TWI717849B - 離心式泵浦之3維塑膠葉輪之製造方法及其結構 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種使用模具成型生產離心式泵浦之3維塑膠葉輪的製造方法及其構造，包含一扭曲葉片模具與一葉輪出口模具，該扭曲葉片模具用以成型該葉輪的各葉片之扭曲葉片，該葉輪出口模具用以成型各葉片的後端部與該葉輪的環形外後蓋板及該葉輪的環形外前蓋板，使環形外後蓋板、環形外前蓋板與該些葉片於同一成型步驟一次性地成型為一體。

Description

離心式泵浦之3維塑膠葉輪之製造方法及其結構

本發明係關於一種泵浦葉輪的製造方法，特別是一種針對工程塑膠材質的泵浦葉輪的製造方法，適合應用於具有高效率3維流道的塑膠葉輪的生產，可採用射出成型或移轉成型等方法，並可解決傳統2維葉輪容易生產卻低效率的問題。

節約能源與減少二氧化碳排放的議題被各國所重視，提升動力機械設備效率也成為各業者努力的方向，國際能源總署(International Energy Agency, IEA)統計，泵浦用電量約佔馬達用電的19%，且自2015年起，歐盟規定水泵的最小能效指標(Minimum Efficiency Index，MEI)須大於或等於0.4，因此業者無不致力於開發高效率泵浦，但同時也必須考慮到生產經濟性。

參考文獻1，Paul Cooper所著並由McGRAW-HILL於2001年發行之”PUMP HANDBOOK”的第三版2.1節(Centrifugal pump theory)、其圖9(Optimum geometry as a function of BEP specific speed)及圖10(Efficiency of centrifugal pumps versus specific speed)，說明了在泵浦產業普遍使用的參數，稱為比轉速(specific speed)的定義如下：

，該文獻中也提到泵浦葉輪幾何、操作區域(流量Q，揚程H)的關係，離心式泵浦比轉速大約落在 380~1750

之間，比轉速愈大的葉輪，葉片扭曲的程度愈大，文獻中也提到，二維葉片是典型的低比轉速葉片，且二維葉片在軸向(z軸)各個位置均有相同線形(shape)，所以葉片上緣曲線(shroud edge)與下緣曲線(hub edge)將會重疊，反之，3維葉片上緣曲線(shroud edge)與下緣曲線(hub edge)會有不同線形(shape)及葉片角(blade angle)。

該參考文獻1之圖19(conformal transformation of blade shape)說明了由葉片流線展開圖是由保角變換方法(conformal transformation method)繪製，可以明確地定義出不同流線由出口到入口間在流線座標

上的葉片角(blade angle)變化，可以看出葉片出口角度相同，但愈靠近入口端，上緣曲線(shroud edge)與下緣曲線(hub edge)的葉片角(blade angle)差異愈大，葉片扭曲愈大。

離心式葉輪(centrifugal impeller)是轉動流體機械的一個重要元件，可用於輸送含液體或氣體的流體，可應用於風機(wind turbine)或泵浦(pump)。泵浦的離心式葉輪被安裝於渦卷泵殼(volute)內，流體由渦卷泵殼的入口流入，並從葉輪的軸心的入口處軸向地進入葉輪。葉輪的內部具有複數個由弧形的葉片(blade)所構成的徑向或斜向的葉片流道(blade flow channel)。轉軸驅動葉輪旋轉，並藉由離心力(centrifugal force)與科氏力(Coriolis Force)將機械能經由這些葉片傳遞給流體，以提高流體的流速與壓力。隨著葉片的導引，流體的運動方向從軸向轉成徑向，且流體在離開葉片流道後進入渦卷泵殼的渦卷流道，其高速動能經由渦卷流道的擴散回收為靜壓，並從渦卷泵殼的出口排出。

在軸向方向上，離心式葉輪的葉片的前後分別設置有前蓋板(shroud)與後蓋板(hub)，用以限制流體於葉片流道中的流動。後蓋板是直接連結轉軸，以將軸動力傳遞給葉片。前蓋板是用來限制流體的流動，還可增加葉片的整體強度及承擔渦卷泵殼內側與葉片流道之間的壓差。

一般離心式泵浦可搭載開放式葉輪、半開放式葉輪或封閉式葉輪等。開放式葉輪中沒有設置前蓋板，且僅保留部分的後蓋板來連結葉片與轉軸，葉輪安裝在泵殼前壁面與後壁面之間，主要依賴葉輪與泵殼前壁面與後壁面之間的間隙來控制流場。半開放式葉輪中同樣沒有設置前蓋板，但具有完整的後蓋板來連結葉片與轉軸，主要依賴葉輪與泵殼前壁面的間隙來控制流場。封閉式葉輪中則通常同時具備前蓋板與後蓋板，葉輪流道間沒有間隙具有較高的效率，且前蓋板、後蓋板與葉片通常製成一體，以提供足夠的機械強度及有效隔離各葉片流道的液體。

於此，請參閱圖1A、圖1B與圖1C，其中圖1A繪示一個具有二維葉片的傳統葉輪的側剖示意圖，圖1B繪示圖1A之葉輪的上視示意圖，而圖1C繪示圖1A之二維葉片的流線展開圖。需先說明的是，由於葉輪為轉動式機械元件，故通常使用圓柱座標來描述葉輪的幾何形狀，如圖1A所示，由軸方向剖切葉輪的表面稱為r_z面或子午面(meridional)，可以描述流體自葉輪入口進入葉輪後由軸向轉至徑向的流道的幾何形狀，也可以描述流體在前蓋板11與後蓋板12之間的流道的幾何形狀，而在圖1B中的r_θ面為與軸心面垂直的投影面，前蓋板11具有一內表面111，內表面111在r_z面上的構成元素(surface element)為平行於r軸的直線，換句話說，內表面111為一個2維的圓盤平面；後蓋板12具有一內表面121，內表面121在r_z面的構成元素為非平形於r軸的直線，而使內表面121呈一圓錐面。

於圖1A中，葉片13介於前蓋板11與後蓋板12之間，前蓋板11到後蓋板12的距離稱為子午寬度(meridional width)131，而子午寬度131的變化是由葉片13最寬的入口寬度B11逐漸縮小到葉片13最窄的出口寬度B12，在r_z面(子午面)座標上葉片13的入口有葉片前緣(leading edge)132，葉片13在結合前蓋板11的一側有上緣曲線(shroud edge)134，葉片13在結合後蓋板12的一側有下緣曲線(hub edge)135，弧形的葉片13的出口側有後緣(trailing edge)136，而上緣曲線134與下緣曲線135中間還具有一中間曲線(mean)138。於圖1B中，從r_θ面座標的角度來看，上緣曲線134與下緣曲線135完全重疊，兩個葉片13之間可具有一扇形流道寬度(sector width)137，而扇形流道寬度137的變化自葉片13的入口至出口隨半徑增大而增大。於圖1C的流線展開圖中，縱座標為流線座標

，[

]，代表r_z面從m=0之上緣曲線134、中間曲線(mean)138與下緣曲線135的長度，橫坐標為∫rdθ代表從∫rdθ=0之上緣曲線134、中間曲線(mean)138與下緣曲線135在r_θ面投影之的圓周長度。由於圖1B已清楚看到二維的葉片13的上緣曲線134與下緣曲線135完全重疊，因此各流線葉片角β，tanβ=dm/rdθ，完全相同，且也與r_θ面座標上看葉片13的角度相同。

於圖1D中，習知的2維塑膠葉輪的製造方法係採用葉片與後蓋板一體成型，成型方法係採用簡單的固定模與可動模方式即可輕易成型，再與前蓋板利用熱融或熔接柱組合成一完整葉輪。

考量流體從泵浦吸入口輸送進入葉輪後是由軸向流動轉為徑向流動及圓周運動，為了使離心式葉輪達到高效率，吸入口段的葉片形狀必須為2.5維或3維曲面，或稱之為扭曲葉片。2.5維葉片因葉片角度比較符合流場的需求因而其效率遠高於2維葉片，但是，仍然只有具有3維曲面的葉片才能完全符合流場的需求，達到真正高效率的目標。於此，請參閱圖2A、圖2B與圖2C，其中圖2A繪示一個沒有上蓋板且具有3維葉片的傳統葉輪的側剖示意圖，圖2B繪示圖2A之葉輪的上視示意圖，而圖2C繪示圖2A之3維葉片的流線展開圖，在圖2B中，葉片曲面構成元素為弧線稱為3維曲面，若葉片曲面構成元素為直線則稱為2.5維曲面。相較於前述二維的葉片，圖2A中的葉片23設置於後蓋板22上，葉片23的子午寬度231的變化是由葉片23最寬的入口寬度B21逐漸縮小到葉片23最窄的出口寬度B22，後蓋板22具有一內表面221，內表面221在r_z面上的構成元素為弧線，使得內表面221呈內凸錐面；在此情況下，成型此類的葉輪時，模具的流道滑塊必須要分拆成多組，否則葉輪成型後流道滑塊將無法取出，尤其是在葉片之入口寬度B21處最難以將流道滑塊取出。

在r_z面(子午面)座標上葉片23的入口有葉片前緣232，葉片23在遠離後蓋板22的一側有上緣曲線234，葉片23在結合後蓋板22的一側有下緣曲線235，弧形的葉片23的出口側有葉片後緣236，而上緣曲線234與下緣曲線235中間還具有一中間曲線238。於圖2B中，從r_θ面座標的角度來看，兩個葉片23之間可具有一扇形流道寬度237，但上緣曲線234與下緣曲線235之間並不重疊，特別是葉片前緣232附近的葉片23具有3維扭曲葉片(twisted blade portion)233，扭曲葉片233成弧形並往入口軸向延伸，而越靠近葉片出口的上緣曲線234與下緣曲線235逐漸趨近於彼此。於圖2C的流線展開圖中，β角代表葉片23的三度空間角度，在葉片入口位置(m靠近100%處)，上緣曲線234與下緣曲線235有不同的β角，因此弧形的葉片前緣232橫跨在二條曲線之間而構成曲線元素(curve line element)239a，為平行於葉片前緣232的弧線，在葉片出口處上緣曲線234與下緣曲線235逐漸接近，而曲線元素239a也逐漸由弧線變成直線，習知技術稱這樣的結構為3維葉片曲面239。

參閱圖2D，3維葉片的上緣曲線234與下緣曲線235係由複數個圓弧線銜接構成，每一個圓弧的圓心位置不同且半徑也不同，在扇形流道寬度237之模具滑塊由徑向取出時，會與成型的葉片23產生干涉。

參閱圖3A、圖3B與圖3C，其中圖3A繪示一個沒有上蓋板且具有2.5維葉片曲面的傳統葉輪的側剖示意圖，圖3B繪示圖3A之葉輪的上視示意圖，而圖3C繪示圖3A之2.5維葉片的流線展開圖。圖3A中的葉片33設置於後蓋板32上，葉片33的子午寬度331的變化是由葉片33最寬的入口寬度B31逐漸縮小到葉片33最窄的出口寬度B32，後蓋板32具有一內表面321，內表面321在r_z面上的構成元素為弧線，使得內表面321呈內凸錐面，在r_z面(子午面)座標上葉片33的入口有葉片前緣332，葉片33在遠離後蓋板32的一側有上緣曲線334，葉片33在結合後蓋板32的一側有下緣曲線335，弧形的葉片33的出口側有後緣336，而上緣曲線334與下緣曲線335中間還具有一中間曲線338。於圖3B中，從r_θ面座標的角度來看，兩個葉片33之間可具有一扇形流道寬度337，上緣曲線334與下緣曲線335之間並不重疊，特別是葉片前緣332附近的葉片33具有2.5維扭曲葉片333，呈直線並往入口軸向延伸。在葉片33的入口位置，直線的葉片前緣332橫跨在上緣曲線334與下緣曲線335之間而構成葉片曲面339，葉片曲面339是由直線元素339b所構成，習知技術稱這樣的結構為2.5維葉片曲面。

習知技術在製造2.5維葉輪時係採用前蓋板與葉片一體成型，模具於扇形流道之滑塊係沿著葉片曲面的直線元素方向分拆，不會有干涉問題，前蓋板與葉片成型後再利用熱融或熔接柱與後蓋板組合成一完整葉輪，但2.5維葉片的上緣曲線334與下緣曲線335係由複數個曲線銜接構成，因此扇形流道寬度337處之模具滑塊由徑向分拆時仍會與成型後之葉片產生干涉，但3維的扭曲葉片的葉片曲面係由曲線元素構成，扇形流道寬度337處之模具滑塊若沿著葉片曲面的曲線元素方向分拆，仍然會與葉片產生干涉，因此無法採用相同模式成型，況且後蓋板為動力傳動元件，雖然可利用熱融或熔接柱與葉片組合，但仍非於單一製程中一體成型，故後蓋板與葉片之間還是存有接縫或結構上的不連續性，導致結構強度較弱成型而無法承受高溫(例如200℃)及高負荷條件。

綜上所述，高效率的塑膠葉輪必須具有前蓋板、後蓋板與3維的扭曲葉片，並且必須克服製造成型的困難點。

此外，傳統上金屬材質的泵浦要製成具有前蓋板與後蓋板的3維曲面葉片，一般是採用消失模的鑄造工藝或使用鈑金件製成各種零件後再焊接為一體，目前已是相當成熟的技術。而傳統上塑膠材質的泵浦要製成封閉式3維葉片則有以下幾種習知技術：

1.使用5軸加工機器，將一整塊塑膠實體雕刻成具有3維葉片曲面的葉輪，然此方法會造成大量的材料浪費及高昂的加工成本，流道寬度狹小或葉片具有高度扭曲形狀等情況都不適宜採取這樣的加工方式；

2.使用5軸加工機器，將一整塊塑膠實體雕刻成具有2.5維葉片曲面的葉輪，雖然較前一種方式可方便地使用銑刀腹加工(flank milling)，但這樣的加工方法還是會造成大量的材料浪費及高昂的加工成本，並且，葉片曲面的直線元素降低了葉片的扭曲程度，同時也降低了泵浦的效率，因此仍無法完全滿足流場需求；

3.將葉輪之前蓋板、複數個葉片及後蓋板等三個部分各別使用模具成型生產後，再利用超音波或熱熔接等方式組裝一體，但此加工方法的葉片、前蓋板與後蓋板並非於單一製程中一體成型，元件之間存有接縫或結構上的不連續性，導致結構強度較弱，容易在高工作溫度(如約200℃)或高負荷的應用場合中損壞；

4.將整組葉輪扭曲葉片分成兩組，在前蓋板與後蓋板上分別有部分葉片一體生產，多數葉片是偶數各分拆一半，再利用超音波或熔接組合為葉輪，此種方式雖然增加了葉片間的扇形流道寬度(sector width)空間，但葉片前緣(leading edge)的扭曲葉片無法直接以軸向或徑向脫模，仍然需要滑塊脫模機構，且如此設計有一半葉片數僅靠超音波或熱熔方式連結，仍然存在結構強度弱，對於高溫(例如200℃)、高負荷的應用場合容易損壞的問題；

5.採用二維的葉片幾何取代3維的扭曲葉片，以用簡單的圓弧線取代具變化的的流場流線，藉此，得以讓模具滑塊被順利取出，但二維葉片的泵浦性能低，反而使效率降低而無法滿足歐盟的泵浦能效要求；

6.另有業者採用消失模的方式成型葉輪，但消失模無法重複使用，且必須額外使用化學藥劑或加熱使消失模模芯分解，導致製造工序繁複並增加成本，不符經濟生產需求；

7.還有業者將流道中的模具滑塊分層，改為由複數個滑塊組成一組流道模具滑塊的方式，使得模具滑塊可依序從流道取出。過程中，後取出的模具滑塊可利用先取出的模具滑塊所讓出的空間而無阻礙地取出，但此方法僅適用於流道寬度較大、流量大且揚程較低，中高比速率的泵浦機型，這類的泵浦機型才具有足夠空間將模具滑塊分層，此外，此方法的脫模工序繁複，且退模的機構設計複雜，反而增加生產成本。

以下，列舉一些關於葉輪製造的現有公開的參考文獻。

參考文獻2(中國專利CN 103128974 A)

參考文獻2有關於一種塑料閉式葉輪的生產工藝，指出習知技術為了容易脫模，泵浦葉輪葉片採用單圓弧會使葉輪的效率降低，封閉式葉輪採用雙圓弧葉片雖然可以提高效率，卻無法抽掉葉輪模具的塞片，壓製不出葉輪，無法生產一體成型的葉輪。參考文獻2提出將前蓋板與後蓋板分兩套模具生產，再使用塑料螺絲組合，但參考文獻2並未提到如何生產3維扭曲葉片，參考文獻2的圖示也顯示其葉片模具為軸向單方向脫模分離，僅適用於二維葉片，參考文獻2也未說明使用塑料螺絲組合葉片取代一體成型的可靠度，是否能應用於高溫、高負荷場合。

參考文獻3(中國專利CN 104131995 A)

參考文獻3有關於一種水泵葉輪的製造方法及水泵，提出以一動模及一靜模使用注塑或壓鑄或擠壓方式製造出葉輪，但參考文獻3指出由於不使用模具滑塊，故在葉輪的後蓋板會形成缺口，此缺口會影響效率。若使用嵌件填滿葉輪後蓋板上的缺口，可以提高效率，但參考文獻3中葉輪功率的傳遞是藉由軸心施加扭矩於軸孔及後蓋板，由於後蓋板存在極大的缺口，僅剩靠近軸孔處少量面積，後蓋板與葉片連結需具備泵浦功率傳遞之機械結構強度，參考文獻3圖式顯示後蓋板與葉片連結位置在軸孔邊屬於半徑小的區域，需要承受較大扭矩負荷，且後蓋板面積需限制於葉輪吸入口範圍內才能脫模，如此將會使參考文獻3僅適用於較大流量，較低揚程(中高比轉速)的離心泵。

參考文獻4(中國專利CN 105179304 A)

參考文獻4有關於一種塑料防腐耐磨泵及其葉輪的成型模具，指出塑料離心泵效率普遍比金屬泵要低，主要是因為高效率的離心泵葉輪，要求葉輪流道的軸向和徑向都要有符合水力模型的扭曲度，塑料葉輪在習之壓模技術中，模具難以從扭曲度很大的流道中脫出來，而採用鑄造工藝成型的金屬葉輪，型塊可以用擊碎的方式脫出。參考文獻4提出了一種葉輪模具可以生產出塑料3維扭曲葉片，但參考文獻4提出的葉輪流道滑塊(型塊)分為三組，必須依序取出，這會造成脫模工程繁複，生產成本提高，且難以設計自動脫模機構，無法符合經濟生產需求。

參考文獻5(中國專利CN 107471547 A)

參考文獻5有關於製造離心葉輪的模具，係針對離心式風機的葉輪提出一種模具機構設計，將葉輪流道內滑塊(模芯)分成兩組，利用聯動機構設計使之可以生產出在r_z面具有寬度變化的葉輪，但一般離心式風機葉片長度較泵葉片長度短，參考文獻5圖式也顯示其實施例為二維葉片，參考文獻5也提到葉輪流道內滑塊(模芯)退模與進模路徑為直線，顯示其模具機構適合的葉片設計並不適用於離心式泵需要的3維扭曲葉片。

參考文獻6(中國專利CN 107092763 A)

參考文獻6有關於具有可鑄造性的透平機械葉輪的3維設計，參考文獻6說明了各種轉動流體機械提高效率的重要方法之一就是的葉輪的3維設計，但必須設計出可以適合生產的流道幾何，參考文獻6對於金屬鑄造的3維葉輪提出一種兼顧製造可行性評估的設計方法，但參考文獻6並未對適合射出成型或移轉成型的塑膠泵浦葉輪提出製造方案或對策。

參考文獻7(中國專利CN 202209308 U)

參考文獻7有關於一種高效的全三元葉輪，參考文獻7提出一種3維葉輪的設計，用以提高效率，但參考文獻7內容說明該新型葉輪設計系使用鋁合金材質，參考文獻7圖式顯示其葉輪為半開放方式葉輪，應用於風機，參考文獻7並未針對製造方式提出說明。

參考文獻8(中國專利CN 203009383 U)

參考文獻8有關於一種小流量閉式全銑製三元葉輪，屬於離心壓縮機技術領域，參考文獻8提出在葉輪前蓋板上增加一環型槽，配合葉輪進口及出口，用機械加工方式製造出葉輪，可以免除使用焊接或卯接等方式組合葉輪，但使用機械加工方式雕刻葉片流道會有製造成本過高的問題，參考文獻8也並未對生產經濟性提出說明，且前蓋板上之環型槽會對流道內的流動形成干擾，降低葉輪效率。

參考文獻9(中國專利CN 206753985 U)

參考文獻9有關於一種閉式葉輪，參考文獻9提出了一種組合前蓋板與葉輪的方法，通過燕尾槽及限位塊的機構設計增加軸方向的固定，防止運轉鬆脫，參考文獻9並未說明標的物的材質及3維葉片流道的生產方式。

參考文獻10(專利WO2007/046565 A1)

參考文獻10針對汽車冷卻循環用泵浦葉輪提出一體射出成型對策，參考文獻10提到一體射出成型葉輪可以提高葉片效率並且提高葉輪可靠度，但參考文獻10圖式顯示其葉片為二維葉片，專利內容並未對於3維葉片流道的塑膠葉輪生產方式說明。

參考文獻 11(中國專利CN 102264525 A)

參考文獻11有關於泵葉輪的噴鑄方法以及泵葉輪，參考文獻11指出由於葉輪的流道會出現側凹，即靠近葉輪入口側有側彎與泵入口銜接，而側凹會阻礙沿流道徑方向取出模芯，習用技術必須借助於消失模芯，或組裝多部件以組成葉輪，為降低成本，參考文獻11提出一種將離心泵葉輪的流道中的模具滑塊取出的方法，模具滑塊可重複使用取代消失模芯，先由徑向取出一部分模芯，使葉輪的流道讓出空間，再依序取出具有側凹的模芯，參考文獻11甚至提出一種優化的實施例，藉由設計一組連動機構讓數個模芯一起取出，但若無設計自動脫模機構，採用人工脫模，會造成脫模工程繁複，生產成本提高，無法符合經濟生產需求，若採用參考文獻11所提出連動機構，則必須要有足夠的流道空間，特別是軸向寬度，用以設計導引路徑，離心泵的葉輪流道及出口軸向寬度會依泵浦型式而不同，通常屬於流量小，揚程高(低比轉速)的機型具有較小出口寬度，甚至僅有數毫米，無法將模芯分成數組，也無法設計導引機構，對流量大，揚程低(中高比轉速)的機型，葉片扭曲大才能達到較高效率，模芯必須在軸向分割及子午面分割，模芯數量會增加，退模機構設計困難度也會增加。

參考文獻 12(專利WO2014/139578 A1)

參考文獻12有關於一種泵浦專為輸送含有雜質顆粒的液體，例如含砂粒的水，此類液體會造成葉輪磨損，因此需要選用耐磨耗的葉輪材質，參考文獻12選用較軟的材質，例如橡膠，作為葉輪接液材質用以抵抗磨耗，同時利用橡膠類材質具彈性容易變形的特型讓葉輪流道中的模具滑塊容易取出，但本參考文獻12限定葉輪材質為彈性率高的橡膠類材質的同時也限定了泵浦的應用範圍，特別是高溫(例如200℃)、高負荷操作條件，塑膠泵浦的接液材質通常必須使用氟塑膠，且無軸封泵浦的葉輪必須具備抵抗軸推力負荷的機械強度且必須與泵殼吸入口側保持接觸摩擦或極小間隙以減少內部洩漏損失，橡膠類製成的葉輪使用溫度視材質而定，一般無法達200℃，且因為彈性率高，在應用中為傳遞功率也會產生變形，無法滿足無軸封泵浦應用條件。

參考文獻 13(台灣專利TW 201640027 A)

參考文獻13有關於用於流體操作式泵浦之離心式葉輪以及該葉輪之製造方法，參考文獻13將葉輪分成兩組，前蓋板與一半葉片數，後蓋板與一半葉片數，並利用定位孔與超音波結合前後蓋板與葉片，此方式僅增加葉片間生產模具空間，但參考文獻13中並未說明葉輪中央吸水口的葉片扭曲段如何使模具與葉片成品脫模分離，且參考文獻13中的葉輪仍有一半數量的葉片並未與負責動力傳遞的後蓋板一體連接，僅藉由超音波熔接或化學膠、螺絲等方式組合，也就是參考文獻13實施例中的葉輪將有一半的葉輪負荷僅藉由接觸面積極小的葉片與蓋板連接組合方式傳遞，對於塑膠材質於高溫(例如200℃)、高負荷下存在機械強度結構問題，參考文獻13並未對此類應用場合的可靠度提出說明。

參考文獻 14(美國專利 US 2018/0243955A1)

參考文獻14有關於一種葉輪製造方法，使用射出成型方法，但葉輪的扭曲葉片於模具中位於後蓋板外緣，與後蓋板僅有一小部分連結，不與後蓋板有重疊，故不需模具滑塊，待射出後再將葉片折轉與後蓋板卡住連結組合成葉輪，參考文獻14雖然讓葉片形狀不受限制的生產，可以產生較好的葉輪效率，但參考文獻14提出的葉片連結後蓋板方式無法使葉輪承受高扭矩負荷，故僅適用於小功率設備，參考文獻14內容也說明其技術領域屬於汽車冷卻風扇等小功率的應用。

參考文獻 15(美國專利 US 10016808 B2)

參考文獻15有關於一種消失模模芯的構造用以生產金屬或塑膠材質的3維扭曲葉輪，消失模模芯於葉輪灌注或射出成型完成後再使用化學藥劑或熱使消失模模芯分解，製造工序繁複且成本高，不符經濟生產需求。

參考文獻 16(歐洲專利 EP 0734834A1)

參考文獻 16有關於封閉式塑膠葉輪的模具結構，用以生產一體成型葉輪，利用上下兩片組合由徑向抽取的滑塊模芯及模具機構，並利用射出成型方法生產葉輪，但參考文獻 16未使用軸向分離的模具，故無法製造3維扭曲葉片，參考文獻 16圖式也顯示葉輪為二維構造，因此難以達到高效率需求。

本發明係提出一種可以使用模具成型生產離心式泵浦之3維塑膠葉輪的製造方法，葉輪之後蓋板包含環形外後蓋板與內後蓋板，環形外後蓋板具有一第一通孔，葉輪之前蓋板包含環形外前蓋板與內前蓋板，環形外前蓋板具有一第二通孔，各葉片之前端部為扭曲葉片並位於環形外後蓋板之第一通孔與環形外前蓋板之第二通孔之間，環形外前蓋板具有一內表面，其在r_z面上的構成元素可為弧線；環形外後蓋板具有一內表面，其在r_z面上的構成元素可為弧線。製造方法係利用扭曲葉片模具與葉輪出口模具來實現，扭曲葉片模具可以通過第一通孔與第二通孔，以簡單的固定模與可動模成型的方法來成型出葉片之扭曲葉片，扭曲葉片在前蓋板與後蓋板的中心部分成環狀排列並在第一通孔與第二通孔之間懸空成型，扭曲葉片成型後的退模困難度大幅降低；同時，利用葉輪出口模具來一體成型葉片除扭曲葉片以外的其餘部分，包含承受動力傳遞的環形外後蓋板；環形外前蓋板的第二通孔、環形外後蓋板的第一通孔可使用其他補充零件(如內前蓋板與內後蓋板)來補齊，這些補充零件均可以用簡單模具成型，再利用熱融或熔接柱組合於環形外後蓋板與環形外前蓋板上而構成一完整的葉輪，其中扭矩傳遞可經由環形外後蓋板直接傳遞到承受負荷的葉片。

本發明係提出一種可以使用模具成型生產的離心式泵浦之3維塑膠葉輪，各葉片包含彼此相連的一前端部以及一後端部，前端部包含第一上緣曲線與第一下緣曲線，後端部包含一第二上緣曲線與第二下緣曲線，各葉片前端部即前述的扭曲葉片，後蓋板包含一環形外後蓋板與一內後蓋板，環形外後蓋板具有一第一通孔；前蓋板包含一環形外前蓋板與一內前蓋板，環形外前蓋板具有一第二通孔；各葉片之前端部位於環形外後蓋板之第一通孔與環形外前蓋板之第二通孔之間；各葉片的後端部與環形外後蓋板及環形外前蓋板於同一成型步驟一次性地成型為一體。環形外後蓋板用於傳遞扭矩到這些葉片。內前蓋板安裝於第二通孔，內後蓋板安裝於第一通孔，以接合各葉片之前端部，從而與葉片、環形外後蓋板及環形外前蓋板共同構成一完整的葉輪。

本發明之一種塑膠離心式葉輪結構改良，主要目的在於提供可以使用模具大量生產降低製造成本，使離心式葉片以3維曲面幾何達到高效率性能，並能適用於高溫(例如200℃)、高負荷操作條件。

本發明的離心式葉輪成型時，後蓋板之環形外後蓋板在葉輪後端部與每一葉片為一起成型，使得扭矩傳遞可確實地經由後蓋板之環形外後蓋板傳遞到所有的葉片上。

在葉片上之第二上緣曲線與第二下緣曲線的葉片角不同因此於葉片的流線展開圖沒有重疊，在此情況下，可利用二片滑塊模具芯子徑向依序抽出退模，或者把r-z面的環形外前蓋板跟環形外後蓋板設計成互為平行，葉輪出口模具就可以用單一簡易滑塊由徑向滑出。

在葉片上之第二上緣曲線與第二下緣曲線重疊時，葉輪出口模具可以不使用滑塊模具而直接成型，再利用熱融或熔接柱與前蓋板及內後蓋板組裝結合為一完整的3維塑膠葉輪，因為前蓋板只承擔流體的壓力差並提供葉輪成型後的整體強度，所以前蓋板不會有因高溫高負荷而鬆脫的問題。

大致上，生產葉輪的模具分為2個組件，第一組件是扭曲葉片模具，用來成型葉輪入口處的3維扭曲葉片，扭曲葉片模具可具有固定模與可動模，固定模與可動模可沿軸向從環形外前蓋板跟環形外後蓋板之第一與第二通孔朝相反方向抽出退模；第二組件是葉輪出口模具，用來成型葉輪的外側流道，具有與外側流道相同數目的滑塊或滑塊組，這些滑塊或滑塊組可沿徑向方向從流道曲線抽出退模。環狀的環形外前蓋板跟環形外後蓋板及每一葉片於同一成型步驟一次性地成型為一體，或者是僅葉片與外後蓋板成型於同一成型步驟一次性地成型為一體。

本發明所揭露的離心式泵浦之3維塑膠葉輪之製造方法及其結構，至少可達到以下效果：1. 各部件均可使用模具生產，且可使用機器自動脫模，具生產價值；2.扭曲葉片可採取固定模與可動模脫模分離的方式製成，而3維扭曲的葉片幾何有助於提高泵浦性能；3.葉片與環形外後蓋板以單一製程步驟一體成型，具有較高的結構強度，後蓋板直接傳遞扭矩到葉片，有助於讓葉輪在高工作溫度(如約200℃)下或高負荷的應用場合中運行而不易損壞。

以上之關於本發明揭露內容之說明及以下之實施方式之說明，係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者，瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

此外，以下將以圖式揭露本發明之實施例，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到的是，這些實務上的細節非用以限制本發明。

並且，為達圖面整潔之目的，一些習知慣用的結構與元件在圖式可能會以簡單示意的方式繪示之。另外，本案之圖式中部份的特徵可能會略為放大或改變其比例或尺寸，以達到便於理解與觀看本發明之技術特徵的目的，但這並非用於限定本發明。依照本發明所揭露之內容所製造之產品的實際尺寸與規格應是可依據生產時的需求、產品本身的特性、及搭配本發明如下所揭露之內容據以調整，於此先聲明之。

第一實施例

首先，請參閱圖4A~圖4C及圖5，圖4A係為本發明之第一實施例之葉輪5的側剖示意圖，圖4B繪示圖4A之葉輪5的上視示意圖，圖4C繪示圖4A之葉片53的流線展開圖，而圖5係為本發明第一實施例之葉輪5的組合剖面示意圖。本實施例係提出一種是用於離心式泵浦且具有3維流道的塑膠葉輪5。

於本實施例中，葉輪5包括複數個葉片53、一環形外後蓋板(hub rim part)521、一內後蓋板(rear inner plate)522、一環形外前蓋板(shroud rim part)511以及一內前蓋板(front inner plate)512。其中，如圖5所示，環形外前蓋板511與內前蓋板512可共同構成一前蓋板(shroud)51，而環形外後蓋板521與內後蓋板522可共同構成一後蓋板(hub)52，此外，如圖4A或圖4F所示，環形外前蓋板511具有一內表面5111，其在r_z面上的構成元素為弧線；環形外後蓋板521具有一內表面5211，其在r_z面上的構成元素為平行於r軸的直線且構成一平面，換句話說，內表面5211為一個2維的圓盤平面。

進一步來看，如圖4A或圖4B所示，環形外後蓋板521具有一第一通孔5210，環形外前蓋板511具有一第二通孔5110，各葉片53至少部分懸置於環形外前蓋板511之第二通孔5110以及環形外後蓋板521之第一通孔5210之間。

詳細來說，針對葉片53，在r_z面(子午面(meridional))座標上葉片53靠近吸入口54處定義有葉片前緣(leading edge)532，葉片53在結合環形外前蓋板511的一側定義有上緣曲線(shroud edge)534，葉片53在結合環形外後蓋板521的一側定義有下緣曲線(hub edge)535，葉片53最遠離吸入口54之一側定義有葉片後緣(trailing edge)536，而上緣曲線534與下緣曲線535中間還定義有一中間曲線(mean)538。更進一步來看，於本實施例中，葉片53可包含彼此相連的一前端部530a及一後端部530b，前端部530a是葉片53上較靠近葉片前緣532的部分，後端部530b是葉片53上較靠近葉片後緣536的部分；也可以說，前端部530a是葉片53較靠近吸入口54的部分，而後端部530b是葉片53較遠離吸入口54的部分。並且，於本實施例或其他實施例中，前端部530a的形狀的扭曲程度遠大於後端部530b，因此，前端部530a為葉片53的3維扭曲部(twisted portion)，因而也可稱為扭曲葉片。此外，前端部530a是葉片53位於環形外前蓋板511之第二通孔5110以及環形外後蓋板521之第一通孔5210之間，或者說，葉片53之扭曲葉片位於環形外前蓋板511之第二通孔5110以及環形外後蓋板521之第一通孔5210之間。此外，前端部530a經由後端部530b連接環形外後蓋板521及環形外前蓋板511。

另一方面，葉片53的子午寬度(meridional width)531的變化是由葉片53最寬的葉片入口寬度B51逐漸縮小到葉片53最窄的葉片出口寬度B52。此外，於圖4B中，從r_θ面座標的角度來看，兩個葉片53之間具有一扇形流道寬度(sector width)537，葉片前緣532、上緣曲線534與下緣曲線535之間不重疊。特別地是，如圖4A與4B所示，以葉片53之前端部530a與後端部530b為區分，葉片53之上緣曲線534可包含一第一上緣曲線5341及一第二上緣曲線5342，葉片53之下緣曲線535可包含一第一下緣曲線5351及一第二下緣曲線5352，換句話說，第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351分別是指上緣曲線534與下緣曲線535於前端部530a上的部分，而第二上緣曲線5342與第二下緣曲線5352分別是指上緣曲線534與下緣曲線535於後端部530b上的部分。於本實施例中，上緣曲線534中僅第二上緣曲線5342連接環形外前蓋板511，而下緣曲線535中僅第二下緣曲線5352連接環形外後蓋板521。

於本實施例與其他實施例中，葉片53呈現扭曲狀，因此，葉片53之後端部530b之第二上緣曲線5342與第二下緣曲線5352於葉片的流線展開圖(如圖4C)上不相重疊，且葉片53之前端部530a上的第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351的葉片角不同，因而第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351於葉片53的流線展開圖(如圖4C)上亦不相重疊，且從該流線展開圖來看，前端部530a上的第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351於葉輪5不相重疊的情形更為明顯，因此葉片53之前端部530a相較於後端部530b呈現更高度的扭曲幾何。

具體來說，在圖4C之葉片53的流線展開圖可更清楚看到，葉片出口角度β ₂相同，愈靠近吸入口54(即越靠近葉輪5之軸中心)，上緣曲線534與下緣曲線535的葉片角(blade angle)β差異愈大，這代表葉片扭曲程度愈大，特別是葉片53於葉片前緣532附近具有3維扭曲的前端部530a，因此本實施例之前端部530a不能以徑向滑移的滑塊來生產，而是需要用特殊脫模方式生產，其內容將於後續段落詳述之。

進一步地，請參閱圖4D，繪示本實施例之葉輪所採用的模具的分模簡單示意圖。於本實施例與其他實施例中，用於一次性製成葉輪5的模具可分為兩個單元，如圖所示之扭曲葉片模具M1與葉輪出口模具M2。扭曲葉片模具M1可用以成型位於環形外後蓋板521之第一通孔5210與環形外前蓋板511之第二通孔5110之間的高度扭曲的前端部530a(即扭曲葉片)。詳細來說，扭曲葉片模具M1例如可包含一固定模M11以及一可動模M12，固定模M11與可動模M12相搭配時可用於成型這些葉片53的前端部530a，由於葉片53之上緣曲線534與下緣曲線535於前端部530a處的葉片角的差異程度較大(即葉片53之上緣曲線534與下緣曲線535於前端部530a處從葉片的流線展開圖可看到不相重疊的程度較大)，因此扭曲葉片模具M1之固定模M11與可動模M12的脫模方式是採取分別往軸向相反的方向脫離環形外後蓋板521之第一通孔5210與環形外前蓋板511之第二通孔5110。由於各葉片53之前端部530a(即扭曲葉片)係懸置於環形外前蓋板511之第二通孔5110以及環形外後蓋板521之第一通孔5210之間，所以固定模M11與可動模M12於軸向相反的方向脫離時，不會與葉片53、環形外前蓋板511及環形外後蓋板521有干涉的問題。於此，需聲明的是，本發明並非以圖式中固定模M11與可動模M12的位置與其上的結構為限，例如於其他實施例中，固定模M11與可動模M12的位置與其上的結構也可互換。

另一方面，由於葉片53之上緣曲線534與下緣曲線535於後端部530b處的葉片角的差異程度較小(即葉片53之上緣曲線534與下緣曲線535於後端部530b處從葉片的流線展開圖可看出不相重疊的程度較小)，甚至於一些實施例中，葉片53之上緣曲線534與下緣曲線535於後端部530b處在葉片的流線展開圖可為互相重疊，因此，葉輪出口模具M2可由多組可徑向滑移的滑塊或滑塊組來一體成型葉片53除了前端部530a(即扭曲葉片)以外的其餘部分(如後端部530b)。

如圖4D與圖4E所示，具體來說，於本實施例中，葉輪出口模具M2可包含多組滑塊組，分別用於成型每一流道出口(指葉片53之後端部530b、環形外前蓋板511及環形外後蓋板521之間的空間)，各滑塊組可包含一第一滑塊M21及一第二滑塊M22，第一滑塊M21之至少一部份及第二滑塊M22之至少一部份可配合而成型環形外後蓋板521之內表面5211、環形外前蓋板511之內表面5111及葉片53之後端部530b，其中第一滑塊M21具有一第一接觸面M211用於成型環形外後蓋板521之內表面5211，而第二滑塊M22具有一第二接觸面M221用於成型環形外前蓋板511之內表面5111。於本實施例中，第一滑塊M21之第一接觸面M211的構成元素為直線且構成一平面，因此，環形外後蓋板521之內表面5211可被成型為構成元素為直線的一平面；第二滑塊M22之第二接觸面M221的構成元素為弧線，因此第二接觸面M221呈外凸錐面，在此情況下，環形外前蓋板511之內表面5111可被成型為構成元素為弧線的內凹錐面。反過來說，由於葉輪5具有環形外前蓋板511之內表面5111的構成元素為弧線且環形外後蓋板521之內表面5211的構成元素為直線的需求，因而需要提出前述的第一滑塊M21與第二滑塊M22，在此需求下，第一滑塊M21與第二滑塊M22需要以依序取出的方式來脫模，具體來說，待葉片53、環形外前蓋板511及環形外後蓋板521成型後，可先將第一滑塊M21徑向滑出，而第二滑塊M22則可利用第一滑塊M21滑出後所讓出的空間而輕易地滑出而不會與成型後的葉片53之後端部530b、環形外前蓋板511及環形外後蓋板521產生干涉問題。

然而，第一滑塊M21與第二滑塊M22之幾何形狀可依據實際需求進行調整，本發明並非以此為限。例如如圖4F與圖4G所示，在前述實施例的一個變體中，葉輪5的需求改為環形外前蓋板511之內表面5111的構成元素為直線且環形外後蓋板521之內表面5211的構成元素為弧線，相應地，用於成型環形外後蓋板521之內表面5211的第一滑塊M21之第一接觸面M211的構成元素改為弧線，使得環形外後蓋板521之內表面5211可被成型為構成元素為弧線的內凹錐面；而用於成型環形外前蓋板511之內表面5111的第二滑塊M22之第二接觸面M221的構成元素改為直線，使得環形外前蓋板511之內表面5111可被成型為構成元素為直線的平面。同樣地，第一滑塊M21與第二滑塊M22也需要以依序取出的方式來脫模，具體來說，待葉片53成型後，可先將第二滑塊M22徑向滑出，而第一滑塊M21則可利用第二滑塊M22滑出後所讓出的空間而輕易地滑出而不會與成型後的葉片53之後端部530b、環形外前蓋板511及環形外後蓋板521產生干涉問題。另外，補充說明的是，第一滑塊與第二滑塊之幾何構型或兩者之間相匹配的表面的設計，均可依據實際需求進行調整，本發明並非以此為限。

進一步地，請參閱圖5，葉輪5組裝於一轉子7上。葉輪5包含有前蓋板51、後蓋板52及前述的複數葉片53。如前所述，前蓋板51由前述的環形外前蓋板511與內前蓋板512所構成。對照圖4A與圖5可知，內前蓋板512是位於環形外前蓋板511之第二通孔5110的範圍內，且可透過熱熔或超音波等方式接合環形外前蓋板511與葉片53。此外，內前蓋板512設有一磨損環安裝部512a，用以安裝磨損環8。後蓋板52由前述的環形外後蓋板521與內後蓋板522所構成。對照圖4A與圖5可知，內後蓋板522是位於環形外後蓋板521之第一通孔5210的範圍內，且可透過熱熔或超音波等方式接合環形外後蓋板521與葉片53。此外，環形外後蓋板521設有一動力傳動安裝部521a，用以安裝於轉子7。

至於前述圖5的內前蓋板512與內後蓋板522均可用簡單的模具額外進行生產，內前蓋板512與內後蓋板522分別與該各葉片53之第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351組裝結合，從而與環形外前蓋板511、環形外後蓋板521及葉片53共同構成為一完整的3維塑膠葉輪。例如，請參閱圖6A~6B，係為本發明第一實施例之葉輪5組合前之零件的不同視角的分解示意圖，內前蓋板512可以經由熱熔接面512b與葉片53之熱熔接面534a可以熱熔或超音波等方式無縫接合，內後蓋板522同樣可由內後蓋板522之熱熔接面522b與葉片53之熱熔接面535a可以熱熔或超音波等方式接合。或者，請參閱圖7A~7B，係為本發明之葉輪5組合前之不同視角的分解示意圖，內前蓋板512可透過熔接孔512c與葉片53之熔接柱534b以插銷方式組合後加熱熔合，內後蓋板522也可以使用熔接孔522a與葉片53之熔接柱535b以插銷方式組合後加熱熔合。由此可知，內前蓋板512與內後蓋板522，並不是與環形外前蓋板511、環形外後蓋板521及葉片53於同一成型步驟一次性地成型為一體的結構。

請參閱圖5，泵浦的動力傳遞是藉由動力傳動安裝部521a及環形外後蓋板521再至葉片53，由於此三部分為於同一成型步驟一次性地成型為一體，或者說，葉片53與環形外後蓋板521及其動力傳動安裝部521a之間並沒有任何接縫或於製程中額外加工接合的部分，因此不存在接縫或結構上的不連續性，結構強度高。因此，環形外後蓋板521可直接接受泵浦主要負荷或動力傳遞，有助於提升泵浦的應用範圍。另一方面，雖然內前蓋板512及內後蓋板522使用簡單模具成型，藉由熱熔或超音波等方式組合成一完整葉輪，但內前蓋板512及內後蓋板522僅是負責侷限流體在葉輪5的流動範圍，不做為直接承受泵浦主要負荷或動力傳遞的結構，因此對於泵浦的結構強度不會有影響。藉此，本實施例所提出的葉輪5得以應用於200℃高溫與高負荷場合。

第二實施例

請參閱圖8A~圖8C以及圖9，圖8A係為本發明之第二實施例之葉輪5的側剖示意圖，圖8B繪示圖8A之葉輪5的上視示意圖，圖8C繪示圖8A之葉片5的流線展開圖，圖9係為本發明第二實施例之葉輪5的組合剖面示意圖。如圖所示，本實施例與前述第一實施例的差異在於，第二實施例之葉片53的子午寬度531從葉片入口寬度B51到前端部530a與後端部530b接合處逐漸縮小，環形外前蓋板511具有一內表面5111，其在r_z面上的構成元素為平行於r軸的直線且構成一平面，換句話說，內表面5111為一個2維的圓盤平面；環形外後蓋板521具有一內表面5211，其在r_z面上的構成元素為平行於r軸的直線且構成一平面，換句話說，內表面5211為一個2維的圓盤平面。也就是說，內表面5111與內表面5211二者相互平行，也就是前端部530a與後端部530b接合處到葉片出口寬度B52之間的子午寬度531保持不變，且第二上緣曲線5342與第二下緣曲線5352在r_z面上實質上相平行。也就是說，於本實施例中，葉片53之前端部530a的子午寬度531沿著中間曲線538從葉片入口寬度B51往葉片出口寬度B52的方向漸縮，但葉片53之後端部530b沿著中間曲線538的子午寬度531不變。如圖8B，葉片前緣532、上緣曲線534與下緣曲線535在葉片53之前端部530a處不相重疊，且上緣曲線534與下緣曲線535在葉片53之後端部530b處也不相重疊。

此外，在圖8C之葉片53的流線展開圖上，葉片出口角度相同，在前端部530a與後端部530b接合處到葉片後緣536，第二上緣曲線5342與第二下緣曲線5352的葉片角β差異在10度內，因此本實施例之生產模具在葉輪出口模具可僅改為使用單一模具滑塊由徑向方向滑出脫模。

詳細來說，請進一步參閱圖8D，繪示本實施例之葉輪所採用的模具的分模簡單示意圖。於本實施例中，由於環形外前蓋板511與環形外後蓋板521在r_z面(子午面)上為實質上平行的配置，即環形外前蓋板511與環形外後蓋板521彼此相對面的內表面相互平行，因此環形外前蓋板511與環形外後蓋板521之間的空間由外向內並無漸擴的情形，因此，相較於前述圖4D，本實施例之葉輪出口模具M2可改為單一塊厚度一致且可徑向抽取的滑塊，而該單一滑塊用於成型環形外後蓋板521之內表面5211與環形外前蓋板511之內表面5111的第一接觸面M211及第二接觸面M221的構成元素均為直線，藉此配置，葉輪出口模具M2即可在r_z面(子午面)上徑向滑出。並且，由於環形外前蓋板511與環形外後蓋板521在r_z面(子午面)方向為平行，在r_θ面半徑愈大的扇形流道寬度537也較大，故葉輪出口模具脫模時不會產生阻礙或干涉等問題。

第三實施例

請參閱圖10A~圖10C和圖11，圖10A係為本發明之第三實施例之葉輪53的側剖示意圖，圖10B繪示圖10A之葉輪53的上視示意圖，圖10C繪示圖10A之葉片53的流線展開圖，圖11係為本發明第三實施例之葉輪53的組合剖面示意圖。

本實施例與前述第一實施例的差異在於，第三實施例是對於流量較低，揚程較高的泵浦具有較低比轉速的葉輪5，其中，葉輪5可不包含前述的環形外前蓋板511，且葉片53僅在前端部530a處需要3維扭曲幾何，而在葉片53之後端部530b可改為二維葉片幾何。具體來說，第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351的葉片角具有差異(即第一上緣曲線5341與第一下緣曲線5351於葉片的流線展開圖保持不相重疊)，但第二上緣曲線5342與第二下緣曲線5352的葉片角可為相同(即第二上緣曲線5342與第二下緣曲線5352於葉片的流線展開圖可為互相重疊)，環形外後蓋板521具有一內表面5211，其在r_z面上的構成元素為平行於r軸的直線。

此外，在圖10C葉片展開圖上，葉片53之後端部530b，上緣曲線(shroud edge)534、中間曲線(mean)538與下緣曲線(hub edge)535的葉片角度β均相同。

因此於本實施例中，用於成型葉片53之後端部530b的葉輪出口模具可無需採取徑向脫模，而是與形成葉片53之前端部530a的扭曲葉片模具同樣可採取軸向脫模的方式脫離。詳細來說，請進一步參閱圖10D，圖10D繪示本實施例之葉輪所採用的模具的分模簡單示意圖。於本實施例中，由於葉輪5可不包含前述的環形外前蓋板511，葉片53遠離環形外後蓋板521的一側並沒有受到遮蔽，且葉片53之後端部530b為二維葉片幾何，因此，用於成型扭曲前端部530a(即扭曲葉片)之扭曲葉片模具M1的可動模M12可直接與用於成型後端部530b之葉輪出口模具M2組裝於一體，且一併沿軸向往遠離環形外後蓋板521的方向脫模，而在過程中不會與葉片53產生干涉。

至於前蓋板51的部分，則可為利用簡單模具將環形外前蓋板511與內前蓋板512成型為單一元件後，再經由熱熔或超音波等合適的方式接合於葉片53以組成完整葉輪5。

第四實施例

請參閱圖12，係為本發明第四實施例之塑膠葉輪的組合剖面示意圖。本實施例與前述第一實施例的差異在於，葉輪5之複數個葉片53、環形外後蓋板521及環形外前蓋板511埋設有金屬補強件55，用以強化整體結構的剛性，使塑膠葉輪在高溫(200℃)高負荷下仍能安全穩定運轉。補充說明的是，於一些其他實施例中，環形外前蓋板511中也可不設置金屬補強件55，也就是說，在此情況中，葉輪5中僅葉片53與環形外後蓋板521有埋置金屬補強件55。

由此可知，由本發明前述各個實施例所揭露的離心式泵浦之3維塑膠葉輪之製造方法及其結構，至少可達到以下效果：1. 各部件均可使用模具生產，且可使用機器自動脫模，具生產價值；2.扭曲葉片(或葉片的前端部)可採取固定模與可動模脫模分離的方式製成，而3維扭曲的葉片幾何有助於提高泵浦性能；3.葉片與環形外後蓋板以單一成型步驟一次性地成型為一體成型，具有較高的結構強度，環形外後蓋板直接傳遞扭矩到葉片，有助於讓葉輪在高工作溫度(如約200℃)下或高負荷的應用場合中運行而不易損壞。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

5:葉輪 7:轉子 8:磨損環 11、51:前蓋板 12、22、52:後蓋板 13、23、33、53:葉片 54:吸入口 55:金屬補強件 131、231、331、531:子午寬度 132、232、332、532:葉片前緣 134、234、334、534:上緣曲線 135、235、335、535:下緣曲線 136、236、336、536:葉片後緣 trailing edge 137、237、337、537:扇形流道寬度 sector width 138、238、338、538:中間曲線 mean 233、333:扭曲葉片 239、339:葉片曲面 blade surface 239a:曲線元素 curve line element 339b:直線元素 straight line element 511:環形外前蓋板 512:內前蓋板 512a:磨損環安裝部 512b:熱熔接面 512c:熔接孔 521:環形外後蓋板 521a:動力傳動安裝部 522:內後蓋板 522a:熔接孔 522b:熱熔接面 530a:前端部 530b:後端部 534a:熱熔接面 534b:熔接柱 535a:熱熔接面 535b:熔接柱 5110:第二通孔 121、221、321、5111:內表面 5210:第一通孔 111、5211:內表面 5341:第一上緣曲線 5342:第二上緣曲線 5351:第一下緣曲線 5352:第二下緣曲線 B11、B21、B31、B51:葉片入口寬度 B12、B22、B32、B52:葉片出口寬度

:流線座標 M1:扭曲葉片模具 M11:固定模 M12:可動模 M2:葉輪出口模具 M21:第一滑塊 M211:第一接觸面 M22:第二滑塊 M221:第二接觸面 β:葉片角 β₂:葉片出口角度

圖1A繪示一個具有二維葉片的傳統塑膠葉輪的側剖示意圖。 圖1B繪示圖1A之塑膠葉輪的上視示意圖。 圖1C繪示圖1A之二維葉片的流線展開圖。 圖1D繪示圖1A之二維葉片的立體展開示意圖。 圖2A繪示一個沒有上蓋板且具有3維葉片的傳統塑膠葉輪的側剖示意圖。 圖2B繪示圖2A之塑膠葉輪的上視示意圖。 圖2C繪示圖2A之3維葉片的流線展開圖。 圖2D繪示圖2A之3維葉片曲線的多段圓弧示意圖。 圖3A繪示一個沒有上蓋板且具有2.5維葉面曲面的傳統塑膠葉輪的側剖示意圖。 圖3B繪示圖3A之塑膠葉輪的上視示意圖。 圖3C繪示圖3A之3維葉片的流線展開圖。 圖4A係為本發明之第一實施例之塑膠葉輪的側剖示意圖。 圖4B繪示圖4A之塑膠葉輪的上視示意圖。 圖4C繪示圖4A之葉片的流線展開圖。 圖4D繪示本發明之第一實施例之塑膠葉輪的分模簡單示意圖。 圖4E繪示本發明之第一實施例之塑膠葉輪的局部放大側剖示意圖。 圖4F繪示本發明之第一實施例之塑膠葉輪之變體的側剖示意圖。 圖4G繪示本發明之第一實施例之塑膠葉輪之變體的局部放大側剖示意圖。 圖5係為本發明第一實施例之塑膠葉輪的組合剖面示意圖。 圖6A~6B係為本發明之第一實施例之塑膠葉輪組合前之不同視角的分解示意圖。 圖7A~7B係為本發明之第一實施例之塑膠葉輪組合前之不同視角的分解示意圖。 圖8A係為本發明之第二實施例之塑膠葉輪的側剖示意圖。 圖8B繪示圖8A之塑膠葉輪的上視示意圖。 圖8C繪示圖8A之葉片的流線展開圖。 圖8D繪示本發明之第二實施例之塑膠葉輪的分模簡單示意圖。 圖9係為本發明第二實施例之塑膠葉輪的組合剖面示意圖。 圖10A係為本發明之第三實施例之塑膠葉輪的側剖示意圖。 圖10B繪示圖10A之塑膠葉輪的上視示意圖。 圖10C繪示圖10A之葉片的流線展開圖。 圖10D繪示本發明之第三實施例之塑膠葉輪的分模簡單示意圖。 圖11係為本發明第三實施例之塑膠葉輪的組合剖面示意圖。 圖12係為本發明第四實施例之塑膠葉輪的組合剖面示意圖。

5:葉輪

53:葉片

54:吸入口

531:子午寬度

532:葉片前緣

534:上緣曲線

535:下緣曲線

536:葉片後緣trailing edge

538:中間曲線mean

511:環形外前蓋板

521:環形外後蓋板

530a:前端部

530b:後端部

5110:第二通孔

5111:內表面

5210:第一通孔

5211:內表面

5341:第一上緣曲線

5342:第二上緣曲線

5351:第一下緣曲線

5352:第二下緣曲線

B51:葉片入口寬度

B52:葉片出口寬度

Claims (13)

1. 一種使用模具成型生產離心式泵浦之3維塑膠葉輪的製造方法：該葉輪之一後蓋板包含一環形外後蓋板與一內後蓋板，該環形外後蓋板具有一第一通孔，該葉輪之該前蓋板包含一環形外前蓋板與一內前蓋板，該環形外前蓋板具有一第二通孔，該葉輪之複數個葉片各具有一扭曲葉片位於該環形外後蓋板之該第一通孔與該環形外前蓋板之該第二通孔之間；其中係利用一扭曲葉片模具與一葉輪出口模具來成型該葉輪；該扭曲葉片模具包含一固定模及一可動模，利用該固定模及該可動模通過該第一通孔與該第二通孔以成型出該些扭曲葉片，其中該些扭曲葉片在該前蓋板與該後蓋板的中心部呈開口狀並在該中心部懸空成型；利用該葉輪出口模具一體成型該些葉片除該些扭曲葉片以外的其餘部分以及承受動力傳遞的該環形外後蓋板；其中該環形外前蓋板的該第二通孔與該環形外後蓋板的該第一通孔係分別供該內後蓋板及該內前蓋板以熱融或熔接柱之方式設置，從而共同形成該葉輪。
2. 如請求項1所述之製造方法，其中該環形外後蓋板包含一動力傳動安裝部。
3. 如請求項1所述之製造方法，其中該葉輪出口模具具有可徑向滑移的一第一滑塊及一第二滑塊，該第一滑塊具有一第一接觸面以用於成型該環形外後蓋板朝向該環形外前蓋板之一內表面，且該第二滑塊具 有一第二接觸面以用於成型該環形外前蓋板朝向該環形外後蓋板之一內表面，該第一接觸面為一平面從而將該環形外後蓋板之該內表面成型為平面，而該第二接觸面為一外凸錐面從而將該環形外前蓋板之該內表面成型為內凹錐面。
4. 如請求項1所述之製造方法，其中該葉輪出口模具具有可徑向滑移的一第一滑塊及一第二滑塊，該第一滑塊具有一第一接觸面以用於成型該環形外後蓋板朝向該環形外前蓋板之一內表面，且該第二滑塊具有一第二接觸面以用於成型該環形外前蓋板朝向該環形外後蓋板之一內表面，該第一接觸面為一外凸錐面從而將該環形外後蓋板之該內表面成型為內凹錐面，而該第二接觸面為一平面從而將該環形外前蓋板之該內表面成型為平面。
5. 如請求項1所述之製造方法，其中各該葉片在該扭曲葉片之外的其餘部分的一上緣曲線與一下緣曲線的葉片角相同，該葉輪出口模具與該可動模為一體，且該環形外後蓋板與該些葉片於同一製程步驟一次性地成型為一體。
6. 如請求項1所述之製造方法，其中各該葉片在該扭曲葉片之外的其餘部分的一上緣曲線與一下緣曲線的葉片角不相同，該環形外前蓋板與該環形外後蓋板互為平行者，該葉輪出口模具於任兩相鄰的其中二該葉片之間僅具有徑向滑移的一滑塊。
7. 一種可以使用模具成型生產的離心式泵浦之3維塑膠葉輪，包含： 一前蓋板、一後蓋板以及複數個葉片，共同組合成流體在該葉輪內的流動空間，該前蓋板與該後蓋板用以限制流動路徑，該後蓋板用以傳遞扭矩到該些葉片，各該葉片具3維扭曲形狀用以提高泵浦效率，其特徵在於：各該葉片包含彼此相連的一前端部、一後端部、連接該前蓋板的一上緣曲線以及連接該後蓋板的一下緣曲線，其中該上緣曲線包含一第一上緣曲線與一第二上緣曲線，該下緣曲線包含一第一下緣曲線與一第二下緣曲線，該第一上緣曲線與該第一下緣曲線位於該前端部，該第二上緣曲線與該第二下緣曲線位於該後端部，且該第一上緣曲線之葉片角與該第一下緣曲線之葉片角不相同；該後蓋板包含一環形外後蓋板與一內後蓋板，該環形外後蓋板具有一第一通孔，且該環形外後蓋板具有一動力傳動安裝部以傳遞扭矩到該些葉片；該前蓋板包含一環形外前蓋板與一內前蓋板，該環形外前蓋板具有一第二通孔；各該葉片之該前端部位於該環形外後蓋板之該第一通孔與該環形外前蓋板之該第二通孔之間；該些葉片的該些後端部與該環形外後蓋板於同一製程步驟一次性地成型為一體，而該些葉片的該些後端部與該環形外前蓋板相結合；以及該內前蓋板與該內後蓋板分別安裝於該第二通孔與該第一通孔而與該些葉片之該些前端部結合。
8. 如請求項7所述之葉輪，其中該前蓋板用以安裝一磨損環。
9. 如請求項7所述之葉輪，其中各該葉片之該第二上緣曲線之葉片角與該第二下緣曲線之葉片角相同。
10. 如請求項7所述之葉輪，其中該環形外前蓋板與該內前蓋板為一體成型。
11. 一種離心式泵浦之3維葉輪，包含：一環形外後蓋板；以及複數個葉片，該些葉片沿著該環形外後蓋板配置，其中該些葉片各包含彼此相連的一前端部以及一後端部，該前端部為一3維扭曲葉片且經由該後端部連接該環形外後蓋板，該3維扭曲葉片具有一第一上緣曲線以及一第一下緣曲線，該第一上緣曲線的葉片角與該第一下緣曲線的葉片角不相同，該環形外後蓋板與該些葉片一次性地於同一成型步驟所製成，且該些3維扭曲葉片與該環形外後蓋板不相重疊。
12. 如請求項11所述之3維葉輪，更包含一內後蓋板，接合該環形外後蓋板與各該3維扭曲葉片的該第一下緣曲線。
13. 如請求項11所述之3維葉輪，更包含一金屬補強件，埋設於該環形外後蓋板以及該些葉片。

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