(57)【要約】      （修正有）【課題】メカニカルシールを構成する部材の摩耗を抑制する。【解決手段】コンプレッサ１０は、気体を圧縮するインペラ１２と、電動モータ１５と、前記インペラと前記電動モータとを結合する回転軸１４と、前記回転軸と前記電動モータを収納するハウジング６０と、前記回転軸に設けられた回転側シール部材２４と、前記回転側シール部材に前記インペラ側で接触するように前記ハウジングに固定された静止側シール部材２２とからなるメカニカルシール２５と、前記メカニカルシールの重力方向下側に設けられた潤滑油を貯留する潤滑油溜まり３０であって、前記回転軸の回転によって回転する前記回転側シール部材の外周側の少なくとも一部が通過する潤滑油溜まりと、を備える。【選択図】図１
2020041470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサであって、
気体を圧縮するインペラと、
電動モータと、
前記インペラと前記電動モータとを結合する回転軸と、
前記回転軸と前記電動モータを収納するハウジングと、
前記回転軸に設けられた回転側シール部材と、前記回転側シール部材に前記インペラ側で接触するように前記ハウジングに固定された静止側シール部材とからなるメカニカルシールと、
前記メカニカルシールの重力方向下側に設けられた潤滑油を貯留する潤滑油溜まりであって、前記回転軸の回転によって回転する前記回転側シール部材の外周側の少なくとも一部が通過する潤滑油溜まりと、
を備えるコンプレッサ。
【請求項２】
請求項１に記載のコンプレッサであって、
前記ハウジングに設けられ、前記静止側シール部材とともに前記回転側シール部材を挟むように設けられた壁部であって、前記メカニカルシールにおける潤滑半径よりも前記回転軸の中心側まで伸びている壁部を備え、
前記潤滑油溜まりは、前記ハウジングと前記静止側シール部材と前記回転側シール部材と前記壁部とに囲われている、コンプレッサ。
【請求項３】
請求項２に記載のコンプレッサであって、
前記回転軸と前記ハウジングとの間であって、前記壁部に対して前記静止側シール部材と反対側に設けられた軸受けと、
前記壁部と前記軸受けとの間に設けられたドレインと、
を備えるコンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンプレッサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ガスタービン等の高速に回転するコンプレッサが開示されている。このコンプレッサでは、メカニカルシールの接触面に対して、霧状の潤滑油を供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１５３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、コンプレッサを高速で回転させると、遠心力で潤滑油が飛散し、潤滑油が不足した状態となり、メカニカルシールにおいて、部材同士が接触した状態となり、メカニカルシール部分の部材が摩耗するおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）  本発明の一形態によれば、コンプレッサが提供される。このコンプレッサは、気体を圧縮するインペラと、電動モータと、前記インペラと前記電動モータとを結合する回転軸と、前記回転軸と前記電動モータを収納するハウジングと、前記回転軸に設けられた回転側シール部材と、前記回転側シール部材に前記インペラ側で接触するように前記ハウジングに固定された静止側シール部材とからなるメカニカルシールと、前記メカニカルシールの重力方向下側に設けられた潤滑油を貯留する潤滑油溜まりであって、前記回転軸の回転によって回転する前記回転側シール部材の外周側の少なくとも一部が通過する潤滑油溜まりと、を備える。この形態によれば、潤滑油溜まりを備えるので、潤滑油溜まりからメカニカルシールに潤滑油を十分に供給できる。その結果、メカニカルシールを構成する部材である回転側シール部材や静止側シール部材の摩耗を抑制できる。
（２）上記形態において、前記ハウジングに設けられ、前記静止側シール部材とともに前記回転側シール部材を挟むように設けられた壁部であって、前記メカニカルシールにおける潤滑半径よりも前記回転軸の中心側まで伸びている壁部を備え、前記潤滑油溜まりは、前記ハウジングと前記静止側シール部材と前記回転側シール部材と前記壁部とに囲われていてもよい。この形態によれば、潤滑油溜まり３０を容易に形成できる。
（３）上記形態において、前記コンプレッサは、前記回転軸と前記ハウジングとの間であって、前記壁部に対して前記静止側シール部材と反対側に設けられた軸受けと、前記壁部と前記軸受けとの間に設けられたドレインと、を備える構成であってもよい。この形態によれば、過剰の潤滑油は、ドレインから排出される。その結果、軸受けへの潤滑油の供給過多を抑制でき、軸受けの煽動トルク増大を抑制できる。なお、上記形態と同様に、メカニカルシール接触面の摩耗を抑制できる。
本発明は、コンプレッサ以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、コンプレッサにおけるメカニカルシール、等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態のコンプレッサの概略構成を示す説明図である。
【図２】静止側シール部材の回転側シール部材側の形状を示す説明図である。
【図３】静止側シール部材の断面図である。
【図４】第２実施形態のコンプレッサの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態のコンプレッサ１０の概略構成を示す説明図である。
コンプレッサ１０は、いわゆる遠心式電動コンプレッサである。本実施形態において、コンプレッサ１０は、燃料電池スタック１００へ気体を供給する気体供給流路９０に設けられており、気体を圧縮して燃料電池スタック１００へ供給する。本実施形態では、気体として空気を用いるが、酸素や他の気体が用いられてもよい。
【０００９】
コンプレッサ１０は、インペラ１２を収容した圧縮部ＡＡと、インペラ１２を回転する電動モータ１５を収容したモータ部ＢＢとから構成されている。圧縮部ＡＡは、インペラ１２とこれを収容するインペラ収納部７０とを備える。インペラ収納部７０は、モータ部ＢＢとの接合する側とは反対側の略中央に、空気を吸い込む気体吸入口９０が設けられ、インペラ収納部７０の側面の一部に、燃料電池スタック１００に、圧縮した空気を送り出す気体送出路が形成されている。
【００１０】
圧縮部ＡＡに連接するモータ部ＢＢは、回転軸１４を備えた電動モータ１５を収容するハウジング６０を有し、ハウジング６０の電動モータ１５の軸方向両側に、軸受け３８、４８を有する。回転軸１４は、両軸受け３８、４８により回転自在に支持される。回転軸１４は、軸受け３８の外側に延出しており、その先端はインペラ収納部７０において、インペラ１２に結合されている。回転軸１４は、電動モータ１５と、インペラ１２とを結合している。
【００１１】
回転軸１４を支持する軸受け３８は、軸受けホルダ２６により、ハウジング６０に固定される。軸受け３８からインペラ１２までの間には、軸受け３８から順に、スペーサ３６、回転側シール部材２４、スペーサ３４が設けられ、回転側シール部材２４は、ハウジング６０に固定された静止側シール部材２２に、当接している。回転側シール部材２４と静止側シール部材２２とは金属製であり、いわゆるメカニ力ルシール２５を構成している。
【００１２】
回転軸１４を支持する軸受け３８と軸受け４８との間には、ロータ磁石２０と、これを両軸受け３８、４８の間に固定するスペーサ４２、４６が設けられている。更に、軸受け４８の外側にはスペーサ５４が設けられている。回転軸１４の両端は、スペーサ５４やインペラ１２から飛び出しており、この部分には雌ネジが形成されている。この雌ネジ部に、ナット５６およびナット５８を両側からそれぞれ螺合することで、回転軸１４に、インペラ１２、メカニ力ルシール２５、ロータ磁石２０などが、位置決めされて固定される。
【００１３】
ハウジング６０に収容された電動モータ１５には、ロータ磁石２０を取り囲む位置に、ステータ鉄心１６およびステータコイル１８とからなる固定子１７が備えられている。固定子１７は、回転軸１４およびロータ磁石２０に対して同軸となるよう固定されているが、固定子１７の固定については図示を省略している。なお、ロータ磁石２０は、電動モータ１５の相数に対応して、Ｓ極およびＮ極が回転軸１４の軸周りに交互に配置されている。
【００１４】
以下、メカニカルシール２５の構成を詳しく説明する。回転軸１４のインペラ１２よりもハウジング６０側には、スペーサ３２を介して回転側シール部材２４が配置されている。回転側シール部材２４は、中央に回転軸１４が貫通する円板形状を有し、回転軸１４とともに回転する。ハウジング６０の、インペラ１２と回転側シール部材２４との間には、静止側シール部材２２が設けられている。静止側シール部材２２は、中央に回転軸１４が接触せず貫通する穴が開いた円板形状を有している。静止側シール部材２２は、ハウジング６０に固定されており、回転軸１４の回転により回転しない。静止側シール部材２２と回転側シール部材２４とが接触する部分にメカニカルシールが形成される。回転軸１４の回転中心と、回転側シール部材２４と静止側シール部材２２とが接触する位置のほぼ中央を結ぶ円形のラインと、の距離ｒを「メカニカルシール潤滑半径」と呼ぶ。静止側シール部材２２とスペーサ３２との間には、インペラで圧縮された気体がハウジング６０内部への侵入するのを抑制するためのＯリング３４が配置されている。
【００１５】
軸受け３８は、回転軸１４と、軸受けホルダ２６に挟まれている。軸受けホルダ２６は、ハウジング６０に固定されている。軸受けホルダ２６は、係止部２７と、壁部２８とを備える。係止部２７は、軸受けホルダ２６の位置を確定する。壁部２８は、静止側シール部材２２とともに回転側シール部材２４を挟む位置に設けられている。壁部２８の形状は、回転軸１４の中心からメカニカルシール潤滑半径ｒ以上離れた外側の位置から、メカニカルシール潤滑半径ｒよりも回転軸１４の中心側の位置まで伸びており、内側にフランジのように突き出た形状である。なお、壁部２８は、回転側シール部材２４と接触していなくても良い。本実施形態では、静止側シール部材２２と、回転側シール部材２４と、壁部２８と、軸受けホルダ２６に囲われた空間３０が形成される。空間３０は、供給された潤滑油が溜まるので、「潤滑油溜まり３０」とも呼ぶ。潤滑油溜まり３０の潤滑油は、静止側シール部材２２と、回転側シール部材２４との間のメカニカルシールに供給される。図１では、図示の都合上、潤滑油溜まり３０の油を示すハッチングは省略している。本実施形態では、壁部２８は、軸受けホルダ２６に形成されているが、壁部２８と軸受けホルダ２６とを別部材としてもよい。この場合、潤滑油溜まり３０は、静止側シール部材２２と、回転側シール部材２４と、壁部２８と、ハウジング６０に囲われた空間に形成される。
【００１６】
軸受け４８は、軸受けホルダ５０により、ハウジング６０に保持されている。軸受けホルダ５０の下部には、軸受け４８に供給された潤滑油を流すためのオイル流路５２が形成されている。
【００１７】
回転軸１４の軸受け４８よりもハウジング６０の入口方向には、スペーサ５４を介してナット５８が設けられている。回転軸１４と、スペーサ５４と、ナット５８は、ハウジング６０の入口側の開口部６２から突き出ている。ナット５６、５８は、インペラ１２と、軸受け３８、４８と、スペーサ３２、３６、４２、４６、５４と、回転側シール部材２４と、ロータ磁石２０の位置を確定する。
【００１８】
ハウジング６０には、開口部６２を覆うようにフタ６４が設けられている。フタ６４には、電動モータ１５およびメカ二力ルシール２５に潤滑油を供給するためのオイルポンプ８０と、オイルクーラー８２が配置されている。オイルポンプ８０は、ハウジング６０内部に潤滑油を循環させる。オイルクーラー８２は、潤滑油を冷却する。潤滑油は、ハウジング６０の下部のオイル溜まり６５に貯留されている。オイルポンプ８０によってハウジング６０内を循環される潤滑油は、オイルポンプ８０によって、オイル溜まり６５から吸い上げられ、オイルクーラー８２に送られる。潤滑油は、オイルクーラー８２により冷却された後、オイル流路６６を介して、潤滑油溜まり３０や軸受け４８に供給される。その後、潤滑油は、オイル溜まり６５に落ちる。
【００１９】
図２は、静止側シール部材２２の回転側シール部材２４との摺動面２２２を示す説明図である。図３は、静止側シール部材２２の断面図である。静止側シール部材２２は、円板形状を有している。静止側シール部材２２の回転側シール部材２４側の摺動面２２２には、内側から順に、ランド部２２４と、らせん溝２２５と、深溝２２６と、レイリーステップ溝２２８と、が形成されている。
【００２０】
ランド部２２４は、回転側シール部材２４の回転が停止したときに回転側シール部材２４と接触して、内側への潤滑油の漏れを抑制する。らせん溝２２５は、ランド部２２４の外側に形成されており、中心側より外周側が、回転側シール部材２４の回転方向に向けて前進して傾いている形状を有する。そのため、回転側シール部材２４ｇが回転すると、潤滑油は、らせん溝２２５に沿って外周に引っ張られる。その結果、内側への潤滑油の漏れを抑制できる。レイリーステップ溝２２８は、らせん溝２２５の外縁側に形成された複数の凹部である。レイリーステップ溝２２８の回転側シール部材２４の回転方向の後方は、後述する深溝２２６と繋がっている。レイリーステップ溝２２８は、摺動面２２２に油膜を形成し、静止側シール部材２２と回転側シール部材２４との間の摩擦を低減する。深溝２２６は、らせん溝２２５とレイリーステップ溝２２８との間および２つのレイリーステップ溝２２８の間に形成され、レイリーステップ溝２２８やらせん溝２２５よりも深い溝である。深溝２２６は、レイリーステップ溝２２８で発生する潤滑油の流れによるレイリーステップ溝２２８への影響を抑制する。
【００２１】
以上、第１実施形態によれば、コンプレッサ１０は、メカニカルシール２５の重力方向下側に設けられた潤滑油を貯留する潤滑油溜まり３０を備え、潤滑油溜まり３０には、回転軸１４の回転によって回転する回転側シール部材２４の外周側の少なくとも一部が通過する。その結果、潤滑油溜まり３０から回転側シール部材２４の接触面２４２に潤滑油を十分に供給し、メカニカルシール２５を構成する部材である静止側シール部材２２と、回転側シール部材２４の摩耗を抑制できる。
【００２２】
また、第１実施形態によれば、コンプレッサ１０は、メカニカルシール潤滑半径ｒの位置よりも外側から、メカニカルシール潤滑半径ｒよりも回転軸１４の中心側の位置まで伸びている壁部２８を有しているので、静止側シール部材２２と、回転側シール部材２４と、壁部２８と、ハウジング６０に囲われた空間に潤滑油溜まり３０を容易に形成できる。なお、壁部２８以外の構成で、潤滑油溜まり３０を構成してもよい。例えば、２つの静止側シール部材２２で回転側シール部材２４を挟む構成であってもよい。
【００２３】
Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態のコンプレッサ１１の概略構成を示す説明図である。図１に示す第１実施形態のコンプレッサ１０との違いは、壁部２８と軸受け３８との間に、ドレイン４０を備える点であり、他の構成は同じである。なお、第２実施形態では、ドレイン４０は、軸受けホルダ２６の重力方向の下部に形成された、スペーサ３６と軸受けホルダ２６の間の空間から、軸受けホルダ２６を通ってオイル溜まり６５に連通する孔４１により形成されている。なお、スペーサ３６と軸受けホルダ２６の間の空間からオイル溜まり６５に潤滑油を移動させることができるのであれば、他のルートでドレイン４０を形成してもよい。
【００２４】
第２実施形態によれば、潤滑油溜まり３０に過剰の潤滑油が供給された場合、ドレイン４０を介してオイル溜まり６５に過剰の潤滑油が回収される。そのため、軸受け３８に潤滑油が過剰に供給されることによる軸受け３８の摺動トルクの増大を抑制できる。
【００２５】
第２実施形形態では、軸受け３８の近傍にドレイン４０を設けたが、軸受け４８の近傍にもドレインを設けても良い。
【００２６】
第１、第２実施形態において、静止側シール部材２２が、外側が回転側シール部材２４の回転方向前方に傾斜しているらせん溝２２５を備えているが、回転側シール部材２４が、回転側シール部材２４の回転方向後方に傾斜したらせん溝を備える構成であってもよい。回転側シール部材２４が回転すると、潤滑油は、らせん溝に沿って外周に移動し、内側への潤滑油の漏れを抑制できる。
【００２７】
上記実施形態では、インペラ１４を回転させるターボ式を例にとして用いたが、ルーツ式など他の形式のコンプレッサでもよい。また、インペラ１４を電動モータ１５で駆動しているが、排ガスで駆動するようにしてもよい。
【００２８】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１０…コンプレッサ    １１…コンプレッサ    １２…インペラ    １４…回転軸    １５…電動モータ    １６…ステータ鉄心    １７…固定子    １８…ステータコイル    ２０…ロータ磁石    ２２…静止側シール部材    ２４…回転側シール部材    ２５…メカニカルシール    ２５ｒ…メカニカルシール潤滑ライン    ２６…軸受けホルダ    ２７…係止部    ２８…壁部    ３０…潤滑油溜まり（空間）    ３２…スペーサ    ３４…Ｏリング    ３６…スペーサ    ４０…ドレイン    ４１…孔    ４２…スペーサ    ４６…スペーサ    ５０…軸受けホルダ    ５２…オイル流路    ５４…スペーサ    ５６…ナット    ５８…ナット    ６０…ハウジング    ６１…開口部    ６２…開口部    ６４…フタ    ６５…オイル溜まり    ６６…オイル流路    ７０…インペラ収納部    ８０…オイルポンプ    ８２…オイルクーラー    ９０…気体供給流路    １００…燃料電池スタック    ２２２…摺動面    ２２４…ランド部    ２２５…らせん溝    ２２６…深溝    ２２８…レイリーステップ溝    ｒ…メカニカルシール潤滑半径    ＡＡ…圧縮部    ＢＢ…モータ部
【図１】
2020041470.tif 000003
【図２】
2020041470.tif 000004
【図３】
2020041470.tif 000005
【図４】
2020041470.tif 000006