JP2016023635A - 電動ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転を阻害すること無く、流体に混入した異物を円滑に排出することのできる電動ポンプを合理的に構成する。【解決手段】電動ポンプＰは、ケーシング１と、ケーシング１に固定された軸部材３と、軸部材３の外側に挿入される筒状の軸受部４と、軸受部４とは別部材で構成され、軸受部４と一体回転するロータ５と、ロータ５の一端５１に固定されるインペラ６と、を備え、インペラ６の外周側から流出してケーシング１の内部に循環する流体をインペラ６の側に戻す排出路５２が、軸方向に沿う状態で軸受部４とロータ５との間に形成してある。【選択図】図１

Description

本発明は、軸部材に回転自在に軸支されるロータと、このロータの一端に固定されるインペラとを備えた電動ポンプに関する。

従来、上記電動ポンプとして、ケーシングに固定された軸部材と、この軸部材の外側に挿入されるロータとを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、軸部材とロータとの間には軸方向に沿って貫通する貫通路が形成されている。この貫通路より径外方向には、ケーシング内部の流体圧をインペラの側へ逃がすために、ロータの一端を貫通してインペラの羽根部材の側に連通するバランスホールが形成されている。

インペラの回転によって流動する流体の一部は、ケーシングの内部を循環して電子部品などを冷却しつつ、貫通路やバランスホールを経由してインペラの側に戻される。このとき、貫通路を通過する流体は、軸部材とロータとの潤滑材として機能する。

特開２００６−２９６１２５号公報

しかしながら、従来の電動ポンプにあっては、軸部材とロータとの間に貫通路を形成しているので、この貫通路は、ロータが軸ブレしない程度の小さなサイズに制限される。このため、流体に混入した異物が貫通路を閉塞して、軸部材とロータとの間に噛み込むことでロータの回転が阻害されるおそれがある。

また、バランスホールがインペラの羽根部材の側に連通しているので、インペラの回転による大きな流体圧を受けて流体がケーシングの内部に逆流するおそれがある。その結果、流体に混入した異物が排出されずに、ケーシングの内部に滞留するといった不都合が生じてしまう。

そこで、本発明は、ロータの回転を阻害すること無く、流体に混入した異物を円滑に排出することのできる電動ポンプを合理的に構成することを目的とする。

本発明に係る電動ポンプの特徴構成は、ケーシングと、前記ケーシングに固定された軸部材と、前記軸部材の外側に挿入される筒状の軸受部と、前記軸受部とは別部材で構成され、前記軸受部と一体回転するロータと、前記ロータの一端に固定されるインペラと、を備え、前記インペラの外周側から流出して前記ケーシングの内部に循環する流体を前記インペラの側に戻す排出路が、軸方向に沿う状態で前記軸受部と前記ロータとの間に形成してある点にある。

本構成によると、固定された軸部材の周りを、軸受部およびこの軸受部と別部材で構成されるロータが一体で回転する。つまり、軸受部にのみ耐摩耗性の高い材料を選択すれば、従来のように軸部材とロータとの間に潤滑のための貫通路を設ける必要がないので合理的である。しかも、軸部材と軸受部との間における異物の噛み込みによって、ロータの回転が阻害されることがない。

また、本構成では、一体回転する軸受部とロータとの間に排出路を設けており、従来のように一体回転しない軸部材とロータとの間に排出路を設ける場合に比べ、軸ブレの影響を受けないので、排出路の断面積を大きく確保することが可能となる。つまり、流体に大きな異物が混入している場合でも、排出路を塞いでしまうことがない。よって、流体に混入した異物は、ケーシングの内部に滞留することなくインペラの側に戻され、外部に吐出される。

このように、ロータの回転を阻害すること無く、流体に混入した異物を円滑に排出することのできる電動ポンプを合理的に構成することができた。

他の特徴構成は、前記排出路の出口は、前記インペラの羽根部材よりも前記軸部材の中心側に設けられている点にある。

インペラの回転によって遠心力を受けた流体は、インペラの外周側へと流動する。つまり、インペラの羽根部材が存在する領域は、外周側に行くにつれて流速（流体圧）が大きくなる。本構成のように、排出路の出口をインペラの羽根部材よりも軸部材の中心側、つまり最も流体圧の低いインペラの内周側に設けることで、異物の混入した流体をケーシングの内部からインペラの側へと円滑に流出させることができる。

他の特徴構成は、前記ロータは、前記軸受部をインサート成形する樹脂材で構成され、 前記排出路のうち前記軸方向に沿った一部の領域が、前記軸受部の外面に接触しない状態で前記ロータの内部を通過している点にある。

本構成のように、軸受部をインサート成形してロータを形成すれば、ロータと軸受部との一体性が高まる。また、排出路のうち軸方向に沿った一部の領域を、軸受部の外面に接触させない構成とすることで、軸受部の全周がロータを構成する樹脂で包囲された状態となる。その結果、軸受部が受ける樹脂収縮圧が周方向に沿って分散されるので、軸受部内面の断面形状が円形に保持され易い。よって、軸受部およびロータを軸部材に対して円滑に相対回転させることができる。

本実施形態に係る全体構成を示す断面図である。 本実施形態に係る部分断面図である。 図２を前方側から見た図である。 図２を後方側から見た図である。 軸受部を示す側面図である。 図２のVI−VI断面図である。 ロータの一端を前方側から見た図である。 別実施形態に係る部分断面図である。 図８を後方側から見た図である。

以下に、本発明に係る電動ポンプＰの実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、車両のエンジンを冷却する冷却水（流体の一例）を循環させる電動ウォータポンプ（以下、単に「電動ポンプＰ」と称する。）を一例として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。以降、図１におけるロータ５の長手方向を基準として、インペラ６の側を前方、インペラ６とは反対側を後方として、説明する。

図１には、本実施形態に係る電動ポンプＰの全体構成が示される。電動ポンプＰは、樹脂製のケーシング１と、ケーシング１に固定された金属製のシャフト３（軸部材）と、シャフト３の外側に挿入される筒状のブッシュ４（軸受部）と、ブッシュ４とは別部材で構成され、ブッシュ４と一体回転するロータ５と、ロータ５のフランジ状の一端５１に固定されるインペラ６とを備えている。

ブッシュ４は、シャフト３と直接摺動する耐摩耗性や耐熱性の高い材料として、例えばカーボン繊維および樹脂の複合材やカーボンのみ等のカーボン軸受で構成されている。また、ロータ５は、ブッシュ４をインサート成形する樹脂材として、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）で構成されている。なお、ブッシュ４は、耐摩耗性や耐熱性の高い材料であれば特に限定されず、例えば樹脂やアルミなどの金属で構成しても良い。

図示しない車両のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）によって、ステータ８に巻回されたコイルへの電流制御が実行されることで、ロータ５のマグネット５４が交番磁界を受けて、ブッシュ４およびロータ５が一体回転する。

ブッシュ４およびロータ５が一体回転すると、ロータ５の一端５１に固定されたインペラ６も回転する。図１〜３に示すように、インペラ６は、シュラウド６４の内側に湾曲した複数の羽根部材６３を有し、樹脂製のインペラカバー２で覆われている。これら羽根部材６３は、ロータ５の一端５１に例えば振動溶着されている。

また、図１に示すように、軸方向Ｌに沿ったインペラカバー２とブッシュ４との間には、シャフト３とブッシュ４とが相対回転不能な状態で、シャフト３の先端部の外面に嵌合するワッシャ７を配置している。このワッシャ７は、ブッシュ４の抜け止めとして機能する。

ブッシュ４およびロータ５の一体回転と共にインペラ６が回転することで、冷却水は吸入口６１からインペラ６の外周側へと螺旋状に流動する。このとき、図１に示すように、冷却水の大半は吐出口６２から外部に送り出され、冷却水の一部は、インペラ６の外周側から流出してケーシング１の内部を循環する。冷却水の一部がケーシング１の内部を循環することで、ロータ５やステータ８などが冷却される。

一方、冷却水には、循環経路において金属部品の錆や金属粉などの異物が混入し、この異物がケーシング１の内部に形成される狭い通路に詰まって滞留することがある。特に、ロータ５を軸支するシャフト３の軸周りは、軸支機能が損なわれないようにする必要があるため、冷却水の流路を大きく確保することができない。その結果、冷却水をケーシング１の内部からインペラ６の側に戻すことができず、異物の噛み込みによる回転不良の発生や冷却機能が損なわれるおそれがある。

そこで、本実施形態では、インペラ６の外周側から流出してケーシング１の内部に循環する冷却水をインペラ６の側に戻す排出路５２を、軸方向Ｌに沿う状態でブッシュ４とロータ５との間に形成している。特に、本実施形態では、排出路５２を、ブッシュ４の外面に接触する状態でロータ５の側に形成している。これによって、ブッシュ４をインサート成形する際、中子ピンを挿入すれば排出路５２が形成できるので、ブッシュ４を切削加工する必要がなく製作効率が良い。また、ブッシュ４とロータ５との間に排出路５２を形成することで、排出路５２の寸法形状の自由度が高まるので、冷却水に混入した異物が詰まるといった不都合を解消することができる。

さらに、本実施形態では、排出路５２の出口５２ｂを、インペラ６の羽根部材６３よりシャフト３の中心側に設けている。この出口５２ｂは、ケーシング１の内部の流体圧をインペラ６の側に逃がすための、所謂バランスホールとして兼用される。

一般的に、バランスホールは、ロータ５の一端５１を貫通させて、羽根部材６３が存在する領域に連通させる。このため、インペラ６の回転による流体圧を受けて、ケーシング１の内部に冷却水が逆流するおそれがある。その結果、ケーシング１の内部の流体圧が開放されずに、ロータ５の回転機能を低下させる。また、冷却水をケーシング１の内部からインペラ６に循環させることができず、冷却機能が損なわれるおそれがある。しかし、本実施形態のように、バランスホールをインペラ６の回転による流体圧の影響が少ない羽根部材６３の内側に設けることで、冷却水をケーシング１の内部からインペラ６の側へと円滑に流出させることができる。

図５に示すように、ブッシュ４は、円筒状に形成され、外周面にはロータ５のインサート成形樹脂に包囲される突出部４１を、周方向に沿って等間隔に複数（本実施形態では３ケ所）設けている。この突出部４１とロータ５の内面凹部５６とが密着することで、ブッシュ４とロータ５との相対回転が規制され、両者が一体回転する。

また、図４〜図５に示すように、ブッシュ４のインペラ６とは反対側となる後端面には、径方向に切欠いた複数の位置決め凹部４２が形成されている。この位置決め凹部４２は、ブッシュ４を後方側から見た場合、ブッシュ４の周方向に沿って、３ケ所の突出部４１の間に等間隔で配置されている。つまり、ブッシュ４の周方向に沿って突出部４１と位置決め凹部４２とは、交互に配置されている。

ブッシュ４をインサート成形してロータ５を形成する際、位置決め凹部４２が位置する長手方向に沿って、中子ピンが挿入される。つまり、位置決め凹部４２は、ブッシュ４とロータ５との間に形成される排出路５２の位置決めガイドとして機能する。また、インサート成形型を位置決め凹部４２に当接させることで、ブッシュ４を位置固定することができる。

図３に示すように、ブッシュ４のうちインペラ６の側となる先端面には、中心から放射状に延出形成される複数の先端溝４３が形成されている。この先端溝４３は、シャフト３とブッシュ４とが摺擦することで発生するカーボン粉を、径外方向に案内する通路となっている。この先端溝４３は、排出路５２の出口５２ｂと連通しており、図５に示すように、ブッシュ４を前方側から見た場合、３ケ所の突出部４１と周方向の同じ位置に配置されている。

なお、これら突出部４１、位置決め凹部４２や先端溝４３の数量や寸法形状は特に限定されず、ブッシュ４の周方向に沿って１カ所以上あれば良い。ただし、ブッシュ４を後方側から見た場合、突出部４１と位置決め凹部４２とは重ならない配置となっている。

図１〜図２に示すように、ロータ５の内部には、一端５１とは反対側にマグネット５４がインサート成形されている。図６に示すように、マグネット５４は六極の多極磁石で構成され、断面視において、内面が六角形の環状に形成されている。なお、マグネット５４は、六極に限定されず、二極以上の偶数極で構成しても良い。

マグネット５４の内面における六角形の頂点には、ブッシュ４の突出部４１と排出路５２とが交互に配置されている。つまり、ロータ５を構成する樹脂の肉厚が大きく確保される部位に突出部４１を配置することで、突出部４１の突出量を大きく構成することができる。このため、ブッシュ４とロータ５との剛性を考慮して、突出部４１の寸法形状を適宜設定することができる。さらに、ロータ５を構成する樹脂の肉厚が大きく確保される部位に排出路５２を配置することで、排出路５２の断面積を大きく確保することができる。よって、冷却水に大きな異物が混入した場合でも、排出路５２が閉塞され難い。よって、冷却水に混入した異物は、ケーシング１の内部に滞留することなくインペラ６の側に円滑に排出される。

図７に示すように、ロータ５の一端面５１ａには、羽根部材６３の後端部６３ａが挿入される矩形状の挿入凹部５３を、羽根部材６３と同じ数（本実施形態では七カ所）だけ形成している。複数の挿入凹部５３の一部には、両側面において、挿入凹部５３の長手方向に離間する凸部５３ａが形成されている。このため、羽根部材６３をロータ５の一端面５１ａに振動溶着する際、羽根部材６３の軸芯変位が防止される。また、インペラ６が回転する際、羽根部材６３が凸部５３ａに当接することで、ロータ５の一端面５１ａに対する回転方向の相対移動が防止される。

なお、凸部５３ａを設ける挿入凹部５３は、一部に限定されず全てに設けても良いし、挿入凹部５３を羽根部材６３の後端と同程度の大きさに形成する場合は凸部５３ａを設けなくても良い。

［別実施形態］
別実施形態について、上述した実施形態と異なる構成のみ図８〜図９を用いて説明する。なお、図面の理解を容易にするため、上述した実施形態と同じ部材名称及び符号を用いて説明する。

本実施形態では、排出路５２のうち軸方向Ｌに沿った一部の領域が、ブッシュ４の全周に亘って接触しない状態でロータ５の内部を通過している。換言すると、ブッシュ４の外面において、軸方向Ｌに沿う一部の領域に、ロータ５を構成する樹脂が全周に亘って包囲する樹脂包囲部５５を形成している。また、本実施形態においては、前記一部の領域を、排出路５２のうち、入口５２ａおよび出口５２ｂ付近を除く領域に設定し、入口５２ａおよび出口５２ｂ付近におけるブッシュ４の外周に亘って排出路５２を接触させている。

これにより、インサート成形型を離型した際、ブッシュ４が受ける樹脂収縮圧が周方向に沿って分散されるので、ブッシュ４内面の断面形状が円形に保持される。このため、ブッシュ４のシャフト３に対する相対回転が円滑に行われる。

また、出口５２ｂ付近におけるブッシュ４の外周に亘って排出路５２を接触させる構成とすれば、インペラ６を径内方向に寄せて配置することができるので、電動ポンプＰのコンパクト化が図られる。また、排出路５２の断面積を大きく確保することができるので、冷却水をインペラ６の側に円滑に排出することができる。

本実施形態における樹脂包囲部５５は、ブッシュ４の先端部に周方向に亘って径内方向に引退する段差部５５ａを設けることで形成される。しかし、これは一例にすぎず、ブッシュ４の外面を引退させずに、面一に構成したブッシュ４外面に樹脂包囲部５５を設けても良い。この場合でも、従来のようにシャフト３とブッシュ４との間に排出路５２を設ける場合に比べ、排出路５２の断面積を大きく確保することが可能となる。

［その他の実施形態］
（１）上述した実施形態では、排出路５２を、ブッシュ４とロータ５との間におけるロータ５の側に形成したが、ブッシュ４とロータ５との間におけるブッシュ４の側に形成しても良い。また、排出路５２を、ブッシュ４とロータ５とに跨った状態で形成しても良い。
（２）上述した実施形態では、排出路５２のうち、軸方向Ｌに沿った一部の領域をブッシュ４の全周に亘って接触しない状態としたが、軸方向Ｌに沿った全部の領域をブッシュ４の全周に亘って接触しない状態としても良い。また、排出路５２のうち、軸方向Ｌに沿った一部の領域は、入口５２ａおよび出口５２ｂ付近を除く領域に限定されず、入口５２ａまたは出口５２ｂ付近を除く領域に設定しても良い。
（３）別部材で構成されるブッシュ４とロータ５とを一体化する方法は、インサート成形に限定されず、例えば、ブッシュ４にロータ５を圧入させるなどしても良い。
（４）インペラ６をロータ５の一端５１に固定する方法は、振動溶着に限定されず、例えば、熱溶着や一体成形など種々の変形が可能である。
（５）電動ポンプＰは、エンジンの冷却水を循環させるポンプに限定されず、エンジンオイルを循環させても良いし、車両以外の用途に用いても良い。また、電動ポンプＰの駆動方式は、交番磁界を発生させるブラシレスモータに限定されず、ブラシ付きモータを使用しても良い。

本発明は、各種流体を循環させるための電動ポンプに利用可能である。

１ ケーシング
３ シャフト（軸部材）
４ ブッシュ（軸受部）
５ ロータ
６ インペラ
５１ 一端
５２ 排出路
５２ｂ 出口
６３ 羽根部材
Ｌ 軸方向
Ｐ 電動ポンプ

Claims (3)

1. ケーシングと、
   前記ケーシングに固定された軸部材と、
   前記軸部材の外側に挿入される筒状の軸受部と、
   前記軸受部とは別部材で構成され、前記軸受部と一体回転するロータと、
   前記ロータの一端に固定されるインペラと、を備え、
   前記インペラの外周側から流出して前記ケーシングの内部に循環する流体を前記インペラの側に戻す排出路が、軸方向に沿う状態で前記軸受部と前記ロータとの間に形成してある電動ポンプ。
2. 前記排出路の出口は、前記インペラの羽根部材よりも前記軸部材の中心側に設けられている請求項１に記載の電動ポンプ。
3. 前記ロータは、前記軸受部をインサート成形する樹脂材で構成され、
   前記排出路のうち前記軸方向に沿った一部の領域が、前記軸受部の外面に接触しない状態で前記ロータの内部を通過している請求項１又は２に記載の電動ポンプ。

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