专利名称：发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用涡旋压缩机作为空气压缩装置的发电装置。
背景技术：
采用涡轮型空气压缩装置或涡流型空气压缩装置作为供给用于作为发电装置的构成要素的高分子电解质型燃料电池的空气的空气压缩装置。涡轮型空气压缩装置为使涡轮风扇高速旋转，由离心力作用升压的空气压缩装置，组装入家庭用扫除机等，通常以15000-25000转/分的高速旋转动作，所以存在寿命运转时间只有5000小时之短，和噪音大的问题。另外，涡流型空气压缩装置为由沿外周具有多个放射状的槽的旋转圆板产生的紊流剪断作用升压的空气压缩装置，尽管可以产生和圆周速度相比较高的压力，但是存在消耗功率大运转效率低，另外噪音也大的问题。
家庭用的高分子电解质型燃料电池，一般来讲从1KW到1.5KW的输出的产品正在开发中，其中空气压缩装置或转换器等副机损失功率为200W左右。另外其中的空气压缩装置的损失功率为100W左右。减少该副机损失功率是对于高分子电解质型燃料电池的最大课题。另外关于寿命，家庭用的高分子电解质型燃料电池往往长年运转，如果没有10年以上的寿命，则很难说合算性。另外，理想寿命最好为8万小时以上，但是从现状的技术看，寿命需要为4万小时。即，作为用于高分子电解质型燃料电池，供给空气的空气压缩装置，希望为如下所述的装置可以进行与发电功率成正比的最佳静压和风量等的控制，损失功率小，通过使翼低速旋转使寿命时间长且产生噪音小。
另一方面，参照图16、图17、图18说明考虑到作为空气压缩装置的利用的涡旋压缩机。图16为表示现有的空气压缩装置的剖视图，图17为表示图16所示的空气压缩装置的涡旋啮合状态的图，图18为表示图16所示的空气压缩装置的轴承构成的俯视图。
作为图16所示的空气压缩装置的涡旋压缩机的公转涡旋部件101使公转涡旋涡卷(スクロ一ルラツプ)101a直立于公转涡卷支承圆板101b的单面地构成，固定涡旋部件102使固定涡旋涡卷102a直立于固定涡卷支承圆板102b的单面地构成。在固定涡卷支承圆板102b的中心部备有排出压缩气的排出口102c。另外，在公转涡卷支承圆板101b的中心部备有插入驱动轴103的偏心轴103a的公转轴支孔105。驱动轴103在一端具有偏心轴103a，另一端与驱动马达106的转子相连。
驱动轴103的偏心轴103a经由2个单列深槽轴承105a、105b旋转自如地设于公转轴支孔105。为了减小单列深槽轴承105b的径向间隙，在偏心轴103a上由盘簧103c沿推力方向向单列深槽轴承105b的外轮施加预压力。另外，单列深槽轴承105a的外轮由压环108和螺栓111固定于公转涡卷支承圆板101b，以便使公转轴支孔105不向轴向移动。
另外，为了阻止公转涡旋部件101的自转，以多个曲柄轴104轴支公转涡卷支承圆板101b。在曲柄轴104的公转涡旋部件101侧的轴上嵌合1个单列深槽轴承104b，曲柄轴104经由该轴承104b轴支于公转涡旋部件101。另外在曲柄轴104的公转涡旋部件101的相反侧的轴上嵌合2个单列深槽轴承104a，曲柄轴104经由2个单列深槽轴承104a轴支于公转支承板109。此外，为了防止由于多个曲柄轴104的每个的推力方向尺寸L1的制作误差，而在公转涡卷支承圆板101b内产生多余的内部应力，以盘簧104c向轴向加载曲柄轴104。
气体压缩室107形成在公转涡旋涡卷101a和固定涡旋涡卷102a之间，伴随公转涡旋部件101的公转，从外周侧依次向内周侧移动，伴随该移动使压缩空间变窄，压缩了的气体从排出口102c排出。
如果驱动轴103由于驱动马达106而旋转，则公转涡旋部件101和驱动轴103一起旋转，但是由于曲柄轴104阻止自转，所以公转涡旋部件101围绕驱动轴103进行公转。
在公转涡旋部件101公转时，在公转涡旋部件101的重心上作用有离心力P，该离心力P对公转涡卷支承圆板101b产生弯曲力矩M。曲柄轴104由于由盘簧104c的作用可以沿轴向移动，所以不能支承弯曲力矩M。因此，由设在偏心轴103a上的2个单列深槽轴承105a、105b接受该弯曲力矩M。
由上可知，为了减小离心力P，公转涡旋部件101往往使用铝一类的质量轻的材料。在这种情况下，由于嵌合于偏心轴103a的单列深槽轴承105a、105b，和嵌合于2个以上曲柄轴104的单列深槽轴承104b的外轮的嵌合面的磨耗强度不足，所以插入铁类环状部件110a、110b。
另一方面，为了使公转涡卷支承圆板101b平行于固定涡卷支承圆板102b进行公转，必须使驱动轴103和偏心轴103a保持平行。
但是，通常由于公转涡卷支承圆板101b的外形涡卷高度较低，为了支持公转涡旋部件101的离心力P产生的弯曲力矩M，不将单列深槽轴承105a和单列深槽轴承105b的间隔取得较大，另外由于偏心轴103a不能太粗，所以由于弯曲力矩M公转使涡旋部件101弯曲，不仅驱动轴103和偏心轴103a两轴不能保持平行，而且导致产生噪音。因此，为了减小弯曲力矩M，使用铝以上的轻材料作为公转涡旋部件变得重要。
因此，现有技术提出了在涡旋部件上采用树脂(例如，特开昭63-85278号、特开昭62-199981号、特开昭61-38187号、特开平5-106402号、特开昭59-79090号)。在其中的特开昭61-38187号公报中，公开了一种涡旋式压缩装置，该涡旋式空气压缩装置备有由合成树脂为主体的材料形成的固体涡旋、由合成树脂形成旋回翼、护板和受到偏心旋转的接受部的旋回涡旋、和由耐磨耗性材料构成的加固材料，其中所述的耐磨耗性材料在形成该旋回涡旋的护板的旋回翼的面的相反侧的背面部和受到偏心旋转的接受部的接受面上，整体接合形成。此外，作为耐磨耗性材料，列举了铝合金等金属。
但是，采用上述现有技术的涡旋压缩机作为空气压缩装置的发电装置存在以下课题。
首先，由于在涡旋压缩机的公转涡旋部件上使用合成树脂，所以在将金属部件插入其树脂制的旋回涡旋并加固受到偏心旋转的接受部的情况下，由于合成树脂和金属部件的线膨胀系数的不同，由插入注射成型时的热和使用时的长年变化，旋回涡旋变形。如果有这样的变形，则不能保持旋回涡旋涡卷和固定涡旋涡卷的间隙一定，产生涡卷接触，同时导致作为机械损失的噪音产生。即，与涡卷接触引起的磨耗和机械损失相关，影响寿命或消耗动力。进而，轴承凸台为合成树脂，在插入注射成型时，由于轴承凸台的存在在树脂上产生收缩(ヒケ)，由于该收缩在旋回涡旋的内侧底面产生凹部，可能导致由死区容积引起的压缩效率的下降。
另外，在使公转涡旋涡卷101a和固定涡旋涡卷102a啮合了的状态下，在圆弧的法线方向，即涡卷间设置曲面间隙。另外，在公转涡旋涡卷101a的涡卷前端与固定涡卷支承圆板102b之间、和固定涡旋涡卷102a的涡卷前端与公转涡卷支承圆板101b之间设置前端间隙，但是如果合成树脂制的公转涡旋部件变形，则不能维持规定间隙，从而影响寿命或消耗动力。进而，另外，在需要10kPa以上的排出压力的情况下，存在从法线方向的间隙和前端部的间隙漏出气体的课题。
另外，如果在公转涡旋部件上采用合成树脂，则由于施加在公转涡旋部件上的驱动力而变形的问题也随之而来。
另外，存在使涡旋部件或壳体等更轻，使空气压缩装置整体轻量化的课题。
因此，本发明的目的在于提供一种实现作为副机的空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化，并且功率损失少，具有合算性的发电装置。
另外，另一目的在于使两涡旋间的间隙为可以长时间维持的规定值，实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化。
另外，另一目的在于抑制由驱动力引起的公转涡旋部件的变形，实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化。
发明内容
根据本发明的第1实施例的发电装置，为采用涡旋压缩机作为向燃料电池供给氧气的空气压缩装置的发电装置，构成涡旋压缩机的公转涡旋部件在公转涡卷支承圆板的一面上直立设置公转涡旋涡卷，在公转涡卷支承圆板的另一面上连接公转圆板，在公转圆板的中心部形成插入驱动轴端部的偏心轴的公转轴支孔，在公转圆板的公转轴支孔的外周侧形成插入制约该公转涡旋部件的自转的曲柄轴的偏心轴的多个曲柄轴支孔，由合成树脂使公转涡卷支承圆板和公转涡旋涡卷整体成型，使公转圆板为金属系材料，从而将公转轴支孔和曲柄轴支孔整体成型。
根据本实施例，可以提供如下所述的发电装置抑制公转涡旋部件的热变形，防止由涡卷接触引起的磨耗或机械损失，实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化，并且功率损失少，具有合算性。
根据本发明的第2实施例的发电装置，由将固定涡旋涡卷直立设置于固定涡卷支承圆板的一面的固定涡旋部件、将公转涡旋涡卷直立设置于公转涡卷支承圆板的一面的公转涡旋部件、向公转涡旋部件传递驱动力的驱动轴、制约公转涡旋部件自转的曲柄轴、和经由轴承保持驱动轴，同时经由轴承保持曲柄轴的一方的偏心轴的公转支承板构成涡旋压缩机，固定涡旋部件和覆盖固定涡旋涡卷的外周的第1壳体由合成树脂整体成型，公转支承板和与第1壳体连接的第2壳体由金属系材料整体成型，在公转涡卷支承圆板的另一面上，连接由金属系材料构成的公转圆板，由公转圆板轴支驱动轴端部的偏心轴，同时轴支曲柄轴另一方的偏心轴。
根据本实施例，可以提供如下所述的发电装置抑制公转涡旋部件的热变形，防止由涡卷接触引起的磨耗或机械损失，实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化，并且功率损失少，具有合算性。
本发明的第3实施例，在根据第2实施例的发电装置的基础上，在曲柄轴两端部的偏心轴上，分别设置多个滚动轴承，预先在转动体和轨道轮间施加面压力地组装每个滚动轴承。
根据本实施例，由于使公转涡旋部件具有刚性并相向于弯曲力矩M，所以可以抑制公转涡旋部件的变形，同时可以防止轴承的磨耗。
本发明的第4实施例，在根据第2实施例或第3实施例的发电装置的基础上，在固定涡旋涡卷的前端与公转涡卷支承圆板之间、和公转涡旋涡卷前端与固定涡卷支承圆板之间设置间隙。
根据本实施例，固定涡旋部件和公转涡旋部件的啮合成为没有摩擦损失并且也没有磨耗的非接触方式，可以实现低消耗功率和长寿命。
本发明的第5实施例，在根据第4实施例的发电装置的基础上，将间隙取为0.03-0.1mm。
根据本实施例，两涡旋部件间的前端间隙为实用的值，可以长时间维持非接触方式，实现低消耗功率化和长寿命化。
本发明的第6实施例，在根据第2实施例或第3实施例的发电装置的基础上，在固定涡旋涡卷和公转涡旋涡卷之间设置间隙。
根据本实施例，固定涡旋部件和公转涡旋部件的啮合成为没有摩擦损失并且也没有磨耗的非接触方式，可以实现低消耗功率和长寿命。
本发明的第7实施例，在根据第6实施例的发电装置的基础上，将间隙取为0.05-0.3mm。
根据本实施例，两涡旋部件间的曲面间隙为实用的值，可以长时间维持非接触方式，实现低消耗功率化和长寿命化。
本发明的第8实施例，在根据第1至第3实施例的发电装置的基础上，由从公转涡卷支承圆板侧的螺栓紧固进行公转涡卷支承圆板和公转圆板的连接。
根据本实施例，施加在公转涡旋部件上的驱动力由螺栓部分分散，可以抑制驱动力引起的公转涡旋部件的变形。
本发明的第9实施例，在根据第1至第3实施例的发电装置的基础上，由从公转涡卷支承圆板侧的铆钉紧固进行公转涡卷支承圆板和公转圆板的连接。
根据本实施例，施加在公转涡旋部件上的驱动力由铆钉部分分散，可以抑制驱动力引起的公转涡旋部件的变形。
本发明的第10实施例，在根据第1至第3实施例的发电装置的基础上，通过使设在公转涡卷支承圆板上的突起的一部分熔融变形来进行公转涡卷支承圆板和公转圆板的连接。
根据本实施例，施加在公转涡旋部件上的驱动力由突起部分分散，可以抑制驱动力引起的公转涡旋部件的变形，并且消除死区容积，避免压缩效率的降低。
本发明的第11实施例，在根据第1至第3实施例的发电装置的基础上，通过将合成树脂放入设在公转涡卷支承圆板和公转圆板上的孔内使其熔融变形来进行公转涡卷支承圆板和公转圆板的连接。
根据本实施例，由放入孔内的合成树脂，分散驱动力，从而可以防止变形，并且消除死区容积，从而可以避免压缩效率的降低。
本发明的第12实施例，在根据第1至第3实施例的发电装置的基础上，通过注射成型形成公转涡旋部件或固定涡旋部件。
根据本实施例，可以由注射成型形成公转涡旋部件或固定涡旋部件。
图1是表示本发明的发电装置的构成图。
图2是表示本发明的一个实施例的空气压缩装置的剖视图。
图3是表示本发明的另一实施例的空气压缩装置的剖视图。
图4是表示图3所示的空气压缩装置的涡旋啮合状态的图。
图5是表示轴支图3所示的空气压缩装置的曲柄轴的轴承构成的剖视图。
图6是表示本发明的一个实施例的涡旋曲面间隙和其效率的关系的图。
图7是表示本发明的一个实施例的涡旋前端间隙和其效率的关系的图。
图8是表示本发明的另一实施例的公转涡旋部件和公转圆板的紧固构成的剖视图。
图9是图8所示的紧固构成的平面图。
图10是表示本发明的另一实施例的公转涡旋部件和公转圆板的紧固构成的剖视图。
图11是表示本发明的一个实施例的注射成型构成的剖视图。
图12是表示本发明的一个实施例的取出构成的剖视图。
图13是表示图12的取出后的产品的平面图。
图14是表示本发明的另一实施例的取出构成的剖视图。
图15是表示图14的取出后的产品的平面图。
图16是表示现有的空气压缩装置的剖视图。
图17是表示图11所示的空气压缩装置的涡旋啮合状态的图。
图18是表示图11所示的空气压缩装置的轴承构成的俯视图。
具体实施例方式
(实施例1)以下，参照
根据本发明的一个实施例的发电装置。图1是表示本发明的发电装置的构成图。
根据本实施例的使用高分子电解质型燃料电池的发电装置的构成如下所述。即，燃料电池71由燃料极75、电解质膜76、和空气极77构成。空气由空气压缩装置73加压，在空气加湿装置72中加湿，然后供给空气极77。另外，氢气从氢气高压储气瓶74由调压阀(未图示)调压，在氢气加湿装置78中加湿，然后供给燃料极75。由上述构成，在燃料电池71中，供给燃料极75的氢气成为氢离子并通过电解质膜76移动至空气极77。在空气极77中移动来的氢离子和供给的空气中的氧气发生反应变成水。通过该反应过程产生电，发出的直流电由转换器79转换为交流电，供给负荷80。在空气极77中未反应的空气和反应生成的水(水蒸气)一起从空气出口81排出。另外，在燃料极75中未反应的氢气从氢气出口82排出。
(实施例2)下面，说明用于本发明的发电装置的一个实施例的空气压缩装置。
图2是表示本发明的一个实施例的空气压缩装置的剖视图。此外，关于驱动压缩机构部的驱动马达省略图示。
作为图2所示的空气压缩装置的涡旋压缩机具有公转涡旋部件1和固定涡旋部件3。公转涡旋部件1使公转涡旋涡卷1a直立于设有公转轴支孔68的公转涡卷支承圆板1b。驱动轴84由主轴84a、和设在该主轴84a端部并且偏芯的偏心轴83构成。在偏心轴83上嵌合滚珠轴承67。公转涡旋部件1经由滚珠轴承67由驱动轴84轴支。
通过在偏心轴83上设置轴用C型止轮70，偏心轴83不从滚珠轴承67脱出。另外，通过在公转轴支孔68上设置孔用C型止轮69，滚珠轴承67不从公转轴支孔68中脱出。因此，成为由轴用C型止轮70和孔用C型止轮69使偏心轴83不向公转涡旋部件1的轴向脱出的构造。另外，直立设在固定涡旋部件3的单面的固定涡旋涡卷3a和公转涡旋涡卷1a啮合。
此时，各涡旋涡卷的涡旋状的端面在彼此相向的平面部间设置规定的微小间隙G。另外，固定涡旋涡卷3a的渐开线曲面和公转涡旋涡卷1a的渐开线曲面之间也设有微小间隙T。圆板形的基台62将主体框65嵌着于上部。主体框65夹有分隔部66，在基台62侧和其相反侧分别形成平衡器室91和涡旋室86。经抛光(カラ一リング)由驱动轴组92对滚珠轴承64、第1平衡器91a、第2平衡器91b和滚珠轴承63进行定位。该驱动轴组92在驱动轴84上安装滚珠轴承64、第1平衡器91a和第2平衡器91b。另外驱动轴组92不向驱动轴84的轴向移动地由轴承螺母90固定。
在分隔部66的中心部具有大小和滚珠轴承64的外径尺寸相等的圆筒孔。在该分隔部66的圆筒的孔内配置滚珠轴承64。滚珠轴承64为可以沿轴向在该分隔部66的圆筒的孔内移动的构成。
在基台62的中心部具有圆筒的孔，在该圆筒的孔内配置圆筒状的轴承套85。轴承套85夹有垫圈87由螺栓88固定于基台62。该轴承套85具有台阶部86a。在轴承套85上配置滚珠轴承63。滚珠轴承63由台阶部86a在轴承套85内定位。
如果驱动轴84旋转驱动则偏心轴83公转，进而，虽然公转涡旋部件1欲围绕偏心轴83旋转，但是由用于使主体框65和公转涡卷支承圆板1b之间的公转涡旋部件1可以进行公转运动的自转阻止装置61阻止自转而成为公转运动。由公转涡旋部件1的公转涡旋涡卷1a和固定涡旋部件3的固定涡旋涡卷3a形成压缩室。
另外，通过向自转阻止装置61施加压缩预压力，可以提高公转部件的公转刚性，可以减小涡旋涡卷的微小间隙G的振动。为了施加预压力，调整位于轴承套85和基台62之间的垫圈87的厚度，通过旋入螺栓88使分隔部66的滚珠轴承64的外轮沿轴向滑动，使驱动轴组92移动至基台62侧。如果向自动阻止装置61施加预压力，则公转涡旋部件1可以在维持涡卷前端间隙G的同时公转。
在此，由于滚珠轴承64轴旋转，所以外轮的配合公差为间隙公差，轴向移动力变轻。另外轴承套85和基台62的配合公差为间隙公差，向轴向的移动力也变为最小。由此，可以得到下述涡旋压缩机该压缩机使施加预压力时的微调成为可能，一边保持自转阻止装置的运动刚性，一边进而可减少摩擦损失，通过将其应用于高分子电解质型燃料电池的空间压缩装置，减少消耗功率。
另外，涡旋式空气压缩装置的压力与涡旋的卷数成正比，与微小间隙G、微小间隙T成反比。另外，涡旋涡卷的高度尺寸和转速具有和风量成正比的性质。选择这些因素以使其相对于所需要的高分子电解质型燃料电池的压力和风量为最佳。
例如，在风量为0.1m3/分、压力为3000Pa的情况下，使涡卷前端间隙、涡卷曲面间隙、涡卷高度、转速分别为0.05mm、0.2mm、50mm、1200转/分即可实现。另外，由于风量正比于转速，所以作为驱动源，可以采用例如转速控制简单的DC马达。此外，为了可以在固定涡旋和公转涡旋的零件制作上，进而在组装构造上为最经济的制作，并且为了减少消耗功率，涡卷前端间隙和涡卷曲面间隙分别为0.03-0.1mm和0.05-0.3mm最佳。比这大的间隙产生漏风，从而不能得到所需要的压力和风量。
另外，通过使固定涡旋和公转涡旋为ABS、PP、PS等树脂，并且由注射成型制作，可以大量廉价生产，并且通过使其比金属轻，由公转不平衡力引起的振动也可减小从而噪音较低。在此，也可以用热塑性树脂或热固性树脂作为树脂材料。
(实施例3)下面，参照
用于本发明的发电装置的另一实施例的空压压缩装置。图3是表示本发明的另一实施例的空气压缩装置的剖视图。
作为图3所示的空气压缩装置的涡旋压缩机包含压缩机构部和涡旋驱动部、组装用螺栓类而构成。压缩机构部包含与公转圆板2配合的公转涡旋部件1、固定涡旋部件3而构成。另外，涡旋驱动部包含公转支承板14、具有插入公转支承板14的驱动轴4的驱动马达10、保护驱动马达10和平衡重量22的平衡保护罩17而构成。进而，说明详细构成。
公转涡旋部件1在公转涡卷支承圆板1b的一面上直立设置公转涡旋涡卷1a而构成，公转涡卷支承圆板1b和公转涡旋涡卷1a由合成树脂整体成型。固定涡旋部件3在固定涡卷支承圆板3b的一面上直立设置固定涡旋涡卷3a而构成，和覆盖固定涡旋涡卷3a的外周的第1壳体3d由合成树脂整体成型。另外，使公转涡旋部件1和固定涡旋部件3相对，保持规定间隙地啮合公转涡旋涡卷1a和固定涡旋涡卷3a，形成气体压缩室7。
另外，由多个螺栓20将公转圆板2紧固于公转涡卷支承圆板1b的另一面上。在该公转圆板2的中心部形成插入驱动轴4的端部的偏心轴4a的公转轴支孔2b。即，驱动轴4的偏心轴4a经由公转圆板2向公转涡旋部件1传递驱动马达10的驱动力。进而，在公转圆板2的公转轴支孔2b的外周侧形成插入制约该公转涡旋部件1的自转的多个曲柄轴5的偏心轴5e的多个曲柄轴支孔2a。另外，使公转圆板2为金属系材料，将公转轴支孔2b和曲柄轴支孔2a整体成型于该公转圆板2。
另一方面，公转支承板14经由单列深槽轴承12保持驱动轴14，同时经由单列深槽轴承5c、5d保持曲柄轴5的一方的偏心轴5f。另外，公转支承板14和由螺栓26连接于第1壳体3d的第2壳体14d由金属系材料整体成型。另外，由公转圆板2轴支驱动轴4的端部的偏心轴4a，同时轴支曲柄轴5的另一方的偏心轴5e。
下面，说明涡旋的压缩冲程。图4是表示图3所示的空气压缩装置的涡旋啮合状态的图，为表示气体压缩室7的容积渐渐减小，吸入的空气被压缩的样子的图。其构造为通过使图4所示的公转涡旋涡卷1a顺时针公转，气体压缩室7依次从外侧向内侧移动，气体被压缩，从图3所示的固定涡卷支承圆板2b的排出口3c排出。
下面，参照图3和图5说明公转涡旋部件的刚性提高。图5是表示轴支图3所示的空气压缩装置的曲柄轴的轴承构成的剖视图。在图5所示的曲柄轴5的公转圆板2侧的偏心轴5e上嵌合2个单列深槽轴承5a、5b，另外在偏心轴5e的相反侧的偏心轴5f上嵌合2个单列深槽轴承5c、5d。此外，虽然为单列深槽轴承，但也可以是斜接轴承、圆锥滚筒轴承。
由于单列深槽轴承5a、5b嵌合于铝类、铁合金类和钛合金类公转圆板2的曲柄轴支孔2a，所以与嵌合的单列深槽轴承5a、5b的外轮在公转圆板2的金属面接触，与嵌合于设在合成树脂的公转涡旋部件1上的孔的情况相比，耐磨耗得到提高的同时，公转涡旋部件1还可以以树脂实现轻量化。因此，作用在公转涡旋部件1的重心上的离心力P变小，并且由于重心位置位于公转圆板2侧，所以弯曲力矩M变小。
单列深槽轴承5a、5b的内轮在互相接触的位置夹有垫片9a，并由压环6a和螺栓7a使其在偏心轴5e上不沿轴向运动地固定。垫片9a的厚度为单列深槽轴承5a、5b的推力间隙的合计尺寸。同样将垫片9b夹入内轮，单列深槽轴承5c、5d嵌合于偏心轴5f，并由压环6b和螺栓7b使其不沿轴向运动地固定。垫片9b的厚度为单列深槽轴承5c、5d的推力间隙的合计尺寸。此外，该垫片在夹入外轮时也发挥同等功能。
另一方面，在图3所示的驱动轴4的公转涡旋部件1侧的端部设置偏心轴4a，使单列深槽轴承4b、4c嵌合于该偏心轴4a，将驱动轴4可以沿轴向移动地安装于公转圆板2的公转轴支孔2b。此外，单列深槽轴承为4b、4c2个，也可以为1个。另外，在公转涡旋部件1公转时，在公转涡旋部件1的重心上作用离心力P，在公转涡旋部件1上产生弯曲力矩M。为了支持公转涡旋部件1，以2个以上的曲柄轴5在推力方向、径向具有刚性地轴支公转涡旋部件1，并将其保持在公转支承板14上，与弯曲力矩M对抗。
另外，由于保持公转涡旋部件1的刚性地进行轴支，所以使图5所示的单列深槽轴承5a、5b的外轮抵接于设在公转圆板2上的台阶，而不贯通公转涡旋部件1侧，并将其安装于曲柄轴支孔2a，以压环8a和螺栓11a固定于公转圆板2，进而，向单列深槽轴承5a、5b的球体施加预压力，使其沿轴向不作丝毫移动。此外，虽然为向单列深槽轴承5a、5b的球体施加预压力的构造，但是也可以为使偏心轴5e相对于公转圆板2不沿轴向和轴垂直方向作丝毫移动地可以旋转自如地枢着的构造。例如，有组合推力轴承和单列深槽轴承的构造等。另外，使单列深槽轴承5a、5b的外轮抵接于设在公转圆板2上公转涡卷支承圆板1b侧的台阶，并将其安装于曲柄轴支孔2a，但是也可以抵接于设在反公转涡卷支承圆板1b侧的台阶从而使单列深槽轴承5a、5b嵌合于公转圆板，使其沿偏心轴5e方向不作丝毫移动地将其安装于曲柄轴支孔2a。由于这样使单列深槽轴承5a、5b沿轴向不作丝毫移动地将其外轮轴向固定，所以在公转部件2为铝时，也不会在单列深槽轴承5a、5b的外轮接触面旋转，不发生磨耗。
另外，使单列深槽轴承5c、5d的外轮抵接于设在公转支承板14上的台阶，而不贯通马达10侧，并将其安装于曲柄轴支孔14a，以压环8b和螺栓11b固定于公转支承板14，向单列深槽轴承5c、5d的球体施加预压力，使其沿轴向不作丝毫移动。此外，虽然为向单列深槽轴承5c、5d的球体施加预压力的构造，但是也可以为使偏心轴5f相对于公转支承板14不沿轴向和轴垂直方向作丝毫移动地可以旋转自如地枢着的构造。例如，有组合推力轴承和单列深槽轴承的构造等。另外，使单列深槽轴承5c、5d的外轮抵接于设在公转支承板14上驱动马达10侧的台阶，并将其安装于曲柄轴孔2c，但是也可以抵接于设在反驱动马达10侧的台阶从而使单列深槽轴承5c、5d嵌合于公转支承板14，使其沿偏心轴5f方向不作丝毫移动地将其安装于曲柄轴支孔14a。由于这样沿轴向不作丝毫移动地将单列深槽轴承5c、5d的外轮轴向固定，所以在公转部件2为铝时，也不会在单列深槽轴承的外轮接触面旋转，不发生磨耗。
在图3所示的驱动轴4的中央，嵌合单列深槽轴承12的内轮并以轴用C型止轮19固定。另外，单列深槽轴承12的外轮抵接于设在公转支承板14上的台阶，而不贯通公转圆板2侧，并将其安装于孔，以压环15和螺栓16固定使其沿轴向不移动。另外，平衡重量21、驱动马达10和平衡重量22不沿轴向移动，并且不绕驱动轴4旋转地嵌合于驱动轴4。
另外，为了提高驱动轴4的推力刚性，减小噪音，使单列深槽轴承13抵接于设在平衡保护罩17上的台阶，而不贯通驱动马达10侧，并将其安装于孔，在该台阶和单列深槽轴承13的外轮之间设置盘簧18，向平衡保护罩17侧拉动驱动轴4，向单列深槽轴承12和单列深槽轴承13的球体施加预压力。
如上所述，将单列深槽轴承5a、5b和单列深槽轴承5c、5d分别嵌装于曲柄轴5两端部的偏心轴5e和偏心轴5f，并预先向单列深槽轴承5a、5b和单列深槽轴承5c、5d的转动体和轨道轮分别施加面压力地组装，由该构成，使公转涡旋部件1沿推力方向、径向具有刚性地进行轴支，可以对抗在公转涡旋部件1上产生的弯曲力矩M。由该构成，可以抑制合成树脂制的公转涡旋部件1的变形，同时可以防止单列深槽轴承5a、5b的外轮磨耗。
下面，说明涡旋的间隙。图6表示本发明的一个实施例的涡旋曲面间隙和其效率的关系，图7是表示本发明的一个实施例的涡旋前端间隙和其效率的关系的图。
在图3所示的涡旋压缩机中，为了消除公转涡旋部件1公转时的摩擦阻力从而减少摩擦损失(即，动力损失)，并且为了消除涡卷磨耗，延长寿命，其构成为设置公转涡旋部件1和固定涡旋部件3的啮合为非接触方式的规定间隙。即，如果驱动轴4由于驱动马达10旋转，则公转圆板2一边公转，一边欲绕偏心轴4a旋转，但是2个以上的曲柄轴5阻止旋转，公转圆板2和公转涡旋部件1成为公转。另外，在公转涡旋涡卷1a和固定涡旋涡卷3a啮合状态下的圆弧的法线方向上，设置涡旋曲面间隙，另外，在公转涡旋涡卷1a和固定涡旋涡卷3a的涡卷前端部设置涡旋前端间隙。
考虑基于图6、图7所示的实验值的效率曲线，与合成树脂的各特性(例如，热变形性、成型性、制作费用等)的平衡确定上述的间隙尺寸。在本实施例中，使涡旋曲面间隙的实用范围的尺寸和涡旋前端间隙的实用范围的尺寸分别为0.05-0.3mm和0.03-0.1mm。即，虽然间隙越小，效率越优，但是考虑到以合成树脂的注射成型制作的情况的可能性，进而考虑到合成树脂的，历时变形的非接触方式的维持性，规定上述下限尺寸。另外，由于如果间隙过大，则漏出量变大，压缩效率降低，所以从其使用上考虑规定上述上限尺寸。
即，使固定涡旋部件和公转涡旋部件的啮合为没有摩擦损失和磨耗的非接触方式的规定间隙，并且使两涡旋部件间的规定间隙为可以长时间维持的实用值，可以实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化。
下面，说明本实施例3的公转涡旋部件等的材质。在图3所示的本实施例的空气压缩装置中，为了减小离心力P，用PPS、液晶聚合物、ABS等合成树脂材料等制作公转涡旋部件1(即，公转涡旋涡卷1a和公转涡卷支承圆板1b)。另外，在由混入了气泡的合成树脂制作公转涡旋部件1或/和固定涡旋部件2的情况下，除了进一步减小弯曲力矩M，大大防止公转涡旋部件的变形的效果外，还具有使空气压缩装置整体轻量化的效果。
下面，说明公转涡旋部件1和公转圆板2的紧固构成。在图3所示的本实施例3的紧固构成中，用从公转涡旋涡卷1a侧进入公转圆板2的螺纹孔的多个螺栓20将铝合金类、铁合金类和钛合金等材质制作的公转圆板2紧固于公转涡卷支承圆板1b的公转涡旋涡卷1a的相反侧。
如果为上述构成，则在分离的公转涡旋部件1和公转圆板2中，金属制的公转圆板2直接受到驱动力，合成树脂制的公转涡旋部件1以多个螺栓20分散受到驱动力，可以抑制公转涡旋部件1的驱动力引起的变形，可以实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化。
以上，空气压缩装置的构成具有以下特征。(1)由于公转涡旋部件1由合成树脂成型，所以可以减小公转涡旋部件的离心力P引起的弯曲力矩M的大小。(2)由于公转涡旋部件1和固定涡旋部件3，进而第1壳体3d由合成树脂成型，所以可以使整个装置轻量化。进而，通过由混入气泡的合成树脂制作，可以使整个装置大大轻量化。(3)通过分离公转涡旋部件1和公转圆板2，可以以金属制的公转圆板2直接受到驱动力，并且，由于公转涡旋部件1可以分散受到驱动力，所以可以避免合成树脂制的公转涡旋部件1的驱动力引起的变形。(4)在合成树脂制的公转涡旋部件1不存在像现有例的轴承凸台的导致收缩产生的部分，可以避免死区容积引起的压缩效率的下降。
另外，(5)由于为使插入偏心轴4a和偏心轴5e的公转轴支孔2b和曲柄轴支孔2a整体成型于金属系材料的公转圆板2的整体型轴承加固构成，所以不像根据现有例的金属插入的分割型轴承加固构成的情况，没有公转涡旋部件1的热变形，从而防止涡卷接触引起的磨耗或机械损失。(6)可以由机械加工等精度较高地使公转轴支孔2b和曲柄轴支孔2a的孔心彼此平行地成型，可以有助于防止涡卷接触。(7)由于使固定涡旋部件3和第1壳体3d，公转支承板14和第2壳体14d整体成型，所以可以减少零件个数，同时进行轴向组合，可以减小集成误差，可以容易地管理涡旋前端间隙G的尺寸。(8)由于由金属系材料整体成型的公转圆板2的公转轴支孔2b和曲柄轴支孔2a上，分别经由单列深槽轴承4b、4c和单列深槽轴承5a、5b，轴支偏心轴4a和偏心轴5e，所以可以提高轴承部的耐磨耗性，从而实现长寿命。进而，由用于向单列深槽轴承5a、5b和单列深槽轴承5c、5d施加预压力的例如将垫片9a、9b夹入内轮的构成或以压环6b和螺栓7b固定外轮的构成等，使公转涡旋部件1具有刚性从而对抗于弯曲力矩M，可以抑制公转涡旋部件1的变形。
即，上述实施例1采用涡旋式空气压缩装置作为具有使用氢离子传导性高分子电解质膜的燃料极和空气极的燃料电池的空气极供给用。另外，该涡旋式空气压缩装置使固定涡旋部件和公转涡旋部件为轻量的合成树脂，并且使固定涡旋涡卷和公转涡旋涡卷为非接触方式。另外，为了长时间维持该非接触方式，提高公转涡旋部件的公转刚性，向自转阻止装置侧拉动公转涡旋部件，向自转阻止装置施加压缩预压力，向位于作为自转阻止装置的曲柄轴的两端的偏心轴的单列深槽轴承施加预压力。
由此，通过使用根据本实施例的涡旋式空气压缩装置，可以提供实现作为副机的空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化，并且功率损失少，具有合算性的发电装置。换句话说，可以提供使用如下所述的空气压缩装置的发电装置，该空气压缩装置可以抑制公转涡旋部件的热变形，长时间维持涡卷间隙的非接触方式，防止涡卷接触引起的磨耗或机械损失，具有实用性。
(实施例4)下面，参照图8、图9，说明实施例4的公转涡旋部件和公转圆板的紧固构成。图8是表示本发明的另一实施例的公转涡旋部件和公转圆板的紧固构成的剖视图。在本实施例4的紧固构成中，代替实施例3的螺栓20，使用金属或合成树脂等铆钉23。
图9是图8所示的紧固构成的平面图，为从上方观看公转涡旋部件1的铆钉23的配置图。即，以适宜且平衡性好地配置的多个铆钉23铆紧固公转涡旋部件1(的公转涡卷支承圆板1b)和公转圆板2。
由本实施例4的紧固构成，分散作用在公转涡旋部件1上的驱动力，从而抑制由驱动力引起的公转涡旋部件的变形。另外，在本实施例4的铆钉紧固的情况下，其头部表面为平面，没有像实施例3的螺栓20的凹处，可以与公转涡卷支承圆板1b的底面35大致为同一平面。因此，可以减少死区容积，相应获得避免压缩效率下降的效果。
此外，未图示的下述构成也可以由上述驱动力的分散防止变形，并且避免死区容积引起的压缩效率的下降，所述构成为代替铆钉使用合成树脂的棒体的构成，即，将合成树脂的棒放入设在公转涡卷支承圆板1b和公转圆板2上的孔，使该合成树脂熔融变形从而紧固公转涡卷支承圆板1b和公转圆板2的连接的构成。
(实施例5)下面，参照图10的公转涡旋部件和公转圆板的紧固构成的剖视图说明实施例5的紧固构成。即，将图10所示的突起24设于合成树脂的公转涡旋部件1的公转涡卷支承圆板1b，并插入设在公转圆板2上的安装孔2c，加热熔融其前端，从而紧固公转涡旋部件1(的公转涡卷支承圆板1b)和公转圆板2。
本实施例5的紧固构成，分散作用在公转涡旋部件1上的驱动力，从而抑制由驱动力引起的公转涡旋部件的变形。另外，在突起24的情况下，由于没有像螺栓20或铆钉23的头部，所以公转涡卷支承圆板1b的底面35完全不探出。因此，没有死区容积，可以避免压缩效率的降低。另外，本实施例5的紧固构成为消除松了的螺栓20或铆钉23的头部和固定涡旋涡卷3a的接触的可能性的构成，可以获得使底面35和固定涡旋涡卷3a完全非接触滑动成为可能的效果。
此外，使用螺栓20或铆钉23的紧固构成中的头部的凹处的相对于压缩性能的影响，在到大约10kPa的情况下，效率劣化1-2％的程度，实验证明在实用上没有问题。
(实施例6)下面，说明以注射成型形成公转涡旋部件1和固定涡旋部件3等涡旋部件的构成。图11是表示本发明的一个实施例的注射成型构成的剖视图。
本实施例6以合成树脂为材料由注射成型制作公转涡旋部件1和固定涡旋部件3。模具在涡卷支承圆板30的相当于直立设置涡旋涡卷31的面的相反侧的面的大致中央的位置，设置单点注射浇口(ゲ一ト)32。加热的流动树脂从该注射浇口32射出到模具内。
此外，涡卷支承圆板30相当于上述公转涡卷支承圆板1b和固定涡卷支承圆板3b，涡旋涡卷31相当于公转涡旋涡卷1a和固定涡旋涡卷3a，涡旋部件33相当于公转涡旋部件1和固定涡旋部件3。
本实施例通过从单点浇口32射出熔融树脂使涡卷支承圆板30成型，由此多个树脂流互相撞击接触所产生的焊缝(ウエルド)的发生比使用多点浇口的情况少，可以防止降低焊缝面的拉伸强度。特别的，由于在公转涡旋部件上长时间连续反复作用公转运动引起的离心力P或弯曲力矩M，所以如本实施例所示，由从单点浇口32射出熔融树脂的方法，使公转涡旋部件的焊缝部的破坏对策成为可能。即，由本实施例的方法，可以形成不发生变形或破坏的涡旋部件，可以实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化。
另外，为了防止压缩气体漏出，涡旋部件33的底面35的平面度需要为0.03mm以内，因此需要防止注射成型时发生收缩的对策。如图3所示的公转涡旋部件1在公转涡卷支承圆板1b的和公转涡旋涡卷1a相反的一侧的面上，设置与公转涡卷支承圆板1b不同材质的公转圆板2，通过以螺栓20等紧固部件连接公转涡旋部件1和公转圆板2，不必在合成树脂制作的公转涡卷支承圆板1b上设置曲柄轴支孔2a和公转轴支孔2b。因此，由于没有曲柄轴支孔2a和公转轴支孔2b产生的凹凸，所以可以防止树脂的壁厚变化，可以将收缩抑制到最低限度。即，可以防止收缩产生的凹部(即，死区容积)导致的压缩效率的下降，可以实现空气压缩装置的高效率化。此外，注射浇口最好为单个，但是也可是具有可以抑制焊缝发生的多个注射浇口的构成。
下面，说明将公转涡旋部件1和固定涡旋部件3的涡旋部件注射成型后，从模具取出产品的方法。图12是表示本发明的一个实施例的取出构成的剖视图，图13是表示图11的取出后的产品的平面图。
本实施例为在注射成型合成树脂并且树脂在模具内固化后，从模具的腔侧取出该固化了的树脂成型品(涡旋部件)的方法，从涡旋涡卷31侧以推杆34推动涡卷支承圆板30的底面35，将树脂成型品(涡旋部件)取出。模具的构造为在模具腔38侧设置涡旋涡卷31用的空间，在模具芯39侧设置注射浇口32。在模具内注射成型熔融树脂并且合成树脂冷却到固化为止后，以推杆34从模具腔38侧推出涡旋部件。
配置各个推杆34使杆孔34a位于涡旋涡卷31的底部附近。通过设置多个推杆34，可以以均等的力推出涡旋涡卷31，可以减小涡卷支承圆板30的变形。
另外，注射成型合成树脂并在模具内固化后，为了提高所需形状精度，有时在模具内设置冷却回路。特别的，为了涡卷部的冷却，有时在涡卷间36设置冷却用的冷却水回路，但是为了确保该冷却水回路，最好将其设置在直立设置的涡旋涡卷31的底部附近。
以上，由从模具取出本实施例的产品的构成，可以抑制从模具取出时的涡旋部件的变形，可以实现空气压缩装置的低消耗功率化和长寿命化。
此外，有时即使推杆34不位于直立设置的涡旋涡卷31的底部附近，由合成树脂的材料、涡卷高度也存在较小变形的情况。在这种情况下，由于在底面35上残留推杆34的推出痕迹，所以不和相对侧的涡卷前端接触地使杆孔34a的痕迹为凹状。凹状的深度为0.1-1mm。也考虑由于该凹状使压缩空气漏出从而导致压力不上升，但是在压缩至大约10kPa的情况下，效率只劣化1-2％，实验证明在实用上可以没有问题地压缩。
下面，说明图14和图15所示的方法。多个推杆40配置在涡旋涡卷31的前端，跨越涡旋涡卷31的整周进行设置。另外，涡卷前端的宽度通常为2-5mm，使用圆的直径比该厚度小的推杆40。由推出产生的涡卷前端的推杆40的痕迹不探出地成为凹状。
图15是表示图14的取出后的产品的平面图，表示作为推杆40的痕迹的杆孔40a的在涡卷前端的配置。杆孔40a的凹状的深度为0.1-1mm。也考虑由于该凹状使压缩空气漏出从而导致压力不上升，但是在压缩至大约10kPa的情况下，效率只劣化1-2％，实验证明可以完全没有问题地压缩。
如上所述，根据本发明，通过长时间维持固定涡旋部和公转涡旋部的非接触方式，可以减少涡旋式空气压缩装置的消耗功率，可以减小振动。另外，转速根据发电功率为1200转/分左右时，可以使运转寿命时间为4万小时，可以使作为空气供给用使用空气压缩装置的发电装置(例如，使用高分子电解质型燃料电池的发电装置)为功率损失少，具有合算性的发电装置。即，具有可以提供具有实用性的发电装置的效果。
权利要求
1.一种发电装置，采用涡旋压缩机作为向燃料电池供给氧气的空气压缩装置，其特征为构成上述涡旋压缩机的公转涡旋部件在公转涡卷支承圆板的一面上直立设置公转涡旋涡卷，在上述公转涡卷支承圆板的另一面上连接公转圆板，在上述公转圆板的中心部形成插入驱动轴端部的偏心轴的公转轴支孔，在上述公转圆板的上述公转轴支孔的外周侧形成插入制约该公转涡旋部件的自转的曲柄轴的偏心轴的多个曲柄轴支孔，由合成树脂使上述公转涡卷支承圆板和上述公转涡旋涡卷成形为一体，使上述公转圆板为金属系材料，将上述公转轴支孔和上述曲柄轴支孔成形为一体。
2.一种发电装置，采用涡旋压缩机作为向燃料电池供给氧气的空气压缩装置，其特征为由将固定涡旋涡卷直立设置于固定涡卷支承圆板的一面的固定涡旋部件、将公转涡旋涡卷直立设置于公转涡卷支承圆板的一面的公转涡旋部件、向上述公转涡旋部件传递驱动力的驱动轴、制约公转涡旋部件自转的曲柄轴、和经由轴承保持上述驱动轴，同时经由轴承保持上述曲柄轴的一方的偏心轴的公转支承板构成上述涡旋压缩机，上述固定涡旋部件和覆盖上述固定涡旋涡卷的外周的第1壳体由合成树脂成形为一体，上述公转支承板和与上述第1壳体连接的第2壳体由金属系材料成形为一体，在上述公转涡卷支承圆板的另一面上，连接由金属系材料构成的公转圆板，由上述公转圆板轴支上述驱动轴端部的偏心轴，同时轴支上述曲柄轴另一方的偏心轴。
3.如权利要求2所述的发电装置，其特征为在上述曲柄轴两端部的偏心轴上，分别设置多个滚动轴承，预先在转动体和轨道轮间施加面压力地组装上述每个滚动轴承。
4.如权利要求2或权利要求3所述的发电装置，其特征为在上述固定涡旋涡卷的前端与上述公转涡卷支承圆板之间、和上述公转涡旋涡卷前端与上述固定涡卷支承圆板之间设置间隙。
5.如权利要求4所述的发电装置，其特征为将上述间隙取为0.03-0.1mm。
6.如权利要求2或3所述的发电装置，其特征为在上述固定涡旋涡卷和上述公转涡旋涡卷之间设置间隙。
7.如权利要求6所述的发电装置，其特征为将上述间隙取为0.05-0.3mm。
8.如权利要求1至3的任一项所述的发电装置，其特征为由从上述公转涡卷支承圆板侧的螺栓紧固进行上述公转涡卷支承圆板和上述公转圆板的连接。
9.如权利要求1至3的任一项所述的发电装置，其特征为由从上述公转涡卷支承圆板侧的铆钉紧固进行上述公转涡卷支承圆板和上述公转圆板的连接。
10.如权利要求1至3的任一项所述的发电装置，其特征为通过使设在上述公转涡卷支承圆板上的突起的一部分熔融变形来进行上述公转涡卷支承圆板和上述公转圆板的连接。
11.如权利要求1至3的任一项所述的发电装置，其特征为通过将合成树脂埋入设在上述公转涡卷支承圆板和上述公转圆板上的孔内使其熔融变形来进行上述公转涡卷支承圆板和上述公转圆板的连接。
12.如权利要求1至3的任一项所述的发电装置，其特征为通过注塑成型形成上述公转涡旋部件、或上述固定涡旋部件。
全文摘要
在涡旋压缩机中，在公转涡旋部件1的公转涡卷支承圆板1b的一面上直立设置公转涡旋涡卷1a，在另一面上连接公转圆板2，在公转圆板2的中心部形成插入偏心轴4a的公转轴支孔2b，在公转轴支孔2b的外周部形成插入制约公转涡旋部件1的自转的偏心轴5e的曲柄轴支孔2a，由合成树脂使公转涡旋涡卷1a和公转涡卷支承圆板1b整体成型，使公转圆板2为金属纱材料，将公转轴支孔2b和曲柄轴支孔2a整体成型，由此，抑制公转涡旋部件1的热变形，防止涡卷接触引起的磨耗或机械损失等。
文档编号H01M8/04GK1599842SQ0282405
公开日2005年3月23日 申请日期2002年12月3日 优先权日2001年12月3日
发明者冈山丰治, 荻野和郎, 加藤务, 谷口和宏 申请人:松下环境系统株式会社