JP4008098B2 - 冷凍機コンプレッサの軸封構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクルにおいて冷媒ガスを圧縮する冷凍機コンプレッサの軸周をシールするものであって、特に、前記冷媒ガスとしてCO_２を用いた場合に好適な軸封技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用空調装置（カーエアコン）のような冷凍サイクルによる小型の空調装置には、従来、冷媒ガスとして、人間に無害で、変質せず、不燃性の安全なフロンＲ12（CF_２Cl_２）が使用されて来た。ところが、フロンＲ12は大気中に放出されても変質せずにそのまま溜って大気の大循環により成層圏へ上空に運ばれるため、地表付近では殆ど存在しなかった波長0.19〜0.25μｍの紫外線により分解されて塩素Clが分離し、この塩素が成層圏のオゾンO_３と結合して酸化塩素ClO と酸素分子O_２を作り、更にこの酸化塩素ClO が周囲の酸素原子O と反応することによって、塩素Clと酸素分子O_２を作り、このような反応の繰り返しによって成層圏のオゾンO_３と酸素原子O の量が加速度的に減少して行くといったオゾン層破壊が問題となった。そしてこのようなオゾン層破壊の防止対策のため、近年、冷媒ガスとして塩素を含まないフロンＲ134aに変更されたが、フロン等は、微量でも地表からの長波（赤外線）放射を吸収して地球温暖化を来す温室効果に大きく関わっていることが新たな問題となっている。したがって、フロンＲ134aに代わる冷媒の研究が行われているが、現在最も有力視されているのは二酸化炭素CO_２である。CO_２は良く知られているように温室効果ガスであるが、フロンに比較して温暖化係数が小さく、化石燃料等の燃焼により大気中へ新たに放出するものでなければ問題がない。
【０００３】
しかし、冷媒ガスをフロンからCO_２に変更した場合は、次のような新たな問題が発生する。すなわち図４に示すように、冷凍機コンプレッサの回転軸２の軸周は、シールハウジング１と前記回転軸２との間に装着されたメカニカルシール等の軸封装置Ｓによって軸封され、機内空間Ａから機外空間Ｂ側への冷媒ガス及び冷凍機油の漏洩を遮断しているが、冷媒ガスとしてフロンＲ134aを用いた場合は、通常の使用条件では冷凍機コンプレッサは吸入圧力0.2MPa、吐出圧力1.5MPa、停止時圧力1.0MPa程度であったのに対し、二酸化炭素CO_２からなる冷媒ガスを用いた場合は、吸入圧力3.0MPa、吐出圧力8.0MPa、停止時圧力5.0MPa程度に上昇するため、軸封装置Ｓの密封摺動面（図示省略）からCO_２冷媒ガスが多量に漏洩する問題が懸念される。
【０００４】
CO_２冷媒ガスの漏洩は、冷凍機コンプレッサの潤滑油として使用されているＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）系の冷凍機油に、CO_２が溶解しやすいことが大きな要因になっているものと考えられる。すなわち、冷凍機コンプレッサの駆動時においては、軸封装置Ｓの密封摺動面は冷媒ガス中にミスト状に混在する冷凍機油が供給されることによって潤滑油膜が形成されるが、機内空間Ａは高圧であるため、冷凍機油へのCO_２冷媒ガスの溶解量も増大し、このCO_２冷媒ガスが、前記密封摺動面間に潤滑油膜として介在する冷凍機油を通じて、相対的に著しく低圧（大気圧）である機外空間Ｂ側へ放出されるのである。
【０００５】
本発明は、上記のような事情のもとになされたもので、その技術的課題とするところは、冷凍サイクルのCO_２冷媒ガスが冷凍機コンプレッサの軸封部から漏洩するのを有効に低減することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述した技術的課題は、本発明によって有効に解決することができる。
すなわち本発明に係る冷凍機コンプレッサの軸封構造は、図１に示すように、冷凍機コンプレッサのシールハウジング１とその内周に挿通された回転軸２との間に、CO_２冷媒ガス及び冷凍機油が流通する機内空間Ａ側の一次シールＳ_１と、機外空間Ｂ側の二次シールＳ_２とを介在させ、この一次シールＳ_１と二次シールＳ_２の間の中間室Ｃに、CO_２に対する不溶性又は難溶性の鉱物系潤滑油Ｌを封入し、前記二次シールＳ _２ の密封摺動面に介在する前記鉱物系潤滑油Ｌによる潤滑油膜によって CO _２ 冷媒ガスの機外空間Ｂへの通過を抑制し、前記一次シールＳ _１ を漏洩する CO _２ 冷媒ガスはこれを前記中間室Ｃに貯留することを特徴とするものである。この場合、前記一次シールＳ_１としてはアンバランス型軸封装置の一種であるリップ型シール、前記二次シールＳ_２としてはバランス型軸封装置を用いることができる。なお、「アンバランス型軸封装置」とは、よく知られているように相対的に高圧の密封側（機内空間Ａ側）と相対的に低圧である反密封側（機外空間Ｂ側）との圧力差Ｓ_２が密封摺動面の面圧として作用する軸封装置をいい、「バランス型軸封装置」とは、前記圧力差が密封摺動面の面圧として作用しない軸封装置をいう。
【０００７】
本発明によれば、機内空間Ａの高圧のCO_２冷媒ガスの一部は冷凍機油に溶解するので、一次シールＳ_１の密封摺動面間に潤滑油膜として介在する冷凍機油を通じて二次シールＳ_２との間の中間室Ｃに僅かに漏洩するが、この中間室Ｃと機外空間Ｂ側との間を密封する前記二次シールＳ_２の密封摺動面間は、前記中間室Ｃに封入された、CO_２に対する不溶性又は難溶性の鉱物系潤滑油Ｌで潤滑されているため、中間室Ｃ内のCO_２冷媒ガスが更に機外空間Ｂ側へ漏洩するのを有効に抑える。したがって、中間室Ｃ内への僅かなCO_２冷媒ガスの漏洩によってこの中間室Ｃの圧力が機内空間Ａとほぼ均衡すると、一次シールＳ_１から中間室ＣへのCO_２冷媒ガスの漏洩も抑制される。なお、ここでいう「CO_２に対する不溶性又は難溶性の潤滑油」としては、鉱物系（石油系）潤滑油が適用可能である。
【０００８】
上述のように、機内空間Ａと中間室Ｃとは、中間室Ｃ内への僅かなCO_２冷媒ガスの漏洩によって均圧するので、機内空間Ａと中間室Ｃとの間の一次シールＳ_１に例えば低圧下で使用されるリップ型シール等のような軽負荷軸封装置を採用しても、機内空間Ａと中間室Ｃとの圧力差による密封摺動面の摺動負荷の異常増大を来すことがない。また、中間室Ｃは機内空間ＡからのCO_２冷媒ガスの漏入に伴って機外空間Ｂ側よりも高圧となるが、この中間室Ｃと機外空間Ｂ側との間の二次シールＳ_２にはバランス型軸封装置を採用することによって、中間室Ｃと機外空間Ｂ側との圧力差による摺動負荷の増大を防止できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明に係る冷凍機コンプレッサの軸封構造の好ましい一実施形態を示すもので、参照符号１は冷凍機コンプレッサのシールハウジング、２はこのシールハウジング１の内周に挿通された回転軸、３は前記シールハウジング１と回転軸２の間に機内空間Ａ側の一次シールＳ_１として配置された第一のメカニカルシール、４は前記シールハウジング１と回転軸２の間に機外空間Ｂ側の二次シールＳ_２として配置された第二のメカニカルシールである。回転軸２の軸周空間に第一のメカニカルシール３と第二のメカニカルシール４によって画成された中間室Ｃには、CO_２が極めて溶解しにくい鉱物系潤滑油Ｌが封入されている。また、後述するように、回転軸２の外周面には第一乃至第三の段差部２１〜２３が形成され、回転軸２の外径は、各段差部２１〜２３の機外空間Ｂ側で順次小径に形成されている。
【００１０】
第一のメカニカルシール３は、シールハウジング１の内周面に形成された第一の装着部１１にＯリング３３を介して非回転状態に装着されたメイティングリング３１と、このメイティングリング３１より機内空間Ａ側に配置され回転軸２の外周にＯリングからなる軸パッキン３４を介して軸方向移動自在に装着されたシールリング３２と、このシールリング３２の背面側（メイティングリング３１と反対側）に位置して回転軸２の外周面に形成された第一の段差部２１に係止された金属ケース３５と、この金属ケース３５と前記軸パッキン３４との間に介在されたコイルスプリング３６及びリテーナ３７とからなる。金属ケース３５の外周部における円周方向等配箇所から延在された複数の係合爪３５ａは、シールリング３２の外周面における円周方向等配箇所に形成された軸方向溝３２ａと係合しており、これによってシールリング３２は回転軸２と共に回転され、リテーナ３７及び軸パッキン３４を介してコイルスプリング３６の付勢力を受けることによってメイティングリング３１と密接され、密封摺動面３０を形成している。
【００１１】
上記第一のメカニカルシール３は、機内空間ＡにおけるCO_２冷媒ガス及び冷凍機油が中間室Ｃへ漏洩するのを防止するものであり、アンバランス型のシール構造となっている。すなわち、メイティングリング３１とシールリング３２との密封摺動面３０のシール径が軸パッキン３４と回転軸２との密接部におけるシール径よりも外径側にあるため、密封摺動面３０のシール径より外周側でシールリング３２がメイティングリング３１から開く方向にCO_２冷媒ガスの圧力を受ける有効受圧面積よりも、シールリング３２をメイティングリング３１に押し付ける方向に受ける有効受圧面積のほうが大きく、したがって中間室Ｃよりも機内空間Ａが高圧である場合は、その圧力差が大きいほど、密封摺動面３０の面圧が増大する。
【００１２】
一方、第二のメカニカルシール４は、基本的には上記第一のメカニカルシール３とほぼ同様の構成を有するものである。すなわち、シールハウジング１の内周面に形成された第二の装着部１２にＯリング４３を介して非回転状態に装着されたメイティングリング４１と、このメイティングリング４１より中間室Ｃ側に配置され回転軸２の外周にＯリングからなる軸パッキン４４を介して軸方向移動自在に装着されたシールリング４２と、このシールリング４２の背面側（メイティングリング４１と反対側）に位置して回転軸２の外周面に形成された第二の段差部２２に係止された金属ケース４５と、この金属ケース４５と前記軸パッキン４４との間に介在されたコイルスプリング４６及びリテーナ４７とからなる。金属ケース４５の外周部における円周方向等配箇所から延在された複数の係合爪４５ａは、シールリング４２の外周面における円周方向等配箇所に形成された軸方向溝４２ａと係合しており、これによってシールリング４２は回転軸２と共に回転され、リテーナ４７を介してコイルスプリング４６の付勢力を受けることによってメイティングリング４１と密接され、密封摺動面４０を形成している。
【００１３】
上記第二のメカニカルシール４は、中間室Ｃ内の鉱物系潤滑油Ｌ（及びCO_２冷媒ガス）が機外空間Ｂへ漏洩するのを防止するものであり、バランス型のシール構造となっている。すなわち、シールリング４２は回転軸２に形成された第三の段差部２３に位置し、軸パッキン４４はこの段差部２３の大径側の外周面に装着され、メイティングリング４１とシールリング４２との密封摺動面４０のシール径が前記軸パッキン４４との回転軸２とのシール径とほぼ同一になっている。このため、密封摺動面４０のシール径より外周側でシールリング４２をメイティングリング４１から開く方向に作用する圧力と、シールリング４２をメイティングリング４１に押し付ける方向に作用する圧力が軸方向にバランスしており、中間室Ｃと機外空間Ｂとの圧力差が密封摺動面４０の面圧として作用しないようになっている。
【００１４】
以上の構成において、冷凍機コンプレッサの駆動時には、このコンプレッサ内で高圧・高温に圧縮されるCO_２冷媒ガス中に冷凍機油がミスト状に混在され、その一部が第一のメカニカルシール３におけるメイティングリング３１とシールリング３２の密封摺動面３０間に介入して潤滑油膜を形成し、前記密封摺動面３０を潤滑する。一方、第二のメカニカルシール４におけるメイティングリング４１とシールリング４２との密封摺動面４０は、中間室Ｃに満たされた鉱物系潤滑油Ｌが介入して潤滑油膜を形成することによって潤滑される。
【００１５】
冷凍機油であるＰＡＧ油は、先に説明したようにCO_２が溶解しやすいため、機内空間Ａの高圧のCO_２冷媒ガスの一部は、第一のメカニカルシール３の密封摺動面３０間に介在する前記冷凍機油からなる潤滑油膜を通じて中間室Ｃへ僅かに漏洩する。しかし、この漏洩したCO_２冷媒ガスは、中間室Ｃ内の鉱物系潤滑油Ｌへの溶解が少ないため、第二のメカニカルシール４における密封摺動面４０間に介在する鉱物系潤滑油Ｌによる潤滑油膜を機外空間Ｂへ容易に通過することができず、このため中間室Ｃには徐々にCO_２冷媒ガスが溜って内圧が上昇して行く。これによって、中間室Ｃと機内空間Ａとの圧力差が小さくなるので、第一のメカニカルシール３からのCO_２冷媒ガスの漏洩も減少する。
【００１６】
ここで、第一のメカニカルシール３はアンバランス型のシール構造であるため、中間室Ｃの圧力が機内空間Ａよりも低圧である場合にはその圧力差が密封摺動面３０の面圧を増大するように作用するが、中間室ＣにCO_２冷媒ガスが漏洩することによって前記圧力差が減少するのに伴い、前記面圧が減少して摺動負荷が低減される。また、中間室Ｃは機内空間ＡからのCO_２冷媒ガスの漏入に伴って機外空間Ｂ側よりも高圧となるが、第二のメカニカルシール４はバランス型のシール構造であるため、中間室Ｃと機外空間Ｂとの圧力差は密封摺動面４０の面圧として作用せず、したがって摺動負荷は増大しない。
【００１７】
図３は、上述の実施形態の軸封構造と、図２における第二のメカニカルシール４と同一のバランス型メカニカルシールを用いて機内空間Ａと機外空間Ｂとの間を密封した従来の軸封構造について、下記の条件で漏洩試験を行い、CO_２冷媒ガスの漏洩量とを比較したものである。この試験結果から明らかなように、本発明の軸封構造によれば従来に比較してCO_２冷媒ガスの漏洩量を著しく低減できることが確認された。
試験条件
密封摺動面の径方向幅・・・・・・・・1.8mm
スプリング荷重・・・・・・・・・・・2.4kg
機内空間Ａの冷凍機油・・・・・・・・ＰＡＧ油
実施形態における中間室Ｃの油・・・・鉱物系冷凍機油
冷媒ガス・・・・・・・・・・・・・・CO_２
冷媒ガス圧・・・・・・・・・・・・・4Mpa
試験温度・・・・・・・・・・・・・・摂氏 20 度
【００１８】
なお、本発明は、図示の実施形態によって限定的に解釈されるものではない。例えば、図１における一次シールＳ_１としては、図２における第一のメカニカルシール３に代えて、アンバランス型軸封装置の一種である安価なリップ型シールを採用することもできる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によると、冷凍機コンプレッサの機内空間と機外空間との間に一次シールと二次シールを設けて、両シール間の中間室に、CO_２の不溶性又は難溶性の鉱物系潤滑油を封入した軸封構造としたため、CO_２が溶解しやすい冷凍機油で潤滑された一次シールの密封摺動面間はCO_２が通過しても、CO_２の不溶性又は難溶性の潤滑油で潤滑された二次シールの密封摺動面間はCO_２が通過できず、このため冷凍サイクルの冷媒ガスとして従来のフロンからCO_２に変更しても、CO_２冷媒ガスの大気中への漏洩を有効に抑えることができる。また、一次シールにはアンバランス型軸封装置を採用しても摺動負荷の異常増大を来さないので、アンバランス型軸封装置として安価なリップ型シールを採用することによってコストの上昇を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷凍機コンプレッサの軸封構造を概略的に示す説明図である。
【図２】本発明に係る冷凍機コンプレッサの軸封構造の好ましい一実施形態を軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図３】漏洩試験の結果を示す説明図である。
【図４】従来の冷凍機コンプレッサの軸封構造を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
１ シールハウジング
２ 回転軸
３ 第一のメカニカルシール（一次シール）
４ 第二のメカニカルシール（二次シール）
３０，４０ 密封摺動面
Ａ 機内空間
Ｂ 機外空間
Ｃ 中間室
Ｌ 鉱物系潤滑油

Claims (2)

1. 冷凍機コンプレッサのシールハウジング（１）とその内周に挿通された回転軸（２）との間に、CO_２冷媒ガス及び冷凍機油が流通する機内空間（Ａ）側の一次シール（Ｓ _１ ）と、機外空間（Ｂ）側の二次シール（Ｓ _２ ）とを介在させ、
   この一次シール（Ｓ _１ ）と二次シール（Ｓ _２ ）の間の中間室（Ｃ）に、CO_２に対する不溶性又は難溶性の鉱物系潤滑油（Ｌ）を封入し、
   前記二次シール（Ｓ _２ ）の密封摺動面に介在する前記鉱物系潤滑油（Ｌ）による潤滑油膜によって CO _２ 冷媒ガスの機外空間（Ｂ）への通過を抑制し、
   前記一次シール（Ｓ _１ ）を漏洩する CO _２ 冷媒ガスはこれを前記中間室（Ｃ）に貯留することを特徴とする冷凍機コンプレッサの軸封構造。
2. 請求項１の記載において、
   一次シール（Ｓ _１ ）にはリップ型シール、二次シール（Ｓ _２ ）にはバランス型軸封装置が用いられることを特徴とする冷凍機コンプレッサの軸封構造。

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