JP5977693B2 - インペラおよびウォーターポンプ - Google Patents

Description

本発明は、インペラおよびウォーターポンプに関する。

特許文献１には、シュラウドと各ブレードとをシュラウドの開口部よりも径方向外側の合わせ面で溶着する技術が開示されている。

特開2011-122457号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、開口部付近に対して成形精度が低い外周縁付近を溶着範囲に含めているため、外周縁付近では寸法精度が出しにくく、合わせ面の歪みが大きくなることから、溶接精度が低いという問題があった。
本発明の目的は、溶接精度を向上できるインペラおよびウォーターポンプを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、シュラウドと各ブレードの合わせ面を径方向内側領域と径方向外側領域とに分割したとき、合わせ面のうち径方向内側領域のみが溶着されている。

よって、寸法精度の低い外周縁付近を溶着範囲から除くことで、溶着範囲における合わせ面の歪みを小さくできるため、溶接精度の向上を図ることができる。

実施例１のウォーターポンプの斜視図である。 実施例１のウォーターポンプの側断面図である。 実施例１のインペラ3のハブ32、各ブレード33およびロータ4の側断面図である。 実施例１のハブ32および各ブレード33の正面図である。 実施例１の各ブレード33にシュラウド31を溶着した状態を示すインペラ3およびロータ4の側断面図である。 実施例２の各ブレード38にシュラウド36を溶着した状態を示すインペラ30およびロータ4の側断面図である。 実施例３の各ブレード33にシュラウド31を溶着した状態を示すインペラ50およびロータ4の側断面図である。 実施例４の各ブレード33にシュラウド31を溶着した状態を示すインペラ52およびロータ4の側断面図である。 実施例５のハブ55に各ブレード57を溶着する前の状態を示すインペラ54およびロータ4の側断面図である。

〔実施例１〕
図１は実施例１のウォーターポンプ1の斜視図、図２はウォーターポンプ1の側断面図である。実施例１のウォーターポンプ1は、例えば、エンジンの冷却水を供給する供給源として使用される。
ウォーターポンプ1は、インペラ3と、インペラ3のハブ32および複数のブレード33と一体に形成されたロータ4と、ステータ5と、これらを収容するポンプハウジング6とから構成されている。これらは主に合成樹脂で成形されている。以下、各部の構成を順に説明する。
（ロータ）
ロータ4の外周には、全周にわたって複数の永久磁石41が埋め込まれている。隣り合う永久磁石41,41同士は、磁極が異なるように配置されている。インペラ3とロータ4との間には、インペラ3の外径よりも小径の小径部42が形成されている。
ロータ4の中心部には、小径部42を含むロータ全体を貫通する貫通孔43が形成されている。貫通孔43の両端にはベアリング収容部43a,43bが形成されている。ベアリング収容部43a,43bには、ベアリング8a,8bが圧入される。
（ステータ）
ステータ5は複数のコイル5aによって構成されている。ステータ5は全体として中心部に貫通孔を有する略円柱状に形成されている。各コイル5aは、図外のコントロールユニットに接続され、ウォーターポンプ1の回転制御に応じた電力が供給される。

（ハウジング）
ポンプハウジング6は、両端が開口した収容部材60と、収容部材60の一方の第２開口部60cを閉塞する蓋部材61と、収容部材60および蓋部材61との間で水密な空間を隔成する水密壁62とから構成されている。
収容部材60の外観は、円筒部の軸方向一方側にフランジ60aが形成された形状を有する。収容部材60の内部は中空であり、軸方向一方側に開口部60bが形成され、他方側に第２開口部60cが形成されている。開口部60bの内径は、ロータ4の外径よりも大きく、インペラ3の外径よりも小さく形成されている。また第２開口部60cの内径は、ロータ4の外径よりも大きく形成されており、ステータ5が収容されている。開口部60bの収容部材60内部側には全周に渡って凸部60dが形成されている。この凸部60dの内周側にはシールリング10が設けられている。収容部材60の一方側には、ポンプ室を形成するためのボリュート形状60eが形成されている。
蓋部材61の外観は円盤状に形成されており、収容部材60側の側面の中心部には円柱凹状のシャフト圧入部61aが形成されている。また、蓋部材61の外周側には凸部が設けられ、その凸部の外径が第２開口部60cの内径とほぼ同径に形成された嵌合部61bが設けられている。
水密壁62は全体として円筒状に形成され、その厚さは収容部材60および蓋部材61の壁厚よりも薄く形成されている。

（シャフトの構成）
インペラ3およびロータ4は、シャフト7によって回転自在に支持されている。シャフト7は円柱棒状であって、一端側に小径部7aが、他端側には大径部7bが形成されている。シャフト7の中心軸Oは、インペラ3およびロータ4の中心軸である。
（ポンプボディの組み付け）
収容部材60の内部にはステータ5が収容され、ステータ5の内周側に水密壁62が挿入される。水密壁62は、収容部材60の開口部60bと後から装着される蓋部材61とに固定される。水密壁62の内周側には、収容部材60の第２開口部60c側からインペラ3及びロータ4が挿入される。続いて、蓋部材61のシャフト圧入部61aにシャフト7を圧入し、蓋部材61とシャフト7とを一体にした状態で、第２開口部60cに蓋部材61を装着する。
水密壁62の内周と蓋部材61とに囲まれた空間によりロータ室6aが形成され、このロータ室6a内にロータ4が収容される。ステータ5は、収容部材60、蓋部材61および水密壁62が一体に固定された状態で隔成された空間により形成されたステータ室6b内に収容されることとなり、ロータ室6aからの水分の侵入が防止されている。

（インペラ）
インペラ3は、ハブ32とシュラウド31と複数（8個）のブレード33とを有する。
ハブ32は、ロータ4と一体に円盤状に形成され、ロータ4の中心軸（シャフト7の中心軸Oと略一致するため、以下Oと記載する。）周りに回転駆動される。ハブ32は中心軸方向に対して垂直に設けられている。シュラウド31は、中心軸O方向であってロータ4と反対側にハブ32と対向配置され、中心部に流体を吸入するための円形状の開口部31aを有する略円盤状に形成されている。ブレード33は、ハブ32と一体に形成され、周方向所定間隔毎に並んでいる。各ブレード33は、中心から径方向外側へ向かって放射状に延び、正面視渦巻き状に形成されている。各ブレード33の径方向内側端部は、開口部31aの開口径よりも小さな円上に配置されている。

（溶着合わせ面）
図３は実施例１のインペラ3のハブ32、各ブレード33およびロータ4の側断面図、図４は実施例１のハブ32および各ブレード33の正面図、図５は実施例１の各ブレード33にシュラウド31を溶着した状態を示すインペラ3およびロータ4の側断面図である。
図３に示すように、各ブレード33のシュラウド31との合わせ面35は、シュラウド31の開口部31aよりも径方向外側に設定されている。ここで、合わせ面35を径方向に同じ長さで二等分したとき、径方向内側を径方向内側領域35a、径方向外側を径方向外側領域35bと設定する。すなわち、開口部31aの内径をr1、ブレード33の外径をr2としたとき、半径r1+(r2-r1)/2の円を境として径方向内側領域35aと径方向外側領域35bとを設定する。そして、合わせ面35の径方向内側領域35aは中心軸方向に対して垂直な面とし、径方向外側領域35bは径方向内側から径方向外側に向かってロータ4側に傾斜するテーパ面とする。径方向内側領域35aは、シュラウド31と各ブレード33とを超音波溶接等によって溶着する際の溶着範囲とする。
シュラウド31についてもブレード33と同様であり、図５に示すように、シュラウド31の各ブレード33との合わせ面34は、開口部31aよりも径方向外側に設定されている。そして、合わせ面34のうち、各ブレード33の径方向内側領域35aと対応する位置に径方向内側領域34a、径方向外側領域35bと対応する位置に径方向外側領域34bを設定したとき、径方向内側領域34aは中心軸方向に対して垂直な面とし、径方向外側領域34bは径方向内側から径方向外側に向かってロータ4側に傾斜するテーパ面とする。径方向内側領域34aは、シュラウド31と各ブレード33とを溶着する際の溶着範囲とする。

次に、実施例１の作用を説明する。
実施例１では、シュラウド31と各ブレード33の合わせ面34,35の溶着範囲を径方向内側領域34a,34bのみとしている。インペラ3は樹脂成形品であり、シュラウド31および各ブレード33は、中央部分に比して外周縁付近は成形精度が低いため、外周縁付近を含む径方向外側領域34b,35bを溶着範囲とした場合、寸法精度を出しにくく、合わせ面の歪みが大きくなることから、溶接精度が低下する。これに対し、実施例１では、寸法精度の低い外周縁付近を溶着範囲から除き、径方向内側領域34a,35aのみを溶着範囲とすることで、溶着範囲における合わせ面の歪みを小さくできるため、溶接精度の向上を図ることができる。
また、実施例１では、径方向内側領域34a,35aと径方向外側領域34b,35bの径方向長さを等しくした。つまり、合わせ面34,35の径方向1/2の範囲を溶着代としているため、インペラ3の強度信頼性を確保できる。
さらに、実施例１では、合わせ面34,35の径方向内側領域34a,35aを中心軸方向に対して垂直方向に形成している。各ブレード33にシュラウド31を溶着する際、溶着方向（溶着時に荷重を作用させる方向）は、中心軸Oの軸方向と一致する。このため、シュラウドと各ブレードとの溶着範囲における合わせ面が溶着方向と垂直ではない場合、溶着力が分散し、溶着強度が低下する。これに対し、実施例１では、溶着範囲である径方向内側領域34a,35aを溶着方向に対して垂直方向とすることで、溶着力の分散を抑制できるため、溶着強度の向上を図ることができる。また、中心軸方向に対して垂直な面は傾斜した面に対して成形精度を出し易いことも溶接精度の向上に寄与する。

実施例１は、以下に列挙する効果を奏する。
(1) 中心軸O周りに回転駆動されるハブ32と、中心軸方向にハブ32と対向配置され、中心部に流体吸入用の開口部31aを有するシュラウド31と、ハブ32とシュラウド31との間に介装され、周方向所定間隔毎に並ぶ複数のブレード33と、を備えたインペラ3において、シュラウド31と各ブレード33の合わせ面34,35を径方向内側領域34a,35aと径方向外側領域34b,35bとに径方向で二分したとき、径方向内側領域34a,35aのみに溶着範囲に設定した。これにより、溶接精度の向上を図ることができる。
(2) 径方向内側領域34a,35aと径方向外側領域34b,35bの径方向長さを等しくした。これにより、インペラ3の強度信頼性を確保できる。
(3) 合わせ面34,35の径方向内側領域34a,35aを中心軸方向に対して垂直方向に形成した。これにより、溶着力の分散を抑制でき、溶着強度の向上を図ることができる。

〔実施例２〕
実施例２は、インペラ30の形状が実施例１と異なる。実施例１と同じ構成の説明は省略する。
（溶着合わせ面）
図６は、実施例２の各ブレード38にシュラウド36を溶着した状態を示すインペラ30およびロータ4の側断面図である。
実施例２のインペラ30は、ハブ37とシュラウド36と複数（8個）のブレード38とを有する。
図６に示すように、各ブレード38のシュラウド36との合わせ面40は、シュラウド36の開口部36aよりも径方向外側に設定されている。ここで、合わせ面40を径方向に同じ長さで二等分したとき、径方向内側を径方向内側領域40a、径方向外側を径方向外側領域40bと設定する。すなわち、開口部36aの内径をr1、ブレード38の外径をr2としたとき、半径r1+(r2-r1)/2の円を境として径方向内側領域40aと径方向外側領域40bとを設定する。そして、合わせ面40の径方向内側領域40aおよび径方向外側領域40bを中心軸方向に対して垂直な面とし、径方向内側領域40aは、シュラウド36と各ブレード38とを超音波溶接等によって溶着する際の溶着範囲とする。

シュラウド36ハブ32についてもブレード33と同様であり、図６に示すように、シュラウド36の各ブレード38との合わせ面39は、開口部36aよりも径方向外側に設定されている。そして、合わせ面39のうち、各ブレード38の径方向内側領域40aと対応する位置に径方向内側領域39a、径方向外側領域40bと対応する位置に径方向外側領域39bとを設定したとき、径方向内側領域39aおよび径方向外側領域39bを中心軸方向に対して垂直な面とし、径方向内側領域39aは、シュラウド36と各ブレード38とを溶接する際の溶着範囲とする。
なお、実施例２では、各ブレード38の合わせ面40を直線上に形成しているのに対し、ハブ37のブレード側面37aを径方向内側から径方向外側に向かってブレード38側に傾斜するテーパ面とし、各ブレード38の高さを径方向外側ほど低くすることにより、ポンプ性能を確保している。
実施例２では上記のように構成したため、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、合わせ面39,40の溶着範囲を径方向内側領域39a,40aのみとしているため、溶着範囲における合わせ面の歪みを小さくでき、溶接精度の向上を図ることができる。また、径方向内側領域39a,40aと径方向外側領域39b,40bの径方向長さを等しくした。つまり、合わせ面39,40の径方向1/2の範囲を溶着代としているため、インペラ30の強度信頼性を確保できる。さらに、合わせ面39,40を中心軸方向に対して垂直方向に形成しているため、溶着力の分散を抑制でき、溶着強度の向上を図ることができる。

〔実施例３〕
実施例３は、ハブ32に補強リブ51を設けた点で実施例１と異なる。実施例１と同じ構成の説明は省略する。
（インペラ）
図７は、実施例３の各ブレード33にシュラウド31を溶着した状態を示すインペラ50およびロータ4の側断面図である。
図７に示すように、実施例３では、インペラ50とロータ4との間の小径部42とハブ32のブレード33と反対側の面32aとに亘って補強リブ（肉厚部）51が周方向所定間隔毎に設けられている。補強リブ51の径方向外側端は、シュラウド31の開口部31aの内径よりも径方向外側に突出している。すなわち、補強リブ51の径方向外側端は、各ブレード33のシュラウド31との合わせ面35の径方向内側領域35a（溶着範囲）よりも径方向外側に位置している。

実施例３では、溶着範囲の径方向内側端よりも外側に突出した複数の補強リブ51を設けたため、シュラウド31と各ブレード33とを超音波溶接等によって溶着する際、合わせ面に作用する荷重の一部を補強リブ51で受けることができる。これにより、溶着時における合わせ面の変形を抑制でき、溶着強度を高めることができる。
実施例３は、実施例１の効果(1)〜(3)に加え、以下の効果を奏する。
(4) ハブ32のブレード33と反対側に、溶着範囲の径方向内側端よりも径方向外側に突出した複数の補強リブ51を設けた。これにより、溶着時における合わせ面の変形を抑え、溶着強度の向上を図ることができる。

〔実施例４〕
実施例４は、インペラ52とロータ4との間の小径部53を大径化した点で実施例１と異なる。実施例１と同じ構成の説明は省略する。
（インペラ）
図８は、実施例４の各ブレード33にシュラウド31を溶着した状態を示すインペラ52およびロータ4の側断面図である。
図８に示すように、実施例４では、インペラ52とロータ4との間の小径部53の外径を、実施例１の小径部42よりも大きくした。小径部53の外径は、シュラウド31の開口部31aの内径よりも径方向外側に突出している。すなわち、小径部53の径方向外側端は、各ブレード33のシュラウド31との合わせ面35の径方向内側領域35a（溶着範囲）よりも径方向外側に位置している。

実施例４では、小径部53の外周端を溶着範囲の径方向内側端よりも外側に設けたため、シュラウド31と各ブレード33とを超音波溶接等によって溶着する際、合わせ面に作用する荷重の一部を小径部53で受けることができる。これにより、溶着時における合わせ面の変形を抑制でき、溶着強度を高めることができる。よって、実施例３と同様の作用効果を得ることができる。

〔実施例５〕
実施例５は、ブレード57がシュラウド56と一体に形成されている点で実施例１と異なる。実施例１と同じ構成の説明は省略する。
（インペラ）
図９は、実施例５のハブ55に各ブレード57を溶着する前の状態を示すインペラ54およびロータ4の側断面図である。
実施例５のインペラ54は、ハブ55とシュラウド56と複数（8個）のブレード57とを有する。
ハブ55は、中心軸方向に対して垂直な円盤状に形成されている。
シュラウド56は、中心軸方向に対して垂直な水平部56aと、径方向内側から径方向外側へ向かってロータ4側に傾斜するテーパ部56bとを有する略円盤状に形成されている。水平部56aの中心部には、流体を吸入するための円形状の開口部56cが形成されている。
各ブレード57は、シュラウド56と一体に形成されている。

（溶着合わせ面）
図９に示すように、各ブレード57のハブ55との合わせ面58は、ブレード57の径方向内側端から外側端に亘って設けられている。合わせ面58は、中心軸方向に対して垂直である。ここで、合わせ面58を径方向に二分したとき、径方向内側を径方向内側領域58a、径方向外側を径方向外側領域58bと設定する。径方向内側領域58aの径方向内側端はシュラウド56の開口部56cよりも径方向内側に位置し、径方向外側端はシュラウド56の水平部56aの径方向外側端よりも若干径方向内側に位置している。径方向内側領域58aは、ハブ55と各ブレード57とを超音波溶接等によって溶着する際の溶着範囲とする。
ハブ55についてもブレード57と同様であり、ハブ55の各ブレード57との合わせ面59は、各ブレード57の径方向内側端と対応する位置から外側端に亘って設けられている。合わせ面59は、中心軸方向に対して垂直である。ここで、合わせ面59のうち径方向内側領域58aと対応する位置に径方向内側領域59a、径方向外側領域58bと対応する位置に径方向外側領域59bを設定する。径方向内側領域59aの径方向内側端はシュラウド56の開口部56cよりも径方向内側に位置し、径方向外側端はシュラウド56の水平部56aの径方向外側端よりも若干径方向内側に位置している。径方向内側領域59aは、ハブ55と各ブレード57とを超音波溶接等によって溶着する際の溶着範囲とする。

次に、実施例５の作用を説明する。
実施例１では、各ブレード33をハブ32と一体に形成し、インペラ3の組み付け時に各ブレード33をシュラウド31と溶着する構成としたため、溶着範囲の径方向内側端はシュラウド31の開口部31aよりも径方向内側に設けることができない。ここで、開口部31aは所定量の流体を吸入する必要上、狭くすることはできない。
これに対し、実施例５では、各ブレード57をシュラウド56と一体に形成し、インペラ54の組み付け時にハブ55と各ブレード57を溶着する構成としたため、開口部56cよりも径方向内側まで溶着範囲を拡大できる。ハブ55およびブレード57の成形精度は径方向内側ほど高くなるため、実施例１の場合と比較して、溶着範囲における合わせ面の歪を小さくでき、溶接精度の向上を図ることができる。

また、実施例５では、合わせ面38,39の径方向内側領域38a,39aを中心軸方向に対して垂直方向に形成している。各ブレード57にシュラウド56を溶着する際、溶着方向（溶着時に荷重を作用させる方向）は、中心軸Oの軸方向と一致する。このため、シュラウドと各ブレードとの溶着範囲における合わせ面が溶着方向と垂直ではない場合、溶着力が分散し、溶着強度が低下する。これに対し、実施例５では、溶着範囲である径方向内側領域38a,39aを溶着方向に対して垂直方向とすることで、溶着力の分散を抑制できるため、溶着強度の向上を図ることができる。また、中心軸方向に対して垂直な面は傾斜した面に対して成形精度を出し易いことも溶接精度の向上に寄与する。

実施例５は、以下の列挙する効果を奏する。
(5) 中心軸O周りに回転駆動されるハブ55と、中心軸方向にハブ55と対向配置され、中心部に流体吸入用の開口部56cを有するシュラウド56と、ハブ55とシュラウド56との間に介装され、周方向所定間隔毎に並ぶ複数のブレード57と、を備えたインペラ54において、ハブ55と各ブレード57の合わせ面58,59を径方向内側領域58a,59aと径方向外側領域58b,59bとに径方向で二分したとき、径方向内側領域58a,59aのみに溶着範囲に設定した。これにより、シュラウドと各ブレードを溶着する構成と比較して、径方向内側に溶着範囲を設定できるため、溶接精度の向上を図ることができる。
(6) 合わせ面58,59の径方向内側領域58a,59aを中心軸方向に対して垂直方向に形成した。これにより、溶着力の分散を抑制でき、溶着強度の向上を図ることができる。

〔他の実施例〕
以上、本発明を実施例に基づいて説明してきたが、各発明の具体的な構成は実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
例えば、実施例１では径方向内側領域と径方向外側領域の径方向長さを等しくしているが、径方向内側領域の径方向長さは、インペラの強度信頼性または／およびシュラウドとブレードの合わせ面の溶接精度信頼性を確保できる長さであれば任意に設定できる。
また、肉厚部の形状は任意であり、ハブのブレードと反対側であって、溶着範囲の径方向内側端よりも径方向外側に突出した形状であれば良い。
実施例５に実施例３，４の肉厚部を適用した構成としても良い。

3 インペラ
31 シュラウド
31a 開口部
32 ハブ
33 ブレード
34 合わせ面
34a 径方向内側領域
34b 径方向外側領域
35 合わせ面
35a 径方向内側領域
35b 径方向外側領域
54 インペラ
55 ハブ
56 シュラウド
56c 開口部
57 ブレード
58 合わせ面
58a 径方向内側領域
58b 径方向外側領域
59 合わせ面
59a 径方向内側領域
59b 径方向外側領域

Claims (6)

1. 中心軸周りに回転駆動されるハブと、
   前記中心軸方向に前記ハブと対向配置され、中心部に流体吸入用の開口部を有するシュラウドと、
   前記ハブと前記シュラウドとの間に介装され、周方向所定間隔毎に並ぶ複数のブレードと、
   を備えたインペラにおいて、
   前記シュラウドと前記各ブレードの合わせ面を径方向内側領域と径方向外側領域とに分割したとき、前記合わせ面のうち前記径方向内側領域のみが溶着されていることを特徴とするインペラ。
2. 請求項１に記載のインペラにおいて、
   前記径方向内側領域と前記径方向外側領域は、径方向長さが等しいことを特徴とするインペラ。
3. 中心軸周りに回転駆動されるハブと、
   前記中心軸方向に前記ハブと対向配置され、中心部に流体吸入用の開口部を有するシュラウドと、
   前記ハブと前記シュラウドとの間に介装され、周方向所定間隔毎に並ぶ複数のブレードと、
   を備えたインペラにおいて、
   前記ハブと前記各ブレードの合わせ面を径方向内側領域と径方向外側領域とに径方向で分割したとき、前記合わせ面のうち前記径方向内側領域のみが溶着されていることを特徴とするインペラ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のインペラにおいて、
   前記合わせ面の径方向内側領域を前記中心軸に対して垂直に形成したことを特徴とするインペラ。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のインペラにおいて、
   前記ハブの前記ブレードと反対側に、前記径方向内側領域の径方向内側端よりも径方向外側に突出した肉厚部を設けたことを特徴とするインペラ。
6. 中心軸周りに回転駆動され、中心部に流体吸入用の開口部が設けられ、外周に流体吐出用の開口部が設けられたインペラと、
   前記インペラを回転可能に収容するハウジングと、
   を有するウォーターポンプにおいて、
   前記インペラとして、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のインペラを適用したことを特徴とするウォーターポンプ。

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