JP2005299416A - インペラおよびそれを用いた流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 羽根溝に滑らかに流体を流入できるインペラおよびそれを用いた流体ポンプを提供する。
【解決手段】 インペラ５０は円板状に形成されている。インペラ５０の外周は環状部５２に囲まれており、環状部５２の内周側の回転軸方向両側に羽根溝５６が形成されている。回転方向に隣接する羽根溝５６は回転軸方向のほぼ中央で回転方向後方に折れ曲がった隔壁５４により仕切られている。回転軸方向両側に形成された羽根溝５６同士は、仕切壁５８により径方向内側の一部を仕切られている。羽根溝５６の回転方向後方の径方向内側に設けられた内周側面６０は、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に傾斜している凹曲面である。内周側面６０の径方向外側に設けられた内周側面６２は、半径方向に沿った平面である
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転方向に沿って形成された羽根溝を有し、回転することより羽根溝に沿って形成されるポンプ通路の流体を昇圧するインペラおよびそれを用いた流体ポンプに関する。

従来、円板状のインペラの外周縁に周方向に複数の羽根溝を形成し、インペラが回転することにより羽根溝に沿って形成されたポンプ通路の流体を昇圧する流体ポンプが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
インペラが回転することにより、羽根溝の径方向外側からポンプ通路に流出した流体は、ポンプ通路から回転方向後方の羽根溝の径方向内側に流入し、径方向外側から流出する。このように、羽根溝からの流出および羽根溝への流入を順次繰り返すことにより、流体は旋回流となり昇圧される。

特開平３−８１５９６号公報 特許第２９６３８３８号公報

インペラが回転することにより生じる流体の旋回流のエネルギーは、ポンプ通路の流体を昇圧するために使用されるので、ポンプ通路から羽根溝の径方向内側に流入するときに、流体の旋回エネルギーは低下している。その結果、回転軸方向に沿った旋回流の速度成分が小さくなるので、流体流れが回転方向に沿った流れに近づく。したがって、特許文献１、２のように、羽根溝の回転方向後方の内周側面がほぼ半径方向に沿った平面であると、旋回流が回転方向後方の内周側面に沿って羽根溝に流入せず、回転方向後方の内周側面に大きな角度で衝突する。この衝突力は、インペラの回転方向と反対側に働くので、インペラの回転が妨げられる。
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、羽根溝に滑らかに流体を流入できるインペラおよびそれを用いた流体ポンプを提供することを目的とする。

請求項１から５記載の発明では、羽根溝の回転方向後方に形成された内周側面の径方向内側が凹曲面であるから、羽根溝の径方向内側に旋回流となって流入する流体が回転方向後方の内周側面に沿って滑らかに羽根溝に流入する。その結果、羽根溝に流入する流体と羽根溝との衝突力が低減され、羽根溝に流入する流体がインペラの回転を妨げることを低減できる。

また、羽根溝の径方向外側を環状部が覆い羽根溝の径方向外側が閉塞されているので、インペラの回転によりインペラの外周縁に沿って形成されるポンプ通路の流体圧力が、インペラの径方向に直接加わらないため、インペラの径方向に加わる力は小さい。その結果、インペラの回転中心がずれにくくなっている。
請求項２記載の発明では、羽根溝の回転方向後方の径方向内側に形成された凹曲面は、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置している。この構成によれば、羽根溝の径方向内側に流入した流体が凹曲面に案内され、回転方向に沿って徐々に径方向外側に向かう。したがって、羽根溝に流入する流体と羽根溝との衝突力を低減できる。

請求項３記載の発明では、羽根溝の回転方向後方の径方向内側に形成した凹曲面に合わせ、回転方向前方に形成された内周側面の径方向内側を凸曲面にしている。これにより、羽根溝の容積および羽根溝への流体の流入面積の減少を防止し、羽根溝を流れる流体流量の減少を防止できる。
請求項４記載の発明では、羽根溝の回転方向後方に形成された内周側面の径方向外側は凹曲面に続く平面である。この構成によれば、凹曲面から径方向外側に向かう流体が凹曲面に続く平面に沿って流れを曲げられずに羽根溝の径方向外側に流れるので、旋回流のエネルギーの低減を抑制できる。

請求項５記載の発明では、羽根溝の回転方向前方および回転方向後方の径方向外側の内周側面と環状部の内周面との交差部は角張っている。この構成によれば、羽根溝の内周側面と環状部の内周面とが円弧状に交差している場合に比べ、羽根溝からの流体の流出面積を極力大きくすることができる。したがって、旋回流のエネルギーをより効果的にポンプ通路の流体に伝えることができ、ポンプ効率を上昇できる。ここでポンプ効率とは、インペラのトルクをＴ、回転数をＮ、インペラの回転により吐出される流体圧力をＰ、流体吐出量をＱとすると、（Ｐ×Ｑ）／（Ｔ×Ｎ）で表される。

請求項６記載の発明では、請求項１から５のいずれか一項記載のインペラを用いているので、羽根溝内に流入する流体と羽根溝との衝突力が低減され、羽根溝内に流入する流体がインペラの回転を妨げることを低減できる。したがって、ポンプ効率を上昇できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
本発明の一実施形態によるインペラを用いた燃料ポンプを図５および図６に示す。流体ポンプとしての燃料ポンプ１は、例えば車両等の燃料タンク内に装着されるインタンク式ポンプであり、燃料タンク内の燃料を燃料消費装置であるエンジンに供給する。燃料ポンプ１は、モータ部２と、モータ部２の回転子３０の回転により駆動されて燃料を吸入し、昇圧するポンプ部４とを備えている。

モータ部２は、ステータコア２０、コイル２４および回転子３０を有している。ステータコア２０は、磁性鋼板を軸方向に積層して形成されたており、図６に示すように、モータ部２の中心側に向けて突出するティース２２が周方向に等間隔に６個形成されている。各ティース２２にコイル２４が巻回されている。樹脂ハウジング１２はステータコア２０およびコイル２４をモールドしている。金属製ハウジング１４は、樹脂ハウジング１２にインサート成形され、後述する吸入側カバー４０をかしめている。金属ハウジング１４に設けた複数の貫通孔１４ａに、樹脂ハウジング１２の樹脂が充填されている。

回転子３０は、シャフト３２、回転コア３４および永久磁石３６を有している。永久磁石３６は、一部材で円筒状に形成され、回転コア３４の外周側に設置されている。永久磁石３６は、回転方向に８個の磁極部３７を形成している。８個の磁極部３７は、ステータコア２０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。

ポンプ部４は、吸入側カバー４０、吐出側カバー４２、およびインペラ５０を有している。吸入側カバー４０および吐出側カバー４２は、インペラ５０を回転可能に収容するケース部材である。吐出側カバー４２は、金属ハウジング１４により樹脂ハウジング１２と吸入側カバー４０との間に挟持されている。インペラ５０の回転により吸入側カバー４０の吸入口１００から吸入された燃料は、インペラ５０の外周縁に沿って吸入側カバー４０および吐出側カバー４２に形成されたポンプ通路であるポンプ通路１１０、１１２で昇圧され、回転子３０とステータコア２０との間を通って吐出口１２０から吐出される。

次に、インペラ５０の構成について詳細に説明する。
インペラ５０を吸入側カバー４０側から見た斜視図である図２に示すように、インペラ５０は円板状に形成されている。インペラ５０の外周は環状部５２に囲まれており、環状部５２の内周側の回転軸方向両側に羽根溝５６が形成されている。図１に示すように、回転方向に隣接する羽根溝５６は回転軸方向のほぼ中央で回転方向後方に折れ曲がった隔壁５４により仕切られている。

また、図４に示すように、回転軸方向両側に形成された羽根溝５６同士は、仕切壁５８により径方向内側の一部を仕切られているが、径方向外側で互いに連通している。仕切壁５８は、回転軸方向の両側から回転軸方向の中央部に向け、径方向内側から径方向外側に向かうにしたがい滑らかな凹曲面状に形成されている。したがって、仕切壁５８の凹曲面に沿って羽根溝５６に流入した燃料は、回転軸方向両側の羽根溝５６でそれぞれ旋回流３００となって流れる。

図３に示すように、羽根溝５６の内周面５７は、環状部５２の内周面５３、回転方向後方に位置する内周側面６０、６２、回転方向前方に位置する内周側面６４、６６、および径方向内側の回転方向に沿った内周面６８からなる。内周側面６０は、回転方向後方の径方向内側に形成された凹曲面である。内周側面６０と内周面６８との間に形成された交差部である角部７０は円弧状である。また、内周側面６２と内周面５３との間に形成された交差部である角部７２は角張っている。内周側面６０は、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置している。つまり、内周側面６０は、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に傾斜している。内周側面６２は、内周側面６０に続き内周側面６０の径方向外側に形成された平面である。内周側面６２は、インペラ５０の中心１３０から放射状に延びる半径方向に沿って形成されている。

内周側面６４は、羽根溝５６の回転方向前方の径方向内側に形成された凸曲面である。内周側面６４と内周面６８との間に形成された交差部である角部７４は円弧状である。また、内周側面６６と内周面５３との間に形成された交差部である角部７６は角張っている。内周側面６４は、内周側面６０と同様に、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置している。つまり、内周側面６４は、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に傾斜している。内周側面６６は、内周側面６４に続き内周側面６４の径方向外側に形成された平面である。内周側面６６は、インペラ５０の中心１３０から放射状に延びる半径方向に沿って形成されている。

インペラ５０が回転すると、図１および図４に示すように、羽根溝５６の径方向外側からそれぞれポンプ通路１１０、１１２に流出した燃料は、回転方向後方に位置する羽根溝５６の径方向内側に流入する。そして、羽根溝５６からの流出、羽根溝５６への流入を次々と繰り返すことにより、旋回流３００（図４参照）となった燃料のエネルギーにより、ポンプ通路１１０、１１２の燃料が昇圧される。

ここで、羽根溝５６の径方向外側からポンプ通路１１０、１１２に速度Ｖ１で流出した燃料は、ポンプ通路１１０、１１２の燃料を昇圧するためにエネルギーを消費し、回転方向後方の羽根溝５６に流入速度Ｖ２で流入するときには、回転軸方向に沿った速度成分Ｖ２０が減速している。したがって、羽根溝５６の径方向外側から流出するときの燃料流れがインペラ５０の回転軸方向の端面５１と形成する角度をθ１、羽根溝５６の径方向内側に流入するときの燃料流れがインペラ５０の端面５１と形成する角度をθ２とすると、θ１＞θ２となる。つまり、羽根溝５６の径方向内側に流入する燃料流れは、回転方向に沿った流れに近づく。

本実施形態では、羽根溝５６の回転方向後方の径方向内側に形成された内周側面６０が凹曲面であるから、羽根溝５６に流入した燃料と内周側面６０との衝突角度を小さくし、衝突によりインペラ５０が回転方向と反対側に受ける力を極力小さくしている。さらに、内周側面６０が径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置しているので、羽根溝５６の径方向内側に流入した燃料が内周側面６０に案内され、徐々に径方向外側に向かう。したがって、羽根溝５６に流入する燃料と羽根溝５６との衝突力を低減するとともに、羽根溝５６に流入したエネルギを旋回流のエネルギーに高効率に変換できる。これにより、羽根溝５６に流入する燃料がインペラ５０の回転方向と反対側に加える力を低減できるので、ポンプ効率が上昇する。ここでポンプ効率とは、インペラ５０のトルクをＴ、回転数をＮ、ポンプ部４から吐出される燃料圧力をＰ、燃料吐出量をＱとすると、（Ｐ×Ｑ）／（Ｔ×Ｎ）で表される。

また、内周側面６０に続き径方向外側に形成された内周側面６２が平面であるため、内周側面６０に沿って径方向外側に向かう燃料流れが、内周側面６２で曲げられず内周側面６２に沿ってエネルギーを極力消費せずに羽根溝５６から流出する。
また、回転方向前方の径方向内側に形成された内周側面６４は、内周側面６０の凹曲面形状に合わせて凹曲面状に形成され、内周側面６０と同様に、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置している。つまり、内周側面６０、６４の径方向内側は回転方向前方に向かっている。したがって、内周側面６０の径方向内側が回転方向前方に向かうことにより羽根溝５６の容積が減少する一方、内周側面６４の径方向内側が回転方向前方に向かうことにより羽根溝５６の容積は増加している。したがって、羽根溝５６全体としての容積の減少を防止している。

また、内周側面６２、６６と内周面５３との角部７２、７６が角張っているので、角部７２、７６を円弧状にする場合に比べ、羽根溝５６の容積、および羽根溝５６からの旋回流の流出面積を極力大きくすることができる。これにより、羽根溝５６内を流れる燃料量を極力増加し、旋回流のエネルギーを増加できる。また、より多くのエネルギーをポンプ通路の燃料に伝えることができる。

また本実施形態では、羽根溝５６の径方向外側を環状部５２が覆っており、インペラ５０の外周側にポンプ通路が形成されていない。その結果、ポンプ通路で昇圧される燃料圧力がインペラ５０の径方向に直接加わらないので、インペラ５０の径方向に加わる力は小さい。これにより、インペラ５０の回転中心がずれることを防止できるので、インペラ５０が滑らかに回転できる。

（他の実施形態）
上記実施形態では、羽根溝５６の内周側面のうち、回転方向後方の径方向内側に位置する内周側面６０は、径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置し、回転方向後方に傾斜しているが、内周側面６０が凹曲面であれば、内周側面６０の向きは半径方向に沿っていてもよいし、回転方向前方に傾斜していてもよい。

また、内周側面６０に続き内周側面６０の径方向外側に位置する内周側面６２を平面上に形成したが、内周側面６０、６２全体が凹曲面であってもよい。
また、回転方向前方の径方向内側の内周側面６４を内周側面６０の凹曲面形状に合わせて凸曲面形状にしたが、平面にしてもよい。また、内周側面６０に合わせて内周側面６４を回転方向後方に傾斜させたが、内周側面６４の向きは半径方向に沿っていてもよいし、回転方向前方に傾斜していてもよい。

また、内周側面６２、６６と内周面５３との間の角部７２、７６は角張っているが、円弧状にしてもよい。
上記実施形態では、外周側のステータコア２０にコイル２４を巻回し、内周側の回転子３０に永久磁石３６を設置したが、外周側に永久磁石を設置し、内周側の回転子にコイルを巻回して燃料ポンプを構成してもよい。
上記実施形態では、燃料を昇圧する燃料ポンプに本発明のインペラを用いたが、燃料以外の流体を昇圧する流体ポンプのポンプ部に本発明のインペラを用いてもよい。

（Ａ）は本発明の一実施形態によるインペラを示す図４のＩ−Ｉ線断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ方向矢視図である。 本実施形態のインペラを燃料吸入側から見た斜視図である。 羽根溝の拡大図である。 羽根溝部分のインペラを示す断面図である。 本実施形態の燃料ポンプを示す断面図である。 図５のVI−VI線断面図である。

符号の説明

１ 燃料ポンプ（流体ポンプ）、２ モータ部、４ ポンプ部、３０ 回転子、５０ インペラ、５２ 環状部、５６ 羽根溝、６０、６２、６４、６６ 内周側面、７２、７６ 角部（交差部）

Claims (6)

1. 流体ポンプ用のインペラであって、前記インペラの回転方向に沿って形成されるポンプ通路の流体を回転することにより昇圧するインペラにおいて、
   前記ポンプ通路と連通するように回転方向に設けられた複数の羽根溝と、
   周方向に隣接する前記羽根溝の間を仕切る隔壁と、
   前記隔壁と結合し前記羽根溝の径方向外側を覆う環状部と、
   を備え、
   前記羽根溝の回転方向後方に形成された内周側面の径方向内側は、凹曲面であることを特徴とするインペラ。
2. 前記凹曲面は径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に位置していることを特徴とする請求項１記載のインペラ。
3. 前記羽根溝の回転方向前方に形成された内周側面の径方向内側は、凸曲面であることを特徴とする請求項２記載のインペラ。
4. 前記羽根溝の回転方向後方に形成された内周側面の径方向外側は前記凹曲面に続く平面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載のインペラ。
5. 前記羽根溝の回転方向前方および回転方向後方の径方向外側の内周側面と前記環状部の内周面との交差部は角張っていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のインペラ
6. モータ部と、
   前記モータ部の回転駆動力により回転する請求項１から５のいずれか一項記載のインペラと、
   請求項１から５のいずれか一項記載のインペラを回転可能に収容し、前記ポンプ通路を形成するケース部材と、
   を備えることを特徴とする流体ポンプ。
   

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