JP2018168714A

JP2018168714A - 燃料電池用水素循環ポンプ

Info

Publication number: JP2018168714A
Application number: JP2017064867A
Authority: JP
Inventors: 平野　貴之; Takayuki Hirano; 貴之平野; 大輔正木; Daisuke Masaki; 辰幸星野; Tatsuyuki Hoshino; 真太郎柏; Shintaro Kashiwa; 直樹 ▲高▼荷; Naoki Takani
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-11-01
Also published as: US20180283378A1; DE102018107242A1

Abstract

【課題】水噛み音を生じず、より優れた容積効率を発揮可能な燃料電池用水素循環ポンプを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池用水素循環ポンプでは、第１、２ロータ２５、２７の外形線は、頂端Ｐ１から第１切替点Ｐ２までが半径Ｒの円弧２５ｃからなり、第１切替点Ｐ２から第２切替点Ｐ３までが半径ｒの基礎円に基づくインボリュート曲線２５ｄからなり、第２切替点Ｐ３から底端Ｐ４までが半径ｒ’の基礎円の包絡線２５ｅからなる。第１、２ロータ２５、２７における頂端Ｐ１から頂端Ｐ１までの距離はＤであり、半径ｒ’は、π／（４√２）Ｌ＜ｒ’＜１．２８π／（４√２）Ｌであり、直径Ｄは、２（Ｌ＋π／（２√２）Ｌ）＜Ｄ＜２．１２（Ｌ＋π／（２√２）Ｌ）である。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池用水素循環ポンプに関する。

特許文献１に従来のルーツ式流体機械が開示されている。この流体機械は、ロータ室が形成されたハウジングと、ロータ室内で回転可能に設けられ、互いに平行な２本の回転軸と、ロータ室内で各回転軸と一体回転可能に設けられ、互いに噛み合う山歯及び谷歯を有する二葉型のロータとを備えている。

各ロータは、山歯の頂端から谷歯の底端に向かう周方向に沿って描かれた外形線と、各ロータを固定する回転軸の軸心が延びる軸方向に外形線を移動させて規定される外形面とにより画定される。外形線は、頂端から第１切替点までが半径Ｒの円弧からなる。第１切替点から第２切替点までがその円弧に連続し、軸心に中心を有する半径ｒの基礎円に基づくインボリュート曲線からなる。第２切替点から底端までがインボリュート曲線に連続し、半径Ｒの円弧の包絡線からなる。また、一対の回転軸のピッチ間距離をＬとし、半径Ｒ及び半径ｒを一定の範囲内の値に設定している。

この流体機械では、流体の閉じ込み容積を大きく確保しつつ、位相ずれによるロータ同士の干渉に起因した不具合の悪化を抑えることができる。

特許第４６１３８１１号公報

上記流体機械では、第２切替点から底端までが半径Ｒの円弧の包絡線であるため、山歯と谷歯との間に閉じ込み空間が形成されず、気体の圧縮から開放による異音は発生し難い。しかし、山歯と谷歯との間に閉じ込み空間が形成されないとしても、山歯と谷歯との間隙に生成水等の液体が挟まれた場合には、液圧縮による水噛み音が発生する恐れがある。上記流体機械の外形線は、この水噛み音まで考慮した形状とはなっていない。一方、水噛み音を避けるために両ロータ間の隙間を拡大させると容積効率が低下する問題もある。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、水噛み音を生じず、より優れた容積効率を発揮可能な燃料電池用水素循環ポンプを提供することを解決すべき課題としている。

本発明の燃料電池用水素循環ポンプは、ロータ室が形成されたハウジングと、前記ロータ室内で回転可能に設けられ、互いに平行な２本の回転軸と、前記ロータ室内で各前記回転軸と一体回転可能に設けられ、互いに噛み合う山歯及び谷歯を有する二葉型のロータとを備えた燃料電池用水素循環ポンプであって、
各前記ロータは、前記山歯の頂端から前記谷歯の底端に向かう周方向に沿って描かれた外形線と、各前記ロータを固定する前記回転軸の軸心が延びる軸方向に前記外形線を移動させて規定される外形面とにより画定され、
前記外形線は、前記頂端から第１切替点までが半径Ｒの円弧からなり、前記第１切替点から第２切替点までが前記円弧に連続し、前記軸心に中心を有する半径ｒの基礎円に基づくインボリュート曲線からなり、前記第２切替点から前記底端までが前記インボリュート曲線に連続し、前記軸心に中心を有する半径ｒ’の基礎円の包絡線からなり、
各前記ロータにおける前記頂端から前記頂端までの距離はＤであり、
前記半径Ｒは、｛（√２）／１６｝πＬ＜Ｒ＜｛（２７−５√２）／５６｝Ｌであり、
前記半径ｒは、Ｌ／（２√２）＜ｒ＜０．３（√２）Ｌであり、
前記半径ｒ’は、π／（４√２）Ｌ＜ｒ’＜１．２８π／（４√２）Ｌであり、
前記直径Ｄは、２（Ｌ＋π／（２√２）Ｌ）＜Ｄ＜２．１２（Ｌ＋π／（２√２）Ｌ）であることを特徴とする。

本発明の燃料電池用水素循環ポンプは、一対の回転軸のピッチ間距離をＬとし、半径Ｒ及び半径ｒについては、上記特許文献１の範囲を採用しているため、流体の閉じ込み容積を大きく確保しつつ、位相ずれによるロータ同士の干渉に起因した不具合の悪化を抑えることができる。また、この燃料電池用水素循環ポンプでは、両ロータ間の隙間は拡大せず、水噛み音は生じない。

また、この燃料電池用水素循環ポンプでは、第２切替点から底端までが半径ｒ’の基礎円の包絡線からなり、各ロータにおける頂端から頂端までの距離をＤとし、半径ｒ’及び距離Ｄも一定の範囲内の値に設定しているため、一方のロータの第２切替点と他方のロータの第１切替点との間に適度な間隙を確保できる。このため、この燃料電池用水素循環ポンプはより優れた容積効率を発揮できる。

本発明の燃料電池用水素循環ポンプでは、水噛み音を生じず、より優れた容積効率を発揮可能である。

図１は、実施例の燃料電池用水素循環ポンプの断面図である。図２は、実施例の燃料電池用水素循環ポンプにおけるロータ室及び両ロータの外形線を示す平面図である。図３は、基礎円の半径と容積効率及び水噛み隙との関係を示すグラフである。図４は、実施例の燃料電池用水素循環ポンプに係り、図（Ａ）はある回転角度における両ロータの要部拡大平面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）の状態から１０°進んだ回転角度における両ロータの要部拡大平面図である。図５は、Ｄ’／Ｄと容積効率及び水噛み隙との関係を示すグラフである。図６は、比較例の燃料電池用水素循環ポンプに係り、図（Ａ）はある回転角度における両ロータの要部拡大平面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）の状態から１０°進んだ回転角度における両ロータの要部拡大平面図である。

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。実施例の燃料電池用水素循環ポンプは、図１に示すように、ロータハウジング１とエンドハウジング３とギヤハウジング５とが図示しないボルトによって接合され、ギヤハウジング５とモータハウジング７とがボルト９によって接合されている。ロータハウジング１とエンドハウジング３との間にはＯリング２が設けられており、ロータハウジング１とギヤハウジング５との間にはＯリング４が設けられている。ロータハウジング１、エンドハウジング３、ギヤハウジング５及びモータハウジング７がハウジングに相当する。

ロータハウジング１にはロータ室１１が形成され、ロータハウジング１及びギヤハウジング５には第１、２軸孔１３、１５が形成されている。ロータ室１１は、図２に示すように、第１軸心Ｏ１を中心軸とする円柱状の空間と、第２軸心Ｏ２を中心軸とする円柱状の空間とが重ねられた形状をしている。ロータ室１１には、図示しない吸入ポート及び吐出ポートが形成されている。第１軸心Ｏ１と第２軸心Ｏ２とは平行である。図１に示すように、第１軸孔１３はロータ室１１の後方で第１軸心Ｏ１方向に延びている。第２軸孔１５はロータ室１１の後方で第２軸心Ｏ１方向に延びている。

ロータハウジング１及びギヤハウジング５によりギヤ室１７が形成され、ギヤハウジング５及びモータハウジング７によりモータ室１９が形成されている。第１軸孔１３は、ギヤハウジング５を貫通しており、ロータ室１１とギヤ室１７とモータ室１９とを連通させている。第２軸孔１５は、ギヤハウジング５により閉塞され、ロータ室１１とギヤ室１７とを連通させている。

第１軸孔１３には第１回転軸２１が挿通され、第２軸孔１５には第２回転軸２３が挿通されている。ロータ室１１内では、第１回転軸２１に第１ロータ２５が固定され、第２回転軸２３に第２ロータ２７が固定されている。第１、２ロータ２５、２７は、互いに噛み合う山歯及び谷歯を有する二葉型のものである。第１、２ロータ２５、２７の山歯にはそれぞれ軽量化のための中空部２５ａ、２７ａが形成されている。

ギヤ室１７内では、第１回転軸２１に第１ギヤ２９が固定され、第２回転軸２３に第２ギヤ３１が固定されている。第１、２ギヤ２９、３１は互いに噛み合っている。モータ室１９内では、モータハウジング７にステータ３３が固定され、第１回転軸２１にモータロータ３５が固定されている。ステータ３３には、図示しないハーネスにより電流が流れるようになっている。

ロータハウジング１の第１軸孔１３内には、ロータ室１１とギヤ室１７との間において、ロータ室１１側に位置する軸封装置３７と、軸受装置３９とが設けられている。また、ギヤハウジング５の第１軸孔１３内には、ギヤ室１７とモータ室１９との間において、ギヤ室１７側に位置する軸受装置４１と、軸封装置４３とが設けられている。モータハウジング７には軸受装置４５が設けられている。これら軸封装置３７、軸受装置３９、軸受装置４１、軸封装置４３及び軸受装置４５により、第１回転軸２１が第１軸心Ｏ１周りで回転するようになっている。

ロータハウジング１の第２軸孔１５内には、ロータ室１１とギヤ室１７との間において、ロータ室１１側に位置する軸封装置４７と、軸受装置４９とが設けられている。また、ギヤハウジング５の第２軸孔１５内には軸受装置５１が設けられている。これら軸封装置４７、軸受装置４９及び軸受装置５１により、第２回転軸２３が第２軸心Ｏ２周りで回転するようになっている。

第１、２ロータ２５、２７は、図２に示すように、外形線２５ａ、２７ａと、図１に示すように、第１、２軸心Ｏ１、Ｏ２方向に外形線２５ａ、２７ａを移動させて規定される外形面２５ｂ、２７ｂとによりそれぞれ画定されている。

具体的には、第１ロータ２５の外形線２５ａは、図２に示すように、頂端Ｐ１から第１切替点Ｐ２までが半径Ｒの円弧２５ｃからなる。また、外形線２５ａは、第１切替点Ｐ２から第２切替点Ｐ３までが円弧２５ｃに連続し、第１軸心Ｏ１に中心を有する半径ｒの基礎円に基づくインボリュート曲線２５ｄからなる。さらに、外形線２５ａは、第２切替点Ｐ３から底端Ｐ４までがインボリュート曲線２５ｄに連続し、第１軸心Ｏ１に中心を有する半径ｒ’の基礎円の包絡線（エンベロープ）２５ｅからなる。外形線２５ａは、これら円弧２５ｃ、インボリュート曲線２５ｄ及び包絡線２５ｅを周方向に沿って繰り返すことによって描かれている。第２ロータ２７の外形線２７ａも同様である。

ここで、第１ロータ２５における頂端Ｐ１から頂端Ｐ７までの距離はＤである。そして、頂端Ｐ１から第１切替点Ｐ２までが半径Ｒの円弧からなり、第１切替点Ｐ２から第２切替点Ｐ３までが半径ｒの基礎円に基づくインボリュート曲線からなり、第２切替点Ｐ３から底端Ｐ４までが半径ｒ’の円弧からなる一般的なインボリュート型の第１、２ロータを仮定する。

この一般的なインボリュート型の第１、２ロータにおいては、第１軸芯Ｏ１と第２軸芯Ｏ２とのピッチ間距離をＬとすると、半径Ｒは、Ｒ＝π／（４√２）Ｌである。また、半径ｒは、ｒ＝Ｌ／（√２）をである。さらに、距離Ｄは、Ｄ＝２（Ｌ＋π／（４√２）Ｌ）である。

つまり、一般的なインボリュート型の第１、２ロータにおいては、設計パラメーターはピッチ間距離Ｌのみであり、ピッチ間距離Ｌが決まれば、距離Ｄも決まる。そして、第１、２回転軸２１、２３の１回転当たりの理論吐出体積Ｖｔｈは、Ｖｔｈ＝０．８５４５Ｄ²Ｌとなる。

一方、距離Ｄを２（Ｌ＋π／（４√２）Ｌよりも大きい距離Ｄ’とすると、半径ｒ’はｒ＜ｒ’＜１．２８ｒで設計可能である。

図３に示すように、基礎円の半径ｒ’を半径ｒから半径１．２８ｒまで大きくしていくと、一方のロータの第２切替点Ｐ３と他方のロータの第１切替点Ｐ２との間の間隙である水噛み隙が小さくなる。すなわち、この場合には、図６に示すように、水噛み隙ｔが極めて小さくなり、生成水等を圧縮しようとする液圧縮による水噛み音が発生するおそれがある。

このため、半径ｒ’は、ｒ’＝１．２ｒが最適な値である。この場合、図４に示すように、水噛み隙ｔを確保できる。また、図５に示すように、水噛み隙ｔは０．１４ｍｍ以上あれば、騒音対策で効果があることが実験的に分かっている。水噛み隙ｔが０．１４ｍｍ以上を満足する条件は距離Ｄ’が距離Ｄの１．０１６倍以下である。この際、理論吐出体積Ｖｔｈは、Ｖｔｈ＝０．８５５Ｄ²Ｌであり、一般的なインボリュート型の第１、２ロータと同等の値である。

この燃料電池用水素循環ポンプは、第１、２回転軸２１、２３のピッチ間距離をＬとし、半径Ｒ及び半径ｒについては、上記特許文献１の範囲を採用しているため、生成水等を含む水素の閉じ込み容積を大きく確保しつつ、位相ずれによる第１、２ロータ２５、２７同士の干渉に起因した不具合の悪化を抑えることができる。また、この燃料電池用水素循環ポンプでは、水噛み隙ｔは拡大せず、水噛み音は生じない。

また、この燃料電池用水素循環ポンプでは、第２切替点Ｐ３から底端Ｐ４までが半径ｒ’の基礎円の包絡線からなり、第１、２ロータ２５、２７におけるＰ１頂端から頂端Ｐ７までの距離をＤとし、半径ｒ’及び距離Ｄも一定の範囲内の値に設定しているため、適度な水噛み隙ｔを確保できる。このため、この燃料電池用水素循環ポンプはより優れた容積効率を発揮できる。

以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は燃料電池自動車に利用可能である。

１１…ロータ室
１、３、５、７…ハウジング（１…ロータハウジング、３…エンドハウジング、５…ギヤハウジング、７…モータハウジング）
２１、２３…回転軸（２１…第１回転軸、２３…第２ハウジング）
２５、２７…ロータ（２５…第１ロータ、２７…第２ロータ）
Ｐ１…頂端
Ｐ４…底端
２５ａ、２７ａ…外形線
Ｏ１、Ｏ２…軸方向（Ｏ１…第１軸心、Ｏ２…第２軸心）
２５ｂ、２７ｂ…外形面
Ｐ２…第１切替点
２５ｃ…円弧
Ｐ３…第２切替点
２５ｄ…インボリュート曲線
２５ｅ…包絡線
Ｄ…第１、２ロータにおける頂端から頂端までの距離

Claims

ロータ室が形成されたハウジングと、前記ロータ室内で回転可能に設けられ、互いに平行な２本の回転軸と、前記ロータ室内で各前記回転軸と一体回転可能に設けられ、互いに噛み合う山歯及び谷歯を有する二葉型のロータとを備えた燃料電池用水素循環ポンプであって、
各前記ロータは、前記山歯の頂端から前記谷歯の底端に向かう周方向に沿って描かれた外形線と、各前記ロータを固定する前記回転軸の軸心が延びる軸方向に前記外形線を移動させて規定される外形面とにより画定され、
前記外形線は、前記頂端から第１切替点までが半径Ｒの円弧からなり、前記第１切替点から第２切替点までが前記円弧に連続し、前記軸心に中心を有する半径ｒの基礎円に基づくインボリュート曲線からなり、前記第２切替点から前記底端までが前記インボリュート曲線に連続し、前記軸心に中心を有する半径ｒ’の基礎円の包絡線からなり、
各前記ロータにおける前記頂端から前記頂端までの距離はＤであり、
前記半径Ｒは、｛（√２）／１６｝πＬ＜Ｒ＜｛（２７−５√２）／５６｝Ｌであり、
前記半径ｒは、Ｌ／（２√２）＜ｒ＜０．３（√２）Ｌであり、
前記半径ｒ’は、π／（４√２）Ｌ＜ｒ’＜１．２８π／（４√２）Ｌであり、
前記直径Ｄは、２（Ｌ＋π／（２√２）Ｌ）＜Ｄ＜２．１２（Ｌ＋π／（２√２）Ｌ）であることを特徴とする燃料電池用水素循環ポンプ。