JP2006283692A - 流体ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 皿ばね部を有するシール部材を用いた流体ポンプにおいて、流体の吐出圧によって皿ばね部が変形してシール性が低下するのを防止する。
【解決手段】 シャフト３０と一体に回転して流体の洩れを防止するシール部材７０は、弾性材料にて皿ばね状に形成された皿ばね部７２の外周面７２１に流体の吐出圧が作用する。一方、流体の吐出圧はダイヤフラム４０に作用し、ダイヤフラム４０はその圧力を受けて変形して空間２４内のグリスまたはオイルを加圧し、グリスまたはオイルを介して皿ばね部７２の内周面７２２に圧力を作用させる。そして、皿ばね部７２の内周面７２２に作用する圧力により、皿ばね部７２の外周面７２１に作用する圧力がキャンセルされるため、皿ばね部７２の変形が防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動手段によりインペラを回転させて流体を吸引吐出する流体ポンプに関するものである。

従来、マグネットカップリングを介して駆動手段からインペラへトルクを伝達する流体ポンプが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。そして、マグネットカップリングを用いる流体ポンプでは、駆動手段とポンプ部が完全に遮断されるため流体洩れは発生しないが、マグネットカップリングの体格が流体ポンプの１／３程度を占めているため小型化に限界があり、また、マグネットカップリングのような間接動力伝達方式は理想的な状態（直結式）に比べてトルク伝達力が低下するという問題がある。

一方、マグネットカップリングを用いない流体ポンプ、すなわち駆動手段とインペラとをシャフトで連結した直結式の流体ポンプは、流体の洩れを防止するために、シャフトの外周にゴム製のシール部材を装着している（例えば、特許文献３、４参照）。
特開平７−２０８３８９号公報 特開２００３−１２９９９９号公報 特開２００２−１３０３０６号公報 特開２００３−２２２０９９号公報

ところで、シャフトの外周側に装着されるとともにシャフトと一体に回転するシール部材として、弾性材料にて皿ばね状に形成された皿ばね部を有するシール部材が知られている。このシール部材を用いる場合は、シャフトの軸線に対して直交して皿ばね部の大径側端部と対向するシート面が隔壁に形成される。そして、隔壁のシート面と皿ばね部の大径側端部とによって、シールがなされるようになっている。

但し、シャフトが停止しているときは隔壁のシート面と皿ばね部の大径側端部が接触しているが、シャフトが回転しているときには、遠心力によって皿ばね部の大径側端部が拡がって、隔壁のシート面と皿ばね部の大径側端部との間に微小な隙間が形成されるようになっている。

しかしながら、皿ばね部を有するシール部材を高圧の流体ポンプに用いた場合、皿ばね部の外周面に流体の吐出圧が作用し、その吐出圧によって皿ばね部の大径側端部側が変形して、シール性が低下するという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、皿ばね部を有するシール部材を用いた流体ポンプにおいて、流体の吐出圧の影響によるシール性低下を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、インペラ（５０）の回転により流体を吸引吐出するポンプ部（１２、５０）と、インペラ（５０）に連結されたシャフト（３０）と、シャフト（３０）を介してインペラ（５０）を回転させる駆動手段（６０）、シャフト（３０）の外周側に配置され、シャフト（３０）の軸線に対して直交するシート面（２５）を有する隔壁（２０）と、シャフト（３０）に装着されるとともにシャフト（３０）と一体に回転する第１シール部材（７０）とを備え、第１シール部材（７０）は、弾性材料にて皿ばね状に形成されて、外周面（７２１）に流体の吐出圧が作用する皿ばね部（７２）を有し、皿ばね部（７２）の大径側端部がシート面（２５）に対向して配置され、さらに、流体の吐出圧に応じて作動して、皿ばね部（７２）の内周面（７２２）に圧力を作用させる加圧機構（４０）を備えることを特徴とする。

これによると、加圧機構によって皿ばね部の内周面に作用させる圧力により、皿ばね部の外周面に作用する流体の吐出圧がキャンセルされるため、流体の吐出圧によって皿ばね部の大径側端部側が変形するのを防止して、シール性低下を防止することができる。

第１シール部材（７０）は、シャフト（３０）に装着されるとともにシャフト（３０）と一体に回転するものであって、流体の洩れを防止すること、および／または鋳砂侵入を防止することを目的として設置されることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の流体ポンプにおいて、隔壁（２０）に固定され且つ駆動手段（６０）と第１シール部材（７０）との間に配置され、弾性材料にて形成された主リップ（８１）の内周部がシャフト（３０）の外周面に接する第２シール部材（８０）を備え、第１シール部材（７０）と第２シール部材（８０）との間に、流動性および潤滑性を有する流動部材が充填され、加圧機構（４０）は、流動部材を介して皿ばね部（７２）の内周面（７２２）に圧力を作用させる構成であることを特徴とする。

これによると、第１シール部材と第２シール部材とによって、流体の洩れをより確実に防止することができる。また、流動部材は、第２シール部材における主リップの摩耗を低減するための潤滑剤としての機能と、圧力を伝達する機能とを発揮する。

第２シール部材（８０）は、シャフト（３０）の外周面に接して流体の洩れを防止すること、および／または鋳砂侵入を防止することを目的として設置されることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の流体ポンプにおいて、第２シール部材（８０）は、駆動手段（６０）側からの異物の侵入を防止するダストリップ（８２）を備えることを特徴とする。

これによると、第１シール部材による流体のシール機能、および第２シール部材における主リップによる流体のシール機能が、駆動手段側からの異物の侵入によって阻害されるのを防止することができる。

請求項４に記載の発明では、インペラ（５０）の回転により流体を吸引吐出するポンプ部（１２、５０）と、インペラ（５０）に連結されたシャフト（３０）と、シャフト（３０）を介してインペラ（５０）を回転させる駆動手段（６０）と、シャフト（３０）の外周側に配置され、シャフト（３０）の軸線に対して直交するシート面（２５）を有する隔壁（２０）と、シャフト（３０）に装着されるとともにシャフト（３０）と一体に回転する第１シール部材（７０）とを備え、第１シール部材（７０）は、弾性材料にて皿ばね状に形成されて流体の吐出圧が作用する皿ばね部（７２）を有し、皿ばね部（７２）の大径側端部がシート面（２５）に対向して配置され、さらに、ポンプ部（１２、５０）と第１シール部材（７０）との間にラビリンス構造（２７）を備えることを特徴とする流体ポンプ。

これによると、皿ばね部に作用する流体の吐出圧は、流体がラビリンス構造部位を通過する間に低下するため、流体の吐出圧によって皿ばね部の大径側端部側が変形するのを防止して、シール性低下を防止することができる。

請求項５に記載の発明では、インペラ（５０）の回転により流体を吸引吐出するポンプ部（１２、５０）と、インペラ（５０）に連結されたシャフト（３０）と、シャフト（３０）を介してインペラ（５０）を回転させる駆動手段（６０）と、シャフト（３０）の外周側に配置され、シャフト（３０）の軸線に対して直交するシート面（２５）を有する隔壁（２０）と、シャフト（３０）に装着されるとともにシャフト（３０）と一体に回転する第１シール部材（７０）とを備え、第１シール部材（７０）は、弾性材料にて皿ばね状に形成されて流体の吐出圧が作用する皿ばね部（７２）と、皿ばね部（７２）の剛性を上げる補強板（７３）とを有し、皿ばね部（７２）の大径側端部がシート面（２５）に対向して配置されていることを特徴とする。

これによると、補強板により皿ばね部の剛性を上げているため、流体の吐出圧によって皿ばね部の大径側端部側が変形するのを防止して、シール性低下を防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る流体ポンプを、内燃機関とラジエータとの間に冷却水を循環させる電動式のウォータポンプに適用したものである。

図１は本発明の第１実施形態に係る流体ポンプの模式的な断面図である。この図１において、流体ポンプは筒状のケーシング１０を備え、ケーシング１０内の空間は、隔壁２０によって電動機室１１とポンプ室１２とに分割されている。

隔壁２０は、シャフト３０（詳細後述）の軸方向に延びる円筒状の筒部２１を備えており、この筒部２１はケーシング１０の内周面に固定されている。また、隔壁２０は、筒部２１における電動機室１１の端部から径方向内側に向かって延びる円盤状の第１鍔部２２と、筒部２１におけるポンプ室１２の端部から径方向内側に向かって延びる円盤状の第２鍔部２３とを備えている。

そして、筒部２１と第１鍔部２２と第２鍔部２３とによって内部に空間２４が形成されており、この空間２４に、流動性および潤滑性を有するグリスまたはオイルが充填されている。なお、空間２４に充填されたグリスまたはオイルは、本発明の流動部材に相当する。

第２鍔部２３におけるポンプ室１２側には、シャフト３０の軸線に対して直交するシート面２５が形成されている。また、第２鍔部２３におけるシート面２５よりも径方向外側の位置には、空間２４とポンプ室１２とを連通する連通孔２６が複数個形成されている。

そして、容易に変形可能で且つリング状のダイヤフラム４０が、連通孔２６を覆うようにして隔壁２０に結合されている。ダイヤフラム４０は、ポンプ室１２側の圧力、すなわち冷却水の吐出圧を受けて変形し、それにより、空間２４内のグリスまたはオイルを加圧するようになっている。因みに、冷却水の吐出圧に応じてダイヤフラム４０の受圧面積やダイヤフラム材料を決める。ダイヤフレム材料は伸縮性が高いゴムから伸縮性が低い金属まで選択することが出来る。なお、ダイヤフラム４０は、本発明の加圧機構に相当する。

電動機室１１には、インペラ５０（詳細後述）を駆動する電動機６０が配置されている。電動機室１１は、ケーシング１０に設けられた呼吸穴１３によって外部に開放されており、呼吸穴１３により、電動機６０の発熱に伴うケーシング１０内の圧力上昇を防止するようになっている。また、呼吸穴１３は、外から水等が入らない構造にしている。なお、電動機６０は、本発明の駆動手段に相当する。

電動機６０には円柱状のシャフト３０が結合されており、このシャフト３０は、隔壁２０における第１鍔部２２および第２鍔部２３の中心部の孔を貫通してポンプ室１２まで延びている。そして、ポンプ室１２内に配置されたインペラ５０に、シャフト３０が結合されている。

インペラ５０は、回転により冷却水を吸引吐出して、水冷式内燃機関（図示せず）とラジエータ（図示せず）との間に冷却水を循環させるようになっている。なお、ポンプ室１２とインペラ５０は、本発明のポンプ部に相当する。

シャフト３０の外周側には、シャフト３０と一体に回転して、ポンプ室１２側から電動機室１１側への冷却水の洩れと鋳砂侵入を防止するＶリングシール７０が装着されている。Ｖリングシール７０は、ゴム等の弾性材料にて形成される。

また、Ｖリングシール７０は、隔壁２０の第２鍔部２３とインペラ５０との間に位置している。さらに、Ｖリングシール７０は、シャフト３０に強固に結合される円盤状の結合部７１と、皿ばね状の皿ばね部７２とを備えている。

そして、皿ばね部７２は、小径側端部が結合部７１に連結され、大径側端部が隔壁２０における第２鍔部２３のシート面２５に対向している。なお、Ｖリングシール７０は、本発明の第１シール部材に相当する。

隔壁２０における第１鍔部２２の内周部には、リップシール８０が固定されている。リップシール８０は、電動機６０とＶリングシール７０との間に配置されている。

また、リップシール８０は、内周部がシャフト３０の外周面に接して冷却水の洩れを防止する主リップ８１と、主リップ８１よりも電動機室１１側に位置し、内周部がシャフト３０の外周面に接して電動機室１１側からの異物の侵入を防止するダストリップ８２と、主リップ８１をシャフト３０に押し付ける金属製のスプリング８３とを備えている。主リップ８１およびダストリップ８２は、ゴム等の弾性材料にて形成される。なお、リップシール８０は、本発明の第２シール部材に相当する。

次に、本実施形態に係る流体ポンプの作動について説明する。

ポンプ作動時は、電動機６０のトルクがシャフト３０を介してインペラ５０に伝達されてインペラ５０が回転する。インペラ５０の回転により冷却水が吸引吐出され、内燃機関とラジエータとの間で冷却水が循環する。

このポンプ作動時は、Ｖリングシール７０における皿ばね部７２の大径側端部と、隔壁２０における第２鍔部２３のシート面２５とにより、ポンプ室１２側から隔壁２０の空間２４側ないしは電動機室１１側への冷却水の洩れと鋳砂侵入を防止する。

この際、皿ばね部７２の外周面７２１には冷却水の吐出圧が作用する。同時に、冷却水の吐出圧はダイヤフラム４０に作用し、ダイヤフラム４０はその圧力を受けて変形して空間２４内のグリスまたはオイルを加圧し、グリスまたはオイルを介して皿ばね部７２の内周面７２２に圧力を作用させる。

そして、皿ばね部７２の内周面７２２に作用する圧力により、皿ばね部７２の外周面７２１に作用する圧力がキャンセルされるため、冷却水の吐出圧による皿ばね部７２の大径側端部側の変形が防止され、シール性低下を防止することができる。

また、ポンプ作動時は、リップシール８０の主リップ８１がシャフト３０の外周面に接して、隔壁２０の空間２４側から電動機室１１側への冷却水の洩れを防止する。この際、主リップ８１とシャフト３０との摺動部には空間２４内のグリスまたはオイルが供給され、これにより、主リップ８１の摩耗が低減される。

さらにまた、ポンプ作動時は、リップシール８０のダストリップ８２がシャフト３０の外周面に接して、電動機室１１側から隔壁２０の空間２４ないしはポンプ室１２側への異物の侵入を防止する。これにより、Ｖリングシール７０による冷却水のシールと鋳砂侵入防止機能、およびリップシール８０の主リップ８１による冷却水のシール機能が、電動機室１１からの異物の侵入によって阻害されるのを防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図２は第２実施形態に係る流体ポンプの模式的な断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、Ｖリングシール７０における皿ばね部７２の内周面７２２に圧力を作用させることにより、皿ばね部７２の外周面７２１に作用する圧力をキャンセルして、皿ばね部７２の大径側端部側の変形を防止するようにしたが、本実施形態は、皿ばね部７２の剛性を上げて皿ばね部７２の大径側端部側の変形を防止するようにしている。これに伴い、隔壁２０の第２鍔部２３における連通孔２６、およびダイヤフラム４０が、廃止されている。

本実施形態では、図２に示すように、皿ばね部７２よりも剛性が高い補強板７３が、皿ばね部７２内にインサート成型されている。そして、補強板７３により皿ばね部７２の剛性を上げて、冷却水の吐出圧によって皿ばね部７２の大径側端部側が変形するのを防止し、シール性低下を防止する。

なお、補強板７３の材料としては、樹脂または金属を用いることができる。但し、補強板７３の材料として、Ｖリングシール７０のシール接触面である隔壁２０よりも硬度が低い材料を用いると、次の点で有利である。すなわち、Ｖリングシール７０の皿ばね部７２が摩耗して補強板７３が隔壁２０に接触した場合に、補強板７３が主に摩耗して隔壁２０はあまり摩耗しないため、Ｖリングシール７０を交換するだけで初期のシール性能を得ることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図３は第３実施形態に係る流体ポンプの模式的な断面図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

第１実施形態では、Ｖリングシール７０における皿ばね部７２の内周面７２２に圧力を作用させることにより、皿ばね部７２の外周面７２１に作用する圧力をキャンセルして、皿ばね部７２の大径側端部側の変形を防止するようにしたが、本実施形態は、皿ばね部７２に作用する圧力を低下させて皿ばね部７２の大径側端部側の変形を防止するようにしている。これに伴い、隔壁２０の第２鍔部２３における連通孔２６、およびダイヤフラム４０が、廃止されている。

本実施形態では、図３に示すように、隔壁２０の空間２４内にＶリングシール７０が配置され、第２鍔部２３における空間２４側に、シャフト３０の軸線に対して直交するシート面２５が形成され、皿ばね部７２の大径側端部がシート面２５に対向している。このような配置により、皿ばね部７２の内周面７２２に冷却水の吐出圧が作用する。

また、第２鍔部２３におけるポンプ部１２側、換言すると、ポンプ部１２とＶリングシール７０との間には、ラビリンス構造２７が設けられている。そして、ラビリンス構造２７によって別の流路を設けて流れＡを作り、これにより動圧力を上げて逆に静圧力を下げ、皿ばね部７２の内周面７２２に作用する圧力を低下させて皿ばね部７２の大径側端部側の変形を防止するようにしている。

（他の実施形態）
上述の実施形態では、内燃機関とラジエータとの間に冷却水を循環させる電動式のポンプに本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他のポンプにも適用することができる。

また、上記各実施形態では、Ｖリングシール７０やリップシール８０の主要部分は、ゴム等の弾性材料にて形成したが、自己潤滑性を有する材料にて形成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る流体ポンプの模式的な断面図である。 本発明の第２実施形態に係る流体ポンプの模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係る流体ポンプの模式的な断面図である。

符号の説明

１２…ポンプ部を構成するポンプ室、２０…隔壁、２５…シート面、３０…シャフト、４０…ダイヤフラム（加圧機構）、５０…ポンプ部を構成するインペラ、７０…Ｖリングシール（第１シール部材）、７２…皿ばね部、７２１…外周面、７２２…内周面。

Claims (5)

1. インペラ（５０）の回転により流体を吸引吐出するポンプ部（１２、５０）と、
   前記インペラ（５０）に連結されたシャフト（３０）と、
   前記シャフト（３０）を介して前記インペラ（５０）を回転させる駆動手段（６０）と、
   前記シャフト（３０）の外周側に配置され、前記シャフト（３０）の軸線に対して直交するシート面（２５）を有する隔壁（２０）と、
   前記シャフト（３０）に装着されるとともに前記シャフト（３０）と一体に回転する第１シール部材（７０）とを備え、
   前記第１シール部材（７０）は、弾性材料にて皿ばね状に形成されて、外周面（７２１）に前記流体の吐出圧が作用する皿ばね部（７２）を有し、前記皿ばね部（７２）の大径側端部が前記シート面（２５）に対向して配置され、
   さらに、前記流体の吐出圧に応じて作動して、前記皿ばね部（７２）の内周面（７２２）に圧力を作用させる加圧機構（４０）を備えることを特徴とする流体ポンプ。
2. 前記隔壁（２０）に固定され且つ前記駆動手段（６０）と前記第１シール部材（７０）との間に配置され、弾性材料にて形成された主リップ（８１）の内周部が前記シャフト（３０）の外周面に接する第２シール部材（８０）を備え、
   前記第１シール部材（７０）と前記第２シール部材（８０）との間に、流動性および潤滑性を有する流動部材が充填され、
   前記加圧機構（４０）は、前記流動部材を介して前記皿ばね部（７２）の内周面（７２２）に圧力を作用させる構成であることを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプ。
3. 前記第２シール部材（８０）は、前記駆動手段（６０）側からの異物の侵入を防止するダストリップ（８２）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の流体ポンプ。
4. インペラ（５０）の回転により流体を吸引吐出するポンプ部（１２、５０）と、
   前記インペラ（５０）に連結されたシャフト（３０）と、
   前記シャフト（３０）を介して前記インペラ（５０）を回転させる駆動手段（６０）と、
   前記シャフト（３０）の外周側に配置され、前記シャフト（３０）の軸線に対して直交するシート面（２５）を有する隔壁（２０）と、
   前記シャフト（３０）に装着されるとともに前記シャフト（３０）と一体に回転する第１シール部材（７０）とを備え、
   前記第１シール部材（７０）は、弾性材料にて皿ばね状に形成されて前記流体の吐出圧が作用する皿ばね部（７２）を有し、前記皿ばね部（７２）の大径側端部が前記シート面（２５）に対向して配置され、
   さらに、前記ポンプ部（１２、５０）と前記第１シール部材（７０）との間にラビリンス構造（２７）を備えることを特徴とする流体ポンプ。
5. インペラ（５０）の回転により流体を吸引吐出するポンプ部（１２、５０）と、
   前記インペラ（５０）に連結されたシャフト（３０）と、
   前記シャフト（３０）を介して前記インペラ（５０）を回転させる駆動手段（６０）と、
   前記シャフト（３０）の外周側に配置され、前記シャフト（３０）の軸線に対して直交するシート面（２５）を有する隔壁（２０）と、
   前記シャフト（３０）に装着されるとともに前記シャフト（３０）と一体に回転する第１シール部材（７０）とを備え、
   前記第１シール部材（７０）は、弾性材料にて皿ばね状に形成されて前記流体の吐出圧が作用する皿ばね部（７２）と、前記皿ばね部（７２）の剛性を上げる補強板（７３）とを有し、前記皿ばね部（７２）の大径側端部が前記シート面（２５）に対向して配置されていることを特徴とする流体ポンプ。

Images