JP2010053857A - 燃料ポンプ用不等ピッチインペラ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は燃料ポンプ用不等ピッチインペラに関する。
【解決手段】本発明は複数の羽を有する燃料ポンプ用インペラにおいて、上記羽と羽の間の増分角度（Δθｉ）は下記の数学式により設定され、増分角度の最大値（ＭＡＸ）と最小値（ＭＩＮ）は２°≦ＭＡＸ−ＭＩＮ≦６°の範囲であることを特徴とする燃料ポンプ用インペラを提供する。
【数１】

ここで、Ｎは全体羽の数（Ｎ：２、３、５、７、１１、１３、１７、．．．）、Ａ_ｍは羽同士の間隔（等分角）の分布の大きさ（０＜Ａ_ｍ＜３６０／Ｎ）、ｉは羽の順番（ｉ＝１、２、３、．．．、Ｎ）、Ｐ_１及びＰ_２は周期に影響を与える要素（０＜Ｐ_１＜Ｎ、０≦Ｐ_１≦Ｎ）を意味する。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料ポンプ用不等ピッチインペラに関するもので、より詳しくは、燃料ポンプに使用されるインペラの羽を不等ピッチに配列することにより、インペラの回転により発生し得る高周波ノイズを減少させ、不等間隔のために発生する脈動音を最小化するようにする燃料ポンプ用不等ピッチインペラに関する。

流体吸排装置中内燃機関の燃料供給装置において、円板上に形成され外周縁に羽（Ｉｍｐｅｌｌｅｒ）を有する回転部材が回転して、流体である燃料を吸入または排出する燃料ポンプが広く知られている。

図１のように、燃料ポンプは上部及び下部ハウジングを有するポンプハウジング１０２と、ポンプハウジング内に回転可能に設けられるデスク状のインペラ１０１、インペラを回転させるための駆動モータ１０３を含んでいる。

一般に、このような燃料ポンプのインペラは外周縁に設けられる複数の羽が等ピッチ、すなわち同一の間隔に配置され、回転部材が回転するとき回転部材を収容するハウジング側に設けられ、燃料吸入口と吐出口の間の羽に近接する隔壁を羽が一定時間おきに通過する。これにより、羽数（または回転部材の回転数）に相当する所定の周波数帯、すなわち、ＢＰＦ（Ｂｌａｄｅ Ｐａｓｓｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）という周波数帯で音圧（ノイズ）ピーク（Ｐｅａｋ）が発生する。

このような問題を解決するため、羽の間隔が一定な間隔にならないよう羽間隔を乱数に配置した流体吸排装置が特許文献１に開示されている。しかし、特許文献１に開示された流体吸排装置は羽を乱数配列で配置するため、図２に図示されたのように羽が集中する現象が発生するようになる。

また、図３に図示されたのように、羽と近接する隔壁（Ｃｕｔ−ｏｆｆ ｏｒ Ｔｏｎｇｕｅ）を通過する羽の時間の間隔が散らばらず重畳して、回転部材の回転次数周波数のｎ倍に重なる音圧ピークが発生したり、場合によって音圧ピークの周波数帯で共振によるノイズの増大が発生するという問題がある。

このような問題を解決すべく、特定区間の増分角度の平均が全体平均と類似するようにするため羽の角度の和（Ｓｍ）が（３６０／ｋ）−１０≦Ｓｍ≦（３６０／ｋ）＋１０（ｋ＝２、３、４）になるようにしてノイズを減らすことができる流体吸排装置が特許文献２に開示されている。

しかし、このような従来の技術による流体吸排装置は、羽の配列を乱数的に制御するため羽の配列に対する予想及び調節が不可能という問題がある。

日本特開平１１−５０９９０号 韓国公開特許第１９９９−２３３０６号

本発明は、上記のような問題点を解決するためのもので、羽を不等ピッチに配列するが、特定の部分での羽集中現象を防いで音圧ピークを減らし、不等 ピッチを周期関数的に生成して羽の配列に対する予想及び調節が容易な燃料ポンプ用不等ピッチインペラを提供することを目的とする。

また本発明は、インペラの高周波ピークの分散を通してノイズを低減することができ、不等間隔により発生する脈動音（低周波ピーク）を最小化するようにする燃料ポンプ用不等ピッチインペラを提供することを目的とする。

上記のような目的を達成すべく、本発明は、複数の羽を有する燃料ポンプ用インペラにおいて、上記羽と羽の間の増分角度（Δθｉ）は下記の数学式により設定され、増分角度の最大値（ＭＡＸ）と最小値（ＭＩＮ）は２°≦ＭＡＸ−ＭＩＮ≦６°の範囲であることを特徴とする燃料ポンプ用インペラを提供する。

ここで、Ｎは全体羽の数（Ｎ：２、３、５、７、１１、１３、１７、．．．）、Ａ_ｍは羽同士の間隔（等分角）の分布の大きさ（０＜Ａ_ｍ＜３６０／Ｎ）、ｉは羽の順番（ｉ＝１、２、３、．．．、Ｎ）、Ｐ_１及びＰ_２は周期に影響を与える要素（０＜Ｐ_１＜Ｎ、０≦Ｐ_１≦Ｎ）を意味する。

本発明は上記数学式に開示された不等ピッチ関数を利用することにより、不等ピッチで羽を配列するが（−１）^ｉ項により羽集中現象を防いで音圧ピークを減らし、羽同士の間隔（等分角）の分布の大きさ（Ａ_ｍ）及び周期に影響を与える要素（Ｐ_１、２）を利用して不等ピッチを周期関数的に生成することにより羽の配列に対する予想及び調節を容易にすることができる。

また、インペラの不等間隔により一定な流動が形成されないことから発生する低周波ピークである脈動音を最小化することができるという効果を提供する。

燃料ポンプの構造を図示した図面である。 本発明による不等ピッチインペラの羽配列を図示した図面である。 本発明による不等ピッチインペラと等ピッチインペラの高周波ピーク値を比較したグラフである。 脈動変化量を表したグラフである。 本発明による不等ピッチインペラの増分角度を表したグラフである。 １／４区間での隣接した増分角度の平均値を表したグラフである。 インペラの回転流の生成を図示した図面である。

以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を詳しく説明する。

本発明の実施例による燃料ポンプ用インペラは、下記の数学式１により羽と羽の間の増分角度（Δθｉ）が設定される。

〔数学式１〕

ここで、Ｎは全体羽の数（Ｎは素数、Ｎ：２、３、５、７、１１、１３、１７、．．．）、Ａ_ｍは羽同士の間隔（等分角）の分布の大きさ（０＜Ａ_ｍ＜３６０／Ｎ）、ｉは羽の順番（ｉ＝１、２、３、．．．、Ｎ）、Ｐ_１及びＰ_２は周期に多い影響を与える要素（０＜Ｐ_１＜Ｎ、０≦Ｐ_１≦Ｎ）を意味する。

このような不等ピッチ関数により本発明の実施例によるインペラは羽数が変わっても同じ構造の不等ピッチ条件を作ることができるだけでなく、生成された関数は（−１）^ｉ項のため振動発散関数の形態を有するため特定区間で増分角度の平均が全体平均と類似するように作ることができるようになる。

図２は本発明の不等ピッチ配列によって設けられる燃料ポンプ用インペラ１を図示したもので、羽３と隣接した他の羽４の間の角度が等間隔ではなく不等間隔で配列されることを確認することができる。

〔ＭＡＸ−ＭＩＮ値〕
本発明による燃料ポンプ用インペラは、上記数式による増分角度を設定することにより不等ピッチで羽を配列することができるようになる。しかし、羽同士の角度が同一な等ピッチインペラと本発明による不等ピッチインペラとの高周波ピークの発生の程度を比較するとき、特定区間では高周波ピークの発生程度が相互等しい水準の場合が発生する。ここで特定区間は、増分角度の最大値（ＭＡＸ）と最小値（ＭＩＮ）の差が２度より小さい場合を意味する。

従って、増分角度の最大値と最小値の差は２度以上になることが好ましい。図３はこのような条件下で等ピッチインペラと不等ピッチインペラのノイズを測定したグラフである。グラフ上において等ピッチインペラの高周波ピークの最大値は約５３ｄＢ（Ａ）である反面、本発明による不等ピッチインペラの高周波ピークの最大値は約４５ｄＢ（Ａ）である。このような結果から不等ピッチインペラの高周波ピークが分散して全体的なノイズが低減することを確認することができる。

また、不等ピッチでインペラの羽を配列しようとするとき考慮すべきことが、低周波脈動音を最小にする角度を選定しなければならないということである。等ピッチのように一定の羽間隔を有するインペラは、流体を搬送するとき羽と羽の間の流体通過面積が同一になるため脈動音の発生が少ない。しかし、不等ピッチのように一定ではない羽間隔を有する場合は一定な流動の形成が不可能になるため脈動音が発生するようになるという問題がある。脈動が増加すると低周波ピークが上昇するようになる。特に、高流量を吐出する仕様の製品であるほど脈動が問題になる場合が多くなる。

従って、本発明の不等ピッチインペラにおいて増分角度の最大値（ＭＡＸ）と最小値（ＭＩＮ）の差が６度以下の場合、このような脈動値をある程度の水準（約３Ｋｐａ以下）に制限することができるようになる。

図４は増分角度の最大値と最小値の差による脈動変化量を分析したグラフである。ここで点は下記の表１に表した脈動値を表示したものである。図４のように最大値と最小値の差が６度以下の場合、脈動値が一定の水準以下に制御されることが分かる。

[表１]

上記で考慮した条件を全て満たすため、下記の数式のように本発明による不等ピッチインペラは、その増分角度の最大値と最小値の差（Ａ）を制限することが好ましく、本発明は増分角度の最大値と最小値の差を通して高周波ピークと低周波ピークをいずれも適切に制御できるということを提示するようになる。

〔数学式２〕

ここでＭＡＸは増分角度の最大値、ＭＩＮは増分角度の最小値である。

〔特定区間における増分角度の平均〕
本発明による不等ピッチインペラは、インペラの羽を不等間隔で配列して高周波ピークを分散させるようにすると同時に、不等間隔により発生する脈動音を最小化することができるよう特定区間での増分角度の平均が全体羽角度の平均と類似した値を有するよう制御する。すなわち、特定区間において増分角度の平均（ＡＶＧ＿ＳＥＣ）と全体羽角度（３６０／Ｎ）の平均（ＡＶＧ＿ＴＯＴ）は下記の数学式３を満たすようにする。

〔数学式３〕

例えば、全体羽数がＮ＝４１の場合、ここで特定区間を全体羽数の１／４にしたときは、特定区間の羽数は４１／４＝１０．２５となる。すなわち、相互隣接している１０個の増分角度の平均値（ＡＶＧ＿ＳＥＣ）を導き出してその平均値が全体羽角度の平均値（ＡＶＧ＿ＴＯＴ）の３６０／Ｎに類似しなければならない。ここで全体羽角度の平均値は３６０／４１＝８．８となる。

図５は、全体羽数が４１の場合、本発明によって配列される不等ピッチ羽の増分角度を表すグラフである。増分角度の平均は約８．８程度になることを確認することができる。この際、全体羽のうち１／４区間の相互隣接した増分角度の平均値（ＡＶＧ＿ＳＥＣ）が全体増分角度の平均と±０．５以内にあるよう設定することが好ましい。

図６は、全体羽数が４１の場合の１／４区間の隣接羽の増分角度の平均角度を図示したグラフである。Ｘ軸の値が例えば１７の場合８〜１７番目の羽の増分角度値の平均であり、１の場合は３３〜４１、１番目の羽の平均値である。図６のように１／４区間の平均値は全体増分角度の平均値において０．５以内の誤差範囲内に含まれるよう設定される。

〔羽数の選定〕
燃料ポンプの使用条件下で流量、電流、ＲＰＭなどの性能に影響を与える値の確保のため、羽数は３１以上、４７以下の値を有することが好ましい。すなわち、３１≦Ｎ≦４７である。羽数が３１個以下の場合、インペラの隣接羽間隔が大きくなり、この際ＲＰＭが比較的低い値を有する低容量の場合には、燃料ポンプの性能が大きく低下するようになる。すなわち、流路の内部での回転流の速度が増加すると、それだけ昇圧能力が良くなり燃料ポンプの性能が向上するが、インペラの隣接羽の間隔が大きくなると回転流の速度が低くなって性能が低下する。図７はインペラ１の外周壁１３が回転することで回転流１５が生成される様子を図示している。ここでＡは燃料の流れ方向を表すもので、Ｂは燃料が通過する形状を図示したものである。

また、羽数が４７を超えると、インペラの隣接羽の間隔が狭くなって流体が通過できる面積が小さくなるため、高流量を搬送させるとき、負荷が多く発生するようになり、電流が上昇し流量性能が低下して燃料ポンプの性能が大きく低下する。従って、燃料ポンプの使用条件下でインペラの羽数は下記の数学式４のようになることが好ましい。

〔数学式４〕

〔その他の因子の条件〕
上記のように数学式１、２、３、４の全ての条件を満たすため、数学式１のＡ_ｍ値は１≦Ａ_ｍ≦３であることが好ましく、ここでＰ_１＝１またはＰ_１＝Ｎ−１となる。またＰ_２＝２*Ｐ_１値を有することが好ましい。

上記の数学式に提示された条件を満たすため羽同士の間隔（等分角）の分布の大きさであるＡ_ｍと周期に影響を与える要素であるＰ_１、２値を制御するようになる。このようなＡ_ｍ値とＰ_１、２値を制御して乱数条件（Ｒａｎｄｏｍ Ｐｉｔｃｈ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）と類似したピッチ条件及び一定の間隔を有したピッチ条件を生成することができるため、羽の配列に対する予想及び調節を容易にすることができるようになる。

〔最後の増分角度の設定〕
上記数学式１により羽の間の増分角度を設定すると、全ての増分角度値の和が３６０度を超えるか、３６０度未満の場合が発生することができる。このような場合、最後の角度は上記数学式２、３を満たすという前提で別途に定義しなければならない。すなわち、全ての増分角度の和が３６０と同じではない場合、最後の増分角度は下記の数学式５により決められる。ここで、最後の増分角度も上記数学式２、３の条件を満たさなければならない。

〔数学式５〕

また、数学式１を通して生成された増分角度値は小数点第１位までに限定して値を得ることが好ましい。もし、小数点を限定せず増分角度を適用する場合、小数点第１位以下の値が隣接羽の角度と設置角度に反映されて全体的な和において差が発生するようになる。本実施例のように全体羽数が４１枚の場合（Ｎ＝４１）、小数点を第１位までに限定する場合は全体増分角度の和が３６０度を満たすようになる。

本発明は燃料ポンプ用不等ピッチインペラに関するもので、より詳しくは、燃料ポンプに使用されるインペラの羽を不等ピッチに配列することにより、インペラの回転により発生し得る高周波ノイズを減少させ、不等間隔のために発生する脈動音を最小化するようにする燃料ポンプ用不等ピッチインペラに関する技術分野に適用可能である。

Claims (7)

1. 複数の羽を有する燃料ポンプ用インペラにおいて、
   前記羽と羽の間の増分角度（Δθｉ）は下記の数学式により設定され、増分角度の最大値（ＭＡＸ）と最小値（ＭＩＮ）は２°≦ＭＡＸ−ＭＩＮ≦６°の範囲であることを特徴とする燃料ポンプ用インペラ。
   

   

   （ここで、Ｎは全体羽の数（Ｎ：２、３、５、７、１１、１３、１７、．．．）、Ａ_ｍは羽同士の間隔（等分角）の分布の大きさ（０＜Ａ_ｍ＜３６０／Ｎ）、ｉは羽の順番（ｉ＝１、２、３、．．．、Ｎ）、Ｐ_１及びＰ_２は周期に影響を与える要素（０＜Ｐ_１＜Ｎ、０≦Ｐ_１≦Ｎ）を意味する。）
2. 全体羽の数（Ｎ）は３１≦Ｎ≦４７であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用インペラ。
3. 特定区間において増分角度の平均（ＡＶＧ＿ＳＥＣ）と全体羽角度（３６０／Ｎ）の平均（ＡＶＧ＿ＴＯＴ）は、（ＡＶＧ＿ＴＯＴ−０．５）≦ＡＶＧ＿ＳＥＣ≦（ＡＶＧ＿ＴＯＴ＋０．５）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用インペラ。
4. 前記特定区間は、全体羽数の１／４区間であることを特徴とする請求項３に記載の燃料ポンプ用インペラ。
5. １≦Ａ_ｍ≦３であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用インペラ。
6. Ｐ_１＝１またはＰ_１＝Ｎ−１のいずれか一つであり、Ｐ_２＝２*Ｐ_１であることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用インペラ。
7. 全ての増分角度の和が３６０°と同じではない場合、最後の増分角度Δθｎは下記の式により決められることを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ用インペラ。
   

   

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