(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
らせん状の歯溝が形成され、当該歯溝空間内に流体を取り込んで圧縮するロータと、
前記ロータで圧縮された流体を吐出する吐出ポートと、
前記吐出ポートと前記ロータの歯溝空間とを連通するバイパス通路とを備えた燃料電池用リショルム圧縮機において、
前記吐出ポートに面する前記バイパス通路の出口部を、前記吐出ポートに突き出たパイプ形状とし、当該パイプ形状のバイパス通路出口部の端部外周部に、先端に向かって細くなるテーパを付けたことを特徴とする燃料電池用リショルム圧縮機。
【請求項２】
前記ロータの歯溝空間に面するバイパス通路入口を、内部へ向かうほど狭くなるテーパ形状に面取りしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用リショルム圧縮機。
【請求項３】
前記ロータの歯溝空間に面するバイパス通路入口を、内部へ向かうほど狭くなるベルマウス形状にしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用リショルム圧縮機。
【請求項４】
前記バイパス通路出口部のバイパス通路中心線を、吐出ポート中心線の垂直面に対して前記吐出ポートの下流側に傾けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用リショルム圧縮機。
【請求項５】
前記バイパス通路の内部に、前記ロータの歯溝空間から前記吐出ポートへは流れやすく前記吐出ポートから前記ロータの歯溝空間へは流れにくくなる方向に流体ダイオードを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用リショルム圧縮機。
【請求項６】
前記吐出ポートにおける吐出ポート中心線の垂直面上の断面積を、前記バイパス通路の出口位置で最小とし、前記バイパス通路の出口位置から圧縮空気の流れの上流および下流に向かって大きくしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用リショルム圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に圧縮空気を供給するリショルム圧縮機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリショルム圧縮機としては、例えば図１１に示す特開平７−２３３７３０号公報記載のスクリュ形エアコンプレッサが知られている。
【０００３】
これは、エンジン過給用のリショルム圧縮機であって、圧縮機に要求される吐出圧力が低いときは、スプール弁１０１を開いて、圧縮途中の空気をロータ１０３の歯溝空間（以下「ロータ歯溝空間」という）１０５からバイパス通路１０７を経由して吐出ポート１０９にバイパスさせ、圧縮機に要求される吐出圧力が高いときは、スプール弁１０１を閉じて、圧縮空気が吐出ポート１０９からバイパス通路１０７を経由してロータ歯溝空間１０５に逆流することを防止することで、広い圧力域で高い効率を得るようにしたものである。なお、図１１中、符号「１１１」はハウジング、「１１３」は吸込ポート、「１１５」は吸気、「１１７」は吐出空気（圧縮空気）である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のリショルム圧縮機を燃料電池に用いた場合、次のような問題があった。
【０００５】
一般に、燃料電池用圧縮機に要求される圧力の領域は、低圧から高圧まで非常に広い。特に高圧側の圧力は、エンジン用の過給圧が８０ｋＰａＧ以下であるのに対し、燃料電池用の過給圧は２００ｋＰａＧと非常に高く、この時の圧縮空気の温度は最高で２００℃以上もの高温になるため、燃料電池用圧縮機は低温から高温まで非常に広い温度域で運転される。ところが、スプール弁１０１は密閉性が要求されるためにバイパス通路１０７との隙間が非常に狭くなっているので、燃料電池用圧縮機のように非常に広い温度域で使用された場合、かじりやすく、すなわち、摺動部に引っかき傷が付きやすく、弁作動の信頼性が低下する。
【０００６】
また、燃料電池はオイル被毒によって破損するためにスプール弁１０１をオイルで潤滑することができない。このため、弁作動の信頼性はさらに低下する。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、スプール弁を用いることなく低圧から高圧まで広い圧力域で高い効率を得ることができ、かつ、信頼性の高い運転を行うことができる燃料電池用リショルム圧縮機を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、らせん状の歯溝が形成され、当該歯溝空間内に流体を取り込んで圧縮するロータと、前記ロータで圧縮された流体を吐出する吐出ポートと、前記吐出ポートと前記ロータの歯溝空間とを連通するバイパス通路とを備えた燃料電池用リショルム圧縮機において、前記吐出ポートに面する前記バイパス通路の出口部を、前記吐出ポートに突き出たパイプ形状とし、当該パイプ形状のバイパス通路出口部の端部外周部に、先端に向かって細くなるテーパを付けたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ロータの歯溝空間に面するバイパス通路入口を、内部へ向かうほど狭くなるテーパ形状に面取りしたことを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記ロータの歯溝空間に面するバイパス通路入口を、内部へ向かうほど狭くなるベルマウス形状にしたことを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記バイパス通路出口部のバイパス通路中心線を、吐出ポート中心線の垂直面に対して前記吐出ポートの下流側に傾けたことを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記バイパス通路の内部に、前記ロータの歯溝空間から前記吐出ポートへは流れやすく前記吐出ポートから前記ロータの歯溝空間へは流れにくくなる方向に流体ダイオードを設けたことを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、前記吐出ポートにおける吐出ポート中心線の垂直面上の断面積を、前記バイパス通路の出口位置で最小とし、前記バイパス通路の出口位置から圧縮空気の流れの上流および下流に向かって大きくしたことを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、ロータの歯溝空間内の流体を吐出ポートにバイパスするバイパス通路を備えた燃料電池用リショルム圧縮機において、吐出ポートに面するバイパス通路の出口部を、吐出ポートに突き出たパイプ形状とし、当該パイプ形状のバイパス通路出口部の端部外周部に、先端に向かって細くなるテーパを付けたことで、ロータの歯溝空間からバイパス通路を経由して吐出ポートへバイパスする流体は流れやすく、吐出ポートからバイパス通路を経由してロータの歯溝空間へ逆流する流体は流れにくくなるため、スプール弁を用いることなく低圧から高圧まで広い圧力域で高い効率を得ることができ、かつ、弁体が存在しないため、燃料電池用圧縮機のようにオイルを使用することができずしかも低温から高温まで非常に広い温度域で使用される圧縮機においても、信頼性の高い運転を行うことができる。
【００１５】
請求項２記載の本発明によれば、ロータの歯溝空間に面するバイパス通路入口を、内部へ向かうほど狭くなるテーパ形状に面取りしたことで、低吐出圧運転時における効率をより一層向上することができる。
【００１６】
請求項３記載の本発明によれば、ロータの歯溝空間に面するバイパス通路入口を、内部へ向かうほど狭くなるベルマウス形状にしたことで、低吐出圧運転時における効率をさらにより一層向上することができる。
【００１７】
請求項４記載の本発明によれば、バイパス通路出口部のバイパス通路中心線を、吐出ポート中心線の垂直面に対して吐出ポートの下流側に傾けたことで、高吐出圧運転時における効率をより一層向上することができる。
【００１８】
請求項５記載の本発明によれば、バイパス通路の内部に、ロータの歯溝空間から吐出ポートへは流れやすく吐出ポートからロータの歯溝空間へは流れにくくなる方向に流体ダイオードを設けたことで、高吐出圧運転時における効率をより一層向上することができる。
【００１９】
請求項６記載の本発明によれば、吐出ポートにおける吐出ポート中心線の垂直面上の断面積を、バイパス通路の出口位置で最小とし、バイパス通路の出口位置から圧縮空気の流れの上流および下流に向かって大きくしたことで、低圧から高圧までの圧力全域でより一層高い効率を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【００２２】
図１に示すように、リショルム圧縮機のケーシング１には、流体としての空気を吸い込む吸込ポート３と、らせん状の歯溝が形成され、当該歯溝空間７内に吸込ポート３に吸い込まれた空気を取り込んで圧縮するロータ５と、ロータ５で圧縮された空気を吐出する吐出ポート９と、吐出ポート９とロータ５の歯溝空間（ロータ歯溝空間）７とを連通するバイパス通路１１とが設けられている。吐出ポート９に面するバイパス通路出口部１３は、吐出ポート９に突き出たパイプ形状をしており、その端部の外周部には、先端つまりバイパス通路出口１５に向かって細くなるテーパが付けられている。ロータ歯溝空間７に面するバイパス通路入口１７は、面に開いた孔である。なお、本実施の形態では、図２の詳細図に示すように、バイパス通路入口１７は、面取りされていない。
【００２３】
図１において、空気は、ロータ５の回転に伴い、吸込ポート３に吸気１９として吸い込まれ、ロータ５で圧縮された後、吐出ポート９から圧縮空気２１として吐出される。その際、圧縮機に要求される吐出圧力に応じて、ロータ歯溝空間７内の空気（圧縮途中の空気）の一部がバイパス通路１１を通って吐出ポート９にバイパスされる。
【００２４】
次に、図３に示す空気の流れの模式図を参照して、バイパス通路出口部１３の形状に基づく作用を説明する。なお、図３（Ａ）は、バイパス通路出口部１３がテーパ付けられたパイプ形状をしている場合の空気の流れの模式図であり、図３（Ｂ）は、比較のために単に面に開いた垂直な孔形状をしている場合の空気の流れの模式図である。
【００２５】
まず、圧縮機の吐出圧力つまり吐出ポート９内の圧力がロータ歯溝空間７内の圧力よりも低い場合、ロータ歯溝空間７内の圧縮途中の空気がバイパス通路１１を通って圧力の低い吐出ポート９に流れ込むため、これ以上の圧縮は行われない。このため、低い吐出圧力において高い効率が得られる。
【００２６】
一方、圧縮機の吐出圧力つまり吐出ポート９内の圧力がロータ歯溝空間７内の圧力よりも高い場合、吐出ポート９内の圧縮空気は、圧力の低いロータ歯溝空間７の方へ逆流しようとする。しかし、吐出ポート９に面するバイパス通路出口部１３が、先端に向かって細くなるようにテーパ付けられたパイプ形状をしているため、このようなテーパ付きパイプ形状の場合は、図３（Ａ）に示すように、図３（Ｂ）に示す垂直な孔形状の場合の空気の流れに対して、縮流（流れの断面積が狭められる現象）２３が発達し、圧力損失が非常に大きくなる。したがって、吐出ポート９からバイパス通路１１の方へ逆流する空気は、バイパス通路出口部１３の付近で縮流２３が発達して流れにくくなる。
【００２７】
すなわち、ロータ歯溝空間７から吐出ポート９へ流れるよりも吐出ポート９からロータ歯溝空間７へ逆流する方が、圧力損失が非常に大きくなる。このため、吐出ポート９からロータ歯溝空間７への逆流が抑えられるため、バイパス通路１１を弁で閉じるのと同じ効果が得られ、吐出圧力が高いときにおいても高い効率が得られる。
【００２８】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、吐出ポート９に面するバイパス通路出口部１３を、吐出ポート９に突き出たパイプ形状とし、当該パイプ形状のバイパス通路出口部１３の端部外周部に、先端に向かって細くなるテーパを付けたことで、ロータ歯溝空間７からバイパス通路１１を経由して吐出ポート９へバイパスする空気は流れやすく、吐出ポート９からバイパス通路１１を経由してロータ歯溝空間７へ逆流する空気は流れにくくなるため、スプール弁を用いることなく低圧から高圧まで広い圧力域で高い効率を得ることができる。同時に、弁体が存在しないため、燃料電池用圧縮機のようにオイルを使用することができずしかも低温から高温まで非常に広い温度域で使用される圧縮機においても、信頼性の高い運転を行うことができる。
【００２９】
また、弁体が存在しないため、バルブの切替え音が発生せず低騒音化を図ることができ、また、低コスト化、小型・軽量化を図ることができ、さらに、整備性の向上をも図ることができる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用リショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００３１】
第２の実施の形態の特徴は、図４に示すように、ロータ歯溝空間７に面するバイパス通路入口１７ａを、図５の詳細図に示すようなテーパ形状に面取りして（テーパ部２５）、バイパス通路１１の内部へ向かうほど通路断面積が狭くなるようにしたことにある。
【００３２】
このように、バイパス通路入口１７ａをテーパ形状に面取りした場合、図２に示す第１の実施の形態に対応する面取りなしの形状の場合に比べて、圧力損失係数が約１／２と低くなるので、ロータ歯溝空間７内の空気はバイパス通路１１を通って吐出ポート９へさらにバイパスしやすくなる。
【００３３】
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、バイパス通路入口１７ａを内部へ向かうほど狭くなるテーパ形状に面取りしたことで、低吐出圧運転時における効率をより一層向上することができる。
【００３４】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。なお、第３の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用リショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００３５】
第３の実施の形態の特徴は、図６に示すように、ロータ歯溝空間７に面するバイパス通路入口１７ｂを、図７の詳細図に示すようないわゆるベルマウス形状にして（ベルマウス部２７）、バイパス通路１１の内部へ向かうほど通路断面積が狭くなるようにしたことにある。
【００３６】
このように、バイパス通路入口１７ｂをベルマウス形状にした場合、図２に示す第１の実施の形態に対応する面取りなしの形状の場合に比べて、圧力損失係数が約１／１０〜１／１００と低くなるので、第２の実施の形態と比べても、ロータ歯溝空間７内の空気はバイパス通路１１を通って吐出ポート９へさらにバイパスしやすくなる。
【００３７】
この結果、第３の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、バイパス通路入口１７ｂを内部へ向かうほど狭くなるベルマウス形状にしたことで、低吐出圧運転時における効率をさらにより一層向上することができる。
【００３８】
（第４の実施の形態）
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。なお、第４の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用リショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００３９】
第４の実施の形態の特徴は、図８に示すように、バイパス通路出口部１５付近のバイパス通路中心線２９を吐出ポート中心線３１の垂直面３３に対して吐出ポート９の下流側に傾けたことにある。
【００４０】
この場合、バイパス通路１１ａの出口１５は吐出ポート９内の圧縮空気の流れの下流方向に斜めに開口されているので、バイパス通路１１ａから吐出ポート９へは流れやすいが、吐出ポート９からバイパス通路１１ａへの逆流については、吐出ポート９内の圧縮空気の流れが急激につまり鋭角的に曲がらなければバイパス通路１１ａに流入することができないため、逆流しにくくなる。
【００４１】
この結果、第４の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、バイパス通路出口部１３付近のバイパス通路中心線２９を吐出ポート中心線３１の垂直面３３に対して吐出ポート９の下流側に傾け、バイパス通路１１ａの出口１５を吐出ポート９内の圧縮空気の流れの下流方向に斜めに開口したことで、高吐出圧運転時における効率をより一層向上することができる。
【００４２】
（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。なお、第５の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用リショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４３】
第５の実施の形態の特徴は、図９に示すように、バイパス通路１１ｂの内部に、ロータ歯溝空間７から吐出ポート９へは流れやすく吐出ポート９からロータ歯溝空間７へは流れにくくなる方向に流体ダイオード（流体の逆流に対する抵抗が著しく大きい流路の形状を持つもの）３５を設けたことにある。
【００４４】
このように、流体ダイオード３５を設けた場合、吐出ポート９からロータ歯溝空間７への逆流がより一層起こりにくくなる。
【００４５】
この結果、第５の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、バイパス通路１１ｂの内部に、ロータ歯溝空間７から吐出ポート９へは流れやすく吐出ポート９からロータ歯溝空間７へは流れにくくなる方向に流体ダイオード３５を設けたことで、高吐出圧運転時における効率をより一層向上することができる。
【００４６】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。なお、第６の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池用リショルム圧縮機と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４７】
第６の実施の形態の特徴は、図１０に示すように、吐出ポート９ａにおける吐出ポート中心線３７の垂直面上の断面積を、バイパス通路１１の出口１５位置で最小とし、バイパス通路１１の出口１５位置から圧縮空気の流れの上流および下流に向かって徐々に大きくしたことにある。
【００４８】
このように、吐出ポート９ａ内の断面積を変化させた場合、吐出ポート９ａ内を流れる圧縮空気はバイパス通路出口１５付近で流速が最も速くなるため、バイパス通路出口１５付近で静圧が最も低くなる。このため、吐出圧力が比較的低い場合は、ロータ歯溝空間７内の空気は積極的に吐出ポート９ａへバイパスされるが、吐出圧力が比較的高い場合は、吐出ポート９ａ内の空気はロータ歯溝空間７へ逆流しにくくなる。
【００４９】
この結果、第６の実施の形態に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効果に加えて、吐出ポート９ａにおける吐出ポート中心線３７の垂直面上の断面積を、バイパス通路１１の出口１５位置で最小とし、バイパス通路１１の出口１５位置から圧縮空気の流れの上流および下流に向かって徐々に大きくしたことで、低圧から高圧までの圧力全域でより一層高い効率を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料電池用リショルム圧縮機のバイパス通路入口の詳細図である。
【図３】バイパス通路出口部の形状に基づく作用を説明するための空気の流れの模式図であって、同図（Ａ）は、バイパス通路出口部がテーパ付けられたパイプ形状をしている場合を示し、同図（Ｂ）は、比較のために単に面に開いた垂直な孔形状をしている場合を示している。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【図５】第２の実施の形態の燃料電池用リショルム圧縮機のバイパス通路入口の詳細図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【図７】第３の実施の形態の燃料電池用リショルム圧縮機のバイパス通路入口の詳細図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態に係る燃料電池用リショルム圧縮機を示す図である。
【図１１】従来のリショルム圧縮機を示す図である。
【符号の説明】
１  ケーシング
３  吸込ポート
５  ロータ
７  歯溝空間
９，９ａ  吐出ポート
１１，１１ａ，１１ｂ  バイパス通路
１３  バイパス通路出口部
１５  バイパス通路出口
１７，１７ａ，１７ｂ  バイパス通路入口
３５  流体ダイオード
【図１】
0003543733.tif 000002
【図２】
0003543733.tif 000003
【図３】
0003543733.tif 000004
【図４】
0003543733.tif 000005
【図５】
0003543733.tif 000006
【図６】
0003543733.tif 000007
【図７】
0003543733.tif 000008
【図８】
0003543733.tif 000009
【図９】
0003543733.tif 000010
【図１０】
0003543733.tif 000011
【図１１】
0003543733.tif 000012