JP4927097B2 - インペラ - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車冷却系で使用するための、均質な液体を搬送する遠心ポンプ用の閉鎖型インペラに関する。

従来技術においていろいろな構造形式の閉鎖型インペラが知られている。

例えば特許文献１には、不均質な物質（ガス含有率または固体含有率を高めた物質）を搬送するための遠心ポンプ用のインペラの一つの構造形式が記載されている。このインペラはその特殊な通路形状および羽根車形状に特徴がある。この通路形状と羽根車形状は、遠心ポンプの求心場の普通の分離作用を除去しようとする。提案されたこの構造では特に、最高で４枚の主羽根を備え、この主羽根の間において外周に、混合羽根を設けたことを特徴とする。

この構造は不均質な物質を搬送するための妥協案である。しかしながら、特許文献１で提案されたこの構造および羽根車設計により、例えば効率、圧力上昇、特性曲線安定性等に関して、液体の最適な搬送が達成されない。さらに、このようなインペラは製作コストが高くつき、閉鎖型インペラとして一体に製作することができない。

不均質な物質を搬送するための羽根車の他の構造形式が特許文献２に記載されている。この場合、実際に生じるすべての粘稠度でガス状搬送媒体を搬送するために、（角度αの）負の羽根オーバーラップのほかに、羽根通路の入口から出口への付加的な横断面増大が提案されている。それによって、実際のすべての粘稠度のガス状搬送媒体の搬送を可能にする負圧領域が、通路内で剥離によって強制的に発生させられる。

しかし、この構造は、特に効率、吸い込み作用、圧力上昇、揚程、特性曲線安定性等のような運転パラメータに関して、均質な液体の最適な搬送を行うことができない。

均質な液体を搬送するための従来技術のすべての閉鎖型インペラは、二次元または三次元的に湾曲した羽根を有する遠心羽根車としての構造形式であろうと、専ら三次元的に湾曲した羽根を有するフランシス羽根車またはダイアゴナル羽根車としての構造形式であろうと、インペラ内の搬送媒体の流速を高めるために、回転軸線と流路を通る断面、すなわち子午断面において常に、羽根通路の流出口幅（ｂ２）が流入口幅（ｂ１）よりも小さくなっている。

単一湾曲した羽根と長方形の流路横断面を有するこれらの構造形式の１つが例えば特許文献３に記載されている。

例えば特許文献４に記載された他のインペラ構造形式の場合、通路幅は先ず流入口の範囲において等しく、そして流出口の方へ先細になっている。

このように子午断面において羽根通路の流出口幅（ｂ２）が流入口幅（ｂ１）よりも小さくなっているので、遠心ポンプ用の閉鎖型インペラ構造形式の製作は、遠心ポンプシステム用の開放型インペラ構造形式の比較的に複雑でない製作と比べて、製作コストがかなり高くつく。

開放型インペラ構造形式は一般的に、合成樹脂、例えば熱可塑性物質または熱硬化性物質によって射出成形法で一体に製作される。

インペラの閉鎖構造形式も合成樹脂から製作可能である。

しかしながらそのためには、先ず最初に一次元または二次元的に湾曲した羽根を有する開放型羽根車を製作しなければならない。この羽根車は次の作業工程で、別個に製作されたカバーディスクと連結され、それによって閉じたインペラを形成する。

他方では、一次元または二次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラは、分割されたスライダを用いて、例えば射出成形部品として一体に正確可能である。

その場合、カバーディスクの組立工程は不要であるが、かなり高い金型コストがかかる。

三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラは一般的に、搬送出力が等しい場合、二次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラ（例えば、特許文献３に提案されている長方形の流路横断面を有するもの）と比べて、特に直径比が大きく、吸い込み作用が悪く、そしてキャビテーションにさらされやすい。

さらに、単一湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラの達成可能な液圧効率は最高で７０％である。

これに対して、三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型（高速回転）インペラは、８７％までの液圧効率を達成することができる。

しかしながら、三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型高速回転インペラの商業的使用のための重要な障害、例えばエンジン製造および自動車製造において冷却媒体ポンプのインペラとして使用するための重要な障害は、昔からきわめて複雑でコストのかかるその製作にあった。

冷却媒体ポンプ用のために必然的に比較的小さくかつ非常に複雑な構造である、三次元的に湾曲した羽根を備えたインペラは、その離型が複雑であるため、ロストワックス法または砂型法で精密鋳造品として非常にコストをかけて製造しなければならず、従って大量使用には適していなかった。

比較的に小さなこの構造形式の場合さらに、インペラ内部の鋳造面を拭く方法および磨く方法が非常に制限されるので、達成可能な表面品質が同様に非常に制限される。

製作によって必然的に生じる比較的に大きな表面粗さのために、達成可能な最高効率もきわめて悪くなる。

そこで、本発明の出願人によって、三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型高速回転インペラのための新規な構造形式が特許文献５で提案された。この構造形式は、羽根形状が正確に決定されるという利点のほかに、羽根表面品質が高い、回転特性が良好である、信頼性が高い、製作コストおよび組立コストが最小限に抑えられる、そして効率が高いという利点がある。

特許文献５で提案され実際の使用においてその有効性がたびたび実証されたこの構造形式は、インペラのセグメント化に特徴がある。それぞれのインペラの分割は常に羽根の範囲において行われ、その際例えば合成樹脂によって低コストで製作可能である簡単に離型可能なインペラセグメントを生じる。

この個々のインペラセグメントはその製作後、別の作業工程で、三次元的に湾曲した羽根を有するインペラに組立てられ、その際底ディスクおよび／または締付けリングによって互いに締付け固定される。

その際、大量生産で少なくとも使用されるインペラ材料の合成樹脂は、個々の部品の低コストの製作および比較的に低コストで得られる高い表面品質のほかに、小さな摩擦抵抗、搬送媒体に対する高い耐食性およびキャビテーション現象に対する高い耐性を達成可能とする。

キャビテーションはインペラの運転状態で、低い圧力レベルの範囲、すなわち搬送媒体の蒸気圧よりも低い圧力で発生するが、キャビテーションの作用、すなわちキャビテーション気泡の破裂およびこの破裂によって生じる摩耗、すなわちキャビテーション侵食は、高い圧力の範囲、すなわち少なくともインペラの後の範囲で発生する。

流れ方向においてインペラの「後に配置された」この部品および組立部品は、ポンプハウジングであり、および／またはポンプをエンジンに一体化することによって、タイミングケースカバー、クランクケース、シリンダヘッド等である。

しかし、「後に配置された」これらの部品は、最新のエンジンではほとんどがアルミニウム鋳物で製作されている。

合成樹脂と比べて、アルミニウム鋳物はキャビテーション侵食に対する耐性が非常に悪いので、インペラ内の低い圧力レベル範囲で発生するキャビテーションは、インペラの後に配置されたアルミニウム鋳物製の部品や組立部品をキャビテーション侵食によって傷つけることになる。そして、長い連続運転の後で、キャビテーション侵食はこれらの部品や組立部品を全損させることになる。

ドイツ連邦共和国特許第８４３ ８１２号明細書 スイス連邦特許第２６９ ５９５号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９５ ７４７号明細書 ドイツ連邦共和国特許第８９７ ８０１号明細書 ドイツ連邦共和国特許第１９７ ４２ ０２３ Ｂ４号明細書

そこで、本発明の根底をなす課題は、従来技術の上記欠点を除去し、単一湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラおよび三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラを低コストで製作することができ、インペラの後に配置された部品／組立部品のキャビテーション摩耗の作用を最小限に抑えることができ、そしてその際同時に液圧効率とそれぞれのインペラ構造形式の吸い込み作用を大幅に改善することができる、特に冷却媒体ポンプで使用するための、均質な液体を搬送する遠心ポンプ用の新規な構造形式の閉鎖型インペラを開発することである。

この課題は本発明に従い、流入口幅（ｂ１）に対する流出口幅（ｂ２）の比が１．０１〜１．２になるように、子午断面内の羽根通路の幅がインペラ流入口からインペラ流出口まで連続的に大きくなっていることを特徴とする、遠心ポンプ用の閉鎖構造形式のインペラによって解決される。

連続的に拡がるこの流出口幅（ｂ２）により、単一湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラの場合にも三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラの場合にも、インペラ流出口の方への流速の大幅な低下が生じる。

本発明に従って達成される、インペラ内のこの流速低下は、エネルギー収支（Ｐ／ρ＋ｗ^２＝一定、ここでＰは静圧、ρは流体の密度、ｗは流速である）を考慮すると、インペラ内部の静圧の上昇を必然的に生じる。

インペラ内部における本発明による圧力上昇に基づいて、キャビテーション気泡の破裂範囲、ひいてはキャビテーション気泡のこの破裂によって生じる摩耗、すなわちキャビテーション侵食が、インペラの後に配置された部品および組立部品から、合成樹脂で作られたインペラ内へ場所を移動する。

インペラの合成樹脂が（インペラの後に配置された部品の）アルミニウム鋳物と比べて、キャビテーション侵食に対してはるかに高い耐性を有するので、本発明に係る解決策に従って、キャビレーション侵食の範囲をインペラ内に移動する本発明の作用により、インペラの後に配置された部品／組立部品のキャビテーション摩耗作用が必然的に最小限に抑えられるかまたは全く回避される。

圧力上昇のために必要な流速とそれぞれの流出口角度に依存して、流出口幅（ｂ２）は、専門的に（例えば「速度三角形」に従って）採寸される。その際、大きな流出口幅は、小さな流出口角度、羽根厚さ等のようなその他のパラメータによって補正可能である。

その都度のユーザ側から要求される、揚程や流量のようなすべての出力データは、従来技術において一般的である、その都度のインペラを採寸するための計算方法によって考慮することができるので、本発明に従って形成されたこの新規なインペラによっても、その都度のユーザによって要求されるすべての出力データを確実に達成することができ、本発明に係る解決策によってこの出力データを凌駕することができる。

流入口幅（ｂ１）に対する流出口幅（ｂ２）の比は本発明に従い、１．０１〜１．２の範囲内にある。というのは、流出口幅（ｂ２）が大きくなるにつれて強くなる再循環がインペラ内で発生するからであり、この再循環は流れの剥離を生じることになる。

このような再循環は従来技術では、不均質な物質を搬送するためのいろいろな構造形式のインペラにおいて意図的にもたらされるが、それによって必然的に吸い込み作用が悪くなり、効率が低下することになる。

これに関連して、製作技術的には次の点を強調すべきである。すなわち、子午断面においてインペラ流入口からインペラ出口まで羽根通路の幅が連続的に増大する特別な形状のインペラにより、単一湾曲した羽根および三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラの離型と、一体の合成樹脂部品としての本発明に係るインペラの製作とが可能になるので、本発明に係るインペラの製作は従来のインペラの製作よりもはるかに簡単になり、本発明に係る解決策によって液圧効率が高く、吸い込み作用が良好な小型のインペラを簡単かつ低コストで製作可能である。

次に、本発明に係る解決策を、３つの実施形態に基づいておよび１２個の図に関連して詳しく説明する。

図１には、単一湾曲した羽根３を有する遠心羽根車として形成されたインペラ１が平面図で示してある。

図２は、図１の遠心羽根車のＡ−Ａ線に沿った断面を示す側面図であり、この遠心インペラは特許文献５に記載された「セグメント構造」であり、底２と、羽根３と、カバー４と、羽根セグメントを互いに連結する締付けリング５とを備え、従来技術で一般的であるように、流出口幅ｂ２が流入口幅ｂ１よりも明確に小さくなっている。

図３には、図１の遠心羽根車のＡ−Ａ線に沿った断面を示す側面図であり、この遠心インペラは本発明による構造形式であり、一体になっている。この遠心羽根車は底２と羽根３とカバー４を備えている。この場合、（従来技術で一般的である採寸と異なり）、流出口幅ｂ２は本発明に従い流入口幅ｂ１よりも大きくなっている。

図４には、三次元的に湾曲した羽根３を有するフランシス羽根車として形成されたインペラ１が平面図で示してある。

図５は、図４のフランシス羽根車のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す側面図であり、このフランシス羽根車は特許文献５に記載された「セグメント構造」であり、底２と、羽根３と、カバー４と、羽根セグメントを互いに連結する締付けリング５とを備え、従来技術で一般的であるように、流出口幅ｂ２が流入口幅ｂ１よりも明確に小さくなっている。

図６には、図４のフランシス羽根車のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す側面図であり、このフランシス羽根車は本発明による構造形式であり、一体になっている。このフランシス羽根車は底２と羽根３とカバー４を備えている。この場合、（従来技術で一般的である採寸と異なり）、流出口幅ｂ２は本発明に従い流入口幅ｂ１よりも大きくなっている。

図７には、三次元的に湾曲した羽根３を有するダイアゴナル羽根車として形成されたインペラ１が平面図で示してある。

図８は、図７のダイアゴナル羽根車のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す側面図であり、このダイアゴナル羽根車は特許文献５に記載された「セグメント構造」であり、底２と、羽根３と、カバー４と、羽根セグメントを互いに連結する締付けリング５とを備え、従来技術で一般的であるように、流出口幅ｂ２が流入口幅ｂ１よりも明確に小さくなっている。

図９には、図７のダイアゴナル羽根車のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す側面図であり、このダイアゴナル羽根車は本発明による構造形式であり、一体になっている。このダイアゴナル羽根車は底２と羽根３とカバー４を備えている。この場合、（従来技術で一般的である採寸と異なり）、流出口幅ｂ２は本発明に従い流入口幅ｂ１よりも大きくなっている。

このように本発明に従って流出口幅ｂ２を流入口幅ｂ１よりも大きくしたことにより、子午断面において羽根通路の幅がインペラへの流入口からインペラからの流出口まで連続的に大きくなる、この特別なインペラ形状の結果として、単一湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラと、三次元的に湾曲した羽根を有する閉鎖型インペラを、一体の合成樹脂部品として低コストで製作することができ、インペラの後に接続配置された部品／組立部品のキャビテーション摩耗作用を最小限に抑えることができ、その際同時にそれぞれのインペラ構造形式の液圧効率および吸い込み作用を大幅に改善することができる。

遠心羽根車の平面図である。 特許文献５に記載の構造形式に係る、図１の遠心羽根車のＡ−Ａ線に沿った断面を示す側面図である。 本発明の構造形式による、図１の遠心羽根車のＡ−Ａ線に沿った断面を示す側面図である。 フランシス羽根車の平面図である。 特許文献５に記載の構造形式に係る、図４のフランシス羽根車のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す側面図である。 本発明の構造形式による、図４のフランシス羽根車のＢ−Ｂ線に沿った断面を示す側面図である。 ダイアゴナル羽根車の平面図である。 特許文献５に記載の構造形式に係る、図７のダイアゴナル羽根車のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す側面図である。 本発明の構造形式による、図７のダイアゴナル羽根車のＣ−Ｃ線に沿った断面を示す側面図である。

符号の説明

１ インペラ
２ 底
３ 羽根
４ カバー
５ 締付けリング
ｂ１ 流入口幅
ｂ２ 流出口幅

Claims (1)

1. 特に自動車冷却系で使用するための、遠心ポンプ用の閉鎖構造形式の、合成樹脂から成るインペラにおいて、
   上記インペラは、一体の合成樹脂部品であり、
   流入口幅（ｂ１）に対する流出口幅（ｂ２）の比が１．０１〜１．２になるように、子午断面内の羽根通路の幅がインペラ流入口からインペラ流出口まで連続的に大きくなっていることを特徴とするインペラ。

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