JPH0437232Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、小型で、かつ効率及び耐久性が高め
られるように構成されたターボコンプレツサに関
するものである。

〔従来技術〕

従来よりターボコンプレツサは、比較的圧縮効
率の高いコンプレツサとして良く知られており、
例えば、燃料電池発電システムの高圧空気供給用
コンプレツサ、或いは排熱回収システムの動力リ
カバリタービンとして利用されている。このよう
なシステムでは、ターボコンプレツサの効率の向
上がシステム全体の効率の向上に大きく寄与する
ことから、システムの採算性を高めるために、タ
ーボコンプレツサの効率アツプが強く要請されて
いる。

そこで、ターボコンプレツサの効率を高めるた
めには、ターボコンプレツサを多段に設けるのが
通例である。燃料電池発電システムの場合を例に
とつて説明すれば、例えば第２図に示すように、
吸入サイレンサ３１に低圧段ターボコンプレツサ
３２の圧縮機３２ａ、インタクーラ３３、高圧段
ターボコンプレツサ３４の圧縮機３４ａが順に接
続され、低圧段ターボコンプレツサ３２で圧縮さ
れた空気を更に高圧段ターポコンプレツサ３４で
一層高圧に圧縮して燃料電池本体３５に供給する
ように構成される。上記低圧段及び高圧段の各タ
ーボコンプレツサ３２，３４は、それぞれ燃料電
池本体３５から排出されるガスによつて駆動され
るタービン３２ｂ，３４ｂを有し、それぞれのタ
ービン３２ｂ，３４ｂによつて連結軸３２ｃ，３
４ｃを介して圧縮機３２ａ，３４ａを駆動するよ
うに構成されている。タービン３４ｂ，３２ｂを
通過した排気は、吐出サイレンサ３６を介して大
気中に放出される。又、これらのタービンコンプ
レツサ３２，３４は、それぞれ独立の図示しない
ケーシング内に組み込まれている。

このように、従来ではターボコンプレツサ３
２，３４を段階的に接続することによつて効率を
高めているので、各段のターボコンプレツサ３
２，３４において軸受の転がり摩擦による機械損
失、駆動用タービン３２ｂ，３４ｂから連結軸３
２ｃ，３４ｃを介して圧縮機３２ａ，３４ａに至
る動力伝達損失等の機械損失があるので、効率の
向上を図るうえで不利になる。また、各段のター
ボコンプレツサ３２，３４がそれぞれ独立したケ
ーシング内に組み込まれているので、設置スペー
スが大きくなる点でも不利である。

ところで、圧縮機のなかには、一つのケーシン
グの中に多段の圧縮羽根車を設けた、いわゆる１
軸多段圧縮機がある。例えば、１軸２段圧縮機で
は、共通のバツクケーシングの一側に低圧段圧縮
羽根車を、その他側に高圧段圧縮羽根車をそれぞ
れ配置し、両羽根車を共通軸を介して外部のモー
タ等の駆動装置に連結するように構成される。こ
の場合、上記共通軸はバツクケーシングの両側の
端部に設けた軸受けを介してバツクケーシングに
回転自在に支持される。又、この共通軸は、通
常、ギヤカツプリング、チエーンカツプリング等
のカツプリング装置や歯車を介して外部の駆動装
置に連結される。

このような従来の１軸多段圧縮機では、一つの
ケーシングに複数段の圧縮羽根車が配置されるの
で、全体としてある程度の小型化を図ることがで
きる。しかし、圧縮機が外部の駆動装置とカツプ
リング装置や歯車を介して連動連結されるので、
小型化を図る上で、全体としては尚不充分であ
り、また、動力伝達損失の減少を図る上でも不充
分である。

そこで、従来の２段圧縮機の共通軸にタービン
駆動装置のタービン羽根車を組み付けて、低圧段
圧縮羽根車と高圧段羽根車とこれを駆動するター
ビン羽根車とを共通の軸で連結する一方、従来の
２段圧縮機のケーシングの共通軸が突出している
側面をタービン駆動装置のバツクケーシングに兼
用して、上記の三つの羽根車及び共通軸を一つの
ケーシング内に収納することによつて、高効率
で、しかも一段と小型化できるターボコンプレツ
サを案出したのである。

このように構成されたターボコンプレツサで
は、一軸２段圧縮機とタービン駆動装置とをカツ
プリングや歯車を介して結合したものに比べて、
機械損失が少なく、高効率で、しかも小型化でき
るが、新たに次のような問題を生じた。

すなわち、従来の１軸２段圧縮機では、低圧段
及び高圧段の両羽根車の共通軸は、これらの間の
共通バツクケーシングの両側の端部に設けられた
軸受を介して共通バツクケーシングに回転自在に
支持されているので、この共通軸の一端にタービ
ン駆動装置のタービン羽根車を連結すると、共通
軸の一端側に曲げモーメントが作用し、回転時に
共通軸が撓み振動し、回転の円滑性や安定性が損
なわれたり、共通軸の疲労が早められるといつた
懸念が生じたのである。

〔考案の目的〕

本考案は、上記の実情を考慮してなされたもの
であつて、高効率で、小型で、しかも円滑で安定
よく回転し、耐久性に優れたターボコンプレツサ
の提供を目的とするものである。

〔考案の構成〕

本考案に係るターボコンプレツサは、上記の目
的を達成するために、ケーシング内の中央部に駆
動タービン室を、その一側部に低圧段圧縮機室
を、その他側部に高圧段圧縮機室を同軸心状に形
成し、低圧段圧縮機室に収納した低圧段圧縮羽根
車、駆動タービン室に収納した駆動タービン羽根
車、及び高圧段圧縮機室に収納した高圧段羽根車
が１本の共通軸で連結され、この共通軸とケーシ
ングとの間に介在させるラジアル軸受が、低圧段
圧縮機室と駆動タービン室との間、及び駆動ター
ビン室と高圧段圧縮機室との間に配置されている
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

このような構成とすることによつて、駆動ター
ビン羽根車の駆動力は共通軸を介して直接、低圧
段圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車に伝達されるの
で、駆動タービン羽根車から両圧縮羽根車への動
力伝達効率はこれらの間にカツプリング装置や歯
車を有するものに比べて高くなる。また、低圧段
圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車とが共通軸を介し
て駆動タービン羽根車に連結されているので、低
圧段圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車とがそれぞれ
別個の軸を介して別個の駆動タービン羽根車に連
結されている従来の２軸２段圧縮２段膨張型のタ
ーポコンプレツサに比べると、回転時の転がり摩
擦抵抗による機械損失が半減する。また、この共
通軸とケーシングとの間に挿入されるラジアル軸
受が低圧段圧縮機室と駆動タービン室との間、及
び駆動タービン室と高圧段圧縮機室との間に配置
されるので、共通軸に生じるモーメントを最小限
に抑えることができ、回転中の撓み振動を最小限
に抑制することができる。更に、低圧段圧縮羽根
車と駆動タービン羽根車との間隔、及び高圧段圧
縮羽根車と駆動タービン羽根車との間隔を短くで
きるので、共通軸のねじり剛性を高め、ねじれ振
動を小さくすることができる。このように撓み振
動及びねじれ振動を小さく抑えることにより共通
軸の耐久性が高められる。しかも、低圧段圧縮羽
根車、高圧段圧縮羽根車、駆動タービン羽根車、
及び共通軸が一つのケーシング内に収納されてい
るので、小型化できる。

〔実施例〕

本考案の一実施例を第１図に基づいて説明すれ
ば、以下の通りである。

ケーシング１内の中央部には駆動タービン室２
が形成され、この駆動タービン室２の両側部にこ
れと同軸心で、駆動タービン室２の周縁部に全周
にわたつて連通する吸入渦流室３と吐出渦流室４
とが形成される。これら吸入渦流室３と吐出渦流
室４の更に両側に低圧段圧縮機室５と高圧段圧縮
機室６とが、駆動タービン室２、吸入渦流室３及
び吐出渦流室４と同軸心状に形成される。上記駆
動タービン室２にはアキシアルタービンからなる
駆動タービン羽根車７が、低圧段圧縮機室５には
低圧段圧縮羽根車８が、高圧段圧縮機室６には高
圧段圧縮羽根車９がそれぞれ配置される。これら
駆動タービン羽根車７、低圧段圧縮羽根車８及び
高圧段圧縮羽根車９は、１本の共通軸１０より互
いに連結される。上記低圧段圧縮機室５の吸入路
１１は、低圧段圧縮機室５の中央部からケーシン
グ１の一方の端面に開放され、吸入サイレンサ１
２を介して大気中に連通される。低圧段圧縮機室
５の周囲にはこれの全周にわたつて連通する低圧
段吐出渦流室１３が形成され、この低圧段吐出渦
流室１３から導出された低圧段吐出路１４はイン
タクーラ１５に接続される。このインタクーラ１
５は、高圧段吸入路１６を介して上記高圧段圧縮
機室６に接続され、高圧段圧縮機室６の周囲には
これに全周にわたつて連通する高圧段吐出渦流室
１７が形成される。高圧段吐出渦流室１７から導
出された高圧段吐出路１８は圧縮空気供給先とし
ての燃料電池本体１９に接続される。

一方、上記吸入渦流室３に連通する圧縮空気吸
入路２０は高圧ガス源としての燃料電池本体１９
に接続され、吐出渦流室４から導出された排気吐
出路２１は排気サイレンサ２２を介して大気中に
連通される。

上記共通軸１０は、低圧段圧縮機室５と駆動タ
ービン室２との間、及び駆動タービン室２と高圧
段圧縮機室６との間に配置された空気軸受からな
る各ラジアル軸受２３と、駆動タービン羽根車７
のボス部の中心部に両側から対向する空気軸受か
らなるスラスト軸受２４とによつて、ケーシング
１に対して回転自在に支持される。これらの軸受
２３，２４は、高圧段吐出路１８から図示しない
高圧空気供給路を介して高圧空気が供給され、そ
の高圧空気を共通軸１０あるいは駆動タービン羽
根車７のボス部に向かつて吐出することにより、
共通軸１０及び駆動タービン羽根車７を非接触状
態に支持するように構成される。また、上記ラジ
アル軸受２３はその負荷荷重が等しくなるような
位置に配置されている。尚、図示しないが、起動
時に、これら軸受２３，２４に高圧空気を供給す
るためにスタートアツプ用高圧空気タンクが設け
られる。また、低圧段圧縮機室５の低圧段圧縮羽
根車８の周囲と、高圧段圧縮機室６の高圧段圧縮
羽根車９の周囲にはデイフユーザ２５，２６が設
けられ、駆動タービン室１６には駆動タービン羽
根車７の上流に駆動タービン羽根車７に対向して
ノズル２７が設けられる。

上記高圧段圧縮羽根車９や低圧段圧縮羽根車８
は、例えばFRM等の軽合金複合材料やチタンな
ど、質量の小さい材料で構成し、その静止慣性及
び回転運動慣性が小さくなるように構成されてい
る。

上記の構成において、高圧ガス源としての燃料
電池本体１９から供給される高圧ガスが駆動ター
ビン室２に供給されると、そのガスの圧力によつ
て駆動タービン羽根車７が回転し、共通軸１０を
介して低圧段圧縮羽根車８及び高圧段圧縮羽根車
９が駆動される。その結果、従来の２段圧縮機と
同様の高圧縮空気を得ることができる。しかも、
駆動タービン羽根車７から低圧段圧縮羽根車８へ
の動力伝達効率、及び駆動タービン羽根車７から
高圧段圧縮羽根車９への動力伝達効率は、中間に
カツプリング装置や歯車がないので、機械的損失
が少なく、高い効率を得ることができる。また、
１本の共通軸１０によりこれら低圧段圧縮羽根車
８、高圧段圧縮羽根車９及び駆動タービン羽根車
７が結合され、一対のラジアル軸受２３と一対の
スラスト軸受２４でその共通軸１０を支持してい
るので、２軸２段圧縮２段膨張の従来のターボコ
ンプレツサに比べて回転時の回転抵抗による機械
的損失が半減し、効率を大幅に向上させることが
できる。更に、上記共通軸１０を支持するラジア
ル軸受２３が、低圧段圧縮機室５及び駆動タービ
ン室２との間、及び駆動タービン室２と高圧段圧
縮機室６との間に配置されているので、駆動ター
ビン羽根車７の重量により共通軸１０に生じる曲
げモーメントを最小限に抑えることができ、回転
時の撓み振動を小さく抑制できるから、共通軸１
０の疲労を軽減して耐久性を高めることができ
る。また、低圧段圧縮羽根車８と駆動タービン羽
根車７との間隔、及び高圧段圧縮羽根車９と駆動
タービン羽根車７との間隔を短くできるので、共
通軸１０のねじり剛性を高め、ねじれ振動を小さ
くすることができる。このように撓み振動及びね
じれ振動を小さく抑えることにより共通軸１０の
耐久性が一層高められる。

そして、本実施例では、軸受２３，２４が空気
軸受で構成されているので、ケーシング１ないし
軸受２３，２４と、共通軸１０及び駆動タービン
羽根車７のボス部とが高圧空気層によつて機械的
に接触しないようになつており、これにより回転
抵抗による機械損失は一層減少し、効率を一層向
上させることができる。また、ラジアル軸受２３
やスラスト軸受２４を空気軸受で構成しているの
で、これらから潤滑油が漏れて燃料電池本体１９
に浸入する虞れがなくなるといつた利点もある。
その上、一対のラジアル軸受２３の負荷荷重が等
しくなるように配置されているので、共通軸１０
の回転時の首振り振動を減少ないし消滅させて回
転の安定性を高めることができる。また、共通軸
１０に結合される低圧段・高圧段圧縮羽根車８，
９を軽合金複合材料で構成してその複合静止慣性
及び回転運動慣性が小さくなるようにしてあるの
で、高トルクが伝達される共通軸１０の駆動ター
ビン羽根車７から低圧段・高圧段圧縮羽根車８，
９までの間のねじり振動が小さく抑えられ、共通
軸１０のねじれ振動による疲労を少なくして共通
軸１０の耐久性を一層高めることが可能となる。

尚、上記の実施例では、ラジアル軸受２３及び
スラスト軸受２４が別個に設けられているが、こ
れらに代えてラジアル荷重とスラスト荷重をとも
に負担する一対の空気軸受を設けてもよい。ま
た、ラジアル軸受２３及びスラスト軸受２４を空
気軸受に代えて磁気軸受で構成しても同様の効果
が得られる。

〔考案の効果〕

本考案のターボコンプレツサは、以上のよう
に、低圧段圧縮羽根車と、高圧段圧縮羽根車とを
１本の共通軸で駆動タービン羽根車に共通に結合
してあるので、駆動タービン羽根車によつて低圧
段圧縮羽根車と高圧段圧縮羽根車とを駆動して、
従来の２軸２段ターボコンプレツサ以上の高圧縮
率を得ることができる。また、低圧段圧縮羽根車
８と高圧段圧縮羽根車９と、駆動タービン羽根車
７とを１本の共通軸で連結してあるので、回転時
の回転抵抗による機械損失を従来の２軸２段圧縮
２段膨張型のターボコンプレツサに比べてほぼ半
減することができ、機械効率を高めることができ
る。また、１軸多段圧縮機のように外部の駆動装
置とカツプリング装置や歯車を介して結合される
ものに比べると動力伝達効率が高いので、機械効
率を高めることができる。更に、低圧段圧縮羽根
車と駆動タービン羽根車との間隔及び高圧段圧縮
羽根車と駆動タービン羽根車との間隔を短くでき
るので、共通軸のねじり剛性を高め、ねじれ振動
を小さくして共通軸の耐久性を一層高めることが
できる。しかも、これら低圧段圧縮羽根車と、高
圧段圧縮羽根車と、駆動タービン羽根車と、共通
軸とを一つのケーシングに収納できるので、全体
として小型化できる等の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す断面図、第２
図は従来の２軸２段圧縮２段膨張型のターボコン
プレツサを概略的に示す構成図である。 図中、１はケーシング、２は駆動タービン室、
５は低圧段圧縮機室、６は高圧段圧縮機室、７は
駆動タービン羽根車、８は低圧段圧縮羽根車、９
は高圧段圧縮羽根車、１０は共通軸、２３はラジ
アル軸受である。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. ケーシング内の中央部に駆動タービン室を、そ
   の一側部に低圧段圧縮機室を、その他側部に高圧
   段圧縮機室を同軸心状に形成し、低圧段圧縮機室
   に収納した低圧段圧縮羽根車、駆動タービン室に
   収納した駆動タービン羽根車、及び高圧段圧縮機
   室に収納した高圧段圧縮羽根車を共通軸で連結
   し、この共通軸とケーシングとの間に介在させた
   ラジアル軸受が、低圧段圧縮機室と駆動タービン
   室との間、及び駆動タービン室と高圧段圧縮機室
   との間に配置されていることを特徴とするターボ
   コンプレツサ。