JP5217204B2 - 磁力駆動式ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、磁力によりインペラを回転駆動する磁力駆動式ポンプに関し、特にエンジンのウォータポンプに用いるに好適である。

従来の磁力駆動式ポンプとして、ポンプ室（８）の内部で回転自在に保持されて、その回転によりポンプ室（８）内で流体に流れを生じさせるインペラ（１１）と、インペラ（１１）を回転駆動する駆動機構（５０）とを備え、駆動機構（５０）はポンプ室（８）と外部（９）とを分離する隔壁（１０）より外部（９）に回転自在に配置されるドライブマグネット（６）に一体的に固定される永久磁石（４）と、インペラ（１１）に一体的に固定され永久磁石（４）の回転により発生する誘導電流を動力源として回転する電導体からなる誘導子（７）とから構成されるウォータポンプがある。（例えば、特許文献１参照）
本ウォータポンプは、冷却水の流量（ポンプの仕事量）がエンジン回転数に伴い非線形的に増加するので、高回転時の仕事量は適正に設定できる。しかし、中回転領域やエンジン冷間時、あるいは低負荷定常運転時等の冷却水循環量を必要としないエンジン運転領域では、冷却水を必要以上に循環することとなりエンジン暖機性の悪化及び無駄な仕事による燃費悪化の一因となっている。
特開２００５−１３９９１７号公報

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、エンジン冷間時の冷却水流量を低減して冷却水温の上昇時間を短縮することができると共に、冷却水流量を低減することによりポンプの仕事量を低減し燃費の改善を図ることができる磁力駆動式ポンプを提供することを課題とする。

上記した課題を解決するために講じた第１の技術的手段は、吸入ポートと吐出ポートとを有したポンプ室と、前記ポンプ室と外部とを分離する隔壁と、前記隔壁の前記ポンプ室側に配設された回転軸と、前記回転軸の一端に回転自在に支持されたインペラと、前記インペラと一体的に固定されて回転する誘導子と、前記隔壁の径方向外部に前記誘導子と対向する位置に配設され回転自在に軸支された磁着手段と、前記磁着手段に固定され前記磁着手段を回転駆動する回転駆動手段と、を備えた磁力駆動式ポンプにおいて、前記磁着手段を前記回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設け、前記駆動手段は内部圧力の変化により体積変化する密閉空間で構成され、前記密閉空間は前記磁着手段と前記誘導子との距離を変えるために前記磁着手段と共に前記回転軸の軸方向に移動可能なダイヤフラムと前記ダイヤフラムを保持する外筒とで構成されていることである。

第２の技術的手段は、吸入ポートと吐出ポートとを有したポンプ室と、前記ポンプ室と外部とを分離する隔壁と、前記隔壁の前記ポンプ室側に配設された回転軸と、前記回転軸の一端に回転自在に支持されたインペラと、前記インペラと一体的に固定されて回転する誘導子と、前記隔壁の径方向外部に前記誘導子と対向する位置に配設され回転自在に軸支された磁着手段と、前記磁着手段に固定され前記磁着手段を回転駆動する回転駆動手段と、を備えた磁力駆動式ポンプにおいて、前記磁着手段を前記回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設け、前記駆動手段は負圧ポンプの負圧により作動することである。

第３の技術的手段は、吸入ポートと吐出ポートとを有したポンプ室と、前記ポンプ室と外部とを分離する隔壁と、前記隔壁の前記ポンプ室側に配設された回転軸と、前記回転軸の一端に回転自在に支持されたインペラと、前記インペラと一体的に固定されて回転する誘導子と、前記隔壁の径方向外部に前記誘導子と対向する位置に配設され回転自在に軸支された磁着手段と、前記磁着手段に固定され前記磁着手段を回転駆動する回転駆動手段と、を備えた磁力駆動式ポンプにおいて、前記磁着手段を前記回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設け、前記駆動手段は前記回転軸の内部に配設され冷却水の温度により伸縮する感温駆動部材を有する磁力駆動式ポンプ。

第４の技術的手段は、第１又は２の技術的手段において、前記駆動手段の単位時間当たりの作動と非作動との時間配分により、吐出量が制御されることである。

第５の技術的手段は、第３の技術的手段において、前記感温駆動部材は熱応動部材と弾性部材とを有することである。

請求項１〜４の発明によれば、磁気駆動式ウォータポンプにおいて磁着手段および誘導子の、少なくとも一方を回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設けたことにより、磁着手段と誘導子との間に発生する磁力が制御できる。すなわち、冷却水の温度が低いエンジン冷間時には、磁着手段と誘導子との間に発生する磁力を少なくして誘導子と一体で回転するインペラの回転数を低くし、冷却水の流量を少なくすることにより冷却水温の上昇時間を短縮すると共に、エンジン負荷を減少し燃費の向上を図ることができる。

[００１１]段落の効果に加えて請求項１の発明によれば、駆動手段は内部圧力の変化により体積変化する密閉空間で構成されていることにより、簡易な構成で磁着手段および誘導子の、少なくとも一方の移動ができ、磁着手段と誘導子との間に発生する磁力が制御できる。

[００１１]段落の効果に加えて請求項２の発明によれば、駆動手段は圧力により作動することにより、負圧で磁着手段および誘導子の少なくとも一方の移動ができ、磁着手段と誘導子との間に発生する磁力を制御できる。

[００１１]段落の効果に加えて請求項３の発明によれば、駆動手段は負圧ポンプの負圧により作動することにより、負圧源である負圧ポンプのエンジンルーム内での配置に自由度がある。

[００１１]段落の効果に加えて請求項４の発明によれば、駆動手段は回転軸の内部に配設され冷却水の温度により伸縮する感温駆動部材を有することにより、冷却水温度により冷却水の流量を制御できる。

請求項５の発明によれば、駆動手段の単位時間当りの作動と非作動との時間配分により、吐出量が制御されるので、エンジンの暖機状態や負荷状態によって最適な吐出量に制御できる。

請求項６の発明によれば、感温駆動部材は熱応動部材と弾性部材とを有することにより、簡素な構成で冷却水の流量を制御できる。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。

＜第一の実施形態＞
図１は本発明の第一の実施形態を示すウォータポンプ（磁力駆動式ポンプ）１００である。ウォータポンプ１００は図示しない締結手段によりエンジンブロック９に固定されている。

ウォータポンプ１００は、主にエンジンブロック９に形成された吸入ポート７と吐出ポート８と、エンジンブロック９に形成される凹部９ａを蓋してポンプ室１０を画成するボディ１１０と、ポンプ室１０の内部で回転自在に保持され、回転によりポンプ室１０内で冷却水に流れを生じさせるインペラ１５と、インペラ１５を回転駆動する駆動機構５０とから構成される。

エンジンブロック９に形成されたポンプ室１０と外部１１とを隔てる非磁性体の隔壁１２には回転軸１３が固定されている。回転軸１３にはインペラ１５が回転自在に軸支されている。インペラ１５の背面には積層板からなるコア１６が一体固定され誘導リング１７とともに誘導子１８を形成している。誘導子１８の径方向外側には隔壁１２を隔てて対向する位置に永久磁石（磁着手段）２０が配設されている。永久磁石２０は周方向で分割されてＮ極とＳ極とが互い違いに設けられたものである。

永久磁石２０は磁性体からなるリング状のヨーク２６の内周に固定されており、中心に軸部を形成した非磁性体からなる皿状のダイヤフラム１９と一体化している。ダイヤフラム１９は軸方向に摺動可能な状態で外筒２１に保持されており、ダイヤフラム１９と外筒２１とはヨーク２６の摺動面に配設されたシール部材２２により、気密性が保たれた密閉空間（駆動手段）２３を形成している。

外筒２１のインペラ１５側の開放端には、永久磁石２０の軸方向位置を規制するために磁性体からなるストッパ１４が固定されている。ストッパ１４にはヨーク２６が当接して、永久磁石２０の軸方向位置を規制する。ストッパ１４にヨーク２６が当接した状態において、コア１６の軸方向中心１６ａは永久磁石２０の軸方向中心２０ａよりインペラ１５側に所定量偏芯している。

外筒２１はインペラ１５の反対側が一段細径となって軸部を形成し、プーリ（回転駆動手段）２４が一体固定されている。また、細径となった軸部の端部には気密性を有する軸受２７を介して負圧コネクタ２５が配設され、負圧制御弁４１を介して負圧源である負圧ポンプ４２に繋がっている。なお、負圧源としてエンジンの吸気負圧を利用しても良い。

次に、作動について説明する。

図１の上側は密閉空間２３に負圧が印加していない状態を示しており、下側は負圧が印加している状態を示している。

負圧が印加していない状態では、コア１６の軸方向中心１６ａは永久磁石２０の軸方向中心２０ａよりインペラ１５側に所定量偏芯しているので、永久磁石２０は磁力によりコア１６方向に吸引付勢されてヨーク２６がストッパ１４に当接している。ストッパ１４およびヨーク１６はいずれも磁性体であるので、互いに磁力により吸引しあっている。

図示しないベルトによりエンジンからの回転駆動力が伝達されてプーリ２４が廻されると、外筒２１とダイヤフラム１９とは一体となって回転し、ダイヤフラム１９の内周面に配設された永久磁石２０と誘導子１８との間の磁束の向きが変化する。密閉空間２３に負圧が印加していない図１の上側の状態では、ダイヤフラム１９の内周面に配設された永久磁石２０と誘導子１８との間に作用する磁束量は最大で、磁束の向きの変化により誘導子１８に発生する誘導電流は最大となり、磁力が最大となって、磁気誘導による伝達トルクが最大となる。すなわち、インペラ１５の回転力は最大となってポンプ吐出能力は最大となる。

一方、密閉空間２３に負圧が印加している図１の下側の状態では、ダイヤフラム１９は軸方向に誘導子１８から離れる方向に吸引されるため、ダイヤフラム１９の内周面に配設された永久磁石２０と誘導子１８との間に作用する磁束量は最小で、磁束の向きの変化により誘導子１８に発生する誘導電流が小さくなり、磁力が小さくなって、磁気誘導による伝達トルクが減少する。すなわち、インペラ１５の回転力は減少してポンプ吐出能力は小さくなる。

密閉空間２３に負圧が印加している図１の下側の状態から負圧の印加が解除されると、永久磁石２０とコア１６とは磁力により吸引し合い、密閉空間２３に負圧が印加していない図１の上側は状態になる。尚、図２に示すように永久磁石２０とコア１６との吸引力を補い、ダイヤフラム１９をインペラ１５側に付勢するスプリング２８を、密閉空間２３に配設してもよい。

エンジン高負荷時、あるいは冷却水温が高温時などの冷却性能が必要な際には密閉空間２３に負圧を印加することなくポンプ吐出能力を最大とし、エンジン低・中負荷時、あるいは冷却水温が低温時には、密閉空間２３に負圧を印加してダイヤフラム１９を軸方向に移動させ余剰な冷却水流量を低減し駆動力の低減を行うことができる。

このようにして、エンジン回転数、冷却水温、スロットル開度を基に、エンジン制御コンピュータが負圧制御弁に制御信号を出力して負圧をコントロールし、冷却水流量を常に必要最小限に最適制御する。

あるいは、負圧そのものを制御するのではなく、必要流量に応じて負圧制御弁を任意の周期内で作動（ＯＮ時間）と非作動（ＯＦＦ時間）を繰り返し、設定した時間内の平均流量を制御してもよい。図４は、その一例を示しており、例えば５〜１０秒間周期でＯＮ時間を設定時間の３０％、５０％、８０％とすることで、設定時間内の平均流量を、最大流量に対し３０％、５０％、８０％とすることができる。

このように、エンジン冷間時には冷却水量を少なくして早期暖機を図ると同時に、無駄な動力を低減し燃費向上を図ることができるのである。

＜第二の実施形態＞
図３は本発明の第二の実施形態を示すウォータポンプ（磁力駆動式ポンプ）２００である。第一の実施形態と同様の構成には同一の番号を付与し説明の詳細を省略する。

エンジンブロック９内に形成されたポンプ室１０と外部１１とを隔てる非磁性体の隔壁１２に円筒状の軸３０が固定されている。軸３０の内部には感温部材であるサーモワックス（駆動手段）３２を封入しロッド３３を摺動可能に包持したスライダ３１が摺動可能に配設されている。軸３０の外周には回転軸１３３が軸方向に摺動可能に配設され、インペラ１５が回転軸１３３に軸受１４を介して回転自在に軸支されている。軸３０の端部に配設されたコイルスプリング３４は回転軸１３３を軸３０の先端から離れる方向に付勢している。サーモワックス３２が膨張すると隔壁１２に当接しているロッド３３によりスライダ３１は軸方向に押動され、スライダ３１から径方向に突出しているピン３５で回転軸１３３を軸方向に押動する構成となっている。

インペラ１５の背面軸部１５ａには外周に積層板からなるコア１６が一体固定され誘導リング１７とともに誘導子１８を形成している。誘導子１８の径方向外側には隔壁１２を隔てて、有底円筒状の外筒２１１の内周面に永久磁石（磁着手段）２０が配設されている。外筒２１１は底部が一段細径となった軸部を形成し、プーリ（回転駆動手段）２４が一体固定されている。

次に、作動について説明する。

図２の上側は冷却水温が高い状態を示しており、下側は冷却水温が低い状態を示している。

図示しないベルトによりエンジンからの回転駆動力が伝達されてプーリ２４が廻されると外筒２１１が回転し、外筒２１１の内周面に配設された永久磁石２０と誘導子１８との間の磁束の向きが変化する。

冷却水温の低い状態では、サーモワックス３２は収縮しているのでスライダ３１はプーリ２４側に位置している。回転軸１３３もコイルスプリング３４によりプーリ２４側に付勢されているので、誘導子１８と永久磁石２０とは食い違う位置関係となって永久磁石２０と誘導子１８との間に作用する磁束量は最小で、磁束の向きの変化により誘導子１８に発生する誘導電流が小さくなり、磁気誘導による伝達トルクが減少する。すなわち、インペラ１５の回転力は減少してポンプ吐出能力は小さくなる。また、インペラ１５の先端とボディ９との距離ｄが離れている状態となるので、ポンプ２００の吐出量はさらに小さくなり、冷却水流量が少なくなって早期にエンジンが暖機することとなる。

エンジンが暖機状態となって冷却水温が上昇すると、サーモワックス３２が膨張するのでスライダ３１はボディ９側に移動する。スライダ３１から径方向に突出しているピン３５は、コイルスプリング３４の付勢力に逆らって回転軸１３３を軸方向のボディ９側に押動するので、誘導子１８も回転軸１３３とともに動いて永久磁石２０と対向する位置となる。すると、誘導子１８と永久磁石２０との間に作用する磁束量は最大で、磁束の向きの変化により誘導子１８に発生する誘導電流は最大となり、磁力が最大となって、磁気誘導による伝達トルクが最大となる。同時に、インペラ１５の先端とボディ９との距離ｄも最小隙間となって、ポンプ２００の吐出量は最大となるので、充分な冷却水流量によりエンジンを好適に冷却することができる。

本発明に係る第１の実施形態を表す断面図である。 本発明に係る第１の実施形態の変形例を表す断面図である。 本発明に係る第２の実施形態の変形例を表す断面図である。 本発明に係る第１の実施形態の作動パターンの一例を表す図である。

符号の説明

１００、２００・・・ウォータポンプ
７・・・吸入ポート
８・・・吐出ポート
１０・・・ポンプ室
１２・・・隔壁
１３，１３３・・・回転軸
１４・・・軸受
１５・・・インペラ
１８・・・誘導子
２０・・・永久磁石（磁着手段）
２３・・・密閉空間（駆動手段）
２４・・・プーリ（回転駆動手段）
２６・・・スプリング
３１・・・スライダ
３２・・・サーモワックス（駆動手段）
３３・・・ロッド

Claims (5)

1. 吸入ポートと吐出ポートとを有したポンプ室と、
   前記ポンプ室と外部とを分離する隔壁と、
   前記隔壁の前記ポンプ室側に配設された回転軸と、
   前記回転軸の一端に回転自在に支持されたインペラと、
   前記インペラと一体的に固定されて回転する誘導子と、
   前記隔壁の径方向外部に前記誘導子と対向する位置に配設され回転自在に軸支された磁着手段と、
   前記磁着手段に固定され前記磁着手段を回転駆動する回転駆動手段と、
   を備えた磁力駆動式ポンプにおいて、
   前記磁着手段を前記回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設け、
   前記駆動手段は内部圧力の変化により体積変化する密閉空間で構成され、前記密閉空間は前記磁着手段と前記誘導子との距離を変えるために前記磁着手段と共に前記回転軸の軸方向に移動可能なダイヤフラムと前記ダイヤフラムを保持する外筒とで構成されている磁力駆動式ポンプ。
2. 吸入ポートと吐出ポートとを有したポンプ室と、
   前記ポンプ室と外部とを分離する隔壁と、
   前記隔壁の前記ポンプ室側に配設された回転軸と、
   前記回転軸の一端に回転自在に支持されたインペラと、
   前記インペラと一体的に固定されて回転する誘導子と、
   前記隔壁の径方向外部に前記誘導子と対向する位置に配設され回転自在に軸支された磁着手段と、
   前記磁着手段に固定され前記磁着手段を回転駆動する回転駆動手段と、
   を備えた磁力駆動式ポンプにおいて、
   前記磁着手段を前記回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設け、
   前記駆動手段は負圧ポンプの負圧により作動する磁力駆動式ポンプ。
3. 吸入ポートと吐出ポートとを有したポンプ室と、
   前記ポンプ室と外部とを分離する隔壁と、
   前記隔壁の前記ポンプ室側に配設された回転軸と、
   前記回転軸の一端に回転自在に支持されたインペラと、
   前記インペラと一体的に固定されて回転する誘導子と、
   前記隔壁の径方向外部に前記誘導子と対向する位置に配設され回転自在に軸支された磁着手段と、
   前記磁着手段に固定され前記磁着手段を回転駆動する回転駆動手段と、
   を備えた磁力駆動式ポンプにおいて、
   前記磁着手段を前記回転軸の軸方向に移動させる駆動手段を設け、
   前記駆動手段は前記回転軸の内部に配設され冷却水の温度により伸縮する感温駆動部材を有する磁力駆動式ポンプ。
4. 請求項１又は２において、
   前記駆動手段の単位時間当たりの作動と非作動との時間配分により、吐出量が制御される磁力駆動式ポンプ。
5. 請求項３において、
   前記感温駆動部材は熱応動部材と弾性部材とを有する磁力駆動式ポンプ。

Images