JP5582336B2 - 車両用ウォータポンプ - Google Patents

Description

本発明は、流体の流量を可変する車両用ウォータポンプに関する。

従来技術として、特許文献１のウォータポンプは、ポンプハウジングと、ポンプハウジングに回転可能に収容されたインペラと、ポンプハウジングに対し回転可能に支持されると共に、動力が入力される軸体と、軸体とインペラとの間に設けられた動力伝達手段と、を備えている。動力伝達手段は、軸体と共に回転するように設けられた第一磁石部材（磁石）と、インペラと共に回転するように設けられた第二磁石部材（磁石）と、を有している。軸体に入力される動力は、第一磁石部材と第二磁石部材間との磁力を介してインペラに伝達し、インペラが回転することで流体を吐出する。第一磁石部材と第二磁石部材との軸方向の相対位置を可変する調整機構を備えることで、インペラが吐出する流体の流量を変える技術が開示されている。

また、特許文献２のウォータポンプは、内燃機関からの動力により回転する第一磁石部材（磁石）を備え、摺動可能に設けられたスライダを有するハウジングと、第一磁石部材の回転の伝達により回転する第二磁石部材（誘導子）を備え、回転により流体を送出するインペラを有する被駆動軸と、を備えている。ハウジングとスライダとの間に形成された圧力（負圧）室の圧力を変更することで、スライダが移動し、インペラに伝達される回転力の大きさを変更することで、流体の流量を変える技術が開示されている。

また、特許文献３のウォータポンプは、第一吐出口および第二吐出口を備えるポンプハウジングと、ポンプハウジング内に設けられたインペラと、インペラから送出された流体を第一吐出口および第二吐出口に対し送出可能な位置に切り替え可能に回転する回転弁と、少なくとも一つの制御翼と、を備えている。制御翼の回動に伴い回転弁は、第一吐出口とインペラとの間の連通を許容する第一の位置、第二吐出口とインペラとの間の連通を許容する第二の位置、両吐出口とインペラとの間の連通を遮断する第三の位置を切り替えることができる。回転弁の位置を切り替えることで、インペラが吐出する流体の吐出量を変える技術が開示されている。

特開２００７−２８５２６８号公報 特開２００８−１８５００３号公報 特開平１０−７７８３７号公報

しかしながら、特許文献１では、インペラの回転を止めてウォータポンプの流体の吐出を止めるには、プーリの回転に連動して回転する第一磁石部材（磁石）とインペラと一体に配設され回転する第二磁石部材（磁石）とを互いに磁力が干渉しない距離に遠ざける必要がある。そのためには、プーリの回転に連動して回転する第一磁石部材の移動範囲を軸方向に大きくする必要があるため、ウォータポンプが大型化し、車両搭載性が悪くなる。また、移動範囲が大きいと移動に必要なエネルギーが増える。そのため、移動手段を構成する電磁コイルの大型化、大電流化を招来する問題がある。

また、特許文献２では、圧力（負圧）室の機密性確保のためにスライダとハウジングとの間に配設されるシール部材は、高いシール性が要求されるためコストが高くなる問題がある。また、負圧供給部に用いられるシール部材は、高速回転による摩擦により劣化が生じるため、耐久性に問題がある。

また、特許文献３では、流体の吐出口を切り替える回転弁が必要なため、ウォータポンプが大型化し、車両搭載性が悪くなる問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、流体の流量を可変する可変機構の小型化により車両搭載が容易な車両用ウォータポンプを提供することを目的としている。

さらに、可変機構に使用される電磁コイルの小型化および省電力化、シール部材の廃止による低コスト化および耐久性向上、により車両搭載が容易な車両用ウォータポンプを提供することを目的としている。

上記の技術的課題を解決するために本発明に係る車両用ウォータポンプの特徴構成は、動力源から伝達された動力で回転駆動する動力伝達部材と、前記動力伝達部材に連動して回転し流体を吐出するインペラと、前記インペラを収容して前記動力伝達部材を回転可能に支持すると共に、前記インペラと前記動力伝達部材の間に位置するポンプハウジングと、を備える車両用ウォータポンプであって、前記動力伝達部材と一体回転する第一磁極部材と、前記第一磁極部材に連動して回転する第二磁極部材と、を有し、前記第一磁極部材は、前記第二磁極部材に対向して配設され、前記インペラは、前記第二磁極部材と連動して回転可能、かつ前記インペラの回転軸芯方向に移動可能に配設され、前記インペラを前記インペラの回転軸芯方向に移動させ、前記インペラと前記ポンプハウジングとの相対位置を変える移動手段を備え、前記移動手段は、通電により磁束を発生する電磁コイルと、前記電磁コイルの内周面に対向する位置に設けられ、かつ前記第二磁極部材の回転軸芯方向の一方に配設され、前記第二磁極部材の回転軸芯方向に前記第二磁極部材と一体に移動する凸部と、から構成され、前記電磁コイルにより発生した磁束により前記凸部が前記第二磁極部材の回転軸芯方向に移動する、ことである。

また、前記インペラは、前記インペラの回転に伴い流体が流入する流体流入部と、前記インペラの回転に伴い流体が吐出する流体吐出部と、を備え、前記流体吐出部の有効吐出面積は前記インペラと前記ポンプハウジングとの相対位置に応じて変わる、ことである。

また、前記電磁コイルが非通電の場合、前記インペラは、前記流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さい場所に位置する、ことである。

また、前記インペラは、付勢手段により前記インペラの回転軸芯方向に付勢される、ことである。

また、前記インペラは、前記付勢手段により前記インペラの回転軸芯方向に付勢されることにより、前記流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さい場所に位置する、ことである。

また、前記インペラは、前記インペラの回転開始に伴い回転軸芯方向に移動し流体の吐出量を増加させる、ことである。

このような構成にすれば、動力伝達部材に連動して回転し流体を吐出するインペラと、インペラとポンプハウジングとの相対位置を変える移動手段と、を備えることで、流体の流量を可変する可変機構を小型化でき、インペラが吐出する流体吐出量を変えることができる。内燃機関の運転状況によって、流体を循環する必要がない場合には、流体吐出量が減少するようにインペラを回転軸芯方向に移動させる。一方、流体を吐出する必要がある場合には、流体吐出量が増加するようにインペラを回転軸芯方向に移動させる。それにより、内燃機関等の運転状況に合わせて流体吐出量を制御することができ、内燃機関等の温度を最適の状態に維持することができ、燃費向上が図れる。また、インペラが移動し、インペラとポンプハウジングとの相対位置が変わることで、インペラが吐出する流体の流量を変えることができる。そのため、流体の流量を最大から最小（吐出量０を含む）にする場合のインペラの移動範囲は、インペラの回転軸芯方向におけるインペラの厚み程度に抑えることができ、従来技術に比べ、ウォータポンプが回転軸芯方向に大型化することを防止できる。それにより、流体の流量を可変する可変機構を小型化できるため、ウォータポンプを小型化でき、車両搭載性が向上する。

このような構成にすれば、インペラは流体流入部と流体吐出部とを備え、流体吐出部の有効吐出面積は、インペラとポンプハウジングとの相対位置に応じて変わるため、インペラが吐出する流体吐出量を変えることができる。内燃機関の運転状況によって、流体を循環する必要がない場合には、有効吐出面積が狭まる方向にインペラを移動して流体吐出量を減少させる。また、流体を循環する必要がある場合には、有効吐出面積が拡がる方向にインペラを移動して流体吐出量を増加させることができる。また、インペラの移動範囲は、有効吐出面積が最小（有効吐出面積が０の状態を含む）から最大の間でよい。そのため、従来技術に比べ、流体の流量を可変する可変機構を小型化できるため、ウォータポンプを小型化でき、車両搭載性が向上する。

このような構成にすれば、動力伝達部材と一体回転する第一磁極部材の磁力によって第二磁極部材が回転し、第二磁極部材の回転に連動してインペラが回転する。対向に配設されている第一磁極部材と第二磁極部材とは、磁力がおよぶ範囲であれば異なる空間に設けることができる。そのため、従来技術のような高いシール性を備えたシール部材等を廃することができ、低コスト化および耐久性向上が図れると共に、シール部材の摺動抵抗がなくなるため、インペラの回転が良好に行われる。

このような構成にすれば、凸部は、電磁コイルの内周面に対向する位置に設けられることで、電磁コイルを通電した場合に発生する磁束が効率よく凸部に作用して、凸部をインペラの回転軸芯方向に移動することができる。そのため、電磁コイルの小型化および省電力化が可能になるため、ウォータポンプを小型化でき、車両搭載性が向上する。また、凸部が移動することで、第二磁極部材とインペラとが回転軸芯方向に移動する。

このような構成にすれば、電磁コイルが非通電の場合、凸部をインペラの回転軸芯方向に移動させる磁束は発生せず、第二磁極部材とインペラとが回転軸芯方向に移動する力は生じない。その場合、流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さくなる場所に位置する。例えば、電磁コイルが非通電の場合であって、流体吐出部の有効吐出面積が最大になる位置にインペラが位置する場合と、流体吐出部の有効吐出面積が最大の半分程度になる位置にインペラが位置する場合とでは、後者の方が小さい移動量で流体吐出部の有効吐出面積を最小にすることができる。そのため、電磁コイルで発生する磁束密度は低くて済み、電磁コイルの小型化および省電力化が可能である。

このような構成にすれば、電磁コイルが非通電の場合、磁束は発生せず電磁コイルに第二磁極部材を回転軸芯方向に移動させる力は生じない。そのため、付勢手段の付勢力によりインペラの位置が定まる。したがって、インペラの流体吐出部の有効吐出面積は、付勢手段の付勢力により定まる。

このような構成にすれば、インペラは、付勢手段によって回転軸芯方向に付勢されることで流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さい場所に位置する。そのため、電磁コイルが発生する磁束と付勢手段とにより、流体吐出部の有効吐出面積を変えることができる。

このような構成にすれば、インペラの回転開始に伴い、流体吸引力によりインペラがインペラの回転軸芯方向に移動して流体吐出部の有効吐出面積を増加させる。それにより、例えば、電磁コイルが非通電であり、有効吐出面積が最大の半分程度になる位置にインペラが位置する場合でも、インペラが回転し流体を吐出することで、流体吸引力によりインペラがインペラの回転軸芯方向に移動する。そのため、有効吐出面積が増大する。

有効吐出面積が最大の状態である車両用ウォータポンプの断面図である。 有効吐出面積が最小の状態である車両用ウォータポンプの断面図である。 第二磁極部材の正面図である。 第二磁極部材のＡ−Ａ断面図である。 インペラの流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さい場所に位置する状態の車両用ウォータポンプの断面図である。

以下、本実施例について図面を参照して説明する。

図１は、有効吐出面積Ｓが最大の状態である車両用ウォータポンプ１の断面図である。車両用ウォータポンプ１は、ポンプハウジング１０とプーリ２０とインペラ３０と移動手段４０とを備えている。ポンプハウジング１０は、流体がプーリ２０側へ侵入するのを防ぐ隔壁１１を備えている。動力源（図示略）から伝達された動力により回転駆動するプーリ２０は、ベアリング２２を介してポンプハウジング１０に支持され、プーリ２０と一体回転する突起部２０ａの端部側に第一磁極部材２１（磁石）を備えている。また、第一磁極部材２１は隔壁１１の外周に配設される。インペラ３０は、回転軸芯であるシャフト３４の長さ方向に対して移動可能に取り付けられている。また、シャフト３４は隔壁１１に圧着固定されている。インペラ３０は、流体流入部３１と流体吐出部３２とを備えており、流体流入部３１の反対側に第二磁極部材３３（かご型誘導子）と一体回転するように構成される。第二磁極部材３３は、インペラ３０の回転軸芯方向におけるインペラ３０の反対側に凸部３３ａを備えている。また、移動手段４０は、凸部３３ａと凸部３３ａの外側に配置される電磁コイル４１とにより構成されている。また、第二磁極部材３３と一体に設けられた凸部３３ａの端部側には付勢部材４２ａが設けられ、インペラ３０の端部側には付勢部材４２ｂが設けられる。付勢部材４２ａと付勢部材４２ｂは、それぞれインペラ３０が所定の場所に位置するように回転軸芯方向に付勢する。

インペラ３０の回転軸芯方向の位置によって、流体流入部３１側のインペラ３０が備える流体吐出部３２とポンプハウジング１０が備える隔壁１１とにより形成される有効吐出面積Ｓが定まり、流体吐出部３２から吐出される流体吐出量が定まる。

電磁コイル４１が非通電であって、流体吐出部３２と隔壁１１とによって形成される有効吐出面積Ｓが最大の場合、流体吐出量は最大になる。

図２は、有効吐出面積Ｓが最小の状態である車両用ウォータポンプ１の断面図である。電磁コイル４１の通電に応じて回転軸芯方向に移動可能なインペラ３０が電磁コイル４１側に移動することで、流体吐出部３２と隔壁１１とによって形成される有効吐出面積Ｓが最小の状態になり、流体吐出量が最小になる。

つまり、電磁コイル４１を通電した場合、磁束が発生し、凸部３３ａがプーリ２０側に引き寄せられる。そのため、凸部３３ａと一体に移動する第二磁極部材３３とインペラ３０は、インペラ３０の回転軸芯であるシャフト３４に沿ってプーリ２０側に移動する。インペラ３０の移動により有効吐出面積Ｓが減少し、流体吐出量が減少する。有効吐出面積Ｓが最小の状態になった場合、インペラ１０の流体吐出量が最小になる（有効吐出面積Ｓが０（吐出量が０）の状態も含む）。

図３は、第二磁極部材３３の正面図である。第二磁極部材３３は、凸部３３ａと、鉄心部３３ｂと、鉄心部３３ｂの間に導通部３３ｃと、を備えている。鉄心部３３ｂは、ケイ素鋼板を複数枚重ね合わせ、接着剤等により一体に形成される。また、導通部３３ｃは、鉄心部３３ｂをアルミダイガストで鋳ぐるみして、一体成形される。鉄心部３３ｂに用いられるケイ素鋼板は、一般的に絶縁皮膜により皮膜されている。そのため、鉄心部３３ｂの板厚方向には電流が流れず、導通部３３ｃに誘導電流が流れる。

図４は、第二磁極部材３３のＡ−Ａ断面図である。導通部３３ｃは鉄心部３３ｂを内包する。円筒形の凸部３３ａは、電磁コイル４１が発生する磁束に引き寄せられる磁性体であり、鉄心部３３ｂに接着や溶接によって一体成形される。

図５は、インペラ３０の流体吐出部３２の有効吐出面積Ｓが０より大きく最大より小さい場所に位置する状態の車両用ウォータポンプ１の断面図である。付勢部材４２ａと付勢部材４２ｂの付勢力をあらかじめ調節することで、電磁コイル４１が非通電の場合、流体吐出部３２と隔壁１１によって形成される有効吐出面積Ｓは、図１で示した場合の有効吐出面積Ｓの半分程度になる。そのため、有効吐出面積Ｓからの流体吐出量は、図１で示した場合の最大吐出量の半分程度にすることができる。

次に、動作について説明する。

上記構成において、内燃機関等の動力源（図示略）から伝達された動力によりプーリ２０が回転駆動する。プーリ２０が回転駆動すると、プーリ２０に連動して隔壁１１の外周にある第一磁極部材２１が回転することで、隔壁１１内の磁束が急激に変化する。磁束が急激に変化するため、電磁誘導作用により、フレミングの右手の法則に従って、磁束および第一磁極部材２１の回転方向それぞれに対して垂直方向にある第二磁極部材３３の導通部３３ｃに電流が流れる。そして、導通部３３ｃに電流が流れ、プーリ２０の回転に連動して第一磁極部材２１が回転することで、電磁力により、フレミングの左手の法則に従って、導通部３３ｃに電流と磁束それぞれに対して垂直方向、つまりシャフト３４の周方向に力が発生し、第二磁極部材３３は回転する。第二磁極部材３３が回転することで、第二磁極部材３３と一体に形成されたインペラ３０が回転する。そして流体は、インペラ３０の流体流入部３１に流入し、インペラ３０の回転による遠心力を受けて、流体吐出部３２から吐出する。吐出した流体は、内燃機関、ラジエータや車内ヒータ等を通過しながら車両に形成される流体の流路を循環する。

また、電磁コイル４１を通電の状態にした（磁束を発生させた）場合は、磁性体である凸部３３ａと一体に移動可能に配設された第二磁極部材３３および第二磁極部材３３と一体に移動可能に配設されたインペラ３０は、シャフト３４に沿ってプーリ２０側に移動する。これにより、流体吐出部３２と隔壁１１によって形成される有効吐出面積Ｓが減少し、流体吐出量が減少する。また、電磁コイル４１に流す電流を増加させ、有効吐出面積Ｓが図２のように最小になる場合、流体吐出量は最小の状態になる（有効吐出面積Ｓが０（吐出量が０）の状態も含む）。

次に、電磁コイル４１を通電から非通電の状態にした（磁束を発生させない）場合は、電磁コイル４１により凸部３３ａをプーリ２０側に移動させる力が凸部３３ａに作用しない。そのため、凸部３３ａの端部側とインペラ３０の端部側のそれぞれに備えられた付勢部材４２ａと付勢部材４２ｂの付勢力の釣り合いによって、インペラ３０と第二磁極部材３３は、シャフト３４に沿ってプーリ２０反対側に移動する。この際に、流体吐出部３２と隔壁１１によって形成される有効吐出面積Ｓが増加するため、流体吐出量が増加する。電磁コイル４１が非通電のときに、凸部３３ａの端部側と流体流入部３１側のインペラ３０の端部側とにそれぞれに備えられた付勢部材４２ａと付勢部材４２ｂとの付勢力が釣り合う位置がインペラ３０の初期位置となる。また、有効吐出面積Ｓが図１のように最大になる場合、流体吐出量は最大になる。

次に、効果について説明する。

上記動作において、インペラ３０を回転軸芯方向に移動させ、流体吐出部３２と隔壁１１によって形成される有効吐出面積Ｓを変えることで、流体吐出量を変えることができる。そのため、内燃機関等の運転状況に応じて電磁コイル４１の電流を通電または非通電にすることで、内燃機関の温度を最適になるように流体吐出量を制御することができ、燃費向上を図ることができる。また、電磁コイル４１の内側に凸部３３ａを配設することで、電磁コイル４１を通電した場合に発生する磁束を効率よく凸部３３ａに作用させ、インペラ３０を移動することができる。そのため、電磁コイル４１を小型化することが可能で、ウォータポンプが小型化でき、従来技術に比べて車両搭載性が向上する。

また、インペラ３０の初期位置を流体吐出部３２の有効吐出面積Ｓが０より大きく最大より小さくなる位置とすることで、電磁コイル４１が小型化および省電力化が可能になる。例えば、図５のように有効吐出面積Ｓが最大に比べて半分となるようにインペラ３０の初期位置が設定されている場合、有効吐出面積Ｓを最小の状態にするために必要な移動量は、図１のように有効吐出面積Ｓが最大の状態となるようにインペラ３０の初期位置が設定されている場合に比べて半分でよい。そのため、電磁コイル４１が発生する磁束密度は低くてよく、電磁コイル４１を小型化することでウォータポンプを小型化でき、従来技術に比べて車両搭載性が向上する。

尚、本発明に係る構成は、上記実施例の記載に限定されず、以下の構成を採用してもよい。

付勢部材４２ａと付勢部材４２ｂは、バネに限定されず、例えばゴムなどの弾性部材を用いてもよい。

第一磁極部材２１は、突起部２０ａの端部に備えられているが、プーリ２０を大型にすることで、隔壁１１を介して誘導子３３に対向するプーリ２０の壁面に配設する構造も可能である。

本実施例は、導通部３３ｃにアルミニウムを用いているが、例えば銅のように電流が流れる材質であればよい。

本実施例は、電磁コイル４１を通電した場合、流体吐出量が減少する構造である。しかし、凸部３３ａに磁石等の強磁性体を用いることで、電磁コイル４１を通電した場合、流体吐出量を増加する構造も可能である。

また、図１のように、シャフト３４の径方向に磁気的な結合が生じるように第一磁極部材２１と第二磁極部材３３とを対向配置した場合において、第一磁極部材２１に磁石を用い第二磁極部材３３に磁石を用いた場合、第一磁極部材２１に磁石に吸引される磁性体からなる誘導子を用い第二磁極部材３３に磁石を用いた場合、何れの場合でも同様の作用効果を奏する。
さらに、シャフト３４の長手方向に対して平行に磁気的な結合が生じるように第一磁極部材２１と第二磁極部材３３とを対向配置した場合でも、インペラ３０は回転可能な構成となる。上記構成において、第一磁極部材２１に磁石を用い第二磁極部材３３に磁石を用いた場合、第一磁極部材２１に磁石を用い第二磁極部材３３に磁石に吸引される磁性体からなる誘導子を用いた場合、第一磁極部材２１に磁石に吸引される磁性体からなる誘導子を用い第二磁極部材３３が磁石を用いた場合、何れの場合でも同様の作用効果を奏する。

１・・・ウォータポンプ
１０・・・ポンプハウジング
２０・・・プーリ（動力伝達部材）
３０・・・インペラ
４０・・・移動手段

Claims (6)

1. 動力源から伝達された動力で回転駆動する動力伝達部材と、
   前記動力伝達部材に連動して回転し流体を吐出するインペラと、
   前記インペラを収容して前記動力伝達部材を回転可能に支持すると共に、前記インペラと前記動力伝達部材の間に位置するポンプハウジングと、
   を備える車両用ウォータポンプであって、
   前記動力伝達部材と一体回転する第一磁極部材と、
   前記第一磁極部材に連動して回転する第二磁極部材と、を有し、
   前記第一磁極部材は、前記第二磁極部材に対向して配設され、
   前記インペラは、前記第二磁極部材と連動して回転可能、かつ前記インペラの回転軸芯方向に移動可能に配設され、
   前記インペラを前記インペラの回転軸芯方向に移動させ、前記インペラと前記ポンプハウジングとの相対位置を変える移動手段を備え、
   前記移動手段は、
   通電により磁束を発生する電磁コイルと、
   前記電磁コイルの内周面に対向する位置に設けられ、かつ前記第二磁極部材の回転軸芯方向の一方に配設され、前記第二磁極部材の回転軸芯方向に前記第二磁極部材と一体に移動する凸部と、から構成され、
   前記電磁コイルにより発生した磁束により前記凸部が前記第二磁極部材の回転軸芯方向に移動する、
   ことを特徴とする車両用ウォータポンプ。
2. 前記インペラは、
   前記インペラの回転に伴い流体が流入する流体流入部と、
   前記インペラの回転に伴い流体が吐出する流体吐出部と、を備え、
   前記流体吐出部の有効吐出面積は前記インペラと前記ポンプハウジングとの相対位置に応じて変わる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の車両用ウォータポンプ。
3. 前記電磁コイルが非通電の場合、
   前記インペラは、前記流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さい場所に位置する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ウォータポンプ。
4. 前記インペラは、
   付勢手段により前記インペラの回転軸芯方向に付勢される、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用ウォータポンプ。
5. 前記インペラは、
   前記付勢手段により前記インペラの回転軸芯方向に付勢されることにより、
   前記流体吐出部の有効吐出面積が０より大きく最大より小さい場所に位置する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の車両用ウォータポンプ。
6. 前記インペラは、前記インペラの回転開始に伴い回転軸芯方向に移動し流体の吐出量を増加させる、
   ことを特徴とする請求項３または５に記載の車両用ウォータポンプ。

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