JP2005155409A

JP2005155409A - ルーツ型圧縮機の起動装置及び方法

Info

Publication number: JP2005155409A
Application number: JP2003394111A
Authority: JP
Inventors: Masanao Kagami; 雅直鏡味; Toshiro Fujii; 俊郎藤井; Kazuo Yamada; 一穂山田; Tatsuyuki Hoshino; 辰幸星野; Takayuki Hirano; 貴之平野
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16
Also published as: DE102004056739A1; US6987373B2; US20050110446A1

Abstract

【課題】ルーツ型圧縮機の内部で水分が凍結しても起動することができるルーツ型圧縮機の起動装置及び方法を提供する。
【解決手段】正転方向の起動が指示されると、駆動用モータ２が起動したか否かが判定され（Ｓ１）、起動していない場合には外気温度Ｔの値と設定温度４℃との比較が行われる（Ｓ２，Ｓ３）。外気温度Ｔが４℃以下であれば、水分が凍結したために起動できないものと判断して駆動用モータ２に逆転指示が発せられ（Ｓ４）、それでも起動しない場合には（Ｓ５）、バッテリ４の充電容量Ｐｓが確認され（Ｓ６）、充電容量Ｐｓが所定値Ｐｍを越えている場合には、駆動用モータ２に正転指示が発せられる（Ｓ７）。まだ起動しない場合には（Ｓ８）、再びバッテリ４の充電容量Ｐｓが確認され（Ｓ９）、充電容量Ｐｓが所定値Ｐｍを越えていれば、駆動用モータ２に逆転指示が発せられる（Ｓ４）。このようにして、起動するまで駆動用モータ２に逆転指示と正転指示とが繰り返し発せられる。
【選択図】図３

Description

この発明は、ルーツ型圧縮機の起動装置及び方法に係り、特に低温環境下における起動に関する。

特許文献１に開示されているように、水素ガスと空気を反応ガスとして発電を行う燃料電池システムにおいては、燃料電池本体の水素極に供給された水素ガスの一部が未反応のまま水素オフガスに含まれて排出されることがあり、この未反応の水素ガスを有効利用するために水素ポンプを用いて水素オフガスを燃料電池本体の水素極に循環させるシステムが提案されている。

特開２００３−１７８７８２号公報

しかしながら、燃料電池では発電に伴って水が生成され、この水が水素オフガスと共に排出されるため、水素ポンプ内に水素オフガスと共に水分も導入されてしまう。従って、低温環境下で燃料電池システムを運転状態から停止すると、水素ポンプ内で水分が凝縮して凍結する虞がある。また、空気を燃料電池本体の酸素極に供給するために用いられる空気ポンプにおいても、吸入空気中の水分あるいは吐出側からの加湿空気の逆流により内部で凍結する虞がある。
水素ポンプや空気ポンプとして、例えば図４に示されるようなルーツ型圧縮機を使用すると、水の表面張力によって一対のロータ２１の間や各ロータ２１とケーシング２２との間等に水分が滞在して凍結したり、水分が各ロータ２１の表面で凍結することで、運転再開時に起動することができなくなる虞がある。
この発明は、このような従来の問題点を解消するためになされたもので、ルーツ型圧縮機の内部で水分が凍結しても起動することができるルーツ型圧縮機の起動装置及び方法を提供することを目的とする。

この発明に係るルーツ型圧縮機の起動装置は、ルーツ型圧縮機の駆動用モータと電源との間に接続された切り替えスイッチと、駆動用モータが起動したか否かを検出する起動センサと、低温環境であることを検知する温度センサと、温度センサにより低温環境であることが検知された状態で前記切り替えスイッチを操作して駆動用モータに正転指示を発しても起動センサが駆動用モータの起動を検出しない場合に前記切り替えスイッチの操作により駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返して発する制御部とを備えるものである。
制御部が逆転指示と正転指示とを繰り返して発することにより、駆動用モータに逆転トルクと正転トルクとが繰り返し発生するので、凍結した水分がルーツ型圧縮機のロータやケーシングから剥離され、起動が可能となる。

なお、温度センサが外気温度を測定し、温度センサで測定された外気温度が設定温度以下の場合にのみ制御部が駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返し発するように構成することができる。
また、電源としてバッテリを用い、バッテリの充電容量が所定値以上の場合にのみ制御部が駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返し発するように構成してもよい。
起動センサとしては、駆動用モータのトルクを検出するトルクセンサ、駆動用モータに流れる電流値を検出する電流センサ、駆動用モータの回転数を検出する回転センサ、ルーツ型圧縮機の吐出圧を検出する圧力センサのうちのいずれかを用いることができる。
さらに、燃料電池システムの燃料ガスを供給するポンプとして使用されているルーツ型圧縮機を対象とすることができる。

この発明に係るルーツ型圧縮機の起動方法は、低温環境下でルーツ型圧縮機の駆動用モータに正転指示を発しても起動することができない場合に、駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返して起動させる方法である。
逆転指示と正転指示とを繰り返すことにより、駆動用モータに逆転トルクと正転トルクとが繰り返し発生し、凍結した水分がルーツ型圧縮機のロータやケーシングから剥離され、起動が可能となる。

外気温度が設定温度以下の場合にのみ駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返すようにすることができる。
また、バッテリから駆動用モータに電源を供給し、バッテリの充電容量が所定値以上の場合にのみ駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返すようにしてもよい。
さらに、燃料電池システムの燃料ガスを供給するポンプとして使用されているルーツ型圧縮機の起動を行うこともできる。

この発明によれば、低温環境下でルーツ型圧縮機の駆動用モータに正転指示を発しても起動することができない場合に、駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返して発するので、ルーツ型圧縮機の内部で水分が凍結しても、駆動用モータに発生する逆転トルクと正転トルクとにより凍結した水分がルーツ型圧縮機のロータやケーシングから剥離され、起動することができるようになる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
燃料電池システムの水素ポンプあるいは空気ポンプに適用されたルーツ型圧縮機の起動装置の構成を図１に示す。ルーツ型圧縮機１の駆動用モータ２に切り替えスイッチ３を介して電源となるバッテリ４が接続されている。また、駆動用モータ２には、駆動用モータ２が起動したか否かを検出する起動センサ５が取り付けられている。さらに、外気温度Ｔを測定する温度センサ６が配設され、これら切り替えスイッチ３、バッテリ４、起動センサ５及び温度センサ６に制御部７が接続されている。

切り替えスイッチ３の切り替えによって、バッテリ４と駆動用モータ２とを接続／遮断すると共にバッテリ４から駆動用モータ２に供給される電力の極性を反転させることができ、これにより駆動用モータ２に正転指示または逆転指示を選択的に発することが可能となる。

図２にルーツ型圧縮機１の内部構成を示す。ルーツ型圧縮機１は、ケーシング８に互いに平行で且つ回転自在に配設された駆動軸９及び従動軸１０を有しており、駆動軸９の一端部に取り付けられたドライブギヤ１１と従動軸１０の一端部に取り付けられたドリブンギヤ１２とが噛合している。駆動軸９及び従動軸１０はケーシング８内に画成されたロータ室１３を貫通しており、ロータ室１３内にて駆動軸９に第１のロータ１４が、従動軸１０に第２のロータ１５がそれぞれ固定されている。また、駆動軸９の他端部はケーシング８の外部へ延出しており、ケーシング８に固定された駆動用モータ２の回転軸を構成している。

駆動用モータ２により駆動軸９が回転すると、ドライブギヤ１１及びドリブンギヤ１２を介して従動軸１０が駆動軸９とは反対方向に回転する。これにより、ロータ室１３内において、第１のロータ１４と第２のロータ１５が図４に示した一対のロータ２１のように互いに反対方向に回転して吸気と排気が行われる。

次に、この実施の形態の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。制御部７が切り替えスイッチ３を操作することによりバッテリ４から駆動用モータ２に電力を供給して正転方向の起動を指示すると、ステップＳ１で起動センサ５からの信号により駆動用モータ２が起動したか否かが判定される。起動していないと判定された場合には、制御部７はステップＳ２で温度センサ６が検出した外気温度Ｔの読み込みを行い、続くステップＳ３で外気温度Ｔの値と予め定められた設定温度、例えば４℃との比較を行う。

比較の結果、外気温度Ｔが４℃以下であれば、ルーツ型圧縮機１の内部で水分が凍結したために起動できないものと判断して、制御部７はステップＳ４で切り替えスイッチ３を操作することによりバッテリ４から駆動用モータ２に供給される電力の極性を反転して逆転方向の起動を指示する。そして、ステップＳ５で起動センサ５からの信号により駆動用モータ２が起動したか否かが判定され、まだ起動していないと判定された場合には、制御部７はステップＳ６でバッテリ４の充電容量Ｐｓと予め設定された所定値Ｐｍとの比較を行う。

比較の結果、充電容量Ｐｓが所定値Ｐｍを越えている場合には、制御部７はこのまま起動処理を進めてよいと判断し、続くステップＳ７で切り替えスイッチ３を操作することによりバッテリ４から駆動用モータ２に供給される電力の極性を再び反転して今度は正転方向の起動を指示する。そして、ステップＳ８で起動センサ５からの信号により駆動用モータ２が起動したか否かが判定され、まだ起動していないと判定された場合には、制御部７はステップＳ９でバッテリ４の充電容量Ｐｓと予め設定された所定値Ｐｍとの比較を行う。比較の結果、充電容量Ｐｓが所定値Ｐｍを越えている場合には、ステップＳ４に戻って逆転方向の起動を指示する。

このようにして、駆動用モータ２が起動するまでステップＳ４〜Ｓ９が繰り返され、駆動用モータ２に逆転指示と正転指示とが繰り返し発せられる。
なお、ステップＳ１、Ｓ５またはＳ８で起動センサ５からの信号により駆動用モータ２が起動していると判定された場合には、ステップＳ１０に進み、システム凍結起動ループで改めて制御部７から駆動用モータ２に正転指示が出され、ルーツ型圧縮機１の運転が開始されると共に燃料電池システム全体の起動が行われる。なお、駆動用モータ２が正転指示において起動した場合は、そのまま運転を続行し、燃料システム全体の起動に続いても構わない。
また、ステップＳ６あるいはＳ９でバッテリ４の充電容量Ｐｓが所定値Ｐｍ以下であると判定された場合には、このまま起動処理を進めてもポンプ起動後の燃料電池システム全体の起動運転に要する充電容量Ｐｓが不足していると判断し、制御部７はステップＳ１１に進んで、システムの起動ができない状態にあるとして起動処理を終了する。
さらに、ステップＳ３で外気温度Ｔが４℃より高い場合には、水分の凍結以外の原因により起動できないと判断してステップＳ１２に進み、故障診断ループで起動不可の原因が探られる。

なお、駆動用モータ２が起動したか否かを検出する起動センサ５としては、駆動用モータ２のトルクを検出するトルクセンサ、駆動用モータ２に流れる電流値を検出する電流センサ、駆動用モータ２の回転数を検出する回転センサ、ルーツ型圧縮機１の吐出圧を検出する圧力センサ等のうちのいずれかを使用することができる。
また、温度センサ６として外気温度Ｔの代わりに駆動用モータ２の温度を測定するセンサや燃料電池本体の温度を測定するセンサを用いることもできるが、水分の凍結が開始する温度を監視する目的であるので、外気温度Ｔを測定すれば効率よくその判断を下すことができる。なお、図３のステップＳ３で外気温度Ｔの値と比較される設定温度を４℃としたのは、通常４℃程度にまで温度が低下すると水分の凍結が開始されるからである。ただし、４℃以外の値を設定温度としてもよい。

上記の実施の形態では、ルーツ型圧縮機１は、作動流体をルーツ型圧縮機１外からロータ室１３へ吸入する吸入口がロータ室１３の上側、作動流体をロータ室１３から外へ排出する吐出口がロータ室１３の下側となるように、駆動軸を水平方向に向けて横置きして設置される。ただし、ルーツ型圧縮機１を駆動軸が鉛直方向を向くように縦置きしてもよく、また、その他どのような角度において設置しても構わない。
この発明は、バッテリを搭載した燃料電池自動車において燃料電池への燃料ガスを供給する水素ポンプや空気ポンプとして使用されるルーツ型圧縮機に適用される他、バッテリを搭載した電気自動車の空調機器として使用されるルーツ型ブロアに対しても同様にして適用することができる。
また、バッテリの代わりに商用電源から電源供給を受ける定置型のパワープラントに使用されるルーツ型圧縮機やルーツ型ブロアに対してもこの発明を適用することができ、この場合、例えば図３のステップＳ６及びＳ９におけるバッテリ４の充電容量Ｐｓの確認は不要となる。

この発明の実施の形態に係るルーツ型圧縮機の起動装置の構成を示すブロック図である。ルーツ型圧縮機の内部を示す断面図である。実施の形態の動作を示すフローチャートである。ルーツ型圧縮機の動作を段階的に示す断面図である。

符号の説明

１ルーツ型圧縮機、２駆動用モータ、３切り替えスイッチ、４バッテリ、５起動センサ、６温度センサ、７制御部、８ケーシング、９駆動軸、１０従動軸、１１ドライブギヤ、１２ドリブンギヤ、１３ロータ室、１４第１のロータ、１５第２のロータ、Ｔ外気温度、Ｐｓ充電容量。

Claims

ルーツ型圧縮機の駆動用モータと電源との間に接続された切り替えスイッチと、
駆動用モータが起動したか否かを検出する起動センサと、
低温環境であることを検知する温度センサと、
前記温度センサにより低温環境であることが検知された状態で前記切り替えスイッチを操作して駆動用モータに正転指示を発しても前記起動センサが駆動用モータの起動を検出しない場合に前記切り替えスイッチの操作により駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返して発する制御部と
を備えることを特徴とするルーツ型圧縮機の起動装置。
前記温度センサは、外気温度を測定し、
前記制御部は前記温度センサで測定された外気温度が設定温度以下の場合にのみ駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返す請求項１に記載のルーツ型圧縮機の起動装置。
電源がバッテリであり、
前記制御部はバッテリの充電容量が所定値以上の場合にのみ駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返す請求項１または２に記載のルーツ型圧縮機の起動装置。
前記起動センサは、駆動用モータのトルクを検出するトルクセンサ、駆動用モータに流れる電流値を検出する電流センサ、駆動用モータの回転数を検出する回転センサ、ルーツ型圧縮機の吐出圧を検出する圧力センサのうちのいずれかである請求項１〜３のいずれか一項に記載のルーツ型圧縮機の起動装置。
燃料電池システムの燃料ガスを供給するポンプとして使用されているルーツ型圧縮機の起動を行う請求項１〜４のいずれか一項に記載のルーツ型圧縮機の起動装置。
低温環境下でルーツ型圧縮機の駆動用モータに正転指示を発しても起動することができない場合に、駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返して起動させることを特徴とするルーツ型圧縮機の起動方法。
外気温度が設定温度以下の場合にのみ駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返す請求項６に記載のルーツ型圧縮機の起動方法。
バッテリから駆動用モータに電源を供給し、
バッテリの充電容量が所定値以上の場合にのみ駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返す請求項６または７に記載のルーツ型圧縮機の起動方法。
燃料電池システムの燃料ガスを供給するポンプとして使用されているルーツ型圧縮機の起動を行う請求項６〜８のいずれか一項に記載のルーツ型圧縮機の起動方法。