JP2010270725A - 空気供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸入した空気を圧縮し、冷却の後供給する空気供給装置を小形化する。
【解決手段】エアクリーナ１２により粉塵が除去された空気をコンプレッサ１４で圧縮し、インタークーラ１６で冷却して、供給する。インタークーラ１６を冷却するための冷却用空気は、エアクリーナ１２を通過した後の空気を、吸入ダクト３２から分岐してインタークーラ１６のコア４２に導く。コア４２を通過する冷却用空気は、エアクリーナ１２により除塵されているので、詰まりが生じにくく、コア４２のフィンピッチを短縮することができる。これにより、冷却能力を維持しつつインタークーラを小形化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンプレッサにより圧縮された空気をインタークーラにより冷やしてから供給する空気供給装置に関する。

コンプレッサにより空気を圧縮して、この空気を供給する装置が様々な産業分野で使用されている。また、圧縮され温度が上昇した空気を冷却するためにインタークーラを備えた装置も使用されている。例えば、近年、研究開発がなされている高分子型燃料電池を備えた燃料電池車両においては、燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮して供給するためのコンプレッサと、燃料電池の高分子電解質膜が耐えられる温度にまでコンプレッサから供給される空気の温度と低下させるためのインタークーラを備えた空気供給装置が搭載されている（下記特許文献１参照）。

特開２００７−６０８４０号公報

装置の小形化は一般的な要請であるが、上記のような空気供給装置のインタークーラについても小形化の要請がある。しかしながら、インタークーラのコアのフィンピッチは、ゴミ等による目詰まりが起きないようにするために、ある程度確保する必要があり、これを短縮するには限界がある。これがインタークーラの外形の小形化を制限している。また、インタークーラに冷却用空気を送るためのファンを駆動するモータやコンプレッサを駆動するための、モータに設けられた当該モータと電力ケーブルを接続するための端子台の配置によっては、ケーブル等の取り回しのためのスペースを必要とし、装置が大形化する場合がある。さらに、コンプレッサによる吸気脈動音の低減の要請があり、このためにレゾネータチャンバ、分岐管等の消音のための構成を設けることにより装置が大型化する場合がある。

本発明は、インタークーラのコアのフィンピッチを短縮して、インタークーラを小形化すること、コンプレッサまたは冷却用ファンを駆動するモータの端子台の配置を適正化して、装置外形を小形化すること、およびコンプレッサの吸気脈動音を効率よく低減することの少なくとも一つの手法を用いて装置の小形化を実現することを目的とする。

本発明の空気供給装置は、通過する空気から粉塵を除去するエアクリーナと、前記エアクリーナを通過した空気を吸入流路を介して吸入し、圧縮して送出するコンプレッサと、前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、前記吸入流路を流れる空気の一部を、吸入流路から分岐して、冷却用空気としてインタークーラに導く冷却用流路と、を有する。

エアクリーナを通過してコンプレッサに送られる空気の一部をインタークーラの冷却用の空気として用いる。当該空気から、エアクリーナにより粉塵が除かれているため、インタークーラのコアのフィンピッチを詰めることができ、インタークーラが小形化される。

また、前記冷却用流路には、空気をインタークーラに向けて送るファンと、このファンを駆動するモータとを配置することができる。インタークーラ冷却用の空気をファン駆動用モータの冷却にも用いることで、装備機器が簡略になる。

また、前記ファンの発生音の基本次数を、前記コンプレッサの吸気脈動の基本次数と等しく、または整数倍とすることができる。ファンの発生音とコンプレッサの吸気音との周波数が一致する、または近くなることにより、消音機器が簡略になる。

また、前記モータは、冷却用のファンと共に前記コンプレッサを駆動するものとすることができる。モータを共用することにより、装備機器が簡略になる。

また、前記コンプレッサはルーツまたはリショルムコンプレッサとすることができ、この場合、共通のモータにより冷却用のファンと前記コンプレッサを駆動し、駆動されるファンとコンプレッサのロータの回転速度を等しくし、さらに前記ファンの羽根の枚数が、コンプレッサのロータのローブの枚数と等しいか、または整数倍とすることができる。これにより、コンプレッサの吸気脈動音と、冷却用ファンの発生音の周波数を一致または近づけることができ、消音機器が簡略になる。

前記インタークーラのコアは、前記モータの回転軸線に交差するように配置され、前記モータの端子台が、モータ周囲であって、モータの回転軸線から見てインタークーラのコア内の空気の流れの向きと直交する方向にあるようにできる。インタークーラのコアに接続される上流側および下流側のダクトに干渉せずに、電力線を配置することができる。

また、本発明の別の態様による空気供給装置は、空気を吸入し、圧縮して送出するコンプレッサと、前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、前記インタークーラに冷却用空気を送るためのファンと、を有し、前記ファンの発生音の基本次数を、前記コンプレッサの吸気脈動の基本次数と等しく、または整数倍としたものである。

また、本発明の更に別の態様による空気供給装置は、空気を吸入し、圧縮して送出するルーツまたはリショルムコンプレッサと、前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、前記インタークーラに冷却用空気を送るためのファンと、を有し、前記コンプレッサと前記ファンは、回転速度が等しくなるよう共通のモータで駆動され、前記ファンの羽根の枚数が、コンプレッサのロータのローブの枚数と等しいか、または整数倍としたものである。

また、本発明の更に別の態様による空気供給装置は、空気を吸入し、圧縮して送出するコンプレッサと、前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、前記インタークーラに冷却用空気を送るためのファンと、前記コンプレッサと前記ファンを駆動するモータと、を有し、前記インタークーラのコアは、前記モータの回転軸線に交差するように配置され、前記モータの端子台が、モータの周囲であって、モータの回転軸線から見てインタークーラのコア内の空気の流れの向きと直交する方向にあるように配置されたものである。

本実施形態の空気供給装置の概略構成を示す図である。 コンプレッサの断面図である。 冷却ファンを回転軸線方向より見た図である。 吸入流路における圧力波の干渉の説明図である。 本実施形態の空気供給装置のモータおよびインタークーラ周囲の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の空気供給装置１０の概略構成を示す断面図である。空気供給装置１０は、燃料電池自動車に搭載される装置を想定したものであるが、他の用途に用いることも可能である。空気供給装置１０は、エアクリーナ１２を介して吸い込んだ空気を圧縮して送出するコンプレッサ１４を有し、コンプレッサ１４により圧縮された空気を冷却するインタークーラ１６を備える。

コンプレッサ１４は、例えば、ルーツコンプレッサであり、二つのロータが図１の紙面を貫く方向に並んで配置されている。図２は、コンプレッサ１４を図１の左から見たときの断面図である。コンプレッサ１４の二つのロータ１８の軸（ロータ軸）２０は、図２においては、左右に並んで平行に配置される。ロータ１８は、三つのローブ２２を有する３葉型であり、それぞれのローブ２２は軸方向にねじれている。二つのロータ１８は、繭型断面形状の内壁面を有するケーシング２４内で、互いに同期して回転する。また、ローブ２２は、ケーシング２４の内壁面または相手方のロータのローブとわずかな間隙をもって位置しており、ロータの回転中においても、隙間がほぼ一定に維持される。これにより一方のロータのローブ２２とケーシング２４、または二つのロータのローブ２２とケーシング２４ので閉鎖された空間が形成され、ロータ１８の回転に伴って、空気を送ることができる。コンプレッサ１４においては、ローブ２２がねじれて配置されているために、吸入、送出される空気流の脈動を緩和することができる。また、内部圧縮が生じ、効率が向上する。

コンプレッサの形式は、この形式には限定されない。例えば、ロータのローブ２２がねじれていない形式でもよく、また２葉型、４個以上のローブを有する形式であってもよい。さらには、ルーツコンプレッサ以外の容積形コンプレッサ、例えばリショルムコンプレッサであってもよい。リショルムコンプレッサは、ルーツコンプレッサと同様、並行配置された二つのロータを有し、本実施形態のルーツコンプレッサと容易に代替することができる。

コンプレッサ１４のロータ１８は、モータ２６により駆動される。２個のロータ１８内、一方のロータ軸２０Ａと、モータ２６の出力軸２８が共通の軸線上に配置される。このロータ軸２０Ａにはギア（不図示）が結合され、このギアは、他方のロータ軸２０Ｂに結合されたギア（不図示）と噛み合っている。このギアを介してモータ２６の出力がロータ軸２０Ｂに伝達され、これにより二つのロータ１８が回転する。

コンプレッサ１４がモータ２６により駆動されると、外気が吸い込まれる。空気は、エアクリーナ１２により粉塵が除去され、吸入ホース３０とこれに続く吸入ダクト３２を通って、コンプレッサ１４に達する。吸入ホース３０は柔軟性があり、比較的硬い箱状のエアクリーナ１２と吸入ダクト３２に接続する際に、前記の柔軟性による撓みが利用される。また、エアクリーナ１２および吸入ダクト３２を接続した後も、これらの相対的な変位を吸収するのに役立つ。

コンプレッサ１４の吐出ダクト３４は、ロータ１８の回転軸線から側方に逸れて（図１では右下の方向に）延び、モータ２６と並列して配置される接続ダクト３６を介してインタークーラ１６に達する。インタークーラ１６は、入口タンク３８と出口タンク４０、これらのタンクの間に位置するコア４２を含む。コア４２は、出入口のタンク３８，４０を結び、並列して配置された複数の細い導管と、導管の間に配置され、導管に接するフィンを有する。このコア４２は、前述のモータ２６のロータの回転軸線、すなわち出力軸２８に交差するように、好ましくは直交するように配置される。コンプレッサ１４から吐出された空気は、入口タンク３８内で横（図１では紙面を貫く方向）に広がり、コア４２の導管を通って出口タンク４０に達し、ここでまとめられて送出ダクト４４に送り出される。コンプレッサ１４より吐出された圧縮空気は、コア４２を通過する際に冷却される。

モータ２６の出力軸２８には、軸流ファンの冷却ファン４６が結合される。冷却ファン４６は、モータ２６に駆動されて回転し、これにより気流が生じ、インタークーラ１６、特にそのコア４２の部分に冷却用の空気として送られる。図示する実施形態においては、冷却ファン４６は、モータ２６の両側に配置されているが、いずれか一方のみで配置されてもよい。このように、この空気供給装置１０においては、コンプレッサ１４と冷却ファン４６は共通のモータで駆動されるが、別個のモータで駆動されてもよい。

冷却ファン４６が送る空気は、吸入ホース３０と吸入ダクト３２で構成された、エアクリーナ１２からコンプレッサ１４に空気を導く吸入流路から導入される。空気供給装置１０においては、吸入ダクト３２の、コンプレッサ１４の吸入口４８に近い位置から分岐して、コンプレッサ１４のケーシング２４の周囲、または周囲の一部に沿って延びる分岐ダクト５０を介して、吸入流路から導入された空気がコンプレッサ１４に近い側に配置された冷却ファン４６Ａに達する。さらに、冷却用の空気は、モータ２６を囲むモータダクト５２内で、モータ２６のロータ５４に軸方向に開けられた孔または溝を通ってインタークーラ１６側の冷却ファン４６Ｂに達し、インタークーラ１６に至る。そして、インタークーラ１６のコア４２の導管およびフィンの隙間を通って、このとき導管内を流れる圧縮空気を冷やす。このように、分岐ダクト５０とモータダクト５２は、吸入流路を流れる空気の一部を、吸入流路から分岐して、冷却用空気としてインタークーラ１６に導く冷却流路を構成する。また、この冷却流路内に冷却ファン４６と、コンプレッサ１４を駆動するモータ２６が配置され、ここを流れる空気は、モータ２６も冷却する。

インタークーラ１６の冷却用空気は、吸入流路を流れる空気が分流したものであるから、エアクリーナ１２を通過し、粉塵やゴミが除去された空気である。したがって、インタークーラのコア４２のフィンピッチを小さくしても、ここでの目詰まりは生じにくい。フィンピッチを小さくすれば、そのぶんインタークーラ１２を小形化することができ、一方で、フィンの表面積はほぼ変わらないので、冷却性能についても維持することができる。一方、インタークーラ１２の外形を変えずにフィンピッチを増やせば、フィン表面積が増加し、冷却性能の向上が図れる。

図３は、冷却ファン４６を、その回転軸線の方向から見た図である。冷却ファン４６の羽根５６は、ロータ１８のローブ２２の数に一致する３枚であり、これが等間隔に配置されている。容積形コンプレッサの場合、空気の吸入、吐出が断続的に生じるため、流路に脈動が生じ、これが音となる。ルーツコンプレッサの場合、１つのロータのローブの数により脈動の基本次数が決定する。ローブの数が３個である場合、ロータの回転の３倍の周波数が基本次数になる。リショルムコンプレッサについても同様である。この気流脈動により発生する音を低減するために、吸入ホース３０や吸入ダクト３２、更にエアクリーナ１２より上流の空気の流路に、分岐管、共鳴室などの消音器が設けられる。

冷却ファン４６も、その羽根の枚数により発生音の基本次数が定まる。空気供給装置１０においては、コンプレッサ１４と冷却ファン４６は、共通のモータの出力軸２８により直接駆動されているので、コンプレッサのローブ２２の数と、冷却ファンの羽根５６の数とを一致させれば、両者の発生する音の基本次数が一致する。したがって、両者により発生する音の周波数が近い値となり、共鳴室等の消音器の設計、調整が簡略化される。さらに、コンプレッサ１４への空気が流れる吸入流路と、インタークーラへの空気が流れる冷却用流路の分岐点において、コンプレッサ１４と冷却ファン４６により発生した脈動の位相が逆相となるように、流路長等が調整されていると、消音効果が得られる。図４には、吸入流路における脈動の圧力波形が示されている。コンプレッサ１４の吸気による圧力波の基本次数成分が一点鎖線Ａで示されており、冷却ファン４６による圧力波の基本次数成分が破線Ｂで示されている。コンプレッサの圧力波Ａと冷却ファンの圧力波Ｂは、逆相であり、打ち消しあって、これらの合成波Ｃは振幅が小さくなる。

冷却ファンの羽根の枚数は、コンプレッサのローブ数の２倍、３倍のように、整数倍にすることも可能である。これにより、コンプレッサにより発生する脈動の高調波成分と相殺させるよう調整することができる。コンプレッサによる発生する音の基本波に関しては、共鳴室等の消音器で主に対応し、高調波については冷却ファンにより消音を行うように調整してもよい。また、コンプレッサと冷却ファンを別個のモータで駆動する場合には、それぞれのモータの回転速度および位相を制御して、それぞれが発生する音が相殺されるようにする。

図５は、空気供給装置１０をインタークーラ１６側から見た斜視図であり、コンプレッサ１４の吸入側の構成については省略して描かれている。以下においては、モータ２６のロータ５４の回転軸線の方向をＸ方向、インタークーラ１６のコア４２内の空気の流れる方向をＹ方向、これらＸ、Ｙ方向それぞれに直交する方向をＺ方向として説明する。空気供給装置１０においては、Ｘ方向とＹ方向も直交している。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を図５中に示す。

前述のように、インタークーラのコア４２のＹ方向両端には、入口タンク３８と出口タンク４０が配置され、それぞれに接続ダクト３６、送出ダクト４４が接続されている。コア４２の概形は、正方形またはこれに近い長方形であり、その中心（対角線の交点）が、ほぼモータのロータ５４の回転軸線上にある。冷却ファン４６の３枚の羽根５６の先端を通る円と、コア４２の略正方形をＸ方向に正投影すると、冷却ファンの円がコア４２の略正方形にほぼ内接するように配置されている。コア４２には、入口、出口タンク３８，４０が接続されており、この方向（Ｙ方向）において、インタークーラ１６は、前記冷却ファン４６が形成する円より外側に張り出している。

モータ２６の外周には、モータ２６に電力を供給する電力ケーブル５８が接続される端子台６０が配置されている。端子台６０は、モータのロータ５４の回転軸線からＺ方向のモータの外周部分に配置されている。この位置であると、端子台６０から延びる電力ケーブル５８が、前記のように外側に張り出したインタークーラの入口タンク３８、出口タンク４０、および接続ダクト３６、送出ダクト４４に干渉せずに取り回すことができ、有利な配置となる。

上述した空気供給装置１０においては、ルーツまたはリショルムコンプレッサを採用したが、ベーンコンプレッサ等の他の容積形コンプレッサを用いることも可能である。ベーンコンプレッサの場合、ベーンの枚数で脈動の基本次数が決定する。また、遠心コンプレッサ等のターボコンプレッサを使用することができる。ターボコンプレッサの場合、タービンの羽根枚数により基本次数が定まる。

１０ 空気供給装置、１２ エアクリーナ、１４ コンプレッサ、１６ インタークーラ、１８ ロータ、２６ モータ、３０ 吸入ホース、３２ 吸入ダクト、３８ 入口タンク、４０ 出口タンク、４２ コア、４６ 冷却ファン、５０ 分岐ダクト、５２ モータダクト、５６ 羽根、５８ 電力ケーブル、６０ 端子台。

Claims (9)

1. 通過する空気から粉塵を除去するエアクリーナと、
   前記エアクリーナを通過した空気を吸入流路を介して吸入し、圧縮して送出するコンプレッサと、
   前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、
   前記吸入流路を流れる空気の一部を、吸入流路から分岐して、冷却用空気としてインタークーラに導く冷却用流路と、
   を有する、空気供給装置。
2. 請求項１に記載の空気供給装置であって、前記冷却用流路には、空気をインタークーラに向けて送るファンと、このファンを駆動するモータとが配置され、冷却用流路を流れる空気により前記モータが冷却される、空気供給装置。
3. 請求項２に記載の空気供給装置であって、前記ファンの発生音の基本次数を、前記コンプレッサの吸気脈動の基本次数と等しく、または整数倍とした、空気供給装置。
4. 請求項２または３に記載の空気供給装置であって、前記モータは前記コンプレッサを駆動する、空気供給装置。
5. 請求項２に記載の空気供給装置であって、
   前記コンプレッサはルーツまたはリショルムコンプレッサであり、
   前記モータは前記コンプレッサを駆動し、駆動されるファンとコンプレッサのロータの回転速度は等しく、
   前記ファンの羽根の枚数が、コンプレッサのロータのローブの枚数と等しいか、または整数倍である、
   空気供給装置。
6. 請求項５に記載の空気供給装置であって、
   前記インタークーラのコアは、前記モータの回転軸線に交差するように配置され、
   前記モータの端子台が、モータ周囲であって、モータの回転軸線から見てインタークーラのコア内の空気の流れの向きと直交する方向にある、
   空気供給装置。
7. 空気を吸入し、圧縮して送出するコンプレッサと、
   前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、
   前記インタークーラに冷却用空気を送るためのファンと、
   を有し、
   前記ファンの発生音の基本次数を、前記コンプレッサの吸気脈動の基本次数と等しく、または整数倍とした、空気供給装置。
8. 空気を吸入し、圧縮して送出するルーツまたはリショルムコンプレッサと、
   前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、
   前記インタークーラに冷却用空気を送るためのファンと、
   を有し、
   前記コンプレッサと前記ファンは、回転速度が等しくなるよう共通のモータで駆動され、前記ファンの羽根の枚数が、コンプレッサのロータのローブの枚数と等しいか、または整数倍である、
   空気供給装置。
9. 空気を吸入し、圧縮して送出するコンプレッサと、
   前記コンプレッサから送出された空気を冷却するインタークーラと、
   前記インタークーラに冷却用空気を送るためのファンと、
   前記コンプレッサと前記ファンを駆動するモータと、
   を有し、
   前記インタークーラのコアは、前記モータの回転軸線に交差するように配置され、
   前記モータの端子台が、モータの周囲であって、モータの回転軸線から見てインタークーラのコア内の空気の流れの向きと直交する方向にある、
   空気供給装置。

Images