JP4822006B2 - ウォーターポンプ用密封装置 - Google Patents

Description

本発明は、密封技術に係る密封装置に関し、更に詳しくは、ウォーターポンプの軸封部に用いられるのに適した密封装置に関するものである。本発明の密封装置は例えば自動車エンジン冷却用ウォーターポンプに用いられ、またはその他の冷却用ウォーターポンプに用いられる。

従来からこの種のウォーターポンプに用いられる密封装置として、図５に示す密封装置５１が知られており、この密封装置５１は、ハウジング５２に固定されるとともに軸５３に摺動自在に密接するシールリップ５４を複数並べて配置することにより、ＬＬＣ等の密封流体が機内側Ａから機外側Ｂへ漏洩しないようこれをシールしている。

しかしながら上記従来技術によると、その主たる機能である密封作動がもっぱら各シールリップ５４の摺動作動のみに依存しているため、発揮し得る密封性能に限界を有している。またウォーターポンプ用の密封装置としては、密封性能のほかに以下の点に留意する必要がある。
（１）密封流体圧として機内側から０．２ＭＰａ程度の圧力が作用するので、耐圧性を考慮する必要がある。
（２）水潤滑でシールリップが摩耗しやすいので、耐摩耗性を考慮する必要がある。
（３）ポンプ内に存在する鋳砂、錆または砂粒等の異物が水中に混入してシールリップを摩耗させやすいので、この点からも耐摩耗性を考慮する必要がある。

特開２００２−３１００９５号公報

本発明は以上の点に鑑みて、上記ＬＬＣ等の密封流体を密封するウォーターポンプ用密封装置において、その密封性能および耐摩耗性を向上させることが可能な密封装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による密封装置は、ＬＬＣ等の密封流体が機内側から機外側へ漏洩しないようハウジングおよび軸間に装着されるウォーターポンプ用密封装置において、前記ハウジングの内周に固定される筒状固定部の機内側端部に径方向内方へ向けてフランジ部を一体成形し、前記フランジ部に前記軸または前記軸に固定したスリーブに摺動自在に密接する第一シールリップを一体成形した第一リップシール部材と、前記第一リップシール部材の筒状固定部の内周に固定される筒状固定部の機外側端部に径方向内方へ向けてフランジ部を一体成形し、前記フランジ部に前記軸に摺動自在に密接する第二シールリップを一体成形した第二リップシール部材と、前記第二リップシール部材の機外側において前記第一リップシール部材の筒状固定部の内周に固定され、前記第二シールリップの過度の変形を抑制するバックアップリングと、前記両シールリップ間の空間に配置されるとともに前記軸に固定され前記軸とともに回転する回転体と、前記回転体に設けられ、前記第一シールリップを通過して前記空間に浸入した密封流体を機内側へ戻すよう戻しポンプ作用を発揮するポンピング機構とを有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による密封装置は、上記した請求項１記載のウォーターポンプ用密封装置において、ポンピング機構は回転体の外周面に設けられて、その外周側に位置する第二リップシール部材の筒状固定部の内周面と微少な径方向間隙をもって対向していることを特徴とする。

更にまた、本発明の請求項３による密封装置は、上記した請求項１記載のウォーターポンプ用密封装置において、第一シールリップが密封流体圧に押されて変形したときに回転体の機内側端面に接離自在に当接して、前記第一シールリップの過度の変形を抑制する当接突起が第一リップシール部材に設けられていることを特徴とする。

上記構成を有する本発明の請求項１による密封装置においては、第一および第二シールリップが軸方向に並んで配置されるほか、両シールリップ間の空間に回転体が配置され、回転体にポンピング機構が設けられているために、軸が回転して回転体が従動回転すると、ともに回転するポンピング機構によって戻し流体圧が発生し、これにより上記空間内の流体を機内側へ戻すよう戻しポンプ作用が発揮される。したがって、機内側の第一シールリップを通過して上記空間内に浸入する密封流体があってもこれを機内側へ戻すことができ、かつこの密封流体が機外側の第二シールリップに到達するのを遅らせることができる。したがって、ＬＬＣ等の密封流体がポンプ機内側から機外側へ漏洩するのを有効に抑え、密封性能を向上させることができる。

また、軸が回転して回転体が従動回転すると上記空間内にポンピング機構による戻し流体圧が発生することから、機内側の第一シールリップおよび機外側の第二シールリップとも、作用する負荷が軽減され、軸に対する接触面圧が低減されることになる。接触面圧が低減すると万一、鋳砂等の異物がリップ摺動部に噛み込まれても、受けるダメージを小さくすることができる。したがって、シールリップの早期摩耗を抑制し、耐摩耗性を向上させることが可能とされている。

また、機外側の第二シールリップの過度の変形がバックアップリングにて抑制されることから、第二シールリップの姿勢を安定化させることが可能とされている。シールリップはその姿勢が安定すれば軸に強く押し付けられないので、密封性能および耐摩耗性を格段に向上させることができる。したがって上記構成により、機外側の第二シールリップの密封性能および耐摩耗性を一層向上させることができる。また、第一リップシール部材の筒状固定部の内周に第二リップシール部材およびバックアップリングを纏めて固定する構造であることから、部品相互の位置決めが容易で、組立作業性にも優れている。

またこれに加えて、本発明の請求項２による密封装置においては、ポンピング機構が回転体の外周面に設けられて、その外周側に位置する第二リップシール部材の筒状固定部の内周面と微少な径方向間隙をもって対向しているので、この間隙に一種のラビリンス部が設定され、よってこの間隙に比較的大きな戻し流体圧が発生する。したがって、ポンピング機構による戻しポンプ作用を強力なものとすることができる。

更にまた、本発明の請求項３による密封装置においては、機内側の第一シールリップが密封流体圧に押されて変形したときに回転体の機内側端面に接離自在に当接して第一シールリップの過度の変形を抑制する当接突起が第一リップシール部材に設けられているので、第一シールリップの過度の変形を当接突起にて抑制し、その姿勢を安定化させることが可能とされている。上記したようにシールリップはその姿勢が安定すれば軸に強く押し付けられないので、密封性能および耐摩耗性をともに格段に向上させることができる。したがって上記構成により、機内側の第一シールリップの密封性能および耐摩耗性を一層向上させることができる。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第一実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係る密封装置１の要部断面を示している。当該実施例に係る密封装置１は、密封流体（液体）であるＬＬＣ（ロングライフクーラント）が機内側（密封流体側）Ａから機外側（大気側）Ｂへ漏洩しないよう自動車エンジン冷却用ウォーターポンプの軸封部に装着されるものであって、以下のように構成されている。

すなわち先ず、ハウジング２の軸孔内周に固定されるとともに軸３の周面に摺動自在に密接する第一シールリップ１４が設けられており、この第一シールリップ１４の機外側Ｂに第二シールリップ２４が設けられている。第二シールリップ２４はこれもハウジング２に固定されるとともに軸３の周面に摺動自在に密接するものである。第一および第二シールリップ１４，２４間に環状の空間４が設けられ、この空間４内に回転体４１が配置されている。回転体４１はリング状を呈し、軸３に固定されて軸３とともに回転するものであって、その外周面に、第一シールリップ１４を通過して空間４に浸入した密封流体を機内側Ａへ戻すよう戻しポンプ作用を発揮するポンピング機構４２が設けられ、このポンピング機構４２が具体的には、中心軸線０に対して傾斜する複数のポンピングネジ溝４３によって構成されている。尚、図１では作図の都合上、回転体４１およびポンピング機構４２（ネジ溝４３）に限ってこれらを外観で表している。

また、当該実施例に係る密封装置１は、その構成部品として、第一リップシール部材１１、第二リップシール部材２１、バックアップリング３１および回転体４１を有している。

このうち、第一リップシール部材１１は、ハウジング２の軸孔内周に固定される筒状固定部１２の機内側端部に径方向内方へ向けてフランジ部１３を一体成形し、このフランジ部１３に、軸３の周面に摺動自在に密接する第一シールリップ１４を一体成形したものである。またこの第一リップシール部材１１は、筒状部１５ａの機内側端部に径方向内方へ向けてフランジ部１５ｂを一体成形した金属環１５にゴム状弾性体１６を被着（加硫接着）したものであって、このゴム状弾性体１６によって、金属環１５の筒状部１５ａの機外側端面に被着された端面ゴム部１６ａと、金属環１５の筒状部１５ａの外周面に被着された外周ゴム部１６ｂと、金属環１５のフランジ部１５ｂの機内側端面および内周部に被着されたフランジゴム部１６ｃと、フランジゴム部１６ｃの内周側に配置された第一シールリップ１４とが一体に成形されている。端面ゴム部１６ａおよび外周ゴム部１６ｂは金属環１５の筒状部１５ａとともに上記筒状固定部１２をなしている。フランジゴム部１６ｃは金属環１５のフランジ部１５ｂとともに上記フランジ部１３をなしている。第一シールリップ１４は、その受圧面１４ａを機内側Ａに向け、この受圧面１４ａで密封流体圧を受けたときに軸３の周面に押し付けられるように構成されている。

第二リップシール部材２１は、第一リップシール部材１１の筒状固定部１２の内周に固定される筒状固定部２２の機外側端部に径方向内方へ向けてフランジ部２３を一体成形し、このフランジ部２３に、軸３の周面に摺動自在に密接する第二シールリップ２４を一体成形したものである。またこの第二リップシール部材２１は、ゴム状弾性体の単品よりなり、このゴム状弾性体によって、上記筒状固定部２２、フランジ部２３および第二シールリップ２４が一体に成形されている。第二シールリップ２４は、第一シールリップ１４と同様、その受圧面２４ａを機内側Ａに向け、この受圧面２４ａで密封流体圧を受けたときに軸３の周面に押し付けられるように構成されている。尚、この第二リップシール部材２１は、ＰＴＦＥなどの摺動用樹脂材よりなるものであっても良い。

バックアップリング３１は、第二リップシール部材２１の機外側Ｂにおいて第一リップシール部材１１の筒状固定部１２の内周に固定され、第二シールリップ２４の過度の変形を抑制するものである。またこのバックアップリング３１は、金属板の単品（板金プレス品）よりなり、この金属板によって、第一リップシール部材１１の筒状固定部１２の内周に固定される筒状固定部３２と、筒状固定部３２の機外側端部に径方向内方へ向けて一体成形されたフランジ部３３と、フランジ部３３の内周端部に斜め内方へ向けて一体成形されたテーパ部３４とが一体に成形されている。フランジ部３３およびテーパ部３４は、第二リップシール部材２１の機外側Ｂに配置されて、第二シールリップ２４に対するバックフアップ部３５をなしている。また、このバックアップリング３１の筒状固定部３２を差し込むため、第二リップシール部材２１の外周部には環状の段差部（差込み用凹部）２５が機外側Ｂに開口するように設けられている。

ハウジング２側に固定される上記第一リップシール部材１１、第二リップシール部材２１およびバックアップリング３１はそれぞれ別体にて製作され、接着剤を用いることなく非接着にて組み立てられ、または接着剤を用いて適宜一体化される。

一方、軸３側に固定される回転体４１は、上記したようにリング状（環状）に成形され、軸３の外周に固定されて軸３とともに回転するものであって、その外周面にポンピング機構４２が全周に亙って設けられ、このポンピング機構４２が具体的には、中心軸線０に対して傾斜する複数のネジ溝４３によって構成されている。ネジ溝４３は、回転体４１の外周面の機外側端縁から機内側端縁まで達する（貫通する）よう形成され、かつネジ溝４３の機外側端部と機内側端部は円周方向にずれて配置され、すなわちネジ溝４３の機外側端部よりも機内側端部のほうが軸回転方向の後方側にずれるように形成されている。したがってこの回転体４１はリング体の外周面にスパイラルネジを形成したものであるので、ネジリングと称されることもある。回転体４１の材質は一般に金属（鋳物）とするが、特に限定されるものではなく、樹脂やゴム等であっても良い。

上記回転体４１およびポンピング機構４２は、第一および第二リップシール部材１１，２１に囲まれる環状の空間４内に配置されるが、両リップシール部材１１，２１に対して接触することはなく非接触とされている。但し、回転体４１の外周面に設けられたポンピング機構４２のネジ溝４３は、その外周側に位置する第二リップシール部材２１の筒状固定部２２の内周面と微少な径方向間隙Ｃをもって対向している。

また、第一リップシール部材１１のフランジ部１３の機外側端面には、当接突起１７が回転体４１の機内側端面に対して接離自在に当接するように設けられている。この当接突起１７は常態において回転体４１に対して非接触とされているが、第一シールリップ１４が密封流体圧に押圧されて機外側Ｂへ弾性変形したときに回転体４１の機内側端面に当接し、これにより第一シールリップ１４の過度の変形を抑制するように構成されている。突起１７は複数が等配状に設けられている。また、突起１７はゴム状弾性体よりなりフランジゴム部１６ｃの機外側端面に一体成形されているが、当接時に回転体４１と摺接することから、摩擦抵抗の小さな樹脂（例えばＰＴＦＥ）等によって成形（別体成形）して、第一リップシール部材１１に接着（後付け）するようにしても良い。

上記構成の密封装置１がウォーターポンプの軸封部に装着されると、機内側Ａの第一シールリップ１４が一次シールをなすとともに機外側Ｂの第二シールリップ２４が二次シールをなし、更にその中間にポンピング機構４２による第三のシールが配置されることになる。したがって上記密封装置１においては、以下の作用効果が発揮される。

すなわち先ず、上記構成の密封装置１においては、第一および第二シールリップ１４，２４が軸方向に並んで配置され、これにより複数段のシールリップ構造が設定されるほか、両シールリップ１４，２４の間の空間４に回転体４１が配置され、この回転体４１にポンピング機構４２が設けられているために、軸３が回転して回転体４１が従動回転すると、ともに回転するポンピング機構４２によって戻し流体圧が発生し、これにより上記空間４内の流体を機内側Ａへ戻すよう戻しポンプ作用が発揮される。ポンピング機構４２はリング状の回転体４１の外周面に設けられているので、その更に外周側において流体が機外側Ｂから機内側Ａへ向けて流れることになる。したがって、機内側Ａの第一シールリップ１４を通過して上記空間４内に浸入する密封流体があってもこれを機内側Ａへ戻すことができ、かつこの密封流体が機外側Ｂの第二シールリップ２４に到達するのを遅らせることができるために、ＬＬＣ等の密封流体が機内側Ａから機外側Ｂへ漏洩するのを有効に抑え、密封性能を向上させることができる。

また、軸３が回転して回転体４１が従動回転すると、空間４内にポンピング機構４２による戻し流体圧が発生することから、機内側Ａの第一シールリップ１４および機外側Ｂの第二シールリップ２４とも、作用する負荷が軽減され、軸３に対する接触面圧が低減される。機内側Ａの第一シールリップ１４にはその受圧面１４ａに密封流体圧が作用するが、これに抗するよう当該リップ１４の背面側に戻し流体圧が作用することから、その差し引きにより、リップ１４に作用する負荷が軽減される。両圧が拮抗すればリップ１４はフローティング状態となり、後者の戻し流体圧のほうが大きければリップ１４は軸３から浮き上がることにもなる。また、機外側Ｂの第二シールリップ２４については、戻し流体圧の発生により空間４内が減圧されることから、これに伴ってリップ２４に作用する負荷が軽減される。したがって、いずれも負荷が軽減され、軸３に対する接触面圧が低減されることから、万一鋳砂等の異物がリップ摺動部に噛み込まれても、受けるダメージを小さくすることができ、よってシールリップ１４，２４の早期摩耗を抑制し、耐摩耗性を向上させることができる。

また、機外側Ｂの第二シールリップ２４の更に機外側Ｂにバックアップリング３１が配置されているために、第二シールリップ２４の過度の変形を抑制し、その姿勢を安定化させることが可能とされている。したがって、第二シールリップ２４の密封性能および耐摩耗性を一層向上させることができる。

また、第一リップシール部材１１の筒状固定部１２の内周に第二リップシール部材２１およびバックアップリング３１を纏めて固定する構造であるために、部品相互を容易に位置決めし、容易に組み立てることができる。

また、ポンピング機構４２のネジ溝４３が回転体４１の外周面に設けられて、その外周側に位置する第二リップシール部材２１の筒状固定部２２の内周面と微少な径方向間隙Ｃをもって対向しているために、この径方向間隙Ｃに一種のラビリンス部が設定され、よってこの径方向間隙Ｃに比較的大きな戻し流体圧が発生することが可能とされている。したがって、ポンピング機構４２による戻しポンプ作用を強力なものとすることができる。

更にまた、第一リップシール部材１１のフランジ部１３の機外側端面に当接突起１７が設けられ、この当接突起１７が回転体４１の機内側端面に接離自在に当接するよう構成されているために、第一シールリップ１４の過度の変形を抑制し、その姿勢を安定化させることが可能とされている。したがって、第一シールリップ１４の密封性能および耐摩耗性を一層向上させることができる。

尚、上記第一実施例については、その構成を以下のように付加・変更することが考えられる。

第二実施例・・・
上記第一実施例では、回転体４１を金属の鋳物製としたが、これに代えて図２に示すように、回転体４１を板金のプレス加工品とする。図示する板金製の回転体４１は半裁断面コ字形ないし略コ字形に形成され、その外周面にポンピング機構４２のネジ溝（図示せず）が設けられている。

第三および第四実施例・・・
上記第一実施例では、第一シールリップ１４を軸３の周面に摺動自在に密接させる構成としたが、これに代えて、第一シールリップ１４を軸３の周面に固定したスリーブ４４の外周面に摺動自在に密接させる構成とする。

図３の第三実施例では、回転体４１の機内側Ａにスリーブ４４が設けられ、このスリーブ４４が軸３の周面に固定され、このスリーブ４４の外周面に第一シールリップ１４が摺動自在に密接する構成とされている。スリーブ４４は回転体４１と一体に組み付けられている。

図４の第四実施例では、板金製の回転体４１にその一部としてスリーブ４４が機内側Ａへ向けて一体成形され、このスリーブ４４が軸３の周面に固定され、このスリーブ４４の外周面に第一シールリップ１４が摺動自在に密接する構成とされている。スリーブ４４は板金製の回転体４１の筒状固定部を兼ねることになる。

何れの場合も、シールリップ１４およびスリーブ４４を予め組み付けてから軸３の外周に装着することにより、シールリップ１４が軸３によって傷付けられるのを防止することができる。また、スリーブ４４がないとシールリップ１４損傷防止のために装着冶具を要することがあるが、当該実施例によれば装着冶具は不要となり、よって装着作業性を向上させることができる。また図４の第四実施例では、スリーブ４４が回転体４１の筒状固定部を兼ねているので、部品機能の多様化を実現することもできる。

また、本発明において、ポンピング機構４２は上記したように空間４内にて機内側Ａへ向けての流体の流れを発生させれば良いので、この機能を有する限りその構造は特に限定されない。上記実施例ではこのポンピング機構４２の具体例として、回転体４１の外周面にネジ状の溝４３を設けることにしたが、この溝４３に代えて例えば、羽根状のものを設けることにしても良い。また、回転体４１の外周面ではなくその軸方向端面にスパイラル状のものとして設けても良く、貫通穴状のものとして回転体４１の内部に設けるようにしても良い。

本発明の第一実施例に係る密封装置の要部断面図 本発明の第二実施例に係る密封装置の要部断面図 本発明の第三実施例に係る密封装置の要部断面図 本発明の第四実施例に係る密封装置の要部断面図 従来例に係る密封装置の断面図

符号の説明

１ 密封装置
２ ハウジング
３ 軸
４ 空間
１１ 第一リップシール部材
１２，２２，３２ 筒状固定部
１３，１５ｂ，２３，３３ フランジ部
１４ 第一シールリップ
１４ａ，２４ａ 受圧面
１５ 金属環
１５ａ 筒状部
１６ ゴム状弾性体
１６ａ 端面ゴム部
１６ｂ 外周ゴム部
１６ｃ フランジゴム部
１７ 当接突起
２１ 第二リップシール部材
２４ 第二シールリップ
２５ 段差部
３１ バックアップリング
３４ テーパ部
３５ バックアップ部
４１ 回転体
４２ ポンピング機構
４３ ネジ溝
４４ スリーブ
０ 中心軸線
Ａ 機内側
Ｂ 機外側
Ｃ 径方向間隙

Claims (3)

1. ＬＬＣ等の密封流体が機内側（Ａ）から機外側（Ｂ）へ漏洩しないようハウジング（２）および軸（３）間に装着されるウォーターポンプ用密封装置（１）において、
   前記ハウジング（２）の内周に固定される筒状固定部（１２）の機内側端部に径方向内方へ向けてフランジ部（１３）を一体成形し、前記フランジ部（１３）に前記軸（３）または前記軸（３）に固定したスリーブ（４４）に摺動自在に密接する第一シールリップ（１４）を一体成形した第一リップシール部材（１１）と、
   前記第一リップシール部材（１１）の筒状固定部（１２）の内周に固定される筒状固定部（２２）の機外側端部に径方向内方へ向けてフランジ部（２３）を一体成形し、前記フランジ部（２３）に前記軸（３）に摺動自在に密接する第二シールリップ（２４）を一体成形した第二リップシール部材（２１）と、
   前記第二リップシール部材（２１）の機外側（Ｂ）において前記第一リップシール部材（１１）の筒状固定部（１２）の内周に固定され、前記第二シールリップ（２４）の過度の変形を抑制するバックアップリング（３１）と、
   前記両シールリップ（１４）（２４）間の空間（４）に配置されるとともに前記軸（３）に固定され前記軸（３）とともに回転する回転体（４１）と、
   前記回転体（４１）に設けられ、前記第一シールリップ（１４）を通過して前記空間（４）に浸入した密封流体を機内側（Ａ）へ戻すよう戻しポンプ作用を発揮するポンピング機構（４２）とを有することを特徴とするウォーターポンプ用密封装置。
2. 請求項１記載のウォーターポンプ用密封装置において、
   ポンピング機構（４２）は回転体（４１）の外周面に設けられて、その外周側に位置する第二リップシール部材（２１）の筒状固定部（２２）の内周面と微少な径方向間隙（Ｃ）をもって対向していることを特徴とするウォーターポンプ用密封装置。
3. 請求項１記載のウォーターポンプ用密封装置において、
   第一シールリップ（１４）が密封流体圧に押されて変形したときに回転体（４１）の機内側端面に接離自在に当接して、前記第一シールリップ（１４）の過度の変形を抑制する当接突起（１７）が第一リップシール部材（１１）に設けられていることを特徴とするウォーターポンプ用密封装置。

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