JP4932921B2 - 電動遠心圧縮機 - Google Patents
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Description
本発明は、モータの駆動により空気を圧縮して供給する電動遠心圧縮機に関する。
一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、電動遠心圧縮機が採用されている。例えば、エンジンに圧縮空気を供給する補機として、あるいは、燃料電池に酸化剤ガスである圧縮空気を供給する補機として、利用されている。
この種の電動遠心圧縮機では、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池用過給機が知られている。この過給機は、図10に示すように、ケーシング1内に設けられた圧縮機2と、前記圧縮機2の回転軸3を支持する軸受装置4とを備えている。
ケーシング1内には、回転軸3を高速回転させる電動機5、前記回転軸3を径方向から支持する前後一対のラジアルフォイル軸受6、前記回転軸3をアキシアル方向(前後方向)から支持する前後一対のアキシアルフォイル軸受7、並びに該回転軸3を径方向及びアキシアル方向の両方から補助的に支持する補助軸受手段8が設けられている。
軸受装置4は、ラジアルフォイル軸受6、アキシアルフォイル軸受7及び補助軸受手段8によって構成されている。回転軸3は、段付形状を有し、大径部側に電動機5のロータ5aが設けられるとともに、小径部一方には、インペラ9が取り付けられている。
この種の過給機では、回転軸3を高速回転させることが望まれている。しかしながら、回転軸3を高速回転させると、ロータ5aの鉄損が増加してしまい、磁石の耐熱温度以下での運転が困難になるという問題がある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、回転時に発生する熱を効率的に除去することができ、良好に高速回転を行うことが可能な電動遠心圧縮機を提供することを目的とする。
本発明は、モータの駆動により空気を圧縮して供給する電動遠心圧縮機に関するものである。この電動遠心圧縮機は、停止状態の回転部材を拘束する一方、回転状態の前記回転部材との間に空気層を形成し、気体軸受を構成する金属製弾性部材と、前記回転部材に対向して配置され、前記金属製弾性部材が固定される静止保持部材とを備えている。
そして、静止保持部材は、内部に冷媒流通路が形成されるとともに、回転部材の空気層に接する接線方向又は面方向に直交する法線方向に沿って、前記回転部材、前記空気層、金属製弾性部材及び前記冷媒流通路の順に配置されている。
さらに、気体軸受は、ジャーナル方向に回転部材である回転軸を支持するジャーナル気体軸受であるとともに、モータは、軸方向の端部に前記回転軸を中心に円錐形状の渡り部を備え、前記ジャーナル気体軸受は、少なくとも一部が前記渡り部の内方に進入し且つ静止保持部材は、前記ジャーナル気体軸受の周面全面を囲繞する内周面を有することが好ましい。
さらにまた、冷媒流通路は、静止保持部材の中心軸方向に向かって、軸線方向の開口幅寸法が漸次大きくなることが好ましい。
また、気体軸受は、ジャーナル気体軸受に隣接して設けられるスラスト気体軸受を備え、冷媒流通路を形成する内壁面は、軸方向断面視で軸方向に交差するスラスト方向に延在し、前記スラスト気体軸受に対向する第1の内壁面と、前記軸方向に延在し、前記ジャーナル気体軸受に対向する第2の内壁面とを有することが好ましい。
さらに、この電動遠心圧縮機は、モータを構成するロータの軸方向一端にインペラが設けられるとともに、気体軸受は、前記ロータの前記軸方向一端と前記インペラとの間に配置される第1ジャーナル気体軸受と、前記ロータの軸方向他端に配置される第2ジャーナル気体軸受とを備え、静止保持部材は、前記第1ジャーナル気体軸受を保持する第1静止保持部材と、前記第2ジャーナル気体軸受を保持する第2静止保持部材とを備えるとともに、冷媒は、前記第2静止保持部材に設けられた冷媒流通路、前記モータの外周に設けられた冷媒流路、及び前記第1静止保持部材に設けられた前記冷媒流通路の順に流通することが好ましい。
本発明では、回転部材が回転することにより、前記回転部材と静止保持部材との間に形成される空気層において、内径側の空気層と外径側の空気層の間に流速の差が発生しており、該流速の差により回転部材と静止保持部材の間で良好な熱伝達が行われている。このため、回転部材に発生する熱は、法線方向に沿って順次配置されている前記回転部材、空気層、金属製弾性部材及び冷媒流通路に円滑に伝達される。従って、簡単且つコンパクトな構成で、回転時に発生する熱を効率的に除去することができ、良好に高速回転を行うことが可能になる。
図1に示すように、本発明の実施形態に係る電動遠心圧縮機10は、ケーシング12を備える。このケーシング12内には、回転軸ユニット14が回転自在に装着される。
回転軸ユニット14は、図1及び図2に示すように、円環状の永久磁石16と、前記永久磁石16の外周に設けられ、該永久磁石16を収納(例えば、焼き嵌め)する円筒状の保護環18とにより構成されるロータ20、前記ロータ20の軸方向両方に設けられる回転部材、特に回転軸であるベアリングシャフト22、24、前記ベアリングシャフト22の前記ロータ20側と反対の軸方向端部に設けられるインペラ26とを備える。
インペラ26は、遠心圧縮部28を構成するとともに、テンションシャフト30の大径部30aに端面が当接する。テンションシャフト30には、インペラ26側からベアリングシャフト22、ロータ20及びベアリングシャフト24の順に配置され、これらが、前記テンションシャフト30に螺合する固定部材32により一体的に保持される。
固定部材32には、回転軸ユニット14の回転時に矢印A1方向に発生するスラスト力を緩和する機能を有するキャンセラ機構34が設けられる。図1に示すように、キャンセラ機構34は、加圧室36内を矢印A方向に摺動自在なキャンセラディスク38を備える。この加圧室36には、通路40を介してインペラ26の回転により発生する空気が流入される。
ケーシング12内には、ロータ20の外周に位置して円環状のステータ42が装着される。このステータ42及びロータ20によりモータ部46が構成される。モータ部46は、軸方向の端部に回転軸(ロータ20、ベアリングシャフト22、24等)を中心に円錐形状(具体的には、湾曲するラッパ形状)の渡り部46a、46bを備える。
ロータ20を構成する保護環18は、高剛性が要求されており、ニッケル系超合金、例えば、インコネル(スペシャルメタル社の商品名)により構成される。ステータ42の外周側には、複数の冷却水流路(冷媒流路)48が周回形成される。
図2に示すように、保護環18は、ベアリングシャフト22、24が設けられる端面に、永久磁石16の端面16a、16bよりも軸方向外方に突出する円筒状突起部18a、18bを設ける。
ベアリングシャフト22は、軸方向一端に開放される円筒形状部22aを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部22bを形成する。ベアリングシャフト24は、同様に軸方向一端に開放される円筒形状部24aを有し且つ軸方向他端に径方向内方に突出する底部24bを有する。
ベアリングシャフト22の底部22bは、保護環18の一方の円筒状突起部18aに接触し、ベアリングシャフト24の底部24bは、前記保護環18の他方の円筒状突起部18bに接触する。底部22b、24bと永久磁石16の端面16a、16bとは、それぞれ距離S1、S2だけ離間する。
ベアリングシャフト22、24の外周面に対向し、前記ベアリングシャフト22、24を保持するフォイル式気体軸受50が設けられる。フォイル式気体軸受50は、ベアリングシャフト22、24の径方向の位置を保持するジャーナルエア軸受(ジャーナル気体軸受)52a、52bと、前記ベアリングシャフト22の軸方向の位置を保持するスラストエア軸受(スラスト気体軸受)54とを備える。
ベアリングシャフト22、24は、ジャーナルエア軸受52a、52bを構成するとともに、例えば、保護環18と同一材料であるニッケル系超合金により構成される。各ジャーナルエア軸受52a、52bは、ベアリングシャフト22、24の外周に所定の隙間を設けて配置されるリング部材56A、56Bを備える。
リング部材56A、56Bは、ベアリングシャフト22、24を回転自在に支持するとともに、第1及び第2静止保持部材57A、57Bに回転不能に固定される。リング部材56A、56Bは、ジャーナルエア軸受52a、52bを構成する。
図3に示すように、リング部材56Aの内周面56aには、波板形状のバンプフォイル58と平板形状のトップフォイル60との順に配置される。バンプフォイル58は、一枚又は複数枚で構成される金属製弾性部材(鉄やアルミニウム材やインコネル等)であり、その一端58aがリング部材56Aの内周面56aに溶接等により固定されるとともに、その他端が自由端を構成する。
トップフォイル60は、金属製弾性部材(鉄やアルミニウム材やインコネル等)であり、平板を環状に湾曲させ、その一端60aがリング部材56Aの内周面56aに溶接等により固定される一方、その他端が自由端となっている。トップフォイル60は、停止状態のベアリングシャフト22を拘束する一方、回転状態の前記ベアリングシャフト22との間に空気層61を形成する。なお、リング部材56Bは、上記のリング部材56Aと同様に構成される。
図1及び図2に示すように、ベアリングシャフト22の外周部には、スラストエア軸受54を構成する大径フランジ部62が設けられる。大径フランジ部62を挟んで軸方向両側には、リング部材64a、64bが配置される。
図4に示すように、リング部材64a、64bには、互いに大径フランジ部62に対向する面に、波板形状のバンプフォイル66と平板形状のトップフォイル68とが設けられる。バンプフォイル66及びトップフォイル68は、金属製弾性部材(鉄やアルミニウム材やインコネル等)であり、リング部材64a、64bの内周面を周回して、それぞれ円環状に複数配置される。
図5に示すように、各バンプフォイル66は、一端66aがリング部材64a、64bに溶接等により固定されるとともに、他端66bが自由端を構成する。各トップフォイル68は、一端68aがリング部材64a、64bに溶接等により固定される一方、他端68bが自由端となっている。トップフォイル68は、停止状態の大径フランジ部62を拘束する一方、回転状態の前記大径フランジ部62との間に空気層69を形成する。リング部材64a、64bは、第1静止保持部材57Aに固定される。
図2に示すように、インペラ26の軸方向端部26aは、ベアリングシャフト22の円筒形状部22aに同軸的に嵌合する(インロー構造)。ベアリングシャフト22、24は、それぞれの底部22b、24bが保護環18の円筒状突起部18a、18bに同軸的に嵌合する(インロー構造)。
ケーシング12内には、図1に示すように、モータ部46を構成する保護環18とステータ42との間に、冷媒用流通路70が形成される。この流通路70の入口側及びキャンセラ機構34の通路40は、遠心圧縮部28のコンプレッサ出口72に連通している。インペラ26が回転することにより圧縮された空気は、コンプレッサ出口72から流通路70の入口側及びキャンセラ機構34の通路40に送風される。
第1静止保持部材57Aの内部には、冷却水流通路(冷媒流通路)74が形成されるとともに、第2静止保持部材57Bの内部には、冷却水流通路(冷媒流通路)76が形成される。図3に示すように、ベアリングシャフト22の空気層61に接する接線方向に直交する法線方向に沿って、前記ベアリングシャフト22、前記空気層61、トップフォイル60、バンプフォイル58及び冷却水流通路74の順に配置される。
なお、冷却水流通路76側も同様に、法線方向に沿ってベアリングシャフト24、空気層61、トップフォイル60、バンプフォイル58及び前記冷却水流通路76の順に配置される。
図5に示すように、スラストエア軸受54では、大径フランジ部62の空気層69に接する面方向に直交する法線方向に沿って、前記大径フランジ部62、前記空気層69、トップフォイル68、バンプフォイル66及び冷却水流通路74の順に配置される。
図1及び図2に示すように、冷却水流通路74、76は、第1及び第2静止保持部材57A、57Bの中心軸方向に向かって軸線方向の開口幅寸法が漸次大きくなるように設定される。冷却水流通路74を形成する内壁面は、軸方向断面視で軸方向(矢印A方向)に交差するスラスト方向(矢印B方向)に延在し、スラストエア軸受54に対向する第1の内壁面74aと、前記軸方向に延在し、ジャーナルエア軸受52aに対向する第2の内壁面74bとを有する。
図6に示すように、ケーシング12には、キャンセラ機構34側に冷却水入口78が設けられる一方、インペラ26側に冷却水出口80が設けられる。冷却水入口78は、図6及び図7に示すように、通路82を介して冷却水流通路76に連通しており、この冷却水流通路76は、ジャーナルエア軸受52bの外周を周回するリング形状を有する。
冷却水流通路76の下端側には、通路84の一端が連通するとともに、この通路84の他端は、ステータ42の外周側に設けられている冷却水流路48に連通する。冷却水流路48は、モータ部46の外周側を周回するとともに、冷却水を矢印A方向に流通させる。冷却水流路48の出口側(インペラ26側)には、通路86を介して冷却水流通路74が連通する。この冷却水流通路74は、ジャーナルエア軸受52a及びスラストエア軸受54を周回するとともに、通路88から冷却水出口80に連通する。
図1及び図2に示すように、ジャーナルエア軸受52a、52bの少なくとも一部は、モータ部46の渡り部46a、46bの内方にそれぞれ距離L1、L2だけ進入する。第1及び第2静止保持部材57A、57Bは、ジャーナルエア軸受52a、52bの周面全周を囲繞する内周面57a、57bを有する。第1及び第2静止保持部材57A、57Bには、空気の閉塞を防止するために、空気抜き孔90a、90bが形成される。
このように構成される電動遠心圧縮機10の動作について、以下に説明する。
先ず、モータ部46を構成するステータ42に通電することにより、ロータ20を構成する永久磁石16及び保護環18は、テンションシャフト30と一体に回転する。このため、テンションシャフト30に保持されているインペラ26は、比較的高速で回転し、遠心圧縮部28を介して大気から空気の吸引が行われる。
インペラ26により吸引された空気は、遠心圧縮部28により圧送され、例えば、図示しない燃料電池の酸化剤ガス供給系に送られる。燃料電池には、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス(水素ガス)が供給される。従って、カソード側に供給される空気とアノード側に供給される水素との反応により、発電が行われる。
遠心圧縮部28により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口72からケーシング12内の流通路70に供給される。この流通路70を通過してモータ部46を冷却した冷却風は、外部に排出される。
また、遠心圧縮部28により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口72からキャンセラ機構34を構成する通路40を通って加圧室36に供給される。従って、加圧室36に配設されるキャンセラディスク38には、インペラ26から離間する方向(矢印A2方向)に押圧力が付与される。これにより、インペラ26の回転によって、矢印A1方向に作用するスラスト力は、キャンセラ機構34により緩和される。
ジャーナルエア軸受52a、52bでは、ロータ20の回転が停止されている際には、トップフォイル60の周面によりベアリングシャフト22、24が拘束されている。そして、モータ部46の作用下にロータ20と一体にベアリングシャフト22、24が回転すると、作動ガスである空気の粘性により、バンプフォイル58がリング部材56A、56Bの内周面56a、56b側に変形する。このため、トップフォイル60とベアリングシャフト22、24の外周面との間は、空気層61が形成される。
その際、高速回転しているベアリングシャフト22、24の外周面と停止されているトップフォイル60の内周面との間には、空気の流速に差が生じ、この速度差によって良好な熱伝達が可能となる。具体的には、図7及び図8に示すように、ベアリングシャフト22の外周面とトップフォイル60との間に空気層61が形成されるとともに、空気の粘性により高速回転する前記ベアリングシャフト22の近傍での流速が大きくなる一方、トップフォイル60近傍での流速が小さくなっている。従って、ベアリングシャフト22、24から空気層61を介してトップフォイル60側に熱伝達が良好に行われる。
この場合、本実施形態では、図3に示すように、ベアリングシャフト22の法線方向に沿って、前記ベアリングシャフト22、空気層61、トップフォイル60、バンプフォイル58及び冷却水流通路74が順次配置されている。これにより、高速回転するベアリングシャフト22の熱は、空気層61、トップフォイル60、バンプフォイル58及び冷却水流通路74に良好かつ円滑に伝達される。
従って、簡単且つコンパクトな構成で、回転時にベアリングシャフト22の熱を効率的に除去することができ、良好な高速回転を行うことが可能になるという効果が得られる。なお、ベアリングシャフト24では、上記のベアリングシャフト22と同様の効果が得られる。
また、スラストエア軸受54では、図5に示すように、ベアリングシャフト22と一体に大径フランジ部62が高速回転することにより、この大径フランジ部62とトップフォイル68との間には、空気層69が形成されている。
その際、大径フランジ部62の空気層69に接する面方向に直交する法線方向に沿って、前記大径フランジ部62、前記空気層69、トップフォイル68、バンプフォイル66及び冷却水流通路74の順に配置されている。このため、大径フランジ部62の熱は、空気層69、トップフォイル68、バンプフォイル66及び冷却水流通路74に円滑且つ確実に伝達され、前記大径フランジ部62の熱を効率的に除去することができる。
また、モータ部46の軸方向端部には、円錐形状の渡り部46a、46bが設けられるとともに、ジャーナルエア軸受52a、52bの少なくとも一部が、前記渡り部46a、46bの内方に進入している。そして、第1及び第2静止保持部材57A、57Bの、内周面57a、57bは、ジャーナルエア軸受52a、52bの周面全面を囲繞している。従って、ジャーナルエア軸受52a、52bをステータ42側に可及的に近接させることができ、回転軸ユニット14全体の軸長を短尺化することが可能になる。
これにより、回転軸ユニット14の小型化が図られるとともに、前記回転軸ユニット14の共振周波数を高回転側に移動させることができ、回転中の共振を良好に抑制することが可能になる。
しかも、第1及び第2静止保持部材57A、57Bに設けられている冷却水流通路74、76は、前記第1及び第2静止保持部材57A、57Bの中心軸方向に向かって軸線方向の開口幅寸法が漸次大きく設定されている。このため、冷却水流通路74、76の表面積を大きくすることができ、ベアリングシャフト22、24を効果的且つ軸方向に均一に冷却することが可能になる。
さらにまた、冷却水流通路74は、スラスト方向(矢印B方向)に延在し、スラストエア軸受54に対向する第1の内壁面74aと、軸方向(矢印A方向)に延在し、ジャーナルエア軸受52aに対向する第2の内壁面74bとを有している。従って、単一の冷却水流通路74により、スラストエア軸受54の冷却と、ジャーナルエア軸受52aの冷却とを行うことができ、構成の簡素化を図ることが可能になる。
さらに、図6及び図9に示すように、冷却水は、冷却水入口78から通路82を介して、先ず、ジャーナルエア軸受52b側の冷却水流通路76に供給されている。冷却水は、冷却水流通路76から通路84を通ってステータ42の外周側の冷却水流路48に供給されている。そして、冷却水流路48を流通した冷却水は、通路86からジャーナルエア軸受52a側の冷却水流通路74に供給された後、通路88から冷却水出口80に排出されている。これにより、冷却水は、放熱経路の少ないジャーナルエア軸受52b側から、順次、冷却することができ、各ジャーナルエア軸受52a、52bの温度を均等化することが可能になる。
なお、本実施形態では、気体軸受として、フォイル式気体軸受50を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、金属材で構成されるティルティングパットを用いた空気軸受にも、適用することが可能である。
また、キャンセラ機構34側に冷却水入口78が設けられる一方、インペラ26側に冷却水出口80が設けられているが、これとは逆に、前記キャンセラ機構34側に前記冷却水出口80が設けられる一方、前記インペラ26側に前記冷却水入口78が設けられてもよい。その際、冷却水は、ジャーナルエア軸受52a側から冷却水流路48を介してジャーナルエア軸受52b側に流通する。
10…電動遠心圧縮機 12…ケーシング
14…回転軸ユニット 16…永久磁石
16a、16b…端面 18…保護環
18a、18b…円筒状突起部 20…ロータ
22、24…ベアリングシャフト 22a、24a…円筒形状部
22b、24b…底部 26…インペラ
30…テンションシャフト 32…固定部材
34…キャンセラ機構 36…加圧室
38…キャンセラディスク 40…通路
42…ステータ 46…モータ部
46a、46b…渡り部 48…冷却水流路
50…フォイル式気体軸受 52a、52b…ジャーナルエア軸受
54…スラストエア軸受
56A、56B、64a、64b…リング部材
56a、56b…内周面 57A、57B…静止保持部材
58、66…バンプフォイル 60、68…トップフォイル
61、69…空気層 62…大径フランジ部
70…流通路 74、76…冷却水流通路
14…回転軸ユニット 16…永久磁石
16a、16b…端面 18…保護環
18a、18b…円筒状突起部 20…ロータ
22、24…ベアリングシャフト 22a、24a…円筒形状部
22b、24b…底部 26…インペラ
30…テンションシャフト 32…固定部材
34…キャンセラ機構 36…加圧室
38…キャンセラディスク 40…通路
42…ステータ 46…モータ部
46a、46b…渡り部 48…冷却水流路
50…フォイル式気体軸受 52a、52b…ジャーナルエア軸受
54…スラストエア軸受
56A、56B、64a、64b…リング部材
56a、56b…内周面 57A、57B…静止保持部材
58、66…バンプフォイル 60、68…トップフォイル
61、69…空気層 62…大径フランジ部
70…流通路 74、76…冷却水流通路
Claims (5)
- モータの駆動により空気を圧縮して供給する電動遠心圧縮機であって、
停止状態の回転部材を拘束する一方、回転状態の前記回転部材との間に空気層を形成し、気体軸受を構成する金属製弾性部材と、
前記回転部材に対向して配置され、前記金属製弾性部材が固定される静止保持部材と、
を備え、
前記静止保持部材は、内部に冷媒流通路が形成されるとともに、
前記回転部材の前記空気層に接する接線方向又は面方向に直交する法線方向に沿って、前記回転部材、前記空気層、前記金属製弾性部材及び前記冷媒流通路の順に配置されることを特徴とする電動遠心圧縮機。 - 請求項1記載の電動遠心圧縮機において、前記気体軸受は、ジャーナル方向に前記回転部材である回転軸を支持するジャーナル気体軸受であるとともに、
前記モータは、軸方向の端部に前記回転軸を中心に円錐形状の渡り部を備え、
前記ジャーナル気体軸受は、少なくとも一部が前記渡り部の内方に進入し且つ前記静止保持部材は、前記ジャーナル気体軸受の周面全面を囲繞する内周面を有することを特徴とする電動遠心圧縮機。 - 請求項2記載の電動遠心圧縮機において、前記冷媒流通路は、前記静止保持部材の中心軸方向に向かって、軸線方向の開口幅寸法が漸次大きくなることを特徴とする電動遠心圧縮機。
- 請求項2又は3記載の電動遠心圧縮機において、前記気体軸受は、前記ジャーナル気体軸受に隣接して設けられるスラスト気体軸受を備え、
前記冷媒流通路を形成する内壁面は、軸方向断面視で前記軸方向に交差するスラスト方向に延在し、前記スラスト気体軸受に対向する第1の内壁面と、
前記軸方向に延在し、前記ジャーナル気体軸受に対向する第2の内壁面と、
を有することを特徴とする電動遠心圧縮機。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電動遠心圧縮機において、前記モータを構成するロータの軸方向一端にインペラが設けられるとともに、
前記気体軸受は、前記ロータの前記軸方向一端と前記インペラとの間に配置される第1ジャーナル気体軸受と、
前記ロータの軸方向他端に配置される第2ジャーナル気体軸受と、
を備え、
前記静止保持部材は、前記第1ジャーナル気体軸受を保持する第1静止保持部材と、
前記第2ジャーナル気体軸受を保持する第2静止保持部材と、
を備えるとともに、
冷媒は、前記第2静止保持部材に設けられた前記冷媒流通路、前記モータの外周に設けられた冷媒流路、及び前記第1静止保持部材に設けられた前記冷媒流通路の順に流通することを特徴とする電動遠心圧縮機。
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