CN1314978A - 压缩机的机械密封装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于压缩机的机械密封装置,其中固定侧的配合环(31)由自润滑滑动材料制成且在其面朝密封环(32)侧的端部上设有一个沿周向连续的滑动凸起(31a)。旋转侧的密封环(32)由一种杨氏模量大于自润滑滑动材料的硬质滑动材料制成,且通过轴密封件(34)被可轴向移动地安装在旋转轴(2)上。由于在密封环(32)上没有设置滑动凸起,在配合环(31)侧而不是在由轴密封件(34)所密封的部分处,压力和大气压力之间的压力差作用在其上的轴向长度L被缩短。由于具有较大的杨氏模量,因压力差导致的变形被限制并且可以限制由于变形导致的密封面S的不均匀磨损。
Description
技术领域
本发明涉及一种用作压缩机的轴密封装置的机械密封装置。
背景技术
通常情况下，不会变质且对人类无害的不可燃且安全的CFC-R12(CF2Cl2)被用作例如机动车空气调节器(汽车空气调节器)中的冷却剂。然而释放到空气中的CFC-R12由于其不会变质而被保留在空气中，并且由于空气的正常循环而被带入同温层(stratosphere)。因此，CFC-R12在波长为0.19至0.25μm的紫外线作用下产生分解，该紫外线几乎不存在在地球表面的附近，由此产生了氯Cl。氯Cl与同温层中的臭氧O3反应而生成氧化氯ClO和氧分子O2。氧化氯与环境氧原子O发生反应而生成氯Cl和一个氧分子O2。由于这些反应重复进行，加速了同温层中臭氧O3和氧原子O的量的减少，从而导致破坏了臭氧层。近年来为了防止对臭氧层的破坏，已经采用不含氯的HFC-R134a来代替CFC-R12作为冷却剂。然而，产生了一个新的问题，因为即使非常小量的HFC也与温室效应显著相关，由地球表面的较长波长(红外辐射)的吸收导致大气变暖现象。试图寻找一种冷却剂来代替HFC-R134a。目前，先导的替换物是二氧化碳CO2。
在图6中示出了一个用作冷却剂气体压缩机的轴密封装置的已知机械密封装置的例子。在图6中示出的机械密封装置200由一个密封环201构成，该密封环通过一个O形环202安装在冷却剂气体压缩机的旋转轴101上以便沿轴向运动并且与旋转轴101一起旋转。密封环201被紧密压靠在一个不旋转的配合环203上，该配合环203通过O形环204在弹簧205的轴向力的作用下以气密方式被设置在密封壳体102的侧面，从而在环201和203之间形成了一个密封面200S，该环201和203相互之间紧密滑动式地接触。机械密封装置200防止冷却剂气体和被引入形成在图中右侧的机器内部空间P中且到达密封面内周边的致冷器油从中泄漏到与大气相连的空间Q中。密封环201由碳构成，并且设有一个沿周向连续的滑动凸起201a，该滑动凸起被称作鼻状凸起物并且与配合环203滑动接触。配合环203由比碳更硬的材料制成。
在如上所述的常规机械密封装置200中，由具有较小杨氏模量的碳构成的密封环201如图7(A)所示产生倾斜地变形，其中变形被放大。这是因为始自O形环202的密封环201的部分和与配合环相邻的部分201a受到如箭头M所示的变形力的作用，这是由于在机器内部空间P中的冷却剂气体压力和大气侧空间Q中的大气压力之间的压力差△P产生的。而且，在将HFC-R134a用作冷却剂气体的情况下，冷却剂气体压缩机的抽吸压力和排放压力在通常条件下分别为大约0.1-0.3Mpa和1-3Mpa，在将CO2用作冷却剂气体的情况下，抽吸压力和排放压力分别被增大至3-4Mpa和7-13Mpa，因此，由于压力差△P的增大导致变形变得更加显著。因此，密封环201之滑动凸起201a的抵靠着位于其外周侧的配合环203的密封表面压力增大。这导致不均匀的磨损，其中在外周侧上的密封环的磨损量比在内周侧上的磨损量大了约1-5μm。
因此，如果由于冷却剂CO2在内部空间P中的压力降导致位移M减小，由于不均匀磨损在密封面200S处产生一个通向外周侧(内部空间P)的间隙G，如图7(B)所示。因此，由于在通至间隙G的内部空间P中施加了压力，打开密封面200S的力F增大了。另外，由所供给的致冷器油产生的油膜形成在密封面200S上，该致冷器油在冷却剂CO2中以雾状的形式存在。油膜显然有助于防止冷却剂CO2的泄漏。尽管如此，如果形成了向外开口的间隙G，密封面200S的宽度明显减少，其中存在的油膜也明显减少。因此，由于在密封面200S上缺少油膜，冷却剂CO2将产生泄漏。
此外，当驱动压缩机时，以雾状形式存在于冷却剂气体CO2中的致冷器油由流动到密封面200S外周侧的CO2气体冷却剂流所载带。密封面200S上的润滑剂膜不会允许CO2气体冷却剂从中通过。然而，当压缩机停止时，致冷器油掉落在内部空间P的下部分上，从而内部空间P的大部分限定了一个气体区域。因此，密封面200S上缺少油膜，高度压缩的CO2气体冷却剂将会泄漏。
发明概述
本发明的目的是消除上述缺点，并且通过对由于高度压缩的冷却剂的压力所引起的机械密封装置密封面的不均匀磨损加以限制或者通过防止在停机时在密封面上缺少油膜来有效地防止冷却剂的泄漏。
根据本发明的用于压缩机的机械密封装置包括一个位于旋转侧的滑动环和一个位于固定侧的不旋转滑动环，该旋转侧的滑动环通过一个轴密封件安装在压缩机的旋转轴上以便沿轴向移动并且与旋转轴一起旋转，该固定侧的不旋转滑动环以气密方式固定在压缩机的密封壳体上并且与位于旋转侧的滑动环一起限定了一个密封面，其中存在有气体的待密封的空间与密封面的外周边连通，固定环由自润滑密封面材料制成，旋转环由具有比自润滑密封面材料大的杨氏模量的密封面材料制成，固定环通过一个沿周向延伸的滑动凸起与旋转环滑动接触。以这种结构，优选采用碳、PTFE(聚四氟乙烯)或聚酰亚胺作为自润滑密封面材料。
采用这种设置方式，由于作用在轴密封件的密封部分和密封面之间的气体压力，旋转环受到朝向内周侧的变形力的作用。然而，由于滑动凸起形成在固定环上，从轴密封件的密封部分到密封面的轴向长度被缩短。而且，旋转环的杨氏模量大于固定环的杨氏模量。因此，旋转环的倾斜变形受到限制，故此，外周侧上的密封面的不均匀磨损可以受到限制。
在本发明的一个优选实施方案中，固定环的滑动凸起的端面和旋转环的端面这二者或其中之一设有沿周向的连续槽，这两个端面限定了密封面。这个凹槽作为油的贮藏槽以防止在驱动停止时在密封面上缺少油膜的存在。
从附图和本发明优选实施方案的下列描述中将更加理解本发明。
附图简述
图1是根据本发明用于压缩机的一个机械密封装置的第一实施方案沿其轴线截取的剖面图。
图2是图1中所示第一实施方案的操作的示意图。
图3是根据本发明用于压缩机的一个机械密封装置第二实施方案的主要部分沿其轴线截取的剖面图。
图4是根据本发明用于压缩机的一个机械密封装置第三实施方案的主要部分沿其轴线截取的剖面图。
图5是根据本发明用于压缩机的一个机械密封装置第四实施方案的主要部分沿其轴线截取的剖面图。
图6是用于CO2压缩机的已知机械密封装置的上半部分沿其轴线截取的剖面图。
图7(A)和7(B)是现有技术中存在的不均匀磨损的示意图。
实施本发明的最佳方式
图1示出根据本发明的用于压缩机的机械密封装置的第一实施方案，其中标号1是指采用二氧化碳CO2作为冷却剂的汽车空气调节器的密封壳体，标号2是指穿过密封壳体1之轴孔11的内周面延伸至压缩机中的旋转轴，当驱动力从电动机的曲柄轴通过电磁离合器(未示出)传递到该旋转轴上以驱动压缩机的内部机构时，该旋转轴2可以旋转。根据本发明的实施方案，在密封壳体1和旋转轴2之间具有机械密封装置3。
机械密封装置3由一个配合环31和一个密封环32构成，该配合环是连接在密封壳体上的不能旋转的固定环，该密封环是连接于旋转轴2以便与旋转轴2一起旋转的驱动环。在轴向方向上，密封环32与配合环31相对，其相对的端面限定了一个表面S以密封轴。至于沿轴向方向上位于相对两侧的机械密封装置3之轴周围的空间，图1所示密封壳体1的右侧空间P与密封面S的外周边连通，限定了一个待密封的机器内部空间，并且与附图中密封面S的内周边连通的左侧空间Q限定了一个与机器外侧连通的气体空间。
机械密封装置3的结构在下面将更加详细地描述。配合环31由碳制成，并且被容纳在形成于机器内侧之轴孔11开口端部处的加大直径的环形槽12中。配合环31以不可移动的方式安装在环形槽12中，外周面通过安装在沿环形槽12外周面连续延伸的环形槽12a中的O形环33加以密封。配合环31在其从环形槽12露出且面朝密封环32的端部上设置了一个滑动凸起31a，该滑动凸起沿周向方向连续延伸。
密封环32由一种其杨氏模量与碳相比较大的硬质材料(例如陶瓷、如SiC)制成。密封环32处在相对于配合环31与内部空间P相邻的位置处，并且通过由O形环制成的轴密封件被安装至旋转轴2的外表面上以便沿轴向移动。轴密封件34被容纳在形成于密封环32的内后周面上的密封件安装槽32c内，并且连接至密封环32上。由金属板构成的保持器35抵靠在密封环32的后表面上(与配合环31相对)。保持器35的内周边缘延伸覆盖着密封环32的密封件安装槽32c的后部。
由金属板制造的带有凸缘的罩体36被设置在保持器35的后侧上。罩体36沿轴向与形成在旋转轴2外周面上的锥形部分21接合，且在周向方向上与通过沿周向切割旋转轴的一部分所形成的一个切开部分21a接合。螺旋弹簧37设置在保持器35和罩体36之间，并且沿轴向方向被大体压缩。罩体36在其外周面上设置了多个以等同相距间隔开的沿轴向延伸的啮合棘爪36a。啮合棘爪36a与以等同相距形成在密封环32外周面上的配合槽32a啮合，以便沿轴向产生相对移动。
也就是说，在螺旋弹簧37的轴向力的作用下，通过保持器35，借助适当的表面压力将密封环32的前端面32b压靠在配合环31的滑动凸起31a的前端面上。此外，当密封环32从旋转轴2通过罩体36承受旋转力矩时，该密封环与旋转轴2一起旋转，因此，在密封环32和滑动凸起31a之间形成了密封面S。
旋转轴2设有位于密封环32内周面上的台阶式环形部分22。台阶式环形部分22划分出一个较小直径的插入部分23和一个较大直径的密封环支承部分24，其中该插入部分23被插入在密封壳体1的轴孔11中，而轴密封件34被安装在密封环支承部分24上以便沿轴向移动。
配合环31以及与其相邻的密封环32部分这二者的内径均小于旋转轴2的密封环支承部分24的直径。如图2所示，在配合环31和密封环32之间限定的密封面S的内径D1(滑动凸起31a的内径)与由轴密封件34和密封环支承部分24所限定的密封直径D2相等或略小。也就是说，密封面S的面积A1等于或大于压力接收表面面积A2，该压力接收表面承受作为将密封环32压向配合环31的轴向力的机器内部空间P的压力作用。因此，机械密封装置3的结构为压力平衡型的，其中如果在机器内部空间P中的CO2气体冷却剂的压力产生变化，密封面S的表面压力没有显著变化。
在上述的结构中，在机器中在高温和高压条件下被压缩的CO2气体冷却剂包含在压缩机驱动过程中以雾状形式混合在其中的致冷器油，其中在压缩机的驱动过程中旋转轴2旋转，一部分油进入密封面S并且形成润滑剂膜以对密封面S进行有效地润滑并且防止CO2气体冷却剂从中通过而进入大气空间Q。
由于机器内部空间P中的CO2气体冷却剂的压力高于大气空间Q的大气压力，气体压力和大气压力之间的压力差作用在密封环32上。然而，在所示的实施方案中，滑动凸起31a设置在配合环31上，而没有滑动凸起设置在密封环32上，因此，在轴向方向上从轴密封件34的密封部分到密封面S的密封环长度L与现有技术相比较小。另外，由于密封环32由具有较大杨氏模量的硬质材料制成，由于压力差导致的密封环32在倾斜方向上的变形可以被限制。因此，可以尽可能地减小在配合环31之滑动凸起31a的外周侧上的不均匀磨损。
采用压缩机进行的滑动试验已经证实在配合环31之滑动凸起31a的端面处产生的不均匀磨损不大于1μm。因此，在密封面S上形成足够量的润滑剂膜，并且CO2气体冷却剂的泄漏显著减少。
如上所述，当在驱动压缩机时旋转轴2旋转时，致冷器油以雾状的形式混合在CO2气体冷却剂中，该CO2气体冷却剂在机器中在高温和高压的条件下被压缩，从而一部分致冷器油进入密封面S并且形成润滑剂膜。然而，当压缩机停止时，致冷器油落至内部空间P的下部分上，因此，内部空间P形成一个气体区域。因此，密封面S缺少润滑剂膜并且进入干接触状态。所以，可能出现有CO2气体冷却剂泄漏至大气空间Q中的问题。在图3和图4所示的实施方案中，可以防止当压缩机停止时由于缺少油膜而导致的泄漏。
也就是说，在图3所示的第二实施方案中，在配合环31的滑动凸起31a的前端面上设置了一个沿周向连续延伸的润滑剂槽31b，其中该滑动凸起的前端面构成密封面S。在图4所示的第三实施方案中，在密封环32的前端面32b上形成润滑剂槽32d，该密封环的前端面32b构成密封面S。在第二和第三实施方案中的其它结构与第一实施方案中的相同。
在这些实施方案中，在压缩机驱动时进入密封面S以形成润滑剂膜的致冷器油进入并被存储在密封的润滑剂槽31b或32d中。因此，如果当压缩机停止时内部空间P形成了一个气体区域，则存储在润滑剂槽31b或32d中的油由于毛细作用在密封面S处形成润滑剂膜，故可以有效地防止当缺少油膜时产生的CO2气体的泄漏。应当指出，在上述的每一个实施方案中，虽然固定侧的滑动环的内径小于由台阶状环形部分所限定的外径部分，但可以使固定侧的滑动环的内径大于台阶状环形部分的外径部分，如图5的第四实施方案所示。
虽然配合环31由碳制成，但可以采用其它的自润滑材料例如PTFE或聚酰亚胺等制成配合环。而且，可以用陶瓷例如SiC或Al2O3或者硬质合金制成密封环。尽管在上述实施方案中采用CO2气体作为冷却剂，但本发明不限于此并且同样可应用于其它可高度压缩的冷却剂气体。
根据本发明的用于压缩机的机械密封件可以有效地防止由于密封装置的不均匀磨损或由于在压缩机停机时缺少油膜而导致的冷却剂气体泄漏的增加，即使在空气调节器中的内部压力较大的情况下也能如此。
上面的讨论是针对具体实施方案进行的，但是对于本领域的技术人员而言，可以在不脱离本发明的精神或权利要求范围的前提下进行各种改型或变化。
Claims (6)
1．一种用于压缩机的机械密封装置，包括：
一个位于旋转侧的滑动环，该滑动环通过一个轴密封件安装在压缩机的旋转轴上以便沿轴向移动并且与旋转轴一起旋转；以及
一个位于固定侧的不旋转滑动环，该不旋转滑动环以气密方式固定在压缩机的密封壳体上，并且该不旋转滑动环与位于旋转侧的滑动环一起限定了一个密封面；
其中存在有气体的待密封的空间与密封面的外周边连通，其特征在于，
所述固定侧的滑动环由自润滑材料制成，
所述旋转侧的滑动环由具有比自润滑材料大的杨氏模量的材料制成，
所述固定侧的滑动环通过一个沿周向延伸的滑动凸起与旋转侧的滑动环滑动接触。
2．根据权利要求1所述的用于压缩机的机械密封装置，其特征在于，所述旋转轴设有一个台阶状的环形部分，从而旋转侧的滑动环设置在台阶状环形部分的大直径部分上，而固定侧的滑动环设置在小直径侧上，固定侧的滑动环的内径小于台阶状环形部分的大直径部分。
3．根据权利要求1或2所述的用于压缩机的机械密封装置，其特征在于，所述自润滑材料为碳、PTFE或聚酰亚胺。
4．根据权利要求1或2所述的用于压缩机的机械密封装置，其特征在于，位于旋转侧的滑动环的材料为陶瓷或硬质合金。
5．根据权利要求1或2所述的用于压缩机的机械密封装置，其特征在于，所述固定侧滑动环的滑动凸起的端面和旋转侧滑动环的端面这二者或其中之一设有沿周向的连续槽，这两个端面限定了密封面。
6．根据权利要求1所述的用于压缩机的机械密封装置，其特征在于，所述压缩机是一种用于空气调节器中的采用CO2气体作为冷却剂的压缩机。
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