(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024157102
(43)【公開日】2024-11-07
(54)【発明の名称】遠心圧縮機
(51)【国際特許分類】
F04D 29/057 20060101AFI20241030BHJP
【FI】
F04D29/057 A
F04D29/057 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023071225
(22)【出願日】2023-04-25
(71)【出願人】
【識別番号】000003218
【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機
(74)【代理人】
【識別番号】100105957
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 誠
(74)【代理人】
【識別番号】100068755
【弁理士】
【氏名又は名称】恩田 博宣
(72)【発明者】
【氏名】森 英文
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 潤也
【テーマコード(参考)】
3H130
【Fターム(参考)】
3H130AA12
3H130AB27
3H130AB47
3H130AB62
3H130AB65
3H130AC13
3H130BA24A
3H130BA24C
3H130BA66E
3H130BA73A
3H130BA73C
3H130CA05
3H130CA21
3H130CB03
3H130DA02Z
3H130DB02X
3H130DB06X
3H130DD05Z
3H130DG03Z
3H130DG04Z
3H130EA02C
3H130EA02D
3H130EA02E
3H130EA06A
3H130EA06C
3H130EA06E
3H130EA07A
3H130EA07C
3H130EA07E
3H130EC08A
(57)【要約】
【課題】インペラが損傷することを回避しつつも、遠心圧縮機の運転効率の低下を抑制すること。
【解決手段】弾性部84によって、最小隙間85がインペラ42の背面42aと共に形成されている。よって、インペラ42の回転によって圧縮された空気の一部が、隙間57から第1挿通孔23を介して収容室内に流れ込むことが抑制される。弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイルにおける回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。バンプフォイルが、バンプフォイルにおける回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部84によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42が支持される。よって、弾性部84によって、最小隙間85をインペラ42の背面42aと共に形成したとしても、インペラ42の背面42aが弾性部84に強接触してしまうことが回避される。
【選択図】
図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸と、
流体を圧縮するために前記回転軸と一体的に回転するインペラと、
前記回転軸をスラスト方向で支持するスラスト軸受と、
前記インペラを収容するインペラ室、及び前記スラスト軸受を収容する収容室を区画するハウジングと、を備え、
前記ハウジングは、前記インペラ室と前記収容室とを仕切るとともに前記回転軸が挿通される挿通孔が形成されている仕切壁を有している遠心圧縮機であって、
前記回転軸の外周面から前記収容室内に突出する環状のスラストカラーを備え、
前記スラスト軸受は、少なくとも前記スラストカラーに対して前記インペラ室とは反対側に配置されており、
前記スラスト軸受は、
前記スラストカラーを前記スラスト方向で支持するトップフォイルと、
前記トップフォイルに対して前記スラストカラーとは反対側に配置され、弾性変形することにより、前記トップフォイルを前記回転軸の軸方向で変位可能な状態で弾性的に支持するバンプフォイルと、を有し、
前記仕切壁には、前記インペラの背面と前記仕切壁との間の隙間において前記回転軸の軸方向で最も小さい最小隙間を前記背面と共に形成する弾性部が設けられており、
前記弾性部は、前記インペラの背面が当接したときに、前記回転軸の軸方向で変位可能な状態で弾性的に前記インペラを支持し、
前記弾性部における前記軸方向での最大変位量は、前記バンプフォイルにおける前記軸方向での最大変位量よりも大きいことを特徴とする遠心圧縮機。
【請求項2】
前記弾性部における前記軸方向での最大変位量は、前記トップフォイルにおける前記軸方向での最大変位量よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の遠心圧縮機。
【請求項3】
前記弾性部は、前記仕切壁に一体形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の遠心圧縮機。
【請求項4】
前記弾性部は、前記仕切壁とは別部材であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば特許文献1に開示されているように、遠心圧縮機は、回転軸と、インペラと、を備えている。インペラは、流体を圧縮するために回転軸と一体的に回転する。遠心圧縮機は、スラスト軸受を備えている。スラスト軸受は、回転軸をスラスト方向で支持する。遠心圧縮機は、ハウジングを備えている。ハウジングは、インペラ室、及び収容室を区画する。インペラ室は、インペラを収容する。収容室は、スラスト軸受を収容する。ハウジングは、インペラ室と収容室とを仕切る仕切壁を有している。仕切壁には、挿通孔が形成されている。挿通孔には、回転軸が挿通されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このような遠心圧縮機においては、インペラの回転によって圧縮された流体の一部が、インペラの背面と仕切壁との間の隙間に流れ込む場合がある。インペラの背面と仕切壁との間の隙間に流体が流れ込むと、当該隙間から挿通孔を介して収容室内に流体が流れ込む場合がある。収容室内に流れ込んだ流体は、スラスト軸受を経由した後、ハウジング外へ排出される。その結果、遠心圧縮機において、流体の無駄な圧縮が増えることになるため、運転効率が低下する要因となる。
【0005】
そこで、例えば、インペラの背面と仕切壁との間の隙間を小さくすることにより、インペラの回転によって圧縮された流体の一部が、インペラの背面と仕切壁との間の隙間に流れ込み難くすることが考えられる。しかしながら、インペラの背面と仕切壁との間の隙間を小さくするほど、例えば、外部からの振動が遠心圧縮機に伝わる等して、インペラの背面が仕切壁に近付くように回転軸が軸方向へ移動したときに、インペラの背面が仕切壁に強接触してしまう虞がある。インペラの背面が仕切壁に強接触すると、インペラが損傷してしまう虞がある。したがって、インペラが損傷することを回避しつつも、遠心圧縮機の運転効率の低下を抑制することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決する遠心圧縮機は、回転軸と、流体を圧縮するために前記回転軸と一体的に回転するインペラと、前記回転軸をスラスト方向で支持するスラスト軸受と、前記インペラを収容するインペラ室、及び前記スラスト軸受を収容する収容室を区画するハウジングと、を備え、前記ハウジングは、前記インペラ室と前記収容室とを仕切るとともに前記回転軸が挿通される挿通孔が形成されている仕切壁を有している遠心圧縮機であって、前記回転軸の外周面から前記収容室内に突出する環状のスラストカラーを備え、前記スラスト軸受は、少なくとも前記スラストカラーに対して前記インペラ室とは反対側に配置されており、前記スラスト軸受は、前記スラストカラーを前記スラスト方向で支持するトップフォイルと、前記トップフォイルに対して前記スラストカラーとは反対側に配置され、弾性変形することにより、前記トップフォイルを前記回転軸の軸方向で変位可能な状態で弾性的に支持するバンプフォイルと、を有し、前記仕切壁には、前記インペラの背面と前記仕切壁との間の隙間において前記回転軸の軸方向で最も小さい最小隙間を前記背面と共に形成する弾性部が設けられており、前記弾性部は、前記インペラの背面が当接したときに、前記回転軸の軸方向で変位可能な状態で弾性的に前記インペラを支持し、前記弾性部における前記軸方向での最大変位量は、前記バンプフォイルにおける前記軸方向での最大変位量よりも大きい。
【0007】
これによれば、弾性部によって、インペラの背面と仕切壁との間の隙間において回転軸の軸方向で最も小さい最小隙間がインペラの背面と共に形成されている。したがって、インペラの回転によって圧縮された流体の一部が、インペラの背面と仕切壁との間の隙間から挿通孔を介して収容室内に流れ込むことを抑制することができる。ここで、例えば、外部からの振動が遠心圧縮機に伝わる等して、インペラの背面が仕切壁に近付くように回転軸が軸方向へ移動したとする。すると、スラストカラーによってバンプフォイルが押し潰される。そして、バンプフォイルが、バンプフォイルにおける回転軸の軸方向での最大変位量に達したとする。このとき、弾性部における回転軸の軸方向での最大変位量が、バンプフォイルにおける回転軸の軸方向での最大変位量よりも大きい。よって、バンプフォイルが、バンプフォイルにおける回転軸の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部によって、回転軸の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラを支持することができる。したがって、弾性部によって、インペラの背面と仕切壁との間の隙間において回転軸の軸方向で最も小さい最小隙間をインペラの背面と共に形成したとしても、インペラの背面が弾性部に強接触してしまうことを回避することができる。以上により、インペラが損傷することを回避しつつも、遠心圧縮機の運転効率の低下を抑制することができる。
【0008】
上記遠心圧縮機において、前記弾性部における前記軸方向での最大変位量は、前記トップフォイルにおける前記軸方向での最大変位量よりも大きいとよい。
これによれば、スラストカラーによってトップフォイルが押し潰されて、トップフォイルが回転軸の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部によって、回転軸の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラを支持することができる。
【0009】
上記遠心圧縮機において、前記弾性部は、前記仕切壁に一体形成されているとよい。
これによれば、弾性部が、仕切壁に一体形成されているため、例えば、弾性部が別部材である場合に比べると、部品点数を削減することができる。また、例えば、弾性部が別部材である場合に生じる弾性部における仕切壁に対する組み付け工程を不要とすることができる。
【0010】
上記遠心圧縮機において、前記弾性部は、前記仕切壁とは別部材であるとよい。
これによれば、弾性部が、仕切壁とは別部材であるため、例えば、弾性部が仕切壁に一体形成されている場合に比べると、仕切壁の構成を簡素化することができる。また、弾性部が仕切壁とは別部材であるため、設計自由度を向上させることができる。
【発明の効果】
【0011】
この発明によれば、インペラが損傷することを回避しつつも、遠心圧縮機の運転効率の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】
図1は、実施形態における遠心圧縮機の断面図である。
【
図2】
図2は、遠心圧縮機の一部分を拡大して示す断面図である。
【
図3】
図3は、遠心圧縮機の一部分を拡大して示す断面図である。
【
図6】
図6は、弾性部が弾性変形している状態を示す断面図である。
【
図7】
図7は、変更例における遠心圧縮機の一部分を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、遠心圧縮機を具体化した一実施形態を
図1~
図6にしたがって説明する。なお、以下に説明する実施形態の遠心圧縮機は、燃料電池車に搭載されている。遠心圧縮機は、燃料電池スタックに供給される流体としての空気を圧縮する。
【0014】
<遠心圧縮機の基本構成>
図1に示すように、遠心圧縮機10は、ハウジング11を備えている。ハウジング11は、金属材料製である。ハウジング11は、例えば、アルミニウム製である。ハウジング11は、モータハウジング12、コンプレッサハウジング13、タービンハウジング14、第1プレート15、第2プレート16、及び第3プレート17を有している。
【0015】
モータハウジング12は、端壁12aと、周壁12bと、を有している。端壁12aは、板状である。周壁12bは、端壁12aの外周部から筒状に延びている。第1プレート15は、モータハウジング12の周壁12bの開口側の端部に連結されている。第1プレート15は、モータハウジング12の周壁12bの開口を閉塞している。そして、モータハウジング12及び第1プレート15によってモータ室18が区画されている。したがって、ハウジング11は、モータ室18を有している。
【0016】
第2プレート16は、モータハウジング12の端壁12aの外面に連結されている。第2プレート16は、第2プレート16の厚み方向がモータハウジング12の端壁12aの厚み方向に一致した状態で、モータハウジング12の端壁12aに取り付けられている。
【0017】
遠心圧縮機10は、モータ20を備えている。モータ20は、モータ室18に収容されている。したがって、モータ室18は、モータ20を収容する。モータハウジング12は、モータ20を取り囲んでいる。
【0018】
遠心圧縮機10は、第1軸受保持部21を備えている。第1軸受保持部21は、第1プレート15の中央部からモータ室18内に突出している。したがって、第1プレート15は、第1軸受保持部21を有している。第1軸受保持部21は、円筒状である。第1軸受保持部21の内側は、モータ室18内に連通している。
【0019】
第1プレート15は、室形成凹部22を有している。室形成凹部22は、第1プレート15におけるモータハウジング12とは反対側の端面に形成されている。室形成凹部22は、円孔状である。第1軸受保持部21の内側は、第1プレート15を貫通して室形成凹部22の底面に開口している。室形成凹部22の軸線と第1軸受保持部21の軸線とは一致している。
【0020】
第3プレート17は、第1プレート15におけるモータハウジング12とは反対側の端面に連結されている。第3プレート17は、第3プレート17の厚み方向が第1プレート15の厚み方向に一致した状態で、第1プレート15に取り付けられている。第3プレート17は、第1挿通孔23を有している。第1挿通孔23は、第3プレート17の中央部に形成されている。第1挿通孔23の軸線は、室形成凹部22の軸線、及び第1軸受保持部21の軸線と一致している。そして、室形成凹部22と第3プレート17とによって、収容室24が区画されている。したがって、ハウジング11は、収容室24を区画する。収容室24は、第1軸受保持部21の内側に連通している。また、収容室24は、第1挿通孔23に連通している。したがって、第1軸受保持部21の内側は、収容室24を介して第1挿通孔23に連通している。
【0021】
遠心圧縮機10は、第2軸受保持部25を備えている。第2軸受保持部25は、モータハウジング12の端壁12aの中央部からモータ室18内に突出している。したがって、モータハウジング12は、第2軸受保持部25を有している。第2軸受保持部25は、円筒状である。第2軸受保持部25の内側は、モータ室18内に連通している。
【0022】
ハウジング11は、第2挿通孔26を有している。第2挿通孔26は、モータハウジング12の端壁12aの中央部、及び第2プレート16の中央部を貫通している。第2挿通孔26の軸線は、第2軸受保持部25の軸線と一致している。第2挿通孔26は、第2軸受保持部25の内側に連通している。
【0023】
コンプレッサハウジング13は、空気が吸入される円孔状の吸入口27を有する筒状である。コンプレッサハウジング13は、吸入口27の軸線が、第1挿通孔23の軸線と一致した状態で第3プレート17における第1プレート15とは反対側の端面に連結されている。吸入口27は、コンプレッサハウジング13における第3プレート17とは反対側の端面に開口している。吸入口27には、図示しないエアクリーナによって清浄化された空気が流れる。
【0024】
遠心圧縮機10は、インペラ室28、吐出室29、及びディフューザ流路30を備えている。インペラ室28、吐出室29、及びディフューザ流路30は、コンプレッサハウジング13と第3プレート17との間に形成されている。したがって、ハウジング11は、インペラ室28を区画する。第3プレート17は、インペラ室28と収容室24とを仕切る仕切壁である。インペラ室28は、吸入口27に連通している。吐出室29は、インペラ室28の周囲で吸入口27の軸線周りに延びている。ディフューザ流路30は、インペラ室28と吐出室29とを連通している。インペラ室28は、第1挿通孔23に連通している。
【0025】
遠心圧縮機10は、吐出通路31を有している。吐出通路31の第1端は、吐出室29に連通している。吐出通路31の第2端は、コンプレッサハウジング13の外周面に開口している。
【0026】
タービンハウジング14は、空気が吐出される円孔状の吐出口32を有する筒状である。タービンハウジング14は、吐出口32の軸線が、第2挿通孔26の軸線と一致した状態で第2プレート16におけるモータハウジング12とは反対側の端面に連結されている。吐出口32は、タービンハウジング14における第2プレート16とは反対側の端面に開口している。
【0027】
遠心圧縮機10は、タービン室33、タービンスクロール流路34、及び連通通路35を備えている。タービン室33、タービンスクロール流路34、及び連通通路35は、タービンハウジング14と第2プレート16との間に形成されている。モータハウジング12の端壁12a、及び第2プレート16は、タービン室33とモータ室18とを仕切っている。タービン室33は、吐出口32に連通している。タービンスクロール流路34は、タービン室33の周囲で吐出口32の軸線周りに延びている。連通通路35は、タービン室33とタービンスクロール流路34とを連通している。タービン室33は、第2挿通孔26に連通している。
【0028】
遠心圧縮機10は、吸入通路36を有している。吸入通路36の第1端は、タービンハウジング14の外周面に開口している。吸入通路36の第2端は、タービンスクロール流路34に連通している。
【0029】
遠心圧縮機10は、回転体40を備えている。回転体40は、回転軸41、インペラ42、タービンホイール43、及びスラストカラー44を含む。したがって、遠心圧縮機10は、回転軸41と、インペラ42と、スラストカラー44と、を備えている。回転軸41は、ハウジング11内に収容されている。
【0030】
回転軸41は、モータハウジング12の軸線に沿って延びた状態で、モータ室18を横切っている。回転軸41の軸方向は、モータハウジング12の軸方向に一致している。回転軸41の第1端部は、モータ室18から第1軸受保持部21の内側、収容室24、及び第1挿通孔23を通過して、インペラ室28内に突出している。したがって、第1挿通孔23は、回転軸41が挿通される挿通孔である。このように、ハウジング11は、インペラ室28と収容室24とを仕切るとともに回転軸41が挿通される挿通孔が形成されている仕切壁を有している。回転軸41の第2端部は、モータ室18から第2軸受保持部25の内側、及び第2挿通孔26を通過して、タービン室33内に突出している。
【0031】
インペラ42は、回転軸41の第1端に連結されている。インペラ42は、インペラ室28に収容されている。したがって、インペラ室28は、インペラ42を収容する。インペラ42は、インペラ室28に吸入された空気を圧縮するために回転軸41と一体的に回転する。
【0032】
図2に示すように、インペラ42は、背面42aから先端に向かうに従って徐々に縮径した筒状である。インペラ42の背面42aは、第3プレート17と対向している。インペラ42の回転軸線は、回転軸41の軸線でもある。回転軸41の軸線は、回転体40の回転軸線である。
【0033】
インペラ42は、円筒状のボス部42bを有している。ボス部42bは、インペラ42の背面42aの中央部から突出している。回転軸41の第1端は、ボス部42bの内側を通過している。ボス部42bは、第1挿通孔23に入り込んでいる。したがって、ボス部42bは、第1挿通孔23の内側に配置されている。ボス部42bは、回転体40における第1挿通孔23の内側に位置する部分である。インペラ42において、ボス部42bは、回転軸41の一部を構成しているとも言える。
【0034】
図1に示すように、タービンホイール43は、回転軸41の第2端に連結されている。タービンホイール43は、タービン室33に収容されている。タービンホイール43は、回転軸41と一体的に回転する。
【0035】
スラストカラー44は、円環状である。スラストカラー44は、回転軸41の外周面から収容室24内に突出している。したがって、スラストカラー44は、収容室24内に配置されている。スラストカラー44は、回転軸41の外周面から径方向外側へ環状に突出した状態で、回転軸41に固定されている。スラストカラー44は、回転軸41とは別体である。スラストカラー44は、回転軸41と一体的に回転する。
【0036】
モータ20は、筒状のモータロータ47と、筒状のモータステータ48と、を有している。モータ室18は、モータロータ47を収容する。モータロータ47は、回転軸41に固定されている。モータステータ48は、ハウジング11に固定されている。モータロータ47は、モータステータ48の径方向内側に配置されている。モータロータ47は、回転軸41と一体的に回転する。モータロータ47は、回転軸41に固定された円筒状のロータコア49と、ロータコア49に設けられた図示しない複数の永久磁石と、を有している。モータステータ48は、モータロータ47を取り囲んでいる。モータステータ48は、円筒状のステータコア50と、モータコイル51と、を有している。ステータコア50は、モータハウジング12の内周面に固定されている。モータコイル51は、ステータコア50に巻回されている。
【0037】
回転軸41は、図示しないバッテリからモータコイル51に電流が流れることによって、モータロータ47と一体的に回転する。したがって、モータ20は、回転軸41を回転させる。モータ20は、回転軸41の軸方向において、インペラ42とタービンホイール43との間に配置されている。
【0038】
遠心圧縮機10は、第1ラジアル軸受52を備えている。第1ラジアル軸受52は円筒状である。第1ラジアル軸受52は、第1軸受保持部21に保持されている。第1ラジアル軸受52は、回転軸41におけるモータ20よりも回転軸41の第1端部寄りに位置する部位を回転可能に支持する。
【0039】
遠心圧縮機10は、第2ラジアル軸受53を備えている。第2ラジアル軸受53は円筒状である。第2ラジアル軸受53は、第2軸受保持部25に保持されている。第2ラジアル軸受53は、回転軸41におけるモータ20よりも回転軸41の第2端部寄りに位置する部位を回転可能に支持する。
【0040】
第1ラジアル軸受52及び第2ラジアル軸受53は、モータ20を回転軸41の軸方向で挟んだ両側の位置で回転軸41をラジアル方向で回転可能に支持する。なお、「ラジアル方向」とは、回転軸41の軸方向に対して直交する方向である。
【0041】
図2に示すように、遠心圧縮機10は、スラスト軸受54を備えている。スラスト軸受54は、収容室24に収容されている。したがって、収容室24は、スラスト軸受54を収容する。スラスト軸受54は、スラストカラー44をスラスト方向で回転可能に支持する。したがって、スラスト軸受54は、スラストカラー44を介して回転軸41をスラスト方向で支持する。なお、「スラスト方向」とは、回転軸41の軸線方向に対して平行な方向である。
【0042】
スラスト軸受54は、第1スラスト軸受部54aと、第2スラスト軸受部54bと、を有している。第1スラスト軸受部54aは、スラストカラー44と第3プレート17との間に配置されている。第2スラスト軸受部54bは、スラストカラー44と第1プレート15との間に配置されている。したがって、スラスト軸受54は、少なくともスラストカラー44に対してインペラ室28とは反対側に配置されている。
【0043】
図2及び
図3に示すように、第1挿通孔23は、大径孔23aと、小径孔23bと、を有している。大径孔23aは、第1挿通孔23におけるインペラ室28側の端部を形成している。大径孔23aは、インペラ室28に開口している。小径孔23bは、大径孔23aにおけるインペラ室28とは反対側の端部に連通している。小径孔23bにおける大径孔23aとは反対側の端部は、収容室24に開口している。大径孔23aの内周面と小径孔23bの内周面とは環状の段差面23cによって接続されている。段差面23cは、回転軸41の径方向に延びている。
【0044】
図3に示すように、インペラ42の背面42aは、段差面23cに対向する位置に配置される環状の平坦面42eを有している。平坦面42eは、回転軸41の径方向に延びている。平坦面42eは、段差面23cに平行に延びている。平坦面42eの内周縁は、ボス部42bの外周面に連続している。
【0045】
図1に示すように、遠心圧縮機10は、第1シール部55と、第2シール部56と、を備えている。
図2に示すように、第1シール部55は、第3プレート17における第1挿通孔23の小径孔23bを区画する内周面に形成される複数の溝によって構成されるラビリンスシールである。第1シール部55は、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57からの第1挿通孔23を介した収容室24への空気の洩れを減少させる。
【0046】
図1に示すように、第2シール部56は、第2プレート16における第2挿通孔26を区画する内周面に形成される複数の溝によって構成されるラビリンスシールである。第2シール部56は、タービンホイール43の背面と第2プレート16との間の空隙からの第2挿通孔26を介したモータ室18への空気の洩れを減少させる。
【0047】
遠心圧縮機10は、導入通路58を備えている。導入通路58は、第1プレート15に形成されている。導入通路58の第1端は、第1プレート15の外周面に開口している。導入通路58の第2端は、収容室24に連通している。
【0048】
遠心圧縮機10は、排出通路59を備えている。排出通路59は、モータハウジング12の端壁12aに形成されている。排出通路59の第1端は、第2挿通孔26における第2シール部56よりも第2軸受保持部25寄りの部分に連通している。排出通路59の第2端は、モータハウジング12の端壁12aの外周面に開口している。したがって、排出通路59は、ハウジング11の外部に連通している。
【0049】
<燃料電池システム>
上記構成の遠心圧縮機10は、燃料電池車に搭載された燃料電池システム60の一部を構成している。燃料電池システム60は、遠心圧縮機10の他に、燃料電池スタック61と、供給配管62と、排出配管63と、分岐配管64と、インタークーラ65と、を備えている。燃料電池スタック61は、図示しない複数の電池セルから構成されている。供給配管62は、吐出通路31と燃料電池スタック61とを接続する。排出配管63は、燃料電池スタック61と吸入通路36とを接続する。
【0050】
分岐配管64は、供給配管62の途中から分岐されている。分岐配管64の第1端は、供給配管62に接続されている。分岐配管64の第2端は、導入通路58の第1端に接続されている。インタークーラ65は、分岐配管64の途中に設けられている。インタークーラ65は、分岐配管64内を流れる空気を冷却する。
【0051】
インペラ42が回転すると、吸入口27からインペラ室28に空気が吸入される。インペラ室28に吸入された空気は、インペラ42の回転によって加速されながら、ディフューザ流路30に送り込まれて、ディフューザ流路30を通過することにより昇圧される。そして、ディフューザ流路30を通過した空気は、吐出室29に吐出される。したがって、吐出室29には、インペラ42の回転に伴って圧縮された空気が吐出される。
【0052】
吐出室29に吐出された空気は、吐出通路31に吐出される。吐出通路31に吐出された空気は、供給配管62を介して燃料電池スタック61に供給される。燃料電池スタック61に供給された空気に含まれる酸素は、燃料電池スタック61の発電に寄与する。その後、燃料電池スタック61を通過する空気は、燃料電池スタック61の排気として排出配管63へ排出される。
【0053】
燃料電池スタック61の排気は、排出配管63及び吸入通路36を介してタービンスクロール流路34に吸入される。タービンスクロール流路34に吸入される燃料電池スタック61の排気は、連通通路35を通じてタービン室33に導入される。タービンホイール43は、タービン室33に導入された燃料電池スタック61の排気により回転する。回転軸41は、モータ20の駆動による回転に加え、燃料電池スタック61の排気により回転するタービンホイール43の回転によっても回転する。そして、燃料電池スタック61の排気によるタービンホイール43の回転により回転軸41の回転が補助される。タービン室33を通過した排気は、吐出口32から外部へ吐出される。
【0054】
また、供給配管62を流れる空気の一部は、分岐配管64に流れ込む。分岐配管64を流れる空気は、インタークーラ65によって冷却される。これにより、インタークーラ65を通過した空気は、吐出室29に吐出された空気の温度よりも低い温度となる。そして、インタークーラ65によって冷却された空気は、導入通路58、収容室24、及び第1軸受保持部21の内側を通過してモータ室18内へ導入される。したがって、導入通路58は、インペラ42の回転によって圧縮された空気の一部を、吐出室29に吐出された空気の温度よりも低い温度の状態でモータ室18内へ導入する。そして、モータ室18内の空気は、第2軸受保持部25の内側、第2挿通孔26、及び排出通路59を介してハウジング11の外部へ排出される。
【0055】
<スラスト軸受>
図4及び
図5では、第2スラスト軸受部54bの構成について詳しく説明する。なお、第1スラスト軸受部54aの構成は、第2スラスト軸受部54bの構成と同じであるため、第1スラスト軸受部54aの構成の詳細な説明を省略する。
【0056】
図4及び
図5に示すように、第2スラスト軸受部54bは、トップフォイル70と、バンプフォイル71と、ベース72と、を有している。したがって、スラスト軸受54は、トップフォイル70と、バンプフォイル71と、を有している。
【0057】
ベース72は、円板状である。ベース72は、ベース72の厚み方向が第1プレート15の厚み方向に一致した状態で、室形成凹部22の底面に固定されている。ベース72の周方向は、回転軸41の周方向に一致している。回転軸41は、ベース72を貫通している。
【0058】
<トップフォイル>
トップフォイル70は、複数のトップフォイル片73を含む。各トップフォイル片73は、可撓性を有する金属材料製である。各トップフォイル片73は、薄板状である。各トップフォイル片73は、回転軸41の周囲に配置されている。各トップフォイル片73は、回転軸41の周方向に等間隔置きに配置されている。各トップフォイル片73は、平面視すると、扇状である。各トップフォイル片73の周方向は、回転軸41の周方向に一致している。各トップフォイル片73は、一枚の薄板を折り曲げることにより形成されている。
【0059】
トップフォイル片73は、固定片74と、屈曲片75と、延在片76と、を有している。固定片74は、トップフォイル片73の周方向の一方の端に位置している。固定片74は、細長板状である。固定片74の長手方向は、回転軸41の径方向に一致している。固定片74は、ベース72における第1プレート15とは反対側の面に沿って延びている。固定片74は、ベース72における第1プレート15とは反対側の面に固定されている。固定片74は、ベース72に対して、例えば、溶接により固定されている。
【0060】
屈曲片75は、固定片74における回転軸41の周方向の一方とは反対側の端部に連続している。屈曲片75は、固定片74から離れるにつれてスラストカラー44に近付くように延びている。屈曲片75は、細長板状である。屈曲片75の長手方向は、回転軸41の径方向に一致している。
【0061】
延在片76は、屈曲片75における固定片74とは反対側の端部に連続している。延在片76は、回転軸41の軸方向でスラストカラー44に対向している。延在片76におけるスラストカラー44側の面は、スラストカラー44に対向する軸受面76aになっている。延在片76は、屈曲片75から離れるにつれてスラストカラー44から離れるように延びている。延在片76は、平面視すると、扇状である。延在片76は、回転軸41の周方向に延びている。延在片76における屈曲片75とは反対側の端は、自由端になっている。
【0062】
<バンプフォイル>
バンプフォイル71は、複数のバンプフォイル片77を含む。各バンプフォイル片77は、可撓性を有する金属材料製である。各バンプフォイル片77は、薄板状である。各バンプフォイル片77は、回転軸41の周囲に配置されている。各バンプフォイル片77は、回転軸41の周方向に等間隔置きに配置されている。各バンプフォイル片77は、各トップフォイル片73の延在片76とベース72との間に配置されている。したがって、バンプフォイル71は、トップフォイル70に対してスラストカラー44とは反対側に配置されている。各バンプフォイル片77は、平面視すると、扇状である。各バンプフォイル片77の周方向は、回転軸41の周方向に一致している。したがって、各バンプフォイル71の周方向は、各トップフォイル70の周方向に一致している。各バンプフォイル片77は、一枚の薄板を波形状にすることにより形成されている。
【0063】
バンプフォイル片77は、固定片78と、自由片79と、を有している。固定片78は、バンプフォイル片77の周方向の一方の端に位置している。固定片78は、細長板状である。固定片78の長手方向は、回転軸41の径方向に一致している。固定片78は、ベース72における第1プレート15とは反対側の面に沿って延びている。固定片78は、ベース72における第1プレート15とは反対側の面に固定されている。固定片78は、ベース72に対して、例えば、溶接により固定されている。
【0064】
自由片79は、バンプフォイル片77の周方向の他方の端に位置している。自由片79は、細長板状である。自由片79の長手方向は、回転軸41の径方向に一致している。自由片79は、ベース72における第1プレート15とは反対側の面に沿って延びている。自由片79は、ベース72における第1プレート15とは反対側の面に固定されていない。
【0065】
バンプフォイル片77は、複数の山部80と、複数の谷部81と、を有している。各山部80は、バンプフォイル片77において、固定片78及び自由片79に対してトップフォイル片73の延在片76に向けて膨出するように弧状に湾曲している部位である。各山部80は、バンプフォイル片77の周方向に延びている。各谷部81は、バンプフォイル片77において、バンプフォイル片77の周方向で隣り合う山部80同士を繋ぐ部位である。したがって、各山部80は、各谷部81からトップフォイル片73の延在片76に向けて突出している。バンプフォイル片77は、バンプフォイル片77の周方向に山部80及び谷部81が交互に配列された波形状である。各山部80及び各谷部81は、バンプフォイル片77において固定片78と自由片79との間に位置する部位である。各山部80及び各谷部81は、バンプフォイル片77の周方向に固定片78から自由片79に向かって交互に配列されている。
【0066】
複数の山部80における谷部81からの突出量は、固定片78に近い位置に配置されている山部80ほど大きい。したがって、複数の山部80のうち、固定片78に最も近い山部80は、その他の山部80に比べて、谷部81から最も突出している。
【0067】
バンプフォイル片77の各谷部81は、ベース72にそれぞれ接触するとともに、バンプフォイル片77の各山部80は、トップフォイル片73の延在片76に接触している。そして、回転軸41が回転すると、スラストカラー44とトップフォイル片73の延在片76の軸受面76aとの間に空気が侵入するとともに、スラストカラー44と軸受面76aとの間に空気膜が形成される。回転軸41の回転数が浮上回転数に達するまでは、スラストカラー44は、トップフォイル片73における軸受面76aと屈曲片75におけるスラストカラー44側の面との連結部位82に接触した状態で回転する。そして、回転軸41の回転数が浮上回転数に達すると、空気膜の動圧によって、スラストカラー44がトップフォイル片73に対して浮上する。トップフォイル片73は、空気膜を介してスラストカラー44をスラスト方向で支持する。このようにして、トップフォイル70は、スラストカラー44をスラスト方向で支持する。
【0068】
トップフォイル片73は、スラストカラー44と軸受面76aとの間の空気膜の動圧によって弾性変形して、バンプフォイル片77に向けて変位する。すると、トップフォイル片73がバンプフォイル片77の各山部80をベース72に向けて押圧する。これにより、バンプフォイル片77は弾性変形する。そして、バンプフォイル片77は、トップフォイル片73と共にベース72に向けて変位する。バンプフォイル片77は、トップフォイル片73を弾性的に支持する。このように、バンプフォイル71は、弾性変形することにより、トップフォイル70を回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的に支持する。
【0069】
図5では、バンプフォイル71が弾性変形する前の原形状の状態を示している。この状態のときの、回転軸41の軸方向において、複数の山部80のうち、固定片78に最も近い山部80の頂点83と固定片78におけるスラストカラー44側の面との間の距離L1は、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量である。
【0070】
図5では、トップフォイル70が弾性変形する前の原形状の状態を示している。この状態のときの、回転軸41の軸方向において、連結部位82と固定片74におけるスラストカラー44側の面との間の距離L2は、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量である。トップフォイル片73の剛性は、バンプフォイル片77の剛性よりも高い。したがって、トップフォイル片73は、バンプフォイル片77よりも弾性変形し難くなっている。
【0071】
<弾性部>
図3に示すように、第3プレート17には、弾性部84が設けられている。弾性部84は、大径孔23aの内周面におけるインペラ室28側の端部に位置する部分から円環状に突出している。弾性部84は、大径孔23aの内周面から回転軸41の径方向内側に突出している。弾性部84は、薄板状である。弾性部84は、可撓性を有している。弾性部84は、第3プレート17に一体形成されている。
【0072】
弾性部84は、大径孔23aの内周面からボス部42bの外周面に向けて延びている。弾性部84の先端部は、ボス部42bの外周面から離間している。弾性部84は、インペラ42の背面42aと回転軸41の軸方向で対向している。詳細には、弾性部84は、インペラ42の背面42aの一部である平坦面42eと回転軸41の軸方向で対向している。弾性部84と平坦面42eとの間に形成される隙間は、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57において回転軸41の軸方向で最も小さい最小隙間85になっている。したがって、弾性部84は、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57において回転軸41の軸方向で最も小さい最小隙間85を背面42aと共に形成している。
【0073】
図6に示すように、インペラ42の背面42aが弾性部84に当接すると、弾性部84は弾性変形して、回転軸41の軸方向に変位可能になっている。弾性部84は、インペラ42の背面42aが当接すると、回転軸41の軸方向に撓むことが可能に構成されている。弾性部84は、インペラ42の背面42aが当接したときに、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42を支持する。
【0074】
弾性部84は、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きくなるように、例えば、大径孔23aの内周面からの長さや厚み等が設定されている。したがって、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量は、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。また、弾性部84は、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きくなるように、例えば、大径孔23aの内周面からの長さや厚み等が設定されている。したがって、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量は、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。
【0075】
[実施形態の作用]
次に、実施形態の作用について説明する。
図1に示すように、スラスト軸受54は、導入通路58から収容室24内に導入された空気によって冷却される。収容室24内の空気は、第1軸受保持部21の内側を通過する。第1ラジアル軸受52は、第1軸受保持部21の内側を通過する空気によって冷却される。第1軸受保持部21の内側を通過した空気は、モータ室18内へ導入される。モータ20は、モータ室18に導入された空気によって冷却される。モータ室18内に導入された空気は、第2軸受保持部25の内側を通過する。第2ラジアル軸受53は、第2軸受保持部25の内側を通過する空気によって冷却される。第2軸受保持部25の内側を通過した空気は第2挿通孔26及び排出通路59を介してハウジング11の外部へ排出される。
【0076】
ところで、遠心圧縮機10においては、インペラ42の回転によって圧縮された空気の一部が、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57に流れ込む場合がある。ここで、弾性部84によって、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57において回転軸41の軸方向で最も小さい最小隙間85がインペラ42の背面42aと共に形成されている。したがって、インペラ42の回転によって圧縮された空気の一部が、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57から第1挿通孔23を介して収容室24内に流れ込むことが抑制されている。
【0077】
ここで、例えば、外部からの振動が遠心圧縮機10に伝わる等して、インペラ42の背面42aが第3プレート17に近付くように回転軸41が軸方向へ移動したとする。すると、スラストカラー44によってバンプフォイル71が押し潰される。そして、バンプフォイル71が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとする。つまり、バンプフォイル片77の各山部80が潰れ切るまでスラストカラー44が回転軸41の軸方向へ移動したとする。
【0078】
このとき、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。よって、バンプフォイル71が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部84によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42が支持される。
【0079】
さらに、スラストカラー44によってトップフォイル70が押し潰されて、トップフォイル70が、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとする。つまり、トップフォイル片73が潰れ切るまでスラストカラー44が回転軸41の軸方向へ移動したとする。このように、トップフォイル70が回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部84によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42が支持される。
【0080】
[実施形態の効果]
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
(1)弾性部84によって、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57において回転軸41の軸方向で最も小さい最小隙間85がインペラ42の背面42aと共に形成されている。したがって、インペラ42の回転によって圧縮された空気の一部が、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57から第1挿通孔23を介して収容室24内に流れ込むことを抑制することができる。
【0081】
ここで、例えば、外部からの振動が遠心圧縮機10に伝わる等して、インペラ42の背面42aが第3プレート17に近付くように回転軸41が軸方向へ移動したとする。すると、スラストカラー44によってバンプフォイル71が押し潰される。そして、バンプフォイル71が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとする。このとき、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。よって、バンプフォイル71が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部84によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42を支持することができる。したがって、弾性部84によって、最小隙間85をインペラ42の背面42aと共に形成したとしても、インペラ42の背面42aが弾性部84に強接触してしまうことを回避することができる。以上により、インペラ42が損傷することを回避しつつも、遠心圧縮機10の運転効率の低下を抑制することができる。
【0082】
(2)弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。これによれば、スラストカラー44によってトップフォイル70が押し潰されて、トップフォイル70が回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部84によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42を支持することができる。
【0083】
(3)弾性部84は、第3プレート17に一体形成されている。これによれば、例えば、弾性部84が別部材である場合に比べると、部品点数を削減することができる。また、例えば、弾性部84が別部材である場合に生じる弾性部84における第3プレート17に対する組み付け工程を不要とすることができる。
【0084】
[変更例]
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【0085】
○
図7に示すように、弾性部86が、第3プレート17とは別部材であってもよい。弾性部86は、可撓性を有する金属材料製である。弾性部84は、薄板状である。弾性部84は、例えば、一枚の金属板を折り曲げることにより形成されている。
【0086】
弾性部86は、圧入部87と、隙間形成部88と、を有している。圧入部87は、大径部87aと、小径部87bと、接続部87cと、を有している。大径部87aは、小径部87bよりも外径が大きい円筒状である。小径部87bは、大径部87aの内側に配置される円筒状である。接続部87cは、大径部87aの内周面における軸方向の一端部と小径部87bの外周面における軸方向の一端部同士を接続する環状である。接続部87cは、大径部87aの一端部及び小径部87bの一端部から各々の他端部とは反対側に向けて凸となる湾曲形状である。弾性部84は、圧入部87の大径部87aが大径孔23aの内周面に圧入されることにより、第3プレート17に固定されている。
【0087】
隙間形成部88は、小径部87bの内周面における軸方向の他端部から小径部87bの径方向内側へ延びる環状である。隙間形成部88は、小径部87bの内周面からボス部42bの外周面に向けて延びている。隙間形成部88の先端部は、ボス部42bの外周面から離間している。隙間形成部88は、インペラ42の背面42aと回転軸41の軸方向で対向している。詳細には、隙間形成部88は、インペラ42の背面42aの一部である平坦面42eと回転軸41の軸方向で対向している。隙間形成部88と平坦面42eとの間に形成される隙間は、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57において回転軸41の軸方向で最も小さい最小隙間85になっている。したがって、弾性部86は、インペラ42の背面42aと第3プレート17との間の隙間57において回転軸41の軸方向で最も小さい最小隙間85を背面42aと共に形成している。
【0088】
インペラ42の背面42aが弾性部86に当接すると、弾性部86は弾性変形する。弾性部86は、インペラ42の背面42aが当接したときに、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42を支持する。
【0089】
弾性部86は、弾性部86における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きくなるように、例えば、隙間形成部88の長さや弾性部86全体の厚み等が設定されている。したがって、弾性部86における回転軸41の軸方向での最大変位量は、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。また、弾性部86は、弾性部86における回転軸41の軸方向での最大変位量が、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きくなるように、例えば、隙間形成部88の長さや弾性部88全体の厚み等が設定されている。したがって、弾性部86における回転軸41の軸方向での最大変位量は、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きい。
【0090】
よって、バンプフォイル71が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部86によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42が支持される。さらに、トップフォイル70が回転軸41の軸方向での最大変位量に達したとしても、弾性部86によって、回転軸41の軸方向で変位可能な状態で弾性的にインペラ42が支持される。
【0091】
これによれば、弾性部86が、第3プレート17とは別部材であるため、例えば、弾性部86が第3プレート17に一体形成されている場合に比べると、第3プレート17の構成を簡素化することができる。また、弾性部86が第3プレート17とは別部材であるため、設計自由度を向上させることができる。
【0092】
○ 実施形態において、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも小さくてもよい。要は、弾性部84における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きければよい。
【0093】
○
図7に示す実施形態において、弾性部86における回転軸41の軸方向での最大変位量が、トップフォイル70における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも小さくてもよい。要は、弾性部86における回転軸41の軸方向での最大変位量が、バンプフォイル71における回転軸41の軸方向での最大変位量よりも大きければよい。
【0094】
○ 実施形態において、ボス部42bが回転軸41の一部として第1挿通孔23に入り込んでいなくてもよい。
○ 実施形態において、スラスト軸受54は、第1スラスト軸受部54aを有していない構成であってもよい。
【0095】
○ 実施形態において、ベース72を省略してもよい。この場合、トップフォイル片73の固定片74及びバンプフォイル片77の固定片78は、例えば、第3プレート17に対して固定されている。
【0096】
○ 実施形態において、スラストカラー44は、回転軸41と一体形成されていてもよい。要は、スラストカラー44は、回転軸41の外周面から収容室24内に突出する環状であればよい。
【0097】
○ 実施形態において、遠心圧縮機10は、タービンホイール43を備えていない構成であってもよい。
○ 実施形態において、遠心圧縮機10は、タービンホイール43に代えて、インペラを備えている構成であってもよい。つまり、遠心圧縮機10は、回転軸41の両端にそれぞれにインペラが取り付けられており、一方のインペラの回転によって圧縮された空気が、他方のインペラの回転によって再び圧縮されるような構成であってもよい。
【0098】
○ 実施形態において、遠心圧縮機10は、燃料電池車に搭載されていなくてもよい。要は、遠心圧縮機10は、車両に搭載されるものに限定されるものではない。
○ 実施形態において、遠心圧縮機10は、燃料電池スタック61に供給される空気を圧縮するために用いられるものに限らない。要は、遠心圧縮機10は、流体を圧縮するものであればよい。
【符号の説明】
【0099】
10…遠心圧縮機、11…ハウジング、17…仕切壁である第3プレート、17e…面、23…挿通孔である第1挿通孔、24…収容室、28…インペラ室、41…回転軸、42…インペラ、42a…背面、44…スラストカラー、54…スラスト軸受、57…隙間、70…トップフォイル、71…バンプフォイル、84,86…弾性部、85…最小隙間。