JP2017528645A - 磁気回路において非磁性の材料を備えた領域を有するピストンポンプ - Google Patents

Abstract

ハウジングと、少なくとも１つのソレノイドコイルと、シリンダと、該シリンダ内に配置されたピストンと、該ピストンのためのストッパを有するアーマチュアプレートとを備えた、特に自動二輪車および／または自動三輪車のための噴射システム用のピストンポンプであって、ピストンは、ソレノイドコイルにより形成された磁界によりストッパに向かう方向に移動可能であり、磁界に基づいて、当該ピストンポンプ内に磁気回路が形成可能であり、特にピストン、シリンダ、ハウジング、アーマチュアプレートおよびストッパは、磁気回路の構成要素である、ピストンポンプにおいて、磁気回路は、ピストンのストッパ側の反転点において、特にストッパにピストンが突き当たるときに、特に１．１よりも小さい比透磁率μｒを有する非磁性の材料を有する少なくとも１つの領域を有している。

Description

先行技術
本発明は、独立請求項の上位概念部に記載の形式のピストンポンプを起点とする。

たとえば英国特許出願公開第２４８４８５５号明細書に記載されているような、今日公知の電磁ピストンポンプは、以下の原理に基づいて機能する。すなわち、ソレノイドコイルが通電され、その際に磁界を形成する。磁気回路は、ピストンポンプの金属製かつ磁化可能な構成要素において形成される。磁気回路の構成要素には、たとえばピストンポンプのピストン、シリンダ、ハウジング、アーマチュアプレートおよびストッパが属する。

磁界は、シリンダ内に配置された、ソレノイドアーマチュアとも呼ばれるピストンを、アーマチュアプレートのストッパに向かう方向に引き寄せる。この過程中に、流入弁を通じて流体が、シリンダ内でシリンダ底部の流入弁とピストンとの間に配置されている圧縮室内へと吸い込まれる。磁界が消滅すると、ピストンとストッパとの間に配置されているばねがピストン（ソレノイドアーマチュア）をシリンダ底部の方向に向かって押圧し、この場合に一方では流体を圧縮し、他方では流体を、流出弁を介して圧縮室から押し出す。

現状の目標は、ピストンポンプの効率と、その機能確実性とを高め、かつピストンポンプのダイナミクスと頑丈さとを改善することにある。

発明の利点／発明の開示
本発明は、磁界の消滅後に、ストッパにおけるピストン（ソレノイドアーマチュア）のいわゆる磁気的な張付きが生じる可能性があるという知識に基づいている。この磁気的な張付きは、磁界の消滅後に、磁気回路と、たとえばピストン、シリンダ、ハウジング、アーマチュアプレートおよびストッパのような磁気回路の構成要素の残留磁気に基づいて生じる。したがって、ばねの戻し力は、磁気的な張付きを克服し、ピストンをストッパから解除するために、場合によっては十分ではない。

独立請求項の特徴部に記載の特徴を備えた本発明に係るピストンポンプは、これに対して、磁気的な張付きが最小限にされるかもしくは排除される、という効果を有している。これにより、機能確実性を高め、かつピストンポンプのダイナミクスを改善することが達成される。

このためには、磁気回路が、ピストンのストッパ側の反転点において、特にストッパへピストンが突き当たるところに、非磁性の材料を有する少なくとも１つの領域を有していることが規定されている。「ストッパ側の反転点において」という表現は、磁気回路および磁気回路の構成要素が、ピストンがそのストッパ側の反転点にある時点で観察されることを意図している。

本発明の主旨において、特にピストンポンプの、磁界の渦が最大の磁束密度で延びている構成要素が、磁気回路に属する。つまり特にピストンポンプの外部の磁気的な拡散領域に位置する構成要素、領域等は観察されない。

非磁性の材料を備えた領域は特に、磁気回路の、たとえばピストン、シリンダ、ハウジング、アーマチュアプレートおよびストッパのような別の構成要素よりも高い磁気抵抗（リラクタンス）Ｒ_ｍ（ＤＩＮ ＥＮ８００００−６）を有している。これにより磁気回路の磁気的な総抵抗が高められるので、磁気回路の残留磁力はできるだけ迅速に消えて、ストッパにおけるピストンの磁気的な張付きは生じない。特にこの領域自体は、残留磁力を有していないか、もしくは無視できる程度の残留磁力しか有していない。

磁気回路における１つの構成要素ｉの磁気抵抗Ｒ_ｍは、以下のように与えられる。
Ｒ_ｍ，ｉ＝Ｌ_ｉ／（μ_０μ_ｒＡ_ｉ）
ただし、磁気回路における構成要素ｉの長さＬおよび横断面積Ａならびに材料の真空の透磁率μ_０および比透磁率μ_ｒ。磁気回路のための磁気的な総抵抗は、電気回路における電気抵抗の接点法則および閉路法則（Ｍａｓｃｈｅｎｒｅｇｅｌｎ）と同じように計算される。

電磁ピストンポンプの金属製の構成要素の他に、個別の構成要素間のギャップも磁気的な総抵抗のために寄与することができる。ギャップは、たとえば空気のような気体、または液体のような種々異なる材料で充填されていてもよい。たとえば、ピストンと、アーマチュアプレートのストッパとの間には可変の長さを備える空気ギャップがある。圧送サイクルの段階に応じて、空気ギャップの長さは変化する。磁界の消滅後に、ピストンばねは、ピストンをストッパから反対に方向に押圧し、空気ギャップと、その磁気抵抗は増大する。磁界の形成時に、ピストンは、アーマチュアプレートに向かって移動させられ、かつ空気ギャップは縮小する。ピストンが完全に引き付けられている場合、つまりピストンがアーマチュアプレートのストッパに突き当たっている場合、空気ギャップと、その磁気抵抗は最小である。典型的には、圧送サイクルのこの段階において、磁気回路の磁気的な総抵抗のための空気ギャップの寄与は無視できるほど小さい。したがって、空気ギャップの磁気抵抗は、アーマチュアプレートへのピストンの磁気的な張付きを阻止するために、場合によっては小さすぎる。

したがって、本発明によれば、特にピストンポンプの磁気回路において、非磁性の材料と、比較的高い磁気抵抗とを備えた領域が設けられている。この領域は、磁気的な総抵抗を所定の最小値を超えるように高める。ピストンポンプの磁気回路の磁気的な総抵抗のための下限値は、ピストンポンプの寸法に依存する。磁気回路の磁気的な総抵抗は、磁気回路内に位置する構成要素を形成する材料の全体容積と、残留磁気特性とに依存する。使用された材料の全体容積と残留磁気が大きければ大きいほど、磁気回路の最小の磁気的な総抵抗は高くなければならない。

本発明に係る領域は、特にピストンとストッパとの間の空気ギャップとは異なり、１回の圧送サイクル内でかつ／または複数の圧送サイクルにわたって一定の磁気抵抗を有している。本発明に係る領域は、特にピストンとアーマチュアプレートのストッパとの間の可変の空気ギャップまたは磁気回路の別の構成要素間の空気ギャップではない。

本発明に係るピストンポンプの有利な態様は、領域が単に非磁性の材料を有しているだけではなく、材料が磁化不能であるか、もしくは弱くしか磁化可能ではない材料であることも規定している。有利な態様では、領域が所定の材料から成っている。材料は、たとえば１．１よりも小さな比透磁率μ_ｒを有している。特に、材料のμ_ｒは、１よりも小さい。

領域が、固体状態にある材料を有していると有利であることが判った。たとえば領域はフィルムにより形成されていてもよい。好適には、フィルムは、非磁性かつ／または磁化不能である。たとえばフィルムは、プラスチックから、たとえばポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）またはポリスチロール（ＰＳ）から成っている。

上記に代えてまたは上記に加えて、領域は、構成要素表面上のコーティングであってもよい。好適には、コーティングは非磁性かつ／または磁化不能である。たとえば、コーティングはクロム、クロム合金または窒化物層から成っている。

上記に代えてまたは上記に加えて、領域は、処理された表面により形成されていてもよい。処理された表面はたとえば窒化処理されていてもよい（ＤＩＮ１７０２２−４）。

上記に代えてまたは上記に加えて、領域が分離ディスクであってもよい。好適には分離ディスクは、非磁性かつ／または磁化不能な材料から成っていて、たとえばＳａｎｄｖｉｋ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社からＳａｎｄｖｉｋ１３Ｒｍ１９として提供された、たとえばコバルト−ニッケル合金または銅−ベリリウム合金またはクロム−ニッケル合金をベースとする非磁性の鋼から成っている。

典型的には領域は、５ｍｍよりも小さな範囲の厚さを有している。好適には厚さは、１μｍ〜５００μｍの範囲、特に１０μｍ〜１００μｍの範囲である。領域の厚さは、ピストンポンプの寸法、選択された材料および／または領域の選択された態様（分離ディスク、フィルム、コーティング、処理された表面）に依存する。

基本的には、領域は、磁気回路内の任意の箇所に配置されていてもよい。しかし好適には領域は、ピストン背面とも呼ばれるピストンの、ストッパに面した側に配置されている。このことは、小さなもしくは無視できる程度の残留磁気を有する領域が、ピストンと、アーマチュアプレートのストッパとの間の直接的な接触を阻止し、ひいてはピストンとストッパとの間の、残留磁気に基づく相互の引付けが減少する、という利点を有している。これにより、ピストンとストッパとの磁気的な張付きの可能性は最小限にされる。

上記に加えてまたは上記に代えて、表面が、ストッパの表面に配置されていてもよい。このことは、上記の段落で説明した利点と同じ利点を有している。

領域が、ピストン背面にも、ストッパの表面にも形成されている場合、ピストン背面の領域とストッパの表面の領域とは、同一の材料から成っているか、または互いに異なる材料から成っていてもよい。

高い磁気抵抗を備える領域に対して上記に加えてまたは上記に代えて、磁気回路における磁性のもしくは強磁性の材料、特に鉄含有の材料の割合を減じることでも、磁気的な張付きの可能性を減じることができる。

このことは、たとえばピストン（ピストン背面）の、アーマチュアプレートに面した端面および／またはアーマチュアプレートのストッパに形成された成形部により、実現され得る。成形部とは、ピストンの、アーマチュアプレートに面した端面に設けられた、たとえばばねが配置されているピストン内に形成された中空室、および該中空室に接続する開口を意図するものではない。

典型的には、成形部は、ピストンの全長Ｌの２％よりも大きく、かつ／またはピストンの全長Ｌの１０％よりも小さい深さＴを有している。この場合、ピストンの全長Ｌは、ピストンの、アーマチュアプレートに面した端面から、該端面とは反対の側に位置する端面までの間隔である。

好適には、成形部は、少なくとも１つの、特に環状または直線状の溝により形成されている。この場合、ピストンの、アーマチュアプレートに面した端面は、互いに異なる材料から成る２つの領域を有している。たとえば、ピストンと同一の材料から成る第１の領域がある。第２の領域は、ピストン背面またはストッパに（複数の）溝を形成することにより生じている。この領域はたとえば空気または燃料で充填されている。

溝は環状または直線状に形成されていてもよい。直線状の溝は、ピストン縁部から、ピストン背面の中心に向かって延びている。

複数の溝から成る成形部を設ける際に、これらの溝は互いに対して平行に、または所定の角度βを成して配置されていてもよい。２つの溝の間の角度βは、０°〜１８０°の間の範囲、特に２２°〜９０°の範囲にある。

典型的には、互いに角度を成して配置されている複数の溝は、互いに対して同一のもしくは類似の角度を有している。好適には、複数の溝はそれぞれ、隣接する溝同士の間で約３６０°／ｎの角度を有していて、この場合ｎは、溝の個数である。

溝は、ピストン直径の５％〜５０％の幅を有していてもよい。より多くの溝が形成されるほど、個々の溝は狭くなる。たとえば、溝が極めて幅広であり、つまり溝幅がピストン直径の４０％〜５０％の範囲にある少数の溝を有する成形部または個別の溝が幅狭であり、つまり溝幅がピストン直径の５％〜１５％の範囲にある多数の溝を有する成形部が選択され得る。ピストン材料から成る、溝同士の間にある領域は、したがってウェブの形状をしている。

上記に代えて、成形部は、少なくとも１つの、特に環状の段部によって、または少なくとも１つの、特に全周に沿って形成された斜面によっても形成されていてもよい。斜面は、ピストン背面からピストンの外縁部に向かう方向に、またはピストン背面からピストン背面の中心に向かう方向に形成されていてもよい。

磁気回路における磁性の材料の割合の減少に対して付加的に、ピストン背面もしくはストッパに成形部を設けることによって、成形部が、ポンプの運転中に規定された摩耗を受けるような形状で形成され得る、という技術的な効果がさらに得られる。成形部の摩滅により、ピストンのストロークは拡大し、ピストンポンプはその限りでより多くの流体を圧送することができる。他方では、ピストンとシリンダ壁との間の摩耗も生じるので、ピストンとシリンダ壁との間の隙間は、ピストンポンプの寿命にわたって拡大する。このことは、圧送量の減少をもたらす。理想的には、成形部はその規定された摩耗に関して、以下のように選択される。すなわち、ストロークの増大が、ピストンとシリンダ壁との間の大きくなる隙間に基づく圧送量損失をまさに補償し、したがってピストンポンプの効率がピストンポンプの寿命にわたって一定のままであるようにされる。

本発明に係るピストンポンプのための実施の形態を示す図である。 本発明に係るピストンポンプのための別の実施の形態を示す図である。 本発明に係るピストンポンプのための別の実施の形態を示す図である。 ピストンの横断面図である。 ピストンの背面を示す図である。

実施の形態の説明
図１は、本発明に係るピストンポンプ１の概略図を示している。ピストンポンプ１は、ハウジング２、アーマチュアプレート３およびハウジング２内に配置されたソレノイドコイル５もしくはソレノイドコイルセットを有している。ソレノイドコイル５の半径方向の内部に、シリンダ４が配置されている。可動のピストン６が、同様にシリンダ４の半径方向の内部に配置されている。ソレノイドコイル５により形成された磁界は、ピストン６をアーマチュアプレート３の方向へと移動させる。アーマチュアプレート３は、ピストン６に面した側にストッパ９を有している。このストッパ９に、ピストン６が、ソレノイドコイル５への通電時に、つまり磁界の発生時に突き当たる。ピストン６の、アーマチュアプレート３に面した側は、ピストン背面１０と呼ばれる。磁界の発生時にピストン背面１０がアーマチュアプレート３のストッパ９に接触する面は、接触面と呼ばれる。

ピストン６とアーマチュアプレート３との間には、ピストンばね７が配置されている。ピストンばね７の、アーマチュアプレート３に面した側で、このピストンばね７はばね保持部８により位置固定される。ピストンばね７は、部分的にまたは完全にピストン６の内部に配置されていてもよい。ピストン背面１０は、したがって開口を有しており、この開口内にピストンばね７が配置されている。ピストンばね７は、アーマチュアプレート３に向かう方向へのピストン運動に基づいて圧縮される。磁界の消滅後に、ピストンばね７は、ピストン６を再び反対の方向に向かって押圧する。

さらに、シリンダ４内には、流入弁１１と流出弁１２とが、特にシリンダ底部に配置されている。シリンダ４は、一方の側ではアーマチュアプレート３によって、かつ反対の側ではシリンダ底部により画定される。流入弁１１および／または流出弁１２は、ダイヤフラム弁として形成されていてもよい。ピストンポンプ１のこの実施の形態では、流入弁１１および流出弁１２、ひいては入口および出口が、シリンダ４の同一の側に配置されている。特に入口および出口は、同軸に形成されていてもよく、たとえば出口のための管路が、入口のための管路の内部に配置されている。流入弁１１と流出弁１２との間には、１つの弁体１３が配置されている。

燃料がタンクから流入弁１１を通ってシリンダ４の内部の圧縮室内へと負圧に基づいて吸い込まれる燃料管路は図示されていない。シリンダ内もしくは圧縮室内の負圧は、アーマチュアプレート３に向かう方向のピストン６の移動により生じる。別の燃料管路と流出弁１２とを介して、燃料はピストン６によって噴射弁に向かって押圧される。

本実施の形態では、ストッパ９の表面は、１つの領域１５を有している。この領域１５は、該領域１５が非磁性かつ／または磁化不能な、もしくは弱くしか磁化可能ではない材料から成っていることにより優れている。この領域１５の材料は、たとえば１．１よりも小さな、特に１よりも小さな比透磁率μ_ｒを有している。好適には、この領域１５は、磁気回路内の、たとえばピストン６、シリンダ４、ハウジング２および／またはアーマチュアプレート３のような別の構成部材よりも、高い磁気抵抗を有している。

領域１５は、フィルムとして、またはコーティングとして、たとえばクロム層として、ストッパ９の表面に被着されてもよく、またはたとえば窒化処理のような表面処理部または分離ディスクであってもよい。領域１５の厚さは、ピストンポンプ１の使用された材料および／または寸法に依存する。典型的には、領域１５の厚さは、０．０１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にある。

図２および図３は、図１に示した実施の形態の変化形を示している。同一の構成部材は同一の名称を有しており、図１の符号と同一の符号で示されている。

図２に示した実施の形態は、図１に示した実施の形態とは以下のことにより異なっている。すなわち、領域１５が、ピストン背面１０に配置されている。この領域１５は、非磁性かつ／または磁化不能な、もしくは弱くしか磁化可能ではない材料から成っており、したがって特に磁気回路の別の構成部材よりも高い磁気抵抗（リラクタンス）を示す。

図３に示した実施の形態は、最初の２つの実施の形態とは以下のことにより異なっている。すなわち、領域１５が、アーマチュアプレート３とハウジング２との間に配置されている。領域１５は、非磁性かつ／または磁化不能な、もしくは弱くしか磁化可能ではない材料から成っており、したがって特に磁気回路の別の構成部材よりも高い磁気抵抗を示す。好適には、この実施の形態では、領域１５は分離ディスクとして形成される。

領域１５のための、上述の実施の形態において挙げられた位置および／または構成（分離ディスク、フィルム、コーティング、処理された表面）は、互いに組み合わせられてもよい。種々異なる態様の組合せ時に、種々異なる箇所に設けられた領域１５は、同一の材料または互いに異なる材料から成っていてもよい。

上記に加えてまたは上記に代えて、ピストン背面１０が、成形部を有していてもよく、これにより、ピストン背面１０とストッパ９との間の接触面が減じられている。このことは、比較的小さな接触面に基づいて、磁気抵抗が高められ、磁気回路における強磁性の材料の割合が減少する、という利点を有している。両方の効果は、磁気回路および磁気回路の構成部材の残留磁気に抗して作用する。ストッパ９におけるピストン６の磁気的な張付きの阻止の他にも、ピストン６の摩耗も減じられ、もしくはピストンポンプ１の圧送量損失が上記で説明したように、補償される。

図４は、ピストン６の横断面を示している。この場合、ピストン背面１０は、開口１６の他に別の成形部を有している。図４ａ）では、ピストン背面１０は、凹部を有している。図４ｂ）では、ピストン背面１０は、斜めに面取りされている。両方の場合に、ストッパ９に対する接触面は、成形部を有しないピストン背面１０との比較において、少なくとも５０％だけ減じられている。

図５は、２つの別の択一的な成形部を備えたピストン背面１０を示している。図５ａ）では、ピストン背面１０は、２つの溝１７を有している。これらの溝１７は、互いに対して直交して位置している。この実施例では、ピストン背面１０の接触面は、成形部を有しないピストン背面１０の接触面の約２／３に相当する。溝１７は、ピストン直径の約１０％の幅を有している。

溝１７の幅が増大すると、残っている接触面は、図５ｂ）に示されているように減少する。この実施例では、ピストン背面１０の接触面は、成形部を有しないピストン背面１０の接触面の約１／３に相当する。溝１７は、ピストン直径の約４５％の幅を有している。

ピストン背面１０およびその接触面は、ピストンポンプ１の寿命にわたって摩耗させられる。これにより、ピストン６のストローク、ひいてはピストンポンプ１のストロークは拡大する。この拡大されたストロークは、圧送量の増大に相当する。したがって、ピストン６とシリンダ４との間で生じる摩耗と、その摩耗に関連した圧送量の損失とは、寿命にわたって補償され得る。

本発明に係る領域１５は、成形加工されたピストン背面１０との組合せ時に、好適には残っている接触面に形成されている。

Claims (13)

1. ハウジング（２）と、少なくとも１つのソレノイドコイル（５）と、シリンダ（４）と、該シリンダ（４）内に配置されたピストン（６）と、該ピストン（６）のためのストッパ（９）を有するアーマチュアプレート（３）とを備えた、特に自動二輪車および／または自動三輪車のための噴射システム用のピストンポンプ（１）であって、前記ピストン（６）は、前記ソレノイドコイル（５）により形成された磁界により前記ストッパ（９）に向かう方向に移動可能であり、前記磁界に基づいて、当該ピストンポンプ（１）内に磁気回路が形成可能であり、特に前記ピストン（６）、前記シリンダ（４）、前記ハウジング（２）、前記アーマチュアプレート（３）および前記ストッパ（９）は、前記磁気回路の構成要素である、ピストンポンプ（１）において、
   前記磁気回路は、前記ピストン（６）のストッパ側の反転点において、特に前記ストッパ（９）に前記ピストン（６）が突き当たるところに、特に１．１よりも小さい比透磁率μ_ｒを有する非磁性の材料を有する少なくとも１つの領域（１５）を有していることを特徴とする、ピストンポンプ（１）。
2. 前記領域（１５）は、非磁性の材料から成っている、請求項１記載のピストンポンプ（１）。
3. 前記材料は、固体状態である、請求項１または２記載のピストンポンプ（１）。
4. 前記領域（１５）は、フィルム、特に非磁性のフィルムである、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストンポンプ（１）。
5. 前記領域（１５）は、コーティングであり、特にクロム層または窒化物層である、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストンポンプ（１）。
6. 前記領域（１５）は、処理された表面、特に窒化処理された表面である、請求項１から３までのいずれか１項記載のピストンポンプ（１）。
7. 前記領域（１５）は、前記ピストン（６）の、前記ストッパ（９）に面した側に、または前記ストッパ（９）の表面に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のピストンポンプ（１）。
8. 前記領域（１５）は、前記ピストン（６）の、前記ストッパ（９）に面した側に、かつ前記ピストン（６）の前記ストッパ（９）の表面に配置されており、ピストン背面（１０）と前記ストッパ（９）の表面とに設けられた前記領域（１５）は、同一の材料から成っているか、または互いに異なる材料から成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピストンポンプ（１）。
9. 前記ピストン（６）の、前記アーマチュアプレート（３）に面した端面（１０）および／または前記アーマチュアプレート（３）の前記ストッパ（９）は、成形部を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のピストンポンプ（１）。
10. 前記成形部は、前記ピストン（６）の全長Ｌの２％よりも大きく、かつ／または前記ピストン（６）の全長Ｌの１０％よりも小さな深さＴを有しており、前記ピストン（６）の前記全長Ｌは、前記ピストン（６）の、前記アーマチュアプレート（３）に面した前記端面（１０）から該端面（１０）とは反対の側に位置する端面（１４）までの間隔である、請求項９記載のピストンポンプ（１）。
11. 前記成形部は、少なくとも１つの、特に環状または直線状の溝（１７）により形成されている、請求項９または１０記載のピストンポンプ（１）。
12. ２つの溝（１７）の間に形成される角度βは、０°〜１８０°の範囲、特に２２°〜９０°の範囲にある、請求項１１記載のピストンポンプ（１）。
13. 前記成形部は、少なくとも１つの、特に環状の段部（１９）により、または少なくとも１つの、特に円周に沿って形成された斜面により、形成されている、請求項９または１０記載のピストンポンプ（１）。

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