JP2004232601A

JP2004232601A - Axial flow compressor

Info

Publication number: JP2004232601A
Application number: JP2003024548A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Kamamoto; 繁夫鎌本; Hiroharu Yoshinami; 弘治吉浪
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an axial flow compressor, compressing a fluid to a desired pressure using a low rotation type general purpose electric motor, costing low and small-sized. <P>SOLUTION: First and second moving blades 3, 7 are disposed opposite to each other in the axial direction. The compressor is provided with an electric motor 4 driving the first moving blade 3 to rotate at rotational frequency equal to or less than 10,000 rpm and a reversing mechanism 8, connected between the electric motor 4 and the second moving blade 7, transmitting the turning force of the electric motor 4 to the second moving blade 7 side to drive the second moving blade 7 in the opposite direction to the rotating direction of the first moving blade 3. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気等の流体を軸方向に流して圧縮する軸流圧縮機、特に車載用途に好適な軸流圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸流式の圧縮機は、スクロール式やピストン式などの他の形式の圧縮機に比べて、機械効率に優れ、かつ小型であるという特徴を有しており、このような軸流圧縮機の特徴を利用して、例えば電気自動車に当該圧縮機を搭載することが実施されている。詳細には、上記電気自動車では、その駆動系に含まれた電動モータなどの電源として在来の二次電池（蓄電池）に代えて燃料電池を使用したものが実用化されつつある。このような燃料電池では、反応ガスとしての空気に含まれた酸素をより高圧で供給することにより、当該電池の起電力を大きくすることができる。それ故、軸流圧縮機を用いて空気をより高圧に圧縮することで燃料電池に供給される単位時間当たりの酸素量を増やして、当該電池の定格出力（電力量）を向上させることが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の軸流圧縮機では、上記のような車載用の燃料電池に適用した場合、その動翼（ロータ）の外周に設けられた翼列が亜音速に近い周速となるよう当該動翼を高速回転させることが求められ、電動モータで回転駆動させる場合には高価な高回転型モータを必要とした。
具体的にいえば、上記車載用の燃料電池では、その定格出力として５０〜７０ｋＷ程度のものが要求されており、この要求を満足するには車内に取り込まれた空気を２〜３気圧程度に圧縮して３ｍ^３／ｍｉｎ程度の流量で供給することが望まれた。このため、従来の軸流圧縮機では、例えば動翼外周部を亜音速で回転させる場合、１０万回転（ｒｐｍ）を超える高速で単一の動翼を回転させる必要があり、汎用的な電動モータを使用することができずに、特注の高速モータを使用していた。この結果、圧縮機のコストを低減するのが難しいという問題があった。しかも、上記高速モータでは、そのシャフトを高速回転させるため、ステータ巻線などのモータ構造を小さくして軸流圧縮機の小型化を図ることが困難であるという問題もあった。
【０００４】
また、従来の軸流圧縮機としては、複数の動翼をシャフトの軸方向に併設した多段式の軸流圧縮機も製造されているが、このような従来の多段式圧縮機でも、そのモータの低速化と小型化の両立を図ることが難しく、コストダウンを行い難かった。具体的には、例えば動翼を４段に併設した場合、上記車載用燃料電池で要求される圧力に空気を圧縮するには各動翼を２万５千〜３万回転で回転させる必要があり、単一の動翼を用いた上記従来例と同様に、汎用的な電動モータを使用できなかった。また、動翼の設置数をさらに増加することで回転数の低減を行うことは可能であるが、上記設置数の増加に応じて、それらの動翼を回転させるのに必要なトルクが大きくなり、より高出力のモータを使用する必要を生じた。この結果、ステータ巻線などのモータ構造が大型化して圧縮機の小型化を妨げたり、当該圧縮機の大幅なコストアップを招いたりした。また、シャフトの一端側に取り付けられる動翼数が増加することから、そのシャフトの軸方向長さを長くしたり、他端側での支持構造を強化する必要を生じたりして、モータを複雑で大型な構造とし、ひいては圧縮機の大型化及びコスト上昇を招いた。
【０００５】
上記のような従来の問題点に鑑み、本発明は、低回転型の汎用的な電動モータを用いて所望圧力に流体を圧縮することができるコスト安価で小型の軸流圧縮機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、軸方向に互いに対向して配置された第１及び第２の動翼を用いて、流体を圧縮する軸流圧縮機であって、
前記第１の動翼を回転駆動する電動モータと、前記電動モータと前記第２の動翼との間に連結されるとともに、その電動モータの回転力を前記第２の動翼側に伝えて、前記第１の動翼の回転方向と反対方向に当該第２の動翼を回転駆動させる反転機構とを備えたことを特徴とするものである（請求項１）。
【０００７】
上記のように構成された軸流圧縮機では、上記電動モータが第１の動翼を回転駆動した場合に、第２の動翼が上記反転機構によって第１の動翼に対し同軸反転されるので、流体を効率よく圧縮することができ、モータの回転数を低くしたときでも所望圧力に流体を圧縮することができる。従って、１万５千回転程度以下である低回転型の汎用的な電動モータを用いて上記流体圧縮用のモータを構成することができる。また、電動モータの回転数が１万５千回転程度以下とした場合には、上記反転機構での焼付きなどの発生を防ぎつつ、モータ回転力の第２の動翼側への伝達効率が低下するのを極力抑えた状態で回転力を当該第２の動翼に伝えることができる。また、流体を効率よく圧縮することができるので、軸流圧縮機の機械効率を向上させることができ、動翼を小さくすることができる。尚、上記回転数が１万回転程度では、半径１００〜１５０ｍｍの動翼の場合に、当該動翼の外周部は音速の７０％以下の周速となっている。さらに、圧縮機の各部の最適設計により、上記外周部の周速を音速の５０％以下にすることも可能である。
【０００８】
また、上記軸流圧縮機（請求項１）において、前記反転機構が、前記第１の動翼と実質的に同速で前記第２の動翼を回転駆動させることが好ましい（請求項２）。
この場合、第１及び第２の動翼が実質的に同速で同軸反転するので、流体の圧縮効率を確実に向上させることができる。
【０００９】
また、上記軸流圧縮機（請求項１または２）において、前記第２の動翼と前記反転機構とが、前記第１の動翼と前記電動モータのモータ本体との間に設けられることが好ましい（請求項３）。
この場合、第１及び第２の動翼、電動モータ、及び反転機構が同軸上に配置されることとなり、軸流圧縮機の構造を容易に簡素化することができる。
【００１０】
また、上記軸流圧縮機（請求項１〜３のいずれか）において、前記反転機構が、前記電動モータのシャフト側に設けられた第１転動面と前記第２の動翼側に設けられた第２転動面との間に転動自在に配置されるとともに、これらの転動面上を転動することにより、電動モータの回転力を前記第２の動翼側に伝えるトラクションローラを具備することが好ましい（請求項４）。
この場合、電動モータの回転力が上記トラクションローラにより第２の動翼側に伝えられることとなり、反転機構の構造を簡素化することができる。
【００１１】
また、上記軸流圧縮機（請求項１〜４のいずれか）において、前記電動モータのシャフトに、前記流体によって前記第１の動翼と同方向に回転駆動される補助翼を一体的に設けてもよい（請求項５）。
この場合、上記補助翼が流体によって第１の動翼と同方向に回転駆動されるので、当該補助翼を有する電動モータでの回転駆動を補助することができる。
【００１２】
また、上記軸流圧縮機（請求項１〜５のいずれか）において、前記流体が、車載用燃料電池の反応ガスであってもよい（請求項６）。
この場合、低回転型の汎用的な電動モータを用いて上記反応ガスを所望圧力に圧縮することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の軸流圧縮機の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明では、従来例との対比を容易なものとするために、電気自動車に搭載される燃料電池に反応ガスを供給する供給系に組み込まれる軸流圧縮機に適用した場合を例示して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る軸流圧縮機の要部構成を示す一部切裁断面図である。図において、本実施形態の軸流圧縮機１は、筒状のハウジング２と、このハウジング２の吸入口２ａ側から吐出口２ｂ側に順次配列されるとともに、吐出口２ｂ側に上記反応ガスとしての空気を圧送する第１及び第２の圧縮機構Ｐ、Ｑとを備えている。ハウジング２は上記電気自動車側に設けられた空気の取込口と排気口とを繋ぐ流路の途中に配置されたものであり、その吸入口２ａ及び吐出口２ｂが上記流路を構成するエアーパイプに接続されている（図示せず）。また、吐出口２ｂの下流側の流路上には上記燃料電池が配置されており、上記取込口から車内に導入された空気Ａが軸流圧縮機１により所望圧力に圧縮された後、その圧縮空気ＣＡが上記電池の空気極に供給される（図示せず）。
【００１４】
具体的には、上記軸流圧縮機１は、その容積が４リットル程度に構成されたものであり、同圧縮機１は上記吸入口２ａに流れ込む１気圧程度の空気（大気）Ａを上記第１及び第２の圧縮機構Ｐ、Ｑにより、例えば２〜３気圧程度に空気圧を高め１分間当たり３ｍ^３の流量で、圧縮空気ＣＡとして吐出口２ｂから吐出するよう構成されている。その後、圧縮空気ＣＡは、イットリア安定化ジルコニア等の固体酸化物を用いた燃料電池の空気極に供給され、当該空気極において上記空気ＣＡに含まれた酸素分子が酸素イオンに変換される。そして、燃料電池では、その燃料極において空気極からの酸素イオンが燃料ガスとしての水素ガスと化学反応して、水を生じるとともに電荷（電子）を発生させ、当該電池が５０〜７０ｋＷ程度の電力を生じて、上記電気自動車の駆動輪を駆動する駆動モータなどの電気系統の電源として利用されるようになっている。
【００１５】
上記第１の圧縮機構Ｐは、空気Ａを圧縮する第１の動翼（ロータ）３と、この動翼３を回転駆動する電動モータ４と、上記動翼３の上流側（吸入口２ａ側）でハウジング２と同軸に配置されたノズル部材５及びこの部材５の周りに等配された複数個（例えば２４個）の静翼（ステータ）６とを備えている。上記動翼３は、電動モータ４のシャフト４ａの先端部に一体回転可能に連結された円盤状部材３ａと、この部材３ａの外周面に対し所定角度で等間隔に配列された複数個（例えば２４個）の翼（羽根）３ｂとを有している。
上記電動モータ４は、上記吐出口２ｂ側の端部が流線型に形成された収納容器９内から吸入口２ａ側に、一端部が突出した上記シャフト４ａと、当該容器９内に収納されたモータ本体４ｂとを備えており、第１の動翼３を一の方向に回転させる。また、この電動モータ４は、後で詳述するように、低回転型の汎用的な電動モータにより構成されており、さらにシャフト４ａは、軸受鋼や軸受用鋼等の鋼製からなる玉軸受などの汎用的な転がり軸受４ｃによって回転自在に支持されている。
また、上記ノズル部材５は、吸入口２ａ側の端部が流線型に形成されるとともに、円盤状部材３ａと所定の距離をおいて配置されている。また、このノズル部材５の外周面には、一端部側がハウジング２の内周面２ｃに固定された上記複数個の各静翼６の他端部側が取り付けられており、吸入口２ａ側から流れてきた空気Ａの整流を行う。また、静翼６は、ノズル部材５をハウジング２内に固定支持する支持部材としての機能も有している。
【００１６】
上記第２の圧縮機構Ｑは、上記圧縮機構Ｐと同様に、空気Ａを圧縮する第２の動翼７と、上記電動モータ４の回転力を用いて当該動翼７を上記第１の動翼３に対し実質的に同速で回転駆動させる反転機構８と、上記収納容器９の周りに等配された複数個（例えば２４個）の静翼１０とを備えている。
上記動翼７は、所定角度で等間隔に配列された複数個（例えば２４個）の翼７ｂが外周面に形成された円盤状部７ａと、この円盤状部７ａに順次連続するよう形成された円筒部７ｂ及び環状部７ｃと、これら円盤状部７ａ、円筒部７ｂ、及び環状部７ｃの内側に面一に形成され、上記シャフト４ａが挿通される貫通孔７ｅとを有するものであり、上記第１の動翼３と同軸に配置されている。この動翼７では、円盤状部７ａが動翼３の円盤状部材３ａに対して軸方向（図の左右方向）に所定隙間をおいて対向配置されている。また、この動翼７では、収納容器９の内部に設けられるとともに、上記転がり軸受４ｃと同様な汎用的な転がり軸受で構成された軸受（図示せず）により、円筒部７ｂが回転自在に支持されており、内周面７ｅがシャフト外周面に接触するのを防いだ状態で動翼７が回転するようになっている。さらに、この円筒部７ｂは、例えば上記軸受から吐出口２ｂ側への所定のスラスト荷重を受けた状態で軸支されており、後述のトラクションローラ８ｂによって付与されるモータ回転力を動翼７が効率よく受容できるとともに、上記所定隙間を維持できるようになっている。
【００１７】
上記反転機構８は、シャフト４ａに一体的に取り付けられた環状の回転部材８ａと、例えばシャフト４ａの軸中心に対し９０度間隔で円周等配された４個のトラクションローラ８ｂとを備えたものであり、上記容器９内に収納されている。上記各トラクションローラ８ｂは、一端部が収納容器９側に固定された軸部材（図示せず）により、回転部材８ａの吸入口２ａ側の表面で構成された第１転動面としての環状の軸方向端面８ａ１と、上記環状部７ｄの吐出口２ｂ側の表面で構成された第２転動面としてのリング状端面７ｄ１との間に転動自在に配置されたものであり、シャフト回転に伴う回転部材８ａの回転に応じて上記軸方向端面８ａ１及びリング状端面７ｄ１上を転動することによって電動モータ４の回転力を第２の動翼７に伝える。
【００１８】
また、上記収納容器９の外周面には、一端部側がハウジング２の内周面２ｃに固定された上記複数個の各静翼１０の他端部側が取り付けられており、吐出口２ｂ側に圧送される圧縮空気ＣＡの圧力を僅かに上昇させる。また、静翼１０は、収納容器９をハウジング２内に固定支持する支持部材としての機能も有している。また、軸流圧縮機１では、ハウジング２内の空気路中に配置されるノズル部材５、円盤状部材３ａ、円盤状部７ａ、及び収納容器９は、図に示すように、それら全体で卵を横倒しにした如くの流線型の構造体に構成されており、空気Ａ及び圧縮空気ＣＡの流れを阻害するのを極力抑えつつ、動翼３、７による空気圧縮を効率よく行えるようになっている。
【００１９】
以上のように構成された本実施形態の軸流圧縮機１では、第１の動翼３が電動モータ４のシャフト４ａの回転に伴い一の方向に回転駆動されると、第２の動翼７は反転機構８を経て伝えられた上記モータ４の回転力によって実質的に同速で他の方向に回転駆動される。このように、本実施形態の軸流圧縮機１では、複数設けられた翼３ｂからなる翼列を備えた上記第１の動翼３と、複数設けられた翼７ｂからなる翼列を備えた上記第２の動翼７とを互いに近接配置し、かつ実質的に同速で同軸反転させているので、電動モータ４の回転数を低くしたときでも、空気Ａを効率よく圧縮することができる。また、第１及び第２の動翼３、７を実質的に同速で駆動していることから、空気Ａの圧縮効率を確実に向上させることができる。この結果、本実施形態の軸流圧縮機１では、上記従来例と異なり、高価で高回転型の電動モータを用いることなく、低回転型の汎用的な電動モータを用いて動翼３、７を回転させて空気Ａを所望圧力に圧縮することができる。
【００２０】
具体的にいえば、電動モータ４は、ＤＣモータやインバータ駆動されるＡＣモータなどにより構成されたものであり、１万回転（ｒｐｍ）程度以下の低回転型の汎用的な電動モータが用いられている。そして、電動モータ４が、上記回転数以下に制限された回転数で直接的に連結された第１の動翼３及び反転機構８を介在させて間接的に連結された第２の動翼７を実質的に同速で同軸反転させることにより、所望の高圧（２〜３気圧程度）で、かつ上記流量（３ｍ^３／ｍｉｎ）以上で空気Ａからの圧縮空気ＣＡに圧縮することができ、上記燃料電池の空気極に供給される単位時間当たりの酸素分子量を増加させて当該電池に要求される電力量（５０〜７０ｋＷ）を発生可能なものとしている。このように、本実施形態では、１０万回転を超える回転数で単一の動翼を回転させていた上記従来例や４段に併設された動翼を２万５千〜３万回転で回転させていた上記従来例での各高回転型電動モータに比べて、ステータ巻線などのモータ構造自体が小型でコスト安価な上記低回転型の汎用的な電動モータを使用することができ、軸流圧縮機の小型化及び低コスト化を図ることができる。例えば上記圧力、流量、回転数の仕様では、圧縮機全体の体積を４リットル以下とすることができる。しかも、上記低回転型の汎用的な電動モータは、各高回転型電動モータに比べてはるかに軽量であることから、当該圧縮機の軽量化を従来例に比べ容易に図ることができ、車載用に好適な圧縮機を簡単に構成することができる。
【００２１】
また、本実施形態では、空気Ａを効率よく圧縮することができるので、軸流圧縮機１の機械効率を向上させることができ、第１及び第２の各動翼３、７を小さくすることができる。この結果、軸流圧縮機１の小型化及び低コスト化をより簡単に図ることができるとともに、慣性トルクを小さくすることができ、当該圧縮機１のＯＮ／ＯＦＦ特性を向上させることができる。すなわち、電動モータ４が駆動するロータ（第１及び第２の動翼３、７）での慣性トルクを小さくすることができるので、各動翼３、７での回転開始から所定の回転数までに到達する時間で示される起動特性並びに所定の回転数から停止するまでの時間で示される停止特性、さらに必要出力に応じた動翼回転数の制御特性を向上させることができ、電源のＯＮ／ＯＦＦ操作や回転数変更が比較的頻繁に行われる電気自動車等に好適な軸流圧縮機を容易に構成することができる。しかも、このように低速駆動される動翼３、７を同軸反転させているので、動翼を停止するためのプロペラ等をシャフト４ａに取り付ける必要がない。
さらに、本実施形態では、第１及び第２の動翼３、７を低速回転させ、かつ効率よく空気Ａを圧縮空気ＣＡに圧縮することができるので、吸入口２ａから導入される空気Ａを整流する上記静翼６及び圧縮空気ＣＡの圧力を僅かに高めて吐出口２ｂに送る上記静翼１０を省略またはそれら静翼６、１０の設置数や形状などの設計を簡単化することができる。
【００２２】
また、本実施形態では、電動モータ４の回転数を１万回転以下に制限しているので、上記トラクションローラ８ｂと軸方向端面８ａ１及びリング状端面７ｄ１との間に焼付きなどの損傷が生じるのを防ぎつつ、モータ回転力の第２の動翼７側への伝達効率が低下するのを極力抑えた状態で同回転力を当該動翼７に伝えることができる。
これに対して、電動モータ４の回転数を高くして第１及び第２の動翼３、７の相対回転速度を向上させるにつれて、起動増大あるいは焼付きなどの損傷の発生が増加し伝達効率が著しく低下する。また、このような不具合の発生を抑制するためには、モータ４や反転機構８の構成部品の寸法精度を向上し、材料の機械的特性の均一化や微小欠陥の極小化等の対策が必要となるため、圧縮機のコストが著しく増大する。そして、上記相対回転速度が３万回転（すなわち、モータ回転数が１万５千回転）を超えると、反転機構８はモータ回転力を第２の動翼７側に伝達するのが困難となる。
【００２３】
また、本実施形態では、反転機構８を用いることにより、電動モータ４を第１及び第２の動翼３、７の駆動源として共用している。さらには、第１の動翼３と電動モータ４のモータ本体４ｂとの間に、第２の動翼７と反転機構８とを設けるとともに、そのモータ本体４ｂ及び反転機構８を収納容器９内に収納し、かつハウジング２内の空気路中に配置される当該容器９等の構造体全体を流線型としている。これにより、電動モータ４及び反転機構８が空気Ａ及び圧縮空気ＣＡの流れに対して抵抗となるのを極力防ぐことができるとともに、シンプルな構造の軸流圧縮機１を容易に構成することができる。
【００２４】
また、本実施形態では、上記従来例に比べて、第１及び第２の動翼３、７の回転数を大幅に低くしているので、各動翼３、７の翼３ａ、７ａに作用する遠心力を小さくすることができる。この結果、上記従来例に比べて、遠心力による破損が翼３ａ、７ａに生じるのを容易に防ぐことができ、翼３ａ、７ａの取付構造等を簡単化して動翼３、７の軽量化を容易に図ることができる。さらに、翼の強度が低くても損傷しないため、安価な材料を使用できる。
【００２５】
また、本実施形態では、シャフト４ａの回転数が上記１万回転程度以下の低回転数に抑えられており、当該シャフト４ａが上記軸受鋼や軸受用鋼等の鋼製からなる玉軸受などの汎用的な転がり軸受４ｃにより軸支されているので、上記従来例に比べて耐震性に優れ、かつコスト安価な軸流圧縮機を構成することができる。
具体的には、例えば単一の動翼を用いた上記従来例では、その動翼を１０万回転を超える高速で回転駆動させていたので、このような高回転型モータでは、そのシャフトを回転自在に支持する軸受として玉軸受等の転がり軸受を使用することができないことから、滑り軸受（動圧軸受を含む）が用いられていた。ところが、この滑り軸受は転がり軸受に比べて耐震性が低いものであり、自動車走行に伴う振動等に起因して軸受のタッチダウンが生じ易いものであった。また、このように高速回転させていたので、その動翼回転やシャフト回転に伴う騒音も極めて大きくなって遮音対策を軸流圧縮機に行う必要があった。
【００２６】
また、２万５千〜３万回転する電動モータを用いて４段の動翼を回転させていた上記従来例では、そのモータシャフトを転がり軸受で支承することは可能であったが、本実施形態と異なり、軸受鋼や軸受用鋼等の鋼製の汎用的な転がり軸受を用いた場合、その軸受の耐久性が不足し、早期不具合を生じる恐れがあった。このため、上記汎用的な転がり軸受に比べて、高価なセラミック軸受が使用されていた。
これに対して、本実施形態では、上記汎用的な転がり軸受４ｃが用いられているので、コスト安価で耐震性に優れた軸受で電動モータ４のシャフト４ａが支承されることとなるため、耐震性を有し、かつコスト安価な軸流圧縮機を容易に構成することができる。
【００２７】
図２は、別の実施形態に係る軸流圧縮機の要部構成を示す一部切裁断面図である。図２において、この実施形態と図１に示した実施形態との主な相違点は、上記電動モータ４に代えて、シャフト１１ａをモータ本体１１ｂの両側に突出させシャフト両端に異なる回転系を連結可能なモータ、いわゆる両軸タイプの電動モータ１１を使用するとともに、吐出口２ｂ側のシャフト突出部分に補助翼１２を設けた点である。
図２に示すように、本実施形態では、電動モータ１１のシャフト１１ａは、同モータ１１のモータ本体１１ｂの両側から図の左右方向に突出した状態で、上記軸受鋼や軸受用鋼等の鋼製からなる玉軸受などの汎用的な転がり軸受１１ｃによって回転自在に支持されている。また、この電動モータ１１は、上記低回転型の汎用的な電動モータを用いて構成されたものであり、そのシャフト１１ａの一端部に一体回転可能に取り付けられた第１の動翼３及び反転機構８を介在させて連結された第２の動翼７を上記１万５千回転（ｒｐｍ）程度以下の回転数で回転駆動する。さらに、シャフト１１ａの他端部には、複数の翼部１２ａが外周面上に等間隔に設けられた補助翼１２が一体回転可能に取り付けられている。
【００２８】
また、上記電動モータ１１を収納する収納容器１３には、排気パイプ１４が連結された連結口１３ａが設けられており、上記燃料電池の空気極に供給された後、外部に排出される排出空気が当該容器１３内に導入されるようになっている。この連結口１３ａは、容器１３の吐出口２ｂ側の端部を円形状に開口することにより形成されている。そして、この収納容器１３では、連結口１３ａからの上記排出空気を容器１３の内部に導入しその排出空気を補助翼１２の翼部１２ａに与えることにより、当該補助翼１２を上記第１の動翼３と同方向に回転駆動させるようになっている。尚、上記排出空気は、補助翼１２を回転駆動させた後、図示を省略したパイプ等により、収納容器１３及びハウジング２の外部に送られて車外に放出される。
【００２９】
以上のように構成された本実施形態では、上記補助翼１２が収納容器１３内に導入された排出空気により第１の動翼３と同方向に回転駆動されるので、当該補助翼１２が設けられた電動モータ１１での第１の動翼３、さらには第２の動翼７の回転駆動を補助することができる。この結果、電動モータ１１での消費電力を抑えることができ、軸流圧縮機１の省エネルギー化を図ることができる。また、電動モータ１１では、その動翼３、７に対する回転駆動が補助されるので、図１に示した電動モータ４に比べて小さい出力のモータにより当該モータ１１を構成することができる。
【００３０】
尚、上記の説明では、車載用燃料電池に反応ガスを供給する供給系に組み込まれる軸流圧縮機に適用した場合について説明したが、本発明は軸方向に互いに対向して配置された第１及び第２の動翼を有し、第１の動翼を１万回転程度以下の回転数で電動モータにより回転駆動し、かつ反転機構により上記モータの回転力を用いて第２の動翼を第１の動翼に対して実質的に同速で同軸反転させるものであればよく、冷却媒体としてのＣＯ_２ガス等の流体に対し、上記第１及び第２の動翼を回転させてその流体を圧縮する各種軸流圧縮機に適用することができる。また、上記の説明では、各々１つの第１及び第２の動翼を用いた構成について説明したが、例えば軸方向に２段に併設された２つの動翼を上記第１の動翼として電動モータ４のシャフト４ａに先端部に一体回転可能に設け、モータ本体４ｂ側の動翼を第２の動翼に対向配置する構成でもよい。
【００３１】
また、上記の説明では、回転部材８ａと、軸方向端面８ａ１及びリング状端面７ｄ１上を転動するトラクションローラ８ｂとを有する反転機構８について説明したが、本発明の反転機構は電動モータと第２の動翼との間に連結されて、そのモータ回転力を第２の動翼側に伝えることにより、第１の動翼の回転方向と反対方向に、当該第２の動翼を回転駆動させるものであれば、何等限定されない。例えば上記円筒部７ｂの内周面及びシャフト外周面をそれぞれ第２及び第１転動面として構成するとともに、一端部が上記モータ本体に固定された軸部材の他端部に回転自在に支持されたトラクションローラを上記転動面上を転動させる構成でもよい。また、トラクションローラを含んだトラクションドライブタイプの反転機構の代わりに、遊星ギヤ等の歯部の噛み合いによって力を伝達する伝達機構を利用して、上記モータ回転力で第２の動翼を回転駆動させてもよい。
また、モータを動翼の前または後部に配置した例を示したが、動翼の内部にモータを収容するよう動翼を配置する構成でもよく、この場合は軸流圧縮機の軸方向寸法を短くできる。本発明に係る圧縮機では上述の如くモータが小出力、小型であるため、このような構成を実施できる。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように構成された本発明は以下の効果を奏する。
請求項１の軸流圧縮機によれば、低回転型の汎用的な電動モータと反転機構とを用いて、上記第１及び第２の各動翼を回転駆動させて流体を所望圧力に圧縮することができるので、軸流圧縮機の機械効率を向上させて動翼を小さくすることができる点とも相まって、コスト安価で小型の軸流圧縮機を容易に構成することができる。また、上記反転機構での焼付きなどの発生を防ぎつつ、モータ回転力の第２の動翼側への伝達効率が低下するのを極力抑えた状態で回転力を当該第２の動翼に伝えることができるので、耐久性及び圧縮効率に優れた軸流圧縮機を構成することができる。
【００３３】
また、請求項２の軸流圧縮機によれば、流体の圧縮効率を確実に向上させることができるので、コスト安価で小型の軸流圧縮機をさらに容易に構成することができる。
【００３４】
また、請求項３の軸流圧縮機によれば、軸流圧縮機の構造を容易に簡素化することができるので、当該圧縮機の小型化をさらに簡単に行うことができる。
【００３５】
また、請求項４の軸流圧縮機によれば、上記反転機構の構造を簡素化することができるので、当該圧縮機の大型化を防げることができ、コンパクトな圧縮機を容易に構成することができる。
【００３６】
また、請求項５の軸流圧縮機によれば、上記補助翼を有する電動モータでの回転駆動を補助することができるので、当該モータでの消費電力を抑えることができ、軸流圧縮機の省エネルギー化を図ることができる。
【００３７】
また、請求項６の軸流圧縮機によれば、上記低回転型の汎用的な電動モータを用いて上記車載用燃料電池の反応ガスを所望圧力に圧縮することができるので、電気自動車等の車両への搭載性に優れた圧縮機を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る軸流圧縮機の要部構成を示す一部切裁断面図である。
【図２】別の実施形態に係る軸流圧縮機の要部構成を示す一部切裁断面図である。
【符号の説明】
１軸流圧縮機
３第１の動翼
４、１１電動モータ
４ａ、１１ａシャフト
４ｂ、１１ｂモータ本体
７第２の動翼
７ｄ１リング状端面（第２転動面）
８反転機構
８ａ１軸方向端面（第１転動面）
８ｂトラクションローラ
１２補助翼[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an axial flow compressor for flowing a fluid such as air in an axial direction and compressing the same, and particularly to an axial flow compressor suitable for use in vehicles.
[0002]
[Prior art]
Axial-flow type compressors have the feature of being superior in mechanical efficiency and being small in size as compared with other types of compressors such as scroll type and piston type. Utilizing the characteristics, for example, the compressor is mounted on an electric vehicle. Specifically, in the above-mentioned electric vehicles, those using fuel cells instead of conventional secondary batteries (rechargeable batteries) as power sources for electric motors and the like included in the drive system are being put into practical use. In such a fuel cell, the electromotive force of the cell can be increased by supplying oxygen contained in air as a reaction gas at a higher pressure. Therefore, by compressing air to a higher pressure using an axial compressor, the amount of oxygen supplied to the fuel cell per unit time is increased, and the rated output (electric power) of the cell is improved. Has been done.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional axial-flow compressor, when applied to the above-described fuel cell for a vehicle, the blade row provided on the outer periphery of the moving blade (rotor) has a moving speed close to a subsonic speed. High-speed rotation of the blades is required, and an expensive high-rotation type motor is required when the blade is driven to rotate by an electric motor.
Specifically, the above-mentioned on-vehicle fuel cell is required to have a rated output of about 50 to 70 kW, and in order to satisfy this requirement, the air taken into the vehicle is reduced to about 2 to 3 atm. It was desired to compress and supply at a flow rate of about 3 m ³ / min. For this reason, in the conventional axial flow compressor, for example, when rotating the outer periphery of the moving blade at a subsonic speed, it is necessary to rotate a single moving blade at a high speed exceeding 100,000 rotations (rpm). The motor could not be used, and a custom-made high-speed motor was used. As a result, there is a problem that it is difficult to reduce the cost of the compressor. In addition, the high-speed motor has a problem that it is difficult to reduce the size of the motor structure, such as the stator winding, to reduce the size of the axial compressor in order to rotate the shaft at a high speed.
[0004]
Also, as a conventional axial-flow compressor, a multi-stage axial-flow compressor having a plurality of moving blades arranged in the axial direction of a shaft is also manufactured. It was difficult to achieve both low speed and miniaturization, and it was difficult to reduce costs. Specifically, for example, when the moving blades are arranged in four stages, it is necessary to rotate each moving blade at 25,000 to 30,000 rotations in order to compress the air to the pressure required by the on-vehicle fuel cell. Yes, a general-purpose electric motor could not be used as in the above-described conventional example using a single rotor blade. Further, it is possible to reduce the number of rotations by further increasing the number of rotor blades, but as the number of rotor blades increases, the torque required to rotate the rotor blades increases. The need to use higher power motors. As a result, the motor structure such as the stator winding is increased in size, which hinders downsizing of the compressor and causes a significant increase in the cost of the compressor. In addition, since the number of blades attached to one end of the shaft increases, the axial length of the shaft needs to be increased and the support structure at the other end needs to be strengthened, which complicates the motor. Therefore, the size of the compressor is increased and the size of the compressor is increased and the cost is increased.
[0005]
In view of the above conventional problems, the present invention provides a low-cost, small-sized axial-flow compressor that can compress a fluid to a desired pressure using a low-speed general-purpose electric motor. With the goal.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an axial flow compressor that compresses a fluid using first and second blades that are arranged to face each other in an axial direction,
An electric motor that rotationally drives the first moving blade, and is connected between the electric motor and the second moving blade, and transmits a rotational force of the electric motor to the second moving blade side; A reversing mechanism for rotating the second moving blade in a direction opposite to a rotation direction of the first moving blade is provided (claim 1).
[0007]
In the axial flow compressor configured as described above, when the electric motor rotationally drives the first moving blade, the second moving blade is coaxially reversed with respect to the first moving blade by the reversing mechanism. Therefore, the fluid can be efficiently compressed, and the fluid can be compressed to a desired pressure even when the rotational speed of the motor is reduced. Therefore, the motor for fluid compression can be configured using a low-speed general-purpose electric motor of about 15,000 revolutions or less. Further, when the rotation speed of the electric motor is about 15,000 or less, the transmission efficiency of the motor rotation force to the second moving blade side decreases while preventing the occurrence of seizure or the like in the reversing mechanism. The rotation force can be transmitted to the second rotor blade in a state in which the rotation is minimized. Further, since the fluid can be efficiently compressed, the mechanical efficiency of the axial compressor can be improved, and the moving blade can be made smaller. When the rotation speed is about 10,000, in the case of a moving blade having a radius of 100 to 150 mm, the outer peripheral portion of the moving blade has a peripheral speed of 70% or less of the sound speed. Further, the peripheral speed of the outer peripheral portion can be set to 50% or less of the sound speed by an optimal design of each part of the compressor.
[0008]
Also, in the axial flow compressor (Claim 1), it is preferable that the reversing mechanism rotationally drives the second blade at substantially the same speed as the first blade (Claim 2). .
In this case, the first and second rotor blades are coaxially inverted at substantially the same speed, so that the fluid compression efficiency can be reliably improved.
[0009]
Further, in the axial compressor (Claim 1 or 2), the second moving blade and the reversing mechanism may be provided between the first moving blade and a motor main body of the electric motor. Preferred (claim 3).
In this case, the first and second moving blades, the electric motor, and the reversing mechanism are coaxially arranged, so that the structure of the axial compressor can be easily simplified.
[0010]
In the axial compressor (in any one of claims 1 to 3), the reversing mechanism is provided on a first rolling surface provided on a shaft side of the electric motor and on a second rotating blade side. A traction roller that is arranged to be rotatable between the second rolling surface and transmits the rotational force of the electric motor to the second moving blade side by rolling on these rolling surfaces; (Claim 4).
In this case, the rotational force of the electric motor is transmitted to the second moving blade side by the traction roller, so that the structure of the reversing mechanism can be simplified.
[0011]
Further, in the axial flow compressor (any one of claims 1 to 4), an auxiliary wing, which is rotationally driven by the fluid in the same direction as the first moving blade, is integrally provided on a shaft of the electric motor. (Claim 5).
In this case, the auxiliary wing is rotationally driven by the fluid in the same direction as the first rotor blade, so that the rotation drive by the electric motor having the auxiliary wing can be assisted.
[0012]
Further, in the axial flow compressor (any one of claims 1 to 5), the fluid may be a reaction gas of a vehicle-mounted fuel cell (claim 6).
In this case, the reaction gas can be compressed to a desired pressure using a low-speed general-purpose electric motor.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the axial compressor of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, an example in which the present invention is applied to an axial flow compressor incorporated in a supply system for supplying a reaction gas to a fuel cell mounted on an electric vehicle is described in order to facilitate comparison with a conventional example. Will be explained.
FIG. 1 is a partially cutaway cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of an axial flow compressor according to an embodiment of the present invention. In the figure, an axial flow compressor 1 according to the present embodiment has a cylindrical housing 2, and is sequentially arranged from a suction port 2 a side to a discharge port 2 b side of the housing 2, and the reaction gas is provided on a discharge port 2 b side. And first and second compression mechanisms P and Q for pumping the compressed air. The housing 2 is disposed in the middle of a flow path provided between the air intake port and the exhaust port provided on the electric vehicle side, and the suction port 2a and the discharge port 2b constitute the air flow path. Connected to a pipe (not shown). The fuel cell is arranged on a flow path on the downstream side of the discharge port 2b. After the air A introduced into the vehicle from the intake port is compressed by the axial flow compressor 1 to a desired pressure, Compressed air CA is supplied to the air electrode of the battery (not shown).
[0014]
Specifically, the axial compressor 1 has a capacity of about 4 liters, and the compressor 1 generates air (atmosphere) A of about 1 atm flowing into the suction port 2a. The first and second compression mechanisms P and Q increase the air pressure to, for example, about 2 to 3 atmospheres, and discharge the compressed air CA from the discharge port 2b at a flow rate of 3 m ³ per minute. Thereafter, the compressed air CA is supplied to an air electrode of a fuel cell using a solid oxide such as yttria-stabilized zirconia, where oxygen molecules contained in the air CA are converted into oxygen ions. In the fuel cell, oxygen ions from the air electrode chemically react with hydrogen gas as a fuel gas at the fuel electrode to generate water and generate electric charges (electrons). And is used as a power source for an electric system such as a drive motor for driving the drive wheels of the electric vehicle.
[0015]
The first compression mechanism P includes a first moving blade (rotor) 3 that compresses the air A, an electric motor 4 that rotationally drives the moving blade 3, and an upstream side of the moving blade 3 (on the suction port 2a side). ), A nozzle member 5 arranged coaxially with the housing 2 and a plurality of (for example, 24) stationary vanes (stators) 6 equally arranged around the member 5. The rotor blade 3 includes a disk-shaped member 3a integrally rotatably connected to a tip end of a shaft 4a of the electric motor 4, and a plurality of blades (e.g., 24) (wings) 3b.
The electric motor 4 includes a shaft 4a having one end protruding from a storage container 9 having a streamlined end on the discharge port 2b side to a suction port 2a side, and a motor stored in the container 9. And a main body 4b for rotating the first bucket 3 in one direction. The electric motor 4 is constituted by a low-speed general-purpose electric motor, as will be described in detail later. Further, the shaft 4a has a ball bearing made of steel such as bearing steel or bearing steel. And is rotatably supported by a general-purpose rolling bearing 4c.
The nozzle member 5 has a streamlined end on the suction port 2a side, and is arranged at a predetermined distance from the disc-shaped member 3a. The other end of each of the plurality of stationary blades 6 having one end fixed to the inner peripheral surface 2c of the housing 2 is attached to the outer peripheral surface of the nozzle member 5, and flows from the inlet 2a. Rectification of the incoming air A is performed. Further, the stationary blade 6 also has a function as a support member for fixing and supporting the nozzle member 5 in the housing 2.
[0016]
Similarly to the compression mechanism P, the second compression mechanism Q compresses the second moving blade 7 using the rotating force of the electric motor 4 and the second moving blade 7 using the rotational force of the electric motor 4. A reversing mechanism 8 for rotating the blades 3 at substantially the same speed is provided, and a plurality of (for example, 24) stationary blades 10 are equally arranged around the storage container 9.
The above-mentioned moving blade 7 is formed so that a plurality of (for example, 24) blades 7b arranged at regular intervals at a predetermined angle are formed on the outer peripheral surface of a disk-shaped portion 7a, and are sequentially connected to the disk-shaped portion 7a. A cylindrical portion 7b and an annular portion 7c, and a through hole 7e formed flush with the inside of the disk-shaped portion 7a, the cylindrical portion 7b and the annular portion 7c, and through which the shaft 4a is inserted. It is arranged coaxially with the first rotor blade 3. In the moving blade 7, the disc-shaped portion 7 a is arranged to face the disc-shaped member 3 a of the moving blade 3 with a predetermined gap in the axial direction (left-right direction in the drawing). Further, in the rotor blade 7, the cylindrical portion 7b is rotatably supported by a bearing (not shown) which is provided inside the storage container 9 and is constituted by a general-purpose rolling bearing similar to the rolling bearing 4c. The rotating blades 7 rotate in a state where the inner peripheral surface 7e is prevented from contacting the outer peripheral surface of the shaft. Further, the cylindrical portion 7b is supported, for example, in a state of receiving a predetermined thrust load from the bearing to the discharge port 2b side, and the moving blade 7 applies a motor rotational force applied by a traction roller 8b described later. In addition to being able to be efficiently received, the predetermined gap can be maintained.
[0017]
The reversing mechanism 8 includes an annular rotating member 8a integrally attached to the shaft 4a, and four traction rollers 8b circumferentially arranged, for example, at 90 ° intervals with respect to the axial center of the shaft 4a. And is housed in the container 9. Each of the traction rollers 8b has an annular member as a first rolling surface constituted by a surface of the rotating member 8a on the suction port 2a side by a shaft member (not shown) having one end fixed to the storage container 9 side. It is arranged so as to be able to roll freely between the axial end face 8a1 and a ring-shaped end face 7d1 as a second rolling face formed by the surface of the annular portion 7d on the side of the discharge port 2b. The rotational force of the electric motor 4 is transmitted to the second moving blade 7 by rolling on the axial end face 8a1 and the ring-shaped end face 7d1 in accordance with the rotation of the rotating member 8a.
[0018]
The other end of each of the plurality of stationary blades 10 having one end fixed to the inner peripheral surface 2c of the housing 2 is attached to the outer peripheral surface of the storage container 9, and is pressure-fed to the discharge port 2b. The pressure of the compressed air CA is slightly increased. In addition, the stationary blade 10 also has a function as a support member for fixing and supporting the storage container 9 in the housing 2. Further, in the axial flow compressor 1, the nozzle member 5, the disk-shaped member 3a, the disk-shaped portion 7a, and the storage container 9 disposed in the air passage in the housing 2 are all egg-shaped as shown in the drawing. Is configured in a streamlined structure as if it were turned sideways, so that the air compression by the moving blades 3 and 7 can be performed efficiently while minimizing the obstruction of the flow of the air A and the compressed air CA. .
[0019]
In the axial flow compressor 1 of the present embodiment configured as described above, when the first moving blade 3 is driven to rotate in one direction with the rotation of the shaft 4a of the electric motor 4, the second moving blade 3 is driven. 7 is driven to rotate in the other direction at substantially the same speed by the rotational force of the motor 4 transmitted through the reversing mechanism 8. As described above, in the axial flow compressor 1 of the present embodiment, the first moving blade 3 including the blade row including the plurality of blades 3b and the blade row including the blade 7b including the plurality of blades are provided. Since the second moving blades 7 are arranged close to each other and are coaxially inverted at substantially the same speed, the air A can be efficiently compressed even when the rotation speed of the electric motor 4 is reduced. . Further, since the first and second blades 3 and 7 are driven at substantially the same speed, the compression efficiency of the air A can be reliably improved. As a result, in the axial flow compressor 1 of the present embodiment, unlike the conventional example described above, the moving blades 3 and 7 are formed by using a low-speed general-purpose electric motor without using an expensive and high-speed electric motor. Can be rotated to compress the air A to a desired pressure.
[0020]
More specifically, the electric motor 4 is constituted by a DC motor, an AC motor driven by an inverter, or the like, and a low-speed general-purpose electric motor of about 10,000 rotations (rpm) or less is used. ing. Then, the electric motor 4 is connected to the first moving blade 3 directly connected at the rotation speed limited to the rotation speed or less and the second moving blade 7 indirectly connected via the reversing mechanism 8. Can be compressed into compressed air CA from the air A at a desired high pressure (about 2 to 3 atm) and at the above flow rate (3 m ³ / min) or more by substantially coaxial reversal at substantially the same speed. The amount of power (50-70 kW) required for the fuel cell can be generated by increasing the oxygen molecular weight per unit time supplied to the air electrode of the fuel cell. As described above, in the present embodiment, the above-described conventional example in which a single moving blade is rotated at a rotation speed exceeding 100,000 rotations and the moving blades provided in four stages are rotated at 25,000 to 30,000 rotations. Compared with each high-rotation type electric motor in the above-described conventional example, the motor structure itself such as the stator winding is small and the cost is low. The size and cost of the flow compressor can be reduced. For example, in the specifications of the pressure, the flow rate, and the rotation speed, the volume of the entire compressor can be set to 4 liters or less. Moreover, since the low-speed general-purpose electric motor is much lighter than each high-speed electric motor, the weight of the compressor can be reduced more easily than in the conventional example. Suitable compressor can be simply constructed.
[0021]
Further, in the present embodiment, since the air A can be efficiently compressed, the mechanical efficiency of the axial compressor 1 can be improved, and the first and second rotor blades 3 and 7 can be reduced. Can be. As a result, the size and cost of the axial compressor 1 can be more easily reduced, the inertia torque can be reduced, and the ON / OFF characteristics of the compressor 1 can be improved. That is, the inertia torque of the rotors (the first and second moving blades 3 and 7) driven by the electric motor 4 can be reduced. And the stop characteristic indicated by the time from when a predetermined number of rotations to the stoppage, and the control characteristic of the rotor blade rotation speed according to the required output can be improved. An axial compressor suitable for an electric vehicle or the like in which the OFF operation and the rotation speed change are performed relatively frequently can be easily configured. Moreover, since the moving blades 3 and 7 driven at low speed are coaxially inverted, it is not necessary to attach a propeller or the like for stopping the moving blade to the shaft 4a.
Furthermore, in the present embodiment, the first and second rotor blades 3 and 7 can be rotated at low speed and the air A can be efficiently compressed into the compressed air CA. The stator vanes 6 to be rectified and the stationary vanes 10 to slightly increase the pressure of the compressed air CA and send them to the discharge port 2b can be omitted or the design of the number and shape of the stationary vanes 6, 10 can be simplified. .
[0022]
Further, in the present embodiment, since the rotation speed of the electric motor 4 is limited to 10,000 rotations or less, damage such as seizure occurs between the traction roller 8b and the axial end surface 8a1 and the ring-shaped end surface 7d1. The rotational force can be transmitted to the moving blade 7 in a state in which a decrease in the transmission efficiency of the motor rotational force to the second moving blade 7 side is suppressed as much as possible.
On the other hand, as the rotational speed of the electric motor 4 is increased to increase the relative rotational speed of the first and second rotor blades 3 and 7, damage such as increased startup or seizure is increased, and the transmission efficiency is increased. Is significantly reduced. In order to suppress the occurrence of such problems, it is necessary to improve the dimensional accuracy of the components of the motor 4 and the reversing mechanism 8 and to take measures such as uniforming the mechanical properties of the material and minimizing minute defects. Therefore, the cost of the compressor increases significantly. When the relative rotation speed exceeds 30,000 rotations (that is, the motor rotation speed is 15,000 rotations), it becomes difficult for the reversing mechanism 8 to transmit the motor rotation force to the second moving blade 7 side. .
[0023]
Further, in the present embodiment, by using the reversing mechanism 8, the electric motor 4 is shared as a drive source for the first and second moving blades 3 and 7. Further, a second moving blade 7 and a reversing mechanism 8 are provided between the first moving blade 3 and the motor main body 4b of the electric motor 4, and the motor main body 4b and the reversing mechanism 8 are stored in the storage container 9. And the entire structure such as the container 9 disposed in the air passage in the housing 2 is streamlined. Thereby, the electric motor 4 and the reversing mechanism 8 can be prevented from becoming resistant to the flow of the air A and the compressed air CA as much as possible, and the axial flow compressor 1 having a simple structure can be easily configured. it can.
[0024]
Further, in the present embodiment, the rotation speeds of the first and second moving blades 3 and 7 are greatly reduced as compared with the above-described conventional example. Centrifugal force can be reduced. As a result, it is possible to easily prevent the blades 3a and 7a from being damaged due to centrifugal force as compared with the above-described conventional example, simplify the mounting structure of the blades 3a and 7a, and reduce the weight of the moving blades 3 and 7. Can be easily achieved. Further, even if the strength of the blade is low, the blade is not damaged, so that an inexpensive material can be used.
[0025]
Further, in the present embodiment, the rotation speed of the shaft 4a is suppressed to a low rotation speed of about 10,000 rotations or less, and the shaft 4a is made of steel such as the bearing steel or bearing steel. Since the bearing is supported by the general-purpose rolling bearing 4c, it is possible to configure an axial flow compressor that is more excellent in earthquake resistance and less expensive than the above-described conventional example.
Specifically, for example, in the above-mentioned conventional example using a single moving blade, the moving blade is driven to rotate at a high speed exceeding 100,000 rotations. Since a rolling bearing such as a ball bearing cannot be used as a freely supporting bearing, a sliding bearing (including a dynamic pressure bearing) has been used. However, the sliding bearing has a lower seismic resistance than the rolling bearing, and the bearing is likely to be touched down due to vibration or the like accompanying the traveling of the vehicle. Further, since the rotor is rotated at such a high speed, the noise accompanying the rotation of the moving blades and the rotation of the shaft becomes extremely large, so that it is necessary to take sound insulation measures for the axial flow compressor.
[0026]
Further, in the above-described conventional example in which the four-stage moving blades are rotated by using an electric motor that rotates 25,000 to 30,000, it is possible to support the motor shaft with a rolling bearing. Unlike the form, when a general-purpose rolling bearing made of steel such as bearing steel or bearing steel is used, the durability of the bearing is insufficient, and there is a possibility that an early failure may occur. For this reason, ceramic bearings that are more expensive than the general-purpose rolling bearings have been used.
On the other hand, in the present embodiment, since the above-mentioned general-purpose rolling bearing 4c is used, the shaft 4a of the electric motor 4 is supported by a low-cost and high-vibration bearing. It is possible to easily configure an axial flow compressor that has high performance and is inexpensive.
[0027]
FIG. 2 is a partially cutaway cross-sectional view illustrating a main configuration of an axial flow compressor according to another embodiment. In FIG. 2, the main difference between this embodiment and the embodiment shown in FIG. 1 is that instead of the electric motor 4, a shaft 11a is protruded to both sides of a motor body 11b and different rotation systems are connected to both ends of the shaft. The point is that a possible motor, that is, a so-called double-shaft type electric motor 11 is used, and the auxiliary wings 12 are provided at the shaft protruding portion on the discharge port 2b side.
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, the shaft 11a of the electric motor 11 projects from both sides of the motor main body 11b of the motor 11 in the left-right direction in the drawing, and the shaft 11a is made of steel such as the bearing steel or bearing steel. It is rotatably supported by a general-purpose rolling bearing 11c such as a ball bearing made of steel. The electric motor 11 is constructed using the above-described low-rotation type general-purpose electric motor, and includes a first rotor blade 3 and an inversion roller, which are integrally rotatably attached to one end of a shaft 11a. The second moving blade 7 connected via the mechanism 8 is rotationally driven at a rotation speed of about 15,000 rotations (rpm) or less. Further, to the other end of the shaft 11a, an auxiliary wing 12 having a plurality of wings 12a provided at equal intervals on an outer peripheral surface is attached so as to be integrally rotatable.
[0028]
The storage container 13 for storing the electric motor 11 is provided with a connection port 13a to which an exhaust pipe 14 is connected, and the discharged air is supplied to the air electrode of the fuel cell and then discharged to the outside. Is introduced into the container 13. The connection port 13a is formed by opening the end of the container 13 on the discharge port 2b side in a circular shape. In the storage container 13, the exhaust air from the connection port 13 a is introduced into the interior of the container 13, and the exhaust air is supplied to the wing portion 12 a of the auxiliary wing 12, whereby the auxiliary wing 12 is moved in the first dynamic range. The wing 3 is driven to rotate in the same direction. After the auxiliary wing 12 is driven to rotate, the exhaust air is sent to the outside of the storage container 13 and the housing 2 by a pipe or the like (not shown) and discharged to the outside of the vehicle.
[0029]
In the present embodiment configured as described above, the auxiliary wings 12 are provided in the same direction as the first moving blades 3 by the exhaust air introduced into the storage container 13. The rotation of the first moving blade 3 and the second moving blade 7 by the electric motor 11 can be assisted. As a result, power consumption by the electric motor 11 can be suppressed, and energy saving of the axial compressor 1 can be achieved. In addition, since the electric motor 11 assists the rotational driving of the rotor blades 3 and 7, the motor 11 can be constituted by a motor having a smaller output than the electric motor 4 shown in FIG.
[0030]
In the above description, the case where the present invention is applied to an axial compressor incorporated in a supply system for supplying a reaction gas to a vehicle-mounted fuel cell has been described. And a second moving blade, wherein the first moving blade is rotationally driven by an electric motor at a rotational speed of about 10,000 rotations or less, and the second moving blade is rotated by a reversing mechanism using the rotational force of the motor. What is necessary is just to reverse the axis at substantially the same speed with respect to the first rotor blade. The first and second rotor blades are rotated by rotating the first and second rotor blades against a fluid such as CO ₂ gas as a cooling medium. The present invention can be applied to various axial flow compressors for compressing a fluid. In the above description, a configuration using one first and second moving blades has been described. However, for example, two moving blades provided in two stages in the axial direction are electrically operated as the first moving blades. A configuration may be provided in which the shaft 4a of the motor 4 is provided so as to be integrally rotatable at the distal end portion, and the moving blade on the motor main body 4b side is arranged to face the second moving blade.
[0031]
Further, in the above description, the reversing mechanism 8 including the rotating member 8a and the traction roller 8b rolling on the axial end face 8a1 and the ring-shaped end face 7d1 has been described. The second rotating blade is connected between the second rotating blade and the second rotating blade in a direction opposite to the rotation direction of the first rotating blade by transmitting the motor rotational force to the second rotating blade side. If it is a thing, it is not limited at all. For example, the inner peripheral surface of the cylindrical portion 7b and the outer peripheral surface of the shaft are respectively configured as second and first rolling surfaces, and one end is rotatably supported by the other end of the shaft member fixed to the motor body. The traction roller may be configured to roll on the rolling surface. Further, instead of a traction drive type reversing mechanism including a traction roller, a transmission mechanism that transmits force by meshing of teeth such as planetary gears is used to rotate the second rotor blade with the motor rotational force. You may let it.
In addition, although the example in which the motor is arranged in front of or behind the moving blade has been described, a structure in which the moving blade is arranged so as to house the motor inside the moving blade may be used. In this case, the axial dimension of the axial flow compressor is reduced. Can be shortened. In the compressor according to the present invention, since the motor has a small output and a small size as described above, such a configuration can be implemented.
[0032]
【The invention's effect】
The present invention configured as described above has the following effects.
According to the axial flow compressor of the first aspect, the first and second blades are rotationally driven using a low-speed general-purpose electric motor and a reversing mechanism to compress the fluid to a desired pressure. Therefore, in combination with the fact that the mechanical efficiency of the axial flow compressor can be improved and the rotor blades can be reduced, a low-cost and small-sized axial flow compressor can be easily configured. In addition, the rotation force is transmitted to the second moving blade in a state in which a decrease in the transmission efficiency of the motor rotating force to the second moving blade side is suppressed as much as possible while preventing occurrence of seizure or the like in the reversing mechanism. Therefore, an axial compressor having excellent durability and compression efficiency can be configured.
[0033]
Further, according to the axial compressor of the second aspect, since the compression efficiency of the fluid can be surely improved, it is possible to further easily configure a low-cost, small-sized axial compressor.
[0034]
According to the axial compressor of the third aspect, the structure of the axial compressor can be easily simplified, so that the compressor can be more easily downsized.
[0035]
Further, according to the axial flow compressor of the fourth aspect, the structure of the reversing mechanism can be simplified, so that the compressor can be prevented from increasing in size, and a compact compressor can be easily configured. Can be.
[0036]
Further, according to the axial flow compressor of claim 5, since the rotation drive by the electric motor having the auxiliary wing can be assisted, the power consumption by the motor can be suppressed, and the axial flow compressor can be used. Energy saving can be achieved.
[0037]
Further, according to the axial flow compressor of claim 6, since the reaction gas of the on-vehicle fuel cell can be compressed to a desired pressure by using the low-speed general-purpose electric motor, an electric vehicle or the like can be used. A compressor excellent in mountability on a vehicle can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially cutaway cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of an axial flow compressor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of an axial flow compressor according to another embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 axial flow compressor 3 first moving blade 4, 11 electric motor 4a, 11a shaft 4b, 11b motor body 7 second moving blade 7d1 ring-shaped end face (second rolling face)
8 reversing mechanism 8a1 axial end face (first rolling face)
8b Traction roller 12 Auxiliary wing

Claims

An axial flow compressor that compresses a fluid by using first and second blades that are arranged to face each other in an axial direction,
An electric motor that rotationally drives the first blade;
It is connected between the electric motor and the second moving blade, and transmits the rotational force of the electric motor to the second moving blade side in a direction opposite to the rotation direction of the first moving blade. An axial flow compressor, comprising: a reversing mechanism that rotationally drives a second rotor blade.

The axial flow compressor according to claim 1, wherein the reversing mechanism rotationally drives the second blade at substantially the same speed as the first blade.

The axial compressor according to claim 1 or 2, wherein the second moving blade and the reversing mechanism are provided between the first moving blade and a motor main body of the electric motor. .

The reversing mechanism is rotatably disposed between a first rolling surface provided on a shaft side of the electric motor and a second rolling surface provided on the second moving blade side. The axial flow compressor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a traction roller that transmits the rotational force of the electric motor to the second moving blade side by rolling on a rolling surface of the shaft. .

The axial flow compression according to any one of claims 1 to 4, wherein an auxiliary wing, which is rotationally driven by the fluid in the same direction as the first rotor blade, is integrally provided on a shaft of the electric motor. Machine.

The axial flow compressor according to any one of claims 1 to 5, wherein the fluid is a reaction gas of a vehicle fuel cell.