JP2007327431A - 機械式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】メカニカルシールのシール効果の低下を抑制することのできる機械式ポンプを提供する。
【解決手段】ウォータポンプはケーシング１と、ケーシング１に回転可能に支持されるとともに同一直線上に配置された入力軸２１及び出力軸２２と、出力軸２２と一体回転する回転側筒部材６１と、回転側筒部材６１によって支持された回転側シール部材６６と、ケーシング１に固定された固定側筒部材６２と、固定側筒部材６２によって支持された固定側シール部材６３と、回転側シール部材６６と固定側シール部材６３との摺動部において冷却水をシールするメカニカルシール６と、入力軸２１と出力軸２２との偏心を許容しつつそれら両軸を駆動連結する等速ジョイント７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、メカニカルシールを有する機械式ポンプに関する。

内燃機関のクランクシャフトの回転に基づき回転駆動されるウォータポンプのように、ポンプの駆動軸の一端に設けられたプーリやスプロケットに、ベルトやチェーンを介して外部駆動源からの回転駆動力が伝達される機械式ポンプがある（例えば特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載される内燃機関のウォータポンプの断面構造を示したものである。
図３に示されるように、ウォータポンプは、ケーシング１、ケーシング１の内部に回転可能に支持された駆動軸としてのシャフト２、シャフト２の一端に取り付けられたプーリ３、シャフト２の他端に取り付けられたインペラ４を備えている。ケーシング１とシャフト２との間にはボールベアリング５が配設されており、シャフト２はボールベアリング５により回転可能に支持されている。シャフト２の軸方向においてボールベアリング５とインペラ４との間には、ケーシング１とシャフト２との隙間をシールして冷却水がインペラ４側からボールベアリング５側へ浸入することを防止するためのメカニカルシール６が配設されている。

メカニカルシール６は、シャフト２の外周面に圧入嵌合された断面が略「コ」の字形の回転側筒部材６１と、ケーシング１の内周面に圧入嵌合された断面が略「コ」の字形の固定側筒部材６２とを備えている。固定側筒部材６２には、シャフト２の軸方向に移動可能な固定側シール部材６３が嵌合されている。この固定側シール部材６３の上記軸方向の一方にはパッキン６４及びスプリング６５が設けられている。一方、回転側筒部材６１には、シャフト２の軸方向に移動可能な回転側シール部材６６が嵌合されている。この回転側シール部材６６の上記軸方向の一方には緩衝ゴム６７が設けられている。そして、スプリング６５の付勢力により固定側シール部材６３が回転側シール部材６６に押圧され、その押圧力が緩衝ゴム６７によって受け止められている。

こうした構成において、クランクシャフトの回転に基づきウォータポンプのシャフト２が回転すると、回転側シール部材６６のシール面６６Ｆが固定側シール部材６３のシール面６３Ｆによって押圧された状態で摺動回転することによりケーシング１とシャフト２との隙間がシールされることとなる。
特開平９−７９１８２号公報

ところで、ポンプを構成する各部品には製造時に個体間のばらつきが生じるとともに、こうした各部品が組み付けられる際には組み付け誤差が生じる。また、シャフト２にはプーリ３を介してベルト荷重Ｆｂが作用するため、シャフト２にはその中心軸Ｃをずらす或いは傾ける力が作用することとなる。その結果、回転側シール部材６６の中心軸と固定側シール部材６３の中心軸とがずれて回転側シール部材６６と固定側シール部材６３との接触状態が悪化することによりメカニカルシール６のシール効果が低下して水漏れが発生するおそれがある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、メカニカルシールのシール効果の低下を抑制することのできる機械式ポンプを提供することにある。

以下、上記目的を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、ケーシングと、前記ケーシングに回転可能に支持されるとともに同一直線上に配置された入力軸及び出力軸と、前記出力軸と一体回転する第１の支持部材と、前記第１の支持部材によって支持された第１のシール部材と、前記ケーシングに固定された第２の支持部材と、前記第２の支持部材によって支持された第２のシール部材と、前記第１のシール部材と前記第２のシール部材との摺動部において液体をシールするメカニカルシールと、前記入力軸と前記出力軸との偏心を許容しつつそれら両軸を駆動連結する連結機構とを備えることをその要旨とする。

上記構成によれば、第１のシール部材は、出力軸と一体回転する第１の支持部材よって支持されているため、出力軸の回転に伴って回転することとなる。また、第２のシール部材は、ケーシングに固定された第２の支持部材によって支持されているため、入力軸及び出力軸の回転に拘わらず停止している。そして、メカニカルシールは、相対回転する第１のシール部材と第２のシール部材との摺動部において液体をシールする。

ここで、上記構成によれば、入力軸と出力軸との偏心を許容しつつそれら両軸を駆動連結する連結機構を備えているため、入力軸の中心軸がずれたり傾いたりしたとしても、出力軸の中心軸がずれたり傾いたりすることを抑制することができる。このため、出力軸に支持された第１のシール部材と、ケーシングに支持された第２のシール部材とが相対変位することを抑制することができる。その結果、ポンプを構成する各部品の製造誤差やそれらの組み付け誤差が生じたとしても、メカニカルシールのシール効果の低下を抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の機械式ポンプにおいて、前記入力軸には、ベルト或いはチェーンを介して駆動力が入力されることをその要旨とする。
ベルト或いはチェーンを介して入力軸に駆動力が入力される場合には、入力軸にベルト荷重が作用するため、入力軸の中心軸をずらす或いは傾ける力が作用することとなる。

この点、請求項２に記載される発明によれば、ベルト荷重により入力軸の中心軸がずれたり傾いたりしたとしても、連結機構によって出力軸の中心軸がずれたり傾いたりすることを抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の機械式ポンプにおいて、前記連結機構は等速ジョイントにより構成されてなることをその要旨とする。
上記構成によれば、連結機構は等速ジョイントにより構成されるため、出力軸の中心軸がずれたり傾いたりすることを抑制しつつも、出力軸を入力軸と等速にて回転駆動することができる。

また、請求項４に記載の発明によるように、請求項１又は２に記載の機械式ポンプにおいて、連結機構は弾性体により構成されてなるといった構成を採用することもできる。

以下、本発明にかかる機械式ポンプの一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。なお、本実施形態では機械式ポンプとして内燃機関のクランクシャフトの回転に基づき回転駆動されるウォータポンプが採用されている。

図１は本実施形態におけるウォータポンプの断面図である。
図１に示されるように、ウォータポンプは、ケーシング１、サクションカバー１０、及びケーシング１とサクションカバー１０との間に介設されるガスケット１１を備えており、これらケーシング１、サクションカバー１０、及びガスケット１１によりウォータポンプのハウジングが形成される。サクションカバー１０の内部には冷却水が吸入される吸入口１２が形成されている。

ケーシング１の内部には、入力軸２１、及び入力軸２１とは別体の出力軸２２が同一直線上に配置されており、これらは等速ジョイント７により駆動連結されている。これにより、入力軸２１と出力軸２２との偏心は許容されつつも、出力軸２２は入力軸２１と等速にて回転駆動される。

入力軸２１の一端（図１における左端）にはプーリシート３０が取り付けられており、プーリシート３０には、内燃機関のクランクシャフトの回転駆動力を、ベルトを介して入力軸２１に入力するためのプーリ３が取り付けられている。

出力軸２２の一端（図１における右端）にはインペラ４が取り付けられており、インペラ４は出力軸２２と一体回転可能となっている。
ケーシング１と入力軸２１との間にはボールベアリング５が配設されており、入力軸２１はボールベアリング５により回転可能に支持されている。ボールベアリング５は、ケーシング１の内周面に嵌入されるとともにベアリングの外輪部をなす円筒部材５０、及び円筒部材５０と入力軸２１との間において同入力軸２１の円周方向に等間隔に配設される複数のボール５１Ａ，５１Ｂを備えている。なお、本実施形態のウォータポンプでは入力軸２１がベアリングの内輪部を兼ねている。

ケーシング１と出力軸２２との間にはローラベアリング８が配設されており、出力軸２２はローラベアリング８により回転可能に支持されている。
出力軸２２の軸方向においてローラベアリング８とインペラ４との間には、ケーシング１と出力軸２２との隙間をシールして冷却水がインペラ４側からローラベアリング８側へ浸入することを防止するためのメカニカルシール６が配設されている。

メカニカルシール６は、出力軸２２の外周面に圧入嵌合されて出力軸２２と一体回転する断面が略「コ」の字形の回転側筒部材６１と、ケーシング１の内周面に圧入嵌合されて固定された断面が略「コ」の字形の固定側筒部材６２とを備えている。固定側筒部材６２には、出力軸２２の軸方向に移動可能な固定側シール部材６３が嵌合されている。この固定側シール部材６３の上記軸方向の一方にはパッキン６４及びスプリング６５が設けられている。固定側シール部材６３はパッキン６４を介して固定側筒部材６２によって支持されている。一方、回転側筒部材６１には、出力軸２２の軸方向に移動可能な回転側シール部材６６が嵌合されている。この回転側シール部材６６の上記軸方向の一方には緩衝ゴム６７が設けられており、回転側シール部材６６は緩衝ゴム６７を介して回転側筒部材６１によって支持されている。そして、スプリング６５の付勢力により固定側シール部材６３が回転側シール部材６６に押圧され、その押圧力が緩衝ゴム６７によって受け止められている。なお、本実施形態では、回転側筒部材６１が本発明の第１の支持部材に相当するととともに、回転側シール部材６６が本発明の第１のシール部材に相当する。また、固定側筒部材６２が本発明の第２の支持部材に相当するとともに、固定側シール部材６３が本発明の第２のシール部材に相当する。また、本実施形態における冷却水が本発明の液体に相当する。

こうした構成において、クランクシャフトの回転に基づきウォータポンプの入力軸２１が回転すると、回転側シール部材６６のシール面６６Ｆが固定側シール部材６３のシール面６３Ｆによって押圧された状態で摺動回転することによりケーシング１とシャフト２との隙間がシールされることとなる。

ところで、ウォータポンプを構成する各部品には製造時に個体間のばらつきが生じるとともに、こうした各部品が組み付けられる際には組み付け誤差が生じることについては上述した。また、入力軸２１にはプーリ３を介してベルト荷重Ｆｂが作用するため、入力軸２１にはその中心軸Ｃをずらす或いは傾ける力が作用することとなることについても上述した。

次に本実施形態にかかるウォータポンプの作用について、図２を参照するとともに従来のウォータポンプの作用と比較して説明する。
図２（ａ）は、従来のウォータポンプのシャフト２（図３参照）に対してベルト荷重Ｆｂが作用しているときのシャフト２の状態を実線で示したものであり、図中には比較の対象として、ベルト荷重Ｆｂが作用していないときの状態を破線で示している。また、図２（ｂ）は本実施形態におけるウォータポンプの入力軸２１に対してベルト荷重Ｆｂが作用しているときの入力軸２１、出力軸２２、及び等速ジョイント７の状態を実線で示したものであり、図中には比較の対象として、ベルト荷重Ｆｂが作用していないときの状態を破線で示している。

図２（ａ）に示されるように、従来のウォータポンプのシャフト２は一本の駆動軸により構成されているため、シャフト２に対してベルト荷重Ｆｂが作用しているときには、シャフト２の中心軸Ｂはベルト荷重Ｆｂが作用していないときの中心軸Ｃに対して傾くこととなる。このため、シャフト２の軸方向においてメカニカルシール６の配設位置には、シャフト２の中心軸Ｂは中心軸Ｃに対してシャフト２の径方向にずれ量Δｄだけずらされることとなる。

これに対して、本実施形態におけるウォータポンプでは、入力軸２１に対してベルト荷重Ｆｂが作用しているときには、図２（ｂ）に示されるように、入力軸２１の中心軸Ｄはベルト荷重Ｆｂが作用していないときの中心軸Ｃに対して傾くこととなる。しかし、入力軸２１と出力軸２２とが等速ジョイント７により駆動連結されているため、出力軸２２の中心軸Ｅはベルト荷重Ｆｂが作用していないときの中心軸Ｃとほぼ一致することとなる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）回転側シール部材６６は、出力軸２２と一体回転する回転側筒部材６１よって支持されているため、出力軸２２の回転に伴って回転することとなる。また、固定側シール部材６３は、ケーシング１に固定された固定側筒部材６２によって支持されているため、入力軸２１及び出力軸２２の回転に拘わらず停止している。そして、メカニカルシール６は、相対回転する回転側シール部材６６と固定側シール部材６３との摺動部において冷却水をシールする。

ここで、本実施形態によれば、入力軸２１と出力軸２２との偏心を許容しつつそれら両軸２１，２２を駆動連結する連結機構としての等速ジョイント７を備えているため、入力軸２１の中心軸がずれたり傾いたりしたとしても、出力軸２２の中心軸がずれたり傾いたりすることを抑制することができる。このため、出力軸２２に支持された回転側シール部材６６と、ケーシング１に支持された固定側シール部材６３とが相対変位することを抑制することができる。その結果、ウォータポンプを構成する各部品の製造誤差やそれらの組み付け誤差が生じたとしても、メカニカルシールのシール効果の低下を抑制することができる。

（２）ベルトを介して入力軸２１に駆動力が入力される場合には、入力軸２１にベルト荷重Ｆｂが作用するため、入力軸２１の中心軸をずらす或いは傾ける力が作用することとなる。

この点、本実施形態によれば、ベルト荷重Ｆｂにより入力軸２１の中心軸がずれたり傾いたりしたとしても、連結機構としての等速ジョイント７によって出力軸２２の中心軸がずれたり傾いたりすることを抑制することができる。

（３）本実施形態によれば、連結機構は等速ジョイント７により構成されるため、出力軸２２の中心軸がずれたり傾いたりすることを抑制しつつも、出力軸２２を入力軸２１と等速にて回転駆動することができる。

尚、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。
・上記実施形態では、出力軸２２を回転可能に支持するための構成としてケーシング１と出力軸２２との間にローラベアリング８が配設されているが、出力軸２２を回転可能に支持することのできるものであればこれをボールベアリング等の他のベアリング或いは他の支持部材に変更してもよい。

・上記実施形態では、内燃機関のクランクシャフトの回転駆動力を、ベルトを介して入力軸２１に入力するための構成としてプーリ３が採用されているが、こうした回転駆動力を、チェーンを介して入力軸２１に入力する場合にはこれをスプロケットに変更すればよい。また、入力軸２１に回転駆動力を入力する構成としてはベルト及びプーリやチェーン及びスプロケットに限られるものではなく、入力軸に回転駆動力を入力するものであればこれを他の構成に変更してもよい。

・上記実施形態では機械式ポンプとして内燃機関のクランクシャフトの回転に基づき回転駆動されるウォータポンプが採用されているが、本発明はこうしたウォータポンプにのみ適用されるものではなく、メカニカルシールを有する機械式ポンプであれば他のポンプに対しても適用することができる。

・上記実施形態では、入力軸２１と出力軸２２とを駆動連結する連結機構として等速ジョイント７が採用されているが、入力軸２１と出力軸２２とを弾性体により駆動連結してもよい。要するに、入力軸と出力軸との偏心を許容しつつそれら両軸を駆動連結するものであればよい。

本発明の一実施形態にかかるウォータポンプの断面図。 同実施形態にかかるウォータポンプの作用を示す模式図。 従来のウォータポンプの断面図。

符号の説明

１…ケーシング、１０…サクションカバー、１１…ガスケット、１２…吸入口、２…シャフト、２１…入力軸、２２…出力軸、３…プーリ、３０…プーリシート、４…インペラ、５…ボールベアリング、５０…円筒部材、５１Ａ，５１Ｂ…ボール、６…メカニカルシール、６１…回転側筒部材、６２…固定側筒部材、６３…固定側シール部材、６３Ｆ…シール面、６４…パッキン、６５…スプリング、６６…回転側シール部材、６６Ｆ…シール面、６７…緩衝ゴム、７…等速ジョイント、８…ローラベアリング。

Claims (4)

1. ケーシングと、
   前記ケーシングに回転可能に支持されるとともに同一直線上に配置された入力軸及び出力軸と、
   前記出力軸と一体回転する第１の支持部材と、
   前記第１の支持部材によって支持された第１のシール部材と、
   前記ケーシングに固定された第２の支持部材と、
   前記第２の支持部材によって支持された第２のシール部材と、
   前記第１のシール部材と前記第２のシール部材との摺動部において液体をシールするメカニカルシールと、
   前記入力軸と前記出力軸との偏心を許容しつつそれら両軸を駆動連結する連結機構と
   を備える機械式ポンプ。
2. 前記入力軸には、ベルト或いはチェーンを介して駆動力が入力される請求項１に記載の機械式ポンプ。
3. 前記連結機構は等速ジョイントにより構成されてなる請求項１又は２に記載の機械式ポンプ。
4. 前記連結機構は弾性体により構成されてなる請求項１又は２に記載の機械式ポンプ。

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