(57)【要約】【課題】  メカニカルシールを冷却するとともに、メカニカルシールにおける異物の噛み込みを抑制する。【解決手段】  ウォータポンプは、ハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に支持されるシャフトと、前記シャフトの一端に取り付けられたインペラと、前記シャフトを回転可能に軸支する軸受部と、前記軸受部と前記インペラとの間に設けられたメカニカルシールと、前記メカニカルシールと前記インペラとの間に設けられ、前記インペラの背面、前記ハウジング、及び前記メカニカルシールによって形成される空間を、前記インペラ側の第１空間と前記メカニカルシール側の第２空間とに分割する分割構造と、を備え、前記分割構造は、前記第１空間と前記第２空間とを連通し、前記インペラの回転により前記第２空間内の流体が前記第１空間へと流れる第１連通部と、前記第１連通部よりも前記シャフト側に設けられ、前記第１空間と前記第２空間とを連通し、前記インペラの回転により前記第１空間内の流体が前記第２空間へと流れる第２連通部と、を備える。【選択図】図１
2020148187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内に回転可能に支持されるシャフトと、
前記シャフトの一端に取り付けられたインペラと、
前記シャフトを回転可能に軸支する軸受部と、
前記軸受部と前記インペラとの間に設けられたメカニカルシールと、
前記メカニカルシールと前記インペラとの間に設けられ、前記インペラの背面、前記ハウジング、及び前記メカニカルシールによって形成される空間を、前記インペラ側の第１空間と前記メカニカルシール側の第２空間とに分割する分割構造と、
を備え、
前記分割構造は、前記第１空間と前記第２空間とを連通し、前記インペラの回転により前記第２空間内の流体が前記第１空間へと流れる第１連通部と、前記第１連通部よりも前記シャフト側に設けられ、前記第１空間と前記第２空間とを連通し、前記インペラの回転により前記第１空間内の流体が前記第２空間へと流れる第２連通部と、を備えることを特徴とするウォータポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウォータポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関等のエンジンを冷却するクーラント（冷却水）を循環させるためにウォータポンプが用いられている。ウォータポンプは、例えば、ハウジング、ハウジング内に回転可能に支持されたシャフト、シャフトを軸支する軸受部、シャフトの先端に取り付けられ、ハウジング内部に形成されたポンプ室内に収容されるインペラ、及びポンプ室と軸受部とを隔離するメカニカルシールを備える。
【０００３】
例えば特許文献１では、メカニカルシールの温度上昇を抑制しつつ、異物の噛み込み等を防止するために、インペラとメカニカルシールとの間に形成される空隙室とポンプ室とを連通する通路をハウジングに設け、メカニカルシールの周囲に流体を積極的に循環させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０１０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ポンプ室においてインペラが駆動すると、ポンプ室内に負圧が発生する。これにより、ポンプ室と軸受部とを隔離するメカニカルシールに負圧が加わる。メカニカルシールに負圧が加わると、大気開放されたドレンポケットや蒸気穴から流入した砂などの異物が、メカニカルシールのシールリングとメイティングリングとの摺動面に噛み込まれる恐れがある。異物の噛み込みによって、シールリングとメイティングリングとの摺動面に面開きが生じたり、摺動面が摩耗したりすると、メカニカルシールの密封性能が低下し、水漏れ等が発生するおそれがある。
【０００６】
従来技術では、インペラの回転に伴う負圧の発生による、メカニカルシールの摺動面への異物の噛み込みが十分に抑制されていないおそれがある。
【０００７】
そこで、本明細書開示のウォータポンプは、メカニカルシールを冷却するとともに、メカニカルシールにおける異物の噛み込みを抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる課題を解決するために、本明細書に開示されたウォータポンプは、ハウジングと、前記ハウジング内に回転可能に支持されるシャフトと、前記シャフトの一端に取り付けられたインペラと、前記シャフトを回転可能に軸支する軸受部と、前記軸受部と前記インペラとの間に設けられたメカニカルシールと、前記メカニカルシールと前記インペラとの間に設けられ、前記インペラの背面、前記ハウジング、及び前記メカニカルシールによって形成される空間を、前記インペラ側の第１空間と前記メカニカルシール側の第２空間とに分割する分割構造と、を備え、前記分割構造は、前記第１空間と前記第２空間とを連通し、前記インペラの回転により前記第２空間内の流体が前記第１空間へと流れる第１連通部と、前記第１連通部よりも前記シャフト側に設けられ、前記第１空間と前記第２空間とを連通し、前記インペラの回転により前記第１空間内の流体が前記第２空間へと流れる第２連通部と、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書開示のウォータポンプによれば、メカニカルシールを冷却するとともに、メカニカルシールにおける異物の噛み込みを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（Ａ）は、第１の実施形態に係るウォータポンプの構成を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、第１の実施形態に係るウォータポンプの正面図である。
【図２】図２は、メカニカルシールの構成の一例を示す図である。
【図３】図３は、インペラが回転した場合の冷却水の流れを示す図である。
【図４】図４は、第２の実施形態に係るウォータポンプの構成を示す断面図である。
【図５】図５は、第２の実施形態の変形例に係るウォータポンプの構成を示す断面図である。
【図６】図６（Ａ）は、第３の実施形態に係るウォータポンプの構成を示す断面図であり、図６（Ｂ）は、第３の実施形態におけるシール部材の斜視図である。
【図７】図７（Ａ）は、第３の実施形態の変形例に係るウォータポンプの構造を示す断面図であり、図７（Ｂ）は、第３の実施形態の変形例におけるシール部材の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。
≪第１の実施形態≫
【００１２】
図１（Ａ）は、第１の実施形態に係るウォータポンプ１００の構成を示す断面図であり、図１（Ｂ）は、第１の実施形態に係るウォータポンプ１００の正面図である。図２は、メカニカルシールの構成の一例を示す図である。
【００１３】
ウォータポンプ１００は、ハウジング１と、ハウジング１内に回転可能に支持されたシャフト２と、シャフト２の一端に取り付けられたインペラ４と、を備える。ハウジング１の内周面の一部には軸受部５（例えば、ボールベアリング）が設けられており、シャフト２はこの軸受部５によって回転可能に軸支されている。ウォータポンプ１００のハウジング１を内燃機関のシリンダブロック７の側部に図示しないボルト等によって取り付けることによって、ポンプ室１４が形成される。
【００１４】
インペラ４は、ポンプ室１４内に収容されている。そして、エンジン出力軸などの外部の動力源の駆動力が、シャフト２の他端に取り付けられたプーリ３を通じてシャフト２に伝達される。この駆動力によってシャフト２が回転することにより、シャフト２と共にインペラ４が回転してポンプ室１４内に周方向の圧力流が形成される。その結果、ウォータポンプ１００の正面方向にあたる吸入ポート１４Ａを通じてポンプ室１４に吸入された冷却水等の流体は、ポンプ室１４内で加圧されつつ吐出ポート１４Ｂ（図１（Ｂ）参照）から吐出され、外部の流体通路に供給される。
【００１５】
また、ウォータポンプ１００には、シャフト２を軸支する軸受部５とインペラ４との間に、ハウジング１の内周面とシャフト２との間の隙間をシールして、流体がインペラ４側から軸受部５側へ浸入することを防止するためのメカニカルシール６が設けられている。
【００１６】
メカニカルシール６は、その全体が円筒状をなしており、図２に示すように、シャフト２の外周面に圧入嵌合されるステンレス鋼からなる回転側支持部材６１と、ハウジング１の内壁に圧入嵌合されるステンレス鋼からなる固定側支持部材６４とを備える。回転側支持部材６１には、回転側支持部材６１の一部であるフランジ６１Ａに固定された緩衝ゴム６２を介して例えばセラミックスからなる回転側シール部材としてのメイティングリング６３が設けられている。
【００１７】
固定側支持部材６４には、シャフト２の軸方向及び径方向に所定の自由度を持って例えばカーボンからなる固定側シール部材としてのシールリング６７を支持するためのパッキン６５及びスプリング６６が設けられている。スプリング６６による付勢力によってシールリング６７がメイティングリング６３に押圧されつつ、その押圧力が緩衝ゴム６２によって受け止められることで、シールリング６７とメイティングリング６３とによる軸封、すなわちハウジング１の内周面とシャフト２との間のシーリングが図られる。
【００１８】
インペラ４とメカニカルシール６との間には、インペラ４の背面、ハウジング１、及びメカニカルシール６とにより形成される空間を、インペラ４側の第１空間１４１とメカニカルシール６側の第２空間１４２とに分割する分割構造１０が設けられている。第１の実施形態において、分割構造１０は、略円盤状の分割板１０１であり、分割板１０１は、例えば、シリンダブロック７に溶接又はボルト等により固定されている。分割構造１０により、インペラ４の回転によって生じるメカニカルシール６周辺の圧力変動が抑制できる。すなわち、メカニカルシール６に負圧が加わることを抑制できるため、メカニカルシール６の摺動面６９に異物が噛み込まれることを抑制できる。
【００１９】
また、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、分割構造１０（分割板１０１）には、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通する第１連通孔１１と、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通する第２連通孔１２と、が形成されている。第２連通孔１２は、第１連通孔１１よりもシャフト２側に設けられている。第１連通孔１１は、第１連通部の一例であり、第２連通孔１２は、第２連通部の一例である。
【００２０】
図３は、インペラ４が回転した場合の冷却水の流れを示す図である。図３において、太線の矢印は、冷却水の流れを示している。
【００２１】
インペラ４が回転すると、インペラ４の回転により第２空間１４２に発生する遠心力により、図３に示すように、第１連通孔１１を介して第２空間１４２から冷却水が排出される。冷却水の排出に伴って、シャフト２側の第２連通孔１２から、第１空間１４１内の冷却水が、第２空間１４２に導入される。これにより、冷却水が循環し、メカニカルシール６を冷却することができる。また、冷却水は、シャフト２側の第２連通孔１２から第２空間１４２に流入し、シャフト２の径方向外側に向かい、第１連通孔１１から排出される。したがって、仮に異物が侵入した場合でも、異物の排出が容易となる。これにより、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みをより抑制できる。
【００２２】
なお、上記第１の実施形態では、分割構造１０の分割板１０１をシリンダブロック７に固定していたが、分割板１０１をシャフト２に圧入し、シャフト２に固定してもよい。この場合、分割板１０１は、シャフト２と共に回転する。
≪第２の実施形態≫
【００２３】
図４は、第２の実施形態に係るウォータポンプ１００Ａの構成を示す断面図である。第２の実施形態は、図４に示すように、第２空間１４２の内周面１４２Ａが、吸入ポート１４Ａに近くなるほど径が拡大するテーパ形状を有している点が、第１の実施形態と異なる。すなわち、第２空間１４２を形成するハウジング１及びシリンダブロック７の内周面が、テーパ形状を有している。これにより、太線矢印で示すように、第２連通孔１２から流入した冷却水を第１連通孔１１からスムーズに排出することができるため、メカニカルシール６の冷却性能を向上させることができる。また、異物が侵入した場合でも、第１連通孔１１から異物を容易に排出することができる。また、分割構造１０により、メカニカルシール６に負圧が加わるのを抑制できるため、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みを抑制することができる。
≪第２の実施形態の変形例≫
【００２４】
図５は、第２の実施形態の変形例に係るウォータポンプ１００Ａ１の構成を示す断面図である。図５に示すように、変形例においても、第２空間１４２の内周面１４２Ａは、吸入ポート１４Ａに近くなるほど径が拡大するテーパ形状を有している。
【００２５】
変形例において、分割構造１０Ａが備える分割板１０１Ａは、シャフト２に圧入され固定されている。また、図５に示すように、分割板１０１Ａには、第２連通孔１２が設けられているが、第１連通孔１１が設けられていない。分割板１０１Ａは、分割板１０１Ａと第２空間１４２の内周面１４２Ａとの間に圧力変動を抑制できる微小隙間１３が形成されるように配置される。微小隙間１３は、第１連通部の一例であり、第２連通孔１２は、第２連通部の一例である。
【００２６】
ウォータポンプ１００Ａ１においてインペラ４が回転すると、遠心力により、第２空間１４２内の冷却水が微小隙間１３を介して排出され、第２連通孔１２から冷却水が導入される。これにより、メカニカルシール６を冷却することができる。また、分割構造１０Ａにより、メカニカルシール６に負圧が加わるのを抑制できるため、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みを抑制することができる。
≪第３の実施形態≫
【００２７】
図６（Ａ）は、第３の実施形態に係るウォータポンプ１００Ｂの構成を示す断面図である。図６（Ａ）に示すように、ウォータポンプ１００Ｂにおいて、分割構造１０Ｂは、分割板１０１Ｂと、シール部材２０Ａとを備える。
【００２８】
分割板１０１Ｂのハウジング１側の端部には、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通する第１連通孔１１が形成されている。分割板１０１Ｂは、例えば溶接によりシリンダブロック７に固定されている。
【００２９】
シール部材２０Ａは、例えば、ゴム製、樹脂製であり、シール部材２０Ａの外周面には、図６（Ｂ）に示すように、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通するように、斜めの溝２０１が複数形成されている。なお、図６（Ｂ）は、シール部材２０Ａを圧入等によりシャフト２に固定する場合の溝２０１の一例を示す図である。シール部材２０Ａを分割板１０１Ｂに固定する場合、溝２０１は、シール部材２０Ａの内周面に形成されることが好ましい。第１連通孔１１は、第１連通部の一例であり、溝２０１は、第２連通部の一例である。
【００３０】
なお、シール部材２０Ａを分割板１０１Ｂに固定する場合、シャフト２とシール部材２０Ａの内周面との間に、第２空間１４２内の圧力変動を抑制できる程度の微小隙間が空いていてもよい。
【００３１】
ウォータポンプ１００Ｂにおいてインペラ４が回転すると、遠心力により、第２空間１４２内の冷却水が第１連通孔１１を介して排出され、シール部材２０Ａの外周面に設けられた溝２０１のポンプ作用によって冷却水が導入される。これにより、冷却水が循環し、メカニカルシール６を冷却することができる。また、分割構造１０Ｂにより、メカニカルシール６に負圧が加わるのを抑制できるため、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みを抑制することができる。
≪第３実施形態の変形例≫
【００３２】
図７（Ａ）は、第３の実施形態の変形例に係るウォータポンプ１００Ｂ１の構造を示す断面図である。ウォータポンプ１００Ｂ１において、分割構造１０Ｂ１は、分割板１０１Ｂ１と環状のシール部材２０Ｂとを備える。
【００３３】
分割板１０１Ｂ１は、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通する第２連通孔１２を備え、例えば圧入によりシャフト２に固定されている。
【００３４】
シール部材２０Ｂは、例えば、ゴム製、樹脂製であり、シール部材２０Ｂの内周面には、図７（Ｂ）に示すように、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通するように、斜めの溝２０２が複数形成されている。なお、図７（Ｂ）は、シール部材２０Ｂをシリンダブロック７に固定する場合の溝２０２の一例を示している。シール部材２０Ｂを分割板１０１Ｂ１に固定する場合、溝２０２は、シール部材２０Ｂの外周面に形成されるのが好ましい。溝２０２は、第１連通部の一例であり、第２連通孔１２は、第２連通部の一例である。
【００３５】
ウォータポンプ１００Ｂ１においてインペラ４が回転すると、遠心力により、第２空間１４２内の冷却水がシール部材２０Ｂの内周面に設けられた溝２０２のポンプ作用によって排出され、第２連通孔１２を介して冷却水が導入される。これにより、冷却水が循環し、メカニカルシール６を冷却することができる。また、分割構造１０Ｂ１により、メカニカルシール６に負圧が加わるのを抑制できるため、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みを抑制することができる。
【００３６】
以上、詳細に説明したように、第１の実施形態〜第３の実施形態及びその変形例によれば、ウォータポンプ（１００、１００Ａ、１００Ａ１、１００Ｂ、１００Ｂ１）は、ポンプ室１４を形成するハウジング１と、ハウジング１内に回転可能に支持されるシャフト２と、シャフト２の一端に取り付けられ、ポンプ室１４内に収容されるインペラ４と、シャフト２を回転可能に軸支する軸受部５と、軸受部５とインペラ４との間に設けられたメカニカルシール６と、メカニカルシール６とインペラ４との間に設けられ、インペラ４の背面、ハウジング１、及びメカニカルシール６によって形成される空間を、インペラ４側の第１空間１４１とメカニカルシール６側の第２空間１４２とに分割する分割構造（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂ１）と、を備える。分割構造（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂ１）は、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通し、インペラ４の回転により第２空間１４２内の流体が第１空間１４１へと流れる第１連通孔１１又は溝２０２（第１連通部）と、第１連通孔１１又は溝２０２よりもシャフト２側に設けられ、第１空間１４１と第２空間１４２とを連通し、インペラ４の回転により第１空間１４１内の流体が第２空間１４２へと流れる第２連通孔１２又は溝２０１（第２連通部）と、を備える。
【００３７】
分割構造（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂ１）が設けられていない場合、インペラ４の駆動によりポンプ室１４内に発生した負圧によって、メカニカルシール６にも負圧が加わり、大気開放されたドレンポケットや蒸気穴から流入した砂などの異物が、メカニカルシール６のシールリング６７とメイティングリング６３との摺動面６９（図２参照）に噛み込まれる恐れがある。異物の噛み込みによって、摺動面６９に面開きが生じたり、摺動面６９が摩耗したりすると、メカニカルシール６の密封性能が低下し、水漏れ等が発生するおそれがある。
【００３８】
第１の実施形態〜第３の実施形態及びその変形例によれば、分割構造（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｂ１）により、メカニカルシール６に負圧が加わるのを抑制できるため、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みを抑制することができる。また、インペラ４が回転すると、遠心力により、第２空間１４２内の冷却水が、第２連通部よりもシャフト２の径方向外側にある第１連通部を介して排出され、第２連通部を介して冷却水が導入される。これにより、冷却水が循環し、メカニカルシール６を冷却することができる。さらに、仮に異物が侵入した場合でも、シャフト２側の第２連通部から第２空間１４２に流入した冷却水は、シャフト２の径方向外側に向かい、第１連通部から排出されるため、異物の排出が容易となり、メカニカルシール６の摺動面６９への異物の噛み込みをより抑制できる。
【００３９】
上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【符号の説明】
【００４０】
１  ハウジング
２  シャフト
４  インペラ
５  軸受部
６  メカニカルシール
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｂ１  分割構造
１１  第１連通孔
１２  第２連通孔
１４  ポンプ室
２０Ａ，２０Ｂ  シール部材
１００，１００Ａ，１００Ａ１，１００Ｂ，１００Ｂ１  ウォータポンプ
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ，１０１Ｂ１  分割板
１４１  第１空間
１４２  第２空間
２０１，２０２  溝
【図１】
2020148187.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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