JP4789003B2 - 燃料ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、回転方向に複数形成された羽根溝を羽根板で仕切り、羽根溝に沿って形成されるポンプ通路の燃料を回転することにより昇圧する燃料ポンプに関する。

従来、円板状のインペラの回転方向に複数の羽根溝を形成し、回転方向に隣接する羽根溝の間を羽根板で仕切り、インペラが回転することにより羽根溝に沿って形成されたポンプ通路の燃料を昇圧する燃料ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような燃料ポンプにおいては、回転方向に隣接する羽根板同士が等角度間隔に形成されていると、図７の（Ａ）に示すように、インペラの回転に伴い、（羽根板総数）×（インペラの回転数）に相当する周波数に高い音圧ピークを有する騒音が発生する。

そこで、特許文献１のように、回転方向に隣接する羽根溝（羽根板）同士の隣接角度の少なくとも一部が異なるように隣接角度を設定することにより、図７の（Ｂ）に示すように、音圧ピークの周波数帯域を広げて音圧ピークを低減することが考えられる。
ところで、インペラの回転に伴い回転方向前方の羽根溝から回転方向後方の羽根溝に向けて燃料が流出、流入を次々と繰り返すことにより、インペラは燃料を旋回流にして昇圧する。このように燃料を昇圧するインペラの構成において、羽根板の隣接角度の差が大きく、羽根板により仕切られている羽根溝の回転方向の幅の差が大きくなると、羽根溝に流入する燃料量と、羽根溝から流出する燃料量との差が大きくなる。すると、旋回流を形成して燃料を昇圧する燃料ポンプのポンプ部で燃料を充分に昇圧できない。その結果、ポンプ部の昇圧効率が低下し、ポンプ部のポンプ効率が低下する。羽根板の隣接角度が同じであり羽根溝の回転方向の幅が同じであればポンプ部のポンプ効率は上昇するが、前述したように、インペラの回転に伴い発生する騒音の音圧ピークが高くなるという問題が生じる。

ここで燃料ポンプの効率とは、（モータ効率）×（ポンプ効率）で表される。したがって、ポンプ効率が向上すると燃料ポンプの効率が向上する。モータ効率およびポンプ効率は、燃料ポンプのモータ部に供給する駆動電流をＩ、印加する電圧をＶ、モータ部のトルクをＴ、モータ部の回転数をＮ、燃料ポンプが吐出する燃料の吐出圧をＰ、燃料吐出量をＱとすると、（モータ効率）＝（Ｔ×Ｎ）／（Ｉ×Ｖ）、（ポンプ効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｔ×Ｎ）で表される。したがって、（燃料ポンプの効率）＝（モータ効率）×（ポンプ効率）＝（Ｐ×Ｑ）／（Ｉ×Ｖ）である。

特開平１１−５０９９０号公報

本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、騒音の音圧ピークを低減し、かつポンプ効率の低下を抑制する燃料ポンプを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、隣接する各羽根板における回転方向一端部同士が形成する隣接角度の最大値と最小値との差である分散幅は、２．５°≦分散幅≦４°に設定されている。分散幅＜２．５°であると、隣接角度の最大値と最小値との差が小さいので、音圧ピークの周波数帯域が広がらず、音圧ピークを充分に低減することができない。また、分散幅＞４°であると、羽根溝の回転方向の幅の差が大きくなり、羽根溝に流入する燃料量と、羽根溝から流出する燃料量との差が大きくなる。すると、前述したように、回転方向前方から回転方向後方の羽根溝に向けて燃料が流出、流入を次々と繰り返して燃料を昇圧する燃料ポンプのポンプ部において燃料を充分に昇圧できない。その結果、ポンプ部の昇圧効率が低下し、ポンプ部のポンプ効率が低下する。

それ故、請求項１に記載の発明では、２．５°≦分散幅≦４°に設定することにより、インペラの回転に伴い発生する音圧ピークを低減しつつ、ポンプ効率の低下を抑制している。
ここで、隣接角度＜８°であると、羽根溝の回転方向の幅が狭く、容積が小さいので、旋回流となっている燃料が羽根溝に充分に流入できない。したがって、旋回流のエネルギーを上昇させることが困難である。また、隣接角度＞１２°であると、羽根溝の回転方向の幅が広く、容積が大きいので、羽根溝に流入する燃料を旋回流として流出させ、旋回流のエネルギーを上昇させることが困難である。このように、旋回流のエネルギーが上昇しないと、燃料の昇圧効率が低下し、ポンプ効率が低下する。

そこで、請求項１に記載の発明では、８°≦隣接角度≦１２°に隣接角度をそれぞれ設定することにより、インペラの回転により発生する旋回流のエネルギーを上昇させ、ポンプ効率を向上することができる。
請求項１に記載の発明では、燃料ポンプのポンプ効率が向上し、その結果として燃料ポンプの効率が向上するとともに、燃料ポンプが発生する音圧のピークを低減できる。

以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるインペラを用いた燃料ポンプを図２に示す。燃料ポンプ１０は、例えば車両等の燃料タンク内に装着されるインタンク式のタービンポンプであり、燃料タンク内の燃料を図示しない燃料噴射弁に供給する。燃料ポンプ１０の吐出圧は０．２５〜１ＭＰａ、吐出量は５０〜２５０Ｌ／ｈ、回転数は４０００〜１２０００ｒｐｍの範囲で設定されている。

燃料ポンプ１０は、ポンプ部１２と、ポンプ部１２を回転駆動するモータ部１３とを備えている。ハウジング１４は、ポンプ部１２およびモータ部１３のハウジングを兼ねており、エンドカバー１６およびポンプケース２０をかしめている。
ポンプ部１２は、ポンプケース２０、２２、およびインペラ３０を有しているタービンポンプである。ポンプケース２２はハウジング１４内に圧入され、ハウジング１４の段部１５に軸方向に突き当てられている。ポンプケース２０、２２は、回転部材としてのインペラ３０を回転自在に収容するケース部材である。ポンプケース２０、２２とインペラ３０との間に、それぞれＣ字状のポンプ通路２０２が形成されている。

図１に示すように、円板状に形成されたインペラ３０の外周縁部には回転方向に複数の羽根溝３６が形成されており、羽根溝３６の周方向幅は不均一である。その結果、羽根溝３６は回転方向に不等ピッチで配置されている。回転方向に隣接している羽根溝３６は羽根板３４により仕切られている。インペラ３０が図２に示す電機子５０の回転によりシャフト５１とともに回転すると、回転方向前方の羽根溝３６の径方向外側からポンプ通路２０２に流出した燃料は回転方向後方の羽根溝３６の径方向内側に流入する。このような燃料の流出、流入を羽根溝３６同士で多数繰り返すことにより、燃料は旋回流２２０（図４参照）となって図１に示すポンプ通路２０２で昇圧される。インペラ３０の回転によりポンプケース２０に設けられた図示しない吸入口から吸入された燃料は、インペラ３０の回転によりポンプ通路２０２で昇圧され、ポンプケース２２に設けられた図示しない吐出口からモータ部１３側に圧送される。モータ部１３側に圧送された燃料は、永久磁石４０と電機子５０との間の燃料通路２０６を通り、エンドカバー１６に設けられた吐出口２１０からエンジン側に供給される。ポンプケース２０に設けた空気抜き孔２０４は、ポンプ通路２０２の燃料中に含まれる空気を燃料ポンプ１０の外に排出するためのものである。

４分の１の円弧状に形成されている永久磁石４０は、ハウジング１４の内周壁に円周上に４個取り付けられている。永久磁石４０は回転方向に極の異なる磁極を４個形成している。
電機子５０のインペラ３０側の端部が樹脂製カバー７０で覆われることにより、電機子５０の回転抵抗は低下している。また、電機子５０のインペラ３０と反対側の端部に整流子８０が組み付けられている。電機子５０の回転軸としてのシャフト５１は、エンドカバー１６とポンプケース２０とにそれぞれ収容され支持されている軸受部材２４により軸受けされている。

電機子５０は、回転中央部に中央コア５２を有している。シャフト５１は、断面六角形の筒状に形成された中央コア５２に圧入されている。６個の磁極コア５４は中央コア５２の外周に回転方向に設置され、中央コア５２と嵌合して結合している。各磁極コア５４の外周に絶縁樹脂で成形されたボビン６０が嵌合し、ボビン６０の外周に巻線を集中巻してコイル６２が形成されている。

各コイル６２の整流子８０側の端部はコイル端子６４と電気的に接続している。コイル端子６４は各コイル６２の回転方向位置に対応しており、整流子８０側の端子８４と嵌合して電気的に接続している。コイル６２の整流子８０と反対側であるインペラ３０側の端部はコイル端子６６と電気的に接続している。６個のコイル端子６６は、環状の端子６８により電気的に接続している。

整流子８０は一体に形成されたカセット式である。中央コア５２にシャフト５１を圧入した状態で、整流子８０の貫通孔８１にシャフト５１を挿入して電機子５０に整流子８０を組み付けるとき、整流子８０の電機子５０側に突出している端子８４は、それぞれ電機子５０のコイル端子６４に嵌合しコイル端子６４と電気的に接続する。

整流子８０は回転方向に設置された６個のセグメント８２を有している。セグメント８２は例えばカーボンで形成されており、セグメント８２同士は、空隙および絶縁樹脂材８６により電気的に絶縁されている。
各セグメント８２は中間端子８３を介し端子８４と電気的に接続している。絶縁樹脂材８６は、セグメント８２（図示しないブラシとの摺動面を除く）、中間端子８３、および端子８４をインサート成形によって一体化し、これにより整流子８０が構成されている。整流子８０が電機子５０とともに回転することにより、各セグメント８２は順次ブラシと接触する。整流子８０が回転しながらブラシと順次接触することにより、コイル６２に供給される電流が整流される。永久磁石４０、電機子５０、整流子８０および図示しないブラシは直流電動機を構成している。

（インペラ３０）
インペラ３０の構造をさらに詳細に説明する。
インペラ３０は樹脂により円板状に一体成形されている。図１に示すように、インペラ３０の外周は環状部３２に囲まれており、環状部３２の内周側に羽根溝３６が形成されている。図３に示すように、回転方向に隣接する羽根溝３６は、インペラ３０の厚み方向のほぼ中心からインペラ３０の厚み方向の両端面３１に向けて回転方向前方に傾斜するＶ字状の羽根板３４により仕切られている。また、図４に示すように、羽根溝３６は、羽根溝３６の径方向内側から径方向外側に向けて突出する仕切壁３５により径方向内側の一部を仕切られているが、仕切壁３５の径方向外側で回転軸方向に貫通している。軸方向両側のポンプ通路２０２から羽根溝３６内に流入した燃料は、この仕切壁３５により回転軸方向両側で逆方向に回転する旋回流２２０となる。

図３に示すように、羽根溝３６の回転方向後方の後方面３７の少なくとも径方向内側は径方向内側から径方向外側に向けて回転方向後方に傾斜している。そして、羽根溝３６の後方面３７の径方向内側端３７ａと径方向外側端３７ｂとを結ぶ線分１１０は、径方向内側端３７ａからインペラ３０の半径１０２上を径方向外側に延びる直線１０４に対して径方向外側に向かうにしたがい回転方向後方に傾斜している。つまり、後方面３７は、径方向外側に向けて回転方向後方に傾斜している。図３において符号１００はインペラ３０の回転軸を示している。羽根溝３６の後方面３７の径方向内側端３７ａ、径方向外側端３７ｂは、羽根板３４の回転方向の一端部、本実施形態では羽根板３４の回転方向前方の端部における径方向内側端３４ａ、径方向外側端３４ｂでもある。

ここで、図１に示すように、回転方向に隣接する羽根板３４同士において、羽根板３４の回転方向一端部である径方向外側端３４ｂと回転軸１００とを結ぶ直線１０４が形成する隣接角度をθとすると、隣接角度θの最大値θ_maxと最小値θ_minとの差である分散幅（θ_max−θ_min）は、２．５°≦分散幅≦４°に設定されている。

インペラ３０が回転すると、羽根板３４の隣接角度が等しい場合には、図７の（Ａ）に示すように、（羽根板総数）×（インペラの回転数）に相当する周波数に高い音圧ピークを有する騒音が発生する。そして、羽根板３４の隣接角度の分散幅が小さいと、音圧ピークの周波数帯域が広がらないので、隣接角度が等しい場合と同様に音圧ピークを低減できない。しかし、羽根板３４の隣接角度の分散幅が小さいと、羽根溝３６に流入する燃料量と、羽根溝３６から流出する燃料量との差が小さくなる。その結果、インペラ３０の回転に伴い羽根溝３６への流入、羽根溝３６からの流出を繰り返すことにより燃料を昇圧する昇圧効率が上昇するので、ポンプ部１２のポンプ効率および燃料ポンプ１０の効率が上昇する。

一方、羽根板３４の隣接角度の分散幅が大きくなると、図７の（Ｂ）に示すように、音圧ピークの周波数帯域が分散し音圧ピークを低減できる。しかし、隣接角度の分散幅が大きいと、羽根溝３６に流入する燃料量と、羽根溝３６から流出する燃料量との差が大きくなる。その結果、インペラ３０の回転に伴い羽根溝３６への流入、羽根溝３６からの流出を繰り返すことにより燃料を昇圧するポンプ部１２の昇圧効率が低下するので、ポンプ部１２のポンプ効率および燃料ポンプ１０の効率が低下する。

ここで、分散幅と音圧ピークおよびポンプ効率との特性を図５に示す。グラフ３００は、分散幅と音圧ピークとの関係を示し、グラフ３０２は、分散幅とポンプ効率との関係を示している。図５の特性から、音圧ピークが１３５ｄＢ以下であり、かつ羽根板３４の隣接角度がすべて等しい場合、つまり分散幅が０°の場合の最適値に比べてポンプ効率の低下が１％以下になる分散幅の範囲は、２．５°≦分散幅≦４°であることが分かる。このように、２．５°≦分散幅≦４°の範囲に分散幅を設定することにより、音圧ピークを低減するとともに、ポンプ効率の低下を抑制できる。

また、分散幅だけでなく、図６のグラフ３１０に示すように、隣接角度自体の大きさもポンプ効率に影響する。図６は、インペラのすべての羽根板の隣接角度を等しくした場合の、隣接角度とポンプ効率との関係を示している。
隣接角度＜８°であると、羽根溝３６の回転方向の幅が狭く、容積が小さくなるので、旋回流となっている燃料が羽根溝３６に充分に流入できない。したがって、旋回流のエネルギーを上昇させることが困難である。また、隣接角度＞１２°であると、羽根溝３６の回転方向の幅が広く、容積が大きくなるので、羽根溝３６に流入する燃料を旋回流として流出させ、旋回流のエネルギーを上昇させることが困難である。このように、旋回流のエネルギーが上昇しないと、燃料の昇圧効率が低下し、ポンプ効率が低下する。

これに対し、すべての羽根板の隣接角度を等しくしたインペラにおいて、８°≦隣接角度≦１２°の範囲に隣接角度が設定されていれば、図６に示すように、ポンプ効率の低下は最適値の１％以下の範囲に抑えられる。したがって、本実施形態のように、羽根板３４の隣接角度を不均一にする場合にも、不均一な隣接角度の範囲を８°≦隣接角度≦１２°の範囲にそれぞれ設定することにより、２．５°≦分散幅≦４°の範囲において、ポンプ効率の低下を最適値の１％以下の範囲に容易に抑えることができる。

以上説明したように第１実施形態では、回転方向に隣接している羽根板３４の隣接角度を不均一にした分散幅を、２．５°≦分散幅≦４°に設定することにより、インペラ３０の回転に伴い発生する騒音の音圧ピークを低減するとともに、燃料ポンプ１０のポンプ部１２のポンプ効率の低下を極力抑制することができる。

また、第１実施形態では、羽根溝３６の径方向外側を環状部３２が覆っており、インペラ３０の外周側にポンプ通路が形成されていない。その結果、ポンプ通路２０２で昇圧される燃料圧力の回転方向の差圧がインペラ３０の径方向に直接加わらないので、インペラ３０に径方向に加わる力が減少する。これにより、インペラ３０の回転軸がずれることを防止できるので、インペラ３０が滑らかに回転できる。

また上記複数の実施形態では、燃料ポンプのモータ部をブラシモータにしたが、モータ部をブラシレスモータにしてもよい。
このように、本発明は、上記複数の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

（Ａ）は第１実施形態によるインペラを燃料吸入側から見た全体図、（Ｂ）は（Ａ）の羽根溝部分の拡大図。 第１実施形態の燃料ポンプを示す断面図。 （Ａ）は第１実施形態によるインペラの羽根溝を燃料吸入側から見た模式図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 図２に示すポンプ通路の拡大図。 分散幅と音圧ピークおよびポンプ効率との関係を示す特性図。 隣接角度とポンプ効率との関係を示す特性図。 （Ａ）は等間隔羽根板、（Ｂ）は不等間隔羽根板の音圧ピークを示す特性図。

符号の説明

１０：燃料ポンプ、１２：ポンプ部、１３：モータ部、２０、２２：ポンプケース（ケース部材）、３０、９０：インペラ、３４、９４：羽根板、３４ｂ：径方向外側端（回転方向一端部）、３６、９２：羽根溝、１００：回転軸、２０２：ポンプ通路、２２０：旋回流

Claims (1)

1. モータ部と、
   回転方向に複数の羽根溝が設けられ、前記モータ部の回転駆動力により回転するインペラと、
   前記羽根溝の径方向外側に形成されている環状部と、
   前記環状部に隣接して回転方向前方に傾斜して複数形成され、回転方向に隣接する前記羽根溝の間を仕切る羽根板と、
   前記インペラを回転自在に収容し、前記インペラの回転方向に沿ってＣ字状に形成されるポンプ通路を有するケース部材と、
   を備え、
   隣接する前記羽根板における回転方向一端部同士が形成する隣接角度は８°〜１２°の範囲であり、前記隣接角度の最大値と最小値との差は、２．５°〜４°の範囲であって、
   前記インペラの回転数が４０００ｒｐｍ〜１２０００ｒｐｍの範囲において、吐出圧が０．２５Ｍｐａ以上１ＭＰａ以下であり、吐出量が５０Ｌ／ｈ以上２５０Ｌ／ｈ以下であることを特徴とする燃料ポンプ。

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