JP2015209794A - 液体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーロスの少ない簡易な構成で液体を送ること。
【解決手段】液体を吸入して吐出する液体ポンプ（１）であって、筒状の本体ケース（２）内の一端側に片持ちで固定される振動体（６）と、本体ケース内の振動体を振動させるソレノイド（７）とを備え、振動体は、本体ケースの一端側に固定される被固定部（６１）と、本体ケースの他端側に設けられる揺動部（６２）と、被固定部と揺動部を連結する連結部（６５）と、揺動部から延在する長尺体（６７）とを備え、ソレノイドは、連結部を軸に揺動部を一定の範囲で揺動させて長尺体を振動させる構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を循環させる液体ポンプに関し、特に、水冷エンジンの冷却水を循環させる液体ポンプに関する。

近年、車両のハイブリッド化に伴って、水冷エンジンの冷却水を循環させる液体ポンプには、車両の燃費向上のために電動式のウォータポンプが用いられる（例えば、特許文献１参照）。電動式のウォータポンプによれば、エンジンの回転数とウォータポンプの回転数とを別々に制御することができる。このため、アイドリング時や軽負荷運転時にはウォータポンプを停止させ、必要な時だけウォータポンプを駆動させることができる。よって、エンジンの回転に応じて駆動される機械式のウォータポンプに比べて、燃費を向上させることができる。

特許第４５３０１３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の液体ポンプは、モータで回転駆動されるインペラによって液体を送る、いわゆる遠心ポンプで構成される。このような液体ポンプでは、モータシャフトに防水のためのシール構造が必要であり、このシール構造による摩擦等によって、エネルギーロスが生じていた。また、この液体ポンプに用いられるモータでは、ロータの外周に設けられたコイルの磁場によってロータが回転され、磁場の強弱によってロータの回転数が調整される。循環させる液体の流量をコントロールするためには、コイルの磁場を制御するための複雑な回路構成が必要であった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で液体を送ることができ、エネルギーロスの少ない液体ポンプを提供することを目的とする。

本発明の液体ポンプは、液体を吸入して吐出する液体ポンプであって、両端に吸入口と吐出口とを備えた筒状の本体ケースと、前記本体ケース内の一端側に片持ちで固定された振動体と、前記本体ケース内の前記振動体を振動させる駆動部とを備え、前記振動体は、前記本体ケース内の一端側に固定される被固定部と、前記本体ケース内の他端側に設けられる揺動部と、前記被固定部と前記揺動部とを連結する連結部と、前記揺動部から延在する長尺体とを備え、前記駆動部は、前記連結部を軸に前記揺動部を一定の範囲で揺動させて前記長尺体を振動させることを特徴とする。

この構成によれば、連結部を軸として揺動部を一定範囲で揺動させるだけで長尺体を振動させることができ、この長尺体の振動により本体ケース内に液体の流れを発生させることができる。これにより、モータ等の回転駆動のための部材を必要とすることなく本体ケース内に液体の流れを発生させることができ、簡易な構成で液体ポンプを実現することができる。また、長尺体の振動により本体ケース内の液体を吐出口側に送ることができるため、モータシャフトの防水のためのシール構造等の摩擦の原因となる部材を用いる必要がない。このため、液体ポンプの構成部材間の摩擦を防止することができ、摩擦によるエネルギーロスを防止することができる。

また、本発明の上記液体ポンプにおいて、前記揺動部は磁性体で構成され、前記駆動部は鉄心にコイルを巻いて構成されるソレノイドであり、ソレノイドの通電により発生する磁力で前記揺動部を揺動させて前記長尺体を振動させることが好ましい。この場合、ソレノイドに対する通電のオンオフだけで揺動部を揺動させることができるため、ソレノイドの通電を制御する回路を簡易な構成とすることができる。また、磁力で揺動部を揺動させる構成のため、揺動部の動作を非接触で調整することができ、摩擦等によるエネルギーロスを防止することができる。

また、本発明の上記液体ポンプにおいて、前記長尺体は、前記揺動部から前記被固定部に向かって延在することが好ましい。この場合、振動体を被固定部と揺動部との間に収めることができるため、液体ポンプ全体をコンパクトにすることができる。

また、本発明の上記液体ポンプにおいて、前記長尺体は、前記連結部を挟むように対になって配置されることが好ましい。この場合、連結部に対して一対の長尺体がバランスよく振動する。このため、一方の長尺体によって液体が偏って送られることがなく、両方の長尺体によって均一に液体が送られる。この結果、本体ケース内の液体をバランスよく流すことができる。

また、本発明の上記液体ポンプにおいて、前記鉄心は、前記本体ケースの外側に取り付けられることが好ましい。この場合、鉄心が本体ケース内の液体に直接触れることがないため、鉄心に錆が生じるのを防止することができる。

また、本発明の上記液体ポンプにおいて、前記振動体は、自己の復帰力によって初期位置に戻ることが好ましい。この場合、振動体を初期位置に戻すための動作が不要となるため、駆動部の構成を簡素化することができる。

本発明の液体ポンプによれば、一対の長尺体を振動させることにより、エネルギーロスの少ない簡易な構成で液体を送ることができる。

本実施の形態に係る液体ポンプの全体図である。 図１ＡのＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本実施の形態に係る液体ポンプを構成する振動体の斜視図である。 本実施の形態に係る振動体の動作を示す模式図である。 本実施の形態に係る振動体の変形前後の様子を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本実施の形態に係る液体ポンプについて詳細に説明する。なお、本実施の形態に係る液体ポンプは、以下に示す構成に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。本実施の形態に係る液体ポンプは、例えば、自動二輪車のエンジンの冷却システムに適用される。また、本実施の形態に係る液体ポンプは、液体を流すものであればどのような装置に適用されてもよく、他の車両等にも適用可能である。

図１から図３を参照して、本実施の形態に係る液体ポンプの概略構成について説明する。図１は、本実施の形態に係る液体ポンプの全体図である。図１Ａは液体ポンプの側面図を示し、図１Ｂは液体ポンプの斜視図を示している。図２は、図１ＡのＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、本実施の形態に係る液体ポンプを構成する振動体の斜視図である。なお、以下に示す構成においては、液体の吐出側を前側、吸入側を後側とし、液体ポンプの吸入側から見て左右方向を規定する。また、図１においては紙面左側が吐出口であるのに対し、図３においては紙面右側が吐出口になっている。

図１に示すように、本実施の形態に係る液体ポンプ１は、エンジンを冷却する冷却水を循環させるように構成されている。液体ポンプ１は、液体ポンプ１内に設けられた板状の振動体６を高速で振動させることによって冷却水の流れを発生させている。液体ポンプ１は、冷却水の配管の途中に設けられ、例えば、エンジン等の熱源によって温められた冷却水を冷却するラジエータの出口側にブラケットを介して取り付けられる。

液体ポンプ１は、円筒状に形成されたパイプ部３の内部に板状の振動体６を収容し、パイプ部３の両端に吸入口４及び吐出口５を取付けて構成される。ここで、パイプ部３、吸入口４及び吐出口５は、液体ポンプ１の本体ケース２を構成する。吸入口４は、パイプ部３の一端側を閉じる円形状の蓋状部４１と、蓋状部４１の中心から外側に向かって突出し、パイプ部３より小径の筒状部４２とを備えている。蓋状部４１の中心には穴が開いており、この穴によって筒状部４２とパイプ部３とが連通される。また、蓋状部４１の外周には、液体ポンプ１を所定の場所に取り付けるための取付部４３が形成されている。

吐出口５は、パイプ部３の他端側を閉じる円形状の蓋状部５１と、蓋状部５１の中心から外側に向かって突出し、パイプ部３より小径の筒状部５２とを備えている。蓋状部５１の中心には穴が開いており、この穴によって筒状部５２とパイプ部３とが連通される。また、蓋状部５１の外周には、液体ポンプ１を所定の場所に取り付けるための取付部５３が形成されている。吸入口４の取付部４３と吐出口５の取付部５３とは、同一平面上に位置している。蓋状部５１において、筒状部５２の突出側とは反対側の面には、板状の振動体６を固定する固定部５６が設けられている。固定部５６の構成については後述する。また、吸入口４の筒状部４２及び吐出口５の筒状部５２には、不図示の配管が接続される。

板状の振動体６は、ＡＢＳ等の樹脂材料や金属材料によって形成され、パイプ部３の軸方向に延在している。振動体６は、本体ケース２の内部において、パイプ部３の軸心に沿う鉛直面に対して周方向に傾斜して配置されている。振動体６の一端は、吐出口５の固定部５６に固定される被固定部６１になっており（図３参照）、他端が本体ケース２内で周方向に揺動可能な揺動部６２になっている。被固定部６１及び揺動部６２は、略正方形の板状に形成され、被固定部６１及び揺動部６２の対向するそれぞれの辺部の中央部分同士が、連結部６５によって連結されている。連結部６５は、被固定部６１及び揺動部６２より幅狭の長尺形状を有している。揺動部６２は、被固定部６１に比べて厚みが大きくなるように形成されており、マグネット等の磁性体によって構成される。また、揺動部６２の上面６３側がＮ極になっており、下面６４側がＳ極になっている（図４又は図５参照）。

また、連結部６５に連結された揺動部６２の一辺の両端部からは、板状の一対の長尺体６７が被固定部６１に向かって延在しており、一対の長尺体６７によって連結部６５が挟まれている。本実施の形態においては、一対の長尺体６７が揺動部６２から被固定部６１に向かって延在する構成としたことにより、振動体６の全長を揺動部６２と被固定部６１との間に収めることができる。この結果、液体ポンプ１全体をコンパクトにすることができる。

長尺体６７は、フィン部６８と、フィン部６８の短手方向の一辺と揺動部６２とを連結する連結部６９とによって構成される。連結部６９は、フィン部６８より短手方向の幅が小さく形成されている。振動体６では、被固定部６１が固定された状態で、他端の揺動部６２を本体ケース２の径方向に揺動させることによって、一対の長尺体６７が厚み方向に振動する。これによって、本体ケース２内の液体に流れが生じ、液体を吸入口４から吐出口５に送ることができる。

本体ケース２の吸入口４側でパイプ部３の外側には、振動体６の駆動部を構成するソレノイド７が取り付けられている。ソレノイド７は、鉄心７１にコイル７４を巻き付けて構成される。鉄心７１は、コイル７４が巻き付けられる梁部７３と、梁部７３の両端から下方に延在する脚部とを備えており、脚部の下端部分が一対の磁極部７２になっている。鉄心７１は、一対の磁極部７２で本体ケース２を左右から挟み込むように取り付けられる。

一対の磁極部７２はそれぞれ内向きに突出し、突出した部分が本体ケース２の外周面に沿った形状になっている。本実施の形態においては、鉄心７１が本体ケース２の外側に取り付けられることにより、鉄心７１が本体ケース２内の液体に直接触れることがない。よって、鉄心７１に錆が生じるのを防止することができる。また、振動体６の揺動部６２は、一対の磁極部７２の間の空間に位置しており、一対の磁極部７２が対向する方向に対して揺動部６２の板面部が傾斜した状態になっている。

コイル７４は、銅線等の電線で構成されており、梁部７３に巻き付けられたコイル７４の左右方向の幅は、図２に示すように、本体ケース２の外径より大きくなっている。ソレノイド７は、コイル７４に流れる電流によって、鉄心７１の一対の磁極部７２間に磁場を発生させるように構成されている。ソレノイド７に対する電流制御は、例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって行われる。これにより、所定の周期でコイル７４に電流を流すことが可能になっている。

次に図３を参照して、吐出口の固定部及び振動体の詳細構成について説明する。上述したように、図３においては紙面右側が吐出口になっている。図３に示すように、吐出口５は、蓋状部５１の内側面にパイプ部３（図１及び図２参照）の内径よりわずかに小径の環状部５４が形成されている。また、環状部５４には、環状部５４の直径部分を一辺とした板状の固定部５６が、環状部５４の開口部分５５の中心を斜めに横切って内部空間を分けるように設けられている。これにより、環状部５４の開口部分５５が一対の半円形状になり、この開口部分５５が筒状部５２に連通される。

固定部５６は、略正方形の板形状を有しており、筒状部５２とは反対方向（後方）に延在して形成されている。また、固定部５６の外形及び厚みは、被固定部６１より大きく形成されている。環状部５４の外周面に連なる固定部５６の外側面は、環状部５４に沿った円筒面になっている。この固定部５６及び環状部５４に、パイプ部３（図１及び図２参照）が嵌め込まれる。また、固定部５６の後端面にはスリット５７が形成されており、このスリット５７に振動体６の被固定部６１が挿入されることで、振動体６が固定部５６によって片持ち支持される。

このように構成された液体ポンプ１は、ソレノイド７への通電をオンすることにより、鉄心７１を構成する一対の磁極部７２間に、一方の磁極部７２から他方の磁極部７２に向かう磁場が発生する。これにより、一対の磁極部７２間に位置する振動体６の揺動部６２（磁性体）は、磁場内に働く磁力によって揺動される。このとき、振動体６の連結部６５には、ねじれが生じる。そして、ソレノイド７への通電がオフされると、揺動部６２に働く磁力がなくなり、揺動部６２は連結部６５の剛性（自己の復帰力）によって初期位置に復帰しようとする。この揺動部６２の一連の動作により、一対の長尺体６７（フィン部６８）は、厚み方向に揺動（振動）する。ソレノイド７への通電のオンオフが所定周期で繰り返されることにより、一対の長尺体６７は共振運動する。これにより、本体ケース２内の液体に、一対の長尺体６７から吐出口５に向かう流れが生じる。よって、液体を吸入口４から吐出口５に向かって送ることができる。

次に、図４及び図５を参照して、本実施の形態に係る液体ポンプの動作について説明する。図４は、本実施の形態に係る振動体の動作を示す模式図である。図５は、本実施の形態に係る振動体の変形前後の様子を示す図である。図４においては、図２と同様に、図１ＡのＡ−Ａ線に沿う断面図を示している。また、図４及び図５においては、一対の磁極部及び一対の長尺体（フィン部、連結部）をそれぞれ別の符号で示している。

図４Ａ及び図５Ａに示すように、初期状態においては、揺動部６２（磁性体）は、鉄心７１の一対の磁極部７２ａ、７２ｂ間で、一方の磁極部７２ａ側が下向きに傾斜している。この状態でソレノイド７に対する通電がオンされコイル７４に電流が流れると、一方の磁極部７２ａから他方の磁極部７２ｂに向かって磁場が形成される。すなわち、一方の磁極部７２ａ側がＮ極、他方の磁極部７２ｂ側がＳ極となる。

このとき、一対の磁極部７２ａ、７２ｂによって形成される磁力線の方向と、マグネットで構成される揺動部６２（磁性体）の磁力線の方向（揺動体６２の上面６３から下面６４に向かう方向）とが一致するように、揺動部６２には回転力が生じる。振動体６は、上述したように、揺動部６２と被固定部６１とを連結部６５で連結して構成され、固定部５６によって被固定部６１が固定されている（図１及び図３参照）。このため、揺動部６２は連結部６５を中心軸６６として矢印の方向に揺動し、連結部６５にはねじれが生じる。

そして、図４Ｂに示すように、一対の磁極部７２ａ、７２ｂが対向する方向（磁力線の方向）に対して、揺動部６２の板面部が直交する向きになる。このとき、揺動部６２に生じる磁力（回転力）と、連結部６５のねじれによって生じる連結部６５の中心軸６６回りの弾性力とが釣り合った状態になっている。また、揺動部６２の動きに伴って揺動した一対のフィン部６８ａ、６８ｂは、慣性力によって一対の連結部６９ａ、６９ｂを基端として厚み方向に揺動する。図４Ｂに示す状態では、一方のフィン部６８ａが揺動部６２の上面６３から浮き上がって（突出して）おり、他方のフィン部６８ｂが揺動部６２の下面６４から浮き上がって（突出して）いる。

そして、ソレノイド７に対する通電がオフされると、コイル７４内には電流が流れなくなる。この結果、一対の磁極部７２ａ、７２ｂ間の磁場がなくなり、揺動部６２には、連結部６５のねじれによる弾性力（復帰力）のみが残った状態になる。このため、揺動部６２は、連結部６５の中心軸６６回りのねじりモーメントによって初期位置に戻ろうとして、今度は反対側に揺動する。

そして、図４Ｃに示すように、揺動部６２は初期位置に復帰する。このときも、揺動部６２の動きに伴って揺動した一対のフィン部６８ａ、６８ｂは、慣性力によって一対の連結部６９ａ、６９ｂを基端として厚み方向に揺動する。図４Ｃ及び図５Ｂに示す状態では、一方のフィン部６８ａが揺動部６２の下面６４から浮き上がって（突出して）おり、他方のフィン部６８ｂが揺動部６２の上面６３から浮き上がって（突出して）いる。

そして、再びソレノイド７に対する通電がオンされ、図４Ａから図４Ｃに示す動作が繰り返される。ソレノイド７に対する通電のオンオフが繰り返されることで、揺動部６２が所定の角度範囲で揺動し、その揺動運動に伴って一対の長尺体６７ａ、６７ｂが厚み方向に共振運動（往復運動）する。より具体的には、一対の連結部６９ａ、６９ｂは、一対のフィン部６８ａ、６８ｂより幅狭のため、液体の抵抗を受け難くなっている。このため、一対の連結部６９ａ、６９ｂは、揺動部６２の揺動に応じて振動し易くなっている。そして、一対の連結部６９ａ、６９ｂの振動が一対のフィン部６８ａ、６８ｂに伝えられる。

一対のフィン部６８ａ、６８ｂは、一対の連結部６９ａ、６９ｂより幅が広いため、一対のフィン部６８ａ、６８ｂの周辺に存在する液体をかき分けるように振動（揺動）する。これにより、一対のフィン部６８ａ、６８ｂの周辺に存在する液体が吐出口５に向かって送られて、本体ケース２内に液体の流れが発生する。この結果、吸入口４（図１参照）から吐出口５に向かって液体を送り込むことができる。

このように、ソレノイド７の対する通電のオンオフだけで揺動部６２を揺動させる構成としたため、ソレノイド７に電気を送るための回路を簡易な構成とすることができる。また、ソレノイド７の磁力を揺動部６２の駆動源としたことにより、揺動部６２の動作を非接触で調整することができる。この結果、液体ポンプ１を構成する部材同士の摩擦がなくなり、摩擦によるエネルギーロスを防止することができる。

また、一対のフィン部６８ａ、６８ｂが連結部６５を挟むように設けられ、揺動部６２が連結部６５の中心軸６６回りに揺動される構成としたため、連結部６５に対して一対のフィン部６８がバランスよく振動する。このため、片方のフィン部６８ａによって液体が偏って送られることがなく、両方のフィン部６８ａ、６８ｂによって均一に液体が送られる。この結果、本体ケース２内の液体をバランスよく流すことができる。

また、ソレノイド７に対する通電のオンオフの周期を変えることにより、一対のフィン部６８の振動数を変化させることができる。また、揺動部６２の初期位置（傾斜角度）を変えることにより、揺動部６２の揺動範囲及び一対のフィン部６８ａ、６８ｂの振動幅（振幅）を調整することができる。これらにより、液体ポンプ１内を流れる液体の流量を調整することができる。

以上のように、本実施の形態に係る液体ポンプ１によれば、連結部６５を軸として揺動部６２を一定範囲で揺動させるだけで一対の長尺体６７ａ、６７ｂを振動させることができる。よって、一対の長尺体６７ａ、６７ｂの振動により本体ケース２内に液体の流れを発生させることができる。これにより、モータ等の回転駆動のための部材を必要とすることなく本体ケース２内に液体の流れを発生させることができ、簡易な構成で液体ポンプ１を実現することができる。また、一対の長尺体６７ａ、６７ｂの振動により本体ケース２内の液体を吐出口５側に送ることができるため、モータシャフトの防水のためのシール構造等の摩擦の原因となる部材を用いる必要がない。このため、液体ポンプ１の構成部材間の摩擦を防止することができ、摩擦によるエネルギーロスを防止することができる。

なお、本発明は上記各実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態において、駆動部は、ソレノイド７で振動体６を駆動させる構成としたが、この構成に限定されない。振動体６を駆動させることができれば、駆動部はどのように構成されてもよい。

また、上記実施の形態においては、ソレノイド７の通電によって発生する磁場の方向が、図４に示すように、紙面右側から左側に向く構成としたが、この構成に限定されない。振動体６を駆動させることができれば、磁場の方向はどの方向に向いてもよい。

また、上記実施の形態において、振動体６は、一対の長尺体６７を備える構成としたが、この構成に限定されない。長尺体６７は一対でなくてもよく、例えば、１つ又は３つ以上の長尺体６７で振動体６が構成されてもよい。

また、上記実施の形態において、連結部６５は、被固定部６１の一辺の中央部分と揺動部６２の一辺の中央部分とを連結する構成としたが、この構成に限定されない。連結部６５は、被固定部６１及び揺動部６２のそれぞれの一辺の中央部分からずれた位置で被固定部６１及び揺動部６２を連結する構成にしてもよい。

また、上記実施の形態において、長尺体６７は、揺動部６２から被固定部６１に向かって延在する構成としたが、この構成に限定されない。長尺体６７は、例えば、揺動部６２から被固定部６１とは反対側に延在する構成にしてもよい。

また、上記実施の形態において、振動体６の傾斜方向は、図２に示すように、紙面左から右に向かって下向きに傾斜する構成としたが、この構成に限定されない。振動体６はどの方向に傾斜してもよい。

また、上記実施の形態において、液体ポンプ１は、エンジンの冷却水を送る構成としたが、この構成に限定されない。液体ポンプ１は、どのような液体に適用されてもよい。

以上説明したように、本発明は、エネルギーロスの少ない簡易な構成で液体を送ることができるという効果を有し、特に、水冷エンジンの冷却水を循環させる液体ポンプに有用である。

１ 液体ポンプ
２ 本体ケース
４ 吸入口
５ 吐出口
６ 振動体
６１ 被固定部
６２ 揺動部
６５ 連結部
６７ 長尺体
７ ソレノイド（駆動部）
７１ 鉄心

Claims (6)

1. 液体を吸入して吐出する液体ポンプであって、
   両端に吸入口と吐出口とを備えた筒状の本体ケースと、前記本体ケース内の一端側に片持ちで固定された振動体と、前記本体ケース内の前記振動体を振動させる駆動部とを備え、
   前記振動体は、前記本体ケース内の一端側に固定される被固定部と、前記本体ケース内の他端側に設けられる揺動部と、前記被固定部と前記揺動部とを連結する連結部と、前記揺動部から延在する長尺体とを備え、
   前記駆動部は、前記連結部を軸に前記揺動部を一定の範囲で揺動させて前記長尺体を振動させることを特徴とする液体ポンプ。
2. 前記揺動部は、磁性体で構成され、
   前記駆動部は、鉄心にコイルを巻いて構成されるソレノイドであり、ソレノイドの通電により発生する磁力で前記揺動部を揺動させて前記長尺体を振動させることを特徴とする請求項１に記載の液体ポンプ。
3. 前記長尺体は、前記揺動部から前記被固定部に向かって延在することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体ポンプ。
4. 前記長尺体は、前記連結部を挟むように対になって配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の液体ポンプ。
5. 前記鉄心は、前記本体ケースの外側に取り付けられることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれかに記載の液体ポンプ。
6. 前記振動体は、自己の復帰力によって初期位置に戻ることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の液体ポンプ。

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