JP2001317637A - メカニカルシールによる圧縮機の軸封機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機内空間Ａの圧力に起因する摺動環３１，３
２及びその摺動突起３２３の変形と、これによる密封摺
動面Ｓの外周偏摩耗を抑制する。 【解決手段】 メカニカルシール３は、回転軸２の環状
段差部２１の大径側外周面２３に回転側Ｏリング３７を
介して支持されると共に、機内のガス圧力によって前記
環状段差部２１にプレスフィットされる回転側摺動環３
２と、シールハウジング１側に静止側Ｏリング３３を介
して軸方向移動可能に固定され、スプリング３６によっ
て回転側摺動環３２の摺動突起３２３と密接されて密封
摺動面Ｓを形成する非回転の静止側摺動環３１とを備え
る。回転側摺動環３２は自己潤滑性摺動材からなり、静
止側摺動環３１が自己潤滑性摺動材以上のヤング率の大
きい摺動材からなる。回転側摺動環３２に高圧のガス圧
力と機外の大気圧との差圧によって与えられる倒れ込み
方向の変形力が、回転軸２の環状段差部２１への押し付
け方向に作用する前記差圧の軸方向成分による変形力で
相殺される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空調装置の圧縮機
の回転軸周を、メカニカルシールを用いて軸封する技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＯ_２ガスを冷媒とする自動車用車室空
調装置（カーエアコン）の圧縮機の軸封手段として用い
られるメカニカルシールの典型的な従来例としては、図
６に示されるようなものがある。この種のメカニカルシ
ール２００は、冷媒ＣＯ_２ガス圧縮機の回転軸１０１に
Ｏリング２０２を介して軸方向移動自在に設けられ前記
回転軸１０１と共に回転される回転側摺動環２０１が、
前記冷媒ＣＯ_２ガス圧縮機のシールハウジング１０２側
にＯリング２０４を介して気密的に設けられた非回転の
静止側摺動環２０３に、スプリング２０５の軸方向付勢
力によって密接され、両リング２０１，２０３が密接さ
れることにより、密封摺動面２００Ｓが形成される。

【０００３】ここで、密封摺動面２００Ｓの外周側に達
する図中右側の機内空間Ａは、冷凍機油を含む冷媒ＣＯ
_２ガス雰囲気であり、前記密封摺動面２００Ｓの内周側
に達する大気側空間Ｂの大気圧との差圧Δｐは、３〜１
３ＭＰａの範囲で変化する。また、回転側摺動環２０１
は自己潤滑性を有するカーボン摺動材からなるものであ
って、円周方向に連続した摺動突起２０１ａで静止側摺
動環２０３と摺接され、静止側摺動環２０３には前記カ
ーボン摺動材よりも硬質のセラミックス等の摺動材が用
いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のメカニカル
シール２００によれば、ヤング率の小さいカーボン摺動
材からなる回転側摺動環２０１には、図７に誇張して示
されるようなテーパ状の変形を生じる。これは、回転側
摺動環２０１の内周のＯリング２０２から静止側摺動環
２０３寄りの部分に作用する半径方向の差圧Δｐによっ
て矢印ｆで示されるような変位力を受け、回転側摺動環
２０１における静止側摺動環２０３寄りの部分が静止側
摺動環２０３側へ倒れ込み、かつ形状・構造的に曲げ強
度の小さい摺動突起２０１ａが前記半径方向の差圧によ
って更に内周側へ倒れ込むからである。

【０００５】その結果、例えば回転側摺動環２０１がカ
ーボン摺動材からなり、摺動突起２０１ａの外径が２０
ｍｍ程度、密封摺動面２００Ｓの半径方向幅が２ｍｍ程
度のメカニカルシールを用いた場合、摺動によって摺動
突起２０１ａの外周部の摩耗量が、内周部よりも１〜３
μｍ程度大きくなるといった偏摩耗を生じる。

【０００６】このため、機内空間Ａの冷媒ＣＯ_２ガス圧
力の低下によって差圧Δｐによる変位力ｆが小さくなる
と、密封摺動面２００Ｓには、図８に示されるように、
上記偏摩耗によって外周側（冷媒ＣＯ_２ガス雰囲気側）
へ開いたテーパ状の隙間ｇを生じる。したがって、この
隙間ｇに圧力Δｐが作用することによって、密封摺動面
２００Ｓを開かせる力ＯＰが増大する。

【０００７】また、密封摺動面２００Ｓには、冷媒ＣＯ
_２ガス中にミスト状に混在する冷凍機油の一部が介入さ
れることによって油膜が形成され、この油膜が冷媒ＣＯ
_２ガスの漏洩防止に大きく貢献しているが、上述のよう
に外周側へ開いたテーパ状の隙間ｇが形成されることに
よって密封摺動面２００Ｓの幅が著しく小さくなると共
に、そこに介在する油膜も著しく減少し、冷媒ＣＯ_２ガ
スが漏れやすい状況となる。

【０００８】本発明は、以上のような問題に鑑みてなさ
れたもので、その主な技術的課題とするところは、機内
空間の圧力に起因する摺動環及びその摺動突起の変形
と、これによる密封摺動面の偏摩耗を抑制することによ
って、密封摺動面の油膜切れ及びこれによる冷媒ガスの
漏洩を抑制することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、
本発明によって有効に解決することができる。すなわち
本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構
は、圧縮機の回転軸に形成された環状段差部の大径側外
周面に回転側パッキンを介して支持されると共に機内の
ガス圧力によって前記環状段差部にプレスフィットされ
る回転側摺動環と、前記圧縮機のシールハウジング側に
静止側パッキンを介して気密的かつ軸方向移動可能に固
定されスプリングの軸方向付勢力によって前記回転側摺
動環と密接されて密封摺動面を形成する非回転の静止側
摺動環とを備え、密封対象ガスの存在する機内空間が前
記密封摺動面の外周側に達するメカニカルシールにおい
て、前記回転側摺動環が自己潤滑性摺動材からなり、前
記静止側摺動環が前記自己潤滑性摺動材以上のヤング率
の大きい摺動材からなり、前記回転側摺動環が円周方向
に延びる摺動突起で前記静止側摺動環と摺接されるもの
である。この場合、前記回転側摺動環の材料である自己
潤滑性摺動材としては、カーボン摺動材、ＰＴＦＥ摺動
材又はポリイミド摺動材が好適に使用される。

【００１０】上記構成によれば、回転側摺動環は機内の
高圧ガス圧力と機外の大気圧との差圧によって倒れ込み
方向の変形力を受けるが、この変形力は、回転軸の環状
段差部への押し付け方向に作用する前記差圧の軸方向成
分による変形力で相殺されるため、前記回転側摺動環の
倒れ込み変形による密封摺動面の偏摩耗の発生が抑制さ
れる。なお、静止側摺動環も同様に、前記差圧によって
倒れ込み方向の変形力を受けるが、この静止側摺動環は
ヤング率の大きい材料からなるため、変形量は問題にな
らないレベルとなる。

【００１１】また、本発明において付加される一層好ま
しい構成としては、互いに接触する回転軸の環状段差部
と回転側摺動環の内径部背面との間の外周部に、回転側
パッキンによる密封部より内径側に位置して軸方向隙間
が形成される。このようにすることによって、回転側摺
動環の倒れ込み変形と逆方向の変形力を発生するので、
前記倒れ込み変形による密封摺動面の外周側の偏摩耗を
一層確実に防止し得るものとなる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るメカニカルシ
ールによる圧縮機の軸封機構の好ましい実施の一形態を
示すもので、図中の参照符号１はＣＯ_２を冷媒として用
いる車室空調装置の圧縮機のシールハウジング、参照符
号２はこのシールハウジング１の軸孔１１の内周から前
記圧縮機の内部に挿通され、エンジンのクランクシャフ
トからの駆動力を電磁クラッチ(図示省略)を介して与え
られることにより回転して、圧縮機の内部機構を駆動さ
せる回転軸である。前記シールハウジング１と回転軸２
との間には、メカニカルシール３が装着されている。

【００１３】メカニカルシール３は、シールハウジング
１側に非回転状態に装着された静止側摺動環３１と、回
転軸２側に装着されてこの回転軸２と一体的に回転する
回転側摺動環３２が、軸方向に互いに対向しており、そ
の対向端面同士が密接した密封摺動面Ｓにおいて、軸封
機能を奏するものである。このメカニカルシール３の軸
方向両側の軸周空間のうち、図１におけるシールハウジ
ング１の右側に存在し前記密封摺動面Ｓの外周側に達す
る空間Ａが、密封対象の機内空間、前記密封摺動面Ｓの
内周側に達する図中左側の空間Ｂが、機外に開放された
大気側空間である。

【００１４】メカニカルシール３の構成を更に詳しく説
明すると、回転側摺動環３２はカーボン摺動材からなる
ものであって、静止側摺動環３１からみて機内空間Ａ側
に配置され、回転軸２の外周面に回転側Ｏリング３７を
介して固定的に嵌着されている。回転軸２は、回転側摺
動環３２の装着位置に、シールハウジング１の軸孔１１
への挿通部側が小径となる環状段差部２１，２２が形成
されており、回転側摺動環３２は、背面が小径側の第一
の環状段差部２１に当接される内周径方向部３２１と、
その外周端部から背面側へ延びて前記第一の環状段差部
２１の大径側外周面２３に回転側Ｏリング３７を介して
担持される外周軸方向部３２２とを有し、前記内周径方
向部３２１の正面には、円周方向へ連続した摺動突起３
２３が形成されている。

【００１５】一方、静止側摺動環３１はカーボン摺動材
よりもヤング率の大きい硬質摺動材(例えばＳｉＣ等の
セラミックス)からなるものであって、シールハウジン
グ１の内周にその軸孔１１に沿って機内側へ延在された
筒状支持部１２の外周面に、静止側Ｏリング３３を介し
て軸方向移動自在に装着されている。また、この静止側
Ｏリング３３は、前記静止側摺動環３１の背面側の内周
面に形成されたパッキン装着凹部３１ａに収容された状
態で、前記筒状支持部１２の外周面との間で径方向に適
当な潰し代が付与されている。前記静止側摺動環３１の
背面(回転側摺動環３２と反対側の面)には、金属板から
なるリテーナ３４が当接配置され、その内径部は静止側
摺動環３１のパッキン装着凹部３１ａの背後を塞ぐよう
に延びている。

【００１６】リテーナ３４の背面側には鍔状の金属板か
らなるケース３５が配置されており、このケース３５
は、筒状支持部１２の基部外周面に形成された係合部１
２ａと円周方向に係合されると共に、前記基部の後端か
ら立ち上がるシールハウジング１の端面１３に軸方向に
係止されている。そして前記リテーナ３４とケース３５
との間には、ウェーブスプリング３６が軸方向に適宜圧
縮された状態で介在されている。また、前記ケース３５
の外周部には、軸方向に延在された複数の係合爪３５ａ
が等位相間隔で形成されており、精子側摺動環３１の外
周面に等位相間隔で形成された係合切欠３１ｂと軸方向
相対移動自在に係合している。

【００１７】以上の構成において、シールハウジング１
に、その筒状支持部１２の係合部１２ａ及びケース３５
を介して回り止めされた静止側摺動環３１は、ウェーブ
スプリング３６の軸方向付勢力をリテーナ３４を介して
与えられることにより、その先端面３１ｃが、回転軸２
と共に回転する回転側摺動環３２の摺動突起３２３の先
端面に適当な面圧で押し付けられ、これにより密封摺動
面Ｓが形成される。回転軸２が回転している圧縮機の駆
動時には、機内で高圧・高温に圧縮される冷媒ＣＯ_２ガ
ス中に冷凍機油がミスト状に混在されており、その一部
は、密封摺動面Ｓに介入して潤滑油膜を形成し、この密
封摺動面Ｓを良好に潤滑すると共に、大気側空間Ｂへの
冷媒ＣＯ_２ガスの通過を遮断する。

【００１８】ここで、機内空間Ａの冷媒ＣＯ_２ガスの圧
力は、大気側空間Ｂにおける大気圧よりも高圧であるた
め、静止側Ｏリング３３による密封部の外周側で静止側
摺動環３１の背面に作用する前記冷媒ＣＯ_２ガスの圧力
と大気圧との差圧は、密封摺動面Ｓにおける面圧を増大
させる押し付け荷重として働く。しかし、静止側Ｏリン
グ３３と密封摺動面Ｓの径方向位置関係は、前記押し付
け荷重の大部分が、回転側摺動環３２の摺動突起３２３
による密封摺動面Ｓの外周側で、前記静止側摺動環３１
の正面に軸方向に作用する差圧によって相殺されるよう
に設定されているので、機内空間Ａの冷媒ＣＯ_２ガス圧
力が大きく変動しても、密封摺動面Ｓの面圧は大きく変
化することがない。

【００１９】一方、回転側摺動環３２は、静止側摺動環
３１と密接して密封摺動面Ｓを形成する摺動突起３２３
が、内周径方向部３２１に突設されていて、回転側Ｏリ
ング３７による密封部より内径側に位置しているので、
図２に示されるように、密封摺動面Ｓの外周側で回転側
摺動環３２の正面に軸方向に作用する差圧Δｐ_１の受圧
面積は、回転側Ｏリング３７による密封部の外周側で回
転側摺動環３２の背面に軸方向に作用する差圧Δｐ_２の
受圧面積より大きい。したがって、この回転側摺動環３
２は、前記受圧面積の差に由来する軸方向荷重Ｆ_１によ
って、内周径方向部３２１の背面が、回転軸２における
第一の環状段差部２１にプレスフィットされた状態に固
定される。

【００２０】また、回転側Ｏリング３７による密封部よ
りも密封摺動面Ｓ側の部分で、回転側摺動環３２に径方
向に作用する差圧Δｐ_３は、この回転側摺動環３２に、
図２に二点鎖線で示されるような静止側摺動環３１側へ
倒れ込ませる方向の変形力Ｆ _２を生じさせる。しかし、
上述した軸方向荷重Ｆ_１は、このような変形力Ｆ_２を相
殺する方向に作用するため、回転側摺動環３２のＦ_２方
向への倒れ込みが抑えられ、このため密封摺動面Ｓ（摺
動突起３２３）の摩耗量が外周側で大きくなる偏摩耗が
有効に防止される。

【００２１】次に、図３は本発明に係る他の実施の形態
を示すものである。この形態においては、回転軸２にお
ける第一の環状段差部２１に、回転側摺動環３２の摺動
突起３２３と対応する外径寸法の副段差部２１ａが形成
され、これによって、回転側摺動環３２の内周径方向部
３２１の背面と前記第一の環状段差部２１との間の外周
部に、回転側Ｏリング３７による密封部よりも内径側に
位置する軸方向隙間Ｇを形成したものである。その他の
部分の構成は、図１とほぼ同様である。

【００２２】図３の構成によれば、回転側摺動環３２
に、先の図２に示される差圧Δｐ_１と差圧Δｐ_２の受圧
面積の差による変形力Ｆ_１が作用した場合、回転側摺動
環３２には、副段差部２１ａの外径端を支点Ｐとして、
図４に誇張して示されるような変形を生じる。そしてこ
の変形は、摺動突起３２３を外周側へ持ち上げるように
作用するので、図２に二点鎖線で示されるような倒れ込
みによる摺動突起３２３の外周側の偏摩耗を確実に防止
することができる。

【００２３】なお、この構成においては、例えば変形力
Ｆ_１を一定とした場合、副段差部２１ａによる支点Ｐが
内径側にあるほど、Ｆ_１方向の変形量がより大きくな
り、逆に支点Ｐが外周側にあるほど前記変形量がより小
さくなることは自明である。したがって、軸方向隙間Ｇ
の内径（副段差部２１ａの外径）は、密封摺動面Ｓが適
切な接触状態となるように、使用条件に応じて設定され
る。

【００２４】図５は、本発明に係る更に他の実施の形態
を示すものである。この形態においては、回転側摺動環
３２の内周径方向部３２１の背面における外周部に、円
周方向に連続した逃げ溝３２１ａを形成してあり、これ
によって、回転軸２における第一の環状段差部２１との
間の外周部に、回転側Ｏリング３７による密封部よりも
内径側に位置する軸方向隙間Ｇが形成されるように構成
したものである。その他の部分の構成は、図１とほぼ同
様である。

【００２５】すなわちこの場合は、回転側摺動環３２に
先の図２に示される差圧Δｐ_１と差圧Δｐ_２の受圧面積
の差による変形力Ｆ_１が作用した場合、回転側摺動環３
２には、逃げ溝３２１ａの内径端部を支点Ｐとする変形
を生じ、この変形が、摺動突起３２３を外周側へ持ち上
げるように作用するので、図３によるものと同様の効果
が実現される。

【００２６】なお、上記各実施形態においては、回転側
摺動環３２をカーボン摺動材からなるものとしたが、他
の自己潤滑性摺動材、例えばＰＴＦＥやポリイミドを用
いることもできる。

【００２７】

【発明の効果】本発明に係るメカニカルシールによる圧
縮機の軸封機構によれば、機内の冷媒ガス圧力が高圧に
なっても、回転側摺動環の倒れ込み変形による密封摺動
面の外周側の偏摩耗や、これに起因する摺動負荷の増大
や、冷媒ガス漏洩の増大を有効に抑制することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の
軸封機構の好ましい実施の一形態を、軸心を通る平面で
切断して示す半断面図である。

【図２】上記一形態による作用を示す説明図である。

【図３】本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の
軸封機構の好ましい実施の第二の形態を、軸心を通る平
面で切断して示す要部半断面図である。

【図４】上記他の形態による作用を示す説明図である。

【図５】本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の
軸封機構の好ましい実施の第三の形態を、軸心を通る平
面で切断して示す要部半断面図である。

【図６】従来技術に係るメカニカルシールによる圧縮機
の軸封機構を、軸心を通る平面で切断して示す半断面図
である。

【図７】上記従来技術における偏摩耗の発生状態を示す
説明図である。

【図８】上記従来技術における偏摩耗による摺動面隙間
の発生状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１ シールハウジング ２ 回転軸 ２１ 第一の環状段差部(環状段差部) ２１ａ 副段差部 ３ メカニカルシール ３１ 静止側摺動環 ３２ 回転側摺動環 ３２１ 内周径方向部 ３２１ａ 逃げ溝 ３２３ 摺動突起 ３３ 静止側Ｏリング(静止側パッキン) ３６ ウェーブスプリング(スプリング) ３７ 回転側Ｏリング(回転側パッキン) Ａ 機内空間 Ｂ 大気側空間 Ｇ 軸方向隙間 Ｓ 密封摺動面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今井 崇行 愛知県刈谷市豊田町２丁目１番地 株式会 社豊田自動織機製作所内 (72)発明者 瀧ケ平 宜昭 埼玉県坂戸市大字片柳1500番地 イーグル 工業株式会社埼玉工場内 Ｆターム(参考） 3J041 AA02 BA04 BA09 BC02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機の回転軸に形成された環状段差部
   の大径側外周面に回転側パッキンを介して支持されると
   共に機内のガス圧力によって前記環状段差部にプレスフ
   ィットされる回転側摺動環と、 前記圧縮機のシールハウジング側に静止側パッキンを介
   して気密的かつ軸方向移動可能に固定されスプリングの
   軸方向付勢力によって前記回転側摺動環と密接されて密
   封摺動面を形成する非回転の静止側摺動環とを備え、 密封対象ガスの存在する機内空間が前記密封摺動面の外
   周側に達するメカニカルシールにおいて、 前記回転側摺動環が自己潤滑性摺動材からなり、 前記静止側摺動環が前記自己潤滑性摺動材以上のヤング
   率の大きい摺動材からなり、 前記回転側摺動環が円周方向に延びる摺動突起で前記静
   止側摺動環と摺接されることを特徴とするメカニカルシ
   ールによる圧縮機の軸封機構。
2. 【請求項２】 請求項１の記載において、 自己潤滑性摺動材はカーボン摺動材、ＰＴＦＥ摺動材又
   はポリイミド摺動材であることを特徴とするメカニカル
   シールによる圧縮機の軸封機構。
3. 【請求項３】 請求項１の記載において、 互いに接触する回転軸の環状段差部と回転側摺動環の内
   径部背面との間の外周部に、回転側パッキンによる密封
   部より内径側に位置して軸方向隙間が形成されたことを
   特徴とするメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構。