(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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し、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される回転軸が回転可能に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た水素循環用電動ポンプであって、
前記電動モータには前記回転軸が該電動モータに対し相対回転可能に挿通されるとともに、前記回転軸の周面、及び該回転軸の周面に対向する電動モータの周面のいずれか一周面には伝達部材が一体回転可能に設けられるとともに、他方の周面には前記伝達部材が挿入される挿入溝が凹設され、該伝達部材と挿入溝の内面との当接により電動モータの回転トルクが回転軸に伝達されるとされ、回転軸の回転方向に沿った前記挿入溝の開口幅は、該回転方向に沿った伝達部材の幅より広く、また、前記挿入溝の開口幅は伝達部材と挿入溝の内面とが当接しない状態から、伝達部材と挿入溝の内面とが当接するまでに電動モータが回転角２°以上回転可能に設定されていることを特徴とする水素循環用電動ポンプ。
【請求項２】
少なくとも前記伝達部材と挿入溝の内面とは潤滑油によって潤滑され、前記回転軸と電動モータとの間には前記潤滑油の電動モータ外への漏れを防止するシール手段が設けられている請求項１に記載の水素循環用電動ポンプ。
【請求項３】
前記回転軸の周面と電動モータの周面との間には前記回転軸の軸受け手段が介在されている請求項１に記載の水素循環用電動ポンプ。
【請求項４】
前記電動モータは、ステータと該ステータの内側に設けられてステータに対し相対回転可能なモータロータを備え、さらに、前記モータロータの内側に該モータロータと一体回転可能であり、前記回転軸がモータロータの回転方向へ回転するように該回転軸をガイドするガイド部材を備えており、該ガイド部材の内側に前記回転軸が挿通されるとともに、前記回転軸の周面に対向するガイド部材の内周面によって電動モータの周面が形成され、前記ガイド部材の内周面はモータロータの内周面に比して摩擦係数が小さく設定されている請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の水素循環用電動ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハウジングには電動モータにより回転される回転軸が回転可能に支持されているとともに、ポンプ室内には回転軸の回転に伴い回転する回転体が収容された水素循環用電動ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水素と酸素を反応させて発電する燃料電池システムでは、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。
【０００３】
前記水素循環用のポンプとしては、例えば、電動ルーツ式ポンプが用いられている。この電動ルーツ式ポンプは、ハウジング内に形成されたロータ室に一対のポンプロータが収容されているとともに、ハウジング内には前記ポンプロータを回転させる電動モータが収容されてなる。そして、上記構成の電動ルーツ式ポンプにおいて、電動モータの回転に伴い一対のポンプロータが回転されると、水素オフガスが前記ロータ室内に吸入される。さらに、一対のポンプロータの回転により、ロータ室内に吸入された水素オフガスはロータ室外へ吐出される。そして、電動ルーツ式ポンプのポンプ作用により搬送された水素オフガスは、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。
【０００４】
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ロータ室内に導入される。すると、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、ロータ室内に水が残留していると、該水が凝縮して凍結してしまい、該凍結によりポンプロータの軸方向端面とロータ室の内壁面とが貼り付いてしまう。ポンプロータの軸方向端面と、ロータ室の内壁面とが貼り付いた場合は、燃料電池システムの運転再開時に電動ルーツ式ポンプを起動することができなくなる虞があった。
【０００５】
そこで、ポンプロータの軸方向端面と、ロータ室の内壁面とが貼り付いても起動することができる電動ルーツ式ポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示された電動ルーツ式ポンプ（特許文献１ではルーツ型圧縮機）は、駆動用モータとその電源との間に接続された切り替えスイッチと、駆動用モータが起動したか否かを検出する起動センサと、低温環境であることを検知する温度センサと、制御部とを備えている。そして、特許文献１のルーツ型圧縮機において、制御部は、温度センサにより低温環境であることが検知された状態では、切り替えスイッチを操作して駆動用モータに正転指示を発する。さらに、制御部は前記正転指示を出しても起動センサが駆動用モータの起動を検出しない場合には切り替えスイッチの操作により駆動用モータに逆転指示と正転指示とを繰り返して発する。このため、制御部が逆転指示と正転指示とを繰り返して発することにより、駆動用モータに逆転トルクと正転トルクとが繰り返し発生するため、凍結した水が破砕され、ポンプロータがロータ室の内壁面から引き剥がされ起動が可能となる。
【特許文献１】特開２００５−１５５４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示のルーツ型圧縮機であっても、電動モータの発生トルクが小さい場合は、凍結した水を破砕するのに時間がかかり、ポンプの起動が遅れる可能性が高く、また、ポンプの起動を早く行うよう電動モータの発生トルクを大きくするためには、電動モータを大きくする必要があり、電動ルーツ式ポンプの体格が大型化してしまう。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電動モータの大型化を招くことなく起動時の発生トルクを大きくし、回転体とロータ室とが凍結によって貼り付いていても速やかに起動する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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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し、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される回転軸が回転可能に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た水素循環用電動ポンプであって、前記電動モータには前記回転軸が該電動モータに対し相対回転可能に挿通されるとともに、前記回転軸の周面、及び該回転軸の周面に対向する電動モータの周面のいずれか一周面には伝達部材が一体回転可能に設けられるとともに、他方の周面には前記伝達部材が挿入される挿入溝が凹設され、該伝達部材と挿入溝の内面との当接により電動モータの回転トルクが回転軸に伝達されるとされ、回転軸の回転方向に沿った前記挿入溝の開口幅は、該回転方向に沿った伝達部材の幅より広く、また、前記挿入溝の開口幅は伝達部材と挿入溝の内面とが当接しない状態から、伝達部材と挿入溝の内面とが当接するまでに電動モータが回転角２°以上回転可能に設定されている。
【０００９】
この構成によれば、伝達部材が挿入溝内に挿入され、電動モータが回転角２°以上回転すると、伝達部材と挿入溝の内面とが当接するようになっている。そして、電動モータの回転に伴い伝達部材と挿入溝の内面とが当接した際には、電動モータの回転速度に応じた衝撃が回転軸に発生し、回転軸に衝撃トルクを発生させることができる。そして、該衝撃トルクによって回転軸を回転させ、該回転軸を回転させることで回転体を回転させて回転体をポンプ室から引き剥がすことができる。すなわち、水素循環用電動ポンプは、電動モータの起動トルクで回転体を回転させて該回転体をロータ室から引き剥がそうとするのではなく、起動時の発生トルクを大きくした衝撃トルクで回転体を回転させて該回転体をロータ室から引き剥がす構成とされている。したがって、例えば、電動モータの起動トルクのみで回転体をポンプ室から引き剥がそうとする場合に比して、回転体とロータ室とが凍結によって貼り付いていても水素循環用電動ポンプを速やかに起動することができる。
【００１０】
また、少なくとも前記伝達部材と挿入溝の内面とは潤滑油によって潤滑され、前記回転軸と電動モータとの間には前記潤滑油の電動モータ外への漏れを防止するシール手段が設けられていてもよい。
【００１１】
この構成によれば、潤滑油によって少なくとも伝達部材と挿入溝の内面とが潤滑され、電動モータの回転に伴う伝達部材と挿入溝の内面との摺動部分の潤滑状態が良好状態となる。そして、シール手段によって潤滑油が電動モータ外へ漏れないように防止されることから、前記摺動部分の潤滑状態が良好に維持され、回転軸と電動モータとの間での焼付等を防止することができる。
【００１２】
また、前記回転軸の周面と電動モータの周面との間には前記回転軸の軸受け手段が介在されていてもよい。
この構成によれば、軸受け手段によって回転軸を回転可能に支持し、回転軸の周面と、電動モータの周面との直接的な摺動を回避することができる。したがって、回転軸の周面と電動モータの周面との焼付を防止することができ、伝達部材と挿入溝の内面とを衝突させる構成であっても、電動モータの耐久性が低下することを防止することができる。
【００１３】
また、前記電動モータは、ステータと該ステータの内側に設けられてステータに対し相対回転可能なモータロータを備え、さらに、前記モータロータの内側に該モータロータと一体回転可能であり、前記回転軸がモータロータの回転方向へ回転するように該回転軸をガイドするガイド部材を備えており、該ガイド部材の内側に前記回転軸が挿通されるとともに、前記回転軸の周面に対向するガイド部材の内周面によって電動モータの周面が形成され、前記ガイド部材の内周面はモータロータの内周面に比して摩擦係数が小さく設定されていてもよい。
【００１４】
この構成によれば、例えば、回転軸をモータロータの内側に直接挿通する場合に比して、回転軸の周面とガイド部材の内周面との間に発生する摩擦抵抗を小さくし、回転軸の周りで回転するガイド部材の回転速度を低下しにくくすることができる。そして、伝達部材と挿入溝の内面とが衝突するときに発生する衝撃トルクは、ガイド部材の回転速度が速いほど大きくなることから、ガイド部材の回転速度の低下防止は衝撃トルクの減少防止に寄与することができ、回転体をポンプ室から効果的に引き剥がすことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電動モータの大型化を招くことなく起動時の発生トルクを大きくし、回転体とロータ室とが凍結によって貼り付いていても速やかに起動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の水素循環用電動ポンプを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一実施形態を図１〜図３に従って説明する。まず、燃料電池システム１０は、図３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）を発生する（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、以下の説明において電動ルーツ式ポンプ１７の「前」「後」は、図１に示す矢印Ｙの方向を前後方向とする。
【００１９】
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。前記ポンプハウジングＰは、ロータハウジング２２の前端（図１では左端）に軸支部材２３が接合固定され、さらに、前記軸支部材２３の前端（図１では左端）にギヤハウジング２５が接合固定されて形成されている。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。なお、前記ロータ室２４において、前記ロータハウジング２２の内面と軸支部材２３の内面は、ロータ室２４の内壁面Ｈを形成している。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。前記モータハウジングＭは、前記ギヤハウジング２５の前端（図１では左端）に接合固定されている。そして、ギヤハウジング２５とモータハウジングＭとの間にモータ室２９が囲み形成され、このモータ室２９内には電動モータ４１が収容されている。
【００２０】
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がベアリング３２を介して回転可能に支持されている。さらに、ロータハウジング２２と、軸支部材２３とには、前記駆動軸３１と平行をなす従動軸３５がベアリング３６を介して回転可能に支持されている。
【００２１】
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。なお、駆動ロータ３９において駆動軸３１の軸方向に沿った方向を駆動ロータ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ポンプロータである。
【００２２】
駆動ロータ３９において、駆動軸３１の軸方向に沿った前後両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間には僅かな隙間が形成されている。また、従動ロータ４０において、従動軸３５の軸方向に沿った前後両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間には僅かな隙間が形成されている。前記隙間は、駆動ロータ３９の前後両端面とロータ室２４の内壁面Ｈ、及び従動ロータ４０の前後両端面とロータ室２４の内壁面Ｈとが摺接して焼付等が生じることを防止するとともに、水素オフガスの漏れをより小さくするために小さな隙間となっている。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）と、該吸入口の対向位置にロータ室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。
【００２３】
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、ポンプロータとしての駆動ロータ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の外面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとが協働することにより、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。
【００２４】
次に、前記電動モータ４１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（図２（ｂ）に示す矢印Ｒ方向）へ相対回転可能なモータロータ４３とを備えている。また、電動モータ４１は、前記モータロータ４３の内側に、前記矢印Ｒ方向へモータロータ４３と一体回転するガイド部材４４とを備えている。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。
【００２５】
また、図２（ａ）に示すように、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の内側には前記ガイド部材４４が圧入され、この圧入状態ではモータロータ４３の内周面にガイド部材４４の外周面が圧接されている。さらに、ガイド部材４４の内側には、前記駆動軸３１が挿通配置されている。駆動軸３１は、前記ベアリング３２によってハウジング（モータハウジングＭ及び軸支部材２３）に回転可能に支持されており、該駆動軸３１の周面３１ａと、該周面３１ａに対向するガイド部材４４の内周面４４ａとの間には極僅かなクリアランスＣＬが形成されている。そして、駆動軸３１は、ガイド部材４４に対して相対回転可能に支持されている。
【００２６】
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。なお、キー４５において、駆動軸３１の軸方向に沿った方向をキー４５の長さ方向とし、キー４５において、駆動軸３１の回転方向に沿った厚みをキー４５の幅とする。そして、前記キー溝３１ｂには、キー４５の長さ方向に沿った一側部４５ａが圧入されており、この圧入状態では、キー４５の長さ方向に沿った他側部４５ｂが駆動軸３１の周面３１ａよりガイド部材４４側へ向けて突出している。さらに、ガイド部材４４の内周面４４ａに対向する駆動軸３１の周面３１ａであって、ガイド部材４４の前後両側と対応する位置には、シール手段としてのＯリング４６が装着されている。そして、このＯリング４６は、ガイド部材４４の内周面４４ａと、駆動軸３１の周面３１ａとの間に封入された潤滑油の電動モータ４１外への漏れを防止している。
【００２７】
図２（ｂ）に示すように、ガイド部材４４の内周面４４ａ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４５ｂが挿入される挿入溝４７が凹設されている。この挿入溝４７は、駆動軸３１の回転方向（矢印Ｒに示すモータロータ４３の回転方向）に沿って広がるように開口形成されている。そして、挿入溝４７の内面において、前記回転方向に沿って対向する一対の側面４７Ａ，４７Ｂのうち、一方の側面４７Ａは、キー４５の幅方向に対向する一方の側面４５Ａに当接し、挿入溝４７の他方の側面４７Ｂは、キー４５の他方の側面４５Ｂに当接するようになっている。また、挿入溝４７の開口幅は、挿入溝４７の一方の側面４７Ａとキー４５の一方の側面４５Ａとの間、及び挿入溝４７の他方の側面４７Ｂとキー４５の他方の側面４５Ｂとの間のうち、少なくともいずれか一方の間に間隙が形成されるように設定されている。すなわち、挿入溝４７の開口幅は、キー４５の幅より広く形成されている。
【００２８】
そして、前記挿入溝４７において、駆動軸３１の回転方向に沿った開口幅（一方の側面４７Ａから他方の側面４７Ｂまでの開口幅）は、キー４５が挿入溝４７内に挿入された状態で、モータロータ４３が回転角２°回転することを許容する値に設定されている。すなわち、挿入溝４７の開口幅は、例えば、キー４５の一方の側面４５Ａと挿入溝４７の一方の側面４７Ａとが当接した状態からモータロータ４３が２°回転したとき、キー４５の他方の側面４５Ｂと挿入溝４７の他方の側面４７Ｂとが当接するように設定されている（図２（ｂ）における角度θが２°となるように設定されている）。言い換えると、キー４５の他方の側面４５Ｂと挿入溝４７の他方の側面４７Ｂ（内面）とが当接しない状態から、モータロータ４３が２°回転したとき、該キー４５の他方の側面４５Ｂと挿入溝４７の他方の側面４７Ｂとが当接するように設定されている。なお、挿入溝４７の開口幅は、挿入溝４７内にキー４５が挿入された状態でモータロータ４３が２°回転可能としたが、開口幅は、キー４５の厚みや駆動軸３１の直径に依存して任意に変更してもよい。すなわち、モータロータ４３の回転に伴い、挿入溝４７の側面４７Ａ，４７Ｂをキー４５の４５Ａ，４５Ｂに衝突させたとき、駆動軸３１に所要の衝撃トルクを発生させることが可能であれば開口幅は任意に設定してもよい。また、図２（ｂ）では、理解を容易とするために角度θを誇張して描いている。
【００２９】
なお、前記所要の衝撃トルクとは、該所要の衝撃トルクによって駆動軸３１を回転させ、該駆動軸３１の回転に伴い、ロータ室２４の内壁面Ｈに氷結した駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから引き剥がすことを容易とするトルクである。そして、挿入溝４７の開口幅が狭すぎると、前記衝撃トルクが小さくなり、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから引き剥がすことが困難になり好ましくないため、モータロータ４３を２°回転可能とする開口幅を必要とする。一方、挿入溝４７の開口幅を広くすればする程、前記衝撃トルクは大きくなるが、衝撃トルクが大きすぎるとキー４５や挿入溝４７の側面４７Ａ，４７Ｂが損傷を受ける虞があるため、モータロータ４３をその回転角が最大３０°回転可能とする開口幅以下に設定することが好ましい。
【００３０】
前記挿入溝４７内には前記潤滑油が封入されており、該潤滑油によって挿入溝４７とキー４５との潤滑状態が良好とされている。また、ガイド部材４４の内周面４４ａは、研磨加工が施されており、該ガイド部材４４が圧入されることとなるモータロータ４３の内周面よりも平滑化されている。すなわち、ガイド部材４４の内周面４４ａにおける摩擦係数は、モータロータ４３の内周面における摩擦係数より小さくなっている。
【００３１】
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内へ吸入される。ロータ室２４内の水は、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の前後両端面とロータ室２４の内壁面Ｈとの隙間や、内壁面Ｈ、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の周面に付着する。そして、低温環境下では、前記水がロータ室２４の内壁面Ｈや、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の壁面に結露する。さらに、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内の水が凍結し、該凍結により駆動ロータ３９及び従動ロータ４０の前後両端面とロータ室２４の内壁面Ｈとが氷結して互いに固着した状態となる。
【００３２】
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を起動させる際には、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、ステータコイル４２ａとモータロータ４３との間の電磁誘導作用によってモータロータ４３を回転させる。なお、図２（ｂ）の２点鎖線に示すように、電動モータ４１を起動する前の状態では、挿入溝４７の側面４７Ｂがキー４５の側面４５Ｂに当接しているものとする（挿入溝４７の側面４７Ａがキー４５の側面４５Ａに当接していない状態）。そして、モータロータ４３が回転すると、モータロータ４３における挿入溝４７の側面４７Ａがキー４５に向かって移動し、図２（ｂ）の実線に示すように、該側面４７Ａがキー４５の側面４５Ａに衝突する。すると、該衝突に伴い、キー４５には衝撃トルクが発生し、該キー４５に一体回転可能とされた駆動軸３１にも該衝撃トルクが発生して、この衝撃トルクによって駆動軸３１が回転する。前記衝撃トルクは、電動モータ４１の起動トルクに回転速度が加わることで起動トルクよりも大きくなる。
【００３３】
この発生した衝撃トルクは、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、さらには、駆動ロータ３９と従動ロータ４０に伝達される。そして、前記衝撃トルクによって駆動ロータ３９と従動ロータ４０は回転する。その結果、駆動ロータ３９の前後両端面、及び従動ロータ４０の前後両端面と、ロータ室２４の内壁面Ｈとの間を固着させた氷が破砕され、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０がロータ室２４の内壁面Ｈから引き剥がされるとともに、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。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、挿入溝４７の側面４７Ａ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。
【００３４】
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）電動モータ４１を駆動軸３１に対して相対回転可能に構成し、駆動軸３１の周面３１ａにキー４５を一体回転可能に設けるとともに、電動モータ４１におけるガイド部材４４の内周面４４ａにキー４５が挿入される挿入溝４７を形成した。また、挿入溝４７の開口幅をキー４５の幅より広くし、モータロータ４３が回転角２°回転すると挿入溝４７（側面４７Ａ，４７Ｂ）がキー４５（側面４５Ａ，４５Ｂ）に衝突するように構成した。そして、電動モータ４１の起動時、挿入溝４７（側面４７Ａ，４７Ｂ）をキー４５に衝突させることで、起動時に発生するトルクを大きくした衝撃トルクを駆動軸３１に発生させ、該衝撃トルクによって駆動軸３１を回転させることができる。そして、衝撃トルクによって駆動軸３１を回転させることで、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０を回転させ、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから引き剥がすことができる。
【００３５】
したがって、電動ルーツ式ポンプ１７の起動時には、発生トルクを大きくした衝撃トルクによって駆動ロータ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、該電動ルーツ式ポンプ１７の起動トルクに加え、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のトルクをさらに発生させる必要がなくなる。したがって、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０がロータ室２４の内壁面Ｈに氷結していても、速やかに電動ルーツ式ポンプ１７を起動することができ、この起動を速やかに行うために大型の電動モータ４１を搭載する必要もなくなり、電動ルーツ式ポンプ１７の大型化を抑制することができる。
【００３６】
（２）挿入溝４７には潤滑油が封入され、該潤滑油によって挿入溝４７とキー４５とが潤滑されている。また、駆動軸３１の周面３１ａと、ガイド部材４４の内周面４４ａとの間にも潤滑油が封入され、両周面３１ａ，４４ａが潤滑されている。そして、駆動軸３１の周面３１ａにはＯリング４６が装着され、該Ｏリング４６によって潤滑油の電動モータ４１外への漏れを防止している。したがって、電動モータ４１と駆動軸３１との間での焼付を防止し、さらに、挿入溝４７とキー４５との焼付を防止して、電動ルーツ式ポンプ１７を円滑に駆動させることができる。
【００３７】
（３）モータロータ４３の内側にはガイド部材４４が圧入され、該ガイド部材４４の内周面４４ａの内側に駆動軸３１が挿通されている。そして、ガイド部材４４の内周面４４ａは研磨加工が施され、モータロータ４３の内周面に比して摩擦係数が低くなっている。このため、例えば、モータロータ４３の内側に駆動軸３１が挿通されている場合に比して、駆動軸３１との間の摩擦抵抗を小さくすることができ、挿入溝４７のキー４５への衝突速度を低下させにくくすることができる。その結果として、衝撃トルクを減少させにくくして、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから効果的に引き剥がすことができる。
【００３８】
（４）モータロータ４３のトルク伝達のために設けられたキー４５を用い、挿入溝４７の開口幅を設定するだけで、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから引き剥がすことができる。すなわち、簡単な構成で、電動ルーツ式ポンプ１７の起動時に駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから効果的に引き剥がすことができる。したがって、駆動ロータ３９及び従動ロータ４０をロータ室２４の内壁面Ｈから引き剥がすために、切り替えスイッチ、制御部、温度センサ等を設ける背景技術に比して、電動ルーツ式ポンプ１７の体格をコンパクトにすることができる。
【００３９】
（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４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。
【００４０】
図４に示すように、駆動軸３１において、その軸方向に沿ったガイド部材４４（電動モータ４１）の前後両端側には端板５０が駆動軸３１に圧入固定されている。この端板５０は駆動軸３１と一体回転可能になっている。また、各端板５０において、ガイド部材４４の前後両端面に対向する面には、シール手段としてのＯリング５１が装着されている。そして、ガイド部材４４の前後両端面と、端板５０との間に介在されたＯリング５１によって、駆動軸３１の周面３１ａとガイド部材４４の内周面４４ａとの間、さらには、キー４５と挿入溝４７との間に封入された潤滑油の電動モータ４１外への漏れが防止されている。したがって、電動モータ４１と駆動軸３１との間での焼付を防止し、さらに、挿入溝４７とキー４５との焼付を防止して、電動ルーツ式ポンプ１７を円滑に駆動させることができる。
【００４１】
（第３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３の実施形態を図５に従って説明する。なお、以下に説明する第３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。
【００４２】
図５に示すように、ガイド部材４４の内周面４４ａには円環状をなすドライベアリング６０が装着されている。このドライベアリング６０は、金属材料より摩擦係数の小さい固体潤滑材（例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアセタール、ポリアミド）によって形成されている。そして、ドライベアリング６０はガイド部材４４と一体回転可能であるとともに、該ドライベアリング６０の内周面６０ａによって駆動軸３１の周面３１ａを回転可能に支持している。すなわち、ドライベアリング６０の内周面６０ａと、駆動軸３１の周面３１ａによってすべり軸受けが構成され、ドライベアリング６０は駆動軸３１の周面３１ａとガイド部材４４の内周面４４ａとの間に介在される軸受け手段を構成している。そして、ドライベアリング６０によって、駆動軸３１の周面３１ａとドライベアリング６０の内周面６０ａとの間の摺動抵抗が低減され、駆動軸３１が円滑に回転するようになっている。
【００４３】
すなわち、駆動軸３１は、その周面３１ａとガイド部材４４の内周面４４ａとが直接摺動して回転するのではなく、ドライベアリング６０を介して回転する。そして、ドライベアリング６０の摺動性によって、駆動軸３１の周面３１ａの焼付を防止しつつ、円滑に回転させることができ、電動モータ４１の耐久性を向上させることができる。なお、挿入溝４７に潤滑油を注入した構成としてもよく、この場合にはドライベアリング６０によって挿入溝４７の潤滑油が電動モータ４１外へ漏れることを防止している。
【００４４】
（第４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４の実施形態を図６に従って説明する。なお、以下に説明する第４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。
【００４５】
図６に示すように、ガイド部材４４の内周面４４ａと駆動軸３１の周面３１ａとの間には軸受け手段としてのラジアルベアリング６１が装着されている。そして、ラジアルベアリング６１によって、駆動軸３１がガイド部材４４（モータロータ４３）に対して相対回転可能に支持されている。また、ラジアルベアリング６１はグリス（潤滑油）封入タイプであり、ラジアルベアリング６１に封入されたグリスによってラジアルベアリング６１の潤滑が維持され、駆動軸３１が円滑に回転するようになっている。
【００４６】
（第５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５の実施形態を図７に従って説明する。なお、以下に説明する第５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。
【００４７】
図７に示すように、ガイド部材４４の内周面４４ａと駆動軸３１の周面３１ａとの間には、シール手段としての軸封装置６３が介在されている。そして、軸封装置６３によって、駆動軸３１の周面３１ａとガイド部材４４の内周面４４ａとの間に封入された潤滑油の電動モータ４１外への漏れが防止されている。
【００４８】
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、駆動軸３１の周面３１ａに挿入溝４７を形成し、ガイド部材４４の内周面４４ａにキー４５の一側部４５ａを圧入し、挿入溝４７内にキー４５の他側部４５ｂを挿入する構成としてもよい。そして、モータロータ４３の回転に伴いキー４５を移動させて、キー４５の側面４５Ａ，４５Ｂを挿入溝４７の側面４７Ａ，４７Ｂに衝突させる構成としてもよい。
【００４９】
○  各実施形態において、キー４５と挿入溝４７との当接までに電動モータ４１が回転する角度を、電動モータ４１におけるステータコイル４２ａの個数で３６０°を除して得られる値と同じとし、前記得られる角度を挿入溝４７の開口幅としてもよい。このように構成すると、電動モータ４１への一度の通電によってモータロータ４３が回転する角度分だけモータロータ４３を移動させることで、キー４５と挿入溝４７とを衝突させることができ、電動モータ４１の制御性を良好とすることができる。
【００５０】
○  各実施形態において、ガイド部材４４を削除し、モータロータ４３の内側に駆動軸３１を直接挿通し、モータロータ４３に対して駆動軸３１を相対回転可能としてもよい。この場合、モータロータ４３の内周面が、駆動軸３１の周面３１ａに対向する電動モータ４１の周面を構成している。そして、駆動軸３１の周面３１ａ及びモータロータ４３の内周面のうちいずれか一周面にキー４５を一体回転可能に設け、他方の周面に挿入溝４７を形成してもよい。
【００５１】
○  各実施形態において、コイルへの通電及び非通電を複数回繰り返し、モータロータ４３を正転方向及び逆転方向へ繰り返し回転させ、挿入溝４７の側面４７Ａ，４７Ｂと、キー４５の側面４５Ａ，４５Ｂとを繰り返し衝突させてもよい。
【００５２】
○  各実施形態において、三葉以上の複葉状の駆動ロータ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。
【００５３】
○  各実施形態では、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、スクリューロータ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。
【００５４】
○  各実施形態において、ガイド部材４４はモータロータ４３の内側に圧入固定されているが、圧入固定に限らずネジやリベットによりガイド部材４４をモータロータ４３に固定してもよい。
【００５５】
○  各実施形態において、挿入溝４７の側面４７Ａ，４７Ｂと、キー４５の側面４５Ａ，４５Ｂとは平面で形成され、平面同士の衝突によりトルク伝達を行っているが、どちらか一方を球面形状としてもよいし、他方を球面形状に沿う凹面形状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】第１の実施形態の電動ルーツ式ポンプを示す縦断面図。
【図２】（ａ）は電動モータの拡大断面図、（ｂ）は電動モータを示す図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図３】燃料電池システムの構成図。
【図４】第２の実施形態における電動モータの拡大断面図。
【図５】第３の実施形態における電動モータの拡大断面図。
【図６】第４の実施形態における電動モータの拡大断面図。
【図７】第５の実施形態における電動モータの拡大断面図。
【符号の説明】
【００５７】
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とともに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、３１ａ…周面、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、４４…ガイド部材、４４ａ…電動モータの周面を構成する内周面、４５…伝達部材としてのキー、４６，５１…シール手段としてのＯリング、４７…挿入溝、４７Ａ，４７Ｂ…挿入溝の内面としての側面、６０…軸受け手段としてのドライベアリング、６１…軸受け手段としてのラジアルベアリング、６３…シール手段としての軸封装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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