JP4847335B2 - 流体ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、自動車用エンジン等に備えられ、一般にウォーターポンプと称される流体ポンプに関する。

自動車用エンジンを初めとする水冷式エンジンには、シリンダやシリンダヘッドを冷却するための媒体（冷媒）として水（冷却水）が使用されており、その冷却水をエンジンのシリンダブロック内に形成されたウォータージャケット内に送り込んで強制循環させるための装置として流体ポンプが備えられている。このような流体ポンプは一般にウォーターポンプと呼ばれており、シリンダブロックの一部からなり冷却水の吐出口と吸入口とが形成されたポンプベースと、このポンプベースに取り付けられてポンプ室を形成するポンプボディと、ポンプボディの外周部においてベアリング（ラジアルベアリング）を介して回転自在に支持されたポンププーリと、ポンププーリに一端部が連結されるとともにポンプボディの開口部を通ってポンプ室内に延びるポンプシャフトと、このポンプシャフトの他端部に取り付けられてポンプ室内に位置するインペラ（羽根車）とを有して構成される。ポンププーリにはエンジンのクランクシャフトと繋がる駆動ベルトが掛け渡されており、ポンププーリがクランクシャフトに駆動されて回転すると、ポンププーリと一体となったポンプシャフトがインペラとともに回転する。インペラが回転すると吸入口より冷却水が吸入され、遠心力により外周側に飛ばされて吐出口からウォータージャケット内に吐出される（例えば、特開平５−３１２１８６号公報、特開２００２−３４９４８１号公報、特開２００４−８４６１０号公報参照）。

このような構成のウォーターポンプではポンプ室の密閉性を保持する必要があり、ポンプボディの開口部におけるポンプシャフトとポンプボディとの間にはシール手段が設置されている。このシール手段はポンプボディ側に取り付けられる部材（ボディ側シール部材）と、ポンプシャフト側に取り付けられる部材（シャフト側シール部材）とからなるメカニカルシールと称されるシール手段が用いられることが多く、これら両シール部材が接触することによりシール面を形成するようになっている。

ところで、従来のウォーターポンプではベアリングとシール手段とはポンプシャフト上において軸方向に並んで配置されるのが一般的であったため、ポンププーリの駆動によりポンプシャフトが回転すると、これに伴ってポンプシャフトは微小ながらも本来の回転軸からずれた状態で回転することとなり、いわゆる軸振れを生じる。このようにポンプシャフトが軸振れを生じると、シール手段を構成するシャフト側シール部材がボディ側シール部材に対して相対変動することとなるため、シール面の面圧を一定に保つことができず、シール面から液漏れを起こすおそれがあった。また、上記のようにベアリングとシール手段とがポンプシャフト上において軸方向に並んで配置されることからポンプシャフトの軸方向寸法を短縮するには限界があり、ポンプ全体のコンパクト化が妨げられていた。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、シャフト部材の軸振れに起因するシール面からの液漏れを防止するとともに、ポンプ全体のコンパクト化を図ることが可能な構成の流体ポンプを提供することを目的としている。

本発明に係る流体ポンプは、内部にポンプ室が形成されるとともにポンプ室に繋がる流体の吐出口及び吸入口を有したポンプケーシング（例えば、実施形態におけるポンプベース１およびポンプボディ５から構成される）と、ポンプケーシングにおける外方に突出した円筒部の外周面に取り付けられたベアリングと、円筒部を外周側から覆うとともにベアリングを介してポンプケーシングに回転自在に取り付けられたポンプ駆動部材（例えば、実施形態におけるポンププーリ９）と、一端がポンプ駆動部材に取り付けられて円筒部に形成された開口部を通ってポンプ室内に突出するシャフト部材（例えば、実施形態におけるポンプシャフト１０）と、シャフト部材の他端側に取り付けられてポンプ室内に位置する羽根車（例えば、実施形態におけるインペラ１１）と、開口部の内周において円筒部に取り付けられたボディ側シール部材およびシャフト部材に取り付けられてボディ側シール部材と軸方向に対向接触するシャフト側シール部材からなるシール手段（例えば、実施形態におけるメカニカルシール１２）とを備え、動力源（例えば、実施形態におけるエンジンＥＧ）により駆動されたポンプ駆動部材の回転作動に伴ってシャフト部材を介して羽根車がポンプ室内で回転することにより、吸入口より流体を吸入して吐出口から吐出するように構成される。そして、ベアリングの荷重支持中心を含む軸直角方向に延びる荷重支持面と、ボディ側シール部材およびシャフト側シール部材が対向接触する軸直角方向に延びたシール面とが軸方向においてほぼ一致するように構成されている。

なお、ポンプケーシングが、吐出口及び吸入口を有したベース部材（例えば、実施形態におけるポンプベース１）と、吐出口及び吸入口を覆ってベース部材に取り付けられたボディ部材（例えば、実施形態におけるポンプボディ５）とからなり、ボディ部材に円筒部が形成されている構成とするのが好ましい。

このような構成の流体ポンプにおいて、ベース部材がエンジンのシリンダブロックの側面にシリンダブロックと一体に形成され、吐出口がシリンダブロック内に形成されたウォータージャケットに繋がり、羽根車の回転に応じて吐出口から吐出される流体をウォータージャケット内に供給するように構成してもよい。

さらに、ボディ部材が、外周面にベアリングが取り付けられる円筒部と、円筒部の内側端部から広がる形状を有するとともに吐出口および吸入口を覆ってベース部材に接合されてポンプ室を形成する裾部とから一体に形成され、円筒部に取り付けられたベアリングの内周面の内側領域内において開口部が形成されるように構成するのが好ましい。

また、ポンプ駆動部材がボディ部材の円筒部を外周側から覆う中空円筒部およびこの中空円筒部の側端部に設けられた底部からなる有底円筒形状に形成され、ベアリングのアウタレースがポンプ駆動部材の中空円筒部の内周面に固定されるとともにインナレースがボディ部材の円筒部の外周面に固定されることによってポンプ駆動部材がボディ部材に対して同心上において相対回転自在に支持されるように構成するのが好ましい。

さらに、ポンプ駆動部材の外周面には動力源と繋がる駆動ベルトが掛け渡されるベルト溝が形成されており、ベルト溝に掛け渡された駆動ベルトを介して動力源の回転駆動力がポンプ駆動部材に伝達されてポンプ駆動部材が回転駆動されるように構成されており、ポンプ駆動部材のベルト溝の幅方向中心位置がベアリングの荷重支持中心位置と軸方向においてほぼ一致するように構成するのが好ましい。

本発明に係る流体ポンプでは、ポンプ駆動部材を回転自在に支持するベアリングの荷重支持中心（ほぼ、ベアリングの厚さ方向中心）を含む平面と、ポンプ室の密閉性を保持するシール手段のシール面（ボディ側シール部材とシャフト側シール部材との接触面）を含む平面（ともにポンプ駆動部材の回転軸に垂直な平面）とが軸方向においてほぼ一致した構成となっているので、ポンプ駆動部材の回転作動に伴ってシャフト部材が回転した際に軸振れを起こしたとしても、シャフト部材の回転に伴って生じる両シール部材間の相対変動量を極めて小さく抑えることができ、シール面の接触面圧を一定に保たせることができる。このためシャフト部材の軸振れに起因するシール手段のシール面からの液漏れを効果的に防止することができ、ポンプ室の密閉性の保持性能が向上する。また、このような構成ではシール手段がベアリングの内周面の内周側の領域内に配置されることになるので、ベアリングとシール手段とがシャフト部材上において軸方向に並んで配置されていた従来の構成に比してシャフト部材の軸方向寸法を短縮することができ、流体ポンプ全体の軽量コンパクト化と製造コストの低廉化とを図ることができる。

本発明の流体ポンプの一実施形態に係るウォーターポンプの構成を示す側断面図である。 上記ウォーターポンプによる冷却水の循環経路を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の流体ポンプの一実施形態に係るウォーターポンプ１の構成を断面図により示したものである。この実施形態では、ウォーターポンプ１は図２に示すように自動車用のエンジンＥＧのシリンダブロック内に形成されたウォータージャケットＷＪに冷却水を強制循環させるための装置として用いられる。

ウォーターポンプ１は、図１に示すように、エンジンＥＧのシリンダブロックの一部からなるポンプベース２をベースとして組み立てられている。ポンプベース２にはウォータージャケットＷＪへの冷却水の吐出流路Ｌ１と繋がる吐出口３と、冷却水の戻り流路Ｌ２と繋がる吸入口４とが設けられており、これら両ポート３，４はそれぞれポンプベース２の表面２ａ（図１では左面）に開口している。

ポンプベース２の表面２ａにはポンプボディ５が複数のボルト６により着脱自在に取り付けられており、ポンプベース２とポンプボディ５とにより囲まれた空間はポンプ室７を形成している。なお、ポンプベース２とポンプボディ５とによりポンプケーシングが構成される。ポンプボディ５は中空の円筒部５ａと、この円筒部５ａの端部から外方に拡がって延びた裾部５ｂとを有しており、ポンプボディ５がポンプベース２に取り付けられた状態では、ポンプベース２に形成された上記吐出口３及び吸入口４は裾部５ｂにより覆われる。また、円筒部５ａはポンプベース２の表面２ａに対して垂直方向（図１では紙面左右方向）に延びた状態となる。

ポンプボディ５の円筒部５ａの外周にはベアリング（ラジアルベアリング）８を介してポンププーリ９が同心上に位置して取り付けられている。ポンププーリ９はポンプボディ５の円筒部５ａを外周側から覆う中空円筒部９ａ及びこの中空円筒部９ａの側端部に設けられた底部９ｂからなる有底円筒形状を有しており、ベアリング８のアウタレース８ａがポンププーリ９の内周面に固定されるとともに、ベアリング８のインナレース８ｂがポンプボディ５の外周面に固定されることによってポンププーリ９はポンプボディ５に対して同心上において相対回転自在に支持された状態となっている。ポンププーリ９の外周面にはエンジンＥＧのクランクシャフトＣＳと繋がる駆動ベルトＤＢが掛け渡されるベルト溝９ｃが形成されており、ベルト溝９ｃに掛け渡された駆動ベルトＤＢを介してクランクシャフトＣＳの回転駆動力がポンププーリ９に伝達されてポンププーリ９が回転駆動されるようになっている。したがってポンププーリ９には駆動ベルトＤＢからの荷重（ベルト荷重）が軸直角方向に作用するが、ベアリング８に偏芯荷重が作用するのを防止してベアリング８の耐久性向上を図るため、ポンププーリ９の外周面のベルト溝９ｃの幅方向中心位置がベアリング８の幅方向中心位置（ベアリング８の荷重支持中心位置）と軸方向においてほぼ一致するように構成されている。

ポンププーリ９の底部９ｂにはポンプシャフト１０の一端部が圧入により取り付けられており、ポンプシャフト１０はその中心軸ＡＸ２をポンププーリ９の回転軸（ベアリング８のアウタレース８ａの回転中心軸）ＡＸ１に一致させた状態でポンプボディ５の円筒部５ａの端部に形成された開口部５ｃを貫通してポンプ室７内に延びている。なお、円筒部５ａに取り付けられたベアリング８のインナレース８ｂの内周面の内側領域内に開口部５ｃが形成されている。ポンプシャフト１０の他端部にはインペラ（羽根車）１１が固定されており、インペラ１１はポンプ室７内に配置されている。このインペラ１１は中央部に中空円筒状のシャフト取り付け部１１ａを有した平板部１１ｂと、この平板部１１ｂに取り付けられた複数の羽根１１ｃとから構成されており、シャフト取り付け部１１ａ内にポンプシャフト１０が圧入されることによってポンプシャフト１０に固定されている。

ポンプシャフト１０とポンプボディ５の開口部５ｃとの間はメカニカルシール１２によってシールされている。メカニカルシール１２はポンプボディ５の開口部５ｃの内周に固定されたリング状のボディ側シール部材１２ａと、ポンプシャフト１０の中間部に圧入により固定されたリング状のシャフト側シール部材１２ｂとからなり、ボディ側シール部材１２ａとシャフト側シール部材１２ｂとがポンプシャフト１０の中心軸ＡＸ２の方向に対向した状態で滑り接触することによりポンプ室７の密閉性が保持されるようになっている。ここで、図１に示すように、ポンプ室７の密閉性を保持するメカニカルシール１２は、そのシール面ＳＰ（ボディ側シール部材１２ａとシャフト側シール部材１２ｂとの接触面）が、ポンププーリ９を回転自在に支持するベアリング８の荷重支持中心（ほぼ、ベアリング８の厚さ方向中心）を含む平面ＢＰ（シール面ＳＰと荷重支持中心平面ＢＰはともにポンププーリ９の回転軸ＡＸ１に垂直な平面）とほぼ一致するように配置されている。

ウォーターポンプ１のポンププーリ９は図２に示すようにエンジンＥＧのクランクシャフトＣＳにより、駆動ベルトＤＢを介して駆動される。これによりポンププーリ９と一体となったポンプシャフト１０がインペラ１１とともに回転する。インペラ１１の回転に伴って吸入口４内に吸入された戻り流路Ｌ２内の冷却水は、インペラ１１の回転に伴う遠心力を受けて外周側に飛ばされ、吐出口３から吐出流路Ｌ１内に吐出される。吐出流路Ｌ１内に吐出された冷却水はウォータージャケットＷＪに送られ、エンジンＥＧのシリンダやシリンダヘッド（共に図示せず）等を冷却した後、接続流路ＣＬからラジエターＲＤに流れて放熱される。そして再び戻り流路Ｌ２からウォーターポンプ１に戻り、吸入口４から吸入されて吐出口４より吐出される。接続流路ＣＬ中にはサーモスタットにより動作する切換弁ＳＶが設けられており、冷却水の温度が設定温度よりも低いときには冷却水をラジエターＲＤに流すが、冷却水の温度が設定温度よりも高いときには冷却水をバイパス流路ＢＬに流す。バイパス流路ＢＬは戻り流路Ｌ２に通じており、ラジエターＲＤを経由することなく、直接ウォーターポンプ１により吸入される。このようにしてウォーターポンプ１は、冷却水をウォータージャケットＷＪ内において強制循環させる。

ウォーターポンプ１は上記のような構成を有しているが、このウォーターポンプ１では、ポンププーリ９を回転自在に支持するベアリング８の荷重支持中心を含む平面ＢＰと、ポンプ室７の密閉性を保持するメカニカルシール１２のシール面ＳＰ（ボディ側シール部材１２ａとシャフト側シール部材１２ｂとの接触面）とがほぼ一致しているので、ポンププーリ９の回転作動に伴ってポンプシャフト１０が回転した際に軸振れを起こしたとしても、ポンプシャフト１０の回転に伴って生ずる両シール部材１２ｂ，１２ａ間の相対変動量を極めて小さく抑えることができ、シール面ＳＰの面圧を一定に保たせることができる。このためポンプシャフト１０の軸振れに起因するメカニカルシール１２のシール面ＳＰからの液漏れを防止することができ、ポンプ室７の密閉性の保持性能が向上する。ここで、ポンプシャフト１０の軸振れ時における両シール部材１２ｂ，１２ａ間の相対変動量を最も小さく抑え得るのは、図１に示すように、ベアリング８の荷重支持中心を含む平面ＢＰと、メカニカルシール１２のシール面ＳＰとが完全に一致しているときであるが、ベアリング８の荷重支持中心を含む平面ＢＰとメカニカルシール１２のシール面ＳＰとがほぼ一致しているのであれば、十分に上記効果を得ることができる。

また、このような構成ではメカニカルシール１２がベアリング８の内周面（インナレース８ｂの内周面）の内側領域内に配置されることになるので、ベアリングとメカニカルシールとがポンプシャフト上において軸方向に並んで配置されていた従来の構成に比してポンプシャフト１０の軸方向寸法を短縮することができ、ウォーターポンプ１全体の軽量コンパクト化と製造コストの低廉化とを図ることができる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述の実施形態に限定されない。例えば、ポンププーリ９を駆動ベルトＤＢを介してクランクシャフトＣＳにより駆動される構成に代えて、ギヤ機構を介してクランクシャフトＣＳにより駆動される構成とすることもできる。また、本発明の流体ポンプは自動車用エンジンの冷却用に限られず、他の動力機械のエンジン冷却用として、またエンジンの冷却用に限らず、流体の供給に使用されるあらゆる流体ポンプに適用することができる。また、本発明の流体ポンプにおいて使用する流体は水に限らず、オイル等の他の流体であっても構わない。

１ ウォーターポンプ（流体ポンプ）
２ ポンプベース（ベース部材）
３ 吐出口
４ 吸入口
５ ポンプボディ（ボディ部材）
７ ポンプ室
８ ベアリング
９ ポンププーリ（ポンプ駆動部材）
９ｂ 中空円筒部
１０ ポンプシャフト（シャフト部材）
１１ インペラ（羽根車）
１２ メカニカルシール（シール手段）
１２ａ ボディ側シール部材
１２ｂ シャフト側シール部材
ＡＸ１ ポンププーリの回転軸
ＡＸ２ ポンプシャフトの中心軸
ＳＰ メカニカルシールのシール面
ＢＰ ベアリングの荷重支持中心を含む平面
ＥＧ エンジン（動力源）

Claims (6)

1. 内部にポンプ室が形成されるとともに前記ポンプ室に繋がる流体の吐出口及び吸入口を有したポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシングにおける外方に突出した円筒部の外周面に取り付けられたベアリングと、
   前記円筒部を外周側から覆うとともに前記ベアリングを介して前記ポンプケーシングに回転自在に取り付けられたポンプ駆動部材と、
   一端が前記ポンプ駆動部材に取り付けられて前記円筒部に形成された開口部を通って前記ポンプ室内に突出するシャフト部材と、
   前記シャフト部材の他端側に取り付けられて前記ポンプ室内に位置する羽根車と、
   前記開口部の内周において前記円筒部に取り付けられたボディ側シール部材、および前記シャフト部材に取り付けられて前記ボディ側シール部材と軸方向に対向接触するシャフト側シール部材からなるシール手段とを備え、
   動力源により駆動された前記ポンプ駆動部材の回転作動に伴って前記シャフト部材を介して前記羽根車が前記ポンプ室内で回転することにより、前記吸入口より流体を吸入して前記吐出口から吐出するように構成され、
   前記ベアリングの荷重支持中心を含む軸直角方向に延びる荷重支持面と、前記ボディ側シール部材および前記シャフト側シール部材が対向接触する軸直角方向に延びたシール面とが軸方向においてほぼ一致するように構成されていることを特徴とする流体ポンプ。
2. 前記ポンプケーシングが、前記吐出口及び前記吸入口を有したベース部材と、前記吐出口及び前記吸入口を覆って前記ベース部材に取り付けられたボディ部材とからなり、前記ボディ部材に前記円筒部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体ポンプ。
3. 前記ベース部材がエンジンのシリンダブロックの側面に前記シリンダブロックと一体に形成され、前記吐出口が前記シリンダブロック内に形成されたウォータージャケットに繋がり、前記羽根車の回転に応じて前記吐出口から吐出される流体を前記ウォータージャケット内に供給するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体ポンプ。
4. 前記ボディ部材が、外周面に前記ベアリングが取り付けられる前記円筒部と、前記円筒部の内側端部から広がる形状を有するとともに前記吐出口および前記吸入口を覆って前記ベース部材に接合されて前記ポンプ室を形成する裾部とから一体に形成され、前記円筒部に取り付けられた前記ベアリングの内周面の内側領域内において前記開口部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の流体ポンプ。
5. 前記ポンプ駆動部材が前記ボディ部材の前記円筒部を外周側から覆う中空円筒部およびこの中空円筒部の側端部に設けられた底部からなる有底円筒形状に形成され、前記ベアリングのアウタレースが前記ポンプ駆動部材の前記中空円筒部の内周面に固定されるとともにインナレースが前記ボディ部材の前記円筒部の外周面に固定されることによって前記ポンプ駆動部材が前記ボディ部材に対して同心上において相対回転自在に支持されるように構成されることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の流体ポンプ。
6. 前記ポンプ駆動部材の外周面には前記動力源と繋がる駆動ベルトが掛け渡されるベルト溝が形成されており、前記ベルト溝に掛け渡された前記駆動ベルトを介して前記動力源の回転駆動力が前記ポンプ駆動部材に伝達されて前記ポンプ駆動部材が回転駆動されるように構成されており、
   前記ポンプ駆動部材の前記ベルト溝の幅方向中心位置が前記ベアリングの荷重支持中心位置と軸方向においてほぼ一致するように構成されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の流体ポンプ。

Images