JP7177524B2 - 遠心ポンプの３次元プラスチックインペラおよびインペラの製造方法 - Google Patents

Description

開示はポンプインペラの製造方法に関し、より詳細にはエンジニアリングプラスチック材料から製造されるポンプインペラの製造方法に関し、これは射出成形またはトランスファ成形のような方法を用いて、高効率の３次元流路を有するプラスチックインペラを製造するのに適応したものであり、従来の２次元インペラは製造が容易であるが効率が低いという問題を解決することができる。

省エネルギー、二酸化炭素排出削減が各国から注目されており、動力機械の効率化はメーカーが取り組む目標となっている。国際エネルギー機関（ＩＥＡ）の報告書によれば、ポンプの消費電力は電動機械全体の消費電力の約１９％である。２０１５年以降、欧州連合（ＥＵ）はウォーターポンプの最小効率指数（ＭＥＩ）を少なくとも０．４以上になるように規制しており、したがって、多くの製造業者は、製造コスト効率の高い高効率ポンプの開発に取り組んでいる。

遠心インペラはターボ機械の動作のための重要な要素であり、液および／または気体を含む流体を伝達するために使用され、風力タービンまたはポンプに適用されることができる。ポンプの遠心インペラは渦巻状に設置されており、流体はポンプ筐体の吸込みに流入し、軸方向にインペラの入口に入る。インペラの内部は、複数の湾曲したブレードによって画定される複数の放射状又は傾斜したブレード流路を有する。インペラが回転すると、遠心力およびコリオリ力の助けを借りて、流体の流速および圧力を増加させるように、機械的エネルギーがこれらのブレードを介して流体に伝達される。ブレードの案内により、流体の流れは軸方向から半径方向に切り替わり、次いで、流体はブレード流路から出てボリュートの流路に入り、その高速運動エネルギーはボリュートの流路の拡散を通して静圧として回収され、ボリュートの出口から排出される。

軸方向において、遠心インペラ、の前側および後側にシュラウドおよびハブがそれぞれ配置され、シュラウドおよびハブのブレードはブレード流路内を流れる流体の動きを制限するように構成される。ハブはシャフトに直接接続されており、シャフトの動力をブレードに伝えるために使用される。シュラウドは、流体の流れを制限するために使用され、また、ブレードの全体的な構造的強度を増加させ、ボリュートの内側とブレード流路との間の圧力差を維持することができる。

典型的な遠心ポンプは、オープンインペラ、セミオープンインペラまたは密閉インペラを備えることができる。オープンインペラにはシュラウドがなく、オープンインペラはブレードを軸に連結するためのハブの一部だけを有し、インペラはポンプ筐体の前壁と後壁の間に設置され、流れ場は主にインペラとポンプ筐体の前壁と後壁の間隙により制御される。セミオープン型インペラはシュラウドを持たず、ブレードと軸を連結する完全なハブを有し、流れ場は主にインペラとポンプ筐体前壁の間隙により制御される。閉鎖型インペラは通常、シュラウドとハブの両方を有し、効率がより高くなるようにインペラ流路の間に隙間がなく、一般に、シュラウド、ハブ、およびブレードは十分な機械的強度を提供し、各ブレード流路内の液体を効果的に分離するための単一片で作られている。

ここで、図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照すると、図１Ａは２次元ブレードを有する従来のプラスチックインペラの側面断面図であり、図１Ｂは図１Ａにおけるプラスチックインペラの上面図であり、図１Ｃは、図１Ａにおける２次元ブレードの格子線を示す。なお、インペラは回転機械部品であるため、円筒座標系は図１Ａに示すように、インペラの幾何学的形状を記述するために使用されることが多く、インペラの軸方向に沿った断面はｒ＿ｚ平面または子午面上にあり、吸引によってインペラに入る流体の流れの後に軸方向から半径方向に変化する流路の幾何学的形状を記述するために使用され、シュラウド１１とハブ１２との間のブレードの流路の幾何学的形状を記述するためにも使用され、図１Ｂのｒ＿θ平面は、子午面に垂直な投影平面である。シュラウド１１は、内部表面１１１を有する。ｒ＿ｚ平面上の内部表面１１１の表面要素はｒ軸に平行な直線である。換言すると、内部表面１１１は、２次元環状平坦面である。ハブ１２は内部表面１２１を有する。ｒ＿ｚ平面上の内部表面１２１の表面要素はｒ軸に並行でない直線であり、したがって、内部表面１２１は円錐面である。

図１Ｄにおいて、従来の２次元プラスチックインペラの製造方法はブレードおよびハブを単一片で形成し、ブレードおよびハブの成形は固定ダイおよび移動ダイによって単純に達成することができ、次いで、ブレードの単一片およびハブは完ぺきなインペラを形成するように、熱溶接または溶融ロッドを用いてシュラウドと組み合わされる。

遠心インペラを高効率化するためには、ポンプ吸引により流体がインペラに入った後、流体の軸流を半径流と円流に切り替えることを考慮して、吸引部のブレードの形状を２．５次元または３次元の曲線（ねじれブレード部ともいう）としなければならない。２．５次元ブレードはそのブレード角が流れ場の要求に合致しているため、２次元ブレードよりも高効率であるが、３次元表面を有するブレードのみが流れ場の要求に完全に合致し、高効率という目標を完全に達成することができる。ここで、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃを参照する。ここで、図２Ａは３次元ブレードを有するがシュラウドを有しない従来のプラスチックインペラの側面断面図であり、図２Ｂは図２Ａのプラスチックインペラの上面図であり、図２Ｃは、図２Ａの３次元ブレードの格子線を示す。図２Ｂにおいて、ブレード面の表面要素は曲線であり、このような表面は、ブレード面の表面要素が直線であれば３次元表面と呼ばれ、このような表面は２．５次元表面と呼ばれる。前述の２次元ブレードと比較すると、図２Ａのブレード２３はハブ２２上に配置され、ブレード２３の子午線幅２３１はブレード２３の最も広い入口幅Ｂ２１からブレード２３の最も狭い出口幅Ｂ２２まで徐々に減少し、ハブ２２は内部表面２２１を有し、ｒ＿ｚ平面上の内部表面２２１の表面要素は曲線であり、内部表面２２１は凹状の円錐面である。このようなケースでは、このようなインペラの成形工程中、流路を形成するモールド型は複数のモールド型スライド群に分割されなければならないか、インペラが形成された後に流路から除去することができず、このようなモールド型スライドの除去の難しさは特にブレードの入口幅Ｂ２１で生じる。

ｒ＿ｚ平面（子午面）上では、ブレード２３がインレットで前縁２３２を有し、ブレード２３はハブ２２から離れる側でシュラウド線２３４を有し、ブレード２３はハブ２２に接続される側でハブ線２３５を有し、湾曲ブレード２３は出口端で後縁２３６を有し、シュラウド線２３４とハブ線２３５との間に平均線２３８が存在する。図２Ｂにおいて、ｒ＿θ平面上で見ると、２つの隣り合うブレード２３はその間にセクタ幅２３７を有するが、シュラウド線２３４とハブ線２３５とは互いに重なり合わず、特に、３次元ねじれブレード部２３３を有する前縁２３２近傍のブレード２３の部分ではねじれブレード部２３３が吸い込みに向かって延びる湾曲形状であり、シュラウド線２３４とハブ線２３５との間の距離はブレード出口に向かう方向に減少する。図２Ｃの格子線ではβはブレード２３の三次元角度を示し、インレット（すなわち、ｍが１００％に近い）ではシュラウド線２３４とハブ線２３５とはβが異なり、したがって、曲線前端２３２は２つの曲線（すなわち、シュラウド線２３４とハブ線２３５）を接続して曲線要素２３９ａを形成し、曲線要素２３９ａは前端２３２に平行であり、ブレード出口に向かう方向ではシュラウド線２３４とハブ線２３５との間の距離は減少し、曲線要素２３９ａは曲線から直線に徐々に変わる。現在の技術では、この構成を３次元ブレード表面２３９と考えている。

図２Ｄを参照すると、３次元ブレードのシュラウド線２３４およびハブ線２３５のそれぞれは直列に接続された複数の円弧線によって形成され、これらの円弧線は異なる中心および異なる半径を有し、したがって、セクタ幅２３７を形成するためのモールド型スライドの除去はブレード２３と干渉することになる。

図３Ａ、図３Ｂ、及び図３Ｃを参照すると、図３Ａは２．５次元のブレード面を有するがシュラウドを有しない従来のプラスチックインペラの側面断面図であり、図３Ｂは図３Ａのプラスチックインペラの上面図であり、図３Ｃは、図３Ａの３次元ブレードの格子線を示す。図３Ａにおいて、ブレード３３はハブ３２上に配置され、ブレード３３の子午線幅３３１はブレード３３の最も広い入口幅Ｂ３１からブレード３３の最も狭い出口幅Ｂ３２まで徐々に減少し、ハブ３２は内部表面３２１を有し、ｒ＿ｚ平面上の内部表面３２１の面要素は曲線であり、内部表面３２１は凸状円錐面となるようになっている。ｒ＿ｚ平面（子午面）上において、ブレード３３は吸込時に前縁３３２を有し、ブレード３３はハブ３２から離れる側にシュラウド線３３４を有し、ブレード３３はそのハブ３２に接続される側にハブ線３３５を有し、湾曲ブレード３３は出口端に後縁３３６を有し、シュラウド線３３４とハブ線３３５との間に平均線３３８が存在する。図３Ｂにおいて、ｒ＿θ平面上で見ると、２つの隣接するブレード３３はその間にセクタ幅３３７を有するが、シュラウド線３３４とハブ線３３５とは互いに重なり合わない。特に、２．５次元ねじれブレード部３３３を有する前縁３３２近傍のブレード３３の部分において、ねじれブレード部３３３は吸い込みに向かって軸方向に延びる直線形状である。ブレード３３の入口において、前縁３３２の直線はシュラウド線３３４とハブ線３３５とを連結してブレード表面３３９を形成し、ここでブレード表面３３９は直線素子３３９ｂによって形成される。現在の技術では、この構成を２．５次元ブレード面と考えている。

２．５次元インペラを製造する従来技術ではシュラウドとブレードは単一片に形成され、セクタ流路内のモールド型スライドはブレード面の直線素子に沿って脱型され、妨害を生じないであろうし、次いでシュラウドとブレードは完了インペラを形成するように熱溶着または溶融ロッドによってハブに組み付けられる。しかしながら、２．５次元ブレードのシュラウド線３３４及びハブ線３３５は互いに連結された複数の曲線によって形成されており、セクタ幅３３７からモールド型スライドを半径方向に除去してもなおブレードと干渉するようになっており、さらに、３次元ねじれブレード部のブレード面は曲線要素によって形成されており、従って、ブレード面の曲線要素に沿ったセクタ幅３３７でモールド型スライドを除去してもなおブレードと干渉することになる。従って、本明細書では同じ成形工程を使用することができない。加えて、ハブは動力伝達部品である。ただし、ハブは熱溶接または溶融ロッドによってブレードに組み立てることができるが、ハブはブレードを形成する同じ成形工程によって製造されないため、依然としてハブとブレードの間に継ぎ目または構造的不連続が存在し、その結果、構造的強度がより弱くなり、したがって、高温（例えば、２００℃）および高負荷のような条件下で作動することができない。

上述のように、高効率プラスチックインペラは、シュラウド、ハブ、および３次元ねじれブレード部を有さなければならず、成形の困難さを克服しなければならない。

加えて、従来、シュラウドとハブを有する３次元金属インペラはロストモールド型鋳造を使用することによって、または板金を使用して様々な部品を作製し、次いでそれらを一緒に溶着することによって製造することができる。しかしながら、これらの方法は既に成熟した技術である。従来のプラスチックポンプの３次元密閉インペラの製造には、以下の既存技術がある。

（１）５軸加工機を用いて、一片の樹脂本体を、３次元ブレード面を有するインペラに彫刻する。この方法は、多くの材料の浪費及び高い処理コストをもたらしうる。このような処理方法を採用するには、ブレードの狭い流路幅やねじれ形状が適切ではない。

（２）５軸加工機を用いて、２．５次元のブレード面を持つインペラに全体の樹脂本体片を彫る。この処理方法は前者の方法と比較して側面フライス加工を容易に使用することができるが、このような処理方法は依然として多くの材料の浪費及び高い処理コストを引き起こし、ブレード線の直線素子がブレードのねじれを減少させるが、ポンプの効率も低下させるので、この方法は流れ場の要件を完全に満たすことはできない。

（３）インペラのシュラウド、複数のブレードおよびハブを、それぞれのモールド型を用いて別々に形成し、次いで、超音波溶接または熱溶接によってそれらを一緒に組み立てる。しかしながら、この処理方法におけるブレード、シュラウド、及びハブは、同一の形成工程による単一の工程で形成されず、その結果、それらの間に継ぎ目又は構造上の不連続性が生じ、それによって、構造強度が弱くなり、高作業温度（約２００℃など）又は高荷重用途で損傷を受ける可能性がある。

（４）インペラねじれブレード部の全体集合は２つのグループに分けられる。シュラウドとハブでは、ブレードの一部が一体となって生産される。ほとんどのブレードは均等に分割され、その後、これらの構成要素が組み立てられ、超音波溶接または熱溶接を用いてインペラとなる。この方法はブレード間のセクタ幅の空間を増加させるが、ねじれブレード部の脱型の前縁では軸方向または半径方向の脱型を直接的に行うことができないので、モールド型なスライド脱型機構が依然として必要である。また、この方法は超音波溶接または熱溶接によって組み立てられるブレードの半分を依然として有し、したがって、構造強度が弱く、高作業温度（約２００℃など）または高負荷用途で容易に損傷するという問題が依然として存在する。

（５）３次元ねじれブレード部を２次元ブレード形状に置き換え、流れ場の曲線を簡単な円弧線に置き換えることにより、モールド型スライドを滑らかに除去することができるが、２次元ブレードのポンプ性能は低く、したがって効率は低下し、ＥＵのポンプエネルギ効率要件を満たすことができない。

（６）あるものはインペラを形成するために蒸発鋳造法を使用するが、蒸発鋳造は再使用することができず、蒸発鋳造コアを分解するために追加の化学剤または加熱を必要とし、これは複雑な製造工程をもたらし、コストを増大させ、その結果、経済的な生産要件と矛盾することになる。

（７）モールド型スライド群を用いて各流路を形成し、従って、モールド型スライドを流路から順次取り出すことができるように、流路内でモールド型スライドを層状化しようとするものもある。モールド型スライドの除去中に、以前に除去されたモールド型スライドによって占められていた空間がモールド型スライドの残りの部分の除去に利用可能になり、したがって、モールド型スライドの残りの部分の除去を妨害なしに実行することができる。しかし、この方法は流路幅が大きく、流速が多く、揚程が低い（比速度が中～高速）ポンプモデルにのみ適用できる。これらのタイプのポンプのみが、モールド型スライドを層化するのに充分な空間を有する。さらに、この方法の離型工程は複雑であり、離型機構の設計は複雑であり、製造コストを増加させる。

インペラ製造に関連する既存の公開文献のいくつかを以下に示す。

文献２（特許文献１）（中国特許１０３１２８９７４号明細書）
文献２は、プラスチック製の密閉型インペラの製造方法に関する。文献２は脱型処理を容易にするために、ポンプインペラは単一アークを有するブレードを採用するが、それはインペラの効率を低下させるのであろうと指摘した。閉鎖型インペラは、効率を向上させるために二重アークを有するブレードを使用する。しかし、インペラモールド型のスライドを除去することができず、単体のインペラを製造することができなかった。文献２はシュラウドとハブを２組のモールド型で製作し、その後、プラスチックねじを介して一緒に組み合わせることを提案したが、文献２では３次元ねじれブレード部の作り方については言及しておらず、文献２の図面にも、ブレードモールド型が軸方向に一方向に取り外されていることが示されているので、２次元ブレードにのみ適している。また文献２には、一体成形ではなく、プラスチックねじを用いてブレードを組み立てる際の信頼性や、高温・高負荷時に適用できるかどうかについては記載されていない。

文献３（特許文献２）（中国特許１０４１３１９９５号明細書）
文献３は、ウォーターポンプインペラの製造方法及びウォーターポンプに関する。引用文献３は射出成形やダイキャストあるいは押出成形を用いてインペラを作製するために、移動ダイと固定ダイを使用することを提案しているが、引用文献３はモールド型スライドが使用されていないため、インペラのハブが効率に影響を与える切り欠きを形成することを示している。ハブの切り欠きを埋めるためにインサートを使用すれば、効率を上げることができるが、文献３のインペラ動力伝達は軸を通して主軸穴とハブに加えられる。これはハブ内に孔が存在するため、切り欠きの周囲にわずかな面積しか残らない。ハブとブレード間の接続は、ポンプ動力伝達のための機械的構造強度を有していなければならない。文献３の図はハブとブレードの結合が主軸穴付近の小さな半径での面積であり、より大きなトルク荷重を負担する必要があることを示しており、ハブ面積は脱型処理を行うためにはインペラ吸込の範囲に限定する必要がある。したがって、文献３は、高流量かつ低ヘッド（中速から高比速度）の遠心ポンプにのみ適用接続部であろう。

文献４（特許文献３）（中国特許１０５１７９３０４号明細書）
文献４はプラスチック耐腐食耐摩耗ポンプおよびそのインペラ成形ダイを有し、文献４はプラスチック遠心ポンプ効率が一般に金属ポンプのそれより低いことを示しており、これは、主に、遠心ポンプインペラの効率がインペラ流路の軸方向および半径方向を、油圧モデルに従ってねじらなければならないためである。既往のプレスモールド型技術では高ねじれ流路からモールド型を除去することが困難であり、鋳造法で形成した金属インペラではスポーリングすることでモールド型を除去できる。文献４ではプラスチックの３次元ねじれブレード部を製作できるインペラモールド型を提案しているが、文献４で提案したインペラ流路モールド型スライドは３つのグループに分かれており、これらを順次取り出す必要があるため、複雑な脱型処理が発生し生産費が上昇し、自動脱型機構の設計が困難となり、経済的な生産要件を満たすことができなかった。

文献５（特許文献４）（中国特許１０７４７１５４７号明細書）
文献５は遠心インペラを製造するモールド型に関し、遠心ファンのインペラの成形機構を提供する。インペラ流路内のモールド型スライドは二つのグループに分けられる。リンケージ機構は、ｒ＿ｚ平面上で幅変化量を有するインペラを生成するように設計される。しかしながら、一般的な遠心ファンのブレード長さは、ポンプブレードのそれよりも短く、文献５の図面はその実施形態が２次元ブレードであることも示しており、文献５はインペラ流路のためのモールド型スライドの配置および取り外しの経路が直線に沿っていることにも言及しており、モールド型機構のためのブレードデザインが遠心ポンプが必要とする３次元ねじれブレード部には適していないことを示している。

文献６（特許文献５）（中国特許１０７０９２７６３号明細書）
文献６は、鋳造性を有するターボ機械インペラの３次元設計に関する。文献６は種々のターボ機械の効率を改善する上で重要な方法の１つがインペラの３次元設計であるが、生産に適した流路形状が必要であることを例示している。文献６では金属成形３次元インペラの製造の実現可能性を考慮した設計法を提案しているが、文献６では射出成形やトランスファ成形で作るのに適したプラスチックポンプインペラの製造スキームを提案していない。

文献７（特許文献６）（中国特許２０２２０９３０８号明細書）
文献７は効率的な完全三次元インペラに関するものであり、文献７は効率を高めるように構成された３次元インペラ設計を提案しているが、文献７は新しいインペラ設計がアルミニウム合金を使用していることを挙げており、文献７の図面はインペラがファンに適用されるセミオープンインペラであることを示しているが、文献７は製造方法についての説明を提供していない。

文献８（特許文献７）（中国特許２０３００９３８３号明細書）
文献８は、遠心コンプレッサの技術分野に属する小流量クローズフルミリング三次元インペラに関する。文献８では、インペラシュラウドにリング状の溝部を追加することを提案している。これはインペラの吸入と排出口と協働し、インペラを組み立てるために溶接やリベット止めを使用する代わりに機械的処理によって製造される。しかし、ブレード流路を彫刻するために機械加工を使用することは、製造コストが高いという問題がある。文献８には費用対効果に関連するものは言及されておらず、シュラウド上のリング状の溝部は、流路内の流れと干渉を生じさせ、インペラ効率を低下させるのであろう。

文献９（特許文献８）（中国特許２０６７５３９８５号明細書）
文献９は密閉インペラに関するものであり、文献９はシュラウドとインペラとを組み合わせる方法を提供し、ダブテールスロット及び位置決めブロック機構の設計により、軸方向の制限を増大させ、動作中の緩みを防止することができる。しかしながら、文献９には、３次元ブレード流路の材料および製造方法が記載されていない。

文献１０（特許文献９）（国際公開２００７／０４６５６５号）
文献１０は、車の冷却サイクルのためのポンプインペラの射出成形戦略を提供する。文献１０は射出成形を用いてインペラを一体成形することに言及しており、ブレード効率を向上させ、インペラの信頼性を向上させることができるが、文献１０の図面ではブレードが２次元ブレードであることが示されており、文献１０の内容ではプラスチックインペラの３次元ブレード流路の製造方法についての説明はなされていない。

文献１１（特許文献１０）（中国特許１０２２６４５２５号明細書）
文献１１は、ポンプインペラ及びポンプインペラの噴霧－鋳造工程に関する。文献１１はインペラの流路が側面凹状になること、すなわち、インペラ吸込側付近に曲げられた側面があり、ポンプ吸込に接続されていることを示しており、側面凹状は、流路に沿ったモールド型芯の取り出しを半径方向に妨げることになる。従来技術は、蒸発鋳造コア、またはインペラを形成するための複数の部品のアッセンブリを使用しなければならない。コストダウンのために、文献１１は、遠心ポンプインペラの流路からモールド型スライドを取り出すための手法を提供している。モールド型スライドは再使用可能であるため、蒸発鋳造コアの代わりとなる。モールド型コアの一部はインペラの流路に部屋を作るために半径方向に除去され、次いで側面凹状を有するモールド型コアが除去される。文献１１は、いくつかのモールド型コアを一緒に除去することを可能にする一組のリンケージ機構を設計する最適化された実施形態さえ提供する。しかしながら、自動離型機構がない場合、手動離型は複雑な離型工程をもたらし、生産コストを増大させ、経済的生産の要件を満たすことができない。文献１１によって提案されたリンケージ機構が採用される場合、流路は十分な空間を有しなければならず、特に軸方向幅は、案内経路を設計するのに十分でなければならない。インペラ流路と遠心ポンプの出口軸方向幅は、ポンプの種類によって変わる。通常、流速が少なく、高落差（低比速度）の機種は出口が小さく、数ｍｍしかないため、モールド型芯をグループに分けることができず、案内機構を採用することができない。大流量、低落差（中～高比速度）の機種については、ある程度ねじれブレードの方が高効率化が図れる。モールド型コアは、子午面上で軸方向に分割され、セグメント化されなければならず、モールド型コアの数が増え、脱型機構の設計の難しさも同様に増大するのであろう。

文献１２（特許文献１１）（国際公開第２０１４／１３９５７８号）
文献１２はインペラの摩耗を引き起こす可能性がある、砂含有水のような異物粒子を含む液体を輸送するために特別に設計されたポンプに関するものであり、耐摩耗性のインペラ材料が必要であり、文献１２は摩耗に抵抗するためにインペラの接液材料として、ゴムのようなより柔らかい材料を使用し、ゴム型材料は弾性で変形しやすいので、モールド型スライドをインペラ流路から容易に取り出すことができる。しかしながら、文献１２ではインペラ材料を高弾性率のゴム材料と定義しているが、同時に、ポンプの適用範囲、特に高温（例えば２００℃）及び高負荷運転条件も制限している。プラスチックポンプの接液材料は通常フッ素樹脂製であり、シールレスポンプのインペラは軸方向スラスト荷重に抵抗しなければならないので、内部漏れ損失を減らすためにシュラウド吸込側との接触または非常に小さなクリアランスを持たなければならない。ゴムインペラの作動温度は材料によって異なり、一般に２００℃に達することはできない。また、弾性係数が高いため、動力伝達中に変形が発生し、したがって、シールレスポンプの適用要件を満たすことができなくなる。

文献１３（特許文献１２）（台湾特許２０１６４００２７号明細書）
文献１３は流体作動型ポンプ用遠心インペラの製造方法に関するものであり、文献１３は、インペラをシュラウドとブレードの１／２、およびハブとブレードの他の半分の２つのグループに分け、位置決め孔と超音波溶接を用いてハブ、シュラウド、およびブレードを組み合わせる。この方法はブレード間の製造スペースを増大させるだけであるが、文献１３では中央吸込口におけるインペラのブレードねじれセグメントが仕上げブレードからモールド型からどのように分離するかを説明しておらず、文献１３のインペラはなお、動力伝達を担うハブと一体的に形成されたものではなく、超音波溶接または化学接着剤、スクリューによってハブに接続されただけのブレードの量の半分を有する。すなわち、その実施形態における文献１３のインペラは、単にシュラウドとの接触面が非常に小さなブレードを通って伝達されるインペラ負荷の半分を有している。プラスチック材料が高温（例えば、２００℃）および高荷重のようないくつかの用途における機械的強度において信頼性の問題を有するという問題は、文献１３では説明されていない。

文献１４（特許文献１３）（米国特許出願公開第２０１８／０２４３９５５号明細書）
文献１４は射出成形法を用いたインペラの製造方法に関するが、モールド型的にはインペラのねじれブレード部がハブに接続される部分が小さく、ハブと重ならないで、ハブだけの周面に位置しているので、モールド型スライドは不要である。噴射後、ブレードは折り畳まれ、インペラを形成するようにハブにロックされる。文献１４はより良いインペラ効率を達成するために制約なくブレード形状を製造することを可能にするが、ブレードがハブに接続される方法はインペラを高トルク負荷に耐えることができないようにするので、低電力装置にのみ適している。文献１４はまた、その技術分野は自動車の冷却ファンのような低電力用途のためのものであると記載している。

文献１５（特許文献１４）（米国特許第１００１６８０８号明細書）
文献１５は、金属又はプラスチックの３次元ねじれインペラを製造するように構成された蒸発鋳造コア構造体に関する。インペラ射出または射出成形の後、蒸発鋳造コアは、化学剤または加熱によって分解される。この製造工程は複雑であり、コストが高く、経済的生産の必要性を満たさない。

文献１６（特許文献１５）（欧州特許第０７３４８３４号明細書）
文献１６は閉鎖型プラスチックインペラ用のモールド型構造体に関するものであり、上下の半径方向に抽出されたモールド型スライドコアとモールド型機構の組合せを用い、かつインペラを製造するために射出成形法を用いる一体型インペラを製造するように構成されている。しかしながら、文献１６は、軸方向に取り外し可能なモールド型を使用しておらず、したがって、３次元ねじれブレード部を製造することができない。また、文献１６の図面は、インペラが２次元構造体であることを示しているので、高効率要件を達成することは困難である。

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Ｐａｕｌ Ｃｏｏｐｅｒ．２００１．ＭｃＧｒａｗ－ＨｉｌｌＰＵＭＰ ＨＡＮＤＢＯＯＫ（第３版）、２．１節、遠心ポンプ理論

開示は遠心ポンプのダイ形成された３次元プラスチックインペラの製造方法を提供し、該インペラのハブはハブリム部および内部ハブを含み、該ハブリム部はハブ孔を有し、該インペラのシュラウドはシュラウドリム部およびインナーシュラウドを含み、該シュラウドリム部はシュラウド孔を有し、各ブレードの前部はねじれブレード部であり、該ハブリム部のハブ孔と該シュラウドリム部のシュラウド孔との間に位置する。シュラウドリム部はｒ＿ｚ平面上に内部表面を有し、シュラウドリム部の表面要素は曲線であってもよく、ハブリム部は内部表面を有し、ｒ＿ｚ平面上に、ハブリム部の表面要素は、曲線であってもよい。製造法は、ねじれブレード用のモールド型とインペラ出口用モールド型を使用することによって達成される。ねじれブレード用のモールド型はハブ孔及びシュラウド孔を貫通して配置され、ブレードのねじれブレード部を形成するための固定ダイ及び移動ダイを使用し、ねじれブレード部は、シュラウド及びハブの中央部で円形に配置され、ハブ孔及びシュラウド孔の上方に形成される。形成されたねじれブレード部での脱型の難しさは著しく低減され、一方、インペラ出口用モールド型は、ねじれブレード部以外のブレードの残りの部分、ならびに動力伝達を担うために使用されるハブリム部分を一体的に形成するために使用される。シュラウドリム部のシュラウド孔及びハブリム部のハブ孔は他の構成要素（例えば、内側シュラウド及び内部ハブ）によって覆うことができ、これらの構成要素は簡単なモールド型によって形成され、次いで、ハブリム部及びシュラウドリム部に組み付けられ、熱溶着又は溶融ロッドによって完了インペラを形成することができ、トルクは、ハブリム部を介してブレードに直接的に伝達することができる。

開示は遠心ポンプのダイ形成された３次元プラスチックインペラを提供し、各ブレードは互いに接続される前部および後部を含み、前部は第１シュラウド線および第１ハブ線を含み、後部は第２シュラウド線および第２ハブ線を含み、ブレードの各前部は前述のねじれブレード部であり、ハブはハブリム部および内ハブを含み、ハブリム部はハブ孔を有し、シュラウドはシュラウドリム部および内シュラウドを含み、シュラウドリム部はシュラウド孔を有し、各ブレードの前部はシュラウドリム部のハブ孔とシュラウドリム部のシュラウド孔との間に位置し、各ブレードの後部、ハブリム部、シュラウドリム部は、同一の成形工程で一体成形される。ハブリム部は、ブレードにトルクを伝達するように構成されている。内側シュラウドはシュラウド孔に設置され、内部ハブは各々のブレードの前部に連結されるようにハブ孔に設置され、ブレード、ハブリム部、シュラウドリム部を有する完了インペラを形成する。

開示のプラスチック遠心インペラ構造の主な目的は製造コストを低減し、３次元表面形状を有する遠心ブレードの高効率性能を達成するように、また、高温（例えば、２００℃）および高負荷運転条件に適用できるように、モールド型を用いて大量生産を達成することである。

開示の遠心インペラを形成する一方で、ハブのハブリム部は各ブレードのインペラ後部と一体的に形成され、トルクはハブのハブリム部を介して確実に全てのブレードに伝達できるようになっている。

ブレードの格子線上で互いに重ならないように、ブレードの２番目のシュラウド線と２番目のハブ線はブレード角が異なる。このようなケースでは、このような部分での脱型が２つのモールド型スライドを連続的に半径方向に除去することによって達成することができる。シュラウドリム部とハブリム部がｒ＿ｚ平面上で互いに平行であるケースでは、インペラ出口用モールド型の単一で簡単なスライドを半径方向に除去することにより、同じための脱型を達成できる。

ブレードの第２シュラウド線と第２ハブ線が互いに重なるケースでは、モールド型スライドを使用せずにインペラ出口のブレードを直接的に形成し、次にシュラウドと内部ハブに組み付けて、熱溶接または溶融ロッドにより完全な３次元プラスチックインペラを形成することができる。シュラウドは流体の圧力差を負担し、成形後のインペラ全体の強度を与えるため、シュラウドは高温・高荷重による緩みの問題があってはならない。

一般に、インペラを形成するためのモールド型は２つのアッセンブリに分けることができ、第１のアッセンブリはインペラ吸入部で３次元ねじれブレード部を形成するように構成されたねじれブレード用のモールド型であり、ねじれブレード用のモールド型は固定ダイと移動ダイを有してもよく、固定ダイと移動ダイはシュラウドリム部分のシュラウド孔とハブリム部分のハブ孔を介して軸方向に反対方向に取り外すことができる。第２アッセンブリはインペラの外側流路を形成するように構成されたインペラ出口用モールド型であり、ここで、流路と同じ数のモールド型スライドまたはモールド型スライド群を有し、これらモールド型スライドまたはモールド型スライド群は、流路の曲線に沿って半径方向に取り外すことができる。環状シュラウドリム部及びハブリム部並びに各ブレードは同一の成形工程で一体成形される。他の場合にはブレード及びハブリム部のみが、同一の成形工程で一体成形されてもよい。

本開示により開示された遠心ポンプの３次元プラスチックインペラおよびそれにより製造されたインペラの製造方法は、少なくとも、以下の効果を達成することができるはずである。（１）各々の部品はモールド型を使用して製造することができ、製造価値を有する自動的に脱型することができる。（２）ねじれブレード部は一組の固定ダイおよび移動ダイを使用することによって形成することができ、３次元ねじれブレード形状は、ポンプ性能の改善に役立つ。（３）ブレードおよびハブリム部分は同じ成形工程で一体成形され、したがって、より高い構造強度を有し、ハブはブレードにトルクを直接伝達し、これは、インペラが損傷されることなく、高作動温度（例えば、約２００℃）または高負荷で作動するのを助ける。

本開示の上記の説明および実施形態の以下の説明は本開示の精神および原理を実証および説明し、本開示の特許請求の範囲のさらなる説明を提供するために提供される。

２次元ブレードを有する従来のプラスチックインペラの側面断面図である。 図１Ａのプラスチックインペラの上面図である。 図１Ａの２次元ブレードの格子線を示す図である。 図１Ａの２次元ブレードの斜視分解図である。 ３次元ブレードを有するがシュラウドを有さない従来のプラスチックインペラの側面断面図である。 図２Ａのプラスチックインペラの上面図である。 図２Ａの３次元ブレードの格子線を示す図である。 その複数の湾曲部分を示す、図２Ａにおける３次元ブレードの概略図である。 ２．５次元のブレード面を有するがシュラウドを有さない従来のプラスチックインペラの側面断面図である。 図３Ａのプラスチックインペラの上面図である。 図３Ａの３次元ブレードの格子線を示す図である。 開示の第１実施形態によるプラスチックインペラの側面断面図である。 図４Ａのプラスチックインペラの上面図である。 図４Ａのブレードの格子線を示す図である。 開示の第１実施形態のプラスチックインペラおよびその製造モールド型の分解図を示す図である。 開示の第１実施形態のプラスチックインペラの部分拡大側断面図である。 開示の第１実施形態のプラスチックインペラの変形例の側面断面図である。 開示の第１実施形態のプラスチックインペラの変形例の部分拡大側面断面図である。 開示の第１実施形態のプラスチックインペラの組立断面図である。 異なる角度から見た開示の第１実施形態のプラスチックインペラの分解図を示す。 異なる角度から見た開示の第１実施形態のプラスチックインペラの分解図を示す。 異なる角度から見た開示の第１実施形態のプラスチックインペラの分解図を示す。 異なる角度から見た開示の第１実施形態のプラスチックインペラの分解図を示す。 開示の第２実施形態によるプラスチックインペラの側面断面図である。 図８Ａのプラスチックインペラの上面図である。 図８Ａのブレードの格子線を示す図である。 開示の第２実施形態のプラスチックインペラおよびそれを製造するモールド型の分解図である。 開示の第２実施形態におけるプラスチックインペラの組立断面図である。 開示の第３実施形態によるプラスチックインペラの側面断面図である。 図１０Ａのプラスチックインペラの上面図である。 図１０Ａのブレードの格子線を示す。 開示の第３実施形態のプラスチックインペラおよびそれを製造するモールド型の分解図を示す図である。 開示の第３実施形態のプラスチックインペラの組立断面図である。 開示の第４実施形態によるプラスチックインペラの組立断面図である。

本開示の詳細な特徴および利点は当業者が本開示の技術的内容を理解するための以下の詳細な説明に記載され、本開示、特許請求の範囲、および添付の図面に従って、当業者は本開示の目的および利点を容易に理解することができる。以下の実施形態は本開示をさらに詳述するが、本開示の範囲をいかなる観点によっても限定するものではない。

さらに、本開示の開示は、以下の図面に開示される。明確にするために、多くの実際的な詳細を以下の説明で説明する。しかし、これらの実際的な詳細は、本開示を限定するために使用されないことを理解されたい。

さらに、いくつかの現存する従来の構造体および構成要素は、簡単な例示のために簡単な概略図様式で示され得る。さらに、本開示の図面における特徴のいくつかは本開示の技術的特徴を理解し、見る目的のために、比例またはサイズにおいてわずかに拡大または変更されてもよいが、これは本開示を限定することを意図しない。本開示に従って製造される製品の実際のサイズおよび仕様は以下に開示されるように、要求事項、製品自体の特性、および本開示の内容に従って調整されてもよい。

＜第１実施形態＞
まず、図４Ａ～図４Ｃ、および図５を参照すると、図４Ａは開示の第１実施形態によるインペラ５の側面断面図であり、図４Ｂは図４Ａにおけるインペラ５の上面図であり、図４Ｃは図４Ａにおけるブレード５３の格子線を示し、図５は、開示の第１実施形態のインペラ５の組立断面図である。本実施形態は、３次元流路を有する遠心ポンプのためのプラスチックインペラ５を提供する。

本実施形態では、インペラ５が複数のブレード５３と、ハブリム部５２１と、内部ハブ（後部内板）５２２と、シュラウドリム部５１１と、内部シュラウド（前部内板）５１２とを含む。また、図５に示すように、シュラウドリム部５１１および内部ハブ５１２はシュラウド５１を形成し、ハブリム部５２１および内部ハブ５２２とからなるハブ５２を形成する。図４Ａまたは図４Ｆに示すように、シュラウドリム部５１１は内部表面５１１１のｒ＿ｚ平面上の面要素が曲線であり、ハブリム部５２１が内部表面５２１１を有し、ｒ＿ｚ平面上の内部表面５２１１の面要素がｒ軸に平行する直線であり、平坦面を形成する、換言すれば、内部表面５２１１は２次元の円環平坦面である。

さらに、図４Ａまたは図４Ｂに示すように、ハブリム部５２１はハブ孔５２１０を有し、シュラウドリム部分５１１はシュラウド孔５１１０を有し、各ブレード５３は、シュラウドリム部分５１１のシュラウド孔５１１０とハブリム部５２１のハブ孔５２１０との間に少なくとも部分的に位置する。

詳細には、ブレード５３に関してはｒ＿ｚ平面（子午面）上に、ブレード５３が吸込部５４近傍の前縁５３２を有し、ブレード５３がシュラウドリム部５１１に連結されたその側部にシュラウド線５３４を有し、ブレード５３がハブリム部５２１に連結されたその側部にハブ線５３５を有し、ブレード５３が吸込部５４から最も離れて位置するその側部に後縁５３６を有し、シュラウド線５３４とハブ線５３５との間に平均線５３８が存在する。より詳細には本実施形態ではブレード５３が互いに連結された前部５３０ａおよび後部５３０ｂを含み、前部５３０ａは前縁５３２に比較的近接して位置するブレード５３の部分であり、後部５３０ｂは後縁５３６に比較的近接して位置するブレード５３の部分であり、すなわち、前部５３０ａは吸込部５４に比較的近接して位置するブレード５３の部分であり、後部５３０ｂは吸込部５４から相対的に離れて位置するブレード５３の部分である。また、本実施形態または他のいくつかの実施形態では、前部５３０ａの形状が後部５３０ｂよりもはるかにねじれており、したがって、前部５３０ａはブレード５３の３次元ねじれ部分であり、ねじれブレード部とも呼ぶことができる。さらに、ブレード５３の前部５３０ａはシュラウドリム部５１１のシュラウド孔５１１０とハブリム部５２１のハブ孔５２１０との間に位置し、換言すれば、ブレード５３のねじれブレード部は、シュラウドリム部５１１のシュラウド孔５１１０とハブリム部５２１のハブ孔５２１０との間に位置する。また、前部５３０ａは、後部５３０ｂを介してハブリム部５２１とシュラウドリム部５１１とに連結されている。

さらに、ブレード５３の子午線幅５３１は、ブレード５３の最も広い吸込幅Ｂ５１からブレード５３の最も狭い出口幅Ｂ５２まで徐々に減少する。さらに、図４Ｂではｒ＿θ平面上の角度から見ると、２つの隣接するブレード５３はそれらの間にセクタ幅５３７を有し、前縁５３２、シュラウド線５３４、およびハブ線５３５は互いに重ならない。特に、図４Ａおよび図４Ｂではブレード５３の前部５３０ａおよび後部５３０ｂに関して、ブレード５３のシュラウド線５３４は第１シュラウド線５３４１および第２シュラウド線５３４２を含み、ブレード５３のハブ線５３５は第１ハブ線５３５１および第２ハブ線５３５２を含み、換言すれば、第１シュラウド線５３４１および第１ハブ線５３５１はそれぞれ、前部５３０ａ上のシュラウド線５３４およびハブ線５３５の部分であり、第２シュラウド線５３４２および第２ハブ線５３５２はそれぞれ、後部５３０ｂ上のシュラウド線５３４およびハブ線５３５の部分である。本実施形態では、シュラウド線５３４上では第２シュラウド線５３４２のみがシュラウドリム部５１１に直接接続され、ハブ線５３５上では第２ハブ線５３５２のみがハブリム部５２１に直接接続される。

本実施形態および他の実施形態では、ブレード５３はねじれた形状であり、したがって、ブレード５３の後方部分５３０ｂの第２シュラウド線５３４２および第２ハブ線５３５２はブレード５３の格子線上で互いに重ならず（例えば、図４Ｃに示される）、ブレード５３の前方部分５３０ａの第１シュラウド線５３４１および第１ハブ線５３５１はブレード角が異なっており、したがって、第１シュラウド線５３４１および第１ハブ線５３５１はブレード５３の格子線上で互いに重ならない（例えば、図４Ｃに示される）。前方部分５３０ａ上の第１シュラウド線５３４１と第１ハブ線５３５１との間の重複しないことは格子線から見てインペラ５上でより明白に見ることができ、したがって、ブレード５３の前方部分５３０ａは後方部分５３０ｂと比較して、より劇的な幾何学的形状変更を有する。

具体的には図４Ｃのブレード５３の格子線から見ると、出口ブレード角β_２は出口で同じであるが、吸込部５４に近い（すなわち、インペラ５の軸により近い）ことが明らかであり、シュラウド線５３４およびハブ線５３５はブレード角βにおいてより大きな差異を有し、これはブレードのねじれ度が増加することを意味し、これは特に、ブレード５３の前縁５３２付近の３次元ねじれ前部５３０ａで起こり、したがって、半径方向に除去されるモールド型スライドは本実施形態の前部５３０ａを形成するために使用することができず、以下の段落で内容を説明する。

また、図４Ｄを参照して、開示の第１実施形態のインペラ５とその製造モールド型の分解図を提供する。本実施形態および他の実施形態では、インペラ５を単一の工程内で形成するためのモールド型が２つのユニット、すなわち、ねじれブレード用のモールド型Ｍ１と、図４Ｄに示されたインペラ出口Ｍ２のためのモールド型とに分割することができる。ねじれブレード用のモールド型Ｍ１はハブリム部５２１のハブ孔５２１０とシュラウドリム部分５１１のシュラウド孔５１１０との間に、高度にねじれた前部５３０ａ（すなわち、ねじれブレード部）を形成するように構成される。詳細にはねじれブレード用のモールド型Ｍ１が例えば、固定ダイＭ１１と移動ダイＭ１２とを含み、固定ダイＭ１１と移動ダイＭ１２との協働はこれらのブレード５３の前部５３０ａを形成することができる。前方部分５３０ａにおけるブレード５３のシュラウド線５３４及びハブ線５３５がブレード角において大きな差異を有するので（すなわち、前方部分５３０ａにおけるブレード５３のシュラウド線５３４とハブ線５３５とは、ブレードの格子線上で重ならない程度の大きさを有する）、ねじれブレードＭ１に対する固定ダイＭ１１及び移動ダイＭ１２の脱型はハブリム部５２１のハブ孔５２１０及びシュラウドリム部分５１１のシュラウド孔５１１０からそれぞれ反対方向に固定ダイＭ１１及び移動ダイＭ１２を軸方向に除去することである。各ブレード５３の前部５３０ａ（すなわち、ねじれブレード部）は、シュラウドリム部分５１１のシュラウド孔５１１０とハブリム部５２１のハブ孔５２１０との間に位置するので、２つの反対方向に沿って固定ダイＭ１１と移動ダイＭ１２を軸方向に除去しても、ブレード５３、シュラウドリム部分５１１およびハブリム部５２１に干渉しない。ここで、開示は図面に示されている固定ダイＭ１１及び移動ダイＭ１２の位置、構成、及び特徴に限定されるものではないことに留意されたい。例えば、他のいくつかの実施形態では、固定ダイＭ１１及び移動ダイＭ１２の位置及びその上の特徴を切り替えることができる。

加えて、後方部分５３０ｂ上のブレード５３のシュラウド線５３４およびハブ線５３５はブレード角のより小さな差（すなわち、ブレードの格子線上で、後方部分５３０ｂ上のブレード５３のシュラウド線５３４およびハブ線５３５はより少ない程度の非重複性を有する）を有するため、他のいくつかの実施形態においても、後方部分５３０ｂ上のブレード５３のシュラウド線５３４およびハブ線５３５はブレードの格子線から見て互いに重複してもよい。したがって、インペラ出口用モールド型Ｍ２は前部５３０ａ（すなわち、ねじれブレード部）以外のブレード５３の残りの部分（例えば、後部５３０ｂ）を一体的に形成するために、複数の半径方向に摺動可能なモールド型のスライドまたはモールド型のスライド群を有してもよい。

具体的には図４Ｄおよび図４Ｅに示すように、本実施形態ではインペラ出口用モールド型Ｍ２が出口付近の流路の部分（すなわち、ブレード５３の後部５３０ｂ、シュラウドリム部分５１１、およびハブリム部５２１の間の空間）をそれぞれ形成するように構成された複数のグループのモールド型スライドセットを含むことができ、各モールド型スライドセットはハブスライドＭ２１およびシュラウドスライドＭ２２を含むことができ、ハブスライドＭ２１の少なくとも一部とシュラウドスライドＭ２２の少なくとも一部とを協働させて、ハブリム部５２１の内部表面５２１１、シュラウドリム部分５１１の内部表面５１１１、およびブレード５３の後部５３０ｂを形成することができ、ハブスライドＭ２１はハブリム部５２１の内部表面５２１１を形成するように構成されたハブスライド面Ｍ２１１を有し、シュラウドスライドＭ２２はシュラウドリム部分５１１の内部表面５１１１を形成するように構成されたシュラウドスライド面Ｍ２２１を有する。本実施形態では、ハブスライドＭ２１のハブスライド面Ｍ２１１の面要素が平坦面を形成するように直線となっており、よって、ハブリム部５２１の内部表面５２１１が直線となる面要素を有する平坦面となるように形成することができる。シュラウドスライドＭ２２のシュラウドスライド面Ｍ２２１の面要素は曲線であり、よってシュラウドスライド面Ｍ２２１は凸状円錐面である。このような場合、シュラウドリム部５１１の内部表面５１１１は曲線である面要素を有する凹状円錐面となるように形成することができる。一方、インペラ５は、曲線であるシュラウドリム部５１１の内部表面５１１１の表面要素と、ハブリム部５２１の内部表面５２１１の表面要素とが直線であることを必要とするため、前述のハブスライドＭ２１とシュラウドスライドＭ２２が必要となる。この要件によれば、ハブスライドＭ２１およびシュラウドスライドＭ２２は、次々に取り外される。具体的には、ブレード５３、シュラウドリム部５１１、ハブリム部５２１が形成された後、まずハブスライドＭ２１を半径方向に取り外し、次に、ハブスライドＭ２１が占有していた空間をシュラウドスライドＭ２２の取り外しに利用できるようにして、ブレード５３の後部５３０ｂ、シュラウドリム部５１１、ハブリム部５２１と干渉することなくシュラウドスライドＭ２２を容易に取り外すことができるようにする。

しかしながら、ハブスライドＭ２１及びシュラウドスライドＭ２２の幾何学的形状は実際の要求に応じて変更することができ、本開示はこれに限定されない。例えば、図４Ｆ及び図４Ｇに示されるように、先の実施形態の変形例ではインペラ５がハブリム部５２１の内面５２１１が曲線の表面要素を有する凹円錐面となるように、直線であるシュラウドリム部５１１のの内部表面の表面要素および、曲線であるハブリム部５２１の内部表面５２１１の表面要素を有することが要求され、対応してハブリム部５２１の内部表面５２１１を形成するためのハブスライドＭ２１のハブスライド面Ｍ２１１が曲線である表面要素を有する。シュラウドリム部５１１の内周面５１１を形成するためのシュラウドスライドＭ２２のシュラウドスライド面Ｍ２２１は、シュラウドリム部５１１の内周面５１１を直線である面要素を有する平面に形成することができるように、直線である面要素を有する平面に形成されている。同様に、ハブスライドＭ２１とシュラウドスライドＭ２２は、次々に取り外される。具体的にはブレード５３が形成された後、シュラウドスライドＭ２２がまず半径方向に除去され、次いで、シュラウドスライドＭ２２によって占有されていた空間がハブスライドＭ２１の除去に利用可能となり、これにより、ハブスライドＭ２１はブレード５３の後方部分５３０ｂ、シュラウドリム部分５１１、及びハブリム部５２１のような前工程で形成された部分と干渉することなく、容易に除去することができる。さらに、ハブスライドおよびシュラウドスライドの幾何学的構成または嵌合面は実際の要件に応じて変更することができ、本開示はこれに限定されないことに留意されたい。

また、図５を参照すると、インペラ５はロータ７に組み付けられている。インペラ５はシュラウド５１、ハブ５２及びブレード５３を含む。上述したように、シュラウド５１は、前述のシュラウドリム部５１１と内側シュラウド５１２とによって形成される。図４Ａおよび図５を参照すると、内側シュラウド５１２はシュラウドリム部分５１１のシュラウド孔５１１０にあり、熱溶接、超音波溶接または他の好適な方法によって、シュラウドリム部分５１１およびブレード５３に組み立てることができる。さらに、内側シュラウド５１２上にウェアリングシート５１２ａが配置され、ウェアリング８の設置のために構成される。ハブ５２は、前述のハブリム部５２１と内部ハブ５２２とによって形成される。図４Ａおよび図５を参照すると、内部ハブ５２２はハブリム部５２１のハブ孔５２１０に位置し、熱溶接、超音波溶接または他の好適な方法によって、ハブリム部５２１およびブレード５３に組み立てることができる。さらに、動力伝達シート５２１ａがハブリム部５２１上に配置され、ロータ７に設置されるように構成されている。

図５の内側シュラウド５１２および内部ハブ５２２は簡単なモールド型を使用することによって追加的に製造することができ、内側シュラウド５１２および内部ハブ５２２はシュラウドリム部分５１１、ハブリム部５２１およびブレード５３に組み立てられるように、それぞれ、各ブレード５３の第１シュラウド線５３４１および第１ハブ線５３５１に接続され、それによって一緒に完全な３次元プラスチックインペラを形成する。例えば、図６Ａ～図６Ｂは本開示の第１実施形態のインペラ５を異なる角度から見た分解図を示し、内側シュラウド５１２の溶接セグメント５１２ｂは熱溶接、超音波溶接、または他の適切な方法によってブレード５３の溶接セグメント５３４ａに接合することができ、同様に、内部ハブ５２２の溶接セグメント５２２ｂは、熱溶接、超音波溶接、または他の適切な方法によってブレード５３の溶接セグメント５３５ａに接合することができる。あるいは図７Ａ～７Ｂはまた、本発明の第１実施形態のインペラ５の分解図を示し、様々な角度から見たものであり、内側シュラウド５１２は溶融ロッド５３４ｂが挿入されるための溶融孔５１２ｃを有してもよく、溶融ロッド５３４ｂは溶融孔５１２ｃと接合されるように加熱されてもよい。同様に、内部ハブ５２２はブレード５３の溶融ロッド５３５ｂが挿入されるための溶融孔５２２ａを有することができ、溶融ロッド５３５ｂは、溶融孔５２２ａと接合されるように加熱することができる。したがって、内側シュラウド５１２および内部ハブ５２２は、シュラウドリム部５１１、ハブリム部５２１、およびブレード５３を一体成形する成形工程によっては生成されない。

図５を参照すると、ポンプの動力は動力伝達シート５２１ａ及びハブリム部５２１を介してブレード５３に伝達され、これはこれら３つの部分が同一の成形工程で一体成形されているため、すなわち、ブレード５３、ハブリム部５２１、及び動力伝達シート５２１ａは他の工程に起因する継ぎ目、ジョイント、又は接合部を有していない。従って、ブレード５３、ハブリム部５２１、動力伝達シート５２１ａの中には継ぎ目や構造上の不連続性がなく、これらの部分で形成される単一片は、高い構造上の強度を有する。そのように、ハブリム部５２１はポンプの主装填または動力伝達を受け入れるために採用することができ、ポンプの適用範囲を拡大するのに役立つ。さらに、内側シュラウド５１２および内部ハブ５２２は簡単なモールド型を使用して形成され、次いで、熱溶接、超音波溶接、または他の好適な方法によって完了インペラを形成するように他の部品に組み立てられるが、内側シュラウド５１２および内部ハブ５２２は単にインペラ５の範囲内の流体を制限するために使用されるだけであり、ポンプの主荷重または動力伝達を直接的に受けるためには使用されず、したがって、内側シュラウド５１２および内部ハブ５２２を形成する方法はポンプの構造強度に影響を及ぼさない。その結果、本実施例のインペラ５は高温（例えば、２００℃）及び高負荷のような条件下で様々な用途で作動することができる。

＜第２実施形態＞
図８Ａ～図８Ｃおよび図９を参照すると、図８Ａは開示の第２実施形態によるインペラ５の側面断面図であり、図８Ｂは図８Ａにおけるインペラ５の上面図であり、図８Ｃは図８Ａにおけるブレード５３の格子線を示し、図９は、開示の第２実施形態のインペラ５の組立断面図である。図に示されるように、本実施形態と前述の実施形態との主な相違点は、第２実施形態のブレード５３の子午線幅５３１が入口幅Ｂ５１から前方部分５３０ａと後方部分５３０ｂとの間の部分を指す方向に減少し、シュラウドリム部分５１１がｒ＿ｚ平面上の表面要素がｒ軸に平行な直線であることによって平坦面を形成する内部表面５１１１を有し、換言すれば、内部表面５１１１は２次元環状平坦面であり、ハブリム部５２１はｒ＿ｚ平面上の表面要素がｒ軸に平行な直線であることによって平坦面を形成する内部表面５２１１を有し、換言すれば、内部表面５２１１は、２次元環状平坦面である。すなわち、内部表面５１１１と内部表面５２１１とは互いに平行であり、したがって子午線幅５３１は出口幅Ｂ５２に向かって前面部５３０ａと後面部５３０ｂとの間の部分に向かう方向に変化せず、第２シュラウド線５３４２と第２ハブ線５３５２とはｒ＿ｚ平面上で互いに略平行である。すなわち、本実施形態ではブレード５３の前部５３０ａの子午線幅５３１が平均線５３８に沿って入口幅Ｂ５１から出口幅Ｂ５２に向かう方向に減少するが、ブレード５３の後部５３０ｂの子午線幅５３１は平均線５３８に沿って変化しない。図８Ｂに示されるように、前縁５３２、シュラウド線５３４、およびハブ線５３５はブレード５３の前部５３０ａで互いに重ならず、シュラウド線５３４およびハブ線５３５はブレード５３の後部５３０ｂで互いに重ならない。

加えて、図８Ｃに示されるブレード５３の格子線上では出口ブレード角は同じであり、前方部分５３０ａと後方部分５３０ｂとの間の部分から後縁５３６までの範囲で、第２シュラウド線５３４２および第２ハブ線５３５２は１０度以内でブレード角βの差を有する。従って、本実施形態におけるインペラ出口用モールド型は、半径方向に取り外すことができる単一のモールド型スライドであるように修正することができる。

詳細には、図８Ｄをさらに参照すると、本実施形態のインペラおよびそれを製造するモールド型の分解図が図示されている。本実施形態では、シュラウドリム部５１１及びハブリム部５２１がｒ＿ｚ平面（子午面）上で互いに略平行、すなわち互いに向かい合うシュラウドリム部５１１及びハブリム部５２１の内部表面が互いに平行であるため、シュラウドリム部５１１とハブリム部５２１との間の空間が外部から内部に向かって広がることはない。したがって、前述の図４Ｄと比較すると、本実施形態のインペラ出口用モールド型Ｍ２は均一な厚さを有し、半径方向に除去可能な単一のモールド型スライドであってもよく、ハブリム部５２１の内部表面５２１１およびシュラウドリム部５１１の内部表面５１１１を形成するための単一のモールド型スライドのハブスライド面Ｍ２１１およびシュラウドスライド面Ｍ２２１は、両方とも直線である面要素を有する。この構成により、インペラ出口Ｍ２のモールドをｒ＿ｚ平面（子午面）上で半径方向に除去することができる。また、シュラウドリム部５１１とハブリム部５２１とは、ｒ＿ｚ平面（子午面）から見て並行であり、ｒ＿θ平面上で半径が大きくなるにつれてセクタ幅５３７が大きくなるため、インペラ出口用モールド型の離型が妨げられない。

＜第３実施形態＞
図１０Ａ～１０Ｃおよび図１１を参照すると、図１０Ａは開示の第３実施形態によるインペラ５の側面断面図であり、図１０Ｂは図１０Ａにおけるインペラ５の上面図であり、図１０Ｃは図１０Ａにおけるブレード５３の格子線を示し、図１１は、開示の第３実施形態のインペラ５の組立断面図である。

本実施形態と前述の実施形態との間の主な相違点は第３実施形態がより低い流量、より高い揚程、およびより低い比速度を有するポンプのインペラ５に対するものであり、インペラ５は前述のシュラウドリム部分５１１を有していなくてもよく、ブレード５３は前部５３０ａにおいて３次元のねじれた幾何学的形状のみを必要とし、ブレード５３の後部５３０ｂは２次元のブレード幾何学的形状を有していてもよい。具体的には第１シュラウド線５３４１および第１ハブ線５３５１がブレード角が異なる（すなわち、第１シュラウド線５３４１および第１ハブ線５３５１はブレードの格子線上で互いに重複しない）が第２シュラウド線５３４２および第２ハブ線５３５２はブレード角が同じであってもよい（すなわち、第２シュラウド線５３４２および第２ハブ線５３５２はブレードの格子線上で互いに重複してもよい）。ハブリム部５２１は内部表面５２１１を有し、内部表面５２１１の面要素は、ｒ＿ｚ平面上でｒ軸に平行な直線である。

加えて、図１０Ｃのブレードの格子線上ではブレード５３の後方部分５３０ｂ、シュラウド線５３４、平均線５３８、およびハブ線５３５はブレード角βにおいて同じである。

したがって、本実施形態ではブレード５３の後部５３０ｂを形成するためのインペラ出口のモールド型が半径方向に除去する必要はないが、ブレード５３の前部５３０ａを形成するためのねじれブレード用のモールド型を除去する際の工程と同様に、軸方向に除去することができる。詳細には図１０Ｄをさらに参照すると、図１０Ｄは本実施形態のインペラおよびそれを製造するためのモールド型の分解図を示す。本実施形態では、インペラ５がシュラウドリム部５１１を有していないため、ハブリム部５２１から離れたブレード５３の側面が覆われておらず、ブレード５３の後部５３０ｂが２次元のブレード形状となっているので、ねじれた前部５３０ａを形成するためのねじれブレード用のモールド型Ｍ１の移動ダイＭ１２（すなわちねじれブレード部）を、後部５３０ｂを形成するためのインペラ出口用モールド型Ｍ２と一体に形成することができ、それらを取外しの際にブレード５３と干渉することなくハブリム部５２１から離れる方向に沿って軸方向に取外すことができる。

シュラウド５１に関しては、シュラウドリム部５１１および内側シュラウド５１２が簡単なモールド型を使用することによって一体成形することができ、次いで、シュラウド５１は完了インペラ５を形成するように、熱溶接、超音波溶接または他の適切な方法によってブレード５３に接続することができる。

＜第４実施形態＞
図１２を参照すると、図１２は、開示の第４実施形態によるインペラ５の組立断面図である。本実施形態と前述の実施形態との主な相違点はインペラ５のブレード５３、ハブリム部５２１、及びシュラウドリム部５１１に補強金属５５が埋め込まれており、補強金属５５は総合的な構造体の剛性を向上させるように構成されており、プラスチックインペラが高温（２００℃）及び高荷重で破損することなく安定して作動することを可能にしている。いくつかの他の実施形態において、シュラウドリム部５１１は補強金属５５を含まなくてもよい。すなわち、このような場合、インペラ５において、補強金属５５は、ブレード５３およびハブリム部５２１に埋め込まれるだけであることに留意されたい。

したがって、本開示の先の実施形態に開示されたように、遠心ポンプ用の３次元プラスチックインペラおよびそれによって製造されたインペラの製造方法は、少なくとも以下の効果を達成することができる。（１）各々の部品はモールド型を使用して製造することができ、製造価値を有する自動的に脱型することができる。（２）ねじれブレード部は取り外し可能で分離可能な固定ダイおよび移動ダイを使用することによって形成することができ、３次元ねじれブレード形状は、ポンプ性能の向上に役立つ。（３）ブレードおよびハブリム部分は同じ成形工程で一体成形され、したがって、より高い構造強度を有し、ハブリム部分はブレードにトルクを直接伝達し、これは、インペラが損傷されることなく、高作動温度（例えば、約２００℃）または高荷重で作動するのを助ける。

Claims (9)

1. 遠心ポンプのダイ成形された３次元プラスチックインペラの製造方法であって、
   前記インペラのハブがハブリム部と内側ハブを含み、前記ハブリム部はハブ孔を有し、前記インペラのシュラウドがシュラウドリム部と内側シュラウドを含み、前記シュラウドリム部がシュラウド孔を有し、インペラの複数のブレードがそれぞれ前記ハブリム部の前記ハブ孔と前記シュラウドリム部の前記シュラウド孔との間に位置する、ねじれブレード部を有し、
   前記インペラを形成するために、ねじれブレード用モールド型およびインペラ出口用モールド型を使用し、
   前記ねじれブレード用モールド型は固定ダイと移動ダイとを有し、前記ハブ孔及び前記シュラウド孔を介して配置された前記固定ダイと前記移動ダイとを用いて前記ねじれブレード部を形成し、前記ねじれブレード部は前記シュラウド及び前記ハブの中央部に円形に配置され、前記中央部の上方に形成され、
   前記インペラ出口用モールド型を用いて、前記ねじれブレード部以外のブレードの残りの部分と、動力伝達を担うために用いられる前記ハブリム部とを一体的に形成し、
   前記シュラウドリム部の前記シュラウド孔および前記ハブリム部の前記ハブ孔は、それぞれ前記内側ハブおよび前記内側シュラウドが熱溶着または溶融ロッドによって配置されることにより一緒にインペラを形成するように構成されることを特徴とする、
   ３次元プラスチックインペラの製造方法。
2. 前記ハブリム部は、動力伝達シートを備えることを特徴とする、
   請求項１に記載の３次元プラスチックインペラの製造方法。
3. 前記インペラ出口用モールド型は半径方向に摺動可能するハブスライドおよびシュラウドスライドを有し、
   前記ハブスライドは、前記シュラウドリム部に向き合う前記ハブリム部の内部表面を形成するように構成されたハブスライド面を有し、
   前記シュラウドスライドは前記ハブリム部に向き合う前記シュラウドリム部の内部表面
   を形成するように構成されたシュラウドスライド面を有し、前記ハブスライド面は前記ハブリム部の内部表面を平坦面となるように形成するために構成された平坦面であり、
   前記シュラウドスライド面は、前記シュラウドリム部の内部表面が凹状円錐面を形成するように構成された凸状円錐面であることを特徴とする、
   請求項１に記載の３次元プラスチックインペラの製造方法。
4. 前記インペラ出口用モールド型は半径方向に摺動可能するハブスライドとシュラウドスライドを有し、
   前記ハブスライドは前記シュラウドリム部に向きあう前記ハブリム部の内部表面を形成するように構成されたハブスライド面を有し、
   前記シュラウドスライドは前記ハブリム部に向きあう前記シュラウドリム部の内部表面を形成するように構成されたシュラウドスライド面を有し、
   前記ハブスライド面は前記ハブリム部の前記内部表面を凹状円錐面となるように構成された凸状円錐面であり、
   前記シュラウドスライド面は、前記シュラウドリム部の内部表面を平坦面とするように構成された平坦面であることを特徴とする、
   請求項１に記載の３次元プラスチックインペラの製造方法。
5. 前記ねじれブレード部以外のブレードの残りの部分のシュラウド線とハブ線とはブレード角が同一であり、前記インペラ出口用モールド型と前記移動ダイとは一体であり、前記ハブリム部と前記ブレードとは同一の成型工程で一体に形成されていることを特徴とする、
   請求項１に記載の３次元プラスチックインペラの製造方法。
6. 前記ねじれブレード部以外のブレードの残りの部分のシュラウド線とハブ線とは、ブレード角が異なり、前記シュラウドリム部と前記ハブリム部とが平行であり、
   前記インペラ出口用モールド型は、互いに隣り合うブレードのいずれか２つの間の空間において、半径方向に単一のモールド型スライドのみを提供することを特徴とする、
   請求項１に記載の３次元プラスチックインペラの製造方法。
7. 遠心ポンプのダイ形成された３次元プラスチックインペラであって、
   前記３次元プラスチックインペラは、
   シュラウドと、
   ハブと、
   複数のブレードと、を含み、
   共に作動流体のためのインペラ内の流路を形成し、前記シュラウド及び前記ハブは前記作動流体の流路を制限するように構成され、前記ハブは前記ブレードにトルクを伝達するように構成され、
   前記ブレードの各々は、前部と、前記前部に接続された後部と、前記シュラウドに接続されたシュラウド線と、前記ハブに接続されたハブ線とを備え、
   前記シュラウド線は、第１シュラウド線と第２シュラウド線とを備え、
   前記ハブ線は第１ハブ線と第２ハブ線とを備え、
   前記第１シュラウド線および前記第１ハブ線は前部に配置され、
   前記第２シュラウド線と前記第２ハブ線は後部に配置され、
   前記第１シュラウド線と前記第１ハブ線はブレード角が異なり、
   前記ハブはハブリム部と内側ハブとを含み、前記ハブリム部はハブ孔を有し、前記ハブリム部はブレードにトルクを伝達するように構成された動力伝達シートを有し、
   前記シュラウドはシュラウドリム部と内側シュラウドを含み、前記シュラウドリム部はシュラウド孔を有し、
   前記ブレードの各々の前記前部は前記ハブリム部の前記ハブ孔と前記シュラウドリム部の前記シュラウド孔との間に配置され、
   前記ブレード後部と前記ハブリム部は、同じ成形工程で一体成形され、前記ブレードの前記後部は、前記シュラウドリム部に接続され、
   前記内側シュラウド及び前記内側ハブはそれぞれ前記シュラウド孔及び前記ハブ孔に取り付けられ、前記ブレードの前記前部と組み合わされることを特徴とする、
   ３次元プラスチックインペラ。
8. 前記シュラウドは、摩耗リングが取り付けられるように構成されていることを特徴とする、
   請求項７に記載の３次元プラスチックインペラ。
9. 前記３次元プラスチックインペラは、前記第２シュラウド線と前記第２ハブ線の各々のブレード角が同じであることを特徴とする、
   請求項７に記載の３次元プラスチックインペラ。

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