CN100396974C - 唇型密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明的唇型密封装置包括：为了拥有嵌接在外壳上的环状的嵌接部(21)及从嵌接部朝向径向内侧大致圆锥环状延伸并与旋转轴抵接的唇部(23)而由弹性材料形成的密封环(20)；对与嵌接部接合的环状的接合部(31)及穿过旋转轴的孔(30a)加以确定且具有从接合部侧延伸至唇部的中途区域以将唇部从内侧加以支承的环状的支承部(33)的支撑环(30)，唇部(23)形成为在未作用压力的状态时直线延伸，并且具有从与支承部(33)开始成为非接触的区域起朝着前端逐渐壁厚变薄的前面细的截面形状，设所述唇部的开始不与所述支撑环的支承部接触的区域的壁厚为T1、所述前端的壁厚为T0时，所述唇部形成为α＝T0/T1的值成为0.3～0.7的结构。由此，在确保所需的密封性的同时减轻高压下的磨损、提高耐久性。

Description

唇型密封装置

技术领域

本发明涉及耐压用的唇型密封装置，尤其涉及对汽车等空调系统中使用的空调用压缩机的旋转轴与外壳之间进行密封的唇型密封装置。

背景技术

装载在汽车等上的以往压缩机中，为了对从其外壳向外部突出的旋转轴周围进行密封，在外壳与旋转轴之间嵌接有唇型密封装置，以对外壳内的内部空间(流体)F与大气A遮断。

作为该唇型密封装置，已知有以下结构，即如图1所示，为了确定嵌接在外壳H的孔Ha内的嵌接部1a及从嵌接部1a朝向径向内侧圆锥环状地延伸的唇部1b，由具有由橡胶弹性体材料形成的密封环1、与嵌接部1a接合的接合部2a及从接合部2a延伸至唇部1b的中途并对唇部1b从内侧加以支承的支承部2b的支撑环2等构成(例如，日本特许第3346743号说明书)。

在该唇型密封装置中，由支撑环2的支承部2b对密封环1的唇部1b从内侧加以支承，且为了提高唇部1b的刚性，唇部1b形成为从其根基侧至前端构成大致相同的壁厚。

即使流体F作用的压力是高压的情况下，也可尽量抑制唇部1b的变形，形成为唇部1b的前端保持与旋转轴S的外周面线接触的状态。

但是，作为压缩机的制冷剂使用CO₂等时，通常暴露在5MPa以上的高压环境下，尽管由支撑环2对唇部1b加以支承，但唇部1b的磨损很快，存在耐久性下降的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述传统问题的，其目的在于提供一种能确保高压环境下的密封性且结构简单、耐久性优良的唇型密封装置。

为了达到上述目的，本发明者等经过刻苦的研究，发现为了确保密封性至今都是以保持线接触状态为常识的，但在高压下扩大唇部的接触宽度对耐久性来说更好。

即，实现上述目的的本发明的唇型密封装置，是对支承于规定外壳的轴的外周进行密封的唇型密封装置，其包括：密封环，其由弹性材料形成，具有嵌接在所述外壳的孔内的环状的嵌接部、从所述嵌接部朝向径向内侧大致圆锥环状延伸并可与轴抵接的唇部；支撑环，其具有与所述嵌接部接合的环状的接合部、以及具有穿过所述轴的孔且从所述接合部侧延伸至所述唇部的中途区域以从径向内侧支承所述唇部的环状的支承部，所述唇部形成为在未作用压力的状态时直线延伸，并且形成从开始不与所述支承部接触的区域起朝着前端壁厚逐渐变薄的前面细的截面形状。将与支撑环的支承部开始成为非接触的区域的壁厚作为T1、前端的壁厚为T0时，唇部可采用α＝T0/T1的值成为0.3～0.7的结构。

采用该结构，处于远离支撑环的支承部的区域内的密封环的唇部，当暴露在高压环境下时适度变形，与轴的接触宽度扩大的状态下接触。由此，能得到确保密封性的适度的面压，同时面压被分散，最大面压下降，因而可减轻唇部的磨损，提高耐久性。并且，采用该结构，通过使处于远离支撑环的支承部的区域内的密封环的唇部形成满足上述条件(α＝0.3～0.7)的壁厚，能使唇部整个区域中的弯曲强度均匀化，防止局部的磨损，进一步提高密封性及耐久性。

另外，上述结构中，将唇部的前端的内径作为D0、轴的外径作为D1时，可采用β＝(D1-D0)/D1的值成为0.03～0.15的结构。

根据该结构，通过使唇部的前端形成为满足上述条件(β＝0.03～0.15)的紧固余量，可防止局部的磨损，进一步提高密封性及耐久性。

上述结构中，支撑环的支承部可采用向唇部侧弯曲形成为凸状的结构。

根据该结构，支撑环的弯曲的支承部对密封环的唇部不是局部而是通过均匀平缓的曲面加以支撑，故促使在高压环境下的唇部构成平缓的倾斜变形，能使接触面压进一步均匀化。

上述结构中，密封环的唇部可采用其材料硬度为JIS(DuroA)硬度85度～98度的结构。

根据该结构，可将密封环的唇部与轴的接触状态保持在最佳的状态，可进一步提高耐磨损性、耐久性。

附图说明

图1是表示以往的唇型密封装置的局部剖视图。

图2是表示本发明的唇型密封装置安装在压缩机的外壳及旋转轴之间状态的局部剖视图。

图3是表示本发明的唇型密封装置安装前状态的局部剖视图。

图4A及图4B是表示将图3所示的唇型密封装置的局部放大的放大剖视图。

图5A是表示对本发明的唇型密封装置的唇部未作用压力的状态的局部剖视图，图5B表示对唇部作用高压的状态的局部剖视图，图5C是表示图5B的状态下的密封面的面压分布的图。

图6A是表示对以往的唇型密封装置的唇部未作用压力的状态的局部剖视图，图6B表示对唇部作用高压的状态的局部剖视图，图6C是表示图6B的状态下的密封面的面压分布的图。

图7A是表示唇型密封装置的唇部产生的“凹陷磨损”的局部剖视图，图7B是表示唇型的唇部产生“前倒现象”时发生的磨损的局部剖视图。

图8是表示本发明的唇型密封装置的耐久试验结果的图。

图9是表示本发明的唇型密封装置的其他实施形态的安装之前的局部剖视图。

图10A及图10B是将图9所示的唇型密封装置的一部分放大表示的放大剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的最佳实施形态进行说明。这里，本发明的唇型密封装置，对构成汽车等的空调系统一部分的空调用压缩机中使用的情况进行说明。

压缩机具有确定外轮廓的外壳H、收容在外壳H内的从外部将旋转驱动力向压缩机构传递的旋转轴S等。为了对旋转轴S(的外周面)与外壳H(的孔的内壁面)之间进行密封，安装有本发明的唇型密封装置10，将内部空间(流体)F与大气A遮断。

如图2及图3所示，唇型密封装置10作为基本结构，具有确定外轮廓且面向内部空间(流体)F侧的密封环20、与密封环20的内侧接合的支撑环30，还具有紧挨着支撑环30在旋转轴S的轴线方向S1上依次排列接合的第2密封环40、第2支撑环50、挡环60、支架环70、第3密封环80、第3支撑环90等。

密封环20由橡胶材料形成，如图2及图3所示，由嵌接在外壳H的孔Ha内的嵌接部21、朝向轴线方向S1的内部空间F从嵌接部21延伸的圆筒部22、从圆筒部22朝径向内侧以规定倾斜角度大致圆锥环状地伸出并与旋转轴S(的外周面)抵接的唇部23等构成。

嵌接部21一体地具有埋设在嵌接部21内侧的金属环24。金属环24形成为具有朝径向内侧的凸缘部24a及铆接部24b的圆筒状，提高嵌接部21的强度，且在所有部件组装后实施铆接处理以成形铆接部24b，对整体加以固定。

圆筒部22用于将嵌接部21与唇部23一体地连接，轴线方向S1上的圆筒部22的长度适宜地加以选定。即，圆筒部22是用于将唇部23从嵌接部2 1朝径向内侧延伸而夹装的，圆筒部22也可形成得短，以使唇部23与嵌接部21相邻形成。

如图3、图4A及图4B所示，唇部23作为整体具有区域L的长度，由形成为大致相同的壁厚的基部23a(区域L1)、紧接着基部23a一体地形成的前端部23b(区域L2)。这里，前端部23b(区域L2)形成为唇部23(区域L)整体的大致一半的长度。

如图4B所示，前端部23b形成为前细的截面形状，也就是说从基部23a的终端即与后述的支撑环30的支承部33成为非接触的区域23b’朝向前端23b”逐渐壁厚变薄。

这样，在唇部23中，通过设置构成前细的截面形状的前端部23b，当内部空间F成为高压时，唇部23(前端部23b)适度变形，以与旋转轴S的接触宽度扩大的状态(完全接触状态)进行接触。由此，能得到确保密封性的适度的面压，同时使面压分散，最大面压下降，可减轻唇部的磨损，提高耐久性。

这里，如图4B所示，将与后叙的支撑环30的支承部33开始成为非接触的区域23b’的壁厚(即基部23a的壁厚)作为T1、前端23b”的壁厚为T0时，唇部23(前端部23b)形成为α＝T0/T1的值为0.3～0.7、最好是0.35～0.65。

由此，在唇部23的整个区域产生的弯曲应力均匀化，即弯曲强度均匀化，抑制特异的形态变形，防止局部磨损，进一步提高密封性及耐久性。

另外，如图4A所示，将前端23b”的内径作为D0、旋转轴S的外径作为D1时，唇部23形成为β＝(D1-D0)/D1的值为0.03～0.15、最好为0.04～0.12。

由此，通过使唇部23的前端23b”被旋转轴S压缩时的紧固余量被控制成较佳的状态，可防止局部磨损，进一步提高密封性及耐久性。

这里，作为密封环20的材料，可采用硬质的H-NBR系的橡胶材料等那样的可弹性变形材料。密封环20的唇部23的材料硬度为JIS(日本工业规格)(DuroA)硬度85度～98度、最好是90度～98度。

通过如此设定硬度，可将密封环20的唇部23(前端部23b)与旋转轴S的接触状态保持在最佳的状态，可进一步提高耐磨损性、耐久性。

作为密封环20的材料，只要是在高压下能得到适度弹性变形的材料即可，并不局限于橡胶材料，也可应用树脂材料。

支撑环30由金属或硬质树脂材料形成，如图2及图3所示，支撑环30确定与密封环20的嵌接部21接合的环状接合部31、穿过旋转轴S的圆孔30a，同时支撑环30由从接合部31朝轴线方向S1的内部空间F侧延伸的圆筒部32、从圆筒部32向径向内侧大致圆锥状地延伸的支承部33等构成。

圆筒部32以与密封环20的圆筒部22的内壁面接触或非接触的状态配置，支承部33从接合部31侧延伸至唇部23的中途的区域即唇部23的基部23a(区域L1)，从径向内侧对唇部23进行支撑。

如图4A及图4B所示，支承部33的前端区域33a弯曲形成，以对在高压下被按压变形的唇部23没有边缘作用(不造成局部应力增大)。

第2密封环40由PTFE等树脂材料形成，如图2及图3所示，其由以夹着支撑环30的接合部31的状态与密封环20接合的环状接合部41、从接合部41向径向内侧以规定的倾斜角度大致圆锥状地延伸并可与旋转轴S(的外周面)抵接的唇部42等构成。

在唇部42的内壁面(与旋转轴S的外周面接触的区域)设有螺纹状的螺旋切槽43。螺旋切槽43具有通过其螺纹泵压作用将密封流体压回内部空间F内的作用。

第2支撑环50由金属或硬质材料形成，如图2及图3所示，其确定穿通旋转轴S的圆孔50a，且由与第2密封环40的接合部41接合的环状接合部51、从接合部51朝轴线方向S1的内部空间F突出的环状的支承部52等构成。

如图2及图3所示，挡环60由构成大致L字形的截面的金属环61、一体地固接在金属环61上的橡胶制的环状垫圈62等构成。金属环61与第2支撑环50的接合部51接合，环状垫圈62嵌入密封环20的内周面(金属环24)。即，通过使挡环60嵌入，在密封环20的内侧，可将支撑环30、第2密封环40、第2支撑环50夹住固定。

如图2及图3所示，支架环70由金属或硬质树脂材料形成并呈大致L字形的截面，与挡环60的环状垫圈62嵌合装入。

第3密封环80由PTFE等树脂材料形成，如图2及图3所示，其由与支架环70及环状垫圈62接合的环状接合部81、从接合部81向径向内侧以规定的倾斜角度大致圆锥状地延伸并可与旋转轴S(的外周面)抵接的唇部82等构成。

第3支撑环90由金属或硬质材料形成，如图2及图3所示，其确定穿通旋转轴S的圆孔90a，且由与第3密封环80的接合部81接合的环状接合部91、从接合部91朝轴线方向S1的内部空间F突出的环状的支承部92等构成。

接合部91被密封环20的铆接部24b向第3密封环80的接合部81推压而牢固地固定。

对上述结构的唇型密封装置10的组装进行说明，首先，准备好铆接部24b没有弯曲(没有进行过铆接处理)的密封环20，依次将支撑环30、第2密封环40、第2支撑环50、挡环60、支架环70、第3密封环80、第3支撑环90重叠嵌入后，实施铆接处理，形成铆接部24b。

由此，依次插入的支撑环30、第2密封环40、第2支撑环50、挡环60、支架环70、第3密封环80、第3支撑环90全部被密封环20夹持固定，完成唇型密封装置10。

这里，图5A至图5C表示上述结构的唇型密封装置10的变形形态及密封面的面压分布，作为比较例，图6A至图6C表示图1所示的传统的唇型密封装置的变形形态及密封面的面压分布。

本发明的唇型密封装置10中，对唇部23未作用高压时，如图5A所示，唇部23被支撑环30的支承部33支撑并直线延伸，以狭窄的宽度与旋转轴S接触，而作用了高压对唇部23后，如图5B所示，唇部23的前端部23b适度弹性变形，与旋转轴S的接触宽度W变大。

另一方面，以往的唇型密封装置中，对唇部1b未作用高压时，如图6A所示，唇部1b被支撑环2的支承部2b支撑并直线延伸，以狭窄的宽度与旋转轴S接触，而高压作用于唇部1b后，如图6B所示，唇部1b的前端部尽管稍微弹性变形，但基本不易变形，与旋转轴S的接触宽度成为仅稍微扩大的宽度Wc，如图6C所示，最大面压Pcmax也非常大，处于磨损中的状态。

相比之下，本发明的唇型密封装置10中的接触区域W(密封面)的面压，如图5C所示，与传统的结构(参照图6C)相比，倾斜平缓，面压均匀化，最大压力Pmax(＜Pcmax)也适度下降。

这样，通过扩大接触宽度W，密封面的面压分散，从而减轻磨损、提高耐久性。在整个密封面能得到一定程度的面压，最大压力也不极端下降，保持在适度的面压状态，因而能得到良好的密封性能。

另外，在密封环20的唇部23，最好其壁厚或紧固余量设定为满足上述条件，即α＝0.03～0.07，β＝0.03～0.15，这样，如图7A所示，可防止薄壁时可能产生的“凹陷磨损”，而且如图7B所示，可防止厚壁时可能产生的“前倒现象”引起的磨损。

图8是本发明的唇型密封装置的耐久试验结果。该耐久试验中，成形准备α的值及β的值不同的各种尺寸的唇型密封装置，作为充填在内部空间F内的密封流体，使用压力Pf为5.8MPa的CO₂，将外径φD1为9.0mm的旋转轴S以8000rpm的旋转速度Rv在规定时间内旋转后，对唇部23的磨损情况进行了观察。

其结果如图8所示，α(＝T0/T1)的值超过0.65时，“前倒现象”有增大趋势。而α的值小于0.35时，前端部23b的刚性下降过大。

其结果可确认，α的值在0.35～0.65的范围内时可得到密封面的接触宽度扩大的较佳变形。

另外发现，作为α的值，即使在0.30～0.70的范围内也完全可以接受。

另外，“凹陷磨损”和“前倒现象”，与旋转轴S的紧固余量也有影响，β(＝(D1-D0)/D1)的值比0.04小时，初期变形小，容易产生“前倒现象”。而β的值超过0.12时，“凹陷磨损”的影响有增加趋势。

结果发现，β的值在0.04～0.12的范围内，可防止特异变形，能得到密封面的接触宽度扩大的较佳变形。

作为β的值，发现即使在0.03～0.15的范围内也完全可以。

图9及图10表示本发明的唇型密封装置的其他实施形态，对与上述实施形态相同的结构，标上相同的符号并省略其说明。

如图9所示，本实施形态的唇型密封装置10’作为基本结构具有确定外轮廓且面向内部空间(流体)F侧的密封环20、与密封环20的内侧接合的支撑环30’，还具有紧挨着支撑环30’在旋转轴S的轴线方向S1上依次排列接合的第2密封环40、第2支撑环50、挡环60、支架环70、第3密封环80、第3支撑环90等。

支撑环30’由金属或硬质树脂材料形成，如图9及图10所示，由上述相同的接合部31及圆筒部32、从圆筒部32朝径向内侧弯曲且大致圆锥环状地伸出的支承部33’等构成。支承部33’弯曲成形为朝向唇部23侧的凸状。

由此，弯曲的支承部33’对密封环20的唇部23不是局部而是通过均匀平缓的曲面加以支撑，故促使在高压环境下的唇部23构成平缓的倾斜的变形，能使接触面压进一步均匀化。因此，与上述相同，能将密封环20的唇部23与旋转轴S的接触状态保持在最佳的状态，提高耐磨损性、耐久性。

上述实施形态中，作为唇型密封装置10、10’，表示了除密封环20及支撑环30以外，还包括2个密封环40、80及2个支撑环50、90的结构，但并不局限于此，本发明也可适用于除了密封环20及支撑环30以外、还包括1个密封环及1个支撑环的结构，或仅是密封环20及支撑环30的结构。

上述实施形态中，表示了将唇型密封装置10、10’应用于构成汽车等的空调系统的一部分的压缩机的情况，但并不局限于此，只要是具有对旋转轴或在轴线方向上作往复运动的轴进行支承的外壳的机械或电气设备等，都可适用。

实用性

如上所述，本发明的唇型密封装置，在确保所需的密封性能的同时可减轻磨损、提高耐久性，故尤其适合于安装在暴露在高压环境下的区域上，对于需要对旋转轴或是往复运动的轴的外周进行密封的机械、电气设备等是有用的。

Claims (4)

1.一种唇型密封装置，对支承于规定外壳的轴的外周进行密封，其特征在于，所述唇型密封装置包括：

密封环，其由弹性材料形成，具有嵌接在所述外壳的孔内的环状的嵌接部、从所述嵌接部朝向径向内侧大致圆锥环状延伸并可与轴抵接的唇部；

支撑环，其具有与所述嵌接部接合的环状的接合部、以及具有穿过所述轴的孔且从所述接合部侧延伸至所述唇部的中途区域以从径向内侧支承所述唇部的环状的支承部，

所述唇部形成为在未作用压力的状态时直线延伸，并且形成从开始不与所述支承部接触的区域起朝着前端壁厚逐渐变薄的前面细的截面形状，设所述唇部的开始不与所述支撑环的支承部接触的区域的壁厚为T1、所述前端的壁厚为T0时，所述唇部形成为α＝T0/T1的值成为0.3～0.7的结构。

2.如权利要求1所述的唇型密封装置，其特征在于，将所述唇部的前端的内径作为D0、所述轴的外径作为D1时，形成为β＝(D 1-D0)/D1的值成为0.03～0.15的结构。

3.如权利要求1所述的唇型密封装置，其特征在于，所述支撑环的支承部弯曲形成为朝向所述唇部侧的凸状。

4.如权利要求1所述的唇型密封装置，其特征在于，根据JIS DuroA硬度，所述密封环的唇部的材料硬度为85度～98度。

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