JP4026747B2 - 圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮部と膨張部を有するスクロール式流体機械に関し、特に燃料電池への空気の供給、排出や、空気膨張冷房装置に使用されるスクロール式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池では、電解質層を挟んで正極と負極が設けられ、負極には負極活物質として水素が供給され、該水素は負極で電子が奪われて水素イオンとなって電解質層を通って正極に至る。正極には正極活物質として酸素が供給され、負極から導体によって運ばれた電子を受けて前記水素イオンは酸素と結合して反応生成物である水が生じる。このようにして負極から正極へ電子が流れる。即ち正極から負極へ電流が流れる。通常、正極には酸素を含む空気が供給されるので、正極には水の他に未反応の酸素と空気の主成分である窒素等が存在することとなり、水素と酸素の結合反応は発熱反応であるので、温度も供給された空気の温度よりも上昇している。この窒素を主成分とするガスは正極から排出されねばならない。
【０００３】
正極へは圧縮機によって圧力を上昇された空気が供給され、正極における前記ガスは大気圧よりは圧力が高い状態である。このガスをそのまま大気中に放出すると、ガスは何も仕事をせずに損失となるので、このガスを膨張機に通してエネルギを回収することが行われる。したがって、燃料電池では圧縮機と膨張機を備えることが望ましい。
【０００４】
一台の流体機械に圧縮機と膨張機を組み合わせた流体機械として、例えば特開２００１−９３５５３に燃料電池用圧縮回生機が開示されている。この開示によると、スクロール式流体機械の旋回スクロールは両側にスクロールラップを有し、片側のスクロールラップは吸入した流体を圧縮し、他側のスクロールラップは吸入した流体を膨張させて仕事を得るように構成されている。
【０００５】
しかしながら、前記燃料電池用圧縮回生機は旋回スクロールが両面にスクロールラップを有するために、スクロール部の幅が大きくなる、旋回スクロール中心部に旋回スクロールを支持するための軸受けボスが設けられるために、スクロールラップは軸受けボス外周よりも外側から巻き始められることとなってスクロール端板の外径が大きくなる、旋回スクロールは両面にラップを有するために加工に手間取る等の問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、スクロール部材を小型、軽量化し、製造コストの低減を図った圧縮部と膨張部を有するスクロール式流体機械を提供することである。さらに他の目的は、膨張部で膨張して温度が下がった流体をスクロール機械や駆動用電動機の冷却に有利に利用するスクロール式流体機械を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械は、固定スクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールラップを有する旋回スクロールが対面し、旋回スクロールの旋回により吸入流体を圧縮するスクロールラップの一対と吸入流体を膨張させるスクロールラップの一対を設けたスクロール式流体機械において、前記両対のスクロールラップ間は一方のスクロール端板に設けられた環状の中間仕切り壁で仕切られ、スクロール外周においては一方のスクロール端板に設けられた環状の外側仕切り壁で両スクロール間に形成されたスクロール室がスクロール室外部の空間と仕切られ、前記旋回スクロールの旋回により、前記環状の中間仕切り壁よりも外側区域のスクロールラップの対は外周側から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって圧縮され、内側区域のスクロールラップの対は中心部から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって膨張するように形成され、前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと膨張部の排出穴を設け、前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、前記排出穴から旋回スクロール背面側に排出させて旋回スクロール端板背面とスクロールハウジング壁の内側面との間の空間を前記旋回スクロール背面の冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことにより、旋回スクロールを冷却することを提案とする。
【０００８】
従来の同一回転軸によって駆動される圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械の膨張部で膨張仕事をなして温度が下がった流体は、そのまま外部に排出されるか、冷房用空気として利用されるのみで、スクロール機械や駆動電動機の冷却に利用されることはなかった。スクロール式流体機械の膨張部で断熱的膨張により温度が降下した流体の少なくとも一部を冷却用流体として利用することにより、スクロール機械や駆動電動機を効果的に冷却することができる。
【０００９】
また本発明は、固定スクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールラップを有する旋回スクロールが対面し、旋回スクロールの旋回により吸入流体を圧縮するスクロールラップの一対と吸入流体を膨張させるスクロールラップの一対を設けたスクロール式流体機械において、前記両対のスクロールラップ間が仕切られるとともに、スクロールの外周に於いても両スクロール間に形成されたスクロール室がスクロール室外部の空間と仕切られることを特徴とする。
【００１０】
そして、前記両対のスクロールラップ間は一方のスクロール端板に設けられた環状の中間仕切り壁で仕切り、スクロール外周においては一方のスクロール端板に設けられた環状の外側仕切り壁で仕切るのがよい。前記中間仕切り壁によって該中間仕切り壁の外側区域と内側区域の流体は隔離されるとともに、前記外側仕切り壁によって固定スクロールと旋回スクロール間に形成させるスクロール室はスクロール室外部の空間と隔離される。
【００１１】
旋回スクロールには旋回駆動するための駆動軸の偏芯ピンを軸受支持するためのボスを設ける必要がある。旋回スクロール端板の両面に旋回スクロールラップを設ける構成では、スクロールラップの巻き始め位置は前記ボスのためにスクロールの中心近くにもってくることができないが、本発明によれば前記ボスは旋回スクロール端板の背面（ラップと反対側面）に設けられるので、スクロールラップは中心近くから巻き始めることができ、スクロールラップの作動空間のスペース利用率が高くなり、スクロール流体機械を小型、軽量化することができる。
【００１２】
また、前記旋回スクロールの旋回により、前記環状の中間仕切り壁よりも外側区域のスクロールラップの対は外周側から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって圧縮され、内側区域のスクロールラップの対は中心部から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって膨張するように形成するのがよい。
【００１３】
スクロール式流体機械では、旋回スクロールが固定スクロール中心の回りに公転するにしたがって互いに噛合う旋回スクロールラップと固定スクロールラップによって形成される閉込み空間が変化することによって流体の圧縮或は膨張が行われるのであるが、本発明によれば、前記中間仕切り壁よりも外側区域には旋回スクロールの公転によって閉込み空間が外周側から内側に向かって減少するように形成された互いに噛合う固定及び旋回スクロールラップを有する圧縮部を形成すると共に、前記中間仕切り壁よりも内側区域には旋回スクロールの公転によって閉込み空間が中心側から外側に向かって増大するように形成された互いに噛合う固定及び旋回スクロールラップを有する膨張部を形成する。即ち、中間仕切り壁よりも外側区域が圧縮部を構成し、内側区域が膨張部を形成する。したがって、該膨張部からの流体の排出口は膨張部の外周側、即ち圧縮部よりも中心側に設けられることになる。
【００１４】
前記膨張部に流入した流体は、旋回スクロールの旋回によって固定スクロールラップと旋回スクロールラップの噛合いによって形成される閉込め空間が増大するので、断熱的に膨張して旋回スクロールに対して膨張仕事をなす。したがって、膨張して排出される流体は温度が降下している。
【００１５】
前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと膨張部の排出穴を設け、前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、前記排出穴から旋回スクロール背面側に排出させて旋回スクロール端板背面とスクロールハウジング壁の内側面との間の空間を前記旋回スクロール背面の冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことにより、旋回スクロールを冷却するとよい。前述のように膨張部からの流体の吐出口は圧縮部よりも中心側に位置するので、旋回スクロール端板に吐出口を設けて膨張部から排出される断熱的に膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、旋回スクロールの背面側に流出させて該背面に設けた冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことができ、旋回スクロールを背面から効果的に冷却することができる。
【００１６】
また、前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと背面遮板を設けて前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張し旋回スクロール端板の排出口から排出される流体が前記冷却フィンに沿って流れる通路を形成し、前記膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を前記通路に流して旋回スクロールを冷却し、旋回スクロール背面側のスクロールハウジングの壁に該壁外面側に直結されたスクロール駆動機に通じる流通穴を設けて該穴を通して前記背面遮板の外周で反転して背面遮板と壁面間の空間を中心方向に進む旋回スクロール冷却後の流体を前記駆動機に導いてこれを冷却するとよい。このようにして、旋回スクロールを冷却した流体がさらに駆動用電動機の冷却に利用されるので、電動機の小型化、高効率化に貢献する。
【００１７】
さらに、前記固定スクロールの端板前面（固定スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと前面遮板を設けて前記中間仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張し固定スクロール端板の吐出口から排出される流体が前記冷却フィンに沿って流れる通路を形成し、該通路に前記膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を通して固定スクロールを冷却するとよい。スクロール機械の膨張部で膨張して温度が降下した流体の一部で旋回スクロールを冷却し、一部で固定スクロールを冷却することにより、スクロール機械全体を両側から効果的に冷却することができる。
【００１８】
通常、スクロール流体機械においては、外部からの流体の流入や吐出（厚い歯排出）は固定スクロールの外周および中心部からなされるが、本発明においては、前記圧縮部および膨張部とも流体の流入、吐出口を固定スクロールの端板に設けることによって、固定スクロールの外周に吸入口や吐出口を設ける必要がなくなるので、配管による外形の増大を招くことがなくなり、また配管を固定スクロール前面にすっきりとまとめることができて美観上も優れたものとすることができる。
【００１９】
燃料電池の場合、前述したように、正極には供給された圧縮空気中の酸素が負極から電解質層を移動して来た水素イオンと結合して生じた液体水或は水蒸気と余剰酸素と窒素等を含むガスが存在し、このガスは反応熱により供給された空気よりも温度が上昇している。例えば固体高分子型燃料電池の場合、この正極側の温度は常温〜８０℃、圧力は１．５〜３気圧であり、その比容積は正極に供給される常温常圧の空気の比容積に比べると小さい。供給する空気と排出するガスのバランスを保持するためには、空気を供給する圧縮機の吸入時閉込み容積を膨張機の吸入時閉込み容積よりも大きくする必要がある。したがって、本発明のスクロール式流体機械を燃料電池用に用いる場合は、環状壁よりも外側の区域を圧縮部とし、中心側の区域を膨張部に形成すると、圧縮部における吸込み時の閉込み容積を膨張部における吸込み時の閉込み容積よりも容易に大きくすることができて好都合である。さらに、排出ガスを本発明のスクロール式流体機械の膨張部で膨張仕事をさせることによって、圧縮部の圧縮仕事の補助動力とすることができる。
【００２０】
空気膨張冷房装置は、圧縮機で圧縮した空気を熱交換を通して冷却後に膨張機で膨張仕事をさせることにより圧縮機で吸入された空気よりも低温の空気を得るものであり、この場合も膨張機に吸入される空気の比容積は圧縮機に吸入される空気の比容積よりも小さい。したがって、本発明の圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いる場合も環状壁よりも外側の区域を圧縮部に、内側の区域を膨張部に構成するのがよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１は本発明の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図で補助クランク軸とその軸受けは取り除いてある。図３は本発明の他の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面である。図４は図１の実施例における旋回スクロール背面の冷却フィン形状の一実施例であり、図５は他の実施例である。図６は図３の実施例における固定スクロール冷却フィン形状の一実施例であり、図７は他の実施例である。図８は図１の実施例のスクロール式流体機械を燃料電池に用いた場合の配管構成の概略を示し、図９は空気膨張冷房装置に用いた場合の配管構成の概略を示す。
【００２３】
図１、図２において、本実施例のスクロール式流体機械はスクロール機械１０と電動機２０からなる。固定スクロール１の端板１’には、環状の中間仕切り壁１０１と、環状の外側仕切り壁１０２と、中間仕切り壁１０１と外側仕切り壁１０２の間に外側固定スクロールラップ１ａと、中間仕切り壁１０１よりも中心側に内側固定スクロールラップ１ｂが、埋設その他の方法で設けられている。旋回スクロール２の端板２’には前記外側固定スクロールラップ１ａに噛合う外側旋回スクロールラップ２ａと、前記内側固定スクロールラップ１ｂに噛合う内側旋回スクロールラップ２ｂが、埋設その他の方法により設けられている。旋回スクロール２は固定スクロール１に固定されるハウジング３により覆われ、該ハウジング３の壁板３’に電動機２０がボルト２６によって固定されている。該電動機部２０の回転軸２１はその軸心が固定スクロール１の中心に一致するようにジャーナル部２１ａ、２１ｂで前記ハウジング３と電動機２０の後カバー２５に軸受け８、２３を介して回転自在に支持されている。
【００２４】
前記旋回スクロール２の外周部には３個のボス５がそれらの中心を結ぶ線が正三角形をなすように突設され、これらのボス５には補助クランク７の一端側のピン７ａが軸受け９ａを介して回転自在に支持されている。前記固定スクロール１の外周部には３個のボス６が設けられ、これらのボスには前記補助クランクの他端側のピン７ｂが軸受け９ｂを介して支持されている。ピン７ａとピン７ｂは所定量だけ偏芯されている。前記電動機部２０の回転軸の一端側には偏芯ピン２１ｃが設けられ該偏芯ピン２１ｃは、軸受け２２を介して前記旋回スクロール端板２’背面の中心部に設けられたボス４を支持している。該偏芯ピン２１ｃの偏芯量と前記補助クランク７のピン７ａ、７ｂの偏芯量は同じである。このような構成により、前記回転軸２１が回転駆動されると旋回スクロール２は回転軸２１の中心軸回りに公転する。スクロールラップの渦巻き方向は、図２に示すように、電動機側から見て、内側スクロールラップは中心側から反時計回りに、外側スクロールラップは前記環状壁側から時計回りに巻かれている。
【００２５】
２４はシールであり、２７、２８は弾性リングである。該弾性リング２７は、旋回スクロールの軸受け８の偏芯ピン２１ｃへの挿入を容易にするために軸受け内輪と偏芯ピンとの嵌合を緩くした場合に、前記内輪内周がピン外周に対して回転してフレッチングコロージョンを起こすのを防止するものである。例えば硬質ゴム等の弾性材リングを偏芯ピンに設けた溝に嵌入しておくと、弾性材であるため前記内輪嵌入時の抵抗は小さいが内輪嵌入後は摩擦により内輪の偏芯ピンに対する回転を防止するものである。弾性リング２８は、同様に旋回スクロール２の軸受け９ａの補助クランク７のピン７ａへの嵌入を容易化すると共に、軸受け９ａの内輪のすべりを防止するものである。
【００２６】
固定スクロール１の端板１’には、外側仕切り壁１０２の内側に穴（圧縮部吸入口）１１が、中間仕切り壁１０１の外側に穴（圧縮部吐出口）１２が、中間仕切り壁１０１の内側に穴（膨張部の排出口）１４が、中心部には穴（膨張部の吸入口）１３が穿設され、これらの穴にはそれぞれパイプ１１ａ、１２ａ、１４ａ、１３ａが接続されている。このような構成で電動機２０を後側、即ち図１の右側から見て反時計方向に回転すると、旋回スクロール２は自転を防止された状態で固定スクロール中心回りに図２に示すように反時計回りに公転し、中間仕切り壁１０１と外側仕切り壁１０２の間が圧縮作動区域となり、中間仕切り壁１０１よりも中心側が膨張作動区域となる。中間仕切り壁１０１と外側仕切り壁１０２の間の外側スクロールラップ１ａ、２ａの噛合いにより流体が圧縮作動区域の吸入口１１から吸入されて圧縮作動区域で圧縮され、吐出口１２から吐出される。中間仕切り壁１０１よりも中心側の内側スクロールラップ１ｂ、２ｂの噛合いにより流体は膨張作動区域の吸入口１３から吸入されて膨張作動区域で膨張し排出口１４から排出される。
【００２７】
前記旋回スクロール端板２’には前記膨張作動区域に連通する膨張流体排出口１０３が設けられると共に、端板背面には冷却フィン１０５と冷却フィンの頂面に接する遮板１０６が設けられている。該遮板１０６は冷却フィンに接着剤で固着或はその他の方法で旋回スクロール端板２’に固定される。前記膨張作動区域で膨張した流体は前記固定スクロール端板１’の排出口１４からから排出されると共にその一部は旋回スクロール端板２’の排出口１０３からも排出され、該排出口１０３から旋回スクロール背面側に排出された膨張流体は、旋回スクロール背面と遮板１０６で形成される通路を外周方向へ流れて旋回スクロール２を冷却し、前記遮板１０６の外周で反転して該遮板とハウジング３の壁板３’の空間を中心側に向って流れ、ハウジング３の壁板３’に設けられた穴１０４から電動機２０内に流入する。電動機２０を冷却した流体は電動機の排出口１０７から外部に排出される。電動機２０を前記膨張流体で冷却しない場合は、前記遮板１０６とハウジング３の壁板３’の通路を形成することなく、流体をハウジング外周壁に排出口を設けて排出してもよい。なお、前記圧縮作動区域は外側仕切り壁１０２によって旋回スクロール背面側空間と仕切られていて圧縮作動区域に吸入された流体の旋回スクロール背面側への流出が防止されている。
【００２８】
また、圧縮作動区域の流体の吸入口、吐出口及び膨張作動区域の流体の吸入口、排出口は全て固定スクロール前面に設けられているので、ハウジング３の外周に突出する配管等がなくなり、スクロール機械１０の外径が配管等によりむやみに大きくなることを避けることができる。このことは、スクロール式流体機械ユニットをスペース制約が厳しい自動車等に搭載する場合に有利である。なお、図１、２では吸入口、吐出口、排出口は円形穴に描かれているが、所要の断面積を確保できるような形状にしてよいことは勿論である。これら吸入口、吐出口、排出口を固定スクロール端板前面に集めることよりスクロール式流体機械ユニットの外径を小さくすることができると共に、配管がすっきりと整理され、該ユニットを美観上も有利に構成することができる。
【００２９】
前記旋回スクロール端板２’背面の冷却フィンの正面形状は種々の形状が採用可能である。図４は旋回スクロール２を背面から見た図であり、旋回スクロール冷却フィンの正面形状の一例を示す。膨張作動区域の旋回スクロール側排出口１０３から排出された膨張作動区域での膨張により温度が低下した流体が、該排出口１０３から放射状の冷却フィン１０５に沿って流れ、旋回スクロール２を冷却する。本スクロール式流体機械を燃料電池用に用いる場合、燃料電池から排出されてスクロール機械の膨張作動区域の吸入口１３から吸入されるガスの温度は燃料電池における反応熱で温度が上昇しているが、前記排出口１０３から排出されるガスは、スクロール機械の膨張作動区域での膨張により温度が降下しているので冷却流体として利用することができる。
【００３０】
図５は、旋回スクロール冷却フィンの正面形状の他の実施例を示す。この実施例では、冷却フィン１０５’は渦巻き状に形成されており、前記排出口１０３から排出される流体は、冷却フィンによって形成された渦巻き通路を流れながら旋回スクロールを冷却し渦巻き通路の出口１０８から流出する。なお、前記冷却フィンは旋回スクロールの補強の役目も果たす。
【００３１】
図３は、図１の実施例に対して固定スクロール端板１’の前面に冷却フィン１１１と前面遮板１１２を設けて、該前面遮板と固定スクロール端板前面の間に膨張作動区域の排出口１４から排出される流体が前記冷却フィンに沿って外部へ流出する通路を形成した点が異なり、その他は図１と同じであるので、その他の説明は省略する。図３において、固定スクロール端板１’前面に冷却フィン１１１が設けられ、該冷却フィンの頂面に接して前面遮板１１２が設けられている。該前面遮板１１２は前記冷却フィン１１１に接着剤等で接着してもよいし、固定スクロール端板１’にねじ等により固定してもよい。該前面遮板１１２をパイプ１１ａ、１２ａ、１３ａが貫通する穴とこれらパイプとの間は、流体の漏れを防いで冷却効率の低下を防止するために、例えばゴム製のグロメット等で隙間が生じないようにするのがよい。
【００３２】
前記固定スクロール冷却フィンの正面形状は種々の形状が採用可能である。図６は図３におけるＢ矢視図であり、冷却フィンの正面形状の一例を示す。膨張作動区域の排出口１４から排出された膨張作動区域での膨張により温度が低下した流体が、該排出口１４から放射状の冷却フィン１１１に沿って流れ、固定スクロールを冷却して外部に排出される。本スクロール式流体機械を燃料電池用に用いる場合、燃料電池から排出されてスクロール機械の膨張作動区域吸の吸入口１３から吸入されるガスの温度は燃料電池における反応熱で温度が上昇しているが、前記排出口１４から排出されるガスは、スクロール機械の膨張作動区域での膨張により温度が降下しているので冷却流体として利用することができる。
【００３３】
図７は、固定スクロール冷却フィン正面形状の他の実施例を示す。この実施例では、冷却フィン１１１’は渦巻き状に形成されており、前記排出口１４から排出される流体は、冷却フィン１１１’によって形成された渦巻き通路を通って該渦巻き通路の出口１１２に至る。本スクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いる場合、固定スクロールを冷却して前記渦巻き通路出口１１２に至った空気が十分低い温度となるようにすることができるので、該渦巻き通路出口１１２から排出される空気を冷房用空気として利用することができる。
【００３４】
図８は図３の実施例のスクロール式流体機械を燃料電池に用いた場合の配管構成の概略を示す。同図において、エアフィルタ３１で清浄化されパイプ１１ａを通ってスクロール機械１０に吸入された空気は、スクロール機械の圧縮区域で圧縮され、パイプ１２ａを通って燃料電池３２の正極側に圧送される。該空気は圧送途中で必要に応じて冷却される。燃料電池３２から排出されたガスは、パイプ１３ａを通ってスクロールの中心部に吸入され、スクロール機械１０の膨張部で膨張してパイプ１４ａから排出される。前述したように、前記膨張部に吸入された燃料電池３２からの排出ガスは、該膨張部で膨張する際に膨張仕事をして旋回スクロールに回転力を与え、該回転動力は圧縮部における圧縮仕事を助けるように作用するので、圧縮部における圧縮仕事の一部は回収される。前記膨張部における膨張で温度が下がった前記排出ガスは、一部は固定スクロールの膨張部排出口１４（図３）から排出されて固定スクロールを冷却して外部に排出され、残りは旋回スクロールの膨張部排出口１０３（図３）から旋回スクロール端板２’背面に流出して旋回スクロールを冷却した後ハウジングの穴１０４（図３）から電動機２０内に流入して電動機を冷却し、排出口１０７から排出される。なお、図１の実施例のスクロール式流体機械も燃料電池に適用できる。
【００３５】
図９は図１の実施例のスクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いた場合の配管構成の概略を示す。この場合は図８における燃料電池の代わりに空気冷却器３３が配設され、スクロール機械１０の圧縮部で圧縮された空気は該空気冷却器に導かれて冷却媒体との熱交換により冷却され、該冷却された空気がスクロール機械１０の膨張部に導かれて膨張される際に旋回スクロールに対して仕事をする結果、該膨張部排出口１４からパイプ１４ａを通って排出される膨張空気はエアフィルタ３１を通って吸入された空気よりも低温の空気となっており、該膨張空気が冷房用に用いられる。さらに前記膨張部で膨張した空気の一部は旋回スクロール側の排出口１０２から旋回スクロール背面側に流出して旋回スクロールを冷却後電動機２０内部に導かれてこれを冷却し、排出口１０７から外部に排出される。なお図３の実施例のスクロール式流体機械も空気膨張冷房装置用に適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記述されるような効果を奏する。即ち、旋回スクロール端板の片面に設けた旋回スクロールラップと該旋回スクロールラップと噛合う固定スクロールラップによって形成される作動区域を内側及び外側仕切り壁によって圧縮作動区域と膨張作動区域に仕切ることによって、圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械を構成するので、一台で圧縮部と膨張部を備える小型、軽量、低コストのスクロール式流体機械を得ることができ、特に自動車等の燃料電池や空気膨張冷房機に適する省エネルギのスクロール式流体機械を提供することができる。また、膨張作動区域での膨張により温度が降下した流体を利用して旋回スクロール、駆動電動機、及び固定スクロールの冷却を効果的に行うことができるので、これらを冷却するための冷却ファンを装備する必要がなくなり、機械の小型化、軽量化、コスト低減が可能となる。さらに、圧縮部、膨張部の吸入口、吐出口、排出口をすべて固定スクロール端板前面に集めることにより、配管がスクロール機械の外周から張り出すことがなく、配管による外形の増大を避けると共に美観上も有利に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面である。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ断面図で補助クランク軸とその軸受けは取り除いてある。
【図３】 本発明の他の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面である。
【図４】 図１の実施例における旋回スクロール冷却フィンの正面形状の一実施例を示す図であ。
【図５】 図１の実施例における旋回スクロール冷却フィン正面形状の他の実施例を示す図である。
【図６】 図３の実施例における固定スクロール冷却フィンの正面形状の一実施例を示す図であり、図３におけるB矢視図である。
【図７】 図３の実施例における固定スクロール冷却フィン正面形状の他の実施例を示す図である。
【図８】 図３の実施例のスクロール式流体機械を燃料電池に用いた場合の配管構成の概略を示す図である。
【図９】 図１の実施例のスクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いた場合の配管構成の概略を示す図である。
【符合の説明】
１ 固定スクロール
２ 旋回スクロール
３ ハウジング
７ 補助クランク
１０ スクロール機械
１１ 吸入口
１２ 吐出口
１３ 吸入口
１４ 排出口
２０ 電動機
２１ 回転軸
２２ 軸受け
２４ シール
２５ 後カバー
２６ ボルト
２７ 弾性リング
２８ 弾性リング
３１ エアフィルタ
３２ 燃料電池
３３ 空気冷却器
１０１ 中間仕切り壁
１０２ 外側仕切り壁
１０３ 排出口
１０４ 穴
１０５ 冷却フィン
１０６ 遮板
１０７ 排出口
１１１ 冷却フィン
１１２ 渦巻き通路出口
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧縮部と膨張部を有するスクロール式流体機械に関し、特に燃料電池への空気の供給、排出や、空気膨張冷房装置に使用されるスクロール式流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池では、電解質層を挟んで正極と負極が設けられ、負極には負極活物質として水素が供給され、該水素は負極で電子が奪われて水素イオンとなって電解質層を通って正極に至る。正極には正極活物質として酸素が供給され、負極から導体によって運ばれた電子を受けて前記水素イオンは酸素と結合して反応生成物である水が生じる。このようにして負極から正極へ電子が流れる。即ち正極から負極へ電流が流れる。通常、正極には酸素を含む空気が供給されるので、正極には水の他に未反応の酸素と空気の主成分である窒素等が存在することとなり、水素と酸素の結合反応は発熱反応であるので、温度も供給された空気の温度よりも上昇している。この窒素を主成分とするガスは正極から排出されねばならない。
【０００３】
正極へは圧縮機によって圧力を上昇された空気が供給され、正極における前記ガスは大気圧よりは圧力が高い状態である。このガスをそのまま大気中に放出すると、ガスは何も仕事をせずに損失となるので、このガスを膨張機に通してエネルギを回収することが行われる。したがって、燃料電池では圧縮機と膨張機を備えることが望ましい。
【０００４】
一台の流体機械に圧縮機と膨張機を組み合わせた流体機械として、例えば特開２００１−９３５５３に燃料電池用圧縮回生機が開示されている。この開示によると、スクロール式流体機械の旋回スクロールは両側にスクロールラップを有し、片側のスクロールラップは吸入した流体を圧縮し、他側のスクロールラップは吸入した流体を膨張させて仕事を得るように構成されている。
【０００５】
しかしながら、前記燃料電池用圧縮回生機は旋回スクロールが両面にスクロールラップを有するために、スクロール部の幅が大きくなる、旋回スクロール中心部に旋回スクロールを支持するための軸受けボスが設けられるために、スクロールラップは軸受けボス外周よりも外側から巻き始められることとなってスクロール端板の外径が大きくなる、旋回スクロールは両面にラップを有するために加工に手間取る等の問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記したような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、スクロール部材を小型、軽量化し、製造コストの低減を図った圧縮部と膨張部を有するスクロール式流体機械を提供することである。さらに他の目的は、膨張部で膨張して温度が下がった流体をスクロール機械や駆動用電動機の冷却に有利に利用するスクロール式流体機械を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械は、固定スクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールラップを有する旋回スクロールが対面し、旋回スクロールの旋回により吸入流体を圧縮するスクロールラップの一対と吸入流体を膨張させるスクロールラップの一対を設けたスクロール式流体機械において、前記両対のスクロールラップ間は一方のスクロール端板に設けられた環状の中間仕切り壁で仕切られ、スクロール外周においては一方のスクロール端板に設けられた環状の外側仕切り壁で両スクロール間に形成されたスクロール室がスクロール室外部の空間と仕切られ、前記旋回スクロールの旋回により、前記環状の中間仕切り壁よりも外側区域のスクロールラップの対は外周側から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって圧縮され、内側区域のスクロールラップの対は中心部から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって膨張するように形成され、前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと膨張部の排出穴を設け、前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、前記排出穴から旋回スクロール背面側に排出させて旋回スクロール端板背面とスクロールハウジング壁の内側面との間の空間を前記旋回スクロール背面の冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことにより、旋回スクロールを冷却することを提案とする。
【０００８】
従来の同一回転軸によって駆動される圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械の膨張部で膨張仕事をなして温度が下がった流体は、そのまま外部に排出されるか、冷房用空気として利用されるのみで、スクロール機械や駆動電動機の冷却に利用されることはなかった。スクロール式流体機械の膨張部で断熱的膨張により温度が降下した流体の少なくとも一部を冷却用流体として利用することにより、スクロール機械や駆動電動機を効果的に冷却することができる。
【０００９】
また本発明は、固定スクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールラップを有する旋回スクロールが対面し、旋回スクロールの旋回により吸入流体を圧縮するスクロールラップの一対と吸入流体を膨張させるスクロールラップの一対を設けたスクロール式流体機械において、前記両対のスクロールラップ間が仕切られるとともに、スクロールの外周に於いても両スクロール間に形成されたスクロール室がスクロール室外部の空間と仕切られることを特徴とする。
【００１０】
そして、前記両対のスクロールラップ間は一方のスクロール端板に設けられた環状の中間仕切り壁で仕切り、スクロール外周においては一方のスクロール端板に設けられた環状の外側仕切り壁で仕切るのがよい。前記中間仕切り壁によって該中間仕切り壁の外側区域と内側区域の流体は隔離されるとともに、前記外側仕切り壁によって固定スクロールと旋回スクロール間に形成させるスクロール室はスクロール室外部の空間と隔離される。
【００１１】
旋回スクロールには旋回駆動するための駆動軸の偏芯ピンを軸受支持するためのボスを設ける必要がある。旋回スクロール端板の両面に旋回スクロールラップを設ける構成では、スクロールラップの巻き始め位置は前記ボスのためにスクロールの中心近くにもってくることができないが、本発明によれば前記ボスは旋回スクロール端板の背面（ラップと反対側面）に設けられるので、スクロールラップは中心近くから巻き始めることができ、スクロールラップの作動空間のスペース利用率が高くなり、スクロール流体機械を小型、軽量化することができる。
【００１２】
また、前記旋回スクロールの旋回により、前記環状の中間仕切り壁よりも外側区域のスクロールラップの対は外周側から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって圧縮され、内側区域のスクロールラップの対は中心部から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって膨張するように形成するのがよい。
【００１３】
スクロール式流体機械では、旋回スクロールが固定スクロール中心の回りに公転するにしたがって互いに噛合う旋回スクロールラップと固定スクロールラップによって形成される閉込み空間が変化することによって流体の圧縮或は膨張が行われるのであるが、本発明によれば、前記中間仕切り壁よりも外側区域には旋回スクロールの公転によって閉込み空間が外周側から内側に向かって減少するように形成された互いに噛合う固定及び旋回スクロールラップを有する圧縮部を形成すると共に、前記中間仕切り壁よりも内側区域には旋回スクロールの公転によって閉込み空間が中心側から外側に向かって増大するように形成された互いに噛合う固定及び旋回スクロールラップを有する膨張部を形成する。即ち、中間仕切り壁よりも外側区域が圧縮部を構成し、内側区域が膨張部を形成する。したがって、該膨張部からの流体の排出口は膨張部の外周側、即ち圧縮部よりも中心側に設けられることになる。
【００１４】
前記膨張部に流入した流体は、旋回スクロールの旋回によって固定スクロールラップと旋回スクロールラップの噛合いによって形成される閉込め空間が増大するので、断熱的に膨張して旋回スクロールに対して膨張仕事をなす。したがって、膨張して排出される流体は温度が降下している。
【００１５】
前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと膨張部の排出穴を設け、前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、前記排出穴から旋回スクロール背面側に排出させて旋回スクロール端板背面とスクロールハウジング壁の内側面との間の空間を前記旋回スクロール背面の冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことにより、旋回スクロールを冷却するとよい。前述のように膨張部からの流体の吐出口は圧縮部よりも中心側に位置するので、旋回スクロール端板に吐出口を設けて膨張部から排出される断熱的に膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、旋回スクロールの背面側に流出させて該背面に設けた冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことができ、旋回スクロールを背面から効果的に冷却することができる。
【００１６】
また、前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと背面遮板を設けて前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張し旋回スクロール端板の排出口から排出される流体が前記冷却フィンに沿って流れる通路を形成し、前記膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を前記通路に流して旋回スクロールを冷却し、旋回スクロール背面側のスクロールハウジングの壁に該壁外面側に直結されたスクロール駆動機に通じる流通穴を設けて該穴を通して前記背面遮板の外周で反転して背面遮板と壁面間の空間を中心方向に進む旋回スクロール冷却後の流体を前記駆動機に導いてこれを冷却するとよい。このようにして、旋回スクロールを冷却した流体がさらに駆動用電動機の冷却に利用されるので、電動機の小型化、高効率化に貢献する。
【００１７】
さらに、前記固定スクロールの端板前面（固定スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと前面遮板を設けて前記中間仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張し固定スクロール端板の吐出口から排出される流体が前記冷却フィンに沿って流れる通路を形成し、該通路に前記膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を通して固定スクロールを冷却するとよい。スクロール機械の膨張部で膨張して温度が降下した流体の一部で旋回スクロールを冷却し、一部で固定スクロールを冷却することにより、スクロール機械全体を両側から効果的に冷却することができる。
【００１８】
通常、スクロール流体機械においては、外部からの流体の流入や吐出（厚い歯排出）は固定スクロールの外周および中心部からなされるが、本発明においては、前記圧縮部および膨張部とも流体の流入、吐出口を固定スクロールの端板に設けることによって、固定スクロールの外周に吸入口や吐出口を設ける必要がなくなるので、配管による外形の増大を招くことがなくなり、また配管を固定スクロール前面にすっきりとまとめることができて美観上も優れたものとすることができる。
【００１９】
燃料電池の場合、前述したように、正極には供給された圧縮空気中の酸素が負極から電解質層を移動して来た水素イオンと結合して生じた液体水或は水蒸気と余剰酸素と窒素等を含むガスが存在し、このガスは反応熱により供給された空気よりも温度が上昇している。例えば固体高分子型燃料電池の場合、この正極側の温度は常温〜８０℃、圧力は１．５〜３気圧であり、その比容積は正極に供給される常温常圧の空気の比容積に比べると小さい。供給する空気と排出するガスのバランスを保持するためには、空気を供給する圧縮機の吸入時閉込み容積を膨張機の吸入時閉込み容積よりも大きくする必要がある。したがって、本発明のスクロール式流体機械を燃料電池用に用いる場合は、環状壁よりも外側の区域を圧縮部とし、中心側の区域を膨張部に形成すると、圧縮部における吸込み時の閉込み容積を膨張部における吸込み時の閉込み容積よりも容易に大きくすることができて好都合である。さらに、排出ガスを本発明のスクロール式流体機械の膨張部で膨張仕事をさせることによって、圧縮部の圧縮仕事の補助動力とすることができる。
【００２０】
空気膨張冷房装置は、圧縮機で圧縮した空気を熱交換を通して冷却後に膨張機で膨張仕事をさせることにより圧縮機で吸入された空気よりも低温の空気を得るものであり、この場合も膨張機に吸入される空気の比容積は圧縮機に吸入される空気の比容積よりも小さい。したがって、本発明の圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いる場合も環状壁よりも外側の区域を圧縮部に、内側の区域を膨張部に構成するのがよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される寸法、材質、形状、その相対位置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２２】
図１は本発明の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図で補助クランク軸とその軸受けは取り除いてある。図３は本発明の他の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面である。図４は図１の実施例における旋回スクロール背面の冷却フィン形状の一実施例であり、図５は他の実施例である。図６は図３の実施例における固定スクロール冷却フィン形状の一実施例であり、図７は他の実施例である。図８は図１の実施例のスクロール式流体機械を燃料電池に用いた場合の配管構成の概略を示し、図９は空気膨張冷房装置に用いた場合の配管構成の概略を示す。
【００２３】
図１、図２において、本実施例のスクロール式流体機械はスクロール機械１０と電動機２０からなる。固定スクロール１の端板１’には、環状の中間仕切り壁１０１と、環状の外側仕切り壁１０２と、中間仕切り壁１０１と外側仕切り壁１０２の間に外側固定スクロールラップ１ａと、中間仕切り壁１０１よりも中心側に内側固定スクロールラップ１ｂが、埋設その他の方法で設けられている。旋回スクロール２の端板２’には前記外側固定スクロールラップ１ａに噛合う外側旋回スクロールラップ２ａと、前記内側固定スクロールラップ１ｂに噛合う内側旋回スクロールラップ２ｂが、埋設その他の方法により設けられている。旋回スクロール２は固定スクロール１に固定されるハウジング３により覆われ、該ハウジング３の壁板３’に電動機２０がボルト２６によって固定されている。該電動機部２０の回転軸２１はその軸心が固定スクロール１の中心に一致するようにジャーナル部２１ａ、２１ｂで前記ハウジング３と電動機２０の後カバー２５に軸受け８、２３を介して回転自在に支持されている。
【００２４】
前記旋回スクロール２の外周部には３個のボス５がそれらの中心を結ぶ線が正三角形をなすように突設され、これらのボス５には補助クランク７の一端側のピン７ａが軸受け９ａを介して回転自在に支持されている。前記固定スクロール１の外周部には３個のボス６が設けられ、これらのボスには前記補助クランクの他端側のピン７ｂが軸受け９ｂを介して支持されている。ピン７ａとピン７ｂは所定量だけ偏芯されている。前記電動機部２０の回転軸の一端側には偏芯ピン２１ｃが設けられ該偏芯ピン２１ｃは、軸受け２２を介して前記旋回スクロール端板２’背面の中心部に設けられたボス４を支持している。該偏芯ピン２１ｃの偏芯量と前記補助クランク７のピン７ａ、７ｂの偏芯量は同じである。このような構成により、前記回転軸２１が回転駆動されると旋回スクロール２は回転軸２１の中心軸回りに公転する。スクロールラップの渦巻き方向は、図２に示すように、電動機側から見て、内側スクロールラップは中心側から反時計回りに、外側スクロールラップは前記環状壁側から時計回りに巻かれている。
【００２５】
２４はシールであり、２７、２８は弾性リングである。該弾性リング２７は、旋回スクロールの軸受け８の偏芯ピン２１ｃへの挿入を容易にするために軸受け内輪と偏芯ピンとの嵌合を緩くした場合に、前記内輪内周がピン外周に対して回転してフレッチングコロージョンを起こすのを防止するものである。例えば硬質ゴム等の弾性材リングを偏芯ピンに設けた溝に嵌入しておくと、弾性材であるため前記内輪嵌入時の抵抗は小さいが内輪嵌入後は摩擦により内輪の偏芯ピンに対する回転を防止するものである。弾性リング２８は、同様に旋回スクロール２の軸受け９ａの補助クランク７のピン７ａへの嵌入を容易化すると共に、軸受け９ａの内輪のすべりを防止するものである。
【００２６】
固定スクロール１の端板１’には、外側仕切り壁１０２の内側に穴（圧縮部吸入口）１１が、中間仕切り壁１０１の外側に穴（圧縮部吐出口）１２が、中間仕切り壁１０１の内側に穴（膨張部の排出口）１４が、中心部には穴（膨張部の吸入口）１３が穿設され、これらの穴にはそれぞれパイプ１１ａ、１２ａ、１４ａ、１３ａが接続されている。このような構成で電動機２０を後側、即ち図１の右側から見て反時計方向に回転すると、旋回スクロール２は自転を防止された状態で固定スクロール中心回りに図２に示すように反時計回りに公転し、中間仕切り壁１０１と外側仕切り壁１０２の間が圧縮作動区域となり、中間仕切り壁１０１よりも中心側が膨張作動区域となる。中間仕切り壁１０１と外側仕切り壁１０２の間の外側スクロールラップ１ａ、２ａの噛合いにより流体が圧縮作動区域の吸入口１１から吸入されて圧縮作動区域で圧縮され、吐出口１２から吐出される。中間仕切り壁１０１よりも中心側の内側スクロールラップ１ｂ、２ｂの噛合いにより流体は膨張作動区域の吸入口１３から吸入されて膨張作動区域で膨張し排出口１４から排出される。
【００２７】
前記旋回スクロール端板２’には前記膨張作動区域に連通する膨張流体排出口１０３が設けられると共に、端板背面には冷却フィン１０５と冷却フィンの頂面に接する遮板１０６が設けられている。該遮板１０６は冷却フィンに接着剤で固着或はその他の方法で旋回スクロール端板２’に固定される。前記膨張作動区域で膨張した流体は前記固定スクロール端板１’の排出口１４からから排出されると共にその一部は旋回スクロール端板２’の排出口１０３からも排出され、該排出口１０３から旋回スクロール背面側に排出された膨張流体は、旋回スクロール背面と遮板１０６で形成される通路を外周方向へ流れて旋回スクロール２を冷却し、前記遮板１０６の外周で反転して該遮板とハウジング３の壁板３’の空間を中心側に向って流れ、ハウジング３の壁板３’に設けられた穴１０４から電動機２０内に流入する。電動機２０を冷却した流体は電動機の排出口１０７から外部に排出される。電動機２０を前記膨張流体で冷却しない場合は、前記遮板１０６とハウジング３の壁板３’の通路を形成することなく、流体をハウジング外周壁に排出口を設けて排出してもよい。なお、前記圧縮作動区域は外側仕切り壁１０２によって旋回スクロール背面側空間と仕切られていて圧縮作動区域に吸入された流体の旋回スクロール背面側への流出が防止されている。
【００２８】
また、圧縮作動区域の流体の吸入口、吐出口及び膨張作動区域の流体の吸入口、排出口は全て固定スクロール前面に設けられているので、ハウジング３の外周に突出する配管等がなくなり、スクロール機械１０の外径が配管等によりむやみに大きくなることを避けることができる。このことは、スクロール式流体機械ユニットをスペース制約が厳しい自動車等に搭載する場合に有利である。なお、図１、２では吸入口、吐出口、排出口は円形穴に描かれているが、所要の断面積を確保できるような形状にしてよいことは勿論である。これら吸入口、吐出口、排出口を固定スクロール端板前面に集めることよりスクロール式流体機械ユニットの外径を小さくすることができると共に、配管がすっきりと整理され、該ユニットを美観上も有利に構成することができる。
【００２９】
前記旋回スクロール端板２’背面の冷却フィンの正面形状は種々の形状が採用可能である。図４は旋回スクロール２を背面から見た図であり、旋回スクロール冷却フィンの正面形状の一例を示す。膨張作動区域の旋回スクロール側排出口１０３から排出された膨張作動区域での膨張により温度が低下した流体が、該排出口１０３から放射状の冷却フィン１０５に沿って流れ、旋回スクロール２を冷却する。本スクロール式流体機械を燃料電池用に用いる場合、燃料電池から排出されてスクロール機械の膨張作動区域の吸入口１３から吸入されるガスの温度は燃料電池における反応熱で温度が上昇しているが、前記排出口１０３から排出されるガスは、スクロール機械の膨張作動区域での膨張により温度が降下しているので冷却流体として利用することができる。
【００３０】
図５は、旋回スクロール冷却フィンの正面形状の他の実施例を示す。この実施例では、冷却フィン１０５’は渦巻き状に形成されており、前記排出口１０３から排出される流体は、冷却フィンによって形成された渦巻き通路を流れながら旋回スクロールを冷却し渦巻き通路の出口１０８から流出する。なお、前記冷却フィンは旋回スクロールの補強の役目も果たす。
【００３１】
図３は、図１の実施例に対して固定スクロール端板１’の前面に冷却フィン１１１と前面遮板１１２を設けて、該前面遮板と固定スクロール端板前面の間に膨張作動区域の排出口１４から排出される流体が前記冷却フィンに沿って外部へ流出する通路を形成した点が異なり、その他は図１と同じであるので、その他の説明は省略する。図３において、固定スクロール端板１’前面に冷却フィン１１１が設けられ、該冷却フィンの頂面に接して前面遮板１１２が設けられている。該前面遮板１１２は前記冷却フィン１１１に接着剤等で接着してもよいし、固定スクロール端板１’にねじ等により固定してもよい。該前面遮板１１２をパイプ１１ａ、１２ａ、１３ａが貫通する穴とこれらパイプとの間は、流体の漏れを防いで冷却効率の低下を防止するために、例えばゴム製のグロメット等で隙間が生じないようにするのがよい。
【００３２】
前記固定スクロール冷却フィンの正面形状は種々の形状が採用可能である。図６は図３におけるＢ矢視図であり、冷却フィンの正面形状の一例を示す。膨張作動区域の排出口１４から排出された膨張作動区域での膨張により温度が低下した流体が、該排出口１４から放射状の冷却フィン１１１に沿って流れ、固定スクロールを冷却して外部に排出される。本スクロール式流体機械を燃料電池用に用いる場合、燃料電池から排出されてスクロール機械の膨張作動区域吸の吸入口１３から吸入されるガスの温度は燃料電池における反応熱で温度が上昇しているが、前記排出口１４から排出されるガスは、スクロール機械の膨張作動区域での膨張により温度が降下しているので冷却流体として利用することができる。
【００３３】
図７は、固定スクロール冷却フィン正面形状の他の実施例を示す。この実施例では、冷却フィン１１１’は渦巻き状に形成されており、前記排出口１４から排出される流体は、冷却フィン１１１’によって形成された渦巻き通路を通って該渦巻き通路の出口１１２に至る。本スクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いる場合、固定スクロールを冷却して前記渦巻き通路出口１１２に至った空気が十分低い温度となるようにすることができるので、該渦巻き通路出口１１２から排出される空気を冷房用空気として利用することができる。
【００３４】
図８は図３の実施例のスクロール式流体機械を燃料電池に用いた場合の配管構成の概略を示す。同図において、エアフィルタ３１で清浄化されパイプ１１ａを通ってスクロール機械１０に吸入された空気は、スクロール機械の圧縮区域で圧縮され、パイプ１２ａを通って燃料電池３２の正極側に圧送される。該空気は圧送途中で必要に応じて冷却される。燃料電池３２から排出されたガスは、パイプ１３ａを通ってスクロールの中心部に吸入され、スクロール機械１０の膨張部で膨張してパイプ１４ａから排出される。前述したように、前記膨張部に吸入された燃料電池３２からの排出ガスは、該膨張部で膨張する際に膨張仕事をして旋回スクロールに回転力を与え、該回転動力は圧縮部における圧縮仕事を助けるように作用するので、圧縮部における圧縮仕事の一部は回収される。前記膨張部における膨張で温度が下がった前記排出ガスは、一部は固定スクロールの膨張部排出口１４（図３）から排出されて固定スクロールを冷却して外部に排出され、残りは旋回スクロールの膨張部排出口１０３（図３）から旋回スクロール端板２’背面に流出して旋回スクロールを冷却した後ハウジングの穴１０４（図３）から電動機２０内に流入して電動機を冷却し、排出口１０７から排出される。なお、図１の実施例のスクロール式流体機械も燃料電池に適用できる。
【００３５】
図９は図１の実施例のスクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いた場合の配管構成の概略を示す。この場合は図８における燃料電池の代わりに空気冷却器３３が配設され、スクロール機械１０の圧縮部で圧縮された空気は該空気冷却器に導かれて冷却媒体との熱交換により冷却され、該冷却された空気がスクロール機械１０の膨張部に導かれて膨張される際に旋回スクロールに対して仕事をする結果、該膨張部排出口１４からパイプ１４ａを通って排出される膨張空気はエアフィルタ３１を通って吸入された空気よりも低温の空気となっており、該膨張空気が冷房用に用いられる。さらに前記膨張部で膨張した空気の一部は旋回スクロール側の排出口１０２から旋回スクロール背面側に流出して旋回スクロールを冷却後電動機２０内部に導かれてこれを冷却し、排出口１０７から外部に排出される。なお図３の実施例のスクロール式流体機械も空気膨張冷房装置用に適用できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に記述されるような効果を奏する。即ち、旋回スクロール端板の片面に設けた旋回スクロールラップと該旋回スクロールラップと噛合う固定スクロールラップによって形成される作動区域を内側及び外側仕切り壁によって圧縮作動区域と膨張作動区域に仕切ることによって、圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械を構成するので、一台で圧縮部と膨張部を備える小型、軽量、低コストのスクロール式流体機械を得ることができ、特に自動車等の燃料電池や空気膨張冷房機に適する省エネルギのスクロール式流体機械を提供することができる。また、膨張作動区域での膨張により温度が降下した流体を利用して旋回スクロール、駆動電動機、及び固定スクロールの冷却を効果的に行うことができるので、これらを冷却するための冷却ファンを装備する必要がなくなり、機械の小型化、軽量化、コスト低減が可能となる。さらに、圧縮部、膨張部の吸入口、吐出口、排出口をすべて固定スクロール端板前面に集めることにより、配管がスクロール機械の外周から張り出すことがなく、配管による外形の増大を避けると共に美観上も有利に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面である。
【図２】 図１におけるＡ−Ａ断面図で補助クランク軸とその軸受けは取り除いてある。
【図３】 本発明の他の実施例に係わる電動機一体型スクロール式流体機械の概略構造を示す縦断面である。
【図４】 図１の実施例における旋回スクロール冷却フィンの正面形状の一実施例を示す図であ。
【図５】 図１の実施例における旋回スクロール冷却フィン正面形状の他の実施例を示す図である。
【図６】 図３の実施例における固定スクロール冷却フィンの正面形状の一実施例を示す図であり、図３におけるB矢視図である。
【図７】 図３の実施例における固定スクロール冷却フィン正面形状の他の実施例を示す図である。
【図８】 図３の実施例のスクロール式流体機械を燃料電池に用いた場合の配管構成の概略を示す図である。
【図９】 図１の実施例のスクロール式流体機械を空気膨張冷房装置に用いた場合の配管構成の概略を示す図である。
【符合の説明】
１ 固定スクロール
２ 旋回スクロール
３ ハウジング
７ 補助クランク
１０ スクロール機械
１１ 吸入口
１２ 吐出口
１３ 吸入口
１４ 排出口
２０ 電動機
２１ 回転軸
２２ 軸受け
２４ シール
２５ 後カバー
２６ ボルト
２７ 弾性リング
２８ 弾性リング
３１ エアフィルタ
３２ 燃料電池
３３ 空気冷却器
１０１ 中間仕切り壁
１０２ 外側仕切り壁
１０３ 排出口
１０４ 穴
１０５ 冷却フィン
１０６ 遮板
１０７ 排出口
１１１ 冷却フィン
１１２ 渦巻き通路出口
Claims (3)
- 固定スクロールラップを有する固定スクロールと旋回スクロールラップを有する旋回スクロールが対面し、旋回スクロールの旋回により吸入流体を圧縮するスクロールラップの一対と吸入流体を膨張させるスクロールラップの一対を設けたスクロール式流体機械において、
前記両対のスクロールラップ間は一方のスクロール端板に設けられた環状の中間仕切り壁で仕切られ、スクロール外周においては一方のスクロール端板に設けられた環状の外側仕切り壁で両スクロール間に形成されたスクロール室がスクロール室外部の空間と仕切られ、前記旋回スクロールの旋回により、前記環状の中間仕切り壁よりも外側区域のスクロールラップの対は外周側から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって圧縮され、内側区域のスクロールラップの対は中心部から流入した流体が前記中間仕切り壁側に向かって膨張するように形成され、前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと膨張部の排出穴を設け、前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を、前記排出穴から旋回スクロール背面側に排出させて旋回スクロール端板背面とスクロールハウジング壁の内側面との間の空間を前記旋回スクロール背面の冷却フィンに沿って外周側に向かって流すことにより、旋回スクロールを冷却することを特徴とする圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械。 - 前記旋回スクロールの端板の背面（旋回スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと背面遮板を設けて前記仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張し旋回スクロール端板の排出口から排出される流体が前記冷却フィンに沿って流れる通路を形成し、前記膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を前記通路に流して旋回スクロールを冷却し、旋回スクロール背面側のスクロールハウジングの壁に該壁外面側に直結されたスクロール駆動機に通じる流通穴を設けて該穴を通して前記背面遮板の外周で反転して背面遮板と壁面間の空間を中心方向に進む旋回スクロール冷却後の流体を前記駆動機に導いてこれを冷却することを特徴とする請求項１記載の圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械。
- 前記固定スクロールの端板前面（固定スクロールラップと反対側面）に冷却フィンと前面遮板を設けて前記中間仕切り壁より内側区域の膨張部で膨張し固定スクロール端板の排出口から排出される流体が前記冷却フィンに沿って流れる通路を形成し、該通路に前記膨張して温度が降下した流体の少なくとも一部を流して固定スクロールを冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮部と膨張部を備えたスクロール式流体機械。
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