JP2006132433A - 液体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】メカニカルシール部において液体の漏れを防止することが可能な液体ポンプを提供する。
【解決手段】ウォータポンプ１は、回転シャフト３０と、ロータ２０と、ハウジング１０と、回転シャフト３０とハウジング１０との間に介在して回転シャフト３０を取り囲み、ハウジング１０内にロータ２０を覆う液密空間を形成するメカニカルシール部５０とを備える。メカニカルシール部５０は、ハウジング１０に結合された固定体５３と、ロータ２０に結合されてロータ２０とともに回転し、固定体５３に当接する回転体５２と、固定体５３を回転体５２に向かってスラスト方向に押圧することで、メカニカルシール部５０での気密性を高めるスプリング５６とを備える。冷却水１００がロータ２０に向かって加える力によって固定体５３と回転体５２との間の接触力に分布が生じ、この分布を均一化するための調整部８０が設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、液体ポンプに関し、より特定的には、車両に搭載されて冷却水を送る液体ポンプに関するものである。

従来、液体ポンプは、たとえば実開昭６０−６３０９４号公報（特許文献１）、特開平８−２３２６５７号公報（特許文献２）および実開昭５９−１６８５１９号公報（特許文献３）に開示されている。
実開昭６０−６３０９４号公報 特開平８−２３２６５７号公報 実開昭５９−１６８５１９号公報

特許文献１では、シール材の周壁を波型、凹凸、楕円などの形状とし、水膜を形成する技術が開示されている。

特許文献２では、メカニカルシールのシール面圧を円周に亘ってほぼ均一にするシールゴムの肉厚を円周上で変化させる技術が開示されている。

特許文献３では、ベアリング内外の弾性シール材の回転軸への圧接力に差を与える構造が開示されている。

しかしながら、従来の技術ではメカニカルシール部からの液漏れを十分に防止することができないという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、メカニカルシール部からの液体の漏れを防止することが可能な液体ポンプを提供することを目的とする。

この発明に従った液体ポンプは、回転シャフトと、回転シャフトに取り付けられて、スラスト方向から取り入れた液体をラジアル方向に送出するロータと、回転シャフトとロータとを保持するハウジングと、回転シャフトとハウジングとの間に介在して回転シャフトを取り囲み、ハウジング内にロータを覆う液密空間を形成するメカニカルシール部とを備える。メカニカルシール部は、ハウジングに結合された第１部材と、ロータに結合されてロータとともに回転し、第１部材に当接する第２部材と、第１部材を第２部材に向かってスラスト方向に押圧することで、メカニカルシール部での気密性を高める押圧部とを備える。液体がロータに加える力によって第１部材と第２部材との接触力に分布が生じ、この分布を均一化するための調整手段が設けられている。

本発明では、メカニカルシール部での液体の漏れについてさまざまな検討を行なったところ液体がロータに加える力により、第１部材と第２部材との接触力に分布が生じ、この分布により、第１部材と第２部材の接触力の小さい部分が生じ、この力の小さい部分から液体が漏れやすことがわかった。

そこで、この発明では、分布を均一化するための調整手段を設けることで、第１部材と第２部材の全周に亘って均一な接触力を実現でき、メカニカルシール部での液体の漏れを防止することが可能となる。

好ましくは、ハウジングはロータとのラジアル方向の距離が最も小さい締切部を有する。締切部において液体がロータに力を加え、その力を打ち消すように調整部が設けられる。好ましくは締切部近傍において押圧部が第１部材を押圧する力は締切部以外の部分で押圧部が第１部材を押圧する力は締切部以外の部分で押圧部が第１部材を押圧する力よりも大きくなるように調整部が設けられている。

この発明に従えば、メカニカルシール部からの液体の漏れを防止することができる液体ポンプを提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では、同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰返さない。

図１は、この発明に従った液体ポンプの正面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１に従った液体ポンプとしてのウォータポンプ１は、渦巻形状のハウジング１０と、ハウジング１０内で回転することが可能なインペラとしてのロータ２０と、ロータ２０の回転軸となる回転シャフト３０とを有する。

ハウジング１０は、液体を封入するための液密空間１９を有し、この液密空間１９内には、車両に搭載されるエンジンを冷却するための冷却水（ロングライフクーラント）が注入されている。入口１５から導入された冷却水はフィンとして作用するロータ２０により、ロータ２０のラジアル方向に押出され、これが出口１６から放出される。

ロータ２０は、複数枚の羽を有し、回転シャフト３０を中心としてこの羽を回転させることで、遠心力により外周部に向かって液体を送り出す。この送り出す力により、出口１６から冷却水が放出される。

図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図２を参照して、ウォータポンプ１は、筐体としてのハウジング１０と、ハウジング１０に取り付けられたカバー４０とハウジング１０に保持される回転シャフト３０と、回転シャフト３０とともに回転するロータ２０と、回転シャフト３０とハウジング１０との間の気密を保つメカニカルシール部５０と、ハウジング１０に接触したカバー４０とを有する。

ハウジング１０はウォータポンプ１の本体として機能し、その中央部を回転シャフト３０が貫いている。回転シャフト３０の一方端にはプーリ６０が取り付けられ、ベルトでプーリ６０を駆動することで回転シャフト３０も回転する。回転シャフト３０の他方端にはロータ２０が取り付けられている。ロータ２０は回転シャフト３０とともに回転することで、遠心力により冷却水１００を外部へ送り出す。具体的には、スラスト方向に沿って、入口１５では冷却水１００が送られる（矢印１７参照）。送られた冷却水１００は、ロータ２０が回転することによって、遠心力により、矢印１８で示す方向に送り出される。この方向は矢印３３のラジアル方向である。ロータ２０とハウジング１０との距離が最も近い部分が締切部１１である。

冷却水１００の主流は、ロータ２０の回転により、円周方向に押し出されるが、締切部１１を過ぎると、冷却水１００の一部は矢印２１で示す方向にロータ２０の裏側へ回り込み、ロータ２０を傾けようとする。これにより、メカニカルシール部５０の一部分で面圧が低下して液漏れの原因となりやすい。

カバー４０はハウジング１０に接触して、ハウジング１０との間に液密空間１９を形成する。液密空間１９は冷却水１００を保持し、かつ冷却水１００を送り出すための空間であり、気密性が保たれた空間である。

図３は、図２中のメカニカルシール部を拡大して示す断面図である。図３を参照して、メカニカルシール部５０は、ロータ２０とともに回転するスリーブ５１と、スリーブ５１とともに回転する炭化珪素（ＳｉＣ）からなる回転体５２と、回転体５２と当接し、かつハウジング１０と一体となって回転しない固定体５３と、固定体５３と接触し、固定体５３とハウジング１０との間にか介在するカートリッジ５４と、炭素（Ｃ）からなる固定体５３と接触するゴム製のベローズ５８と、ベローズ５８を矢印３２で示すスラスト方向に押圧するスプリング５６と、スプリング５６を保持するスプリングホルダ５７とを有する。

スリーブ５１は金属製の薄板により構成され、回転シャフト３０に固定される。これにより、回転シャフト３０とロータ２０とスリーブ５１とは一体となって回転する。スリーブ５１は薄板形状であり、中心部に貫通孔が形成され、この貫通孔に回転シャフト３０が差し込まれている。スリーブ５１の表面は冷却水１００に接触しているため、耐食性を有する材料で構成することが好ましい。

スリーブ５１には、回転体５２が固定されている。回転体５２はスリーブ５１の内周側に取り付けられ、環状に構成される。スリーブ５１および回転体５２はともに回転シャフト３０を取り囲み、回転体５２の貫通孔を回転シャフト３０が通過する形状となる。回転体５２はドーナツ形状であり、固定体５３と摩擦摺動して、この摺動面で冷却水１００をシールする。回転体５２の一部分は冷却水１００に接触し、他の部分は冷却水１００に接触しない。その結果、回転体５２によりシール性を高めるためには、回転体５２は冷却水１００を透過しない構造であることが必要である。

固定体５３は回転体５２に当接する。固定体５３はハウジング１０に固定されているため回転しない。その結果、回転体５２と固定体５３との接触面が摺動面（シール面）５９となり、この面において冷却水１００の漏れが生じる可能性が高くなる。摺動面５９は回転シャフト３０の回転に対するスラスト面であり、このスラスト面にスラスト荷重を加えることで、摺動面５９での冷却水の漏れを防止する。固定体５３は環状（ドーナツ状）であり、回転シャフト３０を取り囲むように配置される。固定体５３の一方側のスラスト面が摺動面５９を構成し、他方側のスラスト面がベローズ５８により押圧される。

固定体５３の材質は、耐摩耗性および滑り性などを考慮してカーボンとされるが、これに限られるものではない。なお、固定体５３および回転体５２の双方には、耐摩擦性が要求されるため、適度な潤滑性を有する材料で構成することが好ましい。

固定体５３は、薄板形状のカートリッジ５４に固定される。カートリッジ５４は金属板により構成され、その円筒部分の外周側に固定体５３が保持され、内周側を回転シャフト３０が貫通する。カートリッジ５４は回転しない部材を位置決めするための手段となる。

カートリッジ５４に接触するようにベローズ５８が設けられる。ベローズ５８はゴム製であり、冷却水１００の侵入を阻止する封止部材としての役割を果たす。ベローズ５８は折り曲げられ、表面積を大きくすることで冷却水１００の侵入を防いでいる。ベローズ５８において、締切部１１側の厚みＡは、締切部１１と反対側の厚みＢよりも大きい。これにより、締切部１１での摺動面５９に加わる圧力を大きくしている。ベローズ５８は１枚のゴム板を折り曲げることにより構成され、一部分の厚みが厚く、他の部分の厚みが薄い。厚みの厚い部分が締切部１１近傍に配置されている。

ベローズ５８を押圧するためのスプリング５６がベローズ５８と接触している。スプリング５６の一方端はカートリッジ５４に支持され、他方端がベローズ５８および固定体５３を押圧する。スプリング５６はスプリングホルダ５７によって位置決めされる。この実施の形態では、スプリング５６はコイルばねであるが、これに限定されるものではなく、スプリング５６が板ばねであってもよい。また、コイルばねのピッチ、巻数などは制限されるものではない。

スプリング５６がベローズ５８および固定体５３を回転体５２へ近づく方向に押し付ける。これにより、摺動面５９での接触圧力が高まる。そのため、摺動面５９が摺動して更新されたとしても、摺動面５９からの冷却水１００の漏れを防止することができる。

上述のように、締切部１１近傍ではロータ２０の裏側へ矢印２１で示す方向に渦が生じ、この渦がロータ２０を矢印２２で示す方向に傾ける。この傾きにより、締切部１１側において固定体５３と回転体５２との接触圧力が小さくなる。これを防止するために、ベローズ５８の厚みＡを他の部分の厚みＢよりも大きくして、締切部１１側でのスプリング５６による押圧力を高めている。その結果固定体５３が回転体５２を押圧する力が大きくなり、摺動面５９の全周に亘って圧力を均一化できる。

この発明に従ったウォータポンプ１は、回転シャフト３０と、回転シャフト３０に取り付けられて、スラスト方向から取り入れた冷却水１００を回転することでラジアル方向に送出するロータ２０と、回転シャフト３０とロータ２０とを保持するハウジング１０と、回転シャフト３０とハウジング１０との間に介在して回転シャフト３０を取囲み、ハウジング１０内にロータ２０を覆う液密空間１９を形成するメカニカルシール部５０とを備える。

メカニカルシール部５０は、ハウジング１０に結合された第１部材としての固定体５３と、ロータ２０に結合されてロータ２０とともに回転し、固定体５３に当接する第２部材としての回転体５２と、固定体５３を回転体５２に向かってスラスト方向に押圧することで、メカニカルシール部５０での気密性を高める押圧部としてのスプリング５６とを備える。矢印２１で示すように、冷却水１００がロータ２０に加える力によって固定体５３と回転体５２との接触力に分布が生じ、この分布を均一化するための調整手段としての調整部８０が設けられている。

この実施の形態では、ベローズ５８の一部分を厚くして調整部８０を構成している。ハウジング１０は、ロータ２０とのラジアル方向の距離が最も小さい締切部１１を有し、締切部１１において矢印２１で示すように冷却水１００がロータ２０に力を加え、その力を打ち消すように調整部８０が設けられる。

締切部１１近傍において、スプリング５６が固定体５３を押圧する力は、締切部１１以外の部分でスプリング５６が固定体５３を押圧する力よりも大きくなるように調整部８０が設けられる。

なお、この発明の実施の形態では、調整部８０は、ベローズ５８の厚みにより構成したが、これに限られるものではなく、調整部８０はたとえば固定体５３の厚みを厚くすることで構成してもよい。また、スプリング５６のばね定数が円周上で異なるとき、ばね定数の高い部分によって調整部８０を構成してもよい。

さらに、スプリングホルダ５７の厚みを一部分厚くすることで調整部８０を構成してもよい。

さらに、カートリッジ５４のハウジング１０への圧入時に取り付けを傾斜させることで調整部８０を構成してもよい。

また、この実施の形態では、締切部１１近傍において押圧力を高くしたが、必ずしもこれに限られるものではない。すなわち、回転シャフト３０、固定体５３、回転体５２およびメカニカルシール部５０の配置によっては、締切部１１近傍で摺動面５９の接触圧力が大きくなる場合がある。このような場合には、締切部１１近傍で摺動面５９の圧力を減少させ、その他の部分で摺動面５９の接触圧を大きくするように調整部８０を構成してもよい。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、ここで示した実施の形態はさまざまに変形することが可能である。まず、この実施の形態では、冷却水を送るポンプに適用した場合を示したが、これに限られるものではなく、オイルなど他の液体を送り出すポンプに本発明を適用してもよい。

さらに、このポンプは車両搭載用だけでなく、通常の内燃機関、または他の機関において冷却水を供給するポンプに適用してもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、たとえば車両に搭載される液体ポンプで用いることができる。

この発明に従った液体ポンプの平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図２中のメカニカルシール部を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ ウォータポンプ、１０ ハウジング、１１ 締切部、２０ ロータ、３０ 回転シャフト、４０ カバー、５０ メカニカルシール部、５１ スリーブ、５２ 回転体、５３ 固定体、５４ カートリッジ、５６ スプリング、５７ スプリングホルダ、５８ ベローズ、８０ 調整部。

Claims (3)

1. 回転シャフトと、
   前記回転シャフトに取り付けられて、スラスト方向から取り入れた液体をラジアル方向に送出するロータと、
   前記回転シャフトと前記ロータとを保持するハウジングと、
   前記回転シャフトと前記ハウジングとの間に介在して前記回転シャフトを取り囲み、前記ハウジング内に前記ロータを覆う液密空間を形成するメカニカルシール部とを備え、
   前記メカニカルシール部は、前記ハウジングに結合された第１部材と、前記ロータに結合されて前記ロータとともに回転し、前記第１部材に当接する第２部材と、前記第１部材を前記第２部材に向かってスラスト方向に押圧することで、前記メカニカルシール部での気密性を高める押圧部とを含み、
   液体が前記ロータに加える力によって前記第１部材と前記第２部材との接触力に分布が生じ、この分布を均一化するための調整手段が設けられている、液体ポンプ。
2. 前記ハウジングは、前記ロータとのラジアル方向の距離が最も小さい締切部を有し、
   前記締切部において液体が前記ロータに力を加え、その力を打ち消すように前記調整手段が設けられる、請求項１に記載の液体ポンプ。
3. 前記締切部近傍において前記押圧部が前記第１部材を押圧する力は、前記締切部以外の部分で前記押圧部が前記第１部材を押圧する力よりも大きくなるように前記調整手段が設けられている、請求項２に記載の液体ポンプ。

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