JP2005207369A

JP2005207369A - 気体圧縮装置

Info

Publication number: JP2005207369A
Application number: JP2004017040A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Okada; 弘岡田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-01-26
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】気体が供給される気体被供給装置を有効に加熱することが可能な気体圧縮装置を提供する。
【解決手段】ハウジング７内で可動部材１、２を稼働させることで気体を圧縮し、ハウジング７に設けられた吐出口７ｂから圧縮された気体を吐出する気体圧縮装置において、ハウジング７内に冷却水を循環させる冷却水循環通路３１と、ハウジング７から吐出される吐出気体の温度を検出する温度センサ３４と、冷却水循環通路３１に設けられた冷却水循環ポンプ３３と、温度センサ３４にて検出した温度に基づいて冷却水循環ポンプ３３の回転速度を制御する制御装置４０とを設ける。制御装置４０は、温度センサ３４にて検出した温度が所定値より低い場合に、冷却水循環ポンプ３３の回転速度を遅くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部から気体を取り込み圧縮して吐出し、気体被供給装置に気体を供給する気体圧縮装置に関するものである。

気体圧縮装置は運転中高温となるため、冷却水を循環させて冷却することが行われている。冷却水は、気体圧縮装置に対して冷却水が供給される他の装置と直列的に供給されることが多く、冷却水の流量制御はされていないのが通常である。

また、気体圧縮装置から気体が供給される気体被供給装置を加熱する必要がある場合、例えば気体被供給装置としての燃料電池への冷却水の循環を停止するとともに、蓄熱装置内の保温された冷却水を循環させることで、燃料電池の暖機を図る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−４２８４６号公報

ところが、上記特許文献１に記載の方法では、燃料電池の停止時間が長い場合には、蓄熱装置内の冷却水温度が低下し、燃料電池の暖機ができなくなるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、気体が供給される気体被供給装置を有効に加熱することが可能な気体圧縮装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ハウジング（７）内で可動部材（１、２）を稼働させることで気体を圧縮し、ハウジングに設けられた吐出口（７ｂ）から圧縮された気体を吐出する気体圧縮装置であって、ハウジング（７）内に冷却水を循環させる冷却水循環通路（３１）と、ハウジング（７）から吐出される吐出気体の温度に関連する温度を検出する温度検出手段（３４、３７、２０２）と、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいてハウジング（７）内への冷却水循環流量を制御する冷却水循環流量制御手段（３３、３５、３６、４０）とを備えることを特徴としている。

このように吐出気体の温度に関連する温度に基づいてハウジング（７）内への冷却水循環流量を制御することで、吐出気体温度を調整することができ、吐出気体が供給される気体被供給装置の温度調整を行うことが可能となる。

また、請求項２に記載の発明のように、冷却水循環流量制御手段は、冷却水循環通路に設けられた冷却水循環ポンプ（３３）と、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいて冷却水循環ポンプ（３３）の回転速度を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴としている。これにより、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいてハウジング（７）内への冷却水循環流量を制御することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、制御手段（４０）は、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度が所定値より低い場合に、冷却水循環ポンプ（３３）の回転速度を遅くすることと特徴としている。これにより、気体被供給装置を有効に加熱することができる。

また、請求項４に記載の発明では、冷却水循環流量制御手段は、冷却水をハウジング（７）をバイパスさせるためのバイパス通路（３５）と、バイパス通路（３５）に循環する冷却水流量を調整する流量制御弁（３６）と、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいて流量制御弁（３６）の開度を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴としている。これにより、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいてハウジング（７）内への冷却水循環流量を制御することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明では、制御手段（４０）は、温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度が所定値より低い場合に、流量制御弁（３６）の開度を大きくすることを特徴としている。これにより、気体被供給装置を有効に加熱することができる。

また、請求項６に記載の発明では、ハウジング（７）の内壁と可動部材（１、２）との間は、微小な隙間が形成されたシール構造となっていることを特徴としている。このようなシール構造を有する気体圧縮装置では、ハウジング（７）内への冷却水循環流量を制御することで、ハウジング（７）の温度を調整することができ、ハウジング（７）の温度と可動体（１、２）の温度との温度差が大きくなることを抑制するように制御することで、ハウジング（７）と可動体（１、２）との間の適切なクリアランス管理が可能となる。

また、請求項７に記載の発明では、温度検出手段（３４）で、ハウジング（７）から吐出される吐出気体の温度を検出することで、吐出気体の温度管理を適切に行うことができる。

また、請求項８に記載の発明のように、温度検出手段（３７）で、ハウジング（７）の温度を検出することで、ハウジング（７）の温度管理を適切に行うことができる。

また、請求項９に記載の発明のように、温度検出手段（２０２）で、吐出気体が供給される気体被供給装置（２００）において吐出気体が通過する気体通路（２０１）の温度を検出することで、気体被供給装置の温度管理を適切に行うことができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本第１実施形態は、本発明の気体圧縮装置を触媒燃焼器に空気を供給する空気供給装置として適用したものである。図１は気体圧縮装置の断面構成を含む概念図であり、図２は気体圧縮装置のロータの斜視図である。

本第１実施形態の気体圧縮装置はスクリュー型のポンプであり、ねじ状のオスロータ１およびメスロータ２（図２参照）と、駆動源の回転力によりロータ１、２を回転駆動する回転伝達機構３と、一対のロータ１、２および回転伝達機構３を収納するケーシング４と、駆動源の回転力を受ける入力軸５等から構成されている。なお、図１において一対のロータ１、２は紙面奥側と手前側に並んで配置されている。

オスロータ１およびメスロータ２は、図２に示すように、互いに噛合するように螺旋状の突起部が形成された雄ねじ状に形成されている。図１に示すように、オスロータ１およびメスロータ２は、電動モータ１００等の駆動源から回転力を得た回転伝達機構３により回転駆動される。本第１実施形態では、オスロータ１が駆動側、メスロータ２が従動側になっており、それぞれ回転軸１ａ、２ａを中心として回転する。

ケーシング４は、モータ１００側から順に、潤滑ボックス６、ロータハウジング７およびカバー８から構成されている。潤滑ボックス６、ロータハウジング７およびカバー８は、ボルト（図示せず。）等の締結手段によって強固に結合されている。ロータ１、２と回転伝達機構３はそれぞれ離隔した状態でケーシング４内に収納されており、一対のロータ１、２はロータハウジング７内に収納され、回転伝達機構３は循環ボックス６内に収納されている。

潤滑ボックス６内には、回転伝達機構３と、回転伝達機構３に供給される潤滑油とが収納された潤滑油空間９が形成されている。潤滑油としては、例えばエンジンオイルと同程度の粘度を有するオイルを用いることができる。回転伝達機構３を構成する歯車等には、潤滑油空間９内の潤滑油がはねかけられることにより潤滑が行われる。

潤滑ボックス６には、モータ１００から回転力を受ける入力軸５が設けられている。潤滑ボックス６には、モータ１００側に第１ベアリング１１が設けられ、潤滑油空間９側に第２ベアリング１２が設けられており、入力軸５はこれらのベアリング１１、１２を介して潤滑ボックス６に支持されている。また、潤滑ボックス６に形成された入力軸５が挿入される挿通穴の内部には、第１、第２ベアリング１１、１２に供給される潤滑油がケーシング４外に流出するのを阻止するための第１オイルシール１３が装着されている。

ロータハウジング７内には一対のロータ１、２が収納されたロータ室１０が形成されている。ロータハウジング７には、ロータ室１０内に空気を吸入するための吸入口７ａと、ロータ室１０外に空気を吐出するための吐出口７ｂが形成されている。吸入口７ａはロータハウジング７の軸方向端部のうちカバー８側に設けられており、吐出口７ｂはロータハウジング７の軸方向端部のうち潤滑ボックス６側に設けられている。また、ロータ１、２の外周先端とロータ室１０の内壁との間は、微小な隙間が形成されたシール構造となっている。ロータ１、２とロータ室１０内壁との間には、吸入口７ａから吸入された空気を圧縮するための圧縮室１０ａが形成されている。

吐出口７ｂの下流側には触媒燃焼器２００が配置されている。触媒燃焼器２００は、気体圧縮装置から空気が供給される気体被供給装置を構成している。

上述のように、ロータ１、２は回転伝達機構３により回転駆動される。回転伝達機構３は、入力軸５の回転をオスロータ回転軸１ａとメスロータ回転軸２ａに伝達するとともに、一対のロータ１、２を同期回転させるように構成されている。回転伝達機構３は、モータ１００によって駆動される入力軸５の回転をオスロータ回転軸１ａに伝える第１、第２ギヤ１４、１５と、これらのギヤ１４、１５からオスロータ回転軸１ａに伝えられた回転をメスロータ回転軸２ａに伝える第３、第４ギヤ１６、１７等から構成される。なお、第３、第４ギヤ１６、１７は、一対のロータ１、２を同期回転させるためのタイミングギヤである。

オスロータ回転軸１ａとメスロータ回転軸２ａは、一端側が第３、第４ベアリング１８、１９を介してロータハウジング７に回転可能に支持され、他端側が第５、第６ベアリング２０、２１を介してカバー８に回転可能に支持されている。

また、ロータハウジング７に形成されたロータ回転軸１ａ、２ａが挿入される挿通穴には、第３、第４ベアリング１８、１９に供給される潤滑油がロータ室１０内に漏れるのを阻止するための第２、第３オイルシール２２、２３が装着されている。さらに、カバー８に形成されたロータ回転軸１ａ、２ａが挿入される挿通穴にも、第５、第６ベアリング２０、２１に封入されているグリースがロータ室１０内に漏れるのを阻止するための第４、第５オイルシール２４、２５が装着されている。

本第１実施形態の気体圧縮装置には、冷却システムが設けられている。気体圧縮装置のケーシング４内には、冷却水が循環する冷却水通路３０が設けられており、冷却水循環通路３１を循環する冷却水が供給される。冷却水循環通路３１には、ラジエータ３２と冷却水循環ポンプ３３が設けられている。ロータハウジング７の吐出口７ｂには、吐出空気の温度を検出する温度センサ３４が設けられている。なお、温度センサ３４が本発明の温度検出手段に相当している。

また、気体圧縮装置には、制御装置（ＥＣＵ）４０が設けられている。制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御装置４０には、温度センサ３４からのセンサ信号が入力される。また、制御装置４０は、ＲＯＭ等に格納された制御プログラムに従って、演算結果に基づき冷却水循環ポンプ３３に制御信号を出力するように構成されている。

なお、冷却水循環ポンプ３３と制御装置４０が本発明の冷却水循環流量制御手段に相当し、制御装置４０が本発明の制御手段に相当している。

次に、本第１実施形態の気体圧縮装置の作動の概略について説明する。

一対のロータ１、２が、回転伝達機構３により同期回転されると、ロータハウジング７のカバー８側に設けられた吸入口７ａから空気が圧縮室１０ａに吸い込まれる。このとき、圧縮室１０ａは、一対のロータ１、２の回転とともに、カバー８側から潤滑油空間９側に移動しながらその体積が縮小していくため、圧縮室１０ａ内の空気は次第に加圧圧縮されながら潤滑油空間９側に移動していく。

そして、一対のロータ１、２の回転角が所定の角度に達すると、圧縮室１０ａがロータハウジング７の潤滑油空間９側に設けられた吐出口７ｂに到達し、それまで密閉されていた圧縮室１０ａが吐出口７ｂにて開放された状態となるので、圧縮室１０ａ内の圧縮された空気が吐出口７ｂから吐出される。吐出口７ｂから吐出された空気は下流側の触媒燃焼器２００に供給され、触媒反応に用いられる。

次に、本第１実施形態の気体圧縮装置の吐出空気温度制御について図３に基づいて説明する。図３は、制御装置４０のＣＰＵが制御プログラムに従って行う制御内容を示すフローチャートである。

まず、温度センサ３４にて吐出口７ｂから吐出される空気の温度を検出する（Ｓ１０）。次に、吐出空気温度が予め設定した所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。この結果、吐出空気温度が予め設定した所定値を下回っている場合には、冷却水循環ポンプの回転速度を減速させる（Ｓ１２）。これにより、気体圧縮装置内に循環する冷却水流量が減少し、気体圧縮装置の温度が上昇し、吐出空気温度が上昇する。一方、吐出空気温度が予め設定した所定値を下回っていない場合には、そのままリターンする。

以上のように、気体圧縮装置の吐出空気温度に基づいて気体圧縮装置への冷却水循環流量を制御することで、吐出空気温度を調整することが可能となる。これにより、気体圧縮装置の下流側に位置する気体被供給装置の温度を調整することが可能となる。例えば本第１実施形態のように、吐出空気温度が所定値より低い場合に冷却水循環流量を減少させて吐出空気温度を上昇させることで、気体圧縮装置の下流側に位置する気体被供給装置を有効に加熱することができる。これは、本第１実施形態のように気体被供給装置が低温環境下での起動時に暖機が必要な触媒燃焼器２００である場合に、特に有効である。

また、吐出空気温度はケーシング７の温度にも関連しているので、吐出空気温度からケーシング温度を推定し、これに基づいて気体圧縮装置への冷却水循環流量を制御することで、ケーシング７の温度を調整することも可能となる。従って、ケーシング７の温度とロータ１、２の温度との温度差が大きくなることを抑制するように制御することで、ケーシング７のロータ室１０内壁とロータ１、２間の適切なクリアランス管理が可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４、図５に基づいて説明する。

図４は、本第２実施形態の気体圧縮装置の断面構成を含む概念図である。図４に示すように、本第２実施形態の冷却水循環経路３１には、冷却水を気体圧縮装置の冷却水通路３０をバイパスさせるためのバイパス通路３５が設けられている。バイパス通路３５には、バイパス通路３５に循環する冷却水流量を調整するための流量制御弁３６が設けられている。なお、本第２実施形態では、バイパス通路３５と流量制御弁３６と制御装置４０とが本発明の冷却水循環流量制御手段に相当している。

流量制御弁３６の開度を大きくした場合には、バイパス通路３５の冷却水流量が多くなるとともに、気体圧縮装置の冷却水流量が少なくなる。流量制御弁３６の開度を小さくした場合には、バイパス通路３５の冷却水流量が少なくなるとともに、気体圧縮装置の冷却水流量が多くなる。

本第２実施形態の制御装置４０は、ＲＯＭ等に格納された制御プログラムに従って、演算結果に基づき流量制御弁３６に制御信号を出力するように構成されている。

次に、本第２実施形態の気体圧縮装置の吐出空気温度制御について図５に基づいて説明する。図５は、制御装置４０のＣＰＵが制御プログラムに従って行う制御内容を示すフローチャートである。

まず、温度センサ３４にて吐出口７ｂから吐出される空気の温度を検出する（Ｓ２０）。次に、吐出空気温度が予め設定した所定値を下回っているか否かを判定する（Ｓ２１）。この結果、吐出空気温度が予め設定した所定値を下回っている場合には、流量制御弁３６の開度を大きくする（Ｓ２２）。これにより、気体圧縮装置内に循環する冷却水流量が減少し、気体圧縮装置の温度が上昇し、吐出空気温度が上昇する。一方、吐出空気温度が予め設定した所定値を下回っていない場合には、そのままリターンする。

以上のような構成によっても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６に基づいて説明する。

図６は、本第３実施形態の気体圧縮装置の断面構成を含む概念図である。図６に示すように、本第３実施形態では、気体被供給装置としての触媒燃焼器２００の空気通路２０１に、空気通路２０１の温度を検出するための温度センサ２０２を設けている。温度センサ２０２のセンサ信号は制御装置４０に入力するように構成されている。なお、温度センサ２０２が本発明の温度検出手段に相当している。

本第３実施形態では、触媒燃焼器２００の空気通路温度に基づいて気体圧縮装置に循環する冷却水流量が制御され、気体圧縮装置の吐出空気温度が制御される。具体的には、温度センサ２０２にて検出した空気通路２０１の温度が所定温度を超えている場合には、気体圧縮装置の吐出空気温度を低下させ、空気通路２０１の温度が所定温度を下回っている場合には、気体圧縮装置の吐出空気温度を上昇させる。

以上の構成によれば、触媒燃焼器２００が低温になり過ぎるのを防止できるとともに、触媒燃焼器２００が高温になり過ぎるのを防止できる。これは、気体被供給装置として所定の耐熱温度を超えると触媒が劣化するような触媒燃焼器２００を用いる場合に特に有効である。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図７に基づいて説明する。

図７は、本第４実施形態の気体圧縮装置の断面構成を含む概念図である。図７に示すように、本第４実施形態では、ロータハウジング７の表面にロータハウジング７の温度を検出するための温度センサ３７を設けている。温度センサ３７のセンサ信号は制御装置４０に入力するように構成されている。なお、温度センサ３７が本発明の温度検出手段に相当している。

本第４実施形態では、ロータハウジング７の温度に基づいて気体圧縮装置に循環する冷却水流量が制御される。具体的には、温度センサ３７にて検出したロータハウジング７の温度が所定温度を超えている場合には、気体圧縮装置に循環する冷却水流量を増加させ、ロータハウジング７の温度が所定温度を下回っている場合には、気体圧縮装置に循環する冷却水流量を減少させる。

以上のようにハウジング７の温度を直接検出することで、ロータ１、２とロータハウジング７のロータ室１０内壁との間のクリアランス管理をより適切に行うことが可能となる。なお、本第４実施形態では、温度センサ３７をロータハウジング７の表面に設けたが、ロータハウジング７の温度を検出できれば温度センサの設置場所は特に限定されず、例えばロータハウジング７の内部に温度センサを埋め込んでもよい。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態はそれぞれ単独で実施できるとともに、それぞれを適宜組み合わせて実施することも可能である。

また、上記各実施形態では、気体被供給装置として触媒燃焼器を用いたが、これに限らず、例えば空気被供給装置として燃料電池を用いることもできる。

また、上記第１実施形態では、温度センサ３４にて検出した吐出空気温度が所定値を下回っている場合に冷却水循環ポンプ３３の回転速度を減速させて吐出空気温度を上昇させるように構成したが、図８のフローチャートに示すように、吐出空気温度が所定値を上回っている場合に冷却水循環ポンプ３３の回転速度を減速させ、吐出空気温度を低下させるように構成してもよい。

また、上記第２実施形態では、温度センサ３４にて検出した吐出空気温度が所定値を下回っている場合に流量制御弁３６の開度を大きくして吐出空気温度を上昇させるように構成したが、図９に示すように、吐出空気温度が所定値を上回っている場合に流量制御弁３６の開度を小さくして吐出空気温度を低下させるように構成してもよい。

また、上記各実施形態では、スクリュー型の圧縮機に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばルーツ型やスクロール型等の容積型圧縮機にも適用することができる。

第１実施形態の気体圧縮装置の概念図である。気体圧縮装置のロータの斜視図である。第１実施形態の気体圧縮装置の吐出空気温度制御を示すフローチャートである。第２実施形態の気体圧縮装置の概念図である。第２実施形態の気体圧縮装置の吐出空気温度制御を示すフローチャートである。第３実施形態の気体圧縮装置の概念図である。第４実施形態の気体圧縮装置の概念図である。気体圧縮装置の変形例を示すフローチャートである。気体圧縮装置の変形例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…オスロータ、２…メスロータ、４…ケーシング、６…潤滑ボックス、７…ロータハウジング、１０…ロータ室、３０…冷却水通路、３１…冷却水循環通路、３２…ラジエータ、３３…冷却水循環ポンプ（冷却水流量制御手段）、３４…温度センサ（温度検出手段）、３５…バイパス通路、３６…流量制御弁（冷却水流量制御手段）、３７…温度センサ（温度検出手段）、４０…制御装置（冷却水流量制御手段）、１００…電動モータ、２００…触媒燃焼器（気体被供給装置）、２０１…空気通路、２０２…温度センサ（温度検出手段）。

Claims

ハウジング（７）内で可動部材（１、２）を稼働させることで気体を圧縮し、前記ハウジングに設けられた吐出口（７ｂ）から圧縮された気体を吐出する気体圧縮装置であって、
前記ハウジング（７）内に冷却水を循環させる冷却水循環通路（３１）と、
前記ハウジング（７）から吐出される吐出気体の温度に関連する温度を検出する温度検出手段（３４、３７、２０２）と、
前記温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいて前記ハウジング（７）内への冷却水循環流量を制御する冷却水循環流量制御手段（３３、３５、３６、４０）とを備えることを特徴とする気体圧縮装置。
冷却水循環流量制御手段は、前記冷却水循環通路に設けられた冷却水循環ポンプ（３３）と、前記温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいて前記冷却水循環ポンプ（３３）の回転速度を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴とする請求項１に記載の気体圧縮装置。
前記制御手段（４０）は、前記温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度が所定値より低い場合に、前記冷却水循環ポンプ（３３）の回転速度を遅くすることを特徴とする請求項２に記載の気体圧縮装置。
冷却水循環流量制御手段は、冷却水を前記ハウジング（７）をバイパスさせるためのバイパス通路（３５）と、前記バイパス通路（３５）に循環する冷却水流量を調整する流量制御弁（３６）と、前記温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度に基づいて前記流量制御弁（３６）の開度を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の気体圧縮装置。
前記制御手段（４０）は、前記温度検出手段（３４、３７、２０２）にて検出した温度が所定値より低い場合に、前記流量制御弁（３６）の開度を大きくすることを特徴とする請求項４に記載の気体圧縮装置。
前記ハウジング（７）の内壁と前記可動部材（１、２）との間は、微小な隙間が形成されたシール構造となっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の気体圧縮装置。
前記温度検出手段（３４）は、前記ハウジング（７）から吐出される吐出気体の温度を検出するものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の気体圧縮装置。
前記温度検出手段（３７）は、前記ハウジング（７）の温度を検出するものであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の気体圧縮装置。
前記温度検出手段（２０２）は、前記吐出気体が供給される気体被供給装置（２００）において前記吐出気体が通過する気体通路（２０１）の温度を検出するものであることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の気体圧縮装置。