(57)【要約】【課題】タイシャフトを良好に短尺化するとともに、共振強度の向上を図ることを可能にする。【解決手段】遠心型圧縮機１０は、インペラ２６、ベアリングシャフト２２、ロータ２０、ベアリングシャフト２４及び受け部材３２が、タイシャフト３０により一体に保持される。ベアリングシャフト２４は、ロータ２０に隣接する第１底部２４ｂを有し、受け部材３２は、前記ベアリングシャフト２４内に挿入されて第２底部３２ｂが前記第１底部２４ｂに当接する。タイシャフト３０は、第２底部３２ｂに当接する頭部３０ｃを有するとともに、軸部３０ａの端部には、ナット部材７２が螺合されるねじ部３０ｂが設けられる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮するためのインペラ、永久磁石を設けるロータ及び気体軸受を構成するベアリングシャフトを備え、少なくとも前記インペラ、前記ロータ及び前記ベアリングシャフトは、軸方向に挿入されるタイシャフトにより同軸上に一体に保持される遠心型圧縮機であって、
前記ベアリングシャフトは、前記ロータに隣接する軸方向一端に径方向内方に突出する第１底部を有し且つ軸方向他端に開放される第１円筒形状部を設けるとともに、
前記ベアリングシャフトに隣接して受け部材が同軸的に配設され、
前記受け部材は、前記第１円筒形状部の内径よりも小径な外径に設定され、軸方向一端に径方向内方に突出し且つ前記第１底部に当接する第２底部を有するとともに、軸方向他端に開放される第２円筒形状部を設け、
前記タイシャフトは、前記受け部材の前記第２底部の中央、前記ベアリングシャフトの前記第１底部の中央、前記ロータの軸芯及び前記インペラの軸芯に形成された貫通孔に一体に挿入され、前記インペラ側の端部から締め付け具により固定される軸部と、
前記締め付け具が固定される前記端部とは反対側の端部に設けられ、少なくとも前記受け部材の前記第２底部の中央に設けられた前記貫通孔よりも大径に構成されて前記受け部材の前記第２底部に係止される頭部と、
を設けることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項２】
請求項１記載の遠心型圧縮機において、回転時に前記タイシャフトの軸方向の移動を抑制するためのスラストシャフトを備え、
前記スラストシャフトは、前記ベアリングシャフトの前記第１円筒形状部の内径寸法よりも小径な外径に設定される円環部を有する一方、
前記受け部材は、前記スラストシャフトの内径よりも大径に設定される押圧部を設け、
前記スラストシャフトは、前記ベアリングシャフトの開放側端面と前記押圧部との間に介装されることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項３】
請求項１又は２記載の遠心型圧縮機において、前記インペラと前記ロータとの間には、スラストエア軸受及びジャーナルエア軸受を構成するベアリングシャフトが同軸的に配設されることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項４】
請求項２又は３記載の遠心型圧縮機において、前記スラストシャフトと前記押圧部との間には、レゾルバロータが介装されることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載の遠心型圧縮機において、前記押圧部に対向してギャップセンサが配設されることを特徴とする遠心型圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を圧縮するためのインペラ、永久磁石を設けるロータ及び気体軸受を構成するベアリングシャフトを備える遠心型圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、圧縮空気を効率的に供給する過給機として、遠心型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。
【０００３】
この種の遠心圧縮機では、円環状に配置されたステータの内周側に、永久磁石を有するロータが設けられており、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより、前記ロータが回転されるように構成されている。
【０００４】
近年、ロータを高速回転させることが望まれている。その際、高速回転するロータを支持する軸受として、比較的簡単な構成で回転精度が得られるとともに、非接触で摩耗が抑制されることから、気体軸受や磁気軸受が採用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている圧縮機では、図７に示すように、軸１がジャーナル軸受２ａ、２ｂ及びスラスト軸受３により支持されている。ジャーナル軸受２ａ、２ｂは、空気潤滑式のティルティングパッドジャーナル軸受からなっている。
【０００６】
軸１には、一端側に第１段のインペラロータ４ａが装着されるとともに、他端側に第２及び第３段のインペラロータ４ｂ、４ｃが装着されている。インペラロータ４ａ、４ｂ間には、軸１に取り付けられた永久磁石からなるロータ５とハウジング内に取り付けられたステータ６とを有するモータが配置されている。インペラロータ４ａ、軸１及びインペラロータ４ｂ、４ｃは、軸方向に延在するタイシャフト７により、一体的に締め付け保持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表平９−５０９９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、インペラロータ４ａ、軸１及びインペラロータ４ｂ、４ｃを同軸的に一体に締め付け保持するタイシャフト７は、軸長が相当に長尺化している。このため、タイシャフト７の加工作業が煩雑化するとともに、材料費が高騰するという問題がある。しかも、長尺なタイシャフト７では、共振周波数が低くなり、共振強度が著しく低下するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の課題を解決するものであり、タイシャフトを良好に短尺化するとともに、共振強度の向上を図ることが可能な遠心型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】
【００１０】
本発明は、空気を圧縮するためのインペラ、永久磁石を設けるロータ及び気体軸受を構成するベアリングシャフトを備え、少なくとも前記インペラ、前記ロータ及び前記ベアリングシャフトは、軸方向に挿入されるタイシャフトにより同軸上に一体に保持される遠心型圧縮機に関するものである。
【００１１】
そして、ベアリングシャフトは、ロータに隣接する軸方向一端に径方向内方に突出する第１底部を有し且つ軸方向他端に開放される第１円筒形状部を設けるとともに、前記ベアリングシャフトに隣接して受け部材が同軸的に配設されている。
【００１２】
受け部材は、第１円筒形状部の内径よりも小径な外径に設定され、軸方向一端に径方向内方に突出し且つ第１底部に当接する第２底部を有するとともに、軸方向他端に開放される第２円筒形状部を設けている。
【００１３】
タイシャフトは、受け部材の第２底部の中央、ベアリングシャフトの第１底部の中央、ロータの軸芯及びインペラの軸芯に形成された貫通孔に一体に挿入され、前記インペラ側の端部から締め付け具により固定される軸部と、前記締め付け具が固定される前記端部とは反対側の端部に設けられ、少なくとも前記受け部材の前記第２底部の中央に設けられた前記貫通孔よりも大径に構成されて前記受け部材の前記第２底部に係止される頭部とを設けている。
【００１４】
また、この遠心型圧縮機は、回転時にタイシャフトの軸方向の移動を抑制するためのスラストシャフトを備え、前記スラストシャフトは、ベアリングシャフトの第１円筒形状部の内径寸法よりも小径な外径に設定される円環部を有する一方、受け部材は、前記スラストシャフトの内径よりも大径に設定される押圧部を設け、前記スラストシャフトは、前記ベアリングシャフトの開放側端面と前記押圧部との間に介装されることが好ましい。
【００１５】
さらに、この遠心型圧縮機は、インペラとロータとの間には、スラストエア軸受及びジャーナルエア軸受を構成するベアリングシャフトが同軸的に配設されることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、この遠心型圧縮機は、スラストシャフトと押圧部との間には、レゾルバロータが介装されることが好ましい。
【００１７】
また、この遠心型圧縮機は、押圧部に対向してギャップセンサが配設されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、受け部材の第２円筒形状部が、ベアリングシャフトの第１円筒形状部内に挿入されて、前記第１円筒形状部の第１底部に、前記第２円筒形状部の第２底部が当接している。すなわち、受け部材の第２底部は、ベアリングシャフトの内部に挿入されてロータ側に可及的に近接して配置されている。
【００１９】
この状態で、タイシャフトは、受け部材の第２底部の中央、ベアリングシャフトの第１底部の中央、ロータの軸芯及びインペラの軸芯に形成された貫通孔に一体に挿入され、前記インペラ側の端部から締め付け具により固定されている。
【００２０】
従って、タイシャフトは、軸長が大幅に短尺化され、製作性の向上及びコストの削減が容易に図られるとともに、共振周波数を高くすることができる。これにより、タイシャフトの共振強度の向上を図ることが可能になり、簡単な軸設計で、高速回転を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る遠心型圧縮機の断面説明図である。
【図２】前記遠心型圧縮機の要部断面説明図である。
【図３】前記遠心型圧縮機の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】前記遠心型圧縮機を構成するスラストエア軸受の斜視説明図である。
【図５】前記スラストエア軸受の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る遠心型圧縮機の要部断面説明図である。
【図７】特許文献１に開示されている圧縮機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る遠心型圧縮機（過給機）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。
【００２３】
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の軸方向端部の少なくとも一方、第１の本実施形態では、両方に設けられ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。
【００２４】
インペラ２６は、遠心圧縮部２８を構成するとともに、タイシャフト３０には、前記インペラ２６側からベアリングシャフト２２、ロータ２０、ベアリングシャフト２４及び受け部材３２の順に配置される。受け部材３２側には、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ー機構３４が設けられる。
【００２５】
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。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４８が周回形成される。
【００２６】
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。
【００２７】
ベアリングシャフト２２は、ロータ２０に隣接する軸方向一端に径方向内方に突出する第１底部２２ｂを有し且つ軸方向他端に開放される第１円筒形状部２２ａを設ける。ベアリングシャフト２４は、同様にロータ２０に隣接する軸方向一端に径方向内方に突出する第１底部２４ｂを有し且つ軸方向他端に開放される第１円筒形状部２４ａを設ける。
【００２８】
ベアリングシャフト２２の第１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の第１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。第１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。
【００２９】
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５４とを備える。
【００３０】
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、回転不能に固定される。
【００３１】
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、その一端５８ａがリング部材５６Ａの内周面５６ａに溶接されるとともに、その他端が自由端を構成する。トップフォイル６０は、平板を環状に湾曲させており、その一端６０ａがリング部材５６Ａの内周面５６ａに溶接される一方、その他端が自由端となっている。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、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。
【００３４】
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に溶接される一方、他端６８ｂが自由端となっている。
【００３５】
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）。
【００３６】
受け部材３２は、ベアリングシャフト２４を構成する第１円筒形状部２４ａの内径よりも小径な外径に設定される第２円筒形状部３２ａを設ける。第２円筒形状部３２ａのロータ２０側の軸方向一端には、径方向内方に突出し、ベアリングシャフト２４の第１底部２４ｂに当接する第２底部３２ｂが設けられる。第２円筒形状部３２ａは、軸方向他端が開放されるとともに、前記軸方向他端側には、前記第２円筒形状部３２ａの外径よりも大径な押圧部３２ｃが一体に設けられる。
【００３７】
タイシャフト３０は、受け部材３２の第２底部３２ｂの中央、ベアリングシャフト２４の第１底部２４ｂの中央、永久磁石１６（ロータ２０）の軸芯、ベアリングシャフト２２の第１底部２２ｂの中央及びインペラ２６の軸芯にそれぞれ形成された貫通孔７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄ及び７０ｅに、前記受け部材３２側から一体に挿入される軸部３０ａを有する。軸部３０ａの矢印Ａ１方向先端側、すなわち、インペラ２６側の端部には、ねじ部３０ｂが形成され、このねじ部３０ｂには、ナット部材（締め付け具）７２が固定される。
【００３８】
軸部３０ａの矢印Ａ２方向の端部には、少なくとも受け部材３２の第２底部３２ｂの中央に設けられた貫通孔７０ａよりも大径に構成されて、前記第２底部３２ｂに係止される頭部３０ｃが一体に形成される。
【００３９】
図１に示すように、キャンセラー機構３４は、加圧室７４内を矢印Ａ方向に摺動自在なスラストシャフト７６を備える。この加圧室７４には、通路７８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。
【００４０】
図２に示すように、スラストシャフト７６は、ベアリングシャフト２４の第１円筒形状部２４ａの内径寸法よりも小径な外径に設定される円環部７６ａを有する一方、受け部材３２の押圧部３２ｃは、前記スラストシャフト７６の内径よりも大径に設定される。スラストシャフト７６は、ベアリングシャフト２４の開放側端面と押圧部３２ｃとの間に介装される。
【００４１】
受け部材３２の外周には、スラストシャフト７６と押圧部３２ｃとの間にレゾルバロータ８０が改装されるとともに、前記押圧部３２ｃに対向してギャップセンサ８２が配設される。
【００４２】
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８４が形成される。この流通路８４の入口側及びキャンセラー機構３４の通路７８は、遠心圧縮部２８のコンプレッサ出口８６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８６から流通路８４の入口側及びキャンセラー機構３４の通路７８に送風される。
【００４３】
このように構成される遠心型圧縮機１０の動作について、以下に説明する。
【００４４】
先ず、電動機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、タイシャフト３０と一体に回転する。このため、タイシャフト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。
【００４５】
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。
【００４６】
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８６からケーシング１２内の流通路８４に供給される。この流通路８４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。
【００４７】
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８６からキャンセラー機構３４を構成する通路７８を通って加圧室７４に供給される。従って、加圧室７４に配設されるスラストシャフト７６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、キャンセラー機構３４により緩和される。
【００４８】
一方、タイシャフト３０に保持されている受け部材３２が回転すると、この受け部材３２の外周に対してスラストシャフト７６と押圧部３２ｃとの間で挟持されているレゾルバロータ８０が回転する。このため、回転軸ユニット１４の回転角度位置が検出される。また、受け部材３２の押圧部３２ｃに対向して配置されているギャップセンサ８２により、回転軸ユニット１４の回転ブレ等が検出される。
【００４９】
この場合、第１の実施形態では、ベアリングシャフト２４は、ロータ２０に隣接する第１底部２４ｂを有する円筒形状に構成されるとともに、受け部材３２の第２円筒形状部３２ａは、前記ベアリングシャフト２４内に、すなわち、第１円筒形状部２４ａ内に挿入されている。そして、ベアリングシャフト２４の第１底部２４ｂに受け部材３２の第２底部３２ｂが当接している。すなわち、受け部材３２の第２底部３２ｂは、ベアリングシャフト２４の内部に挿入されてロータ２０に可及的に近接して配置することができる。
【００５０】
この状態で、タイシャフト３０は、受け部材３２の第２底部３２ｂの中央、ベアリングシャフト２４の第１底部２４ｂの中央、ロータ２０の軸芯、ベアリングシャフト２２の第１底部２２ｂの中央及びインペラ２６の軸芯に形成された各貫通孔７０ａ〜７０ｅに一体に挿入され、前記インペラ２６側の端部に設けられているねじ部３０ｂに、ナット部材７２が固定されている。
【００５１】
従って、タイシャフト３０は、軸長が大幅に短尺化され、共振周波数を高くすることができる。これにより、タイシャフト３０の共振強度の向上を図ることが可能になり、高速回転が効率的に遂行されるという効果が得られる。
【００５２】
さらに、第１の実施形態では、受け部材３２の外周部に、押圧部３２ｃとスラストシャフト７６とで挟んでレゾルバロータ８０が配置されるとともに、前記押圧部３２ｃに対向してギャップセンサ８２が配置されている。このため、ギャップセンサ８２の計測領域（計測対象面）を十分に確保することができ、良好な計測性能を維持することが可能になるという利点がある。
【００５３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る遠心型圧縮機９０の要部断面説明図である。
【００５４】
なお、第１の実施形態に係る遠心型圧縮機１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
遠心型圧縮機９０を構成する回転軸ユニット９２は、上述したタイシャフト３０に代えてタイシャフト９４を備えるとともに、上述したインペラ２６に代えてインペラ９６を用いている。インペラ９６は、軸芯に貫通孔７０ｅに対応する孔部９８ａを設けるとともに、前記孔部９８ａには、段部を介して大径孔部９８ｂが連通する。
【００５６】
タイシャフト９４は、軸部３０ａの端部位置がインペラ９６の先端部で終端するとともに、大径孔部９８ｂにねじ部３０ｂが配置される。このねじ部３０ｂには、ナット部材（締め付け具）１００が螺合することにより、タイシャフト９４には、受け部材３２、ベアリングシャフト２４、ロータ２０、ベアリングシャフト２２及びインペラ９６が同軸的且つ一体的に保持される。
【００５７】
このように構成される第２の実施形態では、インペラ９６に形成された大径孔部９８ｂにナット部材１００が収容されるため、このインペラ９６の先端からタイシャフト９４の端部が露出することがない。これにより、タイシャフト９４の軸長が一層短尺化され、共振周波数をより高くすることができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００５８】
１０…遠心型圧縮機                  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、３２ａ…円筒形状部
２２ｂ、２４ｂ、３２ｂ…底部        ２６…インペラ
３０…タイシャフト                  ３２…受け部材
３２ｃ…押圧部                      ３４…キャンセラー機構
４２…ステータ                      ４６…モータ部
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…リング部材
７０ａ〜７０ｅ…貫通孔              ７２…ナット部材
７４…加圧室                        ７６…スラストシャフト
７６ａ…円環部                      ８０…レゾルバロータ
８２…ギャップセンサ
【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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