JP2006177500A

JP2006177500A - メカニカルシール

Info

Publication number: JP2006177500A
Application number: JP2004373534A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Kanegae; 英和金ヶ江
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】メカニカルシールにおける回転側摺動環１２と回転軸３との間に介在される密封部からの透過漏れを可及的に減少させて、密封性に優れた構造を提供する。
【解決手段】回転側摺動環１２の内周面に、大気側空間Ｑ側が小径となる円錐状シール面１２３ａが形成され、合成樹脂リング１７が、前記円錐状シール面１２３ａと回転軸３の外周面３２ａとの間に密接状態に介在され、ゴム状弾性材料からなるパッキン１８が、合成樹脂リング１７の機内空間Ｐ側に当接されると共に回転軸３と回転側摺動環１２との間に密接状態に介在され、合成樹脂リング１７における円錐状シール面１２３ａとの密接面１７ａが、円錐状シール面１２３ａと対応する方向へ傾斜した円錐面をなす。
【選択図】図２

Description

本発明は、回転軸の軸周を密封するメカニカルシールに関する。

自動車の車室用空調機（カーエアコン）の冷媒圧縮機に用いられる軸封装置として、図６に示されるようなメカニカルシールが知られている。図６は、従来の技術による冷媒圧縮機用メカニカルシールを、その軸心を通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。

このメカニカルシール１００は、冷媒圧縮機の軸受部のハウジング１１０にＯリング１０２を介して装着された静止側摺動環１０１と、回転軸１２０の外周面にＯリング１０４及びカラー１０５を介して軸方向移動可能な状態に装着されて回転軸１２０と一体的に回転する回転側摺動環１０３が、ばね１０６で軸方向に付勢されることによって、軸方向に対向する静止側摺動環１０１との間に摺動端面Ｓを形成し、この摺動端面Ｓの外周に達する機内空間Ｐの冷媒を密封対象として、軸封機能を奏するものである（例えば下記の特許文献参照）。
特開２００１−４０３４特開２００１−２２１３４４

ここで、回転軸１２０と回転側摺動環１０３の間を密封しているＯリング１０４はゴム状弾性材料からなるものであるが、従来からカーエアコンの冷媒として用いられていたフロンは、ゴム状弾性材料におけるガス透過が比較的小さいため、Ｏリング１０４等からの冷媒の透過漏れによる冷凍機能の低下は問題視されていなかった。

ところが近年は、フロンによる成層圏のオゾン層破壊といった環境問題から、フロンの使用が規制され始めており、代替冷媒として自然冷媒を使うことが主流となっており、カーエアコンでは主にＣＯ_２が使われようとしている。そしてＯリング１０４，１０２のゴム状弾性材料は、ＣＯ_２ガスの透過量が非常に大きいため、冷媒の透過漏れによる冷凍機能の低下が問題となる。

本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、メカニカルシールにおける回転側摺動環と回転軸との間に介在される密封部、あるいは静止側摺動環とハウジングとの間に介在される密封部からの透過漏れを可及的に減少させ、密封性に優れた構造を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係るメカニカルシールは、ハウジング側に装着された静止側摺動環と、その内周に挿通された回転軸側に装着されてこの回転軸と一体に回転する回転側摺動環が、ばねの付勢力で互いに摺動可能に密接され、前記回転側摺動環の内周面に、低圧空間側が小径となる円錐状シール面が形成され、合成樹脂リングが、前記円錐状シール面と前記回転軸の外周面との間に密接状態に介在され、ゴム状弾性材料からなるパッキンが、前記合成樹脂リングの高圧空間側に当接されると共に前記回転軸と回転側摺動環との間に密接状態に介在され、前記合成樹脂リングにおける前記円錐状シール面との密接面が、前記円錐状シール面と対応する方向へ傾斜した円錐面をなすものである。

また、請求項２の発明に係るメカニカルシールは、ハウジング側に装着された静止側摺動環と、その内周に挿通された回転軸側に装着されてこの回転軸と一体に回転する回転側摺動環が、ばねの付勢力で互いに摺動可能に密接され、前記ハウジングの内周面又は前記静止側摺動環の外周面に、低圧空間側が小径となる円錐状シール面が形成され、合成樹脂リングが、前記円錐状シール面とその対向面との間に密接状態に介在され、ゴム状弾性材料からなるパッキンが、前記合成樹脂リングの高圧空間側に当接されると共に前記ハウジングと静止側摺動環との間に密接状態に介在され、前記合成樹脂リングにおける前記円錐状シール面との密接面が、この円錐状シール面と対応する方向へ傾斜した円錐面をなすものである。

請求項１又は２の構成において、合成樹脂リングは、ゴム状弾性材料に比較してガス透過率が低いので、透過漏れの低減に有効に寄与する。しかしながら、合成樹脂リングは相手面との密接性が悪く、界面密封性に劣るので、密封対象の高圧空間の圧力を受けるパッキンにより、この合成樹脂リングを低圧空間側へ軸方向に付勢して、その円錐面を、円錐状シール面へ押し付けることにより発生する径方向の分力で、密接性を向上させ、界面密封性を確保する。

また、請求項３の発明に係るメカニカルシールは、請求項１又は２に記載の構成において、合成樹脂リングがポリアミドからなるものである。ポリアミドは、ガス透過率が低いので、透過漏れの低減に有効である。

請求項１の発明に係るメカニカルシールによれば、ガス透過率の低い合成樹脂リングによって、回転側摺動環と回転軸との間に介在される密封部からの透過漏れを可及的に減少させることができ、合成樹脂リングに形成した円錐面を、回転側摺動環の内周面に形成した円錐状シール面にパッキンで押し付けて径方向に圧縮することで、パッキン及び合成樹脂リングの双方の界面密封性を確保することができる。

請求項２の発明に係るメカニカルシールによれば、ガス透過率の低い合成樹脂リングによって、静止側摺動環とハウジングとの間に介在される密封部からの透過漏れを可及的に減少させることができ、合成樹脂リングに形成した円錐面を、ハウジングの内周面又は静止側摺動環の外周面に形成した円錐状シール面にパッキンで押し付けて径方向に圧縮することで、パッキン及び合成樹脂リングの双方の界面密封性を確保することができる。

請求項３の発明に係るメカニカルシールによれば、合成樹脂リングにポリアミドを用いることによって、請求項１又は２による効果を一層高めるものである。

以下、本発明に係るメカニカルシールの好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態による冷媒圧縮機用メカニカルシールを、その軸心を通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。

図１において、参照符号２は、自動車の車室用空調機（カーエアコン）の冷媒圧縮機における軸受部のハウジング、参照符号３は、このハウジング２に挿通され、エンジンのクランク軸からの駆動力が不図示の電磁クラッチを介して伝達されることにより、圧縮機の内部機構を駆動させる回転軸である。回転軸３には、ハウジング２の軸孔２１への挿通部３１から、第一の環状段差部３ａを介して適宜大径となる摺動環担持部３２、及びこの摺動環担持部３２から、第二の環状段差部３ｂを介して適宜大径となる大径部３３と、更に前記環状段差部３ｂに沿って形成された係合部３４が形成されている。

本発明に係るメカニカルシール１は、ハウジング２側に装着された静止側摺動環１１と、回転軸３側に装着されてこの回転軸３と一体に回転する回転側摺動環１２を備え、両摺動環１１，１２が軸方向に対向する端面同士で互いに密接摺動されることによって、その密封摺動部Ｓの外周側に達する機内空間Ｐに存在する高圧の冷媒ＣＯ_２が、前記密封摺動部Ｓの内周からハウジング２の軸孔２１内を通じて機外に開放された大気側空間Ｑへ漏洩するのを防止するものである。なお、機内空間Ｐは、請求項１又は請求項２に記載された高圧空間に相当し、大気側空間Ｑは、請求項１又は請求項２に記載された低圧空間に相当する。

メカニカルシール１の構成を更に詳しく説明すると、静止側摺動環１１はセラミックスや超硬合金等の硬質材からなるものであって、ハウジング２における軸孔２１の端部に形成された環状凹部２２内に収容され、この環状凹部２２の円筒面状の内周面２２ａに形成されたＯリング装着溝２３に装着されたＯリング１３を介して、気密的かつ固定的に密嵌されている。

一方、回転側摺動環１２はカーボン摺動材等からなるものであって、回転軸３における第一の環状段差部３ａの両側に跨る位置に遊嵌外挿され、静止側摺動環１１と軸方向に対向した端部に円周方向へ連続して形成された摺動突起１２１が、静止側摺動環１１の端面と密接されている。また、摺動突起１２１の先端面には、円周方向に連続した潤滑溝１２１ａが形成されている。

回転側摺動環１２における静止側摺動環１１と反対側には、金属板の打ち抜きプレス加工により製作された鍔状のカラー１４が配置されている。このカラー１４は、内周部１４ａが、回転軸３における第二の環状段差部３ｂに当接することによって軸方向に支承されると共に、この第二の環状段差部３ｂに沿って設けられた係合部３４と円周方向に係合している。また、このカラー１４の外周部には、軸方向に延在された複数の係合爪１４ｂが等位相間隔で形成されており、回転側摺動環１２の外周面に等位相間隔で形成された係合切欠１２２と軸方向相対移動可能に係合している。

回転側摺動環１２とカラー１４との間には、ウェーブスプリング１５が軸方向に適宜圧縮された状態で介在されている。このウェーブスプリング１５は請求項１又は請求項２に記載されたばねに相当するものであって、金属製の環状のスプリングホルダ１６によって回転軸３と略同心的に支持され、このスプリングホルダ１６を介して回転側摺動環１２を静止側摺動環１１へ押し付ける軸方向付勢力を与えるものである。

回転側摺動環１２における静止側摺動環１１と反対側の端部寄りの内周面１２３に、相対的に低圧となる大気側空間Ｑへ向けて小径となる円錐状シール面１２３ａが形成されている。そして、この円錐状シール面１２３ａと、その内周側にある回転軸３の摺動環担持部３２の円筒面状をなす外周面３２ａとの間に形成された断面クサビ形の空間には、合成樹脂リング１７及びＯリング１８が介在されている。

図２は図１の要部拡大断面図、図３は合成樹脂リング１７の締め代及びそれによる変形動作について説明するための断面図である。合成樹脂リング１７は、ゴム状弾性材料に比較してＣＯ_２等のガス透過率が低い（ガス遮断性の良い）合成樹脂、典型的にはポリアミドからなるものであって、図２及び図３に明確に示されるように、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａとの密接面（以下、外周側密接面という）１７ａは、この円錐状シール面１２３ａと対応する方向へ傾斜した円錐面をなし、回転軸３における摺動環担持部３２の外周面（以下、単に回転軸外周面という）３２ａとの密接面（以下、内周側密接面という）１７ｂは、この外周面３２ａと対応する円筒面をなす。

詳しくは、未装着状態では、図３の（Ａ）に示されるように、合成樹脂リング１７の内周側密接面１７ｂは、回転軸外周面３２ａに対する締め代が設定されておらず、外周側密接面１７ａは、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａよりも適宜大きな傾斜角度をなすように形成されている。このため、合成樹脂リング１７を回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａと回転軸外周面３２ａとの間に、大気側空間Ｑへ向けて押し込むことによって、円錐状シール面１２３ａとの間に締め代（図中に点々を付して示された領域）が発生し、その締め代は機内空間Ｐ側ほど大きくなる。

Ｏリング１８は、請求項１に記載されたパッキンに相当するものであって、ゴム状弾性材料からなり、未装着状態では断面が円形をなすものである。そしてこのＯリング１８は、合成樹脂リング１７の機内空間Ｐ側を向いた面１７ｃに当接すると共に、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａ及び回転軸外周面３２ａに密接されている。

回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａは、合成樹脂リング１７との密接位置よりも大気側空間Ｑ側まで延びており、これによって、大気側空間Ｑへ向けての合成樹脂リング１７の移動が可能となっている。

合成樹脂リング１７及びＯリング１８と回転軸外周面３２ａによるシール径（言い換えれば回転軸３の摺動環担持部３２の外径）は、回転側摺動環１２の摺動突起１２１と静止側摺動環１１による密封摺動部Ｓの内径より若干大きい程度となっている。したがってこのメカニカルシール１は、回転側摺動環１２に、密封摺動部Ｓの内径より外周側でこの密封摺動部Ｓを開かせる方向へ作用する機内空間Ｐの圧力と、回転軸外周面３２ａより外周側で回転側摺動環１２を静止側摺動環１１へ押し付ける方向に作用する機内空間Ｐの圧力がほぼ拮抗し、機内空間Ｐの冷媒ＣＯ_２ガスの圧力が変動しても密封摺動部Ｓの面圧が大きく変化しない圧力バランス型の構造となっている。

以上のように構成されたメカニカルシール１によれば、回転側摺動環１２は、ウェーブスプリング１５の軸方向付勢力によって、摺動突起１２１が静止側摺動環１１の端面に密接されると共に、カラー１４を介して回転軸３の駆動トルクが伝達されることによって、この回転軸３と一体的に回転される。このため、静止側摺動環１１と回転側摺動環１２の摺動突起１２１との間に密封摺動部Ｓが形成される。また、密封対象の冷媒ＣＯ_２ガス中にミスト状に混在する冷凍機油（潤滑油）の一部が、密封摺動部Ｓに毛細管現象により介入して潤滑油膜を形成し、摺動突起１２１の先端面に形成した潤滑溝１２１ａに保持されるので、前記潤滑油膜によって、密封摺動部Ｓが良好に潤滑されると共に、密封摺動部Ｓにおける冷媒ＣＯ_２ガスの通過が確実に遮断される。

一方、回転側摺動環１２と回転軸３との間では、Ｏリング１８が、機内空間Ｐの冷媒ＣＯ_２ガスの圧力によって、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａと回転軸外周面３２ａの間が狭まる方向へ押し込まれるので、回転側摺動環１２及び回転軸３と良好に密接し、優れた界面密封性（密接した界面による密封性）を奏する。

また、Ｏリング１８はゴム状弾性材料からなるものであるため、冷媒ＣＯ_２ガスの透過量が大きいが、この冷媒ＣＯ_２ガスの透過による漏れは、ゴム状弾性材料に比較して著しくガス透過率の低いポリアミドからなる合成樹脂リング１７によって遮断される。また、Ｏリング１８は、機内空間Ｐの冷媒ＣＯ_２ガスの圧力を受けることによって、合成樹脂リング１７を相対的に低圧となる大気側空間Ｑへ向けて軸方向へ押圧するため、合成樹脂リング１７の円錐面状の外周側密接面１７ａが、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａに沿ってその小径側へ強制変位され、このときの径方向分力によって、外周側密接面１７ａ及び内周側密接面１７ｂが、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａ及び回転軸外周面３２ａに対して良好に密接する。このため、本来は他部材との密接性に乏しい合成樹脂リング１７の密接性を向上させて、合成樹脂リング１７における優れた界面密封性を実現することができる。

また、合成樹脂リング１７の外周側密接面１７ａが、図３（Ａ）に示されるように、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａより大きな傾斜角度をなすことによって、円錐状シール面１２３ａとの間に締め代が機内空間Ｐ側ほど大きくなるので、図３（Ｂ）に示されるように、Ｏリング１８に軸方向に押圧されることにより撓んでも、機内空間Ｐ側で密接面圧が不足したり面開きが生じるのを、有効に防止することができる。しかも、合成樹脂リング１７には、機内空間Ｐの冷媒ＣＯ_２ガスの圧力が、ゴム状弾性材料からなるＯリング１８を介して作用するので、急激に圧力が変化した場合の衝撃が緩和され、合成樹脂リング１７の安定した密封性を確保することができる。

また、図示の形態によれば、回転軸外周面３２ａには溝加工を施す必要がなく、回転側摺動環１２の内周面１２３への円錐状シール面１２３ａの加工は、溝加工に比較して容易であるので、加工コストを低減することができる。しかも、合成樹脂リング１７及びＯリング１８を、回転軸外周面３２ａに形成した環状溝に装着する場合に比較して、容易に装着することができる。

図４及び図５は、それぞれ本発明のメカニカルシールにおける形状変更例を示す要部断面図である。

このうち、図４は、回転側摺動環１２の内周面１２３における円錐状シール面１２３ａを、合成樹脂リング１７の装着位置に形成すると共に、その大気側空間Ｑ側に、軸心に対して略垂直な立上り面１２３ｂを形成し、Ｏリング１８は円筒状の内周面１２３と密接するようにしたものである。また、図示の装着状態において、合成樹脂リング１７と立上り面１２３ｂの間に適当な隙間Ｇが存在し、これによって、大気側空間Ｑへ向けての合成樹脂リング１７の移動スペースが確保されている。その他の部分は、図１と同様である。

この構成によれば、機内空間Ｐの冷媒ＣＯ_２ガスの圧力によるＯリング１８の軸方向移動が容易に行われるので、前記冷媒ＣＯ_２ガス圧力の変化が、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａ及び回転軸外周面３２ａに対する合成樹脂リング１７の密接面圧の変化として反映されやすくなる。

また、図５は、回転側摺動環１２の内周面１２３における円錐状シール面１２３ａの傾斜角度を、図２あるいは図４の形態に比較して小さくしたものである。この形態においても、図４と同様、合成樹脂リング１７と立上り面１２３ｂの間に適当な隙間Ｇが存在し、これによって、大気側空間Ｑへ向けての合成樹脂リング１７の移動スペースが確保されている。その他の部分は、図１と同様である。

この構成によれば、機内空間Ｐの冷媒ＣＯ_２ガスの圧力を受けるＯリング１８の押圧力による合成樹脂リング１７の軸方向移動が容易になり、言い換えれば合成樹脂リング１７の軸方向移動による締め代の変化率が少なくなり、軸方向荷重による径方向の分力が大きくなる。このため、回転側摺動環１２の円錐状シール面１２３ａ及び回転軸外周面３２ａに対する合成樹脂リング１７の密接性が向上する。

なお、上述の形態は、いずれも、図１に示されるメカニカルシール１の回転側摺動環１２と回転軸３との間の密封部について説明したが、このメカニカルシール１におけるハウジング２と静止側摺動環１１との間の密封部（Ｏリング１３が存在する部分）も同様に構成することができる。

すなわち図１において、ハウジング２における環状凹部２２の内周面（例えばＯリング装着溝２３の溝底）に、大気側空間Ｑ側が小径となる円錐状シール面（不図示）が形成され、合成樹脂リング１７が、前記円錐状シール面とその対向面である静止側摺動環１１の外周面１１ａとの間に密接状態に介在され、ゴム状弾性材料からなるＯリング１８が、合成樹脂リング１７の機内空間Ｐ側に当接された状態でハウジング２の内周面（Ｏリング装着溝２３の溝底）と静止側摺動環１１の外周面１１ａとの間に密接状態に介在され、前記円錐状シール面と密接される合成樹脂リング１７の外周側密接面１７ａが、この円錐状シール面と対応する方向へ傾斜した円錐面をなすものとする。このように構成すれば、ハウジング２と静止側摺動環１１との間の密封部においても、冷媒ＣＯ_２ガスの透過漏れを可及的に減少させ、かつ合成樹脂リング１７の密接性による界面密封性を確保することができる。

あるいは逆に、円錐状シール面を静止側摺動環１１の外周面１１ａに形成して、これに密接される合成樹脂リング１７の内周側密接面１７ｂが、この円錐状シール面と対応する方向へ傾斜した円錐面をなすものとしても、同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態による冷媒圧縮機用メカニカルシールを、その軸心を通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。図１の要部拡大断面図である。図１の形態における合成樹脂リングの締め代及びそれによる変形動作について説明するための断面図である。本発明における形状変更例を示す要部断面図である。本発明における他の形状変更例を示す要部断面図である。従来の技術による冷媒圧縮機用メカニカルシールを、その軸心を通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。

符号の説明

１メカニカルシール
１１静止側摺動環
１２回転側摺動環
１２１摺動突起
１２３内周面
１２３ａ円錐状シール面
１３Ｏリング
１４カラー
１５ウェーブスプリング（ばね）
１６スプリングホルダ
１７合成樹脂リング
１７ａ外周側密接面
１７ｂ内周側密接面
１８Ｏリング（パッキン）
２ハウジング
２１軸孔
２２環状凹部
２３Ｏリング装着溝
３回転軸
３２ａ外周面
Ｐ機内空間（高圧空間）
Ｑ大気側空間（低圧空間）
Ｓ密封摺動部

Claims

ハウジング（２）側に装着された静止側摺動環（１１）と、その内周に挿通された回転軸（３）側に装着されてこの回転軸（３）と一体に回転する回転側摺動環（１２）が、ばね（１５）の付勢力で互いに摺動可能に密接され、前記回転側摺動環（１２）の内周面（１２３）に、低圧空間（Ｑ）側が小径となる円錐状シール面（１２３ａ）が形成され、合成樹脂リング（１７）が、前記円錐状シール面（１２３ａ）と前記回転軸（３）の外周面（３２ａ）との間に密接状態に介在され、ゴム状弾性材料からなるパッキン（１８）が、前記合成樹脂リング（１７）の高圧空間（Ｐ）側に当接されると共に前記回転軸（３）と回転側摺動環（１２）との間に密接状態に介在され、前記合成樹脂リング（１７）における前記円錐状シール面（１２３ａ）との密接面（１７ａ）が、前記円錐状シール面（１２３ａ）と対応する方向へ傾斜した円錐面をなすことを特徴とするメカニカルシール。
ハウジング（２）側に装着された静止側摺動環（１１）と、その内周に挿通された回転軸（３）側に装着されてこの回転軸（３）と一体に回転する回転側摺動環（１２）が、ばね（１５）の付勢力で互いに摺動可能に密接され、前記ハウジング（２）の内周面又は前記静止側摺動環（１１）の外周面（１１ａ）に、低圧空間（Ｑ）側が小径となる円錐状シール面が形成され、合成樹脂リング（１７）が、前記円錐状シール面とその対向面との間に密接状態に介在され、ゴム状弾性材料からなるパッキン（１８）が、前記合成樹脂リング（１７）の高圧空間（Ｐ）側に当接されると共に前記ハウジング（２）と静止側摺動環（１１）との間に密接状態に介在され、前記合成樹脂リング（１７）における前記円錐状シール面との密接面が、この円錐状シール面と対応する方向へ傾斜した円錐面をなすことを特徴とするメカニカルシール。
合成樹脂リング（１７）がポリアミドからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のメカニカルシール。