JP7124057B2

JP7124057B2 - シール装置

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Publication number: JP7124057B2
Application number: JP2020506580A
Authority: JP
Inventors: 泰久有田
Original assignee: Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: US20200400235A1; EP3767138A1; US11384840B2; CN111771074A; WO2019176976A1; JPWO2019176976A1; EP3767138A4

Description

本発明は、回転軸を密封するシール装置に関する。

従来、ウォーターポンプ等のハウジングの内部に密封された流体が大気側に漏れ出すことを防止するシール装置として、例えば、ハウジングと回転軸との間の空間を密封するリップタイプのシール装置が知られている。

例えば、特許文献１に示されるリップタイプのシール装置は、回転軸と摺接するシールリップと、該シールリップを保持するフランジ付き円筒形状の保持環とから構成され、保持環とシールリップとをユニット化することでハウジングへの組付けが簡単となっている。保持環は、ハウジングの軸孔に被密封流体側から圧入されて、外径方向に延びるフランジがハウジングの端面に当接することで軸方向の位置が決められている。ハウジングには、被密封流体側のハウジングの端面から軸孔に向けて延びるテーパ部が形成されており、保持環の圧入をガイドするようになっている。また、装着状態では、シールリップは回転軸の周方向に亘って当接した状態となるため、ハウジングと回転軸との間の空間を密封することができる。また、経年変化によりハウジングと保持環との間の嵌合力が低下しても、ハウジングの端面に保持環のフランジが当接することから、シール装置が大気側へと移動しないようになっている。

一方、ポンプ等の機器は小型化の趨勢にあってハウジングの軸孔や被密封流体を収容する空間の内径を小さくすることが要求されることもある。この場合には、保持環の端部を内径側に折り曲げ、内径側にフランジを形成して、保持環の外径を小さく保ちつつ保持環の強度を高めている。

特開２００６－３００１８６号公報（第５～７頁、第２図）

しかしながら、前者の特許文献１のリップタイプのシール装置にあっては、保持環によってハウジングへの組付けが簡単、かつ、被密封流体が高圧となってもシール装置は大気側へ移動しないようになっているものの、保持環の外径方向に延びるフランジが形成されているため内径の小さいハウジングには用いることができなかった。

また、後者のリップタイプのシール装置は、内径の小さいハウジングに組付けることができるものの、保持環をハウジングの軸孔に圧入することで固定した構造であるから、使用時間、被密封圧力、温度等が過酷な条件下では、ハウジングに変形が生じ、当該ハウジングと保持環との間の嵌合力が弱まり、軸孔からシール装置が抜け出すことで、密封性が維持できなくなる虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、過大な移動をすることなく密封性に優れるシール装置を提供することを目的とする。

シール部材と、該シール部材を保持するとともにハウジングに設けられた軸孔に圧入される円筒状のホルダと、を有し、前記ハウジングと回転軸との間の空間を密封するシール装置であって、
前記ホルダは、一端部に該ホルダの外径方向へと突出する突部を有し、
前記ハウジングには、前記軸孔の一端部を成し前記ホルダの挿入をガイドするための環状のテーパ部が形成されており、
前記突部は、前記テーパ部の内径側に位置するように形成されている。
これによれば、ハウジングとホルダとの間の嵌合力が弱まり、シール装置が大気側へ移動すると、突部はテーパ部と当接し径方向の力を受けることから、ホルダの軸心が軸孔の軸心と一致した状態にガイドされるとともに、突部が該テーパ部の内径方向へと略均等に押圧され、該テーパ部に対して周方向に均等に当接した状態で押し込まれ、シール装置の移動は規制される。これにより、シール装置は軸方向に僅かに移動するのみであるからハウジングと回転軸との間の密封を維持することができる。

前記突部は、前記シール装置が前記ハウジングに組付けられた状態において、前記テーパ部と軸方向に離間してもよい。
これによれば、突部とテーパ部とが当接するまでテーパ部に負荷が発生することがなく、テーパ部はクリープ変形を生じにくくなっている。

前記突部は、その端面が前記ホルダの円筒部の端面と径方向に揃っていてもよい。
これによれば、突部は軸方向の剛性が高くなっている。

前記突部は、前記ホルダの円筒部からの突出寸法が該円筒部の板厚よりも小さくてもよい。
これによれば、内径の小さなハウジングにシール装置を組み込むことができる。

前記突部は、前記テーパ部と対向する端部が前記ホルダの円筒部から略垂直方向に延出してもよい。
これによれば、突部がテーパ部に食い込み易いことから、シール装置の軸方向の過大な位置ずれを少なくすることができる。

前記テーパ部は、前記軸孔に対する傾斜角度が４５度以下であってもよい。
これによれば、突部がテーパ部に当接した際に、テーパ部が楔状に作用して、突部がテーパ部から抜出しにくくなるため、シール装置の軸方向の位置ずれを防止することができる。

本発明の実施例におけるウォーターポンプの模式断面図である。回転軸に取付けられた本発明の実施例におけるシール装置を示す側断面図である。ホルダを大気側から見た正面図である。（ａ）は、シール装置の正常な装着状態を示す側断面図であり、（ｂ）は、シール装置が大気側に移動した状態を示す側断面図である。（ａ），（ｂ）は、ホルダの変形例を大気側から見た正面図である。（ａ）～（ｃ）は、突部の変形例を示す側断面図である。（ａ），（ｂ）は、テーパ部の変形例を示す側断面図である。

本発明に係るシール装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係るシール装置につき、図１から図７を参照して説明する。

図１に示されるように、本実施例のシール装置１０は、リップタイプのシール装置であり、自動車のエンジンを冷却する冷却水（ＬＬＣ）を圧送するウォーターポンプ１に使用され、ハウジング３の内部の冷却水が外部に漏れ出すことを防止するものである。ウォーターポンプ１は、回転軸２の一方側の端部に取付けられたプーリー２０の回転により、回転軸２の他方側の端部に取付けられたインペラ２１が回転し、冷却水を吐出口から送出する。回転軸２の略中央部にはベアリング２２が取付けられている。また、軸孔Ｈにはシール装置１０が取付けられており、ハウジング３の内部を、被密封流体側Ｌと大気側Ａとに仕切り、回転軸２とハウジング３との間の空間を密封している。尚、本発明に係るシール装置１０は、他の流体や用途に適用されてもよい。

次に、シール装置１０について説明する。図２に示されるように、シール装置１０は、筒状に形成されたホルダ１３の内径側に、ゴム材製、例えば、Ｈ－ＮＢＲ製のシール部材としての第１シールリップ１１および樹脂材製、例えば、ＰＴＦＥ製のシール部材としての第２シールリップ１２が、インサイドケース１４、バックアップリング１５、およびアダプタ１６によって組付けられることで、ユニット化されたものである。

図２，３に示されるように、ホルダ１３は、ステンレス鋼を押出成形後、プレス加工することにより形成されており、該ホルダ１３の軸心に沿って延びる板状の円筒部１３ａ、該円筒部１３ａの大気側Ａの端部から略垂直方向内径側へ湾曲し直線状に突出した環状の底板部１３ｂ、および該円筒部１３ａの被密封流体側Ｌの端部から略垂直方向外径側へ直線状に突出した突部１３ｃにより、断面視クランク状を成している。

また、ホルダ１３は、円筒部１３ａの外径が軸孔Ｈの内径よりも僅かに長寸な略同一寸法に形成されている。また、図３の吹出し内に示すように、その外周面には、ラテックス１９が塗布されている。

図２～図４に示されるように、突部１３ｃは、ホルダ１３の被密封流体側Ｌの端部の外周面において周方向に亘って途切れることなく形成されており（図３参照）、該円筒部１３ａからの突出寸法Ｋ１が当該円筒部１３ａの板厚ｔ１３ａよりも短寸であり（Ｋ１＜ｔ１３ａ）、軸心方向の寸法Ｋ２が該円筒部１３ａの板厚ｔ１３ａよりも長寸である（Ｋ２＞ｔ１３ａ）（図４（ａ）参照）。これにより、突部１３ｃは軸方向の剛性が高くなっているとともに、被密封流体側Ｌの内径の小さなハウジング３にシール装置１０を組付けることができる。また、突部１３ｃは、後述するハウジング３のテーパ面３１と対向する角部１３ｄの角度αが略９０度に形成されている。また、突部１３ｃは、被密封流体側Ｌの端面がホルダ１３の円筒部１３ａの被密封流体側Ｌの端面と径方向に揃っており、突部１３ｃの形成範囲におけるホルダ１３の板厚が厚くなるため、その剛性が高い。さらに、突部１３ｃは、鍛造により形成されているため、その剛性が高い。加えて、例えば切削により同形状の突部を形成することと比較すると形成が容易である。また、突部１３ｃはハウジング３よりも硬い構成であることが好ましい。

図２に示されるように、インサイドケース１４は、ステンレス鋼により筒状に形成されており、断面視下向きＵ字状を成している。同様に、バックアップリング１５は断面視下向きＬ字状の筒状に形成され、アダプタ１６は断面視右向きＵ字状の筒状に形成されている。

図２に示されるように、第１シールリップ１１は、筒状に形成されており、該第１シールリップ１１の軸心に沿って延びる外周部１１ａ、該外周部１１ａの被密封流体側Ｌの端部から略垂直方向内径側へ延びる延設部１１ｂ、および該延設部１１ｂの内径側端部から被密封流体側Ｌに向けて斜め下方へ延びる内周部１１ｃにより、断面視クランク状を成している。

図２に示されるように、第２シールリップ１２は、筒状に形成されており、該第２シールリップ１２の軸心に対して略垂直方向に延びる延設部１２ｂ、および該延設部１２ｂの内径側端部から略垂直方向被密封流体側Ｌに向けて湾曲し回転軸２、すなわち第２シールリップ１２の軸心に沿って延びる内周部１２ｃにより、断面視Ｌ字状を成している。

次に、ハウジング３について説明する。ハウジング３は、樹脂材の型抜き形成により形成されており、大気側Ａの空間に連通する断面視直線状の内周面３０、該内周面３０に連通し被密封流体側Ｌに向かうほどに漸次径が大きくなる断面視直線テーパ状のテーパ部としてのテーパ面３１、該テーパ面３１の被密封流体側Ｌの端部から軸孔Ｈの軸心に対して略垂直方向外径側に延びる径端面３２、該径端面３２の外径側端部から略垂直方向被密封流体側Ｌに延びる周端面３３を備えている。軸孔Ｈは、内周面３０とテーパ面３１とによって画成されており、テーパ面３１は、軸孔Ｈの一端部を成している。

図４に示されるように、テーパ面３１は、被密封流体側Ｌから大気側Ａにかけて軸心に対する傾斜角度βが略２０度に形成されている。また、テーパ面３１の大気側Ａの端部から被密封流体側Ｌにかけての径方向の寸法Ｍ１は、突部１３ｃの上述した突出寸法Ｋ１よりも長寸となっている（Ｍ１＞Ｋ１）。尚、テーパ面３１の傾斜角度βについては、具体的な数値を限定するものではなく、以降の数値についても同様である。

図２，図４に示されるように、軸孔Ｈ側の被密封流体側Ｌの空間は、周端面３３までの半径Ｒ３３が軸孔Ｈの半径Ｒ３０よりも少し長寸な略円柱状の空間に形成されている。具体的には、径端面３２の内径側から外径側にかけての寸法Ｍ２は、テーパ面３１の大気側Ａの上述した径方向の寸法Ｍ１と略同一寸法であり（Ｍ１≒Ｍ２）、テーパ面３１の被密封流体側Ｌの端部から周端面３３にかけての径方向の寸法Ｍ２は、ホルダ１３の円筒部１３ａの板厚ｔ１３ａの約１．５倍好ましくは１～３倍となっている。すなわち、被密封流体側Ｌの空間は軸孔Ｈやホルダ１３との径方向の寸法差が僅かな、小さい内径の空間に形成されている。

次に、シール装置１０のハウジング３への組付けについて説明する。シール装置１０を軸孔Ｈに位置合わせした状態で、図示しない治具をホルダ１３の内径側から突部１３ｃにかけて係合させ、該冶具と共に該シール装置１０を軸方向に押し込むと、先ず底板部１３ｂはテーパ面３１にガイドされてホルダ１３の軸心は軸孔Ｈの軸心に円滑に近づけられる。また、底板部１３ｂは外径側が湾曲していることから、円滑に軸孔Ｈ内にガイド・挿嵌される。

冶具を介してシール装置１０を更に軸孔Ｈの大気側Ａへと押し込み、円筒部１３ａをハウジング３の内周面３０に沿って移動させ、所定の位置に到達したところ、例えば突部１３ｃの角部１３ｄが径方向において径端面３２と略直線状に到達したところ（図４（ａ）参照）で該押し込みを終える。これにより、円筒部１３ａの大部分、すなわち８割以上が軸孔Ｈに嵌合し、円筒部１３ａの外径が軸孔Ｈの内径よりも僅かに長寸であることから、ホルダ１３が軸孔Ｈから抜出すことを防止する、すなわち移動不能に固定するのに十分な嵌合力がハウジング３および円筒部１３ａ間で発生する。このようにして、シール装置１０をハウジング３に嵌合・固定し、組付けることができる。このとき、シール装置１０のホルダ１３の突部１３ｃは、ハウジング３のテーパ面３１から軸方向に離間している（図２参照）。

また、シール装置１０とハウジング３との間は、円筒部１３ａの外周部に塗布されたラテックス１９（図３参照）により、該ホルダ１３とハウジング３の内周面３０との間が二次シールされており、密封性が高められている。

また、突部１３ｃの上述した突出寸法Ｋ１は、テーパ面３１の上述した径方向の寸法Ｍ１よりも短寸であることから、内径の小さなハウジング３に組み込むことができる。尚、径端面３２を設けることなく、被密封流体側Ｌの空間の内径は、テーパ面３１の被密封流体側Ｌの内径と略同寸であってもよい。

ここで、シール装置１０は、上述したように、通常はハウジング３および円筒部１３ａ間で発生する嵌合力により移動不能に固定されているものの、経年変化、クリープ変形、被密封圧力、温度等が過酷な使用条件等により例えばハウジング３が変形し、該ハウジング３と該シール装置１０との間の嵌合力が弱まり、被密封流体側Ｌの圧力により該シール装置１０が大気側Ａへと移動することがある。

ハウジング３とホルダ１３との間の嵌合力が弱まり、シール装置１０が大気側Ａへ移動すると、図４（ｂ）に示されるように、テーパ面３１にシール装置１０のホルダ１３の突部１３ｃが当接し、該ホルダ１３は移動が規制されることから、シール装置１０が大気側Ａへ抜出すことを防止することができる。

また、ハウジング３とホルダ１３との間の嵌合力が弱まり、シール装置１０が大気側Ａへ移動すると、突部１３ｃはテーパ面３１と当接し径方向の力を受けることから、ホルダ１３の軸心が軸孔Ｈの軸心と一致した状態にガイドされるとともに、突部１３ｃが該テーパ面３１の内径方向へと略均等に押圧され、該テーパ面３１に対して周方向に均等に当接した状態で押し込まれ、シール装置１０の移動は規制される。これにより、シール装置１０は軸方向に僅かに移動するのみであるからハウジング３と回転軸２との間の密封を維持することができる。

また、ハウジング３のテーパ面３１とシール装置１０のホルダ１３の突部１３ｃとが軸方向に離間して組付けられていることから、突部１３ｃとテーパ面３１とが当接するまで、テーパ面３１に負荷が発生することがなく、テーパ面３１はクリープ変形を生じにくくなっている。これにより、シール装置１０が移動し、ホルダ１３の突部１３ｃはテーパ面３１に当接して食い込み易く、該シール装置１０の過大な移動を確実に阻止することができるため、密封性を維持できる。

また、ホルダ１３の突部１３ｃは、ホルダ１３の円筒部１３ａから略垂直方向外径側へ直線状に突出するとともに、該突部１３ｃの角部１３ｄの角度が略９０度であるため、該突部１３ｃがテーパ面３１に食い込み易いことから、シール装置１０の軸方向の過大な位置ずれを少なくすることができる。

また、テーパ面３１は、シール装置１０が大気側Ａへと移動し、ホルダ１３の突部１３ｃがテーパ面３１に食い込むほどに、ホルダ１３の突部１３ｃの径方向の端面と当接する面積が増加することから、シール装置１０の移動に対する規制力を高めることができる。

また、テーパ面３１は、傾斜角度βが略２０度、すなわち４５度以下であることから、ホルダ１３の突部１３ｃがテーパ面３１に当接した際に、テーパ面３１が楔状に作用して、該突部１３ｃがテーパ面３１から抜出しにくくなるため、シール装置１０の軸方向の位置ずれを防止することができる。

また、テーパ面３１は、傾斜角度βが略２０度であることから、最初に該テーパ面３１にホルダ１３の突部１３ｃが当接した部分から、軸孔Ｈに到達するまでの寸法が長寸であるため、軸孔Ｈに至るまでの移動代が長くなっていることから、該突部１３ｃがテーパ面３１から抜出しにくくなる。

また、ホルダ１３の円筒部１３ａはハウジング３に対して周方向に当接することで位置決めがなされており、位置決め箇所が周方向のみであるから、位置決め精度を高めることが容易である。

次に、ホルダの変形例について説明する。ホルダ１３の突部１３ｃは周方向に亘って途切れることなく形成された態様であるとして説明したが、図５（ａ），（ｂ）に示されるように、周方向に短尺な突部１１３ｃ，２１３ｃがホルダ１１３，２１３の周方向に８等配，３等配で形成されている態様であってもよい。

また、突部１３ｃは、ホルダ１３の円筒部１３ａから略垂直方向外径側へ直線状に突出するとともに、該突部１３ｃの角部１３ｄの角度αが略９０度である態様として説明したが、図６（ａ）に示されるように、突部３１３ｃが大気側Ａから被密封流体側Ｌに向かうほどに外径側に突出する傾斜角度略２０度のテーパ面３１３ｄを備えていてもよい。この態様であれば、テーパ面３１の傾斜角度とテーパ面３１３ｄの傾斜角度とが略同一であることから、ホルダ３１３が大気側Ａへ移動した際に、テーパ面３１にテーパ面３１３ｄが面当接し、テーパ面３１から突部３１３ｃに作用する押圧力を略均圧に分散させることができるため、ガイドの精度や位置規制機能が高い。

また、図６（ｂ）に示されるように、突部４１３ｃがホルダ４１３の外径側に断面視半球状に突出する態様であってもよい。この態様であれば、テーパ面３１との当接により突部４１３ｃが変形しにくい。

また、図６（ｃ）に示されるように、ホルダ５１３の被密封流体側Ｌの端部が、円筒部から略垂直方向外径側に直線状に突出する突部５１３ｃと、円筒部の内径側において被密封流体側Ｌの端面から突部５１３ｃの軸心方向の略中央部にかけて凹む凹部とにより断面視段状を成す態様であってもよい。この態様であれば、ホルダ５１３の軽量化かつ製造が簡単である。

次に、テーパ部の変形例について説明する。テーパ面３１は、大気側Ａから被密封流体側Ｌにかけての傾斜角度βが略２０度に形成されている態様であるとして説明したが、図７（ａ）に示されるように、大気側Ａから被密封流体側Ｌにかけてのテーパ部としてのテーパ面１３１の傾斜角度が略５０度、すなわち４５度以上に形成されている態様であってもよい。

また、テーパ面３１は、断面視直線テーパ状である態様として説明したが、図７（ｂ）に示されるように、テーパ部としてのテーパ面２３１が、断面視突曲線テーパ状に形成されている態様であってもよい。この態様であれば、被密封流体側Ｌの端部から大気側Ａの端部にかけての略中央部分の内径が急激に小さくなることから、ホルダ１３のガイド精度や位置規制機能が高い。

また、テーパ面３１は、周方向に連続している態様として説明したが、図７（ｃ）に示されるように、周方向に不連続に突出するテーパ部としてのテーパ面３３１が、８等配や３等配等、所定間隔置きに形成されている態様であってもよい。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、シール装置１０は、シールリップタイプのシール装置である態様として説明したが、これに限らず、ラビリンスタイプやグランドパッキンタイプ等、他のタイプのシール装置であってもよい。

また、シール装置１０は、被密封流体側Ｌの内径が小さく形成されたハウジング３に組付けられる態様であるとして説明したが、これに限らず、被密封流体側Ｌの内径が大きく形成されているハウジングに組付けられてもよい。また、ハウジングは樹脂製である態様として説明したが、これに限らず、ステンレス鋼やアルミニウム鋼等の金属で形成されていてもよい。

また、シール装置１０をハウジング３に組付けた際に、ホルダ１３の突部１３ｃは、ハウジング３のテーパ面３１から軸方向に離間している態様として説明したが、これに限らず、ハウジング３にシール装置１０を組付けた際に、テーパ面３１とホルダ１３の突部１３ｃとが当接している態様であってもよい。

２回転軸
３ハウジング
１０シール装置
１１第１シールリップ（シール部材）
１２第２シールリップ（シール部材）
１３ホルダ
１３ａ円筒部
１３ｃ突部
３１テーパ面（テーパ部）
１１３ホルダ
１１３ｃ突部
１３１テーパ面（テーパ部）
２１３ホルダ
２１３ｃ突部
２３１テーパ面（テーパ部）
３１３ホルダ
３１３ｃ突部
３３１テーパ面（テーパ部）
４１３ホルダ
４１３ｃ突部
５１３ホルダ
５１３ｃ突部
Ａ大気側
Ｈ軸孔
Ｋ１突出寸法
Ｋ２寸法
Ｌ被密封流体側
Ｍ１寸法
Ｍ２寸法
Ｒ３０半径
Ｒ３３半径
ｔ１３ａ板厚
α 角度
β 傾斜角度

Claims

シール部材と、該シール部材を保持するとともにハウジングに設けられた軸孔に圧入される円筒状のホルダと、を有し、前記ハウジングと回転軸との間の空間を密封するシール装置であって、
前記ホルダは、一端部に該ホルダの外径方向へと突出する突部を有し、
前記ハウジングには、前記軸孔の一端部を成し前記ホルダの挿入をガイドするための環状のテーパ部が形成されており、
前記突部は、前記テーパ部の内径側に位置するように形成されているシール装置。
前記突部は、前記シール装置が前記ハウジングに組付けられた状態において、前記テーパ部と軸方向に離間している請求項１に記載のシール装置。
前記突部は、その端面が前記ホルダの円筒部の端面と径方向に揃っている請求項１または２に記載のシール装置。
前記突部は、前記ホルダの円筒部からの突出寸法が該円筒部の板厚よりも小さい請求項１ないし３のいずれかに記載のシール装置。
前記突部は、前記テーパ部と対向する端部が前記ホルダの円筒部から略垂直方向に延出している請求項１ないし４のいずれかに記載のシール装置。
前記テーパ部は、前記軸孔に対する傾斜角度が４５度以下である請求項１ないし５のいずれかに記載のシール装置。