JP7472993B2

JP7472993B2 - 回転機械

Info

Publication number: JP7472993B2
Application number: JP2022546282A
Authority: JP
Inventors: 隼中山; 裕司佐々木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2024-04-23
Anticipated expiration: 2041-08-26
Also published as: CN115698517A; US20230110813A1; DE112021002749T5; WO2022050174A1; JPWO2022050174A1

Description

本開示は、回転機械に関する。

特許文献１には、エンジンからの排ガスによってタービンインペラが回転され、回転軸を介してタービンと同軸に設けられたコンプレッサインペラが回転して圧縮空気をエンジンに供給する遠心圧縮機が開示されている。特許文献２及び３には、電動モータの駆動により、コンプレッサインペラが回転する回転機械が開示されている。特許文献４には、電動モータの駆動によって圧縮機構が冷媒を圧縮する圧縮機が開示されている。特許文献５には、電動モータの駆動によってコンプレッサインペラが回転する遠心圧縮機が開示されている。特許文献６には、シャフトを回転させる電動機が開示されている。特許文献７には、電動送風機が開示されている。特許文献８には、インバータ一体型交流電動モータが開示されている。これらの従来技術のうち、例えば、特許文献２、３には、コンプレッサインペラを回転させる電動モータを駆動制御するインバータが開示されている。インバータは、電動モータを駆動制御する際に熱を帯びるので適宜に冷却が必要である。

国際公開第２０１２／１０２１４６号特開２０１２－６２７７７号公報特開２０１３－１７６１９３号公報特開２００８－５７４２６号公報特開２０１３－２４０５７号公報特開２０１３－１８８１０５号公報特開１９９１－１１１７００号公報特開２００４－２７４９９２号公報

インバータは、例えば、電動モータを収容するハウジングなどに設置されている。ハウジングには、電動モータやインバータを冷却するための冷媒が通過する通路や配管が設けられている。この冷媒によってインバータを適切に冷却するためには、冷媒が通過する通路や配管の構造が複雑になり易く、また、通路や配管を形成するための構造的な制限もあってスペースの有効利用を図り難かった。

本開示は、インバータを冷却しながら、スペースの有効利用も可能になる回転機械を説明する。

本開示の一態様は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容し、且つ気体の吸引口を備えたハウジングと、ハウジングに設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに設けられ、且つ吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、電動モータの駆動を制御すると共に、ヒートシンクに接続されているインバータと、を備えた回転機械である。

また、本開示の一態様は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容するインペラケーシングと、インペラケーシングに接続されて気体の吸引口を形成する管路部と、管路部に当接しており、電動モータの駆動を制御するインバータと、管路部の内周面から突出され、気体の流路上に配置されている放熱フィンと、を備えた回転機械である。

本開示のいくつかの態様によれば、インバータを冷却しながら、スペースの有効利用も可能になる。

図１は、本開示の一実施形態に係る回転機械を示す模式的な説明図である。図２は、コンプレッサを拡大して示す断面図である。図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。図４は、吸引口を通過する空気の流れを示す模式的な断面図であり、（ａ）の図は放熱フィンを備えた形態であり、（ｂ）の図は放熱フィンを備えていない比較形態である。図５は、流量と圧力比との関係を示すグラフである。図６は、他の実施形態に係るコンプレッサ部を拡大して示す斜視図である。

本開示の一例は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容し、且つ気体の吸引口を備えたハウジングと、ハウジングに設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに設けられ、且つ吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、電動モータの駆動を制御すると共に、ヒートシンクに接続されているインバータと、を備えた回転機械である。

本開示の一例は、ヒートシンクを介して放熱フィンに熱的に接続されているインバータを備えている。放熱フィンは、吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている。つまり、インペラの回転によって吸引口から吸い込まれる気体を利用してインバータの冷却が可能になる。その結果、インバータ用の冷却流路を縮小しても、インバータの冷却が可能になる。また、吸引口を通過する気体の流量によってはインバータ用の冷却流路の省略も可能になる。つまり、インバータ用の冷却流路を形成するためのスペースを軽減でき、スペースの有効利用も可能になる。

いくつかの例において、インバータは環状であり、吸引口を取り囲むように配置されていてもよい。環状のインバータは吸引口を取り囲むため、インバータの周方向で冷却効果に偏りが生じ難く、インバータの周方向でインバータを均一に冷却できる。

いくつかの例において、放熱フィンは、吸引口の内周面から突出され、気体の流路上に配置されていてもよい。放熱フィンは、吸引口の内周面から突出しているので、吸引口を通過する気体に直接接して熱を奪われる。その結果、インバータの冷却効率を向上できる。

いくつかの例において、放熱フィンは、インペラの回転軸線に沿った方向に延在していてもよい。吸引口を通過する気体は、吸引口の内周面付近で流れが乱れ易い。一方、この回転機械では、放熱フィンによって流れがインペラの回転軸線方向に整えられるので、整流を得易くなり、サージマージンを向上できる。

いくつかの例において、放熱フィンは、内周面から突出した高さよりも、回転軸線に沿った方向の長さの方が長くてもよい。その結果、吸引口を通過する気体の圧損軽減とインバータの冷却効率の向上とを両立できる。

いくつかの例において、ヒートシンクは、吸引口を形成する管路部と、管路部の外方に張り出したフランジ部と、を備えていてもよい。また、インバータは環状であり、フランジ部に当接してヒートシンクに接続されていてもよい。インバータは、フランジ部を介して吸引口を取り囲むように配置されることになるため、周方向で偏りなく、均一に冷却される。

いくつかの例において、ヒートシンクは、吸引口を形成する管路部を備え、インバータは、管路部の外周面に当接してヒートシンクに接続されており、放熱フィンは、管路部の内周面から突出していてもよい。

いくつかの例において、放熱フィンは、インペラの回転軸線回りの周方向で等間隔に配置されていてもよい。

いくつかの例において、ヒートシンクは、吸引口を形成する内管部と、内管部の外側に設けられた外管部と、を備え、放熱フィンは、内管部と外管部との間に配置され、且つ内管部に熱交換可能に接続されていてもよい。

本開示の一例は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容するインペラケーシングと、インペラケーシングに接続されて気体の吸引口を形成する管路部と、管路部に当接しており、電動モータの駆動を制御するインバータと、管路部の内周面から突出され、気体の流路上に配置されている放熱フィンと、を備えた回転機械である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本開示における回転機械１の一例を示している。具体的には電動アシスト型のターボチャージャーである。本開示の回転機械１は、排気ガスの流れを受けて回転するタービン２と、タービン２の回転力を伝達する回転軸３と、タービン２の回転力で空気Ａ（気体の一例）を取り込んで圧縮するコンプレッサ４とを備えている。また、回転機械１はタービン２とコンプレッサ４との間に電動モータ５を配置している。電動モータ５は、インバータ６により、駆動を制御されている。

電動モータ５は、モータハウジング５０内に収容されている。モータハウジング５０の一方の端部、つまり、回転軸３に沿った方向の一方の側面にはタービンハウジング２１が固定されている。タービンハウジング２１内には、回転軸３に回転力を伝達するタービンインペラ２２が配置されている。モータハウジング５０の他方の端部、つまり、回転軸３に沿った方向の他方の側面にはコンプレッサハウジング４１が固定されている。コンプレッサハウジング４１内には、回転軸３の回転力で回転するコンプレッサインペラ４２が配置されている。

電動モータ５は、回転軸３に固定されたロータ５１と、ロータ５１を囲むように配置されたステータ５２と、を備えている。ステータ５２は、モータハウジング５０に固定されたコアと、コアに巻回されたコイル５２ａとを備えている。コイル５２ａはインバータ６に通電可能に接続されている。電動モータ５は、インバータ６によって電力の周波数制御が行われることにより、回転速度が制御されている。

モータハウジング５０には、回転軸３を回転自在に支持する第１の軸受５３及び第２の軸受５４が設けられている。第１の軸受５３は、電動モータ５とコンプレッサハウジング４１との間に配置されている。第２の軸受５４は、電動モータ５とタービンハウジング２１との間に配置されている。また、モータハウジング５０には、電動モータ５を冷却するための冷却流路５５が形成されている。冷却流路５５は、ステータ５２の周りを周回するように設けられている。冷却流路５５には熱交換器７で冷却された冷媒が導入される。例えば、水冷式の場合、冷媒として水などの液体を使用できる。

図２に示されるように、コンプレッサハウジング４１には、タービン２の作用及び電動モータ５の駆動によって回転するコンプレッサインペラ４２が収容されている。コンプレッサインペラ４２は、回転することによって空気Ａを吸い込んで圧縮する。コンプレッサハウジング４１は、コンプレッサインペラ４２を収容するインペラケーシング８と、吸引口１０を形成する管状のヒートシンク９とを備えている。

インペラケーシング８には、昇圧のためのディフューザ８１が設けられている。ディフューザ８１は、コンプレッサインペラ４２の周りに設けられている。更に、インペラケーシング８には、ディフューザ８１に連通するスクロール８２及び排出口８３が形成されている。排出口８３は、スクロール８２に連通している。スクロール８２を通過した圧縮空気Ａｘ（圧縮気体）は、排出口８３から排出される。また、インペラケーシング８は、ヒートシンク９に接続する端部（入口部）を備えている。インペラケーシング８は、その端部において外方に張り出したフランジ状の接続部８４を備えている。インペラケーシング８の内部流路８５は、入口部に向けて内径がテーパ状に拡径している。

ヒートシンク９は、インペラケーシング８に接続されて空気Ａの吸引口１０を形成する管路部９１と、管路部９１の外方に張り出したフランジ部９２とを備えている。ヒートシンク９は、インペラケーシング８の接続部８４にフランジ部９２を当接されて固定されている。なお、インペラケーシング８とヒートシンク９との接続態様は他の形態であってもよく、また、インペラケーシング８とヒートシンク９とを一体成形したり、または、溶接等によって一体化させたりしてもよい。

管路部９１の内周面９１ａは、吸引口１０の内周面に相当する。管路部９１には、内周面９１ａから中心（回転軸線Ｌｘ）に向けて突出している複数の放熱フィン１１が設けられている。つまり、放熱フィン１１は、空気Ａが通過する流路Ｃ上に配置されている。その結果、放熱フィン１１は、吸引口１０を通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。本開示における複数の放熱フィン１１は、回転軸線Ｌｘ回りの周方向Ｃｄ（図３参照）で等間隔に配置されている。放熱フィン１１は、矩形の板状であり、回転軸線Ｌｘに沿った方向に延在している。放熱フィン１１は、管路部９１の内周面９１ａから突出した高さＨよりも、回転軸線Ｌｘに沿った方向の長さＬの方が長くなっている。

図２及び図３に示されるように、ヒートシンク９のフランジ部９２にはインバータ６が固定（接続）されている。つまり、インバータ６はヒートシンク９に対して熱的に接続されている。なお、熱的に接続されているとは、熱交換可能な接続を意味し、物理的に直接接触している態様のみならず、伝熱グリスなどの熱伝導材料を介在させて間接的に接続されている態様も含まれる。また、間接的に接続されている態様とは、空気層が介在する状態の熱抵抗よりも、熱抵抗が小さくなる状態と定義することもできる。

また、インバータ６は、円環状（ドーナツ状）であり、回転軸線Ｌｘに沿った方向から見た場合に吸引口１０を取り囲むように配置されている。インバータ６の基板６１の表面は、フランジ部９２に当接して熱的に接続されている。インバータ６の内周縁６ａは、管路部９１の外周面９１ｂに当接して熱的に接続されている。

インバータ６の基板６１上には、IGBT、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはGTOなどのデバイス６２や、Capacitorなどの蓄電装置６３が実装されている。インバータ６から引き出された引き出し線は、電動モータ５（ステータ５２）のコイル５２ａに接続されている。

次に、本開示の回転機械１の作用、効果を説明する。インバータ６は、ヒートシンク９を介して放熱フィン１１に接続されている。放熱フィン１１は、吸引口１０を通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。つまり、回転機械１は、コンプレッサインペラ４２の回転によって吸引口１０から吸い込まれる空気Ａを利用してインバータ６を冷却可能である。その結果、本開示の回転機械１では、インバータ６用の冷却流路を設けることなく、インバータ６の効果的な冷却が可能になる。例えば、空気Ａを利用することで、インバータ６は夏場でも４０℃未満に冷却できる。

また、コンプレッサインペラ４２を高負荷運転させると、インバータ６の温度も上昇し易い。しかしながら、コンプレッサインペラ４２の高負荷運転により、空気Ａの流量が増えると、放熱フィン１１に接触して熱を奪う空気Ａの流量も増えることになり、冷却効果の観点から相殺できるので効率がよい。

また、本開示の回転機械１では、吸引口１０を通過する空気Ａによってインバータ６を適切に冷却できると想定されるため、他の冷却流路は形成していない。しかしながら、例えば電動モータ５用の冷却流路５５から分岐する補助の冷却流路を形成し、この冷却流路によってインバータ６を補助的に冷却することも可能である。この場合も、インバータ６を冷却する冷却流路は補助的な流路でよく、簡易的な構成にすることができる。

また、本開示の回転機械１はターボチャージャーであり、モータハウジング５０（電動モータ５）を挟んで、コンプレッサ４とは反対側にタービン２が設けられている。タービン２は高温となり、冷却という観点では不利になり易い。しかしながら、本開示の回転機械１では、タービン２に対して電動モータ５よりも離れた位置にインバータ６を配置しているため冷却効果を高め易くなっている。

以上の通り、本開示の回転機械１によれば、インバータ６用の冷却流路５５を省略、あるいは補助的な利用に抑えることができる。したがって、インバータ６用の冷却流路を形成するためのスペースを軽減でき、スペースの有効利用も可能になる。

また、インバータ６は環状であり、吸引口１０を取り囲むように配置されている。その結果、インバータ６の周方向Ｃｄ、つまり、回転軸線Ｌｘ回りの方向で冷却効果に偏りが生じ難く、インバータ６の均一な冷却に有利である。

また、放熱フィン１１は、吸引口１０の内周面９１ａから突出され、空気Ａの流路Ｃ上に配置されている。その結果、放熱フィン１１は、吸引口１０を通過する空気Ａに直接接して熱を奪われることになり、インバータ６の冷却効率を向上できる。

また、放熱フィン１１は、コンプレッサインペラ４２の回転軸線Ｌｘに沿った方向に延在しており、サージマージンを向上できる。具体的には、モータ低速時のパフォーマンスが向上する。この効果について図４及び図５を参照して説明する。図４は、吸引口１０を通過する空気Ａの流れを示す模式的な断面図である。図４の（ａ）の図は本開示の実施形態であり、（ｂ）の図は放熱フィン１１を備えていない比較形態である。また、図５は、流量と圧力比との関係を示すグラフであり、本開示の形態を実線で示し、比較形態を破線で示している。

図４の（ｂ）図に示されるように、比較形態は、吸引口１００から空気Ａを吸い込んで圧縮するコンプレッサインペラ１０１を備えている。比較形態において、吸引口１００を通過する空気Ａは、吸引口１００の内周面１００ａ付近で流れが乱れ易い。一方、図４の（ａ）図に示されるように、本開示に係る回転機械１では、放熱フィン１１によって流れがコンプレッサインペラ４２の回転軸線Ｌｘ方向に整えられており、低流量（モータ低速時）でのサージマージンを向上できる。

また、図２に示されるように、放熱フィン１１は、内周面９１ａから突出した高さＨよりも、回転軸線Ｌｘに沿った方向の長さＬの方が長い。その結果、吸引口１０を通過する空気Ａの圧力損失の軽減とインバータ６の冷却効率の向上とを両立できる。

また、本開示のヒートシンク９は、吸引口１０を形成する管路部９１と、管路部９１の外方に張り出したフランジ部９２と、を備えている。インバータ６は環状であり、フランジ部９２に当接してヒートシンク９に固定されている。つまり、インバータ６は、フランジ部９２を介して吸引口１０を取り囲むように配置されることになるため、周方向Ｃｄで偏りなく、均一な冷却に有利になる。

次に、図６を参照し、他の実施形態に係る回転機械１Ａについて説明する。図６は、回転機械１Ａのコンプレッサ４Ａにおいて、特に、吸引口１０Ａが形成された部分を拡大して示す斜視図である。なお、他の実施形態に係る回転機械１Ａは、上述の実施形態に係る回転機械１と同様の構造や構成を備えており、その同様の構造や構成には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示されるように、コンプレッサハウジング４１には、電動モータ５Ａの駆動によって回転し、空気Ａを吸い込んで圧縮するコンプレッサインペラ４２が収容されている。コンプレッサハウジング４１は、コンプレッサインペラ４２を収容するインペラケーシング８と、内部に吸引口１０Ａを形成するヒートシンク９Ａとを備えている。

ヒートシンク９Ａは、インペラケーシング８に接続されて空気Ａの吸引口１０Ａを形成する管路部９１Ａと、管路部９１Ａの外方に張り出したフランジ部９２Ａとを備えている。フランジ部９２Ａには、環状のインバータ６が熱交換可能に固定されている。

管路部９１Ａは、二重管構造であり、内側の円筒部分（内管部９１ｃ）によって空気Ａが通過する吸引口１０Ａが形成されている。また、外側の円筒部分（外管部９１ｄ）には、内周面９１ａから突出している放熱フィン１１Ａが設けられている。放熱フィン１１Ａは、外管部９１ｄと内管部９１ｃとの間に配置されている。放熱フィン１１Ａは、内管部９１ｃに熱交換可能に接続されており、吸引口１０Ａを通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。

放熱フィン１１Ａは、ステータ５２Ａのコアとして機能しており、放熱フィン１１Ａにはコイル５２ｂが巻回されてステータ５２Ａが形成されている。コイル５２ｂが巻回された放熱フィン１１Ａは回転軸線Ｌｘに沿った方向に延在しており、回転軸３に固定されたロータを囲むように配置されて電動モータを形成している。

本開示に係るインバータ６は、ヒートシンク９Ａを介して放熱フィン１１Ａに接続されている。放熱フィン１１Ａは、吸引口１０Ａを通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。つまり、コンプレッサインペラ４２の回転によって吸引口１０Ａから吸い込まれる空気Ａを利用してインバータ６の冷却が可能になる。その結果、インバータ６用の冷却流路を設けることなく、インバータ６の効果的冷却が可能になる。また、吸引口１０Ａを通過する空気Ａの流量によってはインバータ６用の冷却流路の省略も可能になる。つまり、インバータ６用の冷却流路を形成するためのスペースを軽減でき、スペースの有効利用も可能になる。

本開示は、上記の実施形態のみに限定されない。例えば、上記の実施形態では、回転機械の一例として電動アシスト型のターボチャージャーを説明したが、電動モータを備え、気体を圧縮するインペラを備えた回転機械に広く適用でき、例えばタービンを備えておらず、電動モータの駆動によって主体的にインペラが回転する回転機械であってもよい。

１回転機械
５電動モータ
６インバータ
８インペラケーシング
９ヒートシンク
１０吸引口
１１放熱フィン
４１コンプレッサハウジング（ハウジング）
４２コンプレッサインペラ（インペラ）
９１管路部
９１ａ内周面（吸引口の内周面）
９２フランジ部
Ａ空気（気体）
Ｈ放熱フィンの高さ
Ｌ放熱フィンの長さ
Ｌｘ回転軸線
Ｃｄ周方向

Claims

電動モータと、
前記電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、
前記インペラを収容し、且つ前記気体の吸引口を備えたハウジングと、
前記ハウジングに設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに設けられ、且つ前記吸引口を通過する前記気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、
前記電動モータの駆動を制御すると共に、前記ヒートシンクに接続されているインバータと、を備え、
前記ヒートシンクは、前記吸引口を形成する管路部と、前記管路部の外方に張り出したフランジ部と、を備え、
前記インバータは、前記フランジ部に当接して前記ヒートシンクに接続されている、回転機械。
前記インバータは環状であり、前記吸引口を取り囲むように配置されている請求項１記載の回転機械。
前記放熱フィンは、前記吸引口の内周面から突出され、前記気体の流路上に配置されている、請求項１または２記載の回転機械。
前記放熱フィンは、前記インペラの回転軸線に沿った方向に延在している請求項３記載の回転機械。
前記放熱フィンは、前記内周面から突出した高さよりも、前記回転軸線に沿った方向の長さの方が長い、請求項４記載の回転機械。
電動モータと、
前記電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、
前記インペラを収容し、且つ前記気体の吸引口を備えたハウジングと、
前記ハウジングに設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに設けられ、且つ前記吸引口を通過する前記気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、
前記電動モータの駆動を制御すると共に、前記ヒートシンクに接続されているインバータと、を備え、
前記ヒートシンクは、前記吸引口を形成する管路部と、前記管路部の外方に張り出したフランジ部と、を備え、
前記インバータは環状であり、前記フランジ部に当接して前記ヒートシンクに接続されている、回転機械。
前記インバータは、前記管路部の外周面に当接して前記ヒートシンクに接続されており、
前記放熱フィンは、前記管路部の内周面から突出している、請求項１～６のいずれか一項記載の回転機械。
前記放熱フィンは、前記インペラの回転軸線回りの周方向で等間隔に配置されている、請求項７記載の回転機械。
電動モータと、
前記電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、
前記インペラを収容し、且つ前記気体の吸引口を備えたハウジングと、
前記ハウジングに設けられたヒートシンクと、
前記ヒートシンクに設けられ、且つ前記吸引口を通過する前記気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、
前記電動モータの駆動を制御すると共に、前記ヒートシンクに接続されているインバータと、を備え、
前記ヒートシンクは、前記吸引口を形成する内管部と、前記内管部の外側に設けられた外管部と、を備え、
前記放熱フィンは、前記内管部と前記外管部との間に配置され、且つ前記内管部に熱交換可能に接続されている、回転機械。
電動モータと、
前記電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、
前記インペラを収容するインペラケーシングと、
前記インペラケーシングに接続されて前記気体の吸引口を形成する管路部と、
前記管路部に当接しており、前記電動モータの駆動を制御するインバータと、
前記管路部の内周面から突出され、前記気体の流路上に配置されている放熱フィンと、
前記管路部の外方に張り出したフランジ部と、を備え、
前記インバータは、前記フランジ部に当接している、回転機械。