JP4645210B2 - ポンプ装置、冷却システムおよび燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、片吸込みの羽根車を備えた渦巻式ポンプ、および、これを備えた冷却システムに関する。

従来から遠心ポンプとして片吸込みの渦巻式ポンプが知られている。片吸込み渦巻式ポンプは、インペラと呼ばれる羽根車とモータを備え、モータの駆動力によりインペラを回転させることで吸い込む流体にエネルギを与えるポンプである。このポンプは、流体を一の吸込口から吸い込み、吸い込み方向に垂直な面内方向へ吐出する。かかるポンプは、例えば、燃料電池や内燃機関などの冷却系統に用いられ、冷却系統の配管内の冷却水を循環させている。

こうしたポンプを備えた冷却系統などの流路上には、流路を切替える切替弁を備えていることが多い。例えば、上記の燃料電池の冷却系統であれば、燃料電池を冷却するためラジエータを備えた主流路と、過冷却を防止するためラジエータへの流れを回避するバイパス流路とが設けられ、切替弁の作用により、適宜流路が切り替えられている。こうすることで冷却系統としては十分に機能するが、冷却系統が大きな空間を占めることとなる。これに対応するため、二つの機器の機能を一つにまとめて、省スペース化を図る技術がある。例えば、下記特許文献１，２には、ポンプによる流体の循環機能と、切替弁による流路の切替機能とを一つの機器で果たす流路可変式ポンプが開示されている。こうしたポンプでは、内部の流路を切替える案内機構（開閉弁など）を駆動して、適切に流路を切り替えて液体を流すことができるとされている。なお、下記特許文献３には、一体機構ではないが、ポンプの吐出圧により流路を切替える切替弁が開示されている。

特開平８−１４２６４７号公報 特開平１０−７７８３７号公報 特開昭６３−１５８３６９号公報

しかしながら、かかる流路可変式ポンプにおいては、同一平面内に設けた複数の流路を切替える複雑な案内機構が必要であり、しかも案内機構を駆動する外部からの駆動源が必要であった。例えば、弁の開閉をモータなどの外部動力により行なう場合には、ポンプ自体の回転数制御に加えて、弁用のモータの制御が必要となり、複雑な制御を伴うものとなっていた。

本発明は、こうした問題を踏まえて、簡単な案内機構により流路の切り替えを行なうポンプ装置を提供することを目的とする。

本発明の第１のポンプ装置は、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、羽根車を回転させる動力源を備え、所定の液体を該羽根車の回転軸方向に設けた一の吸込部から吸い込んで該羽根車の回転円周方向へ流し、吐出部から吐出する片吸込みの渦巻式のポンプ装置であって、前記吐出部に、前記羽根車を収納するポンプケーシングの一部であって前記羽根車の回転軸方向に並べて、複数の吐出口を設け、前記羽根車を前記回転軸方向に移動可能に組み付け、前記動力源による回転数の増減によって、前記羽根車を前記複数の吐出口の中の一の吐出口の位置へ移動することで、前記複数の吐出口を切替えることを要旨としている。

本発明の第１のポンプ装置によれば、ポンプケーシング自体に複数の吐出口を備え、各吐出口に対応する位置まで羽根車が移動することで、直接的に流路の切り替えを行なう。この羽根車の移動は、回転数の増大に伴って増大する軸スラスト力を、羽根車が受けることで生じる。つまり、羽根車の移動が流路の切り替えの駆動源となり、回転数の増減によって羽根車の移動を調整することができる。したがって、流路の切り替えに別の部材を必要とせず、比較的簡単な構造で流路の切り替えを行なうことができると共に、羽根車の回転数によって機械的に流路の切り替えを行なうことができる。

上記の構成を有するポンプ装置は、更に、回転数の増大に伴って前記吸込部方向へ移動する前記羽根車を、所定値よりも低い回転数で初期位置に戻す初期位置設定部を備えるものとすることができる。

かかるポンプ装置によれば、回転による軸スラスト力により吸込部方向へ移動した羽根車は、所定の条件で初期位置設定部の作用により初期位置に戻る。したがって、回転数による羽根車の位置の調整を容易にすることができる。

上記の構成を有するポンプ装置の初期位置設定部は、復元力で前記羽根車を初期位置に戻す弾性体を備えるものとしても良い。

かかるポンプ装置によれば、例えば、バネやゴムなどの弾性体の復元力を用いて、羽根車の初期状態の位置を設定し、移動した羽根車を初期位置に戻す。つまり、簡易な部品を用いて、羽根車の初期位置を設定することができる。

上記の構成を有するポンプ装置の初期位置設定部は、磁力で前記羽根車を初期位置に戻す電磁石を備えるものとしても良い。

かかるポンプ装置によれば、電磁石による磁力を用いて、羽根車の初期状態の位置を設定し、移動した羽根車を初期位置に戻す。必要に応じて電磁石を励磁することで、羽根車の位置を調整することができる。

また、本発明の第２のポンプ装置は、羽根車を回転させる動力源を備え、所定の液体を該羽根車の回転軸方向に設けた一の吸込部から吸い込んで該羽根車の回転円周方向へ流し、吐出部から吐出する片吸込みの渦巻式のポンプ装置であって、前記吐出部に、一の吐出口からの前記液体が流入する複数の流路と、当該液体の流れを該複数の流路の中の一の流路へ切替える方向切替弁とを設け、前記羽根車を前記回転軸方向に移動可能に組み付け、前記羽根車の回転軸方向の移動を伝達して、前記方向切替弁を駆動する伝達部を備え、前記動力源による回転数の増減によって、前記方向切替弁を駆動し、前記複数の流路を切替えることを要旨としている。

本発明の第２のポンプ装置によれば、羽根車の移動を方向切替弁に伝達して、方向切替弁を駆動し、流路の切り替えを行なう。つまり、羽根車の移動量を駆動源として取り出して、方向切替弁に伝達する。したがって、特別な駆動源を設けることなく弁を駆動することができる。

上記の構成を有するポンプ装置の伝達部は、前記方向切替弁と前記羽根車とを接続するリンクであるものとしても良い。

かかるポンプ装置によれば、羽根車の移動量を取り出して、リンクを用いて方向切替弁に伝達する。方向切替弁の稼動範囲と羽根車の移動範囲とは、リンクの比率により決定することができる。例えば、羽根車の移動範囲を小さくしても、方向切替弁を確実に駆動することができる。

本発明の冷却システムは、所定の装置に冷却水を循環して冷却する冷却システムであって、前記冷却水を、羽根車の回転軸方向に設けた一の吸込部から吸い込んで該羽根車の回転円周方向へ流し、吐出部から吐出する片吸込みの渦巻式のポンプ装置と、前記所定の装置を流れることで前記冷却水が吸収した熱を放出させる熱交換器と、前記ポンプ装置からの前記冷却水を、前記熱交換器へ導く熱交換器側流路と、前記ポンプ装置からの前記冷却水を、前記熱交換器へ流さずに前記所定の装置に供給するバイパス流路と、前記熱交換器側流路または前記バイパス流路を経由した前記冷却水を前記所定の装置を通過させて、再び前記ポンプ装置に戻す主流路と、前記ポンプ装置の回転数を制御する制御部とを備え、前記ポンプ装置は、前記吐出部に２つの流路を設けて、該２つの流路の一方の流路と前記熱交換器側流路とを、他方の流路と前記バイパス流路とを、それぞれ接続し、前記羽根車を前記回転軸方向に移動可能に組み付け、前記回転数の増大に伴って前記吸込部方向へ移動する前記羽根車を、所定値より低い回転数で初期位置に戻す初期位置設定部を備え、前記制御部は、前記回転数を調整して前記羽根車を所定位置に移動させることで、前記熱交換器側流路と前記バイパス流路との流れの切り替えの制御を行なうことを要旨としている。

本発明の冷却システムによれば、熱交換器側流路とバイパス流路との切り替えをポンプ装置の羽根車の移動によって行なう。ポンプ装置は、冷却水を循環させると共に、流路の切り替えを行なうため、例えば切替弁などの流路切替装置を別途備える必要がない。したがって、部品点数を低減し、システム全体をコンパクトなものとすることができる。

また、上記の冷却システムは、燃料電池システムに適用することができる。すなわち、本発明の燃料電池システムは、上記の冷却システムと、前記所定の装置として、発熱反応である電気化学反応により発電する燃料電池と、前記冷却システムに、更に、前記冷却水に混在するイオンを除去するイオン交換器とを備え、前記ポンプ装置の前記初期位置設定部は、前記回転数が所定値より低い場合には、前記バイパス流路と接続する前記流路の位置に前記羽根車を保持しており、前記燃料電池を所定期間の停止後に起動する際には、前記燃料電池の発電に先立って、前記制御部は、前記回転数を前記所定値よりも増大して前記熱交換器側流路と接続する前記流路の位置へ前記羽根車を移動させて該流路の切り替え制御を行なうことを要旨としている。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池システムを所定期間の停止後に起動する際に、ポンプ装置の羽根車の回転数を増大して羽根車を移動し、熱交換器側流路に冷却水を流す。熱交換器側を流れる冷却水は、イオン交換器でイオンの除去が行なわれ、低導電率で冷却システムを循環する。つまり、長期間の停止で熱交換器から溶け出した金属イオンや冷却水の劣化により生じるイオンなどを、早い段階で除去し、燃料電池による発電を実行する。したがって、燃料電池による発電をより一層安全に行なうことができる冷却システムを備えた燃料電池システムを構築することができる。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムにおける冷却システムの構成：
Ａ−２．ポンプ装置の構造：
Ａ−３．ポンプ装置の制御：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．ポンプ装置の構造：
Ｂ−２．ポンプ装置の制御：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−1．燃料電池システムにおける冷却システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての車載用の燃料電池システムにおける冷却システムを示す概略構成図である。図示する燃料電池５は、エア供給部６からの空気と、燃料供給部７からの水素ガスとの供給を受けて、電気化学反応により発電する。発電した電力は、出力部８に取り出され、車両の駆動源として利用されている。本実施例における燃料電池５は、水素極と酸素極と電解質膜とを備えた単セルを複数枚積層したスタック構造からなり、電解質膜には固体高分子の電解質膜を使用している。この電解質膜を介して起こる電気化学反応は、発熱反応であり、運転に伴って燃料電池の温度は上昇する。かかる燃料電池５は、良好に発電を行なう作動温度域が存在する。

こうした燃料電池５の温度上昇を抑制するため備えられた冷却システム１０は、図示するように、冷却水を循環させるポンプ装置２０、冷却水の熱を放散する熱交換器２５、イオンを除去するイオン交換器２８、こうした機器や燃料電池５を接続する主流路１５，熱交換器側流路１６，バイパス流路１７などから構成されている。

冷却システム１０内の冷却水を圧送するポンプ装置２０は、吸い込んだ冷却水を、吸い込み方向に垂直な面内方向に吐出する片吸込の渦巻式ポンプである。このポンプ装置２０は、一の吸込口３０と、２つの吐出口４０，４５を備えており、所定の運転条件のもと、吸い込んだ冷却水を吐出口４０、あるいは、吐出口４５から吐出し、冷却水を循環する。つまり、このポンプ装置２０は、吐出口４０，４５（すなわち、流路）を切り替える機能と、冷却水を圧送する機能とを備えた装置である。なお、ポンプ装置２０の構造については、後に詳しく説明する。

ポンプ装置２０と熱交換器側流路１６を介して接続された熱交換器２５は、大きな放熱面積を有するコアを備えており、コア内を冷却水が通過する過程で大気中に熱を放散している。この熱交換器２５には電動式のファン２６が併設されており、熱交換器２５内の冷却水は所定条件のもと、ファン２６により冷やされる。冷やされた冷却水は、燃料電池５に供給される。

主流路１５は、主として冷却水が流れる流路であり、流路上には燃料電池５が配置されている。主流路１５の一端は、熱交換器側流路１６およびバイパス流路１７と合流点Ａで接続しており、他端は、ポンプ装置２０の吸込口３０と接続している。熱交換器側流路１６またはバイパス流路１７を通過した冷却水は、主流路１５を流れ、燃料電池５内部に流入する。流入した冷却水は、発熱反応で温度上昇した燃料電池５から熱を奪いつつ、燃料電池５から流出してポンプ装置２０の吸込口３０に到達する。到達した冷却水は、ポンプ装置２０の作用によって循環している。

熱交換器側流路１６は、燃料電池５を通過することで温度上昇した冷却水を冷やす流路であり、流路上には熱交換器２５が配置されている。熱交換器側流路１６の一端は、ポンプ装置２０の吐出口４０と接続し、他端は、合流点Ａで主流路１５と接続している。ポンプ装置２０の吐出口４０から吐出された冷却水は、熱交換器２５を通過する過程で冷却され、主流路１５へ流入する。つまり、熱交換器側流路１６に冷却水を流すことで、効率よく燃料電池５を冷却することができる。

バイパス流路１７は、冷却水の過冷却を防ぐための流路である。バイパス流路１７の一端は、ポンプ装置２０の吐出口４５と接続し、他端は、合流点Ａで主流路１５と接続している。ポンプ装置２０の吐出口４５から吐出された冷却水は、熱交換器２５を介さずに主流路１５へ流入する。つまり、バイパス流路１７に冷却水を流すことで、燃料電池５の過冷却を防ぐことができる。例えば、燃料電池５が冷えた状態にあるシステムの始動初期には、バイパス流路１７に冷却水を流して、燃料電池５の温度を速やかに上昇させている。

こうした３つの主な流路に加え、冷却システム１０は、イオン交換器２８を配置するイオン交換器流路１８を備えている。このイオン交換器流路１８は、燃料電池５の冷却水の流入側の主流路１５と、流出側の主流路１５とを接続する流路であり、イオン交換器流路１８上に配置されるイオン交換器２８は、燃料電池５と並列に配置されている。イオン交換器２８は、内部にイオン交換樹脂を備えており、冷却水に混在するイオンをイオン交換樹脂で吸着して除去する。冷却システムを循環する冷却水には、各流路や熱交換器２５などから溶け出した金属イオンや、冷却水の劣化により生じたイオンなどが混在している。イオン交換器２８は、こうした冷却水を低導電率の冷却水とし、燃料電池５の安全性を向上する。こうしたイオン交換器２８は、燃料電池５の下流側、つまり、燃料電池５と直列に配置するものであっても良い。

なお、車載用燃料電池システムは、冷却システム１０を含めたシステム全体を制御する制御ユニット１００を備えている。制御ユニット１００は、燃料電池５出口付近の冷却水の温度を検出する温度センサ１０１からの信号や、図示しない電流計，電圧計などの各種センサからの信号を受け、車両の運転状態を判断して燃料電池５への空気や水素ガスの供給量を制御すると共に、上述のポンプ装置２０やファン２６なども制御している。

以上の構成からなる冷却システム１０において、制御ユニット１００は、始動時や低温時などに燃料電池５の温度を上げる場合には、ポンプ装置２０からの冷却水を、バイパス流路１７へ流して循環させる。他方、高出力の運転時などに燃料電池５の温度を下げる場合には、ポンプ装置２０からの冷却水を、熱交換器側流路１６へ流して循環させる。こうして燃料電池５の温度を所定範囲に収めることで、良好な出力を得ることができる。

Ａ−２．ポンプ装置の構造：
図２は、第１実施例のポンプ装置２０の断面の概略構成を示す断面図である。図示するように、このポンプ装置２０は、主に、一の吸込口３０と２つの吐出口４０，４５とを備えたポンプケーシング５０、ポンプケーシング５０内に収納され冷却水にエネルギを与える羽根車であるインペラ５５、インペラ５５を回転駆動するモータ部７０などから構成されている。

ポンプケーシング５０は、その内部に、インペラ５５の外周から出た流れを集めて吐出口４０（または吐出口４５）に送り出す機能を果たす空間（いわゆる渦巻室）を有している。ポンプケーシング５０の吐出口４０，４５は、吸込口３０からの流れの方向（以下、吸込方向または回転軸方向と呼ぶ）に垂直な方向に並んで形成され、吸込方向に厚みを増した構造、換言すると、渦巻室を吸込方向に２つ並べた構造に形成されている。こうした２つの渦巻室を備えたポンプケーシング５０内を、インペラ５５は所定条件のもと、吸込方向に移動する。ポンプケーシング５０の吸込口３０近傍は吸込方向に所定の長さを有しており、インペラ５５が移動可能に嵌合している。なお、本実施例では、２つの吐出口４０，４５を、回転軸方向から見て同一の位置に備えるものとしているが、回転軸方向に並んでいれば回転軸方向から見て、ずれた位置に備えるものとしても良い。つまり、回転軸方向から見た吐出方向は、接続する流路等の配置から設定すれば良い。

インペラ５５は、吸込方向の流れを変える羽根５５ａ，円形外形で所定の厚みを有する主板５５ｂ，羽根５５ａと接合されインペラ５５内に流路を形成する側板５５ｃ，モータ部７０と係合する円柱形状の軸部分５５ｄなどから構成されている。

側板５５ｃの吸込口３０側の部分（ここでは、インペラ５５の先端部と呼ぶ）は、吸込口３０と略同径で所定長さの円柱形状をしており、インペラ５５がポンプケーシング５０内の２つの渦巻室を行き来しても、先端部はポンプケーシング５０の吸込口３０近傍に係合する。よって、インペラ５５が移動しても、ポンプケーシング５０内部の冷却水を逆流させて吸い込むことはなく、外部から確実に冷却水を吸い込むことができる。インペラ５５内部に吸い込まれた冷却水は、羽根５５ａ，主板５５ｂ，側板５５ｃで囲まれた流路を通過すると共に、インペラ５５の回転による遠心力を受けて、インペラ５５の外周（つまり、渦巻室）に吐出される。

軸部分５５ｄは、円柱形状の外周３箇所にスプラインを形成する凸状の歯を備えている。つまり、インペラ５５は、スプラインによりモータ部７０と連結して回転可能であると共に、吸込方向に摺動可能に支持されている。

モータ部７０は、主に、電磁力を発生するコイルを備えたモータケーシング７０ａ，永久磁石を備えたロータ７０ｂ，モータケーシング７０ａに対してロータ７０ｂを回転可能に支持するシャフト７０ｃなどから構成されている。

ロータ７０ｂは、略円柱外形に形成され、その高さ方向に円柱中心と同心円の円筒状の溝が形成されている。この溝は、インペラ５５の軸部分５５ｄとの係合部分であり、凸状の歯に対応する凹状のみぞが形成されている。

モータケーシング７０ａは、その内部に、回転子であるロータ７０ｂを収納し、制御ユニット１００によるコイルへの励磁信号を受けて磁力を発生させ、ロータ７０ｂを回転させる。なお、本実施例のシャフト７０ｃは、モータケーシング７０ａに対しては圧入により固定され、ロータ７０ｂに対しては回転摺動可能に支持されており、この回転摺動部分は、図示しないブッシュや軸受などにより支持されている。

こうした機器を備えたポンプ装置２０は、モータ部７０のロータ７０ｂにインペラ５５を挿入し、ポンプケーシング５０をモータ部７０とボルトで締結することで組み立てられる。組立の際、ロータ７０ｂとインペラ５５との間には、インペラ５５の初期位置を設定するバネ６０が取り付けられている。このバネ６０は、引張りバネであり、インペラ５５を吐出口４５側（ロータ７０ｂ側）に引き寄せてデフォルト位置を設定している。

以上の構成のポンプ装置２０は、モータ部７０による回転動力をスプラインで伝達してインペラ５５を回転する。片吸込の渦巻式のポンプ装置２０では、吸込側の圧力と吐出側の圧力とは、釣り合わず、吐出側の圧力が高い。両者の圧力差は、インペラ５５の回転数が増大するとそれに伴って増大し、この圧力差によってインペラ５５には軸スラスト力が発生する。したがって、インペラ５５の回転数が所定回転を超えると、軸スラスト力がバネ６０の復元力に打ち勝って、インペラ５５は吸込口３０方向へ移動する。つまり、所定回転数まで吐出口４５から冷却水を吐出していたインペラ５５は、所定回転を超えると移動し始め、更に回転数を増加することで、やがて吐出口４０から冷却水を吐出する。この状態から逆に回転数を低下すると、バネ６０の復元力が軸スラスト力に打ち勝ってインペラ５５は初期位置に戻り、吐出口４５から冷却水を吐出する。

図３は、インペラ５５による流路切り替えの様子を示す説明図である。図３（ａ）は、インペラ５５の回転数が所定回転数よりも低回転である場合の流路の状態を、図３（ｂ）には、インペラ５５の回転数が所定回転数よりも高回転である場合の流路の状態を、それぞれ示している。

図３（ａ）に示すように、低回転時には、インペラ５５は吸込方向に移動せず、冷却水は、吐出口４５からバイパス流路１７を介して循環する。他方、図３（ｂ）に示すように、高回転時には、インペラ５５は吸込方向に移動し、冷却水は、吐出口４０から熱交換器側流路１６を介して循環する。こうしてインペラ５５の回転数によって、吐出口（流路）を切り替えることができる。

Ａ−３．ポンプ装置の制御：
図４は、ポンプ装置２０の制御の一例としての流路切替処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池５の始動後、所定のタイミングで制御ユニット１００内のＣＰＵにより実行される。

処理が開始されると、制御ユニット１００は、燃料電池５の温度Ｔを入力する（ステップＳ４００）。具体的には、温度センサ１０１からの検出信号を入力し、燃料電池５出口の冷却水の温度を、燃料電池５の温度Ｔとして検出している。

続いて、燃料電池５の温度Ｔが所定値αよりも高いか否かを判断する（ステップＳ４１０）。ステップＳ４１０で、温度Ｔが所定値αよりも高い（Ｙｅｓ）と判断した場合には、インペラ５５の回転数Ｒを、所定値βよりも高い範囲で制御し（ステップＳ４２０）、ＮＥＸＴに抜けて、所定のタイミングで一連の処理を繰り返す。つまり、回転数Ｒを高回転域に保つことで、インペラ５５を吸込方向に移動させて、冷却水を熱交換器側流路１６へ流している。

他方、ステップＳ４１０で、温度Ｔが所定値α以下である（Ｎｏ）と判断した場合には、インペラ５５の回転数Ｒを、所定値β以下の範囲に制御し（ステップＳ４３０）、ＮＥＸＴに抜けて、所定のタイミングで一連の処理を繰り返す。つまり、回転数Ｒを低回転域に保つことで、インペラ５５を吸込方向に移動させずに、冷却水をバイパス流路１７へ流している。

かかる流路の切替処理では、燃料電池５の温度Ｔが高い場合に、燃料電池５を単位時間当たりに流れる冷却水の循環流量を増大すると（つまり、インペラ５５の回転数Ｒを増大する）、ポンプ装置２０からの冷却水は熱交換器側流路１６を流れる。その結果、熱交換器２５で冷却された冷却水を循環させることができ、効率よく燃料電池５を冷却することができる。

他方、燃料電池５の温度Ｔが低い場合に、燃料電池５を単位時間当たりに流れる冷却水の循環流量を減少すると（つまり、インペラ５５の回転数Ｒを減少する）、ポンプ装置２０からの冷却水はバイパス流路１７を流れる。その結果、熱交換器２５によって冷却されることがないため、効率よく燃料電池５の温度上昇を図り、あるいは、過冷却を防止することができる。なお、燃料電池５の検出温度Ｔには、所定のヒステリシスを持たせて制御しているため、インペラ５５の回転数Ｒ領域を頻繁に切替えることはない。

以上のポンプ装置２０、これを備えた冷却システム１０、およびポンプ装置２０の流路切替処理によれば、流路の切り替えをインペラ５５の移動により行ない、その移動のタイミングを回転数の制御によって行なうことができる。したがって、特別な駆動源を備えることなく流路の切り替えを行なうことができ、制御ユニット１００における制御も簡素化することができる。また、ポンプ装置２０自体に流路の切替機能を備えているため、例えば、三方弁などの流路切替弁を冷却システム内に別途設ける必要がない。したがって、冷却システム全体における部品点数を低減することができると共に、システム全体をコンパクトなものにすることができる。こうした冷却システム１０を燃料電池システムに適用することで、燃料電池システムにおける各周機器配置の自由度を増すことができる。特に、車両の狭い空間に燃料電池を配置する燃料電池システムの場合に、その効果は大きい。

一般に、片吸込みの渦巻式のポンプ装置では、回転によってインペラに働く軸スラスト力を低減することが構造上望ましい。そのため、インペラの翼の裏側に、裏羽根と呼ばれるインペラの主板に働く圧力を低減する部材や、インペラに釣り合い穴と呼ばれる回転軸方向の貫通孔を設け、軸スラスト力を低減する工夫がなされている。これに対して、本実施例におけるポンプ装置２０では、インペラ５５に働く軸スラスト力を積極的に利用する。したがって、裏羽根や釣り合い穴などをインペラに設ける必要がない。

また、第１実施例のポンプ装置２０では、引張りバネ６０による復元力を用いてインペラ５５のデフォルト位置を設定するものとして説明したが、圧縮バネを利用するものとしても良い。図５は、圧縮バネを用いたポンプ装置２００の断面の概略構成を示す断面図である。図示するポンプ装置２００は、図２に示した第１実施例のポンプ装置２０とは、バネ６０の部分が異なるのみである。したがって、その他の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

図示するように、このポンプ装置２００は、インペラ５５の先端部に当接し、インペラ５５をモータ部７０側へ押し付ける圧縮バネ１９０と、ポンプケーシング５０の吸込口３０に固定され、圧縮バネ１９０を保持するストッパ１９１とを備えている。ストッパ１９１は圧縮バネ１９０を回転可能に保持しており、ロータ７０ｂとインペラ５５と圧縮バネ１９０とは一体で回転する。

かかるポンプ装置２００では、インペラ５５の回転数が所定値までの低回転時の場合には、吸引方向の軸スラスト力に圧縮バネ１９０が打ち勝って、インペラ５５は吸引方向に移動しない。インペラ５５の回転数が所定値を超える高回転時の場合には、軸スラスト力が圧縮バネ１９０に打ち勝って、インペラ５５は吸引方向に移動する。こうした構造のポンプ装置２００を用いても、第１実施例のポンプ装置２０と同様の効果を奏する。

なお、インペラ５５のデフォルト位置の設定は、引張りバネ６０、圧縮バネ１９０などのバネに限るものではない。例えば皿バネや、ゴムなどのバネ以外の弾性体を用いて、デフォルト位置を設定するものとしても良い。

Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．ポンプ装置の構造：
図６は、第２実施例のポンプ装置３００の断面の概略構成を示す断面図である。図示するように、このポンプ装置３００は、主に、ポンプケーシング５０，インペラ５６，モータ部７１などから構成されている。ポンプケーシング５０は、第１実施例のポンプ装置２０と同様の構造であり、２つの吐出口４０，４５を備えている。

なお、第２実施例としての冷却システムは、図１の冷却システム１０におけるポンプ装置２０に代えて、第２実施例のポンプ装置３００を備えたシステムであり、吐出口４０は熱交換器側流路１６と、吐出口４５はバイパス流路１７と、それぞれ接続されている。第２実施例の冷却システムは、ポンプ装置３００が異なるのみであるため、詳細な説明は省略する。

図６に示すインペラ５６は、主に、第１実施例と同様の羽根５５ａ，側板５５ｃ，軸部分５５ｄに加え、円形外形で所定の厚みを有し、モータ部７１側に磁性材料である鉄製の環状部材５６ｅを備えた主板５６ｂから構成されている。つまり、第１実施例とは、主板５６ｂの構造のみが異なっている。

モータ部７１は、主に、第１実施例と同様のモータケーシング７０ａに加え、永久磁石を備え、かつ、インペラ５６側の端面で円周上等間隔に配置したコイル７１ｄを有するロータ７１ｂと、ロータ７１ｂを回転可能に支持し、コイル７１ｄに通電するためのブラシ（図示せず）を有するシャフト７１ｃなどから構成されている。つまり、第１実施例とは、ロータ７１ｂとシャフト７１ｃの構造が異なっている。

こうした機器を備えたポンプ装置３００は、モータ部７１のロータ７１ｂにインペラ５６を挿入し、ポンプケーシング５０をモータ部７１とボルトで締結することで組み立てられるが、第１実施例のような引張りバネ６０は装着されない。第２実施例のポンプ装置３００では、コイル７１ｄへの通電による電磁誘導を利用して、環状部材５６ｅ（つまり、インペラ５６）を引き寄せてインペラ５６の初期位置を設定する。すなわち、第２実施例のポンプ装置３００は磁力（電磁石）によりインペラ５６のデフォルト位置を設定している。なお、コイル７１ｄへの通電は、制御ユニット１００により実行される。

以上の構成のポンプ装置３００では、インペラ５６の回転駆動前から継続してコイル７１ｄへの通電が行なわれ、電磁力によりインペラ５６は吐出口４５側に保持され、その後、モータ部７１の回転動力によりインペラ５６は回転する。インペラ５６の回転数が所定回転を超えると、軸スラスト力が電磁力に打ち勝って、インペラ５６は吸込口３０方向へ移動する。つまり、所定回転数まで吐出口４５から冷却水を吐出していたインペラ５６は、所定回転を超えると移動し始め、更に回転数を増加することで、やがて吐出口４０から冷却水を吐出する。この状態から逆に回転数を低下すると、電磁力が軸スラスト力に打ち勝ってインペラ５６は初期位置に戻り、吐出口４５から冷却水を吐出する。こうしてインペラ５６の回転数によって、吐出口（流路）を切り替えることができる。

Ｂ−２．ポンプ装置の制御：
こうしたポンプ装置３００の制御は、第１実施例と同様、燃料電池５の始動後、所定のタイミングで制御ユニット１００内のＣＰＵにより実行される。第２実施例のポンプ装置３００の制御では、燃料電池５の始動後、インペラ５６の回転駆動に先立ってコイル７１ｄへの通電処理が行なわれる。この通電処理は、燃料電池５の停止までの間、継続して行なわれ、その間に、図４に示した流路切替処理が実行される。つまり、第１実施例と実質的には同様の処理で制御されている。したがって、流路切替処理の説明は省略する。

以上、第２実施例のポンプ装置３００、冷却システム、および流路切替処理によれば、第１実施例と同様、冷却システムにおける部品点数を低減することができる。また、第１実施例に比べ、コイル７１ｄへの通電処理が加わるが、これは常時通電を行なうのみの処理である。したがって、モータ駆動の三方弁などの流路切替弁を備えたシステムに比べ、制御ユニット１００における制御を簡素化することができる。

なお、第２実施例のポンプ装置３００の制御は、常時通電する処理に代えて、所定のタイミングでコイル７１ｄに通電するものとしても良い。図７は、ポンプ装置３００の制御の一例としての流路切替処理の流れを示すフローチャートである。

処理が開始されると、制御ユニット１００は、燃料電池５の温度Ｔを入力し（ステップＳ７００）、燃料電池５の温度Ｔが所定値αよりも高いか否かを判断する（ステップＳ７１０）。ここまでの処理は、図４に示した流路切替処理のステップＳ４００，Ｓ４１０と同様の処理である。

ステップＳ７１０で、温度Ｔが所定値αよりも高い（Ｙｅｓ）と判断した場合には、コイル７１ｄへの電流をＯＦＦとする（ステップＳ７２０）。具体的には、コイル７１ｄへの通電が行なわれていない場合には、そのままの状態とし、コイル７１ｄへの通電が行なわれている場合には、コイル７１ｄへの通電を停止する。この処理で、インペラ５６には電磁力が働かず、インペラ５６は回転軸方向に自由に移動可能な状態となる。続いて、インペラ５６の回転数Ｒを、所定値βよりも高い範囲で制御し（ステップＳ７３０）、ＮＥＸＴに抜けて、所定のタイミングで一連の処理を繰り返す。つまり、回転数Ｒを高回転域に保つことで、インペラ５６を吸込方向に移動させて、冷却水を熱交換器側流路１６へ流している。

他方、ステップＳ７１０で、温度Ｔが所定値α以下である（Ｎｏ）と判断した場合には、コイル７１ｄへの電流をＯＮとする（ステップＳ７４０）。具体的には、コイル７１ｄへの通電が行なわれていない場合には、コイル７１ｄへの通電を行ない、コイル７１ｄへの通電が行なわれている場合には、そのままの状態とする。この処理で、インペラ５６には電磁力が働き、インペラ５６を吐出口４５側（モータ部７１側）に拘束した状態となる。続いて、インペラ５６の回転数Ｒを、所定値β以下の範囲に制御し（ステップＳ７５０）、ＮＥＸＴに抜けて、所定のタイミングで一連の処理を繰り返す。つまり、回転数Ｒを低回転域に保つことで、インペラ５６を吐出口４５側に保持し、冷却水をバイパス流路１７へ流している。

こうした流路切替処理を行なうものとしても、第１実施例と同様、効率よく燃料電池５を所定範囲の温度に保ち、かつ、複雑な制御を要しない冷却システムを構築することができる。

なお、第２実施例のポンプ装置３００では、ロータ７１ｂに設けたコイル７１ｄと、インペラ５６に設けた環状部材５６ｅとは、共に回転する構造として説明したが、コイルをシャフト側に固定するものとしても良い。

図８は、第２実施例の変形例としてのポンプ装置の断面の概略構成を示す断面図である。このポンプ装置４００は、ポンプケーシング５０，インペラ５７，モータ部７２などから構成されており、ポンプ装置３００とは、インペラ５７の主板５７ｂと、モータ部７２のロータ７２ｂ，シャフト７２ｃのみが異なる。したがって、構造が同一の部分については、同一符号を付して説明を省略する。

図示するように、インペラ５７は、回転軸の中心付近であって、モータ部７２側に鉄製の部材５７ｅを有する主板５７ｂを用いて形成されており、第２実施例と同様、スプラインによりモータ部７２のロータ７２ｂと係合している。モータ部７２は、回転中心に貫通孔を有するロータ７２ｂを備え、その貫通孔にはシャフト７２ｃが係合している。シャフト７２ｃは、その先端にコイル７２ｄを備え、ロータ７２ｂの貫通孔から突き出す長さに形成されており、ロータ７２ｂを回転可能に支持している。シャフト７２ｃの内部には、コイル７２ｄへの電気配線（図示なし）が施され、制御ユニット１００の指令による電流がコイル７２ｄへ到達する構造となっている。

こうした構造のポンプ装置４００は、制御ユニット１００からの電流によりコイル７２ｄが励磁され、磁力によりインペラ５７をシャフト７２ｃ側へ引き寄せる。この構造では、固定部分であるシャフト７２ｃにコイル７２ｄを備えているため、電気配線の取り回しを比較的簡単に行なうことができる。

Ｃ．変形例：
本実施例では、ポンプケーシングに２つの吐出口（流路）を設けた構造のポンプ装置について説明したが、ポンプケーシングの吐出口は１つとして、これに枝分かれの配管を接続し、全体でポンプ装置を構成するものとしても良い。この場合、枝分かれの配管内部には、流路を切替える弁を備えるものとすれば良い。

図９は、流路切替の弁を備えたポンプ装置の構成を示す概略構成図である。図示するように、このポンプ装置５００は、主に、ポンプケーシング５１，インペラ５８，モータ部７３，分岐管８０，リンク部９５などから構成されている。

ポンプケーシング５１は、吸込口３１と吐出口３５とを有し、内部にインペラ５８を収納する空間を備えている。インペラ５８およびモータ部７３は、図２に示した第１実施例とほぼ同様、インペラ５８を回転軸方向に移動可能に支持する構造であるが、その移動量（ストローク）が第１実施例に比べて小さく設定されている。

分岐管８０は、入口部８３と２つの出口部８１，８２を有する配管であり、入口部８３はポンプケーシング５１の吐出口３５に接続されている。この分岐管８０は、入口部８３から流入した冷却水を出口部８１または出口部８２のいずれかへ導く弁部９０を備えている。この弁部９０とインペラ５８の先端とは、リンク部９５により接続されており、インペラ５８の回転軸方向のストロークに応じて、弁部９０は駆動する。すなわち、このポンプ装置５００は、回転で生じる軸スラスト力によるインペラ５８の移動に連動して弁部９０を駆動している。

こうした構造のポンプ装置とすることで、２つの出口部８１,８２（流路）を切替える弁部９０の駆動に、特別な動力は必要ない。したがって、流路の切り替えをインペラ５８の移動量、つまり、インペラ５８の回転数により制御することができる。

また、本実施例で説明したインペラ５５の移動量は、約２０から３０ｍｍ程度であるが、移動量を取り出す機構がリンク機構であるため、インペラ５８の移動量が少なくても弁を切り替えることができる。したがって、ポンプ装置全体の構造をコンパクトに構成することができ、従来構造のポンプから構成することが比較的容易となる。更には、分岐管８０を吸込口３１側に設けることで、冷却システムにおける機器配置の自由度を向上することができる。

この変形例では、弁の駆動動力にインペラの移動を用い、そのストロークをリンクで取り出したが、例えばケーブルなどを用いて取り出すものとしても良い。また、インペラに働く軸スラスト力を、間接的に取り出して、これを弁の駆動動力としても良い。例えば、軸スラスト力を吸い込み側と吐出し側との圧力差（差圧）として取り出し、差圧により所定のストロークを作り出す。このストロークにより弁を駆動するものとすれば良い。

本実施例のポンプ装置の制御では、燃料電池の始動後、燃料電池の温度のみを検出して制御するものとしたが、燃料電池が停止していた期間を考慮してポンプ装置の制御を行なうものとしても良い。

図１０は、燃料電池の停止期間を考慮したポンプ装置の制御のフローチャートである。この処理は、燃料電池５の始動に先立って、所定のタイミングで制御ユニット１００内のＣＰＵにより実行される。なお、以下に説明するポンプ装置の制御を行なう冷却システムは、図１に示した冷却システム１０と同様である。

処理が開始されると、制御ユニット１００は、燃料電池５の停止期間Ｌを入力する（ステップＳ９００）。制御ユニット１００には、カウンタが備えられており、車両の停止とともに、経過時間をカウントしている。制御ユニット１００は、この経過時間を停止期間Ｌとして認識する。

続いて、停止期間Ｌが所定値γよりも長いか否かを判断する（ステップＳ９１０）。所定値γは、約１ヶ月に相当する時間が設定されている。ステップＳ９１０で、停止期間Ｌが所定値γよりも長い（Ｙｅｓ）と判断した場合には、インペラ５５の回転数Ｒを、所定値ωに設定して、所定時間の間、インペラ５５を回転する（ステップＳ９２０）。所定値ωは、図４で示した所定値βよりも大きな回転数であり、この処理で、インペラ５５は吸込方向へ移動し、冷却水は熱交換器側流路１６（つまり熱交換器２５）へ確実に流れる。

こうして所定時間の間、熱交換器２５内部，燃料電池５内部に冷却水を循環させた後、燃料電池５での電気化学反応が開始する。つまり、制御ユニット１００は、エア供給部６および燃料供給部７に供給指令を行なう。この供給指令と共に、制御ユニット１００は、ポンプ装置２０における流路切替処理を実行し（ステップＳ９３０）、一連の処理を終了する。なお、流路切替処理は、図４に示した処理であるので説明は省略する。

他方、ステップＳ９１０で、停止期間Ｌが所定値γ以下である（Ｎｏ）と判断した場合には、エア供給部６，燃料供給部７への供給指令と共に、流路切替処理を実行し（ステップＳ９３０）、一連の処理を終了する。

以上のポンプ装置の制御によれば、長期間（所定値γを越える期間）の停止後に、燃料電池５を始動する場合には、始動前の暫らくの間、熱交換器２５側に冷却水を流す。特に、イオンの溶け出しが想定される熱交換器２５側に冷却水を流し、イオン交換器２８によりイオンを除去することで、燃料電池５に供給する冷却水の導電率を低減することができる。したがって、燃料電池５をより一層安全に冷却することができる。

本実施例では、ポンプ装置が備える吐出口（流路）は２つであるとして説明したが、さらに複数の吐出口（流路）を形成して、流路を切り替える構造としても良い。また、インペラの移動をモータ部による回転数増減により行なうものとして説明したが、これに限るものではない。例えば、外部からインペラを回転軸方向へ強制的に移動させるアクチュエータを備えて、これにより流路の切り替えを行なうものとしても良い。この場合であっても、アクチュエータによるインペラの移動方向は回転軸方向であるため、流路の切り替えに複雑な部材を必要とせず、比較的簡単な構造で流路可変式のポンプ装置を形成することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、燃料電池の冷却システムを例にポンプ装置の説明をしたが、内燃機関の冷却システムに本発明のポンプ装置を使用するものとしても同様の効果を奏する。

本発明の第１実施例としての車載用燃料電池における冷却システムを示す概略構成図である。 第１実施例のポンプ装置の断面の概略構成を示す断面図である。 インペラによる流路切り替えの様子を示す説明図である。 ポンプ装置の制御の一例としての流路切替処理の流れを示すフローチャートである。 圧縮バネを用いたポンプ装置の断面の概略構成を示す断面図である。 第２実施例のポンプ装置の断面の概略構成を示す断面図である。 ポンプ装置の制御の一例としての流路切替処理の流れを示すフローチャートである。 第２実施例の変形例としてのポンプ装置の断面の概略構成を示す断面図である。 流路切替の弁を備えたポンプ装置の構成を示す概略構成図である。 燃料電池の停止期間を考慮したポンプ装置の制御のフローチャートである。

符号の説明

５...燃料電池
６...エア供給部
７...燃料供給部
８...出力部
１０...冷却システム
１５...主流路
１６...熱交換器側流路
１７...バイパス流路
１８...イオン交換器流路
２０...ポンプ装置
２５...熱交換器
２６...ファン
２８...イオン交換器
３０...吸込口
３１...吸込口
３５...吐出口
４０，４５...吐出口
５０...ポンプケーシング
５１...ポンプケーシング
５５...インペラ
５５ａ...羽根
５５ｂ...主板
５５ｃ...側板
５５ｄ...軸部分
５６...インペラ
５６ｂ...主板
５６ｅ...環状部材
５７...インペラ
５７ｂ...主板
５７ｅ...部材
５８...インペラ
６０...バネ
７０...モータ部
７０ａ...モータケーシング
７０ｂ...ロータ
７０ｃ...シャフト
７１...モータ部
７１ｂ...ロータ
７１ｃ...シャフト
７１ｄ...コイル
７２...モータ部
７２ｂ...ロータ
７２ｃ...シャフト
７２ｄ...コイル
７３...モータ部
８０...分岐管
８１，８２...出口部
８３...入口部
９０...弁部
９５...リンク部
１００...制御ユニット
１０１...温度センサ
１９０...圧縮バネ
１９１...ストッパ
２００...ポンプ装置
３００...ポンプ装置
４００...ポンプ装置
５００...ポンプ装置

Claims (8)

1. 羽根車を回転させる動力源を備え、所定の液体を該羽根車の回転軸方向に設けた一の吸込部から吸い込んで該羽根車の回転円周方向へ流し、吐出部から吐出する片吸込みの渦巻式のポンプ装置であって、
   前記吐出部に、前記羽根車を収納するポンプケーシングの一部であって前記羽根車の回転軸方向に並べて、複数の吐出口を設け、
   前記羽根車を前記回転軸方向に移動可能に組み付け、
   前記動力源による回転数の増減によって、前記羽根車を前記複数の吐出口の中の一の吐出口の位置へ移動することで、前記複数の吐出口を切替える
   ポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置であって、更に、
   回転数の増大に伴って前記吸込部方向へ移動する前記羽根車を、所定値よりも低い回転数で初期位置に戻す初期位置設定部を備えたポンプ装置。
3. 請求項２に記載のポンプ装置であって、
   前記初期位置設定部は、復元力で前記羽根車を初期位置に戻す弾性体を備えたポンプ装置。
4. 請求項２に記載のポンプ装置であって、
   前記初期位置設定部は、磁力で前記羽根車を初期位置に戻す電磁石を備えたポンプ装置。
5. 羽根車を回転させる動力源を備え、所定の液体を該羽根車の回転軸方向に設けた一の吸込部から吸い込んで該羽根車の回転円周方向へ流し、吐出部から吐出する片吸込みの渦巻式のポンプ装置であって、
   前記吐出部に、一の吐出口からの前記液体が流入する複数の流路と、当該液体の流れを該複数の流路の中の一の流路へ切替える方向切替弁とを設け、
   前記羽根車を前記回転軸方向に移動可能に組み付け、
   前記羽根車の回転軸方向の移動を伝達して、前記方向切替弁を駆動する伝達部を備え、
   前記動力源による回転数の増減によって、前記方向切替弁を駆動し、前記複数の流路を切替える
   ポンプ装置。
6. 請求項５に記載のポンプ装置であって、
   前記伝達部は、前記方向切替弁と前記羽根車とを接続するリンクであるポンプ装置。
7. 所定の装置に冷却水を循環して冷却する冷却システムであって、
   前記冷却水を、羽根車の回転軸方向に設けた一の吸込部から吸い込んで該羽根車の回転円周方向へ流し、吐出部から吐出する片吸込みの渦巻式のポンプ装置と、
   前記所定の装置を流れることで前記冷却水が吸収した熱を放出させる熱交換器と、
   前記ポンプ装置からの前記冷却水を、前記熱交換器へ導く熱交換器側流路と、
   前記ポンプ装置からの前記冷却水を、前記熱交換器へ流さずに前記所定の装置に供給するバイパス流路と、
   前記熱交換器側流路または前記バイパス流路を経由した前記冷却水を前記所定の装置を通過させて、再び前記ポンプ装置に戻す主流路と、
   前記ポンプ装置の回転数を制御する制御部とを備え、
   前記ポンプ装置は、
   前記吐出部に２つの流路を設けて、該２つの流路の一方の流路と前記熱交換器側流路とを、他方の流路と前記バイパス流路とを、それぞれ接続し、
   前記羽根車を前記回転軸方向に移動可能に組み付け、
   前記回転数の増大に伴って前記吸込部方向へ移動する前記羽根車を、所定値より低い回転数で初期位置に戻す初期位置設定部を備え、
   前記制御部は、前記回転数を調整して前記羽根車を所定位置に移動させることで、前記熱交換器側流路と前記バイパス流路との流れの切り替えの制御を行なう
   冷却システム。
8. 燃料電池システムであって、
   請求項７に記載の冷却システムと、
   前記所定の装置として、発熱反応である電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記冷却システムに、更に、前記冷却水に混在するイオンを除去するイオン交換器とを備え、
   前記ポンプ装置の前記初期位置設定部は、前記回転数が所定値より低い場合には、前記バイパス流路と接続する前記流路の位置に前記羽根車を保持しており、
   前記燃料電池を所定期間の停止後に起動する際には、前記燃料電池の発電に先立って、前記制御部は、前記回転数を前記所定値よりも増大して前記熱交換器側流路と接続する前記流路の位置へ前記羽根車を移動させて該流路の切り替え制御を行なう
   燃料電池システム。

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