JP7135317B2 - インペラ及び遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、インペラ及び遠心ポンプに関する。

下記特許文献１及び特許文献２には、羽根部が立設された基部材と、基部材に取付けられることで羽根部を覆う傘状のシュラウドと、を備えたインペラが開示されている。これらの文献に記載されたインペラでは、羽根部に設けられた凸部がシュラウドに設けられた孔に挿通されて、この凸部が溶着されることで、羽根部を有する基部材とシュラウドとが一体化されている。

特開２０１１－１５７８６７号公報 特開２０１６－１３０４５３号公報

ところで、高速で回転するインペラでは、羽根部を有する基部材とシュラウドとの接合部に生じる応力を低減できることが望ましい。

本発明は上記事実を考慮し、羽根部を有する基部材とシュラウドとの接合部に生じる応力を低減できるインペラ及び遠心ポンプを得ることが目的である。

第１の態様のインペラは、回転径方向に延在する基部分と、前記基部分から回転軸方向一方側へ立設されていると共に回転径方向に延びる複数の羽根部と、各々の前記羽根部の間に形成され流体が通過する流路と、回転径方向と平行とされかつ回転軸方向一方側へ面が向けられた水平座面と、前記水平座面から回転軸方向一方側へ突出する係合突起部と、を有する基部材と、前記基部材に対して回転軸方向一方側に設けられ、前記係合突起部が挿通される係合孔を有し、前記係合突起部が前記係合孔に挿通され、前記係合孔の周縁部が前記水平座面と前記係合突起部における前記水平座面とは反対側の部分に挟み込まれた状態で、前記基部材に固定され、前記基部材を回転軸方向一方側から覆うシュラウドと、を備えている。

第１の態様のインペラによれば、基部材の係合突起部がシュラウドの係合孔に挿通され、シュラウドの係合孔の周縁部が基部材の水平座面と係合突起部における水平座面とは反対側の部分に挟み込まれている。これにより、シュラウドが基部材に固定されている。そして、インペラが回転されることで、基部材の各々の羽根部の間に形成された流路を流体が流れる。ここで、請求項１記載のインペラでは、シュラウドにおける係合孔の周縁部が回転径方向と平行とされかつ回転軸方向一方側へ面が向けられた水平座面に当接した状態で、シュラウドの係合孔に係合突起部が挿通されている。これにより、インペラが回転された際に、係合突起部をシュラウドに対して垂直な方向に引っ張る荷重が生じることを抑制することができる。これにより、インペラが回転された際に係合突起部に生じる応力を低減することができる。

第２の態様のインペラは、第１の態様のインペラにおいて、前記シュラウドは、回転径方向から見て回転径方向外側へ向かうにつれて回転軸方向他方側へ傾斜された傾斜板部と、回転径方向から見て回転軸方向一方側及び他方側の面が回転径方向と平行に延びる水平板部と、を有し、前記係合孔が、前記水平板部に形成されている。

第２の態様のインペラによれば、シュラウドは傾斜板部及び水平板部を含んで構成されており、係合孔が水平板部に形成されている。これにより、インペラが回転された際に、係合突起部をシュラウドの水平板部に対して垂直な方向に引っ張る荷重が生じることをより一層抑制することができる。これにより、インペラが回転された際に係合突起部に生じる応力をより一層低減することができる。

第３の態様のインペラは、第１の態様又は第２の態様のインペラにおいて、前記水平座面及び前記係合突起部は、前記羽根部上に設けられている。

第３の態様のインペラによれば、水平座面及び係合突起部が羽根部上に設けられていることにより、流路の面積が狭まる等の影響を抑制しつつ、シュラウドを基部材に固定することができる。

第４の態様のインペラは、第３の態様のインペラにおいて、前記羽根部の回転周方向への幅寸法は、回転径方向外側に向かうにつれて大きくなっており、前記水平座面及び前記係合突起部は、前記羽根部上における回転径方向外側の外周部に設けられている。

第４の態様のインペラによれば、羽根部の回転周方向への幅寸法が回転径方向外側に向かうにつれて大きくなっており、羽根部において幅寸法が大きくなっている部分に水平座面及び係合突起部が設けられている。これにより、水平座面及び係合突起部の寸法を大きくすることができ、インペラが回転された際に、係合突起部をシュラウドの水平板部に対して垂直な方向に引っ張る荷重が生じることをより一層抑制することができる。その結果、インペラが回転された際に係合突起部に生じる応力をより一層低減することができる。

第５の態様のインペラは、第１の態様～第４の態様のいずれか１つの態様のインペラにおいて、前記シュラウドにおける前記係合孔の周縁部には、回転軸方向他方側へ向けて窪んだ窪み部が形成され、前記係合突起部における前記水平座面とは反対側の部分の少なくとも一部が、前記窪み部内に配置されている。

第５の態様のインペラによれば、係合突起部における水平座面とは反対側の部分が、シュラウドの窪み部内に配置されている。これにより、インペラが回転された際に、係合突起部における水平座面とは反対側の部分がインペラの回転の抵抗となることを抑制することができる。

第６の態様の遠心ポンプは、回転軸を有するモータと、前記回転軸によって回転される第１の態様～第５の態様のいずれか１つの態様のインペラと、流体が流入する流入部と、前記流体が流出する流出部と、を有すると共に前記インペラが内部に配置され、前記インペラが回転されることで、前記流入部から流入した流体の圧力が昇圧されて前記流出部から流出するポンプ部と、を備えている。

第６の態様の遠心ポンプによれば、第１の態様～第５の態様のいずれか１つの態様のインペラを含んで構成されていることにより、インペラが回転された際に、基部材とシュラウドとの接合部である係合突起部に生じる応力を低減することができる。

本発明に係るインペラ及び遠心ポンプは、羽根部を有する基部材とシュラウドとの接合部に生じる応力を低減できる、という優れた効果を有する。

本実施形態の遠心ポンプを示す断面図である。 インペラを分解して示す分解斜視図である。 図２において一点鎖線で囲まれた部分を拡大して示すインペラ本体部の拡大平面図である。 図２において一点鎖線で囲まれた部分を拡大して示すインペラ本体部の拡大斜視図である。 組立完了後のインペラを示す斜視図である。 図５に示された６－６線に沿って切断したインペラの断面を示す断面図である。 比較例に係るインペラの断面を示す図６に対応する断面図である。 係合突起部の先端部に生じる応力を示すグラフである。 係合突起部の基端部に生じる応力を示すグラフである。

図１～図６を用いて本発明の実施形態に係る遠心ポンプについて説明する。なお、図中に適宜示す矢印Ｚ方向、矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向は、遠心ポンプの一部を構成するインペラの回転軸方向、回転径方向及び回転周方向をそれぞれ示すものとする。また以下、単に軸方向、径方向、周方向を示す場合は、特に断りのない限り、インペラの回転軸方向、回転径方向、回転周方向を示すものとする。

図１に示されるように、本実施形態の遠心ポンプ１０は、空気を圧送するために用いられるエアポンプであり、モータ１２と、ポンプケース１４と、インペラ１６と、を含んで構成されている。

モータ１２は、ブラシレスモータである。このモータ１２は、略有底筒状のモータケース１８と、モータケース１８の内周面に固定されたステータ２０と、ステータ２０の内側で回転可能に支持されたロータ２２と、を備えている。

モータケース１８の底部の中心には中心孔が形成され、その中心孔に軸受２４を介してロータ２２の回転シャフト２６の基端側が支持されている。また、モータケース１８の外部に突出した回転シャフト２６の基端部には、環状のセンサマグネット２８が固定されている。また、モータケース１８の底部には、回路基板３０が固定されている。回路基板３０には、センサマグネット２８と対向して回転シャフト２６の回転（回転角度、回転速度等）を検出する回転センサ３２等の種々の素子が実装されている。

ポンプ部としてのポンプケース１４は、モータケース１８の開口端を略閉塞するように固定される第１ケース３４と、第１ケース３４のモータ１２（モータケース１８）とは反対側に固定された第２ケース３６と、を含んで構成されている。

第１ケース３４の中心には中心孔が形成され、その中心孔の内周面に軸受２４を介して回転シャフト２６の先端側（ポンプケース１４側）が支持されている。また、第１ケース３４の第２ケース３６側の端面には、回転シャフト２６の軸方向から見て円形の凹部３４Ａが形成されている。また、第１ケース３４の第２ケース３６側の端面における凹部３４Ａの外周側には、渦巻き室構成溝３４Ｂが形成されている。

第２ケース３６の中心には、流入部としての空気導入孔３６Ｃが形成されている。この空気導入孔３６Ｃは、回転シャフト２６の軸方向に沿って貫通し、その径がモータ１２側（第１ケース３４側）に向かうほど小さくなるように形成されている。また、第２ケース３６の第１ケース３４側の端面には、回転シャフト２６の軸方向から見て円形の凹部３６Ａが形成され、この凹部３６Ａは第１ケース３４の凹部３４Ａと共にインペラ収容部３８を構成している。また、第２ケース３６の第１ケース３４側の端面における凹部３６Ａの外周側には、渦巻き室構成溝３６Ｂが形成され、その渦巻き室構成溝３６Ｂは第１ケース３４の渦巻き室構成溝３４Ｂと共に渦巻き室４０を構成している。また、第２ケース３６の周方向の一部には、インペラ収容部３８の径方向外側にある渦巻き室４０と連通した流出部としての空気排出筒部３６Ｄが形成されている。

また、第１ケース３４には、モータ１２全体を覆う略有底筒状の密閉ケース４２が固定されている。この密閉ケース４２の底部には、配線用孔４２Ａが形成されている。配線用孔４２Ａには、配線４４を通しつつ配線用孔４２Ａからの空気の漏れを防止するシールゴム部材４６が嵌着されている。なお、配線４４は、外部の制御装置や電源装置と回路基板３０やステータ２０の巻線とを電気的に接続するものである。

インペラ１６は、インペラ収容部３８内に突出した回転シャフト２６の先端部（ポンプケース１４側端部）と一体回転可能に固定されてインペラ収容部３８内に配置される。インペラ１６は、その軸中心の内部空間と径方向外側の外部空間（渦巻き室４０）とを連通する複数の流路５２を有し、回転されることで空気導入孔３６Ｃから導入された流体としての空気を内部空間側から流路５２を介して外部空間（渦巻き室４０）側に導出させ、ひいては空気排出筒部３６Ｄから空気を噴射（圧送）させる。

具体的には、図２に示されるように、本実施形態のインペラ１６は、複数の羽根部４８Ａを有する基部材としてのインペラ本体部４８にシュラウド５０が固定されることによって構成されている。

インペラ本体部４８は、樹脂材料を用いて形成されている。図２及び図３に示されるように、インペラ本体部４８は、径方向に延在すると共に軸方向から見て外形が円形とされた基部分としての基板部４８Ｂを備えている。この基板部４８Ｂの中心部には、回転シャフト２６（図１参照）が挿入されるシャフト挿入孔４８Ｃが形成されている。

また、インペラ本体部４８は、基板部４８Ｂから軸方向一方側（シュラウド５０側）へ向けて突出すると共に周方向に沿って等間隔に配置された複数の羽根部４８Ａを備えている。なお、本実施形態では、１１個の羽根部４８Ａが設けられている。この羽根部４８Ａは、軸方向から見て周方向一方側の面４８Ｄ及び他方側の面４８Ｅが円弧状に湾曲されたブロック状に形成されている。また、羽根部４８Ａの周方向への幅寸法Ｗは、径方向外側へ向かうにつれて次第に大きくなっている。そして、周方向に隣り合う２つの羽根部４８Ａの間には、空気が通過する流路５２が形成されている。また、羽根部４８Ａの径方向の中央部及び外周部には、軸方向一方側が開放された凹状の肉抜き凹部４８Ｆ、４８Ｇがそれぞれ形成されている。この肉抜き凹部４８Ｆ、４８Ｇが形成されていることにより、羽根部４８Ａの重量の増加が抑制されている。

図２及び図４に示されるように、インペラ本体部４８は、後述するシュラウド５０が熱かしめにより固定される３カ所の熱かしめ固定部４８Ｈを備えている。これらの熱かしめ固定部４８Ｈは、羽根部４８Ａ上の外周部（径方向外側の部分）に設けられている。なお、本実施形態では、一の熱かしめ固定部４８Ｈが設けられた羽根部４８Ａと他の熱かしめ固定部４８Ｈが設けられた羽根部４８Ａとの間には、２個又は３個の羽根部４８Ａが配置されている。これにより、３カ所の熱かしめ固定部４８Ｈは周方向に不等間隔に配置されている。

熱かしめ固定部４８Ｈの細部の構成について説明すると、この熱かしめ固定部４８Ｈは、径方向と平行とされかつ軸方向一方側へ面が向けられた水平座面４８Ｉと、この水平座面４８Ｉから軸方向一方側へ突出すると共に熱かしめ工程を経る前の状態で円柱状に形成された係合突起部４８Ｊと、を含んで構成されている。

図２に示されるように、シュラウド５０は、インペラ本体部４８と同様に樹脂材料を用いて形成されている。このシュラウド５０は、環状に形成された環状部５０Ａを備えている。この環状部５０Ａを通じてインペラの内部に空気が流入することが可能となっている。また、シュラウド５０は、環状部５０Ａの軸方向他方側の端部から径方向外側へ向けて延びると共に径方向から見て径方向外側へ向かうにつれて軸方向他方側へ緩やかに傾斜された傾斜板部５０Ｂを備えている。さらに、シュラウド５０は、傾斜板部５０Ｂの径方向外側の端部から径方向外側へ向けて延びる水平板部５０Ｃを備えている。この水平板部５０Ｃの軸方向一方側及び他方側の面は、径方向と平行に延びている。

シュラウド５０の水平板部５０Ｃにおいてインペラ本体部４８の３つの熱かしめ固定部４８Ｈと対応する部分には、軸方向他方側へ向けて窪んだ３つの窪み部５０Ｄが形成されている。３つの窪み部５０Ｄの底（水平板部５０Ｃの一部）には、インペラ本体部４８の３つの係合突起部４８Ｊがそれぞれ挿通される係合孔５０Ｅが形成されている。そして、図５及び図６に示されるように、インペラ本体部４８の３つの係合突起部４８Ｊがシュラウド５０の３つの係合孔５０Ｅに挿通されて、３つの係合突起部４８Ｊの先端部（水平座面４８Ｉとは反対側の部分）が熱かしめにより変形される。なお、係合突起部４８Ｊにおいて熱かしめにより変形された部分を頭部４８Ｋと呼ぶ。そして、シュラウド５０における係合孔５０Ｅの周縁部５０Ｆが、インペラ本体部４８の水平座面４８Ｉと係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋとの間に挟み込まれることで、シュラウド５０がインペラ本体部４８に固定される。これにより、インペラ本体部４８の軸方向一方側がシュラウド５０に覆われるようになっている。

（本実施形態の作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果について説明する。

図１に示されるように、本実施形態の遠心ポンプ１０では、モータ１２によってインペラ１６が回転されると、ポンプケース１４の空気導入孔３６Ｃから流入した空気はインペラ１６のシュラウド５０の環状部５０Ａを通じて当該インペラ１６内に導入される。また、インペラ１６内に導入された空気は、流路５２を介してポンプケース１４の渦巻き室４０側へ流れた後に空気排出筒部３６Ｄから流出する。すなわち、ポンプケース１４の空気導入孔３６Ｃから流入した空気が昇圧されて空気排出筒部３６Ｄから圧送される。

ここで、本実施形態では、シュラウド５０における係合孔５０Ｅの周縁部５０Ｆが、インペラ本体部４８の水平座面４８Ｉと係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋとの間に挟み込まれることで、シュラウド５０がインペラ本体部４８に固定されている。このように、径方向と平行とされた水平座面４８Ｉと係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋとの間に係合孔５０Ｅの周縁部５０Ｆが挟み込まれる構成とすることで、インペラ１６が回転された際に、係合孔５０Ｅの周縁部５０Ｆが係合突起部４８Ｊを押圧する遠心力Ｆにシュラウド５０に対して垂直な方向の成分が生じることが抑制される。その結果、インペラ１６が回転された際に、係合突起部４８Ｊをシュラウド５０の水平板部５０Ｃに対して垂直な方向の一方側に引っ張る荷重が生じることを抑制することができる。その結果、シュラウド５０とインペラ本体部４８との接合部に生じる応力を低減することができる。

また、本実施形態では、軸方向一方側及び他方側の面が径方向と平行に延びているシュラウド５０の水平板部５０Ｃに係合孔５０Ｅが形成されている、当該構成とすることで、インペラ１６が回転された際に、係合孔５０Ｅの周縁部５０Ｆが係合突起部４８Ｊを押圧する遠心力Ｆに軸方向の成分が生じることがより一層抑制される。その結果、インペラ１６が回転された際に、係合突起部４８Ｊを軸方向一方側に引っ張る荷重が生じることをより一層抑制することができる。その結果、シュラウド５０とインペラ本体部４８との接合部に生じる応力をより一層低減することができる。

ここで、図７には、比較例に係るインぺラ５４が示されている。このインぺラ５４では、本実施形態のインペラ１６の水平座面４８Ｉ（図６参照）と対応する部分が径方向外側に向かうにつれて軸方向他方側へ傾斜された傾斜座面５４Ａとされている。なお、インぺラ５４において本実施形態のインペラ１６と対応する部分には、インペラ１６と同一の符号を付している。そして、このインぺラ５４では、インぺラ５４が回転された際に、係合孔５０Ｅの周縁部５０Ｆが係合突起部４８Ｊを押圧する遠心力Ｆに矢印Ｚ方向（回転軸方向）に対して角度θ傾いた方向の成分（遠心力Ｆ１）が生じる。その結果、インペラ１６が回転された際に、係合突起部４８Ｊを軸方向一方側に引っ張る荷重が生じ、シュラウド５０とインペラ本体部４８との接合部に生じる応力を低減することが難しい。

図８には、本実施形態のインペラ１６及び比較例に係るインぺラ５４が所定の回転数で回転された際に、係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋ付近に生じる応力が示されている。また、図９には、本実施形態のインペラ１６及び比較例に係るインぺラ５４が所定の回転数で回転された際に、係合突起部４８Ｊの座面（水平座面４８Ｉ、傾斜座面５４Ａ）付近に生じる応力が示されている。これらの図に示されるように、本実施形態のインペラ１６では、比較例に係るインぺラ５４と比べて係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋ付近に生じる応力及び係合突起部４８Ｊの座面付近に生じる応力を低減できる。その結果、係合突起部４８Ｊの外径の小径化を図ることができる。

また、図４及び図６に示されるように、本実施形態では、係合突起部４８Ｊが羽根部４８Ａ上に設けられている。これにより、係合突起部４８Ｊが流路５２の面積を狭める等の影響を抑制しつつ、シュラウド５０をインペラ本体部４８に固定することができる。また、係合突起部４８Ｊが、周方向への幅寸法が大きくなっている羽根部４８Ａ上の外周部に設けられていることにより、係合突起部４８Ｊの外径を大きくしたとしても、係合突起部４８Ｊが流路５２の面積を狭める等の影響を抑制することができる。

また、本実施形態では、係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋの一部が、シュラウド５０の水平板部５０Ｃに形成された窪み部５０Ｄ内に配置されている。これにより、インペラ１６が回転された際に、係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋがインペラ１６の回転の抵抗となることを抑制することができる。

なお、本実施形態では、係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋの一部が、シュラウド５０の水平板部５０Ｃに形成された窪み部５０Ｄ内に配置されている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、遠心ポンプ１０に要求される性能によっては、係合突起部４８Ｊの頭部４８Ｋの全体が窪み部５０Ｄ内に配置された構成としてもよいし、窪み部５０Ｄを設けない構成としても良い。

また、本実施形態では、係合突起部４８Ｊが羽根部４８Ａ上に設けられている例について説明したが、本発明はこれに限定されない。係合突起部４８Ｊを羽根部４８Ａ上に設けるか否かは、流路５２の形状等を考慮して適宜設定すればよい。

さらに、本実施形態では、シュラウド５０の水平板部５０Ｃに係合孔５０Ｅを形成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、シュラウド５０の傾斜板部５０Ｂに係合孔５０Ｅを形成してもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１０ 遠心ポンプ
１２ モータ
１４ ポンプケース（ポンプ部）
１６ インペラ
３６Ｃ 空気導入孔（流入部）
３６Ｄ 空気排出筒部（流出部）
４８Ａ 羽根部
４８Ｂ 基板部 （基部分）
４８Ｉ 水平座面
４８Ｊ 係合突起部
５０ シュラウド
５０Ｂ 傾斜板部
５０Ｃ 水平板部
５０Ｄ 窪み部
５０Ｅ 係合孔
５２ 流路

Claims (6)

1. 回転径方向に延在する基部分と、前記基部分から回転軸方向一方側へ立設されていると共に回転径方向に延びる複数の羽根部と、各々の前記羽根部の間に形成され流体が通過する流路と、回転径方向と平行とされかつ回転軸方向一方側へ面が向けられた水平座面と、前記水平座面から回転軸方向一方側へ突出する係合突起部と、を有する基部材と、
   前記基部材に対して回転軸方向一方側に設けられ、前記係合突起部が挿通される係合孔を有し、前記係合突起部が前記係合孔に挿通され、前記係合孔の周縁部が前記水平座面と前記係合突起部における前記水平座面とは反対側の部分に挟み込まれた状態で、前記基部材に固定され、前記基部材を回転軸方向一方側から覆うシュラウドと、
   を備え、
   前記羽根部には、肉抜き凹部が形成されており、
   前記肉抜き凹部の開放端側が、前記シュラウドによって覆われており、
   前記水平座面及び前記係合突起部並びに前記係合孔が、回転周方向に沿って不等間隔に配置されているインペラ。
2. 前記シュラウドは、回転径方向から見て回転径方向外側へ向かうにつれて回転軸方向他方側へ傾斜された傾斜板部と、回転径方向から見て回転軸方向一方側及び他方側の面が回転径方向と平行に延びる水平板部と、を有し、
   前記係合孔が、前記水平板部に形成されている請求項１記載のインペラ。
3. 前記水平座面及び前記係合突起部は、前記羽根部上に設けられている請求項１又は請求項２記載のインペラ。
4. 前記羽根部の回転周方向への幅寸法は、回転径方向外側に向かうにつれて大きくなっており、
   前記水平座面及び前記係合突起部は、前記羽根部上における回転径方向外側の外周部に設けられている請求項３記載のインペラ。
5. 前記シュラウドにおける前記係合孔の周縁部には、回転軸方向他方側へ向けて窪んだ窪み部が形成され、
   前記係合突起部における前記水平座面とは反対側の部分の少なくとも一部が、前記窪み部内に配置されている請求項１～請求項４のいずれか１項に記載のインペラ。
6. 回転軸を有するモータと、
   前記回転軸によって回転される請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のインペラと、
   流体が流入する流入部と、前記流体が流出する流出部と、を有すると共に前記インペラが内部に配置され、前記インペラが回転されることで、前記流入部から流入した流体の圧力が昇圧されて前記流出部から流出するポンプ部と、
   を備えた遠心ポンプ。

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