JP3911469B2 - 燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は主として車載用燃料電池へ空気を圧送する空気供給源に使用する燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の車両に搭載された車載用燃料電池は、化学反応により電気エネルギーを発生させる際に多量の空気を使用することから、空気供給源として車載用の空気圧縮機が搭載されているが、この種の空気圧縮機としては、小型かつ軽量で、かつ流量制御が容易なスクリュー圧縮機が一般に使用されている。
【０００３】
スクリュー圧縮機は、互いに噛合して回転する雄ロータと雌ロータがケーシング内に収容されていて、いずれか一方、もしくは両方を回転駆動源により回転駆動することにより、吸入側より吸入した空気を圧縮して吐出側へ吐出するように構成されており、またこの種のスクリュー圧縮機としては、例えば特許文献１に記載されたものが公知である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−３１７５５４号公報（請求項１、段落００２７、００２８、００２９）
【０００５】
前記特許文献１に記載のスクリュー圧縮機は、空気を圧送する際、空気の断熱圧縮により発生する熱により雌雄ロータが熱膨張してかじり等の事故が発生するのを防止するため、吐出側のロータの歯先径、歯底径、歯厚が吸入側より徐々に小さくなるよう軸方向へ縮厚化させて形成したことを特徴としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし前記特許文献１に記載のスクリュー圧縮機では、吸入側より吐出側へ向けて徐々にロータの歯厚を縮厚化するだけで、吸入側と吐出側におけるロータの断面形状は相似形である。
このためロータの溝容積は、吸入側と吐出側でほとんど変わることがないことから、理論吸い込み容積が増加することがなく、これによって圧縮中の空気がロータ溝内から吸入側へ漏れる相対洩れ、（吸い込み空気量に対する漏洩空気量の比）が増加して、高性能化が図れない等の問題がある。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題を改善するためになされたもので、雌ロータの歯厚を吸入ポート側より吐出ポート側を厚くした燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機を提供して、高性能化を図ると共に、雌ロータの歯が溝間の圧力差により撓むのを防止することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、互いに歯と歯が噛合する雌ロータと雄ロータを、吸入ポート及び吐出ポートを有するケーシング内に回転自在に収容し、かつ前記雌雄ロータを適宜回転駆動手段により回転駆動することにより、前記吸入ポートより吸入した空気を、前記雌雄ロータの歯間と前記ケーシングの内壁とで形成された圧縮室で圧縮して前記吐出ポートより吐出することにより、車載用燃料電池に空気を供給する燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機において、前記雌雄ロータをアルミニウム、マグネシューム、樹脂の少なくとも何れかの材料により形成し、かつ前記雌ロータに設けられた複数の歯の歯厚を、前記吸入ポート側に対し前記吐出ポート側が厚肉となるよう形成すると共に、前記雌ロータの前記吐出ポート側の歯厚は、吐出空気が分布荷重として前記雌ロータの歯面に加わった際、歯の撓みが前記雌雄ロータ間のギャップより小さくなるように設定したものである。
【０００９】
前記構成により、雌ロータの吸入ポート側の歯厚は、吐出ポート側の歯厚に対し薄いことから、吸入ポート側の溝容積が大きくなり、これによって理論吸い込み容積が増大して、圧縮中の溝から吸入ポート側への圧縮空気の相対漏れが減少するため、スクリュー圧縮機の高性能化が図れると共に、雌ロータの吐出ポート側の歯の肉厚を厚くすることによって、雌ロータの歯が溝間の圧力差により撓むことが少なくなるため、雌雄ロータの歯同士が接触することにより発生するかじりや焼き付きを未然に防止することができる。
【００１０】
前記目的を達成するため本発明の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、雌ロータの歯の歯厚を、吸入ポート側より吐出ポート側へ順次厚肉となるテーパ状に変化させたものである。
【００１１】
前記構成により、雌ロータの吸入ポート側の歯厚を薄く、かつ吐出ポート側の歯厚が順次厚くなった雌ロータが容易に製作できるため、高性能のスクリュー圧縮機が安価に得られるようになる。
【００１２】
前記目的を達成するため本発明の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、雌ロータと雄ロータの軸間距離を、吸入ポート側と吐出ポート側で同一とすると共に、雌ロータの吐出ポート側の歯の歯厚を、吸入ポート側の歯の歯厚の約１．２倍以上としたものである。
【００１３】
前記構成により、軸間距離を吸入ポート側と吐出ポート側とで同一にしたことにより、各ロータの加工性及び加工精度が向上すると共に、雌ロータの吐出ポート側の歯厚を吸入ポート側の歯の歯厚の約１．２倍以上としたことにより、歯の撓みをさらに効果的に抑制することができる。
【００１４】
前記目的を達成するため本発明の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、雌ロータの歯の歯厚を、前記吸入ポート側より前記吐出ポート側付近までほぼ同じに形成し、かつ吐出ポート付近より吐出ポートまで順次厚肉となるテーパ状に変化させたものである。
【００１５】
前記構成により、雌ロータの吸入ポート側の歯厚を薄く、かつ吐出ポート側の歯厚が厚い雌ロータが容易に製作できるため、高性能のスクリュー圧縮機が安価に得られるようになる。
【００１６】
前記目的を達成するため本発明の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、雌雄ロータの歯の歯厚を、吸入ポーよりほぼ中央付近までを薄肉に、そして中央付近より吐出ポートまでを厚肉に形成すると共に、薄肉な歯と厚肉な歯の間は、吸入ポート側より吐出ポート側へ順次厚肉となるテーパ状に変化させたものである。
【００１７】
前記構成により、雌ロータの歯の撓みをさらに効果的に抑制することができると共に、雌ロータが容易に製作できるため、高性能のスクリュー圧縮機が安価に得られるようになる。
【００１８】
前記目的を達成するため本発明の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、雌雄ロータの歯の歯厚を変化させる位置を、雌雄ロータにより圧縮される空気の圧力が、吐出圧のほぼ５０％となる位置に設定したものである。
【００１９】
前記構成により、雌ロータの歯の撓みをさらに効果的に抑制することができる。
【００２０】
前記目的を達成するため本発明の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機は、雌雄ロータの歯の歯厚を、雌雄ロータにより圧縮される空気の圧力の上昇に対応させて撓みがほぼ一定となるように変化させたものである。
【００２１】
前記構成により、雌ロータの歯の撓みをほぼ均一とすることができるため、圧縮中の溝から吸入側への圧縮空気の相対漏れをさらに減少させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図面を参照して詳述する。
図１はスクリュー圧縮機の断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図４は作用説明図である。
図１に示すスクリュー圧縮機は、例えば自動車等の車両に搭載された車載用燃料電池に空気を供給する空気供給源として使用され、かつ無給油で運転が可能な燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機であって、圧縮機本体１はケーシング２と、このケーシング２内の圧縮室２ａに収容された雌ロータ３及び雄ロータ４よりなり、これら雌雄ロータ３，４は車載用として軽量化を図るため、例えば剛性の低いアルミニウムや、マグネシューム、樹脂等により製作されている。
【００２３】
ケーシング２内の一端側には、空気を吸い込む吸入ポート５が開口された端板２ｂが設けられていて、この端板２ｂに、雌雄ロータ３，４の中心を貫通するように設けられたロータ軸３ａ，４ａの一端側を回転自在に支承する軸受け６が設けられており、各ロータ軸３ａ，４ａの他端側は、ケーシング２の他端側に設けられた端壁２ｃに設けられた軸受け６に回転自在に支承されていると共に、各ロータ軸３ａ，４ａの軸間距離ＣＣ１，ＣＣ２は、図２及び図３に示すように吸入ポート５側と吐出ポート７側が同一となっている。
各軸受け６のハウジング６ａには、図示しない給油孔と排給油孔が形成されていて、外部から給油孔へ潤滑油を給油することにより、軸受け６を潤滑できるようになっていると共に、各ハウジング６ａの雌雄ロータ３，４側端部内には、軸受け６へ給油した潤滑油がケーシング２内の圧縮室２ａ内へ混入するのを阻止する軸封手段８が設けられている。
【００２４】
ケーシング２内で回転する雌雄ロータ３，４は、図１に示すように吸入ポート５側が大径で、かつケーシング２の他端側に開口された吐出ポート７側が小径となるテーパ状に形成されており、雌ロータ３及び雄ロータ４には、図２及び図３に示すように互いに噛合する歯３ｂ、４ｂが形成されていると共に、雌ロータ３の歯３ｂの歯厚は、吸入ポート５側より吐出ポート側７へ順次厚肉となるテーパ状に変化されている。
雌ロータ３の歯３ｂは複数枚、例えば５枚より形成されていて、吸入ポート５側の歯形は図２に示すように、雌雄ロータ３，４の吸入ポート５側の軸間距離ＣＣ１に対して、歯３ｂと歯４ｂの噛み合いが成立する条件において歯厚Ｔｆ１が回転上支障のない強度と剛性が得られる範囲で最小となるように、歯先径がφＤＯＦ１に、そして歯厚はＴｆ１となっており、この歯厚Ｔｆ１は、吸込み空気圧が分布荷重として雌ロータ３の歯面に加わった際、歯３ｂの撓みが雌雄ロータ３，４間のギャップより小さくなるような適度の剛性が得られる値に設定されている。
また雄ロータ４は、雌ロータ３の各歯３ｂ間に形成された溝３ｃ内に噛合する例えば３枚の歯４ｂを有していて、吸入ポート５側の各歯４ｂの歯先径はφＤＯＭ１に設定されており、雌雄ロータ３、４の歯底径φＤｉＦ１及びφＤｉＭ１は、雌雄ロータ３，４の歯先径φＤＯＦ１及びφＤＯＭ１が決まると必然的に決まる。
【００２５】
一方雌ロータ３の吐出ポート７側の歯形は、図３に示すように歯先径がφＤＯＦ２に、そして歯厚は、吸入ポート５側の歯厚Ｔｆ１より肉厚が厚いＴｆ２となっており、この歯厚Ｔｆ２は、吐出空気が分布荷重として雌ロータ３の歯面に加わった際、歯３ｂの撓みが雌雄ロータ３、４間のギャップより小さくなるような適度の剛性が得られる値に設定されている。
また雄ロータ４の吐出ポート７側の歯４ｂの歯先径はφＤＯＭ２に、そして歯形は雌ロータ３の歯３ｂの歯厚Ｔｆ２に対して噛み合いが成立する条件を満たす形状となっていると共に、雌雄ロータ３，４の歯底径φＤｉＦ２及びφＤｉＭ２は、吸入ポート５側と同様に、雌雄ロータ３，４の歯先径φＤＯＦ２及びφＤＯＭ２が決まると必然的に決まる。
【００２６】
前記雌雄ロータ３，４のロータ軸３ａ，４ａの吐出ポート７側端部は、ケーシング２の端面に取り付けられたカバー９内に突出され、雄ロータ４のロータ軸４ａは、さらにカバー９を貫通してカバー９の外側へ突出されている。
カバー９内に突出されたロータ軸３ａ，４ａ内には、雌雄ロータ３，４の各歯３ｂ，４ｂの歯面間に所定のクリアランスを維持しつつ、雌雄ロータ３，４を同期回転させるタイミングギヤ１０が固着されている。
雌ロータ３側のロータ軸３ａに固着されたタイミングギヤ１０ａは大径で、かつ雄ロータ４のロータ軸４ａに固着されたタイミングギヤ１０ｂは小径となっていて、カバー９内で互いに噛合された状態で逆方向へ回転するようになっていると共に、カバー９の外側へ突出された雄ロータ４のロータ軸４ａには、カップリングやプーリ等の動力伝達手段を介して回転駆動源（ともに図示せず）に接続されていて、回転駆動源により雌雄ロータ３，４が回転駆動されるようになっている。
【００２７】
次に前記構成されたスクリュー圧縮機の作用を説明する。
車両に搭載された燃料電池（ともに図示せず）へ空気を供給すべく回転駆動源により雄ロータ４のロータ軸４ａを回転駆動すると、タイミングギヤ１０により互いに連動された雌雄ロータ３，４がケーシング２の圧縮室２ａ内で同期回転される。
これによって吸入ポート５より吸入された空気は、雌ロータ３の各歯３ｂ間に形成された溝３ｃ内と、雄ロータ４の各歯４ｂ間に形成された溝４ｃ内に充填されると共に、その後雌雄ロータ３、４の回転に伴い雌ロータ３の溝３ｃ内と雄ロータ４の溝４ｃ内に順次噛合する雄ロータ４の歯４ｂと雌ロータ３の歯３ｂにより形成された圧縮室２ｄ内で圧縮されながら吐出ポート７側へと圧送され、吐出ポート７より吐出されて燃料電池へと供給される。
【００２８】
一方吸入ポート５より吸入した空気を、圧縮室２ｄ内で圧縮しながら吐出ポート７より吐出する際、吐出ポート７付近の雌雄ロータ３，４の歯３ｂ，４ｂには、歯面に吐出空気圧が分布荷重として作用するが、特に歯厚が薄い雌ロータ３の歯面がこの分布荷重を受けると歯３ｂが撓みにより変形し、変形が雌雄ロータ３，４の歯面間に予め設定されたギャップ以上になると、雌雄ロータ３，４の歯面が互いに接触して、騒音を発したり、歯面が焼き付く等の不具合が発生する。
【００２９】
図４に示すように雌ロータ３の歯３ｂを片持ち梁と仮定して、この片持ち梁に作用する分布荷重の軸方向の単位長さ（単位歯幅）当たりの撓みを簡易的に表わすと、歯３ｂの撓みδは次式となる。
δ＝ω・Ｌ４／（８Ｅ・Ｉ）
なお、ωは分布荷重、Ｌは梁の長さ（歯丈）、Ｅは雌ロータ３を形成する材料の縦弾性係数、Ｉは歯３ｂの断面２次モーメントである。
また断面２次モーメントＩは次式により表わされる。
Ｉ＝ｂ・ｈ３／１２
なお、ｂは歯幅（単位幅）、ｈは歯厚である。
以上の式から明らかなように、片持ち梁（歯）の撓みは歯厚の３乗に逆比例するため、前記実施の形態のように雌ロータ３の歯３ｂの歯厚を、吸入ポート５側より吐出ポート７側が予め厚くなるように形成することにより、吐出空気圧の分布荷重による歯３ｂの撓みを大幅に抑制することができるようになる。
【００３０】
ちなみに雌ロータ３の歯３ｂの歯厚を吸入ポート５側を約３．５ｍｍ、吐出ポート７側を６ｍｍとした場合、吸入ポート５側の歯３ｂの撓みに対して吐出ポート７側の歯３ｂの撓みを約５分の１に低減することができた。
また雌ロータ３の歯３ｂの歯厚を、吸入ポート５側に対して吐出ポート７側を厚くすることにより、吸入ポート５側の溝容積が大きくなって理論吸い込み容積が増大すると同時に、吸い込み空気量に対する漏洩空気量の割合を小さくすることができるため、スクリュー圧縮機の高性能化が図かれるようになる。
【００３１】
一方図５及び図６は、スクリュー圧縮機の変形例を示すもので、次にこれら変形例について説明する。
なお前記実施の形態と同一部分は、同一符号を付してその説明は省略する。
図５に示す変形例は、雌雄ロータ３，４をほぼ筒状に形成し、吐出ポート７付近のみを、吸入ポート５側が大径で、吐出ポート７側へ順次小径となるテーパ状としたことにより、雌ロータ３の歯３ｂの歯厚を、吸入ポート５側に対して吐出ポート７側を厚くしたもので、その他の点については前記実施の形態と同一構成となっている。
図６に示す変形例は、雌雄ロータ３、４の吸入ポート５側を大径な筒状に、そして吐出ポート７側を小径な筒状に形成し、かつ大径部と小径部の段差部分をテーパ部により連接したもので、その他の点については前記実施の形態と同一構成となっている。
この変形例の場合、雌雄ロータ３，４の歯の歯厚を変化させる位置を、雌雄ロータ３，４により圧縮される空気の圧力が吐出圧のほぼ５０％となる位置に設定することが望ましい。
【００３２】
いずれの変形例の場合も、雌ロータ３の歯３ｂの歯厚を、吸入ポート５側より吐出ポート７側を厚肉としたことにより、吐出ポート７側の歯３ｂが吐出空気圧の分布荷重によりたわむのを抑制できると同時に、理論吸い込み容積の増大により吸い込み容積に対する漏洩の割合を低減することができるため、スクリュー圧縮機の高性能化が図れるようになる。
【００３３】
（実施例）
雌雄ロータ３，４の軸間距離ＣＣＩ及びＣＣ２を、吸入ポート５側及び吐出ポート７側とも５５ｍｍとし、雌ロータ３の吸入ポート５側の歯先径 x ＤＯＦ１をφ７２ｍｍ、歯厚Ｔｆ１を約３．５ｍｍ、吐出ポート７側の歯先径φＤＯＦ２をφ７１ｍｍ、歯厚Ｔｆ２を約６ｍｍ、また雄ロータ４の吸入ポート５側の歯先径φＤＯＭ１８５ｍｍ、吐出ポート７側の歯先径をφＤＯＭ２をφ８０ｍｍとしたスクリュー圧縮機を製作した場合、理論吸い込み容積は３４５ｃｃ／回転となるが、従来の雌ロータの歯厚を吸入ポート側と吐出ポート側で同じにした場合、理論吸い込み容積は３００ｃｃ／回転となり、前記実施例によれば雌ロータ３の溝容積を約１５％増大できるため、吸い込み容積に対する漏洩の割合を低減することができ、特に雌雄ロータ３，４の回転数が低い領域でその効果は顕著となる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は以上詳述したように、雄ロータと噛合して、吸入ポートより吸入した空気を吐出ポートより吐出する雌ロータの歯の歯厚を、吸入ポート側に対し吐出ポート側が厚肉となるよう形成したことから、雌ロータの吸入ポート側の歯厚は、吐出ポート側の歯厚に対し薄くなるため、吸入ポート側の溝容積が大きくなり、これによって理論吸い込み容積が増大すると同時に、圧縮中の溝から吸入ポート側への圧縮空気の相対漏れが減少することから、スクリュー圧縮機の高性能化が図れると共に、雌ロータの吐出ポート側の歯の肉厚を厚くすることによって、雌ロータの歯が溝間の圧力差により撓むことが少なくなるため、雌雄ロータの歯同士が接触することにより発生するかじりや焼き付きを未然に防止することができる。
【００３５】
また雌ロータの歯の歯厚を、吸入ポート側より吐出ポート側へ順次厚肉となるテーパ状に変化させたことにより、雌ロータの吸入ポート側の歯厚を薄く、かつ吐出ポート側の歯厚が順次厚くなった雌ロータが容易に製作できるため、高性能のスクリュー圧縮機が安価に得られる。
さらに雌ロータと雄ロータの軸間距離を、吸入ポート側と吐出ポート側で同一とすると共に、雌ロータの吐出ポート側の歯の歯厚を、吸入ポート側の歯の歯厚の約１．２倍以上としたことにより、各ロータの加工性及び加工精度が向上する上、雌ロータの歯の撓みをさらに効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態になるスクリュー圧縮機の断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の実施の形態になるスクリュー圧縮機の作用説明図である。
【図５】本発明の実施の形態になるスクリュー圧縮機の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態になるスクリュー圧縮機の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機本体
２ ケーシング
２ｄ 圧縮室
３ 雌ロータ
３ｂ 歯
４ 雄ロータ
４ｂ 歯
５ 吸入ポート
７ 吐出ポート
Ｔｆ１ 雌ロータの吸入ポート側の歯厚
Ｔｆ２ 雌ロータの吐出ポート側の歯厚

Claims (7)

1. 互いに歯と歯が噛合する雌ロータと雄ロータを、吸入ポート及び吐出ポートを有するケーシング内に回転自在に収容し、かつ前記雌雄ロータを適宜回転駆動手段により回転駆動することにより、前記吸入ポートより吸入した空気を、前記雌雄ロータの歯間と前記ケーシングの内壁とで形成された圧縮室で圧縮して前記吐出ポートより吐出することにより、車載用燃料電池に空気を供給する燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機において、前記雌雄ロータをアルミニウム、マグネシューム、樹脂の少なくとも何れかの材料により形成し、かつ前記雌ロータに設けられた複数の歯の歯厚を、前記吸入ポート側に対し前記吐出ポート側が厚肉となるよう形成すると共に、前記雌ロータの前記吐出ポート側の歯厚は、吐出空気が分布荷重として前記雌ロータの歯面に加わった際、歯の撓みが前記雌雄ロータ間のギャップより小さくなるように設定したことを特徴とする車載用燃料電池に空気を供給する燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。
2. 前記雌ロータの歯の歯厚を、前記吸入ポート側より前記吐出ポート側へ順次厚肉となるテーパ状に変化させてなる請求項１に記載の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。
3. 前記雌ロータと前記雄ロータの軸間距離を、前記吸入ポート側と前記吐出ポート側で同一とすると共に、前記雌ロータの前記吐出ポート側の歯の歯厚を、前記吸入ポート側の歯の歯厚の約１．２倍以上としてなる請求項１または２に記載の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。
4. 前記雌ロータの歯の歯厚を、前記吸入ポート側より前記吐出ポート側付近までほぼ同じに形成し、かつ前記吐出ポート付近より前記吐出ポートまで順次厚肉となるテーパ状に変化させてなる請求項１に記載の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。
5. 前記雌雄ロータの歯の歯厚を、前記吸入ポーよりほぼ中央付近までを薄肉に、そして中央付近より前記吐出ポートまでを厚肉に形成すると共に、薄肉な歯と厚肉な歯の間は、前記吸入ポート側より前記吐出ポート側へ順次厚肉となるテーパ状に変化させてなる請求項１に記載の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。
6. 前記雌雄ロータの歯の歯厚を変化させる位置を、前記雌雄ロータにより圧縮される空気の圧力が、吐出圧のほぼ５０％となる位置に設定してなる請求項３または４に記載の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。
7. 前記雌雄ロータの歯の歯厚を、前記雌雄ロータにより圧縮される空気の圧力の上昇に対応させて撓みがほぼ一定となるように変化させてなる請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池用オイルフリースクリュー圧縮機。

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