WO2017014316A1 - 遠心圧縮機 - Google Patents
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Abstract
遠心圧縮機は、回転軸と、インペラと、ハウジングであって、第1室と、第1室よりも低圧の第2室と、第1室と第2室とを仕切るものであって、回転軸が挿通される貫通孔を有する仕切壁部と、を備える、ハウジングと、ハウジング内に設けられ、貫通孔を介する第1室から第2室への流体の流れを規制するシール部材と、を備える。シール部材は、ガスシール部と支持部とを備え、回転軸が回転している場合には、ガスシール部は、当該回転軸の回転時に発生する動圧によってガスシール部と回転軸の外周面との間に隙間が形成された非接触の状態で、回転軸の外周面を回転軸の径方向外側から囲み、支持部は、ガスシール部を、回転軸の軸線方向と交差する方向に移動可能な状態で支持する。
Description
本発明は、遠心圧縮機に関する。
例えば、特許文献1に記載の遠心圧縮機は、回転軸と、回転軸の回転に伴って回転することによって流体を圧縮するインペラと、回転軸及びインペラが収容されたハウジングとを備えている。その回転軸は、トップフォイルと、当該トップフォイルを弾性的に支持するバンプフォイルとを有する軸受によって、回転可能に支持されている。
ハウジングが、流体の圧力が相違する第1室及び第2室と、これら第1室と第2室とを仕切るとともに回転軸が挿通される貫通孔が形成された仕切壁部と、を有する場合がある。この場合、貫通孔を介して、高圧側の第1室から低圧側の第2室に向けて流体が漏れ得る。
これに対して、例えば高圧側の第1室から低圧側の第2室に向けて流体が漏れるのを抑制するためにシール部材を設けることが考えられる。この場合、振動や回転軸の重心のずれ等に起因して回転軸が振れる軸振れが生じ得ると、シール部材のシール性が低下する場合があり得る。
本発明の目的は回転軸の軸振れが生じた場合であっても、貫通孔を介する第1室から第2室への流体の漏れを抑制できる遠心圧縮機を提供することである。
上記目的を達成する遠心圧縮機は、回転軸と、前記回転軸の回転に伴って回転することによって流体を圧縮するインペラと、前記回転軸及び前記インペラを収容するハウジングであって、第1室と、前記第1室よりも低圧の第2室と、前記第1室と前記第2室とを仕切るものであって、前記回転軸が挿通される貫通孔を有する仕切壁部と、を備える前記ハウジングと、前記ハウジング内に設けられ、前記貫通孔を介する前記第1室から前記第2室への流体の流れを規制するシール部材と、を備え、前記回転軸は、前記貫通孔を介して、前記第1室と前記第2室との双方に跨って配置されており、前記シール部材は、ガスシール部と支持部とを備え、前記回転軸が回転している場合には、前記ガスシール部は、当該回転軸の回転時に発生する動圧によって前記ガスシール部と前記回転軸の外周面との間に隙間が形成された非接触の状態で、前記回転軸の外周面を前記回転軸の径方向外側から囲み、前記支持部は、前記ガスシール部を、前記回転軸の軸線方向と交差する方向に移動可能な状態で支持する。
以下、遠心圧縮機の一実施形態について図面を用いて説明する。本実施形態では、遠心圧縮機は車両に搭載されている。なお、図1等においては、図示の都合上、回転軸12については側面図で示す。
図1に示すように、遠心圧縮機10は、その外郭を構成するハウジング11を備えている。ハウジング11は、全体として例えば円筒状である。
遠心圧縮機10は、ハウジング11に収容されるものとして、回転軸12と、回転軸12を回転させる電動モータ13と、回転軸12に取り付けられた2つのインペラ14,15とを備えている。回転軸12は、本体部(本体領域)12aと、本体部12aよりも縮径され、且つ、両インペラ14,15が取り付けられた先端部(先端領域)12bと、先端部12bとは反対側に配置された基端部(基端領域)12cとを有している。基端部12cは、本体部12aと同一径である。
遠心圧縮機10は、ハウジング11に収容されるものとして、回転軸12と、回転軸12を回転させる電動モータ13と、回転軸12に取り付けられた2つのインペラ14,15とを備えている。回転軸12は、本体部(本体領域)12aと、本体部12aよりも縮径され、且つ、両インペラ14,15が取り付けられた先端部(先端領域)12bと、先端部12bとは反対側に配置された基端部(基端領域)12cとを有している。基端部12cは、本体部12aと同一径である。
なお、回転軸12の先端部12bに対応する側を単に前側ともいい、回転軸12の基端部12cに対応する側を単に後側とも言う。本実施形態では、先端部12bが「回転軸の第1端部」に対応し、基端部12cが「回転軸の第2端部」に対応する。
遠心圧縮機10は、回転軸12の軸線方向Zと水平方向とが一致する態様で車両に搭載されている。すなわち、軸振れしていない状況における回転軸12の軸線方向Zは水平方向と一致している。なお、以降の説明において、特に断りが無い限り、回転軸12の軸線方向Zとは軸振れしていない状況を意味する。
ハウジング11は、第1インペラ14及び第2インペラ15をそれぞれ収容する第1インペラ室A1及び第2インペラ室A2を区画するフロントハウジング部20を備えている。フロントハウジング部20は、第1パーツ21、第2パーツ22、及び中間パーツ23を備える。これらのパーツ21~23は、中間パーツ23を第1パーツ21及び第2パーツ22で回転軸12の軸線方向Zから挟持した状態でユニット化されている。
第1パーツ21は、回転軸12の軸線方向Zに貫通した第1コンプ貫通孔21aを有し、略筒状である。第1コンプ貫通孔21aは、第1パーツ21における回転軸12の軸線方向Zの第1端面21b及び第2端面21cに開口している。第1コンプ貫通孔21aは、中間パーツ23と当接している第1端面21bの開口から回転軸12の軸線方向Zの途中位置までは徐々に縮径した略円錐台形状となっており、当該途中位置から上記第1端面21bとは反対側の第2端面21cの開口までは同一径の略円柱状である。
第2パーツ22は、回転軸12の軸線方向Zを軸線方向とする略筒状である。第2パーツ22における回転軸12の軸線方向Zの第1端面22a及び第2端面22bのうち中間パーツ23と当接している第1端面22aとは反対側の第2端面22bには、当該第2端面22bから凹んだ凹部22cが形成されている。そして、凹部22cの底面には、回転軸12の軸線方向Zに貫通した第2コンプ貫通孔22dが形成されている。第2コンプ貫通孔22dは、中間パーツ23と当接している第1端面22aの開口から回転軸12の軸線方向Zの途中位置までは徐々に縮径した略円錐台形状となっており、当該途中位置から上記第1端面22aとは反対側の第2端面22bの開口までは同一径となった略円柱状となっている。
中間パーツ23は、回転軸12の軸線方向Zを板厚方向とする略円板状である。中間パーツ23は、第1パーツ21の第1端面21bと当接している第1中間パーツ端面23aと、第1中間パーツ端面23aとは反対側の端面であって、第2パーツ22の第1端面22aと当接している第2中間パーツ端面23bとを有している。第1インペラ室A1は、第1コンプ貫通孔21aの内面と第1中間パーツ端面23aとによって区画されており、第2インペラ室A2は、第2コンプ貫通孔22dの内面と第2中間パーツ端面23bとによって区画されている。すなわち、中間パーツ23は、第1インペラ室A1と第2インペラ室A2とを仕切っている。
中間パーツ23には、回転軸12が挿通される中間パーツ貫通孔23cが形成されている。回転軸12の先端部12bは、中間パーツ貫通孔23cを貫通した状態で、両インペラ室A1,A2に跨って配置されている。そして、第1インペラ14は、回転軸12の先端部12bのうち第1インペラ室A1内に配置されている部分に取り付けられ、第2インペラ15は、回転軸12の先端部12bのうち第2インペラ室A2内に配置されている部分に取り付けられている。
第1インペラ14は、その基端面14aから先端面14bに向けて徐々に縮径した略円錐台形状であり、第1コンプ貫通孔21aの内面に沿うように第1インペラ室A1内に配置されている。同様に、第2インペラ15は、その基端面15aから先端面15bに向けて徐々に縮径した略円錐台形状であり、第2コンプ貫通孔22dの内面に沿うように第2インペラ室A2内に配置されている。第1インペラ14の基端面14aと、第2インペラ15の基端面15aとが互いに対向している。
フロントハウジング部20(詳細には第1パーツ21)には、流体が吸入される第1吸入口30が形成されている。第1吸入口30は、第1コンプ貫通孔21aにおける第2端面21cに対応する側の開口である。すなわち、第1コンプ貫通孔21aは、第1吸入口30及び第1インペラ室A1を構成している。第1吸入口30から吸入された流体は、第1インペラ室A1に流入する。
図1に示すように、フロントハウジング部20には、第1インペラ室A1に対して回転軸12の径方向外側に配置された第1ディフューザ流路31と、第1ディフューザ流路31を介して第1インペラ室A1と連通している第1吐出室32とが区画されている。第1ディフューザ流路31は、第1インペラ14を囲む円環状である。第1吐出室32は、第1ディフューザ流路31よりも回転軸12の径方向外側に配置されており、フロントハウジング部20に形成された第1吐出口(図示略)と連通している。
同様に、フロントハウジング部20には、第2インペラ室A2に対して回転軸12の径方向外側に配置された第2ディフューザ流路33と、第2ディフューザ流路33を介して第2インペラ室A2と連通している第2吐出室34とが区画されている。第2吐出室34の流体は、フロントハウジング部20に形成された第2吐出口(図示略)から吐出される。
図1に示すように、ハウジング11は、フロントハウジング部20と協働して電動モータ13を収容するモータ室A3を区画するモータハウジング部51及びエンドプレート52を備えている。
モータハウジング部51は、回転軸12の軸線方向Zを軸線方向とする略円筒状であって、その軸線方向の両端は開口している。エンドプレート52は、モータハウジング部51の外径と同一径の円板状であり、エンドプレート52の板厚方向と回転軸12の軸線方向Zとは一致している。モータハウジング部51の軸線方向の一方の開口端はフロントハウジング部20の第2パーツ22の第2端面22bに突き合わさり、他方の開口端はエンドプレート52の第1板面52aに突き合わさっている。モータ室A3は、モータハウジング部51、第2パーツ22及びエンドプレート52によって区画されている。モータ室A3と第2インペラ室A2とは連通している。
電動モータ13は、回転軸12(詳細には回転軸12の本体部12a)に固定されたロータ13aと、ロータ13aの外側に配置されるものであってモータハウジング部51に固定されたステータ13bとを備えている。ロータ13aとステータ13bとは、回転軸12と同軸に配置されており、回転軸12の径方向に対向している。
ステータ13bは、円筒状のステータコア13cと、ステータコア13cに捲回されたコイル13dとを備えている。コイル13dに電流が流れることによって、ロータ13aと回転軸12とが一体的に回転する。
また、モータハウジング部51には、第2吸入口53が形成されている。第2吸入口53は、モータハウジング部51において、電動モータ13よりもエンドプレート52に近い位置に配置されている。
図1に示すように、エンドプレート52には、第1板面52aからフロントハウジング部20に向けて起立した第1ボス54と、板厚方向に貫通したものであって回転軸12の本体部12aが挿通される第1支持用貫通孔55とが形成されている。第1支持用貫通孔55が形成されている関係上、第1ボス54は円筒状となっている。
また、モータハウジング部51内には、電動モータ13に対して第1ボス54とは反対側に配置されたものであって、回転軸12の本体部12aが挿通される第2支持用貫通孔56を有する第2ボス57と、第2ボス57をモータハウジング部51に支持させる第1固定壁部58とが設けられている。第2ボス57は、回転軸12の軸線方向Zを軸線方向とする円筒状であり、第1ボス54と回転軸12の軸線方向Zに対向配置されている。第1固定壁部58は、モータハウジング部51の内面から回転軸12の径方向内側に突出しており、モータハウジング部51と第2ボス57とを連結している。
支持用貫通孔55,56内、詳細には支持用貫通孔55,56の内面55a,56aと回転軸12の外周面12dとの間には、回転軸12を回転可能に支持するラジアル軸受61,62が設けられている。両ラジアル軸受61,62は、例えば回転軸12が軸線方向Zと交差する方向に移動可能な状態で支持する動圧軸受等である。
例えば、第1支持用貫通孔55内に設けられた第1ラジアル軸受61は、回転軸12の外周面12dに対して回転軸12の径方向外側に配置されたトップフォイル63と、トップフォイル63に対して回転軸12の径方向外側に配置され、トップフォイル63を弾性的に支持する波板状のバンプフォイル64とを有している。トップフォイル63は、回転軸12の径方向に変位可能に構成されている。また、バンプフォイル64が弾性変形可能な波板状に形成されている関係上、トップフォイル63とバンプフォイル64との間にはフォイル隙間65が形成されている。
第1ラジアル軸受61は、回転軸12の回転時に生じる動圧によってトップフォイル63と回転軸12の外周面12dとの間に隙間が形成された非接触の状態で、回転軸12を回転可能に支持する。この場合、仮に回転軸12が軸線方向Zと直交する方向に変位した場合には、トップフォイル63は上記隙間を維持するように変位し、バンプフォイル64はトップフォイル63がその変更された位置にて保持されるように弾性変形する。なお、第2支持用貫通孔56内に設けられた第2ラジアル軸受62も第1ラジアル軸受61と同様である。
図1に示すように、遠心圧縮機10は、回転軸12に固定された板状(詳細には円板状)のスラストライナ(支持プレート)70と、両インペラ14,15が回転することによって発生するスラスト力Fを受ける2つのスラスト軸受71,72とを備えている。スラストライナ70及びスラスト軸受71,72は、モータ室A3内に配置されている。
スラストライナ70は、第1固定壁部58よりもフロントハウジング部20の近くに配置されている。スラストライナ70は、第2ボス57よりも回転軸12の径方向外側に突出している。
2つのスラスト軸受71,72は、例えば全体として円環板状であって、回転軸12と同軸である。両スラスト軸受71,72は、スラストライナ70を介して回転軸12の軸線方向Zに対向配置されている。
第1スラスト軸受71は、第1固定壁部58とスラストライナ70との間に配置されており、第1固定壁部58に固定されている。
第2スラスト軸受72は、スラストライナ70とフロントハウジング部20との間に設けられた第2固定壁部73に固定されている。第2固定壁部73は、例えば円環板状であり、回転軸12と同軸である。第2固定壁部73の内径は、回転軸12の本体部12aの径よりも若干長く設定されており、第2固定壁部73と回転軸12とが接触しないようになっている。第2固定壁部73の外径はスラストライナ70の外径以上に設定されている。第2固定壁部73は、図示しない固定部によってモータハウジング部51、又はフロントハウジング部20の第2パーツ22に固定されている。
第2スラスト軸受72は、スラストライナ70とフロントハウジング部20との間に設けられた第2固定壁部73に固定されている。第2固定壁部73は、例えば円環板状であり、回転軸12と同軸である。第2固定壁部73の内径は、回転軸12の本体部12aの径よりも若干長く設定されており、第2固定壁部73と回転軸12とが接触しないようになっている。第2固定壁部73の外径はスラストライナ70の外径以上に設定されている。第2固定壁部73は、図示しない固定部によってモータハウジング部51、又はフロントハウジング部20の第2パーツ22に固定されている。
ちなみに、図1に示すように、第1固定壁部58には、回転軸12の軸線方向Zに貫通し、且つ、流体が導入される流体導入孔58aが設けられている。また、回転軸12の軸線方向Zにおいて第2固定壁部73とフロントハウジング部20とは離間しており、回転軸12の径方向において第2固定壁部73とモータハウジング部51とは離間している。このため、モータ室A3の流体は、流体導入孔58a、及び、第2固定壁部73とフロントハウジング部20等との間の空間を介して、第2インペラ室A2に流入可能となっている。
図1及び図2に示すように、回転軸12は、第1支持用貫通孔55に挿通されており、回転軸12の基端部12cは、エンドプレート52における第1板面52aとは反対側の第2板面52bから後方(両インペラ14,15とは反対側)に突出している。
ハウジング11は、回転軸12の基端部12cを収容し且つモータ室A3よりも高圧に設定される基端収容室A4を区画するリアハウジング部81を備えている。リアハウジング部81は、例えば開口端と底部とを有し、円筒状である。リアハウジング部81は、当該リアハウジング部81の開口端とエンドプレート52の第2板面52bとが突き合わせられた状態でエンドプレート52に固定されている。基端収容室A4は、リアハウジング部81の内面とエンドプレート52の第2板面52bとによって区画されている。また、リアハウジング部81には、モータ室A3の圧力よりも高い圧力を有する流体が流入されるための第3吸入口82が設けられている。
ここで、モータ室A3と基端収容室A4とは、エンドプレート52によって仕切られており、エンドプレート52に形成された第1支持用貫通孔55を介して連通している。そして、回転軸12は、第1支持用貫通孔55を介して、モータ室A3及び基端収容室A4の双方に跨って配置されている。本実施形態では、エンドプレート52が「仕切壁部」に対応し、第1支持用貫通孔55が「回転軸が挿通される貫通孔」に対応し、基端収容室A4が「第1室」に対応し、モータ室A3が「第2室」に対応する。
かかる構成によれば、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって、回転軸12の基端面12eには、当該基端面12eから先端面12fに向かう方向の抗力が生じる。当該抗力は、回転軸12の先端面12fから基端面12eに向かうスラスト力Fと打ち消し合う。これにより、上記スラスト力Fを受けることができる。
ここで、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差に起因して、基端収容室A4の流体は、第1支持用貫通孔55を通って、モータ室A3に流れ込み得る。詳細には、第1支持用貫通孔55の内面55aと回転軸12の外周面12dとの間には、フォイル隙間65が形成された第1ラジアル軸受61が設けられている。このため、基端収容室A4の流体が、フォイル隙間65を通って、モータ室A3に流れ込み得る。
遠心圧縮機10は、第1支持用貫通孔55を介する基端収容室A4からモータ室A3への流体の流れを規制するシール部材90を備えている。シール部材90は、ハウジング11内、詳細には基端収容室A4内に配置されている。シール部材90は、例えば金属の薄板を折り曲げることによって形成されており、当該シール部材90の内側には、フォイル隙間65を介してモータ室A3と連通する空間が形成されている。
図2に示すように、シール部材90は、回転軸12(詳細には基端部12c)の外周面12dを回転軸12の径方向外側から囲むガスシール部91と、ガスシール部91を、回転軸12の軸線方向Zと交差する方向に移動可能な状態で支持する支持部92とを備えている。ガスシール部91は、全体として回転軸12の基端部12cよりも一回り大きく形成された円筒状である。回転軸12の基端部12cは、ガスシール部91によって、回転軸12の径方向外側から覆われている。
ガスシール部91は、回転軸12が回転している場合には、回転軸12に対して非接触の状態で、当該ガスシール部91と回転軸12との間をシールしている。詳細には、回転軸12が回転した場合には、ガスシール部91と回転軸12との間にて動圧が発生する。当該動圧によって、ガスシール部91は、当該ガスシール部91と回転軸12の外周面12dとの間に隙間93が形成された位置にて維持される。当該隙間93は、フォイル隙間65よりも小さい。このため、流体が隙間93を流れにくい。つまり、隙間93は、流体の移動を規制する絞り部として機能する。
ちなみに、ガスシール部91は、回転軸12と同軸であり、且つ、隙間93の幅(回転軸12の径方向における隙間93の寸法)が予め定められた基準値となっている場合のガスシール部91と回転軸12との相対位置を、基準位置とする。ガスシール部91は、当該ガスシール部91と回転軸12との相対位置が基準位置となっている場合に、所望のシール性を有する。
回転軸12の外周面12dにおけるガスシール部91と対向する対向領域100には、基端収容室A4からモータ室A3に向かう流体の流れを規制するように構成された溝101が形成されている。溝101は、回転軸12の回転時に基端収容室A4からモータ室A3に向かう流体の流れを規制するような流れを誘起させるものである。本実施形態では、溝101は、例えばヘリングボーン形状である。詳細には、溝101は、傾斜方向が相違する2つの螺旋溝101a,101bと、両螺旋溝101a,101bの間に設けられ、溝が形成されていないランド部101cとを有している。回転軸12の回転時には、第1螺旋溝101aによって誘起される流体の流れと、第2螺旋溝101bによって誘起される流体の流れとが隙間93におけるランド部101cに対応する箇所にて衝突する。これにより、基端収容室A4からモータ室A3に向かう流体の流れを規制する空気の壁が形成されるとともに、隙間93にて発生する動圧が高められている。
ちなみに、回転軸12の対向領域100には、コーティング層102が形成されている。コーティング層102は、回転軸12よりも硬度が高い、及び、回転軸12の外周面12dよりも摩擦係数が小さい、の少なくとも一方の条件を満たすもので形成されており、例えばテフロン(登録商標)系又はタングステンカーバイド等で形成されている。なお、本実施形態では、コーティング層102は、回転軸12よりも硬度が高く、且つ、回転軸12の外周面12dよりも摩擦係数が小さく形成されている。
図2に示すように、支持部92は、エンドプレート52に取り付けられた取付部111を有している。取付部111は、例えば平板リング状であり、その内径はガスシール部91の外径よりも長く設定されている。取付部111は、エンドプレート52の第2板面52bと当接している。また、遠心圧縮機10は、エンドプレート52と協働して、取付部111を挟持する押さえ板112を有している。取付部111は、押さえ板112とエンドプレート52とによって挟持された状態で、固定具としてのボルト113によって押さえ板112とともにエンドプレート52に固定されている。
なお、遠心圧縮機10は、取付部111とエンドプレート52の第2板面52bとの間をシールするOリング114を備えている。Oリング114は、エンドプレート52の第2板面52bにおけるボルト113よりも回転軸12の径方向内側の位置に形成されたリング溝115に嵌り込んでおり、取付部111によって圧縮されている。
支持部92は、取付部111とガスシール部91とを連結する連結部116を備えている。連結部116は、筒状且つ蛇腹状(ベローズ状)に形成されている。詳細には、連結部116は、ガスシール部91から取付部111に向かうに従って、徐々に拡径しつつジグザグ状に折り曲げられた筒形状である。連結部116は、回転軸12と同軸である。連結部116は、取付部111の内周端部と、ガスシール部91の軸線方向の両端部のうちエンドプレート52に対応する側の端部とを連結している。本実施形態では、ガスシール部91、連結部116及び取付部111は一体形成されている。なお、連結部116の形状は、周方向に延在する突条と溝とが回転軸12の軸線方向Zに交互に配列された蛇腹構造の筒形状とも言える。
次に、基端収容室A4とモータ室A3との間で圧力差を発生させる構成について説明する。
図1に示すように、遠心圧縮機10は、車両空調装置200の一部を構成している。すなわち、本実施形態における遠心圧縮機の圧縮対象となる流体は冷媒である。
図1に示すように、遠心圧縮機10は、車両空調装置200の一部を構成している。すなわち、本実施形態における遠心圧縮機の圧縮対象となる流体は冷媒である。
車両空調装置200は、遠心圧縮機10の他に、凝縮器201、気液分離器202、膨張弁203及び蒸発器204を備えている。これら凝縮器201、気液分離器202、膨張弁203及び蒸発器204は、配管を介して接続されている。また、凝縮器201は、第1吐出口を介して第1吐出室32に接続されており、蒸発器204は、第2吸入口53に接続されている。
また、車両空調装置200は、第2吐出口を介して第2吐出室34と第1吸入口30とを接続する配管205を備えている。更に、車両空調装置200は、気液分離器202と膨張弁203とを接続している配管とは別に、気液分離器202と第3吸入口82とを接続するバイパス配管206を有している。
次に、本実施形態の作用として、上記のように構成された遠心圧縮機10及び車両空調装置200における流体の流れについて説明する。
回転軸12の回転に伴い両インペラ14,15が回転すると、図1の矢印Y1に示すように、蒸発器204から吐出された比較的低圧の流体(以降低圧流体という)が第2吸入口53から吸入される。この場合、モータ室A3は低圧空間となる。モータ室A3に吸入された流体は、流体導入孔58a等を介して第2インペラ室A2に向かう(図1の矢印Y2参照)。そして、低圧流体は、第2インペラ15の遠心作用によって第2インペラ室A2から第2ディフューザ流路33を通って第2吐出室34に送り込まれ、第2吐出室34から吐出される。なお、第2吐出室34に存在する流体の圧力は低圧流体の圧力よりも高い。第2吐出室34から吐出される流体を中間圧流体という。
回転軸12の回転に伴い両インペラ14,15が回転すると、図1の矢印Y1に示すように、蒸発器204から吐出された比較的低圧の流体(以降低圧流体という)が第2吸入口53から吸入される。この場合、モータ室A3は低圧空間となる。モータ室A3に吸入された流体は、流体導入孔58a等を介して第2インペラ室A2に向かう(図1の矢印Y2参照)。そして、低圧流体は、第2インペラ15の遠心作用によって第2インペラ室A2から第2ディフューザ流路33を通って第2吐出室34に送り込まれ、第2吐出室34から吐出される。なお、第2吐出室34に存在する流体の圧力は低圧流体の圧力よりも高い。第2吐出室34から吐出される流体を中間圧流体という。
図1の矢印Y3に示すように、中間圧流体は、第2吐出室34から吐出され、配管205を介して第1吸入口30に吸入される。中間圧流体は、第1インペラ14の遠心作用によって第1インペラ室A1から第1ディフューザ流路31を通って第1吐出室32に送り込まれ、第1吐出室32から吐出される。第1吐出室32に存在する流体の圧力は、中間圧流体の圧力よりも高い。なお、第1吐出室32から吐出される流体を高圧流体という。
高圧流体は、第1吐出室32から凝縮器201に供給される。そして、高圧流体の一部は、バイパス配管206を介して第3吸入口82に供給される。これにより、基端収容室A4には、高圧流体が充填される。一方、モータ室A3には低圧流体が充填される。したがって、基端収容室A4の圧力が、モータ室A3の圧力よりも高くなる。これにより、スラスト力Fに対する抗力が回転軸12に付与される。詳細には、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって生じた押圧力が回転軸12の基端面12eに付与される。
この場合、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって、基端収容室A4の高圧流体が第1支持用貫通孔55を介して基端収容室A4からモータ室A3へ向けて流入しようとする。これに対して、本実施形態では、上記流体の流れは、シール部材90によって規制されている。これにより、シール部材90の外側領域には高圧流体が充填され、シール部材90の内側領域には低圧流体が充填された状態が維持される。
ここで、何らかの要因によって回転軸12の軸振れが生じ得る。例えば、図3に示すように、回転軸12の軸振れの一種として、回転軸12が軸線方向Zに対して直交する方向に変位する場合がある。この場合、回転軸12の変位に対応させて、蛇腹状に形成された連結部116が撓むことによって、ガスシール部91が変位する。これにより、回転軸12が変位した場合であっても、ガスシール部91と回転軸12との相対位置は基準位置を維持する。
また、図4に示すように、回転軸12の軸振れの一種として、軸線方向Zの変位を伴う回転軸12の変位、詳細には回転軸12が水平方向に対して傾く変位が生じ得る。この場合であっても、回転軸12の変位に対応させて、蛇腹状に形成された連結部116が撓むことによって、ガスシール部91が変位する。これにより、軸線方向Zの変位を伴う回転軸12の変位が生じた場合であっても、ガスシール部91と回転軸12との相対位置は基準位置を維持する。
以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
(1)遠心圧縮機10は、回転軸12と、回転軸12の回転に伴って回転することによって流体を圧縮するインペラ14,15と、回転軸12及びインペラ14,15が収容されたハウジング11とを備えている。ハウジング11は、第1室として回転軸12の基端部12cを収容する基端収容室A4を備え、更に第2室として電動モータ13を収容するモータ室A3を備えている。そして、ハウジング11は、基端収容室A4とモータ室A3とを仕切る仕切壁部としてのエンドプレート52を備え、回転軸12は、エンドプレート52に形成された第1支持用貫通孔55を介して、基端収容室A4とモータ室A3との双方に跨って配置されている。
(1)遠心圧縮機10は、回転軸12と、回転軸12の回転に伴って回転することによって流体を圧縮するインペラ14,15と、回転軸12及びインペラ14,15が収容されたハウジング11とを備えている。ハウジング11は、第1室として回転軸12の基端部12cを収容する基端収容室A4を備え、更に第2室として電動モータ13を収容するモータ室A3を備えている。そして、ハウジング11は、基端収容室A4とモータ室A3とを仕切る仕切壁部としてのエンドプレート52を備え、回転軸12は、エンドプレート52に形成された第1支持用貫通孔55を介して、基端収容室A4とモータ室A3との双方に跨って配置されている。
かかる構成において、ハウジング11内には、第1支持用貫通孔55を介する基端収容室A4からモータ室A3への流体の流れを規制するシール部材90が設けられている。シール部材90はガスシール部91を備え、回転軸12が回転している場合には、ガスシール部91は、回転軸12の回転時に発生する動圧によってガスシール部91と回転軸12の外周面12dとの間に隙間93が形成された非接触の状態で、回転軸12の外周面12dを回転軸12の径方向外側から囲んでいる。そして、シール部材90は、ガスシール部91を、回転軸12の軸線方向Zと交差する方向に移動可能な状態で支持する支持部92を備えている。
かかる構成によれば、ガスシール部91と回転軸12の外周面12dとによって形成された隙間93が、流体の流れを規制する絞りとして機能する。これにより、高圧の基端収容室A4から、低圧のモータ室A3への流体の流れが規制される。そして、ガスシール部91は、支持部92によって回転軸12の軸線方向Zと交差する方向に移動可能となっている。これにより、ガスシール部91は、回転軸12の軸振れが生じた場合には、ガスシール部91と回転軸12との相対位置が変動しないように(詳細には基準位置が維持されるように)変位することができる。すなわち、ガスシール部91は、回転軸12の軸振れに追従することができる。よって、回転軸12の軸振れに起因するシール部材90のシール性の低下を抑制できる。
ここで、例えばシール部材として、回転軸12の外周面12dと接触した弾性変形可能な接触式シール部材を採用することも考えられる。この場合、接触式シール部材の摩耗が懸念される。これに対して、本実施形態のシール部材90は、回転軸12の外周面12dと非接触の状態でシール機能を発揮するので、シール部材の摩耗を抑制できる。しかしながら、このような非接触式のシール構造においては、回転軸12の軸振れが生じた場合には、回転軸12とガスシール部91とが接触してしまったり、隙間93が一定の大きさとならなかったりして、シール性の低下という不都合が生じ得る。
これに対して、本実施形態によれば、支持部92によって、回転軸12の軸振れに伴うガスシール部91と回転軸12との相対位置の変動を抑制できる。これにより、非接触式のシール部材を採用することによって生じる上記不都合を抑制できる。よって、回転軸12の軸振れが生じた場合であっても、第1支持用貫通孔55を介する基端収容室A4からモータ室A3への流体の漏れを抑制できる。
(2)支持部92は、エンドプレート52に取り付けられた取付部111と、取付部111とガスシール部91とを連結するものであって筒状且つ蛇腹状の連結部116とを備えている。かかる構成によれば、連結部116をガスシール部91よりも弾性変形し易い材料で形成する等といったことをすることなく、(1)の効果を得ることができる。
(3)連結部116は、ガスシール部91から取付部111に向かうに従って徐々に拡径している。かかる構成によれば、回転軸12の軸振れに伴い蛇腹状の連結部116が撓んだ場合に、当該連結部116と回転軸12とが接触しにくい。これにより、回転軸12の軸振れが生じた場合に、連結部116と回転軸12とが接触することによる不都合、例えば連結部116の摩耗等を抑制できる。
(4)シール部材90は、基端収容室A4内に配置されている。これにより、蛇腹状の連結部116を採用したことによって生じる不都合を回避できる。
詳述すると、蛇腹状の連結部116は、その特性上、回転軸12の軸線方向Zに伸縮可能となっている。このため、仮に連結部116がモータ室A3内に配置されると、連結部116には、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって伸びる方向の力が付与され、連結部116が伸びてしまう。すると、連結部116の変形機能が低下する。
詳述すると、蛇腹状の連結部116は、その特性上、回転軸12の軸線方向Zに伸縮可能となっている。このため、仮に連結部116がモータ室A3内に配置されると、連結部116には、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって伸びる方向の力が付与され、連結部116が伸びてしまう。すると、連結部116の変形機能が低下する。
これに対して、本実施形態では、連結部116は基端収容室A4内に配置されている。この場合、連結部116には、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって縮む方向の力が付与される。これにより、上記圧力差に起因して連結部116が伸びることを抑制できる。
(5)回転軸12の外周面12dにおけるガスシール部91と対向する対向領域100は、基端収容室A4からモータ室A3に向かう流体の流れを規制するように構成された溝101を有する。詳細には、溝101は、回転軸12が回転した場合に、基端収容室A4からモータ室A3に向かう流体の流れを規制するような流れを誘起させる。これにより、シール性の更なる向上を図ることができる。また、溝101によって誘起される流れによって、回転軸12の回転時にガスシール部91と回転軸12との間の隙間93にて発生する動圧を高めることができるため、回転軸12とガスシール部91との相対位置の変動を、より好適に抑制することができ、それを通じて回転軸12の軸振れに伴う回転軸12とガスシール部91との接触を、より抑制できる。
(6)対向領域100には、回転軸12よりも硬度が高いコーティング層102が形成されている。かかる構成によれば、対向領域100とガスシール部91との接触(摺動)に起因する回転軸12の摩耗を抑制できる。
詳述すると、ガスシール部91は動圧式であるため、回転軸12が回転していない場合には、ガスシール部91と対向領域100とは接触している。このため、回転軸12の回転初期段階においては、ガスシール部91と対向領域100とは摺動する。これに対して、本実施形態によれば、対向領域100にコーティング層102が形成されているため、ガスシール部91と対向領域100との摺動による回転軸12の摩耗を抑制できる。
(7)コーティング層102は、回転軸12の外周面12dよりも摩擦係数が小さい。これにより、ガスシール部91と対向領域100との摺動が円滑に行われる。よって、ガスシール部91と対向領域100との摺動に起因するガスシール部91の摩耗を抑制できる。
(8)回転軸12は、両インペラ14,15が取り付けられている先端部12bと、基端収容室A4内に配置されている基端部12cとを有している。そして、遠心圧縮機10は、モータ室A3に収容されて、回転軸12を回転させる電動モータ13と、モータ室A3内に収容されて、両インペラ14,15の回転によって生じるスラスト力Fを受けるスラスト軸受71,72とを備えている。かかる構成によれば、比較的低圧のモータ室A3にスラスト軸受71,72が配置されているため、スラスト軸受71,72の風損を低減できる。また、回転軸12には、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差によって、スラスト力Fに対する抗力が付与される。これにより、スラスト軸受71,72が受けるスラスト力Fを軽減することができるため、スラスト軸受71,72の小型化を図ることができる。
ここで、基端収容室A4からモータ室A3に流体が流れると、抗力が小さくなるとともに、車両空調装置200の効率が低下する。これに対して、本実施形態では、上述した通り、基端収容室A4からモータ室A3への流体の流れを規制するシール部材90が設けられているため、抗力の低下等を抑制できる。よって、基端収容室A4とモータ室A3との圧力差を用いて、スラスト力Fを好適に受けることができる。
(9)ハウジング11内には、回転軸12が軸線方向Zと交差する方向に移動可能な状態で回転軸12を回転可能に支持するラジアル軸受61,62が設けられている。かかる構成によれば、回転軸12の軸振れが生じた場合であっても、回転軸12を回転可能に支持することができる。これにより、回転軸12の軸振れが生じた場合に回転軸12の回転に支障が生じることを抑制できる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 連結部は、ガスシール部91よりも弾性変形し易い材料、例えばゴムで形成されていてもよい。この場合、連結部は、蛇腹状となっていなくてもよい。要は、支持部92は、その内側に空間を形成しつつ、回転軸12の軸線方向Zと交差する方向に移動可能な状態でガスシール部91を支持することができれば、その具体的な構成は任意である。
○ 連結部は、ガスシール部91よりも弾性変形し易い材料、例えばゴムで形成されていてもよい。この場合、連結部は、蛇腹状となっていなくてもよい。要は、支持部92は、その内側に空間を形成しつつ、回転軸12の軸線方向Zと交差する方向に移動可能な状態でガスシール部91を支持することができれば、その具体的な構成は任意である。
○ 連結部116の径は、回転軸12の軸線方向Zの位置に関わらず、一定でもよい。
○ シール部材90は、モータ室A3内に配置されていてもよい。この場合、第1ボス54に代えて、エンドプレート52の第2板面52bから後方に突出したボスを設け、当該ボスと回転軸12の基端部12cとの間に第1ラジアル軸受61を設けるとよい。
○ シール部材90は、モータ室A3内に配置されていてもよい。この場合、第1ボス54に代えて、エンドプレート52の第2板面52bから後方に突出したボスを設け、当該ボスと回転軸12の基端部12cとの間に第1ラジアル軸受61を設けるとよい。
○ 基端収容室A4からモータ室A3への流体の流入を規制することができれば、溝101の具体的な形状は任意である。例えば、溝101は、回転軸12が回転した場合にモータ室A3から基端収容室A4に向かう流れを誘起させる形状であってもよい。この場合、第1支持用貫通孔55にて、互いに逆方向の流れが衝突することにより、動圧を高めることができる。
○ 溝101を省略してもよい。この場合であっても、ガスシール部91と回転軸12の外周面12dとの間に動圧が生じるため、基端収容室A4からモータ室A3への流体の流れを、ある程度規制できる。
○ コーティング層102を省略してもよい。
○ 第1室及び第2室は、基端収容室A4及びモータ室A3に限られず、任意である。例えば、ハウジング11が、スラスト軸受71,72を収容するスラスト室と、スラスト室とモータ室A3とを仕切るとともに回転軸12が挿通される貫通孔が形成された仕切壁部とを有する構成においては、シール部材90は、スラスト室とモータ室との間の流体の移動を規制するものであってもよい。
○ 第1室及び第2室は、基端収容室A4及びモータ室A3に限られず、任意である。例えば、ハウジング11が、スラスト軸受71,72を収容するスラスト室と、スラスト室とモータ室A3とを仕切るとともに回転軸12が挿通される貫通孔が形成された仕切壁部とを有する構成においては、シール部材90は、スラスト室とモータ室との間の流体の移動を規制するものであってもよい。
○ 両スラスト軸受71,72及びスラストライナ70は、基端収容室A4内に配置されていてもよい。
○ 両スラスト軸受71,72を省略してもよい。この場合、スラストライナ70及び第2固定壁部73を省略してもよい。
○ 両スラスト軸受71,72を省略してもよい。この場合、スラストライナ70及び第2固定壁部73を省略してもよい。
○ ラジアル軸受61,62の具体的な構成は任意である。
○ 第2固定壁部73は、第1固定壁部58のように、モータハウジング部51の内面から回転軸12の径方向内側に延びた円環状の壁部であってもよい。この場合、第1固定壁部58のように、流体が通過可能な貫通孔が形成されているとよい。
○ 第2固定壁部73は、第1固定壁部58のように、モータハウジング部51の内面から回転軸12の径方向内側に延びた円環状の壁部であってもよい。この場合、第1固定壁部58のように、流体が通過可能な貫通孔が形成されているとよい。
○ 遠心圧縮機10は、配管等を介して、第2吐出室34から吐出される中間圧流体が第1吸入口30と第3吸入口82との双方に供給される構成であってもよい。この場合、基端収容室A4が中間圧となる。
○ 第1吸入口30に低圧流体が供給されてもよい。詳細には、図5に示すように、車両空調装置200は、配管を介して、蒸発器204から吐出される低圧流体が第1吸入口30に供給され、且つ、第2吐出室34から吐出される流体の一部が凝縮器201及び気液分離器202を介して第3吸入口82に供給されるように構成されている。そして、ハウジング11(詳細にはフロントハウジング部20)には、第1吐出室32とモータ室A3とを連通する中間圧ポート210が形成されている。中間圧ポート210は、第2パーツ22及び中間パーツ23を軸線方向Zに貫通している。なお、本別例においては、第2吸入口53は形成されていない。
かかる構成によれば、流体は、第1吸入口30→第1インペラ室A1→第1ディフューザ流路31→第1吐出室32→中間圧ポート210→モータ室A3→第2インペラ室A2→第2ディフューザ流路33→第2吐出室34の順に流れる。この場合、モータ室A3には、中間圧流体が充填される。また、第2吐出室34から吐出される流体は高圧流体であるため、基端収容室A4には高圧流体が充填される。これにより、基端収容室A4とモータ室A3とで圧力差が生じるため、スラスト力Fに対する抗力が生じる。
○ 2つのインペラ14,15のうちいずれか一方を省略してもよい。この場合、省略するインペラに対応するディフューザ流路及び吐出室を省略してもよい。
○ 回転軸12の基端部12cは、本体部12aよりも縮径されていてもよい。また、回転軸12の先端部12bの径と本体部12aの径とが同一であってもよい。
○ 回転軸12の基端部12cは、本体部12aよりも縮径されていてもよい。また、回転軸12の先端部12bの径と本体部12aの径とが同一であってもよい。
○ 遠心圧縮機10の搭載対象は、車両に限られず、任意である。
○ 実施形態の遠心圧縮機10は、車両空調装置200の一部に用いられていたが、これに限られず、他の用途に用いてもよい。例えば、車両が燃料電池を搭載した燃料電池車両(FCV)である場合には、当該遠心圧縮機10は、上記燃料電池に空気を供給する供給装置に用いられてもよい。要は、圧縮対象の流体は、冷媒であってもよいし空気などであってもよく、流体装置は、車両空調装置200に限られず、任意である。
○ 実施形態の遠心圧縮機10は、車両空調装置200の一部に用いられていたが、これに限られず、他の用途に用いてもよい。例えば、車両が燃料電池を搭載した燃料電池車両(FCV)である場合には、当該遠心圧縮機10は、上記燃料電池に空気を供給する供給装置に用いられてもよい。要は、圧縮対象の流体は、冷媒であってもよいし空気などであってもよく、流体装置は、車両空調装置200に限られず、任意である。
Claims (9)
- 回転軸と、
前記回転軸の回転に伴って回転することによって流体を圧縮するインペラと、
前記回転軸及び前記インペラを収容するハウジングであって、
第1室と、
前記第1室よりも低圧の第2室と、
前記第1室と前記第2室とを仕切るものであって、前記回転軸が挿通される貫通孔を有する仕切壁部と、を備える前記ハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、前記貫通孔を介する前記第1室から前記第2室への流体の流れを規制するシール部材と、
を備え、
前記回転軸は、前記貫通孔を介して、前記第1室と前記第2室との双方に跨って配置されており、
前記シール部材は、ガスシール部と支持部とを備え、
前記回転軸が回転している場合には、前記ガスシール部は、当該回転軸の回転時に発生する動圧によって前記ガスシール部と前記回転軸の外周面との間に隙間が形成された非接触の状態で、前記回転軸の外周面を前記回転軸の径方向外側から囲み、
前記支持部は、前記ガスシール部を、前記回転軸の軸線方向と交差する方向に移動可能な状態で支持する遠心圧縮機。 - 前記支持部は、
前記仕切壁部に取り付けられた取付部と、
前記取付部と前記ガスシール部とを連結するものであって筒状且つ蛇腹状の連結部と、
を備えている請求項1に記載の遠心圧縮機。 - 前記連結部は、前記ガスシール部から前記取付部に向かうに従って徐々に拡径している請求項2に記載の遠心圧縮機。
- 前記シール部材は、前記第1室内に配置されている請求項2又は請求項3に記載の遠心圧縮機。
- 前記回転軸の外周面における前記ガスシール部と対向する対向領域は、前記回転軸の回転時に前記第1室から前記第2室に向かう流体の流れを規制するような流れを誘起させるように構成されている溝を有する請求項1~4のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
- 前記回転軸の外周面における前記ガスシール部と対向する対向領域には、前記回転軸よりも硬度が高いコーティング層が設けられている請求項1~5のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
- 前記回転軸の外周面における前記ガスシール部と対向する対向領域には、前記回転軸の外周面よりも摩擦係数が小さいコーティング層が設けられている請求項1~5のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
- 前記回転軸は、
前記インペラが取り付けられている第1端部と、
前記第1室内に配置された第2端部と、
を有し、
前記遠心圧縮機は、
前記第2室内に収容され、前記回転軸を回転させる電動モータと、
前記第2室内に収容され、前記インペラの回転によって生じるスラスト力を受けるスラスト軸受と、
を備えている請求項1~7のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機。 - 前記ハウジング内に設けられ、前記回転軸が当該回転軸の軸線方向と交差する方向に移動可能な状態で前記回転軸を回転可能に支持するラジアル軸受をさらに備える請求項1~8のうちいずれか一項に記載の遠心圧縮機。
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