(57)【要約】  コンプレッサインペラの回転軸と、前記回転軸を支持する気体軸受構造と、前記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、前記抽気口と前記気体軸受構造とを接続する軸受冷却ラインと、前記軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、前記熱交換器は、前記モータハウジング及び前記コンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている、遠心圧縮機。
2019087869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサインペラの回転軸と、
前記回転軸を支持する気体軸受構造と、
前記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、
前記抽気口と前記気体軸受構造とを接続する軸受冷却ラインと、
前記軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、
前記熱交換器は、前記モータハウジング及び前記コンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている、遠心圧縮機。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記軸受冷却ラインを通過する圧縮気体が通過する気体流路と、前記圧縮気体よりも温度の低い冷媒が通過する冷媒流路と、を備え、
前記気体流路は、前記圧縮気体の入口と出口とを備え、
前記入口は、前記回転軸に沿った方向を基準にして、前記出口よりも前記コンプレッサインペラ側に配置されている、請求項１記載の遠心圧縮機。
【請求項３】
前記気体軸受構造は、スラスト軸受とラジアル軸受とを備え、
前記軸受冷却ラインは、少なくとも前記スラスト軸受を通過する第１の経路と、前記スラスト軸受を通過することなく、前記ラジアル軸受を通過する第２の経路とを備えている、請求項１記載の遠心圧縮機。
【請求項４】
前記気体軸受構造は、スラスト軸受とラジアル軸受とを備え、
前記軸受冷却ラインは、少なくとも前記スラスト軸受を通過する第１の経路と、前記スラスト軸受を通過することなく、前記ラジアル軸受を通過する第２の経路とを備えている、請求項２記載の遠心圧縮機。
【請求項５】
前記軸受冷却ラインは、前記気体軸受構造よりも上流側及び下流側の少なくとも一方に、前記第１の経路の流路断面よりも前記第２の経路の流路断面を小さくする流量調整部を備えている、請求項３記載の遠心圧縮機。
【請求項６】
前記軸受冷却ラインは、前記気体軸受構造よりも上流側及び下流側の少なくとも一方に、前記第１の経路の流路断面よりも前記第２の経路の流路断面を小さくする流量調整部を備えている、請求項４記載の遠心圧縮機。
【請求項７】
前記流量調整部は、前記第１の経路の前記気体軸受構造よりも下流側に配置された第１のオリフィスと、前記第２の経路の前記気体軸受構造よりも下流側に配置された第２のオリフィスとを備え、第１のオリフィスのオリフィス径は、第２のオリフィスのオリフィス径よりも大きい、請求項５記載の遠心圧縮機。
【請求項８】
前記流量調整部は、前記第１の経路の前記気体軸受構造よりも下流側に配置された第１のオリフィスと、前記第２の経路の前記気体軸受構造よりも下流側に配置された第２のオリフィスとを備え、第１のオリフィスのオリフィス径は、第２のオリフィスのオリフィス径よりも大きい、請求項６記載の遠心圧縮機。
【請求項９】
コンプレッサインペラの回転軸と、
前記回転軸を支持する気体軸受構造と、
前記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コンプレッサハウジングと、
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を前記気体軸受構造に供給する軸受冷却ラインと、
前記軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、
前記熱交換器は、前記モータハウジング及び前記コンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている、遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、遠心圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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場合がある。また、コンプレッサインペラの回転軸を空気軸受で支持する遠心圧縮機（特許文献３、４参照）が知られている。空気軸受で支持する遠心圧縮機では、例えば、コンプレッサインペラによって圧縮された空気を加圧空気として利用する場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２４０４１号公報
【特許文献２】特開２０１２−６２７７８号公報
【特許文献３】実開平４−９９４１８号公報
【特許文献４】特開平５−３３６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、空気軸受を主体的に冷却する構造の開示は無く、仮に冷却油等を循環させることによって空気軸受を冷却すると、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。【０００５】
本開示は、空気軸受などの気体軸受構造の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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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と、回転軸を支持する気体軸受構造と、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、抽気口と気体軸受構造とを接続する軸受冷却ラインと、軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、熱交換器は、モータハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている。【０００７】
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と、回転軸を支持する気体軸受構造と、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コンプレッサハウジングと、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を気体軸受構造に供給する軸受冷却ラインと、軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、熱交換器は、モータハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている。
【発明の効果】
【０００８】
本開示のいくつかの態様によれば、気体軸受構造の効率的な冷却とコンパクト化とを両立できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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２】図２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】図３は、オリフィス板を拡大して示す断面図である。
【図４】図４は、図２で示す断面図に圧縮空気の流れを追記した説明図である。
【図５】図５は、圧縮空気の流れを模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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と、回転軸を支持する気体軸受構造と、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、抽気口と気体軸受構造とを接続する軸受冷却ラインと、軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、熱交換器は、モータハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている。
【００１１】
この遠心圧縮機では、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抽気口を通過して軸受冷却ラインに供給される。軸受冷却ライン上には、熱交換器が配置されており、熱交換器で冷却された圧縮気体は、気体軸受構造に供給されて気体軸受構造を冷却する。この遠心圧縮機では、気体軸受構造を主体的に冷却する冷媒として圧縮気体を利用している。圧縮気体を冷却する熱交換器は、モータハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている。従って、熱交換器を外部の他の場所に設置する場合に比べ、熱交換器で冷却された圧縮気体を気体軸受構造に供給する際の経路を短くでき、熱損失を抑えることができる。また、圧縮気体は気体軸受構造との相性も良い。従って、圧縮気体を気体軸受構造の冷却のために付加的に用いたとしても、機内の構造は複雑になり難く、コンパクト化に有利である。
【００１２】
いくつかの態様において、熱交換器は、軸受冷却ラインを通過する圧縮気体が通過する気体流路と、圧縮気体よりも温度の低い冷媒が通過する冷媒流路と、を備え、気体流路は、圧縮空気の入口と出口とを備え、入口は、回転軸に沿った方向を基準にして、出口よりもコンプレッサインペラ側に配置されている遠心圧縮機とすることができる。気体流路の入口をコンプレッサインペラ側に配置することで、圧縮気体を熱交換器まで導入する経路を短くでき、コンパクト化に有利になる。
【００１３】
いくつかの態様において、気体軸受構造は、スラスト軸受とラジアル軸受とを備え、軸受冷却ラインは、少なくともスラスト軸受を通過する第１の経路と、スラスト軸受を通過することなく、ラジアル軸受を通過する第２の経路とを備える遠心圧縮機とすることができる。スラスト軸受を冷却する第１の経路と、スラスト軸受を冷却することなくラジアル軸受を冷却する第２の経路とを分けることで、スラスト軸受及びラジアル軸受の仕様に応じた効率的な冷却に有利になる。
【００１４】
いくつかの態様において、軸受冷却ラインは、気体軸受構造よりも上流側及び下流側の少なくとも一方に、第１の経路の流路断面よりも第２の経路の流路断面を小さくする流量調整部を備えている遠心圧縮機とすることができる。流量調整部において、第１の経路は、第２の経路よりも流路断面が大きくなる。その結果、熱交換器で冷却された圧縮気体の流量について、第２の経路よりも第１の経路の方を大きくし易くなり、スラスト軸受の優先的な冷却に有利になる。
【００１５】
いくつかの態様において、流量調整部は、第１の経路の気体軸受構造よりも下流側に配置された第１のオリフィスと、第２の経路の気体軸受構造よりも下流側に配置された第２のオリフィスとを備え、第１のオリフィスのオリフィス径は、第２のオリフィスのオリフィス径よりも大きい遠心圧縮機とすることができる。第１のオリフィスと第２のオリフィスとを備えた流量調整部とすることで、第１の経路を通過する圧縮気体の流量を、より確実に第２の経路よりも大きくし易くなり、スラスト軸受の優先的な冷却に有利になる。
【００１６】
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と、回転軸を支持する気体軸受構造と、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コンプレッサハウジングと、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を気体軸受構造に供給する軸受冷却ラインと、軸受冷却ライン上に配置された熱交換器と、を備え、熱交換器は、モータハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方に取り付けられている。
【００１７】
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。
【００１８】
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Ｅ（図５参照）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。
【００１９】
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Ｅに供給される。燃料電池システムＥ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Ｅ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。
【００２０】
電動過給機１は、燃料電池システムＥ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Ｅ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。
【００２１】
燃料電池システムＥ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Ｅ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Ｅ以外から電気が供給されてもよい。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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Ｅ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。
【００２６】
コンプレッサハウジング３２には、吸入口３２ａ及び吐出口３２ｂ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Ｅに供給される。
【００２７】
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。
【００２８】
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（「冷媒流路」の一例）１０及び空冷ライン（「軸受冷却ライン」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（「冷媒」の一例）が通過する。
【００２９】
冷媒ライン１０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、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とを備えている。熱交換器９を通過したクーラントＣは、モータ冷却部１０ａにおいてステータ５２の周りを周回しながら流れ、ステータ５２を冷却する。その後、クーラントＣは、インバータ冷却部１０ｂにおいてインバータ６の制御回路、例えば、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはGTOなどに沿って蛇行しながら流れ、インバータ６を冷却する。
【００３０】
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好適に冷却できる。以下、空冷ライン１１について詳しく説明する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、台座部９１を介してモータハウジング７の外周面に取り付けられている。台座部９１には、熱交換器９の入口と第１の連絡流路１２とを連通する連絡孔が形成されている。なお、本実施形態に係る熱交換器９はモータハウジング７に取り付けられているが、少なくとも一部がコンプレッサハウジング３２に取り付けられていても良い。
【００３４】
熱交換器９には、圧縮空気Ｇが通過する空気流路（「気体流路」の一例）１３が形成されている。空気流路１３は空冷ライン１１の一部であり、冷媒ライン１０との間で熱交換可能である。熱交換器９は、ステータハウジング７１と軸受ハウジング７２とを跨ぐ位置に設置されている。空気流路１３の上流側の入口１３ａは軸受ハウジング７２側に設けられ、下流側の出口１３ｂはステータハウジング７１側に設けられている。つまり、空気流路１３の入口１３ａは、回転軸４に沿った方向を基準にして、下流側の出口１３ｂよりもコンプレッサインペラ３１側に配置されている。なお、「空気流路１３の入口１３ａが、回転軸４に沿った方向を基準にして下流側の出口１３ｂよりもコンプレッサインペラ３１側に配置されている」とは、回転軸４に沿った方向（軸線方向）の距離を考えた場合に、出口１３ｂよりも入口１３ａの方がコンプレッサインペラ３１に近いことを意味する。
【００３５】
空気流路１３の出口１３ｂは、台座部９１に設けられた連絡口を介し、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、ステータハウジング７１及び軸受ハウジング７２を貫通する流路であり、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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おり、第１のラジアル軸受８１を代表して説明する。
【００３９】
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。
【００４０】
第１のラジアル軸受８１は、例えば、回転軸４を囲む筒状の軸受本体８１ａと、軸受本体８１ａと回転軸４との間に設けられ、回転軸４の回転によって楔効果を生じさせる空気誘引部８１ｂとを備えている。軸受本体８１ａはフランジ８１ｃを介して軸受ハウジング７２に固定されている。第１のラジアル軸受８１として、例えば、フォイル軸受、ティルティングパッド軸受、スパイラル溝軸受などを用いることができる。この種の形態の場合、空気誘引部８１ｂは、例えば、可撓性を有するフォイル、軸受本体８１ａの内面に設けられたテーパ形状やスパイラル溝であってもよい。
【００４１】
本実施形態では、上記の楔効果によって軸受本体８１ａ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も同様に、軸受本体８２ａ、空気誘引部８２ｂ、及びフランジ８２ｃを備え、楔効果によって軸受本体８２ａと回転軸４との間に生じる隙間は、空冷ライン１１の一部になる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
スラスト軸受８３は、例えば、回転軸４に固定された環状のスラストカラー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、回転軸４の軸線に直交する平面に沿って設けられた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と、一対の軸受パッド８３ｄを所定の間隔で保持する環状のスペーサ８３ｅとを備えている。スペーサ８３ｅは、カラーパッド８３ｂの外周端に沿って配置され、スペーサ８３ｅとカラーパッド８３ｂとの間には、圧縮空気Ｇが通過可能な隙間が形成されている。
【００４５】
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空気誘引部を形成する。例えば、スラスト軸受８３の空気誘引部として、可撓性を有するフォイルをカラーパッド８３ｂと軸受パッド８３ｄとの間に設けても良く、また、カラーパッド８３ｂにテーパ形状や溝を設けても良い。スラスト軸受８３として、例えば、フォイル軸受、ティルティングパッド軸受、スパイラル溝軸受などを用いることができる。
【００４６】
本実施形態では、上記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。また、スペーサ８３ｅとカラーパッド８３ｂとの間にも圧縮空気Ｇが通過可能な隙間が形成されている。カラーパッド８３ｂと軸受パッド８３ｄとの間の隙間及びスペーサ８３ｅとカラーパッド８３ｂとの間に隙間は、圧縮空気Ｇが通過する空冷ライン１１の一部になる。
【００４７】
第２の連絡流路１４は、第１のラジアル軸受８１に接続されている。具体的に説明すると、第１のラジアル軸受８１の軸受本体８１ａの外周面と軸受ハウジング７２との間には圧縮空気Ｇが通過可能な隙間が存在する。第２の連絡流路１４の下流側の出口は、軸受本体８１ａの外周面と軸受ハウジング７２との間の隙間に連通可能に接続されている。
【００４８】
モータハウジング７には、軸空間Ａとタービンハウジング２２とを接続する第３の連絡流路１５と、軸空間Ａとタービンハウジング２２とを接続する第４の連絡流路１６とが設けられている。第３の連絡流路１５の入口は、第２の連絡流路１４の出口よりもコンプレッサインペラ３１側に配置されている。第４の連絡流路１６の入口は、第２の連絡流路１４の出口よりもタービンインペラ２１側に配置されている。その結果、第２の連絡流路１４を経由して軸空間Ａに到達した圧縮空気Ｇは、第３の連絡流路１５側に向かう流れと、第４の連絡流路１６側に向かう流れとに分岐する。
【００４９】
第３の連絡流路１５側を流れる圧縮空気Ｇの流路は第１の分岐流路（「第１の経路」の一例）Ｒ１であり、第４の連絡流路１６側を流れる圧縮空気Ｇの流路は第２の分岐流路（「第２の経路」の一例）Ｒ２である。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とが配置されており、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。
【００５０】
第１の分岐流路Ｒ１を形成する第３の連絡流路１５は、スラスト軸受８３に接続されている。具体的に説明すると、スラスト軸受８３の軸受本体８３ｃの外周面と軸受ハウジング７２との間及び軸受本体８３ｃの外周面とディフューザプレート３３との間には圧縮空気Ｇが通過可能な隙間が存在する。第３の連絡流路１５の上流側の入口は、軸受本体８３ｃの外周面と軸受ハウジング７２との間の隙間に連通可能に接続されている。
【００５１】
第３の連絡流路１５は、軸受ハウジング７２及びステータハウジング７１を通過するように設けられている。第３の連絡流路１５の下流側の出口は、タービンハウジング２２に設けられた第５の連絡流路１７に接続されている。第３の連絡流路１５と第５の連絡流路１７との間には、圧縮空気Ｇの流量調整のための第１のオリフィス板４１が設けられている。第５の連絡流路１７の出口は、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。
【００５２】
つまり、第１の分岐流路Ｒ１は、軸空間Ａ内で、第２の連絡流路１４の出口から第１のラジアル軸受８１及びスラスト軸受８３を通過し、更に第３の連絡流路１５及び第５の連絡流路１７を通過する圧縮空気Ｇの流路である。
【００５３】
第２の分岐流路Ｒ２を形成する第４の連絡流路１６は、第２のラジアル軸受８２に接続されている。具体的に説明すると、第２のラジアル軸受８２の軸受本体８２ａは、フランジ８２ｃを介してステータハウジング７１に固定されている。ステータハウジング７１には、タービンハウジング２２が固定されている。ステータハウジング７１とタービンハウジング２２との間には、ラビリンス構造２３ａが設けられたシール板２３が配置されている。軸受本体のフランジ８２ｃとシール板２３との間には、圧縮空気Ｇが通過可能な空間が形成されている。第４の連絡流路１６の上流側の入口は、軸受本体８２ａのフランジ８２ｃとシール板２３との間の空間に連通可能に接続されている。
【００５４】
第４の連絡流路１６は、シール板２３及びステータハウジング７１を通過するように設けられている。第４の連絡流路１６の下流側の出口は、タービンハウジング２２に設けられた第６の連絡流路１８に接続されている。第４の連絡流路１６と第６の連絡流路１８との間には、圧縮空気Ｇの流量調整のための第２のオリフィス板４２が設けられている。第６の連絡流路１８の出口は、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。
【００５５】
つまり、第２の分岐流路Ｒ２は、軸空間Ａ内で、第２の連絡流路１４の出口から第２のラジアル軸受８２を通過し、更に第４の連絡流路１６及び第６の連絡流路１８を通過する圧縮空気Ｇの流路である。
【００５６】
図２及び図３に示されるように、第１のオリフィス板４１及び第２のオリフィス板４２は、第１の分岐流路Ｒ１の流路断面よりも第２の分岐流路Ｒ２の流路断面を小さくする流量調整部である。具体的に説明すると、第１のオリフィス板４１に設けられたオリフィスの孔径（オリフィス径）ｄ１は、第２のオリフィス板４２に設けられたオリフィスの孔径（オリフィス径）ｄ２よりも大きくなっている。つまり、他の条件が同一であれば、第３の連絡流路１５及び第５の連絡流路１７を流れる圧縮空気Ｇの流路（第１の分岐流路Ｒ１）の方が、第４の連絡流路１６及び第６の連絡流路１８を流れる圧縮空気Ｇの流路（第２の分岐流路Ｒ２）よりも、圧縮空気Ｇが通過する際の抵抗が小さくなる。その結果、第１の分岐流路Ｒ１の流量は、第２の分岐流路Ｒ２の流量よりも大きくなり易い。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が配置されており、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。そして、第１の分岐流路Ｒ１の流量を第２の分岐流路Ｒ２の流量よりも大きくすることで、第１のラジアル軸受８１とスラスト軸受８３とを優先的に冷却でき、特にスラスト軸受８３を効果的に冷却できる。
【００５７】
以上、本実施形態に係る電動過給機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と空気軸受構造８とを接続する空冷ライン１１と、空冷ライン１１上に配置された熱交換器９と、を備えている。熱交換器９は、モータハウジング７及びコンプレッサハウジング３２の少なくとも一方に取り付けられている。なお、「抽気口と空気軸受構造とを接続する」とは、圧縮空気Ｇの少なくとも一部が空気軸受構造８に接触する位置と、抽気口３３ｂとを連絡する構造を意味する。
【００５８】
ここで、本実施形態に係る電動過給機１における圧縮空気Ｇの流れについて、図４及び図５を参照して説明する。
【００５９】
コンプレッサハウジング３２内で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、吐出口３２ｂから吐出され、燃料電池システムＥに供給される。また、圧縮空気Ｇの一部は、空冷ライン１１の入口である抽気口３３ｂから抽出され、第１の連絡流路１２を通過して熱交換器９に供給される。熱交換器９で冷却された圧縮空気Ｇは、第２の連絡流路１４を通過して軸空間Ａに供給される。ここで、圧縮空気Ｇは二方向に分かれ、一方は第１の分岐流路Ｒ１を通過し、他方は第２の分岐流路Ｒ２を通過する。
【００６０】
第１の分岐流路Ｒ１を通過する圧縮空気Ｇは、空気軸受構造８である第１のラジアル軸受８１及びスラスト軸受８３を通過し、更に第１のオリフィス板４１を通過してタービンハウジング２２に排出される。
【００６１】
第２の分岐流路Ｒ２を通過する圧縮空気Ｇは、空気軸受構造８である第２のラジアル軸受８２を通過し、更に第２のオリフィス板４２を通過してタービンハウジング２２に排出される。
【００６２】
上述の通り、本実施形態に係る電動過給機１では、コンプレッサインペラ３１により圧縮された圧縮空気Ｇの一部が抽気口３３ｂを通過して空冷ライン１１に供給される。圧縮空気Ｇが通過する空冷ライン１１上に熱交換器９が配置されており、熱交換器９で冷却された圧縮空気Ｇは、空気軸受構造８に供給されて空気軸受構造８を冷却する。この電動過給機１では、空気軸受構造８を主体的に冷却する冷媒として圧縮空気Ｇを利用している。圧縮空気Ｇを冷却する熱交換器９は、モータハウジング７及びコンプレッサハウジング３２の少なくとも一方に取り付けられている。従って、熱交換器９を外部の他の場所に設置する場合に比べ、熱交換器９で冷却された圧縮空気Ｇを空気軸受構造８に供給する際の経路を短くでき、熱損失を抑えることができる。また、クーラントＣなどの液体状の冷媒に比べ、圧縮空気Ｇは気体であるため、空気軸受構造８との相性も良い。従って、圧縮空気Ｇを空気軸受構造８の冷却のために付加的に用いたとしても、機内の構造は複雑になり難く、コンパクト化に有利である。
【００６３】
また、本実施形態に係る熱交換器９は、空冷ライン１１を通過する圧縮空気Ｇが通過する空気流路１３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、を備えている。空気流路１３は、圧縮空気Ｇの入口１３ａと出口１３ｂとを備え、入口１３ａは、回転軸４に沿った方向を基準にして、出口１３ｂよりもコンプレッサインペラ３１側に配置されている。空気流路１３の入口１３ａをコンプレッサインペラ３１側に配置することで、圧縮空気Ｇを熱交換器９まで導入する経路を短くでき、コンパクト化に有利になる。
【００６４】
また、本実施形態に係る空気軸受構造８は、スラスト軸受８３と第１、第２のラジアル軸受８１、８２とを備え、空冷ライン１１は、少なくともスラスト軸受８３を通過する第１の分岐流路Ｒ１と、スラスト軸受８３を通過することなく、第２のラジアル軸受８２を通過する第２の分岐流路Ｒ２とを備えている。スラスト軸受８３を冷却する第１の分岐流路Ｒ１と、スラスト軸受８３を冷却することなく第２のラジアル軸受８２を冷却する第２の分岐流路Ｒ２とを分けることで、スラスト軸受８３及び第１、第２のラジアル軸受８１、８２の仕様に応じた効率的な冷却に有利になる。
【００６５】
また、本実施形態に係る空冷ライン１１は、空気軸受構造８よりも下流側に流量調整部（第１のオリフィス板４１、第２のオリフィス板４２）を備えている。流量調整部により、第１の分岐流路Ｒ１は、第２の分岐流路Ｒ２よりも流路断面が大きくなる。その結果、熱交換器９で冷却された圧縮空気Ｇの流量に関し、第２の分岐流路Ｒ２よりも第１の分岐流路Ｒ１の方を大きくし易くなり、スラスト軸受８３の優先的な冷却に有利になる。なお、流量調整部は、空気軸受構造８よりも上流側に設けられていても良く、更に、上流側と下流側との両方に設けられていても良い。
【００６６】
また、本実施形態に係る流量調整部は、第１の分岐流路Ｒ１の空気軸受構造８（スラスト軸受８３）よりも下流側に配置された第１のオリフィス板４１と、第２の分岐流路Ｒ２の空気軸受構造８（第２のラジアル軸受８２）よりも下流側に配置された第２のオリフィス板４２とを備え、第２のオリフィス板４２のオリフィス径ｄ２は、第１のオリフィス板４１のオリフィス径ｄ１よりも小さい。第１のオリフィス板４１と第２のオリフィス板４２とを備えた流量調整部とすることで、第１の分岐流路Ｒ１を通過する圧縮空気Ｇの流量を、より確実に第２の分岐流路Ｒ２よりも大きくし易くなり、スラスト軸受８３の優先的な冷却に有利になる。
【００６７】
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、流量調整部として第１のオリフィス板及び第２のオリフィス板を例に説明したが、流路途中の断面積に大小を設けたり、弁などを設けたりしても良い。また、上記の実施形態では、気体軸受構造として、動圧型の空気軸受を例に説明したが、静圧型であってもよい。また、空冷ラインを途中で分割して第１の経路と第２の経路とを形成する形態に限定されず、例えば、抽気口を二個設け、最初から第１の経路と第２の経路とを分けた形態であってもよい。
【００６８】
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。
【符号の説明】
【００６９】
１  電動過給機（遠心圧縮機）
４  回転軸
５  モータ
７  モータハウジング
８  空気軸受構造（気体軸受構造）
９  熱交換器
１０  冷媒ライン（冷媒流路）
１１  空冷ライン（軸受冷却ライン）
１３  空気流路（気体流路）
１３ａ  入口
１３ｂ  出口
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
４１  第１のオリフィス板（第１のオリフィス）
４２  第２のオリフィス板（第２のオリフィス）
８１  第１のラジアル軸受
８２  第２のラジアル軸受
８３  スラスト軸受
ｄ１  オリフィス径
ｄ２  オリフィス径
Ｇ  圧縮空気（圧縮気体）
Ｃ  クーラント（冷媒）
Ｒ１  第１の分岐流路（第１の経路）
Ｒ２  第２の分岐流路（第２の経路）
【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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【国際調査報告】
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