(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ことができ、効率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を構成する筐体１２内には、ロータ２０の外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路７６と、インペラ側ベアリングホルダ５７Ａの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側がインペラ２６の外周端２６ａとスクロール７０との隙間Ｓに連通し且つ他端側が前記圧縮空気流通路７６の入口側に連通する導入側通路７８と、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路７６の出口側に連通し且つ他端側がキャンセラ室３６に連通する導出側通路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ケーシングを設ける筐体と、
を備える遠心型圧縮機であって、
前記筐体内には、前記ロータの外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路と、
前記インペラ側ベアリングホルダの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側が前記インペラの外周端と前記スクロールとの隙間に連通し且つ他端側が前記圧縮空気流通路の入口側に連通する導入側通路と、
前記スラストキャンセラ側ベアリングホルダに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路の出口側に連通し且つ他端側が前記キャンセラ室に連通する導出側通路と、
が形成され、前記圧縮空気が前記隙間から前記導入側通路、前記圧縮空気流通路、前記導出側通路及び前記キャンセラ室に向かって流通す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は、前記ロータ側に向かって傾斜し、前記導入側通路を流通する前記圧縮空気を前記圧縮空気流通路の入口側に向かって案内する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、
前記導入側通路は、前記冷媒流路の外周に沿って延在する冷却用通路部を有することを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心型圧縮機において、一対の前記ベアリングシャフトは、気体軸受を構成す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７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、上記のインペラ２が回転するため、このインペラ２の外周端２ａと筐体１を構成するスクロール１ａとの間には、隙間が形成されている。従って、インペラ２が比較的高速で回転すると、このインペラ２の外周端２ａとスクロール１ａとの隙間から筐体１の内部に圧縮空気が漏れ易い。この漏れた圧縮空気は、何ら利用されずに外部に放出されており、前記圧縮空気を有効利用してポンプ効率を向上させることが望まれている。
【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ことができ、効率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】
【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ケーシング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】
筐体内には、ロータの外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路と、インペラ側ベアリングホルダの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側がインペラの外周端とスクロールとの隙間に連通し且つ他端側が前記圧縮空気流通路の入口側に連通する導入側通路と、スラストキャンセラ側ベアリングホルダに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路の出口側に連通し且つ他端側がキャンセラ室に連通する導出側通路とが形成されている。
【００１１】
そして、圧縮空気は、隙間から導入側通路、圧縮空気流通路、導出側通路及びキャンセラ室に向かって流通している。
【００１２】
また、インペラ側ベアリングホルダは、ロータ側に向かって傾斜し、導入側通路を流通する圧縮空気を圧縮空気流通路の入口側に向かって案内する傾斜ガイド面を設けることが好ましい。
【００１３】
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、導入側通路は、前記冷媒流路の外周に沿って延在する冷却用通路部を有することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、一対のベアリングシャフトは、気体軸受を構成することが好ましい。
【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、前記インペラの外周端とスクロールとの隙間から導入側通路に導入される。圧縮空気は、インペラ側ベアリングホルダの外周側に沿って流通し、圧縮空気流通路に導入されてロータの外表面に接して流通する。さらに、圧縮空気は、スラストキャンセラ側ベアリングホルダに設けられた導出側通路からキャンセラ室に流通する。
【００１６】
従って、インペラの外周端とスクロールとの隙間から漏れた圧縮空気は、一対のベアリングシャフト及びロータを冷却するための冷却空気として利用することができるとともに、キャンセラ室に導入されてキャンセラ圧力を発生させる加圧空気として利用することが可能になる。これにより、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ことができ、遠心型圧縮機全体の効率の向上が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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】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】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図２に示すように、インペラ２６の外周端（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）。
【００３５】
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が収納される中央ケーシング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。
【００３６】
図１及び図２に示すように、筐体１２内には、ロータ２０の外表面に接して圧縮空気が流通される圧縮空気流通路７６と、インペラ側ベアリングホルダ５７Ａの外周側に沿って前記圧縮空気が流通されるとともに、一端側がインペラ２６の外周端２６ａとスクロール７０との隙間Ｓに連通し、且つ他端側が前記圧縮空気流通路７６の入口側に連通する導入側通路７８と、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂに設けられ、一端側が前記圧縮空気流通路７６の出口側に連通し、且つ他端側がキャンセラ室３６に連通する導出側通路８０とが形成される。
【００３７】
インペラ側ベアリングホルダ５７Ａには、導入側通路７８を構成する通路部８２が形成される一方、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂには、導出側通路８０を構成する通路部８４が形成される。
【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により吸引される空気の一部は、インペラ２６の外周端２６ａとスクロール７０との隙間Ｓに導入され、この隙間Ｓに連通する導入側通路７８に沿って流通する。導入側通路７８では、圧縮空気がインペラ側ベアリングホルダ５７Ａの外周側に沿って流通し、通路部８２を通ってこのインペラ側ベアリングホルダ５７Ａに形成されている傾斜ガイド面５７ａの案内作用下に、ロータ２０側に向かって流通する。
【００４２】
導入側通路７８は、圧縮空気流通路７６の入口側に連通している。このため、圧縮空気は、圧縮空気流通路７６に沿って矢印Ａ２方向に移動しながら、ロータ２０の外表面を冷却する。圧縮空気流通路７６の出口側には、導出側通路８０が連通しており、圧縮空気は、スラストキャンセラ側ベアリングホルダ５７Ｂの傾斜ガイド面５７ｂから通路部８４を通って、キャンセラ機構３４のキャンセラ室３６内に導入される。
【００４３】
従って、圧縮空気は、キャンセラ室３６内でキャンセラ圧力を発生させ、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。このため、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。
【００４４】
このように、第１の実施形態では、インペラ２６が回転する際に、このインペラ２６の外周端２６ａとスクロール７０との隙間Ｓから漏れた圧縮空気は、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を冷却するための冷却空気として利用することができるとともに、キャンセラ室３６に導入されてキャンセル圧力を発生させる加圧空気として利用することが可能になる。
【００４５】
これにより、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ことができ、遠心型圧縮機１０全体の効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、一端側がインペラ２６の外周端２６ａとスクロール７０との隙間Ｓに連通し、且つ他端側が圧縮空気流通路７６に連通する導入側通路９４が形成される。導入側通路９４は、冷却水流路４８の外周に沿って延在する冷却用通路部９４ａを有する。この冷却用通路部９４ａは、冷却水流路４８の外周に矢印Ａ２方向に延在した後、折り返して矢印Ａ１方向に平行に延在している。
【００５０】
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、導入側通路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冷却用通路部９４ａを流通している。従って、圧縮空気は、冷却用通路部９４ａを流通することにより一旦冷却された後、導入側通路９４から圧縮空気流通路７６に供給されている。このため、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。
【符号の説明】
【００５１】
１０、９０…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
５７Ａ…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
５６ａ…内周面                      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…中央ケーシング                ７６…圧縮空気流通路
７８、９４…導入側通路              ８０…導出側通路
８２、８４…通路部                  ９４ａ…冷却用通路部
【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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