JP2009074479A - ウォータポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングの回転軸の転がり軸受に冷却水が侵入することを防止できるウォータポンプを提供する。
【解決手段】このウォータポンプは、シール部材３５とプーリ１０の平板状フランジ部１３との間は転がり軸受３０の軸方向に０.５ｍｍ以上離れているので、プーリ１０の平板状フランジ部１３と転がり軸受３０との間の隙間に冷却水が達しても毛管現象が働き難くなる。よって、この冷却水が毛管現象によって転がり軸受３０の内外輪間のシール部材３５まで上昇することを防止でき、上記冷却水が転がり軸受３０内に侵入することを防止できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の冷却水を循環させるウォータポンプに関する。

従来、特許文献１(特開２００６−２６６１８７号公報)にウォータポンプが開示されている。このウォータポンプでは、図６に示すように、ウォータポンプ１１０のボデー１１１は、締結手段１１２により、ガスケット１８０などを介してハウジング１９０に固定される。上記ボデー１１１には、大径部１１１ａおよび小径部１１１ｂを備える段付形状の筒部が形成されている。そして、上記小径部１１１ｂの外周面には、転がり軸受１１３のインナーレースが圧入にて固定されている。

上記転がり軸受１１３のアウターレースには、回転体としてのシャフト１２１が固定されている。上記シャフト１２１は鋼板の板材をプレス加工することで成形されており、有底円筒状のシャフト部１２２と、アーム部１２３と、フランジ部１２４とを一体的に備えている。上記アーム部１２３は、シャフト部１２２の軸方向基端部に連続して同シャフト部１２２と逆方向に開口するように径方向外側に有底円筒状に形成されている。上記シャフト１２１は、アーム部１２３の外周部１２３ａが転がり軸受１１３のアウターレースの外周面に圧入される態様で固定されている。これにより、上記シャフト１２１は、上記転がり軸受１１３に回転自在に支持されている。

上記シャフト１２１は、プーリ１３１に弾性部材１４１を介して一体的に回転するように連結されている。

上記シャフト部１２２の軸方向先端部には、ポンプ羽根車としてのインペラ１２５がシャフト部１２２と一体に嵌着されて回転可能になっている。このインペラ１２５は、上記ハウジング１９０の凹部の開口側がボデー１１１により閉塞されることで形成される水室１９１に配置される。この水室１９１は、冷却水回路の構成要素となっている。

上記シャフト部１２２の外周面とボデー１１１の大径部１１１ａの内周面との間にはメカニカルシール１２６が装着されて、水室１９１と転がり軸受１１３との間を封止している。上記アーム部１２３の上記インペラ１２５側の面は、上記小径部１１１ｂの端面との間に間隙を有している。

しかしながら、このウォータポンプ１１０において、上記メカニカルシール１２６は、水室１９１からの冷却水を完全には止水することはできない。このため、冷却水が上記メカニカルシール１２６から上記シャフト部１２２の外周面と上記ボデー１１１の小径部１１１ｂとの間の空間に漏出し、上記ウォータポンプ１１０の停止時に上記空間に貯留される。そして、上記転がり軸受１１３の温度が低下すると、貯留された冷却水が、上記アーム部１２３と上記小径部１１１ｂとの間の間隙に浸透し通過し、上記転がり軸受１１３に浸潤するという問題がある。

また、冷却水が、上記転がり軸受１１３に侵入すると、上記転がり軸受１１３に封入したグリースが劣化したり、内輪、外輪、転動体が錆びたりし、上記転がり軸受１１３の耐久性を著しく悪化させるという問題がある。
特開２００６−２６６１８７号公報(図２)

そこで、この発明の課題は、ハウジングに対して回転する軸部を支持する転がり軸受に冷却水が侵入することを防止できるウォータポンプを提供することにある。

この課題を解決するために、この発明のウォータポンプは、ベルトが巻回される輪状部と、軸部と、上記輪状部と軸部とを連結するフランジ部とを有するプーリと、
上記プーリの軸部に固定されたインペラと、
上記インペラを収容すると共に、筒状の支持部を有するハウジングと、
上記筒状の支持部と上記軸部との間をシールするメカニカルシールと、
上記筒状の支持部の外周面に支持されると共に、上記プーリの輪状部の内周面を支持する転がり軸受と、
を備え、
上記転がり軸受は、内輪、外輪、転動体および上記内輪と外輪との間をシールするシール部材を有し、
上記インペラ側から侵入した冷却水が毛管現象によって上記転がり軸受内に侵入することを防止すべく、上記シール部材と上記プーリのフランジ部とを、上記転がり軸受の軸方向に離間させたことを特徴としている。

この発明のウォータポンプによれば、上記転がり軸受のシール部材が、上記メカニカルシールから漏出した冷却水が上記転がり軸受内に侵入するのを防ぐ。そして、この発明によれば、上記シール部材と上記プーリのフランジ部とを、上記転がり軸受の軸方向に(例えば０.５ｍｍ以上)離間させたので、上記プーリのフランジ部と上記転がり軸受との間に冷却水が達しても毛管現象が働き難くなる。よって、この冷却水が毛管現象によって上記転がり軸受の内外輪間の上記シール部材または上記シール部材のリップ部(内輪の外周面)まで上昇することを防止でき、上記冷却水が上記転がり軸受内に侵入することを防止できる。

したがって、上記転がり軸受のグリースが冷却水によって劣化することを防止でき、また、上記転がり軸受が錆びないので、上記転がり軸受の耐久性を向上できる。

また、一実施形態のウォータポンプでは、上記シール部材と上記プーリのフランジ部とは、上記転がり軸受の軸方向に０.５ｍｍ以上離間している。

この実施形態によれば、上記プーリのフランジ部と上記転がり軸受との間に冷却水が達しても毛管現象が働き難くなり、上記冷却水が上記転がり軸受内に侵入することを防止できる。

また、一実施形態のウォータポンプでは、上記プーリは、上記フランジ部の軸方向内面から軸方向内方に突出していて上記外輪の軸方向端面に当接している当接部を有する。

この実施形態によれば、上記プーリの当接部が上記転がり軸受の外輪の軸方向端面に当接するまで、上記プーリを上記外輪の外周面に圧入するだけで、上記プーリのフランジ部と上記シール部材との間の軸方向間隔を０.５ｍｍ以上に設定できる。

この発明のウォータポンプによれば、上記転がり軸受のシール部材と上記プーリのフランジ部との間は上記転がり軸受の軸方向に０.５ｍｍ以上離れているので、上記プーリのフランジ部と上記転がり軸受との間の隙間に冷却水が達しても毛管現象が働き難くなる。よって、この冷却水が毛管現象によって上記転がり軸受の内外輪間の上記シール部材または上記シール部材のリップ部(内輪の外周面)まで上昇することがなく、上記冷却水が上記転がり軸受内に侵入しなくなる。したがって、上記転がり軸受のグリースが冷却水によって劣化することなく、上記転がり軸受が錆びないので、上記転がり軸受の耐久性を向上できる。

以下、この発明を図示の形態により詳細に説明する。

(第１の実施の形態)
図１に、この発明のウォータポンプの第１実施形態の断面を示す。また、図２に、この第１実施形態のウォータポンプの転がり軸受３０周辺の要部を拡大して示す。

図１に示すように、この実施形態のウォータポンプ１は、プーリ１０と、インペラ２０と、転がり軸受３０と、メカニカルシール４０と、ハウジング５０とを備えている。

上記プーリ１０は、ベルトが巻回される輪状部１１と、有底円筒状軸部１２と、上記輪状部１１の一端と上記軸部１２の一端とを連結する平板状フランジ部１３とを有している。上記軸部１２と輪状部１１の外周面は同心に配置されている。上記平板状フランジ部１３には、周方向に適宜間隔を存して複数の貫通穴１４が形成されている。また、上記プーリ１０は、上記フランジ部１３の軸方向内面１３ａから軸方向内方に突出していて上記転がり軸受３０の外輪３２の軸方向端面３２Ａに当接している当接部１５を有する。

この当接部１５は、上記プーリ１０の輪状部１１と上記フランジ部１３とに連なっていると共に輪状部１０の内周全周に亘って内側に向かって段状の段部を形成している。図２に示すように、この当接部１５は、フランジ部１３の軸方向内面１３ａから軸方向内方に寸法ｔだけ突出している。なお、上記当接部１５を上記プーリ１０の内隅全周に延在させる替わりに、プーリ１０の内隅の周方向の複数の箇所に突起として設けてもよい。上記プーリ１０は、一例として、冷間圧延鋼板などの板状部材をプレス工法などにより成形され、亜鉛メッキ等の耐食処理がなされている。

また、上記インペラ２０は、円盤状の基部２１と、この円盤状の基部２１から突出した数葉の羽根２２を有する所謂オープンタイプの羽根車である。このインペラ２０の基部２１の中心には上記軸部１２が挿入されて取付けられる凹部２３が形成されている。この凹部２３と軸部１２とは、この実施形態では圧入によって相対回転不能に取り付けられている。

また、上記ハウジング５０は、図示しない吸込口、吐出口、および凹部５１を有する主ボデー部５２と、この主ボデー部５２の端面に取り付けられるボデー底部５４とを有している。このボデー底部５４は、略円盤形状を呈しており、その中心付近には主ボデー部５２の外径よりも小径の筒状の支持部５３を有している。この筒状の支持部５３は、主ボデー部５２から軸方向に離れる方向に突出している。上記ボデー底部５４は、耐食処理された鋼板等の板状部材から、プレス工法等によって成形されている。上記主ボデー部５２と、ボデー底部５４とは、シール部材７０を介して図示しないボルト等によって結合されている。これにより、主ボデー部５２の凹部５１と、ボデー底部５４との間には水密が保たれた空間が形成される。この空間が水室６０を構成し、上記インペラ２０は、この水室６０内に配置されている。

上記ボデー底部５４の筒状の支持部５３の内周面５３ｂと上記軸部１２の外周面との間に圧入などによって環状メカニカルシール４０が取り付けられている。上記プーリ１０の軸部１２と上記ボデー底部５４の支持部５３との間の空間は、上記メカニカルシール４０によって、上記ハウジング５０の水室６０に対してシールされる。

また、上記ボデー底部５４の筒状の支持部５３の外周面５３ａには転がり軸受３０の内輪３１が圧入などによって相対回転不能に取り付けられている。一方、上記プーリ１０の輪状部１１の内周面には上記転がり軸受３０の外輪３２が、圧入などによって相対回転不能に取り付けられている。

したがって、上記プーリ１０は、上記転がり軸受３０によって、上記ハウジング５０に対して相対回転可能に支持されている。また、上記メカニカルシール４０と上記転がり軸受３０とは、少なくとも一部の軸方向位置が重複するように配置されている。

図２に示すように、上記転がり軸受３０は、上記内輪３１と上記外輪３２と上記内輪３１と外輪３２の間で転動する複数の玉３３と上記玉３３を所定間隔に保持する保持器３４と上記内輪３１と外輪３２との間の開口を密封する環状シール部材３５を有している。この環状シール部材３５は、芯金３５ａと弾性部材３５ｂからなる。この環状シール部材３５は、上記したように、上記外輪３２に固定され、上記内輪３１の外周面にリップ部を摺接させて摺動するようになっている。なお、上記環状シール部材３５は転がり軸受３０の両側の開口部に設けてもよい。

上記内輪３１および外輪３２は例えば軸受鋼などの金属材料で形成され、上記内輪３１及び上記外輪３２の少なくとも上記フランジ部１３側端面には、研削加工が施されている。

上記プーリ１０のフランジ部１３のインペラ側の内面１３ａと上記転がり軸受３０の環状シール部材３５の上記フランジ部１３側の端面との間には隙間８０が形成されている。この隙間８０の軸方向寸法は、上記当接部１５の軸方向突出寸法ｔである。

ここで、上記隙間８０について説明する。

上記水室６０に充満する冷却水は、上記プーリ１０の軸部１２と上記ボデー底部５４およびメカニカルシール４０によって、上記水室６０に密封されている。しかし、上記メカニカルシール４０は、上記水室６０を完全には密封できない。このため、上記メカニカルシール４０から漏出した冷却水は、上記プーリ１０の軸部１２の外周面と上記筒状の支持部５３の内周面５３ｂとの間の空間を経由して上記フランジ部１３の貫通穴１４から外部に放出される。

一方、インペラ２０の回転停止時には、メカニカルシール４０から漏出した冷却水は、上記フランジ部１３の貫通穴１４の存在しない部分と上記転がり軸受３０との間の隙間８０に達する場合がある。仮に、この隙間８０に流入した冷却水が、毛管現象によって、シール部材３５に達して上記転がり軸受３０内に浸入した場合には、グリースの劣化や構成部材の磨耗の原因となる。

これに対して、この実施形態では、上記シール部材３５と上記プーリ１０の平板状フランジ部１３との間は上記転がり軸受３０の軸方向に０.５ｍｍ以上離れているので、上記プーリ１０の平板状フランジ部１３と上記転がり軸受３０との間に冷却水が達した場合にも毛管現象が働き難くなる。よって、この冷却水が毛管現象によって上記転がり軸受３０の内外輪間の上記シール部材３５または上記シール部材３５のリップ部(内輪３１の外周面)まで到達することを回避できる。よって、上記冷却水が上記転がり軸受３０内に侵入することを防止できる。したがって、上記転がり軸受３０のグリースが冷却水によって劣化することなく、上記転がり軸受３０の耐久性を向上させることができる。また、上記転がり軸受３０が錆びないので、上記転がり軸受３０の耐久性を向上させることができる。

ここで、上記冷却水の表面張力に起因する毛細管現象について説明する。

毛細管現象による液面の上昇高さｈ(ｍ)は、相隣り合う壁面間に円盤状スペースが形成されるモデルでは次式(１)で求められる。
ｈ＝Ｔcosθ／ρgｔ … (１)

上式(１)において、
ｈ：液面の上昇高さ(ｍ)
Ｔ：表面張力(Ｎ／ｍ)
θ：接触角
ρ：液体の密度(ｋｇ/ｍ^３)
ｇ：重力加速度(ｍ／ｓ^２)
ｔ：相隣り合う壁面の間隔寸法(ｍ)

この式(１)に、エチレングリコールを主成分とする冷却水(一例としてＬＬＣ：ロング・ライフ・クーラント)の代表的な物性値(Ｔ≒０.０３、ρ≒１１００)を代入する(θ≒０°とする)と、ｔ＝０.５ｍｍのとき、ｈ≒５.７ｍｍ、ｔ＝１.０ｍｍのとき、ｈ≒２.８ｍｍ、ｔ＝１.５ｍｍのとき、ｈ≒１.８ｍｍとなる。

一方、上記モデルにより、常温環境下にてモデル実験を行った。このモデル実験の結果は、図５に示す通りである。具体的には、相隣り合う壁面の間隔寸法ｔ＝０.５ｍｍのとき、液面の上昇高さｈ≒５.８ｍｍ以上、ｔ＝１.０ｍｍのとき、ｈ≒２.８〜３.３ｍｍ、ｔ＝１.５ｍｍのとき、ｈ≒１.３ｍｍであった。このことは、実験結果は、上式から求めた数値と同じ傾向にあることを示している。そして、ｔ＝１.５ｍｍ以下になると、急激に液面の上昇高さが大きくなることがわかる。これにより、上記転がり軸受３０に冷却水が侵入しないようにするには、すなわち、毛管現象による液面上昇を効果的に少なくするには、隙間寸法ｔを０.５ｍｍ以上にすることが好ましいことがわかる。そして、隙間寸法ｔを２.０ｍｍ以上にすると、液面の上昇高さを少なくする効果が殆んどなくなることがわかる。また、隙間寸法ｔを広くするとウォータポンプの軸方向長さが長くなり、ウォータポンプのための設置スペースが増大することを考慮すると、隙間８０の隙間寸法ｔは０.５ｍｍ以上で、２.０ｍｍ以下が望ましく、１.５ｍｍ以下がより望ましい。

次に、この第１実施形態のウォータポンプの動作を説明する。

上記プーリ１０の外周面にはベルト(図示せず)が巻回され、このベルトを介して、エンジン(図示せず)の出力軸から伝達される回転力により上記プーリ１０が回転する。上記プーリ１０の回転に伴って、上記プーリ１０と一体に成形された軸部１２も同一方向に回転する。そして、上記軸部１２に固定されているインペラ２０が、ハウジング５０内の水室６０内で回転する。

上記水室６０内には冷却水が満たされているので、上記インペラ２０の回転による遠心力によって、上記インペラ２０は、上記水室６０の中心付近にある冷却水を、上記インペラ２０の外周方向へと運ぶ。このように、上記インペラ２０の中心から外側に向かって、遠心力によるポンプ作用が発生する。これにより、上記水室６０内における上記インペラ２０の回転中心付近とその外周側との間には圧力差が生じ、冷却水が上記インペラ２０の回転中心付近に設けられる図示しない吸込ポートから上記ウォータポンプ１内へと吸い込まれる。そして、上記インペラ２０のポンプ作用により外周側へ圧送され、外周側に設けられた図示しない吐出口からエンジンの被冷却各部へと供給される。

この第１実施形態においては、上記転がり軸受３０と、上記メカニカルシール４０が同一の部材すなわち上記ボデー底部５４の筒状の支持部５３の外周面５３ａと内周面５３ｂに取り付けられている。これによって、従来では軸方向に並べて配置していた上記転がり軸受３０と上記メカニカルシール４０を、少なくとも部分的に同一の軸方向位置に配置することが可能になる。つまり、両者を径方向に重なり合わせて配置することが可能になる。このため、上記ウォータポンプ１の軸方向長さを短縮することが可能となり、上記ウォータポンプ１のエンジンへの搭載スペースを削減できる。

また、このウォータポンプ１によれば、上記転がり軸受３０にシール部材３５を設けているので、上記冷却水が上記転がり軸受３０の中に侵入するのを防止でき、転がり軸受３０の耐久性を向上できる。また、このウォータポンプ１によれば、上記メカニカルシール４０から冷却水が漏出しても、上記平板状フランジ部１３の貫通穴１４から外部に排出されるので、上記冷却水が上記転がり軸受３０内に浸入しなくなる。

また、この実施形態のウォータポンプ１によれば、上記フランジ部１３と上記転がり軸受３０のシール部材３５との間の軸方向間隔を０.５ｍｍ以上にしたので、上記プーリ１０の平板状フランジ部１３と上記転がり軸受３０との間に冷却水が達しても毛管現象が働き難くなる。よって、上記冷却水が上記転がり軸受３０の中に侵入するのを防げて、転がり軸受３０の耐久性を向上できる。

また、この実施形態によれば、上記プーリ１０の輪状部１１とフランジ部１３の軸方向内面１３ａから軸方向内方に突出している当接部１５が、上記転がり軸受３０の外輪３２の軸方向端面３２Ａに当接している。よって、上記転がり軸受３０に上記プーリ１０を圧入する際に、この当接部１５の軸方向端面が上記転がり軸受３０の外輪３２の端面に当接するまで圧入すれば、容易に上記フランジ部１３と上記転がり軸受３０のシール部材３５との間の軸方向隙間を上述した寸法ｔに設定されるので、組立作業性を向上できる。

(第２の実施の形態)
次に、図３を参照して、この発明のウォータポンプの第２実施形態を説明する。図３は、この第２実施形態の転がり軸受７１周辺の要部を拡大して示す要部拡大断面図である。この第２実施形態は、前述の第１実施形態におけるプーリ１０に替えて上記当接部１５を有していないプーリ７９を備えた点と、外輪３２に替えて外輪７２を備えた点だけが、前述の第１実施形態と異なる。よって、この第２実施形態では、前述の第１実施形態と同様の部分については同様の符号を付して、前述の第１実施形態と異なる点を主に説明する。

この第２実施形態では、図３に示すように、プーリ７９のフランジ部７７は第１実施形態の当接部１５を有していないと共に輪状部７８がフランジ部７７から略直角に屈曲している。一方、この第２実施形態では、転がり軸受７１の外輪７２が当接部７５を有する。この当接部７５は外輪７２の軸方向端面７２Ａから軸方向に突出しており、この当接部７５の軸方向突出寸法は、前述の第１実施形態の当接部１５の軸方向突出寸法ｔと等しい。

なお、上記当接部７５は、上記外輪７２の端面７２Ａの外周縁部に限ることなく、上記外輪７２の端面７２Ａの略全体に形成されていてもよい。また、上記当接部７５は、上記外輪７２の端面７２Ａの全体ではなく、端面７２Ａの径方向もしくは周方向の一部に形成してもよい。

この当接部７５によって、上記転がり軸受７１に上記プーリ７９を圧入する際に、この当接部７５の軸方向端面が上記フランジ部７７の内面７７ａに当接するまで圧入すれば、容易に上記フランジ部７７と上記転がり軸受７１のシール部材３５との間の軸方向隙間を寸法ｔに設定することができ、組立の作業性を向上できる。

(第３の実施の形態)
次に、図４を参照して、この発明のウォータポンプの第３実施形態を説明する。図４は、この第３実施形態のウォータポンプの転がり軸受３０周辺の要部を拡大して示す要部拡大断面図である。この第３実施形態は、前述の第１実施形態におけるプーリ１０に替えて上記当接部１５を有していないプーリ８９を備えた点が、前述の第１実施形態と異なる。よって、この第３実施形態では、前述の第１実施形態と同様の部分については同様の符号を付して、前述の第１実施形態と異なる点を主に説明する。

この第３実施形態では、図４に示すように、プーリ８９のフランジ部８７は第１実施形態の当接部１５を有していないと共に輪状部８８がフランジ部８７から略直角に屈曲している。

したがって、この第３実施形態では、転がり軸受３０にプーリ８９を圧入する際に、上記フランジ８７の軸方向内面８７ａとシール部材３５との間の間隔が寸法ｔになるように、調節しながら圧入する。

この発明のウォータポンプの第１実施形態の断面図である。 この発明のウォータポンプの要部拡大断面図である。 この発明のウォータポンプの第２実施形態の要部拡大断面図である。 この発明のウォータポンプの第３実施形態の要部拡大断面図である。 毛細管現象に係るモデル実験結果を示す図である。 従来のウォータポンプの断面図である。

符号の説明

１ ウォータポンプ
１０、７９、８９ プーリ
１１、７８、８８ 輪状部
１２ 軸部
１３、７７、８７ フランジ部
１５、７５ 当接部
２０ インペラ
３０、７１ 転がり軸受
３１ 内輪
３２、７２ 外輪
３５ 環状シール部材
４０ メカニカルシール
５０ ハウジング
６０ 水室
８０ 隙間

Claims (3)

1. ベルトが巻回される輪状部と、軸部と、上記輪状部と軸部とを連結するフランジ部とを有するプーリと、
   上記プーリの軸部に固定されたインペラと、
   上記インペラを収容すると共に、筒状の支持部を有するハウジングと、
   上記筒状の支持部と上記軸部との間をシールするメカニカルシールと、
   上記筒状の支持部の外周面に支持されると共に、上記プーリの輪状部の内周面を支持する転がり軸受と、
   を備え、
   上記転がり軸受は、内輪、外輪、転動体および上記内輪と外輪との間をシールするシール部材を有し、
   上記インペラ側から侵入した冷却水が毛管現象によって上記転がり軸受内に侵入することを防止すべく、上記シール部材と上記プーリのフランジ部とを、上記転がり軸受の軸方向に離間させたことを特徴とするウォータポンプ。
2. 請求項１に記載のウォータポンプにおいて、
   上記シール部材と上記プーリのフランジ部とは、上記転がり軸受の軸方向に０.５ｍｍ以上離間していることを特徴とするウォータポンプ。
3. 請求項１または２に記載のウォータポンプにおいて、
   上記プーリは、
   上記フランジ部の軸方向内面から軸方向内方に突出していて上記外輪の軸方向端面に当接している当接部を有することを特徴とするウォータポンプ。

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