KR100836498B1

KR100836498B1 - 메카니칼 씰

Info

Publication number: KR100836498B1
Application number: KR1020060132259A
Authority: KR
Inventors: 마키토 오카모토; 유스케 야마나카
Original assignee: 지엠비 가부시끼가이샤; 지엠비코리아 주식회사
Priority date: 2006-05-10
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-09
Also published as: JP4219374B2; EP1855035A1; RU2007117303A; US20080036154A1; KR20070109788A; TW200801375A; JP2007303328A; CN101070909A

Abstract

두께가 크면, 예를 들면 수냉식 엔진의 워터 펌프에 조립되는 경우에 워터 펌프가 커지는 것으로 엔진 소형화에 지장이 되었다.

회전 가능하게 지지되는 회전축에 부착되어서 회전축과 함께 회전하는 제1케이스 부재와, 회전축을 지지하고 있는 부재에 부착되어서 제1케이스 부재와 사이에 공간을 형성하는 제2케이스 부재와, 제1케이스 부재에 부착되는 제1 씰 부재와, 제2케이스 부재에 부착되는 압축(付勢)부재와, 제1 씰 부재와 동심으로 배치되어서 압축부재에 의하여 회전축의 축방향에 압축되어서 제1 씰 부재에 밀어붙이는 제2 씰 부재와 압축부재에 압축력을 제2 씰 부재에 전달하는 전달부재를 갖추어 압축부재가, 제2 씰 부재와 동심으로, 또 제2 씰 부재의 반경방향에 배치된다.

수냉식 엔진, 워터펌프, 메카니칼, 씰

Description

메카니칼 씰{Mechanical Seal}

도 1은 본 발명의 실시형태를 나타내는 사시도(斜視圖)

도 2는 동 실시형태의 사용상태를 나타내는 단면도

도 3은 동 실시형태의 단면도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. 제1케이스 부재 2. 제2케이스 부재

3. 제1 씰 부재 4. 웨이브 스프링

5. 제2 씰 부재 6. 전달부재

WP1. 임펠러 WP2. 베어링

WP3. 회전축

본 발명은 예를 들면 자동차에 탑재되는 수냉식 엔진(이하, 엔진라고 한다)의 워터 펌프에 있어서 사용되는 메카니칼 씰에 관한 것이다.

종래 엔진 냉각수를 라디에이터와 엔진의 워터 재킷간에 순환하기 위한 워터 펌프는 엔진의 실린더 블록에 부착되는 바디와 그 바디 내에 고정되는 회동축(回動軸)을 가진 베어링 장치와 회동축의 엔진측단부에 부착되는 임펠러와 임펠러 측에서 냉각수가 베어링 측에 이동하는 것을 저지하는 메카니칼 씰과 바디에서 돌출한 회동축의 외측단부에 부착된 구동용 풀리를 부착하기 위한 플랜지를 갖추었다.

이러한 구성인 워터 펌프에 있어서, 메카니칼 씰은 케이스와 그 내부에 부착되는 복수의 씰 부재와 씰 부재가 서로 밀착하도록 압축(付勢)하는 스프링 등으로 구성되어 있다.

이러한 메카니칼 씰로는, 예를 들면 일본 특허 문헌1(특개평11-315935호)에 기재된 것과 같이 씰 부재 용적을 작게 하는 것과 함께 축 회전력의 효율을 좋게하여 씰 부재에 전달하도록 케이스를 구성하는 부재를 씰 부재의 홈부에 결합(係合)시키는 것이 알려져 있다.

(특허문헌 1 : 특개평11-315935호 공보)

그런데 최근 자동차 엔진은 보조기기류(補機類)가 증가되고 있는 동시에 엔진 룸의 크기가 제한되기 때문에 작게 하는 것이 요구되어 있다.

이 때문에 워터 펌프에 대해서도 그 조립위치의 실린더 블록이 부분적으로 크게 외측으로 팽창하지 않는 것이 바람직하다.

이 경우 엔진 실린더 블록에 조립되면 상술한 메카니칼 씰이 축방향으로 길 어지게 된다.

즉 두께가 두꺼운 것에 의한 실린더 블럭 외벽이 팽창하는 부분이 커진다.

이 결과 부분적으로 엔진과 엔진 룸과의 간격이 좁아지는 곳이 형성되어서 엔진 룸을 크게 할 필요가 생긴다.

그래서 본 발명은 이러한 단점을 해소하는 것을 목적으로 한다.

즉 본 발명의 메카니칼 씰은 회전가능하게 지지 된 회전축에 부착되는 회전축과 함께 회전하는 제1케이스 부재와 회전축을 지지하고 있는 부재에 부착되어서 제1케이스 부재와의 사이에 공간을 형성하는 제2케이스 부재와, 제1케이스 부재에 부착되는 제1 씰 부재와, 제2케이스 부재에 부착되는 압축부재와, 제1 씰 부재와 동심으로 배치되어서 압축부재에 의하여 회전축의 축방향에 압축되어서 제1 씰 부재에 밀어붙이는 제2 씰 부재와, 압축부재의 압축력을 제2 씰 부재에 전달하는 전달부재를 갖추게 되어서, 압축부재가 제2 씰 부재와 동심으로, 또 제2 씰 부재의 반경방향에 배치되는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면 압축부재가 제1 씰 부재 및 제2 씰 부재 두께 방향에 양자와 직렬인 상태로 배치되는 것이 아니다.

따라서 두께 방향의 치수를 작게 하는 것이 가능하게 된다.

이 때문에, 예를 들면 워터 펌프에 사용하는 경우에 있어서는 임펠러와 베어링 간의 거리를 단축하는 것을 가능하게 하기 위하여, 워터 펌프의 회전축 방향 치 수를 작게 할 수 있다.

조립을 효율적으로 하기 위하여, 압축부재가 제2 씰 부재의 외측에 위치하는 것이 바람직하다.

압축부재로서는 일정한 힘으로 형상이 변형해도 그 힘을 제거하는 것으로 인해 원래 형상에 복원하는 탄성을 가지는 것이라면 좋다.

예를 들면 압축스프링인 웨이브 스프링이 있다.

또한 압축부재로서는 코일스프링도 좋다.

이하 본 발명의 일례 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

이 메카니칼 씰(MS)은 도 1에 나타내 듯이 자동차용 수냉식 엔진(EG)의 워터 펌프(WP)에 조립되는 것이다.

메카니칼 씰(MS)은 워터 펌프(WP)의 임펠러(WP1)와 베어링(WP2)과의 사이인 회전축(WP3)에 부착되는 것이고, 엔진(EG)의 워터재킷(WJ) 내의 냉각수가 베어링(WP2)에 도달하지 않도록 회전축(WP3, WP4)의 부착부분을 밀폐하는 것이다.

메카니칼 씰(MS)은 워터 펌프(WP)의 펌프 바디(WP5)에 회전가능하게 지지되는 회전축(WP3)에 부착되어서 회전축(WP3)과 함께 회전하는 제1케이스 부재(1)와, 회전축(WP3)을 지지하고 있는 부재인 펌프 바디(WP5)에 부착되어서 제1케이스 부재(1)와의 사이에 공간을 형성하는 제2케이스 부재(2)와, 제1케이스 부재(1)에 부착되는 제1 씰 부재(3)와, 제2케이스 부재(2)에 부착되는 압축부재인 웨이브 스프링(4)과, 제1 씰 부재(3)와 동심으로 배치되어서 웨이브 스프링(4)에 의하여 회전축(WP3)의 축 방향에 압축되어서 제1 씰 부재(3)에 밀어붙이는 제2 씰 부재(5)와, 웨이브 스프링(4)의 압축력을 제2 씰 부재(5)에 전달하는 전달부재(브릿지)(6)와, 제1 씰 부재(3)를 제1케이스 부재(1)에 부착되는 링[원환(圓環):이하 '링'이라 함] 형상 부착부재(7)와, 제2케이스 부재(2)와 전달부재(6)와의 사이에 부착되는 벨로즈(8)를 갖추고 있다.

메카니칼 씰(MS)을 구성하는 각각 부재들은 거의 원통 형상 또는 거의 링 형상을 하고, 그 중심을 회전축(WP3)의 축심에 맞추어 배치되는 것이다.

제1케이스 부재(1)는 원통 형상으로 되어 있고, 회전축(WP3)의 외경과 거의 같은 내경을 가지고 있다.

또한 제1케이스 부재(1)의 한쪽 단부(端部)에는 플랜지(1a)가 형상되는 동시에 플랜지(1a)에서 외측에 돌출하는 결합돌기(1b)가 서로 떨어[이간(離間)]져서 3개소에 형성되어 있다.

플랜지(1a)는 부착부재(7)를 부착하기 위한 것이고, 그 외경은 제1실 부재(3)의 외경보다 작게 설정되어 있다.

그리고 결합돌기(1b)가 제1 씰 부재(3)의 제1케이스 부재(1)로부터 누락되는 것을 방지하고 있다.

이 제1케이스 부재(1)의 플랜지(1a)와는 반대의 경사단부(1c)는 전달부재(6)가 누락하지 않도록 외측, 바꾸어 말하면 회전축(WP3) 중심과는 반대방향으로 굽히는 것으로 형성하는 것이다.

부착부재(7)는 제1 씰 부재(3)에 대해서 완충재(緩衝材)로도 가능한 것으로, 예를 들면 고무 같은 탄성을 가지는 소재다.

제2케이스 부재(2)는 제1케이스 부재(1) 보다 큰 지름[대경(大徑)]의 원통부재로부터 되어져, 한쪽 단부에 취부용 플랜지(2a)를 가지고, 다른 한쪽 단부에 웨이브 스프링(4)을 수납하는 환상요부(凹部)(2b)를 가지는 것이다.

제2케이스 부재(2) 외경은 펌프 바디(WP5)의 베어링부(WP6)의 내경과 거의 같기 때문에, 제2케이스 부재(2)를 베어링(WP6)에 끼워넣는 것으로 메카니칼 씰(MS)이 워터 펌프(WP)에 조립되도록 되어 있다.

또, 제2케이스 부재(2)는 제1케이스 부재(1)에서 그 내경이 다른 쪽 단부 이외에 있어서 큰 지름이기 때문에 제1케이스 부재(1)와 동심으로 배치한 경우에 제1케이스 부재(1)와의 사이에 공간을 형성하는 것으로 된다.

그리고 그 형성된 공간 내에 제1 및 제2 씰 부재(3, 5), 부착부재(7), 전달부재(6), 웨이브 스프링(4) 및 벨로즈(8)가 배치될 것이다.

제1 씰 부재(3)는 링 형상을 한 내구성과 강도를 가지는, 예를 들면 세라믹 등의 소재로 되어, 부착부재(7)를 통해서 제1케이스 부재(1)의 플랜지(1a)에 부착되는 것이고, 펌프 바디(WP5)에 대해서는 제1 케이스 부재(1)와 같이 회전축(WP3)의 회전에 맞추어 회전하는 것이다.

제2 씰 부재(5)는 링 형상이 되어, 예를 들면 탄소 같은 내 마모성능이 좋은 소재로부터 되는 것이고, 제1 씰 부재(3)에 웨이브 스프링(4)의 압축력에 의해서 항상 밀착하도록 압축되어 있다.

제1 씰 부재(3)와 제2 씰 부재(5)는 회전축(WP3)의 축 중심을 동심으로 해서 회전축 방향에 2중으로 결합하게 배치되는 것이다.

제2 씰 부재(5)는 제1 씰 부재(3)와 밀착하는 단부(5a)와는 반대방향의 단부(5b)를 벨로즈(8)를 통해서 전달부재(6)에 의하여 지지되는 것이다.

이 실시형태에 있어서 제2 씰 부재(5)는 그 벨로즈(8) 측 단부(5b)가 제1 씰 부재(3)와 밀접하는 단부(5a)에 비해서 반경방향으로 폭이 넓게 되어서, 예를 들면 5개소에 있어서 절취부(5c)가 형성되어있다.

이 절취부(5c)는 전달부재(6) 단부에 설치되는 멈춤쇠(6a)가 여유를 가지고 결합되게 하는 것이다.

전달부재(6)는 거의 원통 형상을 하고, 그 한쪽 단부에 외측에 연장된 외(外)플랜지(6b)를 갖추어 다른 한쪽 단부에 내측에 연장된 내(內)플랜지(6c)를 갖춘다.

외플랜지(6b)는 웨이브 스프링(4)를 누르기에 충분한 면적을 가지고, 내플랜지(6c)는 제2씰 부재(5)를 지지하기에 충분한 면적을 가지며, 반대방향에 대하여 서로 떨어지게 하고, 예를 들면 5개소에 멈춤쇠(6a)를 가지고 있다.

그리고 내플랜지(6c)의 내면(6d)는 제1 씰 부재(1)의 경사단부(1c)와 대응하도록 내측에 경사되어 있고, 전달부재(6)를 조립한 상태에 있어서 경사단부(1c)와 서로 떨어지게 한 상태로 2중으로 결합되게 한다.

웨이브 스프링(4)은 해당 분야에서 넓게 알려져 있는 것을 사용할 수 있는 것이고, 예를 들면 파형으로 형성된 얇고 좁은 판스프링 강철을 나선 모양으로 감아서 형성하는 것이고, 압축 상태로 힘을 발휘하는 것이다.

웨이브 스프링(4)은 그 한쪽 단부를 제2케이스 부재(2) 환상요부(2a) 에 고정하는 것도 좋다.

이 웨이브 스프링(4)은 제2 씰 부재(5)의 중심을 통과하는 선분, 다시 바꿔서 말하면 회전축(WP3)의 축선상에 그 중심을 두고, 제2 씰 부재(5)에서 외측에 간격을 두고 배치되는 것이다.

벨로즈(8)는 제2케이스 부재(2)와 전달부재(6)와의 사이에 배치되어, 워터 재킷(WJ) 내의 냉각수가 웨이브 스프링(4)에 도달하는 것, 즉 냉각수가 워터 펌프(WP)의 베어링(WP2)에 도달하는 것을 저지하는 것이다.

벨로즈(8)는 그 외측 주위부분(8a)을 제2케이스 부재(2)의 플랜지(2a)에 감는 것처럼 제2케이스 부재(2)에 부착되는 것이고, 그 내측 주위부분(8b)을 제2 씰 부재(5)와 전달부재(6)의 내플랜지(6c)에 의해 끼워져 지지 된다.

벨로즈(8)의 전달부재(6) 측에 단부(8b)에 내부벽에는 환상홈(8c)이 형성되어 있고, 제2 씰 부재(5)가 결합하도록 되어 있다.

따라서 제2 씰 부재(5)는 조립시에 그 환상홈(8c)에 끼워 넣어지는 것으로 벨로즈(8)에 지지되는 것이다.

이러한 구성에 있어서, 메카니칼 씰(MS)은 이하 요령으로 조립된다.

우선 제1 씰 부재(3)에 부착부재(7)를 부착하고, 부착부재(7)의 탄성을 이용해서 제1 씰 부재(3)를 제1케이스 부재(1)에 조립한다.

그 다음에 전달부재(6)에 벨로즈(8)를 조립하고 전달부재(6)에 조립한 벨로 즈(8)에 그 환상홈(8c)에 제2 씰 부재(5)를 끼워넣고 조립한다.

이렇게 해서 일체화한 전달부재(6), 벨로즈(8) 및 제2 씰 부재(5)를 제1 씰 부재(3)과 일체화시킨 제1케이스 부재(1)에 조립한다.

그리고 그 후, 제1케이스 부재(1)의 경사단부(1c)는 전달부재(6)를 향해서 끼운다.

이에 의하여 제1케이스 부재(1)에 전달부재(6)을 마음대로 회전한 상태로 일체화하는 것이다.

즉 제2 씰 부재(5)와 벨로즈(8)는 제1 씰 부재(3)를 부착한 제1케이스 부재(1)에서 이탈하지 않는 것이다.

이 후, 웨이브 스프링(4)을 부착한 제2케이스 부재(2)를 제1케이스 부재(1), 제1 씰 부재(3), 제2 씰 부재(5), 전달부재(6) 및 벨로즈(8)을 일체화시킨 조립품에 전달부재(6)의 외플랜지(6b)에 밀어붙이듯이 끼워넣는다.

그리고 제2케이스 부재(2)의 플랜지(2a)에 벨로즈(8)의 외주부분을 감아주고 조립을 완료한다.

이상과 같이 제1케이스 부재(1)와 제2케이스 부재(2)와의 개별 조립을 완료한 후 양자를 결합한다.

즉, 제2 씰 부재(5), 웨이브 스프링(4), 전달부재(6) 및 벨로즈(8)를 조립한 제2케이스 부재(2)의 전달부재(6)의 내플랜지(6c)의 내면(6d)에 내측에 제1 씰 부재(3) 및 부착부재(7)를 조립한 제1케이스 부재(1)의 경사단부(1c)를 삽입하고 결합한다.

이 상태에서 웨이브 스프링(4)에 의하여 제1 씰 부재(3) 및 제2 씰 부재(5)를 통하여 제1케이스 부재(1)가 제2케이스 부재(2)에서 떨어진 것 같이 이동하지만, 제1케이스 부재(1)의 경사단부(1c)가 전달부재(6)의 내플랜지(6c)의 내면(6d)에 접촉함으로써, 제1케이스 부재(1)가 제2케이스 부재(2) 측에서 돌출하는 일이 없다.

이렇게 해서 조립한 메카니칼 씰(MS)은 펌프 바디(WP5)의 베어링(WP2)에 의하여 회전축(WP3)이 회전가능하게 부착된 상태에서 워터 펌프(WP)에 조립된다.

이 경우 제2케이스 부재(2) 측이 펌프 바디(WP5)의 소정위치에, 제1케이스 부재(1) 측이 회전축(WP3) 소정위치에 각각 도달되도록 메카니칼 씰(MS)을 회전축(WP3)에 따라 압입시키는 것이다.

제1케이스 부재(1) 측 및 제2케이스 부재(2) 측이 각각의 소정위치에 배치되면, 제1케이스 부재(1) 측 및 제2케이스 부재(2) 측이 각각 회전축(WP3)의 축방향 위치를 고정시킨 상태가 된다.

이 상태에 있어서 웨이브 스프링(4)이 제2 씰 부재(5)를 제1 씰 부재(3)에 향해서 스프링력에 의하여 압축하기 때문에 제1케이스 부재(1)의 경사단부(1c) 전달부재(6)의 내플랜지(6c) 내면(6d)에는 접촉하지 않는 상태가 유지되는 것과 동시에, 제1 씰 부재(3)와 제2 씰 부재(5)와는 수밀(水密)하게 밀접하고 있는 상태로 유지된다.

또한 웨이브 스프링(4)는 이 사용 전 부착상태에서 제1 씰 부재(3)과 제2 씰 부재(5)와의 적어도 한쪽이 마모된 경우에 제1 씰 부재(3)와 제2 씰 부재(5)와의 밀접도(密接度)가 거의 초기상태 정도에 유지되도록 조정하고 있는 것이다.

이 메카니칼 씰(MS)가 조립되어서 엔진(EG)에 조립된 워터 펌프(WP)가 작동하면, 회전축(WP3)가 회전하고 임펠러(WP1)가 회전하고, 냉각수가 워터 재킷(WJ)을 통해서 엔진(EG)의 도면에 표시하지 않는 냉각계를 순환한다.

회전축(WP3)이 회전하는 것으로, 제1 씰 부재(3)는 회전하고 제2 씰 부재(5)는 정지하고 있다.

냉각수는 제1 씰 부재(3), 제2 씰 부재(5) 및 벨로즈(8)에 의해서 워터 재킷(WJ)측과 베어링(WP2) 측이 격리되어 있어서 냉각수는 워터 재킷(WJ) 측에서 베어링(WP2) 측에 누설할 일이 없다.

이렇게 메카니칼 씰(MS)에 있어서, 제2 씰 부재(5)를 제1 씰 부재(3)에 향해서 압축하는 웨이브 스프링(4)을 제2 씰 부재(5)에서 떨어진 외측 위치에 동심에 배치했기 때문에 메카니칼 씰(MS)의 축방향 두께를 종래 있었던 것에 비교해서 약1/2 정도로 감소시킬 수 있다.

이 결과 워터 펌프(WP)의 회전축(WP3)을 짧게 할 수 있어서, 엔진(EG)를 소형화할 수 있다.

이 때문에 자동차 바디 형상의 자유도를 높게 할 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 있어서는 웨이브 스프링(4)을 제2 씰 부재(5) 및 제1 씰 부재(3)의 외측에 배치한 것을 설명했지만, 웨이브 스프링(4)을 제2 씰 부재(5) 및 제1 씰 부재(3)의 내측에 배치하는 것도 좋다.

즉 본 발명은 웨이브 스프링(4)과 코일 스프링 등 압축부재를 제1 씰 부재(3) 및/또는 제2 씰 부재(5)의 측방(외측 또는 내측)에 배치한다.

즉, 압축부재와 제1 씰 부재(3) 및/또는 제2 씰 부재(5)와의 두께 방향의 적어도 일부가 제1 씰 부재(3) 및/또는 제2 씰 부재(5)와의 측방에 있어서 겹치도록 해서 배치하는 것이다.

구체적으로는 예를 들면 압축부재 두께 범위 내로 된 압축부재의 내측위치에 압축부재와 서로 떨어져서 제2 씰 부재(5)를 동심으로 배치하거나 혹은 제1 씰 부재(3)와 제2 씰 부재(5)와 합계 두께의 범위 내로 된 제1 씰 부재(3) 및 제2 씰 부재(5)의 외측에 있어서 위치에 압축부재를 동심으로 배치하는 것이다.

이러한 배치에 있어서 압축부재의 압축력을 전달부재(6)에 의하여 제2 씰 부재(5)에 전달할 수 있도록 구성하는 것이다.

그리고 이러한 구성에 의하여 회전축 방향에 제1 씰 부재(3), 제2 씰 부재(5) 및 압축부재의 두께가 겹칠 수 있도록 배치되는 것을 회피하는 것으로서, 메카니칼 씰(MS)의 회전축 방향 두께를 얇게 할 수 있는 구성으로 하는 것이다.

기타, 각부의 구체적 구성에 대해서도 상기 실시 형태에 한해지는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위로 종종 변형이 가능하다.

본 발명은 상기의 설명한 것과 같은 구성이고 압축부재가 제1 씰 부재 및 제2 씰 부재의 두께 방향에, 양자와 직렬인 상태에 배치되는 것이 아니기 때문에, 압축부재의 두께 치수만 종래와 비교해서 두께 방향의 치수를 작게 할 수 있다.

Claims

회전가능하게 지지된 회전축에 부착된 회전축과 함께 회전하는 제1케이스 부재와, 회전축을 지지하고 있는 부재에 부착되어서 제1케이스 부재와 사이에 공간을 형성하는 제2케이스 부재와, 제1케이스 부재에 부착되는 제1 씰 부재와, 제2케이스 부재에 부착되는 압축부재와, 제1 씰 부재와 동심으로 배치되어 압축부재에 의하여 회전축의 축 방향에 압축되어서 제1 씰 부재에 밀어붙이는 제2 씰 부재와, 압축부재의 압축력을 제2 씰 부재에 전달하는 전달부재를 갖추고, 압축부재가 제2 씰 부재와 동심 및 제2 씰 부재의 반경방향에 배치되는 메카니칼 씰.
청구항 1에 있어서, 압축부재가 제2 씰 부재 외측에 위치한 메카니칼 씰.
청구항 1 또는 2에 있어서, 압축부재가 웨이브 스프링인 메카니칼 씰.