JP2005291116A

JP2005291116A - ウォーターポンプ用インペラ

Info

Publication number: JP2005291116A
Application number: JP2004108437A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Koyashiki; 秀彦小屋敷; Satoshi Maruyama; 敏丸山
Original assignee: Yamada Seisakusho KK
Current assignee: Yamada Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】ウォーターポンプの樹脂インペラとボス部において、製造又はポンプ作動時における熱伸縮による樹脂インペラの耐久性低下を防止すること。
【解決手段】貫通孔１ａを有する回転中心部１の周囲に羽根部が形成された合成樹脂製のインペラ本体Ａと、円筒状部３の外周に鍔状部４が形成された金属製のボス部材Ｂとからなること。前記インペラ本体Ａの貫通孔１ａと前記円筒状部との間にはクリアランスｃが設けられるとともに、前記インペラ本体Ａの裏面側と前記鍔状部４の上面４ａとは係止部５にて係止固定されてなること。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウォーターポンプの樹脂インペラとボス部において、製造又はポンプ作動時における熱伸縮による樹脂インペラの耐久性低下を防止することができるウォーターポンプ用インペラに関する。

自動車等のエンジン冷却水を循環させるためのウォーターポンプにおいて、従来からインペラは樹脂で成形されており、下記特許文献１（特許２７６８８１８）に記載されている技術では、シャフトに圧入固定される金属筒のまわりに、シャフトよりも熱膨張係数の低い樹脂ないし複合樹脂がインサート成形した技術が提案されている。また、下記特許文献２（特開２００３−３９９１）においては、樹脂とインサート成形される金属筒（金属製ボス）に円周ボス部、軸周支持ボス部、軸方向支持面等を有する構造としており、樹脂部との軸方向、周方向を確実に固定し、且つ回転中心部の強度をあげることができる。

特許２７６８８１８号特開２００３−３９９１

特許文献１では、インサート成形したインペラにおいて、インペラ本体は、シャフトに取付けられる際に、金属筒とシャフトとの圧入によって、シャフトに固定される。この圧入によって、金属筒から樹脂により成形されたインペラ本体の回転中心部に応力負荷が加わる。この応力負荷は、金属筒をシャフトに圧入するときに発生する挿入応力負荷であり、またシャフト圧入後には、金属筒が金属塑性変形を起こすことにより、樹脂部への残留応力負荷等も生じる。

上記応力負荷によって、樹脂で成形されたインペラ本体の回転中心部の樹脂部が充分に耐えることが困難となり、その樹脂部にクラックが入るおそれがある。また、ウォーターポンプ用インペラは、使用環境において、温度差が大きく変化するため、樹脂のインペラ本体と、金属筒との線膨張率の差異により、発生する冷熱応力負荷によって、インペラ本体の回転中心の樹脂部が充分に耐えることが困難となり、その樹脂部にクラックが入るおそれがある。

よって、インペラの樹脂部にクラックが発生する問題点に対応するために、インペラ本体の回転中心部の樹脂部が充分に耐えうる樹脂材料の採用しなければならなくなり、インペラ自体のコストが高くなってしまう。さらに、金属筒の肉厚を厚くし、インペラをシャフトに圧入する際の挿入応力負荷によって金属筒の塑性変形量を小さくすることも考えられるが、肉厚を厚くすることで、インペラ本体の径も大きくなり、金属筒自体のコストが高くなってしまう。また、特許文献２（特開２００３−３９９１）によって、上記特許文献１の課題は解決されたものであるが、金属筒(金属製ボス）の形状に特性を持たせたものであるために、多少、加工工数が増加し、インペラ自体がコストが高くなってしまうものである。

本発明が解決しようとする技術的課題（目的）は、上記の課題を解決するため、コストを高くすることなく、より耐久性を向上することができるインペラ構造を提供することにある。

そこで、発明者は上記課題を解決すべく、鋭意，研究を重ねた結果、本発明を、合成樹脂からなり貫通孔を有する回転中心部の周囲に羽根部が形成されたインペラ本体と、円筒部の外周に鍔部を有するボス部材とからなり、前記インペラ本体の貫通孔と前記円筒部との間にはクリアンスが設けられるとともに、前記インペラ本体の裏面側と前記鍔部とは係止部を介して固定されてなるウォーターポンプ用インペラとしたことにより、上記課題を解決したものである。

また上記構成において、前記係止部は、鍔部とインペラ本体裏面側のいずれか一方側に突起部が形成され、他方側には該突起部が挿入する溝状部が形成されたり、前記インペラ本体の貫通孔の内周側とボス部材の円筒部の外周側には、連続する凹凸面が形成されて両凹凸面がかみ合うように装着されたり、前記インペラ本体は、ボス部材に嵌合される止め輪にて固定されたり、前記インペラ本体は、ボス部材の一部に塑性変形部を形成して固定されてなるウォーターポンプ用インペラとしたことにより、上記課題を解決したものである。

請求項１の発明によれば、ボス部材に駆動用のシャフトを圧入することによって、ボス部材が外方に膨張しても樹脂製のインペラ本体には残留応力負荷が加わることがない。そのためにインペラの樹脂材の強度を高くする必要がないし、インペラ本体の回転中心部の径方向の肉厚を必要以上に厚くする必要がなく、ひいてはインペラ本体の設計自由度が増し、コストを低減できる。また、作動環境における大きな温度変化による熱伸縮により、インペラ本体とボス部材とが相互に圧力を及ぼしあうことも防止でき、特に、樹脂製のインペラ本体のクラック及びそれによる破壊を防止することができる。

請求項２の発明によれば、係止部は、凸状部と凹状部による構成なので、係止が確実に行なわれる。しかも、係止部の構造が極めて簡単なものであり、製造が容易にできるものである。請求項３の発明によれば、係止部とともに、凹凸面部により円筒状部と貫通孔ととも係止することができ、確実なる固定を実現することができる。請求項４の発明によれば、止め輪を使用することにより、インペラ本体のボス部材への抜け止めを簡単にすることができる。請求項５の発明によれば、前記インペラ本体は、ボス部材Ｂへの固定において、部品点数を減少させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明は、図１，図２に示すように、合成樹脂からなるインペラ本体Ａと、金属製のボス部材Ｂと、前記インペラ本体Ａとボス部材Ｂとを係止する係止部５とから構成される。そのインペラ本体Ａは、回転中心部１の周囲に羽根部２が形成されたものである。前記インペラ本体Ａの回転中心部１には、図１（Ｂ）に示すように、貫通孔１ａが形成され、前記ボス部材Ｂの円筒状部３が挿入して装着される。

そのインペラ本体Ａの羽根部２は、円板状の羽根部支持台２ａに放射状に複数の羽根片２ｂ，２ｂ，…が形成されている。前記羽根部支持台２ａは、略円板状をなし、前記回転中心部１は、前記羽根部支持台２ａの中心に向かって略円錐状に膨出形成されたものである。そして、前記インペラ本体Ａの回転中心部１の肉厚は、表面側よりも裏面側ほど肉厚が厚くなる。

次に、ボス部材Ｂは、前述したように金属製であり、図１（Ｂ），図２（Ｂ）に示すように、円筒状部３と、鍔状部４とから構成されている。その円筒状部３は、ポンプの駆動軸が装着される軸孔が形成された中空管状をなしている。その円筒状部３と鍔状部４は一体成形されたり、或いは相互に別部材として形成され、溶接等の固着手段を介して固着されることもある。また、前記鍔状部４は、前記円筒状部３の軸方向端部箇所からその円筒状部３の外方で且つ直径方向に延びるようにして形成されたものである。

また、前記円筒状部３には、鍔状部４が形成されている側とは反対側となる付近に円周状の溝条３ａが形成されている。該溝条３ａには、後述する止め輪８ａが装着される。その溝条３ａの位置は、前記鍔状部４の上面４ａにおけるインペラ本体Ａとの接触面を基準にして、貫通孔１ａの軸方向長さと同じか、もしくはそれより僅かに長くなる位置に存在する。その鍔状部４の上面４ａは、前記インペラ本体Ａの羽根部２の裏面側と接触する側の面である。

そのインペラ本体Ａの回転中心部１における貫通孔１ａに、前記ボス部材Ｂの円筒状部３が挿入するものであるが、その挿入した状態において、図８（Ａ）に示すように、クリアランスｃが存在する。すなわち、インペラ本体Ａの貫通孔１ａの内径Ｄ_Aは、ボス部材Ｂの円筒状部３の外径Ｄ_Bよりも大きく、Ｄ_A＞Ｄ_Bである。しかし、このクリアランスｃは、合成樹脂からなるインペラ本体Ａと金属からなるボス部材Ｂの熱伸縮率の差が考慮されて設定されるものである。

具体的には、製造組立時やポンプ作動時における環境の温度により、貫通孔１ａと円筒状部３とが熱膨張率又は熱収縮率との差異により、相互に圧力がかからない程度で、前記内径Ｄ_A及び外径Ｄ_Bが設定され、適正なクリアランスｃを生じさせるようにしている。通常の温度（常温）では、インペラ本体Ａの貫通孔１ａにボス部材Ｂの円筒状部３が円滑に挿入できる程度のクリアランスｃが好ましく、ガタを感じる程度よりも以下のクリアランスｃとし、あまり大きなクリアランスｃとはしない。

次に、係止部５は、前記インペラ本体Ａとボス部材Ｂとを相互に固定する役目をなすものである。その係止部５は、図２（Ａ）に示すように、凸状部５ａと凹状部５ｂからなり、その凸状部５ａと凹状部５ｂのいずれか一方が前記インペラ本体Ａの裏面側に形成され、他方がボス部材Ｂの鍔状部４に形成されている。前記インペラ本体Ａの裏面側は、前記羽根部２の羽根部支持台２ａの裏面側のことである。またボス部材Ｂの鍔状部４のインペラ本体Ａとの当接面は、鍔状部４の上面４ａから円筒状部３が形成されている側面となる。そして、インペラ本体Ａの貫通孔１ａにボス部材Ｂの円筒状部３が挿入され、インペラ本体Ａの背面側と、ボス部材Ｂの鍔状部４とが当接して前記凸状部５ａと凹状部５ｂとが係止する構成となっている〔図１（Ａ）参照〕。

この係止部５の凸状部５ａは突起形状に形成されたものであり、また凹状部５ｂは溝形状に形成されたものである。そして、突起形状の凸状部５ａが溝形状の凹状部５ｂに挿入することで、両者は係止し、インペラ本体Ａとボス部材Ｂとが回転方向において相互に係止し、固定されるものである。この係止部５における凸状部５ａと凹状部５ｂとは、平面形状がともに同一の形状に形成されている。そして、その係止部５には、種々のパターンが存在する。ここでは、図１，図２に示すように、ボス部材Ｂの鍔状部４の上面４ａに凸状部５ａ，５ａ，…が形成され、インペラ本体Ａの裏面側に凹状部５ｂ，５ｂ，…が形成されるものとして説明する。

まず第１パターンでは、図２に示すように、凸状部５ａ及び凹状部５ｂは、共に円周方向に沿って円弧線状に形成されたものである。まず、鍔状部４の上面４ａにおいて、その直径方向における適宜の位置で複数の凸状部５ａ，５ａ，…が円周を形成するようにして配置形成されている。また、インペラ本体Ａの背面側には、前記凸状部５ａ，５ａ，…に対応する位置に、その凸状部５ａ，５ａ，…と同一数の凹状部５ｂ，５ｂ，…が形成されている。図２では、凸状部５ａ及び凹状部５ｂは、それぞれ４個形成されている。その凸状部５ａ及び凹状部５ｂは、ともに円弧線状に形成されたものであり、凸状部５ａが凹状部５ｂに正確に挿入できるように形成されている。すなわち、凸状部５ａと凹状部５ｂとの挿入状態はガタがないことが好ましい。

次に、係止部５の第２パターンは、図３に示すように、複数の略直線状の凸状部５ａ，５ａ，…がボス部材Ｂの中心から直径方向に沿って放射状に形成され、同様に複数の直線状の凹状部５ｂ，５ｂ，…がインペラ本体Ａの背面側に放射状に形成されたものである。また、係止部５の第３パターンでは、図４に示すように、前記第１パターンの円弧線状の凸状部５ａ及び凹状部５ｂと、第２パターンの直線状の凸状部５ａ及び凹状部５ｂとが混在して形成されたものである。具体的には、円周方向に配置された円弧線状の凸状部５ａ，５ａ，…のそれぞれの間に直線状の凸状部５ａ，５ａ，…が形成されたものである。また凹状部５ｂについても、前記凸状部５ａと同様の配列となっている。

また、上述したタイプでは、凸状部５ａ，５ａ，…がボス部材Ｂに形成され、凹状部５ｂ，５ｂ，…がインペラ本体Ａに形成されているが、図５，図６に示すように、凸状部５ａ，５ａ，…がインペラ本体Ａに形成され、凹状部５ｂ，５ｂ，…がボス部材Ｂに形成されることもある。この場合、ボス部材Ｂに形成される凹状部５ｂは、鍔状部４を貫通孔形状としても構わない。そして、係止部５の凸状部５ａ又は凹状部５ｂは、前記ボス部材Ｂの鍔状部４に対してボスを構成す円筒状部３とともにプレスによる一体成形で行なわれるものである。同様に、インペラ本体Ａ側においても、羽根部２とともに凸状部５ａ又は凹状部５ｂがプレス加工にて一体的に形成されるものである。このようにして成形することが、生産効率を向上させることができる。

次に、前記インペラ本体Ａのボス部材Ｂからの軸方向における外れ止構造について説明する。この外れ止構造は、円筒状部３に外れ止部８を設けるものであって、その外れ止部８には、２つのタイプが存在する。まず第１タイプは、図１（Ａ）に示すように、前記ボス部材Ｂの円筒状部３に、インペラ本体Ａを装着後に止め輪８ａが装着される、前記インペラ本体Ａの回転中心部１の軸方向端面が前記止め輪８ａにて押さえられるものである。具体的には、円筒状部３に形成された前記溝条３ａにサークリップ等の止め輪８ａが嵌め込まれ、前記インペラ本体Ａの回転中心部１の軸方向端面と前記サークリップとを突き合わせることで、インペラ本体Ａをボス部材Ｂに軸方向に固定させ、インペラ本体Ａがボス部材Ｂから抜け出さないようにする。

次に、固定構造の第２タイプは、図９に示すように、ボス部材Ｂの円筒状部３にインペラ本体Ａを装着し、その円筒状部３の上端を塑性変形による塑性変形部８ｂが形成されるものであって、この塑性変形部８ｂによりインペラ本体Ａの外れ止部８とする。この塑性変形部８ｂは、具体的には、円筒状部３の軸方向端部を直径方向の外方に拡開させるカシメ等の変形手段により形成されるものである。なお、図１０はポンプケーシング１０のシャフト９に本発明のインペラが装着された状態図である。

次に、本発明による組付について説明する。まず、金属製のボス部材Ｂにシャフト９が圧入固定され、そのボス部材Ｂの円筒状部３がインペラ本体Ａの回転中心部１の貫通孔１ａに挿入される。該貫通孔１ａの内径と、ボス部材Ｂの円筒状部３との間のクリアランスｃ（隙間）は、人手でボス部材Ｂの円筒状部３にインペラ本体Ａを押圧することで挿入、セットできる程度のクリアランスである。

次に、セットする上で、ボス部材Ｂの鍔状部４の上面４ａに形成された係止部５の凸状部５ａ，５ａ，…、前記インペラ本体Ａの裏面側、すなわち羽根部支持台２ａの裏面側に形成された係止部５の凹状部５ｂ，５ｂ，…にそれぞれの位置を一致させ、挿入係止させて、インペラ本体Ａとボス部材Ｂとを回転（周）方向に固定させ、インペラ本体Ａをボス部材Ｂに対して周方向にずれないようにすることができる。

そして、前述したように、ボス部材Ｂの円筒状部３に形成された溝条３ａにサークリップ等の止め輪８ａを嵌め込ませて、外れ止部８を構成しインペラ本体Ａがボス部材Ｂから抜け出さないようにする。或いは、円筒状部３の軸端を拡開する等して塑性変形部８ｂを形成してインペラ本体Ａの外れ止部８とすることもある。この塑性変形部８ｂは、前記円筒状部３の軸端にスリットを周方向複数箇所設け、駆動用のシャフト９にボス部材Ｂを圧入固定し、ボス部材Ｂの鍔状部４の上面４ａの凸状部５ａにインペラ本体Ａの羽根部支持台の裏面の溝に合わせてセットし、ボス部材Ｂの上端をカシメ固定し、カシメによってインペラ本体Ａがボス部材Ｂに対して軸方向に抜けないようにすることができる（図９参照）。

その外れ止部８の第２タイプは、第１タイプ同様に、ボス部材Ｂとインペラ本体Ａに適度なクリアランスｃ（隙間）を設けておくことができるため、冷熱応力負荷の影響を受けないことから、高価な材料とすることなく、構造も簡単である。コストダウンが図れる。また、外れ止部８の第２タイプは、サークリップ等の止め輪８ａによる固定でないため、部品数が減らすことができ、しかもコストダウンが図れる。このように、インペラ本体Ａとボス部材Ｂとは、係止部５を介して周方向に相互に固定し、且つ軸方向においては、止め輪８ａによる固定や、カシメによる塑性変形部８ｂによる固定とし、インペラ本体Ａとボス部材Ｂとの固定手段の種類が増え、設計の自由度を高めることができる。

次に、本発明の第２の実施形態では、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、インペラ本体Ａの貫通孔１ａと、ボス部材Ｂの円筒状部３とが凹凸面部６によりかみ合いながら周方向に相互に拘束しあうものである。そのインペラ本体Ａの回転中心部１の貫通孔１ａの内周側面に内周凹凸面６ａが形成され、ボス部材Ｂの円筒状部３の外周側面に外周凹凸面６ｂが形成されたものであり、図７（Ｃ）に示すように、両凹凸面６ａ，６ｂ同士がかみ合うようにしながらインペラ本体Ａの貫通孔１ａにボス部材Ｂの円筒状部３が挿入する。

このときにも貫通孔１ａと円筒状部３との間には、図７（Ｄ）に示すように、クリアランスｃが存在している。この凹凸面部６は、セレーションタイプ或いはスプラインタイプ等が存在する。そして、この凹凸面部６と前記係止部５によりインペラ本体Ａとボス部材Ｂとは２箇所の位置で固定される構造となるため、相互の周方向の拘束をより強固にすることができる。

以上のような固定手段によって固定されるボス部材Ｂとインペラ本体Ａにおいて、前述したように、ボス部材Ｂの円筒状部３がインペラ本体Ａの貫通孔１ａに挿入された状態で、クリアランスｃが生じるようにしており、且つインペラ本体Ａとボス部材Ｂとの周方向の固定は、凸状部５ａと凹状部５ｂとからなる係止部５により行なわれている。このような構成によって、前記ボス部材Ｂに予めポンプの駆動用のシャフト９を圧入した場合に、そのボス部材Ｂが外方に拡がるように膨張するが、インペラ本体Ａの貫通孔１ａとボス部材Ｂの円筒状部３との間には前記クリアランスｃが存在するので、前記インペラ本体Ａには、円筒状部３の塑性変形よる残留応力負荷や、挿入応力負荷が加わらない。それゆえに、前記インペラ本体Ａの材質である樹脂材の強度を高くする必要がない。また、前記インペラ本体Ａの回転中心部１の径方向の肉厚を必要以上に厚くする必要もないのである。

また、回転中心部１の貫通孔１ａの内径Ｄ_Aと、ボス部材Ｂの円筒状部３の外径Ｄ_Bとの間のクリアランスｃ（隙間）は、ウォーターポンプの使用温度の上限と下限の温度差によって生じる熱伸縮による寸法差を考慮した寸法としているため、温度差によって生じる樹脂材製のインペラ本体Ａと、金属製のボス部材Ｂとの線膨張率の差異により発生する冷熱応力負荷の影響を受けない。すなわち、図８（Ｂ）に示すように、インペラ本体Ａの回転中心部１が熱膨張により、貫通孔１ａの内周面がボス部材Ｂの円筒状部３の外周面に接近しても、両者間にはクリアランスｃによる余裕があり、相互に軽く接触する程度であり、合成樹脂からなるインペラ本体Ａと金属からなるボス部Ｂの熱伸縮による変形の影響を防ぎ、耐久性の向上が図れるものである。このことから、従来のインサート成形の成形収縮がなく、インペラ本体Ａを線膨張率を配慮した樹脂を採用する必要がない。

以上のことから、ボス部材Ｂも必要以上に肉厚の厚いものにすることが無いため、インペラ自体のコストを材料費の面から低減することができる。また、ボス部材Ｂは、安価な金属製板材（冷間圧延鋼板等）でよく、構造も複雑でなく加工箇所も少ないため、大幅なコストダウンが可能である。さらに、インペラ本体Ａ及びボス部材Ｂの重量も軽減させることができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態の縦断側面図、（Ｂ）はインペラ本体とボス部材とが分離された状態の縦断側面図である。（Ａ）は第１実施形態におけるインペラ本体の斜視図、（Ｂ）は第１実施形態におけるボス部材の斜視図である。（Ａ）は第１実施形態における第２タイプの係止部を設けたインペラ本体の裏面図、（Ｂ）は第２タイプの係止部を設けたボス部材の正面図である。Ａ）は第１実施形態における第３タイプの係止部を設けたインペラ本体の裏面図、（Ｂ）は第３タイプの係止部を設けたボス部材の正面図である。（Ａ）は第１実施形態における第２タイプの縦断側面図、（Ｂ）はインペラ本体とボス部材とが分離された状態の縦断側面図である。（Ａ）は第１実施形態における第２タイプの斜視図、（Ｂ）は第１実施形態におけるボス部材の斜視図である。（Ａ）は本発明の第２実施形態におけるインペラ本体の斜視図、（Ｂ）は第２実施形態におけるボス部材の斜視図、（Ｃ）はインペラ本体の貫通孔にボス部材の円筒状部が挿入した状態を示す断面図、（Ｄ）は（Ｃ）の要部拡大図である。（Ａ）は本発明のクリアランスを示す要部拡大図、（Ｂ）はクリアランスの作用を示す拡大図である。本発明において外れ止部の第２タイプを示す縦断側面図である。ポンプケーシングに本発明を装着した縦断側面図である。

符号の説明

Ａ…インペラ本体、Ｂ…ボス部材、１…回転中心部、１ａ…貫通孔、３…円筒状部、
４…鍔状部、４ａ…上面、５…係止部、５ａ…凸状部、５ｂ…凹状部、６…凹凸面部、
８…外れ止部、８ａ…止め輪、８ｂ…塑性変形部、ｃ…クリアランス。

Claims

貫通孔を有する回転中心部の周囲に羽根部が形成された合成樹脂製のインペラ本体と、円筒状部の外周に鍔状部が形成された金属製のボス部材とからなり、前記インペラ本体の貫通孔と前記円筒状部との間にはクリアランスが設けられるとともに、前記インペラ本体の裏面側と前記鍔状部の上面とは係止部にて係止固定されてなることを特徴とするウォーターポンプ用インペラ。
請求項１において、前記係止部は、鍔状部とインペラ本体裏面側のいずれか一方側に凸状部が形成され、他方側には該突起部が挿入する凹状部が形成されてなることを特徴とするウォーターポンプ用インペラ。
請求項１又は２において、前記インペラ本体の貫通孔の内周側とボス部材の円筒状部の外周側には、連続する凹凸面部が形成されて両凹凸面部がかみ合うように装着されてなることを特徴とするウォーターポンプ用インペラ。
請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記インペラ本体は、ボス部材に嵌合される止め輪にて固定されてなることを特徴とするウォーターポンプ用インペラ。
請求項１，２又は３のいずれか１項の記載において、前記インペラ本体は、ボス部材の一部に塑性変形部を形成して固定されてなることを特徴とするウォーターポンプ用インペラ。