(57)【要約】【課題】エンジンの運転状態に依存することなく、流量を可変にするウォータポンプを提供することを目的とする。【解決手段】  ウォータポンプ１は、エンジンのクランクシャフトから回転が伝達されるプーリ２及びギヤキャリア４と、回転時にスラスト方向ｓへ移動し、プーリ２及びギヤキャリア４と出力軸６とを結合する第１ヘリカルギヤ４１と、第１ヘリカルギヤ４１とともに、プーリ２及びギヤキャリア４の回転をインペラ５の結合された出力軸６に伝達する第２ヘリカルギヤ４２と、作動時に第１ヘリカルギヤ４１を反スラスト方向への力を付与するための機構として、第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、第３スパーギヤ４６、及びモータ７を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力源から回転が伝達される回転体と、
回転時にスラスト方向へ移動し、前記回転体とインペラの結合された出力軸とを結合するヘリカルギヤと、
作動時に前記ヘリカルギヤへ反スラスト方向の力を付与する減速機構と、
を備えたことを特徴とするウォータポンプ。
【請求項２】
前記回転体における前記ヘリカルギヤのスラスト方向に摩擦板を備えたことを特徴とする請求項１記載のウォータポンプ。
【請求項３】
前記ヘリカルギヤは前記出力軸に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のウォータポンプ。
【請求項４】
前記減速機構は、一方向のみに回転する原動機を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のウォータポンプ。
【請求項５】
前記原動機は、ブラシレスモータであることを特徴とする請求項４記載のウォータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは、燃焼による発熱から性能を維持するため、冷却水を循環するウォータポンプを備えている。ウォータポンプは、エンジンのクランクシャフトにベルトを介して接続され、インペラの設けられた出力軸を回転させて冷却水を圧送する。このようなウォータポンプを改良した技術として、特許文献１には、磁力を利用することにより非接触で、エンジンの回転が伝達される駆動側回転体からインペラが設けられた従動側回転体へ回転を伝達するウォータポンプが記載されている。また、特許文献２には、エンジンの出力軸が結合した遊星歯車と、電動機とをウォータポンプに伝えるようにして、ウォータポンプを制御することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００８／０７８７７４号公報
【特許文献１】特開２００４−１１６３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１のウォータポンプは、負圧室の圧力を調節して磁石を移動させ、磁石と誘導体とのオーバーラップ量を調整することにより、流量を可変にしている。特許文献１によると、負圧室の圧力は吸気管負圧を利用して調節している。ところが、吸気管負圧はエンジンの運転状態によって変動し、エンジンの運転状態によっては、吸気管負圧によって負圧室の圧力を調節できず、ポンプの流量を変更できない。また、別途、バキュームポンプなど圧力調整用の機構を備えるとする場合、コスト面の課題やウォータポンプ装置自体の体格が大きくなることによる搭載スペースの面で課題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は上記の課題を鑑み、エンジンの運転状態に依存することなく、流量を可変にするウォータポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決する本発明のウォータポンプは、動力源から回転が伝達される回転体と、回転時にスラスト方向へ移動し、前記回転体とインペラの結合された出力軸とを結合するヘリカルギヤと、作動時に前記ヘリカルギヤへ反スラスト方向の力を付与する減速機構と、を備えたことを特徴とする。上記構成において、ウォータポンプは、減速機構により、ヘリカルギヤを減速して、回転体との結合を調整し、出力軸の回転を制御する。これにより、ウォータポンプは、エンジンの運転状態に依存することなく冷却水の圧送量を調整できる。
【０００７】
このようなウォータポンプにおいて、前記回転体における前記ヘリカルギヤのスラスト方向に摩擦板を備えることとしてもよい。また、前記ヘリカルギヤは前記出力軸に設けることとしてもよい。前記減速機構は、一方向のみに回転する原動機を備えることとしてもよい。前記原動機は、ブラシレスモータとしてもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のウォータポンプは、エンジンの運転状態に依存することなく流量を可変にする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１のウォータポンプの断面図である。
【図２】図１の矢示ａからウォータポンプを見た場合のギヤキャリア内のギヤの配置を示した図である。
【図３】実施例１の稼働時のウォータポンプの断面図である。
【図４】実施例１のモータの制御時のウォータポンプの断面図である。
【図５】図４の矢示ｂからウォータポンプを見た場合のギヤキャリア内のギヤの配置を示した図である。
【図６】ウォータポンプの圧送量の制御を示したフローチャートである。
【図７】ウォータポンプを搭載したエンジンにおける冷却水の温度の推移を示した図である。
【図８】エンジン始動からの経過時間と冷却水の温度、プーリの回転数、モータの回転数、インペラの回転数、ウォータポンプの圧送量の一例を一覧に示した図である。
【図９】実施例２のウォータポンプの断面図である。
【図１０】実施例３のウォータポンプの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は本実施例１のウォータポンプ１の断面図である。ウォータポンプ１は、エンジンの冷却水を循環することを用途としてエンジンに組み込まれる流体圧送機である。ウォータポンプ１は、エンジンを動力源としてエンジンのクランクシャフト（図示しない）から回転が伝達されるように構成されている。図１に示すように、ウォータポンプ１は、プーリ２、ギヤキャリア４、インペラ５、出力軸６、モータ７、ハウジング８を備えている。プーリ２は、エンジンのクランクシャフトに結合したクランクプーリ（図示しない）とベルト３を介して連結されている。クランクシャフトが回転するとクランクプーリが回転し、これに伴ってベルト３が連動して回転する。ベルト３が回転することにより、プーリ２にクランクシャフトの回転が伝達される。
【００１２】
ギヤキャリア４はプーリ２の内周側でプーリ２に結合されている。ギヤキャリア４は、プーリ２と一体に回転するように構成されている。プーリ２とギヤキャリア４の回転軸は、出力軸６の回転軸と一致している。ギヤキャリア４は内部が中空構造となっており、ギヤキャリア４の内部に、斜歯を有する第１ヘリカルギヤ４１及び第２ヘリカルギヤ４２、並びに平歯を有する第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、及び第３スパーギヤ４６が設けられている。図１において、各ギヤの位置は初期位置である。なお、プーリ２とギヤキャリア４は本発明の回転体に相当する。
【００１３】
図１に示すように、第１ヘリカルギヤ４１は、出力軸６の一端に設けられている。出力軸６の他端にはインペラ５が設けられている。出力軸６は、第１ヘリカルギヤ４１がスラスト方向ｓへ移動することを許容し、かつ、初期位置よりも反スラスト方向ｓ´方向へ移動することを制限するようにスラストベアリング（図示しない）によって支持されている。
【００１４】
第２ヘリカルギヤ４２は、ギヤキャリア４に固定された軸４３に回転可能に支持されている。この第２ヘリカルギヤ４２は第１ヘリカルギヤ４１とかみ合うように組みつけられている。第２ヘリカルギヤ４２の軸４３は、第２ヘリカルギヤ４２の軸方向の移動を制限するヘリカルベアリング（図示しない）により支持されている。第１ヘリカルギヤ４１と第２ヘリカルギヤ４２の歯は、次の条件において、第１ヘリカルギヤ４１が図１に示すスラスト方向ｓへ力を受けるように形成されている。その条件は、第２ヘリカルギヤ４２が駆動側歯車、第１ヘリカルギヤ４１が被駆動側歯車となる場合であって、第２ヘリカルギヤ４２が第１ヘリカルギヤ４１を正方向へ回転させる場合である。この場合、第２ヘリカルギヤ４２はスラスト方向ｓの反対方向の反スラスト方向ｓ´に力を受ける。なお、正方向とは、プーリ２が回転する方向と一致しており、図２に示す矢示ｐの方向である。図２は図１の矢示ａからウォータポンプ１を見た場合のギヤキャリア４内の第１ヘリカルギヤ４１、第２ヘリカルギヤ４２、第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、及び第３スパーギヤ４６の配置を示した図である。
【００１５】
第２ヘリカルギヤ４２は、プーリ２が回転すると第１ヘリカルギヤ４１の周囲を回転しながら、自らも軸４３の周りを回転する。本実施例１において、第１ヘリカルギヤ４１と第２ヘリカルギヤ４２はプーリ２、及びギヤキャリア４の回転をインペラ５の設けられた出力軸６に伝達する回転伝達機構として機能する。
【００１６】
第１スパーギヤ４４は軸４７に設けられている。軸４７は中空円筒の形状をなしており、内側を出力軸６が貫通している。さらに、軸４７は出力軸６と同一の回転軸上を、出力軸６に独立して回転可能に形成されている。第２スパーギヤ４５は第２ヘリカルギヤ４２に一体に形成されている。すなわち、第２スパーギヤ４５が回転するとき、第２ヘリカルギヤ４２がともに回転する。第３スパーギヤ４６は第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５の両方とかみ合うように設けられている。第３スパーギヤ４６は第１スパーギヤ４４と第２スパーギヤ４５とを中継する中継ギヤとして機能する。
【００１７】
また、ギヤキャリア４は摩擦板４８を備えている。摩擦板４８は、ギヤキャリア４内部における第１ヘリカルギヤ４１のスラスト方向ｓに位置する壁面４ａに設けられている。第１ヘリカルギヤ４１と摩擦板４８とは、摩擦により結合するクラッチ構造であればよい。例えば、摩擦板４８は樹脂を成形したレジンモールド材、または金属板であってもよい。
【００１８】
モータ７は、ＤＣブラシレスモータである。モータ７は、軸４７の第１スパーギヤ４４が設けられた側の反対側に配置されている。軸４７の第１スパーギヤ４４が設けられた側の反対側の端部には、モータ７の回転端子７１が形成されている。回転端子７１の周りには磁界を発生する電磁コイル７２が設けられており、通電時に軸４７を正方向ｐに回転するように形成されている。このモータ７はハウジング８に固定されている。
【００１９】
ハウジング８の一側面にインペラ５が位置するため、出力軸６が貫通する貫通部８１には冷却水が漏れないようにシールが形成されている。ハウジング８は、プーリ２及びギヤキャリア４を回転可能に支持している。ハウジング８はエンジンに固定されている。
【００２０】
また、ウォータポンプ１はＥＣＵ（Electronic Control Unit）９を備えている。ＥＣＵ９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、エンジンの制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りしてエンジンを制御する。特に、本実施例１において、ＥＣＵ９は、モータ７と電気的に接続されており、電磁コイル７２への通電を制御することにより、モータ７の回転数を制御している。また、ＥＣＵ９は、エンジンの冷却水温度を測定する温度センサ９１、クランクシャフトの回転数を測定する回転センサ９２と電気的に接続しており、冷却水の温度とクランクシャフトの回転数を検出する。
【００２１】
次に、ウォータポンプ１の稼働時におけるギヤキャリア４内のギヤの動作を説明する。初めにウォータポンプ１の始動について説明する。図３は稼働時のウォータポンプ１の断面図である。
【００２２】
ウォータポンプ１はエンジンに連動して始動する。エンジンの始動と同時にクランクシャフトが回転を開始し、ベルト３で連結されたプーリ２に回転が伝達される。プーリ２に回転が伝達されることにより、プーリ２と、プーリ２に一体のギヤキャリア４が正方向ｐに回転を開始する。ギヤキャリア４には第２ヘリカルギヤ４２の軸４３が固定されているので、ギヤキャリア４が回転すると、第２ヘリカルギヤ４２が第１ヘリカルギヤ４１の周囲を周回するようになる。このとき、第２ヘリカルギヤ４２が第１ヘリカルギヤ４１に対して相対的に回転するため、第１ヘリカルギヤ４１にはスラスト方向ｓの力が作用し、第２ヘリカルギヤ４２には反スラスト方向ｓ´の力が作用する。第１ヘリカルギヤ４１にスラスト方向ｓの力が作用すると、図３に示すように、第１ヘリカルギヤ４１はスラスト方向ｓ側へ移動し、摩擦板４８に接触して結合する。摩擦板４８と結合した第１ヘリカルギヤ４１はギヤキャリア４と一体となり、ギヤキャリア４とともに回転する。これにより、プーリ２の回転が出力軸６へ直接伝達されて、インペラ５が冷却水を圧送することになる。このように、プーリ２の回転が直接出力軸６に伝達されることにより、ギヤを介して回転が伝達される場合に比べて回転のロスを低減することができる。第１ヘリカルギヤ４１がギヤキャリア４と一体となって回転する場合には、第２ヘリカルギヤ４２は第１ヘリカルギヤ４１に対して相対的に停止して、第１ヘリカルギヤ４１、及びギヤキャリア４と一体となって回転する。この場合、第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、第３スパーギヤ４６も第１ヘリカルギヤ４１、及びギヤキャリア４に対して相対的に停止しているので、ギヤキャリア４内のギヤ全てがギヤキャリア４と一体に回転する。
【００２３】
ところで、ウォータポンプ１はインペラ５の回転数を制御することにより、冷却水の圧送量を調整する。インペラ５の回転数ＲＩは、プーリ２の回転数ＲＰ、モータ７の回転数をＲＭ、モータ７、プーリ２間の減速比をεとした場合、以下の式により算出される。
ＲＩ  ＝  ＲＰ  ＋（ＲＭ  −  ＲＰ）／ε                  （１）
プーリ２の回転数はクランクシャフトの回転数に依存するため、エンジンの運転状態により変動する。ウォータポンプ１はプーリ２の回転数を参照しながらモータ７の回転数を変更することにより、インペラ５の回転数を制御し、冷却水の圧送量を調整する。
【００２４】
次に、モータ７の制御時のウォータポンプ１について説明する。図４は、モータ７制御時のウォータポンプ１の断面図である。図５は、図４の矢示ｂからウォータポンプ１を見た場合のギヤキャリア４内の第１ヘリカルギヤ４１、第２ヘリカルギヤ４２、第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、及び第３スパーギヤ４６の配置を示した図である。
【００２５】
モータ７を駆動すると、軸４７が正方向ｐへ回転する。これにより、図５に示すように、第１スパーギヤ４４が正方向ｐへ回転する。第１スパーギヤ４４にかみ合う第３スパーギヤ４６は、第１スパーギヤ４４から力を受けて逆方向ｎへ回転し、第３スパーギヤ４６にかみ合う第２スパーギヤ４５が正方向ｐへ回転する。第２スパーギヤ４６は第２ヘリカルギヤ４２と一体に形成されているため、第２スパーギヤ４６が正方向ｐへ回転すると第２ヘリカルギヤ４２が正方向ｐへ回転し、第１ヘリカルギヤ４１を逆方向ｑへ回転させようとする。このとき、第１ヘリカルギヤ４１は、図４に示す反スラスト方向ｓ´へ力を受け、摩擦板４８から離れるように移動する。第１ヘリカルギヤ４１が摩擦板４８から離れるように移動することにより、第１ヘリカルギヤ４１と摩擦板４８との接触が弱まる。これにより、ギヤキャリア４と第１ヘリカルギヤ４１と間に相対的な回転差が生まれ、第１ヘリカルギヤ４１が減速する。第１ヘリカルギヤ４１へ加わる反スラスト方向ｓ´の力は、モータ７からのトルクに依存する。すなわち、モータ７を適切に制御することにより、第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、第３スパーギヤ４６、及び第２ヘリカルギヤ４２を介して、第１ヘリカルギヤ４１に適切な反スラスト方向ｓ´への力が加えられる。これにより、ギヤキャリア４から第１ヘリカルギヤ４１へと伝わる回転の力が調整され、出力軸６の回転数を適切に制御することができる。
【００２６】
次に、ウォータポンプ１の圧送量の制御について説明する。ウォータポンプ１の圧送量の制御は、ＥＣＵ９により実行される。上記の通り、ウォータポンプ１の圧送量はインペラ５の回転数により決定される。インペラ５の回転数は、上記の式（１）の通り、プーリ２の回転数とモータ７の回転数により決定される。プーリ２の回転数はクランクシャフトの回転数により決定されるので、ＥＣＵ９はモータ７の回転数を制御することにより、ウォータポンプ１の圧送量を制御する。図６はウォータポンプ１の圧送量の制御を示したフローチャートである。以下、図６を参照しつつ説明する。
【００２７】
ステップＳ１において、ＥＣＵ９は、エンジンの冷却水の温度を測定し、プーリ２の回転数を算出する。エンジンの冷却水の温度は、温度センサ９１から取得する。プーリ２の回転数は、回転センサ９２が検出したクランクシャフトの回転数とクランクプーリとプーリ２との減速比に基づき算出する。
【００２８】
次に、ステップＳ２において、ＥＣＵ９は、冷却水の温度がウォータポンプ１の稼働温度未満であるか否かを判断する。ＥＣＵ９は、ここでの判断が肯定された場合、ステップＳ３へ進み、判断が否定された場合、ステップＳ６へ進む。
【００２９】
ステップＳ３において、ＥＣＵ９は、極低速回転が必要か否かを判断する。極低速回転とは、インペラ５を低速で回転して僅かな量の冷却水を圧送する運転状態であって、例えば、インペラ５を０〜５０ＲＰＭで回転させるような運転状態をいう。ＥＣＵ９は、ここでの判断が肯定された場合、ステップＳ４へ進み、判断が否定された場合、ステップＳ５へ進む。
【００３０】
ステップＳ４において、ＥＣＵ９は、要求流量として極少量をセットする。一方、ステップＳ５において、ＥＣＵ９は、要求流量として流量０をセットする。要求流量とは、エンジンが冷却のために要求する冷却水の量であり、言い換えると、ウォータポンプ１が圧送する冷却水の目標量である。ＥＣＵ９は、ステップＳ４、またはステップＳ５の処理を終えるとステップＳ９へ進む。
【００３１】
ところで、ステップＳ２からステップＳ６へ進んだ場合、ＥＣＵ９は、ステップＳ６において、水温が暖機完了温度未満か否かを判断する。ＥＣＵ９は、ここでの判断が肯定された場合、ステップＳ７へ進み、判断が否定された場合、ステップＳ８へ進む。
【００３２】
ステップＳ７において、ＥＣＵ９は、回転数と必要流量マップから要求流量を算出し、算出した値を要求流量としてセットする。必要流量マップは、予めクランクシャフトの回転数との関係でエンジンの冷却のために必要とされる冷却水の流量を特定したデータである。ＥＣＵ９は、ステップＳ７の処理を終えると、ステップＳ９へ進む。
【００３３】
一方、ステップＳ８において、ＥＣＵ９はモータ７を停止する。ステップＳ８に到達する場合には、冷却水の水温が暖機完了温度以上となっているため、プーリ２から出力軸６に直接回転を伝達し、インプラ５の回転数をプーリ２の回転数に合わせ、冷却水の圧送量を増加する。ＥＣＵ９は、ステップＳ８の処理を終えると、ステップＳ１へ戻り、再度フローチャートに示す制御を繰り返す。
【００３４】
ところで、ステップＳ９において、ＥＣＵ９はセットされた要求流量になるようにモータ回転数を算出する。要求流量は、インペラ５の回転数により決定されるので、ここでの処理として、ＥＣＵ９は式（１）に基づき、ステップＳ１で取得したプーリ２の回転数から、要求流量を実現するインペラ５の回転数となるモータ７の回転数を算出する。
【００３５】
次に、ステップＳ１０において、ＥＣＵ９はステップＳ９で算出した回転数となるように電磁コイル７２へ通電し、モータ７を回転させる。ＥＣＵ９は、ステップＳ１０の処理を終えると、ステップＳ１へ戻り、再度フローチャートに示す制御を繰り返す。
【００３６】
続いて、上記の制御を行った結果を従来の例と比較しながら説明する。図７はウォータポンプ１を搭載したエンジンにおける冷却水の温度の推移を示した図である。図７の縦軸はエンジン冷却水の温度を示し、横軸はエンジン始動からの時間を示している。縦軸中のＴ１はウォータポンプ１の稼働温度、Ｔ２はエンジンの暖機完了温度を示している。横軸中のｔ０はエンジン始動時刻、ｔ１はウォータポンプ１の稼働温度に到達した時刻、ｔ２はエンジンの暖機完了温度に到達した時刻を示している。図７中の実線は、本実施例１のウォータポンプ１を搭載したエンジンにおける冷却水の温度の推移を示しており、破線は従来のウォータポンプを搭載したエンジンにおける冷却水の温度の推移を示している。図７に示すとおり、本実施例１のウォータポンプ１を搭載したエンジンでは、冷却水の圧送量を調整することができるため、暖機が必要な時期には冷却水の圧送量を減らし、暖機を促進する。これにより、暖気完了温度に到達するまでに要する時間が従来のウォータポンプを搭載したエンジンに比較して早い。このため、本実施例１のウォータポンプ１を搭載したエンジンは、始動後の早いうちから効率よく燃料を燃焼する状態へ移行するため、燃料の消費量を抑制することができる。
【００３７】
図８はエンジン始動からの経過時間と冷却水の温度、プーリ２の回転数、モータ７の回転数、インペラ５の回転数、ウォータポンプ１の圧送量の一例を一覧に示した図である。図８中のプーリ２の回転数は、クランクシャフトの回転数に基づき算出される。モータ７の回転数は、通電量からＥＣＵ９が把握している値である。インペラ５の回転数は、式（１）に基づいて算出される。図８において、式（１）の減速比εを０．２としてインペラ５の回転数が算出されている。
【００３８】
図８中のウォータポンプ１の圧送量について、図６のフローチャートと関連付けて説明する。ウォータポンプ１は、エンジン始動からの経過時間がｔ０からｔ１のとき（ウォータポンプ稼働温度Ｔ１以下のとき）、図６のフローチャートのステップＳ４、またはステップＳ５に到達する条件となるので、ウォータポンプ１の圧送量は０か微量である。エンジン始動からの経過時間がｔ１からｔ２のとき（ウォータポンプ稼働温度Ｔ１以上、暖機完了温度Ｔ２未満のとき）、図６のフローチャートのステップＳ７に到達する条件となるので、ウォータポンプ１の圧送量は必要流量マップに従う。エンジン始動からの経過時間がｔ２以上のとき（エンジンの暖機完了温度Ｔ２以上のとき）、図６のフローチャートのステップＳ８に到達する条件となる。この場合、モータ７が停止するので、従来のウォータポンプ同様、ウォータポンプ１の圧送量はクランクシャフトの回転数、すなわちエンジンの回転数（エンジンの運転状態）に依存する。
【００３９】
以上、説明したように、本実施例１によると、ウォータポンプ１は、エンジンのクランクシャフトから回転が伝達されるプーリ２及びギヤキャリア４と、回転時にスラスト方向ｓへ移動し、プーリ２及びギヤキャリア４とインペラ５の結合された出力軸６とを結合する第１ヘリカルギヤ４１と、第１ヘリカルギヤ４１とともに、プーリ２及びギヤキャリア４の回転を出力軸６に伝達する第２ヘリカルギヤ４２と、作動時に第１ヘリカルギヤ４１を反スラスト方向への力を付与するための機構としての、第１スパーギヤ４４、第２スパーギヤ４５、第３スパーギヤ４６、及びモータ７とを備えている。上記構成より、ウォータポンプ１の稼働時には、第１ヘリカルギヤ４１がプーリ２及びギヤキャリア４に結合し、プーリ２、ギヤキャリア４及びギヤキャリア４内のギヤ全てが一体となって回転する。一方、ウォータポンプ１の圧送量を減量したい場合、モータ７を駆動することにより、第１ヘリカルギヤ４１とギヤキャリア４との結合を弱め、プーリ２の回転数を減速して出力軸６に伝達する。これにより、ウォータポンプ１は、エンジンの運転状態に左右されずに冷却水の圧送量を調整できる。
【実施例２】
【００４０】
図９は、本実施例２のウォータポンプ１０１の断面図である。本実施例２のウォータポンプ１０１も実施例１のウォータポンプ１同様に、エンジンを動力源としてエンジンのクランクシャフトからベルト３により回転が伝達されるように構成されている。ウォータポンプ１０１は、ウォータポンプ１同様に、プーリ２、ギヤキャリア４、インペラ５、出力軸６、モータ７、ハウジング８、ＥＣＵ９を備えている。ただし、ウォータポンプ１０１は、ギヤキャリア４内のギヤの構成が実施例１のウォータポンプ１と異なっている。
【００４１】
図９に示すように、ギヤキャリア４の内部には、斜歯を有する第１ヘリカルギヤ１４１及び第２ヘリカルギヤ１４２、並びに平歯を有する第１スパーギヤ１４４、第２スパーギヤ１４５、及び第３スパーギヤ１４６が設けられている。
【００４２】
第１スパーギヤ１４４は、出力軸６のインペラ５と反対側の端部に設けられている。第２スパーギヤ１４５は、ギヤキャリア４に固定された軸１４３に回転可能に支持されている。この第２スパーギヤ１４５は第１スパーギヤ１４４とかみ合うように組みつけられている。第３スパーギヤ１４６は、ギヤキャリア４に固定された軸１４９に回転可能に支持されている。第３スパーギヤ１４６は、第２スパーギヤ１４５とかみ合うように組みつけられている。第１ヘリカルギヤ１４１は第３スパーギヤ１４６と一体に形成されており、第１ヘリカルギヤ１４１と第３スパーギヤ１４６とは軸１４９回りに回転する。軸１４９は、第１ヘリカルギヤ１４１がスラスト方向ｕへ移動することを許容し、かつ、初期位置よりも反スラスト方向ｕ´方向へ移動することを制限するようにスラストベアリング（図示しない）によって支持されている。
【００４３】
第２ヘリカルギヤ１４２は、第１ヘリカルギヤ１４１とかみ合うように組みつけられている。第１ヘリカルギヤ１４１と第２ヘリカルギヤ１４２の歯は、第１ヘリカルギヤ１４１が駆動側歯車、第２ヘリカルギヤ１４２が被駆動側歯車となる場合、第１ヘリカルギヤ１４１が第２ヘリカルギヤ１４２からスラスト方向ｕへ力を受けるように形成されている。このとき、第２ヘリカルギヤ４２は、第１ヘリカルギヤ４１から反力を受けて、スラスト方向ｕの反対方向の反スラスト方向ｕ´に力を受ける。第２ヘリカルギヤ１４２は軸１４７に設けられている。軸１４７は中空円筒の形状をなしており、内側を出力軸６が貫通している。軸１４７は出力軸６と同一の回転軸上を、出力軸６に独立して回転可能に形成されている。軸１４７の第２スパーギヤ１４２が設けられた側の反対側にモータ７が配置されている。モータ７は軸１４７を回転させる。モータ７の回転方向は、軸１４７に設けられた第２ヘリカルギヤ１４２が回転する際に、第２ヘリカルギヤ１４２が第１ヘリカルギヤ１４１へ反スラスト方向ｕ´の力を加える方向である。なお、本実施例１において、第１スパーギヤ１４４と第２スパーギヤ１４５はプーリ２、及びギヤキャリア４の回転をインペラ５の設けられた出力軸６に伝達する回転伝達機構として機能する。
【００４４】
また、ギヤキャリア４は摩擦板１４８を備えている。摩擦板１４８は、ギヤキャリア４内部における第１ヘリカルギヤ１４１のスラスト方向ｕに位置する壁面４ｂに設けられている。第１ヘリカルギヤ１４１と摩擦板１４８とは、摩擦により結合するクラッチ構造であればよく、例えば、摩擦板１４８は樹脂を成形したレジンモールド材、または金属板であってもよい。なお、本実施例２のウォータポンプ１０１の構成要素のうち、実施例１と同一の構成要素については、明細書の説明、及び図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
次に、ウォータポンプ１０１の稼働時におけるギヤキャリア４内のギヤの動作を説明する。ウォータポンプ１０１はエンジンに連動して始動する。エンジンの始動と同時にクランクシャフトが回転を開始するので、クランクシャフトの回転がベルト３を介して伝達されてプーリ２、及びプーリ２に一体のギヤキャリア４が正方向ｐに回転する。正方向ｐとは、図９において、出力軸６の手前側を下から上へ移動する方向である。
【００４６】
第３スパーギヤ１４６と第１ヘリカルギヤ１４１の軸１４９がギヤキャリア４に固定されているので、ギヤキャリア４が回転すると、第３スパーギヤ１４６と第１ヘリカルギヤ１４１が第２ヘリカルギヤ１４２の周囲を周回するようになる。このとき、第１ヘリカルギヤ１４１が第２ヘリカルギヤ１４２に対して相対的に回転するため、第１ヘリカルギヤ１４１にはスラスト方向ｕの力が作用し、第２ヘリカルギヤ１４２には反スラスト方向ｕ´の力が作用する。この結果、第１ヘリカルギヤ１４１はスラスト方向ｕ側へ移動し、摩擦板１４８に接触して結合する。摩擦板１４８と結合した第１ヘリカルギヤ１４１は、ギヤキャリア４に固定され、ギヤキャリア４に対して相対的に静止した状態で出力軸６回りに回転する。このように、第１ヘリカルギヤ１４１がギヤキャリア４に相対的に静止するため、第１ヘリカルギヤ１４１に一体の第３スパーギヤ１４６、及び第３スパーギヤ１４６とかみ合う第２スパーギヤ１４５もギヤキャリア４に相対的に静止する。このとき、第１スパーギヤ１４４もギヤキャリア４に相対的に静止し、ギヤキャリア４と一体に回転する。これにより、プーリ２の回転が出力軸６へ直接伝達されて、ギヤ間の動力伝達ロスが低減するので、エンジンの動力を効率よくインペラ５の回転へ伝達できることとなる。
【００４７】
次に、モータ７の制御時のウォータポンプ１０１について説明する。本実施例２のウォータポンプ１０１も実施例１のウォータポンプ１同様に、モータ７を駆動して、出力軸６の回転を減速してインペラ５の圧送する冷却水の流量を調整する。
【００４８】
モータ７は、反スラスト方向ｕ´の力が第１ヘリカルギヤ１４１に作用するように軸１４７の回転方向が定められている。モータ７を駆動して軸１４７を回転することにより、第１ヘリカルギヤ１４１に反スラスト方向ｕ´の力が作用し、第１ヘリカルギヤ１４１が摩擦板１４８から離れるように移動する。第１ヘリカルギヤ１４１が摩擦板１４８から離れるように移動することにより、第１ヘリカルギヤ１４１と摩擦板１４８との接触が弱まる。これにより、ギヤキャリア４と第１ヘリカルギヤ１４１と間に相対的な回転差が生まれる。これにより、第１ヘリカルギヤ１４１と一体の第３スパーギヤ１４６と第２スパーギヤ１４５との間にも回転差が生まれるため、第２スパーギヤ１４５が軸１４３回りに回転し、第１スパーギヤ１４４とギヤキャリア４との間にも回転差が生じて第１スパーギヤ１４４の回転が減速する。これにより、出力軸６の回転が減速するのでインペラ５により圧送される冷却水の流量も低下する。このように、モータ７を適切に制御することにより、出力軸６の回転を制御し、インペラ５により圧送される冷却水の流量を制御する。したがって、ウォータポンプ１０１は、エンジンの運転状態に左右されずに冷却水の圧送量を調整できる。
【実施例３】
【００４９】
図１０は、本実施例３のウォータポンプ２０１の断面図である。本実施例３のウォータポンプ２０１も実施例１のウォータポンプ１同様に、エンジンを動力源としてエンジンのクランクシャフトからベルト３により回転が伝達されるように構成されている。ウォータポンプ２０１は、ウォータポンプ１同様に、プーリ２、ギヤキャリア４、インペラ５、出力軸６、モータ７、ハウジング８、ＥＣＵ９を備えている。ただし、ウォータポンプ２０１は、ギヤキャリア４内のギヤの構成が実施例１のウォータポンプ１と異なっている。
【００５０】
図１０に示すように、ギヤキャリア４の内部には、斜歯を有する第１ヘリカルギヤ２４１、第２ヘリカルギヤ２４２、及び第３ヘリカルギヤ２４３が設けられている。第１ヘリカルギヤ２４１、第２ヘリカルギヤ２４２、及び第３ヘリカルギヤ２４３は、第１ヘリカルギヤ２４１を太陽歯車、第２ヘリカルギヤ２４２を遊星歯車、第３ヘリカルギヤ２４３を内歯車とする歯車機構と同様の配置関係で組みつけられている。第１ヘリカルギヤ２４１は、出力軸６のインペラ５と反対側の端部に設けられている。出力軸６は、第１ヘリカルギヤ２４１が図１０に示すスラスト方向ｓへ移動することを許容し、かつ、初期位置よりも反スラスト方向ｓ´方向へ移動することを制限するようにスラストベアリング（図示しない）によって支持されている。
【００５１】
第２ヘリカルギヤ２４２は、ギヤキャリア４に固定された軸２４４にスラスト方向ｓと反スラスト方向ｓ´の移動を制限するように回転可能に支持されている。第１ヘリカルギヤ２４１と第２ヘリカルギヤ２４２の歯は、次の条件において、第１ヘリカルギヤ２４１が図１０に示すスラスト方向ｓへ力を受けるように形成されている。その条件は、第２ヘリカルギヤ２４２が駆動側歯車、第１ヘリカルギヤ２４１が被駆動側歯車となる場合であって、第２ヘリカルギヤ４２が第１ヘリカルギヤ４１を正方向ｐへ回転させる場合である。この場合、第２ヘリカルギヤ２４２はスラスト方向ｓの反対方向の反スラスト方向ｓ´に力を受ける。なお、正方向ｐとは、プーリ２が回転する方向と一致しており、図１０において、出力軸６の手前側を下から上へ移動する方向である。
【００５２】
第３ヘリカルギヤ２４３は、スラスト方向ｓと反スラスト方向ｓ´の移動を制限するように軸２４７に設けられている。軸２４７は中空円筒の形状をなしており、内側を出力軸６が貫通している。軸２４７は出力軸６と同一の回転軸上を、出力軸６に独立して回転可能に形成されている。軸２４７の第３ヘリカルギヤ２４３が設けられた側の反対側にモータ７が配置されている。本実施例３においてモータ７は軸２４７をプーリ２が回転する正方向ｐとは逆方向ｎに回転する。なお、本実施例３において、第１ヘリカルギヤ２４１と第２ヘリカルギヤ２４２は、プーリ２、及びギヤキャリア４の回転をインペラ５の設けられた出力軸６に伝達する回転伝達機構として機能する。
【００５３】
また、ギヤキャリア４は摩擦板２４８を備えている。摩擦板２４８は、ギヤキャリア４内部における第１ヘリカルギヤ２４１のスラスト方向ｓに位置する壁面４ａに設けられている。第１ヘリカルギヤ２４１と摩擦板２４８とは、摩擦により結合するクラッチ構造であればよく、例えば、摩擦板２４８は樹脂を成形したレジンモールド材、または金属板であってもよい。なお、本実施例３のウォータポンプ２０１の構成要素のうち、実施例１と同一の構成要素については、明細書の説明、及び図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
次に、ウォータポンプ２０１の稼働時におけるギヤキャリア４内のギヤの動作を説明する。ウォータポンプ２０１はエンジンに連動して始動する。エンジンの始動と同時にクランクシャフトが回転を開始するので、クランクシャフトの回転がベルト３を介して伝達されてプーリ２、及びプーリ２に一体のギヤキャリア４が正方向ｐに回転する。第２ヘリカルギヤ２４２の軸２４４がギヤキャリア４に固定されているので、ギヤキャリア４が回転すると、第２ヘリカルギヤ２４２が第１ヘリカルギヤ２４１の周囲を周回するようになる。このとき、第２ヘリカルギヤ２４２が第１ヘリカルギヤ２４１に対して相対的に回転するため、第１ヘリカルギヤ２４１にはスラスト方向ｓの力が作用し、第２ヘリカルギヤ２４２には反スラスト方向ｓ´の力が作用する。第１ヘリカルギヤ２４１にスラスト方向ｓの力が作用すると、第１ヘリカルギヤ２４１はスラスト方向ｓ側へ移動し、摩擦板２４８に接触して結合する。摩擦板２４８と結合した第１ヘリカルギヤ２４１は、ギヤキャリア４と一体となり、ギヤキャリア４とともに回転する。これにより、プーリ２の回転が出力軸６へ直接伝達されて、インペラ５が冷却水を圧送することになる。このように、プーリ２の回転が直接出力軸６に伝達されることにより、ギヤを介して回転が伝達される場合に比べて回転のロスを低減することができる。第１ヘリカルギヤ２４１がギヤキャリア４と一体となって回転する場合には、第２ヘリカルギヤ２４２は第１ヘリカルギヤ２４１に対して相対的に停止して、第１ヘリカルギヤ４１、及びギヤキャリア４と一体となって回転する。この場合、第３ヘリカルギヤ２４３も第１ヘリカルギヤ２４１、第２ヘリカルギヤ２４２に対して相対的に停止して、ギヤキャリア４と一体となって回転する。
【００５５】
次に、モータ７の制御時のウォータポンプ２０１について説明する。本実施例３のウォータポンプ２０１も実施例１のウォータポンプ１同様に、モータ７を駆動して、出力軸６の回転を減速してインペラ５の圧送する冷却水の流量を調整する。
【００５６】
モータ７は、軸２４７を逆方向ｎへ回転する。軸２４７に設けられて第３ヘリカルギヤ２４３が逆方向ｎに回転するので、第２ヘリカルギヤ２４２が正方向ｐに回転し、第１ヘリカルギヤ２４１が逆方向ｎに回転する。このとき、第１ヘリカルギヤ２４１に反スラスト方向ｓ´の力が作用し、第１ヘリカルギヤ２４１が摩擦板２４８から離れるように移動する。第１ヘリカルギヤ２４１が摩擦板２４８から離れるように移動することにより、第１ヘリカルギヤ２４１と摩擦板２４８との接触が弱まる。これにより、ギヤキャリア４と第１ヘリカルギヤ２４１との間に相対的な回転差が生まれ、第１ヘリカルギヤ２４１が減速する。このように、モータ７を制御することにより、第１ヘリカルギヤ２４１の出力軸６の回転を制御し、インペラ５により圧送される冷却水の流量を制御する。このため、ウォータポンプ２０１は、エンジンの運転状態に左右されずに冷却水の圧送量を調整できる。
【００５７】
以上、実施例１から３において説明したウォータポンプ１，１０１，２０１は、第１ヘリカルギヤ４１，１４１，２４１と摩擦板４８，１４８，２４８の接触をモータ７により制御して、プーリ２から出力軸６へ伝達される回転を制御し、圧送量を調整する。このため、ウォータポンプ１，１０１，２０１は、エンジンの運転状態に左右されずに冷却水の圧送量を調整できる。また、本発明のウォータポンプ１，１０１，２０１の構成ならば、モータ７の故障時であってもインペラ５が回転する構成であるので、エンジンの冷却が維持され、フェール対応を実現する。
【００５８】
また、ウォータポンプ１，１０１，２０１は、モータ７の回転方向を一方向のみとすることができるため、モータ７を小型にし、搭載性を向上できるし、電気配線の簡略化をしてコストを低下できる。モータ７をブラシレスモータとすることにより、軸４７とモータ７を非接触にすることができる。これにより、プーリ２の回転がモータ７へ伝達されないため、動力のロスを減少することができ、燃費を向上できる。また、ブラシレスモータは、軸周りの電磁コイルへの通電量で回転数をコントロールするため、センサを設けることなくモータの回転数を算出することができる。このため、製造コストを低下できる。
【００５９】
例えば、特許文献１に示されたような磁力を利用する従来のウォータポンプは、伝達ロスの低減を目的に駆動側回転体と従動側回転体とのギャップを狭くしたため、異物を噛み込みやすい。さらに、動力伝達部分に磁石を備えるため、金属異物をひきつけやすく、余計に、ギャップへの噛み込みを誘発する。また、駆動側回転体と従動側回転体とが非接触であるため、伝達トルクのロスが大きく、燃費効果が目減りする。一方、本実施例のウォータポンプ１，１０１，２０１は、ギヤにより動力が伝達されるため、伝達トルクのロスは少なく、異物の噛み込みや金属を引きつけるという問題は生じない。さらに、ギヤの伝達可能トルクは大きいため、電磁力を利用するウォータポンプに比較してギヤ自身の厚さを薄くすることができ、小型化できる。このため、ウォータポンプ１，１０１，２０１の搭載性は高く、従来のウォータポンプへの置き換えも可能となる。
【００６０】
また、上記の通り、ウォータポンプ１，１０１，２０１は、減速をする場合モータ７を駆動する。このとき、インペラ５が冷却水の抵抗により、駆動方向と反対の方向の力を受ける。このため、モータ７に必要とされるトルクは、ギヤ同士の摩擦力に打ち勝つだけのトルクでよく、モータ７自体を電動式のウォータポンプの動力部に比べて小型にでき、本実施例のウォータポンプ１，１０１，２０１自体の小型化が可能である。また、本実施例のウォータポンプ１，１０１，２０１は、モータ駆動用の専用駆動回路も必要ない。さらに、モータの回転を無段階で制御することにより、ポンプの圧送量も無段階に可変とすることができる。
【００６１】
本実施例のウォータポンプ１，１０１，２０１は、プーリ２の回転数とモータ７の回転数に基づきインペラ５の回転数を算出することにより、インペラ５の回転数をフィードバックしてエンジンにとって適切な水温を保つことができる。このため、燃費メリットが最大となる冷却マネジメントが可能である。
【００６２】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００６３】
１，１０１，２０１  ウォータポンプ
２  プーリ
４  ギヤキャリア
５  インペラ
６  出力軸
７  モータ
９  ＥＣＵ
４１，１４１，２４１  第１ヘリカルギヤ
４２，１４２，２４２  第２ヘリカルギヤ
４４，１４４  第１スパーギヤ
４５，１４５  第２スパーギヤ
４６，１４６  第３スパーギヤ
４８，１４８，２４８  摩擦板
２４３  第３ヘリカルギヤ
【図１】
2013147957.tif 000003
【図２】
2013147957.tif 000004
【図３】
2013147957.tif 000005
【図４】
2013147957.tif 000006
【図５】
2013147957.tif 000007
【図６】
2013147957.tif 000008
【図７】
2013147957.tif 000009
【図８】
2013147957.tif 000010
【図９】
2013147957.tif 000011
【図１０】
2013147957.tif 000012