(57)【要約】【課題】規格品のメカニカルシールを使用したウォータポンプにおいて、ポンプ効率とシール性能とを高める。【解決手段】回転軸２５のうちメカニカルシール２７が嵌まっている中間径部２５ｂは、メカニカルシール２７の規格に合わせた外径であり、インペラ２６は小径部２５ｃに固定している。インペラ２６とメカニカルシール２７との間には容積室３１が形成されており、小径部２５ｃは、容積室３１に入り込んでメカニカルシール２７の近くに至っている。インペラ２６は小径部２５ｃに固定しているため、インペラ２６の入口部３４の容積を大きくしてポンプ効率を向上できる。また、メカニカルシール２７の嵌め込み時の傷付きを防止できることと、異物の噛み込みを容積室３１で防止できることとにより、シール性能を向上できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ室に位置した一端部にインペラを固定している回転軸と、前記回転軸を前記インペラよりも他端部の側において軸受けにて回転自在に保持するハウジングと、前記インペラと軸受けとの間に配置した液封用シール部材とを備えており、
前記シール部材を前記インペラよりも軸受けの側に寄せて配置して、前記シール部材とインペラとの間の部位に流体が充満する容積室を設けている構成であって、
前記回転軸のうち前記インペラが固定されている部分は、前記シール部材に嵌まっている部分よりも細い小径部に形成されており、前記小径部を前記容積室に入り込ませて前記シール部材に近づけている、
内燃機関のポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、例えばウォータポンプのように、内燃機関で使用するポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関では、冷却水の圧送手段としてウォータポンプが使用されている。このウォータポンプは、軸受けを介してハウジングに回転自在に保持された回転軸の一端にインペラを設けており、インペラが回転すると、冷却水はポンプ室に軸方向から流入して周方向に排出される。
【０００３】
ハウジングには、軸受けを配置するために回転軸と同心の中心穴が空いており、この中心穴から冷却水が軸受けに至ることを阻止するため、中心穴のうち軸受けよりもインペラの側に位置した部位に、シール部材としてメカニカルシールを配置している（例えば特許文献１，２）。
【０００４】
特許文献１では、メカニカルシールはインペラに近接して配置しており、回転軸のうちメカニカルシールに嵌まっている部分とインペラに嵌まっている部分とは同径になっている。また、メカニカルシールと軸受けとの間には、軸受けのアウターレースの端面に当接するシールリングを配置している。
【０００５】
他方、特許文献２では、インペラとメカニカルシールとの間に間隔が空いており、インペラとメカニカルシールとの間の部分には、ポンプ室の一部（後ろ室）が広がっている。また、特許文献２では、回転軸のうちインペラが嵌まっている部分だけが、メカニカルシールが嵌まっている部分よりも僅かに小径になっており、回転軸のうちポンプ室の後ろ室に露出している部分は、メカニカルシールに嵌まっている部分と同径になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−０４８７８０号公報
【特許文献２】特開２０１４−１０１８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて、既述のとおり、冷却水はインペラに向かって軸方向から流入して周方向（接線方向）に排出されるが、冷却水をインペラで効率良く送り出してポンプ効率を高めるには、インペラの入口部（中央部）にできるだけ多くの冷却水を供給するのが好ましく、そのためには、インペラの中心部に広い空間が空いているのが好ましい。
【０００８】
この点、回転軸を小径化すると、インペラの中心部の空間を大きくできると云えるが、メカニカルシールは規格化されているため、規格品のメカニカルシールを使用すると、回転軸の外径がメカニカルシールによって規制されることになる。
【０００９】
従って、特許文献１のように、回転軸のうちメカニカルシールに嵌まっている部分とインペラに嵌まっている部分とを同径に設定していると、回転軸はメカニカルシールの規格に合わせざるえ得ないため、インペラの中心部の空間を大きくすることができない。
【００１０】
他方、特許文献２のように回転軸を異径に形成すると、規格品のメカニカルシールを使用しつつ、インペラの入口部の容積をできるだけ大きくできるが、特許文献２では小径部はインペラが嵌まっている箇所だけであるため、メカニカルシールがインペラよりも奥側に位置していると、メカニカルシールを回転軸に嵌め込むに際して、メカニカルシールのスライド距離が長いことにより、メカニカルシールの内周面が傷付いてシール性が低下するおそれがある。
【００１１】
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明は、ポンプ室に位置した一端部にインペラを固定している回転軸と、前記回転軸を前記インペラよりも他端部の側において軸受けにて回転自在に保持するハウジングと、前記インペラと軸受けとの間に配置した液封用シール部材とを備えており、
前記シール部材を前記インペラよりも軸受けの側に寄せて配置して、前記シール部材とインペラとの間の部位に流体が充満する容積室を設けている構成のポンプ装置において、  前記回転軸のうち前記インペラが固定されている部分は、前記シール部材に嵌まっている部分よりも細い小径部に形成されており、前記小径部を前記容積室に入り込ませて前記シール部材に近づけている、という構成になっている。
【００１３】
回転軸の小径部は、必要な強度を確保しつつできるだけ小さい寸法であるのが望ましいが、例えば、メカニカルシールが嵌まっている部分の半分程度の外径に設定することができる。また、「小径部をシール部材に近づける」とは、小径部の基端（段差面）がシール部材に近接している状態と、シール部材との間に若干の間隔が空いている状態との両方を含んでいる。いずれにしても、小径部の基端はインペラよりもシール部材に近づいている。
【発明の効果】
【００１４】
本願発明では、インペラは小径部に固定されているため、規格品のシール部材を使用しつつ、インペラの入口部の空間をできるだけ大きくしてポンプ効率を向上できる。そして、小径部は容積室に入り込んでシール部材に近づけられているため、回転軸へのシール部材の嵌め込むに際して、シール部材と回転軸との摺動ストロークは僅かであり、このため、シール部材のシール面が傷つくようなことを防止又は著しく抑制できる。これにより、高いシール性能を確保できる。
【００１５】
さて、例えばシール部材の一例としてのメカニカルシールは高い液封効果を発揮するが、異物を回転軸とシール部材との間に噛み込むとシール効果が低下し、すると、液体が軸受けに至って腐食や液漏れ等のトラブルを引き起こすおそれがある。従って、シール部材の信頼性を保持するには、異物がメカニカルシールに至ることを極力阻止する必要がある。しかし、特許文献１，２とも、このような異物対策の配慮は成されていない。
【００１６】
これに対して本願発明では、インペラとシール部材との間に容積室が存在しており、容積室ではインペラの回転によって旋回流が形成されているため、流体に混入した異物がシール部材に向かっても、異物は容積室の旋回流に乗ってポンプ室の吐出口に排出される。このため、異物の排除機能に優れている。
【００１７】
更に、異物が回転軸の小径部の外周面を伝ってシール部材に向かう現象があっても、異物は小径部の基端の段差面に当たってシール部材に到達することはできない。このため、異物が回転軸の外周面を伝ってシール部材に到達することを防止して、シール性の向上に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】内燃機関の概略正面図である。
【図２】図１のII-II 視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
(1).内燃機関の概略
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、内燃機関の概略を図１に基づいて説明する。
【００２０】
本実施形態は、内燃機関のウォータポンプに適用している。内燃機関の基本的な構成は従来と同様であり、機関本体の主要要素として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２、並びにこれらの一端面に多数のボルトで固定されたフロントカバー（チェーンカバー、チェーンケース）３を備えている。シリンダヘッド２の上面にはヘッドカバー４が固定されて、シリンダブロック１の下面にはオイルパン５が固定されている。
【００２１】
クランク軸６の一端部はフロントカバー３の外側に突出している一方、正面視で機関本体を挟んだ左側にはモータジェネレータ（ＩＳＧ）７を配置し、右側にはエアコン用コンプレッサ８を配置している。また、フロントカバー３のうち、概ね上下中間部でかつ左寄りの部位にはウォータポンプ９を配置している。
【００２２】
モータジェネレータ７、エアコン用コンプレッサ８、ウォータポンプ９は、それぞれ回転軸に固定されたプーリ１０，１１，１２を備えており、モータジェネレータ７のプーリ１０と第１クランクプーリ１３とに第１ベルト１４が巻き掛けられて、エアコン用コンプレッサ８のプーリ１１と第２クランクプーリ１５とに第２ベルト１６が巻き掛けられて、ウォータポンプ９のプーリ１２と第３クランクプーリ１７とに第３ベルト１８が巻き掛けられている。
【００２３】
３本のベルト１４，１６，１８は、第１ベルト１４がフロントカバー３に最も近くて、第３ベルト１８がフロントカバー３から最も遠い配置関係になっている。従って、ウォータポンプ９のプーリ１２は、各補機を１本のベルトで駆動している場合に比べて、フロントカバー３からの突出寸法が大きくなっている。
【００２４】
第１ベルト１４は、モータジェネレータ７のプーリ１０を挟んだ両側においてオートテンショナ１９で挟まれている。第１ベルト１４を両側から挟んでいるのは、モータジェネレータ７がモータとして働く場合は発電機として働く場合とがあって、第１ベルト１４の張り側と弛み側とが入れ替わるためであるが、モータジェネレータ７に代えてオルタネータのような従動専用機器を配置した場合は、オートテンショナ１９は無くてもよいし、プーリ１０を挟んだ一方側だけに当接させてもよい。
【００２５】
(2).ウォータポンプの構造
次に、ウォータポンプ９の構造を図２に基づいて説明するする。ウォータポンプ９は、ポンプ室２１を有するポンプハウジング２０と、これに重ね固定されたカバーハウジング２２とを有している。
【００２６】
本実施形態では、ウォータポンプ９のポンプハウジングにフロントカバー３の一部が兼用されており、ポンプハウジング２０にポンプ室（渦巻き室）２１が空いている。カバーハウジング２２にはクランク軸６と平行な中心穴２３が空いており、中心穴２３に、軸受け２４を介して回転軸２５が回転自在に保持されている。
【００２７】
回転軸２５の一端部はポンプ室２１に露出しており、この一端部にインペラ２６を固定している。他方、回転軸２５の他端部はカバーハウジング２２の外側に突出しており、この他端部にプーリ１２を固定している。プーリ１２は、カバーハウジング２２の先端部を覆うように椀状の形態になっている。
【００２８】
軸受け２４は中心穴２３のうちプーリ１２に寄った側に設けており、更に、中心穴２３には、シール部材の一例としてのメカニカルシール２７が、軸受け２４に近接（或いは密接）した状態で配置されている。メカニカルシール２７は、回転軸２５に固定されたインナー部材２７ａと、カバーハウジング２２の中心穴２３に固定したアウター部材２７ｂとを備えている。中心穴２３のうちメカニカルシール２７を嵌め込んだ部分は、軸受け２４を嵌め込んだ部分よりも大径になっている。
【００２９】
ポンプ室２１には、シリンダブロック１に設けた流入口２８が連通している。また、ポンプハウジング２０には吐出口２９を設けており、吐出口２９は、シリンダブロック１に設けたメインギャラリー３０に連通している。
【００３０】
メカニカルシール２７を軸受け２４に近接又は密接させたことにより、メカニカルシール２７とインペラ２６との間に、冷却水が充満する容積室３１が形成されている。容積室３１の一部は、フロントカバー３のポンプハウジング２０にも至っている。すなわち、容積室３１は、カバーハウジング２２とポンプハウジング２０とに跨がって形成されている。
【００３１】
正確には、ポンプハウジング２０に形成された空洞が、インペラ２６により、ポンプ室２１と容積室３１の一部とに区分されている。容積室３１は、ポンプハウジング２０に形成されている部分が、カバーハウジング２２に形成されている部分よりも大径になっている。すなわち、容積室３１も異径になっている。容積室３１をポンプハウジング２０に入り込ませる場合であっても、容積室３１を全長にわたって同径に設定することは可能である。インペラ２６の背面をポンプハウジング２０の外面（フロントカバー３の外面）に近接させることにより、容積室３１をカバーハウジング２２のみに形成してもよい。
【００３２】
インペラ２６の外周とポンプ室２１の内周との間には、若干の隙間が空いている。従って、冷却水は、隙間を介してポンプ室２１と容積室３１との間を行き来することができる。
【００３３】
回転軸２５は、軸受け２４が嵌まっている大径部２５ａと、メカニカルシール２７が嵌まっている中間径部２５ｂと、インペラ２６が嵌まっている小径部２３５ｃとの異径に形成れている。中間径部２５ｂは大径部２５ａよりも少し小さい径になっており、小径部２５ｃは、中間径部２５ｂの半分程度の径になっている。小径部２５ｃは容積室３１に入り込でおり、小径部２５ｃと中間径部２５ｂとの境界である段差面２５ｄは、メカニカルシール２７に近接しており、中間径部２５ｂの一端部は、僅かながら容積室３１に露出している。
【００３４】
中間径部２５ｂの他端部には、軸受け２４のアウターレースの端面に当接又は近接するシールリング３２を装着しており、シールリング３３とメカニカルシール２７との間には補助空間３３が空いている。補助空間３３に流入した冷却水は、図示しないドレン穴から排出可能である。
【００３５】
(3).まとめ
以上の構成において、メカニカルシール２７は規格品であり、そこで、回転軸２５の中間径部２５ｂの外径はメカニカルシール２７によって規定されているが、インペラ２６は小径部２５ｃに嵌まっているため、インペラ２６の中心筒部２６ａの外径を小さくして、インペラ２６の入口部３４の容積を大きくすることができる。これにより、インペラ２６の入口部３４に供給される水量を増大させてポンプ効率を向上できる。
【００３６】
また、小径部２５ｃは容積室３１に入り込んでいてメカニカルシール２７に近接しているため、メカニカルシール２７を中間径部２５ｂに嵌め込むに際して両者の摺動ストロークは僅かであり、その結果、メカニカルシール２７の内面や中間径部２５ｂの外周面が傷付くことを防止して、シール性を向上できる。
【００３７】
また、容積室３１がメカニカルシール２７によって行き止まりになった袋小路構造になっていることにより、容積室３１の内部で冷却水はインペラ２６の回転によって旋回作用を受けるため、冷却水に乗って容積室３１に流入した異物は、そのまま冷却水の流れに乗って吐出口２９に向けて排出される。従って、異物がメカニカルシール２７と中間径部２５ｂとの間に噛み込まれたり、メカニカルシール２７の内部に入り込んだりすることを防止できる。
【００３８】
異物が小径部２５ｃの外周を伝ってメカニカルシール２７に向けて移動することも想定されるが、この場合は、異物は段差面２５ｄに当たって容積室３１に浮遊するため、異物が回転軸２５の外周を伝ってメカニカルシール２７の内周部に噛み込むことはない。
【００３９】
冷却水は弱いながら粘性を有することから、矢印で示すように、容積室３１の内部において冷却水は回転軸２５に連れ回転する傾向を呈すると予想されるが、中間径部２５ｂの露出部の箇所での外周の長さが小径部２５ｃの外周の長さよりも大きいため、中間径部２５ｂの出部による旋回作用が、小径部２５ｃによる旋回作用よりも大きいと推測される。
【００４０】
すると、中間径部２５ｂの露出部による旋回作用によって生じた冷却水の旋回流が、異物がメカニカルシール２７に向かうことを阻止するバリアーになると共に、異物をポンプ室２１の吐出口２９に押し戻すポンプ作用を発揮すると期待できる。従って、中間径部２５ｂの一端部を少しだけ容積室３１に露出させておくと、異物の排出機能に優れていると推測される。
【００４１】
以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、容積室の一部又は全部を、インペラに向けて拡径したテーパ状に形成することも可能である。また、回転軸２５の段差面２５ｄに渦巻き状等の溝又はリブを形成することにより、容積室の冷却水をポンプ室の吐出口に押し戻すポンプ機能を持たせてもよい。或いは、小径部の基端部に補助羽根を嵌め込むことにより、より高いポンプ作用を持たせることも可能である。小径部自体を、複数の外径を有する異径（段違い形状）に形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本願発明は、ウォータポンプ等のポンプ装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
３  ポンプハウジングを兼用するフロントカバー
９  ポンプ装置の一例としてのウォータポンプ
１２  ウォータポンプのプーリ
２０  ポンプハウジング
２１  ポンプ室（渦巻き室）
２２  カバーハウジング
２３  中心穴
２４  軸受け
２５  回転軸
２５ａ  大径部
２５ｂ  中間径部
２５ｃ  小径部
２６  インペラ
２７  シール部材の一例としてのメカニカルシール
３１  容積室
３４  インペラの入口部の空間
【図１】
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【図２】
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