WO2007142177A1

WO2007142177A1 - メカニカルシール

Info

Publication number: WO2007142177A1
Application number: PCT/JP2007/061271
Authority: WO
Inventors: Satoshi Yasu; Kenji Kiryu; Koji Kametaka
Original assignee: Eagle Industry Co., Ltd.
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2007-12-13
Also published as: JP5009909B2; EP2025976A4; EP2025976B1; US20100237564A1; JPWO2007142177A1; KR20090026278A; EP2025976A1; KR101420741B1; US8128097B2

Abstract

　本発明は、カートリッジの変形を防ぎ良好なシール性能を発揮するメカニカルシールを提供する。そのメカニカルシールにおいては、断面が略三角形形状の凹部１６ｆをカートリッジ１６の背面部１６ｄに形成することにより、ポンプハウジング３からの力によるカートリッジ１６の背面部１６ｄの変形を吸収する。その結果、シールリング１４等が装着されているカートリッジ１６の内筒部１６ａあるいは背面部１６ｄの内筒部１６ａに近い領域には変形がほとんど伝わらず、回転軸２側のメイティングリング１１等の構造に対してシールリング１４やベローズ１５等の相対的な位置が変位せず、メカニカルシール９の組み立て長さが変化することなく、組み立て荷重も変化することがなく、メカニカルシール９は良好なシール性能を発揮できる。

Description

明細書

メカ二カノレシ一ノレ技術分野

[0001] 本発明は、例えば自動車エンジンの冷却水ポンプ等に適用して好適な、ウォータ一ポンプ等用のメカ-カルシールに関する。

背景技術

[0002] 自動車エンジンの冷却水ポンプ等に適用して好ましい従来のウォーターポンプとしては、例えば日本国特許出願公開 2000— 74226号公報 (特許文献 1)に開示されて、るメカ-カルシールが挙げられる、特許文献 1に開示されて!、るメカ-カルシールは、図 8に断面構造を示すような構成を有する。すなわち、メイティングリング 11はカップガスケット 12を介在させて回転軸 2とともに回転するスリーブ 13に嵌合固定され、メイティングリング 11に対向して摺動するシールリング 14は、ベローズ 15、ケース 17、ドライビングバンド 19及びコイルドウーブスプリング 18とともに、ポンプハウジング 3に嵌合されるカートリッジ 96の中に嵌装されている。そして、ベローズ 15及びコィルドウェーブスプリング 18による付勢力によってシールリング 14がメイティングリング 1 1に対して押圧され、これらの間の摺動面に適切な面圧力が与えられ、適切なシールが行われる。

特許文献 1：日本国特許出願公開 2000— 74226号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] ところで、図 8に示した従来のメカ-カルシール 9において、ポンプハウジング 3に力ートリッジ 96を嵌合した場合、カートリッジ 96には回転軸 2の径方向に力が加わる。この際、カートリッジ 96の、ポンプハウジング 3が接触する側面 96bと、側面 96dとシールリング 14等が配置される内筒部 96aとを接続する背面部 96dとは、曲部 (R) 96cにより接続された状態となり、ポンプノヽウジング 3から加わる力は、カートリッジ 96において径方向にのみ作用することにはならず、軸方向にも作用してしまうこととなる。

[0004] また、カートリッジ 96の背面部 96dは、径方向に材料が形成された部分であるため、径方向には変形し難く軸方向に変形し易い形状となっており、特に図 8に示すような従来のカートリッジ 96は、背面部 96dがフラットであるため、その全域において軸方向に対して変形し易！ヽ形状となって！/ヽる。

また特に、例えば図 9に示すように、回転軸 2とポンプノ、ウジング 3との間の距離が長、時には、径方向にカートリッジ 96 'の背面部 96d'を伸ばして嵌合固定しなければならない。背面部がフラットな形態においては、背面部の長さ（回転軸とポンプハウジングとの間の距離）に関わらずカートリッジは軸方向に変形し易いことは前述の通りであるが、図 9に示すように回転軸 2とポンプノヽウジング 3の距離が広がれば広がるほど、カートリッジ 96'の軸方向への移動距離 (変形量）は大きくなる。

[0005] このようなことから、従来のメカ-カルシールにおいては、カートリッジをポンプハウジングに設置した場合に、ポンプハウジング力も受ける力によって、カートリッジの背面部が軸方向に変形してしまうという問題があった。そして、このような変形が生じると、メカ-カルシールの組み立て長さが変化し、それに伴って組み立て荷重も変化し、良好なシール性能を発揮できなくなると!、う問題が生じて!/、た。

[0006] 本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、メカ-カノレシールをポンプハウジングに嵌合した時にメカ-カルシールのカートリッジが軸方向に変形することを防ぎ、メカ-カルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができるメカ-カルシールを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 前記課題を解決するために、本発明のメカ-カルシールは、回転軸に固定されて前記回転軸とともに回転する摺動部材としてのメイティングリングと、ハウジングに固定されるカートリッジと、前記カートリッジに装着されて前記メイティングリングに対向して摺動するシールリングとを有するメカ-カルシールであって、前記カートリッジは、前記ハウジングに固定される外周部と、前記回転軸の周囲に配置されて前記シールリングが配置される内周部と、前記外周部と前記内周部とを接続する前記回転軸方向に略垂直な面部材である背面部とを有し、前記カートリッジの前記背面部に、当該背面部の部材が前記回転軸方向に屈曲した屈曲部が、前記回転軸を中心として環状に形成されてヽることを特徴とする。 [0008] このような構成の本発明のメカ-カルシールによれば、前記カートリッジの前記背面部の途中に、背面部の部材が回転軸の軸方向に屈曲した部分が形成してあるので、例えばメカ-カルシールをポンプ等に嵌合した時に使用環境等から生じるカートリツジの背面部の軸方向の変形を、屈曲部により吸収することができる。すなわち、カートリッジ背面部の外側部分が、ハウジングからの力の作用により軸方向に変形したとしても、この変形は屈曲部により吸収されて、カートリッジ背面部の内側部分の変形、すなわちシールリング等が配置されている箇所の変形は、抑止されるか、変形したとしても非常に小さな変形に留めることができる。その結果、メカ-カルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができる。

[0009] 好適には、本発明のメカ-カルシールにおいては、前記カートリッジの前記背面部に、断面凹形状の溝部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とする。

[0010] このような構成の本発明のメカ-カルシールにおいては、特に、カートリッジの背面部の途中に断面凹形状の溝部が形成してあるので、これにより、カートリッジ背面部の外側部分の変形を適切に吸収することができ、シールリング等が配置されて、る力ートリッジ内側の変形を抑止あるいは抑制することができ、メカ-カルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができる。

[0011] また好適には、本発明のメカ-カルシールにおいては、前記カートリッジの前記背面部は、前記回転軸の径方向の内側領域と外側領域とで前記回転軸方向の位置が異なるように形成され、当該内側領域と当該外側領域とを接続する段差部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とする。

[0012] このような構成の本発明のメカ-カルシールにおいては、特に、カートリッジの背面部の途中に段差部が形成してあるので、これにより、カートリッジ背面部の外側部分の変形を適切に吸収することができ、シールリング等が配置されているカートリッジ内側の変形を抑止あるいは抑制することができ、メカ-カルシールの組み立て長さの変化を防止し、もって良好なシール性能を確保することができる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態のメカニカルシールの構成を示す断面図である。 [図 2]図 2は、図 1に示したメカ-カルシールのカートリッジの変形例を示す図である。

[図 3]図 3は、図 1に示したメカ-カルシールのカートリッジの他の変形例を示す図である。

[図 4]図 4は、図 1に示したメカ-カルシールをポンプハウジングに嵌合した場合の力ートリッジの変形量を表す図である。

[図 5]図 5は、図 2に示したカートリッジを有するメカ-カルシールをポンプハウジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。

[図 6]図 4は、図 3に示したカートリッジを有するメカ-カルシールをポンプハウジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。

[図 7]図 7は、従来のメカ-カルシールをポンプノヽゥジングに嵌合した場合のカートリッジの変形量を表す図である。

[図 8]図 8は、従来のメカニカルシールの構成を示す断面図である。

[図 9]図 9は、他の従来のメカニカルシールの構成を示す断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 本発明の実施形態について、図 1〜図 7を参照して説明する。

本実施形態にぉ、ては、例えば自動車エンジンの冷却水ポンプの軸封装置として用いて好適なメカ-カルシールを例示して本発明を説明する。

まず、本実施形態のメカ-カルシールの構成について、図 1を参照して説明する。図 1は、そのメカ-カルシール 1の構成を示す断面図である。

図 1に示すように、メカ-カルシール 1は、メイティングリング 11、カップガスケット 12 、スリーブ 13、シーノレリング 14、ベローズ 15、カートリッジ 16、ケース 17、コィノレドゥエ一ブスプリング 18及びドライビングバンド 19を有する。

[0015] メイティングリング 11は、ポンプハウジング 3側のシールリング 14と当接して、回転軸 2とともに回転する摺動部材である。メイティングリング 11の内周側及び背面側は、力ップガスケット 12を介在させて、回転軸 2に固定されたスリーブ 13の断面形状が略「コ」の文字（日本語のカタカナ文字の「コ」）の形状となって!/、る端部 13aに圧入固定されている。また、メイティングリング 11とスリーブ 13には、図示しないが、メイティングリング 11外周部に 1箇所又は複数箇所の切り欠き部分が設けられており、これに対応するようにスリーブ 13外周部につめ状の部分が設けられている。これらは、多少のクリアランスを有して嵌合されている力摺動トルクによるメイティングリング 11の回転により、メイティングリング 11の切り欠き部の端とスリーブ 13のつめ状部分の端が接触し、メイティングリング 11の回転を抑制している。

[0016] シールリング 14は、ポンプハウジング 3に対して固定され、メイティングリング 11に対向して摺動する部材である。シールリング 14は、ベローズ 15と隣接して配置され、さらにケース 17、ドライビングバンド 19及びコイルドゥエ一ブスプリング 18とともにカートリッジ 16の中に装着される。

シールリング 14とべローズ 15とは、ケース 17の外周部 17bを予めテーノく-状に成形しておいて、ベローズ 15の内筒部 15aの内側にシールリング 14をセットした後、ケース 17の外周部 17bを外周側力も力しめることによって固定される。

また、シールリング 14の内径部とカートリッジ 16の内筒面 16aのそれぞれ相対する位置に廻り止め（シールリング 14の凸部 14e及びカートリッジ 16の凸部 16e)が設けられており、これにより摺動トルクによるシールリング 14の円周方向の回転、ねじりを抑制する構造となっている。

[0017] ベローズ 15は、シール対象液をシールするとともに、シールリング 14に適正な軸方向の押し付け力を付与するための部材であり、一般的に弾性体であるゴムで形成される。ベローズ 15は、その外周側にケース 17とドライビングバンド 19とが装着されてカートリッジ 16の内筒部（内周部） 16aに固定されている。

ベローズ 15をカートリッジ 16の適正な位置に装着する際の位置決めのために、ケース 17の一方の端面 17aは折り曲げてあり、ドライビングバンド 19の一方の端面 19b と対向している。すなわち、ケース 17の外周部 17bを図の右方向に押し、コイルドウエーブスプリング 18が密着する方向に力を加えると、ケース 17の一方の端面 17aとドライビングバンド 19の一方の端面 19bが接触し、ドライビングバンド 19が右方向に押され、結果としてべローズ 15がカートリッジ 16の内筒部 16aに対して適正な位置に装着されること〖こなる。

そして、ベローズ 15のカートリッジ 16の内筒部 16aへの固定をドライビングバンド 19 を用いて行うことにより、摺動トルクに対するスリップの発生を防止することができる。 [0018] ケース 17とカートリッジ 16の間にはコイルドゥエ一ブスプリング 18を配置する。コィルドウェーブスプリング 18は、ベローズ 15を軸方向でシールリング 14方向に付勢する。

[0019] カートリッジ 16は、ポンプハウジング 3に固定される外筒部（外周部） 16b、回転軸 2 の周囲に配置されてシールリング 14、ベローズ 15等が設置される内筒部（内周部） 1 6a、及び、これらを接続するように回転軸 2の軸方向に垂直な方向（径方向）に配置される背面部 16dを有し、これらにより図示のごとく断面形状が、略「コ」の文字（日本語のカタカナ文字の「コ」）の形状のような形状に形成された円環状部材である。前述したように、この略「コ」の文字の形状のような形状のカートリッジ 16の内側に、シールリング 14、ベローズ 15、ケース 17、コイルドゥエ一ブスプリング 18及びドライビングバンド 19と!、うメカ-カルシール 1のポンプハウジング 3側部材が配置される。具体的には、これらシールリング 14〜ドライビングバンド 19は、カートリッジ 16の内筒部 16a及び背面部 16dの内筒部 16a付近に装着される。

[0020] また、カートリッジ 16の内筒部 16aの一部は、さらに回転軸 2側に突出した凸部 16e に形成されており、前述したように、シールリング 14の内径部に形成される凸部 14e が嵌挿されて、摺動トルクによるシールリング 14の円周方向に対するねじりを抑制する廻り止め構造となって、る。

[0021] そして、特に本実施形態のメカ-カルシール 1のカートリッジ 16においては、背面部 16dの途中に、具体的にはコイルドゥエ一ブスプリング 18が当接されている箇所よりも外筒部 16b側でメカ-カルシール 1の部材が何も装着されて、な、平板領域の部分に、図示のごとく断面が略三角形の凹部 (屈曲部） 16fが形成されている。この凹部 16fは、カートリッジ 16の構成部材力回転軸 2の方向にある程度の丸みを持つて、すなわちある程度の値の R (曲率)を持って屈曲して形成されたものであり、また、回転軸 2を中心として、カートリッジ 16の背面部 16dに環状に、すなわち溝状に形成されたものである。

[0022] このような断面形状の凹部 16fをカートリッジ 16の背面部 16dに形成することにより、ポンプノヽウジング 3にカートリッジ 16を嵌合した場合にカートリッジ 16に加わる回転軸 2の径方向の力により、カートリッジ 16の背面部 16dが回転軸 2の軸方向及び径方向に変形したとしても、その変形はこの凹部 16fにより吸収される。その結果、カートリッジ 16の内筒部 16aあるいは背面部 16dの内筒部 16aに近い領域には、この変形が伝わり難ぐこれらの箇所の変形が生じ難い。すなわち、回転軸 2側のメイティングリング 11等の構造に対して、シールリング 14やべローズ 15等の相対的な位置がほとんど変化しない。

[0023] 以上説明したような構成のメカニカルシール 1は、前述したようにメイティングリング 1 1がカップガスケット 12を介してスリーブ 13の断面形状が略「コ」の文字（日本語の力タカナ文字の「コ」の文字)の形状のような形状の端部 13aに圧入固定される一方、シールリング 14、ベローズ 15等がカートリッジ 16に嵌装された後、カートリッジ 16の内筒部 16aあるいは下端凸部 16eの内側にスリーブ 13の内筒部 13bが挿入され、このスリーブ 13の内筒部 13bの先端部 13cが拡張されることにより、 1つのメカ-カルシール装置として一体的に製造される。

[0024] そして、ベローズ 15及びコイルドゥエ一ブスプリング 18が軸方向に圧縮された状態で発揮する付勢力によってシールリング 14の摺動面 14aがメイティングリング 11に対して適切な面圧力で押圧され、所望のシール効果が得られる。

[0025] そして特に、本実施形態のメカ-カルシール 1においては、カートリッジ 16の背面部 16dに、背面部材が屈曲されて断面が凹形状（図 1に示す例では略三角形）に形成された溝 16fが環状に形成されているので、ポンプハウジング 3にカートリッジ 16を嵌合した場合にカートリッジ 16の背面部 16dに作用する回転軸 2の軸方向及び径方向の変形はこの凹部 16fにより吸収される。その結果、シールリング 14やべローズ 15 あるいはコイルドゥエ一ブスプリング 18等が装着されているカートリッジ 16の内筒部 1 6a及び背面部 16dの内筒部 16aに近い領域には、この変形が伝わり難ぐこれらの箇所の変形が生じ難い。すなわち、回転軸 2側のメイティングリング 11等の構造に対して、シールリング 14やべローズ 15等の相対的な位置がほとんど変位しない。従つて、メカ-カルシール 1の組み立て長さがほとんど変化することはなぐそれに伴って組み立て荷重もほとんど変化することがなぐメカ-カルシール 1は、良好なシール性能を発揮できる。

[0026] 次に、本実施形態のメカ-カルシール 1の変形例について説明する。前述したメカ-カルシール 1においては、カートリッジ 16は、図 1に示すように、断面凹形状の溝部 16fが回転軸 2を中心として環状に設けられた構成であった。しかしながら、本願発明は、カートリッジの背面部に、その構成部材が回転軸 2の軸方向に屈曲した構造を設けることにより達成されるものであり、その他の形態であってもよい。

[0027] 例えば、図 2に示すように、背面部 26dに段差 26fを形成したような構成のカートリツジ 26であってもよい。図 2に示すカートリッジ 26は、背面部 26dの内側領域 26gと外側領域 26hとで、回転軸の軸方向の位置が異なるように、すなわち段差状に形成されている。より具体的には、カートリッジ 26は、シールリング等が装着される内側領域 26gよりも外側領域 26hが、回転軸方向でシールリングとは反対側の外側方向に突出した形態となっている。そして、これら内側領域 26gと外側領域 26hとを接続するように、接続部が形成されている。なお、この接続部と内側領域 26g及び外側領域 26h の接続部近傍の領域とを含めて段差部 26fと称する。

なお、図 2に示すようなカートリッジ 26を適用したメカ-カルシールにおいて、カートリッジ以外の構成は、前述したメカ-カルシール 1と全く同じである。従って、それらの構成部は、以下、図 1で用いた符号を付して説明に用いる。

[0028] このようなカートリッジ 26を用いたメカ-カルシールにおいても、ポンプハウジング 3 にカートリッジ 26を嵌合した場合にカートリッジ 26の背面部 26dの外側領域 26hに作用する回転軸の軸方向及び径方向の変形は、背面部 26dの段差部 26fにより吸収される。その結果、シールリング 14やべローズ 15あるいはコイルドゥエ一ブスプリング 1 8等が装着されているカートリッジ 26の内筒部 26a及び内側領域 26gには、この変形が伝わり難ぐこれらの箇所に変形が生じ難い。すなわち、回転軸 2側のメイティングリング 11等の構造に対するシールリング 14やべローズ 15等の相対的な位置がほとんど変位しない。従って、メカ-カルシール 1の組み立て長さがほとんど変化することはなぐそれに伴って組み立て荷重もほとんど変化することがなぐメカ-カルシール 1 は良好なシール性能を維持し発揮できる。

[0029] また、このように背面部に段差を設ける場合に、内側領域と外側領域の凹凸の関係を反対にしてもよい。そのような形態のカートリッジ 36を図 3に示す。図 3に示すカートリッジ 36においては、シールリング等が装着される内側領域 36gに対して、外側領域 36hが、回転軸方向でシールリング方向に突出した形態となっており、その内側領域 36gと外側領域 36hとを接続するように段差部 36fが形成されてヽる。

このようなカートリッジ 36を用いたメカ-カルシールにおいても、ポンプハウジングにカートリッジ 36を嵌合した場合にカートリッジ 36の背面部 36dの外側領域 36hに作用する回転軸の軸方向及び径方向の変形は、背面部 36dの段差部 36fにより吸収される。その結果、シールリング 14やべローズ 15あるいはコイルドゥエ一ブスプリング 18 等が装着されているカートリッジ 36の内筒部 36a及び内側領域 36gには、この変形が伝わり難ぐこれらの箇所に変形が生じ難い。すなわち、回転軸 2側のメイティングリング 11等の構造に対するシールリング 14やべローズ 15等の相対的な位置がほとんど変位しない。従って、メカ-カルシール 1の組み立て長さがほとんど変化することはなぐそれに伴って組み立て荷重もほとんど変化することがなぐメカ-カルシール 1 は良好なシール性能を維持し発揮できる。

[0030] 次に、図 1〜図 3に示した本発明に係るメカ-カルシール、及び、図 8に示した従来のメカ-カルシールの変形量にっ、て説明する。

ここでは、カートリッジをポンプノヽゥジングに嵌合した場合の、カートリッジの背面部の最も回転軸側の位置 (変形解析箇所)の回転軸方向の変形量を解析ソフトウェアにより求めた結果を示す。なお、解析には FEM解析ソフトウェア Marcを用い、また、カートリッジとポンプハウジングの間の締め代を 0. 2mmと設定して解析を行った。解析結果を、その変形量の数値とともに図 4〜図 7に示す。なお、変形量の数値は、変形解析箇所のカートリッジの背面側への変形を正、反対側への変形を負とする。

[0031] 図 4に示すように、図 1に示した溝 16fを背面部 16dに形成したカートリッジ 16の前記変形解析箇所の変形は、背面方向に 0. 15mmであった。

また、図 5に示すように、図 2に示した背面部 26dに外側領域 26hが背面方向に突出するような段差 26fを形成したカートリッジ 26の前記変形解析箇所の変形は、背面とは反対方向に 0. Olmmであった。

また、図 6に示すように、図 3に示した背面部 36dに外側領域 36hが背面とは反対方向に突出するような段差 36fを形成したカートリッジ 36の前記変形解析箇所の変形は、背面方向に 0. 27mmであった。一方、図 7に示すように、図 8に示した背面部 16dがフラットな従来のカートリッジ 96 の前記変形解析箇所の変形は、背面方向に 0. 82mmであった。

[0032] 図 4〜図 7から明らかなように、図 1〜図 3に示した本発明に係るカートリッジの背面部 (厳密には前記変形解析箇所)の変形量は、図 8に示した従来のカートリッジと比ベて、大幅に少なくなつている。特に、図 2に示したような背面部に外側領域が背面方向に突出するような段差を形成したカートリッジにおいては、変形がほとんど認められていない。

従って、本発明のようにカートリッジの背面部に屈曲部を設けることにより、カートリツジの変形を抑制し、メカ-カルシールの組み立て長さの変化を抑制することができることがわ力ゝる。

[0033] なお、前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって本発明を何ら限定するものではない。本実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含み、また任意好適な種々の改変が可能である。

産業上の利用分野

[0034] 本発明に係るメカ-カルシールは、メカ-カルシールをポンプハウジングに装着した場合のカートリッジの回転軸方向の変形を抑制するようにしたので、組み立て荷重の変化を抑制して良好なシール性能を維持し発揮できる有用なメカ-カルシールであり、例えば、自動車エンジンの冷却水ポンプ等のウォーターポンプ用のメカ-カルシールに特に有用である。また、これに限られず、任意のウォーターポンプ、あるいは任意の液体をシール対象とするポンプにも有用なメカ-カルシールである。

Claims

請求の範囲

[1] 回転軸に固設される摺動部材としてのメイティングリングと、ハウジングに固設されるカートリッジと、前記カートリッジに装着されて前記メイティングリングに対向して摺動するシールリングとを有するメカ-カルシールであって、

前記カートリッジは、

前記ハウジングに固定される外周部と、

前記回転軸の周囲に配置されて前記シールリングが配置される内周部と、前記外周部と前記内周部とを接続する前記回転軸方向に略垂直に形成される背面部とを有し、

前記カートリッジの前記背面部に、当該背面部の部材が前記回転軸方向に屈曲した屈曲部が、前記回転軸を中心として環状に形成されていることを特徴とするメカ- カノレシ一ノレ。

[2] 前記カートリッジの前記背面部に、断面凹形状の溝部が、前記環状に形成されて

V、ることを特徴とする請求項 1に記載のメカ-カルシール。

[3] 前記カートリッジの前記背面部は、前記回転軸の径方向の内側領域と外側領域とで前記回転軸方向の位置が異なるように形成され、当該内側領域と当該外側領域とを接続する段差部が、前記環状に形成されてヽることを特徴とする請求項 1に記載のメカ二カノレシ一ノレ。