JP2007224729A - ウォータポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ウォータポンプで流す水を用いて回転軸と軸受けの冷却あるいは潤滑化を行う場合、両者の間にエア溜まりが発生しやすい。
【解決手段】ウォータポンプシステム１０においては、インペラ２０６が回転することで、吸入路２０２から水を吸引して高圧化し、吐出路２０４に吐き出している。インペラ２０６を回転させる回転軸２０８は、その軸受け２１０とともに、水で満たされた貯水槽２０５に設置されている。この貯水槽２０５の端側にバイパス路１２を接続し、吐出路２０４から高圧の水を導き入れる。これにより、導かれた水の一部が軸受け貫通孔２１２を流れて、この付近のエア溜まりを解消する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウォータポンプの構造、特に、回転軸と軸受けを冷却あるいは潤滑化するための技術に関する。

ウォータポンプは、水を主成分とする流体を強制的に吸引・吐出するポンプであり、自動車の冷却機構をはじめとして、各種産業で広く利用されている。ウォータポンプでは、機械的な摩擦を減らして滑らかな回転を確保したり、摩擦により高温化した部分を冷却したりするための液体として、オイルに代えて、ウォータポンプで流す水を使用することがある。この構成においては、しかし、水に混入している空気（あるいは他の気体）がエア溜まりを形成して潤滑化や冷却の効率を低下させる場合がある。

下記特許文献１には、インペラの背面部と前面部との間を貫通し、かつ、前面部側の開口部がインペラの回転方向と反対の方向に開口するエア抜き孔を形成して、インペラの背面部に集まるエアをインペラの前面部側に逃がす技術が開示されている。

実開平５−４７４９３号公報

上記特許文献１の技術は、回転軸及び軸受けを水から隔離し、オイルを用いてその潤滑や冷却を行っている。つまり、ポンプが吸引・排出する水を用いて潤滑化や冷却を行うものではない。

本発明の目的は、ウォータポンプで流す水を用いて回転軸と軸受けの冷却あるいは潤滑化を行う構成において、両者間に発生するエア溜まりを防止することにある。

本発明の別の目的は、ウォータポンプで流す水を用いて回転軸と軸受けの冷却あるいは潤滑化を行う構成の下で、冷却あるいは潤滑化の効果を高めることにある。

本発明のウォータポンプシステムは、水の吸入路と、水の吐出路と、吸入路と吐出路の間に設けられ、回転することにより、吸入路から水を吸い込んで高圧化し吐出路に吐き出すインペラと、インペラの回転中心から伸び、インペラとともに回転する回転軸と、回転軸が挿入される貫通孔を有し、回転軸を回転可能に保持する軸受けと、吐出された水の一部をインペラとは反対側の貫通孔入口側に伸びるバイパス路と、を備え、バイパス路から流れ出る水の一部または全部は、貫通孔を通ってインペラ側に還流する。

ウォータポンプシステムは、水を高圧化して強制送出するシステムである。ここで、水（ウォータ）とは、当業者の間で慣例的に用いられているように、Ｈ₂Ｏを主たる成分とする液体をいい、例えば水に潤滑剤が混入されている液体も含む。水の吸入路は、ウォータポンプに吸入される水が流れる流路であり、水の吐出路は、ウォータポンプから吐出される水が流れる流路である。吸入路と吐出路は典型的には管によって構築される。インペラは、回転によって、吸入路からの水を吸い込み、加圧して吐出路に吐き出す回転翼である。そして、回転軸は、インペラの回転中心から伸びる軸であり、インペラと一体化して、インペラとともに回転する。回転軸は、インペラの一方にのみ伸びていてもよいし、両側に伸びていてもよい。さらに、回転軸は、インペラに回転力を伝えるものであってもよいし、例えばその反対側で、単にインペラを支えて安定化させるものでもよい。ここでは、少なくともインペラの一方の側に伸びた回転軸に本発明の構成を取ることを想定しており、また、回転力の伝達をなすものであるか否かは問わない。

軸受けは、回転軸が挿入される貫通孔を有す。回転軸の挿入深さは特に限定されるものではなく、貫通孔の途中まででもよいし、貫通孔を貫ぬくものであってもよい。貫通孔は、その内壁で回転軸を囲むことにより、回転軸を回転可能に保持する。軸受けは、例えば、管状の部材を用いて構成することができる。ただし、貫通孔の内壁には、水の流れを良くするために、例えば、直線状や螺旋状といった溝を設けてもよいし、外壁と通じるスリットや小孔などを設けてもよい。もちろん、軸受け（そして貫通孔）は、単体の部材ではなく、複数の部材を組み合わせて形成してもよい。

バイパス路は、吐出される水の一部を、インペラとは反対側の貫通孔入口側に導く流路である。取り込まれる水は、吐出された水である。すなわち、単にインペラの回りにこぼれ出た水では足りず、少なくとも貫通孔を経由した循環を可能にする程度に高圧化された水である必要がある。バイパス路の取り入れ口は、典型的には、主たる吐出路の途上に設けられるが、例えば主たる吐出路の取り入れ口に隣接する部分に、主たる吐出路の取り入れ口とは別に設けられるなどしてもよい。バイパス路から貫通孔入口側に導かれた水の少なくとも一部は、貫通孔（における回転軸が挿入されたあとの隙間）を通ってインペラ側に還流する。

この構成によれば、貫通孔に強制的に十分な水を流すことができ、エアが溜まりを解消もしくは縮小することが可能となる。一般に、貫通孔の壁面と回転軸との間に働く摩擦が大きいと、滑らかな回転が妨げられるとともに発熱して高温化してしまう。しかし、本ウォータポンプシステムでは、十分な水を流して摩擦を小さくするため、回転の円滑化と発熱防止を図ることができ、また、冷却作用も増大させることができる。しかも、還流する水の量はインペラの回転数に応じて増大するため、インペラの回転とともに摩擦が大きくなっても、摩擦に伴う問題は顕在化しにくくなるものと期待できる。

本発明のウォータポンプシステムの一態様においては、インペラの背後には、水が溜められる貯水槽が設けられ、回転軸と軸受けは、貯水漕内に設置され、バイパス路は、貯水槽におけるインペラとは反対側の貫通孔入口側に連結されている。貯水槽には、貫通孔以外にも還流する流路があってもよく、これにより広範囲な部分の冷却が可能となる。この場合、貫通孔のインペラとは反対側の入口形状を末広がりにするなど、貫通孔に水が流れやすい構造を設けることも有効であろう。

本発明のウォータポンプシステムの一態様においては、バイパス路は貫通孔入口に伸び、バイパス路から流れ出る水の全部が貫通孔を通ってインペラ側に還流する。これにより、確実に貫通孔に水を流すことが可能となる。

［参考例］
図４は、本実施の形態における参考例としてのウォータポンプシステム２００の概略を示す断面図である。ウォータポンプシステム２００は、水が流れる管である吸入路２０２及び吐出路２０４を含んでおり、両者はほぼ直交する角度で連結されている。そして、この連結部分の背後には、水が溜まりうる貯水槽２０５が設けられている。吸入路２０２と吐出路２０４が連結された部分には、吸入路２０２から水を吸い込み、吐出路２０４に水を吐き出すインペラ（回転翼）２０６が設けられている。

インペラ２０６の背後には、インペラ２０６に一体的に取り付けられた回転軸２０８が回転中心に沿って貯水槽２０５内に伸びている。また、貯水槽２０５内には、軸受け２１０が設置されている。軸受け２１０は、貫通孔２１２を備えた円筒形状の部材であり、貫通孔２１２を貫ぬく回転軸２０８を回転可能に保持している。貫通孔２１２の大きさは特に限定されないが、一例を挙げれば、その直径は約１０ｍｍ、貫通孔２１２と軸受け２１０との間の空間は約１ｍｍ、貫通孔２１２の長さは約３０ｍｍである。貯水槽２０５内には、さらに、磁石２１４が回転軸２０８におけるインペラ２０６とは反対側の端に取り付けられて配置されている。磁石２１４のさらに先には、貯水槽２０５の壁面をなす分離壁２１６があり、分離壁２１６の外側には回転磁界発生部２１８が設けられている。回転磁界発生部２１８は、電力供給を受けて、回転磁界を発生させる装置である。回転磁界発生部２１８は、発生させた回転磁界により、分離壁２１６を挟んで対向する磁力により磁石２１４、そして回転軸２０８及びインペラ２０６を回転駆動する。

貯水槽２０５内には、このように、回転軸２０８と、その先端に取り付けられた磁石２１４、そして回転軸２０８を保持する軸受け２１０が収納されている。しかし、貯水槽２０５内には、十分に空き空間があり、例えば、軸受け２１０の周囲には隙間２２０が存在する。そして、これらの空き空間は、インペラ２０６付近から流れ込む水によって満たされている。

続いて、このウォータポンプシステム２００の動作について簡単に説明する。このウォータポンプシステム２００では、回転磁界発生部２１８が回転磁界を発生させる。磁石２１４はこの回転磁界に追随して回転し、同時に磁石２１４に接続された回転軸２０８と、回転軸２０８に接続されたインペラ２０６が回転を行う。インペラ２０６が回転すると、インペラ２０６付近の水は、高圧化されて吐出路２０４に吐き出される。そして、吐き出された水を補償するように、インペラ２０６付近には、吸入路２０２から新たな水が吸入される。さらには、インペラ２０６を連続的に回転させることで、吸入路２０２から吐出路２０４へ向かう慣性の効果も生じて、大量の水が吐出路２０４に吐き出されるようになる。

軸受け２１０は、この間、回転する回転軸２０８を支え続けている。ゆえに、軸受け２１０と回転軸２０８は互いに接触し、これにより回転軸２０８は摩擦による抵抗を受ける他、両者には摩擦熱が発生する。

貯水槽２０５に満たされた水は、この抵抗力を減らす役割と、発生した熱を奪い去る役割とを果たしている。貯水槽２０５には、例えば、インペラ２０６の影響を受けて、新たな水が隙間２２０などを経由して流れ込み、それを補償するように、貯水槽２０５内の水が貫通孔２１２を通ってインペラ２０６側に還流する。

しかし、隙間２２０から流れこむ水は、インペラ２０６の構造上、あまり圧縮されたものではなく、また加速されたものでもない。つまり、貯水槽２０５内では、水が圧力的にほぼバランスした状態にあり、必ずしも十分な水が流れ込まず、また流れ出て行かない。その一方で、吸入路２０２から時折流れ込む水に空気が混入していると、貯水槽２０５の壁面や、貫通孔２１２などにエア溜まりが形成されることとなる。エア溜まりは、貯水槽２０５内の水流が十分なものであれば水と一緒に速やかに吐き出されるが、水流が遅いと、なかなか消失せず、むしろ次のエアと結合して大きくなる場合さえある。

貫通孔２１２に発生したエア溜まりは、水による潤滑効果や、冷却効果を失わせる。そして、ウォータポンプシステム２００の機能低下、寿命短縮、あるいは消費電力増加などを招くことになる。そこで、貫通孔２１２に十分な水が流れるような構造が求められることとなる。

［実施例１］
図１は、実施例１の態様を示す図であり、図４に対応する図である。図１においては、図４と同様の構成には同一の番号を付しており、その説明を簡略化する。

図１に示したウォータポンプシステム１０においては、吐出路２０４の途上から、貯水槽２０５の分離壁２１６付近に、バイパス路１２が設けられている。このため、吐出路２０４を流れる高圧化された水の一部が、バイパス路１２を通って、貯水槽２０５の分離壁２１６付近に流れ込む。そして、流れ込んだ水の一部は、これを貫通孔入口１４（貫通孔２１２のインペラ２０６とは反対側の口）から、貫通孔出口１６（貫通孔２１２のインペラ２０６側の口）に向かって、貫通孔２１２を流れる。

この結果、貫通孔２１２に生じたエア溜まりは速やかに押し流されて解消される。つまり、長時間にわたって貫通孔２１２にエア溜まりが形成されることはなく、回転軸２０８の速やかな回転が実現するとともに、効率のよい冷却化が行われる。なお、バイパス路１２の太さは、貫通孔２１２に十分な量の水を流すことができ、かつ、吐出路２０４に流れる水の勢いを妨げないように理論的あるいは実験的に定めればよい。

［実施例２］
図２は、実施例２の態様を示す図であり、図１及び図４に対応する図である。図２においては、図１及び図４と同様の構成には同一の番号を付しており、その説明を簡略化する。

図２に示したウォータポンプシステム３０においては、図１に示したウォータポンプシステム１０と同様に、吐出路２０４の途上から貯水槽２０５にバイパス路３２が設けられている。ただし、このバイパス路３２は、貫通孔入口３４付近に水を直接的に導くように貯水槽２０５に接続されている。また、貫通孔入口３４付近では、軸受け２１０に末広部３６が形成されており、バイパス路３２からの水が貫通孔入口３４に流れ込みやすくなるように工夫されている。したがって、図１に示したウォータポンプシステム１０よりも（他の条件が同じであれば）貫通孔２１２に水が流れ易くなっている。

［実施例３］
図３は、実施例３の態様を示す図であり、図１、図２及び図４に対応する図である。図３においては、図１、図２及び図４と同様の構成には同一の番号を付しており、その説明を簡略化する。

図３に示したウォータポンプシステム５０においては、図１に示したウォータポンプシステム１０と同じバイパス路１２が設けられている。しかし、ウォータポンプシステム１０に設けられた軸受け２１０は、周囲に隙間２２０が確保される程度に細長かったのに対し、ウォータポンプシステム５０に設けられた軸受け５２は、貯水槽２０５の壁面に密着するように幅広に作られている。したがって、バイパス路１２から流れ込む水は、貫通孔２１２を通らなければインペラ２０６の側に還流できない。つまり、ウォータポンプシステム５０では、吐出路２０４から流れ込む水が全て貫通孔２１２を通って還流するような流路が形成されている。

このウォータポンプシステム５０では、同条件であれば、図１や図２の例に比べて、貫通孔２１２を流れる水の量を多くできるものと期待できる。また、図１や図２の例と同程度の水を貫通孔２１２に流すのであれば、バイパス路１２の径を小さくすることが可能となる。

本発明は、ここに示した実施例に限定されるものではない。例えば、吐出路２０４や貯水槽２０５に取り付けるバイパス路の角度を変更することで、吐出された水の勢い（運動エネルギ）をあまり低下させることなく貫通孔２１２に導くことができるであろう。また、ここでは、電動式のウォータポンプの一例を挙げて説明を行ったが、機械的に駆動されるウォータに対してもこれらの構成を採用することができる。

実施例１のウォータポンプシステムの概略を示す断面図である。 実施例２のウォータポンプシステムの概略を示す断面図である。 実施例３のウォータポンプシステムの概略を示す断面図である。 参考例となるウォータポンプシステムの概略を示す断面図である。

符号の説明

１０，３０，５０，２００ ウォータポンプシステム、１２ バイパス路、１４ 貫通孔入口、１６ 貫通孔出口、３２ バイパス路、３４ 貫通孔入口、３６ 末広部、５２ 軸受け、２０２ 吸入路、２０４ 吐出路、２０６ インペラ、２０８ 回転軸、２１０ 軸受け、２１２ 貫通孔、２１４ 磁石、２１６ 分離壁、２１８ 回転磁界発生部、２２０ 隙間。

Claims (3)

1. 水の吸入路と、
   水の吐出路と、
   吸入路と吐出路の間に設けられ、回転することにより、吸入路から水を吸い込んで高圧化し吐出路に吐き出すインペラと、
   インペラの回転中心から伸び、インペラとともに回転する回転軸と、
   回転軸が挿入される貫通孔を有し、回転軸を回転可能に保持する軸受けと、
   吐出された水の一部をインペラとは反対側の貫通孔入口側に伸びるバイパス路と、
   を備え、
   バイパス路から流れ出る水の一部または全部は、貫通孔を通ってインペラ側に還流する、ことを特徴とするウォータポンプシステム。
2. 請求項１に記載のウォータポンプシステムにおいて、
   インペラの背後には、水が溜められる貯水槽が設けられ、
   回転軸と軸受けは、貯水漕内に設置され、
   バイパス路は、貯水槽におけるインペラとは反対側の貫通孔入口側に連結されている、ことを特徴とするウォータポンプシステム。
3. 請求項１に記載のウォータポンプシステムにおいて、
   バイパス路は貫通孔入口に伸び、バイパス路から流れ出る水の全部が貫通孔を通ってインペラ側に還流する、ことを特徴とするウォータポンプシステム。

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