JP7292858B2 - 羽根車、該羽根車を備えたポンプ、および該羽根車の製造方法 - Google Patents

羽根車、該羽根車を備えたポンプ、および該羽根車の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ポンプに使用される羽根車に関し、特に流体の流れ方向に沿って捻られた三次元形状の翼を持つ羽根車に関する。さらに、本発明は、そのような羽根車を備えたポンプに関する。さらに、本発明は、そのような羽根車の製造方法に関する。
流体機械であるポンプは、流体に運動エネルギーを付与するための羽根車を備える。羽根車は、一般に、回転軸に固定された主板(裏側シュラウドともいう)と、主板に固定された複数の翼を有する。各翼は、羽根車の中心軸線の周りに等間隔で配列されており、隣り合う2つの翼の間に流体の流路が形成される。羽根車が回転すると、流体は、羽根車の流体入口から羽根車に流入し、翼間の流路を流れ、そして、羽根車の外周から流出する。
流体の流れ解析によれば、流体の流れ方向に沿って捻られた三次元形状を持つ翼は、羽根車の理想的な性能を達成することが知られている(例えば、特許文献1,2参照)。三次元形状の翼を持つ羽根車は、樹脂成形、鋳造などにより製造される。一方、プレス加工された金属板を用いて、三次元形状の翼を持つ羽根車を製造することもある。この場合は、三次元形状の翼は、溶接により主板に固定される。
実開平5-89893号公報 米国特許出願公開第2013/0164136号明細書 特開昭52-33102号公報 特表2005-537420号公報
しかしながら、三次元形状の翼は、主板の法線方向に対して傾いているため、翼を主板に固定するためにスポット溶接を採用することができない。すなわち、三次元形状の翼に主板を押し付けると、翼が倒れたり、折れ曲がることがある。このような問題を避けるために、レーザー溶接を用いて、三次元形状の翼が主板に固定される。レーザー溶接は、主板を翼に強く押し付けることなく、翼を主板に接合することができる。しかしながら、レーザー溶接は、スポット溶接に比べて溶接時間およびコストがかかる。結果として、羽根車の量産性が上げられず、羽根車全体の製造時間および製造コストが上昇してしまう。
そこで、本発明は、プレス加工された金属板からなる三次元形状の翼を持つ羽根車を低コストで提供する。また、本発明は、そのような羽根車を備えたポンプを提供する。さらに、本発明は、プレス加工された金属板からなる三次元形状の翼を持つ羽根車の製造方法を提供する。
一態様では、ポンプに使用される羽根車であって、金属板からなる主板と、金属板からなる複数の翼を備え、前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有し、前記三次元部は、前記羽根車の半径方向において、前記二次元部の内側または外側に位置しており、前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された複数の第1溶接部により前記主板に固定されており、前記主板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第1溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である、羽根車が提供される。
一態様では、前記羽根車は、金属板からなる、流体入口を有した側板をさらに備えており、前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された複数の第2溶接部により前記側板に固定されており、前記側板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第2溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である
一態様では、前記翼の長手方向に沿った前記二次元部の長さは、前記翼の長手方向に沿った前記三次元部の長さよりも大きい。
一態様では、上記羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記羽根車を収容するケーシングを備えたポンプが提供される。
一態様では、ポンプに使用される羽根車の製造方法であって、主板および複数の翼をそれぞれ金属板から作成し、前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有しており、前記三次元部は、前記羽根車の半径方向において、前記二次元部の内側または外側に位置しており、プロジェクション溶接により複数の第1溶接部を前記二次元部と前記主板との接続部に形成し、前記複数の第1溶接部により前記二次元部を前記主板に接合し、前記主板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第1溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である、方法が提供される。
一態様では、前記方法は、流体入口を有する側板を金属板から作成し、プロジェクション溶接により複数の第2溶接部を前記二次元部と前記側板との接続部に形成し、前記複数の第2溶接部により前記二次元部を前記側板に接合する工程をさらに含み、前記側板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第2溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である
一態様では、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記主板に接合する前記工程と、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記側板に接合する前記工程は同時に行われる。
一態様では、前記方法は、前記主板に接続される前記翼の縁部の内側端部と、最も内側にある第1溶接部との間にある前記三次元部の一部に、レーザースポット溶接によって第3溶接部を形成し、前記第3溶接部により前記三次元部の一部を前記主板に接合する工程をさらに含む。
二次元部は、羽根車の中心軸線と平行である。したがって、プロジェクション溶接を行うときに、主板を翼に対して押し付けても、翼は傾かず、翼が折れ曲がることもない。プロジェクション溶接は、レーザー溶接に比べて安価であり、かつプロジェクション溶接が施される領域は、レーザー溶接が施される領域に比べて極めて小さい。結果として、羽根車を安価にかつ短時間で製造することができ、かつ量産性を向上させることができる。
羽根車の一実施形態を示す断面図である。 図1に示す羽根車を吸込側から見た上面図である。 プロジェクション溶接される前の翼を示す側面図である。 図1に示す羽根車を製造する方法を示すフローチャートである。 羽根車の他の実施形態を示す断面図である。 図5に示す羽根車を吸込側から見た上面図である。 プロジェクション溶接される前の翼を示す側面図である。 図5に示す羽根車を製造する方法を示すフローチャートである。 羽根車のさらに他の実施形態を示す断面図である。 図9に示す羽根車を吸込側から見た上面図である。 プロジェクション溶接される前の翼を示す側面図である。 上記実施形態に係る羽根車を備えたポンプ装置を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、羽根車の一実施形態を示す断面図である。図1に示す羽根車1は、液体を圧送するためのポンプに使用される遠心羽根車である。羽根車1は、ポンプの回転軸が挿入される貫通孔3aを有する主板3と、主板3に固定された複数の翼5と、流体入口7aを有する側板7とを備えている。側板7は表側シュラウド、主板3は裏側シュラウドとも呼ばれる。
複数の翼5は、貫通孔3aの周囲に等間隔で配列されており、かつ放射状に延びている。これら翼5は、主板3と側板7との間に配置されている。主板3、側板7、および複数の翼5は、いずれも金属板から構成されている。金属板の一例として、ステンレス鋼からなる金属板が挙げられる。各翼5は、プレス加工された金属板から構成されている。主板3および側板7も、プレス加工された金属板から構成されている。
図2は、図1に示す羽根車1を吸込側から見た上面図である。羽根車1の構造の説明のために、図2では側板7の図示は省略されている。複数の翼5のそれぞれは、各翼5の長手方向に沿って捻れた形状を有している。より具体的には、各翼5は、羽根車1の回転軸線CAに対して傾斜した表面を持つ三次元部5Aと、羽根車1の回転軸線CAと平行な表面を持つ二次元部5Bを有している。三次元部5Aは滑らかに二次元部5Bに接続されている。三次元部5Aは、翼5の長手方向(すなわち液体の流れ方向)に沿って捻れた部位である。二次元部5Bは、三次元部5Aに接続されているが、翼5の長手方向に沿って捻れた形状を有していない。
本実施形態では、三次元部5Aは、羽根車1の半径方向において、二次元部5Bの内側に位置している。翼5の長手方向に沿った二次元部5Bの長さは、翼5の長手方向に沿った三次元部5Aの長さよりも大きい。三次元部5Aと二次元部5Bは一体的な構成物であり、一枚の金属板から構成されている。このような三次元部5Aと二次元部5Bを有する翼5は、金属板をプレス加工することで作成することができる。
翼5は、プロジェクション溶接によって形成された第1溶接部10により主板3に固定されている。図1に示すように、各翼5と主板3との第1溶接部10は複数ある。本実施形態では、3つの第1溶接部10によって各翼5と主板3とが互いに固定されているが、第1溶接部10の数は本実施形態に限定されない。第1溶接部10は、二次元部5Bと主板3との接触部上(すなわち二次元部5Bの一方の縁部)にあり、三次元部5Aと主板3との接触部にはない。
同様に、翼5は、プロジェクション溶接によって形成された第2溶接部11により側板7に固定されている。図1に示すように、各翼5と側板7との第2溶接部11は複数ある。本実施形態では、3つの第2溶接部11によって各翼5と側板7とが互いに固定されているが、第2溶接部11の数は本実施形態に限定されない。第2溶接部11は、二次元部5Bと側板7との接触部上(すなわち二次元部5Bの他方の縁部)にあり、三次元部5Aと側板7との接触部にはない。
図3は、プロジェクション溶接される前の翼5を示す側面図である。図3に示すように、主板3に接合される翼5の二次元部5Bの一方の縁部5cには、複数の突起14(本実施形態では3つの突起14)が形成されている。側板7に接合される翼5の二次元部5Bの他方の縁部5dには、複数の突起15(本実施形態では3つの突起15)が形成されている。主板3と翼5とをプロジェクション溶接により接合するときは、突起14を主板3に接触させた状態で、主板3を翼5に対して押し付ける。そして、突起14に電流を流して突起14を溶解させ、凝固した金属材料によって主板3と翼5とが互いに固定される。凝固した金属材料は、主板3と翼5との第1溶接部10(図1参照)を形成する。
側板7と翼5とをプロジェクション溶接により接合するときは、突起15を側板7に接触させた状態で、側板7を翼5に対して押し付ける。そして、突起15に電流を流して突起15を溶解させ、凝固した金属材料によって側板7と翼5とが互いに固定される。凝固した金属材料は、側板7と翼5との第2溶接部11(図1参照)を形成する。
二次元部5Bは、羽根車1の中心軸線CAと平行、すなわち、主板3の法線方向および側板7の法線方向と平行である。したがって、プロジェクション溶接を行うときに、主板3および側板7を翼5に対して押し付けても、翼5は傾かず、翼5が折れ曲がることもない。プロジェクション溶接は、レーザー溶接に比べて安価であり、かつプロジェクション溶接が施される領域は、レーザー溶接が施される領域に比べて極めて小さい。結果として、羽根車1を安価にかつ短時間で製造することができ、かつ量産性を向上させることができる。
図3に示すように、主板3に接続される翼5の縁部5eの全体の長さをL1とし、縁部5eの内側端部から、最も内側にある突起14までの距離(すなわち、縁部5eの内側端部から、最も内側にある第1溶接部10までの距離)をA1とすると、A1のL1に対する割合は、25%以下である。同様に、側板7に接続される翼5の縁部5fの全体の長さをL2とし、縁部5fの内側端部から、最も内側にある突起15までの距離(すなわち、縁部5fの内側端部から、最も内側にある第2溶接部11までの距離)をA2とすると、A2のL2に対する割合は、25%以下である。
本実施形態では、三次元部5Aは主板3および側板7に固定されていないが、A1のL1に対する割合、およびA2のL2に対する割合は、25%以下であるので、二次元部5Bと主板3の第1溶接部10、および二次元部5Bと側板7の第2溶接部11により、翼5の全体は主板3および側板7に強固に保持される。
図4は、図1に示す羽根車1を製造する方法を示すフローチャートである。ステップ1では、主板3、側板7、および図3に示す複数の翼5がそれぞれ金属板から作成される。主板3、側板7、および複数の翼5が作成される順序は特に限定されない。例えば、主板3、側板7、および複数の翼5の順に作成されてもよいし、あるいは主板3、側板7、および複数の翼5が同時に作成されてもよい。
主板3は全体として円形であり、その中心に貫通孔3aを有している。このような形状の主板3を形成するために、本実施形態ではプレス加工により金属板から主板3が作成される。ただし、主板3の形状は円形に限定されず、複数の翼5を溶接するために必要な面積を有していれば、主板3は星型などの他の形状を有してもよい。側板7は全体として円形であり、その中心に流体入口7aを有している。ただし、側板7の形状は円形に限定されず、複数の翼5を溶接するために必要な面積を有していれば、側板7は星型などの他の形状を有してもよい。図1から分かるように、側板7は、その外周側から流体入口7aに向かって傾斜している。このような形状の側板7を形成するために、本実施形態ではプレス加工により金属板から側板7が作成される。各翼5は、二次元部5Bと三次元部5Aを有した複雑な形状を有しているので、各翼5は、プレス加工により金属板から作成される。
ステップ2では、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが主板3に接合され、ステップ3では、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが側板7に接合される。一実施形態では、ステップ2として、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが側板7に接合され、ステップ3として、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが主板3に接合されてもよい。さらに、一実施形態では、羽根車1の製造工程を短縮するために、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bは側板7および主板3に同時に接合されてもよい。
図5は、羽根車1の他の実施形態を示す断面図であり、図6は、図5に示す羽根車1を吸込側から見た上面図であり、図7はプロジェクション溶接される前の翼5を示す側面図である。図6では、側板7の図示は省略されている。特に説明しない本実施形態の構成は、図1乃至図3に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
図5に示すように、側板7と各翼5は、プロジェクション溶接によって形成された第2溶接部11により互いに固定されているが、主板3と各翼5は、プロジェクション溶接によって形成された第1溶接部10と、レーザースポット溶接によって形成された第3溶接部20により互いに固定されている。レーザースポット溶接は、スポット領域(狭小領域)にレーザー光を照射して該スポット領域を溶接する技術である。
図7に示すように、この実施形態では、A1のL1に対する割合、およびA2のL2に対する割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である。三次元部5Aの長さは二次元部5Bの長さよりも短いが、翼5全体の長さに占める三次元部5Aの長さの割合が大きいので、三次元部5Aを主板3に固定することが好ましい。そこで、本実施形態では、三次元部5Aの一部と主板3は、レーザースポット溶接によって接合されている。より具体的には、図7に示すように、主板3に接合される翼5の端部5eの内側端部と、最も内側にある突起14との間にある三次元部5Aのスポット領域22がレーザー溶接される。
レーザー溶接は、主板3を翼5に対して強く押すことを必要としないので、三次元部5Aを変形させずに三次元部5Aを主板3に固定することができる。さらに、本実施形態のレーザー溶接は、レーザースポット溶接であるので、溶接される領域が小さく、溶接にかかるコストおよび時間を低く抑えることができる。
図8は、図5に示す羽根車1を製造する方法を示すフローチャートである。図4を参照したフローチャートの説明は、図8に示すフローチャートの説明にも適用される。ステップ1では、主板3、側板7、および図7に示す複数の翼5がそれぞれ金属板からプレス加工により作成される。ステップ2では、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが主板3に接合され、ステップ3では、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが側板7に接合される。一実施形態では、ステップ2として、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが側板7に接合され、ステップ3として、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bが主板3に接合されてもよい。さらに、一実施形態では、羽根車1の製造工程を短縮するために、プロジェクション溶接により翼5の二次元部5Bは側板7および主板3に同時に接合されてもよい。
ステップ4では、レーザースポット溶接により、翼5の三次元部5Aの一部が主板3に接合される。レーザースポット溶接が行われる前に、プロジェクション溶接により翼5は主板3および側板7に既に接合されているので、翼5の三次元部5Aの主板3に対する位置決めが確立された状態で、レーザースポット溶接が行われる。
図9は、羽根車1のさらに他の実施形態を示す断面図であり、図10は、図9に示す羽根車1を吸込側から見た上面図であり、図11はプロジェクション溶接される前の翼5を示す側面図である。図10では、側板7の図示は省略されている。特に説明しない本実施形態の構成は、図1乃至図3に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。
本実施形態では、翼5の三次元部5Aは、羽根車1の半径方向において、二次元部5Bの外側に位置している。本実施形態においても、プロジェクション溶接は、翼5の二次元部5Bに対して行われる。一実施形態では、翼5の三次元部5Aは、羽根車1の半径方向において、二次元部5Bの内側および外側に設けられてもよい。
上述した各実施形態に係る羽根車1は、主板3および側板7の両方を有する、いわゆるクローズド形の羽根車であるが、本発明は主板を持ち、側板を持たない、いわゆるセミオープン形の羽根車にも適用することができる。
図12は、上記実施形態に係る羽根車を備えたポンプ装置を示す断面図である。図12に示すポンプ装置は、ポンプ28と、ポンプ28を駆動するための電動機29を備えている。ポンプ28は、回転軸30と、回転軸30に固定された複数の羽根車1と、羽根車1が収容されたケーシング35とを備えている。各羽根車1は、上述した実施形態のうちのいずれか1つの羽根車である。回転軸30は、電動機29に連結されている。電動機29により回転軸30が回転されると、羽根車1は回転軸30とともに回転される。
ケーシング35は、内ケーシング35Aと外ケーシング35Bとを備えている。内ケーシング35Aは外ケーシング35B内に配置されており、内ケーシング35Aの外面は外ケーシング35Bによって覆われている。内ケーシング35Aの吸込側開口は、吸込ポート40に連結されており、外ケーシング35Bの吐出側開口は吐出ポート41に連結されている。羽根車1の裏側には戻り羽根46が配置されている。
羽根車1の回転に伴い、液体は吸込ポート40を通じて羽根車1に吸い込まれる。羽根車1の外周から流出した液体は、戻り羽根46によって次段の羽根車1に導かれる。最終段の羽根車1を出た液体は、内ケーシング35Aの端部に形成された複数の連通孔50を通じて外ケーシング35B内に流入する。液体は外ケーシング35Bの内面と内ケーシング35Aの外面との間に形成された流路51を通って吐出ポート41に向かい、吐出ポート41を通ってポンプ装置の外部に吐き出される。
ケーシング35の吐出側開口端はケーシングカバー52で塞がれている。ケーシングカバー52には、メカニカルシール55が固定されている。メカニカルシール55は、ケーシングカバー52と回転軸30との間の隙間を封止する軸シールである。羽根車1の回転によって昇圧された液体の漏洩は、メカニカルシール55によって防止される。
本実施形態では、羽根車1、内ケーシング35A、外ケーシング35Bのそれぞれは、プレス加工された金属板の組立体である。より具体的には、金属の板をプレス加工することにより、羽根車1、内ケーシング35A、外ケーシング35Bの各部品が成形され、これら部品を組み立てることで羽根車1、内ケーシング35A、外ケーシング35Bが形成される。金属板の材料として金属は、ステンレス鋼などの耐腐食性のある金属である。本実施形態に係るポンプ28は、複数の羽根車1を備えた多段ポンプである。一実施形態では、ポンプ28は、1つの羽根車1を備えた単段ポンプであってもよい。
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
1 羽根車
3 主板
5 翼
5A 三次元部
5B 二次元部
7 側板
10 第1溶接部
11 第2溶接部
14 突起
15 突起
20 第3溶接部
22 スポット領域
28 ポンプ
29 電動機
30 回転軸
35 ケーシング
35A 内ケーシング
35B 外ケーシング
40 吸込ポート
41 吐出ポート
46 戻り羽根
50 連通孔
51 流路
52 ケーシングカバー
55 メカニカルシール

Claims (9)

  1. ポンプに使用される羽根車であって、
    金属板からなる主板と、
    金属板からなる複数の翼を備え、
    前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有し、
    前記三次元部は、前記羽根車の半径方向において、前記二次元部の内側または外側に位置しており、
    前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された複数の第1溶接部により前記主板に固定されており、
    前記主板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第1溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である、羽根車。
  2. 前記羽根車は、金属板からなる、流体入口を有した側板をさらに備えており、
    前記二次元部は、プロジェクション溶接により形成された複数の第2溶接部により前記側板に固定されており、
    前記側板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第2溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である、請求項1に記載の羽根車。
  3. 前記翼の長手方向に沿った前記二次元部の長さは、前記翼の長手方向に沿った前記三次元部の長さよりも大きい、請求項1または2に記載の羽根車。
  4. 前記主板に接続される前記翼の縁部の内側端部と、最も内側にある第1溶接部との間にある前記三次元部の一部は、レーザースポット溶接によって形成された第3溶接部により前記主板に固定されている、請求項1または2に記載の羽根車。
  5. 請求項1乃至のいずれか一項に記載の羽根車と、
    前記羽根車が固定された回転軸と、
    前記羽根車を収容するケーシングを備えたポンプ。
  6. ポンプに使用される羽根車の製造方法であって、
    主板および複数の翼をそれぞれ金属板から作成し、前記複数の翼のそれぞれは、前記羽根車の回転軸線に対して傾斜した表面を持つ三次元部と、前記羽根車の回転軸線と平行な表面を持つ二次元部を有しており、前記三次元部は、前記羽根車の半径方向において、前記二次元部の内側または外側に位置しており、
    プロジェクション溶接により複数の第1溶接部を前記二次元部と前記主板との接続部に形成し、前記複数の第1溶接部により前記二次元部を前記主板に接合し、前記主板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第1溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である、方法。
  7. 流体入口を有する側板を金属板から作成し、
    プロジェクション溶接により複数の第2溶接部を前記二次元部と前記側板との接続部に形成し、前記複数の第2溶接部により前記二次元部を前記側板に接合する工程をさらに含み、前記側板に接続される前記翼の縁部の全体の長さに対する、前記縁部の内側端部から最も内側にある第2溶接部までの距離の割合は、25%よりも大きく、かつ43%以下である、請求項に記載の方法。
  8. プロジェクション溶接により前記二次元部を前記主板に接合する前記工程と、プロジェクション溶接により前記二次元部を前記側板に接合する前記工程は同時に行われる、請求項に記載の方法。
  9. 前記主板に接続される前記翼の縁部の内側端部と、最も内側にある第1溶接部との間にある前記三次元部の一部に、レーザースポット溶接によって第3溶接部を形成し、前記第3溶接部により前記三次元部の一部を前記主板に接合する工程をさらに含む、請求項乃至のいずれか一項に記載の方法。
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