(57)【要約】【課題】高温・高速域での耐久性に優るタイミングギアを含む駆動力伝達機構を提供する。【解決手段】駆動源３１の駆動力を受けて回転する駆動軸６１と、該駆動軸６１とともに回転する第１のロータ４２と、駆動軸６１に設けられた駆動ギア６３および該駆動ギア６３と噛合する従動ギア６４からなるタイミングギア６と、従動ギア６４が設けられている従動軸６２と、該従動軸６２とともに回転する第２のロータ４３と、を備えた駆動力伝達機構７であって、駆動ギア６３として樹脂製ギア、従動ギア６４として金属製ギアがそれぞれ用いられ、これら樹脂製の駆動ギア６３と金属製の従動ギア６４とが潤滑剤を介さない無潤滑状態で直接的に噛合している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動源の駆動力を受けて回転する駆動軸と、該駆動軸とともに回転する第１のロータと、前記駆動軸に設けられた駆動ギアおよび該駆動ギアと噛合する従動ギアからなるタイミングギアと、前記従動ギアが設けられている従動軸と、該従動軸とともに回転する第２のロータと、を備えたタイミングギアを含む駆動力伝達機構であって、
前記駆動ギアとして樹脂製ギア、前記従動ギアとして金属製ギアがそれぞれ用いられ、
これら樹脂製の駆動ギアと金属製の従動ギアとが潤滑剤を介さない無潤滑状態で直接的に噛合することを特徴とする伝達機構。
【請求項２】
駆動源の駆動力を受けて回転する駆動軸と、該駆動軸とともに回転する第１のロータと、前記駆動軸に設けられた駆動ギアおよび該駆動ギアと噛合する従動ギアからなるタイミングギアと、前記従動ギアが設けられている従動軸と、該従動軸とともに回転する第２のロータと、を備えたタイミングギアを含む駆動力伝達機構であって、
前記駆動ギアとして金属製ギア、前記従動ギアとして樹脂製ギアがそれぞれ用いられ、
これら金属製の駆動ギアと樹脂製の従動ギアとが潤滑剤を介して潤滑運転することを特徴とする伝達機構。
【請求項３】
前記駆動源たるモータの駆動力を伝達する請求項１または２に記載の伝達機構。
【請求項４】
前記駆動軸および従動軸は、ルーツ型ポンプにおける駆動軸および従動軸である請求項１から３のいずれか一項に記載の伝達機構。
【請求項５】
前記ルーツ型ポンプが、内部に吸気した水素ガスを外部へと送り出す水素ポンプである請求項４に記載の伝達機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイミングギアを含む駆動力伝達機構に関する。さらに詳述すると、本発明は、ルーツ型水素ポンプ等における駆動力伝達機構の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
タイミングギアを含む駆動力伝達機構が、例えば燃料電池システムの水素オフガス循環路における水素ポンプ等にて利用されている。このような機構においては、従来、タイミングギアとして樹脂製のギアを用いたものが知られている。また、従来、当該樹脂製タイミングギアの取付け手法なども開示されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】実公平３−５０２４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述のごとき樹脂製ギアは特に高温・高速域での耐久性に劣る場合がある。
【０００４】
そこで、本発明は、特に高温・高速域での耐久性に優るタイミングギアを含む駆動力伝達機構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】
【０００５】
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。樹脂製ギアは金属製ギアとは性質が異なり、特に高温・高速という条件下での耐久性に劣る。また、樹脂製ギアを用いている場合、オイルを使ったとしても高温・高速域での耐久性が大幅に向上することはなく、高温・高速域での使用に適しているわけではない。一方で、金属製ギアならば耐久性の面で有利となりうるが、潤滑作用と冷却作用を有するオイルを塗布し、尚かつ当該オイルを封止するためのオイルシールを設ける必要がある。また、オイルシールのシール性能を強固にすれば摩擦抵抗が大きくなるなど効率が低下してしまう。
【０００６】
以上の観点から、特にギアの歯面の温度を低下させることにより耐久性を向上させることについて検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、駆動源の駆動力を受けて回転する駆動軸と、該駆動軸とともに回転する第１のロータと、駆動軸に設けられた駆動ギアおよび該駆動ギアと噛合する従動ギアからなるタイミングギアと、従動ギアが設けられている従動軸と、該従動軸とともに回転する第２のロータと、を備えたタイミングギアを含む駆動力伝達機構であって、駆動ギアとして樹脂製ギア、従動ギアとして金属製ギアがそれぞれ用いられ、これら樹脂製の駆動ギアと金属製の従動ギアとが潤滑剤を介さない無潤滑状態で直接的に噛合することを特徴とするものである。
【０００７】
一般的な構造の駆動力伝達機構においては、例えばモータ等の駆動源からの熱の一部は駆動軸、駆動ギア、従動ギアを伝わり放熱されるに至る。この点、本発明にかかる駆動力伝達機構においては、熱をより伝えやすい（すなわち、いわゆる良導体である）金属製のギアを従動軸上に設け、駆動軸上の樹脂製ギアの熱を当該金属製ギアを通じて従動軸側へ伝わりやすくしている。これによれば、駆動時におけるタイミングギアの歯面の温度を低下させ、特に高温・高速域での耐久性を向上させることが可能となる。
【０００８】
また、本発明は、駆動源の駆動力を受けて回転する駆動軸と、該駆動軸とともに回転する第１のロータと、駆動軸に設けられた駆動ギアおよび該駆動ギアと噛合する従動ギアからなるタイミングギアと、従動ギアが設けられている従動軸と、該従動軸とともに回転する第２のロータと、を備えたタイミングギアを含む駆動力伝達機構であって、駆動ギアとして金属製ギア、従動ギアとして樹脂製ギアがそれぞれ用いられ、これら金属製の駆動ギアと樹脂製の従動ギアとが潤滑剤を介して潤滑運転することを特徴とするものである。
【０００９】
上述したように、一般的な構造の駆動力伝達機構においては、例えばモータ等の駆動源からの熱の一部は駆動軸、駆動ギア、従動ギアを伝わり放熱されるに至る。この点、本発明にかかる駆動力伝達機構においては、熱をより伝えやすい（すなわち、良導体である）金属製のギアを駆動軸上に設ける一方で、従動軸側には樹脂製ギアを配置することによって当該樹脂製ギアの受熱量を低減させている。こうした場合、樹脂製ギア全体の温度を低下させつつ、潤滑剤を介した潤滑運転を行うことにより、特に高温・高速域でのタイミングギアの耐久性を向上させることができる。
【００１０】
本発明にかかる伝達機構は、例えば駆動源たるモータの駆動力を伝達する。また、上述した駆動軸および従動軸は、例えばルーツ型ポンプにおける駆動軸および従動軸である。この場合、ルーツ型ポンプにおいて対をなしている駆動軸および従動軸を介し、タイミングギアの歯面からの放熱を促進させることができる。ルーツ型ポンプは、例えば内部に吸気した水素ガスを外部へと送り出す水素ポンプである。
【００１１】
タイミングギアを有するルーツ型のポンプ（例えばコンプレッサ）において、駆動源（モータ）の熱をロータを通じて放熱する場合、樹脂ギアを駆動軸に使い無潤滑を実現する。従動側の金属ギアとしたほうが、モータの発熱がない分、金属ギアの歯面温度が低下し、相対する樹脂ギア歯面の温度が低下する。これにより、特に高温・高速域での樹脂製タイミングギアの耐久性が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特に高温・高速域での樹脂製タイミングギアの耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態にかかる駆動力伝達機構を、燃料電池システムにおける水素ポンプ装置に適用した例について説明する。
【００１４】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸化ガス配管系３及び燃料ガス配管系４を備える。燃料電池システム１は、車両に搭載することができるが、もちろん車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
【００１５】
燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。固体高分子電解質型の単セルは、電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。電解質膜は、一般にフッ素系の膜が用いられる。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。また、電気化学反応により、燃料電池２は発熱すると共に空気極側に水を生成する。固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００１６】
酸化ガス配管系３は、供給路１１及び排出路１２を有する。コンプレッサ１４は、供給路１１に設けられ、エアクリーナ１３を介して酸化ガスとしての外気を取り込み、燃料電池２の酸化ガス流路２ａに圧送する。圧送される酸化ガスは、加湿器１５によって酸化オフガスとの間で水分交換がなされ、適度に加湿される。酸化オフガスは、酸化ガス流路２ａから排出路１２に排出され、エア調圧弁１６及び加湿器１５を経た後、図示省略したマフラーを経て最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００１７】
燃料ガス配管系４は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に給排する。燃料ガス配管系４は、水素供給源２１、供給路２２、循環路２３、水素ポンプ２４及びパージ路２５を有する。水素ガスは、元弁２６を開くことで水素供給源２１から供給路２２に流出し、レギュレータ２７及び遮断弁２８を経て燃料ガス流路２ｂに供給される。その後、水素ガスは、燃料ガス流路２ｂから水素オフガスとして循環路２３に排出される。水素オフガスは、循環路２３と供給路２２との合流点Ａに水素ポンプ２４によって圧送され、水素ガスに合流して再び燃料ガス流路２ｂに供給される。水素オフガスの一部は、パージ弁３３の適宜の開弁により、循環路２３からパージ路２５へと排出され、図示省略した水素希釈器を経て外部に排出される。
【００１８】
続いて、本実施形態における水素ポンプ２４について説明する（図２等参照）。本実施形態における水素ポンプ２４は内部に吸気した水素ガスを外部へと送り出すルーツ型のポンプであり、水素ガスを昇圧するポンプロータ４２，４３、これらポンプロータ４２，４３が収容されるロータ室（昇圧部）５３、駆動源の駆動力をロータ室５３のポンプロータ４２，４３へと伝達するロータシャフト（駆動軸）６１、ロータシャフト（従動軸）６２等を備えている。
【００１９】
図２は、水素ポンプ２４の要部を示す断面図であり、図３は、水素ポンプ２４の要部を示す斜視図である。また、図４は図３のIV-IV線における断面図である。本実施形態の水素ポンプ２４は２つのロータ（回転子）が互いに接触しながら回転して流体を送り出すいわゆるルーツ型のポンプであり、ケーシング４１と、昇圧部材たる一対のポンプロータ４２，４３と、を備えている。
【００２０】
ケーシング４１には、吸気口５１、排気口５２及びロータ室５３が形成されており、該ロータ室５３には、昇圧部材を構成するポンプロータ４２，４３が収容されている。吸気口５１と排気口５２とは、ロータ室５３を挟んで対向するように位置し、いずれもロータ室５３に連通している。水素オフガスは、吸気口５１からロータ室５３へと吸入され、各ポンプロータ４２，４３とロータ室５３の内面との間で移動し、排気口５２から外部へと吐出される。
【００２１】
ケーシング４１の内面は、ポンプロータ４２に面する断面円弧形状の内面５５と、ポンプロータ４３に面する断面円弧形状の内面５６と、を有する。また、ケーシング４１の内面は、内面５５，５６に連なる吸気側内面５７と排気側内面５８とを有する。吸気側内面５７によって吸気口５１が画定され、排気側内面５８によって排気口５２を画定される。内面５５及び内面５６によってロータ室５３が画定されており、内面５５とポンプロータ４２との間には互いに干渉しないように隙間が設定されている。また、内面５６とポンプロータ４３との間にも、干渉しないように隙間が設定されている。
【００２２】
一対のポンプロータ４２，４３はいわゆる瓢箪形（中央部がくびれた楕円形状）であり（図２参照）、ロータ室５３において位相を約９０度ずらした状態で配置されている。ポンプロータ４２，４３は、それぞれがロータシャフト（駆動軸）６１、ロータシャフト（従動軸）６２に接続されており、互いに逆向きに回転するように構成されている。ロータシャフト（駆動軸）６１、ロータシャフト（従動軸）６２は、互いに噛み合う駆動ギア６３，従動ギア６４をそれぞれ備えるとともに、ボールベアリング装置６５，６６により軸受けされている（図４参照）。一方のロータシャフト（駆動軸）６１は、モータ３１の出力軸３２の軸延長上に配置されている（図４参照）。このロータシャフト（駆動軸）６１にモータ３１の出力が伝達されると、駆動ギア６３、従動ギア６４を介してポンプロータ４２とポンプロータ４３とが互いに逆方向に回転し、ロータ室５３内にて水素オフガスを昇圧して送り出す（図２等参照）。
【００２３】
ケーシング４１は、水素ガスを漏らさずに圧送することを可能にする密閉容器である。ケーシング４１の一部は、当該ケーシング４１の内部と外部とを隔てる隔壁（図４中において符号４１ａで示す）として機能する。本実施形態における隔壁４１ａは、水素ポンプ２４を流通する水素ガス（水素オフガス）がモータ３１側へと流れ込まないように形成されている。
【００２４】
モータ３１は、ポンプロータ４２，４３を回転させるための駆動源である。本実施形態のモータ３１は、その出力軸３２が、水素ポンプ２４のロータシャフト（駆動軸）６１と同軸となる位置に配置されている（図４参照）。なお、符号３５はステータ、符号３６は通気孔である。
【００２５】
続いて、本実施形態における駆動力伝達機構について説明する（図４等参照）。
【００２６】
駆動力伝達機構は、駆動源たるモータ３１による駆動力をタイミングギアを介して伝達し、第１のポンプロータ４２および第２のポンプロータ４３を回転させるための機構である（図４参照）。例えば本実施形態の駆動力伝達機構は、駆動源たるモータ３１の駆動力を受けて回転するロータシャフト（駆動軸）６１と、該ロータシャフト（駆動軸）６１とともに回転する第１のポンプロータ４２と、ロータシャフト（駆動軸）６１に設けられた駆動ギア６３および該駆動ギア６３と噛合する従動ギア６４からなるタイミングギアと、従動ギア６４が設けられているロータシャフト（従動軸）６２と、該ロータシャフト（従動軸）６２とともに回転する第２のポンプロータ４３と、を備えた構成となっている（図４参照）。
【００２７】
さらに、本実施形態では、駆動ギア６３として樹脂製ギア、従動ギア６４として金属製ギアをそれぞれ用いている。また、これら樹脂製の駆動ギア６３と金属製の従動ギア６４とを、潤滑剤を介さない状態（いわば無潤滑状態）で直接的に噛合させている（図５、図６参照）。この場合、樹脂製ギアの具体的な構造が特に限定されることはないが、本実施形態では、内側が金属リング６３ａ、外側が該金属リング６３ａの外周に設けられた樹脂リング６３ｂである二重構造のギアを用いている（図６参照）。
【００２８】
本実施形態の駆動力伝達機構によれば、以下のごとき作用を奏することが可能である。すなわち、一般的な構造の駆動力伝達機構であれば、モータ３１等からの熱の一部はロータシャフト（駆動軸）６１、駆動ギア６３、従動ギア６４、さらにロータシャフト（従動軸）６２を伝わり放熱されるところ、本実施形態の場合には、熱をより伝えやすい良導体である金属製ギアを低温側となる従動ギア６４として設けているから、樹脂製の駆動ギア６３の熱が当該金属製従動ギア６４を通じてロータシャフト（従動軸）６２へとさらに伝わりやすくなっている。これによれば、駆動時におけるタイミングギアの歯面の温度、この場合であれば主に樹脂製駆動ギア６３の歯面の温度低下を促進させること（歯面の温度上昇を抑制できるかどうが、特に高温・高速域での耐久性を向上させることが可能である（図５、図６参照）。
【００２９】
また、一般に、噛合する一対のギアの一方を金属製、他方を樹脂製とした場合、組付け作業時に要求される精度が緩くて済むという利点もある。すなわち、樹脂製ギア自体が可撓性を有し、厳密な噛み合いを実現しなくてもギアとしての機能を果たしうるから、当該組付け時や設計時に要求される精度に余裕が生まれ、低コスト化の面でも有利である。
【００３０】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに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において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では駆動ギア６３として樹脂製ギア、従動ギア６４として金属製ギアをそれぞれ用いる例を示したが、これとは逆に、駆動ギア６３として金属製ギア、従動ギア６４として樹脂製ギアをそれぞれ用いることもできる。この場合には、これら金属製の駆動ギア６３と樹脂製の従動ギア６４とをオイル等の潤滑剤を介していわば潤滑運転することが好ましい。樹脂製ギアの歯面温度を低下させるだけの観点からすれば、第１にオイルを利用すること、第２に噛合する相手側ギアの歯面温度を低下させること、第３に当該ギア内側の金属リング６３ａの温度を下げること、が効果的である。この点、上述のように、熱をより伝えやすい、つまり良導体である金属製のギアを駆動ギア６３としてロータシャフト（駆動軸）６１上に設ける一方、ロータシャフト（従動軸）６２側には樹脂製の従動ギア６４を配置することにより、当該樹脂製ギアの受熱量を低減させることが可能である。こうした場合、樹脂製の従動ギア６４全体の温度を低下させつつ、潤滑剤を介した潤滑運転を行うことにより、特に高温・高速域でのタイミングギアの耐久性を向上させることができる。
【００３１】
また、上述した実施形態では、出力軸３２を介してモータ３１の駆動力を伝達する装置に本発明を適用した場合を示したがこれは一例にすぎない。要は、本発明は、ロータシャフト（駆動軸）６１とロータシャフト（従動軸）６２のような対となる軸の間で回転駆動力を伝達する場合に好適なものであり、駆動軸（ロータシャフト）６１における伝達態様が直接的であるか間接的であるかは問わない。
【００３２】
さらに、上述した実施形態では、タイミングギアを含む駆動力伝達機構をルーツ型の水素ポンプ装置に適用した場合について説明したがこれは好適な一例にすぎず、これ以外のコンプレッサ装置、あるいはさらにその他の装置に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる水素ポンプの要部を示す断面図である。
【図３】水素ポンプの要部を示す斜視図である。
【図４】本発明にかかる駆動力伝達機構を適用した水素ポンプ装置を示す図である。
【図５】ロータシャフト（駆動軸）に設けられた駆動ギアおよび該駆動ギアと噛合する従動ギアからなるタイミングギアの一例を示す図である。
【図６】ロータシャフト（駆動軸）に設けられた駆動ギアおよび該駆動ギアと噛合する従動ギアからなるタイミングギアの一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
６…タイミングギア、７…駆動力伝達機構、２４…水素ポンプ（ルーツ型ポンプ）、３１…モータ（駆動源）、４２…第１のポンプロータ（第１のロータ）、４３…第２のポンプロータ（第２のロータ）、６１…ロータシャフト（駆動軸）、６２…ロータシャフト（従動軸）、６３…駆動ギア、６４…従動ギア
【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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