JP2007198216A - Electric pump for hydrogen circulation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転軸が重力方向へ延び、回転体及び電動モータが重力方向に互いに配列されるように縦置きされる水素循環用電動ポンプに関する。 The present invention relates to an electric pump for hydrogen circulation in which a rotating shaft extends in a gravitational direction and is arranged vertically so that a rotating body and an electric motor are arranged in the gravitational direction.
自動車の燃料供給に用いられるポンプとしては、例えば、特許文献1に開示の流体ポンプが挙げられる。この流体ポンプは、モータ部とポンプ部とを有し、モータ部はモータハウジングの内周面に固着された一対のマグネットと、このマグネット内に回転自在に配設されたアーマチャーとを有する。前記アーマチャーはシャフトと、該シャフトに装着されたコアーシートと巻線コイルとからなるコアーと、該コアーに隣接して設けられたコンミュテータとを有している。 As a pump used for fuel supply of an automobile, for example, a fluid pump disclosed in Patent Document 1 can be cited. This fluid pump has a motor part and a pump part, and the motor part has a pair of magnets fixed to the inner peripheral surface of the motor housing, and an armature rotatably arranged in the magnets. The armature includes a shaft, a core composed of a core sheet and a winding coil attached to the shaft, and a commutator provided adjacent to the core.
前記ポンプ部は、前記アーマチャーのシャフトのコアーを挟んでコンミュテータと反対側の端部に装着されたインペラと、該インペラを回転自在に収容し、インペラとの間で環状の流体流路を画定するポンプハウジングを有している。ポンプハウジングには、前記インペラを回転自在に収容するポンプ室が形成されている。そして、前記モータ部とポンプ部とは、重力方向(上下方向)に直列になるように自動車の燃料タンク内に配設されている。上記流体ポンプにおいて、前記アーマチャーは、そのコアの中心線が前記マグネットの中心線に対して所定量ポンプ部側にずれるように配設されている。そして、コアーとマグネットとを互いにずらして配設することにより、重力方向とは反対の、すなわちアーマチャーの自重方向とは反対の上向きの磁気吸引力を発生させることができる。そして、前記中心線同士のずれ量を調整することで、上向きの磁気吸引力が発生したときでもアーマチャーを上方へ移動させないようにし、該アーマチャーと一体のシャフトの先端と、シャフト用の穴の底との当接を無くして両者の摩耗を防止することができるようになっている。
ところで、近年では、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムを搭載し、該燃料電池で発電された電力によって走行する燃料電池車が注目されてきている。前記燃料電池システムにおいては、燃料電池にて使用されなかった未反応の水素ガス(所謂、水素オフガス)を前記燃料電池に再供給するための水素循環経路が設けられている。この水素循環経路には水素オフガスを搬送させるためのポンプが設けられている。 By the way, in recent years, a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system equipped with a fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen and oxygen and that runs on the electric power generated by the fuel cell has attracted attention. The fuel cell system is provided with a hydrogen circulation path for re-supplying unreacted hydrogen gas (so-called hydrogen off gas) that has not been used in the fuel cell to the fuel cell. This hydrogen circulation path is provided with a pump for transporting hydrogen off-gas.
前記ポンプとして特許文献1に開示の流体ポンプを用いた場合、モータ部の回転に伴いポンプ部が作動し、水素オフガスが前記ポンプ室内に吸入される。さらに、ポンプ部の作動により、水素オフガスが、新たに供給された水素ガスに混合されることにより、燃料電池に再供給される。 When the fluid pump disclosed in Patent Document 1 is used as the pump, the pump unit operates as the motor unit rotates, and hydrogen off-gas is sucked into the pump chamber. Furthermore, the hydrogen off-gas is mixed with the newly supplied hydrogen gas by the operation of the pump unit, so that the fuel cell is re-supplied.
しかし、上記燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電に伴って生成された水は、水素オフガスと共に燃料電池から排出され、さらに、水素オフガスと共にポンプ室内に導入される。そして、上記流体ポンプは、前記モータ部とポンプ部とが、重力方向(上下方向)に直列になるように燃料電池車内に配設されている。このため、ポンプ室内に導入された水は、該ポンプ室の底に溜まった状態となる。ここで、例えば、氷点下といった低温環境下で燃料電池システムが運転状態から停止されたとき、ポンプ室内の底に溜まった水が凝縮して凍結してしまい、インペラの下面とポンプ室の底面とが氷結して固着してしまう。インペラの下面と、ポンプ室の底面とが固着した場合は、燃料電池システムの運転再開時にインペラをポンプ室の底面から引き剥がすため、流体ポンプのモータ部に大トルクを発生させる必要が生じる。その結果として、流体ポンプにおいては、起動時に大トルクを発生可能とする大型のモータ部を設ける必要があり、体格が大型化してしまう。 However, in the fuel cell system, water generated as the fuel cell generates power is discharged from the fuel cell together with the hydrogen off gas, and further introduced into the pump chamber together with the hydrogen off gas. The fluid pump is disposed in the fuel cell vehicle such that the motor part and the pump part are in series in the direction of gravity (vertical direction). For this reason, the water introduced into the pump chamber remains in the bottom of the pump chamber. Here, for example, when the fuel cell system is stopped from the operating state in a low temperature environment such as below freezing point, water accumulated in the bottom of the pump chamber is condensed and frozen, and the lower surface of the impeller and the bottom surface of the pump chamber are It freezes and sticks. When the lower surface of the impeller and the bottom surface of the pump chamber are fixed, the impeller is peeled off from the bottom surface of the pump chamber when the operation of the fuel cell system is resumed, so that it is necessary to generate a large torque in the motor portion of the fluid pump. As a result, in the fluid pump, it is necessary to provide a large motor unit that can generate a large torque at the time of startup, which increases the size of the body.
本発明は、このような従来の技術に存在する問題点に着目してなされたものであり、その目的は、体格の大型化を抑制しつつ、ポンプ室に固着した回転体を引き剥がすことができる水素循環用電動ポンプを提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such problems existing in the prior art, and its purpose is to peel off the rotating body fixed to the pump chamber while suppressing an increase in size. An object is to provide an electric pump for hydrogen circulation.
上記問題点を解決するために、請求項1に記載の発明は、燃料電池で使用されなかった水素ガスを、水素源から供給される水素ガスと合流させて前記燃料電池に供給可能な水素循環経路を備えた燃料電池システムの前記水素循環経路を構成する水素循環用電動ポンプであり、ハウジング内にはポンプ室が区画形成されているとともに電動モータが収容され、さらに、前記ハウジングには前記電動モータにより回転可能な回転軸が支持されているとともに、前記ポンプ室内には前記回転軸の回転に伴い回転する回転体が収容されており、前記回転軸が重力方向へ延び、前記回転体及び電動モータが重力方向に互いに配列されるように縦置きされる水素循環用電動ポンプであって、前記電動モータは、ステータと該ステータに対し相対回転可能なモータロータとを備え、該モータロータは前記回転軸の軸方向へ移動可能に該回転軸の外周側に設けられており、前記回転軸には前記ステータの磁気的中心に対して前記モータロータの磁気的中心が下方にずれた位置で該モータロータを支持する支持部材が設けられているとともに、前記ステータとモータロータの磁気的中心が一致する際に、前記モータロータの上側端面が衝突する衝突部材が設けられている。 In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is directed to a hydrogen circulation that can supply hydrogen gas that has not been used in a fuel cell to the fuel cell by joining the hydrogen gas supplied from a hydrogen source. An electric pump for hydrogen circulation constituting the hydrogen circulation path of a fuel cell system having a path, wherein a pump chamber is defined in the housing and an electric motor is accommodated, and further, the electric motor is accommodated in the housing. A rotating shaft that can be rotated by a motor is supported, and a rotating body that rotates as the rotating shaft rotates is accommodated in the pump chamber. The rotating shaft extends in the direction of gravity. An electric pump for circulating hydrogen vertically arranged so that the motors are arranged in the direction of gravity, wherein the electric motor is rotatable relative to the stator and the stator And the motor rotor is provided on the outer peripheral side of the rotating shaft so as to be movable in the axial direction of the rotating shaft, and the rotating shaft has a magnetic center of the motor rotor with respect to a magnetic center of the stator. Is provided with a support member for supporting the motor rotor at a position shifted downward, and a collision member is provided for colliding the upper end surface of the motor rotor when the magnetic centers of the stator and the motor rotor coincide with each other. .
この構成によれば、回転体とポンプ室とが氷結によって固着した状態での水素循環用電動ポンプの起動時には、電動モータの起動の際にステータとモータロータとの間に発生する磁気力によって、ステータの磁気的中心とモータロータの磁気的中心とが一致するようにモータロータが回転軸の軸方向に沿って重量方向上方へ移動する。このモータロータの移動の際に、モータロータの上側端面が回転軸に設けられた衝突部材に下側から衝突する。このとき、該下側からの衝突により回転軸には軸方向に沿った上向きの荷重が作用し、回転軸を介して回転体に上向きの荷重が作用するため、該荷重によって回転体をポンプ室から引き剥がすことができる。したがって、回転体とポンプ室とが氷結によって固着した状態での水素循環用電動ポンプの起動時には、電動モータの起動だけで回転体をポンプ室から引き剥がすことができ、固着状態の回転体を回転させるための大トルクを電動モータに発生させる必要が無くなる。 According to this configuration, at the time of starting the hydrogen circulation electric pump in a state where the rotating body and the pump chamber are fixed by freezing, the stator is driven by the magnetic force generated between the stator and the motor rotor when the electric motor is started. The motor rotor moves upward in the weight direction along the axial direction of the rotary shaft so that the magnetic center of the motor and the magnetic center of the motor rotor coincide with each other. During the movement of the motor rotor, the upper end surface of the motor rotor collides with the collision member provided on the rotating shaft from below. At this time, an upward load along the axial direction acts on the rotating shaft due to the collision from the lower side, and an upward load acts on the rotating body via the rotating shaft. Can be peeled off. Therefore, when the hydrogen circulation electric pump is started with the rotating body and the pump chamber fixed by icing, the rotating body can be peeled off from the pump chamber only by starting the electric motor, and the fixed rotating body can be rotated. Therefore, it is not necessary to generate a large torque in the electric motor.
また、前記モータロータが前記支持部材に支持された状態において、前記衝突部材は、前記ステータとモータロータの磁気的中心が一致した際のモータロータの上側端面より下側に設けられていてもよい。 Further, in a state where the motor rotor is supported by the support member, the collision member may be provided below the upper end surface of the motor rotor when the magnetic centers of the stator and the motor rotor coincide.
この構成によれば、モータロータが回転軸の軸方向に沿って上方へ移動した際、ステータとモータロータの磁気的中心が一致する直前でモータロータの上側端面が衝突部材に衝突することとなり、さらに、磁気的中心が一致する際にはモータロータによって衝突部材を介して回転軸は上方へ押し上げられることとなる。したがって、前記衝突により発生する荷重と、モータロータの押し上げによって回転軸を上方へ移動させ、該回転軸を介して回転体を上方へ移動させることで、回転体をポンプ室から確実に引き剥がすことができる。 According to this configuration, when the motor rotor moves upward along the axial direction of the rotating shaft, the upper end surface of the motor rotor collides with the collision member immediately before the magnetic centers of the stator and the motor rotor coincide with each other. When the target center coincides, the rotating shaft is pushed upward by the motor rotor via the collision member. Therefore, the rotating body is moved upward by the load generated by the collision and the motor rotor being pushed up, and the rotating body is moved upward via the rotating shaft, so that the rotating body can be reliably peeled off from the pump chamber. it can.
また、前記ハウジングには、前記回転軸を回転可能に支持するラジアルベアリングが設けられており、該ラジアルベアリングは、前記回転軸に一体回転可能に止着された内輪と、該内輪の外側に配置された外輪と、前記内輪と外輪との間に介在された転動素子とから構成され、前記モータロータが前記衝突部材に衝突することで前記回転軸は前記外輪に対する内輪の移動許容量だけ上方へ移動されるとしてもよい。 The housing is provided with a radial bearing that rotatably supports the rotating shaft, and the radial bearing is disposed outside the inner ring and fixed to the rotating shaft so as to rotate integrally therewith. And the rolling element interposed between the inner ring and the outer ring, and when the motor rotor collides with the collision member, the rotation shaft moves upward by an allowable movement amount of the inner ring with respect to the outer ring. It may be moved.
この構成によれば、モータロータによる回転軸の押し上げ量(移動量)は、ラジアルベアリングにおける内輪の外輪に対する移動許容量(がたつき量)である。すなわち、内輪が外輪に対して移動可能とする量だけ回転軸が移動すると、回転軸の上方への移動を規制することができる。したがって、既存の構成であるラジアルベアリングを用いて回転軸の移動量を規制することができる。 According to this configuration, the push-up amount (movement amount) of the rotating shaft by the motor rotor is an allowable movement amount (shaking amount) of the inner ring with respect to the outer ring in the radial bearing. That is, when the rotation shaft moves by an amount that allows the inner ring to move with respect to the outer ring, the upward movement of the rotation shaft can be restricted. Therefore, it is possible to regulate the amount of movement of the rotating shaft using a radial bearing having an existing configuration.
また、前記回転体は、互いに噛合可能な一対のロータであり、前記水素循環用電動ポンプはルーツ式ポンプであってもよい。
この構成によれば、水素循環用電動ポンプの縦置き状態では、一対のロータの端面がポンプ室の内壁面に相対向し、ポンプ室内へ導入された水の凍結によって各ロータはポンプ室の内壁面に固着しやすくなる。しかし、本発明のように、モータロータを衝突部材に衝突させる構成を採用することで、各ロータをポンプ室の内壁面から確実に引き剥がすことができる。したがって、回転軸に支持部材及び衝突部材を設け、モータロータを回転軸に沿って移動可能に装着する構成は、ルーツ式ポンプに採用するのに特に有効である。
Further, the rotating body may be a pair of rotors that can mesh with each other, and the electric pump for hydrogen circulation may be a Roots type pump.
According to this configuration, when the electric pump for hydrogen circulation is installed vertically, the end surfaces of the pair of rotors face the inner wall surface of the pump chamber, and each rotor is placed inside the pump chamber by freezing of water introduced into the pump chamber. It becomes easy to adhere to the wall. However, by adopting a configuration in which the motor rotor collides with the collision member as in the present invention, each rotor can be reliably peeled off from the inner wall surface of the pump chamber. Therefore, the configuration in which the support member and the collision member are provided on the rotation shaft and the motor rotor is mounted so as to be movable along the rotation shaft is particularly effective for use in a Roots pump.
本発明によれば、体格の大型化を抑制しつつ、ポンプ室に固着した回転体を引き剥がすことができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the rotary body fixed to the pump chamber can be peeled off, suppressing the enlargement of a physique.
(第1の実施形態)
以下、本発明の水素循環用電動ポンプを燃料電池車に搭載された燃料電池システムにおける水素循環用ポンプとして用いられる電動ルーツ式ポンプに具体化した第1の実施形態を図1〜図4に従って説明する。まず、燃料電池システム10は、図4に示すように、燃料電池11、酸素供給手段12、水素供給手段13を備えている。燃料電池11は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段12から供給される酸素と、水素供給手段13から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー(直流電力)を発生(発電)する。前記酸素供給手段12は、圧縮空気を供給するためのコンプレッサ14を備え、コンプレッサ14は燃料電池11の酸素供給ポート(図示せず)に管路15を介して連結され、管路15の途中に加湿器16が設けられている。
(First embodiment)
A first embodiment in which the electric pump for circulating hydrogen of the present invention is embodied as an electric roots pump used as a hydrogen circulating pump in a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle will be described with reference to FIGS. To do. First, the
前記水素供給手段13は、燃料電池11で使用されなかった水素ガス(いわゆる水素オフガス)を循環使用するための電動ルーツ式ポンプ17を備えている。すなわち、この電動ルーツ式ポンプ17は、燃料電池11で使用されなかった水素オフガスを燃料電池11へと再び供給するために設けられている。電動ルーツ式ポンプ17は燃料電池11の水素供給ポート(図示せず)に管路18を介して連結され、燃料電池11の水素排出ポート(図示せず)に管路19を介して連結されている。また、水素供給手段13は、水素源(水素ガス供給源)としての水素タンク20を備えている。水素タンク20は途中にレギュレータ(図示せず)を備えた管路21を介して管路18に連結されている。そして、電動ルーツ式ポンプ17及び管路18,19により、燃料電池11で使用されなかった水素オフガスを水素タンク20から新たに供給される水素ガスとともに燃料電池11に供給可能な水素循環経路が構成されている。
The hydrogen supply means 13 includes an
次に、前記電動ルーツ式ポンプ17について具体的に説明する。なお、第1の実施形態における以下の説明において電動ルーツ式ポンプ17の「上」「下」は、図1に示す矢印Yの方向を上下(重力)方向とする。また、電動ルーツ式ポンプ17は、燃料電池車への搭載状態において回転軸としての駆動軸31が重力方向(上下方向)へ延びるようになっている。
Next, the electric roots type pump 17 will be specifically described. In the following description of the first embodiment, “upper” and “lower” of the electric roots pump 17 have the direction of the arrow Y shown in FIG. 1 as the vertical (gravity) direction. The electric roots pump 17 has a
図1に示すように、本実施形態の電動ルーツ式ポンプ17のハウジングは、ポンプハウジングPと、モータハウジングMとから構成されている。そして、電動ルーツ式ポンプ17は、前記ポンプハウジングPが重力方向にてモータハウジングMの上側に位置するように両ハウジングP,Mが、重力方向(上下方向)に配列される縦置きタイプとして用いられる。前記ポンプハウジングPは、前記モータハウジングMの上端に接合固定されたギヤハウジング25と、該ギヤハウジング25の上端に接合固定された軸支部材23と、該軸支部材23の上端に接合固定されたロータハウジング22とから構成されている。そして、ポンプハウジングPにおいて、ロータハウジング22と軸支部材23との間には、ポンプ室としてのロータ室24が囲み形成されている。このロータ室24において、ロータハウジング22によって形成されるロータ室24の壁面を内壁面22Hとし、軸支部材23によって形成されるロータ室24の壁面を内壁面23Hとする。また、ギヤハウジング25と軸支部材23との間にギヤ室26が囲み形成されている。さらに、ギヤハウジング25とモータハウジングMとの間にはモータ室29が囲み形成されているとともに、このモータ室29内には電動モータ41が収容されている。
As shown in FIG. 1, the housing of the electric roots type pump 17 of this embodiment is composed of a pump housing P and a motor housing M. The electric roots pump 17 is used as a vertical type in which both housings P and M are arranged in the gravitational direction (vertical direction) so that the pump housing P is positioned above the motor housing M in the gravitational direction. It is done. The pump housing P is joined and fixed to the
上記構成のハウジングにおいて、前記モータハウジングMと、ロータハウジング22と、軸支部材23とには、回転軸たる駆動軸31がラジアルベアリング32を介して回転可能に支持されている。なお、前記ラジアルベアリング32は、駆動軸31の周面31aに止着され、該駆動軸31と一体回転可能な内輪32aと、該内輪32aの外周側に配置された外輪32bと、該外輪32bと前記内輪32aとの間に介在された転動素子32cとから構成されている。また、上記構成のハウジングにおいて、前記ロータハウジング22と、前記軸支部材23とには、前記駆動軸31と平行をなす従動軸35がラジアルベアリング36を介して回転可能に支持されている。なお、前記ラジアルベアリング36は、従動軸35の周面35aに止着され、該従動軸35と一体回転可能な内輪36aと、該内輪36aの外周側に配置された外輪36bと、該外輪36bと前記内輪36aとの間に介在された転動素子36cとから構成されている。
In the housing configured as described above, the motor housing M, the
前記ロータ室24内において、駆動軸31には回転体としての駆動ロータ39が取付固定され、従動軸35には回転体としての従動ロータ40が取付固定されている。そして、この第1の実施形態の電動ルーツ式ポンプ17は、駆動軸31が重力方向(上下方向)へ延び、前記駆動ロータ39及び従動ロータ40(上側)と電動モータ41(下側)とが重力方向(上下方向)に互いに配列されるように縦置きされるようになっている。前記駆動ロータ39において駆動軸31の軸方向に沿った方向(図1では上下方向)を駆動ロータ39の軸方向とし、従動ロータ40において従動軸35の軸方向に沿った方向(図1では上下方向)を従動ロータ40の軸方向とする。前記駆動ロータ39と従動ロータ40は、駆動軸31と従動軸35の軸方向に直交する断面視が双葉状(瓢箪状)に形成された二葉型のロータであり、互いに噛合可能に形成されている。ここで、駆動ロータ39及び従動ロータ40の軸方向における端面のうち、前記ロータハウジング22の内壁面22Hに相対向する端面(上端面)を第1ロータ端面39a,40aとし、軸支部材23の内壁面23Hに相対向する端面(下端面)を第2ロータ端面39b、40bとする。
In the
電動ルーツ式ポンプ17が縦置きされ、電動モータ41に電流が通電されていない状態において、前記第1ロータ端面39a,40aとロータ室24の内壁面22Hとの間にはクリアランスCLが形成され、前記第2ロータ端面39b,40bとロータ室24の内壁面23Hとの間にはクリアランス(図示せず)が形成されている。電動モータ41に通電されていない状態では、第1ロータ端面39a,40aと内壁面22Hとの間に形成されるクリアランスCLは、前記第2ロータ端面39b,40bと内壁面23Hとの間に形成されるクリアランスよりも大きくなっている。
A clearance CL is formed between the first
また、ロータハウジング22には、水素オフガスをロータ室24に吸引する吸入口(図示せず)が形成されているとともに、ロータ室24内へ吸入された水素オフガスを吐出する吐出口(図示せず)が形成されている。また、前記ギヤ室26内において、駆動軸31に固定された駆動ギヤ37と従動軸35に固定された従動ギヤ38とは噛合連結されている。
The
そして、上記構成の電動ルーツ式ポンプ17を備える燃料電池システム10では、前記電動モータ41の回転駆動に基づき駆動軸31が回転すると、駆動ギヤ37と従動ギヤ38との噛合連結を通じて従動軸35が駆動軸31とは異なる方向へ回転する。すると、ロータ室24内では、駆動ロータ39と従動ロータ40とが回転する。燃料電池11から排出された水素オフガスは、駆動ロータ39と従動ロータ40の回転に伴い管路19を介して吸入口からロータ室24内へ吸入される。その後、駆動ロータ39及び従動ロータ40の回転に伴い、ロータ室24内に吸入された水素オフガスはロータ室24の吐出口側へ送り出され、該吐出口からロータ室24外の管路18へ吐出される。その後、管路18へ吐出された水素オフガスは、水素タンク20から新たに供給される水素ガスとともに管路18から燃料電池11に再供給される。
In the
次に、前記電動モータ41及び駆動軸31について詳細に説明する。
図1に示すように、電動モータ41は、モータハウジングMの内面に止着されたステータ42と、該ステータ42の内側に配設されるとともにステータ42に対し正逆両方向へ相対回転可能なモータロータ43とから構成されている。なお、図1における一点鎖線J1を前記ステータ42の磁気的中心とし、一点鎖線J2をモータロータ43の磁気的中心とする。前記ステータ42はステータコイル42aを有し、該ステータコイル42aは複数本のリード線(図示せず)を介して外部電源(図示せず)に電気的に接続されている。
Next, the
As shown in FIG. 1, the
また、前記モータロータ43は円筒状に形成され、該モータロータ43は前記駆動軸31の外周側に装着されている。ここで、モータロータ43において、駆動軸31の軸方向に沿ったギヤハウジング25側の端面(上端面)を第1端面43bとし、前記第1端面43bとは反対側の端面(下端面)を第2端面43cとする。
The
駆動軸31は、前記ベアリング32によってハウジングに回転可能に支持されていることから、該駆動軸31の周面31aと、該周面31aに対向するモータロータ43の内周面43aとの間には極僅かなクリアランスが形成されている。モータロータ43の内周面43aに対向する駆動軸31の周面31aには、駆動軸31の軸方向に沿って直線状に延びるキー溝31bが凹設されている。そして、このキー溝31bには、細長板状をなすキー45の一側部が圧入されており、キー45は駆動軸31に一体化され、駆動軸31と一体回転可能になっている。
Since the
駆動軸31の周面31aに対向するモータロータ43の内周面43aにおいて、前記キー45と対向する位置には、該キー45の他側部が挿入された挿入溝47が凹設されている。そして、モータロータ43の回転に伴い、挿入溝47の内側面がキー45に当接することで、モータロータ43の回転トルクがキー45を介して駆動軸31に伝達されるようになっている。また、前記モータロータ43は、挿入溝47をガイドとして駆動軸31の軸方向に沿って移動可能に駆動軸31に装着されている。そして、電動モータ41が通電されると、図2に示すように、ステータ42の磁気的中心とモータロータ43の磁気的中心とが一致した状態でモータロータ43が回転し、該モータロータ43の回転トルクがキー45を介して駆動軸31に伝達されることで駆動軸31が回転するようになっている。
On the inner
図1に示すように、駆動軸31の周面31aにおいて、前記モータロータ43より下側となる位置には支持部材46が装着されている。この支持部材46は、駆動軸31の周方向の全周に亘って設けられている。そして、前記支持部材46は、ステータ42の磁気的中心がモータロータ43の磁気的中心よりも下方に位置するようにモータロータ43が下方へ位置ずれした状態でモータロータ43の第2端面43cに当接し、該モータロータ43を支持するようになっている。なお、支持部材46は、モータロータ43の磁気的中心がステータ42の磁気的中心より下方へずれていても、電動モータ41の通電時にはステータ42とモータロータ43との間に磁気力を作用させることが可能な位置でモータロータ43を支持している。
As shown in FIG. 1, a
駆動軸31の周面31aにおいて、モータロータ43より上側となる位置には衝突部材としてのストッパ48が装着されている。このストッパ48は、駆動軸31の周方向の全周に亘って設けられている。また、モータロータ43が支持部材46に支持された状態では、ストッパ48は、その上面48aが、ステータ42の上面42bと同一平面上に位置するように駆動軸31の周面31aに装着されている。すなわち、モータロータ43が支持部材46に支持された状態において、ストッパ48は、前記ステータ42とモータロータ43の磁気的中心が一致した際のモータロータ43の上側端面たる第1端面43bより下側に設けられている。
A
そして、支持部材46にモータロータ43が支持された状態で電動モータ41が通電されると、モータロータ43には上向きの磁気力が作用し、ステータ42の磁気的中心とモータロータ43の磁気的中心とを一致させるようにモータロータ43が上方へ移動するようになっている。モータロータ43が上方へ移動した際には、モータロータ43の上側端面となる第1端面43bがストッパ48の下面48bに衝突し、ストッパ48には上向きの荷重が作用するようになっている。
When the
さて、燃料電池システム10が運転状態にあり、上記構成の電動ルーツ式ポンプ17が運転状態にあるときには、燃料電池11で生成された水を含む水素オフガスは、管路19を介して吸入口からロータ室24内へ吸入され、吐出口からロータ室24外へ吐出される。ロータ室24内へ吸入された水は、低温環境下では結露し、さらには、自重によってロータ室24の底側たる内壁面23Hへ向けて流下して、該内壁面23Hと駆動ロータ39及び従動ロータ40の第2ロータ端面39b,40bとの間に溜まる。また、ロータ室24内へ吸入された水は、低温環境下では駆動ロータ39及び従動ロータ40の壁面にも結露する。そして、氷点下で燃料電池システム10が運転状態から停止され、駆動ロータ39及び従動ロータ40が停止したとき、ロータ室24内の水が凍結する。該凍結により駆動ロータ39及び従動ロータ40の第2ロータ端面39b,40bとロータ室24の内壁面23Hとが氷結して固着し、さらに、駆動ロータ39と従動ロータ40の壁面同士が互いに固着した状態となる。
When the
上記固着状態における燃料電池システム10の運転再開時、電動ルーツ式ポンプ17を起動させ、電動モータ41において、外部電源からステータコイル42aに電流を流し、ステータ42の磁気的中心とモータロータ43の磁気的中心とを一致させるようにモータロータ43に上向きの磁気力(推力)を発生させる。すると、モータロータ43は、キー45をガイドとしながら駆動軸31に沿って上方へ向けて移動する。ここで、ストッパ48は、ステータ42の磁気的中心とモータロータ43の磁気的中心とが一致した際に、モータロータ43の第1端面43bが位置する位置よりも下側に設けられている。このため、上方へ向けて移動するモータロータ43の第1端面43bはストッパ48の下面48bに衝突する。この衝突によりストッパ48には上向きの荷重が作用し、駆動軸31にも軸方向に沿った上向きの荷重が作用する。さらに、モータロータ43は、その磁気的中心がステータ42の磁気的中心に一致する位置まで移動するため、駆動軸31はストッパ48が図2の2点鎖線に示す位置から実線に示す位置にまで移動するようにモータロータ43によって押し上げられる。
When restarting the operation of the
すなわち、ストッパ48が装着された駆動軸31は、前記上向きの荷重に加えモータロータ43の押し上げによって上方へ向けて僅かに移動することとなる。図3に示すように、この駆動軸31の移動量は、該駆動軸31に止着された内輪32aの外輪32bに対する移動許容量とされている。すなわち、内輪32aと外輪32bとの間に存在する、内輪32aの駆動軸31の軸方向へのがたつき量だけ、駆動軸31は移動可能となっている。そして、駆動軸31が、前記上向きの荷重及び押し上げによって上方へ移動することによって、該駆動軸31に設けられた駆動ロータ39には上向きの荷重が作用する。ここで、駆動ロータ39の第1ロータ端面39aと、ロータ室24の内壁面22Hとの間にはクリアランスCLが形成されているため(図1参照)、該クリアランスCL内にて駆動ロータ39の上方への移動が許容される。すると、駆動ロータ39の第2ロータ端面39bが、ロータ室24の内壁面23Hから引き剥がされる。
That is, the
このとき、駆動ロータ39には従動ロータ40の壁面が固着しているため、駆動ロータ39が押し上げられると同時に従動ロータ40も押し上げられる。この従動軸35の移動量も、該従動軸35に止着された内輪36aの外輪36bに対する移動許容量とされている。すなわち、内輪36aと外輪36bとの間に存在する、従動軸35の軸方向へのがたつき量だけ、従動軸35は移動可能となっている。そして、駆動ロータ39の第2ロータ端面39bが内壁面23Hから引き剥がされると同時に従動ロータ40の第2ロータ端面40bも内壁面23Hから引き剥がされる。その結果、駆動ロータ39及び従動ロータ40とロータ室24との固着状態が解消される。
At this time, since the wall surface of the driven
そして、駆動ロータ39及び従動ロータ40がロータ室24から引き剥がされた後、モータロータ43のキー45への当接によって、モータロータ43の回転が駆動軸31に伝達され、電動ルーツ式ポンプ17が運転される。
Then, after the
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)縦置きの電動ルーツ式ポンプ17において、重力方向(上下方向)へ延びる駆動軸31に設けた支持部材46によって、モータロータ43の磁気的中心がステータ42の磁気的中心に対し下方にずれた位置でモータロータ43を支持させた。さらに、駆動軸31には、ステータ42の磁気的中心とモータロータ43の磁気的中心とが一致するようにモータロータ43が上方へ移動する際に、モータロータ43の第1端面(上側端面)43bが衝突するストッパ(衝突部材)48を設けた。そして、電動モータ41の起動時に、モータロータ43がストッパ48に衝突する際に発生する荷重によって、駆動軸31に上向きの荷重を作用させ、該駆動軸31に固定された駆動ロータ39に上向きの荷重を作用させることができる。その結果、氷結した駆動ロータ39の第2ロータ端面39bとロータ室24の内壁面23Hとを引き剥がすことができ、従動ロータ40も駆動ロータ39と同時にロータ室24の内壁面23Hから引き剥がすことができる。
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the vertical electric
したがって、電動ルーツ式ポンプ17の起動時には、電動モータ41を起動させ、モータロータ43を駆動軸31に沿って移動させるだけで、ロータ室24の内壁面23Hに固着した駆動ロータ39及び従動ロータ40を内壁面23Hから引き剥がすことができる。すなわち、電動ルーツ式ポンプ17の起動時には、駆動ロータ39及び従動ロータ40を回転させることによってロータ室24から引き剥がすための大トルクを発生させる必要がなくなる。その結果として、電動ルーツ式ポンプ17においては、駆動ロータ39及び従動ロータ40をロータ室24から引き剥がすために、大トルクを発生させる大型の電動モータを搭載する必要がなく、電動ルーツ式ポンプ17の体格の大型化を抑制することができる。
Therefore, when the electric roots pump 17 is started, the
(2)モータロータ43が支持部材46に支持された状態において、ストッパ48は、ステータ42とモータロータ43の磁気的中心が一致した際に位置するモータロータ43の第1端面43bの位置より下側にある。このため、上向きの磁気力によってモータロータ43が上方へ移動した際、磁気的中心が一致する直前でモータロータ43の第1端面43bがストッパ48に衝突することとなり、さらに、磁気的中心が一致する際にはモータロータ43によってストッパ48を介した駆動軸31は上方へ押し上げられることとなる。したがって、前記衝突により発生する荷重と、モータロータ43の押し上げによって駆動軸31を上方へ移動させることができ、駆動ロータ39及び従動ロータ40の第2ロータ端面39b,40bをロータ室24の内壁面23Hから確実に引き剥がすことができる。
(2) In a state where the
(3)駆動軸31が押し上げられる量(移動量)は、ラジアルベアリング32における内輪32aの外輪32bに対する移動許容量(がたつき量)である。したがって、既存の構成であるラジアルベアリング32を用いて駆動軸31の移動量を規制することができ、例えば、駆動軸31の移動量を規制する手段を別途設ける場合に比して電動ルーツ式ポンプ17の構成が複雑になることを防止することができる。
(3) The amount (movement amount) by which the
(4)電動ルーツ式ポンプ17は、回転体として駆動ロータ39及び従動ロータ40を用いたタイプであるが、電動ルーツ式ポンプ17の縦置き状態では、駆動ロータ39及び従動ロータ40の第2ロータ端面39b,40bがロータ室24の内壁面23Hに相対向し、駆動ロータ39及び従動ロータ40は内壁面23Hに固着しやすくなる。しかし、モータロータ43をストッパ48に衝突させることで、駆動ロータ39及び従動ロータ40を内壁面23Hから確実に引き剥がすことができる。したがって、駆動軸31に支持部材46及びストッパ48を設け、モータロータ43を駆動軸31に沿って移動可能に装着する構成は、ルーツ式の電動ポンプに採用するのに特に有効である。
(4) The electric
(第2の実施形態)
次に、本発明の水素循環用電動ポンプを燃料電池車に搭載された燃料電池システムにおける水素循環用ポンプとして用いられる電動ルーツ式ポンプに具体化した第2の実施形態を図5及び図6に従って説明する。なお、以下に説明する第2の実施形態では、既に説明した第1の実施形態と同一構成については、同一符号を付すなどして、その重複する説明を省略又は簡略する。なお、第2の実施形態における以下の説明において電動ルーツ式ポンプ17の「上」「下」は、図5に示す矢印Yの方向を上下(重力)方向とする。また、電動ルーツ式ポンプ17は、燃料電池車への搭載状態において回転軸としての駆動軸31が重力方向(上下方向)へ延びるようになっている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment in which the electric pump for hydrogen circulation of the present invention is embodied as an electric roots pump used as a hydrogen circulation pump in a fuel cell system mounted on a fuel cell vehicle according to FIGS. 5 and 6. explain. Note that in the second embodiment described below, the same components as those in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof is omitted or simplified. In the following description of the second embodiment, “upper” and “lower” of the electric roots pump 17 have the direction of the arrow Y shown in FIG. 5 as the vertical (gravity) direction. The electric roots pump 17 has a
図5に示すように、第2の実施形態の電動ルーツ式ポンプ17は、前記モータハウジングMが、重力方向にてポンプハウジングPの上側に位置するように両ハウジングM,Pが重力方向(上下方向)に配列される縦置きタイプとして用いられる。すなわち、第2の実施形態の電動ルーツ式ポンプ17は、第1の実施形態とは上下が反転した状態で縦置きされ、電動モータ41(上側)と駆動ロータ39及び従動ロータ40(下側)とが上下方向に互いに配列されるように縦置きされるようになっている。電動ルーツ式ポンプ17が縦置きされた状態において、駆動ロータ39及び従動ロータ40の下端面となる第1ロータ端面39a,40aとロータ室24の内壁面22Hとの間には極僅かなクリアランスが形成されている(図示せず)。また、駆動ロータ39及び従動ロータ40の上端面となる第2ロータ端面39b,40bとロータ室24の内壁面23Hとの間にはクリアランスCLが形成されている。そして、電動ルーツ式ポンプ17の縦置き状態では、第2ロータ端面39b,40bと内壁面23Hとの間に形成されるクリアランスCLは、前記第1ロータ端面39a,40aと内壁面22Hとの間に形成されるクリアランスよりも大きくなっている。
As shown in FIG. 5, in the electric roots type pump 17 of the second embodiment, both the housings M, P are in the gravity direction (up and down) so that the motor housing M is located above the pump housing P in the gravity direction. Used as a vertical type arranged in the direction). That is, the electric
また、駆動軸31の周面31aにおいて、前記モータロータ43より下側となる位置には前記支持部材46が装着され、モータロータ43より上側となる位置にはストッパ48が装着されている。このため、モータロータ43は、第1端面43bが支持部材46に当接することで支持部材46に支持されている。また、モータロータ43に上向きの磁気力が作用し、該モータロータ43が上方へ移動したとき、モータロータ43の上側端面となる第2端面43cがストッパ48に衝突するようになっている。
Further, on the
そして、第2の実施形態の電動ルーツ式ポンプ17においても、図6に示すように、電動モータ41の起動時には、モータロータ43の第2端面43cがストッパ48に衝突し、該衝突の際に発生する荷重及びモータロータ43の押し上げによって駆動軸31に上向きの荷重を作用させることができる。その結果として、駆動ロータ39及び従動ロータ40にも上向きの荷重が作用し、駆動ロータ39及び従動ロータ40が引き上げられる。したがって、ロータ室24内の水の凍結により、第1ロータ端面39a,40aが内壁面22Hに固着したとしても、駆動ロータ39及び従動ロータ40が引き上げられることによって、第1ロータ端面39a,40aを内壁面22Hから引き剥がすことができる。すなわち、電動ルーツ式ポンプ17が第1の実施形態と上下が反転していても、第1の実施形態の(1)〜(4)と同様の効果を発揮させることができる。
Also in the electric roots type pump 17 of the second embodiment, as shown in FIG. 6, when the
なお、各実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 各実施形態において、電動モータ41への通電及び非通電を複数回繰り返し、モータロータ43を重力方向(上下方向)へ繰り返し移動させ、モータロータ43をストッパ48に繰り返し衝突させてもよい。
Each embodiment may be changed as follows.
In each embodiment, energization and de-energization of the
○ 各実施形態において、三葉以上の多葉状の駆動ロータ39及び従動ロータ40を用いた電動ルーツ式ポンプ17としてもよい。
○ 各実施形態において、駆動ロータ39及び従動ロータ40を駆動軸31及び従動軸35の軸方向に複数個、取付固定した多段式の電動ルーツ式ポンプとしてもよい。
In each embodiment, it is good also as the electric roots type pump 17 using the multi-leaf-
In each embodiment, a multistage electric roots pump in which a plurality of
○ 各実施形態では、水素循環用電動ポンプを、駆動ロータ39及び従動ロータ40を回転体とした電動ルーツ式ポンプ17に具体化したが、電動ポンプを、スクリューを回転体とした電動スクリュー式ポンプに具体化してもよい。
In each embodiment, the electric pump for circulating hydrogen is embodied in the electric roots pump 17 having the
○ 第1の実施形態において、駆動ロータ39及び従動ロータ40の第1ロータ端面39a,40aをロータ室24の内壁面22Hに当接させることで駆動軸31の上方への移動量を規制する構成としてもよい。この場合、駆動ロータ39及び従動ロータ40の第1ロータ端面39a,40aとロータ室24の内壁面22Hとの間のクリアランスCLは、ラジアルベアリング32における内輪32aの外輪32bに対する移動許容量(がたつき量)より小さくなる。また、第2の実施形態において、駆動ロータ39及び従動ロータ40の第2ロータ端面39b,40bをロータ室24の内壁面23Hに当接させることで駆動軸31の上方への移動量を規制する構成としてもよい。この場合、駆動ロータ39及び従動ロータ40の第2ロータ端面39b,40bとロータ室24の内壁面23Hとの間のクリアランスCLは、ラジアルベアリング32における内輪32aの外輪32bに対する移動許容量(がたつき量)より小さくなる。
In the first embodiment, the first rotor end surfaces 39a and 40a of the
○ 各実施形態において、ラジアルベアリング32の内輪32aは駆動軸31に一体回転可能に止着されていなくてもよい。この場合、電動モータ41に通電されている状態では、ステータ42の磁気的中心とモータロータ43の磁気的中心とを一致させる方向へ力が働く。このため、起動時にモータロータ43の磁気的中心がステータ42の磁気的中心を超えて、モータロータ43が上方へ移動したとしても、両磁気的中心を一致させる復元力によって駆動軸31の移動量が規制される。
In each embodiment, the
M…ハウジングを構成するモータハウジング、P…ハウジングを構成するポンプハウジング、10…燃料電池システム、11…燃料電池、17…水素循環経路を構成する水素循環用電動ポンプとしての電動ルーツ式ポンプ、18,19…水素循環経路を構成する管路、20…水素源としての水素タンク、24…ポンプ室としてのロータ室、31…回転軸としての駆動軸、32…ラジアルベアリング、32a…内輪、32b…外輪、32c…転動素子、39…回転体としての駆動ロータ、40…回転体としての従動ロータ、41…電動モータ、42…ステータ、43…モータロータ、43b…上側端面としての第1端面、43c…上側端面としての第2端面、46…支持部材、48…衝突部材としてのストッパ。 M: motor housing constituting the housing, P: pump housing constituting the housing, 10 ... fuel cell system, 11 ... fuel cell, 17 ... electric roots pump as an electric pump for hydrogen circulation constituting the hydrogen circulation path, 18 , 19 ... Pipes constituting a hydrogen circulation path, 20 ... Hydrogen tank as a hydrogen source, 24 ... Rotor chamber as a pump chamber, 31 ... Drive shaft as a rotating shaft, 32 ... Radial bearing, 32a ... Inner ring, 32b ... Outer ring, 32c ... rolling element, 39 ... driving rotor as rotating body, 40 ... driven rotor as rotating body, 41 ... electric motor, 42 ... stator, 43 ... motor rotor, 43b ... first end face as upper end face, 43c ... a second end face as an upper end face, 46 ... a support member, 48 ... a stopper as a collision member.
Claims (4)
前記電動モータは、ステータと該ステータに対し相対回転可能なモータロータとを備え、該モータロータは前記回転軸の軸方向へ移動可能に該回転軸の外周側に設けられており、前記回転軸には前記ステータの磁気的中心に対して前記モータロータの磁気的中心が下方にずれた位置で該モータロータを支持する支持部材が設けられているとともに、前記ステータとモータロータの磁気的中心が一致する際に、前記モータロータの上側端面が衝突する衝突部材が設けられていることを特徴とする水素循環用電動ポンプ。 For hydrogen circulation that constitutes the hydrogen circulation path of the fuel cell system having a hydrogen circulation path that can supply hydrogen gas that has not been used in the fuel cell to hydrogen gas supplied from a hydrogen source to supply the fuel cell An electric pump, in which a pump chamber is defined in the housing and an electric motor is accommodated; and a rotary shaft that is rotatable by the electric motor is supported in the housing; Contains a rotating body that rotates as the rotating shaft rotates, and the rotating shaft extends in the direction of gravity, and the rotating body and the electric motor are arranged vertically so that they are arranged in the direction of gravity. An electric pump,
The electric motor includes a stator and a motor rotor that can rotate relative to the stator. The motor rotor is provided on an outer peripheral side of the rotating shaft so as to be movable in an axial direction of the rotating shaft. When a support member for supporting the motor rotor is provided at a position where the magnetic center of the motor rotor is shifted downward with respect to the magnetic center of the stator, and when the magnetic centers of the stator and the motor rotor coincide with each other, An electric pump for hydrogen circulation, wherein a collision member that collides with an upper end surface of the motor rotor is provided.
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