JP2021025508A - 流体ポンプとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体ポンプにおいて、シャフトの摺動抵抗の増加を抑えることができる技術を提供する。【解決手段】流体ポンプは、第１端と第２端を有するシャフトと、前記シャフトの前記第１端側を支持する第１軸受と、前記シャフトの前記第２端側を支持する第２軸受と、前記第１軸受が配置されている位置よりも前記シャフトの前記第１端に近い側に取り付けられているインペラと、を備えており、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸のばらつき範囲の中心位置が、前記インペラの流体昇圧によって前記シャフトに加わる偏心荷重の向きとは反対方向に存在している。【選択図】 図１

Description

本明細書が開示する技術は、流体ポンプとその製造方法に関する。

シャフトに取り付けられたインペラを利用して流体を昇圧し、その流体を圧送する流体ポンプが知られている。このような流体ポンプは様々な用途で利用されており、例えば燃料タンク内の燃料を内燃機関に向けて圧送する燃料ポンプとしても利用されている。特許文献１には、そのような燃料ポンプの一例が開示されている。

特開２０１７−２００２７９号公報

インペラが取り付けられているシャフトは、その両端側に配置された一対の軸受によって支持されている。通常、これら軸受は、一方の軸受の中心軸と他方の軸受の中心軸が一致するように配置される。しかしながら、流体ポンプを構成する複数の部品を組み立てるときのズレ等の製造ばらつきにより、これら軸受の中心軸の位置ズレが発生してしまう。

ところで、この種の流体ポンプでは、インペラの流体昇圧に起因してシャフトに対して特定の向きに偏心荷重が加わっている。本発明者らの検討によると、一対の軸受の中心軸の位置ズレの向きと偏心荷重の向きの関係によっては、シャフトの摺動抵抗が増加し、ポンプ性能が低下する虞があることが分かってきた。

シャフトに対して偏心荷重が加わる位置を力点とすると、インペラに近い位置に配置された第１軸受とシャフトの接点が支点となり、インペラから遠い位置に配置された第２軸受とシャフトの接点が作用点の関係となる。第１軸受の中心軸に対する第２軸受の中心軸の位置ズレの向きが偏心荷重の向きに一致すると、第１軸受のうちの第２軸受側の端部が支点となり、第２軸受のうちの第１軸受側の端部が作用点となるように、シャフトが第１軸受と第２軸受のそれぞれに接触することがある。この場合、力点と支点の間の距離が長く、支点と作用点の間の距離が短くなることから、作用点のモーメントが大きくなってしまう。このように、第１軸受の中心軸に対する第２軸受の中心軸の位置ズレの向きが偏心荷重の向きに一致すると、シャフトの摺動抵抗が増加し、ポンプ性能が低下する虞があることが分かってきた。本明細書は、このようなシャフトの摺動抵抗の増加を抑えることができる技術を提供する。

本明細書が開示する流体ポンプは、第１端と第２端を有するシャフトと、前記シャフトの前記第１端側を支持する第１軸受と、前記シャフトの前記第２端側を支持する第２軸受と、前記第１軸受よりも前記シャフトの前記第１端に近い側に取り付けられているインペラと、を備えることができる。前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸のばらつき範囲の中心位置が、前記インペラの流体昇圧によって前記シャフトに加わる偏心荷重の向きとは反対向きに位置ズレした位置に存在している。このような位置関係で前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が存在していると、前記第１軸受のうちの前記第２軸受から遠い側の端部が支点となり、前記第２軸受のうちの前記第１軸受から遠い側の端部が作用点となるように、前記シャフトが前記第１軸受と前記第２軸受のそれぞれに接触することができる。このため、力点と支点の間の距離が短くなり、支点と作用点の間の距離が長くなることから、作用点のモーメントが小さくなる。したがって、上記流体ポンプでは、前記シャフトの摺動抵抗の増加が抑えられる。

上記流体ポンプにおいて、前記ばらつき範囲には、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が前記偏心荷重の向きに位置ズレしたときの当たり方境界の位置が含まれなくてもよい。この流体ポンプでは、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が製造ばらつきによって位置ズレしたとしても、前記シャフトの摺動抵抗の増加が抑えられるという効果が確実に得られる。

本明細書はまた、第１端と第２端を有するシャフトと、前記シャフトの前記第１端側を支持する第１軸受と、前記シャフトの前記第２端側を支持する第２軸受と、前記第１軸受よりも前記シャフトの前記第１端に近い側に取り付けられているインペラと、を備えている流体ポンプの製造方法を提供することができる。この製造方法は、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸のばらつき範囲の中心位置が、前記インペラの流体昇圧によって前記シャフトに加わる偏心荷重の向きとは反対向きに位置ズレした位置に存在するように、前記第１軸受と前記第２軸受を配置する工程、を有することができる。この製造方法によると、前記シャフトの摺動抵抗の増加が抑えられた流体ポンプを製造することができる。

上記製造方法では、前記ばらつき範囲には、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が前記偏心荷重の向きに位置ズレしたときの当たり方境界の位置が含まれなくてもよい。この製造方法によると、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が製造ばらつきによって位置ズレしたとしても、前記シャフトの摺動抵抗の増加が抑えられるという効果が確実に得られる流体ポンプを製造することができる。

流体ポンプの断面図を模式的に示す。 回転軸方向から観測したインペラの平面図を模式的に示す。 インペラの回転軸を原点とし、吸入口の位置を０°とした座標系において、インペラの流体昇圧によってシャフトに加わる荷重のベクトルを示す。 図３の座標系において、対向する角度の荷重を差し引きしたときの荷重のベクトルと、それら荷重を合成した合力のベクトルを示す。 第１軸受の中心軸に対する第２軸受の中心軸が位置ズレ方向に位置ズレしたときの、第１軸受の位置と第２軸受の位置とシャフトの傾きの関係を示す。 第１軸受の中心軸に対する第２軸受の中心軸のばらつき範囲を示す。

（流体ポンプ）
図１に、流体ポンプ１００の断面図を示す。流体ポンプ１００は、例えば、自動車の燃料タンク内に配置され、燃料タンク内の燃料を内燃機関に向けて圧送する燃料ポンプとして利用される。なお、本明細書に開示する流体ポンプ１００は、燃料ポンプ以外の用途にも利用可能である。以下、流体ポンプ１００の構成を説明する。

流体ポンプ１００は、モータ部２２とポンプ部２４を備えている。モータ部２２及びポンプ部２４は、ハウジング８０内に収容されている。ハウジング８０は、両端が開口された略円筒状であり、筒状に伸びる方向に、モータ部２２とポンプ部２４が並んで収容されている。モータ部２２には、ブラシレスモータ５０が配置されている。ブラシレスモータ５０は、ロータ３０とステータ４０を備えている。また、モータ部２２は、流体ポンプ１００内の燃料を外部に供給する供給口４８と連通している。

ステータ４０は、ハウジング８０の内周面に固定されている。ステータ４０は、鉄芯部（ステータコア）４２と樹脂層４４を備えている。ブラシレスモータ５０の回転軸方向（紙面上下方向）において、鉄芯部４２の両側に樹脂層４４が設けられている。なお、鉄芯部４２は、コイルが巻回された複数のスロット（図示省略）を備えている。

ロータ３０は、ステータ４０から所定距離だけ離れた状態で、ステータ４０の内側に配置されており、シャフト７２に固定（一体化）されている。ロータ３０は、磁性体と樹脂の混合物を用いて射出成形によって製造されたプラスチック磁石（ボンド磁石）であり、周方向にＮ極とＳ極が交互に出現するように構成されている。

シャフト７２は、第１端７２ａと第２端７２ｂを有しており、モータ部２２とポンプ部２４に跨って伸びている。シャフト７２は、一対の軸受６２,６４によってハウジング８０に支持されている。具体的には、シャフト７２の第１端７２ａ側を支持するように第１軸受６２が配置されており、シャフト７２の第２端７２ｂ側を支持するように第２軸受６４が配置されている。第１軸受６２は、ポンプ部２４のポンプケーシング８に形成されている第１軸受収容部８ａ内に嵌合固定されている。第２軸受６４は、モータ部２２の樹脂層４４に形成されている第２軸受収容部４４ａ内に嵌合固定されている。詳細は後述するが、第１軸受６２の中心軸に対して第２軸受６４の中心軸がオフセットするように、第１軸受６２と第２軸受６４が配置されている。第１軸受６２及び第２軸受６４の種類は、特に限定されるものではなく、シャフト７２の回転を許容できる様々な種類が採用され得る。一例では、第１軸受６２及び第２軸受６４には、ボールベアリングが採用される。

ポンプ部２４は、略円板状のインペラ１４と、インペラ１４を収容しているポンプケーシング８を備えている。ポンプケーシング８は、吸入口２が形成されている第１ケーシング４と、吐出口１０が形成されている第２ケーシング６を備えている。吸入口２は、流体ポンプ１００の外部の空間と、ポンプケーシング８内の空間（インペラ１４が収容されている空間）を連通している。吐出口１０は、ポンプケーシング８内の空間と、モータ部２２内の空間を連通している。

インペラ１４は、第１軸受６２が配置されている位置よりもシャフト７２の第１端７２ａに近い側に取り付けられている。具体的には、シャフト７２には、第１軸受６２が配置されている位置よりも第１端７２ａに近い側に係合部７６が設けられている。シャフト７２の外形は、係合部７６を除き、円形である。係合部７６には、シャフト７２の回転軸に沿って伸びる平面部７４が形成されている。そのため、係合部７６の断面形状（シャフト７２の回転軸に直交する平面の形状）は、円の一部を切り欠いたＤ形状である。また、インペラ１４には、その中心部を貫通するように係合孔１２が設けられている。係合孔１２の形状もＤ形状である。シャフト７２の係合部７６をインペラ１４の係合孔１２に挿入することによって、インペラ１４とシャフト７２が係合している。さらに、係合部７６及び係合孔１２が非円形（Ｄ形状）なので、シャフト７２はインペラ１４に対して空転しない。このため、インペラ１４は、シャフト７２の回転に伴って、シャフト７２と一体に回転することができる。

図２に示されるように、インペラ１４には、外周面から一定距離だけ内側の位置に、周方向に沿って並んで配置された複数の羽根溝１６が形成されている。複数の羽根溝１６は、インペラ１４の裏面（吸入口２側の面）と表面（吐出口１０側の面）のそれぞれに形成されており、インペラ１４の表面と裏面の対応する位置に形成されている一対の羽根溝１６は連通している。吸入口２からインペラ１４の裏面に形成されている羽根溝１６に流入した燃料は、インペラ１４の回転に伴って羽根溝１６内で昇圧され、インペラ１４の表面に形成されている羽根溝１６から吐出口１０側に向けて吐出される。

流体ポンプ１００は、ステータ４０のコイルに通電すると、ロータ３０が回転し、ロータ３０の回転に伴ってインペラ１４が回転する。その結果、吸入口２からポンプケーシング８内のインペラ１４に燃料が吸い込まれる。上記したように、インペラ１４の羽根溝１６内の燃料は、昇圧され、吐出口１０を通過してモータ部２２内に送られる。モータ部２２内に送られた燃料は、ステータ４０とロータ３０の隙間を移動し、供給口４８から流体ポンプ１００外の内燃機関に向けて圧送される。

（シャフトに加わる偏心荷重）
図２に示されるように、インペラ１４の回転軸方向から観測したときに、吸入口２と吐出口１０は、インペラ１４の周方向において異なる位置に配置されている。なお、この例で示す吸入口２と吐出口１０の位置関係は一例であり、吸入口２と吐出口１０を他の位置関係に配置することができる。

上記したように、羽根溝１６内に流入した燃料は、インペラ１４の回転に伴って昇圧される。このため、吸入口２付近の羽根溝１６内にある燃料の液圧は相対的に低く、吐出口１０付近の羽根溝１６内にある燃料の液圧は相対的に高い。このような羽根溝１６内の燃料の液圧は、インペラ１４を介してシャフト７２に荷重を加える。

ここで、インペラ１４の回転軸を原点とし、吸入口２の位置を０°とする座標系を定義すると、吐出口１０の位置は２７０°の位置にある。図３には、この座標系を利用して、シャフト７２に作用する荷重ｆのベクトルが１０°毎に示されている。シャフト７２に作用する荷重ｆは、吸入口２（０°の位置）から吐出口１０（２７０°の位置）までの間に発生しており、上記したように、羽根溝１６内にある燃料の液圧に応じて、吸入口２付近において相対的に低く、吐出口１０付近において相対的に高い。

図４には、原点を間において対向する角度（例えば、２７０°と９０°）の荷重ｆを差し引きしたときの、シャフト７２に作用する荷重ｆのベクトルが示されている。図４に示されるように、シャフト７２に作用する荷重ｆの分布は、非対称な扇状となる。これら荷重ｆを合成した合力Ｆは、約３０°の位置となる。このように、本実施形態の流体ポンプ１００では、インペラ１４の羽根溝１６内の燃料の液圧差に基づいて、約３０°の向きにシャフト７２に対して偏心荷重Ｆが加わる。なお、この例では、偏心荷重Ｆの向きが約３０°であるが、吸入口２と吐出口１０の位置関係がこの例と異なれば、偏心荷重Ｆの向きも異なるものとなる。ただし、上記で説明したように、偏心荷重Ｆの向きは、吸入口２と吐出口１０の位置関係に基づいて一義的に決定され得るものである。

（第１軸受の位置と第２軸受の位置とシャフトの傾きの関係）
図５に、第１軸受６２の位置と第２軸受６４の位置とシャフト７２の傾きの関係を示す。図５（Ｃ）は、第１軸受６２の中心軸に対して第２軸受６４の中心軸が一致して配置されている場合を示す。図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、第１軸受６２の中心軸（長い一点破線）に対して第２軸受６４の中心軸（短い一点破線）が偏心荷重Ｆの向きに位置ズレして配置されている場合を示す。以下、このような位置ズレを「軸ズレ方向の正の向きの位置ズレ」ということがある。また、ここでいう「軸ズレ方向」とは偏心荷重Ｆの向きに平行な方向である。図５（Ｄ）及び図５（Ｅ）は、第１軸受６２の中心軸（長い一点破線）に対して第２軸受６４の中心軸（短い一点破線）が偏心荷重Ｆの向きとは反対向きに位置ズレして配置されている場合を示す。以下、このような位置ズレを「軸ズレ方向の負の向きの位置ズレ」ということがある。なお、図示明瞭化を目的として、図５（Ｅ）のみに符号を付し、他の図５（Ａ）〜（Ｄ）については符号を省略して図示する。

図５（Ａ）の場合、シャフト７２は、第１軸受６２のうちの第２軸受６４に近い側の端部に接触し、第２軸受６４のうちの第１軸受６２に近い側の端部に接触する。シャフト７２に対して偏心荷重Ｆが加わる位置を力点とすると、第１軸受６２とシャフト７２の接点６２ａが支点となり、第２軸受６４とシャフト７２の接点６４ａが作用点の関係となる。この場合、力点と支点の間の距離が長くなり、支点と作用点の間の距離が短くなることから、作用点のモーメントＭが大きくなることが分かる。また、図５（Ｂ）の場合、シャフト７２は、軸ズレ方向の一方側で第１軸受６２と面接触し、軸ズレ方向の他方側で第２軸受６４と面接触し、第１軸受６２及び第２軸受６４の中心軸方向に対して傾斜していない。本願明細書では、このような状態を「当たり方境界」という。

一方、図５（Ｃ）〜（Ｅ）の場合、シャフト７２は、インペラ１４の流体昇圧に起因した偏心荷重Ｆを受けて傾斜しており、第１軸受６２のうちの第２軸受６４から遠い側の端部に接触し、第２軸受６４のうちの第１軸受６２から遠い側の端部に接触する。これらの場合、力点と支点の間の距離が短くなり、支点と作用点の間の距離が長くなることから、作用点のモーメントＭが小さくなることが分かる。

このように、図５（Ｃ）〜（Ｅ）の場合、図５（Ａ）の場合に比して、第２軸受６４に作用するモーメントＭが小さい。このため、図５（Ｃ）〜（Ｅ）の場合、図５（Ａ）の場合に比して、シャフト７２の摺動抵抗の増加が抑えられる。本実施形態の流体ポンプ１００は、図５（Ｃ）〜（Ｅ）の状態となるように、第１軸受６２の中心軸に対する第２軸受６４の中心軸の位置が考慮されて製造される。

図６に、第１軸受６２の中心軸に対する第２軸受６４の中心軸のばらつき範囲を示す。なお、このようなばらつき範囲は、流体ポンプ１００を構成する各部品を組み合わせる際のズレ等の製造ばらつきに起因して生じるものである。図の中心（２つの対角線の交点）が第１軸受６２の中心軸の位置に対応している。実線１０１は、第１軸受６２の中心軸に対して第２軸受６４の中心軸が一致するように製造した比較例における第２軸受６４の中心軸のばらつき範囲を示す。図６に示されるように、比較例では、第２軸受６４の中心軸が当たり方境界を越えて位置ズレする場合がある。これは、図５（Ａ）に示す状態である。このように、比較例では、シャフト７２の摺動抵抗が増加し、ポンプ性能が低下する虞がある。

一方、破線１０２は、第１軸受６２の中心軸に対して第２軸受６４の中心軸が位置ズレするように製造した本実施形態の流体ポンプ１００における第２軸受６４の中心軸のばらつき範囲を示す。このように、本実施形態の流体ポンプ１００では、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが、軸ズレ方向の負の向きに位置ズレして配置されている。換言すると、本実施形態の流体ポンプ１００は、第１軸受６２と第２軸受６４がそのような位置関係となるような設計値に基づいて製造される。具体的には、第１軸受６２を収容するための第１軸受収容部８ａ（図１参照）の中心軸に対して第２軸受６４を収容するための第２軸受収容部４４ａ（図１参照）の中心軸が、軸ズレ方向の負の向きに位置ズレした位置に存在するように、第１軸受収容部８ａと第２軸受収容部４４ａの設計値が設定されている。

なお、上記したように、このようなばらつき範囲１０２は、流体ポンプ１００を構成する各部品を組み合わせる際のズレ等の製造ばらつきに起因して生じるものであり、様々な不確実性要素に起因した分布範囲となる。ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが設計値として設定された第２軸受６４の中心軸の位置であるが、実際の第２軸受６４の中心軸の位置はその中心位置１０２ａの周囲のばらつき範囲１０２内に分布する。換言すると、実際に製造された複数の流体ポンプ１００の第１軸受６２の中心軸に対する第２軸受６４の中心軸の位置の平均値又は中央値となる位置が、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａと推定することができる。この場合、実際に製造された少なくとも５０台の流体ポンプ１００の第１軸受６２の中心軸に対する第２軸受６４の中心軸の位置から平均値又は中央値となる位置を計算すれば、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａを推定することができる。

このように、本実施形態の流体ポンプ１００は、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが軸ズレ方向の負の向きに位置ズレして配置されるように製造されるので、第１軸受６２と第２軸受６４とシャフト７２の関係が図５（Ｃ）〜図５（Ｅ）の状態となる。特に、本実施形態の流体ポンプ１００では、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが軸ズレ方向の負の向きに大きく位置ズレしているので、ばらつき範囲１０２に当たり方境界の位置が含まれないことから、第１軸受６２と第２軸受６４とシャフト７２の関係が図５（Ｃ）〜図５（Ｅ）の状態となることが保証されている。これにより、本実施形態の流体ポンプ１００では、シャフト７２の摺動抵抗の増加が確実に抑えられる。

なお、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが軸ズレ方向の負の向きに位置ズレしている限り、そのばらつき範囲１０２に当たり方境界の位置が含まれていてもよい。この場合でも、実線１０１の比較例に比して、実際に製造される流体ポンプ１００の第２軸受６４の中心軸の位置が当たり方境界を越えて位置ズレする場合が減少するので、シャフト７２の摺動抵抗が増加した流体ポンプ１００が製造される確率を減らすことができる。

また、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが軸ズレ方向の負の向きに位置ズレしている限り、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが軸ズレ方向に直交する方向にも位置ズレしていてもよい。ただし、シャフト７２の摺動抵抗の増加を抑える効果を最大化するために、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが軸ズレ方向の負の向きのみに位置ズレしていてもよい。すなわち、図６において、ばらつき範囲１０２の中心位置１０２ａが、軸ズレ方向に伸びる対角線上にあってもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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。

２ ：吸入口
８ ：ポンプケーシング
１０ ：吐出口
１４ ：インペラ
１６ ：羽根溝
２２ ：モータ部
２４ ：ポンプ部
３０ ：ロータ
４０ ：ステータ
４８ ：供給口
５０ ：ブラシレスモータ
６２ ：第１軸受
６４ ：第２軸受
７２ ：シャフト
８０ ：ハウジング
１００ ：流体ポンプ

Claims (4)

1. 第１端と第２端を有するシャフトと、
   前記シャフトの前記第１端側を支持する第１軸受と、
   前記シャフトの前記第２端側を支持する第２軸受と、
   前記第１軸受が配置されている位置よりも前記シャフトの前記第１端に近い側に取り付けられているインペラと、を備えており、
   前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸のばらつき範囲の中心位置が、前記インペラの流体昇圧によって前記シャフトに加わる偏心荷重の向きとは反対向きに位置ズレした位置に存在している、流体ポンプ。
2. 請求項１に記載の流体ポンプであって、
   前記ばらつき範囲には、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が前記偏心荷重の向きに位置ズレしたときの当たり方境界の位置が含まれない、流体ポンプ。
3. 第１端と第２端を有するシャフトと、
   前記シャフトの前記第１端側を支持する第１軸受と、
   前記シャフトの前記第２端側を支持する第２軸受と、
   前記第１軸受が配置されている位置よりも前記シャフトの前記第１端に近い側に取り付けられているインペラと、を備える流体ポンプの製造方法であって、
   前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸のばらつき範囲の中心位置が、前記インペラの流体昇圧によって前記シャフトに加わる偏心荷重の向きとは反対向きに位置ズレした位置に存在するように、前記第１軸受と前記第２軸受を配置する工程、を有する、流体ポンプの製造方法。
4. 請求項３に記載の流体ポンプの製造方法であって、
   前記ばらつき範囲には、前記第１軸受の中心軸に対する前記第２軸受の中心軸が前記偏心荷重の向きに位置ズレしたときの当たり方境界の位置が含まれない、流体ポンプの製造方法。

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