CN112549570A - 离心泵的三维塑胶叶轮的制造方法及其结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用模具成型生产离心泵的三维塑胶叶轮的制造方法及其构造，包含一扭曲叶片模具与一叶轮出口模具，该扭曲叶片模具用以成型该叶轮的各叶片的扭曲叶片，该叶轮出口模具用以成型各叶片的后端部与该叶轮的环形外后盖板及该叶轮的环形外前盖板，使环形外后盖板、环形外前盖板与该些叶片于同一成型步骤一次性地成型为一体。

Description

离心泵的三维塑胶叶轮的制造方法及其结构

技术领域

本发明关于一种泵叶轮的制造方法，特别是一种针对工程塑胶材质的泵叶 轮的制造方法，适合应用于具有高效率三维流道的塑胶叶轮的生产，可采用射 出成型或移转成型等方法，并可解决传统二维叶轮容易生产却低效率的问题。

背景技术

节约能源与减少二氧化碳排放的议题被各国所重视，提升动力机械设备效 率也成为各从业者努力的方向，国际能源总署(International Energy Agency,IEA) 统计，泵用电量约占马达用电的19％，且自2015年起，欧盟规定水泵的最小能 效指标(MinimumEfficiency Index，MEI)须大于或等于0.4，因此从业者无不致 力于开发高效率泵，但同时也必须考虑到生产经济性。

参考文献1，Paul Cooper所着并由McGRAW-HILL于2001年发行的《PUMP HANDBOOK》的第三版2.1节(Centrifugal pump theory)、其图9(Optimum geometry as a functionof BEP specific speed)及图10(Efficiency of centrifugal pumps versus specificspeed)，说明了在泵产业普遍使用的参数，称为比转速 (specific speed)的定义如下：

该文献中也提到泵叶轮几 何、操作区域(流量Q，扬程H)的关系，离心泵比转速大约落在380～1750

之间，比转速愈大的叶轮，叶片扭曲的程度愈大，文献中也提到， 二维叶片是典型的低比转速叶片，且二维叶片在轴向(z轴)各个位置均有相同线 形(shape)，所以叶片上缘曲线(shroud edge)与下缘曲线(hub edge)将会重叠，反之， 三维叶片上缘曲线(shroud edge)与下缘曲线(hub edge)会有不同线形(shape)及叶 片角(blade angle)。

该参考文献1的图19(conformal transformation of blade shape)说明了由叶片 流线展开图是由保角变换方法(conformal transformation method)绘制，可以明确地定义出不同流线由出口到进口间在流线坐标

上的叶片角(blade angle)变化， 可以看出叶片出口角度相同，但愈靠近进口端，上缘曲线(shroud edge)与下缘曲 线(hub edge)的叶片角(blade angle)差异愈大，叶片扭曲愈大。

离心式叶轮(centrifugal impeller)是转动流体机械的一个重要元件，可用于输送含液体或气体的流体，可应用于风机(wind turbine)或泵(pump)。泵的离心式叶 轮被安装于涡卷泵壳(volute)内，流体由涡卷泵壳的进口流入，并从叶轮的轴心 的进口处轴向地进入叶轮。叶轮的内部具有多个由弧形的叶片(blade)所构成的径 向或斜向的叶片流道(blade flow channel)。转轴驱动叶轮旋转，并通过离心力 (centrifugal force)与科氏力(Coriolis Force)将机械能经由这些叶片传递给流体，以 提高流体的流速与压力。随着叶片的导引，流体的运动方向从轴向转成径向， 且流体在离开叶片流道后进入涡卷泵壳的涡卷流道，其高速动能经由涡卷流道 的扩散回收为静压，并从涡卷泵壳的出口排出。

在轴向方向上，离心式叶轮的叶片的前后分别设置有前盖板(shroud)与后盖 板(hub)，用以限制流体于叶片流道中的流动。后盖板是直接连结转轴，以将轴 动力传递给叶片。前盖板是用来限制流体的流动，还可增加叶片的整体强度及 承担涡卷泵壳内侧与叶片流道之间的压差。

一般离心泵可搭载开放式叶轮、半开放式叶轮或封闭式叶轮等。开放式叶 轮中没有设置前盖板，且仅保留部分的后盖板来连结叶片与转轴，叶轮安装在 泵壳前壁面与后壁面之间，主要依赖叶轮与泵壳前壁面与后壁面之间的间隙来 控制流场。半开放式叶轮中同样没有设置前盖板，但具有完整的后盖板来连结 叶片与转轴，主要依赖叶轮与泵壳前壁面的间隙来控制流场。封闭式叶轮中则 通常同时具备前盖板与后盖板，叶轮流道间没有间隙具有较高的效率，且前盖 板、后盖板与叶片通常制成一体，以提供足够的机械强度及有效隔离各叶片流 道的液体。

于此，请参阅图1A、图1B与图1C，其中图1A为一个具有二维叶片的传 统叶轮的轴面投影图，图1B为图1A的叶轮的平面投影图，而图1C为图1A的 二维叶片的流线展开图。需先说明的是，由于叶轮为转动式机械元件，故通常 使用圆柱坐标来描述叶轮的几何形状，如图1A所示，由轴方向剖切叶轮的表面 称为r_z面或轴面(meridional)，可以描述流体自叶轮进口进入叶轮后由轴向转至 径向的流道的几何形状，也可以描述流体在前盖板11与后盖板12之间的流道 的几何形状，而在图1B中的r_θ面为与轴心面垂直的投影面，前盖板11具有 一内表面111，内表面111在r_z面上的构成元素(surface element)为平行于r轴的直线，换句话说，内表面111为一个二维的圆盘平面；后盖板12具有一内表 面121，内表面121在r_z面的构成元素为非平形于r轴的直线，而使内表面121 呈一圆锥面。

于图1A中，叶片13介于前盖板11与后盖板12之间，前盖板11到后盖板 12的距离称为轴面宽度(meridional width)131，而轴面宽度131的变化是由叶片 13最宽的进口宽度B11逐渐缩小到叶片13最窄的出口宽度B12，在r_z面(轴面) 坐标上叶片13的进口有叶片前缘(leading edge)132，叶片13在结合前盖板11的 一侧有上缘曲线(shroud edge)134，叶片13在结合后盖板12的一侧有下缘曲线 (hub edge)135，弧形的叶片13的出口侧有尾缘(trailing edge)136，而上缘曲线134 与下缘曲线135中间还具有一流道中线(mean)138。于图1B中，从r_θ面坐标的 角度来看，上缘曲线134与下缘曲线135完全重叠，两个叶片13之间可具有一 扇形流道宽度(sector width)137，而扇形流道宽度137的变化自叶片13的进口至出口随半径增大而增大。于图1C的流线展开图中，纵坐标为流线坐标

[m＝(r²+Z²)^0.5]，代表r_z面从m＝0的上缘曲线134、流道中线(mean)138与下 缘曲线135的长度，横坐标为∫rdθ代表从∫rdθ＝0的上缘曲线134、流道中线 (mean)138与下缘曲线135在r_θ面投影的圆周长度。由于图1B已清楚看到二 维的叶片13的上缘曲线134与下缘曲线135完全重叠，因此各流线叶片角β， tanβ＝dm/rdθ，完全相同，且也与r_θ面坐标上看叶片13的角度相同。

于图1D中，现有的二维塑胶叶轮的制造方法采用叶片与后盖板一体成型， 成型方法采用简单的固定模与可动模方式即可轻易成型，再与前盖板利用热融 或熔接柱组合成一完整叶轮。

考量流体从泵进口输送进入叶轮后是由轴向流动转为径向流动及圆周运 动，为了使离心式叶轮达到高效率，进口段的叶片形状必须为2.5维或三维曲面， 或称之为扭曲叶片。2.5维叶片因叶片角度比较符合流场的需求因而其效率远高 于二维叶片，但是，仍然只有具有三维曲面的叶片才能完全符合流场的需求， 达到真正高效率的目标。于此，请参阅图2A、图2B与图2C，其中图2A为一 个没有上盖板且具有三维叶片的传统叶轮的轴面投影图，图2B为图2A的叶轮 的平面投影图，而图2C为图2A的三维叶片的流线展开图，在图2B中，叶片 曲面构成元素为弧线称为三维曲面，若叶片曲面构成元素为直线则称为2.5维曲 面。相较于前述二维的叶片，图2A中的叶片23设置于后盖板22上，叶片23 的轴面宽度231的变化是由叶片23最宽的进口宽度B21逐渐缩小到叶片23最 窄的出口宽度B22，后盖板22具有一内表面221，内表面221在r_z面上的构 成元素为弧线，使得内表面221呈内凸锥面；在此情况下，成型此类的叶轮时， 模具的流道滑块必须要分拆成多组，否则叶轮成型后流道滑块将无法取出，尤 其是在叶片的进口宽度B21处最难以将流道滑块取出。

在r_z面(轴面)坐标上叶片23的进口有叶片前缘232，叶片23在远离后盖 板22的一侧有上缘曲线234，叶片23在结合后盖板22的一侧有下缘曲线235， 弧形的叶片23的出口侧有叶片尾缘236，而上缘曲线234与下缘曲线235中间 还具有一流道中线238。于图2B中，从r_θ面坐标的角度来看，两个叶片23之 间可具有一扇形流道宽度237，但上缘曲线234与下缘曲线235之间并不重叠， 特别是叶片前缘232附近的叶片23具有三维扭曲叶片(twisted blade portion)233， 扭曲叶片233成弧形并往进口轴向延伸，而越靠近叶片出口的上缘曲线234与 下缘曲线235逐渐趋近于彼此。于图2C的流线展开图中，β角代表叶片23的 三度空间角度，在叶片进口位置(m靠近100％处)，上缘曲线234与下缘曲线235 有不同的β角，因此弧形的叶片前缘232横跨在二条曲线之间而构成曲线元素 (curve lineelement)239a，为平行于叶片前缘232的弧线，在叶片出口处上缘曲 线234与下缘曲线235逐渐接近，而曲线元素239a也逐渐由弧线变成直线，现 有技术称这样的结构为三维叶片曲面239。

参阅图2D，三维叶片的上缘曲线234与下缘曲线235由多个圆弧线衔接构 成，每一个圆弧的圆心位置不同且半径也不同，在扇形流道宽度237的模具滑 块由径向取出时，会与成型的叶片23产生干涉。

参阅图3A、图3B与图3C，其中图3A为一个没有上盖板且具有2.5维叶 片曲面的传统叶轮的轴面投影图，图3B为图3A的叶轮的平面投影图，而图3C 为图3A的2.5维叶片的流线展开图。图3A中的叶片33设置于后盖板32上， 叶片33的轴面宽度331的变化是由叶片33最宽的进口宽度B31逐渐缩小到叶 片33最窄的出口宽度B32，后盖板32具有一内表面321，内表面321在r_z面 上的构成元素为弧线，使得内表面321呈内凸锥面，在r_z面(轴面)坐标上叶片 33的进口有叶片前缘332，叶片33在远离后盖板32的一侧有上缘曲线334，叶 片33在结合后盖板32的一侧有下缘曲线335，弧形的叶片33的出口侧有尾缘 336，而上缘曲线334与下缘曲线335中间还具有一流道中线338。于图3B中， 从r_θ面坐标的角度来看，两个叶片33之间可具有一扇形流道宽度337，上缘 曲线334与下缘曲线335之间并不重叠，特别是叶片前缘332附近的叶片33具 有2.5维扭曲叶片333，呈直线并往进口轴向延伸。在叶片33的进口位置，直 线的叶片前缘332横跨在上缘曲线334与下缘曲线335之间而构成叶片曲面339， 叶片曲面339是由直线元素339b所构成，现有技术称这样的结构为2.5维叶片 曲面。

现有技术在制造2.5维叶轮时采用前盖板与叶片一体成型，模具于扇形流道 的滑块沿着叶片曲面的直线元素方向分拆，不会有干涉问题，前盖板与叶片成 型后再利用热融或熔接柱与后盖板组合成一完整叶轮，但2.5维叶片的上缘曲线 334与下缘曲线335由多个曲线衔接构成，因此扇形流道宽度337处的模具滑块 由径向分拆时仍会与成型后的叶片产生干涉，但三维的扭曲叶片的叶片曲面由 曲线元素构成，扇形流道宽度337处的模具滑块若沿着叶片曲面的曲线元素方 向分拆，仍然会与叶片产生干涉，因此无法采用相同模式成型，况且后盖板为 动力传动元件，虽然可利用热融或熔接柱与叶片组合，但仍非于单一制程中一 体成型，故后盖板与叶片之间还是存有接缝或结构上的不连续性，导致结构强 度较弱成型而无法承受高温(例如200℃)及高负荷条件。

综上所述，高效率的塑胶叶轮必须具有前盖板、后盖板与三维的扭曲叶片， 并且必须克服制造成型的困难点。

此外，传统上金属材质的泵要制成具有前盖板与后盖板的三维曲面叶片， 一般是采用消失模的铸造工艺或使用钣金件制成各种零件后再焊接为一体，目 前已是相当成熟的技术。而传统上塑胶材质的泵要制成封闭式三维叶片则有以 下几种现有技术：

1.使用五轴加工机器，将一整块塑胶实体雕刻成具有三维叶片曲面的叶轮， 然此方法会造成大量的材料浪费及高昂的加工成本，流道宽度狭小或叶片具有 高度扭曲形状等情况都不适宜采取这样的加工方式；

2.使用五轴加工机器，将一整块塑胶实体雕刻成具有2.5维叶片曲面的叶轮， 虽然较前一种方式可方便地使用铣刀腹加工(flank milling)，但这样的加工方法还 是会造成大量的材料浪费及高昂的加工成本，并且，叶片曲面的直线元素降低 了叶片的扭曲程度，同时也降低了泵的效率，因此仍无法完全满足流场需求；

3.将叶轮的前盖板、多个叶片及后盖板等三个部分各别使用模具成型生产 后，再利用超音波或热熔接等方式组装一体，但此加工方法的叶片、前盖板与 后盖板并非于单一制程中一体成型，元件之间存有接缝或结构上的不连续性， 导致结构强度较弱，容易在高工作温度(如约200℃)或高负荷的应用场合中损坏；

4.将整组叶轮扭曲叶片分成两组，在前盖板与后盖板上分别有部分叶片一体 生产，多数叶片是偶数各分拆一半，再利用超音波或熔接组合为叶轮，此种方 式虽然增加了叶片间的扇形流道宽度(sector width)空间，但叶片前缘(leading edge)的扭曲叶片无法直接以轴向或径向脱模，仍然需要滑块脱模机构，且如此 设计有一半叶片数仅靠超音波或热熔方式连结，仍然存在结构强度弱，对于高 温(例如200℃)、高负荷的应用场合容易损坏的问题；

5.采用二维的叶片几何取代三维的扭曲叶片，以用简单的圆弧线取代具变化 的的流场流线，借此，得以让模具滑块被顺利取出，但二维叶片的泵性能低， 反而使效率降低而无法满足欧盟的泵能效要求；

6.另有从业者采用消失模的方式成型叶轮，但消失模无法重复使用，且必须 额外使用化学药剂或加热使消失模模芯分解，导致制造工序繁复并增加成本， 不符经济生产需求；

7.还有从业者将流道中的模具滑块分层，改为由多个滑块组成一组流道模具 滑块的方式，使得模具滑块可依序从流道取出。过程中，后取出的模具滑块可 利用先取出的模具滑块所让出的空间而无阻碍地取出，但此方法仅适用于流道 宽度较大、流量大且扬程较低，中高比速率的泵机型，这类的泵机型才具有足 够空间将模具滑块分层，此外，此方法的脱模工序繁复，且退模的机构设计复 杂，反而增加生产成本。

以下，列举一些关于叶轮制造的现有公开的参考文献。

参考文献2(中国专利CN 103128974 A)

参考文献2有关于一种塑料闭式叶轮的生产工艺，指出现有技术为了容易 脱模，泵叶轮叶片采用单圆弧会使叶轮的效率降低，封闭式叶轮采用双圆弧叶 片虽然可以提高效率，却无法抽掉叶轮模具的塞片，压制不出叶轮，无法生产 一体成型的叶轮。参考文献2提出将前盖板与后盖板分两套模具生产，再使用 塑料螺丝组合，但参考文献2并未提到如何生产三维扭曲叶片，参考文献2的 图示也显示其叶片模具为轴向单方向脱模分离，仅适用于二维叶片，参考文献2 也未说明使用塑料螺丝组合叶片取代一体成型的可靠度，是否能应用于高温、 高负荷场合。

参考文献3(中国专利CN 104131995 A)

参考文献3有关于一种水泵叶轮的制造方法及水泵，提出以一动模及一静 模使用注塑或压铸或挤压方式制造出叶轮，但参考文献3指出由于不使用模具 滑块，故在叶轮的后盖板会形成缺口，此缺口会影响效率。若使用嵌件填满叶 轮后盖板上的缺口，可以提高效率，但参考文献3中叶轮功率的传递是通过轴 心施加扭矩于轴孔及后盖板，由于后盖板存在极大的缺口，仅剩靠近轴孔处少 量面积，后盖板与叶片连结需具备泵功率传递的机械结构强度，参考文献3图 式显示后盖板与叶片连结位置在轴孔边属于半径小的区域，需要承受较大扭矩 负荷，且后盖板面积需限制于叶轮进口范围内才能脱模，如此将会使参考文献3 仅适用于较大流量，较低扬程(中高比转速)的离心泵。

参考文献4(中国专利CN 105179304 A)

参考文献4有关于一种塑料防腐耐磨泵及其叶轮的成型模具，指出塑料离 心泵效率普遍比金属泵要低，主要是因为高效率的离心泵叶轮，要求叶轮流道 的轴向和径向都要有符合水力模型的扭曲度，塑料叶轮在现有的压模技术中， 模具难以从扭曲度很大的流道中脱出来，而采用铸造工艺成型的金属叶轮，型 块可以用击碎的方式脱出。参考文献4提出了一种叶轮模具可以生产出塑料三 维扭曲叶片，但参考文献4提出的叶轮流道滑块(型块)分为三组，必须依序取出， 这会造成脱模工程繁复，生产成本提高，且难以设计自动脱模机构，无法符合 经济生产需求。

参考文献5(中国专利CN 107471547 A)

参考文献5有关于制造离心叶轮的模具，针对离心式风机的叶轮提出一种 模具机构设计，将叶轮流道内滑块(模芯)分成两组，利用联动机构设计使之可以 生产出在r_z面具有宽度变化的叶轮，但一般离心式风机叶片长度较泵叶片长度 短，参考文献5图式也显示其实施例为二维叶片，参考文献5也提到叶轮流道 内滑块(模芯)退模与进模路径为直线，显示其模具机构适合的叶片设计并不适用 于离心泵需要的三维扭曲叶片。

参考文献6(中国专利CN 107092763 A)

参考文献6有关于具有可铸造性的透平机械叶轮的三维设计，参考文献6 说明了各种转动流体机械提高效率的重要方法之一就是的叶轮的三维设计，但 必须设计出可以适合生产的流道几何，参考文献6对于金属铸造的三维叶轮提 出一种兼顾制造可行性评估的设计方法，但参考文献6并未对适合射出成型或 移转成型的塑胶泵叶轮提出制造方案或对策。

参考文献7(中国专利CN 202209308 U)

参考文献7有关于一种高效的全三元叶轮，参考文献7提出一种三维叶轮 的设计，用以提高效率，但参考文献7内容说明该新型叶轮设计使用铝合金材 质，参考文献7图式显示其叶轮为半开放方式叶轮，应用于风机，参考文献7 并未针对制造方式提出说明。

参考文献8(中国专利CN 203009383 U)

参考文献8有关于一种小流量闭式全铣制三元叶轮，属于离心压缩机技术 领域，参考文献8提出在叶轮前盖板上增加一环型槽，配合叶轮进口及出口， 用机械加工方式制造出叶轮，可以免除使用焊接或铆接等方式组合叶轮，但使 用机械加工方式雕刻叶片流道会有制造成本过高的问题，参考文献8也并未对 生产经济性提出说明，且前盖板上的环型槽会对流道内的流动形成干扰，降低 叶轮效率。

参考文献9(中国专利CN 206753985 U)

参考文献9有关于一种闭式叶轮，参考文献9提出了一种组合前盖板与叶 轮的方法，通过燕尾槽及限位块的机构设计增加轴方向的固定，防止运转松脱， 参考文献9并未说明标的物的材质及三维叶片流道的生产方式。

参考文献10(专利WO2007/046565 A1)

参考文献10针对汽车冷却循环用泵叶轮提出一体射出成型对策，参考文献 10提到一体射出成型叶轮可以提高叶片效率并且提高叶轮可靠度，但参考文献 10图式显示其叶片为二维叶片，专利内容并未对于三维叶片流道的塑胶叶轮生 产方式说明。

参考文献11(中国专利CN 102264525 A)

参考文献11有关于泵叶轮的喷铸方法以及泵叶轮，参考文献11指出由于 叶轮的流道会出现侧凹，即靠近叶轮进口侧有侧弯与泵进口衔接，而侧凹会阻 碍沿流道径方向取出模芯，现有技术必须借助于消失模芯，或组装多部件以组 成叶轮，为降低成本，参考文献11提出一种将离心泵叶轮的流道中的模具滑块 取出的方法，模具滑块可重复使用取代消失模芯，先由径向取出一部分模芯， 使叶轮的流道让出空间，再依序取出具有侧凹的模芯，参考文献11甚至提出一 种优化的实施例，通过设计一组连动机构让数个模芯一起取出，但若无设计自 动脱模机构，采用人工脱模，会造成脱模工程繁复，生产成本提高，无法符合经济生产需求，若采用参考文献11所提出连动机构，则必须要有足够的流道空 间，特别是轴向宽度，用以设计导引路径，离心泵的叶轮流道及出口轴向宽度 会依泵型式而不同，通常属于流量小，扬程高(低比转速)的机型具有较小出口宽 度，甚至仅有数毫米，无法将模芯分成数组，也无法设计导引机构，对流量大， 扬程低(中高比转速)的机型，叶片扭曲大才能达到较高效率，模芯必须在轴向分 割及轴面分割，模芯数量会增加，退模机构设计困难度也会增加。

参考文献12(专利WO2014/139578 A1)

参考文献12有关于一种泵专为输送含有杂质颗粒的液体，例如含砂粒的水， 此类液体会造成叶轮磨损，因此需要选用耐磨耗的叶轮材质，参考文献12选用 较软的材质，例如橡胶，作为叶轮接液材质用以抵抗磨耗，同时利用橡胶类材 质具弹性容易变形的特型让叶轮流道中的模具滑块容易取出，但本参考文献12 限定叶轮材质为弹性率高的橡胶类材质的同时也限定了泵的应用范围，特别是 高温(例如200℃)、高负荷操作条件，塑胶泵的接液材质通常必须使用氟塑胶， 且无轴封泵的叶轮必须具备抵抗轴推力负荷的机械强度且必须与泵壳进口侧保 持接触摩擦或极小间隙以减少内部泄漏损失，橡胶类制成的叶轮使用温度视材 质而定，一般无法达200℃，且因为弹性率高，在应用中为传递功率也会产生变形，无法满足无轴封泵应用条件。

参考文献13(台湾地区专利TW 201640027 A)

参考文献13有关于用于流体操作式泵的离心式叶轮以及该叶轮的制造方 法，参考文献13将叶轮分成两组，前盖板与一半叶片数，后盖板与一半叶片数， 并利用定位孔与超音波结合前后盖板与叶片，此方式仅增加叶片间生产模具空 间，但参考文献13中并未说明叶轮中央吸水口的叶片扭曲段如何使模具与叶片 成品脱模分离，且参考文献13中的叶轮仍有一半数量的叶片并未与负责动力传 递的后盖板一体连接，仅通过超音波熔接或化学胶、螺丝等方式组合，也就是 参考文献13实施例中的叶轮将有一半的叶轮负荷仅通过接触面积极小的叶片与 盖板连接组合方式传递，对于塑胶材质于高温(例如200℃)、高负荷下存在机械 强度结构问题，参考文献13并未对此类应用场合的可靠度提出说明。

参考文献14(美国专利US 2018/0243955A1)

参考文献14有关于一种叶轮制造方法，使用射出成型方法，但叶轮的扭曲 叶片于模具中位于后盖板外缘，与后盖板仅有一小部分连结，不与后盖板有重 叠，故不需模具滑块，待射出后再将叶片折转与后盖板卡住连结组合成叶轮， 参考文献14虽然让叶片形状不受限制的生产，可以产生较好的叶轮效率，但参 考文献14提出的叶片连结后盖板方式无法使叶轮承受高扭矩负荷，故仅适用于 小功率设备，参考文献14内容也说明其技术领域属于汽车冷却风扇等小功率的 应用。

参考文献15(美国专利US 10016808 B2)

参考文献15有关于一种消失模模芯的构造用以生产金属或塑胶材质的三维 扭曲叶轮，消失模模芯于叶轮灌注或射出成型完成后再使用化学药剂或热使消 失模模芯分解，制造工序繁复且成本高，不符经济生产需求。

参考文献16(欧洲专利EP 0734834A1)

参考文献16有关于封闭式塑胶叶轮的模具结构，用以生产一体成型叶轮， 利用上下两片组合由径向抽取的滑块模芯及模具机构，并利用射出成型方法生 产叶轮，但参考文献16未使用轴向分离的模具，故无法制造三维扭曲叶片，参 考文献16图式也显示叶轮为二维构造，因此难以达到高效率需求。

发明内容

本发明提出了一种可以使用模具成型生产离心泵的三维塑胶叶轮的制造方 法，叶轮之后盖板包含环形外后盖板与内后盖板，环形外后盖板具有一第一通 孔，叶轮之前盖板包含环形外前盖板与内前盖板，环形外前盖板具有一第二通 孔，各叶片之前端部为扭曲叶片并位于环形外后盖板的第一通孔与环形外前盖 板的第二通孔之间，环形外前盖板具有一内表面，其在r_z面上的构成元素可为 弧线；环形外后盖板具有一内表面，其在r_z面上的构成元素可为弧线。制造方 法利用扭曲叶片模具与叶轮出口模具来实现，扭曲叶片模具可以通过第一通孔 与第二通孔，以简单的固定模与可动模成型的方法来成型出叶片的扭曲叶片， 扭曲叶片在前盖板与后盖板的中心部分成环状排列并在第一通孔与第二通孔之 间悬空成型，扭曲叶片成型后的退模困难度大幅降低；同时，利用叶轮出口模 具来一体成型叶片除扭曲叶片以外的其余部分，包含承受动力传递的环形外后 盖板；环形外前盖板的第二通孔、环形外后盖板的第一通孔可使用其他补充零 件(如内前盖板与内后盖板)来补齐，这些补充零件均可以用简单模具成型，再利 用热融或熔接柱组合于环形外后盖板与环形外前盖板上而构成一完整的叶轮， 其中扭矩传递可经由环形外后盖板直接传递到承受负荷的叶片。

本发明提出了一种可以使用模具成型生产的离心泵的三维塑胶叶轮，各叶 片包含彼此相连的一前端部以及一后端部，前端部包含第一上缘曲线与第一下 缘曲线，后端部包含一第二上缘曲线与第二下缘曲线，各叶片前端部即前述的 扭曲叶片，后盖板包含一环形外后盖板与一内后盖板，环形外后盖板具有一第 一通孔；前盖板包含一环形外前盖板与一内前盖板，环形外前盖板具有一第二 通孔；各叶片的前端部位于环形外后盖板的第一通孔与环形外前盖板的第二通 孔之间；各叶片的后端部与环形外后盖板及环形外前盖板于同一成型步骤一次 性地成型为一体。环形外后盖板用于传递扭矩到这些叶片。内前盖板安装于第 二通孔，内后盖板安装于第一通孔，以接合各叶片的前端部，从而与叶片、环 形外后盖板及环形外前盖板共同构成一完整的叶轮。

本发明的一种塑胶离心式叶轮结构改良，主要目的在于提供可以使用模具 大量生产降低制造成本，使离心式叶片以三维曲面几何达到高效率性能，并能 适用于高温(例如200℃)、高负荷操作条件。

本发明的离心式叶轮成型时，后盖板的环形外后盖板在叶轮后端部与每一 叶片为一起成型，使得扭矩传递可确实地经由后盖板的环形外后盖板传递到所 有的叶片上。

在叶片上的第二上缘曲线与第二下缘曲线的叶片角不同因此于叶片的流线 展开图没有重叠，在此情况下，可利用二片滑块模具芯子径向依序抽出退模， 或者把r-z面的环形外前盖板跟环形外后盖板设计成互为平行，叶轮出口模具就 可以用单一简易滑块由径向滑出。

在叶片上的第二上缘曲线与第二下缘曲线重叠时，叶轮出口模具可以不使 用滑块模具而直接成型，再利用热融或熔接柱与前盖板及内后盖板组装结合为 一完整的三维塑胶叶轮，因为前盖板只承担流体的压力差并提供叶轮成型后的 整体强度，所以前盖板不会有因高温高负荷而松脱的问题。

大致上，生产叶轮的模具分为2个组件，第一组件是扭曲叶片模具，用来 成型叶轮进口处的三维扭曲叶片，扭曲叶片模具可具有固定模与可动模，固定 模与可动模可沿轴向从环形外前盖板跟环形外后盖板的第一与第二通孔朝相反 方向抽出退模；第二组件是叶轮出口模具，用来成型叶轮的外侧流道，具有与 外侧流道相同数目的滑块或滑块组，这些滑块或滑块组可沿径向方向从流道曲 线抽出退模。环状的环形外前盖板跟环形外后盖板及每一叶片于同一成型步骤 一次性地成型为一体，或者是仅叶片与外后盖板成型于同一成型步骤一次性地 成型为一体。

本发明所公开的离心泵的三维塑胶叶轮的制造方法及其结构，至少可达到 以下效果：1.各部件均可使用模具生产，且可使用机器自动脱模，具生产价值； 2.扭曲叶片可采取固定模与可动模脱模分离的方式制成，而三维扭曲的叶片几何 有助于提高泵性能；3.叶片与环形外后盖板以单一制程步骤一体成型，具有较高 的结构强度，后盖板直接传递扭矩到叶片，有助于让叶轮在高工作温度(如约 200℃)下或高负荷的应用场合中运行而不易损坏。

以上之关于本发明公开所公开内容的说明及以下的实施方式的说明，用以 示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步之解释。

附图说明

图1A为一个具有二维叶片的传统塑胶叶轮的轴面投影图。

图1B为图1A的塑胶叶轮的平面投影图。

图1C为图1A的二维叶片的流线展开图。

图1D为图1A的二维叶片的立体展开图。

图2A为一个没有上盖板且具有三维叶片的传统塑胶叶轮的轴面投影图。

图2B为图2A的塑胶叶轮的平面投影图。

图2C为图2A的三维叶片的流线展开图。

图2D为图2A的三维叶片曲线的多段圆弧的示意图。

图3A为一个没有上盖板且具有2.5维叶面曲面的传统塑胶叶轮的轴面投影 图。

图3B为图3A的塑胶叶轮的平面投影图。

图3C为图3A的三维叶片的流线展开图。

图4A为本发明第一实施例的塑胶叶轮的轴面投影图。

图4B为图4A的塑胶叶轮的平面投影图。

图4C为图4A的叶片的流线展开图。

图4D为本发明第一实施例的塑胶叶轮的分模简单示意图。

图4E为本发明第一实施例的塑胶叶轮的局部放大侧剖图。

图4F为本发明第一实施例的塑胶叶轮的变体的侧剖图。

图4G为本发明第一实施例的塑胶叶轮的变体的局部放大侧剖图。

图5为本发明第一实施例的塑胶叶轮的组合剖面图。

图6A～6B为本发明第一实施例的塑胶叶轮组合前的不同视角的分解图。

图7A～7B为本发明第一实施例的塑胶叶轮组合前的不同视角的分解图。

图8A为本发明第二实施例的塑胶叶轮的轴面投影图。

图8B为图8A的塑胶叶轮的平面投影图。

图8C为图8A的叶片的流线展开图。

图8D为本发明第二实施例的塑胶叶轮的分模简单示意图。

图9为本发明第二实施例的塑胶叶轮的组合剖面图。

图10A为本发明第三实施例的塑胶叶轮的轴面投影图。

图10B为图10A的塑胶叶轮的平面投影图。

图10C为图10A的叶片的流线展开图。

图10D为本发明第三实施例的塑胶叶轮的分模简单示意图。

图11为本发明第三实施例的塑胶叶轮的组合剖面图。

图12为本发明第四实施例的塑胶叶轮的组合剖面图。

其中，附图标记：

5 叶轮

7 转子

8 磨损环

11、51 前盖板

12、22、52 后盖板

13、23、33、53 叶片

54 进口

55 金属补强件

131、231、331、531 轴面宽度

132、232、332、532 叶片前缘

134、234、334、534 上缘曲线

135、235、335、535 下缘曲线

136、236、336、536 叶片尾缘

137、237、337、537 扇形流道宽度

138、238、338、538 流道中线

233、333 扭曲叶片

239、339 叶片曲面

239a 曲线元素

339b 直线元素

511 环形外前盖板

512 内前盖板

512a 磨损环安装部

512b 热熔接面

512c 熔接孔

521 环形外后盖板

521a 动力传动安装部

522 内后盖板

522a 熔接孔

522b 热熔接面

530a 前端部

530b 后端部

534a 热熔接面

534b 熔接柱

535a 热熔接面

535b 熔接柱

5110 第二通孔

121、221、321、5111 内表面

5210 第一通孔

111、5211 内表面

5341 第一上缘曲线

5342 第二上缘曲线

5351 第一下缘曲线

5352 第二下缘曲线

B11、B21、B31、B51 叶片进口宽度

B12、B22、B32、B52 叶片出口宽度

流线坐标

M1 扭曲叶片模具

M11 固定模

M12 可动模

M2 叶轮出口模具

M21 第一滑块

M211 第一接触面

M22 第二滑块

M221 第二接触面

β 叶片角

β₂ 叶片出口角度

具体实施方式

公开以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以 使任何本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书 所公开的内容、权利要求保护范围及附图，任何本领域的技术人员可轻易地理 解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但 非以任何观点限制本发明的范畴。

此外，以下将以图式公开本发明的实施例，为明确说明起见，许多实务上 的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到的是，这些实务上的细节非 用以限制本发明。

并且，为达图面整洁的目的，一些现有的惯用结构与元件在图式可能会以 简单示意的方式示出。另外，本发明的附图中部份的特征可能会略为放大或改 变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非 用于限定本发明。依照本发明所公开的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应 是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明如下所公开的内容据 以调整，于此先声明。

第一实施例

首先，请参阅图4A～图4C及图5，图4A为本发明第一实施例的叶轮5 的轴面投影图，图4B为图4A的叶轮5的平面投影图，图4C为图4A的叶片 53的流线展开图，而图5为本发明第一实施例的叶轮5的组合剖面图。本实 施例提出一种用于离心泵且具有三维流道的塑胶叶轮5。

于本实施例中，叶轮5包括多个叶片53、一环形外后盖板(hub rim part)521、 一内后盖板(rear inner plate)522、一环形外前盖板(shroud rim part)511以及一内 前盖板(front inner plate)512。其中，如图5所示，环形外前盖板511与内前盖 板512可共同构成一前盖板(shroud)51，而环形外后盖板521与内后盖板522 可共同构成一后盖板(hub)52，此外，如图4A或图4F所示，环形外前盖板511 具有一内表面5111，其在r_z面上的构成元素为弧线；环形外后盖板521具有 一内表面5211，其在r_z面上的构成元素为平行于r轴的直线且构成一平面， 换句话说，内表面5211为一个二维的圆盘平面。

进一步来看，如图4A或图4B所示，环形外后盖板521具有一第一通孔 5210，环形外前盖板511具有一第二通孔5110，各叶片53至少部分悬置于环 形外前盖板511的第二通孔5110以及环形外后盖板521的第一通孔5210之间。

详细来说，针对叶片53，在r_z面(轴面(meridional))坐标上叶片53靠近进 口54处定义有叶片前缘(leading edge)532，叶片53在结合环形外前盖板511 的一侧定义有上缘曲线(shroud edge)534，叶片53在结合环形外后盖板521的 一侧定义有下缘曲线(hubedge)535，叶片53最远离进口54的一侧定义有叶片 尾缘(trailing edge)536，而上缘曲线534与下缘曲线535中间还定义有一流道中 线(mean)538。更进一步来看，于本实施例中，叶片53可包含彼此相连的一前 端部530a及一后端部530b，前端部530a是叶片53上较靠近叶片前缘532的 部分，后端部530b是叶片53上较靠近叶片尾缘536的部分；也可以说，前端 部530a是叶片53较靠近进口54的部分，而后端部530b是叶片53较远离进 口54的部分。并且，于本实施例或其他实施例中，前端部530a的形状的扭曲 程度远大于后端部530b，因此，前端部530a为叶片53的三维扭曲部(twisted portion)，因而也可称为扭曲叶片。此外，前端部530a是叶片53位于环形外前 盖板511的第二通孔5110以及环形外后盖板521的第一通孔5210之间，或者 说，叶片53的扭曲叶片位于环形外前盖板511的第二通孔5110以及环形外后 盖板521的第一通孔5210之间。此外，前端部530a经由后端部530b连接环 形外后盖板521及环形外前盖板511。

另一方面，叶片53的轴面宽度(meridional width)531的变化是由叶片53 最宽的叶片进口宽度B51逐渐缩小到叶片53最窄的叶片出口宽度B52。此外， 于图4B中，从r_θ面坐标的角度来看，两个叶片53之间具有一扇形流道宽度 (sector width)537，叶片前缘532、上缘曲线534与下缘曲线535之间不重叠。 特别地是，如图4A与4B所示，以叶片53的前端部530a与后端部530b为区 分，叶片53的上缘曲线534可包含一第一上缘曲线5341及一第二上缘曲线 5342，叶片53的下缘曲线535可包含一第一下缘曲线5351及一第二下缘曲线 5352，换句话说，第一上缘曲线5341与第一下缘曲线5351分别是指上缘曲线 534与下缘曲线535于前端部530a上的部分，而第二上缘曲线5342与第二下 缘曲线5352分别是指上缘曲线534与下缘曲线535于后端部530b上的部分。 于本实施例中，上缘曲线534中仅第二上缘曲线5342连接环形外前盖板511， 而下缘曲线535中仅第二下缘曲线5352连接环形外后盖板521。

于本实施例与其他实施例中，叶片53呈现扭曲状，因此，叶片53的后端 部530b的第二上缘曲线5342与第二下缘曲线5352于叶片的流线展开图(如图 4C)上不相重叠，且叶片53的前端部530a上的第一上缘曲线5341与第一下缘 曲线5351的叶片角不同，因而第一上缘曲线5341与第一下缘曲线5351于叶 片53的流线展开图(如图4C)上亦不相重叠，且从该流线展开图来看，前端部 530a上的第一上缘曲线5341与第一下缘曲线5351于叶轮5不相重叠的情形更 为明显，因此叶片53的前端部530a相较于后端部530b呈现更高度的扭曲几何。

具体来说，在图4C的叶片53的流线展开图可更清楚看到，叶片出口角度 β₂相同，愈靠近进口54(即越靠近叶轮5的轴中心)，上缘曲线534与下缘曲线 535的叶片角(bladeangle)β差异愈大，这代表叶片扭曲程度愈大，特别是叶片 53于叶片前缘532附近具有三维扭曲的前端部530a，因此本实施例的前端部 530a不能以径向滑移的滑块来生产，而是需要用特殊脱模方式生产，其内容将 于后续段落详述。

进一步地，请参阅图4D，为本实施例的叶轮所采用的模具的分模简单示 意图。于本实施例与其他实施例中，用于一次性制成叶轮5的模具可分为两个 单元，如图所示的扭曲叶片模具M1与叶轮出口模具M2。扭曲叶片模具M1 可用以成型位于环形外后盖板521的第一通孔5210与环形外前盖板511的第 二通孔5110之间的高度扭曲的前端部530a(即扭曲叶片)。详细来说，扭曲叶 片模具M1例如可包含一固定模M11以及一可动模M12，固定模M11与可动 模M12相搭配时可用于成型这些叶片53的前端部530a，由于叶片53的上缘 曲线534与下缘曲线535于前端部530a处的叶片角的差异程度较大(即叶片53 的上缘曲线534与下缘曲线535于前端部530a处从叶片的流线展开图可看到 不相重叠的程度较大)，因此扭曲叶片模具M1的固定模M11与可动模M12的 脱模方式是采取分别往轴向相反的方向脱离环形外后盖板521的第一通孔 5210与环形外前盖板511的第二通孔5110。由于各叶片53的前端部530a(即 扭曲叶片)悬置于环形外前盖板511的第二通孔5110以及环形外后盖板521的 第一通孔5210之间，所以固定模M11与可动模M12于轴向相反的方向脱离 时，不会与叶片53、环形外前盖板511及环形外后盖板521有干涉的问题。于 此，需声明的是，本发明并非以图式中固定模M11与可动模M12的位置与其 上的结构为限，例如于其他实施例中，固定模M11与可动模M12的位置与其 上的结构也可互换。

另一方面，由于叶片53的上缘曲线534与下缘曲线535于后端部530b处 的叶片角的差异程度较小(即叶片53的上缘曲线534与下缘曲线535于后端部 530b处从叶片的流线展开图可看出不相重叠的程度较小)，甚至于一些实施例 中，叶片53的上缘曲线534与下缘曲线535于后端部530b处在叶片的流线展 开图可为互相重叠，因此，叶轮出口模具M2可由多组可径向滑移的滑块或滑 块组来一体成型叶片53除了前端部530a(即扭曲叶片)以外的其余部分(如后端 部530b)。

如图4D与图4E所示，具体来说，于本实施例中，叶轮出口模具M2可 包含多组滑块组，分别用于成型每一流道出口(指叶片53的后端部530b、环形 外前盖板511及环形外后盖板521之间的空间)，各滑块组可包含一第一滑块 M21及一第二滑块M22，第一滑块M21的至少一部份及第二滑块M22的至少 一部份可配合而成型环形外后盖板521的内表面5211、环形外前盖板511的内 表面5111及叶片53的后端部530b，其中第一滑块M21具有一第一接触面M211 用于成型环形外后盖板521的内表面5211，而第二滑块M22具有一第二接触 面M221用于成型环形外前盖板511的内表面5111。于本实施例中，第一滑块 M21的第一接触面M211的构成元素为直线且构成一平面，因此，环形外后盖 板521的内表面5211可被成型为构成元素为直线的一平面；第二滑块M22的 第二接触面M221的构成元素为弧线，因此第二接触面M221呈外凸锥面，在 此情况下，环形外前盖板511的内表面5111可被成型为构成元素为弧线的内 凹锥面。反过来说，由于叶轮5具有环形外前盖板511的内表面5111的构成 元素为弧线且环形外后盖板521的内表面5211的构成元素为直线的需求，因 而需要提出前述的第一滑块M21与第二滑块M22，在此需求下，第一滑块M21 与第二滑块M22需要以依序取出的方式来脱模，具体来说，待叶片53、环形 外前盖板511及环形外后盖板521成型后，可先将第一滑块M21径向滑出， 而第二滑块M22则可利用第一滑块M21滑出后所让出的空间而轻易地滑出而 不会与成型后的叶片53的后端部530b、环形外前盖板511及环形外后盖板521 产生干涉问题。

然而，第一滑块M21与第二滑块M22的几何形状可依据实际需求进行调 整，本发明并非以此为限。例如如图4F与图4G所示，在前述实施例的一个 变体中，叶轮5的需求改为环形外前盖板511的内表面5111的构成元素为直 线且环形外后盖板521的内表面5211的构成元素为弧线，相应地，用于成型 环形外后盖板521的内表面5211的第一滑块M21的第一接触面M211的构成 元素改为弧线，使得环形外后盖板521的内表面5211可被成型为构成元素为弧线的内凹锥面；而用于成型环形外前盖板511的内表面5111的第二滑块M22 的第二接触面M221的构成元素改为直线，使得环形外前盖板511的内表面 5111可被成型为构成元素为直线的平面。同样地，第一滑块M21与第二滑块 M22也需要以依序取出的方式来脱模，具体来说，待叶片53成型后，可先将 第二滑块M22径向滑出，而第一滑块M21则可利用第二滑块M22滑出后所让 出的空间而轻易地滑出而不会与成型后的叶片53的后端部530b、环形外前盖 板511及环形外后盖板521产生干涉问题。另外，补充说明的是，第一滑块与 第二滑块的几何构型或两者之间相匹配的表面的设计，均可依据实际需求进行 调整，本发明并非以此为限。

进一步地，请参阅图5，叶轮5组装于一转子7上。叶轮5包含有前盖板 51、后盖板52及前述的多个叶片53。如前所述，前盖板51由前述的环形外 前盖板511与内前盖板512所构成。对照图4A与图5可知，内前盖板512是 位于环形外前盖板511的第二通孔5110的范围内，且可通过热熔或超音波等 方式接合环形外前盖板511与叶片53。此外，内前盖板512设有一磨损环安装 部512a，用以安装磨损环8。后盖板52由前述的环形外后盖板521与内后盖 板522所构成。对照图4A与图5可知，内后盖板522是位于环形外后盖板521 的第一通孔5210的范围内，且可通过热熔或超音波等方式接合环形外后盖板 521与叶片53。此外，环形外后盖板521设有一动力传动安装部521a，用以安 装于转子7。

至于前述图5的内前盖板512与内后盖板522均可用简单的模具额外进行 生产，内前盖板512与内后盖板522分别与该各叶片53的第一上缘曲线5341 与第一下缘曲线5351组装结合，从而与环形外前盖板511、环形外后盖板521 及叶片53共同构成为一完整的三维塑胶叶轮。例如，图6A～6B为本发明第一 实施例的叶轮5组合前的零件的不同视角的分解图，内前盖板512可以经由热 熔接面512b与叶片53的热熔接面534a可以热熔或超音波等方式无缝接合， 内后盖板522同样可由内后盖板522的热熔接面522b与叶片53的热熔接面 535a可以热熔或超音波等方式接合。或者，图7A～7B为本发明的叶轮5组合 前的不同视角的分解图，内前盖板512可通过熔接孔512c与叶片53的熔接柱 534b以插销方式组合后加热熔合，内后盖板522也可以使用熔接孔522a与叶 片53的熔接柱535b以插销方式组合后加热熔合。由此可知，内前盖板512与 内后盖板522，并不是与环形外前盖板511、环形外后盖板521及叶片53于同 一成型步骤一次性地成型为一体的结构。

请参阅图5，泵的动力传递是通过动力传动安装部521a及环形外后盖板 521再至叶片53，由于此三部分为于同一成型步骤一次性地成型为一体，或者 说，叶片53与环形外后盖板521及其动力传动安装部521a之间并没有任何接 缝或于制程中额外加工接合的部分，因此不存在接缝或结构上的不连续性，结 构强度高。因此，环形外后盖板521可直接接受泵主要负荷或动力传递，有助 于提升泵的应用范围。另一方面，虽然内前盖板512及内后盖板522使用简单 模具成型，通过热熔或超音波等方式组合成一完整叶轮，但内前盖板512及内 后盖板522仅是负责侷限流体在叶轮5的流动范围，不做为直接承受泵主要负 荷或动力传递的结构，因此对于泵的结构强度不会有影响。借此，本实施例所 提出的叶轮5得以应用于200℃高温与高负荷场合。

第二实施例

请参阅图8A～图8C以及图9，图8A为本发明第二实施例的叶轮5的轴面 投影图，图8B为图8A的叶轮5的平面投影图，图8C为图8A的叶片5的流 线展开图，图9为本发明第二实施例的叶轮5的组合剖面图。如图所示，本实 施例与前述第一实施例的差异在于，第二实施例的叶片53的轴面宽度531从 叶片进口宽度B51到前端部530a与后端部530b接合处逐渐缩小，环形外前盖 板511具有一内表面5111，其在r_z面上的构成元素为平行于r轴的直线且构 成一平面，换句话说，内表面5111为一个二维的圆盘平面；环形外后盖板521 具有一内表面5211，其在r_z面上的构成元素为平行于r轴的直线且构成一平 面，换句话说，内表面5211为一个二维的圆盘平面。也就是说，内表面5111 与内表面5211二者相互平行，也就是前端部530a与后端部530b接合处到叶 片出口宽度B52之间的轴面宽度531保持不变，且第二上缘曲线5342与第二 下缘曲线5352在r_z面上实质上相平行。也就是说，于本实施例中，叶片53 的前端部530a的轴面宽度531沿着流道中线538从叶片进口宽度B51往叶片 出口宽度B52的方向渐缩，但叶片53的后端部530b沿着流道中线538的轴面 宽度531不变。如图8B，叶片前缘532、上缘曲线534与下缘曲线535在叶片 53的前端部530a处不相重叠，且上缘曲线534与下缘曲线535在叶片53的后 端部530b处也不相重叠。

此外，在图8C的叶片53的流线展开图上，叶片出口角度相同，在前端部 530a与后端部530b接合处到叶片尾缘536，第二上缘曲线5342与第二下缘曲 线5352的叶片角β差异在10度内，因此本实施例的生产模具在叶轮出口模具 可仅改为使用单一模具滑块由径向方向滑出脱模。

详细来说，请进一步参阅图8D，为本实施例的叶轮所采用的模具的分模 简单示意图。于本实施例中，由于环形外前盖板511与环形外后盖板521在r_z 面(轴面)上为实质上平行的配置，即环形外前盖板511与环形外后盖板521彼 此相对面的内表面相互平行，因此环形外前盖板511与环形外后盖板521之间 的空间由外向内并无渐扩的情形，因此，相较于前述图4D，本实施例的叶轮 出口模具M2可改为单一块厚度一致且可径向抽取的滑块，而该单一滑块用于 成型环形外后盖板521的内表面5211与环形外前盖板511的内表面5111的第一接触面M211及第二接触面M221的构成元素均为直线，借此配置，叶轮出 口模具M2即可在r_z面(轴面)上径向滑出。并且，由于环形外前盖板511与 环形外后盖板521在r_z面(轴面)方向为平行，在r_θ面半径愈大的扇形流道 宽度537也较大，故叶轮出口模具脱模时不会产生阻碍或干涉等问题。

第三实施例

请参阅图10A～图10C和图11，图10A为本发明第三实施例的叶轮53的 轴面投影图，图10B为图10A的叶轮53的平面投影图，图10C为图10A的 叶片53的流线展开图，图11为本发明第三实施例的叶轮53的组合剖面图。

本实施例与前述第一实施例的差异在于，第三实施例是对于流量较低，扬 程较高的泵具有较低比转速的叶轮5，其中，叶轮5可不包含前述的环形外前 盖板511，且叶片53仅在前端部530a处需要三维扭曲几何，而在叶片53的后 端部530b可改为二维叶片几何。具体来说，第一上缘曲线5341与第一下缘曲 线5351的叶片角具有差异(即第一上缘曲线5341与第一下缘曲线5351于叶片 的流线展开图保持不相重叠)，但第二上缘曲线5342与第二下缘曲线5352的 叶片角可为相同(即第二上缘曲线5342与第二下缘曲线5352于叶片的流线展开图可为互相重叠)，环形外后盖板521具有一内表面5211，其在r_z面上的 构成元素为平行于r轴的直线。

此外，在图10C叶片展开图上，叶片53的后端部530b，上缘曲线(shroud edge)534、流道中线(mean)538与下缘曲线(hub edge)535的叶片角度β均相同。

因此于本实施例中，用于成型叶片53的后端部530b的叶轮出口模具可无 需采取径向脱模，而是与形成叶片53的前端部530a的扭曲叶片模具同样可采 取轴向脱模的方式脱离。详细来说，请进一步参阅图10D，图10D为本实施例 的叶轮所采用的模具的分模简单示意图。于本实施例中，由于叶轮5可不包含 前述的环形外前盖板511，叶片53远离环形外后盖板521的一侧并没有受到遮 蔽，且叶片53的后端部530b为二维叶片几何，因此，用于成型扭曲前端部 530a(即扭曲叶片)的扭曲叶片模具M1的可动模M12可直接与用于成型后端部 530b的叶轮出口模具M2组装于一体，且一并沿轴向往远离环形外后盖板521 的方向脱模，而在过程中不会与叶片53产生干涉。

至于前盖板51的部分，则可为利用简单模具将环形外前盖板511与内前 盖板512成型为单一元件后，再经由热熔或超音波等合适的方式接合于叶片 53以组成完整叶轮5。

第四实施例

请参阅图12，为本发明第四实施例的塑胶叶轮的组合剖面图。本实施例 与前述第一实施例的差异在于，叶轮5的多个叶片53、环形外后盖板521及 环形外前盖板511埋设有金属补强件55，用以强化整体结构的刚性，使塑胶叶 轮在高温(200℃)高负荷下仍能安全稳定运转。补充说明的是，于一些其他实施 例中，环形外前盖板511中也可不设置金属补强件55，也就是说，在此情况中， 叶轮5中仅叶片53与环形外后盖板521有埋置金属补强件55。

由此可知，由本发明前述各个实施例所公开的离心泵的三维塑胶叶轮的制 造方法及其结构，至少可达到以下效果：1.各部件均可使用模具生产，且可 使用机器自动脱模，具生产价值；2.扭曲叶片(或叶片的前端部)可采取固定模 与可动模脱模分离的方式制成，而三维扭曲的叶片几何有助于提高泵性能；3. 叶片与环形外后盖板以单一成型步骤一次性地成型为一体成型，具有较高的结 构强度，环形外后盖板直接传递扭矩到叶片，有助于让叶轮在高工作温度(如 约200℃)下或高负荷的应用场合中运行而不易损坏。

Claims (14)

1.一种使用模具成型生产离心泵的三维塑胶叶轮的制造方法，其特征在于，

该叶轮的一后盖板包含一环形外后盖板与一内后盖板，该环形外后盖板具有一第一通孔，该叶轮的该前盖板包含一环形外前盖板与一内前盖板，该环形外前盖板具有一第二通孔，该叶轮的多个叶片各具有一扭曲叶片位于该环形外后盖板的该第一通孔与该环形外前盖板的该第二通孔之间；

其中利用一扭曲叶片模具与一叶轮出口模具来成型该叶轮；

该扭曲叶片模具包含一固定模及一可动模，利用该固定模及该可动模通过该第一通孔与该第二通孔以成型出该些扭曲叶片，其中该些扭曲叶片在该前盖板与该后盖板的中心部呈开口状并在该中心部悬空成型；

利用该叶轮出口模具一体成型该些叶片除该些扭曲叶片以外的其余部分以及承受动力传递的该环形外后盖板；

其中该环形外前盖板的该第二通孔与该环形外后盖板的该第一通孔分别供该内后盖板及该内前盖板以热融或熔接柱的方式设置，从而共同形成该叶轮。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该环形外后盖板包含一动力传动安装部。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该叶轮出口模具具有可径向滑移的一第一滑块及一第二滑块，该第一滑块具有一第一接触面以用于成型该环形外后盖板朝向该环形外前盖板的一内表面，且该第二滑块具有一第二接触面以用于成型该环形外前盖板朝向该环形外后盖板的一内表面，该第一接触面为一平面从而将该环形外后盖板的该内表面成型为平面，而该第二接触面为一外凸锥面从而将该环形外前盖板的该内表面成型为内凹锥面。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，该叶轮出口模具具有可径向滑移的一第一滑块及一第二滑块，该第一滑块具有一第一接触面以用于成型该环形外后盖板朝向该环形外前盖板的一内表面，且该第二滑块具有一第二接触面以用于成型该环形外前盖板朝向该环形外后盖板的一内表面，该第一接触面为一外凸锥面从而将该环形外后盖板的该内表面成型为内凹锥面，而该第二接触面为一平面从而将该环形外前盖板的该内表面成型为平面。

5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，各该叶片在该扭曲叶片之外的其余部分的一上缘曲线与一下缘曲线的叶片角相同，该叶轮出口模具与该可动模为一体，且该环形外后盖板与该些叶片于同一制程步骤一次性地成型为一体。

6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，各该叶片在该扭曲叶片之外的其余部分的一上缘曲线与一下缘曲线的叶片角不相同，该环形外前盖板与该环形外后盖板互为平行者，该叶轮出口模具于任两相邻的其中二该叶片之间仅具有径向滑移的一滑块。

7.一种可以使用模具成型生产的离心泵的三维塑胶叶轮，其特征在于，该三维塑胶叶轮包含：

一前盖板、一后盖板以及多个叶片，共同组合成流体在该叶轮内的流动空间，该前盖板与该后盖板用以限制流动路径，该后盖板用以传递扭矩到该些叶片，各该叶片具三维扭曲形状用以提高泵效率，其特征在于：

各该叶片包含彼此相连的一前端部、一后端部、连接该前盖板的一上缘曲线以及连接该后盖板的一下缘曲线，其中该上缘曲线包含一第一上缘曲线与一第二上缘曲线，该下缘曲线包含一第一下缘曲线与一第二下缘曲线，该第一上缘曲线与该第一下缘曲线位于该前端部，该第二上缘曲线与该第二下缘曲线位于该后端部，且该第一上缘曲线的叶片角与该第一下缘曲线的叶片角不相同；

该后盖板包含一环形外后盖板与一内后盖板，该环形外后盖板具有一第一通孔，且该环形外后盖板具有一动力传动安装部以传递扭矩到该些叶片；

该前盖板包含一环形外前盖板与一内前盖板，该环形外前盖板具有一第二通孔；

各该叶片的该前端部位于该环形外后盖板的该第一通孔与该环形外前盖板的该第二通孔之间；

该些叶片的该些后端部与该环形外后盖板于同一制程步骤一次性地成型为一体，而该些叶片的该些后端部与该环形外前盖板相结合；以及

该内前盖板与该内后盖板分别安装于该第二通孔与该第一通孔而与该些叶片的该些前端部结合。

8.如权利要求7所述的三维塑胶叶轮，其特征在于，该前盖板用以安装一磨损环。

9.如权利要求7所述的三维塑胶叶轮，其特征在于，各该叶片的该第二上缘曲线的叶片角与该第二下缘曲线的叶片角相同。

10.如权利要求7所述的三维塑胶叶轮，其特征在于，该环形外前盖板与该内前盖板为一体成型。

11.一种离心泵的叶轮，其特征在于，该叶轮包含：

一环形外后盖板；以及

多个叶片，该些叶片沿着该环形外后盖板配置，其中该些叶片各具有一扭曲叶片，该环形外后盖板与该些叶片一次性地于同一成型步骤所制成，且该些扭曲叶片与该环形外后盖板不相重叠。

12.如权利要求11所述的叶轮，其特征在于，各该叶片包含彼此相连的一前端部以及一后端部，该前端部为该扭曲叶片且经由该后端部连接该环形外后盖板，各该前端部具有一第一上缘曲线以及一第一下缘曲线，该第一上缘曲线的叶片角与该第一下缘曲线的叶片角不相同。

13.如权利要求12所述的叶轮，其特征在于，更包含一内后盖板，接合该环形外后盖板与各该叶片的该第一下缘曲线。

14.如权利要求11所述的叶轮，其特征在于，更包含一金属补强件，埋设于该环形外后盖板以及该些叶片。

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