JP2019148300A - 摺動部品 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧の被密封流体の漏れが少なくかつ低トルクの自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールの摺動部品を提供する。
【解決手段】円環状の固定密封環２０の摺動面２１と、円環状の回転密封環１０の摺動面１１とを相対回転させることにより冷媒ガスである二酸化炭素ガスを軸封する自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールの摺動部品１０，２０において、一方の摺動面１１には、径方向に沿って配置された複数のディンプル１２からなる第１のディンプル列１２０Ａと、第１のディンプル列１２０Ａのディンプル１２とは径方向に異なる位置で径方向に沿ってそれぞれ配置された複数のディンプル１２からなる第２のディンプル列１２０Ｂとが周方向にこの順に複数配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールに用いられる摺動部品に関する。

従来、自動車空調の冷媒にはフロンガス（例えばＲ−１３４ａ）が使用されており、自動車空調用コンプレッサの回転軸に対するシール装置として、例えば、密封性に優れたゴムリップと耐圧性に優れた樹脂リップとを組み合わせたリップシールが用いられている。

近年、環境負荷を低減する目的から自動車空調の冷媒をフロンガスから二酸化炭素（ＣＯ_２）ガスに変更する動きがある。自動車空調用コンプレッサにおける二酸化炭素ガスの圧縮には、フロンガス使用時の５〜１０倍の圧力が必要であり、リップシールでは自動車空調用コンプレッサの回転軸を安定してシールすることが難しく、代わりにメカニカルシールが用いられている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示されているメカニカルシールは、自動車空調用コンプレッサの回転軸とともに回転される回転密封環と、ハウジングに固定される固定密封環とを備え、スプリングにより回転密封環を固定密封環側に付勢することにより、固定密封環の摺動面と回転密封環の摺動面とを互いに密接させた状態で相対回転させ、摺動時において摺動面間に流体膜を形成して被密封流体を軸封できるようになっている。

特許第４９５８４４５号（第３頁、第１図）

ところで、メカニカルシールにおいて、密封性を長期的に維持させるためには、「密封」と「潤滑」という相反する条件を両立させなければならない。しかしながら、特許文献１のメカニカルシールは、回転密封環の摺動面と固定密封環の摺動面が平坦面であるため、密封性を高めるために摺動面間を密接させると高トルクとなり、一方、潤滑性を高めるために摺動面間を広げると被密封流体の漏れが多くなってしまうという問題があった。これらの問題は、被密封流体の圧力が高圧となるほど顕著であった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、高圧の被密封流体の漏れが少なくかつ低トルクの自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールの摺動部品を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の摺動部品は、
円環状の固定密封環の摺動面と、円環状の回転密封環の摺動面とを相対回転させることにより冷媒ガスである二酸化炭素ガスを軸封する自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールの摺動部品において、
一方の前記摺動面には、径方向に沿って配置された複数のディンプルからなる第１のディンプル列と、前記第１のディンプル列のディンプルとは径方向に異なる位置で径方向に沿ってそれぞれ配置された複数のディンプルからなる第２のディンプル列とが周方向にこの順に複数配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、第１のディンプル列のディンプルは、第２のディンプル列のディンプル列のディンプルと径方向に異なる位置で配置されていることから、摺動時において流体膜の形成作用が均等になるため、潤滑性と安定性が高く、高圧の二酸化炭素ガスの漏れが少なくかつ低トルクの摺動部品を得ることができる。

前記ディンプルの前記摺動面に対する開口面積率が３〜４０％に設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動時において流体膜の形成作用が均等になりやすく、潤滑性と安定性をより高めることができる。

前記ディンプルの開口径が、１０〜１５０μｍの範囲に設定され、
前記ディンプルの深さが、１〜５０μｍの範囲に設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動時において流体膜の形成作用が均等になりやすく、潤滑性と安定性をより高めることができる。

前記ディンプルは、前記摺動面内のみに配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動面内にディンプルが全形を保持した状態で配置されることにより、摺動時において、ディンプルがさらに流体膜の形成作用を発揮することができ、潤滑性と安定性をより高めることができる。

前記ディンプルは、正面視円形であることを特徴としている。
この特徴によれば、ディンプルにおいて発生する圧力を滑らかに立ち上がらせることができる。

前記固定密封環と前記回転密封環との間における中高量は、０．０５〜０．１５μｍの範囲に設定されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動時においてさらに流体膜の形成作用を発揮することができ、潤滑性と安定性をより高めることができる。

他方の前記摺動面は、平坦面または一方の前記摺動面とは異なる配置のディンプルが配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、開口径、深さ、開口面積率が好適に設定されたディンプルが摺動面の全周に径方向に整列して千鳥配置されることにより、固定密封環と回転密封環との相対回転時に、摺動面間に亘って均等に機能するため、潤滑性と安定性が高く、高圧の二酸化炭素ガスの漏れが少なくかつ低トルクの摺動部品を得ることができる。

一方の前記摺動面の軸心に対する全ての同心円上に周方向に複数配置される前記第１のディンプル列および前記第２のディンプル列の中の少なくとも１つディンプルが配置されていることを特徴としている。
この特徴によれば、摺動時において周方向に複数配置される第１のディンプル列および第２のディンプル列の中の少なくとも１つディンプルが摺動面の摺動方向に配置されることにより、摺動時において流体膜の形成作用がより均等になるため、潤滑性と安定性をより高めることができる。

本発明の実施例に係る自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールの一例を示す断面図である。 本発明の実施例に係るディンプルが形成されたシールリングの摺動面の一部を示す平面図および第１のディンプル列と第２のディンプル列との位置関係を示す拡大平面図である。

本発明に係る摺動部品を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る摺動部品につき、図１および図２を参照して説明する。尚、メカニカルシールを構成する摺動部品の外周側を被密封流体側、内周側を大気側として説明する。

図１に示される自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールは、摺動面の外周側から内周側に向かって漏れようとする被密封流体である二酸化炭素ガスを密封するインサイド形のものであって、自動車空調用コンプレッサの回転軸１側にホルダ２を介して回転軸１と一体的に回転可能かつ軸方向移動可能な状態で設けられた円環状のシールリング１０（摺動部品，回転密封環）と、自動車空調用コンプレッサのハウジング４に固定されたガスケット５に非回転状態で設けられた円環状のメイティングリング２０（摺動部品，固定密封環）と、から主に構成され、ホルダ２内に保持されるコイルスプリング７によって押圧部材３を介してシールリング１０が軸方向に付勢されることにより、ラッピング等により鏡面仕上げされたシールリング１０の摺動面１１（一方の摺動面）とメイティングリング２０の摺動面２１（他方の摺動面）とが互いに密接摺動するようになっている。尚、本実施例における二酸化炭素ガスの使用圧力は、１〜１０ＭＰａ ａｂｓに設定されることが好ましい。

シールリング１０およびメイティングリング２０は、代表的にはＳｉＣ（硬質材料）同士またはＳｉＣ（硬質材料）とカーボン（軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＣ、ＳｉＣ−ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（コーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

図１に示されるように、シールリング１０は、外周側に切り欠き状の挿入部１０ａが形成され、この挿入部１０ａに回転軸１に固定される円環状のホルダ２から軸方向に延びるドライブプレート２ａが挿入されることにより、回転軸１と一体的に回転可能となっている。また、シールリング１０は、内周側に挿嵌凹部１０ｂが形成され、この挿嵌凹部１０ｂにＯリング８が挿嵌されることにより、シールリング１０の内周面と回転軸１の外周面との間における被密封流体の漏れが防止されている。

図２に示されるように、シールリング１０は、軸方向一端に軸方向から見た正面視において環状の摺動面１１を有している。摺動面１１は、平坦面であって、円周方向に複数のディンプル１２が全周に亘って形成されている。尚、摺動面１１の平坦部分は、ディンプル１２に対してランド部とも言える。

ディンプル１２は、軸方向から見た正面視において円形状に形成されている。尚、説明の便宜上、図示を省略するが、ディンプル１２全体の形状は、円柱状、円錐状、半球形状、半回転楕円体形状等に適宜形成されてよい。

また、ディンプル１２は、摺動面１１の全面において、径方向に沿って一定のピッチで等間隔に整列して配置された複数（全１６個）のディンプル１２からなる第１のディンプル列１２０Ａと、第１のディンプル列１２０Ａを構成するディンプル１２とは径方向に半ピッチずれた異なる位置で径方向に沿って等間隔に整列してそれぞれ配置された複数（全１５個）のディンプル１２からなる第２のディンプル列１２０Ｂとが周方向にこの順に複数配置されている。すなわち、ディンプル１２は、摺動面１１の全面に千鳥配置されている。尚、摺動面１１の全面とは、摺動面２１との実質的に摺動する領域のことを示している。さらに尚、本実施例のディンプル１２は、レーザ加工により形成されているが、これに限らず、他の方法で形成されてもよい。

また、ディンプル１２は、摺動面１１内のみに配置されている。すなわち、ディンプル１２は、第１のディンプル列１２０Ａおよび第２のディンプル列１２０Ｂにおいて摺動面１１の外径側および内径側に配置されるものにおいても、その一部が欠けることなく全形を保持した状態で形成されている。

また、ディンプル１２は、最外径部分および最内径部分を除く摺動面１１内において、摺動面１１（シールリング１０）の軸心に対する全ての同心円上に第１のディンプル列１２０Ａおよび第２のディンプル列１２０Ｂの中の少なくとも１つディンプル１２が配置されている。尚、周方向に隣り合って配置される第１のディンプル列１２０Ａのディンプル１２および第２のディンプル列１２０Ｂのディンプル１２が共に同心円上に配置されていることが好ましい。

また、ディンプル１２の摺動面１１に対する開口面積率は、３〜４０％、好ましくは１０〜３０％に設定されている。尚、本実施例におけるディンプル１２の摺動面１１に対する開口面積率とは、シールリング１０の摺動面１１の面積（平坦部分とディンプル１２の開口部分の総和面積）に対する個々のディンプル１２の開口部分の総面積の割合のことである。

さらに、ディンプル１２の開口径は、１０〜１５０μｍの範囲に設定され、ディンプル１２の軸方向の深さは、１〜５０μｍの範囲に設定されている。

図１に示されるように、メイティングリング２０は、ハウジング４の取付部４ａに固定されたガスケット５の挿嵌段部５ａに挿嵌されることにより非回転状態で固定される。このとき、ガスケット５の外周面がハウジング４の取付部４ａの内周面に対して押し付けられることにより、ガスケット５の外周面とハウジング４の取付部４ａの内周面との間における被密封流体の漏れが防止されている。尚、ガスケット５は、内部に断面視Ｌ字状の保持環６がインサート成形されることにより形成されている。さらに尚、ガスケット５は、弾性体からなるものであれば、素材はゴムに限らず樹脂等であってもよい。

また、メイティングリング２０は、シールリング１０の摺動面１１と軸方向に対向する環状の対向面を有し、対向面の一部がシールリング１０の摺動面１１と摺動する摺動面２１を構成している。摺動面２１は、平坦面として形成されている。尚、摺動面２１は、平坦面として形成されるものに限らず、シールリング１０の摺動面１１とは異なる配置で複数のディンプルが形成されてもよい。

また、メイティングリング２０の対向面の径方向の長さは、シールリング１０の摺動面１１の径方向の長さよりも長く形成されている（図１参照）。

また、説明の便宜上、図示を省略するが、シールリング１０の摺動面１１およびメイティングリング２０の対向面は、僅かに中高（中凸）の曲面、詳しくは、曲率半径がきわめて大きい凸球面として形成され、シールリング１０とメイティングリング２０との間における中高量（シールリング１０の摺動面１１とメイティングリング２０の対向面の各最外径側と最内径側との間における軸方向の寸法差）は、０．０５〜０．１５μｍの範囲に設定されている。尚、シールリング１０とメイティングリング２０との間における中高量を０．０５μｍ以下に構成した場合、被密封流体の漏れが少なくなりすぎるため、潤滑性が低下して焼き付き不具合が発生する虞がある。

次いで、摺動面１１，２１間における動圧発生について説明する。シールリング１０とメイティングリング２０とが相対回転すると、摺動時において複数のディンプル１２の作用によって動圧が発生することにより、摺動面１１，２１間に冷媒である二酸化炭素ガスや冷媒とともに使用される潤滑油による流体膜が形成され、被密封流体を軸封できるようになっている。

このとき、シールリング１０の摺動面１１の全面には、径方向に沿って等間隔に整列して配置された複数のディンプル１２からなる第１のディンプル列１２０Ａと、第１のディンプル列１２０Ａのディンプル１２とは径方向に異なる位置で径方向に沿ってそれぞれ等間隔に整列して配置された複数のディンプル１２からなる第２のディンプル列１２０Ｂとが周方向にこの順に複数配置されている。また、メイティングリング２０の摺動面２１は、平坦面として形成されている。

これによれば、開口径、深さ、開口面積率が好適に設定されたディンプル１２がシールリング１０の摺動面１１の全面に径方向に整列して千鳥配置されることにより、シールリング１０とメイティングリング２０とが相対回転することで、摺動時においてディンプル１２による流体膜の形成作用が摺動面１１，２１間に亘って均等になるため、潤滑性と安定性が高く、高圧の二酸化炭素ガスの漏れが少なくかつ低トルクの摺動部品を得ることができる。さらに、低トルクとなることにより、摺動面１１、２１の面荒れを抑えることができる。

また、ディンプル１２は、摺動面１１内のみに配置されているため、摺動時において摺動面１１に形成される全てのディンプル１２がさらに流体膜の形成作用を発揮することができ、潤滑性と安定性をより高めることができる。

また、ディンプル１２は、軸方向から見た正面視において円形状に形成されているため、ディンプル１２において発生する圧力（動圧）を滑らかに立ち上がらせることができる。

また、シールリング１０とメイティングリング２０との間における中高量は、０．０５〜０．１５μｍの範囲に設定されているため、摺動時においてさらに流体膜の形成作用を発揮することができ、潤滑性と安定性をより高めることができる。

また、ディンプル１２は、最外径部分および最内径部分を除く摺動面１１内において、摺動面１１（シールリング１０）の軸心に対する全ての同心円上に第１のディンプル列１２０Ａおよび第２のディンプル列１２０Ｂの中の少なくとも１つディンプルが配置されているため、摺動時において摺動方向に周方向に複数配置される第１のディンプル列１２０Ａおよび第２のディンプル列１２０Ｂの中の少なくとも１つディンプル１２が摺動面１１の摺動方向に配置されることにより、摺動時において流体膜の形成作用がより均等になるため、潤滑性と安定性をより高めることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではない。

例えば、前記実施例では、摺動部品が適用されるメカニカルシールは、インサイド形のものとして説明したが、アウトサイド形のものであってもよい。

また、前記実施例では、ディンプル１２は、シールリング１０の摺動面１１のみに設ける例について説明したが、ディンプル１２は、メイティングリング２０の摺動面２１のみに設けられていてもよく、この場合、シールリング１０の摺動面１１は、平坦面またはメイティングリング２０の摺動面２１とは異なる配置のディンプルが配置されることが好ましい。

また、前記実施例では、第１のディンプル列１２０Ａは、径方向に沿って等間隔に整列した１６個のディンプル１２から構成され、第２のディンプル列１２０Ｂは、径方向に沿って等間隔に整列した１５個のディンプル１２から構成されるものとして説明したが、これに限らず、第１のディンプル列および第２のディンプル列をそれぞれ構成するディンプル１２の数や間隔は、使用環境等に応じて適宜設定されてよい。尚、ディンプル１２は、第１のディンプル列および第２のディンプル列により、摺動面の全面において均等に配置されることが好ましい。

また、第１のディンプル列および第２のディンプル列を構成する複数のディンプル１２は、径方向に沿って直線状に整列するものに限らず、摺動面の全面において均等に配置されるものであれば、径方向に沿ってスパイラル状に整列していてもよい。

また、第１のディンプル列のディンプルおよび第２のディンプル列のディンプルとは、径方向に異なる位置で径方向に沿ってそれぞれ配置された複数のディンプルからなる第３ディンプル列が配置されていてもよい。この場合、第１のディンプル列、第２のディンプル列および第３のディンプル列が周方向にこの順に複数配置される。尚、ディンプル列は４列以上に構成されてもよい。

また、前記実施例では、ディンプル１２は、摺動面１１内のみに配置され、摺動面１１の最外径部分および最内径部分にディンプル１２が配置されないものとして説明したが、これに限らず、摺動面１１の最外径部分および最内径部分にディンプルが配置されているものであってもよく、この場合、最外径部分および最内径部分に配置されるディンプルは、その一部が欠けていてもよい。

１ 回転軸
２ ホルダ
３ 押圧部材
４ ハウジング
５ ガスケット
６ 保持環
７ コイルスプリング
８ Ｏリング
１０ シールリング（摺動部品，回転密封環）
１０ａ 挿入部
１０ｂ 挿嵌凹部
１１ 摺動面（一方の摺動面）
１２ ディンプル
２０ メイティングリング（摺動部品，固定密封環）
２１ 摺動面（他方の摺動面）
１２０Ａ 第１のディンプル列
１２０Ｂ 第２のディンプル列

Claims (8)

1. 円環状の固定密封環の摺動面と、円環状の回転密封環の摺動面とを相対回転させることにより冷媒ガスである二酸化炭素ガスを軸封する自動車空調用コンプレッサのメカニカルシールの摺動部品において、
   一方の前記摺動面には、径方向に沿って配置された複数のディンプルからなる第１のディンプル列と、前記第１のディンプル列のディンプルとは径方向に異なる位置で径方向に沿ってそれぞれ配置された複数のディンプルからなる第２のディンプル列とが周方向にこの順に複数配置されていることを特徴とする摺動部品。
2. 前記ディンプルの前記摺動面に対する開口面積率が３〜４０％に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動部品。
3. 前記ディンプルの開口径が、１０〜１５０μｍの範囲に設定され、
   前記ディンプルの深さが、１〜５０μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の摺動部品。
4. 前記ディンプルは、前記摺動面内のみに配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の摺動部品。
5. 前記ディンプルは、正面視円形であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の摺動部品。
6. 前記固定密封環と前記回転密封環との間における中高量は、０．０５〜０．１５μｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の摺動部品。
7. 他方の前記摺動面は、平坦面または一方の前記摺動面とは異なる配置のディンプルが配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の摺動部品。
8. 一方の前記摺動面の軸心に対する全ての同心円上に周方向に複数配置される前記第１のディンプル列のディンプルおよび前記第２のディンプル列のディンプルの少なくとも１つが配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の摺動部品。

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