JP2006118450A - ポンプにおけるシール機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプにおけるシール機構を構成するスリーブの摩耗を防止する。
【解決手段】回転軸１７の嵌合部位１７２，１７５には鋼製のスリーブ２９，３３が圧入して嵌合されている。スリーブ２９，３３の外周面は、ストレート周面３１，３５とテーパ周面３２，３６とからなる。スリーブ２９，３３は、焼き入れを施されている。又、スリーブ２９，３３のストレート周面３１，３５は、研磨されている。ストレート周面３１，３５は、リップシール４６，４８，４９が摺接するシール周面である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転軸の回転に基づいてポンプ室内のロータを回転させ、前記ロータの回転動作によって、前記ポンプ室内に流体を吸入し、前記ポンプ室から流体を吐出するポンプにおけるシール機構に関する。

特許文献１〜４に開示のポンプに用いられるシールリングは、回転軸に嵌合されたスリーブの外周面に摺接するようにしてある。シールリングとスリーブとを摺接させる構成は、シールリングと回転軸との摺接による回転軸の摩耗を回避する上で好適である。
特開平５−７１４８７号公報 特開平６−１０１６７４号公報 特開平７−３１７５５３号公報 特開平１１−３２４９４１号公報

シールリングとスリーブとを摺接させる構成では、スリーブが摩耗した場合にはスリーブを交換する必要がある。そのため、スリーブの摩耗を抑制するのが望ましいが、特許文献１〜４ではスリーブの摩耗を抑制する対策は開示されていない。

本発明は、シール機構を構成するスリーブの摩耗を防止することを目的とする。

本発明は、回転軸の回転に基づいてポンプ室内のロータを回転させ、前記ロータの回転動作によって、前記ポンプ室内に流体を吸入し、前記ポンプ室から流体を吐出するポンプを対象とし、請求項１の発明は、前記回転軸にスリーブが取り付けられており、前記スリーブには硬化処理を施されたシール周面が設けられており、接触式シールが前記シール周面に摺接することを特徴とする。

シール周面が硬化処理を施されているため、スリーブの摩耗が抑制される。
好適な例では、前記スリーブは、焼き入れをして硬化されている。
焼き入れは、シール周面を硬化させるのに好適である。

好適な例では、前記シール周面は、研磨されている。
研磨されたシール周面は、シール性能を高める上で好ましい。
好適な例では、前記スリーブは、前記回転軸に圧入して嵌合されている。

回転軸にスリーブを圧入した構成は、回転軸にスリーブを簡単に取り付ける上で好ましい。又、回転軸にスリーブを圧入した構成では、回転軸とスリーブとの間のシール性の確保が容易である。

好適な例では、前記回転軸は、ラジアルベアリングによって回転可能に支持されており、前記ラジアルベアリングと前記スリーブとは、この順に前記回転軸の嵌入側の端部から嵌合されている。

スリーブの採用は、ラジアルベアリングの大径化に有利である。
好適な例では、前記ラジアルベアリングに対する前記回転軸における嵌合部位の径は、前記スリーブに対する前記回転軸における嵌合部位の径よりも小さくされている。

ラジアルベアリングの嵌合部位とスリーブの嵌合部位との間に段差が生じるため、ラジアルベアリングの位置決めが容易である。
好適な例では、前記スリーブは、前記シール周面の径以下のテーパ周面を有し、前記テーパ周面は、前記シール周面に連なっている。

テーパ周面の存在は、リング形状の接触式シールにスリーブを円滑に通す上で好ましい。

本発明は、シール機構を構成するスリーブの摩耗を防止できるという優れた効果を奏する。

以下、ルーツポンプに本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
図１及び図２（ａ）に示すように、ロータハウジング１１の前端にはフロントハウジング１２が連結されており、ロータハウジング１１の後端には電動モータＭが連結壁１３を介して連結されている。フロントハウジング１２にはギヤハウジング１４が連結されている。ロータハウジング１１、フロントハウジング１２及びギヤハウジング１４は、ねじ１５Ａによって共締めされている。ロータハウジング１１、フロントハウジング１２及びギヤハウジング１４は、ルーツポンプ１０のハウジングを構成する。

連結壁１３とロータハウジング１１の端壁１６との間には気密確保のためのガスケット３７が介在されている。電動モータＭ、連結壁１３、ロータハウジング１１及びガスケット３７は、ねじ１５Ｂによって共締めされている。

電動モータＭのハウジングＭ１の端面と連結壁１３との間には気密確保のためのシールリング３８が介在されている。ロータハウジング１１の周壁２８の端面とフロントハウジング１２との間には気密確保のためのシールリング３９が介在されており、フロントハウジング１２とギヤハウジング１４との間には気密確保のためのシールリング４０が介在されている。

図１に示すように、ロータハウジング１１の端壁１６には軸孔１６１が貫設されており、フロントハウジング１２には軸孔１２１が貫設されている。軸孔１６１，１２１には電動モータＭの回転軸１７が挿通されている。ロータハウジング１１の端壁１６とフロントハウジング１２とには電動モータＭの回転軸１７が軸孔１６１，１２１に嵌め込まれたラジアルベアリング１８，１９を介して回転可能に支持されている。同様に、ロータハウジング１１の端壁１６には軸孔１６２が貫設されており、フロントハウジング１２には軸孔１２２が貫設されている。軸孔１６２，１２２には回転軸２０が挿通されている。ロータハウジング１１の端壁１６とフロントハウジング１２とには回転軸２０が軸孔１６２，１２２に嵌め込まれたラジアルベアリング２１，２２を介して回転可能に支持されている。両回転軸１７，２０は互いに平行に配置されている。

ラジアルベアリング１８，２１は、グリースによって潤滑されており、ラジアルベアリング１９，２２は、液状の潤滑油によって潤滑されている。
電動モータＭの回転軸１７は、電動モータＭのハウジングＭ１内でラジアルベアリング４１を介してハウジングＭ１に回転可能に支持されている。ハウジングＭ１内の回転軸１７の端部１７７にはレゾルバロータ４２がねじ４３によって止着されており、ハウジングＭ１側にはレゾルバステータ４４が止着されている。レゾルバロータ４２及びレゾルバステータ４４は、レゾルバ４５（回転センサ）を構成する。レゾルバ４５は、回転軸１７の回転数を検出する。検出された回転数の情報は、回転数のフィードバック制御等に利用される。

図３に示すように、回転軸１７にはロータ２３が固定されており、回転軸２０にはロータ２４が固定されている。ロータ２３，２４は、回転軸１７，２０の軸線１７１，２０１の方向に見て同形同大の形状をしている。ロータ２３，２４は、僅かの隙間を保って互いに噛合した状態でポンプ室２５に収容されている。

図１に示すように、回転軸１７，２０は、フロントハウジング１２を貫通してギヤハウジング１４内に突出しており、各回転軸１７，２０の突出端部には歯車２６，２７が互いに噛合した状態で止着されている。電動モータＭが駆動されると、回転軸１７は、矢印Ｒ１の方向に回転し、ロータ２３が回転軸１７と一体的に矢印Ｒ１の方向に回転する。回転軸２０は、歯車２６，２７を介して電動モータＭから駆動力を得ており、回転軸２０は、矢印Ｒ２で示すように回転軸１７とは逆方向に回転し、ロータ２４が回転軸２０と一体的に矢印Ｒ２の方向に回転する。歯車２６，２７は、液状の潤滑油によって潤滑されている。

図３に示すように、ロータハウジング１１の周壁２８には吸入口２８１及び吐出口２８２がポンプ室２５に連通するように形成されている。吸入口２８１からポンプ室２５に導入された流体（本実施形態では空気）は、ロータ２３，２４の回転によって吐出口２８２側へ移送され、吐出口２８２側へ移送された流体は、吐出口２８２からロータハウジング１１の外部へ吐出される。

本実施形態では、吐出口２８２から吐出された空気は、燃料電池（図示略）へ供給される。燃料電池より先の流路（図示略）上には絞りが介在されており、吐出口２８２から吐出される空気は、圧縮空気として燃料電池へ供給される。

図１に示すように、ロータハウジング１１の端壁１６側の軸孔１６１，１６２内における回転軸１７，２０の嵌合部位１７２，２０２には鋼製のスリーブ２９，３０が圧入して嵌合されている。スリーブ２９は、ラジアルベアリング１８とロータ２３との間にあり、スリーブ３０は、ラジアルベアリング２１とロータ２４との間にある。スリーブ２９を嵌合した回転軸１７の嵌合部位１７２の径は、ロータ２３を嵌合した回転軸１７の嵌合部位１７３の径よりも小さく、かつラジアルベアリング１８を嵌合した回転軸１７の嵌合部位１７４の径よりも大きくしてある。同様に、スリーブ３０を嵌合した回転軸２０の嵌合部位２０２の径は、ロータ２４を嵌合した回転軸２０の嵌合部位２０３の径よりも小さく、かつラジアルベアリング２１を嵌合した回転軸２０の嵌合部位２０４の径よりも大きくしてある。

嵌合部位１７３と嵌合部位１７２，１７５との間には段差５４，５５があり、嵌合部位２０３と嵌合部位２０２，２０５との間には段差５８，５９がある。スリーブ２９，３３は、段差５４，５５に当接されて位置決めされ、スリーブ３０，３４は、段差５８，５９に当接されて位置決めされる。つまり、段差５４，５５は、スリーブ２９，３３に対する位置決め部位となり、段差５８，５９は、スリーブ３０，３４に対する位置決め部位となる。

嵌合部位１７４，１７６と嵌合部位１７２，１７５との間には段差５２，５３があり、嵌合部位２０４，２０６と嵌合部位２０２，２０５との間には段差５６，５７がある。ラジアルベアリング１８，１９は、その内輪１８１，１９１が段差５２，５３に当接されて位置決めされ、ラジアルベアリング２１，２２は、その内輪２１１，２２１が段差５６，５７に当接されて位置決めされる。つまり、段差５２，５３は、ラジアルベアリング１８，１９に対する位置決め部位となり、段差５６，５７は、ラジアルベアリング２１，２２に対する位置決め部位となる。

図２（ｂ）に示すように、スリーブ２９，３０の外周面は、ストレート周面３１とテーパ周面３２とからなる。テーパ周面３２は、ラジアルベアリング１８，２１側からロータ２３，２４側へ向かうにつれて拡径してゆく形状であり、ストレート周面３１とテーパ周面３２との接続部がテーパ周面３２の最大径となっている。

図１に示すように、フロントハウジング１２側の軸孔１２１，１２２内における回転軸１７，２０の部位には鋼製のスリーブ３３，３４が圧入して嵌合されている。スリーブ３３は、ラジアルベアリング１９とロータ２３との間にあり、スリーブ３４は、ラジアルベアリング２２とロータ２４との間にある。スリーブ３３を嵌合した回転軸１７の嵌合部位１７５の径は、ロータ２３を嵌合した回転軸１７の嵌合部位１７３の径よりも小さく、かつラジアルベアリング１９を嵌合した回転軸１７の嵌合部位１７６の径よりも大きくしてある。同様に、スリーブ３４を嵌合した回転軸２０の嵌合部位２０５の径は、ロータ２４を嵌合した回転軸２０の嵌合部位２０３の径よりも小さく、かつラジアルベアリング２２を嵌合した回転軸２０の嵌合部位２０６の径よりも大きくしてある。

図２（ｃ）に示すように、スリーブ３３，３４の外周面は、ストレート周面３５とテーパ周面３６とからなる。テーパ周面３６は、ラジアルベアリング１９，２２側からロータ２３，２４側へ向かうにつれて拡径してゆく形状であり、ストレート周面３５とテーパ周面３６との接続部がテーパ周面３６の最大径となっている。

スリーブ２９，３０，３３，３４は、焼き入れを施されている。又、スリーブ２９，３０，３３，３４のストレート周面３１，３５は、研磨されている。研磨は焼き入れ後に行われている。スリーブ２９，３０，３３，３４のストレート周面３１，３５は、焼き入れによって硬化処理を施されたシール周面である。

スリーブ２９のストレート周面３１と軸孔１６１との間にはリップシール４６が介在されており、スリーブ３０のストレート周面３１と軸孔１６２との間にはリップシール４７が介在されている。リップシール４６は、軸孔１６１に嵌合して止着されており、リップシール４７は、軸孔１６２に嵌合して止着されている。リップシール４６のリップ部（図示略）は、スリーブ２９のストレート周面３１に摺接し、リップシール４７のリップ部（図示略）は、スリーブ３０のストレート周面３１に摺接する。リップシール４６，４７のリップ部は、無潤滑に適したポリテトラフルオロエチレン製である。

スリーブ３３のストレート周面３５と軸孔１２１との間にはリップシール４８，４９が介在されており、スリーブ３４のストレート周面３５と軸孔１２２との間にはリップシール５０，５１が介在されている。リップシール４８，４９は、軸孔１２１に嵌合して止着されており、リップシール５０，５１は、軸孔１２２に嵌合して止着されている。リップシール４８，４９のリップ部（図示略）は、スリーブ３３のストレート周面３５に摺接し、リップシール５０，５１のリップ部（図示略）は、スリーブ３４のストレート周面３５に摺接する。リップシール４８，５０のリップ部は、無潤滑に適したポリテトラフルオロエチレン製であり、リップシール４９，５１のリップ部は、液状の潤滑油の侵入を遮断するのに適したゴム製である。

電動モータＭが作動すると、回転軸１７が矢印Ｒ１の方向に回転すると共に、回転軸２０が矢印Ｒ２の方向へ回転し、ロータ２３，２４が回転軸１７，２０と一体的に回転する。ロータ２３，２４の回転に伴い、吸入口２８１から空気がポンプ室２５へ吸入される。ポンプ室２５へ吸入された空気は、吐出口２８２側へ移行し、吐出口２８２側へ移行した空気は、吐出口２８２から吐出される。

回転軸１７の回転に伴い、回転軸１７に圧入されたスリーブ２９，３３は、回転軸１７と一体的に回転し、スリーブ２９，３３のストレート周面３１，３５が軸孔１６１，１６２に嵌め込み止着されたリップシール４６，４８，４９のリップ部に対して摺動する。回転軸２０の回転に伴い、回転軸２０に圧入されたスリーブ３０，３４は、回転軸２０と一体的に回転し、スリーブ３０，３４のストレート周面３１，３５が軸孔１２１，１２２に嵌め込み止着されたリップシール４７，５０，５１のリップ部に対して摺動する。

ポンプ室２５に吸入された空気に水が混入している場合、リップシール４６，４７，４８，５０は、ポンプ室２５側からラジアルベアリング１８，２１，１９，２２側への水の侵入を阻止する。リップシール４９，５１は、ラジアルベアリング２１，２２を潤滑する潤滑油がラジアルベアリング１９，２２側からポンプ室２５側へ侵入するのを阻止する。

第１の実施形態では以下の効果が得られる。
（１−１）スリーブ２９，３０は、焼き入れによって硬化処理を施されたストレート周面３１（シール周面）を備えており、接触式シールであるリップシール４６，４７がストレート周面３１に摺接する。同様に、スリーブ３３，３４は、焼き入れによって硬化処理を施されたストレート周面３５（シール周面）を備えており、接触式シールであるリップシール４８，４９，５０，５１がストレート周面３５に摺接する。リップシール４６〜５１の接触対象であるストレート周面３１，３５が硬化処理を施されているため、スリーブ２９，３０，３３，３４の摩耗が抑制される。焼き入れは、スリーブ２９，３０，３３，３４のシール周面（ストレート周面３１，３５）を硬化させるのに好適である。

（１−２）スリーブ２９，３０，３３，３４がない場合、回転軸１７，２０の周面を硬化させるために回転軸１７，２０に焼き入れを施したとする。そうすると、回転軸１７，２０の硬度は高くなるが、強度が低下する。回転軸１７の端部１７７にねじ４３を螺着するには、回転軸１７の端部１７７にねじ孔を設ける必要があるが、回転軸１７に焼き入れがしてあると、ねじ孔の強度が低下し、回転軸１７にねじ４３を強固に螺着できないおそれがある。スリーブ２９，３０，３３，３４の採用は、回転軸１７，２０の焼き入れを不要にし、前記ねじ孔の強度の低下が回避される。

（１−３）スリーブ２９，３０，３３，３４のストレート周面３１，３５は、焼き入れ後に研磨されている。研磨されたストレート周面３１，３５は、シール性能を高める上で好ましい。

（１−４）スリーブ２９，３０，３３，３４は、回転軸１７，２０に圧入して嵌合されている。回転軸１７，２０にスリーブ２９，３０，３３，３４を圧入した構成は、回転軸１７，２０にスリーブ２９，３０，３３，３４を簡単に取り付ける上で好ましい。又、回転軸１７，２０にスリーブ２９，３０，３３，３４を圧入した構成では、回転軸１７，２０の周面とスリーブ２９，３０，３３，３４の内周面との間のシール性の確保が容易である。

（１−５）ラジアルベアリング１８，１９に対する回転軸１７における嵌合部位１７４，１７６の径は、スリーブ２９，３３に対する回転軸１７における嵌合部位１７２，１７５の径よりも小さくされている。同様に、ラジアルベアリング２１，２２に対する回転軸２０における嵌合部位２０４，２０６の径は、スリーブ３０，３４に対する回転軸２０における嵌合部位２０２，２０５の径よりも小さくされている。つまり、嵌合部位１７４，１７６と嵌合部位１７２，１７５との間には段差５２，５３があり、嵌合部位２０４，２０６と嵌合部位２０２，２０５との間には段差５６，５７がある。このような段差５２，５３，５６，５７の存在は、ラジアルベアリング１８，１９，２１，２２の位置決めを容易にする。

（１−６）スリーブ２９，３０，３３，３４におけるテーパ周面３２，３６の存在は、リップシール４６〜５１（リング形状の接触式シール）にスリーブ２９，３０，３３，３４を円滑に通す上で好ましい。

（１−７）ラジアルベアリング１８とスリーブ２９とは、この順に回転軸１７の嵌入側の端部（ねじ４３を螺着した回転軸１７の端部１７７）から嵌合されている。スリーブ２９がない場合、リップシール４６を嵌合する回転軸１７の嵌合部位１７２にテーパ周面３２と同様のテーパ周面を設けるのが一般的である。そうすると、ラジアルベアリング１８を装着する回転軸１７の嵌合部位１７４の径は、このテーパ周面の最小径よりも小さくしなければならない。

スリーブ２９を嵌合部位１７２に嵌合した構成では、嵌合部位１７２にテーパ周面を設けた場合に比べて、ラジアルベアリング１８を嵌合する嵌合部位１７４の径を大きくすることができる。つまり、ラジアルベアリング１８の径を大きくすることができる。スリーブ２９の採用は、ラジアルベアリング１８の信頼性の向上に有効なラジアルベアリング１８の大径化に有利である。

同様に、スリーブ３０，３３，３４の採用は、ラジアルベアリング２１，１９，２２の信頼性の向上に有効なラジアルベアリング２１，１９，２２の大径化に有利である。
本発明では以下のような実施形態も可能である。

（１）図４に示すように、スリーブ２９を圧入して嵌合する嵌合部位１７２にラジアルベアリング１８を嵌合してもよい。つまり、第１の実施形態における嵌合部位１７２の径と嵌合部位１７４の径とを同一にしてもよい。この場合、ラジアルベアリング１８は、その内輪１８１をスリーブ２９に当接させて位置決めされる。スリーブ２９の嵌合部位の径とラジアルベアリング１８の嵌合部位の径とが同一になるため、ラジアルベアリング１８の径を第１の実施形態の場合よりも更に大きくすることができる。

（２）スリーブ２９，３０，３３，３４の外周面に硬質メッキを施してストレート周面３１，３５（シール周面）を硬化させてもよい。
（３）回転軸に圧入して嵌合したスリーブの外周面にラジアルベアリングを嵌合してもよい。このようにすればラジアルベアリングの径を更に大きくすることができる。

（４）回転軸の軸方向へ複数のロータを並設した多段式のルーツポンプに本発明を適用してもよい。
（５）本発明をルーツポンプ以外のポンプ（例えばスクリューポンプ等）に本発明を適用してもよい。

第１の実施形態を示す平断面図。 （ａ）は、一部省略側断面図。（ｂ），（ｃ）は要部拡大断面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 第２の実施形態を示す要部拡大断面図。

符号の説明

１０…ルーツポンプ。１７，２０…回転軸。１７４，１７６，２０４，２０６…ラジアルベアリングを嵌合する嵌合部位。１７２，１７５，２０２，２０５…スリーブを嵌合する嵌合部位。１７７…嵌入側の端部。１８，１９，２１，２２…ラジアルベアリング。２３，２４…ロータ。２５…ポンプ室。２９，３０，３３，３４…スリーブ。３１，３５…シール周面としてのストレート周面。３２，３６…テーパ周面。４６〜５１…接触式シールとしてのリップシール。

Claims (7)

1. 回転軸の回転に基づいてポンプ室内のロータを回転させ、前記ロータの回転動作によって、前記ポンプ室内に流体を吸入し、前記ポンプ室から流体を吐出するポンプにおいて、
   前記回転軸にスリーブが取り付けられており、前記スリーブには硬化処理を施されたシール周面が設けられており、接触式シールが前記シール周面に摺接するポンプにおけるシール機構。
2. 前記スリーブは、焼き入れをして硬化されている請求項１に記載のポンプにおけるシール機構。
3. 前記シール周面は、研磨されている請求項２に記載のポンプにおけるシール機構。
4. 前記スリーブは、前記回転軸に圧入して嵌合されている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のポンプにおけるシール機構。
5. 前記回転軸は、ラジアルベアリングによって回転可能に支持されており、前記ラジアルベアリングと前記スリーブとは、この順に前記回転軸の嵌入側の端部から嵌合されている請求項４に記載のポンプにおけるシール機構。
6. 前記ラジアルベアリングに対する前記回転軸における嵌合部位の径は、前記スリーブに対する前記回転軸における嵌合部位の径よりも小さくされている請求項５に記載のポンプにおけるシール機構。
7. 前記スリーブは、前記シール周面の径以下のテーパ周面を有し、前記テーパ周面は、前記シール周面に連なっている請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のポンプにおけるシール機構。

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