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JP2019090370A - Electric compressor - Google Patents

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JP2019090370A
JP2019090370A JP2017219646A JP2017219646A JP2019090370A JP 2019090370 A JP2019090370 A JP 2019090370A JP 2017219646 A JP2017219646 A JP 2017219646A JP 2017219646 A JP2017219646 A JP 2017219646A JP 2019090370 A JP2019090370 A JP 2019090370A
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治雄 岩野
直紀 松澤
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直紀 松澤
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Abstract

【課題】電動モータ3に作用する軸方向スラスト荷重を低減し、構成を簡素化する。【解決手段】電動コンプレッサは、一対の遠心式コンプレッサ1,2と、中央部の電動モータ3と、中央に単一の吐出ポート5を有する略U字形状の出口管4と、を備える。電動モータ3の回転軸17の両端部にインペラ21,22がそれぞれ固定されており、コンプレッサハウジング7,8と組み合わされている。一対の遠心式コンプレッサ1,2は、中央の対称面Pを挟んで互いに対称に構成されており、各々で生じる軸方向スラスト荷重が回転軸17に逆方向に作用するので、互いに相殺される。【選択図】図2An axial thrust load acting on an electric motor 3 is reduced, and the configuration is simplified. The electric compressor includes a pair of centrifugal compressors (1, 2), an electric motor (3) at a central portion, and a substantially U-shaped outlet pipe (4) having a single discharge port (5) at the center. Impellers 21 and 22 are fixed to both ends of the rotating shaft 17 of the electric motor 3, respectively, and are combined with the compressor housings 7 and 8. The pair of centrifugal compressors 1 and 2 are configured symmetrically with respect to each other with the central symmetry plane P interposed therebetween. The axial thrust loads generated in the respective centrifugal compressors 1 and 2 act on the rotating shaft 17 in the opposite direction, and therefore cancel each other. [Selection diagram] FIG.

Description

この発明は、エアコンプレッサ等として用いられる電動コンプレッサ、特に遠心式の電動コンプレッサに関する。   The present invention relates to an electric compressor used as an air compressor or the like, and more particularly to a centrifugal electric compressor.

例えば、電気自動車の一形態として、燃料電池スタックを搭載し、この燃料電池スタックで発電した電力によって走行を行うようにしたいわゆる燃料電池自動車が知られている。このような自動車用の燃料電池スタックでは、酸化剤として酸素を含む空気が用いられるのが一般的であり、車両に搭載したエアコンプレッサによって比較的多量の圧縮空気を燃料電池スタックへ供給する構成となっている。   For example, a so-called fuel cell vehicle is known which is equipped with a fuel cell stack and travels with the power generated by the fuel cell stack as one form of the electric vehicle. In such a fuel cell stack for vehicles, air containing oxygen is generally used as an oxidant, and a relatively large amount of compressed air is supplied to the fuel cell stack by an air compressor mounted on the vehicle. It has become.

特許文献1には、このような燃料電池スタック用エアコンプレッサとして、遠心式コンプレッサのインペラを電動モータの回転軸の一端部に取り付け、電動モータによって直接にインペラを回転駆動するようにした遠心式電動コンプレッサが開示されている。そして、電動モータの回転軸の他端部には、インペラによって回転軸に作用する軸方向スラスト力を緩和するために、加圧空気の圧力を受けるキャンセラディスクが取り付けられている。   Patent Document 1 discloses a centrifugal electric motor in which an impeller of a centrifugal compressor is attached to one end of a rotating shaft of an electric motor as such an air compressor for a fuel cell stack, and the impeller is directly driven to rotate by the electric motor. A compressor is disclosed. A canceller disk that receives the pressure of pressurized air is attached to the other end of the rotary shaft of the electric motor in order to reduce an axial thrust force exerted on the rotary shaft by the impeller.

特開2011−214523号公報JP, 2011-214523, A

遠心式コンプレッサは軸方向に吸入したガス(例えば空気)をインペラの回転によって遠心方向へ送る構成であるため、特許文献1にも開示されているように、インペラに加わる反力として軸方向スラスト荷重が発生する。従って、電動モータの回転軸にインペラを取り付けた構成では、電動モータに軸方向スラスト荷重が作用し、好ましくない。   Since the centrifugal compressor is configured to feed axially drawn gas (for example, air) in the centrifugal direction by rotation of the impeller, as disclosed in Patent Document 1, axial thrust load as reaction force applied to the impeller Occurs. Therefore, in the configuration in which the impeller is attached to the rotary shaft of the electric motor, axial thrust load acts on the electric motor, which is not preferable.

特許文献1では、軸方向スラスト荷重の緩和のために加圧空気の圧力を利用したキャンセラ機構を回転軸の他端部側に設けているが、このような構成では、キャンセラ機構に起因して構成が複雑化し、しかも軸方向スラスト荷重を完全にキャンセルすることは困難である。   In Patent Document 1, the canceller mechanism using the pressure of pressurized air is provided on the other end side of the rotating shaft for the purpose of alleviating axial thrust load, but in such a configuration, it is caused by the canceller mechanism. The construction is complicated and it is difficult to completely cancel the axial thrust load.

また、この種の電動コンプレッサは、回転速度が非常に高く(例えば10万rpm以上)、モータ回転軸を支持する軸受に高い精度ならびに耐久性が必要となるが、燃料電池スタック用エアコンプレッサとして用いる場合には、一般に、オイル潤滑型軸受を用いることができない。つまり、オイル潤滑型軸受を用いると、経時的にオイル成分が燃料電池スタック内に侵入してしまい、好ましくない。そのため、軸方向スラスト荷重の存在は、燃料電池スタック用エアコンプレッサではより大きな課題となる。   In addition, although this type of electric compressor has a very high rotational speed (for example, 100,000 rpm or more), high precision and durability are required for the bearing that supports the motor rotation shaft, but it is used as an air compressor for fuel cell stack In general, oil lubricated bearings can not generally be used. That is, when an oil lubricated bearing is used, the oil component intrudes into the fuel cell stack with time, which is not preferable. Therefore, the presence of the axial thrust load becomes a larger issue in the fuel cell stack air compressor.

さらに、燃料電池自動車では、キーON後、燃料電池スタックが直ちに発電を開始することが必要であり、酸化剤を供給するエアコンプレッサにおいても、電源ON後の速やかな立ち上がりつまり速やかな圧力上昇が要求される。このような要求に対し、特許文献1の構成では、キャンセラディスクを具備することで回転体部分(ロータ)の慣性モーメントがより大きくなり、回転の立ち上がりが悪化する。   Furthermore, in fuel cell vehicles, it is necessary for the fuel cell stack to immediately start power generation after the key is turned on, and even in an air compressor that supplies an oxidant, a rapid rise after power on, that is, a rapid pressure rise is required Be done. With respect to such a demand, in the configuration of Patent Document 1, the inertia moment of the rotating body portion (rotor) becomes larger by providing the canceller disk, and the rising of the rotation is deteriorated.

この発明に係る電動コンプレッサは、
それぞれ中心部に吸入ポートを備えるとともにこの吸入ポートを囲むように環状のディフューザ部ならびにスクロール部を備え、かつ上記吸入ポートが反対方向を向くように対称に配置された一対のコンプレッサハウジングと、
この一対のコンプレッサハウジングの間に位置する電動モータと、
この電動モータの回転軸の両端部にそれぞれ反対方向を向くように対称に取り付けられ、かつそれぞれ上記コンプレッサハウジングと組み合わされて遠心式コンプレッサを構成する一対のインペラと、
上記一対のコンプレッサハウジングのスクロール部の出口を互いに集合させるように略U字形状に延び、かつ中央に単一の吐出ポートを有するとともに、対称に構成された出口管と、
を備えて構成されている。
The electric compressor according to the present invention is
A pair of compressor housings each having a suction port at its central portion and an annular diffuser portion and a scroll portion so as to surround the suction port, and symmetrically disposed such that the suction ports face in opposite directions;
An electric motor located between the pair of compressor housings;
A pair of impellers mounted symmetrically on opposite ends of the rotary shaft of the electric motor so as to face in opposite directions, respectively, and constituting a centrifugal compressor in combination with the compressor housing;
An outlet pipe extending in a substantially U-shape so that the outlets of the scroll portions of the pair of compressor housings are assembled together and having a single discharge port at the center, and configured symmetrically;
It is configured with.

すなわち、電動モータが駆動されると、回転軸の両端部に取り付けられた一対のインペラが回転し、コンプレッサハウジングとともに遠心式コンプレッサとして作用して、それぞれ吸入ポートから吸入したガス(例えば空気)を加圧してスクロール部へと送る。これら2つの遠心式コンプレッサで加圧されたガスは、出口管によって集合し、最終的に単一の吐出ポートから吐出される。   That is, when the electric motor is driven, a pair of impellers attached to both ends of the rotary shaft is rotated and acts as a centrifugal compressor together with the compressor housing to add gas (for example, air) sucked from the suction port. Press to send to the scroll unit. Gases pressurized by these two centrifugal compressors are collected by the outlet pipe and finally discharged from a single discharge port.

ここで、2つのインペラには、それぞれ吸入ポートへ向かう方向への軸方向スラスト荷重が発生するが、これら2つの軸方向スラスト荷重は、互いに反対方向でかつ基本的に同じ大きさのものとなることから、回転軸において互いに相殺される。従って、電動モータがいずれかの方向への軸方向スラスト荷重を受けることがない。   Here, in the two impellers, axial thrust loads in the direction toward the suction port are generated respectively, but these two axial thrust loads are in opposite directions and basically of the same size. Thus, they are mutually offset at the rotation axis. Thus, the electric motor does not receive an axial thrust load in either direction.

また、必要な流量を2つの遠心式コンプレッサによって供給することになるため、個々の遠心式コンプレッサは小容量のものとなる。従って、各々のインペラを小径化でき、一対のインペラを含む回転体の慣性モーメントが小さくなる。これにより、速やかな立ち上がりの上で有利となる。   Also, each centrifugal compressor has a small volume, as the necessary flow rates will be supplied by the two centrifugal compressors. Therefore, the diameter of each impeller can be reduced, and the moment of inertia of the rotating body including the pair of impellers is reduced. This is advantageous on a quick start.

この発明の電動コンプレッサは、例えば、自動車に搭載された燃料電池スタックへ酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサとして好適である。   The electric compressor of the present invention is suitable, for example, as an air compressor for supplying air as an oxidant to a fuel cell stack mounted on a vehicle.

本発明の好ましい一つの態様では、上記一対のインペラは、互いに同一のインペラであり、かつ、各々のインペラの翼の位相が互いに異なるように回転軸に取り付けられている。   In a preferred aspect of the present invention, the pair of impellers are identical to each other, and attached to the rotation shaft such that the blades of each impeller have different phases.

複数の翼を有するインペラが回転する遠心式コンプレッサでは、翼の枚数に応じた回転次数の吐出脈動が生じ、これに伴って騒音が発生する。上記の構成では、2つのインペラの翼の位相が互いに異なることで、各々の吐出脈動のピークがずれた形となり、これらが互いに重なり合うことで、吐出ポートにおける脈動が低減する。ここで、2つの遠心式コンプレッサを連結する出口管は、吐出ポートを中心として対称に構成されているため、各遠心式コンプレッサから吐出ポート(換言すれば合流部)までの管長は互いに等しい。従って、各々の吐出流が脈動の位相がずれた状態で互いに合流する。   In a centrifugal compressor in which an impeller having a plurality of blades rotates, discharge pulsations of a rotation order corresponding to the number of blades occur, and noise is generated accordingly. In the above configuration, the phases of the blades of the two impellers are different from each other, the peaks of the discharge pulsations are shifted, and the pulsations at the discharge port are reduced by overlapping each other. Here, since the outlet pipes connecting the two centrifugal compressors are constructed symmetrically with respect to the discharge port, the pipe lengths from each centrifugal compressor to the discharge port (in other words, the junction) are equal to each other. Therefore, the discharge flows merge with each other in a phase-shifted state of pulsation.

本発明の他の好ましい一つの態様では、上記一対のインペラは、翼の外縁で定まる回転体形状が互いに等しく、かつ、各々の翼の枚数が互いに異なっている。   In another preferred aspect of the present invention, the pair of impellers has the same shape of rotor defined by the outer edge of the wings, and the numbers of the wings are different from each other.

このような構成では、2つの遠心式コンプレッサで生じる吐出脈動の周波数が互いに異なるため、吐出ポートへ向かって2つの吐出流が互いに合流することで、吐出ポートにおける脈動が同様に低減する。なお、翼の枚数の差異により仮に軸方向スラスト荷重が異なるものとなったとしても、その差異はごく僅かである。翼の枚数が異なっていても軸方向スラスト荷重が等しくなるように、各々の翼形状等を設定することが望ましい。   In such a configuration, since the frequencies of the discharge pulsations generated by the two centrifugal compressors are different from each other, the pulsations at the discharge port are similarly reduced by the two discharge streams merging toward the discharge port. Even if the axial thrust load is different due to the difference in the number of blades, the difference is very small. It is desirable to set each wing shape etc. so that axial direction thrust load may become equal, even if the number of blades differs.

また、本発明の一つの実施例では、上記電動モータのステータを収容した円筒状のステータハウジングが上記一対のコンプレッサハウジングの間に取り付けられており、このステータハウジングが、空冷用の冷却フィンもしくは液冷用のウォータジャケットを備えている。これによって、電動モータのステータが冷却される。   In one embodiment of the present invention, a cylindrical stator housing accommodating a stator of the electric motor is mounted between the pair of compressor housings, and the stator housing is a cooling fin or a liquid for air cooling. It has a cold water jacket. This cools the stator of the electric motor.

この発明によれば、一対の遠心式コンプレッサによって各々の軸方向スラスト荷重が相殺され、中央に位置する電動モータが軸方向スラスト荷重を受けることがない。従って、高速回転させるに際して軸受に要求される性能が比較的に低くなる。   According to the present invention, each axial thrust load is offset by the pair of centrifugal compressors, and the central electric motor does not receive the axial thrust load. Therefore, the performance required for the bearing at high speed rotation is relatively low.

また、一対の遠心式コンプレッサを有することで、要求される流量に対してインペラを含む回転体の慣性モーメントが小さくなり、それだけ回転の立ち上がりに優れた特性を得ることができる。   In addition, by having a pair of centrifugal compressors, the moment of inertia of the rotating body including the impeller is reduced with respect to the required flow rate, and it is possible to obtain characteristics excellent for the rising of the rotation.

この発明に係る電動コンプレッサの一実施例を示す斜視図。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an electric compressor according to the present invention. この電動コンプレッサの回転中心を通る断面に沿った断面図。Sectional drawing along the section which passes along the rotation center of this electric compressor. 図2の軸受部分を拡大して示した断面図。Sectional drawing which expanded and showed the bearing part of FIG. インペラの斜視図。FIG. 図2のA−A線に沿った断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG. 第2実施例を示す図2と同様の断面図。Sectional drawing similar to FIG. 2 which shows 2nd Example.

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings.

図1は、この発明に係る電動コンプレッサの一実施例を示す斜視図であり、図2は、この電動コンプレッサの回転中心を通る断面に沿った断面図である。この実施例の電動コンプレッサは、燃料電池自動車に搭載された燃料電池スタックの補機として、酸化剤となる空気を燃料電池スタックへ供給するためのエアコンプレッサとして用いられる。   FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an electric compressor according to the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a section passing through the rotation center of the electric compressor. The electric compressor of this embodiment is used as an accessory of a fuel cell stack mounted on a fuel cell vehicle, and as an air compressor for supplying air serving as an oxidant to the fuel cell stack.

図1および図2に示すように、実施例の電動コンプレッサは、一対の遠心式コンプレッサ1,2と、これら2つの遠心式コンプレッサ1,2の間つまり軸方向の中央部に位置する電動モータ3と、一対の遠心式コンプレッサ1,2の吐出流を互いに合流させて中央の吐出ポート5へと案内する出口管4と、から大略構成されている。すなわち、本体部分のハウジング6としては、それぞれ円盤状をなす一対のコンプレッサハウジング7,8と、これら2つのコンプレッサハウジング7,8の間に位置する略円筒状のステータハウジング9と、を備えている。ステータハウジング9の両端は、それぞれ円板状のエンドプレート10,11を介してコンプレッサハウジング7,8に接続されている。具体的には、ステータハウジング9の端部が複数のボルト12によってエンドプレート10,11の内周寄りに固定されており、エンドプレート10,11の外周側部分が複数のボルト13によってコンプレッサハウジング7,8の外周部に固定されている。2つのコンプレッサハウジング7,8は、電動コンプレッサ全体の軸方向の中央を通る対称面P(図2参照)を挟んで互いに対称に構成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electric compressor of the embodiment includes a pair of centrifugal compressors 1 and 2 and an electric motor 3 located between the two centrifugal compressors 1 and 2, that is, in the axial center. And an outlet pipe 4 for bringing the discharge flows of the pair of centrifugal compressors 1 and 2 into one another and guiding them to the central discharge port 5. That is, the housing 6 of the main body portion includes a pair of disk-shaped compressor housings 7 and 8 and a substantially cylindrical stator housing 9 located between the two compressor housings 7 and 8. . Both ends of the stator housing 9 are connected to the compressor housings 7 and 8 via disc-shaped end plates 10 and 11, respectively. Specifically, the end of the stator housing 9 is fixed to the inner periphery of the end plates 10 and 11 by a plurality of bolts 12, and the outer peripheral portion of the end plates 10 and 11 is a compressor housing 7 by a plurality of bolts 13. , 8 are fixed. The two compressor housings 7 and 8 are configured symmetrically with respect to a plane of symmetry P (see FIG. 2) passing through the axial center of the entire electric compressor.

電動モータ3は、ステータハウジング9の内周に嵌合して配置されたステータ15と、一対のエンドプレート10,11にそれぞれ軸受16を介して支持された回転軸17と、回転軸17の外周面に取り付けられた回転子となる永久磁石18と、から構成されている。この電動モータ3は、例えば図示せぬ駆動回路により回転速度を可変制御可能な三相ブラシレスモータとして構成されており、ステータ15は図示せぬステータコイルを備えている。永久磁石18の外周面とステータ15の内周面は、僅かな隙間つまりエアギャップを介して対向している。   The electric motor 3 has a stator 15 fitted on the inner periphery of the stator housing 9, a rotating shaft 17 supported by a pair of end plates 10 and 11 via bearings 16, and an outer periphery of the rotating shaft 17. It is comprised from the permanent magnet 18 used as the rotor attached to the surface. The electric motor 3 is configured as, for example, a three-phase brushless motor whose rotational speed can be variably controlled by a drive circuit (not shown), and the stator 15 is provided with a stator coil (not shown). The outer peripheral surface of the permanent magnet 18 and the inner peripheral surface of the stator 15 face each other via a slight gap, that is, an air gap.

また、軸受16は、図3に詳細を示すように、内輪16aと外輪16bと転動体16cとを含むボールベアリングからなり、エンドプレート10,11の中心部に円筒状に形成した軸受保持部19の内周面に外輪16bが嵌合してエンドプレート10,11にそれぞれ支持されている。また、回転軸17は、内輪16aが嵌合する一対の軸受用軸部17aを有するとともに、この一対の軸受用軸部17aの軸方向内側となる側に僅かに径が拡大したフランジ部17bを有し、このフランジ部17bの端面が内輪16aの端面に近接している。   Further, as shown in detail in FIG. 3, the bearing 16 is a ball bearing including an inner ring 16a, an outer ring 16b, and rolling elements 16c, and a bearing holding portion 19 formed in a cylindrical shape at the center of the end plates 10 and 11. The outer ring 16b is fitted on the inner peripheral surface of the frame and supported by the end plates 10 and 11, respectively. Further, the rotary shaft 17 has a pair of bearing shaft portions 17a to which the inner ring 16a is fitted, and the flange portion 17b whose diameter is slightly enlarged on the inner side in the axial direction of the pair of bearing shaft portions 17a. The end face of the flange portion 17b is close to the end face of the inner ring 16a.

回転軸17は、一対の軸受16を貫通してさらに両側へ延びており、その両端部に一対のインペラ21,22が取り付けられている。詳しくは、インペラ21,22の中心の孔を回転軸17が貫通しており、インペラ21,22から突出した回転軸17先端のねじ部にコーン状のナット23を螺合させることで、インペラ21,22が軸受用軸部17aとナット23との間で締付固定されている。   The rotating shaft 17 penetrates the pair of bearings 16 and further extends to both sides, and a pair of impellers 21 and 22 is attached to both ends thereof. Specifically, the rotary shaft 17 penetrates the central hole of the impellers 21 and 22, and the screw 23 at the tip of the rotary shaft 17 protruding from the impellers 21 and 22 is screwed with the cone-shaped nut 23 to make the impeller 21. , 22 are tightened and fixed between the bearing shaft 17a and the nut 23.

インペラ21,22は、コンプレッサハウジング7,8と組み合わされることで遠心式コンプレッサ1,2を構成している。図4は、一方のコンプレッサハウジング7に対応したインペラ21を単体で示した斜視図であり、軸方向に沿って吸入した空気を半径方向外周側へ送るように螺旋形に捩れたバックワード型の複数枚の翼24を備えている。なお、翼24の外縁で定まる回転体形状としては、インペラ21は、概ね円錐台形をなしている。また図示例では、内径側の翼長を短くしたハーフブレード形の翼24Aと通常の長さの翼24Bとが交互に配置されており、例えば、計12個の翼24を備えている。   The impellers 21 and 22 constitute centrifugal compressors 1 and 2 by being combined with the compressor housings 7 and 8. FIG. 4 is a perspective view showing the impeller 21 corresponding to one compressor housing 7 alone, which is a backward type in which the air taken in along the axial direction is helically twisted so as to send it radially outward. A plurality of wings 24 are provided. In addition, as a rotary-body shape which becomes settled with the outer edge of the wing | blade 24, the impeller 21 has substantially formed the truncated cone shape. Further, in the illustrated example, a half blade type wing 24A whose wing length on the inner diameter side is shortened and a wing 24B of a normal length are alternately arranged, and for example, a total of 12 wings 24 are provided.

他方のコンプレッサハウジング8に対応したインペラ22は、図4のインペラ21と対称の形状をなしている。つまり、インペラ22の翼24の旋回方向が、図4のインペラ21の翼24とは反対方向のものとなっている。このように対称形状である点を除けば、インペラ21とインペラ22は、実質的に同一の形状をなしている。インペラ21,22は、例えばアルミニウム合金等の金属材料の精密鋳造によって形成することができ、その他、硬質合成樹脂によって成形するようにしてもよい。   The impeller 22 corresponding to the other compressor housing 8 has a symmetrical shape with the impeller 21 of FIG. 4. That is, the turning direction of the wing 24 of the impeller 22 is in the opposite direction to the wing 24 of the impeller 21 of FIG. 4. The impeller 21 and the impeller 22 have substantially the same shape except for the symmetrical shape. The impellers 21 and 22 can be formed, for example, by precision casting of a metal material such as an aluminum alloy, or may be formed of a hard synthetic resin.

ここで、一対のインペラ21,22は、上述したように回転軸17の各端部にそれぞれ固定されているが、各々の翼24の位相が互いに異なるように、周方向に互いにずれた形で回転軸17に取り付けられている。例えば、12個の翼24の例では、翼24のピッチが30°となるが、インペラ21とインペラ22とが15°の位相差を有するように回転軸17に固定されている。なお、必要であれば、キーおよびキー溝の組み合わせ等によって各々の角度位置を規定するようにしてもよい。   Here, the pair of impellers 21 and 22 are respectively fixed to the respective end portions of the rotation shaft 17 as described above, but they are mutually offset in the circumferential direction so that the phases of the respective wings 24 are different from each other. It is attached to the rotating shaft 17. For example, in the example of the twelve wings 24, the pitch of the wings 24 is 30 °, but the impeller 21 and the impeller 22 are fixed to the rotating shaft 17 so as to have a phase difference of 15 °. If necessary, each angular position may be defined by a combination of a key and a key groove.

インペラ21,22は、それぞれ円盤状をなすコンプレッサハウジング7,8の中心部に収容されている。インペラ21,22と組み合わされて遠心式コンプレッサ1,2を構成するコンプレッサハウジング7,8は、中心部に軸方向に沿って円筒状に延びた吸入ポート26を有するとともに、この吸入ポート26を囲むように環状のディフューザ部27ならびにスクロール部28を備えている。スクロール部28は、コンプレッサハウジング7,8の外周部においてインペラ21,22を環状に囲むように形成されており、かつ図5に示すように、インペラ21,22の回転方向に沿って徐々に断面積が拡大するように形成されている。ディフューザ部27は、インペラ21,22外周部からスクロール部28へ至る流路を、回転軸17と直交する2つの平行な壁面によって形成したいわゆるベーンレス型ディフューザとして構成されている。   The impellers 21 and 22 are accommodated in central portions of disk-shaped compressor housings 7 and 8, respectively. The compressor housings 7 and 8 constituting the centrifugal compressors 1 and 2 in combination with the impellers 21 and 22 have a cylindrically extending suction port 26 along the axial direction at the central portion and surround the suction port 26 As such, an annular diffuser portion 27 and a scroll portion 28 are provided. The scroll portion 28 is formed to annularly surround the impellers 21 and 22 at the outer peripheral portions of the compressor housings 7 and 8 and is gradually broken along the rotational direction of the impellers 21 and 22 as shown in FIG. It is formed to expand the area. The diffuser portion 27 is configured as a so-called vaneless diffuser in which a flow path extending from the outer peripheral portions of the impellers 21 and 22 to the scroll portion 28 is formed by two parallel wall surfaces orthogonal to the rotating shaft 17.

前述したように、2つのコンプレッサハウジング7,8は、電動コンプレッサ全体の軸方向の中央を通る対称面Pを挟んで互いに対称に構成されている。従って、各々の吸入ポート26は、回転軸17の軸方向に沿って互いに反対方向を向いている。この吸入ポート26は、図示せぬ配管およびエアクリーナを介して大気に開放されている。2つのコンプレッサハウジング7,8は対称面Pを挟んで互いに対称であることから、回転方向に沿って徐々に断面積が拡大するスクロール部28の回転方向の始点28a(図5参照)は、同一の角度位置にある。   As described above, the two compressor housings 7 and 8 are configured symmetrically with respect to the plane of symmetry P passing through the axial center of the entire electric compressor. Thus, the suction ports 26 face in opposite directions along the axial direction of the rotation shaft 17. The suction port 26 is open to the atmosphere via a piping and an air cleaner (not shown). Since the two compressor housings 7 and 8 are symmetrical with respect to the plane of symmetry P, the starting point 28a (see FIG. 5) in the rotational direction of the scroll portion 28 whose sectional area gradually expands along the rotational direction is the same. In angular position.

また、スクロール部28は、始点28aからほぼ360°回転した位置で接線方向に延びており、最も断面積の大きな出口28bに至る。そして、一対の出口28bに、略U字形をなす出口管4の両端部4aが接続されている。   Further, the scroll portion 28 extends tangentially at a position rotated approximately 360 ° from the starting point 28a, and reaches the outlet 28b having the largest cross-sectional area. The both ends 4a of the substantially U-shaped outlet pipe 4 are connected to the pair of outlets 28b.

出口管4は、前述したように、中央に単一の吐出ポート5を備えている。この吐出ポート5は、図示せぬ配管を介して燃料電池スタックに接続されている。出口管4は、電動コンプレッサ全体の軸方向の中央を通る対称面Pを挟んで互いに対称に構成されている。従って、2つの遠心式コンプレッサ1,2について、スクロール部28の出口28bないし始点28aから吐出ポート5に至る管長は、互いに等しい。図5に示すように、出口管4は、2つのスクロール部28の出口28bへ向かう接線を含む平面に沿っている。   The outlet pipe 4 is provided with a single discharge port 5 at the center as described above. The discharge port 5 is connected to the fuel cell stack via a pipe (not shown). The outlet pipes 4 are constructed symmetrically with respect to a plane of symmetry P passing through the axial center of the entire electric compressor. Accordingly, for the two centrifugal compressors 1 and 2, the pipe lengths from the outlet 28b of the scroll portion 28 to the discharge port 5 from the start point 28a to the discharge port 5 are equal to each other. As shown in FIG. 5, the outlet pipe 4 is along a plane including a tangent line toward the outlet 28 b of the two scrolls 28.

電動モータ3を収容するハウジングとなる円筒状のステータハウジング9は、外気による冷却つまり外気への放熱を促進するための冷却フィン30を外周面に備えている。冷却フィン30は、周方向に環状に延びており、かつ軸方向に複数並んで形成されている。この冷却フィン30によって、電動モータ3とりわけステータ15が効果的に冷却される。   The cylindrical stator housing 9 serving as a housing for housing the electric motor 3 has cooling fins 30 on the outer peripheral surface for promoting cooling by the outside air, that is, heat dissipation to the outside air. The cooling fins 30 annularly extend in the circumferential direction, and are formed in a plurality in the axial direction. The cooling fins 30 effectively cool the electric motor 3, particularly the stator 15.

上記のように構成された実施例の電動コンプレッサは、基本的に同一の構成を有する一対の遠心式コンプレッサ1,2が対称に配置されており、これら2つの遠心式コンプレッサ1,2を中央の電動モータ3が回転駆動することとなる。ここで、個々の遠心式コンプレッサ1,2では、インペラ21,22の回転に伴い該インペラ21,22を吸入ポート26側へ引き寄せる方向の軸方向スラスト荷重が発生する。しかし、一対の遠心式コンプレッサ1,2が対称に配置されている結果、各々の軸方向スラスト荷重が回転軸17に反対方向に作用し、互いに打ち消し合う。そのため、電動モータ3の回転子と一体となった回転軸17には、基本的に軸方向スラスト荷重が作用しない。従って、大きな軸方向スラスト荷重に対する考慮が不要であり、軸受16を含めて構成が簡素となる。図示例では、軸受16として、比較的小さな軸方向スラスト荷重の支承が可能な一般的なボールベアリングが用いられており、格別なスラスト軸受は具備していない。ボールベアリングからなる軸受16は、オイル潤滑型ではなく、従って、燃料電池スタックへオイル成分が吸入されてしまうという懸念がない。なお、インペラ21,22つまり電動モータ3は、例えば数万rpm以上の回転速度でもって高速回転する。   In the electric compressor of the embodiment configured as described above, a pair of centrifugal compressors 1 and 2 having basically the same configuration are symmetrically arranged, and these two centrifugal compressors 1 and 2 The electric motor 3 is rotationally driven. Here, in each of the centrifugal compressors 1 and 2, an axial thrust load in a direction to draw the impellers 21 and 22 toward the suction port 26 is generated as the impellers 21 and 22 rotate. However, as a result of the symmetrical arrangement of the pair of centrifugal compressors 1, 2, the axial thrust loads act on the rotating shaft 17 in opposite directions and cancel each other. Therefore, no axial thrust load basically acts on the rotating shaft 17 integrated with the rotor of the electric motor 3. Therefore, no consideration for a large axial thrust load is required, and the structure including the bearing 16 is simplified. In the illustrated example, a general ball bearing capable of bearing a relatively small axial thrust load is used as the bearing 16, and no special thrust bearing is provided. The bearing 16 consisting of a ball bearing is not oil lubricated, so there is no concern that the oil component will be sucked into the fuel cell stack. The impellers 21 and 22, that is, the electric motor 3 rotate at a high speed at a rotational speed of, for example, several tens of thousands of rpm.

2つの遠心式コンプレッサ1,2から吐出された吐出流は、互いに集合した上で吐出ポート5から燃料電池スタックへ供給される。従って、個々の遠心式コンプレッサ1,2の容量ひいてはインペラ21,22の径が、必要な空気流量に比較して小型のものとなり、回転軸17および一対のインペラ21,22を含む回転体の慣性モーメントが小さくなる。従って、回転の立ち上がりが速くなり、例えば燃料電池自動車の運転開始時に、酸化剤となる圧縮空気を燃料電池スタックへ速やかに供給することが可能となる。   The discharge flows discharged from the two centrifugal compressors 1 and 2 are gathered together and supplied from the discharge port 5 to the fuel cell stack. Therefore, the capacities of the individual centrifugal compressors 1, 2 and hence the diameters of the impellers 21, 22 become smaller compared to the required air flow, and the inertia of the rotating body including the rotating shaft 17 and the pair of impellers 21, 22 The moment becomes smaller. Therefore, the start of the rotation becomes faster, and it becomes possible to quickly supply the fuel cell stack with compressed air serving as an oxidant, for example, at the start of operation of the fuel cell vehicle.

また、個々の遠心式コンプレッサ1,2では、インペラ21,22の翼24の枚数に応じた回転次数の吐出脈動が生じるが、2つのインペラ21,22を例えば半ピッチ分だけずらして回転軸17に取り付けることで、各々の吐出脈動の位相が異なるものとなる。そして、これら2つの脈動成分が出口管4を介して合流する結果、吐出ポート5から得られる流れに含まれる脈動が小さなものとなる。   Further, in each of the centrifugal compressors 1 and 2, discharge pulsation of the rotation order corresponding to the number of the blades 24 of the impellers 21 and 22 occurs, but the two impellers 21 and 22 are shifted by a half pitch, for example. By attaching them to each other, the phases of the discharge pulsations become different. Then, as a result of the two pulsation components joining via the outlet pipe 4, the pulsation contained in the flow obtained from the discharge port 5 becomes small.

ここで、他の実施例として、吐出脈動の低減のために、2つのインペラ21,22の翼24の枚数を異ならせるようにしてもよい。例えば、インペラ21は上述したように12個の翼24を有し、これに対し、インペラ22は10個の翼24を有する。なお、ハーフブレード形の翼24Aと通常の長さの翼24Bとを交互に配置する場合には、翼24の総数は偶数となる。翼24の外縁で定まるインペラの回転体形状としては、必ずしも両者を同一とする必要はないが、一つの実施例では、コンプレッサハウジング7,8を含む構成の複雑化を回避するために、インペラ21,22の回転体形状は互いに等しい。つまり、翼24の枚数のみが異なっている。   Here, as another embodiment, the number of blades 24 of the two impellers 21 and 22 may be made different in order to reduce discharge pulsation. For example, impeller 21 has twelve wings 24 as described above, while impeller 22 has ten wings 24. When the half blade type wings 24A and the wings 24B of normal length are alternately arranged, the total number of wings 24 is even. The shape of the rotor of the impeller, which is determined by the outer edge of the wing 24, does not have to be the same. However, in one embodiment, the impeller 21 is used to avoid complication of the configuration including the compressor housings 7 and 8. , 22 are equal to one another. That is, only the number of wings 24 is different.

このように翼24の枚数を異ならせれば、2つの遠心式コンプレッサ1,2の吐出脈動の次数ないし周波数が互いに異なるものとなるので、両者が集合した吐出ポート5における脈動の振幅が小さくなる。   As described above, if the number of blades 24 is different, the order or frequency of the discharge pulsations of the two centrifugal compressors 1 and 2 will be different from each other, so the amplitude of the pulsation in the discharge port 5 where the two are gathered decreases.

ここで、翼24の枚数が異なると、遠心式コンプレッサ1,2の吐出容量が変化し、各々で生じる軸方向スラスト荷重が異なる可能性があるが、この場合でも、両者の軸方向スラスト荷重の差は僅かであり、軸方向スラスト荷重の大部分は相殺され得る。なお、適当な定格回転速度において両者の軸方向スラスト荷重が互いに等しくなるように各々の翼24の形状等を設計するようにしてもよい。   Here, if the number of blades 24 is different, the displacements of the centrifugal compressors 1 and 2 may change, and the axial thrust loads generated in each may be different. The difference is slight and most of the axial thrust load can be offset. The shapes and the like of the respective wings 24 may be designed so that the axial thrust loads of the two are equal to each other at an appropriate rated rotational speed.

次に、図6は、本発明の電動コンプレッサの第2実施例を示している。この実施例は、前述した冷却フィン30に代えてステータハウジング9に液冷用のウォータジャケット31を設けたものである。ウォータジャケット31は、例えば円筒状のステータハウジング9の内部に螺旋状の通路として形成されており、図示せぬ冷却水ポンプや熱交換器を含む冷却水循環系に接続されることで冷却水が通流する。この第2実施例の構成によれば、電動モータ3とりわけステータ15がより確実に冷却される。   Next, FIG. 6 shows a second embodiment of the electric compressor of the present invention. In this embodiment, a water jacket 31 for liquid cooling is provided on the stator housing 9 in place of the cooling fins 30 described above. The water jacket 31 is formed as, for example, a spiral passage inside the cylindrical stator housing 9, and is connected to a cooling water circulation system including a cooling water pump and a heat exchanger (not shown) to pass the cooling water. Flow. According to the configuration of the second embodiment, the electric motor 3 and particularly the stator 15 can be cooled more reliably.

以上、この発明を燃料電池スタック用のエアコンプレッサとして適用した一実施例を説明したが、この発明は、他の用途のコンプレッサとして適用することも可能である。   As mentioned above, although one Example which applied this invention as an air compressor for fuel cell stacks was described, it is also possible to apply this invention as a compressor of other uses.

なお、上記実施例ではスクロール部28の出口28bが互いに対称となる位置つまり同一の回転位置に配置されているが、本発明はこれに限定されるものではない。図示は省略するが、2つの遠心式コンプレッサ1,2のスクロール部28の出口28bを例えば互いに180°離れた位置に配置し、両者を略U字形状の出口管で集合させた構成とすることもできる。この場合には、出口管は上記実施例のような面対称ではなく回転対称形状となり得る。   In the above embodiment, the outlets 28b of the scroll portion 28 are disposed at symmetrical positions, that is, at the same rotational position, but the present invention is not limited to this. Although not shown, the outlets 28b of the scrolls 28 of the two centrifugal compressors 1 and 2 are disposed at positions separated by, for example, 180 ° from each other, and the two are combined by a substantially U-shaped outlet pipe. You can also. In this case, the outlet pipe may have a rotationally symmetrical shape instead of the plane symmetry as in the above embodiment.

1,2…遠心式コンプレッサ
3…電動モータ
4…出口管
5…吐出ポート
7,8…コンプレッサハウジング
9…ステータハウジング
15…ステータ
16…軸受
17…回転軸
18…永久磁石
21,22…インペラ
26…吸入ポート
27…ディフューザ部
28…スクロール部
1, 2 ... centrifugal compressor 3 ... electric motor 4 ... outlet pipe 5 ... discharge port 7, 8 ... compressor housing 9 ... stator housing 15 ... stator 16 ... bearing 17 ... rotating shaft 18 ... permanent magnet 21, 22 ... impeller 26 ... Intake port 27 ... diffuser part 28 ... scroll part

Claims (5)

それぞれ中心部に吸入ポートを備えるとともにこの吸入ポートを囲むように環状のディフューザ部ならびにスクロール部を備え、かつ上記吸入ポートが反対方向を向くように対称に配置された一対のコンプレッサハウジングと、
この一対のコンプレッサハウジングの間に位置する電動モータと、
この電動モータの回転軸の両端部にそれぞれ反対方向を向くように対称に取り付けられ、かつそれぞれ上記コンプレッサハウジングと組み合わされて遠心式コンプレッサを構成する一対のインペラと、
上記一対のコンプレッサハウジングのスクロール部の出口を互いに集合させるように略U字形状に延び、かつ中央に単一の吐出ポートを有するとともに、対称に構成された出口管と、
を備えてなる電動コンプレッサ。
A pair of compressor housings each having a suction port at its central portion and an annular diffuser portion and a scroll portion so as to surround the suction port, and symmetrically disposed such that the suction ports face in opposite directions;
An electric motor located between the pair of compressor housings;
A pair of impellers mounted symmetrically on opposite ends of the rotary shaft of the electric motor so as to face in opposite directions, respectively, and constituting a centrifugal compressor in combination with the compressor housing;
An outlet pipe extending in a substantially U-shape so that the outlets of the scroll portions of the pair of compressor housings are assembled together and having a single discharge port at the center, and configured symmetrically;
Electric compressor equipped with
上記一対のインペラは、互いに同一のインペラであり、
かつ、各々のインペラの翼の位相が互いに異なるように上記回転軸に取り付けられている、ことを特徴とする請求項1に記載の電動コンプレッサ。
The pair of impellers are identical to each other,
The electric compressor according to claim 1, wherein the blades of each impeller are attached to the rotating shaft so that the phases of the blades are different from each other.
上記一対のインペラは、翼の外縁で定まる回転体形状が互いに等しく、
かつ、各々の翼の枚数が互いに異なっている、ことを特徴とする請求項1に記載の電動コンプレッサ。
The pair of impellers have the same shape of rotor defined by the outer edge of the blade, and
The electric compressor according to claim 1, wherein the number of each wing is different from each other.
上記電動モータのステータを収容した円筒状のステータハウジングが上記一対のコンプレッサハウジングの間に取り付けられており、
このステータハウジングが、空冷用の冷却フィンもしくは液冷用のウォータジャケットを備えている、ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電動コンプレッサ。
A cylindrical stator housing accommodating the stator of the electric motor is mounted between the pair of compressor housings,
The electric compressor according to any one of claims 1 to 3, wherein the stator housing comprises a cooling fin for air cooling or a water jacket for liquid cooling.
自動車に搭載された燃料電池スタックへ酸化剤としての空気を供給するエアコンプレッサである、ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電動コンプレッサ。   The electric compressor according to any one of claims 1 to 4, which is an air compressor for supplying air as an oxidant to a fuel cell stack mounted on a vehicle.
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