JP4219374B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車に搭載される水冷式エンジン（以下、エンジンと称する）のウォータポンプにおいて用いられるメカニカルシールに関するものである。

従来、エンジンの冷却水をラジエータとエンジンのウォータジャケットとの間で循環させるためのウォータポンプは、エンジンのシリンダブロックに取り付けられるボディと、そのボディ内に固定される回動軸を有する軸受装置と、回動軸のエンジン側端部に取り付けられるインペラと、インペラ側からの冷却水の軸受装置側への移動を阻止するメカニカルシールと、ボディから突出した回動軸の外側端部に取り付けられる駆動用プーリを取り付けるためのフランジとを備えている。

このような構成のウォータポンプにおいて、メカニカルシールは、ケースと、その内部に取り付けられる複数のシール部材と、シール部材同士が密着するように付勢するスプリングなどにより構成されている。このようなメカニカルシールとしては例えば、特許文献１に記載のもののように、シール部材の容積を小さくするとともに、軸の回転力を効率よくそのシール部材に伝達するように、ケースを構成する部材をシール部材の切り欠き部に係合させるものが知られている。
特開平１１−３１５９３５号公報

ところで近年、自動車のエンジンは、補機類が増加しているとともにエンジンルームの大きさが制限されるために、小さくすることが要求されている。このため、ウォータポンプについても、その組み付け位置のシリンダブロックが部分的に大きく外側に膨出しないことが望まれている。この場合、エンジンのシリンダブロックに組み付けられると、上述のメカニカルシールが軸方向に長くなる、つまり厚みが厚いことにより、シリンダブロックの外壁が膨出する部分が大きくなる。この結果、部分的にエンジンとエンジンルームとの間隔が狭くなるとところが形成されるものとなり、エンジンルームを大きくする必要が生じた。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明のメカニカルシールは、回転可能に支持される回転軸に取り付けられて回転軸とともに回転する第一ケース部材と、回転軸を支持している部材に取り付けられて第一ケース部材との間に空間を形成する第二ケース部材と、第一ケース部材に取り付けられる第一シール部材と、第二ケース部材に取り付けられる付勢部材と、第一シール部材と同心で配置されて付勢部材により回転軸の軸方向に付勢されて第一シール部材に押しつけられる第二シール部材と、付勢部材の付勢力を第二シール部材に伝達する伝達部材とを備えてなり、付勢部材が、第一シール部材と第二シール部材との合計の厚みの範囲内となる第一シール部材及び第二シール部材の外側における位置に第二シール部材と同心で配置され、第二シール部材が、第一シール部材と密接する端部とは背向する端部側から付勢されることを特徴とする。

このような構成によれば、付勢部材が第一シール部材及び第二シール部材の厚み方向に、両者と直列な状態に配置されるものではない。したがって、厚み方向の寸法を小さくすることが可能になる。このため、例えばウォータポンプに使用する場合においては、インペラと軸受けとの間の距離を短縮することを可能にするため、ウォータポンプの回転軸方向の寸法を小さくすることができる。

組立を効率よくするためには、付勢部材が、第二シール部材の外側に位置するものが好ましい。付勢部材としては、一定の力で形状が変形してもその力を取り去ることによりもとの形状に復元するばね性を有するものであればよく、例えば押し（圧縮）バネであるウェーブスプリングが挙げられる。また、付勢部材としては、コイルスプリングであってもよい。

本発明は、以上説明したような構成であり、付勢部材が第一シール部材及び第二シール部材の厚み方向に、両者と直列な状態に配置されるものではないので、付勢部材の厚み寸法だけ従来に比較して厚み方向の寸法を小さくすることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

このメカニカルシールＭＳは、図１に示すように、自動車用の水冷式のエンジンＥＧのウォータポンプＷＰに組み込まれるものである。メカニカルシールＭＳは、ウォータポンプＷＰのインペラＷＰ１と軸受ＷＰ２との間の回転軸ＷＰ３に取り付けられるもので、エンジンＥＧのウォータジャケットＷＪ内の冷却水が軸受ＷＰ２に到達しないように、回転軸ＷＰ３ＷＰ４の取付部分を密閉するものである。

メカニカルシールＭＳは、ウォータポンプＷＰのポンプボディＷＰ５に回転可能に支持される回転軸ＷＰ３に取り付けられて回転軸ＷＰ３とともに回転する第一ケース部材１と、回転軸ＷＰ３を支持している部材であるポンプディＷＰ５に取り付けられて第一ケース部材１との間に空間を形成する第二ケース部材２と、第一ケース部材１に取り付けられる第一シール部材３と、第二ケース部材２に取り付けられる付勢部材であるウェーブスプリング４と、第一シール部材３と同心で配置されてウェーブスプリング４により回転軸ＷＰ３の軸方向に付勢されて第一シール部材３に押しつけられる第二シール部材５と、ウェーブスプリング４の付勢力を第二シール部材２に伝達する伝達部材（ブリッジ）６と、第一シール部材３を第一ケース部材１に取り付ける円環形状の取付部材７と、第二ケース部材２と伝達部材６との間に取り付けられるベローズ８とを備えている。メカニカルシールＭＳを構成するそれぞれのものは、ほぼ円筒形状もしくはほぼ円環形状をしており、その中心を回転軸ＷＰ３の軸心にあわせて配置されるものである。

第一ケース部材１は、円筒形状をしており、回転軸ＷＰ３の外径とほぼ等しい内径を有している。また、第一ケース部材１の一方の端部にはフランジ１ａが形成してあるとともに、フランジ１ａから外側に突出する取付爪１ｂが離間して三カ所に形成してある。フランジ１ａは、取付部材７を取り付けるためのもので、その外径は第一シール部材３の外径より小さく設定してある。そして取付爪１ｂが第一シール部材３が第一ケース部材１から抜け落ちることを妨げている。この第一ケース部材１のフランジ１ａとは反対の傾斜端部１ｃは、伝達部材６が抜け落ちないように、外側言い換えれば回転軸ＷＰ３とは反対方向に向けて曲げることにより形成するものである。取付部材７は、第一シール部材３に対して緩衝材としても機能するもので、例えばゴムのような弾性を有する素材である。

第二ケース部材２は、第一ケース部材１より大径の円筒部材からなり、一方の端部に取付用フランジ２ａを有し、他方の端部にウェーブスプリング４を収納する環状凹部２ｂを有するものである。第二ケース部材２の外径は、ポンプボディＷＰ５の軸受部ＷＰ６の内径にほぼ等しいもので、第二ケース部材２を軸受部ＷＰ６に嵌め込むことによりメカニカルシールＭＳがウォータポンプＷＰに組み込まれるようになっている。また第二ケース部材２は第一ケース部材１よりその内径が他方の端部以外において大径であるので、第一ケース部材１と同心に配置した場合に第一ケース部材１との間に空間を形成するものとなる。そして、その形成された空間内に第一及び第二シール部材３，５、取付部材７、伝達部材６、ウェーブスプリング４及びベローズ８が配置されるものである。

第一シール部材３は、円環形状をなす耐久性と強度とを兼ね備えた例えばセラミックなどの素材からなり、取付部材７を介して第一ケース部材１のフランジ１ａに取り付けられるもので、ポンプボディＷＰ５に対しては第一ケース部材１とともに回転軸ＷＰ３の回転にあわせて回転するものである。第二シール部材５は、円環形状をなし例えば炭素などのような耐摩耗性能の高い素材からなるもので、第一シール部材３にウェーブスプリング４の付勢力により常に密着するように付勢されている。第一シール部材３と第二シール部材５とは、回転軸ＷＰ３の軸中心を同心として、回転軸方向に重ね合わさるように配置されるものである。第二シール部材５は、第一シール部材３と密着する端部５ａとは背向する端部５ｂを、ベローズ８を介して伝達部材６により支持されるものである。この実施形態にあっては、第二シール部材５はそのベローズ８側の端部５ｂが、第一シール部材３と密接する端部５ａに比べて径方向において幅広になっており、例えば五カ所において切欠部５ｃが形成してある。この切欠部５ｃには、伝達部材６の端部に設けられる立爪６ａが遊びを持って係合するものである。

伝達部材６は、ほぼ円筒形状をしており、その一方の端部に外側に延びる外フランジ６ｂを備えるとともに、他方の端部に内側に延びる内フランジ６ｃを備えている。外フランジ６ｂはウェーブスプリング４を押さえるのに十分な面積を有するもので、内フランジ６ｃは第二シール部材５を支持するのに十分な面積を有しているとともに、周方向に離間して例えば五カ所に立爪６ａを有している。そして内フランジ６ｃの内周部６ｄは、第一シール部材１の傾斜端部１ｃと対応するように内側に傾斜させてあり、伝達部材６を組み込んだ状態において、傾斜端部１ｃと離間した状態で重なり合うものである。

ウェーブスプリング４は、当該分野で広く知られているものを使用することができるもので、例えば波形に形成された細い板バネ鋼を螺旋状に巻回することにより形成されるもので、圧縮状態で力を発揮するものである。ウェーブスプリング４は、その一方の端部を第二ケース部材２の環状凹部２ａに固定するものであってよい。このウェーブスプリング４は、第二シール部材５の中心を通る線分、言い換えれば回転軸ＷＰ３の軸線上にその中心を置いて、第二シール部材５より外側に間隔をあけて配置されるものである。

ベローズ８は、第二ケース部材２と伝達部材６との間に配置されて、ウォータジャケットＷＪ内の冷却水がウェーブスプリング４に達すること、したがって冷却水がウォータポンプＷＰの軸受ＷＰ２に到達することを阻止するものである。ベローズ８はその外側の縁部８ａを、第二ケース部材２のフランジ２ａに巻き付けるようにして第二ケース部材２に取り付けられるもので、その内側の縁部８ｂを第二シール部材５と伝達部材６の内フランジ６ｃとにより挟まれて支持される。ベローズ８の伝達部材６側の端部８ｂの内周壁には環状溝８ｃが形成してあり、第二シール部材５が係合するようになっている。したがって第二シール部材５は、組立時にその環状溝８ｃに嵌め込まれることによりベローズ８に保持されるものである。

このような構成において、メカニカルシールＭＳは以下の要領で組み立てられる。

まず、第一シール部材３に取付部材７を取り付け、取付部材７の弾性を利用して第一シール部材３を第一ケース部材１に組み付ける。次に伝達部材６にベローズ８を取り付け、伝達部材６に取り付けたベローズ８にその環状溝８ｃに第二シール部材５を嵌め込んで取り付ける。このようにして一体化した伝達部材６、ベローズ８及び第二シール部材５を第一シール部材３を一体化させた第一ケース部材１に組み付ける。そしてその後、第一ケース部材１の傾斜端部１ｃを伝達部材６に向かってかしめるようにして曲げる。これにより、第一ケース部材１に伝達部材６を回転自在な状態に一体化するものである。つまり、第二シール部材５とベローズ８とは、第一シール部材３を取り付けた第一ケース部材１から離脱しないものである。この後、ウェーブスプリング２を取り付けた第二ケース部材２を、第一ケース部材１、第一シール部材３、第二シール部材５、伝達部材６及びベローズ８を一体化させた組み立て品に、伝達部材６の外フランジ６ｂに押し当てるようにして嵌め込む。そして、第二ケース部材２のフランジ２ａにベローズ８の外周部分を巻き付けて、組立を完了する。

以上のようにして第一ケース部材１と第二ケース部材２との個別の組み付けを完了した後、両者を結合する。すなわち、第二シール部材５、ウェーブスプリング４、伝達部材６及びベローズ８を組み込んだ第二ケース部材２の伝達部材６の内フランジ６ｃの内周部６ｄの内側に、第一シール部材３及び取付部材７を組み込んだ第一ケース部材１の傾斜端部１ｃを挿入して結合する。この状態において、ウェーブスプリング４により第一シール部材３及び第二シール部材５を介して第一ケース部材１が第二ケース部材２から離れるように移動するが、第一ケース部材１の傾斜端部１ｃが伝達部材６の内フランジ６ｃの内周部６ｄに接触することで、第一ケース部材１が第二ケース部材２側から抜け出ることはない。

このようにして組み立てたメカニカルシールＭＳは、ポンプボディＷＰ５に軸受ＷＰ２により回転軸ＷＰ３が回転可能に取り付けられた状態において、ウォータポンプＷＰに組み付けられる。この場合、第二ケース部材２側がポンプボディＷＰ５の所定位置に、第一ケース部材１側が回転軸ＷＰ３の所定位置にそれぞれ達するように、メカニカルシールＭＳを回転軸ＷＰ３に沿って圧入させるものである。

第一ケース部材１側及び第二ケース部材２側がそれぞれの所定位置に配置されると、第一ケース部材１側及び第二ケース部材２側がそれぞれ回転軸ＷＰ３の軸方向の位置を固定された状態となる。この状態にあっては、ウェーブスプリング４が第二シール部材５を第一シール部材３に向かって付勢力（圧縮バネ力）により付勢するので、第一ケース部材１の傾斜端部１ｃと伝達部材６の内フランジ６ｃの内周部６ｄとは接触していない状態に維持されるとともに、第一シール部材３と第二シール部材５とは水密に密接している状態に維持される。なお、ウェーブスプリング４は、この使用前の取付状態から、第一シール部材３と第二シール部材５との少なくとも一方が摩耗した場合に、第一シール部材３と第二シール部材５との密接の度合いがほぼ初期状態の度合いに保たれるように調整してあるものである。

このメカニカルシールＭＳが組み込まれ、エンジンＥＧに組み付けられたウォータポンプＷＰが作動すると、回転軸ＷＰ３が回転してインペラＷＰ１が回転し、冷却水がウォータジャケットＷＪを介してエンジンＥＧの図示しない冷却系を循環する。回転軸ＷＰ３が回転することで、第一シール部材３は回転し、第二シール部材５は静止している。冷却水は、第一シール部材３、第二シール部材５及びベローズ８により、ウォータジャケットＷＪ側と軸受ＷＰ２側とが隔離されているので、冷却水はウォータジャケットＷＪ側から軸受ＷＰ２側に漏洩することはない。

このように、メカニカルシールＭＳにおいて、第二シール部材５を第一シール部材３に向けて付勢するウェーブスプリング４を第二シール部材５から離れた外側位置に同心に配置したので、メカニカルシールＭＳの軸方向の厚みを従来のものに比較して約１／２程度に減少させることができる。この結果、ウォータポンプＷＰの回転軸ＷＰ３を短くすることができるので、エンジンＥＧを小型化することができる。このため、自動車のボディ形状の設計の自由度を高くすることができる。

なお、上記実施形態にあっては、ウェーブスプリング４を第二シール部材５及び第一シール部材３の外側に配置したものを説明したが、ウェーブスプリング４を第二シール部材５及び第一シール部材３の内側に配置するものであってもよい。つまり、本発明は、ウェーブスプリング４やコイルスプリングなどの付勢部材を、第一シール部材３及び／又は第二シール部材５の側方（外側又は内側）に配置する。つまり、付勢部材と第一シール部材３及び／又は第二シール部材５との厚み方向の少なくとも一部が、第一シール部材３及び／又は第二シール部材５の側方において重なるようにして配置するものである。具体的には例えば、付勢部材の厚みの範囲内となる付勢部材の内側位置に、付勢部材とは離間して第二シール部材５を同心にして配置するか、もしくは第一シール部材３と第二シール部材５との合計の厚みの範囲内となる第一シール部材３及び第二シール部材５の外側における位置に付勢部材を同心にして配置するものである。このような配置において、付勢部材の付勢力を伝達部材６により第二シール部材５に伝達し得るように構成するものである。そしてこのような構成により、回転軸方向に第一シール部材３、第二シール部材５及び付勢部材の厚みが重ねられるように配置されることを回避することにより、メカニカルシールＭＳの回転軸方向の厚みを薄くし得る構成とするものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の実施形態を示す斜視図。 同実施形態の使用状態を示す断面図。 同実施形態の断面図。

符号の説明

１…第一ケース部材
２…第二ケース部材
３…第一シール部材
４…ウェーブスプリング
５…第二シール部材
６…伝達部材
ＷＰ３…回転軸

Claims (2)

1. 回転可能に支持される回転軸（ＷＰ３）に取り付けられて回転軸（ＷＰ３）とともに回転する第一ケース部材（１）と、
   回転軸（ＷＰ３）を支持している部材（ＷＰ５）に取り付けられて第一ケース部材（１）との間に空間を形成する第二ケース部材（２）と、
   第一ケース部材（１）に取り付けられる第一シール部材（３）と、
   第二ケース部材（２）に取り付けられる付勢部材（４）と、
   第一シール部材（３）と同心で配置されて付勢部材（４）により回転軸（ＷＰ３）の軸方向に付勢されて第一シール部材（３）に押しつけられる第二シール部材（５）と、
   付勢部材（４）の付勢力を第二シール部材（５）に伝達する伝達部材（６）とを備えてなり、
   付勢部材（４）が、第一シール部材（３）と第二シール部材（５）との合計の厚みの範囲内となる第一シール部材（３）及び第二シール部材（５）の外側における位置に第二シール部材（５）と同心で配置され、第二シール部材（５）が、第一シール部材（３）と密接する端部とは背向する端部側から付勢されるメカニカルシール。
2. 付勢部材が、ウェーブスプリング（４）である請求項１記載のメカニカルシール。

Images