JP2009293733A - 遠心圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】フォイルが撓むことによるインペラとケーシングとの接触を防止することができ、フォイルが摩耗しないようにしてフォイル軸受の耐久性を向上することができる遠心圧縮機を提供する。
【解決手段】遠心圧縮機１は、回転する主軸６と、主軸６に固定されるとともにケーシング７内に設けられたインペラ８と、主軸６を径方向Ｒにおいて支持するフォイル軸受５とを備えている。フォイル軸受５は、主軸６とフォイル軸受５の間に動圧を発生させるためのトップフォイル５ｃと、トップフォイル５ｃを覆う軸受ハウジング５ａとを備え、軸受ハウジング５ａには、径方向Ｒにおいてトップフォイル５ｃよりも主軸６へ向けて突出した突出部５ｄが形成されている
【選択図】図１

Description

本発明は、インペラが設けられた主軸をフォイル軸受により支持する遠心圧縮機に関する。

従来、インペラ（羽根車）が回転することにより遠心方向へ空気を圧送する遠心圧縮機においては、インペラが設けられた主軸を支持するための軸受として、主軸と軸受との接触を抑制して主軸を高速回転可能に支持するとの観点から、非接触型の軸受を備えることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図７に示すように、非接触型の軸受を備える遠心圧縮機１０１は、ステータ１０３が発生させる回転磁界により回転する主軸１０６と、主軸１０６を軸方向Ａにおいて支持する磁気軸受１０４と、主軸１０６を径方向Ｒにおいて支持するフォイル軸受１０５とを備えている。磁気軸受１０４及びフォイル軸受１０５はハウジング１０２内に設けられており、磁気軸受１０４は、電磁石１０４ｂの磁気吸引力により主軸１０６を支持する非接触型の軸受であって、フォイル軸受１０５は、主軸１０６が回転することによって発生する動圧により主軸１０６を支持する非接触型の軸受である。

フォイル軸受１０５は、図８（ａ）に示すように、環状の軸受ハウジング１０５ａと、軸受ハウジング１０５ａの内周１０５Ａに設けられたフォイルであるバンプフォイル１０５ｂ及びトップフォイル１０５ｃとから構成されている。バンプフォイル１０５ｂは、環状の軸受ハウジング１０５ａに沿って波打った形状であるため、弾性を有しており、円筒状のトップフォイル１０５ｃは、可撓性を有している。バンプフォイル１０５ｂの厚みＨ４及びトップフォイル１０５ｃの厚みＨ５（図８（ｂ）参照）は、例えば、それぞれ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍであって、径方向Ｒにおけるフォイル（即ち、バンプフォイル１０５ｂ及びトップフォイル１０５ｃ）の厚みＨ６は、約０．６ｍｍとなっている。なお、主軸１０６が回転していない状態においては、主軸１０６がトップフォイル１０５ｃ上に載置された状態となるため、フォイルが若干撓み、径方向Ｒにおけるフォイルの厚みＨ６が約０．６ｍｍから２０〜３０μｍだけ小さくなる。このように構成されたフォイル軸受１０５内において、主軸１０６が高速で回転することで、主軸１０６とトップフォイル１０５ｃの間に動圧が発生して、図７及び図８に示すように、主軸１０６がフォイル軸受１０５から浮いた状態で回転することができる。

そして、遠心圧縮機１０１は、図７に示すように、ハウジング１０２に隣接して設けられたケーシング１０７と、主軸１０６に固定されるとともにケーシング１０７内に設けられたインペラ１０８とを備えており、インペラ１０８が主軸１０６とともに回転することで、空気を圧縮して送る構成となっている。なお、圧縮比を高めるためには、インペラ１０８とケーシング１０７とにより形成される隙間（ギャップ）は小さいことが好ましく、例えば、インペラ１０８とケーシング１０７との間には０．１〜０．２ｍｍのギャップＧが設けられている。このようにインペラ１０８とケーシング１０７とのギャップＧを０．１〜０．２ｍｍとすることで、主軸１０６がトップフォイル１０５ｃ上に載置された状態（即ち、径方向Ｒにおけるフォイルの厚みＨ６が約０．６ｍｍから２０〜３０μｍだけ小さくなる場合）であっても、インペラ１０８がケーシング１０７と接触しないようにしている。
特開２００７−２７０６５０号公報

しかしながら、上記のフォイル軸受１０５を備えた遠心圧縮機１０１においては、例えば、遠心圧縮機１０１の振動等の外乱によって主軸１０６がトップフォイル１０５ｃを押圧した際には、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、フォイル（即ち、トップフォイル１０５ｃ及びバンプフォイル１０５ｂ）が大きく撓む場合がある。このようにフォイルが大きく撓み、径方向Ｒにおけるフォイルの厚みＨ６が、約０．６ｍｍからギャップＧ分だけ小さくなった場合には、図１０に示すように、主軸１０６に固定されたインペラ１０８がケーシング１０７と接触してしまうという問題があった。

また、主軸１０６の回転速度が低速の状態においては、主軸１０６がトップフォイル１０５ｃと接触した状態で回転することで、トップフォイル１０５ｃが摩耗してフォイル軸受１０５の耐久性が低下するという問題があった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、フォイルが撓むことによるインペラとケーシングとの接触を防止することができ、フォイルが摩耗しないようにしてフォイル軸受の耐久性を向上することができる遠心圧縮機を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、回転する主軸と、主軸に固定されるとともにケーシング内に設けられたインペラと、主軸を径方向において支持するフォイル軸受とを備える遠心圧縮機であって、フォイル軸受は、主軸とフォイル軸受の間に動圧を発生させるためのフォイルと、フォイルを覆う軸受ハウジングとを備え、軸受ハウジングには、径方向においてフォイルよりも主軸へ向けて突出した突出部が形成されていることを特徴とする。

同構成によれば、軸受ハウジングには、径方向においてフォイルよりも主軸へ向けて突出した突出部が形成されているため、軸受ハウジングの突出部が、径方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能し、主軸がフォイルに接触しないようにすることができる。従って、例えば、遠心圧縮機の振動等の外乱により、主軸がフォイルを押圧してフォイルが撓むことがないため、フォイルが撓むことによるインペラとケーシングとの接触を防止することができる。また、軸受ハウジングの突出部が、径方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能するため、径方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受を別個設ける必要がなく、フォイルが撓むことによるインペラとケーシングとの接触を、簡単な構成で防止することができる。さらに、軸受ハウジングの突出部が、径方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能し、主軸がフォイルに接触しないため、フォイルが摩耗しないようにしてフォイル軸受の耐久性を向上することができる。ここでいう「径方向」とは、主軸の回転の中心となる回転軸に垂直な方向である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の遠心圧縮機であって、主軸は、突出部と係合する係合面を有するとともに、係合面と突出部が係合することにより、軸方向における主軸の移動が規制されることを特徴とする。

同構成によれば、主軸が有する係合面と、突出部とが係合することにより、軸方向における主軸の移動が規制されるため、軸受ハウジングの突出部が、軸方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能する。従って、例えば、主軸を軸方向において支持する磁気軸受に異常が発生して磁気軸受により主軸を軸方向において十分に支持できない場合であっても、突出部により主軸を軸方向において補助的に支持することができ、主軸が軸方向に移動することによるインペラとケーシングとの接触を防止することができる。また、軸受ハウジングの突出部が、軸方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能するため、軸方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受を別個設ける必要がなく、主軸が軸方向に移動することによるインペラとケーシングとの接触を、簡単な構成で防止することができる。ここでいう「軸方向」とは、主軸の回転の中心となる回転軸に平行な方向である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の遠心圧縮機であって、主軸に接触する突出部の表面には、突出部の摩耗を抑制するための被膜が形成されていることを特徴とする。

同構成によれば、主軸に接触する突出部の表面には、突出部の摩耗を抑制するための被膜が形成されているため、突出部の摩耗を抑制してフォイル軸受の耐久性を一層向上させることができる。

本発明によれば、フォイルが撓むことによるインペラとケーシングとの接触を簡単な構成で防止することができ、フォイルが摩耗しないようにしてフォイル軸受の耐久性を向上することができる。

以下に、本発明に係る実施形態について、図１〜図３を参照しながら説明する。なお、図中の矢印Ａは、主軸の回転の中心となる回転軸に平行な方向である軸方向を示すとともに、図中の矢印Ｒは、主軸の回転の中心となる回転軸に垂直な方向である径方向を示している。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機１は、燃料電池によって得られる電力を動力とする燃料電池自動車（不図示）に搭載されるとともに、燃料電池へ化学反応に必要な空気を圧縮して送るためのものである。

図１に示すように、中空円柱状のハウジング２の内周２Ａには、ステータコア３ａと、ステータコア３ａに巻かれた導線（不図示）からなるコイル３ｂとから構成された略円筒状のステータ（固定子）３が設けられている。ステータ３は、コイル３ｂに電流が適宜供給されることにより、回転磁界を発生させる電磁石界磁である。

また、ハウジング２の内周２Ａには、軸方向Ａにおいてステータ３を挟むように、一対の磁気軸受４が設けられている。非接触型の軸受である各磁気軸受４は、環状のヨーク４ａと、ヨーク４ａ内に設けられた電磁石４ｂとから構成されている。

また、磁気軸受４の内周である環状のヨーク４ａの内周４Ａには、円筒状のフォイル軸受５が圧入されて設けられている。本実施形態においては、２つの磁気軸受４の内周のそれぞれにフォイル軸受５が設けられており、一対のフォイル軸受５の各々は同じように構成されている。非接触型の軸受である各フォイル軸受５は、図２（ａ）に示すように、環状の軸受ハウジング５ａと、軸受ハウジング５ａの内周５Ａに設けられた金属製の薄膜からなるフォイルであるバンプフォイル５ｂ及びトップフォイル５ｃとから構成されている。軸受ハウジング５ａは、例えば、ステンレス鋼からなり、高温環境下における強度の低下を抑制するとの観点から、オーステナイト系ステンレス鋼等の耐熱鋼からなることが好ましい。

バンプフォイル５ｂは、図２（ａ）に示すように、環状の軸受ハウジング５ａに沿って波打った形状であるため、弾性を有しており、円筒状のトップフォイル５ｃは、可撓性を有している。バンプフォイル５ｂの厚みＨ１及びトップフォイル５ｃの厚みＨ２（図２（ｂ）参照）は、例えば、それぞれ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍであって、径方向Ｒにおけるフォイル（即ち、バンプフォイル５ｂ及びトップフォイル５ｃ）の厚みＨ３は、約０．６ｍｍとなっている。

円筒状のフォイル軸受５内には、主軸６が挿通されている。主軸６は、ステータ３に対して径方向Ｒにおいて対向したロータ（回転子）６ａや、一対の磁気軸受４が有する電磁石４ｂに対して軸方向Ａにおいて対向した磁性材料からなるフランジ部６ｂを有している。

ロータ６ａは、主軸６の回転方向に沿って磁極が交互に現われる永久磁石界磁であって、ステータ３が発生させる回転磁界と同期して、ロータ６ａとともに主軸６が回転するように構成されている。

主軸６が高速で回転することにより、主軸６とトップフォイル５ｃの間（即ち、主軸６とフォイル軸受５の間）に動圧が発生して、図１及び図２に示すように、主軸６がフォイル軸受５から浮いた状態で回転する。従って、フォイル軸受５は、いわゆるラジアルフォイル軸受であって、主軸６が回転することによって発生する動圧により主軸６を径方向Ｒにおいて支持するフォイル軸受である。主軸６がフォイル軸受５から浮いた状態における主軸６とトップフォイル５ｃの間隔Ｙは、例えば、２０〜３０μｍである。

また、軸方向Ａにおける主軸６の支持は磁気軸受４によって行っており、一対の磁気軸受４の各電磁石４ｂに電流が適宜供給されることにより磁性材料からなるフランジ部６ｂを吸引して主軸６を支持する。従って、磁気軸受４は、いわゆるアキシアル磁気軸受であって、磁気吸引力によって主軸６を軸方向Ａにおいて支持する磁気軸受である。なお、電磁石４ｂに供給される電流は、変位センサ９により検出された軸方向Ａにおける主軸６の変位に基づき、制御装置（不図示）により調整される。

そして、ステータ３やフォイル軸受５等が設けられたハウジング２には、隣接するケーシング７が設けられており、ケーシング７は、気体流入口７ａや螺旋状のボリュート７ｂを有した、気体の流路を形成するものである。

ケーシング７内には、インペラ（羽根車）８が設けられるとともに、インペラ８とケーシング７との間には０．１〜０．２ｍｍのギャップＧが設けられている。インペラ８は、ハウジング２内からケーシング７内へ突出した主軸６の一端６Ａに固定されている。従って、インペラ８が主軸６とともに回転することで、燃料電池へ空気を圧縮して送る構成となっており、より具体的には、主軸６とともにインペラ８が回転することで気体流入口７ａにおける空気がボリュート７ｂへ送られ、ボリュート７ｂにおいて圧縮された空気が燃料電池へ通じる吐出口（不図示）へ圧送される。

以上のように構成された遠心圧縮機１は、回転する主軸６と、主軸６に固定されるとともにケーシング７内に設けられたインペラ８と、主軸６を径方向Ｒにおいて支持するフォイル軸受５とを備えた構成である。

ここで、本実施形態においては、フォイル軸受５が、主軸６とフォイル軸受５の間に動圧を発生させるためのトップフォイル５ｃと、トップフォイル５ｃを覆う軸受ハウジング５ａとを備え、軸受ハウジング５ａに、径方向Ｒにおいてトップフォイル５ｃよりも主軸６へ向けて突出した突出部５ｄが形成されている点に特徴がある。

より具体的には、図２（ｂ）に示すように、軸受ハウジング５ａの軸方向Ａにおける両端部には、軸受ハウジング５ａの内周５Ａに設けられたフォイルを軸方向Ａにおいて挟むように径方向Ｒの内方Ｕ（図中の矢印Ｕの方向）へ向けて突出した突出部５ｄが一体的に形成されている。突出部５ｄが、トップフォイル５ｃから内方Ｕへ突出した長さＺ（以下、「突出長さＺ」という。）は、主軸６とトップフォイル５ｃとの間に動圧が発生し易い大きさに設定することができ、例えば、１０μｍ以下である。

軸受ハウジング５ａの軸方向Ａにおける両端部に設けられた各突出部５ｄは、径方向Ｒに垂直な内周面５ｅを有しており、突出部５ｄは、径方向Ｒにおいてトップフォイル５ｃよりも主軸６へ向けて突出しているため、内周面５ｅが、主軸６と接触して、この主軸６を支持するための軸受面となる。この突出部５ｄの内周面５ｅには、突出部５ｄの摩耗を抑制するための被膜が形成されており、例えば、二硫化モリブデンをコーティングして固体潤滑被膜（不図示）が形成されている。

以上のように軸受ハウジング５ａが構成されているため、軸受ハウジング５ａの突出部５ｄが、径方向Ｒにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能し、径方向Ｒにおける主軸６の移動が規制されることになる。従って、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、主軸６がトップフォイル５ｃに接触しないようにすることができる。

上記実施形態の遠心圧縮機１によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）フォイル軸受５は、主軸６とフォイル軸受５の間に動圧を発生させるためのフォイルであるトップフォイル５ｃと、トップフォイル５ｃを覆う軸受ハウジング５ａとを備え、軸受ハウジング５ａには、径方向Ｒにおいてトップフォイル５ｃよりも主軸６へ向けて突出した突出部５ｄが形成されている。このため、主軸６がトップフォイル５ｃに接触しないようにすることができ、遠心圧縮機１の振動等の外乱により、主軸６がトップフォイル５ｃを押圧してフォイル（即ち、バンプフォイル５ｂ及びトップフォイル５ｃ）が撓むことがない。従って、フォイルが撓むことによるインペラ８とケーシング７との接触を防止することができる。

（２）軸受ハウジング５ａの突出部５ｄが、径方向Ｒにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能するため、径方向Ｒにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受を別個設ける必要がなく、フォイルが撓むことによるインペラ８とケーシング７との接触を、簡単な構成で防止することができる。

（３）軸受ハウジング５ａの突出部５ｄが、径方向Ｒにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能し、主軸６がトップフォイル５ｃに接触しないため、トップフォイル５ｃが摩耗しないようにしてフォイル軸受５の耐久性を向上することができる。

（４）主軸６に接触する突出部５ｄの表面（即ち、内周面５ｅ）には、突出部５ｄの摩耗を抑制するための被膜が形成されているため、突出部５ｄの摩耗を抑制してフォイル軸受５の耐久性を一層向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の設計変更をすることが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。例えば、上記実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態においては、軸受ハウジング５ａの突出部５ｄは、径方向Ｒにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能していたが、さらに、突出部５ｄが、軸方向Ａにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能するように構成してもよい。

このように構成する場合は、例えば、図４〜図６に示すように、各フォイル軸受５付近において、主軸６には、軸方向Ａに垂直な係合面６ｃが設けられている。また、軸受ハウジング５ａの軸方向Ａにおける両端部のうち一方の端部に形成された突出部５ｄが、軸受ハウジング５ａの軸方向Ａにおける両端部のうち他方の端部に形成された突出部５ｄよりも、さらに内方Ｕへ向けて突出するように形成されている。このようにして、突出部５ｄには、図５及び図６に示すように、主軸６に形成された軸方向Ａに垂直な係合面６ｃと係合することができる軸方向Ａに垂直な側面５ｆが設けられている。

そして、軸方向Ａにおいて対称である一対のフォイル軸受５を使用することで、軸方向Ａにおける主軸６の移動が規制される。即ち、一対のフォイル軸受５のうちの一方においては、図５（ｂ）に示すように、軸方向Ａにおける一方向（図中の矢印Ｄ１で示す方向）への主軸６の移動が規制されるとともに、一対のフォイル軸受５のうちの他方においては、図６（ｂ）に示すように、軸方向Ａにおける逆方向（図中の矢印Ｄ２で示す方向）への主軸６の移動が規制される。

以上のようにして、主軸６が、突出部５ｄと係合する係合面６ｃを有するとともに、係合面６ｃと突出部５ｄが係合することにより、軸方向Ａにおける主軸６の移動が規制されるように構成してもよい。

このように構成すれば、主軸６が有する係合面６ｃと、突出部５ｄとが係合することにより、軸方向Ａにおける主軸６の移動が規制されるため、軸受ハウジング５ａの突出部５ｄが、軸方向Ａにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能する。従って、主軸６を軸方向Ａにおいて支持する磁気軸受４に異常が発生して磁気軸受４により主軸６を軸方向Ａにおいて十分に支持できない場合であっても、突出部５ｄにより主軸６を軸方向Ａにおいて補助的に支持することができ、主軸６が軸方向Ａに移動することによるインペラ８とケーシング７との接触を防止することができる。また、軸受ハウジング５ａの突出部５ｄが、軸方向Ａにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受として機能するため、軸方向Ａにおいて主軸６を支持するためのタッチダウン軸受を別個設ける必要がなく、主軸６が軸方向Ａに移動することによるインペラ８とケーシング７との接触を、簡単な構成で防止することができる。

また、この場合も、上述の実施形態と同様に、突出部５ｄの内周面５ｅに、突出部５ｄの摩耗を抑制するための被膜をしてもよい。更に、係合面６ｃの側面５ｆに、突出部５ｄの摩耗を抑制するための被膜を形成してもよく、例えば、側面５ｆには、内周面５ｅと同様に、二硫化モリブデンをコーティングして固体潤滑被膜（不図示）を形成してもよい。

・上記実施形態においては、突出部５ｄの内周面５ｅには、二硫化モリブデンがコーティングされていたが、フッ素樹脂がコーティングされていてもよく、また、ニッケルまたはクロム等がメッキされていてもよい。また、同様に、上記変形例における側面５ｆに、フッ素樹脂がコーティングされていてもよく、また、ニッケルまたはクロム等がメッキされていてもよい。

本発明の実施形態に係る遠心圧縮機の概略構成図。 （ａ）図１の一点鎖線で示す部分の断面図、（ｂ）図１の破線部分Ｓ１におけるフォイル軸受の拡大図。 （ａ）図１の一点鎖線で示す部分の断面図であって、突出部が、径方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能する際の図、（ｂ）図１の破線部分Ｓ１におけるフォイル軸受の拡大図であって、突出部が、径方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能する際の図。 本発明の実施形態の変形例に係る遠心圧縮機の概略構成図。 （ａ）図４の破線部分Ｓ２におけるフォイル軸受の拡大図、（ｂ）図４の破線部分Ｓ２におけるフォイル軸受の拡大図であって、突出部が、軸方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能する際の図。 （ａ）図４の破線部分Ｓ３におけるフォイル軸受の拡大図、（ｂ）図４の破線部分Ｓ３におけるフォイル軸受の拡大図であって、突出部が、軸方向において主軸を支持するためのタッチダウン軸受として機能する際の図。 従来の遠心圧縮機の概略構成図。 （ａ）図７の一点鎖線で示す部分の断面図、（ｂ）図７の破線部分Ｓ４におけるフォイル軸受の拡大図。 （ａ）図７の一点鎖線で示す部分の断面図であって、外乱によりフォイルが大きく撓んだ状態における図、（ｂ）図７の破線部分Ｓ４におけるフォイル軸受の拡大図であって、フォイルが大きく撓んだ状態における図。 フォイルが撓むことによるインペラとケーシングとの接触を説明するための図。

符号の説明

Ａ…軸方向、Ｒ…径方向、Ｇ…ギャップ、Ｕ…内方、１…遠心圧縮機、２…ハウジング、３…ステータ、３ａ…ステータコア，３ｂ…コイル、４…磁気軸受、４ａ…ヨーク、４ｂ…電磁石、５…フォイル軸受、５ａ…軸受ハウジング、５ｂ…バンプフォイル、５ｃ…トップフォイル、５ｄ…突出部、５ｅ…内周面、５ｆ…側面、６…主軸、６ａ…ロータ、６ｂ…フランジ部、６ｃ…係合面、７…ケーシング、７ａ…気体流入口、７ｂ…ボリュート、８…インペラ。

Claims (3)

1. 回転する主軸と、前記主軸に固定されるとともにケーシング内に設けられたインペラと、前記主軸を径方向において支持するフォイル軸受とを備える遠心圧縮機であって、
   前記フォイル軸受は、前記主軸と前記フォイル軸受の間に動圧を発生させるためのフォイルと、前記フォイルを覆う軸受ハウジングとを備え、
   前記軸受ハウジングには、径方向において前記フォイルよりも前記主軸へ向けて突出した突出部が形成されていることを特徴とする遠心圧縮機。
2. 前記主軸は、前記突出部と係合する係合面を有するとともに、前記係合面と前記突出部が係合することにより、軸方向における前記主軸の移動が規制されることを特徴とする請求項１に記載の遠心圧縮機。
3. 前記主軸に接触する前記突出部の表面には、前記突出部の摩耗を抑制するための被膜が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠心圧縮機。

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