JP7124422B2

JP7124422B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP7124422B2
Application number: JP2018086767A
Authority: JP
Inventors: 修二服部; 恭平北村
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: US20190331125A1; US10920785B2; JP2019190442A; CN110410357B; DE102019110823A1; CN110410357A

Description

本発明は、シュラウドを有したクローズド型のポンプロータを有し、シュラウドの外周部位で流体の逆流を抑制する構造を有したポンプに関する。

上記のように構成されたポンプとして特許文献１には、キャンドモータの駆動力により回転するポンプロータ（文献では羽根車）のシュラウド（文献では前部シュラウド）と、ケーシングとの間にシール部を備えた技術が示されている。

また、特許文献２には、明細書の記載と図面とから判断して、ポンプロータのシュラウドの中央部分に対し、半径方向で２重構造となるシールリングを外嵌し、このシールリングの端面をケーシングに当接させ、半径方向で外面をケーシングに当接させた技術が示されている。

この特許文献２は、遠心ポンプにおいてポンプロータ（文献ではインペラ）とケーシングとの間での流体の漏出を緩和する点を目的としており、内側のシールリングと外側のシールリングとは相対回転自在であり、２重構造となるシールリングの一方の断面形状をＬ字状とすることでシール性を向上させる点も記載されている。

また、特許文献３には、明細書の記載と図面とから判断して、ポンプロータ（文献ではインペラ）のシュラウドの中央部分にシールリングを外嵌する、又は、この中央部分にシールリングを内嵌すると共に、シールリングの端部をケーシングの内面に当接可能に配置した技術が示されている。

この特許文献３では、ケーシングの吸入部とポンプロータの流入部の間隔を最小化することで吸入損失を最小にするインペラの提供を目的としており、シールリングをシュラウドと一体回転する構成、あるいは、シールリングをシュラウドに対し軸芯に沿う方向に出退自在に支持する構成が記載されている。

特開２００９－２２１９３８号公報中国実用新案登録第２０６１２９６８２号明細書韓国特許第１０－１７３８９１０号公報

特許文献１～３に示されるポンプでは、ポンプロータの回転に伴いポンプロータの回転軸芯に沿って流体を吸引すると共に、回転に伴う遠心力を利用して回転軸芯に直交する方向に流体を送り出す構成を有している。

この種のポンプでは、シュラウドの中心部位が低圧となり、ポンプロータの外周部位が高圧となることから、シュラウドの外周とケーシングとの間のシール性が低い場合には、ポンプロータの外周からの流体がシュラウドの中心側に流れる現象を招き、ポンプ性能を低下させるものであった。

シール性能について考えると、特許文献１に示されるようにシール部を用いるものでは、ポンプロータの回転に抵抗を作用させないための間隙を必要とし、この間隙を形成するためにシール部に高い寸法精度が求められる。

また、特許文献２に示されるように、シールリングの端面をケーシングの内面に当接させる構成では、この当接部位において２重構造の外側のシールリングがハウジングに保持され、内側のシールリングがシュラウドと一体回転するため、これらの速度差が大きくなり破損を招くことや、これらの間で発生する摩擦からポンプ性能を低下させることも想像できた。

更に、特許文献３に記載されるように、シュラウドにシールリングを嵌合させるものでは、回転に伴う推力の作用により、シールリングの端面をケーシングの内面に接触させてシール性を高めることも可能である。しかしながら、シュラウドの回転速度が低い場合にはシールリングの端面をケーシングの内面に接触させることができず、必要とするシール性を得られないことも想像できた。

このような理由から、シュラウドの中央部での流体の漏出をシールリングにより良好に抑制するポンプが求められる。

本発明に係るポンプの特徴構成は、ケーシングの内部のポンプ空間に回転軸芯を中心に回転自在に収容されシュラウドを有するクローズド型のポンプロータと、前記シュラウドの中央の筒状部に対し前記回転軸芯と同軸芯で前記回転軸芯に沿ってシフト自在に備えられるシールリングと、前記ポンプロータの回転に伴い前記シールリングに対し前記回転軸芯に沿う方向にシフト力を作用させ、前記シールリングを前記ポンプ空間の内壁に当接させるシフト機構とを備え、前記シフト機構が、当接体と、前記当接体が接することで前記シュラウドの回転力からシフト方向への分力を得る傾斜案内部とで構成されると共に、前記当接体が、前記シュラウドと前記シールリングとの一方に形成され、前記傾斜案内部が、前記シュラウドと前記シールリングとの他方に形成されている点にある。

この特徴構成によると、ポンプロータが回転した場合には、シュラウドに備えられるシールリングの端面を、シフト機構のシフト力によりポンプ空間の内壁に当接させることが可能となる。この構成では、シールリングがシフトする構成であるため、シールリングがシフト作動する方向でのシールリングの寸法精度を高く設定する必要がなく、シールリングがポンプ空間の内壁に過剰な押圧力で当接して破損を招くこともない。しかも、ポンプロータが低速で回転する際にも、シールリングの端面をポンプ空間に当接させることも可能となる。
従って、シュラウドの中央部での流体の漏出をシールリングにより良好に抑制するポンプが構成された。

また、シュラウドの回転時に、当接体と、傾斜案内部とが接することにより、シュラウドの回転力からシフト方向へ分力を得ることが可能となる。また、当接体をシュラウドとシールリングとの一方に形成し、傾斜案内部とシュラウドとシールリングとの他方に形成することも可能であるため、設計時には当接体と傾斜案内部との配置の選択を自由に行えることになり無理のない構成が得られる。

他の構成として、前記シールリングのうち、前記ポンプ空間の前記内壁に当接する当接面に、前記シールリングの半径方向に沿う姿勢の異物排出溝が形成されても良い。

これによると、シールリングの当接面と、ポンプ空間の内壁との間に異物が挟み込まれる状況であっても、異物排出溝を介して流体と共に流し出すことが可能となり、例えば、異物を長時間に亘って残留させ、シール性能の低下を招く不都合も解消できる。

他の構成として、前記シフト機構からシフト力が作用しない状況において、前記シールリングのうち、前記ポンプ空間の前記内壁に当接する当接面と反対側の裏面と、前記シュラウドとの間に間隙が形成されても良い。

これによると、例えば、シールリングの裏面がシュラウドに密着するものと比較すると、シフト機構からシールリングにシフト力が作用した場合には、シールリングの裏面に流体が流れ込むが可能であるため、シールリングの迅速なシフトを実現する。

ロータが回転する状態でのウォータポンプの断面図である。シールリングがカバープレートから離間する状態の断面図である。シールリングがカバープレートに当接する状態の断面図である。シュラウドとシールリングとの分解斜視図である。第２ケーシングとカバープレートとシールリング等を分離した状態の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔全体構成〕
図１には、モータ部Ｍの駆動力により回転軸芯Ｘを中心に回転するポンプロータ４３をケーシングＣに収容し、冷却水（流体の一例）を吸入する吸入筒２３と、吸入した冷却水を送り出す吐出筒２５とをケーシングＣに備えたポンプの具体例として、ウォータポンプＰが示されている。

このウォータポンプＰは、ポンプロータ４３の回転に伴い吸入筒２３から冷却水をポンプ空間Ｓｐに吸入すると共に、吸入した冷却水を吐出筒２５からポンプロータ４３の接線方向に送り出す遠心ポンプとして構成されている。

このウォータポンプＰは、自動車等の車両においてエンジンとラジエータとの間で冷却水を循環させる形態で用いられる。尚、この構成のポンプは、ウォータポンプＰに限らず、他の流体を送り出すポンプとして構成することも可能である。

〔ポンプの具体構成〕
このウォータポンプＰは、任意の姿勢で使用できるものであるが、本実施形態では、図１に示す姿勢に基づいて上下関係を説明する。

図１に示すように、ケーシングＣは、樹脂製の第１ケーシング１０と、樹脂製の第２ケーシング２０と、樹脂製の第３ケーシング３０を連結して構成されている。ケーシングＣには、第１ケーシング１０の内部に形成されるロータ空間Ｓｒから第２ケーシング２０の内部に形成されるポンプ空間Ｓｐに亘る空間にロータ４０が収容されている。

第１ケーシング１０には上方に開放するロータ空間Ｓｒが形成されている。第２ケーシング２０には回転軸芯Ｘを中心とする円筒状で上方に膨らむ膨出部２２が形成され、この膨出部２２の内部から下方に亘る領域にポンプ空間Ｓｐが形成されている。

第１ケーシング１０と、第２ケーシング２０とを水密状態で連結するため、第１ケーシング１０と第２ケーシング２０とのうち、対向する部位には、各々に対応して第１フランジ部１１と第２フランジ部２１とが形成され、これらは熱溶着や接着等の技術により連結している。

図１に示すように第１ケーシング１０は、回転軸芯Ｘと同軸芯で有底のロータ空間Ｓｒを有し、このロータ空間Ｓｒを取り囲む側壁部１２にステータ１３を埋め込んでいる。また、ロータ空間Ｓｒには、基端部分を第１ケーシング１０の底壁部分にインサートする形態で回転軸芯Ｘと同軸芯で固定シャフト１４を備えている。

ステータ１３は、磁性鋼板を積層したコア１３ａと、このコア１３ａに巻回される導線で成るコイル１３ｂとを備えている。このステータ１３は、第１ケーシング１０の側壁の内部に樹脂ポッティングにより埋め込まれている。固定シャフト１４は、断面形状が円形であり、先端が第２ケーシング２０のポンプ空間Ｓｐに達するように軸長が設定されている。

図１に示すように第２ケーシング２０は、回転軸芯Ｘと同軸芯で筒状となる膨出部２２が上方に突出形成され、図２に示すように膨出部２２の上壁２２ｂから回転軸芯Ｘと同軸芯で上方に突出する吸入筒２３が形成されている。また、第２ケーシング２０には、膨出部２２の内部に形成されたポンプ空間Ｓｐを取り囲む環状空間から接線方向に流体を送り出す姿勢で吐出筒２５が形成されている。

図１に示すように第３ケーシング３０は、制御基板３１を収容する空間を形成するため、中央部が下方に膨らむ椀状に成形されている。この第３ケーシング３０は、第１ケーシング１０の底部に対して熱溶着や接着等の技術により連結している。

第１ケーシング１０の下部には、下方に突出する支持部１５が形成され、この支持部１５に制御基板３１が支持されている。

図１に示すようにロータ４０は、固定シャフト１４に対して回転自在に外嵌する軸受４１を備えると共に、下部のモータロータ４２と、上部のクローズド型のポンプロータ４３とを一体化して構成されている。

固定シャフト１４の上端にワッシャ４４とブッシュ４５とが外嵌し、これらが止め輪により抜止状態で固定シャフト１４に支持されている。この構造によりロータ４０の上方への移動が規制される。

軸受４１は、固定シャフト１４との滑り軸受を想定しているが、ニードルベアリング等で構成しても良い。また、モータロータ４２の外周には複数の永久磁石４２ａを備えている。

ポンプロータ４３は、中心側ほど上方に突出する形状のベースロータ４３ａと、ベースロータ４３ａの上面側に所定間隔を隔てて固定されるシュラウド４３ｂと、これらの中間のインペラ４３ｃとを備えている。更に、シュラウド４３ｂは、上端に回転軸芯Ｘを中心とする筒状部４３ｂａが一体形成されている。

尚、インペラ４３ｃは、シュラウド４３ｂの下面側に一体的に形成された翼体で構成されるが、ベースロータ４３ａの上面に突出する状態で一体的に形成されても良い。

〔シール部〕
このウォータポンプＰは、ポンプロータ４３の駆動回転に伴い、このポンプロータ４３の中心部位から外周側に向けて冷却水の流れを作り出す。これにより、ポンプロータ４３の中心部位の圧力が低下し、吸入筒２３から冷却水が吸入されると共に、ポンプ空間Ｓｐのうちポンプロータ４３の外周に近接する部位の圧力が上昇し、ポンプ空間Ｓｐの冷却水が吐出筒２５からを送り出される。

このようにポンプ空間Ｓｐに圧力差が作り出されるため、ポンプ空間Ｓｐのうち、ポンプロータ４３の外周に連なる部位から、シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａの先端の開口部位に向けてシュラウド４３ｂと第２ケーシング２０との間に冷却水を逆流させる方向に圧力が作用する。

圧力の作用により却水が逆流した場合には、ウォータポンプＰの効率を低下させることになる。このような理由から逆流を抑制するため、シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａと、この筒状部４３ｂａに対向する膨出部２２の内壁（ポンプ空間Ｓｐの内壁）との間にシールユニット５０を備えている。

図１～図５に示すように、シールユニット５０は、膨出部２２の内部に圧入固定したカバープレート５１と、シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａに外嵌するシールリング５２と、シフト機構５３とを備えて構成されている。

このシールユニット５０では、カバープレート５１が、ステンレス材をプレス加工することにより、全体的に環状で、側壁部分が膨出部２２の内周面に密着可能な形状に成形されている。そして、このカバープレート５１は、その上壁部分が膨出部２２の上壁２２ｂの下面に密着する形態で圧入固定されることで、カバープレート５１の下面がポンプ空間Ｓｐの内壁として機能し、シールリング５２の上端の当接面５２ａが当接可能となる。

シールリング５２は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂のように耐熱性が高く、耐久性に優れた材料でリング状態に成形されている。このシールリング５２は、シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａに対して径方向に僅かな隙間を介して外嵌することで、回転軸芯Ｘに沿う方向に移動自在となる。

シールリング５２の上端には、カバープレート５１の下面に当接可能な当接面５２ａを形成しており、この当接面５２ａの部位には、シールリング５２の半径方向に沿う姿勢の複数の異物排出溝５２ｂが形成されている。

シフト機構５３は、筒状部４３ｂａの外周に形成された当接体５３ａと、シールリング５２の一部を切り欠いて形成した傾斜案内部５３ｂとで構成されている。また、傾斜案内部５３ｂは、ポンプロータ４３と共にシュラウド４３ｂが駆動回転した場合に、回転力から回転軸芯Ｘに沿う方向に分力を得るように、回転軸芯Ｘに直交する方向視で回転軸芯Ｘに対して傾斜する姿勢の傾斜面として構成されている。

図２に示すように、ポンプロータ４３が回転しない状態において、シールリング５２の当接面５２ａの反対側となる裏面と、これに対応するシュラウド４３ｂの上面との間には間隙Ｄが形成されている。

このようにシールユニット５０が構成されているため、ポンプロータ４３が図３、図４において矢印で示す方向に回転した場合には、冷却水から作用する抵抗によりシールリング５２が遅れる傾向で回転する。これにより、ポンプロータ４３と共にシュラウド４３ｂが回転した場合には、筒状部４３ｂａとシールリング５２との速度差からシフト機構５３が、回転軸芯Ｘに沿う方向に向かうシフト力をシールリング５２に作用させ、このシールリング５２を上方にシフトさせる。このシフト作動により、シールリング５２の上端の当接面５２ａをカバープレート５１の下面に当接させ、この当接部位において、ポンプロータ４３の外周に連なる部位からシュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａの先端の開口部位に向けてシールリング５２と第２ケーシング２０との間を逆流する冷却水を遮断する。

また、シールリング５２がシフトする際には、シールリング５２の裏面と、シュラウド４３ｂとの間に間隙Ｄを介して冷却水が供給される。このため、シュラウド４３ｂの回転によりシールリング５２の裏面に水圧が作用するので、間隙Ｄが形成されないものと比較すると、シールリング５２の下端がシュラウド４３ｂの上面に密着する不都合を招くことなく、シールリング５２の迅速なシフト作動を実現する。

また、冷却水に粒子状の異物が含まれている場合には、シールリング５２の当接面５２ａに形成した異物排出溝５２ｂを介して、冷却水と共にシュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａの内部空間に流れることになり、当接面５２ａに留まることはない。

このように構成したため、吸入筒２３から吸入した冷却水を、吐出筒２５を介して外部に送り出す際には、ポンプロータ４３が低速回転であってもシールリング５２の上端の当接面５２ａがカバープレート５１の下面に当接し、シールリング５２と第２ケーシング２０との間から、シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａの先端の開口部位に向けて冷却水を逆流させる現象を阻止し、高い効率で冷却水を送り出せるものとなる。

〔別実施形態〕
本発明は、上記した実施形態以外に以下のように構成しても良い（実施形態と同じ機能を有するものには、実施形態と共通の番号、符号を付している）。

（ａ）シールリング５２を、シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａに内嵌し、シフト機構５３として、筒状部４３ｂａの内周に形成した当接体５３ａと、シールリング５２の内周に形成した傾斜案内部５３ｂとで構成するものでも良い。

（ｂ）シフト機構５３として、当接体５３ａをシールリング５２に形成し、傾斜案内部５３ｂを筒状部４３ｂａに形成しても良い。このように当接体５３ａと傾斜案内部５３ｂとを形成したものでも、シールリング５２をシフトさせることが可能となる。

（ｃ）シュラウド４３ｂの筒状部４３ｂａの外面にピンを固設し、このピンに回転自在に支承した輪体で当接体５３ａを構成する。このように構成することにより、シフト作動時には当接体５３ａとしての輪体が傾斜案内部５３ｂに接触して回転するため、シフト作動を軽快に行わせることが可能となる。

（ｄ）傾斜案内部５３ｂを、シールリング５２の外周部分において回転軸芯Ｘに直交する方向視で回転軸芯Ｘに対して傾斜する傾斜姿勢のスリットで構成する。これと同様に、傾斜する姿勢でシールリング５２の内周に形成した溝部で傾斜案内部５３ｂを構成することも考えられる。

この別実施形態（ｄ）の構成のうち、スリットで傾斜案内部５３ｂを構成するものでは、スリットに挿通するピン状の当接体５３ａを筒状部４３ｂａの外周に備えることでシフト機構５３が構成される。また、この別実施形態（ｄ）の構成のうち、溝部で傾斜案内部５３ｂを構成するものでは、溝部に係合するピン状の当接体５３ａを筒状部４３ｂａの外周に備えることでシフト機構５３が構成される。

この別実施形態（ｄ）では、シールリング５２を筒状部４３ｂａに外嵌したものを例に挙げて説明したが、シールリング５２が、筒状部４３ｂａに内嵌される構成のものにおいても同様に適用できる。

本発明は、シュラウドを有したクローズド型のポンプロータを有し、シュラウドの部位での流体の逆流を抑制するためのシールリングを有したポンプに利用できる。

４３ｂシュラウド
４３ｂａ筒状部
５２シールリング
５２ａ当接面
５２ｂ異物排出溝
５３シフト機構
５３ａ当接体
５３ｂ傾斜案内部
Ｃケーシング
Ｄ間隙
Ｓｐポンプ空間
Ｘ回転軸芯

Claims

ケーシングの内部のポンプ空間に回転軸芯を中心に回転自在に収容されシュラウドを有するクローズド型のポンプロータと、
前記シュラウドの中央の筒状部に対し前記回転軸芯と同軸芯で前記回転軸芯に沿ってシフト自在に備えられるシールリングと、
前記ポンプロータの回転に伴い前記シールリングに対し前記回転軸芯に沿う方向にシフト力を作用させ、前記シールリングを前記ポンプ空間の内壁に当接させるシフト機構とを備え、
前記シフト機構が、当接体と、前記当接体が接することで前記シュラウドの回転力からシフト方向への分力を得る傾斜案内部とで構成されると共に、
前記当接体が、前記シュラウドと前記シールリングとの一方に形成され、前記傾斜案内部が、前記シュラウドと前記シールリングとの他方に形成されているポンプ。
前記シールリングのうち、前記ポンプ空間の前記内壁に当接する当接面に、前記シールリングの半径方向に沿う姿勢の異物排出溝が形成されている請求項１に記載のポンプ。
前記シフト機構からシフト力が作用しない状況において、前記シールリングのうち、前記ポンプ空間の前記内壁に当接する当接面と反対側の裏面と、前記シュラウドとの間に間隙が形成されている請求項１又は２に記載のポンプ。