(57)【要約】【課題】低吐出圧で高効率であり、強制給油装置が不要で軸受の信頼性が高く、小形化も可能にし、車載用燃料電池として好適なスクリュー圧縮機を得る。【解決手段】スクリュー圧縮機は雄ロータ１の歯数を３枚、雌ロータ２の歯数を５枚とし、歯溝容積の大きい歯形とし、また圧縮開始時に閉じ遅れの無いロータ巻き角としている。吸入側と吐出側の両軸受４，５はグリース潤滑として強制給油装置を不要にすると共に、このグリースは高温でも調度軟化が小さく、低音でも損失トルクの少ないものを使用する。ケーシング３の内面と吸入側軸受ハウジング１６との間には吸入通路の一部を形成する吸入流路５３を形成し、またケーシング３の外側にはダクト２２を設けて、ダクト内の吸入空気で吐出側軸受ハウジング５９の冷却もする構造としている。【選択図】  図３
2005054614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記ケーシングに設けられ前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記ケーシングに設けられ前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、
前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、
吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、
前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースとを有すると共に、
前記雄ロータ径を１としたとき、前記雌ロータ径を０．８８以上、雄ロータと雌ロータとの軸間距離を０．６９以下、雄ロータの長さを１．１以下にしたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項２】
請求項１において、雄ロータの巻角を、吸入側で圧縮開始位置にある雄ロータ溝の吐出側端面が、ケーシングの吐出側端面において、雌ロータの溝との連通が断たれる角度に構成したことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項３】
タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記ケーシングに設けられ前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記ケーシングに設けられ前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、
前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、
吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、
前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、
前記吐出側軸受ハウジング側のケーシング外側に取り付けられ、該ケーシング及びケーシングに設けられた吸入通路との間に隙間を形成するように配置され且つ前記吸入側軸受ハウジング側が閉じられたダクトとを備え、
前記ダクトは、前記吐出側軸受ハウジング側に、ダクト内への吸入用開口部を有すると共に、該吸入用開口部の部分を除き密閉空間を形成するように構成されていることを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項４】
タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記ケーシングに設けられ前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記ケーシングに設けられ前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、
前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、
吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、
前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、
前記吐出側軸受ハウジングの外周部に設けられた冷却水ジャケットとを備えることを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項５】
タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、
前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、
吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、
前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、
前記ロータへの吸入空間又は前記ロータ間に形成される圧縮空間に水を噴霧するための水噴霧用ノズルとを設けたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項６】
請求項５において、スクリュー圧縮機で圧縮され吐出された圧縮空気を他部に供給するための吐出空気配管と、
この吐出空気配管に設けられ吐出温度を検出するための温度センサと、
前記水噴射ノズルに水を供給するための水噴霧配管と、
該水噴射配管に設けられた電動弁と、
この電動弁を駆動するためのドライバと、
前記温度センサからの検出信号に基づいて、前記水噴射配管の電動弁を制御する制御装置とを備えることを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項７】
請求項５において、前記各ロータの表面または前記ケーシングの内周面の少なくとも一方に、耐蝕性金属をメッキするか耐水性樹脂をコーティングしたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項８】
請求項５において、ロータの歯溝を有するローブ部及びケーシングを耐蝕性金属又は耐水性樹脂としたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項９】
タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、
前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、
吸入側軸受ハウジングの軸貫通部に設けられたシール機構と、
前記軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、
前記ケーシングの外側に該ケーシングとの間に空間を形成するように弾性材を介して取り付けられた防音カバーとを備えることを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項１０】
請求項９において、前記防音カバーは、吸入側が閉端に構成され、吐出側軸受のハウジング部付近には該防音カバー内に圧縮機への空気を導くための吸入用開口部が設けられ、該吸入用開口部を除いてカバー内に密閉空間を形成するように吐出側軸受ハウジング側のケーシングに取り付けられていることを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れかにおいて、スクリュー圧縮機を構成する雄ロータの歯数が３枚、雌ロータの歯数が５枚であることを特徴とするスクリュー圧縮機。
【請求項１２】
請求項１１において、雄ロータの最大回転数は少なくとも１６０００ｍｉｎ−１であり、かつ雌ロータをモータにより直結駆動する構成としたことを特徴とするスクリュー圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低圧・大風量を供給するのに好適なスクリュー圧縮機に関し、特に、車載用燃料電池に使用される空気圧縮機として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は水素と酸素を結合する化学反応を利用して電力を生み出すエネルギ変換器の一種であり、排気されるガスは水蒸気のみなので、環境対応の面や、水素エネルギーが石油等の化石燃料に変わる次世代のエネルギーと期待されることから近年、急速に燃料電池自動車の開発が進められている。
【０００３】
燃料電池用の水素は高圧タンクに充填し、車に搭載するか、メタノール等から改質器で取り出す方法がある。一方、酸素は通常は大気に含まれているものを利用し、空気を圧縮して燃料電池内に取り込み、含有する酸素を反応させている。
【０００４】
従って、燃料電池の出力向上あるいは小型化のためには、単位大きさ当たりの出力増加が必要である。そのためには、水素と酸素が結合する反応を活発に促進する必要があり、多くは酸素の供給量を高めるために供給する空気を大気圧以上に昇圧している。しかし、供給圧力が高すぎても、未反応の酸素を含む空気は圧力を持ったまま燃料電池から排出されるため、エネルギーロスが増大する。そこで、エネルギー効率を考慮して空気の供給圧力は現在０．１５から０．２ＭＰａの低圧としている。
【０００５】
また、車載用に用いられる燃料電池に空気を供給する圧縮機は特に小型、軽量で高性能且つ低騒音が望まれる。低圧用スクリューロータの歯形については、従来吐出圧０．７ＭＰａの２段構成の定置式オイルフリースクリュー圧縮機の高圧段機又は低圧段機を流用しており、吐出圧が０．１５〜０．２ＭＰａの低圧専用の特別のロータは使用されていなかった。
【０００６】
軸受の潤滑方法については特許文献１に記載のスクリュー式車載用過給機のものがある。この過給機は雄、雌両ロータの吸入側と吐出側の軸受をエンジンの潤滑油を利用し、外部からの強制潤滑としている。
なお、騒音に対する防音構造については配慮が為されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−３１７１７２号公報
【発明が解決しようとする課題】
車載用燃料電池向けの圧縮機に対しては小型、軽量で且つ高性能、低騒音が望まれる。そこで、小型、高性能とするためにはロータの歯形を小さくして低圧（０．１５〜０．２ＭＰａ）に適した歯形とする必要がある。また、燃料電池車はモータで駆動されるため、エンジン（内燃機関）では必須であった潤滑系がなくなり、このため圧縮機の軸受を強制潤滑するためには、圧縮機自体に、給油及び排油を行うための油圧ポンプによる潤滑系を設ける必要があった。このため、圧縮機が大きく且つ複雑になる欠点があった。更に、燃料電池自動車はモータで駆動されるため、エンジン自動車に比べて騒音が低く、このため圧縮機の騒音が目立つようになるから、圧縮機の低騒音化が望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、高効率で、軸受部への強制給油も必要がなく、それによって小形化できるスクリュー圧縮機を得ることにある。
本発明の他の目的は、吐出側軸受や吸入側軸受を効果的に冷却することにより、これらの軸受の信頼性を向上できるスクリュー圧縮機を得ることにある。
本発明の更に他の目的は、低騒音化を図ることのできるスクリュー圧縮機を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため本発明は、タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記ケーシングに設けられ前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記ケーシングに設けられ前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、
吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースとを有すると共に、前記雄ロータ径を１としたとき、前記雌ロータ径を０．８８以上、雄ロータと雌ロータとの軸間距離を０．６９以下、雄ロータの長さを１．１以下にしたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、雄ロータの巻角を、吸入側で圧縮開始位置にある雄ロータ溝の吐出側端面が、ケーシングの吐出側端面において、雌ロータの溝との連通が断たれる角度に構成すると良い。
【００１１】
本発明の第２の特徴は、タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記ケーシングに設けられ前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記ケーシングに設けられ前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、前記吐出側軸受ハウジング側のケーシング外側に取り付けられ、該ケーシング及びケーシングに設けられた吸入通路との間に隙間を形成するように配置され且つ前記吸入側軸受ハウジング側が閉じられたダクトとを備え、前記ダクトは、前記吐出側軸受ハウジング側に、ダクト内への吸入用開口部を有すると共に、該吸入用開口部の部分を除き密閉空間を形成するように構成したことにある。
【００１２】
本発明の第３の特徴は、タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記ケーシングに設けられ前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記ケーシングに設けられ前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、前記吐出側軸受ハウジングの外周部に設けられた冷却水ジャケットとを備えることにある。
【００１３】
本発明の第４の特徴は、タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、吸入側軸受ハウジングと吐出側軸受ハウジングのそれぞれの軸貫通部に設けられたシール機構と、前記吸入側と吐出側の軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、前記ロータへの吸入空間又は前記ロータ間に形成される圧縮空間に水を噴霧するための水噴霧用ノズルとを設けたことにある。
【００１４】
更に、上記スクリュー圧縮機において、圧縮され吐出された圧縮空気を他部に供給するための吐出空気配管と、この吐出空気配管に設けられ吐出温度を検出するための温度センサと、前記水噴射ノズルに水を供給するための水噴霧配管と、該水噴射配管に設けられた電動弁と、この電動弁を駆動するためのドライバと、前記温度センサからの検出信号に基づいて、前記水噴射配管の電動弁を制御する制御装置とを備えるようにすると良い。
【００１５】
また、前記各ロータの表面または前記ケーシングの内周面の少なくとも一方に、耐蝕性金属をメッキするか耐水性樹脂をコーティングする、或いはロータの歯溝を有するローブ部及びケーシングを耐蝕性金属又は耐水性樹脂にするとなお良い。
【００１６】
本発明の第５の特徴は、タイミングギヤで互いに非接触で噛合い回転する雄・雌一対のロータと、これらのロータを収納すると共に吸入通路と吐出通路を有するケーシングと、前記各ロータの吸入側及び吐出側を支持する軸受と、前記吸入側軸受を収容する吸入側軸受ハウジングと、前記吐出側軸受を収容する吐出側軸受ハウジングとを備えたスクリュー圧縮機において、前記ケーシング内面と前記吸入側軸受ハウジング外面との間に設けられ前記吸入通路の一部を形成する吸入流路と、吸入側軸受ハウジングの軸貫通部に設けられたシール機構と、前記軸受の潤滑に用いられ、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースと、前記ケーシングの外側に該ケーシングとの間に空間を形成するように弾性材を介して取り付けられた防音カバーとを備えることにある。
【００１７】
ここで、前記防音カバーは、吸入側が閉端に構成され、吐出側軸受のハウジング部付近には該防音カバー内に圧縮機への空気を導くための吸入用開口部が設けられ、該吸入用開口部を除いてカバー内に密閉空間を形成するように吐出側軸受ハウジング側のケーシングに取り付けられるようにするのが良い。
【００１８】
上記において、スクリュー圧縮機は、雄ロータ歯数を３枚、雌ロータ歯数を５枚とし、更に雄ロータの最大回転数を少なくとも１６０００ｍｉｎ−１にすると共に、雌ロータをインバータ駆動の高周波モータ等により直結駆動する構成にすると良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本実施例は、ロータの歯形を小型で低吐出圧においても高効率が得られる歯形とし、ロータの軸受を吸入、吐出両側ともグリース潤滑として強制給油を不要にして小型化を図ると共に、圧縮機の低騒音化も図ろうとするものである。
【００２０】
まず、小型で高性能なロータ歯形とするため、理論吸い込み容積を大きくし、漏洩を小さくする。理論吸い込み容積を大きくするためには歯数を少なくすると共にロータ溝を深くし、ロータの溝間の漏れを生ずるブローホール面積をできるだけ小さくする。また、圧縮室側から吸入室側への漏洩通路を形成するシールライン長をできるだけ小さくできる歯形とし、且つ圧縮開始時のロータ溝が閉じ遅れを生じないロータの巻き角とする。
【００２１】
強制潤滑手段を廃止するため、軸受の潤滑をすべてグリース潤滑とし、軸受を冷却する手段を設ける。さらに、低騒音化を図るために、ケーシングの外周に騒音を遮断することが可能な防音構造のカバーを、ケーシングの振動が伝達しないように設ける、等の工夫をした。
【００２２】
以下、本発明の具体的実施例を図１〜図１３を用いて説明する。
図１に本発明の第１実施例を示す。低圧で高効率な雄ロータ１と雌ロータ２が共に噛み合った状態でケーシング３の中に収納されている。各ロータの吐出側軸部は吐出側軸受ハウジング５９内の吐出側軸受４により回転自在に支持されており、各吸入側軸部は吸入ポートを形成するＳケーシング９の吸入側軸受ハウジング１６内の吸入側軸受５により回転自在に支持されている。吐出側軸受４は組み合わせアンギュラ軸受を採用しており、ハウジングの圧縮室側には円管状の仕切板１４を介して接触式シール（オイルシール）６を配置しており、更に圧縮室側にはパージ穴１５を設け、そのまた先のロータ側には非接触式シール（カーボンシール）７を設けている。
【００２３】
吐出側軸部の軸端側には同様に接触式シール（オイルシール）６を設け、その先の端部には各々タイミングギヤ１２を設けており、雄、雌両ロータはタイミングギヤ１２により非接触で回転可能に構成されている。
【００２４】
両ロータの吸入側軸部は吐出側軸部と同様に、吸入側軸受５と圧縮室を形成するロータとの間に円管状の仕切板１４を介して、接触式シール（オイルシール）６が設けられている。なお、両ロータの吸入側軸部端は軸受カバー８で塞がれており、両側の軸受とも軸受ハウジング内に封入したグリースで潤滑を行う。ここで、吐出側軸受４は両側を接触式シール６で密閉されているので、グリースが漏れることなく軸受を潤滑できる。また、吸入側軸受５も、一方は接触シール６で密閉されており、他方は軸受カバー８により塞がれているのでグリースが漏れることはない。
【００２５】
なお、燃料電池用空気圧縮機は雄ロータの最大回転数が１６０００ｒｐｍにもなり、グリース及び軸受の温度上昇が厳しいため、グリースは特に高温で調度の低下が少なく且つ低温での損失トルクが小さい高速・高温用に適したグリースを用いる。吸入側軸受ハウジング１６は、図１３に示すように、Ｓケーシング９の内側と軸受ハウジング１６との間に形成された軸方向吸入流路５３から吸入する空気で冷却される。吸入流路５３からの吸入空気はロータ溝内に充填（吸入）される。吸入側軸受ハウジング１６は吸入流路５３の中に補強用のリブ５４を雄、雌ロータ側に各々設けており、そのリブ５４の取り付け方向は、ロータ軸の中心線から４５度上方としており、圧縮によるガス圧がロータに作用する方向に合わせてある。Ｓケーシング９のロータ下部の圧縮室側（内側端面）は、圧縮開始時のロータ溝の吸入側端面をシールするための端面を形成している。
【００２６】
図１に戻り、吸入ポートを形成するＳケーシング９には、吸入フィルタや消音器（図示せず）と接続される吸入管１０が接続されている。また、ロータの吐出側軸端に設けたタイミングギヤ１２はタイミングギヤカバ１１で密閉されており、タイミングギヤカバ１１内の下部に充填されているオイルをタイミングギヤ１２ではねかけ、潤滑が行われる。また、雌ロータの吐出側軸端部はタイミングギヤカバ１１を貫通し、モータと接続するためのカップリング１３が設けられている。なお、タイミングギヤカバ１１の軸貫通部にも接触式シール（オイルシール）６を設け、充填されているオイルが漏れることがないようにしている。
【００２７】
図２は図１に示す圧縮機と同様の圧縮機と高速モータとを一体型に直結した実施例を示す。図２に示すように、雌ロータ２の吐出側軸を長くしてモータロータ１９を嵌合し、モータのステータ２０を固定したモータケーシング６０をモータアダプタ１７を介して圧縮機のケーシングに取り付けて一体化している。本実施例では雌ロータ駆動としているが、その理由を以下述べる。本実施例では低吐出圧用の歯形として雄ロータの歯数を３枚、雌ロータの歯数を５枚としており、雄ロータの回転数は１６０００ｍｉｎ−１（１６０００ｒｐｍ）に達するようにする必要がある。雄ロータの回転数が最大で１６０００ｍｉｎ−１の場合、雌ロータの回転数は最大で９６００ｍｉｎ−１となるから、本実施例では雌ロータを駆動することにより最大回転数１００００ｍｉｎ−１程度のモータによる直結駆動を可能とし、より安価なモータで構成することができるようにしている。
６４はモータを冷却するためにモータケーシング６０に形成された水冷ジャケットである。なお、水冷ジャケット６４による水冷式を採用する代わりに空冷式のモータを使用することも可能である。
【００２８】
図８により、低吐出圧に適したロータの歯形について説明する。低吐出圧用のロータでは圧縮過程にあるロータ溝間の圧力比が小さいため、歯数を少なくしても圧力差によるロータ溝間の漏れが増加することがなく、歯数を少なくすることが可能である。歯数を少なくすれば、ロータ周方向に対する歯溝の幅を大きく取れ、溝を深くすることも可能になり、ロータ断面積に対する空気を吸入する溝面積の比を示す歯形係数を大きく取れる利点がある。即ち、歯形係数を大きくとれることにより、歯形によって形成されるロータの歯溝容積も大きく取れるため、圧縮中のロータ溝から吸入空間への漏洩隙間を形成するシールラインからの漏れを一定とすると、吸入した空気量に対する漏れ量の割合を減少でき、この結果性能向上を図ることができる。
【００２９】
本実施例では、図８に示すように、歯数は雄を３枚、雌を５枚とし、溝を深くするためにロータ間距離５０に対する雄ロータ径４８の割合をできるだけ大きくした。但し、雌ロータ径４９に対して雌ロータの歯厚が必要最小限得られる寸法を雄ロータの最大値としている。また、ロータの噛み合い部に生じる漏洩隙間を形成するシールラインの長さを最小とするため、雌ロータ前進面歯先の円弧の半径（前進面歯先円弧半径）５６はできるだけ大きくし、雄ロータ歯先の放物線の焦点距離５７は小さくし、雄ロータ歯先の放物線につながる円弧の半径５８も小さくした。更に、ケーシング３と雄ロータの歯面と雌ロータの歯面とで形成されるロータ溝間の漏れを生じるブローホール面積を決定する雌ロータ後進面歯先の円弧の半径（後進面歯先円弧半径）５５もできるだけ小さくした。なお、雄、雌ロータの他の部分の歯形は、上記円弧及び放物線により互いに創生される形状とする。上記に基づき、溝容積をできるだけ大きくし、漏洩隙間を形成するシールライン長さをできるだけ小さくし、ブローホール面積もできるだけ小さくすることのできる歯形の具体的形状を以下に寸法比で示す。即ち、雄ロータの径を基準として、雌ロータ径を０．８８６以上、軸間距離を０．６８６以下、雌ロータ前進面歯先円弧半径を０．０４４以上、雌ロータ後進面歯先円弧半径を０．０１７以下、雄ロータ歯先放物線焦点距離を０．０８０以下、雄ロータ歯先円弧半径を０．０１以下とし、更に雄ロータの長さを雄ロータの径に対して比を１．０６以下にすると良い。
【００３０】
また、吸入側端面でロータが噛み合い圧縮を開始したときに、雄ロータの圧縮を開始した溝が、吐出側端面で隣の雌ロータ側の吸入中の溝とつながった状態である「閉じ込み遅れ」を生じない条件として雄ロータの巻角を２００°以下とする。閉じ込み遅れについて、図１１と図１２を用いて説明する。図１１は、吸入側から見た圧縮を開始するタイミング（時点）での雄ロータ溝５１及び雌ロータ溝５２の状態を示す。雄ロータは、図１１において右回転、雌ロータは左回転で圧縮が進行する。なお、ロータ溝は吸入側から見て雄ロータは左回転方向、雌ロータは右回転方向にねじれている。そこで、吸入側から見た吐出端面部でのロータ溝の状態を図１２に示す。図１２は、圧縮を開始した雄ロータ溝の吐出側端面位置での状態を表わしており、図１２の状態では圧縮開始の溝５１はケーシングの内壁でシールされ、雌ロータ側の溝とのつながりはない状態に構成されている。
【００３１】
もし、雄ロータの巻き角が大きいと、圧縮開始のロータ溝５１は吐出側端面で隣の雌ロータの溝とつながってしまい、雄ロータが回転して、雌ロータ側の溝とのつながりがきれるまで圧縮できず、このため吸入空気量が低下することになる。そこで、本実施例では、図１１の圧縮開始のタイミングにおいて、図１２に示すように吐出側端面で雄ロータ溝が閉じるための条件として、雄ロータの巻き角を２００°以下にしている。
【００３２】
図３は、吐出側軸受４も吸入空気で冷却するようにした本発明の第２実施例を示すもので、本実施例では圧縮機ケーシング３の外側に支持部材２５を介してダクト２２を設けた構造としている。ダクト２２の圧縮機吸入側端部は閉端部２３としており、圧縮機の吐出側軸受ハウジング５９付近にダクト吸入ポート２９を設けている。なお、ダクト吸入ポートの先端部には吸入フランジ２４を設けており、吸入フィルタや消音器と接続が可能に構成されている。また、圧縮機ケーシング３とダクト２２の間には空間が形成されており、ダクト吸入ポート２９から吸入した空気が吐出側軸受ハウジング５９を冷却した後、更に吸入側軸受ハウジング１６の周囲の吸入流路５３を通って、吸入空気が圧縮機に吸入されるようにし、これにより吸入側軸受５も冷却可能な構成としている。更に、Ｓケーシング９の吸入側軸受ハウジング１６の周囲には、図１に示す吸入管１０の代わりに吸入空気が滑らかに吸入流路５３に入るように吸入ガイド２６が設けられている。
【００３３】
次に、吸入空気による軸受の冷却効果を図９を用いて説明する。図９は、横軸に雄ロータ回転数をとり、縦軸には図１に示す吸入ポート構造における吸入側軸受５の外輪温度の上昇（吸入空気との温度差）を示す。この図から、雄ロータ回転数を高くすると、本来発熱量が増加して軸受外輪温度（空気との温度差）は増加するはずであるが、吸入空気速度も増加するため冷却効果が増大し、軸受外輪温度が低下する。従って、吐出側軸受４についてもハウジングの周囲を吸入空気で冷却すれば軸受を効果的に冷却可能である。
【００３４】
図４は、吐出側軸受４を水冷構造にした本発明の第３実施例を示す。この実施例では、吐出側軸受４もグリース潤滑とし、軸受の冷却を水で行うため、圧縮機吐出側軸受ハウジング５９の外周部に水ジャケット３０を形成し、水ジャケット３０の吸水口３１から水を供給し、排水口３２から水を排水する。なお、本実施例において、圧縮機を駆動するモータが、図２に示すように水冷の場合には、モータの水冷ジャケット６４と軸受４の水ジャケット３０に流す冷却水の吸水、排水系統を一緒にすることも可能である。
【００３５】
図５は、吸入ダクトから水を噴霧し、吐出空気温度を下げて吐出側軸受４の温度上昇を抑えるようにした本発明の第４実施例で、燃料電池用空気圧縮機として好適なものである。本実施例では、吸入管１０に水噴霧ノズル３３を設け、吸入空気中に水を噴霧することにより、吸入され圧縮される空気が冷却されるようにしたもので、本実施例によれば吐出ポートから吐出される吐出空気温度を下げることができる。
【００３６】
圧縮機吐出空気温度による吐出側軸受４の温度への影響を図１０により説明する。図１０は、横軸に圧縮機吐出空気温度（吐出温度）をとり、縦軸に吐出側軸受４の外輪温度（周囲空気温度との温度差）を示す。図１０に示すように、吐出温度を下げると、軸受外輪温度も低下するのがわかる。
【００３７】
図６は、圧縮機から吐出される吐出空気の吐出温度を一定にコントロールするため、図５に示す水噴射式スクリュー圧縮機を採用した車載用燃料電池システムを示す図である。圧縮機３４で０．１５〜０．２ＭＰａに昇圧された吐出空気は、吐出空気配管６１を通り、圧縮機吐出空気冷却用のクーラ３９で設定温度まで冷却されたあと、燃料電池３６のカソード極へ供給される。一方、水素は高圧水素タンク３５から水素供給配管６２によりアノード極へ供給される。燃料電池３６では水素と酸素の反応により電気を発生し、発生した電気は車輪駆動用モータ３８へ、インバータ３７を介して供給され、車を駆動する。なお、モータの回転速度はインバータ３７により制御される。また、燃料電池で発生した水蒸気は水蒸気冷却用のクーラ３９´で冷却された後、水セパレータ４３に送られ、そこで水分を分離し、排気空気は放出される。なお、水セパレータの下部に回収された水はポンプ４５で昇圧され、電動弁４１を介して吸入管１０に設けた水噴霧ノズル３３から吸入管１０内へ噴霧されるように構成している。
【００３８】
なお、圧縮機の吐出空気温度は吐出圧が０．２ＭＰａの時、１４０〜１９０度に達する可能性がある。吐出空気温度が高すぎると、特に吐出側軸受４の温度が高くなる。現在、車両用として多く用いられている固体高分子型燃料電池は作動温度が８０〜１００℃なので、吐出空気温度を８０〜１００℃に下げる必要がある。図５、図６に示すように、水噴霧を行うことにより、吐出空気温度を８０〜１００℃に保つことができるから、燃料電池へ供給する圧縮空気を冷却するためのクーラ３９を不要にすることもできる。しかし、吐出空気温度を下げすぎても燃料電池の反応が低下するため、水噴霧量を吐出空気温度に応じて適正値にコントロールする必要がある。
【００３９】
図６において、圧縮機の吐出空気配管６１には温度センサ４０を設置しており、検出した吐出空気温度は制御装置４４に取り込まれる。また、水配管６３には電動弁４１を設けており、温度センサ４０の検出温度に応じて制御装置４４から電動弁４１を動作させて、水噴霧量をコントロールし、吐出空気温度を一定に保つように制御している。
【００４０】
図７は本発明の第５実施例を示すもので、この実施例は、低騒音化のために、圧縮機ケーシング３の外部に防音カバ４６を設けたものである。防音カバ４６としては、吸音及び遮音性に優れた部材を使用する。なお、本実施例では、防音カバ４６を、騒音を吸収する吸音材６５と吸音材を固定するベース材６６とで構成している。圧縮機の騒音の原因として、ロータ振動や吐出脈動による流体力でケーシング３が加振され、騒音が増幅する要因がある。そこで、ケーシング３から防音カバ４６に振動が伝播しないように、防音カバ４６は、弾性体の固定部材４７を介して、ケーシング３のフランジ部２７及びＳケーシング９のフランジ部に固定されている。
【００４１】
以上説明した本実施例によれば、吸入側と吐出側の軸受をグリース潤滑としているので、給油ポンプやオイルクーラ等の強制給油装置が不要となり、小型で低価格化を実現できる。また、グリースに高温での調度軟化が小さく、低音での損失トルクの少ないグリースを用いることにより、高速での軸受潤滑に対する信頼性を向上できる。さらに、吸入流路を、吸入側軸受ハウジング外周とケーシング内周の間に形成し、軸方向吸い込みとすることにより、吸入側軸受は吸入空気により冷却されるので、更に軸受の信頼性を向上できる。
【００４２】
また、ロータの歯形をロータ径に対して溝の深い歯形とし、圧縮室からの漏洩を小さくし、更に圧縮開始時に、圧縮室を形成する溝の吐出端部での閉じ込み遅れがない巻き角とすることにより、小形化できると共に、低吐出圧に対して高効率が得られる効果がある。
【００４３】
ケーシングの外部にダクトを設け、吸入空気で吐出側軸受ハウジングと吸入側軸受ハウジングの両方を冷却するようにすれば、更に軸受の信頼性を向上できる。また、ダクトに防音効果をもたせるようにすれば、吸入側及び吐出側軸受を吸入空気で冷却可能とする他に騒音低減効果も得られる。
【００４４】
また、吐出側軸受のハウジング外部にジャケットを設け、水冷却を行うことで吐出側の軸受に対する信頼性を更に向上可能である。
更に、吸入管内に水を噴霧するようにすることにより、吐出空気温度を下げることができ、これにより吐出側軸受の温度上昇を低減でき、また燃料電池の動作温度に前記水噴射をコントロールすることにより、燃料電池に供給される圧縮空気を冷却するためのクーラを不要にできる効果がある。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、ケーシング内面と吸入側軸受ハウジング外面との間に吸入流路を設けると共に、吸入側と吐出側の軸受の潤滑に、高温での調度軟化が小さく且つ低温でのトルクの小さいグリースを使用し、更に雄ロータ径を１としたとき、雌ロータ径を０．８８以上、雄ロータと雌ロータとの軸間距離を０．６９以下、雄ロータの長さを１．１以下に構成しているので、高効率で、軸受部への強制給油の必要もなく、小形化も可能なスクリュー圧縮機を得ることができる効果がある。
【００４６】
また、吐出側軸受ハウジング側のケーシング外側に取り付けられ、該ケーシング及びケーシングに設けられた吸入通路との間に隙間を形成するように配置され且つ前記吸入側軸受ハウジング側が閉じられたダクトを設け、該ダクトには、前記吐出側軸受ハウジング側に、ダクト内への吸入用開口部を有すると共に、該吸入用開口部の部分を除き密閉空間を形成するように構成することにより、吸入空気で吐出側軸受ハウジングと吸入側軸受ハウジングの両方を冷却することができ、軸受の信頼性を更に向上できる。
【００４７】
更に、吐出側軸受ハウジングの外周部に冷却水ジャケットを設けるようにしたり、或いはロータへの吸入空間又はロータ間に形成される圧縮空間に水を噴霧するための水噴霧用ノズルを設けて吐出空気温度を下げるようにすれば、吐出側の軸受に対する信頼性を更に向上できる。
また、ケーシングの外側に弾性材を介して取り付けた防音カバーや吸音効果をもたせたダクトを設けることにより、低騒音化を図ることのできるスクリュー圧縮機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のスクリュー圧縮機の第１実施例を示す縦断面図。
【図２】圧縮機とモータとを一体型に直結した例を示す本発明の実施例を示すスクリュー圧縮機の縦断面図。
【図３】本発明のスクリュー圧縮機の第２実施例を示す縦断面図。
【図４】本発明のスクリュー圧縮機の第３実施例を示す縦断面図。
【図５】本発明のスクリュー圧縮機の第４実施例を示す縦断面図。
【図６】図５に示す水噴射式スクリュー圧縮機を採用した車載用燃料電池システムを示す系統図。
【図７】本発明のスクリュー圧縮機の第５実施例を示す縦断面図。
【図８】本発明のスクリュー圧縮機に好適なロータ歯形の例を示すロータ部分の断面図。
【図９】雄ロータ回転数に対する吸入側軸受の外輪温度との関係を説明する線図。
【図１０】圧縮機吐出温度に対する吐出側軸受の外輪温度との関係を説明する線図。
【図１１】圧縮を開始するタイミング（時点）での雄ロータ溝及び雌ロータ溝の状態を吸入側から見た吸入側断面図。
【図１２】圧縮を開始した雄ロータ溝の吐出側端面位置での状態を説明する吐出側断面図。
【図１３】図１に示すスクリュー圧縮機における吸入流路の部分を示す側面図。
【符号の説明】
１…雄ロータ、２…雌ロータ、３…ケーシング、４…吐出側軸受、５…吸入側軸受、６…接触式シール、７…非接触式シール、８…軸受カバー、９…Ｓケーシング、１０…吸入管、１１…タイミングギヤカバ、１２…タイミングギヤ、１３…カップリング、１４…仕切板、１５…パージ穴、１６…吸入側軸受ハウジング、１７…モータアダプタ、１８…モータ、２２…ダクト、２３…閉端部、２４…吸入フランジ（吸入側開口部）、３０…水ジャケット、３３…水噴霧ノズル、３４…圧縮機、３５…水素タンク、３６…燃料電池、３７…インバータ、３８…車輪駆動用モータ、３９，３９´…クーラ、４０…温度センサ、４１…電動弁、４２…電動弁駆動ドライバ、４３…水セパレータ、４４…制御装置、４６…防音カバ、４８…雄ロータ径、４９…雌ロータ径、５０…軸間距離、５１…雄ロータ溝、５２…雌ロータ溝、５３…吸入流路、５４…リブ、５５…雌ロータ後進面歯先円半径、５６…雌ロータ前進面歯先円半径、５７…雄ロータ歯先放物線焦点距離、５８…雄ロータ歯先円半径、５９…吐出側軸受ハウジング、６３…水供給配管、６５…吸音材、６６…ベース材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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