(57)【要約】【課題】モータを冷却しつつ、メカニカルシールのシール性の悪化及びベアリングのフリクション増加を抑制する。【解決手段】気体圧縮装置は、燃料電池スタック又はエンジンへ気体を供給する気体供給流路と気体を排出する気体排出流路とコンプレッサとアキュムレータとアキュムレータに接続された圧縮気体排出管とを備える。コンプレッサは、オイル貯留部と回転体部とモータとベアリングを収容するベアリングケースとオイル供給流路を備えるモータ収容部とメカニカルシールとを備え、ベアリングケースはベアリングの鉛直上方の位置に、ベアリングケースの鉛直上方に位置するオイル供給流路の側からモータ収容部内へ突出する突出面までベアリングケースを貫通する貫通穴を備える。圧縮気体排出管の排出口は、ベアリングケースの突出面よりも回転体部から離れる側に位置し、ベアリングへ向けられる。【選択図】図１
2018135834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体圧縮装置であって、
燃料電池スタック又はエンジンへ気体を供給する気体供給流路に設けられ、気体を圧縮して前記燃料電池スタック又は前記エンジンへ送り出すコンプレッサと、
前記燃料電池スタック又は前記エンジンから気体を排出する気体排出流路を流れる気体によって駆動されるアキュムレータと、
前記アキュムレータに接続され前記アキュムレータによって圧縮された気体が排出される圧縮気体排出管と、を備え、
前記コンプレッサは、
オイルを貯留するオイル貯留部と、
回転体と前記回転体を収容する回転体収容部とを有し、前記回転体が回転することにより前記気体供給流路における気体を圧縮して前記燃料電池スタック又は前記エンジンへ送り出す回転体部と、
モータ回転軸を有し前記回転体を駆動するモータと、
前記モータ回転軸を回転自在に支持するベアリングを収容するベアリングケースと、
前記モータと前記ベアリングケースとを収容するモータ収容部であって、前記オイル貯留部から前記モータ収容部内へオイルを供給するオイル供給流路を備えるモータ収容部と、
前記ベアリングと前記回転体部との間に位置する前記モータ収容部又は前記回転体収容部の少なくとも一方に固定された固定環と、前記固定環に接触し前記モータ回転軸に固定された回転環と、を備えるメカニカルシールと、を有し、
前記オイル供給流路の一部は、前記ベアリングケースの鉛直上方に位置しており、
前記ベアリングケースは、前記ベアリングよりも前記モータ収容部内に突出した突出面と、前記ベアリングの鉛直上方に対応する位置に、前記ベアリングケースの鉛直上方に位置する前記オイル供給流路の側から前記突出面まで前記ベアリングケースを貫通する貫通穴と、を有し、
前記圧縮気体排出管の排出口は、前記モータ収容部内において、前記突出面よりも前記回転体部から離れる側に位置し、かつ、前記ベアリングへ向けられている、
気体圧縮装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体圧縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体を圧縮する気体圧縮装置として、特許文献１には、ハウジングと、ハウジングに嵌挿されモータによって駆動される回転軸と、回転軸の一旦に取り付けられたインペラと、ハウジングと回転軸との間に配されたベアリングと、回転軸とハウジングとの間を密封するメカニカルシールとを備える装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０２０２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
気体圧縮装置では、モータの冷却や、メカニカルシール及びベアリングの潤滑のために、モータ収容部内へオイルが供給される場合がある。しかし、モータの冷却に必要とされるオイルの量は、メカニカルシール及びベアリングの潤滑のために必要とされるオイルの量よりも多いため、モータ収容部内へモータの冷却に必要とされるオイルを供給すると、メカニカルシールのシール性の悪化や、ベアリングのフリクション（摩擦）増加を招くおそれがあった。そのため、気体圧縮装置において、オイルによってモータを冷却しつつ、シール部のシール性の悪化及びベアリングのフリクション増加を抑制することが可能な技術が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、気体圧縮装置が提供される。この装置は；燃料電池スタック又はエンジンへ気体を供給する気体供給流路に設けられ、気体を圧縮して前記燃料電池スタック又は前記エンジンへ送り出すコンプレッサと；前記燃料電池スタック又は前記エンジンから気体を排出する気体排出流路を流れる気体によって駆動されるアキュムレータと；前記アキュムレータに接続され前記アキュムレータによって圧縮された気体が排出される圧縮気体排出管と、を備え；前記コンプレッサは；オイルを貯留するオイル貯留部と；回転体と前記回転体を収容する回転体収容部とを有し、前記回転体が回転することにより前記気体供給流路における気体を圧縮して前記燃料電池スタック又は前記エンジンへ送り出す回転体部と；モータ回転軸を有し前記回転体を駆動するモータと；前記モータ回転軸を回転自在に支持するベアリングを収容するベアリングケースと；前記モータと前記ベアリングケースとを収容するモータ収容部であって、前記オイル貯留部から前記モータ収容部内へオイルを供給するオイル供給流路を備えるモータ収容部と；前記ベアリングと前記回転体部との間に位置する前記モータ収容部又は前記回転体収容部の少なくとも一方に固定された固定環と、前記固定環に接触し前記モータ回転軸に固定された回転環と、を備えるメカニカルシールと、を有し；前記オイル供給流路の一部は、前記ベアリングケースの鉛直上方に位置しており；前記ベアリングケースは、前記ベアリングよりも前記モータ収容部内に突出した突出面と、前記ベアリングの鉛直上方に対応する位置に、前記ベアリングケースの鉛直上方に位置する前記オイル供給流路の側から前記突出面まで前記ベアリングケースを貫通する貫通穴と、を有し；前記圧縮気体排出管の排出口は、前記モータ収容部内において、前記突出面よりも前記回転体部から離れる側に位置し、かつ、前記ベアリングへ向けられている。
このような気体圧縮装置であれば、オイル貯留部からモータ収容部内へモータの冷却に必要な量のオイルが供給されても、ベアリング及びメカニカルシールには貫通穴から流出したオイルがアキュムレータから排出される気体によって間欠的に供給されるので、モータの冷却と、メカニカルシールのシール性の悪化及びベアリングのフリクション増加の抑制と、を達成することができる。
【０００７】
本発明は、上述した処理装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、気体圧縮装置による気体圧縮方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態における気体圧縮装置の概略構成を説明するための図。
【図２】気体圧縮装置におけるベアリングケース及びメカニカルシール付近の拡大図。
【図３】ベアリングケースをモータ側から見た拡大図。
【図４】モータ収容部内の圧力とアキュムレータによる噴射の関係を示す図。
【図５】変形例における気体圧縮装置を示す拡大図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．実施形態：
Ａ１．気体圧縮装置の構成：
図１は、本発明の実施形態における気体圧縮装置１０の概略構成を説明するための図である。気体圧縮装置１０は、コンプレッサ１００と、アキュムレータ部５０と、を備える。図１には、説明を容易にするために、相互に直交するＸＹＺ軸が図示されている。直交とは、±２０°の範囲を含む。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。Ｚ軸方向は鉛直方向である。以降の説明では、＋Ｚ軸方向側を「鉛直方向上方」とも呼び、−Ｚ軸方向側を「鉛直方向下方」とも呼ぶ。なお、図１は、気体圧縮装置１０の技術的特徴をわかりやすく示すための図であり、各部の寸法を正確に示すものではない。
【００１０】
コンプレッサ１００は、オイル貯留部１１０と、回転体部１２０と、モータ部１６０と、メカニカルシール１７０と、を備える。本実施形態において、コンプレッサ１００は、さらに、オイルポンプ１１２と、オイル溜まり１１４と、を備える。コンプレッサ１００は、燃料電池スタック２０へ気体を供給する気体供給流路３０に設けられている。気体供給流路３０は、気体供給流路３０の開放口と燃料電池スタック２０とを接続する配管である。コンプレッサ１００は、気体を圧縮して燃料電池スタック２０へ供給する。本実施形態では、気体として空気を用いるが、酸素や水蒸気等が用いられてもよい。図１には、コンプレッサ１００の概略断面図が示されている。
【００１１】
回転体部１２０は、回転体１２１と、回転体１２１を収容する回転体収容部１２２とを備える。回転体１２１が回転することにより、気体供給流路３０から供給される気体が回転体収容部１２２内で圧縮されて、燃料電池スタック２０へ送り出される。本実施形態において、回転体１２１としてインペラを用いるが、例えば、ギアを用いてもよい。
【００１２】
オイル貯留部１１０は、オイルを貯留して冷却するタンクである。オイルポンプ１１２は、オイルをオイル貯留部１１０へ供給するポンプである。オイルポンプ１１２は、後述するモータ収容部１５０内のオイル溜まり１１４からオイルを吸い上げてオイル貯留部１１０へ供給する。
【００１３】
モータ部１６０は、モータ１３０と、ベアリング１４１と、ベアリングケース１４０、１４４と、モータ収容部１５０と、を備える。
【００１４】
モータ１３０は、電力を回転出力に変換する電動機であり、回転体１２１を駆動する。本実施形態では、モータ１３０は、Ｘ軸方向に延びるモータ回転軸１３１と、モータ回転軸１３１と一体に形成されたロータ１３２と、コイル１３３を備えるステータ１３４と、を有する。ロータ１３２の表面には磁石が設けられており、ロータ１３２は、モータ回転軸１３１と一体に回転する。ステータ１３４は、ロータ１３２と協動してロータ１３２を回転駆動する。モータ１３０は、不図示の制御装置により通電制御される。制御装置は、燃料電池スタック２０への発電要求に応じてモータ１３０の回転数を制御することで、コンプレッサ１００に燃料電池スタック２０の発電に応じた過給圧を発生させる。また、制御装置は、オイルポンプ１１２を制御して、モータ収容部１５０内へ必要な油圧を供給させる。
【００１５】
ベアリング１４１は、モータ回転軸１３１を回転自在に支持する。図１に示すように、ベアリング１４１は、回転体部１２０側と、回転体部１２０から離れる側と、に位置する。図１において、回転体部１２０側は−Ｘ軸方向側であり、回転体部１２０から離れる側は、＋Ｘ軸方向側である。本実施形態では、ベアリング１４１は、複数のボールを備えるボールベアリングである。ベアリング１４１のボールとボールとの間には隙間が形成されている。ベアリング１４１は、ニードルベアリングであってもよい。
【００１６】
ベアリングケース１４０、１４４は、それぞれ、ベアリング１４１を支持して収容する。ベアリングケース１４０は回転体部１２０側に位置し、ベアリングケース１４４は回転体部１２０から離れる側に位置する。ベアリングケース１４０は、ベアリングケース１４０が収容するベアリング１４１よりも、モータ収容部１５０内に突出した突出面Ｓを有する。本実施形態では、ベアリングケース１４４もまた、ベアリングケース１４４が収容するベアリング１４１よりもモータ収容部１５０内に突出した突出面Ｓを有する。
【００１７】
モータ収容部１５０は、モータ１３０とベアリングケース１４０、１４４とを収容する筐体である。モータ収容部１５０には、オイル貯留部１１０からモータ収容部１５０内へオイルを供給するオイル供給流路１５３が形成されている。オイル供給流路１５３は複数のオイル供給流路１５３ａ、１５３ｂ、１５３ｃ、１５３ｄに分岐する。オイル供給流路１５３ａ、１５３ｂはモータ１３０の鉛直上方に位置している。オイル供給流路１５３ａ、１５３ｂからモータ収容部１５０内へ流出したオイルは、モータを冷却する。オイル供給流路１５３ｃは、ベアリングケース１４０の鉛直上方に位置している。オイル供給流路１５３ｄは、ベアリングケース１４４の鉛直上方に位置している。モータ収容部１５０とベアリングケース１４０との間には、隙間が形成されており、この隙間がオイル供給流路１５３ｃから供給されたオイルで満たされることによって、モータ収容部１５０とベアリングケース１４０との間にオイルダンパが形成される。同様に、モータ収容部１５０とベアリングケース１４４との間には隙間が形成されており、この隙間がオイル供給流路１５３ｄから供給されたオイルで満たされることによって、モータ収容部１５０とベアリングケース１４４との間にオイルダンパが形成される。
【００１８】
メカニカルシール１７０は、固定環１７２と回転環１７４とを備えるシール部である。固定環１７２は、ベアリング１４１と回転体部１２０との間に位置する、モータ収容部１５０に固定されている。回転環１７４は、モータ回転軸１３１に固定されている。回転環１７４は、固定環１７２に接触している。モータ回転軸１３１が回転する際、回転環１７４は回転するが、固定環１７２は回転しない。このため、モータ回転軸１３１が回転する際、固定環１７２と回転環１７４との間にミクロン単位の隙間を保持しながら、固定環１７２と回転環１７４とが摺り合う。これにより、モータ回転軸１３１の高速回転を実現しつつ、モータ収容部１５０内のオイルが、固定環１７２と回転環１７４との間から回転体収容部１２２内へ染み出すことを封止する。固定環１７２は、回転体収容部１２２に固定されていてもよいし、モータ収容部１５０と回転体収容部１２２とに固定されていてもよい。
【００１９】
アキュムレータ部５０は、気体排出流路４０を流れる気体によって駆動されるアキュムレータ５１と、圧縮気体排出管５２とを備える。本実施形態では、アキュムレータ部５０は、さらに、タービン５８と、シャフト５６と、ポンプ５４と、を備える。
【００２０】
気体排出流路４０は、燃料電池スタック２０から気体を排出する配管であり、燃料電池スタック２０と気体排出流路４０の開放口とを接続する。気体排出流路４０には、圧力弁９０と分流流路４０ａとが設けられている。圧力弁９０は、気体排出流路４０内の圧力が予め定められた圧力よりも高くなった場合に開く弁体である。分流流路４０ａは気体排出流路４０の圧力弁９０が設けられた位置において気体排出流路４０から分流する配管である。圧力弁９０が開くことにより、気体排出流路４０を流れる気体は分流流路４０ａへ排出される。
【００２１】
タービン５８は、気体排出流路４０の圧力弁９０よりも大気開放口側に位置している。タービン５８はシャフト５６と連結されており、気体排出流路４０を流れる気体の圧力を動力に変換してシャフト５６を駆動させる。
【００２２】
ポンプ５４、アキュムレータ５１、及び圧縮気体排出管５２はモータ収容部１５０内に位置している。ポンプ５４は、シャフト５６の駆動によってモータ収容部１５０内の気体を圧縮しアキュムレータ５１に蓄積する。アキュムレータ５１は、蓄積されて圧縮された気体を間欠的に排出する蓄圧器である。圧縮気体排出管５２は、アキュムレータ５１に接続されており、アキュムレータ５１によって圧縮された気体が排出される配管である。図１に示すように、圧縮気体排出管５２の排出口は、ベアリングケース１４４の突出面Ｓよりも回転体部１２０から離れる側に位置しており、ベアリング１４１に向けられている。
【００２３】
図２は、気体圧縮装置１０におけるベアリングケース１４０及びメカニカルシール１７０付近の拡大図である。図３は、ベアリングケース１４０をモータ１３０側から見た拡大図である。ベアリングケース１４０は、ベアリング１４１の鉛直上方の位置に、貫通穴１４３を備える。貫通穴１４３は、ベアリングケース１４０の鉛直上方に位置するオイル供給流路１５３ｃの側からベアリングケース１４０の突出面Ｓまで、ベアリングケース１４０を貫通する穴である。
【００２４】
気体圧縮装置１０では、燃料電池スタック２０へ発電要求がされると、コンプレッサ１００のモータ１３０の回転及びオイルポンプ１１２からの油圧の供給が開始される。図２及び図３に示すように、ベアリングケース１４０の鉛直上方に位置するオイル供給流路１５３ｃから流出したオイルは、ベアリングケース１４０とモータ収容部１５０との間にオイルダンパを形成するとともに、ベアリングケース１４０の貫通穴１４３からモータ収容部１５０内へ流出する。貫通穴１４３からモータ収容部１５０内へ流出したオイルは、圧縮気体排出管５２の排出穴から間欠的に排出される圧縮気体によってミスト化されて、突出面Ｓよりも回転体部１２０側に位置するベアリング１４１に間欠的に供給されるとともに、ベアリング１４１のボールとボールの隙間を通りメカニカルシール１７０に間欠的に供給される。圧縮気体排出管５２から圧縮気体が排出されていないときに貫通穴１４３からモータ収容部１５０内へ流出したオイルは、モータ１３０の冷却に用いられる。
【００２５】
本実施形態の気体圧縮装置１０によれば、オイル貯留部１１０からモータ収容部１５０内へモータ１３０の冷却に必要な量のオイルが供給されても、ベアリング１４１及びメカニカルシール１７０へは、貫通穴１４３から流出したオイルがアキュムレータ５１から排出される気体によって間欠的に供給されるので、モータ１３０の冷却と、メカニカルシール１７０のシール性の悪化及びベアリング１４１のフリクション増加の抑制と、を達成することができる。
【００２６】
また、本実施形態の気体圧縮装置１０によれば、アキュムレータ５１は、気体排出流路４０を流れる気体によって駆動されるため、アキュムレータ５１を駆動させるための機構を別途設けることなく、モータ１３０の冷却と、メカニカルシール１７０のシール性の悪化及びベアリング１４１のフリクション増加の抑制と、を達成することができる。
【００２７】
図４は、モータ収容部１５０内の圧力とアキュムレータ５１による噴射との関係を示す図である。上述のように、アキュムレータ部５０のポンプ５４はモータ収容部１５０内の気体を圧縮するため、アキュムレータ５１が気体を噴出することによってオイルが噴霧されてもモータ収容部１５０内の圧力は上昇しない。そのため、本実施形態の気体圧縮装置１０によれば、モータ収容部１５０内のオイルがモータ収容部１５０外へ流出することを抑制しつつ、モータ１３０の冷却と、メカニカルシール１７０のシール性の悪化及びベアリング１４１のフリクション増加の抑制と、を達成することができる。
【００２８】
Ａ２．変形例：
図５は、変形例における気体圧縮装置１０ａを示す拡大図である。図５には、回転体部１２０から離れる側に位置するベアリングケース１４４ａが示されている。本変形例における気体圧縮装置１０ａは、上述の実施形態における回転体部１２０側のベアリングケース１４０に加え、回転体部１２０から離れる側のベアリングケース１４０ａに、貫通穴１４５が形成されている。貫通穴１４５は、ベアリング１４１の鉛直上方に形成されている。貫通穴１４５は、ベアリングケース１４４ａの鉛直上方に位置するオイル供給流路１５３ｄの側からモータ収容部１５０内に突出した突出面Ｓａまでベアリングケース１４４ａを貫通する。本変形例では、アキュムレータ５１は、上述の実施形態における圧縮気体排出管５２に加え、排出口がベアリングケース１４４ａに向けられた圧縮気体排出管５２ａに接続されている。
【００２９】
このような気体圧縮装置１０ａでは、ベアリングケース１４４ａの鉛直上方に位置するオイル供給流路１５３ｄから供給されるオイルは、ベアリングケース１４４ａとモータ収容部１５０との間にオイルダンパを形成するとともに、ベアリングケース１４４ａの貫通穴１４５からモータ収容部１５０内へ流出する。流出したオイルは、圧縮気体排出管５２ａから間欠的に排出される圧縮気体によってミスト化されて、ベアリングケース１４４ａに収容されたベアリング１４１に間欠的に供給される。そのため、本変形例の気体圧縮装置１０ａによれば、上述の実施形態の効果を奏するのに加え、回転体部１２０から離れる側に位置するベアリング１４１のフリクションの増加を抑制することができる。
【００３０】
なお、上述の実施形態及び変形例において、突出面Ｓ、Ｓａは平面であるが、突出面Ｓ、Ｓａは曲面であってもよい。
【００３１】
上述の実施形態では、コンプレッサ１００は、燃料電池スタック２０へ気体を供給する気体供給流路３０に設けられており、アキュムレータ５１は、燃料電池スタック２０から気体を排出する気体排出流路４０を流れる気体によって駆動される。これに対し、コンプレッサ１００は、エンジンへ気体を供給する気体供給流路に設けられ、気体を圧縮してエンジンへ供給してもよく、アキュムレータ５１は、エンジンから気体を排出する気体排出流路を流れる気体によって駆動されてもよい。
【００３２】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態や変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組合せを行うことが可能である。また、前述した実施形態及び各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０、１０ａ…気体圧縮装置
２０…燃料電池スタック
３０…気体供給流路
４０…気体排出流路
４０ａ…分流流路
５０…アキュムレータ部
５１…アキュムレータ
５２、５２ａ…圧縮気体排出管
５４…ポンプ
５６…シャフト
５８…タービン
９０…圧力弁
１００…コンプレッサ
１１０…オイル貯留部
１１２…オイルポンプ
１１４…オイル溜まり
１２０…回転体部
１２１…回転体
１２２…回転体収容部
１３０…モータ
１３１…モータ回転軸
１３２…ロータ
１３３…コイル
１３４…ステータ
１４０、１４４、１４４ａ…ベアリングケース
１４１…ベアリング
１４３、１４５…貫通穴
１５０…モータ収容部
１５３、１５３ａ、１５３ｃ、１５３ｄ…オイル供給流路
１６０…モータ部
１７０…メカニカルシール
１７２…固定環
１７４…回転環
Ｓ、Ｓａ…突出面
【図１】
2018135834.tif 000003
【図２】
2018135834.tif 000004
【図３】
2018135834.tif 000005
【図４】
2018135834.tif 000006
【図５】
2018135834.tif 000007