JP4419039B2 - 燃料電池用スクロール式圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用スクロール式圧縮機に関するものであり、より詳細には吐出ガスを再度流入させ、動力の助成に利用するスクロール式圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車業界においては電気自動車の駆動源として燃料電池が注目され始めている。燃料電池では予め圧縮機により圧縮されて供給された酸素と水素とを反応させることにより発電を行う。また、電池反応により生成した水と、酸素および水素消費後のガスとを排出している。
【０００３】
ところで、この燃料電池から排出されるガスも高圧状態を維持している場合が多い。そこで、高圧状態の排出ガスが膨張する際のエネルギを、圧縮機の動力の助成に利用する回生機構付きのスクロール式圧縮機が特開２０００−１５６２３７号公報に紹介されている。
【０００４】
図４にこの回生機構付きのスクロール式圧縮機１００の軸方向断面図を示す。ハウジング１０１はスクロール式圧縮機１００の外殻をなす。ハウジング１０１の吐出側内面１０２からはモータ方向に圧縮用固定スクロール１０３が立設されている。また吐出側内面１０２と対向するモータ側内面１０４からは吐出方向に膨張用固定スクロール１０５が立設されている。またこれら二つの固定スクロールの間には、内周側中央にモータ側に開口する軸挿入部１１４を備える旋回板１０６が設置されている。
【０００５】
軸挿入部１１４の内周側には、潤滑剤が塗布された軸受部１１５と潤滑剤を封入する二つのリング状のシール部材１１７とが設置されている。また、軸受部１１５のさらに内周側には、クランク状の駆動軸１１０が回転自在に挿入されている。
【０００６】
旋回板１０６の吐出側の表面には圧縮用旋回スクロール１０７が、一方モータ側の裏面には膨張用旋回スクロール１０８が立設されている。そして圧縮用固定スクロール１０３と圧縮用旋回スクロール１０７に仕切られて圧縮室１１１が区画されている。また圧縮室最外周部には吸入口１２０が、内周側中央部には吐出口１２１がそれぞれ形成されている。
【０００７】
一方、膨張用固定スクロール１０５と膨張用旋回スクロール１０８との間には膨張室１１２が区画されている。また膨張室内周側中央部には流入口１３０が、最外周部には流出口１３１とがそれぞれ形成されている。
【０００８】
また旋回板１０６の外周部には、旋回板１０６の自転を防止する自転防止軸１１３が設置されている。
【０００９】
モータにより駆動軸１１０が回転し圧縮用旋回スクロール１０７が旋回すると、燃料電池に供給される空気は吸入口１２０から圧縮室１１１に吸入され、圧縮されながら圧縮用固定スクロール１０３の中央側に移動する。圧縮された空気は吐出口１２１を通って燃料電池に供給される。燃料電池での反応により酸素を消費した空気は、排出ガスとして電池から排出される。そして、再び流入口１３０から膨張室１１２内に流入し、膨張しながら膨張用固定スクロール１０５の外周側に移動する。このとき排出ガスの膨張エネルギが駆動軸１１０の駆動エネルギに変換される。膨張後の排出ガスは流出口１３１を通って圧縮機外に排出される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような燃料電池用スクロール式圧縮機によると、燃料電池の排出ガスが流入口１３０から膨張室１１２に流入する際、シール部材１１７に排出ガスが直接あたっていた。排出ガス中には電池反応により生成した水分が含まれている。一方、シール部材１１７は上述したように軸受部１１５からの潤滑剤の漏出を抑制するために設置されているが、水と潤滑剤とは粘性などの物性が異なる。このため、シール部材１１７により潤滑剤の漏出は抑制できても排出ガス中の水分の侵入を抑制するのは困難であり、軸受部１１５内に水分が侵入し潤滑剤が劣化するという問題が生じていた。
【００１１】
この場合、排出ガスの流速を遅くして、すなわち流量を小さくして水分の侵入を抑制し潤滑剤の劣化を抑制することも考えられる。しかし、流量を小さくすると圧縮された排出ガスの膨張エネルギにより圧縮機の動力を助成する効果が小さくなる。
【００１２】
本発明は上記課題に鑑みて完成されたものであり、排出ガスの流量を低下させることなく、排出ガス中の水分の軸受部内への侵入を抑制し、潤滑剤の劣化を防ぐ燃料電池用スクロール式圧縮機を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池用スクロール式圧縮機は、圧縮用固定スクロールと、圧縮用固定スクロールとの間に外周側から吸入したガスを内周方向に移動させて圧縮する圧縮室を区画する圧縮用旋回スクロールと、圧縮用旋回スクロールが表面に立設されると共に略中央の裏面側に開口し駆動軸が挿入される有底円筒状の軸挿入部を有する旋回板と、軸挿入部内に設置され内部に潤滑剤を伴って駆動軸を支承する軸受部と、旋回板の裏面側に対向して設けられる膨張用固定スクロールと、膨張用固定スクロールとの間に内周側略中央に形成される流入口から流入したガスを外周方向に移動させて膨張させる膨張室を区画し旋回板の裏面に立設される膨張用旋回スクロールと、を有する燃料電池用スクロール式圧縮機であって、潤滑剤が軸挿入部の開口端から漏出するのを抑制するシール部材と、シール部材と流入口との間に設けられ流入口から流入する水分を含むガスの流れを変えて軸挿入部内にある軸受部に水分が侵入することを抑制する堤部材と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
つまり、本発明の燃料電池用スクロール式圧縮機は、シール部材とは別に軸受部内に排出ガス中の水分が侵入するのを抑制するための堤部材を設けることを特徴とする。従来は、流入口から流入した排出ガスが直接シール部材にあたることにより、軸受部内にガス中の水分が侵入していた。言い換えると、流入口とシール部材との間に排出ガスの流路を遮るような障害物が無かった。
【００１５】
本発明の燃料電池用スクロール式圧縮機は、この排出ガスの流路を遮断する堤部材を新たに設けるものである。堤部材を設けることにより、排出ガスの流れ方向を変えることができ、シール部材に排出ガス流が直接あたることを防ぐことができる。これにより軸受部内に排出ガス中の水分が侵入し、潤滑剤が劣化するのを抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用スクロール式圧縮機の実施の形態について説明する。
【００１７】
堤部材は、駆動軸の外周面に周設した鍔とする構成が好ましい。この構成によると、予め鍔を周設した駆動軸を軸挿入部に挿入するだけで簡単に堤部材を設置することができる。なお鍔の径、角度などは流入口の配置、気流の向きなどを考慮して適切な値とすればよい。
【００１８】
またこの鍔の流入口側に、さらに堤部材を併設してもよい。すなわち複数の堤部材を設けてもよい。例えば、鍔の流入口側に、軸挿入部の内周壁から立設したリングを設ける構成とすることもできる。この構成によると排出ガスの流路が複雑になるため、よりガス中の水分が軸受部に侵入しにくくなる。
【００１９】
また堤部材は、駆動軸または軸挿入部と一体的に設置されていても、別部材として設置されていてもよい。駆動軸と一体的に設ける構成としては、例えば、駆動軸に吐出方向に縮径するような段差を形成し、この段差部分を堤部材とする構成がある。この構成によると部品数が減るため、圧縮機の構造がより単純になる。 軸受部は滑り軸受でも転がり軸受でもよいが、好ましくは摩擦の小さい転がり軸受の方がよい。また転がり軸受を使用する場合、玉やコロなどの転動体を軸方向に二列以上配列してもよい。
【００２０】
シール部材としては、ゴムリング、プラスチックリング、フェルトリングなどを用いることができる。シール部材の設置場所は特に限定しない。例えば図４に示すように、軸受部１１５とは別に、軸挿入部１１４の内周壁と駆動軸１１０の外周面との間に直接設置してもよい。また軸受部と一体的に、例えばコロなどの転動体を挟持する外輪と内輪との間にシール部材を設置してもよい。なおシール部材の設置数は一つでも複数でもよい。
【００２１】
潤滑剤としては、例えば、基油として鉱油、合成炭化水素などを用い、増稠剤としてリチウム石鹸、ポリウレアなどを用いたグリースを用いることができる。
【００２２】
なお、本発明の燃料電池用スクロール式圧縮機は、酸化剤ガスである酸素、空気や燃料ガスである水素などの供給に用いるものである。
【００２３】
以上本発明のスクロール式圧縮機の、実施の形態についてしたが、本発明のスクロール式圧縮機の実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうるあらゆる変形的、応用的態様で実施することもできる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明のスクロール式圧縮機の実施例について説明する。
【００２５】
〈実施例１〉
図１に実施例１の燃料電池用スクロール式圧縮機１の軸方向断面図を示す。本実施例のスクロール式圧縮機１は図示しないモータにより駆動される。また本実施例のスクロール式圧縮機１の圧縮気体は燃料電池に酸化剤として供給される空気である。
【００２６】
ハウジング２は円筒状であり、本実施例のスクロール式圧縮機１の外殻をなす。ハウジング２内部においては、円状の吐出側内面３０からモータ方向に渦巻き状の圧縮用固定スクロール３１が立設されている。一方、吐出側内面３０に対向する円状のモータ側内面４０からは吐出方向に渦巻き状の膨張用固定スクロール４１が立設されている。またこれら二つの固定スクロールの間には、内周側中央にモータ方向に開口する軸挿入部６０を備える円板状の旋回板６が介装されている。
【００２７】
軸挿入部６０の内周側には、軸受部７とシール部材８とが設置されている。図２に示すように、軸受部７は外輪７３とコロ７４と内輪７５とを備える。外輪７３は円筒状であって軸挿入部６０の内周壁に接して配置される。またコロ７４は円柱状であって外輪７３の内周側に沿って複数配置される。また内輪７５は円筒状であって、外輪７３との間にコロ７４を挟持するように、コロ７４のさらに内周側に配置される。潤滑剤は、コロ７４と外輪７３、およびコロ７４と内輪７５との間の摩擦を低減するために軸受部７に塗布されている。
【００２８】
シール部材８はリング状であってＰＴＦＥ系の樹脂により形成されている。このシール部材８は軸挿入部６０の開口端に二つ併設されており、軸受部７に塗布された潤滑剤が開口端から漏出するのを抑制している。
【００２９】
軸受部７の内輪７５のさらに内周側には、一端がモータ回転軸（図略）に接続された駆動軸５が回転自在に挿入されている。また駆動軸５の挿入部分のモータ側には、バランスウェイト５０と一体的に形成されたリング状の鍔５１が周設されている。つまり軸受部７近傍においては、吐出側から軸方向に軸受部７、シール部材８、鍔５１の順に、各々の部材が配置されている。
【００３０】
旋回板６の吐出側の表面には、圧縮用旋回スクロール６１が圧縮用固定スクロール３１と噛み合うように立設されている。そして吐出側内面３０と旋回板６の吐出側表面との間には、圧縮用固定スクロール３１と圧縮用旋回スクロール６１とに仕切られて渦巻き状の圧縮室３２が形成されている。また圧縮室３２の最外周部には吸入口３３が、内周側中央部には吐出口３４が、それぞれ形成されている。
【００３１】
一方、旋回板６のモータ側の表面には、膨張用旋回スクロール６２が膨張用固定スクロール４１と噛み合うように立設されている。そしてモータ側内面４０と旋回板６のモータ側表面との間には、膨張用固定スクロール４１と膨張用旋回スクロール６２とに仕切られて膨張室４２が形成されている。また膨張室４２の内周側中央部にはシール部材８に向かって開口する流入口４３が、最外周部には流出口４４が、それぞれ形成されている。
【００３２】
また旋回板６の外周部には、旋回板６の自転を防止する自転防止軸６３が設置されている。
【００３３】
モータにより駆動軸５が回転し旋回板６が旋回運動すると、圧縮用旋回スクロール６１が旋回し空気が吸入口３３から圧縮室３２に吸入される。空気は圧縮されながら圧縮用固定スクロール３１の内周側中央に移動する。圧縮された空気は吐出口３４を通って燃料電池に供給される。燃料電池での反応により酸素を消費した空気は排出ガスとして電池から排出され、再び流入口４３から膨張室４２内に流入する。
【００３４】
流入口４３とシール部材８との間には鍔５１が介在している。この鍔５１により排出ガスの流路が変わるため、排出ガスがシール部材８に直接あたることはない。これにより、排出ガス中の水分の軸受部７内への侵入を抑制することができる。
【００３５】
流れ方向を変えた排出ガスは、膨張室４２内において膨張しながら膨張用固定スクロール４１の外周側に移動する。膨張後のガスは流出口４４を通って圧縮機外に排出される。
【００３６】
本実施例における堤部材である鍔５１は、上述したようにバランスウェイト５０と一体的に作製した。そして、バランスウェイト５０を駆動軸５に固定する際に鍔５１の内周側に駆動軸５を通すことにより、駆動軸５の外周面に周設した。
【００３７】
〈実施例２〉
本実施例のスクロール式圧縮機は、堤部材として駆動軸に段差を形成したものである。図３に本実施例のスクロール式圧縮機の軸受部の近傍の拡大図を示す。なお実施例１と対応する部材については同じ符号を用いる。
【００３８】
段差５２は駆動軸５が吐出方向に縮径して形成されており、軸挿入部６０の開口端付近に配置されている。すなわち、流入口とシール部材８との間に段差５２が介在している。流入口から流入する排出ガスは、段差５２にあたり流れの方向を変える。このため、排出ガス中の水分の軸受部７内への侵入を抑制することができる。なお、この段差５２は駆動軸５を鍛造する際に一体的に形成された。
【００３９】
【発明の効果】
本発明のスクロール式圧縮機によると、燃料電池排出ガス中の水分の軸受部内への侵入を抑制し、潤滑剤の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のスクロール式圧縮機の軸方向断面図である。
【図２】 実施例１のスクロール式圧縮機の軸受部近傍の拡大図である。
【図３】 実施例２のスクロール式圧縮機の軸受部近傍の拡大図である。
【図４】 従来のスクロール式圧縮機の軸方向断面図である。
【符号の説明】
１：燃料電池用スクロール式圧縮機 ２：ハウジング ５：駆動軸
６：旋回板 ７：軸受部 ８：シール部材 ３０：吐出側内面
３１：圧縮用固定スクロール ３２：圧縮室 ３３：吸入口 ３４：吐出口
４０：モータ側内面 ４１：膨張用固定スクロール ４２：膨張室
４３：流入口 ４４：流出口 ５０：バランスウェイト ５１：鍔（堤部材）
５２：段差（堤部材） ６０：軸挿入部 ６１：圧縮用旋回スクロール
６２：膨張用旋回スクロール ６３：自転防止軸 ７３：外輪 ７４：コロ
７５：内輪

Claims (2)

1. 圧縮用固定スクロールと、該圧縮用固定スクロールとの間に外周側から吸入したガスを内周方向に移動させて圧縮する圧縮室を区画する圧縮用旋回スクロールと、該圧縮用旋回スクロールが表面に立設されると共に略中央の裏面側に開口し駆動軸が挿入される有底円筒状の軸挿入部を有する旋回板と、該軸挿入部内に設置され内部に潤滑剤を伴って該駆動軸を支承する軸受部と、該旋回板の裏面側に対向して設けられる膨張用固定スクロールと、該膨張用固定スクロールとの間に内周側略中央に形成される流入口から流入したガスを外周方向に移動させて膨張させる膨張室を区画し該旋回板の裏面に立設される膨張用旋回スクロールと、を有する燃料電池用スクロール式圧縮機であって、
   前記潤滑剤が前記軸挿入部の開口端から漏出するのを抑制するシール部材と、
   該シール部材と前記流入口との間に設けられ該流入口から流入する水分を含むガスの流れを変えて該軸挿入部内にある軸受部に該水分が侵入することを抑制する堤部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用スクロール式圧縮機。
2. 前記堤部材は、前記駆動軸の外周面に周設する鍔である請求項１に記載の燃料電池用スクロール式圧縮機。

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