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内燃機関超基礎講座 | 電動ウォーターポンプの効果、開発の難しさ

  • 2020/08/18
  • Motor Fan illustrated編集部
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冷やしたいときに冷やしたい量を送る。電動ウォーターポンプならではの芸当である。小型軽量で高耐久な製品を作るための勘所を訊いた。

 プリウスのエンジンは高効率追求から、3代目から電動ウォーターポンプを採用した。これにより補機類がすべて電動となり、ベルトで駆動する補機がなくなった。

 機械式ウォーターポンプ(WP)の流量は、エンジン回転数に依存する。そこでまず冷却系として最悪の条件である低回転で高負荷時(登坂などの場合)のポンプの流量を決めるが、すると、高回転で負荷が低い時は不必要な流量が冷却経路を流れてしまう。これに対して電動WPの場合は、流量の設定はエンジンの作動状態と関係なく自由にできる。電動化でポンプのダウンサイジングができるわけだ。

機械式WPの流量はエンジン回転数に依存する。つまり、不必要な余剰流量が発生してしまう。電動WPなら「オンデマンド」な冷却が可能だ。赤は出口と入口の水温の差による限界。緑はノッキングによる限界を示している。右図は、エンジンの冷却水要求流量を示す。エンジン回転数が高くても軸出力が小さければ要求流量は少ない。

「最初はよくわからないので、機械式と同等くらいから話を始めました。すると500Wクラスのポンプが必要になります。当然12Vバッテリーからは電源がとれなくなってしまう。じゃあハイブリッド・バッテリーからとるか、となるとそれは“あるべき姿”と違うだろう、ということになりました」と開発を担当したアイシン精機のエンジニアは難しさを語る。最終的には最大流量80ℓ/分、12V電源で入力160Wのポンプに落ち着いたが、開発途上では、回路・モーター・ポンプの各セクション間の協業が欠かせなかった。

ポンプインペラーとモーターマグネットは一体化されている。潤滑性と冷却性確保、異物排出性を確保するために、潤滑溝が採用された。インペラーのデザインも通常のタイプとは大きく違いシュラウド設定されている。
要求仕様となった流量80ℓ/min.に合わせてインペラーは新たに設計した。設計にはCFD解析による最適化が行なわれた。シャフトにはDLCコーティングが施される。
世界中の水に対応できるように、腐食に弱いモーターマグネットは樹脂2色成形でフルモールド化(白く見える部分)。モーターは、扁平ブラシレスタイプだ。

 モーターも軽量化・低コスト化のための新機軸が満載だ。ポンプのインペラーとモーターマグネットを一体化しているが、過酷な冷却水環境下でも軸受けの耐摩耗性・防錆性を確保するために、シャフトとスラストワッシャーにDLCコーティングを施した。「過酷な冷却水環境」と書いたが、世界中で販売されるプリウスだけに、開発陣は世界中の水を集めてテストした。冷却水も地域によって塩素濃度が違うなど様々だという。

空冷されるアルミヒートシンクに接する放熱ゲルシートがサーマルビアを通してパワー素子を冷却する仕組みだ。ゲルシートはヒートシンクに接している。冷却を巧みに行なうことで、一般的なプリント基板の使用が可能になった。
耐熱性を確保したうえで、通常ならセラミックなどを使わなければならないドライバー基板を一般的なプリント基板で成立させたことはコスト低減に大きく効いた。汎用ICを使わずにICをカスタム化している。回路設計の腕の見せ所だった。

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