＜第１の実施形態＞
以下、図１～図５を用いて、本発明の第１実施形態に係る流体の流出防止機構を含む膨張機１０及び燃料電池システム１００について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１００は、一例として、図示しない車両（燃料電池自動車）に搭載されている。
<First Embodiment>
Hereinafter, the expander 10 and the fuel cell system 100 including the fluid outflow prevention mechanism according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5. As an example, the fuel cell system 100 according to the present embodiment is mounted on a vehicle (fuel cell vehicle) (not shown).
（構成）
図１に示されるように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、一例として、燃料電池スタック１０２、冷却経路１０４、ラジエータ１０６、温度センサ１０８、熱交換器１１０、水素タンク１１２、水素供給経路１１４、膨張機１０、ファン１１６、メインバルブ１１８、第１開閉弁１２０、第２開閉弁１２２、第１調圧弁１２４、第２調圧弁１２６、サブタンク１２７、第１インジェクタ１２８、第２インジェクタ１３０、還流路１３２、気液分離器１３４、排水弁１３６、ポンプ１３８、及び三方分岐１４０を備えている。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 according to the present embodiment is, as an example, a fuel cell stack 102, a cooling path 104, a radiator 106, a temperature sensor 108, a heat exchanger 110, a hydrogen tank 112, and a hydrogen supply path. 114, expander 10, fan 116, main valve 118, first on-off valve 120, second on-off valve 122, first pressure regulating valve 124, second pressure regulating valve 126, sub tank 127, first injector 128, second injector 130, It includes a return path 132, a gas-liquid separator 134, a drain valve 136, a pump 138, and a three-way branch 140.
先ず、燃料電池システム１００の全体構成について説明し、その後に、本実施形態の要部である膨張機１０の構成について詳細に説明する。本実施形態において、膨張機１０は、水素膨張機であり、以下の説明においては水素膨張機１０と称する場合もある。なお、図１において、矢印Ｈは、水素（水素ガス）が流れる方向を示しており、矢印Ｗは、燃料電池スタック１０２の冷媒である冷却水が流れる方向を示している。以下の説明では、水素供給経路１１４において、水素タンク１１２側を水素の流れの上流側とし、燃料電池スタック１０２側を水素の流れの下流側として説明する。
First, the overall configuration of the fuel cell system 100 will be described, and then the configuration of the expander 10, which is a main part of the present embodiment, will be described in detail. In the present embodiment, the expander 10 is a hydrogen expander, and may be referred to as a hydrogen expander 10 in the following description. In FIG. 1, the arrow H indicates the direction in which hydrogen (hydrogen gas) flows, and the arrow W indicates the direction in which the cooling water, which is the refrigerant of the fuel cell stack 102, flows. In the following description, in the hydrogen supply path 114, the hydrogen tank 112 side will be described as the upstream side of the hydrogen flow, and the fuel cell stack 102 side will be described as the downstream side of the hydrogen flow.
（燃料電池システムの全体構成）
燃料電池スタック１０２は、燃料電池の一例である。具体的には、燃料電池スタック１０２は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セルが積層されることで構成されている。燃料電池スタック１０２には、図示しない空気供給器から圧縮空気中の酸素が供給される。また、燃料電池スタック１０２には、水素タンク１１２から水素供給経路１１４を介して水素が供給される。
(Overall configuration of fuel cell system)
The fuel cell stack 102 is an example of a fuel cell. Specifically, the fuel cell stack 102 is a unit that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and is configured by stacking a plurality of single cells. Oxygen in compressed air is supplied to the fuel cell stack 102 from an air supply device (not shown). Further, hydrogen is supplied to the fuel cell stack 102 from the hydrogen tank 112 via the hydrogen supply path 114.
冷却経路１０４は、ラジエータ１０６から燃料電池スタック１０２の内部及び熱交換器１１０を経由して、再度ラジエータ１０６に冷却水を循環させる配管によって構成されている。冷却経路１０４における冷却水の循環は、図示しないポンプによって行われる。また、冷却経路１０４における熱交換器１１０と接触する部位は、一例として、Ｕ字状に屈曲した屈曲部１０４Ａとされている。この屈曲部１０４Ａは、屈曲部１０４Ａが形成されていない構成と比べて、熱交換器１１０との接触面積が増えている。この冷却経路１０４を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１０２が冷却される。
The cooling path 104 is configured by a pipe for circulating cooling water from the radiator 106 to the radiator 106 again via the inside of the fuel cell stack 102 and the heat exchanger 110. The circulation of the cooling water in the cooling path 104 is performed by a pump (not shown). Further, the portion of the cooling path 104 that comes into contact with the heat exchanger 110 is, for example, a bent portion 104A that is bent in a U shape. The bent portion 104A has an increased contact area with the heat exchanger 110 as compared with a configuration in which the bent portion 104A is not formed. The fuel cell stack 102 is cooled by the cooling water flowing through the cooling path 104.
ラジエータ１０６は、図示しない車両の走行風を利用して、冷却経路１０４内の冷却水を冷却する。また、ラジエータ１０６は、当該ラジエータ１０６に対向して配置されたファン１１６からの送風によっても冷却される。温度センサ１０８は、冷却経路１０４における燃料電池スタック１０２の出口付近に設けられており、冷却経路１０４の冷却水の温度を検出する。
The radiator 106 uses the traveling wind of a vehicle (not shown) to cool the cooling water in the cooling path 104. The radiator 106 is also cooled by blowing air from a fan 116 arranged to face the radiator 106. The temperature sensor 108 is provided near the outlet of the fuel cell stack 102 in the cooling path 104, and detects the temperature of the cooling water in the cooling path 104.
熱交換器１１０は、一例として、冷却経路１０４の屈曲部１０４Ａと接触されている。また、熱交換器１１０は、水素膨張機１０の下流側で水素供給経路１１４と接触されている。この熱交換器１１０は、水素膨張機１０による断熱膨張によって冷却された水素と、冷却経路１０４を循環する冷却水との間で熱交換を行う構成とされている。
As an example, the heat exchanger 110 is in contact with the bent portion 104A of the cooling path 104. Further, the heat exchanger 110 is in contact with the hydrogen supply path 114 on the downstream side of the hydrogen expander 10. The heat exchanger 110 is configured to exchange heat between hydrogen cooled by adiabatic expansion by the hydrogen expander 10 and cooling water circulating in the cooling path 104.
さらに、熱交換器１１０は、一例として、水素膨張機１０の上流側で水素供給経路１１４と接触されている。これは、燃料電池スタック１０２の冷却経路１０４を流れる高温の冷却水の熱を利用して、水素供給経路１１４の水素の温度を上げてから水素膨張機１０で断熱膨張させた場合に、水素の体積が増えて、後述する駆動力をより多く得られるためである。また、水素は、膨張された場合の温度低下率が高いので、水素膨張機１０で過剰な冷却をしないためにも、水素膨張機１０よりも上流側で冷却水の熱を水素に与える構成としている。
Further, the heat exchanger 110 is, for example, in contact with the hydrogen supply path 114 on the upstream side of the hydrogen expander 10. This is when the heat of the high-temperature cooling water flowing through the cooling path 104 of the fuel cell stack 102 is used to raise the temperature of hydrogen in the hydrogen supply path 114 and then adiabatic expansion is performed by the hydrogen expander 10. This is because the volume increases and more driving force, which will be described later, can be obtained. Further, since hydrogen has a high temperature decrease rate when expanded, the heat of the cooling water is given to hydrogen on the upstream side of the hydrogen expander 10 so as not to excessively cool the hydrogen with the hydrogen expander 10. There is.
耐圧容器である水素タンク１１２には、燃料電池スタック１０２に供給するための高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素（燃料水素）が貯留されている。この水素は、水素膨張機１０の作動流体として利用されるものである。この水素タンク１１２には、水素供給経路１１４の上流側端部が接続されている。
The hydrogen tank 112, which is a pressure-resistant container, stores high-pressure (for example, 70 MPa or more) hydrogen (fuel hydrogen) for supplying to the fuel cell stack 102. This hydrogen is used as a working fluid of the hydrogen expander 10. The upstream end of the hydrogen supply path 114 is connected to the hydrogen tank 112.
水素供給経路１１４は、水素タンク１１２から燃料電池スタック１０２に水素を供給するための経路であり、内部を水素が流れる配管によって構成されている。この水素供給経路１１４は、水素タンク１１２と燃料電池スタック１０２とを繋いでいる。この水素供給経路１１４は、水素タンク１１２から延びる上流側経路１１４Ａと、上流側経路１１４Ａの先端から二股に分岐すると共に、燃料電池スタック１０２側で再び合流するメイン経路１１４Ｂ及びバイパス経路１１４Ｃと、メイン経路１１４Ｂとバイパス経路１１４Ｃとの合流部と燃料電池スタック１０２とを繋いだ下流側経路１１４Ｄとによって構成されている。
The hydrogen supply path 114 is a path for supplying hydrogen from the hydrogen tank 112 to the fuel cell stack 102, and is composed of a pipe through which hydrogen flows. The hydrogen supply path 114 connects the hydrogen tank 112 and the fuel cell stack 102. The hydrogen supply path 114 includes an upstream path 114A extending from the hydrogen tank 112, a main path 114B and a bypass path 114C that bifurcate from the tip of the upstream path 114A and rejoin on the fuel cell stack 102 side. It is composed of a downstream route 114D connecting a confluence portion of the route 114B and the bypass route 114C and the fuel cell stack 102.
上流側経路１１４Ａには、メインバルブ１１８及び第２調圧弁１２６が設けられている。メインバルブ１１８は、例えば電磁式の仕切弁であり、上流側経路１１４Ａを開閉可能とされている。第２調圧弁１２６は、制御弁であり、メインバルブ１１８の下流側に配置されている。この第２調圧弁１２６は、メインバルブ１１８を通過した水素の圧力を調整可能とされている。
The upstream path 114A is provided with a main valve 118 and a second pressure regulating valve 126. The main valve 118 is, for example, an electromagnetic sluice valve, and is capable of opening and closing the upstream path 114A. The second pressure regulating valve 126 is a control valve and is arranged on the downstream side of the main valve 118. The second pressure regulating valve 126 is capable of adjusting the pressure of hydrogen that has passed through the main valve 118.
メイン経路１１４Ｂには、第１開閉弁１２０、第１調圧弁１２４及び第１インジェクタ１２８が設けられている。第１開閉弁１２０は、制御弁であり、メイン経路１１４Ｂを開閉可能とされている。第１調圧弁１２４は、制御弁であり、第１開閉弁１２０の下流側に配置されている。この第１調圧弁１２４は、第１開閉弁１２０を通過した水素の圧力を調整可能とされている。第１インジェクタ１２８は、例えば電磁式の開閉弁を含む２つのインジェクタ１２８Ａ、１２８Ｂを有しており、燃料電池スタック１０２に供給する水素の量に応じて、インジェクタ１２８Ａ、１２８Ｂの作動状態が切り替えられる構成とされている。
The main path 114B is provided with a first on-off valve 120, a first pressure regulating valve 124, and a first injector 128. The first on-off valve 120 is a control valve and can open and close the main path 114B. The first pressure regulating valve 124 is a control valve and is arranged on the downstream side of the first on-off valve 120. The first pressure regulating valve 124 is capable of adjusting the pressure of hydrogen that has passed through the first on-off valve 120. The first injector 128 has two injectors 128A and 128B including, for example, an electromagnetic on-off valve, and the operating state of the injectors 128A and 128B can be switched according to the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 102. It is said to be composed.
バイパス経路１１４Ｃには、第２開閉弁１２２、水素膨張機１０、サブタンク１２７及び第２インジェクタ１３０が設けられている。第２開閉弁１２２は、制御弁であり、バイパス経路１１４Ｃを開閉可能とされている。この第２開閉弁１２２の上流側では、バイパス経路１１４Ｃの一部が熱交換器１１０と接触されている。
The bypass path 114C is provided with a second on-off valve 122, a hydrogen expander 10, a sub tank 127, and a second injector 130. The second on-off valve 122 is a control valve and can open and close the bypass path 114C. On the upstream side of the second on-off valve 122, a part of the bypass path 114C is in contact with the heat exchanger 110.
水素膨張機１０は、第２開閉弁１２２の下流側の近傍に配置されており、バイパス経路１１４Ｃ（水素供給経路１１４）の途中に接続されている。この水素膨張機１０の内部には、第２調圧弁１２６で一次減圧された水素が導入される。この水素膨張機１０は、内部に導入された水素を断熱膨張（減圧膨張）させることにより、水素の冷熱を生成し且つ水素の膨張エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成されている。この水素膨張機１０には、エネルギー回収装置としての前述したファン（送風機）１１６が接続されている。このファン１１６は、ラジエータ１０６に対向して配置されており、上記の機械エネルギーが伝達されて駆動されることにより、ラジエータ１０６に向けて送風する。なお、エネルギー回収装置は、ファン１１６に限らず、発電機や圧縮機等であってもよい。
The hydrogen expander 10 is arranged in the vicinity of the downstream side of the second on-off valve 122, and is connected in the middle of the bypass path 114C (hydrogen supply path 114). Hydrogen depressurized by the second pressure regulating valve 126 is introduced into the hydrogen expander 10. The hydrogen expander 10 is configured to generate cold heat of hydrogen and convert the expansion energy of hydrogen into mechanical energy by adiabatically expanding (decompressing expansion) the hydrogen introduced inside. The above-mentioned fan (blower) 116 as an energy recovery device is connected to the hydrogen expander 10. The fan 116 is arranged to face the radiator 106, and the above mechanical energy is transmitted and driven to blow air toward the radiator 106. The energy recovery device is not limited to the fan 116, and may be a generator, a compressor, or the like.
サブタンク１２７は、水素膨張機１０の下流側に配置されている。このサブタンク１２７は、例えばアキュムレータ（蓄圧器）であり、水素膨張機１０から吐出される水素が内部を通過するように、水素膨張機１０と燃料電池スタック１０２との間でバイパス経路１１４Ｃの途中に接続されている。このサブタンク１２７の内圧は、大気圧よりも高圧になる。このサブタンク１２７は、第２インジェクタ１３０の与圧を維持する圧力室としての機能を有している。また、このサブタンク１２７は、水素膨張機１０から吐出される水素の圧力変動を抑制し、後述する第２インジェクタ１３０の作動を安定させる機能を有している。このサブタンク１２７と水素膨張機１０との間では、バイパス経路１１４Ｃの一部が熱交換器１１０と接触されている。
The sub tank 127 is arranged on the downstream side of the hydrogen expander 10. The sub tank 127 is, for example, an accumulator (accumulator), and is in the middle of the bypass path 114C between the hydrogen expander 10 and the fuel cell stack 102 so that the hydrogen discharged from the hydrogen expander 10 passes through the inside. It is connected. The internal pressure of the sub tank 127 becomes higher than the atmospheric pressure. The sub tank 127 has a function as a pressure chamber for maintaining the pressurization of the second injector 130. Further, the sub tank 127 has a function of suppressing pressure fluctuations of hydrogen discharged from the hydrogen expander 10 and stabilizing the operation of the second injector 130, which will be described later. A part of the bypass path 114C is in contact with the heat exchanger 110 between the sub tank 127 and the hydrogen expander 10.
なお、以下の説明では、バイパス経路１１４Ｃにおいて、水素膨張機１０よりも上流側の部分を「上流部１１４Ｃ１」と称し、水素膨張機１０とサブタンク１２７との間の部分を「中間部１１４Ｃ２」と称し、サブタンク１２７よりも下流側の部分を「下流部１１４Ｃ３」と称する場合がある。
In the following description, in the bypass path 114C, the portion upstream of the hydrogen expander 10 is referred to as "upstream portion 114C1", and the portion between the hydrogen expander 10 and the sub tank 127 is referred to as "intermediate portion 114C2". The portion downstream of the sub tank 127 may be referred to as "downstream portion 114C3".
第２インジェクタ１３０は、例えば電磁式の開閉弁を含む２つのインジェクタ１３０Ａ、１３０Ｂを有しており、燃料電池スタック１０２に供給する水素の量に応じて、インジェクタ１３０Ａ、１３０Ｂの作動状態が切り替えられる構成とされている。この第２インジェクタ１３０の下流側では、バイパス経路１１４Ｃがメイン経路１１４Ｂと下流側経路１１４Ｄとの接続部に合流されている。
The second injector 130 has two injectors 130A and 130B including, for example, an electromagnetic on-off valve, and the operating state of the injectors 130A and 130B can be switched according to the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 102. It is said to be composed. On the downstream side of the second injector 130, the bypass path 114C joins the connection portion between the main path 114B and the downstream path 114D.
下流側経路１１４Ｄには、三方分岐１４０が設けられている。この三方分岐１４０には、還流路１３２の一端部が接続されている。この還流路１３２の他端部は、燃料電池スタック１０２に接続されている。この還流路１３２には、燃料電池スタック１０２からの排気が流入する。この還流路１３２には、気液分離器１３４及びポンプ１３８が設けられており、上記の排気が気液分離器１３４に流入する。気液分離器１３４は、上記の排気に含まれる水素ガス及び反応ガスを、気体成分と液体成分とに分離する。この気液分離器１３４には、排水弁１３６が接続されており、気液分離器１３４において分離された液体成分が排水弁１３６から排水される。また、気液分離器１３４において分離された気体成分は、上記の三方分岐１４０へと流れる。
The downstream route 114D is provided with a three-way branch 140. One end of the return path 132 is connected to the three-way branch 140. The other end of the return path 132 is connected to the fuel cell stack 102. Exhaust gas from the fuel cell stack 102 flows into the return path 132. A gas-liquid separator 134 and a pump 138 are provided in the reflux path 132, and the above exhaust gas flows into the gas-liquid separator 134. The gas-liquid separator 134 separates the hydrogen gas and the reaction gas contained in the exhaust gas into a gas component and a liquid component. A drain valve 136 is connected to the gas-liquid separator 134, and the liquid component separated in the gas-liquid separator 134 is drained from the drain valve 136. Further, the gas component separated in the gas-liquid separator 134 flows to the above-mentioned three-way branch 140.
三方分岐１４０においては、バイパス経路１１４Ｃ及びメイン経路１１４Ｂのうちの少なくとも一方から下流側経路１１４Ｄに流入する水素と、上記の排気とが合流する。これにより、上記の排気に含まれる未反応の水素が、上記少なくとも一方から下流側経路１１４Ｄに流入する水素と一緒に燃料電池スタック１０２に供給される構成になっている。
In the three-way branch 140, hydrogen flowing into the downstream path 114D from at least one of the bypass path 114C and the main path 114B and the above exhaust gas merge. As a result, the unreacted hydrogen contained in the exhaust gas is supplied to the fuel cell stack 102 together with the hydrogen flowing into the downstream path 114D from at least one of the above exhaust gases.
燃料電池システム１００は、図示は省略するが制御装置を有している。制御装置は、燃料電池システム１００を構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部である。当該制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置の入力側には、燃料電池スタック１０２及び温度センサ１０８が接続されており、燃料電池スタック１０２の出力及び冷却経路１０４の冷却水の温度を取得することができるようになっている。
The fuel cell system 100 has a control device (not shown). The control device is a control unit that controls the operation of each control target device constituting the fuel cell system 100. The control device includes a well-known microcomputer including a CPU, ROM, RAM, and the like, and peripheral circuits thereof. A fuel cell stack 102 and a temperature sensor 108 are connected to the input side of the control device so that the output of the fuel cell stack 102 and the temperature of the cooling water in the cooling path 104 can be acquired.
また、制御装置の出力側には、メインバルブ１１８、第１開閉弁１２０、第２開閉弁１２２、第１調圧弁１２４、第２調圧弁１２６、第１インジェクタ１２８、第２インジェクタ１３０、ポンプ１３８、排水弁１３６及び電磁クラッチ３０等の制御対象機器が接続されている。従って、制御装置は、当該制御装置のＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従って、温度センサ１０８からの出力に基づく各制御対象機器の作動を制御することができる。
Further, on the output side of the control device, there are a main valve 118, a first on-off valve 120, a second on-off valve 122, a first pressure regulating valve 124, a second pressure regulating valve 126, a first injector 128, a second injector 130, and a pump 138. , The drain valve 136, the electromagnetic clutch 30, and other controlled devices are connected. Therefore, the control device can control the operation of each controlled device based on the output from the temperature sensor 108 according to the control program stored in the ROM of the control device.
例えば、制御装置は、温度センサ１０８によって検出される冷却水の温度が予め設定された基準温度未満の場合、第２開閉弁１２２を閉じ且つ第１開閉弁１２０を開いた状態で第１インジェクタ１２８を作動させる。これにより、制御装置は、水素膨張機１０を作動させずに、メイン経路１１４Ｂを通して燃料電池スタック１０２に水素を供給し、水素を必要以上に冷却し過ぎないようにする。また例えば、制御装置は、温度センサ１０８によって検出される冷却水の温度が上記の基準温度以上の場合、第１開閉弁１２０を閉じ且つ第２開閉弁１２２を開いた状態で第２インジェクタ１３０を作動させる。これにより、制御装置は、水素膨張機１０を作動させつつ、バイパス経路１１４Ｃを通して燃料電池スタック１０２に水素を供給する。これにより、水素膨張機１０において水素が断熱膨張されることで、水素の冷熱が生成され且つ水素の膨張エネルギーが機械エネルギーとして回収される。このように冷却水の温度が基準温度以上の場合、水素膨張機１０におけるエネルギー回収効率が高くなる。
For example, when the temperature of the cooling water detected by the temperature sensor 108 is lower than the preset reference temperature, the control device may use the first injector 128 with the second on-off valve 122 closed and the first on-off valve 120 open. To operate. As a result, the control device supplies hydrogen to the fuel cell stack 102 through the main path 114B without operating the hydrogen expander 10 so as not to cool the hydrogen more than necessary. Further, for example, when the temperature of the cooling water detected by the temperature sensor 108 is equal to or higher than the above reference temperature, the control device sets the second injector 130 with the first on-off valve 120 closed and the second on-off valve 122 open. Activate. As a result, the control device supplies hydrogen to the fuel cell stack 102 through the bypass path 114C while operating the hydrogen expander 10. As a result, hydrogen is adiabatically expanded in the hydrogen expander 10, so that cold heat of hydrogen is generated and the expansion energy of hydrogen is recovered as mechanical energy. When the temperature of the cooling water is equal to or higher than the reference temperature, the energy recovery efficiency of the hydrogen expander 10 becomes high.
（膨張機の構成）
次に、本実施形態の要部である膨張機１０の構成について説明する。前述したように、本実施形態に係る膨張機１０は、水素膨張機である。図２及び図３に示されるように、水素膨張機１０は、膨張室１２と機構室１４と中間室１６とを備えたスクロール膨張機である。この水素膨張機１０は、前述したように、燃料電池システム１００において、燃料水素の断熱膨張により生成される冷熱を利用して燃料電池スタック１０２の冷却性能を向上させるために用いられる。この水素膨張機１０は、ハウジング２０と、駆動機構２６と、電磁クラッチ３０と、スクロール機構３８と、第１シール部材６６及び第２シール部材６８とを備えている。なお、本実施形態のスクロール機構３８は、本発明の膨張機構に対応する。
(Structure of inflator)
Next, the configuration of the expander 10 which is the main part of the present embodiment will be described. As described above, the expander 10 according to the present embodiment is a hydrogen expander. As shown in FIGS. 2 and 3, the hydrogen expander 10 is a scroll expander including an expansion chamber 12, a mechanism chamber 14, and an intermediate chamber 16. As described above, the hydrogen expander 10 is used in the fuel cell system 100 to improve the cooling performance of the fuel cell stack 102 by utilizing the cold heat generated by the adiabatic expansion of the fuel hydrogen. The hydrogen expander 10 includes a housing 20, a drive mechanism 26, an electromagnetic clutch 30, a scroll mechanism 38, and a first seal member 66 and a second seal member 68. The scroll mechanism 38 of the present embodiment corresponds to the expansion mechanism of the present invention.
駆動機構２６は、回転軸であるシャフト２８と、駆動ピン３１と、ボールベアリング２７、２９と、ブッシュ５０と、ニードルベアリング５１と、バランスウエイト５２と、スラスト軸受５４とを有しており、オイル潤滑式とされている。この駆動機構２６は、ハウジング２０の内部に形成された機構室１４に収容されている。この機構室１４には、駆動機構２６を潤滑するための図示しないオイル（潤滑油）が存在している。この機構室１４の内圧は、大気圧と同等に設定されている。
The drive mechanism 26 has a shaft 28 which is a rotation shaft, a drive pin 31, ball bearings 27 and 29, a bush 50, a needle bearing 51, a balance weight 52, and a thrust bearing 54, and has oil. It is said to be a lubrication type. The drive mechanism 26 is housed in a mechanism chamber 14 formed inside the housing 20. An oil (lubricating oil) (not shown) for lubricating the drive mechanism 26 exists in the mechanism chamber 14. The internal pressure of the mechanism chamber 14 is set to be equivalent to the atmospheric pressure.
スクロール機構３８は、固定スクロール（固定部材）４０と、可動スクロール（可動部材）４２とを有している。可動スクロール４２には、径方向外側へ向けて延びる延伸部４３が設けられている。このスクロール機構３８は、ハウジング２０の内部に形成された膨張室１２に収容されている。この膨張室１２には、作動流体である高圧の水素が導入される。この膨張室１２に導入された水素は、断熱膨張されて膨張室１２から吐出される。この膨張室１２と上記の機構室１４との間には、中間室１６が介在している。この中間室１６の内圧は、上記機構室１４と同様に、大気圧と同等に設定されている。この中間室１６は、膨張室１２との間が第１シール部材６６によってシールされると共に、機構室１４との間が第２シール部材６８によってシールされている。以下、上記各構成要素について詳細に説明する。
The scroll mechanism 38 has a fixed scroll (fixed member) 40 and a movable scroll (movable member) 42. The movable scroll 42 is provided with an extension portion 43 extending outward in the radial direction. The scroll mechanism 38 is housed in an expansion chamber 12 formed inside the housing 20. High-pressure hydrogen, which is a working fluid, is introduced into the expansion chamber 12. The hydrogen introduced into the expansion chamber 12 is adiabatically expanded and discharged from the expansion chamber 12. An intermediate chamber 16 is interposed between the expansion chamber 12 and the mechanism chamber 14. The internal pressure of the intermediate chamber 16 is set to be equivalent to the atmospheric pressure, similarly to the mechanism chamber 14. The intermediate chamber 16 is sealed between the expansion chamber 12 and the expansion chamber 12 by the first seal member 66, and is sealed between the intermediate chamber 16 and the mechanism chamber 14 by the second seal member 68. Hereinafter, each of the above components will be described in detail.
ハウジング２０は、上記の膨張室１２が内部に形成されたリヤハウジング２２と、上記の機構室１４が内部に形成されたフロントハウジング２４とによって構成されている。リヤハウジング２２は、有底で且つ段付の円筒状をなしており、底壁部２２Ａ１を有する有底円筒状の小径円筒部２２Ａと、円筒状の大径円筒部２２Ｂと、これらの円筒部２２Ａ、２２Ｂを径方向につなぐ段部２２Ｃとを有している。フロントハウジング２４は、リヤハウジング２２よりも小径で且つ段付の円筒状をなしており、円筒状の小径円筒部２４Ａ及び大径円筒部２４Ｂと、これらの円筒部２４Ａ、２４Ｂを径方向につなぐ段部２４Ｃと、大径円筒部２４Ｂにおける小径円筒部２４Ａとは反対側の開口端から径方向外側へ延びるフランジ部２４Ｄとを有している。このフランジ部２４Ｄと大径円筒部２２Ｂの開放端とが互いに嵌合した状態で、リヤハウジング２２とフロントハウジング２４とが同心状に固定されている。そして、フランジ部２４Ｄと可動スクロール４２の延伸部４３との間に、上記の中間室１６が形成されている。このハウジング２０の中心軸線Ｘは、例えば図示しない車両（燃料電池自動車）の水平方向又は略水平方向に延びている。
The housing 20 is composed of a rear housing 22 in which the expansion chamber 12 is formed inside, and a front housing 24 in which the mechanism chamber 14 is formed inside. The rear housing 22 has a bottomed and stepped cylindrical shape, and has a bottomed cylindrical small-diameter cylindrical portion 22A having a bottom wall portion 22A1, a cylindrical large-diameter cylindrical portion 22B, and these cylindrical portions. It has a step portion 22C that connects 22A and 22B in the radial direction. The front housing 24 has a smaller diameter than the rear housing 22 and has a stepped cylindrical shape, and connects the cylindrical small-diameter cylindrical portion 24A and the large-diameter cylindrical portion 24B with the cylindrical portions 24A and 24B in the radial direction. It has a step portion 24C and a flange portion 24D extending radially outward from the opening end on the side opposite to the small diameter cylindrical portion 24A in the large diameter cylindrical portion 24B. The rear housing 22 and the front housing 24 are concentrically fixed in a state where the flange portion 24D and the open end of the large-diameter cylindrical portion 22B are fitted to each other. The intermediate chamber 16 is formed between the flange portion 24D and the extension portion 43 of the movable scroll 42. The central axis X of the housing 20 extends in the horizontal direction or a substantially horizontal direction of a vehicle (fuel cell vehicle) (not shown), for example.
上記の中心軸線Ｘ上には、シャフト２８が配設されている。このシャフト２８は、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａ内を通ってハウジング２０内に延びている。このシャフト２８は、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに包囲された小径部２８Ａと、フロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂに包囲された大径部２８Ｂとを備えている。大径部２８Ｂにおける小径部２８Ａとは反対側の端面には、中心軸線Ｘと平行に延びる駆動ピン３１が中心軸線Ｘから所定距離だけ偏心して固定されている。駆動ピン３１は、シャフト２８と平行に配置されている。このシャフト２８は、大径部２８Ｂがボールベアリング２７を介してフロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂに回転自在に支承され、小径部２８Ａがボールベアリング２９を介してフロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに回転自在に支承されている。
A shaft 28 is arranged on the central axis X. The shaft 28 extends into the housing 20 through the small diameter cylindrical portion 24A of the front housing 24. The shaft 28 includes a small diameter portion 28A surrounded by a small diameter cylindrical portion 24A of the front housing 24, and a large diameter portion 28B surrounded by a large diameter cylindrical portion 24B of the front housing 24. A drive pin 31 extending in parallel with the central axis X is eccentrically fixed to the end surface of the large diameter portion 28B on the opposite side of the small diameter portion 28A by a predetermined distance. The drive pin 31 is arranged in parallel with the shaft 28. In this shaft 28, the large diameter portion 28B is rotatably supported by the large diameter cylindrical portion 24B of the front housing 24 via the ball bearing 27, and the small diameter portion 28A is rotatably supported by the small diameter cylindrical portion 24A of the front housing 24 via the ball bearing 29. It is rotatably supported.
フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａの径方向外側には、電磁クラッチ３０が配設されている。電磁クラッチ３０は、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに回転自在に外嵌している。この電磁クラッチ３０は、例えばＶベルト等の図示しない動力伝達部材を介して駆動対象（ここでは図１に示されるファン１１６）に接続されたプーリ３２と、フロントハウジング２４の小径円筒部２４Ａに固定された励磁コイル３４と、シャフト２８の小径部２８Ａの端部に固定された回転伝達板３６とを備えている。この電磁クラッチ３０等を介してシャフト２８の回転がファン１１６に伝達され、ファン１１６が回転する。
An electromagnetic clutch 30 is disposed on the radially outer side of the small-diameter cylindrical portion 24A of the front housing 24. The electromagnetic clutch 30 is rotatably fitted to the small-diameter cylindrical portion 24A of the front housing 24. The electromagnetic clutch 30 is fixed to a pulley 32 connected to a drive target (here, a fan 116 shown in FIG. 1) via a power transmission member (not shown) such as a V-belt, and a small-diameter cylindrical portion 24A of the front housing 24. The excited coil 34 and the rotation transmission plate 36 fixed to the end of the small diameter portion 28A of the shaft 28 are provided. The rotation of the shaft 28 is transmitted to the fan 116 via the electromagnetic clutch 30 and the like, and the fan 116 rotates.
リヤハウジング２２内には、リヤハウジング２２に固定された固定スクロール４０と、固定スクロール４０に対して公転旋回運動（旋回摺動）を行う可動スクロール４２とを備えたスクロール機構３８が収容されている。固定スクロール４０は、中心軸線Ｘと同心に配設されてリヤハウジング２２に嵌合する円板状の端板４０Ａと、端板４０Ａの一方の面に立設された渦巻き状の渦巻き壁４０Ｂと、端板４０Ａの他方の面に形成された脚部４０Ｃとを備えている。この固定スクロール４０は、脚部４０Ｃがリヤハウジング２２の底壁部に当接した状態で、ボルト４１によりリヤハウジング２２に固定されている。
In the rear housing 22, a scroll mechanism 38 including a fixed scroll 40 fixed to the rear housing 22 and a movable scroll 42 that revolves and turns (turns and slides) with respect to the fixed scroll 40 is housed. .. The fixed scroll 40 includes a disk-shaped end plate 40A arranged concentrically with the central axis X and fitted to the rear housing 22, and a spiral wall 40B erected on one surface of the end plate 40A. , A leg portion 40C formed on the other surface of the end plate 40A. The fixed scroll 40 is fixed to the rear housing 22 by bolts 41 in a state where the legs 40C are in contact with the bottom wall portion of the rear housing 22.
リヤハウジング２２内には、固定スクロール４０に隣接して可動部材（公転部材）としての可動スクロール４２が配設されている。可動スクロール４２は、円板状の端板４２Ａと、端板４２Ａの一方の面に立設された渦巻き状の渦巻き壁４２Ｂと、端板４２Ａの他方の面に形成された環状のボス４２Ｃとを備えている。可動スクロール４２の端板４２Ａの中心軸線（図示省略）は、ハウジング２０の中心軸線Ｘから所定距離だけ偏心して配置されており、中心軸線Ｘと平行に延びている。
In the rear housing 22, a movable scroll 42 as a movable member (revolution member) is arranged adjacent to the fixed scroll 40. The movable scroll 42 includes a disk-shaped end plate 42A, a spiral wall 42B erected on one surface of the end plate 42A, and an annular boss 42C formed on the other surface of the end plate 42A. It is equipped with. The central axis (not shown) of the end plate 42A of the movable scroll 42 is arranged eccentrically by a predetermined distance from the central axis X of the housing 20, and extends in parallel with the central axis X.
可動スクロール４２の渦巻き壁４２Ｂと、固定スクロール４０の渦巻き壁４０Ｂとは、中心軸線Ｘの方向から見て渦巻き状をなしており、１８０゜の角度のずれをもって互いにかみ合っている。固定スクロール４０と可動スクロール４２との摺動面には、オイルなどの油分が存在しない構成とされている。固定スクロール４０に対する可動スクロール４２の公転旋回運動は、端板４２Ａの中心軸線と中心軸線Ｘとの距離が一定の状態で、端板４２Ａの中心軸線が中心軸線Ｘの回りを公転するものである。以下、上記の公転旋回運動を、単に「公転」と称する場合がある。
The spiral wall 42B of the movable scroll 42 and the spiral wall 40B of the fixed scroll 40 have a spiral shape when viewed from the direction of the central axis X, and mesh with each other with an angle difference of 180 °. The sliding surface of the fixed scroll 40 and the movable scroll 42 is configured so that no oil such as oil is present. The revolving turning motion of the movable scroll 42 with respect to the fixed scroll 40 is such that the central axis of the end plate 42A revolves around the central axis X while the distance between the central axis of the end plate 42A and the central axis X is constant. .. Hereinafter, the above-mentioned revolution turning motion may be simply referred to as "revolution".
可動スクロール４２の端板４２Ａは、ハウジング２０の内部空間を膨張室１２と機構室１４とに仕切っている。固定スクロール４０の端板４０Ａの中心部には、膨張室１２への水素の導入口である貫通穴４８が形成されている。また、端板４０Ａの中心部には、バイパス流路１１４Ｃの上流部１１４Ｃ１における下流側の端部が係止された経路接続部材１１５が固定（ここではボルト１１７により締結）されている。これにより、上流部１１４Ｃ１における下流側の端部が上記の貫通穴４８を介して膨張室１２に連通されている。なお、端板４０Ａの中心部において、経路接続部材１１５が固定された部位は、可動スクロール４２とは反対側へ突出したボス部（符号省略）とされている。また、リヤハウジング２２の底壁部２２Ａ１には、経路接続部材１１５をリヤハウジング２２内に挿入するための作業穴２３が形成されている。また、膨張室１２は、リヤハウジング２２に形成された図示しない吐出口に連通されている。この吐出口には、バイパス流路１１４Ｃの中間部１１４Ｃ２における上流側の端部が接続されている。
The end plate 42A of the movable scroll 42 divides the internal space of the housing 20 into an expansion chamber 12 and a mechanism chamber 14. A through hole 48, which is an inlet for hydrogen to the expansion chamber 12, is formed in the center of the end plate 40A of the fixed scroll 40. Further, a path connecting member 115 (here, fastened by a bolt 117) in which the downstream end portion of the upstream portion 114C1 of the bypass flow path 114C is locked is fixed to the central portion of the end plate 40A. As a result, the downstream end of the upstream portion 114C1 is communicated with the expansion chamber 12 via the through hole 48. In the central portion of the end plate 40A, the portion where the path connecting member 115 is fixed is a boss portion (reference numeral omitted) protruding to the opposite side of the movable scroll 42. Further, a work hole 23 for inserting the path connecting member 115 into the rear housing 22 is formed in the bottom wall portion 22A1 of the rear housing 22. Further, the expansion chamber 12 communicates with a discharge port (not shown) formed in the rear housing 22. An upstream end of the intermediate portion 114C2 of the bypass flow path 114C is connected to this discharge port.
上流部１１４Ｃ１を流れる水素は、上記の貫通穴４８から膨張室１２（渦巻き壁４２Ａと渦巻き壁４２Ｂとの間の中心側）に導入される。膨張室１２に導入された水素は、可動スクロール４２を固定スクロールに対して公転させつつ、渦巻き壁４２Ａと渦巻き壁４２Ｂとの間で膨張し、渦巻き壁４２Ａ及び渦巻き壁４２Ｂの外周側へと流れて上記の吐出口から中間部１１４Ｃ２へと吐出される。
Hydrogen flowing through the upstream portion 114C1 is introduced into the expansion chamber 12 (center side between the spiral wall 42A and the spiral wall 42B) from the above-mentioned through hole 48. The hydrogen introduced into the expansion chamber 12 expands between the spiral wall 42A and the spiral wall 42B while revolving the movable scroll 42 with respect to the fixed scroll, and flows to the outer peripheral side of the spiral wall 42A and the spiral wall 42B. Is discharged from the above discharge port to the intermediate portion 114C2.
可動スクロール４２のボス４２Ｃには、端板４２Ａと同心状に配設された厚肉円板状のブッシュ５０が、ニードルベアリング５１を介して回転自在に内嵌している。ブッシュ５０には、中心軸線Ｘに平行に延びる偏心貫通穴（符号省略）が形成されると共に、径方向の外側へ延びるバランスウエイト５２が固定されている。上記の偏心貫通穴には、シャフト２８の大径部２８Ｂに固定された駆動ピン３１が回転摺動可能に挿入されている。そして、ブッシュ５０に形成された図示しないピンが、シャフト２８の大径部２８Ｂの端部に形成された上記のピンよりも僅かに大径の穴に嵌合している。
A thick disk-shaped bush 50 arranged concentrically with the end plate 42A is rotatably fitted in the boss 42C of the movable scroll 42 via a needle bearing 51. An eccentric through hole (reference numeral omitted) extending parallel to the central axis X is formed in the bush 50, and a balance weight 52 extending outward in the radial direction is fixed to the bush 50. A drive pin 31 fixed to the large diameter portion 28B of the shaft 28 is rotatably and slidably inserted into the eccentric through hole. A pin (not shown) formed on the bush 50 is fitted into a hole having a diameter slightly larger than that of the pin formed at the end of the large diameter portion 28B of the shaft 28.
可動スクロール４２を介して固定スクロール４０とは反対側において、可動スクロール４２の端板４２Ａと、フロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂとの間には、スラスト軸受５４が配設されている。スラスト軸受５４は、フロントハウジング２４の大径円筒部２４Ｂの端部に固定された固定側レース５６と、可動スクロール４２の端板４２Ａに固定された可動側レース５８と、ハウジング２０の周方向に互いに間隔をあけて固定側レース５６と可動側レース５８との間に介在する複数のボール６０とを有している。このスラスト軸受５４は、可動スクロール４２のスラスト荷重を受ける機能と、可動スクロール４２の自転を阻止する自転阻止機構としての機能とを兼ね備えている。なお、本実施形態では、スラスト軸受５４を駆動機構２６の構成要素としているが、このスラスト軸受５４をスクロール機構３８の構成要素として捉えてもよい。
A thrust bearing 54 is disposed between the end plate 42A of the movable scroll 42 and the large-diameter cylindrical portion 24B of the front housing 24 on the side opposite to the fixed scroll 40 via the movable scroll 42. The thrust bearing 54 includes a fixed-side race 56 fixed to the end of the large-diameter cylindrical portion 24B of the front housing 24, a movable-side race 58 fixed to the end plate 42A of the movable scroll 42, and a circumferential direction of the housing 20. It has a plurality of balls 60 interposed between the fixed side race 56 and the movable side race 58 at intervals from each other. The thrust bearing 54 has a function of receiving the thrust load of the movable scroll 42 and a function of a rotation preventing mechanism for preventing the movable scroll 42 from rotating. In the present embodiment, the thrust bearing 54 is a component of the drive mechanism 26, but the thrust bearing 54 may be regarded as a component of the scroll mechanism 38.
固定側レース５６及び可動側レース５８は、例えば鋼板がプレス成形されて製造されたものであり、円環状をなしている。固定側レース５６及び可動側レース５８には夫々の一面に、周方向に互いに間隔をあけて配置された複数の環状の転走溝（符号省略）が形成されている。各ボール６０は、例えば鋼材により球状に形成されており、固定側レース５６の転走溝とこれに対峙する可動側レース５８の転走溝との間に挟持された状態で、固定側レース５６と可動側レース５８との間に介在している。これらのボール６０は、固定スクロール４０に対する可動スクロール４２の公転に伴って、上記各転走溝内を可動スクロール４２の公転半径と略同一直径の円軌道を描いて転走する。これらのボール６０の転走範囲が上記各転走溝内に限定されることで、可動スクロール４２の自転が阻止される構成になっている。なお、可動スクロール４２の自転を阻止する自転阻止機構が、スラスト軸受５４とは別に設けられた構成にしてもよい。
The fixed-side race 56 and the movable-side race 58 are manufactured by, for example, press-molding a steel plate, and have an annular shape. A plurality of annular rolling grooves (reference numerals omitted) arranged at intervals in the circumferential direction are formed on one surface of each of the fixed side race 56 and the movable side race 58. Each ball 60 is formed in a spherical shape by, for example, a steel material, and is sandwiched between the rolling groove of the fixed side race 56 and the rolling groove of the movable side race 58 facing the rolling groove of the fixed side race 56. It is interposed between the movable side race 58 and the movable side race 58. These balls 60 rotate in each of the rolling grooves in a circular orbit having substantially the same diameter as the revolution radius of the movable scroll 42 as the movable scroll 42 revolves with respect to the fixed scroll 40. By limiting the rolling range of these balls 60 to each of the rolling grooves, the rotation of the movable scroll 42 is prevented. The rotation prevention mechanism for preventing the rotation of the movable scroll 42 may be provided separately from the thrust bearing 54.
可動スクロール４２の端板４２Ａの外周部からは、可動スクロール４２の径方向外側へ向けて延伸部（延出部）４３が一体に延伸（延出）されている。この延伸部４３は、端板４２Ａが径方向外側へ向けて延長されたものであり、端板４２Ａと同様の板状をなし且つ可動スクロール４２の軸線方向から見て端板４２Ａと同心の円環状をなしている。この延伸部４３は、リヤハウジング２２の大径円筒部２２Ｂ内に収容されている。この延伸部４３の外径寸法は、大径円筒部２２Ｂの内径寸法よりも小さく設定されている。この延伸部４３が設けられた可動スクロール４２の中心軸線は、前述したようにハウジング２０の中心軸線Ｘに対して偏心して配置されている。この延伸部４３の外周面の一部は、大径円筒部２２Ｂの内周面に対して接触又は近接して配置されている。そして、このように延伸部４３の外周面において、大径円筒部２２Ｂの内周面に接触又は近接（最接近）した部位が、可動スクロール４２の公転に合わせて、大径円筒部２２Ｂの内周面に沿って周回（移動）する構成になっている。
From the outer peripheral portion of the end plate 42A of the movable scroll 42, an extending portion (extending portion) 43 is integrally extended (extended) toward the radial outer side of the movable scroll 42. The extended portion 43 has an end plate 42A extended outward in the radial direction, has a plate shape similar to that of the end plate 42A, and is a circle concentric with the end plate 42A when viewed from the axial direction of the movable scroll 42. It forms a ring. The extended portion 43 is housed in the large-diameter cylindrical portion 22B of the rear housing 22. The outer diameter dimension of the stretched portion 43 is set smaller than the inner diameter dimension of the large diameter cylindrical portion 22B. The central axis of the movable scroll 42 provided with the extended portion 43 is arranged eccentrically with respect to the central axis X of the housing 20 as described above. A part of the outer peripheral surface of the stretched portion 43 is arranged in contact with or close to the inner peripheral surface of the large-diameter cylindrical portion 22B. Then, on the outer peripheral surface of the stretched portion 43, the portion that is in contact with or close to (closest to) the inner peripheral surface of the large diameter cylindrical portion 22B is inside the large diameter cylindrical portion 22B in accordance with the revolution of the movable scroll 42. It is configured to orbit (move) along the peripheral surface.
上記の延伸部４３は、リヤハウジング２２の段部２２Ｃとフロントハウジング２４のフランジ部２４Ｄとの間に配置されている。フランジ部２４Ｄの径方向中間部には、中心軸線Ｘの方向の延伸部４３側（可動スクロール４２側）へ突出した環状突出部６２が形成されている。この環状突出部６２は、中心軸線Ｘの方向から見て中心軸線Ｘと同心の円環状をなしている。フランジ部２４Ｄにおいて環状突出部６２が形成された箇所は、それ以外の箇所に比べて中心軸線Ｘの方向の厚みが厚くなっている。この環状突出部６２は、ハウジング２０内に位置する延伸部４３側の端部（端面）が延伸部４３に近接して配置されている。この環状突出部６２は、可動スクロール４２の公転時に、延伸部４３に対して常に中心軸線Ｘの方向に対向する位置に形成されている。
The extension portion 43 is arranged between the step portion 22C of the rear housing 22 and the flange portion 24D of the front housing 24. An annular protrusion 62 is formed in the radial middle portion of the flange portion 24D so as to project toward the extension portion 43 side (movable scroll 42 side) in the direction of the central axis X. The annular protrusion 62 forms an annular shape concentric with the central axis X when viewed from the direction of the central axis X. The portion of the flange portion 24D where the annular protrusion 62 is formed is thicker in the direction of the central axis X than the other portions. The annular protrusion 62 has an end portion (end face) on the stretched portion 43 side located in the housing 20 arranged close to the stretched portion 43. The annular protrusion 62 is formed at a position always facing the extension portion 43 in the direction of the central axis X when the movable scroll 42 revolves.
上記の環状突出部６２には、延伸部４３側（可動スクロール４２側）が開放された環状溝６４が形成されている。この環状溝６４は、中心軸線Ｘと同心の円環状をなす溝であり、延伸部４３に対して固定スクロール４０とは反対側から対向して配置されている。この環状溝６４によって、フランジ部２４Ｄと延伸部４３との間に中間室１６が形成されている。
The annular protrusion 62 is formed with an annular groove 64 in which the stretched portion 43 side (movable scroll 42 side) is open. The annular groove 64 is a groove forming an annular shape concentric with the central axis X, and is arranged so as to face the extending portion 43 from the side opposite to the fixed scroll 40. An intermediate chamber 16 is formed between the flange portion 24D and the extension portion 43 by the annular groove 64.
また、環状突出部６２における延伸部４３側の端部（端面）には、第１シール部材６６と第２シール部材６８とが取り付けられている。第１シール部材６６は、膨張室１２内の水素の流出を防止するガスシール部材であり、本発明のシール部に対応する。第１シール部材６６は、図４に示されるように、径の異なる複数のリングで構成されており、本実施形態においては、径の小さい順に、４つのリング６６１、６６２、６６３、６６４で構成されている。各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、金属部材に低摩擦材をコーティングすることにより形成され、例えばＳＵＳ３０４Ｌ等のステンレス鋼にテフロン（登録商標）コーティングを施すことにより形成されている。
Further, the first seal member 66 and the second seal member 68 are attached to the end portion (end surface) of the annular protrusion 62 on the extension portion 43 side. The first seal member 66 is a gas seal member that prevents the outflow of hydrogen in the expansion chamber 12, and corresponds to the seal portion of the present invention. As shown in FIG. 4, the first seal member 66 is composed of a plurality of rings having different diameters, and in the present embodiment, the first seal member 66 is composed of four rings 661, 662, 663, and 664 in ascending order of diameter. Has been done. Each ring 661, 662, 663, 664 is formed by coating a metal member with a low friction material, for example, by applying a Teflon (registered trademark) coating to stainless steel such as SUS304L.
各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、環状突出部６２と同心で、且つ環状溝６４よりも若干大径なリング状に形成されている。また、図５に示されるように、各リング６６１、６６２、６６３、６６４のリング幅Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は、後述するシール溝６５の溝底面（延伸部４３に対向する面）から延伸部４３までの距離と同じか、又は当該距離よりも若干短く形成されている。なお各リング幅Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４は、同じであってもよいし、一部のリング幅のみが同じであってもよいし、全てのリング幅が異なっていてもよいし、適宜変更可能である。
Each of the rings 661, 662, 663, and 664 is formed in a ring shape that is concentric with the annular protrusion 62 and has a diameter slightly larger than that of the annular groove 64. Further, as shown in FIG. 5, the ring widths D1, D2, D3, and D4 of each of the rings 661, 662, 663, and 664 are extended from the groove bottom surface (the surface facing the extending portion 43) of the seal groove 65 described later. It is formed to be the same as or slightly shorter than the distance to the portion 43. The ring widths D1, D2, D3, and D4 may be the same, only a part of the ring widths may be the same, or all the ring widths may be different, and may be changed as appropriate. It is possible.
また、各リング６６１、６６２、６６３、６６４のリング厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、当該リング厚さの合計Ｔ（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）が後述するシール溝６５の溝幅Ｇよりも小さい範囲、すなわちＴ＜Ｇとなるように形成されている。すなわち、リング６６１とシール溝の側面壁、リング６６４とシール溝の側面壁、及び各リング６６１、６６２、６６３、６６４間の少なくとも１つの間に間隙が設けられる。なお各リング厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、同じ厚さであってもよいし、一部のリング厚さが同じであってもよいし、全てのリング厚さが異なっていてもよいし、適宜変更可能である。
Further, the ring thicknesses T1, T2, T3, and T4 of the rings 661, 662, 663, and 664 have a range in which the total ring thickness T (T1 + T2 + T3 + T4) is smaller than the groove width G of the seal groove 65 described later, that is. It is formed so that T <G. That is, a gap is provided between the ring 661 and the side wall of the seal groove, the ring 664 and the side wall of the seal groove, and at least one between the rings 661, 662, 663, and 664. The ring thicknesses T1, T2, T3, and T4 may be the same, some ring thicknesses may be the same, or all ring thicknesses may be different. However, it can be changed as appropriate.
環状突出部６２における延伸部４３側の端面には、図５に示されるように、環状溝６４よりも若干大径な円環状のシール溝６５が形成されている。シール溝６５の内方側の溝側面の径は、リング６６１よりも若干小径に形成されており、外方側の溝側面の径は、リング６６４よりも若干大径に形成されている。第１シール部材６６は、シール溝６５に嵌め込まれることでフロントハウジング２４（フランジ部２４Ｄ）に取り付けられている。
As shown in FIG. 5, an annular seal groove 65 having a diameter slightly larger than that of the annular groove 64 is formed on the end surface of the annular protrusion 62 on the extension portion 43 side. The diameter of the groove side surface on the inner side of the seal groove 65 is formed to be slightly smaller than that of the ring 661, and the diameter of the groove side surface on the outer side is formed to be slightly larger than the diameter of the ring 664. The first seal member 66 is attached to the front housing 24 (flange portion 24D) by being fitted into the seal groove 65.
各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、リング幅の一端が可動スクロール４２又はフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）と接触するように、可動スクロール４２とフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）との間に配設される。なお、リング幅の一端が可動スクロール４２と、他端がフランジ部２４Ｄと各々接触するように配設してもよい。第１シール部材６６は、可動スクロール４２とフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）との間をシールしている。また、第１シール部材６６は、膨張室１２と中間室１６との間をシールしている。本実施形態においては、シール溝６５と第１シール部材６６とで、水素（流体）の流出を防止する流体の流出防止機構を構成する。
Each ring 661, 662, 663, 664 is arranged between the movable scroll 42 and the flange portion 24D (housing 20) so that one end of the ring width comes into contact with the movable scroll 42 or the flange portion 24D (housing 20). Will be done. It should be noted that one end of the ring width may be arranged so as to be in contact with the movable scroll 42, and the other end may be arranged so as to be in contact with the flange portion 24D. The first sealing member 66 seals between the movable scroll 42 and the flange portion 24D (housing 20). Further, the first seal member 66 seals between the expansion chamber 12 and the intermediate chamber 16. In the present embodiment, the seal groove 65 and the first seal member 66 constitute a fluid outflow prevention mechanism for preventing the outflow of hydrogen (fluid).
第２シール部材６８は、例えばエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）等のゴムからなり、環状突出部６２と同心で且つ環状溝６４よりも若干小径なリング状に形成されている。第２シール部材６８は、例えば環状突出部６２における延伸部４３側の端面に形成された円環状の溝に嵌め込まれることでフロントハウジング２４に取り付けられている。第２シール部材６８は、リング幅の一端が可動スクロール４２と、他端がフランジ部２４Ｄと各々接触するように配設される。第２シール部材６８は、可動スクロール４２とフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）との間をシールしている。また、第２シール部材６８は、機構室１４と中間室１６との間をシールしている。
The second seal member 68 is made of rubber such as ethylene propylene diene rubber (EPDM), and is formed in a ring shape concentric with the annular protrusion 62 and slightly smaller in diameter than the annular groove 64. The second seal member 68 is attached to the front housing 24, for example, by being fitted into an annular groove formed on the end surface of the annular protrusion 62 on the extension portion 43 side. The second seal member 68 is arranged so that one end of the ring width is in contact with the movable scroll 42 and the other end is in contact with the flange portion 24D. The second seal member 68 seals between the movable scroll 42 and the flange portion 24D (housing 20). Further, the second seal member 68 seals between the mechanism chamber 14 and the intermediate chamber 16.
これらのシール部材６６、６８によって膨張室１２及び機構室１４と仕切られた空間が、中間室１６とされている。この中間室１６は、非可動部材であるハウジング２０と、可動部材である可動スクロール４２との間に形成されている。この中間室１６の内容積は、水素膨張機１０の作動中（可動スクロール４２の公転中）に変化しない構成とされている。上記の中間室１６には、流体が充填されている。この流体は、水素膨張機１０の作動流体である水素とは異なる種類の流体とされている。具体的には、流体は、窒素、ヘリウム、水又はクーラントとされている。
The space partitioned from the expansion chamber 12 and the mechanism chamber 14 by these sealing members 66 and 68 is referred to as an intermediate chamber 16. The intermediate chamber 16 is formed between the housing 20 which is a non-movable member and the movable scroll 42 which is a movable member. The internal volume of the intermediate chamber 16 is configured to be unchanged during the operation of the hydrogen expander 10 (during the revolution of the movable scroll 42). The intermediate chamber 16 is filled with a fluid. This fluid is a different type of fluid from hydrogen, which is the working fluid of the hydrogen expander 10. Specifically, the fluid is nitrogen, helium, water or coolant.
（作用及び効果）
次に、本実施形態の作用及び効果について図６、図７及び図９を参照して説明する。
(Action and effect)
Next, the operation and effect of this embodiment will be described with reference to FIGS. 6, 7 and 9.
上記構成の燃料電池システム１００では、水素タンク１１２に貯留された水素が、水素供給経路１１４を通って燃料電池スタック１０２に供給される。この燃料電池スタック１０２は、供給された水素と空気中の酸素とを電気化学反応させて発電する。また、水素供給経路１１４の途中には、水素膨張機１０が接続されている。この水素膨張機１０では、膨張室１２に導入される水素が断熱膨張されて膨張室１２から吐出される。この水素の膨張エネルギーによって、機構室１４に収容された駆動機構２６が駆動される。この駆動機構２６の駆動力によってファン１１６が駆動される。このファン１１６は、燃料電池スタック１０２の冷却水を冷却するラジエータ１０６に向けて送風する。これにより、ラジエータ１０６の冷却性能すなわち燃料電池スタック１０２の冷却性能を向上させることができる。さらに、上記の水素供給経路１１４は、水素膨張機１０の下流側で熱交換器１１０と接触されている。この熱交換器１１０においては、上記の断熱膨張によって冷却された水素と、冷却経路１０４を循環する上記の冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、燃料電池スタック１０２の冷却性能を一層向上させることができる。
In the fuel cell system 100 having the above configuration, the hydrogen stored in the hydrogen tank 112 is supplied to the fuel cell stack 102 through the hydrogen supply path 114. The fuel cell stack 102 generates electricity by electrochemically reacting the supplied hydrogen with oxygen in the air. Further, a hydrogen expander 10 is connected in the middle of the hydrogen supply path 114. In the hydrogen expander 10, hydrogen introduced into the expansion chamber 12 is adiabatically expanded and discharged from the expansion chamber 12. The drive mechanism 26 housed in the mechanism chamber 14 is driven by the expansion energy of hydrogen. The fan 116 is driven by the driving force of the driving mechanism 26. The fan 116 blows air toward the radiator 106 that cools the cooling water of the fuel cell stack 102. Thereby, the cooling performance of the radiator 106, that is, the cooling performance of the fuel cell stack 102 can be improved. Further, the hydrogen supply path 114 is in contact with the heat exchanger 110 on the downstream side of the hydrogen expander 10. In the heat exchanger 110, heat exchange is performed between the hydrogen cooled by the adiabatic expansion and the cooling water circulating in the cooling path 104. As a result, the cooling performance of the fuel cell stack 102 can be further improved.
また、本実施形態では、水素膨張機１０の膨張室１２と機構室１４との間には、シール溝６５及び第１シール部材６６が設けられている。本実施形態においては、膨張室１２と機構室１４との間には中間室１６が介在しているため、シール溝６５及び第１シール部材６６は膨張室１２と中間室１６との間に位置している。これにより、膨張室１２から機構室１４へ水素が流出するのを防止することができる。
Further, in the present embodiment, a seal groove 65 and a first seal member 66 are provided between the expansion chamber 12 and the mechanism chamber 14 of the hydrogen expander 10. In the present embodiment, since the intermediate chamber 16 is interposed between the expansion chamber 12 and the mechanism chamber 14, the seal groove 65 and the first seal member 66 are located between the expansion chamber 12 and the intermediate chamber 16. is doing. This makes it possible to prevent hydrogen from flowing out from the expansion chamber 12 to the mechanism chamber 14.
従来のシール部材１６６は、図９に示されるように、１つのリングで構成されており、１つのリングによって可動スクロール１４２とフランジ部１２４Ｄ（ハウジング１２０）との間をシールしている。そのため、シール部材１６６に対して、膨張室側の内圧Ｐ１と機構室側の内圧Ｐ２が加えられた場合に、機構室側の内圧Ｐ２の方が高い場合には、シール部材１６６には、機構室側から膨張室側に向かって内圧差ΔＰの力が加わることになる。
As shown in FIG. 9, the conventional sealing member 166 is composed of one ring, and one ring seals between the movable scroll 142 and the flange portion 124D (housing 120). Therefore, when the internal pressure P1 on the expansion chamber side and the internal pressure P2 on the mechanism chamber side are applied to the seal member 166, if the internal pressure P2 on the mechanism chamber side is higher, the seal member 166 has a mechanism. The force of the internal pressure difference ΔP is applied from the chamber side toward the expansion chamber side.
シール部材１６６の可動スクロール１４２側に上記内圧差ΔＰが加わると、シール部材１６６は、シール溝１６５の外方側の溝側面壁に押し付けられるようにたわむ。そして、シール部材１６６の可動スクロール１４２側の内方側端部が可動スクロール１４２の摺動面に接触することにより、可動スクロール１４２とフランジ部１２４Ｄ（ハウジング１２０）との間をシールする。しかしながら、従来のシール部材１６６は、１つのリングで構成されているため、図９に示されるように、シール部材１６６の外面と可動スクロール１４２の摺動面との接触点Ｍは１点のみである。
When the internal pressure difference ΔP is applied to the movable scroll 142 side of the seal member 166, the seal member 166 bends so as to be pressed against the groove side wall on the outer side of the seal groove 165. Then, the inner end of the seal member 166 on the movable scroll 142 side comes into contact with the sliding surface of the movable scroll 142 to seal between the movable scroll 142 and the flange portion 124D (housing 120). However, since the conventional seal member 166 is composed of one ring, as shown in FIG. 9, the contact point M between the outer surface of the seal member 166 and the sliding surface of the movable scroll 142 is only one point. be.
可動スクロール１４２の公転旋回運動時に、図９中の矢印Ａ及び矢印Ｂで示される方向に可動スクロール１４２が摺動する場合、矢印Ｂ方向の摺動は上記内圧差ΔＰに逆らう動きとなる。そのため、この逆らう動きによって、接触点Ｍにおける接触が外れてしまい、シール性を保持できなくなる場合がある。また、リング状のシール部材は、一部が壁に接触すると反対側に隙間が生じるという偏りが生じる。そのため、反対側に隙間が生じることにより、接触点Ｍにおける接触が外れてしまう場合がある。
When the movable scroll 142 slides in the direction indicated by the arrow A and the arrow B in FIG. 9 during the revolution turning motion of the movable scroll 142, the sliding in the direction of the arrow B becomes a movement against the internal pressure difference ΔP. Therefore, due to this counter-movement, the contact at the contact point M may be disengaged, and the sealing property may not be maintained. Further, when a part of the ring-shaped seal member comes into contact with the wall, a gap is formed on the opposite side, which is biased. Therefore, the contact at the contact point M may be disengaged due to the gap on the opposite side.
上記従来技術に対して、本実施形態の第１シール部材６６は径の異なる４つのリング６６１、６６２、６６３、６６４で構成されており、４つのリング６６１、６６２、６６３、６６４によって可動スクロール４２とフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）との間をシールしている。図６に示されるように、第１シール部材６６に対して、膨張室１２側の内圧Ｐ１と中間室１６（機構室１４）側の内圧Ｐ２が加えられた場合に、中間室１６側の内圧Ｐ２の方が高い場合には、第１シール部材６６には、中間室１６側から膨張室１２側に向かって内圧差ΔＰの力が加わることになる。
With respect to the above-mentioned prior art, the first seal member 66 of the present embodiment is composed of four rings 661, 662, 663, 664 having different diameters, and the movable scroll 42 is formed by the four rings 661, 662, 663, 664. It is sealed between the flange portion 24D (housing 20) and the flange portion 24D (housing 20). As shown in FIG. 6, when the internal pressure P1 on the expansion chamber 12 side and the internal pressure P2 on the intermediate chamber 16 (mechanical chamber 14) side are applied to the first seal member 66, the internal pressure on the intermediate chamber 16 side is applied. When P2 is higher, the force of the internal pressure difference ΔP is applied to the first seal member 66 from the intermediate chamber 16 side toward the expansion chamber 12 side.
本実施形態においては、リング６６１とシール溝の側面壁、リング６６４とシール溝の側面壁、及び各リング６６１、６６２、６６３、６６４間の少なくとも１つの間に間隙が設けられている。これにより、各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、相互に揺動することができる。第１シール部材６６の可動スクロール４２側に上記内圧差ΔＰが加わると、各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、シール溝６５の外方側の溝側面壁、又は外方側のリングに押し付けられるようにたわむ。そして、各リング６６１、６６２、６６３、６６４の可動スクロール４２側の内方側端部、すなわち高圧側の内圧Ｐ２側の端部が可動スクロール４２の摺動面に接触することにより、可動スクロール４２とフランジ部２４Ｄ（ハウジング２０）との間がシールされる。
In this embodiment, a gap is provided between the ring 661 and the side wall of the seal groove, the ring 664 and the side wall of the seal groove, and at least one between the rings 661, 662, 663, 664. As a result, the rings 661, 662, 663, and 664 can swing with each other. When the internal pressure difference ΔP is applied to the movable scroll 42 side of the first seal member 66, the rings 661, 662, 663, and 664 are pressed against the groove side wall on the outer side of the seal groove 65 or the ring on the outer side. Bend to be able to. Then, the inner end of each ring 661, 662, 663, 664 on the movable scroll 42 side, that is, the end on the internal pressure P2 side on the high voltage side comes into contact with the sliding surface of the movable scroll 42, whereby the movable scroll 42 And the flange portion 24D (housing 20) are sealed.
第１シール部材６６は、４つのリング６６１、６６２、６６３、６６４で構成されているため、図６に示されるように、第１シール部材６６の外面と可動スクロール４２の摺動面との接触点Ｍは４点ある。可動スクロール４２の公転旋回運動時に、図６及び図７中の矢印Ａ及び矢印Ｂで示される方向に可動スクロール４２が摺動する場合、矢印Ｂ方向の摺動は上記内圧差ΔＰに逆らう動きとなる。本実施形態においては、接触点Ｍが４点すなわち複数あることにより、上記逆らう動きによって、例えば１つの接触点Ｍにおける接触が外れてしまったとしても、他の接触点Ｍによってシール性を保持することができる。
Since the first seal member 66 is composed of four rings 661, 662, 663, and 664, as shown in FIG. 6, the outer surface of the first seal member 66 and the sliding surface of the movable scroll 42 come into contact with each other. There are four points M. When the movable scroll 42 slides in the direction indicated by the arrows A and B in FIGS. 6 and 7 during the revolution turning motion of the movable scroll 42, the sliding in the direction of the arrow B is a movement against the internal pressure difference ΔP. Become. In the present embodiment, since there are four contact points M, that is, a plurality of contact points M, even if the contact at one contact point M is disengaged due to the counter-movement, the sealing property is maintained by the other contact points M. be able to.
また、リング状のシール部材は、一部が壁に接触すると反対側に隙間が生じるという偏りが生じる。本実施形態においては、接触点Ｍが４点すなわち複数あるため、反対側に隙間が生じることにより、例えば１つの接触点Ｍにおける接触が外れてしまったとしても、他の接触点Ｍによってシール性を保持することができる。以上により、本実施形態においては、膨張室１２から機構室１４への水素の流出を効果的に防止することができる。従って、機構室１４における駆動機構の信頼性を向上させることができる。
Further, when a part of the ring-shaped seal member comes into contact with the wall, a gap is formed on the opposite side, which is biased. In the present embodiment, since there are four contact points M, that is, a plurality of contact points M, even if the contact at one contact point M is disengaged due to a gap on the opposite side, the sealing property is provided by the other contact points M. Can be retained. As described above, in the present embodiment, the outflow of hydrogen from the expansion chamber 12 to the mechanism chamber 14 can be effectively prevented. Therefore, the reliability of the drive mechanism in the mechanism chamber 14 can be improved.
また、本実施形態においては、４つのリング６６１、６６２、６６３、６６４間に存在する隙間によって、この隙間から漏れ出ようとする水素の圧力損失が大きくなり、漏れ量が減少する、いわゆるラビリンス効果によってシール性を増加させることができる。これにより、水素膨張機１０における水素の吐出圧力を高く維持することができるので、水素膨張機１０としての動力回収性能を増加させることができる。また、水素膨張機１０によってガス（水素）の低温化が進み、熱回収による冷却水の冷却を促進することができる。
Further, in the present embodiment, the gap existing between the four rings 661, 662, 663, and 664 increases the pressure loss of hydrogen that tries to leak from this gap, and the amount of leakage is reduced, that is, the so-called labyrinth effect. It is possible to increase the sealing property. As a result, the hydrogen discharge pressure in the hydrogen expander 10 can be maintained high, so that the power recovery performance of the hydrogen expander 10 can be increased. Further, the hydrogen expander 10 advances the temperature reduction of the gas (hydrogen), and can promote the cooling of the cooling water by heat recovery.
また、本実施形態においては、上述したように複数の接触点Ｍによってシール性を保持しているため、各リング６６１、６６２、６６３、６６４のリング幅Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４及びリング厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４のサイズの精度を緩めることができる。
Further, in the present embodiment, since the sealing property is maintained by the plurality of contact points M as described above, the ring widths D1, D2, D3, D4 and the ring thickness of each ring 661, 662, 663, 664 are maintained. The size accuracy of T1, T2, T3 and T4 can be relaxed.
また、本実施形態においては、各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、金属部材に低摩擦材をコーティングすることにより形成され、例えばＳＵＳ３０４Ｌ等のステンレス鋼にテフロン（登録商標）コーティングを施すことにより形成されている。これにより、可動スクロール４２の公転旋回運動時に、可動スクロール４２が図６及び図７中の矢印Ｂ方向、すなわち上記内圧差ΔＰに逆らう動きをした場合であっても、接触点Ｍは可動スクロール４２の摺動面に追従する移動をしない。
Further, in the present embodiment, each ring 661, 662, 663, 664 is formed by coating a metal member with a low friction material, for example, by applying a Teflon (registered trademark) coating to stainless steel such as SUS304L. It is formed. As a result, the contact point M is the movable scroll 42 even when the movable scroll 42 moves in the direction of the arrow B in FIGS. 6 and 7, that is, against the internal pressure difference ΔP during the revolution turning motion of the movable scroll 42. Do not move to follow the sliding surface of.
従って、各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、上記内圧差ΔＰによって常にシール溝６５の外方側の溝側面壁、又は外方側のリングに押し付けられるようにたわみ、各リング６６１、６６２、６６３、６６４の高圧側の内圧Ｐ２側の端部が接触点Ｍとなる。そのため、本実施形態においては、可動スクロール４２の摺動に対して、接触点Ｍの移動を抑制することができるので、水素膨張機１０の稼働中の第１シール部材６６によるシール性を向上させることができ、水素膨張機１０としての動力回収性能を増加させることができる。また、接触点Ｍの移動を抑制することができるので、リング６６１、６６２、６６３、６６４に生じる摩擦、及び摩耗を低減することができる。
Therefore, each ring 661, 662, 663, 664 is flexed so as to be always pressed against the outer groove side wall of the seal groove 65 or the outer ring by the internal pressure difference ΔP, and each ring 661, 662, The end of the internal pressure P2 side of the high pressure side of 663 and 664 is the contact point M. Therefore, in the present embodiment, the movement of the contact point M can be suppressed with respect to the sliding of the movable scroll 42, so that the sealing property of the first sealing member 66 during operation of the hydrogen expander 10 is improved. This makes it possible to increase the power recovery performance of the hydrogen expander 10. Further, since the movement of the contact point M can be suppressed, the friction and wear generated in the rings 661, 662, 663, and 664 can be reduced.
また、本実施形態では、水素膨張機１０の膨張室１２と機構室１４との間には、中間室１６が介在している。この中間室１６は、膨張室１２との間が第１シール部材６６によってシールされると共に、機構室１４との間が第２シール部材６８によってシールされている。例えば機構室１４内のオイルの油膜上を第２シール部材６８が動くことにより、第２シール部材６８にオイルが付着する場合がある。この場合、可動スクロール４２が公転旋回運動した際に、第２シール部材６８に付着したオイルが可動スクロール４２と共に膨張室１２側向かって移動してしまう虞がある。しかしながら、本実施形態においては、膨張室１２と機構室１４との間に中間室１６が介在していることにより、オイルが付着した可動スクロール４２が膨張室１２へ入るのを防止することができるので、膨張室１２へのオイルの漏れが抑制される。
Further, in the present embodiment, an intermediate chamber 16 is interposed between the expansion chamber 12 of the hydrogen expander 10 and the mechanism chamber 14. The intermediate chamber 16 is sealed between the expansion chamber 12 and the expansion chamber 12 by the first seal member 66, and is sealed between the intermediate chamber 16 and the mechanism chamber 14 by the second seal member 68. For example, when the second seal member 68 moves on the oil film in the mechanism chamber 14, the oil may adhere to the second seal member 68. In this case, when the movable scroll 42 revolves around, the oil adhering to the second seal member 68 may move toward the expansion chamber 12 side together with the movable scroll 42. However, in the present embodiment, since the intermediate chamber 16 is interposed between the expansion chamber 12 and the mechanism chamber 14, it is possible to prevent the movable scroll 42 to which the oil is attached from entering the expansion chamber 12. Therefore, the leakage of oil to the expansion chamber 12 is suppressed.
また、本実施形態では、水素膨張機１０の潤滑のために、作動流体である水素にオイルを混入させる構成ではないため、水素に混入したオイル（異物）が燃料電池スタック１０２に入り込むことを防止することができる。つまり、例えばエアコン等のコンプレッサでは、冷媒（作動流体）にオイルを添加し、冷媒圧縮後にオイルを回収することが行われている。このように作動流体とオイルとを混合して使用することは、機器の潤滑性と閉鎖空間のシール性を確保する上で簡易かつ有効な方法であるが、燃料電池スタック１０２に供給される燃料水素にオイルを混入することには、コンタミネーション防止の観点で問題がある。このような問題を、本実施形態では回避することができる。
Further, in the present embodiment, since the configuration is not such that oil is mixed with hydrogen, which is a working fluid, for lubrication of the hydrogen expander 10, oil (foreign matter) mixed with hydrogen is prevented from entering the fuel cell stack 102. can do. That is, for example, in a compressor such as an air conditioner, oil is added to a refrigerant (working fluid), and the oil is recovered after the refrigerant is compressed. The mixed use of the working fluid and the oil in this way is a simple and effective method for ensuring the lubricity of the equipment and the sealing property of the closed space, but the fuel supplied to the fuel cell stack 102 is used. Mixing oil with hydrogen has a problem from the viewpoint of preventing contamination. Such a problem can be avoided in this embodiment.
さらに、本実施形態では、水素膨張機１０の作動流体と中間室に存在する流体とが互いに異なる種類の流体とされている。具体的には、安全管理が煩雑な水素が作動流体とされる一方、窒素、ヘリウム、水又はクーラントといった安全な流体が中間室に存在する流体とされている。これにより、中間室に存在する流体の安全管理が容易になる。しかも、中間室に存在する流体が窒素又はヘリウムといった気体である場合、中間室に存在する流体が液体の場合と比較して軽量化を図ることができる。また、中間室に存在する流体が水又はクーラントといった液体である場合、中間室に存在する流体が気体の場合と比較して、例えば漏れなどの異常の発見が容易になる。
Further, in the present embodiment, the working fluid of the hydrogen expander 10 and the fluid existing in the intermediate chamber are different types of fluids. Specifically, hydrogen, which is complicated to manage safety, is regarded as a working fluid, while a safe fluid such as nitrogen, helium, water or coolant is regarded as a fluid existing in an intermediate chamber. This facilitates safety management of the fluid existing in the intermediate chamber. Moreover, when the fluid existing in the intermediate chamber is a gas such as nitrogen or helium, the weight can be reduced as compared with the case where the fluid existing in the intermediate chamber is a liquid. Further, when the fluid existing in the intermediate chamber is a liquid such as water or coolant, it becomes easier to detect an abnormality such as a leak as compared with the case where the fluid existing in the intermediate chamber is a gas.
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態について図８を参照して以下説明する。なお、第１実施形態と基本的に同様の構成及び作用については、第１実施形態と同符号を付与しその説明を省略する。
<Second embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The same components and operations as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals as those of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
上述した第１実施形態では、第１シール部材６６が可動スクロール４２に対して駆動機構２６側（固定スクロール４０とは反対側）に配置された構成、すなわちフロントハウジング２４に配設された構成について説明した。第２実施形態においては、第１実施形態とは、第１シール部材６６を可動スクロール４２に対して固定スクロール４０側に配置した構成、すなわち例えばリヤハウジング２２の段部２２Ｃに配設した構成として点が異なっている。
In the above-described first embodiment, the configuration in which the first seal member 66 is arranged on the drive mechanism 26 side (the side opposite to the fixed scroll 40) with respect to the movable scroll 42, that is, the configuration arranged in the front housing 24. explained. In the second embodiment, the first embodiment means that the first seal member 66 is arranged on the fixed scroll 40 side with respect to the movable scroll 42, that is, for example, the configuration is arranged on the step portion 22C of the rear housing 22. The points are different.
第２実施形態においては、図８に示されるように、環状突出部６２における延伸部４３側の端部（端面）には、第１シール部材６６は取り付けられておらず、第２シール部材６８のみが取り付けられている。また、環状突出部６２には中間室１６が形成されていない。
In the second embodiment, as shown in FIG. 8, the first seal member 66 is not attached to the end portion (end face) on the stretched portion 43 side of the annular protrusion 62, and the second seal member 68 is not attached. Only installed. Further, the intermediate chamber 16 is not formed in the annular protrusion 62.
第２実施形態では、第１シール部材６６は、リヤハウジング２２の段部２２Ｃに取り付けられている。段部２２Ｃの延伸部４３側の端部(端面）には、環状突出部６２と略同径の位置に円環状のシール溝６５Ａが形成されている。シール溝６５Ａの大きさは、上記第１実施形態のシール溝６５と同じである。第１シール部材６６は、シール溝６５Ａに嵌め込まれることでリヤハウジング２２（段部２２Ｃ）に取り付けられている。第２実施形態では、リヤハウジング２２、フロントハウジング２４、延伸部４３、第１シール部材６６、及び第２シール部材６８で囲まれる空間が上記第１実施形態の中間室１６に対応する中間室１６Ａとなる。
In the second embodiment, the first seal member 66 is attached to the step portion 22C of the rear housing 22. An annular seal groove 65A is formed at an end portion (end surface) of the step portion 22C on the extension portion 43 side at a position having substantially the same diameter as the annular protrusion 62. The size of the seal groove 65A is the same as that of the seal groove 65 of the first embodiment. The first seal member 66 is attached to the rear housing 22 (step portion 22C) by being fitted into the seal groove 65A. In the second embodiment, the space surrounded by the rear housing 22, the front housing 24, the extension portion 43, the first seal member 66, and the second seal member 68 corresponds to the intermediate chamber 16 of the first embodiment. It becomes.
この実施形態においても、シール溝６５Ａ及び第１シール部材６６が膨張室１２と中間室１６Ａとの間に位置し、膨張室１２から機構室１４へ水素が流出するのを防止している。これにより、第１実施形態と同様に、膨張室１２と機構室１４との間での流体の漏れを効果的に抑制することが可能となる。
Also in this embodiment, the seal groove 65A and the first seal member 66 are located between the expansion chamber 12 and the intermediate chamber 16A to prevent hydrogen from flowing out from the expansion chamber 12 to the mechanism chamber 14. This makes it possible to effectively suppress fluid leakage between the expansion chamber 12 and the mechanism chamber 14, as in the first embodiment.
＜実施形態の補足説明＞
前記各実施形態では、膨張機１０が燃料電池システム１００の構成要素として適用された例について説明したが、これに限るものではない。本発明に係る膨張機は、例えば冷凍機械の構成要素である膨張機に対しても適用可能である。
<Supplementary explanation of the embodiment>
In each of the above embodiments, an example in which the expander 10 is applied as a component of the fuel cell system 100 has been described, but the present invention is not limited thereto. The inflator according to the present invention can also be applied to, for example, an inflator which is a component of a refrigerating machine.
また、前記各実施形態では、膨張機１０の作動流体と中間室に存在する流体とが異なる種類の流体とされた場合について説明したが、これに限らず、作動流体と中間室に存在する流体とが同じ種類の流体とされた構成にしてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the case where the working fluid of the expander 10 and the fluid existing in the intermediate chamber are different types of fluid has been described, but the present invention is not limited to this, and the working fluid and the fluid existing in the intermediate chamber are not limited to this. And may be configured to be the same type of fluid.
また、前記各実施形態では、各リング６６１、６６２、６６３、６６４は、金属部材に低摩擦材をコーティングすることにより形成され、例えばＳＵＳ３０４Ｌ等のステンレス鋼にテフロン（登録商標）コーティングを施すことにより形成されている場合を説明したが、これに限られるものではない。例えば、可動スクロール４２の少なくとも摺動面に対して上記コーティングを施してもよいし、可動スクロール４２の少なくとも摺動面と各リング６６１、６６２、６６３、６６４の両方に上記コーティングを施してもよい。
Further, in each of the above embodiments, the rings 661, 662, 663, and 664 are formed by coating a metal member with a low friction material, for example, by applying a Teflon (registered trademark) coating to stainless steel such as SUS304L. The case where it is formed has been described, but the present invention is not limited to this. For example, at least the sliding surface of the movable scroll 42 may be coated with the above coating, or at least the sliding surface of the movable scroll 42 and both the rings 661, 662, 663, and 664 may be coated with the coating. ..
また、前記各実施形態では、第１シール部材６６が、４つのリング６６１、６６２、６６３、６６４で構成されている場合を説明したが、これに限られるものではない。例えば３つであってもよいし、５つであってもよいし、複数のリングで構成されていればよく、その数は適宜変更することができる。
Further, in each of the above embodiments, the case where the first seal member 66 is composed of four rings 661, 662, 663, and 664 has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, it may be three, five, or may be composed of a plurality of rings, and the number thereof can be appropriately changed.
また、前記各実施形態では、シール溝６５，６５Ａが、リヤハウジング２２又はフロントハウジング２４に形成されている場合を説明したが、これに限られるものではない。例えば、シール溝６５，６５Ａは可動スクロール（可動部材）４２に形成されていてもよい。
Further, in each of the above embodiments, the case where the seal grooves 65 and 65A are formed in the rear housing 22 or the front housing 24 has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, the seal grooves 65 and 65A may be formed in the movable scroll (movable member) 42.
また、前記各実施形態では、燃料電池システム１００が車両（燃料電池自動車）に搭載された場合について説明したが、これに限るものではない。本発明に係る流体の流出防止機構が適用される燃料電池システムは、例えば家庭用の燃料電池システムであってもよい。
Further, in each of the above embodiments, the case where the fuel cell system 100 is mounted on a vehicle (fuel cell vehicle) has been described, but the present invention is not limited to this. The fuel cell system to which the fluid outflow prevention mechanism according to the present invention is applied may be, for example, a household fuel cell system.
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施できる。また、本発明の権利範囲が前記各実施形態に限定されないことは勿論である。
In addition, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the gist thereof. Moreover, it goes without saying that the scope of rights of the present invention is not limited to each of the above-described embodiments.
