(57)【要約】【課題】回転軸ユニットの回転により発生する圧縮空気を、可及的に有効利用するとともに、前記回転軸ユニットを効率的且つ確実に冷却することを可能にする。【解決手段】遠心型圧縮機１０を構成する筐体１２内には、スクロール７０からの圧縮空気をキャンセラ室３６に流通させる加圧用空気流通路７６と、前記加圧用空気流通路７６から分岐し、ステータ４２と前記キャンセラ室３６との間から中央収納室７２に連通する冷却用空気流通路７８と、一端側が前記冷却用空気流通路７８に連通し、ロータ２０の外表面に接して圧縮空気が流通されるとともに、他端側がインペラ側ベアリングホルダ５７Ａの外周側から筐体１２の外部に開放される軸冷却流通路８０とが形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を設けるロータ、前記ロータの軸方向両端部に設けられる一対のベアリングシャフト、一方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるインペラ、及び他方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるスラストキャンセラシャフトを備える回転軸ユニットと、
前記ロータの外周面に対向するステータと、
一対の前記ベアリングシャフトを保持するインペラ側ベアリングホルダ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダと、
前記インペラが収納されるスクロール、前記スラストキャンセラシャフトが収納されるキャンセラ室、さらに一対の前記ベアリングシャフト及び前記ステータが収納される中央収納室を設ける筐体と、
を備える遠心型圧縮機であって、
前記筐体内には、前記スクロールからの圧縮空気を前記キャンセラ室に流通させる加圧用空気流通路と、
前記加圧用空気流通路から分岐し、前記ステータと前記キャンセラ室との間から前記中央収納室に連通する冷却用空気流通路と、
一端側が前記冷却用空気流通路に連通し、前記ロータの外表面に接して圧縮空気が流通されるとともに、他端側が前記インペラ側ベアリングホルダの外周側から前記筐体の外部に開放される軸冷却流通路と、
が形成され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、前記インペラ側ベアリングホルダ及び前記スラストキャンセラ側ベアリングホルダは、前記ロータ側に向かって傾斜し、前記圧縮空気を案内するための傾斜ガイド面を設け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、前記筐体は、前記ステータの外周に沿って冷媒流路を形成するとともに、
前記圧縮空気流通路は、前記冷媒流路の外周に沿って延在することを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項４】
請求項３記載の遠心型圧縮機において、前記圧縮空気流通路には、前記冷媒流路の外周に沿って放熱用フィンが配設されることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心型圧縮機において、前記インペラ側ベアリングホルダには、放熱用フィンが形成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、永久磁石を設けるロータ、一対のベアリングシャフト、インペラ、及びスラストキャンセラシャフトを設ける回転軸ユニットが筐体内に収容され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、種々の遠心型圧縮機が利用されている。
【０００３】
この種の遠心型圧縮機では、回転軸の両側にインペラが設けられており、前記遠心型圧縮機全体が大型化且つ重量化するという問題がある。このため、遠心型圧縮機の小型化及びコスト削減を図るため、回転軸の一方にのみインペラを設ける構成が採用されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている電動圧縮機では、図８に示すように、筐体１内にインペラ２、回転軸３、スラストキャンセラ４及びモータユニット５が内蔵されている。回転軸３は、スラストエアベアリング６ａ及びラジアルエアベアリング６ｂにより軸支されている。
【０００５】
そこで、インペラ２の回転数が上がると、回転軸３にスラスト荷重が生じる一方、圧力室７には、圧縮空気導出部８から圧縮空気通路９を介して、圧縮空気の圧力が作用している。このため、圧縮空気の圧力が、キャンセラシャフト４ａに作用し、回転軸３に後方に向けて荷重を生じさせることによって、スラスト荷重を相殺している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２５７１６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の電動圧縮機では、回転軸３を高速回転させると、この回転軸３に配置されている永久磁石に大きな遠心力が作用するとともに、渦電流によりロータが発熱し易い。この熱は、永久磁石に伝導されることにより、前記永久磁石が減磁する場合がある。また、ラジアルエアベアリング６ｂも発熱し易く、効率的且つ経済的な冷却構造が望まれている。
【０００８】
本発明はこの種の要請に対応するものであり、回転軸ユニットの回転により発生する圧縮空気を、可及的に有効利用するとともに、前記回転軸ユニットを効率的且つ確実に冷却す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】
【０００９】
本発明は、永久磁石を設けるロータ、前記ロータの軸方向両端部に設けられる一対のベアリングシャフト、一方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるインペラ、及び他方の前記ベアリングシャフトの端部に設けられるスラストキャンセラシャフトを備える回転軸ユニットと、前記ロータの外周面に対向するステータと、一対の前記ベアリングシャフトを保持するインペラ側ベアリングホルダ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダと、前記インペラが収納されるスクロール、前記スラストキャンセラシャフトが収納されるキャンセラ室、さらに一対の前記ベアリングシャフト及び前記ステータが収納される中央収納室を設ける筐体とを備える遠心型圧縮機に関するものである。
【００１０】
この遠心型圧縮機は、筐体内には、スクロールからの圧縮空気をキャンセラ室に流通させる加圧用空気流通路と、前記加圧用空気流通路から分岐し、ステータと前記キャンセラ室との間から中央収納室に連通する冷却用空気流通路と、一端側が前記冷却用空気流通路に連通し、ロータの外表面に接して圧縮空気が流通されるとともに、他端側がインペラ側ベアリングホルダの外周側から筐体の外部に開放される軸冷却流通路とが形成されている。
【００１１】
また、インペラ側ベアリングホルダ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダは、ロータ側に向かって傾斜し、圧縮空気を案内するための傾斜ガイド面を設けることが好ましい。
【００１２】
さらに、筐体は、ステータの外周に沿って冷媒流路を形成するとともに、圧縮空気流通路は、前記冷媒流路の外周に沿って延在することが好ましい。
【００１３】
さらにまた、圧縮空気流通路には、冷媒流路の外周に沿って放熱用フィンが配設されることが好ましい。
【００１４】
また、インペラ側ベアリングホルダには、放熱用フィンが形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、インペラが回転する際に発生する圧縮空気の一部は、加圧用空気流通路からキャンセラ室に流入し、キャンセラ圧力を発生させるとともに、前記キャンセラ室に隣接するスラストキャンセラ側ベアリングホルダを冷却することができる。
【００１６】
このため、加圧用空気流通路から分岐する冷却用空気流通路に導入された圧縮空気は、ステータとキャンセラ室との間から中央収納室に流通する際に、スラストキャンセラ側ベアリングホルダから熱を吸収して昇温することがない。従って、軸冷却流通路では、ロータの外表面に接して比較的低温の圧縮空気が流通し、前記ロータを良好且つ確実に冷却することが可能になる。さらに、冷却用の圧縮は、インペラ側ベアリングホルダの外周側から筐体の外部に排出されることにより、前記インペラ側ベアリングホルダを有効に冷却することができる。
【００１７】
これにより、回転軸ユニットの回転によって発生する圧縮空気を、可及的に有効利用するとともに、前記回転軸ユニットを効率的且つ確実に冷却することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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断面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る遠心型圧縮機の断面説明図である。
【図８】特許文献１に開示されている電動圧縮機の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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（電動遠心圧縮機）１０は、筐体１２を備える。この筐体１２内には、回転軸ユニット１４が回転自在に装着される。
【００２０】
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、及び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を備える。
【００２１】
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。
【００２２】
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、キャンセラ室（加圧室）３６内を矢印Ａ方向に摺動自在なスラストキャンセラシャフト３８を備える。
【００２３】
筐体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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、インペラ側ベアリングホルダ５７Ａ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂに回転不能に固定される。インペラ側ベアリングホルダ５７Ａ及びスラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂは、ロータ２０側に向かってテーパ状又は円弧状に傾斜する傾斜ガイド面５７ａ、５７ｂを設ける。
【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】
筐体１２は、インペラ２６が収納されるスクロール７０、スラストキャンセラシャフト３８が収納されるキャンセラ室３６、さらに一対のベアリングシャフト２２、２４及びステータ４２が収納される中央収納室７２を設けるとともに、前記スクロール７０には、コンプレッサ出口７４が設けられる。
【００３７】
図１及び図２に示すように、筐体１２内には、スクロール７０からの圧縮空気をキャンセラ室３６に流通させる加圧用空気流通路７６と、前記加圧用空気流通路７６から分岐し、ステータ４２と前記キャンセラ室３６との間から中央収納室７２に連通する冷却用空気流通路７８と、一端側が前記冷却用空気流通路７８に連通し、ロータ２０の外表面に接して圧縮空気が流通されるとともに、他端側がインペラ側ベアリングホルダ５７Ａの外周側から筐体１２の外部に開放される軸冷却流通路８０とが形成される。加圧用空気流通路７６は、中央収納室７２を迂回し、冷却水流路４８の外周に沿って延在する。
【００３８】
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。
【００３９】
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、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。
【００４０】
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。
【００４１】
この場合、第１の実施形態では、遠心圧縮部２８により吸引される圧縮空気の一部は、中央収納室７２を迂回して加圧用空気流通路７６からキャンセラ室３６に流入する。このため、キャンセラ室３６内では、圧縮空気によりキャンセラ圧力が発生され、スラストキャンセラシャフト３８は、前記キャンセラ室３６内で矢印Ａ２方向に付勢される。
【００４２】
従って、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が、有効に緩和される。その際、キャンセラ室３６に隣接するスラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂは、前記キャンセラ室３６に流入する圧縮空気を介して冷却される。
【００４３】
一方、加圧用空気流通路７６から分岐する冷却用空気流通路７８には、圧縮空気の一部が導入される。冷却用空気流通路７８に導入された圧縮空気は、ステータ４２とキャンセラ室３６との間から中央収納室７２に流通する際に、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂから熱を吸収して昇温することがない。上記のように、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂは、キャンセラ室３６に流入する圧縮空気を介して冷却されているからである。
【００４４】
これにより、軸冷却流通路８０では、ロータ２０の外表面に接して比較的低温の圧縮空気が流通し、前記ロータ２０を良好且つ確実に冷却することが可能になる。しかも、冷却用の圧縮空気は、インペラ側ベアリングホルダ５７Ａの外周側から筐体１２の外部に排出されることにより、前記インペラ側ベアリングホルダ５７Ａを有効に冷却することができる。
【００４５】
このため、回転軸ユニット１４の回転により発生する圧縮空気を、可及的に有効利用するとともに、前記回転軸ユニット１４を効率的且つ確実に冷却することが可能になるという効果が得られる。
【００４６】
さらに、冷却用の圧縮空気は、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂに形成されている傾斜ガイド面５７ｂの案内作用下に、ロータ２０側に向かって円滑に流通する。従って、ロータ２０を効率的に冷却することができる。一方、インペラ側ベアリングホルダ５７Ａには、傾斜ガイド面５７ａが形成されており、この傾斜ガイド面５７ａの案内作用下に、前記インペラ側ベアリングホルダ５７Ａを良好に冷却することが可能になる。
【００４７】
また、加圧用空気流通路７６は、冷却水流路４８の外周に沿って延在している。これにより、加圧用空気流通路７６を流通する圧縮空気は、冷却水流路４８の作用下に冷却された後、キャンセラ室３６及び軸冷却流通路８０に供給されるため、良好な冷却性能が得られる。
【００４８】
さらにまた、筐体１２内部の圧力は、キャンセラ室３６内の圧力と同一圧力に維持されている。このため、空気の粘度が上がり、特に、フォイル式気体軸受５０では、空気膜の形成能力が向上して安定した回転に寄与することができるという利点がある。
【００４９】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る遠心型圧縮機９０の断面説明図である。
【００５０】
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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
遠心型圧縮機９０は、筐体９２を備えるとともに、前記筐体９２内には、スクロール７０からの圧縮空気をキャンセラ室３６に流通させる加圧用空気流通路９４が、上記の加圧用空気流通路７６に代えて設けられる。加圧用空気流通路９４には、冷媒流路４８の外周に沿って放熱用フィン９６が配設される。
【００５２】
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に、加圧用空気流通路９４に導入された圧縮空気は、冷却水流路４８の外周に沿って延在する放熱用フィン９６の放熱作用下に、良好に冷却されている。
【００５３】
従って、圧縮空気は、加圧用空気流通路９４を流通することにより一旦冷却された後、キャンセラ室３６及び軸冷却流通路８０に供給されている。このため、ロータ２０を冷却する直前の圧縮空気を予め冷却することができ、前記圧縮空気による冷却効果が一層向上するという利点がある。
【００５４】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る遠心型圧縮機１００の断面説明図である。
【００５５】
遠心型圧縮機１００を構成する筐体１２内には、インペラ側ベアリングホルダ１０２Ａが、上記のインペラ側ベアリングホルダ５７Ａに代えて設けられる。インペラ側ベアリングホルダ１０２Ａには、傾斜ガイド面５７ａに沿って複数の放熱用フィン１０４が形成される。
【００５６】
このように構成される第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に、ロータ２０を冷却して昇温した圧縮空気は、複数の放熱用フィン１０４が形成されたインペラ側ベアリングホルダ１０２Ａを効率的に冷却することが可能になる。
【００５７】
なお、第３の実施形態では、上記の第２の実施形態の構成も併用することができる。これにより、圧縮空気による冷却性能が一挙に向上するという利点がある。
【符号の説明】
【００５８】
１０、９０、１００…遠心型圧縮機    １２、９２…筐体
１４…回転軸ユニット                １６…永久磁石
１８…保護環                        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…キャンセラ室
３８…スラストキャンセラシャフト    ４２…ステータ
４６…モータ部                      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…リング部材
５６ａ…内周面                      ５７Ａ、１０２Ａ…インペラ側ベアリングホルダ
５７ａ、５７ｂ…傾斜ガイド面        ５７Ｂ…スラストキャンセラ側ベアリングホルダ
５８、６６…バンプフォイル          ６０、６８…トップフォイル
７０…スクロール                    ７２…中央収納室
７６、９４…加圧用空気流通路        ７８…冷却用空気流通路
８０…軸冷却流通路                  ９６、１０４…放熱用フィン
【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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