JP6426912B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ、より詳細には液体のためのポンプに関する。

液体ポンプは、様々な種類の機械や利用において、見つけられるだろう。例えば、多くの車両は、前面ガラスやヘッドランプ上へ水や清浄液を噴霧するのに使用される液体ポンプを有する。

そのような利用において使用される従来のポンプは、典型的には、円形の断面を有するポンプハウジング、及びそのハウジングへ接線方向に延在する液体排出管、を備える。液体排出管は、典型的には円柱形状であって一定の断面を有する。しかしながら、十分な液体量が排出管を通して与えられうるが、液体の圧力は小さいこともある。加えて、多くの従来の液体ポンプは、最大の効率で動作しているとき、典型的には、要求されているよりも多くの液体を出力する。それ故に、たいていの従来の液体ポンプは、最大効率で動作していない。

したがって、より効率の良い液体ポンプが望まれる。

これは、ポンプ室からの排出口においてディフューザーを形成することによって、本発明において、達成される。

したがって、本発明は、その１つの態様において、ポンプ室を定めるポンプハウジングと、シャフトを有しポンプハウジングに固定されるモータと、シャフトに取り付けられポンプ室内に収容され、中心体及び中心体から半径方向外側に延在する複数の羽根を有する、インペラと、ポンプ室と流体連通する注入口と、及びポンプ室と流体連通し、ポンプ室に隣接した第１端とポンプ室から離れた第２端を有する、排出口と、を備える液体ポンプを提供する。ここで、第１端の断面積Ｓ_１は第２端の断面積Ｓ_２よりも小さい。

好ましくは、インペラの羽根の半径方向外端は、直径Ｄ_１の円を定め、複数の羽根のうちのある羽根の半径方向外側の表面は、軸方向の高さｂを有する。ここで、排出口の第１端の断面積Ｓ_１は、Y×(πbD₁)、によって定められ、Ｙは、0.01≦Y≦0.02である。

好ましくは、排出口の第１端及び第２端は、距離Ｌによって隔てられ、
である。

好ましくは、インペラの羽根の半径方向外端は、直径Ｄ_１の円を定め、ポンプ室は、直径Ｄ_Ｖの実質的に円形の断面を有し、1.04≦D_V/D₁≦1.1である。

好ましくは、複数の羽根は、インペラの中心体の周りに円周方向に均一に割り当てられる。

好ましくは、インペラは、３つの羽根を備える。

好ましくは、複数の羽根のうちのある羽根の周方向幅は、羽根が中心体から離れて延在するにつれて、増える。

好ましくは、複数の羽根のうちのある羽根は、長方形の断面を有する。

代わりになるべきものとして、複数の羽根のうちのある羽根は、Ｔ形の断面を有する。

好ましくは、端末キャップは、ポンプハウジングの内側表面に、密封して取り付けられる。ここで、ポンプ室は、ポンプハウジングの軸表面及び端末キャップによって、定められ、モータは、ポンプハウジング内に配置されて端末キャップによってポンプ室から隔てられ、シャフトは、ポンプ室内のインペラとかみ合わせるために、端末キャップを貫通する。

好ましくは、ポンプはリングシールを有し、リングシールを収容する端末キャップの半径方向外側の表面において、溝が形成され、リングシールは、ポンプハウジングの内側表面と密封（sealing）接触面を形成する。

好ましくは、端末キャップは、シャフトが突き抜ける貫通孔のあるシールボスを有する。ここで、シールリングはシールボス内に配置され、端末キャップとシャフトの間にシールを形成する。

好ましくは、シールリングは、シールボスと接触させる外側部、シャフトと接触させる内側部、を備える。ここで、内側部は、内側部の第１端及び第２端はシャフトと接触させ、内側部の中心部分はシャフトから間隔を置くように、曲線状になった表面を有する。

好ましくは、ポンプ室は、インペラの回転方向が、どちらの排出口を通して液体がポンプで排出されるかを、決定するように配置された、２つの排出口を有する。

好ましくは、注入口は、シャフトの軸方向と、実質的に平行方向に延在する。

好ましくは、インペラの中心体の一部は、注入口内に収容される。

好ましくは、モータは、ＤＣ電気モータである。

添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図面において、１つ以上の図面に現れる同一の構造、構成要素、又は部分は、一般的に、その図面が現れる全ての図面において同じ参照番号でラベルされる。図示されたコンポーネント及び特徴部の大きさは、一般的に、表現の便宜上及び明瞭化のために選択されたものであり、必ずしも一定の比率で示されていない。図面は以下に記載する。

図１は、本発明の好ましい実施形態に従った液体ポンプを説明する。 図２は、図１のポンプの断面図である。 図３は、図１のポンプの別の断面図である。 図４は、図１のポンプにおいて使用される端末キャップを説明する。 図５Ａは、図１のポンプにおいて使用されるインペラの斜視図である。 図５Ｂは、図１のポンプにおいて使用されるインペラの平面図である。 図５Ｃは、図１のポンプにおいて使用されるインペラの側面図である。 図６Ａは、代替インペラの斜視図である。 図６Ｂは、代替インペラの側面図である。 図７は、ポンプにおいて使用されるシールの断面図である。 図８は、第２の実施形態に従った液体ポンプの斜視図である。 図９は、さらに付け加えられた実施形態に従った液体ポンプの斜視図である。

図１は、本発明の好ましい実施形態に従った液体ポンプ１を説明する。図２は、平面（||）に沿って切断したポンプ１の断面図であり、図３は、平面（|||）に沿って切断したポンプ１の断面図である。説明を簡単にするため、「垂直」又は「垂直方向」は、ポンプ１の軸方向に対して、実質的に平行の方向のことを表し、「水平」又は「水平方向」は、その軸方向に対して、実質的に垂直の方向のことを表す。しかし、当然のことながら、実施においては、ポンプ１は様々な方向に向けられうる。

ポンプ１は、ポンプハウジング１０、ハウジングに取り付けられた端末キャップ１４、ハウジングの内側に固定されたモータ２０、及びモータ２０と共に回転するように構成されたインペラ３０、を備える。ポンプハウジング１０及び端末キャップ１４は、実質的に円柱状であるポンプ室１９を定め、ポンプ室内にはインペラ３０が配置される。注入口１２は、ポンプハウジング１０の軸方向端壁１１上に位置し、ポンプの軸方向と実質的に平行に、ハウジングから離れて延在する。他の実施形態においては、注入口１２は他の方向に延在することができる。例えば、図８で説明されるように、注入口１２は、ポンプの軸方向と実質的に垂直の方向に延在することができる。ポンプの軸方向は、モータ２０の軸方向と、実質的に同じである。

加えて、１つ以上の排出口１３は、軸方向端壁１１の近くのポンプハウジング１０の側壁上に位置し、ポンプ１の円周に対して、実質的に接線方向に外側へ延在する。好ましい実施形態においては、ポンプ１は２つの排出口１３を有し、各排出口１３は、異なる液体流路に対応する。他の実施形態においては、図９で示されるように、ポンプは単一の排出口１３のみを有することができる。

排出口１３は、ポンプ室１９と接続する第１端１３ａ、及びポンプ室から離れた第２端１３ｂ、を備える。第１端１３ａ及び第２端１３ｂは、それぞれ、排出口入口１３ａ及び排出口出口１３ｂとして、以下に言及される。排出口入口１３ａ及び排出口出口１３ｂの断面積（例えば、排出口１３内の液体の流れる方向と実質的に垂直の断面積）は、それぞれ、Ｓ_１及びＳ_２と定められる。ディフューザーを形成するために、Ｓ_２はＳ_１よりも大きい（つまり、Ｓ_２＞Ｓ_１）。好ましい実施形態においては、排出口１３は、Ｓ_１からＳ_２へ液体の流れる方向に沿って、断面積が徐々に増える。

図４は、好ましい実施形態において使用される端末キャップ１４を説明する。端末キャップ１４は、インペラに面する一面において、実質的に平らな端面１５を有する。側壁１６は、端面１５の半径方向外端から軸方向に延在し、端末キャップの半径方向外側の表面に形成される。シールボス１７は、端面１５から軸の方向に内側に延在する中心貫通孔によって、形成される。側壁１６は、側壁１６の周りを円周方向に延在する溝１８を有する。溝１８は、端末キャップがポンプハウジングに取り付けられるときに、ポンプハウジング１０の内表面と密封接触面を形成する、リングシール５を収容する。好ましくは、リングシール５は、ゴム製のＯリングである。端末キャップ１４は、このようにして、ポンプ室１９の一端を定める、例えば、ポンプ室１９は、軸方向端壁１１と端末キャップ１４の間のポンプハウジング１０内に形成される。

端末キャップ１４のシールボス１７は、シールリング６を収容し、モータ２０のシャフト２６は、インペラと接続するため、シールリング６を貫通する。動作中、シャフト２６は回転するため、シールリング６との接触は維持され、ポンプ室１９内の液体がモータ２０に達するのを防ぐ。好ましくは、図７で説明されるように、シールリング６は、外側リング７、内側リング９、及び相互接続される外側リング７と内側リング９の間に配置された接続リング８、を含む。好ましくは、内側リング９の中心部とシャフト２６の間に空間が作られる一方、内側リング９の軸端はシャフト２６と接触するように、内側リング９は、曲線状であるか、一部球状である（例えば、内側リング９の軸端は、内側リング９の中心部から、内側に向かって曲線状になる、又は傾斜する）。このようにして、シールは、シャフトと２つの密封接触面を形成し、その間の空間は、密封接触面を滑らかにする潤滑剤に用いられうる。

モータ２０は、ポンプ室１９から離れた端末キャップ１４の面のポンプハウジング１０に固定される。モータ２０は、直流電流（ＤＣ）電気モータであることができ、ステータ２０ａ、端板２０ｂ、及びロータ２０ｃ、を備える。ステータ２０ａは、モータハウジング２４、及びモータハウジング２４内に収容された（例えば、モータハウジング２４の内表面に取り付けられた）複数の永久磁石２５、を備える。加えて、モータハウジング２４は、その軸端に位置したベアリング保持器を形成することができる。ステータ２０ａは、ベアリング保持器に取り付けられたベアリング２３を、さらに備える。端板２０ｂは、モータハウジング２４の開口端に固定され、開口端を閉じる。端板２０ｂは、複数の電気ブラシ２１及び第２ベアリング２２を支持する。ロータ２０ｃは、シャフト２６、整流子２７、及びシャフト２６に固定されたロータコア２８、を備える。複数の巻き線コイル２９は、ロータコア２８の周りに巻きつけられ、電気ブラシ２１と摺動接触するように配置される整流子２７に、接続される。シャフト２６は、ロータ２０ｃがステータ２０ａに対して回転できるように、ベアリング２２、２３において、軸支される。動作中、電流は、電気ブラシ２１を通って整流子２７へ流れ、巻き線コイル２９に電圧を加え、ロータ２０ｃをステータ２０ａ内で回転させる。

上記記載のモータ２０はブラシ付きのＤＣモータであるが、当然のことながら、他の実施形態においては、ブラシ無しのＤＣモータ、交流電流（ＡＣ）モータ、又は回転する運動を作り出すことができるその他のあらゆる機械装置のような、他の種類のモータが使用されうる。

図５Ａから図５Ｄは、図１のポンプにおいて使用される、好ましいインペラ３０を説明する。インペラ３０は、軸方向に延在する本体３１、及び本体３１から放射状に延在する複数の羽根３２、を備える。インペラ３０は、シャフト２６と共に回転するように、ポンプ室１９内に配置され、モータ２０のシャフト２６に取り付けられる。必要に応じて、本体３１の一部は、注入口１２内に収容される。説明された実施形態においては、インペラ３０は、本体３１の周りに円周方向に均一に割り当てられた、３つの羽根３２を有するが、当然のことながら、他の実施形態においては、インペラ３０は、羽根３２をいかなる数量でも備えうる。

示された通り、羽根３２は四角形又は長方形の断面を有し、本体３１から離れて羽根３２が延在するにつれて、徐々に増える周方向幅を持つ。羽根３２の半径方向外側の表面は、軸方向に高さｂを有する。インペラ３０が回転すると、羽根３２は直径Ｄ_１の円を定める。

ポンプ１の動作中、シャフト２６と共にインペラ３０は回転する。液体は、注入口１２を通ってポンプ室１９へ流れ、回転するインペラ３０によって排出口入口１３ａまで押し出され、そこで、排出口出口１３ｂを通って、ポンプハウジング１０から出る。排出口入口１３ａと排出口出口１３ｂの間の断面積の増加によって、排出口１３は、液体が排出口入口１３ａから排出口出口１３ｂまで流れるときに、ディフューザーを形成する。ディフューザー内では、内部に流れる液体の運動エネルギーは圧力に変えられ、液体の流れの圧力を上げる。図１から図３の好ましい実施形態のような、二つの排出口１３を有する実施形態においては、インペラ３０の回転方向は、どちらの排出口１３を通して液体がポンプで排出されるかを選択するのに使用されうる。

羽根３２の側面は、羽根３２が回転するときに、排出口１３を通して液体を動かすにあたり、重要な役割を果たす。羽根３２の側面が大きければ大きいほど、一定期間にポンプで送り出されうる液体量は大きくなる。しかしながら、ポンプ１を効率的に動作させるため、排出口入口１３ａの断面積Ｓ_１は、羽根３２によって押し出された水量に基づいて構成されるべきである。例えば、もしＳ_１が大きすぎたら、排出口入口１３ａに作られる空間は、十分に利用されない。しかしながら、もしＳ_１が小さすぎたら、羽根３２によって押し出された液体のすべてが、排出口１３に入ることができない。したがって、排出口１３の排出口入口１３ａの断面積Ｓ_１の好ましいサイズは、S₁=Y×(πbD₁)、0.01≦Y≦0.02によって定められる。

当然のことながら、羽根３２の形状は、上記の形状、又は図５Ａから図５Ｃにおいて示される形状に限定されない。例えば、図６Ａ及び図６Ｂは、第２実施形態に従った代替インペラ３０を説明する。この実施形態においては、羽根３２は、実質的にＴ形の（例えば、一対の側部を超えて延在する中心部を有する）断面を有しており、羽根３２の外側表面の軸方向高さは、ｂとして定められる。

ディフューザーは、拡散係数Ｃ_ｄを有し、
、の式によって定められうる。ここでＬは、排出口入口１３ａと排出口出口１３ｂの間の距離に対応する。Ｃ_ｄが小さすぎると、拡散効果は十分でないであろうし、一方、大きすぎるＣ_ｄは液体の流れの分離の拡大につながり、液体圧力の損失になりうる。ある実施形態においては、断面積Ｓ_１及びＳ_２は、所望の拡散効果を達成するために、
によって定められる。

加えて、羽根３２によって定められる、直径Ｄ_１に対するポンプ室１９の直径Ｄ_Ｖの比率もまた、考慮すべき重要なことでありうる。例えば、もしＤ_ｖ／Ｄ_１の比率が小さすぎると、羽根３２とポンプ室１９の側壁の間隙は小さくなりすぎ、摩擦による高い損失を伴い、高すぎる液体流量の原因となる。しかしながら、もしＤ_ｖ／Ｄ_１が大きいならば、より小さいＤ_１が必要となり、ポンプの効率を下げる。好ましくは、ポンプ室１９に対するインペラ３０の大きさは、
によって定められる。

本出願の記載及び特許請求の範囲において、各動詞「備える」、「含む」、「収容する」、「有する」、及びそれらの派生語は、記載されたアイテムの存在を特定するために包括的な意味で使用され、追加的なアイテムの存在を排除するものではない。

本発明は、１つ以上の好ましい実施形態を参照して説明されるが、当然のことながら、当業者であれば種々の変更がなされ得る。それ故に、本発明の範囲は、請求項を参照して決定される。

１：ポンプ
５：リングシール
６：シールリング
７：外側リング
８：接続リング
９：内側リング
１０：ポンプハウジング
１１：軸方向端壁
１２：注入口
１３：排出口
１３ａ：排出口入口
１３ｂ：排出口出口
１４：端末キャップ
１５：端面
１６：側壁
１７：シールボス
１８：溝
１９：ポンプ室
２０：モータ
２０ａ：ステータ
２０ｂ：端板
２０ｃ：ロータ
２１：電気ブラシ
２２：ベアリング
２３：ベアリング
２４：モータハウジング
２５：永久磁石
２６：シャフト
２７：整流子
２８：ロータコア
２９：巻き線コイル
３０：インペラ
３１：本体
３２：羽根

Claims (10)

1. ポンプ室を定めるポンプハウジングと、
   シャフトを有し、前記ポンプハウジングに固定された電気モータと、
   前記シャフトに取り付けられ、前記ポンプ室内に収容され、中心体及び該中心体から半径方向外側に延在する複数の羽根を有する、インペラと、
   前記ポンプ室と流体連通する注入口と、
   前記ポンプ室と流体連通し、前記ポンプ室に隣接した第１端及び前記ポンプ室から離れた第２端を有する排出口と、
   前記ポンプハウジングの内側表面に密封して取り付けられた、端末キャップと、を備える液体ポンプであって、
   前記第１端の断面積Ｓ₁は、前記第２端の断面積Ｓ₂よりも小さく、
   前記ポンプ室は、前記ポンプハウジングの軸表面及び前記端末キャップによって定められ、前記モータは、前記ポンプハウジング内に配置され、前記端末キャップによって前記ポンプ室から隔てられ、前記シャフトは、前記ポンプ室内の前記インペラとかみ合わせるために、前記端末キャップを貫通し、
   前記端末キャップは、前記シャフトが突き抜ける貫通孔のあるシールボスを有し、シールリングは、該シールボスの該貫通孔内に配置され、前記端末キャップ及び前記シャフトの間に挟まれ、前記端末キャップと前記シャフトの間にシールを形成する、
   液体ポンプ。
2. 前記インペラの前記羽根の半径方向外端は、直径Ｄ₁の円を定め、前記複数の羽根のうちのある羽根の半径方向外側の表面は、軸方向の高さｂを有し、
   前記排出口の前記第１端の断面積Ｓ₁は、Y×(πbD₁)、によって定められ、Ｙは、0.01≦Y≦0.02である、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記排出口の前記第１端及び前記第２端は、距離Ｌによって隔てられ、
   である、請求項１又は請求項２に記載のポンプ。
4. 前記インペラの前記羽根の半径方向外端は、直径Ｄ₁の円を定め、
   前記ポンプ室は、直径Ｄ_Vの実質的に円形の断面を有し、1.04≦D_V/D₁≦1.1である、請求項１から３のいずれか一つに記載のポンプ。
5. 前記複数の羽根は、前記インペラの前記中心体の周りに円周方向に均一に割り当てられる、請求項１から４のいずれか一つに記載のポンプ。
6. 前記複数の羽根のうちのある羽根の周方向幅は、該羽根が前記中心体から離れて延びるにつれて広がる、請求項１から５のいずれか一つに記載のポンプ。
7. 前記ポンプは、リングシールをさらに備え、
   前記リングシールを収容する前記端末キャップの半径方向外側の表面において、溝が形成され、
   前記リングシールは、前記ポンプハウジングの内側表面と密封接触面を形成する、請求項６に記載のポンプ。
8. 前記複数の羽根のうちのある羽根は、長方形の断面を有する、請求項６又は請求項７に記載のポンプ。
9. 前記シールリングは、
   前記シールボスと接触させる外側部、及び
   前記シャフトと接触させる内側部、を備え、
   前記内側部は、前記内側部の第１端及び第２端は前記シャフトと接触させ、前記内側部の中心部分は前記シャフトから間隔を置くように、曲線状になった表面を有する、請求項８に記載のポンプ。
10. 前記ポンプ室は、前記インペラの回転方向が、どちらの排出口を通して液体がポンプで排出されるかを、決定するように配置された、２つの排出口を有する、請求項１から９のいずれか一つに記載のポンプ。