(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水ポンプを通る冷却液の流量を制御すべく水ポンプに接続された流体チャンバを有する電子制御式粘性継手において、
ベルト駆動装置に適用し得るようにされたプーリーと、
該プーリーと流体的に接続されたクラッチと、
該クラッチと接続されて、前記水ポンプ内に伸びかつ複数のインペラを有する水ポンプ駆動軸と、
流体チャンバを流体作用チャンバと流体リザーバチャンバとに分離し得るように配置された弁板であって、開き位置と、半開き位置と、閉じ位置との間にて移動可能であり且つ電力が供給されていない場合には動作中の遠心力によって開き位置に保たれる少なくとも１つの弁を有し、該開き位置及び該半開き位置が粘性流体が充填ポートを通って前記流体リザーバチャンバから前記流体作用チャンバまで移動するのを許容し、前記流体作用チャンバ内の前記粘性流体が前記プーリーと前記クラッチとの間にてせん断作用を受け、前記水ポンプ駆動軸及び前記複数のインペラの回転動作を生じさせ、これにより水ポンプを通る冷却液の流れが発生するようにした弁板と、
静止コイルであって、磁束を発生させ得るように電気的に励起可能であり、前記磁束が前記少なくとも１つの弁を前記開き位置から前記閉じ位置まで移動させることができる静止コイルと、を備え、該閉じ位置が粘性流体が前記充填ポートを通って前記流体リザーバチャンバから前記流体作用チャンバまで移動するのを防止するようにしたものであり、
前記弁は、前記充填ポートの近傍に位置する回動中心と、当該回動中心に関して一方側に位置して前記充填ポートを開閉する弁部と、前記回動中心の他方側に位置するおもり部とから形成されている、電子制御式粘性継手。
【請求項２】
請求項１の電子制御式粘性継手において、前記水ポンプ軸の回転運動量が前記プーリーと前記クラッチとの間の前記粘性流体のせん断力の量の関数である、電子制御式粘性継手。
【請求項３】
請求項２の電子制御式粘性継手において、前記粘性流体の前記せん断力の量が前記流体作用チャンバ内の前記粘性流体の量及び前記ベルト駆動装置の回転速度の関数である、電子制御式粘性継手。
【請求項４】
請求項３の電子制御式粘性継手において、前記流体作用チャンバ内の前記粘性流体の量が前記静止コイルに作用する電気的励起の量の関数である、電子制御式粘性継手。
【請求項５】
請求項４の電子制御式粘性継手において、前記電気励起の量がエンジン速度及びエンジン温度の関数である、電子制御式粘性ポンプ。
【請求項６】
請求項１の電子制御式粘性継手において、前記クラッチがポンプを有し、該ポンプが前記粘性流体を前記流体作用チャンバから除去して前記流体リザーバチャンバに送ることができる、電子制御式粘性継手。
【請求項７】
水ポンプのキャビテーションを防止すべく水ポンプの速度を電子的に制御する方法において、
第一の一連の作動状態が存在するとき、水ポンプの速度をエンジンの速度から電子的に切り離す工程が、
電子制御式粘性継手であって、ベルト駆動装置に接続されたプーリーと、該プーリーと流体的に接続されたクラッチと、該クラッチと接続されかつ水ポンプ内に伸びる水ポンプの駆動軸と、水ポンプ内に保持された前記水ポンプの駆動軸に接続された複数のインペラと、静止コイルと、流体チャンバを流体作用チャンバ及び流体リザーバチャンバに分離し得るように配置された弁板とを備え、該流体リザーバチャンバが充填ポートと、開き位置、半開き位置及び閉じ位置間を動くことができ且つ電力が供給されていない場合には動作中の遠心力によって開き位置に保たれる少なくとも１つの弁とを有する、電子制御式粘性継手を水ポンプに接続する工程と、
第一の一連の作動状態が存在するとき、前記粘性流体の前記流体作用チャンバ内への導入を阻止し、これにより前記粘性流体が前記プーリーと前記クラッチとの間にてせん断作用を受け、前記水ポンプ軸を回転させるトルクを発生させ、水ポンプ内で冷却液の流れを生じさせるのを防止する工程とを備え、
前記弁は、前記充填ポートの近傍に位置する回動中心と、当該回動中心に関して一方側に位置して前記充填ポートを開閉する弁部と、前記回動中心の他方側に位置するおもり部とから形成されている、方法。
【請求項８】
請求項７の方法において、第一の一連の作動状態が存在するとき、前記粘性流体の前記流体作用チャンバ内への導入を阻止する工程が、第一の一連の作動状態が存在するとき、前記少なくとも１つの弁を前記開き位置又は前記半開き位置から前記閉じた位置まで移動させることにより、前記充填ポートを充填し、これにより粘性流体が前記流体リザーバチャンバから前記流体作用領域まで移動するのを防止する工程を備える、方法。
【請求項９】
請求項８の方法において、第一の一連の作動状態が存在するとき、前記充填ポートを密封する工程が、第一の一連の作動状態が存在するとき磁束を発生させるべく前記静止コイルを励起する工程を備え、前記磁束が、前記少なくとも１つの弁が前記開き位置又は前記半開き位置から前記閉じ位置まで移動する動作を生じさせることができ、該閉じ位置が、粘性流体が前記流体リザーバチャンバから前記充填ポートを通って前記流体作用チャンバまで移動するのを防止するようにした、方法。
【請求項１０】
エンジンにおける燃料の経済性を向上させ且つエンジンからの排気物の量を減少させる方法において、
水ポンプを電子制御式粘性継手に接続することであって、前記電子制御式粘性継手が、ベルト駆動装置に適用し得るようにされたプーリーと、該プーリーと流体的に接続されたクラッチと、該クラッチと接続されて、前記水ポンプ内に伸びかつ複数のインペラを有する水ポンプ駆動軸と、流体チャンバを流体作用チャンバと流体リザーバチャンバとに分離し得るように配置された弁板であって、開き位置と、半開き位置と、閉じ位置との間にて移動可能であり且つ電力が供給されていない場合には動作中の遠心力によって開き位置に保たれる少なくとも１つの弁を有し、該開き位置及び該半開き位置が粘性流体が充填ポートを通って前記流体リザーバチャンバから前記流体作用チャンバまで移動するのを許容し、前記流体作用チャンバ内の前記粘性流体が前記プーリーと前記クラッチとの間にてせん断作用を受け、前記水ポンプ駆動軸及び前記複数のインペラの回転動作を生じさせ、これにより水ポンプを通る冷却液の流れが発生するようにした弁板と、静止コイルであって、磁束を発生させ得るように電気的に励起可能であり、前記磁束が前記少なくとも１つの弁を前記開き位置から前記閉じ位置まで移動させることができる静止コイルと、を備え、該閉じ位置が粘性流体が前記充填ポートを通って前記流体リザーバチャンバから前記流体作用チャンバまで移動するのを防止するようにした電子制御式粘性継手に接続することと、
前記静止コイルに導入される電流の量を第１組のエンジンの運転状態の関数として電気的に制御することとを含み、
前記弁は、前記充填ポートの近傍に位置する回動中心と、当該回動中心に関して一方側に位置して前記充填ポートを開閉する弁部と、前記回動中心の他方側に位置するおもり部とから形成されている、方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法において、前記静止コイルに導入される電流の量を第１組のエンジンの運転状態の関数として電気的に制御することが、前記静止コイルに導入される電流の値をエンジン温度及びエンジン速度の関数として電気的に制御することを含む方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の方法において、前記静止コイルに導入される電流の量を第１組のエンジンの運転状態の関数として電気的に制御することが、電子制御式粘性継手の流体作用チャンバ内の粘性流体の量を前記静止コイルに導入される電流値を第１組のエンジンの運転状態の関数として電気的に制御することによって選択的に増加又は減少することを含み、前記粘性流体が前記流体作用チャンバ内において回転するプーリーと前記電子制御式粘性流体継手との間で剪断作用を受けて前記回転するプーリーと前記クラッチとの間でトルクを生じさせ、それによって前記クラッチ及び前記クラッチに接続された水ポンプの軸を回転させ、前記回転する水ポンプの軸がその水ポンプの軸に連結された複数のインペラを回転させることによって前記水ポンプを介してエンジンの冷却液を移動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体として、水ポンプ、より具体的には、電気制御式粘性継手駆動装置を有する水ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
典型的に、運転中、エンジンに対する熱伝導手段を提供するため現代の車にて水ポンプが使用されている。典型的に、エンジンのクランク軸が水ポンプを一定の比にて駆動する。このため、排気物の量を少なくするため、現在の車にて１つの傾向であるように、エンジンのアイドル速度が減速すると、水ポンプの速度はこれに相応して遅くなる。この水ポンプの速度が減速する結果、冷却システムを通る冷却液の流れが減少し、そのため、低温の天候時に必要とされるとき、車の内部へのヒータの出力が不十分となり、また、高温の天候の間、エンジンを冷却するための冷却液の流れが不十分となる可能性もある。
【０００３】
クランク軸からの駆動比を増すことにより水ポンプの速度を増大させることは、エンジンのアイドル速度時の冷却液の流れを増すことになるが、その結果、より速いエンジン速度のとき、ポンプを過熱させることになり、このことは、ポンプのキャビテーションを生じさせ且つ水ポンプのベアリングの寿命を短縮することになる。ポンプのキャビテーションの結果、ポンプは損傷し、また、冷却システムの性能が低下する可能性がある。
【０００４】
現在の技術は、低速のエンジンアイドル速度にて追加的な冷却液の流れを提供すべく、典型的に電気的に駆動される補助水ポンプを追加することである。別の方策は、冷却液の流れをより速いエンジン速度のとき絞るべく水ポンプの入口に可動のベーンを使用することである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、本発明の１つの目的は、補助水ポンプ又は可動のベーンを必要とせずに、高速のエンジン速度時のポンプのキャビテーションを防止しつつ、低いエンジンアイドル速度時、十分な冷却液の流れを提供することである。本発明の別の目的は、排気物の量及び燃料の経済性を向上させ得るように水ポンプの速度を制御することである。
【０００６】
本発明の上記及びその他の目的は、既知の水ポンプの改良である、本発明によって実現される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、プーリーと水ポンプの軸との間に電気制御式粘性継手を提供するものである。プーリーとクラッチとの間の小さい隙間、すなわち作用チャンバ内の粘性流体の量を変化させることが水ポンプの速度を制御することになる。この粘性流体は、せん断力を発生させ、このせん断力は、水ポンプの軸に接続されたクラッチに伝導されるトルクを生じさせる。トルクが変化すると、水ポンプの速度が変化する。水ポンプのハウジングに取り付けられた静止コイルからの磁束に応動する弁がチャンバ内の流体の量を制御する。
【０００８】
このように、電気制御式粘性継手は、補助水ポンプ又は可動ベーンを必要とせずに、より高速のエンジン速度にてポンプのキャビテーションを防止しつつ、低いエンジンアイドル速度にて十分な冷却液の流れを提供する。このことは、また、エンジン速度に関係なく、エンジンを受容可能な温度範囲に保つことにより燃料の経済性及び排気物の量を改良することになる。
【０００９】
本発明のその他の特徴、利点及び有利な点は、添付図面及び特許請求の範囲に従って検討したとき、本発明の以下の説明から明らかになるであろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
先ず、図１を参照すると、従来技術による内燃機関１２用の典型的な冷却システム１１は、車１０のエンジン温度を制御するため水ポンプ１４を使用する。内燃機関１２が始動すると、冷却液は、ラジエータ１８から枝管路１６を通って水ポンプ１４に入る。次に、冷却液は、水ポンプ１４外に且つエンジン１２の冷却通路（図示せず）内に圧送される。冷却液は、エンジン１２を通って恒温式流れ制御弁２０まで流れる。次に、冷却液は、恒温式制御弁２０により決定されるエンジン冷却液の温度に依存して、供給管路２２を通ってラジエータ１８まで流れて戻り、又はバイパス管路２４を通ってバイパスされる。エンジン１２が低温であるとき、恒温式流れ制御弁２０は冷却液をバイパス管路２４を通して流す。エンジン１２が高温であるならば、恒温式流れ制御弁２０は、冷却液を供給管路２２を通してラジエータ１８に流し、冷却液はこのラジエータにて冷却される。冷却液のオーバフロー領域２８は、典型的に、枝管路１６に接続されている。本明細書にて使用するように、「冷却液」という語は、凍結防止液又は水のようなエンジン冷却液と互換可能に使用する。
【００１１】
現在、利用可能なエンジンに駆動される水ポンプ１４に伴う１つの問題点は、水ポンプ１４の回転速度が常に、エンジン１２の速度に関係していることである。従って、エンジンのアイドルモード中、エンジン１２の速度が低いとき、システム１１を通る水の流量はこれに相応して少ない。エンジンのアイドル速度は排気物の量を制御する目的のため、更に低速とされるため、この流量は、これに相応して減少する。更に、エンジン１２の速度が増すに伴い、水ポンプ１４の回転速度もこれに相応して速くなる。これらの高速の回転速度時、水ポンプのキャビテーションが生じて、水ポンプ１４を通して圧送可能な冷却液の量を水ポンプ１４内のインペラ（図示せず）の回転速度と調和させることができない。このことは、水ポンプ１４内に真空圧を生じさせ、また、ポンプの損傷を引き起こす可能性がある。最後に、通常の作動状態の間、典型的に、エンジン１２を受容可能な温度範囲内に保つうえでこの高速の回転速度は不要であり、このため、エンジン１２及び冷却液システム１１が最適に作動する上で過度の回転速度は不要である。更に、過剰なトルクが発生されるならば、燃料の経済性及び排気物の量に有害な影響を与える。
【００１２】
これらの問題点を緩和するため、本発明は、電子制御式粘性継手を冷却システム１１の水ポンプに接続することにより水ポンプの速度を制御する。電子制御式粘性継手５０を有する本発明の１つの好ましい実施の形態について、図２、図３及び図４に関して以下に説明する。
【００１３】
次に、図３を参照すると、電子制御式粘性継手５０の静止コイル５２は、水ポンプ３４の外側ハウジング３５に取り付けられている。コイル５２は、また、磁束リング５５に接続された継手５０の本体５３にも接続されている。プーリー５４がベアリング５８によってクラッチ軸５６に取り付けられている。クラッチ６０は、水ポンプ３４内に伸び且つ複数のインペラ（図示せず）と接続された水ポンプ軸６２に取り付けられている。リザーバ６６がクラッチ６０の反対側部に保持される一方、プーリー５４とクラッチ６０との間に作用チャンバ６４が画成されている。図２、図３及び図４に最も良く図示するように、プーリー５４は、典型的に、エンジン１２のクランク軸に接続されたベルト６８によって駆動される。
【００１４】
典型的に、作用チャンバ６４内にシリコーン系流体である粘性流体が保持されている。粘性流体は、プーリー５４とクラッチ６０との間の速度差のため、せん断力を発生させる。せん断力は、クラッチ６０に伝導され、更に、水ポンプ軸６２に伝導されるトルクを発生させる。プーリー５４とクラッチ６０との間の粘性流体の量を変化させることにより、伝導可能なトルク量は変化し、このため、水ポンプ３４の速度を変化させる。流体は、通路７４を通って逃げてリザーバに戻ることができる。
【００１５】
図４に最も良く図示するように、作用チャンバ６４内の流体の量は、水ポンプハウジング３５に取り付けられた静止コイル５２からの磁束に応動する弁７０によって制御される。空隙を亙る磁束は、静止コイル５２の電気的励起に起因し、一方、この電気的励起は、弁７０を枢動させ且つ充填ポート７２を閉じる。クラッチ６０におけるポンプは、粘性流体をリザーバ６６に戻し且つ粘性継手５０の作用領域６４の外に出す。
【００１６】
弁７０が閉じられならば、粘性流体はリザーバ６６内に残り且つ作用領域６４から出ている状態になっている。従って、クラッチ６０が静止しているか又は予め設定した遅い速度にて回転して、エンジン１２内に高温部分が形成されるのを防止し且つヒータ（図示せず）まで流れるのに十分な循環量を提供する間に、プーリー５４は旋回自在である。クラッチ６０が静止しているとき、水ポンプ軸６２に伝導されるトルクは存在せず、このため、水ポンプ軸６２に接続されたインペラは、水ポンプ３４内にて回転しない。このため、弁７０が閉じ位置にあるとき、冷却システム１１は冷却液が殆ど又は全く流れない。
【００１７】
静止コイル５２の励起は、多岐に亙る好ましい方法にて制御することができる。例えば、本発明の１つの好ましい実施の形態において、車のセンサから得られた多くの異なる自動車の入力信号の関数として、電気的励起状態を制御すべく静止コイル５２と多数の車センサ（図示せず）との間で電子式制御装置（図示せず）を電子的に接続することができる。可能な入力信号の非限定的な例として、シリンダヘッドの温度信号、燃料の噴射タイミング信号、及びヒータの需要信号が挙げられる。代替的な実施の形態において、電子式制御装置は、また、燃料の経済性及び排気物の量を更に最適化するため、静止コイル５２及び車センサに加えて、電子制御式装置を冷却ファン及び冷却液弁に接続することもできる。更に、その他の代替的な実施の形態において、静止コイル５２の電気的励起の制御は、エンジン内に接続された熱スイッチ又は冷却システムの構成部品を介して行うことができる。
【００１８】
図２乃至図４に図示した形態において、粘性継手５０はフェールセーフ型である。何らかの理由により電力が遮断され又は切れたならば、遠心力によって弁７０は開き状態に保たれ、流体はプーリー５４とクラッチ６０との間の作用チャンバ６４内に流れる。このことは、その開示内容を参考として引用し、本明細書に含めた、２０００年１２月１日付けで出願した出願係属中の米国特許出願第０９／７２８，０１５号の発明である。
【００１９】
本発明は、現在、利用可能な冷却システム１１に優る多数の有利な点をもたらすものである。第一に、水ポンプの速度は、いろいろな状況下にて十分な冷却液の流れを提供し得るように電子的に制御される。温度センサによってエンジンの温度が低温であると測定された時点にてエンジン１２が最初に作動されたとき、継手５０は開き位置に保たれ、作用領域６４内の流体の量及びエンジン速度に基づいて発生されたトルク量に比例する量にてエンジン冷却液が冷却システム１１を通って流れることを許容する。このことは、燃料経済性及び排気物の量が理想的な状態とされる、その好ましいエンジン温度までエンジン１２が可能な限り迅速に暖機されることを許容する。エンジン１２がいろいろなエンジン温度センサにより検知される受容可能な程度まで暖機されるとき、弁７０を部分的に閉じた位置まで動かし、これにより作用領域６４に入る粘性流体の量を制限することにより、水ポンプ軸６２の回転速度及びこれに相応して冷却システム１１を通る冷却液の流量を減少させる。このことは水ポンプ軸６２を回転させるのに利用可能なせん断力及びトルク量を制限し、これにより、冷却システム１１を通る冷却液の流量を制限することことができる。最後に、冷却システム１１が必要とする冷却液の流量が少ない状態のとき、弁７０を完全に閉じるのに十分な磁束を発生させるのに十分な電圧にてコイル５２を励起させる。このように、全ての状況下にて、いろいろなエンジン速度及び温度にて理想的な燃料の経済性及び排気物の量を実現し得るような冷却システム１１の状態を保つのに必要なトルク量は、継手５０内の静止コイル５２の電気的励起状態を変化させるだけで迅速に且つ連続的に調節することができる。
【００２０】
第二に、本発明は、水ポンプ軸６２の回転を電子制御式粘性継手５０に接続することにより水ポンプ３４内のポンプのキャビテーションを防止する。２０００年１２月１日付けで出願された出願係属中の米国特許出願第０９／７２８，０１５号に記載されたように、水ポンプ軸６２の回転速度は、作用チャンバ６４内に保持された粘性流体のせん断量によって限定された回転速度に制限され、このせん断力は、クラッチ６０及び水ポンプ軸６２を駆動するのに必要なトルクを発生させる。この限定された回転速度は、常に、ポンプのキャビテーションを発生させるのに必要とされる真空圧を水ポンプ３４内に発生させるのに必要な回転速度以下である。
【００２１】
第三に、静止コイル５２が電気的に励起されないとき弁７０は開き位置に保たれるため、粘性継手５０はフェールセーフとなる。電力が冷却システム１１により遮断されるか又は切られたならば、弁７０は、遠心力によって開き位置に保たれ、これにより、粘性流体を作用チャンバ６４内に保つことを許容し、これにより上述したように水ポンプ軸６２の回転速度を制限する。このことは、また、ポンプのキャビテーションを防止することにもなる。
【００２２】
本発明を実施する最良の形態について本明細書にて詳細に説明したが、本発明が関係する技術分野の当業者は、特許請求の範囲に記載されたように本発明を実施するためのいろいろな代替的な設計及び実施の形態が認識されよう。例えば、クラッチ６０及び水ポンプ３４に対するプーリー５４の位置は、プーリー５４がクラッチ６０と水ポンプ３４との間にあり且つ同様に作用するように変更してもよい。更に、弁７０は、流体リザーバ６６から流体作用領域６４への流体の動きを制御すべく多岐に亙る方法にて開き位置から閉じ位置まで電子的に動くようにしてもよい。特許請求の範囲及びその意義に属するこれらの実施の形態及び変更例の全ては、本発明の範囲に包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による水ポンプを有する冷却システムの図である。
【図２】本発明の１つの好ましい実施の形態による水ポンプに接続された粘性水ポンプ駆動装置の図である。
【図３】線３−３に沿った図２の断面図である。
【図４】線４−４に沿った図３の断面図である。
【符号の説明】
１０  車                          １１  冷却システム／冷却液システム
１２  内燃機関／エンジン          １４  水ポンプ
１６  枝管路                      １８  ラジエータ
２０  恒温式流れ制御弁            ２２  供給管路
２４  バイパス管路                ２８  冷却液のオーバーフロー領域
３４  水ポンプ
３５  外側ハウジング／水ポンプハウジング
５０  電子制御式粘性継手          ５２  静止コイル
５３  継手の本体                  ５４  プーリー
５５  磁束リング                  ５６  クラッチ軸
５８  ベアリング                  ６０  クラッチ
６２  水ポンプ軸                  ６４  作用チャンバ／作用領域
６６  リザーバ                    ６８  ベルト
７０  弁                          ７２  充填ポート
７４  通路
【図１】
0004443096.tif 000002
【図２】
0004443096.tif 000003
【図３】
0004443096.tif 000004
【図４】
0004443096.tif 000005