JP7491352B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、流体機械に関する。

送風機や圧縮機等の流体機械では、インペラの駆動源としてモータを用いる場合がある。この場合、流体機械の運転中には、発熱するモータを冷却する必要がある。例えば、特許文献１の流体機械では、インペラの回転軸に冷却ファンが設けられ、この冷却ファンによってモータハウジング内に冷却空気が流動する。この冷却空気によって主な発熱源であるロータやステータが冷却される。

特開2017-166330号公報

この種の流体機械では、モータに駆動電力を付与するインバータが存在することも考えられる。この場合、インバータも発熱源になり得るので同様に冷却する必要がある。しかしながら、上記のようなモータの冷却機構に加えてインバータの冷却機構を設けるようにすれば、装置全体の小型化の妨げとなる。装置の小型化を図るためにも、モータの冷却機構とインバータの冷却機構との共通化が望まれる。本発明は、モータの冷却機構とインバータの冷却機構との共通化が図られる流体機械を提供することを目的とする。

本発明の流体機械は、インペラの回転軸を回転させるモータと、前記モータを収容するモータハウジングと、を有するモータ部と、
前記モータ部に駆動電力を供給するインバータユニットと、前記モータハウジングに接続され前記インバータユニットを収容するインバータハウジングと、を有するインバータ部と、
前記回転軸に設けられ、前記インバータハウジング内と前記モータハウジング内とを順に通過する冷却空気を流動させる冷却ファンと、を備え、
前記インバータハウジングは、前記回転軸の回転軸線を囲んで前記回転軸線の方向に延びる筒状の側壁と、前記側壁に設けられ外部から前記冷却空気を吸入する吸気口と、前記側壁の端部を塞ぐように当該側壁に取付けられた蓋部と、を有し、
前記インバータユニットは、前記吸気口と回転径方向に対向する位置に配置され前記蓋部に固定されており、当該蓋部と一緒に前記側壁から取り外し可能である。

前記インバータユニットの外周部には、前記吸気口に対面するヒートシンクが取付けられていてもよい。また、前記インバータハウジングは、前記吸気口に設けられたエアフィルタを有することとしてもよい。

本発明の流体機械は、回転軸と、回転軸を回転させるモータと、モータを収容するモータハウジングと、を有するモータ部と、モータ部に駆動電力を供給するインバータユニットと、モータハウジングに接続されインバータユニットを収容するインバータハウジングと、を有するインバータ部と、回転軸に設けられ、インバータハウジング内とモータハウジング内とを順に通過する冷却空気を流動させる冷却ファンと、を備え、インバータユニットは、モータに対して回転軸の軸方向に並ぶように配置されている、流体機械であってもよい。

インバータハウジングは、回転軸の回転軸線を囲んで回転軸線の方向に延びる筒状の側壁と、側壁に設けられ外部から冷却空気を吸入する吸気口と、を有し、インバータユニットは、吸気口の内側で回転軸線が交差する領域に配置されていることとしてもよい。

インバータユニットの外周部には、吸気口に対面するヒートシンクが取付けられていることとしてもよい。
インバータハウジングは、吸気口に設けられたエアフィルタを有することとしてもよい。
モータ部は、回転軸を軸支する気体軸受を有することとしてもよい。
回転軸の一部がインバータユニットに囲まれて配置されていることとしてもよい。

本発明の流体機械は、回転軸と、回転軸を回転させるモータと、モータの駆動電力を供給するインバータユニットと、回転軸とともに回転し冷却空気の流動を発生する冷却ファンと、モータを収容し、冷却空気を通過させモータを冷却するモータ冷却流路が形成されたモータハウジングと、モータ冷却流路と連通し、冷却ファンを収容し、回転軸の回転径方向に冷却空気を通過させるファン収納流路と、モータ冷却流路と連通し、冷却空気を通過させインバータユニットを冷却するインバータ冷却流路が形成されたインバータハウジングと、を備え、ファン収納流路と、モータ冷却流路と、インバータ冷却流路とが、回転軸に沿って軸方向に並んでいる、流体機械であってもよい。

本発明によれば、モータの冷却機構とインバータの冷却機構との共通化が図られる流体機械を提供することができる。

図１は、本開示の実施形態に係る流体機械を示す断面図である。 図２は、図１中のモータハウジングを軸方向の第２端側から見て示す図である。 図３（Ａ）は図１中の流路形成板を示す正面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のIIIB－IIIB線に沿う断面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ｂ）の要部拡大図である。 図４（Ａ）は図１中の冷却ファンを示す正面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のIVB－IVB線に沿う断面図である。 図５は、図１中のインペラのボス部の周りに形成されたシール部を示す断面図である。 図６は、図１のVI-VI線に沿う断面図である。 図７は、図１のVII-VII線に沿う断面図である。

図１を参照して、本開示の実施形態に係る流体機械について説明する。図１において、紙面に対して左側を先端（第１端）側、紙面に対して右側を基端（第２端）側とする。以下の説明において、「先端側」および「基端側」との語は、軸方向を基準として用いられる。

本実施形態では、流体機械の一例として、遠心送風機１について説明する。遠心送風機１は、空気を吸い込み所定の圧力で送り出す、たとえば空冷式の電動ブロアである。遠心送風機１は、先端側に空気の吸入口を備える。遠心送風機１（流体機械）は、インペラ２が収納されたインペラハウジング３と、インペラ２を回転させる駆動源としてのモータ部４１と、を備えている。モータ部４１は、インペラ２の回転軸８に固定されたロータ８ａと、ロータ８ａの周囲に設けられたコイル４（ステータ）と、コイル４が収納されたモータハウジング５とを備えている。更に、遠心送風機１はインバータ部５１を備えている。インバータ部５１はモータ部４１に駆動電力を供給する。

モータハウジング５は、円筒状のモータハウジング本体部６を含む。モータハウジング本体部６の外周面には、放熱フィン７が形成されている。モータハウジング本体部６は、軸方向における先端側の第１端５ａと基端側の第２端５ｂとを含む。モータハウジング本体部６は、第１端５ａと第２端５ｂの間で軸方向に延びる挿通穴６ａを備える。モータハウジング本体部６には、たとえばステンレス製の回転軸８が挿通されている。

回転軸８は、モータハウジング本体部６内であって第１端５ａの近くに設けられた第１軸受部１８と、モータハウジング本体部６内であって第２端５ｂの近くに設けられた第２軸受部１１とによって支持されている。回転軸８は、その回転軸線Ｘを中心に回転可能である。

回転軸８は、モータハウジング本体部６の第１端５ａから軸方向に突出する第１端部８ｂと、モータハウジング本体部６の第２端５ｂから軸方向に突出する第２端部８ｃとを含む。回転軸８の突出部である第１端部８ｂに、たとえばアルミニウム製のインペラ２が取り付けられている。より詳細には、インペラ２には回転軸線Ｘに沿って貫通孔が形成されており、この貫通孔に、回転軸８の第１端部８ｂが挿通されている。第１端部８ｂの周面には、たとえば雄ねじが形成されている。インペラ２の基端側の中心部には、背面方向に突出するボス部２ａが形成されている。

モータハウジング本体部６は、挿通穴６ａの先端側に形成された第１開口部と、挿通穴６ａの基端側に形成された第２開口部とを含む。挿通穴６ａは、第１開口部から基端側に延伸する第１円筒部６ｂと、第１円筒部６ｂから縮径する円環状の第１段差部６ｃと、第１段差部６ｃから基端側に延伸する第２円筒部６ｄと、第２円筒部６ｄから縮径する円環状の第２段差部６ｅと、第２段差部６ｅから基端側に延伸する第３円筒部６ｆと、第３円筒部６ｆから拡径する円環状の第３段差部６ｇと、第３段差部６ｇから第２開口部まで延伸する第４円筒部６ｈとを含む。換言すれば、第１円筒部６ｂの直径は第２円筒部６ｄの直径より大きい。第２円筒部６ｄの直径と第４円筒部６ｈの直径は、それぞれ、第３円筒部６ｆの直径より大きい。第３円筒部６ｆは、たとえば、モータハウジング本体部６の挿通穴６ａにおけるもっとも小さい直径を有する部分である。

回転軸８の軸方向の中央部には、ロータ８ａが固定されている。ロータ８ａの外径は、回転軸８の他の部分の直径よりも大きい。ロータ８ａは、永久磁石等の磁界の発生源を含む。ロータ８ａは、モータハウジング本体部６に収容されている。すなわち、ロータ８ａの軸方向の両端は、モータハウジング本体部６の第１端５ａおよび第２端５ｂの間に位置する。

モータハウジング本体部６の内部には、コイル４が設けられている。コイル４は、たとえば電磁コイルである。コイル４は、モータハウジング本体部６の第３円筒部６ｆ（内周面）に固定されている。コイル４は、たとえば、導線と、導線が巻かれた鉄芯であるステータコアとを含んでもよい（いずれも図示せず）。コイル４は、ロータ８ａの周囲に配置されており、ロータ８ａに対し、隙間をもって対面している。コイル４を含むステータと、ロータ８ａとによって、本実施形態のモータ１０が構成されている。コイル４は、図示しない配線を介して通電可能となっている。コイル４に通電することで、コイル４とロータ８ａとの間に回転磁界が生じ、ロータ８ａが回転する。

コイル４の配置に関してより詳細に説明すると、コイル４は、軸方向において、モータハウジング５の第１端５ａおよび第２端５ｂから離隔している。言い換えれば、コイル４は、軸方向において、第１端５ａと第２端５ｂとの間の長さより短い。コイル４は、軸方向において、たとえば第３円筒部６ｆの長さより短い。コイル４は、第３円筒部６ｆに収納されている。

図６にも示されるように、モータハウジング本体部６内には、１本または複数の溝９が設けられている。溝９が延びる方向を軸方向の成分と周方向の成分とに分けた場合、溝９が延びる方向は、少なくとも軸方向の成分を含む。溝９は、たとえば、第３円筒部６ｆに形成されており、第２段差部６ｅと第３段差部６ｇとに接続される。溝９の底部（回転軸線Ｘからもっとも離れている部分）は、第３円筒部６ｆに設けられたコイル４に対して径方向に離隔している。溝９は、コイル４の外周側で軸方向に延びる空間を画成している。

本実施形態では、たとえば複数の溝９が形成されている。複数の溝９は、たとえば所定の角度ピッチをもって形成されている。たとえば、６０°の角度ピッチをもって、６本の溝９が形成されている。複数の溝９は、軸方向に延びており、互いに平行であってもよい。１本または複数の溝９は、回転軸線Ｘを中心にらせん状に延びてもよい。

溝９は、軸方向において、コイル４が設けられた領域にわたって延伸している。言い換えれば、溝９は、軸方向において、コイル４の長さより長い。

回転軸８のロータ８ａより先端側に位置する部位は、第１軸受部１８に支持される。回転軸８のロータ８ａより基端側に位置する部位は、第２軸受部１１に支持される。すなわち、第１軸受部１８と第２軸受部１１とにより、回転軸８が回転自在に支持される。第１軸受部１８は、回転軸８に対面して回転軸８を支持する円筒状の支持部１８ｂと、支持部１８ｂの軸方向における基端部に設けられて径方向外方に張り出すフランジ部１８ａとを備える。第２軸受部１１は、回転軸８に対面して回転軸８を支持する円筒状の支持部１１ｂと、支持部１１ｂの軸方向における先端部に設けられて径方向外方に張り出すフランジ部１１ａとを備える。第１軸受部１８と第２軸受部１１は気体軸受であり、本実施形態では動圧空気軸受である。遠心送風機１の運転中には、回転軸８の高速回転によって回転軸８と支持部１８ｂ，１１ｂとの間に空気層が形成され、回転軸８は支持部１８ｂ，１１ｂから浮いた状態で軸支される。なお、第１軸受部１８と第２軸受部１１とは静圧空気軸受であってもよい。

モータハウジング本体部６の第２円筒部６ｄには、第１軸受板１９が嵌合されている。第１軸受板１９は、モータハウジング本体部６の第１端５ａ側に嵌合されて、第１軸受部１８を保持する円環状の部材である。モータハウジング本体部６の第４円筒部６ｈには、第２軸受板１２が嵌合されている。第２軸受板１２は、モータハウジング本体部６の第２端５ｂ側に嵌合されて、第２軸受部１１を保持する円環状の部材である。

図１および図２を参照して、第２軸受板１２について説明する。なお、第１軸受板１９は、第２軸受板１２と同様の構造を有してもよい。第１軸受板１９および第１軸受部１８は、たとえば、回転軸線Ｘに垂直な平面に関して、第２軸受板１２および第２軸受部１１と面対称の構造を有する。以下では、第２軸受板１２のみが説明され、第１軸受板１９についての詳細な説明は省略される。

図２に示されるように、第２軸受板１２は、モータハウジング本体部６の第４円筒部６ｈに嵌合する円環状のリム部１２ａと、第２軸受部１１が固着される円筒状のハブ部１２ｃと、リム部１２ａとハブ部１２ｃとを接続する複数のスポーク部１２ｂとを含む。ハブ部１２ｃには、軸方向に貫通する挿通孔１２ｄが設けられている。この挿通孔１２ｄに、支持部１１ｂおよび支持部１１ｂに支持された回転軸８が挿通される。

第２軸受板１２のリム部１２ａは、モータハウジング本体部６の第４円筒部６ｈに嵌め込まれ、第３段差部６ｇに対してボルト等により固定されている。第２軸受板１２のハブ部１２ｃには、第２軸受部１１のフランジ部１１ａがボルト等により固定されている。これにより、ハブ部１２ｃに第２軸受部１１が固着されている。第２軸受板１２は、第２軸受部１１の軸方向および径方向の変位を拘束する。

第２軸受板１２のハブ部１２ｃの外周側には、軸方向に貫通する複数の通気口１４が設けられている。これらの通気口１４は、モータハウジング本体部６の第２端５ｂ側の空間と、第３円筒部６ｆの基端側の開口とに連通している。リム部１２ａとハブ部１２ｃの間における、スポーク部１２ｂに遮られない領域が通気口１４となっている。

通気口１４は、モータハウジング５の第２端５ｂ側に設けられて後述のインバータ室５６と連通すると共に、モータハウジング本体部６の挿通穴６ａと連通している。第２軸受板１２には、たとえば所定の角度ピッチで複数の通気口１４が形成されている。なお、通気口１４には、防塵フィルタ等のフィルタ（図示せず）が設けられてもよい。

一方、第１軸受板１９もリム部、ハブ部、および複数のスポーク部を含む。第１軸受板１９のリム部はモータハウジング本体部６の第２円筒部６ｄに嵌め込まれ、第２段差部６ｅに対して固定されている。第１軸受板１９のハブ部には、第１軸受部１８のフランジ部１８ａが固定されている。第１軸受板１９は、第１軸受部１８の軸方向および径方向の変位を拘束する。ハブ部の外周側には、たとえば所定の角度ピッチで、複数の開口２０が形成されている。開口２０は、第３円筒部６ｆの先端側の開口と連通している。すなわち、開口２０は、モータハウジング本体部６の挿通穴６ａと連通している。

続いて、図１および図３（Ａ）～図３（Ｃ）を参照して、モータハウジング５の第１端５ａに設けられた流路形成板２３について説明する。図１および図３（Ａ）に示されるように、モータハウジング本体部６の第１円筒部６ｂには、円環状の流路形成板２３が嵌合されている。流路形成板２３は、第１円筒部６ｂに嵌合する円環状の外周板部２３ａと、外周板部２３ａの内側に連続する内周板部２３ｂとを含む。内周板部２３ｂの中央には、軸方向に貫通する円形の流路形成孔２３ｃが形成されている。

図１および図３（Ｂ）に示されるように、内周板部２３ｂは、軸方向において、外周板部２３ａの厚みよりも薄い。より詳細には、外周板部２３ａは、一定の厚みを有する。内周板部２３ｂは、外周板部２３ａの内周端から流路形成孔２３ｃに向けて傾斜しており、流路形成孔２３ｃに向かって薄くなっている。流路形成板２３の挿通穴６ａに面する（コイル４に面する）裏面は平坦であるが、その反対側である流路形成板２３の表面は、中央に窪み部２３ｄ（図３（Ａ）および図３（Ｃ）参照）を含む。なお、流路形成板２３は、モータハウジング本体部６の先端側の第１開口部から突出してもよい。すなわち、流路形成板２３の厚み方向（軸方向）の一部が第１円筒部６ｂに嵌合してもよい。

流路形成板２３は、第１軸受板１９に対して軸方向に離間している。流路形成板２３は、第１軸受板１９に取り付けられた第１軸受部１８に対しても離隔している。すなわち、流路形成板２３と第１軸受板１９との間には、径方向に延伸する空間２４が形成されている。上記した第１軸受板１９の開口２０は、モータハウジング本体部６の挿通穴６ａと空間２４とを連通する。

流路形成板２３に設けられた流路形成孔２３ｃは、たとえば、回転軸線Ｘを中心として形成されている。流路形成孔２３ｃは、モータハウジング５の第１端５ａ側に設けられた排気口（第１開口）２５を形成する。この流路形成孔２３ｃすなわち排気口２５は、挿通穴６ａ、開口２０、および空間２４に連通している。流路形成孔２３ｃには、回転軸８が挿通されている。本実施形態において、排気口２５は、通気口１４よりも小さい。なお、排気口２５の大きさは、適宜に変更されてもよい。

上述のモータハウジング本体部６、第２軸受板１２、第１軸受板１９、流路形成板２３等により、モータハウジング５が構成される。そして、モータハウジング５には、通気口１４と排気口２５とを連通するハウジング内流路５０が形成されている。ハウジング内流路５０は、モータハウジング本体部６の内壁面と、コイル４、回転軸８、第２軸受板１２、第２軸受部１１、第１軸受板１９、および第１軸受部１８との間の隙間に形成される。

図１に示されるように、回転軸８の第１端部８ｂに取り付けられたインペラ２は、インペラハウジング３に収納されている。インペラハウジング３は、軸方向の先端側に設けられた吸入口である開口３０ａと、この開口３０ａから基端側に延伸する吸入流路３０と、吸入流路３０に連通してインペラ２を包囲するように形成されたディフューザ（環状流路）２９と、ディフューザ２９の外周に設けられてディフューザ２９に連通するスクロール３１と、スクロール３１の下流に設けられた空気の出口とを含む。インペラハウジング３は、たとえば、インペラハウジング本体部２６と、インペラハウジング本体部２６の基端側に取り付けられた円板状の閉塞板２７とを含む。

インペラハウジング本体部２６には、上記のスクロール３１が形成されている。インペラハウジング本体部２６は、先端側に形成された吸入流路３０の円形の開口３０ａと、開口３０ａと軸方向に対向すると共に吸入流路３０と連通し、基端側に形成された円形の開口３９とを含む。

閉塞板２７は、インペラ２の背面側（ロータ８ａ側）に配置されている。閉塞板２７は、たとえば、インペラハウジング本体部２６の基端側の開口３９に嵌合されている。閉塞板２７とインペラハウジング本体部２６とは、たとえばボルト等によって互いに固着されている。閉塞板２７は、インペラ２側に設けられた第１面２７ｆと、モータハウジング５側に設けられた第２面２７ｇとを含む。第１面２７ｆは、インペラハウジング３と共に、ディフューザ２９を画成する。インペラハウジング本体部２６の開口Ｂの外周には、Ｏリング２８が配されている。インペラハウジング本体部２６と閉塞板２７とがＯリング２８を挟持することで、主流３２の流路がシールされる。

第２面２７ｇには、インペラ２側に向けて窪む窪み面（対面部）２７ａが形成されている。すなわち、窪み面２７ａは、モータハウジング５とインペラ２との間に配置されている。軸方向において、モータハウジング本体部６の第１端５ａは、閉塞板２７の第２面２７ｇよりもインペラ２側に位置する。モータハウジング本体部６の第１端５ａは、窪み面２７ａが形成する窪みに入り込んでいる。言い換えれば、窪み面２７ａは、モータハウジング本体部６の第１端５ａを受け入れている。窪み面２７ａは、軸方向の第１端５ａ側でモータハウジング５に対面する。

モータハウジング本体部６の第１端５ａと窪み面２７ａとは、軸方向において、離間している。モータハウジング本体部６の第１端５ａと窪み面２７ａとの間には、排気口２５と外気とを連通する排気流路３３が形成されている。

閉塞板２７の形状についてより詳細に説明する。閉塞板２７の中央には、軸方向に貫通する円形の貫通孔２７ｈが形成されている。この貫通孔２７ｈに、インペラ２の背面に設けられたボス部２ａが挿通されている。すなわち、ボス部２ａは、閉塞板２７を貫通している。ボス部２ａの軸心方向の長さは、閉塞板２７の貫通孔２７ｈの軸心方向の長さに略一致している。このようにして、インペラ２の背面の一部が窪み面２７ａのモータハウジング５側に位置している。

図５を参照して、インペラ２の周りにおける閉塞板２７の構造についてより詳細に説明する。図５に示されるように、閉塞板２７は、内径側においてインペラ２のボス部２ａと対向するシール部２７ｋを備える。シール部２７ｋは、上記した貫通孔２７ｈの周縁部に形成されている。シール部２７ｋは、モータハウジング本体部６（モータハウジング５）とインペラ２とをシールする。シール部２７ｋは、ボス部２ａから径方向外側に向かって離隔する環状の凹部２７ｎと、凹部２７ｎの軸方向両側に形成され、凹部２７ｎの底よりインペラ２のボス部２ａに向かい突出した環状の凸部２７ｍとを備える。つまり、シール部２７ｋの内周面には、周方向にわたり溝が形成されている。本実施形態のシール部２７ｋの溝は、軸方向断面において矩形状となっている。インペラ２のボス部２ａとシール部２７ｋの凸部２７ｍとは、径方向に離隔している。シール部２７ｋは、インペラ２のボス部２ａとの間に、非接触のシール構造を形成する。

図１に示されるように、閉塞板２７の窪み面２７ａは、複数の傾斜部を含む。窪み面２７ａは、外周側から、第１傾斜部２７ｂ、第２傾斜部２７ｃ、第３傾斜部２７ｄ、および第４傾斜部２７ｅを含む。これらの傾斜部の間には、円環状の平坦部が形成されている。第１傾斜部２７ｂおよび第２傾斜部２７ｃは、モータハウジング本体部６の第１円筒部６ｂより外周側に位置する。第１傾斜部２７ｂは、軸方向において、モータハウジング本体部６の第１端５ａより先端側（インペラ２側）から基端側（コイル４側）まで延伸している。第４傾斜部２７ｅの段差は、第１傾斜部２７ｂの段差、第２傾斜部２７ｃの段差、および第３傾斜部２７ｄの段差のいずれよりも小さい。

これらの傾斜部および平坦部からなる窪み面２７ａが、モータハウジング５の第１端５ａに設けられた流路形成板２３に対面しており、窪み面２７ａと流路形成板２３との間に、径方向に延びる排気流路３３が形成されている。排気流路３３は、中央において排気口２５に連通し、外周端において外気に連通する。

なお、閉塞板２７には、所定の角度ピッチで基端側に突出するネジ座部（図示せず）が形成されている。ネジ座部を介して閉塞板２７とモータハウジング本体部６とがボルト等で締結される。あるいは、流路形成板２３をネジ座部とモータハウジング本体部６で挟んだ状態で、閉塞板２７とモータハウジング本体部６とがボルト等で締結される。インペラハウジング３とモータハウジング５とは、閉塞板２７を介在した状態で連結される。そして、流路形成板２３と閉塞板２７との間に排気流路３３が形成される。

回転軸８の流路形成板２３よりも先端側には、先端側中径部８ｄが形成されている。先端側中径部８ｄには、たとえばアルミニウム製の冷却ファン３４が嵌挿されている。冷却ファン３４は、排気口２５に対面するようにして、排気流路３３内に設けられている。

図１、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示されるように、冷却ファン３４は、回転軸８の先端側中径部８ｄが挿通されるボス部３５ａを含む。ボス部３５ａには、挿通孔３４ａが形成されており、この挿通孔３４ａに先端側中径部８ｄが挿通されている。一方、回転軸８には、先端側中径部８ｄに連続して先端側中径部８ｄよりも拡径された円環状の段差部８ｆが形成されている。この段差部８ｆは、モータハウジング本体部６とインペラ２の間の位置しており、インペラ２のボス部２ａに対面する。

また、先端側中径部８ｄの先端側には、先端側小径部８ｅが形成されている。先端側小径部８ｅは、上述した第１端部８ｂに相当する。この先端側小径部８ｅには、インペラ２が嵌挿されている。インペラ２の先端側には、締結ナットが螺合されている。この締結ナットが締め込まれることにより、軸力が発生して、インペラ２および冷却ファン３４が回転軸８に取り付けられている。言い換えれば、この締結ナットから、インペラ２のボス部２ａと、冷却ファン３４に対する押圧力が発生する。すなわち、冷却ファン３４のボス部３５ａとインペラ２とが、回転軸８の段差部８ｆと締結ナットとによって挟持されている。

インペラ２は、背面の一部であるボス部２ａで冷却ファン３４のボス部３５ａを押圧している。インペラ２のハブ部と冷却ファン３４との間には隙間が形成され、この隙間に、上述した閉塞板２７が位置している。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示されるように、冷却ファン３４は、ボス部３５ａと、ボス部３５ａに形成された挿通孔３４ａと、ボス部３５ａの先端側の端面から径方向外方に延伸するディスク部３５と、ディスク部３５に立設されて基端側に突出する複数の羽根部（旋回羽根）３６とを備える。すなわち、羽根部３６は、ディスク部３５を介して回転軸８の第１端部８ｂに取り付けられている。

羽根部３６は、排気口２５と排気流路３３との間に配置されて、回転軸８とともに回転可能である。ボス部３５ａと羽根部３６は、径方向に離隔している。複数の羽根部３６は、周方向に互いに離隔し、たとえば等間隔に配置されている。各羽根部３６は、回転軸８に近い方の端部である内端３６ｂと、回転軸８から遠い方の端部である外端３６ａとを含み、内端３６ｂと外端３６ａとの間で延伸している。外端３６ａは、内端３６ｂよりも回転軸８の回転方向Ｒの上流側に位置している。各羽根部３６は、内端３６ｂから外端３６ａに向けて、回転方向Ｒとは逆方向に延伸している。羽根部３６は、たとえば、ディスク部３５の外周端の近傍まで形成されている。

図１に示されるように、冷却ファン３４のボス部３５ａは、流路形成板２３より内周側に位置する。冷却ファン３４の直径は、流路形成板２３の排気口２５の直径より大きい。より詳細には、羽根部３６は、流路形成板２３の流路形成孔２３ｃ（図３（Ｂ）参照）より外周側まで延伸している。言い換えれば、排気口２５は、羽根部３６の外端３６ａより内側に位置している。羽根部３６の外端３６ａは、径方向において、流路形成板２３の窪み部２３ｄの範囲内に設けられる。羽根部３６の一部（軸方向においてディスク部３５からもっとも離れた先端部）は、流路形成板２３の窪み部２３ｄに入り込んでもよい。言い換えれば、流路形成板２３の窪み部２３ｄは、その羽根部３６の一部を受け入れてもよい。

続いて、図１及び図７を参照しながら、インバータ部５１について更に説明する。図７は、図１におけるVII-VII断面図である。インバータ部５１の説明において、単に「軸方向」、「径方向」および「周方向」との語を用いる場合には、ロータ８ａ及び回転軸８の回転軸方向（回転軸線Ｘ方向）、回転径方向および回転周方向を意味する。

インバータ部５１はモータ部４１の基端側に隣接して配置されている。インバータ部５１は、モータ部４１に駆動電力を供給するインバータユニット５２と、インバータユニット５２を収容するインバータハウジング５３と、を備えている。インバータハウジング５３は、モータハウジング５に対し軸方向に接続され、モータハウジング５と同軸の円柱形状をなしている。

インバータハウジング５３は、回転軸線Ｘを筒軸として軸方向に延びる円筒形状の側壁５４を有している。また、インバータハウジング５３は、側壁５４の基端側の端面を塞ぐ円板状の蓋部５５を有している。この側壁５４と蓋部５５とで囲まれたインバータ室５６内にインバータユニット５２が収容されている。インバータ室５６は、通気口１４を介してモータハウジング５内と連通している。

本開示においては、側壁５４のほぼ全体が、円筒形状の防塵用のエアフィルタ５７からなる。エアフィルタ５７は、塵埃を捕捉しながら外部の空気をインバータ室５６内に通過させる。なお、側壁５４には、エアフィルタ５７の円筒構造を保持する骨組み部（図示せず）が含まれてもよい。側壁５４の骨組み部の外周に、円筒状のエアフィルタ５７が被せられる構造であってもよい。上記の構成により、側壁５４のほぼ全体が、外部からの冷却空気３８をインバータ室５６に吸入する吸気口５８として機能する。以上のように、インバータハウジング５３の側壁５４には吸気口５８が設けられ、吸気口５８にはエアフィルタ５７が設けられている。

インバータユニット５２は蓋部５５に取付けられ、回転軸方向に延伸している。インバータユニット５２は、コイル４に対して軸方向に並ぶように配置されている。径方向から見れば、インバータユニット５２とコイル４とは、互いに重複しない位置に配置されている(あるいは、インバータユニット５２とコイル４とは、互いに軸方向に重ならない位置に配置されているといえる)。また、インバータユニット５２は、吸気口５８の内側で回転軸線Ｘが交差する領域に配置される(あるいは、、吸気口５８の回転軸方向の位置とインバータユニット５２の回転軸方向の位置には重なりがあるといえる。また、インバータユニット５２は後述のヒートシンクを挟んで吸気口５８と径方向に対向している)。インバータユニット５２は、回転軸線Ｘに比較的近い領域で回転軸線Ｘを中心にして配置される(あるいは、インバータユニット５２は回転軸線Ｘを囲み周方向に配置されているといえる)。

また、径方向から見れば、回転軸８の基端側の一部がインバータユニット５２と重複する位置関係にある(あるいは、回転軸８の基端側の一部の回転軸方向位置が、インバータユニット５２の回転軸方向位置と重複している。また、回転軸８の基端側の一部は径方向に、インバータユニット５２に対向している。)。より詳細には、インバータユニット５２の回転軸線Ｘ上の部分には、回転軸８の基端部との干渉を回避するための凹部５２ａが設けられている。回転軸８の基端部は凹部５２ａ内に挿入されインバータユニット５２とは接触していない。すなわち、インバータユニット５２は回転軸８の基端側を周方向に囲んで形成されている（回転軸８の基端側の一部はインバータユニット５２に、回転軸方向周りに囲まれている）。なお、インバータユニット５２は、図１及び図７等に模式的に示されるような一塊の物体とは限らず、電子部品が搭載された回路基板の集合体である場合もある。この場合、上記の凹部５２ａは回路基板や電子部品の隙間として構成され、回転軸８の基端部は当該隙間に挿入されることになる。

インバータユニット５２は、回路基板上に構築されるインバータ回路（図示せず）を有している。インバータ回路は、コイル４に電流を供給してロータ８ａの回転を制御する。インバータ回路の詳細な図示は省略するが、当該インバータ回路を構成する電子部品には、運転中に主な発熱源となる複数（本実施形態の場合は３個）の半導体素子５９が含まれている。半導体素子５９は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子である。半導体素子５９は、インバータユニット５２のうち径方向の最外周部に配置される。インバータユニット５２の外周部には複数のヒートシンク６１が取付けられている。各ヒートシンク６１は、半導体素子５９に密着している。ヒートシンク６１は、インバータユニット５２から径方向外側に張出すように配置され、吸気口５８と隙間をあけて対面している。

次に、遠心送風機１の動作について説明する。遠心送風機１は、たとえば、空気の送風または吸引のために用いられ得る。遠心送風機１が送風のために用いられる場合、主流３２の出口の先（すなわち下流側）に、送風対象物が設けられる。遠心送風機１が吸引のために用いられる場合、主流３２の吸入口（開口３０ａ）の手前（すなわち上流側）に、吸引対象物が設けられる。

図示しない配線を通じてインバータユニット５２からコイル４に電力が供給されると、コイル４と回転軸８のロータ８ａとの間に回転磁界が生じ、回転軸８が回転する。

回転軸８の回転に伴いインペラ２が回転し、インペラ２の回転によりインペラハウジング３内に主流３２が吸入される。遠心送風機１が吸引のために用いられる場合には、所定の吸引対象物から、空気が吸引される。遠心送風機１が送風のために用いられる場合には、インペラハウジング３内に吸入された主流３２は、ディフューザ２９およびスクロール３１を経て所定の送風対象物に対して送風される。

また、遠心送風機１の運転中には、インペラ２と一緒に冷却ファン３４も回転する。冷却ファン３４の回転により、排気口２５よりモータハウジング５内及びインバータ室５６が吸引される。モータハウジング５内及びインバータ室５６が負圧となるので、吸気口５８を通じてインバータ室５６に外気が冷却空気３８として吸入される。この冷却空気３８は、主に径方向内側に向けて吸気口５８を通過し、当該吸気口５８に対面するヒートシンク６１に接触する。これにより、インバータユニット５２の半導体素子５９が、ヒートシンク６１を介して冷却される。

その後、冷却空気３８は、インバータ室５６から通気口１４を通じてモータハウジング５内に流入する。その後、冷却空気３８は、モータハウジング本体部６内に形成されたハウジング内流路５０と、コイル４とロータ８ａとの間を流通する。冷却空気３８がハウジング内流路５０を流通する際、冷却空気３８は、モータハウジング本体部６の内周面に形成された溝９にも流通し得る。

モータハウジング本体部６内を流通した冷却空気３８は、開口２０を経て空間２４に到達する。空間２４に到達した冷却空気３８は流路形成板２３により中心方向へと偏向される。中心方向へと偏向された冷却空気３８は、排気口２５よりモータハウジング５の外部へと排気される。

排気口２５より排気され冷却ファン３４に吸入された冷却空気３８は、径方向外方に排気され、排気流路３３を流通し、複数の傾斜部を含む窪み面２７ａにガイドされて遠心送風機１の外部へと排気される。

遠心送風機１の運用中には、導線およびステータコアを含むコイル４等の発熱源が発熱するが、コイル４はモータハウジング本体部６内を流通する冷却空気３８により冷却され、更に、外気と熱交換する放熱フィン７により冷却される。コイル４以外の発熱源としては、たとえば、永久磁石を含むロータ８ａ、第１軸受部１８および第２軸受部１１、エアギャップ等が挙げられる。エアギャップとは、ロータ８ａとコイル４の間に発生し得るロータ８ａの回転方向（回転方向Ｒ）の空気の流れである。エアギャップは、風損の原因となる。また、前述の通り、インバータユニット５２の中では半導体素子５９が運転中の主な発熱源となる。半導体素子５９は、ヒートシンク６１を介して冷却空気３８によって冷却される。本実施形態では、上記の発熱源のすべてが、直接または間接的に冷却される。

モータハウジング５に形成されたハウジング内流路５０が、冷却空気３８を通過させモータ１０を冷却するモータ冷却流路として機能する。また、モータハウジング５とインペラ２との間の位置に形成された排気流路３３が、冷却ファン３４を収容し径方向に冷却空気３８を通過させるファン収納流路として機能する。また、インバータハウジング５３に形成されたインバータ室５６が、冷却空気３８を通過させインバータユニット５２を冷却するインバータ冷却流路として機能する。そして、上記の排気流路３３と、ハウジング内流路５０と、インバータ室５６と、が回転軸８に沿って軸方向に並び、互いに連通されている。

以上説明した本実施形態の遠心送風機１による作用効果について説明する。遠心送風機１では、図１に示されるように、インバータユニット５２とコイル４とが軸方向に並ぶ配置である。従って、軸方向に一方向に流動する冷却空気３８によって、インバータユニット５２とモータ部４１のコイル４等とを両方とも冷却可能である。具体的には、インバータハウジング５３とモータハウジング５とが互いに同軸の円柱形状をなし、両者は軸方向に接続されている。モータハウジング５内とインバータハウジング５３内は連通しているので、モータハウジング５内とインバータハウジング５３内とに亘って、軸方向に直列に接続された冷却流路が形成される。

そして、モータハウジング５の先端側には冷却ファン３４が配置され、インバータハウジング５３の側壁５４が吸気口５８となっている。遠心送風機１の運転中には、吸気口５８から冷却ファン３４まで冷却空気３８が流動する。すなわち、冷却空気３８は、インバータハウジング５３内とモータハウジング５内とを順に通過する。この冷却空気３８により、上流側のインバータユニット５２と下流側のコイル４等とが冷却される。このように、コイル４等とインバータユニット５２とを冷却するための冷却ファン３４や冷却空気３８の流路が共通化される。その結果、コイル４等を冷却するための冷却ファンとインバータユニット５２とを冷却するための冷却ファンとを個別に設ける場合と比べて、遠心送風機１の小型化を図ることができる。

また、遠心送風機１では、モータ部４１に対し軸方向に隣接してインバータ部５１が配置されている。そして、インバータハウジング５３の側壁５４に設けられた吸気口５８のエアフィルタ５７は、回転軸線Ｘを筒軸とする円筒形状をなしている。この構造によれば、軸方向に直交する端面に吸気口を設ける構造に比較して、エアフィルタ５７のフィルタ面積を広く確保することができる。

この構造では、上記のフィルタ面積を広くするためにエアフィルタ５７の円筒中空部がデッドスペースになり易いが、当該中空部は、インバータユニット５２の設置スペースとして有効利用される。また、吸気口５８の径方向内側の位置にインバータユニット５２が配置され、吸気口５８に対面するようにヒートシンク６１が設置される。この配置によれば、吸気口５８を通じて吸入される冷却空気３８が、ヒートシンク６１に接触し易い。また、インバータ部５１の軸方向の寸法を調整することにより、径方向の寸法に影響を与えることなく、エアフィルタ５７のフィルタ面積を調整することができる。よって、エアフィルタ５７のフィルタ面積の設計変更等も比較的容易である。

また、遠心送風機１では、回転軸線Ｘが交差する領域にインバータユニット５２が配置されるので、インバータユニット５２と吸気口５８との間に冷却空気３８の流動スペースが確保される。そして、当該スペースにヒートシンク６１を配置することができ冷却効率が向上する。

また、インバータユニット５２が径方向で回転軸線Ｘに近い位置に配置されれば、インバータユニット５２と回転軸８とが干渉する可能性がある。この干渉を避けるために、回転軸８から大きく軸方向に離れてインバータユニット５２が配置されるとすれば、インバータユニット５２の軸方向の寸法が大きくなってしまう。これに対し、遠心送風機１においては、径方向から見て、回転軸８の一部がインバータユニット５２と重複するように配置されている。この構成により、インバータユニット５２と回転軸８との干渉を避けながら、インバータユニット５２の位置をロータ８ａ側に近づけることができ、インバータユニット５２の軸方向の寸法を抑えることができる。

また、遠心送風機１では、前述のようにインバータユニット５２が蓋部５５に固定され、インバータユニット５２、蓋部５５及びヒートシンク６１が一体にパッケージングされている。この構造により、蓋部５５を側壁５４から軸方向に取り外せば、インバータユニット５２及びヒートシンク６１も蓋部５５に追従して側壁５４から引き抜かれる。従って、インバータユニット５２等を比較的容易に取り外すことができ、側壁５４のエアフィルタ５７の交換作業も比較的容易である。

また、遠心送風機１では、回転軸８を軸支する第１軸受部１８と第２軸受部１１とは気体軸受であるので、モータハウジング５内の塵埃が多い場合には軸受機能の不具合が発生する場合がある。これに対し、インバータ部５１の吸気口５８にはエアフィルタ５７が設けられているので、エアフィルタ５７を通過して十分に除塵された冷却空気３８がモータハウジング５内に流動する。従って、塵埃に起因する第１軸受部１８と第２軸受部１１との不具合の可能性が低減される。

モータハウジング５の内周面に形成された溝９を通じて、モータハウジング５内を冷却空気３８が流れやすい。冷却空気３８は、コイル４等の発熱源を冷却しやすい。たとえば、溝９に流れる冷却空気３８は、コイル４とロータ８ａのステータコアとを直接冷却し得る。冷却空気３８は、コイル４およびステータコア以外の発熱源をも、間接的に冷却し得る。

また、冷却ファン３４は回転軸８に設けられ、インペラ２とともに回転する。そのため、冷却ファン３４を回転させるためのモータを別途設ける必要がない。冷却空気として外気を吸入するためのモータを別途設ける場合と比べ、遠心送風機１の製作コストの低減、および、装置の小型化を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、実施形態の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

上記実施形態では、冷却ファン３４が冷却空気３８を中心部から吸入し、外径方向に排気する遠心ファンである例について説明したが、これに限られない。冷却ファン３４は、排気口２５内に設けられた軸流ファンであってもよいし、他の形式のファンであってもよい。旋回羽根が、回転軸８に直接取り付けられてもよい。また、上記実施形態では、吸気口５８から吸入され排気流路３３から排出されるように冷却空気３８が流通するが、冷却空気３８の流動方向を反転してもよい。すなわち、冷却空気３８が排気流路３３から吸入され吸気口５８から排出されるようにしてもよい。この場合、冷却空気３８の上流側においてモータ部４１のコイル４等が冷却され、下流側においてインバータユニット５２が冷却される。また、上記実施形態では、側壁５４に吸気口５８が設けられているが、蓋部５５に吸気口が設けられてもよい。また、側壁５４と蓋部５５との両方に吸気口が設けられてもよい。

上記実施形態では、遠心送風機１を例とした冷却構造を説明したが、本発明は、遠心圧縮機に対しても適用可能である。本発明が適用される流体機械は、軸流タイプの送風機または圧縮機であってもよい。

１ 遠心送風機（流体機械）
２ インペラ
４ コイル（ステータ）
５ モータハウジング
８ 回転軸
８ａ ロータ
１０ モータ
１１ 第２軸受部（気体軸受）
１８ 第１軸受部（気体軸受）
３３ 排気流路（ファン収納流路）
３４ 冷却ファン
３８ 冷却空気
４１ モータ部
５０ ハウジング内流路（モータ冷却流路）
５１ インバータ部
５２ インバータユニット
５３ インバータハウジング
５４ 側壁
５５ 蓋部
５６ インバータ室（インバータ冷却流路）
５７ エアフィルタ
５８ 吸気口
６１ ヒートシンク
Ｘ 回転軸線

Claims (4)

1. インペラの回転軸を回転させるモータと、前記モータを収容するモータハウジングと、を有するモータ部と、
   前記モータ部に駆動電力を供給するインバータユニットと、前記モータハウジングに接続され前記インバータユニットを収容するインバータハウジングと、を有するインバータ部と、
   前記インペラとは別に前記回転軸に設けられ、前記インバータハウジング内と前記モータハウジング内とを順に通過する冷却空気を流動させる冷却ファンと、を備え、
   前記インバータハウジングは、前記回転軸の回転軸線を囲んで前記回転軸線の方向に延びる筒状の側壁と、前記側壁に設けられ外部から前記冷却空気を吸入する吸気口と、前記側壁の端部を塞ぐように当該側壁に取付けられた蓋部と、を有し、
   前記インバータユニットの一部が、径方向から見て前記回転軸の一部に重複し当該回転軸の一部を囲んでおり、
   前記インバータユニットは、前記吸気口と回転径方向に対向する位置に配置され前記蓋部に固定されており、当該蓋部と一緒に前記モータ部から離れる方向に前記回転軸線方向に前記側壁から取り外し可能である、流体機械。
2. 前記冷却ファンは、前記モータ部から見て前記インバータユニットとは反対側に位置している、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記インバータユニットの外周部には、前記吸気口に対面するヒートシンクが取付けられている、請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 前記インバータハウジングは、前記吸気口に設けられたエアフィルタを有する、請求項１～３の何れか１項に記載の流体機械。

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