JP7494951B2

JP7494951B2 - 電動過給機

Info

Publication number: JP7494951B2
Application number: JP2022581256A
Authority: JP
Inventors: 克憲林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: JPWO2022172668A1; US20230296048A1; WO2022172668A1; DE112022000190T5; CN116490681A

Description

本開示は、電動過給機に関するものである。

従来、電動過給機として下記特許文献１に記載のものが知られている。この電動過給機は、圧縮空気を生成し内燃機関に供給するコンプレッサと、このコンプレッサの回転シャフトを内燃機関の排気ガスのエネルギーで回転させるタービンと、回転シャフトの回転を補助する電動モータと、を備えている。

特開2012-062778号公報

この種の電動過給機では、回転シャフトに対してモータ側からコンプレッサインペラ側に向かう方向のスラスト力が作用する。このため、回転シャフトを支持する支持部等には上記スラスト力に対応可能な仕様が要求される。従って、上記のような支持部等の要求仕様が過大にならないように、スラスト力は小さいことが望まれる。そこで、本開示は、回転シャフトに作用するスラスト力を低減する電動過給機を説明する。

本開示の一態様に係る電動過給機は、コンプレッサのインペラとモータとの間で回転シャフトの周囲に張出したスラストカラーと、スラストカラーのインペラ側の面に対面して回転シャフトをスラスト方向で支持する第１空気軸受部と、スラストカラーのモータ側の面に対面して回転シャフトをスラスト方向で支持する第２空気軸受部と、第１空気軸受部と第２空気軸受部とで挟まれスラストカラーが収容される軸受空間と、スラストカラーの外周面に沿って設けられ、軸受空間をインペラ側の領域である第１領域とモータ側の領域である第２領域とに仕切るラビリンスシール部と、を備える。

本開示の電動過給機によれば、回転シャフトに作用するスラスト力を低減することができる。

実施形態に係る電動過給機の断面図である。電動過給機のスラスト空気軸受部近傍を拡大して示す断面図である。スラスト空気軸受部を示す斜視図である。

本開示の電動過給機は、第２領域と外部とを連通する排出経路を有することとしてもよい。また、排出経路は、第２領域と外部とを連通するためにハウジングに形成された連通路を含むこととしてもよい。

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。図面において同一又は同等の要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、図面では特徴部分が適宜誇張して図示される場合があるので、各部位の寸法比が各図間で一致しない場合がある。

図１は、電動過給機１の一例を示す断面図であり、図２は、その一部を拡大して示す断面図である。電動過給機１は、例えば、車両用や船舶用として用いられる電動アシスト型のターボチャージャーである。電動過給機１は、タービン２とコンプレッサ３とを備えており、タービン２とコンプレッサ３との間に設けられた電動モータ１０を備えている。タービン２、コンプレッサ３、及び電動モータ１０が、電動過給機１のハウジング１２内に構築されている。

ここでは、ハウジング１２は、大きく分けてタービンハウジング４と、コンプレッサハウジング５と、モータハウジング１５と、で構成されている。ハウジング１２は更に細かく分かれた部位で構成されてもよい。タービン２は、タービンハウジング４内に配置されたタービンインペラ６を備えている。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング５内に配置されたコンプレッサインペラ７を備えている。タービンハウジング４とコンプレッサハウジング５との間にはモータハウジング１５が設置されている。モータハウジング１５には電動モータ１０のステータ１１が固定されている。

コンプレッサインペラ７の回転シャフト１４には、タービンインペラ６が固定されている。タービンインペラ６の回転は、回転シャフト１４を介してコンプレッサインペラ７に伝わる。よって、タービンインペラ６が回転すると、コンプレッサインペラ７が回転する。回転シャフト１４には電動モータ１０のロータ１３が固定されている。このロータ１３とステータ１１との協働によって回転シャフト１４の回転が補助される。

電動過給機１では、内燃機関（図示せず）から排出された排気ガスが、スクロール１６を通じてタービンハウジング４内に流入し、タービンインペラ６を回転軸線Ｈ周りに回転させる。タービンインペラ６を回転させた排気ガスは、タービン２の吐出口８を通じて軸方向に吐出される。上記のようにタービンインペラ６が回転すると、回転シャフト１４を介してコンプレッサインペラ７が回転する。このとき、電動モータ１０により回転シャフト１４にトルクが付与されて回転シャフト１４及びコンプレッサインペラ７の回転が補助される。回転するコンプレッサインペラ７は、吸入口９を通じて外部の空気を軸方向に吸入しスクロール１７に排出する。そしてスクロール１７で圧縮された圧縮空気が前述の内燃機関に供給される。

回転シャフト１４は複数の軸受によって回転自在に支持されている。例えば、モータハウジング１５内に２つのラジアル軸受２１，２２が設けられており、ラジアル軸受２１，２２はロータ１３を軸方向に挟むように配置されている。これらのラジアル軸受２１，２２によって回転シャフト１４がラジアル方向に支持される。また、回転シャフト１４をスラスト方向に支持するために、一対のスラスト空気軸受２３，２７と、円板状のスラストカラー２９と、が設けられている。一対のスラスト空気軸受２３，２７は、ラジアル軸受２１とコンプレッサインペラ７との間に位置している。スラストカラー２９は、回転シャフト１４の周囲に鍔状に張出すように設けられている。スラストカラー２９は、回転軸線Ｈに直交する面２９ｈ，２９ｔと、面２９ｈ，２９ｔ同士を接続する円柱面をなす外周面２９ｃと、で画成されている。外周面２９ｃは回転軸線Ｈを円柱軸とする円柱面をなす。面２９ｈ（以下「前面２９ｈ」という）はスラストカラー２９のコンプレッサインペラ７側の面であり、面２９ｔ（以下「背面２９ｔ」）はスラストカラー２９の電動モータ１０側の面である。

スラスト空気軸受２３（第１空気軸受部）とスラスト空気軸受２７（第２空気軸受部）とは回転軸線Ｈ方向に並んで平行に配置されている。スラスト空気軸受２３，２７は、スペーサ３１を挟持するような態様で、複数の締結ボルトによって一体となるように締結されている。そして、一体になったスラスト空気軸受２３，２７及びスペーサ３１が、モータハウジング１５内に固定されている。スペーサ３１は、スラストカラー２９の外周を包囲するリング状をなし、スラストカラー２９に比較して軸方向の厚みが大きい。スラスト空気軸受２３，２７及びスペーサ３１によって囲まれた空間内に、スラストカラー２９が収容されている。この収容空間内で、スラストカラー２９は、スラスト空気軸受２３，２７及びスペーサ３１に非接触の状態で回転する。

スラスト空気軸受２３は軸受面２３ａを有し、軸受面２３ａはスラストカラー２９の前面２９ｈに対面している。同様に、スラスト空気軸受２７は軸受面２７ａを有し、軸受面２７ａはスラストカラー２９の背面２９ｔに対面している。上記のようにスラストカラー２９が収容される空間を以下「軸受空間３３」と呼ぶ。すなわち、軸受面２３ａ，２７ａ及びスペーサ３１で囲まれた空間が軸受空間３３である。また、軸受空間３３のうち、スラストカラー２９の前面２９ｈと、スラスト空気軸受２３の軸受面２３ａと、の間の領域を「第１領域Ｒ１」と呼ぶ。また、軸受空間３３のうち、スラストカラー２９の背面２９ｔと、スラスト空気軸受２７の軸受面２７ａと、の間の領域を「第２領域Ｒ２」と呼ぶ。

図３に示されるように、スラスト空気軸受２３，２７は、円環の板状に形成されている。スラスト空気軸受２３，２７の中央には回転シャフト１４を挿通させる穴３５が形成されている。スラスト空気軸受２３の軸受面２３ａには、扇形をなす複数の凸部３７が周方向に等間隔に形成されている。凸部３７は、例えば、軸方向にフォイル（図示せず）を含むような公知の構造に形成され、僅かな厚みで軸方向に盛り上がっている。一方、スラスト空気軸受２７はスラスト空気軸受２３と同様に構成されている。すなわち、スラスト空気軸受２７の軸受面２７ａにも、上記同様の複数の凸部３７が形成されている。

このように凸部３７が形成された軸受面２３ａ，２７ａの存在により、回転シャフト１４の回転中には、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２に安定した空気膜が形成され、回転シャフト１４のスラスト方向の空気軸受機能が実現される。なお、凸部３７の厚みが小さいので、図１及び図２においては、凸部３７が図面上に現れていない。

電動過給機１では、図２に示されるように、スラストカラー２９の外周面２９ｃに沿ってラビリンスシール部４１が設けられている。ラビリンスシール部４１は、スラストカラー２９の外周面２９ｃと、この外周面２９ｃに対面するスペーサ３１の内周面３１ｃと、の隙間をシールしている。ラビリンスシール部４１は、軸受空間３３を第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに仕切っている。

ラビリンスシール部４１においては、径方向内側に向けて突出するとともに周方向に延在する凸条部がスペーサ３１の内周面３１ｃに形成されている。このような複数の凸条部により、スラストカラー２９の外周面２９ｃとスペーサ３１の内周面３１ｃとの間隔が断続的に絞られることで、ラビリンスシール部４１が構成されている。なお、上記のような凸条部がスペーサ３１の内周面３１ｃに形成されることに代えて、上記のような凸条部がスラストカラー２９の外周面２９ｃに形成されてもよい。

また、電動過給機１では、第２領域Ｒ２とタービン２の吐出口８とを連通させる空気排出経路４３（図１参照）が形成されている。空気排出経路４３（連通路）は、スラスト空気軸受２７の軸受面２７ａ上に形成された流路と、ハウジング１２内に形成された流路と、で構成される。これにより、第２領域Ｒ２は、空気排出経路４３と吐出口８とを通じて電動過給機１の外部と連通されている。電動過給機１の運転中には、第２領域Ｒ２内の空気が、空気排出経路４３と吐出口８とを通じて少しずつ外部に排出される。本実施形態の空気排出経路４３は吐出口８と連通している。しかし、ハウジング１２に開口を設け、空気排出経路４３をハウジング１２の開口に連通させてもよい。すなわち、ハウジング１２に設けられた空気排出経路４３が第２領域Ｒ２とハウジング１２の外部とを直接連通するようにしてもよい。

続いて、上述したような電動過給機１による作用効果について説明する。電動過給機１のハウジング１２内においては、コンプレッサインペラ７の背面側にインペラ背面空間４７が形成されている。インペラ背面空間４７は、回転シャフト１４とディフューザプレート１８とのクリアランス及び回転シャフト１４とスラスト空気軸受２３とのクリアランスを通じて軸受空間３３に連通されている。具体的には、インペラ背面空間４７は軸受空間３３の第１領域Ｒ１に連通されている。

またハウジング１２内には、電動モータ１０が収容されたモータ空間４９が形成されている。モータ空間４９は、回転シャフト１４とラジアル軸受２１とのクリアランス及び回転シャフト１４とスラスト空気軸受２７とのクリアランスを通じて軸受空間３３に連通されている。具体的には、モータ空間４９は軸受空間３３の第２領域Ｒ２に連通されている。

電動過給機１の運転中において、インペラ背面空間４７には、コンプレッサインペラ７からスクロール１７に向けて排出される空気の一部が流入するので、インペラ背面空間４７は比較的高圧の空間である。従って、軸受空間３３のうちインペラ背面空間４７に連通された第１領域Ｒ１も比較的高圧の空間である。なお、この種の従来の圧縮機では、インペラ背面空間４７と軸受空間３３との間にラビリンスシールが設けられる場合があるが、電動過給機１にはそのようなラビリンスシールは存在しないので、インペラ背面空間４７と第１領域Ｒ１との圧力差は小さい。

一方、モータ空間４９には、ラジアル軸受２１，２２等の冷却のために、冷却空気流路５１（図１参照）を通じてコンプレッサ３のディフューザの空気の一部が流れ込んでいる。この冷却用の空気は、インペラ背面空間４７の圧力に比較すれば低圧であるので、モータ空間４９はインペラ背面空間４７に比較して低圧であり、軸受空間３３のうちモータ空間４９に連通された第２領域Ｒ２は比較的低圧の空間である。また、前述の空気排出経路４３によって第２領域Ｒ２から空気が外部に排出されるので、第２領域Ｒ２が比較的低圧に維持される。

更に、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とはラビリンスシール部４１によって仕切られているので、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間には圧力差が生じ、第１領域Ｒ１が第２領域Ｒ２よりも高圧である。そうすると、上記の圧力差に起因して、スラストカラー２９に対しては、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に向かう方向の（図１において左向きの）力が作用する。

なお、電動過給機１の運転中において、軸受空間３３近傍の空気の流れは次の通りである。モータ空間４９からの空気は、第２領域Ｒ２に流れ、空気排出経路４３及び吐出口８を通じて外部に排出される。一方、インペラ背面空間４７からの空気は、第１領域Ｒ１に流れ、前述の圧力差によってラビリンスシール部４１を通じて第２領域Ｒ２に僅かに漏出する。その後、第２領域Ｒ２の空気に合流して、空気排出経路４３及び吐出口８を通じて外部に排出される。

この種の過給機においては、タービンインペラ６からコンプレッサインペラ７に向かう方向の（図１において右向きの）スラスト力が回転シャフト１４に作用することが知られている。一方、電動過給機１によれば、前述したように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との圧力差に起因して、図１における左向きの力が回転シャフト１４に作用する。この左向きの力によって上記のスラスト力が一部相殺され軽減される。このように、電動過給機１によれば、回転シャフト１４に作用するスラスト力を軽減することができる。そして、スラスト力が軽減されることにより、スラスト力を支持する各部位の要求仕様が軽減される。例えば、スラスト力が軽減されれば、スラストカラー２９及びスラスト空気軸受２３，２７を小さくすることが可能になる。以上の結果、電動過給機１の小型化を図ることも可能になる。

本開示は、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変形例を構成することも可能である。各実施形態等の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。例えば、第２領域Ｒ２の空気を外部に排出するためには、空気排出経路４３のような流路を設けることは必須ではなく、例えば、ハウジング１２の部品の隙間から第２領域Ｒ２の空気が電動過給機１の外部に漏出するようにしてもよい。

１電動過給機
３コンプレッサ
７コンプレッサインペラ
１０電動モータ
１４回転シャフト
２３スラスト空気軸受（第１空気軸受部）
２７スラスト空気軸受（第２空気軸受部）
２９スラストカラー
２９ｃ外周面
３３軸受空間
４１ラビリンスシール部
４３空気排出経路（連通路）
Ｒ１第１領域
Ｒ２第２領域

Claims

コンプレッサのインペラとモータとの間で回転シャフトの周囲に張出したスラストカラーと、
前記スラストカラーの前記インペラ側の面に対面して前記回転シャフトをスラスト方向で支持する第１空気軸受部と、
前記スラストカラーの前記モータ側の面に対面して前記回転シャフトをスラスト方向で支持する第２空気軸受部と、
前記第１空気軸受部と前記第２空気軸受部とで挟まれ前記スラストカラーが収容される軸受空間と、
前記スラストカラーの外周面に沿って設けられ、前記軸受空間を前記インペラ側の領域である第１領域と前記モータ側の領域である第２領域とに仕切るラビリンスシール部と、を備え、
前記第２領域と外部とを連通する排出経路を有する、電動過給機。
前記排出経路は、前記第２領域と外部とを連通するためにハウジングに形成された連通路を含む、請求項１に記載の電動過給機。