JP2007211691A - ウォータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水に混入したエアを摺動面から効率良く排出し、摺動面が摩耗することを抑制するウォータポンプを提供する。
【解決手段】ウォータポンプは、支持シャフト２１と、支持シャフト２１に回転自在に支持されたポンプシャフト２４とを備える。支持シャフト２１は、ポンプシャフト２４の回転時、ポンプシャフト２４と摺動する外周面５６を有する。ポンプシャフト２４と外周面５６との間には、ポンプシャフト２４の回転時に冷却水が流通する隙間が形成されている。外周面５６には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、一般的には、ウォータポンプに関し、より特定的には、滑り軸受けにより支持された回転機構を備え、その滑り軸受けの摺動面に冷却水が流通する隙間が形成されるウォータポンプに関する。

従来のウォータポンプに関して、たとえば、実開平５−４７４９３号公報には、インペラの背面部側に集まるエアをインペラの前面部側にスムーズに逃がして、インペラの背面部側のエア溜りを確実に防止することを目的としたウォータポンプが開示されている（特許文献１）。特許文献１では、インペラにエア抜き孔を設けることによって、冷却水中に混入するエアが、インペラの回転中心寄りに配設されたメカニカルシールの周りに集まることを防止している。

また、特開平５−４４６９０号公報には、都市型洪水に対応した先行待機運転型の排水機場用ポンプの３０分間のドライ運転を可能にすることを目的としたポンプが開示されている（特許文献２）。特許文献２では、排水ポンプの軸受けの摺動面が、Ｃｒ酸化物中にＳｉＯ_２、ＡＬ_２Ｏ_３等の硬質セラミック粒子を含む被膜と、油を含む多孔質ＳｉＣとの組み合わせにより形成されている。

また、特開平５−５２２２２号公報には、土砂水に対する耐磨耗性や耐久性を向上させ、かつ大口径化を可能にすることを目的とした軸受け構造が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示された軸受け構造は、回転軸に固着されたスリーブと、スリーブを支持する軸受けとを有し、スリーブと軸受けとの摺動面に清浄水を供給することなく運転する無給水ポンプ用の軸受け構造である。スラリー摩耗の対策として、スリーブの表面には、ＷＣ系超硬合金またはＣｒ_３Ｃ_２系超硬合金の溶射膜と、さらにその溶射膜上に、ダイヤモンド状炭素等の硬質被膜とが被覆されている。一方、軸受けには、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４製もしくはＣｒ_３Ｃ_２溶射膜が被覆されている。また、摺動面に土砂が侵入することを防ぐため、シール部材が設けられている。
実開平５−４７４９３号公報 特開平５−４４６９０号公報 特開平５−５２２２２号公報

ハイブリッド車両に搭載されたインバータやモータ等の機器に冷却水を強制循環させるために、ウォータポンプが一般に使用されている。このようなウォータポンプには、シャフトとそのシャフトに回転自在に支持される回転体との摺動面に隙間を設け、その隙間に冷却水を流通させることによって摺動面の冷却や潤滑を実施するものがある。しかしながら、車両の小型化に伴って冷却水路が複雑化すると、気液分離性が悪化し、冷却水に多量のエアが混入する現象が生じる。この場合、摺動面に設けられた隙間にもエアを多量に含む冷却水が流入するため、冷却効率が低下し、摺動面の摩耗が進むおそれがある。

一方、このような問題を解決する方法として、エアを逃がす機構を設けたり、シャフトの直径を大きくするなどの対策を採ることが考えられる。しかしながら、これらの場合、ウォータポンプの大型化を招くことになるため望ましくない。また、特許文献３に開示された軸受け構造では、異物の侵入を防ぐためシール部材を設けているが、シール部材の劣化が進行すると異物の侵入を許すため、耐久性の面から望ましくない。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、冷却水に混入したエアを摺動面から効率良く排出し、摺動面が摩耗することを抑制するウォータポンプを提供することである。

この発明に従ったウォータポンプは、車両に搭載され、冷却水を圧送するウォータポンプである。ウォータポンプは、シャフトと、シャフトに回転自在に支持された回転体とを備える。シャフトおよび回転体のいずれか一方は、回転体の回転時、シャフトおよび回転体のいずれか他方と摺動する摺動面を有する。シャフトおよび回転体のいずれか他方と摺動面との間には、回転体の回転時に冷却水が流通する隙間が形成されている。摺動面には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが設けられている。

なお、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond Like Carbon）は、アモルファス（非結晶質）の結晶構造を有し、炭素元素同士の接続状態が、ダイヤモンド構造（ＳＰ^３結合）とグラファイト構造（ＳＰ^２）との両方になる。

このように構成されたウォータポンプによれば、摺動面に、低摩擦性を有するダイヤモンドライクカーボンが設けられている。これにより、隙間を流通する冷却水にエアが混入する場合であっても、エアを隙間から効率良く排出することができる。これにより、冷却水による摺動面の冷却効果を十分に得て、摺動面の摩耗を抑えることができる。また、シャフトと回転体との摺動特性を向上させ、ウォータポンプの出力性能を向上させることができる。

また好ましくは、摺動面を有するシャフトおよび回転体のいずれか一方は、金属から形成されている。摺動面と摺動するシャフトおよび回転体のいずれか他方は、樹脂から形成されている。このように構成されたウォータポンプによれば、冷却水が流通する隙間を設ける構成により、摺動面と摺動するシャフトおよび回転体のいずれか他方を樹脂から形成することが可能となる。

また好ましくは、シャフトおよび回転体の少なくともいずれか一方には、隙間を局所的に拡大させ、シャフトの軸方向に延びる溝機構が形成されている。このように構成されたウォータポンプによれば、溝機構によって、エアを隙間からさらに効率良く排出することができる。

また好ましくは、シャフトおよび回転体のいずれか一方の外表面の全体に、ＤＬＣコーティングが設けられている。このように構成されたウォータポンプによれば、冷却水による錆びの発生を回避できる。

また、車両は、電力変換装置を備えるハイブリッド車両である。ウォータポンプは、電力変換装置に向けて冷却水を圧送する。このように構成されたウォータポンプによれば、摺動面の摩耗を抑えることにより、電力変換装置の冷却系の信頼性を向上させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、冷却水に混入したエアを摺動面から効率良く排出し、摺動面が摩耗することを抑制するウォータポンプを提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

図１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle）システムの冷却系を示す斜視図である。図中に示すＨＶシステムの冷却系は、モータと、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関とを動力源として駆動するハイブリッド車両に搭載されている。

図１を参照して、ハイブリッド車両は、エンジン９２と、駆動用のモータおよび発電用のジェネレータを内蔵するトランスアクスル９３と、リアシート後方等に搭載された図示しないバッテリとを備える。エンジン９２に隣り合う位置には、バッテリの直流電流を、モータに導入する交流電流に変換するための電力変換装置としてのインバータ９１が設けられている。ハイブリッド車両は、さらに、車両前方のフロントグリルの裏側に位置して設けられたラジエータ８１を備える。

ラジエータ８１には、互いに独立した２つの冷却水路が設けられており、そのうちの一方が、エンジン９２の冷却系を構成し、他方が、ＨＶシステムの冷却系を構成している。ＨＶシステムの冷却系は、たとえば、ラジエータ８１→インバータ９１→リザーバタンク９４→ウォータポンプ１０→トランスアクスル９３→ラジエータ８１を順にたどる冷却水路によって形成されている。水路内の冷却水（たとえば、エチレングリコール系のクーラント）は、ウォータポンプ１０によって強制循環され、インバータ９１や、トランスアクスル９３に設けられたジェネレータおよびモータを冷却する。冷却によって温度上昇した冷却水は、ラジエータ８１を通過することによって、温度が下げられる。ウォータポンプ１０は、冷却水の流れ方向においてリザーバタンク９４の直後に設けられている。

図２は、図１中のウォータポンプを示す断面図である。図２を参照して、ウォータポンプ１０は、モータによって駆動する電動ポンプである。ウォータポンプ１０は、冷却水を圧送するインペラが環状に延びる渦巻き室に配置された遠心式ポンプである。

ウォータポンプ１０は、ポンプのボディを構成するポンプケース３１と、ポンプケース３１に対して固定される支持シャフト２１と、支持シャフト２１に回転自在に支持されたポンプシャフト２４とを備える。ポンプシャフト２４は、冷却水を圧送するインペラ２５を有する。

支持シャフト２１は、一方端２１ｍと他方端２１ｎとを有し、中心軸１０１に沿って一方端２１ｍから他方端２１ｎまで延びている。支持シャフト２１は、ウォータポンプ１０の駆動時に回転せず、静止している。支持シャフト２１は、金属から形成されている。本実施の形態では、支持シャフト２１がステンレス鋼から形成されている。

ポンプシャフト２４は、中心軸１０１に沿って筒状に延びる形状を有する。ポンプシャフト２４は、支持シャフト２１の外周上に嵌め合わされている。ポンプシャフト２４は、支持シャフト２１によって、中心軸１０１を中心に回転自在に支持されている。ポンプシャフト２４は、ウォータポンプ１０の駆動時に回転する。ポンプシャフト２４は、樹脂材料から形成されている。

ポンプシャフト２４には、インペラ２５が一体に成形されている。インペラ２５は、中心軸１０１を中心とした周方向に間隔を隔てて複数、設けられている。ウォータポンプ１０の駆動時、インペラ２５は、ポンプシャフト２４とともに中心軸１０１を中心に回転する。インペラ２５は、ポンプシャフト２４とは別体に形成され、ポンプシャフト２４に固定されても良い。

回転体としてのポンプシャフト２４は、冷却水を圧送する羽根部材としてのインペラ２５が設けられた部材である。ポンプシャフト２４は、冷却水に満たされた空間に配置される部材である。

ポンプシャフト２４には、積層鋼板と、積層鋼板に埋設された永久磁石とを備えたヨーク２６が設けられている。ヨーク２６の外周上には、三相電流が供給されるコイルを備えたステータ４１が設けられている。ヨーク２６およびステータ４１により、ポンプシャフト２４に回転力を与えるモータが構成されている。インペラ２５とヨーク２６とは、中心軸１０１の軸方向に互いに離れて設けられている。

ポンプケース３１は、樹脂材料から形成されている。ポンプケース３１は、インペラ２５が収容される渦巻き室３５を形成している。渦巻き室３５は、中心軸１０１を中心に環状に延びている。ポンプケース３１は、支持シャフト２１の一方端２１ｍを支持する支持部３６を有する。

ポンプケース３１には、隔壁３８が固定されている。隔壁３８は、筒部４０と支持部３９とを有する。筒部４０は、ヨーク２６の外周を取り囲むように、中心軸１０１の軸方向に沿って筒状に延びる。ヨーク２６と筒部４０との間には、隙間が形成されている。支持部３９は、凹部形状を有し、内部空間３０側から支持シャフト２１の他方端２１ｎが圧入される。隔壁３８は、ヨーク２６が配置される内部空間３０と、ステータ４１が配置される外部空間とを区画する。内部空間３０は、渦巻き室３５と繋がって設けられ、冷却水により満たされる。

このような構成により、本実施の形態では、支持シャフト２１を支持する支持部３９が、筒部４０と一体に成形される。このため、支持シャフト２１と筒部４０との間で生じる同軸ずれを小さく抑えることができる。これにより、ポンプシャフト２４に一体に設けられ、支持シャフト２１を中心に回転するヨーク２６と、筒部４０との間の隙間の大きさに偏りが生じることを防止できる。

ポンプケース３１は、吸い込み部３２および吐出部３３を有する。吸い込み部３２は、中心軸１０１に沿う方向から渦巻き室３５に連通している。吐出部３３は、中心軸１０１周りの所定の位相で渦巻き室３５に連通している。冷却水は、吸い込み部３２を通じて渦巻き室３５に導入される。冷却水は、渦巻き室３５で回転するインペラ２５によって加圧され、吐出部３３を通じて外部配管に圧送される。

図３は、図２中の支持シャフトの形状を詳細に示す図である。図３を参照して、支持シャフト２１は、中心軸１０１の軸方向に互いに離れて設けられた拡径部５１および５２と、拡径部５１と拡径部５２との間に設けられた縮径部５３とを有する。拡径部５１および５２は、相対的に大きい直径を有する外周面５６を有し、縮径部５３は、相対的に小さい直径を有する外周面５７を有する。外周面５６が有する直径は、たとえば１０ｍｍ以下である。ポンプシャフト２４は、外周面５６および５７に向い合う内周面６１を有する。

ポンプシャフト２４の回転時、外周面５６と内周面６１とが摺動する。ポンプシャフト２４は、外周面５６および内周面６１を摺動面とする滑り軸受けにより、支持シャフト２１に対して回転自在に支持されている。外周面５６と内周面６１との間には、図示しない隙間が形成されている。一例として、隙間の大きさは、０．０５ｍｍ（半径当たり）である。外周面５７と内周面６１との間には、冷却水を溜める空間としての液溜め部５８が形成されている。一例として、液溜め部５８の大きさは、０．５ｍｍ（半径当たり）である。

図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったポンプシャフトの断面図である。図３および図４を参照して、ポンプシャフト２４には、内周面６１から凹み、中心軸１０１の軸方向に沿って延びる溝６３が形成されている。溝６３は、ポンプシャフト２４の頂面２４ｐから底面２４ｑにまで延びている。溝６３は、中心軸１０１を中心に所定の位相毎に複数、形成されている。一例として、溝６３の深さは、０．２ｍｍから０．３ｍｍ程度である。なお、溝６３は、支持シャフト２１の外周面５６に形成されても良いし、外周面５６とポンプシャフト２４の内周面６１との双方に形成されても良い。

摺動面をなす外周面５６と内周面６１との間の隙間には、ウォータポンプ１０内の冷却水の圧力差を利用して冷却水が供給される。より詳しくは、渦巻き室３５にある高圧の冷却水が、内部空間３０を通って、拡径部５１の外周面５６と内周面６１との間の隙間に供給される。冷却水は、液溜め部５８に溜められた後、さらに、拡径部５２の外周面５６と内周面６１との間の隙間に供給される。この間、冷却水は、外周面５６と内周面６１との間を潤滑するとともに、支持シャフト２１を冷却する。

外周面５６と内周面６１との間に形成される隙間は、ウォータポンプ１０によって圧送される冷却水が流通する隙間である。ウォータポンプ１０の運転時、隙間には、清浄水である冷却水が供給される。隙間を設けて互いに向い合う摺動面は、一方が金属から形成され、他方が樹脂から形成されている。

図５は、図３中の２点鎖線Ｖで囲まれた範囲を拡大して示す図である。図３および図５を参照して、摺動面をなす支持シャフト２１の外周面５６には、ＤＬＣコーティング１５が設けられている。本実施の形態では、支持シャフト２１の表面の全体にＤＬＣコーティング１５が設けられている。この場合、ＤＬＣコーティング１５の成膜時に支持シャフト２１にマスクを設ける必要がなく、製造工程を簡易にできる。また、支持シャフト２１が鉄等の金属により形成されている場合には、冷却水に浸された支持シャフト２１が錆びることを防止できる。

ＤＬＣコーティング１５は、カーボン（炭素）材料により構成される。ＤＬＣコーティング１５は、ダイヤモンドに類似した高硬度、および電気絶縁性を有する。ＤＬＣコーティング１５は、炭素を主成分とし、若干の水素を含有したアモルファス構造であり、ダイヤモンド結合とグラファイト結合とが混在している。

ＤＬＣコーティング１５の製造方法として、真空チャンバ内にベンゼンなどの炭化水素ガスを導入し、直流アーク放電でこのガスをプラズマ化して炭化水素イオンを発生させ、このイオンを被処理物に衝突させることで成膜することが可能である。ＤＬＣコーティング１５は、アモルファス構造であるため結晶粒界を持たず、結晶性の材料と比較して平滑な表面を有している。ＤＬＣコーティング１５は、耐久性および成膜時の厚みの制御性に優れる。

車両の小型化にともなって冷却水路が複雑化すると、図１中のリザーバタンク９４内で冷却水の流速を十分に落とすことができない。このため、リザーバタンク９４において気液分離性が悪化し、強制循環される冷却水中に空気が混じる現象が生じる。この場合、冷却水による支持シャフト２１の冷却性能が低下し、外周面５６が著しく摩耗する。

これに対して、本実施の形態では、支持シャフト２１の表面に低摩擦性のＤＬＣコーティング１５が施されているため、冷却水に混入したエアを外周面５６と内周面６１との間に形成された隙間から効率良く排出することができる。これにより、冷却水による冷却効率を向上させ、支持シャフト２１の摩耗を抑制することができる。加えて、ＤＬＣコーティング１５により外周面５６と内周面６１との間の摩擦抵抗が低減されるため、ウォータポンプ１０の出力性能を向上させることができる。

また、ポンプシャフト２４の内周面６１に溝６３を設けることによって、冷却水に混入したエアをさらに効率良く外周面５６と内周面６１との間の隙間から排出することができる。また、外周面５６と内周面６１との間の隙間に金属片等の異物が侵入することがあっても、その異物を溝６３を通じて効率良く排出することができる。本実施の形態では、異物の侵入を防ぐシール部材を設ける場合と比較して経年劣化のおそれがない。このため、異物の侵入に対してウォータポンプ１０の信頼性を向上させることができる。

この発明の実施の形態におけるウォータポンプ１０は、シャフトとしての支持シャフト２１と、支持シャフト２１に回転自在に支持された回転体としてのポンプシャフト２４とを備える。支持シャフト２１およびポンプシャフト２４のいずれか一方としての支持シャフト２１は、ポンプシャフト２４の回転時、支持シャフト２１およびポンプシャフト２４のいずれか他方としてのポンプシャフト２４と摺動する摺動面としての外周面５６を有する。ポンプシャフト２４と外周面５６との間には、ポンプシャフト２４の回転時に冷却水が流通する隙間が形成されている。外周面５６には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが設けられている。

このように構成された、この発明の実施の形態におけるウォータポンプ１０によれば、支持シャフト２１の摩耗を抑制することによって、ポンプシャフト２４の支持に径方向のガタが生じることを防止できる。これにより、ポンプシャフト２４と隔壁３８とが接触する事態を回避し、ウォータポンプ１０の信頼性を向上させることができる。また、支持シャフト２１の摩耗を抑制するために支持シャフト２１の軸径を大きくしたり、空気を逃がす構造を設ける必要がない。このため、ウォータポンプ１０の大型化を招くことなく、上述の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、支持シャフト２１にＤＬＣコーティング１５を設けたが、これに限定されず、ポンプシャフト２４が金属から形成され、支持シャフト２１が樹脂材料から形成されている場合には、摺動面をなすポンプシャフト２４の内周面６１にＤＬＣコーティング１５を設けても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

ＨＶシステムの冷却系を示す斜視図である。 図１中のウォータポンプを示す断面図である。 図２中の支持シャフトの形状を詳細に示す図である。 図３中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったポンプシャフトの断面図である。 図３中の２点鎖線Ｖで囲まれた範囲を拡大して示す図である。

符号の説明

１０ ウォータポンプ、１５ ＤＬＣコーティング、２１ 支持シャフト、２４ ポンプシャフト、５６ 外周面、６１ 内周面。

Claims (5)

1. 車両に搭載され、冷却水を圧送するウォータポンプであって、
   シャフトと、
   前記シャフトに回転自在に支持された回転体とを備え、
   前記シャフトおよび前記回転体のいずれか一方は、前記回転体の回転時、前記シャフトおよび前記回転体のいずれか他方と摺動する摺動面を有し、
   前記シャフトおよび前記回転体のいずれか他方と前記摺動面との間には、前記回転体の回転時に冷却水が流通する隙間が形成されており、
   前記摺動面には、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングが設けられている、ウォータポンプ。
2. 前記摺動面を有する前記シャフトおよび前記回転体のいずれか一方は、金属から形成されており、前記摺動面と摺動する前記シャフトおよび前記回転体のいずれか他方は、樹脂から形成されている、請求項１に記載のウォータポンプ。
3. 前記シャフトおよび前記回転体の少なくともいずれか一方には、前記隙間を局所的に拡大させ、前記シャフトの軸方向に延びる溝機構が形成されている、請求項１または２に記載のウォータポンプ。
4. 前記シャフトおよび前記回転体のいずれか一方の外表面の全体に、前記ＤＬＣコーティングが設けられている、請求項１から３のいずれか１項に記載のウォータポンプ。
5. 前記車両は、電力変換装置を備えるハイブリッド車両であり、
   前記電力変換装置に向けて冷却水を圧送する、請求項１から４のいずれか１項に記載のウォータポンプ。

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