WO2019087868A1 - 遠心圧縮機 - Google Patents

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WO2019087868A1
WO2019087868A1 PCT/JP2018/039363 JP2018039363W WO2019087868A1 WO 2019087868 A1 WO2019087868 A1 WO 2019087868A1 JP 2018039363 W JP2018039363 W JP 2018039363W WO 2019087868 A1 WO2019087868 A1 WO 2019087868A1
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stator
compressor
inverter
cooling
motor
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PCT/JP2018/039363
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晃司 迫田
池谷　信之
秀海 大熊
尚海 澤近
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株式会社Ihi
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Publication date
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    • F05D2260/606—Bypassing the fluid

Definitions

  • the present disclosure relates to a centrifugal compressor.
  • Patent Documents 1 and 2 An apparatus (see Patent Documents 1 and 2) equipped with a centrifugal compressor such as an electric turbocharger is known.
  • a centrifugal compressor such as an electric turbocharger
  • a cooling structure is known in which a motor or the like in a housing is cooled by circulating a cooling oil or the like.
  • An object of the present disclosure is to provide a centrifugal compressor capable of achieving both efficient cooling and downsizing.
  • a centrifugal compressor includes a motor for rotating a rotation shaft of a compressor impeller, a motor housing for housing the motor, and a compressor housing for housing the compressor impeller and having a suction port and a discharge port. And, at least a cooling gas line connected to the extraction port on the discharge port side in the flow direction in the compressor housing, and a cooling gas line connected to the extraction port and through which a portion of the compressed gas compressed by the compressor impeller passes.
  • efficient cooling and compactness can be compatible.
  • FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an electric turbocharger according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of the electric turbocharger according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a perspective view of the refrigerant line and the air cooling line as viewed from the inverter side of the electric turbocharger.
  • FIG. 4 is a perspective view of the refrigerant line and the air cooling line from the side opposite to the inverter in FIG. 3.
  • a centrifugal compressor includes a motor for rotating a rotation shaft of a compressor impeller, a motor housing for housing the motor, and a compressor housing for housing the compressor impeller and having a suction port and a discharge port. And, at least a cooling gas line connected to the extraction port on the discharge port side in the flow direction in the compressor housing, and a cooling gas line connected to the extraction port and through which a portion of the compressed gas compressed by the compressor impeller passes.
  • the centrifugal compressor includes a cooling gas line through which a portion of the compressed gas compressed by the compressor impeller passes, and a cooling fluid line through which a coolant having a temperature lower than that of the compressed gas passes. Furthermore, heat exchangers are disposed on the cooling gas line and the cooling fluid line, and the compressed gas passing through the cooling gas line is cooled by heat exchange with the cooling fluid passing through the cooling fluid line. As a result, it is possible to cool the inside of the machine by utilizing the compressed gas passing through the cooling gas line and the cooling fluid passing through the cooling liquid line. In particular, by using a compressed gas and a coolant together as a coolant for cooling the inside of the machine, efficient cooling can be realized, and further, it is advantageous for compactness as compared with the aspect in which all is cooled with the coolant.
  • the coolant line comprises a motor cooler disposed along a stator of the motor and a bearing cooler disposed along a bearing that supports the rotating shaft, the motor cooler comprising:
  • the centrifugal compressor may be a flow passage that circulates around the stator, and the bearing cooling unit is a flow passage disposed along the end of the stator and along the circumference of the bearing.
  • the flow passage cross section of the motor cooling unit is longer in the direction along the rotation axis than in the direction orthogonal to the rotation axis, and the flow passage cross section of the bearing cooling unit is longer than the direction orthogonal to the rotation axis
  • the centrifugal compressor can be shorter in the direction along the rotation axis. Since the flow passage cross section of the motor cooling portion is long in the direction along the rotation axis, a region facing the stator is expanded around the stator, which is advantageous for efficient cooling of the stator. Further, the flow passage cross section of the motor cooling portion is short in the direction orthogonal to the rotation axis, and the flow passage cross section of the bearing cooling portion is short in the direction along the rotation axis. As a result, the size expansion in the direction perpendicular to the rotation axis can be easily suppressed around the stator, and the size expansion in the direction along the rotation axis can be easily suppressed around the bearing, which is advantageous for compactness.
  • the cooling fluid line is an inlet provided downstream of the heat exchanger and upstream of the stator, an outlet provided downstream of the stator, and an inlet.
  • the centrifugal compressor may be provided with a one-pass flow path connecting the discharge port and one path. With the one-pass flow channel, the coolant, which has been heat-exchanged with the stator, flows downstream without returning to the upstream side, which is advantageous for efficient cooling.
  • the system further comprises an inverter for controlling the rotation of the motor
  • the coolant line comprises an inverter cooling unit disposed along the inverter
  • the heat exchanger is a stator based on the flow direction of the coolant.
  • the inverter may be a centrifugal compressor disposed upstream of the stator than the stator. Preferentially, the stator is cooled, and cooling of the inverter is also possible using the coolant after heat exchange in the stator.
  • a centrifugal compressor includes a compressor housing that accommodates a compressor impeller, a cooling gas line that extracts a portion of the compressed gas in the compressor housing from the compressor housing, and a coolant having a lower temperature than the compressed gas. And a heat exchanger that connects the cooling gas line and the cooling fluid line in a heat exchange manner.
  • this centrifugal compressor it is possible to achieve cooling inside the machine using the compressed gas passing through the cooling gas line and the cooling fluid passing through the cooling liquid line.
  • efficient cooling can be realized, and further, it is advantageous for compactness as compared with the aspect in which all is cooled with the coolant.
  • the electric turbocharger 1 is applied to, for example, a fuel cell system.
  • the type of fuel cell system is not particularly limited.
  • the fuel cell system may be, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) or a phosphoric acid fuel cell (PAFC).
  • the electric turbocharger 1 includes a turbine 2, a compressor 3, and a rotating shaft 4 having the turbine 2 and the compressor 3 provided at both ends. Between the turbine 2 and the compressor 3, a motor 5 for applying a rotational driving force to the rotating shaft 4 is installed.
  • Compressed air (an example of “compressed gas”) G compressed by the compressor 3 is supplied as an oxidant (oxygen) to the above fuel cell system (not shown).
  • oxidant oxygen
  • the fuel cell system power is generated by the chemical reaction between the fuel and the oxidant. From the fuel cell system, air containing water vapor is discharged, and this air is supplied to the turbine 2.
  • the electric turbocharger 1 rotates the turbine impeller 21 of the turbine 2 using the high temperature air discharged from the fuel cell system. As the turbine impeller 21 rotates, the compressor impeller 31 of the compressor 3 rotates, and the compressed air G is supplied to the fuel cell system. In the electric supercharger 1, most of the driving force of the compressor 3 may be provided by the motor 5. That is, the electric supercharger 1 may be a motor-driven supercharger.
  • the fuel cell system and the electric turbocharger 1 can be mounted, for example, on a vehicle (electric vehicle).
  • the electricity generated by the fuel cell system may be supplied to the motor 5 of the electric supercharger 1, but electricity may be supplied from other than the fuel cell system.
  • the electric turbocharger 1 will be described in more detail.
  • the electric supercharger 1 includes a turbine 2, a compressor 3, a rotating shaft 4, a motor 5, and an inverter 6 that controls rotational driving of the motor 5.
  • the turbine 2 includes a turbine housing 22 and a turbine impeller 21 housed in the turbine housing 22.
  • the compressor 3 includes a compressor housing 32 and a compressor impeller 31 housed in the compressor housing 32.
  • the turbine impeller 21 is provided at one end of the rotation shaft 4, and the compressor impeller 31 is provided at the other end of the rotation shaft 4.
  • a motor housing 7 is provided between the turbine housing 22 and the compressor housing 32.
  • the rotating shaft 4 is rotatably supported by the motor housing 7 via an air bearing structure (an example of a “gas bearing structure”) 8.
  • the turbine housing 22 is provided with an exhaust gas inlet (not shown) and an exhaust gas outlet 22a. Air containing steam discharged from the fuel cell system flows into the turbine housing 22 through the exhaust gas inlet. The inflowing air passes through the turbine scroll flow passage 22 b and is supplied to the inlet side of the turbine impeller 21.
  • the turbine impeller 21 is, for example, a radial turbine, and generates a rotational force using the pressure of the supplied air. Thereafter, the air flows out of the turbine housing 22 through the exhaust gas outlet 22a.
  • the compressor housing 32 is provided with a suction port 32a and a discharge port 32b (see FIG. 3). As described above, when the turbine impeller 21 rotates, the rotating shaft 4 and the compressor impeller 31 rotate. The rotating compressor impeller 31 sucks in and compresses external air through the suction port 32a. The compressed air G compressed by the compressor impeller 31 passes through the compressor scroll channel 32 c and is discharged from the discharge port 32 b. The compressed air G discharged from the discharge port 32 b is supplied to the fuel cell system.
  • the motor 5 is, for example, a brushless AC motor, and includes a rotor 51, which is a rotor, and a stator 52, which is a stator.
  • the rotor 51 includes one or more magnets.
  • the rotor 51 is fixed to the rotating shaft 4 and is rotatable around the axis together with the rotating shaft 4.
  • the rotor 51 is disposed at a central portion in the axial direction of the rotating shaft 4.
  • the stator 52 includes a plurality of coils and a core.
  • the stator 52 is arranged to surround the rotor 51 in the circumferential direction of the rotation shaft 4.
  • the stator 52 generates a magnetic field around the rotation axis 4 to rotate the rotation axis 4 in cooperation with the rotor 51.
  • the cooling structure includes a heat exchanger 9 attached to the motor housing 7, a refrigerant line (an example of a "coolant line") 10 including a flow path passing through the heat exchanger 9, and an air cooling line ("cooling gas line").
  • An example) 11 is provided.
  • the refrigerant line 10 and the air cooling line 11 are connected so as to be capable of exchanging heat in the heat exchanger 9.
  • a part of the compressed air G compressed by the compressor 3 passes through the air cooling line 11.
  • the coolant C (an example of the “coolant”) having a temperature lower than that of the compressed air G passing through the air cooling line 11 passes through the refrigerant line 10 at least.
  • the air cooling line 11 is a line for extracting and transferring a part of the compressed air G compressed by the compressor 3.
  • the pressure on the compressor 3 side is configured to be higher than the pressure on the turbine 2 side.
  • the air cooling line 11 is a structure that cools the air bearing structure 8 by effectively utilizing this pressure difference. That is, the air cooling line 11 extracts a part of the compressed air G compressed by the compressor 3, guides the compressed air G to the air bearing structure 8, and sends the compressed air G passing through the air bearing structure 8 to the turbine 2. It is a line to send.
  • the temperature of the compressed air G is 150 ° C. or more and 250 ° C. or less, and is lowered to about 70 ° C. or more and about 110 ° C.
  • the heat exchanger 9 preferably to about 70 ° C. to 80 ° C.
  • the temperature of the air bearing structure 8 is 150 ° C. or higher, it can be publicly cooled by supplying the compressed air G.
  • the air cooling line 11 will be described in detail.
  • the motor housing 7 comprises a stator housing 71 housing a stator 52 surrounding the rotor 51 and a bearing housing 72 provided with an air bearing structure 8.
  • a stator housing 71 housing a stator 52 surrounding the rotor 51 and a bearing housing 72 provided with an air bearing structure 8.
  • an axial space A through which the rotation shaft 4 passes is formed.
  • labyrinth structures 33a and 23a for airtightly holding the inside of the shaft space A are provided.
  • the compressor housing 32 is fixed to the bearing housing 72.
  • the compressor housing 32 includes an impeller chamber 34 for housing the compressor impeller 31 and a diffuser plate 33 which cooperates with the impeller chamber 34 to form a diffuser flow passage 32 d.
  • the impeller chamber 34 has a suction port 32a for taking in air, a discharge port 32b for discharging the compressed air G compressed by the compressor impeller 31 (see FIG. 3), and a downstream side of the diffuser passage 32d in the flow direction of the compressed air G. And a compressor scroll passage 32c provided on the side.
  • the diffuser plate 33 is provided with a labyrinth structure 33 a. Further, the diffuser plate 33 is formed with a bleed port 33 b through which part of the compressed air G passes.
  • the extraction port 33 b is provided on the discharge port 32 b side in the flow direction, that is, on the downstream side of the compressor impeller 31 in the compressor housing 32, and is an inlet of the air cooling line 11.
  • the bleed port 33 b is connected to the first communication channel 12 provided in the bearing housing 72.
  • the first communication channel 12 is connected to the heat exchanger 9.
  • the heat exchanger 9 is attached to the outer peripheral surface of the motor housing 7.
  • the heat exchanger 9 is provided with an air flow passage 13 (see FIG. 1) through which the compressed air G passes and a liquid flow passage 92 through which the coolant C passes.
  • the air flow path 13 and the liquid flow path 92 are connected so as to be able to exchange heat.
  • the air flow passage 13 is a part of the air cooling line 11, and the liquid flow passage 92 is a part of the refrigerant line 10. That is, the heat exchanger 9 is disposed on the air cooling line 11 and the refrigerant line 10.
  • the outlet of the air flow channel 13 is connected to the second communication flow channel 14.
  • the second communication channel 14 is provided in the motor housing 7.
  • the second communication channel 14 is connected to an air bearing structure 8 disposed in the axial space A.
  • the air bearing structure 8 according to the present embodiment will be described.
  • the air bearing structure 8 includes a pair of radial bearings 81 and 82 and a thrust bearing 83.
  • the pair of radial bearings 81, 82 restricts the movement in the direction D 2 orthogonal to the rotation shaft 4 while allowing the rotation of the rotation shaft 4.
  • the pair of radial bearings 81 and 82 are dynamic pressure type air bearings, and are disposed so as to sandwich the rotor 51 provided at the central portion of the rotating shaft 4.
  • One of the pair of radial bearings 81 and 82 is a first radial bearing 81 disposed between the rotor 51 and the compressor impeller 31, and the other is disposed between the rotor 51 and the turbine impeller 21.
  • a second radial bearing 82 is a first radial bearing 81 disposed between the rotor 51 and the compressor impeller 31, and the other is disposed between the rotor 51 and the turbine impeller 21.
  • the first radial bearing 81 is configured to introduce surrounding air into the space between the rotating shaft 4 and the first radial bearing 81 ( ⁇ ⁇ effect) with the rotation of the rotating shaft 4 to increase the pressure to obtain a load capacity. It is.
  • the first radial bearing 81 rotatably supports the rotating shaft 4 by the load capacity obtained by the wedge effect.
  • a gap of the air layer is formed between the first radial bearing 81 and the rotating shaft 4 by the above-mentioned wedge effect, and the compressed air G passes through the gap.
  • This gap is a part of the air cooling line 11.
  • the second radial bearing 82 and a gap of the air layer is formed between the second radial bearing 82 and the rotary shaft 4 by the wedge effect, and the compressed air G passes through this gap.
  • This gap is a part of the air cooling line 11.
  • the thrust bearing 83 restricts the movement of the rotary shaft 4 in the axial direction while permitting the rotation of the rotary shaft 4.
  • the thrust bearing 83 is a dynamic pressure type air bearing, and is disposed between the first radial bearing 81 and the compressor impeller 31.
  • the thrust bearing 83 has a structure in which the surrounding air is introduced between the rotating shaft 4 and the thrust bearing 83 (the wedge effect) with the rotation of the rotating shaft 4 to increase the pressure to obtain the load capability.
  • the thrust bearing 83 rotatably supports the rotating shaft 4 by the load capacity obtained by the wedge effect.
  • the thrust bearing 83 includes, for example, a thrust collar 83 a fixed to the rotating shaft 4 and an annular bearing main body 83 c fixed to the bearing housing 72.
  • the thrust collar 83a includes a disc-shaped collar pad 83b.
  • the bearing main body 83c is provided with a pair of bearing pads 83d provided to face both surfaces of the collar pad 83b.
  • the collar pad 83b and the bearing pad 83d cooperate to produce a chewing effect.
  • a gap of the air layer is formed between the collar pad 83b and the bearing pad 83d by this wedge effect.
  • the gap between the collar pad 83 b and the bearing pad 83 d is part of the air cooling line 11 through which the compressed air G passes.
  • the second communication channel 14 (see FIG. 1) is connected to an axial space A in which the rotation shaft 4 is inserted.
  • the compressed air G supplied into the shaft space A branches in two directions along the rotation shaft 4, one reaching the first radial bearing 81 and the other reaching the second radial bearing 82. That is, the air cooling line 11 branches in two directions in the axial space A, and the first branch channel R1 which is one side is connected to the first radial bearing 81, and the second branch channel R2 which is the other side is It is connected to the second radial bearing 82.
  • a first radial bearing 81 and a thrust bearing 83 are disposed on the first branch flow path R1.
  • a second radial bearing 82 is disposed on the second branch flow path R2.
  • the compressed air G passing through the first branch flow passage R1 mainly cools the first radial bearing 81 and the thrust bearing 83.
  • the compressed air G passing through the second branch flow path R2 mainly cools the second radial bearing 82.
  • the first branch channel R1 is connected to the third communication channel 15.
  • the third communication passage 15 is connected to the exhaust gas outlet 22 a of the turbine housing 22 via a fifth communication passage 17 formed in the turbine housing 22.
  • the second branch flow path R2 is connected to the fourth communication flow path 16.
  • the fourth communication passage 16 is connected to the exhaust gas outlet 22 a of the turbine housing 22 via a sixth communication passage 18 formed in the turbine housing 22.
  • the refrigerant line 10 (see FIG. 2) is a part of a circulation line connected to a radiator provided outside the electric supercharger 1.
  • the temperature of the coolant C passing through the refrigerant line 10 is 50 ° C. or more and 100 ° C. or less.
  • the refrigerant line 10 is basically formed by a groove or the like for a flow passage provided in the motor housing 7, and a sealing material or the like is appropriately provided in order to form a liquid-tight closed flow passage.
  • the refrigerant line 10 includes a motor cooling unit 10 a disposed along the stator 52, an inverter cooling unit 10 b disposed along the inverter 6, a first radial bearing 81 which is a part of the air bearing structure 8, and a thrust. And a bearing cooling unit 10c disposed along the bearing 83.
  • the refrigerant line 10 may be entirely provided in the motor housing 7 or may be formed by using another pipe or the like as appropriate.
  • the outlet of the liquid flow passage 92 passing through the heat exchanger 9 is connected to the bearing cooling unit 10 c via the first connection flow passage 73.
  • the bearing cooling portion 10 c is a flow path disposed along the end 52 a of the stator 52.
  • the end 52 a of the stator 52 means the end of the coil wound around the iron core in the direction of the rotational axis 4.
  • “To place the bearing cooling unit along the end of the stator” broadly includes a mode in which the bearing cooling unit 10c is disposed so as to be heat exchangeable with the end 52a of the stator 52, for example, Assuming that the region to be the end 52a is moved in parallel in the axial direction of the rotation shaft 4, it is preferable that at least a portion of the bearing cooling portion 10c be disposed on the movement trajectory.
  • the flow passage section Sb of the bearing cooling portion 10c is substantially rectangular, and the direction D1 along the rotation axis 4 is shorter than the direction D2 orthogonal to the rotation axis 4.
  • the flow passage cross section Sb of the bearing cooling portion 10c means a cross section orthogonal to the flow direction of the coolant C.
  • the bearing cooling portion 10 c is a flow path disposed along the periphery of the first radial bearing 81. Specifically, the bearing cooling portion 10 c is a flow path which goes around the first radial bearing 81 so as to surround at least a part of the first radial bearing 81.
  • the bearing cooling portion 10 c is disposed along the thrust collar 83 a of the thrust bearing 83, and in particular, disposed between the end 52 a of the stator 52 and the thrust bearing 83.
  • the bearing cooling unit 10 c efficiently cools the first radial bearing 81 by circling around the first radial bearing 81.
  • the bearing cooling unit 10 c is also effective for cooling the thrust bearing 83 by being disposed along the thrust bearing 83.
  • rotating around the first radial bearing is not limited to only one round, but may be a flow path that loops around the first radial bearing 81 a plurality of times. In addition, it may be less than one turn, and, for example, in the case of at least a half turn or more, it can be considered to be included in the aspect of circling around the first radial bearing 81.
  • the bearing cooling unit is disposed along the circumference of the bearing
  • the embodiment in which the bearing cooling unit 10 c is disposed along the circumference of the first radial bearing 81 is illustrated. .
  • the “embodiment in which the bearing cooling portion is disposed along the periphery of the bearing” is, for example, an embodiment disposed along the periphery of the thrust bearing 83 which is another bearing, the second radial bearing 82, and the like. May be
  • the bearing cooling unit 10 c is connected to the motor cooling unit 10 a via the second connection flow path 74.
  • the motor cooling unit 10 a is a flow path that circulates around the stator 52.
  • the motor cooling unit 10 a is a flow path that circulates so as to surround the stator 52 from the compressor 3 side to the turbine 2 side.
  • the motor cooling unit 10a that makes three turns around the stator 52 is illustrated, but it may be a mode in which the stator 52 goes around the circumference once or a plurality of times. In addition, it may be less than one turn, and, for example, in the case of at least a half turn or more, it can be considered to be included in the aspect of going around the stator 52.
  • the flow passage section Sa of the motor cooling unit 10 a is substantially rectangular, and the direction D 1 along the rotation axis 4 is longer than the direction D 2 orthogonal to the rotation axis 4.
  • the direction D1 along the rotation axis 4 is a direction substantially along the circumferential surface of the stator 52. That is, in the motor cooling unit 10 a, the region facing the stator 52 is expanded around the stator 52, which is advantageous for efficient cooling of the stator 52.
  • the flow passage section Sa of the motor cooling unit 10a is shorter in the direction D2 orthogonal to the rotation axis 4 than in the direction D1 along the rotation axis 4.
  • dimensional expansion caused by forming the motor cooling portion 10a specifically, dimensional expansion in the direction D2 orthogonal to the rotation shaft 4 can be easily suppressed, which is advantageous for downsizing of the motor housing 7.
  • the flow passage section Sa of the motor cooling portion 10a means a cross section orthogonal to the flow direction of the coolant C.
  • the outlet of the motor cooling unit 10 a is connected to the inverter cooling unit 10 b via the third connection channel 75.
  • the inverter cooling unit 10 b is disposed along the control circuit 6 a of the inverter 6, and is a flow path through which the coolant C flows along the control circuit 6 a while meandering.
  • the control circuit 6a is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a bipolar transistor, a MOSFET, or a GTO.
  • the inverter 6 is cooled by the inverter cooling unit 10b.
  • the inverter cooling unit 10b is disposed along the control circuit 6a in which the temperature tends to rise, it is advantageous for efficient cooling of the inverter 6.
  • the outlet of the inverter cooling unit 10 b is connected to an external circulation line via a fourth connection channel 76.
  • the coolant C supplied to the circulation line is cooled by a radiator or the like, and is again supplied to the liquid flow path 92 of the heat exchanger 9.
  • the inlet of the first connection channel 73 is an inlet 10 d provided downstream of the heat exchanger 9 and upstream of the stator 52. is there.
  • the outlet of the fourth connection channel 76 is an outlet 10 e provided downstream of the stator 52.
  • an inverter cooling unit 10b, and a fourth connection channel 76 are provided.
  • the flow path between the inlet 10d and the outlet 10e is a one-pass flow path 10f (see FIGS. 3 and 4) connected by one path.
  • the heat exchanger 9 is arranged upstream of the stator 52.
  • the inverter 6 is disposed downstream of the stator 52.
  • the first radial bearing 81 and the thrust bearing 83 are disposed between the heat exchanger 9 and the stator 52.
  • the electric supercharger 1 includes the compressor housing 32 accommodating the compressor impeller 31, the air cooling line 11 extracting a portion of the compressed air G in the compressor housing 32 from the compressor housing 32, and the compressed air
  • the refrigerant line 10 through which the coolant C, which has a temperature lower than G, passes, and the heat exchanger 9 that connects the air-cooling line 11 and the refrigerant line 10 in an exchangeable manner are provided.
  • the electric supercharger 1 is connected to the bleed port 33b provided on the discharge port 32b side in the flow direction with respect to the compressor impeller 31 in the compressor housing 32, and to the bleed port 33b. 31, an air cooling line 11 through which a portion of the compressed air G compressed by the air passes, a refrigerant line 10 at least a portion of which is provided in the motor housing 7 and through which a coolant C having a temperature lower than that of the compressed air G passes; 11 and a heat exchanger 9 disposed on the refrigerant line 10.
  • the electric supercharger 1 it is possible to cool the inside of the machine by utilizing the compressed air G passing through the air cooling line 11 and the coolant C passing through the refrigerant line 10.
  • efficient cooling can be realized, and further, it is advantageous for downsizing as compared with the mode in which all the coolant C is cooled.
  • the refrigerant line 10 includes the motor cooling unit 10a and the bearing cooling unit 10c, both the stator 52 and the first radial bearing 81 and the thrust bearing 83 can be cooled effectively.
  • the flow passage section Sa of the motor cooling portion 10a is long in the direction D1 along the rotation axis 4, the region facing the stator 52 is expanded around the stator 52, which is advantageous for efficient cooling of the stator 52. .
  • the flow passage section Sa of the motor cooling unit 10 a is short in the direction D 2 orthogonal to the rotation shaft 4, and the flow passage cross section Sb of the bearing cooling unit 10 c is short in the direction D 1 along the rotation shaft 4.
  • the size expansion in the direction D2 orthogonal to the rotation axis 4 can be easily suppressed around the stator 52, and the size expansion in the direction D1 along the rotation axis 4 can be suppressed around the first radial bearing 81 and the like. It becomes easy and is advantageous to compactification.
  • the refrigerant line 10 is provided on the downstream side of the heat exchanger 9 and on the upstream side of the stator 52, the outlet 10d provided on the downstream side of the stator 52, and the inlet 10d.
  • a one-pass flow path 10f is provided that connects 10d and the discharge port 10e by one path.
  • the coolant C heat-exchanged with the stator 52 and the like is connected to the downstream side without returning to the upstream side by connecting the inlet 10d of the coolant C and the outlet 10e with the one-pass flow path 10f, which is one path. Flow towards, favoring efficient cooling.
  • the heat exchanger 9 is disposed upstream of the stator 52 with reference to the flow direction of the coolant C, and the inverter 6 is disposed downstream of the stator 52.
  • the stator 52 is preferentially cooled, and cooling of the inverter 6 is also possible using the coolant C after heat exchange by the stator 52.
  • the present disclosure can be implemented in various forms including various modifications and improvements based on the knowledge of those skilled in the art, including the embodiments described above.
  • the heat exchanger may be separated from the motor housing.
  • the cooling gas line is connected to the bearing, and the aspect in which the bearing is mainly cooled by the cooling gas line has been described, but other members having a higher temperature than compressed air passing through the cooling gas line And the like may be cooled.
  • the present disclosure may be applied to an electric turbocharger that does not include a turbine.

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Abstract

コンプレッサ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、前記コンプレッサインペラを収容すると共に、吸入口と吐出口とを備えたコンプレッサハウジングと、前記コンプレッサハウジング内において、前記コンプレッサインペラよりも流れ方向の前記吐出口側に設けられた抽気口と、前記抽気口に接続され、前記コンプレッサインペラによって圧縮された圧縮気体の一部が通過する冷却気体ラインと、少なくとも一部が前記モータハウジングに設けられ、前記圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインと、前記冷却気体ライン及び前記冷却液ライン上に配置された熱交換器と、を備えた遠心圧縮機。

Description

遠心圧縮機
　本開示は、遠心圧縮機に関するものである。
　電動過給機などの遠心圧縮機を備えた装置（特許文献１、２参照）が知られている。この種の遠心圧縮機において、冷却油等を循環させることで、ハウジング内のモータ等を冷却する冷却構造が知られている。
特開２０１０－１９６４７８号公報 特開２０１２－６２７７８号公報
　しかしながら、従来の冷却構造の場合、冷却油等を循環させることによってモータ等を冷却する構成であるため、発熱するすべての部材を好適に冷却しようとすると、ハウジング内の構造が複雑になり、コンパクト化を阻害する要因になり易かった。
　本開示は、効率的な冷却とコンパクト化とを両立できる遠心圧縮機を提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る遠心圧縮機は、コンプレッサインペラの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、コンプレッサインペラを収容すると共に、吸入口と吐出口とを備えたコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内において、コンプレッサインペラよりも流れ方向の吐出口側に設けられた抽気口と、抽気口に接続され、コンプレッサインペラによって圧縮された圧縮気体の一部が通過する冷却気体ラインと、少なくとも一部がモータハウジングに設けられ、圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインと、冷却気体ライン及び冷却液ライン上に配置された熱交換器と、を備えている。
　本開示のいくつかの態様によれば、効率的な冷却とコンパクト化とを両立できる。
図１は、実施形態に係る電動過給機を模式的に示す説明図である。 図１は、実施形態に係る電動過給機の一例を示す断面図である。 図３は、電動過給機のインバータ側から冷媒ライン及び空冷ラインを見た斜視図である。 図４は、図３に対してインバータとは反対側から冷媒ライン及び空冷ラインを見た斜視図である。
　本開示の一態様に係る遠心圧縮機は、コンプレッサインペラの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、コンプレッサインペラを収容すると共に、吸入口と吐出口とを備えたコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内において、コンプレッサインペラよりも流れ方向の吐出口側に設けられた抽気口と、抽気口に接続され、コンプレッサインペラによって圧縮された圧縮気体の一部が通過する冷却気体ラインと、少なくとも一部がモータハウジングに設けられ、圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインと、冷却気体ライン及び冷却液ライン上に配置された熱交換器と、を備えている。
　この遠心圧縮機は、コンプレッサインペラにより圧縮された圧縮気体の一部が通過する冷却気体ラインと、圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインとを備えている。更に、冷却気体ライン及び冷却液ライン上には熱交換器が配置されており、冷却気体ラインを通過する圧縮気体は、冷却液ラインを通過する冷却液との熱交換によって冷却される。その結果、冷却気体ラインを通過する圧縮気体及び冷却液ラインを通過する冷却液を利用して機内の冷却が可能になる。特に、機内を冷却する冷媒として圧縮気体と冷却液とを併用することで、効率的な冷却を実現でき、更に、すべてを冷却液で冷却する態様に比べてコンパクト化に有利である。
　いくつかの態様において、冷却液ラインは、モータのステータに沿って配置されたモータ冷却部と、回転軸を支持する軸受に沿って配置された軸受冷却部と、を備え、モータ冷却部は、ステータの周りを周回する流路であり、軸受冷却部は、ステータの端部に沿って配置されると共に、軸受の周りに沿って配置された流路である遠心圧縮機とすることができる。モータ冷却部と軸受冷却部とを備えた冷却液ラインにすることで、ステータと軸受との両方を効果的に冷却できる。
　いくつかの態様において、モータ冷却部の流路断面は、回転軸に直交する方向よりも回転軸に沿った方向の方が長く、軸受冷却部の流路断面は、回転軸に直交する方向よりも回転軸に沿った方向の方が短い遠心圧縮機とすることができる。モータ冷却部の流路断面は、回転軸に沿った方向に長いので、ステータの周りではステータに対向する領域が広がり、ステータの効率的な冷却に有利である。また、モータ冷却部の流路断面は回転軸に直交する方向で短く、また、軸受冷却部の流路断面は回転軸に沿った方向で短い。その結果、ステータの周りでは回転軸に直交する方向への寸法拡大を抑え易くなり、軸受の周りでは、回転軸に沿った方向への寸法拡大を抑え易くなり、コンパクト化に有利となる。
　いくつかの態様において、冷却液ラインは、熱交換器よりも下流側で、且つステータよりも上流側に設けられた導入口と、ステータよりも下流側に設けられた排出口と、導入口と排出口とを１本の経路で結ぶワンパス流路とを備えている遠心圧縮機とすることができる。ワンパス流路とすることにより、ステータとの間で熱交換された冷却液は上流側に戻ることなく下流側に向かって流れ、効率的な冷却に有利になる。
　いくつかの態様において、モータの回転を制御するインバータを更に備え、冷却液ラインは、インバータに沿って配置されたインバータ冷却部を備え、熱交換器は、冷却液の流れ方向を基準にしてステータよりも上流側に配置されており、インバータは、ステータよりも下流側に配置されている遠心圧縮機とすることができる。優先的に、ステータを冷却すると共に、ステータで熱交換された後の冷却液を利用してインバータの冷却も可能になる。
　本開示の一態様に係る遠心圧縮機は、コンプレッサインペラを収容するコンプレッサハウジングと、コンプレッサハウジング内の圧縮気体の一部をコンプレッサハウジングから抽出する冷却気体ラインと、圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインと、冷却気体ライン及び冷却液ラインを熱交換可能に接続する熱交換器と、を備えている。
　この遠心圧縮機では、冷却気体ラインを通過する圧縮気体及び冷却液ラインを通過する冷却液を利用して機内の冷却を図ることが可能になる。特に、機内を冷却する冷媒として圧縮気体と冷却液とを併用することで、効率的な冷却を実現でき、更に、すべてを冷却液で冷却する態様に比べてコンパクト化に有利である。
　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。
　本実施形態に係る電動過給機（遠心圧縮機の一例）１について説明する。電動過給機１は、例えば、燃料電池システムに適用される。燃料電池システムの型式は特に限定されない。燃料電池システムは、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等であってもよい。
　図１及び図２に示されるように、電動過給機１は、タービン２と、コンプレッサ３と、タービン２およびコンプレッサ３が両端に設けられた回転軸４とを備えている。タービン２およびコンプレッサ３の間には、回転軸４に回転駆動力を与えるためのモータ５が設置されている。コンプレッサ３によって圧縮された圧縮空気（「圧縮気体」の一例）Ｇは、酸化剤（酸素）として上記の燃料電池システム（不図示）に供給される。燃料電池システム内では、燃料と酸化剤との化学反応によって、発電が行われる。燃料電池システムからは、水蒸気を含む空気が排出され、この空気は、タービン２に供給される。
　電動過給機１は、燃料電池システムから排出される高温の空気を用いて、タービン２のタービンインペラ２１を回転させる。タービンインペラ２１が回転することにより、コンプレッサ３のコンプレッサインペラ３１が回転し、圧縮空気Ｇが燃料電池システムに供給される。なお、電動過給機１では、コンプレッサ３の駆動力の大部分が、モータ５によって与えられてもよい。すなわち、電動過給機１は、ほぼモータ駆動の過給機であってもよい。
　燃料電池システムおよび電動過給機１は、たとえば車両（電気自動車）に搭載され得る。なお、電動過給機１のモータ５には、燃料電池システムで発電された電気が供給されてもよいが、燃料電池システム以外から電気が供給されてもよい。
　電動過給機１についてより詳細に説明する。電動過給機１は、タービン２、コンプレッサ３、回転軸４、モータ５、及びモータ５の回転駆動を制御するインバータ６を備える。
　タービン２は、タービンハウジング２２と、タービンハウジング２２に収納されたタービンインペラ２１と、を備える。コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング３２と、コンプレッサハウジング３２に収納されたコンプレッサインペラ３１と、を備える。タービンインペラ２１は、回転軸４の一端に設けられ、コンプレッサインペラ３１は、回転軸４の他端に設けられている。
　タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２との間には、モータハウジング７が設けられている。回転軸４は、空気軸受構造（「気体軸受構造」の一例）８を介して、モータハウジング７に回転可能に支持されている。
　タービンハウジング２２には、排ガス流入口（不図示）及び排ガス流出口２２ａが設けられている。燃料電池システムから排出された水蒸気を含む空気は、排ガス流入口を通じてタービンハウジング２２内に流入する。流入した空気は、タービンスクロール流路２２ｂを通過して、タービンインペラ２１の入口側に供給される。タービンインペラ２１は、例えばラジアルタービンであり、供給された空気の圧力を利用して、回転力を発生させる。その後、空気は、排ガス流出口２２ａを通じてタービンハウジング２２外に流出する。
　コンプレッサハウジング３２には、吸入口３２ａ及び吐出口３２ｂ（図３参照）が設けられている。上記のようにタービンインペラ２１が回転すると、回転軸４及びコンプレッサインペラ３１が回転する。回転するコンプレッサインペラ３１は、吸入口３２ａを通じて外部の空気を吸入し、圧縮する。コンプレッサインペラ３１によって圧縮された圧縮空気Ｇは、コンプレッサスクロール流路３２ｃを通過して吐出口３２ｂから排出される。吐出口３２ｂから吐出された圧縮空気Ｇは、燃料電池システムに供給される。
　モータ５は、例えばブラシレスの交流モータであり、回転子であるロータ５１と、固定子であるステータ５２とを備える。ロータ５１は、１つないし複数のマグネットを含む。ロータ５１は、回転軸４に固定され、回転軸４と共に軸周りに回転可能となっている。ロータ５１は、回転軸４の軸線方向における中央部に配置されている。ステータ５２は、複数のコイル及び鉄心を備える。ステータ５２は、ロータ５１を回転軸４の周方向に囲むように配置されている。ステータ５２は、回転軸４の周りに磁場を生じさせて、ロータ５１との協働により、回転軸４を回転させる。
　次に、機内で発生する熱を冷却する冷却構造について説明する。冷却構造は、モータハウジング７に取り付けられた熱交換器９と、熱交換器９を通過する流路を含む冷媒ライン（「冷却液ライン」の一例）１０及び空冷ライン（「冷却気体ライン」の一例）１１とを備えている。冷媒ライン１０と空冷ライン１１とは、熱交換器９内で熱交換可能に接続されている。空冷ライン１１には、コンプレッサ３で圧縮された圧縮空気Ｇの一部が通過する。冷媒ライン１０には、少なくとも、空冷ライン１１を通過する圧縮空気Ｇよりも温度が低いクーラントＣ（「冷却液」の一例）が通過する。
　空冷ライン１１は、コンプレッサ３で圧縮された圧縮空気Ｇの一部を抽出して移送するラインである。電動過給機１では、コンプレッサ３側の圧力が、タービン２側の圧力よりも高くなるように構成されている。空冷ライン１１は、この圧力差を効果的に利用して空気軸受構造８を冷却する構造である。つまり、空冷ライン１１は、コンプレッサ３で圧縮された圧縮空気Ｇの一部を抽出し、その圧縮空気Ｇを空気軸受構造８まで誘導し、空気軸受構造８を通過した圧縮空気Ｇをタービン２に送るラインである。なお、圧縮空気Ｇの温度は、１５０℃以上、２５０℃以下であり、熱交換器９により、７０℃以上、１１０℃程度以下まで下がり、望ましくは、７０℃～８０℃程度まで下がる。一方、空気軸受構造８の温度は、１５０℃以上になるため、圧縮空気Ｇを供給することによって公的に冷却できる。以下、空冷ライン１１について詳しく説明する。
　モータハウジング７は、ロータ５１を囲むステータ５２を収容するステータハウジング７１と、空気軸受構造８が設けられた軸受ハウジング７２とを備えている。ステータハウジング７１及び軸受ハウジング７２には、回転軸４が貫通する軸空間Ａが形成されている。軸空間Ａの両端部には、軸空間Ａ内を気密に保持するためのラビリンス構造３３ａ，２３ａが設けられている。
　軸受ハウジング７２には、コンプレッサハウジング３２が固定されている。コンプレッサハウジング３２は、コンプレッサインペラ３１を収容するインペラ室３４と、インペラ室３４と協働してディフューザ流路３２ｄを形成するディフューザプレート３３とを備えている。インペラ室３４は、空気を取り込む吸入口３２ａと、コンプレッサインペラ３１によって圧縮された圧縮空気Ｇを吐出する吐出口３２ｂ（図３参照）と、圧縮空気Ｇの流れ方向において、ディフューザ流路３２ｄの下流側に設けられたコンプレッサスクロール流路３２ｃとを備えている。
　ディフューザプレート３３にはラビリンス構造３３ａが設けられている。また、ディフューザプレート３３には、圧縮空気Ｇの一部が通過する抽気口３３ｂが形成されている。抽気口３３ｂは、コンプレッサハウジング３２内において、コンプレッサインペラ３１よりも流れ方向の吐出口３２ｂ側、つまり下流側に設けられており、空冷ライン１１の入口である。抽気口３３ｂは、軸受ハウジング７２に設けられた第１の連絡流路１２に接続されている。第１の連絡流路１２は熱交換器９に接続されている。熱交換器９は、モータハウジング７の外周面に取り付けられている。
　熱交換器９には、圧縮空気Ｇが通過する空気流路１３（図１参照）とクーラントＣが通過する液体流路９２とが設けられている。空気流路１３と液体流路９２とは熱交換可能に接続されている。空気流路１３は、空冷ライン１１の一部であり、液体流路９２は、冷媒ライン１０の一部である。つまり、熱交換器９は、空冷ライン１１及び冷媒ライン１０上に配置されている。
　空気流路１３の出口は、第２の連絡流路１４に接続されている。第２の連絡流路１４は、モータハウジング７に設けられている。第２の連絡流路１４は、軸空間Ａに配置された空気軸受構造８に接続されている。ここで、本実施形態に係る空気軸受構造８について説明する。
　空気軸受構造８は、一対のラジアル軸受８１，８２と、スラスト軸受８３とを備えている。
　一対のラジアル軸受８１，８２は、回転軸４の回転を許容しつつ、回転軸４に直交する方向Ｄ２への移動を規制する。一対のラジアル軸受８１，８２は、動圧型の空気軸受であり、回転軸４の中央部に設けられたロータ５１を挟むようにして配置されている。
　一対のラジアル軸受８１，８２のうち、一方は、ロータ５１とコンプレッサインペラ３１との間に配置された第１のラジアル軸受８１であり、他方は、ロータ５１とタービンインペラ２１との間に配置された第２のラジアル軸受８２である。
　第１のラジアル軸受８１と第２のラジアル軸受８２とは、実質的に同一の構造を備えているので、第１のラジアル軸受８１を代表して説明する。第１のラジアル軸受８１は、回転軸４の回転に伴い、周辺の空気を回転軸４と第１のラジアル軸受８１との間へ誘い込み（楔効果）、圧力を上昇させて負荷能力を得る構造である。第１のラジアル軸受８１は、楔効果で得た負荷能力によって回転軸４を回転自在に支持する。
　本実施形態では、上記の楔効果によって第１のラジアル軸受８１と回転軸４との間に空気層の隙間が形成され、この隙間を圧縮空気Ｇが通過する。この隙間は、空冷ライン１１の一部になる。なお、第２のラジアル軸受８２も同様であり、楔効果によって第２のラジアル軸受８２と回転軸４との間に空気層の隙間が形成され、この隙間を圧縮空気Ｇが通過する。この隙間は、空冷ライン１１の一部になる。
　スラスト軸受８３は、回転軸４の回転を許容しつつ、回転軸４の軸線方向への移動を規制する。スラスト軸受８３は、動圧型の空気軸受であり、第１のラジアル軸受８１とコンプレッサインペラ３１との間に配置されている。
　スラスト軸受８３は、回転軸４の回転に伴い、周辺の空気を回転軸４とスラスト軸受８３との間へ誘い込み（楔効果）、圧力を上昇させて負荷能力を得る構造である。スラスト軸受８３は、楔効果で得た負荷能力によって回転軸４を回転自在に支持する。
　スラスト軸受８３は、例えば、回転軸４に固定されたスラストカラー８３ａと、軸受ハウジング７２に固定された環状の軸受本体８３ｃと、を備えている。スラストカラー８３ａは、ディスク状のカラーパッド８３ｂを備えている。軸受本体８３ｃは、カラーパッド８３ｂの両面それぞれに対向して設けられた一対の軸受パッド８３ｄを備えている。
　カラーパッド８３ｂと軸受パッド８３ｄとは、協働して楔効果を生じさせる。この楔効果によってカラーパッド８３ｂと軸受パッド８３ｄとの間には、空気層の隙間が形成される。カラーパッド８３ｂと軸受パッド８３ｄとの間の隙間は、圧縮空気Ｇが通過する空冷ライン１１の一部になる。
　第２の連絡流路１４（図１参照）は、回転軸４が挿通された軸空間Ａに接続されている。軸空間Ａ内に供給された圧縮空気Ｇは回転軸４に沿って二方向に分岐し、一方は第１のラジアル軸受８１に到達し、他方は第２のラジアル軸受８２に到達する。つまり、空冷ライン１１は、軸空間Ａ内で二方向に分岐し、一方である第1の分岐流路Ｒ１は第１のラジアル軸受８１に接続され、他方である第２の分岐流路Ｒ２は第２のラジアル軸受８２に接続されている。
　第１の分岐流路Ｒ１上には、第１のラジアル軸受８１とスラスト軸受８３とが配置されている。第２の分岐流路Ｒ２上には、第２のラジアル軸受８２が配置されている。第１の分岐流路Ｒ１を通過する圧縮空気Ｇは、主として第１のラジアル軸受８１とスラスト軸受８３とを冷却する。第２の分岐流路Ｒ２を通過する圧縮空気Ｇは、主として第２のラジアル軸受８２を冷却する。
　第1の分岐流路Ｒ１は、第３の連絡流路１５に接続されている。第３の連絡流路１５は、タービンハウジング２２内に形成された第５の連絡流路１７を介してタービンハウジング２２の排ガス流出口２２ａに接続されている。また、第２の分岐流路Ｒ２は、第４の連絡流路１６に接続されている。第４の連絡流路１６は、タービンハウジング２２内に形成された第６の連絡流路１８を介してタービンハウジング２２の排ガス流出口２２ａに接続されている。
　冷媒ライン１０（図２参照）は、電動過給機１外に設けられたラジエターに接続された循環ラインの一部である。冷媒ライン１０を通過するクーラントＣの温度は、５０℃以上、１００℃以下である。冷媒ライン１０は、基本的にモータハウジング７に設けられた流路用の溝等によって形成されており、液密な閉鎖流路を構成するため、適宜にシール材等が設けられている。冷媒ライン１０は、ステータ５２に沿って配置されたモータ冷却部１０ａと、インバータ６に沿って配置されたインバータ冷却部１０ｂと、空気軸受構造８の一部である第１のラジアル軸受８１及びスラスト軸受８３に沿って配置された軸受冷却部１０ｃと、を備えている。なお、冷媒ライン１０は、すべてをモータハウジング７に設けても良いし、適宜に別の配管等を利用して形成しても良い。
　熱交換器９を通過する液体流路９２の出口は、第１の接続流路７３を介して軸受冷却部１０ｃに接続されている。軸受冷却部１０ｃは、ステータ５２の端部５２ａに沿って配置された流路である。ステータ５２の端部５２ａとは、鉄心に巻回されたコイルの回転軸４方向の端部を意味する。軸受冷却部１０ｃをステータ５２の端部５２ａに沿って配置することで、ステータ５２の端部５２ａを効果的に冷却できる。「軸受冷却部をステータの端部に沿って配置する」とは、軸受冷却部１０ｃがステータ５２の端部５２ａとの間で熱交換可能に配置された態様を広く含み、例えば、ステータ５２の端部５２ａとなる領域を回転軸４の軸線方向に平行移動させたと仮定し、その移動軌跡上に軸受冷却部１０ｃの少なくとも一部分が配置されていると好ましい。
　また、軸受冷却部１０ｃの流路断面Ｓｂは、略矩形であり、回転軸４に直交する方向Ｄ２よりも回転軸４に沿った方向Ｄ１の方が短い。その結果、軸受冷却部１０ｃを形成することによって生じる寸法拡大、具体的には、回転軸４に沿った方向Ｄ１への寸法拡大を抑え易くなり、モータハウジング７のコンパクト化に有利となる。なお、軸受冷却部１０ｃの流路断面Ｓｂとは、クーラントＣの流れ方向に直交する断面を意味する。
　また、軸受冷却部１０ｃは、第１のラジアル軸受８１の周りに沿って配置された流路である。具体的には、軸受冷却部１０ｃは、第１のラジアル軸受８１の少なくとも一部を取り囲むように、第１のラジアル軸受８１の周りを周回する流路である。また、軸受冷却部１０ｃは、スラスト軸受８３のスラストカラー８３ａに沿って配置されており、特に、ステータ５２の端部５２ａとスラスト軸受８３との間に配置されている。軸受冷却部１０ｃは、第１のラジアル軸受８１の周りを周回することで、第１のラジアル軸受８１を効率よく冷却する。また、軸受冷却部１０ｃは、スラスト軸受８３に沿って配置されることで、スラスト軸受８３の冷却にも効果的である。
　また、「第１のラジアル軸受の周りを周回する」とは、一周のみに限定されず、複数回、第１のラジアル軸受８１の周りを周回する流路であってもよい。また、一周未満であってもよく、例えば、少なくとも半周以上する場合には、第１のラジアル軸受８１の周りを周回する態様に含めて考えることができる。なお、本実施形態では、「軸受冷却部が軸受の周りに沿って配置された態様」として、軸受冷却部１０ｃが第１のラジアル軸受８１の周りに沿って配置された態様を例示している。しかし、「軸受冷却部が軸受の周りに沿って配置された態様」としては、例えば、他の軸受であるスラスト軸受８３や第２のラジアル軸受８２等の周りに沿って配置された態様であってもよい。
　軸受冷却部１０ｃは、第２の接続流路７４を介してモータ冷却部１０ａに接続されている。モータ冷却部１０ａは、ステータ５２の周りを周回する流路である。具体的には、モータ冷却部１０ａは、コンプレッサ３側からタービン２側にかけて、ステータ５２の周りを取り囲むように周回する流路である。なお、本実施形態では、ステータ５２の周りを三周するモータ冷却部１０ａを例示するが、一周または複数回、ステータ５２の周りを周回する態様であってもよい。また、また、一周未満であってもよく、例えば、少なくとも半周以上する場合には、ステータ５２の周りを周回する態様に含めて考えることができる。
　モータ冷却部１０ａの流路断面Ｓａは、略矩形であり、回転軸４に沿った方向Ｄ１は回転軸４に直交する方向Ｄ２よりも長い。回転軸４に沿った方向Ｄ１とは、実質的にステータ５２の周面に沿った方向である。つまり、モータ冷却部１０ａは、ステータ５２の周りにおいて、ステータ５２に対向する領域が広がっており、ステータ５２の効率的な冷却に有利である。
　逆に、モータ冷却部１０ａの流路断面Ｓａは、回転軸４に沿った方向Ｄ１よりも回転軸４に直交する方向Ｄ２の方が短い。その結果、モータ冷却部１０ａを形成することによって生じる寸法拡大、具体的には、回転軸４に直交する方向Ｄ２への寸法拡大を抑え易くなり、モータハウジング７のコンパクト化に有利となる。なお、モータ冷却部１０ａの流路断面Ｓａとは、クーラントＣの流れ方向に直交する断面を意味する。
　モータ冷却部１０ａの出口は、第３の接続流路７５を介してインバータ冷却部１０ｂに接続されている。インバータ冷却部１０ｂは、インバータ６の制御回路６ａに沿って配置されており、クーラントＣが制御回路６ａに沿って蛇行しながら流れる流路である。制御回路６ａとは、例えば、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはGTOなどである。インバータ６は、インバータ冷却部１０ｂによって冷却される。特に、インバータ冷却部１０ｂは、温度が上昇し易い制御回路６ａに沿って配置されているので、インバータ６の効率的な冷却に有利である。
　インバータ冷却部１０ｂの出口は、第４の接続流路７６を介して、外部の循環ラインに接続されている。循環ラインに供給されたクーラントＣは、ラジエター等で冷却され、再び、熱交換器９の液体流路９２に供給される。
　図１、図３及び図４に示されるように、第１の接続流路７３の入口は、熱交換器９よりも下流側で、且つステータ５２よりも上流側に設けられた導入口１０ｄである。また、第４の接続流路７６の出口は、ステータ５２よりも下流側に設けられた排出口１０ｅである。導入口１０ｄと排出口１０ｅとの間には、上流側から順番に第１の接続流路７３、軸受冷却部１０ｃ、第２の接続流路７４、モータ冷却部１０ａ、第３の接続流路７５、インバータ冷却部１０ｂ、第４の接続流路７６が設けられている。導入口１０ｄと排出口１０ｅとの間の流路は、１本の経路で結ばれているワンパス流路１０ｆ（図３及び図４参照）である。
　また、冷媒ライン１０を通過するクーラントＣの流れ方向を基準にして熱交換器９、ステータ５２及びインバータ６等の配置を整理すると、熱交換器９はステータ５２よりも上流側に配置されており、インバータ６は、ステータ５２よりも下流側に配置されている。また、第１のラジアル軸受８１及びスラスト軸受８３は、熱交換器９とステータ５２との間に配置されている。
　以上、本実施形態に係る電動過給機１は、コンプレッサインペラ３１を収容するコンプレッサハウジング３２と、コンプレッサハウジング３２内の圧縮空気Ｇの一部をコンプレッサハウジング３２から抽出する空冷ライン１１と、圧縮空気Ｇよりも温度の低いクーラントＣが通過する冷媒ライン１０と、空冷ライン１１及び冷媒ライン１０を熱交換可能に接続する熱交換器９と、を備えている。
　より具体的に説明すると、電動過給機１は、コンプレッサハウジング３２内において、コンプレッサインペラ３１よりも流れ方向の吐出口３２ｂ側に設けられた抽気口３３ｂと、抽気口３３ｂに接続され、コンプレッサインペラ３１によって圧縮された圧縮空気Ｇの一部が通過する空冷ライン１１と、少なくとも一部がモータハウジング７に設けられ、圧縮空気Ｇよりも温度の低いクーラントＣが通過する冷媒ライン１０と、空冷ライン１１及び冷媒ライン１０上に配置された熱交換器９と、を備えている。
　この電動過給機１によれば、空冷ライン１１を通過する圧縮空気Ｇ及び冷媒ライン１０を通過するクーラントＣを利用して機内の冷却を図ることが可能になる。特に、機内を冷却する冷媒として圧縮空気ＧとクーラントＣとを併用することで、効率的な冷却を実現でき、更に、すべてをクーラントＣで冷却する態様に比べてコンパクト化に有利である。
　また、冷媒ライン１０は、モータ冷却部１０ａと軸受冷却部１０ｃとを備えているので、ステータ５２と第１のラジアル軸受８１及びスラスト軸受８３との両方を効果的に冷却できる。
　また、モータ冷却部１０ａの流路断面Ｓａは、回転軸４に沿った方向Ｄ１に長いので、ステータ５２の周りではステータ５２に対向する領域が広がり、ステータ５２の効率的な冷却に有利である。また、モータ冷却部１０ａの流路断面Ｓａは回転軸４に直交する方向Ｄ２で短く、また、軸受冷却部１０ｃの流路断面Ｓｂは回転軸４に沿った方向Ｄ１で短い。その結果、ステータ５２の周りでは回転軸４に直交する方向Ｄ２への寸法拡大を抑え易くなり、第１のラジアル軸受８１等の周りでは、回転軸４に沿った方向Ｄ１への寸法拡大を抑え易くなり、コンパクト化に有利となる。
　また、冷媒ライン１０は、熱交換器９よりも下流側で、且つステータ５２よりも上流側に設けられた導入口１０ｄと、ステータ５２よりも下流側に設けられた排出口１０ｅと、導入口１０ｄと排出口１０ｅとを１本の経路で結ぶワンパス流路１０ｆとを備えている。クーラントＣの導入口１０ｄと排出口１０ｅとを１本の経路であるワンパス流路１０ｆで結ぶことにより、ステータ５２等との間で熱交換されたクーラントＣは上流側に戻ることなく下流側に向かって流れ、効率的な冷却に有利になる。
　また、熱交換器９は、クーラントＣの流れ方向を基準にしてステータ５２よりも上流側に配置されており、インバータ６は、ステータ５２よりも下流側に配置されている。その結果、優先的に、ステータ５２を冷却すると共に、ステータ５２で熱交換された後のクーラントＣを利用してインバータ６の冷却も可能になる。
　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。例えば、上記の実施形態では、モータハウジングに熱交換器を設置した態様にて説明したが、熱交換器をモータハウジングから離間させた態様であってもよい。また、上記の実施形態では、冷却気体ラインが軸受に接続され、冷却気体ラインによって軸受を主体的に冷却する態様を説明したが、冷却気体ラインを通過する圧縮空気よりも温度の高い他の部材等を冷却する態様であっても良い。
　また、本開示は、タービンを備えていない電動過給機に適用されてもよい。
１　電動過給機（遠心圧縮機）
４　回転軸
５　モータ
６　インバータ
７　モータハウジング
９　熱交換器
１０　冷媒ライン（冷却液ライン）
１０ａ　モータ冷却部
１０ｂ　インバータ冷却部
１０ｃ　軸受冷却部
１０ｄ　導入口
１０ｅ　排出口
１０ｆ　ワンパス流路
１１　空冷ライン（冷却気体ライン）
３１　コンプレッサインペラ
３２　コンプレッサハウジング
３２ａ　吸入口
３２ｂ　吐出口
３３ｂ　抽気口
５２　ステータ
５２ａ　端部
８１　第１のラジアル軸受（軸受）
８３　スラスト軸受（軸受）
Ｄ１　回転軸に沿った方向
Ｄ２　回転軸に直交する方向
Ｓａ　モータ冷却部の流路断面
Ｓｂ　軸受冷却部の流路断面
Ｇ　圧縮空気（圧縮気体）
Ｃ　クーラント（冷媒）

Claims (10)

  1. 　コンプレッサ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、
    　前記コンプレッサインペラを収容すると共に、吸入口と吐出口とを備えたコンプレッサハウジングと、
    　前記コンプレッサハウジング内において、前記コンプレッサインペラよりも流れ方向の前記吐出口側に設けられた抽気口と、
    　前記抽気口に接続され、前記コンプレッサインペラによって圧縮された圧縮気体の一部が通過する冷却気体ラインと、
    　少なくとも一部が前記モータハウジングに設けられ、前記圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインと、
    　前記冷却気体ライン及び前記冷却液ライン上に配置された熱交換器と、を備えた遠心圧縮機。
  2. 　前記冷却液ラインは、前記モータのステータに沿って配置されたモータ冷却部と、前記回転軸を支持する軸受に沿って配置された軸受冷却部と、を備え、
    　前記モータ冷却部は、前記ステータの周りを周回する流路であり、
    　前記軸受冷却部は、前記ステータの端部に沿って配置されると共に、前記軸受の周りに沿って配置された流路である、請求項１記載の遠心圧縮機。
  3. 　前記モータ冷却部の流路断面は、前記回転軸に直交する方向よりも前記回転軸に沿った方向の方が長く、
    　前記軸受冷却部の流路断面は、前記回転軸に直交する方向よりも前記回転軸に沿った方向の方が短い、請求項２記載の遠心圧縮機。
  4. 　前記冷却液ラインは、前記熱交換器よりも下流側で、且つ前記ステータよりも上流側に設けられた導入口と、前記ステータよりも下流側に設けられた排出口と、前記導入口と前記排出口とを１本の経路で結ぶワンパス流路とを備えている、請求項２記載の遠心圧縮機。
  5. 　前記冷却液ラインは、前記熱交換器よりも下流側で、且つ前記ステータよりも上流側に設けられた導入口と、前記ステータよりも下流側に設けられた排出口と、前記導入口と前記排出口とを１本の経路で結ぶワンパス流路とを備えている、請求項３記載の遠心圧縮機。
  6. 　前記モータの回転を制御するインバータを更に備え、
    　前記冷却液ラインは、前記インバータに沿って配置されたインバータ冷却部を備え、
    　前記熱交換器は、前記冷却液の流れ方向を基準にして前記ステータよりも上流側に配置されており、前記インバータは、前記ステータよりも下流側に配置されている、請求項２記載の遠心圧縮機。
  7. 　前記モータの回転を制御するインバータを更に備え、
    　前記冷却液ラインは、前記インバータに沿って配置されたインバータ冷却部を備え、
    　前記熱交換器は、前記冷却液の流れ方向を基準にして前記ステータよりも上流側に配置されており、前記インバータは、前記ステータよりも下流側に配置されている、請求項３記載の遠心圧縮機。
  8. 　前記モータの回転を制御するインバータを更に備え、
    　前記冷却液ラインは、前記インバータに沿って配置されたインバータ冷却部を備え、
    　前記熱交換器は、前記冷却液の流れ方向を基準にして前記ステータよりも上流側に配置されており、前記インバータは、前記ステータよりも下流側に配置されている、請求項４記載の遠心圧縮機。
  9. 　前記モータの回転を制御するインバータを更に備え、
    　前記冷却液ラインは、前記インバータに沿って配置されたインバータ冷却部を備え、
    　前記熱交換器は、前記冷却液の流れ方向を基準にして前記ステータよりも上流側に配置されており、前記インバータは、前記ステータよりも下流側に配置されている、請求項５記載の遠心圧縮機。
  10. 　コンプレッサインペラを収容するコンプレッサハウジングと、
    　前記コンプレッサハウジング内の圧縮気体の一部を前記コンプレッサハウジングから抽出する冷却気体ラインと、
    　前記圧縮気体よりも温度の低い冷却液が通過する冷却液ラインと、
    　前記冷却気体ライン及び前記冷却液ラインを熱交換可能に接続する熱交換器と、を備えた遠心圧縮機。
     
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