特許 7524805 ポンプ、ポンプの設計方法及びポンプの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-22

(45)【発行日】2024-07-30

(54)【発明の名称】ポンプ、ポンプの設計方法及びポンプの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/22 20060101AFI20240723BHJP

【ＦＩ】

F04D29/22 C

F04D29/22 E

F04D29/22 H

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021046439

(22)【出願日】2021-03-19

(65)【公開番号】P2022145151

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2023-08-07

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥瀬 敦史

【審査官】山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０３５３７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０８２８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０９５５１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ ２９／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転可能に設けられたインペラ（１２）と、
前記インペラが内部に収容されていると共に、液体が前記インペラ側へ向けて流入する流入部（４０）と、前記インペラを通過した液体が流出する流出部（５４）と、を有するポンプケース（１６）と、
前記インペラにおいて前記ポンプケースと回転軸方向に対向する部分及び前記ポンプケースにおいて前記インペラと回転軸方向に対向する部分の少なくとも一方に形成され、回転径方向に沿って形成された溝（３２、３６）と、
を備え、
前記インペラは、円板状に形成された円板部（２４、２６）と、前記円板部と一体に設けられていると共に回転周方向に間隔をあけて配置された複数の羽根（２８）と、を含んで構成され、
前記溝が、前記円板部において複数の前記羽根が設けられた側とは反対側に形成されているポンプ（１０）。

【請求項2】

複数の前記溝が、回転周方向に間隔をあけて配置されている請求項１に記載のポンプ。

【請求項3】

前記溝の深さ（ｄ）が、前記インペラの回転方向とは反対側へ向かうにつれて次第に浅くなっている請求項１に記載のポンプ。

【請求項4】

回転周方向及び回転軸方向に沿って切断した断面視で、前記溝は、前記インペラの回転方向とは反対側へ向かうにつれて前記溝の開放方向側へ向けて傾斜している傾斜面（３２Ｂ）を有し、
前記傾斜面と回転周方向とのなす角度が１０°～５０°の間の角度に設定されている請求項３に記載のポンプ。

【請求項5】

前記円板部において複数の前記羽根が設けられた側とは反対側の面において回転周方向に隣り合う一対の前記溝の間の部位が、回転周方向に沿って平面状に形成されている請求項２に記載のポンプ。

【請求項6】

請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のポンプの設計方法であって、
前記ポンプケース内の液体の流れを数値流体力学によってシミュレーションすることができるコンピュータを用い、
前記インペラが回転している状態で、前記溝の内部において回転径方向まわりの渦が生じるように、前記溝の形状及び寸法を設定するポンプの設計方法。

【請求項7】

請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のポンプの製造方法であって、
前記ポンプケース内の液体の流れを数値流体力学によってシミュレーションすることができるコンピュータを用い、前記インペラが回転している状態で、前記溝の内部において回転径方向まわりの渦が生じるように、前記溝の形状及び寸法を設定し、この設定の前記溝を前記インペラに形成する工程を有するポンプの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ポンプ、ポンプの設計方法及びポンプの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、羽根車の主板に皮膜を形成することによって羽根車の回転時の摩擦損失を低減したポンプが開示されている。この文献に記載された構成では、羽根車の主板に水との接触角が１２０°以上の撥水性皮膜を形成することで、羽根車の回転時の摩擦損失を低減している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平９－１９５９８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、撥水性皮膜の劣化により、当該撥水性皮膜が羽根車の主板からはがれることが考えられる。これにより、羽根車の回転時の摩擦損失を低減する効果が長期間にわたって得られないことが考えられる。

【0005】

本開示は上記事実を考慮し、摩擦損失を低減する効果を長期間にわたって得ることができるポンプ、ポンプの設計方法及びポンプの製造方法を得ることが目的である。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するポンプ（１０）は、回転可能に設けられたインペラ（１２）と、前記インペラが内部に収容されていると共に、液体が前記インペラ側へ向けて流入する流入部（４０）と、前記インペラを通過した液体が流出する流出部（５４）と、を有するポンプケース（１６）と、前記インペラにおいて前記ポンプケースと回転軸方向に対向する部分及び前記ポンプケースにおいて前記インペラと回転軸方向に対向する部分の少なくとも一方に形成され、回転径方向に沿って形成された溝（３２、３６）と、を備えている。

【0007】

この様に構成することで、摩擦損失を低減する効果を長期間にわたって得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態のポンプを模式的に示す側断面図である。

【図2】インペラを示す側面図である。

【図3】インペラを軸方向他方側から見た底面図である。

【図4】インペラを軸方向一方側から見た平面図である。

【図5】図３に示された５－５線に沿って切断した第１円板部の断面を拡大して示す拡大断面図である。

【図6】図５に対応する断面図であり、溝の周りの液体の流れを模式的に示している。

【図7】数値流体力学によってシミュレーションされた溝の周りの液体の流れを示す図である。

【図8】第１傾斜面及び第２傾斜面の傾斜角度とポンプ効率比との関係を示すグラフである。

【図9】他の形態の溝を示す図５に対応する断面図である。

【図10】他の形態の溝を示す図５に対応する断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１～図８を用いて本開示の実施形態に係るポンプ１０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、後述するインペラ１２の回転軸方向一方側、回転径方向外側及び回転周方向一方側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１２の回転軸方向、回転径方向、回転周方向を示すものとする。

【0010】

図１に示されるように、本実施形態のポンプ１０は、一例として車両のウォータポンプとして用いられる。このポンプ１０は、図示しない制御部によって回転が制御されるモータ部１４と、モータ部１４によって回転されるインペラ１２と、インペラ１２が内部に配置されたポンプケース１６と、を含んで構成されている。

【0011】

モータ部１４は、図示しない制御部によって通電が制御されることで回転磁界を発生させるステータ１８と、ステータ１８が回転磁界を発生させることで回転するロータ２０と、を備えている。ロータ２０の回転軸２２の軸方向一方側の端部には、後述するインペラ１２が固定されている。

【0012】

図２に示されるように、インペラ１２は、軸方向を厚み方向とする円板状に形成された円板部としての第１円板部２４と、第１円板部２４に対して軸方向一方側に配置されていると共に円板状に形成された円板部としての第２円板部２６と、を備えている。また、インペラ１２は、第１円板部２４と第２円板部２６との間に配置されていると共に第１円板部２４と第２円板部２６とを軸方向につなぐ複数の羽根２８を備えている。なお、本実施形態のインペラ１２は、回転周方向一方側が回転方向となっている。

【0013】

図２及び図３に示されるように、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０は、径方向及び周方向とほぼ平行に設定された平面状に形成されている。また、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０側には、軸方向他方側が開放された複数の溝３２が径方向に沿って形成されている。本実施形態では、１６本の溝３２が、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０側に形成されている。また、複数の溝３２は、軸方向他方側から見て放射状に配置されていると共に周方向に沿って等間隔に配置されている。

【0014】

図２及び図４に示されるように、第２円板部２６の軸方向一方側の面３４は、径方向外側へ向かうにつれて軸方向他方側に傾斜していると共に周方向に沿って平面状に形成されている。また、第２円板部２６の軸方向一方側の面３４側には、軸方向一方側が開放された複数の溝３６が径方向に沿って形成されている。本実施形態では、１６本の溝３６が、第２円板部２６の軸方向一方側の面３４側に形成されている。また、複数の溝３６は、軸方向一方側から見て放射状に配置されていると共に周方向に沿って等間隔に配置されている。なお、第２円板部２６の軸方向一方側の面３４側に形成された溝３６の基本的な構成は、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０側に形成された溝３２とほぼ同一の構成となっている。そのため、以下の説明においては、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０側に形成された溝３２について説明し、第２円板部２６の軸方向一方側の面３４側に形成された溝３６についての説明は省略する。なお、第２円板部２６の径方向内側の端部には、軸方向一方側へ向けて折り曲げられたフランジ部３８が形成されている。

【0015】

図１に示されるように、ポンプケース１６は、インペラ１２の軸方向一方側において当該インペラ１２と軸方向に対向して配置された筒状の流入部４０を備えている。この流入部４０からポンプケース１６の内部に液体が流入するようになっている。また、ポンプケース１６は、流入部４０の軸方向他方側の端から径方向外側へ向けて延びる第２対向部４２を備えている。この第２対向部４２におけるインペラ１２側の面４４は、インペラ１２の第２円板部２６における軸方向一方側の面３４とほぼ平行な平面状となっている。さらに、ポンプケース１６は、第２対向部４２に対して軸方向他方側において径方向に延びる第１対向部４６を備えている。この第１対向部４６におけるインペラ１２側の面４８は、インペラ１２の第１円板部２４における軸方向他方側の面３０とほぼ平行な平面状となっている。また、ポンプケース１６は、インペラ１２に対して径方向外側に配置されていると共に第１対向部４６の径方向外側の端と第２対向部４２の径方向外側の端とをつなぐ外側環状部５０を備えている。外側環状部５０の内側の空間は、周方向一方側へ向かうにつれて流路が次第に大きくなる渦巻室５２となっている。また、ポンプケース１６は、外側環状部５０とつながっていると共に筒状に形成された流出部５４を備えている。そして、流入部４０からポンプケース１６の内部に流入した液体は、インペラ１２及び渦巻室５２を通過して流出部５４から流出するようになっている。

【0016】

次に、本実施形態の要部の構成である溝３２、３６の構成について説明する。

【0017】

図５には、インペラ１２の第１円板部２４において溝３２が形成された部分を周方向及び軸方向に沿って切断した断面が示されている。この断面視における溝３２の底面の形状は、当該溝３２の幅方向である周方向の中心位置において最も窪んだＶ字形状となっている。ここで、溝３２の底面において溝３２の周方向の中心位置に対して周方向一方側の部分を第１傾斜面３２Ａと呼ぶ。また、溝３２の底面において溝３２の周方向の中心位置に対して周方向他方側の部分を第２傾斜面３２Ｂと呼ぶ。

【0018】

第１傾斜面３２Ａは、周方向一方側へ向かうにつれて軸方向他方側へ傾斜している平面状に形成されている。これにより、第１傾斜面３２Ａと対応する部分における溝３２の深さ寸法ｄが、溝３２の周方向の中心位置から周方向一方側へ向かうにつれて次第に小さくなっている。また、この深さ寸法ｄは、溝３２の周方向一方側の端３２Ｃにおいて０となっている。

【0019】

第２傾斜面３２Ｂは、周方向他方側へ向かうにつれて軸方向他方側へ傾斜している平面状に形成されている。これにより、第２傾斜面３２Ｂと対応する部分における溝３２の深さ寸法ｄが、溝３２の周方向の中心位置から周方向他方側へ向かうにつれて次第に小さくなっている。また、この深さ寸法ｄは、溝３２の周方向他方側の端３２Ｄにおいて０となっている。

【0020】

図６に示されるように、本実施形態では、インペラ１２が一定回転で回転している際に、溝３２の内部において回転径方向まわりの渦Ｙが生じるように、溝３２の形状及び寸法が設定されている。具体的には、この渦Ｙが生じるように、溝３２の幅寸法Ｗ、深さ寸法ｄ、長さ寸法Ｌ（図３参照）、第１傾斜面３２Ａ及び第２傾斜面３２Ｂの第１円板部２４の軸方向他方側の面３０に対する傾斜角度θ等が設定されている。インペラ１２が一定回転で回転している際に、溝３２の内部において回転径方向まわりの渦Ｙが生じるようにすることで、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０とポンプケース１６の第１対向部４６におけるインペラ１２側の面４８との間の液体の流速の速度勾配を緩やかにすることができる。なお、図６においては、軸方向の各位置における液体の流れの向き及び流速を矢印Ｖの向き及び長さで示している。

【0021】

上記渦Ｙが生じるか否か、及び、この渦Ｙが生じることによってどの程度のポンプ効率の向上を図れるかについては、ポンプケース１６内の液体の流れを数値流体力学によってシミュレーションすることができるコンピュータを用いて解析される。図７には、一の条件下における当該解析の結果が示されている。図７においては、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０とポンプケース１６の第１対向部４６におけるインペラ１２側の面４８との間の各位置における液体の流れの向き及び流速を矢印Ｖの向き及び長さで示している。

【0022】

ここで、発明者は、上記の解析を行う過程において、第１傾斜面３２Ａ及び第２傾斜面３２Ｂの第１円板部２４の軸方向他方側の面３０に対する傾斜角度θがポンプ効率に大きく影響することを発見した。

【0023】

図８のグラフには、第１傾斜面３２Ａ及び第２傾斜面３２Ｂの傾斜角度θとポンプ効率比Ｐとの関係が示されている。ここで、ポンプ効率比Ｐとは、本実施形態のポンプ１０のポンプ効率をη１とし、溝３２、３６が形成されていないことを除いては本実施形態のポンプ１０と同様に構成された比較例に係るポンプのポンプ効率をη２とした場合において、（η１／η２）で算出される値のことである。このポンプ効率比が１を超えるということは、本実施形態のポンプ１０のポンプ効率η１が比較例に係るポンプのポンプ効率η２を上回っていることを意味する。そして、図８に示されるように、発明者は、第１傾斜面３２Ａ及び第２傾斜面３２Ｂの傾斜角度θを１０°～５０°の間の角度に設定することで、ポンプ１０のポンプ効率η１を比較例に係るポンプのポンプ効率η２に対して大きく向上できることを発見した。そして、ポンプの製造工程の一工程であるインペラ１２の形成工程において、上記設定の溝３２、３６をインペラ１２の第１円板部２４及び第２円板部２４に形成した。

【0024】

（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。

【0025】

図１、図３、図４及び図５に示されるように、以上説明した本実施形態のポンプ１０では、インペラ１２に溝３２、３６を設けることにより、第１円板部２４の軸方向他方側の面３０とポンプケース１６の第１対向部４６におけるインペラ１２側の面４８との間の液体の流速の速度勾配を緩やかにすることができると共に、第２円板部２６の軸方向一方側の面３４とポンプケース１６の第２対向部４２におけるインペラ１２側の面４４との間の液体の流速の速度勾配を緩やかにすることができる。これにより、インペラ１２と流体間の摩擦損失を溝３２、３６を設けない場合と比べて低減することができ、ポンプ１０のポンプ効率η１を溝３２、３６を設けない場合と比べて向上させることができる。また、本実施形態のポンプ１０では、溝３２、３６を設けるという単純な構成により、上記の摩擦損失を低減する効果を長期間にわたって得ることができる。

【0026】

また、本実施形態では、第１傾斜面３２Ａ及び第２傾斜面３２Ｂの傾斜角度θを１０°～５０°の間の角度に設定することで、ポンプ１０のポンプ効率η１を大きく向上させることができる。

【0027】

なお、本実施形態のポンプ１０では、インペラ１２の第１円板部２４及び第２円板部２６の両方に溝３２、３６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、インペラ１２の第１円板部２４のみに溝３２を形成してもよいし、インペラ１２の第２円板部２６のみに溝３６を形成してもよい。また、溝３２、３６の数や配置は、ポンプ１０の効率η１やインペラ１２の回転時におけるポンプ１０のノイズのレベル等を考慮して適宜設定すればよい。

【0028】

また、本実施形態のポンプ１０では、溝３２の第１傾斜面３２Ａ及び第２傾斜面３２Ｂの傾斜角度θを同じ角度に設定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、第１傾斜面３２Ａの傾斜角度θと第２傾斜面３２Ｂの傾斜角度θとを互いに異なる角度に設定してもよい。また、図９に示されるように、第２傾斜面３２Ｂと対応する面のみを底面とした溝３２の構成としてもよい。このように、溝３２の深さｄが、インペラ１２の回転方向とは反対側へ向かうにつれて次第に浅くなっている構成とすることで、ポンプ１０の効率η１を優位に向上させることができる。さらに、図１０に示されるように、溝３２の底面を湾曲させた構成としてもよい。

【0029】

さらに、インペラ１２の第１円板部２４に形成された溝３２と同様の溝をポンプケース１６の第１対向部４６におけるインペラ１２側の面４８側に形成すると共に、インペラ１２の第２円板部２６に形成された溝３６と同様の溝をポンプケース１６の第２対向部４２におけるインペラ１２側の面４４側に形成してもよい。当該構成によっても、ポンプ１０の効率η１を向上させることができる。また、インペラ１２及びポンプケース１６の両方に溝を設けた構成としてもよい。

【0030】

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、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。

【符号の説明】

【0031】

１０ ポンプ、１２ インペラ、１６ ポンプケース、２４ 第１円板部（円板部）、２６ 第２円板部（円板部）、２８ 羽根、３２ 溝、３２Ｂ 第２傾斜面（傾斜面）、３６ 溝、４０ 流入部、５４ 流出部、ｄ 溝の深さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】