JP6497057B2

JP6497057B2 - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP6497057B2
Application number: JP2014254964A
Authority: JP
Inventors: 吉田　和人; 和人吉田; 友裕小▲崎▼
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: JP2016114004A

Description

本発明は、インペラを有するロータをハウジングに収容した遠心ポンプにおいて、ロータの回転時に発生する流体圧の脈動を抑制する技術に関する。

上記のように構成された遠心ポンプとして特許文献１には、ロータ（文献では羽根車）に備えられる複数のインペラ（文献では羽根）の外周側となる先端縁をひねり、駆動軸に垂直な面に対して傾斜させた技術が示されている。この遠心ポンプでは、ロータの両面にインペラを備え、表裏のインペラの傾斜方向を逆向きに設定している。

この特許文献１では、ポンプハウジングの内部において、ロータが収容される空間（文献では渦巻室）と、流体を送り出す吐出部との境界で、ロータの回転方向の上流側ほど先細となる締切部（文献では舌部）が形成されている。この締切部はロータの外周に接近する位置に配置されているため、ロータの回転時にインペラが通過する際の急激な圧力変動を招くものである。しかしながら、この特許文献１では、インペラの先端縁が「ひねり」により傾斜しているため、ロータの回転時にはインペラの先端部のうち、先行する部位が締切部に接近した後に、遅れる部位が締切部に接近するため、急激な圧力上昇を抑制し流体の圧力変動を抑制している。

また、特許文献２では、ロータの外周を取り囲む位置に環状のディフューザを配置し、このディフューザを構成する羽根にバイパス管を設けた技術が示されている。これにより、バイパス管が高圧となる領域の圧力を低圧となる領域に逃がし、ロータの回転に伴う流体圧の脈動を抑制している。

特開昭５３‐３３４０５号公報特開平８‐１２１３９４公報

ロータに対し、複数のインペラを周方向で所定の間隔で備えた構成の遠心ポンプでは、例えば、特許文献１に示される締切部（舌部）にインペラの接近時に圧力が急激に上昇し、インペラの通過直後には圧力が急激に低下する。このため、流体圧に脈動を招くものであった。この脈動は、ポンプから送り出される流体にも伝えられる。よって、この脈動が流体からポンプのハウジングに伝わり遠心ポンプの全体を振動させることもあった。

また、前述した締切部では、インペラの接近時に圧力が急激に上昇し、インペラの通過直後に圧力が急激に低下する。このため、圧力の低下時に流体に気泡が発生し、この直後に気泡が消滅するキャビテーションを招くことがある。更に、このキャビテーションによりハウジング内面やインペラの表面を腐食させるキャビテーションエロージョンを招くこともあった。

このような不都合に対して、特許文献１の構成では、流体の脈動の抑制が可能となる。
しかし、例えば、締切部の内周面にインペラの負圧側（回転方向の上流側）からの負圧が作用する回転位相に達した場合には、圧力が変動することになり脈動を完全に抑制するものではなかった。

特に、特許文献２に示されるように、遠心ポンプとしてディフューザを備えるものでは、ディフューザを備えないものと比較して効率が低下することになる。しかも、ポンプの大型化、部品点数の増大は避けられないものであった。

本発明の目的は、流体の脈動を良好に抑制する遠心ポンプを構成する点にある。

少なくとも１枚のインペラを有し駆動軸により回転軸芯を中心に回転するロータと、
前記ロータを収容するハウジングとを備えると共に、
前記ハウジングが、前記ロータが収容されるロータ収容部と、前記回転軸芯に沿う方向からの流体を前記ロータ収容部に供給する流体吸入部と、前記ロータの回転に伴い前記ロータの外周から接線方向に流体を送り出す流体吐出部とを有し、
前記流体吸入部と前記流体吐出部とを結ぶ流路中に流体の圧力差を軽減する圧力差低減部を備え、
前記ロータ収容部が、前記ロータの回転に伴い前記ロータの外周に沿って前記流体の流れが作り出される渦室を有すると共に、前記ハウジングが、前記渦室での流体の流れの始端位置から前記ロータの回転方向の上流側に突出する先細形状の締切部を有し、
前記圧力差低減部として、前記ロータ収容部の前記ロータに対向する内周壁のうち前記締切部に設けられる締切壁と、前記ロータの回転方向の下流側で前記締切部から離間する位置に設けられた内周壁と、にそれぞれ開口を有し、当該開口どうしを前記内周壁の内部において連通させるバイパス路が形成されている点にある。

この構成によると、流体吸入部と流体吐出部とを結ぶ流路中で、ロータの回転に伴って高圧となる領域の圧力と、ロータの回転に伴い低圧あるいは負圧となる圧力との圧力差を、圧力差低減部が軽減する。これより流路中の圧力差を小さくして流体の脈動を抑制し、キャビテーションの抑制も可能となる。
従って、流体の脈動を良好に抑制しハウジングを振動させることや、キャビテーションの抑制も可能な遠心ポンプが構成された。また、この遠心ポンプでは、流体吐出部がロータの外周から接線方向に流体を送り出す構成であるため、必ずしもディフューザを必要としない構成となり、効率的で小型に構成することも可能となる。

また、遠心ポンプでは、ロータの回転時には、締切部の内周壁に近接する位置にインペラが通過する構成であるため、渦室に流れる流体のうち、締切部の内周壁に接触する流体の圧力変動が大きくキャビテーションを招くこともあった。これに対し、本構成のようにバイパス路を形成することにより締切部に作用する圧力を、ロータの回転方向の下流側の内周壁に逃がすことにより、渦室に流れる流体のうち締切部の内周壁に接触するものの圧力変動を小さくし、キャビテーションを招くこともない。

第１実施形態の遠心ポンプの断面図である。図１のII−II線断面図である。第２実施形態の遠心ポンプの断面図である。第３実施形態の遠心ポンプの断面図である。第４実施形態の遠心ポンプの断面図である。第４実施形態のインペラに形成された流通孔を示す断面図である。別実施形態の遠心ポンプの断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
図１及び図２に示すように、回転軸芯Ｘと同軸芯上に配置された駆動軸１と一体回転するロータＡと、このロータＡを収容するハウジングＢとを備えて遠心ポンプが構成されている。

ロータＡは、駆動軸１の内端に対して回転軸芯Ｘに直交する姿勢で連結したディスク２と、このディスク２に対して回転軸芯Ｘに沿う方向に突出する姿勢で設けられた複数のインペラ３とを有している。駆動軸１の外端にはプーリ５が連結している。

この遠心ポンプは、乗用車等のエンジンを有する車両においてエンジンの冷却水（流体の一例）を循環させるために使用されるものであり、プーリ５にはエンジンのクランクシャフトから無端ベルトを介して駆動力が伝えられる。

ハウジングＢは、ロータＡが収容されるロータ収容空間Ｒ（ロータ収容部の一例）と、このロータ収容空間Ｒに対して回転軸芯Ｘに沿って冷却水（流体の一例）を供給する吸入空間Ｓ（流体供給部の一例）と、ロータＡの回転に伴いロータＡの外周から接線方向に冷却水を送り出す吐出空間Ｔ（流体吐出部の一例）とが形成されている。

〔遠心ポンプの具体的構成〕
ロータＡは、図２に矢印で示す方向に回転するように構成され、この回転時に冷却水を外周から送り出すように複数のインペラ３の姿勢が決められている。また、複数のインペラ３は、回転軸芯Ｘから所定距離だけ離間した位置から、ディスク２の外周縁に亘る領域に配置され、回転軸芯Ｘに近い位置ほど突出する板状のものが使用されている。

このロータＡは、ディスク２に対して複数のインペラ３を取り付けた形態を示しているが、ディスク２のプレス加工によりインペラ３を一体的に形成することでロータＡを構成しても良く、例えば、金属や樹脂によりディスク２とインペラ３とを一体的に形成するようにロータＡを構成しても良い。

ハウジングＢは、駆動軸１を回転自在に支承する軸支部１１と、ロータ収容空間Ｒ及び吐出空間Ｔが形成されるハウジング本体１２と、吸入空間Ｓが形成される筒状部１３とを有している。尚、ハウジング本体１２と筒状部１３とは分離自在な部材を用いボルト等で締結することで分解自在に構成されるものであるが、この実施形態では、構成の説明を容易にするため、ハウジングＢの全体を一体物として示している。

ハウジングＢのロータ収容空間Ｒは、ロータＡの外周を取り囲む領域に略円形となる内周壁Ｒａが形成されると共に、複数のインペラ３の突出端に対向する位置に端部内壁Ｒｂが形成されている。

ハウジングＢの吸入空間Ｓは筒状部１３の内部に形成され、吸入空間Ｓを流れる冷却水を、ロータＡの中央部で複数のインペラ３で取り囲まれる空間に供給するように機能する。また、筒状部１３の内端位置には、この筒状部１３に連なる位置で回転軸芯Ｘに沿ってインペラ３の方向に突出する環状突出部１４が形成されている。

この環状突出部１４のうち、インペラ３に対向する部位には、端部内壁Ｒｂが形成され、この端部内壁Ｒｂは、回転軸芯Ｘの位置を頂点とする円錐面に沿う内面形状となる。

ハウジングＢの吐出空間Ｔは、ハウジング本体１２から側方に伸びる排出筒１５の内部に形成されている。この吐出空間Ｔの内端位置はロータ収容空間Ｒに連なり、ロータＡの外周位置から接線方向に延びる領域に形成されている。この吐出空間Ｔの内面には吐出側内壁Ｔａが形成され、この吐出側内壁Ｔａがロータ収容空間Ｒの内周壁Ｒａに連なる状態で形成される。

この遠心ポンプでは、ロータ収容空間ＲにおいてロータＡの外周に沿って冷却水の流れが作り出される渦室Ｒｔが形成される。また、ロータ収容空間Ｒと吐出空間Ｔとの境界位置には、渦室Ｒｔでの冷却水の流れの始端位置から、ロータＡの回転方向で上流側に突出する先細形状となる締切部１６が形成されている。ロータ収容空間Ｒの内周壁Ｒａのうち、締切部１６の内周壁Ｒａを特に締切壁Ｒａｓと称する。

また、ロータＡの回転に伴いロータ収容空間Ｒから吐出空間Ｔに送り出される冷却水の一部がロータ収容空間Ｒに戻る不都合を抑制するため、締切部１６は、ロータＡの外周に近接する位置に配置されている。特に、締切部１６は、先細形状の先端側ほどロータＡの外周に接近するように間隙Ｇが設定されている。尚、図面では、先端側で最も狭く設定される部位を間隙Ｇとして示している。

〔圧力差低減部〕
この遠心ポンプでは、複数のインペラ３がロータＡの周方向で所定間隔で形成され、しかも、ロータＡの外周と締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）との間隙Ｇが小さく設定されている。従って、ロータＡの回転時には、インペラ３より下流側面３ａ（先行する面）から圧力が作用する冷却水が締切壁Ｒａｓに対して高い圧力を作用させる。また、インペラ３の上流側面３ｂ（先行する面の裏面）に接触する冷却水が締切壁Ｒａｓに対して負圧や低い圧力を作用させる。

このように、ロータＡの回転時には、締切壁Ｒａｓに対して高い圧力と、低い圧力とが交互に作用し、この圧力変動が大きいため、流体圧を大きく脈動させ、ポンプ全体を振動させることや、締切壁Ｒａｓにキャビテーションを招くこともあった。

この不都合を解消するため、吸入空間Ｓと吐出空間Ｔとを結ぶ流路中に冷却水の圧力差を軽減する圧力差低減部Ｃを備えている。この第１実施形態では、圧力差低減部Ｃとしての連通孔１８が、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）と吐出空間Ｔの吐出側内壁Ｔａとに亘って形成されている。

この構成により、ロータＡの回転時にインペラ３の接近により、渦室Ｒｔの冷却水のうち、締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）に作用する冷却水の圧力が上昇した場合には、この圧力を、連通孔１８を介して吐出空間Ｔに逃がすことが可能となる。また、インペラ３が通過した直後に締切壁Ｒａｓに負圧が作用した場合には、吐出空間Ｔの圧力を締切壁Ｒａｓに受け入れることを可能にして、圧力差の低減を実現している。

このように、締切部１６に連通孔１８（圧力差低減部Ｃの一例）を形成する単純な構成により、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）での冷却水圧の脈動を抑制してキャビテーションの発生を阻止するだけでなく、脈動によるハウジングＢの振動も阻止する。

〔第１実施形態の変形例〕
複数の連通孔１８を締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）と吐出空間Ｔとに亘って形成する。連通孔１８を複数形成することにより、締切壁Ｒａｓの広い領域における冷却水圧の脈動を抑制することが可能となる。また、連通孔１８を複数形成する場合、連通孔１８を形成する位置に対応して各々の孔径を異ならせても良い。

〔第２実施形態〕
この第２実施形態では、遠心ポンプのうちポンプとして機能する基本的な構成は第１実施形態に示したものと変わるところはなく、図３に示すように、圧力差低減部Ｃの構成が異なる。

〔圧力差低減部〕
ロータＡの回転時には、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）に近接する位置をインペラ３が通過するため、締切壁Ｒａｓに接触する冷却水の圧力変動が大きい。従って、締切部１６に対して回転軸芯Ｘに沿う方向で重なり合う位置の環状突出部１４の端部内壁Ｒｂに作用する圧力変動も大きく、冷却水から端部内壁Ｒｂに作用する圧力が脈動することもあった（図１、図２を参照）。

これに対し、図３に示すように、環状突出部１４の端部内壁Ｒｂと吐出空間Ｔとの間に圧力差低減部Ｃとして連通流路１９を形成している。この構成から、環状突出部１４の端部内壁Ｒｂに作用する圧力を連通流路１９から吐出空間Ｔに逃がすことが可能となる。また、端部内壁Ｒｂに負圧が作用した場合には、連通流路１９を介して吐出空間Ｔの圧力を締切部１６の締切壁Ｒａｓに作用させることも可能となる。その結果、端部内壁Ｒｂの圧力変動と、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）の圧力変動を小さくする。

このように、環状突出部１４の端部内壁Ｒｂと吐出空間Ｔとの間に連通流路１９を形成する構成により、端部内壁Ｒｂの圧力変動を抑制する。更に、端部内壁Ｒｂが締切部１６に近接する位置にあるため、締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）の圧力変動も抑制する。
その結果、各々の壁での冷却水圧の脈動を抑制してキャビテーションの発生を阻止するだけでなく、脈動によるハウジングＢの振動も阻止する。

〔第２実施形態の変形例〕
複数の連通流路１９を環状突出部１４の端部内壁Ｒｂと吐出空間Ｔとの間に形成する。
連通流路１９を複数形成することにより、端部内壁Ｒｂの広い領域における圧力の脈動を抑制することが可能となる。特に、この連通流路１９と第１実施形態の連通孔１８とを組み合わせて備えても良い。このように組み合わせる場合にも、連通流路１９と連通孔１８とのいずれか一方を複数形成しても良い。

〔第３実施形態〕
この第３実施形態では、遠心ポンプのうちポンプとして機能する基本的な構成は第１実施形態に示したものと変わるところはなく、図４に示すように、圧力差低減部Ｃの構成が異なる。

〔圧力差低減部〕ロータＡの回転時には、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）に近接する位置をインペラ３が通過するため、締切壁Ｒａｓに接触する冷却水の圧力変動が大きく、冷却水から締切壁Ｒａｓに作用する圧力が脈動することもあった。また、圧力変動はロータＡの回転に伴い、締切壁ＲａｓにおいてロータＡの回転方向に伴って移動する（図１、図２を参照）。

これに対し、図４に示すように、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）と、ロータＡの回転方向で離間する位置の内周壁Ｒａとに亘る圧力差低減部Ｃとしてバイパス路２０を形成している。このバイパス路２０は、ロータＡの回転方向での上流側と下流側とに形成される開口２０ａを結ぶように形成されるものである。

この構成から、締切壁Ｒａｓに作用する圧力を、バイパス路２０により回転方向で下流側の内周壁Ｒａに逃がすことが可能となる。また、締切壁Ｒａｓに負圧が作用した場合には、バイパス路２０を介して内周壁Ｒａからの圧力を締切壁Ｒａｓに作用させることが可能となる。その結果、締切壁Ｒａｓの圧力変動を小さくする。

このように、締切壁Ｒａｓと、ロータＡの回転方向で下流側となる内周壁Ｒａを結ぶようにバイパス路２０（圧力差低減部Ｃの一例）を形成することにより、締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）に作用する圧力変動が小さくなる。その結果、冷却水の脈動を抑制してキャビテーションの発生を阻止するだけでなく、脈動によるハウジングＢの振動も阻止される。

〔第３実施形態の変形例〕
複数のバイパス路２０を内周壁Ｒａに形成する。このように複数のバイパス路２０を形成する構成として、複数のバイパス路２０における開口２０ａどうしの間隔を等しく設定して良く、複数のバイパス路２０の開口２０ａどうしの間隔を異なるように設定しても良い。特に、このバイパス路２０と、第１実施形態の連通孔１８と、第２実施形態の連通流路１９との少なくとも何れか１つを組み合わせて形成しても良い。

〔第４実施形態〕
この第４実施形態では、遠心ポンプのポンプとして機能する基本的な構成は第１実施形態に示したものと変わるところはなく、図５、図６に示すように、圧力差低減部Ｃの構成が異なる。

〔圧力差低減部〕
インペラ３は、回転方向の下流側面３ａ（先行する面）に作用する冷却水の圧力が、上流側面３ｂ（先行する面の反対側の面）に作用する圧力より高い。また、インペラ３の下流側面３ａに冷却水から作用する圧力は、ロータＡの回転に伴って変動するものであり、インペラ３が締切部１６に接近する際に最も大きい。このような理由から、インペラ３の表面にキャビテーションエロージョンを招くこともあった。

これに対し、図５、図６に示すように、インペラ３の回転方向での下流側面３ａと、上流側面３ｂとの間で冷却水の流通を可能にするように圧力差低減部Ｃとしての流通孔２１（流通部の一例）を形成している。この構成から、ロータＡの回転時には、インペラ３の下流側面３ａに冷却水から作用する圧力の一部を、上流側面３ｂに逃がすことが可能となる。

これにより、インペラ３の下流側面３ａと上流側面３ｂとの圧力差を小さくし、流体の脈動を抑制する。その結果、インペラ３に作用する圧力のアンバランスを解消して、インペラ３の表面におけるキャビテーションエロージョンを抑制すると同時に、締切部１６の締切壁Ｒａｓ（内周壁Ｒａの一部）の圧力変動を小さくする。

〔第４実施形態の変形例〕
流通部としてインペラ３の一部を切り欠く形態となる流通溝を形成しても良い。また、前述した流通溝又は流通孔２１を、１つのインペラ３に対して複数形成しても良い。

このように、流通溝又は流通孔２１を複数形成する構成では、冷却水が流れる流路の断面積を異なるものに設定しても良い。特に、この流通溝又は流通孔２１と、第１実施形態の連通孔１８と、第２実施形態の連通流路１９と、第３実施形態のバイパス路２０との少なくとも何れか１つを組み合わせて形成しても良い。

〔別実施形態〕
本発明の遠心ポンプは、ロータＡとしてディスク２の両面に対して複数のインペラ３を備えた構成のものを対象としても良い。この構成では、吸入空間Ｓが一対形成され、締切部１６がディスク２の表裏両面に対応する位置に形成される。

従って、この別実施形態の遠心ポンプでは、第１実施形態の連通孔１８、第２実施形態の連通流路１９、第３実施形態のバイパス路２０はディスク２の表裏各々に対応する２箇所に形成され、第４実施形態の流通孔２１は両面のインペラ３に形成される。

本発明の遠心ポンプは、図６に示すように、ディスク２に対して単一のインペラ３を備えたロータＡを有するものでも良い。このように単一のインペラ３を有するロータＡであっても、圧力差低減部Ｃを備えることにより流体圧の脈動やキャビテーションの発生を防止することが可能となる。

なお、図６には、第１実施形態と同様の圧力差低減部Ｃを備えた遠心ポンプを示しているが、ディスク２に対して単一のインペラ３を有するロータＡを第２〜４実施形態の圧力差低減部Ｃを備えた遠心ポンプ適用しても良い。また、先の別実施形態ので説明したものと同様に、ディスク２の両面にインペラ３（表裏各々の面に単一のインペラ３を備えることになる）を備えた遠心ポンプに適用しても良い。

本発明は、ハウジングにロータを収容した遠心ポンプに利用することができる。

１駆動軸
３インペラ
１４環状突出部
１６締切部
１８連通孔
１９連通流路
２０バイパス路
２１流通孔
Ａロータ
Ｂハウジング
Ｃ圧力差低減部
Ｒロータ収容部（ロータ収容空間）
Ｒａ内周壁
Ｒｂ端部内壁
Ｒｔ渦室
Ｓ流体吸入部（吸入空間）
Ｔ流体吐出部（吐出空間）
Ｔａ吐出側内壁
Ｘ回転軸芯

Claims

少なくとも１枚のインペラを有し駆動軸により回転軸芯を中心に回転するロータと、
前記ロータを収容するハウジングとを備えると共に、
前記ハウジングが、前記ロータが収容されるロータ収容部と、前記回転軸芯に沿う方向からの流体を前記ロータ収容部に供給する流体吸入部と、前記ロータの回転に伴い前記ロータの外周から接線方向に流体を送り出す流体吐出部とを有し、
前記流体吸入部と前記流体吐出部とを結ぶ流路中に流体の圧力差を軽減する圧力差低減部を備え、
前記ロータ収容部が、前記ロータの回転に伴い前記ロータの外周に沿って前記流体の流れが作り出される渦室を有すると共に、前記ハウジングが、前記渦室での流体の流れの始端位置から前記ロータの回転方向の上流側に突出する先細形状の締切部を有し、
前記圧力差低減部として、前記ロータ収容部の前記ロータに対向する内周壁のうち前記締切部に設けられる締切壁と、前記ロータの回転方向の下流側で前記締切部から離間する位置に設けられた内周壁と、にそれぞれ開口を有し、当該開口どうしを前記内周壁の内部において連通させるバイパス路が形成されている遠心ポンプ。