷却するのが望ましい。

この点、このターボ式圧縮機１０では、上述のとおり、一方のスラストフォイル軸受３０における各周方向隙間３２ｆには、各バンプフォイル３２の外周端縁から内周端縁の近傍まで延びる通路６１が形成されており、この通路６１内に冷却空気が導入されるようになっている。このため、大きなスラスト荷重が作用する一方のスラストフォイル軸受３０を積極的に冷却することができる。

また、このターボ式圧縮機１０では、第２プレート１６のシャフト挿通孔１６ａと回転軸２４ａとの隙間が第１シール部材２７で封止されており、その第２プレート１６によって、圧縮空間としての第１羽根車室１３ｂと、軸受空間としてのスラスト軸受収容室Ｓ２とが仕切られている。そして、一方のスラストフォイル軸受３０を冷却するための通路６０は、第２プレート１６を板厚方向に貫通するものではなく、第２プレート１６に一体に設けられた支持部６０の端面６０ａに設けられた溝状の通路である。このため、第２プレート１６に対してスラスト軸受収容室Ｓ２と反対側の反対側空間において第１羽根車室１３ｂを区画して仕切るための仕切壁を別途設ける必要がなく、軸方向の体格が大きくなることはない。

したがって、このターボ式圧縮機１０では、軸方向の体格を大きくすることなく、特に大きなスラスト荷重が作用する一方のスラストフォイル軸受３０を効果的に冷却することができる。

このターボ式圧縮機１０では、一方のスラストフォイル軸受３０における全周方向隙間３２ｆに通路６１を形成している。また、この通路６１は、スラストバンプフォイル３２の径方向幅のほぼ全体に延びている。このため、一方のスラストフォイル軸受３０においては、各通路６１から流れ出る冷却空気によって、全スラストトップフォイル３３のほぼ全域を良好に冷却することができる。

（実施例２）
図１０及び図１１に示すように、このターボ式圧縮機では、実施例１のターボ式圧縮機１０において、支持部６０に形成する各通路６１の形状を変更している。

各通路６１において、周方向に対向して溝を区画する一対の溝側面６１ｂ、６１ｃのうち回転軸２４ａの回転方向Ｒ側の溝側面６１ｃは、溝の底面６１ｄから開口端縁６１ｅに向かって軸心方向に進むに従って回転方向Ｒに進むようにθ１の角度で傾いて延びている。

このため、通路６１内の冷却流体は、回転方向Ｒに回転する第３被支持部２４ｄからの回転力を受けることで、回転方向Ｒ側の傾いた溝側面６１ｃに沿って一方のスラストフォイルフォイル軸受３０内にスムーズに流れ出る。

その他の構成及び作用は実施例１のターボ式圧縮機１０と同様である。

（実施例３）
図１２に示すように、このターボ式圧縮機では、実施例１のターボ式圧縮機１０において、支持部６０に形成する各通路６１の形状を変更するとともに、通路６１の形状変更に対応させて一方のスラストフォイル軸受３０における各バンプフォイル３２及び各トップフォイル３３の形状を変更している。

各通路６１は、外周側から内周側に向かって径方向に延在するに従って回転軸２４ａの回転方向Ｒに進むようにθ２の角度で傾いて延在している。

この通路６１の形状変更に対応させて、一方のスラストフォイル軸受３０における各バンプフォイル３２及び各トップフォイル３３の形状を変更している。すなわち、バンプフォイル３２同士の間隙の位置及びトップフォイル３３同士の間隙の位置に各通路６１の位置が対応しつつ第３被支持部２４ｄと各通路６１とが軸心方向に対向するように、各バンプフォイル３２及び各トップフォイル３３が支持部６０に取り付けられている。支持部６０の端面６０ａにおいて各通路６１を避けた部位に各バンプフォイル３２及び各トップフォイル３３を取り付けている。これにより、各バンプフォイル３２の荷重は支持部６０の端面６０ａで確実に受けることができる。

この場合、各通路６１内の冷却流体は、回転方向Ｒに回転する第３被支持部２４ｄからの回転力を受けることで、通路６１内を周方向に交差する方向に外周側から内周側にスムーズに流れる。

その他の構成及び作用は実施例１のターボ式圧縮機１０と同様である。

以上において、本発明を実施例１～３に即して説明したが、本発明は実施例１～３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、実施例１～３では、スラストフォイル軸受３０において、６個のバンプフォイル３２及び６個のトップフォイル３３としたが、バンプフォイル３２及びトップフォイル３３の数はこれに限らず、それぞれ同数の複数個とすることができる。また、複数個のバンプフォイルがリング部により一体化されたディスク式のバンプフォイルや、複数個のトップフォイルがリング部により一体化されたディスク式のトップフォイルであってもよい。

実施例１～３では、全周方向隙間３２ｆに通路６１を設けているが、本発明はこの構成に限定されず、一部の周方向隙間３２ｆのみに通路６１を設ける構成でもよい。

実施例１～３では、通路６１における内周側の端部がバンプフォイル３２における内周端縁の近傍まで延びているが、本発明はこの構成に限定されず、通路６１における内周側の端部が、バンプフォイル３２における径方向幅の例えば半分程度まで延びる構成であってもよい。

実施例１～３では、隔壁部材としての第２プレート１６と支持部６０とを一体に形成しているが、第２プレート１６と支持部６０とを別体としてもよい。

実施例１～３では、隔壁部材としての第２プレート１６と第４プレート２９とを別体としているが、第２プレート１６と第４プレート２９とを一体としてもよい。この場合、その一体品の外周面から中央孔２９ａの内周面まで貫通する貫通孔を連通溝２９ｃの代わりに形成することができる。

実施例２と実施例３とを組み合わせて構成することもできる。この場合、一方のスラストフォイル軸受３０におけるトップフォイル３３をより効果的に冷却することができる。

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。

１１…ハウジング
１３ｂ…第１羽根車室（圧縮空間）
Ｓ２…スラスト軸受収容室（軸受空間）
１６…第２プレート(隔壁部材）
１６ａ…シャフト挿通孔（挿通孔）
２４ａ…回転軸
２４ｄ…第３被支持部(スラストカラー）
２５…第１羽根車（作動体）
３０…スラストフォイル軸受（フォイル軸受）
３２…バンプフォイル
３３…トップフォイル
６０…支持部
６０ａ…端面
６１…通路(溝）
６１ｂ、６１ｃ…溝側面

Claims (3)

1. 軸心周りに回転する回転軸と、
   前記回転軸の周面から径方向へ延在するとともに前記回転軸と一体回転可能である板状のスラストカラーと、
   前記回転軸と一体的に回転して外部流体を圧送する作動体と、
   前記回転軸、前記スラストカラー及び前記作動体を収容するハウジングと、
   前記回転軸が挿通される挿通孔が貫設されるとともに前記ハウジングの内部を前記作動体が収容される圧縮空間と前記スラストカラーが収容される軸受空間とに区画する隔壁部材と、
   前記スラストカラーを前記隔壁部材に対して回転可能に前記軸心方向に支持するフォイル軸受と、を備えるターボ式流体機械であって、
   前記隔壁部材は、前記スラストカラーに向けて前記軸心方向に突出した端面を有する支持部を備え、
   前記支持部は、前記端面において凹設されるとともに外周面まで前記径方向に延在した溝を有し、
   前記フォイル軸受は、前記挿通孔の周囲に間隙を有して並べられ、前記端面に取り付けられた波板形状の弾性薄板よりなる複数のバンプフォイルと、前記挿通孔の周囲に間隙を有して並べられ、一方の面が前記スラストカラーに対向するとともに他方の面が各前記バンプフォイルに弾性的に支持された弾性薄板よりなる複数のトップフォイルと、を備え、
   前記フォイル軸受は、前記バンプフォイル同士の間隙の位置及び前記トップフォイル同士の間隙の位置に前記溝の位置が対応しつつ前記スラストカラーと前記溝が前記軸心方向に対向するよう、前記支持部に取り付けられていることを特徴とするターボ式流体機械。
2. 前記周方向に対向して前記溝を区画する一対の溝側面のうち前記回転軸の回転方向側の溝側面は、前記溝の底面から開口端縁に向かって前記軸心方向に進むに従って前記回転方向に進むように傾いて延びている請求項１記載のターボ式流体機械。
3. 前記溝は、外周側から内周側に向かって前記径方向に延在するに従って前記回転方向に進むように傾いて延在している請求項１又は２記載のターボ式流体機械。

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