JP2012067617A

JP2012067617A - ウォータポンプ

Info

Publication number: JP2012067617A
Application number: JP2010210859A
Authority: JP
Inventors: Bunshin Sai; 文新蔡
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】
冷却水流入時、入口側端部や出口側端部の羽根厚さを低減することで、衝突損失やウェークを低減し、ウォータポンプ効率が向上するウォータポンプの提供をすること。
【解決手段】
冷却水流入口１１と冷却水吐出口１２を備えるポンプハウジング１０と、ポンプハウジング１０内部に挿通したシャフト１３と、シャフト１３に支持されたロータ本体２と、ロータ本体２の前端面に放射方向へ円弧状に折曲され、外周側が圧力面７となり内周側が吸力面８となる複数の羽根３と、を備えたインペラと、を備えたウォータポンプであって、圧力面７は、圧力面７と吸力面８との間の羽骨線６と入口円４との交点を通り且つ冷却水流入角度と等しい角度となる入口側傾斜線７ａ、又は羽骨線６と出口円５との交点を通り且つ冷却水流出角度と等しい角度となる出口側傾斜線７ｂの少なくともいずれか一方を備えた構成である。
【選択図】図２

Description

本発明はウォータポンプに関する。

ウォータポンプにより冷却水を効率よく循環させるため、冷却水流入口からインペラに流入される冷却水の冷却水流入角度に対して羽根の内周側入口部の内端縁の角度をほぼ直交に形成すると共に、羽根の内周側入口部の内端縁から外周方向に向かう円弧形状の傾斜角度を冷却水流入角度とほぼ同一にした技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−８８８８７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のウォータポンプでは、羽根の板厚の影響により、冷却水流入時に羽根と冷却水とが衝突して衝突損失が発生する問題があった。従って、羽根を構成する面のうちシャフトの外周面と対向する吸力面への冷却水の流れが悪く、ウォータポンプの効率が低下してしまう。

また、羽根の板厚の影響により、冷却水流出口側で羽根と対向する冷却水同士が合流する時に渦が発生するウェーク現象が起こり、ウォータポンプの効率が低下するという問題があった。

本発明は、冷却水流入時に羽根と冷却水とが衝突することにより発生する衝突損失、又は／及び冷却水吐出時に羽根と対向する冷却水同士が合流する時に発生するウェーク現象を低減できるウォータポンプを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために講じた第１の手段は、冷却水流入口及び冷却水吐出口を備えたポンプハウジングと、前記ポンプハウジング内部に挿通されたシャフトと、前記シャフトの一方に支持されたロータ本体と、前記シャフトの他方に支持されたインペラと、を備え、前記インペラは複数の羽根から構成され、前記羽根は、前記シャフトの径方向に延在すると共に前記シャフトの径方向から周方向に湾曲するような円弧状を呈し、前記羽根を構成する面は少なくとも、前記シャフトの外周面と対向する吸力面と、前記吸力面とは反対側の圧力面とで構成され、前記冷却水流入口から前記インペラに流入される冷却水の冷却水流入角度、及び前記インペラから前記冷却水吐出口に吐出される冷却水の冷却水流出角度から求められ、少なくとも一部が前記吸力面と前記圧力面との間の中心線を通る仮想線である羽骨線と、前記冷却水流入口の大きさと略同一の直径を有する入口円と、前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部を接点として有する出口円と、が設定され、少なくとも前記シャフトの径方向内側における前記羽根の端部側に位置する前記圧力面の部分は、前記冷却水流入角度と等しい入口傾斜線が含まれる面を有し、少なくとも前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部側に位置する前記圧力面の部分は、前記冷却水流出角度と等しい出口傾斜線が含まれる面を有し、前記入口傾斜線は前記羽骨線と前記入口円との交点と交わり、前記出口傾斜線は前記羽骨線と前記出口円との交点と交わるよう設定して、前記シャフトの径方向内側における前記羽根の端部側の板厚、及び前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部側の板厚が、前記羽根の他の部分の板厚よりも薄いことことである。

また、第２の課題解決手段は、前記シャフトの径方向内側における前記羽根の端部、及び前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部の少なくともいずれか一方はＲ形状を呈することである。

本発明によれば、第１の手段に記載の如くシャフトの径方向内側における羽根の端部側の羽根の板厚を低減することにより、冷却水流入時に羽根と冷却水とが衝突することにより発生する衝突損失を低減し、冷却水の流れを改善するため、ウォータポンプの効率が向上する。また、第１の手段に記載の如くシャフトの径方向外側における前記羽根の端部側の羽根厚さを低減することにより、圧力面側の冷却水と吸力面側の冷却水とが合流する際に発生するウェーク現象が低減でき、ウォータポンプの効率が向上する。

また、シャフトの径方向内側における羽根の端部、及びシャフトの径方向外側における羽根の端部の少なくともいずれか一方はＲ形状を呈することにより、水の流れがスムーズになるため、ウォータポンプ駆動時に発生する騒音を防止し、羽根に冷却水が衝突することによるウォータポンプの効率の低下を抑制することが可能になる。また、羽根の型成形の際、バリの発生や割れを防止することが可能になる。

ウォータポンプの全体断面図である。ウォータポンプのインペラの簡略化された概略正面図である。羽根の入口側端部の拡大図である。羽根の出口側端部の拡大図である。

以下、本実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１はウォータポンプの全体断面図である。本実施例にかかるウォータポンプは、冷却水流入口１１と冷却水吐出口１２を備えるポンプハウジング１０と、ポンプハウジング１０内部に挿通したシャフト１３と、シャフト１３の一方に支持（軸支）されたロータ本体２と、シャフト１３の他方に支持（軸支）されたインペラ１と、を備えている。尚、インペラ１とロータ本体とは樹脂成形により一体となっている。

図２は、本実施例にかかるインペラ１の概略正面図である。ポンプハウジング１０内に設けられたインペラ１は、複数の羽根３から構成され、羽根３は、シャフト１３の径方向に延在すると共にシャフト１３の径方向から周方向に湾曲するような円弧状を呈している。羽根３の数は、ウォータポンプの性能に応じて任意に設定可能であり、図２においては、簡略化のために１つの羽根３のみが図示されている。

羽根３の輪郭について説明する。まず、ポンプハウジング１０の大きさに基づいて決定される入口円４と、出口円５とが決定される。ここで、入口円４は、要求される冷却水の流量Ｑにより決定される。具体的には、冷却水流入口１１の流入通路の大きさ（パイプ径）Ａ、入口円４の直径をＢとすると、ＢはＡの１．０〜１．１倍程度の大きさとなる。本実施例では、Ａ＝Ｂとなっている。また、出口円５は、要求される冷却水の吐出圧Ｐにより決定される。具体的には、出口円の直径をＣとすると、ＰとＣとは比例する。本実施例では、出口円５はロータ本体２の円周と等しくなっている。次に、冷却水流入口１１からインペラ１に流入される冷却水の冷却水流入角度α（図３）、及びインペラ１から冷却水吐出口１２に吐出される冷却水の冷却水流出角度β（図４）に基づいて、羽根３を設計するための仮想線である羽骨線６が決定される。そして、羽根３の厚さをｔとした場合に羽骨線６と距離ｔ／２の間隔にある輪郭線に沿って圧力面７と吸力面８を備える。

図３は、羽根３の入口側端部の拡大図である。図３には、羽骨線６と、羽骨線６と距離ｔ／２の間隔にある圧力面側輪郭線６ａおよび吸力面側輪郭線６ｂと、羽骨線６と入口円４の交点を点Ａとした場合に点Ａにおける入口円４の接線４ａと、接線４ａから冷却水流入角度αだけ傾き、点Ａを通る冷却水流入角度傾斜線Ｘとが仮想線として記載されている。ここで、冷却水流入角度傾斜線Ｘと圧力面側輪郭線６ａとの交点を点Ｃとし、吸力面側輪郭線６ｂと入口円４の交点を点Ｇとする。圧力面７は、冷却水流入角度傾斜線Ｘに沿った入口側傾斜線７ａと、圧力面側輪郭線６ａに沿った圧力面中央部７ｃを備える。吸力面８は吸力面側輪郭線６ｂに沿った吸力面中央部８ｂと、入口円４に沿った吸力面入口部８ｃを備える。また、羽根３の入口側端部の入口側傾斜線７ａと圧力面中央部７ｃとが交差する位置、吸力面入口部８ｃと吸力面中央部８ｂとが交差する位置、および入口側傾斜線７ａと吸力面入口部８ｃとが交差する位置には、Ｒが形成されている。

羽根３の入口側端部（シャフト１３の径方向内側における羽根３の端部）では、冷却水流入角度傾斜線Ｘに沿った入口側傾斜線７ａを備えることにより、圧力面輪郭線６ａに比べて、入口側端部に近づくほど羽根３の板厚が薄くなるよう形成されている。

図４は、羽根３の出口側端部の拡大図である。図４には、羽骨線６と、圧力面側輪郭線６ａおよび吸力面側輪郭線６ｂと、羽骨線６と出口円５の交点を点Ｂとした場合に点Ｂにおける出口円５の接線５ａと、接線５ａから冷却水流出角度βだけ傾き、点Ｂを通る冷却水流出角度傾斜線Ｙとが仮想線として記載されている。ここで、冷却水流出角度傾斜線Ｙと圧力面側輪郭線６ａとの交点を点Ｄとし、圧力面７は、冷却水流出角度傾斜線Ｙに沿った出口側傾斜線７ｂと、圧力面側輪郭線６ａに沿った圧力面中央部７ｃと、出口円５に沿った圧力面出口部７ｄを備える。また、圧力面出口部７ｄの距離をＬとしたとき、２ｔ／３≒Ｌの箇所を点Ｅとする。点Ｅから吸力面側輪郭線６ｂに吸力面接線８ａを引く。吸力面接線８ａと吸力面側輪郭線６ｂの接点を点Ｆとする。吸力面８は、吸力面接線８ａと吸力面輪郭線６ｂに沿った吸力面中央部８ｂを備える。また、羽根３の出口側端部の出口側傾斜線７ｂと圧力面中央部７ｃとが交差する位置、吸力面接線８ａと吸力面中央部８ｂとが交差する位置、および圧力面出口部７ｄと吸力面接線８ａとが交差する位置には、Ｒが形成されている。

尚、図２〜図４において、インペラ１の回転方向は右回り（時計回り）である。

羽根３の出口側端部（シャフト１３の径方向外側における羽根３の端部）では、冷却水流出角度傾斜線Ｙに沿った出口側傾斜線７ｂを備えること、圧力面出口部７ｄの距離Ｌを２ｔ／３≒Ｌとすることで、圧力面側輪郭線６ａと吸力面側輪郭線６ｂに比べて、出口側端部に近づくほど羽根３の板厚が薄くなるよう形成されている。

上記説明したように羽根３の輪郭は、入口側傾斜線７ａと圧力面中央部７ｃと出口側傾斜線７ｂと圧力面出口部７ｄとを備える圧力面７と、吸力面接線８ａと吸力面中央部８ｂと吸力面入口部８ｃを備える吸力面８と、を備え、羽根３の入口側傾斜線７ａと圧力面中央部７ｃとが交差する位置、吸力面入口部８ｃと吸力面中央部８ｂとが交差する位置、および入口側傾斜線７ａと吸力面入口部８ｃとが交差する位置である入口側端部と、羽根３の出口側傾斜線７ｂと圧力面中央部７ｃとが交差する位置、吸力面接線８ａと吸力面中央部８ｂとが交差する位置、および圧力面出口部７ｄと吸力面接線８ａとが交差する位置である出口側端部と、にはＲを設けた形状になっている。

次に、ポンプハウジング１０内を冷却水が流動する態様について説明する。上記の構成において、インペラ１の回転運動により冷却水流入口１１からポンプハウジング１０内に吸入されてきた冷却水は、シャフト１３と連結して回転するインペラ１の入口円４付近に到達する。冷却水は、インペラ１の回転運動により、ロータ本体２、および羽根３に沿って流動し、冷却水吐出口１２から吐出される。

以上のように、本実施例では、羽根３の入口側端部に入口側傾斜線７ａを設けて、入口端部に近づくにつれて羽根の板厚を低減することにより、冷却水が吸入される際に発生する衝突損失を低減し、吸力面８への流れを改善することで、ウォータポンプの効率が向上する。

また、羽根３の出口側端部に出口側傾斜線７ｂを設けて、出口側端部に近づくにつれて羽根厚さを低減することにより、圧力面７側の冷却水と吸力面８側の冷却水が合流する際に発生するウェーク現象を低減することができ、ウォータポンプの効率や全楊程が向上する。従来構造の羽根厚さが一定のウォータポンプから本実施例の入口側端部と出口側端部の羽根の板厚を薄くしたウォータポンプにすることで、全楊程が５％程度、ウォータポンプ効率が０．５％程度向上した。

また、圧力面出口部７ｄの距離Ｌは、２ｔ／３≒Ｌとすることにより、圧力面７側の冷却水と吸力面８側の冷却水が合流する際に発生するウェークを低減することができる。Ｌ＝２ｔ／３と比較し、シミュレーションによる解析結果からＬ＝ｔ／３の全楊程よりも０．６％程度向上した。また、Ｌ＝２ｔ／３と比較し、Ｌ＝ｔの全楊程よりも１．０％程度向上した。

１・・・インペラ
２・・・ロータ本体
３・・・羽根
４・・・入口円
５・・・出口円
６・・・羽骨線
７・・・圧力面
７ａ・・・入口側傾斜線
７ｂ・・・出口側傾斜線
８・・・吸力面
１０・・・ポンプハウジング
１１・・・冷却水流入口
１２・・・冷却水吐出口
１３・・・シャフト
α・・・冷却水流入角度
β・・・冷却水流出角度

Claims

冷却水流入口及び冷却水吐出口を備えたポンプハウジングと、
前記ポンプハウジング内部に挿通されたシャフトと、
前記シャフトの一方に支持されたロータ本体と、
前記シャフトの他方に支持されたインペラと、を備え、
前記インペラは複数の羽根から構成され、
前記羽根は、前記シャフトの径方向に延在すると共に前記シャフトの径方向から周方向に湾曲するような円弧状を呈し、
前記羽根を構成する面は少なくとも、前記シャフトの外周面と対向する吸力面と、前記吸力面とは反対側の圧力面とで構成され、
前記冷却水流入口から前記インペラに流入される冷却水の冷却水流入角度、及び前記インペラから前記冷却水吐出口に吐出される冷却水の冷却水流出角度から求められ、少なくとも一部が前記吸力面と前記圧力面との間の中心線を通る仮想線である羽骨線と、
前記冷却水流入口の大きさと略同一の直径を有する入口円と、
前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部を接点として有する出口円と、が設定され、
少なくとも前記シャフトの径方向内側における前記羽根の端部側に位置する前記圧力面の部分は、前記冷却水流入角度と等しい入口傾斜線が含まれる面を有し、
少なくとも前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部側に位置する前記圧力面の部分は、前記冷却水流出角度と等しい出口傾斜線が含まれる面を有し、
前記入口傾斜線は前記羽骨線と前記入口円との交点と交わり、
前記出口傾斜線は前記羽骨線と前記出口円との交点と交わるよう設定して、
前記シャフトの径方向内側における前記羽根の端部側の板厚、及び前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部側の板厚が、前記羽根の他の部分の板厚よりも薄いことを特徴とするウォータポンプ。
前記シャフトの径方向内側における前記羽根の端部、及び前記シャフトの径方向外側における前記羽根の端部の少なくともいずれか一方はＲ形状を呈することを特徴とする請求項１に記載のウォータポンプ。