CN101372958A - 隔膜泵 - Google Patents

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Abstract

一种隔膜泵，能够防止因隔膜的故障引起的气体漏出，同时能够实现泵结构的小型化。本发明所涉及的隔膜泵(30)，其设置在马达壳体(33)和泵头(44)之间的泵壳体(45)具有密闭结构。因此，即使吸引气体经由因隔膜(42)产生的疲劳和劣化导致的断裂部而从泵室(46)向泵壳体(45)内漏出，也能够避免漏出气体从泵壳体(45)向该泵的外部排放。另外，由于泵壳体(45)为配置在泵头(44)和马达壳体(33)之间的结构，所以能够避免泵的大型化。

Description

隔膜泵
技术领域
本发明涉及一种可作为例如燃料电池系统用的气体升压泵使用的隔膜泵。
背景技术
近年来，已有通过使氢和氧发生电化学反应进行发电的燃料电池系统的方案。在这种燃料电池系统中，是将作为燃料的民用煤气或LPG(液化丙烷气体)由气体升压泵加压后输送至改性装置，改性成主要包括氢和一氧化碳的改性气体。此后，从改性气体中除去一氧化碳，仅将氢气体导入到燃料电池组(fuel cell stack)中，而且，在燃料电池组中，通过使被导入的氢气体与氧发生电化学反应进行发电。
作为气体升压泵可以使用隔膜泵。隔膜泵具有电动马达、通过偏心轴安装于电动马达的马达轴上的连杆以及安装在连杆的前端上的隔膜。而且，通过将电动马达的旋转运动变换为连杆的往复运动使隔膜动作，进行气体的吸入和排出(参照专利文献1、2)。
下面就隔膜泵的结构进行说明。图5为表示现有的隔膜泵结构的一个例子的剖面图。
在图5中，1为电动马达2的定子，被插入并固定在马达壳体3内。另外，4为电动马达2的转子，压入固定着马达轴(轴)5。在马达轴5的两端分别安装有轴承6a、6b。其中的轴承6a固定在安装于马达壳体3的一端上的第一马达壳体罩7a上，轴承6b固定在安装于马达壳体3的另一端上的第二马达壳体罩7b上。
偏心轴9安装在马达轴5的前端8上。在偏心轴9的周围经由轴承10安装着连杆11，在连杆11的前端连接着隔膜12。偏心轴9是以马达轴5插入的孔相对于轴承10的内环(内圈)偏心的方式形成的，此偏心量为隔膜12的往复移动量(行程量)。
隔膜12由固定金属件13连接在连杆11的上端。隔膜12的周缘由泵头14和泵壳体15夹持着。在隔膜12和泵头14之间形成有泵室16，与泵室16相反的一侧的空间成为连杆11的动作空间22。在泵头14上设置有与进气口连接的进气阀17和与排气口连接的排出阀(图略)。如果泵室16内的压力低于进气口的压力，则进气阀17开启，如果泵室16内的压力高于排气口的压力，则排出阀开启。在泵头14的上部，以位于进气阀17和排出阀上方的方式安装有泵头罩19。
泵壳体15被固定在第一马达壳体罩7a上，连接在马达壳体3和泵头14之间。泵壳体15具有敞开的结构，使连杆11的动作空间22与外气连通。另外，马达壳体3的内部空间也与外气连通着。在马达壳体3上设置有用于将电动马达2的供电线20向外部引出的连接口21。
以上述方式构成的现有的隔膜泵，如果电动马达2的马达轴5旋转，由于马达轴5的轴心和偏心轴9的轴心不一致，所以在连杆11进行伴随着摆动运动的上下运动的同时，隔膜12进行上下往复运动。由于隔膜12进行上下往复运动，泵室16的容积发生变化。如果连杆11下降，则进气阀17开启，同时，排出阀关闭，由此进行气体的吸引。另外，如果连杆11上升，则进气阀17关闭，同时，排出阀开启，由此进行气体的压缩输送。
专利文献1：日本特开2006-63874号公报
专利文献2：日本特开2007-141747号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，隔膜12是由合成橡胶构成的。因此，如果使隔膜泵长时间运转，则隔膜12会出现劣化和疲劳，可能发生部分断裂的故障。如果隔膜12发生这样的故障，气体就会从泵室16经过隔膜12的断裂部分向与泵室16相反的一侧的空间，即连杆11的动作空间22漏出。
这里，在上述的燃料电池系统中使用的气体为民用煤气和LPG等可燃性气体。因此，如果从作为升压泵的隔膜泵发生向大气中的气体泄漏，就有产生着火、爆炸的危险。
为了解决这样的问题，在专利文献2中，如图6所示，提出了将升压泵收容在密闭容器内的结构的方案。在图6中，24为隔膜、25为进气阀、26为排出阀、27为泵室、28为密闭容器、29为使隔膜24往复运动的驱动部的动作空间。如图6所示，通过将动作空间29由密闭容器2密闭，即使由于隔膜24的断裂等故障导致可燃性气体从泵室27向动作空间30漏出，也能够避免该气体向容器27的外部排放，所以消除了着火、爆炸的危险。
然而，在图6所示的结构中，因为无法实现气体升压泵的小型化，所以存在着燃料电池系统的结构也大型化的问题。
本发明是鉴于上述问题而进行的，所要解决的课题是提供一种在能够防止因隔膜的故障引起的气体漏出的同时能够实现泵结构的小型化的隔膜泵。
为了解决上述课题的手段
为了解决上述课题，本发明的隔膜泵包括：电动马达、收容上述电动马达的马达壳体、与上述电动马达的马达轴结合着的偏心轴、可绕上述偏心轴旋转地连接着的连杆、固定在上述连杆的前端上的隔膜、支承上述隔膜的周缘的泵头、形成于上述隔膜和上述泵头之间的泵室、向上述泵室供给气体的吸入阀、和用于从上述泵室排出气体的排出阀；其特征在于，在上述马达壳体和上述泵头之间设有收容上述连杆的泵壳体，上述泵壳体具有密闭结构。
在本发明中，由于设置于马达壳体和泵头之间的泵壳体具有密闭结构，所以，即使发生吸引气体经由因隔膜发生了疲劳和劣化而导致的断裂部从泵室向泵壳体内漏出，也能够避免漏出气体从泵壳体向该泵的外部排放。另外，由于泵壳体是被配置在泵头和马达壳体之间的结构，所以能够避免泵的大型化。
泵壳体的内部作为连杆的动作空间发挥作用。泵壳体的内部可以与马达壳体的内部连通。在此情况下，由于将马达壳体做成密闭结构，所以能够防止气体从马达壳体向外部漏出。另外，通过使泵壳体的内部和马达壳体的内部连通，能够确保动作空间的足够的内部容积，因此，不会影响隔膜的往复运动。
电动马达最好由无刷马达构成。由此，因为不存在滑动接点，所以在使用可燃性气体的情况下也能够避免在马达壳体内着火。另外，还能够容易地进行马达壳体的小型化和密闭化。
发明的效果
如上所述，根据本发明的隔膜泵，在能够防止因隔膜的故障引起的气体漏出的同时，能够实现泵结构的小型化。
附图说明
图1是表示根据本发明的实施方式的隔膜泵的结构的剖面图。
图2是表示隔膜的结构的要部剖面图。
图3是表示根据本发明的实施方式的隔膜泵的要部俯视图。
图4是对根据本发明的实施方式的隔膜泵的作用进行说明的要部剖面图。
图5是表示现有的隔膜泵的结构的剖面图。
图6是表示具有密闭结构的现有的隔膜泵的结构的剖面图。
符号说明
30：隔膜泵  32：电动马达  33：马达壳体
35：马达轴  37a：第一马达壳体罩
37b：第二马达壳体罩  39：偏心轴
41：连杆  42：隔膜  44：泵头  45：泵壳体
46：泵室  47：吸入阀  48：排出阀
49：泵头罩  50：供电线  52：动作空间
53：密闭部件  59：泵壳体罩
61～65：密封环
具体实施方式
下面参照附图就本发明的具体实施方式进行说明。在本实施方式中，就将本发明的隔膜泵适用于对民用煤气(甲烷气体)以及丙烷气体等可燃性气体进行升压的燃料电池系统用的气体升压泵的例子进行说明。
图1表示根据本发明的实施方式的隔膜泵30的结构的剖面图。作为动力源的电动马达32由直流无刷马达构成，被收容于马达壳体33内。电动马达32的定子被插入并固定在马达壳体33内。另外，在电动马达32的转子34中压入并固定着马达轴(shaft)35。
在马达轴35的两端分别安装有轴承36a、36b。其中的轴承36a固定在安装于马达壳体33的一端上的第一马达壳体罩37a上，而轴承36b固定在安装于马达壳体33的另一端上的第二马达壳体罩37b上。第一马达壳体罩37a和第二马达壳体罩37b，经由密封环61、62，分别固定在马达壳体33上。
偏心轴39安装在马达轴35的前端38上。在偏心轴39的周围，经由轴承40安装着连杆41，在连杆41的前端连接着隔膜42。偏心轴39是以马达轴35插入的孔相对于轴承40的内环(内圈)偏心的方式形成的，此偏心量成为隔膜42的往复移动量(行程量)。
隔膜42由固定零件43连接在连杆41的上端。隔膜42的周缘由泵头44和泵壳体45夹持着。在隔膜42和泵头44之间形成有泵室46，与泵室46相反的一侧的空间成为连杆41的动作空间52。
图2是表示隔膜42的结构的要部剖面图。在本实施方式中，隔膜42为圆盘形状，具有以2层橡胶层54a、54b夹入加强布55的3层结构。橡胶层54a、54b分别由合成橡胶构成，例如可以使用丁腈橡胶(NBR)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、氟橡胶(FKM)等、对甲烷以及丙烷等碳氢气体具有耐抗性的橡胶材料。另外，作为加强布55的材质例如可以使用尼龙(聚酰胺)等合成纤维。加强布55和橡胶层54a、54b通过硫化粘接成为一体。
在泵头44上设置有可与进气口67连通的进气阀47和可与排气口68连通的排出阀48(参照图3)。如果泵室46内的压力低于进气口67的压力，则进气阀47开启，如果泵室46内的压力高于排气口68的压力，则排出阀48开启。在泵头44的上部以位于进气阀47和排出阀48的上方的方式安装有泵头罩49。
图3为泵头罩49的俯视图。泵头罩49，经由密封环63，用螺栓56相对于泵头44的上面固定。在泵头罩49和泵头44之间形成了放置进气阀47的进气室57和放置排出阀48的排出室58。另外，在泵头罩49上形成了进气口67和排气口68，进气口67与进气室57连通，排气口68与排出室58连通。
泵壳体45被固定在第一马达壳体罩37a上，连接在马达壳体33和泵头44之间。在泵壳体45和第一马达壳体罩37a之间安装有密封环64。泵壳体45形成了连杆41的动作空间52。动作空间52经由轴承36a与马达壳体33的内部连通。泵壳体45在分别收容了连杆41、轴承40、偏心轴39的同时，在泵壳体罩59的底部经由密封环65安装有泵壳体45。
在马达壳体33上设置有用于将电动马达32的供电线50向外部引出的连接口51。在连接口51中填充了用于阻断经由该连接口51的马达壳体33的内外连通的密闭部件53。供电线50是贯通密闭部件53而向外部引出的。密闭部件53，例如是由将连接口51的开口部与供电线50一起进行模制成型的树脂材料构成的。
在如上构成的本实施方式的隔膜泵30中，如果电动马达32的马达轴35旋转，由于马达轴35的轴心和偏心轴39的轴心不一致，所以连杆41在进行伴随着摆动运动的上下运动的同时，如图4所示，隔膜42进行上下往复运动。通过隔膜42进行上下往复运动，泵室46的容积发生变化。如图4B所示，如果连杆41下降，则进气阀47开启，同时，排出阀48关闭，由此进行气体的吸引。另一方面，如图4A所示，如果连杆41上升，则进气阀47关闭，同时，排出阀48开启，由此进行气体的压缩输送。
隔膜42，伴随着上下运动，在弯曲部会产生疲劳或劣化。隔膜42的寿命被设计为累计运转时间例如在4万小时以上。在此情况下的燃料电池系统的寿命大约为10年。如果在隔膜42的弯曲部产生龟裂或断裂等故障，此时隔膜42的寿命即告终结。
在本实施方式中，泵壳体45经由密封环64、65固定在第一马达壳体罩37a和泵壳体罩59上。第一马达壳体罩37a和第二马达壳体罩37b经由密封环61、62固定在马达壳体33上，马达壳体33的连接口51由密闭部件53封住。因此，泵壳体45和马达壳体33均成为密闭结构。
因此，根据本实施方式，在由于隔膜42的疲劳、劣化等导致在其弯曲部产生了龟裂或断裂等故障的情况下，即使已吸引到泵室46的燃料气体经由隔膜42的故障部分向动作空间52内漏出，由于泵壳体45及马达壳体33均为密闭结构，所以能够避免漏出的吸引气体向泵壳体45的外部排放，由此，能够避免因气体漏出导致的火灾、爆炸。
另外，根据本实施方式，由于电动马达32由不具有滑动接点的直流无刷马达构成，所以即使燃料气体漏出到马达壳体33内，也能够防止该马达壳体33内的气体着火，另外，能够容易地进行马达壳体33的小型化和密闭化。
而且，根据本实施方式，由于通过使形成连杆41的动作空间52的泵壳体45和马达壳体33密闭化，防止了漏出到动作空间52的气体向泵外部排放，所以，与像图6所示的那样的以密闭容器覆盖泵整体的结构相比，能够实现泵的小型化。由此，能够避免将该泵作为气体升压泵使用的燃料电池系统的大型化。
另外，泵壳体45为配置于泵头44和马达壳体33之间的结构，因此能够避免泵的大型化。而且，通过使泵壳体45的内部和马达壳体33的内部连通，能够确保动作空间52的足够的内部容积，不会影响隔膜42的往复运动。
以上对本发明的实施方式作了说明，当然，本发明并不受此实施方式的限定，基于本发明的技术思想可以进行种种变形。
例如，在上述的实施方式中，虽然作为电动马达32采用了直流无刷马达，但是并被不局限于此，也可以采用例如步进马达或交流马达。另外，如果是能够阻止泵壳体45的内部与马达壳体33的内部之间连通的结构，也可以只有泵壳体45采用密闭结构。
另外，在上述的实施方式中，尽管就本发明被适用于燃料电池系统的气体升压泵的例子作了说明，但并不被局限于此，也可以将本发明适用于作为通常的真空泵的隔膜泵。

Claims (4)

1.一种隔膜泵，包括电动马达、收容上述电动马达的马达壳体、与上述电动马达的马达轴结合着的偏心轴、可绕上述偏心轴旋转地连接着的连杆、固定在上述连杆的前端上的隔膜、支承上述隔膜的周缘的泵头、形成于上述隔膜和上述泵头之间的泵室、向上述泵室供给气体的吸入阀、和用于从上述泵室排出气体的排出阀；
其特征在于，在上述马达壳体和上述泵头之间设有收容上述连杆的泵壳体，上述泵壳体具有密闭结构。
2.如权利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，上述泵壳体的内部和上述马达壳体的内部相互连通，上述马达壳体具有密闭结构。
3.如权利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，上述电动马达为无刷马达。
4.如权利要求1所述的隔膜泵，其特征在于，上述气体为可燃性气体。
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