JP6066606B2 - 多段式渦流ポンプ - Google Patents

Description

本発明は多段式渦流ポンプに係り、特に、複数の積層されたインペラを有する多段式渦流ポンプに関する。

流体を半径方向から吸込み、半径方向に圧送して吐出するポンプとして渦流ポンプ（再生ポンプ、ウエスコポンプ、カスケードポンプと称される場合がある）が知られている。渦流ポンプは、外周部に所定ピッチで溝を形成した複数の羽根片を有する円板状のインペラを流体流路が形成されたケーシング内で高速回転させることにより、吸込口から吸い込まれた流体がインペラとともに回転して高圧となって吐出口に向かって圧送される構成となっている。

このような構成からなる渦流ポンプの具体的な構造は、たとえば下記特許文献１あるいは２に開示されている。

図６は特許文献１に開示される電動燃料ポンプの構成を示している。図６に示すように、まず、当該電動燃料ポンプの筒状のケ―シング１０１の内部中央にはモ―タ１０２を備えるモ―タ部が配置されている。ケ―シング１０１の下部にはウエスコ型式のポンプ部１０４が配置され、このポンプ部１０４はモータ１０２のシャフト１０３によって駆動される。燃料は、ポンプ部１０４の燃料入口１０６に取付けられたフィルタ１０５介してポンプ部１０４によりケ―シング１０１内に汲上げられ、ポンプ部１０４を出た後、モ―タ１０２の周囲を通り、ケ―シング１０１の上部に設けられた燃料出口１０７より吐出される。ポンプ部１０４は、モ―タ１０２のシャフト１０３に固定された同一形状、寸法の第１インペラ１０８及び第２インペラ１０９を有する。そして、第１インペラ１０８、第２インペラ１０９を取囲むポンプ壁を構成する部材としてケ―シング１０１の下端に加締めつけられたアウトレットボディ１１０と、このアウトレットボディ１１０に対しネジにより固定されたインレットボディ１１１、環状の第１スペ―サ１１２、環状のプレ―ト１１３及び環状の第２スペ―サ１１４を備える。これにより、ポンプ部１０４は、第１ポンプ室１１５と第２ポンプ室１１６とを備えた２段式のポンプとして構成されている。第１ポンプ室１１５は、インレットボディ１１１と第１スペーサ１１２とプレート１１３とによって第１インペラ１０８の外周の羽根１０８ａを取囲む流路溝１１７を構成している。また、第２ポンプ室１１６は、プレ―ト１１３と第２スペ―サ１１４とアウトレットボディ１１０とによって第２インペラ１０９の外周の羽根１０９ａを取囲んで前記流路溝１１７と同一寸法形状の流路溝１１８を構成している。

図７は特許文献２に開示される多段式渦流ポンプの中間ケーシングの構成を示している。図７に示すように、まず、多段式渦流ポンプの心部にポンプ軸２０１が回転自在に配置されている。該ポンプ軸２０１には複数（図では２個）の羽根車２０２が積層状に軸嵌されている。中間ケーシング２０３は、上下回転流路２０４の接続流路となる右方側の吐出流路２１０と、この吐出流路２１０に内部の上下回転流路２０４を介して連通する左方側の吸込流路２１１とがともにこの位置に突出するいわゆる接続流路突出型に形成されている。中間ケーシング２０３は、外周上下部が相互に積み重ねできるように、下部側が上部側の切り込まれた接合面２１４Ａに対して嵌合可能な接合面２１４Ｂとなるように形成されている。

特開平09-209864号公報 実開昭58-156195号公報

この場合、特許文献２に記載の多段式渦流ポンプは、複数のインペラ２０２がポンプ軸２０１に固着されて軸方向に積層した構成となっている。このため、各インペラ２０２を合成樹脂で構成した場合、各インペラ２０２の軸方向の積層寸法を高精度に組み付けることが困難であるという不都合が生じる。また、各インペラ２０２を金属で構成した場合、インペラ２０２の軸方向の積層寸法を高精度に組み付けることができるが、ポンプ軸２０１に固着されたインペラ２０２の質量が大きくなるためイナーシャが大きくなり、インペラ２０２を回転させるモータは大きな起動トルクが必要になるという不都合が生じる。

また、特許文献１に記載の電動燃料ポンプは、モータ部とポンプ部はモータ２のシャフトで共有され、２つの第１のインペラ１０８、第２のインペラ１０９はいずれもモータ２のシャフト１０３に装着された構成であるため、モータ１０２とポンプ部は一体に構成されたものとなっている。このため、ポンプ部を組み付けることによって燃料ポンプとしての機能を評価することができる。しかし、ポンプ部、またはモータ部に何らかの問題が生じた場合、その発生した問題によってはポンプ部とモータ部の両方のモジュールを交換する必要があり、放棄する部材が多くなるという不都合が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータの起動トルクを大きくすることなく、インペラの積層寸法を高精度化できる多段式渦流ポンプを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、モータ部とポンプ部とを別個に構成することで、たとえば問題が発生したポンプ部、またはモータ部のみを取り替えることができる多段式渦流ポンプを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、複数のインペラを樹脂材によって構成し、これらインペラをポンプ軸に挿通して取り付けられる金属材のスリーブに嵌着させ、各スリーブはポンプ軸にその軸方向に当接して配置させるように構成することによって、各インペラのイナーシャを小さくするともに、インペラの積層寸法の精度を向上させるようにしたものである。

また、本発明は、モータのシャフトとポンプ部のポンプ軸を別体として構成し、シャフトとポンプ軸をカップリングで結合した構造とすることにより、モータ部とポンプ部を別々に評価できるようにし、また、たとえば何らかの不都合があった場合には、問題が発生したポンプ部、またはモータ部のみを容易に取り替えることができるようにしたものである。

本発明は、以下の構成によって把握される。
（１）本発明の多段式渦流ポンプは、別個に構成されたモータ部と、ポンプ部とを備え、前記モータ部は、モータケーシングと、シャフトを有するモータと、を備え、前記ポンプ部は、ポンプ軸と、当該ポンプ軸を支持する一対の軸受と、複数のインペラと、当該複数のインペラそれぞれを取り囲む複数のポンプケーシングと、を備え、前記一対の軸受の間に前記複数のインペラ及び前記複数のポンプケーシングが配置されており、前記シャフトと前記ポンプ軸は離脱可能にカップリング結合され、前記複数のインペラは、それぞれ、樹脂材で形成された羽根片と、金属材で形成されたスリーブと、を備え、前記羽根片の孔に前記スリーブが嵌着されていることを特徴とする。
（２）本発明の多段式渦流ポンプは、（１）の構成において、前記モータケーシングと前記複数のポンプケーシングは、ボルトによって連結されていることを特徴とする。
（３）本発明の多段式渦流ポンプは、（１）の構成において、前記インペラのハブ径をＲｈ、外径をＲｏとした場合、前記ハブ径Ｒｈと前記外径Ｒｏの比率αが、０．５≦α≦０．７の範囲になるように設定されていることを特徴とする。

上述のように本発明の多段式渦流ポンプによれば、モータの起動トルクを大きくすることなく、インペラの積層寸法を高精度化することができるようになる。

また、本発明の多段式渦流ポンプによれば、モータ部とポンプ部を別個に評価でき、たとえば何らかの不都合があった場合には、問題が発生したポンプ部、またはモータ部のみを容易に取り替えることができるようになる。

本発明の実施形態における多段式渦流ポンプの平面図である。 図１のII−II線における断面図である。 本発明の多段式渦流ポンプに具備されるインペラの平面図である。 図３のIV−IV線における断面図である。 本発明の多段式渦流ポンプに具備されるインペラの羽根片の長さと流量との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。 特許文献１に記載の電動燃料ポンプの概略構成図である。 特許文献２に記載の多段式渦流ポンプの概略構成図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態における多段式渦流ポンプの平面図を示し、図２は図１のII−II線における断面図を示している。

図１、図２において、多段式渦流ポンプ１は、モータ部２とポンプ部３とを有している。モータ部２は多段式渦流ポンプ１のたとえば下段に配置され、ポンプ部３は多段式渦流ポンプ１のたとえば上段に配置されている。モータ部２は、モータケーシング４と、モータケーシング４の内部に収容されたモータ５と、を備えて構成されている。ここで、モータケーシング４は、多段式渦流ポンプ１のケーシングの一部を構成するようになっている。モータ５はカップ形のロータヨーク６の内側にマグネット７を備えたロータと、ベアリングホルダー８の外周面に装着されたステータコア９を備えたステータとから構成されている。ステータコア９は複数のコアが軸方向に積層されて構成され、マグネット７の内周面に対向配置されている。そして、ロータヨーク６の中央に固着されたシャフト１０は、ベアリングホルダー８に装着された一対の軸受１１、１２にて回転可能に支持されている。前記モータ５はいわゆるアウターロータ型ブラシレスモータとして構成されている。モータ５のシャフト１０は、該シャフト１０と同軸状に配置されたポンプ部３のポンプ軸１６に回転が伝達されるようになっている。

ポンプ部３は、前記ポンプ軸１６の軸方向に複数（図では３個）積層して配置されて構成されている。各ポンプ部３は、それぞれ、樹脂材料からなる第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５を有して構成されている。第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５は、それぞれ、ポンプ軸１６を挿通させて装着された第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９に嵌着されている。第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９は、それぞれ、金属材料（例えば、アルミ合金）で形成され、ポンプ軸１６の軸方向に積層されて配置され、第２のスリーブ１８の下端面は第１のスリーブ１７の上端面と当接し、第２のスリーブ１８の上端面は第３のスリーブ１９の下端面と当接した状態でポンプ軸１６に固着されている。

ここで、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５は、いずれも同大、同形で構成されている。そして、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５は、図３に示すように、円板状をなし、中央において孔３５が形成され、外周部の上下面のそれぞれには周方向に沿って複数の羽根溝３６が形成されることにより、羽根片３７が形成されるようになっている。第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５は、その孔３５に、それぞれ、第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９が挿通されることによって、該第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９に嵌着されるようになっている。

このように、各ポンプ室は、樹脂材料からなる第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５を、それぞれ、金属材料からなる第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９に嵌着し、第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９が軸方向で当接して積層配置されることによって構成されている。したがって、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５が大きなイナーシャを有さないため起動トルクを増加させることなく、また、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５の軸方向における積層寸法を高精度化できる効果を奏する。

なお、図４は、図３のIV−IV線における断面図である。図４において、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５の外径をＲｏ、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５のハブ径をＲｈとした場合、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５の羽根片３７の半径方向の長さは（Ｒｏ−Ｒｈ）／２となる。この場合、図５は、羽根片３７の長さと多段式渦流ポンプ１の流量との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図５において、横軸αはインペラのハブ径Ｒｈとインペラ外径Ｒｏの比率を示し、縦軸はインペラの回転数における多段式渦流ポンプ１の流量の比率を流量係数として示している。図５から、流量は０．５≦α≦０．７の範囲において大きく低下しないことが判る。このため、インペラのハブ径Ｒｈとインペラ外径Ｒｏの比率αは、０．５≦α≦０．７の範囲で設定することが好ましい。

さらに、図２に戻り、多段式渦流ポンプ１は、ポンプケーシング２０、２１、２２、２３を備えて構成されている。ポンプケーシング２０、２１、２２、２３は、前記モータケーシング４とともに多段式渦流ポンプ１のケーシングを構成するようになっている。これらポンプケーシング２０、２１、２２、２３は、それぞれ、モータ部２のモータケーシング４の上方に同軸状に積層されて配置されるようになっている。ポンプケーシング２０、２１は、第１のインペラ１３を取り囲み該第１のインペラ１３の外周部の円周方向に沿って第１の流路３１を形成して配置されている。ポンプケーシング２１、２２は、第２のインペラ１４を取り囲み該第２のインペラ１４の外周部の円周方向に沿って第２の流路３２を形成している。ポンプケーシング２２、２３は、第３のインペラ１５を取り囲み該第３のインペラ１５の外周部の円周方向に沿って第３の流路３３を形成している。ポンプケーシング２０、２１、２２、２３は、それぞれ、軸方向に互いに装着されて積層配置され、ポンプケーシング２０、２１の間、ポンプケーシング２１、２２の間、ポンプケーシング２２、２３の間には、それぞれ、シール材２４が介装されることによって気密性を向上させた配置となっている。

そして、ポンプケーシング２０、２３にはそれぞれ軸受２５、２６が装着され、これら軸受２５、２６によってポンプ軸１６を回転可能に支持している。ポンプ軸１６の該軸受２５、２６の間には、前記第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５が積層されて配置されている。

そして、モータ５のシャフト１０とポンプ部３のポンプ軸１６は、それぞれ別体で構成され、それらの互いに対向する端面において嵌合されたカップリング２８によって、モータ５のシャフト１０の回転がポンプ部３のポンプ軸１６に伝達されるようになっている。この場合、シャフト１０の前記端面、ポンプ軸１６の前記端面はそれぞれＤカット（図示せず）が形成され、該Ｄカットを嵌合させる開口（図示せず）を備える前記カップリング２８が装着されることによって、シャフト１０とポンプ軸１６が連結されるようになっている。このように、モータ５のシャフト１０とポンプ部３のポンプ軸１６を別体として構成し、これらシャフト１０とポンプ軸１６をカップリング２８で結合した構造とすることにより、モータ部２とポンプ部３を別々に評価することができ、また、たとえばポンプ部３を構成する部材に何らかの不都合があった場合であっても該部材を容易に効率よく交換できる効果を奏する。

なお、モータ部２のモータケーシング４とポンプ部３のポンプケーシング２０、２１、２２、２３は、ボルト２７によって互いに連結されるようになっている。

このように構成された多段式渦流ポンプ１は、まず、モータ５の高速回転によってシャフト１０と連結したポンプ軸１６が高速回転し、ポンプ軸１６に装着した第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５が連動して高速回転する。この結果、流体が吸気口２９（図１参照）から吸い込まれて第１の流路３１に流入する。第１の流路３１に流入した流体は第１のインペラ１３の高速回転によって第１のインペラ１３とともに第１の流路３１を回転して高圧となり、第２の流路３２に流入する。第２の流路３２に流入した高圧の流体は第２のインペラ１４の高速回転によって第２のインペラ１４とともに第２の流路３２を回転してさらに圧力が高められて第３の流路３３に圧送される。第３の流路３３に流入した高圧の流体は第３のインペラ１５の高速回転によって第３のインペラ１５とともに第３の流路３３を回転してさらに高圧となり、吐出口３０から高圧の流体となって吐き出される。このようにポンプ部３は３段のポンプ室を有しているため、高圧のポンプ性能を備えるようになる。

上述のように、本発明の実施の形態における多段式渦流ポンプは、たとえば３段のポンプ室を有しており、各ポンプ室は、樹脂材料からなる第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５を、それぞれ、金属材料からなる第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９に嵌着し、第１のスリーブ１７、第２のスリーブ１８、第３のスリーブ１９が軸方向で当接して積層配置されることによって構成されている。したがって、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５が大きなイナーシャを有さないため起動トルクを増加させることなく、また、第１のインペラ１３、第２のインペラ１４、第３のインペラ１５の軸方向における積層寸法を高精度化できるようになる。

さらに、本発明の実施の形態における多段式渦流ポンプ１は、モータ５のシャフト１０とポンプ部３のポンプ軸１６が別体として構成し、これらシャフト１０とポンプ軸１６をカップリング２８で結合した構造となっている。これにより、モータ部２とポンプ部３を別々に評価することができ、また、たとえばポンプ部３を構成する部材、またはモータ部２を構成する部材に何らかの不都合があった場合であってもいずれかの構成を容易に効率よく交換できるようになる。
（実施形態２）
本発明の実施の形態における多段式渦流ポンプ１は３段のポンプ室を備えたものであるが、これに限定されるものではなく、２段、あるいは４段以上のポンプ室を有する多段式渦流ポンプに適用できることはいうまでもない。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは言うまでもない。上記実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１……多段式渦流ポンプ、２……モータ部、３……ポンプ部、４……モータケーシング、５……モータ、６……ロータヨーク、７……マグネット、８……ベアリングホルダー、９……ステータコア、１０……シャフト、１１、１２……軸受、１３……第１のインペラ、１４……第２のインペラ、１５……第３のインペラ、１６……ポンプ軸、１７……第１のスリーブ、１８……第２のスリーブ、１９……第３のスリーブ、２０、２１、２２、２３……ポンプケーシング、２４……シール材、２５、２６……軸受、２７……ボルト、２８……カップリング、２９……吸気口、３０……吐出口、３１……第１の流路、３２……第２の流路、３３……第３の流路、
３５……孔、３６……羽根溝、３７……羽根片、１０１……ケーシング、１０２……モータ、１０３……シャフト、１０４……ポンプ部、１０５……フィルタ、１０６……燃料入口、１０７……燃料出口、１０８……第１インペラ、１０９……第２インペラ、１１０……アウトレットボディ、１１１……インレットボディ、１１２……第１スペーサ、１１３……プレート、１１４……第２スペーサ、１１５……第１ポンプ室、１１６……第２ポンプ室、１１７、１１８……流路溝、２０１……ポンプ軸、２０２……羽根車、２０３……中間ケーシング、２０４……上下回転流路、２１０……吐出流路、２１１……吸込流路。

Claims (3)

1. 別個に構成されたモータ部と、ポンプ部とを備え、
   前記モータ部は、モータケーシングと、シャフトを有するモータと、を備え、
   前記ポンプ部は、ポンプ軸と、当該ポンプ軸を支持する一対の軸受と、複数のインペラと、当該複数のインペラそれぞれを取り囲む複数のポンプケーシングと、を備え、
   前記一対の軸受の間に前記複数のインペラ及び前記複数のポンプケーシングが配置されており、
   前記シャフトと前記ポンプ軸は離脱可能にカップリング結合され、
   前記複数のインペラは、それぞれ、樹脂材で形成された羽根片と、金属材で形成されたスリーブと、を備え、
   前記羽根片の孔に前記スリーブが嵌着されていることを特徴とする多段式渦流ポンプ。
2. 前記モータケーシングと前記複数のポンプケーシングは、ボルトによって連結されていることを特徴とする請求項１に記載の多段式渦流ポンプ。
3. 前記インペラのハブ径をＲｈ、外径をＲｏとした場合、前記ハブ径Ｒｈと前記外径Ｒｏの比率αが、０．５≦α≦０．７の範囲になるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の多段式渦流ポンプ。