JPH04365998A - ウオーターポンプの羽根車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エンジン冷却系の冷媒
循環用ウオーターポンプの羽根車に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２と図１３に、それぞれエンジンの
冷却系に用いられる従来のウオーターポンプおよび羽根
車を示す。吸入口１を有するエンジンブロック側の壁２
にウオーターポンプが取りつけられている。このウオー
ターポンプは、ボリュートケーシング３を有するポンプ
ハウジング４を有し、このポンプハウジング４の円筒状
突出部分に回転軸５がベアリング６により回転可能に支
持され、ポンプハウジング４内の回転軸５の一端には、
ボス１０ａと羽根１０ｂを有する板金製の羽根車１０が
固定され、この羽根車に隣接してポンプハウジング４と
回転軸５の間にメカニカルシール８が装着されている。 回転軸５の他端には、プーリー取付けフランジ９が固定
されており、回転軸５には、このフランジ９に取りつけ
たプーリー（図示省略）を介してエンジンのクランシャ
フトから回転力が伝達される。

【０００３】従来のウオーターポンプの場合、遠心型ポ
ンプとしてその羽根車が従来の設計に基づいて設計され
ている。近年では、製造コストの低減を図る目的から図
１２と図１３に示すような板金プレス製羽根車、または
プラスチックの射出成形による羽根車などが用いられて
いる。これらの羽根車は、羽根入口通路幅が大きく取ら
れかつ羽根厚みも薄いので、高温、高回転で使われるウ
オーターポンプとしては、遠心型羽根車の従来設計に忠
実に従った鋳鉄製の羽根車のウオーターポンプに比較し
、耐キャビテーション特性が優れ、その寿命も長く、広
く用いられている。しかしながら、この羽根車を用いた
ウオーターポンプでは、羽根車内循環水量が増え、騒音
も大きく、ポンプ効率も低く、キャビテーション特性の
より以上の向上が図れないなどの欠点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、最近エ
ンジンの高出力化に伴い、エンジンから冷却水への放熱
量が増大しつつあり、ラジエータや冷却ファンのサイズ
アップ等の冷却能の増大を行わずにこれに対応するため
には、より耐キャビテーション特性の良いウオーターポ
ンプが要求されるようになってきている。また、エンジ
ンルーム内もコンパクト化が図られ、従来下部に取りつ
けられていたウオーターポンプも任意の位置に取りつけ
られる設計が必要であり、この点からも耐キャビテーシ
ョン特性の良いウオーターポンプが要求されることにな
る。また、大気汚染の防止の目的から燃費の改善が求め
られている現在では、さらに小型軽量でポンプ効率の高
いウオーターポンプが要求される。これらの要求を従来
のウオーターポンプ羽根車の改善で行おうとしても、そ
の設計手法は従来の手法であるので、大幅な改善を行う
ことは不可能である。ウオーターポンプの設計点はポン
プ比速度で３００　〜４００（ｍ．ｒｐｍ．ｍ３／ｍｉ
ｎ）程度の所にあり、最も良いポンプ特性が発揮される
設計点にあり、この点からも改善が困難である。

【０００５】本発明の目的は、耐キャビテーション特性
およびポンプ効率を大幅に向上させることができるウオ
ーターポンプの羽根車の設計手法を提供し、それによっ
てさらにエンジン冷却システム諸特性を著しく向上させ
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明によるウオーターポンプの羽根車は、回転
軸に嵌合するボスに連なるシュラウドの子午面形状を凹
形の円弧状回転面とし、羽根入口縁が取りつくボスシュ
ラウドは回転軸にほぼ平行な円筒状に形成し、羽根入口
縁はこの入口側ボスシュラウド面からなめらかに連続さ
せ、羽根目玉部へ大きく張り出させ、ケーシング側の羽
根入口縁は回転軸に対してほぼ直角に延びるようにし、
円筒状のボスシュラウドに取りつく羽根入口縁とケーシ
ング側羽根入口縁の間を上流側に凸形をなす円弧状のな
めらかな曲線によって結んで羽根入口縁を形成し、この
羽根の入口角はボスシュラウド側入口縁ではほぼ０°に
、ケーシング側入口縁ではほぼ従来の設計で計算される
角度に設定し、かつボスシュラウド側とケーシング側の
間の羽根入口角をなめらかに変化させた形状の羽根入口
を有し、前記羽根形状の羽根入口から羽根出口端までな
めらかな曲面で結んで形成した羽根を有することを特徴
とする。

【０００７】また、請求項１の前記羽根入口形状および
羽根形状を平板状のシュラウドに形成することによって
も上記の目的を達成することができる。

【０００８】請求項１の前記羽根入口形状および羽根形
状の羽根において、入口から出口までに到る羽根チップ
側形状を下流に凸の円弧状の形状に形成すれば、後述す
る理由から好都合である。

【０００９】なお、羽根チップ側とは、ケーシング側羽
根入口縁からケーシング側羽根出口縁までに到るケーシ
ング側の羽根縁を意味する。

【００１０】

【作用】本発明のウオーターポンプの羽根車の羽根の作
用を従来の設計の羽根と比較して説明する。

【００１１】従来の一般のターボ型ポンプ羽根車の羽根
入口の設計では、入口の速度三角形に基づいてメリデイ
アン流入速度を羽根入口全縁で均一にするという目的で
羽根入口角が設定され、羽根入口縁が形成されている。 そのため、羽根入口角は径の小さい羽根入口ほど大きく
なる設計となる。すなわち、羽根取付けボス部入口角が
常に入口外径部の羽根入口角より大きいことになる。従
来設計では、このような設計が羽根車入口における損失
を最小にして、ポンプ効率およびキャビテーション特性
を向上させる手法として確立している。ところが、実際
はこの設計手法では、羽根入口のメリデイアン流入速度
は一定とならず、ボス側の羽根の働きが弱くなり、チッ
プ側の２／３　程度の羽根しか有効に働かないとも言わ
れている。しかしながら、現在では上述の設計手法しか
確率されてないため、広く速度三角形に基づく羽根入口
角の設定がなされている。

【００１２】本発明のウオーターポンプの羽根車は、こ
の矛盾を一掃して、羽根全域で有効に働く羽根車の設計
手法を提供する。本発明の羽根車の作用を従来の羽根車
と比較して図１１により説明すると、羽根入口径ｒｉｏ
（　目玉径に相当する）　、ボス径ｒｉｂの羽根入口で
従来設計により設定される羽根入口角は、図１１に示す
破線のように示され、回転中心で入口角は９０°となる
ようにボス径側で急激に大きくなる。一方、本発明の羽
根車の羽根入口角の設定は、羽根入口径ｒｉｏでは従来
設計手法を用いた羽根入口角と同様に設定されるが、ボ
ス径側ではほぼ０°となるように実線で示されるように
設定されており、従来設計の羽根入口角とは全く逆の勾
配となっている。このような本発明の羽根入口角とする
と、従来設計理論では羽根入口のボス近辺では、羽根へ
の水の流入が全くできないことになり、ポンプ特性およ
びキャビテーション特性の劣化を招くことになる。しか
しながら、実際は全く逆で、ボス側羽根入口縁を羽根目
玉部へ大きく張り出し、ケーシング側の入口縁は回転軸
にほぼ直角に形成して、ボス側羽根入口縁とケーシング
側羽根入口縁の間を上流に凸形になす円弧状のなめらか
な曲線で形成することによって、羽根入口の流路面積が
広く確保され、ボスまたはシュラウドつけ根近傍の流れ
をそぎ取るようにして効率よく羽根内へ導くことが可能
になり、羽根入口での流れが均一となり、羽根全域（ボ
スからチップまで）で作用する羽根車とすることができ
、キャビテーション特性やポンプ特性を改善することが
できる。この入口形状の羽根を請求項１に記載の子午面
形状が凹形の円弧状回転面をなすシュラウドと組み合わ
せることで、このシュラウドによって軸方向から流入し
てくる水流をなめらかに径方向へ方向変換することがで
き、羽根車内損失を最小として最良のポンプ特性が得ら
れる。この場合のシュラウドに用いる円弧は、円、楕円
、放物線等のようにボスと径方向シュラウドをなめらか
に結ぶ曲線であれば何でもよい。

【００１３】以上のように、本発明の羽根入口形状とす
ることにより、羽根入口通路面積が確保され、羽根入口
への均一な流入が実現できるので、羽根入口メリデイア
ン流速を従来設計のそれより増加させることができる。 従来の羽根車と同等の流量−揚程特性を得る場合、羽根
入口径（目玉径）を従来の羽根入口径より小さく設計で
きることになる。これは、図１の本発明のウオーターポ
ンプの構造図に示すように、チップ側をオープン羽根と
する構造では、ケーシングとのわずかな隙間によって羽
根車外周の高圧の流体が低圧部へ循環するのを防ぐシー
ルラインの働きがあり、これを長く形成できる本発明の
羽根ではポンプ容積効率を向上させることができかつ羽
根車内で充分昇圧できるので、ポンプ効率が大幅に向上
する。キャビテーション特性は、従来の設計では、羽根
入口のメリデイアン流速が増加すると劣化するが、本発
明の羽根のように羽根入口における均一流入が実現され
ると、羽根車入口メリデイアン流速より羽根入口チップ
速度を低下させる方がキャビテーション特性を大幅に向
上させることができる。

【００１４】なお、従来のウオーターポンプの羽根車は
、図１２と図１３に示すように、その入口が羽根チップ
側からシュラウド側にわずかに傾斜しているのみで、図
１１に示す本発明の羽根のようにチップ側とシュラウド
側の径を大きく違えていない。これは、前述のポンプ設
計比速度からすると、この傾斜をもっと大きくしなけれ
ばならないのであるが、このようにすると、その羽根入
口角を図１１の破線のように設定しなければならない。 しかしながら、実際はそのように羽根入口角を設定して
もキャビテーション特性とポンプ効率の向上がほとんど
実現できず、その効果に対するコストの上昇を考えると
、現状の形の方が有利であるからであり、前述の説明を
実証する例となっている。

【００１５】

【実施例】以下、本発明のウオーターポンプの羽根車を
図面に示す実施例により詳細に説明する。

【００１６】図１にエンジンの冷却系に用いられる本発
明によるウオーターポンプの縦断面を示す。従来のウオ
ーターポンプと同様な部品には、１０をプラスした同様
な参照数字を付けてある。図１２と図１３に示す従来の
ウオーターポンプと異なる所は、羽根車２０と、羽根車
２０の羽根入口２１に流入する水の流れを案内するため
に、エンジンブロック壁１２に設けられたフロントケー
シング２２である。

【００１７】本発明によるウオーターポンプの羽根車２
０を図２および図３により説明する。図４にその斜視図
を示す。

【００１８】図２は回転軸方向から見た羽根車形状を表
す正面図、図３はこの羽根車の回転中心を通るメリデイ
アン断面を示す。図５、６および７は、図２の羽根車の
羽根入口から羽根出口に向かって各羽根断面形状を子午
線Ｂ、ＣおよびＤに沿って切断した断面図である。なお
、図２の羽根のＡ矢印とＥ矢印から見た羽根の形状はそ
れぞれ図３のＡの実線とＥの実線で示されている。

【００１９】本発明の羽根車２０では、回転軸１５に嵌
合するボス２３に連なるシュラウド２４の子午面形状が
凹形の円弧状回転面として形成されている。各羽根２５
の入口形状は、次のように形成されている。すなわち、
羽根入口縁２６が取りつくボスシュラウド２４ａは回転
軸線Ｌにほぼ平行な円筒状に形成され、そしてボスシュ
ラウド側羽根入口縁２６ａはこの入口側ボスシュラウド
面２４ａへなめらかに連続し、かつ羽根目玉部（　羽根
入口径ｒｉｏ）へ大きく張り出すようにすると共に、ケ
ーシング側または羽根入口チップ側の羽根入口縁２６ｂ
は回転軸線に対しほぼ直角の状態にする。さらに、羽根
入口縁２６は、これらのボス側羽根入口縁２６ａとケー
シング側羽根入口縁２６ｂの間を上流側に凸形をなす円
弧状のなめらかな曲線によって形成される。この羽根入
口縁２６の入口角は、ボスシュラウド２４ａに取りつく
羽根入口縁２６ａでほぼ０°であり、ケーシング側２６
ｂではほぼ従来の設計で計算される角度に設定され、そ
の際ボス側とチップ側の間の入口角はなめらかに変化し
た形状になっている。このような羽根入口２６の形状か
ら羽根出口端２７までなめらかな曲面で結んで羽根２５
が形成されている。

【００２０】複数枚の羽根を有する従来設計の一般の羽
根車では、羽根と羽根を重ねなければ特性が発揮されな
い傾向があったが、本発明の羽根形状の羽根車では、図
３に示すように羽根長さ（羽根入口から羽根出口までの
長さ）を、全周を羽根枚数で割った角度以内に収め、羽
根の重なりをなくしても特性が劣化しないので、前記円
弧状回転面を有するシュラウド２４（図３）でもそうで
あるが、もっと簡便な円板状のシュラウドに本発明の羽
根入口形状を有する羽根車を形成すると、板金プレス製
などの羽根車を容易に製造することができ、製造コスト
をよりいっそう低減させることができる。この板金製の
羽根車の構造の一実施例の正面図と中心軸線を通る断面
図をそれぞれ図８と９に示す。図３と同様な部品には、
１００　をプラスした同様な参照数字を付けてある。こ
の羽根車１２０は、回転軸に嵌合するボスを有する部品
１２８　と、平らな円板のシュラウド１２９　に羽根を
打ち抜いて起こすことにより形成された羽根１２５を有
する部品の二部品からなり、これらの部品は適当な慣用
手段により接合されている。

【００２１】また、本発明の羽根車の羽根のチップ側形
状は、図３に点線で示す羽根入口から羽根出口を結ぶ直
線（ＰＱ）状形状でもよいが、これを図３の実線３０の
ように下流に凸形の円弧状とすることで、直線（ＰＱ）
で形成された羽根車と同等の流量−揚程特性が得られる
。これにより、当然のこととして羽根車を回転させるト
ルクが減少するので、よりポンプ効率を向上させる効果
がある。また、図１について前述したように、羽根チッ
プ側を入口から出口にかけて曲線（ベル形状）にするこ
とで、シールラインが長くとれるので、ポンプ容積効率
が向上し、ポンプ効率の向上に効果がある。

【００２２】図１０には、本発明の羽根車を有する図１
に示すウオーターポンプと、図１３の羽根車を有する図
１２に示す従来のウオーターポンプのポンプ特性と、キ
ャビテーション特性（ＮＰＳＨ特性）　をポンプ単体で
比較して示してある。羽根車の外形および出口幅は、共
に６０ｍｍ、１３ｍｍであるが、入口径は従来羽根が５
０ｍｍ、本発明が４０ｍｍである。また、ポンプ回転数
は共に６，０００　ｒ．ｐ．ｍ．である。図１０から明
らかなように、流量−揚程特性に大差はないが、それぞ
れの最高効率点の流量におけるＰｅｑ．ＮＳＰＨは、従
来型が６．９　ｍ　、本発明が２．９ｍ　であり、本発
明の羽根車を有するウオーターポンプキャビテーション
特性が大幅に改善されている。また、そのポンプ効率も
約２０％の向上が図られているのが分かる。当然、ポン
プの騒音も本発明のウオーターポンプの方が格段に小さ
い。

【００２３】

【発明の効果】請求項１に記載のウオーターポンプの羽
根車のように、ボス側羽根入口縁を羽根目玉部へ大きく
張り出し、ケーシング側の入口縁を回転軸にほぼ直角に
形成して、ボス側羽根入口縁とケーシング側羽根入口縁
の間を上流に凸形になす円弧状のなめらかな曲線で形成
することによって、羽根入口の流路面積が広く確保され
、ボスまたはシュラウドつけ根近傍の流れをそぎ取るよ
うにして効率よく羽根内へ導くことが可能になり、羽根
入口での流れが均一となり、羽根全域（ボスからチップ
まで）で作用する羽根車とすることができ、キャビテー
ション特性やポンプ特性を改善することができる。さら
に、この入口形状の羽根を子午面形状が凹形の円弧状回
転面をなすシュラウドと組み合わせることで、このシュ
ラウドによって軸方向から流入してくる水流をなめらか
に径方向へ方向変換することができ、羽根車内損失を最
小として最良のポンプ特性が得られる。

【００２４】なお、本発明のウオーターポンプを車載し
て、従来のウオーターポンプと比較実験した結果による
と、ウオーターポンプはエンジンよりプーリーを介して
駆動されるので、従来のウオーターポンプでは、キャビ
テーションのためにエンジン回転数に比例したエンジン
冷却系の水量が得られない。特に、実際の走行状態で熱
負荷が大きい状態の一つである登坂路走行時のような低
ギヤシフトの低速走行で、エンジン高回転の場合などは
キャビテーションによるポンプ性能の劣化が著しい。本
発明のウオーターポンプでは、このような厳しい条件で
もキャビテーションによる性能劣化が起こらず、エンジ
ン冷却系で使用する場合は、キャビテーションによる劣
化を加味した冷却系の設計をする必要がない。このため
、ラジエータの小型化等のような冷却系の大幅な改善が
可能となる。また、ポンプ効率がよいので、その分エン
ジン出力が増え、燃費の節減が図れる。また、ポンプ騒
音も小さいので、エンジンルーム内の遮音も容易となる
などの効果がある。

【００２５】請求項２に記載のように、請求項１の前記
羽根入口形状および羽根形状を円板状のシュラウドに形
成した場合でも、従来のようにポンプ特性を劣化させず
に板金プレス製などの羽根車を容易に製造でき、製造コ
ストをよりいっそう低減させることができる。

【００２６】請求項３に記載のように、請求項１の前記
羽根入口形状および羽根形状の羽根において、羽根入口
から出口までに到る羽根チップ側形状を下流に凸の円弧
状の形状、すなわち適当なベル形状の曲線に形成しても
、直線（ＰＱ）で形成された羽根車と同等の流量−揚程
特性が得られる。これにより、当然のこととして羽根車
を回転させるトルクが減少するので、よりポンプ効率を
向上させる効果がある。また、前述したように、羽根チ
ップ側を入口から出口にかけて曲線（ベル形状）にする
ことで、シールラインが長くとれるので、ポンプ容積効
率が向上し、ポンプ効率の向上に効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるウオーターポンプの縦断面図であ
る。

【図２】図１に組み込まれた本発明の羽根車の一実施例
の正面図である。

【図３】図２の羽根車の中心軸線を通る縦断面図である
。

【図４】図２と３の羽根車の斜視図である。

【図５】図２の羽根を線Ｂに沿って切断したメリデイア
ン断面である。

【図６】図２の羽根を線Ｃに沿って切断したメリデイア
ン断面である。

【図７】図２の羽根を線Ｄに沿って切断したメリデイア
ン断面である。

【図８】本発明の板金プレス製の羽根車の一実施例の正
面図である。

【図９】図８の羽根車の中心軸線を通る縦断面図である
。

【図１０】図１に示す本発明のウオーターポンプと従来
のウオーターポンプのポンプ特性とキャビテーション特
性を比較して示したグラフである。

【図１１】羽根入口縁のボス側からケーシング側羽根入
口縁に到る羽根入口角の変化の様子を示した説明図であ
る。

【図１２】従来のウオーターポンプの縦断面図である。

【図１３】図１２のウオーターポンプに組み込まれた従
来の羽根車の正面図である。

【符号の説明】

１５　　　　　　回転軸 ２０　　　　　　羽根車 ２４　　　　　　シュラウド ２４ａ　　　　ボスシュラウド ２６　　　　　　羽根入口縁 ２６ａ　　　　ボスシュラウド側羽根入口縁２６ｂ　　
　　ケーシング側羽根入口縁２７　　　　　　羽根出口 ｒｉｏ　　　　　　羽根目玉部 １２０　　　　　　板金製羽根車 １２５　　　　　　板金製羽根車の羽根１２９　　　　
　　平板状シュラウド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　エンジンの冷却系に用いられるウオー
   ターポンプの羽根車において、回転軸に嵌合するボスに
   連なるシュラウドの子午面形状を凹形の円弧状回転面と
   し、羽根入口縁が取りつくボスシュラウドは回転軸にほ
   ぼ平行な円筒状に形成し、羽根入口縁はこの入口側ボス
   シュラウド面からなめらかに連続させ、羽根目玉部へ大
   きく張り出させ、ケーシング側の羽根入口縁は回転軸に
   対してほぼ直角に延びるようにし、円筒状のボスシュラ
   ウドに取りつく羽根入口縁とケーシング側羽根入口縁の
   間を上流側に凸形をなす円弧状のなめらかな曲線によっ
   て結んで羽根入口縁を形成し、この羽根の入口角はボス
   シュラウド側入口縁ではほぼ０°に、ケーシング側入口
   縁ではほぼ従来の設計で計算される角度に設定し、かつ
   ボスシュラウド側とケーシング側の間の羽根入口角をな
   めらかに変化させた形状の羽根入口を有し、前記羽根形
   状の羽根入口から羽根出口端までなめらかな曲面で結ん
   で形成した羽根を有するウオーターポンプの羽根車。
2. 【請求項２】　　請求項１の前記羽根入口形状および羽
   根形状を平板状のシュラウドに形成したことを特徴とす
   る請求項１に記載のウオーターポンプの羽根車。
3. 【請求項３】　　請求項１の前記羽根入口形状および羽
   根形状の羽根において、入口から出口までに到る羽根チ
   ップ側形状を下流に凸の円弧状の形状に形成したことを
   特徴とする請求項１に記載のウオーターポンプの羽根車
   。