JPH05240192A - 渦流ポンプ - Google Patents

渦流ポンプ

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JPH05240192A
JPH05240192A JP4281992A JP4281992A JPH05240192A JP H05240192 A JPH05240192 A JP H05240192A JP 4281992 A JP4281992 A JP 4281992A JP 4281992 A JP4281992 A JP 4281992A JP H05240192 A JPH05240192 A JP H05240192A
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blades
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circle
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Eiichi Ito
永一 伊藤
Susumu Yamazaki
山崎  進
Masayuki Fujio
正行 藤生
Toshiji Yoshitomi
利治 吉富
Kazuo Kobayashi
和男 小林
Shizuka Ishikawa
静 石川
Yoshiaki Noda
嘉明 野田
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は渦流ポンプに関し、特に空力性能を高
めることができ、騒音の低い渦流ポンプを提供すること
にある。 【構成】羽根車1の内周側を、高速な相対流れに対応す
ように三次元形状にすること、および羽根車1の羽根5
間断面積を、内周側で縮小することにより、入射する流
体の剥離を防止することにより達成される。 【効果】高速の入射流れが剥離しないことでむだなエネ
ルギーが除かれることから音源から騒音を抑制できるこ
とで消音器の構成を簡易化でき、また発熱量が低減され
ることで冷却が容易になる効果もある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、渦流式気体ポンプ、例
えば渦流ブロワ、あるいは渦流式液体ポンプ、例えばウ
エスコポンプに利用して好適な渦流ポンプに関する。
【0002】
【従来の技術】渦流ポンプは小型で高い静圧力が得られ
る特徴がある。この特徴を更に高めるために、従来種々
の提案や検討がなされている。
【0003】例えば、日本機械学会論文集第45巻39
6号(昭和54.8)1107頁〜1106頁には、羽
根の内側端を結ぶ円の半径をR1、外側端を結ぶ円の半
径をR2とするとき、R1/R2の値を変えることによ
り、渦流ブロワの特性(吐出流量対吐出圧力特性)が変
わることが記載してある。
【0004】これによれば、その値0.68のものが
0.82のものより流量係数、圧力係数共に高く、0.
75のものが更に高いことが示されている。
【0005】しかし、これを流量と圧力に直して述べる
と、R2の値が一定であれば、R1/R2の値が大きく
なれば、圧力は高く、流量は小さくなり、逆にR1/R
2の値を小さくすると流量は大きく、圧力は低くなるこ
とになる。
【0006】渦流ブロワを小型にするためには、R2の
値を小さくすれば良いが、その値を単に小さくすると、
圧力が低下し、流量が少なくなってしまう。
【0007】一方羽根の形状に工夫を凝らし、渦流ブロ
ワの空力性能を改善することも提案されている。特開昭
49−105220号公報、特開昭49−120209
号公報に示すものは、羽根の軸方向入口角、出口角を9
0度より小さく、或いは大きくして空力性能を改善する
ものである。また、実開昭52−170309号公報に
は、径方向入口角度を90度より小さいものが開示して
ある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】渦流ポンプでは、高静
圧な流体を提供出来るという利点のため、近年用途が拡
がり、それに伴って、更に高静圧なもの、或いは圧力は
従来程度で良いが、更に小型化することなどが強く望ま
れている。
【0009】しかし、上記従来の技術を含め、これ迄の
技術では、所定の圧力を保って、更に小型化すること、
あるいは寸法を大きくすることなく、大幅に圧力を高め
ること等は、困難であった。
【0010】また、従来の渦流ポンプは騒音が大きいと
言う問題が有り、このことが、医療機器などのように静
かな環境で使用するものへの適用を阻止する原因に成っ
ていた。
【0011】本発明はこの様な点に鑑みて成されたもの
であって、その目的とするところは、空力性能を従来の
ものに比べて遥かに高めることができる渦流ポンプを提
供することにある。
【0012】本発明の他の目的は、騒音の低い渦流ポン
プを提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明においては、第1に少なくとも羽根車の内周
側を、高速な相対流れに対応できるように、羽根背中
側、すなわち回転方向に対し裏側の形状を適切な三次元
形状にすることにある。
【0014】つまり、羽根の内側端を結び、軸に平行な
円筒面をR1、外側端を結ぶ円をR2、内側端と外側端
との中央を結ぶ円をRc、R1とRcとの中央を結ぶ円
をRiとするとき、羽根の前縁のRcの円周上での位置
は、内側端よりも、羽根の回転方向に見たときに遅れて
おり、且つ、羽根後縁のRiの円周上での軸方向入口角
をγi、Rcの円周上での軸方向入口角をγcとすると
き、γiとγcとは共に90度よりも小さく、且つγi
とγcとは異なる値に構成することを特徴とするもので
ある。
【0015】本発明では第2に羽根車の羽根間断面積
を、R1からRiにかけて縮小することにより、50m
/秒以上もの高速で羽根間に入射する流体の剥離を防止
する。つまり、Rcと隣り合う2枚の羽根の交点を求
め、交点を通る直線を回転軸としてもつ平面について、
羽根間における面積について、R1と羽根背中側ハブ面
との交点を通る断面A1の面積と、Riと羽根背中側ハ
ブ面との交点を通る断面Aiの面積、及び同一回転軸を
持ちA1とAiの中間に位置する断面Arの面積が、A
1の面積とAiの面積の間を直線補間したものに対し
て、少なくとも一部の断面積が縮小されていることを特
徴とする。
【0016】
【作用】円弧状流路の中を外部から観察可能なように透
明材でケーシングを作成し、円弧状流路の中を流れる流
体の流れを観察した結果、次のことが分かった。
【0017】即ち、図25、図26、図27、図28に
示すように、羽根5の外側端を5a、内側端5b、そし
てその中央を5cとするとき、吸込口6aから円弧状流
路8内に入った空気は、羽根5の速度に対する空気の、
円弧状流路8に沿う速度分布が、図25ないし図29の
特に図28に示すように、外側端5aから中央5c付近
までは正の値を示すが、中央5c付近から内側端5a迄
は負の値を示すことである。
【0018】円弧状流路8を横切る方に流れる速度分布
は、図29に示すように、外側端5aから中央5c付近
迄は正の値を示し、中央5c付近から内側端5b迄は負
の値を示すことは、既に知られていたことである。
【0019】その結果、全体としては、図27に矢印7
0で示すように、内側端5b近くでは回転方向Fに対し
て若干戻ることが分かった。従来は矢印80で示すよう
に空気の流れは螺旋を描きながら、次第に回転方向Fへ
向かって単純に進むと考えられていた。
【0020】それ故、本発明では空気の円弧状流路に沿
う速度と、円弧状流路8を横切る方に流れる速度成分の
合成ベクトルに合うように羽根5の径方向入口角、更に
軸方向入口角を定め、三次元形状に羽根形状を定めたの
で、空力性能が従来のものに比べて遥かに向上するもの
である。
【0021】更に、本発明の上記羽根間断面積縮小手段
を設けることにより、高速に入射する流れは、内周側か
ら羽根間に取り込まれたとき縮流し剥離しないので、音
源の発生を抑制でき、騒音のレベルが低いものとなる。
【0022】
【実施例】以下、図を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。図5に於いて1は羽根車、2は円弧状流
路8を形成するケーシングである。円弧状流路8は回転
軸3の軸線と平行を成す方向に開口する溝状を成してい
る。円弧状流路8は、原動機4の回転軸3を中心とする
円弧状に構成してある。この円弧状流路8の一端は吸込
口6aに連通しており、他端は吐出口6bに連通してい
る。この吐出口6bから吸込口6aに至る間は羽根車1
と微少空隙を介して対抗する隔壁10で仕切られてい
る。吸込口6aに連なる吸込側通路6a’と吐出口6b
に連なる吐出口側通路6b’とは、ベース部材を兼ねた
消音器7内に平行を成すように設けてある。原動機4は
ベース部材を兼ねた消音器7上に固定して有り、ケーシ
ング2は原動機4に固定してある。
【0023】羽根車1は図1ないし図3に示すようにハ
ブ9と多数の羽根5とで構成してあり、ハブ9は原動機
4の回転軸3に固定してある。このうちハブ9は回転軸
3を中心とし、円弧状流路8に対抗して軸方向に開口す
る環状の溝11を有しており、羽根5はこの溝11を横
切る方向に多数設けてある。
【0024】ここで、羽根車1の各部の用語、及び記号
について纏めて説明する。 R1’:羽根5の内側端を結ぶ円の半径。 R2’:羽根5の外側端を結ぶ円の半径。 Rc’:R1’+R2’の2分の1を半径とする円の半
径。 Ro’:Rc’+R2’の2分の1を半径とする円の半
径。 Ri’:R1’+Rc’の2分の1を半径とする円の半
径。 R1 :回転軸3の軸心を中心とする半径R1’の円。 R2 :回転軸3の軸心を中心とする半径R2’の円。 Rc :回転軸3の軸心を中心とする半径Rc’の円。 Ro :回転軸3の軸心を中心とする半径Ro’の円。 Ri :回転軸3の軸心を中心とする半径Ri’の円。 β1 :径方向入口角であり、羽根5の後縁(軸方向先
端)に於けるR1の円周上の位置とRcの円周上の位置
とを結ぶ直線と、円R1の接線との成す角との補角。 β2 :径方向出口角であり、羽根5の後縁(軸方向先
端)に於けるR2の円周上の位置とRcの円周上の位置
とを結ぶ直線と、円R2の接線との成す角との補角。 γ1 :円R1の円周上に於ける軸方向入口角であり、
羽根5の後縁を結ぶ平面に対して羽根後縁近傍の成す
角。 γi :円Riの円周上に於ける軸方向入口角であり、
羽根5の後縁を結ぶ平面に対して羽根後縁近傍の成す
角。 γc :円Rcの円周上に於ける軸方向入口角であり、
羽根5の後縁を結ぶ平面に対して羽根後縁近傍の成す
角。 γo :円Roの円周上に於ける軸方向出口角であり、
羽根5の後縁を結ぶ平面に対して羽根後縁近傍の成す
角。 γ2 :円R2の円周上に於ける軸方向出口角であり、
羽根5の後縁を結ぶ平面に対して羽根後縁近傍の成す
角。 である。
【0025】さて、図1に示す羽根車は図3、図4に示
すように、γcはγoやγiに比べて小さく構成してあ
る。
【0026】また、径方向入口角βは90度よりも小さ
く構成してある。
【0027】さて、吸込口6aから円弧状流路8内に入
った空気は、羽根5の速度に対する空気の、円弧状流路
8に沿う速度分布が、前に述べたように、図25〜29
の特に図28に示すように、外側端5aから中央5cま
では正の値を示し、中央5c付近から内側端5b迄は負
の値を示す。
【0028】また、円弧状流路8を横切る方に流れる速
度分布は、図29に示すように、外側端5aから中央5
c付近までは正の値を示し、中央5c付近から内側端5
a迄は負の値を示すことも既に述べた。
【0029】ここでの羽根車の速度三角形を示すと、図
6に示すようになる。ここで、Wo、Wc1、Wc2、
Wiは、夫々Ro、Rc、Rc、Riの円周近傍に於け
る羽根5に対する空気の相対速度、Uo、Uc1、Uc
2、Uiは、夫々Ro、Rc、Rc、Riの円周近傍に
於ける羽根5の周速、Co、Cc1、Cc2、Ciは、
夫々Ro、Rc、Rc、Riの円周近傍に於ける空気の
絶対速度である。ここで、Rcの円周近傍に2つの速度
三角形を描いた理由は、図28にも示したように、その
円周より僅かに外側で、空気の流れ方向が逆転するから
であり、両方向の流れを図示してある。
【0030】本実施例では、γo、γc1の大きさは、
UoとWoとの成す角、Uc1とWc1との成す角と合
わせてある。従って、本実施例では空気の相対速度、即
ち空気の円弧状流路8に沿う速度と、円弧状流路8を横
切る方に流れる速度成分の合成ベクトルに合うように羽
根5の径方向入り角、更に軸方向入口角を定め、三次元
形状に羽根形状を定めたので空力性能が従来のものに比
べて遥かに向上する。
【0031】図7は、β1の値を90度にし、且つγの
値を22〜50度にしたときの従来例との無次元性能比
較を示す。
【0032】従来例の諸量はβ1、β2、γc及び、γ
oがすべて90度である。また、本発明の実施例の性能
を得たときのγcは、γiよりも13度小さい値とし
た。β2の値は90度に、またR1/R2の値は0.5
8に固定した。図8は径方向入口角β1を20度と90
度に選択したときの、流量係数対圧力係数の関係を示し
ている。この図から径方向入口角β1を20度としたと
きのほうが、90度にしたときに比べて流量係数、圧力
係数共に大きいことが分かる。図9〜12は本発明の異
なる実施例である。この実施例では軸方向入口角γiが
90度よりも小さい値を有し、ハブに接する根元までこ
の状態が続いており、図10中の傾き角αに対応して各
部断面積は第11図のように変化する。この実施例によ
れば図6に示すように内周側から入射した相対速度wi
は、例えばRiが65mmの場合50m/秒以上と大き
いながらも、AiがA1やAcよりも小さく、軸方向は
ね先端よりもハブ側の幅が小さいことで縮流を生じ剥離
しない。よってブロッケージが生じないため流入がスム
ーズになり空力性能の向上と騒音低減の効果がある。図
13〜16は、対応する従来例であり、図15に示すよ
うにA1〜A2まで連続して断面積が増加するため剥離
が生じ流れの円滑さが阻害されてしまう。
【0033】また図17〜19は、他の実施例であり、
縮流による剥離防止のため、性能の向上が図られ圧力係
数16以上を得ている。
【0034】図20〜21は、本発明のさらに他の実施
例である。この実施例ではハブ9によっては覆われてい
ない。また羽根5はハブの両面に夫々設けてある。これ
においても羽根5の内側端を5bと考え、外側端を5a
と考え、更にその中間を5cと考えて、図17〜19に
示したものと同様に考えれば良い。これに於いてもβ1
は90度よりも小さく構成してあり、β2は90度より
も大きく構成してある。この実施例ではγiは90度よ
り小さい値である。
【0035】図22はさらに他の実施例である。この実
施例では、腹側の羽根先端近傍を広くしハブ側を狭い状
態にすることで縮流による性能の改善と騒音レベルの低
減が得られる。
【0036】図23、図24は更に他の実施例であり、
図22に示す実施例の羽根5の外周側がハブ9によって
覆われていないものであるが、同様に性能の改善と騒音
レベルの低減が得られる。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば以上説明したように、円
弧状流路内を流れる空気の円弧状流路に沿う速度と、円
弧状流路を横切る方向に流れる速度成分の合成ベクトル
に合うように羽根の径方向入口角、更に軸方向入口角を
定め、三次元形状に羽根形状を定めたので空力性能が向
上する効果がある。また、入射した相対流れが大きいな
がらも、羽根間流路で縮小し剥離によるブロッケージが
生じないため流入がスムーズになり空力性能の向上と騒
音低減の効果がある。さらに、流れが剥離しないことで
むだなエネルギーが除かれることから音源から騒音を抑
制できることで消音器の構成を簡易化でき、また発熱量
が低減されることで冷却が容易になる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す特に羽根車の斜視図で
ある。
【図2】図1に示した羽根車の一部を拡大して示す平面
図である。
【図3】図2をA−A線、B−B線、及びC−C線に沿
って切断して示す断面図である。
【図4】図1に示した羽根車の各部の軸方向入口角、出
口角の推移を示す特性図である。
【図5】本発明の一実施例を示す渦流ブロワの斜視図で
ある。
【図6】図1に示した羽根車による速度ベクトルを示す
図である。
【図7】図1に示した実施例の実験データを従来のもの
と比較して示す特性図である。
【図8】図1に示した実施例の実験データのうち径方向
流入角β1を変えて示す特性図である。
【図9】本発明の異なる実施例を部分拡大して示す平面
図である。
【図10】図9の断面図である。
【図11】図10の傾き角αに対応する断面の面積変化
を示す図である。
【図12】図10の各断面図である。
【図13】従来例を図9の実施例に対応させて示す部分
拡大図である。
【図14】図13の断面図である。
【図15】図14の傾き角αに対応する断面の面積変化
を示す図である。
【図16】図13の各断面を示す図である。
【図17】本発明の更に異なる実施例を示す羽根車の斜
視図である。
【図18】図17に示した羽根車の正面図である。
【図19】図18に示した羽根車の図3に対応する断面
図である。
【図20】本発明の羽根の更に異なる実施例を示す羽根
車の斜視図である。
【図21】図20に示した羽根車の図3に対応する図で
ある。
【図22】本発明の更に異なる実施例の図3に対応する
図である。
【図23】本発明の更に異なる実施例を示す図である。
【図24】図23の図3に対応する断面図である。
【図25】円弧状流路を横切る方に流れる空気の状態を
示す図である。
【図26】円弧状流路に沿って流れる空気の状態を示す
図である。
【図27】円弧状流路の中の空気の流れを説明するため
の図である。
【図28】円弧状流路に沿って流れる空気の速度分布を
示す図である。
【図29】円弧状流路を横切る方向に流れる空気の速度
分布を示す図である。
【符号の説明】
1…羽根車、2…ケーシング、3…回転軸、5…羽根、
5a…羽根外側端、8…円弧状流路、9…ハブである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉富 利治 千葉県習志野市東習志野7丁目1番1号 株式会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 小林 和男 千葉県習志野市東習志野7丁目1番1号 株式会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 石川 静 千葉県習志野市東習志野7丁目1番1号 株式会社日立製作所習志野工場内 (72)発明者 野田 嘉明 千葉県習志野市東習志野7丁目1番1号 株式会社日立製作所習志野工場内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】円弧状流路と該円弧状流路内に夫々連通す
    る吸込口、吐出口と、これ等吐出口から吸込口へ至る間
    を、羽根の通過経路に対して微少空隙を介して仕切る隔
    壁と、回転軸に固定してあるハブと、前記円弧状流路に
    沿い、前記ハブと一体に回転する多数の前記羽根とを有
    するものに於いて、前記羽根の内側端を結ぶ円をR1、
    外側端を結ぶ円をR2、且つ前記内側端と外側端との中
    央を結ぶ円をRcとするとき、前記羽根の後縁の、Rc
    の円周上での位置は、前記内側端よりも、前記羽根の回
    転方向に見たときに遅れており、且つ前記羽根の後縁の
    前記内側端とRcの円周との中央Riでの軸方向入口角
    をγi、Rcの円周上での軸方向入口角をγcとすると
    き、γiと、γcとは、共に90度よりも小さく、且つ
    γiとγcとは異なる値を有していることを特徴とする
    渦流ポンプ。
  2. 【請求項2】前記γcはγiに比べて小さい値を有して
    いることを特徴とする請求項1記載の渦流ポンプ。
  3. 【請求項3】前記羽根は前記円Riの円周上から前記円
    Rcの円周上へ近づくに連れて前記軸方向入口角が次第
    に小さくなっていることを特徴とする請求項2記載の渦
    流ポンプ。
  4. 【請求項4】円弧状流路と、該円弧状流路内に夫々連通
    する吸込口、吐出口と、これ等吐出口から吸込口へ至る
    間を、羽根の通過経路に対して微少空隙を介して仕切る
    隔壁と、回転軸に固定してあるハブと、前記円弧状流路
    に沿い、前記ハブと一体になって回転する多数の前記羽
    根とを有するものに於いて、前記羽根の内側端を結ぶ円
    をR1、外側端を結ぶ円をR2、前記内側端と外側端と
    の中央を結ぶ円をRc、且つ前記R1の円周とRcの円
    周との中央を結ぶ円をRiとするとき、Rcと隣り合う
    2枚の羽根の背中側先端との交点を求め、交点を通る直
    線を回転軸としてもつ平面において、羽根間における面
    積について、R1と羽根背中側ハブ面との交点を通る断
    面A1の面積と、Riと羽根背中側ハブ面との交点を通
    る断面Aiの面積、及び同一回転軸を持ちA1とAiの
    中間に位置する断面Arの面積が、A1の面積とAiの
    面積の間を直線補間したものに対して、少なくとも一部
    が小さくなっていることを特徴とする渦流ポンプ。
  5. 【請求項5】前記断面Arの少なくとも一部の面積がA
    1より小さくなっていることを特徴とする請求項4記載
    の渦流ポンプ。
  6. 【請求項6】前記断面Arを構成する羽根の背中側形状
    が、R1とRiの同心円筒面で断面して、羽根先端から
    根元にかけて全域で軸方向角度は90度以下にしてなる
    請求項第4項記載の渦流ポンプ。
  7. 【請求項7】羽根の腹側の少なくとも羽根先端付近にお
    いて、軸方向角度が90度以下にしてなる請求項第4項
    記載の渦流ポンプ。
  8. 【請求項8】円弧状流路と、該円弧状流路内に夫々連通
    する吸込口、吐出口と、これ等吐出口から吸込口へ至る
    間を、羽根の通過経路に対して微少空隙を介して仕切る
    隔壁と、回転軸に固定してあるハブと、前記円弧状流路
    に沿い、前記ハブと一体に回転する多数の前記羽根とを
    有するものに於いて、前記羽根の内側端を結ぶ円をR
    1、外側端を結ぶ円をR2、前記内側端と外側端との中
    央を結ぶ円をRc、且つ前記R1の円周とRcの円周と
    の中央を結ぶ円をRiとするとき、R1/R2の値が
    0.68よりも小さい値で圧力係数が14以上で、前記
    羽根の後縁径方向入口角β1は90度よりも小さい値
    で、前記羽根Riの円周上後縁での軸方向入口角γ1と
    前記Rcの円周上での軸方向入口角を90度よりも小さ
    い値で、且つγiとγcとは異なる値を有していること
    を特徴とする渦流ポンプ。
  9. 【請求項9】円弧状流路と、該円弧状流路内に夫々通連
    する吸込口、吐出口と、これ等吐出口から吸込口へ至る
    間を、羽根の通過経路に対して微少空隙を介して仕切る
    隔壁と、回転軸に固定してあるハブと、前記円弧状流路
    に沿い、前記ハブと一体になって回転する多数の前記羽
    根とを有するものに於いて、前記羽根の内側端を結ぶ円
    をR1、外側端を結ぶ円をR2、前記内側端と外側端と
    の中央を結ぶ円をRc、R1とRcの中央を結ぶ円をR
    iとするとき、R1/R2の値が0.68よりも小さい
    値で、圧力係数が14以上で、前記羽根の後縁のRcの
    円周上での位置は、前記内側端よりも、前記羽根の回転
    方向に見たときに遅れており、且つ前記羽根の前縁から
    ハブ側に進むに連れて遅れており、しかもその遅れ程度
    は、前記羽根の内側端から外側端へ向かうに連れて異な
    っていることを特徴とするポンプ。
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