電動圧縮機
【課題】キャンセルスラスト力が作用するスラストディスクを備える電動圧縮機の小型・軽量化を図る。
【解決手段】電動圧縮機１において、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力が作用するスラストキャンセラ機構５０は、インペラ１０と電動機のロータ８との間で回転軸２０に設けられたスラストディスク５１と、スラストディスク５１が収納される圧力室５２を形成する圧力室壁５３とを備える。スラストディスク５１は、圧力室５２をインペラ１０側に位置する高圧室５２ａとロータ８側に位置する低圧室５２ｂとに区画し、高圧室５２ａ内にはインペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路５４を通じて導かれる。キャンセルスラスト力は、高圧室５２ａの圧力と低圧室５２ｂの圧力との差圧により発生する。
【解決手段】電動圧縮機１において、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力が作用するスラストキャンセラ機構５０は、インペラ１０と電動機のロータ８との間で回転軸２０に設けられたスラストディスク５１と、スラストディスク５１が収納される圧力室５２を形成する圧力室壁５３とを備える。スラストディスク５１は、圧力室５２をインペラ１０側に位置する高圧室５２ａとロータ８側に位置する低圧室５２ｂとに区画し、高圧室５２ａ内にはインペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路５４を通じて導かれる。キャンセルスラスト力は、高圧室５２ａの圧力と低圧室５２ｂの圧力との差圧により発生する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機により駆動されるインペラを備える電動圧縮機に関する。そして、該電動圧縮機は、例えば、燃料電池システムに備えられて、カソード側電極に供給される酸化剤ガスとしての空気を圧縮するために使用される。
【背景技術】
【０００２】
電動機により回転駆動される回転軸と一体に回転するインペラと、インペラの回転に起因して回転軸に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力が作用するスラストディスクとを備える電動圧縮機は知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、一般に、回転軸の軸受装置として、回転軸との間に空気膜を形成するフォイル軸受もよく知られている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−８６３９５号公報
【特許文献２】特表平１１−５０３８１１号公報
【特許文献３】特開２００１−２９５８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電動圧縮機において、その軸方向でスラストディスクが電動機を挟んでインペラとは反対側に配置される場合、インペラにより圧縮された加圧気体をスラストディスクが収納される圧力室に導くための圧力通路の長さが長くなって、該通路での圧力損失が大きくなる。このため、所要のキャンセルスラスト力を発生させるためには、該圧力損失による圧力の低下分を補償する必要があり、そのためにスラストディスクを大きくすると、電動圧縮機が大型化し、重量が増加する。
また、スラストディスク分、圧縮機が軸方向に大型化する。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キャンセルスラスト力が作用するスラストディスクを備える電動圧縮機の小型・軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、電動機（７）のロータ（８）により回転駆動される回転軸（２０）を回転可能に支持するハウジング（２）と、前記回転軸（２０）と一体に回転するインペラ（１０）と、前記インペラ（１０）の回転に起因して前記回転軸（２０）に作用するスラスト力（Ｆａ）を減少させるキャンセルスラスト力（Ｆｂ）が作用するスラストキャンセラ機構（５０）とを備える電動圧縮機において、前記スラストキャンセラ機構（５０）は、軸方向で前記インペラ（１０）と前記ロータ（８）との間において前記回転軸（２０）に設けられたスラストディスク（５１）と、前記スラストディスク（５１）が収納される圧力室（５２）を形成する圧力室壁（５３）とを備え、前記スラストディスク（５１）は、前記圧力室（５２）を、軸方向で、前記インペラ（１０）側に位置する高圧室（５２ａ）と前記ロータ（８）側に位置する低圧室（５２ｂ）とに区画し、前記高圧室（５２ａ）内には、前記インペラ（１０）により圧縮された加圧気体が圧力通路（５４）を通じて導かれ、前記キャンセルスラスト力（Ｆｂ）は、前記高圧室（５２ａ）の圧力と前記低圧室（５２ｂ）の圧力との差圧により発生する電動圧縮機である。
【０００７】
これによれば、スラストディスクが軸方向でインペラと電動機のロータとの間のスペースを利用して配置されること、さらにキャンセルスラスト力により、スラストディスクを圧力室壁からキャンセルスラスト力の方向に離隔させることにより、スラスト軸受の省略も可能になることから、軸方向で電動圧縮機を小型化できる。
さらに、スラストディスクのこの配置により、高圧室が軸方向でロータよりもインペラの近くに位置することから、該高圧室に加圧流体を導く圧力通路の通路長を短くできるので、圧力通路での加圧流体の圧力損失を減少できる。この結果、圧力損失が減少する分、高圧の加圧流体を高圧室に供給できるので、所要のキャンセルスラスト力を得るために、圧力損失が大きい場合に比べて、スラストディスクの小型化が可能になり、電動圧縮機を小型・軽量化できる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動圧縮機であって、前記圧力通路（５４）は、前記加圧流体が流れるスクロール流路（１５）において、軸方向で最も前記ロータ（８）に近い部位に、前記加圧流体の取出口（５４ａ）を有し、前記圧力通路（５４）の全体は、径方向で前記取出口（５４ａ）と前記高圧室（５２ａ）との間に位置し、軸方向で前記インペラ（１０）と前記スラストディスク（５１）との間に位置するものである。
これによれば、圧力通路の全体が、径方向で取出口と高圧室との間に位置し、軸方向でインペラとスラストディスクとの間に位置するので、圧力通路の通路長が短くなる。この結果、圧力通路での加圧流体の圧力損失を減少できて、スラストディスクの小型化が可能になる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電動圧縮機であって、前記圧力通路（５４）には、前記加圧気体の圧力を調整する圧力調整部（５５）が設けられるものである。
これによれば、圧力調整部により高圧室に導かれる加圧気体の圧力が調整されるので、加圧気体の圧力が変動する場合にも、キャンセルスラスト力の変動を抑制できて、スラストキャンセラ機構の機能を安定化できる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、前記低圧室（５２ｂ）内には、前記圧力室壁（５３）において前記低圧室（５２ｂ）を形成する低圧室壁（５３ｂ）に、または軸方向で前記低圧室壁（５３ｂ）と対向する前記スラストディスク（５１）に、フォイル軸受（５８）が設けられるものである。
これによれば、加圧気体の圧力変動により、高圧室の圧力が一時的に高圧になる場合にも、フォイル軸受により形成される空気膜によりスラストディスクの軸方向移動が規制されるので、スラストディスクと圧力室壁との接触の発生を防止または抑制できる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、前記低圧室（５２ｂ）の気体を逃がすリーク通路（５９）が設けられるものである。
これによれば、低圧室の気体がリーク通路を通じて流出することから、低圧室の圧力を低下させることが容易になり、スラスト力を減少させる大きさのキャンセルスラスト力の形成が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、キャンセルスラスト力が作用するスラストディスクを備える電動圧縮機の小型・軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である電動圧縮機の全体を示す断面図である。
【図２】図１の電動圧縮機のモジュールを説明する図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１に示される本発明の実施形態である電動圧縮機１は、機械としての車両に搭載される燃料電池システムに備えられて、酸化剤ガスとしての空気を供給する遠心式圧縮機である。
電動圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２に収納される電動機７と、電動機７により回転駆動される回転軸２０と、回転軸２０をハウジング２に回転可能に支持するための軸受装置４０と、回転軸２０と一体に回転するインペラ１０と、回転軸２０とインペラ１０とを一体に結合する締結部材３０と、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に前方に向かって作用するスラスト力Ｆａを減少させるキャンセルスラスト力Ｆｂが後方に向かって作用するスラストキャンセラ機構５０とを備える。
【００１５】
なお、本発明および実施形態において、軸方向は、回転軸２０の回転中心線Ｌに平行な方向であるとし、径方向および周方向は、それぞれ回転中心線Ｌを中心とする径方向および周方向であるとする。また、便宜上、前後方向は軸方向に平行な方向であるとし、前方は、回転軸２０または電動機７のロータ８に対して軸方向でインペラ１０が位置する方向であるとする。
【００１６】
ハウジング２は、複数の羽根１０ａを有するインペラ１０を収納する共にインペラ１０に吸入されて圧縮される気体としての空気が流れる給気流路１１を形成するインペラハウジング３と、電動機７のロータ８およびステータ９を収納すると共にインペラハウジング３に結合されるモータハウジング４と、モータハウジング４に結合される端部ハウジング５とを備える。モータハウジング４は、軸方向で、インペラハウジング３と端部ハウジング５との間に配置される。
そして、インペラハウジング３、モータハウジング４および端部ハウジング５により、電動圧縮機１の内部空間６が形成される。
【００１７】
燃料電池システムの酸化剤ガス供給系統に連通する気体供給流路としての給気流路１１は、インペラ１０よりも上流に位置して空気を取り入れる入口流路１２と、入口流路１２からの空気がインペラ１０により圧縮される圧縮流路１３と、インペラ１０よりも下流に位置してインペラ１０により圧縮された加圧気体としての加圧空気が流通する出口流路とを有する。該出口流路は、圧縮流路１３の下流に連なるディフューザ流路１４と、ディフューザ流路１４の下流に連なるスクロール流路１５とから構成される。
【００１８】
インペラハウジング３は、入口流路１２および圧縮流路１３を形成する前部ハウジング３ａと、該前部ハウジング３ａにボルトＢ１により結合される後部ハウジング３ｂとを有する。ディフューザ流路１４およびスクロール流路１５の一部は、前部ハウジング３ａおよび後部ハウジング３ｂの協働により形成される。
【００１９】
モータハウジング４は、円筒状の内側ハウジング４ｂと該内側ハウジング４ｂを囲む外側ハウジング４ａとを有する。ロータ８およびステータ９は、内側ハウジング４ｂの径方向内方において主内部空間６ａに収納される。この主内部空間６ａは、モータハウジング４と後記仕切壁１８と後記主端部壁５ａとにより形成される。
内側ハウジング４ｂの外周面に形成された溝と外側ハウジング４ａの内周面との間には、ステータ９を冷却する冷却流体としての冷却水が流通する螺旋状の冷却通路７ａが形成される。
【００２０】
端部ハウジング５は、外側ハウジング４ａに結合される主端部壁５ａと、主端部壁５ａの後方に配置されて該主端部壁５ａに結合される副端部壁５ｂとを有する。主端部壁５ａと副端部壁５ｂとは、回転軸２０の回転位置を検出する回転位置センサ６０および後記後側締付部３３が収納される副内部空間６ｂを形成する。そして、主内部空間６ａと副内部空間６ｂにより内部空間６が構成される。主端部壁５ａは、主内部空間６ａと副内部空間６ｂとを仕切る仕切壁である。主端部壁５ａには、ステータ９を冷却する冷却空気を主内部空間６ａに導入する導入口５ｃが設けられる。
【００２１】
３相交流式のブラシレスモータである電動機７は、回転軸２０の一部を構成する円筒状のロータ８と、ロータ８の径方向外方に所定の径方向クリアランスを形成して配置されるステータ９とを備える。ロータ８は、界磁としての永久磁石からなる磁石８ａと、磁石８ａを囲んで配置されて該磁石８ａを収納する円筒状のモータ軸８ｂとから構成される。ロータ８を全周に渡って囲むステータ９は、電機子としての鉄心を有する円筒状に形成された３相の巻線により構成され、該３相の巻線の端子７ｂが外側ハウジング４ａに配置される。
【００２２】
図２を併せて参照すると、回転軸２０は、ロータ８と、軸方向でロータ８を挟んで配置される１対のベアリング軸２１，２２とから構成される。前方から順次配列されたインペラ１０と、ロータ８の前方に配置される前側軸としての前側ベアリング軸２１と、ロータ８と、ロータ８の後方に配置される後側軸としての後側ベアリング軸２２と、スペーサとは、この順番で、インペラ１０、両ベアリング軸２１，２２、ロータ８およびスペーサ２５の中心部を軸方向に平行に挿通するテンション軸３１を備える締結部材３０により、軸方向および周方向に相対移動不能に結合されて、該締結部材３０と共に１つの圧縮機回転ユニットを構成する。
【００２３】
前側ベアリング軸２１および後側ベアリング軸２２は、径方向でテンション軸３１との間に円筒状の筒状空間を形成する円筒状の筒状部２１ａ，２２ａと、筒状部２１ａ，２２ａから径方向内方に延びている内向きフランジ部２１ｂ，２２ｂとを有する。各内向きフランジ部２１ｂ，２２ｂは、その内周面でテンション軸３１の被支持部３１ｂ１，３１ｄ１を支持する。
【００２４】
前側ベアリング軸２１の筒状部２１ａは、前端部でインペラ１０の嵌合部１０ｂの外周にインロー嵌合し、後端部でロータ軸８ｂの内周にインロー嵌合する。後側ベアリング軸２２の筒状部２２ａは、前端部でロータ軸８ｂの内周にインロー嵌合し、後端部でスペーサ２５の嵌合部２５ａの外周にインロー嵌合する。また、前側ベアリング軸２１の外周面には、インペラ１０の後方に形成される背後空間１７とスラストディスク５１が収納される圧力室５２とを仕切る仕切壁１８との間にラビリンスシール２３が設けられ、後側ベアリング軸２２の外周面には、主端部壁５ａとの間にラビリンスシール２４が設けられる。
ここで、インロー嵌合とは、互いに嵌合する２つの部材の嵌合部において、一方の嵌合部の外径と他方の嵌合部の内径とがほぼ等しい嵌合を意味する。
【００２５】
締結部材３０は、テンション軸３１と、いずれもテンション軸３１に設けられてインペラ１０、前側ベアリング軸２１、ロータ８、後側ベアリング軸２１およびスペーサ２５を軸方向で締め付ける前側締付部３２および後側締付部３３とを備える。締結部材３０の前端部を構成すると共にインペラ１０に当接して後方に押圧する前側締付部３２は、テンション軸３１と一体成形される。それゆえ、テンション軸３１と前側締付部３２とは、前側締付部３２を頭部とし、テンション軸３１を軸部とするボルトを構成する。後側締付部３３は、テンション軸３１に設けられたネジ部３１ｎに螺合することでテンション軸３１と一体に設けられたネジ部材であるナットにより構成される。それゆえ、後側締付部３３は、テンション軸３１に対して着脱可能である。
締結部材３０は、インペラ１０とロータ８と両ベアリング軸２１，２２とスペーサ２５とを軸方向に締め付けて一体化する。そして、前側締付部３２はインペラ１０を後方に押圧し、後側締付部３３は後側ベアリング軸２２を前方に押圧する。
【００２６】
テンション軸３１は、後方に向かって、インペラ１０に挿入されているインペラ挿入部３１ａと、前側ベアリング軸２１に挿入されている前側ベアリング軸挿入部３１ｂと、ロータ８に挿入されているロータ挿入部３１ｃと、後側ベアリング軸２２に挿入されている後側ベアリング軸挿入部３１ｄと、ネジ部３１ｎが設けられた後軸端部３１ｅとを有する。
【００２７】
インペラ挿入部３１ａおよび前側ベアリング軸挿入部３１ｂの外径は、ロータ挿入部３１ｃおよび後側ベアリング軸挿入部３１ｄおよび後軸端部３１ｅの外径よりも大きい。そして、テンション軸３１は、前側締付部３２から後方に向かうにつれて、その外径が大径にならない形状、すなわち外径が小径になるかまたは等しい径となる形状になっている。
前側ベアリング軸挿入部３１ｂは、その被支持部３１ｂ１において内向きフランジ部２１ｂに支持され、後側ベアリング軸挿入部３１ｄは、その被支持部３１ｄ１において内向きフランジ部２２ｂに支持される。
【００２８】
図１，図２を参照すると、主内部空間６ａ内に配置される軸受装置４０は、前側ベアリング軸２１を回転可能に支持する軸受である前側ラジアル軸受４１（図２も参照）と、後側ベアリング軸２２を回転可能に支持する軸受である後側ラジアル軸受４６とを備える。各ラジアル軸受４１，４６は、主内部空間６ａ内に収納される軸受保持部材である環状の軸受保持プレート４２，４７と、軸受保持プレート４２，４７の内周面にベアリング軸２１，２２と径方向で対向して配置されるフォイル軸受４３，４８とから構成される。
【００２９】
前側軸受保持プレート４２は、ボルト（図示されず）により仕切壁１８に結合されて設けられる。仕切壁１８は、ボルトＢ２により外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１に結合されて設けられる。また、後側軸受保持プレート４７は、ボルトＢ３により主端部壁５ａに結合されて設けられる。
フォイル軸受４３，４８は周知のものであり、該フォイル軸受４３，４８により、回転軸２０の回転により前側ベアリング軸２１とフォイル軸受４３との間および後側ベアリング軸２２とフォイル軸受４８との間に、それぞれベアリング軸２１，２２を囲んで円環状の空気膜が形成され、該空気膜によりベアリング軸２１，２２が浮動状体で回転する。
【００３０】
図２，図３を参照すると、スラストキャンセラ機構５０は、軸方向でインペラ１０とロータ８との間において回転軸２０の前側ベアリング軸２１に設けられたスラストディスク５１と、スラストディスク５１が収納される円環状の圧力室５２を前側ベアリング軸２１と協働して形成する圧力室壁５３と、スクロール流路１５の圧力を圧力室５２に導く圧力通路５４を形成する配管５６を有する通路形成部材と、圧力通路５４に設けられる圧力調整部としてのオリフィスである固定オリフィス５５とを備える。
【００３１】
図３を参照すると、圧力室壁５３は、仕切壁１８の一部である高圧室壁５３ａと、前側軸受保持プレート４２の一部である低圧室壁５３ｂと、仕切壁１８の一部である外周室壁５３ｃとから構成される。高圧室壁５３ａおよび低圧室壁５３ｂは、圧力室壁５３において、可動室壁であるスラストディスク５１を挟んで軸方向で互いに対向して配置される軸方向室壁である。したがって、スラストディスク５１は、軸方向で、インペラ１０と、ロータ８（図２参照）の前方に位置する軸受保持プレート４２との間に配置される。
【００３２】
円形外周部を有するフランジ部として前側ベアリング軸２１に一体成形により形成されたスラストディスク５１は、圧力室５２を、スラストディスク５１に対して、インペラ１０側に位置する高圧室５２ａと、ロータ８側に位置する低圧室５２ｂとに、軸方向で区画する。高圧室壁５３ａと外周室壁５３ｃとにより形成される高圧室５２ａ内には、インペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路５４を通じて導かれる。一方、低圧室５２ｂは、低圧室壁５３ｂと外周室壁５３ｃとにより形成される。
【００３３】
図１を併せて参照すると、キャンセルスラスト力Ｆｂは、高圧室５２ａの圧力と低圧室５２ｂの圧力との差圧により発生し、回転軸２０およびインペラ１０は、スラスト力Ｆａおよびキャンセルスラスト力Ｆｂの大きさに応じて、軸方向に移動可能である。
このキャンセルスラスト力Ｆｂは、この実施形態では、スラスト力Ｆａとほぼ釣り合うまでに該スラスト力Ｆａを減少させ、電動圧縮機１の作動中に、スラストディスク５１を高圧室壁５３ａからキャンセルスラスト力Ｆｂの方向に離隔させて、該高圧室壁５３ａとの間に軸方向空隙が形成されるような大きさに設定される。このため、電動圧縮機１には、前記スラスト力Ｆａを受け止めるためのスラスト軸受が設けられていない。
【００３４】
また、径方向でスラストディスク５１の外周部５１ｃと外周室壁５３ｃとの間には、微小な径方向空隙が形成され、所要のキャンセルスラスト力Ｆｂが得られる範囲で、高圧室５２ａ内の空気が該径方向空隙を通じて低圧室５２ｂ内に流出する。
そして、低圧室５２ｂ内の気体は、前側軸受保持プレート４２と前端壁４ａ１または前側ベアリング軸２１との微小な空隙から低圧室５２ｂよりも低い圧力になっている低圧空間としての主内部空間６ａに流出する。
【００３５】
圧力通路５４を形成する前記通路形成部材は、後部ハウジング３ｂの一部である後壁３ｂ１と仕切壁１８の外周部とに接続される配管５６と、圧力通路５４を構成する孔５７が設けられた仕切壁１８とから構成される。圧力通路５４は、スクロール流路１５において軸方向で最もロータ８に近い部位に開口する取出口５４ａと、高圧室５２ａに開口する出口５４ｂとを有する。
固定オリフィス５５により、スクロール流路１５での加圧空気の圧力室５２への流入量が調整されて、高圧室５２ａの圧力がほぼ設定値に維持される。
また、低圧室５２ｂ内において、低圧室壁５３ｂには、スラストディスク５１との間に空気膜の形成が可能なスラスト用のフォイル軸受５８が設けられる。
【００３６】
図２に示されるように、インペラ１０、両ベアリング軸２１，２２、ロータ８、仕切壁１８、前側ラジアル軸受４１、スペーサ２５、回転位置センサ６０の被検出部６２および該被検出部６２を固定する固定具であるナット６３は、ハウジング２に組み付けられる前に、テンション軸３１を含む締結部材３０により互いに予め組み付けられて一体化されたモジュールＭを構成する。
【００３７】
図１を併せて参照すると、１つの部材としてのモジュールＭは、インペラハウジング３および端部ハウジング５が組み付けられる前のモータハウジング４に前方から挿入されて、仕切壁１８が外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１にボルトＢ２により結合されて、ハウジング２の所定位置に取り付けられる。
その後、後側ラジアル軸受４６が結合された主端部壁５ａが、後方から後側ベアリング軸２２に挿入されて、モータハウジング４にボルトＢ４により結合され、次いで、回転位置センサ６０の検出部６１が主端部壁５ａに取り付けられる。
その後、副端部壁５ｂが主端部壁５ａにボルトＢ５により結合されて、次いで配管５６が気密に後壁３ｂ１に挿入されるように、インペラハウジング３が外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１に結合されて、電動圧縮機１が組み立てられる。
【００３８】
図１，図３を参照して、電動圧縮機１の作動について説明する。
電動機用制御装置（図示されず）により制御された相電流がステータ９の各巻線に供給されて、電動機７が回転し、該電動機７により回転駆動されるインペラ１０が入口流路１２から吸入した空気を圧縮する。インペラ１０により圧縮された加圧空気は、燃料電池システムの酸化剤ガス供給系統を経てカソード側電極に供給される。
そして、スラストキャンセラ機構５０においては、スクロール流路１５を流れる加圧空気の一部が圧力通路５４を通じて、そして固定オリフィス５５により流量調整された後に、高圧室５２ａに供給される。これにより、スラストディスク５１には、スラスト力Ｆａとほぼ釣り合うキャンセルスラスト力Ｆｂが作用し、スラストディスク５１と高圧室壁５３ａとの間に軸方向空隙が形成された状態で、回転軸２０およびインペラ１０が軸方向でほぼ同じ位置に維持される。
【００３９】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
電動圧縮機１において、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に作用するスラスト力Ｆａを減少させるキャンセルスラスト力Ｆｂが作用するスラストキャンセラ機構５０は、インペラ１０とロータ８との間において回転軸２０に設けられたスラストディスク５１と、スラストディスク５１が収納される圧力室５２を形成する圧力室壁５３とを備え、スラストディスク５１は、圧力室５２をインペラ１０側に位置する高圧室５２ａとロータ８側に位置する低圧室５２ｂとに区画し、高圧室５２ａ内にはインペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路５４を通じて導かれ、キャンセルスラスト力Ｆｂは、高圧室５２ａの圧力と低圧室５２ｂの圧力との差圧により発生し、スラストディスク５１を圧力室壁５３の高圧室壁５３ａからキャンセルスラスト力Ｆｂの方向に離隔させる。
この構造により、スラストディスク５１が軸方向でインペラ１０と電動機７のロータ８との間のスペースを利用して配置されること、さらにキャンセルスラスト力Ｆｂにより、スラストディスク５１を圧力室壁５３からキャンセルスラスト力Ｆｂの方向に離隔させることにより、スラスト軸受が省略されて不要になることから、軸方向で電動圧縮機１を小型化できる。さらに、スラストディスク５１のこの配置により、高圧室５２ａが軸方向でロータ８よりもインペラ１０の近くに位置することから、該高圧室５２ａに加圧空気を導く圧力通路５４の通路長を短くできるので、圧力通路５４での加圧空気の圧力損失を減少できる。この結果、圧力損失が減少する分、高圧の加圧空気を高圧室５２ａに供給できるので、所要のキャンセルスラスト力Ｆｂを得るために、圧力損失が大きい場合に比べて、スラストディスク５１の小型化が可能になり、電動圧縮機１を小型・軽量化できる。
【００４０】
圧力通路５４は、インペラ１０により圧縮された空気が流れるスクロール流路１５において、軸方向で最もロータ８に近い部位に、加圧空気の取出口５４ａを有し、圧力通路５４の全体は、径方向で取出口５４ａと高圧室５２ａとの間に位置し、軸方向でインペラ１０とスラストディスク５１との間に位置することにより、圧力通路５４の通路長が短くなる。この結果、圧力通路５４での加圧流体の圧力損失を減少できて、スラストディスク５１の小型化が可能になる。
【００４１】
圧力通路５４には、加圧空気の圧力を調整する圧力調整部である固定オリフィス５５が設けられることにより、該固定オリフィス５５により高圧室５２ａに導かれる加圧空気の圧力が調整されるので、加圧空気の圧力が変動する場合にも、キャンセルスラスト力Ｆｂの変動を抑制できて、スラストキャンセラ機構５０の機能を安定化できる。
【００４２】
低圧室５２ｂ内には、圧力室壁５３において低圧室５２ｂを形成する低圧室壁５３ｂにフォイル軸受４３，４８が設けられることにより、加圧空気の圧力変動により、高圧室５２ａの圧力が一時的に高圧になる場合にも、フォイル軸受５８により形成される空気膜によりスラストディスク５１の軸方向移動が規制されるので、スラストディスク５１と圧力室壁５３との接触の発生を防止または抑制できる。
【００４３】
そして、回転バランスを調整した状態のモジュールＭをハウジング２のモータハウジング４に組み付けることにより、回転軸２０をモータハウジング４に組み付ける際にインペラ１０と、回転軸２０のロータ８および両ベアリング軸２１，２２とが分解される場合に比べて、組付後の回転バランスの調整が不要になるので、電動圧縮機１の生産性が向上する。
【００４４】
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
図３に二点鎖線で示されるように、低圧室５２ｂの空気をハウジング２の主内部空間６，６ａ，６ｂに逃がすリーク通路５９が、仕切壁１８の後面に設けられた溝により形成されてもよい。このリーク通路５９は、仕切壁１８と前側軸受保持プレート４２と仕切壁１８との対向面に形成され、リーク通路５９を流れる空気は、一部分が前端壁４ａ１と前側軸受保持プレート４２との間の空隙を通って主内部空間６ａに流出し、残りの部分が後部ハウジング３ｂおよび前端壁４ａ１の間で主内部空間６ａに流出する。
この構造により、これによれば、低圧室５２ｂの気体がリーク通路５９を通じて流出することから、低圧室５２ｂの圧力を低下させることが容易になり、スラスト力Ｆａを減少させる大きさのキャンセルスラスト力Ｆｂの形成が容易になる。
【００４５】
低圧室５２ｂ内に配置されるスラスト用のフォイル軸受５８は、低圧室壁５３ｂに設けられたが、低圧室壁５３ｂの代わりに、スラストディスク５１における該低圧室壁５３ｂと軸方向で対向する側に設けられてもよく、また低圧室壁５３ｂおよびスラストディスク５１の両方に設けられてもよい。この場合にも、前記実施形態と同様の作用効果が奏される。
電動圧縮機１が、高圧室５２ａの圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサにより検出された圧力に基づいてオリフィスの径を調整するアクチュエータを制御する制御部とを備える制御装置を備え、圧力調整部が、該アクチュエータにオリフィスの径が調整される可変オリフィスにより構成されてもよい。
キャンセルスラスト力Ｆｂは、スラスト力Ｆａを減少させるものの、スラスト力に比べて小さくてもよい。この場合、高圧室５２ａ内において、高圧室壁５３ａおよびスラストディスク５１の少なくとも一方の、軸方向で互いに対向する部位に、フォイル軸受が設けられて、スラストキャンセラ機構５０がスラスト軸受を兼ねることになる。
燃料電池システムは、車両以外に使用されてもよく、例えば汎用のものであってもよい。また、電動圧縮機１は、燃料電池システム以外の装置に使用されてもよく、また空気以外の気体を圧縮するものであってもよい。
電動圧縮機は、軸流式のインペラを備える軸流式圧縮機であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１ 電動圧縮機
２ ハウジング
７ 電動機
８ ロータ
１０ インペラ
１５ スクロール流路
２０ 回転軸
２１，２２ ベアリング軸
３０ 締結部材
３１ テンション軸
５０ スラストキャンセラ機構
５１ スラストディスク
５２ 圧力室
５４ 圧力通路
５５ 固定オリフィス
Ｆａ スラスト力
Ｆｂ キャンセルスラスト力
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機により駆動されるインペラを備える電動圧縮機に関する。そして、該電動圧縮機は、例えば、燃料電池システムに備えられて、カソード側電極に供給される酸化剤ガスとしての空気を圧縮するために使用される。
【背景技術】
【０００２】
電動機により回転駆動される回転軸と一体に回転するインペラと、インペラの回転に起因して回転軸に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力が作用するスラストディスクとを備える電動圧縮機は知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、一般に、回転軸の軸受装置として、回転軸との間に空気膜を形成するフォイル軸受もよく知られている（例えば、特許文献２，３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−８６３９５号公報
【特許文献２】特表平１１−５０３８１１号公報
【特許文献３】特開２００１−２９５８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電動圧縮機において、その軸方向でスラストディスクが電動機を挟んでインペラとは反対側に配置される場合、インペラにより圧縮された加圧気体をスラストディスクが収納される圧力室に導くための圧力通路の長さが長くなって、該通路での圧力損失が大きくなる。このため、所要のキャンセルスラスト力を発生させるためには、該圧力損失による圧力の低下分を補償する必要があり、そのためにスラストディスクを大きくすると、電動圧縮機が大型化し、重量が増加する。
また、スラストディスク分、圧縮機が軸方向に大型化する。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キャンセルスラスト力が作用するスラストディスクを備える電動圧縮機の小型・軽量化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、電動機（７）のロータ（８）により回転駆動される回転軸（２０）を回転可能に支持するハウジング（２）と、前記回転軸（２０）と一体に回転するインペラ（１０）と、前記インペラ（１０）の回転に起因して前記回転軸（２０）に作用するスラスト力（Ｆａ）を減少させるキャンセルスラスト力（Ｆｂ）が作用するスラストキャンセラ機構（５０）とを備える電動圧縮機において、前記スラストキャンセラ機構（５０）は、軸方向で前記インペラ（１０）と前記ロータ（８）との間において前記回転軸（２０）に設けられたスラストディスク（５１）と、前記スラストディスク（５１）が収納される圧力室（５２）を形成する圧力室壁（５３）とを備え、前記スラストディスク（５１）は、前記圧力室（５２）を、軸方向で、前記インペラ（１０）側に位置する高圧室（５２ａ）と前記ロータ（８）側に位置する低圧室（５２ｂ）とに区画し、前記高圧室（５２ａ）内には、前記インペラ（１０）により圧縮された加圧気体が圧力通路（５４）を通じて導かれ、前記キャンセルスラスト力（Ｆｂ）は、前記高圧室（５２ａ）の圧力と前記低圧室（５２ｂ）の圧力との差圧により発生する電動圧縮機である。
【０００７】
これによれば、スラストディスクが軸方向でインペラと電動機のロータとの間のスペースを利用して配置されること、さらにキャンセルスラスト力により、スラストディスクを圧力室壁からキャンセルスラスト力の方向に離隔させることにより、スラスト軸受の省略も可能になることから、軸方向で電動圧縮機を小型化できる。
さらに、スラストディスクのこの配置により、高圧室が軸方向でロータよりもインペラの近くに位置することから、該高圧室に加圧流体を導く圧力通路の通路長を短くできるので、圧力通路での加圧流体の圧力損失を減少できる。この結果、圧力損失が減少する分、高圧の加圧流体を高圧室に供給できるので、所要のキャンセルスラスト力を得るために、圧力損失が大きい場合に比べて、スラストディスクの小型化が可能になり、電動圧縮機を小型・軽量化できる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動圧縮機であって、前記圧力通路（５４）は、前記加圧流体が流れるスクロール流路（１５）において、軸方向で最も前記ロータ（８）に近い部位に、前記加圧流体の取出口（５４ａ）を有し、前記圧力通路（５４）の全体は、径方向で前記取出口（５４ａ）と前記高圧室（５２ａ）との間に位置し、軸方向で前記インペラ（１０）と前記スラストディスク（５１）との間に位置するものである。
これによれば、圧力通路の全体が、径方向で取出口と高圧室との間に位置し、軸方向でインペラとスラストディスクとの間に位置するので、圧力通路の通路長が短くなる。この結果、圧力通路での加圧流体の圧力損失を減少できて、スラストディスクの小型化が可能になる。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電動圧縮機であって、前記圧力通路（５４）には、前記加圧気体の圧力を調整する圧力調整部（５５）が設けられるものである。
これによれば、圧力調整部により高圧室に導かれる加圧気体の圧力が調整されるので、加圧気体の圧力が変動する場合にも、キャンセルスラスト力の変動を抑制できて、スラストキャンセラ機構の機能を安定化できる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、前記低圧室（５２ｂ）内には、前記圧力室壁（５３）において前記低圧室（５２ｂ）を形成する低圧室壁（５３ｂ）に、または軸方向で前記低圧室壁（５３ｂ）と対向する前記スラストディスク（５１）に、フォイル軸受（５８）が設けられるものである。
これによれば、加圧気体の圧力変動により、高圧室の圧力が一時的に高圧になる場合にも、フォイル軸受により形成される空気膜によりスラストディスクの軸方向移動が規制されるので、スラストディスクと圧力室壁との接触の発生を防止または抑制できる。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、前記低圧室（５２ｂ）の気体を逃がすリーク通路（５９）が設けられるものである。
これによれば、低圧室の気体がリーク通路を通じて流出することから、低圧室の圧力を低下させることが容易になり、スラスト力を減少させる大きさのキャンセルスラスト力の形成が容易になる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、キャンセルスラスト力が作用するスラストディスクを備える電動圧縮機の小型・軽量化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態である電動圧縮機の全体を示す断面図である。
【図２】図１の電動圧縮機のモジュールを説明する図である。
【図３】図１の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１に示される本発明の実施形態である電動圧縮機１は、機械としての車両に搭載される燃料電池システムに備えられて、酸化剤ガスとしての空気を供給する遠心式圧縮機である。
電動圧縮機１は、ハウジング２と、ハウジング２に収納される電動機７と、電動機７により回転駆動される回転軸２０と、回転軸２０をハウジング２に回転可能に支持するための軸受装置４０と、回転軸２０と一体に回転するインペラ１０と、回転軸２０とインペラ１０とを一体に結合する締結部材３０と、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に前方に向かって作用するスラスト力Ｆａを減少させるキャンセルスラスト力Ｆｂが後方に向かって作用するスラストキャンセラ機構５０とを備える。
【００１５】
なお、本発明および実施形態において、軸方向は、回転軸２０の回転中心線Ｌに平行な方向であるとし、径方向および周方向は、それぞれ回転中心線Ｌを中心とする径方向および周方向であるとする。また、便宜上、前後方向は軸方向に平行な方向であるとし、前方は、回転軸２０または電動機７のロータ８に対して軸方向でインペラ１０が位置する方向であるとする。
【００１６】
ハウジング２は、複数の羽根１０ａを有するインペラ１０を収納する共にインペラ１０に吸入されて圧縮される気体としての空気が流れる給気流路１１を形成するインペラハウジング３と、電動機７のロータ８およびステータ９を収納すると共にインペラハウジング３に結合されるモータハウジング４と、モータハウジング４に結合される端部ハウジング５とを備える。モータハウジング４は、軸方向で、インペラハウジング３と端部ハウジング５との間に配置される。
そして、インペラハウジング３、モータハウジング４および端部ハウジング５により、電動圧縮機１の内部空間６が形成される。
【００１７】
燃料電池システムの酸化剤ガス供給系統に連通する気体供給流路としての給気流路１１は、インペラ１０よりも上流に位置して空気を取り入れる入口流路１２と、入口流路１２からの空気がインペラ１０により圧縮される圧縮流路１３と、インペラ１０よりも下流に位置してインペラ１０により圧縮された加圧気体としての加圧空気が流通する出口流路とを有する。該出口流路は、圧縮流路１３の下流に連なるディフューザ流路１４と、ディフューザ流路１４の下流に連なるスクロール流路１５とから構成される。
【００１８】
インペラハウジング３は、入口流路１２および圧縮流路１３を形成する前部ハウジング３ａと、該前部ハウジング３ａにボルトＢ１により結合される後部ハウジング３ｂとを有する。ディフューザ流路１４およびスクロール流路１５の一部は、前部ハウジング３ａおよび後部ハウジング３ｂの協働により形成される。
【００１９】
モータハウジング４は、円筒状の内側ハウジング４ｂと該内側ハウジング４ｂを囲む外側ハウジング４ａとを有する。ロータ８およびステータ９は、内側ハウジング４ｂの径方向内方において主内部空間６ａに収納される。この主内部空間６ａは、モータハウジング４と後記仕切壁１８と後記主端部壁５ａとにより形成される。
内側ハウジング４ｂの外周面に形成された溝と外側ハウジング４ａの内周面との間には、ステータ９を冷却する冷却流体としての冷却水が流通する螺旋状の冷却通路７ａが形成される。
【００２０】
端部ハウジング５は、外側ハウジング４ａに結合される主端部壁５ａと、主端部壁５ａの後方に配置されて該主端部壁５ａに結合される副端部壁５ｂとを有する。主端部壁５ａと副端部壁５ｂとは、回転軸２０の回転位置を検出する回転位置センサ６０および後記後側締付部３３が収納される副内部空間６ｂを形成する。そして、主内部空間６ａと副内部空間６ｂにより内部空間６が構成される。主端部壁５ａは、主内部空間６ａと副内部空間６ｂとを仕切る仕切壁である。主端部壁５ａには、ステータ９を冷却する冷却空気を主内部空間６ａに導入する導入口５ｃが設けられる。
【００２１】
３相交流式のブラシレスモータである電動機７は、回転軸２０の一部を構成する円筒状のロータ８と、ロータ８の径方向外方に所定の径方向クリアランスを形成して配置されるステータ９とを備える。ロータ８は、界磁としての永久磁石からなる磁石８ａと、磁石８ａを囲んで配置されて該磁石８ａを収納する円筒状のモータ軸８ｂとから構成される。ロータ８を全周に渡って囲むステータ９は、電機子としての鉄心を有する円筒状に形成された３相の巻線により構成され、該３相の巻線の端子７ｂが外側ハウジング４ａに配置される。
【００２２】
図２を併せて参照すると、回転軸２０は、ロータ８と、軸方向でロータ８を挟んで配置される１対のベアリング軸２１，２２とから構成される。前方から順次配列されたインペラ１０と、ロータ８の前方に配置される前側軸としての前側ベアリング軸２１と、ロータ８と、ロータ８の後方に配置される後側軸としての後側ベアリング軸２２と、スペーサとは、この順番で、インペラ１０、両ベアリング軸２１，２２、ロータ８およびスペーサ２５の中心部を軸方向に平行に挿通するテンション軸３１を備える締結部材３０により、軸方向および周方向に相対移動不能に結合されて、該締結部材３０と共に１つの圧縮機回転ユニットを構成する。
【００２３】
前側ベアリング軸２１および後側ベアリング軸２２は、径方向でテンション軸３１との間に円筒状の筒状空間を形成する円筒状の筒状部２１ａ，２２ａと、筒状部２１ａ，２２ａから径方向内方に延びている内向きフランジ部２１ｂ，２２ｂとを有する。各内向きフランジ部２１ｂ，２２ｂは、その内周面でテンション軸３１の被支持部３１ｂ１，３１ｄ１を支持する。
【００２４】
前側ベアリング軸２１の筒状部２１ａは、前端部でインペラ１０の嵌合部１０ｂの外周にインロー嵌合し、後端部でロータ軸８ｂの内周にインロー嵌合する。後側ベアリング軸２２の筒状部２２ａは、前端部でロータ軸８ｂの内周にインロー嵌合し、後端部でスペーサ２５の嵌合部２５ａの外周にインロー嵌合する。また、前側ベアリング軸２１の外周面には、インペラ１０の後方に形成される背後空間１７とスラストディスク５１が収納される圧力室５２とを仕切る仕切壁１８との間にラビリンスシール２３が設けられ、後側ベアリング軸２２の外周面には、主端部壁５ａとの間にラビリンスシール２４が設けられる。
ここで、インロー嵌合とは、互いに嵌合する２つの部材の嵌合部において、一方の嵌合部の外径と他方の嵌合部の内径とがほぼ等しい嵌合を意味する。
【００２５】
締結部材３０は、テンション軸３１と、いずれもテンション軸３１に設けられてインペラ１０、前側ベアリング軸２１、ロータ８、後側ベアリング軸２１およびスペーサ２５を軸方向で締め付ける前側締付部３２および後側締付部３３とを備える。締結部材３０の前端部を構成すると共にインペラ１０に当接して後方に押圧する前側締付部３２は、テンション軸３１と一体成形される。それゆえ、テンション軸３１と前側締付部３２とは、前側締付部３２を頭部とし、テンション軸３１を軸部とするボルトを構成する。後側締付部３３は、テンション軸３１に設けられたネジ部３１ｎに螺合することでテンション軸３１と一体に設けられたネジ部材であるナットにより構成される。それゆえ、後側締付部３３は、テンション軸３１に対して着脱可能である。
締結部材３０は、インペラ１０とロータ８と両ベアリング軸２１，２２とスペーサ２５とを軸方向に締め付けて一体化する。そして、前側締付部３２はインペラ１０を後方に押圧し、後側締付部３３は後側ベアリング軸２２を前方に押圧する。
【００２６】
テンション軸３１は、後方に向かって、インペラ１０に挿入されているインペラ挿入部３１ａと、前側ベアリング軸２１に挿入されている前側ベアリング軸挿入部３１ｂと、ロータ８に挿入されているロータ挿入部３１ｃと、後側ベアリング軸２２に挿入されている後側ベアリング軸挿入部３１ｄと、ネジ部３１ｎが設けられた後軸端部３１ｅとを有する。
【００２７】
インペラ挿入部３１ａおよび前側ベアリング軸挿入部３１ｂの外径は、ロータ挿入部３１ｃおよび後側ベアリング軸挿入部３１ｄおよび後軸端部３１ｅの外径よりも大きい。そして、テンション軸３１は、前側締付部３２から後方に向かうにつれて、その外径が大径にならない形状、すなわち外径が小径になるかまたは等しい径となる形状になっている。
前側ベアリング軸挿入部３１ｂは、その被支持部３１ｂ１において内向きフランジ部２１ｂに支持され、後側ベアリング軸挿入部３１ｄは、その被支持部３１ｄ１において内向きフランジ部２２ｂに支持される。
【００２８】
図１，図２を参照すると、主内部空間６ａ内に配置される軸受装置４０は、前側ベアリング軸２１を回転可能に支持する軸受である前側ラジアル軸受４１（図２も参照）と、後側ベアリング軸２２を回転可能に支持する軸受である後側ラジアル軸受４６とを備える。各ラジアル軸受４１，４６は、主内部空間６ａ内に収納される軸受保持部材である環状の軸受保持プレート４２，４７と、軸受保持プレート４２，４７の内周面にベアリング軸２１，２２と径方向で対向して配置されるフォイル軸受４３，４８とから構成される。
【００２９】
前側軸受保持プレート４２は、ボルト（図示されず）により仕切壁１８に結合されて設けられる。仕切壁１８は、ボルトＢ２により外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１に結合されて設けられる。また、後側軸受保持プレート４７は、ボルトＢ３により主端部壁５ａに結合されて設けられる。
フォイル軸受４３，４８は周知のものであり、該フォイル軸受４３，４８により、回転軸２０の回転により前側ベアリング軸２１とフォイル軸受４３との間および後側ベアリング軸２２とフォイル軸受４８との間に、それぞれベアリング軸２１，２２を囲んで円環状の空気膜が形成され、該空気膜によりベアリング軸２１，２２が浮動状体で回転する。
【００３０】
図２，図３を参照すると、スラストキャンセラ機構５０は、軸方向でインペラ１０とロータ８との間において回転軸２０の前側ベアリング軸２１に設けられたスラストディスク５１と、スラストディスク５１が収納される円環状の圧力室５２を前側ベアリング軸２１と協働して形成する圧力室壁５３と、スクロール流路１５の圧力を圧力室５２に導く圧力通路５４を形成する配管５６を有する通路形成部材と、圧力通路５４に設けられる圧力調整部としてのオリフィスである固定オリフィス５５とを備える。
【００３１】
図３を参照すると、圧力室壁５３は、仕切壁１８の一部である高圧室壁５３ａと、前側軸受保持プレート４２の一部である低圧室壁５３ｂと、仕切壁１８の一部である外周室壁５３ｃとから構成される。高圧室壁５３ａおよび低圧室壁５３ｂは、圧力室壁５３において、可動室壁であるスラストディスク５１を挟んで軸方向で互いに対向して配置される軸方向室壁である。したがって、スラストディスク５１は、軸方向で、インペラ１０と、ロータ８（図２参照）の前方に位置する軸受保持プレート４２との間に配置される。
【００３２】
円形外周部を有するフランジ部として前側ベアリング軸２１に一体成形により形成されたスラストディスク５１は、圧力室５２を、スラストディスク５１に対して、インペラ１０側に位置する高圧室５２ａと、ロータ８側に位置する低圧室５２ｂとに、軸方向で区画する。高圧室壁５３ａと外周室壁５３ｃとにより形成される高圧室５２ａ内には、インペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路５４を通じて導かれる。一方、低圧室５２ｂは、低圧室壁５３ｂと外周室壁５３ｃとにより形成される。
【００３３】
図１を併せて参照すると、キャンセルスラスト力Ｆｂは、高圧室５２ａの圧力と低圧室５２ｂの圧力との差圧により発生し、回転軸２０およびインペラ１０は、スラスト力Ｆａおよびキャンセルスラスト力Ｆｂの大きさに応じて、軸方向に移動可能である。
このキャンセルスラスト力Ｆｂは、この実施形態では、スラスト力Ｆａとほぼ釣り合うまでに該スラスト力Ｆａを減少させ、電動圧縮機１の作動中に、スラストディスク５１を高圧室壁５３ａからキャンセルスラスト力Ｆｂの方向に離隔させて、該高圧室壁５３ａとの間に軸方向空隙が形成されるような大きさに設定される。このため、電動圧縮機１には、前記スラスト力Ｆａを受け止めるためのスラスト軸受が設けられていない。
【００３４】
また、径方向でスラストディスク５１の外周部５１ｃと外周室壁５３ｃとの間には、微小な径方向空隙が形成され、所要のキャンセルスラスト力Ｆｂが得られる範囲で、高圧室５２ａ内の空気が該径方向空隙を通じて低圧室５２ｂ内に流出する。
そして、低圧室５２ｂ内の気体は、前側軸受保持プレート４２と前端壁４ａ１または前側ベアリング軸２１との微小な空隙から低圧室５２ｂよりも低い圧力になっている低圧空間としての主内部空間６ａに流出する。
【００３５】
圧力通路５４を形成する前記通路形成部材は、後部ハウジング３ｂの一部である後壁３ｂ１と仕切壁１８の外周部とに接続される配管５６と、圧力通路５４を構成する孔５７が設けられた仕切壁１８とから構成される。圧力通路５４は、スクロール流路１５において軸方向で最もロータ８に近い部位に開口する取出口５４ａと、高圧室５２ａに開口する出口５４ｂとを有する。
固定オリフィス５５により、スクロール流路１５での加圧空気の圧力室５２への流入量が調整されて、高圧室５２ａの圧力がほぼ設定値に維持される。
また、低圧室５２ｂ内において、低圧室壁５３ｂには、スラストディスク５１との間に空気膜の形成が可能なスラスト用のフォイル軸受５８が設けられる。
【００３６】
図２に示されるように、インペラ１０、両ベアリング軸２１，２２、ロータ８、仕切壁１８、前側ラジアル軸受４１、スペーサ２５、回転位置センサ６０の被検出部６２および該被検出部６２を固定する固定具であるナット６３は、ハウジング２に組み付けられる前に、テンション軸３１を含む締結部材３０により互いに予め組み付けられて一体化されたモジュールＭを構成する。
【００３７】
図１を併せて参照すると、１つの部材としてのモジュールＭは、インペラハウジング３および端部ハウジング５が組み付けられる前のモータハウジング４に前方から挿入されて、仕切壁１８が外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１にボルトＢ２により結合されて、ハウジング２の所定位置に取り付けられる。
その後、後側ラジアル軸受４６が結合された主端部壁５ａが、後方から後側ベアリング軸２２に挿入されて、モータハウジング４にボルトＢ４により結合され、次いで、回転位置センサ６０の検出部６１が主端部壁５ａに取り付けられる。
その後、副端部壁５ｂが主端部壁５ａにボルトＢ５により結合されて、次いで配管５６が気密に後壁３ｂ１に挿入されるように、インペラハウジング３が外側ハウジング４ａの前端壁４ａ１に結合されて、電動圧縮機１が組み立てられる。
【００３８】
図１，図３を参照して、電動圧縮機１の作動について説明する。
電動機用制御装置（図示されず）により制御された相電流がステータ９の各巻線に供給されて、電動機７が回転し、該電動機７により回転駆動されるインペラ１０が入口流路１２から吸入した空気を圧縮する。インペラ１０により圧縮された加圧空気は、燃料電池システムの酸化剤ガス供給系統を経てカソード側電極に供給される。
そして、スラストキャンセラ機構５０においては、スクロール流路１５を流れる加圧空気の一部が圧力通路５４を通じて、そして固定オリフィス５５により流量調整された後に、高圧室５２ａに供給される。これにより、スラストディスク５１には、スラスト力Ｆａとほぼ釣り合うキャンセルスラスト力Ｆｂが作用し、スラストディスク５１と高圧室壁５３ａとの間に軸方向空隙が形成された状態で、回転軸２０およびインペラ１０が軸方向でほぼ同じ位置に維持される。
【００３９】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
電動圧縮機１において、インペラ１０の回転に起因して回転軸２０に作用するスラスト力Ｆａを減少させるキャンセルスラスト力Ｆｂが作用するスラストキャンセラ機構５０は、インペラ１０とロータ８との間において回転軸２０に設けられたスラストディスク５１と、スラストディスク５１が収納される圧力室５２を形成する圧力室壁５３とを備え、スラストディスク５１は、圧力室５２をインペラ１０側に位置する高圧室５２ａとロータ８側に位置する低圧室５２ｂとに区画し、高圧室５２ａ内にはインペラ１０により圧縮された加圧空気が圧力通路５４を通じて導かれ、キャンセルスラスト力Ｆｂは、高圧室５２ａの圧力と低圧室５２ｂの圧力との差圧により発生し、スラストディスク５１を圧力室壁５３の高圧室壁５３ａからキャンセルスラスト力Ｆｂの方向に離隔させる。
この構造により、スラストディスク５１が軸方向でインペラ１０と電動機７のロータ８との間のスペースを利用して配置されること、さらにキャンセルスラスト力Ｆｂにより、スラストディスク５１を圧力室壁５３からキャンセルスラスト力Ｆｂの方向に離隔させることにより、スラスト軸受が省略されて不要になることから、軸方向で電動圧縮機１を小型化できる。さらに、スラストディスク５１のこの配置により、高圧室５２ａが軸方向でロータ８よりもインペラ１０の近くに位置することから、該高圧室５２ａに加圧空気を導く圧力通路５４の通路長を短くできるので、圧力通路５４での加圧空気の圧力損失を減少できる。この結果、圧力損失が減少する分、高圧の加圧空気を高圧室５２ａに供給できるので、所要のキャンセルスラスト力Ｆｂを得るために、圧力損失が大きい場合に比べて、スラストディスク５１の小型化が可能になり、電動圧縮機１を小型・軽量化できる。
【００４０】
圧力通路５４は、インペラ１０により圧縮された空気が流れるスクロール流路１５において、軸方向で最もロータ８に近い部位に、加圧空気の取出口５４ａを有し、圧力通路５４の全体は、径方向で取出口５４ａと高圧室５２ａとの間に位置し、軸方向でインペラ１０とスラストディスク５１との間に位置することにより、圧力通路５４の通路長が短くなる。この結果、圧力通路５４での加圧流体の圧力損失を減少できて、スラストディスク５１の小型化が可能になる。
【００４１】
圧力通路５４には、加圧空気の圧力を調整する圧力調整部である固定オリフィス５５が設けられることにより、該固定オリフィス５５により高圧室５２ａに導かれる加圧空気の圧力が調整されるので、加圧空気の圧力が変動する場合にも、キャンセルスラスト力Ｆｂの変動を抑制できて、スラストキャンセラ機構５０の機能を安定化できる。
【００４２】
低圧室５２ｂ内には、圧力室壁５３において低圧室５２ｂを形成する低圧室壁５３ｂにフォイル軸受４３，４８が設けられることにより、加圧空気の圧力変動により、高圧室５２ａの圧力が一時的に高圧になる場合にも、フォイル軸受５８により形成される空気膜によりスラストディスク５１の軸方向移動が規制されるので、スラストディスク５１と圧力室壁５３との接触の発生を防止または抑制できる。
【００４３】
そして、回転バランスを調整した状態のモジュールＭをハウジング２のモータハウジング４に組み付けることにより、回転軸２０をモータハウジング４に組み付ける際にインペラ１０と、回転軸２０のロータ８および両ベアリング軸２１，２２とが分解される場合に比べて、組付後の回転バランスの調整が不要になるので、電動圧縮機１の生産性が向上する。
【００４４】
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
図３に二点鎖線で示されるように、低圧室５２ｂの空気をハウジング２の主内部空間６，６ａ，６ｂに逃がすリーク通路５９が、仕切壁１８の後面に設けられた溝により形成されてもよい。このリーク通路５９は、仕切壁１８と前側軸受保持プレート４２と仕切壁１８との対向面に形成され、リーク通路５９を流れる空気は、一部分が前端壁４ａ１と前側軸受保持プレート４２との間の空隙を通って主内部空間６ａに流出し、残りの部分が後部ハウジング３ｂおよび前端壁４ａ１の間で主内部空間６ａに流出する。
この構造により、これによれば、低圧室５２ｂの気体がリーク通路５９を通じて流出することから、低圧室５２ｂの圧力を低下させることが容易になり、スラスト力Ｆａを減少させる大きさのキャンセルスラスト力Ｆｂの形成が容易になる。
【００４５】
低圧室５２ｂ内に配置されるスラスト用のフォイル軸受５８は、低圧室壁５３ｂに設けられたが、低圧室壁５３ｂの代わりに、スラストディスク５１における該低圧室壁５３ｂと軸方向で対向する側に設けられてもよく、また低圧室壁５３ｂおよびスラストディスク５１の両方に設けられてもよい。この場合にも、前記実施形態と同様の作用効果が奏される。
電動圧縮機１が、高圧室５２ａの圧力を検出する圧力センサと、該圧力センサにより検出された圧力に基づいてオリフィスの径を調整するアクチュエータを制御する制御部とを備える制御装置を備え、圧力調整部が、該アクチュエータにオリフィスの径が調整される可変オリフィスにより構成されてもよい。
キャンセルスラスト力Ｆｂは、スラスト力Ｆａを減少させるものの、スラスト力に比べて小さくてもよい。この場合、高圧室５２ａ内において、高圧室壁５３ａおよびスラストディスク５１の少なくとも一方の、軸方向で互いに対向する部位に、フォイル軸受が設けられて、スラストキャンセラ機構５０がスラスト軸受を兼ねることになる。
燃料電池システムは、車両以外に使用されてもよく、例えば汎用のものであってもよい。また、電動圧縮機１は、燃料電池システム以外の装置に使用されてもよく、また空気以外の気体を圧縮するものであってもよい。
電動圧縮機は、軸流式のインペラを備える軸流式圧縮機であってもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１ 電動圧縮機
２ ハウジング
７ 電動機
８ ロータ
１０ インペラ
１５ スクロール流路
２０ 回転軸
２１，２２ ベアリング軸
３０ 締結部材
３１ テンション軸
５０ スラストキャンセラ機構
５１ スラストディスク
５２ 圧力室
５４ 圧力通路
５５ 固定オリフィス
Ｆａ スラスト力
Ｆｂ キャンセルスラスト力
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機のロータにより回転駆動される回転軸を回転可能に支持するハウジングと、前記回転軸と一体に回転するインペラと、前記インペラの回転に起因して前記回転軸に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力が作用するスラストキャンセラ機構とを備える電動圧縮機において、
前記スラストキャンセラ機構は、軸方向で前記インペラと前記ロータとの間において前記回転軸に設けられたスラストディスクと、前記スラストディスクが収納される圧力室を形成する圧力室壁とを備え、
前記スラストディスクは、前記圧力室を、軸方向で、前記インペラ側に位置する高圧室と前記ロータ側に位置する低圧室とに区画し、
前記高圧室内には、前記インペラにより圧縮された加圧気体が圧力通路を通じて導かれ、
前記キャンセルスラスト力は、前記高圧室の圧力と前記低圧室の圧力との差圧により発生することを特徴とする電動圧縮機。
【請求項２】
請求項１記載の電動圧縮機であって、
前記圧力通路は、前記加圧流体が流れるスクロール流路において、軸方向で最も前記ロータに近い部位に、前記加圧流体の取出口を有し、
前記圧力通路の全体は、径方向で前記取出口と前記高圧室との間に位置し、軸方向で前記インペラと前記スラストディスクとの間に位置することを特徴とする電動圧縮機。
【請求項３】
請求項１または２記載の電動圧縮機であって、
前記圧力通路には、前記加圧気体の圧力を調整する圧力調整部が設けられることを特徴とする電動圧縮機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、
前記低圧室内には、前記圧力室壁において前記低圧室を形成する低圧室壁に、または軸方向で前記低圧室壁と対向する前記スラストディスクに、フォイル軸受が設けられることを特徴とする電動圧縮機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、
前記低圧室の気体を逃がすリーク通路が設けられることを特徴とする電動式圧縮機。
【請求項１】
電動機のロータにより回転駆動される回転軸を回転可能に支持するハウジングと、前記回転軸と一体に回転するインペラと、前記インペラの回転に起因して前記回転軸に作用するスラスト力を減少させるキャンセルスラスト力が作用するスラストキャンセラ機構とを備える電動圧縮機において、
前記スラストキャンセラ機構は、軸方向で前記インペラと前記ロータとの間において前記回転軸に設けられたスラストディスクと、前記スラストディスクが収納される圧力室を形成する圧力室壁とを備え、
前記スラストディスクは、前記圧力室を、軸方向で、前記インペラ側に位置する高圧室と前記ロータ側に位置する低圧室とに区画し、
前記高圧室内には、前記インペラにより圧縮された加圧気体が圧力通路を通じて導かれ、
前記キャンセルスラスト力は、前記高圧室の圧力と前記低圧室の圧力との差圧により発生することを特徴とする電動圧縮機。
【請求項２】
請求項１記載の電動圧縮機であって、
前記圧力通路は、前記加圧流体が流れるスクロール流路において、軸方向で最も前記ロータに近い部位に、前記加圧流体の取出口を有し、
前記圧力通路の全体は、径方向で前記取出口と前記高圧室との間に位置し、軸方向で前記インペラと前記スラストディスクとの間に位置することを特徴とする電動圧縮機。
【請求項３】
請求項１または２記載の電動圧縮機であって、
前記圧力通路には、前記加圧気体の圧力を調整する圧力調整部が設けられることを特徴とする電動圧縮機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、
前記低圧室内には、前記圧力室壁において前記低圧室を形成する低圧室壁に、または軸方向で前記低圧室壁と対向する前記スラストディスクに、フォイル軸受が設けられることを特徴とする電動圧縮機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項記載の電動圧縮機であって、
前記低圧室の気体を逃がすリーク通路が設けられることを特徴とする電動式圧縮機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−２０２６４１（Ｐ２０１１−２０２６４１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７３２８９（Ｐ２０１０−７３２８９）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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