JP5108911B2 - スラストキャンセラ機構を備える遠心式圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、気体を圧縮するインペラと、インペラの回転に起因して回転軸に作用するスラスト力を減少させるスラストキャンセラ機構とを備える遠心式圧縮機に関する。そして、該遠心式圧縮機は、例えば、燃料電池システムに備えられて、カソード側電極に供給される酸化剤ガスとしての空気を圧縮するために使用される。

回転軸と一体に回転するインペラと、回転軸を回転可能に支持すると共にインペラを収納するハウジングと、インペラの回転に起因して回転軸に作用するスラスト力を受けるスラスト軸受と、該スラスト力を減少させるキャンセルスラスト力を発生するスラストキャンセラ機構とを備える遠心式圧縮機は知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、一般に、回転軸の軸受装置として、回転軸との間に空気膜を形成するフォイル軸受もよく知られている（例えば、特許文献２，３参照）。

特開平４−８６３９５号公報 特表平１１−５０３８１１号公報 特開２００１−２９５８３６号公報

遠心式圧縮機において、インペラを収納するハウジングとインペラの先端部との間に形成されるチップクリアランスは、圧縮機の圧縮効率に影響を与えるため、圧縮効率を高めるためには、該チップクリアランスを最適な値に設定することが望ましい。
一方、インペラの回転に起因して回転軸に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力を発生するスラストキャンセラ機構を備える遠心式圧縮機においては、該スラストキャンセラ機構により、回転軸を軸方向に移動させることができる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、スラストキャンセラ機構を備える遠心式圧縮機において、該スラストキャンセラ機構を利用することにより、チップクリアランスを制御することを目的とする。
そして、本発明は、さらに、チップクリアランスの制御精度の向上を図ることを目的とする。

請求項１記載の発明は、回転軸（２０）と一体に回転するインペラ（１０）と、前記回転軸（２０）を回転可能に支持すると共に前記インペラ（１０）を収納するハウジング（２）と、前記インペラ（１０）の回転に起因して前記回転軸（２０）に作用するスラスト力（Ｆａ）を受けるスラスト軸受（５１）と、前記スラスト力（Ｆａ）を減少させるキャンセルスラスト力（Ｆｂ）を発生するスラストキャンセラ機構（６０）とを備える遠心式圧縮機において、前記スラスト軸受（５１）は、前記回転軸（２０）に設けられたスラストディスク（５２）を備え、前記スラストキャンセラ機構（６０）は、前記回転軸（２０）に設けられたキャンセラディスク（６１）と、前記キャンセラディスク（６１）を可動室壁として形成される圧力室（６２）の圧力を制御する圧力制御弁（７３，７４）と、前記圧力制御弁（７３，７４）を制御する制御装置（８０）とを備え、前記制御装置（８０）は、前記スラストディスク（５２）の軸方向位置を検出する位置検出手段（８２）を備え、前記軸方向位置に応じて前記圧力制御弁（７３，７４）を制御することにより、前記ハウジング（２）と前記インペラ（１０）の羽根（１０ａ）の先端部との間のチップクリアランスを制御する遠心式圧縮機である。

これによれば、スラストキャンセラ機構の圧力室の圧力を圧力制御弁により制御することで、スラストキャンセラ機構を利用してチップクリアランスを制御できる。
また、インペラの軸方向位置の指標部材として、スラストディスクは大きな部材であることから、インペラの軸方向位置に対応する軸方向位置を検出する位置検出手段の配置の自由度が大きい。この結果、位置検出手段を、その周辺部材の配置を制約することなく、配置することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の遠心式圧縮機において、前記スラストディスク（５２）は、軸方向で前記キャンセラディスク（６１）よりも前記インペラ（１０）に近い位置に配置されるものである。
これによれば、位置検出手段によりは、キャンセラディスクよりもインペラに近い位置にあるスラストディスクの位置を検出するので、インペラに対してスラストディスクよりも遠方に位置するキャンセラディスクの位置を検出する場合に比べて、インペラとスラストディスクとの軸方向距離が小さいので、熱膨張などによる回転軸の伸縮の影響を小さくでき、チップクリアランスの制御精度が向上する。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の遠心式圧縮機において、前記スラスト軸受（５１）は、前記スラストディスク（５２）と軸方向で対向すると共に、軸方向で前記スラストディスク（５２）に対して前記インペラ（１０）側に配置される前側フォイル軸受（５５）を備え、前記位置検出手段（８２）は、軸方向で、前記スラストディスク（５２）に対して前記インペラ（１０）とは反対側に配置されるものである。
これによれば、インペラの回転に起因して発生するスラスト力を受ける前側フォイル軸受の配置や厚みなど、前側フォイル軸受の構造が位置検出手段により制約されないので、スラスト軸受に所要の軸受機能を発揮させることができる。

請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の遠心式圧縮機において、前記スラスト軸受（５１）は、前記スラストディスク（５２）と軸方向で対向すると共に、軸方向で前記スラストディスク（５２）に対して前記インペラ（１０）とは反対側に配置される後側フォイル軸受（５６）を備え、前記制御装置（８０）は、前記後側フォイル軸受（５６）と前記スラストディスク（５２）との軸方向間隔（Ａ）を検出する間隔検出手段（８３）を備え、前記軸方向間隔（Ａ）が所定値以下になるとき、前記圧力室（６２）の圧力が低下するように前記圧力制御弁（７３，７４）を制御するものである。
これによれば、軸方向間隔が所定値以下となって、スラストディスクと後側フォイル軸受との間に形成される空気膜の膜圧が薄くなったとき、スラストディスクが後側フォイル軸受に接近することが防止されるので、スラストディスクと後側フォイル軸受との接触による後側フォイル軸受の損傷を防止できて、スラスト軸受の耐久性、ひいては遠心式圧縮機の耐久性の向上が可能になる。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の遠心式圧縮機において、前記圧力制御弁（７３，７４）は、前記インペラ（１０）により圧縮された加圧気体が流通するスクロール流路（１５）の圧力を前記圧力室（６２）に導く高圧通路（７１）に設けられる高圧制御弁（７３）と、前記インペラ（１０）により圧縮される気体が吸入される入口流路（１２）の負圧を前記圧力室（６２）に導く負圧通路（７２）に設けられる負圧制御弁（７４）とであり、前記制御装置（８０）は、前記軸方向間隔（Ａ）が前記所定値以下になるとき、前記負圧制御弁（７４）を制御して前記負圧通路（７２）の負圧を前記圧力室（６２）に導くものである。
これによれば、負圧通路を通じて圧力室に導入される負圧により、圧力室の圧力が速やかに低下するので、スラストディスクと後側フォイル軸受との接触防止の確実性が向上する。

本発明によれば、スラストキャンセラ機構を備える遠心式圧縮機において、該スラストキャンセラ機構を利用することにより、チップクリアランスを制御することができる。さらに、本発明によれば、チップクリアランスの制御精度の向上が可能になる。

本発明の実施形態である遠心式圧縮機の全体を示す断面図である。 図１の要部拡大図である。 図１の遠心式圧縮機のスラスト軸受付近を模式的に示す、周方向での断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１に示される本発明の実施形態である遠心式圧縮機１は、機械としての車両に搭載される燃料電池システムに備えられて、酸化剤ガスとしての空気を供給する電動圧縮機である。
圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２に収納される電動機７と、電動機７により回転駆動される回転軸２０と、回転軸２０をハウジング２に回転可能に支持するための軸受装置４０と、回転軸２０と一体に回転するインペラ１０と、回転軸２０とインペラ１０とを一体に結合する締結部材３０と、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に前方に向かって作用するスラスト力Ｆａを減少させるキャンセルスラスト力Ｆｂが後方に向かって作用するスラストキャンセラ機構６０とを備える。

なお、本発明および実施形態において、軸方向は、回転軸２０の回転中心線Ｌに平行な方向であるとし、径方向および周方向は、それぞれ回転中心線Ｌを中心とする径方向および周方向であるとする。また、便宜上、前後方向は軸方向に平行な方向であるとし、前方は、回転軸２０または電動機７のロータ８に対して軸方向でインペラ１０が位置する方向であるとする。

ハウジング２は、複数の羽根１０ａを有するインペラ１０を収納すると共にインペラ１０に吸入されて圧縮される気体としての空気が流れる給気流路１１を形成するインペラハウジング３と、電動機７のロータ８およびステータ９を収納すると共にインペラハウジング３に結合されるモータハウジング４と、モータハウジング４に結合される端部ハウジング５とを備える。モータハウジング４は、軸方向で、インペラハウジング３と端部ハウジング５との間に配置される。
そして、インペラハウジング３、モータハウジング４および端部ハウジング５により、圧縮機１の内部空間６が形成される。

燃料電池システムの酸化剤ガス供給系統に連通する気体供給流路としての給気流路１１は、インペラ１０よりも上流に位置して空気を吸入する入口流路１２と、入口流路１２からの空気がインペラ１０により圧縮される圧縮流路１３と、インペラ１０よりも下流に位置してインペラ１０により圧縮された加圧気体としての加圧空気が流通する出口流路とを有する。該出口流路は、圧縮流路１３の下流に連なるディフューザ流路１４と、ディフューザ流路１４の下流に連なるスクロール流路１５とから構成される。

インペラハウジング３は、入口流路１２および圧縮流路１３を形成する前部ハウジング３ａと、該前部ハウジング３ａにボルトＢ１により結合される後部ハウジング３ｂとを有する。ディフューザ流路１４およびスクロール流路１５の一部は、前部ハウジング３ａおよび後部ハウジング３ｂの協働により形成される。

モータハウジング４は、円筒状の内側ハウジング４ｂと該内側ハウジング４ｂを囲む外側ハウジング４ａとを有する。ロータ８およびステータ９は、内側ハウジング４ｂの径方向内方において主内部空間６ａに収納される。この主内部空間６ａは、モータハウジング４と後記仕切壁１８と後記主端部壁５ａとにより形成される。
内側ハウジング４ｂの外周面に形成された溝と外側ハウジング４ａの内周面との間には、ステータ９を冷却する冷却流体としての冷却水が流通する螺旋状の冷却通路７ａが形成される。

端部ハウジング５は、外側ハウジング４ａに結合される主端部壁５ａと、主端部壁５ａの後方に配置されて該主端部壁５ａに結合される副端部壁５ｂとを有する。主端部壁５ａと副端部壁５ｂとは、回転軸２０の回転位置を検出する回転位置センサ３９および後記後側締付部３３が収納される副内部空間６ｂを形成する。そして、主内部空間６ａと副内部空間６ｂにより内部空間６が構成される。主端部壁５ａは、主内部空間６ａと副内部空間６ｂとを仕切る仕切壁である。主端部壁５ａには、ステータ９を冷却する冷却空気を主内部空間６ａに導入する導入口５ｃが設けられる。

３相交流式のブラシレスモータである電動機７は、回転軸２０の一部を構成する円筒状のロータ８と、ロータ８の径方向外方に所定の径方向クリアランスを形成して配置されるステータ９とを備える。ロータ８は、界磁としての永久磁石からなる磁石８ａと、磁石８ａを囲んで配置されて該磁石８ａを収納する円筒状のモータ軸８ｂとから構成される。ロータ８を全周に渡って囲むステータ９は、電機子としての鉄心を有する円筒状に形成された３相の巻線により構成され、３相の巻線の端子７ｂが外側ハウジング４ａに配置される。

図２を併せて参照すると、回転軸２０は、ロータ８と、軸方向でロータ８を挟んで配置される１対のベアリング軸２１，２２とから構成される。前方から順次配列されたインペラ１０と、ロータ８の前方に配置される前側軸としての前側ベアリング軸２１と、ロータ８と、ロータ８の後方に配置される後側軸としての後側ベアリング軸２２と、後記キャンセラディスク６１とは、この順番で、インペラ１０、両ベアリング軸２１，２２、ロータ８およびキャンセラディスク６１の中心部を軸方向に平行に挿通するテンション軸３１を備える締結部材３０により、軸方向および周方向に相対移動不能に結合されて、該締結部材３０と共に１つの圧縮機回転ユニットを構成する。

前側ベアリング軸２１および後側ベアリング軸２２は、径方向でテンション軸３１との間に円筒状の筒状空間を形成する円筒状の筒状部２１ａ，２２ａと、筒状部２１ａ，２２ａから径方向内方に延びている内向きフランジ部２１ｂ，２２ｂとを有する。各内向きフランジ部２１ｂ，２２ｂは、その内周面でテンション軸３１の被支持部３１ａ，３１ｂを支持する。

前側ベアリング軸２１の筒状部２１ａは、前端部でインペラ１０の嵌合部１０ｂの外周にインロー嵌合し、後端部でロータ軸８ｂの内周にインロー嵌合する。後側ベアリング軸２２の筒状部２２ａは、前端部でロータ軸８ｂの内周にインロー嵌合し、後端部でキャンセラディスク６１の嵌合部６１ａの外周にインロー嵌合する。
また、前側ベアリング軸２１の外周面には、インペラ１０の後方に形成される背後空間１７とスラストディスク５２が収納される収納室５０とを仕切る仕切壁１８との間にラビリンスシール２３が設けられ、後側ベアリング軸２２の外周面には、主端部壁５ａとの間にラビリンスシール２４が設けられる。
ここで、インロー嵌合とは、互いに嵌合する２つの部材の嵌合部において、一方の嵌合部の外径と他方の嵌合部の内径とがほぼ等しい嵌合を意味する。

締結部材３０は、テンション軸３１と、いずれもテンション軸３１に設けられてインペラ１０、前側ベアリング軸２１、ロータ８、後側ベアリング軸２２およびキャンセラディスク６１を軸方向で締め付ける前側締付部３２および後側締付部３３とを備える。締結部材３０の前端部を構成すると共にインペラ１０に当接して後方に押圧する前側締付部３２は、テンション軸３１と一体成形される。それゆえ、テンション軸３１と前側締付部３２とは、前側締付部３２を頭部とし、テンション軸３１を軸部とするボルトを構成する。後側締付部３３は、テンション軸３１に設けられたネジ部３１ｎに螺合することでテンション軸３１と一体に設けられたネジ部材であるナットにより構成される。それゆえ、後側締付部３３は、テンション軸３１に対して着脱可能である。
締結部材３０は、インペラ１０とロータ８と両ベアリング軸２１，２２とキャンセラディスク６１とを軸方向に締め付けて一体化する。そして、前側締付部３２はインペラ１０を後方に押圧し、後側締付部３３は後側ベアリング軸２２を前方に押圧する。

主内部空間６ａ内に配置される軸受装置４０は、いずれも軸受である前側ベアリング軸２１を回転可能に支持する前側ラジアル軸受４１およびスラスト軸受５１と、後側ベアリング軸２２を回転可能に支持する軸受である後側ラジアル軸受４６とを備える。各ラジアル軸受４１，４６は、主内部空間６ａ内に収納される軸受保持部材である環状の軸受保持プレート４２，４７と、軸受保持プレート４２，４７の内周面にベアリング軸２１，２２と径方向で対向して配置されるフォイル軸受４３，４８とから構成される。

前側軸受保持プレート４２は、後記軸受保持プレート５４と共に、ボルトＢ２により仕切壁１８に結合されて設けられる。仕切壁１８は、ボルトＢ３により外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１に結合されて設けられる。また、後側軸受保持プレート４７は、ボルトＢ４により主端部壁５ａに結合されて設けられる。

また、スラスト軸受５１は、前側ベアリング軸２１において軸方向でインペラ１０とロータ８との間に設けられたスラストディスク５２と、仕切壁１８の一部により構成される軸受保持部材である前側軸受保持プレート５３と、軸受保持部材である後側軸受保持プレート５４と、スラストディスク５２と軸方向で対向して前側軸受保持プレート５３に設けられた前側フォイル軸受５５と、スラストディスク５２と軸方向で対向して後側軸受保持プレート５４に設けられた後側フォイル軸受５６とから構成される。

後記キャンセラディスク６１よりもインペラ１０に近い位置に配置されるスラストディスク５２は、軸方向で、インペラ１０とロータ８との間に、またはインペラ１０と、ロータ８の前方に位置する後側軸受保持プレート５４との間に配置される。そして、スラストディスク５２は、軸方向で前側ベアリング軸２１を前部および後部に二等分したときの前記前部に設けられる。
フォイル軸受４３，４８，５５，５６は周知のものであり、トップフォイルとバンプフォイルとを有する。図３には、後側フォイル軸受５６のトップフォイル５６ａとバンプフォイル５６ｂが示されている。

各ラジアル軸受４１，４６においては、フォイル軸受４３，４８により、回転軸２０の回転によりベアリング軸２１，２２とフォイル軸受４３，４８との間に各ベアリング軸２１，２２を囲んで円環状の空気膜が形成され、該空気膜により各ベアリング軸２１，２２が浮動状体で回転する。また、スラスト軸受５１においては、各フォイル軸受５５，５６により、回転軸２０の回転によりスラストディスク５２とフォイル軸受５５，５６との間に円板状の空気膜が形成され、該空気膜によりスラストディスク５２（したがって前側ベアリング軸２１）が浮動状体で回転する。

図１，図２を参照すると、スラストキャンセラ機構６０は、後側ベアリング軸２２に嵌合すると共に後側締付部３３により後側ベアリング軸２２に押し付けられて、回転軸２０と一体に回転すると共に軸方向に移動するキャンセラディスク６１と、可動室壁としてのキャンセラディスク６１が収納される円環状の圧力室６２を後側ベアリング軸２２と協働して形成する圧力室壁６３と、キャンセラディスク６１にキャンセルスラスト力Ｆｂを作用させるための制御圧力を圧力室６２に導く圧力通路７１，７２の圧力を制御する圧力制御弁７３，７４と、圧力制御弁７３，７４を制御する制御装置８０とを備える。圧力室壁６３は主端部壁５ａを含む端部ハウジング５により形成される。

円形外周部を有するフランジ部として後側ベアリング軸２２に一体成形により形成されたキャンセラディスク６１は、圧力室６２を、キャンセラディスク６１に対して、インペラ１０側に位置する制御圧力室としての高圧室６２ａと、インペラ１０とは反対側に位置する低圧室としての副内部空間６ｂとに、軸方向で区画する。キャンセラディスク６１と圧力室壁６３との間からの高圧室６２ａの空気の漏れを抑制するためのシール部としてのラビリンスシール６９が、キャンセラディスク６１の外周面に設けられている。
高圧室６２ａ内には、インペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路７１，７２を通じて導かれる。そして、キャンセルスラスト力Ｆｂは、高圧室６２ａの圧力と副内部空間６ｂの圧力との差圧により発生する。

圧力通路７１，７２は、正圧である高圧圧力を第１制御圧力として高圧室６２ａに導く第１圧力通路としての高圧通路７１と、前記高圧圧力よりも低い圧力の低圧圧力としての負圧を第２制御圧力として高圧室６２ａに導く第２圧力通路としての低圧通路である負圧通路７２とから構成される。
高圧通路７１は、スクロール流路１５と高圧室６２ａとを接続して、加圧空気を高圧室６２ａに導く。また、負圧通路７２は、空気を吸入する入口流路１２と高圧室６２ａとを接続して、高圧室６２ａの空気を低圧状態としての負圧が発生している入口流路１２に導く。
圧力制御弁７３，７４は、高圧通路７１に配置される第１圧力制御弁としての高圧制御弁７３と、負圧通路７２に配置される第２圧力制御弁としての低圧制御弁である負圧制御弁７４とから構成される。

キャンセルスラスト力Ｆｂは、高圧室６２ａの圧力と副内部空間６ｂの圧力との差圧により発生する。このキャンセルスラスト力Ｆｂは、圧縮機１の作動中に、スラスト力Ｆａを減少させて、スラスト軸受５１が受ける荷重を軽減する。
そして、回転軸は、スラスト力Ｆａおよびキャンセルスラスト力Ｆｂの大きさに応じて、スラスト軸受５１により規制される範囲において、軸方向に移動可能である。

図３を併せて参照すると、制御装置８０は、インペラ１０の軸方向位置としてのスラストディスク５２の軸方向位置を検出する位置検出手段８２を備える検出部８１と、検出部８１から入力される検出信号に基づいて高圧制御弁７３および負圧制御弁７４の作動を制御する制御部８７とを備える。制御部８７は、コンピュータを備える電子制御ユニットより構成される。

検出部８１は、位置検出手段８２のほかに、軸方向でのスラストディスク５２と後側フォイル軸受５６のトップフォイル５６ａとの間隔である空気膜の膜厚として軸方向間隔Ａを検出する間隔検出手段８４とを備える。
位置検出手段８２は、所定の基準軸方向位置からの指標部材としてのスラストディスク５２の軸方向位置を軸方向変位として検出する変位センサまたはギャップセンサにより構成される。
また、間隔検出手段８４は、予め定められる基準軸方向位置からの後側フォイル軸受５６のトップフォイル５６ａの軸方向位置を軸方向変位として検出する変位センサまたはギャップセンサにより構成される位置検出手段８３と、前記位置検出手段８２とにより構成され、両位置検出手段８２，８３により検出されたスラストディスク５２の軸方向位置およびトップフォイルの軸方向位置に基づいて軸方向間隔Ａを検出する。
両位置検出手段８２，８３は、軸方向で、スラストディスク５２に対してインペラ１０とは反対側に配置され、ここでは後側軸受保持プレート５４に取り付けられる。

制御部８７は、インペラハウジング３とインペラ１０の羽根１０ａの先端部との間のチップクリアランスを制御するために、圧縮機１の回転速度および加圧空気の流量に応じて最適なチップクリアランスが形成されるときのスラストディスク５２の軸方向位置が最適設定位置として設定されたマップを有する。そして、制御部８７は、位置検出手段８２により検出された軸方向位置に基づいて、スラストディスク５２が前記最適設定位置になるように、両制御弁７３，７４を制御して、高圧室６２ａ内の圧力を制御する。このように、制御部８７が高圧制御弁７３および負圧制御弁，７４を制御することより、キャンセルラディスク６１に作用するキャンセルスラスト力Ｆｂの大きさが制御され、したがってキャンセラディスク６１と一体の回転軸２０およびインペラ１０の軸方向位置が制御されて、チップクリアランスが制御される。

また、制御部８７は、間隔検出手段８４により検出された軸方向間隔Ａが所定値以下になるとき、スラストディスク５２と後側フォイル軸受５６との接触を防止するために、高圧室６２ａの圧力が低下するように、高圧制御弁７３を閉弁方向に制御し、負圧制御弁７４を開弁方向に制御して、負圧通路７２の負圧を高圧室６２ａに導く。これにより、キャンセルスラスト力Ｆｂが減少して、後側フォイル軸受５６に対して接近する方向へのスラストディスク５２の移動が防止され、例えば軸方向間隔が大きくなる方向に、スラストディスク５２が移動する。

次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に作用するスラスト力Ｆａを減少させるキャンセルスラスト力Ｆｂを発生するスラストキャンセラ機構６０を備える遠心式圧縮機１において、スラスト軸受５１は、回転軸２０に設けられたスラストディスク５２を備え、スラストキャンセラ機構６０は、回転軸２０に設けられたキャンセラディスク６１と、高圧室６２ａの圧力を制御する圧力制御弁７３，７４と、圧力制御弁７３，７４を制御する制御装置８０とを備え、制御装置８０は、スラストディスク５２の軸方向位置を検出する位置検出手段８２を備え、軸方向位置に応じて圧力制御弁７３，７４を制御することによりチップクリアランスを制御する。
この構造により、スラストキャンセラ機構６０の高圧室６２ａの圧力を圧力制御弁７３，７４により制御することで、スラストキャンセラ機構６０を利用してチップクリアランスを制御できる。
また、インペラ１０の軸方向位置の指標部材として、スラストディスク５２は大きな部材であることから、インペラ１０の軸方向位置に対応する軸方向位置を検出する位置検出手段８２，８３の配置の自由度が大きい。この結果、位置検出手段８２を、その周辺部材の配置を制約することなく、配置することができる。

スラストディスク５２は、軸方向でキャンセラディスク６１よりもインペラ１０に近い位置に配置されることにより、位置検出手段８２は、キャンセラディスク６１よりもインペラ１０に近い位置にあるスラストディスク５２の位置を検出する。この結果、インペラ１０に対してスラストディスク５２よりも遠方に位置するキャンセラディスク６１の位置を検出する場合に比べて、インペラ１０とスラストディスク５２との軸方向距離が小さいので、熱膨張などによる回転軸２０の伸縮の影響を小さくでき、チップクリアランスの制御精度が向上する。

スラスト軸受５１は、軸方向でスラストディスク５２に対してインペラ１０側に配置される前側フォイル軸受５５を備え、位置検出手段８２は、軸方向でスラストディスク５２に対してインペラ１０とは反対側に配置される。
この構造により、インペラ１０の回転に起因して発生するスラスト力Ｆａを受ける前側フォイル軸受５５の配置や厚みなど、前側フォイル軸受５５の構造が位置検出手段８２により制約されないので、スラスト軸受５１に所要の軸受機能を発揮させることができる。

スラスト軸受５１は、軸方向でスラストディスク５２に対してインペラ１０とは反対側に配置される後側フォイル軸受５６を備え、制御装置８０は、後側フォイル軸受５６とスラストディスク５２との軸方向間隔Ａを検出する間隔検出手段８４を備え、軸方向間隔Ａが所定値以下になるとき、高圧室６２ａの圧力が低下するように高圧制御弁７４を制御する。
この構造により、軸方向間隔Ａが所定値以下となって、スラストディスク５２と後側フォイル軸受との間に形成される空気膜の膜圧が薄くなったとき、スラストディスク５２が後側フォイル軸受５６に接近することが防止されるので、スラストディスク５２と後側フォイル軸受５６との接触による後側フォイル軸受５６の損傷を防止できて、スラスト軸受５１の耐久性、ひいては圧縮機１の耐久性の向上が可能になる。

制御装置８０は、軸方向間隔Ａが所定値以下になるとき、負圧制御弁７４を制御して、インペラ１０により圧縮される空気が吸入される入口流路１２の負圧を圧力室６２に導くことから、負圧通路７２を通じて高圧室６２ａに導入される負圧により、高圧室６２ａの圧力が速やかに低下するので、スラストディスク５２と後側フォイル軸受５６との接触防止の確実性が向上する。

以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
低圧通路は、負圧通路７２の代わりに、大気に開放する大気連通路であってもよい。
圧力室６２の低圧室が密閉室とされて、キャンセルスラスト力Ｆｂを減少させるために、第２圧力制御弁により正圧が該低圧室に導入されてもよい。
燃料電池システムは、車両以外の機械に使用されてもよく、例えば汎用のものであってもよい。圧縮機１は、燃料電池システム以外の装置に使用されてもよく、また空気以外の気体を圧縮するものであってもよい。

１ 遠心式圧縮機
２ ハウジング
７ 電動機
１０ インペラ
２０ 回転軸
３１ テンション軸
５１ スラスト軸受
５２ スラストディスク
５５，５６ フォイル軸受
６０ スラストキャンセラ機構
６１ キャンセラディスク
６２ 圧力室
７１ 高圧通路
７２ 負圧通路
７３ 高圧制御弁
７４ 負圧制御弁
８０ 制御装置
８２，８３ 位置検出手段
８４ 間隔検出手段
Ａ 軸方向間隔

Claims (5)

1. 回転軸と一体に回転するインペラと、前記回転軸を回転可能に支持すると共に前記インペラを収納するハウジングと、前記インペラの回転に起因して前記回転軸に作用するスラスト力を受けるスラスト軸受と、前記スラスト力を減少させるキャンセルスラスト力を発生するスラストキャンセラ機構とを備える遠心式圧縮機において、
   前記スラスト軸受は、前記回転軸に設けられたスラストディスクを備え、
   前記スラストキャンセラ機構は、前記回転軸に設けられたキャンセラディスクと、前記キャンセラディスクを可動室壁として形成される圧力室の圧力を制御する圧力制御弁と、前記圧力制御弁を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記スラストディスクの軸方向位置を検出する位置検出手段を備え、前記軸方向位置に応じて前記圧力制御弁を制御することにより、前記ハウジングと前記インペラの羽根の先端部との間のチップクリアランスを制御することを特徴とする遠心式圧縮機。
2. 前記スラストディスクは、軸方向で前記キャンセラディスクよりも前記インペラに近い位置に配置されることを特徴とする請求項１記載の遠心式圧縮機。
3. 前記スラスト軸受は、前記スラストディスクと軸方向で対向すると共に、軸方向で前記スラストディスクに対して前記インペラ側に配置される前側フォイル軸受を備え、
   前記位置検出手段は、軸方向で、前記スラストディスクに対して前記インペラとは反対側に配置されることを特徴とする請求項１または２記載の遠心式圧縮機。
4. 前記スラスト軸受は、前記スラストディスクと軸方向で対向すると共に、軸方向で前記スラストディスクに対して前記インペラとは反対側に配置される後側フォイル軸受を備え、
   前記制御装置は、前記後側フォイル軸受と前記スラストディスクとの軸方向間隔を検出する間隔検出手段を備え、前記軸方向間隔が所定値以下になるとき、前記圧力室の圧力が低下するように前記圧力制御弁を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の遠心式圧縮機。
5. 前記圧力制御弁は、前記インペラにより圧縮された加圧気体が流通するスクロール流路の圧力を前記圧力室に導く高圧通路に設けられる高圧制御弁と、前記インペラにより圧縮される気体が吸入される入口流路の負圧を前記圧力室に導く負圧通路に設けられる負圧制御弁とであり、
   前記制御装置は、前記軸方向間隔が前記所定値以下になるとき、前記負圧制御弁を制御して前記負圧通路の負圧を前記圧力室に導くことを特徴とする請求項４記載の遠心式圧縮機。

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