JP3111991U - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール装置の嵌着部からの透過流体の漏れ量を低減する。
【解決手段】ハウジングＨの嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´と嵌合孔Ｈａに挿通された軸Ｓの外周面Ｓａとの間に装着されてハウジング内の被密封流体をシールするシール装置において、ハウジングＨの嵌合孔Ｈａに嵌着される嵌着部１１，嵌着部１１から被密封流体側Ｉへ延出して先端側内周に軸Ｓの外周面Ｓａと密接するシール面１３ａをもつリップ部１３を備えるゴム状弾性材製の環状のシールリップ１０、嵌着部１１の内側に配置されて嵌着部１１を嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´に向けて押圧する金属製又は樹脂材料製の補強リング２０を備え、補強リング２０は、大気側Ｅに拡径円筒部２２かつ被密封流体側Ｉに縮径円筒部２１を有する。これにより、嵌着部１１の領域から被密封流体が透過し得る流体透過面積（流体透過速度）が小さくなり、透過漏れ量を抑制ないしは低減できる。
【選択図】図１

Description

本考案は、軸が挿通されたハウジングの嵌合孔と軸の間を密封するシール装置に関し、特に、エアコンのコンプレッサ等において高圧冷媒等の被密封流体を密封するのに用いられるシール装置に関する。

機器等のハウジングとそのハウジングから外部に突出する回転軸との間を密封するシール装置として、リップ型のシール装置が知られている。例えば、コンプレッサ等の機器に適用されるリップ型のシール装置においては、高圧の冷媒（ＣＯ_２等）の漏出を確実に防止できる耐圧性能、回転軸に接触するリップ部の摺動摩擦による磨耗や発熱に対する耐磨耗性能、耐熱性能等の耐久性能が要求される。
従来のシール装置としては、図５に示すように、ハウジングＨの嵌合孔Ｈａに嵌着される嵌着部１ａ及び回転軸Ｓの外周面Ｓａに密接するリップ部１ｂを一体的にもつゴム製のシールリップ１、シールリップ１に一部が埋設された金属製の補強リング２、金属薄板により形成されたバックアップリング３、樹脂材料製の第２のシールリップ４、金属製の第２のバックアップリング５を備え、大気側Ｅと被密封流体側Ｉとを遮断するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このシール装置において、補強リング２は、同一の径をなす円筒部２ａとその両側が折り曲げられたフランジ部２ｂ，２ｃを備えると共に、大気側Ｅの一部（円筒部２ａ、フランジ部２ｃ）がシールリップ１から露出して形成されている。すなわち、シールリップ１の嵌着部１ａの肉厚（及び円筒部２ａの外周面とハウジングＨの嵌合孔Ｈａとの間隔Ｃ）は、回転軸Ｓの軸線方向（被密封流体側Ｉ〜大気側Ｅ）において一定となるように形成されている。

また、他のシール装置としては、図６に示すように、ハウジングＨの嵌合孔Ｈａに嵌着される嵌着部１ａ´及び回転軸Ｓの外周面Ｓａに密接するリップ部１ｂ´を一体的にもつゴム製のシールリップ１´、シールリップ１´に埋設された金属製の補強リング２´、樹脂材料製のバックアップリング３´、樹脂材料製の第２のシールリップ４´、金属製の第２のバックアップリング５´を備え、大気側Ｅと被密封流体側Ｉとを遮断するものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
このシール装置において、補強リング２´は、同一の径をなす円筒部２ａ´とその両側が折り曲げられたフランジ部２ｂ´，２ｃ´を備えると共に、大気側Ｅの部分（円筒部２ａ´、フランジ部２ｃ´）はシールリップ１´の一部をなす薄肉のゴム材料で覆われるように形成されている。すなわち、シールリップ１´の嵌着部１ａ´の肉厚（及び円筒部２ａ´の外周面とハウジングＨの嵌合孔Ｈａとの間隔Ｃ）は、回転軸Ｓの軸線方向（被密封流体側Ｉ〜大気側Ｅ）において一定となるように形成されている。

特開２０００−１７９７０２号公報 特開２００３−１２０８２１号公報

ところで、上記シール装置では、シールリップ１，１´の嵌着部１ａ，１ａ´の肉厚、すなわち、補強リング２，２´の円筒部２ａ，２ａ´の外周面とハウジングＨの嵌合孔Ｈａの内周面との間隔Ｃは、回転軸Ｓの軸線方向（被密封流体側Ｉ〜大気側Ｅ）において一定でかつ比較的大きい寸法に形成されているため、この間隔Ｃ（面積）に比例する流体の透過速度は比較的大きく、それ故に、嵌着部１ａ，１ａ´の径時変化等によるヘタリ、圧縮代の変化等により、嵌着部１ａ，１ａ´と嵌合孔Ｈａとの間から漏れ出る被密封流体が許容値を超えて増加する傾向にあった。

本考案は、上記従来技術の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、構造の簡素化、低コスト化、小型化等を図りつつ、シールリップの嵌着部が経時変化等により劣化しても、被密封流体の透過漏れを防止ないしは抑制（低減）して、長期間に亘って安定したシール性能が得られるシール装置を提供することにある。

本考案のシール装置は、ハウジングの嵌合孔の内周面と嵌合孔に挿通された軸の外周面との間に装着されてハウジング内の被密封流体をシールするシール装置であって、上記ハウジングの嵌合孔に嵌着される嵌着部，嵌着部から被密封流体側へ延出して先端側内周に軸の外周面と密接するシール面をもつリップ部を備えるゴム状弾性材製の環状のシールリップと、嵌着部の内側に配置されて嵌着部を嵌合孔の内周面に向けて押圧する金属製又は樹脂材料製の補強リングとを備え、補強リングは、大気側に拡径円筒部かつ被密封流体側に縮径円筒部をもつように形成されている、ことを特徴としている。
この構成によれば、ハウジングの嵌合孔（の内周面）と補強リング（の外周面）とで規定される間隔は、被密封流体側よりも大気側が狭く形成されることになり、嵌着部の領域から被密封流体が透過し得る流体透過面積すなわち流体透過速度が小さくなる。したがって、嵌着部の経時劣化等を生じても、透過漏れ量を抑制ないしは低減することができ、長期に亘って安定したシール機能を得ることができる。

上記構成において、シールリップは、大気側において、嵌着部の肉厚よりも薄い薄肉部をもつように形成され、この薄肉部は、補強リングの拡径円筒部に接合され、嵌着部は、補強リングの縮径円筒部に接合されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、補強リングの拡径円筒部（の外周面）に薄肉部が接合されかつ補強リングの縮径円筒部（の外周面）に嵌着部が接合されているため、拡径円筒部での流体透過面積を小さくしつつ、薄肉部の圧縮代が極端に大きくなるのを防止ないしは非圧縮の状態とすると共に、嵌着部に適度な圧縮代を設定することができる。これにより、全体として、流体透過面積を小さくしつつも安定したシール性能を確保することができる。

上記構成において、補強リングの拡径円筒部及び縮径円筒部は、円錐状に形成された連結部を介して一体的に形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、拡径円筒部と縮径円筒部とは、円錐状の連結部を介して滑らかに（径寸法が徐々に）変化するように一体的に形成されているため、補強リング自体及びその外側に接合される薄肉部及び嵌着部に、局部的に大きな応力（応力集中）が生じるのを防止でき、それ故にクラック等の発生を防止でき、補強リング及びシールリップの耐久性を向上させることができる。

上記構成において、補強リングの拡径円筒部及び縮径円筒部は、シールリップのゴム状弾性材に埋設されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、補強リングが拡径円筒部と縮径円筒部との間に段差をもつ形状であっても、シールリップと補強リングとが確実に一体的に密着接合されるため、機能上の信頼性を向上させることができる。

本考案のシール装置によれば、構造の簡素化、低コスト化、小型化等を達成しつつ、シールリップの嵌着部が経時変化等により劣化しても、被密封流体の透過漏れを防止ないしは抑制（低減）でき、長期間に亘って安定したシール性能が得られるシール装置を得ることができる。

以下、本考案の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１ないし図３は、本発明に係るリップ型のシール装置の一実施形態を示すものであり、図１は装着状態における装置の片側断面図、図２は未装着状態における装置の片側断面図、図３は装置の部分拡大断面図である。尚、ここでは、本考案に係るシール装置がエアコンのコンプレッサに用いられる場合について説明する。また、コンプレッサでは、例えば、５ＭＰａ以上の高圧の冷媒（ＣＯ_２等）が使用される。

ここで、コンプレッサは、図１に示すように、外輪郭を画定するハウジングＨ、ハウジングＨ内に収容された圧縮機構に外部から回転駆動力を伝達する回転軸Ｓ等を備えている。そして、回転軸Ｓの外周面ＳａとハウジングＨの嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´との間を密封するように、シール装置Ｍが装着されかつスナップリングＨ１で抜け止めされて、内部空間Ｉに収容された高圧の被密封流体（冷媒）を大気Ｅ（外部）から遮断している。

シール装置Ｍは、図１及び図２に示すように、外輪郭を画定すると共に内部空間Ｉ（被密封流体）側に面する環状のシールリップ１０、シールリップ１０の内側に埋設して接合された補強リング２０を基本構成として備えており、さらに、第２のシールリップ３０、バックアップリング４０等を備えている。

シールリップ１０は、ゴム状弾性材（ゴム材料又はゴム状に弾性変形し得る樹脂材料）により形成されており、図１及び図２に示すように、嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´に嵌着される嵌着部１１、内部空間Ｉに向けて嵌着部１１から延出する円筒部１２、及び円筒部１２から径方向内側に向けて所定の傾斜角度をなすように略円錐環状に延出する円錐部１３、嵌着部１１よりも大気側Ｅに形成された薄肉部１４、薄肉部１４に続いて形成されたフランジ部１５を備えている。尚、円筒部１２及び円錐部１３はリップ部を構成している。

嵌着部１１は、図２及び図３に示すように、寸法Ｔ１の肉厚に形成されており、装着された状態で所定量（Ｔ１−Ｃ１）だけ圧縮されるようになっている。
円筒部１２は、嵌着部１１から円錐部１３を径方向内側に延出させるように、嵌着部１１と円錐部１３とを一体的に連結するものである。尚、円筒部１２の回転軸Ｓの軸線方向における長さは適宜選択される。

円錐部１３は、先端側に向かって徐々に縮径又は徐々に薄肉となるように形成され、先端側の内周に回転軸Ｓの外周面Ｓａに密接するシール面１３ａを有する。
シールリップ１０の材料としては、Ｈ−ＮＢＲ系のゴム材料等の如く、耐熱性と強度に優れたゴム状弾性材が用いられ、又、回転軸Ｓの外周面Ｓａとの接触状態を最適に維持することができるように材質硬度が選択される。

薄肉部１４は、図２及び図３に示すように、嵌着部１１の肉厚Ｔ１よりも薄い寸法Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）の肉厚に形成されており、装着された状態で非圧縮となる（Ｔ２＜Ｃ２）ように形成されている。
フランジ部１５は、後述する補強リング２０のカシメ部２５を外側から覆うように形成されると共に、スナップリングＨ１に当接して位置決めされるようになっている。

補強リング２０は、金属材料又は硬質の樹脂材料により形成されており、図１ないし図３に示すように、外径寸法φ１をなす縮径円筒部２１、外径寸法φ１よりも大きい外径寸法φ２（φ２＞φ１）をなす拡径円筒部２２、縮径円筒部２１と拡径円筒部２２とを滑らかに連結するべく円錐状に形成された連結部２３、径方向内向きのフランジ部２４及びカシメ部２５を備えている。

そして、補強リング２０は、図１ないし図３に示すように、シールリップ１０に埋設（ただし、カシメ部２５の内側面のみ露出）されて、主として嵌着部１１を嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´に押圧するように補強するものであり、縮径円筒部２１（の外周面２１ａ）と嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´との間隔がＣ１、拡径円筒部２２（の外周面２２ａ）と嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´との間隔がＣ２（Ｃ２＜Ｃ１）となるように形成されている。
このように、補強リング２０の縮径円筒部２１及び拡径円筒部２２は、シールリップ１０のゴム状弾性材に埋設されているため、縮径円筒部２１と拡径円筒部２２との間に段差をもつ形状であっても、シールリップ１０と補強リング２０とが確実に一体的に密着接合され、機能上の信頼性が向上する。

ここで、縮径円筒部２１の外側（外周面２１ａ）には、シールリップ１０の嵌着部１１が接合され、拡径円筒部２２の外側（外周面２２ａ）には、シールリップ１０の薄肉部１４が接合されている。
また、嵌着部１１から薄肉部１４への遷移領域と縮径円筒部２１から拡径円筒部２２の遷移領域（連結部２３の領域）においては、図３に示すように、装着されて嵌着部１１が圧縮された（拡径円筒部２２の外周面２２ａと嵌合孔Ｈａの内周面Ｈａ´との間隔がＣ２となる）状態で、Ｐ１点とＰ２点とが回転軸Ｓの軸線方向において略同一の位置になるように形成されている。
したがって、拡径円筒部２２での流体透過面積を小さくしつつ、薄肉部１４を非圧縮の状態とすると共に、嵌着部１１に適度な圧縮代を設定することができ、全体として、流体透過面積を小さくしつつも安定したシール性能を確保することができる。

また、連結部２３は、縮径円筒部２１と拡径円筒部２２とを滑らかに連結すると共に、嵌着部１１から薄肉部１４へ肉厚が徐々に変化する領域を補強する役割をなしている。
このように、縮径円筒部２１及び拡径円筒部２２は、円錐状に形成された連結部２３を介して滑らかに（径寸法が徐々に）変化するように一体的に形成されているため、補強リング２０自体及びその外側に接合される薄肉部１４及び嵌着部１１に、局部的に大きな応力（応力集中）が生じるのを防止できる。その結果、クラック等の発生が防止され、補強リング２０及びシールリップ１０の耐久性が向上する。

第２のシールリップ３０は、ＰＴＦＥなどの樹脂材料により形成され、図１及び図２に示すように、フランジ部２４の領域に対向するシールリップ１０の部分とバックアップリング４０とで挟持される被保持部３１、被保持部３１から径方向内側に向けて所定の傾斜角度をなすように略円錐環状に延出して回転軸Ｓの外周面Ｓａに当接し得るリップ部３２等を備えている。

バックアップリング４０は、金属材料又は硬質の樹脂材料により形成されており、図１及び図２に示すように、カシメ部２５と被保持部３１との間に介在する円筒部４１、円筒部４１から径方向内側に湾曲しつつ延出してシールリップ３０を支持する支持部４２を備えている、尚、支持部４２には、回転軸Ｓを通す円孔４２ａが形成されている。

上記のように、補強リング２０に縮径円筒部２１及び拡径円筒部２２を設けたことにより、ハウジングＨの嵌合孔Ｈａ（の内周面Ｈａ´）と補強リング２０（の外周面）とで規定される間隔Ｃ１，Ｃ２は、被密封流体側Ｉの間隔Ｃ１よりも大気側Ｅの間隔Ｃ２が狭く形成されることになる。したがって、嵌着部１１の領域から被密封流体が透過して漏れ出る流体透過面積（流体透過速度）を小さくすることができる。
すなわち、流体の透過速度Ｖ（＝Ｑ／ｔ）は、流体の透過係数をμ、流体の透過面積をＡ、差圧をΔＰ、流体の透過経路長をＬとするとき、一般的に、Ｖ＝μ・Ａ・ΔＰ／Ｌで表される。したがって、流体透過面積Ａを小さくすれば、流体透過速度Ｖを小さくすることができる。
これにより、嵌着部１１が経時劣化等を生じても、透過漏れ量を抑制ないしは低減することができ、長期に亘って安定したシール機能を得ることができる。

上記構成をなすシール装置Ｍの組付けについて説明すると、先ず、補強リング２０を埋設しかつカシメ部２５が曲げられていない（カシメ処理されていない）シールリップ１０、第２のシールリップ３０、及びバックアップリング４０を用意する。
そして、シールリップ１０に対して、シールリップ３０、バックアップリング４０を順次重ねて嵌め込んだ後、カシメ加工を施して、カシメ部２５を形成する。
これにより、順次に挿入されたシールリップ３０、バックアップリング４０は、シールリップ１０により挟持されて固定され、シール装置Ｍが完成する。

次に、このシール装置Ｍの作用について説明する。
このシール装置Ｍは、嵌着部１１がハウジングＨの嵌合孔Ｈａ（内周面Ｈａ´）に所定量圧縮した状態で装着される。
そして、この装着状態において、ハウジングＨ内の内部空間Ｉの被密封流体が高温、高圧になると、シールリップ１０の円錐部１３は圧力を受けて変形しつつ、回転軸Ｓの外周面Ｓａと密着してシール作用を及ぼす。また、シールリップ３０も二次的にシール作用を及ぼす。

また、ハウジングＨの嵌合孔Ｈａ（の内周面Ｈａ´）と、補強リング２０の縮径円筒部２１（外周面２１ａ）及び拡径円筒部２２（外周面２２ａ）とで規定される間隔Ｃ１，Ｃ２は、被密封流体側Ｉの間隔Ｃ１よりも大気側Ｅの間隔Ｃ２が狭く形成されているため、嵌着部１１の領域から被密封流体が透過して漏れ出る被密封流体（冷媒）の流体透過速度Ｖが小さく抑えられることになる。したがって、大気側Ｅに漏れ出る被密封流体の漏れ量は低減されることになる。これにより、シールリップ１０の嵌着部１１が経時劣化等によりヘタリあるいは変形を生じても、長期に亘って安定したシール機能が得られる。

図４は、本考案に係るシール装置と従来のシール装置とのシール性能を比較するために、経過時間に対する冷媒の積算漏れ量を測定した実験結果を示すものである。
この結果から解かるように、本考案に係るシール装置では、従来のものに比べて、最大２５パーセント程度の漏れ量を低減することができる。

上記実施形態においては、シール装置が、シールリップ１０、補強リング２０、第２のシールリップ３０、バックアップリング４０を備える構成において、本考案を採用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、図５及び図６に示すように、シールリップ１０を支持するバックアップリングを備える構成において本考案を採用してもよく、又、その他のシールリップあるいはバックアップリングを含む構成において本考案を採用してもよい。

上記実施形態においては、縮径円筒部２１及び拡径円筒部２２をもつ補強リング２０に対して、厚肉の嵌着部１１及び薄肉部１４を接合させる構成を採用したが、これに限定されるものではなく、補強リング２０の拡径円筒部２２を設けて流体透過面積を絞る構成を採用すれば、薄肉部１４をより厚肉に形成して非圧縮の状態から所定の圧縮代を設ける構成を採用してもよい。

以上述べたように、本考案のシール装置は、透過による流体の漏れを防止ないしは低減できるため、コンプレッサの回転軸をシールするのみならず、その他の機器の回転軸のシール装置として、又、往復動する軸の外周を密封する必要がある機械、電気機器等のシール装置としても有用である。

本考案に係るシール装置の一実施形態を示すものであり、このシール装置をコンプレッサのハウジング及び回転軸の間に装着した状態での片側断面図である。 未装着状態のシール装置を示す片側断面図である。 シール装置の一部を拡大した拡大部分断面図である。 本考案に係るシール装置及び従来のシール装置のシール性能についての試験結果を示すグラフである。 従来のシール装置を示す片側断面図である。 従来のシール装置を示す片側断面図である。

符号の説明

Ｍ シール装置
Ｈ ハウジング
Ｈａ 嵌合孔
Ｈａ´ 嵌合孔の内周面
Ｈ１ スナップリング
１０ シールリップ
１１ 嵌着部
１２ 円筒部（リップ部）
１３ 円錐部（リップ部）
１３ａ シール面
１４ 薄肉部
１５ フランジ部
２０ 補強リング
２１ 縮径円筒部
２２ 拡径円筒部
２３ 連結部
２４ フランジ部
２５ カシメ部
３０ 第２のシールリップ
４０ バックアップリング

Claims (4)

1. ハウジングの嵌合孔の内周面と前記嵌合孔に挿通された軸の外周面との間に装着されてハウジング内の被密封流体をシールするシール装置であって、
   前記ハウジングの嵌合孔に嵌着される嵌着部，前記嵌着部から被密封流体側へ延出して先端側内周に前記軸の外周面と密接するシール面をもつリップ部，を備えるゴム状弾性材製の環状のシールリップと、
   前記嵌着部の内側に配置されて前記嵌着部を前記嵌合孔の内周面に向けて押圧する金属製又は樹脂材料製の補強リングと、を備え、
   前記補強リングは、大気側に拡径円筒部かつ被密封流体側に縮径円筒部をもつように形成されている、
   ことを特徴とするシール装置。
2. 前記シールリップは、大気側において、前記嵌着部の肉厚よりも薄い薄肉部をもつように形成され、
   前記薄肉部は、前記補強リングの拡径円筒部に接合され、
   前記嵌着部は、前記補強リングの縮径円筒部に接合されている、
   ことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
3. 前記補強リングの拡径円筒部及び縮径円筒部は、円錐状に形成された連結部を介して一体的に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシール装置。
4. 前記補強リングの拡径円筒部及び縮径円筒部は、前記シールリップのゴム状弾性材に埋設されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれかに記載のシール装置。
   

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