JP2007120328A - ポンプ及びポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】モータによってインペラを回転させて流体を吸入及び吐出するポンプにおいて、凍結起動時におけるインペラのロックや、ロックによる駆動用コイルの焼損を防止する。
【解決手段】駆動用コイル３とロータ４を備えたモータによってインペラ７を回転させて流体を吸入及び吐出するポンプ１において、駆動用コイル３とポンプ内壁面との間に解凍用コイル５を設け、駆動用コイル３と解凍用コイル５との間に磁界を発生させて熱伝導板６及び周辺の金属部を加熱することにより凍結部を解凍する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、モータによってインペラを回転させて流体を吸入及び吐出するポンプに係り、特に凍結起動時に解凍用コイルによって金属部を加熱して解凍するポンプ、及び当該ポンプを用いたポンプシステムに関する。

現在、環境に配慮したクリーンなエネルギー源として燃料電池が注目されている。この燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する装置であり、その一つとして電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。

この固体高分子型燃料電池では、安定した発電を行うために燃料極への水素の供給量は、発電に必要な量よりも多く供給する必要があり、燃料電池出口からは化学反応しなかった余剰の水素が排出される。そこで、従来では水素の利用効率をより向上させるために、排出される残燃料を電動ポンプなどの循環装置によって再び供給側へ循環させている。

ところが、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池では、発電に伴って水が生成されるので、残燃料を循環させるポンプのインペラ（羽根車）に水が付着し、氷点下の起動時には凍結してインペラがロックしてしまうことがあった。

このような問題を解決するための従来技術として、ケーシング内のインペラと対向する面に排水用の溝を形成することによって、ポンプ内部の水を排水して凍結を防止し、ヒータなどの外部機器を装備せずに凍結時の起動が可能となるようにしたポンプが開示されている（特許文献１参照）。
特開２００４−１５０２９８号公報

上述した従来のポンプでは、ポンプ内部の水量が多い場合には完全に排水することができず、氷点下の起動時には凍結によってインペラがロックして起動できない可能性があるという問題点があった。

また、凍結によってロックしている場合にはインバータがより高いトルクを出そうとして高電流を流すために、ポンプの駆動用コイルが焼損してしまうという問題点もあった。

上述した課題を解決するために、本発明のポンプは、駆動用コイルとロータを備えたモータによってインペラを回転させて流体を吸入及び吐出するポンプであって、前記駆動用コイルの外周側に、磁界を発生させて周辺の金属部を加熱する解凍用コイルを設けたことを特徴とする。

本発明に係るポンプでは、駆動用コイルの外周側に磁界を発生させて周辺の金属部を加熱する解凍用コイルを備えているので、コイル周辺の金属部分に磁場変化を与えて渦電流を発生させ、この渦電流による加熱で凍結部を解凍することができる。したがって、氷点下の起動時において凍結によるインペラのロックを防止することができ、またインペラのロックにより引き起こされる駆動用コイルの焼損も防止することができる。

以下、本発明に係わるポンプ及びポンプシステムを実施するための最良の形態となる実施例を図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係るポンプシステムの構成図であり、ポンプの構造を断面図で示している。

図１に示すように、ポンプ１は、金属製のハウジング２と、駆動用コイル３と、ロータ４と、解凍用コイル５と、熱伝導板６と、インペラ７とから構成され、モータルームはポッティング材料であるモータ封止材８で封止されている。

上述したポンプ１は、駆動用コイル３とロータ４によってモータを構成し、駆動用コイル３に供給された交流電流によって磁界を発生させてロータ４を回転させている。このロータ４はインペラ７の回転軸となっており、ロータ４の回転によってインペラ７が回転してポンプ室内を昇圧し、流体を吸入及び吐出するように構成されている。この流体としては、例えば燃料電池システムの場合には水素ガスなどである。

また、解凍用コイル５は、駆動用コイル３よりも外周側に設けられたコイルであって、凍結起動時に駆動用コイル３との間に磁界を発生させ、この磁界はＳＵＳなどの熱伝導性の高い金属で形成された熱伝導板６を通過し、熱伝導板６に磁場変化による渦電流を発生させて加熱する。

熱伝導板６は、解凍用コイル５と駆動用コイル３との間に配置されているとともに、インペラ７とハウジング２とが凍結しやすい箇所１０の直近上部に配置されているので、熱伝導板６が加熱されることにより凍結箇所１０を速やかに解凍することができる。

ポンプコントローラ１００は、駆動用コイル３と解凍用コイル５への通電を制御するための制御手段であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを備えたマイクロコンピュータにより構成されている。

図１のＡ−Ａ線における断面図を図２に示す。図２はポンプ１の横断面図を示している。図２に示すように、駆動用コイル３、熱伝導板６、解凍用コイル５はこの順に内側から同心円状に配置され、駆動用コイル３の極性と解凍用コイル５の極性は逆極性となるようにコイルが巻かれている。このように、駆動用コイル３の極性と解凍用コイル５の極性を逆極性にすることによって、単位時間当たりの磁場変化量を増やすことができ、凍結起動時に解凍時間を短縮することができる。ただし、駆動用コイル３の極性と解凍用コイル５の極性を同じ極性としても解凍に要する時間は長くなるものの、機能に問題はない。

次に、本実施例に係るポンプシステムの起動制御処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。

図３において、ポンプ１が設置されている燃料電池システムなどのシステムに起動指令が入力されると（Ｓ３０１）、このシステムの上位コントローラからポンプ１を制御するポンプコントローラ１００へ回転指令信号が入力される（Ｓ３０２）。

ここで、ポンプコントローラ１００は、ポンプ１の実回転数信号に基づいてポンプ１が回転しているか否かを判定し、回転を始めたと判定した場合には（Ｓ３０３）、通常の運転を開始して（Ｓ３０４）本実施例のポンプ１に対する起動制御処理を終了する。

一方、ポンプコントローラ１００は、ポンプ１の実回転数信号によりポンプ１が回転していないと判定された場合には（Ｓ３０５）、凍結起動モードを開始して（Ｓ３０６）駆動用コイル３と解凍用コイル５に交流電流を通電する（Ｓ３０７）。

ここで、コイルへの通電電流値と凍結起動可能時間との関係を図４に示す。図４に示すように、コイルへの通電電流値を高くすることによって凍結起動可能時間を短縮することができる。しかし、コイル許容最大電流値よりも通電電流値を高くすると駆動用コイルが焼損してしまう。通常、インバータ（ポンプコントローラ１００に含まれる）からコイルへ通電を行なったときに、インペラ７などの回転部分が凍結によってロックされていると、インバータがより高いトルクを出力しようとして高電流を流してしまうため、駆動用コイルが焼損したり保護機能によりポンプに対して起動禁止の指令が出てしまい、ポンプを起動させることができなくなったりする。

そこで、本実施例の起動制御処理では、ポンプ１が回転していないと判定されたときにはインバータがより高いトルクをかけてポンプ１を回転させようとせずに、コイルが耐えることのできるコイル許容最大電流値を流し続けるように制御する。これにより、ポンプ１はゼロ回転数を維持したままとなり、駆動用コイル３と解凍用コイル５からは磁界が発生して周辺の金属に磁場変化を与え続け、金属部に渦電流を発生させて加熱する。

ここで、ポンプ１における磁界変化による加熱を図５に基づいて説明する（図５では制御系の図示を省略する）。図５に示すように、駆動用コイル３同士の間の磁界変化により、ＳＵＳなどの熱伝導性のよい金属で形成されたロータ４に渦電流が発生して加熱し、この熱がインペラ７へと伝わっていく。また、駆動用コイル３と解凍用コイル５との間の磁界変化により熱伝導板６に渦電流が発生して加熱し、この熱がインペラ７とハウジング２との凍結箇所１０へ伝わって解凍する。さらに解凍用コイル５の磁界変化によりハウジング２に渦電流が発生して加熱し、この熱がハウジング２とインペラ７との凍結箇所１１に伝わって解凍する。

このようにして、駆動用コイル３と解凍用コイル５によって起こされた磁界変化によって熱伝導板６、ロータ４、ハウジング２に渦電流が生じ、この渦電流によって熱伝導板６、ロータ４、ハウジング２が数秒で数十度〜数百度に加熱されて凍結部を解凍する。

このとき、金属に比べて熱伝導性の低い樹脂やシリコン系の高分子材料によって形成されたモータ封止材８を熱的に介することなく、熱伝導を行なっているので、凍結部へ速やかに熱を伝えることができ、これによって凍結部の解凍に要する時間を大幅に短縮することができる。

また、通常は駆動用コイル３同士の間のロータ４の部分にしか磁極対を発生させることはできないが、解凍用コイル５を設けたことにより、ロータ４以外の部分に磁極対を発生させることができるので、凍結予測箇所に応じて熱伝導板６の配置を最適な位置に変更すれば短時間で高効率の解凍を実現することができる。

そして、回転センサによってインペラ７が回転し始めたことをポンプコントローラ１００のインバータが検知すると（Ｓ３０８）、ポンプコントローラ１００は凍結起動モードを終了し（Ｓ３０９）、通常の運転を開始して（Ｓ３０４）本実施例のポンプ１に対する起動制御処理を終了する。

このように、本実施例のポンプシステムでは、駆動用コイル３との間に磁界を発生させて周辺の金属部を加熱する解凍用コイル５を設け、コイル周辺の金属部分に磁場変化を与えて渦電流を発生させるようにしたので、この渦電流による加熱で凍結部を解凍することができる。したがって、氷点下の起動時において凍結によるインペラ７のロックを防止することができ、またインペラ７のロックにより引き起こされる駆動用コイル５の焼損をも防止することができる。。

また、本実施例のポンプ１では、駆動用コイル３と解凍用コイル５との間に熱伝導板６を設けたので、駆動用コイル３と解凍用コイル５との間に生じた磁場変化により熱伝導板６を加熱することができる。そして、この熱によって凍結部を解凍することができるので、短時間で高効率な解凍を実現することができる。

さらに、本実施例のポンプ１では、駆動用コイル３の極性と解凍用コイル５の極性とを逆極性にしたので、より強い磁場変化を引き起こすことができ、より大きな渦電流を周辺の金属部に発生させて加熱量を増大させることができる。したがって、より短時間での解凍が可能となる。

また、本実施例のポンプ１では、ポンプ１の起動時にモータへの回転指令信号に対する実回転数信号によって、ポンプ１の凍結判定を実施するので、凍結によってインペラ７がロックしている状態を実回転数信号によって確実に判定することができ、誤検知を防ぐことができる。また、ポンプを用いたシステム中の部品毎に凍結の有無にバラつきがある場合に一括して全部品に対し凍結起動シーケンスを実行すると、既に可動可能なポンプにまで継続的に凍結起動シーケンスを実行してしまうこととなってしまうが、本制御を実施すると可動可能になった時点で凍結起動シーケンスを停止でき、無駄な電力を消費することを防止できる。

さらに、本実施例のポンプ１では、凍結判定によって凍結していると判定されたときには、駆動用コイル３が焼損することのない許容範囲内の交流電流を流すので、駆動用コイル３を焼損させることなく、周辺の金属部に磁場変化を与え続けることができ、これによって金属部を加熱して凍結部を解凍することができる。

次に、本発明の実施例２を図６に基づいて説明する（図６では制御系の図示を省略する）。図６に示すように、実施例２のポンプ６１は、インペラ７を解凍用コイル５との間で挟み込むように配置されたインペラ解凍用コイル６２を追加したことが実施例１と異なっており、その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。

インペラ解凍用コイル６２は、解凍用コイル５との間に磁界を発生させて、ＳＵＳなどの熱伝導のよい金属でできたインペラ７に直接磁場変化を与えて渦電流を発生させるコイルである。これによって、凍結しているインペラ７を直接加熱することができるので、短時間で凍結部を解凍することができる。

そして、解凍用コイル５の極性とインペラ解凍用コイル６２の極性は逆極性となるようにコイルを巻いている。これにより、単位時間当たりの磁場変化量を増やすことができ、解凍時間をより短縮することができる。

また、解凍用コイル５とインペラ解凍用コイル６２との間のワイヤー接続は、ハウジング２の外側へ取り出して行なう。

このように、本実施例のポンプ６１では、インペラ７を解凍用コイル５との間で挟み込むように配置されたインペラ解凍用コイル６２を備えているため、インペラ７に直接磁場変化を与えて加熱することができ、これによって解凍時間を大幅に短縮することができる。

また、本実施例のポンプ６１では、解凍用コイル５の極性とインペラ解凍用コイル６２の極性とを逆極性にしたので、より強い磁場変化を引き起こすことができ、これによってより大きな渦電流をインペラ７に発生させて加熱量を増大させることができる。したがって、より短時間での解凍が可能となる。

次に、本発明の実施例３を図７に基づいて説明する（図７では制御系の図示を省略する）。図７に示すように、実施例３のポンプ７１は、ロータ４の中心に駆動用コイル３の磁界によって回転する回転部（回転手段）７２を設け、この回転部７２とロータ４との間を遠心式クラッチ機構７３によって接続するようにしたことが実施例２と異なっており、その他の構成については実施例２と同様なので、詳しい説明は省略する。

ここで、回転部７２は永久磁石７４を備えており、駆動用コイル３に交流電流が通電されると、通常の同期モータと同様に回転部７２が回転するように構成されている。

図７のＢ−Ｂ線における断面図を図８に示す。図８は遠心式クラッチ機構７３の横断面図を示している。図８に示すように、遠心式クラッチ機構７３は、回転部７２の回転によって発生した遠心力でラジアル方向（半径方向）に移動する重り８１を備え、この重り８１はロータ４に設けられたロック用キー８２と噛み合って一体となって回転するように構成されている。

このように構成されたポンプ７１において、起動したときには回転部７２はまだ回転していないので、遠心式クラッチ機構７３は機能せず回転部７２とロータ４は接続されていない。この状態からコイルへの通電を開始すると、回転部７２が回転中心８３を中心に回転し始め、同時にインペラ７や周辺の金属部への磁場変化が起こり、渦電流が発生して加熱が行なわれる。

そして、回転部７２の回転数がさらに上昇して最高回転数に達すると、遠心力によって重り８１の先端が回転軸８４を中心にしてラジアル方向へ移動し、ロック用キー８２と噛み合ってロータ４と回転部７２が接続される。

このとき、解凍用コイル５によって所定の加熱が実施され、凍結部が溶解し始めた直後に遠心式クラッチ機構７３が接続されるように回転部７２の回転数を設定しておく。これによって、衝撃による凍結部の粉砕をより容易に行うことができる。特に噛み合った瞬間には回転部７２の慣性がロータ４へ衝撃的に伝わるので、その衝撃によって凍結部を粉砕することができる。

このように、本実施例のポンプ７１では、ロータ４の中心に駆動用コイル３の磁界によって回転する回転部７２を設け、この回転部７２とロータ４との間を遠心式クラッチ機構７３で接続するようにしたので、回転部７２の慣性がプラスされた衝撃的な力を凍結部に加えて砕くことができ、これによって外部ヒータで熱しただけの場合よりも短時間で起動することが可能となる。

また、本実施例のポンプ７１では、解凍用コイル５による所定の加熱が実施された後に遠心式クラッチ機構７３が接続されるように設定したので、ロータ４に接続されていない回転部７２の回転を高めると同時に渦電流による加熱を凍結部に与え、ある程度溶け始めた直後に遠心式クラッチ機構７３の接続による衝撃を与えることができ、より効果的に凍結部を粉砕することができる。また、渦電流による加熱時間と回転部７２の回転数の上昇に要する時間とを共有できるので、凍結量や凍結範囲が大きい場合でも単時間で自力での起動が可能となる。

以上、本発明に係わるポンプ及びポンプシステムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施例１に係るポンプシステムの構成図である。 本発明の実施例１に係るポンプの構造を説明するための横断面図である。 本発明の実施例１に係るポンプの起動制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係るポンプの通電電流値と凍結起動可能時間との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係るポンプの磁界変化による加熱を説明するための図である。 本発明の実施例２に係るポンプの構造を説明するための縦断面図である。 本発明の実施例３に係るポンプの構造を説明するための縦断面図である。 本発明の実施例３に係るポンプに備えられた遠心式クラッチ機構の構造を説明するための横断面図である。

符号の説明

１、６１、７１ ポンプ
２ ハウジング
３ 駆動用コイル
４ ロータ
５ 解凍用コイル
６ 熱伝導板
７ インペラ
８ モータ封止材
１０、１１ 凍結箇所
６２ インペラ解凍用コイル
７２ 回転部（回転手段）
７３ 遠心式クラッチ機構
７４ 永久磁石
８１ 重り
８２ ロック用キー
８３ 回転中心
８４ 回転軸
１００ ポンプコントローラ（制御手段）

Claims (9)

1. 駆動用コイルとロータとを備えたモータによってインペラを回転させて流体を吸入及び吐出するポンプにおいて、
   前記駆動用コイルの外周側に、磁界を発生させて周辺の金属部を加熱する解凍用コイルを設けたことを特徴とするポンプ。
2. 前記駆動用コイルと前記解凍用コイルとの間に熱伝導板を設けたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記駆動用コイルの極性と前記解凍用コイルの極性とを逆極性としたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のポンプ。
4. 前記インペラを前記解凍用コイルとの間で挟み込むように配置されたインペラ解凍用コイルを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のポンプ。
5. 前記解凍用コイルの極性と前記インペラ解凍用コイルの極性とを逆極性にしたことを特徴とする請求項４に記載のポンプ。
6. 前記ロータの中心に前記駆動用コイルの磁界によって回転する回転手段を設け、この回転手段と前記ロータとの間を遠心式クラッチ機構によって接続することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のポンプ。
7. 前記解凍用コイルによる所定の加熱が実施された後に前記遠心式クラッチ機構が接続されるように設定することを特徴とする請求項６に記載のポンプ。
8. 駆動用コイルとロータとを備えたモータによってインペラを回転させて流体を吸入及び吐出するポンプと、当該ポンプ内に設けられた解凍用コイルと、前記駆動用コイル及び前記解凍用コイルへの通電を制御する制御手段とを備えたポンプシステムであって、
   前記制御手段は、凍結起動時において、前記モータをゼロ回転数としたまま、前記駆動用コイル及び前記解凍用コイルにコイル許容最大電流値の電流を流し続けることにより、前記駆動用コイル及び前記解凍用コイルとロータ周辺の金属部分を加熱することを特徴とするポンプシステム。
9. 前記制御手段は、前記ポンプの起動時に前記モータへの回転指令信号に対する実回転数信号によって当該ポンプの凍結判定を実施することを特徴とする請求項８に記載のポンプシステム。