JP4827319B2

JP4827319B2 - 液体ポンプのインペラ

Info

Publication number: JP4827319B2
Application number: JP2001138907A
Authority: JP
Inventors: 文司本間
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002332981A; DE10220643A1; US6638009B2; US20020168261A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両の燃料タンク等に設けられ、液体を圧送するための液体ポンプのインペラの技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種液体ポンプのなかには、例えば燃料タンク内に配される燃料ポンプがあり、このようなものとしては、外径部に吸入口と排出口が形成されたポンプ室にインペラを回転自在に内装し、該インペラの回転に基づいて吸入口から吸入した燃料を排出口から圧送する構成としたものが知られている。前記燃料ポンプのインペラとしては、例えば図８に示すように、所定の板厚を有した円板体（インペラ）１４の外周に、周回り方向に略直交する方向（回転軸方向）を向く複数の羽根１４ａと、これら隣接する羽根１４ａとのあいだの羽根溝１４ｂとを、円板体１４の板厚方向中間部Ｍを基準として両板面（両側面）側に互いに齟齬状となる関係で形成したものがある。このものにおいて、羽根溝１４ｂは内径側縁部が板面に達する傾斜面１４ｃとなっており、インペラ１４の回転に伴い流入口から流入される燃料は傾斜面１４ｃの内径側から傾斜面１４ｃに沿うようにして外径側に流れ込み、ポンプ室を構成するインペラケーシングに形成される流路用のリング状凹溝とのあいだで渦流を形成しながら回転して、外径側に形成される排出口から圧送されるようになっている（図８（Ａ）における白抜き矢印）。このものにおいて、燃料の流れをＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：計算流体力学）に基づいて解析してみると、回転方向後側面１４ｄに衝突する流れがあって衝撃損失があること、傾斜面１４ｃの回転方向先側面１４ｅの後方に前記渦流とは別の渦流が形成されキャビテーションを生じていること、インペラ１４の外径部の板厚方向中間部において淀みがあって逆流が生じていること等が判明し（図８（Ｂ）、（Ｃ）参照）、これらがポンプ効率を低減させる要因となっている。そして、これら各現象は、渦流が羽根１４ａの回転速度よりも遅れて流れるのに対し、インペラ１４の羽根１４ａ（羽根面）の形状が、板厚方向（回転軸方向）の面に対して平行な関係となっていること、羽根１４ａの外径側縁部とインペラケーシングの内径側面とが近接対向していることにより生じるものと考えられる。
そこで、特表平９−５１１８１２号公報により教示されるようなインペラが提唱されている。このものは、図９（Ａ）に示すように、インペラ１５の羽根１５ａを、円板体の周回り方向に設けた複数の貫通孔１５ｂとのあいだに形成されるものとし、前記貫通孔１５ｂの径方向内側面１５ｃを、板厚方向中間部Ｍを基準として各板面側ほど内径側に傾斜する傾斜面（内径側縁部が板面に達する傾斜面）として燃料の流路とする一方、これら複数の羽根１５ａの外径側にリング状部１５ｄが形成されたものとなっている。さらにこのものでは、各羽根１５ａを、円板体の回転軸に対して傾斜状、つまり円板体の板厚方向中間部Ｍを基準として円板体の両板面側ほど回転方向先側となるようそれぞれ傾斜状に形成して、渦流と羽根１５ａ（貫通孔１５ｂ）との形状とを近似させ、貫通孔１５ｂの回転方向後側面１５ｅに対する流れの衝突（衝撃損失）を低減させるようにしたものとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このものにおいて燃料の流れを、前記の従来例と同様にＣＦＤに基づいて解析すると、図９（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、インペラ１５の外径部における淀みによる逆流が低減されていること、燃料の羽根１５ａに対する衝突、つまり貫通孔１５ｂの回転方向先後側各面１５ｆ、１５ｅに対する衝突が低減されていること、主となる渦流が貫通孔１５ｂの径方向内側面１５ｃに略沿うような状態でスムースに形成されていること等が判明し、ポンプ効率の改善が計られていると考えられる。しかるに、前記各図面に示されるように、燃料の流れは、径方向内側面１５ｃに案内されて外径側に流れる主となる渦流とは別に、羽根溝１５ｂの回転方向先側面１５ｆの後方において小さな渦流が形成している他、回転方向先後側各面１５ｆ、１５ｅに衝突する流れも存在している。このため、前記従来例と同様に、キャビテーションの発生や衝撃損失が依然として生じており、これらがポンプ効率を低下させる要因となっていることが考えられる。
一方、近年、燃料ポンプの高出力化が望まれると同時に、コンパクト化が強く望まれており、このためには、さらなるポンプ効率の向上を計る必要があり、ここに本発明が解決しようとする課題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、吸入口と排出口が形成されたポンプ室に内装され、吸入口から吸入した液体を排出口から圧送するよう回転するインペラを、円板体の外周に、板厚方向に貫通する貫通孔を周回り方向に複数形成して、隣接する貫通孔間を羽根とし、かつ、前記各貫通孔の径方向内側面を、板厚方向中間部を基準として各板面側ほど内径側に位置する傾斜面として、液体を板厚方向中間部側に誘導するにあたり、前記径方向内側面を、回転方向先側ほど内径側に位置するよう傾斜させて液体の誘導面積を広く確保すると共に、前記各貫通孔の径方向外側面は、回転方向先側ほど内径側に位置するように傾斜している液体ポンプのインペラである。
そして、このようにすることにより、液体の流入部となる貫通孔の径方向内側面の面積が拡大され、主となる渦流の流量が多くなってポンプ効率が向上する。
請求項２の発明は、請求項１において、各貫通孔の径方向外側面は、板厚方向中間部を基準として各板面側ほど貫通孔の外径側にそれぞれ傾斜している液体ポンプのインペラである。
請求項３の発明は、請求項１または２において、ポンプ室には、羽根形成部位に対向して流路用のリング状凹溝が形成されるものとし、該リング状凹溝の内径側縁部は貫通孔の回転方向先側面に対向し、外径側縁部は貫通孔の回転方向後側面に対向して形成されている液体ポンプのインペラである。
請求項４の発明は、請求項１、２または３において、貫通孔の回転方向先後側各面は、板厚方向中間部を基準として円板体の各板面側ほど回転方向先側にそれぞれ傾斜する傾斜面に形成されている液体ポンプのインペラである。
請求項５の発明は、請求項１、２、３または４において、各貫通孔の回転方向先後側各面は、インペラの径線に対し外径側ほど回転方向先側に位置するよう傾斜している液体ポンプのインペラである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の第一の実施の形態を図１〜図６に示す図面に基づいて説明する。
図面において、１は燃料タンク内に配される燃料ポンプであって、該燃料ポンプ１は、筒状のケーシング２の一端側にモータ部Ｍが構成され、他端側にポンプ部Ｐが構成されている。前記モータ部Ｍのモータ軸３は、ケーシング２一端側の筒端を覆蓋するように配されるブラケット（図示せず）と、ケ−シング２他端側の筒端を覆蓋するように配されるポンプケーシング４とに回動自在に軸承されている。尚、５はモータ軸３に一体的に外嵌されるアーマチュアコア、６はケーシング内周面に固着される永久磁石である。
【０００６】
前記ポンプケーシング４は本発明のポンプ室を構成しているが、モータ軸３の軸方向に並列する一対の第一、第二プレート７、８により構成されている。そして、モータ軸他端部３ａは、内側に位置する第一プレート７の貫通孔７ａを貫通し、外側に位置する第二プレート８の軸受部８ａに軸受８ｂを介して軸承される構成となっている。
前記第一、第二プレート７、８の対向間には、第二プレート８側に凹部８ｃを形成することで所定間隙が形成されており、該間隙に、モータ軸他端部３ａに回り止め状に外嵌固定されたインペラ９が内装されている。そして、第一プレート７のインペラ９外周部に対向する部位には軸方向に凹設される状態でリング状凹溝７ｂが形成される一方、第二プレート８の凹部８ｃ外径側、つまりインペラ９外周部に対向する部位には、第一プレートリング状凹溝７ｂと対向する状態で軸方向反対方向に凹設されたリング状凹溝８ｄが形成されている。これら各リング状凹溝７ｂ、８ｄは、後述する寸法で形成され、インペラ９によるポンプ作動がなされたとき、インペラ９に形成される貫通孔１０とともに燃料流路となるように設定されている。さらに、第一、第二プレート７、８には、前記各凹溝部７ｂ、８ｄに連通する状態で排出口７ｃ、吸入口８ｅが開設されており、モータ軸３の回転駆動に伴うインペラ９の回転に基づいて、燃料は第二プレート吸入口８ｅから吸入され、第一プレート排出口７ｃからモータ部Ｍ側に圧送、排出される設定となっている。
【０００７】
前記インペラ９は、所定の板厚Ｓに設定された円板状の板体（円板体）の中央部にモータ軸３に回り止め状に外嵌するためのモータ軸用貫通孔９ａが形成されている。また、インペラ９の外径部である前記第一、第二プレート凹溝部７ｂ、８ｄと対向する部位には、板厚方向に貫通する燃料流路用の貫通孔１０が、周回り方向に並列する状態で複数形成されており、これによって、インペラ９の外径部には、隣接する貫通孔１０とのあいだに周回り方向に並列する複数の羽根９ｂが形成され、さらにこれら羽根９ａの外径側において周回り方向に一体化されたリング状部９ｃが形成されている。
【０００８】
さて、燃料の流路となるインペラ９の貫通孔１０は、回転方向に対向する回転方向先後側各面１０ａ、１０ｂと、径方向に対向する径方向内外側面１０ｃ、１０ｄとの四周面で囲まれて、軸方向を向く貫通状の孔に構成されている。そして、前記回転方向先行側面１０ａ、１０ｂは、板厚方向中間部Ｍ（板厚Ｓの中央部位であって、Ｓ／２部位）を基準として、円板体の各板面側（円板体の両側面側）ほど回転方向先側にそれぞれ傾斜して、前記中間部Ｍを鋭角状の溝部とするＶ字状の面になっている。さらに、このようにＶ字状に形成された回転方向先後側各面１０ａ、１０ｂは、インペラ９の径線Ｒに対し外径側ほど回転方向先側に位置するよう、角度αを存する状態で傾斜して形成されている。尚、本実施の形態における回転方向先後側各面１０ａ、１０ｂは、径線Ｒに対する傾斜角度αがそれぞれ異なった角度で形成されているが、該角度は、用途や燃料の種類等の諸条件に対応して適宜角度を設定することができる。
【０００９】
また、貫通孔１０の径方向内外側各面１０ｃ、１０ｄは、前述したように燃料の流入部、排出部となる部位であるが、これら各面１０ｃ、１０ｄは、板厚方向中間部Ｍ（板厚Ｓの中央部位であって、Ｓ／２部位）を基準として、円板体の各板面側ほど貫通孔１０の外側となるようそれぞれ傾斜して形成されている。因みに、径方向内側面１０ｃの傾斜面は燃料の流入部であって燃料を誘導する面となるが、該内側面１０ｃは従来のもののように湾曲状の傾斜面に形成され、外側面１０ｄは直線状の傾斜面となっている。さらに、これら各面１０ｃ、１０ｄは、回転方向先側ほど内径側に位置するよう、接線Ｇに対して角度βを存して傾斜状に形成されている。これによって、径方向内外側各面１０ｃ、１０ｄは燃料流入、排出方向に向けて延出するように面積が増大するように設定されている。
尚、本実施の形態における径方向内外側各面１０ｃ、１０ｄは、接線Ｇに対する傾斜角度βがそれぞれ異なった角度で形成されているが、前記径方向先後側各面１０ｃ、１０ｂと同様に、用途や燃料の種類等の諸条件に対応して適宜角度を設定することができる。
【００１０】
また、前記第一、第二プレート７、８に形成されるリング状凹溝７ｂ、８ｄは、内径側縁部は貫通孔１０の回転方向先側面１０ａの内径側縁に対向して寸法設定され、外径側縁部は貫通孔１０の回転方向後側面１０ｂの外径側円に対向して寸法設定されて形成されている。これによって、各リング状凹溝７ｂ、８ｄは、貫通孔１０と対向したとき、径方向内外側面１０ｃ、１０ｄに対して位置ズレしており、流路に段差部が形成される状態となるが、図６（Ａ）に示すように、流入部となる貫通孔１０の回転方向先側の内径側、そして排出部となる貫通孔１０の回転方向後側の外径側においては、それぞれ径方向内側面１０ｃとリング状凹溝７ｂ、８ｄ、径方向外側面１０ｄとリング状凹溝７ｂ、８ｄとに段差部が形成されないように設定されている。
【００１１】
つぎに、このように形成されたインペラ９において、モータ軸３が回転駆動してインペラ９が矢印Ｌ方向に回転した場合の流れの状態を、ＣＦＤを用いた解析に基づき、図４（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。
因みに、インペラ９は矢印Ｌ方向に回転するように設定されており、該Ｌ方向に羽根９ｂが回転することにより、燃料は、第二プレート流入口８ｅから吸入され、貫通孔１０と前記第一、第二プレート凹溝部７ｂ、８ｄとで形成される流路となる空間を渦流となって回転方向後方に流れ、第一プレート排出口７ｃからモータ部Ｍ側に排出されるように設定されている。
【００１２】
図４（Ａ）、（Ｂ）は、貫通孔１０における燃料の流れが示されており、燃料は、貫通孔１０の径方向内側面１０ｃの内径側でかつ回転方向先側の部位から流入し、径方向外側面１０ｄにおける板厚方向中間部Ｍ側でかつ回転方向後側の部位に向けて流れており、羽根９ｂに沿うような状態となっている。そして主となる渦流の他に小さな渦流は形成していない。
これは、貫通孔１０の回転方向先後側各面１０ａ、１０ｂが、それぞれ板厚方向中間部Ｍを基準として板面側ほど回転方向先側に位置する形状となっていて、貫通孔１０形状と渦流形状とが近似したことによることは勿論であるが、さらに、燃料の流入部、排出部となる径方向内外側各面１０ｃ、１０ｄが回転方向先側ほど内径側に位置するよう傾斜して形成されることにより、これら各面１０ｃ、１０ｄの面積が前記従来のものに比して広く確保されていることによるものと考えられる。
つまり、燃料は、前述したように、貫通孔１０の径方向内側面１０ｃの内径側でかつ回転方向先側の部位から流入し、径方向外側面１０ｄにおける板厚方向中間部Ｍ側でかつ回転方向後側の部位に向けて流れるものが主渦流となる。このため、ポンプ効率を向上させるためには該主渦流の流量を多くなるようにすることが要件となる。これに対し、本実施の形態のものでは、主渦流を形成するべく燃料を誘導する径方向内側面１０ｃが広い面積を確保したものに形成されているため、燃料が主渦流を形成する流れに集中しやすくなり、該渦流の他に渦流ができてしまうようなことが防止されると考えられる。
【００１３】
このとき、インペラ貫通孔１０とポンプケーシング４の各リング状凹溝７ｂ、８ｄとは、前述したように、流入部となる貫通孔１０の回転方向先側の内径側、そして排出部となる貫通孔１０の回転方向後側の外径側以外の部位においては段差部が形成されない状態となっている。従って、段差部が形成される部位側への流れには衝撃損失が生じることになるが、液体が流入、排出する部位（流入部、排出部）においては段差部が形成されることがなく、これによって、主となる渦流の流れの側に多くの燃料が誘導されることになって、さらなる流れの集中化が計れると考えられる。
【００１４】
因みに、本第一の実施の形態の燃料ポンプ１を、図８、９に示す従来のインペラを備えた燃料ポンプとの比較をするため、それぞれのポンプ効率を同条件下において測定した。その結果、図８のインペラ１４を用いた燃料ポンプではポンプ効率１９．３％、図９のインペラ１５を用いた燃料ポンプではポンプ効率３６．１％、そして、本第一の実施の形態の燃料ポンプ１ではポンプ効率３８．９％という結果が得られ、本発明の有効性が実証された。
【００１５】
叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、モータ部Ｍの駆動に伴いモータ軸３が回転すると、インペラ９が回転して羽根９ｃによる燃料のポンプ作動がなされる。この場合に、貫通孔１０を構成する径方向内外側各面１０ｃ、１０ｄは、回転方向先側ほど内径側に傾斜して面積が広くなっている。この結果、燃料は内外側各面１０ｃ、１０ｄに沿って（誘導されて）集中して流入、排出することができて主渦流の流量を多くすることができる。しかもこのものでは、ポンプケーシング４側のリング状凹溝７ｂ、８ｄと貫通孔１０との対向部に段差部が形成されるが、主となる渦流の流れに沿う状態で段差部のない部位が形成されるため、流れが段差部のない部位に集中して、さらに主となる渦流の流量を多くさせることができる。そのうえ、貫通孔１０の回転方向先後側各面１０ａ、１０ｂがインペラ９の径線に対し外径側ほど回転方向先側に位置するよう傾斜しているため、より渦流の形状に沿うことができ、これらの結果、衝撃損出やキャビテーションによるポンプ効率の低下を計ることができて、ポンプ効率の向上が計れる。
【００１６】
このように、本実施の形態のものにあっては、さらなるポンプ効率の向上が計れて高出力化を果すことができ、もって、燃料ポンプの小型化を計ることができる。このように、ポンプ効率を高めることにより、必要な吐出量を確保するための回転数を低く抑えることができ、静粛で耐久性のある燃料ポンプを提供することができる。
【００１７】
尚、本発明は前記実施の形態に限定されないことは勿論であって、図７（Ａ）、（Ｂ）に示す第二、第三の実施の形態のようにすることもできる。図７（Ａ）のものは、インペラ１１に形成される貫通孔１２の径方向外側辺１２ｄを、従来のものと同様に平板状に形成されたものとなっている。このものにおいて、貫通孔１２と、第一、第二プレート７、８に形成される凹溝部７ｂ、８ｄとで形成される燃料流路における流体圧を測定した結果を等圧線により示す。この結果によると、燃料の流入部、排出部となる径方向内外側各辺１２ｃ、１２ｄの周辺部が高圧域となるが、該高圧域が従来のインペラを用いた場合よりも広範囲に亘ることが測定された。このように、内外径側各辺１２ｃ、１２ｄをＶ字状に形成しない状態であっても面積が増大し、燃料の流速を高速化できて、ポンプ効率の向上を計ることができる。
また、図７（Ｂ）に示す第三の実施の形態のインペラ１３は、貫通孔を構成する回転方向先後側各面１３ａ、１３ｂがインペラの径線に沿って放射状に形成され、これら先後側各面１３ａ、１３ｂがＶ字状ではなく平面状になっており、径方向内側面１３ｃは形斜面になっているが外側面１３ｄは平面状となっているものであるが、該インペラ１３の径方向内外側各面１３ｃ、１３ｄは回転方向先側ほど内径側に位置するよう傾斜して形成され、燃料の誘導面積が広くなるように形成されている。そしてこのものでも、燃料の流れが主渦流に集中してポンプ効率の向上を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料ポンプの一部断面側面図である。
【図２】図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれインペラの正面図、図２（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれインペラの一部拡大正面図、一部を切欠いた要部拡大斜視図である。
【図４】図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ貫通孔における燃料流路を説明する斜視図、貫通孔内の燃料流れの可視化図である。
【図５】図５（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ図２（Ａ）におけるＹ−Ｙ断面図、図５（Ａ）におけるＸ−Ｘ断面図である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ図２（Ａ）におけるＭ−Ｍ断面図、Ｎ−Ｎ断面図である。
【図７】図７（Ａ）は第二の実施の形態における要部拡大側面図であって、燃料流路における流体圧を説明するパターン図、図７（Ｂ）は第三の実施の形態におけるインペラの正面図である。
【図８】図８（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ従来例におけるインペラの一部切欠き斜視図、貫通孔における燃料流路を説明する斜視図、貫通孔における燃料流れの可視化図である。
【図９】図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ従来例におけるインペラの正面図、貫通穴における燃料流路を説明する斜視図、貫通孔内の燃料流れの可視化図、貫通孔における燃料流れを説明する断面図である。
【符号の説明】
１燃料ポンプ
２ケーシング
３モータ軸
７第一プレート
７ｂ凹溝部
８第二プレート
９インペラ
９ｂはね
９ｃリング状部
１０貫通孔
１０ａ回転方向先側面
１０ｂ回転方向後側面
１０ｃ径方向内側面
１０ｄ径方向外側面

Claims

吸入口と排出口が形成されたポンプ室に内装され、吸入口から吸入した液体を排出口から圧送するよう回転するインペラを、円板体の外周に、板厚方向に貫通する貫通孔を周回り方向に複数形成して、隣接する貫通孔間を羽根とし、かつ、前記各貫通孔の径方向内側面を、板厚方向中間部を基準として各板面側ほど内径側に位置する傾斜面として、液体を板厚方向中間部側に誘導するにあたり、前記径方向内側面を、回転方向先側ほど内径側に位置するよう傾斜させて液体の誘導面積を広く確保すると共に、前記各貫通孔の径方向外側面は、回転方向先側ほど内径側に位置するように傾斜している液体ポンプのインペラ。
請求項１において、各貫通孔の径方向外側面は、板厚方向中間部を基準として各板面側ほど貫通孔の外径側にそれぞれ傾斜している液体ポンプのインペラ。
請求項１または２において、ポンプ室には、羽根形成部位に対向して流路用のリング状凹溝が形成されるものとし、該リング状凹溝の内径側縁部は貫通孔の回転方向先側面に対向し、外径側縁部は貫通孔の回転方向後側面に対向して形成されている液体ポンプのインペラ。
請求項１、２または３において、貫通孔の回転方向先後側各面は、板厚方向中間部を基準として円板体の各板面側ほど回転方向先側にそれぞれ傾斜する傾斜面に形成されている液体ポンプのインペラ。
請求項１、２、３または４において、各貫通孔の回転方向先後側各面は、インペラの径線に対し外径側ほど回転方向先側に位置するよう傾斜している液体ポンプのインペラ。