CN112302723B - 膨胀机和燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种膨胀机和燃料电池系统。膨胀机具备：膨胀室，使导入的工作流体膨胀并排出；驱动室，容纳由工作流体的膨胀能驱动的驱动机构；中间室，夹置于膨胀室与驱动室之间；第一密封构件，将膨胀室与中间室之间密封；第二密封构件，将驱动室与中间室之间密封；以及加压部，对填充于中间室的加压流体进行加压。

Description

膨胀机和燃料电池系统
技术领域
本发明涉及膨胀机和具备该膨胀机的燃料电池系统。
背景技术
在下述日本特开2003－217641所述的燃料电池系统中，在从高压氢罐向燃料电池供给氢的路径的中途，配置有使氢减压膨胀的膨胀机。并且，将在该膨胀机中膨胀的氢的膨胀能转换为机械能，利用该机械能驱动送风机旋转。该送风机向使从燃料电池排出的未反应空气中含有的蒸汽冷凝的冷凝回收器送风。
上述的膨胀机具有例如使氢绝热膨胀的膨胀室和容纳由氢的膨胀能驱动的驱动机构的驱动室。膨胀室与驱动室之间由密封构件密封，但在膨胀机工作中，膨胀室的内压与驱动室的内压产生差异，因此该压差施加于密封构件。其结果是，有可能发生从膨胀室向驱动室的氢泄漏、从驱动室向膨胀室的润滑油泄漏。
发明内容
本发明考虑到上述事实，其目的在于得到能有效抑制膨胀室与驱动室之间的流体泄漏的膨胀机和具备该膨胀机的燃料电池系统。
方案1所述的发明的膨胀机具备：膨胀室，使导入的工作流体膨胀并排出；驱动室，容纳由所述工作流体的膨胀能驱动的驱动机构；中间室，夹置于所述膨胀室与所述驱动室之间；第一密封构件，将所述膨胀室与所述中间室之间密封；第二密封构件，将所述驱动室与所述中间室之间密封；以及加压部，对填充于所述中间室的加压流体进行加压。
在方案1所述的膨胀机中，被导入膨胀室的工作流体膨胀并从膨胀室排出。容纳于驱动室的驱动机构由该工作流体的膨胀能驱动。中间室夹置于膨胀室与驱动室之间。该中间室与膨胀室之间由第一密封构件密封，并且该中间室与驱动室之间由第二密封构件密封。并且，填充于该中间室的加压流体被加压部加压。由此，能使膨胀室与中间室的内压之差小于膨胀室与驱动室的内压之差，施加于第一密封构件的压差变小。其结果是，能抑制工作流体从膨胀室向中间室泄漏。此外，由于中间室的内压高于驱动室的内压，因此会抑制从驱动室向中间室的流体(例如驱动机构的润滑油)泄漏。根据以上，能有效抑制膨胀室与驱动室之间的流体泄漏。
对于方案2所述的发明的膨胀机，在方案1中，所述加压部具有：加压装置，对所述加压流体进行加压；第一压力传感器，对所述加压流体的压力进行检测；第二压力传感器，对从所述膨胀室排出的所述工作流体的压力进行检测；以及控制部，基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的检测结果来控制所述加压装置。
在方案2所述的膨胀机中，填充于中间室的加压流体的压力由第一压力传感器检测，从膨胀室排出的工作流体的压力由第二压力传感器检测。并且，控制部基于这些压力传感器的检测结果来控制加压装置(例如缸装置、泵等)，该加压装置对上述的加压流体进行加压。由此，能根据从膨胀室排出的工作流体的压力对加压流体的压力进行反馈控制。
对于方案3所述的发明的膨胀机，在方案1中，所述加压部通过从所述膨胀室排出的所述工作流体的压力对所述加压流体进行加压。
根据方案3所述的膨胀机，被导入中间室的加压流体通过从膨胀室排出的工作流体的压力被加压。由此，不需要用于对加压流体进行加压的专用的加压装置、用于控制该加压装置的构成，因此能简化加压部的构成。
对于方案4所述的发明的膨胀机，在方案3中，所述加压部具备罐，所述罐具有：第一室，与所述膨胀室连通，被导入从所述膨胀室排出的所述工作流体；第二室，与所述中间室连通，被填充所述加压流体；以及压力传递部，将所述第一室与所述第二室分隔，并且将所述第一室的内压传递至所述第二室。
在方案4所述的膨胀机中，罐的第一室与膨胀室连通，罐的第二室与中间室连通。第一室被导入从膨胀室排出的所述工作流体，第二室被填充加压流体。第一室的内压通过压力传递部传递至第二室。由此，能通过导入第一室的工作流体的压力对填充于与中间室连通的第二室的加压流体进行加压。
对于方案5所述的发明的膨胀机，在方案4中，所述罐具有用于将所述加压流体填充至所述第二室的填充口。
在方案5所述的膨胀机中，能从罐所具有的填充口向第二室填充加压流体，因此，即使在例如发生加压流体从中间室等泄漏的情况下，也能追加补充加压流体。
对于方案6所述的发明的膨胀机，在方案1～5中任一项中，具备：外壳，在内部形成有所述膨胀室、所述驱动室以及所述中间室；以及涡旋机构，设于所述膨胀室内，所述工作流体在固定涡旋盘与可动涡旋盘之间膨胀，所述可动涡旋盘相对于所述固定涡旋盘进行公转回转运动，所述中间室由环状槽形成，所述环状槽以与所述可动涡旋盘对置的方式形成于所述外壳，所述第一密封构件和所述第二密封构件在所述环状槽的径向两侧配设于所述外壳与所述可动涡旋盘之间。
在方案6所述的膨胀机中，在外壳的内部形成有膨胀室、驱动室以及中间室。在膨胀室内设有涡旋机构。在该涡旋机构中，工作流体在固定涡旋盘与可动涡旋盘之间膨胀，可动涡旋盘相对于固定涡旋盘进行公转回转运动。形成中间室的环状槽以与该可动涡旋盘对置的方式形成于外壳，在该环状槽的径向两侧，在外壳与可动涡旋盘之间配设有第一密封构件和第二密封构件。并且，膨胀室和驱动室与中间室之间由这些密封构件密封，填充于该中间室的加压流体被加压部加压。由此，能以简化的构成有效抑制涡旋式膨胀机的外壳内的流体泄漏。
对于方案7所述的发明的膨胀机，在方案1～6中任一项中，所述工作流体和所述加压流体是彼此不同种类的流体。
在方案7所述的膨胀机中，由于如上述那样构成，因此，例如即使在使用难以安全管理的流体来作为工作流体的情况下，也能使加压流体成为容易安全管理的流体。
对于方案8所述的发明的膨胀机，在方案7中，所述工作流体是氢，所述加压流体是氮、氦、水或冷却介质。
在方案8所述的膨胀机中，采用难以安全管理的氢作为工作流体，另一方面，采用氮、氦、水或冷却介质之类的安全流体作为加压流体。在加压流体为氮或氦之类的气体的情况下，与加压流体为液体的情况相比，能谋求轻量化。此外，在加压流体为水或冷却介质之类的液体的情况下，与加压流体为气体的情况相比，容易发现例如泄漏等异常。
方案9所述的发明的燃料电池系统具备：方案1～8中任一项所述的膨胀机；氢罐，储留作为所述工作流体的氢；燃料电池，通过所述氢与空气中的氧的电化学反应来发电；以及氢供给路径，从所述氢罐向所述燃料电池供给所述氢，所述膨胀机连接于所述氢供给路径的中途，从所述氢罐向所述燃料电池供给的所述氢被导入所述膨胀室并膨胀，并且从所述膨胀室排出。
在方案9所述的燃料电池系统中，储留于氢罐的氢通过氢供给路径供给至燃料电池。该燃料电池使供给来的氢与空气中的氧发生电化学反应而发电。在上述的氢供给路径的中途连接有膨胀机。在该膨胀机中，上述的氢被导入膨胀室并膨胀，并且从膨胀室排出。容纳于驱动室的驱动机构由该氢的膨胀能驱动。由此，能将氢的膨胀能转换为机械能。并且，上述的膨胀机是方案1～8中任一项所述的膨胀机，因此能得到上述的作用效果。
对于方案10所述的发明的燃料电池系统，在方案9中，具备：散热器，对燃料电池的制冷剂进行冷却；以及风扇，由所述驱动机构的驱动力驱动，朝向所述散热器送风。
在方案10所述的燃料电池系统中，风扇由膨胀机的驱动机构的驱动力驱动。该风扇朝向对燃料电池的制冷剂进行冷却的散热器送风。由此，能提高散热器的冷却性能。
对于方案11所述的发明的燃料电池系统，在引用方案4和5中任一项的方案9或10中，所述罐在所述膨胀机与所述燃料电池之间连接于所述氢供给路径，使得从所述膨胀机排出的所述氢从所述第一室通过。
在方案11所述的燃料电池系统中，在从氢罐向燃料电池供给氢的氢供给路径的中途连接有膨胀机，在该膨胀机与所述燃料电池之间对氢供给路径连接有罐。从膨胀机排出的氢通过该罐的第一室。该第一室的内压通过压力传递部传递至第二室，填充于第二室的加压流体被加压。这样，通过从膨胀机排出并被供给至燃料电池的氢的压力对加压流体进行加压，因此效率高。
如上所述，在本发明的膨胀机和燃料电池系统中，能有效抑制膨胀室与驱动室之间的流体泄漏。
附图说明
以下，参照附图，对本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义进行说明，其中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是表示本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概略构成的一例的构成图。
图2是表示第一实施方式的燃料电池系统的控制系统的框图。
图3是表示第一实施方式的膨胀机的构成的剖视图。
图4是对图3的一部分进行放大表示的放大剖视图。
图5是用于对加压部的控制部的反馈控制进行说明的流程图。
图6是表示本发明的第二实施方式的燃料电池系统的概略构成的一例的构成图。
图7是表示作为罐的副罐的构成的剖视图。
图8是表示第二实施方式的膨胀机的局部构成的剖视图。
具体实施方式
＜第一实施方式＞
以下，使用图1～图5对本发明的第一实施方式的膨胀机10和燃料电池系统100进行说明。作为一例，本实施方式的燃料电池系统100搭载于未图示的车辆(燃料电池汽车)。
(构成)
如图1所示，作为一例，本实施方式的燃料电池系统100具备燃料电池堆102、冷却路径104、散热器106、温度传感器108、热交换器110、氢罐112、氢供给路径114、膨胀机10、风扇116、主阀118、第一开关阀120、第二开关阀122、第一调压阀124、第二调压阀126、副罐127、第一喷射器128、第二喷射器130、回流路132、气液分离器134、排水阀136、泵138、三通分路140以及控制部142。上述的膨胀机10包括构成该膨胀机10的主体部的氢膨胀机11和加压部(压力导入部)72。
首先，对燃料电池系统100的整体构成进行说明，然后，对作为本实施方式的主要部分的膨胀机10的构成进行详细说明。需要说明的是，在图1中，箭头H表示氢(氢气)流动的方向，箭头W表示作为燃料电池堆102的制冷剂的冷却水流动的方向。在以下的说明中，将氢供给路径114的氢罐112侧设为氢的流动的上游侧，将燃料电池堆102侧设为氢的流动的下游侧进行说明。
(燃料电池系统的整体构成)
燃料电池堆102是燃料电池的一例。具体而言，燃料电池堆102是通过氢与氧的电化学反应来发电的单元，通过层叠多个单电池而构成。从未图示的空气供给器向燃料电池堆102供给压缩空气中的氧。此外，从氢罐112经由氢供给路径114向燃料电池堆102供给氢。
冷却路径104由使冷却水从散热器106经由燃料电池堆102的内部和热交换器110再次循环至散热器106的配管构成。冷却路径104中的冷却水的循环由未图示的泵进行。此外，作为一例，冷却路径104的与热交换器110接触的部位被设为弯曲成U字状的弯曲部104A。与未形成弯曲部104A的构成相比，该弯曲部104A与热交换器110的接触面积增加。通过流经该冷却路径104的冷却水来冷却燃料电池堆102。
散热器106利用未图示的车辆的行驶风对冷却路径104内的冷却水进行冷却。此外，散热器106还通过来自与该散热器106对置地配置的风扇116的送风而被冷却。温度传感器108设于冷却路径104中燃料电池堆102的出口附近，对冷却路径104的冷却水的温度进行检测。
作为一例，热交换器110与冷却路径104的弯曲部104A接触。此外，热交换器110在氢膨胀机11的下游侧与氢供给路径114接触。该热交换器110采用如下构成：在通过氢膨胀机11的绝热膨胀而被冷却的氢与在冷却路径104中循环的冷却水之间进行热交换。
而且，作为一例，热交换器110在氢膨胀机11的上游侧与氢供给路径114接触。这是因为，在利用流经燃料电池堆102的冷却路径104的高温的冷却水的热来升高氢供给路径114的氢的温度之后通过氢膨胀机11进行绝热膨胀的情况下，氢的体积增加，能得到更多的后述的驱动力。此外，由于氢膨胀时的温度降低率高，因此，也为了不会在氢膨胀机11中过度冷却，采用在比氢膨胀机11靠上游侧将冷却水的热提供给氢的构成。
在作为耐压容器的氢罐112中储留有用于供给至燃料电池堆102的高压(例如，70MPa以上)的氢(燃料氢)。该氢被用作氢膨胀机11的工作流体。氢供给路径114的上游侧端部连接于该氢罐112。
氢供给路径114是用于从氢罐112向燃料电池堆102供给氢的路径，由内部供氢流动的配管构成。该氢供给路径114将氢罐112与燃料电池堆102相连。该氢供给路径114包括：从氢罐112延伸的上游侧路径114A、从上游侧路径114A的顶端分支为两股且在燃料电池堆102侧再次合流的主路径114B和旁通路径114C、以及将主路径114B和旁通路径114C的合流部与燃料电池堆102相连的下游侧路径114D。
在上游侧路径114A设有主阀118和第二调压阀126。主阀118例如为电磁式的闸阀，被设为能对上游侧路径114A进行开闭。第二调压阀126是控制阀，配置于主阀118的下游侧。该第二调压阀126被设为能对通过主阀118的氢的压力进行调整。
在主路径114B设有第一开关阀120、第一调压阀124以及第一喷射器128。第一开关阀120是控制阀，被设为能对主路径114B进行开闭。第一调压阀124是控制阀，配置于第一开关阀120的下游侧。该第一调压阀124被设为能对通过第一开关阀120的氢的压力进行调整。第一喷射器128采用如下的构成：具有包含例如电磁式的开关阀的两个喷射器128A、128B，根据供给至燃料电池堆102的氢的量来切换喷射器128A、128B的工作状态。
在旁通路径114C设有第二开关阀122、氢膨胀机11、副罐127以及第二喷射器130。第二开关阀122是控制阀，被设为能对旁通路径114C进行开闭。在该第二开关阀122的上游侧，旁通路径114C的一部分与热交换器110接触。
氢膨胀机11配置于第二开关阀122的下游侧附近，连接于旁通路径114C(氢供给路径114)的中途。由第二调压阀126一次减压后的氢被导入该氢膨胀机11的内部。该氢膨胀机11被配置为：使导入到内部的氢绝热膨胀(减压膨胀)，由此生成氢的冷能且将氢的膨胀能转换为机械能。在该氢膨胀机11连接有作为能量回收装置的上述风扇(送风机)116。该风扇116与散热器106对置地配置，被传递上述的机械能而被驱动，由此朝向散热器106送风。需要说明的是，能量回收装置不限于风扇116，也可以是发电机、压缩机等。
副罐127配置于氢膨胀机11的下游侧。该副罐127例如是储压器(蓄压器)，以使从氢膨胀机11排出的氢从内部通过的方式在氢膨胀机11与燃料电池堆102之间连接于旁通路径114C的中途。该副罐127的内压高于大气压。该副罐127具有作为维持第二喷射器130的加压的压力室的功能。此外，该副罐127具有抑制从氢膨胀机11排出的氢的压力变动而使后述的第二喷射器130的工作稳定的功能。在该副罐127与氢膨胀机11之间，旁通路径114C的一部分与热交换器110接触。
需要说明的是，在以下的说明中，有时将旁通路径114C中比氢膨胀机11靠上游侧的部分称为“上游部114C1”，将旁通路径114C中氢膨胀机11与副罐127之间的部分称为“中间部114C2”，将旁通路径114C中比副罐127靠下游侧的部分称为“下游部114C3”。
第二喷射器130采用如下的构成：具有包括例如电磁式的开关阀的两个喷射器130A、130B，根据供给至燃料电池堆102的氢的量来切换喷射器130A、130B的工作状态。在该第二喷射器130的下游侧，旁通路径114C合流于主路径114B与下游侧路径114D的连接部。
在下游侧路径114D设有三通分路140。该三通分路140连接有回流路132的一端部。该回流路132的另一端部连接于燃料电池堆102。来自燃料电池堆102的排气流入该回流路132。在该回流路132设有气液分离器134和泵138，上述的排气流入气液分离器134。气液分离器134将上述的排气中含有的氢气和反应气体分离为气体成分和液体成分。在该气液分离器134连接有排水阀136，在气液分离器134中分离出的液体成分从排水阀136排出。此外，在气液分离器134中分离出的气体成分流至上述的三通分路140。
从旁通路径114C和主路径114B中的至少一方流入下游侧路径114D的氢和上述的排气在三通分路140处合流。由此，配置为：上述的排气中含有的未反应的氢与从上述至少一方流入下游侧路径114D的氢一起被供给到燃料电池堆102。
另一方面，如图2所示，控制部142配置为：具有CPU(Central Processing Unit(中央处理单元)：处理器)144、ROM(Read Only Memory：只读存储器)146、RAM(Random AccessMemory：随机存取存储器)150以及进行与外部装置的通信的输入输出接口(I/O)152，它们经由总线154相互可通信地连接。
在输入输出接口152电连接有温度传感器108、主阀118、第一开关阀120、第二开关阀122、第一调压阀124、第二调压阀126、第一喷射器128、第二喷射器130、泵138、排水阀136。此外，在输入输出接口152电连接有后述的电磁离合器30、加压装置74、第一压力传感器76以及第二压力传感器78。CPU144是中央运算处理单元，执行各种程序或控制各部。即，CPU144从ROM146读出控制程序148，以RAM150作为作业区域来执行控制程序148。该CPU144被配置为按照记录于ROM146的控制程序148来进行上述各构成要素的控制和各种运算处理。
上述构成的控制部142基于来自温度传感器108的输出，对主阀118、第一开关阀120、第二开关阀122、第一调压阀124、第二调压阀126、第一喷射器128、第二喷射器130、泵138、排水阀136以及电磁离合器30的工作进行控制。
例如，在由温度传感器108检测到的冷却水的温度低于预先设定的基准温度的情况下，控制部142在关闭第二开关阀122且打开第一开关阀120的状态下使第一喷射器128工作。由此，控制部142以不使氢膨胀机11工作的方式通过主路径114B向燃料电池堆102供给氢，不会将氢过度冷却至超过需要的程度。此外，例如，在由温度传感器108检测到的冷却水的温度为上述的基准温度以上的情况下，控制部142在关闭第一开关阀120且打开第二开关阀122的状态下使第二喷射器130工作。由此，控制部142使氢膨胀机11工作的同时，通过旁通路径114C向燃料电池堆102供给氢。由此，通过在氢膨胀机11中使氢绝热膨胀，生成氢的冷能且将氢的膨胀能作为机械能进行回收。这样，在冷却水的温度为基准温度以上的情况下，氢膨胀机11中的能量回收效率变高。
(膨胀机的构成)
接着，对作为本实施方式的主要部分的膨胀机10的构成进行说明。如上所述，本实施方式的膨胀机10包括构成该膨胀机10的主体部的氢膨胀机(膨胀机主体)11和加压部72。加压部72具备：上述的控制部142、加压装置74、第一压力传感器76以及第二压力传感器78。
如图3和图4所示，氢膨胀机11是具备膨胀室12、驱动室14以及中间室16的涡旋式膨胀机。如上所述，该氢膨胀机11用于在燃料电池系统100中利用通过燃料氢的绝热膨胀而生成的冷能来提高燃料电池堆102的冷却性能。该氢膨胀机11具备：外壳20、驱动机构(动力回收机构)26、电磁离合器30、涡旋机构38、第一密封构件66以及第二密封构件68。
驱动机构26具有作为旋转轴的轴(shaft)28、驱动销31、球轴承27、29、衬套50、滚针轴承51、平衡配重52以及推力轴承54，被设为油润滑式。该驱动机构26被容纳在形成于外壳20的内部的驱动室14中。该驱动室14中存在用于对驱动机构26进行润滑的未图示的油(润滑油)。该驱动室14的内压被设定为与大气压同等。
涡旋机构38具有固定涡旋盘40和可动涡旋盘42。在可动涡旋盘42设有向径向外侧延伸的延伸部43。该涡旋机构38被容纳在形成于外壳20的内部的膨胀室12中。作为工作流体的高压氢被导入该膨胀室12。被导入该膨胀室12的氢被绝热膨胀并从膨胀室12排出。中间室16介于该膨胀室12与上述的驱动室14之间。该中间室16与膨胀室12之间由第一密封构件66密封，并且该中间室16与驱动室14之间由第二密封构件68密封。以下，对上述各构成要素进行详细说明。
外壳20包括在内部形成有上述的膨胀室12的后外壳22和在内部形成有上述的驱动室14的前外壳24。后外壳22为有底且呈带阶梯的圆筒状，具有：具有底壁部22A1的有底圆筒状的小径圆筒部22A、圆筒状的大径圆筒部22B以及在径向将这些圆筒部22A、22B相连的阶梯部22C。前外壳24的直径小于后外壳22，且呈带阶梯的圆筒状，具有：圆筒状的小径圆筒部24A和大径圆筒部24B、在径向将这些圆筒部24A、24B相连的阶梯部24C以及从大径圆筒部24B的与小径圆筒部24A相反侧的开口端向径向外侧延伸的凸缘部24D。在该凸缘部24D与大径圆筒部22B的开放端彼此嵌合的状态下，后外壳22和前外壳24呈同心状地被固定。并且，在凸缘部24D与可动涡旋盘42的延伸部43之间形成有上述的中间室16。该外壳20的中心轴线X在例如未图示的车辆(燃料电池汽车)的水平方向或大致水平方向延伸。
在上述的中心轴线X上配设有轴28。该轴28穿过前外壳24的小径圆筒部24A内向外壳20内延伸。该轴28具备由前外壳24的小径圆筒部24A包围的小径部28A和由前外壳24的大径圆筒部24B包围的大径部28B。与中心轴线X平行地延伸的驱动销31以相对于中心轴线X偏心规定距离的方式固定于大径部28B的与小径部28A相反侧的端面。驱动销31与轴28平行地配置。该轴28的大径部28B经由球轴承27旋转自如地支承于前外壳24的大径圆筒部24B，小径部28A经由球轴承29旋转自如地支承于前外壳24的小径圆筒部24A。
在前外壳24的小径圆筒部24A的径向外侧配设有电磁离合器30。电磁离合器30旋转自如地外嵌于前外壳24的小径圆筒部24A。该电磁离合器30具备：经由例如三角带等未图示的动力传递构件连接于驱动对象(在此为图1所示的风扇116)的带轮32、固定于前外壳24的小径圆筒部24A的励磁线圈34以及固定于轴28的小径部28A的端部的旋转传递板36。轴28的旋转经由该电磁离合器30等传递至风扇116，风扇116旋转。
在后外壳22内容纳有涡旋机构38，该涡旋机构38具备固定于后外壳22的固定涡旋盘40和相对于固定涡旋盘40进行公转回转运动(回转滑动)的可动涡旋盘42。固定涡旋盘40具备：与中心轴线X同心地配设并嵌合于后外壳22的圆板状的端板40A、立起设置于端板40A的一面的螺旋状的螺旋壁40B以及形成于端板40A的另一面的脚部40C。该固定涡旋盘40在脚部40C抵接于后外壳22的底壁部的状态下通过螺栓41固定于后外壳22。
在后外壳22内与固定涡旋盘40邻接地配设有作为可动构件(公转构件)的可动涡旋盘42。可动涡旋盘42具备：圆板状的端板42A、立起设置于端板42A的一面的螺旋状的螺旋壁42B以及形成于端板42A的另一面的环状凸台42C。可动涡旋盘42的端板42A的中心轴线(省略图示)以相对于外壳20的中心轴线X偏心规定距离的方式配置，与中心轴线X平行地延伸。
可动涡旋盘42的螺旋壁42B和固定涡旋盘40的螺旋壁40B从中心轴线X的方向观察时呈螺旋状，错开180゜角度地相互啮合。采用在固定涡旋盘40与可动涡旋盘42的滑动面上不存在油等油分的构成。可动涡旋盘42相对于固定涡旋盘40的公转回转运动是在端板42A的中心轴线与中心轴线X的距离固定的状态下端板42A的中心轴线绕中心轴线X公转的运动。以下，有时将上述的公转回转运动简称为“公转”。
可动涡旋盘42的端板42A将外壳20的内部空间分隔成膨胀室12和驱动室14。在固定涡旋盘40的端板40A的中心部形成有作为向膨胀室12导入氢的导入口的贯通孔48。此外，在端板40A的中心部固定(在此，通过螺栓117紧固)有路径连接构件115，该路径连接构件115卡定有旁通流路114C的上游部114C1的下游侧的端部。由此，上游部114C1的下游侧的端部经由上述的贯通孔48与膨胀室12连通。需要说明的是，端板40A的中心部中，固定有路径连接构件115的部位被设为向可动涡旋盘42的相反侧突出的凸台部(省略附图标记)。此外，在后外壳22的底壁部22A1形成有用于将路径连接构件115插入后外壳22内的作业孔23。此外，膨胀室12与形成于后外壳22的未图示的排出口连通。在该排出口连接有旁通流路114C的中间部114C2的上游侧的端部。
流经上游部114C1的氢从上述的贯通孔48被导入膨胀室12(螺旋壁40B与螺旋壁42B之间的中心侧)。被导入膨胀室12的氢使可动涡旋盘42相对于固定涡旋盘40公转并且在螺旋壁40B与螺旋壁42B之间膨胀，流向螺旋壁40B和螺旋壁42B的外周侧，从上述的排出口向中间部114C2排出。
与端板42A呈同心状配设的厚壁圆板状的衬套50经由滚针轴承51旋转自如地内嵌于可动涡旋盘42的凸台42C。在衬套50形成有与中心轴线X平行地延伸的偏心贯通孔(省略附图标记)，并且固定有向径向外侧延伸的平衡配重52。固定于轴28的大径部28B的驱动销31以可旋转滑动的方式插入上述的偏心贯通孔。并且，形成于衬套50的未图示的销嵌合于形成于轴28的大径部28B的端部的直径比上述的销稍大的孔中。
隔着可动涡旋盘42在固定涡旋盘40的相反侧于可动涡旋盘42的端板42A与前外壳24的大径圆筒部24B之间配设有推力轴承54。推力轴承54具有：固定于前外壳24的大径圆筒部24B的端部的固定侧座圈56、固定于可动涡旋盘42的端板42A的可动侧座圈58以及在外壳20的周向彼此隔开间隔地夹置于固定侧座圈56与可动侧座圈58之间的多个滚珠60。该推力轴承54兼具承受可动涡旋盘42的推力载荷的功能和作为阻止可动涡旋盘42自转的自转阻止机构的功能。需要说明的是，虽然在本实施方式中以推力轴承54作为驱动机构26的构成要素，但也可以将该推力轴承54用作涡旋机构38的构成要素。
固定侧座圈56和可动侧座圈58例如通过将钢板压力成型而制成，呈圆环状。在固定侧座圈56和可动侧座圈58各自的一面形成有在周向彼此隔开间隔地配置的多个环状滚道槽(省略附图标记)。各滚珠60例如由钢材形成为球状，以夹持在固定侧座圈56的滚道槽和与其相对的可动侧座圈58的滚道槽之间的状态夹置于固定侧座圈56与可动侧座圈58之间。这些滚珠60随着可动涡旋盘42相对于固定涡旋盘40的公转，在上述各滚道槽内描绘出与可动涡旋盘42的公转半径大致相同直径的圆轨道进行滚动。配置为：这些滚珠60的滚动范围被限定在上述各滚道槽内，由此阻止可动涡旋盘42自转。需要说明的是，阻止可动涡旋盘42自转的自转阻止机构也可以采用与推力轴承54分开设置的构成。
从可动涡旋盘42的端板42A的外周部朝向可动涡旋盘42的径向外侧一体地延伸(伸出)有延伸部(伸出部)43。该延伸部43由端板42A朝向径向外侧延长而成，形成与端板42A同样的板状且从可动涡旋盘42的轴线方向观察时呈与端板42A同心的圆环状。该延伸部43容纳于后外壳22的大径圆筒部22B内。该延伸部43的外径尺寸被设定为小于大径圆筒部22B的内径尺寸。设有该延伸部43的可动涡旋盘42的中心轴线如上所述相对于外壳20的中心轴线X偏心地配置。该延伸部43的外周面的一部分配置成与大径圆筒部22B的内周面接触或接近。并且，这样就配置为：延伸部43的外周面中，与大径圆筒部22B的内周面接触或接近(最接近)的部位与可动涡旋盘42的公转相一致地沿大径圆筒部22B的内周面环绕(移动)。
上述的延伸部43配置于后外壳22的阶梯部22C与前外壳24的凸缘部24D之间。在凸缘部24D的径向中间部形成有向中心轴线X的方向的两侧突出的环状突出部62。该环状突出部62从中心轴线X的方向观察时呈与中心轴线X同心的圆环状。凸缘部24D中，形成有环状突出部62的部位与其他部位相比，中心轴线X的方向的厚度更厚。该环状突出部62的位于外壳20内的延伸部43侧的端部(端面)与延伸部43接近地配置。该环状突出部62形成于在可动涡旋盘42公转时始终在中心轴线X的方向与延伸部43对置的位置。
在上述的环状突出部62形成有延伸部43侧(可动涡旋盘42侧)开放的环状槽64。该环状槽64是呈与中心轴线X同心的圆环状的槽，从固定涡旋盘40的相反侧与延伸部43对置地配置。通过该环状槽64，在凸缘部24D与延伸部43之间形成有中间室16。
此外，在环状突出部62中延伸部43侧的端部(端面)装配有第一密封构件66和第二密封构件68。第一密封构件66由例如聚四氟乙烯(PTFE)等具有自润滑性的树脂形成，形成为与环状突出部62同心且直径比环状槽64稍大的环状。第二密封构件68由例如乙烯丙烯二烯烃橡胶(EPDM)等橡胶形成，形成为与环状突出部62同心且直径比环状槽64稍小的环状。
这些密封构件66、68通过嵌入形成于例如环状突出部62中延伸部43侧的端面的圆环状槽而被装配于前外壳24。这些密封构件66、68与可动涡旋盘42接触，将可动涡旋盘42与凸缘部24D(外壳20)之间密封。此外，第一密封构件66将膨胀室12与中间室16之间密封，第二密封构件68将驱动室14与中间室16之间密封。由这些密封构件66、68与膨胀室12和驱动室14隔开的空间被设为中间室16。该中间室16形成于作为非可动构件的外壳20与作为可动构件的可动涡旋盘42之间。配置为：该中间室16的内容积在氢膨胀机11工作中(可动涡旋盘42公转中)不变化。
在上述的中间室16填充有加压流体。该加压流体采用与作为氢膨胀机11的工作流体的氢不同种类的流体。具体而言，加压流体采用氮、氦、水或冷却介质。
此外，上述的环状槽64(中间室16)经由形成于环状突出部62的压力导入口70与外壳20的外部连通。压力导入口70是在中心轴线X的方向延伸的贯通孔，相对于环状槽64向延伸部43的相反侧延伸。该压力导入口70对应于加压装置74。
加压装置74例如为缸装置、泵等，固定于环状突出部62中外壳20的外侧的端部。该加压装置74被设为能对填充于中间室16的加压流体进行加压。需要说明的是，在本实施方式中，采用中间室16、加压装置74相对于可动涡旋盘42配置于驱动机构26侧(固定涡旋盘40的相反侧)的构成，但并不限定于此。也可以采用中间室16、加压装置74相对于可动涡旋盘42配置于固定涡旋盘40侧的构成，即例如在后外壳22的阶梯部22C形成有中间室16并在该阶梯部22C固定有加压装置74的构成。
在上述的加压装置74设有对加压流体的压力P1进行检测的第一压力传感器76。该第一压力传感器76电连接于上述控制部142。除了上述的第一压力传感器76以外，第二压力传感器78也电连接于该控制部142。作为一例，第二压力传感器78在氢膨胀机11与副罐127之间连接于旁通路径114C的中间部114C2。该第二压力传感器78对从氢膨胀机11排出的氢的压力P2(以下，有时称为“氢的排出压力P2”)进行检测。并且，被配置为：控制部142基于这些压力传感器76、78的检测结果来控制上述的加压装置74。使用图5所示的流程图对作为该控制部142对加压装置74的控制的一例的反馈控制进行说明。
首先，在步骤S1中，控制部142基于来自第一压力传感器76的输入来感测加压流体的压力P1。接着，在步骤S2中，控制部142基于来自第二压力传感器78的输入来感测氢的排出压力P2。接着，在步骤S3中，控制部142对加压流体的压力P1是否小于氢的排出压力P2进行判断。在该判断为肯定的情况下，转移至步骤S4，在该判断为否定的情况下，转移至步骤S5。在步骤S4中，控制部142通过加压装置74对加压流体进行加压。另一方面，在步骤S5中，控制部142通过加压装置74对加压流体进行减压。并且，当步骤S4或步骤S5中的处理完成时，控制部142返回到步骤S1，重复上述处理。
通过上述的处理，控制部142与氢的排出压力P2联动地调整加压流体的压力P1，使加压流体的压力P1(即中间室16的内压)与氢的排出压力P2之差最小。就是说，在本实施方式中，配置为：填充于中间室16的加压流体被加压至与从膨胀室12排出的氢的压力同等的压力(高于驱动室14的内压的压力)。
(作用和效果)
接着，对本实施方式的作用和效果进行说明。
在上述构成的燃料电池系统100中，储留于氢罐112的氢通过氢供给路径114供给至燃料电池堆102。该燃料电池堆102使供给来的氢与空气中的氧发生电化学反应而发电。此外，在氢供给路径114的中途连接有作为膨胀机10的主体部的氢膨胀机11。在该氢膨胀机11中，被导入膨胀室12的氢绝热膨胀并从膨胀室12排出。容纳于驱动室14的驱动机构26由该氢的膨胀能驱动。风扇116由该驱动机构26的驱动力驱动。该风扇116朝向对燃料电池堆102的冷却水进行冷却的散热器106送风。由此，能提高散热器106的冷却性能即燃料电池堆102的冷却性能。而且，上述的氢供给路径114在氢膨胀机11的下游侧与热交换器110接触。在该热交换器110中，在通过上述的绝热膨胀而被冷却的氢与在冷却路径104中循环的上述的冷却水之间进行热交换。由此，能进一步提高燃料电池堆102的冷却性能。
此外，在本实施方式中，中间室16介于氢膨胀机11的膨胀室12与驱动室14之间。该中间室16与膨胀室12之间由第一密封构件66密封，并且该中间室16与驱动室14之间由第二密封构件68密封。并且，填充于该中间室16的加压流体被加压部72加压。由此，能使膨胀室12与中间室16的内压之差小于膨胀室12与驱动室14的内压之差，施加于第一密封构件66的压差变小。其结果是，能抑制从膨胀室12向中间室16的氢泄漏。此外，由于中间室16的内压高于驱动室14的内压，因此会抑制从驱动室14向中间室16的油泄漏。根据以上，能有效抑制膨胀室12与驱动室14之间的流体泄漏。
需要说明的是，上述的油泄漏有可能因从膨胀室12向驱动室14的氢泄漏而发生。即，在氢膨胀机11工作中，高压氢被导入膨胀室12的中心侧，另一方面，减压膨胀后的氢流向膨胀室12的外周侧(未图示的排出口侧)。因此，膨胀室12内的中心侧与外周侧之间会产生压差，但若氢膨胀机11一旦停止，则氢会在膨胀室12的内部泄漏，导致膨胀室12内的压力平均化，在膨胀室12的外周侧(排出口侧)压力上升。其结果是，可能发生从膨胀室12向驱动室14的氢泄漏，驱动室14的内压上升。在该情况下，可以想到，在氢膨胀机11起动时，膨胀室12的外周侧的压力暂时下降，由此驱动室14的内压变得高于膨胀室12的内压，驱动室14内的油泄漏到膨胀室12。
在想要仅利用密封构件的密封力来消除上述的氢泄漏、油泄漏的情况下，需要采取多重密封、增加密封压等对策。然而，这样的对策会产生滑动阻力、磨耗等次生问题。关于这一点，在本实施方式中，由于采用通过在膨胀室12、中间室16以及驱动室14之间取得压力平衡来抑制膨胀室12与驱动室14之间的流体泄漏的构成，因此不会产生上述问题。
此外，在本实施方式中，由于不是为了润滑氢膨胀机11而向作为工作流体的氢中混入油的构成，因此，能防止混入氢中的油(异物)进入燃料电池堆102。就是说，例如在空调等的压缩机(compressor)中，进行向制冷剂(工作流体)中添加油并在压缩制冷剂后将油回收的操作。这样混合使用工作流体和油是在确保设备的润滑性和封闭空间的密封性方面简单且有效的方法，但从防止污染的角度来看，向被供给至燃料电池堆102的燃料氢中混入油是有问题的。在本实施方式中能避免这样的问题。
此外，在本实施方式中，在氢膨胀机11的膨胀室12内设有涡旋机构38。在该涡旋机构38中，氢在固定涡旋盘40与可动涡旋盘42之间膨胀，可动涡旋盘42相对于固定涡旋盘40进行公转回转运动。形成中间室16的环状槽64以与该可动涡旋盘42对置的方式形成于氢膨胀机11的外壳20，在该环状槽64的径向两侧，在外壳20与可动涡旋盘42之间配设有第一密封构件66和第二密封构件68。并且，膨胀室12和驱动室14与中间室16之间由这些密封构件66、68密封，填充于该中间室16的加压流体被加压部72加压。由此，能以简化的构成有效抑制作为涡旋式膨胀机的氢膨胀机11的外壳20内的流体泄漏。
此外，在本实施方式中，填充于中间室16的加压流体的压力P1由第一压力传感器76检测，从膨胀室12排出的氢的排出压力P2由第二压力传感器78检测。并且，控制部142基于这些压力传感器76、78的检测结果来控制加压装置74，该加压装置74对上述的加压流体进行加压。由此，能根据从膨胀室12排出的氢的排出压力P1对加压流体的压力P2进行反馈控制，能使排出压力P1与加压流体的压力P2之差即膨胀室12的排出口侧的内压与中间室16的内压之差接近最小，能使施加于第一密封构件66的压差最小。
而且，在本实施方式中，氢膨胀机11的工作流体和加压流体采用彼此不同种类的流体。具体而言，难以安全管理的氢被设为工作流体，另一方面，氮、氦、水或冷却介质之类的安全流体被设为加压流体。由此，加压流体的安全管理变得容易。并且，在加压流体为氮或氦之类的气体的情况下，与加压流体为液体的情况相比，能谋求轻量化。此外，在加压流体为水或冷却介质之类的液体的情况下，与加压流体为气体的情况相比，容易发现例如泄漏等异常。
＜第二实施方式＞
接着，对本发明的第二实施方式进行说明。需要说明的是，对于与第一实施方式基本相同的构成和作用，标注与第一实施方式相同的附图标记并省略其说明。
在图6中，用构成图来示出本发明的第二实施方式的燃料电池系统101的概略构成的一例。该燃料电池系统101具备与第一实施方式的膨胀机10不同的膨胀机80。该膨胀机80包括与第一实施方式的氢膨胀机11相同的氢膨胀机11和与第一实施方式的加压部72不同的加压部82。本实施方式的加压部82具备与第一实施方式的副罐127不同的副罐84、旁通路径114C的中间部114C2以及加压路径94。在本实施方式中，省略第一实施方式的副罐127、加压装置74、第一压力传感器76以及第二压力传感器78。
副罐84相当于本发明中的“罐”。与第一实施方式的副罐127同样，该副罐84在氢膨胀机11与燃料电池堆102之间连接于旁通路径114C(氢供给路径114)的中途。
如图7所示，副罐84具有形成为长条中空状的罐主体(耐压容器)86。作为一例，罐主体86的从长尺寸方向观察的截面呈圆形，从长尺寸正交方向观察的截面呈椭圆形。在罐主体86内的长尺寸方向中间部设有压力传递部92。该压力传递部92例如为活塞、膜片(diaphragm)等，将罐主体86的内部分隔成第一室88和第二室90。该压力传递部92被设为能将第一室88的内压传递至第二室90。
在形成有第一室88的罐主体86的长尺寸方向一端侧连接有旁通路径114C的中间部114C2的下游侧的端部和旁通路径114C的下游部114C3的上游侧的端部。该第一室88经由中间部114C2与氢膨胀机11的膨胀室12的排出口连通。从膨胀室12排出的氢被导入(通过)该第一室88。由此，在氢膨胀机11工作时(运转时)，第一室88的内压与从膨胀室12排出的氢的压力同等。
在形成有第二室90的罐主体86的长尺寸方向另一端侧连接有加压路径94的一端部。该加压路径94由配管构成，另一端部连接于氢膨胀机11的压力导入口70(参照图8)。由此，第二室90与氢膨胀机11的中间室16经由加压路径94被连通。此外，在罐主体86的长尺寸方向另一端侧设有用于向第二室90内填充加压流体(补偿压力流体)的填充口96和防止第二室90内的加压流体向填充口96侧逆流的止回阀98。需要说明的是，在图7中概略地记载了填充口96和止回阀98。从填充口96向第二室90填充的加压流体也填充于加压路径94内和氢膨胀机11的中间室16内。该加压流体采用与第一实施方式的加压流体相同的流体。
上述的加压流体通过经由压力传递部92传递的第一室88内的氢的压力而被加压。就是说，在本实施方式中，采用了通过从氢膨胀机11的膨胀室12排出的工作流体的压力而被加压的加压流体被导入氢膨胀机11的中间室16的构成。并且，被配置为：如上所述，被加压的加压流体的压力为从膨胀室12排出的氢的压力的同等以下且高于驱动室14的内压(与大气压同等)。就是说，在本实施方式中，采用被加压至从膨胀室12排出的氢的压力的同等以下且高于驱动室14的内压的压力的加压流体被导入中间室16的构成。在本实施方式中，上述以外的构成被设为与第一实施方式相同。
在本实施方式中，填充至(导入)氢膨胀机11的中间室16的加压流体也被加压部82加压。由此，与第一实施方式同样，能有效抑制膨胀室12与驱动室14之间的流体泄漏。
并且，在本实施方式中，加压部82具有在氢膨胀机11与燃料电池堆102之间连接于氢供给路径114的副罐84。该副罐84具备与膨胀室12的排出口连通的第一室88、与中间室16连通的第二室90以及将第一室88的内压传递至第二室90的压力传递部92。从膨胀室12排出的氢被导入第一室88，加压流体被填充于第二室90。该加压流体是通过压力传递部传递导入第一室88的氢的压力而被加压的。就是说，在本实施方式中，加压部82通过从膨胀室12排出的氢的压力对加压流体进行加压。由此，不需要第一实施方式的加压装置74、用于控制该加压装置74的构成，因此能简化加压部82的构成。
此外，在本实施方式中，能从上述的副罐84所具有的填充口96向第二室90填充加压流体，因此，即使在例如发生加压流体从中间室16泄漏的情况下，也能追加补充加压流体。
＜实施方式的补充说明＞
在所述各实施方式中，对膨胀机10、80被应用为燃料电池系统100、101的构成要素的例子进行了说明，但并不限定于此。本发明的膨胀机例如也能应用于作为冷冻机械的构成要素的膨胀机。
此外，在所述各实施方式中，对膨胀机10、80的工作流体和加压流体采用不同种类的流体的情况进行了说明，但并不限定于此，也可以采用工作流体和加压流体采用相同种类的流体的构成。
此外，在所述各实施方式中，对作为膨胀机10、80的主体部的氢膨胀机11采用涡旋式膨胀机的情况进行了说明，但并不限定于此。例如也可以是本发明的膨胀机的主体部采用涡轮式膨胀机的构成。在该情况下，例如为在涡轮式膨胀机中的非可动构件(固定构件)与可动构件之间形成中间室的构成。
此外，在所述第二实施方式中，采用了加压部82具备副罐84的构成，但并不限定于此。例如也可以采用如下构成：将加压部所具备的缸装置装配于外壳20，并且将从膨胀室12排出的氢导入上述的缸装置，通过该缸装置对中间室16内的加压流体进行加压。
此外，在所述各实施方式中，对燃料电池系统100、101搭载于车辆(燃料电池汽车)的情况进行了说明，但并不限定于此。本发明的燃料电池系统也可以是例如家庭用的燃料电池系统。
另外，本发明在不脱离其主旨的范围内能进行各种变更来实施。此外，当然本发明的权利范围并不限定于所述各实施方式。

Claims (12)

1.一种膨胀机，具备：
膨胀室，使导入的工作流体膨胀并排出；
驱动室，容纳由所述工作流体的膨胀能驱动的驱动机构；
中间室，夹置于所述膨胀室与所述驱动室之间；
第一密封构件，将所述膨胀室与所述中间室之间密封；
第二密封构件，将所述驱动室与所述中间室之间密封；以及
加压部，对填充于所述中间室的加压流体进行加压。
2.根据权利要求1所述的膨胀机，其中，
所述加压部具有：
加压装置，对所述加压流体进行加压；
第一压力传感器，对所述加压流体的压力进行检测；
第二压力传感器，对从所述膨胀室排出的所述工作流体的压力进行检测；以及
控制部，基于所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的检测结果来控制所述加压装置。
3.根据权利要求1所述的膨胀机，其中，
所述加压部通过从所述膨胀室排出的所述工作流体的压力对所述加压流体进行加压。
4.根据权利要求3所述的膨胀机，其中，
所述加压部具备罐，所述罐具有：
第一室，与所述膨胀室连通，被导入从所述膨胀室排出的所述工作流体；
第二室，与所述中间室连通，被填充所述加压流体；以及
压力传递部，将所述第一室与所述第二室分隔，并且将所述第一室的内压传递至所述第二室。
5.根据权利要求4所述的膨胀机，其中，
所述罐具有用于将所述加压流体填充至所述第二室的填充口。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的膨胀机，具备：
外壳，在内部形成有所述膨胀室、所述驱动室以及所述中间室；以及
涡旋机构，设于所述膨胀室内，所述工作流体在固定涡旋盘与可动涡旋盘之间膨胀，所述可动涡旋盘相对于所述固定涡旋盘进行公转回转运动，
所述中间室由环状槽形成，所述环状槽以与所述可动涡旋盘对置的方式形成于所述外壳，
所述第一密封构件和所述第二密封构件在所述环状槽的径向两侧配设于所述外壳与所述可动涡旋盘之间。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的膨胀机，其中，
所述工作流体和所述加压流体是彼此不同种类的流体。
8.根据权利要求7所述的膨胀机，其中，
所述工作流体是氢，所述加压流体是氮、氦或水。
9.根据权利要求7所述的膨胀机，其中，
所述工作流体是氢，所述加压流体是冷却介质。
10.一种燃料电池系统，具备：
权利要求1～9中任一项所述的膨胀机；
氢罐，储留作为所述工作流体的氢；
燃料电池，通过所述氢与空气中的氧的电化学反应来发电；以及
氢供给路径，从所述氢罐向所述燃料电池供给所述氢，
所述膨胀机连接于所述氢供给路径的中途，从所述氢罐向所述燃料电池供给的所述氢被导入所述膨胀室并膨胀，并且从所述膨胀室排出。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，具备：
散热器，对所述燃料电池的制冷剂进行冷却；以及
风扇，由所述驱动机构的驱动力驱动，朝向所述散热器送风。
12.根据引用权利要求4和5中任一项的权利要求10或11所述的燃料电池系统，其中，
所述罐在所述膨胀机与所述燃料电池之间连接于所述氢供给路径，使得从所述膨胀机排出的所述氢从所述第一室通过。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114937790A (zh) * 2022-06-15 2022-08-23 上海柯诺威新能源科技有限公司 一种氢燃料电池系统
US12000291B2 (en) * 2022-09-27 2024-06-04 Sapphire Technologies, Inc. Hydrogen cooling turboexpander

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000073969A (ja) 1998-08-27 2000-03-07 Tokico Ltd スクロール式流体機械
JP2000227080A (ja) 1999-02-05 2000-08-15 Nippon Soken Inc スクロール型膨張機
US6290478B1 (en) * 1999-07-16 2001-09-18 Scroll Technologies Eccentric back chamber seals for scroll compressor
JP3903798B2 (ja) 2002-01-22 2007-04-11 株式会社デンソー 燃料電池システム
JP3581135B2 (ja) 2002-01-31 2004-10-27 株式会社カワサキプレシジョンマシナリ 無潤滑スクロール圧縮機
JP3581134B2 (ja) 2002-01-31 2004-10-27 株式会社カワサキプレシジョンマシナリ 燃料ガス圧縮機及び燃料ガス圧縮機システム
CN100545423C (zh) * 2003-09-08 2009-09-30 大金工业株式会社 旋转式膨胀机及流体机械
JP2006073404A (ja) 2004-09-03 2006-03-16 Toyota Motor Corp 動力源冷却装置及びそれを搭載した車両
JP5389608B2 (ja) * 2009-11-02 2014-01-15 サンデン株式会社 流体機械及び流体機械を用いた自動車用廃熱利用システム
US11047389B2 (en) * 2010-04-16 2021-06-29 Air Squared, Inc. Multi-stage scroll vacuum pumps and related scroll devices
WO2014103413A1 (ja) 2012-12-28 2014-07-03 株式会社 豊田自動織機 複合流体機械
JP2015031210A (ja) * 2013-08-02 2015-02-16 株式会社豊田自動織機 ランキンサイクル装置
US10876470B2 (en) * 2014-08-10 2020-12-29 Merton W. Pekrul Dynamic rotary engine vane force actuation apparatus including vane with stressed sheet
JP6769201B2 (ja) * 2016-09-16 2020-10-14 三浦工業株式会社 スクロール流体機械
US10774833B2 (en) * 2017-01-11 2020-09-15 James William Bush Scroll-type machine
JP6801599B2 (ja) * 2017-07-26 2020-12-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び制御装置
JP6816677B2 (ja) 2017-08-16 2021-01-20 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

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