JP2000505522A - 自動車用クーラントポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 サーモスタット機構により調節される案内ベーン（４）を持つインペラーポンプは、自動車用クーラントポンプとして使用するのに適している。このポンプは、定速電動モータ（１）によって駆動され、ベーン（４）の配向を変化させることによって流れの変動を制御する。ベーン（４）の配向は、ワックス型サーモスタットによって行われる。このサーモスタットは、クーラントの温度を感知し、クーラントが高温である場合には流れを増大し、クーラントが低温である場合には流れを減少する。可変案内ベーン（４）は、半径方向軸線を中心として枢動するように取り付けられており、ポンプインペラー（２）の僅かに上流に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】 自動車用クーラントポンプ 本発明は、自動車の内燃エンジン用のクーラントポンプに関する。本発明は、 エンジンの要求に従って流れ特性を提供するクーラントポンプを提供することを 目的とする。 発明の背景 内燃エンジンの冷却システム用のポンプは、従来、エンジンがベルトを介して 直接的に定速で駆動していた。しかしながら、エンジンの温度を効果的に制御す る上で必要なクーラントの流量及び圧力水頭は、エンジンの回転速度と比例して 駆動される場合には適当でない。クーラントシステムは、暑い日に坂道を登る大 量の荷物を積んだ車輛に対処しなければならず、同じシステムを用いて、非常に 寒冷な状態でヒーターを迅速に暖めなければならない。更に、効率化を図るため 、クーラントポンプが消費するエネルギは、理想的には、常に、クーラントを最 適温度にするのに必要なだけの最小限のエネルギでなければならない。どのよう なクーラント循環システムをしようとも、極端な場合に対処しなければならない のは勿論のことである。従来のベルト駆動式クーラントのポンプの場合、極端な 場合に対処する必要は、従来のクーラントポンプがそれらのポンプの作動状態の 多くについてそれ自体最適でないように、通常の作動効率を犠牲にする。 最適のクーラント温度は、エンジンの性能、燃料効率、排気エミッション等を 考慮して定められる。クーラント循環システムは、極端な状態にある場合にクー ラントが正しい温度まで冷却（加熱）されるように、所定の容積流量及び圧力水 頭を提供しなければならない。本発明は、極端な場合にも適合でき、それにも拘 わらず、システムが通常の作動中のエネルギの最小値しか消費しないように、通 常の作動中のクーラント循環システムの効率を改善する。 クーラントポンプが過剰の流れ及び圧力水頭を提供する場合には、エンジンは 動力を浪費し、エンジンの全体としての効率が下がる。この極端な状態は、エン ジンが冷えており且つ高速回転（ｒｅｖｖｅｄ ｈｉｇｈ ）される場合に生じ る。高速回転エンジン（ｈｉｇｈ ｒｅｖｖｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ）では、ク ーラントポンプは、クーラントシステムが必要としていない大量の流れを提供す る。低い周囲温度内でエンジンが高速で回転しているときにラジエータに当たる 大流量の空気流は、この極端な状態の一例である。 クーラントポンプが提供するクーラント流及び圧力水頭が不十分である場合に は、エンジンは非常に高速で回転し、これによってエンジンの性能が低下し、恐 らくはエンジンを損傷する。オーバーヒートは、低速作動中にエンジンの温度が 高いときに起こる。 エンジンによりベルト駆動される従来のポンプは、動力消費、大きさ、重量、 取り付け位置に関して妥協がなされているということは理解されよう。これらの 特徴はシステムの必要条件によって加えられる。従来型のシステムは、大量の動 力を消費し、多くの空間を占有し、重量があり、設計形体をほとんど変更できな い。 これらの従来の固定速度ベルト駆動式クーラントポンプシステムを本願で提案 されるシステムと比較した場合の欠点は、 ・大きな空間を必要とすること、 ・取り付け位置が限られていること（エンジンからベルトにより直接的に駆動す ることが必要）、 ・動力消費が過剰であり、エンジンの効率が損なわれること、 ・クーラントの流れ性能が制限されていること（エンジンは低過ぎる温度又は高 過ぎる温度で作動すると、効率が低下し、寿命が短くなり、エミッションに悪影 響が及ぼされる）、 ・代表的には重量が大きいということ、 ・多くの可動部品を含むこと、及び ・修理又は交換が困難である、ということである。これらの問題点が認識されて いるが、エンジンの設計者は、一般的には、クーラントポンプを電動モータで駆 動することに切り換えることを行わなかった。このことは、設計者にとって、エ ンジンの冷却ファンを電動モータで駆動することを条件として指定することが非 常に一般的であったという事実に鑑みて考慮しなければならない。この場合、モ ータは一定の速度で作動し、スイッチを切り換えるだけで制御され、切り換えの 必要は簡単な電気サーモスタットによって指令される。これは、電動モータに対 する簡単であり且つ十分な必要条件である。 しかしながら、簡単なオン／オフ制御は、クーラントの流れを制御する上では あまりにもおおまかであるということは理解されよう。最小クーラント流れ状態 の下でも、クーラントを圧送し極めて力強く循環しなければならない。 電動式クーラントポンプが設けられている場合には、電動モータの回転速度を 制御することによってクーラントの流れを制御できるということは理解されよう 。理論的には、これは、クーラントポンプを駆動するモータに供給される電流を 変化させることによって行うことができる。しかしながら、このようにモータ電 流を制御することによってモータ速度を制御することは、エンジンの設計者に好 まれないということがわかっている。電動モータには、多くの負荷条件の下で良 好な効率を発揮するためには電動モータが一定の速度で作動するようにシステム を構成しなければならないという特徴がある。一般的には、これは、ポンプの性 質でもあり、多くの負荷条件の下で良好な効率を発揮するためには、ポンプが一 定の速度で作動するようにシステムを構成しなければならない。 かくして、クーラントポンプの駆動に電動モータを使用することを考える上で 、第１に、サーモスタットを用いたポンプモータの簡単なオン／オフ制御は問題 外であり、第２に、電動モータに供給される電流を制御することによってモータ 速度を制御しようとすることは好ましくない。最後の手段として、機械式可変速 駆動装置でポンプを固定速モータに連結することによってクーラントの流れを制 御する考えは、あまりにも複雑であるため、更に、上述のように、ポンプ並びに モータが一定の速度で作動することが重要であるため、採用できない。 本発明は、ポンプ（それ故、モータ）が一定の速度で回転できる方法において 、多くの様々な条件に合わせてクーラントの流れを変化できるようにすることで ある。 本発明の原理 本明細書中に説明される設計形体は、クーラントの速度、流量、圧力水頭、等 に作用を及ぼすために可変ピッチ案内ベーンを使用する。これらの案内ベーンは 、クーラントの流れの中にクーラントがポンプを通過する際にクーラントポンプ のインペラーと隣接して配置されている。案内ベーンは、エンジンの実際の冷却 要 求と対応する温度信号に応じて作動する。案内ベーンは、インペラーを通るクー ラントの流れを増大し又は減少するのに役立ち、増大と減少との間の変化は、ポ ンプのインペラーに関する案内ベーンの位置配向の変化の結果として生じる。 放熱は、システムの温度に従って要求されるのであって、エンジンの速度に従 って要求されるのではない。システムの温度は、冷却流体の温度として、又は機 械上の特定の位置、例えば内燃エンジンのシリンダヘッドの排気バルブの近くの 温度とすることができる。システム温度は機械的変位に変換され、これにより一 組の案内ベーンのピッチを調節する。案内ベーンは、好ましくは、インペラーの 直ぐ上流に配置されている。サーモスタット式トランスジューサは、システム温 度が高い場合には、インペラーポンプが大量のクーラント流を提供するようにベ ーンを調節し、システム温度が低い場合には、少量のクーラントを提供するよう に案内ベーンを調節する。 内燃エンジンでは、エンジンの作動中、クーラント流れを常時維持する必要が あるということに着目されたい。最小の流れ要求は、それでも、大量の流れであ る。流れが実際に停止した場合には、エンジンは数秒のうちにオーバーヒートし てしまう。かくして、制御を受ける流量は、最大流量の上方の小部分に過ぎない ということは理解されよう。これは、設計者にとって、制御を所望程度線型に行 うのが困難な流れ領域である。流量の上方の小部分だけを制御することは、可変 ピッチベーンで容易であるばかりでなく、ベーンを移動した場合の流量の変化が 、ベーンの移動に対して或る程度比例した状態からそれ程離れていないというこ とは理解されよう。これは、簡単な自動ワックス型サーモスタット装置を直接使 用できるということを意味する。これは、これらのサーモスタット装置もまた、 温度／移動特性が或る程度線型であるためである。 最新の高速インペラーと組み合わせた可変ピッチ案内ベーンを使用することに より、広範な流量範囲に亘って流体力学的流れ効率を高め、要求が減少したとき に流量を減少させることができる。過剰のクーラント流を提供し且つ過剰の動力 を使用することが多い従来の直接駆動式インペラーポンプとは対照的に、本明細 書中に説明した温度応答式可変ベーンシステムは、正しい量のクーラント流を正 確に提供してシステムの作動温度を最適に移動自在すると同時に消費動力を少な くできる。 流れ／圧力についてのこのポンプの流体力学的性質は、ほぼ一定の速度で駆動 される場合でも熱的制御性が提供され、これと同時に、可変速又は多速電動モー タに対する必要がなくなる。高い流体力学的流れ効率を小型高速モータと組み合 わせることによって、ポンプパッケージを全体として小型で、軽量で、効率的で 、所与の冷却システムの特別の装備内に容易に一体化できる。 サーモスタット信号は、簡単なシステムで案内ベーンの機械的変位に直接変換 できる。更に高度なシステムについては、エンジン管理システムによって熱信号 を処理できる。エンジン管理システムは、その後、電動式変位機構を制御し、案 内ベーンを調節する。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明を更に詳細に説明するため、本発明の実施例を添付図面を参照し以下に 説明する。 第１図は、本発明を具体化した水ポンプの断面図であり、 第２図は、本発明を具体化した自動車エンジン用水ポンプの構成要素を示す分 解斜視図であり、 第２Ａ図は、ポンプのインペラーの拡大図であり、 第３図は、第２図のポンプの組み立て済の構成要素の拡大図であり、 第４図は、第２図のポンプの構成要素のうちの幾つかの概略側断面図であり、 第５図は、第２図のポンプの構成要素のうちの幾つかの端面図であり、 第６図は、本発明を具体化した別の水ポンプの断面図であり、 第７図は、第６図のＡ−Ａ選択での断面図であり、 第８図は、第６図のポンプの幾つかの構成要素の拡大斜視図であり、 第９図は、本発明を具体化した更に別の水ポンプの断面図であり、 第１０図は、第９図のポンプの幾つかの構成要素の平面図であり、 第１１図は、動力消費特性の比較を示すグラフであり、 第１２図は、流量の比較を示すグラフである。 添付図面に示し以下に説明する装置は、本発明を具体化した事例である。本発 明の範囲は、添付の請求の範囲によってのみ限定され、例示の実施例の特定の特 徴に限定されるものではないということに着目すべきである。 第１図に示すように、モータ１が高速で回転し、インペラー２を駆動する。モ ータシャフトの周囲のリップシール３が、モータ１とポンプハウジング１０との 間のモーターとポンプの界面をシールする。調節自在の案内ベーン４からなる円 形の列体が流体流れを流体入口通路８からインペラー２上に向ける。インペラー ２は、次いで、流体をポンプハウジング１０に対して流体出口通路９に向かって 圧送する。 調節自在の案内ベーン４は、角変位に応じて可変のスピン度を流体流れに与え る。可変の流体流れスピンは、インペラー２のブレードに対して負から正までの 範囲内にある。スピン度は、調節自在の案内ベーン４の角変位量に応じて変化す る。案内ベーンの角変位は、案内ベーンリンクリングアッセンブリ５の変位量と 対応する。案内ベーンリンクリングアッセンブリ５は、連結されたサーモスタッ ト型エレメント６によって変位される。サーモスタット型エレメント６は、温度 変化により膨張し、又は収縮し、これと対応して変位を与える。ばね力がサーモ スタット型エレメント６をその膨張変位力に対してその最小変位位置に戻す。 第２図乃至第５図は、本発明を具体化した電動式水ポンプを示す。電動モータ ２０は高速（１００００ｒｐｍ又はそれ以上）であり、代表的には、通常の作動 中に約１０Ａ乃至２０Ａ（１２Ｖ）の電流を消費する。モータのボディは、取り 付けプレート２３にボルト止めしてある。モータのシャフト２５は、インペラー ２７に固定されている。インペラー２７は第２ａ図に示してあり、好ましくは、 プラスチック製又は金属製の成型体として形成されている。 インペラー２７は、エンジンブロックから流入通路２９を介して流れるクーラ ント水の経路に配置される。インペラーを通過した水は、出口通路３０を介して 遠ざかる方向に向けられる（そしてそこから、ラジエータ等へ通される）。 インペラー２７に流入した水は、インペラー２７に到達する前に、先ず最初に 一組の可動ベーン３２に遭遇する。設計者は、これらのベーンが幾分傾斜できる ようにしている。これによって、水流がインペラーに進入する際、これらのベー ンが水流に回転渦運動を導入する。これらのベーンは、傾斜したベーンが発生す る渦がインペラー自体が発生する回転渦と同方向であり且つこの回転渦を強化す る第１方向に傾斜しているか或いは、これとは逆方向に傾斜しているのがよい。 この場合、ベーンが発生した渦は、インペラーが発生した渦に抗する作用をなす 。 ブレードの傾斜を制御することによって、ポンプインペラーの動力特性を滑ら かに徐々に変化させることができ、この際、電動モータは、インペラーが或る程 度一定の速度で回転している状態に保持する。 ベーンの傾斜は、以下に説明するように、サーモスタット３４によって制御さ れる。 各ベーン３２は、夫々のベーンシャフト３６に固定されている。これらのシャ フトは、固定ベースプレート４０に半径方向に配置された夫々のボア３８内で回 転するように案内されている。各ベーンシャフト３６の外端にはレバー４３が夫 々設けられており、このレバーにより、シャフト３６及びベーン３２を回転させ ることができる。 シャフトレバー４３をロータリング４５の作用で回転させる。ロータリング４ ５は、固定ベースプレート４０に回転自在に取り付けられている。実際、ロータ リングは、固定ベースプレート４０と固定カバープレート４７との間に挟まれて いる。これらの二つの固定プレート４０、４７は、取り付けプレート２３にボル ト（参照番号４６が付してある）止めされている。プレート４０、４７は、スペ ーサ４４及びロータリング４５によって離間された状態に保持されている。これ らのスペーサ４４及びロータリング４５は、固定プレート間でこれらの固定プレ ートに対して移動自在である。ロータリング４５は、ばね４８によって反時計廻 り方向に押圧されている。 ロータリング４５には、ノッチ４９がシャフトレバー４３の各々について一つ づつ設けられている（この場合には５つ）。ロータリングを回転させると、５本 のシャフト−レバーが夫々のシャフト３６を中心として一斉に引っ張られ、回転 される。 ロータリング４５は、サーモスタット５２のステム５０の運動によって回転さ れる。ステム５０は、サーモスタットの本体上を流れる水の温度と比例と比例し た距離だけサーモスタット本体から突出する。かくして、ロータリング４５は、 水温と比例した所定の角度に亘って回転し、同様に、可動ベーン３２は、これに よって、水温と比例した所定の傾斜角度をとる。 サーモスタット５２は、膨張性ワックス体を収容した種類のサーモスタットで ある。このようなサーモスタットは、直径約１３ｍｍの本体サイズで容易に入手 できる。この場合、ステムは、高温と低温との間で約８ｍｍの作用ストロークに 亘って移動する。ステムの移動は、作用ストロークに亘り、多かれ少なかれ温度 に比例する。 この場合、サーモスタットは、インペラー順押圧力（ｗｉｔｈ−ｔｈｅ−ｉｍ ｐｅｌｌｅｒ ｂｉａｓ）の約５０°の角度から、インペラー逆押圧力（ａｇａ ｉｎｓｔ−ｔｈｅ−ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｂｉａｓ）の約２５°の角度まで可動ベ ーン３２を移動するように構成されている。インペラー順押圧力は、ポンプの作 動を減少するのに使用され、これによって、ポンプは小さな容積流を送出し、小 さな入力エネルギを使用し、これは、クーラントが比較的低温である場合に使用 される。インペラー逆押圧力は、ポンプインペラーを通る水流を増大するのに使 用され、これは、水がオーバーヒートを生じ始めた場合に使用される。 電動モータは、エンジンの作動中、たとえエンジンのクーラント流れが最小で あっても連続的に作動する。勿論、最小クーラント循環流はかなり大量でなけれ ばならない。もしも流れがゼロ流れ状態に近づくと、エンジンはすぐにオーバー ヒートしてしまう。 実際には、上述の可動ベーンシステムが非常に有利である理由の一つは、流れ を最大程度に減少させた位置でさえ、かなりの流れがあるということである。可 動ベーンシステムでは、必要とされる流れ調節は、必要最小の流れでさえゼロ流 れ状態から程遠い流れの二つの極値の間で行われる。可動ベーンシステムは、連 通状態と遮断状態との間で切り換えを行うのとは明らかに異なる正確で制御可能 な方法で比較的大量の流れを微調整できるものと考えられる。一般的には、流れ を最大値の約６０％からそれ以上に良好に直線的に制御できることが求められて いる。可動ベーンシステムは、この範囲に亘り、優れた制御及び直線性を提供す る。これが、自動車用水ポンプで必要とされる特性であるということは理解され よう。 取り付けプレート２３は、モータ上を流れる冷却空気を最大にする冷却空気通 路を含む。これは、連続作動のモータの場合に推奨される。インペラーからの水 流は半径方向外方に通過し、チャンバ５４に入る。取り付けプレート２３には、 クーラントを周囲に流し、通路３０から流出させる固定スペーサ５６が設けられ ている。 モータシャフト２５にはシール５８が設けられている。このシール５８は、高 速のシャフト速度用に設計されていなければならない。しかしながら、シャフト 直径が小さい（例えば５ｍｍ）ため、シャフトがシールに及ぼす擦れ速度は小さ く、実際、シール５８は適切な使用寿命（この表現は、自動車用シールに関して 使用される）を持つことが期待される。設計者は、リップシールに伴う問題点を 回避しようとする場合、リップシールの代わりにメカニカルシールを設ける方を 好む。一般的には、シールの必要をなくす磁気駆動結合装置を利用できる。この 装置は安価であり、その駆動装置の大きさは上文中に説明してある。 第６図は、本発明を具体化した別の種類の水ポンプを示す。この場合、エンジ ンからの水はポンプにポート６０のところで進入し、ポート６３を通って離れる 。来入水は、環状通路６５（第７図参照）の周りを流れる。インペラー６９を駆 動する電動モータ６７が環状通路６５の内部に配置されている。 ベーンは、環状通路６５を通過する水が回転インペラー６９に（第６図で見て 上方に）近付くとき、この水に所定程度の回転渦運動を発生する。水流は、環状 通路６５内で、可動ベーン７０の配向に応じて時計廻り方向又は反時計廻り方向 に渦をなすように力が加えられる。第７図に示すように、ベーンは左方に傾斜し ており、これによって、水流に時計廻り方向に力が加えられる。インペラー６９ を通る流れは、電動モータ６７が通常の作動方向に設定された状態では、時計廻 り方向に力が加えられた水流によって強化される。ベーンを第７図で見て右方に 傾斜させると、所与のモータ速度について、インペラーを通る水流が減少する。 この場合も、流れを最大程度に減少させた場合でも、かなりの流れがある。サー モスタット７２は流水の温度を検出し、これに従ってベーン７０の角度を調節す る。 第８図は、可動ベーン７０の角度移動を制御するためにサーモスタット７２が どのように形成されているのかを示す。他のベーンは、適当な連結ロッドによっ てリンクされている。 第６図の構造は、水を自動車用エンジンに搬送するホースに挿入体として装着 するのに適している。このように、ユニットは、従来のベルト駆動型水ポンプが 損傷した自動車に修復体として装着できる。別の態様では、第６図の形体は、Ｏ ＥＭ水ポンプとして組み込むことができる。 第９図及び第１０図は、本発明を具体化した別の水ポンプを示す。サーモスタ ット８９は回転自在のリング９０に作用を及ぼす。リング９０には、スピンドル に取り付けられた幾つかの可動ベーン９２が設けられている。ベーンスピンドル は、ポンプハウジング９８の対応するスロット９６と係合する夫々のタグ９４で 終端する。サーモスタットステムの移動は、リングを周方向に引っ張り、ベーン を新たな配向まで回転させる上で効果的である。 場合によっては、ベーンは、インペラーに進入する水流中にでなく、インペラ ーを離れる水流中に位置決めされる。この構成は、速度／モータ電流／圧力／流 量／効率／等の特性が幾分異なっているが、幾つかの場合では更に適切である。 第１１図のグラフでは、曲線１２０は、代表的な従来の固定比率のエンジン駆 動式クーラントポンプシステムの、エンジンのサーモスタットを開放した状態（ サーモスタットを閉鎖した状態では、クーラントを圧送するのに必要な動力は或 る程度小さい）での、推定動力消費量を示す。曲線１２３は、クーラントの流量 をベーンによって増大する本願に開示した種類の可動ベーン型電動モータ駆動式 ポンプシステムの推定動力消費量を示す。曲線１２５は同じ装置に関し、ここで は、流速がベーンによって減少させてある。新たなシステムは、クーラントの流 量をエンジンの速度とは無関係に、たとえエンジンの速度がゼロであったとして も一定にでき、流量はクーラントの温度変化に応じて変化する。新たなシステム は、温度の上下に従ってクーラントの流量を増減するように構成されている。 第１２図は、新たなポンプシステムの従来のシステムに対する改善の推定を示 す別のグラフである。 本明細書中に説明したクーラント流れ制御システムの幾つかのその他の利点を 以下に説明する。 １．エンジンの温度制御の改善 多くの従来のエンジン駆動システムは、エンジンのクーラント温度を特定の作 動範囲内に維持するため、ラジエータを通過する空気流を、ファンが発生した空 気流で調節する。作動を確実にする上で連通状態と遮断状態との間に大きな差を 必要とする冷却ファンのサーモスタット連通／遮断制御と異なり、本発明のシス テムでは、水温をはるかに精密に制御できる。温度を小さな範囲内で制御するこ とによって、エンジンの全体としての効率を改善できる。作動温度範囲を小さく することは、設計上の対象事項である。これは、最適温度での作動と関連した良 好な燃焼等のエンジンの固有の性能上の利点が得られるためである。更に、ファ ンによる調整の必要を小さくするため、新たなポンプシステムによるクーラント 温度の制御が正確であることが期待される。 ２．クーラントポンプの効率の向上 全作動範囲に亘って総計した、冷却に費やされるエネルギ量が大幅に減少する 。 ３．ヒーターの性能の向上 一般的には、従来のエンジン駆動式ポンプがアイドリング時にヒーターコアに 送出するクーラント量は不十分であり、そのため、車室ヒーター性能が小さい。 エンジン駆動ポンプがヒーターコアを通して送出する流れのレベルは、代表的に は、ヒーターコアの性能特性曲線の「屈曲領域」を越えない。このため、アイド リング時の最適の熱伝達及び車室ヒーター性能よりもはるかに小さい。新たなシ ステムは、所与のシステム抵抗に対して調節された最小流量を提供し、暖機中の 客室用ヒーターの性能を増大するようにヒーターコアを通過する流量を大きくす るように設計できる。 ４．作動後冷却性能の向上 本明細書中に記載した電動ポンプは、作動後冷却を行うように切り換えること ができる。作動後冷却はエンジンの停止時に行われ、従ってエンジン駆動式ポン プでは行うことができない。ここでは、従来の冷却ファンを切るために使用され たスイッチと同様の簡単な熱作動スイッチを使用するのがよい。停止後、エンジ ン駆動式ポンプがもはや機能していないとき、従来のエンジンでは、ラジエータ を冷却するために電動式冷却ファンが作動している場合でも、事後沸騰（ａｆｔ ｅｒ−ｂｏｉｌ）と呼ばれる大きな温度上昇が起こることがある。残留熱は、エ ンジンブロック及びヘッドに存在し、ラジエータには存在しない。過度の事後沸 騰は、構成要素及び流体を早期劣化させる。エンジンによっては、エンジンの停 止後数分間に亘ってクーラントの循環を保持するためにだけ特別の電動式クーラ ントポンプが従来のベルト駆動式クーラントポンプの他に装着されている。同様 に、エンジンを始動前に暖機するための寒冷気候用予備ヒーターがエンジンに装 着されている場合には、電動ポンプが有利である。これは、始動前にクーラント を循環するように切り換えを行うことができるためである。 ５．費用の有利性 従来の水ポンプは、ベルト駆動装置、頑丈なベアリング、及び全体に精巧で高 価なインフラストラクチャーを必要とするが、ポンプ自体は極めて安価である。 更に、従来のシステムはアッセンブリラインに労働を集約した。予備製造した独 立式システムである本システムは、エンジンブロックに単にボルト止めされるも のであり、この他のアッセンブリラインの作業を実際上必要としない。ユニット は、全体としての重量がベルト駆動ユニットよりも軽い。高速低トルク駆動（こ れは、軽量化に繋がる特性である）は、電動モータ駆動装置では簡単であるが、 ベルト駆動装置では不可能である。 ６．融通性 従来の水ポンプは、その取り付け位置及び駆動方法に関して制限されている。 新たなポンプシステムは、これをエンジンブロックにボルト止めすることによっ て設置できるように形成でき、又はユニットをエンジンの給排水装置に挿入でき るように形成できる。新たなシステムのモータ駆動は、好ましくは、上文中に説 明したように定速であり、流れの全ての変化は、ベーンの配向を変化させること によって得られる。しかしながら、システムは、２速モータ又は多速モータを使 用するように形成でき、又は必要とされる高度な制御装置が含まれる場合には無 断可変速モータを使用するように形成できる。 ７．作動範囲 代表的には、自動車用エンジンは、クーラント流を毎分約３７．８５４リット ル乃至１１３．５６２リットルの範囲で変化させることを必要とする。上述のシ ステムは、安価な独立式ユニットでこのレベルの流れを提供でき、このレベルの 流れにおける変化が小さい。 ８．信頼性 本明細書中上文中に説明したシステムは、ベルト駆動クーラントポンプに代わ ろうとするものであって、これを補助するためのものではない。最近の電動モー タは、高速度設計であっても、非常に信頼性が高い。これとは対照的に、従来の ベルト駆動式水ポンプは、現在の十分に信頼性のある状態（即ち、非常に要求が 厳しい自動車における信頼性）が得られるようになるため、かなり過剰の技術的 措置が講じてある必要がある。勿論、電気部品も故障することがあり、水ポンプ が故障するとエンジンが迅速に損傷を受ける。しかしながら、或る程度一定の速 度で作動する電気部品と機械式ベルト駆動装置との間での信頼性の比較の結果は 明らかである。ポンプ自体に関し、エンジンのクーラント水は、汚れており且つ 様々な種類の付着物、腐蝕生成物、有害な化学薬品、等を含むと考えられなけれ ばならない。これらは、ポンプのインペラーにもベーン及びそれらの作動機構に もほとんど影響を及ぼさないということがわかっている。ワックス型サーモスタ ットは安価であり且つ非常に信頼性が高い。電子式エンジン管理システムでベー ンの配向を操作する場合、このようなシステムの信頼性が大幅に向上し、本明細 書中に説明したシステムは、これによる利点（機械式ベーン駆動装置にはない） を持つことができるということに着目されたい。 従来の全ての水冷式エンジンの一つ一つにはベルト駆動式水ポンプが夫々設け られているということを示唆するのでなく、それとは逆に、機械式ベルト駆動装 置がほとんどの場合で汎用されているということを示唆する。電動クーラントポ ンプが設けられている場合でも、一般的には、これはベルト駆動式ポンプの補助 装置であった。勿論、幾つかの特別のエンジンはほぼ一定の作動状態で作動し、 この場合、定速電動クーラントポンプはそれ程制限的ではない。しかしながら、 本明細書中に説明したように、一般的な自動車の用途では、流れ制御、及び可変 ピッチ案内ベーンによる温度に基づいた流れ制御が必要とされ、これは、現在で は、この必要を満たすために利用できる。 本明細書では、電動モータが一定の速度で作動できるということを示してきた 。しかしながら、これは現実の実際のモータが実際に一定の速度で作動するとい う ことを言うものではない。むしろ、本発明は、ポンプの速度を制御することによ るのでない手段によって流れを制御する、クーラントの流れを制御するための手 段を提供するということに力点を置く。即ち、モータ及びポンプは、一定の速度 で作動できるようになっているが、それでもクーラントの流量を変化させること ができる。モータの速度は、モータの特性に応じて実際には一定である。自動車 の付属品を作動するために現在広範に使用されている従来型の１２ｖのＤＣモー タが適している。この種のモータは、トルク増大時の速度低下の程度が最初のう ちは僅かであるが、その後、トルクの増大に従って速度が迅速に低下するという 特性を備えている。即ち低トルク乃至中トルク時には速度低下が緩やかであるが 、トルクが中程度から高トルクに増大するとき、役立たない程迅速に低下するの である。モータは、様々な流量での圧送によるトルクの変動を含むモータに作用 するトルクが、本明細書中上文中に説明したように、選択されたモータについて 低−中トルク範囲内に入るように選択しなければならない。かくして、モータの 速度が低速から中速まで実際に変化する際、クーラントの圧送速度はほとんど変 化しない。このようなモータの作動効率が良好な実際の範囲は、同じ低トルク− 中トルク範囲に亘って生じる。 更に、本明細書では、流量と温度との間の関係の成分の直線性は線型であると 説明した。これは実質的に線型であるということを意味し、完全に線型であると いうことを意味するものではない。例えば、ワックス型サーモスタットは、温度 変化と移動距離との間にほぼ線型の関係を持つに過ぎない。同様に、ポンプにお いて、クーラントの流量の、ベーンの角度配向の変化に対する関係は、動力が更 に上昇する関係であって、線型ではない。しかしながら、おおまかには、流量を 自動的に制御することがほとんど考えられない程非線型の例えば従来の流れ制御 バタフライバルブとの関連において、関係を或る程度線型であると説明した。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年２月５日（１９９８．２．５） 【補正内容】 請求の範囲 １．水冷式冷却システムを持ち、所定量の液体クーラントを収容した種類の自 動車用エンジンに組み込むのに適するように形成された、クーラントの循環に適 した液体圧送装置であって、 前記装置は、固定ハウジングに取り付けられた回転自在のインペラーを含み、 前記ハウジングは、圧送される液体クーラントが前記インペラーを通って搬送 されるポンプチャンバを構成し、 前記装置は、前記インペラーを回転するためのモータ手段を含み、 前記装置は、流れ変向器を含み、 前記流れ変向器は、前記インペラーに関し、前記インペラーを通過する液体の 流れにバイアス状態を付与する上で効果的であるように配置され、 前記流れ変向器は、流れ減少バイアス状態と流れ増大バイアス状態との間の所 定範囲の状態に亘って可動であり、 前記流れ変向器は、ポンプの作動中、インペラーを通過する液体流れにバイア ス渦を発生するように前記インペラーと関連した可動の渦発生エレメントを有し 、 前記可動の渦発生エレメントは、その運動が、発生される渦バイアスの程度に おいて対応した変化を生じるように配置されており、 前記装置は、低温液体位置と高温液体位置との間で、液体の温度変化に応じて 所定の位置範囲において可動の出力部材を持つ温度トランスジューサを含み、 前記装置は、前記温度トランスジューサの出力部材を前記流れ変向器に作動可 能に連結し、それによって前記出力部材の運動が前記流れ変向器の対応する運動 を生じる連結手段を含み、 前記連結手段は、前記可動の渦発生エレメントを運動するための手段を有し、 前記装置は、前記温度トランスジューサの前記出力部材が前記低温液体位置に あるとき、前記流れ変向器が流れ減少バイアス状態にあり、前記可動の部材が前 記高温液体位置にあるとき、前記流れ変向器が流れ増大バイアス状態にあるよう に構成されることを特徴とする装置。 ２．前記可動の部材は、前記インペラーの上流に設けられている請求項１に記 載の装置。 ３．前記モータ手段は、電動モータから成る請求項１に記載の装置。 ４．前記装置は、電力を前記電動モータに供給するための供給手段を含み、該 供給手段は、作動時に前記モータの回転速度を実質的に一定に保持する上で効果 的である請求項３に記載の装置。 ５．前記電動モータは、作動中に前記インペラーを１０，０００ｒｐｍを越え る速度で回転させる請求項３に記載の装置。 ６．前記電動モータは、前記インペラーと同軸であり、前記インペラーを直接 駆動する請求項３に記載の装置。 ７．前記可動の渦発生エレメントは、前記装置の前記固定ハウジングにこのハ ウジング内で可動に案内されるように取り付けられ、 温度センサ及び前記出力部材がサーモスタットユニット内で組み合わせられて おり、 前記サーモスタットユニットは、ポンプの作動時に、圧送されるべき液体内に 配置され且つこの液体の温度を感知する感温部を含み、 前記出力部材は、前記サーモスタットユニットのプランジャーとして構成され ており、 前記サーモスタットユニットは、前記装置の前記固定ハウジングに固定的に取 り付けられており、 前記連結手段は、前記プランジャーと前記可動のエレメントとの間で直接的機 械的連結装置を含む請求項１に記載の装置。 ８．前記可動の渦発生エレメントは、一組の可動ベーンを含み、 前記可動ベーンは、リング部材に取り付けられた夫々のスピンドルに取り付け られており、 前記スピンドルは、夫々のレバーを有し、 前記装置は、前記レバーと係合するプレート部材を含み、 前記リング部材及び前記プレート部材のうちの一方が可動であり且つ他方が固 定されており、前記連結手段が前記温度トランスジューサの前記出力部材を前記 部材のうちの可動部材に連結し、 前記リング部材及び前記プレート部材のうちの前記固定部材は、前記装置の前 記固定ハウジングに固定的に取り付けられており、 前記連結手段は、前記プランジャーと前記リング部材及び前記プレート部材の うちの前記可動部材との間に直接的機械的連結装置を含む請求項１に記載の装置 。 ９．前記温度トランスジューサは、温度センサを含み、温度信号を前記センサ から前記出力部材に伝達するための手段を含む、請求項１に記載の装置。 １０．前記温度センサ及び前記出力部材は、サーモスタットユニットで組み合 わせられており、 前記サーモスタットユニットは、ポンプの作動時に、圧送されるべき液体内に 配置され且つこの液体の温度を感知する感温部を有し、 前記出力部材は、前記サーモスタットユニットのプランジャーとして形成され ている請求項１に記載の装置。 １１．前記温度センサは、温度を示す電気信号を提供する上で効果的であり、 前記出力部材は、電気式アクチュエータ手段であり、前記トランスジューサは 、前記電気式アクチュエータ手段の出力の大きさを前記信号のレベルと関連させ るための手段を含む請求項１に記載の装置。 １２．前記電気式アクチュエータ手段は、サーボモータである請求項１１に記 載の装置。 １３．前記電気式アクチュエータ手段は、ソレノイドである請求項１１に記載 の装置。 １４．前記装置は、作動中、前記流れ変向器が最大流れ減少バイアス状態にあ るとき、前記チャンバを通る流れが大量であるように構成される請求項１に記載 の装置。 １５．前記装置は、作動中、前記流れ変向器が液体流れ増大バイアス状態にあ るとき、前記チャンバを通る流れが、前記流れ変向器が流れ減少バイアス状態に ある場合に前記チャンバを通る対応する流れの２倍以上であるように構成される 請求項１４に記載の装置。 １６．前記モータは、前記インペラーからの前記出口領域から前記流体流れチ ャンバの出口フランジ領域まで延びるその周囲に亘って円筒形二重壁管状流体流 れチャンバ内に収められており、 前記出口フランジ領域は、前記二重壁管状流体流れ通路を単一壁管状出口実施 例と一体化し、 前記管状出口実施例は、前記ハウジングはポンプ並びにシールされた流体通路 の取り付け一体化を行うことができるように形成されており、システム流体は、 前記シールされた流体通路を通ってポンプから離れ、隣接した冷却システム構成 要素に進入する請求項１に記載の装置。 １７．前記ハウジングは、前記ポンプチャンバの一部分を構成し、この部分は 環状断面を有し、前記インペラーの下流に配置されており、 前記部分は、円筒形の内壁及び外壁を含み、前記円筒形内壁がその中にモータ チャンバを構成し、 前記電動モータは、前記モータチャンバ内に配置され、 前記装置は、前記電動モータ上及びその周りで冷却空気を循環する上で効果的 な空気循環システムを含む請求項６に記載の装置。 １８．水冷式冷却システムを持ち、所定量の液体クーラントを収容した種類の 自動車用エンジンと組み合わせた前記ポンプ装置は、前記クーラントを循環する ように構成される請求項１に記載の装置。 １９．前記ポンプ装置は、一体の全体ユニットとして形成されており、前記装 置は、前記ユニットを前記エンジンの前記ブロックに直接的に取り付けるための 手段を含む請求項１８に記載の装置。 ２０．液体圧送装置であって、 この装置は、固定ハウジングに取り付けられた回転自在のインペラーを含み、 前記ハウジングは、圧送された液体が前記インペラーによって搬送されるポン プチャンバを構成し、 前記装置は、前記インペラーを回転するためのモータ手段を含み、 前記装置は、流れ変向器を含み、 前記流れ変向器は、前記インペラーを通過する液体の流れにバイアス状態を加 える上で効果的であるように前記インペラーに関して配置されており、 前記流れ変向器は、流れ減少バイアス状態と流れ増大バイアス状態との間の所 定範囲において可動であり、 前記装置は、出力部材を持つ温度トランスジューサを含み、 前記出力部材は、前記液体の温度変化に応じて、前記出力部材の低温液体位置 と高温液体位置との間の所定範囲において可動であり、 前記装置は、前記温度トランスジューサの前記出力部材を前記流れ変向器に作 動可能に連結することによって、前記出力部材の移動により前記流れ変向器を対 応して移動する連結手段を含み、 前記装置は、前記温度トランスジューサの前記出力部材が低温液体位置にある とき、前記流れ変向器が流れ減少バイアス状態にあり、前記可動の部材が高温液 体位置にあるとき、前記流れ変向器が流れ増大バイアス状態にあるように構成さ れており、 前記モータ手段は、電動モータからなり、 前記装置は、電力を前記電動モータに供給するための供給手段を含み、該供給 手段は、作動時に前記モータの回転速度を実質的に一定に保持する上で効果的で あることを特徴とする装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ (72)発明者 フルトン，ジョン・ロバート・ルイス アメリカ合衆国ミシガン州48073―4088, ロイアル・オーク，ラ・プラザ・コート 404

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．液体圧送装置であって、 この装置は、固定ハウジングに取り付けられた回転自在のインペラーを含み、 前記ハウジングは、圧送される液体が前記インペラーを通って搬送されるポン プチャンバを構成し、 前記装置は、前記インペラーを回転するためのモータ手段を含み、 前記装置は、流れ変向器を含み、 前記流れ変向器は、前記インペラーに関し、前記インペラーを通過する液体の 流れにバイアス状態を賦与する上で効果的であるように配置されており、 前記流れ変向器は、流れ減少バイアス状態と流れ増大バイアス状態との間の所 定範囲の状態に亘って可動であり、 前記装置は、低温液体位置と高温液体位置との間で、液体の温度変化に応じて 所定の位置範囲において可動の出力部材を持つ温度トランスジューサを含み、 前記装置は、前記温度トランスジューサの前記出力部材を前記流れ変向器に作 動可能に連結することによって前記出力部材の移動により前記流れ変向器を対応 して移動する連結手段を含み、 前記装置は、前記温度トランスジューサの前記出力部材が前記低温液体位置に あるとき、前記流れ変向器が流れ減少バイアス状態にあり、前記可動の部材が前 記高温液体位置にあるとき、前記流れ変向器が流れ増大バイアス状態にあるよう に構成されている、ことを特徴とする装置。 ２．前記可動の部材は、前記インペラーの上流に設けられている、請求項１に 記載の装置。 ３．前記モータ手段は、電動モータからなる、請求項１に記載の装置。 ４．前記電動モータは前記インペラーと同軸であり、前記インペラーを直接駆 動する、請求項３に記載の装置。 ５．前記流れ変向器は、ポンプの作動中、インペラーを通過する液体流れにバ イアス渦を発生するように前記インペラーと関連した可動の渦発生エレメントを 有し、 前記可動の渦発生エレメントは、その移動が、発生される渦バイアスの程度に おいて対応した変化を生じるように配置されており、 前記連結手段は、前記可動の渦発生エレメントを移動するための手段を有す る、請求項１に記載の装置。 ６．前記可動の渦発生エレメントは、一組の可動ベーンを含み、 前記可動ベーンは、リング部材に取り付けられた夫々のスピンドルに取り付け られており、 前記スピンドルは夫々のレバーを有し、 前記装置は、前記レバーと係合するプレート部材を含み、 前記リング部材及び前記プレート部材のうちの一方が可動であり且つ他方が固 定されており、前記連結手段が前記温度トランスジューサの前記出力部材を前記 部材のうちの可動部材に連結する、請求項５に記載の装置。 ７．前記温度トランスジューサは、温度センサを含み、温度信号を前記センサ から前記出力部材に伝達するための手段を含む、請求項１に記載の装置。 ８．前記電動モータは、作動中に前記インペラーを１００００ｒｐｍを越える 速度で回転させる上で効果的である、請求項３に記載の装置。 ９．前記温度センサ及び前記出力部材は、サーモスタットユニットで組み合わ せられており、 前記サーモスタットユニットは、ポンプの作動時に、圧送されるべき液体内に 配置され且つこの液体の温度を感知する感温部を有し、 前記出力部材は、前記サーモスタットユニットのプランジャーとして形成され ている、請求項１に記載の装置。 １０．前記温度センサは、温度を示す電気信号を提供する上で効果的であり、 前記式部材は電気式アクチュエータ手段であり、前記トランスジューサは、前 記電気式アクチュエータ手段の出力の大きさを前記信号のレベルと関連させるた めの手段を含む、請求項１に記載の装置。 １１．前記電気式アクチュエータ手段は、ステッパモータである、請求項１０ に記載の装置。 １２．前記電気式アクチュエータ手段は、サーボモータである、請求項１０に 記載の装置。 １３．前記電気式アクチュエータ手段は、ソレノイドである、請求項１０に記 載の装置。 １４．前記装置は、作動中、前記流れ変向器が最大流れ減少バイアス状態にあ るとき、前記チャンバを通る流れが大量であるように構成されている、請求項１ に記載の装置。 １５．前記装置は、作動中、前記流れ変向器が液体流れ増大バイアス状態にあ るとき、前記チャンバを通る流れが、前記流れ変向器が流れ減少バイアス状態に ある場合に前記チャンバを通る対応する流れの２倍以上であるように構成されて いる、請求項１４に記載の装置。 １６．前記モータは、前記インペラーからの前記出口領域から前記流体流れチ ャンバの出口フランジ領域まで延びるその周囲に亘って円筒形二重壁管状流体流 れチャンバ内に収められており、 前記出口フランジ領域は、前記二重壁管状流体流れ通路を単一壁管状出口実施 例と一体化し、 前記管状出口実施例は、前記ハウジングはポンプ並びにシールされた流体通路 の取り付け一体化を行うことができるように形成されており、システム流体は、 前記シールされた流体通路を通ってポンプから離れ、隣接した冷却システム構成 要素に進入する、請求項１に記載の装置。 １７．前記ハウジングは前記ポンプチャンバの一部分を構成し、この部分は環 状断面を有し、前記インペラーの下流に配置されており、 前記部分は、円筒形の内壁及び外壁を含み、前記円筒形内壁がその中にモータ チャンバを構成し、 前記電動モータは前記モータチャンバ内に配置され、 前記装置は、前記電動モータ上及びその周りで冷却空気を循環する上で効果的 な空気循環システムを含む、請求項４に記載の装置。 １８．水冷式冷却システムを持ち、所定量の液体クーラントを収容した種類の 自動車用エンジンと組み合わせた前記ポンプ装置は、前記クーラントを循環する ように構成されている、請求項１に記載の装置。 １９．前記ポンプ装置は、一体の全体ユニットとして形成されており、前記装 置は、前記ユニットを前記エンジンの前記ブロックに直接的に取り付けるための 手段を含む、請求項１８に記載の装置。