JP2007046610A - 自動車等のための流体圧縮用多段モータ−コンプレッサ - Google Patents

Abstract

【課題】多段モータコンプレッサにおける効率、信頼性の改善と高速化を行う。
【解決手段】モータ−コンプレッサは、一次インペラ８及び少なくとも１つの送出ダクト１６を有する第１の圧縮段６と、所定の回転方向に回転する二次インペラ２１を有する第２の圧縮段７と、送出ダクト１６が第２の段７の流体コンベヤ３９と連通するように配置された少なくとも１つの移送ダクト４４とを含む。移送ダクト４４は、ほぼらせん状の進路と、二次インペラ２１の回転方向とは反対の回転方向でコンベヤ３９に入る流体の流れを生じるように形状づけられている。
【選択図】図３

Description

本発明は自動車等のための流体圧縮用多段モータ−コンプレッサに関する。特に、本発明は圧縮空気を燃料電池システムに供給する２段モータ−コンプレッサに関する。

前述のタイプのモータ−コンプレッサは周知である。このモータ−コンプレッサでは、第１段スクロールが移送ダクトの第１の接線方向部分に接続されており、移送ダクトの第２の軸方向又は径方向部分は第２段スクロールの流体コンベヤに接続されている。第２の部分が軸方向である場合、コンベヤに入る流体の流れの方向が急に変えられて流体の圧力が低下するため、動作上の消費電力が大きくなり、モータ−コンプレッサの効率が低下する。

移送ダクトの第２の部分が径方向である場合、通常は、第２段インペラと同一の回転方向にらせん状の流れを生じるよう形状づけられている。この径方向接続には、高流速下において効率の低下や圧縮比が小さい、という欠点がある。

多段モータ−コンプレッサも公知である。多段モータ−コンプレッサでは、インペラは駆動電動モータのシャフトの同一の出力側に直列に配置されている。２つのインペラは片持ちでシャフトに取り付けられており、後ろのインペラは応力を受けるため動作速度が遅くなる。

本発明の目的は、高信頼性で、これらの欠点を取り除き、公知技術のモータ−コンプレッサの性能を高める２段モータ−コンプレッサを具現することである。

本発明によると、この目的は請求項１記載の流体圧縮用多段モータ−コンプレッサによって達成される。

本発明の変形例によると、２段のインペラが共通の駆動電動モータのシャフトの両端部に固定されているため、モータ−コンプレッサは高速で作動することができる。

本発明を更によく理解するために、好適な実施の形態を本明細書において説明する。この好適な実施の形態は、同封の図面を用いて一例として提供される。

図１及び図２を参照すると、参照番号５は、自動車等のための流体圧縮用多段モータ−コンプレッサを全体的に示している。具体的には、モータ−コンプレッサ５は低圧段６及び高圧段７といった２つの段を有するタイプであり、燃料電池システムにおける圧縮空気の供給、内燃機関への空気の供給、又は圧縮空気を必要とするあらゆるシステムに好適である。

低圧段６は低圧インペラを含み、以下、これを一次インペラ８（図３）と呼ぶ。一次インペラ８は軸Ａを中心に回転し、一次インペラ８の先には固定されたオジーヴ(ogival、円錐頭状)部分９があり、これは低圧スクロール内に配置されている。以下、このスクロールを一次スクロール１０と呼ぶ。一次インペラ８は電動モータ１５のシャフトの一方の端部１５’に固定されている。また、一次インペラ８は、ほぼ放射状である公知のタイプの一連の成形ブレード１１を含む。

一次スクロール１０は成形ケーシング１２からなり、成形ケーシング１２は、ほぼ円筒状であるモータ１５の外側ケーシング３２上に支持された固定盤２０に、ボルト及び少なくとも１つの半リング１３を介して取り外し可能に接続されている。成形ケーシング１２は、低圧段６につながる中央吸気開口部１４を有する。また、一次スクロール１０は湾曲した流体送出ダクト１６を少なくとも１つ有する。このダクトは、軸Ａに対して垂直な平面Ｐに実質的に位置するほぼらせんの形状を有する。

図１から図８の変形例によると、一次スクロール１０は３つの湾曲ダクト１６を備えており、これらは、一次スクロール１０にかかる負荷のバランスをとるために互いに対して１２０°で配置されている。モータ１５の固定盤２０は、一次スクロール１０の成形ケーシング１２と共に、湾曲ダクト１６と連通する環状のチャンバ１７を形成する。一方の側では、環状チャンバ１７は、軸Ａの方に向いた環状の入口開口部１８を介して中央開口部１４と連通しており、もう一方の側では、環状チャンバ１７の外側に向いた対応する出口開口部１９を介して湾曲ダクト１６と連通している。

インペラ８の成形ブレード１１は、入ってくる空気を中央開口部１４から湾曲ダクト１６に送るのに好適である。圧縮される空気流の軸方向は、オジーヴ部分９によって最適化される。インペラ８から圧縮空気を送るために、各湾曲ダクト１６は、環状チャンバ１７の出口開口部１９から、湾曲ダクト１６の径方向末端部分によって定められた出口開口部２５までの拡大する断面を有する。湾曲ダクト１６のらせん形状により、インペラ８と同一の回転方向に回転する流体の流れが生じる。

モータ−コンプレッサ５の高圧段７は高圧インペラを含み、以下、これを二次インペラ２１（図３）と呼ぶ。このインペラ２１は軸を中心に回転する。この軸は、都合のよいことに一次インペラ８の軸Ａと一致することができる。二次インペラ２１は、一次インペラ８の端部の反対側にある、モータ１５のシャフトの端部１５”に固定されているため、モータ１５のシャフトにバランスのとれた負荷を提供する。これにより、インペラ８及びインペラ２１のグループを高速で回転させることができる。

二次インペラ２１は、軸流の方向を最適化するのに好適な独自のオジーヴ部分２２を備えている。オジーヴ部分２２は高圧スクロール内に配置されており、以下、これを二次スクロール２３と呼ぶ。また、二次インペラ２１は、ほぼ放射状である一連の成形ブレード２４を含む。

二次スクロール２３は成形ケーシング２６からなり、成形ケーシング２６は、モータ１５の外側ケーシング３２上に設けられた別の固定盤３３に、ボルト及び少なくとも１つの半リング２７を介して取り外し可能に接続されている。二次スクロール２３の成形ケーシング２６は、高圧段７につながる中央吸気開口部２８を有するスリーブ３１を含む。

また、二次スクロール２３は、軸Ａに対して垂直な別の平面Ｒ上に実質的に位置する少なくとも１つの湾曲ダクト２９を有する。都合のよいことに、二次スクロール２３（図７も参照）には湾曲ダクト２９が１つしかなく、このダクトもほぼらせん状の進路(course)を有し、直線部分３０を終端としている。湾曲ダクト２９のらせんは、二次インペラ２１と同一方向に回転する流体の流れを生じるようになっている。

固定盤３３は、成形ケーシング２６と共に環状のチャンバ３４を形成している。チャンバ３４の一方の側は、軸Ａの方に向いた環状の入口開口部３６を介して中央開口部２８と連通している。もう一方の側では、環状チャンバ３４は、湾曲ダクト２９の入口開口部を形成する外側に向いた開口部３７を介して湾曲ダクト２９と連通している。インペラ２１の成形ブレード２４は、入ってくる空気を中央開口部２８から環状チャンバ３４に送るのに好適である。

中央開口部２８を介して入る圧縮空気を環状チャンバ３４に送るために、湾曲ダクト２９は、入口開口部３７に隣接する部分から、湾曲ダクト２９の径方向末端部分によって定められた対応する出口開口部３８（図５）までの拡大する断面を有する。この末端部分は直線部分３０の末端部分に等しい。

また、モータ−コンプレッサ５は、外壁４０及び中央開口部４１（図３）を有するコンベヤ３９を含み、このコンベヤ３９において二次スクロール２３のスリーブ３１は密封状態で係合している。コンベヤ３９には、一次スクロール１０の湾曲ダクト１６の３つの出口開口部２５に関連する３つの入口開口部４２も設けられている。これら３つの入口開口部４２も互いに対して１２０°で配置されている。全体として参照番号４４で示される、対応する移送ダクトが、一次スクロール１０の各出口開口部２５とコンベヤ３９の対応する入口開口部４２との間に配置されている。

本発明によると、各移送ダクト４４は、ほぼらせん状の進路と、二次インペラ２１の回転方向とは反対の回転方向でコンベヤ３９に入る流れを生じるように形状づけられている。具体的には、各移送ダクト４４は、対応する湾曲ダクト１６に接続されていて一次インペラ８にほぼ接線方向となる第１の部分５２（図１、図４及び図６）と、コンベヤ３９の対応する開口部４２に接続されていて二次インペラ２１にほぼ接線方向となる第２の部分５６（図２、図５及び図８）と、長手方向の中間部分５４及び５７を含む。

移送ダクト４４の第２の接線方向部分５６とコンベヤ３９の対応する開口部４２は、インペラ２１の回転方向とは反対の回転方向で流れのらせん状進路を生じるように配置されている。更に、各移送ダクト４４は、第１の接線方向部分５２と中間部分５４及び５７との間に配置されたほぼらせん状の第１の接続部分５３を含む。また、各移送ダクトは、第２の接線方向部分５６と中間部分５４及び５７との間に配置された第２の湾曲した接続部分５８を含む。

移送ダクト４４は、都合のよいことにケーシング３２の外側に配置されており、それぞれが２つのセグメント４６及び４７によって形成されている（図１及び図２）。２つのセグメント４６及び４７はそれぞれ一次スクロール１０及びコンベヤ３９に取り外し可能に接続されている。２つのセグメント４６及び４７はそれぞれ対応するフランジ４８及び４９を終端としている。これらのフランジは軸Ａに垂直な平面Ｓで互いに接合されており（図３）、例えばボルト５１によって、密封されるが取り外し可能な態様で互いに接続されている。

各移送ダクト４４のセグメント４６は、第１の部分５２と、これに対応するほぼらせん状の接続部分５３と、中間部分５４及び５７の一部分５４を形成する直線部分５４を含む。また、各移送ダクト４４のセグメント４７は、第２の部分５６と、湾曲した接続部分５８と、中間部分５４及び５７の別の直線部分５７を含む。

モータ−コンプレッサ５のダクト１６、２９及び４４は全て、例えばトロイダルガスケットや糊(paste)によって、又は他の公知の態様で圧縮流体を支持するように外側で密封されている。一次スクロール１０の成形ケーシング１２には、一連の冷却リブ又はフィン５９が設けられている。同様に、二次スクロール２３の成形ケーシング２６及びコンベヤ３９には、対応する一連の冷却リブ又はフィン６１及び６２が設けられている。フィン５９、６１及び６２は、外部環境との熱交換表面積を大きくし、圧縮流体を効率よく冷却して密度を高め、これによってモータ−コンプレッサ５の効率を高めるように機能する。移送ダクト４４は、モータ−コンプレッサ５の径方向のかさ(bulk)を含むように楕円形の断面を有する。

例示する実施の形態では、２つのインペラ８及び２１は同軸であり、単一の電動モータ１５によって駆動されている。図４及び図５では、矢印６３及び矢印６４はモータ１５の回転方向を表し、移送ダクト４４の黒い矢印は流体の流れを表す。図４は、セグメント４６内の流れの回転方向がモータ１５の回転方向（矢印６３）と一致していることを明確に示しており、図５は、セグメント４７の部分５７内の流れの回転方向がモータ１５の回転方向（矢印６４）と反対であることを示している。

図９の変形例によると、モータ−コンプレッサ５は、コンベヤ３９につながる送出ダクト１６及び移送ダクト４４をそれぞれ１つしか含まない。図１０の変形例によると、モータ−コンプレッサ５は、直径方向に相対するように配置された２つの送出ダクト１６及び２つの移送ダクト４４を含む。よって、これら２つの変形例は、スクロール１０の出口２５及びコンベヤ３９への入口４２を、移送ダクト４４の数に等しい数だけ有する。図９及び図１０における移送ダクト４４の形状は、図２の移送ダクト４４の形状と同一である。図９及び図１０では、図２と同一又は同様の部品を同一の参照番号で示しているため、これら２つの変形例についてはこれ以上説明しない。

図１１は、モータ−コンプレッサ５の流れＱの関数としての圧縮比βの曲線６６を示している。モータ１５の回転と完全に一致するらせん状の流れを生じることのできる移送ダクト４４の場合、所定の圧縮曲線６６が得られる。代わりに、各移送ダクト４４の第２の部分５６がモータ１５の流れとは反対のらせん状の流れを生じる場合、結果として曲線６６が図１１の右側にずれる。これは、高流速下において更に大きな圧縮比が得られることを示している。

モータ−コンプレッサ５の機能は以下の通りである。

２つのインペラ８及び２１を矢印６３及び矢印６４（図４及び図５）の方向に回転させることにより、ケーシング１２の中央開口部１４（図３も参照）から入る流体はブレード１１によって進められてスクロール１０の湾曲ダクト１６に入り、第１の圧縮を受ける。図３から図５の種々のダクトに黒い矢印で示す流体の流れは、湾曲ダクト１６の出口開口部２５から出ると移送ダクト４４へと導かれ、入口開口部４２を通り、モータ１５の回転方向と反対の方向に回転するらせんの動きでコンベヤ３９に導かれる。次に、コンベヤ３９は、スリーブ３１の中央開口部２８を介して流体の流れを二次スクロール２３の入口開口部３７に向ける。ここで、流体の流れは二次インペラ２１によって行われる第２の圧縮を受け、二次スクロール２３の湾曲ダクト２９に入る。最後に、圧縮された流体は、直線部分３０により、利用される箇所に送られる。

公知技術のモータ−コンプレッサに対する本発明のモータ−コンプレッサ５の利点が、前の説明から明らかである。具体的には、移送ダクト４４は流れのエネルギー損失を避け、モータ−コンプレッサ５の効率を高める。また、共通のモータ１５のシャフトの２つの端部１５’及び１５”に２つのインペラ８及び２１を固定することにより、インペラ８及びインペラ２１の操作のバランスがとれて振動の生成が防止され、これによって回転速度を上げることができる。

前述のモータ−コンプレッサ５に対する種々の変更及び改良を、請求の範囲から逸脱せずに行えることが意図される。例えば、各移送ダクト４４を単一部品で構成し、例えばボルト締めフランジによってスクロール１０及びコンベヤ３９に取り外し可能に接続することができる。また、２つのインペラ８及び２１を個々の電動モータによって回転させ、それぞれのＡ軸を、互いに平行にしたり、互いに対して傾斜づけたり、互いの間に所定の角度を形成した状態で同一平面上に配置したりすることができる。この場合においても、２つのインペラ８及び２１は、可能であれば少なくとも１つの伝動グループを介して、公知のタイプである共通の電動モータによって回転されることが好ましい。

本発明の第１の変形例による２段モータ−コンプレッサの右側斜視図である。 図１のモータ−コンプレッサの左側斜視図である。 図１のモータ−コンプレッサの直径方向断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った図である。 図１のモータ−コンプレッサの一部の左側斜視図である。 図１のモータ−コンプレッサの別の部分の左側斜視図である。 図１のモータ−コンプレッサの更なる部分の右側斜視図である。 モータ−コンプレッサの変形例に関する、図２に類似した斜視図である。 モータ−コンプレッサの変形例に関する、図２に類似した斜視図である。 モータ−コンプレッサの圧縮比のグラフである。

符号の説明

５ モータ−コンプレッサ
６ 第１の圧縮段
７ 第２の圧縮段
８ 一次インペラ
１５ モータ
１５’、１５” 端部
１６ 送出ダクト
２１ 二次インペラ
２８ 中央開口部
３２ ケーシング
３９ コンベヤ
４２ 入口開口部
４４ 移送ダクト
４６、４７ セグメント
４８、４９ フランジ
５２ 第１の部分
５３ らせん状の接続部分
５４、５７ 中間部分
５６ 第２の部分
５８ 湾曲した接続部分

Claims (14)

1. 流体圧縮用多段モータ−コンプレッサであって、一次インペラ（８）及び少なくとも１つの送出ダクト（１６）を有する第１の圧縮段（６）と、所定の回転方向に回転する二次インペラ（２１）を有する第２の圧縮段（７）と、前記送出ダクト（１６）が前記第２の段（７）の流体コンベヤ（３９）と連通するように配置された少なくとも１つの移送ダクト（４４）とを含み、該移送ダクト（４４）が、ほぼらせん状の進路と、前記二次インペラ（２１）の回転方向とは反対の回転方向で前記コンベヤ（３９）に入る流体の流れを生じるように形状づけられている、流体圧縮用多段モータ−コンプレッサ。
2. 前記第２の段（７）には前記流れのための少なくとも１つの軸方向入口ダクト（２８）が取り付けられており、前記コンベヤ（３９）が、前記移送ダクト（４４）及び前記第２の段（７）の前記入口開口部（２８）と連通する前記流れのための独自の入口開口部（４２）を含む、請求項１に記載のモータ−コンプレッサ。
3. 前記第１の段（６）が直径方向に相対する一対の送出ダクト（１６）を含み、前記コンベヤ（３９）が直径方向に相対する対応する一対の入口開口部（４２）を含み、該入口開口部（４２）が、同様の形状をもつ対応する一対の移送ダクト（４４）を介して前記送出ダクト（１６）と連通している、請求項２に記載のモータ−コンプレッサ。
4. 前記第１の段（６）が互いに対して１２０°に設定された３つの送出ダクト（１６）を含み、前記コンベヤ（３９）が互いに対して１２０°に設定された３つの対応する入口開口部（４２）を含み、該入口開口部（４２）が、同様の形状をもつ３つの移送ダクト（４４）を介して前記送出ダクト（１６）と連通している、請求項２に記載のモータ−コンプレッサ。
5. 前記インペラ（８及び２１）がケーシング（３２）内に配置された駆動手段（１５）によって駆動され、前記移送ダクト（４４）が前記ケーシング（１５）の外側に配置されている、請求項３又は請求項４に記載のモータ−コンプレッサ。
6. 前記移送ダクト（４４）の各々が、前記送出ダクト（１６）に接続されていて前記一次インペラ（８）にほぼ接線方向となる第１の部分（５２）と、前記コンベヤ（３９）に接続されていて前記二次インペラ（２１）にほぼ接線方向となる第２の部分（５６）と、長手方向の中間部分（５４及び５７）とを含む、前出の請求項のうちいずれか１項に記載のモータ−コンプレッサ。
7. 前記移送ダクト（４４）の各々が、前記第１の接線方向部分（５２）と前記中間部分（５４及び５７）との間に配置されたほぼらせん状の部分（５３）と、前記第２の接線方向部分（５６）と前記中間部分（５４及び５７）との間に配置された湾曲部分（５８）とを更に含む、請求項６に記載のモータ−コンプレッサ。
8. 前記移送ダクト（４４）の各々が更に２つのセグメント（４６及び４７）に分けられており、その各々が前記中間部分の一部分（５４及び５７）を含み、前記セグメント（４６及び４７）の各々にはもう一方のセグメント（４６及び４７）と接続するためのフランジ（４８及び４９）が取り付けられている、請求項７に記載のモータ−コンプレッサ。
9. 前記移送ダクト（４４）が、ほぼらせん状の進路と、前記一次インペラ（８）の回転方向に一致する回転方向で前記送出ダクト１６から出る流体の流れを生じるように形状づけられている、請求項３から請求項８のうちいずれか１項に記載のモータ−コンプレッサ。
10. 前記駆動手段（１５）が前記２つのインペラ（８及び２１）を駆動する２つの別個の電動モータを含む、前出の請求項のうちいずれか１項に記載のモータ−コンプレッサ。
11. 前記駆動手段（１５）が前記２つのインペラ（８及び２１）のための共通の電動モータを含む、請求項１から請求項９のうちいずれか１項に記載のモータ−コンプレッサ。
12. 前記インペラ（８及び２１）が同軸であり、前記電動モータ（１５）のシャフトの両端部（１５’及び１５”）に固定されている、請求項１１に記載のモータ−コンプレッサ。
13. 前記インペラ（８及び２１）が同軸であるか、又は同一平面上にあって所定の角度を形成する２つの軸を中心に回転する、請求項１１に記載のモータ−コンプレッサ。
14. 前記電動モータ（１５）と、前記インペラ（８及び２１）のうち少なくとも１つとの間に伝動グループが配置されている、請求項１１から請求項１３のうちいずれか１項に記載のモータ−コンプレッサ。

Images