(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を支持する軸受ハウジング部およびインペラが配置されているスクロールハウジング部を有するハウジングと、一端にインペラを有し軸受ハウジング部の内側で回転する回転軸と、ラジアル動圧軸受、制御型アキシアル磁気軸受および磁気軸受制御装置を有し、回転軸を支持する回転軸支持装置とを備えている遠心型圧縮機において、
磁気軸受制御装置は、回転軸の回転速度が所定値以下の場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値よりも大きくなる方向にシフトさせる低速域制御手段と、回転軸の回転速度が所定値を超えた場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値となる方向に戻す通常速域制御手段とを備えてい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】
この発明は、遠心型圧縮機に関し、例えば、燃料電池装置の酸素供給側に設置されて圧縮空気を燃料電池に供給する用途に使用されるのに適した遠心型圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池車の燃料電池に圧縮空気を供給するに際し、遠心型圧縮機を使用するとともに、その回転軸支持装置として、動圧軸受であるラジアルフォイル軸受とアキシアル磁気軸受とを組み合わせて使用することが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１９２１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記遠心型圧縮機によると、燃料電池車で使用される燃料電池装置において、圧縮機を小型化できるという利点を有しているが、性能をさらに向上するため、その圧縮効率を高めることが課題となっている。
【０００４】
この発明の目的は、上記実情に鑑み、小型化を図るとともに、その圧縮効率を高めた遠心型圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明による遠心型圧縮機は、回転軸を支持する軸受ハウジング部およびインペラが配置されているスクロールハウジング部を有するハウジングと、一端にインペラを有し軸受ハウジング部の内側で回転する回転軸と、ラジアル動圧軸受、制御型アキシアル磁気軸受および磁気軸受制御装置を有し、回転軸を支持する回転軸支持装置とを備えている遠心型圧縮機において、磁気軸受制御装置は、回転軸の回転速度が所定値以下の場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値よりも大きくなる方向にシフトさせる低速域制御手段と、回転軸の回転速度が所定値を超えた場合に、回転軸のアキシアル方向の浮上位置をインペラとスクロールハウジング部とのギャップが基準値となる方向に戻す通常速域制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００６】
通常のアキシアル磁気軸受の制御装置は、回転速度（回転数）にかかわらず、一定のアキシアル方向浮上位置に回転軸が位置するように制御が行われている。これに対し、この発明の遠心型圧縮機におけるアキシアル磁気軸受の制御装置は、低速域制御手段と通常速域制御手段とが切り換え可能とされ、低速域と通常速域とで回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を変更するような制御が行われる。回転速度の所定値は、動圧軸受の支持剛性が十分なものとなる回転速度（回転数）とされる。シフト量は、磁気軸受装置で制御可能な範囲で設定され、例えば、軸方向の移動量で０．１〜０．２ｍｍ程度とされる。
【０００７】
ラジアル動圧軸受は、例えば、ラジアルフォイル軸受とすればよく、ラジアルフォイル軸受は、例えば、回転軸に径方向から対向する軸受面を持つ可撓性の軸受フォイルと、軸受フォイルを支持する弾性体と、軸受フォイルおよび弾性体を回転軸との間に保持する外輪とを備えているものとされる。
【０００８】
アキシアル磁気軸受は、電磁石ヨークおよび電磁石コイルからなる１対のアキシアル電磁石間に作用する力を制御するもの（制御型）とされ、好ましくは、ラジアルフォイル軸受の外輪が電磁石ヨークを兼ねさせられ、ラジアルフォイル軸受の外輪に設けられた凹部に電磁石コイルが嵌め入れられることにより、アキシアル磁気軸受の各アキシアル電磁石がラジアルフォイル軸受に一体化される。そして、一方のアキシアル電磁石が回転軸の一端に設けられたフランジ部に対向させられ、他方のアキシアル電磁石が回転軸の他端に設けられたフランジ部に対向させられる。電磁石ヨークは、ラジアルフォイル軸受の外輪とは別の部材としてもよい。
【０００９】
上記回転軸支持装置によると、ラジアル方向の支持はラジアルフォイル軸受が受け持ち、回転軸の回転時に周囲の空気が軸受フォイルと回転軸との間に引き込まれて圧力（動圧）を発生することにより、非接触で回転軸が保持される。また、アキシアル方向の支持はアキシアル磁気軸受が受け持ち、アキシアル電磁石の電磁石コイルに流される電流が制御されることにより、非接触で回転軸が保持される。
【００１０】
遠心圧縮機は、回転軸をモータで高速回転させることにより、回転軸の一端に設けられたインペラに軸方向から空気を流入させ、圧縮空気を径方向に流出させるものであることから、回転軸には、アキシアル方向の大きな力が作用する。したがって、アキシアル方向の支持をアキシアルフォイル軸受で行った場合には、軸受の剛性が不足する可能性がある。これに対し、アキシアル方向の支持をアキシアル磁気軸受で行うことにより、負荷容量が増大するとともに、アキシアル方向の力の変動に応じて制御電流を変化させることにより、回転負荷変動に対してもアキシアル方向の非接触支持が確保される。
【００１１】
回転軸のアキシアル方向の浮上位置の制御に際し、インペラとスクロールハウジング部とのギャップの基準値は、圧縮効率を高めるために、できるだけ小さい値に設定される。この場合、回転軸の回転速度が所定値以下では、各ラジアル動圧軸受の支持剛性不足のために、インペラとスクロールハウジング部とが接触するという問題が生じる可能性がある。この問題を解消するために、アキシアル磁気軸受の制御装置は、回転軸の回転速度が所定値以下の場合に、低速域制御手段によって、ギャップを基準値よりも大きくなる方向にシフトして制御を行い、回転軸の回転数が所定値を超えた場合に、通常速域制御手段によって、ギャップを基準値に戻して制御を行うものとされる。これにより、インペラとスクロールハウジング部とが接触することが防止されるとともに、通常速度域において、圧縮効率を高めるためにギャップが最適化された状態で、回転軸の浮上位置が制御される。
【００１２】
また、アキシアル磁気軸受をラジアルフォイル軸受に一体化することにより、軸方向の長さを短くすることができ、これにより、回転軸の固有振動数が増大して高速回転が可能となるとともに、小型化および軽量化することができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の遠心型圧縮機によると、回転軸が径方向からラジアル動圧軸受に支持されているとともに、軸方向から制御型アキシアル磁気軸受に支持されているので、高速回転による軸受の疲労寿命の低下が抑えられ、また、潤滑のためのオイルを循環させるための機能が不要となるので、圧縮機の小型化が図られる。さらにまた、アキシアル磁気軸受の制御装置によって、低速域と通常速域とで回転軸のアキシアル方向目標浮上位置を変更して制御が行われることで、インペラとスクロールハウジング部とが接触することが防止されるとともに、通常速度域においては、インペラとスクロールハウジング部とのギャップの最適化が可能となって、圧縮効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。以下の説明において、図１の右を前、左を後というものとする。
【００１５】
図１は、この発明による遠心型圧縮機の概略構成を示すもので、圧縮機(1)は、前後方向の水平軸上に配置された略円筒状の密閉ハウジング(11)内に配置された水平軸状の回転軸(13)と、回転軸(13)端部に設けられたインペラ(13a)と、回転軸(13)を支持する回転軸支持装置(14)とを備えている。
【００１６】
ハウジング(11)は、前側にあって軸受支持部となる軸受ハウジング部(11a)と、後側にあってスクロールハウジング部となるスクロールハウジング部(11b)とから構成されている。
【００１７】
回転軸(13)は、段付軸状をなし、軸受ハウジング部(11a)内の空間内に配置されている。インペラ(13a)は、回転軸(13)の後端に固定されて、スクロールハウジング部(11b)内に配置されている。
【００１８】
軸受ハウジング部(11a)の内周に、回転軸(13)を高速回転させるビルトイン型モータ(20)、回転軸(13)を径方向から支持する前後１対のラジアルフォイル軸受（ラジアル動圧軸受）(21)(22)、および前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)に一体化されて回転軸(13)を軸方向（前後方向）から支持する１組の制御型アキシアル磁気軸受(23)が設けられている。
【００１９】
モータ(20)は、軸受ハウジング部(11a)側に設けられたステータ(20a)および回転軸(13)側に設けられたロータ(20b)から構成されている。
【００２０】
回転軸支持装置(14)は、前後ラジアルフォイル軸受(21)(22)およびアキシアル磁気軸受(23)によって構成されている。
【００２１】
スクロールハウジング部(11b)内の空間の後端に気体流入路(11c)が設けられている。回転軸(13)が回転することにより、インペラ(13a)が回転し、インペラ(13a)の回転により、空気が、気体流入路(11c)からスクロールハウジング部(11b)内の空間(11d)に流入し、同空間(11d)内で圧縮され、同空間(11d)に通じる気体流出路（図示略）を通って排出される。
【００２２】
段付き状の回転軸(13)は、モータ(20)のロータ(20b)が軸方向中間部分に設けられている大径部(31)と、大径部(31)の後側に連なる小径部(32)と、大径部(31)の前端部に設けられた前側フランジ部(34)と、大径部(31)の後端部に設けられた後側フランジ部(35)とからなる。インペラ(13a)は、小径部(32)の後端部（小径部(32)との境界部）に取り付けられており、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、各フランジ部(34)(35)との間にわずかな隙間が形成されるように、大径部(31)の両端部近傍に設けられている。
【００２３】
図２に示すように、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、回転軸大径部(31)の径方向外側に軸受隙間(44)を隔てて配置される可撓性を有するトップフォイル（軸受フォイル）(41)と、このトップフォイル(41)の径方向外側に配置されるバンプフォイル（弾性体）(42)と、このバンプフォイル(42)の径方向外側に配置される外輪(43)とからなる。
【００２４】
トップフォイル(41)は、帯状ステンレス鋼板製で、帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形した後、この円筒形に成形された鋼板の一端部の軸方向の両端部を径方向に切り起こして先端を屈曲させて形成されている。切り起こされた部分以外の円筒部(41a)がトップフォイルの主部になっており、切り起こされた部分(41b)がトップフォイル(41)の係合部になっている。
【００２５】
バンプフォイル(42)は、ステンレス鋼製の波形板材を円筒形に成形した円筒部(42a)と、円筒部(42a)の一端に連なり円筒部(42a)の径方向外側に位置する係合部(42b)とからなる。
【００２６】
外輪(43)の内周面には、略径方向に延びる係合溝(43c)が形成されている。そして、バンプフォイル(42)の円筒部(42a)が外輪(43)の内周面に沿うように配置されて、その係合部(42b)が外輪(43)の係合溝(43c)に係合させられることにより、バンプフォイル(42)が外輪(43)に取り付けられ、このバンプフォイル(42)と回転軸大径部(31)との間にトップフォイル(41)の円筒部(41a)が介在させられるとともに、その係合部(41b)が外輪(43)の係合溝(43c)に係合させられることにより、トップフォイル(41)が外輪(43)に取り付けられている。
【００２７】
ラジアルフォイル軸受(21)(22)は、トップフォイル(41)が帯状ステンレス鋼板をその長手方向の両端が隣接するようにロール加工で周方向の重なりがない円筒形に成形されているので、曲率半径が一定で真円度が高いものとなっていることから、回転軸(13)の支持性能が高くかつ回転軸(13)の浮上特性も良好なものとなっている。
【００２８】
各ラジアルフォイル軸受(21)(22)の外輪(43)は、磁性体製とされており、前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)の軸方向外側端面（前端面）に、環状凹所(43a)が前側フランジ部(34)に臨まされるように設けられており、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)の軸方向外側端面（後端面）に、環状凹所(43b)が後側フランジ部(35)に臨まされるように設けられている。
【００２９】
前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)の環状凹所(43a)に電磁石コイル(24a)が嵌め入れられており、また、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)の環状凹所(43b)に電磁石コイル(25a)が嵌め入れられている。この結果、磁性体製の外輪(43)は、アキシアル電磁石(24)(25)のヨーク(24b)(25b)を兼ねさせられ、前側のラジアルフォイル軸受(21)の外輪(43)＝電磁石ヨーク(24b)と電磁石コイル(24a)とによって、前側フランジ部(34)に臨まされている前側アキシアル電磁石(24)が形成され、後側のラジアルフォイル軸受(22)の外輪(43)＝電磁石ヨーク(25b)と電磁石コイル(25a)とによって、後側フランジ部(35)に臨まされている後側アキシアル電磁石(25)が形成されている。
【００３０】
アキシアル磁気軸受(23)は、上記のように形成された前側アキシアル電磁石(24)と後側アキシアル電磁石(25)とからなる。
【００３１】
ハウジング(11)の軸受ハウジング部(11a)の前壁後面には、回転軸(13)の前側フランジ部(34)の中心部に臨まされて回転軸(13)のアキシアル方向の位置を検出するアキシアル位置センサ(26)が設けられている。ハウジング(11)の軸受ハウジング部(11a)の前壁後面には、さらに、前側フランジ部(34)の前面外周に設けられた凹部(28)に臨まされて回転軸(13)の回転数を検出する回転センサ(27)が設けられている。
【００３２】
アキシアル磁気軸受(23)は、図３に示す制御装置(61)により、位置センサ(26)で検出された回転軸(13)の位置および回転センサ(27)で検出された回転数に基づいて、その電磁石コイル(24a)(25a)に流される電流が制御されている。電磁石コイル(24a)(25a)に流される電流は、回転によりインペラ(13a)に作用する力に釣り合う吸引力がアキシアル電磁石(24)(25)に生成されるように制御され、これにより、回転軸(13)は、アキシアル方向の所定位置に非接触支持される。
【００３３】
図３に示すように、制御装置(61)には、モータ駆動回路(62)、磁気軸受駆動回路(63)、位置センサ駆動回路(64)、回転センサ駆動回路(65)、ソフトウェアプログラムが可能なディジタル処理手段としてのＤＳＰ(66)、ＡＤ変換器(67)およびＤＡ変換器(68)が設けられている。
【００３４】
ＤＳＰはディジタル信号処理プロセッサの略で、ディジタル信号処理プロセッサとは、ディジタル信号を入力してディジタル信号を出力し、ソフトウェアプログラムが可能で、高速実時間処理が可能な専用ハードウェアを指す。ＤＳＰ(66)は、従来の磁気軸受制御装置で使用されている種々の制御手段に加えて、低速域制御手段(69)を有しており、低速域制御手段(69)は、通常速制御手段（通常速域制御手段）(70)と切り換え可能とされている。通常速域制御手段(70)は、回転軸(13)の回転数（回転速度）が所定値を超えた場合に、回転軸(13)のアキシアル方向の浮上位置をインペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とのギャップ(G)（図４参照）が基準値となるように制御するもので、低速域制御手段(69)は、回転軸(13)の回転数が所定値以下の場合に、ギャップ(G)が基準値よりも大きくなる方向にシフトさせて制御するものである。
【００３５】
位置センサ駆動回路(64)は、位置センサ(26)の出力である距離信号に基づいて、回転軸(13)のアキシアル方向の位置を演算し、その演算結果である位置信号をＡＤ変換器(67)を介してＤＳＰ(66)に出力する。
【００３６】
アキシアル位置センサ(26)のコイルに交流電流を流した状態でターゲットに相当する前側フランジ部(34)とのギャップ（空隙）の大きさが変化すると、インダクタンス変化が生じ、アキシアル位置センサ(26)は、前側フランジ部(34)とのギャップの大きさに比例する距離信号を出力する。位置センサ駆動回路(64)は、回転軸(13)がアキシアル方向の所定回転数に対応する目標浮上位置にあるときの変位を０とし、この目標浮上位置に対する回転軸(13)のアキシアル方向の変位に比例する信号を位置信号として出力する。
【００３７】
また、回転センサ(27)の出力も、前側フランジ部(34)とのギャップの大きさに比例して変化し、前側フランジ部(34)の凹部(28)以外の部分が回転センサ(27)に対向しているときと、凹部(28)が回転センサ(27)に対向しているときとでは、回転センサ(27)と前側フランジ部(34)とのギャップの大きさが異なるため、回転センサ(27)の出力は、凹部(28)がその対向位置に来るたびに変化する。したがって、回転センサ(27)は、回転軸(13)が１回転する間に凹部(28)の数と同数のパルスを発生し、このような回転センサ(27)の出力が速度検出信号として回転センサ駆動回路(65)からＤＳＰ(66)に出力される。
【００３８】
ＤＳＰ(66)は、回転センサ駆動回路(65)から入力する回転数およびＡＤ変換器(67)から入力する回転軸(13)の位置を表わすディジタル位置信号に基づいて、アキシアル磁気軸受(23)の電磁石(24)に対する励磁電流信号をＤＡ変換器(68)を介して磁気軸受駆動回路(63)に出力する。そして、駆動回路(63)は、ＤＳＰ(66)からの励磁電流信号に基づく励磁電流を対応するアキシアル磁気軸受(23)の電磁石(24)に供給し、これにより、回転軸(13)が目標浮上位置に非接触支持される。
【００３９】
ＤＳＰ(66)は、また、回転センサ駆動回路(65)の回転速度検出信号から回転軸(13)の回転速度を演算し、これに基づいてモータ(20)の回転を制御するための回転速度指令信号をモータ駆動回路(62)に出力する。モータ駆動回路(62)は、インバータ等を備えており、回転速度指令信号に基づいて、モータ(20)の回転速度を制御する。そして、その結果、回転軸(13)が、ラジアルフォイル軸受(21)(22)およびアキシアル磁気軸受(23)により目標浮上位置に非接触支持された状態で、モータ(20)により高速回転させられる。
【００４０】
上記の遠心型圧縮機(1)によると、回転軸(13)のラジアル方向の支持は、ラジアルフォイル軸受（動圧軸受）(21)(22)が受け持っており、回転軸(13)は、回転時には、各フォイル軸受(21)(22)で発生する動圧によって非接触でラジアル方向に支持される。また、回転軸(13)のアキシアル方向の支持は、アキシアル磁気軸受(23)が受け持っており、インペラ(13a)に作用するアキシアル方向の力が変動した場合には、これに見合った吸引力がアキシアル電磁石(24)に生成される。これにより、回転軸(13)は、回転負荷変動の影響を受けずに、安定的に非接触支持され、そのスムーズな回転が保証されるとともに、耐久性（寿命）も優れたものとなる。
【００４１】
回転軸(13)のアキシアル方向の浮上位置の制御に際し、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とのギャップ(G)の基準値は、圧縮効率を高めるために、できるだけ小さい値に設定される。回転軸(13)の回転数が所定値（１万〜２万ｒｐｍ程度）以下の場合、各ラジアルフォイル軸受(21)(22)の支持剛性が不足しており、回転軸(13)の回転振れが発生しやすいため、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とのギャップ(G)が小さいと、両者が接触するという問題が生じる可能性がある。そこで、回転軸(13)の回転数が所定値以下の場合（始動時および途中で回転数が低下した時）には、このギャップ(G)が低速域制御手段(69)によって基準値よりも大きくなる方向にシフトされる。
【００４２】
すなわち、回転軸(13)の回転数が所定値以下の場合には、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)との位置関係は、低速域制御手段(69)によって、ギャップ(G)が基準値よりも大きくなる方向（前方＝図１の右方）にシフト量Ｓだけシフトされて、図４に二点鎖線で示す状態となるように、回転軸(13)の浮上位置が制御されることにより、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)とが接触することが防止される。そして、回転軸(13)の回転数が所定値（ラジアルフォイル軸受(21)(22)の支持剛性が十分となる回転数）を超えた場合には、インペラ(13a)とスクロールハウジング部(11b)との位置関係は、通常速域制御手段(70)によって、ギャップ(G)が基準値に戻されて制御され、これにより、図４に実線で示す圧縮効率を高めるためにギャップ(G)が最適化された状態で、回転軸(13)の浮上位置が制御される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、この発明による遠心型圧縮機の１実施形態を模式的に示す縦断面図である。
【図２】図２は、この発明による遠心型圧縮機で使用されているラジアルフォイル軸受を示す横断面図である。
【図３】図３は、この発明による遠心型圧縮機で使用されているアキシアル磁気軸受の制御装置を示すブロック図である。
【図４】図４は、アキシアル磁気軸受の制御装置が行う制御を説明する要部拡大縦断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
(1)       遠心型圧縮機
(11)      ハウジング
(11a)     軸受ハウジング部
(11b)     スクロールハウジング部
(13)      回転軸
(13a)     インペラ
(14)      回転軸支持装置
(21)(22)  ラジアルフォイル軸受
(23)      制御型アキシアル磁気軸受
(61)      アキシアル磁気軸受制御装置
(69)      低速域制御手段
(70)      通常速制御手段
(G)       ギャップ
【図１】
0005062033.tif 000002
【図２】
0005062033.tif 000003
【図３】
0005062033.tif 000004
【図４】
0005062033.tif 000005