JP2018123797A - エア供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】駆動モータの冷却とフリクションロスの低減を両立できるエア供給システムを提案する。【解決手段】エアコンプレッサ２０は、エアを供給するインペラ２１と、インペラ２１を回転駆動する駆動モータ２２と、駆動モータ２２のロータ２３とインペラ２１とを接続するシャフト２５を軸支するボールベアリング２６と、駆動モータ２２の冷却とボールベアリング２６の潤滑とを兼ねるオイル７０が流れる油路２７とを有する。エア供給システム１０は、エアコンプレッサ２０と、オイル７０を循環させるオイルポンプ３０と、オイル７０の温度を検出する温度センサ５１と、オイル７０の温度を用いてオイルポンプ３０の動作を制御する制御装置６０とを備える。温度センサ５１によって検出された温度が閾値未満のときに、制御装置６０は、オイルポンプ３０を停止させる。【選択図】図１

Description

本発明はエア供給システムに関する。

燃料電池は、複数の単セルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各単セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。酸化ガスとしてのエア（空気）を燃料電池に供給する機構として、例えば、特開２００９−３０１８４５号公報においては、ターボエアコンプレッサが提案されている。この種のエアコンプレッサとして、例えば、高回転・高出力で回転する駆動モータのロータに接続するシャフトを軸支するための軸受機構として、オイル潤滑式のボールベアリングを採用し、駆動モータを冷却するオイルがボールベアリングの潤滑を兼ねているものが知られている。

特開２００９−３０１８４５号公報

しかし、駆動モータは、ロータと、ロータを囲むステータとによって構成されているため、ロータを油冷するためには、駆動モータ内にオイルパンを設け、ロータを油没させる必要がある。この場合、ボールベアリングも油没してしまうため、オイルの温度が低く、オイルの粘度が高いときには、撹拌抵抗の増大により、駆動モータのフリクションロスが増大してしまう。

そこで、本発明は、このような問題を解決し、駆動モータの冷却とフリクションロスの低減を両立できるエア供給システムを提案することを課題とする。

上述の課題を解決するため、本発明に関わるエア供給システムは、（i）エアコンプレッサであって、エアを供給するインペラと、インペラを回転駆動する駆動モータと、駆動モータのロータとインペラとを接続するシャフトを軸支するボールベアリングと、駆動モータの冷却とボールベアリングの潤滑とを兼ねるオイルが流れる油路とを有する、エアコンプレッサと、（ii）油路にオイルを循環させるオイルポンプと、（iii）オイルの温度を検出する温度センサと、（iv）温度センサによって検出された温度を用いてオイルポンプの動作を制御する制御装置を備える。温度センサによって検出された温度が閾値未満のときに、制御装置は、オイルポンプを停止させる。

本発明に関わるエア供給システムによれば、駆動モータの冷却とフリクションロスの低減を両立できる。

実施形態１に係るエア供給システムの構成の概略を示す説明図である。 実施形態１に係るエア供給システムの動作の流れを示すフローチャートである。 実施形態２に係るエア供給システムの構成の概略を示す説明図である。

以下、図１乃至図３を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は実施形態１に係るエア供給システム１０の構成の概略を示す説明図である。エア供給システム１０は、例えば、酸化ガスとしてのエアを燃料電池のカソード極に供給する用途に用いられる。

エア供給システム１０は、エアコンプレッサ２０、オイルポンプ３０、オイルクーラ４０、温度センサ５１、及び制御装置６０を備えている。エアコンプレッサ２０は、インペラ２１、駆動モータ２２、シャフト２５、ボールベアリング２６、及び油路２７を備えている。インペラ２１は、シャフト２５を通じて駆動モータ２２によって回転駆動されることにより、エアを供給する。駆動モータ２２は、ロータ（回転子）２３と、ステータ（固定子）２４とから構成される。ロータ２３とインペラ２１とを接続するシャフト２５は、オイル潤滑式のボールベアリング２６によって軸支されている。エアコンプレッサ２０内に形成された油路２７を通じて循環するオイル７０は、駆動モータ２２の冷却とボールベアリング２６の潤滑とを兼ねている。オイルポンプ３０は、油路２７を通じてオイル７０を循環させる。オイルクーラ４０は、油路２７を流れるオイル７０を冷却する。温度センサ５１は、油路２７を流れるオイル７０の温度を検出する。制御装置６０は、プロセッサ、メモリ、入出力インタフェースを備える電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、温度センサ５１から出力される温度情報を基に、オイルポンプ３０の動作を制御する。

ボールベアリング２６及びロータ２３は、油没された状態で使用される。ここで、「油没」とは、ボールベアリング２６の転動面より鉛直方向上側にオイル７０の油面７１が存在し、ロータ２３の最下点より鉛直方向上側にオイル７０の油面７１が存在することを意味する。なお、図１において、シャフト２５の軸芯方向（±Ｘ方向）に垂直な方向（±Ｚ方向）が鉛直方向に平行であるものとする。

次に、図２を参照しながらエア供給システム１０の動作の流れについて説明する。エア供給システム１０が始動すると（ステップ２０１；ＹＥＳ）、制御装置６０は、温度センサ５１から出力されるオイル７０の温度が閾値未満であるか否かを判定する（ステップ２０２）。ここで、閾値は、その閾値より油温が低くなると、オイル７０の撹拌抵抗の増大によりフリクションロスが大きくなるような温度に設定するのが好ましい。オイル７０の温度が閾値未満のときは（ステップ２０２；ＹＥＳ）、制御装置６０は、オイルポンプ３０の動作を停止する（ステップ２０３）。これにより、駆動モータ２２は、オイル７０が油路２７を循環しない状態で動作するため、ボールベアリング２６の回転摩擦に伴う発熱や駆動モータ２２の発熱により、オイル７０の温度が上昇し、オイル７０の粘度が低下する。一方、オイル７０の温度が閾値以上のときには（ステップ２０２；ＮＯ）、制御装置６０は、オイルポンプ３０を作動させることにより、油路２７を通じてオイル７０を循環させ、駆動モータ２２を冷却させる（ステップ２０４）。

このように、実施形態１によれば、オイル７０の温度が閾値未満のときに、オイルポンプ３０の動作が停止されるため、ボールベアリング２６の回転摩擦に伴う発熱や駆動モータ２２の発熱により、オイル７０の温度が上昇し、オイル７０の粘度が低下する。特に、エア供給システム１０からエアの供給を受けて発電する燃料電池が高負荷で運転されるときは、駆動モータ２２の回転は高回転になるため、オイル７０の温度が短時間で上昇し、オイル７０の粘度が速やかに低下する。これにより、オイル７０の温度が低いときのボールベアリング２６のフリクションロスを低減できる。また、広い温度範囲にわたって、駆動モータ２２の冷却とボールベアリング２６のフリクションロスの低減とを両立できる。

図３は実施形態２に係るエア供給システム８０の構成の概略を示す説明図である。以下の説明では、実施形態１，２の相違点を中心に説明し、共通する点については説明を省略する。エア供給システム８０は、ステータ２４の温度を検出する温度センサ５２を備えている点において、実施形態１に関わるエア供給システム１０とは異なる。制御装置６０は、温度センサ５１，５２から出力される温度情報を基に、オイルポンプ３０及びオイルクーラ４０の動作を制御する。なお、ステータ２４の温度とロータ２３の温度とはほぼ同じである。

オイル７０の温度が第１の閾値以上であり、且つ、ステータ２４の温度が第２の閾値以上であるときは、オイル７０の粘性は低く、ボールベアリング２６のフリクションロスの低下は見られない一方で、駆動モータ２２の冷却が必要となるので、オイルポンプ３０及びオイルクーラ４０の両方を動作させるのが望ましい。

オイル７０の温度が第１の閾値以上であり、且つ、ステータ２４の温度が第２の閾値未満であるときは、駆動モータ２２の冷却は不要であるため、オイルクーラ４０の動作を停止し、オイルポンプ３０を動作させるのが望ましい。

オイル７０の温度が第１の閾値未満であり、且つ、ステータ２４の温度が第２の閾値以上であるときは、駆動モータ２２の冷却が必要であるのに対し、オイル７０は低温であるため、オイルクーラ４０の動作を停止し、オイルポンプ３０を動作させるのが望ましい。

オイル７０の温度が第１の閾値未満であり、且つ、ステータ２４の温度が第２の閾値未満であるときは、駆動モータ２２の冷却は不要であるのに対し、オイル７０の粘性を下げる必要があるため、オイルポンプ３０及びオイルクーラ４０の両方の動作を停止させるのが望ましい。

なお、第１の閾値及び第２の閾値は、駆動モータ２２の冷却とボールベアリング２６のフリクションロスの低減とを両立する観点から最適な値に設定すればよい。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，８０…エア供給システム ２０…エアコンプレッサ ２１…インペラ ２２…駆動モータ ２３…ロータ ２４…ステータ ２５…シャフト ２６…ボールベアリング ２７…油路 ３０…オイルポンプ ４０…オイルクーラ ５１，５２…温度センサ ６０…制御装置

Claims (1)

1. エアコンプレッサであって、エアを供給するインペラと、前記インペラを回転駆動する駆動モータと、前記駆動モータのロータと前記インペラとを接続するシャフトを軸支するボールベアリングと、前記駆動モータの冷却と前記ボールベアリングの潤滑とを兼ねるオイルが流れる油路とを有する、エアコンプレッサと、
   前記油路に前記オイルを循環させるオイルポンプと、
   前記オイルの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサによって検出された温度を用いて前記オイルポンプの動作を制御する制御装置と、を備え、
   前記温度センサによって検出された温度が閾値未満のときに、前記制御装置は、前記オイルポンプを停止させる、エア供給システム。