(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に空気を供給する遠心圧縮機であって、
シャフトと、
羽根部を有し、前記シャフトの回転に伴って回転するインペラと、
前記インペラが収容されたハウジングと、を備え、
前記ハウジングは、
空気を吸入する吸入口と、
前記インペラが収容されるインペラ室と、
前記吸入口と前記インペラ室とを繋ぎ、空気を前記インペラ室に導入する導入室と、
前記インペラ室よりも前記シャフトの径方向外側に配置され、前記インペラによって圧縮された空気が流入するディフューザ流路と、
前記ディフューザ流路を通った空気が流入する吐出室と、を備え、
前記ハウジングにおける前記導入室を区画する導入室区画部は、水を前記吸入口から前記インペラ室に向かう空気に噴射するための噴射口を備え、
前記インペラ室を区画するインペラ室区画部は、
前記羽根部と隙間を介して対向している対向部と、
前記対向部から前記径方向外側に向けて延設された環状の延設部と、
を有し、
前記吸入口から前記インペラ室に向かう空気の流通方向における前記噴射口よりも下流側に位置する前記導入室区画部の一部分、及び、前記対向部の少なくとも一方は、少なくとも一部に多孔質部を備え、
前記延設部は全体に亘って多孔質部で構成されており、前記ディフューザ流路は、前記インペラ室から前記吐出室までに亘って前記延設部の多孔質部によって区画されている遠心圧縮機。
【請求項２】
前記水は、前記燃料電池の発電によって生成された水である請求項１に記載の遠心圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、回転軸及び回転軸に連結されたインペラを備え、インペラの回転によって流体を圧縮して吐出する遠心圧縮機が知られている（例えば特許文献１参照）。遠心圧縮機は、インペラの回転によって流体を圧縮し、圧縮された流体を吐出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３０８７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、流体は、圧縮されると温度が上昇する。燃料電池に空気を供給するために用いられる遠心圧縮機においては、吐出される空気の温度が上昇する。遠心圧縮機から吐出される空気の温度が過剰に上昇すると、燃料電池の劣化などを招く。
【０００５】
本発明の目的は、吐出される空気の温度を低下させることができる遠心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】
【０００６】
上記課題を解決する遠心圧縮機は、燃料電池に空気を供給する遠心圧縮機であって、羽根部を有するインペラと、前記インペラが収容されたハウジングと、を備え、前記ハウジングは、空気を吸入する吸入口と、前記インペラが収容されるインペラ室と、前記吸入口と前記インペラ室とを繋ぎ、空気を前記インペラ室に導入する導入室と、を備え、前記ハウジングにおける前記導入室を区画する導入室区画部は、水を前記吸入口から前記インペラ室に向かう空気に噴射するための噴射口を備える。
【０００７】
これによれば、噴射口から噴射された水は、空気とともにインペラ室に導入される。圧縮に伴う空気の温度上昇を水によって抑制することができるため、遠心圧縮機から吐出される空気の温度を低下させることができる。
【０００８】
上記遠心圧縮機について、前記吸入口から前記インペラ室に向かう空気の流通方向における前記噴射口よりも下流側に位置する前記導入室区画部の一部分、及び、前記インペラ室を区画するものであって前記羽根部と隙間を介して対向しているインペラ室区画部の少なくとも一方は、少なくとも一部に多孔質部を備えていてもよい。
【０００９】
遠心圧縮機を停止した際に、羽根部とインペラ室区画部との間の隙間に水が残留していると、環境温度が低下したときに、水が凍る場合がある。この状態でインペラを回転させようとすると、羽根部の変形などを招く。多孔質部は、毛細管現象によって水を吸収するため、吸入室からインペラ室に向かう空気の流通方向における噴射口よりも下流側に位置する導入室区画部の一部分に多孔質部を設けた場合インペラ室まで水が至りにくく、羽根部とインペラ室区画部との間の隙間に水が残留しにくい。また、インペラ室区画部に多孔質部を設けた場合、羽根部とインペラ室区画部との間の隙間に残留した水を吸収することができる。このため、羽根部とインペラ室区画部との間の隙間に水が残留したまま、水が凍ることが抑制され、羽根部の変形などを抑止することができる。
【００１０】
上記遠心圧縮機について、前記多孔質部は環状に設けられていてもよい。
これによれば、インペラの全周に亘って水が残留することが抑制される。
上記遠心圧縮機について、前記水は、前記燃料電池の発電によって生成された水であってもよい。
【００１１】
これによれば、燃料電池の発電によって生成された水を利用して空気の温度上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吐出される空気の温度を低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は遠心圧縮機の一部を破断して示す概略構成図、（ｂ）はインペラの羽根部と嵌合部の内面との間に存在する隙間の拡大図、（ｃ）は嵌合部を拡大して示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、遠心圧縮機の一実施形態について説明する。なお、本実施形態の遠心圧縮機は、燃料電池を電力源として走行する燃料電池車両に搭載され、燃料電池に対して空気を供給する。
【００１５】
図１（ａ）に示すように、遠心圧縮機１０は、図示しない低速側シャフトを回転させる電動モータ１２と、低速側シャフトの回転を増速させて高速側シャフト１３に伝達する増速機１４と、高速側シャフト１３の回転によって空気を圧縮するインペラ１５と、を備える。
【００１６】
また、遠心圧縮機１０は、当該遠心圧縮機１０の外郭を構成するものであって、電動モータ１２、増速機１４及びインペラ１５が収容されたハウジング２０を備える。ハウジング２０は、例えば全体として略筒状（詳細には円筒状）となっている。
【００１７】
ハウジング２０は、電動モータ１２が収容されたモータハウジング２１と、増速機１４が収容された増速機ハウジング２２と、空気が吸入される吸入口２３ａが形成されたコンプレッサハウジング２３と、を備える。吸入口２３ａは、ハウジング２０の軸線方向の一端に設けられている。吸入口２３ａから見てハウジング２０の軸線方向に、コンプレッサハウジング２３、増速機ハウジング２２及びモータハウジング２１の順に配列されている。また、ハウジング２０は、増速機ハウジング２２とコンプレッサハウジング２３との間に設けられたプレート２４を備える。モータハウジング２１、増速機ハウジング２２、及び、プレート２４は金属製であり、例えば、アルミニウム製である。
【００１８】
プレート２４は、円板状であり、軸線方向の両板面２４ａ，２４ｂのうち、第１板面２４ａが増速機ハウジング２２側に位置しており、第２板面２４ｂがコンプレッサハウジング２３側に位置している。
【００１９】
プレート２４は、プレート２４を軸線方向に貫通し、増速機ハウジング２２内とコンプレッサハウジング２３内とを連通する回転軸挿通孔２８を備える。回転軸挿通孔２８には、高速側シャフト１３が挿通される。高速側シャフト１３の一部は、回転軸挿通孔２８を介してコンプレッサハウジング２３内に配置されている。
【００２０】
なお、プレート２４の軸線方向は、高速側シャフト１３の回転軸線方向と一致する。
回転軸挿通孔２８の内周面２８ａと高速側シャフト１３の周面との間には、増速機ハウジング２２内に存在するオイルがコンプレッサハウジング２３内に流出することを規制するシール部材２９が設けられている。
【００２１】
コンプレッサハウジング２３は、略筒状である。コンプレッサハウジング２３は、円筒状の本体部３１と、本体部３１から突出する円筒状のボス３２と、円錐台形状である嵌合部３３と、を備える。コンプレッサハウジング２３は、軸線方向の一端に第１端面３１ａを備え、軸線方向の他端に第２端面３１ｂを備える。なお、コンプレッサハウジング２３、本体部３１及び嵌合部３３の軸線方向は、高速側シャフト１３の回転軸線方向と一致し、コンプレッサハウジング２３、本体部３１及び嵌合部３３の径方向は、高速側シャフト１３の径方向と一致する。
【００２２】
コンプレッサハウジング２３は、軸線方向に貫通したコンプ貫通孔４０と、第２端面３１ｂに開口しコンプ貫通孔４０と連通する環状溝４３と、第２端面３１ｂに開口し環状溝４３と連通する環状の孔５３と、を備える。
【００２３】
環状溝４３は、コンプ貫通孔４０よりもコンプレッサハウジング２３の径方向外側に位置し、ディフューザ流路５１として機能する。
環状の孔５３は、環状溝４３よりもコンプレッサハウジング２３の径方向外側に位置し、吐出室として機能する。
【００２４】
本体部３１は、略筒状であり、軸線方向の一端面がコンプレッサハウジング２３の第１端面３１ａ、軸線方向の他端面がコンプレッサハウジング２３の第２端面３１ｂとなる。本体部３１には、貫通孔３４と、環状の孔５３と、貫通孔３４と環状の孔５３とをつなぐ環状溝３１ｃが形成されている。貫通孔３４は、第１端面３１ａから第２端面３１ｂに向けて軸線方向の途中位置までは一定の径であり、当該途中位置から拡径されている。途中位置での拡径により、貫通孔３４には、段差部が形成される。
【００２５】
さらに詳述すると、貫通孔３４は、第１端面３１ａ側に位置する第１貫通孔３７を区画する第１貫通孔区画面３７ａと、第２端面３１ｂ側に位置する第２貫通孔３８を区画する第２貫通孔区画面３８ａと、径方向に延設し第１貫通孔区画面３７ａと第２貫通孔区画面３８ａとをつなぐ環状の平坦面３６とによって形成される。第１貫通孔３７は、本体部３１の軸線方向に亘って同一の径である。第２貫通孔３８は、平坦面３６から第２端面３１ｂに向けて軸線方向の途中位置まで一定の径であり、当該途中位置から第２端面３１ｂに向かうに従って徐々に拡径している。第２貫通孔３８の径は全体に亘って第１貫通孔３７の径よりも大きい。なお、第２貫通孔区画面３８ａは、環状溝３１ｃを区画する面と面一となっている。
【００２６】
ボス３２は、本体部３１の軸線方向の両端面３１ａ，３１ｂのうちの一方の第１端面３１ａから突出形成されており、貫通孔３４の周縁部から立設している。ボス３２は、筒状であり、貫通孔３４に連通するボス貫通孔３５を備える。吸入口２３ａは、ボス３２の軸方向両端部のうち、本体部３１とは反対側の端部によって区画された開口であり、ボス貫通孔３５を介して貫通孔３４と連通している。また、ボス３２は、径方向に貫通し、ボス貫通孔３５に連通する噴射口３２ａを備える。本体部３１、及び、ボス３２は、金属製であり、例えば、アルミニウム製である。なお、ボス３２の軸線方向は、高速側シャフト１３の回転軸線方向と一致し、ボス３２の径方向は、高速側シャフト１３の径方向と一致する。
【００２７】
嵌合部３３は、軸線方向の一端に第１端面３３ａを備え、軸線方向の他端に第２端面３３ｂを備える。嵌合部３３は、第１端面３３ａから第２端面３３ｂに向けて軸線方向の途中位置まで一定の径で延び、当該途中位置から第２端面３３ｂに向かうに従って徐々に拡径し、その後、径方向に延設する。つまり、嵌合部３３は、円錐台形状である。詳述すると、嵌合部３３は、第１端面３３ａから第２端面３３ｂに向けて軸線方向の途中位置まで一定の径で延び、当該途中位置から第２端面３３ｂに向かうに従って徐々に拡径する拡径部４１と、拡径部４１から径方向外側に延設する環状の延設部４２とから構成される。拡径部４１の外周面は、第２貫通孔区画面３８ａと環状溝３１ｃを区画する面と同一形状であり、第２貫通孔３８の径と同じ又は僅かに小さい。これにより、嵌合部３３は、第２貫通孔３８に嵌合可能となっている。延設部４２は、軸線方向の一端に第１端面４２ａを備え、軸線方向の他端に第２端面４２ｂを備える。延設部４２の第２端面４２ｂは、嵌合部３３の第２端面３３ｂとなる。
【００２８】
また、嵌合部３３は、軸線方向に貫通する嵌合部貫通孔３９を備える。嵌合部貫通孔３９は、嵌合部３３の拡径部４１に設けられ、嵌合部貫通孔３９を区画する面３９ａは、拡径部４１の外周面と同一形状である。
【００２９】
嵌合部３３は、第１端面３３ａと平坦面３６、拡径部４１の外周面と第２貫通孔区画面３８ａ、延設部４２の第１端面４２ａと環状溝３１ｃを区画する面、とが各々突き合わされた状態で本体部３１に嵌合されている。第１貫通孔３７を区画する第１貫通孔区画面３７ａ、嵌合部貫通孔３９を区画する面３９ａ、及び、延設部４２の第２端面４２ｂ（嵌合部３３の第２端面３３ｂ）は、面一となっている。第１貫通孔３７、及び、嵌合部貫通孔３９により、コンプレッサハウジング２３を貫通するコンプ貫通孔４０が形成されている。
【００３０】
コンプレッサハウジング２３とプレート２４とは、本体部３１の第２端面３１ｂと、プレート２４の第２板面２４ｂとが突き合わされた状態で、組み付けられている。嵌合部３３と、プレート２４とによって、インペラ１５が収容されたインペラ室Ｓ１が区画されている。また、ボス貫通孔３５及び第１貫通孔３７は、吸入口２３ａとインペラ室Ｓ１とを連通し、吸入口２３ａから吸入した空気をインペラ室Ｓ１に導入する導入室Ｓ２となる。本実施形態では、ボス３２及び本体部３１が導入室区画部となる。
【００３１】
インペラ１５は、基端面１５ａから先端面１５ｂに向かうに従って徐々に縮径した円錐台形状のインペラ本体１５ｃと、インペラ本体１５ｃの外周面に設けられた羽根部１５ｄとを備える。インペラ本体１５ｃは、インペラ１５の回転軸線方向に延び、且つ、高速側シャフト１３が挿通可能な挿通孔１５ｅを有している。インペラ１５は、高速側シャフト１３におけるコンプ貫通孔４０内に突出している部分が挿通孔１５ｅに挿通された状態で、高速側シャフト１３と一体回転するように高速側シャフト１３に取り付けられている。これにより、高速側シャフト１３が回転することによってインペラ１５が回転して、吸入口２３ａから吸入された空気が圧縮される。
【００３２】
図１（ｂ）に示すように、インペラ室Ｓ１を区画する嵌合部３３の内周面（嵌合部貫通孔３９を区画する面３９ａ）と羽根部１５ｄとは、隙間Ｃを介して対向している。隙間Ｃは、インペラ室Ｓ１内でのインペラ１５の回転を許容するために設けられている。
【００３３】
図１（ｃ）に示すように、嵌合部３３は多孔質材製である。多孔質材としては、例えば、焼結材が用いられる。多孔質材は、微細な孔を多数備える構造であり、毛細管現象によって液体を吸収可能である。嵌合部３３を多孔質材とすることで、インペラ室区画部としての嵌合部３３は全体に亘って多孔質部となっており、インペラ１５を囲むように環状の多孔質部が構成されている。
【００３４】
図１（ａ）に示すように、遠心圧縮機１０は、インペラ１５によって圧縮された空気が流入するディフューザ流路５１と、ディフューザ流路５１を通った流体が流入する吐出室として機能する孔５３とを備える。ディフューザ流路５１は、嵌合部３３の延設部４２とプレート２４によって区画された流路である。詳述すると、ディフューザ流路５１は、延設部４２の第２端面４２ｂと、プレート２４の第２板面２４ｂとによって区画された流路である。
【００３５】
ディフューザ流路５１は、インペラ室Ｓ１よりも高速側シャフト１３の径方向外側に配置されており、インペラ１５（及びインペラ室Ｓ１）を囲むように環状（詳細には円環状）に形成されている。
【００３６】
吐出室は、本体部３１において貫通孔３４よりも径方向外側に形成される。吐出室は、コンプレッサハウジング２３の第２端面３１ｂに開口する環状の孔５３を区画する内面５３ａによって区画されている。インペラ室Ｓ１と孔５３とはディフューザ流路５１を介して連通している。インペラ１５によって圧縮された流体は、ディフューザ流路５１を通ることによって、更に圧縮されて孔５３に流れ、当該孔５３から吐出される。
【００３７】
次に、上記した遠心圧縮機１０が搭載される燃料電池車両について説明する。
燃料電池車両は、燃料電池７１と、燃料電池７１に空気を供給する上記遠心圧縮機１０と、燃料電池７１の発電により生成されたオフガスを水とガスとに分離する気液分離器７２と、気液分離器７２にてオフガスから分離された水を貯留するタンク７３と、を備える。
【００３８】
燃料電池７１は、図示しない水素タンクから供給される水素ガスと、遠心圧縮機１０の孔５３から吐出された空気との化学反応によって発電する。燃料電池車両は、燃料電池７１を電力源として駆動する図示しない走行用モータによって走行する。
【００３９】
燃料電池車両は、タンク７３と噴射口３２ａとを接続する配管７４と、配管７４の途中位置に設けられた弁７５、及び、ポンプ７６とを備える。弁７５、及び、ポンプ７６が図示しない制御装置によって制御されることで、噴射口３２ａからは所定の量の水が噴射される。すなわち、噴射口３２ａは、燃料電池７１の発電によって生成された水を導入室Ｓ２に供給する。
【００４０】
次に、本実施形態の遠心圧縮機１０の作用について説明する。
燃料電池車両の走行開始などに伴い、電動モータ１２が駆動し、インペラ１５が回転すると、吸入口２３ａから空気が吸入される。また、噴射口３２ａからは、タンク７３から供給された水が導入室Ｓ２に噴射される。これにより、燃料電池７１の発電によって生成された水が、吸入口２３ａからインペラ室Ｓ１に向かう空気に噴射される。噴射口３２ａから噴射された水は、吸入口２３ａから吸入された空気とともにインペラ室Ｓ１に導入される。この水により、インペラ１５が冷却される。このため、インペラ室Ｓ１に導入された空気が、インペラ１５の回転によって圧縮されても、インペラ１５の温度上昇が抑制されている。また、圧縮に伴う空気の温度上昇も、水によって抑制されている。
【００４１】
インペラ１５の羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間には、インペラ１５を回転させるために必要な僅かな隙間Ｃが存在するが、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間を水でシールすることができ、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間の隙間Ｃから圧縮された空気が漏れることが抑制される。
【００４２】
燃料電池車両の走行終了などに伴い、電動モータ１２が停止すると、インペラ１５は回転しなくなる。この際、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間の隙間Ｃに水が残留しても、毛細管現象によって水は嵌合部３３に吸収される。これにより、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との隙間Ｃに残留していた水は除去される。
【００４３】
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）遠心圧縮機１０は、ハウジング２０のボス３２に、水を噴射するための噴射口３２ａを備える。噴射口３２ａからは、水が噴射される。この水によって、空気の温度が過剰に上昇することを抑制することができるため、遠心圧縮機１０から吐出される空気の温度を低下させることができる。これにより、燃料電池７１が劣化することを抑制することができる。
【００４４】
（２）また、水によってインペラ１５を冷却することができる。このため、インペラ１５の温度が過剰に上昇することを抑制することができ、インペラ１５の変形を抑制することができる。
【００４５】
（３）インペラ室Ｓ１に水が供給されることで、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間の隙間Ｃを水でシールして、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間の隙間Ｃから圧縮された空気が漏れ出すことが抑制される。
【００４６】
（４）嵌合部３３を多孔質材製としている。このため、インペラ１５の羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間の隙間Ｃに水が残留した状態で電動モータ１２が停止した場合であっても、毛細管現象によって水は嵌合部３３に吸収される。したがって、隙間Ｃ内で水が凍ることが抑止され、遠心圧縮機１０の再起動時のインペラ１５の変形が抑止される。
【００４７】
（５）嵌合部３３全体を多孔質部とすることで、インペラ１５を囲むように環状に多孔質部が設けられることになる。このため、インペラ１５の周方向の全体に対して、水が残留することが抑制される。
【００４８】
（６）燃料電池７１の発電によって生成された水を、インペラ１５を冷却するために用いている。このため、燃料電池７１の発電によって得られた水を有効活用することができる。
【００４９】
なお、実施形態は以下のように変更してもよい。
○導入室Ｓ２に開口する噴射口３２ａは、コンプレッサハウジング２３の本体部３１に備えられていてもよい。この場合、コンプレッサハウジング２３のボス３２はなくてもよい。
【００５０】
○噴射口３２ａの数は、単数であってもよいし、複数であってもよい。
○多孔質部は、吸入口２３ａからインペラ室Ｓ１に向かう空気の流通方向において、噴射口３２ａよりも下流側に位置する導入路区画壁（本体部３１）の一部分に設けられていてもよい。この場合、噴射口３２ａから噴射された水の一部が、インペラ室Ｓ１に至る前に導入路区画壁に吸収され、羽根部１５ｄと嵌合部３３の内周面との間の隙間Ｃに水が残留することが抑制される。
【００５１】
○遠心圧縮機１０が搭載される対象は、燃料電池車両とは異なるものでもよい。
○噴射口３２ａから噴射される水は、燃料電池車両に搭載される空調装置で生じた水でもよい。また、噴射口３２ａから噴射するための水を貯留する専用のタンクを設け、この水が噴射口３２ａから噴射されるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５２】
Ｃ…隙間、Ｓ１…インペラ室、Ｓ２…導入室、１０…遠心圧縮機、１５…インペラ、１５ｄ…羽根部、２０…ハウジング、２３ａ…吸入口、３１…本体部、３２…ボス、３２ａ…噴射口、３３…嵌合部、７１…燃料電池。
【図１】
0006620644.tif 000002