JP2931432B2 - ウオータポンプまたは汎用ポンプの羽根車 - Google Patents
ウオータポンプまたは汎用ポンプの羽根車Info
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Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/18—Rotors
- F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
- F04D29/2205—Conventional flow pattern
- F04D29/2222—Construction and assembly
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/18—Rotors
- F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
- F04D29/24—Vanes
- F04D29/242—Geometry, shape
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、エンジン冷却系の冷媒
循環用ウオーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車に関
する。
循環用ウオーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車に関
する。
【０００２】
【従来の技術】図１２と図１３に、それぞれエンジンの
冷却系に用いられる従来のウオーターポンプおよび羽根
車を示す。吸入口１を有するエンジンブロック側の壁２
にウオーターポンプが取りつけられている。このウオー
ターポンプは、ボリュートケーシング３を有するポンプ
ハウジング４を有し、このポンプハウジング４の円筒状
突出部分に回転軸５がベアリング６により回転可能に支
持され、ポンプハウジング４内の回転軸５の一端には、
ボス１０ａと羽根１０ｂを有する板金製の羽根車１０が
固定され、この羽根車に隣接してポンプハウジング４と
回転軸５の間にメカニカルシール８が装着されている。
回転軸５の他端には、プーリー取付けフランジ９が固定
されており、回転軸５には、このフランジ９に取りつけ
たプーリー（図示省略）を介してエンジンのクランシャ
フトから回転力が伝達される。
冷却系に用いられる従来のウオーターポンプおよび羽根
車を示す。吸入口１を有するエンジンブロック側の壁２
にウオーターポンプが取りつけられている。このウオー
ターポンプは、ボリュートケーシング３を有するポンプ
ハウジング４を有し、このポンプハウジング４の円筒状
突出部分に回転軸５がベアリング６により回転可能に支
持され、ポンプハウジング４内の回転軸５の一端には、
ボス１０ａと羽根１０ｂを有する板金製の羽根車１０が
固定され、この羽根車に隣接してポンプハウジング４と
回転軸５の間にメカニカルシール８が装着されている。
回転軸５の他端には、プーリー取付けフランジ９が固定
されており、回転軸５には、このフランジ９に取りつけ
たプーリー（図示省略）を介してエンジンのクランシャ
フトから回転力が伝達される。
【０００３】従来のウオーターポンプの場合、遠心型ポ
ンプとしてその羽根車が従来の設計に基づいて設計され
ている。近年では、製造コストの低減を図る目的から図
１２と図１３に示すような板金プレス製羽根車、または
プラスチックの射出成形による羽根車などが用いられて
いる。これらの羽根車は、羽根入口通路幅が大きく取ら
れかつ羽根厚みも薄いので、高温、高回転で使われるウ
オーターポンプとしては、遠心型羽根車の従来設計に忠
実に従った鋳鉄製の羽根車のウオーターポンプに比較
し、耐キャビテーション特性が優れ、その寿命も長く、
広く用いられている。しかしながら、この羽根車を用い
たウオーターポンプでは、羽根車内循環水量が増え、騒
音も大きく、ポンプ効率も低く、キャビテーション特性
のより以上の向上が図れないなどの欠点がある。
ンプとしてその羽根車が従来の設計に基づいて設計され
ている。近年では、製造コストの低減を図る目的から図
１２と図１３に示すような板金プレス製羽根車、または
プラスチックの射出成形による羽根車などが用いられて
いる。これらの羽根車は、羽根入口通路幅が大きく取ら
れかつ羽根厚みも薄いので、高温、高回転で使われるウ
オーターポンプとしては、遠心型羽根車の従来設計に忠
実に従った鋳鉄製の羽根車のウオーターポンプに比較
し、耐キャビテーション特性が優れ、その寿命も長く、
広く用いられている。しかしながら、この羽根車を用い
たウオーターポンプでは、羽根車内循環水量が増え、騒
音も大きく、ポンプ効率も低く、キャビテーション特性
のより以上の向上が図れないなどの欠点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近エ
ンジンの高出力化に伴い、エンジンから冷却水への放熱
量が増大しつつあり、ラジエータや冷却ファンのサイズ
アップ等の冷却能の増大を行わずにこれに対応するため
には、より耐キャビテーション特性の良いウオーターポ
ンプが要求されるようになってきている。また、エンジ
ンルーム内もコンパクト化が図られ、従来下部に取りつ
けられていたウオーターポンプも任意の位置に取りつけ
られる設計が必要であり、この点からも耐キャビテーシ
ョン特性の良いウオーターポンプが要求されることにな
る。また、大気汚染の防止の目的から燃費の改善が求め
られている現在では、さらに小型軽量でポンプ効率の高
いウオーターポンプが要求される。これらの要求を従来
のウオーターポンプ羽根車の改善で行おうとしても、そ
の設計手法は従来の手法であるので、大幅な改善を行う
ことは不可能である。ウオーターポンプの設計点はポン
プ比速度で300 〜400(m.rpm.m3/min)程度の所にあり、
最も良いポンプ特性が発揮される設計点にあり、この点
からも改善が困難である。
ンジンの高出力化に伴い、エンジンから冷却水への放熱
量が増大しつつあり、ラジエータや冷却ファンのサイズ
アップ等の冷却能の増大を行わずにこれに対応するため
には、より耐キャビテーション特性の良いウオーターポ
ンプが要求されるようになってきている。また、エンジ
ンルーム内もコンパクト化が図られ、従来下部に取りつ
けられていたウオーターポンプも任意の位置に取りつけ
られる設計が必要であり、この点からも耐キャビテーシ
ョン特性の良いウオーターポンプが要求されることにな
る。また、大気汚染の防止の目的から燃費の改善が求め
られている現在では、さらに小型軽量でポンプ効率の高
いウオーターポンプが要求される。これらの要求を従来
のウオーターポンプ羽根車の改善で行おうとしても、そ
の設計手法は従来の手法であるので、大幅な改善を行う
ことは不可能である。ウオーターポンプの設計点はポン
プ比速度で300 〜400(m.rpm.m3/min)程度の所にあり、
最も良いポンプ特性が発揮される設計点にあり、この点
からも改善が困難である。
【０００５】本発明の目的は、耐キャビテーション特性
およびポンプ効率を大幅に向上させることができるウオ
ーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車の設計手法を提
供し、それによってさらにエンジン冷却システム諸特性
を著しく向上させることにある。
およびポンプ効率を大幅に向上させることができるウオ
ーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車の設計手法を提
供し、それによってさらにエンジン冷却システム諸特性
を著しく向上させることにある。
【０００６】上記の目的を達成するために、本発明によ
るウオーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車は、回転
軸に嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状を凹
形の円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボスシュ
ラウドは回転軸にほぼ平行な円筒状に形成し、羽根入口
縁はこの入口側ボスシュラウド面からなめらかに連続さ
せ、羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側の羽
根入口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるようにし、
円筒状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケーシ
ング側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状のな
めらかな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、この
羽根の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０゜に
設定しかつシュラウド側入口縁からケーシング側入口縁
まで連続的になめらかに増加するような入口角度に設定
し、前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までなめら
かな曲面で結んで形成した羽根を有することを特徴とす
る。また、同様に上記の目的を達成するために、本発明
によるウオーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車は、
回転軸に嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状
を凹形の円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボス
シュラウドは回転軸にほぼ平行な円箇状に形成し、羽根
入口縁はこの入口側ボスシュラウド面からなめらかに連
続させ、羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側
の羽根入口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるように
し、円筒状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケ
ーシング側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状
のなめらかな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、
この羽根の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０
゜に、ケーシング側入口縁ではほぼ従来の設計で計算さ
れる角度に設定し、ボスシュラウド側とケーシング側の
間の羽根入口角をなめらかに変化させた形状の羽根入口
を有し、前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までな
めらかな曲面で結んで形成した羽根を有することを特徴
とする。
るウオーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車は、回転
軸に嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状を凹
形の円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボスシュ
ラウドは回転軸にほぼ平行な円筒状に形成し、羽根入口
縁はこの入口側ボスシュラウド面からなめらかに連続さ
せ、羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側の羽
根入口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるようにし、
円筒状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケーシ
ング側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状のな
めらかな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、この
羽根の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０゜に
設定しかつシュラウド側入口縁からケーシング側入口縁
まで連続的になめらかに増加するような入口角度に設定
し、前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までなめら
かな曲面で結んで形成した羽根を有することを特徴とす
る。また、同様に上記の目的を達成するために、本発明
によるウオーターポンプまたは汎用ポンプの羽根車は、
回転軸に嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状
を凹形の円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボス
シュラウドは回転軸にほぼ平行な円箇状に形成し、羽根
入口縁はこの入口側ボスシュラウド面からなめらかに連
続させ、羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側
の羽根入口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるように
し、円筒状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケ
ーシング側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状
のなめらかな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、
この羽根の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０
゜に、ケーシング側入口縁ではほぼ従来の設計で計算さ
れる角度に設定し、ボスシュラウド側とケーシング側の
間の羽根入口角をなめらかに変化させた形状の羽根入口
を有し、前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までな
めらかな曲面で結んで形成した羽根を有することを特徴
とする。
【０００７】また、請求項１または２の前記羽根入口形
状および羽根形状を平板状のシュラウドに形成すること
によっても上記の目的を達成することができる。
状および羽根形状を平板状のシュラウドに形成すること
によっても上記の目的を達成することができる。
【０００８】請求項１または２の前記羽根入口形状およ
び羽根形状の羽根において、入口から出口までに到る羽
根チップ側形状を下流に凸の円弧状の形状に形成すれ
ば、後述する理由から好都合である。
び羽根形状の羽根において、入口から出口までに到る羽
根チップ側形状を下流に凸の円弧状の形状に形成すれ
ば、後述する理由から好都合である。
【０００９】なお、羽根チップ側とは、ケーシング側羽
根入口縁からケーシング側羽根出口縁までに到るケーシ
ング側の羽根縁を意味する。
根入口縁からケーシング側羽根出口縁までに到るケーシ
ング側の羽根縁を意味する。
【００１０】
【作用】本発明のウオーターポンプまたは汎用ポンプの
羽根車の羽根の作用を従来の設計の羽根と比較して説明
する。
羽根車の羽根の作用を従来の設計の羽根と比較して説明
する。
【００１１】従来の一般のターボ型ポンプ羽根車の羽根
入口の設計では、羽根入口前の流体の流れが流路中央か
らケーシング壁に到るまで一様な速度分布をもつ理想的
な流れであるという仮定の下に、入口の速度三角形に基
づいてメリデイアン流入速度を羽根入口全縁で均一にし
て羽根入口角が設定され、羽根入口縁が形成されてい
る。そのため、羽根入口角は径の小さい羽根入口ほど大
きくなる設計となる。すなわち、羽根取付けボス部入口
角が常に入口外径部の羽根入口角より大きいことにな
る。従来設計では、このような設計が羽根車入口におけ
る損失を最小にして、ポンプ効率およびキャビテーショ
ン特性を向上させる手法として確立している。ところ
が、実際は、羽根入口前の流体の流入部での流れはケー
シング壁との境界層によりケーシング壁面で中央より遅
い速度分布をもつので、羽根入口のメリデイアン流入速
度は一定とならず、ボス側の羽根の働きが弱くなり、チ
ップ側の２／３程度の羽根しか有効に働かないとも言わ
れている。しかしながら、現在では上述の設計手法しか
確立されてないため、広く速度三角形に基づく羽根入口
角の設定がなされている。
入口の設計では、羽根入口前の流体の流れが流路中央か
らケーシング壁に到るまで一様な速度分布をもつ理想的
な流れであるという仮定の下に、入口の速度三角形に基
づいてメリデイアン流入速度を羽根入口全縁で均一にし
て羽根入口角が設定され、羽根入口縁が形成されてい
る。そのため、羽根入口角は径の小さい羽根入口ほど大
きくなる設計となる。すなわち、羽根取付けボス部入口
角が常に入口外径部の羽根入口角より大きいことにな
る。従来設計では、このような設計が羽根車入口におけ
る損失を最小にして、ポンプ効率およびキャビテーショ
ン特性を向上させる手法として確立している。ところ
が、実際は、羽根入口前の流体の流入部での流れはケー
シング壁との境界層によりケーシング壁面で中央より遅
い速度分布をもつので、羽根入口のメリデイアン流入速
度は一定とならず、ボス側の羽根の働きが弱くなり、チ
ップ側の２／３程度の羽根しか有効に働かないとも言わ
れている。しかしながら、現在では上述の設計手法しか
確立されてないため、広く速度三角形に基づく羽根入口
角の設定がなされている。
【００１２】本発明のウオーターポンプまたは汎用ポン
プの羽根車は、羽根入口前の実際の流れが流路中央より
ケーシング壁面側でより遅い速度分布をもつことを考慮
して、羽根入口縁全域で有効に働く羽根車の設計手法を
提供する。本発明の羽根車の作用を従来の羽根車と比較
して図１１により説明すると、羽根入口径ｒｉｏ（目玉
径に相当する）、ボス径ｒｉｂの羽根入口で従来設計に
より設定される羽根入口角は、図１１に示す破線のよう
に示され、回転中心で入口角は９０゜となるようにボス
径側で急激に大きくなる。一方、本発明の羽根車の羽根
入口角の設定は、羽根入口径ｒｉｏでは従来設計手法を
用いた羽根入口角と同様に設定されるが、ボス径側では
ほぼ０゜となるように実線で示されるように設定されて
おり、従来設計の羽根入口角とは全く逆の勾配となって
いる。このような本発明の羽根入口角とすると、従来設
計理論では羽根入口のボス近辺では、羽根への水の流入
が全くできないことになり、ポンプ特性およびキャビテ
ーション特性の劣化を招くことになる。しかしながら、
実際は全く逆で、ボス側羽根入口縁を羽根目玉部へ大き
く張り出し、ケーシング側の入口縁は回転軸にほぼ直角
に形成して、ボス側羽根入口縁とケーシング側羽根入口
縁の間を上流に凸形になす円弧状のなめらかな曲線で形
成することによって、羽根入口の流路面積が広く確保さ
れ、ボスまたはシュラウドつけ根近傍の流れをそぎ取る
ようにして効率よく羽根内へ導くことが可能になり、羽
根入口での流れが均一となり、羽根全域（ボスからチッ
ブまで）で作用する羽根車とすることができ、キャビテ
ーション特性やポンプ特性を改善することができる。こ
の入口形状の羽根を請求項１または２に記載の子午面形
状が凹形の円弧状回転面をなすシュラウドと組み合わせ
ることで、このシュラウドによって軸方向から流入して
くる水流をなめらかに径方向へ方向変換することがで
き、羽根車内損失を最小として最良のポンプ特性が得ら
れる。この場合のシュラウドに用いる円弧は、円、楕
円、放物線等のようにボスと径方向シュラウドをなめら
かに結ぶ曲線であれば何でもよい。
プの羽根車は、羽根入口前の実際の流れが流路中央より
ケーシング壁面側でより遅い速度分布をもつことを考慮
して、羽根入口縁全域で有効に働く羽根車の設計手法を
提供する。本発明の羽根車の作用を従来の羽根車と比較
して図１１により説明すると、羽根入口径ｒｉｏ（目玉
径に相当する）、ボス径ｒｉｂの羽根入口で従来設計に
より設定される羽根入口角は、図１１に示す破線のよう
に示され、回転中心で入口角は９０゜となるようにボス
径側で急激に大きくなる。一方、本発明の羽根車の羽根
入口角の設定は、羽根入口径ｒｉｏでは従来設計手法を
用いた羽根入口角と同様に設定されるが、ボス径側では
ほぼ０゜となるように実線で示されるように設定されて
おり、従来設計の羽根入口角とは全く逆の勾配となって
いる。このような本発明の羽根入口角とすると、従来設
計理論では羽根入口のボス近辺では、羽根への水の流入
が全くできないことになり、ポンプ特性およびキャビテ
ーション特性の劣化を招くことになる。しかしながら、
実際は全く逆で、ボス側羽根入口縁を羽根目玉部へ大き
く張り出し、ケーシング側の入口縁は回転軸にほぼ直角
に形成して、ボス側羽根入口縁とケーシング側羽根入口
縁の間を上流に凸形になす円弧状のなめらかな曲線で形
成することによって、羽根入口の流路面積が広く確保さ
れ、ボスまたはシュラウドつけ根近傍の流れをそぎ取る
ようにして効率よく羽根内へ導くことが可能になり、羽
根入口での流れが均一となり、羽根全域（ボスからチッ
ブまで）で作用する羽根車とすることができ、キャビテ
ーション特性やポンプ特性を改善することができる。こ
の入口形状の羽根を請求項１または２に記載の子午面形
状が凹形の円弧状回転面をなすシュラウドと組み合わせ
ることで、このシュラウドによって軸方向から流入して
くる水流をなめらかに径方向へ方向変換することがで
き、羽根車内損失を最小として最良のポンプ特性が得ら
れる。この場合のシュラウドに用いる円弧は、円、楕
円、放物線等のようにボスと径方向シュラウドをなめら
かに結ぶ曲線であれば何でもよい。
【００１３】以上のように、本発明の羽根入口形状とす
ることにより、羽根入口通路面積が確保され、羽根入口
への均一な流入が実現できるので、羽根入口メリデイア
ン流速を従来設計のそれより増加させることができる。
従来の羽根車と同等の流量−揚程特性を得る場合、羽根
入口径（目玉径）を従来の羽根入口径より小さく設計で
きることになる。これは、図１の本発明のウオーターポ
ンプの構造図に示すように、チップ側をオープン羽根と
する構造では、ケーシングとのわずかな隙間によって羽
根車外周の高圧の流体が低圧部へ循環するのを防ぐシー
ルラインの働きがあり、これを長く形成できる本発明の
羽根ではポンプ容積効率を向上させることができかつ羽
根車内で充分昇圧できるので、ポンプ効率が大幅に向上
する。キャビテーション特性は、従来の設計では、羽根
入口のメリデイアン流速が増加すると劣化するが、本発
明の羽根のように羽根入口における均一流入が実現され
ると、羽根車入口メリデイアン流速より羽根入口チップ
速度を低下させる方がキャビテーション特性を大幅に向
上させることができる。
ることにより、羽根入口通路面積が確保され、羽根入口
への均一な流入が実現できるので、羽根入口メリデイア
ン流速を従来設計のそれより増加させることができる。
従来の羽根車と同等の流量−揚程特性を得る場合、羽根
入口径（目玉径）を従来の羽根入口径より小さく設計で
きることになる。これは、図１の本発明のウオーターポ
ンプの構造図に示すように、チップ側をオープン羽根と
する構造では、ケーシングとのわずかな隙間によって羽
根車外周の高圧の流体が低圧部へ循環するのを防ぐシー
ルラインの働きがあり、これを長く形成できる本発明の
羽根ではポンプ容積効率を向上させることができかつ羽
根車内で充分昇圧できるので、ポンプ効率が大幅に向上
する。キャビテーション特性は、従来の設計では、羽根
入口のメリデイアン流速が増加すると劣化するが、本発
明の羽根のように羽根入口における均一流入が実現され
ると、羽根車入口メリデイアン流速より羽根入口チップ
速度を低下させる方がキャビテーション特性を大幅に向
上させることができる。
【００１４】なお、従来のウオーターポンプの羽根車
は、図１２と図１３に示すように、その入口が羽根チッ
プ側からシュラウド側にわずかに傾斜しているのみで、
図１１に示す本発明の羽根のようにチップ側とシュラウ
ド側の径を大きく違えていない。これは、前述のポンプ
設計比速度からすると、この傾斜をもっと大きくしなけ
ればならないのであるが、このようにすると、その羽根
入口角を図１１の破線のように設定しなければならな
い。しかしながら、実際はそのように羽根入口角を設定
してもキャビテーション特性とポンプ効率の向上がほと
んど実現できず、その効果に対するコストの上昇を考え
ると、現状の形の方が有利であるからであり、前述の説
明を実証する例となっている。
は、図１２と図１３に示すように、その入口が羽根チッ
プ側からシュラウド側にわずかに傾斜しているのみで、
図１１に示す本発明の羽根のようにチップ側とシュラウ
ド側の径を大きく違えていない。これは、前述のポンプ
設計比速度からすると、この傾斜をもっと大きくしなけ
ればならないのであるが、このようにすると、その羽根
入口角を図１１の破線のように設定しなければならな
い。しかしながら、実際はそのように羽根入口角を設定
してもキャビテーション特性とポンプ効率の向上がほと
んど実現できず、その効果に対するコストの上昇を考え
ると、現状の形の方が有利であるからであり、前述の説
明を実証する例となっている。
【００１５】以下、本発明の羽根車をウオーターポンプ
に適用した実施例について図面を参照して詳細に説明す
る。
に適用した実施例について図面を参照して詳細に説明す
る。
【００１６】図１にエンジンの冷却系に用いられる本発
明によるウオーターポンプの縦断面を示す。従来のウオ
ーターポンプと同様な部品には、１０をプラスした同様
な参照数字を付けてある。図１２と図１３に示す従来の
ウオーターポンプと異なる所は、羽根車２０と、羽根車
２０の羽根入口２１に流入する水の流れを案内するため
に、エンジンブロック壁１２に設けられたフロントケー
シング２２である。
明によるウオーターポンプの縦断面を示す。従来のウオ
ーターポンプと同様な部品には、１０をプラスした同様
な参照数字を付けてある。図１２と図１３に示す従来の
ウオーターポンプと異なる所は、羽根車２０と、羽根車
２０の羽根入口２１に流入する水の流れを案内するため
に、エンジンブロック壁１２に設けられたフロントケー
シング２２である。
【００１７】本発明によるポンプの羽根車２０を図２お
よび図３により説明する。図４にその斜視図を示す。
よび図３により説明する。図４にその斜視図を示す。
【００１８】図２は回転軸方向から見た羽根車形状を表
す正面図、図３はこの羽根車の回転中心を通るメリデイ
アン断面を示す。図５、６および７は、図２の羽根車の
羽根入口から羽根出口に向かって各羽根断面形状を子午
線Ｂ、ＣおよびＤに沿って切断した断面図である。な
お、図２の羽根のＡ矢印とＥ矢印から見た羽根の形状は
それぞれ図３のＡの実線とＥの実線で示されている。
す正面図、図３はこの羽根車の回転中心を通るメリデイ
アン断面を示す。図５、６および７は、図２の羽根車の
羽根入口から羽根出口に向かって各羽根断面形状を子午
線Ｂ、ＣおよびＤに沿って切断した断面図である。な
お、図２の羽根のＡ矢印とＥ矢印から見た羽根の形状は
それぞれ図３のＡの実線とＥの実線で示されている。
【００１９】本発明の羽根車２０では、回転軸１５に嵌
合するボス２３に連なるシュラウド２４の子午面形状が
凹形の円弧状回転面として形成されている。各羽根２５
の入口形状は、次のように形成されている。すなわち、
羽根入口縁２６が取りつくボスシュラウド２４ａは回転
軸線Ｌにほぼ平行な円筒状に形成され、そしてボスシュ
ラウド側羽根入口縁２６ａはこの入口側ボスシュラウド
面２４ａへなめらかに連続し、かつ羽根目玉部( 羽根入
口径ｒio）へ大きく張り出すようにすると共に、ケーシ
ング側または羽根入口チップ側の羽根入口縁２６ｂは回
転軸線に対しほぼ直角の状態にする。さらに、羽根入口
縁２６は、これらのボス側羽根入口縁２６ａとケーシン
グ側羽根入口縁２６ｂの間を上流側に凸形をなす円弧状
のなめらかな曲線によって形成される。この羽根入口縁
２６の入口角は、ボスシュラウド２４ａに取りつく羽根
入口縁２６ａでほぼ０°であり、ケーシング側２６ｂで
はほぼ従来の設計で計算される角度に設定され、その際
ボス側とチップ側の間の入口角はなめらかに変化した形
状になっている。このような羽根入口２６の形状から羽
根出口端２７までなめらかな曲面で結んで羽根２５が形
成されている。
合するボス２３に連なるシュラウド２４の子午面形状が
凹形の円弧状回転面として形成されている。各羽根２５
の入口形状は、次のように形成されている。すなわち、
羽根入口縁２６が取りつくボスシュラウド２４ａは回転
軸線Ｌにほぼ平行な円筒状に形成され、そしてボスシュ
ラウド側羽根入口縁２６ａはこの入口側ボスシュラウド
面２４ａへなめらかに連続し、かつ羽根目玉部( 羽根入
口径ｒio）へ大きく張り出すようにすると共に、ケーシ
ング側または羽根入口チップ側の羽根入口縁２６ｂは回
転軸線に対しほぼ直角の状態にする。さらに、羽根入口
縁２６は、これらのボス側羽根入口縁２６ａとケーシン
グ側羽根入口縁２６ｂの間を上流側に凸形をなす円弧状
のなめらかな曲線によって形成される。この羽根入口縁
２６の入口角は、ボスシュラウド２４ａに取りつく羽根
入口縁２６ａでほぼ０°であり、ケーシング側２６ｂで
はほぼ従来の設計で計算される角度に設定され、その際
ボス側とチップ側の間の入口角はなめらかに変化した形
状になっている。このような羽根入口２６の形状から羽
根出口端２７までなめらかな曲面で結んで羽根２５が形
成されている。
【００２０】複数枚の羽根を有する従来設計の一般の羽
根車では、羽根と羽根を重ねなければ特性が発揮されな
い傾向があったが、本発明の羽根形状の羽根車では、図
３に示すように羽根長さ（羽根入口から羽根出口までの
長さ）を、全周を羽根枚数で割った角度以内に収め、羽
根の重なりをなくしても特性が劣化しないので、前記円
弧状回転面を有するシュラウド２４（図３）でもそうで
あるが、もっと簡便な円板状のシュラウドに本発明の羽
根入口形状を有する羽根車を形成すると、板金プレス製
などの羽根車を容易に製造することができ、製造コスト
をよりいっそう低減させることができる。この板金製の
羽根車の構造の一実施例の正面図と中心軸線を通る断面
図をそれぞれ図８と９に示す。図３と同様な部品には、
100 をプラスした同様な参照数字を付けてある。この羽
根車120は、回転軸に嵌合するボスを有する部品128
と、平らな円板のシュラウド129 に羽根を打ち抜いて起
こすことにより形成された羽根125を有する部品の二部
品からなり、これらの部品は適当な慣用手段により接合
されている。
根車では、羽根と羽根を重ねなければ特性が発揮されな
い傾向があったが、本発明の羽根形状の羽根車では、図
３に示すように羽根長さ（羽根入口から羽根出口までの
長さ）を、全周を羽根枚数で割った角度以内に収め、羽
根の重なりをなくしても特性が劣化しないので、前記円
弧状回転面を有するシュラウド２４（図３）でもそうで
あるが、もっと簡便な円板状のシュラウドに本発明の羽
根入口形状を有する羽根車を形成すると、板金プレス製
などの羽根車を容易に製造することができ、製造コスト
をよりいっそう低減させることができる。この板金製の
羽根車の構造の一実施例の正面図と中心軸線を通る断面
図をそれぞれ図８と９に示す。図３と同様な部品には、
100 をプラスした同様な参照数字を付けてある。この羽
根車120は、回転軸に嵌合するボスを有する部品128
と、平らな円板のシュラウド129 に羽根を打ち抜いて起
こすことにより形成された羽根125を有する部品の二部
品からなり、これらの部品は適当な慣用手段により接合
されている。
【００２１】また、本発明の羽根車の羽根のチップ側形
状は、図３に点線で示す羽根入口から羽根出口を結ぶ直
線（ＰＱ）状形状でもよいが、これを図３の実線３０の
ように下流に凸形の円弧状とすることで、直線（ＰＱ）
で形成された羽根車と同等の流量−揚程特性が得られ
る。これにより、当然のこととして羽根車を回転させる
トルクが減少するので、よりポンプ効率を向上させる効
果がある。また、図１について前述したように、羽根チ
ップ側を入口から出口にかけて曲線（ベル形状）にする
ことで、シールラインが長くとれるので、ポンプ容積効
率が向上し、ポンプ効率の向上に効果がある。
状は、図３に点線で示す羽根入口から羽根出口を結ぶ直
線（ＰＱ）状形状でもよいが、これを図３の実線３０の
ように下流に凸形の円弧状とすることで、直線（ＰＱ）
で形成された羽根車と同等の流量−揚程特性が得られ
る。これにより、当然のこととして羽根車を回転させる
トルクが減少するので、よりポンプ効率を向上させる効
果がある。また、図１について前述したように、羽根チ
ップ側を入口から出口にかけて曲線（ベル形状）にする
ことで、シールラインが長くとれるので、ポンプ容積効
率が向上し、ポンプ効率の向上に効果がある。
【００２２】図１０には、本発明の羽根車を有する図１
に示すウオーターポンプと、図１３の羽根車を有する図
１２に示す従来のウオーターポンプのポンプ特性と、キ
ャビテーション特性（NPSH特性) をポンプ単体で比較し
て示してある。羽根車の外形および出口幅は、共に60m
m、13mmであるが、入口径は従来羽根が50mm、本発明が4
0mmである。また、ポンプ回転数は共に6,000 r.p.m.で
ある。図１０から明らかなように、流量−揚程特性に大
差はないが、それぞれの最高効率点の流量におけるPeq.
NSPHは、従来型が6.9 m 、本発明が2.9m であり、本発
明の羽根車を有するウオーターポンプキャビテーション
特性が大幅に改善されている。また、そのポンプ効率も
約20％の向上が図られているのが分かる。当然、ポンプ
の騒音も本発明のウオーターポンプの方が格段に小さ
い。
に示すウオーターポンプと、図１３の羽根車を有する図
１２に示す従来のウオーターポンプのポンプ特性と、キ
ャビテーション特性（NPSH特性) をポンプ単体で比較し
て示してある。羽根車の外形および出口幅は、共に60m
m、13mmであるが、入口径は従来羽根が50mm、本発明が4
0mmである。また、ポンプ回転数は共に6,000 r.p.m.で
ある。図１０から明らかなように、流量−揚程特性に大
差はないが、それぞれの最高効率点の流量におけるPeq.
NSPHは、従来型が6.9 m 、本発明が2.9m であり、本発
明の羽根車を有するウオーターポンプキャビテーション
特性が大幅に改善されている。また、そのポンプ効率も
約20％の向上が図られているのが分かる。当然、ポンプ
の騒音も本発明のウオーターポンプの方が格段に小さ
い。
【００２３】
【発明の効果】請求項１に記載のウオーターポンプまた
は汎用ポンプの羽根車では、境界層によりケーシング壁
面で遅い実際の速度分布に適合するように羽根入口角
を、入口角０゜のシュラウド側入口縁からケーシング側
入口縁まで連続的になめらかに増加する入口角度（迎え
角）に設定したので、ケーシング側羽根入口縁側でも液
体を羽根へ積極的に迎え入れることができ、したがって
羽根入口での流れが均一となり、羽根全域（ボスからチ
ップまで）で作用する羽根車とすることができ、キャビ
テーション特性やポンプ特性を大幅に改善することがで
きる。さらに、この入口形状の羽根を子午面形状が凹形
の円弧状回転面をなすシュラウドと組み合わせること
で、このシュラウドによって軸方向から流入してくる水
流をなめらか径方向へ方向変換することができ、羽根車
内損失を最小として最良のポンプ特性が得られる。請求
項２に記載のように、ボスシュラウド側入口縁ではほぼ
０゜に、ケーシング側入口縁ではほぼ従来の設計で計算
される角度に設定すると共に、ボスシュラウド側とケー
シング側の間の羽根入口角をなめらかに変化させた形状
の羽根入口を有するようにしても、請求項１と同様な効
果が得られる。
は汎用ポンプの羽根車では、境界層によりケーシング壁
面で遅い実際の速度分布に適合するように羽根入口角
を、入口角０゜のシュラウド側入口縁からケーシング側
入口縁まで連続的になめらかに増加する入口角度（迎え
角）に設定したので、ケーシング側羽根入口縁側でも液
体を羽根へ積極的に迎え入れることができ、したがって
羽根入口での流れが均一となり、羽根全域（ボスからチ
ップまで）で作用する羽根車とすることができ、キャビ
テーション特性やポンプ特性を大幅に改善することがで
きる。さらに、この入口形状の羽根を子午面形状が凹形
の円弧状回転面をなすシュラウドと組み合わせること
で、このシュラウドによって軸方向から流入してくる水
流をなめらか径方向へ方向変換することができ、羽根車
内損失を最小として最良のポンプ特性が得られる。請求
項２に記載のように、ボスシュラウド側入口縁ではほぼ
０゜に、ケーシング側入口縁ではほぼ従来の設計で計算
される角度に設定すると共に、ボスシュラウド側とケー
シング側の間の羽根入口角をなめらかに変化させた形状
の羽根入口を有するようにしても、請求項１と同様な効
果が得られる。
【００２４】なお、本発明のウオーターポンプを車載し
て、従来のウオーターポンプと比較実験した結果による
と、ウオーターポンプはエンジンよりプーリーを介して
駆動されるので、従来のウオーターポンプでは、キャビ
テーションのためにエンジン回転数に比例したエンジン
冷却系の水量が得られない。特に、実際の走行状態で熱
負荷が大きい状態の一つである登坂路走行時のような低
ギヤシフトの低速走行で、エンジン高回転の場合などは
キャビテーションによるポンプ性能の劣化が著しい。本
発明のウオーターポンプでは、このような厳しい条件で
もキャビテーションによる性能劣化が起こらず、エンジ
ン冷却系で使用する場合は、キャビテーションによる劣
化を加味した冷却系の設計をする必要がない。このた
め、ラジエータの小型化等のような冷却系の大幅な改善
が可能となる。また、ポンプ効率がよいので、その分エ
ンジン出力が増え、燃費の節減が図れる。また、ポンプ
騒音も小さいので、エンジンルーム内の遮音も容易とな
るなどの効果がある。
て、従来のウオーターポンプと比較実験した結果による
と、ウオーターポンプはエンジンよりプーリーを介して
駆動されるので、従来のウオーターポンプでは、キャビ
テーションのためにエンジン回転数に比例したエンジン
冷却系の水量が得られない。特に、実際の走行状態で熱
負荷が大きい状態の一つである登坂路走行時のような低
ギヤシフトの低速走行で、エンジン高回転の場合などは
キャビテーションによるポンプ性能の劣化が著しい。本
発明のウオーターポンプでは、このような厳しい条件で
もキャビテーションによる性能劣化が起こらず、エンジ
ン冷却系で使用する場合は、キャビテーションによる劣
化を加味した冷却系の設計をする必要がない。このた
め、ラジエータの小型化等のような冷却系の大幅な改善
が可能となる。また、ポンプ効率がよいので、その分エ
ンジン出力が増え、燃費の節減が図れる。また、ポンプ
騒音も小さいので、エンジンルーム内の遮音も容易とな
るなどの効果がある。
【００２５】請求項３に記載のように、請求項１または
２の前記羽根入口形状および羽根形状を円板状のシュラ
ウドに形成した場合でも、従来のようにポンプ特性を劣
化させずに板金プレス製などの羽根車を容易に製造で
き、製造コストをよりいっそう低減させることができ
る。
２の前記羽根入口形状および羽根形状を円板状のシュラ
ウドに形成した場合でも、従来のようにポンプ特性を劣
化させずに板金プレス製などの羽根車を容易に製造で
き、製造コストをよりいっそう低減させることができ
る。
【００２６】請求項４に記載のように、請求項１または
２の前記羽根入口形状および羽根形状の羽根において、
羽根入口から出口までに到る羽根チッブ側形状を下流に
凸の円弧状の形状、すなわち適当なべル形状の曲線に形
成しても、直線（ＰＱ）で形成された羽根車と同等の流
量−揚程特性が得られる。これにより、当然のこととし
て羽根車を回転させるトルクが減少するので、よりポン
プ効率を向上させる効果がある。また、前述したよう
に、羽根チップ側を入口から出口にかけて曲線（ベル形
状）にすることで、シールラインが長くとれるので、ポ
ンプ容積効率が向上し、ポンプ効率の向上に効果があ
る。
２の前記羽根入口形状および羽根形状の羽根において、
羽根入口から出口までに到る羽根チッブ側形状を下流に
凸の円弧状の形状、すなわち適当なべル形状の曲線に形
成しても、直線（ＰＱ）で形成された羽根車と同等の流
量−揚程特性が得られる。これにより、当然のこととし
て羽根車を回転させるトルクが減少するので、よりポン
プ効率を向上させる効果がある。また、前述したよう
に、羽根チップ側を入口から出口にかけて曲線（ベル形
状）にすることで、シールラインが長くとれるので、ポ
ンプ容積効率が向上し、ポンプ効率の向上に効果があ
る。
【図１】本発明によるウオーターポンプの縦断面図であ
る。
る。
【図２】図１に組み込まれた本発明の羽根車の一実施例
の正面図である。
の正面図である。
【図３】図２の羽根車の中心軸線を通る縦断面図であ
る。
る。
【図４】図２と３の羽根車の斜視図である。
【図５】図２の羽根を線Ｂに沿って切断したメリデイア
ン断面である。
ン断面である。
【図６】図２の羽根を線Ｃに沿って切断したメリデイア
ン断面である。
ン断面である。
【図７】図２の羽根を線Ｄに沿って切断したメリデイア
ン断面である。
ン断面である。
【図８】本発明の板金プレス製の羽根車の一実施例の正
面図である。
面図である。
【図９】図８の羽根車の中心軸線を通る縦断面図であ
る。
る。
【図１０】図１に示す本発明のウオーターポンプと従来
のウオーターポンプのポンプ特性とキャビテーション特
性を比較して示したグラフである。
のウオーターポンプのポンプ特性とキャビテーション特
性を比較して示したグラフである。
【図１１】羽根入口縁のボス側からケーシング側羽根入
口縁に到る羽根入口角の変化の様子を示した説明図であ
る。
口縁に到る羽根入口角の変化の様子を示した説明図であ
る。
【図１２】従来のウオーターポンプの縦断面図である。
【図１３】図１２のウオーターポンプに組み込まれた従
来の羽根車の正面図である。
来の羽根車の正面図である。
１５ 回転軸 ２０ 羽根車 ２４ シュラウド ２４ａ ボスシュラウド ２６ 羽根入口縁 ２６ａ ボスシュラウド側羽根入口縁 ２６ｂ ケーシング側羽根入口縁 ２７ 羽根出口 ｒｉｏ 羽根目玉部 １２０ 板金製羽根車 １２５ 板金製羽根車の羽根 １２９ 平板状シュラウド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鎌田 健吉 千葉県習志野市東習志野７丁目５番２号 大平洋機工株式会社内 (72)発明者 生田 四郎 東京都中野区南台５丁目24番15号 カル ソニック株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−67097（ＪＰ，Ａ)
Claims (4)
- 【請求項１】 エンジンの冷却系に用いられるウオータ
ーポンプまたは汎用ポンプの羽根車において、回転軸に
嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状を凹形の
円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボスシュラウ
ドは回転軸にほぼ平行な円筒状に形成し、羽根入口縁は
この入口側ボスシュラウド面からなめらかに連続させ、
羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側の羽根入
口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるようにし、円箇
状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケーシング
側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状のなめら
かな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、この羽根
の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０゜に設定
しかつシュラウド側入口縁からケーシング側入口縁まで
連続的になめらかに増加するような入口角度に設定し、
前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までなめらかな
曲面で結んで形成した羽根を有するウオーターポンプま
たは一般産業機械用ポンプの羽根車。 - 【請求項２】 エンジンの冷却系に用いられるウオータ
ーポンプまたは汎用ポンプの羽根車において、回転軸に
嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状を凹形の
円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボスシュラウ
ドは回転軸にほぼ平行な円筒状に形成し、羽根入口縁は
この入口側ボスシュラウド面からなめらかに連続させ、
羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側の羽根入
口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるようにし、円筒
状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケーシング
側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状のなめら
かな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、この羽根
の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０゜に、ケ
ーシング側入口縁ではほぼ従来の設計で計算される角度
に設定し、かつボスシュラウド側とケーシング側の間の
羽根入口角をなめらかに変化させた形状の羽根入口を有
し、前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までなめら
かな曲面で結んで形成した羽根を有するウオーターポン
プまたは一般産業機械用ポンプの羽根車。 - 【請求項３】 請求項１または２の前記羽根入口形状お
よび羽根形状を平板状のシュラウドに形成したことを特
徴とする請求項１のウオーターポンプまたは汎用ポンプ
の羽根車。 - 【請求項４】 請求項１または２の前記羽根入口形状お
よび羽根形状の羽根において、入口から出口までに到る
羽根チップ側形状を下流に凸の円弧状の形状に形成した
ことを特徴とする請求項１のウオーターポンプまたは汎
用ポンブの羽根車。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3098941A JP2931432B2 (ja) | 1991-04-30 | 1991-04-30 | ウオータポンプまたは汎用ポンプの羽根車 |
| US07/862,322 US5242268A (en) | 1991-04-30 | 1992-04-02 | Pump impeller |
| DE69211607T DE69211607T2 (de) | 1991-04-30 | 1992-04-24 | Laufrad für Wasserpumpe |
| EP92106985A EP0511594B1 (en) | 1991-04-30 | 1992-04-24 | Impeller in water pump |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3098941A JP2931432B2 (ja) | 1991-04-30 | 1991-04-30 | ウオータポンプまたは汎用ポンプの羽根車 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04365998A JPH04365998A (ja) | 1992-12-17 |
| JP2931432B2 true JP2931432B2 (ja) | 1999-08-09 |
Family
ID=14233141
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3098941A Expired - Lifetime JP2931432B2 (ja) | 1991-04-30 | 1991-04-30 | ウオータポンプまたは汎用ポンプの羽根車 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5242268A (ja) |
| EP (1) | EP0511594B1 (ja) |
| JP (1) | JP2931432B2 (ja) |
| DE (1) | DE69211607T2 (ja) |
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| US8550039B2 (en) | 2010-10-28 | 2013-10-08 | GM Global Technology Operations LLC | Pump assembly and method of manufacturing same |
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