JP2008248742A

JP2008248742A - ウォータポンプ

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Publication number: JP2008248742A
Application number: JP2007088921A
Authority: JP
Inventors: Norisuke Sogo; 教介十河; Takasuke Shikita; 卓祐敷田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: US20080236517A1; DE102008015707A1; JP4222428B2; US7690335B2; DE102008015707B4

Abstract

【課題】複雑な構成の制御装置を用いることなく、内燃機関の冷却水温が高いときと内燃機関が高負荷であるときには、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関が低負荷であるときよりも冷却水の循環量を多くすることのできるウォータポンプを提供する。
【解決手段】ウォータポンプ１０は、内燃機関にて発生する駆動力によって駆動するとともに圧力室３１ｂに導入される圧力が高いほど大きな駆動力を発生する。圧力室３１ｂとＶＳＶ８０とは第１の通路６２により接続され、吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位とＶＳＶ８０とは第２の通路６３により接続され、大気圧空間５９とＶＳＶ８０とは第３の通路６４により接続される。ＶＳＶ８０は、機関の冷却水温が高いほど感温ケース９０内のワックスが体積膨張し、弁体８７が第１の通路６２と第２の通路６３とを接続する状態から第１の通路６２と第３の通路６４とを接続する状態へと変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関にて発生する駆動力によって駆動するウォータポンプに関する。

従来、内燃機関においては、ウォータジャケット内の冷却水を循環させるウォータポンプが用いられている。例えば特許文献１に示すウォータポンプは、回転軸（回転体）に取り付けられた羽根が回転することにより、冷却水を循環させるようにしている。このウォータポンプでは、内燃機関で発生する駆動力が内燃機関と同期して回転するプーリから流体継ぎ手を介してこの回転軸に伝達されることにより羽根が回転する。そして、このウォータポンプでは、ウォータジャケット内の冷却水温が高くなるほど回転軸と流体継ぎ手との継合度合が大きくなるように構成されており、これにより、ウォータジャケット内の冷却水の温度が高いほど内燃機関の駆動力がこの回転軸に高効率で伝達される。

ところで、上記ウォータポンプにおいて、冷却水の循環量は、機関回転速度、冷却水温及び内燃機関の負荷に基づいて制御することが好ましい。この点、このポンプにおいては、上述したように内燃機関で発生する駆動力が内燃機関と同期して回転するプーリから回転軸に伝達されるため、機関回転速度が高くなるほど回転軸の回転速度も高くなり、冷却水の循環量も多くなる。一方、冷却水温及び内燃機関の負荷に基づく制御については、図６のマップに示すように、冷却水温が高いとき及び内燃機関の負荷が高いときに、内燃機関の駆動力を回転軸に高効率で伝達させて、冷却水の循環量をより多くすることが好ましい。しかしながら、上記特許文献１に記載のウォータポンプでは、単に冷却水温のみによって回転軸への伝達効率を変化させているために、内燃機関が高負荷であるときでも、冷却水温が低い場合には、回転軸の回転速度はさほど大きくならず、冷却水の循環量を適切に制御することができない。そこで、このマップに示す回転速度の制御が可能なウォータポンプとしては、例えば図７及び図８に示すものが検討されている。以下、このウォータポンプの具体的な構成について説明する。

図７に示すように、このウォータポンプ１３０は、冷却水を循環させるための循環系２０と、この循環系２０の回転筒２１を駆動する駆動手段としての駆動系３０とを備えている。そして、これら循環系２０と駆動系３０との間には、循環系２０から駆動系３０への冷却水の浸入を規制するための隔壁４０が設けられている。

内燃機関のシリンダブロック２２には、冷却水が流れる流路２３が形成されており、この流路２３には、一端が隔壁４０に固定された支持軸２５が設けられ、同支持軸２５の両端には軸受２４ａ，２４ｂがそれぞれ設けられている。そして、羽根２６が取り付けられた回転筒２１が、この支持軸２５を嵌挿することにより、支持軸２５に対して回転可能に支持されている。また、この回転筒２１における隔壁４０側の端部には、鉄芯を含む誘導リング２７が外嵌している。

上記駆動系３０には、ハウジング３１が設けられており、このハウジング３１には、ベルト３３を介して内燃機関の図示しないクランクシャフトと駆動連結されるプーリ３２が固定されている。このハウジング３１内には、一部がハウジング３１に対しスプライン結合されるとともに、ハウジング３１内を上記回転筒２１の軸線方向に沿って往復運動することのできるスライダ３４が設けられている。このスライダ３４において循環系２０寄りの端部には、例えばネオジウムからなるマグネット３５が前記回転筒２１を外嵌する誘導リング２７を囲むように取り付けられている。

また、このスライダ３４は、ハウジング３１内に設けられたスプリング３６により常時循環系２０側へと付勢されている。クランクシャフトからベルト３３及びプーリ３２を介してハウジング３１に伝達されるトルクは、誘導リング２７とマグネット３５との間に発生する磁力により回転筒２１に伝達され、これにより回転筒２１が回転する。そして、この回転に伴って回転筒２１に取り付けられた羽根２６が回転すると、流路２３内の冷却水が内燃機関の図示しないウォータジャケットに圧送される。

また、上記ハウジング３１の内部は、スライダ３４によって大気室３１ａと圧力室３１ｂとに区画されている。スライダ３４の外周には、スライダ３４とハウジング３１の内周面との間をシールするシール部材３７が設けられており、このシール部材３７により圧力室３１ｂの気密性が保持されている。そして、この圧力室３１ｂの圧力が変化することにより、スライダ３４がハウジング３１内を往復動し、これによりマグネット３５から誘導リング２７を介して回転筒２１へ伝達されるトルクの大きさが変更される。このようにして、このウォータポンプ１０では、回転筒２１がスライダ３４の往復動により駆動される回転体を構成している。

この駆動系３０において、ハウジング３１の圧力室３１ｂには、圧力管４１が挿入されている。この圧力管４１はハウジング３１に設けられたベアリング４２により支持されるとともに図示しない他の部材に固定されており、ハウジング３１はこの圧力管４１に対して回転可能となっている。この圧力管４１とハウジング３１の内周面の間には、圧力室３１ｂからの空気漏れを防ぐシール部４３が設けられている。そして、この圧力管４１は第１の通路５２を介して電子制御式のバキュームスイッチングバルブ（以下ＶＳＶという）５５に接続されている。このＶＳＶ５５は、さらに、第２の通路５３を介して吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位に接続される一方、第３の通路５４を介してエンジンルーム内の大気圧空間に接続されている。そして、このＶＳＶ５５は、電子制御装置５０によってその駆動が制御されることにより弁位置が切り換えられ、これにより圧力室３１ｂはこれら吸気通路５７及び大気圧空間の何れかと選択的に連通される。

電子制御装置５０によるＶＳＶ５５の駆動制御は以下の通りである。車両には、例えばアクセルペダルの踏み込み量を検知する図示しないアクセルセンサやその他内燃機関の負荷を検出するための各種のセンサが設けられる一方、シリンダブロック２２には冷却水の温度を測定する水温センサ６１が設けられている。そして、これらのセンサの検出値が電子制御装置５０に入力されると、この電子制御装置５０は、図６に示したマップに基づいてＶＳＶ５５の弁位置を切り換える。

つまり、電子制御装置５０は、各種センサから入力される検出値によって、冷却水温が高い状態である又は冷却水温が低い状態であっても内燃機関の負荷が高い状態であると判断すると、ＶＳＶ５５の制御信号を「ＯＮ」とし、圧力室３１ｂと大気圧空間とを連通させて圧力室３１ｂに大気を導入する。これにより、図７に示すように、大気室３１ａと圧力室３１ｂとの圧力差が無くなることから、スライダ３４はスプリング３６の付勢力により付勢されて循環系２０側に変位する。この際、スライダ３４に設けられたマグネット３５と回転筒２１に設けられた誘導リング２７とが互いに対向して近接するようになることから、マグネット３５と誘導リング２７とを通過する磁束量が増加し、スライダ３４から回転筒２１に伝達される回転力が相対的に大きくなる。したがって、回転筒２１の羽根２６が回転することによりウォータジャケットに吐出供給される冷却水の量も増大するようになる。

一方、電子制御装置５０は、各種センサから入力される検出値によって、冷却水温が低い状態であり且つ内燃機関の負荷が低い状態であると判断すると、ＶＳＶ５５の制御信号を「ＯＦＦ」とし、圧力室３１ｂと吸気通路５７とを連通させる。そして、この状態では、吸気通路５７においてスロットルバルブ６０よりも下流側の部位では、圧力が大気圧よりも低くなっているために、図８に示すように、圧力室３１ｂと大気室３１ａとの圧力差から、スライダ３４はスプリング３６の付勢力に抗して圧力管４１側に変位する。これにより、スライダ３４に設けられたマグネット３５と回転筒２１に設けられた誘導リング２７とが回転筒２１の軸線方向に離間し、マグネット３５と誘導リング２７とを通過する磁束量も図７で示した状態と比較して減少する。したがって、ウォータジャケットに吐出供給される冷却水の流量が相対的に低下することとなる。

このようにして、このウォータポンプ１３０では、図６に示したマップに基づいたＶＳＶ５５の弁位置の切り換えにより、冷却水の循環を適切に行うようにしている。
実開平５−５８８３２号公報

ところで、上記ウォータポンプ１３０では、電子制御装置５０が各種センサから入力される検出値に基づいて現在の運転状態が図６に示すマップの何れの状態にあるかを判断することによって、ＶＳＶ５５の弁位置の切り換えを行っている。そのため、このようなウォータポンプ１３０において回転筒２１の回転速度を制御するにあたり、その制御構成が複雑となり、電子制御装置の負荷も大きくなる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、複雑な構成の制御装置を用いることなく、内燃機関の冷却水温が高いときと内燃機関が高負荷であるときには、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関が低負荷であるときよりも、冷却水の循環量を多くすることのできるウォータポンプを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、内燃機関にて発生する駆動力によって駆動するとともに圧力室に導入される圧力が高いほど大きな駆動力を発生するウォータポンプであって、前記機関の冷却水の温度に基づく物質の体積変化により通路の接続状態を変更する切換弁と、前記圧力室と前記切換弁とを接続する第１の通路と、前記機関の吸気通路におけるスロットルバルブよりも下流側の部位と前記切換弁とを接続する第２の通路と、大気圧空間と前記切換弁とを接続する第３の通路とを備え、前記切換弁は、前記冷却水の温度が高いほど、前記第１の通路と前記第２の通路とを接続する状態から前記第１の通路と前記第３の通路とを接続する状態へと変更することを要旨とする。

上記の構成では、前記切換弁により、内燃機関の冷却水の温度が低いときには、第１の通路と前記第２の通路とが接続して圧力室と吸気通路とが連通され、内燃機関の冷却水の温度が高いときには、第１の通路と前記第３の通路とが接続して圧力室と大気圧空間とが連通される。これにより、冷却水の温度が高いときには、圧力室の圧力は大気圧となるため、ウォータポンプは比較的大きな駆動力を発生する。また、冷却水の温度が低いときには、圧力室の圧力は吸気通路におけるスロットルバルブよりも下流側の部位とほぼ同じ圧力となる。ここで、冷却水の温度が低く且つ内燃機関の負荷が低いときには、吸気通路におけるスロットルバルブよりも下流側の部位は大気圧よりも低い圧力となるために、圧力室の圧力も大気圧よりも低いこの圧力となり、ウォータポンプの駆動力は比較的小さいものとなる。一方、冷却水の温度が低い場合であっても内燃機関の負荷が高いときには、吸気通路においてスロットルバルブの開度が大きくなり吸気通路の圧力はさほど低くならないため、この状態では、圧力室の圧力もさほど低くならずウォータポンプの駆動力も比較的大きいものとなる。特に、内燃機関の負荷が高いためにスロットルバルブの開度が全開状態となるときには、吸気通路におけるスロットルバルブの下流側の部位の圧力が大気圧と略同じ圧力となり、この状態では、圧力室の圧力も大気圧と略同じ圧力となることから、ウォータポンプは、圧力室と大気圧空間とが連通されるときと同様の大きな駆動力を発生する。

このように、上記の構成によれば、複雑な構成の制御装置を用いることなく、内燃機関の冷却水温が高いときと内燃機関の負荷が高いときには、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関の負荷が低いときよりも、ウォータポンプの駆動力が大きくなり、冷却水の循環量を多くすることができる。

具体的には、請求項２に記載の発明によるように、流体加圧用の羽根を有して内燃機関とラジエータとの間で冷却水を循環させる回転体と、ハウジングと、該ハウジング内に設けられたスライダと、同ハウジングと同スライダとによって区画形成された圧力室とを有し、同圧力室の圧力変化に基づいて同スライダが前記ハウジング内を往復動し、この往復動に基づいて前記圧力室の圧力が高くなるほど前記内燃機関にて発生した駆動力を前記回転体に高い効率で伝達する駆動手段と、前記圧力室に接続する第１の通路と、前記内燃機関の吸気通路におけるスロットルバルブよりも下流側の部位に接続される第２の通路と、大気圧空間に接続される第３の通路とが互いに合流してなる圧力通路と、前記圧力通路において前記第１〜第３の各通路が合流する部位に設けられる弁体と、前記冷却水の温度に基づいて体積変化する物質が封入される感温部と、前記感温部の温度が高いほど前記弁体によって前記圧力室と前記吸気通路とが連通される状態から前記圧力室と前記大気圧空間とが連通される状態へと変更されるように前記弁体を変位させる変位手段とを有する切換弁とを備えているといった構成を採用することができる。

上記の構成では、前記切換弁により、内燃機関の冷却水の温度が低いときには、圧力室と吸気通路とが連通され、内燃機関の冷却水の温度が高いときには、圧力室と大気圧空間とが連通される。これにより、冷却水の温度が高いときには、圧力室の圧力は大気圧となるため、内燃機関の駆動力がスライダを介して回転体に比較的高い効率で伝達される。また、冷却水の温度が低く且つ内燃機関の負荷が低いときには、吸気通路は大気圧よりも低い圧力となり、圧力室の圧力も大気圧よりも低いこの圧力となる。したがって、この状態では、内燃機関の駆動力がスライダを介して回転体に比較的低い効率で伝達される。そして、冷却水の温度が低く且つ内燃機関の負荷が高いときには、圧力室は吸気通路と連通されるものの、吸気通路においてスロットルバルブの開度が大きくなるため吸気通路の圧力はさほど低くならず、これにより圧力室の圧力もさほど低くならず、内燃機関の駆動力が回転体に比較的高い効率で伝達される。特に、内燃機関の負荷が高いためにスロットルバルブの開度が全開状態となるときには、吸気通路におけるスロットルバルブの下流側の部位の圧力が大気圧と略同じ圧力となり、この状態では、圧力室の圧力も大気圧と略同じ圧力となることから、内燃機関の駆動力が圧力室と大気圧空間とが連通されているときの効率と略同じ効率で回転体に伝達される。

このように、上記の構成によれば、複雑な構成の制御装置を用いることなく、内燃機関の冷却水温が高いときと内燃機関の負荷が高いときには、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関の負荷が低いときよりも、内燃機関の駆動力を回転体に高効率で伝達することができるため、冷却水の循環量を多くすることができる。

（第１の実施形態）
以下、図１〜図４を参照して、本発明に係るウォータポンプ１０を具体化した第１の実施形態について説明する。図１〜図４は、本実施形態に係るウォータポンプ１０を示す模式図であり、ウォータポンプ１０の駆動系、循環系及び切換弁など、一部の構成については断面構造を示している。また、これらの各図において、図７及び図８に示す従来のウォータポンプ１３０と同様の機能を有する部材については同じ符号を付することによりその説明は省略する。

このウォータポンプ１０では、回転筒２１に取り付けられた羽根２６が回転すると、ウォータジャケットの出口から流出した冷却水が流路２３を流れて再びウォータジャケットの入口に吐出供給される。ウォータポンプ１０は、このようにしてウォータジャケットの冷却水を循環させている。

本実施形態において、ウォータジャケットの出口には、第１〜第３の３つの冷却水路７３，７４，７５が接続されている。具体的に、第１の冷却水路７３は、ウォータジャケットの出口とラジエータ７０の入口とを接続し、このラジエータ７０の出口は、第４の冷却水路７６を介して上記流路２３に接続されている。これにより、ウォータジャケットから流出した冷却水は、第１の冷却水路７３を介してラジエータ７０に流入し、このラジエータ７０で放熱して冷却された後に、第４の冷却水路７６及び流路２３を流れて再びウォータジャケットへと流入する。この第４の冷却水路７６の途中には、サーモスタット７１が設けられている。サーモスタット７１は、ウォータジャケットから流出した冷却水の温度が所定温度以上であるときには、この第４の冷却水路７６においてラジエータ７０の出口から流路２３までを連通させ、冷却水の温度が所定温度未満であるときには、この第４の冷却水路７６においてラジエータ７０の出口から流路２３までの連通を遮断する。つまり、ウォータジェットから流出した冷却水は、その温度が所定温度以上であれば、ラジエータ７０を流れて流路２３に戻されるが、所定温度未満であれば、このラジエータ７０への流入は阻止される。

第２の冷却水路７４は、ウォータジャケットの出口と第４の冷却水路７６におけるサーモスタット７１よりも下流側とを接続し、ラジエータ７０とサーモスタット７１をバイパスしている。上述したように、冷却水の温度が所定温度未満であるときは、冷却水がラジエータ７０へ流入することが阻止され、この際に冷却水はこの第２の冷却水路７４を流れて、第４の冷却水路７６の途中から第４の冷却水路７６を流れて流路２３に流入する。

第３の冷却水路７５は、ウォータジャケットと第４の冷却水路７６におけるサーモスタット７１よりも下流側とを接続している。そして、上記第１及び第２の各冷却水路７３，７４には、サーモスタット７１の作動により冷却水が選択的に流れるが、この第３の冷却水路７５には、内燃機関の運転中に冷却水が常時流れている。この第３の冷却水路７５の壁面には切換弁としてのＶＳＶ８０を取り付けるための貫通孔７７が形成されている。

次に、このＶＳＶ８０の構成について説明する。ＶＳＶ８０は、縦長の略円柱状に形成されて、内部が中空に形成される弁筐体８１を備えている。そして、この弁筐体８１の側面には、弁筐体８１の中空の内部空間と外部とを連通させる第１〜第３の３つの開口８２，８４，８６が形成されている。具体的に、第１〜第３の３つの開口８２，８４，８６は、上から第３の開口８６、第１の開口８２、第２の開口８４の順に形成されており、本実施形態では、各開口８２，８４，８６が水平方向において互いに重なる部位がないように形成されている。そして、弁筐体８１において、この第１の開口８２は、第１の通路６２を介して圧力管４１に接続され、第２の開口８４は、第２の通路６３を介して吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位に接続され、第３の開口８６は第３の通路６４を介してエンジンルーム内の大気圧空間５９に接続される。つまり、圧力室３１ｂに接続する第１の通路６２と、吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位に接続される第２の通路６３と、大気圧空間５９に接続される第３の通路６４とがこのＶＳＶ８０において合流して圧力通路を構成する。また、弁筐体８１の底壁をなす底部７９は、肉厚に形成されるとともに、その下端部の中央に下方に向って突出する略円筒状の取付部７８が形成されている。そして、ＶＳＶ８０は、この取付部７８が第３の冷却水路７５の貫通孔７７に貫挿することにより、第３の冷却水路７５に取り付けられている。また、この底部７９及び取付部７８には、後述するサーモワックス装置８８が貫通する貫通孔８９が連続して形成されている。

上記ＶＳＶ８０において、弁筐体８１の中空の内部には、略有底円筒形状の弁体８７が収容されている。この弁体８７は、有底円筒形状の本体部９２と、本体部９２の外周面の上端部から斜め上方に向って延びる環状の上部フランジ９３と、外周面の下端部から略水平方向に延びる下部フランジ９４とを備えている。そして、弁筐体８１内において、弁体８７は上下方向に往復動するように構成され、この弁体８７の往復動時に各フランジ９３，９４の周端部が弁筐体８１の内周面と摺動する。また、この上部フランジ９３の外周面の下端から下部フランジ９４の外周面の上端まで（以下、各フランジ９３，９４間）の長さは、第１の開口８２の上端から下端までの長さよりも長く、第１の開口８２は、弁体８７が弁筐体８１内において往復動する際に、各フランジ９３，９４間に常に位置するように構成されている。さらに、この各フランジ９３，９４間の長さは、第３の開口８６の上端（下端）と第２の開口８４の上端（下端）までの長さと略同じ長さに形成されている。

弁筐体８１内において、弁体８７の有底円筒状の本体部９２の内部底面とこの弁筐体８１の上端との間にはスプリング８３が配置されている。このスプリング８３は、弁体８７を下方に付勢している。また、弁体８７の本体部９２はその底壁をなす底部９６が肉厚に形成されており、この底部９６には下方において開口するロッド孔９５が形成されている。

サーモワックス装置８８は、ワックスが封入される感温部としての感温ケース９０と、この感温ケース９０の温度上昇によってワックスが膨張することにより感温ケース９０から押し出される変位手段としてのピストンロッド９１とを備えている。感温ケース９０は、上寄りの略半分が弁筐体８１の取付部７８に形成される貫通孔８９に嵌りこみ、下寄りの略半分が取付部７８から露出して第３の冷却水路７５を流れる冷却水に浸漬されている。また、ピストンロッド９１は、弁筐体８１の底部７９に形成される貫通孔８９を貫通するとともに、その上寄りの部位が上記本体部９２のロッド孔９５に嵌りこんでいる。このような構成により、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が高くるほど、感温ケース９０内のワックスが体積膨張して、このピストンロッド９１が感温ケース９０から押し出され、これにより、このピストンロッド９１がスプリング８３の付勢力に抗して弁体８７を上方に押し上げる。したがって、弁体８７は、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度の変化に伴って、弁筐体８１内を往復動することとなる。

次にこのウォータポンプ１０において、ＶＳＶ８０の弁体８７の変位と、この弁体８７の変位による冷却水の循環量の変化について説明する。
第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が所定の高温度より高いときには、この弁体８７は、図１に示すように、ピストンロッド９１によって弁体８７が押し上げられて、弁筐体８１内の上部に位置する。そして、この状態では、弁体８７の下部フランジ９４が第２の開口８４の上端と略一致し、上部フランジ９３が第３の開口８６の上端と略一致しており、これにより、第１の開口８２に接続する第１の通路６２と、第３の開口８６に接続する第３の通路６４が連通される状態となる。すなわち、この状態では、大気圧空間５９と圧力室３１ｂとが連通される。そのため、圧力室３１ｂの圧力が大気圧となって、大気室３１ａと圧力室３１ｂとの圧力差が無くなることから、スライダ３４に設けられたマグネット３５と回転筒２１に設けられた誘導リング２７とが互いに対向して近接するようになることから、スライダ３４から回転筒２１に伝達される回転力が比較的大きくなる。すなわち、内燃機関の駆動力がこのスライダ３４を介して回転筒２１に比較的高い効率で伝達され、ウォータジャケットに吐出供給される冷却水の流量も比較的多くなる。

一方、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が、例えば所定の低温度よりも低いときには、この弁体８７は、図２及び図３に示すように、ピストンロッド９１によって上方へ押し上げられることがなく、弁筐体８１内の下部に位置する。そして、この状態では、弁体８７の下部フランジ９４が第２の開口８４の下端と略一致し、上部フランジ９３が第３の開口８６の下端と略一致しており、これにより、第１の開口８２に接続する第１の通路６２と、第２の開口８４に接続する第２の通路６３が連通される。すなわち、この状態では、吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位と圧力室３１ｂとが連通される。

ここで、吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位の圧力は、内燃機関の運転状態によって異なっている。すなわち、吸気通路５７におけるこの部位の圧力は、内燃機関の負荷が低いときには、図２に示すように、スロットルバルブ６０は開度がさほど大きくないため、大気圧よりも低い圧力となる。一方、吸気通路５７におけるこの部位の圧力は、内燃機関の負荷が高いときには、図３に示すように、スロットルバルブ６０の開度が大きくなるため、大気圧と比較してさほど低い圧力とはならないならない。特に、図３は、スロットルバルブ６０が全開の状態を示しているが、このようにスロットルバルブ６０が全開となる状態では、吸気通路５７におけるスロットルバルブ６０よりも下流側の部位は、大気圧と略同じ圧力となるために、圧力室３１ｂの圧力も大気圧と略同じ圧力となる。

したがって、このように第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が所定の低温度よりも低い場合において、内燃機関の負荷が低くなるときには、圧力室３１ｂが大気圧よりも低い圧力の吸気通路５７と連通されるため、圧力室３１ｂの圧力は大気圧よりも低くなる。これにより、図２に示すように、圧力室３１ｂと大気室３１ａとの圧力差から、スライダ３４はスプリング３６の付勢力に抗して圧力管４１側に変位し、スライダ３４から回転筒２１に伝達される回転力が比較的小さくなる。すなわち、内燃機関の駆動力がこのスライダ３４を介して回転筒２１に比較的低い効率で伝達され、ウォータジャケットに吐出供給される冷却水の流量も比較的少なくなる。

また、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が所定の低温度よりも低い場合において、内燃機関の負荷が高くなるときには、圧力室３１ｂが連通される吸気通路５７は、大気圧と比較してさほど低い圧力ではないため、この圧力室３１ｂの圧力もさほど低くない。特に、図３に示す状態においては、圧力室３１ｂの圧力は、大気圧と略同じ圧力となる。したがって、図３に示すように、大気室３１ａと圧力室３１ｂとの圧力差が無くなり、スライダ３４が回転筒２１側に変位することから、スライダ３４から回転筒２１に伝達される回転力が比較的大きくなる。すなわち、内燃機関の駆動力がこのスライダ３４を介して回転筒２１に比較的高い効率で伝達され、ウォータジャケットに吐出供給される冷却水の流量も比較的多くなる。

なお、本実施形態では、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が、所定の低温度と所定の高温度との間の場合には、図４に示すように、弁体８７が、弁筐体８１内の中間の高さ位置まで押し上げられる。この状態では、上部フランジ９３と下部フランジ９４との間に、第３の開口８６の下寄りの部分と第２の開口８４の上寄りの部分とが位置し、これにより、第１の開口８２に接続する第１の通路６２が、第２の開口８４に接続する第２の通路６３と第３の開口８６に接続する第３の通路６４との双方に連通される状態となる。したがって、圧力室３１ｂの圧力は、大気圧と吸気通路５７の圧力の間の圧力となる。したがって、例えば、内燃機関の負荷が低いときには、このスライダ３４の位置も図１に示す状態と図２に示す状態との間に位置し、内燃機関の駆動力もこのスライダ３４を介して回転筒２１に中程度の効率で伝達され、冷却水の循環量は中程度となる。なお、この場合においても、内燃機関の負荷が高い場合には、吸気通路５７のスロットルバルブ６０の開度が大きくなるため、圧力室３１ｂの圧力は高くなる（例えば、大気圧と略同じ圧力となる）ため、内燃機関の駆動力が回転筒２１に高い効率で伝達されるため、冷却水の循環量は多くすることができる。なお、上記説明において、スプリング８３を上方に感温ケース９０を下方に位置させるようにＶＳＶ８０を取り付けたが、ＶＳＶ８０の取り付け方向はこれに限られず、例えばＶＳＶ８０の軸線が水平となるように取り付けてもよい。

以上詳述したように、本実施形態のウォータポンプ１０では、以下の効果を奏することができる。
（１）本実施形態のウォータポンプ１０では、ＶＳＶ８０の弁体８７が、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が高いほど、圧力室３１ｂと吸気通路５７とが連通される状態から、圧力室３１ｂと大気圧空間５９とが連通される状態へと変位する。これにより、冷却水の温度が高いときには、圧力室３１ｂが大気圧となるために、スライダ３４が回転筒２１に近づくように変位して、内燃機関の駆動力が回転筒２１に高い効率で伝達される。一方、冷却水の温度が低い場合において、内燃機関の負荷が高いときには、圧力室３１ｂが吸気通路５７に連通されるものの、この吸気通路５７の圧力は大気圧と比較してさほど低くない状態となっているために、圧力室３１ｂの圧力もさほど大気圧と比較してさほど低くならず、内燃機関の駆動力が回転筒２１に比較的高い効率で伝達される。また、冷却水の温度が低い場合において、内燃機関の負荷が低いときには、圧力室３１ｂは、大気圧よりも圧力の低い吸気通路５７に連通されることとなるから、圧力室３１ｂの圧力は大気圧よりも低くなり、スライダ３４が回転筒２１から遠ざかる方向に変位して、内燃機関の駆動力が回転筒２１に低い効率で伝達される。

このように、複雑な構成の制御装置を用いることなく、内燃機関の冷却水温が高いときと内燃機関の負荷が高いときには、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関の負荷が低いときよりも、内燃機関の駆動力を回転筒２１に効率的に伝達させることができるため、冷却水の循環量を大きくすることができる。

（２）本実施形態のウォータポンプ１０では、内燃機関の冷却水の温度が所定の低温度と所定の高温度の間の温度となると、ＶＳＶ８０により、圧力室３１ｂが大気圧空間５９と吸気通路５７の双方に連通される状態となる。これにより、内燃機関の冷却水の温度が中程度の温度のときには、内燃機関の駆動力を回転筒２１に中程度の効率で伝達することができる。また、このように冷却水の温度が中程度である場合においても、内燃機関の負荷が高いときには、吸気通路５７の圧力は大気圧と比較してさほど低くならないことから、内燃機関の駆動力を回転筒２１に高い効率で伝達することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、上記第１の実施形態と切換弁としてのＶＳＶの構成が異なり、図５に示すように、通路内において回動する板状の弁体１１１を備えるようにしたものである。

本実施形態では、圧力室に接続する第１の通路１０１と大気圧空間に接続する第３の通路１０３とが連続してなる主通路１０４に、吸気通路に接続する第２の通路１０２が略垂直に接続することにより、３つの通路１０１，１０２，１０３が合流してなる圧力通路が構成される。そして、本実施形態のＶＳＶ１１０は、第３の通路１０３における第２の通路１０２の接続部近傍に取り付けられるブラケット１１２を介して支持される回動軸１１３と、この回動軸１１３により回動自在に支持される板状の弁体１１１とを備えている。また、第１の通路１０１において、第２の通路１０２の接続部近傍には、この弁体１１１が回動軸１１３を中心に回動し、図５（ｂ）に示すように、第２の通路１０２を閉塞させる状態となったときに当接するストッパー１１４が設けられている。

本実施形態において、弁体１１１は以下のようにして駆動される。すなわち、主通路１０４の外周面には、第２の通路１０２の接続部と対向する位置に、弁体１１１を駆動する駆動部１１５が取り付けられている。この駆動部１１５は、筐体１２０とサーモワックス装置１２６とスプリング１２１とを備えている。筐体１２０は、その底部がやや肉厚に形成されて第３の冷却水路７５の貫通孔７７に挿入されることにより、第３の冷却水路７５に取り付けられている。そして、サーモワックス装置１２６の感温ケース１２５は、その上寄りの半分がこの筐体１２０の底部に挿入されるとともに、感温ケース１２５の下寄りの半分が筐体１２０の底部から露出して第３の冷却水路７５を流れる冷却水に浸漬される。また、この感温ケース１２５から延びるピストンロッド１２２は、ロッド本体１２３と、ロッド本体１２３の下寄りの部位に取り付けられる板状の押圧部１２４とを備えている。ロッド本体１２３は、筐体１２０及び主通路１０４の側壁を貫通して、その端部が弁体１１１に連結される。そして、筐体１２０の内部において、この筐体１２０内部の上端と押圧部１２４の上面との間には、ロッド本体１２３に巻きつくようにしてスプリング１２１が配置されており、押圧部１２４はスプリング１２１により下方に付勢されている。

このような構成により、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が低いときには、図５（ａ）に示すように、弁体１１１によって第２の通路１０２と第１の通路１０１とが連通される状態となる。一方、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が高いときには、図５（ｂ）に示すように、感温ケース１２５内のワックスの体積が大きくなるため、ピストンロッド１２２のロッド本体１２３が感温ケース１２５から押し出される。この際、ロッド本体１２３とともに押圧部１２４も上方へ変位し、これに伴ってスプリング１２１が圧縮される。そして、このロッド本体１２３により、図５（ｂ）に示すように弁体１１１が回動軸１１３を中心に回動して第２の通路１０２を閉塞し、第１の通路１０１と第３の通路１０３とが連通される状態となる。また、図示は省略するが、第３の冷却水路７５を流れる冷却水の温度が中程度のときには、弁体１１１が図５（ａ）と（ｂ）に示す状態の中間の状態となり、この状態では、第１の通路１０１が第２の通路１０２及び第３の通路１０３の双方に連通される状態となる。したがって、本実施形態においても、上記第１の実施形態に記載した（１）及び（２）の効果を奏することができる。なお、特に言及しないその他の構成及び作用は第１の実施形態と同じである。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、例えば以下のように変更することもできる。
・上記実施形態では、切換弁であるＶＳＶが感温部としてワックスが封入される感温ケースを有するようにしたが、感温部は、例えばワックス以外の物質が封入されていてもよいし、感温部自体の体積が変化するダイヤフラム式のものであってもよい。

・上記各実施形態では、ＶＳＶを取り付けるための第３の冷却水路７５を設けるようにしている。しかしながら、この第３の冷却水路７５を別途設けることなく、ＶＳＶをウォータジャケットの冷却水の温度を測定可能な他の部位に設けるようにしてもよい。具体的には、例えば、図示を省略するが、ウォータジャケットの出口が主冷却水路を介して上記第１の冷却水路７３及び上記第２の冷却水路７４に分岐されている場合、この主冷却水路にはウォータジャケットから流出した冷却水が常に流れることから、この部位にＶＳＶを設けるようにしてもよい。また、感温ケースなどの感温部がウォータジャケットに直接浸漬されるように、例えばＶＳＶをシリンダブロックに取り付けるようにしてもよい。さらに、感温部を冷却水に浸漬させることなく単にシリンダブロックの側面に取りつけるなどして、冷却水の温度が間接的にこの感温部に伝達されるようにしてもよい。

・上記ウォータポンプ１０の具体的な構成は上記各実施形態に示した態様に特に限定されない。例えば、スライダ３４にマグネット３５を設け、回転筒２１に誘導リング２７を設けるようにしたが、これは回転筒２１にマグネットを設け、スライダ３４に誘導リング２７を設けるようにすることもできる。つまり、スライダ３４と回転筒２１との間に磁力が発生するように構成すればよい。また、回転筒２１へとトルクを伝達するために磁力以外にも、例えば摩擦クラッチを利用する等、スライダと回転筒との係合度合いを変化させることで回転筒２１へ伝達される構成を採用することもできる。要するに、内燃機関にて発生する駆動力によって駆動するとともに圧力室に導入される圧力が高いほど大きな駆動力を発生するウォータポンプであればよい。

本発明の第１の実施形態に係るウォータポンプにおいて、内燃機関の冷却水温が高いときの状態を示す模式図。同ウォータポンプにおいて、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関の負荷が低いときの状態を示す模式図。同ウォータポンプにおいて、内燃機関の冷却水温が低く且つ内燃機関の負荷が高いときの状態を示す模式図。同ウォータポンプにおいて、内燃機関の冷却水温が中程度のときの状態を示す模式図。本発明の第２の実施形態に係るウォータポンプのＶＳＶを示す模式図であり、（ａ）が内燃機関の冷却水温が低いときの状態を示し、（ｂ）が内燃機関の冷却水温が高いときの状態を示す。内燃機関の冷却水温と負荷とによるウォータポンプの駆動力の制御態様を示すグラフ。従来のウォータポンプにおいて冷却水の流量が相対的に増加した状態を示す模式図。従来のウォータポンプにおいて冷却水の流量が相対的に減少した状態を示す模式図。

符号の説明

１０，１３０…ウォータポンプ、２０…循環系、２１…回転筒、２２…シリンダブロック、２３…流路、２４ａ，２４ｂ…軸受、２５…支持軸、２６…羽根、２７…誘導リング、３０…駆動系、３１…ハウジング、３１ａ…大気室、３１ｂ…圧力室、３２…プーリ、３３…ベルト、３４…スライダ、３５…マグネット、３６，８３，１２１…スプリング、３７…シール部材、４０…隔壁、４１…圧力管、４２…ベアリング、４３…シール部、５０…電子制御装置、５２，６２，１０１…第１の通路、５３，６３，１０２…第２の通路、５４，６４，１０３…第３の通路、５５，８０，１１０…バキュームスイッチングバルブ（ＶＳＶ）、５７…吸気通路、５９…大気圧空間、６０…スロットルバルブ、６１…水温センサ、７０…ラジエータ、７１…サーモスタット、７３…第１の冷却水路、７４…第２の冷却水路、７５…第３の冷却水路、７６…第４の冷却水路、７７…貫通孔、７８…取付部、７９，９６…底部、８１…弁筐体、８２…第１の開口、８４…第２の開口、８６…第３の開口、８７，１１１…弁体、８８，１２６…サーモワックス装置、８９…貫通孔、９０，１２５…感温ケース、９１，１２２…ピストンロッド、９２…本体部、９３…上部フランジ、９４…下部フランジ、９５…ロッド孔、１０４…主通路、１１２…ブラケット、１１３…回動軸、１１４…ストッパー、１１５…駆動部、１２０…筐体、１２３…ロッド本体、１２４…押圧部。

Claims

内燃機関にて発生する駆動力によって駆動するとともに圧力室に導入される圧力が高いほど大きな駆動力を発生するウォータポンプであって、
前記機関の冷却水の温度に基づく物質の体積変化により通路の接続状態を変更する切換弁と、
前記圧力室と前記切換弁とを接続する第１の通路と、
前記機関の吸気通路におけるスロットルバルブよりも下流側の部位と前記切換弁とを接続する第２の通路と、
大気圧空間と前記切換弁とを接続する第３の通路とを備え、
前記切換弁は、前記冷却水の温度が高いほど、前記第１の通路と前記第２の通路とを接続する状態から前記第１の通路と前記第３の通路とを接続する状態へと変更する
ことを特徴とするウォータポンプ。
流体加圧用の羽根を有して内燃機関とラジエータとの間で冷却水を循環させる回転体と、
ハウジングと、該ハウジング内に設けられたスライダと、同ハウジングと同スライダとによって区画形成された圧力室とを有し、同圧力室の圧力変化に基づいて同スライダが前記ハウジング内を往復動し、この往復動に基づいて前記圧力室の圧力が高くなるほど前記内燃機関にて発生した駆動力を前記回転体に高い効率で伝達する駆動手段と、
前記圧力室に接続する第１の通路と、前記内燃機関の吸気通路におけるスロットルバルブよりも下流側の部位に接続される第２の通路と、大気圧空間に接続される第３の通路とが互いに合流してなる圧力通路と、
前記圧力通路において前記第１〜第３の各通路が合流する部位に設けられる弁体と、前記冷却水の温度に基づいて体積変化する物質が封入される感温部と、前記感温部の温度が高いほど前記弁体によって前記圧力室と前記吸気通路とが連通される状態から前記圧力室と前記大気圧空間とが連通される状態へと変更されるように前記弁体を変位させる変位手段とを有する切換弁とを備えている
ことを特徴とするウォータポンプ。