JP2005315224A - 電動ウォーターポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 流体の吸入，吐出又は静止を操作する弁の開閉などの制御をポンプ内部のみの機構にて行うことができ、しかも構造を極めて簡単なものとした電動ウォーターポンプを提供すること。
【解決手段】 吸入口部２と吐出口部３を具備したポンプハウジングＡと、回転子１０を備えた電動モータ部Ｂと、前記回転子１０とともに回動し，外螺子部１１ａを有する回転軸１１と、羽根部１２と，ポペットバルブ１３と，磁性片１４ｂを設けた回転規制部１４と，前記外螺子部１１ａに螺合する内螺子部１５とを具備したインペラＣとからなること。前記インペラＣは前記回転子１０の正方向回転に伴って回転し、前記回転子１０の逆回転では前記回転規制部１４と前記電動モータ部Ｂとの磁力により前記インペラＣは回転方向にのみ静止状態となるとともに、前記インペラＣが上昇して前記ポペットバルブ１３が前記吸入口部２を閉鎖してなること。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の吸入，吐出又は静止を操作する弁の開閉などの制御をポンプ内部のみの機構にて行うことができ、しかもその構造を極めて簡単にできるものとした電動ウォーターポンプに関する。

従来の電動ウォーターポンプにおいては、水冷式エンジンの冷却水回路にヒータコアと循環用の小型の電動ウォーターポンプを設けるとともに水冷式エンジンとヒーターコア，電動ウォーターポンプの間に冷却水の流れを制御するヒ−タバルブとそれを駆動するモーターを設けている。

このような冷却水回路において、ヒーターバルブ等の電磁弁を省略するため、冷却水流路切替弁機能を内蔵した流路可変式ポンプが特許文献１に提案されている。この流路可変式ポンプは、電動モータ部とポンプ部から構成され、電動モータ部とポンプ部を結合して一体化されている。そして、１方向から吸入する吸入管に対し、３方向へ吐出する３つの吐出管があり、ポンプ部内のケースとインペラ間に設けた案内部材を回転させることで、ポンプ部内の流路を所望の吐出管へ連通、切替することができる。なお、前記案内部材の回転は、案内部材に連結された駆動レバー，ピン，ケーブル等をアクチュエータに連結し、アクチュエータの駆動制御によって、案内部材を回転させることができる。
特許３３５８３４７

上記の流路可変式ポンプの構成において、インペラとケース間に案内部材を設けることで、ポンプ部内の部材構成が複雑となり、また案内部材と連結するためのピンや駆動レバー，ケーブル等の部品点数が増大する問題点が発生する。さらに、これら駆動レバー，ケーブル等の部品は、ポンプハウジングの外部に配置され、流路可変式ポンプとアクチュエーター間で、ケーブルの取り回しがあるため、エンジンルーム内の他の機器の取付け位置の自由度も極めて制限されるといった問題があった。

また、流路可変式ポンプは、吐出流路を切り替えることは可能であるが、流路の閉弁機能は存在していない。本発明の解決しようとする技術的課題（目的）は、水冷式エンジンの冷却装置の回路において、極めて簡単な構造にて内部弁の制御を行うことができる電動ウォーターポンプを提供することにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、本発明を、ポンプハウジングと、該ポンプハウジングの内部下方に設けられ，回転子を備えた電動モータ部と、前記回転子とともに回動し，螺子部を有する回転軸と、前記螺子部に螺合する内螺子部と磁性片を有する羽根部を設けたインペラと、該インペラとともに上下動するポペットバルブと、該ポペットバルブにより開閉される吸入口部とからなり、前記インペラは前記回転子の正方向回転にて回転するとともに、前記回転子の逆方向回転では前記インペラが前記電動モータ部とインペラの磁性片との間の磁力により回転方向にのみ静止してなる電動ウォーターポンプとしたことにより、上記課題を解決したものである。また、上述の構成において、前記回転子とインペラとの間には、回転子の正方向回転のみ係止するクラッチが形成されたことにより、上記課題を解決した。また、前記回転子とインペラとの間には、相互に弾発しあう弾性部材が配置されたことにより、上記課題を解決した。

請求項１の発明によれば、ポンプハウジングの内部にインペラ等のポンプ部とともに、電動モータ部と弁とを収容することができ、しかも構造を簡単にすることができ、冷却水回路の製造コストを安価にすることができる。さらに外部機能部品（アクチュエーター）とを接続しているケーブル，ワイヤー等の制御部品を省略することができ、エンジンルーム内のレイアウト設計の自由度を拡げることができる。

請求項２の発明によれば、インペラが回転子に装着された回転軸の螺子軸に食い込み過ぎることを防止することができる。請求項３の発明によれば、請求項２と同様に回転軸の螺子軸に食い込み過ぎることを防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は、図１，図２等に示すように、主にポンプハウジングＡ、電動モータ部Ｂ、インペラＣ及び回転軸１１等から構成される。そのポンプハウジングＡの内部には、略円筒室状のポンプ室１が形成され、該ポンプ室１の上部には吸入口部２が形成されている。また前記ポンプ室１の内周側面の上方位置には吐出口部３が形成されている。そのポンプハウジングＡのポンプ室１の上端及び底部箇所には、後述する回転子１０が軸支される軸受部がそれぞれ形成されている。このポンプハウジングＡは、図１，図２等に示すように、上下方向において略中央箇所で２つに分解することができるように接合部４が形成されている。該接合部４は、インロウタイプで、重なり合うようにして接合することができる。

そのポンプ室１の底部箇所には、電動モータ部Ｂが配置されている。電動モータ部Ｂは、具体的には、直流ブラシレスモータが使用される。このモータに印加する電圧周期を電子制御装置（以下「ＥＣＵ」と称する）の信号によって可変し、回転数をモータ制御（変化）することで、吐出量を制御することができる。その電動モータ部Ｂの中央箇所には、図４に示すように、回転子１０が設置されている。該回転子１０の直径方向の中心部には、回転軸１１が固着されている。その回転子１０の外周は、磁極がＮ極，Ｓ極交互に組み込まれており、回転子１０の上部には、クラッチ１６が設けられ、インペラＣとの係止接合が行なわれる。

まず、前記回転子の周囲には、同心円筒状の２つの第１コイル５及び第２コイル６が上下に配置される。この第１コイル５はＡ相であり、第２コイル６はＢ相となっている。そして、Ａ相の第１コイル５と、Ｂ相の第２コイル６がそれぞれ内部で２つのコイルに分巻きされ、合計４組のコイルとなっている。その第１コイル５（Ａ相）、第２コイル６（Ｂ相）の各コイルは、それぞれの上下にコイルヨーク７によってサンドイッチ状に挟み込みまれている。また、このコイルヨーク７の内周部には、磁極として作用する突起８が第１コイル５（Ａ相），第２コイル６（Ｂ相）の上下部から交互に円周状等間隔に起立しており、また上部の第１コイル５（Ａ相）の上部のコイルヨーク７には複数のツメ９，９，…が上部に起立し、これらのツメ９，９，…が円周状で且つ等間隔の列を構成している。

その回転子１０は、前記第１コイル５（Ａ相）と第２コイル６（Ｂ相）の通電によって、磁力が発生して回転するものである。その回転子１０の回転中心位置には、前述したように、回転軸１１が設けられている。そして前記回転子１０とともに回転軸１１が回転することができるように、回転子１０と回転軸１１とが固着されている。その回転軸１１には、外螺子部１１ａが形成されており、後述するインペラＣの内螺子部１５が螺合するようになっている。またその回転軸１１は、前記ポンプハウジングＡのポンプ室１内に回転自在に軸支されている。具体的には、図１，図２に示すように、ポンプ室１の底部に下部軸受１８が設けられ、回転軸１１の軸方向下端が軸支される。またポンプ室１の上部に上部軸受１９が設けられている。該上部軸受１９は、軸状をなし、前記ポンプ室１の上部に軸端箇所を埋設固定され、前記回転軸１１の軸方向上端が回転自在に軸支されるものである。

そのインペラＣは、図３に示すように、合成樹脂等にて形成され、羽根部１２と、ポペットバルブ１３と、回転規制部１４及び内螺子部１５から構成されている。その羽根部１２は、羽根ベース１２ａの上面側に複数の羽根片１２ｂ，１２ｂ，…が放射状に形成されている。さらに、その羽根部１２の上方位置には、球面状又は略半球形状のポペットバルブ１３が形成されている。またポペットバルブ１３の形状は裁頭円錐形状でも構わない。このポペットバルブ１３は、前記吸入口部２を閉鎖するものであり、したがって、ポペットバルブ１３の外形と、吸入口部２の内周面との形状が一致する。

すなわち、ポペットバルブ１３が球面形状であれば、吸入口部２の内周面もポペットバルブ１３の外形に沿って球面に形成されている。或いは、ポペットバルブ１３が裁頭円錐形状の場合には吸入口部２の内周側面も円錐面状に形成される。また、ポペットバルブ１３には、前記吸入口部２と直接接触する閉鎖バルブ面１３ａに円筒状のバルブベース１３ｂが形成されている。該バルブベース１３ｂは、前記吸入口部２には非接触な部位となっているものであるが、このバルブベース１３ｂの存在により、羽根部１２が吸入口部２と物理的に干渉しないようにしている。

その羽根部１２の下方には、回転規制部１４が形成されている。該回転規制部１４は、スカート状に形成された規制ベース１４ａに複数の磁性片１４ｂ，１４ｂ，…が等間隔に組み込まれている（図５参照）。この回転規制部１４により、前記インペラＣは、前記回転子１０の正逆両方向の回転にかかわらず、１方向（回転子１０の正方向）のみの回転とすることができる。このインペラＣの回転中心には、内螺子部１５が形成されている。該内螺子部１５は、前記羽根部１２，ポペットバルブ１３及び回転規制部１４のうちの少なくとも１つのみに形成される。

或いは、前記インペラＣの羽根部１２，ポペットバルブ１３及び回転規制部１４のすべてに亘って形成されることもある。該内螺子部１５は、前記回転軸１１の外螺子部１１ａに螺合する。そして、回転子１０の逆回転時には、インペラＣが回転軸１１の軸方向に沿って上下動することができる。特に、前記回転軸１１の外螺子部１１ａとインペラＣの内螺子部１５との関係は、前記回転軸１１が逆回転のときに、回転方向において静止状態にあるインペラＣが上昇することができるように螺子方向が設定される。

前記回転子１０とインペラＣの下部とはクラッチ１６が設けられている（図１参照）。このクラッチ１６は、回転子１０の正回転動作時に、インペラＣを正回転させて、流体を吸入口部２か吐出口部３に流通させる役目をなすものである。そのクラッチ１６は、回転子１０側に係合片１６ａが形成され、インペラＣ側に被係合片１６ｂが形成されたものである。ここで上記正回転とは、流体を前記吸入口部２から吐出口部３の方向に向かって送ることができる回転方向のことをいう。したがって、正回転は、右回転又は左回転のいずれの場合も有る。

そして、インペラＣが回転子１０に近接したときに、この係合片１６ａと被係合片１６ｂとが係止することができるようになっている。クラッチ１６における係合片１６ａ及び被係合片１６ｂは、三角爪形状をなしており、さらに具体的には直角三角形をなしている。そして、正回転のときには、係合片１６ａと被係合片１６ｂとの垂直部分同士が当接しあうことにより、その係止が確実に行なわれる。また、前記クラッチ１６の別のタイプとしては、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、回転子１０には、その回転中心よりも外周側に突起状の係合片１６ａが形成されている。

また前記回転規制部１４の下面側においてその回転中心よりも外周側に突起状の被係合片１６ｂが形成されている。そして、係合片１６ａと被係合片１６ｂとの係合により、回転子１０の回転に伴ってインペラＣが回転する。また、回転子１０とインペラＣとの間には、図６に示すように、弾性部材１７が配置されることもある。該弾性部材１７は、コイルスプリング等が使用され、そのコイルスプリングの中心に前記回転軸１１が挿通するように設定されている。そして、この弾性部材１７によって、前記インペラＣの内螺子部１５が回転軸１１と回転子１０との部分に螺子同士の食い込みが生じないようにすることができるものである。

次に、本発明の作動を説明する。電動ウォーターポンプの運転は、図示されない外部からの供給電源により、第１コイル５（Ａ相），第２コイル６（Ｂ相）から構成される計４組のコイルに順番に通電し、コイルの励磁を変化させて、前記回転子１０の正回転とともに、前記回転軸１１が正回転する。そして、前記インペラＣは、クラッチ１６を介して回転子１０とともに正回転することができる。これによって、ポンプハウジングＡの吸入口部２から冷却水が吸い込まれ、吐出口部３から吐き出される。

電動モータ部Ｂは、前述したように、直流ブラシレスモータを使用している。電動ウォーターポンプ運転時は、前記回転子１０とインペラＣがクラッチ１６を介して一体的に回転するものである。このクラッチ１６は、回転子１０とインペラＣとをクラッチ結合するだけでなく、前記インペラＣの内螺子部１５は、前記回転軸１１の外螺子部１１ａと螺合されており、正回転時に、その回転軸１１の外螺子部１１ａと，インペラＣの内螺子部１５とが互いのネジ山に喰い込みすぎて、回転子１０とインペラＣとが固定状態となって、離間しにくくなることを防止する役目も有している。

次に、電動ウォーターポンプの吸入口部２をポペットバルブ１３によって閉じ、ポンプ動作を停止（閉弁）させる行程について説明する。まず、図示されない外部からの供給電源を運転時とは逆の順番で第１コイル５（Ａ相），第２コイル６（Ｂ相）の計４組のコイルに通電し、回転子１０を逆回転（正回転とは反対方向の回転）させる。

その回転子１０の逆回転時において、第１コイル５（Ａ相）、第２コイル６（Ｂ相）に通電される電圧は、モータを駆動制御するＥＣＵ内に構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ回路等にて変換され、少なくとも回転子１０の正回転時における電圧よりも大きい電圧に設定される。そして、電圧を大きくさせることで第１コイル５（Ａ相）のコイルヨーク７の上部に形成された複数のツメ９，９，…に発生する磁界をさらに強めさせる。これによって、逆回転しているインペラＣの磁性片１４ｂが強い磁力を持ったツメ９に吸引され、インペラＣの回転を静止させる。

前記回転子１０とともに回転する回転軸１１の外螺子部１１ａにより、前記インペラＣの内螺子部１５が前記回転軸１１と螺合しているので、図２に示すように、インペラＣが回転軸１１の軸方向に沿って、前記吸入口部２側に向かって上昇し、そのインペラＣのポペットバルブ１３が吸入口部２に当接し、閉弁することができる。本発明は、図８のブロック図に示すように、車両用の水冷式エンジンの冷却水回路に適用され、ラジエータ２１とヒータコア２２が並列に接続されており、ラジエータ２１側の回路には、機械式ウオータポンプ２３，エンジン２０，ラジエータ２１，サーモスタット２４を介して連通する水路と、ヒータコア２２側の回路では、機械式ウォーターポンプ２３，エンジン２０，電動ウォーターポンプ，ヒーターコア２２を介して連通する水路を有している。

この図８に示す冷却装置の回路において、ラジエータ２１側，ヒーターコア２２側の回路の切り替えは、サーモスタット２４及び電動ウォーターポンプを介して、冷却水の水温に応じて切り替えられるようになっている。冷却水温度が低い（外気温度が低い）冬期等の暖機運転時は、ヒータースイッチを「ＯＮ」にし、ＥＣＵ制御により冷却水温度が所定の温度以上になったとき、電動ウォーターポンプが運転を開始し、ヒーターコア２２側の回路が連通し、冷却水を循環させる。なお、サーモスタット２４は冷却水温度によって弁が開閉動作され、冷却水温度が低ければ閉弁の状態となる。そして冷却水温度が低いときは、冷却水は、図８に記載されたバイパスを通過する。

これにより、エンジンの熱を温水の熱源として、ヒーターコア２２は送風空気を加熱することができる。また、暖機運転後の冷却水温度が高い状態において、サーモスタット２４が開弁し、ラジエータ２１側の回路が連通した状態においても、電動ウォーターポンプは作動する。また、夏期のように、外気温度が高く、それにともなって冷却水温度が高い場合は、電動ウォーターポンプが運転を停止し、状態としては前記インペラＣのポペットバルブ１３により吸入口部２を閉弁し、ヒーターコア２２側の冷却水回路を閉じる。なお、サーモスタット２４は回路を開いているため、ラジエータ２１側の回路が連通し、ラジエータ２１の放熱によって冷却水温を低下させる。

その電動ウォーターポンプの閉弁により、ヒーターコア２２側の回路の冷却水の流入を遮断させることで、外気温が高いときのラジエータ２１側の回路の流量を増加させ、放熱効率を向上させる（冷却水温度を低下させる）。また、車内冷房時のエアコンユニットに流入する温水を止める事により、クーラ能力低下を防止する。回路の切り替えを行う電動ウォーターポンプは、電子制御装置〔ＥＣＵ（制御手段）〕により、ヒートスイッチ，外気温センサー及び冷却水温センサー等の信号が入力され、これらの信号に基づいて電動ウォーターポンプの運転，閉弁を制御している。

本発明では、従来タイプの電動ウォーターポンプのように電動モータ部，ポンプ部を２つの大きな容器に収容していたものに対して、１つのポンプハウジングＡのポンプ室１に電動モータ部Ｂ，インペラＣ及び弁機構構成部を収容することができるため、部品点数を減らし、全体のサイズも小さくすることができコストダウンが図れる。

さらに、開閉弁操作においては、前記ポンプハウジングＡと別置きの外部の機能部品の駆動操作等が存在しないので、外部機能部品（アクチュエーター）とを接続していたケーブル，ワイヤー等が省略でき、エンジンルーム内のレイアウト設計の自由度を拡げることができる。また、開閉弁のヒーターバルブが省略されることによって、配管経路の機能部品のジョイント箇所が減り、ジョイントの接続不備による冷却水漏れの可能性低くなり、冷却装置の冷却性能の信頼性も高くなる。

本発明において吸入口部が開いてポンプ動作が行なわれている状態を示す縦断側面図である。 本発明において吸入口部にポペットバルブが当接した状態を示す縦断側面図である。 （Ａ）はインペラの一部切除した斜視図、（Ｂ）はインペラの縦断側面図である。 本発明における電動モータ部の縦断側面図である。 インペラの回転規制部の縦断平面図である。 本発明においてインペラと回転子との間に弾性材を装着した縦断側面図である。 （Ａ）は別のタイプのクラッチを使用した本発明の一部省略した縦断正面図、（Ｂ）は（Ａ）においてクラッチが係合した状態の要部縦断正面図である。 本発明がエンジン冷却機構に組み込まれたブロック図である。

符号の説明

Ａ…ポンプハウジング、１０…回転子、Ｂ…電動モータ部、１１…回転軸、
１２…羽根部、１３…ポペットバルブ、１４…回転規制部、１５…内螺子部、
１６…クラッチ、１７…弾性部材。

Claims (3)

1. 吸入口部と吐出口部とを具備したポンプハウジングと、該ポンプハウジングの内部下方に設けられ，回転子を備えた電動モータ部と、前記回転子とともに回動し，外螺子部を有する回転軸と、羽根部と，該羽根部の上方に設けられたポペットバルブと，磁性片を設けた回転規制部と，前記外螺子部に螺合する内螺子部とを具備したインペラとからなり、前記インペラは前記回転子の正方向回転に伴って回転し、前記回転子の逆回転では前記回転規制部と前記電動モータ部との磁力により前記インペラは回転方向にのみ静止状態となるとともに、前記インペラが上昇して前記ポペットバルブが前記吸入口部を閉鎖してなることを特徴とする電動ウォーターポンプ。
2. 請求項１において、前記回転子とインペラとの間には、回転子の正方向回転のみ係止するクラッチが形成されてなることを特徴とする電動ウォーターポンプ。
3. 請求項１において、前記回転子とインペラとの間には、相互に弾発しあう弾性部材が具備されてなることを特徴とする電動ウォーターポンプ。