JP6560075B2 - 電動ウォーターポンプ - Google Patents

Description

本発明は自動車の冷却系に使用される電動ウォーターポンプに係り、特に電動ウォーターポンプを流れる冷却水の温度を検出する機能を備えた電動ウォーターポンプに関するものである。

近年、自動車の低燃費化への要求が高まるにつれ、アイドルストップ機能付きの自動車やハイブリッド車の実用化が進んでいる。これらの車両は、内燃機関の停止時に内燃機関によって駆動されるウォーターポンプも停止するため、内燃機関以外のウォーターポンプの駆動源が必要となる。また、ハイブリッド車や電気自動車においては、走行用モータやその制御装置、またはバッテリを冷却するためのウォーターポンプが必要とされる。これらの背景から、電動機を使用してインペラが固定されたロータに回転力を付与してポンプ作用を行う電動ウォーターポンプの使用が増加する傾向にある。

例えば、特開２０１０−１４４６９３号公報（特許文献１）には、インペラが収容されるポンプ室と連通する空間内にロータを収容し、隔壁部材によりロータ収容空間から液密に隔成された空間内に巻線を含むステータを収容するキャンド型の電動ウォーターポンプが記載されている。

特開２０１０−１４４６９３号公報

ところで、このような電動ウォーターポンプを用いた冷却系を備える自動車においては、冷却系を流れる冷却水の温度を検出して、自動車の各種の制御機器の制御量を調整、或いは補正することが行われている。そして、この冷却水の温度を検出する水温センサは冷却系の所定箇所に設けられている。

冷却系を流れる冷却水は、例えば内燃機関の冷却水を冷却するラジエータに送られ、また、暖房のためのヒータコアに送られている。このように、冷却系を流れる冷却水は種々の用途に使用されている。したがって、水温センサが取り付けられる冷却系の箇所によって冷却水の温度が異なり、冷却系の正確な冷却水の温度が検出できないという課題がある。

つまり、冷却系を流れる冷却水は、例えばヒータコアやラジエータに送られているため、夫々の箇所の温度を測定すると夫々異なっているものである。しかしながら、冷却系の全体からすると、個々の場所の冷却水の温度ではなく、冷却系全体の平均的な冷却水の温度を測定してやることが必要である。

更に、従来のものでは水温センサを所定箇所に個別に取り付けて管理することが必要であり、取り付け作業が煩雑であるという課題がある。このため、冷却系の冷却水の温度を正確に測定することや、取付・管理が簡単に行えることが求められている。

本発明の目的は、冷却系の冷却水の温度を正確に測定し、これに加えて取付・管理が簡単に行える新規な電動ウォーターポンプを提供することにある。

本発明の特徴は、電動ウォーターポンプの吐出側の吐出通路を形成する外壁の外周面に水温センサを取り付けた構成としたところにある。

本発明によれば、例えば、ヒータコアやラジエータからの冷却水は電動ウォーターポンプのインペラによって吸引、混合されて吐出通路を流れるので、この混合された冷却水の温度を測定すれば冷却系の正確な温度が測定できるものである。

また、水温センサは事前に電動ウォーターポンプに取り付けられているので、電動ウォーターポンプを冷却系へ取り付けるだけで冷却系への取付・管理を容易に行うことができるものである。

自動車の冷却系の構成を示す構成図である。 本発明の実施形態になる電動ウォーターポンプの軸方向断面図である。 図２に示す電動ウォーターポンプを異なった面で断面した部分断面図である。 電動ウォーターポンプの通路構成を示す断面図である。

本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。以下、本発明になる電動ウォーターポンプの実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、自動車の代表的な冷却系の構成を示しており、参照番号１は内燃機関であり、内燃機関１を冷却した冷却水はラジエータ２に送られ、更にヒータコア３に送られる。ラジエータ２は内燃機関１から送られてきた冷却水を空気と熱交換して冷却するものであり、またヒータコア３は空気と熱交換して車室の暖房に使用されるものである。

ラジエータ２及びヒータコア３からの冷却水はサーモスタット４に送られた後に、電動ウォーターポンプ１０に吸引され、再び内燃機関１側に吐出されるものである。これらの冷却水の循環は良く知られているのでこれ以上の説明は省略する。

次に本実施形態になる電動ウォーターポンプ１０の構成について説明する。図２は電動ウォーターポンプの断面を示している。図２に示す電動ウォーターポンプは、作動流体として自動車の冷却系の冷却水を用い、熱交換器であるラジエータやサーモコアに接続された循環回路中に組み込まれるウォーターポンプであり、例えばハイブリッド自動車において内燃機関や駆動用モータ、インバータ等に冷却水を供給するものである。

本実施例になる電動ウォーターポンプ１０は、ポンプ部１１と、ポンプ部１１を駆動する駆動部としてのモータ部１２と、モータ部１２の作動を制御する制御部１３とを一体化した１つの組立体として構成されている。

ポンプ部１１は、ポンプ室１４を形成するポンプハウジング１５と、ポンプ室１４内に回転自在に収容されたインペラ１６とを有している。

ポンプハウジング１５は、ポンプ室１４内に開口する吸入口(図示せず)と、ポンプ室１４の外周部からポンプ室１４外に開口する吐出口(図示せず)とを有している。ポンプ部１１は、インペラ１６が回転することで冷却水に対して径方向に圧力を与える遠心ポンプである。インペラ１６が回転することにより、冷却水は、吸入口からポンプ室１４内に吸入され、インペラ１６の外周側の吐出流路を経て、吐出口から吐出（圧送）される。

インペラ１６は、複数の羽根１７を有する羽根車であり、モータ部１２のロータ部１８の一端に、ロータ部１８と同軸一体に形成されてポンプ室１４内に設置されている。各羽根１７は、ロータ部１８の中心軸を中心として放射状に配置されている。各羽根１７は、例えば、外径側に向かうにつれてインペラ１６の回転方向とは反対側に傾斜するように配置され、全体として渦巻き状に設置されている。

ポンプハウジング１５には、ロータ部１８及びインペラ１６の軸向側への移動を規制する、移動規制部材１９がポンプハウジング１５と一体に形成されている。この移動規制部材１９には中央にロータ１８の支持軸２０の一端が挿入されており、これによって支持軸２０の一端を支持している。

モータ部１２は、所謂インナロータ型のＤＣブラシレスモータであり、筒状のステータ部２１と、ステータ部２１の内周側に設けられたロータ部１８と、これらを収納するモータ室２２を形成するモータハウジング２３と、モータハウジング２３に設けられロータ部１８を回転自在に支持する支持軸２０とを有している。

モータハウジング２３は合成樹脂から作られており、このモータハウジング２３はステータ部２１がインサート成型によって一体化されている。同様に、支持軸２０もインサート成型によって一体化されている。モータハウジング２３は上述したように合成樹脂で形成されており、有底の円筒状の形状を有している。そして、円形の底面部２３Ａの中心付近に支持軸２０が植立するように合成樹脂内に埋設されている。

ステータ２１は複数の巻線２４を有しており、巻線２４への通電により内周側に磁束を生じさせる。ロータ部１８は磁極保持部２５と軸部２６を一体に有しており、例えば合成樹脂材料を射出成形することでインペラ１６と一体に形成されている。磁極保持部２５は永久磁石より構成されており、合成樹脂によってロータ部１８内に強固に取り付けられている。ロータ部１８は冷却水と接触するため磁極保持部２５は合成樹脂で覆われていることが重要である
磁極保持部２５は、ステータ２１の内周面と僅かな隙間（エアギャップ）を介して対向するように設置される円柱状の部材であり、その内部にはステータ部２１の複数の巻線２４に対応して複数の磁極（周方向で交互にＮ極、Ｓ極が並ぶ永久磁石）が保持されている。

軸部２６は、インペラ１６を回転させるための動力を伝達する軸部材であり、磁極保持部２５と同軸に中空に設けられている。ロータ部１８の磁極保持部２５付近とインペラ１６付近には第１軸受保持部と第２軸受保持部が形成され、これらの軸受保持部には第１軸受２７と第２軸受２８が夫々設置され、各軸受２７、２８はロータ１８に対して固定されている。軸受２７、２８は共に滑り軸受であり、各軸受２８、２８の内周面の直径は、支持軸２０の直径よりも僅かに大きく設けられている。

支持軸２０はロータ２８の軸中心に形成された支持孔を貫通し、ロータ１８が支持軸２０に設置された状態で、ロータ１８に固定された軸受２８、２８の内周面と支持軸２０の外周面との間には僅かな隙間が存在する。すなわち、各軸受２７、２８は支持軸２０に対して摺動可能に設けられており、ロータ１８は各軸受２７、２８を介して支持軸２０に回転自在に支持される。

ステータ部２１は、鉄心２９に一体的に形成した複数の突極部２９Ａに合成樹脂のボビンを介して巻線２４が巻回されており、突極部２９Ａに形成した円弧状のティースの内周にロータ部１８が位置している。したがって巻線２４に順次電力を与えることによってロータ部１８が回転することになる。

モータハウジング２３の底面部２３Ａのロータ１８が位置する側の反対面には制御部１３が取り付けられている。制御部１３はモータ部１２の駆動電流を供給するドライバであり、基板収容室３０を形成する制御ハウジング３１と、基板収容室３０に収容される電子部品が搭載された基板３２等を有している。

基板３２には、電子回路素子（ＣＰＵやトランジスタ等）が搭載されており、これらの回路素子とキャパシタ等により変換器及び制御回路が構成されている。変換器は、直流電源であるバッテリから電力供給を受けてモータ部１２の巻線２４へ交流電力を供給する。制御回路は変換器を構成するＭＯＳＦＥＴのオン-オフを制御するものであり、マイクロコンピュータ等から構成されている。

ステータ部２１とロータ１８の間には隔壁部材３３が配置されている。この隔壁部材３３は薄い断面を有した金属薄板からなっている。隔壁部材３３は両端が開口した開口端を有する直管の円筒状に形成されおり、ロータ部１８の軸方向に沿って延びている。隔壁部材３３の一方の開口端はインペラ１６側のモータハウジング２３の側面部２３Ｂと接合され、隔壁部材３３の他方の開口端はモータハウジング２３の底面部２３Ａに埋め込まれるように埋設されている。

そして、図からわかるように、ロータ部１８はこの隔壁部材３３の内部に収納され、かつ隔壁部材３３内部には冷却水が導入されてくるものである。更に、ステータ部２１の突極部２９Ａに形成した円弧状のティースの内周面は、隔壁部材３３の外周面と一致する円弧形状に形成されており、隔壁部材３３の外周面と金属接触している。これによって、巻線２４の銅損による熱や周囲環境から入熱する内燃機関の熱は突極部２９Ａを介して隔壁部材３３に伝熱され、更に冷却水に伝熱されて放熱されるようになっている。

このような構成の電動ウォーターポンプにおいて、本実施形態では電動ウォーターポンプの吐出側の吐出通路の外壁の外周面に水温センサを取り付けた構成を提案するものである。これによれば、例えば、ヒータコアやラジエータからの冷却水は電動ウォーターポンプのインペラによって吸引、混合されて吐出通路を流れるので、この混合された冷却水の温度を測定すれば冷却系の正確な温度が測定できるものである。

また、水温センサは事前に電動ウォーターポンプに設けられるので、電動ウォーターポンプを冷却系へ取り付けるだけで冷却系への取付・管理を容易に行うことができるものである。

以下、本実施形態の詳細を図３、図４に基づき説明する。図３は本実施形態の特徴である吐出通路の外壁の外周面に水温センサを設けた部分の断面を示している。

図３において、インペラ１６が配置されているポンプ室１４に繋がる吐出通路３４とモータ室２２を流体的に遮断する吐出通路の外壁３５のモータ室２２側（外周面）には、サーミスタ等からなる冷却水の温度を測定できる水温センサ３６が固定されている。ここで、吐出通路３４は吐出口３７とポンプ室１４の間に存在する冷却水の流通路である。

そして、図１にあるようにラジエータ２やヒータコア３の冷却水は、電動ウォーターポンプ１０に吸引、集合され、その後に再び内燃機関１に向けて吐出されるものである。そこで、本実施形態においては、ラジエータ２やヒータコア３の冷却水が電動ウォーターポンプ１０に吸引、集合されることを利用し、電動ウォーターポンプ１０の吐出側の吐出通路３４の外壁３５の外周面に水温センサ３６を取り付けるものである。

ラジエータ２やヒータコア３からの冷却水は、ポンプ室１４内に開口する吸入口から吸入され、更にインペラ１６が回転することによりポンプ室１４内に吸入され、インペラ１６の外周側に位置する吐出流路３４を経て吐出口３７から吐出される。この時、ラジエータ２やヒータコア３からの冷却水は、ポンプ室１４や吐出通路３４の前半部付近で混合されており、この混合された冷却水の温度は平均的な温度になっている。（簡単に言えば、ラジエータ２やヒータコア３からの冷却水が混合されているので、混合された冷却水の温度は両者の平均温度となる。）したがって、冷却系全体の平均的な冷却水の温度を測定することができ、正確な冷却水の温度が測定できるようになる。

また、電動ウォーターポンプ１０に一体的に水温センサ３６が取り付けられているため、従来のように電動ウォーターポンプ１０と水温センサ３６を個別に取り付け、管理する場合に比べて、その取り付け、管理が容易となるものである。

ここで本実施形態では、水温センサ３６は熱の伝達性能を向上するために、図示していないが吐出通路３４の外壁３５と熱伝導性の良い接着剤や熱伝導性の良い熱伝導性シートを介して固定されている。尚、これらを介さずに直接的に吐出通路壁３５と接触させることもできる。

また、水温センサ３６はステータ部２１の外周壁面２１Ｗから空間的に間隔を置いて配置されている。ステータ部２１の外周壁面２１Ｗに近い位置に水温センサ３６を配置すると、ステータ部２１で発生した熱によって水温センサ３６の測定精度に悪影響を与える恐れが大きい。このため、本実施形態では、水温センサ３６とステータ部２１の外周壁面２１Ｗとの間は断熱空間Ｓを介在させている。これによってステータ部２１で発生した熱が水温センサ３６に影響するのを抑制できるようになる。

更に、図４にあるように、水温センサ３６は吐出通路３４の後半側に配置されている。つまり、ヒータコア３やラジエータ２からの冷却水が吸引され、その後インペラ１６の回転によって吐出される冷却水が、ポンプ室１４、及び吐出通路３４の前半部で充分に混合され、この混合された冷却水が通過する位置に配置されているものである。これによって、冷却水の温度を更に正確に測定することができる。

また、水温センサ３６の信号線はコネクタ部３８を介して外部に取り出されている。このコネクタ部３８はモータを制御、駆動するためのコネクタ部であり、このコネクタ部３８を共用しているため、水温センサ３６の信号線の構成を簡略化できる効果がある。従来のように水温センサが個別に冷却系に配置されている場合は、信号を取り出す信号線等をエンジンルーム内で引き回す必要があり、その作業や信頼性の確保が面倒であった。

これに対して、本実施形態では、電動ウォーターポンプ１０のコネクタ部３８を利用して水温センサ３６の信号を取り出す構成としているため、信号を取り出す信号線等をエンジンルーム内で引き回す必要がなく、その作業や信頼性の確保が容易となるものである。

また、水温センサ３６が電動ウォーターポンプ１０の内部（ここでは、モータ室２２内）に配置されているので、外的な衝撃に対して有利である。従来のように水温センサが個別に冷却系に配置されている場合は、水温センサ３６が露出して取り付けられている場合が多くあり、外的な衝撃によって水温センサ３６が損壊する恐れがあった。これに対して、本実施形態では水温センサ３６が電動ウォーターポンプ１０のモータ室２２内に配置されているので、外的な衝撃に対して損壊する恐れが格段に低くなるものである。

また、本実施形態では、ポンプ室１４や吐出通路３４の一部を形成するモータハウジング２３は合成樹脂としているが、少なくとも水温センサ３６が設けられる領域、或いはポンプ室１４や吐出通路３４を形成する領域、或いはータハウジング２３については金属材料を使用して、水温センサ３６に冷却水の温度が伝達しやすいようにすることが更に有利である。

また、水温センサ３６が配置される領域を吐出通路３４側に膨出させ、この膨出した部分に水温センサ３６を配置すれば、冷却水の接触面積が増えて温度が効率よく水温センサ３６に伝わり、更に冷却水の温度検出精度を向上することができる。

以上述べた通り、本発明によれば電動ウォーターポンプの吐出側の吐出通路の外壁の外周面に水温センサを取り付けた構成とした。これによれば、例えば、ヒータコアやラジエータからの冷却水は電動ウォーターポンプのインペラによって吸引、混合されて吐出通路を流れるので、この吐出通路を流れる冷却水の温度を測定すれば正確な冷却水の温度が得られるようになる。また、水温センサは事前に電動ウォーターポンプに設けられるので、冷却系への取り付け、管理を容易にすることができる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…電動ウォーターポンプ、１１…ポンプ部、１２…モータ部、１３…制御部、１４…ポンプ室、１５…ポンプハウジング、１６…インペラ、１７…羽根、１８…ロータ部、１９…移動規制部材、２０…支持軸、２１…ステータ部、２２…モータ室、２３…モータハウジング、２４…巻線、２５…磁極保持部、２６…軸部、２７、２８…軸受、２９…鉄心、２９Ａ…突極部、３３…吐出通路。３５…吐出通路壁、３６…水温センサ、３７…吐出口。

Claims (3)

1. 電動ウォーターポンプであって、
   自動車の冷却系を流れる冷却水を搬送するポンプ部と、
   ロータ部とステータ部から構成されるモータ部と、
   前記モータ部を駆動制御する制御部と、
   前記ポンプ部を構成する、前記冷却系を流れる冷却水が吸入される吸入口と、前記吸入口から吸入された冷却水を吐出口に搬送するインペラと、前記吐出口と前記インペラを接続する吐出通路と、
   前記吐出通路を形成する外壁の外周面に取り付けられ、前記電動ウォーターポンプの内部に配置された水温センサと、
   前記モータを制御、駆動するため前記制御部と接続されたコネクタ部と、
   を備え、
   前記水温センサは、外部に信号を取り出すための信号線を有し、前記信号線は、前記コネクタ部を介して、外部に取り出されると共に、
   前記水温センサは、前記モータ部のコイルが巻回された前記ステータ部と断熱空間を介して前記吐出通路の前記外壁の前記外周面に取り付けられていることを特徴とする内燃機関用電動ウォーターポンプ。
2. 請求項１に記載の電動ウォーターポンプにおいて、
   前記水温センサが取り付けられている前記吐出通路の前記外壁は、少なくとも金属材料で形成されていることを特徴とする電動ウォーターポンプ。
3. 請求項１に記載の電動ウォーターポンプにおいて、
   前記水温センサが取り付けられている前記吐出通路の前記外壁は、冷却水が流れる前記吐出通路の内側に膨出されており、この膨出された部分に前記水温センサが取り付けられていることを特徴とする電動ウォーターポンプ。

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