JP2007071309A - 回転軸シール - Google Patents

Abstract

【課題】 ゴム製シール部の回転軸に摺接する摺接部に潤滑油を十分に導入して、長寿命とした回転軸シールを提供する。
【解決手段】 回転軸20の表面に接触する摺接部23を有したゴム製シール部５を備えている。この摺接部23は、回転軸20の表面の円周方向に沿って、受圧状態で凹凸波型となるように、変形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転軸シールに係り、特に、ガス等の高圧流体を密封するのに用いられる回転軸シールに関する。

従来、図３（Ｃ）に示すようなゴム製リップ部33を有する回転軸シール31が使用され（例えば、特許文献１参照）、アウタケース34の内鍔36を包囲するようにゴム部材37が包囲して接着や焼付にて一体化され、そして、横断面Ｌ字状サポート金具38によって、ゴム部材37の一部から成る上記ゴム製リップ部33を、低圧側Ｅ及び内周面側（背後）から、保持した構造である。
しかしながら、リップ先端部33ａは、密封流体側（高圧側）Ｃへ大きく延伸状であり、回転軸32の軸心Ｌを中心とする略円筒形状にリップ部33が設けられていた。
密封流体室（高圧側Ｃ）の圧力が上昇すると、図３（Ｃ）に２点鎖線にて示した自由状態のリップ部33は、実線で示すように圧縮変形し、大きな接触面圧Ｐが回転軸32との摺接部Ｓ₀ に発生する。これによって、リップ先端部33ａの摺接部Ｓ₀ の摩耗が早期に進行して、流体の外部漏洩を発生するという問題があった。

このような問題点を解決するため、本発明者等は、図８に示すような回転軸シール41を提案した（特許文献２参照）。
即ち、回転軸32の表面に接触する摺接部Ｓ₀ を有するゴム製シール部39と、該ゴム製シール部39が一体状に固着保持された金属製アウタケース34とを、備えた回転軸シールであって、アウタケース34は密封流体側（高圧側Ｃ）の内端部に内鍔部36を有し、該内鍔部36は上記ゴム製シール部39にて被覆され、上記摺接部Ｓ₀ の軸心方向位置を、上記内鍔部36を被覆した密封流体側ゴム被覆層42の肉厚寸法Ｔ₄₂を含んだアウタケース34の軸心方向寸法Ｍ内に、配設している。つまり、図３（Ｃ）に示したように高圧側（密封流体側）Ｃへリップ部33を延伸せず、図８のように、内鍔部36を含む軸心直交面43上乃至その近傍位置に、摺接部Ｓ₀ を配置している。

さらに、図８に示すように、ゴム製シール部39は、上記摺接部Ｓ₀ を内周端縁に有する軸心直交壁部44を、備え、この軸心直交壁部44を低圧側Ｅから軸心直交状サポート金具45にて支持する構造である。このサポート金具45の内周端縁45ａは円形であり、かつ、平ワッシャ形状であり、ゴム製シール部39の軸心直交壁部44の背面（低圧側Ｅ）を、全周面にわたって均等に支持していた。従って、ゴム製リップ部33は、上記軸心直交面43に沿って、内周端側に位置し、受圧面積が極めて小さくなっている。
特開２００３−０９７７２３号公報 特開２００４−３５３７６５号公報

上述の図８に示した構造の回転軸シール41は、回転軸32への接触面圧が、図３（Ｃ）のものよりも十分低減できるのであるが、最近、次のような問題のあることが明らかとなった。
即ち、カーエアコン用コンプレッサ等に於て、従来の冷媒ＨＦＣ１３４ａの廃止が進められ、次世代の冷媒としてＣＯ₂ のコンプレッサの開発が進められている。この冷媒ＣＯ₂ の使用圧力は、従来のＨＦＣ１３４ａ冷媒に比較すると、約10倍以上の高圧である。このような高圧の使用条件下では、ゴム製リップ部33が、図７（Ｂ）に於て、点々にて示したように大きな摩耗部位47が発生することが判明した。
つまり、高速回転する回転軸32と、摺接するリップ部33は、上記冷媒からの高圧を受けて、大きく変形し、発熱量が多く、早期に摩耗が進行し、シール寿命が短くなるという問題があることが判明した。

本発明に係る回転軸シールは、上述した従来の回転軸シールの問題点を悉く解決して、摩耗量を低減し、発熱を低減し、シール寿命を延長させることを目的とする。

本発明は、回転軸の表面に接触する摺接部を内周端縁に有する軸心直交壁部を備えたゴム製シール部と、該軸心直交壁部を低圧側から支持する軸心直交板部を有する背面サポート金具とを、具備した回転軸シールに於て、上記背面サポート金具の軸心直交板部の内周端縁形状を凹凸状に形成して、上記回転軸の表面の円周方向に沿っての上記摺接部の形状が受圧状態で凹凸波型となるように構成される。
または、回転軸の表面に接触する摺接部を内周端縁に有する軸心直交壁部を備えたゴム製シール部と、該軸心直交壁部を低圧側から支持する軸心直交板部を有する背面サポート金具とを、具備した回転軸シールに於て、上記背面サポート金具の軸心直交板部のシール部受持面に円周方向に沿って凹凸部を形成して、上記回転軸の表面の円周方向に沿っての上記摺接部の形状が受圧状態で凹凸波型となるように構成される。

ゴム製シール部の摺接部と、回転軸の表面との間に、被密封流体の流体膜が発生（介在）しやすくなり、発熱を防止できるので、この摺接部の摩耗が減少し、回転軸シールとしての耐久性が著しく改善できる。特に高圧流体のシールとして優れる。

以下、図示の実施の一形態に基づき、本発明を詳説する。
図１と図２と図３（Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施の一形態を示し、図１は要部の縦断面図、図２は要部の部品の正面図、図３（Ａ）（Ｂ）は要部の作用説明用の縦断面図であって、この回転軸シールは、例えば、密封流体室21側に高圧の冷媒等の流体を密封するものであり、図１及び図３（Ａ）（Ｂ）では、回転軸シールの断面の半分のみを示し、図１では自由状態（未装着状態）を示す。そして、図１では、回転軸20とハウジング（ケーシング）22を２点鎖線をもって示す。また、図３（Ａ）（Ｂ）に於ける実線は回転軸20とハウジング22の間に介装されかつ受圧状態（後述）を示す。

図１に於て、１は内鍔部２，３を有するアウタケースであり、このアウタケース１の円筒壁部４の外周面、及び、密封流体側Ｃ（密封流体室21側）の内鍔部２の前後両面に、接着・溶着・焼付け等にてゴム製シール部５が一体状に固着保持されている。このシール部５よりも反密封流体側Ｚ（低圧側又は大気側ということもある）に、螺旋溝６付きのシールエレメント７が設けられている。このシールエレメント７の材質はＴＰＦＥ等のフッ素系樹脂が好ましい。

８は、断面Ｌ字状の背面サポート金具であり、いわゆるインナーケースを兼ねており、アウタケース１の円筒壁部４の内周面に嵌着される円筒板部15と、軸心Ｌと直交面状の軸心直交板部16とから成る。
この背面サポート金具８、断面Ｉ字状インナーケース９、上記シールエレメント７、断面略Ｌ字状のインナー部材11を順次重ね合うようにして、両内鍔部２，３間に保持固定されている。

ゴム製シール部５は、ハウジング22内周面に弾発的に接して密封作用を成すための凹凸波形部を（自由状態で）外周面に有する円筒壁部被覆部５ａと、内鍔部２の前後両面を被覆する断面Ｕ字形の内鍔被覆部を外周部寄りに有すると共に回転軸20の表面に接触する摺接部23を内周端縁に有する軸心直交壁部５ｂとを、備えている。

このように、軸心直交壁部５ｂは、軸心Ｌと直交面状に形成され、アウタケース１の内鍔部２を被覆するＵ字状内鍔被覆部から内径方向に延伸して、摺接部23を内周端縁に有する。

前記背面サポート金具８の軸心直交板部16は、ゴム製シール部５の上記軸心直交壁部５ｂを低圧側Ｚから支持する。また、軸心直交壁部５ｂの低圧側Ｚ（背面側）には環状凹溝24が形成される。この環状凹溝24は、軸心直交壁部５ｂが受圧状態下で圧縮されたゴムが内径方向へ流れ過ぎるのを防止する作用をなす（図３（Ａ）参照）が、本発明ではこの凹溝24を省略しても良い場合もある。

図１について以上説明したように、アウタケース１は密封流体側Ｃの内端部に内鍔部２を有し、この内鍔部２を含む軸心直交面Ｐ₀ 上に、摺接部23が配設されている。
即ち、内鍔部２には（小さな）厚みが存在するから、軸心直交面Ｐ₀ もその（小さな）厚み分だけ、軸心方向に位置をずらせて、複数枚だけ存在するが、その内の少なくとも一つの直交面Ｐ₀ 上に、摺接部23の軸心方向位置を配設する。なお、摺接部23の軸心方向位置とは、最大使用圧力時に、回転軸20に摺接する部位の接触面圧Ｐの重心位置Ｇ（図３Ａ参照）を指すものと定義する。

なお、図示省略するが、この摺接部23の軸心方向位置を、前記軸心直交面Ｐ₀ の近傍位置に配設するも、好ましい（図示省略）。ここで、近傍とは、上記内鍔部２の厚みの５倍以下の偏在を言う。
あるいは、摺接部23の軸心方向位置を、アウタケース１の軸心方向寸法Ｍ内に、配設したと、言い換えることも可能である。但し、本発明では、上記軸心方向寸法Ｍとは、内鍔部２を被覆した密封流体側Ｃのゴム被覆層17の肉厚寸法Ｔ₁₇を含んだ（プラスした）寸法と定義する。

次に、本発明の一つの大きな特徴点について、説明する。図１と図２、及び、図３（Ａ ）（Ｂ）に示すよに、背面サポート金具８の軸心直交板部16は、その内周端縁形状が凹凸状に形成されている。つまり、図例では、３個の突片部25を内周端縁に突設して、隣り合う突片部25, 25間に凹部26を形成する。
図３（Ａ）に示す如く、突片部25の存在する円周位置では、摺接部23を有する鳥頭型のリップ部27は突片部25にて十分に背面から支持され、図３（Ａ）の右方向（つまり、低圧側Ｚ方向）へはほとんど変形しない。
しかしながら、突片部25の存在しない円周位置（つまり、凹部26の位置）では、図３（Ｂ）に示す如く、鳥頭型のリップ部27は、サポートがないので、図３（Ａ）の右方向（つまり、低圧側Ｚ方向）へ大きく変形することとなる。

従って、摺接部23は、図４（Ａ）に示す如く、凹凸波型Ｗを描く。即ち、回転軸20の外周面に沿って円周上ウェイブを描くように、摺接部23の接触面圧Ｐの重心位置Ｇが周方向に沿って変化する。図４（Ｂ）に於て、横軸に軸心方向位置Ｘを示す、縦軸に周方向位置Ｒを示したグラフ図であって、この図より、摺接部23───詳しくは、接触面圧Ｐの重心位置Ｇ───が凹凸波型Ｗを描くように、軸心方向に変化する。言い換えると、回転軸20の表面の円周方向に沿って摺接部23の形状が受圧状態で凹凸波型Ｗとなるように、サポート金具８の内周端縁形状を凹凸状とする。

次に、図５と図６（Ａ）は他の実施の形態を示し、図５は要部の部品である背面サポート金具８の正面図、図６（Ａ）は図５の拡大縦断面図である。
このサポート金具８は、前述の実施の形態（図１と図２参照）と比較すれば明らかなように、軸心直交板部16がシール部５の軸心直交壁部５ｂを低圧側Ｚから支持するシール部受持面16ａに、円周方向に沿って（扇状の）３個の凹所28を切削加工等にて形成し、受持面16ａの内周縁寄りに於て、凹凸部を形成する。即ち、元の受持面16ａが残っている部分が凸部29を構成し、浅く切欠かれた（削除された）部分が凹所28を構成している。それ以外の構成は、前述の図１と図２の実施の形態と同様である。

また、図６（Ｂ）は変形例を示す。即ち、正面図は図５と同様であるが、プレス加工等によって、肉厚（板厚）寸法をそのままに保ちつつ、軸心直交板部16のシール部受持面16ａに、内周縁寄りを円周方向に沿って、３個の凹所28を形成して、凹凸部を形成する。つまり、元の受持面16ａが残っている部分が凸部29を構成し、浅く塑性変形して凹所28を構成する。それ以外の構成は、図１と図２の実施の形態と同様である。
なお、図５と図６（Ａ）（Ｂ）に於て、凹所28の個数を、２個としたり、４個以上にするも、自由である。

そして、図５と図６（Ａ）（Ｂ）に於て、装着使用受圧状態で、凸部29の円周位置では、摺接部23を有する鳥頭型のリップ部27（図１参照）は、凸部29にて背面から支持され、図３（Ａ）の場合と同様に、低圧側Ｚ方向への変形は阻止されて、ほとんど変形しない。 しかし、凹所28の位置では、リップ部27はその凹所28に侵入するように変形し、低圧側Ｚ方向へ変形する。
従って、摺接部23（図１参照）は、図４（Ａ）に示す如く凹凸波型Ｗを描き、回転軸20の外周面に沿って円周上ウェイブを描くように接触面圧Ｐの重心位置Ｇ（図３参照）が周方向位置によって変化する。つまり、図４（Ｂ）のように凹凸波型Ｗが描かれる。

要約すれば、図５と図６（Ａ）（Ｂ）の実施の形態では、背面サポート金具８の軸心直交板部16のシール部受持面16ａに円周方向に沿って凹凸部を形成して、回転軸20の表面の円周方向に沿ってリップ部27の摺接部23の形状が受圧状態で凹凸波形となるよう構成されている。
なお、図１・図２と、図５・図６の両実施の形態を結合するも好ましい。即ち、図５・図６の凹所28に於ける内周端縁を図１・図２よりも径方向小幅寸法だけ切欠形成して凹部26を形成しても良い。

図１・図２に示した本発明の実施品と、図８に示した従来例とを、圧力： 4.0MPa 、流体温度 100℃、摺接部の摺動速度： 4.6ｍ／sec の条件下にて比較実験を行った摺接部23, Ｓ₀ の摩耗状況を、夫々、図７（Ａ）（Ｂ）に示す。
図７（Ｂ）に点々にて示すように、10時間後の摩耗部位47は極めて大きいのに対し、本発明実施品では、図７（Ａ）に示すように、17時間後の摩耗部位47は小さい。
従来例では、摺接部Ｓ₀ は軸心直交面43上に存在するので、油膜が発生しにくく、発熱も大きく、図７（Ｂ）に示すように大きく摩耗する結果となったと考えられる。これに対して、本発明実施品では、図４（Ａ）（Ｂ）に示す如く凹凸波型Ｗに摺接するので、油膜が発生しやすく、かつ、発熱作用も大きく、リップ部27の摺接部23の摩耗量を低減でき、故に、耐久性が向上した。

なお、本発明は上述の図示の実施の形態以外にも設計変更自由であって、図８に示した従来例のような構成に於て、その軸心直交状サポート金具45を、図１・図２の軸心直交板部16のように凹凸状に内周端縁45ａを形成し、又は、図６のように凹所28を形成しても良い（図示省略）。また、シールエレメント７を２つ以上設けたり、逆に、シールエレメント７を省略したり、若しくは、サポート金具８の形状、あるいは、インナーケース９，インナー部材11の個数増減や形状変更は、自由である。

本発明は以上述べたように、回転軸20の表面に接触する摺接部23を内周端縁に有する軸心直交壁部５ｂを備えたゴム製シール部５と、該軸心直交壁部５ｂを低圧側から支持する軸心直交板部16を有する背面サポート金具８とを、具備した回転軸シールに於て、上記背面サポート金具８の軸心直交板部16の内周端縁形状を凹凸状に形成して、上記回転軸20の表面の円周方向に沿っての上記摺接部23の形状が受圧状態で凹凸波型Ｗとなるように構成したので、摺接部23が低圧側Ｚへ振れた部位から潤滑油（被密封流体）を、摺接部23と回転軸20との間に、導入・浸入させて、回転軸20の回転に伴って摺接部23の全周に潤滑油（被密封流体）を行き渡らせ、摩擦熱の発生を防止し、早期摩耗を防ぎ、長寿命を図ることができる。特に、カーエアコン用コンプレッサ等の高圧ガスの密封に優れた耐久性を発揮できて、好適である。

また、回転軸20の表面に接触する摺接部23を内周端縁に有する軸心直交壁部５ｂを備えたゴム製シール部５と、該軸心直交壁部５ｂを低圧側から支持する軸心直交板部16を有する背面サポート金具８とを、具備した回転軸シールに於て、上記背面サポート金具８の軸心直交板部16のシール部受持面16ａに円周方向に沿って凹凸部を形成して、上記回転軸20の表面の円周方向に沿っての上記摺接部23の形状が受圧状態で凹凸波型Ｗとなるように構成されているので、摺接部23が低圧側Ｚへ振れた部位から潤滑油（被密封流体）を、摺接部23と回転軸20との間に、導入・浸入させて、回転軸20の回転に伴って摺接部23の全周に潤滑油（被密封流体）を行き渡らせ、摩擦熱の発生を防止し、早期摩耗を防ぎ、長寿命を図ることができる。特に、カーエアコン用コンプレッサ等の高圧ガスの密封に優れた耐久性を発揮できて、好適である。また、シール部受持面16ａに形成すべき凹凸部は、使用圧力及びリップ部27の形状等に対応して、浅いものから深いものまで、比較的容易に設定可能（製作可能）であり、使用条件に柔軟に対応できる利点もある。

本発明の実施の形態を示す要部断面図である。 主要部品（背面サポート金具）の一例を示す正面図である。 本発明と従来例の形状比較及び作用比較のため、及び、本発明の作用説明のための断面説明図である。 要部説明と作用説明のための説明図であって、（Ａ）は斜視説明図、（Ｂ）はグラフ説明図である。 他の実施の形態を示す主要部品の正面図である。 主要部品を示す拡大縦断面図である。 本発明と従来例の実験結果を示す要部断面図である。 従来例を示す要部断面図である。

符号の説明

５ ゴム製シール部
５ｂ 軸心直交壁部
８ 背面サポート金具
16 軸心直交板部
16ａ シール部受持面
20 回転軸
23 摺接部
Ｗ 凹凸波型
Ｌ 軸心

Claims (2)

1. 回転軸（20）の表面に接触する摺接部（23）を内周端縁に有する軸心直交壁部（５ｂ）を備えたゴム製シール部（５）と、該軸心直交壁部（５ｂ）を低圧側から支持する軸心直交板部（16）を有する背面サポート金具（８）とを、具備した回転軸シールに於て、上記背面サポート金具（８）の軸心直交板部（16）の内周端縁形状を凹凸状に形成して、上記回転軸（20）の表面の円周方向に沿っての上記摺接部（23）の形状が受圧状態で凹凸波型（Ｗ）となるように構成されたことを特徴とする回転軸シール。
2. 回転軸（20）の表面に接触する摺接部（23）を内周端縁に有する軸心直交壁部（５ｂ）を備えたゴム製シール部（５）と、該軸心直交壁部（５ｂ）を低圧側から支持する軸心直交板部（16）を有する背面サポート金具（８）とを、具備した回転軸シールに於て、上記背面サポート金具（８）の軸心直交板部（16）のシール部受持面（16ａ）に円周方向に沿って凹凸部を形成して、上記回転軸（20）の表面の円周方向に沿っての上記摺接部（23）の形状が受圧状態で凹凸波型（Ｗ）となるように構成されたことを特徴とする回転軸シール。

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