WO2022050174A1 - 回転機械 - Google Patents

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WO2022050174A1
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suction port
inverter
impeller
electric motor
heat
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隼 中山
裕司 佐々木
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株式会社Ihi
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/467—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing gases, e.g. air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D17/08—Centrifugal pumps
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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
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    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/10—Kind or type
    • F05B2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers

Definitions

  • This disclosure relates to rotary machines.
  • Patent Document 1 discloses a centrifugal compressor in which a turbine impeller is rotated by exhaust gas from an engine, and a compressor impeller provided coaxially with the turbine is rotated via a rotation shaft to supply compressed air to the engine.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose a rotating machine in which a compressor impeller is rotated by driving an electric motor.
  • Patent Document 4 discloses a compressor in which a compression mechanism compresses a refrigerant by driving an electric motor.
  • Patent Document 5 discloses a centrifugal compressor in which a compressor impeller is rotated by driving an electric motor.
  • Patent Document 6 discloses an electric motor that rotates a shaft.
  • Patent Document 7 discloses an electric blower.
  • Patent Document 8 discloses an AC electric motor integrated with an inverter.
  • Patent Documents 2 and 3 disclose an inverter that drives and controls an electric motor that rotates a compressor impeller. Since the inverter is heated when driving and controlling the electric motor, it needs to be appropriately cooled.
  • the inverter is installed in, for example, a housing that houses an electric motor.
  • the housing is provided with passages and pipes through which a refrigerant for cooling an electric motor or an inverter passes.
  • a refrigerant for cooling an electric motor or an inverter passes.
  • the structure of the passages and pipes through which the refrigerant passes tends to be complicated, and there are structural restrictions for forming the passages and pipes, so effective use of space can be achieved. It was difficult to plan.
  • This disclosure describes a rotating machine that enables effective use of space while cooling the inverter.
  • One aspect of the present disclosure is an electric motor, an impeller that is rotated by driving the electric motor and sucks and compresses gas, a housing that houses the impeller and has a gas suction port, and a housing provided in the housing.
  • one aspect of the present disclosure is an electric motor, an impeller that is rotated by driving the electric motor and sucks and compresses gas, an impeller casing that houses the impeller, and a gas suction port that is connected to the impeller casing.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory view showing a rotary machine according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the compressor.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 4A and 4B are schematic cross-sectional views showing a flow of air passing through a suction port,
  • FIG. 4A is a form having heat dissipation fins, and
  • FIG. 4B is a comparison without heat dissipation fins. It is a form.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the flow rate and the pressure ratio.
  • FIG. 6 is an enlarged perspective view showing a compressor unit according to another embodiment.
  • An example of the present disclosure is an electric motor, an impeller that is rotated by driving the electric motor and sucks and compresses gas, a housing that houses the impeller and has a gas suction port, and a heat sink provided in the housing. It is equipped with heat dissipation fins provided on the heat sink and arranged so that heat can be exchanged between the gas passing through the suction port, and an inverter connected to the heat sink while controlling the drive of the electric motor. It is a rotating machine.
  • An example of the present disclosure includes an inverter that is thermally connected to the heat dissipation fins via a heat sink.
  • the heat radiation fins are arranged so that heat can be exchanged with the gas passing through the suction port. That is, the inverter can be cooled by using the gas sucked from the suction port by the rotation of the impeller. As a result, the inverter can be cooled even if the cooling flow path for the inverter is reduced. Further, depending on the flow rate of the gas passing through the suction port, it is possible to omit the cooling flow path for the inverter. That is, the space for forming the cooling flow path for the inverter can be reduced, and the space can be effectively used.
  • the inverter is annular and may be arranged so as to surround the suction port. Since the annular inverter surrounds the suction port, the cooling effect is less likely to be biased in the circumferential direction of the inverter, and the inverter can be cooled uniformly in the circumferential direction of the inverter.
  • the radiating fins may be projected from the inner peripheral surface of the suction port and arranged on the gas flow path. Since the heat radiation fins protrude from the inner peripheral surface of the suction port, they are in direct contact with the gas passing through the suction port to take heat away. As a result, the cooling efficiency of the inverter can be improved.
  • the radiating fins may extend in the direction along the axis of rotation of the impeller.
  • the gas passing through the suction port tends to be turbulent in the vicinity of the inner peripheral surface of the suction port.
  • this rotating machine since the flow is adjusted in the direction of the rotation axis of the impeller by the heat radiation fins, rectification can be easily obtained and the surge margin can be improved.
  • the radiating fins may be longer in the direction along the axis of rotation than in height protruding from the inner peripheral surface. As a result, it is possible to reduce the pressure loss of the gas passing through the suction port and improve the cooling efficiency of the inverter.
  • the heat sink may include a pipeline portion forming a suction port and a flange portion protruding outward from the pipeline portion.
  • the inverter has an annular shape and may be in contact with the flange portion and connected to the heat sink. Since the inverter is arranged so as to surround the suction port via the flange portion, the inverter is uniformly cooled in the circumferential direction without bias.
  • the heat sink comprises a conduit that forms a suction port
  • the inverter abuts on the outer peripheral surface of the conduit and is connected to the heat sink
  • the radiating fins are the inner circumference of the conduit. It may protrude from the surface.
  • the radiating fins may be arranged at equal intervals in the circumferential direction around the rotation axis of the impeller.
  • the heat sink comprises an inner tube portion forming a suction port and an outer tube portion provided on the outside of the inner tube portion, and a heat dissipation fin is provided between the inner tube portion and the outer tube portion. It may be arranged in and connected to the inner pipe portion so as to be heat exchangeable.
  • An example of the present disclosure is an electric motor, an impeller that is rotated by driving the electric motor and sucks and compresses gas, an impeller casing that houses the impeller, and a tube that is connected to the impeller casing to form a gas suction port. It is equipped with an inverter that is in contact with the road portion and the pipeline portion and controls the drive of the electric motor, and heat radiation fins that are projected from the inner peripheral surface of the pipeline portion and are arranged on the gas flow path. It is a rotating machine.
  • FIG. 1 shows an example of the rotary machine 1 in the present disclosure. Specifically, it is an electrically assisted turbocharger.
  • the rotary machine 1 of the present disclosure takes in air A (an example of gas) by the turbine 2 that rotates by receiving the flow of exhaust gas, the rotary shaft 3 that transmits the rotational force of the turbine 2, and the rotational force of the turbine 2. It is provided with a compressor 4 for compressing. Further, the rotary machine 1 arranges an electric motor 5 between the turbine 2 and the compressor 4. The drive of the electric motor 5 is controlled by the inverter 6.
  • the electric motor 5 is housed in the motor housing 50.
  • the turbine housing 21 is fixed to one end of the motor housing 50, that is, to one side surface in the direction along the rotation shaft 3.
  • a turbine impeller 22 that transmits a rotational force to a rotary shaft 3 is arranged in the turbine housing 21.
  • the compressor housing 41 is fixed to the other end of the motor housing 50, that is, the other side surface in the direction along the rotation axis 3.
  • a compressor impeller 42 that rotates by the rotational force of the rotating shaft 3 is arranged in the compressor housing 41.
  • the electric motor 5 includes a rotor 51 fixed to the rotating shaft 3 and a stator 52 arranged so as to surround the rotor 51.
  • the stator 52 includes a core fixed to the motor housing 50 and a coil 52a wound around the core.
  • the coil 52a is connected to the inverter 6 so as to be energized.
  • the rotation speed of the electric motor 5 is controlled by controlling the frequency of electric power by the inverter 6.
  • the motor housing 50 is provided with a first bearing 53 and a second bearing 54 that rotatably support the rotary shaft 3.
  • the first bearing 53 is arranged between the electric motor 5 and the compressor housing 41.
  • the second bearing 54 is arranged between the electric motor 5 and the turbine housing 21.
  • the motor housing 50 is formed with a cooling flow path 55 for cooling the electric motor 5.
  • the cooling flow path 55 is provided so as to orbit around the stator 52.
  • the refrigerant cooled by the heat exchanger 7 is introduced into the cooling flow path 55.
  • a liquid such as water can be used as the refrigerant.
  • the compressor housing 41 houses a compressor impeller 42 that is rotated by the action of the turbine 2 and the drive of the electric motor 5.
  • the compressor impeller 42 sucks in air A and compresses it by rotating.
  • the compressor housing 41 includes an impeller casing 8 that houses the compressor impeller 42, and a tubular heat sink 9 that forms a suction port 10.
  • the impeller casing 8 is provided with a diffuser 81 for boosting.
  • the diffuser 81 is provided around the compressor impeller 42.
  • the impeller casing 8 is formed with a scroll 82 and a discharge port 83 communicating with the diffuser 81.
  • the discharge port 83 communicates with the scroll 82.
  • the compressed air Ax (compressed gas) that has passed through the scroll 82 is discharged from the discharge port 83.
  • the impeller casing 8 includes an end portion (inlet portion) connected to the heat sink 9.
  • the impeller casing 8 includes a flange-shaped connecting portion 84 that projects outward at its end.
  • the inner diameter of the internal flow path 85 of the impeller casing 8 is tapered toward the inlet portion.
  • the heat sink 9 includes a pipeline portion 91 that is connected to the impeller casing 8 to form a suction port 10 for air A, and a flange portion 92 that projects outward from the pipeline portion 91.
  • the heat sink 9 is fixed by abutting the flange portion 92 against the connecting portion 84 of the impeller casing 8.
  • the connection mode between the impeller casing 8 and the heat sink 9 may be another form, and the impeller casing 8 and the heat sink 9 may be integrally molded or integrated by welding or the like. ..
  • the inner peripheral surface 91a of the pipeline portion 91 corresponds to the inner peripheral surface of the suction port 10.
  • the pipeline portion 91 is provided with a plurality of heat radiation fins 11 protruding from the inner peripheral surface 91a toward the center (rotational axis Lx). That is, the heat radiation fins 11 are arranged on the flow path C through which the air A passes. As a result, the heat radiation fins 11 are arranged so as to be heat exchangeable with the air A passing through the suction port 10.
  • the plurality of heat radiation fins 11 in the present disclosure are arranged at equal intervals in the circumferential direction Cd (see FIG. 3) around the rotation axis Lx.
  • the heat radiation fin 11 has a rectangular plate shape and extends in a direction along the rotation axis Lx.
  • the heat radiation fin 11 has a longer length L in the direction along the rotation axis Lx than a height H protruding from the inner peripheral surface 91a of the pipeline portion 91.
  • the inverter 6 is fixed (connected) to the flange portion 92 of the heat sink 9. That is, the inverter 6 is thermally connected to the heat sink 9.
  • thermally connected means a heat exchangeable connection, which is not only in the form of physical direct contact but also indirectly connected by interposing a heat conductive material such as heat transfer grease. Also included are the embodiments. Further, the indirectly connected mode can be defined as a state in which the thermal resistance is smaller than the thermal resistance in the state in which the air layer is interposed.
  • the inverter 6 has an annular shape (doughnut shape) and is arranged so as to surround the suction port 10 when viewed from the direction along the rotation axis Lx.
  • the surface of the substrate 61 of the inverter 6 is in contact with the flange portion 92 and is thermally connected.
  • the inner peripheral edge 6a of the inverter 6 is in contact with the outer peripheral surface 91b of the pipeline portion 91 and is thermally connected.
  • a device 62 such as an IGBT, a bipolar transistor, a MOSFET, or a GTO, and a power storage device 63 such as a Capacitor are mounted on the substrate 61 of the inverter 6.
  • the lead wire drawn from the inverter 6 is connected to the coil 52a of the electric motor 5 (stator 52).
  • the inverter 6 is connected to the heat radiation fin 11 via the heat sink 9.
  • the heat radiation fins 11 are arranged so as to be heat exchangeable with the air A passing through the suction port 10. That is, the rotary machine 1 can cool the inverter 6 by using the air A sucked from the suction port 10 by the rotation of the compressor impeller 42.
  • the inverter 6 can be effectively cooled without providing the cooling flow path for the inverter 6. For example, by using air A, the inverter 6 can be cooled to less than 40 ° C. even in the summer.
  • the inverter 6 since it is assumed that the inverter 6 can be appropriately cooled by the air A passing through the suction port 10, no other cooling flow path is formed.
  • the cooling flow path for cooling the inverter 6 may be an auxiliary flow path, and a simple configuration can be used.
  • the rotary machine 1 of the present disclosure is a turbocharger, and a turbine 2 is provided on the opposite side of the compressor 4 with the motor housing 50 (electric motor 5) interposed therebetween.
  • the turbine 2 becomes hot and tends to be disadvantageous in terms of cooling.
  • the inverter 6 since the inverter 6 is arranged at a position farther from the electric motor 5 with respect to the turbine 2, it is easy to enhance the cooling effect.
  • the cooling flow path 55 for the inverter 6 can be omitted or suppressed to auxiliary use. Therefore, the space for forming the cooling flow path for the inverter 6 can be reduced, and the space can be effectively used.
  • the inverter 6 is annular and is arranged so as to surround the suction port 10. As a result, the cooling effect is less likely to be biased in the circumferential direction Cd of the inverter 6, that is, in the direction around the rotation axis Lx, which is advantageous for uniform cooling of the inverter 6.
  • the heat radiation fin 11 is projected from the inner peripheral surface 91a of the suction port 10 and is arranged on the flow path C of the air A. As a result, the heat radiation fins 11 come into direct contact with the air A passing through the suction port 10 to take heat away, and the cooling efficiency of the inverter 6 can be improved.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the flow of air A passing through the suction port 10.
  • FIG. 4 (a) is an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 4 (b) is a comparative embodiment not provided with heat radiation fins 11.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the flow rate and the pressure ratio, the form of the present disclosure is shown by a solid line, and the comparative form is shown by a broken line.
  • the comparative form includes a compressor impeller 101 that sucks and compresses air A from the suction port 100.
  • the air A passing through the suction port 100 tends to be turbulent in the vicinity of the inner peripheral surface 100a of the suction port 100.
  • the flow is adjusted in the rotation axis Lx direction of the compressor impeller 42 by the heat radiation fins 11, and the flow rate is low (at low speed of the motor). ) Can improve the surge margin.
  • the heat radiation fin 11 has a longer length L in the direction along the rotation axis Lx than a height H protruding from the inner peripheral surface 91a. As a result, it is possible to reduce the pressure loss of the air A passing through the suction port 10 and improve the cooling efficiency of the inverter 6.
  • the heat sink 9 of the present disclosure includes a pipeline portion 91 forming a suction port 10 and a flange portion 92 projecting to the outside of the pipeline portion 91.
  • the inverter 6 has an annular shape and is fixed to the heat sink 9 in contact with the flange portion 92. That is, since the inverter 6 is arranged so as to surround the suction port 10 via the flange portion 92, the inverter 6 is not biased in the circumferential direction Cd and is advantageous for uniform cooling.
  • FIG. 6 is an enlarged perspective view showing a portion of the compressor 4A of the rotary machine 1A in which the suction port 10A is formed.
  • the rotary machine 1A according to another embodiment has the same structure and configuration as the rotary machine 1 according to the above-described embodiment, and the same structure and configuration are designated by the same reference numerals in detail. The explanation is omitted.
  • the compressor housing 41 includes a compressor impeller 42 that is rotated by the drive of the electric motor 5A and that sucks and compresses the air A.
  • the compressor housing 41 includes an impeller casing 8 that houses the compressor impeller 42, and a heat sink 9A that forms a suction port 10A inside.
  • the heat sink 9A includes a pipeline portion 91A connected to the impeller casing 8 to form a suction port 10A for air A, and a flange portion 92A protruding outward from the pipeline portion 91A.
  • An annular inverter 6 is fixed to the flange portion 92A so that heat can be exchanged.
  • the pipeline portion 91A has a double pipe structure, and a suction port 10A through which air A passes is formed by an inner cylindrical portion (inner pipe portion 91c). Further, the outer cylindrical portion (outer tube portion 91d) is provided with heat radiation fins 11A protruding from the inner peripheral surface 91a. The heat radiation fin 11A is arranged between the outer pipe portion 91d and the inner pipe portion 91c. The heat radiation fins 11A are connected to the inner pipe portion 91c so as to be heat exchangeable, and are arranged so as to be heat exchangeable with the air A passing through the suction port 10A.
  • the heat radiation fin 11A functions as a core of the stator 52A, and a coil 52b is wound around the heat radiation fin 11A to form the stator 52A.
  • the heat radiation fin 11A around which the coil 52b is wound extends in a direction along the rotation axis Lx, and is arranged so as to surround the rotor fixed to the rotation axis 3 to form an electric motor.
  • the inverter 6 is connected to the heat radiation fin 11A via the heat sink 9A.
  • the heat radiation fins 11A are arranged so as to be heat exchangeable with the air A passing through the suction port 10A. That is, the inverter 6 can be cooled by using the air A sucked from the suction port 10A by the rotation of the compressor impeller 42. As a result, the inverter 6 can be effectively cooled without providing the cooling flow path for the inverter 6. Further, depending on the flow rate of the air A passing through the suction port 10A, the cooling flow path for the inverter 6 can be omitted. That is, the space for forming the cooling flow path for the inverter 6 can be reduced, and the space can be effectively used.
  • the electric assist type turbocharger has been described as an example of the rotary machine, but it can be widely applied to a rotary machine provided with an electric motor and an impeller for compressing gas, for example, a turbine. Instead, it may be a rotary machine in which the impeller is independently rotated by the drive of the electric motor.

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Abstract

電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容し、且つ気体の吸引口を備えたハウジングと、ハウジングに設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに設けられ、且つ吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、電動モータの駆動を制御すると共に、ヒートシンクに接続されているインバータと、を備えた回転機械。

Description

回転機械
　本開示は、回転機械に関する。
　特許文献１には、エンジンからの排ガスによってタービンインペラが回転され、回転軸を介してタービンと同軸に設けられたコンプレッサインペラが回転して圧縮空気をエンジンに供給する遠心圧縮機が開示されている。特許文献２及び３には、電動モータの駆動により、コンプレッサインペラが回転する回転機械が開示されている。特許文献４には、電動モータの駆動によって圧縮機構が冷媒を圧縮する圧縮機が開示されている。特許文献５には、電動モータの駆動によってコンプレッサインペラが回転する遠心圧縮機が開示されている。特許文献６には、シャフトを回転させる電動機が開示されている。特許文献７には、電動送風機が開示されている。特許文献８には、インバータ一体型交流電動モータが開示されている。これらの従来技術のうち、例えば、特許文献２、３には、コンプレッサインペラを回転させる電動モータを駆動制御するインバータが開示されている。インバータは、電動モータを駆動制御する際に熱を帯びるので適宜に冷却が必要である。
国際公開第２０１２／１０２１４６号 特開２０１２－６２７７７号公報 特開２０１３－１７６１９３号公報 特開２００８－５７４２６号公報 特開２０１３－２４０５７号公報 特開２０１３－１８８１０５号公報 特開１９９１－１１１７００号公報 特開２００４－２７４９９２号公報
　インバータは、例えば、電動モータを収容するハウジングなどに設置されている。ハウジングには、電動モータやインバータを冷却するための冷媒が通過する通路や配管が設けられている。この冷媒によってインバータを適切に冷却するためには、冷媒が通過する通路や配管の構造が複雑になり易く、また、通路や配管を形成するための構造的な制限もあってスペースの有効利用を図り難かった。
　本開示は、インバータを冷却しながら、スペースの有効利用も可能になる回転機械を説明する。
　本開示の一態様は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容し、且つ気体の吸引口を備えたハウジングと、ハウジングに設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに設けられ、且つ吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、電動モータの駆動を制御すると共に、ヒートシンクに接続されているインバータと、を備えた回転機械である。
　また、本開示の一態様は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容するインペラケーシングと、インペラケーシングに接続されて気体の吸引口を形成する管路部と、管路部に当接しており、電動モータの駆動を制御するインバータと、管路部の内周面から突出され、気体の流路上に配置されている放熱フィンと、を備えた回転機械である。
　本開示のいくつかの態様によれば、インバータを冷却しながら、スペースの有効利用も可能になる。
図１は、本開示の一実施形態に係る回転機械を示す模式的な説明図である。 図２は、コンプレッサを拡大して示す断面図である。 図３は、図２のIII-III線に沿った断面図である。 図４は、吸引口を通過する空気の流れを示す模式的な断面図であり、（ａ）の図は放熱フィンを備えた形態であり、（ｂ）の図は放熱フィンを備えていない比較形態である。 図５は、流量と圧力比との関係を示すグラフである。 図６は、他の実施形態に係るコンプレッサ部を拡大して示す斜視図である。
　本開示の一例は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容し、且つ気体の吸引口を備えたハウジングと、ハウジングに設けられたヒートシンクと、ヒートシンクに設けられ、且つ吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、電動モータの駆動を制御すると共に、ヒートシンクに接続されているインバータと、を備えた回転機械である。
　本開示の一例は、ヒートシンクを介して放熱フィンに熱的に接続されているインバータを備えている。放熱フィンは、吸引口を通過する気体との間で熱交換可能に配置されている。つまり、インペラの回転によって吸引口から吸い込まれる気体を利用してインバータの冷却が可能になる。その結果、インバータ用の冷却流路を縮小しても、インバータの冷却が可能になる。また、吸引口を通過する気体の流量によってはインバータ用の冷却流路の省略も可能になる。つまり、インバータ用の冷却流路を形成するためのスペースを軽減でき、スペースの有効利用も可能になる。
　いくつかの例において、インバータは環状であり、吸引口を取り囲むように配置されていてもよい。環状のインバータは吸引口を取り囲むため、インバータの周方向で冷却効果に偏りが生じ難く、インバータの周方向でインバータを均一に冷却できる。
　いくつかの例において、放熱フィンは、吸引口の内周面から突出され、気体の流路上に配置されていてもよい。放熱フィンは、吸引口の内周面から突出しているので、吸引口を通過する気体に直接接して熱を奪われる。その結果、インバータの冷却効率を向上できる。
　いくつかの例において、放熱フィンは、インペラの回転軸線に沿った方向に延在していてもよい。吸引口を通過する気体は、吸引口の内周面付近で流れが乱れ易い。一方、この回転機械では、放熱フィンによって流れがインペラの回転軸線方向に整えられるので、整流を得易くなり、サージマージンを向上できる。
　いくつかの例において、放熱フィンは、内周面から突出した高さよりも、回転軸線に沿った方向の長さの方が長くてもよい。その結果、吸引口を通過する気体の圧損軽減とインバータの冷却効率の向上とを両立できる。
　いくつかの例において、ヒートシンクは、吸引口を形成する管路部と、管路部の外方に張り出したフランジ部と、を備えていてもよい。また、インバータは環状であり、フランジ部に当接してヒートシンクに接続されていてもよい。インバータは、フランジ部を介して吸引口を取り囲むように配置されることになるため、周方向で偏りなく、均一に冷却される。
　いくつかの例において、ヒートシンクは、吸引口を形成する管路部を備え、インバータは、管路部の外周面に当接してヒートシンクに接続されており、放熱フィンは、管路部の内周面から突出していてもよい。
　いくつかの例において、放熱フィンは、インペラの回転軸線回りの周方向で等間隔に配置されていてもよい。
　いくつかの例において、ヒートシンクは、吸引口を形成する内管部と、内管部の外側に設けられた外管部と、を備え、放熱フィンは、内管部と外管部との間に配置され、且つ内管部に熱交換可能に接続されていてもよい。
　本開示の一例は、電動モータと、電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、インペラを収容するインペラケーシングと、インペラケーシングに接続されて気体の吸引口を形成する管路部と、管路部に当接しており、電動モータの駆動を制御するインバータと、管路部の内周面から突出され、気体の流路上に配置されている放熱フィンと、を備えた回転機械である。
　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、本開示における回転機械１の一例を示している。具体的には電動アシスト型のターボチャージャーである。本開示の回転機械１は、排気ガスの流れを受けて回転するタービン２と、タービン２の回転力を伝達する回転軸３と、タービン２の回転力で空気Ａ（気体の一例）を取り込んで圧縮するコンプレッサ４とを備えている。また、回転機械１はタービン２とコンプレッサ４との間に電動モータ５を配置している。電動モータ５は、インバータ６により、駆動を制御されている。
　電動モータ５は、モータハウジング５０内に収容されている。モータハウジング５０の一方の端部、つまり、回転軸３に沿った方向の一方の側面にはタービンハウジング２１が固定されている。タービンハウジング２１内には、回転軸３に回転力を伝達するタービンインペラ２２が配置されている。モータハウジング５０の他方の端部、つまり、回転軸３に沿った方向の他方の側面にはコンプレッサハウジング４１が固定されている。コンプレッサハウジング４１内には、回転軸３の回転力で回転するコンプレッサインペラ４２が配置されている。
　電動モータ５は、回転軸３に固定されたロータ５１と、ロータ５１を囲むように配置されたステータ５２と、を備えている。ステータ５２は、モータハウジング５０に固定されたコアと、コアに巻回されたコイル５２ａとを備えている。コイル５２ａはインバータ６に通電可能に接続されている。電動モータ５は、インバータ６によって電力の周波数制御が行われることにより、回転速度が制御されている。
　モータハウジング５０には、回転軸３を回転自在に支持する第１の軸受５３及び第２の軸受５４が設けられている。第１の軸受５３は、電動モータ５とコンプレッサハウジング４１との間に配置されている。第２の軸受５４は、電動モータ５とタービンハウジング２１との間に配置されている。また、モータハウジング５０には、電動モータ５を冷却するための冷却流路５５が形成されている。冷却流路５５は、ステータ５２の周りを周回するように設けられている。冷却流路５５には熱交換器７で冷却された冷媒が導入される。例えば、水冷式の場合、冷媒として水などの液体を使用できる。
　図２に示されるように、コンプレッサハウジング４１には、タービン２の作用及び電動モータ５の駆動によって回転するコンプレッサインペラ４２が収容されている。コンプレッサインペラ４２は、回転することによって空気Ａを吸い込んで圧縮する。コンプレッサハウジング４１は、コンプレッサインペラ４２を収容するインペラケーシング８と、吸引口１０を形成する管状のヒートシンク９とを備えている。
　インペラケーシング８には、昇圧のためのディフューザ８１が設けられている。ディフューザ８１は、コンプレッサインペラ４２の周りに設けられている。更に、インペラケーシング８には、ディフューザ８１に連通するスクロール８２及び排出口８３が形成されている。排出口８３は、スクロール８２に連通している。スクロール８２を通過した圧縮空気Ａｘ（圧縮気体）は、排出口８３から排出される。また、インペラケーシング８は、ヒートシンク９に接続する端部（入口部）を備えている。インペラケーシング８は、その端部において外方に張り出したフランジ状の接続部８４を備えている。インペラケーシング８の内部流路８５は、入口部に向けて内径がテーパ状に拡径している。
　ヒートシンク９は、インペラケーシング８に接続されて空気Ａの吸引口１０を形成する管路部９１と、管路部９１の外方に張り出したフランジ部９２とを備えている。ヒートシンク９は、インペラケーシング８の接続部８４にフランジ部９２を当接されて固定されている。なお、インペラケーシング８とヒートシンク９との接続態様は他の形態であってもよく、また、インペラケーシング８とヒートシンク９とを一体成形したり、または、溶接等によって一体化させたりしてもよい。
　管路部９１の内周面９１ａは、吸引口１０の内周面に相当する。管路部９１には、内周面９１ａから中心（回転軸線Ｌｘ）に向けて突出している複数の放熱フィン１１が設けられている。つまり、放熱フィン１１は、空気Ａが通過する流路Ｃ上に配置されている。その結果、放熱フィン１１は、吸引口１０を通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。本開示における複数の放熱フィン１１は、回転軸線Ｌｘ回りの周方向Ｃｄ（図３参照）で等間隔に配置されている。放熱フィン１１は、矩形の板状であり、回転軸線Ｌｘに沿った方向に延在している。放熱フィン１１は、管路部９１の内周面９１ａから突出した高さＨよりも、回転軸線Ｌｘに沿った方向の長さＬの方が長くなっている。
　図２及び図３に示されるように、ヒートシンク９のフランジ部９２にはインバータ６が固定（接続）されている。つまり、インバータ６はヒートシンク９に対して熱的に接続されている。なお、熱的に接続されているとは、熱交換可能な接続を意味し、物理的に直接接触している態様のみならず、伝熱グリスなどの熱伝導材料を介在させて間接的に接続されている態様も含まれる。また、間接的に接続されている態様とは、空気層が介在する状態の熱抵抗よりも、熱抵抗が小さくなる状態と定義することもできる。
　また、インバータ６は、円環状（ドーナツ状）であり、回転軸線Ｌｘに沿った方向から見た場合に吸引口１０を取り囲むように配置されている。インバータ６の基板６１の表面は、フランジ部９２に当接して熱的に接続されている。インバータ６の内周縁６ａは、管路部９１の外周面９１ｂに当接して熱的に接続されている。
　インバータ６の基板６１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６２や、Capacitorなどの蓄電装置６３が実装されている。インバータ６から引き出された引き出し線は、電動モータ５（ステータ５２）のコイル５２ａに接続されている。
　次に、本開示の回転機械１の作用、効果を説明する。インバータ６は、ヒートシンク９を介して放熱フィン１１に接続されている。放熱フィン１１は、吸引口１０を通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。つまり、回転機械１は、コンプレッサインペラ４２の回転によって吸引口１０から吸い込まれる空気Ａを利用してインバータ６を冷却可能である。その結果、本開示の回転機械１では、インバータ６用の冷却流路を設けることなく、インバータ６の効果的な冷却が可能になる。例えば、空気Ａを利用することで、インバータ６は夏場でも４０℃未満に冷却できる。
　また、コンプレッサインペラ４２を高負荷運転させると、インバータ６の温度も上昇し易い。しかしながら、コンプレッサインペラ４２の高負荷運転により、空気Ａの流量が増えると、放熱フィン１１に接触して熱を奪う空気Ａの流量も増えることになり、冷却効果の観点から相殺できるので効率がよい。
　また、本開示の回転機械１では、吸引口１０を通過する空気Ａによってインバータ６を適切に冷却できると想定されるため、他の冷却流路は形成していない。しかしながら、例えば電動モータ５用の冷却流路５５から分岐する補助の冷却流路を形成し、この冷却流路によってインバータ６を補助的に冷却することも可能である。この場合も、インバータ６を冷却する冷却流路は補助的な流路でよく、簡易的な構成にすることができる。
　また、本開示の回転機械１はターボチャージャーであり、モータハウジング５０（電動モータ５）を挟んで、コンプレッサ４とは反対側にタービン２が設けられている。タービン２は高温となり、冷却という観点では不利になり易い。しかしながら、本開示の回転機械１では、タービン２に対して電動モータ５よりも離れた位置にインバータ６を配置しているため冷却効果を高め易くなっている。
　以上の通り、本開示の回転機械１によれば、インバータ６用の冷却流路５５を省略、あるいは補助的な利用に抑えることができる。したがって、インバータ６用の冷却流路を形成するためのスペースを軽減でき、スペースの有効利用も可能になる。
　また、インバータ６は環状であり、吸引口１０を取り囲むように配置されている。その結果、インバータ６の周方向Ｃｄ、つまり、回転軸線Ｌｘ回りの方向で冷却効果に偏りが生じ難く、インバータ６の均一な冷却に有利である。
　また、放熱フィン１１は、吸引口１０の内周面９１ａから突出され、空気Ａの流路Ｃ上に配置されている。その結果、放熱フィン１１は、吸引口１０を通過する空気Ａに直接接して熱を奪われることになり、インバータ６の冷却効率を向上できる。
　また、放熱フィン１１は、コンプレッサインペラ４２の回転軸線Ｌｘに沿った方向に延在しており、サージマージンを向上できる。具体的には、モータ低速時のパフォーマンスが向上する。この効果について図４及び図５を参照して説明する。図４は、吸引口１０を通過する空気Ａの流れを示す模式的な断面図である。図４の（ａ）の図は本開示の実施形態であり、（ｂ）の図は放熱フィン１１を備えていない比較形態である。また、図５は、流量と圧力比との関係を示すグラフであり、本開示の形態を実線で示し、比較形態を破線で示している。
　図４の（ｂ）図に示されるように、比較形態は、吸引口１００から空気Ａを吸い込んで圧縮するコンプレッサインペラ１０１を備えている。比較形態において、吸引口１００を通過する空気Ａは、吸引口１００の内周面１００ａ付近で流れが乱れ易い。一方、図４の（ａ）図に示されるように、本開示に係る回転機械１では、放熱フィン１１によって流れがコンプレッサインペラ４２の回転軸線Ｌｘ方向に整えられており、低流量（モータ低速時）でのサージマージンを向上できる。
　また、図２に示されるように、放熱フィン１１は、内周面９１ａから突出した高さＨよりも、回転軸線Ｌｘに沿った方向の長さＬの方が長い。その結果、吸引口１０を通過する空気Ａの圧力損失の軽減とインバータ６の冷却効率の向上とを両立できる。
　また、本開示のヒートシンク９は、吸引口１０を形成する管路部９１と、管路部９１の外方に張り出したフランジ部９２と、を備えている。インバータ６は環状であり、フランジ部９２に当接してヒートシンク９に固定されている。つまり、インバータ６は、フランジ部９２を介して吸引口１０を取り囲むように配置されることになるため、周方向Ｃｄで偏りなく、均一な冷却に有利になる。
　次に、図６を参照し、他の実施形態に係る回転機械１Ａについて説明する。図６は、回転機械１Ａのコンプレッサ４Ａにおいて、特に、吸引口１０Ａが形成された部分を拡大して示す斜視図である。なお、他の実施形態に係る回転機械１Ａは、上述の実施形態に係る回転機械１と同様の構造や構成を備えており、その同様の構造や構成には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
　図６に示されるように、コンプレッサハウジング４１には、電動モータ５Ａの駆動によって回転し、空気Ａを吸い込んで圧縮するコンプレッサインペラ４２が収容されている。コンプレッサハウジング４１は、コンプレッサインペラ４２を収容するインペラケーシング８と、内部に吸引口１０Ａを形成するヒートシンク９Ａとを備えている。
　ヒートシンク９Ａは、インペラケーシング８に接続されて空気Ａの吸引口１０Ａを形成する管路部９１Ａと、管路部９１Ａの外方に張り出したフランジ部９２Ａとを備えている。フランジ部９２Ａには、環状のインバータ６が熱交換可能に固定されている。
　管路部９１Ａは、二重管構造であり、内側の円筒部分（内管部９１ｃ）によって空気Ａが通過する吸引口１０Ａが形成されている。また、外側の円筒部分（外管部９１ｄ）には、内周面９１ａから突出している放熱フィン１１Ａが設けられている。放熱フィン１１Ａは、外管部９１ｄと内管部９１ｃとの間に配置されている。放熱フィン１１Ａは、内管部９１ｃに熱交換可能に接続されており、吸引口１０Ａを通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。
　放熱フィン１１Ａは、ステータ５２Ａのコアとして機能しており、放熱フィン１１Ａにはコイル５２ｂが巻回されてステータ５２Ａが形成されている。コイル５２ｂが巻回された放熱フィン１１Ａは回転軸線Ｌｘに沿った方向に延在しており、回転軸３に固定されたロータを囲むように配置されて電動モータを形成している。
　本開示に係るインバータ６は、ヒートシンク９Ａを介して放熱フィン１１Ａに接続されている。放熱フィン１１Ａは、吸引口１０Ａを通過する空気Ａとの間で熱交換可能に配置されている。つまり、コンプレッサインペラ４２の回転によって吸引口１０Ａから吸い込まれる空気Ａを利用してインバータ６の冷却が可能になる。その結果、インバータ６用の冷却流路を設けることなく、インバータ６の効果的冷却が可能になる。また、吸引口１０Ａを通過する空気Ａの流量によってはインバータ６用の冷却流路の省略も可能になる。つまり、インバータ６用の冷却流路を形成するためのスペースを軽減でき、スペースの有効利用も可能になる。
　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アシスト型のターボチャージャーを説明したが、電動モータを備え、気体を圧縮するインペラを備えた回転機械に広く適用でき、例えばタービンを備えておらず、電動モータの駆動によって主体的にインペラが回転する回転機械であってもよい。
１　回転機械
５　電動モータ
６　インバータ
８　インペラケーシング
９　ヒートシンク
１０　吸引口
１１　放熱フィン
４１　コンプレッサハウジング（ハウジング）
４２　コンプレッサインペラ（インペラ）
９１　管路部
９１ａ　内周面（吸引口の内周面）
９２　フランジ部
Ａ　空気（気体）
Ｈ　放熱フィンの高さ
Ｌ　放熱フィンの長さ
Ｌｘ　回転軸線
Ｃｄ　周方向

Claims (10)

  1. 　電動モータと、
    　前記電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、
    　前記インペラを収容し、且つ前記気体の吸引口を備えたハウジングと、
    　前記ハウジングに設けられたヒートシンクと、
    　前記ヒートシンクに設けられ、且つ前記吸引口を通過する前記気体との間で熱交換可能に配置されている放熱フィンと、
    　前記電動モータの駆動を制御すると共に、前記ヒートシンクに接続されているインバータと、を備えた回転機械。
  2. 　前記インバータは環状であり、前記吸引口を取り囲むように配置されている請求項１記載の回転機械。
  3. 　前記放熱フィンは、前記吸引口の内周面から突出され、前記気体の流路上に配置されている、請求項１または２記載の回転機械。
  4. 　前記放熱フィンは、前記インペラの回転軸線に沿った方向に延在している請求項３記載の回転機械。
  5. 　前記放熱フィンは、前記内周面から突出した高さよりも、前記回転軸線に沿った方向の長さの方が長い、請求項４記載の回転機械。
  6. 　前記ヒートシンクは、前記吸引口を形成する管路部と、前記管路部の外方に張り出したフランジ部と、を備え、
    　前記インバータは環状であり、前記フランジ部に当接して前記ヒートシンクに接続されている、請求項１～５のいずれか一項記載の回転機械。
  7. 　前記ヒートシンクは、前記吸引口を形成する管路部を備え、
    　前記インバータは、前記管路部の外周面に当接して前記ヒートシンクに接続されており、
    　前記放熱フィンは、前記管路部の内周面から突出している、請求項１～６のいずれか一項記載の回転機械。
  8. 　前記放熱フィンは、前記インペラの回転軸線回りの周方向で等間隔に配置されている、請求項７記載の回転機械。
  9. 　前記ヒートシンクは、前記吸引口を形成する内管部と、前記内管部の外側に設けられた外管部と、を備え、
    　前記放熱フィンは、前記内管部と前記外管部との間に配置され、且つ前記内管部に熱交換可能に接続されている、請求項１記載の回転機械。
  10. 　電動モータと、
    　前記電動モータの駆動によって回転すると共に、気体を吸い込んで圧縮するインペラと、
    　前記インペラを収容するインペラケーシングと、
    　前記インペラケーシングに接続されて前記気体の吸引口を形成する管路部と、
    　前記管路部に当接しており、前記電動モータの駆動を制御するインバータと、
    　前記管路部の内周面から突出され、前記気体の流路上に配置されている放熱フィンと、を備えている、回転機械。
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