JP2010007828A - 感熱動作クラッチ - Google Patents

Abstract

【課題】ベルト駆動式のウオーターポンプを使用した場合に、暖機を促進することができる駆動系の構造を提供する。
【解決手段】内輪２２と外輪２１との間にころ２４を噛み込ませることにより動力伝達し、噛み込みを規制する（噛み込ませない）ことにより動力を遮断する構成のクラッチにおいて、ころ２４を保持する保持器２３に外輪２１側から複数個のバイメタル２６を係合させ、温度変化によるバイメタル２６の変形で保持器２３を移動させる。このような感熱動作クラッチ２をウオーターポンプの駆動系に使用することにより、温度に応じて動力の伝達／遮断を切り替えることができるので、エンジンの温度が低い間（暖機前）は動力を遮断して冷却を行わず、暖機を促進することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば自動車においてエンジンの冷却水を循環させるためのウオーターポンプに、エンジンの動力を伝達するクラッチの構造に関する。

ベルト駆動式のウオーターポンプは、冷却水を圧送するインペラのシャフトにプーリが固定されており、このプーリとエンジンとの間にベルトが張架されている。このようなウオーターポンプは、エンジン始動と同時にインペラが回転駆動され、冷却水の循環を開始する（例えば、特許文献１参照。）。熱媒体としての冷却水は、エンジンのウオータージャケットから吸収した熱を、ラジエータで放出する。エンジン回転数が高くなるとウオーターポンプも高回転となり、エンジン冷却効果を高める。

特開２００４−１６２６２９号公報（図２）

ところが、上記のようなベルト駆動式のウオーターポンプは、エンジン始動直後で、まだエンジンが十分に暖まっていない間（暖機前）にも冷却水を循環させるので、暖機を遅らせる。特に、周囲温度が低温の場合には、暖機の遅延も増大する。暖機前は、暖機後に比べて燃費が悪く、従って、燃費向上のためには、できるだけ迅速な暖機が望まれる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、ベルト駆動式のウオーターポンプを使用した場合に、暖機を促進することができる駆動系の構造を提供することを目的とする。

本発明の感熱動作クラッチは、内輪と、前記内輪との間に、径方向隙間が周方向に漸減する空間領域を複数箇所形成した外輪と、前記複数箇所の空間領域にそれぞれ配置された複数のころと、前記内輪と前記外輪との間にあって前記ころを保持し、前記ころを内外輪間に噛み込ませる動力伝達位置から内外輪間での噛み込みを規制する動力遮断位置までの間で、周方向に移動可能な保持器と、前記保持器に保持され、前記ころを噛み込みの方向に付勢する弾性体と、温度変化によって変形を生じ、当該変形により前記保持器を前記動力伝達位置及び動力遮断位置の一方から他方へ移動させる感熱駆動体とを備えたものである。

上記の感熱動作クラッチは、温度変化による感熱駆動体の変形により保持器を移動させ、ころを内外輪間に噛み込ませることにより動力を伝達し、また、噛み込みを規制することで動力を遮断する。これにより、温度に応じて動力の伝達／遮断を切り替えることができるので、ベルト駆動式のウオーターポンプを回転駆動するための駆動系に当該クラッチを使用すれば、エンジンの温度が低い間（暖機前）は動力を遮断して冷却を行わず、暖機を促進することができる。

一方、本発明の感熱動作クラッチは、ベルト駆動式のウオーターポンプのインペラシャフトを支持する内輪と、前記内輪との間に、径方向隙間が周方向に漸減する空間領域を複数箇所形成し、エンジンによって回転駆動される外輪と、前記複数箇所の空間領域にそれぞれ配置された複数のころと、前記内輪と前記外輪との間にあって前記ころを保持し、前記ころを内外輪間に噛み込ませる動力伝達位置と、内外輪間での噛み込みを規制する動力遮断位置との間で、周方向に移動可能な保持器と、前記保持器に保持され、前記ころを噛み込みの方向に付勢する弾性体と、前記エンジンからの熱伝導に依存した温度変化によって変形を生じ、当該変形により前記保持器を前記動力遮断位置及び前記動力伝達位置の一方から他方へ移動させる感熱駆動体とを備えたものであってもよい。

上記のように構成された感熱動作クラッチでは、温度変化による感熱駆動体の変形により保持器を移動させ、ころを内外輪間に噛み込ませることにより動力を伝達し、また、噛み込みを規制することで動力を遮断する。これにより、温度に応じて動力の伝達／遮断を切り替えることができるので、エンジンの温度が低い間（暖機前）は動力を遮断して冷却を行わず、暖機を促進することができる。

また、上記感熱動作クラッチにおいて、感熱駆動体は、基端が外輪に固定され、先端が保持器に係合したバイメタルであり、周方向に複数個設けられているものであってもよい。
この場合、簡素なバイメタルを設けるだけで温度に応じたクラッチ動作が可能となる。また、周方向に複数個設けることで、保持器を確実に移動させることができる。

本発明の感熱動作クラッチによれば、ベルト駆動式のウオーターポンプを回転駆動するための駆動系に当該クラッチを使用することにより、エンジンの温度が低い間（暖機前）は動力を遮断して冷却を行わず、暖機を促進することができるので、燃費の向上に寄与する。

図１は、本発明の一実施形態に係る感熱動作クラッチ２を使用した、ウオーターポンプ１の駆動系を示す断面図である。当該ウオーターポンプ１は、自動車のエンジンルームに搭載される。図において、ウオーターポンプ１のインペラシャフト１１は、円筒状の外輪１２との間に、複数のころ１３及び玉１４を有し、外輪１２に対して軸周りに回転自在である。外輪１２は、ウオーターポンプ１のハウジング１５に挿嵌され、固定されている。ウオーターポンプ１内にあるインペラシャフト１１の右端部には、冷却水を圧送するためのインペラ１６が設けられている。外輪１２の軸方向両端部近傍において外輪１２の内周面とインペラシャフト１１の外周面と間にできる隙間は、シール１７によって封止されている。

インペラシャフト１１の左端側には、互いに内外輪を共有する感熱動作クラッチ２及びサポートベアリング３が装着され、これらを介してプーリ４が装着されている。プーリ４にはベルト５が張架され、このベルト５は、エンジン（図示せず。）により駆動される。感熱動作クラッチ２は、プーリ４に与えられた回転駆動力を、ウオーターポンプ１のインペラシャフト１１に伝達するか又は、インペラシャフト１１に伝達しないよう遮断する。サポートベアリング３は、感熱動作クラッチ２の遮断時に、回転しないインペラシャフト１１に対して、プーリ４を回転自在に支持する。

図２の（ａ）は、図１における感熱動作クラッチ２のII−II線断面図である。この感熱動作クラッチ２は、一方向クラッチの一種である。図の（ａ）において、感熱動作クラッチ２は、外輪２１と、内輪２２と、保持器２３と、ころ２４と、ばね２５と、バイメタル２６とを備えている。内輪２２は円筒状であって、インペラシャフト１１と同心状に外嵌され、互いに一体に回転する。外輪２１の外周面は円筒面であるが、内周面は図示のような所定の断面形状となっている。すなわち、内周面には、カム面２１ａ及び、カム面２１ａの終端側に位置する突起部２１ｂが形成され、突起部２１ｂの周方向端面２１ｃは保持器２３のストッパとなる。当該カム面２１ａ及び突起部２１ｂは、周方向に１２０度位相がずれた３箇所の位置に形成されている。

内輪２２と外輪２１との間にある保持器２３は、断面が３箇所に現れているが、全体として１つのリング状部材である。保持器２３は、外輪２１に形成された３箇所の突起部２１ｂと係合することにより、径方向にはほとんど動かない。一方、保持器２３は、ころ２４を保持しつつ、周方向に所定範囲で移動可能である。保持器２３には、ころ２４を保持する３個のポケットＰが周方向に等間隔で形成されている。ポケットＰに対して反時計回り方向にある端面２３ａところ２４との間に、若干圧縮された状態のばね２５が装着されている。また、ころ２４は、ポケットＰに対して時計回り方向にある端面２３ｂと当接している。さらに、保持機２３のもう一つの端面２３ｃは、外輪２１の突起部２１ｂにおける周方向端面２１ｃに当接している。

保持器２３の外周面上の３箇所には、軸方向への溝２３ｄが形成されており、この溝２３ｄに、バイメタル２６の先端が係合している。バイメタル２６は、その先端が感熱動作クラッチ２の径方向内方に向けられた状態で、基端を外輪２１に埋め込むように、周方向に１２０度間隔で固定されている。このバイメタル２６は、時計回り方向側にある金属板より他方の金属板の熱膨張率が大きいことにより、温度上昇に伴って先端が時計回り方向に移動するように変形する。バイメタル２６は、このような変形又はその逆の復帰動作により、保持器２３を後述の動力伝達位置及び動力遮断位置の一方から他方へ移動させる「感熱駆動体」となっている。

図３は、図２の（ａ）の一部拡大図である。図において、インペラシャフト１１の中心Ｏからカム面２１ａまでの距離Ｒは、時計回り方向に漸次小さくなる。従って、内輪２２の外周面と外輪２１のカム面２１ａとの間には、径方向隙間が時計回り方向に漸減する空間領域Ｓが、感熱動作クラッチ２全体で１２０度ごとに３箇所、形成されている。少なくとも常温若しくはそれ以下の温度では保持器２３は、図示の位置、すなわち反時計回り方向への移動終端にあり、端面２３ｃは突起部２１ｂの周方向端面２１ｃに当接している。

エンジン始動により外輪２１が図３の反時計回り方向に回転すると、保持器２３、ばね
２５及びころ２４も共に回転する。ころ２４は、図示のように内輪２２に接しているとすると、静止している内輪２２との摩擦によって反時計回り方向に自転するが、外輪２１との間には隙間があることによって、エンジンの動力が遮断され、内輪２２は回転しない。また、図４に示すように、回転の遠心力により、ころ２４がカム面２１ａに当接すると、ころ２４と内輪２２の外周面との間に隙間ができる。この状態でも同様に、エンジンの動力は遮断され、内輪２２は回転しない。

すなわち、保持器２３が図２の（ａ）の状態にあるときは、ころ２４が内外輪間に噛み込まれることはなく、動力は遮断される。この保持器２３の位置を、動力遮断位置という。保持器２３が動力遮断位置にあるとき、インペラシャフト１１は回転駆動されず、ウオーターポンプ１は（図１）停止している。従って、冷却水は循環せず、エンジンは迅速に温度上昇する。エンジンの熱は、ハウジング１５(図１)や冷却水からインペラシャフト１１を介して感熱動作クラッチ２の内輪２２に伝導する。さらに、熱は、内輪２２から玉３を介して外輪２１や、バイメタル２６にも伝導する。

バイメタル２６は、温度上昇により変形し、徐々に、図２の（ａ）の状態から（ｂ）の状態に達する。（ｂ）の状態では、バイメタル２６はその先端が時計回り方向に移動し、それによって保持器２３が時計回り方向に移動する。図５は、図２の（ｂ）の一部拡大図である。図４の位置にあったころ２４は、保持器２３の移動により、内輪２２と外輪２１（カム面２１ａ）との径方向隙間が周方向に漸減する空間領域Ｓに深く押し込まれる。そして、外輪２１と共に回転している（自転しないで公転している）ころ２４が、静止している内輪２２に接触したとき、反時計回り方向に自転しようとし、内外輪間に噛み込まれる。これにより、動力が伝達され、外輪２１と共に内輪２２及びインペラシャフト１１が回転する状態となる。

すなわち、保持器２３が図２の（ｂ）の状態にあるときは、ころ２４が内外輪間に噛み込まれ、動力が伝達される。この保持器２３の位置を、動力伝達位置という。保持器２３が動力伝達位置にあるとき、インペラシャフト１１は回転駆動され、ウオーターポンプ１が冷却水を循環させる。従って、エンジンの冷却が開始され、エンジンの過熱が抑制される。

エンジンから間接的に熱が伝導するバイメタル２６の温度は、エンジンの温度とは異なるが、概ね対応関係にある。そこで、エンジンの燃費が良くなるための所定温度（例えば６０〜７０℃）に対応する温度にバイメタル２６が達したとき、変形によって図２の（ｂ）の状態になるように、バイメタル２６を設計する。これにより、エンジンが所定温度以上になったとき、感熱動作クラッチ２は動力伝達を開始し、冷却を開始する。言い換えれば、エンジンが所定温度未満のときは、動力を遮断して、冷却を行わない。

一方、エンジン停止後、エンジンが自然に冷えると、バイメタル２６の温度が低下して変形（曲がり）が解消され、元の直線状の状態に戻る。これにより、保持器２３は、図２の（ｂ）に示す動力伝達位置から（ａ）に示す動力遮断位置まで移動する。

以上のように、上記の感熱動作クラッチ２は、温度変化によるバイメタル２６の変形により保持器２３を移動させ、ころ２４を内外輪間に噛み込ませることにより動力を伝達し、また、噛み込みを規制することで動力を遮断する。これにより、温度に応じて動力の伝達／遮断を切り替えることができるので、ベルト駆動式のウオーターポンプ１を回転駆動するための駆動系に当該クラッチを使用することによって、エンジンの温度が低い間（暖機前）は動力を遮断して冷却を行わず、暖機を促進することができる。これにより、燃費が比較的悪い暖機前の時間が短縮されるので、燃費の向上に寄与する。また、簡素なバイメタル２６を設けるだけで温度に応じたクラッチ動作が可能となり、しかも、バイメタル２６を周方向に複数個設けることで、保持器２３を確実に移動させることができる。

なお、上記実施形態では図２に示すように、温度上昇でバイメタル２６が所望の方向に曲がることにより保持器２３を移動させるようにしたが、逆に、暖機後、所定温度に達した状態で直線状のバイメタルが、温度の下降により曲がることで保持器２３を移動させるようにしてもよい。
図６は、その一例を示す断面図である。この場合、温度が低い場合には（ａ）に示すように、バイメタル２６が曲がっており、保持器２３は動力遮断位置にある。温度が上昇して所定温度に達すると、バイメタル２６は（ｂ）に示す直線状の状態となり、保持器２３は動力伝達位置にある。この場合、エンジンの暖機後の温度に相当する所定温度でバイメタル２６を製作することにより、バイメタル２６が直線状となる温度の設定が容易になるので、所定温度で保持器２３が図６の（ｂ）の動力伝達位置に達することの確実性を高めることができる。

なお、上記実施形態では感熱駆動体としてバイメタル２６を使用したが、これに代えて、同様な温度による変形を生じる形状記憶合金を使用してもよい。
また、上記実施形態におけるバイメタル２６は、保持器２３に対して径方向外方から溝２３ｄに係合するが、溝２３ｄに対して感熱動作クラッチ２の軸方向から（保持器２３に対して側面から）係合させることも可能である。
また、上記実施形態におけるばね２５に代えて、他の弾性体、例えばゴムを使用することも可能である。

なお、上記実施形態では、ころ２４やカム面２１ａの数が３であることを前提とした構成を示したが、４以上であっても同様に、バイメタル等の感熱駆動体を用いて保持器を駆動することが可能である。また、ころ２４の数と、感熱駆動体の数とが互いに同じでなくてもよい。例えば、ころ６個に対して感熱駆動体３個、という構成も可能である。
また、上記実施形態では、カム面２１ａは外輪側に設けられているが、内輪側に設けることも可能である。

なお、上記実施形態における感熱動作クラッチ２はウオーターポンプ用であることとの関係で、低温時の動力遮断の状態から温度上昇により動力伝達の状態となるものであるが、逆に、低温時の動力伝達の状態から温度上昇により動力遮断の状態となることが必要なクラッチとしての用途には、例えば、低温時にバイメタル２６が図６の（ｂ）の状態にあり、温度上昇により（ａ）の状態になるようにすればよい。

本発明の一実施形態に係る感熱動作クラッチを使用した、ウオーターポンプの駆動系を示す断面図である。 図１における感熱動作クラッチのII−II線断面図であり、（ａ）は動力遮断の状態を、（ｂ）は動力伝達の状態を、それぞれ示している。 図２の（ａ）の部分拡大図である。 図３の状態から、ころが遠心力で径方向外方へ動いた状態を示す図である。 図２の（ｂ）の部分拡大図である。 温度と、バイメタルの伸縮との関係を、図２とは逆にした状態の断面図である。

符号の説明

１ ウオーターポンプ
２ 感熱動作クラッチ
１１ インペラシャフト
２１ 外輪
２２ 内輪
２３ 保持器
２４ ころ
２５ ばね（弾性体）
２６ バイメタル（感熱駆動体）

Claims (3)

1. 内輪と、
   前記内輪との間に、径方向隙間が周方向に漸減する空間領域を複数箇所形成した外輪と、
   前記複数箇所の空間領域にそれぞれ配置された複数のころと、
   前記内輪と前記外輪との間にあって前記ころを保持し、前記ころを内外輪間に噛み込ませる動力伝達位置から内外輪間での噛み込みを規制する動力遮断位置までの間で、周方向に移動可能な保持器と、
   前記保持器に保持され、前記ころを噛み込みの方向に付勢する弾性体と、
   温度変化によって変形を生じ、当該変形により前記保持器を前記動力伝達位置及び動力遮断位置の一方から他方へ移動させる感熱駆動体と
   を備えたことを特徴とする感熱動作クラッチ。
2. ベルト駆動式のウオーターポンプのインペラシャフトを支持する内輪と、
   前記内輪との間に、径方向隙間が周方向に漸減する空間領域を複数箇所形成し、エンジンによって回転駆動される外輪と、
   前記複数箇所の空間領域にそれぞれ配置された複数のころと、
   前記内輪と前記外輪との間にあって前記ころを保持し、前記ころを内外輪間に噛み込ませる動力伝達位置と、内外輪間での噛み込みを規制する動力遮断位置との間で、周方向に移動可能な保持器と、
   前記保持器に保持され、前記ころを噛み込みの方向に付勢する弾性体と、
   前記エンジンからの熱伝導に依存した温度変化によって変形を生じ、当該変形により前記保持器を前記動力遮断位置及び前記動力伝達位置の一方から他方へ移動させる感熱駆動体と
   を備えたことを特徴とする感熱動作クラッチ。
3. 前記感熱駆動体は、基端が前記外輪に固定され、先端が前記保持器に係合したバイメタルであり、周方向に複数個設けられている請求項１又は２に記載の感熱動作クラッチ。

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