(57)【要約】【課題】貯湯タンク内の水圧変動に対する耐水圧特性と安定した吐出流量を確保する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００は、貯湯タンク２内の水を燃料電池ユニット１と貯湯タンク２との間で循環させる循環ポンプ３を具備する。循環ポンプ３は、本体３０と、駆動機構４０と、通路部５０とを有する。本体３０は、貯湯タンクに接続される入口３１と、燃料電池ユニットに接続される出口３２と、入口３１と連通する第１のポンプ室Ｐ１と、出口３２と連通する第２のポンプ室Ｐ２とを有する。駆動機構４０は、第１のダイヤフラム４１と第２のダイヤフラム４２とを有し、第１及び第２のダイヤフラムをそれぞれ第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させる。通路部５０は、第１のポンプ室と第２のポンプ室との間に接続され、第１のポンプ室から第２のポンプ室への液連通を可能とする。【選択図】図２
2015017505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、
前記熱源で加温される水を貯留可能な貯湯タンクと、
前記貯湯タンク内の水を前記熱源と前記貯湯タンクとの間で循環させることが可能な循環ポンプとを具備し、
前記循環ポンプは、
前記貯湯タンクに接続され前記貯湯タンク内の水が流入する入口と、前記熱源に接続される出口と、前記入口と連通する第１のポンプ室と、前記出口と連通する第２のポンプ室とを有する本体と、
前記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、前記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有し、前記第１及び第２の可動部をそれぞれ前記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能な駆動機構と、
前記第１のポンプ室と前記第２のポンプ室との間に接続され、前記第１のポンプ室から前記第２のポンプ室への液連通を可能とする通路部と、を有する
給湯システム。
【請求項２】
請求項１に記載の給湯システムであって、
前記第１のポンプ室内における前記第１の可動部の受圧面積は、前記第２のポンプ室内における前記第２の可動部の受圧面積と同一である
給湯システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の給湯システムであって、
前記通路部は、前記第１のポンプ室から前記第２のポンプ室への方向の液連通を許容しそれとは逆方向への液連通を禁止する第１の逆止弁を有する
給湯システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の給湯システムであって、
前記本体は、前記貯湯タンクから前記第１のポンプ室への方向の液連通を許容しそれとは逆方向への液連通を禁止する、前記入口に配置された第２の逆止弁をさらに有する
給湯システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の給湯システムであって、
前記第１の可動部は、前記第１のポンプ室を区画する第１のダイヤフラムで構成され、
前記第２の可動部は、前記第２のポンプ室を区画する第２のダイヤフラムで構成され、
前記駆動機構は、前記第１のダイヤフラムに固定される第１の端部と、前記第２のダイヤフラムに固定される第２の端部とを有する軸状部材をさらに有する
給湯システム。
【請求項６】
請求項５に記載の給湯システムであって、
前記駆動機構は、
回転軸を有するモータと、
前記回転軸と前記軸状部材との間に接続され、前記回転軸の回転運動を前記軸状部材の往復運動に変換する偏心部材と、
前記第１のダイヤフラムと前記第２のダイヤフラムとの間に形成され、前記軸状部材のその軸方向への直線移動を案内するガイド面と、をさらに有する
給湯システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の給湯システムであって、
前記駆動機構は、前記第１及び第２のポンプ室のうち何れか一方へ前記軸状部材を付勢する付勢部材をさらに有する
給湯システム。
【請求項８】
燃料電池により発電する燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットの発電で発生した排熱を熱源として加温される水を貯留可能な貯湯タンクと、
前記貯湯タンク内の水を前記燃料電池ユニットと前記貯湯タンクとの間で循環させることが可能な循環ポンプとを具備し、
前記循環ポンプは、
前記貯湯タンクに接続され前記貯湯タンク内の水が流入する入口と、前記燃料電池ユニットに接続される出口と、前記入口と連通する第１のポンプ室と、前記出口と連通する第２のポンプ室とを有する本体と、
前記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、前記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有し、前記第１及び第２の可動部をそれぞれ前記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能な駆動機構と、
前記第１のポンプ室と前記第２のポンプ室との間に接続され、前記第１のポンプ室から前記第２のポンプ室への液連通を可能とする通路部と、を有する
燃料電池システム。
【請求項９】
液体が流入する入口と、前記入口に流入した液体を吐出する出口と、前記入口と連通する第１のポンプ室と、前記出口と連通する第２のポンプ室とを有する本体と、
前記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、前記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有し、前記第１及び第２の可動部をそれぞれ前記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能な駆動機構と、
前記第１のポンプ室と前記第２のポンプ室との間に接続され、前記第１のポンプ室から前記第２のポンプ室への液連通を可能とする通路部と
を具備するポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池システムにおける水循環ポンプとして適用されるポンプ装置及びこれを備えた給湯システム及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば燃料電池システムの発電で発生した排熱を熱源として利用した給湯システムの開発が進められている。この種の給湯システムは、熱源で加温される水を貯留可能な貯湯タンクと、貯湯タンク内の水を燃料電池ユニットと貯湯タンクとの間で循環させる循環ポンプとを備える。貯湯タンクには、給水管と出湯管とが接続されており、典型的には、貯湯タンク内の水量が一定となるように、出湯量に応じた量の水道水が貯湯タンクに導入されるように構成される。
【０００３】
一般に、送液ポンプとして例えば遠心渦巻き式ポンプが用いられている（例えば特許文献１参照）。ところが、この種のポンプは流量制御が困難であるため、上記給湯システムにおいて要求されるような熱交換に最適な流量を安定して維持することができなかった。
【０００４】
一方、流量制御が可能なポンプとしてダイヤフラムポンプ等の容積移送式ポンプが知られている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、一般にダイヤフラムポンプは耐水圧が低く、さらに入力圧の変動に対して安定した吐出流量を維持することが困難であるという問題がある。
【０００５】
また特許文献３には、水道管と加圧ポンプとの間に接続された水路切替え装置について開示されている。当該水路切替え装置は、水道管からの水圧が基準圧力よりも低いときは加圧ポンプを動作させるとともに、三方弁によって水道管からの水を加圧ポンプに流すように構成される。一方、水道管からの水圧が基準圧力よりも高いときは加圧ポンプを停止させるとともに、三方弁によって水道管からの水を直接、加圧ポンプの吐出管に流すように構成されている。特許文献３に記載の構成では、加圧ポンプと三方弁とをそれぞれモータで駆動制御する必要があるため、構造及び制御が複雑化し、装置コストの上昇が避けられないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１２０３０６号公報（段落［０００３］）
【特許文献２】特開２００１−２４８５６０号公報
【特許文献３】特開２００９−５２５２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池システムにおいて、貯湯タンクと燃料電池ユニットとの間に接続される水循環ポンプには、貯湯タンク内の水圧を受けた状態で所定流量の水を安定して循環させる機能を有することが要求される。ところが貯湯タンク内の水圧は、水量や水温、水道管の水道圧等によって数百ｋＰａの範囲で大きく変動し得るため、当該水圧変動に対する耐水圧特性と安定した吐出流量の確保が問題となる。
【０００８】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、貯湯タンク内の水圧変動に対する耐水圧特性と安定した吐出流量を確保することができる循環ポンプ及びこれを備えた給湯システム及び燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る給湯システムは、熱源と、貯湯タンクと、循環ポンプとを具備する。
上記貯湯タンクは、上記熱源で加温される水を貯留可能に構成される。
上記循環ポンプは、上記貯湯タンク内の水を上記熱源と上記貯湯タンクとの間で循環させることが可能に構成される。
上記循環ポンプは、本体と、駆動機構と、通路部とを有する。
上記本体は、上記貯湯タンクに接続され上記貯湯タンク内の水が流入する入口と、上記熱源に接続される出口と、上記入口と連通する第１のポンプ室と、上記出口と連通する第２のポンプ室とを有する。
上記駆動機構は、上記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、上記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有する。上記駆動機構は、上記第１及び第２の可動部をそれぞれ上記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能に構成される。
上記通路部は、上記第１のポンプ室と上記第２のポンプ室との間に接続され、上記第１のポンプ室から上記第２のポンプ室への液連通を可能とする。
【００１０】
本発明の一形態に係る燃料電池システムは、燃料電池ユニットと、貯湯タンクと、循環ポンプとを具備する。
上記燃料電池ユニットは、燃料電池により発電する。
上記貯湯タンクは、上記燃料電池ユニットの発電で発生した排熱を熱源として加温される水を貯留可能に構成される。
上記循環ポンプは、上記貯湯タンク内の水を上記燃料電池ユニットと上記貯湯タンクとの間で循環させることが可能に構成される。
上記循環ポンプは、本体と、駆動機構と、通路部とを有する。
上記本体は、上記貯湯タンクに接続され上記貯湯タンク内の水が流入する入口と、上記燃料電池ユニットに接続される出口と、上記入口と連通する第１のポンプ室と、上記出口と連通する第２のポンプ室とを有する。
上記駆動機構は、上記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、上記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有する。上記駆動機構は、上記第１及び第２の可動部をそれぞれ上記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能に構成される。
上記通路部は、上記第１のポンプ室と上記第２のポンプ室との間に接続され、上記第１のポンプ室から上記第２のポンプ室への液連通を可能とする。
【００１１】
本発明の一形態に係るポンプ装置は、本体と、駆動機構と、通路部とを具備する。
上記本体は、入口と、出口と、第１のポンプ室と、第２のポンプ室とを有する。上記入口には、液体が流入する。上記出口は、上記入口に流入した液体を吐出する。上記第１のポンプ室は、上記入口と連通する。上記第２のポンプ室は、上記出口と連通する。
上記駆動機構は、上記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、上記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有する。上記駆動機構は、上記第１及び第２の可動部をそれぞれ上記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能に構成される。
上記通路部は、上記第１のポンプ室と上記第２のポンプ室との間に接続され、上記第１のポンプ室から上記第２のポンプ室への液連通を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す配管ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るポンプ装置の構成を示す断面図である。
【図３】図２における［Ａ］−［Ａ］線断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るポンプ装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るポンプ装置の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係るポンプ装置の構成の一変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施形態に係る給湯システムは、熱源と、貯湯タンクと、循環ポンプとを具備する。
上記貯湯タンクは、上記熱源で加温される水を貯留可能に構成される。
上記循環ポンプは、上記貯湯タンク内の水を上記熱源と上記貯湯タンクとの間で循環させることが可能に構成される。
上記循環ポンプは、本体と、駆動機構と、通路部とを有する。
上記本体は、上記貯湯タンクに接続され上記貯湯タンク内の水が流入する入口と、上記熱源に接続される出口と、上記入口と連通する第１のポンプ室と、上記出口と連通する第２のポンプ室とを有する。
上記駆動機構は、上記第１のポンプ室に臨む第１の可動部と、上記第２のポンプ室に臨む第２の可動部とを有する。上記駆動機構は、上記第１及び第２の可動部をそれぞれ上記第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能に構成される。
上記通路部は、上記第１のポンプ室と上記第２のポンプ室との間に接続され、上記第１のポンプ室から上記第２のポンプ室への液連通を可能とする。
【００１４】
上記循環ポンプは、第１及び第２の可動部をそれぞれ第１及び第２のポンプ室内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることで、貯湯タンク内の水を熱源へ送出する。循環ポンプから送出される水の流量は、典型的には、単位時間当たりの両可動部の往復回数で制御される。
一方、第２のポンプ室は通路部を介して第１のポンプ室と連通しているため、入口に導入された貯湯タンク内の水圧は、第１の可動部及び第２の可動部に同時に作用する。したがって貯湯タンク内の水圧が大きく変動したとしても、両可動部間の受圧面積差で水圧変動分が相殺されるため、駆動機構の負荷の変動が抑制される。
以上のように上記循環ポンプによれば、貯湯タンク内の水圧変動が生じたとしても駆動機構に加わる負荷の変動を抑えることができるため、安定した吐出流量を維持することができるとともに、循環ポンプの消費電力も低減することができる。また過大な水圧が入力されたとしても駆動機構に加わるストレスを抑えることができるため、耐水圧特性を高めることができる。
【００１５】
上記第１のポンプ室内における上記第１の可動部の受圧面積は、上記第２のポンプ室内における上記第２の可動部の受圧面積と同一であってもよい。
両可動部間での受圧面積差をゼロとすることで、水圧変動で駆動機構が被る悪影響をさらに排除することができる。これにより水圧変動の有無に関係なく安定した吐出流量を維持することができる。
【００１６】
上記通路部は、第１の逆止弁を有してもよい。上記第１の逆止弁は、上記第１のポンプ室から上記第２のポンプ室への方向の液連通を許容し、それとは逆方向への液連通を禁止する。
上記構成によれば、第２のポンプ室における加圧水を第１のポンプ室側へ逆流させることなく出口側へ安定して送出することができるので、循環ポンプの運転効率を高めることができる。
【００１７】
上記本体は、第２の逆止弁をさらに有してもよい。上記第２の逆止弁は、上記入口に配置され、上記貯湯タンクから上記第１のポンプ室への方向の液連通を許容し、それとは逆方向への液連通を禁止する。
上記構成によれば、第１のポンプ室における加圧水を入口側へ逆流させることなく第２のポンプ室及び出口側へ安定して送出することができるので、循環ポンプの運転効率を高めることができる。
【００１８】
上記第１の可動部は、上記第１のポンプ室を区画する第１のダイヤフラムで構成され、上記第２の可動部は、上記第２のポンプ室を区画する第２のダイヤフラムで構成されてもよい。この場合、上記駆動機構は、上記第１のダイヤフラムに固定される第１の端部と、上記第２のダイヤフラムに固定される第２の端部とを有する軸状部材をさらに有する。
上記構成によれば、当該循環ポンプをダイヤフラムポンプで構成することができる。また、各ダイヤフラムが軸状部材の各端部に設けられているため、各ダイヤフラムの往復移動を同期させることができる。
【００１９】
上記構成において、上記駆動機構は、モータと、偏心部材と、ガイド面とをさらに有してもよい。
上記モータは、回転軸を有する。上記偏心部材は、上記回転軸と上記軸状部材との間に接続され、上記回転軸の回転運動を上記軸状部材の往復運動に変換する。上記ガイド面は、上記第１のダイヤフラムと上記第２のダイヤフラムとの間に形成され、上記軸状部材のその軸方向への直線移動を案内する。
これにより軸状部材のその軸方向に沿った直線移動が確保されるため、ダイヤフラムの劣化を抑制することができるとともに、循環ポンプの耐久性を高めることができる。
【００２０】
また、上記駆動機構は、前記第１及び第２のポンプ室のうち何れか一方へ前記軸状部材を付勢する付勢部材をさらに有してもよい。
これにより偏心部材と軸状部材とを常に密着させておくことができるため、目的とする流量の水を安定して吐出することができる。
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る給湯システムとしての燃料電池システムの構成を示す配管ブロック図である。以下、本実施形態の燃料電池システム１００の全体構成について説明する。
【００２３】
［燃料電池システム］
本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１と、貯湯タンク２と、循環ポンプ３とを有する。
【００２４】
燃料電池ユニット１は、燃料ガス供給部１１と、水蒸気供給部１２と、改質器１３と、燃料電池１４と、排熱回収部１５とを有する。
【００２５】
燃料ガス供給部１１は、改質器１３へ燃料ガスを供給する。燃料ガス供給部１１は、典型的には、ブロワ、流量制御弁等を含む。燃料ガスとしては、例えば、天然ガス、都市ガス（メタンガス）、プロパンガス等の炭化水素ガスが用いられる。
【００２６】
水蒸気供給部１２は、改質器１３へ水蒸気を供給する。水蒸気供給部１２は、典型的には、給水ポンプ、気化器等を含む。上記気化器は、改質器１３に設けられた触媒の加熱源（バーナ）で構成されてもよい。水蒸気供給部１２は、改質器１３へ直接、水蒸気を供給するように構成されてもよい。
【００２７】
改質器１３は、改質触媒を有し、燃料ガス供給部１１及び水蒸気供給部１２から各々所定流量で供給された燃料ガス及び水蒸気の混合ガスを上記改質触媒と反応させることで、燃料ガスを水素リッチガスに変換（改質）する。
【００２８】
改質器１３には選択酸化用の空気供給部１６が接続されており、空気供給部１６から供給される空気（酸素）によって、改質反応で生じる一酸化炭素（ＣＯ）が二酸化炭素（ＣＯ2）に酸化される。改質器バーナの排ガスはガス通路１３１を介して排熱回収部１５に導入される。
【００２９】
燃料電池１４は、改質器１３から供給される水素リッチガス（Ｈ2）と酸素供給部１７から供給される酸素（Ｏ2）との電気化学反応を利用して発電する。燃料電池１４は、典型的には、燃料電池セルのスタック構造を有する。燃料電池セルは、水素リッチガスが供給される燃料極（負極）と酸素が供給される空気極（正極）とで電解質層を挟み込んで構成される。
【００３０】
燃料電池１４で発電された直流電力は、電力変換装置４によって交流電力に変換される。電力変換装置４は、典型的には、インバータで構成される。燃料電池１４で生成された水（Ｈ2Ｏ）は、図示しない水タンクに排出される。燃料電池１４において反応の寄与しなかった水素リッチガス（オフガス）は、改質器１３へ供給されて加熱源（バーナ）の燃料として利用される。
【００３１】
排熱回収部１５は、改質器１３から排出された排ガスと、循環通路２２を循環する貯湯タンク２内の水との間で熱交換するための熱交換器で構成される。これにより貯湯タンク２内の水は、循環通路２２を循環しながら排熱回収部１５によって所定温度にまで加温される。熱交換後の排ガスは、燃料電池ユニット１の外部へ排出される。このように、燃料電池ユニット１の排熱を熱源として、貯湯タンク２内の水を加温することができる。
【００３２】
排熱回収部１５は、上述の構成に限られず、改質器１３からの排ガスに代えて又はこれに加えて、燃料電池１４を冷却するための冷却水が導入されるように構成されてもよい。このような構成によっても、燃料電池ユニット１の排熱を熱源として、貯湯タンク２内の水を加温することができる。
【００３３】
貯湯タンク２は、給湯用の温水を貯留することが可能な所定容積の内部空間を有する密閉タンクで構成される。貯湯タンク２には、給水管（水道管）２１と、循環通路２２と、出湯管２３とが接続されている。
【００３４】
給水管２１は、貯湯タンク２の底部に接続されており、貯湯タンク２の内部空間に水道水を導入することが可能に構成される。循環通路２２は、貯湯タンク２の底部と循環ポンプ３の吸込口（入口）との間を連絡する第１の通水管２２１と、循環ポンプ３の吐出口（出口）と貯湯タンク２の頂部との間を連絡し、排熱回収部１５を通過する第２の通水管２２２とを有する。出湯管２３は、貯湯タンク２の頂部に接続され、貯湯タンク２内の湯を図示しない給湯ラインへ供給する。
【００３５】
貯湯タンク２は、リリーフ弁２４を有する。リリーフ弁２４は、貯湯タンク２の内圧が所定圧（例えば４５０ｋＰａ）を超えたときに開弁するように構成される。
【００３６】
循環ポンプ３は、循環通路２２に設置されており、貯湯タンク２内の水を貯湯タンク２と排熱回収部１５との間で循環させることが可能に構成される。循環ポンプ３の構成の詳細については後述する。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システム１００は、システム全体の運転を制御するコントローラ５を有しており、コントローラ５によって燃料電池ユニット１における発電制御、循環ポンプ３の運転制御、貯湯タンク２への給水制御、貯湯タンク２からの出湯制御等が実行される。
【００３８】
例えば、コントローラ５は、外部からの出湯指令に応じて、出湯管２３に設けられた開閉弁２３１を開閉するとともに、貯湯タンク２内の湯が一定以上の水位となるように、給水管２１に設けられた開閉弁２１１を開閉する。またコントローラ５は、排熱回収部１５における熱交換に最適な流量となるように、循環ポンプ３の吐出流量を一定に制御する。
【００３９】
一方、貯湯タンク２の内圧は、貯湯タンク２内の水量や水道圧（給水圧）等の変化により、所定の圧力範囲（例えば２００ｋＰａ〜３００ｋＰａの範囲）で大きく変動する。このため、貯湯タンク２内の水圧を常に受けながら駆動される循環ポンプ３には、水圧変動に対する耐久性と安定した吐出流量が要求されるとともに、リリーフ弁２４の開弁圧力（４５０ｋＰａ）に相当する圧力に対する耐水圧が要求される。
【００４０】
そこで本実施形態の循環ポンプ３は、図２及び図３に示すポンプ装置で構成される。以下、循環ポンプ３の詳細について説明する。
【００４１】
［ポンプ装置の構成］
図２は、循環ポンプ３として適用されるポンプ装置３Ａの構成を示す断面図であり、図３は、図２における［Ａ］−［Ａ］線断面図である。各図においてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸は、相互に直交する３軸方向を示している。
【００４２】
ポンプ装置３Ａは、本体３０と、駆動機構４０と、通路部５０とを有する。
【００４３】
（本体）
本体３０は、入口３１と、出口３２とを有する。入口３１は、第１の通水管２２１を介して貯湯タンク２（液圧源）に接続され、貯湯タンク２内の水が流入可能に構成される。出口３１は、第２の通水管２２２を介して燃料電池ユニット１の排熱回収部１５（熱源）に接続される。
【００４４】
本実施形態において本体３０は、第１の本体部３０１と、第１の本体部３０１の一端（図２において下端）に固定された第２の本体部３０２と、第１の本体部３０１の他端（図２において上端）に固定された第３の本体部３０３とを有する。第１〜第３の本体部３０１〜３０３は、アルミニウム合金等の金属材料で構成され、それぞれ複数の締結具Ｂ１を介して相互に結合されている。
【００４５】
入口３１は、第２の本体部３０２に形成された入力ポート３０２ａに設けられ、第１の通水管２２１の端部とシールリングＳを介して液密に接続される。出口３２は、第３の本体部３０３に形成された出力ポート３０３ａに設けられ、第２の通水管２２２の端部とシールリングＳを介して液密に接続される。第１及び第２の通水管２２１，２２２は循環通路２２を構成し、それぞれ抜け止め部材６１，６２を介して入力ポート３０２ａ及び出力ポート３０３ａに固定される。
【００４６】
第３の本体部３０３の出力ポート３０３ａ内には、逆止弁Ｖ１が配置されている。逆止弁Ｖ１は、第２のポンプ室Ｐ２から出口３２への方向の液連通を許容するが、それとは逆方向への液連通を禁止する機能を有する。これにより、排熱回収部１５からポンプ装置３Ａへの循環水の逆流が防止される。逆止弁Ｖ１には種々のチェックバルブが採用可能であり、本実施形態ではダックビル弁が用いられる。
【００４７】
本体３０は更に、入口３１と連通する第１のポンプ室Ｐ１と、出口３２と連通する第２のポンプ室Ｐ２とを有する。第１のポンプ室Ｐ１は、第２の本体部３０１と、第１のダイヤフラム４１との間に形成される。第２のポンプ室Ｐ２は、第３の本体部３０３と、第２のダイヤフラム４２との間に形成される。
【００４８】
（駆動機構）
駆動機構４０は、第１のポンプ室Ｐ１に臨む第１のダイヤフラム４１（第１の可動部）と、第２のポンプ室Ｐ２に臨む第２のダイヤフラム４２（第２の可動部）とを有する。
【００４９】
第１及び第２のダイヤフラム４１，４２はそれぞれ、合成ゴム等の弾性材料で構成され、典型的には円盤形状に形成される。第１のダイヤフラム４１は、その周縁部が第１の本体部３０１と第２の本体部３０２との間に液密に挟持されることで、第１のポンプ室Ｐ１を区画する。第２のダイヤフラム４２は、その周縁部が第１の本体部３０１と第３の本体部３０３との間に液密に挟持されることで、第２のポンプ室Ｐ２を区画する。
【００５０】
駆動機構４０は、第１及び第２のダイヤフラム４１，４２をそれぞれ第１及び第２のポンプ室Ｐ１，Ｐ２内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能に構成される。ここで、「相互にポンプ作動サイクルが逆位相」とは、第１及び第２のダイヤフラム４１，４２の一方のダイヤフラムが吸入方向に移動するときに他方のダイヤフラムが吐出方向に移動することを意味する。
【００５１】
本実施形態において駆動機構４０は、軸状部材４３と、モータＭと、偏心部材４４とを有する。
【００５２】
軸状部材４３は、Ｚ軸方向に軸方向を有する略円柱状の金属部品で構成され、第１の本体部３０１の内部にＺ軸方向に沿って形成された貫通孔４６の内部に配置される。軸状部材４３の外周面の一部は、貫通孔４６の内壁面に摺接しつつ、Ｚ軸方向に往復移動可能に構成される。
【００５３】
軸状部材４３は、第１のダイヤフラム４１に固定される第１の端部４３１と、第２のダイヤフラム４２に固定される第２の端部４３２とを有する。第１及び第２のダイヤフラム４１，４２は、それらの中心を貫通する締結具Ｂ２を介して軸状部材４３にそれぞれ固定される。軸状部材４３が収容される貫通孔４６の内部は外気に連通し、大気圧とされる。
【００５４】
第１及び第２のダイヤフラム４１，４２は、軸状部材４３の移動に伴って変形し、第１及び第２のポンプ室Ｐ１，Ｐ２の容積を変化させる。第１及び第２のダイヤフラム４１，４２は軸状部材４３の２つの端部４３１，４３２に設けられているため、相互に同期して往復移動する。
【００５５】
軸状部材４３の中心部にはＹ軸方向に貫通する結合孔４３ａが設けられている。結合孔４３ａのＹ軸方向から見た断面形状は、図３に示すように、Ｘ軸方向に長軸方向を有する長孔で形成されている。
【００５６】
モータＭは、複数本の締結具Ｂ３を介して第１の本体部３０１に固定されるとともに、第１の本体部３０１の外周面と貫通孔４６の間を貫通する回転軸Ｍｓを有する。モータＭとしては、種々の電動モータが適用可能であり、本実施形態では高精度な回転数制御が可能なステッピングモータが用いられている。
【００５７】
偏心部材４４は、軸状部材４３の結合孔４３ａに結合される軸部４４ａと、回転軸Ｍｓと結合される筒部４４ｂとを有し、回転軸Ｍｓと軸状部材４３との間に接続される。偏心部材４４の軸部４４ａは、ベアリング４５を介して軸状部材４３の結合孔４３ａに結合されている。
【００５８】
偏心部材４４は、回転軸ＭｓのＹ軸まわりの回転運動を軸状部材４３のＺ軸方向への往復運動に変換する。軸状部材４３のＺ軸方向に沿ったストロークは、モータＭの回転軸Ｍｓの軸心に対する偏心部材４４の軸部４４ａの軸心の偏心量Ｅで決定される。
【００５９】
貫通孔４６は、第１のダイヤフラム４１と第２のダイヤフラム４２との間に形成され、貫通孔４６の一部の内壁面は、軸状部材４３の軸方向（Ｚ軸方向）への直線移動を案内するガイド面として機能する。これにより第１及び第２のダイヤフラム４１，４２は、それぞれ第１及び第２のポンプ室Ｐ１，Ｐ２内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させることが可能となる。
【００６０】
本実施形態では、第１のポンプ室Ｐ１内における第１のダイヤフラム４１の受圧面積は、第２のポンプ室Ｐ２内における第２のダイヤフラム４２の受圧面積と同一に構成される。これにより、両ダイヤフラム４１，４２間での受圧面積差がゼロとなり、水圧変動で駆動機構が被る悪影響を排除することができる。
【００６１】
さらに駆動機構４０は、第１及び第２のポンプ室Ｐ１，Ｐ２のうち何れか一方へ軸状部材４３を付勢する付勢部材４７を有する。本実施形態では、付勢部材４７は、第２のポンプ室Ｐ２へ向けて軸状部材４３を付勢するコイルバネで構成され、軸状部材４３の第２の端部４３２の周囲に形成された突出部４３１と、貫通孔４６の段部４６１との間に装着されている。
【００６２】
付勢部材４７を設置することで、軸状部材４３と偏心部材４４とを常に密着させておくことができ、これにより軸状部材４３を偏心量Ｅの２倍に相当する設計どおりのストロークを確保することができる。また、結合孔４３ａとベアリング４５との組み付け時にこれらの間に隙間が生じていたとしても、付勢部材４７により当該隙間を吸収できるため、両者間の組み付け性が阻害されることもない。
【００６３】
（通路部）
通路部５０は、第１のポンプ室Ｐ１と第２のポンプ室Ｐ２との間に接続され、第１のポンプ室Ｐ１から第２のポンプ室Ｐ２への液連通を可能とする。通路部５０は、配管部材５１と、逆止弁Ｖ２（第１の逆止弁）とを有する。
【００６４】
配管部材５１は、第１のポンプ室Ｐ１に接続される第１の端部５１１と、第２のポンプ室Ｐ２に接続される第２の端部５１２とを有する。第１の端部５１１は、第２の本体部３０２に形成された出力ポート３０２ｂにシールリングＳを介して液密に接続される。第２の端部５１２は、第３の本体部３０３に形成された入力ポート３０３ｂにシールリングＳを介して液密に接続される。第１及び第２の端部５１１，５１２は、それぞれ抜け止め部材６３，６４を介して出力ポート３０２ｂ及び入力ポート３０３ｂに固定される。
【００６５】
逆止弁Ｖ２は、第３の本体部３０３の入力ポート３０３ｂの内部に配置されている。逆止弁Ｖ２には種々のチェックバルブが採用可能であり、本実施形態ではダックビル弁が用いられる。
【００６６】
逆止弁Ｖ２は、第１のポンプ室Ｐ１から第２のポンプ室Ｐ２への方向の液連通を許容するが、それとは逆方向への液連通を禁止する機能を有する。これにより第２のポンプ室Ｐ２における加圧水を第１のポンプ室Ｐ１側へ逆流させることなく出口３２側へ安定して送出することができるので、ポンプ装置３Ａの運転効率を高めることができる。
【００６７】
［ポンプ装置の動作］
次に、以上のように構成される本実施形態のポンプ装置３Ａの典型的な動作について説明する。
【００６８】
駆動機構４０は、第１及び第２のダイヤフラム４１，４２をそれぞれ第１及び第２のポンプ室Ｐ１，Ｐ２内で相互にポンプ作動サイクルが逆位相となるように往復させる。これにより第１及び第２のポンプ室Ｐ１，Ｐ２の容積が周期的に変化し、入口３１に導入された循環水は、第１のポンプ室Ｐ１及び第２のポンプ室Ｐ２で交互に加圧されて、出口３２から排熱回収部１５へ所定流量で送出される。
【００６９】
ポンプ装置３Ａから送出される水の流量は、典型的には、単位時間当たりの両ダイヤフラム４１，４２の往復回数で制御される。具体的には、モータＭの回転軸Ｍｓの回転数を制御することで、ポンプ装置３Ａの吐出流量が制御される。モータＭの駆動は、コントローラ５で制御される。コントローラ５は、排熱回収部１５における熱交換に最適な流量となるように、モータＭの駆動を制御する。
【００７０】
本実施形態において、軸状部材４３は、貫通孔４６の内壁面（ガイド面）に沿ってＺ軸方向に直線的に移動するように構成されているため、第１及び第２のダイヤフラム４１，４２は、Ｚ軸方向に沿った応力のみを受けて直線的に変形する。このため、他の揺動式ダイヤフラムポンプと比較してダイヤフラムに加わる変形負荷を軽減できるため、耐久性の向上を図ることができる。
【００７１】
本実施形態において、第２のポンプ室Ｐ２は、通路部５０を介して第１のポンプ室Ｐ１と連通している。このため、入口３１に導入された貯湯タンク２内の水圧は、第１のダイヤフラム４１及び第２のダイヤフラム４２に同時に作用する。第１のダイヤフラム４１に作用する圧力は、軸状部材４３を第２のポンプ室Ｐ２に向けて加圧し、第２のダイヤフラム４２に作用する圧力は、軸状部材４３を第１のポンプ室Ｐ１に向けて加圧する。
【００７２】
したがって本実施形態によれば、貯湯タンク２内の水圧が大きく変動したとしても、両ダイヤフラム４１，４２間の受圧面積差で水圧変動分が相殺される。特に本実施形態においては、第１及び第２のダイヤフラム４１，４２の受圧面積が相互に同一であるため、上記水圧変動はほぼ完全にキャンセルされる。このため駆動機構４０は、水圧変動の有無に関係なく、ほぼ一定の負荷でポンプ装置３Ａを駆動することが可能となる。
【００７３】
また上述のように、貯湯タンク２内の水圧変動が生じたとしても駆動機構４０に加わる負荷の変動を抑えることができるため、安定した吐出流量を維持することができるとともに、ポンプ装置３Ａの消費電力も低減することができる。
【００７４】
さらに本実施形態によれば、貯湯タンク２の内圧上昇がリリーフ弁２４の開弁圧力（約４５０ｋＰａ）に達するほどの過大な水圧が入力されたとしても、駆動機構４０に加わるストレスを低く抑えることができる。このため、特別な構造を別途設けることなく低コストで容易にポンプの耐水圧を高めることができる。
【００７５】
以上のように本実施形態によれば、貯湯タンク２内の水圧変動に対する耐水圧特性と安定した吐出流量を確保することができる燃料電池システムを構築することができる。
【００７６】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係るポンプ装置の構成を示す断面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
【００７７】
本実施形態のポンプ装置３Ｂは、燃料電池システム１００における循環ポンプ３として適用可能である。ポンプ装置３Ｂは、本体３０と、駆動機構４０と、通路部５０とを有する。本実施形態においては、第１及び第２のダイヤフラム４１，４２を支持する軸状部材４３’が２分割構造を有する点で、上述の第１の実施形態と異なる。すなわち軸状部材４３’は、その軸方向に関して分割された第１及び第２の軸状部Ｍ１，Ｍ２を有する。
【００７８】
第１の軸状部Ｍ１は、第１のダイヤフラム４１に固定され、第２の軸状部Ｍ２は、第２のダイヤフラム４２に固定される。ベアリング４５を介して偏心部材４４と結合される結合孔４３ａは、第２の軸状部４３Ｂに設けられる。第１の軸状部Ｍ１及び第２の軸状部Ｍ２は、接触面４３０において相互に接触する。
【００７９】
ポンプ装置３Ｂの運転時、第１の軸状部Ｍ１及び第２の軸状部Ｍ２は、相互に一体的に本体３０の内部を往復移動する。したがって本実施形態においても上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００８０】
＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の第３の実施形態に係るポンプ装置の構成を示す断面図である。以下、第１の実施形態と異なる構成について主に説明し、上述の実施形態と同様の構成については同様の符号を付しその説明を省略または簡略化する。
【００８１】
本実施形態のポンプ装置３Ｃは、燃料電池システム１００における循環ポンプ３として適用可能である。本実施形態では、本体３０の入口３１に逆止弁Ｖ３（第２の逆止弁）が配置されている点で、上述の第１の実施形態と異なる。
【００８２】
逆止弁Ｖ３は、入口３１（貯湯タンク２）から第１のポンプ室Ｐ１への方向の液連通を許容するが、それとは逆方向への液連通を禁止する機能を有する。逆止弁Ｖ２には種々のチェックバルブが採用可能であり、本実施形態ではダックビル弁が用いられる。
【００８３】
本実施形態のポンプ装置３Ｃにおいても上述の第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。また本実施形態によれば、入口３１に逆止弁Ｖ３が配置されているため、第１のポンプ室Ｐ１における加圧水を入口３１側へ逆流させることなく第２のポンプ室Ｐ２及び出口３２側へ安定して送出することができる。これにより、各ポンプ室Ｐ１，Ｐ２におけるポンプ水を効率よく吐出することできるため、流量が安定化し、ポンプ装置の運転効率も高めることができる。
【００８４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００８５】
以上の実施形態では、給湯システムとして燃料電池システムを例に挙げて説明したが、これに代えて、ヒートポンプや太陽電池、ガスエンジンなどの他の発電機構を用いた給湯システムにおいて熱源により加温される水を貯留可能な貯湯タンクを備えていれば、本発明は適用可能である。
【００８６】
また以上の各実施形態では、循環ポンプ３を構成するポンプ装置３Ａ〜３Ｃをダイヤフラムポンプで構成したが、これに代えて、例えばプランジャポンプで構成されてもよい。
【００８７】
また以上の第３の実施形態では、ポンプの入口側に逆止弁Ｖ３を配置した例を説明したが、これに加えて、例えば図６に示すような逆止弁Ｖ４を第２の本体部３０２の出力ポート３０２ｂ内に配置してもよい。逆止弁Ｖ４は、第１のポンプ室Ｐ１から第２のポンプ室Ｐ２への方向の液連通を許容するが、それとは逆方向への液連通を禁止する機能を有する。このような構成によっても上述の第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１…燃料電池ユニット
２…貯湯タンク
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…循環ポンプ（ポンプ装置）
１５…排熱回収部
３０…本体
３１…入口
３２…出口
４０…駆動機構
４１…第１のダイヤフラム
４２…第２のダイヤフラム
４３…軸状部材
４４…偏心部材
４７…付勢部材
５０…通路部
１００…燃料電池システム
Ｐ１…第１のポンプ室
Ｐ２…第２のポンプ室
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４…逆止弁
【図１】
2015017505.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2015017505.tif 000006
【図５】
2015017505.tif 000007
【図６】
2015017505.tif 000008