再表2019-159744IP Force 特許公報全文掲載

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2019年8月22日
【発行日】2020年12月3日
(54)【発明の名称】タービン
(51)【国際特許分類】
   F02B 39/00 20060101AFI20201106BHJP
   F02B 39/16 20060101ALI20201106BHJP
   F01D 25/32 20060101ALI20201106BHJP
【ＦＩ】
   F02B39/00 D
   F02B39/00 N
   F02B39/00 H
   F02B39/16 Z
   F01D25/32 C
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】20
【出願番号】特願2020-500405(P2020-500405)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2019年2月4日
(31)【優先権主張番号】特願2018-27167(P2018-27167)
(32)【優先日】2018年2月19日
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100170818
【弁理士】
【氏名又は名称】小松 秀輝
(74)【代理人】
【識別番号】100176245
【弁理士】
【氏名又は名称】安田 亮輔
(72)【発明者】
【氏名】池谷 信之
【テーマコード（参考）】
3G005
【Ｆターム（参考）】
3G005EA04
3G005EA16
3G005FA27
3G005GB53
3G005GB65
3G005GB82
3G005GB86
(57)【要約】
タービンは、回転軸と、回転軸に取り付けられたタービンインペラと、タービンインペラを収容するタービンハウジングを含むハウジングと、回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備える。タービンハウジングは、軸受が設けられた空間内の気体をタービンハウジング内の排ガス流出口に排出するように構成された第１排出路を含む。第１排出路の底面は、第１入口開口から第１出口開口に向けて下がる傾斜部分からなるか、または、傾斜部分と、傾斜部分に連続して水平に延びる水平部分とからなる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸と、
前記回転軸に取り付けられたブレードと、
前記ブレードを収容するタービンハウジングを含むハウジングと、
前記ハウジング内に設けられ、前記回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、
前記タービンハウジングは、前記軸受が設けられた第１空間内の気体を前記タービンハウジング内の第２空間に排出するように構成された排出路を含み、
前記排出路は、前記第１空間に連通する入口開口と、前記第２空間に開口する出口開口とを含み、
前記排出路の底面は、前記入口開口から前記出口開口に向けて下がる傾斜部分からなるか、または、前記傾斜部分と、前記傾斜部分に連続して水平に延びる水平部分とからなる、タービン。
【請求項2】
前記ハウジングは、内部に前記軸受が設けられ、前記タービンハウジングに連結されるセンターハウジングを含み、
前記センターハウジングは、前記第１空間の出口であって前記排出路の前記入口開口に対面する連絡口を含む、請求項１に記載のタービン。
【請求項3】
前記タービンハウジングと前記センターハウジングとの間に設けられたシールプレートを更に備え、
前記シールプレートの外周部には、前記第１空間と前記連絡口との間に延在する案内路が形成されている、請求項２に記載のタービン。
【請求項4】
前記センターハウジングの前記連絡口の下端、および、前記タービンハウジングの前記排出路の前記入口開口の下端は、いずれも前記回転軸より下に位置する、請求項２に記載のタービン。
【請求項5】
前記センターハウジングの前記連絡口の下端、および、前記タービンハウジングの前記排出路の前記入口開口の下端は、いずれも前記回転軸より下に位置する、請求項３に記載のタービン。
【請求項6】
前記軸受と前記ブレードとの間には、前記回転軸に対してシール部が設けられている、請求項１に記載のタービン。
【請求項7】
前記軸受と前記ブレードとの間には、前記回転軸に対してシール部が設けられている、請求項２に記載のタービン。
【請求項8】
前記軸受と前記ブレードとの間には、前記回転軸に対してシール部が設けられている、請求項３に記載のタービン。
【請求項9】
前記軸受と前記ブレードとの間には、前記回転軸に対してシール部が設けられている、請求項４に記載のタービン。
【請求項10】
前記軸受と前記ブレードとの間には、前記回転軸に対してシール部が設けられている、請求項５に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
タービン
【背景技術】
【0002】
特許文献１および２に記載されるように、タービンとコンプレッサとを備えるターボ機械が知られている。たとえば特許文献１に記載のターボ機械では、回転軸は、センターハウジング内に設けられたジャーナル軸受およびスラスト軸受によって支持される。センターハウジング内には、流路と、この流路に接続された導管とが設けられている。その導管は、タービンケーシングに設けられた流路に接続されている。排気ガスによってタービン羽根車が駆動され、コンプレッサ出口圧力がタービン入口圧力より高い状態になったとき、コンプレッサ羽根車の出口部から、空気がセンターハウジング内に流入し、スラスト軸受およびジャーナル軸受を冷却する。この空気の一部は、センターハウジング内の流路および導管を通り、次いでタービンケーシングの流路を通って、タービンの出口流路へと流れる。
【0003】
特許文献２に記載のターボ機械では、回転軸は、センターハウジング内に設けられたジャーナル軸受と、タービンとセンターハウジングの間に設けられたスラスト軸受とによって支持される。ジャーナル軸受の外周部には、ジャーナル軸受の内部に形成された多数の給気孔に連通する導路が形成される。この導路には、外部の圧縮機から、給気管を介して圧縮空気が供給される。ジャーナル軸受の内周の軸受面には、環状の排気溝が形成されている。ジャーナル軸受とセンターハウジングとを貫通するようにして、その排気溝に接続される導孔が形成されている。スラスト軸受のセンターハウジング側には、導孔に接続された分配溝が円周上に形成されている。さらに、スラスト軸受には、この分配溝に連通してタービン側に開口する吹出孔が設けられている。圧縮機から供給された圧縮空気は、ジャーナル軸受およびスラスト軸受に、回転軸を支持させる。一方、圧縮空気の一部は、ジャーナル軸受の排気溝に流入し、分配溝および吹出孔からタービンの背面側に吹き出す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】実開昭６０−１８２３３号公報
【特許文献2】特開昭６０−１７３３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
タービンを備えるターボ機械において、タービンに、排気としての湿った気体（水蒸気を含む空気）が流入する場合がある。タービンは、そのような湿った気体によって作動させられる。水蒸気が凝縮すると、水がハウジング内に溜まり得る。ここで、軸受が設けられた空間に流入する気体を排出するための流路（排出路）が、タービンハウジングに設けられ得る。もし、溜まった水がその排出路内に流入して残存したら、その水がタービンに悪影響を及ぼし得る。たとえば、温度の低下に応じて水が凍結すると、排出路が閉塞し、ハウジング内の部品（たとえば回転軸等）に不具合が生じ得る。
【0006】
ハウジング内の軸受が設けられた空間に溜まった凝縮水を排出することができるタービンを説明する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様に係るタービンは、回転軸と、回転軸に取り付けられたブレードと、ブレードを収容するタービンハウジングを含むハウジングと、ハウジング内に設けられ、回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、タービンハウジングは、軸受が設けられた第１空間内の気体をタービンハウジング内の第２空間に排出するように構成された排出路を含み、排出路は、第１空間に連通する入口開口と、第２空間に開口する出口開口とを含み、排出路の底面は、入口開口から出口開口に向けて下がる傾斜部分からなるか、または、傾斜部分と、傾斜部分に連続して水平に延びる水平部分とからなる。
【発明の効果】
【0008】
本開示の一態様によれば、ハウジング内の軸受が設けられた空間に溜まった凝縮水を排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】図１は、本開示の一電動過給機（遠心圧縮機）を模式的に示す説明図である。
【図2】図２は、本開示の一電動過給機（遠心圧縮機）の一例を示す断面図である。
【図3】図３は、図２中のタービンハウジング、シール部、および軸受の付近を拡大して示す断面図である。
【図4】図４は、センターハウジングにシールプレートが取り付けられた組立体を示す斜視図である。
【図5】図５は、シールプレートを示す斜視図である。
【図6】図６は、図５のシールプレートを背面側から見て示す斜視図である。
【図7】図７は、回転軸線方向のタービン側から見た、連絡口よりも奥の構造を示す断面図である。
【図8】図８は、回転軸線方向のタービン側から見た、タービンハウジング内に形成された排出路の形状を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
本開示の一態様に係るタービンは、回転軸と、回転軸に取り付けられたブレードと、ブレードを収容するタービンハウジングを含むハウジングと、ハウジング内に設けられ、回転軸を回転可能に支持する軸受と、を備え、タービンハウジングは、軸受が設けられた第１空間内の気体をタービンハウジング内の第２空間に排出するように構成された排出路を含み、排出路は、第１空間に連通する入口開口と、第２空間に開口する出口開口とを含み、排出路の底面は、入口開口から出口開口に向けて下がる傾斜部分からなるか、または、傾斜部分と、傾斜部分に連続して水平に延びる水平部分とからなる。
【0011】
このタービンによれば、軸受が設けられた第１空間内の気体は、排出路を通って、タービンハウジング内の第２空間に排出される。タービンに流入する気体が水蒸気を含み、もしその水蒸気が凝縮して生じる凝縮水がハウジング内に溜まると、第１空間にも凝縮水が溜まり得る。凝縮水の水位が排出路の入口開口に達すると、凝縮水は排出路内に浸入する。排出路の底面は、出口開口に向けて下がる傾斜部分からなるか、または、傾斜部分と水平部分とからなる。言い換えれば、排出路の底面は、出口開口に向けて上がる傾斜部分を有しない。したがって、排出路内に浸入した凝縮水は、うまく第２空間に排出される。このように、一態様に係るタービンは、ハウジング内の軸受が設けられた空間に溜まった凝縮水を排出することを可能とする。排出路は、気体を排出するための通路と、凝縮水を排出するための通路とを兼ねる。形状の排出路には、凝縮水は決して満たされない。タービンの停止中等に、温度の低下に応じて凝縮水が凍結した場合でも、排出路には気体の流路が確保される。
【0012】
いくつかの態様において、ハウジングは、内部に軸受が設けられ、タービンハウジングに連結されるセンターハウジングを含み、センターハウジングは、第１空間の出口であって排出路の入口開口に対面する連絡口を含む。この場合、連絡口から、センターハウジング内の第１空間に存在する凝縮水が排出されやすい。排出された凝縮水は、入口開口を介して排出路に浸入しやすい。
【0013】
いくつかの態様において、タービンは、タービンハウジングとセンターハウジングとの間に設けられたシールプレートを更に備え、シールプレートの外周部には、第１空間と連絡口との間に延在する案内路が形成されている。シールプレートに形成された案内路は、第１空間に存在する凝縮水を連絡口に案内し得る。よって、連絡口を通じての凝縮水の排出がスムーズに行われ得る。
【0014】
いくつかの態様において、センターハウジングの連絡口の下端、および、タービンハウジングの排出路の入口開口の下端は、いずれも回転軸より下に位置する。この場合、凝縮水の水位（レベル）は、決して回転軸に達しない。よって、たとえば温度の低下に応じて凝縮水が凍結した場合でも、回転軸が凝縮水由来の氷に固着してしまうことを防止することができる。回転軸がハウジング内で回転可能であれば、タービンを運転することができる。タービンの運転は温度の上昇をもたらし、その結果として、その氷は融解して水となり、水が排出路から排出され得る。
【0015】
いくつかの態様において、軸受とブレードとの間には、回転軸に対してシール部が設けられている。この場合、たとえば、ブレードの背面からシール部を抜けた気体および軸受を冷却した気体等が、第１空間に集まり、排出路を通って第２空間に排出され得る。
【0016】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。本明細書において、「上下」、「鉛直」、「水平」、「底面」等の用語は、タービンが設置された状態を基準にして用いられる。言い換えれば、本明細書において、「上がる」および「下がる」との用語は、タービンが設置される状態および重力を基準にして用いられる。
【0017】
本電動過給機（遠心圧縮機の一例）１について説明する。電動過給機１は、例えば、図示しない燃料電池システムに適用される。電動過給機１は、燃料電池用空気供給装置である。燃料電池システムの型式は特に限定されない。燃料電池システムは、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）又はりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等であってもよい。
【0018】
図１及び図２に示されるように、電動過給機１は、タービン２と、コンプレッサ３とを備えている。タービン２は、たとえば燃料電池用排気タービンである。タービン２は、回転軸線Ｘを有する回転軸４を備える。回転軸４の一端にはタービンインペラ（ブレード）２１が取り付けられ、回転軸４の他端にはコンプレッサインペラ３１が取り付けられる。タービンインペラ２１およびコンプレッサインペラ３１の間には、回転軸４に回転駆動力を与えるためのモータ５が設置されている。コンプレッサ３によって圧縮された圧縮空気（「圧縮気体」の一例）Ｇは、酸化剤（酸素）としての燃料電池システムに供給される。燃料電池システム内では、燃料と酸化剤との化学反応によって、発電が行われる。燃料電池システムからは、水蒸気を含む空気が排出され、この空気は、タービン２に供給される。
【0019】
電動過給機１は、燃料電池システムから排出される高温の空気を用いて、タービン２のタービンインペラ２１を回転させる。タービンインペラ２１が回転することにより、コンプレッサ３のコンプレッサインペラ３１が回転し、圧縮空気Ｇが燃料電池システムに供給される。なお、電動過給機１では、コンプレッサ３の駆動力の大部分が、モータ５によって与えられてもよい。すなわち、電動過給機１は、ほぼモータ駆動の過給機であってもよい。
【0020】
燃料電池システムおよび電動過給機１は、たとえば車両（電気自動車）に搭載され得る。なお、電動過給機１のモータ５には、燃料電池システムで発電された電気が供給されてもよいが、燃料電池システム以外から電気が供給されてもよい。
【0021】
電動過給機１は、タービン２と、コンプレッサ３と、モータ５の回転駆動を制御するインバータ６とを備える。タービン２は、タービンハウジング２２と、タービンハウジング２２に収容されたタービンインペラ２１と、モータハウジング（センターハウジング）７と、モータハウジング７内に配置された回転軸４およびモータ５と、後述する空気軸受構造８とを備える。
【0022】
コンプレッサ３は、コンプレッサハウジング３２と、コンプレッサハウジング３２に収容されたコンプレッサインペラ３１と、を備える。タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２との間に、のモータハウジング７が設けられている。回転軸４は、空気軸受構造（気体軸受構造）８によって、モータハウジング７内で回転可能に支持されている。電動過給機１のハウジングＨは、タービンハウジング２２とコンプレッサハウジング３２とモータハウジング７とを備える。これらのうち、タービンハウジング２２およびモータハウジング７が、タービン２のハウジングを構成する。
【0023】
タービンハウジング２２には、排ガス流入口（不図示）及び排ガス流出口２２ａが設けられている。燃料電池システムから排出された水蒸気を含む空気は、排ガス流入口を通じてタービンハウジング２２内に流入する。流入した空気は、タービンスクロール２２ｂを通過して、タービンインペラ２１の入口側に供給される。タービンインペラ２１は、例えばラジアルタービンであり、供給された空気の圧力を利用して、回転力を発生させる。その後、空気は、排ガス流出口２２ａを通じてタービンハウジング２２外に流出する。
【0024】
コンプレッサハウジング３２には、吸入口３２ａ及び吐出口３２ｂが設けられている。のようにタービンインペラ２１が回転すると、回転軸４及びコンプレッサインペラ３１が回転する。回転するコンプレッサインペラ３１は、吸入口３２ａを通じて外部の空気を吸入し、圧縮する。コンプレッサインペラ３１によって圧縮された圧縮空気Ｇは、コンプレッサスクロール３２ｃを通過して吐出口３２ｂから排出される。吐出口３２ｂから吐出された圧縮空気Ｇは、燃料電池システムに供給される。
【0025】
モータ５は、例えばブラシレスの交流モータであり、回転子であるロータ５１と、固定子であるステータ５２とを備える。ロータ５１は、１つ又は複数のマグネットを含む。ロータ５１は、回転軸４に固定され、回転軸４と共に軸周りに回転可能となっている。ロータ５１は、回転軸４の軸線向における中央部に配置されている。ステータ５２は、複数のコイル及び鉄心を備える。ステータ５２は、ロータ５１を回転軸４の周方向に囲むように配置されている。ステータ５２は、回転軸４の周りに磁場を生じさせて、ロータ５１との協働により、ロータ５１を回転させる。
【0026】
次に、機内で発生する熱を冷却する冷却構造について説明する。冷却構造は、モータハウジング７に取り付けられた熱交換器（冷却器）９と、熱交換器９を通過する冷媒ライン１０及び空冷ライン（不図示）とを備えている。冷媒ライン１０と空冷ラインとは、熱交換器９内で熱交換可能に接続されている。空冷ラインには、コンプレッサ３で圧縮された圧縮空気Ｇの一部が通過する。言い換えれば、圧縮空気Ｇの一部が抽気され、冷却空気Ｇａとして空冷ラインに流される。冷媒ライン１０には、空冷ラインを通過する冷却空気Ｇａよりも温度が低いクーラントＣが通過する。
【0027】
冷媒ライン１０は、電動過給機１外に設けられたラジエターに接続された循環ラインの一部である。冷媒ライン１０を通過するクーラントＣの温度は、たとえば５０℃以上、１００℃以下である。冷媒ライン１０は、ステータ５２に沿って配置されたモータ冷却部１０ａと、インバータ６に沿って配置されたインバータ冷却部１０ｂとを備えている。熱交換器９を通過したクーラントＣは、モータ冷却部１０ａにおいてステータ５２の周りを周回しながら流れ、ステータ５２を冷却する。その後、クーラントＣは、インバータ冷却部１０ｂにおいてインバータ６の制御回路、例えば、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、MOSFET、またはGTOなどに沿って、たとえば蛇行しながら流れ、インバータ６を冷却する。クーラントＣの流路の構成は、クーラントＣが冷却対象の各機器を冷却可能であるように、適宜に変更可能である。
【0028】
電動過給機１では、コンプレッサ３側の圧力が、タービン２側の圧力よりも高くなるように構成されている。この圧力差を利用して、空気軸受構造８が冷却される。コンプレッサ３で圧縮された圧縮空気Ｇの一部が抽気され、その冷却空気Ｇａが空気軸受構造８まで誘導され、空気軸受構造８を通過した冷却空気Ｇａはタービン２に送られる。なお、圧縮空気Ｇの温度は、たとえば、高い場合でも１７０℃程度であり、熱交換器９により、７０〜８０℃程度まで下がる。一方、空気軸受構造８の温度は、無冷却では１５０℃以上になるため、冷却空気Ｇａを供給することによって空気軸受構造８が好適に冷却される。なお、図２においては、熱交換器９およびインバータ６の図示が省略されている。
【0029】
モータハウジング７は、ロータ５１を囲むステータ５２を収容するステータハウジング７１と、空気軸受構造８が設けられた軸受ハウジング７２とを備えている。ステータハウジング７１及び軸受ハウジング７２には、回転軸４が貫通する軸空間（ハウジングＨ内の空間の一部）Ａが形成されている。軸空間Ａの両端部には、軸空間Ａ内の気密を保持するためのラビリンスシール部３３ａ，２３ａが設けられている。
【0030】
軸受ハウジング７２には、コンプレッサインペラ３１を収容するコンプレッサハウジング３２が、ボルト等の公知の締結具等により連結および固定されている。コンプレッサハウジング３２は、コンプレッサインペラ３１を収容するインペラ室３４と、インペラ室３４と協働してディフューザ３６を形成する円板状のディフューザプレート３３とを備えている。ディフューザプレート３３には、ディフューザ３６内に配置される複数のベーン３７が固定されている。ディフューザプレート３３の中央部（回転軸４の周囲）には、ラビリンスシール部３３ａが設けられている。ディフューザプレート３３には、圧縮空気Ｇの一部を抽気する、空冷ラインの入口である抽気孔（不図示）が形成されてもよい。
【0031】
ステータハウジング７１には、タービンインペラ２１を収容するタービンハウジング２２が、ボルト等の公知の締結具等により連結および固定されている。図２および図３に示されるように、タービンハウジング２２とステータハウジング７１（モータハウジング７）との間には、円板状のシールプレート２３が設けられている。このシールプレート２３は、タービンスクロール２２ｂとタービンインペラ２１との間のガス流路を形成する。シールプレート２３は、そのガス流路に配置される複数のノズルベーンを含むノズルリングであってもよい。シールプレート２３の中央部（回転軸４の周囲）には、ラビリンスシール部２３ａが設けられている。回転軸４に対して設けられたシール部であるラビリンスシール部２３ａは、空気軸受構造８のラジアル軸受８２が設けられた空間（第１空間）Ｓの気密を保持する。ラビリンスシール部２３ａは、燃料電池システムから排出された水蒸気を含む空気が、空間Ｓ内に流入するのを阻み得る。
【0032】
続いて、空気軸受構造８について説明する。回転軸４を支持する空気軸受構造８は、一対のラジアル軸受８１，８２と、スラスト軸受８３とを備えている。一対のラジアル軸受８１，８２は、回転軸４の回転を許容しつつ、回転軸４に直交する方向への移動を規制する。一対のラジアル軸受８１，８２は、たとえば動圧型の空気軸受（気体軸受）であり、回転軸４の中央部に設けられたロータ５１を挟むようにして配置されている。
【0033】
第１のラジアル軸受８１は、軸受ハウジング７２内に設けられ、ロータ５１とコンプレッサインペラ３１との間に配置されている。第２のラジアル軸受８２は、ステータハウジング７１内に設けられ、ロータ５１とタービンインペラ２１との間に配置されている。言い換えれば、したラビリンスシール部２３ａは、第２のラジアル軸受８２とタービンインペラ２１との間に設けられている。第１のラジアル軸受８１と第２のラジアル軸受８２とは、実質的に同一の構造を備えている。第１のラジアル軸受８１は、回転軸４の回転に伴い、周辺の空気を回転軸４と第１のラジアル軸受８１との間へ誘い込み（楔効果）、圧力を上昇させて負荷能力を得る。第１のラジアル軸受８１は、楔効果で得た負荷能力によって回転軸４を回転自在に支持する。第１のラジアル軸受８１として、例えば、フォイル軸受、ティルティングパッド軸受、スパイラル溝軸受などを用いることができる。ラジアル軸受８２の構造および機能についての説明は省略される。
【0034】
スラスト軸受８３は、軸受ハウジング７２内に設けられ、ラジアル軸受８１とコンプレッサインペラ３１との間に配置されている。スラスト軸受８３は、回転軸４の回転を許容しつつ、回転軸４の軸線方向への移動を規制する。スラスト軸受８３は、動圧型の空気軸受であり、第１のラジアル軸受８１とコンプレッサインペラ３１との間に配置されている。スラスト軸受８３は、回転軸４の回転に伴い、周辺の空気を回転軸４とスラスト軸受８３との間へ誘い込み（楔効果）、圧力を上昇させて負荷能力を得る構造である。スラスト軸受８３は、楔効果で得た負荷能力によって回転軸４を回転自在に支持する。スラスト軸受８３として、例えば、フォイル軸受、ティルティングパッド軸受、スパイラル溝軸受などを用いることができる。
【0035】
本実施形態では、回転軸４とラジアル軸受８１との間、スラスト軸受８３の内部、ロータ５１とステータ５２との間、および、回転軸４とラジアル軸受８２との間に隙間が形成される。これらの隙間に冷却空気Ｇａが通過することにより、空気軸受構造８の各軸受が冷却される。なお、圧縮空気Ｇの一部が抽気されて冷却空気Ｇａとして導入される構成とは異なる構成が採用されてもよい。たとえば、電動過給機１から吐出された圧縮空気Ｇの一部が、外部で冷却された後、冷却空気として電動過給機１内に戻されてもよい。冷却空気は、圧縮空気Ｇ以外の別の空気源から導入されてもよい。
【0036】
より詳細には、モータ５およびラジアル軸受８２を冷却した冷却空気Ｇａは、モータハウジング７に形成された第１流路１６およびタービンハウジング２２に形成された第１排出路１８を経て、排ガス流出口（第２空間）２２ａに導入される。第１排出路１８は、ラジアル軸受８２が設けられた空間Ｓ内の気体を排ガス流出口２２ａに排出するように構成されている。ラジアル軸受８１およびスラスト軸受８３を冷却した冷却空気Ｇａは、モータハウジング７に形成された第２流路１５およびタービンハウジング２２に形成された第２排出路１７を経て、排ガス流出口２２ａに導入される。第１排出路１８および第２排出路１７は、いずれも、たとえば断面円形の流路である。
【0037】
以下、タービン２に設けられた気体の流路についてより詳細に説明する。タービン２は、燃料電池システムから排出された湿った空気を受け入れるため、たとえばタービン２の停止時に、モータハウジング７内に凝縮水が溜まり得る。タービンハウジング２２に形成された気体の流路は、凝縮水の排出路を兼ねている。タービン２は、凝縮水をタービンインペラ２１の下流の空間にうまく排出させる構造を備える。
【0038】
モータハウジング７には、軸空間Ａの空間Ｓとタービンハウジング２２とを接続する第１流路１６と、軸空間Ａとタービンハウジング２２とを接続する第２流路１５とが設けられている。熱交換器９を経由して軸空間Ａに到達した圧縮空気Ｇは、第２流路１５に向かう流れと、第１流路１６に向かう流れとに分岐する。第１流路１６に向かう流路上には、第２のラジアル軸受８２が配置されている。第１流路１６に向かう冷却空気Ｇａは、主として第２のラジアル軸受８２を冷却する。第２流路１５に向かう流路上には、第１のラジアル軸受８１とスラスト軸受８３とが配置されている。第２流路１５に向かう冷却空気Ｇａは、主として第１のラジアル軸受８１とスラスト軸受８３とを冷却する。
【0039】
より詳細には、図３に示されるように、第１流路１６は、第２のラジアル軸受８２に接続されている。第２のラジアル軸受８２の軸受本体は、ステータハウジング７１に固定されている。ステータハウジング７１には、タービンハウジング２２が固定されている。ステータハウジング７１とタービンハウジング２２との間には、ラビリンスシール部２３ａが設けられたシールプレート２３が配置されている。ラジアル軸受８２とシールプレート２３との間には、冷却空気Ｇａが流入可能な空間Ｓが形成されている。第１流路１６の上流側の入口は、この空間Ｓに連通可能に接続されている。
【0040】
第１流路１６は、シールプレート２３及びステータハウジング７１を通る。第１流路１６の出口である第１連絡口１６ａ（図７参照）は、タービンハウジング２２に形成された第１排出路１８に接続されている。言い換えれば、第１排出路１８は、第１流路１６を介して空間Ｓに連通する第１入口開口１８ａと、タービンハウジング２２内の排ガス流出口２２ａに開口する第１出口開口１８ｂとを含む（図８参照）。ステータハウジング７１は、第１排出路１８の第１入口開口１８ａに対面する第１連絡口１６ａ（図４参照）を含む。この第１連絡口１６ａは、空間Ｓの出口に相当する。第１連絡口１６ａと第１入口開口１８ａとの間には、冷却空気Ｇａの流量調整のためのオリフィスプレート４２が設けられてもよい。
【0041】
一方、図２に示されるように、第２流路１５は、スラスト軸受８３のある空間に接続されている。スラスト軸受８３の軸受本体の外周面と軸受ハウジング７２との間には冷却空気Ｇａが流入可能な隙間が存在する。第２流路１５の上流側の入口は、この隙間に連通可能に接続されている。図３に示されるように、第２流路１５は、軸受ハウジング７２及びステータハウジング７１を通る。第２流路１５の出口は、タービンハウジング２２に形成された第２排出路１７に接続されている。言い換えれば、第２排出路１７は、第２流路１５の出口に対面する第２入口開口１７ａと、タービンハウジング２２内の排ガス流出口２２ａに開口する第２出口開口１７ｂとを含む（図８参照）。ステータハウジング７１は、第２排出路１７の第２入口開口１７ａに対面する第２連絡口１５ａ（図４参照）を含む。第２連絡口１５ａと第２入口開口１７ａとの間には、冷却空気Ｇａの流量調整のためのオリフィスプレート４１が設けられてもよい。
【0042】
続いて、図３〜図８を参照して、ラジアル軸受８２が設けられた空間Ｓに存在し得る流体（気体および液体）に関係する構造について詳細に説明する。図３に示されるように、空間Ｓには、タービンインペラ２１の背面２１ａとシールプレート２３との間の隙間を通り、更にラビリンスシール部２３ａを抜けた、湿った空気が流入し得る（図中の実線矢印参照）。また空間Ｓには、スラスト軸受８３を冷却した冷却空気Ｇａが流入し得る（図中の実線矢印参照）。空間Ｓに流入したこれらの空気は、第１流路１６および第１排出路１８を通って排ガス流出口２２ａに排出され得る（図中の破線矢印参照）。
【0043】
図３および図５に示されるように、シールプレート２３は、内周面にラビリンスシール部２３ａが形成された円環状の本体部２３ｂと、本体部２３ｂの外周に連接された円環状のフランジ部２３ｃとを含む。本体部２３ｂとフランジ部２３ｃとの間には段差が形成されている。本体部２３ｂの円筒状の突出部２３ｄが、タービンハウジング２２に形成された円形の開口に嵌め込まれている。本体部２３ｂとフランジ部２３ｃとの間の段差に相当する突出部２３ｄの外周面２３ｅが、タービンハウジング２２の開口の内周面２２ｅに合わさっている。本体部２３ｂには、タービンインペラ２１の背面２１ａに僅かな隙間をもって対面する環状の溝部２３ｆが設けられてもよい。
【0044】
図３および図４に示されるように、ステータハウジング７１は、タービンハウジング２２に向けて突出する円筒状の嵌合部７１ａと、嵌合部７１ａの外周に連接された円環状の外周部７１ｂとを含む。嵌合部７１ａは、タービンハウジング２２に嵌まり込んでいる。一方でシールプレート２３のフランジ部２３ｃは、嵌合部７１ａの内周側に嵌まり込んでいる。このシールプレート２３の背面側に、空間Ｓが形成されており、シールプレート２３のフランジ部２３ｃには、第１流路１６の一部を構成する流路が形成されている。
【0045】
より具体的には、図４〜図６に示されるように、シールプレート２３の外周部であるフランジ部２３ｃには、切欠きである案内路２３ｇが形成されている。案内路２３ｇは、フランジ部２３ｃを半径方向に貫通している。この案内路２３ｇは、空間Ｓと第１流路１６の第１連絡口１６ａとの間において延在している。案内路２３ｇは、たとえば、空間Ｓ内に溜まった凝縮水を第１流路１６に案内するように構成されている。
【0046】
図４に示されるように、ステータハウジング７１の嵌合部７１ａの端面には、第１流路１６の第１連絡口１６ａが開口している（図３も参照）。なお、ステータハウジング７１の外周部７１ｂの端面には、第２流路１５の第２連絡口１５ａが開口している（図３も参照）。
【0047】
図７は、回転軸線Ｘ方向のタービン２側から見た、第１連絡口１６ａよりも奥の構造を示す断面図である。図８は、回転軸線Ｘ方向のタービン２側から見た、タービンハウジング２２内に形成された第１排出路１８および第２排出路１７の形状を示す図である。図７および図８に示されるように、第１流路１６の第１連絡口１６ａおよび第１排出路１８の第１入口開口１８ａは、いずれも円形であり、略等しい大きさを有する。互いに対面する第１連絡口１６ａおよび第１入口開口１８ａは、それらの中心軸線を一致させるように配置されている。第１連絡口１６ａおよび第１入口開口１８ａの間にオリフィスプレート４２が配置される場合、オリフィスプレート４２の孔部は、第１連絡口１６ａおよび第１入口開口１８ａのそれぞれの直径よりも小さい。第２流路１５の第２連絡口１５ａおよび第２排出路１７の第２入口開口１７ａは、いずれも円形であり、略等しい大きさを有する。互いに対面する第２連絡口１５ａおよび第２入口開口１７ａは、それらの中心軸線を一致させるように配置されている。第２連絡口１５ａおよび第２入口開口１７ａの間にオリフィスプレート４１が配置される場合、オリフィスプレート４１の孔部は、第２連絡口１５ａおよび第２入口開口１７ａのそれぞれの直径よりも小さい。
【0048】
第１排出路１８について詳細に説明すると、第１排出路１８は、所望の勾配を有している。図７および図８には、電動過給機１（タービン２）が電気自動車等に組み込まれた状態を基準とする仮想鉛直面Ｐ１および仮想水平面Ｐ２が示されている。図８に示されるように、第１排出路１８の底面１８ｃは、水平に延びる（すなわち仮想水平面Ｐ２に平行に延びる）水平部分と、第１入口開口１８ａから第１出口開口１８ｂに向けて下がる傾斜部分とからなる。水平部分の下流側に、傾斜部分が連続する。第１排出路１８におけるこのような下り勾配によって、凝縮水の排ガス流出口２２ａへの排出が容易になっている。
【0049】
一方、図７に示されるように、ステータハウジング７１内の第１流路１６は、空間Ｓから第１連絡口１６ａに向けて上がっている。そのため、第１流路１６の一部をなすシールプレート２３の案内路２３ｇは、仮想水平面Ｐ２に対して角度をなしている。しかも、タービン２では、第１連絡口１６ａの高さが考慮されている。第１流路１６の下端１６ａｂ、および、オリフィスプレート４２の下端４２ａは、いずれも、回転軸４より下に位置する。より詳細には、第１流路１６の下端１６ａｂ、および、オリフィスプレート４２の下端４２ａは、いずれも、回転軸４の下端４ｂより下に位置する。そして第１入口開口１８ａの下端１８ａｂ（図８参照）もまた同様に、回転軸４より下に位置する。
【0050】
そのため、オリフィスプレート４２が設けられる場合には、オリフィスプレート４２の下端４２ａに対応する第２レベルＬ２付近まで、凝縮水が溜まり得る。オリフィスプレート４２が設けられない場合には、第１連絡口１６ａの下端１６ａｂに対応する第１レベルＬ１付近まで、凝縮水が溜まり得る。いずれのレベルであっても、凝縮水は、回転軸４の下端４ｂには達しない。
【0051】
なお、図８に示されるように、第２排出路１７は、主として、第２入口開口１７ａから第２出口開口１７ｂに向けて上がる傾斜部分からなる。第２流路１５および第２排出路１７を通るコンプレッサ３からの空気は、比較的乾いているため、凝縮水の問題が生じない。そのため、第２排出路１７の形状は、水等の液体の排出を考慮せずに決められ得る。
【0052】
第１排出路１８と第２排出路１７との位置関係について説明すると、図３に示されるように、第１排出路１８および第２排出路１７は、いずれも仮想鉛直面Ｐ１を基準として一方の側に形成されている。また、第１排出路１８および第２排出路１７は、いずれも仮想水平面Ｐ２を基準として下側に形成されている。第１排出路１８の第１出口開口１８ｂの方が、第２排出路１７の第２出口開口１７ｂよりも、回転軸線Ｘ方向においてタービンインペラ２１から遠くに位置する。これは、第１排出路１８の下り勾配を容易に確保するための配置である。
【0053】
本実施形態のタービン２によれば、ラジアル軸受８２が設けられた空間Ｓ内の気体は、第１排出路１８を通って、タービンハウジング２２内の排ガス流出口２２ａに排出される。タービン２に流入する気体が水蒸気を含み、もしその水蒸気が凝縮して生じる凝縮水がモータハウジング７内に溜まると、空間Ｓにも凝縮水が溜まり得る。凝縮水の水位が第１排出路１８の第１入口開口１８ａに達すると、凝縮水は第１排出路１８内に浸入する。第１排出路１８の底面１８ｃは、第１出口開口１８ｂに向けて下がる傾斜部分からなるか、または、傾斜部分と水平部分とからなる。言い換えれば、第１排出路１８の底面１８ｃは、第１出口開口１８ｂに向けて上がる傾斜部分を有しない。したがって、第１排出路１８内に浸入した凝縮水は、うまく排ガス流出口２２ａに排出される。このように、タービン２は、モータハウジング７内のラジアル軸受８２が設けられた空間Ｓに溜まった凝縮水を排出することを可能とする。第１排出路１８は、気体を排出するための通路と、凝縮水を排出するための通路とを兼ねている。形状の第１排出路１８には、凝縮水は決して満たされない。たとえばタービン２の停止中等に、温度の低下に応じて凝縮水が凍結した場合でも、第１排出路１８には気体の流路が確保されるようになっている。
【0054】
モータハウジング７が、第１排出路１８の第１入口開口１８ａに対面する第１連絡口１６ａを含むので、この第１連絡口１６ａから、モータハウジング７内の空間Ｓに存在する凝縮水が排出されやすい。排出された凝縮水は、第１入口開口１８ａを介して第１排出路１８に浸入しやすい。
【0055】
シールプレート２３のフランジ部２３ｃに案内路２３ｇが形成されているので、この案内路２３ｇは、空間Ｓに存在する凝縮水を第１連絡口１６ａに案内し得る。よって、第１連絡口１６ａを通じての凝縮水の排出がスムーズに行われ得る。
【0056】
第１連絡口１６ａの下端１６ａｂおよび第１入口開口１８ａの下端１８ａｂが、いずれも回転軸４より下に位置するので、凝縮水の水位（レベル）は、決して回転軸４に達しない。よって、たとえば温度の低下に応じて凝縮水が凍結した場合でも、回転軸４が凝縮水由来の氷に固着してしまうことを防止することができる。回転軸４がモータハウジング７内で回転可能であれば、タービン２を運転することができる。タービン２の運転は温度の上昇をもたらし、その結果として、その氷は融解して水となり、水が第１排出路１８から排出され得る。
【0057】
ラジアル軸受８２とタービンインペラ２１との間にラビリンスシール部２３ａが設けられている。タービンインペラ２１の背面２１ａからラビリンスシール部２３ａを抜けた気体およびラジアル軸受８２を冷却した冷却空気Ｇａ等が、空間Ｓに集まり、第１排出路１８を通って排ガス流出口２２ａに排出され得る。
【0058】
以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は実施形態に限られない。たとえば、本開示の第１排出路１８と同様の構造の排出路が、軸流タービンに設けられてもよい。軸流タービンに排出路が適用される場合、ケーシングとブレードの下流とを、排出路が接続されてもよい。多段の軸流タービンに排出路が適用される場合、排出路が、ある段と別の段との中間の位置に接続されてもよい。
【0059】
軸空間Ａ内を気密に保持するためのシール部は、ラビリンスシール部３３ａ，２３ａである場合に限られず、他の型式の公知のシール部であってもよい。
【0060】
第１排出路１８の底面１８ｃは、第１入口開口１８ａから第１出口開口１８ｂに向けて下がる傾斜部分のみからなってもよい。
【0061】
モータを備えない過給機に、本開示の排出路の構造が適用されてもよい。遠心圧縮機によって圧縮される気体は、空気以外の気体であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0062】
本開示のいくつかの態様によれば、ハウジング内の軸受が設けられた空間に溜まった凝縮水を排出することができる。
【符号の説明】
【0063】
１ 電動過給機（遠心圧縮機）
２ タービン
３ コンプレッサ
４ 回転軸
７ モータハウジング（センターハウジング）
８ 空気軸受構造（気体軸受構造）
１５ 第２流路
１６ 第１流路
１６ａ 第１連絡口
１６ａｂ 下端
１７ 第２排出路
１８ 第１排出路
１８ａ 第１入口開口
１８ａｂ 下端
１８ｂ 第１出口開口
１８ｃ 底面
２１ タービンインペラ（ブレード）
２２ タービンハウジング
２２ａ 排ガス流出口（第２空間）
２３ シールプレート
２３ａ ラビリンスシール部（シール部）
２３ｃ フランジ部（外周部）
２３ｇ 案内路
３１ コンプレッサインペラ
４１ オリフィスプレート
４２ オリフィスプレート
３２ コンプレッサハウジング
７１ ステータハウジング
７２ 軸受ハウジング
８２ ラジアル軸受（気体軸受）
Ａ 軸空間
Ｈ ハウジング
Ｓ 空間（第１空間）
Ｘ 回転軸線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【国際調査報告】

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