JP2018031309A - ポンプロータおよびポンプロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】支持部材に対して強固に羽根状部材を支持したポンプロータを構成する。【解決手段】樹脂製の支持部材１に形成された係合凹部４に、樹脂製の羽根状部材１１の係合凸部１２が嵌り込み、係合凹部４の開口縁から外方に連なる部位と、開口縁から係合凹部４の内部に入り込む部位とに亘る領域において支持部材１と羽根状部材１１とが溶着状態にあるように構成した。【選択図】図５

Description

本発明は、樹脂製の支持部材に樹脂製の羽根状部材を溶着したポンプロータおよびポンプロータの製造方法に関する。

支持部材に羽根状部材を溶着したポンプロータとして、特許文献１には、前面シュラウド（支持部材）と後面シュラウド（支持部材）とに挟み込まれる位置に羽根を配置し、これらを溶着してポンプロータを作り出す技術が記載されている。

この特許文献１のポンプロータは、冷却循環装置において冷媒を循環させる遠心ポンプに備えられるものであり、前面シュラウドと後面シュラウドとに羽根に樹脂を用い、超音波溶着機による溶着が行われる。

また、特許文献２には、基部とシュラウドとの少なくとも一方の部材に複数のインペラを備えておき、複数のインペラを他方の部材に対して溶着により接合してポンプロータを作り出す技術が記載されている。

特開２００８‐２４０６５８号公報 特開２０１３‐１８９９０９号公報

特許文献１、２に示されるように２つの部材の間に複数のインペラを備えたクローズドインペラ型のポンプロータは、金型を用いた樹脂成形が困難であるため、溶着の技術によりポンプロータを作り出す製造形態が有効となる。

また、単一のディスク状部材の表面に対して複数のインペラを備えたオープンインペラ型のポンプロータは金型を用いて容易に作り出すことが可能である。しかしながら、仕様が異なる多種のポンプロータを金型で製造することを考えると、各々の仕様毎に金型を必要とするため製造コスト上昇を招くことになる。従って、コスト低減の観点からディスク状部材に対しインペラを溶着の技術により取り付ける製造形態も必要とされる。

しかしながら、特許文献１、２に示されるように複数のインペラの端部を、対象となる部材（シュラウドや基部）に同時に接触させて溶着を行うものでは、溶着面積が広くなりやすく、溶着時に圧力が分散し、結果として不充分な溶着に繋がることもあった。

また、ポンプロータは、駆動時にインペラに対して流体から圧力が剪断方向に作用するため、例えば、特許文献１に記載されるように、剪断方向に沿う姿勢の単純な平面で溶着を行う構成では、溶着部に剥離を招くことも考えられた。

このような理由から、支持部材に対して羽根状部材を強固に溶着した羽根状部材を支持したポンプロータ、及び、ポンプロータの製造方法が求められる。

本発明の特徴は、樹脂製の支持部材に形成された係合凹部に樹脂製の羽根状部材の係合凸部が嵌り込み、前記係合凹部の開口縁から外方に連なる部位と、前記開口縁から前記係合凹部の内部に入り込む部位とに亘る領域において前記支持部材の前記係合凹部と、前記羽根状部材の係合凸部とが溶着状態にある点にある。

この特徴構成によると、支持部材に形成された係合凹部の開口縁から、係合凹部の内部に係合凸部が嵌り込む入り込む部位に亘る立体的な領域に、支持部材と羽根状部材の係合凸部とが互いに溶着する状態にある。これにより、ポンプロータの駆動時に流体から羽根状部材に対し剪断方向に力が作用しても立体的な溶着領域において剪断力を受け止めることが可能となり羽根状部材の溶着状態を維持できる。
従って、支持部材に対して強固に羽根状部材を支持したポンプロータが構成された。

本発明の特徴は、樹脂製の支持部材に係合凹部が形成され、基端側で前記係合凹部の開口幅より広幅で先端側ほど小幅となる傾斜面を有した係合凸部が樹脂製の羽根状部材に形成され、
前記係合凹部の開口縁に前記係合凸部の傾斜面を接触させ、圧力を作用させつつ、これらの振動溶着を行う点にある。

この特徴によると、例えば、超音波溶着が行われる際には、支持部材の係合凹部の開口縁に、羽根状部材の係合凸部の傾斜面が強く接触し、この接触部分に圧力を集中させ、溶着を確実に行わせる。また、溶着時には係合凹部の開口縁と、係合凸部の傾斜面とが互いに溶融するため、開口縁から外方に連なる部位から、係合凹部の内部に嵌り込む部位に亘って立体的な領域に溶着領域を作り出し、強固な溶着状態を現出する。
従って、支持部材に対して強固に羽根状部材を支持するポンプロータの製造方法が構成された。

他の構成として、前記支持部材に、保持凹部が形成され、この保持凹部の底壁に前記係合凹部が形成され、前記係合凸部の外面と前記係合凹部の内面との間に隙間が形成されても良い。

これによると、例えば、超音波溶着が行われる場合に、係合凸部の外面と、保持凹部の内面とが接触しない状態に維持し、超音波溶着に必要な振幅で支持部材と羽根状部材とを振動させて溶着を実現する。

一部のインペラを分離した状態のポンプロータの斜視図である。 回転ディスクとインペラとの平面図である。 溶着以前の回転ディスクとインペラとの配置を示す断面図である。 係合孔部の開口に係合凸部の傾斜面が当接する状態の断面図である。 係合孔部と係合凸部とが溶着する状態の断面図である。 別実施形態（ａ）のシュラウドと回転ディスクとの溶着前の断面図である。 別実施形態（ｂ）のインペラと回転ディスクとの溶着前の斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔ポンプロータ〕
図１、図２に示すように、支持部材としての回転ディスク１に対し、複数の羽根状部材としての複数のインペラ１１を超音波溶着（振動溶着の一例）により接合してウォータポンプのポンプロータＲが構成されている。

このポンプロータＲは、オープンインペラと称せられるものであり、遠心型のウォータポンプのハウジング（図示せず）に収容される。回転ディスク１は、電動モータ等の駆動源により駆動されるシャフトが連結する。

回転ディスク１とインペラ１１とは、熱可塑性の樹脂としてのＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が用いられている。尚、回転ディスク１とインペラ１１との何れにも、これ以外の樹脂材料を用いても良い。

図５に示すように、このポンプロータＲでは、回転ディスク１に形成された係合孔部４（係合凹部の一例）に対して、係合凸部１２が嵌り込み、係合孔部４の開口縁から外方に連なる第１領域Ｍ１と、開口縁から係合孔部４の内部に入り込む第２領域Ｍ２とに亘って溶着領域が形成されている。尚、係合凹部の一例として係合孔部４を示しているが、係合孔部４に代えて非貫通状態となる係合凹部を回転ディスク１に形成しても良い。

このポンプロータＲでは、回転ディスク１に保持凹部２を形成し、この保持凹部２の底壁３に係合孔部４を形成しており、第１領域Ｍ１は係合孔部４の開口縁から底壁３に沿う領域に亘って形成される。また、第２領域Ｍ２は係合孔部４の開口縁から係合孔部４の内周に沿う領域に亘って形成される。つまり、回転ディスク１の係合凸部１２が、インペラ１１の係合孔部４の開口縁の近傍において第１領域Ｍ１から第２領域Ｍ２に亘る立体的な領域で溶着することになり、これらを強固に接合する。

〔ロータの製造方法〕
図３〜図５にポンプロータＲの製造方法の順序を示している。
つまり、図３に示すように、回転ディスク１に対して、この回転ディスク１の装着面１Ｓに対して直交する姿勢で保持凹部２を形成し、この保持凹部２において装着面１Ｓと平行姿勢となる底壁３に対し装着面１Ｓに対して直交する姿勢で係合孔部４を形成する。

この保持凹部２や係合孔部４は、回転ディスク１の金型による成形時に作り出すものを想定しているが、加工により形成しても良い。

また、インペラ１１には、端面１１Ｓに対して直交する姿勢で係合凸部１２を形成し、この係合凸部１２の突出側の端部を先細り状にすることでテーパ状となる傾斜面１３を形成する。この係合凸部１２の係合部幅Ｗ１を、係合孔部４の孔部幅Ｗ２より充分に大きい値に設定し、保持凹部２の保持部幅Ｗ３より小さい値に設定している。

つまり、保持部幅Ｗ３＞係合部幅Ｗ１＞孔部幅Ｗ２の関係で各々が形成されている。また、係合凸部１２は、インペラ１１の金型による成形時に作り出すものを想定しているが、加工によって形成しても良い。

そして、図４に示すように、回転ディスク１の係合孔部４に対して係合凸部１２を挿入する方向に圧力を作用させつつ、超音波溶着を開始する。このように超音波溶着を開始することにより、係合孔部４の開口縁のエッジ部分に係合凸部１２の傾斜面１３が当接して圧力が強く作用する状態で振動エネルギーが作用する。

このように圧力が強く作用する状態で振動エネルギーが作用するため、当接部分で発生した熱により確実な溶着が行われる。特に、溶着時には、係合凸部１２が係合孔部４に入り込む方向（図４に矢印で示す方向）に圧力が作用するため、係合孔部４の開口縁と係合凸部１２の傾斜面１３とが溶け合うと共に、圧力の作用により、溶着領域を係合孔部４の開口縁が底壁３に沿う方向に拡大し、かつ、係合孔部４の形成方向（図４で下側）に向けて拡大する。

このように溶着領域が拡大することにより、図５に示すように、係合孔部４の開口縁の近傍において開口を拡大する方向となる第１領域Ｍ１と、係合孔部４の形成方向に沿う方向となる第２領域Ｍ２とに亘る立体的な領域で溶着することになり、これらを強固に接合する状態に達する。

この製造方法では、係合孔部４と係合凸部１２との間での溶着を行う工程に続いて、装着面１Ｓと端面１１Ｓとの溶着を行う工程が行われるが、装着面１Ｓと、端面１１Ｓとの溶着を行わないように溶着工程を設定しても良い。

また、溶着時に回転ディスク２の装着面１Ｓと、インペラ１１の端面１１Ｓとが当接するように工程を設定することにより、溶着を行う際の係合凸部４の挿入量（圧力の作用方向での移動量）を決めることが可能となり、回転ディスク１とインペラ１１との相対的な姿勢を決めることも可能となる。

〔実施形態の作用・効果〕
このように、ポンプロータＲを製造する際には、支持部材としての回転ディスク１に係合凹部としての係合孔部４を形成しておき、また、羽根状部材としてのインペラ１１に係合凸部１２を形成し、超音波溶着の技術で溶着を行うだけで振動エネルギーを集中させて確実な溶着を実現する。

また、溶着状態では、図５に示すように、係合孔部４（係合凹部の一例）に対して、係合凸部１２が嵌り込み、係合孔部４の開口を拡大する方向となる第１領域Ｍ１と、係合孔部４の形成方向となる第２領域Ｍ２とに亘る立体的な領域での溶着領域を形成し、結果として溶着部分の強度を高めることが可能となる。

このように回転ディスク１に対してインペラ１１を溶着したことにより、例えば、ポンプロータＲの駆動時に流体からインペラ１１に剪断力が作用することがあっても、立体的な溶着領域で剪断力を受け止めることが可能となり、回転ディスク１とインペラ１１とを溶着状態に維持し、これらが分離する不都合を招くこともない。また、このように溶着によって回転ディスク１にインペラ１１を溶着するため、ポンプロータＲの全体を成形するための金型を用いずに済む。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）図６に示すように、シュラウド１５に対して複数のインペラ１１を形成し、複数の羽根状部材としての複数のインペラ１１に円柱状の係合凸部１２を形成し、この係合凸部１２には先端側ほど小径（小幅）となる傾斜面１３を形成する。また、支持部材としての回転ディスク１には、断面形状が円形となる保持凹部２と、断面形状が円形となる係合孔部４とを形成する。

この構成では、係合凸部１２の係合径（係合幅の一例）が、係合孔部４の孔部径（開口幅の一例）より充分に大きく、保持凹部２の保持径（保持幅の一例）が係合凸部１２の係合径より充分に大きい値に設定されている。

そして、シュラウド１５と複数のインペラ１１と、回転ディスク１とを相対的に接近させる方向に変位させ、先に説明したロータの製造方法と同様の方法で溶着を行う。この溶着時には複数の係合凸部１２を、回転ディスク１の複数の係合孔部４に同時に溶着することになるが、各々の係合凸部１２においては振動エネルギーを集中させるため確実な溶着を可能にしている。

また、溶着では、前述した〔ロータの製造方法〕と同様に係合孔部４の開口縁の近傍において開口を拡大する領域と、係合孔部４の形成方向に沿う方向の領域とに亘る立体的な領域で溶着することになり、これらの強固な接合を実現する。

尚、このように製造されたポンプロータＲは、所謂、クローズドインペラと称される構成となるが、オープンインペラと比較して複数のインペラ１１の姿勢を安定させることも可能となる。

（ｂ）図７に示すように、回転ディスク１に対して、インペラ１１の一部が嵌り込む凹状領域６を形成する。この構成では、別実施形態（ａ）と同様に、インペラ１１に一対の円柱状の係合凸部１２を形成し、これらの係合凸部１２には先端側ほど小径（小幅）となる傾斜面１３を形成している。また、回転ディスク１には、断面形状が円形となる一対の保持凹部２と、断面形状が円形となる係合孔部４とを形成している。

特に、この構成では、回転ディスク１の係合孔部４に対して係合凸部１２を挿入する方向に圧力を作用させつつ、超音波溶着を開始した時点では、インペラ１１が凹状領域６に嵌り込む必要はないが、溶着状態に達した場合には、インペラ１１が凹状領域６に嵌り込むように構成される。

この別実施形態（ｂ）の構成でも、係合孔部４の開口縁の近傍において開口を拡大する領域と、係合孔部４の形成方向に沿う方向の領域とに亘る立体的な領域で溶着することになり、これらの強固な接合を実現する。更に、インペラ１１が凹状領域６に嵌り込むことでインペラ１１の溶着状態での強度を一層高めることも可能となる。

（ｃ）１つのインペラ１１について、２つ以上の係合凸部１２を備え、これに対応した数の係合孔部４を回転ディスク１に形成する。また、係合凸部１２と、係合孔部４（係合凹部）との断面形状は円形に限らず、矩形や楕円であっても良い。このように構成することにより溶着面積を拡大して強固な接合を実現する。

（ｄ）ポンプロータＲは、遠心型ポンプに用いるものに限るものはなく、渦巻ポンプであっても良い。

本発明は、樹脂製の支持部材に樹脂製の羽根状部材を溶着したポンプロータに利用することができる。

１ 回転ディスク（支持部材）
２ 保持凹部
３ 底壁
４ 係合孔部（係合凹部）
１１ インペラ（羽根状部材）
１２ 係合凸部
１３ 傾斜面

Claims (3)

1. 樹脂製の支持部材に形成された係合凹部に樹脂製の羽根状部材の係合凸部が嵌り込み、前記係合凹部の開口縁から外方に連なる部位と、前記開口縁から前記係合凹部の内部に入り込む部位とに亘る領域において前記支持部材の前記係合凹部と、前記羽根状部材の係合凸部とが溶着状態にあるポンプロータ。
2. 樹脂製の支持部材に係合凹部が形成され、基端側で前記係合凹部の開口幅より広幅で先端側ほど小幅となる傾斜面を有した係合凸部が樹脂製の羽根状部材に形成され、
   前記係合凹部の開口縁に前記係合凸部の傾斜面を接触させ、圧力を作用させつつ、これらの振動溶着を行うポンプロータの製造方法。
3. 前記支持部材に、保持凹部が形成され、この保持凹部の底壁に前記係合凹部が形成され、前記係合凸部の外面と前記係合凹部の内面との間に隙間が形成されている請求項２に記載のポンプロータの製造方法。

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