JP4706523B2

JP4706523B2 - 燃料電池用圧縮機

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Publication number: JP4706523B2
Application number: JP2006075824A
Authority: JP
Inventors: 学谷口; 拓知上山; 裕豊宮川
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007247619A

Description

この発明は、水素および酸素からエネルギーを生成する燃料電池装置の酸素供給側に設置されて圧縮空気を燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機に関し、特に、燃料電池車への搭載に適した燃料電池用圧縮機に関する。

燃料電池を搭載して走行する燃料電池車は、そのプロトタイプが既に製造されており、特許文献１には、燃料電池車の燃料電池に圧縮空気を供給するための圧縮機に適するものとして、スクロール型圧縮機を備えたものが提案されている。

また、圧縮機として、スクロール型以外に、一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸を備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮するタービンコンプレッサなどと称される遠心圧縮機も知られている（特許文献２）。
特開２００２−７０７６２号公報特開平７−９１７６０号公報

燃料電池車で使用される燃料電池装置においては、その小型化、コスト低減および軽量化などが重要な課題となっており、圧縮機に対しても、より一層の小型化が求められている。

そこで、容積形圧縮機の１種である上記特許文献１のスクロール型圧縮機に代えて、圧縮変動がなくかつ小型化が可能な非容積形の遠心圧縮機を使用することが考えられるが、遠心圧縮機では、インペラに作用するアキシアル方向力の変動が大きいため、その軸受装置の耐久性の確保が課題となる。また、燃料電池車では、アイドリング時の低速回転と通常走行時の高速回転とが連続で繰り返されることから、圧縮機に対し、さらに、高速回転での使用に有利なことおよび耐久性に優れていることが要求されている。

この発明の目的は、上記実情に鑑み、遠心圧縮機を使用することで小型化を図るとともに、その際に課題となるインペラの回転に伴うアキシアル方向力の変動を吸収することにより、高速回転での使用に有利でしかも耐久性に優れている燃料電池用圧縮機を提供することにある。

この発明による燃料電池用圧縮機は、一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する軸受装置とを備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、軸受装置は、回転軸に同心状に設けられて回転軸を径方向から支持する１対のラジアルフォイル軸受と、回転軸にアキシアル方向から対向させられて回転軸をアキシアル方向から支持する制御型アキシアル磁気軸受とを備えており、アキシアル磁気軸受は、制御電流によって回転軸を反インペラ側に吸引するものであり、アキシアル磁気軸受の制御装置は、回転数上昇に伴って回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を反インペラ側に移動させるための目標浮上位置演算部を有していることを特徴とするものである。

ラジアルフォイル軸受は、例えば、回転軸に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを支持する弾性体と、軸受フォイルおよび弾性体を回転軸との間に保持する軸受ハウジングとを備えているものとされる。

制御型アキシアル磁気軸受は、５軸制御型の磁気軸受装置で使用されている種々のタイプのものを使用することができるが、好ましくは、永久磁石およびアキシアル電磁石からなるものとされる。

上記軸受装置によると、ラジアル方向の支持はラジアルフォイル軸受が受け持ち、回転軸の回転時に周囲の空気が軸受フォイルと回転軸との間に引き込まれて圧力（動圧）を発生することにより、非接触で回転軸が保持される。また、アキシアル方向の支持はアキシアル磁気軸受が受け持ち、アキシアル電磁石の電磁石コイルに流される電流が制御されることにより、非接触で回転軸が保持される。

遠心圧縮機は、回転軸をモータで高速回転させることにより、回転軸の一端に設けられたインペラにアキシアル方向から空気を流入させ、圧縮空気を径方向に流出させるものであることから、回転軸には、アキシアル方向の大きな力が作用する。したがって、アキシアル方向の支持をアキシアルフォイル軸受で行った場合には、軸受の剛性が不足する可能性がある。これに対し、アキシアル方向の支持をアキシアル磁気軸受で行うことにより、負荷容量が増大するとともに、アキシアル方向の力の変動に応じて制御電流を変化させることにより、回転負荷変動に対してもアキシアル方向の非接触支持が確保される。

制御型アキシアル磁気軸受は、例えば、回転軸のフランジ部を介して対向するインペラ側の永久磁石および反インペラ側のアキシアル電磁石からなるものとされる。これにより、アキシアル電磁石は、その吸引力が回転によって生じるアキシアル方向の力の向きと逆になるように配置される。このようにすると、通常１対のアキシアル電磁石を有しているアキシアル磁気軸受に比べて、アキシアル方向の長さを短くすることができ、これにより、回転軸の固有振動数が増大して高速回転が可能となるとともに、より小型化および軽量化することができる。そして、アキシアル電磁石の電磁石コイルに制御電流を流すことで、回転軸が反インペラ側に吸引される。

通常のアキシアル磁気軸受の制御装置は、回転軸に作用するアキシアル方向の外力の大きさにかかわらず、一定のアキシアル方向浮上位置に回転軸が位置するように制御を行うのに対し、この発明におけるアキシアル磁気軸受の制御装置は、回転数上昇に伴って回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を移動させるような制御を行う。具体的には、回転数上昇に伴って、回転軸のフランジ部とアキシアル電磁石との間のギャップ（磁気軸受ギャップ）が小さくなるように、回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を反インペラ側に移動させる。磁気軸受ギャップは、小さいほど負荷容量は大きくなる。したがって、回転数上昇により、インペラ方向に作用する外力が増加するのに伴って、回転軸がインペラ方向に移動することで、アキシアル磁気軸受の大型化や制御電流の増加を行わずに、必要な負荷容量を得ることができる。また、浮上位置のギャップを一定にする制御では、回転数上昇などに伴う熱膨張により回転軸がアキシアル方向に伸びた場合、インペラとケーシングの気体流通部内面との間の隙間が小さくなって圧縮性能が低下する可能性があるのに対し、回転数上昇に伴ってギャップを小さくする制御（インペラとケーシングの気体流通部内面との間の隙間にとってはこれを大きくする方向の移動）を行うことで、回転軸の熱膨張によるインペラとケーシングとの間の隙間詰まりという問題も解消される。

アキシアル磁気軸受が永久磁石およびアキシアル電磁石からなる場合、永久磁石と対をなすアキシアル電磁石は、電磁石ヨークおよび電磁石コイルからなり、ラジアルフォイル軸受とは別体とされてももちろんよいが、アキシアル電磁石をいずれか一方のラジアルフォイル軸受に一体化してもよい。

アキシアル電磁石をラジアルフォイル軸受に一体化することにより、アキシアル方向の長さをさらに短くすることができ、より一層小型化することができる。アキシアル磁気軸受の電磁石がラジアルフォイル軸受に一体化された軸受は、回転軸に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを回転軸との間に保持しかつ一端面に環状の凹所が形成された外輪と、電磁石ヨークを兼ねる外輪の凹所に嵌め入れられ外輪とともにアキシアル電磁石を形成する電磁石コイルとを備えているものとされる。電磁石ヨークを兼ねる外輪および電磁石コイルからなるアキシアル電磁石は、ケーシングに設けられた永久磁石にフランジ部を介して対向させられ、これらのアキシアル電磁石および永久磁石によってアキシアル磁気軸受が形成される。

この発明の燃料電池用圧縮機によると、回転軸が径方向からラジアルフォイル軸受（動圧ガス軸受）に支持されているとともに、アキシアル方向から制御型アキシアル磁気軸受に支持されているので、高速回転による軸受の疲労寿命の低下が抑えられ、また、潤滑のためのオイルを循環させるための機能が不要となるので、圧縮機の小型化が図られる。さらに、遠心圧縮機のインペラの回転によって発生するアキシアル方向の荷重が制御型アキシアル磁気軸受で受けられることによって、負荷容量（アキシアル剛性）が上がり、回転の安定性が向上するとともに、アキシアル方向の接触による負荷がラジアルフォイル軸受に発生しないので、ラジアルフォイル軸受の耐久性も向上する。

さらにまた、回転数上昇に伴って回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を反インペラ側に移動させることで、アキシアル磁気軸受の大型化や制御電流の増加を行わずに、必要な負荷容量を得ることができるとともに、圧縮性能の低下の原因となる回転軸の熱膨張によるインペラとケーシングとの間の隙間詰まりという問題も解消される。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、図１の右を前、左を後というものとする。

図１は、この発明による燃料電池用圧縮機の第１実施形態の概略構成を示すもので、燃料電池用圧縮機(1)は、非容積形の遠心圧縮機であって、前後方向の水平軸上に配置された略円筒状の密閉ケーシング(11)と、後端にインペラ(12)を有しケーシング(11)の内側で回転する水平軸状の回転軸(13)と、回転軸(13)を支持する軸受装置(14)とを備えている。

ケーシング(11)は、回転軸(13)を支持する前側の回転軸支持部(11a)と、インペラ(12)が配置されている後側の気体流通部(11b)とから構成されている。

回転軸(13)は、段付軸状をなし、回転軸支持部(11a)内の空間内に配置されている。

回転軸支持部(11a)の内周に、回転軸(13)を高速回転させるビルトイン型モータ(20)、回転軸(13)を径方向から支持する前後１対のラジアルフォイル軸受(21)(22)、および回転軸(13)をアキシアル方向（前後方向）から支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(23)が設けられている。

モータ(20)は、回転軸支持部(11a)側に設けられたステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたロータ(20b)から構成されている。

軸受装置(14)は、前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)、アキシアル磁気軸受(23)、およびアキシアル磁気軸受(23)の制御を行う制御装置(61)によって構成されている。

気体流通部(11b)内の空間の後端に気体流入路(11c)が設けられている。回転軸(13)が回転することにより、インペラ(12)が回転し、インペラ(12)の回転により、空気が、気体流入路(11c)から気体流通部(11b)内の空間(11d)に流入し、同空間(11d)内で圧縮され、同空間(11d)に通じる気体流出路（図示略）を通って排出される。気体流通部(11b)の内面とインペラ(12)との間には、圧縮性能を確保するための所定の大きさの隙間が形成されている。

段付き状の回転軸(13)は、モータ(20)のロータ(20b)がアキシアル方向中間部分に設けられている大径部(31)と、大径部(31)の前後方向外側に連なる前側および後側の小径部(32)(33)と、前側小径部(32)のアキシアル方向中間部分に設けられたフランジ部(34)とからなる。インペラ(12)は、後側小径部(33)の後端部に取り付けられており、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、大径部(31)の両端部分に設けられている。

図２に示すように、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸大径部(31)の径方向外側に軸受隙間(44)を隔てて配置される可撓性を有するトップフォイル（軸受フォイル）(41)と、このトップフォイル(41)の径方向外側に配置されるバンプフォイル（弾性体）(42)と、このバンプフォイル(42)の径方向外側に配置される外輪（軸受ハウジング）(43)とからなる。

トップフォイル(41)は、帯状ステンレス鋼板製で、帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形した後、この円筒形に成形された鋼板の一端部のアキシアル方向の両端部を径方向に切り起こして先端を屈曲させて形成されている。切り起こされた部分以外の円筒部(41a)がトップフォイルの主部になっており、切り起こされた部分(41b)がトップフォイル(41)の係合部になっている。

バンプフォイル(42)は、ステンレス鋼製の波形板材を円筒形に成形した円筒部(42a)と、円筒部(42a)の一端に連なり円筒部(42a)の径方向外側に位置する係合部(42b)とからなる。

外輪(43)の内周面には、略径方向に延びる係合溝(43a)が形成されている。そして、バンプフォイル(42)の円筒部(42a)が外輪(43)の内周面に沿うように配置されて、その係合部(42b)が外輪(43)の係合溝(43a)に係合させられることにより、バンプフォイル(42)が外輪(43)に取り付けられ、このバンプフォイル(42)と回転軸大径部(31)との間にトップフォイル(41)の円筒部(41a)が介在させられるとともに、その係合部(41b)が外輪(43)の係合溝(43a)に係合させられることにより、トップフォイル(41)が外輪(43)に取り付けられている。

ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、トップフォイル(41)が帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形されているので、曲率半径が一定で真円度が高いものとなっていることから、回転軸(13)の支持性能が高くかつ回転軸(13)の浮上特性も良好なものとなっている。

なお、図示省略するが、ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、上記のものに限られるものではなく、ラジアルフォイル軸受は、回転軸に対向する軸受面を持つ複数の可撓性フォイル片からなる軸受フォイルと、軸受フォイルを回転軸との間に保持する外輪とを備えているものであってもよい。

アキシアル磁気軸受(23)は、回転軸(13)のフランジ部(34)を介して対向するようにケーシング(11)の回転軸支持部(11a)に設けられたアキシアル電磁石(24)および永久磁石(25)を有している。アキシアル電磁石(24)は、ヨーク(24a)およびコイル(24b)からなる。回転によりインペラ(12)に作用する力の方向は、後向き（図１の左向き）であり、これに対応して、永久磁石(25)は、フランジ部(34)の後側に配置され、アキシアル電磁石(24)は、その吸引力が回転によって生じるアキシアル方向の力の向きと逆になるようにフランジ部(34)の前側に配置されている。

ケーシング(11)の回転軸支持部(11a)の前壁後面には、回転軸(13)の小径部(32)の前端部に同心状に設けられた軟磁性ステンレス鋼製のターゲット部(35)の前面中心部に臨まされて回転軸(13)のアキシアル方向の位置を検出するアキシアル位置センサ(26)が設けられている。ケーシング(11)の回転軸支持部(11a)の前壁後面には、さらに、ターゲット部(35)の前面外周に設けられた凹部(37)に臨まされて回転軸(13)の回転数を検出する回転センサ(36)が設けられている。なお、凹部(37)の数は、図では１つだけ示されているが、等間隔で複数個設けられることもある。

そして、アキシアル磁気軸受の制御装置(61)により、位置センサ(26)で検出された回転軸(13)の位置および回転センサ(36)で検出された回転数に基づいて、アキシアル磁気軸受(23)の電磁石コイル(24b)に流される電流が制御されている。コイル(24b)に流される電流は、回転によりインペラ(12)に作用する力および永久磁石(25)の吸引力に釣り合う吸引力がアキシアル電磁石(24)に生成されるように制御され、これにより、回転軸(13)は、アキシアル方向の所定位置に非接触支持される。

図３に示すように、制御装置(61)には、モータ駆動回路(62)、磁気軸受駆動回路(63)、位置センサ駆動回路(64)、回転センサ駆動回路(65)、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(66)、ＡＤ変換器(67)およびＤＡ変換器(68)が設けられている。ＤＳＰはディジタル信号処理プロセッサの略で、ディジタル信号処理プロセッサとは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。

位置センサ駆動回路(64)は、位置センサ(26)の出力である距離信号に基づいて、回転軸(13)のアキシアル方向の位置を演算し、その演算結果である位置信号をＡＤ変換器(67)を介してＤＳＰ(66)に出力する。

アキシアル位置センサ(26)のコイルに交流電流を流した状態でターゲット(35)とのギャップ（空隙）の大きさが変化すると、インダクタンス変化が生じ、アキシアル位置センサ(26)は、ターゲット(35)とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。位置センサ駆動回路(64)は、回転軸(13)がアキシアル方向の所定回転数に対応する目標浮上位置にあるときの変位を０とし、この目標浮上位置に対する回転軸(13)のアキシアル方向の変位に比例する信号を位置信号として出力する。

また、回転センサ(36)の出力も、ターゲット(35)とのギャップの大きさに比例して変化し、ターゲット(35)の凹部(37)以外の部分が回転センサ(36)に対向しているときと、凹部(37)が回転センサ(36)に対向しているときとでは、回転センサ(36)とターゲット(35)のギャップの大きさが異なるため、回転センサ(36)の出力は、凹部(37)がその対向位置に来るたびに変化する。したがって、回転センサ(36)は、回転軸(13)が１回転する間に凹部(37)の数と同数のパルスを発生し、このような回転センサ(36)の出力が速度検出信号として回転センサ駆動回路(65)からＤＳＰ(66)に出力される。

ＤＳＰ(66)は、回転センサ駆動回路(65)から入力する回転数およびＡＤ変換器(67)から入力する回転軸(13)の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、アキシアル磁気軸受(7)の電磁石(24)に対する励磁電流信号をＤＡ変換器(68)を介して磁気軸受駆動回路(63)に出力する。そして、駆動回路(63)は、ＤＳＰ(66)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応する磁気軸受(7)の電磁石(24)に供給し、これにより、回転軸(13)が目標浮上位置に非接触支持される。

ＤＳＰ(66)は、また、回転センサ駆動回路(65)の回転速度検出信号から回転軸(13)の回転速度を演算し、これに基づいてモータ(20)の回転を制御するための回転速度指令信号をモータ駆動回路(62)に出力する。モータ駆動回路(62)は、インバータ等を備えており、回転速度指令信号に基づいて、モータ(20)の回転速度を制御する。そして、その結果、回転軸(13)が、ラジアルフォイル軸受およびアキシアル磁気軸受(22)により目標浮上位置に非接触支持された状態で、モータ(20)により高速回転させられる。

磁気軸受によって回転軸を支持する場合、回転軸の回転数と磁気軸受の負荷容量との関係は、図４の左のグラフに示すように、回転数の上昇とともに負荷容量が増加するものとなる。また、制御電流が一定の場合の磁気軸受ギャップと負荷容量との関係は、図４の中央のグラフに示すように、磁気軸受ギャップが増加するとともに負荷容量が減少するものとなる。図４の左および中央のグラフの関係から、負荷容量が一定の場合の回転数と磁気軸受ギャップとの関係は、図４の右のグラフに示すように、回転数の上昇とともに、磁気軸受ギャップが減少するものとなる。

通常のアキシアル磁気軸受の制御装置は、回転軸に作用するアキシアル方向の外力の大きさにかかわらず、一定のアキシアル方向浮上位置に回転軸が位置するように制御を行う。これに対し、この発明におけるアキシアル磁気軸受の制御装置は、図４に示した関係を考慮して、以下の構成により、回転数上昇に伴って回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を移動させるような制御を行う。

ＤＳＰ(66)には、回転軸(13)のアキシアル方向の目標浮上位置を求めるために、図５に示すように、回転数の変化に伴って目標浮上位置をどのように変化させるかの回転数−目標浮上位置の対応表が蓄えられている制御テーブル(71)と、回転センサから入力された回転数の入力を受けて、制御テーブル(71)に蓄えられている対応表から対応する目標浮上位置を求める目標浮上位置演算部(72)と、アキシアル位置センサ(26)の変位と目標浮上位置演算部(72)で得られた目標浮上位置との差分を求める差分演算部(73)と、得られた差分を励磁電流信号に変換する電流演算部(74)とを備えている。

例えば、回転センサ(36)で得られた現在の回転数がＲａであったとすると、目標浮上位置演算部(72)は、制御テーブル(71)に蓄えられている対応表を参照して、回転数Ｒａに対応する目標浮上位置がＡｔであると求める。一方、回転軸(13)の現在位置はアキシアル位置センサ(26)の出力Ａｓで表されており、差分演算部(73)においては、目標浮上位置Ａｔと現在位置Ａｓとの差ΔＡが求められる。ΔＡは、目標浮上位置に対する回転軸(13)のアキシアル方向変位であるので、電流演算部(74)においては、このΔＡに比例した励磁電流信号が求められて、磁気軸受駆動回路(63)に出力される。なお、制御テーブル(71)に蓄えられている対応表については、数値で蓄えられていてももちろんよいが、それ以外の形式、例えば関係式とすることももちろん可能である。

こうして、回転数上昇に伴って、回転軸(13)のフランジ部(34)とアキシアル電磁石(24)との間のギャップ（磁気軸受ギャップ）が小さくなるように、回転軸(13)のアキシアル方向目標浮上位置が前方＝反インペラ側（図１の右向き）に移動させられる。負荷容量は、磁気軸受ギャップが小さいほど大きくなるので、回転数上昇によって増加したインペラ方向に作用する外力は、回転軸(13)が反インペラ(12)方向に移動することで補償される。また、回転数の上昇に伴ってギャップを小さくする制御を行うことによって、回転軸(13)が反インペラ側に移動することから、回転数上昇に伴って熱膨張による回転軸(13)の伸びが大きくなっても、インペラ(12)とケーシング(11)の気体流通部(11b)内面との間の隙間が小さくなることが防止され、隙間が小さくなることによる圧縮性能低下が起きない。

上記第１実施形態の燃料電池用圧縮機(1)によると、回転軸(13)のラジアル方向の支持は、ラジアルフォイル軸受(21)(22)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、各フォイル軸受(21)(22)で発生する動圧によって非接触でラジアル方向に支持される。また、回転軸(13)のアキシアル方向の支持は、アキシアル磁気軸受(23)が受け持っており、インペラ(12)に作用するアキシアル方向の力が変動した場合には、これに見合った吸引力がアキシアル電磁石(24)に生成される。これにより、回転軸(13)は、回転負荷変動の影響を受けずに、安定的に非接触支持され、そのスムーズな回転が保証されるとともに、耐久性（寿命）も優れたものとなる。

図６は、この発明による燃料電池用過給機の第２実施形態の概略構成を示している。この燃料電池用圧縮機(1)は、アキシアル磁気軸受(55)のアキシアル電磁石(56)が一方のラジアルフォイル軸受(51)に一体化されている点において、アキシアル電磁石(24)がラジアルフィル軸受(21)(22)と別体で設けられている第１実施形態と相違している。以下の説明において、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付しその説明を省略する。

図６において、後側のラジアルフォイル軸受(51)がアキシアル電磁石一体化軸受とされている。回転軸(13)のフランジ部(52)は、回転軸(13)の大径部(31)後端部に設けられている。アキシアル電磁石(56)が一体化されたラジアルフォイル軸受(51)は、回転軸(13)に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性のトップフォイル(41)と、トップフォイル(41)を支持するバンプフォイル(42)と、トップフォイル(41)およびバンプフォイル(42)を回転軸(13)との間に保持する外輪(53)と、外輪(53)の後端面に形成された環状凹所(54)に嵌め入れられた電磁石コイル(56a)とを備えている。外輪(53)の環状凹所(54)は、回転軸(13)のフランジ部(52)に臨まされるように設けられている。外輪(53)は、磁性体製であり、アキシアル電磁石(56)の電磁石ヨークを兼ねている。外輪(53)にフランジ部(52)を介して対向するように、ケーシング(11)の回転軸支持部(11a)の後壁に永久磁石(57)が設けられている。こうして、後側のラジアルフォイル軸受(51)の外輪(53)とその環状凹所(54)に嵌め入れられた電磁石コイル(56a)とによってアキシアル電磁石(56)が形成され、このアキシアル電磁石(56)とこれに対向する永久磁石(57)とによってアキシアル磁気軸受(55)が形成されている。

アキシアル磁気軸受の制御装置は、第１実施形態のものと同一であり、この制御装置によって、回転数上昇に伴って、回転軸(13)のフランジ部(34)とアキシアル電磁石(56)との間のギャップ（磁気軸受ギャップ）が小さくなるように、回転軸(13)のアキシアル方向目標浮上位置が反インペラ側に移動させられる。負荷容量は、磁気軸受ギャップが小さいほど大きくなるので、回転数上昇によって増加したインペラ方向に作用する外力は、回転軸(13)がインペラ(12)方向に移動することで補償される。また、回転数上昇に伴って熱膨張による回転軸(13)の伸びが大きくなっても、回転数の上昇に伴ってギャップを小さくする制御を行うことによって、回転軸(13)が前方（図６の右向き）に移動し、インペラ(12)とケーシング(11)の気体流通部(11b)内面との間の隙間が小さくなって圧縮性能が低下することがない。

この第２実施形態の燃料電池用圧縮機(1)によると、回転軸(13)のラジアル方向の支持は、ラジアルフォイル軸受(21)(51)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、各フォイル軸受(21)(51)で発生する動圧によって非接触でラジアル方向に支持される。また、回転軸(13)のアキシアル方向の支持は、アキシアル磁気軸受(55)が受け持っており、インペラ(12)に作用するアキシアル方向の力が変動した場合には、これに見合った吸引力がアキシアル電磁石(56)に生成される。これにより、回転軸(13)は、回転負荷変動の影響を受けずに、安定的に非接触支持され、そのスムーズな回転が保証されるとともに、耐久性（寿命）も優れたものとなる。そして、この第２実施形態のものでは、アキシアル磁気軸受(55)のアキシアル電磁石(56)が後側のラジアルフォイル軸受(51)に一体化されていることにより、第１実施形態のものに比べて、アキシアル電磁石の軸方向長さ分だけ軸方向の長さが短くなっており、固有振動数が増大して高速回転が可能となるとともに、より小型化された燃料電池用圧縮機(1)が得られている。

なお、後側のラジアルフォイル軸受(51)に代えて、前側のラジアルフォイル軸受(21)をアキシアル磁気軸受一体化軸受とすることも可能であり、この場合には、回転軸(13)のフランジ部(52)は、回転軸(13)前部のロータ(20b)近傍に配置され、図６に示したのと同様に、このフランジ部の後側に永久磁石(57)が、前側にアキシアル電磁石(56)が配置される。

図１は、この発明による燃料電池用圧縮機の第１実施形態を模式的に示す縦断面図である。図２は、この発明による燃料電池用圧縮機で使用されているラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。図３は、磁気軸受の制御装置の全体構成を概略的に示すブロック図である。図４は、磁気軸受の制御における特性間の関係の一例を示すグラフである。図５は、磁気軸受の制御装置の要部の構成を概略的に示すブロック図である。図６は、この発明による燃料電池用圧縮機の第２実施形態を模式的に示す縦断面図である。

符号の説明

(1) 燃料電池用圧縮機
(11) ケーシング
(12) インペラ
(13) 回転軸
(14) 軸受装置
(21)(22) ラジアルフォイル軸受
(23) 制御型アキシアル磁気軸受
(24) アキシアル電磁石
(25) 永久磁石
(34) フランジ部
(51) ラジアルフォイル軸受
(52) フランジ部
(55) アキシアル磁気軸受
(56) アキシアル電磁石
(57) 永久磁石

Claims

一端にインペラを有しケーシングの内側で回転する回転軸と、回転軸を支持する軸受装置とを備え、インペラの回転によって空気をケーシングの気体流通部内の空間で圧縮して燃料電池に供給する燃料電池用圧縮機において、軸受装置は、回転軸に同心状に設けられて回転軸を径方向から支持する１対のラジアルフォイル軸受と、回転軸にアキシアル方向から対向させられて回転軸をアキシアル方向から支持する制御型アキシアル磁気軸受とを備えており、アキシアル磁気軸受は、制御電流によって回転軸を反インペラ側に吸引するものであり、アキシアル磁気軸受の制御装置は、回転数上昇に伴って回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を反インペラ側に移動させるための目標浮上位置演算部を有していることを特徴とする燃料電池用圧縮機。
回転軸のアキシアル方向目標浮上位置は、予め設定された回転数−浮上位置の制御テーブルに基づいた数値によって決定される請求項１の燃料電池用圧縮機。
アキシアル磁気軸受のアキシアル電磁石がいずれか一方のラジアルフォイル軸受に一体化されている請求項１の燃料電池用圧縮機。