JP6283400B2 - 省エネルギーかつ耐久性の高い自動車用電動ウォーターポンプ - Google Patents

Description

本発明は、電動ウォーターポンプの分野に属するものであり、省エネルギーかつ耐久性の高い自動車用電動ウォーターポンプに関する。

自動車用ウォーターポンプは、エンジン冷却液を輸送する装置であり、駆動方式により機械ポンプと電動ポンプがある。電動ポンプは、炭素ブラシがあるかによりブラシがあるポンプとブラシがないポンプに分けられる。機械ポンプは、エンジンで駆動され、ポンプの回転速度とエンジンの回転速度とが固定比率となり、低速かつ高負荷の場合に放熱要求の満たすことができない。そして、エンジンの停止時には、新エネルギーを使用する自動車のメイン駆動モータや他の構成の冷却要求ばかりでなくキャンピングカーの給水要求も満たすことができない。

ブラシ電動ウォーターポンプは、耐電磁干渉性能が乏しく、ブラシが、他の電子部品を妨害しうるスパークを発生させやすい。同時に、炭素ブラシの摩耗によって、ブラシ電動ポンプは寿命も短くなり、新エネルギーを使用する自動車に適さない。従って、ＤＣブラシレスポンプは、ますます多くハイエンド自動車や新エネルギー自動車、キャンピングカーなどに適用されるようになろう。

ここで、自動車用ポンプは、下記の問題がある。
（１）ＤＣブラシレス磁気駆動ポンプの磁石とインペラは、インジェクションを貫いて一体的に構成されたローターの中にモールド形成されている。高性能のセラミック軸によってハウジング内に固定されたローターの中心にはスリーブがあり、モータのステータ部と回路基板とをポンプの中にエポキシ樹脂でシールされている。従って、従来のウォーターポンプは、製造技術がむずかしく、製造コストの高く、修理が難しく、媒質漏れが生じ、防水効果がよくない、という問題があり、モータの使用に影響を及ぼす。

例えば、ＤＣブラシレス自動車用電動ウォーターポンプという名称の公開公報CN 204591691Uのように、従来の電動ポンプには、ローターとインペラとが分割されたものがある。ディスタンススレーブを用いて、ローターを適応させるキャビティを有し、このキャビティの内底面の中心にポンプ軸を固定するための取り付け突起がある。そして、ポンプ軸の一端が回転や軸方向に動かないよう取り付け突起に挿入され、ポンプ軸の他端は、異なる空間にローターとインペラを分けるために、ポンプ先にある軸先ブラケット中のブッシュ中に挿入される。これにより、ウォーターポンプの媒質漏れの問題を効果的に防止するが、構成が複雑であり分解しにくいという問題がある。また、上記ＤＣブラシレス自動車用電動ポンプの出水口は、インペラに対面しており、インペラの加速を介した遠心力によって、流水が高速に流れ出す。また、ポンプの騒音が大きく、作動が不安定で寿命の短くなる。

（2）また、電動ポンプの作動中には、モータの動作によるモータ温度の上昇が早く、作動中に高温状態が維持され、コントローラが故障しやすい。コントローラが焼き付きやすく、使用寿命も短くなる。既存の制御器の冷却装置は、一般に、ヒートシンクやシリコンパッドを設置して、温熱と冷熱の空気交換で制御器の温度を低くしている。しかしながら、ヒートシンクとシリコンパッドは空気熱交換の方法で放熱を行っているものの、熱交換によって生じた温熱空気は、モータの長時間の運用時や適時に、ポンプから排出することができず、放熱効果は徐々に減少する。他方で、ヒートシンクやシリコンパッド自体の放熱効果はあまりよくなく、効果的にコントローラの温度を低くすることができない。

（3）インペラと電動ポンプのローターは、回転軸によって一緒に組み付けられるが、通常、回転軸はグラファイト軸である。作動中に回転や軸方向の動きがあり、軸方向への動きは、グラファイト軸にダメージを与え、モータの動作を不安定にする。既存の組み立て方式は、一般的に、回転軸にインペラとローターを一体的に射出成形することが適用されるが、回転軸の一端が隔離スレーブの取り付け突起に固定され、もう一端が軸を通じてポンプハウジングに固定される。ローターは高速に回転するため、上記の組み立て方式では軸方向の動きの問題を解決することができない。

本発明は、省エネルギーかつ耐久性の高い自動車用電動ウォーターポンプを提供し、動作が安定し、使用寿命が長いといった利点を有し、上述した問題を解決する。

上述した問題を解決するため、本発明である省エネルギーかつ耐久性の高い自動車用電動ウォーターポンプは、
固定支持部材と、電気的コネクターと、モータのリアカバーと、コントローラアセンブリと、モータアセンブリと、隔離スレーブと、インペラアセンブリと、ポンプハウジングと、を備える。そして、上記隔離スレーブは、容器部を有し、当該容器部の底面の中心に円柱形突起が形成されており、当該円柱形突起の中心に孔が形成されており、当該孔に回転軸が挿入されている。
また、上記固定支持部材と電気的コネクターとは、モータのリアカバーの外側端面に設置されており、上記コントローラアセンブリは、モータのリアカバーに連結しており、当該モータのリアカバーは、上記モータアセンブリと連結している。
また、上記インペラアセンブリは、上記回転軸に通じて上記隔離スレーブと一体的に組み付けられており、当該隔離スレーブの容器部を上記モータアセンブリの内部に挿入して、当該モータアセンブリと前記インペラアセンブリを隔離している。
さらに、コントローラアセンブリに水冷機構を設置した、という構成をとる。

また、本発明では、上記水冷機構は、熱交換器と給水管と出水管とを有し、給水管の一端をポンプの出水口に接続し、他端を熱交換器を通じて出水管に接続し、当該出水管を熱交換器から離間させてポンプの給水口に接続する、という構成をとる。
自動車用電動ウォーターポンプ。

また、本発明では、上記給水管と上記出水管を、上記モータハウジングと上記ポンプハウジングの外壁あるいは内部に設置した、という構成をとる。

また、本発明では、上記熱交換器がコイル熱交換器である、という構成をとる。

また、本発明では、上記容器部の上端は、外側に向かって広がって形成されており、外側に向かって順に、支持部、環状突起部、段差部、が形成されており、上記環状突起部上に出水通路を設けた、という構成をとる。

また、本発明では、上記出水通路は、徐々に大きくなる螺旋状のＵ字状溝を有しており、当該出水通路の給水口と出水口との交わる箇所にオーバーフロー口を設置し、さらに、当該出水通路の出水口に遮蔽シートを設けた、という構成とる。

また、本発明では、上記インペラアセンブリは、ローターとインペラとを含み、当該ローターとインペラとが一体的に射出成形されている、という構成をとる。

また、本発明では、上記モータハウジングの外部にゴムブラケットを設け、当該ゴムブラケットに形成された孔にモータハウジングの外周が締まり嵌めされる、という構成をとる。

また、本発明では、上記ローターと上記環状突起部との間に、調整用ガスケットを備えた、という構成をとる。

また、本発明では、上記回転軸は上記インペラアセンブリに挿入されて、端面軸受を介して上記ポンプハウジングに組み付けられる、という構成をとる。

また、本発明では、上記回転軸の頂部に、当該頂部側から押し込まれた上記インペラアセンブリの軸方向の動きを規制する制限機構を設けた、という構成をとる。

本発明では、コントローラアセンブリに水冷機構を設置している。そして、水冷機構とモータウォータポンプとが一緒に一つの水循環システムを共有しており、構造が簡易である。このため、効果的にコントローラアセンブリを冷却でき、ポンプの使用寿命を改善することができる。

また、本発明では、ウォーターポンプの構造が簡易であり、隔離スレーブによってモータアセンブリとインペラアセンブリとを隔離している。そして、隔離スレーブに出水通路を設置することで、冷却水をモータアセンブリとコントローラアセンブリに浸水することを抑制しており、電気システムを守る機能を有する。これに加え、隔離スレーブによってモータアセンブリとインペラアセンブリとを隔離する方式の製造技術は簡単であり、製造コストも低く、効果的に電動ウォーターポンプの騒音を低減させ、電動ポンプの使用寿命を延ばすことができる。

また、本発明では、電動ポンプの回転軸の頂部にインペラアセンブリの制限機構を設置することで、稼働時のローターの軸方向の動きを規制する機能を有する。これにより、回転軸の高速稼働時における軸方向の動きを有効に抑制し、自動車用電動ポンプの寿命や動作安定性が向上する。

本発明の実施例あるいは技術的解決方法を明確に示すために、以下に、実施例あるいは技術的解決方法の説明に必要な図面を簡単に説明する。もちろん、以下の図面は、本発明のいくつかの実施例にすぎず、この技術分野の通常の知識を有する技術者にとって、創造的な試みを行わないことを前提として、他の図をとることができる。

図１は、実施例１における電動ウォーターポンプの分解図である。 図２は、実施例１における電動ウォーターポンプの構造図である。 図３は、実施例１におけるモータのリアカバーとコントローラアセンブリの構造図である。 図４は、実施例１におけるコイル熱交換器の構造図である。 図５は、実施例１におけるモータアセンブリの構造図である。 図６は、実施例１における隔離スレーブの正面図である。 図７は、実施例１におけるインペラアセンブリの構造図である。 図８は、実施例２における隔離スレーブの正面図である。 図９は、実施例２における隔離スレーブの平面図である。 図１０は、実施例３における隔離スレーブの正面図である。

図において、符号１は固定支持部材、符号２は電気的コネクター、符号３はモータのリアカバー、符号４はシリコンゴムガスケット、符号５は熱交換器、符号５−１はハウジング熱交換器、符号５−２はコイル熱交換器、符号６はガスケット、符号７はコントローラアセンブリ、符号８はモータアセンブリ、符号８−１はモータハウジング、符号８−２はステータコア、符号８−３はステータフレーム、符号８−４はエナメル線、符号８−５はPCB、符号８−６は三相リード、符号９はゴムブラケット、符号１０はブッシュ、符号１１はＯリング、符号１２は隔離スレーブ、符号１２−１は段差部、符号１２−２は環状突起、符号１２−３は支持部、符号１２−４は円柱形突起部、符号１２−５は回転軸、符号１２−６は容器部、符号１２−７は出水通路、符号１２−８は遮蔽シート、符号１２−９はオーバーフロー口、符号１２−１０はインペラアセンブリの制限機構、符号１３は調整ガスケット、符号１４はインペラアセンブリ、符号１４−１はインペラ、符号１４−２はローター、符号１５は端面軸受、符号１６はシールリング、符号１７はポンプハウジング、符号１８は締切蓋、符号１９は出水管、符号２０は給水口、符号２１は出水口、符号２２は給水管である。

以下、本発明の実施例における技術的解決方法の詳細を、図面と共に説明する。もちろん、記載した実施例は、本発明の全体の一部に過ぎない。本発明の分野における通常の知識を有する者が、本発明の実施例に基づいて創造的作業を行わないことを前提として得たすべての他の実施例は、いずれも本発明の技術的範囲に属する。

＜実施例１＞
図１に示すように、省エネルギーかつ耐久性の高い自動車用電動ポンプは、固定支持部材１、電気的コネクター２、モータのリアカバー３、コントローラアセンブリ７、モータアセンブリ８、隔離スリーブ１２、インペラアセンブリ１４、ポンプハウジング１７、を備える。

図２に示すように、固定支持部材１と電気的コネクター２とは、モータのリアカバー３の外側端面に組み付けられる。コントローラアセンブリ７は、モータのリアカバー３の内側端面に組み付けられ、モータのリアカバー３は、モータアセンブリ８と一緒に組み付けられる。

図５に示すように、本発明のモータアセンブリ８は、給電用の三相リード８−６、三相リードを固定するＰＣＢ８−５（プリント回路基板）、巻き付けられた状態で電流が流れることによってモータローター１４−２を回転させる磁界を生成するエナメル線８−４、ステータコア８−２を固定するステータフレーム８−３、導磁性であり磁束を集め磁力線を発散させないステータコア８−２、ステータフレーム８−３とステータコア８−２とポンプハウジング１７とリアカバー３とを１つのユニットとして一緒に組み付けるモータハウジング８−１、を備える。

本発明において、コントローラアセンブリ７は、プリント配線であり、電子部品の間の電気接続と当該電子部品の固定を行う。そして、コントローラアセンブリ７は、集積回路を通じて設定された方向、速度、角度や応答時間のとおりにモータを制御して、モータの応用範囲を広げ、高い出力効率や低ノイズといった特性がある。

図６に示すように、本実施例の隔離スレーブ１２は、凹状の容器部１２−６を有しており、容器部１２−６の内底面の中心に円柱形突起部１２−４が形成されている。円柱形突起部１２−４の中心には孔が形成されており、この孔に回転軸１２−５が挿入されている。また、隔離スレーブ１２の容器部１２−６自体がステータの内部に挿入され、モータアセンブリ８とインペラアセンブリ１４を隔離する。つまり、モータアセンブリ８とインペラアセンブリ１４との間に、隔離スレーブが介挿された状態となっている。

図７に示すように、本発明のインペラアセンブリ１４は、ローター１４−２とインペラ１４−１を含み、ローター１４−２とインペラ１４−１とが一体的に射出成形されている。一体的に射出成形されたローター１４−２とインペラ１４−１は、それら間の気密性を効果的に改善し、使用寿命も延びる。

ローター１４−２とインペラ１４−１の組み付け方式は、他の方式を用いてもよい。例えば、ボルトで固定してもよいが、その場合には、密閉に注意すべきである。

上述した隔離スレーブ１２に設けられた回転軸１２−５はインペラアセンブリ１４に挿入され、端面軸受１５を介してポンプハウジング１７に組み付けられる。端面軸受１５は、回転軸の軸力を支持するために用いられるセクションベアリングやプレーンベアリングと呼ばれる。

本発明の電動ウォーターポンプは、コントローラアセンブリ７に水冷機構を設けている。

図３に示すように、本発明の水冷機構は、熱交換器５と給水管２２と出水管１９を有する。熱交換器５は、コントローラアセンブリ７の背面に設置される。給水管２２と出水管１９は、モータハウジング８−１とポンプハウジング１７の内部あるいは外壁に設置される。給水管２２の一端は、ポンプの出水口２１に接続され、他端は熱交換器５の給水端に接続される。出水管１９の一端は、ポンプの給水口２０と接続され、他端は、熱交換器５の出水端に接続される。つまり、給水管２２は、一端がポンプの出水口２１に接続され、他端が熱交換器５を通じて出水管２２に接続されている。そして、出水管１９は、一端が熱交換器５と接続され、他端は熱交換器から離間したポンプの吸水口２０に接続されている。

図３に示すように、本実施例では、コントローラアセンブリ７の後方側に、ガスケット６、ハウジング熱交換器５−１、シリコンゴムガスケット４を、かかる順番で設置し、ボルトでモータのリアカバー３に組み付けられる。ガスケットは、シリコンシリカゲルやシリコン樹脂で形成されている。本実施例におけるハウジング換熱器５−１は、給水口と出水口が設けられた丸い箱体である。本実施例における給水管２２と出水管１９は、モータハウジング８−１とポンプハウジング１７内に設置された通路である。出水口と給水管２２はネジで接続され、給水口と出水管１９もネジで接続される。給水管２２と出水管１９は、モータハウジング８−１とポンプヘッドハウジング１７内に設けられた管路であり、モータハウジング８−１とポンプハウジング１７内の通路内の管路は、ねじ込み継ぎ手で接続される。但し、他の方法で接続されてもよい。

本実施例では、熱交換器５はコントローラアセンブリ７の後方に設置されており、熱交換器５とウォーターポンプは、管路を介して一つの動力源を共用している。これにより、コントローラアセンブリ７の運用問題を効果的に削減し、ウォーターポンプに新たな動力源を追加すること無く構造も簡易となる。

本発明において、熱交換器５はほかの方式を使ってもよい。例えば、プレートフィンラジエータや図４に示すようなコイル熱交換器５−２を用いてもよい。コイル熱交換器５−２を用いることで、コイルと給水管２２と出水管１９とを一体に成形でき、給水管２２と出水管１９は、モータハウジング８−１とポンプヘッドハウジング１７に形成された溝に取り付けられる。また、給水管と出水管は、モータハウジングとポンプヘッドハウジングの外壁に固定される。上記構造により、熱交換器５の全体気密性がよくなり、コントローラアセンブリ７に影響を与える流路における水漏れを効果的に抑制することができる。

本実施例の好ましい形態では、モータハウジング８−１の外側にゴムブラケット９を備える。ゴムブラケット９には、内孔である貫通孔が形成されており、かかる貫通孔にモータハウジング８−１が締まり嵌めされる。ゴムブラケット９の内孔にはブッシュ１０が配置される。二つのブッシュ１０は、ゴムブラケット９に対応して取り付けられ、ゴムブラケット９はモータハウジング８−１の外周を覆って取り付けられる。ゴムブラケット９は、制震作用があり、ブッシュ１０を追加することで、ネジのトルクを増加させて緩みを防止できる。隔離スレーブ１２とモータハウジング８−１は、ボルトで組み付けられる。モータハウジング８−１と隔離スレーブ１２の間にはＯリング１１が設けられる。

本発明では、ローター１４−２と円柱形突起１２−４との取り付け位置を簡単かつ迅速に調整してローター１４−２が適切な位置となるよう、ローター１４−２と環状突起１２−２との間に調整ガスケット１３を設けている。

本発明では、出水管１９と給水管２２に締切蓋１８を設けており、ほこりや異物からポンプを保護している。

＜実施例２＞
本実施例の構成は、実施例１とほぼ同様である。但し、図８及び図９に示すように、隔離スレーブ１２の容器部１２−６の上端縁が外側へ広がって延設されており、内側から外側に向かって順番に、支持部１２−３、環状突起１２−２、段差部１２−１を形成している。そして、環状突起１２−２に出水通路１２−７を設ける。

隔離スレーブ１２の段差部１２−１はポンプハウジング１７に対応しており、隔離スレーブ１２は、シール効果を有するガスケットの機能を果たす。段差部１２−１の上段及び下段には、それぞれシールリング１６を設ける。上側のシールリング１６は、ポンプヘッドハウジング１７の内腔の水の漏れの防止し、下側のシールリング１６は、モータアセンブリ８とコントローラアセンブリ７が配置されている内腔に、外部の水が入ることを防止する。

本実施例では、出水通路１２−７の主な機能は、インペラ１４−１から遠心作用により流れ出た後の水流の移動距離を増加させ、流速を減少させることである。これにより、タンク内の水の状態に影響を与えずに、水がスムーズにタンク内に戻るよう流れることとなる。なお、出水通路１２−７の形状は、円形や四角形など状況に応じて異なる。図９に示すように、好ましい形態では、出水通路１２−７は徐々に大きくなる螺旋状のＵ字状溝を有する。出水通路１２−７の給水口２０と出水口２１との交わる箇所にオーバーフロー口１２−９を設置し、さらに、出水通路１２−７の出水口２１に遮蔽シート１２−８を設ける。徐々に大きくなる螺旋状のＵ字状溝は、流れの工程で水路を徐々に大きくして流速を遅くし、出水口の流速を適当な速度にする。これにより、ウォータータンク内の状態の妨げとならず、騒音を低くして、ポンプの寿命が向上する。オーバーフロー口１２−９は、さらに水流の安定性が改善されるよう、水流の出水と給水とがバランスよく維持されるようにする。遮蔽シートは、出水の水流を効果的に遮って、水が段差部１２−１に入ることやポンプの機密性に影響を与えることを防ぐ。

ポンプハウジング１７には出水通路１２−７に対応した溝が設けられており、水路を形成している。本発明では、隔離スレーブ１２の各構成は一体的に射出成形されている。

＜実施例３＞
本実施例は、実施例２とほぼ同様である。但し、図１０に示すように、回転軸１２−５の頂部にインペラアセンブリの制限機構１２−１０を有する点で異なる。このインペラアセンブリの制限機構１２−１０は、回転軸１２−５の頂部から押し込まれる。インペラアセンブリの制限機構１２−１０は、インペラアセンブリの軸方向の動きを制限するために、回転軸にかぶせられたソケットの形態となっている。

回転軸１２−５の頂部からインペラアセンブリの制限機構１２−１０を押し込むことで、インペラアセンブリの制限機構１２−１０とインペラアセンブリリ１４との間のすきまを効果的に減少させ、作動中におけるインペラアセンブリ１４の軸方向の動きを減少させる。これにより、電動ウォーターポンプの使用寿命を延ばすことができる。

＜本発明の動作＞
電源を入れると、コントローラアセンブリ７はステータを駆動して磁場を発生させ、ローター１４−２を回転させる。そして、ローター１４−２と共にインペラ１４−１も回転し、インペラ１４−１の中心の水が周囲に飛び出して、一定の圧力で出水口から排出される。同時に、インペラ１４−１の中心の圧力が下がるため、水が給水口から吸い込まれ、車の中での水の循環が実現される。

上記は本発明の好適な実施例であって、本発明を制限するものではない。本発明の思想と原理の範囲内で、いかなる変更や同等の置き換え、改善などを行った場合も、本発明の保護範囲に属する。

Claims (8)

1. 省エネルギーかつ耐久性の高い自動車用電動ウォーターポンプであって、
   固定支持部材と、電気的コネクターと、コントローラアセンブリと、モータアセンブリと、隔離スレーブと、インペラアセンブリと、ポンプハウジングと、を備え、
   前記モータアセンブリは、モータハウジングと、モータのリアカバーと、を含み、
   前記インペラアセンブリは、ローターとインペラとを含み、当該ローターとインペラとが一体的に射出成形されており、
   前記隔離スレーブは、容器部を有し、
   前記容器部の底面の中心に円柱形突起が形成されており、当該円柱形突起の中心に孔が形成されており、当該孔に回転軸が挿入されており、
   前記固定支持部材と前記電気的コネクターとは、モータの前記リアカバーの外側端面に設置されており、
   前記コントローラアセンブリは、モータの前記リアカバーに連結しており、
   モータの前記リアカバーは、前記モータアセンブリと連結しており、
   前記インペラアセンブリは、前記回転軸に通じて前記隔離スレーブと一体的に組み付けられており、前記隔離スレーブの前記容器部を前記モータアセンブリの内部に挿入して、当該モータアセンブリと前記インペラアセンブリを隔離し、
   前記ポンプハウジングは、吸水口と出水口とを含み、
   前記コントローラアセンブリに水冷機構を設置し、
   前記水冷機構は、熱交換器と給水管と出水管とを有し、
   前記給水管の一端をポンプの出水口に接続し、他端を前記熱交換器を通じて前記出水管に接続し、当該出水管を前記熱交換器から離間させてポンプの給水口に接続する、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
2. 請求項１に記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、
   前記給水管と前記出水管を、前記モータハウジングと前記ポンプハウジングの外壁あるいは内部に設置した、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
3. 請求項１又は２に記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、
   前記容器部の上端は、外側に向かって広がって形成されており、外側に向かって順に、支持部、環状突起部、段差部、が形成されており、前記環状突起部上に前記ポンプハウジングにも対応して形成される出水通路を設けた、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
4. 請求項３に記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、
   前記出水通路は、徐々に大きくなる螺旋状のＵ字状溝を有しており、
   当該出水通路の出水口にオーバーフロー口と出水の水流を遮る遮蔽シートとを設けた、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
5. 請求項４に記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、
   前記モータハウジングの外部にゴムブラケットを設け、当該ゴムブラケットに形成された孔に前記モータハウジングの外周が締まり嵌めされる、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
6. 請求項４に記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、
   前記ローターと前記円柱形突起との間に、調整用ガスケットを備えた、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
7. 請求項４に記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、前記回転軸は前記インペラアセンブリに挿入されて、端面軸受を介して前記ポンプハウジングに組み付けられる、
   自動車用電動ウォーターポンプ。
8. 請求項４乃至７のいずれかに記載の自動車用電動ウォーターポンプであって、
   前記回転軸の頂部に前記インペラアセンブリの軸方向の動きを規制する制限機構を設けた、
   自動車用電動ウォーターポンプ。