JP2022145151A - Pump, pump design method, and pump manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、ポンプ、ポンプの設計方法及びポンプの製造方法に関する。 The present disclosure relates to pumps, methods of designing pumps, and methods of manufacturing pumps.
下記特許文献1には、羽根車の主板に皮膜を形成することによって羽根車の回転時の摩擦損失を低減したポンプが開示されている。この文献に記載された構成では、羽根車の主板に水との接触角が120°以上の撥水性皮膜を形成することで、羽根車の回転時の摩擦損失を低減している。 Patent Literature 1 listed below discloses a pump in which a film is formed on the main plate of the impeller to reduce friction loss during rotation of the impeller. In the configuration described in this document, a water-repellent film having a contact angle with water of 120° or more is formed on the main plate of the impeller to reduce friction loss during rotation of the impeller.
しかしながら、上記特許文献1に記載された構成では、撥水性皮膜の劣化により、当該撥水性皮膜が羽根車の主板からはがれることが考えられる。これにより、羽根車の回転時の摩擦損失を低減する効果が長期間にわたって得られないことが考えられる。 However, in the configuration described in Patent Document 1, it is conceivable that the water-repellent coating may be detached from the main plate of the impeller due to deterioration of the water-repellent coating. As a result, it is conceivable that the effect of reducing friction loss during rotation of the impeller cannot be obtained over a long period of time.
本開示は上記事実を考慮し、摩擦損失を低減する効果を長期間にわたって得ることができるポンプ、ポンプの設計方法及びポンプの製造方法を得ることが目的である。 In view of the above facts, an object of the present disclosure is to obtain a pump, a method for designing a pump, and a method for manufacturing a pump that can obtain the effect of reducing friction loss over a long period of time.
上記課題を解決するポンプ(10)は、回転可能に設けられたインペラ(12)と、前記インペラが内部に収容されていると共に、液体が前記インペラ側へ向けて流入する流入部(40)と、前記インペラを通過した液体が流出する流出部(54)と、を有するポンプケース(16)と、前記インペラにおいて前記ポンプケースと回転軸方向に対向する部分及び前記ポンプケースにおいて前記インペラと回転軸方向に対向する部分の少なくとも一方に形成され、回転径方向に沿って形成された溝(32、36)と、を備えている。 A pump (10) for solving the above problems comprises a rotatably provided impeller (12) and an inflow part (40) in which the impeller is accommodated and liquid flows in toward the impeller. a pump case (16) having an outflow portion (54) from which the liquid that has passed through the impeller flows out; and grooves (32, 36) formed in at least one of the portions facing each other in the direction and formed along the radial direction of rotation.
この様に構成することで、摩擦損失を低減する効果を長期間にわたって得ることができる。 By configuring in this way, the effect of reducing friction loss can be obtained over a long period of time.
図1~図8を用いて本開示の実施形態に係るポンプ10について説明する。なお、図中に適宜示す矢印Z方向、矢印R方向及び矢印C方向は、後述するインペラ12の回転軸方向一方側、回転径方向外側及び回転周方向一方側をそれぞれ示すものとする。また以下、単に軸方向、径方向、周方向を示す場合は、特に断りのない限り、インペラ12の回転軸方向、回転径方向、回転周方向を示すものとする。
A
図1に示されるように、本実施形態のポンプ10は、一例として車両のウォータポンプとして用いられる。このポンプ10は、図示しない制御部によって回転が制御されるモータ部14と、モータ部14によって回転されるインペラ12と、インペラ12が内部に配置されたポンプケース16と、を含んで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
モータ部14は、図示しない制御部によって通電が制御されることで回転磁界を発生させるステータ18と、ステータ18が回転磁界を発生させることで回転するロータ20と、を備えている。ロータ20の回転軸22の軸方向一方側の端部には、後述するインペラ12が固定されている。
The
図2に示されるように、インペラ12は、軸方向を厚み方向とする円板状に形成された円板部としての第1円板部24と、第1円板部24に対して軸方向一方側に配置されていると共に円板状に形成された円板部としての第2円板部26と、を備えている。また、インペラ12は、第1円板部24と第2円板部26との間に配置されていると共に第1円板部24と第2円板部26とを軸方向につなぐ複数の羽根28を備えている。なお、本実施形態のインペラ12は、回転周方向一方側が回転方向となっている。
As shown in FIG. 2 , the
図2及び図3に示されるように、第1円板部24の軸方向他方側の面30は、径方向及び周方向とほぼ平行に設定された平面状に形成されている。また、第1円板部24の軸方向他方側の面30側には、軸方向他方側が開放された複数の溝32が径方向に沿って形成されている。本実施形態では、16本の溝32が、第1円板部24の軸方向他方側の面30側に形成されている。また、複数の溝32は、軸方向他方側から見て放射状に配置されていると共に周方向に沿って等間隔に配置されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図2及び図4に示されるように、第2円板部26の軸方向一方側の面34は、径方向外側へ向かうにつれて軸方向他方側に傾斜していると共に周方向に沿って平面状に形成されている。また、第2円板部26の軸方向一方側の面34側には、軸方向一方側が開放された複数の溝36が径方向に沿って形成されている。本実施形態では、16本の溝36が、第2円板部26の軸方向一方側の面34側に形成されている。また、複数の溝36は、軸方向一方側から見て放射状に配置されていると共に周方向に沿って等間隔に配置されている。なお、第2円板部26の軸方向一方側の面34側に形成された溝36の基本的な構成は、第1円板部24の軸方向他方側の面30側に形成された溝32とほぼ同一の構成となっている。そのため、以下の説明においては、第1円板部24の軸方向他方側の面30側に形成された溝32について説明し、第2円板部26の軸方向一方側の面34側に形成された溝36についての説明は省略する。なお、第2円板部26の径方向内側の端部には、軸方向一方側へ向けて折り曲げられたフランジ部38が形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 4, the
図1に示されるように、ポンプケース16は、インペラ12の軸方向一方側において当該インペラ12と軸方向に対向して配置された筒状の流入部40を備えている。この流入部40からポンプケース16の内部に液体が流入するようになっている。また、ポンプケース16は、流入部40の軸方向他方側の端から径方向外側へ向けて延びる第2対向部42を備えている。この第2対向部42におけるインペラ12側の面44は、インペラ12の第2円板部26における軸方向一方側の面34とほぼ平行な平面状となっている。さらに、ポンプケース16は、第2対向部42に対して軸方向他方側において径方向に延びる第1対向部46を備えている。この第1対向部46におけるインペラ12側の面48は、インペラ12の第1円板部24における軸方向他方側の面30とほぼ平行な平面状となっている。また、ポンプケース16は、インペラ12に対して径方向外側に配置されていると共に第1対向部46の径方向外側の端と第2対向部42の径方向外側の端とをつなぐ外側環状部50を備えている。外側環状部50の内側の空間は、周方向一方側へ向かうにつれて流路が次第に大きくなる渦巻室52となっている。また、ポンプケース16は、外側環状部50とつながっていると共に筒状に形成された流出部54を備えている。そして、流入部40からポンプケース16の内部に流入した液体は、インペラ12及び渦巻室52を通過して流出部54から流出するようになっている。
As shown in FIG. 1 , the
次に、本実施形態の要部の構成である溝32、36の構成について説明する。
Next, the configuration of the
図5には、インペラ12の第1円板部24において溝32が形成された部分を周方向及び軸方向に沿って切断した断面が示されている。この断面視における溝32の底面の形状は、当該溝32の幅方向である周方向の中心位置において最も窪んだV字形状となっている。ここで、溝32の底面において溝32の周方向の中心位置に対して周方向一方側の部分を第1傾斜面32Aと呼ぶ。また、溝32の底面において溝32の周方向の中心位置に対して周方向他方側の部分を第2傾斜面32Bと呼ぶ。
FIG. 5 shows a cross section obtained by cutting the portion of the
第1傾斜面32Aは、周方向一方側へ向かうにつれて軸方向他方側へ傾斜している平面状に形成されている。これにより、第1傾斜面32Aと対応する部分における溝32の深さ寸法dが、溝32の周方向の中心位置から周方向一方側へ向かうにつれて次第に小さくなっている。また、この深さ寸法dは、溝32の周方向一方側の端32Cにおいて0となっている。
32 A of 1st inclined surfaces are formed in planar shape which inclines to the axial direction other side as it goes to the circumferential direction one side. Accordingly, the depth dimension d of the
第2傾斜面32Bは、周方向他方側へ向かうにつれて軸方向他方側へ傾斜している平面状に形成されている。これにより、第2傾斜面32Bと対応する部分における溝32の深さ寸法dが、溝32の周方向の中心位置から周方向他方側へ向かうにつれて次第に小さくなっている。また、この深さ寸法dは、溝32の周方向他方側の端32Dにおいて0となっている。
The second
図6に示されるように、本実施形態では、インペラ12が一定回転で回転している際に、溝32の内部において回転径方向まわりの渦Yが生じるように、溝32の形状及び寸法が設定されている。具体的には、この渦Yが生じるように、溝32の幅寸法W、深さ寸法d、長さ寸法L(図3参照)、第1傾斜面32A及び第2傾斜面32Bの第1円板部24の軸方向他方側の面30に対する傾斜角度θ等が設定されている。インペラ12が一定回転で回転している際に、溝32の内部において回転径方向まわりの渦Yが生じるようにすることで、第1円板部24の軸方向他方側の面30とポンプケース16の第1対向部46におけるインペラ12側の面48との間の液体の流速の速度勾配を緩やかにすることができる。なお、図6においては、軸方向の各位置における液体の流れの向き及び流速を矢印Vの向き及び長さで示している。
As shown in FIG. 6, in this embodiment, the
上記渦Yが生じるか否か、及び、この渦Yが生じることによってどの程度のポンプ効率の向上を図れるかについては、ポンプケース16内の液体の流れを数値流体力学によってシミュレーションすることができるコンピュータを用いて解析される。図7には、一の条件下における当該解析の結果が示されている。図7においては、第1円板部24の軸方向他方側の面30とポンプケース16の第1対向部46におけるインペラ12側の面48との間の各位置における液体の流れの向き及び流速を矢印Vの向き及び長さで示している。
Whether or not the vortex Y is generated and how much the pump efficiency can be improved by generating this vortex Y are determined by a computer capable of simulating the flow of liquid in the
ここで、発明者は、上記の解析を行う過程において、第1傾斜面32A及び第2傾斜面32Bの第1円板部24の軸方向他方側の面30に対する傾斜角度θがポンプ効率に大きく影響することを発見した。
Here, in the process of performing the above analysis, the inventors found that the inclination angle θ of the first
図8のグラフには、第1傾斜面32A及び第2傾斜面32Bの傾斜角度θとポンプ効率比Pとの関係が示されている。ここで、ポンプ効率比Pとは、本実施形態のポンプ10のポンプ効率をη1とし、溝32、36が形成されていないことを除いては本実施形態のポンプ10と同様に構成された比較例に係るポンプのポンプ効率をη2とした場合において、(η1/η2)で算出される値のことである。このポンプ効率比が1を超えるということは、本実施形態のポンプ10のポンプ効率η1が比較例に係るポンプのポンプ効率η2を上回っていることを意味する。そして、図8に示されるように、発明者は、第1傾斜面32A及び第2傾斜面32Bの傾斜角度θを10°~50°の間の角度に設定することで、ポンプ10のポンプ効率η1を比較例に係るポンプのポンプ効率η2に対して大きく向上できることを発見した。そして、ポンプの製造工程の一工程であるインペラ12の形成工程において、上記設定の溝32、36をインペラ12の第1円板部24及び第2円板部24に形成した。
The graph of FIG. 8 shows the relationship between the inclination angle θ of the first
(本実施形態の作用並びに効果)
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。
(Action and effect of this embodiment)
Next, the operation and effects of this embodiment will be described.
図1、図3、図4及び図5に示されるように、以上説明した本実施形態のポンプ10では、インペラ12に溝32、36を設けることにより、第1円板部24の軸方向他方側の面30とポンプケース16の第1対向部46におけるインペラ12側の面48との間の液体の流速の速度勾配を緩やかにすることができると共に、第2円板部26の軸方向一方側の面34とポンプケース16の第2対向部42におけるインペラ12側の面44との間の液体の流速の速度勾配を緩やかにすることができる。これにより、インペラ12と流体間の摩擦損失を溝32、36を設けない場合と比べて低減することができ、ポンプ10のポンプ効率η1を溝32、36を設けない場合と比べて向上させることができる。また、本実施形態のポンプ10では、溝32、36を設けるという単純な構成により、上記の摩擦損失を低減する効果を長期間にわたって得ることができる。
As shown in FIGS. 1, 3, 4, and 5, in the
また、本実施形態では、第1傾斜面32A及び第2傾斜面32Bの傾斜角度θを10°~50°の間の角度に設定することで、ポンプ10のポンプ効率η1を大きく向上させることができる。
Further, in this embodiment, by setting the inclination angle θ of the first
なお、本実施形態のポンプ10では、インペラ12の第1円板部24及び第2円板部26の両方に溝32、36を形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、インペラ12の第1円板部24のみに溝32を形成してもよいし、インペラ12の第2円板部26のみに溝36を形成してもよい。また、溝32、36の数や配置は、ポンプ10の効率η1やインペラ12の回転時におけるポンプ10のノイズのレベル等を考慮して適宜設定すればよい。
In the
また、本実施形態のポンプ10では、溝32の第1傾斜面32A及び第2傾斜面32Bの傾斜角度θを同じ角度に設定した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第1傾斜面32Aの傾斜角度θと第2傾斜面32Bの傾斜角度θとを互いに異なる角度に設定してもよい。また、図9に示されるように、第2傾斜面32Bと対応する面のみを底面とした溝32の構成としてもよい。このように、溝32の深さdが、インペラ12の回転方向とは反対側へ向かうにつれて次第に浅くなっている構成とすることで、ポンプ10の効率η1を優位に向上させることができる。さらに、図10に示されるように、溝32の底面を湾曲させた構成としてもよい。
Also, in the
さらに、インペラ12の第1円板部24に形成された溝32と同様の溝をポンプケース16の第1対向部46におけるインペラ12側の面48側に形成すると共に、インペラ12の第2円板部26に形成された溝36と同様の溝をポンプケース16の第2対向部42におけるインペラ12側の面44側に形成してもよい。当該構成によっても、ポンプ10の効率η1を向上させることができる。また、インペラ12及びポンプケース16の両方に溝を設けた構成としてもよい。
Further, grooves similar to the
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。 An embodiment of the present disclosure has been described above, but the present disclosure is not limited to the above, and can be implemented in various modifications other than the above without departing from the scope of the present disclosure. is of course.
10 ポンプ、12 インペラ、16 ポンプケース、24 第1円板部(円板部)、26 第2円板部(円板部)、28 羽根、32 溝、32B 第2傾斜面(傾斜面)、36 溝、40 流入部、54 流出部、d 溝の深さ
10 pump, 12 impeller, 16 pump case, 24 first disc portion (disc portion), 26 second disc portion (disc portion), 28 blades, 32 groove, 32B second inclined surface (inclined surface), 36 groove, 40 inlet, 54 outlet, d depth of groove
Claims (7)
前記インペラが内部に収容されていると共に、液体が前記インペラ側へ向けて流入する流入部(40)と、前記インペラを通過した液体が流出する流出部(54)と、を有するポンプケース(16)と、
前記インペラにおいて前記ポンプケースと回転軸方向に対向する部分及び前記ポンプケースにおいて前記インペラと回転軸方向に対向する部分の少なくとも一方に形成され、回転径方向に沿って形成された溝(32、36)と、
を備えたポンプ(10)。 a rotatably mounted impeller (12);
A pump case (16) in which the impeller is accommodated and which has an inflow portion (40) into which liquid flows toward the impeller side and an outflow portion (54) into which the liquid that has passed through the impeller flows out. )When,
Grooves (32, 36) formed in at least one of a portion of the impeller facing the pump case in the direction of the rotation axis and a portion of the pump case facing the impeller in the direction of the rotation axis, and formed along the radial direction of rotation. )When,
A pump (10) comprising:
複数の前記溝が、回転周方向に間隔をあけて配置されている請求項1に記載のポンプ。 A plurality of grooves are formed in at least one of a portion of the impeller facing the pump case in the direction of the rotation axis and a portion of the pump case facing the impeller in the direction of the rotation axis,
2. The pump of claim 1, wherein a plurality of said grooves are spaced apart in the circumferential direction of rotation.
前記溝が、前記円板部において複数の羽根が設けられた側とは反対側に形成されている請求項1又は請求項2に記載のポンプ。 The impeller includes disc portions (24, 26) formed in a disc shape, and a plurality of blades (28) integrally provided with the disc portion and arranged at intervals in the circumferential direction of rotation. , consisting of
3. The pump according to claim 1, wherein the groove is formed on a side of the disk portion opposite to the side on which the plurality of blades are provided.
前記傾斜面と回転周方向とのなす角度が10°~50°の間の角度に設定されている請求項4に記載のポンプ。 In a cross-sectional view cut along the rotation circumferential direction and the rotation axis direction, the groove is an inclined surface (32B) that is inclined toward the opening direction side of the groove toward the side opposite to the rotation direction of the impeller. has
5. The pump according to claim 4, wherein the angle formed by said inclined surface and the rotation circumferential direction is set to an angle between 10° and 50°.
前記ポンプケース内の液体の流れを数値流体力学によってシミュレーションすることができるコンピュータを用い、
前記インペラが回転している状態で、前記溝の内部において回転径方向まわりの渦が生じるように、前記溝の形状及び寸法を設定するポンプの設計方法。 A pump design method according to any one of claims 1 to 5,
Using a computer capable of simulating the flow of liquid in the pump case by computational fluid dynamics,
A method of designing a pump in which the shape and dimensions of the groove are set so that a vortex around the radial direction of rotation is generated inside the groove while the impeller is rotating.
前記ポンプケース内の液体の流れを数値流体力学によってシミュレーションすることができるコンピュータを用い、前記インペラが回転している状態で、前記溝の内部において回転径方向まわりの渦が生じるように、前記溝の形状及び寸法を設定し、この設定の前記溝を前記インペラに形成する工程を有するポンプの製造方法。
A method for manufacturing a pump according to any one of claims 1 to 5,
Using a computer capable of simulating the flow of liquid in the pump case by means of numerical fluid dynamics, the groove is adjusted so that a vortex is generated inside the groove in the radial direction of rotation while the impeller is rotating. and forming said grooves of this setting in said impeller.
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