(57)【要約】【課題】回転軸の軸方向に沿ったベアリングとインペラと離間距離を小さくして、前記回転軸の共振周波数を高く設定すること。【解決手段】ベアリング内輪３２及びベアリング外輪３４を有し、回転軸１８を回転自在に軸支するベアリング３０と、前記回転軸１８に装着されて前記ベアリング内輪３２を固定するカラー部材４０と、ハウジング１４に装着されて前記ベアリング外輪３４を固定するボルト部材４２とを備え、前記カラー部材４０の外周面と前記ボルト部材４２の内周面とは、径方向に離間した状態で対向配置され、前記カラー部材４０の外周面に形成された環状溝部４６と前記ボルト部材４２と内周面との間でラビリンスシール部４８が構成される。【選択図】図２
2011220264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータの回転駆動力でインペラを回転させて気体を圧縮する遠心型圧縮機において、
ベアリング内輪及びベアリング外輪を有し、回転軸を回転自在に軸支するベアリングと、
前記インペラと前記ベアリングとの間に設けられると共に、前記回転軸に装着されて前記ベアリング内輪を固定する第１固定部材と、
前記インペラと前記ベアリングとの間に設けられると共に、ハウジングに装着されて前記ベアリング外輪を固定する第２固定部材と、
を備え、
前記第１固定部材の外周面と前記第２固定部材の内周面とは、径方向に離間した状態で対向配置され、前記外周面又は前記内周面のいずれか一方には、周方向に沿って延在する溝部が設けら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、
前記ベアリングは、グリスシール式ベアリングからな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、
前記第２固定部材には、前記第１固定部材の外周面と前記第２固定部材の内周面との間隙から流出する気体の逃げ通路が径方向に沿って延在するように設けられていることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の遠心型圧縮機において、
前記回転軸は、テンションシャフトにより軸方向に締結され、前記第１固定部材は、前記インペラと前記ベアリング内輪との間で挟持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乃至４のいずれか１項記載の遠心型圧縮機において、
前記第２固定部材には、前記第２固定部材の内周面から前記ベアリング外輪側の一面に向かって傾斜する傾斜面が設けられることを特徴とする遠心型圧縮機。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項記載の遠心型圧縮機において、
前記第２固定部材は、インロー構造によって前記ハウジングに固定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、モータの回転駆動力でインペラを回転させて気体を圧縮する遠心型圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、遠心型圧縮機や軸流圧縮機からなるターボ圧縮機が、工場等のエア供給源として用いられている。この種の遠心型圧縮機として、例えば、特許文献１には、ハウジング内で両端に貫通したロータ軸と、前記ロータ軸の端部に取り付けられたインペラとを備え、インペラの背後であってロータ軸とハウジングの貫通孔との間にラビリンスシールが設けられた高速回転電動機が開示されている。
【０００３】
なお、特許文献１に開示された高速回転電動機では、ロータ軸と共に回転する回転子の近傍部位に、前記ロータ軸を回転自在に軸支するベアリング（軸受）が配設されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６４９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、回転軸の軸方向に沿ったベアリングとインペラの重心との間の離間距離が大きいと、回転軸の共振周波数が低くなり、インペラを高速回転させることが困難となる。この点に関し、特許文献１に開示された高速回転電動機では、ベアリングとインペラの重心との間の離間距離の関係について、何ら具体的に開示されておらず、不明である。
【０００６】
また、特許文献１に開示された高速回転電動機では、ベアリングを回転軸に対して固定するために、仮に、ベアリング内輪用固定部材及びベアリング外輪用固定部材をラビリンスシールとベアリングとの間に回転軸の軸方向に沿って配設すると、ベアリングとインペラの重心との間の離間距離が前記ベアリング内輪用固定部材及びベアリング外輪用固定部材の幅寸法分だけ大きくなり、インペラを高速回転させることがより一層困難となる。
【０００７】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、回転軸の軸方向に沿ったベアリングとインペラと離間距離を従来よりも短くして、前記回転軸の共振周波数を高く設定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】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明は、モータの回転駆動力でインペラを回転させて気体を圧縮する遠心型圧縮機において、ベアリング内輪及びベアリング外輪を有し、回転軸を回転自在に軸支するベアリングと、前記インペラと前記ベアリングとの間に設けられると共に、前記回転軸に装着されて前記ベアリング内輪を固定する第１固定部材と、前記インペラと前記ベアリングとの間に設けられると共に、ハウジングに装着されて前記ベアリング外輪を固定する第２固定部材とを備え、前記第１固定部材の外周面と前記第２固定部材の内周面とは、径方向に離間した状態で対向配置され、前記外周面又は前記内周面のいずれか一方には、周方向に沿って延在する溝部が設けられることを特徴とする。なお、この場合、ベアリングは、グリスシール式ベアリングによって構成されるとよい。
【０００９】
本発明では、第１固定部材の外周面と第２固定部材の内周面とが、径方向に離間した状態で対向配置されるため、いずれか一方に溝部が形成された第１固定部材の外周面と第２固定部材の内周面との間でラビリンスシールを構成し、一方、第２固定部材でベアリング外輪が固定される。
【００１０】
従って、本発明によれば、第２固定部材が、シール機能と固定機能とを併有させて多機能化を図ることにより、シール機能を有する部材と固定機能を有する部材とをそれぞれ個別に設けることが不要となって部品点数が削減され、ベアリングの中心からインペラの重心までの離間距離を従来と比較して短縮することができる。この結果、回転軸の共振周波数を従来と比較して高く設定することが可能となり、回転軸をより一層高速で回転駆動することができると共に、装置全体の小型化を達成することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、第２固定部材には、第１固定部材の外周面と第２固定部材の内周面との間隙から流出する気体の逃げ通路を径方向に沿って延在するように設けることにより、第１固定部材の外周面と第２固定部材の内周面との間隙から流出した気体を、前記逃げ通路を介して円滑に流出させることができる。
【００１２】
さらに、本発明によれば、回転軸が、テンションシャフトにより軸方向に締結され、第１固定部材がインペラとベアリング内輪との間で挟持されることにより、ベアリングの中心からインペラの重心までの離間距離を従来と比較して短縮することができる。
【００１３】
さらにまた、本発明によれば、第２固定部材に前記第２固定部材の内周面からベアリング外輪側の一面に向かって傾斜する傾斜面が設けられることにより、気体（エア）を傾斜面に沿って円滑に流出させることができる。
【００１４】
またさらに、本発明によれば、第２固定部材は、インロー構造によって前記ハウジングに固定されることにより、第１固定部材の外周面と第２固定部材の内周面との間隙を精度良く設定することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、回転軸の軸方向に沿ったベアリングとインペラと離間距離を従来よりも短くして、前記回転軸の共振周波数を高く設定することが可能な遠心型圧縮機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る遠心型圧縮機の一部省略縦断面図である。
【図２】図１の要部拡大縦断面図である。
【図３】（ａ）は、本実施形態において、回転軸にベアリングが固定された状態の拡大縦断面図、（ｂ）は、ベアリングを固定する部材の別案例を示す拡大縦断面図である。
【図４】（ａ）は、ベアリングを固定するカラー部材及びボルト部材の分解斜視図、（ｂ）は、前記カラー部材及びボルト部材が組み付けられた状態を示す斜視図である。
【図５】ラビリンスシール部から流出したエアの流通路を示す縦断面図である。
【図６】（ａ）は、本実施形態におけるベアリング中心からインペラの重心までの離間距離を示す一部省略縦断面図、（ｂ）は、比較例におけるベアリング中心からインペラの重心までの離間距離を示す一部省略縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る遠心型圧縮機の一部省略縦断面図、図２は、図１の要部拡大縦断面図である。
【００１８】
本発明の実施形態に係る遠心型圧縮機１０は、例えば、燃料電池システムに組み込まれ、図示しない燃料電池（スタック）に対して圧縮エアを供給するものである。
図１に示されるように、遠心圧縮機１０は、エアが導入されるインレットポート１２ａ及び圧縮エアが導出されるアウトレットポート１２ｂを有する第１ハウジング１４ａと、後記するモータ２６が収納される第２ハウジング１４ｂとを含むハウジング１４を備える。
【００１９】
前記ハウジング１４には、貫通孔を介して回転自在に軸支される回転軸１８を有し、前記回転軸１８の軸方向に沿った一端部にはインペラ２０が固定される。また、ハウジング１４の内部には、回転軸１８と一体的に回転するマグネットカラーロータ２２やハウジング１４側に固定されたステータ２４を有するモータ２６が収容される。
【００２０】
図２に示されるように、回転軸１８の内部には、インペラ２０に係着される頭部２８ａを有し図示しないテンションシャフトナット締結部まで延在するテンションシャフト２８が内嵌される。テンションシャフト２８の軸方向に沿ってそれぞれ装着されるインペラ２０、回転軸１８、マグネットカラーロータ２２等は、テンションシャフト２８の軸方向に沿った一端部に拡径して設けられた頭部２８ａと、テンションシャフト２８の軸方向に沿った他端部側にねじ締結される図示しないテンションシャフトナット締結部との間で挟持されると共に、その軸力（引張力）によってテンションシャフト２８に一体的に保持される。従って、回転軸１８は、テンションシャフト２８の軸方向で締結されている。
【００２１】
図３（ａ）は、本実施形態において、回転軸にベアリングが固定された状態の拡大縦断面図、図３（ｂ）は、ベアリングを固定する部材の別案例を示す拡大縦断面図、図４（ａ）は、ベアリングを固定するカラー部材及びボルト部材の分解斜視図、図４（ｂ）は、前記カラー部材及びボルト部材が組み付けられた状態を示す斜視図である。
【００２２】
回転軸１８の軸方向に沿った中央部外周面には、複数段からなる環状段部２９が形成される。環状段部２９の大径部には、回転軸１８を回転自在に軸支するベアリング３０が配設される。このベアリング３０は、アンギュラコンタクトベアリングからなり、且つ、グリスシール式ベアリングによって構成される。前記ベアリング３０は、回転軸１８側に当接するベアリング内輪３２と、ハウジング１４側に当接するベアリング外輪３４と、前記ベアリング内輪３２とベアリング外輪３４との間に転動自在に介装されるボール３６とを有する。なお、ベアリング３０の軸方向に沿った後部側には、ハウジング１４の鍔部に突き当たる位置にスラストワッシャ３８が装着される。
【００２３】
テンションシャフト２８の軸方向において、インペラ２０とベアリング３０との間には、回転軸１８（環状段部２９の小径部）に圧入されて前記ベアリング内輪３２を固定するリング状のカラー部材（第１固定部材）４０が設けられる。前記カラー部材４０は、インペラ２０とベアリング内輪３２との間で軸方向に沿って挟持される。なお、前記カラー部材４０は、テンションシャフト２８の軸方向に沿った軸力によって固定されてもよい。また、インペラ２０とベアリング３０との間には、ハウジング１４の孔部４１内に装着されて前記ベアリング外輪３４を固定するリング状のボルト部材（第２固定部材）４２が設けられる。前記ボルト部材４２の外周面には、ハウジング１４の孔部４１内のねじ溝に締結されるねじ部４２ａが設けられる。
【００２４】
このリング状のカラー部材４０とボルト部材４２とは、軸方向でオーバーラップするように配置されると共に、径方向において間隙４４を介して離間した状態で対向配置される。
【００２５】
カラー部材４０の外周面には、周方向に沿って延在する複数の環状溝部（溝部）４６が形成される。この複数の環状溝部４６は、周方向と略直交する厚さ方向に沿って略同一の溝深さで並設される。一方、ボルト部材４２の内周面は、帯状で一定の曲率半径を有する曲面によって形成される。従って、離間した状態で径方向に対向配置され、カラー部材４０の外周面に形成された環状溝部４６と、ボルト部材４２の内周面とによって非接触のラビリンスシール部４８が構成される。
【００２６】
なお、本実施形態では、図３（ａ）に示されるように、カラー部材４０の外周面に複数の環状溝部４６を形成し、ボルト部材４２の内周面との間で非接触のラビリンスシール部４８を形成しているが、これに限定されるものではなく、図３（ｂ）の別案例に示されるように、ボルト部材４２の内周面に複数の環状溝部４６を形成し、カラー部材４０の外周面との間で非接触のラビリングシール部４８を形成するようにしてもよい。また、本実施形態では、環状溝部４６の段数を４段に設定しているが、これに限定されるものではなく、複数段であればよい。
【００２７】
図４に示されるように、リング状からなるボルト部材４２の内径と外径との間の一側面には、ベアリング３０側に向かって膨出する環状膨出部４９が形成される。この環状膨出部４９には、所定角度だけ離間して形成された切り欠き部からなり、ボルト部材４２の径方向に沿って延在する逃げ通路５０が設けられる。
【００２８】
この逃げ通路５０は、カラー部材４０の外周面とボルト部材４２の内周面との間隙４４から流出（漏出）するエア（気体）をハウジング１４側に向かって円滑に逃がすためのものである。なお、本実施形態では、周方向に沿って９０度の離間角度で４つの逃げ通路５０が形成されているが、これに限定されるものではなく、単数又は複数の逃げ通路５０が形成されるとよい。
【００２９】
また、ボルト部材４２の環状膨出部４９には、前記ボルト部材４２の内周面から延在しベアリング外輪３４側の一面３４ａに向かって傾斜する傾斜面５２が設けられる。このような傾斜面５２を形成することにより、ラビリングシール部４８を通過したエアの流れを良くして、ハウジング１４側へ容易に流出させることができる。
【００３０】
さらに、ボルト部材４２には、前記ボルト部材４２がハウジング１４に固定されるときに、カラー部材４０との間で同芯度（センタリング）をだすためのインロー構造５４が設けられる（図３（ａ）参照）。このインロー構造５４は、ボルト部材４２の外周面に形成され、ねじ部４２ａから縮径した幅狭の小径な外径面を含む環状段差面５６からなり、ハウジング１４の孔部４１には、前記ボルト部材４２側の環状段差面５６に対応する環状段差面が形状される。
【００３１】
この場合、ハウジング１４の孔部４１側に形成された環状段差面に対して、ボルト部材４２の外周面に形成された環状段差面５６を嵌め込むことにより、環状溝部４６が設けられたカラー部材４０の外周面と、ボルト部材４２の内周面との間の間隙４４の寸法を精度良く設定することができる。
【００３２】
インペラ２０の背面に位置するボルト部材４２の他側面には、周方向に沿って複数（図４（ａ）中では、４個を例示）の取付用孔部５８が形成される。この取付用孔部５８に挿入される複数のピンが設けられた図示しない取付治具を用いることにより、規定（所定）の締付トルクでボルト部材４２をハウジング１４の孔部４１に確実に締結することができ、ボルト部材４２の内周面の変形量を抑制することができる。
【００３３】
図１及び図２に戻って、ベアリング３０側に近接するインペラ２０の背面には、ボルト部材４２の内周面とカラー部材４０の外周面との間に形成された間隙４４に連通する背面空間部６０が設けられ、この背面空間部６０を介してインペラ２０で圧縮された圧縮エアが流出する。
【００３４】
また、ハウジング１４の内部には、図１及び図２に示されるように、冷却水を循環させてベアリング外輪３４を冷却するための冷却用通路６２が周回して設けられる。さらに、ハウジング１４には、図５に示されるように、ラビリングシール部４８から流出（漏出）して逃げ通路５０を経由したエアを外部に導出するためのエア導出通路６４が設けられている。このエア導出通路６４は、前記冷却用通路６２と干渉しないように配置構成され、ベアリング外輪３４に臨む開口部が形成されたインレット部６４ａと、径方向に沿って延在するラジアル通路部６４ｂと、回転軸１８の軸方向と略平行に延在するスラスト通路部６４ｃとによって構成される。
【００３５】
換言すると、エア導出通路６４が形成されている部位では、冷却用通路６２の内径が絞られてハウジング１４の内径側に偏位（オフセット）して形成され、エア導出通路６４が形成されていない部位では、冷却用通路６２が前記と比較して拡径して形成され、相互に不干渉な配置構造となっている（図２と図５とを対比参照）。
【００３６】
本実施形態に係る遠心型圧縮機１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００３７】
図示しない電源部がオン状態となってモータ２６が回転駆動されると、回転軸１８及びテンションシャフト２８と、前記テンションシャフト２８の先端部に取り付けられているインペラ２０と、前記テンションシャフト２８の軸方向に沿った後部側に取り付けられている図示しないテンションシャフトナットが一体的に回転する。前記インペラ２０が回転し、その回転速度に応じてインレットポート１２ａから導入されたエアが圧縮され、アウトレットポート１２ｂから導出された圧縮エアが図示しない燃料電池に送給される。
【００３８】
その際、圧縮エアの一部は、インペラ２０の背面に形成された背面空間部６０を介して、カラー部材４０の外周面に形成された複数の環状溝部４６とボルト部材４２の内周面との間で構成される非接触のラビリングシール部４８に流出（漏出）する。このラビリンスシール部４８では、流出した圧縮エアが複数の環状溝部４６の溝部ごとに徐々に漏れ圧が減圧される。さらに、ラビリンスシール部４８から漏れたエアは、ハウジング１４に形成されたエア導出通路６４のインレット部６４ａ、ラジアル通路部６４ｂ及びスラスト通路部６４ｃを経由して、外部に排出される。この結果、本実施形態では、ラビリンスシール部４８から流出（漏出）したエアを円滑に排出することができる。
【００３９】
本実施形態では、ボルト部材４２の内周面がカラー部材４０の環状溝部４６との間で所定の間隙４４を形成してラビリンスシール部４８を構成し、一方、ボルト部材４２の環状の側部でベアリング外輪３４を固定している。
【００４０】
従って、本実施形態では、ボルト部材４２が、シール機能と固定機能とを併有させて多機能化を図ることにより、シール機能を有する部材と固定機能を有する部材とをそれぞれ個別に設けることが不要となって部品点数が削減され、ベアリング３０の中心からインペラ２０の重心までの離間距離Ｄ１を従来と比較して短縮することができる（図６（ａ）参照）。この結果、回転軸１８の共振周波数を低下させて、より高速で回転駆動することができると共に、装置全体の小型化を達成することができる。
【００４１】
例えば、図６（ｂ）に示される比較例では、環状溝部との間でラビリンスシール部を構成するための部材Ａと、ベアリング外輪を固定するための部材Ｂとがそれぞれ別個に必要となり、ベアリングの中心からインペラの重心までの離間距離Ｄ２が本実施形態の前記離間距離Ｄ１より長くなる（Ｄ１＜Ｄ２）。
【００４２】
この場合、比較例における共振周波数は、ハンマリングによる実測値において、約１３００Ｈｚ（７８０００ｒｐｍ）であるのに対し、本実施形態における共振周波数は、ハンマリングによる実測値において、約１７００Ｈｚ（１０２０００ｒｐｍ）とすることができた。
【００４３】
このように、本実施形態では、回転軸１８の共振周波数を従来技術と比較して高く設定することができるため、回転軸１８（インペラ２０）の回転速度をより一層高速で且つ安定して（異常振動を抑制して）回転させることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、ボルト部材４２の外周面に環状段差面５６を形成しハウジング１４の孔部４１との間でインロー構造５４とすることにより、ハウジング１４の中心線に対してボルト部材４２の軸線を一致させて良好な同軸度（同芯度）とすることができる。この結果、ボルト部材４２の内周面とカラー部材４０の外周面との間の間隙４４の寸法を高精度に設定することができる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、ボルト部材４２の内周面とカラー部材４０の環状溝部４６との間で非接触のラビリンスシール部４８が構成される。この結果、図示しない公知の接触型シールにより圧縮エアをシールする機構において、前記接触型シールとその接触摺動部から発生するであろう磨耗粉等の発生が防止され、且つ、規定量（所定量）以上の磨耗を起こした図示しない接触型シールの交換が不要となることにより、メンテナンス作業が不要となって耐久性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４６】
１０    遠心圧縮機
１４    ハウジング
１６    モータ
１８    回転軸
２０    インペラ
２８    テンションシャフト
３０    ベアリング
３２    ベアリング内輪
３４    ベアリング外輪
４０    カラー部材（第１固定部材）
４２    ボルト部材（第２固定部材）
４６    環状溝部（溝部）
４８    ラビリンスシール部
５０    逃げ通路
５２    傾斜面
５４    インロー構造
【図１】
2011220264.tif 000003
【図２】
2011220264.tif 000004
【図３】
2011220264.tif 000005
【図４】
2011220264.tif 000006
【図５】
2011220264.tif 000007
【図６】
2011220264.tif 000008