JP5497489B2 - 遠心型圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも一方の端部にインペラを設ける回転軸ユニットと、前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記回転軸ユニットの外周面に対向するステータとを備える遠心型圧縮機に関する。

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、利用されている。

この種の遠心圧縮機では、円環状に配置されたステータの内周側に、永久磁石を有するロータが設けられており、前記ステータに巻回された巻線に通電することにより、前記ロータが回転されるように構成されている。

近年、ロータを高速回転させることが望まれている。その際、高速回転するロータを支持する軸受として、比較的簡単な構成で回転精度が得られるとともに、非接触で摩耗が抑制されることから、気体軸受や磁気軸受が採用されている。

ところが、ロータを高速回転させると、このロータ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、この熱が前記永久磁石に伝導することにより該永久磁石が減磁するという問題がある。特に、非接触の気体軸受や磁気軸受では、伝熱され難く、発熱による影響が著しい。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている回転機械が知られている。この回転機械を構成するロータは、図８に示すように、中心部の金属製のシャフト１の外周には、永久磁石２が冷やし嵌めにより固定されている。

永久磁石２の外周には、インコネル（スペシャルメタル社の商品名）等の高温機械特性を有する耐熱高強度材からなる保護環３が設けられるとともに、前記保護環３の外周には、カーボン繊維等の非導電性繊維をフィラメントワインディングした保護層４が設けられている。これにより、ロータの温度を上昇させず、磁石減磁の問題をも解決することができる、としている。

特開２００８−２１９９６５号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、保護層４が非導電性であるため、渦電流が発生しないものの、保護環３には、多大の渦電流が発生して発熱してしまう。従って、永久磁石２に不可逆減磁が惹起されるという問題がある。

しかも、保護層４により永久磁石２の飛散防止を図っているものの、ロータの中心部にシャフト１が延在して軸構造を構成しているため、共振強度が著しく低下するという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、永久磁石の不可逆減磁を防止するとともに、軸強度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。

本発明は、少なくとも一方の端部にインペラを設ける回転軸ユニットと、前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記回転軸ユニットの外周面に対向するステータとを備える遠心型圧縮機に関するものである。

そして、回転軸ユニットは、円筒状のロータと、前記ロータと同一の直径を有し、前記ロータの軸方向両端に配設されるベアリングシャフトとを備えている。ロータは、径方向内方から径方向外方に向かって、永久磁石層、金属部材からなる保護層、及び繊維部材が巻き付けられたフィラメントワインディング層の順に積層されている。

保護層は、フィラメントワインディング層の軸方向両端から軸方向外方に膨出する膨出部と、前記膨出部から前記径方向外方に突出し、軸方向外側端面がベアリングシャフトに接触する突き当て面を構成する拡径部とを有し、前記保護層の外周には、前記拡径部間に位置してリング状凹部が形成され、前記リング状凹部に前記フィラメントワインディング層が収容配置されている。

また、繊維部材は、非導電性繊維部材であることが好ましい。

さらに、保護層は、拡径部の軸方向外側端面に凹状又は凸状の第１段差部を設ける一方、ベアリングシャフトの軸方向端面には、前記第１段差部と嵌合により結合される第２段差部が設けられることが好ましい。

さらにまた、この遠心型圧縮機は、ベアリングシャフトの軸方向の位置を保持するスラスト軸受構造を備えることが好ましい。

また、回転軸ユニットは、インペラ、一方のベアリングシャフト、ロータ及び他方のベアリングシャフトを一体に同軸上に保持するテンションシャフトを備えることが好ましい。

さらに、拡径部は、軸方向外方に向かって径方向外方に連続的又は断続的に拡径することが好ましい。

本発明では、金属部材からなる保護層の径方向外方に、繊維部材が巻き付けられたフィラメントワインディング層が設けられている。このため、フィラメントワインディング層では、渦電流による発熱を防止することができる。一方、保護層は、フィラメントワインディング層によりステータのティース部から離間している。従って、保護層は、ティース部からの磁界変動による渦電流に起因して発熱する熱量を低減させることが可能になる。

さらに、保護層の拡径部に設けられる軸方向外側端面は、ベアリングシャフトに接触する突き当て面を構成している。これにより、保護層で発生した渦電流による発熱は、突き当て面から容易且つ確実に熱引きされ、永久磁石層への熱移動が抑制されて前記永久磁石層の不可逆減磁を防止することができる。

さらにまた、保護層の拡径部に設けられる突き当て面は、ロータの外周部を構成しており、この外周部によって軸強度を保持している。このため、ロータの中心に軸構造を有するものに比べ、軸強度が向上して共振強度を良好に向上させることが可能になる。

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。 前記遠心型圧縮機の要部断面説明図である。 前記遠心型圧縮機を構成する回転軸ユニットの要部断面説明図である。 前記遠心型圧縮機の、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 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。 前記スラストエア軸受の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。 本発明の第２の実施形態を構成する回転軸ユニットの要部断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池用過給機の説明図である。

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（過給機）１０は、ケーシング１２を備える。このケーシング１２内には、回転軸ユニット１４が回転自在に装着される。

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（永久磁石層）１６、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（保護層）１８及びフィラメントワインディング層１９により構成されるロータ２０と、前記ロータ２０と同一の直径を有し、前記ロータ２０の軸方向端部の両方に設けられるベアリングシャフト２２、２４と、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。フィラメントワインディング層１９の軸方向（矢印Ａ方向）の長さは、永久磁石１６の軸方向の長さと同一に設定されることが好ましい。

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。

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ー機構３４が設けられる。図１に示すように、キャンセラー機構３４は、加圧室３６内を矢印Ａ方向に摺動自在なキャンセラーディスク３８を備える。この加圧室３６には、通路４０を介してインペラ２６の回転により発生する空気が流入される。

ケーシング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。ステータ４２の外周側には、複数の冷却水流路４８が周回形成される。

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、具体的には、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。

保護環１８は、電気抵抗率の高い材料で形成されるとともに、前記保護環１８の径方向の厚さは、渦電流の表皮深さ以下で且つ共振しない強度を確保し得る厚さ以上に設定される。渦電流の深さＳは、Ｓ＝√２ρ／ωμから求められる。なお、ρは抵抗率、μは導体の透過率、ωは角周波数である。

フィラメントワインディング層１９は、保護環１８の外周面に繊維部材が巻き付けられて構成される。繊維部材は、非導電性繊維部材であり、例えば、硝子繊維の他、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール等の合成繊維を使用することができる。

なお、繊維部材として、例えば、導電性のカーボン繊維を使用してもよい。ロータ２０の表面において、渦電流により発熱して突き当て面１８ｂ（後述する）から熱を引くことが可能であるからである。

図３に示すように、保護環１８は、フィラメントワインディング層１９の軸方向両端から軸方向外方に膨出する膨出部１８ａと、前記膨出部１８ａから径方向外方に突出し、軸方向外側端面がベアリングシャフト２２、２４に接触する突き当て面１８ｂを構成する拡径部１８ｃとを有する。保護環１８は、拡径部１８ｃの軸方向外側端面に凹状（又は凸状）の段差部（第１段差部）１８ｄを設ける。

図２に示すように、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（第２段差部）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（第２段差部）２４ｂを有する。

ベアリングシャフト２２の底部２２ｂは、図２及び図３に示すように、保護環１８の一方の段差部１８ｄに同軸的に嵌合し、ベアリングシャフト２４の底部２４ｂは、前記保護環１８の他方の段差部１８ｄに同軸的に嵌合する。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。

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（図１及び図２参照）。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。スラストエア軸受５４及びキャンセラー機構３４により、スラスト軸受構造が得られる。

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。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、回転不能に固定される。

図４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との順に配置される。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。

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。

図５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。

図６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。

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の各段差部１８ｄに同軸的に嵌合する（インロー構造）。

ケーシング１２内には、図１に示すように、モータ部４６を構成する保護環１８とステータ４２との間に、冷媒用流通路７０が形成される。この流通路７０の入口側及びキャンセラー機構３４の通路４０は、遠心圧縮部２８のコンプレッサ出口７２に連通している。インペラ２６が回転することにより圧縮された空気は、コンプレッサ出口７２から流通路７０の入口側及びキャンセラー機構３４の通路４０に送風される。

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。

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。

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。

遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からケーシング１２内の流通路７０に供給される。この流通路７０を通過してモータ部４６を冷却した冷却風は、外部に排出される。

また、遠心圧縮部２８により吸引される空気の一部は、圧縮されてコンプレッサ出口７２からキャンセラー機構３４を構成する通路４０を通って加圧室３６に供給される。従って、加圧室３６に配設されるキャンセラーディスク３８には、インペラ２６から離間する方向（矢印Ａ２方向）に押圧力が付与される。これにより、インペラ２６の回転によって、矢印Ａ１方向に作用するスラスト力は、キャンセラー機構３４により緩和される。

この場合、第１の実施形態では、金属部材からなる保護環１８の径方向外方に、繊維部材が巻き付けられたフィラメントワインディング層１９が設けられている。このため、フィラメントワインディング層１９では、渦電流による発熱を防止することができる。

一方、保護環１８は、フィラメントワインディング層１９によりステータ４２のティース部（図示せず）から離間している。従って、保護環１８は、ティース部からの磁界変動による渦電流に起因して発熱する熱量を低減させることが可能になる。

さらに、図３に示すように、保護環１８の両拡径部１８ｃには、ベアリングシャフト２２、２４に接触する突き当て面１８ｂが構成されている。これにより、保護環１８で発生した渦電流による発熱は、突き当て面１８ｂからベアリングシャフト２２、２４に容易且つ確実に熱引きされる。このため、永久磁石１６への熱移動が抑制されて、前記永久磁石１６の不可逆減磁を防止することができるという効果が得られる。

さらにまた、保護環１８の拡径部１８ｃに設けられる突き当て面１８ｂは、ロータ２０の外周部を構成しており、この外周部によって軸強度を保持している。従って、ロータ２０の中心に軸構造を有するものに比べ、軸強度が向上して共振強度を良好に向上させることが可能になるという利点がある。

また、第１の実施形態では、保護環１８は、電気抵抗率の高い材料で形成されるため、渦電流の発生が有効に低減される。しかも、保護環１８の径方向の厚さは、渦電流の表皮深さ以下で且つ共振しない強度を確保し得る厚さ以上に設定されている。これにより、保護環１８に発生する渦電流の低減が図られるとともに、ロータ２０の共振強度を確保することができる。

さらに、フィラメントワインディング層１９の軸方向の長さは、永久磁石１６の軸方向の長さと同一に設定されるとともに、保護環１８の膨出部１８ａは、前記フィラメントワインディング層１９の軸方向両端から軸方向外方に膨出している。従って、永久磁石１６の渦電流の低減及び熱引き効果を維持しながら、ロータ２０の共振強度の向上が容易に図られる。

さらにまた、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）一方、前記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の各段差部１８ｄに同軸的に嵌合している（インロー構造）。このため、回転軸ユニット１４全体の接合及び位置出し作業が一挙に簡素化される。

また、ロータ２０の軸方向両端には、インペラ２６及びキャンセラー機構３４が設けられている。これにより、保護環１８で発生した熱は、ロータ２０の両端面からインペラ２６及びキャンセラー機構３４に逃がすことができる。しかも、ロータ２０の両端には、ベアリングシャフト２２、２４が設けられており、保護環１８で発生した熱は、各突き当て面１８ｂから前記ベアリングシャフト２２、２４に逃がすことが可能になる。

さらに、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ている。従って、ロータ２０とベアリングシャフト２２、２４とを一体軸構造にすることができる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る遠心型圧縮機（過給機）８０を構成する回転軸ユニット８２の要部断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る遠心型圧縮機１０を構成する回転軸ユニット１４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。

回転軸ユニット８２は、ロータ８４を備えるとともに、前記ロータ８４は、永久磁石１６、前記永久磁石１６の外周に設けられ、該永久磁石１６を収納する円筒状の保護環（保護層）８６及びフィラメントワインディング層１９により構成される。

保護環８６は、フィラメントワインディング層１９の軸方向両端から軸方向外方に膨出する膨出部８６ａと、前記膨出部８６ａから径方向外方に突出し、軸方向外側端面がベアリングシャフト２２、２４に接触する突き当て面８６ｂを構成する拡径部８６ｃとを有する。

拡径部８６ｃは、軸方向外方に向かって径方向外方に連続的に拡径することにより、フィラメントワインディング層１９を構成する繊維部材が巻き付けられる端面形状が、直角形状（第１の実施形態）からテーパ形状８８に変更される。なお、テーパ形状８８に代えて、軸方向外方に向かって径方向外方に階段状に拡径するように構成してもよい。

このように構成される第２の実施形態では、拡径部８６ｃがテーパ形状８８を有するため、突き当て面８６ｂに突き当て力が作用する際、この突き当て力は、保護環８６全体に作用して応力が集中することがない。

従って、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、保護環８６は、突き当て強度が良好に向上するという効果がある。しかも、テーパ形状８８により、熱引きの経路を幅広く確保することができ、冷却性能が容易に向上するという利点がある。

１０、８０…遠心型圧縮機 １２…ケーシング
１４、８２…回転軸ユニット １６…永久磁石
１６ａ、１６ｂ…端面 １８、８６…保護環
１９…フィラメントワインディング層 １８ａ、８６ａ…膨出部
１８ｂ、８６ｂ…突き当て面 １８ｃ、８６ｃ…拡径部
１８ｄ…段差部 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…キャンセラー機構 ３６…加圧室
３８…キャンセラーディスク ４０…通路
４２…ステータ ４６…モータ部
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 ５８、６６…バンプフォイル
６０、６８…トップフォイル ７０…流通路

Claims (6)

1. 少なくとも一方の端部にインペラを設ける回転軸ユニットと、
   前記回転軸ユニットが収容されるケーシングに設けられ、前記回転軸ユニットの外周面に対向するステータと、
   を備える遠心型圧縮機であって、
   前記回転軸ユニットは、円筒状のロータと、
   前記ロータと同一の直径を有し、前記ロータの軸方向両端に配設されるベアリングシャフトと、
   を備え、
   前記ロータは、径方向内方から径方向外方に向かって、永久磁石層、金属部材からなる保護層、及び繊維部材が巻き付けられたフィラメントワインディング層の順に積層されるとともに、
   前記保護層は、前記フィラメントワインディング層の軸方向両端から軸方向外方に膨出する膨出部と、
   前記膨出部から前記径方向外方に突出し、軸方向外側端面が前記ベアリングシャフトに接触する突き当て面を構成する拡径部と、
   を有し、
   前記保護層の外周には、前記拡径部間に位置してリング状凹部が形成され、前記リング状凹部に前記フィラメントワインディング層が収容配置されること特徴とする遠心型圧縮機。
2. 請求項１記載の遠心型圧縮機において、前記繊維部材は、非導電性繊維部材であることを特徴とする遠心型圧縮機。
3. 請求項１又は２記載の遠心型圧縮機において、前記保護層は、前記拡径部の前記軸方向外側端面に凹状の第１段差部を設ける一方、
   前記ベアリングシャフトの軸方向端面には、前記第１段差部の内周面と嵌合により外周面が結合される第２段差部が設けられることを特徴とする遠心型圧縮機。
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、前記ベアリングシャフトの軸方向の位置を保持するスラスト軸受構造を備えることを特徴とする遠心型圧縮機。
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、前記回転軸ユニットは、前記インペラ、一方の前記ベアリングシャフト、前記ロータ及び他方の前記ベアリングシャフトを一体に同軸上に保持するテンションシャフトを備えることを特徴とする遠心型圧縮機。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の遠心型圧縮機において、前記拡径部は、前記軸方向外方に向かって前記径方向外方に連続的又は断続的に拡径することを特徴とする遠心型圧縮機。

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