(57)【要約】  内燃機関（２）は、機関内の燃焼によって生成される熱の消散を冷却液に依存する。機関自身によって駆動される冷却剤ポンプ（１６）は、機関内部の通路（１４）内を通る冷却剤を循環させる。機関の速度と、ポンプの速度との間に可変速度比率が存在するように、ポンプは磁性粒子クラッチ（３６）または磁性流体クラッチなどの、ポンプが作動する速度およびポンプが冷却剤を循環させる速度の制御について磁場に依存するクラッチを含有する。
2009503364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用冷却剤ポンプであって、
前記ポンプは、ハウジングと；前記ハウジング内に位置する翼を含有するインペラーと；回転駆動部材と；磁性クラッチとを有し、
前記磁性クラッチは前記回転駆動部材と、前記インペラーとの間に差し込まれており、
前記クラッチは、前記インペラーと共に回転する第一クラッチエレメントおよび前記駆動部材と共に回転する第二クラッチエレメントと、磁場を生成する電磁石と、前記第一および第二クラッチエレメント間のトルクの伝達をする物質とを含有し、
前記物質は、前記第二クラッチエレメントと相対的である前記第一クラッチエレメントの速度が磁場の強さに依存するように、電磁石によって生成された磁場に対して反応性であり、それにより、前記インペラーが回転する速度が、前記駆動部材が回転する速度から独立であり、前記クラッチによって制御されることを特徴とする内燃機関用冷却剤ポンプ。
【請求項２】
前記第一および第二クラッチエレメントと、前記インペラーと、前記駆動部材とが共通の軸の周りを回転することを特徴とする請求項１に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項３】
前記クラッチが磁性粒子クラッチであることを特徴とする請求項１に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項４】
前記第一クラッチエレメントは、前記軸から離れて存在する周囲面を有し；
前記第二クラッチエレメントは、前記軸に向き、前記第一クラッチエレメントの前記周囲面に向くように存在する内側面を有し；
前記第一エレメントの前記周囲面と、前記第二エレメントの前記内側面との間にギャップが存在し；
前記トルクの伝達をする物質は、前記ギャップ内にある磁性粒子であることを特徴とする請求項３に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項５】
前記第一エレメントの前記周囲面と、前記第二エレメントの前記内側面とが円筒形状であり、平行であることを特徴とする請求項４に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項６】
前記電磁石は前記クラッチエレメントの一つによって運ばれ；
クラッチエレメントが回転する間でも静止した状態にとどまる電力源に電磁石を接続するためのコネクタをさらに有することを特徴とする請求項３に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項７】
前記コネクタが、スリップリングと、前記スリップリング同士を接触させるブラシとを含有することを特徴とする請求項６に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項８】
前記クラッチが磁性流体クラッチであり、前記トルクを伝達する物質が磁性流体であることを特徴とする請求項１に記載の冷却剤ポンプ。
【請求項９】
クランクシャフトと、冷却剤通路と、内燃機関内での燃焼によって生成される熱を消散するための、前記通路内の冷却剤と、前記機関内の通路内を通る冷却剤を循環させるための冷却剤ポンプとを有する内燃機関との組合せであって、
前記ポンプは、前記冷却剤に曝されているインペラーを有し、軸の周りを回転するシャフトを含有し；
前記クランクシャフトと、前記インペラーの前記シャフトとの間にクラッチが差し込まれており、前記クラッチは電磁石を含有し、前記電磁石によって生成された磁場に対して応答性であるトルクを伝達する物質を含む。
【請求項１０】
前記クランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトによって、前記クランクシャフトの速度と相互関係を有する速度において駆動される回転駆動部材をさらに有し、
前記クラッチは、前記インペラーの速度において前記インペラーと共に回転するために、前記インペラーに取り付けられた第一クラッチエレメントと；前記駆動部材の速度において前記駆動部材と共に回転するために、前記駆動部材に取り付けられた第二クラッチエレメントとを有し、前記第一および第二クラッチエレメント間にはギャップが存在し、
全てが、前記インペラーの速度が前記磁場の強さに依存するように、前記トルクを伝達する物質は前記第一および第二クラッチ部材間のギャップ内の磁性粒子であることを特徴とする請求項９に記載の組合せ。
【請求項１１】
前記機関に接続されている主要な熱交換器をさらに有し；
前記ポンプは、前記主要な熱交換器内をも、冷却剤を循環させることを特徴とする請求項１０に記載の組合せ。
【請求項１２】
前記機関に接続されている補助的な熱交換器をさらに有し；
前記ポンプは、前記補助的な熱交換器内をも、冷却剤を循環させることを特徴とする請求項１１に記載の組合せ。
【請求項１３】
前記主要な熱交換器が、前記冷却剤から熱を抽出するための空気がその内部を通るラジエータであり：
前記補助的な熱交換器が、その内部を流れる冷却剤の速度を制御するバルブを含有するヒーターであることを特徴とする請求項１２に記載の組合せ。
【請求項１４】
前記機関が、前記クランクシャフトによって運ばれるプーリーを有し、
前記ポンプの前記駆動部材がプーリーであり、前記プーリーの上を通るベルトをさらに有することを特徴とする請求項１３に記載の組合せ。
【請求項１５】
前記クラッチ内でトルクを伝達する前記物質は、磁性流体であることを特徴とする請求項９に記載の組合せ。
【請求項１６】
冷却液を含有する冷却剤通路と、それから動力が供給されるシャフトと、前記通路内に前記冷却剤を循環させるために前記冷却剤通路の一つの中に配置されたポンプインペラーとを有する内燃機関から熱を消散する方法であって、
前記機関の前記シャフトと、前記ポンプの前記インペラーとの間に：固定の速度比率において前記インペラーと共に回転する第一エレメント、および、固定の速度比率において前記シャフトと共に回転する第二エレメントとを有するクラッチと；電磁石と；前記第二エレメントから前記第一エレメントへトルクを伝達するために前記クラッチエレメント間に位置し、前記第二クラッチエレメントと相対的である前記第一クラッチエレメントの速度が磁場の強さに依存するように、電磁石によって生成された磁場に対して反応性であるトルク伝達物質と、を差し込むことと、
前記インペラーの速度と、前記冷却剤通路内を通る冷却剤の循環を制御するために、前記電磁石によって生成された磁場を変えることと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は２００５年８月１日に出願された米国特許出願番号１１／１９４、３８２に由来し、当該出願からの優先権を主張する。
【０００２】
技術分野
本発明は概してポンプ、特には内燃機関用冷却剤ポンプ、そのようなポンプが備えられた機関（エンジン）、および、そのような機関から熱を消散させる方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの内燃機関は熱の消散を冷却液に依存し、そうしなければ、そのような機関は破壊される。一般的な機関において冷却剤通路は機関のシリンダを取り囲み、機関それ自身によって駆動される送水ポンプが上記通路内に冷却剤を循環させる。ほとんどの機関、特に自走車両の動力に用いられるものにおいては、ラジエータ内を通る空気へ熱が伝達される場所であるラジエータ内をも、送水ポンプは冷却剤を循環させる。このタイプの機関用の送水ポンプは、客室へ熱を供給するヒーターの形式である、追加的な熱交換器内も冷却剤を循環させてもよい。通常、冷却剤が規定の作動温度に達すると、サーモスタットが冷却剤のラジエータへの流れを制限し、冷却剤通路内の冷却剤の温度を概して一定に維持する。
【０００４】
上記送水ポンプは機関のクランクシャフトへ直に連結されており、上記クランクシャフトの速度に対する固定の比率において、相互に関連のある速度で作動する。クランクシャフトの速度が増加すると、送水ポンプの速度も増加する。しかしながらそれは、機関にとって最適な冷却をもたらさないこと、または、ラジエータまたはヒーターのいずれかに最適に冷却剤を供給しないことが多い。例えば自動車の機関が長時間にわたって高速で作動し、その後停車してアイドリング状態、または、市街地での運転においてより遅い速度にされた場合、高速運転から維持される残存熱を消散させるためには冷却剤の流れが十分ではない場合がある。上記機関には、より大きな冷却剤の流れが必要である。また、始動時には機関がヒーター内に冷却剤を十分に循環させない場合もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図を参照すると、内燃機関２は、その内部でピストン８が往復動するシリンダ６を含有するブロック４を有し（図１）、上記ピストン８は、機関２から動力が供給されるクランクシャフト１０を回転させる。その動力を生み出すためにヘッド１２の下のシリンダ６内で燃料が燃えるが、上記燃焼は、機関２の破壊を防ぐために消散されなければならない、余分な熱も生成する。そのため、ブロック４およびヘッド１０は、水と、エチレングリコールとの混合物などの冷却液がその内部を流れる、冷却剤通路１４を含有する。
【０００６】
実際は、シリンダ６内で生じた余分な熱を抽出するために、上記冷却剤通路１４内に冷却剤を循環させる冷却剤ポンプ１６に、上記機関２自身が動力を供給する。冷却剤ポンプ１６を作動させる動力は、その上にベルト２０が向けられた(trained)プーリー１８を備えるクランクシャフト１６に由来する。上記ベルト２０は、冷却剤ポンプ１６および他の装備品にも動力を伝える。
【０００７】
実際は、冷却剤ポンプ１６および冷却剤通路１４は、ラジエータ２２内を通過する際に空気の流れが冷却剤から熱を抽出するラジエータ２２の形式を一般的にとる、少なくとも主要な熱交換器をも機関２の向こうに含有する冷却剤回路内に位置する。また、上記回路は、自走車両の客室を加熱するように設計されたヒーター２４の形式の補助的な熱交換器を含有する。上記ヒーター２４の入り口は、シリンダ６の下流の冷却剤通路１４の一つにつながり、高い温度において冷却剤は上記ヒーター２４内へと流れる。ここでヒーター２４には、その内部を通る冷却剤の流れの速度を制御するためのバルブ２６が備えられている。上記通路１４が上記ラジエータ２２に冷却剤を排出する場所において、上記ヒーター２４は冷却剤を排出し、冷却剤通路１４へと戻す。ここで上記通路１４は、冷却剤の流れを制限する容量を有するサーモスタット２８を含有し、機関２がいったん作動温度へ達すると、上記通路１４およびヒーター２４内の冷却剤の温度は概して一定に維持される。
【０００８】
冷却剤ポンプ１６は、ハウジング３０と、上記ハウジング３０内で軸Ｘの周りを回転するインペラー３２と、その上にベルト２０が向けられた(trained)プーリー３４と、上記インペラー３２およびプーリー３４の間に差し込まれたクラッチ３６とを含有する（図２および３）。上記クラッチ３６は、上記インペラー３２が回転する角速度を制御し、インペラー３２はある程度クランクシャフト１０から独立して作動する。少なくとも、インペラー３２の速度と、クランクシャフト１０の速度との間の比率は可変である。好ましくは、上記クラッチ３６は磁性粒子クラッチである。
【０００９】
ハウジング３０は、機関ブロック４の一端において冷却剤通路１４へ開口する空洞４０を提供し、その結果上記空洞４０は冷却剤回路の一部を形成する。ここでハウジング３０の端部は開口しており、それに沿ってブロック４に固定されているフランジ４２が備えられている。上記ハウジング７０の他端は多くの場合、軸方向に向けられており、インペラー３２の一部がその内部を通って突き出す軸受マウント４６を備える端部壁４４によって塞がれている。上記軸方向に向けられたマウント４６は、封印された転がり軸受（ベアリング）４８を含有する。また、ハウジング３０は、端部壁４４の近傍で空洞４０へ開口する入り口５０を含有する。
【００１０】
インペラー３２は、ハウジング３０の軸受４８内の、軸Ｘの周りを回転し、上記空洞４０内への方向、および、空洞４０から離れる方向である他の方向への、両方向へ伸張するシャフト５２を含有する。空洞４０の内部で、インペラー３２は軸Ｘから放射される翼５４に取り付けられている。インペラー３２が軸受４８上を回転すると、その翼５４は上記入り口５０から冷却剤を引き寄せ、ブロック４およびヘッド１２の冷却剤通路１４へと押し入れる。バルブ２６によって制限されない限り、暖められた後の冷却剤も、ヒーター２４内へと流れる。
【００１１】
磁性粒子クラッチ３６は、軸Ｘの周りに、同軸に組織された内側クラッチエレメント６０と、外側クラッチエレメント６２とを含有する。加えてそれは、外側クラッチエレメント６４と、電力源へ電磁石６４を接続させるためのコネクタアセンブリ６６とによって運ばれる電磁石６４を有する。
【００１２】
内側クラッチエレメント６０は、インペラー３２のシャフト５２に連結され、シャフト５２と共に回転する。そのためそれは、インペラーシャフト５２上に取り付けられ、スプラインまたはキーで連結されたスリーブ７０を有し、それら二つは常に同じ角速度で回転する。また、内側エレメント６０は、軸Ｘから外側に離れて提供される円筒形の表面を持つリム７２を有する。スリーブ７０およびリム７２は、それらよりも大幅に細いウェブ７６によって結合されている。
【００１３】
外側クラッチエレメント６２は上記内側クラッチエレメント６０を取り囲むが、内側クラッチエレメント６０と相対的に回転することができる。そのため、内側エレメント６０用の、ウェブ７６の各側に沿った二つの部分８０を有し、それらは、内側エレメント６０のスリーブ７０を取り巻くハブ８２を提供する。ハブ６２と、スリーブ７０との間には、内側エレメント６０と相対的に、軸Ｘが回転軸となるように外側エレメント６２が回転できるようにする転がり軸受８４がある。二つの軸受８４は、同じようにスリーブ７０と、ハブ８２との間に取り付けられたシールによって、外部の汚染物質から隔離される。外側エレメント６２の上記部分８０も内側エレメント６０のリム７２の上に伸張し、内側に軸Ｘに向って、および、内側エレメント６０のリム７２上の円筒形表面に向って提供される円筒形表面を提供する。二つの円筒形表面の間には、一定の幅のギャップｇがある。それは磁性粒子、すなわち、磁場において磁化されることが可能であり、磁化されると、外側クラッチエレメント６２から内側クラッチエレメント６０へトルクを伝えることができる粒子を含有する。その場は、外側エレメント６２内で、円筒形内側表面から少し外側に補足される電磁石６４によって作られる。このように磁性粒子は、トルク伝達物質を構成する。
【００１４】
コネクタアセンブリ６６は、ハウジング３０と、クラッチ３５の二つのエレメント６０および６２との間に位置する。それは、ハウジング３０の端部壁４４に取り付けられており、誘電性物質から形成される固定コネクタ９０を含有する。コネクタ９０は、導電性物質から形成される内側および外側スリップリング９２を持つ。加えて、上記コネクタアセンブリ６０は、同様に誘電性物質から形成される回転コネクタ９４を含有する。それは、導電性物質から形成され、固定コネクタ９０上にそれぞれ内側および外側スリップリング９２に対してバネによって傾けられている、内側および外側ブラシ９６を持つ。スリップリング９２およびブラシ９６から外側に、二つのコネクタ９２および９４は、スリップリング９２およびブラシ９４から汚染物質を排除するラビリンス(labyrinth)を形成する。
【００１５】
実際には電磁石６４は、一つは内側ブラシ９６に、もう一方は外側ブラシ９６に付着している二つのリードを有する環状コイルである。固定コネクタ９０のスリップリング９２は、自走車両の蓄電池などの電力源を横切って接続されており、電磁石６４を横切って印加される電位を制御し、それによって磁石６４内を流れる電流を制御するための制御モジュールがスリップリング９２と、電力源との間に挿入されている。上記制御は、機関ブロック４の冷却剤通路１４内の冷却剤の温度や、ハウジング３０に取り付けられることができる速度センサを介したインペラー３２の速度を含む、機関２の種々の作動状況を監視し、応答する。
【００１６】
二つのクラッチエレメント６０および６２間のギャップｇ内の磁性粒子は、外側セクション６２から内側セクション６０へとトルクを伝達するが、電磁石６４に電圧が印加されているときだけである。また、電磁石６４に電圧が印加され、トルクの伝達が生じると、外側セクション６２に相対的である内側セクション６０の速度は、電磁石６４を横切って印加される電位の大きさに依存する、磁石６４内を通過する電流の大きさに依存する。いずれにせよ電磁石６４は、ギャップｇ内の磁場を生成し、その場の強さが内側および外側クラッチエレメント６０および６２の間の相対速度を決める。
【００１７】
冷却剤ポンプ１６のプーリー３４は、ポンプ１６用の駆動部材として機能する。それは、プーリー３６と、外側セクション６２とが常に同じ角速度で一緒に回転できるように、磁性粒子クラッチ３６の外側エレメント６２を取り囲み、小ネジ(machine screw)９８を介して外側セクション６２へ連結される。ベルト２０は、クランクシャフト１０上のプーリー１８およびクラッチ３６のプーリー３４の上を通過し、上記二つの速度間に固定の比率が存在するように、クランクシャフト１０がクラッチ３６の外側エレメント６２を駆動する。
【００１８】
機関２の作動において、燃料および空気は、その混合物が点火される場所であるシリンダ６内へ入り、ピストン８をクランクシャフト１０に向って駆動し、クランクシャフト１０へ回転を付与する。上記燃焼は、機関ブロック４およびその通路１４内の冷却剤の温度を上昇させる熱を生成する。しかしながらポンプ１６はその冷却剤を、上記通路１４内およびラジエータ２２内および、ことによると冷却剤の温度を低減させるために冷却剤から熱が抽出される場所であるヒーター２４内を循環させる。低温の冷却剤は、その冷却剤を再び通路１４内を循環させるポンプ１６へ流れて戻る。通路１４内の冷却剤を規定の温度に維持するポジションを模索するという意味で、サーモスタット２６は通路１４内を通る冷却剤の流れを制御する。しかしながらこの点においては、全てが効果的であるというわけではない。ポンプ１６は別途の程度の制御を提供し、ポンプ１６およびサーモスタット２８は共に、機関２についてのさらに優れた温度管理を提供し、これにより機関２の効率を向上させる。
【００１９】
そのため、クランクシャフトプーリー１８と、ポンププーリー３６との間の比率は、ポンププーリー３６が、内燃機関用の従来のポンプ上のプーリーよりも速い速度で回転するほどである。しかしながら増加された速度は、ポンプ１６のインペラー３２がプーリー３４の速度で作動しないかもしれない−実際にはしないことが多い−ように、磁性微粒子クラッチ３６によって調節される。いずれにせよ、インペラー３２の増加された速度の蓄積が利用できる。ある作動状況には、上記蓄積が必要とされる場合がある。例えば、暑い日に長時間機関２が高出力で作動された場合、ポンプ１６用の制御モジュールは通路１４内の冷却剤の温度上昇を察知し、機関２のオーバーヒートを防ぐ速度で冷却剤が循環するのに十分な、大きな速度においてインペラー３２を回転させるため、クラッチ３６の電磁石６４内の十分な電流を導く。この機能は、機関２が長時間高出力において作動された後にアイドリングにされた場合に特に有用である。同様に、機関が冷たい状態での低機関速度においては、それが温まってきても、蓄積された速度は、冷却剤をヒーター２４へ暖かい冷却剤を運ぶために、ヒーター２４内を循環させることができ、それにより、客室を暖めるために必要な時間を早める。
【００２０】
様々なバリエーションがあり得る。例えば、ポンプ１６のプーリー３４に代表される駆動エレメントは、チェーンドライブ用のスプロケットまたはギアトレインの一部でもよい。ポンプ１６のハウジング３０は、その一部が機関２のブロック４へはめ込まれていてもよい。クラッチ３６の電磁石６４は、内側クラッチエレメント６０によって運ばれてもよく、または、クラッチエレメント６０および６２の両方の外部に、それによって生成された磁場が、クラッチエレメント６０および６２の間のギャップｇを通過できるのに十分近いように配置されてもよい。上記クラッチ３６は、そのプーリーと、クラッチ３６における他のプーリーとがそれらの上に向けられた(trained)エンドレスベルトによって連結されており、そのプーリーがシャフト５２に取り付けられている場合、インペラー３２におけるシャフト５２上ではなく、クランクシャフト１０上に取り付けられてもよい。しかしながらベルトは、他の構成部材を駆動しない、ポンプ１６専用でもよい。磁性粒子クラッチ３６の代わりに、磁性流体クラッチが代用されてもよい。このタイプのクラッチは、そのトルク伝達物質として磁性流体を利用する。この点において、流体の速度が、磁場−磁場が大きいほど速度が速い−に変えられてもよい。上記クラッチは、クラッチ内の流体の速度を制御する、磁性流体を生成するための電磁石を含有する。また、機関２が海洋用途に用いられる場合、多量の水(a body of water)が主要な熱交換器として、および水自身が冷却剤として機能してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明に従って構成され、本発明を具体化した、冷却剤ポンプが備えられた内燃機関の概略図である。
【図２】図２は、上記ポンプの断面図である。
【図３】図３は、上記ポンプの、部分切り欠きおよび断面の、斜視図である。
【図１】
2009503364.tif 000003
【図２】
2009503364.tif 000004
【図３】
2009503364.tif 000005
【国際調査報告】
2009503364.tif 000006
2009503364.tif 000007
2009503364.tif 000008