JP2010057319A

JP2010057319A - 燃料ポンプ

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Publication number: JP2010057319A
Application number: JP2008221726A
Authority: JP
Inventors: Takashi Suefuji; 貴士末藤
Original assignee: Aisan Industry Co Ltd
Current assignee: Aisan Industry Co Ltd
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP5039667B2

Abstract

【課題】ポンプ性能の低下を招くことなくアーマチュアの防錆を行うことができる燃料ポンプを提供すること。
【解決手段】永久磁石４５とアーマチュア５０とを有するポンプモータ４２を備え、ポンプモータ４２を駆動して燃料を吸引して吐出する燃料ポンプ４０において、アーマチュア５０の表面のうち少なくとも永久磁石４５に対面する部分に、撥水性を有する単分子膜層５１が形成されている。そして、この単分子膜層５１は、大気圧プラズマ処理がなされたアーマチュア５０の表面に、シランカップリング剤により形成された結合層５２を介して結合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を吸引して吐出する燃料ポンプに関する。特に、フレキシブル・フューエル・ヴィークル（ＦＦＶ）に搭載される燃料ポンプに関するものである。

近年、ガソリンでもエタノール燃料（バイオ燃料）でも、両者の混合燃料でも走行できる車（ＦＦＶ：Flexible Fuel Vehicle）が実用化されている。ここで、エタノール燃料を使用すると、燃料ポンプに備わるポンプモータのアーマチュア表面が錆びてしまうおそれがあるため、アーマチュア表面に金属メッキを施している。
ところが、アーマチュアセグメントの導通を防ぐため樹脂部分をマスキングする必要があった。このため、製造工程が増加するとともに、樹脂部分のみのマスキング作業自体が煩雑であり、燃料ポンプの製造時間や製造コストを増加させてしまう。

そこで、特許文献１に開示されている樹脂コーティングをアーマチュアに施すことが考えられる。この樹脂コーティングでは、コーティングを施す部材表面に含フッ素樹脂を形成し、パーフルオロポリエーテル鎖又はパーフルオロアルキル鎖を有する撥水化合物を適用して結合させるようになっている。このような樹脂コーティングであれば、上記したような煩雑なマスキング工程が不要となる。
特開２００４−３３０６６４号公報

しかしながら、上記した樹脂コーティングによって形成される撥水膜は、その膜厚が１００〜３００μｍであるため、アーマチュア表面に樹脂コーティングを施すと、アーマチュアとステータ間のエアギャップを大きくしなければならないという問題があった。自動車用の燃料ポンプにおけるアーマチュアとステータ間のエアギャップは、一般的に２００〜３００μｍ程度であるからである。そして、アーマチュアとステータ間のエアギャップが大きくなると、ポンプモータの性能、つまり燃料ポンプの性能が低下してしまう。

そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、ポンプ性能の低下を招くことなくアーマチュアの防錆を行うことができる燃料ポンプを提供することを課題とする。

上記問題点を解決するためになされた本発明は、ステータとアーマチュアとを有するポンプモータを備え、前記ポンプモータを駆動して燃料を吸引して吐出する燃料ポンプにおいて、前記アーマチュアの表面のうち少なくとも前記ステータに対面する部分に、撥水性を有する単分子膜層が形成されていることを特徴とする。

この燃料ポンプにおけるアーマチュアは、その表面のうち少なくともステータに対面する部分に撥水性を有する単分子膜層が形成されているので、アーマチュア表面の撥水性が確保され、アーマチュアの防錆を確実に行うことができる。そして、単分子膜層は、その厚みが数十ｎｍであるから、アーマチュアとステータ間のエアギャップを大きくする必要がない。これにより、ポンプモータの性能低下、つまり燃料ポンプの性能低下を招くこともない。また、アーマチュア表面に単分子膜層を形成する際には、金属メッキを施す場合のように煩雑なマスキング工程が不要であるから、燃料ポンプの製造時間や製造コストを低減することもできる。

本発明に係る燃料ポンプにおいて、前記単分子膜層は、テトラフルオロエチレンコポリマー又はパーフルオロポリエーテル化合物を含んでいることが望ましい。

単分子膜層の主材料として、このような材料を用いることにより、アーマチュア表面と単分子膜層との密着性を向上させることができる。また、上記の材料を用いて形成した単分子膜層では、撥油性も有するので表面に燃料が付着しにくいため、アーマチュアが回転する際の抵抗が少なくなり、ポンプモータの性能、つまり燃料ポンプの性能を向上させることができる。

また、本発明に係る燃料ポンプにおいて、前記単分子膜層は、前記アーマチュアの表面とシランカップリング剤を介して結合されていることが望ましい。

このようにシランカップリング剤を用いることにより、アーマチュアの表面と単分子膜層との密着性を高めることができる。

さらに、本発明に係る燃料ポンプにおいて、前記単分子膜層は、大気圧プラズマ処理がなされた前記アーマチュアの表面に形成されていることが好ましい。

大気圧プラズマ処理により、アーマチュア表面にプラズマが照射されると、その表面に付着した汚れが化学反応して除去されるとともに、アーマチュア表面に官能基が生成されてその表面が活性化される。すなわち、アーマチュア表面の洗浄と活性化が同時に行われる。そして、このような処理されたアーマチュア表面に単分子膜層が形成されているため、単分子膜層がアーマチュア表面に電気的及び化学的に結合しており、アーマチュアの表面と単分子膜層との密着性をより一層高めることができる。

本発明に係る燃料ポンプによれば、上記した通り、ポンプ性能の低下を招くことなくアーマチュアの防錆を行うことができる。また、製造工程を簡略化することができるので、燃料ポンプの製造時間や製造コストを低減することもできる。

以下、本発明の燃料ポンプを具体化した最も好適な実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態では、本発明の燃料ポンプを適用した燃料供給装置を例示する。そこで、本実施の形態に係る燃料供給装置について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料供給装置の概略構成を示す断面図である。

図１に示すように、燃料供給装置１０は、自動車（ＦＦＶ）の燃料タンク２０内に取り付けられており、燃料タンク２０内の燃料を吸引し、吸引した燃料を燃料タンク２０外の外部装置（例えば、エンジン等）に供給するようになっている。

燃料タンク２０の上部には、開口部２０ａが形成され、この開口部２０ａは蓋２２によって塞がれている。蓋２２には、燃料吐出ポート２２ａが形成されている。燃料吐出ポート２２ａの下側の端部（上流端）２２ｂには、配管７８が接続されている。一方、燃料吐出ポート２２ａの上側の端部（下流端）２２ｃには、図示しない配管によって外部装置に接続されている。また、蓋２２には、ガイドバー２４，２５が取り付けられている。ガイドバー２４，２５は、蓋２２から下方に延びており、その下端部が燃料供給装置１０と係合している。これにより、燃料供給装置１０の水平方向の位置が規定されている。

さらに、燃料供給装置１０と蓋２２との間には、スプリング２６が設けられている。スプリング２６は、燃料供給装置１０を燃料タンク２０の底部２０ｂに向けて付勢している。これにより、燃料供給装置１０は、燃料タンク２０の底面２０ｂに押しつけられて固定されている。

燃料供給装置１０は、リザーバカップ３０と、燃料ポンプ４０と、第１サクションフィルタ８０と、第２サクションフィルタ８２と、フィルタエレメント８４とを備えている。

リザーバカップ３０は、カップ形状をなす容器であり、その底面３０ａが燃料タンク２０の底面２０ｂに接触した状態で固定されている。リザーバカップ３０の底面３０ａの一部には底上げ部３０ｂが形成されている。底上げ部３０ｂは、燃料タンク２０の底面２０ｂに対して非接触となっている。

燃料ポンプ４０は、リザーバカップ３０内の略中央部に固定されている。この燃料ポンプ４０により、燃料タンク２０内（リザーバカップ３０外）の燃料がリザーバカップ３０内に送出されるとともに、リザーバカップ３０内の燃料が外部装置に送出されるようになっている。ここで、燃料ポンプ４０について図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、燃料ポンプの概略構成を示す断面図である。

図２に示すように、燃料ポンプ４０は、ハウジング４４と、ハウジング４４の上側の端部に固定されているカバー４６と、ハウジング４４の下側の端部に固定されているケーシング４８とを備えている。

ハウジング４４の内部には、ポンプモータ４２が配設されている。ポンプモータ４２は、アーマチュア５０と永久磁石４５とを備えている。なお、永久磁石４５がステータに相当する。アーマチュア５０は、シャフト５０ａと、シャフト５０ａに固定されている積層鉄心５０ｂと、積層鉄心５０ｂに巻回されているコイルと、コイルと電気的に接続されている整流子５０ｃ等を備えている。シャフト５０ａは、カバー４６に形成されている軸受４６ａと、ケーシング４８に形成されている軸受４８ａとにより回転可能に支持されている。これにより、アーマチュア５０全体が回転可能とされている。そして、アーマチュア５０の表面には、単分子膜層５１が形成されている。なお、単分子膜層５１の詳細については後述する。

一方、ハウジング４４の内壁面には、永久磁石４５が固定されている。永久磁石４５は、アーマチュア５０の周囲を取り囲むように配設されている。つまり、永久磁石４５は、アーマチュア５０の外周に僅かな隙間（エアギャップ）をとって配置されている。なお、本実施の形態では、永久磁石４５とアーマチュア５０との間におけるエアギャップは、約２５０μｍとされている。

カバー４６には、燃料吐出口４６ｂが形成されているとともに、ブラシ４６ｃが固定されている。ブラシ４６ｃは、アーマチュア５０の回転時に整流子５０ｃと摺接するようになっている。そして、ブラシ４６ｃに、外部から電力を供給することができるようになっている。

このようなポンプモータ４２では、ブラシ４６ｃに電力が供給されると、整流子５０ｃを介して、アーマチュア５０のコイルに電流が流れる。そうすると、コイルに流れる電流により生じる磁界と永久磁石４５の磁界とが作用してアーマチュア５０が回転するようになっている。

そして、ケーシング４８にはインペラ収容室が形成されており、インペラ収容室内に略円盤形状のインペラ５２が収容されている。インペラ５２は、シャフト５０ａに対して軸方向に移動可能に固定されている。このため、インペラ５２はシャフト５０ａとともに回転するようになっている。
また、ケーシング４８には、燃料ポンプ４０内に導入された燃料を、リザーバカップ３０内に吐出するための燃料吐出流路７６と、ポンプモータ４２へ吐出するための燃料吐出流路６３とが形成されている。

図１に戻って、リザーバカップ３０の底上げ部３０ｂと燃料タンク２０の底面２０ｂとの間に、第１サクションフィルタ８０が設置されている。この第１サクションフィルタ８０は、燃料中の比較的大きい異物を取り除くフィルタである。また、リザーバカップ３０の底上げ部３０ｂには開口が形成されており、その開口に連結管３３が取り付けられている。連結管３３は、第１サクションフィルタ８０と燃料ポンプ４０の燃料吸入流路７４とを接続している。

また、リザーバカップ３０内の底面３０ａ近傍には、第２サクションフィルタ８２が設置されている。この第２サクションフィルタ８２は、燃料中の中程度の大きさの異物を取り除くフィルタである。第２サクションフィルタ８２は、連結管３４によって燃料ポンプ４０の燃料吸入流路６４に接続されている

また、リザーバカップ３０内にはフィルタエレメント８４が設置されている。このフィルタエレメント８４は、燃料中の微細な異物を取り除くフィルタである。フィルタエレメント８４は、略円筒形状をなしており、燃料ポンプ４０の周囲を取り囲むように配置されている。フィルタエレメント８４は、燃料吸入口８４ａと燃料吐出口８４ｂとを備えている。燃料吸入口８４ａは、配管７９によって燃料ポンプ４０の燃料吐出口４６ｂに接続されている。燃料吐出口８４ｂは、配管７８によって蓋２２の燃料吐出ポート２２ａに接続されている。

ここで、アーマチュア５０の表面に単分子膜層５１を形成する手順について、図３を参照しながら説明する。図３は、アーマチュアの表面に単分子膜層を形成する手順を示すフローチャートである。
まず、アーマチュア５０を洗浄する。具体的には、アーマチュア５０をアセトン等の洗浄液に浸した状態で、超音波洗浄を実施する（ステップ１０）。この洗浄工程は、例えば、常温で３分間実施される。次に、洗浄されたアーマチュア５０の表面に大気圧プラズマ処理を実施する（ステップ１１）。具体的には、図４に示すように、アーマチュア５０を回転させながら、プラズマ照射装置５５から発せられるプラズマをアーマチュア５０の表面に照射していく。図４は、プラズマ照射工程を示す概略図である。なお、アーマチュア５０の回転速度は、例えば、１０〜２０ｒｐｍである。照射装置とアーマチュア５０との間隔は、例えば、１０ｍｍである。プラズマの照射は、大気圧で実施される。このプラズマ照射工程は、複数回実施してもよい。

そして、大気圧プラズマ処理がなされたアーマチュア５０の表面に、単分子膜層５１を形成する（ステップ１２）。具体的には、表面に形成する単分子膜の成分に調整された液剤にアーマチュア５０が浸される。そして、この液剤を超音波によって攪拌することによりアーマチュア５０の表面に単分子膜層５１を成層する。

単分子膜層５１を形成するための液剤としては、例えば、撥水・撥油性を有するテトラフロオロエチレンコポリマー（ＣＦ₂ＣＦ₂）_nをベースとして、変性シリコーン（Ｒ₁Ｒ₂ＳｉＯ）_mを分散させたものを主剤として用いている。この主剤は、変性シリコーンをベースとしてテトラフロオロエチレンコポリマーを分散させてもよい。
また、この液剤には、硬化剤として脂肪族ポリイソシアネートと、密着性向上剤（シランカップリング剤）としてオルガノシランと、溶媒としてケトン系溶剤（アセトン、酢酸ブチル等）を混合している。

その後、上記の液剤からアーマチュア５０を引き上げ、溶剤が表面に付着したアーマチュア５０を乾燥させる（ステップ１３）。これにより、アーマチュア５０の表面に、単分子膜層５１が形成される。この単分子膜層５１は、略一定の膜厚で形成されており、その厚みは数十ｎｍである。このため、ポンプモータ４２において、永久磁石４５とアーマチュア５０との間におけるエアギャップを大きくする必要がない。これにより、アーマチュア５０の表面に単分子膜層５１を形成しても、ポンプモータ４２の性能を低下させることがない。つまり、アーマチュア５０の表面に単分子膜層５１を形成したことによって、燃料ポンプ４０の性能が低下することがない。

このように、アーマチュア５０の表面に単分子膜層５１を形成する際には、金属メッキを施す場合のように煩雑なマスキング工程が不要となる。また、大気圧プラズマ処理を行っているため、樹脂コーティングを行う場合のように、アルカリ洗浄と水洗浄と乾燥をする必要がない。これらのことから、燃料ポンプ４０の製造時間や製造コストを低減することができる。

上記した液剤で成層された単分子膜層５１とアーマチュア５０の表面との接合状態を図５を参照して説明する。図５は、単分子膜層とアーマチュアの表面との結合状態を分子構造を用いて示す模式図である。アーマチュア５０の表面にプラズマを照射すると、アーマチュア５０の表面が活性化され、官能基である自然酸化膜のＯＨ基が生成される。この状態で上記した液剤に浸すと、アーマチュア５０の表面とテトラフロオロエチレンコポリマーとがシアンカップリング剤によって結合された密着性の高い接合層５２が形成される。これにより、単分子膜層５１がアーマチュア５０の表面に電気的及び化学的に結合され、アーマチュア５０の表面に密着性の高い単分子膜層５１を形成することができる。従って、アーマチュア５０の撥水性を確保することができ、防錆を確実に行うことができる。

なお、単分子膜層の成層工程で用いられる液剤は、上記した以外の液剤を用いることもできる。例えば、パーフルオロポリエーテル化合物（ＰＦＰＥ）を主剤とし、溶剤としてパーフルオロヘキサンを混合した液剤を用いてもよい。この場合には、図６に示すように、アーマチュア５０の表面とパーフルオロポリエーテル化合物とが、密着性の高い結合層５２ａによって結合される。このような液剤を用いても、アーマチュア５０の表面に密着性の高い単分子膜層５１ａを形成することができるので、アーマチュア５０の撥水性を確保することができ、防錆を確実に行うことができる。

続いて、上記した構成を有する燃料供給装置１０の動作について説明する。ここで、燃料供給装置１０を動作させたときの燃料の流れを、図１に矢印１０１〜１０６で示している。燃料供給装置１０は、燃料ポンプ４０のポンプモータ４２に電力を供給する（より詳細には、ブラシ４６ｃを介してアーマチュア５０のコイルに電流を流す）ことにより動作する。

ポンプモータ４２に電力が供給されると、アーマチュア５０が回転する。そうすると、アーマチュア５０とともにインペラ５２が回転する。インペラ５２が回転すると、燃料タン２０内（リザーバカップ３０外）の燃料が、第１サクションフィルタ８０を介して燃料吸入流路７４から燃料ポンプ４０内に導入される（図１の矢印１０１参照）。このとき、第１サクションフィルタ８０により燃料中に存在する比較的大きい異物が除去される。このようにして燃料ポンプ４０内に導入された燃料は、燃料吐出流路７６からリザーバカップ３０内に吐出される（図１の矢印１０２参照）。

また、リザーバカップ３０内の燃料が、第２サクションフィルタ８２を介して燃料吸入通路６４から燃料ポンプ４０内に導入される（図１の矢印１０３参照）。このとき、第２サクションフィルタ８２により燃料中に存在する中程度の大きさの異物が除去される。このようにして燃料ポンプ４０内に導入された燃料は、インペラ５２の回転による遠心力を受けて昇圧され、その昇圧された燃料が、燃料吐出流路６３からポンプモータ４２へ吐出される（図１の矢印１０４参照）。ポンプモータ４２へ吐出された燃料は、ポンプモータ４２内を上方へ流れ、燃料吐出口４６ｂから燃料ポンプ４０外へ吐出される。

ここで、エタノール燃料（フレキシブル燃料）を使用した場合には、燃料がポンプモータ４２を通過する際に、アーマチュア５０の表面に水滴が付着して錆びてしまうおそれがあった。これに対して、本実施の形態では、アーマチュア５０の表面に撥水性を有する単分子膜層５１を形成しているので、アーマチュア５０の表面に水滴が付着しにくくなっている。例え、アーマチュア５０の表面に水滴が付着しても、錆びる可能性のある金属部分は単分子膜層５１により覆われている。これにより、エタノール燃料を使用しても、アーマチュア５０が錆びることを確実に防止することができる。
また、単分子膜層５１は撥油性も有しているので、燃料が付着しにくいため、アーマチュア５０が回転する際の抵抗が少なくなり、ポンプモータ４２の性能、つまり燃料ポンプ４０の性能を向上させることができる。

そして、燃料吐出口４６ｂから吐出された燃料は、配管７９を介してフィルタエレメント８４内に流入する（図１矢印１０５参照）。フィルタエレメント内に流入した燃料は、フィルタエレメント８４内を流れ、ここで燃料中に存在する微細な異物が除去される。フィルタエレメント８４を通過した燃料は、燃料吐出口８４ｂから配管７８内に流入する（図１の矢印１０６参照）。配管７８内に流入した燃料は、燃料吐出ポート２２ａを経て外部装置へ供給される。

以上、詳細に説明したように本実施の形態に係る燃料ポンプ４０によれば、撥水性を有する単分子膜層５１が表面に形成されたアーマチュア５０を有しているので、アーマチュア５０の防錆を確実に行うことができる。そして、単分子膜層５１は、その厚みが数十ｎｍであるから、アーマチュア５０と永久磁石４５間のエアギャップを大きくする必要がない。このため、ポンプモータ４２の性能低下、つまり燃料ポンプ４０の性能低下を招くことがない。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

実施の形態に係る燃料供給装置の概略構成を示す断面図である。燃料ポンプの概略構成を示す断面図である。アーマチュアの表面に単分子膜層を形成する手順を示すフローチャートである。プラズマ照射工程を示す概略図である。単分子膜層とアーマチュアの表面との結合状態を分子構造を用いて示す模式図である。別形態の単分子膜層とアーマチュアの表面との結合状態を分子構造を用いて示す模式図である。

符号の説明

１０燃料供給装置
４０燃料ポンプ
４２ポンプモータ
４４ハウジング
４５永久磁石
４６カバー
４８ケーシング
５０アーマチュア
５０ａシャフト
５０ｂ積層鉄心
５０ｃ整流子
５１単分子膜層
５１ａ単分子膜層
５２結合層
５２ａ結合層
５５プラズマ照射装置

Claims

ステータとアーマチュアとを有するポンプモータを備え、前記ポンプモータを駆動して燃料を吸引して吐出する燃料ポンプにおいて、
前記アーマチュアの表面のうち少なくとも前記ステータに対面する部分に、撥水性を有する単分子膜層が形成されている
ことを特徴とする燃料ポンプ。
請求項１に記載する燃料ポンプにおいて、
前記単分子膜層は、テトラフルオロエチレンコポリマー又はパーフルオロポリエーテル化合物を含んでいることを特徴とする燃料ポンプ。
請求項１又は請求項２に記載する燃料ポンプにおいて、
前記単分子膜層は、前記アーマチュアの表面とシランカップリング剤を介して結合されている
ことを特徴とする燃料ポンプ。
請求項１から請求項３に記載するいずれか１つの燃料ポンプにおいて、
前記単分子膜層は、大気圧プラズマ処理がなされた前記アーマチュアの表面に形成されている
ことを特徴とする燃料ポンプ。