JP4483952B2 - モータ付ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ部を駆動させる電動モータ部を備えたモータ付ポンプに関する。

近年、自動車等に適用される内燃機関（特にディーゼルエンジン）において、排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を還元する選択還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）型の尿素ＳＣＲシステムの開発が進められており、一部実用化に至っている。

この尿素ＳＣＲシステムでは、内燃機関の排気管に選択還元型のＮＯｘ浄化触媒（ＳＣＲ触媒）が設けられるとともに、その上流側に、還元剤としての尿素水（尿素水溶液）を排気管内に添加する尿素水添加弁が設けられている。かかるシステムにおいては、尿素水添加弁により排気管内に尿素水が添加されることで、排気と共に尿素水がＮＯｘ浄化触媒に供給され、該ＮＯｘ浄化触媒上でのＮＯｘの還元反応によって排気が浄化される。ＮＯｘの還元に際しては、尿素水が排気熱で加水分解されることによりアンモニア（ＮＨ3）が生成され、ＮＯｘ浄化触媒ではアンモニアにより、酸素濃度が高い環境でもＮＯｘが選択的に還元されることで排気浄化が行われることとなる（特許文献１等参照）。
特表２００４−５１００９３号公報

このような尿素ＳＣＲシステムには、タンクに貯蔵された尿素水を尿素水添加弁に圧送する尿素水ポンプを要する。そしてこの尿素水ポンプに、本発明者らは従来の一般的なモータ付ポンプを採用することを試みた。前記モータ付ポンプは、液体を圧送するポンプ部と、そのポンプ部を駆動させる電動モータ部とを備えて構成されるものである。

ところが、従来のモータ付ポンプをそのまま尿素水ポンプとして採用すると、以下に説明する巻線の腐食が問題になることが分かった。

前記巻線は、ポンプ部を構成するステータ又はロータに設けられ、通電により磁界を発生させるものであり、従来の一般的な巻線は、銅製の電気伝導体及びその電気伝導体を被覆する絶縁体から構成されている。また、従来のモータ付ポンプでは、ポンプ部により圧送された液体に巻線が触れて腐食しないよう、ステータ又はロータの全体を樹脂（被覆樹脂）で被覆する構造となっている。そして尿素水は、単なる水に比べて前記被覆樹脂及び絶縁体に浸透しやすく、しかも銅製の電気伝導体を腐食させやすいので、巻線の腐食対策が新たに必要となるとの知見を得た。

なお、このような巻線腐食の問題は尿素水に限らず、水を除く他の液体についても同様に生じ得る。例えば、近年では車両用内燃機関の燃料としてアルコールやバイオ燃料等が採用される場合があり、このような燃料を燃料噴射弁に圧送するモータ付ポンプにおいても、燃料が被覆樹脂及び絶縁体に浸透して銅製の電気伝導体を腐食させることが懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ポンプ部を駆動させる電動モータ部を備えたモータ付ポンプにおいて、ポンプ部により圧送される尿素水により巻線が腐食することの抑制を図ったモータ付ポンプを提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明では、内燃機関を有する車両に搭載され、前記内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を還元する尿素水を圧送するモータ付ポンプであって、尿素水を圧送するポンプ部と、前記ポンプ部より圧送される尿素水を流通させる流通路に配置され、前記ポンプ部を駆動させる電動モータ部と、前記電動モータ部を構成するステータ及びロータの少なくとも一方に設けられ、通電により磁界を発生させる巻線と、を備え、
前記流通路の一部は、前記ステータと前記ロータとの間に形成される磁気回路上のギャップにより形成され、前記巻線は、前記通電が為される電気伝導体及びその電気伝導体を被覆する絶縁体から構成され、前記電気伝導体の主成分がカーボンであることを特徴とする。

流通路に電動モータ部を配置する場合、電動モータ部の巻線はポンプ部より圧送される尿素水により腐食することが懸念されるが、本発明による巻線の電気伝導体は主成分をカーボンとしている。そして、当該カーボンは、電気抵抗が銅と同等であるとともに、尿素水に対する耐腐食性が銅に比べて高い。よって、本発明に係る巻線は、従来の銅製電気伝導体による巻線に比べ、電気抵抗が大きくなることなく耐腐食性を向上できる。
さらに請求項１記載の発明では、内燃機関を有する車両に搭載され、前記内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を還元する尿素水を圧送する手段として適用されていることを特徴とする。このような尿素水を対象とした場合、カーボンを主成分とした本発明に係る電気伝導体は、従来の銅製電気伝導体に比べて耐腐食性が著しく向上し、好適である。また、このように内燃機関を有する車両に搭載されたモータ付ポンプの場合、高温環境下となるために電気伝導体に耐熱性も要求されることとなるが、カーボンの耐熱性は銅と同等であるため前記要求も満たすことができる。

主成分をカーボンとする電気伝導体の具体例として、請求項２記載の発明の如く、カーボンナノチューブ単独を紡糸して構成された線材、又はカーボンナノチューブをバインダーで保持させて構成された線材により電気伝導体を形成することが挙げられる。また、前記バインダーの具体例としてはゴム及び樹脂等が挙げられる。

なお、カーボンナノチューブをカーボンファイバーを母材として製造して好適であり、また、カーボンナノチューブに替えてカーボンファイバー単独を紡糸して構成された線材、又はカーボンファイバーをバインダーで保持させて構成された線材により電気伝導体を形成してもよい。

請求項３記載の発明では、前記電気伝導体は、カーボンを主成分として形成された複数本の線材を撚り合わせてワイヤ状に形成されていることを特徴とする。これによれば、電気伝導体の強度を向上することで、巻線の強度を向上できる。特に、電動モータ部を構成するコア部材に巻線を巻き回す製造過程において、巻線にテンションをかけながら巻き回すにあたり、巻線には前記テンションに耐え得る引張強度が要求される。よって、上述の如く巻線強度を向上できる効果が好適に発揮される。

なお、内燃機関を有する車両に搭載され、前記内燃機関に備えられた燃料噴射弁に燃料タンクの燃料を圧送する燃料ポンプに、請求項１〜３のいずれか１つに記載のモータ付ポンプを適用するようにしてもよい。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態にかかるモータ付ポンプは、還元剤として尿素を用いた尿素水溶液（以下、単に尿素水と呼ぶ）を圧送する尿素水ポンプに適用されており、当該尿素水ポンプから吐出された尿素水は添加弁に加圧圧送される。添加弁は、内燃機関としてディーゼルエンジン（以降、エンジンと呼称する）の排気通路内における排気流れ中に、尿素水を噴射するように配設される。

図１は、本実施形態における尿素ＳＣＲシステムの全体構成を示す全体構成図である。この全体構成図には、自動車（図示略）のエンジンにより排出される排気を浄化対象とした排気浄化装置が示される。排気浄化装置の構成を大別すると、排気系の構成部、尿素水供給系の構成部、および、制御系の構成部に分類される。

排気系の構成部は、排気上流側から順に配設される、ＤＰＦ１（Diesel Particulate Filter）、排気管２（触媒の上流側排気通路）、触媒３、および、排気管４（触媒の下流側排気通路）を備えている。ＤＰＦ１は、排気中のＰＭ（Particulate Matter、粒子状物質）を捕集する連続再生式のＰＭ除去用フィルタであり、例えばメインの燃料噴射後のポスト噴射等で捕集ＰＭを繰り返し燃焼除去する（ＰＭ除去用フィルタの再生処理に相当）ことにより継続的に使用することができる。また、ＤＰＦ１は、図示しない白金系の酸化触媒を担持しており、ＰＭ成分の１つである可溶性有機成分（ＳＯＦ）と共に、ＨＣやＣＯを除去することができる。

触媒３は、ＮＯｘの還元反応を促進し排気を浄化する部位であり、例えば、
４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ2→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ …（式１）
６ＮＯ2＋８ＮＨ3→７Ｎ2＋１２Ｈ2Ｏ …（式２）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ …（式３）
このような反応を促進して排気中のＮＯｘを還元する。そして、これらの反応においてＮＯｘの還元剤となるアンモニア（ＮＨ3）を含む水溶液（以降、尿素水と呼称する）は、排気と混合されて触媒３に供給される。具体的には、尿素水は、触媒３の上流側の排気管２を流通する排気に向けて、後述する添加弁により噴射供給される。

尿素水供給系の構成部は、尿素水供給部５、添加弁６、及び配送管７等を備え、尿素水供給部５は、尿素水タンク８及び尿素水ポンプ９（モータ付ポンプ）等を備えている。尿素水タンク８は、給液キャップ付きの密閉容器にて構成されており、その内部に所定濃度の尿素水が貯蔵されている。本実施形態では、尿素水ポンプ９を尿素水タンク８内に配置するインタンク式を採用している。

尿素水ポンプ９は、電子制御ユニットであるＥＣＵ１０（制御手段）からの駆動信号により回転駆動する電動式ポンプである。尿素水ポンプ９を駆動させると、尿素水タンク８内の尿素水は、ストレーナ９ａ及びフィルタ９ｂを通じて尿素水ポンプ９に吸入されて加圧圧送される。その後、レギュレータ９ｃによりその吐出圧力が調整された後、配送管７を通じて添加弁６に供給される。なお、尿素水ポンプ９、フィルタ９ｂ及びレギュレータ９ｃ等はユニットケース９ｄ内に収容されてユニット化されている。尿素水ポンプ９からの供給圧力がレギュレータ９ｃの設定値を超えた場合には、同レギュレータ９ｃにより、配送管７内の尿素水が尿素水タンク８へ戻される。

添加弁６の先端には噴射口が形成されており、噴射口を開閉させるニードル弁を電磁アクチュエータにより開弁操作すると、尿素水ポンプ９の駆動により添加弁６に供給された尿素水は、霧状化して排気管２中に噴射される。このように尿素水が添加供給されると、排気管２内において排気と共に尿素水がＳＣＲ触媒３に供給され、ＳＣＲ触媒３においてＮＯｘの還元反応が行われることによってその排気が浄化されるように構成される。

ＮＯｘの還元に際しては、例えば、
（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2 …（式４）
このような反応により、尿素水が排気熱で加水分解される。これにより、アンモニア（ＮＨ3）が生成され、ＳＣＲ触媒３にて選択的に吸着された排気中のＮＯｘに対し、このアンモニアが添加される。そして、触媒３上で、そのアンモニアに基づく還元反応（上記反応式（式１）〜（式３））が行われることによって、ＮＯｘが還元、浄化されることになる。

次に、尿素水ポンプ９の単体構造について、図２〜図４を用いて詳細に説明する。

図２に示すように、尿素水ポンプ９は、尿素水を圧送するポンプ部１８と、ポンプ部１８を駆動させる電動モータ部１９とを備えている。ポンプ部１８は、ポンプケース及びインペラ２２からなる渦流ポンプである。ポンプケースは、アッパケース２０とロアケース２１との２部材を接合させ、その接合される合わせ面の内側にポンプ室としての空間を形成する。ポンプ室にはインペラ２２が回転自在に収容されている。インペラ２２を回転させると、尿素水タンク８の尿素水はロアケース２１に設けられた吸入口２４から吸入された後ポンプ室で昇圧され、後述する電動モータ部１９に圧送される。

尿素水ポンプ９のうち尿素水が流通する部分を有する部材には、尿素水に対する耐腐食性、耐酸化性を有する材質を採用することが望ましい。アッパケース２０及びロアケース２１は金属製であり、上記耐腐食性及び耐酸化性を鑑み、例えば、不働態皮膜再生材としてのオーステナイト系のステンレス鋼であり、ＪＩＳ分類されるＳＵＳ３０４を用いて好適である。また、インペラ２２は樹脂（例えばフェノール樹脂）にて形成されている。

電動モータ部１９は、ステータ２５及びロータ２６等を備えたブラシレスモータであり、通電されて尿素水を圧送する駆動力を発生するよう機能する。図２のＩ−Ｉ断面図である図３（ａ）に示すように、ステータ２５は６個の分割コア２５ａ（コア部材）を周方向に配置して構成されている。各分割コア２５ａは、絶縁皮膜を施した磁性鋼板を回転軸方向（図２の上下方向）に積層して一体に構成されている。各分割コア２５ａには樹脂等の絶縁材により形成されたボビン２８が取り付けられている（図２及び図３（ｂ）参照）。

巻線２９は、ボビン２８の外周に分割コア２５ａ毎に集中巻き（或いは分布巻き）されており、図１に示すエンドカバー３７側で、ターミナル４３と電気的に接続している。巻線２９はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３種類に分かれている。ＥＣＵ１０によってスイッチングされることにより、ターミナル４３から各相の巻線２９への通電が制御される。これにより、各相の巻線２９に磁極が発生する。したがって、ステータ２５の内周面とロータ２６の外周面との隙間は上述のように流通路３８として機能するとともに、ステータ２５とロータ２６との磁気回路上のギャップとしても機能している。

永久磁石３１は、ＰＰＳ等の熱可塑性樹脂材に磁性粉を練り込んで円筒状に形成されたプラスティックマグネットであり、回転軸２７の外周に射出成形等により直接形成されている。図３（ａ）に示すように、永久磁石３１は回転方向に８個の磁極部を形成している。これらの磁極部は、ステータ２５と向き合う外周面側に回転方向に交互に異なる磁極を形成するように着磁されている。

図４は、ステータ２５及びステータ２５をモールドする絶縁樹脂材４５を示す縦断面図である。この図４に示すように、複数の分割コア２５ａ、各相の巻線２９及びターミナル４３は、絶縁樹脂材４５により樹脂モールドされて一体となっている。この絶縁樹脂材４５は分割コア２５ａの内周面をも覆っている。一方、永久磁石３１も絶縁樹脂材により被覆されている。つまり、前述の流通路３８は、厳密には、絶縁樹脂材４５の内周壁部４５ａと絶縁樹脂材３１の外周壁部３１ａ（図３（ｂ）参照）との間にて形成されている。ちなみに、図３（ｂ）中の符号４５ｂは、絶縁樹脂材４５の外周壁部を示す。

ハウジング３６は、ポンプ部１８および電動モータ部１９の両方のハウジングを兼ねている。ハウジング３６は金属製であり、軸方向の両端で、ロアケース２１及びエンドカバー３７をそれぞれかしめて形成される。アッパケース２０は、ハウジング３６の段部３６ａに軸方向に突き当てられている。これにより、アッパケース２０の軸方向の位置決めがなされている。アッパケース２０の中央部には、先述した軸受部３２が圧入により固定されている。ロアケース２１は、ハウジング３６の一端側でかしめ固定されており、このかしめにより生じる軸力により、アッパケース２０と段部３６ａ、ならびにロアケース２１とアッパケース２０とが互いに軸方向に押し付けられる面圧を確保し、尿素水をシールしている。

電動モータ部１９側に圧送された尿素水は、ステータ２５とロータ２６との間の流通路３８（図２及び図３（ｂ）参照）、吐出通路３９の順に送出され、吐出口４０から添加弁６側に供給される。エンドカバー３７から外部に開口する吐出通路３９の吐出口４０は、軸受部３３に対して偏心して形成されている。

前述した絶縁樹脂材４５は、ステータ２５に対してポンプ部１８と反対側の端部を覆うエンドカバー３７を一体成形している。エンドカバー３７は、回転軸２７を軸受けする軸受部３３と、ターミナル４３の支持部と、吐出口４０とを、絶縁樹脂材４５により一体に成形して構成されている。

エンドカバー３７が形成する吐出口４０内には、逆止弁４７及びスプリング４８が収容されている。ポンプ部１８で昇圧された尿素水が所定圧以上になると、逆止弁４７はスプリング４８の荷重に抗してリフトし、吐出口４０から尿素水が添加弁６側に吐出される。また、逆止弁４７は、尿素水ポンプ９から吐出される尿素水の逆流を防止するように設けられる。

次に、本発明の要部である巻線２９の構造及び材質について、図５及び図６を用いて説明する。

Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相各々には同一の巻線２９が採用されており、当該巻線２９は、通電が為される電気伝導体２９ａ、及びその電気伝導体２９ａを被覆する絶縁体２９ｂから構成されている。図５は、巻線２９の端部を示す斜視図であり、当該端部においては電気伝導体２９ａの先端が絶縁体２９ｂから露出しており、この露出した端部がターミナル４３と接続されている。

巻線２９の断面図である図６に示すように、電気伝導体２９ａは複数本の線材２９ｃをワイヤ状に撚り合わされて形成されている。線材２９ｃはカーボンを主成分とした材質である。具体的には、カーボンナノチューブ単独を紡糸して構成されている、又はカーボンナノチューブをバインダーで保持させて構成されている。このような線材２９ｃの製造は、特開２００７−１２６３１８号公報及び特開２００７−１６１５１２号公報等に開示された製造方法により実現可能である。

また、ターミナル４３についてもカーボンを主成分とした材質で形成することが望ましく、上述の線材２９ｃと同様の構成（例えばカーボンナノチューブ又はカーボン繊維を用いた構成）が望ましい。また、絶縁体２９ｂの材質は樹脂製又はゴム製である。

ところで、尿素水ポンプ９がモータ付ポンプである場合には、ポンプ部１８で圧送された尿素水が電動モータ部１９内部を流通するため、電動モータ部の電気部品その他の各種部品が尿素水により腐食することが懸念される。この対策として本実施形態では、ステータ２５をモールドする絶縁樹脂材４５に内周壁部４５ａを形成するとともに、永久磁石３１をモールドする絶縁樹脂材３１に外周壁部３１ａを形成する。

これにより、ステータ２５の内周面とロータ２６の外周面との隙間で尿素水の流通路３８を形成するにあたり、分割コア２５ａ及び巻線２９等のステータ２５の電気部品が内周壁部４５ａに覆われて流通路３８の尿素水に直接晒されることを回避する。また、永久磁石３１等のロータ２６部品が外周壁部３１ａに覆われて流通路３８の尿素水に直接晒されることを回避する。よって、分割コア２５ａ、巻線２９及び永久磁石３１が尿素水により腐食することを抑制できる。

しかしながら、これら樹脂製の内周壁部４５ａ及び外周壁部３１ａは尿素水により膨潤し、この膨潤により尿素水が両壁部４５ａ，壁部３１ａに浸透し易くなるとの知見を本発明者らは得た。さらに、巻線２９に用いられる従来の電気伝導体２９ａは一般的に銅製であるため、特に電気伝導体２９ａについて耐腐食性を向上させる必要があることが分かった。

この点を鑑み本実施形態では、電気伝導体２９ａを、カーボンを主成分とした材質で形成している。そして当該カーボンは、電気抵抗が銅と同等であるとともに、アンモニア（ＮＨ3）に対する耐腐食性が銅に比べて高い。また、尿素水ポンプ９は車両のエンジンルームに配置されるため、環境温度が高く、巻線２９には耐熱性も要求されるところ、カーボンの耐熱性は銅に比べて優れている。したがって、電気伝導体２９ａにカーボンを適用させた本実施形態によれば、従来の銅製電気伝導体による巻線に比べ、電気抵抗が大きくなることなく、かつ、耐熱性を低下させることなく、尿素水に対する耐腐食性を向上できる。

また本実施形態では、電気伝導体２９ａは複数本の線材２９ｃをワイヤ状に撚り合わされて形成されているので、電気伝導体２９ａの強度を向上することで、巻線２９の強度を向上できる。特に、分割コア２５ａに巻線２９を巻き回す製造過程において、巻線２９にテンションをかけながら巻き回すにあたり、巻線２９には前記テンションに耐え得る引張強度が要求される。よって、上述の如く巻線強度を向上できる効果が好適に発揮される。

さらに本実施形態では、カーボンを主成分とした線材２９ｃで電気伝導体２９ａを形成するにあたり、電気伝導体２９ａの線材２９ｃをカーボンナノチューブにより形成しているので、高い電気伝導性が得られるとともに、高強度にできる。

さらに、電気伝導体２９ａを形成するにあたり、カーボンナノチューブ単独を紡糸して構成された線材２９ｃにより形成すれば、カーボンナノチューブをバインダーで保持させて構成された線材２９ｃにより形成した場合に比べて、高い電気伝導性が得られるとともに、高強度にできる。

（他の実施形態）
上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。また、本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、各実施形態の特徴的構造をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。

・上記実施形態では電気伝導体２９ａを形成する線材２９ｃの材質にカーボンナノチューブを採用しているが、当該カーボンナノチューブに替えて、カーボンファイバーを採用してもよい。つまり、カーボンファイバー単独を紡糸して線材２９ｃを形成する、又はカーボンファイバーをバインダーで保持させて線材２９ｃを形成するようにしてもよい。

・カーボンファイバー又はカーボンナノチューブによる線材２９ｃは、巻線２９の一端から他端まで接続部を有することなく連続して延びる形状であってもよいし、複数本の線材２９ｃを巻線２９の一端から他端までの途中で繋いで形成してもよい。

・上記実施形態では、本発明に係るモータ付ポンプを尿素水ポンプに適用させているが、本発明はこのような尿素水ポンプに限定されるものではなく、例えば、内燃機関を有する車両に搭載され、内燃機関の燃焼室又は吸気管に燃料を噴射する燃料噴射弁に燃料タンクの燃料を圧送するにあたり、その圧送を行う燃料ポンプに本発明に係るモータ付ポンプを適用するようにしてもよい。或いは、還元剤として尿素水を排気中に添加することに替え、還元剤として炭化水素（ＨＣ）を添加するようにした内燃機関において、その炭化水素を添加弁に圧送するポンプに本発明に係るモータ付ポンプを適用するようにしてもよい。

・上記実施形態では、ステータ２５が巻線２９を有するモータ付ポンプを対象とし、ステータ側の巻線２９の電気伝導体２９ａをカーボン製としているが、ロータが巻線を有するモータ付ポンプを対象とし、ロータ側の巻線の電気伝導体をカーボン製としてもよい。

本発明の一実施形態に係る尿素水ポンプ（モータ付ポンプ）が適用された尿素ＳＣＲシステムの全体構成を示す図。 図１の尿素水ポンプの詳細構造を示す断面図。 （ａ）は図２のＩ−Ｉ断面図、（ｂ）は（ａ）の拡大図。 図３のステータ、及びそのステータをモールドする絶縁樹脂材を示す縦断面図。 図４に係る巻線の端部を示す斜視図。 図５に係る巻線の断面図。

符号の説明

９…尿素水ポンプ（モータ付ポンプ）、１８…ポンプ部、１９…電動モータ部、２５…ステータ、２６…ロータ、２９…巻線、２９ａ…電気伝導体、２９ｂ…絶縁体、２９ｃ…線材。

Claims (3)

1. 内燃機関を有する車両に搭載され、前記内燃機関の排気中に含まれる窒素酸化物を還元する尿素水を圧送するモータ付ポンプであって、
   尿素水を圧送するポンプ部と、
   前記ポンプ部より圧送される尿素水を流通させる流通路に配置され、前記ポンプ部を駆動させる電動モータ部と、
   前記電動モータ部を構成するステータ及びロータの少なくとも一方に設けられ、通電により磁界を発生させる巻線と、
   を備え、
   前記流通路の一部は、前記ステータと前記ロータとの間に形成される磁気回路上のギャップにより形成され、
   前記巻線は、前記通電が為される電気伝導体及びその電気伝導体を被覆する絶縁体から構成され、
   前記電気伝導体の主成分がカーボンであることを特徴とするモータ付ポンプ。
2. 前記電気伝導体は、カーボンナノチューブ単独を紡糸して構成された線材、又はカーボンナノチューブをバインダーで保持させて構成された線材により形成されていることを特徴とする請求項１に記載のモータ付ポンプ。
3. 前記電気伝導体は、カーボンを主成分として形成された複数本の線材を撚り合わせてワイヤ状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ付ポンプ。

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