JPH0333565A - ウォータポンプ用メカニカルシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、硬質材料で形成されるフローティングシート
とカーボンで形成されるシール部材との摺接部で冷却水
をシールするようにしたつオータポンプ用メカニカルシ
ールに関するものである。

［従来の技術］ 一般に自動車用つオータポンプには、冷却水をシールす
るために、駆動軸またはインペラに固定され駆動軸とと
もに回転するフローティングシートと、ポンプハウジン
グに支持される一方上記フローティングシートと摺接し
て該摺接部で冷却水をシールするシール部材とを備えた
メカニカルシールが設けられる。そして、自動車用ウォ
ータポンプの駆動軸は通常７００−６００　Ｏｒ、ｐ、
ｍ、の広い範囲で回転数が変化するが、上記メカニカル
シールはこのような条件下において、耐スカツフ性、耐
摩耗性、耐食性、シール性等が良好であることが要求さ
れる。このような要求を満たす材料として、従来よりフ
ローティングシートには硬質のアルミナ焼結材（セラミ
ック）が用いられ、一方シール部材には軟質で自己潤滑
性が高く、したがってスカッフが発生しにくいカーボン
が用いられている（例えば、実開昭６１−１３０７１６
号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題１ ところで、一般にエンジンのシリンダブロックやシリン
ダヘッドは鉄系あるいはアルミ系の材料で鋳造される。

このため、シリンダブロックやシリンダヘッド内に形成
されるウォータジャケット内には、若干の鋳物砂、金属
酸化物、金属粉等の微粒子が残留し、ウォータポンプ運
転時にはこれらの微粒子が冷却水中に浮遊する。また、
不凍液が化学変化することによって冷却水中に固体の微
粒子が生皮されるが、この微粒子も冷却水中に浮遊する
（以下、冷却水中に浮遊するこれらの種々の微粒子を浮
遊ダストという）。このような浮遊ダストは、ウォータ
ポンプ運転中にフローティングシートとシール部材との
摺接部に侵入し、この浮遊ダストによって軟質のカーボ
ン製シール部材の７０−ティングシ−１−との摺接面に
異常摩耗が発生し、このためメカニカルシールのシール
性が低下して冷却水が漏れる場合があるといった問題が
ある。しかしながら、現時点では良好な自己潤滑性（耐
スカツフ性）を有するシール部材の材料としてカーボン
以外に適当なものは見当たらない。

このような浮遊ダストによるカーボン製シール部材の異
常摩耗を防止する手法として、シリンダブロックおよび
シリンダヘッドのウォータジャケット、あるいはその他
の冷却水通路の洗浄を強化するといった方法が考えられ
るが、このような方法で浮遊ダストを完全に除去するこ
とは非常に困難である。

また、一般にカーボンの焼結（熱処理）温度を高めると
その硬度か増すが、これに着目して通常約３００°Ｃで
行なわれているカーボンシールの焼結を約１０００°Ｃ
の高温で４００〜５００時間行い、自己潤滑性（耐スカ
ツフ性）を保持しつつその硬度を高め、耐摩耗性を高め
るといった方法が考えられるが、この方法は焼結に長時
間を要するので、量産性が悪く製造コストが高くなると
いった問題がある。

本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであっ
て、冷却水中に浮遊ダストが混入しても、シール部材の
フローティングシートとの摺接部に異常摩耗をを生じさ
せない、低コストのウォータポンプ用メカニカルシール
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記の目的を達するため、ウォータポンプの駆
動軸とともに回転するフローティングシートと、ポンプ
ハウジングに支持される一方上記フローティングシート
と摺接して該摺接部で冷却水をシールするシール部材と
が設けられたウォータポンプ用メカニカルシールにおい
て、フローティングシートを硬質材料で形成するととも
に、シル部材基材部をカーボンで形成し、該シール部材
基材部のフローティングシートとの摺接部に隣接する外
周面に所定の厚さの硬質被膜層を設けたことを特徴とす
るウォータポンプ用メカニカルシルを提供する。

［発明の作用・効果］ 本発明によれば、シール部材基材部が自己潤滑性の高い
カーボンで形成されるので、基本的にはシール部材とフ
ローティングシートとの摺接部の耐スカツフ性を良好に
維持することができる。そして、シール部材の摺接部に
隣接する外周面に設けられる、例えばタングステン系金
属あるいは炭化珪素系セラミックからなる硬質被膜層に
よって、冷却水中の浮遊ダストがシール部材基材部とフ
ローティングシートとの摺接部に侵入するのが防止され
る。このため、カーボンで形成されたシール部材基材部
には異常摩耗が発生せず、メカニカルシールのシール性
を高めることができる。

ところで、硬質被膜層のフローティングシート側端面ば
フローティングシートと摺接するが、これらはいずれも
硬質材料で形成されているため、この摺接部では耐スカ
ツフ性が低くなるはずであり、これによってシール部材
全体としての耐スカツフ性は若干低下するはずである。

しかし、硬質被膜層を、浮遊ダストの侵入を防止できる
最小限の厚さを確保しつつ（例えばＯ，１μｍ以上）、
できるだけ薄く形成すれば（好ましくは０．１−１０μ
ｍ）、フローティングシート回転時にカーボン製のシー
ル部材基材部から発生する微量のカーボン摩耗粉が、フ
ローティングシートと硬質被膜層との間の摺接部６体に
ゆき渡り、このカーボン摩耗粉が、硬質被膜層とフロー
ティングシートとの摺接部を潤滑し、この部分の耐スカ
ツフ性を高めるので、上記不具合を解消できる。したが
って、硬質被膜層を適正な厚さに形成すれば（０，１−
１０μｍ）、シール部材全体としての耐スカツフ性を良
好に維持することができる。なお、硬質被膜層が厚くな
るとフローティングシートと硬質被膜層との間の摺接部
６体にカーボン摩耗粉がゆき渡らなくなるので、この部
分の潤滑性が悪くなり、シール部材全体としての耐スカ
ツフ性が低下する。

［実施例Ｊ 以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

第１図に示すように、ウォータポンプｗＰの駆動軸１１
１Ｖベルト（図示せず）を介してクランク軸（図示せず
）によって回転駆動されるようになっており、この駆動
軸ｌにはインペラ２が取り付けられている。このインペ
ラ２はポンプハウジング３内において駆動軸ｌとともに
回転し、その遠心力でポンプハウジング３内の冷却水を
冷却水通路（図示せず）に吐出するようになっている。

そして、つオータボンプＷＰの回転部分と非回転部分と
の境界部から、ポンプハウジング３内の冷却水が外部に
漏れるのを防止するためにメカニカルシールＭが設けら
れている。このメカニカルシールＭには、駆動軸ｌ（イ
ンペラ２）に取り付けられるリング状のフローティング
シート４と、ポンプハウジング３側（後で説明するシー
ルリング受７）に支持されるリング状のシールリング５
とが設けられ、フローティングシート４とシールリング
５とは摺接部６で摺接している。なお、シールリング５
は本願特許請求の範囲に記載されたシール部材に相当す
る。フローティングシート４は耐摩耗性を高めるために
硬質のアルミナ焼結材（セラミック）で形成されている
。一方、シールリング５の基材部５ａは耐スカツフ性を
高めるために自己潤滑性の高い軟質の焼結カーボンで形
成されているが、後で説明するように、摺接部６に隣接
する外周部にはタングステン系金属あるいは炭化珪素セ
ラミックで形成される硬質被膜層１２が設けられている
。

ポンプハウジング３の中心部には、これに固定してシー
ルリング受７が設けられ、このシールリング受７の中央
に駆動軸ｌをとりまくような形状に形成された内管状部
７ａの外周には、シールリング５が駆動軸ｌの軸線方向
に摺動可能に嵌合されている。そして、シールリング受
７の内管状部７ａと外管状部７ｂとの間に形成された環
状溝８内には、内管状部７ａとシールリング５との摺動
面をシールするためのシールラバー９が嵌合されている
。このシールラバー９のシールリンク側端部はシールリ
ング５に当接しており、かつシールラバー９のシールリ
ング側端部はスジリグ１１によってシールリング５側に
付勢されている。したがって、スプリング１１に付勢さ
れたシールラバー９によって、シールリング５がフロー
ティングシート４側に押圧され、シールリング５とフロ
ーティングシート４との間に隙間が生じないようになっ
ており、これによってフローティングシート４とシール
リング５との摺接部６からポンプハウジング３内の冷却
水が外部に漏れるのが防止されるようになっている。

第２図に拡大して示すように、シールリング５のフロー
ティングシート４（第１図参照）との摺接面に隣接する
外周面にはタングステン系金属あるいは炭化珪素系セラ
ミックで形成される硬質被膜層１２が設けられている。

なお、硬質被膜層１２の材料はこれらに限られるもので
はなく、適当な硬度をもつ材料であればよい。また、こ
のようなシールリング５は、第３図に示すような従来カ
ーボンシール５′に上記硬質被膜層を形成することによ
って容易に製作できるので低コストで製造できる。

再び第１図に示すように、ウォータポンプＷＰの運転時
には、硬質被膜層１２によって、シールリング基材部５
ａとフローティングシート４との摺接部６への浮遊ダス
トの侵入が防止されるので、カーボンで形成されたシー
ルリング基材部５ａの異常摩耗の発生が防止され、シー
ルリング５の耐摩耗性が大幅に高められる。

硬質被膜層１２の厚さは０．１−１０μｍの範囲内の適
当な値に設定されている。このように硬質被膜層１２の
厚さを限定する理由は次のとおりである。

■硬質被膜層１２の厚さがＱ、］μｍより薄いと、その
強度が不足し、冷却水中の浮遊ダストの摺接部６への侵
入を有効に防止できなくなり、カーボンで形成されたシ
ールリング基材部５ａに異常摩耗が発生し、シールリン
グ５のシール性が悪化する。

■フローティングシート４が回転すると、これと摺接し
ているシールリング基材部５ａのカーボンがわずかに摩
耗するが、硬質被膜層１２の厚さが１０μｍ以下であれ
ば、この微量のカーボン摩耗粉が、フローティングシー
ト４の硬質被膜層１２と摺接する部分全体に付着し、こ
のカーボン摩耗粉が硬質被膜層１２とフローティングシ
ート４との摺接部を潤滑するので、硬質被膜層１２とフ
１ ０−ティングシート４との摺接部でのスカッフの発生が
防止される。しかし、硬質被膜層が１０μｍより厚くな
るとフローティングシート４の硬質被膜層１２と摺接す
る部分全体にカーボン摩耗粉が十分にゆき渡らなくなる
ので、硬質被膜層１２とフローティングシート４との間
の潤滑性が悪化し耐スカツフ性が低下する。このため、
高速回転時に硬質被膜層１２とフローティングシート４
との摺接部にスカッフが発生し、硬質被膜層１２が摩耗
する。そして、硬質被膜層１２が摩耗するとカーボンで
形成されたシールリング基材部５ａが冷却水中に露出す
るので、摺接部６に浮遊ダストが侵入し、シールリング
基材部５ａのフローティングシート４との摺接面に異常
摩耗が発生し、シールリング５のシール性が悪化する。

第４図に、以下で説明するような実験で実測された、硬
質被膜層を有しないシールリング（ＮＣ１１Ａ）と、最
適な厚さのタングステン系金属硬質被膜層（０，１μｍ
）を有するシールリングと、最適な厚さの炭化珪素系セ
ラミック硬質被膜層（０゜２ ５μｍ）を有するシールリングのカーボン摩耗量を示す
。また、第５図と第６図とに夫々、同様の実験において
実測された、タングステン系金属硬質被膜層を有するシ
ールリングと炭化珪素系セラミック硬質被膜層を有する
シールリングのカーボン摩耗量の硬質被膜層の厚さに対
する特性を示す。

第４図〜第６図に示すデータは、第７図に示すような、
駆動プーリ２１を介してベルト（図示せず）によって回
転駆動されるシャフト２２と、内部に冷却水が保留され
たハウジング２３との間を、上記の各種シールリングを
備えたメカニカルシール２４でシールした実験装置を、
次のような条件で運転して測定されたものである。なお
、水温はヒータ２５で調節できるようになっている。

〈実験条件〉 回転数；　　５０　Ｑ　Ｏｒ、ｐ、ｍ。

冷却水温度：　１００±２℃ 冷却水：　ロングライフクーラント５５％浮遊ダスト；
　関東ローム８種 （冷却水１６１＋／ダスト４ｇ） 運転時間：　１００時間 第４図から明らかなように、硬質被膜層を有しない従来
のカーボンシールリング（ＮＣＩＩＡ）では摩耗量が非
常に多いが、本発明にかがる硬質被膜層を有するシール
リングでは摩耗量が従来の約１／１０に低減されている
。

また、第５図から明らかなように、タングステン系金属
の硬質被膜層を有するシールリングでは硬質被膜層の厚
さが０．１−１０μｍのときには摩耗量が非常に少なく
なっているが、この範囲外では摩耗量が大幅に増加して
いる。さらに、第６図から明らかなように、炭化珪素系
セラミックの硬質被膜層を有するシールリングでは硬質
被膜層の厚さが０．５〜ｌＯμｍのときには摩耗量が非
常に少ないが、この範囲外では摩耗量が大幅に増加して
いる。これらの結果から、本願で硬質被膜層の好ましい
厚さを０．１−１０μｍとしているのが正当であること
がわかる。

第８図〜第１Ｏ図に、夫々上記実験に用いられた硬質被
膜層を有しない従来のカーボンシールリングと、タング
ステン系金属の硬質被膜層を有するシールリングと、炭
化珪素系セラミックの硬質被膜層を有するシールリング
の、実験後の摺接面の荒れ状態を示す。第８図かられか
るように、硬質被膜層を有しないカーボンシールリング
では、摺接面が激しく荒れている。なお、この場合は６
５時間で冷却水漏れが発生している。また、第９図と第
１０図とかられかるように、硬質被膜層を有するシール
リングでは摺接面の荒れは非常に少なく、とくにタング
ステン系金属の硬質被膜層を有するシールリング（第９
図）ではほとんど荒れが生じていない。なお、これらに
は冷却水漏れは全く発生していない。

以上の実測データから、本発明にかかるシールリングで
は、従来のカーボン製シールリングに比べて耐摩耗性な
いしシール性が大幅に向上していることがわかる。

第１１図に、種々のシールリングの耐スカツフ性ないし
耐摩耗性の良否をみるために、ドライ摩擦状態（大気中
で摺動させる）において、メカニカ５ ルシールの回転数を種々変えて、各シールリングのスカ
ッフの発生の有無と摩耗量とを測定した結果を示す。曲
線Ｇ１は炭化珪素系セラミックで形成したシールリング
に対するデータであり、２０Ｑ　Ｑ　ｒ、ｐ、ｍ、でス
カッフが発生し、摩耗が非常に激しくなっている。曲線
Ｇ２はＮ１−Ｐ系材料に自己潤滑性をもつフッ素樹脂を
分散させたシールリングに対するデータであり、４００
０ｒ、ｐ、ｍ、でスカッフが発生し、摩耗もかなり激し
くなっている。これら（曲線Ｇｌ、Ｇ２）の結果から、
シールリングを硬質材料で形成するのが適当でないこと
がわかる。

曲線Ｇ、は３００°Ｃで焼成した従来のカーボン製シー
ルリングに対するデータであり、６０００ｒ。

ｐ、ｍ、でスカッフが発生している。また、摩耗量もか
なり多い。

曲線Ｇ、、Ｇ、はいずれも本発明にかかるシールリング
に対するデータであり、曲線Ｇ、の方は炭化珪素系セラ
ミックの硬質被膜層を有し、曲線Ｇ、の方はタングステ
ン系金属の硬質被膜層を有する。これらはいずれもスカ
ッフが発生せず、摩耗６− 量も非常に少なくなっている。

なお、曲線Ｇ６は１０００℃で長時間焼成したカーボン
製シールリングであり、摩耗量は非常に少なくなってい
るが、製造コストが非常に高くなるので、実用的ではな
い。

これらのデータから、本発明によれば、スカッフが発生
せず、かつ摩耗量が少ないシールリングが低コストで得
られることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明にかかるメカニカルシールを備えたウ
ォータポンプの縦断面説明図である。 第２図は、第１図中のメカニカルシールのシールリング
の拡大断面説明図である。 第３図は、従来のカーボン製シールリングの縦断面説明
図である。 第４図は、第７図に示す実験装置を用いた実験で実測さ
れた、従来のカーボンシールリングと、タングステン系
金属の硬質被膜層を有するシールリングと、炭化珪素系
セラミックの硬質被膜層を有するシールリングの摩耗量
を比較して示した図である。 第５図は、タングステン系金属の硬質被膜層を有するシ
ールリングの摩耗量の硬質被膜層厚さに対する特性を示
す図である。 第６図は、炭化珪素系セラミックの硬質被膜層を有する
シールリングの摩耗量の硬質被膜層厚さに対する特性を
示す図である。 第７図は、種々のシールリングの摩耗量を測定するのに
用いられる実験装置である。。 第８図〜第１Ｏ図は夫々、硬質被膜層を有しないシール
リングと、タングステン系金属の硬質被膜層を有するシ
ールリングと、炭化珪素系セラミックの硬質被膜層を有
するシールリングの摺接面の荒れ状態を示す図である。 第１１図は、種々のシールリングの耐スカツフ性ないし
耐摩耗性の良否をみるために、ドライ摩擦状態（大気中
で摺動させる）において、メカニカルシールの回転数を
種々変えて、各シールリングのスカッフの発生の有無と
摩耗量とを測定した結果を示す図である。 ＷＰ・・・ウォータポンプ、Ｍ・・・メカニカルシール
、ｌ・・・駆動軸、２・・・インペラ、３・・・ポンプ
ハウジング、４・・・フローティングシート、５・・・
シールリング、５ａ・・・シールリング基材部、６・・
・摺接部、１２・・・硬質被膜層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウォータポンプの駆動軸とともに回転するフロー
   ティングシートと、ポンプハウジングに支持される一方
   上記フローティングシートと摺接して該摺接部で冷却水
   をシールするシール部材とが設けられたウォータポンプ
   用メカニカルシールにおいて、 フローティングシートを硬質材料で形成するとともに、
   シール部材基材部をカーボンで形成し、該シール部材基
   材部のフローティングシートとの摺接部に隣接する外周
   面に所定の厚さの硬質被膜層を設けたことを特徴とする
   ウォータポンプ用メカニカルシール。