JP5009909B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車エンジンの冷却水ポンプ等に適用して好適な、ウォーターポンプ等用のメカニカルシールに関する。

自動車エンジンの冷却水ポンプ等に適用して好ましい従来のウォーターポンプとしては、例えば日本国特許出願公開２０００−７４２２６号公報（特許文献１）に開示されているメカニカルシールが挙げられる、特許文献１に開示されているメカニカルシールは、図８に断面構造を示すような構成を有する。すなわち、メイティングリング１１はカップガスケット１２を介在させて回転軸２とともに回転するスリーブ１３に嵌合固定され、メイティングリング１１に対向して摺動するシールリング１４は、ベローズ１５、ケース１７、ドライビングバンド１９及びコイルドウェーブスプリング１８とともに、ポンプハウジング３に嵌合されるカートリッジ９６の中に嵌装されている。そして、ベローズ１５及びコイルドウェーブスプリング１８による付勢力によってシールリング１４がメイティングリング１１に対して押圧され、これらの間の摺動面に適切な面圧力が与えられ、適切なシールが行われる。
日本国特許出願公開２０００−７４２２６号公報

ところで、図８に示した従来のメカニカルシール９において、ポンプハウジング３にカートリッジ９６を嵌合した場合、カートリッジ９６には回転軸２の径方向に力が加わる。この際、カートリッジ９６の、ポンプハウジング３が接触する側面９６ｂと、側面９６ｄとシールリング１４等が配置される内筒部９６ａとを接続する背面部９６ｄとは、曲部（Ｒ）９６ｃにより接続された状態となり、ポンプハウジング３から加わる力は、カートリッジ９６において径方向にのみ作用することにはならず、軸方向にも作用してしまうこととなる。

また、カートリッジ９６の背面部９６ｄは、径方向に材料が形成された部分であるため、径方向には変形し難く軸方向に変形し易い形状となっており、特に図８に示すような従来のカートリッジ９６は、背面部９６ｄがフラットであるため、その全域において軸方向に対して変形し易い形状となっている。
また特に、例えば図９に示すように、回転軸２とポンプハウジング３との間の距離が長い時には、径方向にカートリッジ９６’の背面部９６ｄ’を伸ばして嵌合固定しなければならない。背面部がフラットな形態においては、背面部の長さ（回転軸とポンプハウジングとの間の距離）に関わらずカートリッジは軸方向に変形し易いことは前述の通りであるが、図９に示すように回転軸２とポンプハウジング３の距離が広がれば広がるほど、カートリッジ９６’の軸方向への移動距離（変形量）は大きくなる。

このようなことから、従来のメカニカルシールにおいては、カートリッジをポンプハウジングに設置した場合に、ポンプハウジングから受ける力によって、カートリッジの背面部が軸方向に変形してしまうという問題があった。そして、このような変形が生じると、メカニカルシールの組み立て長さが変化し、それに伴って組み立て荷重も変化し、良好なシール性能を発揮できなくなるという問題が生じていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、メカニカルシールをポンプハウジングに嵌合した時にメカニカルシールのカートリッジが軸方向に変形することを防ぎ、メカニカルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができるメカニカルシールを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、回転軸に固定されて前記回転軸とともに回転する摺動部材としてのメイティングリングと、ハウジングに固定されるカートリッジと、前記カートリッジに装着されて前記メイティングリングに対向して摺動するシールリングとを有するメカニカルシールであって、前記カートリッジは、前記ハウジングに固定される外周部と、前記回転軸の周囲に配置されて前記シールリングが配置される内周部と、前記外周部と前記内周部とを接続する前記回転軸方向に略垂直な面部材である背面部とを有し、前記カートリッジの前記背面部に、当該背面部の部材が前記回転軸方向に屈曲した屈曲部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールによれば、前記カートリッジの前記背面部の途中に、背面部の部材が回転軸の軸方向に屈曲した部分が形成してあるので、例えばメカニカルシールをポンプ等に嵌合した時に使用環境等から生じるカートリッジの背面部の軸方向の変形を、屈曲部により吸収することができる。すなわち、カートリッジ背面部の外側部分が、ハウジングからの力の作用により軸方向に変形したとしても、この変形は屈曲部により吸収されて、カートリッジ背面部の内側部分の変形、すなわちシールリング等が配置されている箇所の変形は、抑止されるか、変形したとしても非常に小さな変形に留めることができる。その結果、メカニカルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができる。

好適には、本発明のメカニカルシールにおいては、前記カートリッジの前記背面部に、断面凹形状の溝部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールにおいては、特に、カートリッジの背面部の途中に断面凹形状の溝部が形成してあるので、これにより、カートリッジ背面部の外側部分の変形を適切に吸収することができ、シールリング等が配置されているカートリッジ内側の変形を抑止あるいは抑制することができ、メカニカルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができる。

また好適には、本発明のメカニカルシールにおいては、前記カートリッジの前記背面部は、前記回転軸の径方向の内側領域と外側領域とで前記回転軸方向の位置が異なるように形成され、当該内側領域と当該外側領域とを接続する段差部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とする。

このような構成の本発明のメカニカルシールにおいては、特に、カートリッジの背面部の途中に段差部が形成してあるので、これにより、カートリッジ背面部の外側部分の変形を適切に吸収することができ、シールリング等が配置されているカートリッジ内側の変形を抑止あるいは抑制することができ、メカニカルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができる。

図１は、本発明の一実施形態のメカニカルシールの構成を示す断面図である。 図２は、図１に示したメカニカルシールのカートリッジの変形例を示す図である。 図３は、図１に示したメカニカルシールのカートリッジの他の変形例を示す図である。 図４は、図１に示したメカニカルシールをポンプハウジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。 図５は、図２に示したカートリッジを有するメカニカルシールをポンプハウジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。 図４は、図３に示したカートリッジを有するメカニカルシールをポンプハウジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。 図７は、従来のメカニカルシールをポンプハウジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。 図８は、従来のメカニカルシールの構成を示す断面図である。 図９は、他の従来のメカニカルシールの構成を示す断面図である。

本発明の実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
本実施形態においては、例えば自動車エンジンの冷却水ポンプの軸封装置として用いて好適なメカニカルシールを例示して本発明を説明する。
まず、本実施形態のメカニカルシールの構成について、図１を参照して説明する。
図１は、そのメカニカルシール１の構成を示す断面図である。
図１に示すように、メカニカルシール１は、メイティングリング１１、カップガスケット１２、スリーブ１３、シールリング１４、ベローズ１５、カートリッジ１６、ケース１７、コイルドウェーブスプリング１８及びドライビングバンド１９を有する。

メイティングリング１１は、ポンプハウジング３側のシールリング１４と当接して、回転軸２とともに回転する摺動部材である。メイティングリング１１の内周側及び背面側は、カップガスケット１２を介在させて、回転軸２に固定されたスリーブ１３の断面形状が略「コ」の文字（日本語のカタカナ文字の「コ」）の形状となっている端部１３ａに圧入固定されている。また、メイティングリング１１とスリーブ１３には、図示しないが、メイティングリング１１外周部に１箇所又は複数箇所の切り欠き部分が設けられており、これに対応するようにスリーブ１３外周部につめ状の部分が設けられている。これらは、多少のクリアランスを有して嵌合されているが、摺動トルクによるメイティングリング１１の回転により、メイティングリング１１の切り欠き部の端とスリーブ１３のつめ状部分の端が接触し、メイティングリング１１の回転を抑制している。

シールリング１４は、ポンプハウジング３に対して固定され、メイティングリング１１に対向して摺動する部材である。シールリング１４は、ベローズ１５と隣接して配置され、さらにケース１７、ドライビングバンド１９及びコイルドウェーブスプリング１８とともにカートリッジ１６の中に装着される。
シールリング１４とべローズ１５とは、ケース１７の外周部１７ｂを予めテーパ-状に成形しておいて、ベローズ１５の内筒部１５ａの内側にシールリング１４をセットした後、ケース１７の外周部１７ｂを外周側からかしめることによって固定される。
また、シールリング１４の内径部とカートリッジ１６の内筒面１６ａのそれぞれ相対する位置に廻り止め（シールリング１４の凸部１４ｅ及びカートリッジ１６の凸部１６ｅ）が設けられており、これにより摺動トルクによるシールリング１４の円周方向の回転、ねじりを抑制する構造となっている。

べローズ１５は、シール対象液をシールするとともに、シールリング１４に適正な軸方向の押し付け力を付与するための部材であり、一般的に弾性体であるゴムで形成される。ベローズ１５は、その外周側にケース１７とドライビングバンド１９とが装着されてカートリッジ１６の内筒部（内周部）１６ａに固定されている。
べローズ１５をカートリッジ１６の適正な位置に装着する際の位置決めのために、ケース１７の一方の端面１７ａは折り曲げてあり、ドライビングバンド１９の一方の端面１９ｂと対向している。すなわち、ケース１７の外周部１７ｂを図の右方向に押し、コイルドウェーブスプリング１８が密着する方向に力を加えると、ケース１７の一方の端面１７ａとドライビングバンド１９の一方の端面１９ｂが接触し、ドライビングバンド１９が右方向に押され、結果としてべローズ１５がカートリッジ１６の内筒部１６ａに対して適正な位置に装着されることになる。
そして、ベローズ１５のカートリッジ１６の内筒部１６ａへの固定をドライビングバンド１９を用いて行うことにより、摺動トルクに対するスリップの発生を防止することができる。

ケース１７とカートリッジ１６の間にはコイルドウェーブスプリング１８を配置する。コイルドウェーブスプリング１８は、ベローズ１５を軸方向でシールリング１４方向に付勢する。

カートリッジ１６は、ポンプハウジング３に固定される外筒部（外周部）１６ｂ、回転軸２の周囲に配置されてシールリング１４、ベローズ１５等が設置される内筒部（内周部）１６ａ、及び、これらを接続するように回転軸２の軸方向に垂直な方向（径方向）に配置される背面部１６ｄを有し、これらにより図示のごとく断面形状が、略「コ」の文字（日本語のカタカナ文字の「コ」）の形状のような形状に形成された円環状部材である。前述したように、この略「コ」の文字の形状のような形状のカートリッジ１６の内側に、シールリング１４、ベローズ１５、ケース１７、コイルドウェーブスプリング１８及びドライビングバンド１９というメカニカルシール１のポンプハウジング３側部材が配置される。具体的には、これらシールリング１４〜ドライビングバンド１９は、カートリッジ１６の内筒部１６ａ及び背面部１６ｄの内筒部１６ａ付近に装着される。

また、カートリッジ１６の内筒部１６ａの一部は、さらに回転軸２側に突出した凸部１６ｅに形成されており、前述したように、シールリング１４の内径部に形成される凸部１４ｅが嵌挿されて、摺動トルクによるシールリング１４の円周方向に対するねじりを抑制する廻り止め構造となっている。

そして、特に本実施形態のメカニカルシール１のカートリッジ１６においては、背面部１６ｄの途中に、具体的にはコイルドウェーブスプリング１８が当接されている箇所よりも外筒部１６ｂ側でメカニカルシール１の部材が何も装着されていない平板領域の部分に、図示のごとく断面が略三角形の凹部（屈曲部）１６ｆが形成されている。この凹部１６ｆは、カートリッジ１６の構成部材が、回転軸２の方向にある程度の丸みを持って、すなわちある程度の値のＲ（曲率）を持って屈曲して形成されたものであり、また、回転軸２を中心として、カートリッジ１６の背面部１６ｄに環状に、すなわち溝状に形成されたものである。

このような断面形状の凹部１６ｆをカートリッジ１６の背面部１６ｄに形成することにより、ポンプハウジング３にカートリッジ１６を嵌合した場合にカートリッジ１６に加わる回転軸２の径方向の力により、カートリッジ１６の背面部１６ｄが回転軸２の軸方向及び径方向に変形したとしても、その変形はこの凹部１６ｆにより吸収される。その結果、カートリッジ１６の内筒部１６ａあるいは背面部１６ｄの内筒部１６ａに近い領域には、この変形が伝わり難く、これらの箇所の変形が生じ難い。すなわち、回転軸２側のメイティングリング１１等の構造に対して、シールリング１４やベローズ１５等の相対的な位置がほとんど変化しない。

以上説明したような構成のメカニカルシール１は、前述したようにメイティングリング１１がカップガスケット１２を介してスリーブ１３の断面形状が略「コ」の文字（日本語のカタカナ文字の「コ」の文字）の形状のような形状の端部１３ａに圧入固定される一方、シールリング１４、ベローズ１５等がカートリッジ１６に嵌装された後、カートリッジ１６の内筒部１６ａあるいは下端凸部１６ｅの内側にスリーブ１３の内筒部１３ｂが挿入され、このスリーブ１３の内筒部１３ｂの先端部１３ｃが拡張されることにより、１つのメカニカルシール装置として一体的に製造される。

そして、ベローズ１５及びコイルドウェーブスプリング１８が軸方向に圧縮された状態で発揮する付勢力によってシールリング１４の摺動面１４ａがメイティングリング１１に対して適切な面圧力で押圧され、所望のシール効果が得られる。

そして特に、本実施形態のメカニカルシール１においては、カートリッジ１６の背面部１６ｄに、背面部材が屈曲されて断面が凹形状（図１に示す例では略三角形）に形成された溝１６ｆが環状に形成されているので、ポンプハウジング３にカートリッジ１６を嵌合した場合にカートリッジ１６の背面部１６ｄに作用する回転軸２の軸方向及び径方向の変形はこの凹部１６ｆにより吸収される。その結果、シールリング１４やベローズ１５あるいはコイルドウェーブスプリング１８等が装着されているカートリッジ１６の内筒部１６ａ及び背面部１６ｄの内筒部１６ａに近い領域には、この変形が伝わり難く、これらの箇所の変形が生じ難い。すなわち、回転軸２側のメイティングリング１１等の構造に対して、シールリング１４やベローズ１５等の相対的な位置がほとんど変位しない。従って、メカニカルシール１の組み立て長さがほとんど変化することはなく、それに伴って組み立て荷重もほとんど変化することがなく、メカニカルシール１は、良好なシール性能を発揮できる。

次に、本実施形態のメカニカルシール１の変形例について説明する。
前述したメカニカルシール１においては、カートリッジ１６は、図１に示すように、断面凹形状の溝部１６ｆが回転軸２を中心として環状に設けられた構成であった。しかしながら、本願発明は、カートリッジの背面部に、その構成部材が回転軸２の軸方向に屈曲した構造を設けることにより達成されるものであり、その他の形態であってもよい。

例えば、図２に示すように、背面部２６ｄに段差２６ｆを形成したような構成のカートリッジ２６であってもよい。図２に示すカートリッジ２６は、背面部２６ｄの内側領域２６ｇと外側領域２６ｈとで、回転軸の軸方向の位置が異なるように、すなわち段差状に形成されている。より具体的には、カートリッジ２６は、シールリング等が装着される内側領域２６ｇよりも外側領域２６ｈが、回転軸方向でシールリングとは反対側の外側方向に突出した形態となっている。そして、これら内側領域２６ｇと外側領域２６ｈとを接続するように、接続部が形成されている。なお、この接続部と内側領域２６ｇ及び外側領域２６ｈの接続部近傍の領域とを含めて段差部２６ｆと称する。
なお、図２に示すようなカートリッジ２６を適用したメカニカルシールにおいて、カートリッジ以外の構成は、前述したメカニカルシール１と全く同じである。従って、それらの構成部は、以下、図１で用いた符号を付して説明に用いる。

このようなカートリッジ２６を用いたメカニカルシールにおいても、ポンプハウジング３にカートリッジ２６を嵌合した場合にカートリッジ２６の背面部２６ｄの外側領域２６ｈに作用する回転軸の軸方向及び径方向の変形は、背面部２６ｄの段差部２６ｆにより吸収される。その結果、シールリング１４やベローズ１５あるいはコイルドウェーブスプリング１８等が装着されているカートリッジ２６の内筒部２６ａ及び内側領域２６ｇには、この変形が伝わり難く、これらの箇所に変形が生じ難い。すなわち、回転軸２側のメイティングリング１１等の構造に対するシールリング１４やベローズ１５等の相対的な位置がほとんど変位しない。従って、メカニカルシール１の組み立て長さがほとんど変化することはなく、それに伴って組み立て荷重もほとんど変化することがなく、メカニカルシール１は良好なシール性能を維持し発揮できる。

また、このように背面部に段差を設ける場合に、内側領域と外側領域の凹凸の関係を反対にしてもよい。そのような形態のカートリッジ３６を図３に示す。図３に示すカートリッジ３６においては、シールリング等が装着される内側領域３６ｇに対して、外側領域３６ｈが、回転軸方向でシールリング方向に突出した形態となっており、その内側領域３６ｇと外側領域３６ｈとを接続するように段差部３６ｆが形成されている。
このようなカートリッジ３６を用いたメカニカルシールにおいても、ポンプハウジングにカートリッジ３６を嵌合した場合にカートリッジ３６の背面部３６ｄの外側領域３６ｈに作用する回転軸の軸方向及び径方向の変形は、背面部３６ｄの段差部３６ｆにより吸収される。その結果、シールリング１４やベローズ１５あるいはコイルドウェーブスプリング１８等が装着されているカートリッジ３６の内筒部３６ａ及び内側領域３６ｇには、この変形が伝わり難く、これらの箇所に変形が生じ難い。すなわち、回転軸２側のメイティングリング１１等の構造に対するシールリング１４やベローズ１５等の相対的な位置がほとんど変位しない。従って、メカニカルシール１の組み立て長さがほとんど変化することはなく、それに伴って組み立て荷重もほとんど変化することがなく、メカニカルシール１は良好なシール性能を維持し発揮できる。

次に、図１〜図３に示した本発明に係るメカニカルシール、及び、図８に示した従来のメカニカルシールの変形量について説明する。
ここでは、カートリッジをポンプハウジングに嵌合した場合の、カートリッジの背面部の最も回転軸側の位置（変形解析箇所）の回転軸方向の変形量を解析ソフトウエアにより求めた結果を示す。なお、解析にはＦＥＭ解析ソフトウエアＭａｒｃを用い、また、カートリッジとポンプハウジングの間の締め代を０．２ｍｍと設定して解析を行った。
解析結果を、その変形量の数値とともに図４〜図７に示す。なお、変形量の数値は、変形解析箇所のカートリッジの背面側への変形を正、反対側への変形を負とする。

図４に示すように、図１に示した溝１６ｆを背面部１６ｄに形成したカートリッジ１６の前記変形解析箇所の変形は、背面方向に０．１５ｍｍであった。
また、図５に示すように、図２に示した背面部２６ｄに外側領域２６ｈが背面方向に突出するような段差２６ｆを形成したカートリッジ２６の前記変形解析箇所の変形は、背面とは反対方向に０．０１ｍｍであった。
また、図６に示すように、図３に示した背面部３６ｄに外側領域３６ｈが背面とは反対方向に突出するような段差３６ｆを形成したカートリッジ３６の前記変形解析箇所の変形は、背面方向に０．２７ｍｍであった。
一方、図７に示すように、図８に示した背面部１６ｄがフラットな従来のカートリッジ９６の前記変形解析箇所の変形は、背面方向に０．８２ｍｍであった。

図４〜図７から明らかなように、図１〜図３に示した本発明に係るカートリッジの背面部（厳密には前記変形解析箇所）の変形量は、図８に示した従来のカートリッジと比べて、大幅に少なくなっている。特に、図２に示したような背面部に外側領域が背面方向に突出するような段差を形成したカートリッジにおいては、変形がほとんど認められていない。
従って、本発明のようにカートリッジの背面部に屈曲部を設けることにより、カートリッジの変形を抑制し、メカニカルシールの組み立て長さの変化を抑制することができることがわかる。

なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

産業上の利用分野

本発明に係るメカニカルシールは、メカニカルシールをポンプハウジングに装着した場合のカートリッジの回転軸方向の変形を抑制するようにしたので、組み立て荷重の変化を抑制して良好なシール性能を維持し発揮できる有用なメカニカルシールであり、例えば、自動車エンジンの冷却水ポンプ等のウォーターポンプ用のメカニカルシールに特に有用である。また、これに限られず、任意のウォーターポンプ、あるいは任意の液体をシール対象とするポンプにも有用なメカニカルシールである。

Claims (3)

1. 回転軸に固設される摺動部材としてのメイティングリングと、ハウジングに固設されるカートリッジと、前記カートリッジに装着されて前記メイティングリングに対向して摺動するシールリングとを有するメカニカルシールであって、
   前記カートリッジは、
   前記ハウジングに固定される外周部と、
   前記回転軸の周囲に配置されて前記シールリングが配置される内周部と、
   前記外周部と前記内周部とを接続する前記回転軸方向に略垂直に形成される背面部とを有し、
   前記カートリッジの前記内周部及び前記背面部の前記内周部付近に、ベローズ及びコイルウェーブスプリングが装着されており、
   前記シールリングは、前記ベローズ及び前記コイルドウェーブスプリングが軸方向に圧縮された状態で発揮する付勢力によって当該シールリングの摺動面が前記メイティングリングに対して押圧されるように、前記ベローズの前記内周部の内側に装着されており、
   前記カートリッジの前記背面部の、前記ベローズ及び前記コイルドウェーブスプリングが当接されている箇所よりも外筒部側で当該メカニカルシールの部材が何も装着されていない平板領域の部分に、当該背面部の部材が前記回転軸方向に屈曲した屈曲部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とするメカニカルシール。
2. 前記カートリッジの前記背面部に、断面凹形状の溝部が、前記環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記カートリッジの前記背面部は、前記回転軸の径方向の内側領域と外側領域とで前記回転軸方向の位置が異なるように形成され、当該内側領域と当該外側領域とを接続する段差部が、前記環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール。

Images