Air supply device

本発明は、外部から空気を取り込み圧縮して吐出し、空気被供給装置に空気を供給する空気供給装置に関するものである。

送風機の風量を調整する装置において、大気圧を検出する大気圧センサを設け、大気圧に応じて風量制御を行う装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２５３３７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置では、大気圧を検出するための大気圧センサが必要であり、構成が複雑となるとともに、コストアップにもつながるという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、簡略な構成で大気圧に応じて空気供給制御を行うことが可能な空気供給装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、可動部材（１、２）を稼働させることで空気を吐出して空気被供給装置（２００）に空気を供給する空気供給装置であって、可動部材（１、２）を稼働させるモータ（１００）と、モータ（１００）の消費電力に関連する測定値を検出する消費電力検出手段（４０）と、吐出される空気の圧力を検出する吐出空気圧力検出手段（２６）と、モータ（１００）の回転数を制御する制御手段（４０）とを備え、制御手段（４０）は、モータ（１００）の回転数と吐出空気圧力検出手段（２６）にて検出された空気圧力とに基づき、標準気圧においてモータ（１００）が必要とする消費電力に関連する基準値を算出し、基準値と消費電力検出手段（４０）にて検出した測定値とに基づいてモータ（１００）の回転数を制御することを特徴としている。

このように、モータ回転数と吐出空気圧とから標準気圧におけるモータ（１００）の消費電力に関連する基準値を求め、実際の消費電力に関連する測定値と比較することで大気圧を推測することができる。 このような構成によれば、大気圧を検出するためのセンサを設ける必要がなく、簡略な構成で大気圧に応じてモータ回転数を制御して空気供給制御を行うことが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、制御手段（４０）は、測定値が基準値より大きい場合に、モータ（１００）の回転数を増加させることを特徴としている。 これにより、気圧の低い高地において空気供給量が減少することを抑制できる。

また、請求項３に記載の発明では、測定値はモータ（１００）のモータコイルに流れる電流値であり、基準値は標準気圧においてモータ（１００）が必要とする電流値であることを特徴としている。 これにより、例えばＰＷＭ制御が行われるモータの場合には、ＰＷＭ制御のために検出するモータ（１００）の電流値を測定値として用いることができ、新たに電流センサ等を設ける必要がない。

また、請求項４に記載の発明では、可動部材（１、２）はハウジング（７）内に収納されており、ハウジング（７）内で可動部材（１、２）を稼働させることで、外部から導入した空気を圧縮し、ハウジング（７）に設けられた吐出口（７ｂ）から吐出することを特徴としている。 このように空気供給装置が容積型圧縮機である場合には、消費電力に関連する値と大気圧とが１対１に対応しているので、制御性を向上させることができる。

また、請求項５に記載の発明では、ハウジング（７）の内壁と可動部材（１、２）との間は、微小な隙間が形成されたシール構造となっていることを特徴としている。 このようなシール構造を有する圧縮機の場合には、気圧の低い高地では流体仕事の増加とともに効率の低下があり、消費電力の差が大きくなるため、検出感度の低い消費電力検出手段（４０）を用いることができる。

また、請求項６および７に記載の発明では、吐出口（７ｂ）の下流側に配置され、吐出された空気が空気被供給装置（２００）に供給される際の空気圧力を調整する圧力調整弁（２８）を備え、制御手段（４０）は、基準値と測定値とに基づいて圧力調整弁（２８）の開度を制御することを特徴としている。 これにより、簡略な構成で大気圧に応じて圧力制御弁（２８）の開度を制御して空気供給制御を行うことが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。 本第１実施形態は、本発明の空気供給装置を触媒燃焼器に空気を供給する空気供給装置として適用したものである。 図１は空気供給装置の断面構成を含む概念図であり、図２は空気供給装置のロータの斜視図である。

本第１実施形態の空気供給装置はスクリュー型のポンプであり、ねじ状のオスロータ１およびメスロータ２（図２参照）と、駆動源の回転力によりロータ１、２を回転駆動する回転伝達機構３と、一対のロータ１、２および回転伝達機構３を収納するケーシング４と、駆動源の回転力を受ける入力軸５等から構成されている。 なお、図１において一対のロータ１、２は紙面奥側と手前側に並んで配置されている。

オスロータ１およびメスロータ２は、図２に示すように、互いに噛合するように螺旋状の突起部が形成された雄ねじ状に形成されている。 図１に示すように、オスロータ１およびメスロータ２は、電動モータ１００から回転力を得た回転伝達機構３により回転駆動される。 本第１実施形態では、オスロータ１が駆動側、メスロータ２が従動側になっており、それぞれ回転軸１ａ、２ａを中心として回転する。 なお、図示を省略しているが、電源からインバータを介して電動モータ１００に電力が供給される。

ケーシング４は、モータ１００側から順に、潤滑ボックス６、ロータハウジング７およびカバー８から構成されている。 潤滑ボックス６、ロータハウジング７およびカバー８は、ボルト（図示せず）等の締結手段によって強固に結合されている。 ロータ１、２と回転伝達機構３はそれぞれ離隔した状態でケーシング４内に収納されており、一対のロータ１、２はロータハウジング７内に収納され、回転伝達機構３は循環ボックス６内に収納されている。

潤滑ボックス６内には、回転伝達機構３と、回転伝達機構３に供給される潤滑油とが収納された潤滑油空間９が形成されている。 潤滑油としては、例えばエンジンオイルと同程度の粘度を有するオイルを用いることができる。 回転伝達機構３を構成する歯車等には、潤滑油空間９内の潤滑油がはねかけられることにより潤滑が行われる。

潤滑ボックス６には、モータ１００から回転力を受ける入力軸５が設けられている。 潤滑ボックス６には、モータ１００側に第１ベアリング１１が設けられ、潤滑油空間９側に第２ベアリング１２が設けられており、入力軸５はこれらのベアリング１１、１２を介して潤滑ボックス６に支持されている。 また、潤滑ボックス６に形成された入力軸５が挿入される挿通穴の内部には、第１、第２ベアリング１１、１２に供給される潤滑油がケーシング４外に流出するのを阻止するための第１オイルシール１３が装着されている。

ロータハウジング７内には一対のロータ１、２が収納されたロータ室１０が形成されている。 ロータハウジング７には、ロータ室１０内に空気を吸入するための吸入口７ａと、ロータ室１０外に空気を吐出するための吐出口７ｂが形成されている。 吸入口７ａはロータハウジング７の軸方向端部のうちカバー８側に設けられており、吐出口７ｂはロータハウジング７の軸方向端部のうち潤滑ボックス６側に設けられている。 吐出口７ｂの下流側には、吐出口７ｂから吐出された空気が供給される触媒燃焼器２００が配置されている。 触媒燃焼器２００は、本発明の空気供給装置から空気が供給される空気被供給装置を構成している。

また、ロータ１、２の外周先端とロータ室１０の内壁との間は、微小な隙間が形成されたシール構造となっている。 ロータ１、２とロータ室１０内壁との間には、吸入口７ａから吸入された空気を圧縮するための圧縮室１０ａが形成されている。

上述のように、ロータ１、２は回転伝達機構３により回転駆動される。 回転伝達機構３は、入力軸５の回転をオスロータ回転軸１ａとメスロータ回転軸２ａに伝達するとともに、一対のロータ１、２を同期回転させるように構成されている。 回転伝達機構３は、モータ１００によって駆動される入力軸５の回転をオスロータ回転軸１ａに伝える第１、第２ギヤ１４、１５と、これらのギヤ１４、１５からオスロータ回転軸１ａに伝えられた回転をメスロータ回転軸２ａに伝える第３、第４ギヤ１６、１７等から構成される。 なお、第３、第４ギヤ１６、１７は、一対のロータ１、２を同期回転させるためのタイミングギヤである。

オスロータ回転軸１ａとメスロータ回転軸２ａは、一端側が第３、第４ベアリング１８、１９を介してロータハウジング７に回転可能に支持され、他端側が第５、第６ベアリング２０、２１を介してカバー８に回転可能に支持されている。

また、ロータハウジング７に形成されたロータ回転軸１ａ、２ａが挿入される挿通穴には、第３、第４ベアリング１８、１９に供給される潤滑油がロータ室１０内に漏れるのを阻止するための第２、第３オイルシール２２、２３が装着されている。 さらに、カバー８に形成されたロータ回転軸１ａ、２ａが挿入される挿通穴にも、第５、第６ベアリング２０、２１に封入されているグリースがロータ室１０内に漏れるのを阻止するための第４、第５オイルシール２４、２５が装着されている。

ロータハウジング７の吐出口７ｂには、吐出空気の圧力を検出する圧力センサ２６が設けられている。 なお、圧力センサ２６が本発明の吐出空気圧力検出手段に相当している。

また、空気供給装置には、制御装置（ＥＣＵ）４０が設けられている。 制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。 そして、制御装置４０には、圧力センサ２６からのセンサ信号が入力される。

制御装置４０は、電動モータ１００の回転を制御するように構成されている。 電動モータ１００は、インバータを用いたＰＷＭ制御により回転数が制御される。 また、制御装置４０には、ＰＷＭ制御のために検出される電動モータ１００のモータコイルに流れる電流値が入力される。 制御装置４０は、ＲＯＭ等に格納された制御プログラムに従って演算を行い、電動モータ１００に制御信号を出力するように構成されている。 なお、制御装置４０が本発明の消費電力検出手段と制御手段に相当している。

次に、本第１実施形態の空気供給装置の作動の概略について説明する。

一対のロータ１、２が、回転伝達機構３により同期回転されると、ロータハウジング７のカバー８側に設けられた吸入口７ａから空気が圧縮室１０ａに吸い込まれる。 このとき、圧縮室１０ａは、一対のロータ１、２の回転とともに、カバー８側から潤滑油空間９側に移動しながらその体積が縮小していくため、圧縮室１０ａ内の空気は次第に加圧圧縮されながら潤滑油空間９側に移動していく。

そして、一対のロータ１、２の回転角が所定の角度に達すると、圧縮室１０ａがロータハウジング７の潤滑油空間９側に設けられた吐出口７ｂに到達し、それまで密閉されていた圧縮室１０ａが吐出口７ｂにて開放された状態となるので、圧縮室１０ａ内の圧縮された空気が吐出口７ｂから吐出される。 吐出口７ｂから吐出された空気は下流側の触媒燃焼器２００に供給され、触媒反応に用いられる。

次に、本第１実施形態の空気供給装置の供給空気圧力制御について図３に基づいて説明する。 図３は、制御装置４０のＣＰＵが制御プログラムに従って行う制御内容を示すフローチャートである。

まず、空気被供給装置２００に空気を供給する際に所望の圧力及び流量を得るために必要な電動モータ１００の回転数を設定し（Ｓ１０）、電動モータ１００を作動させる（Ｓ１１）。 次に、圧力センサ２６で検出した吐出口７ｂから吐出される空気の圧力を取得する（Ｓ１２）。

次に、外気圧が標準気圧（１気圧）の場合において、Ｓ１０で設定した電動モータ１００の回転数でＳ１２で取得した吐出空気圧を得るために電動モータ１００が必要な電流値を算出する（Ｓ１３）。 この電流値を基準電流値とする。

次に、電動モータ１００のモータコイルに流れる電流値を取得する（Ｓ１４）。 次に、Ｓ１４で取得した測定電流値がＳ１３で算出した基準電流値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１５）。 この結果、測定電流値が基準電流値を上回っていない場合には、そのままリターンする。 なお、基準電流値が本発明の基準値に相当し、測定電流値が本発明の測定値に相当する。

一方、測定電流値が基準電流値を上回っている場合には、外気圧が標準気圧より低いと推定できるので、電動モータ１００の回転数を増大させる（Ｓ１６）。 電動モータ１００の回転数の増大量は任意に設定でき、例えば１００ｒｐｍ程度増大させることができる。 これにより、外気圧が低い場合に触媒燃焼器２００への空気供給量が低下することを抑制することが可能となる。

以上のように、モータ回転数と吐出空気圧とから標準気圧における電動モータ１００の基準電流値を求め、実際の電流値と比較することで大気圧を推測することができる。 このような構成によれば、大気圧を検出するためのセンサを設ける必要がなく、簡略な構成で大気圧に応じて電動モータ１００による空気供給制御が可能となる。

なお、本第１実施形態において、Ｓ１４で取得した測定電流値がＳ１３で算出した基準電流値を下回っている場合にモータ回転数を減少させるように構成してもよい。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４、図５に基づいて説明する。

図４は、本第２実施形態の空気供給装置の断面構成を含む概念図である。 図４に示すように、吐出口７ｂの下流側に空気排出通路２７が設けられており、空気排出通路２７には圧力制御弁２８が設けられている。 圧力制御弁２８は、吐出口７ｂから吐出された空気を触媒燃焼器２００に供給する際における空気圧力を調整するためのものである。 圧力制御弁２８の開度を大きくした場合には供給空気圧力が高くなり、圧力制御弁２８の開度を小さくした場合には供給空気圧力が低くなる。 制御装置４０は、ＲＯＭ等に格納された制御プログラムに従って演算を行い、圧力制御弁２８に制御信号を出力するように構成されている。 また、圧力センサ２６は、吐出口７ｂと圧力制御弁２８との間の空気排出通路２７内の圧力を検出する。

次に、本第２実施形態の空気供給装置の供給空気圧力制御について図５に基づいて説明する。 図５は、制御装置４０のＣＰＵが制御プログラムに従って行う制御内容を示すフローチャートである。 Ｓ２０〜Ｓ２４は上記第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

図５に示すように、測定電流値が基準電流値を上回っているか否かを判定し（Ｓ２５）、測定電流値が基準電流値を上回っている場合には、外気圧が標準気圧より低いと推定できるので、電動モータ１００の回転数を増大させ（Ｓ２６）、圧力制御弁２８の開度を縮小させる（Ｓ２７）。 このように、電動モータ１００の回転数を増大させるとともに、圧力制御弁２８の開度を縮小させることで、触媒燃焼器２００への供給空気圧力が低下することを抑制することができる。

以上の構成によれば、簡略な構成で大気圧に応じて圧力制御弁２８による空気供給制御が可能となる。

なお、本第２実施形態において、Ｓ２６の電動モータ１００の回転数増大処理を行わないように構成してもよい。 また、本第２実施形態において、Ｓ２４で取得した測定電流値がＳ２３で算出した基準電流値を下回っている場合にモータ回転数を減少させるとともに、制御弁開度を大きくするように構成してもよい。

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、電動モータ１００の消費電力に関連する基準値及び測定値として電動モータ１００の電流値を用いたが、これに限らず、電動モータ１００の消費電力に関連する基準値及び測定値として電動モータ１００の消費電力を用いてもよい。

また、上記各実施形態では、空気被供給装置として触媒燃焼器を用いたが、これに限らず、例えば空気被供給装置として燃料電池を用いることもできる。 例えば空気供給装置を燃料電池車両に搭載した場合には、燃料電池車両が気圧の低い高地を走行する際に燃料電池への空気供給量が低下して出力が低下することを防止できる。

また、上記各実施形態では、空気供給装置としてスクリュー型の圧縮機を用いたが、これに限らず、他の種類の空気供給装置を用いてもよい。 例えばルーツ型やスクロール型等の容積型圧縮機にも本発明を適用することができる。

第１実施形態の空気供給装置の概念図である。

空気供給装置のロータの斜視図である。

第１実施形態の空気供給装置の供給空気圧力制御を示すフローチャートである。

第２実施形態の空気供給装置の概念図である。

第２実施形態の空気供給装置の供給空気圧力制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１…オスロータ、２…メスロータ、４…ケーシング、６…潤滑ボックス、７…ロータハウジング、１０…ロータ室、２６…圧力センサ、２８…圧力制御弁、４０…制御装置（消費電力検出手段、制御手段）、１００…電動モータ、２００…触媒燃焼器（空気被供給装置）。