(57)【要約】【課題】シール部材を介して分けられた第１室と第２室との間のシール性を機械の停止時においても得やすいターボ式流体機械を得る。【解決手段】ターボ式流体機械は、ハウジング１０と、シャフト２１とインペラ２２とを含む回転部材２０と、ハウジング１０に固定されシャフト２１を囲むように環状に延在するシール部材３０とを備える。シール部材３０の当接部３２ｔが回転部材２０に当接して所定空間は第１室Ｓ１と第２室Ｓ２とに分けられ、第１室Ｓ１はモータ２８を収容するモータ収容空間１９である。回転部材２０の回転停止状態では、当接部３２ｔが回転部材２０に当接することにより第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間の連通が制限される。回転部材２０の回転状態では、第１室Ｓ１の圧力を第２室Ｓ２の圧力よりも大きくさせることで、シール部材３０の弾性変形により当接部３２ｔが回転部材２０から離れるようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジングに支持されたシャフトと、前記シャフトに設けられ流体の圧送時に前記シャフトと一体回転するインペラとを含む、回転部材と、
前記回転部材を駆動するモータと、
前記ハウジングに固定されるとともに前記シャフトを囲むように環状に延在するシール部材と、を備えたターボ式流体機械であって、
前記シール部材は、前記回転部材に当接する当接部を含み、前記当接部が前記回転部材に当接することにより前記ハウジング内の所定空間は前記シール部材を介して第１室と第２室とに分けられ、前記第１室は、前記モータを収容するモータ収容空間であり、前記第１室の圧力は、前記ターボ式流体機械内の圧力を導入することで調整可能となっており、
前記回転部材の回転が停止している状態では、前記当接部が前記回転部材に当接することにより、前記第１室と前記第２室との間の連通が制限されており、
前記回転部材が回転している状態では、前記第１室の圧力を前記第２室の圧力よりも大きくさせることで、前記シール部材の弾性変形により、前記第１室から前記第２室に流体が放出されて前記当接部が前記回転部材から離れるようにした、
ターボ式流体機械。
【請求項２】
前記インペラは、流体の圧縮作用を行なうコンプレッサインペラであり、
前記ハウジングは、前記コンプレッサインペラの回転によって生成された高圧を前記第１室に導入するための連通路を有する、
請求項１に記載のターボ式流体機械。
【請求項３】
前記シャフトは、小径部と大径部とを含み、
前記シール部材は、前記当接部が前記小径部と前記大径部との間の段差面に当接するように配置される、
請求項１または２に記載のターボ式流体機械。
【請求項４】
前記シール部材は、前記当接部が前記シャフトの外周面に当接するように配置される、
請求項１または２に記載のターボ式流体機械。
【請求項５】
前記インペラは、回生作用を行なうタービンインペラを含み、
前記シール部材は、前記当接部が前記タービンインペラの背面部に当接するように配置される、
請求項１または２に記載のターボ式流体機械。
【請求項６】
前記シール部材は、前記ハウジングとの間に第３室を形成するように配置されており、
前記第３室の内圧に比べて大きな圧力が前記第１室に導入されることで、前記当接部は前記回転部材から離れる、
請求項１から５のいずれか１項に記載のターボ式流体機械。
【請求項７】
前記第１室は、前記シャフトを回転させるモータが配置されるモータ室に連通する空間である、
請求項１から６のいずれか１項に記載のターボ式流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、ターボ式流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されているように、ハウジング、インペラ、およびシャフトを備えたターボ式流体機械が知られている。シャフトはハウジングの内部で回転可能に軸支され、シャフトの端部にインペラが設けられる。インペラがシャフトと一体回転することにより、流体は吸入ポートを通して機内に取りこまれ、下流側に圧送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−０４８８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シャフトは軸受により支持される。シャフトの軸方向における所定箇所にはシール部材が設けられる。このシール部材は環状の形状を有し、シャフトの所定箇所の周囲を取り囲むように配置される。ハウジング内の所定空間はシール部材によって第１室と第２室とに分けられ、第１室と第２室との間の連通はシール部材により制限される。たとえば第２室から第１室に水分、油分、ホコリなどが移動することはシール部材により抑制される。
【０００５】
機械の運転時には第１室と第２室との間に圧力差が発生し得る。シャフトのうちのシール部材に当接している部分と、シール部材とによってシール構造が構成され、この圧力差によってシール部材をシャフト側に押し付けることでシール性が向上する。しかしながら当該構成を採用した場合には、機械の停止時には十分な圧力差が得られず、シール部材がシャフトにほとんど押し当てられなくなり、結果としてシール部材によるシール性を向上させることが難しくなる。低いシール性が原因となり、第２室から第１室に水分などが移動してしまう可能性が生じる。
【０００６】
本明細書は、シール部材を介して分けられた第１室と第２室との間のシール性を機械の停止時においても得やすい構造を備えたターボ式流体機械を開示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に基づくターボ式流体機械は、ハウジングと、上記ハウジングに支持されたシャフトと、上記シャフトに設けられ流体の圧送時に上記シャフトと一体回転するインペラとを含む、回転部材と、上記回転部材を駆動するモータと、上記ハウジングに固定されるとともに上記シャフトを囲むように環状に延在するシール部材と、を備えたターボ式流体機械であって、上記シール部材は、上記回転部材に当接する当接部を含み、上記当接部が上記回転部材に当接することにより上記ハウジング内の所定空間は上記シール部材を介して第１室と第２室とに分けられ、上記第１室は、上記モータを収容するモータ収容空間であり、上記第１室の圧力は、上記ターボ式流体機械内の圧力を導入することで調整可能となっており、上記回転部材の回転が停止している状態では、上記当接部が上記回転部材に当接することにより、上記第１室と上記第２室との間の連通が制限されており、上記回転部材が回転している状態では、上記第１室の圧力を上記第２室の圧力よりも大きくさせることで、上記シール部材の弾性変形により、上記第１室から上記第２室に流体が放出されて上記当接部が上記回転部材から離れるようにした。
【０００８】
上記構成によれば、上記回転部材の回転が停止している状態では、上記当接部が上記回転部材に当接しており、上記第１室と上記第２室との間の連通は上記シール部材により制限され、シール部材を介して分けられた第１室と第２室との間のシール性を機械の停止時においても容易に確保することが可能である。
【０００９】
上記ターボ式流体機械においては、上記インペラは、流体の圧縮作用を行なうコンプレッサインペラであり、上記ハウジングは、上記コンプレッサインペラの回転によって生成された高圧を上記第１室に導入するための連通路を有していてもよい。
【００１０】
上記構成によれば、第１室の内圧を高める手段として吐出圧を利用でき、第１室の内圧を高める手段を別途設けることを不要とすることができる。
【００１１】
上記ターボ式流体機械においては、上記シャフトは、小径部と大径部とを含み、上記シール部材は、上記当接部が上記小径部と上記大径部との間の段差面に当接するように配置されてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、シール部材と段差面との当接／離間が切り替えられ、シール部材の簡素な構成でこれらの動作を実現することができる。
【００１３】
上記ターボ式流体機械においては、上記シール部材は、上記当接部が上記シャフトの外周面に当接するように配置されてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、シャフトに段差面を形成するための加工が不要である点において有利である。
【００１５】
上記ターボ式流体機械においては、上記インペラは、回生作用を行なうタービンインペラを含み、上記シール部材は、上記当接部が上記タービンインペラの背面部に当接するように配置されてもよい。
【００１６】
上記構成によれば、シャフトに段差面を形成するための加工が不要である点において有利である。
【００１７】
上記ターボ式流体機械においては、上記シール部材は、上記ハウジングとの間に第３室を形成するように配置されており、上記第３室の内圧に比べて大きな圧力が上記第１室に導入されることで、上記当接部は上記回転部材から離れてもよい。
【００１８】
上記構成によれば、シャフトに段差面を形成するための加工が不要である点において有利である。
【００１９】
上記ターボ式流体機械においては、上記第１室は、上記シャフトを回転させる上記モータが配置されるモータ室に連通する空間であってもよい。
【００２０】
上記構成によれば、第２室から第１室への水分の浸入が防止されることで、ひいてはモータ室内への水分浸入が防止される。
【発明の効果】
【００２１】
本明細書に開示されたターボ式流体機械によれば、シール部材を介して分けられた第１室と第２室との間のシール性を機械の停止時においても容易に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施の形態１におけるターボ式流体機械１００を示す断面図である。
【図２】実施の形態１におけるターボ式流体機械１００に備えられるシール部材３０（機械の停止時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【図３】図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。
【図４】実施の形態１におけるターボ式流体機械１００に備えられるシール部材３０（機械の運転時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【図５】比較例におけるターボ式流体機械１０１に備えられるシール部材３０（機械の運転時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【図６】実施の形態２におけるターボ式流体機械１０２に備えられるシール部材３０（機械の停止時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【図７】実施の形態２におけるターボ式流体機械１０２に備えられるシール部材３０（機械の運転時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【図８】実施の形態３におけるターボ式流体機械１０３に備えられるシール部材３０（機械の停止時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【図９】実施の形態３におけるターボ式流体機械１０３に備えられるシール部材３０（機械の運転時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
実施の形態におけるターボ式流体機械について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００２４】
［実施の形態１］
（ターボ式流体機械１００）
図１に示すようにターボ式流体機械１００は、ハウジング１０、回転部材２０、モータ２８、およびシール部材３０を備える。ハウジング１０はコンプレッサハウジング１１、支持プレート１２，１５、センターハウジング１３，１４、および、タービンハウジング１６を含む。ハウジング１０を構成するこれらの部材は軸方向（シャフト２１の中心軸が延びる方向）に結合される。
【００２５】
回転部材２０は、ハウジング１０に軸受を介して支持されたシャフト２１と、シャフト２１に設けられ流体の圧送時にシャフト２１と一体回転するインペラ２２，２３とを含む。インペラ２２，２３は、各々、基板と基板の一方側に形成されたブレードとよりなる。インペラ２２，２３の各々において、基板におけるブレードの反対側が背面部とされている。
【００２６】
ターボ式流体機械１００においては、インペラ２２は、ＦＣスタック５０からの圧縮された流体からエネルギーを回収するという、回生作用を行なうタービンインペラとして機能する。インペラ２３は、流体の圧縮作用を行なうコンプレッサインペラとして機能する。ハウジング１０の内にはモータ室１７が形成される。モータ室１７にはシャフト２１と、シャフト２１を回転駆動させるためのモータ２８とが配置される。
【００２７】
図２は、シール部材３０（機械の停止時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。図３は、図２中のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。図２および図３に示すように支持プレート１５には軸孔１５ａが形成される。シャフト２１のうちの軸孔１５ａに対向する位置にはシール部材３０が設けられる。シール部材３０は固定部３１および延在部３２を含む。固定部３１は、全体として筒状の形状を有し、ハウジング１０のうちの軸孔１５ａを形成している内周面に固定されている。
【００２８】
延在部３２は、中央に開口が設けられた全体として略円盤の形状を有し、シャフト２１の周囲を環状に取り囲むように環状に延在している。延在部３２のうちの径方向外側の部分は固定部３１に取り付けられており、延在部３２は、固定部３１に取り付けられた部分からシャフト２１の表面に向かって径方向内側に延在している。延在部３２は、いわゆるダイヤフラムの形状を有している。延在部３２は、おもて面３２ａと、おもて面３２ａの反対側のうら面３２ｂとを有し、おもて面３２ａには当接部３２ｔが設けられる。
【００２９】
図２には固定部３１、延在部３２および当接部３２ｔが別部材として構成されている様子が図示されている。これらの各部はシール部材３０を構成する部材として予め一体的に形成されていてもよいし、別部材として準備された後に互いに接合されてシール部材３０を構成していてもよい。
【００３０】
シャフト２１は小径部２１ａおよび大径部２１ｂを含み、小径部２１ａと大径部２１ｂとの間には段差面２１ｃが形成されている。小径部２１ａは段差面２１ｃとインペラ２２との間に位置する。シール部材３０は、当接部３２ｔが小径部２１ａと大径部２１ｂとの間の段差面２１ｃに当接するように配置される。
【００３１】
当接部３２ｔが回転部材２０の表面（段差面２１ｃ）に当接することによりハウジング１０内の所定空間はシール部材３０を介して第１室Ｓ１と第２室Ｓ２とに分けられる。本実施の形態では第１室Ｓ１はモータ室１７（図１）に連通する空間であり、モータ室１７と第１室Ｓ１とは同じ圧力空間としてのモータ収容空間１９（図１）を形成する。第２室Ｓ２はインペラ２２（タービンインペラ）が配置されているインペラ室１６ｓ（図１）に連通する空間である。
【００３２】
第１室Ｓ１の圧力は、ターボ式流体機械１００内の圧力を導入することで調整可能となっている。本実施の形態では、ハウジング１０は連通路１８（図１）を有する。連通路１８は、吐出室２３ａ（図１）と第１室Ｓ１とを連通させている。インペラ２３（コンプレッサインペラ）の回転により生成された高圧を、連通路１８を介して第１室Ｓ１に導入することができる。
【００３３】
図２に示すように、回転部材２０（シャフト２１）の回転が停止している状態では、すなわち機械の停止時には、シール部材３０の当接部３２ｔが回転部材２０の表面（段差面２１ｃ）に当接しており、第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間の連通はシール部材３０により制限されている。
【００３４】
図４を参照して、機械の運転時には、吐出室２３ａ（図１）から連通路１８を通して第１室Ｓ１に圧力が導入される。圧力はシール部材３０（延在部３２）のおもて面３２ａに作用する。第１室Ｓ１の圧力を第２室Ｓ２の圧力よりも大きくさせる。うら面３２ｂに作用する圧力に比べておもて面３２ａに作用する圧力の方が大きくなることで、シール部材３０の弾性変形によりおもて面３２ａがうら面３２ｂ側に変位して、第１室Ｓ１から第２室Ｓ２に流体が放出されて当接部３２ｔは回転部材２０の表面（段差面２１ｃ）から離れる。回転部材２０はこの状態で高速で回転することができる。
【００３５】
（作用および効果）
ターボ式流体機械１００は、たとえば空気圧縮機として燃料電池システムに用いられる。モータ２８およびインペラ２２によってインペラ２３が回転駆動され、外部流体としての空気が機内に吸入され、圧縮された空気は吐出室２３ａへ圧送される。吐出室２３ａ内の高圧の空気が燃料電池システムのＦＣスタック５０（図１）に供給される。インペラ２２（タービンインペラ）は、ＦＣスタック５０から排出された空気によって回転し、シャフト２１の回転動作を補助する。
【００３６】
機械の運転時には、第１室Ｓ１への高圧の導入によりシール部材３０は回転部材２０（段差面２１ｃ）から離れ、この状態で回転部材２０は回転する。第１室Ｓ１の圧力を第２室Ｓ２の圧力よりも大きくさせ、第２室Ｓ２の内圧に比べて第１室Ｓ１の内圧が高い値に設定されることにより、第２室Ｓ２から第１室Ｓ１の側に水分等が移動することは抑制される。
【００３７】
機械の停止時には、第１室Ｓ１への高圧の導入が停止される。シール部材３０の延在部３２は、弾性復元力によって当接部３２ｔが段差面２１ｃに当接する位置に戻る。当接部３２ｔが回転部材２０の表面（段差面２１ｃ）に当接することにより第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間のシール性が確保される。当該構成によれば、シール部材３０を介して分けられた第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間のシール性を機械の停止時においても得やすい構造とすることが可能である。
【００３８】
（比較例）
図５は、比較例におけるターボ式流体機械１０１に備えられるシール部材３０（機械の運転時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。ターボ式流体機械１０１においては、シャフト２１に環状のシール溝２１ｇが形成されており、シール溝２１ｇの内側にシール部材３０が配置されている。シール部材３０は、第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間の圧力差によってシール溝２１ｇの片方の内壁面２１ｗに押し当てられている。
【００３９】
当該構成を採用した場合には、たとえば機械の停止時には十分な圧力差が得られず、シール部材３０が内壁面２１ｗにほとんど押し当てられなくなり十分なシール性を確保することが難しくなる。水の毛管現象や水蒸気の濃度差によって、第２室Ｓ２から第１室Ｓ１、ひいてはモータ室に水分などが移動してしまう可能性が生じる。
【００４０】
これに対して上述の実施の形態１の構成によれば、機械の停止時にはシール部材３０の当接部３２ｔが回転部材２０の表面（段差面２１ｃ）に当接しており、シール部材３０によって分けられた第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間のシール性を機械の停止時においても容易に得ることが可能である。
【００４１】
（実施の形態１の他の構成）
上述のターボ式流体機械１００においては、ハウジング１０に、インペラ２３（コンプレッサインペラ）の回転によって生成された高圧を第１室Ｓ１に導入するための連通路１８（図１）が形成されており、第１室Ｓ１の内圧を高める手段として吐出室２３ａ内の高圧を利用できる。これにより、第１室Ｓ１の内圧を高める手段を別途設けることを不要とすることができる。
【００４２】
上述のターボ式流体機械１００においては、シャフト２１に段差面２１ｃが形成されており、シール部材３０の当接部３２ｔは段差面２１ｃに当接したり段差面２１ｃから離れたりする。当該構成によれば、当接部３２ｔが概ね軸方向に沿って移動することでシール部材３０と段差面２１ｃとの当接／離間が切り替えられる。シール部材３０の簡素な構成でこれらの動作を実現することができる。
【００４３】
上述のターボ式流体機械１００においては、第１室Ｓ１は、シャフト２１を回転させるモータ２８が配置されるモータ室１７に連通する空間である。第２室Ｓ２から第１室Ｓ１への水分の浸入が防止されることで、ひいてはモータ室１７内への水分浸入が防止される。水分の浸入に起因してターボ式流体機械１００の耐用寿命が短くなることを抑制可能となっている。
【００４４】
［実施の形態２］
図６は、実施の形態２におけるターボ式流体機械１０２に備えられるシール部材３０（機械の停止時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。上述の実施の形態１のターボ式流体機械１００（図２）においては、シャフト２１に段差面２１ｃが形成されており、シール部材３０の当接部３２ｔは、段差面２１ｃに当接したり段差面２１ｃから離れたりする。段差面２１ｃが当接部３２ｔの当接対象部材である。
【００４５】
図６に示すように、シール部材３０は、当接部３２ｔがインペラ２２（タービンインペラ）の背面部２２ｂに当接するように配置されてもよい。実施の形態２においてはインペラ２２の背面部２２ｂが当接部３２ｔの当接対象部材である。ターボ式流体機械１０２においても、当接部３２ｔがインペラ２２の背面部２２ｂに当接することによりハウジング１０内の所定空間はシール部材３０を介して第１室Ｓ１と第２室Ｓ２とに分けられる。回転部材２０の回転が停止している状態では、当接部３２ｔがインペラ２２の背面部２２ｂに当接しており、第１室Ｓ１と第２室Ｓ２との間の連通はシール部材３０により制限される。
【００４６】
図７に示すように、回転部材２０が回転している状態では、第１室Ｓ１の圧力を第２室Ｓ２の圧力よりも大きくさせ、第１室Ｓ１に導入された圧力がおもて面３２ａに作用し、うら面３２ｂに作用する圧力に比べておもて面３２ａに作用する圧力の方が大きくなることで、おもて面３２ａがうら面３２ｂ側に変位して当接部３２ｔはインペラ２２の背面部２２ｂから離れる。回転部材２０はこの状態で回転することができる。実施の形態１の場合と比べると、実施の形態２の場合にはシャフト２１に段差面２１ｃ（小径部２１ａ）を形成するための加工が不要である点においては有利である。
【００４７】
［実施の形態３］
図８は、実施の形態３におけるターボ式流体機械１０３に備えられるシール部材３０（機械の停止時）およびその周辺構造を拡大して示す断面図である。本実施の形態においては、シール部材３０は、軸方向に延びる筒状の形状を有しており、シール部材３０のうちの軸方向における中間部分が径方向の内側に向かって突出している。シール部材３０の中間部分の径方向における内側部分が当接部３２ｔを構成しており、当接部３２ｔがシャフト２１の外周面２１ｓ（回転部材２０の表面）に当接するように配置される。
【００４８】
ハウジング１０の支持プレート１５の軸孔１５ａには、径方向に凹む凹所１５ｄが形成されている。凹所１５ｄは連通路１５ｅを通して外部空間（たとえば大気圧を有する外部空間）に連通している。シール部材３０のうちの軸方向における両端部分が、固定部３１としてハウジング１０（凹所１５ｄの内壁面）に固定されている。シール部材３０は、うら面３２ｂとハウジング１０（凹所１５ｄ）との間に第３室Ｓ３を形成するように配置されている。
【００４９】
図９に示すように、第３室Ｓ３の内圧に比べて大きな圧力が第１室Ｓ１に導入されることで、おもて面３２ａがうら面３２ｂ側に変位して当接部３２ｔは回転部材２０の表面から離れる。回転部材２０はこの状態で回転することができる。実施の形態３においても、シャフト２１に段差面２１ｃ（小径部２１ａ）を形成するための加工が不要である点においては有利である。
【００５０】
［他の実施の形態］
上述の実施の形態１〜３においては、シャフト２１の軸方向におけるインペラ２２（タービンインペラ）の側の部分をシールするようにシール部材３０が配置されている。シール部材３０は、ターボ式流体機械の構成に応じて任意の箇所に配置することが可能である。上述の実施の形態で開示した思想はたとえばインペラ２３（コンプレッサインペラ）の側にも適用可能である。たとえばインペラ２２（タービンインペラ）を備えておらずモータ２８のみによってインペラ２３（コンプレッサインペラ）が駆動されるターボ式流体機械にも、上述の実施の形態で開示した思想は適用可能である。
【００５１】
以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１０  ハウジング、１１  コンプレッサハウジング、１２，１５  支持プレート、１３，１４  センターハウジング、１５ａ  軸孔、１５ｄ  凹所、１５ｅ，１８  連通路、１６  タービンハウジング、１６ｓ  インペラ室、１７  モータ室、１９  モータ収容空間、２０  回転部材、２１  シャフト、２１ａ  小径部、２１ｂ  大径部、２１ｃ  段差面、２１ｇ  シール溝、２１ｓ  外周面、２１ｗ  内壁面、２２，２３  インペラ、２２ｂ  背面部、２３ａ  吐出室、２８  モータ、３０  シール部材、３１  固定部、３２  延在部、３２ａ  おもて面、３２ｂ  うら面、３２ｔ  当接部、５０  スタック、１００，１０１，１０２，１０３  ターボ式流体機械、Ｓ１  第１室、Ｓ２  第２室、Ｓ３  第３室。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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