JP2017008734A

JP2017008734A - 燃料ポンプ

Info

Publication number: JP2017008734A
Application number: JP2015121701A
Authority: JP
Inventors: 酒井　博美; Hiromi Sakai; 博美酒井; 裕二日高; Yuji Hidaka; 晶也大竹; Akiya Otake
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2017-01-12
Also published as: US20160369810A1

Abstract

【課題】インペラの破損を防止する燃料ポンプを提供する。【解決手段】燃料ポンプは、ロータと一体に回転可能なシャフト２５、シャフト２５が嵌合する嵌合孔３５０を有するインペラ３５などを備える。シャフト２５は、シャフト２５が回転すると嵌合孔３５０を形成する平面３５１、３５２に当接するシャフト当接面２５３、２５４を有する。シャフト当接面２５３、２５４は、シャフト２５の中心軸ＣＡ２５の方向に延びるよう形成されている溝を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ポンプに関する。

インペラを回転可能に収容するポンプ室を有するポンプ部、及び、インペラに連結するシャフトを有しインペラを回転可能な駆動力を発生するモータ部を備え、インペラの回転によって燃料タンクの燃料を内燃機関に圧送する燃料ポンプが知られている。例えば、特許文献１には、一方の端部の断面が略矩形状に形成されているシャフト、当該一方の端部と嵌合する嵌合孔を有するインペラなどを備える燃料ポンプが記載されている。

特開２００１−２５２２１号公報

燃料ポンプが備えるインペラは、インペラの中心軸方向からポンプ室に流入する燃料を加圧し、当該加圧した燃料を加圧される前の燃料がポンプ室に流入した側とは反対側の中心軸方向に吐出する。ポンプ室に流入する燃料にアルコール成分など気化しやすい成分が含まれていると、燃料ポンプが駆動する環境条件によっては燃料中に気泡が発生する。燃料ポンプでは、インペラが回転可能なようポンプ室の内壁とインペラとの間にクリアランスが設けられているため、発生する気泡の量や位置によってはインペラがインペラの中心軸方向に振動を繰り返す場合がある。この場合、嵌合孔に嵌合しているシャフトとインペラとが摩擦を繰り返すため、インペラが破損するおそれがある。

本発明の目的は、インペラの破損を防止する燃料ポンプを提供することにある。

本発明は、燃料ポンプであって、吸入口及び吐出口を有するポンプケース、ステータ、ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータ、ロータと同軸に設けられロータと一体に回転可能なシャフト、及び、シャフトの一方の端部が嵌合する嵌合孔を有しシャフトが回転すると吸入口から吸入した燃料を加圧し吐出口から吐出するインペラを備える。
本発明の燃料ポンプは、シャフトが回転すると嵌合孔を形成するインペラの内壁に当接する当接面をシャフトの一方の端部が有しており、当該当接面は、シャフトの中心軸方向に延びるよう形成されている溝を有することを特徴とする。

本発明の燃料ポンプでは、シャフトの当接面が有する溝は、シャフトの中心軸方向に延びるよう形成されている。ここで、「シャフトの中心軸方向に延びるよう形成されている溝」とは、シャフトの中心軸方向に開口を有するよう形成される溝を指し、シャフトの中心軸に平行に形成される溝だけでなくシャフトの中心軸に対して９０度を除く角度を有するよう形成されていればよい。シャフトの中心軸方向に延びるよう形成されている溝には、当該開口を介してシャフトとインペラとの摩擦を低減可能な、例えば、燃料ポンプ内の油や燃料などの液体が流れる。これにより、シャフトの当接面とインペラの内壁との間に液体が存在しやすくなるため、燃料中に発生する気泡によってインペラが中心軸方向に振動しシャフトとインペラとが摩擦を繰り返してもインペラの摩耗を低減することができる。したがって、インペラの破損を防止することができる。

本発明の第一実施形態による燃料ポンプの断面図である。本発明の第一実施形態による燃料ポンプが備えるインペラの模式図である。本発明の第一実施形態による燃料ポンプが備えるシャフトの加工方法を説明する模式図である。本発明の第一実施形態による燃料ポンプが備えるシャフトの当接面の拡大断面図である。本発明の第一実施形態による燃料ポンプの作用を説明する模式図である。本発明の第二実施形態による燃料ポンプの部分断面図である。比較例の燃料ポンプが備えるシャフトの加工方法を説明する模式図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第一実施形態）
本発明の第一実施形態による燃料ポンプについて、図１〜図５に基づいて説明する。

燃料ポンプ１は、ハウジング１０、モータ部３、ポンプ部４、ポンプカバー１５、及び、カバーエンド１７などから構成される。燃料ポンプ１では、モータ部３及びポンプ部４は、ハウジング１０、ポンプカバー１５、及び、カバーエンド１７により形成される空間に収容されている。燃料ポンプ１は、図示しない燃料タンク内の燃料を吸入口１５１から吸入し、吐出口１７１から内燃機関に吐出する。なお、図１、５では、上側を「天側」、下側を「地側」とする。ハウジング１０、ポンプカバー１５、及び、カバーエンド１７は、特許請求の範囲に記載の「ポンプケース」に相当する。

ハウジング１０は、鉄などの金属により円筒状に形成されている。ハウジング１０の二つの端部１０１、１０２のそれぞれにポンプカバー１５、及び、カバーエンド１７が設けられている。

ポンプカバー１５は、ハウジング１０の地側の端部１０１を塞ぐよう設けられている。ポンプカバー１５は、端部１０１の縁が内側へ加締められることによってハウジング１０の内側で固定される。ポンプカバー１５は、地側に開口する吸入口１５１を有している。吸入口１５１は、ポンプカバー１５を天地方向に貫く吸入通路１５２と連通している。また、ポンプカバー１５の天側には、吸入通路１５２と連通する溝１５３が形成されている。

カバーエンド１７は、樹脂から成形され、ハウジング１０の天側の端部１０２を塞ぐよう設けられている。カバーエンド１７は、端部１０２の縁が加締められることによってハウジング１０の内側で固定される。カバーエンド１７は、天側に開口する吐出口１７１を有している。吐出口１７１は、カバーエンド１７を天地方向に貫く吐出通路１７２と連通している。また、カバーエンド１７は、吐出通路１７２が形成されている部位とは異なる部位に外部からの電力を受電する接続端子２０１を収容する電気コネクタ部１７３が設けられている。カバーエンド１７の地側には、略筒状に形成される軸受収容部１７４が設けられている。軸受収容部１７４には、軸受２６が嵌め込まれている。軸受２６は、シャフト２５の天側の端部２５１を回転可能に支持している。

モータ部３は、電力が供給されると発生する磁界を利用して回転トルクを発生する。モータ部３は、ステータ２０、ロータ２４、シャフト２５などから構成されている。なお、第一実施形態による燃料ポンプ１のモータ部３は、ステータ２０に対するロータ２４の位置をシャフト２５の回転によって検出可能なブラシレスモータである。

ステータ２０は、円筒状を呈し、ハウジング１０の径方向外側に収容されている。ステータ２０は、六つのコア２１、六つのボビン２２、六つの巻線２３、及び、三つの接続端子２０１などを有している。ステータ２０は、これらを樹脂によりモールドすることで一体に形成される。

コア２１は、それぞれ板状の鉄など磁性材料が複数枚重なることにより形成されている。コア２１は、周方向に並べられ、ロータ２４の磁石２４３に対向する位置に設けられている。

ボビン２２は、樹脂材料から形成されており、成形時にコア２１がインサートされてコア２１と一体となって設けられる。

巻線２３は、例えば、表面が絶縁皮膜で被覆された銅線である。一つの巻線２３は、コア２１がインサートされたボビン２２に巻回されることによって一つのコイルを形成する。巻線２３は、電気コネクタ部１７３に収容されている接続端子２０１と電気的に接続する。

接続端子２０１は、カバーエンド１７を貫通しボビン２２の天側に固定されている。第一実施形態による燃料ポンプ１では、接続端子２０１は三つ設けられ、図示しない電源装置からの３相電力を受電する。

ロータ２４は、ステータ２０の内側に回転可能に設けられている。ロータは、鉄心２４２の周囲に磁石２４３が設けられている。磁石２４３は、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配置されている。

シャフト２５は、「一方の端部」としての地側の端部２５２を除く部位の中心軸に垂直な断面が略円形状となるよう形成されている。シャフト２５は、ロータ２４の中心軸上に形成された軸穴２４１に圧入固定されている。これにより、シャフト２５は、ロータ２４と一体に回転する。
シャフト２５の地側の端部２５２は、中心軸に垂直な断面が略矩形状となるよう形成されている。地側の端部２５２は、ポンプ部４と接続している。地側の端部２５２は、天地方向に延び平面状に形成されるシャフト当接面２５３、２５４を有している。

ポンプ部４は、モータ部３が発生する回転トルクを利用して吸入口１５１から吸入した燃料を加圧しハウジング１０内に吐出する。ポンプ部４は、ポンプケーシング３１、インペラ３５などから構成されている。

ポンプケーシング３１は、略円板状に形成され、ポンプカバー１５とステータ２０との間に設けられている。ポンプケーシング３１の中心部には、ポンプケーシング３１を板厚方向に貫く貫通孔３１１が形成されている。貫通孔３１１には、軸受２７が嵌め込まれている。軸受２７は、シャフト２５の地側の端部２５２を回転可能に支持している。これにより、ロータ２４及びシャフト２５は、カバーエンド１７及びポンプケーシング３１に対し回転可能となっている。

また、ポンプケーシング３１の地側であって、ポンプカバー１５の溝１５３に対向する位置に溝３１２が形成されている。溝３１２には、ポンプケーシング３１を天地方向に貫く燃料通路３１３が連通している。

インペラ３５は、樹脂により略円板状に形成されている。インペラ３５は、ポンプカバー１５とポンプケーシング３１との間のポンプ室３００に収容されている。インペラ３５の略中央には、シャフト２５の地側の端部２５２が嵌合する嵌合孔３５０が形成されている（図２参照）。嵌合孔３５０は、「インペラの内壁」としての二つの平面３５１、３５２と当該二つの平面の両端をそれぞれ接続する二つの曲面３５３、３５４から形成されている。二つの平面３５１、３５２は、それぞれ「当接面」としてのシャフト当接面２５３、２５４に当接可能に形成されている。

インペラ３５は、嵌合孔３５０の周囲にインペラ３５を天地方向に貫く通孔３５５、３５６、３５７、３５８が形成されている。通孔３５５、３５６、３５７、３５８は、ポンプ室３００のインペラ３５の吸入口１５１側と吐出口１７１側とを連通し、ポンプ室３００の燃料の圧力が偏らないよう燃料が流れる。

インペラ３５は、嵌合孔３５０の径方向外側に複数の羽根溝３５９を有する。羽根溝３５９は、溝１５３及び溝３１２に対応する位置に設けられる。羽根溝３５９は、図２に示すように、インペラ３５の径方向外側の端部に周方向に等間隔に設けられる。

次に、燃料ポンプ１の特徴であるシャフト当接面２５３、２５４の加工方法について、図３に基づいて説明する。

インペラ３５の地側の端部２５２に略平行に設けられる二つのシャフト当接面２５３、２５４を加工するとき、最初に、シャフト当接面２５３、２５４が加工される前のシャフト２５の略中央を支持具２８によって支持する。
次に、地側の端部２５２に回転式の砥石２９１、２９２を当ててシャフト当接面２５３、２５４を研削する。このとき、砥石２９１、２９２の回転軸Ａ２９１、Ａ２９２は、図３（ａ）に示すように、シャフト２５の中心軸ＣＡ２５に略垂直に設けられ、図３（ａ）に示す実線矢印Ｒ１１、Ｒ１２の方向に砥石２９１、２９２を回転する。

図４に、シャフト当接面２５３の中心軸ＣＡ２５に垂直な断面の拡大図を示す。シャフト当接面２５３を研削によって加工するとき、砥石２９１は、地側の端部２５２に対して中心軸ＣＡ２５の方向に移動するよう回転する。このため、研削後のシャフト当接面２５３は、図４に示すように、中心軸ＣＡ２５に略平行に中心軸ＣＡ２５の方向に延びるよう形成される溝２５０を複数有する。複数の溝２５０の多くは、シャフト当接面２５３、２５４の地側または天側に油や燃料など燃料ポンプ１内の液体が溝２５０に流入可能な開口を有している。また、溝２５０は、燃料ポンプ１内の液体を保持可能な深さを有している。このときのシャフト当接面２５３の中心線平均粗さＲａは、０．８以上となることが望ましい。ここでは、シャフト当接面２５３について説明したが、シャフト当接面２５４についても同様である。

次に、燃料ポンプ１の作用について、図１、５に基づいて説明する。なお、図５では、後述の説明をわかりやすくするため、ポンプ室３００を形成するポンプカバー１５及びポンプケーシング３１の壁面とインペラ３５との間のクリアランスを通常より大きく示している。

燃料ポンプ１では、接続端子２０１を介してモータ部３の巻線に電力が供給されるとロータ２４及びシャフト２５とともにインペラ３５が回転する。インペラ３５が回転すると、燃料ポンプ１を収容する燃料タンク内の燃料が吸入口１５１からポンプ室３００及び溝１５３、３１２に吸入される。吸入された燃料は、インペラ３５の回転によって羽根溝３５９と溝１５３、３１２の間を螺旋状の旋回流となって流れ、昇圧される。昇圧された燃料は、燃料通路３１３を通り、ポンプケーシング３１とモータ部３との間に形成される中間室１００に導かれる。

中間室１００に導かれた燃料は、ハウジング１０の内壁とステータ２０の外壁との間に形成される燃料通路１０３、ロータ２４とステータ２０との間に形成される燃料通路１０４などを通って軸受収容部１７４の径方向外側に形成されている燃料通路１０５に導かれる。燃料通路１０５に導かれた燃料は、吐出通路１７２及び吐出口１７１を介して外部に吐出される。

燃料ポンプ１では、吸入口１５１からポンプ室３００に吸入される燃料にアルコール成分が含まれていると、燃料ポンプ１が作動する環境条件によっては吸入される燃料に気泡が発生する場合がある。燃料ポンプ１では、インペラ３５をポンプ室３００に回転可能に収容するため、図５に示すように、インペラ３５とポンプ室３００の内壁との間には一定程度のクリアランスＣ１が設けられている。このため、気泡を含む燃料がポンプ室３００に吸入されると、インペラ３５に対する気泡の位置や気泡の量によってはインペラ３５が図５に示す両端矢印Ｆ１のように天地方向に振動する。インペラ３５の天地方向の振動によって嵌合孔３５０を形成する平面３５１、３５２とシャフト２５のシャフト当接面２５３、２５４とが摩擦を繰り返すこととなる。

燃料ポンプ１では、シャフト２５は、シャフト当接面２５３、２５４に中心軸ＣＡ２５の方向に延びる溝２５０を複数有している。溝２５０は、油や燃料など燃料ポンプ１内の液体を保持可能な深さを有しており、シャフト当接面２５３、２５４とインペラ３５の平面３５１、３５２との間に燃料ポンプ１内の液体の膜が形成されやすくなっている。

ここで、比較例として、シャフト２５とは異なるシャフト９５の加工方法について、図７に基づいて説明する。
シャフト９５では、インペラの嵌合孔を形成する内壁に当接可能なシャフト当接面９５３、９５４を加工するとき、当該嵌合孔に嵌合されるシャフト９５の端部９５２に当てられる砥石９９１、９９２の回転軸Ａ９９１、Ａ９９２は、シャフト９５の中心軸ＣＡ９５に略平行に設けられる。このため、砥石９９１、９９２は、図７（ｂ）に示す実線矢印Ｒ０１、Ｒ０２の方向に回転するため、シャフト当接面９５３、９５４には、中心軸ＣＡ９５に対して略垂直な方向に延びるよう溝が形成される。この場合、シャフト当接面９５３、９５４の全面にシャフト９５とインペラの内壁との摩擦を低減可能な液膜を保持することが難しくなり、シャフト９５に対するインペラの中心軸ＣＡ９５の方向の振動によってインペラが破損するおそれがある。

一方、燃料ポンプ１では、シャフト当接面２５３、２５４が有する溝２５０によってシャフト当接面２５３、２５４とインペラ３５の平面３５１、３５２との間に液膜が形成されるため、シャフト２５とインペラ３５との摩擦を低減することができる。これにより、インペラ３５がシャフト２５に対して天地方向に振動しても摩擦によってインペラ３５が破損することを防止することができる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態による燃料ポンプを図６に基づいて説明する。第二実施形態は、シャフトが被膜を有する点が第一実施形態と異なる。なお、第一実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。

第二実施形態による燃料ポンプ２の部分断面図を図６に示す。燃料ポンプ２は、ハウジング１０、モータ部５、ポンプ部４、ポンプカバー１５、及び、カバーエンド１７などから構成される。モータ部５は、ステータ２０、ロータ２４、シャフト４５などから構成されている。なお、図６では、上側を「天側」、下側を「地側」とする。

シャフト４５は、地側の端部４５２に天地方向に延び平面状に形成されるシャフト当接面４５３、４５４を有している。シャフト当接面４５３、４５４は、インペラ３５の嵌合孔３５０の内壁である二つの平面３５１、３５２に当接可能に形成されている。シャフト当接面４５３、４５４は、シャフト４５の中心軸ＣＡ４５の方向に延びる溝を有する。
また、シャフト４５は、シャフト当接面４５３、４５４上に、シャフト４５とインペラ３５との摩擦を低減可能な被膜、例えば、フッ素樹脂から形成される被膜４５５を有する。

第二実施形態の燃料ポンプ２では、被膜４５５によってシャフト４５とインペラ３５との摩擦が低減される。これにより、第二実施形態は、第一実施形態に比べさらにシャフト４５とインペラ３５との摩擦が低減され、インペラ３５の破損を防止することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、研削後のシャフト当接面は、シャフトの中心軸に略平行に中心軸方向に延びるよう形成される溝を有するとした。しかしながら、溝が延びる方向はこれに限定されない。溝は、中心軸方向に延びるよう形成されていればよい。シャフト当接面に複数の溝が形成される場合、複数の溝の少なくとも一つに燃料ポンプ内の液体が流入可能なようシャフトの中心軸方向に開口を有すればよく、シャフトの中心軸に対して９０度を除く角度を有するよう形成されていればよい。また、研削後のシャフト当接面に溝が一つだけ形成される場合、当該一つの溝は、シャフトの中心軸方向に開口を有するよう形成されていればよく、シャフトの中心軸に対して９０度を除く角度を有するよう形成されていればよい。これにより、インペラの嵌合孔を形成する平面とシャフトのシャフト当接面との間に液膜が形成されやすくなるため、インペラとシャフトとの摩擦を低減することができる。

上述の実施形態では、インペラの嵌合孔に嵌合されるシャフトの地側の端部は、二つのシャフト当接面を有するとした。シャフト当接面は、一つでもよい。

第二実施形態では、シャフトの地側の端部は、摩擦抵抗を低減可能な被膜を有するとした。しかしながら、被膜は、シャフトの外壁全てに施されてもよい。この場合、地側の端部のみに被膜を形成する場合に比べ、シャフトの加工工程におけるマスキング工程を省略することができる。

上述の実施形態では、砥石による研削によってシャフト当接面を加工するとした。しかしながら、シャフト当接面の加工方法はこれに限定されない。例えば、カッタによる切削によって加工されてもよいし、他の工具による加工であってもよい。

以上、本発明はこのような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形態により実施可能である。

１０・・・ハウジング（ポンプケース）
１５・・・ポンプカバー（ポンプケース）
１７・・・カバーエンド（ポンプケース）
２０・・・ステータ
２４・・・ロータ
２５・・・シャフト
３５・・・インペラ
２５０・・・溝
２５３、２５４・・・シャフト当接面（当接面）
３５１、３５２・・・平面（インペラの内壁）

Claims

燃料を吸入する吸入口（１５１）、及び、燃料を吐出する吐出口（１７１）を有するポンプケース（１０、１５、１７）と、
複数の巻線（２３）を有し、前記ポンプケースの内部に固定される筒状のステータ（２０）と、
前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータ（２４）と、
前記ロータと同軸に設けられ、前記ロータと一体に回転可能なシャフト（２５）と、
前記シャフトの一方の端部（２５２）が嵌合する嵌合孔（３５０）を有し、前記シャフトが回転すると前記吸入口から吸入した燃料を加圧し前記吐出口から吐出するインペラ（３５）と、
を備え、
前記シャフトの一方の端部は、前記シャフトが回転すると前記嵌合孔を形成する前記インペラの内壁（３５１、３５２）に当接する当接面（２５３、２５４）を有し、
当該当接面は、前記シャフトの中心軸方向に延びるよう形成されている溝（２５０）を有することを特徴とする燃料ポンプ。
前記溝は、液体を保持可能な深さを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料ポンプ。
前記当接面は、前記シャフトと前記インペラとの摩擦を低減可能な液膜を形成可能な表面粗さを有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料ポンプ。
前記シャフトは、前記当接面に前記シャフトと前記インペラとの摩擦を低減可能な被膜を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料ポンプ。
前記被膜は、前記シャフトの外壁に形成されることを特徴とする請求項４に記載の燃料ポンプ。