JP5052995B2 - ダイアフラムポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、燃料電池システム用のガス昇圧ポンプとして用いられるダイアフラムポンプに関する。
近年、水素と酸素を電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池システムが提案されている。この種の燃料電池システムにおいては、燃料である都市ガス又はＬＰＧ（液化プロパンガス）がガス昇圧ポンプで加圧されて改質装置へ搬送され、主として水素と一酸化炭素を含む改質ガスに改質される。その後、改質ガスから一酸化炭素が除去され、水素ガスのみが燃料電池スタックに導入される。そして、燃料電池スタックにおいて、導入された水素ガスを酸素と電気化学的に反応させることで、発電が行われる。
ガス昇圧ポンプとしては、ダイアフラムポンプを用いることができる。ダイアフラムポンプは、電動モータと、電動モータのモータ軸に偏心軸を介して取り付けられたコネクティングロッドと、コネクティングロッドの先端に取り付けられたダイアフラムを備えている。そして、モータ軸の回転運動をコネクティングロッドの往復運動に変換してダイアフラムを動作させ、ガスの吸入および吐出を行う（特許文献１，２参照）。
以下、ダイアフラムポンプの構成について説明する。図５は、従来のダイアフラムポンプの一構成例を示す断面図である。
図５において、１は電動モータ２のステータで、モータケース３内に挿入されて固定されている。また、４は電動モータ２のロータで、モータ軸（シャフト）５が圧入固定されている。モータ軸５の両端には、軸受６ａ，６ｂがそれぞれ取り付けられている。一方の軸受６ａは、モータケース３の一端に取り付けられた第１モータケースカバー７ａに固定されており、他方の軸受６ｂは、モータケース３の他端に取り付けられた第２モータケースカバー７ｂに固定されている。
モータ軸５の先端８には偏芯軸９が取り付けられている。偏芯軸９の周囲には、軸受１０を介してコネクティングロッド１１が取り付けられており、コネクティングロッド１１の先端にはダイアフラム１２が接続されている。偏芯軸９は、モータ軸５が挿入される穴が軸受１０の内輪（インナレース）に対して偏芯するように形成されており、この偏芯量がダイアフラム１２の往復移動量（ストローク量）となる。
ダイアフラム１２は、固定金具１３によってコネクティングロッド１１の上端に接続されている。ダイアフラム１２の周縁はポンプヘッド１４とポンプケース１５によって挟持されている。ダイアフラム１２とポンプヘッド１４の間にはポンプ室１６が形成されており、ポンプ室１６とは反対側の空間は、コネクティングロッド１１の動作空間２２となっている。ポンプヘッド１４には、吸気ポートに連絡する吸入弁１７と排気ポートに連絡する吐出弁（図示略）が設けられている。ポンプ室１６内の圧力が吸気ポートの圧力より下回ると吸入弁１７が開き、ポンプ室１６内の圧力が排気ポートの圧力よりも高まると吐出弁が開くように構成されている。ポンプヘッド１４の上部には、吸入弁１７と吐出弁の上方に位置するようにしてポンプヘッドカバー１９が取り付けられている。
ポンプケース１５は、第１モータケースカバー７ａに固定されており、モータケース３とポンプヘッド１４の間を接続している。ポンプケース１５は、開放された構造を有しており、コネクティングロッド１１の動作空間２２を外気に連通させている。また、モータケース３の内部空間も外気と連通している。モータケース３には、電動モータ２の給電線２０を外部へ引き出すための連絡ポート２１が設けられている。
以上のように構成される従来のダイアフラムポンプにおいては、電動モータ２のモータ軸５が回転すると、モータ軸５の軸心と偏芯軸９の軸心とが一致していないことによって、コネクティングロッド１１は揺動運動を伴った上下運動を行うと同時に、ダイアフラム１２が上下に往復移動する。ダイアフラム１２が上下に移動することで、ポンプ室１６の容積が変化する。コネクティングロッド１１が下降すると、吸入弁１７が開くとともに吐出弁が閉じることによって、ガスの吸引が行われる。また、コネクティングロッド１１が上昇すると、吸入弁１７が閉じるとともに吐出弁が開くことによって、ガスの圧縮搬送が行われる。
ところで、ダイアフラム１２は、合成ゴムで構成されている。そのため、ダイアフラムポンプを長時間運転すると、ダイアフラム１２が劣化、疲労し、部分的に切断する故障が発生し得る。ダイアフラム１２にこのような故障が生じると、ポンプ室１６からダイアフラム１２の切断部分を通過してポンプ室１６とは反対側の空間、すなわちコネクティングロッド１１の動作空間２２へガスが漏出する。
ここで、上述した燃料電池システムにおいて使用されるガスは、都市ガスやＬＰＧなどの可燃性ガスである。したがって、昇圧ポンプとしてのダイアフラムポンプから大気中へガス漏れが生じると、引火や爆発のおそれが生じることになる。
このような問題を解決するため、特許文献２には、図６に示すように、昇圧ポンプを密閉容器内に収容した構成が提案されている。図６において、２４はダイアフラム、２５は吸気弁、２６は吐出弁、２７はポンプ室、２８は密閉容器、２９は、ダイアフラム２４を往復移動させる駆動部の動作空間である。図６に示すように、動作空間２９を密閉容器２８によって密閉することによって、ダイアフラム２４の切断等の故障によって可燃性のガスがポンプ室２７から動作空間３０へ漏れ出たとしても、当該ガスが容器２７の外部へ放出されることが回避されるので、引火や爆発のおそれは解消される。
しかしながら、図６に示した構成では、ガス昇圧ポンプの小型化を図ることができないため、燃料電池システムの構成も大型化するという問題がある。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、ダイアフラムの故障に起因するガスの漏出を防止しながらポンプ構造の小型化を図ることができるダイアフラムポンプを提供することを課題とする。
以上の課題を解決するに当たり、本発明のダイアフラムポンプは、電動モータと、前記電動モータを収容するモータケースと、前記電動モータのモータ軸に結合された偏心軸と、前記偏心軸の周りに回転可能に連結されたコネクティングロッドと、前記コネクティングロッドの先端に固定されたダイアフラムと、前記ダイアフラムの周縁を支持するポンプヘッドと、前記ダイアフラムと前記ポンプヘッドの間に形成されたポンプ室と、前記ポンプ室へガスを供給するための吸入弁と、前記ポンプ室からガスを排気するための吐出弁とを備えたダイアフラムポンプであって、前記モータケースと前記ポンプヘッドの間に前記コネクティングロッドを収容するポンプケースが設けられており、前記ポンプケースは密閉構造を有していることを特徴とする。
本発明においては、モータケースとポンプヘッドの間に設けられているポンプケースが密閉構造を有しているので、ダイアフラムに生じた疲労、劣化による切断部を介して、ポンプ室からポンプケース内へ吸引ガスが漏出したとしても、ポンプケースから当該ポンプの外部への漏出ガスの放出を回避することができる。また、ポンプケースは、ポンプヘッドとモータケースの間に配置される構成であるので、ポンプの大型化を回避することができる。
ポンプケースの内部は、コネクティングロッドの動作空間として機能する。ポンプケースの内部は、モータケースの内部と連通させてもよい。この場合、モータケースを密閉構造とすることによって、モータケースから外部へのガスの漏出を防止することができる。また、ポンプケースの内部をモータケースの内部と連通させることにより、動作空間の十分な内部容積を確保できるので、ダイアフラムの往復運動に影響を及ぼすことはない。
電動モータは、好適には、ブラシレスモータで構成される。これにより、摺動接点が存在しないことから、可燃性ガスが使用される場合でもモータケース内での引火を回避することができる。また、モータケースの小型化、密閉化を容易に行うことが可能となる。
以上述べたように、本発明のダイアフラムポンプによれば、ダイアフラムの故障に起因するガスの漏出を防止しながら、ポンプ構造の小型化を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、都市ガス（メタンガス）やプロパンガスなどの可燃性ガスを昇圧する燃料電池システム用のガス昇圧ポンプに本発明のダイアフラムポンプを適用した例について説明する。
図１は本発明の実施形態によるダイアフラムポンプ３０の構成を示す断面図である。動力源である電動モータ３２は直流ブラシレスモータからなり、モータケース３３の内部に収容されている。電動モータ３２のステータ３１は、モータケース３３内に挿入されて固定されている。また、電動モータ３２のロータ３４には、モータ軸（シャフト）３５が圧入固定されている。
モータ軸３５の両端には、軸受３６ａ，３６ｂがそれぞれ取り付けられている。一方の軸受３６ａは、モータケース３３の一端に取り付けられた第１モータケースカバー３７ａに固定されており、他方の軸受３６ｂは、モータケース３３の他端に取り付けられた第２モータケースカバー３７ｂに固定されている。第１，第２モータケースカバー３７ａ，３７ｂは、シールリング６１，６２を介してモータケース３３にそれぞれ固定されている。
モータ軸３５の先端３８には、偏芯軸３９が取り付けられている。偏芯軸３９の周囲には、軸受４０を介してコネクティングロッド４１が取り付けられており、コネクティングロッド４１の先端にはダイアフラム４２が接続されている。偏芯軸３９は、モータ軸３５が挿入される穴が軸受４０の内輪（インナレース）に対して偏芯するように形成されており、この偏芯量がダイアフラム４２の往復移動量（ストローク量）となる。
ダイアフラム４２は、固定金具４３によってコネクティングロッド４１の上端に接続されている。ダイアフラム４２の周縁はポンプヘッド４４とポンプケース４５によって挟持されている。ダイアフラム４２とポンプヘッド４４の間にはポンプ室４６が形成されており、ポンプ室４６とは反対側の空間は、コネクティングロッド４１の動作空間５２となっている。
図２は、ダイアフラム４２の構造を示す要部断面図である。本実施形態において、ダイアフラム４２は円盤形状を有し、２枚のゴム層５４ａ，５４ｂで補強布５５を挟み込んだ３層構造を有している。ゴム層５４ａ，５４ｂはそれぞれ合成ゴムからなり、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）など、メタンやプロパン等の炭化水素ガスに対して耐性を有するゴム材料が用いられる。また、補強布５５の材質には、例えばナイロン（ポリアミド）等の合成繊維が用いられる。補強布５５とゴム層５４ａ，５４ｂは加硫接着により一体化されている。
ポンプヘッド４４には、吸気ポート６７に連絡する吸入弁４７と排気ポート６８に連絡する吐出弁４８（図３参照）が設けられている。ポンプ室４６内の圧力が吸気ポート６７の圧力よりも下回ると吸入弁４７が開き、ポンプ室４６内の圧力が排気ポート６８の圧力よりも高まると吐出弁４８が開くように構成されている。ポンプヘッド４４の上部には、吸入弁４７と吐出弁４８の上方に位置するようにしてポンプヘッドカバー４９が取り付けられている。
図３は、ポンプヘッドカバー４９の平面図である。ポンプヘッドカバー４９はポンプヘッド４４の上面に対し、シールリング６３を介してボルト５６を用いて固定されている。ポンプヘッドカバー４９とポンプヘッド４４の間には吸入弁４７が位置する吸入室５７と吐出弁４８が位置する吐出室５８が形成されている。また、ポンプヘッドカバー４９には吸気ポート６７と排気ポート６８が形成されており、吸気ポート６７は吸入室５７に連通しており、排気ポート６８は吐出室５８に連通している。
ポンプケース４５は、第１モータケースカバー３７ａに固定されており、モータケース３３とポンプヘッド４４の間を接続している。ポンプケース４５と第１モータケースカバー３７ａとの間にはシールリング６４が装着されている。ポンプケース４５は、コネクティングロッド４１の動作空間５２を形成している。動作空間５２は軸受３６ａを介してモータケース３３の内部と連通している。ポンプケース４５は、コネクティングロッド４１、軸受４０、偏芯軸３９をそれぞれ収容するとともに、ポンプケース４５の底部にはシールリング６５を介してポンプケースカバー５９が取り付けられている。
モータケース３３には、電動モータ３２の給電線５０を外部へ引き出すための連絡ポート５１が設けられている。連絡ポート５１には、当該連絡ポート５１を介してのモータケース３３の内外の連通を遮断するための密封部材５３が充填されている。給電線５０は密封部材５３を貫通して外部へ引き出されており、密封部材５３は例えば、給電線５０とともに連絡ポート５１の開口部をモールドする樹脂材料で形成されている。
以上のように構成される本実施形態のダイアフラムポンプ３０においては、電動モータ３２のモータ軸３５が回転すると、モータ軸３５の軸心と偏芯軸３９の軸心とが一致していないことによって、コネクティングロッド４１は揺動運動を伴った上下運動を行うと同時に、図４に示すようにダイアフラム４２が上下に往復移動する。ダイアフラム４２が上下に移動することで、ポンプ室４６の容積が変化する。図４Ｂに示すようにコネクティングロッド４１が下降すると、吸入弁４７が開くとともに吐出弁４８が閉じることによってガスの吸引が行われる。一方、図４Ａに示すようにコネクティングロッド４１が上昇すると、吸入弁４７が閉じるとともに吐出弁４８が開くことによってガスの圧縮搬送が行われる。
ダイアフラム４２は、上下運動に伴い、屈曲部に疲労あるいは劣化が生じる。ダイアフラム４２の寿命は、累積運転時間が例えば４万時間以上に設計される。この場合の燃料電池システムの寿命は約１０年間となる。ダイアフラム４２の屈曲部に亀裂あるいは切断等の故障が生じると、その時点でダイアフラム４２の寿命が尽きることになる。
本実施形態においては、ポンプケース４５がシールリング６４，６５を介して第１モータケースカバー３７ａおよびポンプケースカバー５９に固定されている。第１，第２モータケースカバー３７ａ，３７ｂはシールリング６１，６２を介してモータケース３３に固定されており、モータケース３３の連絡ポート５１は密封部材５３によって封止されている。したがって、ポンプケース４５およびモータケース３３はいずれも密閉構造となっている。
したがって本実施形態によれば、ダイアフラム４２の疲労、劣化等によりその屈曲部に亀裂、切断等の故障が生じた場合、ポンプ室４６に吸引した燃料ガスがダイアフラム４２の故障部分を介して動作空間５２内へ漏出したとしても、ポンプケース４５およびモータケース３３が密閉構造となっているので、漏出した吸引ガスのポンプケース４５の外部への放出が防止される。これにより、漏出ガスを原因とする火災や爆発を回避することができる。
また、本実施形態によれば、電動モータ３２が摺動接点を有しない直流ブラシレスモータで構成されているので、モータケース３３内に燃料ガスが漏出したとしても、当該モータケース３３内におけるガスの引火を防止することができる。また、モータケース３３の小型化、密閉化を容易に行うことが可能となる。
更に本実施形態によれば、コネクティングロッド４１の動作空間５２を形成するポンプケース４５とモータケース３３を密閉化し、動作空間５２へ漏出したガスのポンプ外部への放出を防止するようにしているので、図６に示したようなポンプ全体を密閉容器で覆う構成と比較して、ポンプの小型化を図ることができる。これにより、当該ポンプをガス昇圧ポンプとして用いる燃料電池システムの大型化を回避することができる。
また、ポンプケース４５は、ポンプヘッド４４とモータケース３３の間に配置される構成であるので、ポンプの大型化を回避することができる。更に、ポンプケース４５の内部をモータケース３３の内部と連通させることにより、動作空間５２の十分な内部容積を確保することができ、ダイアフラム４２の往復運動に影響を及ぼすことはない。
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
例えば以上の実施形態では、電動モータ３２として直流ブラシレスモータを採用したが、これに限らず、例えばステッピングモータや交流モータを採用してもよい。また、ポンプケース４５の内部とモータケース３３の内部との間の連通を阻止できる構成であれば、ポンプケース４５のみ密閉構造を採用してもよい。
また、以上の実施形態では、燃料電池システム用のガス昇圧ポンプとして本発明が適用される例について説明したが、これに限られず、通常の真空ポンプとしてのダイアフラムポンプに本発明を適用することも可能である。
３０ ダイアフラムポンプ
３２ 電動モータ
３３ モータケース
３５ モータ軸
３７ａ 第１モータケースカバー
３７ｂ 第２モータケースカバー
３９ 偏芯軸
４１ コネクティングロッド
４２ ダイアフラム
４４ ポンプヘッド
４５ ポンプケース
４６ ポンプ室
４７ 吸入弁
４８ 吐出弁
４９ ポンプヘッドカバー
５０ 給電線
５２ 動作空間
５３ 密閉部材
５９ ポンプケースカバー
６１〜６５ シールリング
３２ 電動モータ
３３ モータケース
３５ モータ軸
３７ａ 第１モータケースカバー
３７ｂ 第２モータケースカバー
３９ 偏芯軸
４１ コネクティングロッド
４２ ダイアフラム
４４ ポンプヘッド
４５ ポンプケース
４６ ポンプ室
４７ 吸入弁
４８ 吐出弁
４９ ポンプヘッドカバー
５０ 給電線
５２ 動作空間
５３ 密閉部材
５９ ポンプケースカバー
６１〜６５ シールリング
Claims (3)
- 電動モータと、
前記電動モータを収容するモータケースと、
前記電動モータのモータ軸の一端に結合された偏心軸と、
前記モータケースの一端に第１のシールリングを介して固定され、前記モータ軸の一端側に取り付けられる第１の軸受を有する第１のモータケースカバーと、
前記モータケースの他端に第２のシールリングを介して固定され、前記モータ軸の他端側に取り付けられる第２の軸受を有する第２のモータケースカバーと、
前記偏心軸の周りに回転可能に連結されたコネクティングロッドと、
前記コネクティングロッドの先端に固定されたダイアフラムと、
前記ダイアフラムの周縁を支持するポンプヘッドと、
前記ダイアフラムと前記ポンプヘッドの間に形成されたポンプ室と、
前記ポンプ室へガスを供給するための吸入弁と、
前記ポンプ室からガスを排気するための吐出弁と、
前記第１のモータケースカバーに第３のシールリングを介して固定され、前記モータケースと前記ポンプヘッドの間を接続し、前記第１の軸受を介して前記モータケースの内部と連通する前記コネクティングロッドの動作空間を形成するポンプケースと
を備えたことを特徴とするダイアフラムポンプ。 - 前記電動モータは、ブラシレスモータである
ことを特徴とする請求項１に記載のダイアフラムポンプ。 - 前記ガスは、可燃性ガスである
ことを特徴とする請求項１に記載のダイアフラムポンプ。
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