JP5178294B2 - 電動圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、モータユニットにより回転軸及びインペラを回転させ、インペラの回転により気体を圧縮する電動圧縮機に関する。

従来の電動圧縮機としては、例えば下記特許文献１に、回転軸の両側に羽根車（以下インペラという。）を備えたターボ機械が開示されている。通常、この種の圧縮機は、インペラの回転数が上昇すると、回転軸の軸方向に回転数の二乗に比例したスラスト荷重が発生する。特許文献１のターボ機械においては、回転軸の両側に設けられたインペラに発生するスラスト荷重が互いに逆方向に働くようにして、スラスト荷重をキャンセルさせている。このため、当該ターボ機械においては、回転軸の軸方向の位置決めを行うスラスト軸受に動圧型気体軸受、いわゆるスラストエアベアリングを採用している。

ところで、近年においては、水素と空気（酸素）を用いて発電を行う燃料電池を車両に搭載する試みが実用段階に入ってきている。燃料電池システムにおいては、圧縮水素をアノード側に供給し、圧縮空気をカソード側に供給して発電を行うものがあり、この種の燃料電池システムにおいては空気を圧縮するための圧縮機が車両に搭載される。このような圧縮機は、車両の小型化及び燃費向上等の要請により、小型で軽量であることが求められている。このような観点から見ると、特許文献１に開示されたターボ機械は、回転軸の両側にインペラを備えているため、圧縮空気を燃料電池に供給するための配管構造が複雑となり、小型化及び軽量化が困難である。さらに、実用化に向けてはコスト削減が必要であるが、インペラは軽量で高強度であることが求められるため材料コストが高く、さらにその加工には高い精度が求められるため製造コストが高くなる。従って、一対のインペラが必要な特許文献１のターボ機械ではコスト削減が困難となる。

しかしながら、圧縮機の小型化及びコスト削減のために回転軸の一方にのみインペラを設けると、回転数の上昇に伴って、回転数の二乗に比例したスラスト荷重が発生するため、特許文献１に開示されているスラストエアベアリングではスラスト荷重に耐えられない。

一方、下記特許文献２には、燃料電池システムに用いることができる流体圧縮機であって、回転軸の外周方向に突出する円盤状のバランスピストンと、ハウジング内に設けられバランスピストンを収納するバランス室と、バランス室の気体出口側に設けられハウジングに対する回転軸の軸方向の変位によって流路面積が変化する絞り部とを備えた流体圧縮機が開示されている。この特許文献２の流体圧縮機においては、回転軸の回転数が増加してスラスト荷重が増加すると、回転軸のハウジング内の位置がスラスト荷重によって変化し、絞り部の流路が狭められてバランス室内の気体の圧力が上昇し、バランス室及びバランスピストンによるスラスト方向の耐荷重性能を向上させ、スラスト荷重に耐えうるようにしている。

しかしながら、このようにハウジング内において回転軸が軸方向に移動すると、回転軸に取り付けられているインペラと、インペラに対面する圧縮機のケーシングとのクリアランスが変化する。この種の圧縮機においては、インペラとケーシングとのクリアランスは、圧縮効率及びサージ特性に大きな影響を及ぼすため、このクリアランスが変化することは圧縮効率の低下やサージ特性の悪化を生じさせることになる。これでは、効率よく燃料電池に圧縮空気を供給することが困難となり、場合によってはサージングにより異音や異常振動が発生するおそれがある。
特開平１１−１３６８６号 特開２００６−２３４０７５号

本発明は、電動圧縮機の改良を目的とし、さらに詳しくは前記不都合を解消するために、小型化、軽量化及びコスト削減が可能であると共に、圧縮効率が高くサージ特性の良好な電動圧縮機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電動圧縮機は、モータユニットにより回転される回転軸がモータケーシング内に軸支され、前記回転軸の一端側に圧縮ケーシング内で回転するインペラを備える電動圧縮機であって、前記回転軸は、前記モータケーシング内で回転方向にラジアルベアリングで軸支されると共に、軸方向にスラストエアベアリングで支持され、前記スラストエアベアリングは、回転軸の径方向外周に設けられた円盤状のフランジ部と、前記フランジ部の表裏に対面する薄板状のトップフォイルと、前記トップフォイルを弾性的に支持する波板状のバンプフォイルとをそれぞれ備えるフロントスラストベアリング及びリアスラストベアリングとを有し、前記フランジ部は前記フロントスラストベアリング及びリアスラストベアリングにより所定の圧力で挟持され、前記インペラよりも後方で前記回転軸の一端側に設けられており、前記モータケーシングは、前記回転軸の他端側に設けられ、前記圧縮ケーシングに設けられた圧縮空気導出部から前記インペラの回転により発生する気体の圧力を導入する圧力室を有し、前記回転軸は、前記圧力室に対面し、前記インペラの回転により発生する軸方向の荷重とは逆方向に前記圧力室内の圧力を受ける荷重相殺部を備えていることを特徴とする。

本発明の電動圧縮機によれば、前記回転軸は前記スラストエアベアリングにより所定の圧力で挟持されており、前記回転軸の位置決めを正確に行うことができるため、前記インペラと前記圧縮ケーシングとのクリアランスを正確に保つことができる。また、前記圧力室内に前記インペラの回転により発生する気体の圧力が導入されており、前記荷重相殺部が前記インペラの回転により発生する前記回転軸の軸方向の荷重とは逆方向に圧力を受ける。前記インペラの回転数が上昇すると回転数の二乗に比例したスラスト荷重が発生するが、前記荷重相殺部に当該スラスト荷重に相当する気体の圧力が逆方向に作用するため、前記回転軸に生じるスラスト荷重を相殺することができる。

従って、前記インペラの回転数が高くなった場合であっても、前記回転軸に過大なスラスト荷重が発生することがない。これにより、前記インペラが高速回転している状態であっても前記インペラの軸方向への移動を抑制することができるため、前記インペラと前記圧縮ケーシングとのクリアランスを正確に保つことができる。このように、本発明の電動圧縮機によれば、前記インペラの停止時及び低速回転時のみならず、高速回転時でも前記インペラと前記圧縮ケーシングとのクリアランスを正確に保つことができるので、圧縮効率を安定させることができ、サージングの発生も抑制することができる。また、前記荷重相殺部を設けているため、前記スラストエアベアリングの耐荷重性能を高くする必要がないので、スラストエアベアリングの小型軽量化及びコスト削減を図ることができる。

また、本発明の電動圧縮機においては、前記回転軸は内部に空洞を有する中空の筒状であり、前記インペラと前記荷重相殺部とは、前記回転軸の空洞を介して互いにテンションシャフトにより連結されていることが好ましい。当該構成により、前記インペラの回転によりスラスト方向発生する荷重と、前記インペラに生じる荷重とは逆方向となる前記荷重相殺部に生じる圧力とを前記テンションシャフトで受けることができる。従って、前記インペラの回転数が変化した場合であっても、前記インペラと前記圧縮ケーシングとのクリアランスの変動を最小限に押さえることができる。

次に、本発明の電動圧縮機の実施形態の一例である電動ターボ圧縮機について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は本実施形態の電動ターボ圧縮機の説明的断面図、図２は図１のスラストエアベアリング部分の拡大図、図３は回転軸に生じるスラスト荷重等と回転数との関係を示すグラフである。

本実施形態の電動ターボ圧縮機１は、燃料電池システムに用いられる空気圧縮機であり、図１に示すように、圧縮ケーシング２と、モータケーシング３と、キャンセラケーシング４とからなる筐体内に、インペラ５と、回転軸６と、スラストキャンセラ（荷重相殺部）７と、モータユニット８とが内蔵されている。また、回転軸６は、スラスト方向にはスラストエアベアリング９により支持されており、回転方向にはラジアルエアベアリング１０により軸支されている。

圧縮ケーシング２は、この種の遠心式空気圧縮機に通常用いられる形状のもので、圧縮空気導出部２１を備え、アルミニウム合金等により形成されている。また、圧縮ケーシング２内に収納されているインペラ５についても、従来より用いられている形状及び材質のものを用いている。

回転軸６は、本実施形態では、インペラ５側から、スラストシャフト６１、モータシャフト６２、キャンセラアウタ６３の複数の部材により構成されている。スラストシャフト６１は、円筒状のスラストシャフト本体６４と、その外周面に設けられた円盤状のフランジ部９１とを備えている。このフランジ部９１は、モータケーシング３に設けられたスラストエアベアリング９の一部を構成するものである。モータシャフト６２は、筒状のモータシャフト本体６５と、その内部に設けられた磁石ロータ８１とから構成される。この磁石ロータ８１は、本実施形態の電動ターボ圧縮機１のモータユニット８の一部を構成するものである。キャンセラアウタ６３は筒状であり、後端部（図１において右側）に後述するキャンセラシャフト７１が取り付けられる部材である。このように、回転軸６は全体として筒状であり、内部に軸方向に連通する空洞６６が形成されている。

スラストエアベアリング９は、図２に示すように、スラストシャフト６１のフランジ部９１と、フランジ部９１の表裏に対面するようにモータケーシング３に設けられているフロントスラストベアリング９２とリアスラストベアリング９３とから構成される。トップフォイル９５及びバンプフォイル９６の素材は、従来からこの種のフォイルに用いられている素材（例えばアルミニウム合金等耐熱性摺動性に優れた材料）を用いている。

本実施形態においては、スラストエアベアリング９は、リアスラストベアリング９３がモータケーシング３に図示しないボルトで固定されており、図１に示すように、フロントスラストベアリング９２がフランジ部９１を挟んでリアスラストベアリング９３側に向けて所定の力でボルト９９で押し付けられている。このように、スラストエアベアリング９にプリロードが付与されているため、図２に示すように、フロントスラストベアリング９２とリアスラストベアリング９３の各バンプフォイル９６，９８が圧縮変形され、各トップフォイル９５，９７に挟まれたフランジ部９１が軸方向（図１において左右方向）の所定位置に保持される。

回転軸６は、図１に示すように、モータケーシング３の前後でラジアルエアベアリング１０により回転自在に軸支されている。このラジアルエアベアリング１０は、筒状のベアリング本体１０１と、ベアリング本体１０１の内部に設けられた複数の薄板円弧状のトップフォイル１０２と、ベアリング本体１０１とトップフォイル１０２との間に介在する波板状のバンプフォイル１０３とを備えており、ラジアルベアリングホルダ１０４によりモータケーシング３の内部に固定されている。なお、ラジアルエアベアリング１０は、従来よりこの種の機械に用いられているものと同様の構成となっている。

スラストキャンセラ７は、図１に示すように、回転軸６のキャンセラアウタ６３の後端部に取り付けられるキャンセラシャフト７１と、キャンセラケーシング４及びキャンセラシャフト７１により形成される圧力室７２と、圧縮ケーシング２の圧縮空気導出部２１と圧力室７２とを連結する圧縮空気通路７３とを備えている。キャンセラシャフト７１は、前方（インペラ５側の方向）に向けて開口する円筒状のキャンセラ連結部７４と、キャンセラ連結部７４の後方に一体に形成され回転軸６と同径の円柱状であるキャンセラ円柱部７５と、キャンセラ円柱部７５の後端部から径方向外方に突出する略円盤状のキャンセラフランジ７６とを備えている。また、キャンセラケーシング４には、後方に向けて開口するリング状の凹部７７が形成されている。この凹部７７と、キャンセラ円柱部７５の外周面と、キャンセラフランジ７６の一方の表面７６ａにより圧力室７２が形成される。なお、本実施形態においては、キャンセラケーシング４はモータケーシング３の一部を形成している。

キャンセラシャフト７１は、テンションシャフト６７によってインペラ５と連結されている。このテンションシャフト６７は、回転軸６内部の空洞６６内に配設されており、先端部はインペラ５の内部を貫通してナット６８によりインペラ５を回転軸６の先端部に押し付けている。一方、テンションシャフト６７の後端部は、キャンセラシャフト７１のキャンセラ連結部７４に螺合されている。このように、テンションシャフト６７は、インペラ５とキャンセラシャフト７１とを連結し、所定の張力で両部材を回転軸６に押し付けている。

モータケーシング３内には、モータユニット８を形成するステータ８２と、モータユニット８の冷却を行う冷媒通路８３とが設けられている。また、本実施形態では、スラストキャンセラ７の圧縮空気通路７３は、モータケーシング３を貫通している。

次に、本実施形態の電動ターボ圧縮機１の作動について説明する。電動ターボ圧縮機１のモータユニット８に図示しない電源ユニットから電源が投入されると、ステータ８２に電流が流れるため、モータシャフト６２の磁石ロータ８１に回転力が発生し、回転軸６と、回転軸６の先端部に取り付けられているインペラ５と、回転軸６の後端部に取り付けられているキャンセラシャフト７１が回転する。インペラ５が回転すると、その回転速度に応じた圧縮空気が発生するので、圧縮ケーシング２から図示しない燃料電池に圧縮空気が送られる。

このとき、スラストエアベアリング９においては、スラストシャフト６１のフランジ部９１が、フロントスラストベアリング９２とリアスラストベアリング９３とに挟持された状態で回転する。回転軸６の回転数が低い（例えば１０００ｍｉｎ^−１）場合は、フランジ部９１とフロントスラストベアリング９２及びリアスラストベアリング９３の双方のトップフォイル９５，９７とが摺動しながら回転している。そして、回転軸６の回転数が上昇すると、フランジ部９１の表面と各スラストベアリングのトップフォイル９５，９７の表面との間に空気が介在し、スラストエアベアリング９がエアベアリングとして機能するようになる。

また、ラジアルエアベアリング１０においても同様に、回転軸６の回転数が低い場合は、回転軸６の表面とラジアルエアベアリング１０のトップフォイル１０２とが摺動しており、回転軸６の回転数が上昇すると、回転軸６の表面とトップフォイル１０２との間に空気が介在してエアベアリングとして機能するようになる。

また、スラストキャンセラ７の圧力室７２には、圧縮ケーシング２の圧縮空気導出部２１から圧縮空気通路７３を介してインペラ５の回転に応じた空気の圧力が加えられている。この圧力室７２内の圧力は、キャンセラシャフト７１のキャンセラフランジ７６の一方の表面７６ａに作用して回転軸６の後方に向かう相殺荷重Ａを生じさせる。

図３は、インペラ５の回転数と、インペラ５の回転によって生じるスラスト荷重Ｓと、キャンセラシャフト７１に作用する相殺荷重Ａと、スラストエアベアリング９に作用する荷重Ｂとの関係を示すグラフである。縦軸は荷重の大きさ（Ｎ）を表し、横軸は回転軸６の回転数（ｍｉｎ^−１）を表している。図３において、回転軸６の回転数が上昇すると、インペラ５の回転によって生じるスラスト荷重Ｓは回転数の二乗に比例して上昇する。一方、キャンセラシャフト７１に作用する相殺荷重Ａも、スラスト荷重Ｓと同様に、回転軸６の回転数の二乗に比例して上昇する。

スラスト荷重Ｓは回転軸６の軸方向前方に向けて作用し、相殺荷重Ａは回転軸６の軸方向後方に向けて作用するため、回転軸６の軸方向に生じる各荷重が相殺される。また、本実施形態では、インペラ５とキャンセラシャフト７１がテンションシャフト６７により連結されているため、確実にスラスト荷重を相殺することができる。従って、スラストエアベアリング９に作用する荷重Ｂは、回転軸６の回転数が上昇しても上昇の度合は緩やかなものとなる。

本実施形態の電動ターボ圧縮機１においては、スラストキャンセラ７によって回転軸６に作用するスラスト荷重が相殺されるので、スラスト荷重Ｓとスラストエアベアリング９に作用する荷重Ｂの差と等しくなるか、若しくは小さくなるようにスラストキャンセラ７の相殺荷重Ａを設定する。即ち、当該差に応じてキャンセラフランジ７６の圧力を受ける表面７６ａの面積を設定する。このように相殺荷重Ａを設定することにより、スラストエアベアリング９の耐荷重性能を上げるために各部の構成を大型化する必要がないので、スラストエアベアリング９を小型軽量化することができ、ひいては装置全体の小型軽量化を図ることができる。また、スラストエアベアリング９を必要以上に高強度化する必要がないため、コストの削減も可能となる。

本実施形態の電動ターボ圧縮機の説明的断面図。 図１のスラストエアベアリング部分の拡大図。 回転軸に生じるスラスト荷重等と回転数との関係を示すグラフ。

符号の説明

１…電動ターボ圧縮機（電動圧縮機）、２…圧縮ケーシング、３…モータケーシング、４…キャンセラケーシング、５…インペラ、６…回転軸、７…スラストキャンセラ（荷重相殺部）、７２…圧力室、８…モータユニット、９…スラストエアベアリング、９１…フランジ部、９２…フロントスラストベアリング、９３…リアスラストベアリング、９７…トップフォイル、９８…バンプフォイル、１０…ラジアルエアベアリング。

Claims (2)

1. モータユニットにより回転される回転軸がモータケーシング内に軸支され、前記回転軸の一端側に圧縮ケーシング内で回転するインペラを備える電動圧縮機であって、
   前記回転軸は、前記モータケーシング内で回転方向にラジアルベアリングで軸支されると共に、軸方向にスラストエアベアリングで支持され、
   前記スラストエアベアリングは、回転軸の径方向外周に設けられた円盤状のフランジ部と、前記フランジ部の表裏に対面する薄板状のトップフォイルと、前記トップフォイルを弾性的に支持する波板状のバンプフォイルとをそれぞれ備えるフロントスラストベアリング及びリアスラストベアリングとを有し、前記フランジ部は前記フロントスラストベアリング及びリアスラストベアリングにより所定の圧力で挟持され、前記インペラよりも後方で前記回転軸の一端側に設けられており、
   前記モータケーシングは、前記回転軸の他端側に設けられ、前記圧縮ケーシングに設けられた圧縮空気導出部から前記インペラの回転により発生する気体の圧力を導入する圧力室を有し、
   前記回転軸は、前記圧力室に対面し、前記インペラの回転により発生する軸方向の荷重とは逆方向に前記圧力室内の圧力を受ける荷重相殺部を備えていることを特徴とする電動圧縮機。
2. 請求項１に記載の電動圧縮機であって、
   前記回転軸は内部に空洞を有する中空の筒状であり、
   前記インペラと前記荷重相殺部とは、前記回転軸の空洞を介して互いにテンションシャフトにより連結されていることを特徴とする電動圧縮機。