JP2006029502A

JP2006029502A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2006029502A
Application number: JP2004211559A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Watanabe; 義実渡邉
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-07-20
Filing date: 2004-07-20
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】メカニカルシールのシールリングが機内空間のゲージ圧により変形して、その先端の環状摺動面がシールプレートに偏当たりするのを防止する。
【解決手段】ハウジング１０に気密に固定したシールプレート１２の内側摺動面１２ａに、ハウジング１０とともに回転するシールリング２０の先端の環状摺動面２０ｅを当接して密封摺動部Ｃを形成する。シールリング２０の前半部には、環状摺動面の内周縁よりも内側に回転軸１５の外周面に接近する内周面２１ａを有する環状の内側補強部２１を一体的に形成し、内側補強部の前端部には環状摺動面２０ｅの内周縁よりも内側となる部分に切欠き部２１ｂを形成する。回転軸の先端部１７は大径部１７ａと小径部１７ｂよりなり、大径部の外周面とシールリングの内周面の間にＯリング２２を設け、内側補強部は小径部の軸線方向範囲に形成するのがよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプなどの冷凍サイクルにおいて冷媒ガスを圧縮するガス圧縮機の回転軸などを軸封するのに適したメカニカルシールに関する。

この種のメカニカルシールとしては、例えば特開２０００−１９３０９９号公報（特許文献１）に開示された技術がある。これは、図４に示すように、冷媒ガスを圧縮するガス圧縮機などのハウジング１にＯリング２ａを介して気密に固定されたシールプレート２と、このシールプレート２を同軸的に通り抜ける回転軸３に同軸的かつ気密に取り付けられて前部の突出部５ｂの先端の環状摺動面５ｃがシールプレート２の内側摺動面に摺動可能に押圧されるシールリング５よりなるものである。回転軸３は本体部３ａとその一端に形成した大径部３ｂ及び小径部３ｃからなる先端部よりなるものであり、シールリング５は、内周の後部に形成した段部と大径部３ｂの間にＯリング６を介装して回転軸３に対し気密かつ軸線方向相対移動可能に設けられ、また外周の後部に設けた複数の半径方向突出部５ａを、回転軸３に固着された回転側保持器４の外周の円筒部４ａに形成した軸線方向切込み４ｂに摺動可能に差し込んで、回転軸３とともに回転するように組み付けられている。Ｏリング６の後側に当接されたスプリング受金具７ａと回転側保持器４の間に介装したスプリング７により、シールリング５の環状摺動面５ｃはシールプレート２の内側摺動面に押圧され、またこれにより回転側保持器４は回転軸３の本体部３ａと大径部３ｂの間に形成されたテーパ面３ｄに押圧固着されている。

回転軸３の大径部３ｂの外径は、環状摺動面５ｃの外周縁の径よりは大きく内周縁の径よりは小さくなっている。従って、シールリング５がシールプレート２に向けて付勢される力は、図４に示す幅Ａ（＝環状摺動面５ｃの外周縁の半径−大径部３ｂの半径）の部分の環状面積と機内空間Ｒ１のゲージ圧（＝機内空間Ｒ１内の圧力−外部空間Ｒ０の圧力）の積と、スプリング７による押圧力の和である。環状摺動面５ｃの幅Ｂは、環状摺動面５ｃの面圧が過大となって摩耗や発熱が過大とならないように、また過小となって漏れが生じないように設定されている。

機内空間Ｒ１のゲージ圧は、メカニカルシールが適用される圧縮機の圧縮比が一定である場合には、作動環境温度及び圧縮される冷媒ガスの特性の影響を受け、作動環境温度が低下すれば減少し、冷媒ガスとして沸点が低い低圧縮比冷媒を使用すれば増大するので、シールリング５がシールプレート２に向けて付勢される力のうち機内空間Ｒ１のゲージ圧による部分も、同様に作動環境温度と冷媒ガスの特性の影響を受ける。従って、環状摺動面５ｃの面圧が過大あるいは過小になるのを防ぐには、幅Ａの部分の環状面積を減少させてスプリング７による押圧力を増大させればよい。このようなメカニカルシールはいわゆるバランス型メカニカルシールと呼ばれており、環状摺動面５ｃの内周縁と回転軸３の小径部３ｃの外周面との間には相当大きい隙間が設けられているのが普通である。
特開２０００−１９３０９９号公報（段落〔０００３〕、図４）。

図４に示す従来技術では、シールリング５の内周と回転軸３の大径部３ｂの間に介装されるＯリング６はシールリング５の後部に設けられているので、シールリング５の前部には機内空間Ｒ１のゲージ圧により矢印Ｙに示すような内向きに縮めようとする力が加わり、一方シールリング５の前部には先端に環状摺動面５ｃを形成する半径方向幅の狭い突出部５ｂが形成されているので、内向きに縮めようとする力に対する剛性が必ずしも充分ではない。このためにシールリング５の前部は、突出部５ｂの先端の径が縮められように変形されて環状摺動面５ｃが浅い漏斗状に変形し、シールプレート２の内側摺動面に偏当たりしてこの密封摺動部からの漏れが増大したり偏摩耗を生じたりするおそれがある。このような問題は、冷媒ガスとして低圧縮比冷媒を使用して機内空間のゲージ圧が増大した場合に特に問題となりやすい。本発明はこのような問題を解決することを目的とする。

このために、本発明によるメカニカルシールは、ハウジングに気密に設けた静止側摺動環と、ハウジングに回転自在に支持されて静止側摺動環を同軸的に通り抜ける回転軸のハウジング内に位置する部分に同回転軸とともに回転するように同軸的かつ気密に後部が支持されて軸線方向前端に静止側摺動環の内側摺動面と摺動可能に当接されてハウジングの内外を気密に分離する環状摺動面が形成された回転側摺動環を備えてなり、環状摺動面の内周縁と回転軸の外周面との間に隙間が設けられているメカニカルシールにおいて、回転側摺動環の前半部には環状摺動面の内周縁よりも内側に静止側摺動環を通る回転軸の外周面に接近する内周面を有する環状の内側補強部を一体的に形成し、内側補強部の前端部には環状摺動面の内周縁よりも内側となる部分に切欠き部を形成したことを特徴とするものである。

前項に記載のメカニカルシールにおいて、静止側摺動環はハウジングに気密に固定され、回転側摺動環は回転軸に相対回転が拘束されて軸線方向相対移動可能に設けられ、さらに回転側摺動環の後部の内周面と回転軸の外周面の間に設けられ両周面に気密に当接されて回転側摺動環と回転軸の間を軸線方向相対移動可能にシールする軸側パッキンと、回転側摺動環の後部と回転軸側との間に介装されて同回転側摺動環の環状摺動面を静止側摺動環の内側摺動面に弾性的に付勢するスプリングを備えたものとすることが好ましい。

前項に記載のメカニカルシールにおいて、回転軸はその先端部が軸線方向後側の大径部と軸線方向前側の小径部よりなり、軸側パッキンは大径部の外周面と回転側摺動環の内周面の間に設けられ、内側補強部は小径部の軸線方向範囲に形成することが好ましい。

請求項１に記載の発明によれば、回転側摺動環の前半部には環状摺動面の内周縁よりも内側に静止側摺動環を通る回転軸の外周面に接近する内周面を有する環状の内側補強部を一体的に形成したので、回転側摺動環の前半部にはこの内側補強部が加わった分だけ内向きの変形に対する剛性は増大し、外側から加わる圧力により回転側摺動環の前部が内向きに変形されてその先端の環状摺動面が変形することもなくなる。従って環状摺動面が静止側摺動環の内側摺動面に偏当たりすることもなくなり、回転側摺動環と静止側摺動環の間の密封摺動部からの漏れが増大したり、この密封摺動部に偏摩耗を生じたりすることはなくなる。また、内側補強部の前端部には環状摺動面の内周縁よりも内側となる部分に切欠き部を形成したので、回転側摺動環と静止側摺動環の間の密封摺動部の面積が変化して密封作用に影響を与えることもない。

静止側摺動環はハウジングに気密に固定され、回転側摺動環は回転軸に相対回転が拘束されて軸線方向相対移動可能に設けられ、さらに回転側摺動環の後部の内周面と回転軸の外周面の間に設けられ両周面に気密に当接されて回転側摺動環と回転軸の間を軸線方向相対移動可能にシールする軸側パッキンと、回転側摺動環の後部と回転軸側との間に介装されて同回転側摺動環の環状摺動面を静止側摺動環の内側摺動面に弾性的に付勢するスプリングを備えたものとした請求項２の発明によれば、軸側パッキンによる摺動可能な密封構造とスプリングによる弾性的付勢構造を回転側摺動環の後部と回転軸との間に設けたので、密封摺動部及び弾性的付勢部の構造を小形かつコンパクト化することができる。

回転軸はその先端部が軸線方向後側の大径部と軸線方向前側の小径部よりなり、軸側パッキンは大径部の外周面と回転側摺動環の内周面の間に設けられ、内側補強部は小径部の軸線方向範囲に形成した請求項３の発明によれば、環状摺動面の外周縁の半径と大径部の半径を調整することによりハウジング内のゲージ圧が高い場合でも密封摺動部の面圧を適当な範囲に保つことができ、しかも小径部の径を調整することにより、回転側摺動環に必要かつ充分な大きさの内側補強部を形成することができる。

以下に、図１により、本発明によるメカニカルシールの実施形態の説明をする。この実施形態のメカニカルシールは、冷媒ガスを圧縮するガス圧縮機などのハウジング１０に気密に固定されたシールプレート（静止側摺動環）１２と、このシールプレート１２を同軸的に通り抜ける回転軸１５に同軸的かつ気密に取り付けられて前部の突出部２０ｃの先端の環状摺動面２０ｅがシールプレート１２の内側摺動面１２ａに摺動可能に押圧されるシールリング（回転側摺動環）２０よりなるものである。

ハウジング１０に形成された円形の開口１１には、奥側に内向きに突出する環状突起１１ａが形成され、入り口側に環状溝１１ｂが形成されている。シールプレート１２は耐摩耗性のよい高炭素クロム軸受鋼またはセラミックスなどからなる円盤状で、外周には環状溝１２ｂが形成され、中心には回転軸１５を通す孔が形成されている。環状溝１２ｂにＯリング（静止側パッキン）１３を装着したシールプレート１２は、外側から開口１１内に挿入して環状突起１１ａに当接され、環状溝１１ｂに止め輪１４をはめ込むことにより、ハウジング１０に液密に固定される。

回転軸１５は、本体部１６と先端部１７よりなり、先端部１７は軸線方向後側（本体部１６側）の大径部１７ａと先端側の小径部１７ｂよりなるものである。回転軸１５は軸受（図示省略）を介して回転自在にハウジング１０に支持され、小径部１７ｂはシールプレート１２の中心の孔を通して外部に突出されている。本体部１６と大径部１７ａの間には、次に述べる回転側保持器１９の板厚と同程度の段差を有する段部１８が形成され、この段部１８は直径方向に対向する２箇所に互いに平行な１対の平面部１８ａが形成された二面取り形状となっている。

回転側保持器１９は板金成形品で、円板部１９ａとその外周縁から軸線方向に延びる円筒部１９ｂよりなり、円筒部１９ｂには円周方向に等角度間隔で複数（例えば３個）の一定幅の切込み１９ｄが形成されている。円板部１９ａの中心には、回転軸１５の段部１８の二面取り形状と同じ寸法形状の二面取り穴１９ｃが形成され、回転側保持器１９は円筒部１９ｂが小径部１７ｂ側を向くように配置して二面取り穴１９ｃを段部１８に嵌合させることにより、回転軸１５とともに回転するように係合される。

シールリング２０は耐ブリスタ性のよい焼成カーボン製で、全体として円筒状である。シールリング２０の後部の外周面２０ａの外径は回転側保持器１９の円筒部１９ｂの内径よりも多少小径であり、この外周面２０ａには回転側保持器１９の各切込み１９ｄと軸線方向に摺動自在に係合可能な複数（例えば３個）の半径方向突出部２０ｂが形成されている。シールリング２０の後部の内周面２０ｄは回転軸１５の先端部１７の大径部１７ａより多少大径で、その後半部にはさらに大径で後側が解放された内側段部２０ｄ１が形成されている。シールリング２０の前部には前方に突出する環状の突出部２０ｃが形成され、その前端面により環状摺動面２０ｅが形成されている。図４で述べた従来技術と同様、環状摺動面２０ｅの外周縁の径は大径部１７ａの外径よりも大であり、環状摺動面２０ｅの内周縁の径は大径部１７ａの外径よりも小であり、環状摺動面２０ｅの内周縁とシールプレート１２の中心の孔を通る回転軸１５の先端部１７の小径部１７ｂの外周面との間には相当大きい隙間が設けられている。

回転軸１５の先端部１７の小径部１７ｂの軸線方向範囲内となるシールリング２０の前半部には、環状摺動面２０ｅの内周縁よりも半径方向内側に、シールプレート１２を通る回転軸１５の小径部１７ｂの外周面に接近する内周面２１ａを有する環状の内側補強部２１が一体的に形成されている。この内側補強部２１の前端部には環状摺動面２０ｅの内周縁よりも内側となる部分に段状の切欠き部２１ｂが形成されている。

シールリング２０は、内側補強部２１の内周面２１ａ内に小径部１７ｂを隙間をおいて挿入し、後部の内周面２０ｄ内に大径部１７ａを隙間をおいて挿入し、また回転側保持器１９の切込み１９ｄ内に外周面２０ａの半径方向突出部２０ｂを摺動自在に係合することことにより、回転軸１５に相対回転が拘束されて軸線方向相対移動可能に取り付けられる。回転軸１５とシールリング２０の間は、シールリング２０の後部の内周面２０ｄに形成した内側段部２０ｄ１と大径部１７ａの外周面の間に介装したＯリング（軸側パッキン）２２により、軸線方向相対移動可能にシールされる。またＯリング２２の後側に当接されたスプリング受金具２３と回転側保持器１９の円板部１９ａの間に介装したスプリング２４により、シールリング２０の先端の環状摺動面２０ｅはシールプレート１２の内側摺動面１２ａに押圧されて、ハウジング１０の機内空間Ｒ１と外部空間Ｒ０とをシールする密封摺動部Ｃが形成される。また回転側保持器１９の円板部１９ａはスプリング２４により本体部１６側に押圧されて段部１８に係止される。

上述した実施形態では、回転軸１５とシールリング２０の間をシールするＯリング２２はシールリング２０の後端よりも前側に位置しており、従ってＯリング２２より後側ではシールリング２０に外側から半径方向内向きに加わるゲージ圧は内側から半径方向外向きに加わるゲージ圧により相殺されるのに対し、Ｏリング２２より前側では半径方向内向きに加わるゲージ圧が内側から半径方向外向きに加わる圧力により相殺されることはないので、環状摺動面２０ｅが形成されるシールリング２０の前部には矢印Ｘに示すような内向きに縮めようとする力が加わる。しかしながら上述した実施形態では、シールリング２０の前半部には環状摺動面２０ｅの内周縁よりも内側にシールプレート１２を通る回転軸１５の外周面の一部に接近する内周面２１ａを有する環状の内側補強部２１が一体的に形成されており、図４に示す従来技術に比してこの内側補強部２１が加わった分だけ、シールリング２０の前半部は内向きの変形に対する剛性が増大する。従って矢印Ｘに示す内向きに縮めようとする力によるシールリング２０の前部の内向きの変形及びその先端の環状摺動面２０ｅの変形が減少するので、環状摺動面２０ｅがシールプレート１２の内側摺動面１２ａに偏当たりすることも減少し、シールリング２０とシールプレート１２の間の密封摺動部Ｃからの漏れが増大したり、この密封摺動部Ｃに偏摩耗を生じたりすることはなくなる。また、内側補強部２１の前端部には環状摺動面２０ｅの内周縁よりも内側となる部分に切欠き部２１ｂを形成したので環状摺動面２０ｅに加わる面圧は同一であり、シールリング２０とシールプレート１２の間の密封摺動部Ｃの密封作用が変わることはない。

上述した実施形態では、シールプレート１２はハウジング１０に気密に固定し、シールリング２０は回転軸１５に相対回転が拘束されて軸線方向相対移動可能に設けられ、シールリング２０と回転軸１５の間はシールリング２０の後部の内周面と回転軸１５の外周面の間に設けたＯリング２２により軸線方向相対移動可能にシールし、またシールリング２０の後部と回転軸１５に設けた回転側保持器１９との間に介装したスプリング２４によりシールリング２０の環状摺動面２０ｅをシールプレート１２の内側摺動面１２ａに弾性的に付勢しており、このようにすればシールプレート１２とシールリング２０を互いに押圧するための軸線方向相対移動可能なシール構造及び弾性的に付勢する構造を比較的径の小さい回転軸１５とシールリング２０の間に設けることができ、これによりこれらの構造を小形かつコンパクトにまとめることができる。しかしながら本発明はこれに限られるものではなく、上述した軸線方向相対移動可能なシール構造及び弾性的に付勢する構造をハウジング１０とシールプレート１２の間に設けるようにして実施することも可能である。

なお上述した実施形態では、シールリング２０の環状摺動面２０ｅをシールプレート１２の内側摺動面１２ａに押圧するスプリング２４は、Ｏリング２２の後側に当接されたスプリング受金具２３と回転側保持器１９の円板部１９ａの間に介装しており、このようにすればこのスプリング２４の取り付け構造をコンパクトにまとめることができる。しかし本発明はこれに限られるものではなく、このスプリングはシールリング２０と回転側保持器１９の円板部１９ａの間に直接介装するようにしてもよい。その場合は、Ｏリング２２は内側段部２０ｄ１の代わりに内周面２０ｄに形成した環状溝内に設けるようにすればよい。

上述した実施形態では、回転軸１５の先端部１７は軸線方向後側の大径部１７ａと軸線方向前側の小径部１７ｂよりなるものとし、軸側パッキン２２は大径部１７ａの外周面とシールリング２０の内周面の間に設け、内側補強部２１は小径部１７ｂの軸線方向範囲に形成しており、このようにすれば、冷媒ガスとして低圧縮比冷媒を使用して機内空間のゲージ圧が増大し、環境温度の変化によるゲージ圧の変動幅が増大した場合でも、環状摺動面２０ｅの外周縁の半径と大径部１７ａの半径の差である幅Ａと環状摺動面２０ｅの幅Ｂを調整することにより、密封摺動部Ｃの面圧を適当な範囲に保つことができる。また回転軸１５の小径部１７ｂの径を調整することにより、シールリング２０に必要かつ充分な大きさの内側補強部２１を形成することができる。

次に図２及び図３によりシールリング２０の内側補強部２１の変形例の説明をする。図１の実施形態の内側補強部２１は、シールリング２０の前半部で環状摺動面２０ｅの内周縁よりも半径方向内側に設けられ、シールプレート１２を通る回転軸１５の小径部１７ｂの外周面に接近する内周面２１ａを有する環状で、前端部には環状摺動面２０ｅの内周縁よりも内側となる部分に段状の切欠き部２１ｂが形成されたものであるが、図２及び図３に示す各変形例の内側補強部２１Ａ，２１Ｂは、前端部に形成される切欠き部２１ｂを除いて、第１実施形態の内側補強部２１と同じである。図２に示す第１変形例の内側補強部２１Ａの切欠き部２１Ａ１は、図１に示す実施形態の切欠き部２１ｂと同じく段状であるが、軸線方向の幅が切欠き部２１ｂよりも小さくなっている点だけが相違している。また図３に示す第２変形例の内側補強部２１Ｂの切欠き部２１Ｂ１は、段状ではなく漏斗状に形成した点だけが相違している。何れの場合も切欠き部２１Ａ１，２１Ｂ１の容積は切欠き部２１ｂの容積より小さくなっており、その分だけ内側補強部２１Ａ，２１Ｂの容積が増大するので、内側補強部２１Ａ，２１Ｂによるシールリング２０の前部の内向きの変形に対する剛性が増大し、従って矢印Ｘに示す内向きの力によるシールリング２０の前部の内向きの変形及びその先端の環状摺動面２０ｅの変形は一層減少し、シールリング２０とシールプレート１２の間の密封摺動部Ｃからの漏れ及び密封摺動部Ｃの偏摩耗は一層減少する。

本発明によるメカニカルシールの一実施形態の構造を示す断面図である。図１に示す実施形態のシールリングの第１変形例を示す部分断面図である。図１に示す実施形態のシールリングの第２変形例を示す部分断面図である。従来技術によるメカニカルシールの一例を示す断面図である。

符号の説明

１０…ハウジング、１２…静止側摺動環（シールプレート）、１２ａ…内側摺動面、１５…回転軸、１７…先端部、１７ａ…大径部、１７ｂ…小径部、２０…回転側摺動環（シールリング）、２０ｄ…内周面、２０ｅ…環状摺動面、２１，２１Ａ，２１Ｂ…内側補強部、２１ｂ，２１Ａ１，２１Ｂ１…切欠き部、２２…軸側パッキン（Ｏリング）、２４…スプリング。

Claims

ハウジングに気密に設けた静止側摺動環と、前記ハウジングに回転自在に支持されて前記静止側摺動環を同軸的に通り抜ける回転軸の前記ハウジング内に位置する部分に同回転軸とともに回転するように同軸的かつ気密に後部が支持されて軸線方向前端に前記静止側摺動環の内側摺動面と摺動可能に当接されて前記ハウジングの内外を気密に分離する環状摺動面が形成された回転側摺動環を備えてなり、前記環状摺動面の内周縁と前記回転軸の外周面との間に隙間が設けられているメカニカルシールにおいて、前記回転側摺動環の前半部には前記環状摺動面の内周縁よりも内側に前記静止側摺動環を通る前記回転軸の外周面に接近する内周面を有する環状の内側補強部を一体的に形成し、前記内側補強部の前端部には前記環状摺動面の内周縁よりも内側となる部分に切欠き部を形成したことを特徴とするメカニカルシール。
請求項１に記載のメカニカルシールにおいて、前記静止側摺動環は前記ハウジングに気密に固定され、前記回転側摺動環は前記回転軸に相対回転が拘束されて軸線方向相対移動可能に設けられ、さらに前記回転側摺動環の後部の内周面と前記回転軸の外周面の間に設けられ両周面に気密に当接されて前記回転側摺動環と回転軸の間を軸線方向相対移動可能にシールする軸側パッキンと、前記回転側摺動環の後部と前記回転軸側との間に介装されて同回転側摺動環の環状摺動面を前記静止側摺動環の内側摺動面に弾性的に付勢するスプリングを備えたことを特徴とするメカニカルシール。
請求項２に記載のメカニカルシールにおいて、前記回転軸はその先端部が軸線方向後側の大径部と軸線方向前側の小径部よりなり、前記軸側パッキンは前記大径部の外周面と前記回転側摺動環の内周面の間に設けられ、前記内側補強部は前記小径部の軸線方向範囲に形成したことを特徴とするメカニカルシール。