(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【課題を解決するための手段】
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0023】
〔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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
〔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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
〔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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
〔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。
【0042】
〔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。
【0043】
〔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)。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
〔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。
【0047】
〔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。
【0048】
〔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)。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
〔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。
【0053】
〔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。
【0054】
〔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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
〔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。
【0058】
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。
【0059】
〔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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。