JP2003176838A - 電子制御式粘性継手駆動装置を備える水ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 燃料の経済性を最大にし且つ排気物の量を最
小限にし得るエンジン冷却液の流量を制御すべく電子制
御式粘性継手を提供する。 【解決手段】粘性継手は、エンジン速度及びエンジンの
温度の関数とし冷却液を移動させるために使用される水
ポンプの回転速度を制御する。粘性継手は、作用チャン
バ６４に入る粘性流体の量を制御する。作用チャンバ内
に保持された粘性流体はせん断力を発生させ、クラッチ
６０及び接続された水ポンプ軸６２を駆動して冷却液の
流れを向けるトルクを発生させる。粘性継手は静止電気
コイル５２を有しており、該電気コイルは、電流によっ
て励起されたとき、弁部材を閉じ、該弁部材は粘性流体
が作用チャンバに入るのを防止し、これにより水ポンプ
軸を駆動するトルクの発生を防止する。粘性継手は水ポ
ンプ軸の回転速度を制限し且つポンプのキャビテーショ
ン及び生じるであろう水ポンプの損傷を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、全体として、水ポ
ンプ、より具体的には、電気制御式粘性継手駆動装置を
有する水ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的に、運転中、エンジンに対する熱
伝導手段を提供するため現代の車にて水ポンプが使用さ
れている。典型的に、エンジンのクランク軸が水ポンプ
を一定の比にて駆動する。このため、排気物の量を少な
くするため、現在の車にて１つの傾向であるように、エ
ンジンのアイドル速度が減速すると、水ポンプの速度は
これに相応して遅くなる。この水ポンプの速度が減速す
る結果、冷却システムを通る冷却液の流れが減少し、そ
のため、低温の天候時に必要とされるとき、車の内部へ
のヒータの出力が不十分となり、また、高温の天候の
間、エンジンを冷却するための冷却液の流れが不十分と
なる可能性もある。

【０００３】クランク軸からの駆動比を増すことにより
水ポンプの速度を増大させることは、エンジンのアイド
ル速度時の冷却液の流れを増すことになるが、その結
果、より速いエンジン速度のとき、ポンプを過熱させる
ことになり、このことは、ポンプのキャビテーションを
生じさせ且つ水ポンプのベアリングの寿命を短縮するこ
とになる。ポンプのキャビテーションの結果、ポンプは
損傷し、また、冷却システムの性能が低下する可能性が
ある。

【０００４】現在の技術は、低速のエンジンアイドル速
度にて追加的な冷却液の流れを提供すべく、典型的に電
気的に駆動される補助水ポンプを追加することである。
別の方策は、冷却液の流れをより速いエンジン速度のと
き絞るべく水ポンプの入口に可動のベーンを使用するこ
とである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、本発明の
１つの目的は、補助水ポンプ又は可動のベーンを必要と
せずに、高速のエンジン速度時のポンプのキャビテーシ
ョンを防止しつつ、低いエンジンアイドル速度時、十分
な冷却液の流れを提供することである。本発明の別の目
的は、排気物の量及び燃料の経済性を向上させ得るよう
に水ポンプの速度を制御することである。

【０００６】本発明の上記及びその他の目的は、既知の
水ポンプの改良である、本発明によって実現される。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、プーリーと水
ポンプの軸との間に電気制御式粘性継手を提供するもの
である。プーリーとクラッチとの間の小さい隙間、すな
わち作用チャンバ内の粘性流体の量を変化させることが
水ポンプの速度を制御することになる。この粘性流体
は、せん断力を発生させ、このせん断力は、水ポンプの
軸に接続されたクラッチに伝導されるトルクを生じさせ
る。トルクが変化すると、水ポンプの速度が変化する。
水ポンプのハウジングに取り付けられた静止コイルから
の磁束に応動する弁がチャンバ内の流体の量を制御す
る。

【０００８】このように、電気制御式粘性継手は、補助
水ポンプ又は可動ベーンを必要とせずに、より高速のエ
ンジン速度にてポンプのキャビテーションを防止しつ
つ、低いエンジンアイドル速度にて十分な冷却液の流れ
を提供する。このことは、また、エンジン速度に関係な
く、エンジンを受容可能な温度範囲に保つことにより燃
料の経済性及び排気物の量を改良することになる。

【０００９】本発明のその他の特徴、利点及び有利な点
は、添付図面及び特許請求の範囲に従って検討したと
き、本発明の以下の説明から明らかになるであろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】先ず、図１を参照すると、従来技
術による内燃機関１２用の典型的な冷却システム１１
は、車１０のエンジン温度を制御するため水ポンプ１４
を使用する。内燃機関１２が始動すると、冷却液は、ラ
ジエータ１８から枝管路１６を通って水ポンプ１４に入
る。次に、冷却液は、水ポンプ１４外に且つエンジン１
２の冷却通路（図示せず）内に圧送される。冷却液は、
エンジン１２を通って恒温式流れ制御弁２０まで流れ
る。次に、冷却液は、恒温式制御弁２０により決定され
るエンジン冷却液の温度に依存して、供給管路２２を通
ってラジエータ１８まで流れて戻り、又はバイパス管路
２４を通ってバイパスされる。エンジン１２が低温であ
るとき、恒温式流れ制御弁２０は冷却液をバイパス管路
２４を通して流す。エンジン１２が高温であるならば、
恒温式流れ制御弁２０は、冷却液を供給管路２２を通し
てラジエータ１８に流し、冷却液はこのラジエータにて
冷却される。冷却液のオーバフロー領域２８は、典型的
に、枝管路１６に接続されている。本明細書にて使用す
るように、「冷却液」という語は、凍結防止液又は水の
ようなエンジン冷却液と互換可能に使用する。

【００１１】現在、利用可能なエンジンに駆動される水
ポンプ１４に伴う１つの問題点は、水ポンプ１４の回転
速度が常に、エンジン１２の速度に関係していることで
ある。従って、エンジンのアイドルモード中、エンジン
１２の速度が低いとき、システム１１を通る水の流量は
これに相応して少ない。エンジンのアイドル速度は排気
物の量を制御する目的のため、更に低速とされるため、
この流量は、これに相応して減少する。更に、エンジン
１２の速度が増すに伴い、水ポンプ１４の回転速度もこ
れに相応して速くなる。これらの高速の回転速度時、水
ポンプのキャビテーションが生じて、水ポンプ１４を通
して圧送可能な冷却液の量を水ポンプ１４内のインペラ
（図示せず）の回転速度と調和させることができない。
このことは、水ポンプ１４内に真空圧を生じさせ、ま
た、ポンプの損傷を引き起こす可能性がある。最後に、
通常の作動状態の間、典型的に、エンジン１２を受容可
能な温度範囲内に保つうえでこの高速の回転速度は不要
であり、このため、エンジン１２及び冷却液システム１
１が最適に作動する上で過度の回転速度は不要である。
更に、過剰なトルクが発生されるならば、燃料の経済性
及び排気物の量に有害な影響を与える。

【００１２】これらの問題点を緩和するため、本発明
は、電子制御式粘性継手を冷却システム１１の水ポンプ
に接続することにより水ポンプの速度を制御する。電子
制御式粘性継手５０を有する本発明の１つの好ましい実
施の形態について、図２、図３及び図４に関して以下に
説明する。

【００１３】次に、図３を参照すると、電子制御式粘性
継手５０の静止コイル５２は、水ポンプ３４の外側ハウ
ジング３５に取り付けられている。コイル５２は、ま
た、磁束リング５５に接続された継手５０の本体５３に
も接続されている。プーリー５４がベアリング５８によ
ってクラッチ軸５６に取り付けられている。クラッチ６
０は、水ポンプ３４内に伸び且つ複数のインペラ（図示
せず）と接続された水ポンプ軸６２に取り付けられてい
る。リザーバ６６がクラッチ６０の反対側部に保持され
る一方、プーリー５４とクラッチ６０との間に作用チャ
ンバ６４が画成されている。図２、図３及び図４に最も
良く図示するように、プーリー５４は、典型的に、エン
ジン１２のクランク軸に接続されたベルト６８によって
駆動される。

【００１４】典型的に、作用チャンバ６４内にシリコー
ン系流体である粘性流体が保持されている。粘性流体
は、プーリー５４とクラッチ６０との間の速度差のた
め、せん断力を発生させる。せん断力は、クラッチ６０
に伝導され、更に、水ポンプ軸６２に伝導されるトルク
を発生させる。プーリー５４とクラッチ６０との間の粘
性流体の量を変化させることにより、伝導可能なトルク
量は変化し、このため、水ポンプ３４の速度を変化させ
る。流体は、通路７４を通って逃げてリザーバに戻るこ
とができる。

【００１５】図４に最も良く図示するように、作用チャ
ンバ６４内の流体の量は、水ポンプハウジング３５に取
り付けられた静止コイル５２からの磁束に応動する弁７
０によって制御される。空隙を亙る磁束は、静止コイル
５２の電気的励起に起因し、一方、この電気的励起は、
弁７０を枢動させ且つ充填ポート７２を閉じる。クラッ
チ６０におけるポンプは、粘性流体をリザーバ６６に戻
し且つ粘性継手５０の作用領域６４の外に出す。

【００１６】弁７０が閉じられならば、粘性流体はリザ
ーバ６６内に残り且つ作用領域６４から出ている状態に
なっている。従って、クラッチ６０が静止しているか又
は予め設定した遅い速度にて回転して、エンジン１２内
に高温部分が形成されるのを防止し且つヒータ（図示せ
ず）まで流れるのに十分な循環量を提供する間に、プー
リー５４は旋回自在である。クラッチ６０が静止してい
るとき、水ポンプ軸６２に伝導されるトルクは存在せ
ず、このため、水ポンプ軸６２に接続されたインペラ
は、水ポンプ３４内にて回転しない。このため、弁７０
が閉じ位置にあるとき、冷却システム１１は冷却液が殆
ど又は全く流れない。

【００１７】静止コイル５２の励起は、多岐に亙る好ま
しい方法にて制御することができる。例えば、本発明の
１つの好ましい実施の形態において、車のセンサから得
られた多くの異なる自動車の入力信号の関数として、電
気的励起状態を制御すべく静止コイル５２と多数の車セ
ンサ（図示せず）との間で電子式制御装置（図示せず）
を電子的に接続することができる。可能な入力信号の非
限定的な例として、シリンダヘッドの温度信号、燃料の
噴射タイミング信号、及びヒータの需要信号が挙げられ
る。代替的な実施の形態において、電子式制御装置は、
また、燃料の経済性及び排気物の量を更に最適化するた
め、静止コイル５２及び車センサに加えて、電子制御式
装置を冷却ファン及び冷却液弁に接続することもでき
る。更に、その他の代替的な実施の形態において、静止
コイル５２の電気的励起の制御は、エンジン内に接続さ
れた熱スイッチ又は冷却システムの構成部品を介して行
うことができる。

【００１８】図２乃至図４に図示した形態において、粘
性継手５０はフェールセーフ型である。何らかの理由に
より電力が遮断され又は切れたならば、遠心力によって
弁７０は開き状態に保たれ、流体はプーリー５４とクラ
ッチ６０との間の作用チャンバ６４内に流れる。このこ
とは、その開示内容を参考として引用し、本明細書に含
めた、２０００年１２月１日付けで出願した出願係属中
の米国特許出願第０９／７２８，０１５号の発明であ
る。

【００１９】本発明は、現在、利用可能な冷却システム
１１に優る多数の有利な点をもたらすものである。第一
に、水ポンプの速度は、いろいろな状況下にて十分な冷
却液の流れを提供し得るように電子的に制御される。温
度センサによってエンジンの温度が低温であると測定さ
れた時点にてエンジン１２が最初に作動されたとき、継
手５０は開き位置に保たれ、作用領域６４内の流体の量
及びエンジン速度に基づいて発生されたトルク量に比例
する量にてエンジン冷却液が冷却システム１１を通って
流れることを許容する。このことは、燃料経済性及び排
気物の量が理想的な状態とされる、その好ましいエンジ
ン温度までエンジン１２が可能な限り迅速に暖機される
ことを許容する。エンジン１２がいろいろなエンジン温
度センサにより検知される受容可能な程度まで暖機され
るとき、弁７０を部分的に閉じた位置まで動かし、これ
により作用領域６４に入る粘性流体の量を制限すること
により、水ポンプ軸６２の回転速度及びこれに相応して
冷却システム１１を通る冷却液の流量を減少させる。こ
のことは水ポンプ軸６２を回転させるのに利用可能なせ
ん断力及びトルク量を制限し、これにより、冷却システ
ム１１を通る冷却液の流量を制限することことができ
る。最後に、冷却システム１１が必要とする冷却液の流
量が少ない状態のとき、弁７０を完全に閉じるのに十分
な磁束を発生させるのに十分な電圧にてコイル５２を励
起させる。このように、全ての状況下にて、いろいろな
エンジン速度及び温度にて理想的な燃料の経済性及び排
気物の量を実現し得るような冷却システム１１の状態を
保つのに必要なトルク量は、継手５０内の静止コイル５
２の電気的励起状態を変化させるだけで迅速に且つ連続
的に調節することができる。

【００２０】第二に、本発明は、水ポンプ軸６２の回転
を電子制御式粘性継手５０に接続することにより水ポン
プ３４内のポンプのキャビテーションを防止する。２０
００年１２月１日付けで出願された出願係属中の米国特
許出願第０９／７２８，０１５号に記載されたように、
水ポンプ軸６２の回転速度は、作用チャンバ６４内に保
持された粘性流体のせん断量によって限定された回転速
度に制限され、このせん断力は、クラッチ６０及び水ポ
ンプ軸６２を駆動するのに必要なトルクを発生させる。
この限定された回転速度は、常に、ポンプのキャビテー
ションを発生させるのに必要とされる真空圧を水ポンプ
３４内に発生させるのに必要な回転速度以下である。

【００２１】第三に、静止コイル５２が電気的に励起さ
れないとき弁７０は開き位置に保たれるため、粘性継手
５０はフェールセーフとなる。電力が冷却システム１１
により遮断されるか又は切られたならば、弁７０は、遠
心力によって開き位置に保たれ、これにより、粘性流体
を作用チャンバ６４内に保つことを許容し、これにより
上述したように水ポンプ軸６２の回転速度を制限する。
このことは、また、ポンプのキャビテーションを防止す
ることにもなる。

【００２２】本発明を実施する最良の形態について本明
細書にて詳細に説明したが、本発明が関係する技術分野
の当業者は、特許請求の範囲に記載されたように本発明
を実施するためのいろいろな代替的な設計及び実施の形
態が認識されよう。例えば、クラッチ６０及び水ポンプ
３４に対するプーリー５４の位置は、プーリー５４がク
ラッチ６０と水ポンプ３４との間にあり且つ同様に作用
するように変更してもよい。更に、弁７０は、流体リザ
ーバ６６から流体作用領域６４への流体の動きを制御す
べく多岐に亙る方法にて開き位置から閉じ位置まで電子
的に動くようにしてもよい。特許請求の範囲及びその意
義に属するこれらの実施の形態及び変更例の全ては、本
発明の範囲に包含することを意図するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による水ポンプを有する冷却システム
の図である。

【図２】本発明の１つの好ましい実施の形態による水ポ
ンプに接続された粘性水ポンプ駆動装置の図である。

【図３】線３−３に沿った図２の断面図である。

【図４】線４−４に沿った図３の断面図である。

【符号の説明】

１０ 車 １１ 冷却システ
ム／冷却液システム １２ 内燃機関／エンジン １４ 水ポンプ １６ 枝管路 １８ ラジエータ ２０ 恒温式流れ制御弁 ２２ 供給管路 ２４ バイパス管路 ２８ 冷却液のオ
ーバーフロー領域 ３４ 水ポンプ ３５ 外側ハウジング／水ポンプハウジング ５０ 電子制御式粘性継手 ５２ 静止コイル ５３ 継手の本体 ５４ プーリー ５５ 磁束リング ５６ クラッチ軸 ５８ ベアリング ６０ クラッチ ６２ 水ポンプ軸 ６４ 作用チャン
バ／作用領域 ６６ リザーバ ６８ ベルト ７０ 弁 ７２ 充填ポート ７４ 通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500124378 Ｐｏｗｅｔｒａｉｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ 3800 Ａｕｔｏｍａｔｉ ｏｎ Ａｖｅｎｕｅ Ｓｕｉｔｅ 100, Ａｕｂｕｒｎ Ｈｉｌｌｓ，Ｍｉｃｈｉｇ ａｎ 48326−1782 Ｕ．Ｓ．Ａ (72)発明者 ニール・イー・ロブ アメリカ合衆国ミシガン州49203，ジャク ソン，ブルックサイド・ブールバード 2764

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水ポンプを通る冷却液の流量を制御すべ
   く水ポンプに接続された流体チャンバを有する電子制御
   式粘性継手において、 ベルト駆動装置に適用し得るようにされたプーリーと、 該プーリーと流体的に接続されたクラッチと、 該クラッチと接続されて、前記水ポンプ内に伸び且つ複
   数のインペラを有する水ポンプ駆動軸と、 流体チャンバを流体作用チャンバと流体リザーバチャン
   バとに分離し得るように配置された弁板であって、開き
   位置と、半開き位置と、閉じ位置との間にて移動可能で
   ある少なくとも１つの弁を有し、該開き位置及び該半開
   き位置が粘性流体が充填ポートを通って前記流体リザー
   バチャンバから前記流体作用チャンバまで移動するのを
   許容し、前記流体作用チャンバ内の前記粘性流体が前記
   プーリーと前記クラッチとの間にてせん断作用を受け、
   前記水ポンプ駆動軸及び前記複数のインペラの回転動作
   を生じさせ、これにより水ポンプを通る冷却液の流れが
   発生するようにした弁板と、 静止コイルであって、磁束を発生させ得るように電気的
   に励起可能であり、前記磁束が前記少なくとも１つの弁
   を前記開き位置から前記閉じ位置まで移動させることが
   できる静止コイルとを備え、該閉じ位置が粘性流体が前
   記充填ポートを通って前記流体リザーバチャンバから前
   記流体作用チャンバまで移動するのを防止するようにし
   た、電子制御式粘性継手。
2. 【請求項２】 請求項１の電子制御式粘性継手におい
   て、前記水ポンプ軸の回転運動量が前記プーリーと前記
   クラッチとの間の前記粘性流体のせん断力の量の関数で
   ある、電子制御式粘性継手。
3. 【請求項３】 請求項２の電子制御式粘性継手におい
   て、前記粘性流体の前記せん断力の量が前記流体作用チ
   ャンバ内の前記粘性流体の量及び前記ベルト駆動装置の
   回転速度の関数である、電子制御式粘性継手。
4. 【請求項４】 請求項３の電子制御式粘性継手におい
   て、前記流体作用チャンバ内の前記粘性流体の量が前記
   静止コイルに作用する電気的励起の量の関数である、電
   子制御式粘性継手。
5. 【請求項５】 請求項４の電子制御式粘性ポンプにおい
   て、前記電気励起の量がエンジン速度及びエンジン温度
   の関数である、電子制御式粘性ポンプ。
6. 【請求項６】 請求項１の電子制御式粘性継手におい
   て、前記クラッチがポンプを有し、該ポンプが前記粘性
   流体を前記流体作用チャンバから除去して前記流体リザ
   ーバチャンバに送ることができる、電子制御式粘性継
   手。
7. 【請求項７】 水ポンプのキャビテーションを防止すべ
   く水ポンプの速度を電子的に制御する方法において、 第一の一連の作動状態が存在するとき、水ポンプの速度
   をエンジン速度から電子的に切り離す工程を備える、方
   法。
8. 【請求項８】 請求項７の方法において、第一の一連の
   作動状態が存在するとき、水ポンプの速度をエンジンの
   速度から電子的に切り離す工程が、 電子制御式粘性継手であって、ベルト駆動装置に接続さ
   れたプーリーと、該プーリーと流体的に接続されたクラ
   ッチと、該クラッチと接続され且つ水ポンプ内に伸びる
   水ポンプの駆動軸と、水ポンプ内に保持された前記水ポ
   ンプの駆動軸に接続された複数のインペラと、静止コイ
   ルと、流体チャンバを流体作用チャンバ及び流体リザー
   バチャンバに分離し得るように配置された弁板とを備
   え、該流体リザーバチャンバが充填ポートと、開き位
   置、半開き位置及び閉じ位置間を動くことができる少な
   くとも１つの弁とを有する、電子制御式粘性継手を水ポ
   ンプに接続する工程と、 第一の一連の作動状態が存在するとき、前記粘性流体の
   前記流体作用チャンバ内への導入を阻止し、これにより
   前記粘性流体が前記プーリーと前記クラッチとの間にて
   せん断作用を受け、前記水ポンプ軸を回転させるトルク
   を発生させ、水ポンプ内で冷却液の流れを生じさせるの
   を防止する工程とを備える、方法。
9. 【請求項９】 請求項８の方法において、第一の一連の
   作動状態が存在するとき、前記粘性流体の前記流体作用
   チャンバ内への導入を阻止する工程が、第一の一連の作
   動状態が存在するとき、前記少なくとも１つの弁を前記
   開き位置又は前記半開き位置から前記閉じた位置まで移
   動させることにより、前記充填ポートを充填し、これに
   より粘性流体が前記流体リザーバチャンバから前記流体
   作用領域まで移動するのを防止する工程を備える、方
   法。
10. 【請求項１０】 請求項９の方法において、第一の一連
    の作動状態が存在するとき、前記充填ポートを密封する
    工程が、第一の一連の作動状態が存在するとき磁束を発
    生させるべく前記静止コイルを励起する工程を備え、前
    記磁束が、前記少なくとも１つの弁が前記開き位置又は
    前記半開き位置から前記閉じ位置まで移動する動作を生
    じさせることができ、該閉じ位置が、粘性流体が前記流
    体リザーバチャンバから前記充填ポートを通って前記流
    体作用チャンバまで移動するのを防止するようにした、
    方法。