(57)【要約】      （修正有）【課題】ポンプの排水性をより向上させる。【解決手段】ポンプ室２２の上面には吸入口２８が、底面には排出口３０が形成される。このうち、排出口３０は、ポンプ室２２の底面のロータ回転軸方向の両端４０に跨る長孔となっている。つまり、回転軸方向の端部４０は、排出口３０として開口していることになる。そのため、端部４０に至った水も、残留することなく外部に排出される。その結果、ポンプの排水性を向上できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入口を介してポンプ室内に導かれた流体を、ロータの回転により圧縮した後、排出口を介して外部に排出するポンプであって、
排出口は、当該排出口が形成される排出口形成面のロータ回転軸方向の両端のうち、少なくとも片側端部付近に形成されることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプであって、
排出口は、少なくとも、前記片側端部付近からロータ回転軸に平行に延びる長孔であることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のポンプであって、
排出口は、排出口形成面のロータ回転軸方向の両端を結ぶ長孔であることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のポンプであって、
排出口が、排出口形成面のロータ回転軸方向の両端のうち、いずれか一方の片側端部付近にのみ形成される場合に、
排出口が形成された片側端部が最下方になるべくポンプ全体が傾斜して配置されることを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項４に記載のポンプであって、
排出口は、排出口形成面のロータ回転軸方向の両端のうち、ロータ回転用のモータから遠い側の端部付近に形成されることを特徴とするポンプ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載のポンプであって、
排出口は、正面からみて、ポンプの幅方向の中心に形成されることを特徴とするポンプ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載のポンプであって、
排出口は、その重心が、吸入口の重心と正対する位置に設けられることを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸入口を介してポンプ室内に導かれた流体を、ロータの回転により圧縮した後、排出口を介して外部に排出するポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、様々な分野で使用されているポンプの中には、高い排水性が要求されるものがある。例えば、車両用の燃料電池システムに搭載されるポンプでは、高い排水性が要求される。燃料電池システムでは、燃料電池に水素ガスと酸素を供給し、両者の電気化学的反応により電力を生成している。このとき、供給された水素ガスは、その全てが反応に利用されるわけではなく、一部はそのまま排出される。燃料電池からそのまま排出された水素ガスは、ポンプで回収された後、再度、燃料電池に供給される。このとき、ポンプは、水素ガスだけでなく、電力生成に伴い発生した水も、回収、排出する。
【０００３】
ポンプ室内に導かれた水は、通常、ポンプ室に形成された排出口から外部へと排出される。しかし、現状のポンプでは、かかる水を完全に排出することはできず、一部の水は、ポンプ室内に残留する場合がある。この場合において、この残留水が凍結すると、ポンプの駆動、ひいては、燃料電池システム全体の駆動を大きく阻害する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１８０４２１号公報
【特許文献２】特開２００５−１２３１２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１には、ポンプ室の底部の最下部に吐出口を設け、この底部には下り勾配をなして前記吐出口に連なる案内面を形成した流体圧縮機が開示されている。また、特許文献２には、燃料電池スタックへアノードガス（回収・圧縮後の水素ガスなど）を供給するためのガス供給部が、下方に傾斜して取り付けられるポンプが開示されている。これらの技術によれば、ポンプ室内における水は、重力を受けて水が吐出口（ガス供給部）に集まりやすくなるため、排水性を向上することができる。
【０００６】
しかしながら、これらの技術だけでは、全ての水を確実に排出することは困難であった。特に、ポンプ室の隅部では、水とポンプ室の内壁との接触面積が大きくなり、それに比例して摩擦力も大きくなる。そして、この摩擦力により水が移動せず、ポンプ室内に留まる場合が多い。その結果、残留水の凍結を招き、ポンプの駆動、ひいては、当該ポンプと連動して駆動する各種システム、例えば、燃料電池システム等の駆動を阻害する場合があった。
【０００７】
そこで、本発明では、排水性をより向上でき得るポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のポンプは、吸入口を介してポンプ室内に導かれた流体を、ロータの回転により圧縮した後、排出口を介して外部に排出するポンプであって、排出口は、当該排出口が形成される排出口形成面のロータ回転軸方向の両端のうち、少なくとも片側端部付近に形成されることを特徴とする。
【０００９】
好適な態様では、排出口は、少なくとも、前記片側端部付近からロータ回転軸に平行に延びる長孔である。この場合において、排出口は、排出口形成面のロータ回転軸方向の両端を結ぶ長孔であることが望ましい。
【００１０】
他の好適な態様では、排出口は、排出口形成面のロータ回転軸方向の両端のうち、いずれか一方の端部付近にのみ形成され、ポンプ全体は、排出口が形成された端部が最下方に位置するべく傾斜して配置される。この場合において、排出口は、排出口形成面のロータ回転軸方向の両端のうち、ロータ回転用のモータから遠い側の端部付近に形成されることが望ましい。
【００１１】
他の好適な態様では、排出口は、正面からみて、ポンプの幅方向の中心に形成される。また、排出口は、その重心が、吸入口の重心と正対する位置に設けられることが望ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水が残留しやすい端部付近に排出口が形成されているため、残留水を低減でき、結果として排水性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、固体高分子型燃料電池（以下、「燃料電池」という）システム１０における水素ポンプ２０の役割を示す図である。周知のとおり、燃料電池は、固体高分子膜からなる電解質膜１２を燃料極１４と空気極１６との２枚の電極で挟んだ接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに２枚のセパレータ１８に挟持してなるセルを最小単位とし、通常、このセルを複数積み重ねて燃料電池スタック（ＦＣスタック）とし、高圧電圧を得るようにしている。
【００１４】
燃料電池の発電の仕組みは、一般に、燃料極（アノード側電極）１４に水素ガスが、空気極（カソード側電極）１６に酸素（Ｏ２）が、供給される。水素ガスは、セパレータ１８の表面に加工された細かい溝を通って燃料極１４に供給され、電極の触媒の作用により電子と水素イオン（Ｈ＋）に分解される。電子は外部回路を通って、燃料極１４から空気極１６に移動し、電流を作り出す。一方、水素イオン（Ｈ＋）は電解質膜１２を通過して空気極１６に達し、酸素および外部回路を通ってきた電子と結合し、反応水（Ｈ２Ｏ）になる。水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）および電子の結合反応と同時に発生する熱は、冷却水によって回収される。また、空気極１６のあるカソード側に生成した水は、カソード側から排出される。
【００１５】
ここで、燃料電池に供給された水素ガスは、その全てが反応に寄与するわけではなく、一部の水素ガスは、反応することなく、そのまま排出される。排出された水素ガスは、ポンプ２０で回収、圧縮された後、再度、燃料電池に供給される。また、電力生成に伴い生じた水は、冷媒とともに回収されるが、一部は、冷媒経路に行かず、ポンプ２０で回収される。
【００１６】
図２は、第一実施形態であるルーツ式ポンプ（以下「ポンプ」という）２０の概略構成を示す図である。また、図３は図２のＸ−Ｘ断面図、図４は図２のＹ視図（底面図）である。このポンプ２０は、既述した燃料電池システム１０に搭載される場合に、特に好適な構成となっている。
【００１７】
ポンプ２０は、互いに独立した空間であるポンプ室２２とギアボックス３６を備えている。ポンプ室２２には、一対のまゆ型ロータ２４が配されている。このポンプ室２２は、一対のまゆ型ロータ２４の回転範囲が確保できる程度の大きさで、略楕円柱形状となっている。二つのまゆ型ロータ２４は、平行に配置された二本の回転軸２６の回転により互いに僅かな間隙を保持しつつ回転するようになっている。ポンプ２０の筐体より外側には、一対のまゆ型ロータ２４を駆動するためのモータ３２が設けられている。このモータ３２からの出力は、ギアボックス３６に配された複数のギア３４（図面では詳細な図示は省略）を介して二本の回転軸２６に伝達される。このポンプ２０は、まゆ型ロータ２４が垂直平面内で回転でき得るように配置されている。
【００１８】
ポンプ室２２には、圧縮対象である流体（水素ガス）を吸入する吸入口２８と、圧縮された流体を排出する排出口３０が形成されている。吸入口２８は、ポンプ室２２の上面、すなわち、ロータの回転平面に対して略垂直な面のうち上側の面に形成された孔である。この吸入口２８は、通常、加工の容易さや管体との接続容易性などを考慮して、丸孔として形成されることが多い。また、流体の流れのバランスなどを考えて、ポンプ室２２の上面のうちほぼ中央の位置に形成されることが多い。いずれにしても、従来から、この吸入口２８は、ポンプ室２２の上面に比して、小さく形成されることが多い。
【００１９】
排出口３０は、ポンプ室２２の底面に形成された孔である。この排出口３０の形状は、吸入口２８と異なり、回転軸方向に延びる長孔となっている。この長孔である排出口３０は、ポンプ室２２の回転軸方向幅とほぼ同じ長さであり、底面の回転軸方向の両端を接続する長孔となっている。また、この排出口３０は、ポンプ室２２の底面の幅方向の中心線上に設けられている。
【００２０】
排出口３０をかかる位置、形状としたのは次の理由による。従来、排出口３０は、図５に図示するとおり、ポンプ室２２の底面のほぼ中央に形成された丸孔（図５では見易さのため吸入口２８と異なる直径の丸孔として図示しているが、実際は同径）であることが多かった。これは、吸入口２８を丸孔にする理由と同じで流体の流れのバランスなどを考慮したためである。しかし、この場合、ポンプ室２２底面のうち、軸方向端部４０（図５において、砂目ハッチングを施した部分）に溜まった水を排出することが困難であった。すなわち、既述したとおり、ポンプ室２２には、燃料電池から排出された水素ガスだけでなく、電力生成の過程で生じた水も流入する。かかる水は、通常、水素ガスとともに排出口３０から外部に排出される。
【００２１】
しかし、ポンプ室２２の端部では、他の平面部に比して、水とポンプ室の内壁との接触面積が大きく、ポンプ室２２の底面の回転軸方向端部４０に至った水は流動しにくい。また、ポンプ室２２の回転軸方向端部４０には、ロータの回転作用が届きにくく、水の流動が生じにくい。その結果、ポンプ室２２の回転軸方向端部４０に至った水は、外部に排出されず、そのまま、ポンプ室２２に残留しやすかった。かかる残留水が存在する状態で、ポンプ２０を低温状態にした場合、例えば、燃料電池システムが搭載された車両を寒冷地で長時間、駐車させた場合、ポンプ室２２内の残留水が、ロータ２４に接触したまま凍結することがある。この場合、凍結した水が溶融するまで、ロータ２４を回転させることができず、ひいては、燃料電池システムの駆動が阻害される。また、完全に溶融しない状態で、ポンプ２０を駆動して、ロータ２４を無理やり回転させようとすると、モータ３２やロータ２４に過度の負荷がかかり、ポンプ２０に悪影響を与える場合がある。
【００２２】
第一実施形態では、かかる残留水を確実に排出するために、排出口３０をポンプ室２２の底面の回転軸方向の両端を結ぶ長孔としている。この場合、最も水が残留しやすい部分である回転軸方向端部４０に排出口３０としての開口が形成されることになる。そのため、回転軸方向端部４０における水の残留を防止でき、ポンプ２０の排水性をより向上できる。
【００２３】
また、本実施形態では、排出口３０の面積を従来に比して大幅に大きくしている。すなわち、従来の排出口３０は、ポンプ室２２の底面のほぼ中央に設けられた丸孔であったのに対して、本実施形態の排出口３０は、ポンプ室２２の回転軸方向幅とほぼ同じ幅の長孔となっており、排出口面積が大きくなっている。そのため、従来に比して、排水性を大幅に向上できる。なお、本実施形態は、ルーツ式ポンプを対象としている。ルーツ式ポンプは、周知のとおり、内部圧縮が殆どなく、ロータ２４の回転作用により流体を圧縮している。かかる内部圧縮の無い、または、少ないポンプでは、排出口３０の面積を大きくしても、その圧縮効率に影響を与えない。そのため、本実施形態のように、排出口３０を大きく形成しても、圧縮効率を損なうことなく、排水効率を向上できる。
【００２４】
また、本実施形態では、排出口３０および吸入口２８をいずれも、ポンプ幅方向の中心位置に設けられている。また、排出口３０および吸入口２８の重心位置は、互いに正対するようになっている。かかる配置とすることで、流体の流れが、ポンプ室２２の正面からみて、ほぼ左右均等になり、安定した流体圧縮が可能となる。
【００２５】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、水が最も残留しやすいポンプ室２２の底面のうち回転軸方向端部４０に排出口３０としての開口が形成されているため、ポンプ室２２内における残留水を大幅に低減でき、結果として、ポンプ２０の排水性を向上できる。また、従来に比して、排出口３０の面積を大きくしているため、排水性をさらに向上できる。
【００２６】
なお、この実施形態では、排出口３０を、ポンプ室２２の底面の回転軸方向の両端に跨る長孔としているが、ポンプ室２２の底面の回転軸方向の両端のうち、少なくとも一方の端部に排出口３０としての開口が形成されていればよい。また、排出口３０は複数でもよく、図６，７に図示するように、ポンプ室２２の底面の回転軸方向の両端付近それぞれに独立して形成された二つの孔を排出口３０としてもよい。
【００２７】
次に、第二実施形態について図８、図９を参照して説明する。この実施形態の基本的構成は、第一実施形態とほぼ同様であるため、詳細な説明は省略する。第一実施形態と大きく異なる点は、第二実施形態では、モータ３２が高くなるように、ポンプ２０全体を傾斜させた状態で配置している点である。また、第二実施形態では、ポンプ室２２の底面のうち、モータ側端部４０ａ付近には排出口３０は形成せず、モータとは反対側（以下「外側」という）の端部４０ｂ付近に丸孔を形成し、これを排出口３０としている。つまり、第二実施形態では、丸孔である排出口３０をポンプ室２２の底面のうち外側端部４０ｂ付近にのみ設け、さらに、この排出口３０が、最も低くなるようにポンプ２０全体を傾斜させて配置している。
【００２８】
この第二実施形態によれば、排出口３０が、最も低くなるようにポンプ２０全体が傾斜しているため、ポンプ室２２内に侵入した水は、重力を受けて、自動的に排出口３０に集まることになる。その結果、より確実に残留水を外部に排出でき、ポンプ２０を常に迅速に起動することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、外側端部４０ｂ付近に排出口３０を設け、外側端部４０ｂが低くなるようにポンプ２０を傾斜させている。換言すれば、モータ３２に近い端部４０ａ（モータ側端部）には、排出口３０が設けられていない。この場合、モータ側端部４０ａに達した水は、摩擦力等により重力に抗して当該端部４０ａに残留し、凍結する場合もある。しかし、モータ側端部４０ａは、モータ３２に比較的近いため、モータ３２で発生した熱が伝達されやすい。この熱を受けて、モータ側端部４０ａにおいて凍結した水は、迅速に溶融し、その後、重力により、外側端部４０ａに設けられた排出口３０へと至る。その結果、凍結が生じたとしても、比較的、短時間でポンプ２０を起動することができる。
【００３０】
なお、この第二実施形態においても、排出口３０および吸入口２８は、ポンプ幅方向のほぼ中心位置に設けることが望ましい。また、排出口３０および吸入口２８の重心位置は、互いに正対することが望ましい。したがって、排出口３０をポンプ室２２底面の外側端部４０ｂにのみ設けるのであれば、吸入口２８もポンプ室の上面の外側端部にのみ設けることが望ましい。
【００３１】
以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、排出口３０が最も低くなるように、ポンプ全体を傾斜させているため、ポンプ室２２内の水が自動的に排出口３０に集まる。その結果、ポンプ２０の排水性をより向上できる。また、モータ３２が高くなるように傾斜させているため、排出口が形成されない端部４０ｂに残留した水が凍結しても、モータ３２の熱により、迅速に溶融する。その結果、ポンプを迅速に起動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】第一実施形態であるポンプの概略構成を示す図である。
【図３】図２におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図４】図２におけるＹ視図である。
【図５】従来のポンプの底面図である。
【図６】他のポンプの一例を示す図である。
【図７】図６に図示されたポンプの底面図である。
【図８】第二実施形態であるポンプの側断面図である。
【図９】第二実施形態であるポンプの底面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料電池システム、２０  ポンプ、２２  ポンプ室、２４  ロータ、２６  回転軸、２８  吸入口、３０  排出口、３２  モータ、３４  ギア、３６  ギアボックス、４０  回転軸方向端部。
【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】
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【図９】
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