JP2010090776A - 電動ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】電動ポンプの基板を効果的に冷却できるようにする。
【解決手段】インペラ１がモータ２に隣接した液室６８内で回転することによって液室６８に冷却水を吸い込んで吐出する遠心ポンプである。モータ２は、ロータ４やステータ５を収容するとともにシャフト３を回転自在に支持する金属製のモータケーシング６と、基板７を収容する箱状の基板収容部８とを備える。液室６８のモータ２側の部分は、モータケーシング６によって区画されている。基板７は金属製の基板収容部８の底壁８１ａ（放熱部）に配設されている。基板収容部８は、モータケーシング６におけるシャフト３の径方向側の部分に配設され、放熱部がモータケーシング６に一体に取り付けられている。モータケーシング６には液室６８に連通して冷却水が流れる冷却流路９０が形成されていて、放熱部が冷却流路９０に面している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンに組み付けられるウォータポンプなどの電動ポンプに関し、中でもその基板の取付構造に関する。

従来よりこの種のポンプは、比較的高温な環境下で使用されることが多く、そこに取り付けられている基板は、モータからの発熱も加わって耐熱性の上限近くにまで温度が上昇するおそれがあることから、冷却性能の向上が求められている。

例えば、特許文献１や特許文献２のポンプでは、ポンプのカバーに窓を形成し、そこから基板に設けられた冷却用の複数のフィンを露出させることで冷却性能を向上させている。

しかし、このような空冷式では満足のいく冷却効率が得られないことから、吐出液体に接している金属製のハウジングに半導体素子を密着させて、その熱伝導を利用して半導体素子を冷却するようにしたポンプが開示されている（特許文献３）。ただし、そこでの制御回路用基板や駆動回路用基板はモータ室内に収容されている。
特開２００３−２２２０９４号公報 特開２００４−１８３５９５号公報 特開２０００−２０９８１０号公報

特許文献３のポンプでは、半導体素子の冷却性は向上しているものの、制御回路用基板や駆動回路用基板はモータと同じ空間内にあってその冷却性に難があるし、半導体素子や制御回路用基板等が別々になっているため、組み付け作業も面倒である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、基板を効率よくしかも効果的に冷却することができ、耐振性や組み付け性にも優れた電動ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、少なくとも底壁が基板収容部に基板を収容し、その基板収容部の底壁をモータケーシングの径方向側の部分に一体に取り付けた。

具体的には、インペラと、このインペラを回転駆動するモータとを備え、前記インペラが前記モータに隣接した液室内で回転することにより、前記液室に流体を吸い込んで吐出する電動ポンプであって、前記モータは、先端に前記インペラが固定されたシャフトと、このシャフトの軸方向の中間部分に取り付けられたロータと、このロータの周りに近接して配設されるステータと、これらロータ及びステータを収容するとともに前記シャフトを回転自在に支持するモータケーシングと、基板を収容する箱状の基板収容部と、を備え、前記液室の前記モータ側の部分は、前記モータケーシングによって区画され、前記基板は、前記基板収容部の底壁に配設され、前記底壁における少なくとも前記基板が配設された部分は金属製の放熱部とされ、前記基板収容部が、前記モータケーシングにおける前記シャフトの径方向側の部分に配設されていて、前記放熱部が前記モータケーシングに一体に取り付けられていることを特徴とする。

係る構成によれば、流体が流れる液室のモータ側の部分はモータケーシングで区画されている。従って、モータケーシングは、流れる流体と直接接しているため、流体との熱交換によって冷却される。

箱状の基板収容部の底壁には基板が配設され、その底壁における基板が配設されている部分は金属製の放熱部とされている。そして、その放熱部がモータケーシングにおけるシャフトの径方向側の部分に一体に取り付けられている。従って、基板の配設された放熱部がモータケーシングと一体化し、基板の熱がモータケーシングに直に伝わって放熱されるため、基板が異常な高温に曝されるのを効果的に阻止できる。そして、モータケーシングに伝わった熱は、直ぐ近くを流れる流体との熱交換によってモータケーシングに溜まることなく効率よく放熱することができる。

また、基板収容部はモータケーシングと別体に構成され、簡単にモータケーシングに組み付けられるようになっているため、作業性に優れる。

更に、前記モータケーシングにおける、少なくとも前記基板収容部が配設されている部分には、前記液室に連通して流体が流れる冷却流路が形成されていて、前記放熱部が前記冷却流路に面しているようにするのが好ましい。

そうすれば、冷却流路に放熱部が面しているため、放熱部は直接流体に接して流体との熱交換により冷却される。しかも、基板はその流体に直接接する放熱部に配設されているため、基板を均一かつ効果的に冷却することができる。

具体的には、流体は、前記インペラの回転作用によって、前記シャフトの軸方向側から前記液室内に吸い込まれ、前記液室内の径方向外側に圧力が加えられて前記液室から吐出されるようになっていて、前記シャフトには、その軸方向に貫通して一端が前記液室に連通する軸孔が形成され、前記冷却流路は、前記シャフトの軸方向に延びて一端が前記液室に連通し、他端が接続流路を介して前記軸孔の他端に連通していて、前記液室内の流体の一部が、液室内の圧力差によってこれら冷却通路、接続通路及び軸孔を流れて循環するようになっているものとすればよい。

そうすれば、モータの駆動に応じて冷却することができるため、効率的である。別途、冷却のために部材を設ける必要もないため、部材コストが抑制でき、構造が複雑化せずに済む。

以上説明したように、本発明の電動ポンプによれば、流体を利用して基板を効果的に冷却することができるため、比較的高温な環境下であっても、安心して使用することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１〜図３に本発明を適用した電動ポンプの一例を示す。図１は、電動ポンプの縦断面図であり、図２は図１におけるＸ−Ｘ線断面図であり、図３は図１における矢印Ｙ方向から見た図である。

この電動ポンプは、エンジン内に冷却水（流体）を循環させるエンジン冷却用のウォータポンプであり、自動車のエンジンの前面、詳しくはエンジンブロックにおけるクランクシャフトの軸方向の前端側の部分に設けられたポンプ取付部位Ｐに一体に取り付けられる。

電動ポンプには、図１に示すように、インペラ１と、このインペラ１を回転駆動するモータ２とが備えられていて、モータ２は、シャフト３やロータ４、ステータ５、モータケーシング６、基板７、基板収容部８などで構成されている。

シャフト３は細長い円柱状の鋼材からなり、その中心部には軸方向に貫通する軸孔３ａが形成されている。

ロータ４は、シャフト３の軸方向の中間部分に同軸に固定された円環状の部材からなり、その外周部分には不図示の永久磁石が設けられていて、内部に冷却水が浸入しないようにロータ４の周りは隙間なく密閉されている（液密状態）。

モータケーシング６は、アルミ合金（金属製）の加工品であり、シャフト３の軸方向に接合される容器状の第１ケーシング６ａと、蓋状の第２ケーシング６ｂとを備えている。詳しくは、軸方向に互いに対向する、外郭形状が略Ω状の第１側壁部６１及び第２側壁部６２と、これら第１側壁部６１及び第２側壁部６２にそれぞれの各端縁が連なる、円筒状の周壁部６３と、周壁部６３の外面から対向して径方向外側に平行に延びる一対の突出壁部６４，６４とを備えている（図２参照）。

モータケーシング６には、一対の突出壁部６４，６４と第１側壁部６１及び第２側壁部６２とで四方の側面が区画され、底面が周壁部６３で区画された、上面の開口する冷却室６５が形成されている。冷却室６５の開口の端面は面一に形成された接合面となっている。この冷却室６５の他にも、モータケーシング６には冷却水の流れる冷却構造が形成されているが、この冷却構造や冷却室６５については別途後述する。

そして、第１側壁部６１及び第２側壁部６２と周壁部６３とで略密閉容器状に形成されたモータケーシング６の内部にはロータ４やステータ５が収容されている。

第１側壁部６１における周壁部６３が接合された部分の中央には第１開口６１ａが開口しており、この第１開口６１ａの内側に軸受部９を介してプレーンベアリング１０が取り付けられている。第２側壁部６２における周壁部６３が接合された部分の内側中央にも軸受部１１を介してプレーンベアリング１２が取り付けられている。そして、シャフト３が、その先端部を第１開口６１ａから突出させ、基端部を第２側壁部６２の内面中央と僅かな間隙を隔てて対向させた状態で、これらプレーンベアリング１０，１２によって回転自在に支持されている。

モータケーシング６の内部には、そこに収容されたロータ４の外周面に僅かな隙間を介して近接するように、円筒状の区画部材１３が配設されている。この区画部材１３は、その両端部がＯリングを介してモータケーシング６に組み付けられていて、この区画部材１３によって、シャフト３やロータ４、プレーンベアリング１０，１２が位置する内側空間１４と、その周りの外側空間１５とに、モータケーシング６の内部が液密状に区画されている。

そして、その外側空間１５に、複数のティースに巻線が巻回されたステータコアなどで構成された環状のステータ５が収容されている（図２参照）。

第１側壁部６１の外側には、シャフト３の軸方向に張り出すようにポンプベース部６６が設けられていて、このポンプベース部６６の端面に、断面が略インボリュート曲線形状をした凹部６６ａと、この凹部６６ａの外周部分からその接線方向に突き出すように延びる突出凹部６６ｂとで構成された液室区画部６７が凹み形成されている（図３参照）。

凹部６６ａの内周面は、突出凹部６６ｂの一方の側面との境界部分を起点に反時計回りに次第に径が大きくなるように形成されていて、その終点の部分に突出凹部６６ｂの他方の側面が連続している。凹部６６ａの底面は第１側壁部６１によって構成されており、その略中央には上述した第１開口６ａが開口している。ポンプベース部６６の端面は面一状に形成されていて、その周縁部の複数箇所にボルト締結用のボス部６６ｃが設けられている。

図１に示すように、エンジンブロックのポンプ取付部位Ｐには液室区画部６７と外郭形状が同じポンプ穴１００が凹設されている。ポンプ穴１００における凹部６６ａに対向する部分の中央部には冷却水の流入口１０１が開口し、突出凹部６６ｂに対向する部分の先端部分には冷却水の流出口１０２が開口している。

そして、ポンプベース部６６の端面をポンプ取付部位Ｐの接合面に液密状に接合してボルトで締結固定することにより、液室区画部６７とポンプ穴１００とで液室６８が区画形成され、その液室６８における凹部６６ａの部分の略中央にインペラ１が位置している。

インペラ１は、中央に取付孔が貫通する円錐形状のボス部３０と、このボス部３０の基端部から外方に張り出す環状のベース部３１と、このベース部３１の表面に立設され、ボス部３０から放射状に延びる複数の羽根部３２，３２，・・・と、これら各羽根部３２の先端部に連なるとともに、ベース部３１と間を隔てて対向し、中央部に液導入口３３ａが開口する案内壁部３３とを備えている。

インペラ１は、そのベース部３１の裏面が第１側壁部６１と僅かな隙間を介して対向するように、ボス部３０の取付孔にシャフト３の先端部が圧入され、固定されている。案内壁部３３もポンプ穴１００と僅かな隙間を介して対向し、液導入口３３ａが流入口１０１に臨むように構成されている。また、インペラ１は、図３に示すように、凹部６６ａと突出凹部６６ｂの一方の側面との境界部分に外周部分が近接するように配置され、同図の矢印が示すように反時計回りに回転するように構成されている。

そうしてインペラ１が回転すると、冷却水は、シャフト３の軸方向側にある流入口１０１から液室６８に吸い込まれて径方向外側に遠心力によって押し出され、液室６８の内周面に案内されて反時計回りに流動し、最後には流出口１０２から液室６８外に吐出される。つまり、この電動ポンプは遠心ポンプの一種であり、インペラ１が回転しているときの液室６８内では、液導入口３３ａのある液室６８の略中央周辺（正圧領域ともいう）よりも、液室６８の径方向外側、特に液室６８の内周面の周辺（負圧領域ともいう）の方が水圧が高くなっている。

基板収容部８は、基板７等を収容するアルミ合金製の矩形箱状の部材からなり、上面が開口する収容部本体８１と、収容部本体８１の開口を塞ぐ蓋体８２とを有している。

収容部本体８１は、周縁から外方に張り出すフランジ８１ｃを含む矩形板状の底壁８１ａと、この底壁８１ａに立設された矩形枠状の周壁８１ｂと、底壁８１ａの裏側に互いに平行に延びるように凸設された断面矩形の複数のフィン８１ｄ，８１ｄ，・・・とを有している。また、底壁８１ａには、図示しないが第１ケーシング６ａに設けられた電線導出部に接続され、ステータ５の電線を液密状に収容部本体内に導入する電線導入部が設けられている。

基板７は、半導体素子等の電子部品が実装された、モータ２を駆動制御するための回路基板であり、その形状は基板収容部８よりもひとまわり小さい矩形形状をしている。基板７はステータ５と不図示の外部電源とに接続されていて、所定の制御処理が行われると、その外部電源の電流がステータ５に供給されてモータ２が回転駆動し、ポンプが作動するようになっている。

この基板７は、収容部本体８１の内部の底面、つまり、放熱に優れた金属製の底壁８１ａに密着するように配設されており、本実施形態では、この底壁８１ａの全体が放熱部となっている。

蓋体８２は、基板収容部８の内部が略密閉状になるように、パッキンを介して収容部本体８１に着脱可能に嵌め込まれている。尚、符号８３は、略密閉状態を保持したまま基板７の電線を基板収容部８から導出するための電線導出部である。

このように、基板７は基板収容部８内に略密閉された状態で収容されているため、外部から塵埃や雨水等が入り込むのを阻止することができ、基板７の回路がショートするなどのトラブルを効果的に防ぐことができる。蓋体８２を取り外せば、基板収容部８の内部を開放できるため、基板７の修理等も簡単にできる。

この基板収容部８は、モータケーシング６におけるシャフト３の径方向側の部分に、不図示のボルト等によって一体に取り付けられている。このように基板収容部８はモータケーシング６と別体に構成されていて、簡単にモータケーシング６に組み付けられるようになっているため作業性に優れる。

詳しくは、シャフト３の軸方向にフィン８１ｄが沿うように向きを合わせた状態でフランジ８１ｃが冷却室６５の接合面に接合されている。その接合部位にはパッキン８４が設けられていて液密状に接合されている。ただし、パッキン８４は接合面の一部にだけ設けられていて、フランジ８１ｃとモータケーシング６とは、できるだけ広い面積で直接接合するように構成されている。

そうすることで、金属製の基板収容部８が金属製のモータケーシング６と一体化し、基板収容部８の熱がモータケーシング６に直に伝わって放熱されるため、基板７が異常な高温に曝されるのを効果的に阻止できる。しかも、モータケーシング６は、基板収容部８の近傍で冷却水に直接接しているため、冷却水との熱交換によって伝わった熱を溜めることなく効率よく放熱することができる。

また、このように基板収容部８をシャフト３の軸方向側ではなく径方向側に配設したことで、エンジンに取り付けたときには、エンジンのクランクシャフトの軸方向側の全長を短くできるため、それだけ自動車のエンジン周りのレイアウトに融通が利く利点がある。エンジンから基板７までの距離が短くなる分、基板７に伝わるエンジンの振動も小さくなるし、モータケーシング６に確りと固定できるため、耐振性も向上する。

更に、この電動ポンプには、液室６８内の冷却水の圧力差を利用した冷却構造が設けられているため、この冷却構造を利用して、より基板７が冷却できるように工夫されている。

冷却構造は、図１に示すように、液室６８の冷却水の一部が循環する、モータ２の外周側を通る外側流路と、シャフト３の周囲を通る内側流路とを含んでいる。

外側流路は、モータケーシング６に形成された、冷却流路９０やこれに連通する接続流路９１などで構成されている。詳しくは、冷却流路９０は、一端が液室６８に連通してシャフト３の軸方向に延びるように形成された複数の管状流路９０ａ，９０ａ，・・・を有し、これら管状流路９０ａ，９０ａ，・・・は周壁部６３のほぼ全周にわたって配設されている（図１、図２参照）。これら管状流路９０ａのうち、基板収容部８が配設されている側の管状流路９０ａは、その途中で冷却室６５に連通しており、その形状は断面がシャフト３の周方向に延びるように形成された帯状の比較的大きな流路となっている（帯状流路９０ｂともいう）。

接続流路９１は、第２側壁部６２の内部に形成されていて、各管状流路９０ａの他端に連通するとともに、第２側壁部６２の内面中央に形成された第２開口６２ａに連通している。第２開口６２ａは、内側空間１４に臨んでいて、シャフト３の基端部の近傍でその軸孔３ａの開口に対向するように配設されている。図３に示すように、液室６８の底面に形成されている各管状流路９０ａの開口は、インペラ１の周りに配設されていて、液室６８内の正圧領域に位置している。特に、帯状流路９０ｂは他の管状流路９０ａよりも液室６８の内周面の近傍に位置するように配設されている。

内側流路は、インペラ１のベース部３１の裏面と第１側壁部６１との間と、モータ２の内側空間１４内における、各プレーンベアリング１０，１２とシャフト３とが摺接する摺接面の間等で構成されている。そして、内側流路の流入口もまた液室６８内の正圧領域に位置している。

一方、軸孔３ａの開口するシャフト３の先端部は液室６８内の負圧領域に位置しているため、液室６８内の冷却水の一部は、液室６８内の圧力差によって図１に矢印で示すように、外側流路を冷却流路９０から接続流路９１、軸孔３ａの順に流れて循環し、また、内側流路をインペラ１の裏面の隙間から内側空間１４、軸孔３ａの順に流れて循環する。

従って、この電動ポンプではモータ２が駆動されることにより、モータ２の内外を冷却水で冷却することができるため、温度の高い環境であってもモータ２を確実かつ効果的に冷却することができる。また、内側流路を流れる冷却水はシャフト３とプレーンベアリング１０，１２との間を流れるため、潤滑液としても作用する。

そして、基板７をより効果的に冷却できるように、まず、帯状流路９０ｂの開口は、他の管状流路９０ａに比べて大きく形成され、しかも液室６８の水圧が相対的に高い位置に配設されている。従って、外側流路では、冷却水は最も冷却室６５に流れ込んで循環し易くなっている。その冷却室６５に基板収容部８が面しているため、基板収容部８は直接冷却水に接して冷却水との熱交換により冷却される。しかも、基板７はその冷却水に直接接する底壁８１ａに密着するように配設されているため、基板７を効果的に冷却することができる。また、その底壁８１ａには複数のフィン８１ｄ，８１ｄ，・・・が冷却水の流れを妨げないように配設されているため、効率よく熱交換が行われるようになっている。

また、基板７の底面全体が基板収容部８の底壁８１ａに密着し、その底壁８１ａにおける基板７の密着している部分全体が冷却水に直接接するように構成されているため、基板７の全体を均一に冷却することができる。

冷却室６５に冷却水が貯留されるため、ポンプが停止している時にもその冷却水の分だけ基板収容部８側から熱を吸収することができる。そして、ポンプが作動すれば直ぐにその冷却水が循環して入れ替わるため、効率よく冷却することができる。

以上説明したように、本発明によれば、基板７を効率よくしかも効果的に冷却することができ、耐振性や組み付け性にも優れた電動ポンプを提供することができる。

なお、本発明にかかる電動ポンプは、前記の実施の形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

例えば、上記実施形態では基板収容部８の全体が金属製となっているが、モータケーシング６に接合される底壁８１ａの部分だけが金属であってもよく、周壁８１ｂや蓋体８２は樹脂製であってもよい。

基板７は、放熱部である底壁８１ａに密着した方が冷却性に優れるが、必ずしも密着していなくともよい。内部の空気を介して放熱部で間接的に冷却することができる。

外側流路は、冷却室６５と帯状流路９０ｂとだけで構成してあってもよい。

電動ポンプの縦断面図である。 図１におけるＸ−Ｘ線断面図である。 図１における矢印Ｙ方向から見た図である。

符号の説明

１ インペラ
２ モータ
３ シャフト
３ａ 軸孔
４ ロータ
５ ステータ
６ モータケーシング
７ 基板
８ 基板収容部
１３ 区画部材
６８ 液室
８１ａ 底壁（放熱部）
８１ｂ 周壁
８１ｃ フランジ
８１ｄ フィン
９０ 冷却流路
９１ 接続流路
１０１ 流入口
１０２ 流出口
Ｐ ポンプ取付部位

Claims (3)

1. インペラと、このインペラを回転駆動するモータとを備え、前記インペラが前記モータに隣接した液室内で回転することにより、前記液室に流体を吸い込んで吐出する電動ポンプであって、
   前記モータは、先端に前記インペラが固定されたシャフトと、このシャフトの軸方向の中間部分に取り付けられたロータと、このロータの周りに近接して配設されるステータと、これらロータ及びステータを収容するとともに前記シャフトを回転自在に支持するモータケーシングと、基板を収容する箱状の基板収容部と、を備え、
   前記液室の前記モータ側の部分は、前記モータケーシングによって区画され、
   前記基板は、前記基板収容部の底壁に配設され、
   前記底壁における少なくとも前記基板が配設された部分は金属製の放熱部とされ、
   前記基板収容部が、前記モータケーシングにおける前記シャフトの径方向側の部分に配設されていて、前記放熱部が前記モータケーシングに一体に取り付けられていることを特徴とする電動ポンプ。
2. 請求項１に記載の電動ポンプであって、
   前記モータケーシングにおける、少なくとも前記基板収容部が配設されている部分には、前記液室に連通して流体が流れる冷却流路が形成されていて、
   前記放熱部が前記冷却流路に面していることを特徴とする電動ポンプ。
3. 請求項２に記載の電動ポンプであって、
   流体は、前記インペラの回転作用によって、前記シャフトの軸方向側から前記液室内に吸い込まれ、前記液室内の径方向外側に圧力が加えられて前記液室から吐出されるようになっていて、
   前記シャフトには、その軸方向に貫通して一端が前記液室に連通する軸孔が形成され、
   前記冷却流路は、前記シャフトの軸方向に延びて一端が前記液室に連通し、他端が接続流路を介して前記軸孔の他端に連通していて、
   前記液室内の流体の一部が、液室内の圧力差によってこれら冷却通路、接続通路及び軸孔を流れて循環するようになっていることを特徴とする電動ポンプ。

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