JP2010071099A - ウォータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成のもとに支持シャフトと回転体との間のドライ摺動を防止する。
【解決手段】渦巻き室１１内に収容されたインペラ３と、支持シャフト２に回転自在に支持され、一端にインペラ３が設けられたロータシャフト（回転体）４と、このロータシャフト４を収容するロータ収容部１２を有するポンプケース１０とを備えたウォータポンプ１において、ロータ収容部１２を区画する壁部のうち、ロータシャフト４の他端４ａが対向する壁部（縦隔壁１５）の表面１５ａに、支持シャフト２に対して垂直方向に延びる溝８を形成する。このような溝８を形成することで、電動ウォータポンプ１の運転中に冷却水にエアが混入した場合であっても、支持シャフト２とロータシャフト４との摺動面に冷却水を導くことができ、ドライ摺動を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば車両に搭載された内燃機関の冷却水を圧送するウォータポンプに関する。

車両に搭載される内燃機関（以下、エンジンともいう）の冷却装置として、例えば、エンジンからの冷却水（例えばＬＬＣ：Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）をウォータポンプによりラジエータを経由してエンジンに戻すラジエータ循環経路と、エンジンからの冷却水をウォータポンプによりラジエータを経由することなく空調装置のヒータコアを経由してエンジンに戻すヒータコア循環経路とを備えたものが知られている。

このようなエンジンの冷却装置は、冷却水の温度に応じてラジエータ循環経路とヒータコア循環経路との間で冷却水の流量を調整するサーモスタットを備え、冷却水の温度が高いときにサーモスタットが開弁状態に切り替わり、冷却水の温度が低いときにサーモスタットが閉弁状態に切り替わるように構成されている。このようなエンジン冷却装置のウォータポンプとしては、エンジンの回転数に応じて吐出量が増大する機械式ウォータポンプが適用されている。また、最近では、電動ウォータポンプも用いられるようになってきている。

電動ウォータポンプとしては、例えば、ポンプ室（例えば渦巻き室）内に収容されたインペラと、このインペラの回転中心に沿って配置された支持シャフトと、支持シャフトに回転自在に支持され、一端に前記インペラが設けられた回転体（例えばロータシャフト）と、この回転体に回転力を与えるモータとを備えた構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。

なお、ウォータポンプの軸受け部の潤滑に関する技術として、冷却水の吸入口と吐出口とを備えたポンプ室（水室）及びモータ収納部が形成されたハウジングと、ポンプ室内に収容されたインペラを支持する回転シャフトと、モータ収納部に設けられ、前記回転シャフトを支持する軸受け部とを備えたウォータポンプにおいて、前記ポンプ室と軸受け部とを連係（連通）する液体回路（連通路）を設け、その液体回路にフィルタを設けた構造のものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−２１１６９１号公報 特開２００５−２１４０２２号公報 特開２００３−２６９３６２号公報

上記したウォータポンプ、つまり、支持シャフトに回転体が回転自在に支持され、その回転体の一端にインペラが設けられたウォータポンプにおいては、回転体を収容する回転体収容部に冷却水が流入する構造とし、支持シャフトと回転体との摺動面に冷却水（ＬＬＣ）を流すことによって摺動面の冷却や潤滑を行うようにしている。しかし、ウォータポンプの運転中に冷却水にエアが混入すると、ポンプ駆動による遠心力によって冷却水が回転体の外周側に集められ、回転中心部にエアが溜るようになる。こうした状況になると、支持シャフトと回転体との間がドライ摺動となり、支持シャフトや回転体の温度が過度に上昇する可能性がある。

なお、上記した特許文献２に記載の技術によると、ポンプ室の冷却水を軸受け部に循環させることは可能であるが、冷却水の軸受け部への循環にポンプ室内の圧力を利用しているためポンプ効率が低下する。また、フィルタや連通路を別途設ける必要があり、既存のウォータポンプに適用することは困難である。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、簡単な構成のもとに、支持シャフトと回転体との間のドライ摺動を防止することが可能なウォータポンプを提供することを目的とする。

本発明は、ポンプ室内に収容されたインペラと、前記インペラの回転中心に沿って配置された支持シャフトと、前記支持シャフトに回転自在に支持され、一端に前記インペラが設けられた回転体と、前記回転体を収容する回転体収容部を有するポンプケースとを備えたウォータポンプを対象とし、前記回転体収容部を区画する壁部（隔壁）のうち、前記回転体の他端が対向する壁部の表面に、前記支持シャフトに対して垂直方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする。より具体的には、前記溝の前記支持シャフト側の端部が当該支持シャフトの外周面上に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転体の他端（インペラとは反対側の端）が対向する壁部の表面に、支持シャフトに対して垂直方向に延びる溝を形成しているので、ウォータポンプ運転中に冷却水にエアが混入した場合であっても、遠心力によって外側に集められた冷却水の一部が溝を伝って支持シャフトの外周面に到達し、支持シャフトと回転体との間が冷却水で潤滑される。これによってドライ摺動を防止することができる。しかも、このような作用効果を、ウォータポンプの壁部に溝を形成するだけの簡単な構成で達成することができる。

本発明において、ウォータポンプが車両に取り付けられた状態で、ポンプケースの壁部に形成された溝が、支持シャフトの中心を通る水平線よりも上方に配置され、支持シャフトに対して上方に延びる形態で配置されることが好ましい。特に、ウォータポンプが車両に取り付けられた状態で、ポンプケースの壁部に形成した溝が鉛直方向に沿うように配置されることが好ましい。この場合、重力によって溝内を流れる冷却水の量が増えるので、支持シャフトと回転体との間の潤滑効果を高めることができる。

本発明の具体的な構成として、当該ウォータポンプが、前記回転体に回転力を与えるモータを備えた電動ウォータポンプであり、前記回転体が、前記モータのロータが設けられたロータシャフトであるという構成を挙げることができる。このような電動ウォータポンプにおいても、ロータシャフト及びロータを収容する収容部を区画する壁部のうち、ロータシャフトの他端（インペラとは反対側の軸端）が対向する壁部の表面に、支持シャフトに対して垂直方向に延びる溝を形成することで、ウォータポンプ運転中に冷却水にエアが混入した場合であっても、支持シャフトとロータシャフトとの間に冷却水を導くことができ、ドライ摺動を防止することができる。

なお、本発明において、ポンプケースの壁部表面に形成する溝は、一様な幅で延びるストレート状の溝であってもよいし、支持シャフトから外側（上方）に向かうに従って溝幅が漸次大きくなるテーパ状の溝であってもよい。

本発明によれば、ウォータポンプ運転中に冷却水中にエアが混入した場合であっても、支持シャフトと回転体との摺動面に冷却水を導くことができるので、ドライ摺動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。

図１は本発明のウォータポンプの一例を示す縦断面図である。

この例のウォータポンプは、冷却水を圧送するインペラが渦巻き室に配置された遠心式の電動ウォータポンプであって、例えば、ハイブリッド車両に搭載されたエンジンの冷却装置に適用される。具体的には、エンジンからの冷却水（ＬＬＣ）をラジエータを経由してエンジンに戻すラジエータ循環経路と、エンジンからの冷却水をラジエータを経由することなく空調装置のヒータコアを経由してエンジンに戻すヒータコア循環経路とを備えた冷却装置に適用される。

この例の電動ウォータポンプ１は、図１に示すように、ポンプボディを構成するポンプケース１０、支持シャフト２、インペラ３、ロータシャフト４、及び、ロータ５１とステータ５２とによって構成されるモータ５などを備えている。

ポンプケース１０には、渦巻き室１１、ロータ収容部１２、ステータ収容部１３及び制御機器収容部１４などが形成されている。ロータ収容部１２と制御機器収容部１４とは縦隔壁１５によって区画されている。また、ロータ収容部１２とステータ収容部１３とは横隔壁１６によって区画されている。ロータ収容部１２の一部は渦巻き室１１と連通しており、電動ウォータポンプ１に冷却水を充填すると、ロータ収容部１２の内部にも冷却水が流入する。なお、ポンプケース１０の背面側には放熱フィン１０ｂが形成されている。

また、ポンプケース１０には渦巻き室１１に連通する吸込口１０ａが設けられており、この吸込口１０ａを通じて冷却水が渦巻き室１１内に流入する。渦巻き室１１内に流入した冷却水は、後述するインペラ３によって加圧され、ポンプケース１０の吐出口（図示せず）を通じて外部配管に圧送される。

支持シャフト２は、ポンプケース１０の内部に、ポンプ回転中心（インペラ３の回転中心）に沿って配置されている。支持シャフト２の一端部（先端部）２ａは支持部材１７によって支持されている。支持部材１７はポンプケース１０に一体形成されている。支持シャフト２の他端部（後端部）２ｂは、ポンプケース１０の縦隔壁１５に嵌め込んだブッシュ１８の穴１８ａに圧入されている。支持シャフト２はポンプケース１０に固定されており、電動ウォータポンプ１の駆動時であっても回転しない。

インペラ３は、ポンプケース１０の渦巻き室１１内に収容されている。インペラ３はロータシャフト４の一端（先端）に一体形成されている。ロータシャフト４は、円筒形状の部材（例えば樹脂製の部材）であって、支持シャフト２に回転自在に支持されている。なお、インペラ３とロータシャフト４とを別体の部品とし、ロータシャフト４の先端にインペラ３を固着した構成であってもよい。

ロータシャフト４には、モータ５を構成するロータ５１が一体に設けられている。ロータ５１は、例えば複数枚の電磁鋼板を積層したロータコア５１ａと、そのロータコア５１ａに埋設された永久磁石（ＩＰＭ：Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）５１ｂとによって構成されている。このロータ５１及びロータシャフト４は、ポンプケース１０のロータ収容部１２内に収容されている。

ステータ５２は、複数枚の電磁鋼板が積層されたステータコア５２ａと、そのステータコア５２ａの外周に巻回されたコイル５２ｂとによって構成されており、ポンプケース１０のステータ収容部１３に収容されている。

なお、ポンプケース１０の制御機器収容部１４には、例えばコンデンサとインダクタ（リアクトル）６とによって構成されるＬＣモジュール、及び、制御基板７などが収容されている。

以上の構造の電動ウォータポンプ１において、ステータ５２のコイル５２ｂへの通電が制御されると、ロータ５１及びロータシャフト４が回転し、これに伴ってインペラ３が回転する。このインペラ３の回転により、ポンプケース１０の吸込口１０ａから冷却水が吸い込まれて渦巻き室１１内に流入し、その渦巻き室１１内に流入した冷却水がインペラ３によって加圧されて吐出口から外部配管に圧送される。

次に、この例の特徴部分について図１〜図４を参照して説明する。

この例では、ポンプケース１０のロータ収容部１２の内部において、ロータシャフト４の他端（インペラ３とは反対側の軸端）４ａが対向する縦隔壁１５の表面（ロータ収容部１２側の面）１５ａに、支持シャフト２の軸心に対して垂直方向に延びる溝８を形成している点に特徴がある。溝８は、ステータ収容部１３とロータ収容部１２とを区画する横隔壁１６の内面（ロータ収容部１２側の面）から支持シャフト２の外周面２ｃにわたって一様幅で延びる断面矩形の溝であって、この溝８の下端（支持シャフト２側の溝端）は支持シャフト２の外周面２ｃ上に位置している。

そして、この例においては、電動ウォータポンプ１を車両に取り付けた状態で、縦隔壁１５の表面１５ａに形成した溝８が、支持シャフト２の中心を通る水平線Ｌ（図３参照）よりも上方に配置されるとともに、鉛直方向に沿って配置される。

このような溝８を設けることにより、以下のような効果を奏することができる。

まず、図１に示す電動ウォータポンプ１においては、上述したように、渦巻き室１１に冷却水を充填すると、ロータ収容部１２の内部にも冷却水が流入するので、支持シャフト２とロータシャフト４とを冷却水によって潤滑することができる。ここで、電動ウォータポンプ１の運転中に冷却水にエアが混入すると、ロータ収容部１２内の冷却水が遠心力によってロータ５１の外周側に集められ、回転中心部にエアが溜るようになる。こうした状況になると、図８に示すように、支持シャフト２とロータシャフト４との摺動面Ｆに冷却水が存在しなくなって、支持シャフト２とロータシャフト４との間がドライ摺動となる可能性がある。

これに対し、図１〜図４に示すように、ロータシャフト４の他端４ａが対向する縦隔壁１５の表面１５ａに溝８を形成しておくと、図５に示すように、遠心力によってロータ５１の外周側に集められ、ロータシャフト４及びロータ５１に伴って連れ回る冷却水の一部は、溝８の内面８ａへの衝突により流れの向き（ベクトル）が偏向され、溝８内に冷却水が流入する。この溝８内に流入した冷却水は重力によって溝８内面を伝って落下し、支持シャフト２の外周面２ｃに到達した後、支持シャフト２の外周面２ｃとロータシャフト４の内周面との間（摺動面Ｆ）に流入する。これによって支持シャフト２とロータシャフト４との間が冷却水で潤滑される。

以上のように、この例によれば、縦隔壁１５の表面１５ａ（ロータ収容部１２側の表面）に、支持シャフト２に対して垂直方向に延びる溝８を形成しているので、電動ウォータポンプ１の運転中に冷却水にエアが混入した場合であっても、支持シャフト２とロータシャフト４との摺動面Ｆに冷却水を導くことができ、ドライ摺動を防止することができる。これによって、支持シャフト２やロータシャフト４の温度上昇を抑制することができる。しかも、このような作用効果を、縦隔壁１５の表面１５ａに１条の溝８を形成するだけの簡単な構成で達成することができる。

さらに、この例の電動ウォータポンプ１では、ロータ５１などの遠心力によって外側に集められた冷却水が重力により溝８を伝って落下し、支持シャフト２の外周面２ｃに到達してロータシャフト４との摺動面Ｆに達するので、渦巻き室（ポンプ室）１１内の圧力を利用することなく、ドライ摺動を防止することができる。これによってポンプ効率の低下を抑制することができる。また、冷却水が流れる溝８は、例えば、ポンプケース１０の成形型の一部を変更することで、特別な追加工や部品追加を行うことなく、縦隔壁１５の表面１５ａに形成することが可能であるので、既存のウォータポンプにも、上記した作用効果を奏する溝８を設けることは可能である。

なお、この例の電動ウォータポンプ１において、例えば、エンジンのタイミングチェーンカバーに直接搭載する構造とする場合、ポンプケース１０の壁部のうち、渦巻き室１１を形成する壁部１１０の一部（もしくは全部）については、タイミングチェーンカバー側に形成しておいてもよい。

−他の実施形態−
以上の例では、縦隔壁１５の表面１５ａ（ロータ収容部１２側の表面）に鉛直方向に沿う溝８を１条形成した例を示したが、その溝の数及び方向（傾き）などは特に限定されない。

例えば図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、鉛直方向に対して傾いた形態の溝１０８，２０８であってもよい。また、例えば図６（Ｃ）に示すように溝３０８の数を２条としてもよいし、３条以上の溝を縦隔壁１５の表面１５ａに形成しておいてもよい。

また、例えば図７（Ａ）に示すように、縦隔壁１５の表面１５ａに、支持シャフト２から横隔壁１６側（ロータ５１の外周側）に向かうに従って溝幅が漸次大きくなるテーパ状の溝４０８を形成しておいてもよい。この場合、冷却水の溝４０８内への流入量つまり支持シャフト２の外周面２ｃに到達する冷却水の量が多くなる可能性がある。なお、図７（Ｂ）に示すように、溝５０８の対向する内面のうち、一方の内面５０８ａのみを傾斜面としてよい。

以上の例では、縦隔壁１５の表面１５ａに断面矩形の溝８を形成しているが、溝の断面形状は特に限定されず、ロータシャフト４及びロータ５１に伴って連れ回る冷却水の一部を溝内に引き込める形状であれば、他の任意の断面形状の溝を形成しておいてもよい。

以上の例では、電動ウォータポンプ１に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、インペラの回転中心に沿って配置された支持シャフトと、支持シャフトに回転自在に支持され、一端に前記インペラが設けられた円筒状のポンプシャフト（回転体）とを備え、その支持シャフトの外周面とポンプシャフトの内周面との摺動面に冷却水を供給する構造の機械式ウォータポンプにも本発明を適用できる。この場合、ポンプシャフトを収容するシャフト収容部を区画する壁部のうち、ポンプシャフトの他端（インペラとは反対側の軸端）が対向する壁部の表面に、支持シャフトに対して垂直方向に延びる溝を形成することで、ウォータポンプ運転中に冷却水にエアが混入した場合であっても、支持シャフトとポンプシャフトとの間に冷却水を導くことができ、ドライ摺動を防止することができる。

なお、本発明は、駆動源としてエンジン（内燃機関）と電動機（例えば走行用モータまたはジェネレータモータ等）が搭載されたハイブリッド車に装備されるウォータポンプのほか、駆動源としてエンジンのみが搭載された通常車両に装備されるウォータポンプにも適用できる。

本発明のウォータポンプの一例を示す縦断面図である。 図１の要部拡大図である。 図２のＸ矢視図である。 図３のＹ−Ｙ断面図である。 本発明の実施形態の作用説明図である。 本発明の変形例を示す図である。 本発明の他の変形例を示す図である。 ドライ摺動が発生する理由の説明図である。

符号の説明

１ 電動ウォータポンプ
１０ ポンプケーシング
１０ａ 吸込口
１１ 渦巻き室（ポンプ室）
１２ ロータ収容部（回転体収容部）
１３ ステータ収容部
１５ 縦隔壁
１６ 横隔壁
２ 支持シャフト
２ｃ 外周面
３ インペラ
４ ロータシャフト
４ａ 他端
５ モータ
５１ ロータ
５２ ステータ
８ 溝

Claims (5)

1. ポンプ室内に収容されたインペラと、前記インペラの回転中心に沿って配置された支持シャフトと、前記支持シャフトに回転自在に支持され、一端に前記インペラが設けられた回転体と、前記回転体を収容する回転体収容部を有するポンプケースとを備え、前記回転体収容部を区画する壁部のうち、前記回転体の他端が対向する壁部の表面に、前記支持シャフトに対して垂直方向に延びる溝が形成されていることを特徴とするウォータポンプ。
2. 請求項１記載のウォータポンプにおいて、
   前記溝の前記支持シャフト側の端部が当該支持シャフトの外周面上に配置されていることを特徴とするウォータポンプ。
3. 請求項１または２記載のウォータポンプにおいて、
   当該ウォータポンプが車両に取り付けられた状態で、前記溝が前記支持シャフトに対して上方に延びるように当該溝が形成されていることを特徴とするウォータポンプ。
4. 請求項３記載のウォータポンプにおいて、
   当該ウォータポンプが車両に取り付けられた状態で、前記溝が鉛直方向に沿うように当該溝が形成されていることを特徴とするウォータポンプ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のウォータポンプにおいて、
   当該ウォータポンプは、前記回転体に回転力を与えるモータを備えた電動ウォータポンプであり、前記回転体は、前記モータのロータが設けられたロータシャフトであることを特徴とするウォータポンプ。

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