JP2023147120A - 軸シール - Google Patents

Abstract

【課題】シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールを提供する。【解決手段】軸シール１は、回転軸Ｓの外周面に密着して密封流体を封止する環状の軸シールであって、回転軸Ｓと軸シール１を装着するハウジング１１との隙間が、軸シール１によって高圧側と低圧側に区画され、軸シール１は、高圧側に延伸して回転軸Ｓと摺動するシールリップ部２を備え、シールリップ部２は、回転軸Ｓと摺動する内周面２ａの接触部に、全周にわたって形成された凸部５を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸の軸シールに関し、特に、車載エアコン用スクロール式圧縮機の回転軸の軸シールに関する。

圧縮機には冷媒や冷凍機油の漏れを防止するシール部材が用いられている。例えば、固定スクロールと、該固定スクロールに対して旋回運動する可動スクロールとを組み合わせた圧縮機構部を備えるスクロール式圧縮機では、圧縮機構部を駆動する回転軸に軸シールが装着されている。

上記スクロール式圧縮機は、例えば車両に搭載され、車載エアコン用電動コンプレッサとして用いられ、小型化、高効率化が求められている。このような軸シールには、シール性に加えて、低トルク化が求められている。

例えば、特許文献１の軸シールを図５に示す。図５に示すように、軸シール３１は、回転軸Ｓの外周面に密着して油を含有する密封流体を封止する環状の軸シールである。この軸シール３１は、軸方向の断面視が略Ｕ字状であり、軸方向一方側に延伸して回転軸Ｓと摺動するシールリップ部３２と、シールリップ部３２よりも外径側に設けられた外リップ部３３とを備えている。特許文献１では、軸シールとして、ポリエステル系エラストマーを主成分とする熱可塑性エラストマー組成物の成形体を使用し、その曲げ弾性率を所定の範囲とすることで、シール性に優れるとともに、回転トルクを低減できるとしている。

特開２０２１－０９２２７９号公報

近年、省エネルギー化の進展に伴い、シール性に優れ、さらに回転トルクが低減できる軸シールが要求されている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールを提供することを目的とする。

本発明の軸シールは、回転軸の外周面に密着する環状の軸シールであって、上記軸シールは、上記回転軸と摺動するシールリップ部を備え、上記シールリップ部は、上記回転軸と摺動する内周面の接触部に、全周にわたって形成された凸部を有することを特徴とする。なお、接触部とは、内周面の回転軸と接触する領域である。

上記凸部は、上記シールリップ部の全長を１００％としたとき、上記シールリップ部の先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されていることを特徴とする。

上記凸部の最大高さは、上記シールリップ部の厚みの５％～２０％であることを特徴とする。

上記軸シールは、軸方向の断面視が略Ｕ字状であり、上記シールリップ部よりも外径側に設けられた外リップ部を有することを特徴とする。

上記凸部の軸方向断面における形状は、略矩形状、円弧状、略台形状、または略三角形状であることを特徴とする。

上記軸シールは、上記回転軸の外周面に密着して密封流体を封止する軸シールであって、上記回転軸と上記軸シールを装着するハウジングとの隙間が、上記軸シールによって高圧側と低圧側に区画され、上記シールリップ部は、上記高圧側に延伸して上記回転軸と摺動することを特徴とする。

上記軸シールは、車載エアコン用スクロール式圧縮機の回転軸に用いられる軸シールであることを特徴とする。

本発明の軸シールは、回転軸と摺動するシールリップ部を備え、シールリップ部は、回転軸と摺動する内周面の接触部に、全周にわたって形成された凸部を有するので、回転軸に対するシールリップ部の先端の密着性を維持しながら、シールリップ部の接触面積を減少でき、従来（図５参照）のように凸部が形成されていない軸シールよりも低トルク化を図ることができる。これにより、シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールになる。

凸部は、シールリップ部の全長を１００％としたとき、シールリップ部の先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されているので、シールリップ部の接触面積をより減少でき、低トルク特性により優れる。

凸部の最大高さは、シールリップ部の厚みの５％～２０％であるので、凸部が変形しにくくシール性により優れる。

本発明の軸シールの一例を回転軸に装着した状態の図である。 凸部の断面形状の例を示す図である。 スクロール式圧縮機の圧縮機構部を示す模式断面図である。 回転トルクの測定試験の概略図である。 従来の軸シールの構成を示す図である。

本発明の軸シールについて、図１に基づいて説明する。図１は、軸シールを圧縮機に適用した例を示し、軸シールを回転軸に装着した状態の軸方向断面図を示している。なお、本発明において、軸シールの中心軸Ｏに平行な方向を「軸方向」、中心軸Ｏに直交する方向を「径方向」、中心軸Ｏを中心とする軸周りの方向を「周方向」という。

図１に示すように、軸シール１は、軸方向の断面視が略Ｕ字状の環状部材であり、軸方向一方側に延伸したシール内径側のシールリップ部２と、シールリップ部２よりもシール外径側に設けられた外リップ部３とを有する。シールリップ部２と外リップ部３はそれぞれ基端部４から延伸しており、シールリップ部２と外リップ部３は相互に先端が離れる方向へ傾斜して形成されている。

ハウジング１１には、回転軸Ｓが挿通される挿入孔１１ａが設けられており、挿入孔１１ａの周囲に環状溝１２が設けられている。軸シール１は、この環状溝１２に装着され、回転軸Ｓが回転することで、シールリップ部２が回転軸Ｓに摺動する。

軸シール１は、シールリップ部２と外リップ部３とがそれぞれ高圧側Ｈに延伸するように環状溝１２に装着されている。この場合、各リップ部が延伸する側を高圧側Ｈに向け、基端部４の背面側を低圧側Ｌに向け装着する。装着した状態では、軸シール１の外リップ部３が環状溝１２の側壁１２ａに回転不能に接触し、シールリップ部２が回転軸Ｓの外周面に回転不能に接触する。また、基端部４の背面が環状溝１２の底壁１２ｂに密着する。一方、外リップ部３と側壁１２ａとの間、およびシールリップ部２と回転軸Ｓとの間にはそれぞれ空間が形成されており、基端部４は回転軸Ｓに接触していない。シールリップ部２の内周面２ａは、回転軸Ｓの外周面との摺動面となる。

軸シール１において、シールリップ部２は、内周面２ａの接触部に所定の高さの凸部５を有している。凸部５は、内周面２ａの接触部において、径方向内側に向けて突出しており、全周にわたって形成されている。ここで、接触部とは、シールリップ部２の内周面２ａが回転軸Ｓと接触する領域である。なお、凸部５は、接触部の一部または全部に形成されていればよい。図１において、凸部５の軸方向の断面形状は、略矩形状となっている。

凸部５は、シールリップ部２の全長Ｌｔを１００％としたとき、シールリップ部２の内周面２ａにおいて、シールリップ部２の先端２ｂから他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されることが好ましい。ここで、先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されるとは、先端（０％）から３０％までの範囲の全部に形成されるという意味ではなく、先端（０％）から３０％までの範囲の一部または全部に形成されるという意味である。また、先端（０％）から３０％までの範囲の間に形成されていれば、３０％を超える範囲に形成されていてもよく、例えば１０％から３５％の全部に形成されているような場合も含まれる。シールリップ部２の内周面２ａにおいて、凸部５は、先端２ｂを含んで形成される、つまり先端２ｂを起点として形成されることが好ましく、更に、その先端を起点として２０％までの範囲の間に形成されることがより好ましい。

なお、シールリップ部２の全長Ｌｔは、軸シール１の底面４ａの隅部（シールリップ部２側）からシールリップ部２の先端２ｂの外径側の頂点までの直線の長さをいう。シールリップ部２の全長Ｌｔは、例えば、１．０ｍｍ～８．０ｍｍであることが好ましく、１．０ｍｍ～６．５ｍｍであることがより好ましく、２．０ｍｍ～６．５ｍｍであることがさらに好ましい。

軸シール１は、シールリップ部２が回転軸Ｓの外周面に密着することで、高圧側Ｈの流体が低圧側Ｌへ漏れ出すことを防いでいる。流体は、冷媒、油、冷媒と油の混合物などが挙げられる。

凸部の形状について、図２（ａ）～図２（ｆ）を用いて更に説明する。図２の各軸シールは、回転軸に装着する前の状態を示しており、軸シールの軸方向に沿って切断した切断面を表している。図２の各軸シールのいずれも、凸部５が、シールリップ部２の内周面２ａから内周方向に突出され、先端から他端側に向けて３０％の範囲の間に形成されている。

図２（ａ）は、図１に示した軸シールの紙面下側における切断面を示す図である。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）における凸部周辺の拡大図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、凸部５は、内周面２ａのうち最も内周側に位置し、平面状の接触面５ａと、その接触面５ａから垂下した凸部側面５ｂ、５ｂで形成されている。この場合、接触面５ａは軸方向と平行な面で形成され、凸部側面５ｂ、５ｂは、径方向と平行な面で形成される。図２（ａ）、（ｂ）に示すような略矩形状にすることで、凸部５の強度が維持されやすいため、凸部５は変形しにくい。その結果、回転軸に対する凸部５の接触面積は一定に維持されやすくシール性に優れる。

凸部５の最大高さ（径方向の長さ）ｈは、シールリップ部２の厚みＴの５％～２０％であることが好ましく、１０％～２０％であることがより好ましい。これにより、凸部５の強度を維持できるため凸部５が変形しにくい。その結果、流体の漏れが起こりにくく、シール性に優れる。凸部５の最大高さｈは、接触面５ａの最高部から内周面２ａまたは凸部が形成されていないと仮定した場合の内周面２ａの仮想面Ｆ（図２（ｂ）における凸部５の下部の点線）に降ろした垂線の長さである。なお、シールリップ部２の厚みＴは、例えば、０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。

凸部５の幅Ｗは、シールリップ部２の全長Ｌｔの５％～３０％であることが好ましく、５％～２５％であることがより好ましく、１０％～２０％であることがさらに好ましい。これにより、凸部５の強度を維持できるため凸部５が変形しにくく、また、シールリップ部２の接触面積をより減少できる。その結果、シール性および低トルク特性により優れる。なお、凸部５の幅Ｗは、凸部側面５ｂ、５ｂと、仮想面Ｆとの２点の交点間の最大距離である。

凸部の断面形状としては、上述した略矩形状に限られず、例えば、円弧状、略台形状、略三角形状などができる。凸部は、断面形状がその中央線に対して対称形状であってもよく、非対称形状であってもよい。例えば、図２（ｂ）において、凸部側面５ｂ、５ｂの一方を径方向に対して傾斜した傾斜面としてもよい。

凸部の軸方向の断面形状が円弧状の場合について、図２（ｃ）を用いて説明する。図２（ｃ）は、その凸部周辺の拡大図である。図２（ｃ）に示すように、凸部６は、内周面２ａのうち最も内周側に位置し、曲面状の接触面６ａと、その接触面６ａから垂下した凸部側面６ｂ、６ｂで形成されている。例えば、接触面を曲面状とすることで、軸方向断面形状が略矩形状の場合に比べ、回転軸に対するシールリップ部２の接触面積を減少でき、より低トルク化に寄与する。また、凸部６の内周側先端部が変形する場合、変形量の増大につれて回転軸に対する凸部６の接触面積が徐々に増え、シール性が向上する。

凸部の軸方向の断面形状が略台形状の場合について、図２（ｄ）を用いて説明する。図２（ｄ）は、その凸部周辺の拡大図である。図２（ｄ）に示すように、凸部７は、内周面２ａのうち最も内周側に位置し、平面状の接触面７ａと、凸部７の幅が広がるように接触面７ａに対して傾斜した傾斜面７ｂ、７ｂと、傾斜面７ｂ、７ｂのそれぞれから垂下した凸部側面７ｃ、７ｃで形成されている。これにより、軸方向の断面形状が略矩形状の場合に比べ、回転軸に対するシールリップ部２の接触面積を減少でき、より低トルク化に寄与する。また、凸部７の内周側先端部が変形する場合、軸方向の断面形状が円弧状の場合に比べ、凸部７における変形前後での回転軸に対する凸部７の接触面積の変化量が小さく、変形初期でもシール性に優れる。

凸部の軸方向の断面形状が略三角形状の場合について、図２（ｅ）を用いて説明する。図２（ｅ）は、その凸部周辺の拡大図である。図２（ｅ）に示すように、凸部８は、一対の傾斜面８ａ、８ａで形成されている。これにより、軸方向の断面形状が略矩形状の場合に比べ、回転軸に対するシールリップ部２の接触面積を特に減少でき、一層低トルク化に寄与する。

また、凸部は、軸方向に離間して複数設けられてもよい。例えば、２本の略矩形状の凸部を軸方向に離間して設けることもできる。２本の略矩形状の凸部が軸方向に離間して設けられた場合について、図２（ｆ）を用いて説明する。図２（ｆ）は、２本の隣接する凸部を有する軸シールにおける凸部周辺の拡大図である。図２（ｆ）に示すように、２本の凸部５’、５’が軸方向に離間して設けられる場合、凸部５’、５’の間には凹溝Ｇが形成される。この場合、凹溝Ｇにオイルなどの潤滑剤が保持されるため、当該凹溝は潤滑溝としても機能し、低トルク化に寄与する。

凹溝Ｇの最大深さｄは、例えば、凸部５’の最大高さの２０％～１００％にすることができる。凹溝Ｇの最大深さｄは、凸部５’の最大高さの３０％～８０％であることが好ましく、４０％～６０％であることがより好ましい。これにより、凸部５’の強度を維持しつつ、凸部５’の変形を防止できる。凹溝Ｇの最大深さｄは、底面Ｇａの最深部から凸部５’の接触面５’ａの最高部までの距離（面間距離）である。

図２において、各凸部の幅や最大高さ、凹溝の最大深さには、上述した数値範囲を適宜採用できる。また、凸部の形状は図２に示す形状に限らない。例えば、図２に示す各凸部の一部を適宜組み合わせてもよく、平面や曲面も適宜組み合わせることができる。

図１および図２には、軸方向の断面視が略Ｕ字状の軸シールを示したが、本発明の軸シールはこれに限らない。例えば、シールリップ部２と、外リップ部３の無い固定部とからなる形状としてもよい。

図１の圧縮機において、ハウジング１１の高圧側Ｈには圧縮機構部が設けられる。圧縮機構部の形態は、回転軸の回転によって流体の圧縮が行われる機構であればよく、スクロール式や斜板式などを採用できる。例えば、スクロール式の場合、圧縮機構部は、固定スクロールと、該固定スクロールに対して旋回運動する可動スクロールとを組み合わせて構成される。

図３には、スクロール式の圧縮機構部の一部断面図を示す。図３に示すように、圧縮機構部１３は、基板１５ａとその表面に直立する固定側スクロール翼１５ｂを有する固定ロータ１５と、基板１６ａとその表面に直立する可動側スクロール翼１６ｂを有する可動ロータ１６とを備えている。固定ロータ１５と可動ロータ１６が相互に偏心状態にかみ合わされて、それらの間に圧縮室１４が形成されている。可動ロータ１６は、上述の回転軸に直接的または間接的に接続されており、可動ロータ１６が固定ロータ１５の軸線の周りで公転することにより、圧縮室１４が渦巻形状の中心側に移動して流体の圧縮が行なわれる。圧縮された圧縮流体は、可動ロータ１６の中心部の吐出口１７を通って吐出管から吐出され、冷凍サイクルに流出する。そして、冷凍サイクルの流体（冷媒ガスなど）が吸入口（図示省略）を介して圧縮室１４へ導入される。

本発明の軸シールは、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物からなる。樹脂組成物において、主成分となる樹脂（ベース樹脂）は限定されるものではなく、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）樹脂、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）樹脂、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）樹脂、ポリビニリデンフルオライド樹脂、液晶ポリマー、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂などを用いることができる。

また、熱可塑性エラストマー組成物において、主成分となるエラストマーは限定されるものではなく、ポリオレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマーなどを用いることができる。耐熱性、耐薬品性の点から、ポリエステル系エラストマーが特に好ましい。ポリエステル系エラストマーは、ハードセグメントとソフトセグメントを含み、ハードセグメントにポリエステル単位、ソフトセグメントにポリエーテル単位またはポリエステル単位が用いられる。ポリエステル系エラストマーは、ポリエステル－ポリエーテル型またはポリエステル－ポリエステル型のマルチブロック共重合体である。

上記の樹脂組成物および熱可塑性エラストマー組成物には、摩擦摩耗特性を向上させる目的で、ＰＴＦＥ樹脂、グラファイト、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を配合することができる。

固体潤滑剤の配合量は、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物１００体積％に対して、１体積％～４０体積％が好ましく、１体積％～２０体積％がより好ましい。４０体積％を超えると、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物の伸び特性が低下するおそれがあり、軸シールを回転軸に組み込む際に割れが発生するおそれがある。

なお、本発明の効果を阻害しない程度に、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物に、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの繊維状補強材、球状シリカなどの球状充填材、マイカなどの鱗状補強材、リン酸カルシウム、硫酸カルシウムなどの摺動補強材、チタン酸カリウムウィスカなどの微小繊維補強材を用いてもよい。カーボンブラック、酸化鉄などの着色剤も配合できる。これらは単独で配合することも、組み合せて配合することもできる。

本発明の軸シールは、車載エアコン用スクロール式圧縮機に用いることができる。スクロール式圧縮機は、エンジン動力を利用したベルト駆動、エンジン動力を利用しないモータ駆動のどちらであってもよい。また、本発明の軸シールは、圧縮機に限らず用いることができる。

本発明の軸シールは、例えば、一般的な熱可塑性樹脂用の射出成形機を用い、射出成形によって成形される。上記樹脂組成物または上記熱可塑性エラストマー組成物を構成する各材料を、必要に応じて、ヘンシェルミキサー、アキシャルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダーなどにて混合した後、二軸混練押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレットを得ることができる。なお、充填材の投入は、二軸押出し機などで溶融混練する際にサイドフィードを採用してもよい。この成形用ペレットを用いて射出成形により軸シールを成形する。

実施例１、比較例１
熱可塑性エラストマー組成物を二軸混練押出し機にてペレット化した。得られたペレットを用いて射出成形により、実施例１として、図１に示す形状の軸シール（内径寸法２０ｍｍ、シールリップ部の全長４ｍｍ、シールリップ部の厚み０．５ｍｍ）を得た。具体的には、軸シールの内周面における後述する回転軸との接触部に、全周にわたり、凸部を１本形成した。凸部の各寸法を表１に示す。なお、凸部幅は、２つの凸部側面と仮想面Ｆとによって形成される２本の接線の間の最大距離であるとして計測した。また、比較例１として、図５に示す形状（凸部なし）の軸シール（内径寸法２０ｍｍ、シールリップ部の全長４ｍｍ、シールリップ部の厚み０．５ｍｍ）を得た。

＜回転トルク試験＞
図４に示す回転トルク試験機を用いて、下記の条件でオイル中で回転トルク試験を実施して、回転トルクおよびオイルリーク量を測定した。
＜試験条件＞
回転軸 ：材質Ｓ４５Ｃ
回転数 ：８０００ｍｉｎ^－１
油圧 ：０．８ＭＰａ
油温 ：４０℃
冷凍機油：ポリアルキレングリコール油
試験時間：６０分

図４に示すように、試験機１８のハウジングは、外周側ハウジング２１と内周側ハウジング２２とを組み付けて構成される。これらハウジングの合わせ面において、内周側ハウジング２２の外周溝にはＯリング２３が配置されており、合わせ面から冷凍機油が漏れることを防止している。軸シール１９は回転軸２０に密着しており、回転軸２０の回転によって回転軸２０の外周面と摺接する。冷凍機油を圧送して、ハウジング内空間に供給した。冷凍機油は、図４に示すように、流入路２１ｂから流入し、ハウジング内空間を経て、流出路２１ｃから流出する。オイルリーク量は、回転軸２０と挿通孔２１ａとの間から漏れ出た冷凍機油の量に基づいており、試験開始後６０分間の平均値（ｎ＝２）を示している。また、回転トルクは、試験開始後６０分間の平均値（ｎ＝２）を示している。結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１は、比較例１（従来品）と比較して、オイルリーク性を保持しつつも、回転トルクの低減が認められた。具体的には、実施例１は、比較例１に比べて、回転トルクが約６％小さくなった。

本発明の軸シールは、シール性に優れるとともに、回転トルクを一層低減できるので、回転軸の外周面に摺接しながら密封流体を封止する軸シールとして広く使用できる。特に、車載エアコン用スクロール式圧縮機の圧縮機構部を回転させる回転軸の軸シールに適している。

１ 軸シール
２ シールリップ部
３ 外リップ部
４ 基端部
５、５’ 凸部
６ 凸部
７ 凸部
８ 凸部
１１ ハウジング
１２ 環状溝
１３ 圧縮機構部
１４ 圧縮室
１５ 固定ロータ
１６ 可動ロータ
１７ 吐出口
１８ 試験機
１９ 軸シール
２０ 回転軸
２１ 外周側ハウジング
２２ 内周側ハウジング
２３ Ｏリング
Ｏ 中心軸
Ｓ 回転軸

Claims (7)

1. 回転軸の外周面に密着する環状の軸シールであって、
   前記軸シールは、前記回転軸と摺動するシールリップ部を備え、
   前記シールリップ部は、前記回転軸と摺動する内周面の接触部に、全周にわたって形成された凸部を有することを特徴とする軸シール。
2. 前記凸部は、前記シールリップ部の全長を１００％としたとき、前記シールリップ部の先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の軸シール。
3. 前記凸部の最大高さは、前記シールリップ部の厚みの５％～２０％であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の軸シール。
4. 前記軸シールは、軸方向の断面視が略Ｕ字状であり、前記シールリップ部よりも外径側に設けられた外リップ部を有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項記載の軸シール。
5. 前記凸部の軸方向断面における形状は、略矩形状、円弧状、略台形状、または略三角形状であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項記載の軸シール。
6. 前記軸シールは、前記回転軸の外周面に密着して密封流体を封止する軸シールであって、
   前記回転軸と前記軸シールを装着するハウジングとの隙間が、前記軸シールによって高圧側と低圧側に区画され、前記シールリップ部は、前記高圧側に延伸して前記回転軸と摺動することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項記載の軸シール。
7. 前記軸シールは、車載エアコン用スクロール式圧縮機の回転軸に用いられる軸シールであることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項記載の軸シール。

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