CN101046254B - 转动轴密封件 - Google Patents

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Abstract

一种能防止内漏沿密封气体的高度增压而增加的转动轴密封件。台阶部分(13)形成于外壳(1)上，而台阶部分(13)的内侧上的端面(13a)用橡胶覆盖而形成一个环形橡胶部分(25)，其端面被覆盖。橡胶部分(6)的橡胶端面(8)和密封件(7)的周缘(7a)上的表面(9)相互压紧。

Description

转动轴密封件
技术领域
本发明涉及一种转动轴密封件，特别涉及一种用于密封高压流体如CO2气体的转动轴密封件。
背景技术
最近，在汽车压缩机的使用中密封流体的压力越来越提高了。因此本发明的申请人提出了一种如图9中所示的转动轴密封件(参考日本临时公告No.2004-353765)。在图9中，一个橡胶密封部分33有一滑动部分So，它接触转动轴32的表面，而外壳34是整体化的，在外壳34的高压侧C上的内边缘部分36被橡胶密封部分33罩住，密封33的滑动部分So安置在包括内边缘部分36的与轴线正交的面Po中，当从高压侧C接收高压时，密封部分33的凸缘部分37在带有低接触压力的转动轴32上滑动。
在图9中的传统例子之前的转动轴密封件中，在转动的转动轴的表面上产生一个过剩的接触压力，因为橡胶凸缘的构型有一个大部分延伸到密封的流体侧的L形截面和一个大面积的压力接受部分，所以在橡胶凸缘的滑动部分上产生早的异常磨损(参考日本临时公告No.2003-97723)。
如上所述，在图9中所示的传统例子中，滑动部分So上的凸缘部分37的早的异常磨损可以被有效地防止。但是，已经发现，图9中的传统结构没有解决长时间内从高压侧C到低压侧E的流体(气体)泄漏问题即内漏问题。
具体地说，虽然在低压侧E上安置一个树脂如PTFE的密封件38，而两个内壳39和40像三明治一样夹住密封件38的与轴线正交部分38a，但本发明的发明人进行的实验表明，产生了如图8中用箭头F1和F2、虚线及箭头F3表示的内漏(以后描述)。
最近，希望使密封流体(气体)的压力更高，已经发现，用图9中所示的传统例子不能防止往往具有高压的流体如气体的内漏，图9中密封件38的与轴线正交的部分38a的面41和42由内壳39和40简单地夹住。
本发明概要
因此，本发明的目的是提供一种转动轴密封件，它能解决所有上述问题、防止内漏和完成密封高压气体的稳定而卓越的密封性能。
该目的是按照本发明通过包括权利要求1、2或3的特点的转动轴密封件而解决的。在附属的权利要求4、5和6中描述了更详细的实施例。
附图简述
下面参照附图描述本发明，附图中：
图1是一个表示本发明的一实施例的主要部分的截面图；
图2是一个主要部分的说明性质的放大截面图；
图3是一个表示主部件的主要部分的截面图；
图4A是表示一种装配方法的说明图；
图4B是表示一个主要部分的说明图；
图4C是表示一个主要部分的说明图；
图5是一个说明该装配方法的主要部分的说明性质的截面图；
图6是该说明装配方法的主要部分的说明性质的截面图；
图7是作为本发明样品的测试设备及其测试方法的说明图；
图8是作为传统样品的测试设备及其测试方法的说明图；以及
图9是表示一传统例子的主要部分的截面图。
优选实施例说明
现在参照附图描述本发明的优选实施例。
图1～6表示本发明的一个实施例。图1是一个主要部分的截面图。图2是图1的说明性质的放大图，而图3～6是说明结构部件的说明性质的截面图，并系列地表示一种装配方法。
在图1和图2中，该转动轴密封件安置在一个用虚线表示的转动轴20和一个外罩22之间，该密封件例如用于密封高压侧C上的密封流体室21中的高压冷却介质。图1中的实线表示转动轴密封件16的自由状态(非附着状态)。在其中转动轴密封件16安置在转动轴20和外罩22之间的附着状态中(虽然图中未示出)，部件是弹性地变形的。
在图1和图2中，标号1表示具有内边缘部分2和3的金属外壳，而具有接触转动轴20的表面的凸缘部分17的橡胶部分G整体地固定在金属外壳1上。该整体的固定用粘结、焊接或热模压来进行。该整体的固定示于表示预装配状态的图3中。
外壳1有一个对应于外罩22的内周面22a的圆筒形壁部分12，而一个分级(台阶状)的部分13形成于沿外壳1(圆筒形壁部分12)的轴线方向的中间位置上，从而分开一个高压侧C上的小圆筒部分14和一个在低压侧E上的大圆筒部分15。如图3中所示，台阶部分13对轴线L的倾角θ为20°≤θ≤90°。倾角θ优选地设定在45°≤θ≤90°，更优选地为60°≤θ≤90°。
在图1、2和3～6中系列地表示结构部件的装配，台阶部分13和外壳1的小圆筒部分14及内边缘部分2(在高压侧C上)通过粘结、焊接或热模压而与橡胶部分G形成整体(如盖住和围绕)。
而且，一个带有螺旋形槽6的密封件7形成于低压侧E上(与密封流体侧或大气侧相反)，向着橡胶部分G的凸缘部分17。密封件7的材料最好是氟树脂如PTFE。该材料的一个有一定厚度的平板被冲压为一个环形平板，并弯曲而成为L形截面，如图1和图2中作为密封件7所示，插入转动轴20，而密封件7在转动轴20的表面上转动地滑动，并将流体推回到高压侧C。
在台阶部分13的内侧上的端面13a被橡胶部分G的一个部件G1，整体地复盖。也就是说，部件G1通过粘结、焊接或热模压而整体地复盖端面13a。沿与轴线L成直角的方向即与轴线正交的方向的橡胶端面8与整体的复盖部件G1一起形成，并指向低压侧E。而且，指向高压侧C的密封件7的周边边缘7a的面9压紧在橡胶端面8上。
整体地固定在外壳1上的橡胶部分G有一圆筒复盖部分10a，其周面形成为凹凸波形(处于自由状态)，以便弹性地接触外罩22的内周面而起密封作用。具体地说，圆筒形复盖部分10a复盖着和整体地固定在外壳1的小圆筒部分14和台阶部分13的外表面上。而且，具有内边缘复盖部分10b的橡胶部分G的截面是U形的而复盖外壳1的内边缘部分2的两个表面，橡胶部分G设有与轴线正交的壁部分10c，后者沿径向在凸缘部分17的内面延伸。也就是说，与轴线正交的壁部分10c是由内边缘复盖部分10b和凸缘部分17组成。
其次，橡胶部分G有一薄板(薄膜)的内表面覆盖部分10d，用以覆盖外壳1的小圆筒部分14的内表面。也就是说，内边缘覆盖部分10b和形成橡胶端面8的部件G由薄板(薄膜)的内表面覆盖部分10d连接。
如上所述，橡胶部分G整体地固定在外壳1上，从而覆盖外壳1的台阶部分13和小圆筒部分14与周面和内周面两者上的内边缘部分2，而与转动轴20的轴线L成直角的与轴线正交的壁部分10c的凸缘部分17形成一个滑动部分23，其内周面边缘有一圆形部分(R形部分)。
一个有倒L形截面的支承金属18压配合在内表面覆盖部分10d的内周面上，并接受(支承)与轴线正交的壁部分10c的后表面。一个整体为环形的小凹槽部分24形成于与轴线正交的壁部分10c的后表面上，而橡胶材料沿径向向内移动，以便当接受从密封的流体室21来的压力时减小转动轴20上的滑动部分23的接触压力。
标号19表示一个金属内部件。内部件19在图中是一个平面垫圈，它置于低压侧E上支承金属18的端面18a和被压配合(填实)的密封件7的高压侧7b之间。为了进一步详细说明，橡胶部分G的覆盖外壳1的台阶部分13的端面13a的部件G1被称为覆盖端面的环形橡胶部分25，金属的内部件19的周面19a接受(支承)覆盖端面的环形橡胶部分25的内周面。换句话说，金属内部件19同时装入密封件7的高压侧7b和覆盖端面的环形橡胶部分25的内端面。
标号26表示其截面近似地为倒L形的金属内壳，该内壳压配合并接受(支承)密封件7的低压侧7c。而且，低压侧E上的内边缘部分3通过塑性加工(压力加工)而弯向图6中的箭头M方向，该部分3与高压侧C上的内边缘部分2相配合而压紧(保持)和固定这些结构部件。
如上所述，台阶部分13形成于外壳1的轴线L方向的中间位置上，大圆筒部分15形成于低压侧E上，而台阶部分13的内侧上的端面13a形成为被引向低压侧E而与该轴线成直角。然后，端面13a用橡胶部分G的部件G1整体地覆盖而形成沿与轴线正交方向的橡胶端面8(作为与轴线正交的表面)，密封件7的周缘7a由于图6中用箭头M表示的塑性变形而通过内壳26被压紧，从而将面向密封件7的周缘7a的高压侧C牢靠地压配合到如图6中箭头f所示的橡胶端面8上。
如图3、图4和图5中所示，环的小脊27和小凹槽28同心地形成于处于密封件7的非压紧配合状态中的橡胶端面8上。而且，如图6所示，当橡胶材料由于处于密封件7的压紧配合状态中的周缘7a的表面9的压紧配合(用箭头f表示)而移入小凹槽28中时，小脊27弹性地变形，从而保持密封状态。小脊27和小凹槽28在图2和6中用双点虚线表示。橡胶端面8沿与轴线正交的表面弹性地变形，而原先形成的小脊的部分由于压配合组装状态中的高接触压力而压配合到密封件7的表面9上，从而保证密封性能。
还要描述的是，外壳1的台阶部分13的内侧上的端面13a停止(接受)向着高压侧C的环行橡胶部分25的橡胶材料的移动，环形橡胶部分25肯定地被弹性压缩，而原先形成小脊27的部分由于高接触压力而压配合到密封件7的表面9上，从而表明可密封的性能。
在图3、4A和4B中，小脊27和凹槽28的数目分别为一个。具体地说，一个小脊27设置在复盖端部表面的环形橡胶部分25的内周缘角部H上，而一个其半径大于小脊27的凹槽28设置在小脊27附近。如图5和6中系列地表示的，当密封件7的表面9压紧小脊27时，从角部H凸出的小脊27的橡胶材料沿径向向内移动到小凹槽28中。但是，环形平面垫圈的内部件19能够停止橡胶材料沿径向的移动。
换句话说，内部件19的周面19a能停止小脊27的橡胶材料沿径向向内的移动。
在图3中，其中橡胶部分G具有凸缘部分17的主要单元部分29整体地固定在金属外壳1上。外壳1有一个薄的延长部分3A，该部分3A是一个在沿图6中箭头M方向弯曲的塑料工件之前延伸的大圆筒部分。其次，支承金属18、内部件19、密封件7和内壳26均配合在单元部分29中，如用箭头K1、K2、K3和K4所示，形成刚巧在完成图5中所示的装配之前的状态。然后，当薄的延长部分3A弹性地变形从而弯曲到如图6中所示的箭头M方向中时，内边缘部分2(与轴线正交的壁部分10c)和新形成的内边缘部分3牢固地夹持部件，而用双点虚线表示的小脊27由于用箭头f表示的表面压力而沿与轴线正交的表面(如用实线所示)转入橡胶端面8中。在该过程中，内部件19的周面19a防止用双点虚线表示的小脊27向下掉入半径方向中(橡胶材料逸脱)。
当用于防止内漏的橡胶变形部分是由从角部H凸出的一个小脊27和外侧上的一个相邻的小凹槽28组成时，沿径向的宽度尺寸W可以很小，而用于防止内漏的橡胶变形部分即使在外壳1的台阶部分13的台阶尺寸(即沿径向的橡胶端面8的宽度尺寸)很小的情况下也容易形成。当台阶部分13的台阶尺寸(即沿径向的橡胶端面8的尺寸)足够宽时，还最好组成一个小脊27和两个小凹槽28的用于防止内漏的橡胶变形部分，每个小凹槽28在小脊27的内侧和外侧上，如图4c中所示。在这种情况下，沿径向的宽度尺寸W变大。
而且，在图1～6中，密封件70的中部上的高压侧7b被内部件19接受(支承)并保持正常状态而并不变形落入高压侧C中。
在本发明中，覆盖台阶部分13的内侧上的端面13a的(橡胶部分G的)部件G1(即覆盖端面的环形橡胶部分25和与轴线正交的壁部分10c)可以不是被整体地连接，而是分开地设置(图中未示出)。也就是说，内表面覆盖部分10d可以省去，橡胶部分G可以被分成两块(或更多块)并通过热模压、粘结或焊接而与外壳1成整体(图中未示出)。
而且，不希望台阶部分13(端面13a)对轴线L(参照图3)的倾斜角θ小于20度，因为环形橡胶部分25变得沿轴线方向过长，而弹性压紧的反应力变得过弱。最好通过将倾斜角θ设置为θ≥45度而使小脊27对周缘7a保持足够的接触压力。尤其是，θ≥60度是优选的，因为可以获得高的接触压力。而且，当θ＞90度时，很难通过弹性加工而在外壳1上形成台阶部分13。
在本发明中(不限于图示的实施例)，凸缘部分17的构形(不限于其中如图2中所示的滑动部分23位于包括内边缘部分2的与轴线正交的表面Po的构形)可以变化为各种构形(图中未示出)。而且，内部件19可以与图中的支承金属18成整体，而且它最好可以形成一个角部，装入覆盖端面的环形橡胶部分25(角部H)，通过机加工(切削等)而成为直角。其次，内部件19可以由一个通过机加工形成的块件来组成。在这种情况下，最好形成一个装入覆盖端面的环形橡胶部分25的成为直角的角部(角部H)。
其次，图7中示出本发明的样品30，而图8中示出(图9中的传统样品的)传统样品31。在图7中，如与图1和2的比较中清楚显示的，密封件7用圆形板的密封件对应部件7A替换，内壳26用内壳的浅碟状对应部件26A(无孔)替换，而其它部件与图1和2中所示实施例相同。
另一方面，在图8中，如与图9的比较清楚地显示的，密封件38用圆形板的密封件对应部件38A替换，内壳40用内壳的浅碟状对应部件40A(无孔)替换，而其它部件与图9中所示实施例相同。
如图7和图8中所示，样品30和31分别安置在有一使轴线L成为竖直线的圆筒形空间44的圆简形夹具主体45中。然后，通过增压导管46送入CO2气体而给出预定压力P。
关于从凸缘部分17和37与转动轴20和32上的密封件7和38的接触部分来的流体泄漏，分别测试了本发明的装置10和传统样品是否产生通过外壳1和34的内周面的用箭头F1、F2、F3、F0和虚线表示的内漏。用水充满对应于低压侧的上部空间47。
压力P从1MPa通过2、3、4MPa而系列地增加到5MPa，观测气泡的发生和气泡状态。温度为室温。
内漏试验结果示于下面的表1中。
表1
压力P(MPa)  示于图7中的本发明的样品30  图8中所示的传统样品31
  1  无气泡发生  发生少量气泡
  2  无气泡发生  发生少量气泡
  3  无气泡发生  发生少量气泡
  4  无气泡发生  发生大量气泡
  5  无气泡发生  发生大量气泡
通过上述表1中所示试验结果，得出下列各点：
(1)在图8的传统样品31(图9的传统实施例)中，密封件38(38A)被内壳39和内壳40(40A)压配合而使密封件38(38A)沿径向向外变形而压配合到外壳34的内周面上。但是，当压力P上升时水泡量倾向于增多。而且，也显示泄漏量不规则。
(2)相反，在图7的本发明的样品30(图1的实施例)中，可以肯定，在压力P的所有阶段中都没有产生内漏。也就是说，小脊27对密封件7的高压侧7b的压配合有效地防止了通过图7中用虚线表示的通道(路线)的泄漏即内漏。
如上所述，本发明的转动轴密封件有这样一种结构，就是橡胶部分G具有接触转动轴20的表面和金属外壳1的凸缘部分17，橡胶部分G整体地固定在金属外壳1上，与轴线正交的方向中的橡胶端面8由橡胶部分G的部件G1组成并形成于外壳1的内表面上沿轴向的中间位置上，而面向高压侧C的密封件7的周缘7a的表面压配合在橡胶端面8上，从而肯定地防止内漏，可以处理气体(流体)如CO2的高度增压，而该密封件可以用数目很少的部件和简单的构造来容易地制造。
而且，本发明的转动轴密封件有这样一种结构，就是橡胶部分G具有接触转动轴20的表面和金属外壳1的凸缘部分17，橡胶部分G整体地固定在金属外壳1上，台阶部分13形成于外壳1上的沿轴线方向的中间位置上，台阶部分13的内侧上的端面13a被橡胶部分G的部件G1整体地覆盖而形成沿与轴线正交的方向的橡胶端面8，而面向高压侧C的密封件7的周缘7a的表面9压配合在橡胶端面8上，从而肯定地防止内漏，可以处理气体(流体)如CO2的高度增压，而该密封件的装配和生产并不困难，因为并不增加部件的数目。
而且，该转动轴密封件有这样一种构造，就是橡胶部分G具有接触转动轴20的表面和金属外壳1的凸缘部分17，橡胶部分G整体地固定在金属外壳1上，外壳1具有对应于外罩22的内周面的圆筒形壁部分12，台阶部分13形成于外壳1的沿轴线方向的中间位置上和圆筒形壁部分12上，从而分开高压侧C上的小圆筒形部分14和低压侧E上的大圆筒形部分15，台阶部分13的内侧上的端面13a被橡胶部分G的部件G1整体化地覆盖，从而将橡胶端面8安置在引向低压侧E的与轴线正交的方向中，而面向高压侧C的密封件7的周缘7a的表面9被压配合在橡胶端面8上，该构造很简单，不增加部件数目，该密封件的生产和装配很容易，能肯定地防止通过密封件7的周缘7a附近的通道的内漏，而且该密封件适用于密封最近已被高度增压的密封气体如CO2。
而且，通过密封件7的周缘7a附近的通道的流体泄漏(内漏)被精巧地防止，而该构造简单，有效地利用了橡胶材料的弹性压紧力，因为小脊27和小凹槽28同心地形成于处在密封件7的非压配合状态中的橡胶端面8上，而小脊27的橡胶材料弹性地变形，从而通过密封件7的周缘7a的表面9的压配合而移入小凹槽28中，因而将密封保持在密封件7的压配合装配状态中。
而且，密封件7保持正常的状态(不会掉下来)，肯定地起密封件7的泵抽作用，其次，防止了环形橡胶部分25的反常变形，还通过保持小脊27对密封件7的高压侧7b的高接触压力而进一步有效地防止内漏，因为提供了由橡胶部件G的部件G1组成的覆盖端面的环形橡胶部分25，并附接了装入密封件7的高压侧7b和覆盖端面的环形橡胶部分25的内周面的金属内部件19。
而且，即使台阶部分13的宽度尺寸很小，也即当橡胶端面8的径向宽度尺寸很小时，也能够通过充分的密封来防止内漏，因为小脊27设置在覆盖端面的环形橡胶部分25的高压侧上的内周面角部H上，具有比小脊27的半径尺寸大的半径尺寸的小凹槽28设置在小脊27附近，而内部件19的周面19a防止处于密封件7的压配合装配状态中的小脊27的橡胶材料沿径向向内塑变流动。

Claims (3)

1.一种设有橡胶部分(G)的转动轴密封件，该橡胶部分(G)有一接触转动轴(20)的表面和金属外壳(1)的凸缘部分(17)，橡胶部分(G)固定在金属外壳(1)上成整体，该转动轴密封件包括一种构造：
其中沿与轴线正交的方向的橡胶端面(8)由橡胶部分(G)的部件(G1)组成，并沿轴线方向在外壳(1)内表面的中间位置上形成，而面对高压侧(C)的密封部件(7)的周缘(7a)的表面(9)被压配合在橡胶端面(8)上；
小脊(27)和小凹槽(28)同心地形成于处于密封部件(7)的非压紧配合状态中的橡胶端面(8)上，而小脊(27)的橡胶材料弹性地变形，从而通过密封部件(7)的周缘(7a)的表面(9)的压配合而移入小凹槽(28)，以便将密封部件(7)保持在压配合装配状态中的密封状态；
沿轴线方向在外壳(1)的中间位置上形成台阶部分(13)，提供一个由橡胶部分(G)的部件(G1)组成而覆盖该台阶部分(13)的内侧上的端面(13a)的覆盖端面的环形橡胶部分(25)，并附接一个装入该密封部件(7)的高压侧(7b)和该覆盖端面的环形橡胶部分(25)的内周面的金属内部件(19)；
所述小脊(27)设置于该覆盖端面的环形橡胶部分(25)的低压侧上的内周面角部(H)上，具有比小脊(27)的径向尺寸大的径向尺寸的小凹槽(28)设置在小脊(27)附近，而内部件(19)的周面(19a)在密封部件(7)的压配合装配状态下防止小脊(27)的橡胶材料沿径向向内移动。
2.一种设有橡胶部分(G)的转动轴密封件，该橡胶部分(G)有一接触转动轴(20)的表面和金属外壳(1)的凸缘部分(17)，橡胶部分(G)固定在金属外壳(1)上成整体，该转动轴密封件包括一种构造：
其中沿轴线方向在外壳(1)的中间位置上形成台阶部分(13)，台阶部分(13)的内侧上的端面(13a)由橡胶部分(G)的部件(G1)整体地覆盖而形成一个沿与轴线正交的方向的橡胶端面(8)，而面向高压侧(C)的密封部件(7)的周缘(7a)的表面(9)被压配合在橡胶端面(8)上，
小脊(27)和小凹槽(28)同心地形成于处于密封部件(7)的非压紧配合状态中的橡胶端面(8)上，而小脊(27)的橡胶材料弹性地变形，从而通过密封部件(7)的周缘(7a)的表面(9)的压配合而移入小凹槽(28)，以便将密封部件(7)保持在压配合装配状态中的密封状态；
提供一个由橡胶部分(G)的部件(G1)组成而覆盖该台阶部分(13)的内侧上的端面(13a)的覆盖端面的环形橡胶部分(25)，并附接一个装入该密封部件(7)的高压侧(7b)和该覆盖端面的环形橡胶部分(25)的内周面的金属内部件(19)；
所述小脊(27)设置于该覆盖端面的环形橡胶部分(25)的低压侧上的内周面角部(H)上，具有比小脊(27)的径向尺寸大的径向尺寸的小凹槽(28)设置在小脊(27)附近，而内部件(19)的周面(19a)在密封部件(7)的压配合装配状态下防止小脊(27)的橡胶材料沿径向向内移动。
3.一种设有橡胶部分(G)的转动轴密封件，该橡胶部分(G)有一接触转动轴(20)的表面和金属外壳(1)的凸缘部分(17)，橡胶部分(G)固定在金属外壳(1)上成整体，该转动轴密封件包括一种构造：
其中外壳(1)有一个对应于外罩(22)的内周面(22a)的圆筒形壁部分(12)，沿外壳(1)的轴线方向的中间位置上和圆筒形壁部分(12)上形成一个台阶部分(13)，以分开在高压侧(C)上的小圆筒形部分(14)和在低压侧(E)上的大圆筒形部分(15)，台阶部分(13)的内侧上的端面(13a)由橡胶部分(G)的部件(G1)整体地覆盖，从而沿与轴线正交的方向设置一个橡胶端面(8)以指向低压侧(E)，而面向高压侧(C)的密封部件(7)的周缘(7a)的表面(9)被压配合在橡胶端面(8)上；
小脊(27)和小凹槽(28)同心地形成于处于密封部件(7)的非压紧配合状态中的橡胶端面(8)上，而小脊(27)的橡胶材料弹性地变形，从而通过密封部件(7)的周缘(7a)的表面(9)的压配合而移入小凹槽(28)，以便将密封部件(7)保持在压配合装配状态中的密封状态；
提供一个由橡胶部分(G)的部件(G1)组成而覆盖该台阶部分(13)的内侧上的端面(13a)的覆盖端面的环形橡胶部分(25)，并附接一个装入该密封部件(7)的高压侧(7b)和该覆盖端面的环形橡胶部分(25)的内周面的金属内部件(19)；
所述小脊(27)设置于该覆盖端面的环形橡胶部分(25)的低压侧上的内周面角部(H)上，具有比小脊(27)的径向尺寸大的径向尺寸的小凹槽(28)设置在小脊(27)附近，而内部件(19)的周面(19a)在密封部件(7)的压配合装配状态下防止小脊(27)的橡胶材料沿径向向内移动。
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