JP2008144717A - 流体ポンプ及び樹脂製品 - Google Patents

Abstract

【課題】ボディとポンプカバーを精度良く強固に固定することで回転軸の両端を支持することを可能とする。
【解決手段】本発明の流体ポンプ１０は、ボディ１２と、ボディ１２に固定されたポンプカバー５０と、ボディ１２とポンプカバー５０によって形成されるポンプ室内に配置され、その一端がボディ１２に回転可能に支持される一方でその他端がポンプカバー５０に回転可能に支持される回転軸４６と、回転軸４６に固定されたインペラ４３と、を備えている。ボディ１２のポンプカバー側の端部とポンプカバー５０のボディ側の端部とは全周にわたって軸方向に重なり合うように嵌合しており、その嵌合部同士が全周にわたって溶着されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車等のエンジンやインバータ等を冷却する冷却水を循環するために用いられる流体ポンプに関する。

この種の流体ポンプでは、ボディとボディに固定されたポンプカバーによってポンプ室が形成されている。ポンプ室内には、回転軸とインペラが収容されている。ポンプ室の中心には回転軸が配され、この回転軸回りにインペラが回転可能となっている。インペラには磁石部が設けられ、ポンプ室外の磁石部と対向する位置にはステータが配置されている。外部電源からステータに駆動電力が供給されると、ステータからインペラを回転駆動するための磁力が発生する。これによってインペラが回転駆動されると、ポンプ室内に流体が吸入されて昇圧され、昇圧された流体がポンプ室から吐出される。
この種の流体ポンプに関する先行技術文献としては特許文献１がある。

特開２００５−３６７４６号公報

ところで、この種の流体ポンプでは、運転中に吐出流量等が変化すると、流体からインペラに作用する外力が変化し、インペラが回転軸回りに振動することがある。特に、上述した従来の流体ポンプでは、回転軸の一端がボディに片持ち支持されているため、インペラの回転軸回りの振動が発生しやすい。インペラの回転軸回りの振動は異音の原因となる。そこで、インペラの回転軸回りの振動を抑制するために、回転軸の両端を支持する構造が検討されている。回転軸の両端を支持するためには、回転軸の一端をボディで支持し、回転軸の他端をポンプカバーで支持しなければならない。このため、ボディの中心軸（回転軸を支持する部位）とポンプカバーの中心軸（回転軸を支持する部位）とが同一直線上となるように、ボディとポンプカバーを固定する必要がある。
しかしながら、ボディとポンプカバーを固定することによって形成されるポンプ室には高圧の流体が導入されることから、ボディとポンプカバーとの結合部には充分な結合強度が要求される。このために従来は、ボディ側の結合面とポンプカバー側の結合面を軸方向に対して略垂直に形成し、ボディに対してポンプカバーを軸直角方向（径方向）に振動させてボディとポンプカバーを溶着していた。このような方法で溶着すると、溶着時にボディに対するポンプカバーの径方向の位置が変化するため、ボディに対してポンプカバーを径方向に精度よく溶着することができない。したがって、現在のところ、回転軸の両端を支持する構造を採用した流体ポンプは実現されていない。

本発明は、上記問題点に鑑みて創作されたものであり、ボディとポンプカバーを径方向に精度良く強固に固定することで回転軸の両端を支持することを可能とし、回転軸回りの振動を抑制することができる技術を提供することを目的とする。

本発明の流体ポンプは、ボディと、ボディに固定されるポンプカバーと、ボディとポンプカバーによって形成されるポンプ室内に配置され、その一端がボディに回転可能に支持される一方でその他端がポンプカバーに回転可能に支持される回転軸と、回転軸に固定されたインペラと、を備えている。そして、ボディのポンプカバー側の端部とポンプカバーのボディ側の端部とは全周にわたって軸方向に重なり合うように嵌合しており、その嵌合部同士が全周にわたって溶着されている。
この流体ポンプでは、ボディとポンプカバーの両端部が全周にわたって軸方向に重なり合うように嵌合する。このため、ボディとポンプカバーの両端部が嵌合した状態では、ボディに対してポンプカバーが径方向に移動することが規制される。したがって、ボディとポンプカバーの両端部が嵌合した状態で両者を溶着することで、ボディとポンプカバーを径方向に精度良く溶着することができる。また、嵌合部同士を全周にわたって溶着されるため、両者を強固に溶着することができる。これによって、回転軸の両端を支持する構造を採ることができ、回転軸回りのインペラの振動を抑制することができる。

上記の流体ポンプにおいては、嵌合部同士がレーザ溶接によって溶着されていることが好ましい。レーザ溶接を用いると、ボディとポンプケーシングを静止した状態で溶着することができる。このため、両者をより精度良く溶着することができる。

嵌合部同士をレーザ溶接する場合は、ボディの嵌合部とポンプカバーの嵌合部の一方を弾性変形可能な突出片とし、他方を突出片を案内するガイド面とすることができる。そして、ボディとポンプカバーが嵌合した状態では、ポンプカバーがボディに対して押付けられることで弾性変形した突出片がガイド面に密着していることが好ましい。このような構成によると、密着している突出片とガイド面をレーザ溶接によって溶着するため、溶着強度をより向上することができる。

なお、上記の流体ポンプにおいては、ボディのポンプカバー側の端部とポンプカバーのボディ側の端部の一方には、他方の端部が当接する当接部が形成されており、他方の端部が当接部に当接することでボディに対してポンプカバーが軸方向に位置決めされていることが好ましい。このような構成によると、ボディとポンプカバーの軸方向の位置精度が向上するため、インペラとポンプ室内壁面とのクリアランスを小さくすることができる。これによって、ポンプ効率を向上することが可能となる。

また、本願は、２つの樹脂部材で形成される内部空間に配置された回転軸を両端で支持することができる新規な樹脂製品を提供する。すなわち、本願の樹脂製品は、樹脂製の第１部材と、第１部材に固定される樹脂製の第２部材と、第１部材と第２部材によって形成される内部空間に配置され、その一端が第１部材に回転可能に支持される一方でその他端が第２部材に回転可能に支持される回転軸と、を備えている。第１部材の第２部材側の端部と第２部材の第１部材側の端部の一方には、凸状部が全周にわたって形成されており、他方には凸状部が嵌合する凹状部が全周にわたって形成されている。そして、第１部材と第２部材が固定された状態では、第１部材が第２部材に対して押付けられることで凸状部と凹状部の少なくとも一方が弾性変形して両者が軸方向に重なり合うように密着し、かつ、その密着した部位が溶着されている。
この樹脂製品でも、凸状部と凹状部が軸方向に重なりあうように嵌合するため、第１部材と第２部材とを径方向に精度良く溶着することができる。また、凸状部と凹状部の少なくとも一方が弾性変形して両者が密着しているため、両者を溶着したときの溶着強度を高めることができる。このため、第１部材と第２部材によって回転軸の両端を支持する構造を採ることができ、回転軸の軸回りの振動を抑制することができる。

また、上記の樹脂製品においては、凸状部と凹状部の一方には、第１部材に対して第２部材を軸方向に位置決めするストッパ手段が形成されていることが好ましい。ストッパ手段が形成されることで、第１部材と第２部材を軸方向に精度良く溶着することができる。

上記の流体ポンプにおいても、凸状部と凹状部はレーザ溶接によって溶着されていることが好ましい。レーザ溶接を用いることで、両者を静止した状態で溶着することができ、両者をより精度良く溶着することができる。また、凸状部と凹状部は密着しているため、レーザ溶接時の気泡の発生が抑えられ、両者を強固に溶着することができる。
なお、回転軸には回転軸に対して対称な形状を有する回転体が固定することができる。

本発明の一実施形態に係る流体ポンプについて、図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係る流体ポンプ１０の縦断面図である。流体ポンプ１０は、自動車等のエンジンを冷却する冷却水を循環するために用いられ、自動車のエンジンルーム内に設置される。まずは、流体ポンプ１０の全体構成について説明する。

図１に示すように、流体ポンプ１０は、ボディ１２と、ボディ１２に固定されたポンプカバー５０を備えている。ボディ１２及びポンプカバー５０は、ともに樹脂材料（例えば、ナイロン樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、これらの樹脂にガラス繊維を混入したもの等）で製作されている。ボディ１２の上部には円柱状の凸部１５が形成されている。凸部１５の中央にはシャフト収容部１６ａが設けられている。シャフト収容部１６ａには軸受け４８が固定されている。ボディ１２と軸受け４８は、インサート成形によって一体に成形することができる。軸受け４８にはシャフト４６の下端が回転可能に支持されている。シャフト４６の上端部は凸部１５の上面より上方に突出している。シャフト４６には、インペラ４３（後で詳述する）が一体化されている。

凸部１５の外周には円筒状に外壁１７が形成されている。凸部１５と外壁１７は同心状に配置されている。凸部１５と外壁１７によって、上方が開放された円環状の溝２０が形成されている。溝２０にはインペラ４３の円筒部４０が収容されるようになっている。
ボディ１２の側方にはコネクタ２１が形成されている。コネクタ２１には電気配線２８の一端が接続されている。電気配線２８の他端は回路基板２３に接続されている。コネクタ２１には図示省略した外部電源を接続することができる。外部電源からの電力は、電気配線２８を介して回路基板２３に供給されるようになっている。

ボディ１２の外壁１７の上端には、ポンプカバー５０の下端が溶着されている。ボディ１２とポンプカバー５０との溶着構造については後で詳述する。ポンプカバー５０には吸入ポート５１と吐出ポート（図示省略）が形成されている。ボディ１２とポンプカバー５０によって形成される内部空間（すなわち、外壁１７，凸部１５及びポンプカバー５０によって形成される内部空間）がポンプ室として機能している。ポンプカバー５０の下面中央には軸受け５６が固定されている。ポンプカバー５０と軸受け５６は、インサート成形によって一体に成形することができる。軸受け５６にはシャフト４６の上端が回転可能に支持されている。

ポンプ室にはインペラ４３が配置される。インペラ４３はシャフト４６に対して対称な形状を有している。インペラ４３は、略円筒状の円筒部４０と、円筒部４０の上端を閉じる羽根部４４を備えている。円筒部４０は、磁石４１と、磁石４１の外周側に配されたヨーク４２を備えている。磁石４１は、ポンプカバー５０の凸部１５に対向している。羽根部４４には複数枚のフィンが設けられている。羽根部４４の中心をシャフト４６が貫通している。インペラ４３は、シャフト４６、磁石４１及びヨーク４２を金型内に配置し、その金型内に合成樹脂（例えば、プラスチック等）を射出することによって一体に成形することができる。インペラ４３と軸受け５６の間にはワッシャ５４が配設されている。ワッシャ５４によって、インペラ４３と軸受け５６が直接接触しないようになっている。
シャフト４６の両端が軸受け４８，５６に支持された状態では、インペラ４３の内面（円筒部４０の内周面及び羽根部４４の下面）とボディ１２の凸部１５の間には隙間が形成される。また、インペラ４３の円筒部４０の外周面とボディ１２の外壁１７の間にも隙間が形成される。このため、ポンプ室内の冷却水がこれらの隙間を通ってボディ１２の凸部１５の表面に接触するようになっている。

ボディ１２の内部には基板収容部１４が形成されている。凸部１５の内部にはステータ収容部１６が形成されている。ステータ収容部１６の下方は基板収容部１４と連通している。これによって、回路基板２３を収容する１つの収容空間が形成されている。
基板収容部１４の下方は開放されており、基板収容部１４の下方からボディ１２内に回路基板２３が差し込まれている。回路基板２３がボディ１２の内部に差し込まれると、ステータ収容部１６にステータ３３が収容され、基板収容部１４に基板２４が収容される。ボディ１２内に回路基板２３が収容された状態で、基板収容部１４の下端が蓋５２によって閉じられている。蓋５２によって基板収容部１４の下端を閉じることで、基板収容部１４内に異物や水分等が浸入することが防止されている。

回路基板２３は、基板２４と、基板２４に固定されたステータ３３を有する。ステータ３３は、ステータコア３４とステータコイル３５を備えている。ステータコア３４は、プレス加工などで得られた薄い鋼板（例えば、ケイ素鋼板）を積層することによって構成されている。ステータコア３４には複数のスロットが形成されている。ステータコア３４の中央には嵌合穴３４ａが形成されている。ステータ３３がステータ収容部１６に収容された状態では、嵌合穴３４ａに凸部１５に形成されたシャフト収容部１６ａが嵌合する。これによって、ステータ収容部１６内の所定の位置にステータ３３が位置決めされる。ステータ３３がステータ収容部１６内に位置決めされた状態では、ステータ３３の外周面がインペラ４３の円筒部４０の内周面と対向している。
ステータコア３４の下端にはターミナル３７の上端が固定されている。ターミナル３７の下端は、基板２４のターミナル用ランド（図示省略）に半田付けされている。これによって、ステータ３３は基板２４に固定されている。ステータコイル３５は、ステータコア３４の各スロットに巻回されている。ステータコイル３５の巻線の一端はターミナル３７に接続されている。

基板２４の下面（反ステータ３３側の面）には、パワートランジスタ、パワーダイオード、チョークコイル等の電子部品２５が実装されている。パワートランジスタは、ステータコイル３５への電力供給を切り替えるスイッチング素子である。パワーダイオードは電力供給切替時のサージ電圧吸収用素子である。チョークコイルは電力供給切替時に発生するノイズを除去するフィルタである。
なお、基板２４の上面にも、図示しないチップトランジスタやチップ抵抗等の電子部品が実装されている。図１から明らかなように、基板２４の上面には比較的小型の電子部品が実装されており、基板２４の下面には比較的大型の電子部品２５が実装されている。

上述した流体ポンプ１０では、回路基板２３からステータ３３の各ステータコイル３５に順に電力が供給される。これによって、各ステータコイル３５から順に磁力が発生し、その磁力がインペラ４３の円筒部４０に作用し、インペラ４３が回転する。インペラ４３が回転すると、吸入ポート５１からポンプ室内に冷却水が吸入される。吸入された冷却水は、インペラ４３の回転によって昇圧され、吐出ポートから吐出される。

次いで、ボディ１２とポンプカバー５０とを溶着するための構造及びその手順について説明する。上述したように、本実施形態では、シャフト４６の下端がボディ１２の軸受け４８に回転可能に支持され、シャフト４６の上端がポンプカバー５０の軸受け５６に回転可能に支持される。このため、ボディ１２とポンプカバー５０は、軸受け４８と軸受け５６が同軸となるように溶着しなければならない。そこで、本実施形態では、ボディ１２の上端とポンプカバー５０の下端を嵌合し、両者の位置関係が変化しないように維持した状態で両者を溶着している。

まず、ボディ１２にポンプカバー５０を嵌合させるための構造について説明する。図４，５に拡大して示すように、ボディ１２の外壁１７の上端には鍔部１７ｄとガイド部１７ｂが形成されている。鍔部１７ｄとガイド部１７ｂは、外壁１７の全周にわたって形成されている。鍔部１７ｄは、外壁１７の上端から外側に向かって略垂直に伸び、鍔部１７ｄの上面１７ａは略水平となっている。ガイド部１７ｂは、鍔部１７ｄの先端から上方に向かって伸びている。ガイド部１７ｂは、先端に向かって徐々に肉厚が薄くなっている。ガイド部１７ｂの外周面１７ｃは、円錐状（円錐をその中間で輪切りにしたときに、その側面によって形成される形状）に形成されている。
一方、ポンプカバー５０の下端には、ポンプ室を形成する壁６０の外周面から斜め下方に伸びる係止片６２が形成されている。係止片６２は、壁６０の全周にわたって形成されている。係止片６２は、壁６０の下端６０ａより上方の位置で壁６０に接続している。係止片６２の肉厚Ｔ２は、壁６０の肉厚Ｔ１より薄くされている。このため、係止片６２は、壁６０と比較して外力に対して大きく変形できるようになっている。また、係止片６２の内周面６２ａの形状は、ガイド部１７ｂの外周面１７ｃの形状よりわずかに小さく形成されている。このため、係止片６２の下端６２ｂの内径は、ガイド部１７ｂの中間部（接触部）の外径よりわずかに小さい。

図４に示すように、ボディ１２とポンプカバー５０が嵌合した状態では、ボディ１２のガイド部１７ｂがポンプカバー５０の壁６０と係止片６２の間に嵌り込んでいる。係止片６２の内周面６２ａはガイド部１７ｂの外周面１７ｃよりわずかに小さく形成されているため、係止片６２はガイド部１７ｂの外周面１７ｃに倣って外側に弾性変形している。このため、係止片６２の内周面６２ａとガイド部１７ｂの外周面１７ｃは、係止片１７ｃの復元力によって強く密着している。なお、係止片６２が請求項３でいう「突出片」に相当し、ガイド部１７ｂの外周面１７ｃが請求項３でいう「ガイド面」に相当する。また、ガイド部１７ｂが請求項５でいう「凸状部」に相当し、ガイド部１７ｂが嵌合する隙間を形成する壁６０と係止片６２が「凹状部」に相当する。
また、ボディ１２とポンプカバー５０が嵌合した状態では、壁６０の下端６０ａが鍔部１７ｄの上面１７ａに当接している。これによって、ボディ１２とポンプカバー５０の軸方向の位置が規制されている。

次に、ボディ１２とポンプカバー５０を溶着する手順について説明する。まず、図３に示すように、ボディ１２の軸受け４８にシャフト４６の下端を挿し込み、シャフト４６の上端にはワッシャ５４を取付ける。次いで、図２に示すように、シャフト４６の上端がポンプカバー５０の軸受け５６に挿し込まれるように、ポンプカバー５０をボディ１２に向かって移動させる。すると、上述したように、ポンプカバー５０の係止片６２の内周面６２ａとボディ１２のガイド部１７ｂの外周面１７ｃとが密着し、また、ポンプカバー５０の壁６０の下端６０ａがボディ１２の鍔部１７ｄの上面１７ａに当接する。この状態では、係止片６２とガイド部１７ｂは全周にわたって軸方向に重なり合うように密着するため、ボディ１２に対してポンプカバー５０が径方向に位置決めされる。したがって、ボディ１２側の軸受け４８とポンプカバー５０側の軸受け５６とが同軸に配置される。また、壁６０の下端６０ａと鍔部１７ｄの上面１７ａが当接するため、ボディ１２に対してポンプカバー５０が軸方向に位置決めされる。
次に、ボディ１２に対してポンプカバー５０が位置決めされ、かつ、静止した状態で、外側から係止片６２にレーザ光を照射することで、係止片６２とガイド部１７ｂをレーザ溶接によって溶着する。レーザ溶接は、係止片６２とガイド部１７ｂの全周にわたって行われる。上述したように、係止片６２の内周面６２ａとガイド部１７ｂの外周面１７ｃが密着しているため、レーザ溶接時に気泡が発生することが抑制され、両者を充分な強度で溶着することができる。

上述した流体ポンプ１０では、ボディ１２のガイド部１７ｂとポンプカバー５０の係止片６２を嵌合させ、ボディ１２とポンプカバー５０の径方向の位置が変化しない状態で両者をレーザ溶接によって溶着する。これによって、ボディ１２側の軸受け４８とポンプカバー５０側の軸受け５６とが同軸上に配置することが可能となり、ボディ１２とポンプカバー５０によってシャフト４６の両端を支持することができる。このため、インペラ４３のシャフト４６回りの振動を効果的に抑制することができる。
また、ボディ１２のガイド部１７ｂとポンプカバー５０の係止片６２を嵌合した状態では、ボディ１２とポンプカバー５０の軸方向の位置が規制され、その状態でボディ１２とポンプカバー５０が溶着される。このため、インペラ４３の羽根部４４とポンプカバー１２との隙間を小さく設定することができ、流体ポンプ１０のポンプ効率を向上することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
例えば、上述した実施例では、ボディ１２側にガイド部１７ｂを設け、ポンプカバー５０側に係止片６２を設けた。しかしながら、本発明はこのような形態に限られず、ボディ１２側に係止片を設け、ポンプカバー５０側にガイド部を設けるようにしてもよい。
また、ガイド部と密着する係止片の形状は種々の形態を採ることができる。例えば、図７に示すような形状の係止片７４を形成してもよい。このような形状であっても、ガイド部８０ｂの外周面８０ｃに倣って係止片７４が弾性変形することで、ガイド部８０ｂの外周面８０ｃと係止片７４の内周面７４ａを密着させることができる。これによって、両者を精度よく、かつ、強固に溶着することができる。
なお、上述した実施例は流体ポンプに関するものであったが、本発明は流体ポンプ以外の樹脂製品にも適用することができる。例えば、ＤＣモータのモータ部あるいは電磁弁部等にも適用することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施形態に係る流体ポンプの縦断面図である。 流体ポンプの基板収容部に回路基板を収容する前の状態を示す図。 流体ポンプのボディにインペラを組付ける手順を説明するための図。 ボディとポンプボディの嵌合部を拡大して示す図（嵌合状態）。 ボディとポンプボディの嵌合部を拡大して示す図（嵌合する前の状態）。 ボディとポンプボディの嵌合部の他の例を拡大して示す図（嵌合状態）。 ボディとポンプボディの嵌合部を他の例を拡大して示す図（嵌合する前の状態）。

符号の説明

１０：流体ポンプ
１２：ボディ
３３：ステータ
４３：インペラ
４０：円筒部
４６：シャフト
５０：ポンプカバー

Claims (8)

1. ボディと、
   ボディに固定されるポンプカバーと、
   ボディとポンプカバーによって形成されるポンプ室内に配置され、その一端がボディに回転可能に支持される一方でその他端がポンプカバーに回転可能に支持される回転軸と、
   回転軸に固定されたインペラと、を備えており、
   ボディのポンプカバー側の端部とポンプカバーのボディ側の端部とは全周にわたって軸方向に重なり合うように嵌合しており、その嵌合部同士が全周にわたって溶着されていることを特徴とする流体ポンプ。
2. 嵌合部同士がレーザ溶接によって溶着されていることを特徴とする請求項１の流体ポンプ。
3. ボディの嵌合部とポンプカバーの嵌合部の一方は弾性変形可能な突出片であり、他方は突出片を案内するガイド面であり、
   ボディとポンプカバーが嵌合した状態では、ポンプカバーがボディに対して押付けられることで弾性変形した突出片がガイド面に密着していることを特徴とする請求項１又は２の流体ポンプ。
4. ボディのポンプカバー側の端部とポンプカバーのボディ側の端部の一方には、他方の端部が当接する当接部が形成されており、他方の端部が当接部に当接することでボディに対してポンプカバーが軸方向に位置決めされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの流体ポンプ。
5. 樹脂製の第１部材と、
   第１部材に固定される樹脂製の第２部材と、
   第１部材と第２部材によって形成される内部空間に配置され、その一端が第１部材に回転可能に支持される一方でその他端が第２部材に回転可能に支持される回転軸と、を備えており、
   第１部材の第２部材側の端部と第２部材の第１部材側の端部の一方には凸状部が全周にわたって形成されており、他方には凸状部が嵌合する凹状部が全周にわたって形成されており、
   第１部材と第２部材が固定された状態では、第１部材が第２部材に対して押付けられることで凸状部と凹状部の少なくとも一方が弾性変形して両者が軸方向に重なり合うように密着し、かつ、その密着した部位が溶着されていることを特徴とする樹脂製品。
6. 凸状部と凹状部の一方には、第１部材に対して第２部材を軸方向に位置決めするストッパ手段が形成されていることを特徴とする請求項５の樹脂製品。
7. 凸状部と凹状部はレーザ溶接によって溶着されていることを特徴とする請求項６又は７の樹脂製品。
8. 回転軸に固定されており、回転軸に対して対称な形状を有する回転体をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれかの樹脂製品。

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