JP4618434B2 - 燃料ポンプ用インペラおよびそれを用いた燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、回転方向に複数形成された羽根溝を有し、羽根溝に沿って形成されるポンプ通路の燃料を回転することにより昇圧する燃料ポンプ用インペラおよびそれを用いた燃料ポンプに関する。

従来、円板状のインペラの回転方向に複数の羽根溝を形成して回転方向に隣接する羽根溝の間を隔壁で仕切り、回転することにより羽根溝に沿って形成されたポンプ通路の燃料を昇圧する燃料ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料ポンプにおいては、例えば燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の微粒化の向上等の要求から、吐出圧の高圧化が求められている。燃料ポンプのモータ部に供給する電流を増加すれば燃料ポンプの吐出圧を高圧化することはできるが、燃料ポンプの消費電力が増加するという問題が生じる。

そこで特許文献１においては、羽根溝を形成する形成面の傾斜角度を規定することにより、ポンプ部の効率を向上し、燃料ポンプの効率を向上しようとしている。燃料ポンプの効率は、（モータ効率）×（ポンプ効率）で表される。したがって、ポンプ効率が向上すると燃料ポンプの効率が向上する。モータ効率およびポンプ効率は、燃料ポンプのモータ部に供給する駆動電流をＩ、印加する電圧をＶ、モータ部のトルクをＴ、モータ部の回転数をＮ、燃料ポンプが吐出する燃料の吐出圧をＰ、燃料吐出量をＱとすると、（モータ効率）＝（Ｔ×Ｎ）／（Ｉ×Ｖ）、（ポンプ効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｔ×Ｎ）で表される。したがって、（燃料ポンプの効率）＝（モータ効率）×（ポンプ効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｉ×Ｖ）である。ポンプ効率が向上すれば、燃料ポンプの消費電力を増加することなく燃料吐出圧を高圧化することができる。
しかしながら、燃料吐出圧の高圧化、または燃料吐出量の増加の要求に応じて、ポンプ効率をさらに向上することが求められている。

特開２０００−２４０５８２号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、ポンプ効率を向上する燃料ポンプ用インペラおよびそれを用いた燃料ポンプを提供することを目的とする。

請求項１から３に記載の発明では、羽根溝を形成する回転方向後方の後方面の径方向内側端と径方向外側端とを結ぶ線分と、径方向内側端からインペラの半径上を径方向外側に延びる直線とが形成する後傾角度をαとし、後方面のインペラの厚み方向の中心と後方面の厚み方向の両端とをそれぞれ結ぶ線分と、厚み方向の中心からインペラの回転軸と直交して回転方向前方に延びる直線とが形成する前傾角度をβとすると、１５°≦α≦３０°、β≦６０°、１≦β／α≦４に設定されている。

このようなインペラが回転すると、回転方向前方の羽根溝から流出し回転方向後方の羽根溝に流入した燃料は、流入した羽根溝から流出してさらに回転方向後方の羽根溝に流入する。そして、羽根溝からの流出、羽根溝への流入を順次繰り返すことにより、ポンプ通路を流れる燃料が旋回流となって運動エネルギーが上昇し、燃料が昇圧される。

ここで、α＜１５°であると、旋回流が羽根溝の後方面に沿って流入せず、後方面に大きな角度で衝突する。この衝突力は、インペラの回転方向と反対側に働くので、インペラの回転が妨げられる。また、α＞３０°であると、旋回流と後方面との間に開きが生じて旋回流が羽根溝の後方面に沿って流入せず、旋回流に剥離が生じる。旋回流の剥離は旋回流が羽根溝に流入するときの抵抗となる。このように、α＜１５°またはα＞３０°であると、旋回流が羽根溝に滑らかに流入しないので、旋回流のエネルギーが減少し、ポンプ効率が低下する。

そこで請求項１から３に記載の発明では、１５°≦α≦３０°に設定することにより、羽根溝の後方面に沿って旋回流が羽根溝に滑らかに流入するので、旋回流のエネルギーの減少を防止し、ポンプ効率が向上する。
また、β＞６０°であると、インペラの厚み方向の中心から厚み方向の両側に向けて回転方向前方に傾斜する角度が小さくなるので、羽根溝から流出するときに旋回流が羽根溝から回転方向前方に向けて受けるエネルギー成分が小さくなる。その結果、旋回流の回転方向のピッチが長くなるので、旋回流が羽根溝から流出し回転方向後方の次の羽根溝に流入するまでの羽根溝同士の間隔が長くなる。すなわち、ポンプ通路を流れる間に旋回流が羽根溝に出入りする回数が減少するので、燃料が十分に昇圧されない。

そこで請求項１から３に記載の発明では、前傾角度βをβ≦６０°に設定することにより、羽根溝から流出するときに旋回流が羽根溝から回転方向前方に向けて受けるエネルギー成分が大きくなるので、旋回流の回転方向のピッチが短くなる。その結果、ポンプ通路を流れる間に旋回流が羽根溝に出入りする回数が増加するので、燃料の昇圧効率が向上する。

ここで、後傾角度αに対して前傾角度βが小さすぎたり、大きすぎたりすると、羽根溝から後方面に沿って前傾角度βで流出する旋回流が後傾角度αの羽根溝の後方面に滑らかに流入できない。
そこで請求項１から３のいずれか一項に記載の発明では、１≦β／α≦４に設定することにより、１５°≦α≦３０°、β≦６０°の範囲内において、羽根溝に滑らかに燃料が流入するように後傾角度αおよび前傾角度βの大きさを調整している。その結果、燃料の昇圧効率が向上し、ポンプ効率が向上する。

請求項２に記載の発明では、２０°≦αに設定することにより、羽根溝に流入するときに旋回流が後方面に衝突する角度が小さくなる。その結果、旋回流が後方面に沿って滑らかに羽根溝に流入するので、旋回流のエネルギーの減少が低下し、ポンプ効率が向上する。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のインペラを使用するので、燃料ポンプのポンプ効率が向上し、その結果として燃料ポンプの効率が向上する。したがって、燃料ポンプに供給する電力を増加することなく、燃料ポンプから吐出する燃料の吐出圧または吐出量を増加できる。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるインペラを用いた燃料ポンプを図２に示す。燃料ポンプ１０は、例えば車両等の燃料タンク内に装着されるインタンク式のタービンポンプであり、燃料タンク内の燃料を図示しない燃料噴射弁に供給する。燃料ポンプ１０の吐出圧は０．２５〜１ＭＰａ、吐出量は５０〜３００Ｌ／ｈ、回転数は４０００〜１２０００ｒｐｍの範囲で設定されている。

燃料ポンプ１０は、ポンプ部１２と、ポンプ部１２を回転駆動するモータ部１３とを備えている。ハウジング１４は、ポンプ部１２およびモータ部１３のハウジングを兼ねており、エンドカバー１６およびポンプケース２０をかしめている。
ポンプ部１２は、ポンプケース２０、２２、およびインペラ３０を有しているタービンポンプである。ポンプケース２２はハウジング１４内に圧入され、ハウジング１４の段部１５に軸方向に突き当てられている。ポンプケース２０、２２は、回転部材としてのインペラ３０を回転自在に収容するケース部材である。ポンプケース２０、２２とインペラ３０との間に、それぞれＣ字状のポンプ通路２０２（図３参照）が形成されている。

図４に示すように、円板状に形成されたインペラ３０の外周縁部には回転方向に複数の羽根溝３６が形成されており、羽根溝３６の周方向幅は不均一である。その結果、羽根溝３６は回転方向に不等ピッチで配置されている。インペラ３０が電機子５０の回転によりシャフト５１とともに回転すると、回転方向前方の羽根溝３６の径方向外側からポンプ通路２０２に流出した燃料は回転方向後方の羽根溝３６の径方向内側に流入する。このような燃料の流出、流入を羽根溝３６同士で多数繰り返すことにより、燃料は旋回流３００となってポンプ通路２０２で昇圧される。インペラ３０の回転によりポンプケース２０に設けられた吸入口２００（図３参照）から吸入された燃料は、インペラ３０の回転によりポンプ通路２０２で昇圧され、ポンプケース２２に設けられた吐出口２０６（図３参照）からモータ部１３側に圧送される。モータ部１３側に圧送された燃料は、永久磁石４０と電機子５０との間の燃料通路２０８を通り、エンドカバー１６に設けられた吐出口２１０からエンジン側に供給される。ポンプケース２０に設けた空気抜き孔２０４（図３参照）は、ポンプ通路２０２の燃料中に含まれる空気を燃料ポンプ１０の外に排出するためのものである。

４分の１の円弧状に形成されている永久磁石４０は、ハウジング１４の内周壁に円周上に４個取り付けられている。永久磁石４０は回転方向に極の異なる磁極を４個形成している。
電機子５０のインペラ３０側の端部を樹脂製カバー７０が覆うことにより、電機子５０の回転抵抗は低下している。また、電機子５０のインペラ３０と反対側の端部に整流子８０が組み付けられている。電機子５０の回転軸としてのシャフト５１は、エンドカバー１６とポンプケース２０とにそれぞれ収容され支持されている軸受部材２４により軸受けされている。

電機子５０は、回転中央部に中央コア５２を有している。シャフト５１は、断面六角形の筒状に形成された中央コア５２に圧入されている。６個の磁極コア５４は中央コア５２の外周に回転方向に設置され、中央コア５２と嵌合して結合している。各磁極コア５４の外周に絶縁樹脂で成形されたボビン６０が嵌合し、ボビン６０の外周に巻線を集中巻してコイル６２が形成されている。

各コイル６２の整流子８０側の端部はコイル端子６４と電気的に接続している。コイル端子６４は各コイル６２の回転方向位置に対応しており、整流子８０側の端子８４と嵌合して電気的に接続している。コイル６２の整流子８０と反対側であるインペラ３０側の端部はコイル端子６６と電気的に接続している。６個のコイル端子６６は、環状の端子６８により電気的に接続している。

整流子８０は一体に形成されたカセット式である。中央コア５２にシャフト５１を圧入した状態で、整流子８０の貫通孔８１にシャフト５１を挿入して電機子５０に整流子８０を組み付けるとき、整流子８０の電機子５０側に突出している端子８４は、それぞれ電機子５０のコイル端子６４に嵌合しコイル端子６４と電気的に接続する。

整流子８０は回転方向に設置された６個のセグメント８２を有している。セグメント８２は例えばカーボンで形成されており、セグメント８２同士は、空隙および絶縁樹脂材８６により電気的に絶縁されている。
各セグメント８２は中間端子８３を介し端子８４と電気的に接続している。絶縁樹脂材８６は、セグメント８２（図示しないブラシとの摺動面を除く）、中間端子８３、および端子８４をインサート成形によって一体化し、これにより整流子８０が構成されている。整流子８０が電機子５０とともに回転することにより、各セグメント８２は順次ブラシと接触する。整流子８０が回転しながらブラシと順次接触することにより、コイル６２に供給される電流が整流される。永久磁石４０、電機子５０、整流子８０および図示しないブラシは直流電動機を構成している。

（インペラ３０）
インペラ３０の構造をさらに詳細に説明する。
インペラ３０は樹脂により円板状に一体成形されている。図４に示すように、インペラ３０の外周は環状部３２に囲まれており、環状部３２の内周側に羽根溝３６が形成されている。図１に示すように、回転方向に隣接する羽根溝３６は、インペラ３０の厚み方向のほぼ中心からインペラ３０の厚み方向の両端面３１に向けて回転方向前方に傾斜するＶ字状の隔壁３４により仕切られている。また、図５に示すように、羽根溝３６は、羽根溝３６の径方向内側から径方向外側に向けて突出する仕切壁３５により径方向内側の一部を仕切られているが、仕切壁３５の径方向外側で回転軸方向に貫通している。軸方向両側のポンプ通路２０２から羽根溝３６内に流入した燃料は、この仕切壁３５により回転軸方向両側で逆方向に回転する旋回流３００となる。

図１に示すように、羽根溝３６の回転方向後方の後方面３７の少なくとも径方向内側は径方向内側から径方向外側に向けて回転方向後方に傾斜している。そして、羽根溝３６の後方面３７の径方向内側端３７ａと径方向外側端３７ｂとを結ぶ線分１１０と、径方向内側端３７ａからインペラ３０の半径１０２上を径方向外側に延びる直線１０４とが形成する後傾角度αは、１５°≦α≦３０°の範囲に設定されている。図１において符号１００はインペラ３０の回転軸を示している。

後傾角度αがα＜１５°に設定されると、旋回流３００が後方面３７に沿って羽根溝３６に流入せず、後方面３７に大きな角度で衝突する。この衝突力は、インペラ３０の回転方向と反対側に働くので、インペラ３０の回転が妨げられる。また、後傾角度αがα＞３０°に設定されると、羽根溝３６に流入する旋回流３００に対して後方面３７が回転方向後方に傾斜しすぎるので、旋回流３００が羽根溝３６に流入するときに、旋回流３００に剥離が生じる。その結果、旋回流３００が羽根溝３６に流入するときの抵抗が大きくなる。

そこで、第１実施形態では、１５°≦α≦３０°の範囲に後傾角度αを設定することにより、羽根溝３６に旋回流３００が滑らかに流入し、旋回流３００が羽根溝３６に流入するときの抵抗を極力低下している。これにより、図６の（Ａ）に示すように、ポンプ効率の最大値からの低下を極力低減している。後傾角度αは、２０°≦αに設定することが望ましい。

また、羽根溝３６の後方面３７は、インペラ３０の厚み方向の中心３７ｃからインペラ３０の厚み方向の両端面３１側に向けて回転方向前方に傾斜している。つまり、後方面３７は、インペラ３０の厚み方向の中心３７ｃからインペラ３０の両端面３１側に向けてＶ字状に形成されている。そして、後方面３７の厚み方向の中心３７ｃと後方面３７のインペラ３０の厚み方向両端３７ｄとを結ぶ線分１１２と、厚み方向の中心３７ｃから周方向に沿って回転方向前方に延びる直線１０６とが形成する前傾角度βは、β≦６０°の範囲に設定されている。直線１０６は中心軸１００に直交している。

前傾角度βがβ＞６０°の範囲に設定されると、羽根溝３６から流出するときに回転方向前方に向けて旋回流３００が羽根溝３６から受けるエネルギー成分が小さくなるので、旋回流３００の回転方向のピッチが長くなる。その結果、旋回流３００が羽根溝３６から流出し、回転方向後方の次の羽根溝３６に流入するまでの羽根溝３６同士の間隔が長くなる。すなわち、ポンプ通路２０２を流れる間に旋回流３００が羽根溝３６に出入りする回数が減少するので、燃料が十分に昇圧されない。

そこで第１実施形態では、β≦６０°の範囲に前傾角度βを設定することにより、羽根溝３６から流出するときに旋回流３００が羽根溝３６から回転方向前方に向けて受けるエネルギー成分が大きくなるので、旋回流３００の回転方向のピッチが短くなる。その結果、ポンプ通路２０２を流れる間に旋回流３００が羽根溝３６に出入りする回数が増加するので、燃料の昇圧効率が向上する。これにより、図６の（Ｂ）に示すように、ポンプ効率の最大値からの低下を極力低減している。

ここで、後傾角度αに対して前傾角度βが小さすぎたり、大きすぎたりすると、羽根溝３６から後方面３７に沿って前傾角度βで流出する旋回流３００が後傾角度αの羽根溝３６の後方面３７に滑らかに流入できない。
そこで第１実施形態では、１≦β／α≦４に設定することにより、１５°≦α≦３０°、β≦６０°の範囲内において、羽根溝３６に滑らかに燃料が流入するように後傾角度αおよび前傾角度βの大きさを調整している。これにより、図６の（Ｃ）に示すように、ポンプ効率の最大値からの低下を極力低減している。

また、第１実施形態では、羽根溝３６の回転方向前方の前方面３８は、後方面３７と同様に、インペラ３０の厚み方向の中心３７ｃからインペラ３０の両端面３１に向けてＶ字状に形成されている。このように、羽根溝３６の後方面３７と前方面３８の形状をほぼ同一にすることにより、羽根溝３６から流出する燃料の流出量と羽根溝３６に流入する燃料の流入量とがほぼ等しくなる。その結果、燃料の昇圧効率が向上する。

また第１実施形態では、羽根溝３６の径方向外側を環状部３２が覆っており、インペラ３０の外周側にポンプ通路が形成されていない。その結果、ポンプ通路２０２で昇圧される燃料圧力の回転方向の差圧がインペラ３０の径方向に直接加わらないので、インペラ３０に径方向に加わる力が減少する。これにより、インペラ３０の回転中心がずれることを防止できるので、インペラ３０が滑らかに回転できる。

（第２、第３、第４、第５実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に、第３実施形態を図８に、第４実施形態を図９に、第５実施形態を図１０に示す。尚、既述の実施形態と実質的に同一構成部分に同一符号を付す。また、各実施形態のインペラが用いられる燃料ポンプの構成は、第１実施形態と実質的に同一である。

第２、第３、第４、第５実施形態においても第１実施形態と同様に、羽根溝１２０、１３０、１４０、１５０の回転方向後方の後方面１２１、１３１、１４１、１５１の少なくとも径方向内側は径方向内側から径方向外側に向けて回転方向後方に傾斜している。そして、羽根溝１２０、１３０、１４０、１５０の後方面１２１、１３１、１４１、１５１の径方向内側端１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａと径方向外側端１２１ｂ、１３１ｂ、１４１ｂ、１５１ｂとを結ぶ線分１１０と、径方向内側端１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａからインペラの半径１０２上を径方向外側に延びる直線１０４とが形成する後傾角度αは、１５°≦α≦３０°の範囲に設定されている。
また、羽根溝１２０、１３０、１４０、１５０の後方面１２１、１３１、１４１、１５１の前傾角度βも、第１実施形態と同様にβ≦６０°の範囲に設定されている。さらに、１≦β／α≦４に設定されている。

図７に示す第２実施形態では、羽根溝１２０の４隅は円弧状に形成されている。この場合、後方面１２１の径方向内側端１２１ａおよび径方向外側端１２１ｂは、円弧のほぼ中央部を指す。
図８に示す第３実施形態では、羽根溝１３０の後方面１３１の径方向外側は、径方向外側に向かって回転方向前方に傾斜している。また、後方面１３１の径方向内側と径方向外側との間は滑らかな曲面を形成している。
図９に示す第４実施形態では、羽根溝１４０の後方面１４１の径方向外側は、径方向外側に向かって直線１０４にほぼ沿って形成されている。また、後方面１４１の径方向内側と径方向外側との間は滑らかな曲面を形成している。
図１０に示す第５実施形態では、羽根溝１５０の後方面１５１は平面である。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では、羽根溝の径方向外側を環状部３２（図４参照）で覆ったが、本発明では、環状部３２を設けず羽根溝の径方向外側を開放してもよい。また上記複数の実施形態では、羽根溝の回転方向前方の前方面の形状を後方面の形状に合わせたＶ字状にしたが、羽根溝の前方面を厚み方向に沿った平面にしてもよい。

また上記複数の実施形態では、燃料ポンプのモータ部をブラシモータにしたが、モータ部をブラシレスモータにしてもよい。
このように、本発明は、上記複数の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

（Ａ）は第１実施形態によるインペラの羽根溝を燃料吸入側から見た模式図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 第１実施形態の燃料ポンプを示す断面図。 （Ａ）は吐出側のポンプケースを示す説明図、（Ｂ）は吸入側のポンプケースを示す説明図。 （Ａ）は第１実施形態によるインペラを燃料吸入側から見た全体図、（Ｂ）は（Ａ）の羽根溝部分の拡大図。 図２に示すポンプ通路の拡大図。 （Ａ）は後傾角度αとポンプ効率との関係を示す特性図、（Ｂ）は前傾角度βとポンプ効率との関係を示す特性図、（Ｃ）はβ／αとポンプ効率との関係を示す特性図。 第２実施形態の羽根溝を示す拡大図。 第３実施形態の羽根溝を示す拡大図。 第４実施形態の羽根溝を示す拡大図。 第５実施形態の羽根溝を示す拡大図。

符号の説明

１０：燃料ポンプ、１２：ポンプ部、１３：モータ部、２０、２２：ポンプケース（ケース部材）、３０：インペラ、３１：端面、３４：隔壁、３６、１２０、１３０、１４０、１５０：羽根溝、３７、１２１、１３１、１４１、１５１：後方面、３７ａ、１２１ａ、１３１ａ、１４１ａ、１５１ａ：径方向内側端、３７ｂ、１２１ｂ、１３１ｂ、１４１ｂ、１５１ｂ：径方向外側端、３７ｃ：厚み方向の中心、３７ｄ：厚み方向両端、１００：回転軸、１０２：半径、１０４、１０６：直線、１１０、１１２：線分、２０２：ポンプ通路

Claims (3)

1. 燃料ポンプ用のインペラであって、前記インペラの回転方向に沿って形成されるポンプ通路の燃料を回転することにより昇圧するインペラにおいて、
   回転方向に複数設けられている羽根溝と、回転方向に隣接する前記羽根溝の間を仕切る隔壁と、を備え、
   前記羽根溝を形成する回転方向後方の後方面の少なくとも径方向内側は径方向内側から径方向外側に向けて回転方向後方に傾斜し、かつ前記後方面は前記インペラの厚み方向の中心から前記インペラの厚み方向両側に向けて回転方向前方に傾斜しており、
   前記後方面の径方向内側端と径方向外側端とを結ぶ線分と、前記径方向内側端から前記インペラの半径上を径方向外側に延びる直線とが形成する後傾角度をαとし、前記後方面の前記インペラの厚み方向の中心と前記後方面の前記厚み方向の両端とをそれぞれ結ぶ線分と、前記厚み方向の中心から周方向に沿って回転方向前方に延びる直線とが形成する前傾角度をβとすると、１５°≦α≦３０°かつβ≦６０°かつ１≦β／α≦４であることを特徴とするインペラ。
2. ２０°≦αであることを特徴とする請求項１記載のインペラ。
3. モータ部と、
   前記モータ部の回転駆動力により回転する請求項１または２に記載のインペラと、
   前記インペラを回転自在に収容し、前記ポンプ通路を形成するケース部材と、
   を備えることを特徴とする燃料ポンプ。
   
   
   
   

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