JP7616248B2

JP7616248B2 - 回転機械

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Publication number: JP7616248B2
Application number: JP2022581255A
Authority: JP
Inventors: 晃司迫田; 裕司佐々木; 隼中山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2025-01-17
Anticipated expiration: 2042-01-11
Also published as: JPWO2022172667A1; CN116457584B; US12247578B2; WO2022172667A1; CN116457584A; US20230296108A1; DE112022000182T5

Description

本開示は、回転機械に関する。

電動ターボチャージャーや電動コンプレッサなどの回転機械が知られている（特許文献１－３参照）。例えば、この種の回転機械は、モータを備えたセンターセクションと、センターセクションに接続されたコンプレッサとを備えている。コンプレッサは、コンプレッサハウジングに収容されたコンプレッサインペラを備えている。コンプレッサインペラの周囲には、運動エネルギーを圧力に変換するディフューザ流路が形成されている。コンプレッサインペラは、背面壁部に対して回転自在となるように設けられている。背面壁部は、コンプレッサインペラに近接して対面するインペラ設置領域と、ディフューザ流路を形成するディフューザ領域とを備えており、背面壁部は、例えば、センターセクションに取り付けられて固定されている。

特開昭６３－３０２１３３号公報実開昭５９－１７２９９号公報特開平８－３１２５９０号公報

従来の回転機械では、背面壁部のインペラ設置領域のみならず、ディフューザ領域をセンターセクションに取り付ける必要があり、センターセクションにおける背面壁部の取り付け構造が複雑になり易く、設計の自由度の観点で改善の余地があった。

本開示は、センターセクションにおける設計の自由度を向上できる回転機械を説明する。

本開示の一態様に係る回転機械は、モータを備えたセンターセクションと、モータの駆動によって回転するコンプレッサインペラと、センターセクションに固定されると共に、コンプレッサインペラを収容しているコンプレッサハウジングと、センターセクションに設けられ、且つコンプレッサインペラに対面して配置されたインペラ設置部と、コンプレッサハウジングに固定され、且つ、インペラ設置部の外周を囲んで配置されると共に、ディフューザ流路を形成するディフューザ部と、を備えている。ディフューザ部は、インペラ設置部から分割して設けられており、且つインペラ設置部に嵌合されて接合されている。

この回転機械において、ディフューザ部はインペラ設置部から分割して設けられており、更に、ディフューザ部はセンターセクションではなく、コンプレッサハウジングに固定されている。つまり、センターセクションにおいてディフューザ部を取り付けるための構造を簡略化、あるいは省略でき、センターセクションにおける設計の自由度が向上する。

いくつかの態様において、インペラ設置部は、コンプレッサインペラの回転軸方向から見た場合に、少なくともコンプレッサインペラに重なる領域を含んで設けられていてもよい。この態様によれば、コンプレッサインペラをインペラ設置部に装着した後で、ディフューザ部にコンプレッサインペラを通すようにして設置することができる。つまり、センターセクションとコンプレッサハウジングとを接続する前に、コンプレッサインペラをインペラ設置部に装着できるので、回転軸方向におけるコンプレッサインペラのズレは生じ難く、装着位置は安定している。その結果、コンプレッサハウジングをセンターセクションに固定してディフューザ流路を形成する際、コンプレッサインペラとの間でのチップクリアランスの管理が容易であり、設計上の優位性が向上する。

いくつかの態様において、コンプレッサハウジングは、ディフューザ部の外縁部が収まってディフューザ部を支持している外縁収容部を備えていてもよい。ディフューザ部は、コンプレッサハウジングの外縁収容部に収まるので定位置に安定して保持され、更に回転軸方向のコンパクト化に有利になる。

いくつかの態様において、モータは、ロータと、ロータの周囲を取り囲んで配置されたステータと、ステータの端部に固定された樹脂モールド構造と、を備え、インペラ設置部は、樹脂モールド構造の少なくとも一部であってもよい。インペラ設置部を樹脂モールド構造の全部あるいは一部に形成することで、コンプレッサインペラ側で生じる熱がステータ側に伝わり難くなり、モータ性能を維持、向上できる。

いくつかの態様において、モータは、ロータと、ロータの周囲を取り囲むステータとを備え、センターセクションは、モータを駆動制御するインバータを収容すると共に、ステータが固定されたモータハウジングを備え、インバータは、ディフューザ部に対向して配置されていてもよい。センターセクションのモータハウジングにインバータが収容されている態様は、モータハウジングの外にインバータが設置されている態様に比べて、設計上の拘束を受け易い。上記態様によれば、ディフューザ部はコンプレッサハウジングに固定されているため、モータハウジングにインバータを固定するためのボス等は不要である。したがって、インバータの形状に対する制約が小さくなり、設計の自由度が増す。

いくつかの態様において、樹脂モールド構造は、ステータの端部に固定された台座部と、インペラ設置部と、を備え、インペラ設置部は、台座部よりも外径が小さく、且つ台座部からコンプレッサインペラの回転軸に沿った方向に突出していてもよい。

本開示のいくつかの態様によれば、センターセクションにおける設計の自由度を向上できる。

図１は、本開示の一実施形態に係る回転機械を示す断面斜視図である。図２は、センターセクションにコンプレッサインペラが装着された状態を示す斜視図である。図３は、インペラ設置部にディフューザ部が嵌合されて接合した状態を示す斜視図である。図４は、ディフューザ部が固定されたコンプレッサハウジングを示す斜視図である。

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、回転機械１の一例を示しており、例えば、電動コンプレッサである。回転機械１は、主要部となるセンターセクション２と、センターセクション２に接続されたコンプレッサ３とを備えている。センターセクション２は、回転軸４を駆動するモータ５と、モータ５を収容するモータハウジング２１（「軸受ハウジング」ともいう）とを備えている。モータ５（図２及び図３参照）は、回転軸４に設けられたロータ５１と、ロータ５１を囲んで配置されたステータ５２とを備えている。ステータ５２は、コア５２ａ及びコア５２ａに巻回された導線５２ｂ等によって形成され、モータハウジング２１の内周面に固定されている。

ステータ５２の周囲には、冷媒が通過する冷却流路が形成された冷却ブロックＢが配置されている。また、モータハウジング２１の内部には、モータ５を駆動制御するインバータ６が収容されている。

インバータ６は、例えば、二枚（複数）の制御基板６ａを備えている。二枚の制御基板６ａは、機能的な役割が異なり、一方の制御基板６ａは、主回路用の基板であり、他方の制御基板６ａは制御回路用である。制御基板６ａ上には、IGBT、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはGTOなどのデバイスや、Capacitorなどの蓄電装置が実装されている。

インバータ６の制御基板６ａは、モータハウジング２１の内周に沿った湾曲形状を呈する。この湾曲形状について、本実施形態では、一部が切り欠かれた環状（Ｃ字状）であり、切り欠かれた部分に冷却ブロックＢが設置されている。

制御基板６ａは、取り付け部材を介してモータハウジング２１に取り付けられている。ステータ５２から引き出された導線５２ｂに接続された接続端子５２ｃは、ステータ５２の周方向に対して接線方向に突出するように延在し、インバータ６の制御基板６ａに接続されている。

コンプレッサ３は遠心式圧縮機であり、コンプレッサインペラ３２と、コンプレッサハウジング３１（図４参照）とを備えている。コンプレッサインペラ３２は、回転軸４に固定され、モータ５の駆動によって回転する。コンプレッサハウジング３１は、コンプレッサインペラ３２を収容しており、空気を取り込む吸引口３３と、圧縮空気を排出する排出口３４とを備えている。

コンプレッサ３は、コンプレッサインペラ３２の周囲に形成されたディフューザ流路Ｄｆと、ディフューザ流路Ｄｆを囲むように設けられたスクロール流路Ｓｆとを備えている。コンプレッサインペラ３２の回転による運動エネルギーは、ディフューザ流路Ｄｆによって圧力に変換される。ディフューザ流路Ｄｆで生じた圧縮空気はスクロール流路Ｓｆを介し、排出口３４から排出される。

コンプレッサハウジング３１は、コンプレッサインペラ３２を取り囲み、且つ吸引口３３が形成された内胴部３５と、スクロール流路Ｓｆ及び排出口３４が形成された外胴部３６と、内胴部３５と外胴部３６との間に設けられ、スクロール流路Ｓｆを形成する流路連絡部３７とを備えている。

外胴部３６の外縁部分にはフランジ部３６ａが設けられている。一方で、センターセクション２のモータハウジング２１の外縁部分には、コンプレッサハウジング３１が装着されるフランジ部２１ａが設けられている。コンプレッサハウジング３１のフランジ部３６ａとモータハウジング２１のフランジ部２１ａとは当接され、ボルト等（締結部材）を介して互いに接続されている。その結果として、コンプレッサ３は、センターセクション２に接続される。

次に、ディフューザ流路Ｄｆを形成する構造について詳しく説明する。図２、図３に示されるように、本開示では、コンプレッサインペラ３２が回転自在に設置される部分（インペラ設置部７２）と、ディフューザ流路Ｄｆを形成する部分（ディフューザ部８）とが分割されており、最終的に互いが嵌合されて接合されている。インペラ設置部７２とディフューザ部８とは、回転軸４の径方向で分割された態様として説明することもできる。具体的には、インペラ設置部７２はディフューザ部８よりも回転軸４に近い内側領域であり、ディフューザ部８は外側領域である。まず、内側のインペラ設置部７２について説明する。

ステータ５２のコンプレッサ３に近接する端部は、モールドに充填された樹脂材が所定の形状に固められて樹脂モールド構造７が形成されている。樹脂モールド構造７は、台座部７１と、インペラ設置部７２と、を備えている。台座部７１は、ステータ５２の端部に固定され、径方向（外方）に張り出している。インペラ設置部７２は、台座部７１よりも小さな外径であり、台座部７１から回転軸４に沿った方向に突き出している。なお、本実施形態では、樹脂モールド構造７の一部によってインペラ設置部７２が形成されているが、樹脂モールド構造７の全部がインペラ設置部７２であってもよい。

インペラ設置部７２は、コンプレッサインペラ３２の背面側で、コンプレッサインペラ３２に対面するように配置される部分である。コンプレッサインペラ３２は、複数の羽根部が設けられた円形のコンプレッサホイール３２ａ（図２参照）を備えている。コンプレッサホイール３２ａは、回転軸４に固定され、更に、背面がインペラ設置部７２に対面し、且つ非接触で回転可能となるように装着される。この背面とは、吸引口３３に対して反対側となる位置を意味している。

インペラ設置部７２は、コンプレッサホイール３２ａ（コンプレッサインペラ３２）に対面して配置されている。インペラ設置部７２は、コンプレッサインペラ３２の回転軸方向から見た場合に、少なくともコンプレッサインペラ３２に重なる領域を含んで設けられている。「回転軸方向から見た場合」とは、回転軸４の延長線に対して平行となるようにコンプレッサインペラ３２を視認した場合を意味している。例えば、コンプレッサインペラ３２に対して回転軸４の延長線に対して平行な光を照射した場合に、コンプレッサインペラ３２が投影された領域は、全てインペラ設置部７２の内部に含まれることを意味する。具体的には、インペラ設置部７２及びコンプレッサホイール３２ａの外縁が同心円状である場合に、インペラ設置部７２の内径は、コンプレッサホイール３２ａの内径と同一、あるいはコンプレッサホイール３２ａの内径よりも大きい。

インペラ設置部７２には、ディフューザ部８が嵌合されて接合されている。ディフューザ部８は、環状（ドーナツ状）のプレート体である。ディフューザ部８の内縁となる端面（内周面）は、インペラ設置部７２の外周面を囲むように設置され、インペラ設置部７２の外周面に接している。ディフューザ部８の内周面とインペラ設置部７２の外周面との間には、コンプレッサ３からの圧縮空気の漏出を防止するために、Ｏリング（シール部材）９が設置されている。

図１及び図４に示されるように、コンプレッサハウジング３１の外胴部３６には、ディフューザ部８の外縁に沿った一部分を受け入れて支持する外縁収容部３６ｂが設けられている。外縁収容部３６ｂは、ディフューザ部８の外縁に沿った一部分（外縁部８１）の形状に倣った形状を備え、外縁部８１が収まる深さを有する略環状の溝である。ディフューザ部８は、外縁部８１が外縁収容部３６ｂに収まり、ボルト等の取り付け部材を介してコンプレッサハウジング３１に固定されている。

ディフューザ部８は、外縁収容部３６ｂに収まって所定位置に固定される。その結果、ディフューザ部８は、コンプレッサハウジング３１の流路連絡部３７に対向して配置され、更に、流路連絡部３７との間にディフューザ流路Ｄｆを形成するように配置される。本開示のディフューザ部８は、コンプレッサハウジング３１に固定されることでディフューザ流路Ｄｆを形成できるので、ディフューザ流路Ｄｆを形成するためのクリアランス管理が容易であり、品質の向上に有利である。

また、本開示において、モータ５の駆動を制御するインバータ６は、上述の通り、モータハウジング２１の内部に収容されている。インバータ６の二枚の制御基板６ａは、ディフューザ部８に対向して配置されている。具体的に説明すると、インバータ６の複数の制御基板６ａは回転軸４に沿って並んで配置されている。本開示において、ディフューザ部８はコンプレッサハウジング３１に固定されているため、モータハウジング２１には、ディフューザ部８を固定するためのボス等は不要である。その結果、ボス等を回避するために制御基板６ａ（インバータ６）の形状を工夫するなどの配慮が不要となり、インバータ６の形状に対する設計上の制約が小さくなる。

次に、本開示の回転機械１によって奏される効果について説明する。本開示の回転機械１のディフューザ部８は、インペラ設置部７２から分割して設けられている。また、ディフューザ部８はセンターセクション２ではなく、コンプレッサハウジング３１に固定されている。その結果、センターセクション２においてディフューザ部８を取り付けるための構造を簡略化、あるいは省略でき、センターセクション２における設計の自由度が向上する。

また、比較形態として、例えば、インペラ設置部とディフューザ部とが分割されておらず、一体の背面プレートとしてコンプレッサインペラの背面に設置されるような構造の場合、背面プレートはセンターセクションのモータハウジングなどに固定する必要がある。このような比較形態では、コンプレッサハウジングは、背面プレートを介してセンターセクションに取り付ける必要があるため、回転軸方向に積みあがるように構成される。その結果、回転軸方向の公差が大きくなってしまう。

これに対し、本開示の回転機械１によれば、インペラ設置部７２とディフューザ部８とが分割され、そしてディフューザ部８は、コンプレッサハウジング３１に固定されている。つまり、ディフューザ部８を介在させることなく、センターセクション２のモータハウジング２１とコンプレッサハウジング３１とを直接、固定することもできる。その結果、回転軸方向のコンパクト化に有利であり、また、コンプレッサインペラ３２とコンプレッサハウジング３１との間のチップクリアランスの管理が容易になる。

また、インペラ設置部７２は、コンプレッサインペラ３２の回転軸方向から見た場合に、少なくともコンプレッサインペラ３２に重なる領域を含んで設けられている。その結果、コンプレッサインペラ３２をインペラ設置部７２に装着した後で、ディフューザ部８にコンプレッサインペラ３２を通すようにして設置することができる。つまり、センターセクション２とコンプレッサハウジング３１とを接続する前に、コンプレッサインペラ３２をインペラ設置部７２に装着できる。したがって、回転軸４に沿った方向におけるコンプレッサインペラ３２のズレは生じ難く、装着位置は安定している。その結果、コンプレッサハウジング３１をセンターセクション２に固定してディフューザ流路Ｄｆを形成する際、コンプレッサインペラ３２との間でのチップクリアランスの管理がさらに容易になり、設計上の優位性が向上する。

また、コンプレッサハウジング３１に固定されるディフューザ部８は、コンプレッサハウジング３１の外縁収容部３６ｂに収まるので定位置に安定して保持され、更に回転軸方向のコンパクト化に有利になる。

また、インペラ設置部７２は、ステータ５２に固定された樹脂モールド構造７を備えているので、コンプレッサインペラ３２側で生じる熱がステータ５２側に伝わり難くなり、モータ５の性能を維持、向上できる。

また、本開示のインバータ６は、センターセクション２のモータハウジング２１の内部に収容されている。通常、センターセクション２のモータハウジング２１にインバータ６が収容されている態様は、モータハウジング２１の外にインバータ６が設置されている態様に比べて、設計上の拘束を受け易い。しかしながら、本開示の回転機械１によれば、ディフューザ部８はコンプレッサハウジング３１に固定されているため、モータハウジング２１にインバータ６部を固定するためのボス等は不要である。したがって、インバータ６とディフューザ部８とを近接した状態で対向配置し易くなり、コンパクト化に有利になる。

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コンプレッサを説明したが、電動アシスト型のターボチャージャーなど、ディフューザ流路を形成する回転機械に広く適用できる。

１回転機械
２センターセクション
５モータ
６インバータ
７樹脂モールド構造
８ディフューザ部
２１モータハウジング
３１コンプレッサハウジング
３２コンプレッサインペラ
３６ｂ外縁収容部
５１ロータ
５２ステータ
７２インペラ設置部
８１外縁部
Ｄｆディフューザ流路
Ｓｆスクロール流路

Claims

モータを備えたセンターセクションと、
前記モータの駆動によって回転するコンプレッサインペラと、
前記センターセクションに固定されると共に、前記コンプレッサインペラを収容しているコンプレッサハウジングと、
前記センターセクションに設けられ、且つ前記コンプレッサインペラに対面して配置されたインペラ設置部と、
前記コンプレッサハウジングに固定され、且つ、前記インペラ設置部の外周を囲んで配置されると共に、ディフューザ流路を形成するディフューザ部と、を備え、
前記ディフューザ部は、前記インペラ設置部から分割して設けられており、且つ前記インペラ設置部に嵌合されて接合されており、
前記モータは、ロータと、前記ロータの周囲を取り囲んで配置されたステータと、前記ステータに固定された樹脂モールド構造と、を備え、
前記インペラ設置部は、前記樹脂モールド構造の少なくとも一部であり、
前記樹脂モールド構造は、前記ステータの端部に固定された台座部と、前記インペラ設置部と、を備え、
前記インペラ設置部は、前記台座部よりも外径が小さく、且つ前記台座部から前記コンプレッサインペラの回転軸に沿った方向に突出している、回転機械。
前記インペラ設置部は、前記コンプレッサインペラの回転軸方向から見た場合に、少なくとも前記コンプレッサインペラに重なる領域を含んで設けられている、請求項１記載の回転機械。
前記コンプレッサハウジングは、前記ディフューザ部の外縁部が収まって前記ディフューザ部を支持している外縁収容部を備えている、請求項１または２記載の回転機械。
前記モータは、ロータと、前記ロータの周囲を取り囲むステータとを備え、
前記センターセクションは、前記モータを駆動制御するインバータを収容すると共に、前記ステータが固定されたモータハウジングを備え、
前記インバータは、前記ディフューザ部に対向して配置されている、請求項１～３のいずれか一項記載の回転機械。