JP4279527B2 - 電磁ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電磁ポンプに関し、特に、粘性の高い流体を扱う場合でも周波数を上げて吐出量を増加することができる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２サイクルのガソリンエンジンでは、ガソリンにオイルを混合した燃料を用いる。そして、ガソリンへのオイルの混入には、電磁ポンプが使用されている。
【０００３】
図６は、特開２０００−１４５６２３号（特許文献１）の図１に記載された電磁ポンプ５０の断面図で、（ａ）は初期状態（通電していない状態）、（ｂ）は吐出終了状態（通電された状態）を示す。
【０００４】
磁性体からなる中空で厚肉円筒形状のプランジャ５１は、中空部を流路５１ａとして、非磁性体からなるシリンダ５３内を図の左右方向に摺動自在に嵌装されている。流路５１ａの先端面５１ｂには、テーパ状に面取りされた吸入弁座５１ｃがある。コイルばね５３ａは、シリンダ５３に形成された段差とプランジャ５１に設けられた凸部の間に嵌装され、プランジャ５１をインナーヨーク５２から離反する方向に常時付勢しており、プランジャ５１の復帰用の弾性体となっている。
【０００５】
インナーヨーク５２は、プランジャ５１との間に空間５６が形成されるように間隔を保って固定されている。プランジャ５１の先端面５１ｂとインナーヨーク５２の先端面５２ｂとの間の隙間が磁気ギャップとなる。このインナーヨーク５２も中空の流路５２ａを有する厚肉円筒形状であるが、外径がシリンダ５３とほぼ同じ径で、内径は吸入弁座５１ｃに接離する球形の吸入弁体５４が進入できるように吸入弁体５４の径より若干大きい。
【０００６】
インナーヨーク５２の流路５２ａ内には、段付き孔を有するバルブシート５７が圧入固定されている。バルブシート５７の小径の孔の出口側には、吐出弁座５７ｂが形成され、太径の孔には吸入弁体５４を吸入弁座５１ｃに押圧するコイルばね５７ａが嵌装されている。
【０００７】
吐出弁座５７ｂには、球形の吐出弁体５５が接離自在に設けられ、この吐出弁体５５を吐出側の弾性体としてのコイルばね５７ｃが吐出弁座５７ｂに向けて圧接している。
【０００８】
シリンダ５３及びインナーヨーク５２の外側には図示しないがコイルがあり、これに通電すると、プランジャ５１とインナーヨーク５２とが磁気回路を構成し、プランジャ５１がシリンダ５３内を移動して図６（ｂ）に示すように互いに吸着する。コイルへの通電を遮断すると、コイルばね５３ａの弾性力によってプランジャ５１はインナーヨーク５２から離れ、図６（ａ）の状態に復帰する。
【０００９】
このような構成の電磁ポンプ５０は、コイルに通電されてプランジャ５１が図６（ａ）の状態から（ｂ）の状態に移行するとき空間５６内のオイルが押され、流路５２ａを経て吐出弁体５５を押し開けてオイルが吐出される。図６（ｂ）の状態から（ａ）の状態に復帰するとき、流路５１ａ内のオイルが吸入弁体５４を押し開けて空間５６内に流入する。これらの動作を繰り返し、間欠的にオイルは矢印方向に流れる。プランジャ５１が１往復して吐出するオイルの量は一定なので、コイルに流すパルス電流の周波数を制御することで、供給するオイルの量を制御することができる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２０００−１４５６２３号（図１）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図７は、図６の電磁ポンプについて、駆動周波数とオイル吐出量との関係を示す線図である。縦軸がオイル吐出量Ｑで、横軸が駆動周波数ｆＨｚである。点線６１は、プランジャ５１の径とストローク量とから算出される理論吐出量を示している。この点線６１が示すように、駆動周波数が高くなれば比例してオイルの吐出量が増加する。
【００１２】
線６２は、電磁ポンプ５０を常温で作動させた場合を示す。ここに示すように、常温であれば、ほぼ理論値通りの吐出量となる。
【００１３】
しかし、電磁ポンプ５０を−１０℃以下という低温で作動させると、曲線６３のように、駆動周波数が８Ｈｚ以下までは点線６１で示した理論値とほぼ同じ吐出量になるが、駆動周波数がそれ以上になると、理論値より急激に少なくなっていく。そして、駆動周波数が１０Ｈｚを越えると、吐出量が逆に減少してしまう。
【００１４】
従来の電磁ポンプ５０を５０ｃｃの２輪車に使用した場合、要求されるオイル量を確保するには、６，７Ｈｚ程度で駆動させれば良かったので、問題は無かった。しかし、１２５ｃｃの２輪車で使用するには、１０Ｈｚ乃至はそれ以上まで上げる必要があり、低温環境になると必要なオイル吐出量を確保できなくなってしまうという問題がある。
【００１５】
図８は、コイルに流すパルス電流と、プランジャ５１の移動状態との関係を示す図である。図８（ａ）はコイルに流すパルス電流を表し、図８（ｂ）は常温時におけるプランジャ５１の往復動状態を示し、図８（ｃ）は低温時の状態を示す。
【００１６】
図８（ａ）〜（ｃ）において、横軸はすべて時間であり、かつ、同じ尺度である。縦軸は（ａ）では電圧、（ｂ），（ｃ）ではプランジャ５１の位置を示している。吐出終了位置は、図６（ｂ）に示すように、プランジャ５１がインナーヨーク５２に吸着している位置である。初期位置は、図６（ａ）に示す位置で、電圧が印加されないときプランジャ５１がコイルばね５３ａで押し戻され最もインナーヨーク５２から離れた位置である。
【００１７】
図８（ａ）に示すように、コイルには一定の間隔で１２Ｖの電圧がオンオフされ、矩形波が一定の間隔で表れる。矩形波の立ち上がり位置でプランジャ５１はインナヨーク５２に引き寄せられ始め、矩形波の立ち下がり位置でコイルばね５３ａによって初期位置に戻り始める。
【００１８】
図８（ｂ）に示すように、常温時には、プランジャ５１は、（ａ）の矩形波にほぼ一致して初期位置から吐出終了位置まで移動している。このように常温時には、駆動周波数が上昇してもプランジャ５１はほぼ理論値通りの吐出量となる。
【００１９】
図８（ｃ）に示すように、−１０℃以下の低温時には、最初の矩形波の立ち上がり位置からは少し遅れてプランジャ５１が移動し始め、吐出終了位置に達するが、矩形波の立ち下がり位置では大きく遅れてから初期位置に向かって戻り始め、初期位置に戻りきらないうちに、次の矩形波が立ち上がるので、途中から反転して吐出終了位置へと移動する。したがって、プランジャ５１は矩形波にならず、三角波になり、ストローク量も少なくなっている。このようになると、駆動周波数が増加するほど三角波の高さが低くなってストローク量は減少し、吐出量が減少する。
【００２０】
低温環境でプランジャ５１の動きが悪くなる原因は、オイルの粘性が増加するためと考えられる。オイルの粘性が増加するので、プランジャ５１の先端面５１ｂがインナーヨーク５２の端面に張り付いてしまうからである。
【００２１】
これに対し、電磁ポンプ５０を大型化して、６，７Ｈｚで所望の吐出量が確保できるようにすればよいのであるが、そうすると、電磁ポンプの製造コストが上がってしまう。また、コイルばね５３ａを強くしてオイルの粘性に打ち勝って、プランジャ５１を速やかに初期位置に戻せるようにする方法も考えられる。しかし、そうすると、今度はプランジャ５１とインナーヨーク５２との吸着力を上げなければ吸着できなくなる。そのためには、コイルに流す電流を大きくする必要があるが、通常、１２５ｃｃ程度の２輪車の場合、電磁ポンプ５０に流せる電流の許容値は０．５〜１．０Ａ程度であり、オイルの粘性に打ち勝つほどの電磁吸引力は得られない。
【００２２】
本発明は、このような事実から考えられたもので、低温時のオイルなどの粘性の大きい流体用として使用しても、駆動周波数を上げることによって吐出量を増加することができる電磁ポンプを提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の電磁ポンプは、磁気回路を構成するインナーヨークとプランジャとを有し、インナーヨークとプランジャとの間の磁気ギャップを電磁力で縮め、弾性体により拡げるようにプランジャをシリンダ内で往復動させる電磁ポンプにおいて、上記プランジャの先端面とインナーヨークの先端面との重なり合う接触面の面積を、プランジャの外径円の面積の５０％以下としたことを特徴としている。上記接触面の面積が、プランジャの外径円の面積の１５〜７％であることが望ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の電磁ポンプの実施例を示す断面図で、（ａ）は初期状態、（ｂ）は吐出終了状態を示す。
【００２５】
電磁ポンプ１０の基本的な構成は従来例で説明したのと同じなので、共通する構成には同じ符号を付し、相違する点を中心に説明する。プランジャ１１は磁性体で中空の厚肉円筒からなる基本構造は同じであるが、先端部の構成が相違している。すなわち、中空の流路１１ａの先端に吸入弁座１１ｂがあり、その外側にテーパ面１１ｃが形成され、このテーパ面１１ｃの外側にインナーヨーク５２の先端面５２ｂに当接する先端面１１ｄが形成されている構成である。
【００２６】
図２は、プランジャの先端部の斜視図で、（ａ）は本発明のプランジャ１１、（ｂ）は従来例に示したプランジャ５１である。プランジャ１１，５１の外径は共にＤで、内径も共にｄである。しかし、通電時にインナーヨーク５２の先端面５２ｂと当接する接触面は、従来のプランジャ５１では、ハッチングをした部分で、これは、先端面５１ｂの外径を接触面の外径とし、インナーヨーク５２の流路５２ａ径を接触面の内径とする環状部分で、先端面５１ｂの全面積より若干少ない。これに対し、本発明のプランジャ１１では、ハッチングをした先端面１１ｄは、吸入弁座１１ｂとの間にテーパ面１１ｃがあるので、細いリング状で、面積が小さくなるように形成されている。
【００２７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の電磁ポンプ１０に通電されてプランジャ１１がインナーヨーク５２に吸着した状態を示しているが、プランジャ１１とインナーヨーク５２とは、上述したように、従来より狭い面積の先端面１１ｄのみを接触面としている。したがって、通電がオフとなり磁気回路が消滅すると、プランジャ１１はコイルばね５３ａによって初期位置に戻されるが、接触面積が小さいので、プランジャ１１は軽い力でインナーヨーク５２から離反することができるようになる。したがって、低温で粘性が増加したときに駆動周波数を上げても、プランジャ１１は初期位置と吐出終了位置との間のフルストローク量に近いストローク量を維持できる。したがって、プランジャ１１のポンピングが確実になり、吐出量も周波数に追従して増加させることができる。
【００２８】
図３は、接触面の面積比率と電磁ポンプのオイル吐出量の関係を示す線図である。同図に示す□、●、△、○、＊に付記された数字は、接触面の面積比率で、接触面がプランジャ１１の外径円の面積の何％であるかを示す数字である。プランジャ１１の外径円の面積Ｓは、プランジャ１１の外径をＤとすると、Ｓ＝πＤ^２／４で求められる面積である。接触面の面積ｓは、接触面がリング状であれば、ｓ＝外径円の面積−内径円の面積、として求めることができる。外径円は、ここでは先端面１１ｄの外径円である。内径円は、インナーヨーク５２の流路５２ａの径と先端面１１ｄの内径円のうち、どちらか大きい方となる。以上により、接触面積ｓを求めることができ、ｓのＳに対する面積比率を算出することができる。
【００２９】
従来のプランジャ５１では、先端面５１ｂの内径より流路５２ａの径の方が若干大きかったので、接触面は先端面５１ｂの外径円の面積−流路５２ａの面積となり、先端面５１ｂより若干小さくなるが、この接触面を計算した結果、先端面５１ｂの面積ｓは、プランジャの外径円の面積Ｓの６２．２％であった。
【００３０】
本発明の図１に示すプランジャ１１においては、先端面１１ｄの内径の方が流路５２ａの径より大きかったので、接触面＝先端面１１ｄとして計算した。そして、先端面１１ｄの面積比率が、４６．４％、３０．７％、１４．９％、７．６％の４種類のプランジャ１１を作成し、それぞれについて、駆動周波数を変えながら吐出量を測定した。なお、測定時のオイルの温度は、粘性の影響を受ける−１５℃に保った。
【００３１】
図３において、線２０は理論値で、駆動周波数と吐出量とは完全に比例している。□を結ぶ線２２は、従来のプランジャで、接触面の面積比率が６２．２％であるが、９Ｈｚで吐出量が最大になり、その後は周波数が増加しても吐出量は逆に低下した。
【００３２】
●を結ぶ線２３の面積比率が４６．４％、△を結ぶ線２４の面積比率が３０．７％、○を結ぶ線２５の面積比率が１４．９％、＊を結ぶ線２６の面積比率が７．６％のものは、すべて、８〜１０Ｈｚで若干の効率の低下は見られるものの、吐出量は駆動周波数の増加とともに増加している。
【００３３】
図３の線図から、面積比率が５０％以下であれば、吐出量は駆動周波数の増加とともに増加し続けることが分かる。特に、接触面の面積を１５％から７％の範囲にすると、吐出量の増加はさらに理論値に近づくので、望ましいことになる。
【００３４】
なお、駆動周波数を上げたとき面積比率が５０％〜１５％までであれば、面積比率が小さいほど理論値に近づくが、面積比率が１５％以下になると殆ど変化がない。
【００３５】
以上のことから、プランジャ１１の先端面１１ｄとインナーヨーク５２の先端面５２ｂとの重なり合う接触面の面積は、プランジャ１１の外径円の面積の５０％〜５％であれば、駆動周波数を１０Ｈｚ以上に上げても吐出量を増加させることができる。５％未満では、接触面減少の効果も特に増加せず、逆に、接触面が変形したり、摩耗し易くなるといった弊害が生じると考えられる。
【００３６】
図４は本発明のプランジャの先端形状の他の例を示す断面図である。図４（ａ）のプランジャ２１は、中空部２１ａの出口に吸入弁座２１ｂを形成し、吸入弁座２１ｂの外側に、テーパ面に代えて段付きの面２１ｃを形成し、その外側に先端面２１ｄを形成している。
【００３７】
図４（ｂ）のプランジャ３１は、中空部３１ａの出口に球面状の吸入弁座３１ｂを形成し、この吸入弁座３１ｂを外側に延長し、その外側に先端面３１ｃを形成している。このように先端面の面積を小さくするには、種々の形態を採用することができる。
【００３８】
図５は、本発明のまた別の実施例を示す断面図である。従来例で説明したのと同じ構成には同じ符号を付けている。この実施例は、インナーヨーク４２の端面にテーパ面４２ａを形成し、インナーヨーク４２の先端面４２ｂの面積を小さくすることで、接触面を小さくしている。
【００３９】
本発明におけるプランジャとインナーヨークとの接触面の減少は、プランジャ又はインナーヨークのいずれか一方で減少させてもよく、双方の先端面の形状を変えて重ね合わせることで接触面を小さくすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、磁気回路を構成するインナーヨークとプランジャとを有する電磁ポンプにおいて、上記プランジャの先端面とインナーヨークの先端面との重なり合う接触面の面積を、プランジャの外径円の面積の５０％〜５％としたので、消磁したとき弾性体の弾性力によってプランジャをインナーヨークから引き剥がし易くなり、粘性の大きい流体用に使用した場合でも、駆動周波数を上げることで吐出量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電磁ポンプの実施例を示す断面図で、（ａ）は初期状態、（ｂ）は吐出終了状態を示す。
【図２】プランジャの先端部の斜視図で、（ａ）は本発明のプランジャ、（ｂ）は従来例に示したプランジャである。
【図３】接触面の面積比率と電磁ポンプのオイル吐出量の関係を示す線図である。
【図４】本発明のプランジャの先端形状の他の例を示す断面図である。
【図５】本発明のまた別の実施例を示す断面図である。
【図６】従来の電磁ポンプの断面図で、（ａ）は初期状態（通電していない状態）、（ｂ）は吐出終了状態（通電された状態）を示す。
【図７】図６の電磁ポンプについて、駆動周波数とオイル吐出量との関係を示す線図である。
【図８】コイルに流すパルス電流と、プランジャの移動状態との関係を示す図である。
【符号の説明】
１１，２１，３１ プランジャ
１１ｄ，２１ｄ，３１ｃ （プランジャの）先端面
４２ｂ，５２ｂ （インナーヨークの）先端面
５２，４２ インナーヨーク
５７ａ 弾性体（コイルばね）
Ｄ プランジャの外径

Claims (2)

1. 磁気回路を構成するインナーヨークとプランジャとを有し、インナーヨークとプランジャとの間の磁気ギャップを電磁力で縮め弾性体により拡げるようにプランジャをシリンダ内で往復動させる電磁ポンプにおいて、上記プランジャの先端面とインナーヨークの先端面との重なり合う接触面の面積を、プランジャの外径円の面積の５０％以下としたことを特徴とする電磁ポンプ。
2. 上記接触面の面積が、プランジャの外径円の面積の１５〜７％であることを特徴とする請求項１記載の電磁ポンプ。

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