(57)【要約】【課題】運転時におけるクリアランス変化を抑制し、性能の向上を図ることができる電動ルーツ型圧縮機を提供する。【解決手段】電動ルーツ型圧縮機１０の駆動軸２１と、従動軸２２と、駆動ギア２５と、従動ギア２６と、駆動ロータ２７と、従動ロータ２８と、ロータハウジング１３とを、ベアリング２３の構成材料と同種材料で形成する。すなわち、ベアリング２３の構成材料をステンレス鋼とした場合、これらの各構成部材もステンレス鋼で形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータによって駆動される駆動軸と該駆動軸にギア連結された従動軸とがベアリングを介してハウジングに軸支され、該ハウジングには各軸に取付けられたロータが収容される圧縮室が形成されており、前記ロータの回転によって前記圧縮室内に吸引した流体を圧縮して吐出する電動ルーツ型圧縮機において、
前記駆動軸と、前記従動軸と、前記ギアと、前記ロータと、前記ハウジングのうち少なくとも前記ベアリングを支持する支持部とを、前記ベアリングの構成材料と同種材料で形成したことを特徴とする電動ルーツ型圧縮機。
【請求項２】
前記ハウジングは、前記支持部を含めてその全体が前記ベアリングの構成材料と同種材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動ルーツ型圧縮機。
【請求項３】
燃料電池に酸素と水素を供給し、発電させる燃料電池システムの水素循環経路に配置され、前記燃料電池にて酸素と反応しなかった水素を前記燃料電池に再び圧縮供給するために用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電動ルーツ型圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動ルーツ型圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動ルーツ型圧縮機は、駆動軸に従動軸がギア連結され、各軸に取付けられたロータを圧縮室内で回転させることにより圧縮室に吸引した流体を圧縮して吐出するものである。この種の圧縮機では、運転時に圧縮室の内周と各ロータ及びロータ同士が直接摺接することを防止するために適度なクリアランスが設定されている。しかしながら、圧縮機では、運転時の温度変化による圧縮機の構成部材の寸法変化に起因してクリアランス変化が生じ、流体の漏洩量が増加してしまう虞があった。そこで、従来、クリアランスを良好に維持する目的で、特許文献１に記載の発明が提案された。特許文献１では、各ロータと、軸受（ベアリング）を支持する軸受部と、タイミングギアとを熱膨張係数が同等な材料で形成している。
【特許文献１】特開平４−２９８６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、近時においては地球温暖化を抑制する意識が高まり、特に車両から排出される二酸化炭素の低減を目的として燃料電池自動車などの水素を燃料とした水素自動車の開発が盛んに行われている。このような燃料電池自動車には、燃料電池に酸素と水素を供給して発電させる燃料電池システムが搭載されており、該燃料電池システムに水素を供給するポンプとして電動ルーツ型圧縮機が用いられるようになった。しかしながら、水素は、その分子量が小さいことから漏洩しやすい。このため、電動ルーツ型圧縮機の運転時に大きなクリアランス変化が生じてしまった場合には、そのクリアランス変化によってさらなる漏洩が生じ、燃料電池システムの性能を低下させてしまう虞がある。このようなことから、電動ルーツ型圧縮機では、運転時におけるクリアランス変化をさらに小さくすることが要求されている。
【０００４】
この発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、運転時におけるクリアランス変化を抑制し、性能の向上を図ることができる電動ルーツ型圧縮機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の電動ルーツ型圧縮機は、電動モータによって駆動される駆動軸と該駆動軸にギア連結された従動軸とがベアリングを介してハウジングに軸支され、該ハウジングには各軸に取付けられたロータが収容される圧縮室が形成されており、前記ロータの回転によって前記圧縮室内に吸引した流体を圧縮して吐出する電動ルーツ型圧縮機において、前記駆動軸と、前記従動軸と、前記ギアと、前記ロータと、前記ハウジングのうち少なくとも前記ベアリングを支持する支持部とを、前記ベアリングの構成材料と同種材料で形成したものである。
【０００６】
これによれば、駆動軸と、従動軸と、ギアと、ロータと、ハウジングのうち少なくともベアリングを支持する支持部とがベアリングと同種材料で形成されるので、これらの構成部材の熱膨張係数が同等に設定されることになる。このため、運転時においては、温度変化に伴う電動ルーツ型圧縮機の構成部材の膨張度合が同一となる。その結果、各構成部材は、運転時において同様の寸法変化が生じることになるので、各ロータ間及び各ロータと圧縮室間のクリアランスを設計段階で設定したクリアランスに維持し得る。したがって、運転時におけるクリアランス変化が抑制され、電動ルーツ型圧縮機の性能が向上される。
【０００７】
また、ハウジングは、前記支持部を含めてその全体が前記ベアリングの構成材料と同種材料で形成しても良い。この場合には、ハウジング全体を１種類の材料で形成し得るので製造が容易となる。
【０００８】
また、この発明の電動ルーツ型圧縮機は、燃料電池に酸素と水素を供給し、発電させる燃料電池システムの水素循環経路に配置され、前記燃料電池にて酸素と反応しなかった水素を前記燃料電池に再び圧縮供給するために用いられる。これによれば、本発明の電動ルーツ型圧縮機は、クリアランス変化が抑制されているので、水素のように分子量が小さく漏洩しやすい流体を圧縮供給する場合であっても、その漏洩が抑えられる。したがって、本発明の電動ルーツ型圧縮機を燃料電池システムの水素循環経路に配置することにより、燃料電池システムの性能が向上される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、運転時におけるクリアランス変化を抑制し、性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１に示すように、本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０は、圧縮部１１と駆動部１２とから構成されている。圧縮部１１は、ハウジングとしてのロータハウジング１３にギアハウジング１４が接合固定されて形成されている。ロータハウジング１３は、第１ハウジング１３ａと第２ハウジング１３ｂとを有している。そして、ロータハウジング１３には、第１ハウジング１３ａと第２ハウジング１３ｂとが接合固定されることによって圧縮室１５が形成されるようになっている。また、ギアハウジング１４には、該ギアハウジング１４とロータハウジング１３の第２ハウジング１３ｂとが接合固定されることによってギア室１６が形成されるようになっている。
【００１１】
一方、駆動部１２は、ギアハウジング１４にモータハウジング１７が接合固定されて形成されている。モータハウジング１７には、該モータハウジング１７とギアハウジング１４とが接合固定されることによってモータ室１８が形成されるようになっている。モータ室１８には、電動モータ１９が収容される。本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０では、圧縮室１５とモータ室１８との間にギア室１６が配置されている。
【００１２】
また、本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０には、駆動軸２１と該駆動軸２１に平行な従動軸２２とが設けられている。駆動軸２１は、ロータハウジング１３（第１ハウジング１３ａと第２ハウジング１３ｂ）とモータハウジング１７にベアリング２３を介して回転可能に軸支されている。また、従動軸２２は、ロータハウジング１３（第１ハウジング１３ａと第２ハウジング１３ｂ）にベアリング２３を介して回転可能に軸支されている。第１ハウジング１３ａと第２ハウジング１３ｂには、駆動軸２１と従動軸２２とが軸支されるベアリング２３を嵌め込む嵌込孔２４が設けられている。ベアリング２３は、嵌込孔２４に嵌め込まれることにより、ロータハウジング１３に支持される。また、ギア室１６には、駆動軸２１に固定されたギアとしての駆動ギア２５と従動軸２２に固定されたギアとしての従動ギア２６とが噛合連結された状態で収容されている。駆動軸２１と従動軸２２は、駆動ギア２５と従動ギア２６によってギア連結されている。
【００１３】
また、駆動軸２１には、圧縮室１５に収容される駆動ロータ２７が取付け固定されている。また、従動軸２２には、圧縮室１５に収容される従動ロータ２８が取付け固定されている。駆動ロータ２７と従動ロータ２８は、駆動軸２１と従動軸２２の軸方向に直交する断面視が双葉状（瓢箪状）に形成されている。また、駆動ロータ２７には、二条の山歯２７ａが形成され、両山歯２７ａの間には谷歯２７ｂが形成されている。また、従動ロータ２８には、二条の山歯２８ａが形成され、両山歯２８ａの間には谷歯２８ｂが形成されている。そして、駆動ロータ２７と従動ロータ２８は、駆動ロータ２７の山歯２７ａを従動ロータ２８の谷歯２８ｂに噛合させた状態で圧縮室１５に収容されている（図２参照）。また、駆動ロータ２７と従動ロータ２８は、両ロータ２７，２８同士が直接摺接することを防止するために両ロータ２７，２８の噛合部位にクリアランスＣＬを形成して収容されている（図２参照）。また、駆動ロータ２７と従動ロータ２８は、圧縮室１５の内周面１５ａに直接摺接することを防止するためにクリアランスＣＬを形成して収容されている（図１、図２参照）。各ロータ２７，２８と圧縮室１５の内周面１５ａとのクリアランスＣＬには、図１に示す駆動軸２１と従動軸２２の軸方向（アキシャル方向）に形成されるクリアランスＣＬと、図２に示す駆動軸２１と従動軸２２の径方向（ラジアル方向）に形成されるクリアランスＣＬとがある。
【００１４】
また、ロータハウジング１３（第１ハウジング１３ａ）には、流体を圧縮室１５に吸引する吸入口３１と、該吸入口３１の対向位置に圧縮室１５で圧縮された流体を吐出する吐出口３２が形成されている。
【００１５】
このように構成された電動ルーツ型圧縮機１０では、電動モータ１９の駆動によって駆動軸２１が回転することにより、駆動ギア２５と従動ギア２６との噛合連結を通じて従動軸２２が駆動軸２１とは異なる方向へ回転する。すると、圧縮室１５内では、駆動ロータ２７と従動ロータ２８が、駆動軸２１と従動軸２２とが有する位相差（９０度）をもって同期回転する。そして、流体は、駆動ロータ２７と従動ロータ２８の同期回転に伴って吸入口３１から圧縮室１５へ吸入される。圧縮室１５に吸入された流体は、両ロータ２７，２８の外面と圧縮室１５の内周面１５ａとが協働することにより、圧縮室１５にて圧縮される。この圧縮された流体は、吐出口３２から圧縮室１５外へ吐出される。
【００１６】
そして、本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０では、駆動軸２１と、該駆動軸２１に取付けられる駆動ギア２５、駆動ロータ２７及びベアリング２３と、従動軸２２と、該従動軸２２に取付けられる従動ギア２６、従動ロータ２８及びベアリング２３と、ロータハウジング１３とが全て同種材料で形成されている。より詳しく言えば、前述した各構成部材は、ベアリング２３の構成材料と同種材料で形成されている。本実施形態では、ベアリング２３の構成材料を鉄系材料であるＳＵＳ４４０Ｃ（マルテンサイト系ステンレス鋼）としている。このため、前述した各構成部材は、ベアリング２３の構成材料であるＳＵＳ４４０Ｃにて形成されている。
【００１７】
前述した各構成部材は、同種材料で形成されているので、熱膨張係数が同等に設定されることになる。そして、熱膨張係数を同等に設定した場合、各構成部材は、電動ルーツ型圧縮機１０の運転時において温度変化に伴う膨張度合が同一となる。
【００１８】
次に、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム３５を図３に基づき説明する。図３は、燃料電池システム３５を模式的に示している。
燃料電池システム３５は、燃料電池３６と、酸素供給手段３７と、水素供給手段３８とを備えている。燃料電池３６は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段３７から供給される酸素と水素供給手段３８から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。酸素供給手段３７は、圧縮空気を供給するためのコンプレッサ３９と該コンプレッサ３９に接続された加湿器４０とからなる。そして、酸素供給手段３７は、加湿器４０に接続される管路４１を介して燃料電池３６の酸素供給ポート（図示しない）に接続される。
【００１９】
また、水素供給手段３８は、水素源（水素ガス供給源）となる水素タンク４２と水素循環用のポンプとなる本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０とからなる。燃料電池システム３５では、燃料電池３６で使用されなかった水素ガス（いわゆる水素オフガス）を燃料電池３６に再び圧縮供給するために電動ルーツ型圧縮機１０が設けられている。電動ルーツ型圧縮機１０は、燃料電池３６の水素供給ポート（図示しない）に管路４３を介して接続されるとともに、燃料電池３６の水素排出ポート（図示しない）に管路４４を介して接続される。水素タンク４２は、レギュレータ（図示しない）を有する管路４５を介して管路４３に接続される。そして、燃料電池システム３５では、電動ルーツ型圧縮機１０と管路４３，４４とにより、燃料電池３６で使用されなかった水素オフガスを水素タンク４２から供給される水素ガスとともに燃料電池３６に供給可能な水素循環経路が構成される。
【００２０】
このように構成された燃料電池システム３５では、水素と酸素の反応による発電に伴い生成された水分を含む水素オフガスが燃料電池３６から排出される。この水素オフガスは、電動ルーツ型圧縮機１０の運転により、管路４４を介して吸入口３１から圧縮室１５内へ吸入される。そして、吸入された水素オフガスは、圧縮室１５内で圧縮された後、吐出口３２から管路４３に吐出されて燃料電池３６に再び供給される。
【００２１】
従って、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）電動ルーツ型圧縮機１０の構成部材、特に圧縮部１１に係る構成部材である駆動軸２１と、従動軸２２と、ベアリング２３と、駆動ギア２５と、従動ギア２６と、駆動ロータ２７と、従動ロータ２８と、ロータハウジング１３とを同種材料で形成した。詳しくは、これらの構成部材をベアリング２３の構成材料（本実施形態ではＳＵＳ４４０Ｃ）と同種材料で形成した。このため、前述した各構成部材は、その熱膨張係数が同等に設定され、電動ルーツ型圧縮機１０の運転時において温度変化に伴う膨張度合が同一とされる。その結果、各構成部材は、運転時に同様の寸法変化が生じることから、駆動ロータ２７と従動ロータ２８間のクリアランスＣＬ、及び各ロータ２７，２８と圧縮室１５間のクリアランスＣＬを設計段階で設定したクリアランスＣＬに維持できる。したがって、運転時におけるクリアランス変化を抑制し、電動ルーツ型圧縮機１０の性能を向上させることができる。
【００２２】
（２）また、各構成部材を同種材料で形成することによってクリアランスＣＬが維持されるので、運転時の温度変化に伴うクリアランス変化による駆動ロータ２７と従動ロータ２８との接触や各ロータ２７，２８と圧縮室１５の内周面１５ａとの接触を防止できる。例えば、駆動軸２１や従動軸２２が温度変化によって偏移動し、その移動に伴うクリアランス変化によって、各ロータ２７，２８と圧縮室１５の内周面１５ａが接触してしまうことを防止できる。本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０では、各ロータ２７，２８同士の接触、各ロータ２７，２８における駆動軸２１と従動軸２２の径方向に沿う側面と圧縮室１５の内周面１５ａの接触、及び各ロータ２７，２８における駆動軸２１と従動軸２２の軸方向に沿う側面と圧縮室１５の内周面１５ａの接触を防止できる。
【００２３】
（３）また、各構成部材を同種材料で形成することにより、設計効率の向上を図ることができる。例えば、各構成部材は、同様の寸法変化が生じるので、各構成部材を組み付ける際のしめ代などの設定を、温度に応じた膨張度合を考慮せずに行うことができる。すなわち、電動ルーツ型圧縮機１０の設計を、運転時における各構成部材の寸法変化を考慮せに行うことができる。
【００２４】
（４）ロータハウジング１３全体をベアリング２３の構成材料と同種材料で形成した。このため、ハウジング全体を１種類の材料で形成し得るので製造が容易となる。
（５）各構成部材をベアリング２３の構成材料（ステンレス鋼）で形成した。このため、各構成部材の腐食性を向上させることができる。特に、電動ルーツ型圧縮機１０を燃料電池システム３５の水素循環経路に配置する場合、電動ルーツ型圧縮機１０には、燃料電池３６にて酸素と反応しなかった水素（水素オフガス）が吸入されることになる。水素オフガスは、燃料電池３６の発電に伴い生成された生成水を含んでいる。したがって、各構成部材をベアリング２３の構成材料で形成することは、前述したクリアランス変化の抑制による性能向上とともに腐食性も向上されることになるので有効である。
【００２５】
（６）電動ルーツ型圧縮機１０を、燃料電池システム３５の水素循環経路に使用される水素循環用のポンプとして用いた。本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０では、クリアランス変化が抑制されているので、水素のように分子量が小さく漏洩しやすい流体を圧縮供給する場合であっても、その漏洩が抑えられる。したがって、本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０を燃料電池システム３５の水素循環経路に配置することにより、燃料電池システム３５の性能を向上させることができる。
【００２６】
（７）また、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システム３５では、小容量タイプで小型の圧縮機が用いられる。このため、各構成部材をベアリング２３の構成材料で形成した場合であっても、電動ルーツ型圧縮機１０の重量やコストを大幅に増加させることなく製造できる。すなわち、電動ルーツ型圧縮機１０の重量やコストを加味して一部をアルミニウムなどの材料で形成する必要がなく、本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０のように前述した各構成部材をベアリング２３の構成材料で形成でき、クリアランスＣＬを良好に維持しつつ、さらなる性能向上を図ることができる。
【００２７】
（８）ギア室１６を、圧縮室１５とモータ室１８との間に配置した。この配置によれば、圧縮室１５内の流体が漏れたとしても、該流体はギア室１６に漏洩することになる。すなわち、モータ室１８に漏洩されない。このため、流体として水素を用いた場合において、電動モータ１９が水素脆性によって磁力低下を招いてしまうという事態を回避できる。したがって、本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０は、燃料電池システム３５の水素循環経路に使用される水素循環用のポンプとして好ましい構成である。
【００２８】
（第２の実施形態）
以下、本発明を具体化した第２の実施形態を図４にしたがって説明する。なお、以下に説明する実施形態では、既に説明した実施形態と同一構成については同一符号を付し、その重複する説明を省略又は簡略する。
【００２９】
本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０では、圧縮室１５を形成するロータハウジング５０の構成が第１の実施形態におけるロータハウジング１３の構成とは異なっている。すなわち、本実施形態のロータハウジング５０は、第１ハウジング５０ａと、第２ハウジング５０ｂと、第３ハウジング５０ｃとを有し、第１〜第３ハウジング５０ａ〜５０ｃの３つを組み付けることによって圧縮室１５が形成される。第２ハウジング５０ｂと第３ハウジング５０ｃには、駆動軸２１と従動軸２２とが軸支されるベアリング２３を嵌め込む嵌込孔２４が設けられている。
【００３０】
本実施形態の電動ルーツ型圧縮機１０では、駆動軸２１と、該駆動軸２１に取付けられる駆動ギア２５と、駆動ロータ２７及びベアリング２３と、従動軸２２と、該従動軸２２に取付けられる従動ギア２６、従動ロータ２８及びベアリング２３と、第２ハウジング５０ｂと、第３ハウジング５０ｃとがベアリング２３の構成材料と同種材料で形成されている。より詳しく言えば、ロータハウジング５０のうち、第２ハウジング５０ｂと第３ハウジング５０ｃは、ベアリング２３の構成材料であるＳＵＳ４４０Ｃで形成され、第１ハウジング５０ａは、ベアリング２３の構成材料とは異なる材料（例えば、アルミニウム）で形成されている。第２ハウジング５０ｂと第３ハウジング５０ｃは、ベアリング２３を嵌め込む嵌込孔２４が形成されており、該嵌込孔２４に嵌め込まれたベアリング２３を支持する支持部となる。
【００３１】
従って、本実施形態によれば、第１の実施形態の効果（１）〜（３）、（５）〜（８）と同様の効果に加えて、以下に示す効果を得ることができる。
（９）ロータハウジング５０の一部、すなわち、ベアリング２３を支持する第２ハウジング５０ｂと第３ハウジング５０ｃをベアリング２３の構成材料と同種材料で形成した。このため、残りのハウジング部位（本実施形態では第２ハウジング５０ｂ）を他の材料、例えば、アルミニウムなどで形成すれば、ロータハウジング５０の製造コストを抑制できるとともに軽量化を図ることができる。
【００３２】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  各実施形態において、ベアリング２３の構成材料をＳＵＪ２（高炭素クロム軸受鋼（ベアリング鋼））としても良い。第１実施形態の場合には、駆動軸２１と、従動軸２２と、駆動ギア２５と、従動ギア２６と、駆動ロータ２７と、従動ロータ２８と、ロータハウジング１３（第１ハウジング１３ａと第２ハウジング１３ｂ）とがＳＵＪ２にて形成される。
【００３３】
○  各実施形態において、電動ルーツ型圧縮機１０を燃料電池システム３５の酸素供給手段３７を構成する圧縮空気の供給用のコンプレッサ３９として用いても良い。また、電動ルーツ型圧縮機１０を、冷媒圧縮用の圧縮機として空調装置に用いても良い。
【００３４】
○  各実施形態は、三葉状の駆動ロータ２７と従動ロータ２８を有する電動ルーツ型圧縮機に具体化しても良い。
○  各実施形態は、駆動ロータ２７と従動ロータ２８を駆動軸２１と従動軸２２の軸方向に複数個、取付固定した多段式の電動ルーツ型圧縮機に具体化しても良い。
【００３５】
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）前記ギアが収容されるギア室は、前記電動モータのモータ室と前記圧縮室との間に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の電動ルーツ型圧縮機。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１の実施形態における電動ルーツ型圧縮機の断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。
【図３】燃料電池システムの構成図。
【図４】第２の実施形態における電動ルーツ型圧縮機の断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１０…電動ルーツ型圧縮機、１３，５０…ロータハウジング、１５…圧縮室、１９…電動モータ、２１…駆動軸、２２…従動軸、２３…ベアリング、２５…駆動ギア、２６…従動ギア、２７…駆動ロータ、２８…従動ロータ、３５…燃料電池システム、３６…燃料電池。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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