JP6944853B2

JP6944853B2 - 電動コンプレッサ

Info

Publication number: JP6944853B2
Application number: JP2017219646A
Authority: JP
Inventors: 治雄岩野; 直紀松澤
Original assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Current assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2021-10-06
Anticipated expiration: 2037-11-15
Also published as: WO2019096890A2; JP2019090370A; WO2019096890A3

Description

この発明は、エアコンプレッサ等として用いられる電動コンプレッサ、特に遠心式の電動コンプレッサに関する。

例えば、電気自動車の一形態として、燃料電池スタックを搭載し、この燃料電池スタックで発電した電力によって走行を行うようにしたいわゆる燃料電池自動車が知られている。このような自動車用の燃料電池スタックでは、酸化剤として酸素を含む空気が用いられるのが一般的であり、車両に搭載したエアコンプレッサによって比較的多量の圧縮空気を燃料電池スタックへ供給する構成となっている。

特許文献１には、このような燃料電池スタック用エアコンプレッサとして、遠心式コンプレッサのインペラを電動モータの回転軸の一端部に取り付け、電動モータによって直接にインペラを回転駆動するようにした遠心式電動コンプレッサが開示されている。そして、電動モータの回転軸の他端部には、インペラによって回転軸に作用する軸方向スラスト力を緩和するために、加圧空気の圧力を受けるキャンセラディスクが取り付けられている。

特開２０１１−２１４５２３号公報

遠心式コンプレッサは軸方向に吸入したガス（例えば空気）をインペラの回転によって遠心方向へ送る構成であるため、特許文献１にも開示されているように、インペラに加わる反力として軸方向スラスト荷重が発生する。従って、電動モータの回転軸にインペラを取り付けた構成では、電動モータに軸方向スラスト荷重が作用し、好ましくない。

特許文献１では、軸方向スラスト荷重の緩和のために加圧空気の圧力を利用したキャンセラ機構を回転軸の他端部側に設けているが、このような構成では、キャンセラ機構に起因して構成が複雑化し、しかも軸方向スラスト荷重を完全にキャンセルすることは困難である。

また、この種の電動コンプレッサは、回転速度が非常に高く（例えば１０万ｒｐｍ以上）、モータ回転軸を支持する軸受に高い精度ならびに耐久性が必要となるが、燃料電池スタック用エアコンプレッサとして用いる場合には、一般に、オイル潤滑型軸受を用いることができない。つまり、オイル潤滑型軸受を用いると、経時的にオイル成分が燃料電池スタック内に侵入してしまい、好ましくない。そのため、軸方向スラスト荷重の存在は、燃料電池スタック用エアコンプレッサではより大きな課題となる。

さらに、燃料電池自動車では、キーＯＮ後、燃料電池スタックが直ちに発電を開始することが必要であり、酸化剤を供給するエアコンプレッサにおいても、電源ＯＮ後の速やかな立ち上がりつまり速やかな圧力上昇が要求される。このような要求に対し、特許文献１の構成では、キャンセラディスクを具備することで回転体部分（ロータ）の慣性モーメントがより大きくなり、回転の立ち上がりが悪化する。

この発明に係る電動コンプレッサは、
それぞれ中心部に吸入ポートを備えるとともにこの吸入ポートを囲むように環状のディフューザ部ならびにスクロール部を備え、かつ上記吸入ポートが反対方向を向くように対称に配置された一対のコンプレッサハウジングと、
この一対のコンプレッサハウジングの間に位置する電動モータと、
この電動モータの回転軸の両端部にそれぞれ反対方向を向くように対称に取り付けられ、かつそれぞれ上記コンプレッサハウジングと組み合わされて遠心式コンプレッサを構成する一対のインペラと、
上記一対のコンプレッサハウジングのスクロール部の出口を互いに集合させるように略Ｕ字形状に延び、かつ中央に単一の吐出ポートを有するとともに、対称に構成された出口管と、
を備えて構成されている。

すなわち、電動モータが駆動されると、回転軸の両端部に取り付けられた一対のインペラが回転し、コンプレッサハウジングとともに遠心式コンプレッサとして作用して、それぞれ吸入ポートから吸入したガス（例えば空気）を加圧してスクロール部へと送る。これら２つの遠心式コンプレッサで加圧されたガスは、出口管によって集合し、最終的に単一の吐出ポートから吐出される。

ここで、２つのインペラには、それぞれ吸入ポートへ向かう方向への軸方向スラスト荷重が発生するが、これら２つの軸方向スラスト荷重は、互いに反対方向でかつ基本的に同じ大きさのものとなることから、回転軸において互いに相殺される。従って、電動モータがいずれかの方向への軸方向スラスト荷重を受けることがない。

また、必要な流量を２つの遠心式コンプレッサによって供給することになるため、個々の遠心式コンプレッサは小容量のものとなる。従って、各々のインペラを小径化でき、一対のインペラを含む回転体の慣性モーメントが小さくなる。これにより、速やかな立ち上がりの上で有利となる。

この発明の電動コンプレッサは、例えば、自動車に搭載された燃料電池スタックへ酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサとして好適である。

本発明の好ましい一つの態様では、上記一対のインペラは、互いに同一のインペラであり、かつ、各々のインペラの翼の位相が互いに異なるように回転軸に取り付けられている。

複数の翼を有するインペラが回転する遠心式コンプレッサでは、翼の枚数に応じた回転次数の吐出脈動が生じ、これに伴って騒音が発生する。上記の構成では、２つのインペラの翼の位相が互いに異なることで、各々の吐出脈動のピークがずれた形となり、これらが互いに重なり合うことで、吐出ポートにおける脈動が低減する。ここで、２つの遠心式コンプレッサを連結する出口管は、吐出ポートを中心として対称に構成されているため、各遠心式コンプレッサから吐出ポート（換言すれば合流部）までの管長は互いに等しい。従って、各々の吐出流が脈動の位相がずれた状態で互いに合流する。

本発明の他の好ましい一つの態様では、上記一対のインペラは、翼の外縁で定まる回転体形状が互いに等しく、かつ、各々の翼の枚数が互いに異なっている。

このような構成では、２つの遠心式コンプレッサで生じる吐出脈動の周波数が互いに異なるため、吐出ポートへ向かって２つの吐出流が互いに合流することで、吐出ポートにおける脈動が同様に低減する。なお、翼の枚数の差異により仮に軸方向スラスト荷重が異なるものとなったとしても、その差異はごく僅かである。翼の枚数が異なっていても軸方向スラスト荷重が等しくなるように、各々の翼形状等を設定することが望ましい。

また、本発明の一つの実施例では、上記電動モータのステータを収容した円筒状のステータハウジングが上記一対のコンプレッサハウジングの間に取り付けられており、このステータハウジングが、空冷用の冷却フィンもしくは液冷用のウォータジャケットを備えている。これによって、電動モータのステータが冷却される。

この発明によれば、一対の遠心式コンプレッサによって各々の軸方向スラスト荷重が相殺され、中央に位置する電動モータが軸方向スラスト荷重を受けることがない。従って、高速回転させるに際して軸受に要求される性能が比較的に低くなる。

また、一対の遠心式コンプレッサを有することで、要求される流量に対してインペラを含む回転体の慣性モーメントが小さくなり、それだけ回転の立ち上がりに優れた特性を得ることができる。

この発明に係る電動コンプレッサの一実施例を示す斜視図。この電動コンプレッサの回転中心を通る断面に沿った断面図。図２の軸受部分を拡大して示した断面図。インペラの斜視図。図２のＡ−Ａ線に沿った断面図。第２実施例を示す図２と同様の断面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る電動コンプレッサの一実施例を示す斜視図であり、図２は、この電動コンプレッサの回転中心を通る断面に沿った断面図である。この実施例の電動コンプレッサは、燃料電池自動車に搭載された燃料電池スタックの補機として、酸化剤となる空気を燃料電池スタックへ供給するためのエアコンプレッサとして用いられる。

図１および図２に示すように、実施例の電動コンプレッサは、一対の遠心式コンプレッサ１，２と、これら２つの遠心式コンプレッサ１，２の間つまり軸方向の中央部に位置する電動モータ３と、一対の遠心式コンプレッサ１，２の吐出流を互いに合流させて中央の吐出ポート５へと案内する出口管４と、から大略構成されている。すなわち、本体部分のハウジング６としては、それぞれ円盤状をなす一対のコンプレッサハウジング７，８と、これら２つのコンプレッサハウジング７，８の間に位置する略円筒状のステータハウジング９と、を備えている。ステータハウジング９の両端は、それぞれ円板状のエンドプレート１０，１１を介してコンプレッサハウジング７，８に接続されている。具体的には、ステータハウジング９の端部が複数のボルト１２によってエンドプレート１０，１１の内周寄りに固定されており、エンドプレート１０，１１の外周側部分が複数のボルト１３によってコンプレッサハウジング７，８の外周部に固定されている。２つのコンプレッサハウジング７，８は、電動コンプレッサ全体の軸方向の中央を通る対称面Ｐ（図２参照）を挟んで互いに対称に構成されている。

電動モータ３は、ステータハウジング９の内周に嵌合して配置されたステータ１５と、一対のエンドプレート１０，１１にそれぞれ軸受１６を介して支持された回転軸１７と、回転軸１７の外周面に取り付けられた回転子となる永久磁石１８と、から構成されている。この電動モータ３は、例えば図示せぬ駆動回路により回転速度を可変制御可能な三相ブラシレスモータとして構成されており、ステータ１５は図示せぬステータコイルを備えている。永久磁石１８の外周面とステータ１５の内周面は、僅かな隙間つまりエアギャップを介して対向している。

また、軸受１６は、図３に詳細を示すように、内輪１６ａと外輪１６ｂと転動体１６ｃとを含むボールベアリングからなり、エンドプレート１０，１１の中心部に円筒状に形成した軸受保持部１９の内周面に外輪１６ｂが嵌合してエンドプレート１０，１１にそれぞれ支持されている。また、回転軸１７は、内輪１６ａが嵌合する一対の軸受用軸部１７ａを有するとともに、この一対の軸受用軸部１７ａの軸方向内側となる側に僅かに径が拡大したフランジ部１７ｂを有し、このフランジ部１７ｂの端面が内輪１６ａの端面に近接している。

回転軸１７は、一対の軸受１６を貫通してさらに両側へ延びており、その両端部に一対のインペラ２１，２２が取り付けられている。詳しくは、インペラ２１，２２の中心の孔を回転軸１７が貫通しており、インペラ２１，２２から突出した回転軸１７先端のねじ部にコーン状のナット２３を螺合させることで、インペラ２１，２２が軸受用軸部１７ａとナット２３との間で締付固定されている。

インペラ２１，２２は、コンプレッサハウジング７，８と組み合わされることで遠心式コンプレッサ１，２を構成している。図４は、一方のコンプレッサハウジング７に対応したインペラ２１を単体で示した斜視図であり、軸方向に沿って吸入した空気を半径方向外周側へ送るように螺旋形に捩れたバックワード型の複数枚の翼２４を備えている。なお、翼２４の外縁で定まる回転体形状としては、インペラ２１は、概ね円錐台形をなしている。また図示例では、内径側の翼長を短くしたハーフブレード形の翼２４Ａと通常の長さの翼２４Ｂとが交互に配置されており、例えば、計１２個の翼２４を備えている。

他方のコンプレッサハウジング８に対応したインペラ２２は、図４のインペラ２１と対称の形状をなしている。つまり、インペラ２２の翼２４の旋回方向が、図４のインペラ２１の翼２４とは反対方向のものとなっている。このように対称形状である点を除けば、インペラ２１とインペラ２２は、実質的に同一の形状をなしている。インペラ２１，２２は、例えばアルミニウム合金等の金属材料の精密鋳造によって形成することができ、その他、硬質合成樹脂によって成形するようにしてもよい。

ここで、一対のインペラ２１，２２は、上述したように回転軸１７の各端部にそれぞれ固定されているが、各々の翼２４の位相が互いに異なるように、周方向に互いにずれた形で回転軸１７に取り付けられている。例えば、１２個の翼２４の例では、翼２４のピッチが３０°となるが、インペラ２１とインペラ２２とが１５°の位相差を有するように回転軸１７に固定されている。なお、必要であれば、キーおよびキー溝の組み合わせ等によって各々の角度位置を規定するようにしてもよい。

インペラ２１，２２は、それぞれ円盤状をなすコンプレッサハウジング７，８の中心部に収容されている。インペラ２１，２２と組み合わされて遠心式コンプレッサ１，２を構成するコンプレッサハウジング７，８は、中心部に軸方向に沿って円筒状に延びた吸入ポート２６を有するとともに、この吸入ポート２６を囲むように環状のディフューザ部２７ならびにスクロール部２８を備えている。スクロール部２８は、コンプレッサハウジング７，８の外周部においてインペラ２１，２２を環状に囲むように形成されており、かつ図５に示すように、インペラ２１，２２の回転方向に沿って徐々に断面積が拡大するように形成されている。ディフューザ部２７は、インペラ２１，２２外周部からスクロール部２８へ至る流路を、回転軸１７と直交する２つの平行な壁面によって形成したいわゆるベーンレス型ディフューザとして構成されている。

前述したように、２つのコンプレッサハウジング７，８は、電動コンプレッサ全体の軸方向の中央を通る対称面Ｐを挟んで互いに対称に構成されている。従って、各々の吸入ポート２６は、回転軸１７の軸方向に沿って互いに反対方向を向いている。この吸入ポート２６は、図示せぬ配管およびエアクリーナを介して大気に開放されている。２つのコンプレッサハウジング７，８は対称面Ｐを挟んで互いに対称であることから、回転方向に沿って徐々に断面積が拡大するスクロール部２８の回転方向の始点２８ａ（図５参照）は、同一の角度位置にある。

また、スクロール部２８は、始点２８ａからほぼ３６０°回転した位置で接線方向に延びており、最も断面積の大きな出口２８ｂに至る。そして、一対の出口２８ｂに、略Ｕ字形をなす出口管４の両端部４ａが接続されている。

出口管４は、前述したように、中央に単一の吐出ポート５を備えている。この吐出ポート５は、図示せぬ配管を介して燃料電池スタックに接続されている。出口管４は、電動コンプレッサ全体の軸方向の中央を通る対称面Ｐを挟んで互いに対称に構成されている。従って、２つの遠心式コンプレッサ１，２について、スクロール部２８の出口２８ｂないし始点２８ａから吐出ポート５に至る管長は、互いに等しい。図５に示すように、出口管４は、２つのスクロール部２８の出口２８ｂへ向かう接線を含む平面に沿っている。

電動モータ３を収容するハウジングとなる円筒状のステータハウジング９は、外気による冷却つまり外気への放熱を促進するための冷却フィン３０を外周面に備えている。冷却フィン３０は、周方向に環状に延びており、かつ軸方向に複数並んで形成されている。この冷却フィン３０によって、電動モータ３とりわけステータ１５が効果的に冷却される。

上記のように構成された実施例の電動コンプレッサは、基本的に同一の構成を有する一対の遠心式コンプレッサ１，２が対称に配置されており、これら２つの遠心式コンプレッサ１，２を中央の電動モータ３が回転駆動することとなる。ここで、個々の遠心式コンプレッサ１，２では、インペラ２１，２２の回転に伴い該インペラ２１，２２を吸入ポート２６側へ引き寄せる方向の軸方向スラスト荷重が発生する。しかし、一対の遠心式コンプレッサ１，２が対称に配置されている結果、各々の軸方向スラスト荷重が回転軸１７に反対方向に作用し、互いに打ち消し合う。そのため、電動モータ３の回転子と一体となった回転軸１７には、基本的に軸方向スラスト荷重が作用しない。従って、大きな軸方向スラスト荷重に対する考慮が不要であり、軸受１６を含めて構成が簡素となる。図示例では、軸受１６として、比較的小さな軸方向スラスト荷重の支承が可能な一般的なボールベアリングが用いられており、格別なスラスト軸受は具備していない。ボールベアリングからなる軸受１６は、オイル潤滑型ではなく、従って、燃料電池スタックへオイル成分が吸入されてしまうという懸念がない。なお、インペラ２１，２２つまり電動モータ３は、例えば数万ｒｐｍ以上の回転速度でもって高速回転する。

２つの遠心式コンプレッサ１，２から吐出された吐出流は、互いに集合した上で吐出ポート５から燃料電池スタックへ供給される。従って、個々の遠心式コンプレッサ１，２の容量ひいてはインペラ２１，２２の径が、必要な空気流量に比較して小型のものとなり、回転軸１７および一対のインペラ２１，２２を含む回転体の慣性モーメントが小さくなる。従って、回転の立ち上がりが速くなり、例えば燃料電池自動車の運転開始時に、酸化剤となる圧縮空気を燃料電池スタックへ速やかに供給することが可能となる。

また、個々の遠心式コンプレッサ１，２では、インペラ２１，２２の翼２４の枚数に応じた回転次数の吐出脈動が生じるが、２つのインペラ２１，２２を例えば半ピッチ分だけずらして回転軸１７に取り付けることで、各々の吐出脈動の位相が異なるものとなる。そして、これら２つの脈動成分が出口管４を介して合流する結果、吐出ポート５から得られる流れに含まれる脈動が小さなものとなる。

ここで、他の実施例として、吐出脈動の低減のために、２つのインペラ２１，２２の翼２４の枚数を異ならせるようにしてもよい。例えば、インペラ２１は上述したように１２個の翼２４を有し、これに対し、インペラ２２は１０個の翼２４を有する。なお、ハーフブレード形の翼２４Ａと通常の長さの翼２４Ｂとを交互に配置する場合には、翼２４の総数は偶数となる。翼２４の外縁で定まるインペラの回転体形状としては、必ずしも両者を同一とする必要はないが、一つの実施例では、コンプレッサハウジング７，８を含む構成の複雑化を回避するために、インペラ２１，２２の回転体形状は互いに等しい。つまり、翼２４の枚数のみが異なっている。

このように翼２４の枚数を異ならせれば、２つの遠心式コンプレッサ１，２の吐出脈動の次数ないし周波数が互いに異なるものとなるので、両者が集合した吐出ポート５における脈動の振幅が小さくなる。

ここで、翼２４の枚数が異なると、遠心式コンプレッサ１，２の吐出容量が変化し、各々で生じる軸方向スラスト荷重が異なる可能性があるが、この場合でも、両者の軸方向スラスト荷重の差は僅かであり、軸方向スラスト荷重の大部分は相殺され得る。なお、適当な定格回転速度において両者の軸方向スラスト荷重が互いに等しくなるように各々の翼２４の形状等を設計するようにしてもよい。

次に、図６は、本発明の電動コンプレッサの第２実施例を示している。この実施例は、前述した冷却フィン３０に代えてステータハウジング９に液冷用のウォータジャケット３１を設けたものである。ウォータジャケット３１は、例えば円筒状のステータハウジング９の内部に螺旋状の通路として形成されており、図示せぬ冷却水ポンプや熱交換器を含む冷却水循環系に接続されることで冷却水が通流する。この第２実施例の構成によれば、電動モータ３とりわけステータ１５がより確実に冷却される。

以上、この発明を燃料電池スタック用のエアコンプレッサとして適用した一実施例を説明したが、この発明は、他の用途のコンプレッサとして適用することも可能である。

なお、上記実施例ではスクロール部２８の出口２８ｂが互いに対称となる位置つまり同一の回転位置に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。図示は省略するが、２つの遠心式コンプレッサ１，２のスクロール部２８の出口２８ｂを例えば互いに１８０°離れた位置に配置し、両者を略Ｕ字形状の出口管で集合させた構成とすることもできる。この場合には、出口管は上記実施例のような面対称ではなく回転対称形状となり得る。

１，２…遠心式コンプレッサ
３…電動モータ
４…出口管
５…吐出ポート
７，８…コンプレッサハウジング
９…ステータハウジング
１５…ステータ
１６…軸受
１７…回転軸
１８…永久磁石
２１，２２…インペラ
２６…吸入ポート
２７…ディフューザ部
２８…スクロール部

Claims

それぞれ中心部に吸入ポートを備えるとともにこの吸入ポートを囲むように環状のディフューザ部ならびにスクロール部を備え、かつ上記吸入ポートが反対方向を向くように対称に配置された一対のコンプレッサハウジングと、
この一対のコンプレッサハウジングの間に位置する電動モータと、
この電動モータの回転軸の両端部にそれぞれ反対方向を向くように対称に取り付けられ、かつそれぞれ上記コンプレッサハウジングと組み合わされて遠心式コンプレッサを構成する一対のインペラと、
上記一対のコンプレッサハウジングのスクロール部の出口を互いに集合させるように略Ｕ字形状に延び、かつ中央に単一の吐出ポートを有するとともに、対称に構成された出口管と、
を備えてなる電動コンプレッサであって、
上記一対のインペラは、翼の外縁で定まる回転体形状が互いに等しく、
かつ、各々の翼の枚数が互いに異なっており、
さらに、定格回転速度において両者の軸方向スラスト荷重が互いに等しくなるように各々の翼の形状が設定されている、
ことを特徴とする電動コンプレッサ。
上記電動モータのステータを収容した円筒状のステータハウジングが上記一対のコンプレッサハウジングの間に取り付けられており、
このステータハウジングが、空冷用の冷却フィンもしくは液冷用のウォータジャケットを備えている、ことを特徴とする請求項１に記載の電動コンプレッサ。
自動車に搭載された燃料電池スタックへ酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電動コンプレッサ。