JP2012092900A - 流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジン運転時でも、エンジン暖機時間を短縮でき、無駄にエンジンからの動力を消費しない流体ポンプを提供することを目的とする。
【解決手段】
ウォータポンプ１は、エンジンからの動力で駆動するベアリングシャフト１０と、ベアリングシャフト１０と一体で回転し、エンジンブロック１２に設けられるように適合されるインペラ２０と、ベアリングシャフト１０とは別体に設けられ、エンジンの駆動中、エンジンからの動力が常に伝達される駆動側プーリ３０と、駆動側プーリ３０と当接して従動する従動側プーリ４０と、駆動側プーリ３０及び従動側プーリ４０の少なくとも一方を移動して駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とを断接するアクチュエータ５０とから構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンからの動力を受けて駆動する流体ポンプに関する。

従来技術の流体ポンプでは、駆動側プーリに巻きかけられた補機駆動用ベルトにより、エンジン駆動力が伝達され、その駆動側プーリの回転に伴って回転軸が回転する。回転軸が回転すると、回転軸とインペラが一体で回転して、エンジン冷却系に冷却水が循環する（例えば、特許文献１参照。）。

また、従来技術の可動部材の移動によって有効羽根高さを変更する可変容量流体ポンプでは、熱伝達によるサーモワックスの体積変化により、有効羽根高さを変更し、吐出容量を可変している（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８−１６９７６３号公報 特開２００９−２９３５７８号公報

しかしながら、特許文献１では、エンジン運転時でも、常に流体ポンプにより冷却水は循環する。エンジン始動時等でも冷却水は循環するため、エンジン暖機時間の短縮の妨げとなる問題がある。

また、特許文献２では、有効羽根高さが最小時でも、常に流体ポンプは回転するため、駆動トルクが発生し、無駄に動力を消費する問題がある。

本発明は上記問題点に鑑みて成されたものであり、エンジン運転時でも、エンジン暖機時間を短縮でき、無駄に動力を消費しない流体ポンプを提供することを目的とする。

本発明の第１の課題解決手段は、エンジンからの動力で駆動する駆動軸と、前記駆動軸と一体で回転し、ハウジングに設けられるように適合されるロータと、前記駆動軸と別体に設けられ、前記エンジンの駆動中、前記エンジンからの動力が常に伝達される駆動輪と、前記駆動輪と当接して、前記エンジンからの動力を前記駆動軸に伝達する従動輪と、前記駆動輪及び前記従動輪の少なくとも一方を移動して前記駆動輪と前記従動輪とを断接する変位機構と、を備える。

また、本発明の第２の課題解決手段は、前記駆動輪は、動力伝達部材により前記エンジンからの動力が伝達され、前記変位機構は、動力伝達部材が前記駆動輪に作用する力の合力方向に対して垂直な方向に前記駆動輪を移動する構成である。

また、本発明の第３の課題解決手段は、前記変位機構は、前記駆動輪を弾性力で前記従動輪へ当接する弾性部材を備える。

また、本発明の第４の課題解決手段は、前記変位機構は、前記弾性部材の弾性力と、気体の圧力と、により前記駆動輪を移動する構成である。

また、本発明の第５の課題解決手段は、前記駆動輪の径と前記従動輪の径との比により、前記ロータの回転数が決定される構成である。

本発明の流体ポンプでは、変位機構は駆動輪と従動輪とを断接することで、エンジン始動時にロータの回転を停止して、過剰な冷却を抑制し、エンジン暖機時間を短縮することができる。また、ロータの停止時には、ロータにはエンジンからの動力は伝達されないため、無駄な動力消費をなくすことができる。

また、変位機構は、駆動輪に加わる動力伝達部材の張力の合力方向に対して垂直な方向に移動させるため、動力伝達部材から作用する力が変位機構の移動を妨げ難い。よって、駆動輪を移動させる変位機構の力は、動力伝達部材から作用する力に対して抗することを抑制できる。従って、変位機構は、駆動輪を移動できうる程度の力を作用させれば良く、変位機構を小型化できる。

また、変位機構は、駆動輪を弾性力で従動輪と当接する弾性部材を備えるため、変位機構を制御しない状態においては、弾性部材の弾性力によって駆動輪と従動輪が当接して、流体ポンプは駆動する。そのため変位機構が故障した場合でも、駆動輪と従動輪との当接が維持され、流体ポンプを駆動することができ、フェールセーフ構造となる。

また、変位機構は、弾性部材の弾性力と、気体の圧力と、により駆動輪を移動する構成のため、複雑な機構(電装、油圧等)を別途設けることなく、エンジン周り（吸気等）の既存の圧力を利用して、変位機構の制御が可能である。

また、駆動輪の径と従動輪の径との比により、ロータの回転数が決定される。よって、駆動輪又は従動輪を変更するだけで、任意の流体ポンプの吐出量が設定でき、ロータを変えなくても幅広い吐出量の要求仕様に応じた流体ポンプを提供できる。

本発明の第１実施形態に係るウォータポンプの断面図である。 本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの断面図である。 駆動側プーリと従動側プーリとが当接した状態を示す説明図である。 駆動側プーリと従動側プーリとが遮断した状態を示す説明図である。 駆動側プーリと内接する従動側プーリとのプーリ比を変更した場合の説明図で、（ａ）は従動側プーリの径がΦＢの場合、（ｂ）は従動側プーリの径がΦＢ／２の場合、である。 駆動側プーリと外接する従動側プーリとのプーリ比を変更した場合の説明図で、（ａ）は従動側プーリの径がΦＤの場合、（ｂ）は従動側プーリの径がΦＤ／２の場合、である。 本発明の第２実施形態に係るウォータポンプの断面図である。 本発明の第３実施形態に係るウォータポンプの断面図である。 本発明の第４実施形態に係るウォータポンプの断面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係るウォータポンプ１（流体ポンプ）の断面図である。ウォータポンプ１は、鋳造加工等によって成形されたポンプボディ１１が、エンジンブロック１２（ハウジング）に適合されるように図示しないボルト等によって固定される。このポンプボディ１１において、ベアリングシャフト１０（駆動軸）がベアリング１３を介して回転自在に支持される。

インペラ２０（ロータ）は、ポンプボディ１１とエンジンブロック１２との間に形成されるポンプ室２１に収容され、圧入等によってベアリングシャフト１０の一端に固定される。さらに、ポンプ室２１からポンプボディ１１内部への冷却水の浸入を防ぐために、ベアリングシャフト１０の外周部に環状のメカニカルシール１４が、インペラ２０とベアリング１３の軸方向の間に設置される。ベアリングシャフト１０の他端には、従動側プーリ４０が固定されている。従動側プーリ４０の外周には摩擦材４１が貼り付けられる。

駆動側プーリ３０（駆動輪）は、従動側プーリ４０（従動輪）と内接する位置に設置され、巻きかけられたベルト３１（動力伝達部材）によりエンジンからの動力が伝達される。駆動側プーリ３０は、駆動側プーリベアリングシャフト３２の一端に、駆動側プーリベアリングシャフト３２と一体で回転するように固定される。駆動側プーリ３０の内周には摩擦材３３が貼り付けられ、従動側プーリ４０の摩擦材４１と当接して摩擦力を発生し、この摩擦力により駆動側プーリ３０から従動側プーリ４０へエンジンの動力を伝達する。また駆動側プーリベアリングシャフト３２の他端には、駆動側プーリ３０を移動するアクチュエータ５０（変位機構）が取り付けられる。

図２は、アクチュエータ５０の断面図である。アクチュエータ５０は、駆動側プーリベアリング５３により駆動側プーリベアリングシャフト３２を回転自在に支持するスライド５１を備えている。さらに、スライドガイド５２は、ピストン状のスライド５１を覆うように設けられ、駆動側プーリ３０に巻きかけられたベルト３１の張力６０ａと張力６０ｂとの合力６１に垂直な方向６２にスライド５１を移動する構成である。垂直な方向６２のスライド５１とスライドガイド５２との間には、駆動側プーリ３０を弾性力で従動側プーリ４０に当接させるスプリング５４（弾性部材）が設けられる。スプリング５４が設けられるスライド５１とスライドガイド５２との間には、密閉室５５が形成される。密閉室５５は圧力制御が可能な構成で、密閉室５５に負圧（気体の圧力）が作用して圧力が低下すると、スライド５１は、密閉室５５の負圧とスプリング５４の弾性力とがつりあう位置まで、垂直な方向６２に移動する。スライド５１の移動に伴い、スライド５１に取り付けられた駆動側プーリベアリングシャフト３２も、垂直な方向６２に移動し、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とが遮断した状態になる。

次に、本発明のウォータポンプ１の動作について説明する。

図３は、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とが当接した状態を示す概略図である。図示しないクランクプーリと駆動側プーリ３０とに巻きかけられたベルト３１は、駆動側プーリ３０を回転し、エンジンからの動力を駆動側プーリ３０へ伝達する。駆動側プーリ３０は、アクチュエータ５０内のスプリング５４の弾性力によって、従動側プーリ４０と当接する。駆動側プーリ３０が従動側プーリ４０に当接すると、駆動側プーリ３０の摩擦材３３と従動側プーリ４０の摩擦材４１との間に摩擦力が発生する。この摩擦力によって駆動側プーリ３０は、従動側プーリ４０を回転させ、エンジン動力を従動側プーリ４０へ伝達する。従動側プーリ４０が回転するとベアリングシャフト１０を介してインペラ２０が回転し、エンジン動力はインペラ２０に伝達される。インペラ２０が回転すると、ポンプ室２１内の冷却水は、図示しないポンプ吐出口から吐出され、エンジン内を循環する。

図４は、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とが遮断した状態を示す概略図である。アクチュエータ５０の密閉室５５に負圧が作用すると、スライド５１を吸引する力（吸引力）は、スプリング５４の弾性力に抗して、スライド５１を垂直な方向６２に移動させ、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とを遮断する。駆動側プーリ３０に内接していた従動側プーリ４０が遮断すると、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０との間に摩擦力は発生しないため、駆動側プーリ３０から従動側プーリ４０への動力の伝達は行われず、インペラ２０は回転しない。よって、ポンプ室２１内でインペラ２０は停止したままとなり、冷却水はエンジン内を循環しない。

本発明のウォータポンプ１では、アクチュエータ５０は駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とを断接することで、エンジン始動時にインペラ２０の回転を停止し、過剰な冷却を抑制して、エンジン暖機時間を短縮することができる。

また、インペラ２０の停止時には、インペラ２０にはエンジンからの動力は伝達されないため、無駄な動力の消費をなくすことができる。

また、アクチュエータ５０は、駆動側プーリ３０をベルト３１張力の合力方向に対して垂直な方向に移動させるため、ベルト３１から作用する力がアクチュエータ５０の移動を妨げ難い。よって、駆動側プーリ３０を移動させるアクチュエータ５０の力は、ベルト３１から作用する力に対して抗することを抑制できる。従って、アクチュエータ５０は、駆動側プーリ３０を移動できうる程度の力を作用させれば良く、アクチュエータ５０を小型化できる。

また、アクチュエータ５０は、密閉室５５に負圧を掛けない状態では、駆動側プーリ３０をスプリング５４の弾性力で従動側プーリ４０へ当接させるため、ポンプ室２１のインペラ２０は回転する。そのため何らかの原因によりアクチュエータ５０の密閉室５５の圧力制御ができない場合でも、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０との当接が維持され、ノーマルクローズとなってインペラ２０は回転するので、フェールセーフ構造となる。なお、フェールセーフ構造とは、万一アクチュエータ５０が故障して駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０との断接ができなくなった場合であっても、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０との当接を維持してインペラ２０を回転できる構造のことを言う。従って、万一アクチュエータ５０が故障した場合であっても、エンジンに冷却水を供給でき、エンジンの過度な過熱を防止できる。

また、アクチュエータ５０は、スプリング５４の弾性力と、密閉室５５の負圧でスライド４１を吸引力して、駆動側プーリ３０を移動させる構成のため、複雑な機構(電装、油圧等)を別途設けることなく、エンジン周り（吸気等）の既存の負圧を利用して、アクチュエータ５０の制御が可能である。

図５は、ウォータポンプ１で駆動側プーリ３０と内接する従動側プーリ４０とのプーリ比を変更した場合の説明図である。駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とが断接する駆動側プーリ３０の内径ΦＡ、駆動側プーリ３０と従動側プーリ４０とが断接する従動側プーリ４０の外径ΦＢとすると、プーリ比は、ΦＡ／ΦＢとなる。図５（ａ）は従動側プーリ４０の外径がΦＢの場合、図５（ｂ）は従動側プーリ４０の外径がΦＢ／２の場合、である。

図５（ａ）で、駆動側プーリ３０の回転数Ｎ１、従動側プーリ４０の回転数Ｎ２とすると、回転数Ｎ１は駆動側プーリ３０に巻き掛けられたベルト３１の速度Ｖにより一義的に定まる。回転数Ｎ２とプーリ比は、Ｎ２＝（プーリ比）×Ｎ１の関係にある。これに対して、図５（ｂ）では、従動側プーリ４０の径がΦＢ／２のため、プーリ比は（ΦＡ／ΦＢ）×２で、従動側プーリ４０の回転数は２倍（Ｎ２×２）になる。インペラ２０は、ベアリングシャフト１０を介して従動側プーリ４０と一体で回転する構成のため、従動側プーリ４０の回転数が２倍になるとインペラ２０の回転数も２倍になる。

図５では、インペラ２０の回転数を増加する場合について説明したが、インペラ２０の回転数を減少する場合も、同様にプーリ比を変える（プーリ比を小さくする）ことで可能である。

本発明のウォータポンプ１では、従動側プーリ４０の外径ΦＢを変えることで、インペラ２０の回転数の増減が可能である。よって、インペラ２０を変えなくても幅広い吐出量の要求仕様に応じたウォータポンプ１を提供できる。また、駆動側プーリ３０の内径ΦＡを変更することでも同様の効果が得られる。だたし、駆動側プーリ３０の内径ΦＡは変更せずに、従動側プーリ４０の外径ΦＢのみを変更すれば、異なる回転数のウォータポンプ１を構成する場合であっても、ベルト３１の長さを変更する必要がない。

図６は、図５のウォータポンプ１の変形例で、駆動側プーリ３０と外接する従動側プーリ４０とのプーリ比（ΦＣ／ΦＤ）を変更した場合の説明図で、図６（ａ）は従動側プーリ４０の外径がΦＤの場合、図６（ｂ）は従動側プーリ４０の外径がΦＤ／２の場合、である。図５との違いは、従動側プーリ４０が、駆動側プーリ３０と外接することで、その他の構成は図５と同様である。

図６（ａ）では、図５（ａ）と同様に、駆動側プーリ３０の回転数Ｎ１は、駆動側プーリ３０に巻き掛けられたベルト３１の速度Ｖにより一義的に定まる。従動側プーリ４０の回転数Ｎ２はプーリ比（ΦＣ／ΦＤ）により決まり、Ｎ２＝（プーリ比）×Ｎ１の関係にある。これに対して、図６（ｂ）では、従動側プーリ４０の外径がΦＤ／２のため、プーリ比は（ΦＣ／ΦＤ）×２で、従動側プーリ４０の回転数も２倍（Ｎ２×２）になる。インペラ２０は、ベアリングシャフト１０を介して従動側プーリ４０と一体で回転する構成のため、従動側プーリ４０の回転数が２倍になるとインペラ２０の回転数も２倍になる。

図６では、駆動側プーリ３０と外接する従動側プーリ４０の外径ΦＤを変えることで、インペラ２０の回転数を増加する場合について説明したが、インペラ２０の回転数を減少させる場合も、同様にプーリ比を変える（プーリ比を小さくする）ことで可能である。

図６のウォータポンプ１では、従動側プーリ４０の外径を変えて、プーリ比を変更し、インペラ２０の回転数の増減が可能である。よって、インペラ２０を変えなくても幅広い吐出量の要求仕様に応じたウォータポンプ１を提供できる。また、駆動側プーリ３０の外径ΦＣを変更することでも同様の効果が得られる。また、駆動側プーリ３０の内径側のスペースに制約がある場合に有効である。

図７は、本発明の第２実施形態に係るウォータポンプ１ａの断面図である。第１実施形態のウォータポンプ１との違いは、従動側プーリ４０ａとベアリングシャフト１０ａの形状を変更して、ウォータポンプ１ａの全長Ｌ１を短くしたことである。その他の構成は図１のウォータポンプ１と同様で、同一の機能、構成については、同一の符号を用いて説明し、構成の違いについて述べる。

ウォータポンプ１ａの従動側プーリ４０ａとベアリングシャフト１０ａは、プレス加工により一体成形される。ポンプボディ１１ａは従動側プーリ４０ａの内側に設けられ、ポンプボディ１１ａと従動側プーリ４０ａとの間で径方向に、ベアリング１３ａが配置される。ベアリング１３ａは、ベアリングシャフト１０ａと一体の従動側プーリ４０ａを回転可能に支持する構成である。その他の構成、動作は、図１のウォータポンプ１と同様である。

ウォータポンプ１ａは、図１のウォータポンプ１の効果に加えて、ポンプボディ１１ａが従動側プーリ４０ａの内側に設けられるため、全長Ｌ１が短くなり車両への搭載性に優れる。また、ベアリングシャフト１０ａをプレス成形できるので、加工性に優れる。

図８は、本発明の第３実施形態に係るウォータポンプ１ｂの断面図である。第１実施形態のウォータポンプ１との違いは、ウォータポンプ１ｂの全長Ｌ１を短くしたことである。その他の構成は図１のウォータポンプ１と同様で、同一の機能、構成については、同一の符号を用いて説明し、構成の違いについて述べる。

ウォータポンプ１ｂの従動側プーリ４０ｂとベアリングシャフト１０ｂは、別体で設けられる。ポンプボディ１１ｂは従動側プーリ４０ｂの内側に設けられ、ポンプボディ１１ｂと従動側プーリ４０ｂとの間で径方向に、ベアリング１３ｂが配置される。ベアリング１３ｂは、ベアリングシャフト１０ｂと従動側プーリ４０ｂを回転可能に支持する構成である。その他の構成、動作は、図１のウォータポンプ１と同様である。

ウォータポンプ１ｂは、図１のウォータポンプ１の効果に加えて、ポンプボディ１１ｂが従動側プーリ４０ｂの内側に設けられるため、全長Ｌ１が短くなり車両への搭載性に優れる。また、従動側プーリ４０ｂとベアリングシャフト１０ｂとは別体で設けられるため、ウォータポンプボディ１１ｂ、ベアリング１３、メカニカルシール１４をベアリングシャフト１０ｂのアクチュエータ５０側から組み付けることができ、組み付け性に優れる。

図９は、本発明の第４実施形態に係るウォータポンプ１ｃの断面図である。図１のウォータポンプ１との違いは、従動側プーリ４０ｃとベアリングシャフト１０ｃの形状を変更して、ウォータポンプ１ｃの全長Ｌ１を短くしたことと、駆動側プーリ３０ｃの駆動側プーリベアリング５３ｃの位置を変更して、駆動側プーリベアリング５３ｃとベルトセンター３４との距離Ｌ２を短くしたことである。その他の構成は図１のウォータポンプ１と同様で、同一の機能、構成については、同一の符号を用いて説明する。

ウォータポンプ１ｃの従動側プーリ４０ｃとベアリングシャフト１０ｃは、プレス加工により一体成形される。ポンプボディ１１ｃは従動側プーリ４０ｃの内側に設けられ、ポンプボディ１１ｃと従動側プーリ４０ｃの間に、ベアリング１３ｃが配置され、ベアリング１３ｃは、ベアリングシャフト１０ｃと一体の従動側プーリ４０ｃを回転可能に支持する構成である。駆動側プーリ３０ｃは、ベアリング５３ｃにより駆動側プーリベアリングシャフト３２ｃに回転可能に支持される。ベアリング５３ｃは、アクチュエータ５０ｃとベルトセンター３４との間に位置する。ベアリングシャフト１０ｃのアクチュエータ５０ｃ側の端部は、スライド５１ｃが設けられる。スライド５１ｃは、駆動側プーリ３０ｃに巻きかけられたベルト３１の合力に垂直な方向に移動可能に構成される。その他の構成、動作は、図１のウォータポンプ１と同様である。

ウォータポンプ１ｃは、図１のウォータポンプ１の効果に加えて、ポンプボディ１１ｃが従動側プーリ４０ｃの内側に設けられるため、全長Ｌ１が短くなり車両への搭載性に優れる。また、駆動側プーリベアリング５３ｃとベルトセンター３４との距離Ｌ２を短くできる。駆動側プーリベアリング５３ｃには、ベルト３１の合力６１により曲げ荷重（合力×距離）を生じるが、距離Ｌ２が短くなることで曲げ荷重は低減する。駆動側プーリベアリング５３ｃへの曲げ荷重が低減すると、ベアリングへ作用する偏荷重が低減して、ベアリング寿命が長くなる。

本発明の第１〜４実施形態では、駆動側プーリと従動側プーリとの摩擦力により駆動側プーリから従動側プーリにエンジン動力を伝達したが、ギヤの係合によるエンジン動力の伝達でもよい。この場合は、プーリ比はギヤ比となる。

また、本発明はウォータポンプには限定されないで、オイルポンプでもよい。

また、アクチュエータを制御する密閉室の圧力制御は負圧に限定されないで正圧でもよい。

また、駆動側プーリの弾性力による従動側プーリへの当接は、スプリングに限定されないで、ゴム、エアばね等の弾性体でもよい。

１ ウォータポンプ（流体ポンプ）
１０ ベアリングシャフト（駆動軸）
１２ エンジンブロック（ハウジング）
２０ インペラ
３０ 駆動側プーリ（駆動輪）
３１ ベルト（動力伝達部材）
４０ 従動側プーリ（従動輪）
５０ アクチュエータ（変位機構）
５４ スプリング（弾性部材）

Claims (5)

1. エンジンからの動力で駆動する駆動軸と、
   前記駆動軸と一体で回転し、ハウジングに設けられるように適合されるロータと、
   前記駆動軸とは別体に設けられ、前記エンジンの駆動中、前記エンジンからの動力が常に伝達される駆動輪と、
   前記駆動輪と当接して、前記エンジンからの動力を前記駆動軸に伝達する従動輪と、
   前記駆動輪及び前記従動輪の少なくとも一方を移動して前記駆動輪及び前記従動輪を断接する変位機構と、
   を備える流体ポンプ。
2. 前記駆動輪は、動力伝達部材により前記エンジンからの動力が伝達され、
   前記変位機構は、動力伝達部材が前記駆動輪に作用する力の合力方向に対して垂直な方向に前記駆動輪を移動する請求項１に記載の流体ポンプ。
3. 前記変位機構は、前記駆動輪を弾性力で前記従動輪へ当接する弾性部材を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体ポンプ。
4. 前記変位機構は、前記弾性部材の弾性力と、気体の圧力と、により前記駆動輪を移動する請求項３に記載の流体ポンプ。
5. 前記駆動輪の径と前記従動輪の径との比により、前記ロータの回転数が決定される請求項１〜４の何れかに記載の流体ポンプ。

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