JP4495291B2

JP4495291B2 - タービン式燃料ポンプ

Info

Publication number: JP4495291B2
Application number: JP2000030322A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．タラスキエドワード
Original assignee: ティーアイグループオートモーティヴシステムズリミテッドライアビリティーカンパニー
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 2000-02-08
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2020-02-08
Also published as: DE10006929A1; FR2789737A1; US6113363A; JP2000240582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ポンプに関し、さらに詳細には再生式またはタービン式燃料ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動燃料ポンプは、自動車用等の操作エンジンに対し燃料を供給するために広く使用されている。これらのポンプは、周囲のタンクから液体燃料を吸引するための入り口とエンジンに加圧燃料を供給するための出口とを備えた燃料供給タンクの内部に直接装着してもよい。電動モータは、ハウジングの固定子内に回転するように取り付けられたロータを含み、該ロータはその回転軸を中心に該ロータを回転させるための電力源に連結されている。ポンプ内には、該ロータと共に回転するようにインペラが該ロータに連結され、インペラの外周に円周列をなす羽根を有する。このタイプのタービン式燃料ポンプの１例が米国特許第５、２５７、９１６号に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料ポンプのインペラは、ほぼ平らで真っ直ぐで且つ半径方向外側に延びる羽根を有する。他のインペラの羽根は、平らで真っ直ぐで且つインペラの半径に対し傾斜している。この形状をもつ従来の燃料ポンプは、ほぼ２０乃至３５％の全体効率を有していて、４５乃至５０％の効率を有する電動モータと組み合わせた場合、このような電動モータによるタービン式燃料ポンプの全体効率は約１０乃至１６％である。従って、その効率を高めるためこのような燃料ポンプの設計並びに構造を改良する必要が常にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、インペラを有する電動タービン式燃料ポンプであって、該インペラはその周囲に複数の周方向に離隔した羽根を配置され、各羽根はインペラの回転軸とその羽根の進み側面を通るインペラの半径とにより画定された面に対し傾斜しており、各羽根の進み側面がほぼ凹形またはカップ形状である、燃料ポンプを提供する。
【０００５】
羽根はインペラの本体に連結された基部と、該基部に対向する自由端即ち先端を有する。羽根は、インペラが回転する時、が先端が基部の後を追うように該先端が基部より後方に位置するように傾斜し、その軸方向並びに半径方向全長にわたってほぼ円弧状であるのが好ましい。この羽根の傾斜と各羽根が凹形またはカップ形状であることにより、インペラの周囲における燃料の循環を改善し、燃料ポンプの効率を高める。
【０００６】
より詳細には、羽根の傾斜が、隣接する羽根の間に画定されたポケットに入る燃料の流れを良くすると考えられ、羽根の凹形またはカップ形状が、該ポケットから放出される燃料をインペラの回転方向前方に向けるのに役立つと考えられる。
【０００７】
本発明の特徴及び利点は、燃料ポンプの効率を高め、インペラの外周のまわりに画定されたポンプチャネルを介して燃料の循環を改善し、既存の燃料ポンプの設計と共に使用可能で、高温燃料の取り扱い性能が改善され、堅牢かつ耐用性に優れ、比較的簡単な設計で、経済的に製造組立が可能で、且つ長い有効寿命を有するタービン式燃料ポンプのための改良インペラを提供することにある。
【０００８】
上記及び他の本発明の目的、特徴及び利点は、本発明の好適な実施例及び最良の形態に関する以下の詳細な記載、請求項並びに添付図面から明らかになろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。図１及び２に、本発明の実施例である円形インペラ１２を有する電動タービン式燃料ポンプ１０を示す。インペラ１２は該インペラ１２の半径に対しそれぞれ鋭角の内角で傾斜し、ほぼ凹形の即ちカップ形状の進み側面１６を有する円周列の羽根１４を備える。燃料ポンプ１０は、軸方向に離隔した入り口端キャップ２２及び出口端キャップ２４を連結する筒状ケース２０からなるハウジング１８を有する。インペラは、包囲する永久磁石固定子２９の内部で軸２８に回転可能に軸支されたロータ２６を有する電動モータ２５によって駆動されるが、これらはハウジング１８の内部に収容されている。
【００１０】
ロータ２６はインペラ１２に連結され、該インペラ１２は入り口端キャップ２２と上部ポンプ本体３０の間、且つインペラを取り巻くリング３２の内部に配置されている。インペラ１２はワイヤクリップ３４により軸２８と共に回転可能に該軸２８に連結されている。入り口端キャップ２２と上部ポンプ本体３０とリング３２とにより、円弧状ポンプチャネル３６がインペラ１２の外周に画定されている。ポンプチャネル３６は、燃料が引き込まれる入り口ポート３８と、加圧燃料がハウジング１８に放出される出口ポート４０を有する。インペラ１２以外は、燃料ポンプ１０は米国特許第５、５８６、８５８号に開示されたような構造であるのが好ましく、その開示内容は参考のためここに全文を挿入する。
【００１１】
入り口端キャップ２２は、平坦な上側面４２と、内部に形成されポンプチャネル３６を１部画定する円弧状溝４４を有する。入り口端キャップ２２を介して入り口通路４６は、ポンプチャネル３６の入り口ポート３８と連通する。中央の盲孔４８が軸２８とクリップ３４のための空隙を提供する。
【００１２】
上部ポンプ本体３０は、インペラ１２に隣接する平坦な下面５０と、チャネル３６の１部を画定する円弧状溝５２を内部に有する。出口通路５４は、本体を介してポンプチャネル３６の出口ポート４０とハウジング１８の内部とを連通させる。中央の連通孔５６は軸２８を収容し、対向孔５８は、孔５９を介してインペラ１２の内部に延長するかもしれないクリップ３４のための空隙を提供する。孔５９はまた、孔４８と対向孔５９の内部でインペラを横切る圧力を均一化する。
【００１３】
リング３２は、入り口端キャップ２２と上部ポンプ本体３０との間に挟持されている。リング３２は中央に配置され、通路の入り口と出口の間でインペラ１２の実質的に円弧状の全長にわたって半径方向内側に延びるリブ６２を有する。
【００１４】
図３乃至７に示すように、インペラ１２は、軸２０が収容される中央孔６４と、円周列の角度的に離隔しほぼ半径方向且つ軸方向に延びる羽根１４と、インペラ１２の軸方向両面６８、７０の間を中心とすると同時に羽根１４の半径方向最外側から半径方向内側に離隔した半径方向に延びるリブ６６とを備えた、円板状本体６３を有する。
【００１５】
本発明の好適実施例では、インペラの羽根１４はいわゆる開放ポケット式羽根であり、隣接する羽根１４の間に画定された単一のポケット７２が、チャネル３６と入り口端キャップ２２と上部ポンプ本体３０の各溝４４、５２とを連通する。しかし、リング３２のリブ６２がインペラの外周まで半径方向に延びてポケット７２を２つの分離ポケットに二分する、いわゆる閉鎖羽根構造も採用可能である。
【００１６】
各羽根１４は軸方向に延びる進み側面即ち前面１６と、追い側面７３と、インペラ本体６３に操作可能に連結され好ましくはこれと一体の基部７４と、ポンプチャネル３６内に延びる自由端即ち先端７６とを有する。羽根１４は本体６３から真っ直ぐ半径方向に延びるのではない。むしろ羽根１４は、インペラ１２の回転軸８９と、羽根１４の基部７４における進み側面の軸方向端部８５の１点８１まで延びるインペラ１２の半径８２とで画定される面６５（図３）に対し鋭角で傾斜しているのが好ましく、従ってインペラ１２が回転すると、少なくとも進み側面１６に沿って先端７６がその羽根１４の基部７４の後を追う。言い換えれば、各羽根１４の進み側面１６に沿って、先端７６が、インペラ１２の回転方向に関して羽根１４の基部７４から周方向に離隔して後方に位置する。インペラ１２の回転は図４に矢印７５で示すように、時計回りである。
【００１７】
名目上、長さ約１．２５ｍｍの羽根を有する１実施例では、先端は基部の約０．２ｍｍ後方となる。図４及び７に示すように、羽根１４の傾斜角θは、（１）基部７４における進み側面の１点８１と、先端７６における進み側面の１点９８とを結ぶ線８０と、（２）羽根１４の基部７４における進み側面の１点８１を通って延びるインペラ１２の半径８２、との間で測定される。各羽根１４は、約１０乃至２０度の角度θで傾斜しているのが好ましい。
【００１８】
ポンプチャネル３６内でポケット７２から前方に（回転方向において）放出される燃料を出口ポート４０の方に向けるために、各羽根１４の基部７４と先端７６は、半径方向で基部７４と先端７６の間に置かれた該羽根１４の中間部よりも周方向前方に先導もしくは位置する。かくして図４及び７に示すように、基部７４より半径方向外側の羽根１４の部分６７が、面６５から周方向に離れるように傾斜すると共に、インペラが回転すると、基部７４の後を追うように該基部７４の方向に位置するように傾斜している。
【００１９】
先端７６を含み部分６７から延びる羽根１４の半径方向外側の傾斜部７９は、面６５の方に傾斜または湾曲しており、インペラが回転すると、面６５の後を追うように傾斜している。部分６７と７９はほぼ平坦かその他の形状であってもよいが、羽根はその半径方向全体に渡ってほぼ円弧状であるのが好ましい。
【００２０】
半径方向外側の傾斜部７９は、燃料が羽根１４から向けられるいわゆる出口角αを画定する。図４及び７に示すように、羽根１４の出口角αは、先端７６における進み側面１６の点９８を通るインペラ１２の半径７７と、先端７６の進み側面１６から半径方向外側の傾斜部７９の軸方向端とほぼ平行に延びる線７８との間に画定される。出口角αは、０乃至３５度であるのが望ましく、好適には１０乃至３０度である。
【００２１】
図３、５及び６に示すように、好適実施例では各羽根１４も軸方向全長にわたってほぼ湾曲しているまたは円弧状である。従って、少なくとも各羽根１４の進み側面１６に沿った方向においては、軸方向端部８５と８７は、少なくとも該軸方向端部８５と８７の間にある羽根１４の中間部よりインペラ１２の回転方向に対し前方にある。具体的には軸方向端部８５と８７とのほぼ中間の羽根１４上の点９０は、その軸方向端部８５、８７から周方向に離れて且つインペラ１２の回転方向に対し後方に位置する。
【００２２】
図６に示すように、羽根の対向端部８５、８７上の２点９８、１００を結ぶ線９２と、端部８７上の点９０と点９８を結ぶ線９４（これら３点は、インペラ１２の回転軸８９から同一半径距離である）との間に、角度βが画定される。線９２と、点９０と端部８５上の点１００とを結ぶ線９６との間に、角度γが画定される。好適には角度βとγは同じであり、２点９８と１００を結びインペラ１２の回転軸に平行な線（線９２等）が引かれる。望ましくは、角度βとγは−５度乃至１０度であり、０度乃至５度であるのが好ましい。
【００２３】
従ってインペラ１２の各羽根１４は、
（１）インペラが回転すると、その先端７６がその基部７４の後を追うように、傾斜している（角度αで示す）。
（２）少なくともその進み側面１６の半径方向全長にわたって非平面状で、好適にはほぼ円弧状である（羽根の部分６７、７９により画定）。
（３）少なくともその進み側面１６の軸方向全長にわたって非平面状で、好適にはほぼ円弧状である（角度βとγにより示す）。各羽根１４の追い側面７３は進み側面１６とほぼ補完する形状とするのが好ましいが、成形の便宜や他の関係から、進み側面１６と追い側面７３との間に多少の変化をつけてもよい。例えば、追い側面を２つの平坦セグメント１０２、１０４とし（図６）、内角を１８０度以下としてもよい。
【００２４】
操作時、ロータ２６がインペラ１２をポンプチャネル３６内で回転するよう駆動すると、液体燃料がポンプチャネル３６の入り口ポート３８に引き込まれ、ポンプチャネル３６を循環し出口ポート４０から加圧して放出される。燃料の圧力は上昇するが、これはインペラ１２によって液体燃料に与えられた渦巻き状ポンプ作用によると思われる。液体燃料は、入り口端部キャップ２２と上部ポンプ本体３０とに形成した溝４４、５２等から軸方向に、並びにインペラ１２とリング３２の間から半径方向に、インペラ１２の隣接する羽根１４の間のポケット７２に入る。
【００２５】
【発明の効果】
インペラが回転する時に先端７６が基部７４の後を追うように羽根１４をインペラの半径に対し角度θで傾斜させることにより、インペラ１２が燃料汲み上げ機構の効率を高めるように回転するので、ポケット７２内に捕捉された燃料の量が増加すると思われる。また先端７６が基部７４の後を追うように羽根１４を角度θで傾斜させることにより、ポケット７２内で液体燃料が半径方向外側に移動する傾向となり、ポンプチャネル３６を流れる液体燃料の循環を改善し、燃料ポンプ１０から送られる燃料流の速度を高める。
【００２６】
さらに、羽根１４のほぼ半径方向及び軸方向の全長にわたって羽根１４の形状を非平面、好ましくはほぼ円弧状とすることによりカップ状またはほぼ凹形とし、ポケット７２から放出される液体燃料をインペラ１２の回転方向に対し前方に向かわせることにより、燃料はインペラ１２の回転方向にポケット７２から加速されて離れる。
【００２７】
この改良インペラ１２の構造により、燃料ポンプ１０の全体効率並びに高温燃料処理性能が上昇する。実験データと分析では、燃料ポンプ１０の全体効率は１０％乃至１５％の改善を示し、電動モータとポンプの組み合わせでは１０％乃至１５％の改善を示した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例であるインペラを有する電動タービン式燃料ポンプの、１部切欠した断面側面図である。
【図２】図１の燃料ポンプの○で囲った部分２の破断断面図である。
【図３】図１のインペラの斜視図である。
【図４】インペラの平面図である。
【図５】インペラの端面図である。
【図６】図５の○で囲った部分６の破断端面図である。
【図７】図３の○で囲った部分７の破断図である。
【図８】図４の８−８線による断面図である。
【符号の説明】
１０燃料ポンプ
１２インペラ
１４羽根
１６進み側面
１８ハウジング
２０ケース
２２入り口端キャップ
２４出口端キャップ
２５電動モータ
２６ロータ
３０上部ポンプ本体
３２リング
３６ポンプチャネル
３８入り口ポート
４０出口ポート
７３追い側面
７４基部
７６先端

Claims

軸を中心に回転し、軸方向に対向する１対の面を有する円形のインペラ本体（６３）と、該インペラ本体の周囲から延びる複数の周方向に互いに離隔した羽根（１４）と、を含むタービン式ポンプのためのインペラにおいて、
各羽根には、前記インペラ本体（６３）に隣接する基部（７４）と、該基部の半径方向外方の先端（７６）と、１対の軸方向に対向する端部（８５，８７）を有する軸方向に延びる進み側面（１６）と、が設けられ、
前記羽根の基部（７４）における前記進み側面の一点（８１）と前記羽根の先端（７６）における前記軸端部（８７）上の前記進み側面の一点（９８）とを結ぶ線（８０）と、前記羽根の基部における前記進み側面の一点（８１）を通って延びる前記インペラの半径（８２）と、の間の傾斜角（θ）が、所定値を有するように、且つ、前記羽根の先端（７６）が、前記羽根の基部から周方向に離隔されて前記インペラ本体の回転方向に対して後方に位置するように、前記各羽根が、前記インペラの回転軸（８９）と前記インペラの半径（８２）とにより画定される面（６５）に対して鋭角で傾斜し、
前記羽根の先端（７６）よりも半径方向内側に位置する、前記各羽根の前記進み側面の少なくとも一部が、前記羽根の先端における前記進み側面から周方向に離隔されるとともに前記インペラ本体の回転方向に対し後方に配置され、
前記進み側面の端部（８５，８７）の間に位置する、前記各羽根の進み側面の少なくとも一部が、前記進み側面の端部から周方向に離隔されるとともに後方に配置されている
ことを特徴とするタービン式ポンプのためのインペラ。
前記傾斜角（θ）の角度が、１０度乃至２０度とされることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
前記各羽根の進み側面が、その半径方向全長にわたって円弧状とされることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
前記各羽根には、前記インペラ本体（６３）と隣接する、前記半径方向の傾斜した部分（６７）と、前記先端（７６）を含み前記部分（６７）に対して前記インペラの回転方向に傾斜した、半径方向外側の傾斜部（７９）と、が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン式ポンプのためのインペラ。
前記羽根の先端（７６）における前記軸端部（８７）上の前記進み側面の一点（９８）に延びる前記インペラの半径（７７）と、前記先端（７６）の前記進み側面（１６）から延びると共に前記傾斜部（７９）の前記端部（８７）と平行に延びる線（７８）と、の間に画定される角度（α）が、０乃至３５度とされることを特徴とする請求項４に記載のタービン式ポンプのためのインペラ。
前記角度（α）が、１０乃至３０度とされることを特徴とする請求項４に記載のタービン式ポンプのためのインペラ。
前記各羽根が、少なくとも前記進み側面に沿って、軸方向全長にわたって円弧状とされることを特徴とする請求項１に記載のタービン式ポンプのためのインペラ。
前記各羽根が、１８０度以下の内角を画定する２つの平面状セグメント（１０２、１０４）により画定された軸方向に延びる追い側面（７３）を有していることを特徴とする請求項１に記載のタービン式ポンプのためのインペラ。
燃料が引き込まれる入り口と、該燃料が加圧されて放出される出口と、該入り口及び該出口と連通する燃料ポンプチャネルと、を有するハウジングと、
該ハウジング内で回転するように軸支されたロータを含む電動モータと、
該ロータと共に回転するように該ロータに連結され、インペラから燃料ポンプチャネル内に半径方向に延びる円周列の羽根を有するインペラと、
を有する電動タービン式燃料ポンプにおいて、
前記各羽根には、前記インペラ本体（６３）に隣接する基部（７４）と、該基部の半径方向外方の先端（７６）と、１対の軸方向に対向する端部（８５，８７）を有する軸方向に延びる進み側面（１６）と、が設けられ、
前記羽根の基部（７４）における前記進み側面の一点（８１）と前記羽根の先端（７６）における前記軸端部（８７）上の前記進み側面の一点（９８）とを結ぶ線（８０）と、前記羽根の基部における前記進み側面の一点（８１）を通って延びる前記インペラの半径（８２）と、の間の傾斜角（θ）が、所定値を有するように、且つ、前記羽根の先端（７６）が、前記羽根の基部から周方向に離隔されて前記インペラ本体の回転方向に対して後方に位置するように、前記各羽根が、前記インペラの回転軸（８９）と前記インペラの半径（８２）とにより画定される面（６５）に対して鋭角で傾斜し、
前記羽根の基部と先端との間に位置する、前記各羽根の前記進み側面の少なくとも一部が、前記羽根の先端における前記進み側面から周方向に離隔されるとともに前記インペラ本体の回転方向に対し後方に配置され、
前記進み側面の端部（８５，８７）の間に位置する、前記各羽根の進み側面の少なくとも一部を、前記進み側面の端部から周方向に離隔されるとともに後方に配置することで、前記羽根の形状がカップ形状に構成され、
前記電動モータが、前記ロータを回転駆動させることで前記インペラを回転駆動させて燃料を前記入り口に引き込み、前記燃料ポンプチャネル内の該燃料の圧力を増加させて加圧燃料を前記出口から放出するように、構成されていることを特徴とする電動タービン式燃料ポンプ。
前記傾斜角（θ）の角度が、１０乃至２０度とされることを特徴とする請求項９に記載の電動タービン式燃料ポンプ。
前記各羽根の前記進み側面が、その半径方向全長にわたって円弧状とされることを特徴とする請求項９に記載の電動タービン式燃料ポンプ。
前記各羽根の前記進み側面が、その軸方向全長にわたって円弧状とされることを特徴とする請求項９に記載の電動タービン式燃料ポンプ。