(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状を呈するシリンダと、
このシリンダ内に配置され、前記シリンダ内を往復動することにより前記シリンダ内の容積を変化させ、流体の吸入と圧縮動作を行うピストンと、
このピストンの往復動方向に沿って弾性的に伸縮し、前記ピストンの内部に隔離空間を形成する伸縮部材と、
前記隔離空間の内部に配置され、前記ピストンを前記シリンダ内で往復駆動させるための駆動機構と、
を具備する密閉式ポンプ装置において、
前記駆動機構は、
前記ピストンを対向配置し、そのピストン間に形成される前記隔離空間内に配置されるものであり、
回転駆動される駆動シャフトと、
この駆動シャフトと一体に回転し、前記駆動シャフトの周囲にリブ状に張り出したフェイスカムと、
このフェイスカムの軸方向のカム面に沿うローラを有し、そのローラの軸方向変位を前記ピストンに伝達するローラホルダーとを備え、
対向配置した前記ピストンを対向動作するように設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項２】
筒状を呈するシリンダと、
このシリンダ内に配置され、前記シリンダ内を往復動することにより前記シリンダ内の容積を変化させ、流体の吸入と圧縮動作を行うピストンと、
このピストンの往復動方向に沿って弾性的に伸縮し、前記ピストンの内部に隔離空間を形成する伸縮部材と、
前記隔離空間の内部に配置され、前記ピストンを前記シリンダ内で往復駆動させるための駆動機構と、
を具備する密閉式ポンプ装置において、
前記駆動機構は、
前記ピストンを対向配置し、そのピストン間に形成される前記隔離空間内に配置されるものであり、
回転駆動される駆動シャフトと、
この駆動シャフトと一体に回転し、外周囲にカム溝が形成されたカムロータと、
前記カム溝に挿入されたガイドピンを有し、そのガイドピンの軸方向変位を前記ピストンに伝達するガイドピンホルダーとを備え、
対向配置した前記ピストンを対向動作するように設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
前記ピストンを往復動させるとともに、前記ピストンの回転を阻止する手段は、
前記ピストンに連結固定された略円筒形状を呈した第１滑りガイドと、
前記シリンダを収納するケーシングに連結固定され、前記第１滑りガイドの外周あるいは内周に嵌まり合う第２滑りガイドとを具備し、
前記第１滑りガイドと前記第２滑りガイドの一方の摺動部分には、軸方向に沿う溝が設けられ、
前記第１滑りガイドと前記第２滑りガイドの他方の摺動部分には、前記溝に嵌まり合う凸部が設けられたものであり、
前記第１滑りガイドまたは前記第２滑りガイドの一方と、前記駆動シャフトとの間には、回転方向および軸方向のすべりが可能な滑り軸受が配置されたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかの密閉式ポンプ装置において、
前記ピストンと前記シリンダを収納するケーシングとの間に形成される空間には、前記ピストンの往復動方向に沿って伸縮し、前記駆動シャフトの周囲を覆った第２隔離空間を形成する第２伸縮部材が配置されたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかの密閉式ポンプ装置において、
前記ピストンは、前記駆動シャフトによって支持されることによって、前記シリンダに対して摺接しないことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
前記ピストンを往復動させるとともに、前記ピストンの回転を阻止する手段は、
前記シリンダの内周壁あるいは前記ピストンの外周壁の一方に設けられた軸方向に沿う溝と、
前記シリンダの内周壁あるいは前記ピストンの外周壁の他方に設けられ、前記溝に嵌まり合う凸部とからなり、
前記ピストンと前記駆動シャフトとの間には、回転方向および軸方向のすべりが可能な滑り軸受が配置されたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかの密閉式ポンプ装置において、
対向作動する前記ピストンの間に挟まれた空間の容積変化も、流体の吸入と圧縮動作の第２作動室として利用することを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項８】
請求項５の密閉式ポンプ装置において、
前記ピストンの外周面には、周方向に沿うラビリンス溝が設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項９】
請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
前記駆動シャフトが１８０°回転することにより、対向配置された前記ピストンが１往復動するように設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１０】
請求項９の密閉式ポンプ装置において、
前記駆動シャフトが９０°回転することにより、対向配置された前記ピストンが１往動あるいは１復動するように設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１１】
筒状を呈するシリンダと、
このシリンダ内に配置され、前記シリンダ内を往復動することにより前記シリンダ内の容積を変化させ、流体の吸入と圧縮動作を行うピストンと、
このピストンの往復動方向に沿って弾性的に伸縮し、前記ピストンの内部に隔離空間を形成する伸縮部材と、
前記隔離空間の内部に配置され、前記ピストンを前記シリンダ内で往復駆動させるための駆動機構と、
を具備する密閉式ポンプ装置において、
前記駆動機構は、
前記ピストンを対向配置してなる前記ピストン間の前記隔離空間内に配置されるものであり、
回転駆動される駆動シャフトと、
この駆動シャフトと一体に回転する楕円形状を呈した楕円カムと、
この楕円カムの周囲を取り囲むチェーン状を呈し、前記楕円カムの回転を往復動のストロークに変換する拘束部材と、
この拘束部材による往復動のストロークを前記ピストンに伝達する拘束部材ホルダーとを備え、
対向配置した前記ピストンを対向動作するように設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１２】
請求項１１の密閉式ポンプ装置において、
前記拘束部材ホルダーは、前記ピストンに固定されるものであり、前記伸縮部材内における前記隔離空間内において滑り軸受を介して筒状固定部材に支持されることを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１３】
請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
前記シリンダと前記ピストンとの間に形成される第１作動室へ吸入流体を導く吸入口が前記シリンダの外周側に設けられる場合、
前記吸入口から吸引された流体を前記第１作動室に導くとともに、前記第１作動室で圧縮された流体の流出を阻止する吸入弁は、板状を呈した吸入リード弁を用いて構成されるものであり、
前記吸入リード弁の開放端は、前記駆動シャフトに向けて設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１４】
請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
前記シリンダと前記ピストンとの間に形成される第１作動室で圧縮された圧縮流体を外部へ導く吐出口が前記シリンダの外周側に設けられる場合、
前記第１作動室で圧縮された流体を前記シリンダの外部へ導くとともに、流体が前記第１作動室の内部に流出するのを阻止する吐出弁は、板状を呈した吐出リード弁を用いて構成されるものであり、
前記吐出リード弁の開放端は、前記駆動シャフトとは異なった側に向けて設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１５】
請求項１または請求項２の密閉式ポンプ装置において、
前記伸縮部材は、対向配置した前記ピストンの間において分割して設けられ、分割された前記伸縮部材を連結する連結部材は、固定部材に固定されたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【請求項１６】
筒状を呈するシリンダと、
このシリンダ内に配置され、前記シリンダ内を往復動することにより前記シリンダ内の容積を変化させ、流体の吸入と圧縮動作を行うピストンと、
このピストンの往復動方向に沿って弾性的に伸縮し、前記ピストンの内部に隔離空間を形成する伸縮部材と、
前記隔離空間の内部に配置され、前記ピストンを前記シリンダ内で往復駆動させるための駆動機構と、
を具備する密閉式ポンプ装置において、
前記ピストンには、そのピストンによって圧縮される流体の一部を前記ピストン内に導き、前記ピストンの外周面より前記ピストンの頂部側へ向けて吹き出す逆噴射手段が設けられたことを特徴とする密閉式ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部との遮断性に優れた密閉式ポンプ装置に関するものであり、例えば、燃料電池用の水素循環ポンプや、可燃性流体、毒性流体のポンプに用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
密閉式ポンプ装置として、特開平９−２５９９１２号公報に開示されたダイヤフラム式ポンプが知られている。この密閉式ポンプ装置は、ダイヤフラムによって区画された作動室の容積を、ダイヤフラムを変位させることによって変化させるものであり、ダイヤフラムの変位による作動室の容積変化を利用して作動流体の吸入および吐出を行うものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ダイヤフラムを用いた密閉式ポンプ装置では、ダイヤフラムの伸縮量を大きくとることができない。このため、燃料電池用の未反応ガスを循環させるのに要求される大流量の循環ポンプ等、容量を増大させるには、ポンプ装置の体格を大きくする必要がある。特に、車載用の場合では、ポンプ装置の体格が大きくなると、ポンプ装置を車両に搭載するのが困難になってしまう。
また、ダイヤフラムによる作動室とは別の部分にダイヤフラムを駆動する駆動機構が設けられる構造であるため、これによってもポンプ装置の体格が大きくなってしまう。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の第１の目的は体格の小型化が可能な密閉式ポンプ装置の提供にあり、第２の目的は摺動粉が流体に混入することのない密閉式ポンプ装置の提供にあり、第３の目的は低振動の密閉式ポンプ装置の提供にあり、第４の目的は凍結による作動不良の発生のない密閉式ポンプ装置の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１、２、１１、１６の手段〕
ピストンの内部空間にピストンを往復動させる駆動機構を配置したことで、密閉式ポンプ装置の体格を小型化することができる。また、伸縮部材の内部に形成された隔離空間の内部に駆動機構が配置されるため、駆動機構の作動によって発生する摺動粉や潤滑材等が作動室に混入する不具合がなく、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
【０００７】
〔請求項１、２の手段〕
請求項１、２の手段を採用し、対向配置されたピストン間の隔離空間内に駆動機構を配置することにより、ピストン間に形成されるデッドスペースを有効に利用することができ、密閉式ポンプ装置の体格を小型化することができる。
また、ピストンの往復動に伴う振動が、ピストンが対向作動することによって打ち消され、密閉式ポンプ装置を低振動にできる。
【０００８】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用して、ピストンに連結固定された第１滑りガイドと、ケーシングに連結固定された第２滑りガイドとを、軸方向のみに往復動するように設けたことによって、ピストンの回転が阻止され、ピストンは軸方向のみに往復動する。
なお、第１滑りガイドと第２滑りガイドの摺接面に固体潤滑材（フッ素系樹脂等）を被覆することにより、第１滑りガイドと第２滑りガイドの摺接抵抗が低減し、ピストンを円滑に往復動させることができる。
【０００９】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用して、ピストンとケーシングとの間に形成される空間に第２伸縮部材を配置して、駆動シャフトの周囲を第２隔離空間内に配置したことにより、駆動シャフトの周囲で発生する摺動粉が流体に混入する不具合がない。これによって、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
【００１０】
〔請求項５の手段〕
請求項５の手段を採用して、ピストンを駆動シャフトによって支持させ、ピストンがシリンダに摺接しないように設けたことにより、ピストンとシリンダの摺動粉が発生せず、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
【００１１】
〔請求項６の手段〕
請求項６の手段を採用して、シリンダに対してピストンが軸方向のみに往復動するように設けたことによって、ピストンの回転が阻止され、ピストンは軸方向のみに往復動する。
なお、シリンダとピストンの摺接面に固体潤滑材（フッ素系樹脂等）を被覆することにより、シリンダに対するピストンの摺接抵抗が低減し、ピストンを円滑に往復動させることができる。
【００１２】
〔請求項７の手段〕
請求項７の手段を採用して、対向作動するピストンの間に挟まれた空間の容積変化も第２作動室として利用することにより、１つのピストンが１往復する間に２回の吸入行程と２回の吐出行程とが得られる。このため、吸入量および吐出量が増大し、結果的に密閉式ポンプ装置の体格を小型化できる。
【００１３】
〔請求項８の手段〕
シリンダに対してピストンが摺接しないように設けると、シリンダとピストンのクリアランスによって流体のリークが発生してポンプ効率の低下を招く可能性がある。
そこで、請求項８の手段を採用して、ピストンの外周面にラビリンス溝を設けることにより、クリアランスにおける流体のリークを抑えることができ、結果的にポンプ効率の低下を防ぐことができる。
【００１４】
一方、請求項８の手段を採用して、ピストンの外周面にラビリンス溝を設けることにより、シリンダとピストンの間に凝縮水が発生した場合であっても、その水がラビリンス溝内に溜る。このため、運転停止中に温度低下によって水が凍結した場合であっても、起動させた際にシリンダとピストンがロックする不具合を回避できる。
また、シリンダとピストンとが水の凍結によって結合されるような場合であっても、ラビリンス溝の分だけ凍結による結合面積が小さくなる。このため、凍結時における起動トルクを低減することができ、凍結による密閉式ポンプ装置の破損を防止できる。
【００１５】
〔請求項９、１０の手段〕
請求項９、１０の手段を採用して、駆動シャフトが１８０°回転することにより、対向配置されたピストンが１往復動するため、吸入量および吐出量が増大し、結果的に密閉式ポンプ装置の体格を小型化できる。
【００１６】
〔請求項１１の手段〕
請求項１１の手段を採用することにより、クランクとコンロッドを有したクランク機構を持たずとも、駆動シャフトの回転を直交方向の往復動に変換することができる。これによって、駆動シャフトに対して直交方向に往復動する密閉式ポンプ装置を小型化できる。
また、ピストンの往復動に伴う振動が、ピストンが対向作動することによって打ち消されるため、密閉式ポンプ装置を低振動化できる。
【００１７】
〔請求項１２の手段〕
請求項１２の手段を採用して、伸縮部材内における隔離空間内において、ピストンに固定される拘束部材ホルダーを滑り軸受を介して筒状固定部材に支持する構造とすることにより、シリンダにピストンが摺接しないようにできる。このため、ピストンとシリンダの摺動粉が発生せず、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
【００１８】
〔請求項１３の手段〕
請求項１３の手段を採用して、吸入口がシリンダの外周側に設けられる場合、板状を呈した吸入リード弁の開放端を駆動シャフトに向けて設けたことにより、外周から内周に向かう吸入流体をスムーズにシリンダ内に導くことができる。これによって、ピストンによって吸引される流体の吸入効率が増し、密閉式ポンプ装置の小型化および高流量化が可能になる。
また、シリンダの内側に向いて流体が吸入されるため、ピストンの中心部を効率的に冷却することができる。これによって、ピストンの内部に配置される駆動機構の高温化を防ぐことができ、結果的に駆動機構の耐久性を向上させることができる。
さらに、板状を呈した吸入リード弁を用いたものであるため、弁機構を簡素化でき、密閉式ポンプ装置の小型化が可能になる。
【００１９】
〔請求項１４の手段〕
請求項１４の手段を採用して、吐出口がシリンダの外周側に設けられる場合、板状を呈した吐出リード弁の開放端を駆動シャフトとは異なった側に向けて設けたことにより、内周から外周に向かう吐出流体をスムーズに吐出口に導くことができる。これによって、流体の吐出効率が増し、密閉式ポンプ装置の小型化および高流量化が可能になる。
【００２０】
さらに、板状を呈した吐出リード弁を用いたものであるため、弁機構を簡素化でき、密閉式ポンプ装置の小型化が可能になる。
【００２１】
〔請求項１５の手段〕
伸縮部材は、弾性的に伸縮するために、バネとみなすことができる。このため、伸縮部材が長くなると、固有振動数が低くなるため、高速作動時にはサージングを起こして破損する可能性がある。
そこで、請求項１５の手段を採用して、弾性的に伸縮する伸縮部材を、対向配置したピストンの間において分割し、その連結部材を固定部材に固定することにより、伸縮部材の固有振動数を２倍に高めることができる。これによって、高速作動時においてもサージングの発生を防ぐことができ、連結部材の破損を防ぐことができる。
【００２２】
〔請求項１６の手段〕
シリンダに対してピストンが摺接しないように設けると、シリンダとピストンのクリアランスによって流体のリークが発生してポンプ効率の低下を招く可能性がある。
そこで、請求項１６の手段を採用して、ピストンによって圧縮される流体の一部をピストン内に導き、ピストンの外周面よりピストンの頂部側へ向けて吹き出す逆噴射手段を設けることにより、クリアランスから流入した流体と、逆噴射手段から吹き出された流体とが衝突し、大きな合流損失が生じる。これによって、クリアランスにおける流体のリークを抑えることができ、結果的にポンプ効率の低下を防ぐことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、複数の実施例および変形例を用いて説明する。
〔第１実施例〕
図１は密閉式ポンプ装置の断面図である。この密閉式ポンプ装置は、例えば車両に搭載される燃料電池用の水素循環用ポンプに用いられるものであり、大別して、ポンプユニット１と、このポンプユニット１を駆動するための電動モータ２とから構成される。
なお、この実施例に示すポンプユニット１は、少なくとも水素に触れる部分は、水素を透過せず、破毒性および耐久性に優れた金属材料（例えばＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス）によって構成されるものである。
【００２６】
ポンプユニット１は、ケーシング３の内部に収められたものであり、このケーシング３は、略円筒状を呈した筒状ケース４、および筒状ケース４の両端にボルト等によって締結される円盤状の側壁５からなる。
筒状ケース４の内部には、円筒形状を呈したシリンダ６が形成されている。
このシリンダ６の内部には、シリンダ６の内部を往復動することによりシリンダ６内に形成される第１作動室７の容積を変化させ、流体の吸入と圧縮動作を行うピストン８が対向配置されている。このピストン８は、後述する駆動機構１０によって対向作動するものであり、対向作動するピストン８に挟まれた空間にも、流体の吸入と圧縮動作を行う第２作動室１１が形成される。
【００２７】
対向するピストン８の内部は、ピストン８の往復動方向に沿って弾性的に伸縮する第１ベローズ１２（伸縮部材に相当）が配置され、ピストン８の内部に第１ベローズ１２によって隔離された隔離空間１３を形成している。なお、第１ベローズ１２は、ピストン８の往復動方向に沿って弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を呈したものである。
【００２８】
この第１ベローズ１２は、対向するピストン８の間において分割して設けられており、分割された第１ベローズ１２を連結する中央の連結部材１４は、ケーシング３に固定されている。筒状ケース４の側面には、図２に示すように、複数のボルト穴１５が設けられており、このボルト穴１５にボルト（図示しない）を締結することにより、連結部材１４がケーシング３に固定される。
この実施例のように、弾性的に伸縮する第１ベローズ１２を分割し、その連結部材１４をケーシング３に固定することにより、第１ベローズ１２の固有振動数を２倍に高めることができる。これによって、高速作動時においてもサージングの発生を防ぐことができ、第１ベローズ１２の破損を防ぐことができる。
【００２９】
第１ベローズ１２によって隔離された隔離空間１３の内部には、ピストン８をシリンダ６内で往復駆動させるための駆動機構１０が配置されている。
この駆動機構１０は、対向配置されたピストン８間に形成された隔離空間１３内に配置されるものであり、電動モータ２によって回転駆動される駆動シャフト１６と、この駆動シャフト１６と一体に回転し、駆動シャフト１６の周囲にリブ状に張り出したフェイスカム１７と、このフェイスカム１７の軸方向のカム面に沿うローラ１８を有し、そのローラ１８の軸方向変位をピストン８に伝達するローラホルダー１９とを備え、対向配置したピストン８を対向動作させるものである。
【００３０】
駆動シャフト１６は、電動モータ２の出力軸２０が挿入されて、その出力軸２０と一体回転するものであり、円盤状の側壁５の中心穴に配置されたシャフトベアリング２１によって回転自在に支持されている。
フェイスカム１７は、図３に示すように、駆動シャフト１６が１回転すると、軸方向に２回波うつように設けられている。
【００３１】
ローラホルダー１９は、フェイスカム１７の軸方向の変位をピストン８に伝えるものであり、ローラホルダー１９の概略を図２〜図４を用いて説明する。なお、図２〜図４では、フェイスカム１７を軸方向の両側から挟むローラピン１８’（ローラ１８に相当）を備えるものであり、ローラピン１８’はベアリング２２’を介して回転自在に支持されるものである。フェイスカム１７が９０°回転すると、図４（ａ）から図４（ｂ）に示すように、対向するピストン８が離反するように駆動され、さらにフェイスカム１７が９０°回転すると、図４（ｂ）から図４（ａ）に示すように、対向するピストン８が接近するように駆動されるものである。つまり、駆動シャフト１６が１８０°回転することにより、対向配置されたピストン８が１往復動する。
【００３２】
具体的なローラホルダー１９は、図１に示すように、アッパーホルダー１９ａとロワホルダー１９ｂとを組み合わせたものである。また、図４のローラピン１８’に代わって、フェイスカム１７に沿って回転するローラ１８を設けたものであり、このローラ１８はアッパーホルダ１９ａとロワホルダー１９ｂに支持されるローラ支持ピン２２によって回転自在に支持される。そして、ローラホルダー１９の軸方向の変位は、ピストン８とローラホルダー１９の両方に固定されたリングプレート２３を介してピストン８に伝達される。
【００３３】
フェイスカム１７が回転すると、ローラホルダー１９を介してピストン８に回転トルクが加わる。このため、ピストン８の回転を阻止し、ピストン８を往復動させる手段が設けられている。
この手段は、駆動シャフト１６の両側の周囲に設けられるものであり、ピストン８にリングプレート２３を介して連結固定された略円筒形状を呈した第１滑りガイド２４と、ケーシング３に連結固定され、第１滑りガイド２４の外周に嵌まり合う第２滑りガイド２５とを具備する。図５に示すように、第２滑りガイド２５の内周面には、軸方向に沿うスプライン溝２５ａが設けられ、第１滑りガイド２４の外周面には、スプライン溝２５ａに嵌まり合う軸方向に沿うスプライン凸部２４ａが設けられている。このように設けられることによって、ピストン８の回転を阻止し、ピストン８を往復動させることができる。
【００３４】
なお、第１滑りガイド２４と第２滑りガイド２５の摺接面は、フッ素系樹脂等の固体潤滑材が被覆されている。これによって、第１滑りガイド２４と第２滑りガイド２５の摺接抵抗が低減し、ピストン８を円滑に往復動させることができる。
ピストン８を支持する第１滑りガイド２４と、駆動シャフト１６との間には、回転方向および軸方向のすべりが可能な滑り軸受２６が配置されており、駆動シャフト１６の回転に関係なく、第１滑りガイド２４が駆動シャフト１６の周囲に支持される。
【００３５】
第１滑りガイド２４および第２滑りガイド２５の周囲には、ピストン８の往復動方向に沿って伸縮する第２ベローズ２７（第２伸縮部材に相当）が配置されている。この第２ベローズ２７は、上述した第１ベローズ１２と同様、弾性的に伸縮する蛇腹状の筒形を呈したものであり、ピストン８とケーシング３との間に形成される空間の内部に、駆動シャフト１６、第１滑りガイド２４、第２滑りガイド２５を収容する第２隔離空間２８を形成するものである。
【００３６】
このように、第２ベローズ２７によって駆動シャフト１６や第１滑りガイド２４、第２滑りガイド２５の周囲を覆うことにより、ピストン８の支持部材である第１滑りガイド２４と第２滑りガイド２５の摺動粉、第１滑りガイド２４と滑り軸受２６の摺動粉、およびこの滑り軸受２６と駆動シャフト１６との摺動粉等が流体に混入する不具合がない。これによって、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を摺動粉で汚染する不具合がない。
【００３７】
上述したように、ピストン８は、第１滑りガイド２４、滑り軸受２６等を介して駆動シャフト１６の周囲に支持されるものであり、ピストン８がシリンダ６に摺接しないように設けられている。この構成によって、ピストン８とシリンダ６の摺動粉が発生せず、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を摺動粉で汚染する不具合がない。
【００３８】
シリンダ６に対してピストン８が摺接しないように設けると、シリンダ６とピストン８のクリアランスによって対向する第１作動室７が繋がり、クリアランスによる流体のリークが発生してポンプ効率の低下を招く可能性がある。
そこで、図６に示すように、ピストン８の外周面に円周方向に沿う複数のラビリンス溝３１を設けている。このようにラビリンス溝３１を複数設けることにより、クリアランスにおける流体のリークを抑えることができ、ポンプ効率の低下を防ぐことができる。
【００３９】
密閉式ポンプ装置によって駆動される流体（燃料電池の循環ガス）には、水素の他に、窒素、凝縮水が含まれる。このため、凝縮水がシリンダ６とピストン８のクリアランスに発生する場合がある。しかるに、ピストン８の外周面に複数のラビリンス溝３１を設けることにより、シリンダ６とピストン８の間に凝縮水が発生した場合であっても、その水がラビリンス溝３１内に溜る。このため、運転停止中に温度低下によって水が凍結した場合であっても、起動させた際にシリンダ６とピストン８が凍結によってロックする不具合を回避することができる。
また、シリンダ６とピストン８とが水の凍結によって結合されるような場合であっても、ラビリンス溝３１の分だけ凍結による結合面積が小さくなる。このため、凍結時における起動トルクを低減することができ、凍結による密閉式ポンプ装置の破損を防止できる。
【００４０】
筒状ケース４の側面（図１では下面）には、流体をポンプユニット１内に導く吸入口３２が設けられており、この実施例の吸入口３２は、ケーシング３内に形成された吸入通路３３と、２つのピストン８の間に形成される第２作動室１１とへ、吸入流体を導くために、３又の吸入路３３ａが設けられている。
吸入口３２とは異なる側の筒状ケース４の側面（図１では上面）には、ポンプユニット１内で圧縮された流体を外部へ導く吐出口３４が設けられており、この実施例の吐出口３４は、上述した吸入口３２と同様、ケーシング３内に形成された吐出通路３５と、２つのピストン８の間に形成される第２作動室１１とから圧送される流体を外部へ導くために、３又の吐出路３５ｂが設けられている。
【００４１】
外周側の吸入口３２から吸入された流体は、シリンダ６の両端部に固着された弁機構の吸入弁３６を介して第１作動室７へ導かれる。このため、外周側から吸入された流体は、吸入弁３６を通ってからピストン８の中心側に向けて吸い込まれる。
逆に、第１作動室７内で圧縮された流体は、シリンダ６の両端部に固着された弁機構の吐出弁３７を介して外周側に設けられた吐出口３４に導かれる。このため、第１作動室７内で圧縮された流体は、吐出弁３７を通ってから外周方向に向けて吐出される。
【００４２】
ここで、シリンダ６の両端部に設けられる弁機構を、図７を参照して説明する。弁機構は、吸入リード弁３８および吐出リード弁３９を形成する薄板状の弁体リング４１と、吸入リード弁３８の吸入側の変位量を所定量に規制する吸入弁抑え４２ａおよび吐出穴４２ｂが形成された吸入弁抑えリング４２と、吐出リード弁３９の吐出側の変位量を所定量に規制する吐出弁抑え４３ａおよび吸入穴４３ｂが形成された吐出弁抑えリング４３とを積層したものである。
【００４３】
ここで、吸入リード弁３８の開放端は、駆動シャフト１６に向けて設けられている。これによって、外周から内周に向かう吸入流体をスムーズに第１作動室７内に導くことができる。この結果、第１作動室７への流体の吸入効率が増す。
また、第１作動室７の内側に向いて流体が吸入されるため、ピストン８の中心部を効率的に冷却することができる。これによって、ピストン８の内部に配置される駆動機構１０の高温化を防ぐことができ、結果的に駆動機構１０の耐久性を向上させることができる。
【００４４】
また、吐出リード弁３９の開放端を駆動シャフト１６とは異なった側に向けて設けたことにより、内周から外周に向かう吐出流体をスムーズに吐出口３４に導くことができる。これによって、流体の吐出効率が増す。
【００４５】
第２作動室１１へ流体を導く第２吸入弁４４および第２作動室１１で圧縮された流体を吐出口３４に導く第２吐出弁４５も、上述した弁機構と同様、板状を呈したリード弁を用いたものである。
このように、各弁機構に構成が単純で薄型化できるリード弁を用いたことにより、弁機構を簡素化でき、密閉式ポンプ装置の小型化が可能になる。
【００４６】
〔第１実施例の作動〕
電動モータ２が作動し、駆動シャフト１６の回転に伴ってフェイスカム１７が回転すると、フェイスカム１７の軸方向の変位に伴って２つのローラホルダー１９が軸方向に対向して往復動する。２つのローラホルダー１９が往復動すると、各ローラホルダー１９に連結された２つのピストン８がシリンダ６の内部において対向作動する。
駆動シャフト１６が１８０°回転する毎に、各ピストン８が対向して往復動し、２つのピストン８の両側の各第１作動室７がそれぞれ流体の吸入と圧縮を行うとともに、２つのピストン８の間の第２作動室１１が流体の圧縮と吸入を行う。
この各第１作動室７および第２作動室１１における流体の吸入行程によって、吸入口３２から流体が吸い込まれるとともに、各第１作動室７および第２作動室１１で圧縮された流体が吐出口３４から吐出される。
【００４７】
〔第１実施例の効果〕
上記の実施例で示したように、密閉式ポンプ装置は、ピストン８の内部空間に駆動機構１０を配置したことで、密閉式ポンプ装置の体格を小型化することができる。また、第１ベローズ１２の内部に形成された隔離空間１３の内部に駆動機構１０が配置されるため、駆動機構１０の作動によって発生する摺動粉や潤滑材等が流体に混入する不具合がなく、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
また、シリンダ６とピストン８との間に微細なクリアランスが保たれるため、第１ベローズ１２の隔離空間１３の外側に摺動部がなく、摺動に伴う摺動粉が流体に混入せず、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
【００４８】
対向配置されたピストン８間に生じるデッドスペースを有効に利用することができ、対向するピストン８を備えた密閉式ポンプ装置の体格を小型化することができる。
ピストン８が対向作動することによってピストン８の往復動に伴う振動が打ち消されるため、密閉式ポンプ装置を低振動にでき、騒音も低減できる。
【００４９】
ピストン８の１回の伸縮で、第１作動室７と第２作動室１１が１回ずつ、駆動シャフト１６の回転に対して９０°位相がずれた状態で２回連続して流体を吸引するとともに、第１作動室７と第２作動室１１が１回ずつ、９０°位相がずれた状態で流体を２回連続して吐出する。これによって、ポンプ能力が高くなり、密閉式ポンプ装置の体格を従来に比較して小型化することができる。
第１作動室７と第２作動室１１の吸入行程と吐出行程の位相が９０°ずれるため、流体の吸引および吐出の脈動が平均化される。
【００５０】
〔第２実施例〕
図８を参照して第２実施例を説明する。なお、以下の各実施例では、上記実施例と相違する部分のみを説明するものであり、第１実施例と同一機能物は同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
この第２実施例は、駆動機構１０が第１実施例と異なるものであり、この実施例の駆動機構１０は、駆動シャフト１６と一体に回転し、外周囲にカム溝５１が形成されたカムロータ５２と、カム溝５１に挿入されたガイドピン５３を有し、そのガイドピン５３の軸方向変位をピストン８に伝達するガイドピンホルダー５４とを備えるものであり、２つの対向したガイドピンホルダー５４の往復動によって、対向配置したピストン８を対向動作させるものである。
【００５２】
なお、カム溝５１は、図８に示すように、駆動シャフト１６が１回転すると、軸方向に２回波うつように設けられている。
また、ガイドピン５３は、ベアリング５５を介してガイドピンホルダー５４に回転自在に支持されるものである。
このように設けられることにより、第１実施例の駆動機構１０と同様、カムロータ５２が９０°回転すると、対向するピストン８が離反するように駆動され、さらにカムロータ５２が９０°回転すると、対向するピストン８が接近するように駆動される。
【００５３】
〔第３実施例〕
図９を参照して第３実施例を説明する。
この第３実施例は、ピストン８の回転を阻止し、ピストン８を往復動させる手段が第１実施例と異なるものであり、この実施例では、図９（ａ）に示すようにピストン８の外周壁に軸方向に沿う溝８ａを設け、図９（ｂ）に示すようにシリンダ６の内周壁に、ピストン８の溝８ａに嵌まり合う凸部６ａ（例えば軸方向に沿うリブ）を設けたものである。このように設けることによって、第１実施例と同様、ピストン８の回転を阻止し、ピストン８を往復動させることができる。
【００５４】
なお、シリンダ６とピストン８の摺接面の少なくとも一方に、フッ素系樹脂等の固体潤滑材を被覆し、シリンダ６に対するピストン８の摺接抵抗を低減し、ピストン８が円滑に往復動するように設けられている。
なお、この第３実施例では、第１実施例で示した第１滑りガイド２４および第２滑りガイド２５が必要ないため、ピストン８と駆動シャフト１６との間に回転方向および軸方向のすべりが可能な滑り軸受（図示しない）が配置され、この滑り軸受を介してピストン８が駆動シャフト１６に支持される。
【００５５】
〔第４実施例〕
図１０を参照して第４実施例を説明する。
この第４実施例に示すピストン８には、ピストン８によって圧縮される流体の一部をピストン８内に導き、そしてピストン８の外周面よりピストン８の頂部側へ向けて吹き出す複数の逆噴射孔５６（逆噴射手段に相当）が設けられたものである。
このように、ピストン８に複数の逆噴射孔５６を設けることにより、シリンダ６とピストン８の間のクリアランスから流入した流体と、逆噴射孔５６から吹き出される流体とが衝突し、合流損失が生じる。これによって、クリアランスにおける流体のリークを抑えることができ、結果的にポンプ効率の低下を防ぐことができる。
【００５６】
〔第５実施例〕
上記の第１実施例では、ピストン８の外周面にラビリンス溝３１を設けることによって、シリンダ６とピストン８のクリアランスに発生した水の凍結によるピストン８のロックを防ぐ例を示したが、この第５実施例ではピストン８の外周面に、水をはじく撥水材（例えば、フッ素系樹脂）を被覆したものである。
これにより、シリンダ６とピストン８の間に付着する水の量を少なくすることができる。このため、凍結による結合面積が小さくなるため、凍結時における起動トルクを低減することができ、凍結による密閉式ポンプ装置の破損を防止できる。
なお、第１実施例で示したラビリンス溝３１を併用しても良い。
【００５７】
〔第６実施例〕
上記の第５実施例では、ピストン８の外周面に撥水材を被覆した例を示したが、この第６実施例はシリンダ６の内周面に、水をはじく撥水材（例えば、フッ素系樹脂）を被覆したものである。このように設けることにより、第５実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
〔第７実施例〕
この第７実施例では、弁機構を構成する弁体（吸入リード弁３８および吐出リード弁３９を形成する弁体リング４１）、あるいは弁座（吸入弁抑えリング４２と吐出弁抑えリング４３）の少なくとも一方に、水をはじく撥水材（例えば、フッ素系樹脂）を被覆したものである。
このように設けることにより、弁体と弁座の間に付着する水の量を少なくすることができる。このため、凍結による弁機構の作動不良を抑えることができ、凍結による密閉式ポンプ装置の作動不良を抑えることができる。
【００５９】
〔第８実施例〕
図１１、図１２を参照して第８実施例を説明する。
この第８実施例は、駆動シャフト１６の軸方向に対してピストン８が直交方向に往復動するタイプの密閉式ポンプ装置を示すものである。
駆動シャフト１６に対してピストン８が直交方向に往復動させる駆動機構１０は、ピストン８を対向配置してなるピストン８間の隔離空間１３内に配置されるものであり、駆動シャフト１６と一体に回転する楕円形状を呈した楕円カム６１と、この楕円カム６１の周囲を取り囲む４つの連結鎖からなるチェーン状を呈し、楕円カム６１の回転を往復動のストロークに変換する拘束部材６２と、この拘束部材６２による往復動のストロークをピストン８に伝達する拘束部材ホルダー６３とを備えるものであり、拘束部材ホルダー６３は、４つの連結鎖の対向する連結部分が連結されたものである。このような構成を採用する駆動機構１０により、対向配置したピストン８を対向動作させるものである。
【００６０】
この実施例では、ピストン８が駆動シャフト１６の軸方向に対して直交方向に往復動するものであるため、シリンダ６も駆動シャフト１６の軸方向に対して直交方向に設けられている。なお、この実施例のシリンダ６は、一方のピストン８を収容する部分と、他方のピストン８を収容する部分とが分割されており、分割されたシリンダ６は、中心側の隔壁６４および駆動シャフト１６が挿通された結合部材６５によって結合されている。
【００６１】
この実施例では、クランクとコンロッドを有したクランク機構を持たずとも、駆動シャフト１６の回転を直交方向の往復動に変換し、２つのピストン８を往復動することができる。これによって、駆動シャフト１６に対して直交方向に往復動する密閉式ポンプ装置を小型化できる。また、ピストン８の往復動に伴う振動が、ピストン８が対向作動することによって打ち消されるため、密閉式ポンプ装置を低振動化できる。
【００６２】
一方、この実施例では、第１ベローズ１２内における隔離空間１３内において、拘束部材ホルダー６３を滑り軸受６６を介して筒状固定部材６７に支持する構造を採用している。なお、筒状固定部材６７は、隔壁６４および結合部材６５に固定されるものである。この構造によって、拘束部材ホルダー６３に連結されたピストン８がシリンダ６に摺接しないようにできるため、ピストン８とシリンダ６の摺動粉が発生せず、密閉式ポンプ装置から吐出される流体を汚染する不具合がない。
【００６４】
上記の実施例では、本発明を水素循環用ポンプに適用した例を示したが、例えば水素以外の可燃性ガス、毒性ガス等の気体圧送用ポンプや、可燃性液体、毒性液体等の液体圧送用ポンプに適用しても良い。
上記の実施例では、ポンプユニット１の材質として、金属を用いた例を示したが、ポンプユニット１の構成部材の一部、あるいは全部を樹脂やゴムを用いて構成しても良い。つまり、例えば、適用される作動流体に応じて、第１、第２ベローズ１２、２７等を樹脂やゴムを用いて構成しても良い。
上記の実施例では、筒状ケース４の内部に円筒形状を呈したシリンダ６が形成されている例を示したが、シリンダライナ部材をケース内部に挿入、固定することで、シリンダを形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】  密閉式ポンプ装置におけるポンプユニットの断面図である（第１実施例）。
【図２】  ポンプユニットの分解斜視図である（第１実施例）。
【図３】  駆動機構の分解斜視図である（第１実施例）。
【図４】  駆動機構の概略説明図である（第１実施例）。
【図５】  第１、第２滑りガイドの分解斜視図である（第１実施例）。
【図６】  ピストンの外周面に形成されたラビリンス溝の説明図である（第１実施例）。
【図７】  弁機構の分解斜視図である（第１実施例）。
【図８】  駆動機構の概略説明図である（第２実施例）。
【図９】  シリンダおよびピストンに形成したピストンの回り止め手段の説明図である（第３実施例）。
【図１０】  ピストンに形成した逆噴射孔の説明図である（第４実施例）。
【図１１】  ポンプユニットの駆動シャフト側から見た断面図である（第８実施例）。
【図１２】  ポンプユニットの駆動シャフトに沿う断面図である（第８実施例）。
【符号の説明】
１    ポンプユニット
２    電動モータ
３    ケーシング（固定部材）
６    シリンダ
６ａ  凸部（シリンダの内周壁に設けられた凸部）
７    第１作動室
８    ピストン
８ａ  溝（ピストンの外周壁に設けられた軸方向に沿う溝）
１０    駆動機構
１１    第２作動室
１２    第１ベローズ（伸縮部材）
１３    隔離空間
１４    連結部材
１６    駆動シャフト
１７    フェイスカム
１８    ローラ
１９    ローラホルダー
２４    第１滑りガイド
２４ａ  スプライン凸部（溝に嵌まり合う凸部）
２５    第２滑りガイド
２５ａ  スプライン溝（軸方向に沿う溝）
２６    滑り軸受
２７    第２ベローズ（第２伸縮部材）
２８    第２隔離空間
３１    ラビリンス溝
３２    吸入口
３４    吐出口
３６    吸入弁
３７    吐出弁
３８    吸入リード弁
３９    吐出リード弁
４１    弁体リング（弁体）
４２    吸入弁抑えリング（弁座）
４３    吐出弁抑えリング（弁座）
５１    カム溝
５２    カムロータ
５３    ガイドピン
５４    ガイドピンホルダー
５６    逆噴射孔（逆噴射手段）
６１    楕円カム
６２    拘束部材
６３    拘束部材ホルダー
６６    滑り軸受
６７    筒状固定部材
【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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【図８】
0004569039.tif 000009
【図９】
0004569039.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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