JP5001493B2 - タービン式燃料ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的に燃料ポンプに関し、より詳しくは、タービン式燃料ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
発明の背景
電気モータ式燃料ポンプは広く使用され、自動車の用途等でエンジンへ要求燃料量を供給する。これらのポンプは、燃料供給タンク内に直接搭載されて、そのポンプの入口を通って周囲タンクから液体燃料を引いて、その出口から加圧した燃料を送出する。電気モータはハウジング内の固定子内で回転するように搭載されたロータを有し、軸回りにそのロータを駆動する電源に接続される。このポンプでは、インペラがロータと共に回転するようにロータに連結され、インペラの周縁に円周方向にベーン列を有する。この形式のタービン燃料ポンプが米国特許第５，２５７，９１６号に図示されている。
【０００３】
従来の燃料ポンプインペラは、概して平らで直線的であり、径方向外側に延びる複数のベーンを有する。別のインペラベーンも、平らで直線的でインペラ半径方向に一致して延びている。それらの燃料ポンプは、約２０〜３０％の効率であり、４５〜５０％の効率である電気モータと組み合わされると、その電気モータ式燃料ポンプの全体効率は、１０％〜１５％である。このように、これらの燃料ポンプのデザインと構造を改良して効率を増加させる必要は続いている。
【０００４】
米国特許第５，６４２，９８１号公報は、インペラとそのインペラに対する種々の形状・構造のベーンとを有する開チャネル燃料ポンプを開示している。その公報に図示されているように、ベーンは、インペラのボディから径方向に、ベーンの全長の約８０％に渡って延びる基部と、その基部から延びる先端部とを有する。その先端部は、曲線または弓形であり、その基部からインペラの回転方向に曲がっている。その開チャネルポンプのデザインでは、インペラの相対する面の各々に形成されたベーン間のポケットを互いに連通する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的の一つは、タービン式燃料ポンプ用の改良したインペラを提供することであり、それにより、燃料ポンプの効率を改善し、インペラの外縁付近にインペラの両側に形成された一対のポンプチャネルを通る燃料の循環を改善して、燃料ポンプの効率を向上することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
電気モータ式タービン燃料ポンプは、一対の基本的に分離したポンプチャネルを有する。それらポンプチャネルは、インペラの相対する面に接している。インペラは、インペラの周縁に設けられ円周方向に離間した複数のベーンを有する。各ベーンは、インペラの主ボディから径方向に延びる基部と、その基部から延びる先端部とを有する。各ベーンのその先端部は、概して曲線または弓形であり、その先端部の径方向最端部は、その基部の径方向の外側縁から、インペラの回転方向に前側になるようにする。好ましくは、各ベーンは、インペラに形成された、径方向および軸方向および円周方向に延びる一対のポケットの間に形成されている。一組のベーンがインペラの一対の相対する面の各々に開いている。軸方向中央に、円周方向に延びるリブが、ベーンの径方向最外側部の延びていて、インペラの一方面のベーンをインペラの反対側面のベーンから分離する。その中央リブは、ガイドリングの相対するリブと関連して、インペラが燃料ポンプアセンブリに収容された状態で、一対のポンプチャネルを互いに分離する。それら分離した燃料ポンプチャネル内に設けられたベーンの方向により、特に燃料ポンプモータの低速状態で、そして、燃料ポンプの低流量燃料状態で、燃料ポンプの効率を劇的に向上する。望ましくは、これにより、例えば、燃料ポンプに使用されるエンジンの低温始動を改善する。
【０００７】
この発明の目的・特徴・便宜性には、タービン式燃料ポンプ用の改良したインペラを提供することを含み、それにより、燃料ポンプの効率を改善し、インペラの外縁付近にインペラの両側に形成された一対のポンプチャネルを通る燃料の循環を改善し、燃料ポンプの効率を劇的に向上し、既存の燃料ポンプの設計に使用され得て、燃料ポンプモータの低速状態で、そして、燃料ポンプの低流量燃料状態で、燃料が供給されるエンジンの低温始動を改善する。その燃料ポンプは、堅固で、耐久性があり、比較的簡明なデザインであり、経済的に製作・組立ができて、使用有効寿命が長い。
【０００８】
この発明の、これら及び他の目的・特徴・便宜性は、好適実施例および最適様態の以下に詳細な記載と、請求項の記載と、添付図とから明らかになる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
好適実施例の詳細な説明
図面をより詳細に説明すると、図１、２は二重の又は分離したチャンネルを有するタービン式燃料ポンプ１０を図示している。燃料ポンプ１０はこの発明を具現する円形インペラ１２を有し、インペラ１２は、円周方向に配列した複数のベーン１４を有し、各ベーン１４はインペラ１２のボディから径方向に延びる基部１６を有し、その基部１６は先端部１７に至り、先端部１７は曲がっておりまたは弓形であり、インペラの回転方向に基部につながっている。燃料ポンプ１０はハウジング１８を有し、ハウジング１８は円筒ケース２０により形成され、軸方向に離間した入口端キャップ２２と出口端キャップ２４を連結している。インペラはシャフト２８により軸支されたロータ２６を有する電気モータ２５により駆動され、そのモータは周囲の永久磁石固定子２９内で回転する。電気モータ２５と固定子２９は共にハウジング１８内に収容される。ロータ２６はインペラ１２の連結される。インペラ１２は、入口端キャップ２２と上側ポンプボディ３０との間に、インペラを囲むガイドリング３２内に配置される。インペラ１２は、ワイヤクリップ３４によりシャフト２８と共に回転するようにシャフト２８に連結される。基本的に分離した一対のポンプチャネル３６、３７がインペラ１２の外縁に形成され、インペラの一対の両面の各々に、各一のポンプチャネルが、入口端キャップ２２と上側ポンプボディ３０とガイドリング３２とにより形成される。ポンプチャネル３６、３７は燃料が引かれる入口ポート３８と、加圧燃料をハウジング１８に送出する出口ポート４０とを有する。インペラ１２を除いて、ここの記載するように、燃料ポンプ１０は、好ましくは、米国特許第５，５８６，８５８号に依る構造であり、その開示の全部をここに引用する。
【００１０】
図４に図示したように、入口端キャップ２２は平坦上面４２とそこに形成された弓形溝４４とを有して、ポンプチャネル３６を部分的に形成する。弓形リセス４５が、弓形溝４４から径方向内側に弓形溝４４内に開いている。入口端キャップ２２を通る入口通路４６が、ポンプチャネル３６の入口ポート３８に通じる。中央ブラインドボア４８がシャフト２８とワイヤクリップ３４との間の間隙を形成する。
【００１１】
図５に示すように、上側ポンプボディ３０はインペラ１２に隣接する平坦下面５０と、その面に設けられポンプチャネル３７を部分的に形成する弓形溝５２とを有する。弓形リセス５３が弓形溝５２に径方向内側に開いている。そのボディを通る出口通路５４は、ポンプチャネル３７の出口ポート４０をハウジング１８の内側に連通する。中央貫通ボア５６は、シャフト２８を嵌入し、カウンタボア５８が孔５９を貫通するワイヤクリップ３４のための間隙を提供する。孔５９はまた中央ブラインドボア４８とカウンタボア５８内で、インペラの部分を横切って圧力を均圧する。そのリセスは、米国特許第５，２５７，９１６号の開示に従って形成され、その開示の全部をここに引用する。
【００１２】
図１に見られるように、ガイドリング３２は入口端キャップ２２と上側ポンプボディ３０との間にクランプされる。図２、３に見られるように、ガイドリング３２は、中央に配置された径方向内側に伸びるリブ６２を有する。そのリブは、ポンプチャネルの入口と出口の間で、インペラ１２の所定の弓形長さに渡っている。入口端キャップ２２と、上側ポンプボディ３０とガイドリング３２とは、米国特許第５，６８０，７００号に記載されているものと基本的に同じであり、その開示の全部をここに引用する。
【００１３】
図１及び図６〜８に明瞭に図示したように、インペラ１２はディスクボディ６３を有し、その中央孔６４を通って、シャフト２８が収容される。インペラはまた、角度方向に離間した概して径方向及び軸方向に延びるベーン１４の円周方向列を有する。その二組のベーン列の各組は、インペラ１２の軸方向の一対の両面軸方向面６８、７０の各面に設けられる。各ベーンは、軸方向に伸びる前端・後端面６５、６７とを有し、インペラの軸方向面６８、７０に形成された円周方向と径方向に延びる一対の空洞またはポケット７１により形成される。軸方向面６８に関連するポケット７１とベーン１４とは、好ましくは、他の面７０に関連するポケット７１とベーン１４とに対して円周方向にずれてまたは千鳥配置になっている。要すれば、それらは心が合わされても良い。ポケット７１は一対の弓形移行部７３を有し、その移行部の各々は、ポケット７１の弓形底壁７５に至る。ベーン１４と共に、ポケット７１は、インペラ１２の軸方向面６８、７０の間の中央に、円周方向に連続したリブ６６を形成する。そのリブはベーン１４の先端部１７と同じだけボディから径方向外側に延びている。その構造により、図１、２に見られるように、インペラ１２のリブ６６とガイドリング３２のリブ６２とは、インペラの各面軸方向面６８、７０に形成された燃料ポンプ高圧チャネルポンプチャネル３６、３７を互いに分離する。
【００１４】
図９〜１３に、特に図１３に明瞭に図示したように、各ポケット７１の底壁７５は、ポケット７１に径方向最内側縁８０から好ましくは円滑な弧に沿って区切り線８１まで延びている。区切り線８１は、インペラ１２の周縁で、ポケット７１の径方向最外側縁８４の最内側部分を形成する。外縁部８２は、好ましくは、概して平坦であり、インペラ１２の回転軸に概して垂直にインペラ１２の縁に延び、リブ６６を部分的に形成する。インペラ１２は一般的には機械仕上げされて、インペラの縁で不連続線または他の不一致部分を除くようにされる。それ故、略平坦な縁部分８２を形成することにより、隣接するポンプ部品とインペラ１２の組み付けを容易にし、インペラ１２の縁にある材料の一部が機械加工により除去された後、特にリブ６６の軸方向の心合わせを容易にする。弓形底壁７５により、各ベーン１４は、その軸方向最短高さ部分が隣接するポケット７１の径方向最内側縁８０に隣接し、その軸方向最大高さ部分が隣接するポケット７１の径方向最外側縁８４に隣接する。
【００１５】
図９〜１４に明瞭に図示したように、移行部７３は、各ベーン１４の径方向長さに沿って、概して一定の円周方向幅と軸方向高さを有して、ベーン１４の前端・後端面６５、６７に対して概して横方向に延びて、各ベーン１４の軸方向に延びる前端・後端面６５、６７から弓形底壁７５に至る円滑な弓形移行路を提供する。そのように構成され、移行部７３とベーン１４は、図８に示すようにインペラの縁から径方向内側に見て略Ｕ形ポケット７１を形成する。移行部７３はポケット７１に円滑に流体を流し、燃料がポケット７１内で流れて移動する時の流速損失を減少する。移行部７３が無いと、より大きい流速損失が生じる。それは、底壁７５がベーン１４の前端・後端面６５、６７に対して略横方向に向いているからである。底壁７５と移行部７３は、それらの径方向内側縁８０から径方向外側に、ベーン１４の基部１６に対応する長さだけ区切り線８６まで延び、そこから、ベーン１４の先端部１７に対応するインペラ１２の縁迄は、概して弓形または曲がっている。また、そのことは、隣接するポケット７１の間に形成されるベーン１４に関連して以下にも記載されている。
【００１６】
図６〜９に明瞭に図示したように、各ベーン１４は軸方向に延びる前端・後端面６５、６７とを含む一対の側面を有する。各ベーンの基部１６は、ディスクボディ６３に好ましくは一体に作動的につながっている。自由端先端部１７は、基部１６からインペラの縁に延びている。ベーン１４の基部１６は、ディスクボディ６３から基本的に直線的に径方向に延びている。先端部１７は基部１６から延び、略弓形でありまたは曲がっていて、先端部１７はインペラ１２の矢印８９で示した回転方向に沿って基部１６に至る（図６、７、９）。好ましくは、径方向に略直線の基部１６は、各ベーン１４の全長の約３０％〜７０％であり、先端部１７は各ベーンの全長の７０％〜３０％である。図１３、１４に図示したように、基部１６と先端部１７の間の移行部は区切り線８８でしめされていて、それは移行部７３の区切り線８６に対応する。
【００１７】
図９に示すように、ベーン１４の先端部１７は、曲がっていて、インペラ１２の面７０で、ベーンの前端面６５の径方向最外側の点における接線９０が、ベーン１４の基部１６の前端面６５と一致するインペラの半径線９２に対して傾斜している。その角度αは、１０°〜４０°の間の、好ましくは１０°〜３５°の間の円弧角である。好ましくは、先端部１７は略一定の円滑な曲率で曲がっていて、基部１６に繋がる。また、図６、７、９に明瞭に図示したように、ベーン１４間のポケット７１の幅を、ベーン１４の基部１６の径方向内側縁８０から、インペラ１２の縁における径方向外側縁８４まで略一定にするために、ベーン１４は、基部１６から先端部１７まで、次第により厚くまたはより広くされる。
【００１８】
運転状態では、ロータ２６が、ガイドリング３２とポンプチャネル３６、３７内でインペラ１２が回転するように駆動されると、液体燃料がポンプチャネル３６、３７の入口ポート３８に引かれて、そこで、燃料はポンプチャネル３６、３７内で円周方向に動かされて、加圧されて出口ポート４０に送出される。燃料は、インペラ１２により付与される渦状ポンプ作用により加圧される。液体燃料はインペラ１２の隣接ベーン１４間のポケット７１に入り、入口端キャップ２２と上側ポンプボディ３０とに形成さたれ弓形溝４４、５２から軸方向に、インペラ１２とガイドリング３２との間から径方向に入る。ベーン１４の好ましくは略弓形の構造は、その径方向と軸方向との長さについて先端部１７に渡っていて、部分的に曲がったベーン１４を提供して、液体燃料をポケット７１からインペラ１２の回転方向前側に送る。
【００１９】
インペラ１２のこの改良した構造により、燃料ポンプの低速状態で、全体効率と流量が劇的に改善される。従来の径方向に直線のブレードを有する燃料ポンプと、この発明による構成のインペラを有する燃料ポンプとを比較試験すると、劇的な改善を示している。７ボルト、４．５アンペア、３００キロパスカルで運転される燃料ポンプでは、従来の燃料ポンプからの流量は、平均的に毎時約４３．１リットルであり、燃料ポンプの全体効率は電気モータの効率を含んで１１．３％である。この発明によるインペラを有する燃料ポンプでは、同じ条件により運転されると、流量は平均毎時５１リットル以上に増加して、あるポンプでは、毎時５５．９リットル以上であり、平均全体効率が１３．４％である。従って、この発明によるインペラを有する燃料ポンプは、従来型燃料ポンプよりも１８．５％以上効率的である、注目すべき運転特徴を示す。別の実験データと解析により、広い運転範囲にわたって、燃料ポンプ１０の全体効率が約１０％〜２５％だけ改善することが分かった。
【００２０】
【発明の効果】
この発明により、タービン式燃料ポンプ用の改良したインペラが提供されて、燃料ポンプの効率を改善し、インペラの外縁付近にインペラの両側に形成された一対のポンプチャネルを通る燃料の循環を改善し、燃料ポンプの効率を劇的に向上し、既存の燃料ポンプの設計に使用され得て、燃料ポンプモータの低速状態で、そして、燃料ポンプの低流量燃料状態で、燃料が供給されるエンジンの低温始動を改善する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を具現するインペラを有する電気モータ式タービン式燃料ポンプの側面図であり、一部破断断面を示す。
【図２】図１に示した燃料ポンプの円で囲んだ部分２の、部分断面図であり、インペラ両面の各々に設けられたベーンを図示している。
【図３】図１の燃料ポンプのガイドリングの斜視図である。
【図４】その燃料ポンプの入口端キャップの平面図である。
【図５】その燃料ポンプの上側ポンプボディの底面図である。
【図６】インペラの斜視図である。
【図７】インペラの平面図である。
【図８】インペラの側面図である。
【図９】図７の円で囲んだ部分９の部分拡大図である。
【図１０】図９の線１０−１０に沿って見た断面図である。
【図１１】図９の線１１−１１に沿って見た断面図である。
【図１２】図９の線１２−１２に沿って見た断面図である。
【図１３】図９の線１３−１３に沿って見た断面図である。
【図１４】図９の線１４−１４に沿って見た断面図である。
【符号の説明】
１０ 燃料ポンプ
１２ インペラ
１４ ベーン
１６ 基部
１７ 先端部
１８ ハウジング
２０ 円筒ケース
２２ 入口端キャップ
２４ 出口端キャップ
２５ 電気モータ
２６ ロータ
２８ シャフト
２９ 固定子
３０ 上側ポンプボディ
３２ ガイドリング
３６、３７ ポンプチャネル
４０ 出口ポート
３８ 入口ポート
４４ 弓形溝
５２ 弓形溝
６２ リブ
６３ ディスクボディ
６５ 前端面
６６ リブ
６７ 後端面
７１ ポケット
７３ 移行部
７５ 底壁

Claims (8)

1. タービン式ポンプであって、
   燃料ポンプハウジングと、
   軸周りに回転するよう前記燃料ポンプハウジングにより保持された、互いに軸方向に相対する一対の面を有する円形のインペラボディと、
   前記燃料ポンプハウジングに設けられた、前記インペラボディの各面にそれぞれ隣接する一対の燃料ポンプチャネルと、
   前記インペラボディの各面の縁から対応する前記燃料ポンプチャネルに各々延びる、円周方向に離間した複数のベーンと、
   前記インペラボディの縁に設けられかつ円周方向に連続して延びるリブと、
   前記ハウジングに設けられかつ円周方向及び径方向内側に延びるリブと、
   を有し、
   各前記ベーンには、前記インペラボディから略径方向に延びる基部と、該基部から延びかつ該インペラの回転方向に該基部に繋がるように方向づけられた弓形先端部と、が設けられ、
   前記弓形先端部は、前記ベーンの前端面の径方向最外側縁の接線が、前記ベーンの前記基部の前記前端面と一致する前記インペラの半径線に対して１０°から４０°の間の角αで傾斜して曲がっており、
   前記インペラボディの各面において、互いに隣接する前記ベーンの間にポケットが設けられ、
   前記インペラボディの一方の面に設けられた前記ベーン及び前記ポケットが、該ベーン及び該ポケットに隣接する前記燃料ポンプチャネルと連通するよう構成され、
   前記インペラボディの他方の面に設けられた前記ベーン及び前記ポケットが、該ベーン及び該ポケットに隣接する前記燃料ポンプチャネルと連通するよう構成され、
   前記インペラボディの一方の面に設けられた前記ポケットと前記インペラボディの他方の面に設けられた前記ポケットとが、前記インペラボディを貫通して互いに連通しないよう、前記インペラボディのリブにより分離され、かつ、
   前記インペラボディのリブと前記ハウジングのリブとによって、前記一対の燃料ポンプチャネル並びに前記インペラボディの一方の面に設けられたベーン及びポケットと他方の面に設けられたベーン及びポケットが円周方向に沿って分離されている
   ことを特徴とするポンプ。
2. 各前記ベーンの前記基部が前記ベーンの全長の３０％〜７０％の間であることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 前記ベーンの前記先端部の径方向最外側縁における該先端部の接線と、前記ベーンの前記基部の対応する径方向最内側縁を通る前記インペラの半径線との間の内角αが、２０°から３０°の間であることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
4. 端キャップと、ポンプボディと、該端キャップと該ポンプボディとの間に配置されたリングとを具備し、
   該リングは、前記ハウジングの円周方向及び径方向内側に延びる前記リブを有し、
   前記燃料ポンプチャネルの一つは該端キャップと該リングと該インペラボディの間に形成され、前記燃料ポンプチャネルの残りの一つが該ポンプボディと該リングと前記インペラボディの間に形成された
   ことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
5. 各前記ポケットは概して相対する傾斜した側壁を有し、該側壁の一つが前記ベーンの前縁を形成し、該側壁のもう一つが次の前記ベーンの後縁を形成し、各該側壁は底壁に対して内側に傾斜して前記インペラボディの前記リブを部分的に形成したことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
6. 各前記ベーンの前記先端部がその軸方向に弓形であることを特徴とする請求項１記載のポンプ。
7. 前記ハウジングは、流体が引かれる前記ポンプの入口を少なくとも部分的に形成する入口端キャップと、加圧された流体が送出される出口を少なくとも部分的に形成するポンプボディとを具備し、
   前記略分離した燃料ポンプチャネルの各々は、該入口と該出口に連通し、
   該ハウジングは、該ハウジング内で回転するように軸支されたロータを有する電気モータを収容し、
   前記インペラは該ロータに共に回転するように連結され、
   該電気モータは該ロータを回転駆動して、該ロータが前記インペラを回転して該入口に流体を引いて、前記燃料ポンプチャネル内で該流体を加圧して、その加圧された流体を該入口から送出するように構成された
   ことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
8. 前記端キャップと前記ポンプボディとの間に配置されたリングを具備し、
   該リングは前記ハウジングの円周方向及び径方向内側に延びる前記リブを有し、
   前記燃料ポンプチャネルの一つは該端キャップと該リングと前記インペラボディの間に形成され、
   前記燃料ポンプチャネルの残りの一つが該ポンプボディと該リングと前記インペラボディの間に形成された
   ことを特徴とする請求項７のポンプ。

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