JP2005207395A - スクロール型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】導入されるガス中に存在する液滴がガスと共に圧縮室内に進入するのを抑制することができるスクロール型圧縮機を提供する。
【解決手段】スクロール型圧縮機17は固定スクロール24の固定側渦巻壁36の外端側部分と対応する位置に固定側渦巻壁36に沿って湾曲するように設けられた導入部42と、導入部42を構成するため固定側渦巻壁36に沿うように形成されたガイド壁43とを備えている。ガイド壁43には液滴の通過可能な孔44が形成され、ガイド壁43の外側には孔44からガイド壁43の外側に導かれた液滴を圧縮機の外部に排出する排出通路45が設けられている。ガイド壁43は固定スクロール24と別部材により形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自転不能に公転する可動スクロール側の渦巻壁と固定スクロール側の渦巻壁との間に、可動スクロールの公転に基づいて容積減少する密閉空間を形成するスクロール型圧縮機に係り、詳しくは燃料電池システムの水素ガス循環用のポンプに好適なスクロール型圧縮機に関する。

近年、電気自動車の動力源等として、クリーンでエネルギー効率の優れた燃料電池が注目されている。燃料電池は、周知のように、酸素と水素とを化学反応させることで生じる起電力を利用するものである。そして、カソード側に酸素を供給するとともに、アノード側に水素を供給し、水素と酸素とを反応させることによって、化学エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので、優れた変換効率が得られる。

一般に、燃料電池システムでは、燃料電池において未反応で排出された水素ガス（水素オフガス）を水素供給源からの水素ガスに混合して再び燃料電池に供給する循環経路が設けられ、循環経路には水素循環用のポンプが設けられている。また、燃料電池から排出される水素オフガスにはかなり多くの水分が含まれている。多くの水分が含まれている水素オフガスをそのまま水素供給源からの水素ガスに混合して再び燃料電池に供給すると、水分は十分に気化されずに気液混合体になって、水素ガスと共に燃料電池に供給され、燃料電池セル内において水素ガス流路を塞いでしまう虞がある。水分が燃料電池セル内の水素ガス流路を塞いで水素ガスの流れを止めると、そのセルの出力電圧が落ちるため、燃料電池全体の発電量も落ちてしまう。そこで、循環経路の途中に気液分離器を設け、気液分離器によって水素オフガスに含まれている水分を気液分離し、液体分を除去して気体分のみをポンプに送るようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２１６８１２号公報（明細書の段落［００４２］〜［００４４］，［００４９］〜［００５９］、図１，図２）

ところが、前記従来技術の構成では、気液分離器とポンプとの間に距離があるため、気液分離器で液滴が分離されたガスが流路（配管）を経てポンプに流入する前に流路中で冷却されて液滴が再び発生した状態でポンプに流入する場合がある。この現象は、長期間放置された後の始動時や冬季に特に生じる。ポンプとして使用されるコンプレッサの吐出口にはフィルタが設けられており、吐出ガス中に液滴が存在すると、フィルタでの圧力損失が大きくなる。そして、コンプレッサの効率が悪くなり、同じ動力消費量であれば流量が減少し、同じ流量を得るには動力消費量が増加する。また、フィルタに異物が少し詰まっただけでフィルタの圧力損失が大きくなるため、フィルタの寿命がそれだけ短くなる。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は導入されるガス中に存在する液滴がガスと共に圧縮室内に進入するのを抑制することができるスクロール型圧縮機を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、自転不能に公転する可動スクロールの可動側渦巻壁と、固定スクロールの固定側渦巻壁との間に前記可動スクロールの公転に基づいて容積減少する密閉空間を形成するスクロール型圧縮機である。そして、前記固定側渦巻壁の外端側部分と対応する位置に固定側渦巻壁に沿って湾曲するように設けられた導入部と、前記導入部を構成するため前記固定側渦巻壁に沿うように形成されたガイド壁と、前記ガイド壁に設けられ、液滴の通過可能な通路と、前記通路に連通する空間とを備えている。

この発明では、圧縮機に導入されたガスは、湾曲するように形成された導入部を通過する際に遠心力を受け、ガス中に液滴が存在する場合、液滴は遠心力によりガイド壁に向かって進み、ガイド壁に形成された通路を一部のガスと共に通過して圧縮室に案内されるガスから分離される。液滴が分離されたガスは、圧縮室へ導かれて可動スクロールの公転に基づいて、可動スクロールの可動側渦巻壁と、固定スクロールの固定側渦巻壁との間に形成される圧縮室で圧縮された後、吐出口から外部に吐出される。従って、導入されるガス中に存在する液滴がガスと共に圧縮室内に進入するのを抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記通路は複数の孔である。この発明では、ガス中に存在する液滴を一部のガスと共にガイド壁の外側へと分離する通路が複数の孔で構成されているため、通路の形成が容易になる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記ガイド壁は前記固定スクロールやハウジングと別部材により形成されている。この発明では、ガイド壁が固定スクロールやハウジングと一体形成された構成に比較して前記通路の加工が容易になる。

本発明によれば、導入されるガス中に存在する液滴がガスと共に圧縮室内に進入するのを抑制することができる。

以下、本発明を燃料電池システムの水素循環用のポンプに具体化した一実施形態を図１〜図３に従って説明する。図１（ａ）は図２のＡ−Ａ線における断面図、図１（ｂ）は（ａ）の鎖線で囲んだ部分の拡大図、図２はスクロール型圧縮機の断面図、図３は燃料電池システムの構成図である。

図３に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１、酸素供給手段１２、水素供給手段１３を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段１２から供給される酸素と、水素供給手段１３から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。

酸素供給手段１２は、圧縮空気を供給するためのコンプレッサ１４を備え、コンプレッサ１４は酸素供給ポート（図示せず）に管路１５を介して連結され、管路１５の途中に加湿器１６が設けられている。

水素供給手段１３は、燃料電池１１で使用されなかった水素ガスを循環使用するための水素循環用のポンプとしてのスクロール型圧縮機１７を備えている。スクロール型圧縮機１７は燃料電池１１の水素供給ポート（図示せず）に管路１８を介して連結され、燃料電池１１の水素排出ポート（図示せず）に管路１９を介して連結されている。また、水素供給手段１３は、水素源（水素ガス供給源）としての水素タンク２０を備えている。水素タンク２０は途中にレギュレータ（図示せず）を備えた管路２１を介して管路１８に連結されている。レギュレータは、水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。スクロール型圧縮機１７及び管路１８，１９により、燃料電池１１で使用されなかった水素を水素タンク２０から新たに供給される水素ガスとともに燃料電池１１に供給可能な水素循環経路が構成されている。水素循環経路のスクロール型圧縮機１７より上流側、即ち管路１９には、電磁三方弁Ｖ１が設けられている。

次にスクロール型圧縮機１７について詳しく説明する。図２に示すように、リヤハウジング２２には軸支部材２３及び固定スクロール２４が嵌入状態で固定されており、リヤハウジング２２にはフロントハウジング２５が接合されている。リヤハウジング２２及びフロントハウジング２５は、スクロール型圧縮機１７のハウジングを構成する。リヤハウジング２２の端壁と軸支部材２３との間には回転軸２６がラジアルベアリング２７，２８を介して回転可能に支持されている。なお、図２において右側がスクロール型圧縮機１７の前側（フロント側）である。

軸支部材２３を貫通して固定スクロール２４側に突出する回転軸２６の端部には偏心軸２９が一体形成されている。偏心軸２９の中心軸線Ｃ２は、回転軸２６の回転中心軸線Ｃ１から偏心した位置に設定されている。偏心軸２９にはブッシュ３０が嵌合して支持されており、ブッシュ３０にはバランスウェイト３１が一体形成されている。ブッシュ３０には可動スクロール３２が固定スクロール２４と対向するようにラジアルベアリング３３を介して相対回転可能に支持されている。ラジアルベアリング３３は、可動スクロール３２の基板３４の背面に突設された筒部内に収容されている。

固定スクロール２４の基板３５及び固定側渦巻壁３６、可動スクロール３２の基板３４及び可動側渦巻壁３７は、密閉空間Ｓｏ，Ｓ１を形成する。可動スクロール３２は、偏心軸２９の回転に伴って公転し、バランスウェイト３１は、可動スクロール３２の公転運動に伴う遠心力を相殺する。基板３５の中心部には密閉空間Ｓｏと対応する位置に吐出ポート３５ａが形成されている。

基板３４には円柱形状の複数本（３本以上であるが、図では１本のみ図示）の自転阻止ピン３８が止着されている。軸支部材２３には自転阻止ピン３８と同数の円形の自転阻止孔２３ａが周方向に配列されている。自転阻止孔２３ａには自転阻止ピン３８の端部が挿入されている。

リヤハウジング２２の内周面にはステータ３９が止着されており、回転軸２６にはロータ４０が止着されている。ステータ３９のステータコイル３９ａへの通電によりロータ４０及び回転軸２６が一体的に回転する。ステータ３９及びロータ４０は、電動機を構成する。

図１（ａ）に示すように、リヤハウジング２２には、固定スクロール２４の周壁２４ａと対応する位置に、外部配管が接続される入口４１が形成され、固定スクロール２４には、周壁２４ａの内側に入口４１に連通する導入部４２が設けられている。導入部４２は固定側渦巻壁３６の外端側部分と対応する位置に固定側渦巻壁３６に沿って湾曲するように設けられている。導入部４２を構成するため固定側渦巻壁３６に沿うように湾曲形成されたガイド壁４３には、液滴の通過可能な通路として、複数の孔４４（図１（ｂ）に図示）が形成されている。ガイド壁４３の外側には、前記通路（孔４４）に連通する空間としての排出通路４５が設けられている。排出通路４５は、前記通路（孔４４）からガイド壁４３の外側に導かれた液滴を圧縮機の外部に排出する役割を果たす。排出通路４５はガイド壁４３に沿って湾曲するように形成され、圧縮機の使用状態において下部となる部分に排出口４５ａが設けられている。リヤハウジング２２には排出口４５ａと対応する箇所に形成された孔に嵌合される状態で排出パイプ４６が固定されている。

ガイド壁４３は固定スクロール２４と別部材により形成されている。孔４４は入口側（導入部４２側）が大きく、出口側（排出通路４５側）に向かって次第に小さくなるように形成されている。孔４４は圧縮機の使用状態において出口側へ下降傾斜するように形成されている。

図２に示すように、フロントハウジング２５の内側には吐出室４７が形成され、フロントハウジング２５の端壁には吐出口２５ａが形成されている。
前記のように構成されたスクロール型圧縮機１７は、排出口４５ａが下側となる状態で配置され、入口４１に管路１９が接続され、吐出口２５ａに管路１８が接続された状態で使用される。

次に前記のように構成された装置の作用を説明する。
燃料電池システム１０は、環境温度が燃料電池１１の発電が可能な予め設定された温度以上の場合は通常運転が行われ、環境温度が前記予め設定された温度未満の場合は、暖機が行われた後、通常運転が行われる。

通常運転時には、水素タンク２０から水素が供給されるとともに、スクロール型圧縮機１７は燃料電池１１における未反応の水素を再利用するため、所定の加圧状態に圧縮するように運転される。そして、水素が燃料電池１１のアノード電極（水素極）側に供給される。また、コンプレッサ１４が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１のカソード電極（酸素極）側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）がアノード電極又はカソード電極と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排気管（図示せず）から外部に排出される。また、未反応の水素は管路１９を経てスクロール型圧縮機１７へ導かれ、スクロール型圧縮機１７により加圧されて循環再利用される。水素オフガス中の水素ガス以外の濃度が予め設定された濃度以上になると、電磁三方弁Ｖ１が一時開放されて水素オフガスがパージされる。

固体高分子型燃料電池は、８０℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池１１の温度が８０℃程度の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、図示しないラジエータを備えた冷却液回路内を冷却液が循環される。

燃料電池１１内では、カソード電極側に酸素と共に供給された窒素が、カソード電極側から電解質膜を透過してアノード電極側に漏れ出てくる。また、燃料電池１１内のカソード電極側では、水が生成されてその水は水蒸気として酸素極側から電解質膜を通してアノード電極側に入ってくる。従って、燃料電池１１から排出される水素オフガスはかなりの水分を含んでいる。そのため、この水素オフガスをそのまま水素タンク２０から供給される水素ガスに混合すると、水素オフガスに含まれている水分は十分蒸気化されずに気液混合体になって水素と共に燃料電池１１に供給され、燃料電池セル内において水素ガス流路を塞いでしまう場合がある。

スクロール型圧縮機１７は、電動機により回転軸２６が回転され、回転軸２６と一体的に回転する偏心軸２９の回転に伴い、可動スクロール３２が公転する。可動スクロール３２の公転に伴い、水素オフガスは入口４１から導入部４２へ導入される。導入部４２は円弧状のため、入口４１から導入部４２へ導入された水素オフガスは、導入部４２を通過する間に水素オフガス中に含まれる液滴（水滴）が遠心力によりガイド壁４３側へ向かって移動され、孔４４を通過して排出通路４５へと導かれる。そして、液滴が分離された水素オフガスが固定側渦巻壁３６、可動側渦巻壁３７等で構成される圧縮室へと導かれる。排出通路４５に貯まった液は、排出パイプ４６に連結された図示しないバルブが適宜開放されることにより外部に排出される。

圧縮室へ導入された水素オフガスは、両スクロール２４，３２の周縁側から固定スクロールの基板３５と可動スクロールの基板３４との間へ流入する。可動スクロール３２の公転に伴い、自転阻止ピン３８の周面が自転阻止孔２３ａの周面に沿って摺接し、可動スクロール３２は、自転することなく公転する。可動側渦巻壁３７と固定側渦巻壁３６との間に形成される密閉空間Ｓ１，Ｓｏは、可動スクロール３２の公転に伴って容積減少しつつ両スクロール２４，３２の中心部に向けて収束して行く。密閉空間Ｓ１，Ｓｏの容積減少によって圧縮された水素オフガスは、基板３５に形成された吐出ポート３５ａから吐出弁３５ｂを押しのけて吐出室４７へ吐出される。吐出室４７内の水素オフガスは、フロントハウジング２５の端壁に形成された吐出口２５ａから管路１８へ吐出され、水素タンク２０から供給される水素ガスと混合されて燃料電池１１に供給される。

この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） スクロール型圧縮機１７は、固定側渦巻壁３６の外端側部分と対応する位置に固定側渦巻壁３６に沿って湾曲するように設けられた導入部４２と、導入部４２を構成するため固定側渦巻壁３６に沿うように形成されたガイド壁４３と、ガイド壁４３に設けられ、液滴の通過可能な通路（孔４４）とを備えている。また、前記通路からガイド壁４３の外側に導かれた液滴を圧縮機の外部に排出する排出通路４５を備えている。従って、圧縮機に導入されたガスは、湾曲するように形成された導入部４２を通過する際に遠心力を受け、ガス中に液滴が存在する場合、液滴は遠心力によりガイド壁４３に向かって進み、ガイド壁４３に形成された通路を一部のガスと共に通過して圧縮室に案内されるガスから分離される。従って、導入されるガス中に存在する液滴がガスと共に圧縮室内に進入するのを抑制することができる。

（２） スクロール型圧縮機１７は圧縮室を構成する固定側渦巻壁３６を備えているため、固定側渦巻壁３６を延長することで比較的容易に円弧状の気液分離部を設けるのが容易である。また、気液分離部から圧縮室へのガスの流れがスムーズとなり、気液分離部から圧縮室にガスが移動する際の圧力損失を最小限に減らすことが可能になるとともに、スクロール型圧縮機１７の圧縮効率が向上する。

（３） スクロール型圧縮機１７には吐出口２５ａにフィルタ（図示せず）が設けられているが、液滴がフィルタに付着することによる圧力損失増加が無くなるとともに、フィルタ寿命が延びる。

（４） 燃料電池システム１０の水素循環経路に使用される水素循環用のポンプとして前記の構成のスクロール型圧縮機１７が設けられている。従って、従来技術のように水素循環経路の途中に気液分離器を設けた場合と異なり、液滴（水滴）分離後の水素オフガス中に含まれる水蒸気が圧縮室に入る前に一部が液化されることが防止される。

（５） 気液分離部が圧縮機に内蔵されているため、気液分離部（気液分離器）を水素循環経路の途中に設ける構成に比較して、気液分離器用の接続配管が不要となり、燃料電池システム１０の小型化が可能となる。

（６） ガイド壁４３に形成された前記通路は複数の孔４４である。従って、前記通路の形成が容易になる。
（７） ガイド壁４３は固定スクロール２４やハウジングと別部材により形成されている。従って、ガイド壁４３が固定スクロール２４やハウジングと一体形成された構成に比較して孔４４の加工が容易になる。

（８） 孔４４は入口側が大きく出口側に向かって次第に小さくなるように形成されている。従って、孔４４の径が一定あるいは入口側が小さい場合に比較して、ガイド壁４３に付着した液滴が孔４４を経て排出通路４５側へ移動し易くなる。

（９） 孔４４は圧縮機の使用状態において出口側へ下降傾斜するように形成されている。従って、孔４４が水平あるいは出口側へ上昇傾斜する場合に比較して、ガイド壁４３に付着した液滴が孔４４を経て排出通路４５側へ移動し易くなる。

（１０） 排出通路４５はガイド壁４３に沿って湾曲するように形成され、圧縮機の使用状態において下部となる部分に排出口４５ａが設けられている。従って、排出通路４５に排出された液滴を排出口４５ａへ円滑に案内することができるとともに、排出通路４５を設けても圧縮機の外形がさほど大きくならない。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 導入部４２に設ける気液分離部として、図４に示すように、ガイド壁４３に通路としての複数のスリット４８と、各スリット４８の上側に設けられたガイド片４９とを設けた構成としてもよい。

○ ガイド壁４３に形成する孔４４は、入口側が大きく出口側に向かって次第に小さくなる形状に限らない。例えば、径が一定あるいは入口側が小さく出口側が大きな形状であってもよい。

○ ガイド壁４３を多数の連続気孔を有する多孔体で構成してもよい。この構成では、導入部４２に導入されたガス中に存在する液滴は、遠心力でガイド壁４３に付着した後、連続気孔を経て排出通路４５に排出される。

○ 排出通路４５を固定スクロール２４に設ける代わりに、ハウジング側に設けてもよい。例えば、ガイド壁４３は固定スクロール２４の周壁２４ａの一部を構成するように形成し、周壁２４ａとリヤハウジング２２の周壁内面との間に排出通路４５を設ける。また、ガイド壁４３もリヤハウジング２２側に設ける構成としてもよい。

○ ガイド壁４３を固定スクロール２４やハウジングと別部材で形成する代わりに、ガイド壁４３を固定スクロール２４やハウジングと一体に形成してもよい。しかし、ガイド壁４３を別部材で構成する方が、孔４４等の形成が容易になる。

○ 水素源は高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンク２０に限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すもの等であってもよい。

○ 管路１９に設けられた電磁三方弁Ｖ１を省略して、スクロール型圧縮機１７の排出パイプ４６に設けられたバルブの開閉で、水素オフガスのパージを行うようにしてもよい。

○ 燃料電池システム１０は、燃料電池１１の酸素供給ポートにコンプレッサ１４で圧縮空気を供給する構成に代えて、酸素タンクから所定圧力に調整された酸素を供給するようにしてもよい。

○ 燃料電池システム１０は燃料電池搭載電気自動車に限らず、例えば、家庭用電源の燃料電池システムとして使用してもよい。
〇 スクロール型圧縮機１７は、水素循環用のポンプとして使用されるものに限らず、空気圧縮用のコンプレッサ１４に使用したり、空調装置の冷媒圧縮用の圧縮機に使用したりしてもよい。

○ スクロール型圧縮機１７の電動機およびハウジング、可動スクロール３２を公転させる機構や自転を阻止する機構等の構成は前記実施形態に限らない。使用するガスや用途によって変更してもよい。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１） 請求項２に記載の発明において、前記孔は入口側が大きく出口側に向かって次第に小さくなるように形成されている。

（２） 前記排出通路は前記ガイド壁に沿って湾曲するように形成され、圧縮機の使用状態において下部となる部分に排出口が設けられている。
（３） 燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給経路と、前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路とを備えた燃料電池システムであって、前記ポンプに請求項１〜請求項３及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明のスクロール型圧縮機を使用した燃料電池システム。

（ａ）は一実施形態のスクロール型圧縮機の断面図であり図２のＡ−Ａ線における断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。 同じくスクロール型圧縮機の断面図。 燃料電池システムの構成図。 （ａ）は別の実施形態のスクロール型圧縮機の部分断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。

符号の説明

Ｓ１，Ｓｏ…密閉空間、１７…スクロール型圧縮機、２２…ハウジングを構成するリヤハウジング、２４…固定スクロール、３２…可動スクロール、３４，３５…基板、３６…固定側渦巻壁、３７…可動側渦巻壁、４２…導入部、４３…ガイド壁、４４…通路としての孔、４５…空間としての排出通路、４８…通路としてのスリット。

Claims (3)

1. 基板上に固定側渦巻壁を形成した固定スクロールと、基板上に可動側渦巻壁を形成した可動スクロールとが対向しており、自転不能に公転する前記可動スクロールの可動側渦巻壁と前記固定スクロールの固定側渦巻壁との間に前記可動スクロールの公転に基づいて容積減少する密閉空間を形成するスクロール型圧縮機において、
   前記固定側渦巻壁の外端側部分と対応する位置に固定側渦巻壁に沿って湾曲するように設けられた導入部と、
   前記導入部を構成するため前記固定側渦巻壁に沿うように形成されたガイド壁と、
   前記ガイド壁に設けられ、液滴の通過可能な通路と、
   前記通路に連通する空間と
   を備えたスクロール型圧縮機。
2. 前記通路は複数の孔である請求項１に記載のスクロール型圧縮機。
3. 前記ガイド壁は前記固定スクロールや圧縮機のハウジングと別部材により形成されている請求項１又は請求項２に記載のスクロール型圧縮機。

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