CN101305225A - 机械密封装置 - Google Patents
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Abstract
一种机械密封装置，包括：静止侧滑动环(10)、与所述静止侧滑动环(10)紧贴地旋转滑动的旋转侧滑动环(20)、以及夹在旋转侧滑动环(20)的内孔与转轴(200)之间的O形环(30)。所述机械密封装置还包括透气性相对小于O形环(30)的环状的环部件(60a)，环部件(60a)以在大气环境侧与O形环相邻的形态设置在旋转侧滑动环(20)的内孔中，并满足下述条件式(1)。在条件式(1)中，D1是所述转轴(200)的直径，D2是所述环部件(60a)的内径，D3是所述旋转侧滑动环(20)的内孔的比环部件(60a)更靠大气环境侧的部分的内径。D1＜D2＜D3…公式(1)。
Description
技术领域
本发明涉及一种将转轴周围密闭的高压用机械密封装置，尤其涉及适于在将CO2气体作为制冷剂的空调装置的压缩机等中密闭制冷剂CO2的机械密封装置。
背景技术
图7是以往的机械密封装置的剖视图，图8是图7的VIII部的放大图。
作为用于密闭CO2之类的高压制冷剂的机械密封装置，以往已知有例如图7所示的机械密封装置100(例如参照专利文献1)。该机械密封装置100包括：气密地固定在壳体300上的接合环110、可与转轴200一起旋转并与接合环110紧贴地滑动的密封环120、以及夹在密封环120与转轴200之间的O形环130。
在该机械密封装置100中，即使在转轴200沿推力方向移动了时，波形弹簧140也会朝着接合环110侧对密封环120施力，从而使密封环120沿着推力方向跟随接合环110。因此，密封环120与接合环110始终紧贴。
然而，由于制冷剂CO2为高压，因此，如图8所示，被朝着大气环境Q侧推压的O形环130有时会陷入到在密封环120与转轴200之间形成的间隙g内。若转轴200在O形环130陷入间隙g内的状态下沿推力方向移动，则密封环120也会随着其移动而移动，结果会使接合环110与密封环120之间的间隙扩大，有时无法确保良好的密封性能。
另外，构成O形环的橡胶具有容易被CO2制冷剂透过的性质，因此，有时制冷剂会透过O形环130而流出到大气环境Q侧，从而无法确保良好的密封性能。
专利文献1：日本专利特开2001-221344号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种密封性能优良的机械密封装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明是为了解决上述技术问题而开发的，为解决技术问题所采用的技术方案如下。
本发明的机械密封装置包括：气密地固定在壳体上的静止侧滑动环；可与插入内孔中的转轴一起旋转、与所述静止侧滑动环紧贴地滑动的旋转侧滑动环；以及夹在所述旋转侧滑动环的内孔与所述转轴之间的O形环，还包括透气性相对小于所述O形环的环状的环部件，所述环部件以在大气环境侧与所述O形环相邻的形态设置在所述旋转侧滑动环的内孔中，并满足下述条件式(1)。
D1＜D2＜D3 …公式(1)
在上述条件式(1)中，D1是所述转轴的直径，D2是所述环部件的内径，D3是所述旋转侧滑动环的内孔的比所述环部件更靠大气环境侧的部分的内径。
在本发明中，通过使满足D2＜D3的关系的环部件在大气环境侧与O形环相邻，可减小间隙g(减小透过截面积)，从而可防止O形环陷入间隙g内。另外，通过使环部件满足D1＜D2的关系，可使环部件与转轴的外周面空开间隔地配置。因此，通过设置满足上述条件式(1)的环部件，可充分确保旋转侧滑动环在推力方向上与静止侧滑动环的跟随性，从而可确保良好的密封性能。
在本发明中，环部件具有相对小于O形环的透气性。由此，可抑制气体透过而流出到大气环境侧，可确保良好的密封性能。
最好所述环部件具有外径从高压环境侧向大气环境侧减小的锥状外周面，与所述环部件的锥状外周面对应，所述旋转侧滑动环的内孔具有内径从高压环境侧向大气环境侧减小的锥状内周面，所述环部件的锥状外周面与所述旋转侧滑动环的锥状内周面接触。
采用这种结构，当环部件通过O形环被高压环境侧的压力朝着大气环境侧推压时，环部件的锥状外周面会沿着旋转侧滑动环的锥状内周面滑动。因此，可使推压力朝着使环部件的内径减小的方向作用，从而使间隙g变得更窄。
随着径向作用推压力而使间隙g变窄，环部件的气体透过截面积变小，因此可确保更良好的密封性能。
最好所述环部件的内周面具有朝着径向内侧突出的突出部，所述突出部至少设置在所述环部件的轴向截面中的靠近所述O形环的部分上。
采用这种结构，即使环部件接触转轴，也可减少其接触面积。因此，在转轴沿推力方向移动时，可减小转轴与环部件之间的摩擦阻力，可进一步提高旋转侧滑动环的跟随性。
采用本发明，由于可提高旋转侧滑动环在推力方向上的跟随性，并可抑制气体向大气环境侧流出，因此可提供一种具有优良的密封性能的机械密封装置。
附图说明
图1是本发明第1实施形态的机械密封装置的剖视图。
图2是图1的II部的放大图。
图3是本发明第2实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。
图4是本发明第3实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。
图5是本发明第4实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。
图6是本发明第5实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。
图7是以往的机械密封装置的剖视图。
图8是图7的VIII部的放大图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。
如图1所示，本发明第1实施形态的机械密封装置1是用于在CO2制冷剂用的压缩机中使插通壳体300的转轴200的周围密闭的装置。
该机械密封装置1包括：安装在壳体300侧的接合环10、以及安装在转轴200侧并与该转轴200一起旋转的密封环20。在该机械密封装置1中，使两个环10、20的相对的端面之间彼此紧贴地滑动，从而在密闭滑动部S处防止存在于机内空间(高压环境)P中的高压制冷剂CO2向机外空间(大气环境)Q泄漏。
本实施形态的接合环10相当于本发明的静止侧滑动环的一例，本实施形态的密封环20相当于本发明的旋转侧滑动环的一例。
接合环10整体呈大致环状，收容在环状凹部302内，该环状凹部302形成在壳体300的轴孔301的端部。在环状凹部302的圆筒面上形成有O形环安装槽303，在该O形环安装槽303内安装有固定用O形环304。因此，接合环10通过该固定用O形环304与壳体300气密且固定地嵌合。作为构成接合环10的材料，例如可以是陶瓷等硬质材料。
密封环20整体也呈大致环状，向接合环10侧突出的滑动突起部21沿着圆周方向连续地设置。如图2所示，在该密封环20的内孔22中形成有环状台阶部22a，在该环状台阶部22a上收容有动作用O形环30。
密封环20通过动作用O形环30以可沿轴向移动的形态设置在转轴200的外周面上。作为构成密封环20的材料，例如可以是碳等具有自润滑性的滑动材料。作为构成动作用O形环30的材料，例如可以是肖氏A硬度为80左右的氢化丁腈橡胶(HNBR)。
如图1所示，在密封环20的背面侧(与接合环10相反的一侧)配置有外壳40。该外壳40由凸缘状的金属板构成，并以其内周部与在转轴200的外周面上形成的环状台阶部201嵌合。另外，该外壳40的内周部与在环状台阶部201的圆周方向一部分上形成的缺口部202在圆周方向上卡合，由此，外壳40可与转轴200一起旋转。
在该外壳40的外周部上沿周向等间隔地形成有轴向延伸的多个卡合爪41，这些卡合爪41以可沿轴向自由相对移动的形态与卡合缺口23分别卡合，该卡合缺口23在周向上等间隔地形成在密封环20的外周面上。其结果是，密封环20可与外壳40一起旋转。另一方面，在密封环20的背面与外壳40之间夹有弹性部件50，该弹性部件50处于轴向压缩状态。作为该弹性部件50，例如可使用螺旋波形弹簧。
即，在弹性部件50的轴向施力的作用下，密封环20的滑动突起部21与接合环10紧贴，且密封环20通过外壳40而受到转轴200的旋转力，从而与该转轴200一起旋转。由此，在接合环10与密封环20之间形成密闭滑动部S，起到轴封功能。
如图1和图2所示，本实施形态的机械密封装置1具有环状的支撑环60a，该支撑环60a具有大致三角形的截面形状。该支撑环60a以在大气环境Q侧与动作用O形环30相邻的形态收容在密封环20的内孔22的环状台阶部22a上。
该支撑环60a例如由聚酰胺、聚醚酮(PEK)、聚酰亚胺等透气性小的合成树脂材料构成。由于用透气性小的材料来构成支撑环60a，因此可防止透过动作用O形环30后的气体流出到大气环境Q侧。本实施形态的支撑环60a相当于本发明的环部件的一例。
该支撑环60a具有满足下述条件式(1)的内径。
D1＜D2＜D3 公式(1)
如图2所示，在上述条件式(1)中，D1是转轴200的在其外周上存在支撑环60a的部分的直径，D2是支撑环60a的内径，D3是密封环20的内孔22的比支撑环60a更靠大气环境Q侧的部分的内径。
间隙g(＝D2-D1)较佳的是大于0mm且小于等于0.3mm(0＜g≤0.3mm)，更佳的是大于0mm且小于等于0.2mm(0mm＜g≤0.2mm)。若间隙g大于0.3mm，则动作用O形环30可能会陷入间隙g内。
在支撑环60a满足D2＜D3的关系时，间隙g狭窄(透过截面积小)，可防止动作用O形环30陷入该间隙g内。另外，在支撑环60a满足D1＜D2的关系时，支撑环60a可与转轴200的外周空开间隔地配置。
因此，通过设置满足上述条件式(1)的支撑环60a，可充分确保密封环20在推力方向上相对于接合环10的跟随性，可确保良好的密封性能。
支撑环60a具有外径从高压环境P侧向大气环境Q侧减小的锥状外周面61。与该支撑环60a的锥状外周面61对应，密封环20的内孔22的环状台阶部22a也形成为内径从高压环境P侧向大气环境Q侧减小的锥状。支撑环60a以其锥状外周面61与密封环20的锥状内周面22a接触的形态设置在密封环20的环状台阶部22a上。
采用这种结构，当O形环30和支撑环60a被高压环境P的压力朝着大气环境Q侧推压时，支撑环60a的锥状外周面61会沿着密封环20的锥状内周面22a滑动。因此，可使推压力朝着使支撑环60a的内径减小的方向作用，使间隙g变得更窄，从而可进一步防止动作用O形环30陷入间隙g内。
间隙g越狭窄，透气性小的支撑环60a的气体透过截面积就越小，因此可确保更良好的密封性能。
支撑环60a在其内周面62上具有朝着径向内侧突出的环状突出部63。在本实施形态中，如图2所示，在支撑环60a的轴向截面中，突出部63设置在内周面62两端的两个部位上。
通过设置这种突出部63，即使支撑环60a接触转轴200，也可减少其接触面积。因此，在转轴200沿推力方向移动时，可减小转轴200与支撑环60a之间的摩擦阻力，可进一步提高密封环20的跟随性。
如图2所示，各突出部62的前端形成为圆弧状。由此，可使突出部62与转轴200之间的接触成为点接触，从而可进一步减小转轴200与支撑环60a之间的摩擦阻力。
图3是本发明第2实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。如图3所示，在密封环20中，也可仅在环状台阶部22a的一部分而不是整个环状台阶部22a上设置锥状内周面22b。支撑环60b与第1实施形态的支撑环60a相同。
图4是本发明第3实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。如该图所示，也可将支撑环60c的轴向截面的高度做成比动作用O形环30的轴向截面的高度低很多。即，也可将支撑环60c的外径做成比动作用O形环30的外径小。这种情况下，最好使密封环20的环状台阶部22a的锥形状与外径减小的支撑环60c的形状对应。
图5是本发明第4实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。如该图所示，在支撑环60d的内周面62上，也可仅在靠近动作用O形环30的端部而不是两端部上设置突出部63。
图6是本发明第5实施形态的机械密封装置中与图1的II部相当的部分的放大图。如该图所示，也可将支撑环60e的靠O形环侧的侧面64做成凹状曲面。通过设置这种曲面状的侧面64，可进一步抑制动作用O形环30因气体的推压力而朝着间隙g侧突出。
下面对作用进行说明。
在驱动压缩机时，雾状地混入CO2气体中的冷冻机油的一部分会进入密闭滑动部S而形成润滑油膜。由此，可使该密闭滑动部S良好地润滑，并将CO2气体向大气环境Q侧的流通切断。
此时，动作用O形环30被高压环境P的压力朝着大气环境Q侧推压，但在本实施形态中，由于支撑环60a具有满足上述条件式(1)中的D2＜D3的关系的内径，因此间隙g狭窄，从而可防止在该推压时动作用O形环30陷入间隙g内。
另外，由于满足上述条件式(1)中的D1＜D1的关系，因此支撑环60a与转轴200的外周面空开间隔地配置。因此，即使转轴200沿推力方向移动，也不会发生密封环20与转轴200一起移动而导致密闭滑动部S扩大的情况，可确保良好的密封性能。由于支撑环60a的透气性比动作用O形环30小，因此可抑制CO2气体透过而流出到大气环境Q侧。
支撑环60a也被高压环境P的压力朝着大气环境Q侧推压，但此时支撑环60a的锥状外周面61会沿着密封环20的锥状内周面22a滑动。由此，高压环境P的推压力朝着使支撑环60a的内径减小的方向作用，间隙g会变得更窄，从而可进一步防止动作用O形环30陷入间隙g内。此外，间隙g越窄，支撑环60a的气体透过截面积就越小，因此可提高密封性能。
如上所述，本发明实施形态的机械密封装置1可提高密封环20在推力方向上的跟随性，并可抑制气体透过而流出到大气环境Q侧，因此具有优良的密封性能。
例如，用下述公式(2)所示的理论式分别计算现有构造和本发明的年泄漏量，如表1所示，与未使用支撑环的现有构造相比，可知本发明的密封性能大幅度提高。计算年泄漏量时，在下式的理论式中，作为透过截面积s代入间隙g，作为透过路径长度L代入动作用O形环30的线径，并将压力设为5MPa，将温度设为120℃。
[数学式1]
在上述公式中，
b：透气系数[cm3(STP)·cm/cm2·sec·Pa]
s：透过截面积[cm2]
t：透过时间[sec]
p：压力[Pa]
L：透过路径长度[cm]
[表1]
| 透气量[g/年] | |
| 本发明构造 | 0.03 |
| 现有构造 | 24.01 |
上述实施形态是为了使本发明容易理解而记载的，并不是为了限定本发明。因此，在上述实施形态中公开的各要素旨在包括属于本发明技术范围的所有设计变更和等同物。
Claims (3)
1.一种机械密封装置，包括：
静止侧滑动环，该静止侧滑动环气密地固定在壳体上；
旋转侧滑动环，该旋转侧滑动环可与插入内孔中的转轴一起旋转，与所述静止侧滑动环紧贴地滑动；以及
O形环，该O形环夹在所述旋转侧滑动环的内孔与所述转轴之间，
其特征在于，还包括透气性相对小于所述O形环的环状的环部件，
所述环部件以在大气环境侧与所述O形环相邻的形态设置在所述旋转侧滑动环的内孔中，
并满足下述条件式(1)，
D1＜D2＜D3 公式(1)
在上述条件式(1)中，D1是所述转轴的直径，D2是所述环部件的内径，D3是所述旋转侧滑动环的内孔的比所述环部件更靠大气环境侧的部分的内径。
2.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，
所述环部件具有外径从高压环境侧向大气环境侧减小的锥状外周面，
与所述环部件的锥状外周面对应，所述旋转侧滑动环的内孔具有内径从高压环境侧向大气环境侧减小的锥状内周面，
所述环部件的锥状外周面与所述旋转侧滑动环的锥状内周面接触。
3.如权利要求1或2所述的机械密封装置，其特征在于，
所述环部件的内周面具有朝着径向内侧突出的突出部，
所述突出部至少设置在所述环部件的轴向截面中的靠近所述O形环的部分上。
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