JP2021127736A - 燃料電池用水素循環ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸が撓んだ状態で回転することを抑制することが可能であり、かつ低温時に起動しやすい燃料電池用水素循環ポンプを得る。【解決手段】燃料電池用水素循環ポンプは、ハウジング１と、ギヤ室４ｂ側からロータ室３ｂ内に突出する第１回転軸１１および第２回転軸２１と、ロータ室３ｂ内で第１回転軸１１と一体回転可能に設けられた第１ロータ１０と、ロータ室３ｂ内で第２回転軸２１と一体回転可能に設けられ、第１ロータ１０と噛み合う第２ロータ２０と、モータ室５ｂ内に設けられ、第１回転軸１１を駆動可能なモータ機構１８とを備え、ハウジング１は、軸方向においてロータ室３ｂに対してギヤ室４ｂ側とは反対側に配置される、リヤハウジング２を含み、リヤハウジング２におけるロータ室３ｂを区画している内壁２ｓは、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうちの少なくとも一つと当接している。【選択図】図１

Description

本明細書は、燃料電池用水素循環ポンプに関する。

特開２００２−２１３３８１号公報（特許文献１）に開示されているように、ルーツ式の流体機械が知られている。このような流体機械は、燃料電池用水素循環ポンプとして用いることができる。

特開２００２−２１３３８１号公報

ルーツ式の燃料電池用水素循環ポンプにおいては、ギヤ室側からロータ室内に突出するように回転軸が配置される。回転軸におけるこの突出側の部分に、ロータが取り付けられる。ロータはロータ室内に配置され、回転軸と一体回転する。回転軸におけるギヤ室側（モータ室側）の部分は、軸受等により回転可能に支持される。回転軸の両端が支持される場合、回転軸におけるロータに対して両側の位置に各々軸受が配置され、さらにロータ室とギヤ室とを封止するシール部材が配置され、大型化していた。一方で、回転軸におけるギヤ室とは反対側の部分は、支持されずに、自由端を構成するという片持ち支持の場合もある。このような片持ち支持構造を採用した場合には、両端支持の場合に比べて、回転体としての軽量化、小型化および製造コストの低減などを図ることが可能になる。

しかしながら片持支持構造の場合には、両端支持の場合に比べて、回転時にロータに発生する遠心力や、圧縮行程時にロータに発生する圧縮反力などの影響を受けやすくなり、回転軸の自由端側（ロータが取り付けられている側）の部分にたわみが生じやすくなる。回転軸が撓んだ状態で回転することにより、性能向上の妨げになったり、騒音や振動が発生しやすくなったりする。

また、燃料電池用水素循環ポンプには、燃料電池によって生成された水が、水素オフガスとともに燃料電池から導入される。低温環境下でポンプが停止した場合、あるいは、ポンプ停止後にポンプが低温環境下に置かれた場合などには、ポンプに導入された水が凍結する可能性がある。凍結した状態でポンプを起動するには大きなトルクを必要とする。

本明細書は、回転軸が撓んだ状態で回転することを抑制することが可能であり、かつ低温時に起動しやすい構成を備えた燃料電池用水素循環ポンプを開示することを目的とする。

本開示に基づく燃料電池用水素循環ポンプは、ロータ室、ギヤ室およびモータ室が形成されたハウジングと、上記ギヤ室側から上記ロータ室内に突出するように配置され、互いに平行な第１回転軸および第２回転軸と、上記ロータ室内で上記第１回転軸と一体回転可能に設けられ、山歯および谷歯を有する第１ロータと、上記ロータ室内で上記第２回転軸と一体回転可能に設けられ、上記第１ロータと噛み合う山歯および谷歯を有する第２ロータと、上記モータ室内に設けられ、上記第１回転軸を駆動可能なモータ機構と、を備え、上記ハウジングは、軸方向において上記ロータ室に対して上記ギヤ室側とは反対側に配置される、リヤハウジングを含み、上記リヤハウジングにおける上記ロータ室を区画している内壁は、上記第１回転軸および上記第２回転軸のうちの少なくとも一つと当接している。

上記燃料電池用水素循環ポンプにおいては、上記第１回転軸における第１端面および上記第１端面に対向する上記内壁のうちの少なくとも一方には、第１コーティング層が設けられており、上記第２回転軸における第２端面および上記第２端面に対向する上記内壁のうちの少なくとも一方には、第２コーティング層が設けられていてもよい。

上記燃料電池用水素循環ポンプにおいては、上記リヤハウジングには、凸状部が上記ギヤ室側に向かって突出して設けられており、上記第１回転軸および上記第２回転軸のうちの上記少なくとも一つと当接している上記内壁は、上記凸状部上に形成されていてもよい。

上記燃料電池用水素循環ポンプにおいては、上記第１回転軸および上記第２回転軸は、いずれも複列アンギュラベアリングによって回転可能に支持されていてもよい。

上記の技術的思想が適用された燃料電池用水素循環ポンプによれば、回転軸が撓んだ状態で回転することを抑制することが可能であり、かつ低温時に起動しやすくすることが可能になる。

実施の形態１における燃料電池用水素循環ポンプ１００の断面図である。 実施の形態１における燃料電池用水素循環ポンプ１００に備えられる第１ロータ１０および第２ロータ２０を示す斜視図である。 実施の形態２における燃料電池用水素循環ポンプ２０１の断面図である。 実施の形態２の変形例における燃料電池用水素循環ポンプ２０２の断面図である。

発明を実施するための形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１における燃料電池用水素循環ポンプ１００の断面図である。燃料電池用水素循環ポンプ１００は、ハウジング１、第１ロータ１０、第２ロータ２０、第１回転軸１１、第２回転軸２１、第１ギヤ１５、第２ギヤ２５、軸封装置１３，１７，２３、軸受装置１４，１６，１９，２４，２６、およびモータ機構１８を備える。

（ハウジング１）
ハウジング１は、リヤハウジング２、ロータハウジング３、ギヤハウジング４、およびモータハウジング５を含む。リヤハウジング２、ロータハウジング３、およびギヤハウジング４は、不図示のボルトにより接合される。リヤハウジング２とロータハウジング３との間にはＯリング３ａが設けられる。ロータハウジング３とギヤハウジング４との間にはＯリング４ａが設けられる。ギヤハウジング４およびモータハウジング５は、ボルト５ａにより接合される。

ハウジング１の内部には、ロータ室３ｂ、ギヤ室４ｂおよびモータ室５ｂが形成される。ロータ室３ｂは、リヤハウジング２およびロータハウジング３によって区画される。ロータ室３ｂには、図示しない吸入ポートおよび吐出ポートが形成されている。ギヤ室４ｂは、ロータハウジング３およびギヤハウジング４によって区画される。モータ室５ｂは、ギヤハウジング４およびモータハウジング５によって区画される。

ロータハウジング３には軸孔３ｃ，３ｄが形成され、ギヤハウジング４には軸孔４ｃおよび凹所４ｄが形成され、モータハウジング５には凹所５ｃが形成される。軸孔３ｃ，４ｃおよび凹所５ｃは同軸上に並んでおり、軸孔３ｄおよび凹所４ｄも同軸上に並んでいる。軸孔３ｃ，３ｄはロータ室３ｂとギヤ室４ｂとを連通させ、軸孔４ｃはギヤ室４ｂとモータ室５ｂとを連通させる。

（第１回転軸１１および第２回転軸２１）
第１回転軸１１は軸孔３ｃ，４ｃおよび凹所５ｃに挿入され、第２回転軸２１は軸孔３ｄおよび凹所４ｄに挿入される。ギヤ室４ｂ内では、第１回転軸１１に第１ギヤ１５が固定され、第２回転軸２１に第２ギヤ２５が固定される。第１ギヤ１５および第２ギヤ２５は互いに噛合している。

モータ室５ｂ内にモータ機構１８が設けられる。モータ機構１８のステータはモータハウジング５に固定され、モータ機構１８のロータは第１回転軸１１に固定される。ステータには、図示しないハーネスにより電流が供給され、モータ機構１８は第１回転軸１１を駆動する。第２回転軸２１は、第１ギヤ１５および第２ギヤ２５を介して第１回転軸１１に従動して回転する。

第１回転軸１１は、軸封装置１３、軸受装置１４、軸受装置１６、軸封装置１７および軸受装置１９により、回転可能に支持される。軸封装置１３および軸受装置１４は、軸孔３ｃの内側に配置され、軸封装置１３が軸受装置１４よりもロータ室３ｂの側に配置される。軸受装置１６および軸封装置１７は、軸孔４ｃの内側に配置され、軸封装置１７が軸受装置１６よりもモータ室５ｂの側に配置される。軸受装置１９は、凹所５ｃの内側に配置される。

第２回転軸２１は、軸封装置２３、軸受装置２４、および軸受装置２６により、回転可能に支持される。軸封装置２３および軸受装置２４は、軸孔３ｄの内側に配置され、軸封装置２３が軸受装置２４よりもロータ室３ｂの側に配置される。軸受装置２６は、凹所４ｄの内側に配置される。

第１回転軸１１および第２回転軸２１は、ギヤ室４ｂ側からロータ室３ｂ内に突出するように配置され、互いに平行である。第１ロータ１０および第２ロータ２０は、互いに噛み合う山歯および谷歯を有する二葉型のものである。

（第１ロータ１０および第２ロータ２０）
第１ロータ１０には固定穴１２が形成される。第１回転軸１１は固定穴１２に圧入されて第１ロータ１０に固定される。第１ロータ１０は、ロータ室３ｂ内で第１回転軸１１と一体回転可能に設けられる。第１回転軸１１は、第１ロータ１０よりも高強度とされる。第１回転軸１１はたとえばステンレスからなり、第１ロータ１０はたとえばアルミニウム合金からなる。

第２ロータ２０には固定穴２２が形成される。第２回転軸２１は固定穴２２に圧入されて第２ロータ２０に固定される。第２ロータ２０は、ロータ室３ｂ内で第２回転軸２１と一体回転可能に設けられる。第２回転軸２１は、第２ロータ２０よりも高強度とされる。第２回転軸２１はたとえばステンレスからなり、第２ロータ２０はたとえばアルミニウム合金からなる。

第１ロータ１０の外周面および第２ロータ２０の外周面には、図示しない樹脂製の摺動皮膜が形成される。摺動皮膜は、第１ロータ１０の全面および第２ロータ２０の全面を被覆する。摺動皮膜は、スプレー、ディッピング、ロールコート等によって形成可能である。

図２は、第１ロータ１０および第２ロータ２０を示す斜視図である。図１および図２に示すように、第１ロータ１０は、底部１０ａおよび端面１０ｂを有し、第２ロータ２０は、底部２０ａおよび端面２０ｂを有する。

底部１０ａは、第１ロータ１０におけるリヤハウジング２の側に位置する部分であり、平坦な平面形状を有している。底部１０ａは、第１回転軸１１の回転中心軸に対して略直交するように延在している。第１回転軸１１の端面１１ｔ（第１端面）は、底部１０ａの中央部分からリヤハウジング２の側に向かって突出している。端面１０ｂは、底部１０ａの外周縁に沿って環状に延在する形状を有しており、底部１０ａの外周縁から、リヤハウジング２の側に向かって突出して形成されている。

底部２０ａは、第２ロータ２０におけるリヤハウジング２の側に位置する部分であり、平坦な平面形状を有している。底部２０ａは、第２回転軸２１の回転中心軸に対して略直交するように延在している。第２回転軸２１の端面２１ｔ（第２端面）は、底部２０ａの中央部分からリヤハウジング２の側に向かって突出している。端面２０ｂは、底部２０ａの外周縁に沿って環状に延在する形状を有しており、底部２０ａの外周縁から、リヤハウジング２の側に向かって突出して形成されている。

（リヤハウジング２）
図１に示すように、リヤハウジング２は、軸方向においてロータ室３ｂに対して、ギヤ室４ｂ側とは反対側に配置されている。換言すると、軸方向において、リヤハウジング２とギヤ室４ｂとの間に、ロータ室３ｂが位置している。リヤハウジング２は、内壁２ｓを有する。内壁２ｓは、第１回転軸１１および第２回転軸２１の回転中心軸に対して、略直交するように延在する。内壁２ｓは、ロータ室３ｂを区画しているとともに、第１ロータ１０、第２ロータ２０、第１回転軸１１、および第２回転軸２１に対向している。

リヤハウジング２におけるロータ室３ｂを区画している内壁２ｓは、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうちの少なくとも一つと当接している。ここでは、リヤハウジング２に、凸状部２ｐ，２ｑがギヤ室４ｂ側に向かって突出して設けられている。凸状部２ｐ，２ｑの各々上に、第１回転軸１１および第２回転軸２１に当接する内壁２ｓの表面部分が形成されている。凸状部２ｐの表面は、内壁２ｓの表面の一部である。

上記構成に限られず、たとえば、凸状部２ｐ，２ｑをリヤハウジング２に設けずに、第１回転軸１１および第２回転軸２１の各々の長さを調節することによって、リヤハウジング２の内壁２ｓが、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうちの少なくとも一つと当接する、あるいはこれらのうちの少なくとも一つを付勢するように構成してもよい。

凸状部２ｐ上の内壁２ｓは、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうち、第１回転軸１１におけるギヤ室４ｂ側とは反対側の端面１１ｔ（第１端面）を、ギヤ室４ｂ側に向けて付勢する。第１回転軸１１の端面１１ｔ側の部分および第１ロータ１０が回転半径方向において自由に移動することが、付勢力によって規制される。

凸状部２ｑの内壁２ｓは、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうち、第２回転軸２１におけるギヤ室４ｂ側とは反対側の端面２１ｔ（第２端面）を、ギヤ室４ｂ側に向けて付勢する。第２回転軸２１の端面２１ｔ側の部分および第２ロータ２０が回転半径方向において自由に移動することが、付勢力によって規制される。

（作用および効果）
燃料電池用水素循環ポンプ１００は、ルーツ式の燃料電池用水素循環ポンプである。ギヤ室４ｂ側からロータ室３ｂ内に突出するように第１回転軸１１および第２回転軸２１が配置される。第１ロータ１０は、第１回転軸１１におけるこの突出側の部分に取り付けられ、第２ロータ２０は、第２回転軸２１におけるこの突出側の部分に取り付けられる。

第１回転軸１１におけるギヤ室４ｂ側（モータ室５ｂ側）の部分は、軸封装置１３、軸受装置１４、軸受装置１６、軸封装置１７および軸受装置１９により、回転可能に支持される。第２回転軸２１におけるギヤ室４ｂ側（モータ室５ｂ側）の部分は、軸封装置２３、軸受装置２４、および軸受装置２６により、回転可能に支持される。

一方で、第１回転軸１１および第２回転軸２１におけるギヤ室４ｂとは反対側に位置する部分は、軸受装置や軸封装置によって支持されていない。リヤハウジング２におけるロータ室３ｂを区画している内壁２ｓが、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうちの少なくとも一つ（ここではこれらの両方）と当接している。

燃料電池用水素循環ポンプ１００においては、第１回転軸１１および第２回転軸２１に上記のような支持構造が採用されている。第１回転軸１１および第２回転軸２１の各々の両端を、軸受装置や軸封装置を用いて支持する場合に比べて、回転体（ひいては装置全体）としての軽量化、小型化および製造コストの低減などを図ることが可能になっている。すなわち、軸受の数を減らすことで、回転軸に作用し得る摩擦抵抗を小さくでき、より小さな摩擦で回転軸を支持することにより、ポンプの低温起動時のトルクを小さくして起動しやすくするとともに、動力損失を低減することが可能になる。

冒頭で述べたとおり、第１回転軸１１や第２回転軸２１を完全な片持支持構造で支持する場合には、両端支持の場合に比べて、回転時に第１ロータ１０および第２ロータ２０に発生する遠心力や、圧縮行程時に第１ロータ１０および第２ロータ２０に発生する圧縮反力などの影響を受けやすくなる。また、燃料電池用水素循環ポンプには、燃料電池によって生成された水が、水素オフガスとともに燃料電池から導入される。低温環境下でポンプが停止した場合、あるいは、ポンプ停止後にポンプが低温環境下に置かれた場合などには、ポンプに導入された水が凍結する可能性がある。凍結した状態でポンプを起動するには大きなトルクを必要とする。

これに対して燃料電池用水素循環ポンプ１００において採用されている支持構造は、完全な片持ち支持構造の場合とは異なり、リヤハウジング２の内壁２ｓが、第１回転軸１１および第２回転軸２１のうちの少なくとも一つ（ここではこれらの両方）と当接しており、これらの間に摩擦が発生する状態が形成されている。たとえば第１回転軸１１または第１ロータ１０がギヤ室４ｂ側に向けて付勢されている場合には、第１回転軸１１の端面１１ｔ側の部分および第１ロータ１０が回転半径方向（スラスト方向）において自由に移動することが、付勢力によって規制される。

第１回転軸１１の端面１１ｔ側（ロータが取り付けられている側）の部分にたわみが生じることは抑制され、第１回転軸１１が撓んだ状態で回転することも抑制される。性能向上を図ることが可能となり、騒音や振動が発生することも効果的に抑制することが可能となる。軸ぶれした状態で回転することが抑制されるため、ロータが傾かず、圧縮室からの漏洩を抑制でき、ひいてはポンプからの水素の漏洩を抑制することも可能になる。これらの作用および効果については、第２回転軸２１または第２ロータ２０がギヤ室４ｂ側に向けて付勢されている場合も同様に得られるものである（以下同様）。

また、たとえばリヤハウジング２の内壁２ｓと第１回転軸１１の端面１１ｔとを、軸受の場合よりも低トルクとなるように設定して接触させることで、低温時にポンプが起動しやすくなり、装置が速やかに安定して起動可能になる。また、軸受や、軸受とロータ室とをシールするためのシール部材の数を減らすことで、水の侵入によって軸受やシール部材に発生し得る凍結箇所を減らすことも可能になる。

第１回転軸１１の端面１１ｔの径方向における中心位置にできるだけ近い部分に対して内壁２ｓが当接する、あるいは付勢力を付与することで、端面１１ｔと内壁２ｓとの回転方向における相対的な周速を小さくすることができ、端面１１ｔと内壁２ｓとの間に発生する摩擦を軽減し、消費動力を低減でき、耐用年数などを長くすることが可能になる。

第１回転軸１１における端面１１ｔおよび端面１１ｔに対向するリヤハウジング２の内壁２ｓのうちの少なくとも一方には、コーティング層３１（第１コーティング層）が設けられているとよい。同様に、第２回転軸２１における端面２１ｔおよび端面２１ｔに対向するリヤハウジング２の内壁２ｓのうちの少なくとも一方には、コーティング層３２（第２コーティング層）が設けられているとよい。端面１１ｔと内壁２ｓとの間の摩擦係数や、端面２１ｔと内壁２ｓとの間の摩擦係数を小さくすることで、消費動力を低減でき、耐用年数などを長くすることが可能になる。

本実施の形態においては、軸受装置１４および軸受装置２４がいずれも複列アンギュラベアリングから構成されており、第１回転軸１１および第２回転軸２１は、これらの複列アンギュラベアリングによって回転可能に支持されている。上記の付勢力を作用させることによって、複列アンギュラベアリングの内部隙間を小さくまたはなくすことで、第１回転軸１１および第２回転軸２１が傾いて支持されることが一層抑制され、第１ロータ１０、第２ロータ２０、第１回転軸１１および第２回転軸２１は、軸ブレなくより安定して回転することが可能になる。

［実施の形態２］
図３は、実施の形態２における燃料電池用水素循環ポンプ２０１の断面図である。図３に示すように、第１回転軸１１の端面１１ｔは軸方向において、第１ロータ１０の底部１０ａの位置よりも、固定穴１２の内部側の位置（ギヤ室４ｂ側の位置）に配置されていてもよい。たとえば、コーティング層３１の一部または全部が、固定穴１２の内側に配置されていることによって、コーティング層３１から発生した微粉末などがロータ室３ｂ内に移動することが抑制可能となる。これは、コーティング層３２についても同様である。

（変形例）
図４は、実施の形態２の変形例における燃料電池用水素循環ポンプ２０２の断面図である。図４に示すように、凸状部２ｐは、弾性部材２ｒによって、ギヤ室４ｂ側に付勢されていてもよい。簡素な構成にて付勢力を発生させることが可能になり、弾性部材２ｒのバネ定数や長さを調整して凸状部２ｐの突出高さを変更することで、付勢力の大きさを容易に増減させることも可能となる。図４に示すように、凸状部２ｐの周囲には、凸状部２ｐの軸方向における移動をガイドする部材が設けられているとよい。

弾性部材２ｒの代わりに、あるいは弾性部材２ｒに加えて、ネジなどの螺合手段を配置してもよい。ネジを回転させることで凸状部２ｐの突出高さを変更することで、付勢力の大きさを容易に増減させることも可能となる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ハウジング、２ リヤハウジング、２ｐ，２ｑ 凸状部、２ｒ 弾性部材、２ｓ 内壁、３ ロータハウジング、３ａ，４ａ リング、３ｂ ロータ室、３ｃ，３ｄ，４ｃ 軸孔、４ ギヤハウジング、４ｂ ギヤ室、４ｄ，５ｃ 凹所、５ モータハウジング、５ａ ボルト、５ｂ モータ室、１０ 第１ロータ、１０ａ，２０ａ 底部、１０ｂ，１１ｔ，２０ｂ，２１ｔ 端面、１１ 第１回転軸、１２，２２ 固定穴、１３，１７，２３ 軸封装置、１４，１６，１９，２４，２６ 軸受装置、１５ 第１ギヤ、１８ モータ機構、２０ 第２ロータ、２１ 第２回転軸、２５ 第２ギヤ、３１，３２ コーティング層、１００，２０１，２０２ 燃料電池用水素循環ポンプ。

Claims (4)

1. ロータ室、ギヤ室およびモータ室が形成されたハウジングと、
   前記ギヤ室側から前記ロータ室内に突出するように配置され、互いに平行な第１回転軸および第２回転軸と、
   前記ロータ室内で前記第１回転軸と一体回転可能に設けられ、山歯および谷歯を有する第１ロータと、
   前記ロータ室内で前記第２回転軸と一体回転可能に設けられ、前記第１ロータと噛み合う山歯および谷歯を有する第２ロータと、
   前記モータ室内に設けられ、前記第１回転軸を駆動可能なモータ機構と、を備え、
   前記ハウジングは、軸方向において前記ロータ室に対して前記ギヤ室側とは反対側に配置される、リヤハウジングを含み、
   前記リヤハウジングにおける前記ロータ室を区画している内壁は、前記第１回転軸および前記第２回転軸のうちの少なくとも一つと当接している、
   燃料電池用水素循環ポンプ。
2. 前記第１回転軸における第１端面および前記第１端面に対向する前記内壁のうちの少なくとも一方には、第１コーティング層が設けられており、
   前記第２回転軸における第２端面および前記第２端面に対向する前記内壁のうちの少なくとも一方には、第２コーティング層が設けられている、
   請求項１に記載の燃料電池用水素循環ポンプ。
3. 前記リヤハウジングには、凸状部が前記ギヤ室側に向かって突出して設けられており、
   前記第１回転軸および前記第２回転軸のうちの前記少なくとも一つと当接している前記内壁は、前記凸状部上に形成されている、
   請求項１または２に記載の燃料電池用水素循環ポンプ。
4. 前記第１回転軸および前記第２回転軸は、いずれも複列アンギュラベアリングによって回転可能に支持されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池用水素循環ポンプ。

Images