JP4696156B2 - 軸封リング - Google Patents

Description

本発明は、膜体及び支持体を備え、この支持体に膜体が取り付けられ、この膜体によって覆われない外周面を有するセンタリング要素が支持体に形成されて成り、この膜体の内周面が上記支持体から離れる方向に傾斜して突出するシールリップを備え、支持体には、軸用挿通孔が形成されると共に、シールリップの背面側に軸用挿通孔の内壁に向かって傾斜する支持面が形成されて成る軸封リングに関する。

軸封リングは、一般に、軸通路を密封絶縁するタスクを有し、それによってより高い圧力下にある媒体がより低い圧力を有する空間の中に流れ込むことを防止する。これは、軸の高い回転速度、密封絶縁されるべき媒体の高温度、耐薬品性、及び長い寿命に関する要求と組み合わされることが多い。

冒頭のパラグラフで述べられた種類の軸封リングは、独国特許公開第１９８４１１２３号により知られている。この公報で開示された支持体のセンタリング要素（このセンタリング要素は軸受ハウジングに対して支持体を心出しする働きをする）は、軸受ハウジングに軸封リングを取り付ける際に非常に厳密な隙間嵌めで軸受ハウジングの内側に接触され得る。軸の軸線に関して軸受ハウジング内の支持体の正確な中央配置は、センタリング要素の円筒形の外側縁部に接触することによって実現され得る。したがって、支持体と軸との間のギャップは非常に小さく保たれ得る。
独国特許公開第１９８４１１２３号

軸封リングの応用の１つの特別な分野は空調圧縮機であり、そこでは、これらの圧縮機に使用される冷媒が軸封リングに特別な要求を課する。いわゆるハロン／ハロゲンが冷媒として過去に使用されたが、今日ではＣＯ_２が、環境適合性の理由のためにも、なかんずくよりよい冷凍性能を可能にするそのより有利な熱力学的特性のためにも、その代わりにキャリアガスとして使用される。しかしＣＯ_２は、−３０℃から＋１５０℃までの圧縮機の作動温度及び圧力範囲において凝集及び大きな膨張というそれぞれ異なる状態を示す特性を有する。最大で９ＭＰａ（９０バール）の圧力差がこの冷媒について想定される。さらに、ＣＯ_２の拡散性に対する考慮を払わなければならず、このＣＯ_２は、密封絶縁されるべき空間内で油と混合して非常に高い圧力下で軸封リングに作用する。

空調圧縮機において大いに加圧されたＣＯ_２／油の混合物を使用することは、支持体／センタリング要素と軸受ハウジングとの間にも、軸封リングと軸との間にも非常に良好な気密性を必要とする。

したがって、本発明の目的は、特にＣＯ_２含有圧力媒体の要求事項を最適に満たす軸封リングを提供することである。

本発明によれば、その目的を達成するために、冒頭のパラグラフで述べられた種類の軸封リングについて、センタリング要素が、軸受ハウジングに軸封リングを取り付ける際に圧入状態で軸受ハウジングの内側と接触され、軸封リングの軸線を含む中心平面内において支持体の支持面と軸用挿通孔の内壁との間の角度を４５°〜５５°に選定した。

軸封リングと軸受ハウジングとの間の非常に良好な気密性は、支持体／センタリング要素（膜体によって覆われていない）の圧入及び金属対金属封止による軸受ハウジングの結果として実現されることが明らかになってきた。金属対金属封止のために、膜体を通して拡散するＣＯ_２は、現存する直接的に関連する基準値よりはるかに下位の極端に小さい程度にしか軸封リングと軸受ハウジングとの間に漏出し得えない。

さらに加えて、支持体の支持面の角度を４５°〜５５°に選定することにより膜体のシールリップの最適な支持を確実に行い得ることが明らかになってきた。これにより、例えば圧縮機を作動する際に、回転速度及び圧力の全範囲にわたって最小限の摩擦抵抗及び最適な緊密性を有する比較的乱のない摩擦系を構築できる。

さらに、本発明の好ましい開発において、支持体の支持面の角度は４８°と５２°との間である。

本発明の理想的な実施形態では、上記の角度は４９°と５１°との間である。

そのうえ、支持体と軸との間のギャップの中への膜体のエラストマー材料の極めて僅かなはみ出しが支持体の支持面と軸用挿通孔の内壁との間の移行角部に形成された所定半径範囲の丸みによりなされ、この半径範囲は、軸封リングの軸線を含む中心平面内にあり、０.１ｍｍと０.３ｍｍとの間であることが明白になった。この場合に、最も好ましいギャップの幅は、０.０１ｍｍと０.０５ｍｍとの間、好ましくは０.０２ｍｍと０.０４ｍｍとの間であると想定される。特に油及びＣＯ_２から成る圧力媒体の場合、膜体のエラストマー材料の圧縮が主として支持体の支持面と軸との間のギャップの入口部位において生じ、その材料がギャップの中に入り込んだり、あるいはちぎれたりするおそれは存在しない。これは軸封リングと軸との間の高い気密性を意味する。

支持体の支持面と軸用挿通孔の内壁との間の移行角部に形成される丸みの半径範囲は０.１ｍｍと０．２５ｍｍとの間であることが好ましい。０.１ｍｍと０.２ｍｍとの間の半径範囲が理想として見なされ得る。

本発明の有利な開発において、エラストマー材料から作られる膜体は、ＭＯＳ_２粒子がフィラー含有量３％と７％との間で含有される。

フィラー含有量は３％から５％までであることが好ましい。

このような比較的低いフィラーの含有量は、潤滑剤粒子が特に圧縮機の高速回転において膜体のシールリップから引き剥がされることを確実に防止することが明らかになってきた。潤滑剤粒子は軸にシール跡を付着させることになり、軸封リングと軸との間の気密性を損なう。

本発明のさらに有利な実施形態では、膜体は、８５度と９５度との間のショアＡ硬度を有するエネルギー弾性エラストマー材料から成る。

膜体のショア硬度は９０度から９５度までであることが好ましい。

膜体のエネルギー弾性エラストマー材料は、軸の高回転速度において膜体のねじり応力またはねじり角を小さくし、したがってまた膜体の摩耗も小さくする。

膜体は、プレストレスを受けて接触するように支持体に取り付けられることが好ましい。

このことに関連して、膜体は支持体の半径方向外側の溝に係合することが好都合である。

本発明の好ましい実施形態では、支持体のセンタリング要素は該支持体と一体となって設計される。

支持体及びセンタリング要素の内半径及び外半径の最適な精度を確保するために、支持体及びセンタリング要素は一体に旋削される金属部品として設計され得る。

さらに加えて、膜体から離れるように向く面端部に、支持体はその内側に向かって半径方向に開いた窪みを備えることができる。この窪みは、支持体に旋削された凹みとして設計されることが好ましく、圧力支持体の背後のシールリップ用の潤滑剤室として、または連続シールの場合には付属シールの傾斜シールリップ用の自由空間として働く。

本発明の好ましい実施形態において、センタリング要素は、支持体の膜体と反対側の端面をその外側部分でクランク状に曲げて形成されている。

以下、本発明を、図面に示す実施例に基づいて、より詳細に説明される。
図１は軸受ハウジング内に挿入された軸封リングを通る軸断面図、図２は図１に示す軸封リングのＡ部拡大図、図３は図１に示す軸封リングのＢ部拡大図である。

図１から明らかなように、軸封リングは、膜体１及び支持体２から成り、膜体１はプレストレスを受けて支持体２に取り付けられている。膜体１及び支持体２は、実質的に円板形状にデザインされ、膜体１は支持体２の端面３と接している。

図１に示す構成では、軸封リングは軸受ハウジング４の内側に接触されるように圧入されて軸受ハウジング４に取り付けられる。軸受ハウジング４に軸封リングを心出しするため、及び、軸受ハウジング４に押し当てて金属対金属封止するために、支持体２はセンタリング要素５を備え、このセンタリング要素５は、限定されたプレストレスを受けて軸受ハウジング４の内周面に接触する外周面６を備えている。

センタリング要素５は、支持体２の膜体１と反対側の端面を、その外側部分でクランク状に曲げた形状に形成されている。支持体２は、センタリング要素５の外周面で、軸受ハウジング４の内周面に接触する。

膜体１は支持体２の外周面に形成された溝７に嵌り合い、それによって支持体２に対して軸方向の定位置に取り付けられる。膜体１が溝７に嵌り合っていない状態では、膜体１の外周面が、膜体１によって覆われないセンタリング要素５の外周面よりも外側に突出する。この状態で、軸封リングが軸受ハウジング４内に圧入されると、膜体１の半径方向外側は、やはり限定されたプレストレスをうけて軸受ハウジング４の半径方向の内周面に接触される。

軸受ハウジング内に軸封リングを圧入すると、センタリング要素５により軸封リングが軸受ハウジング４内の正確な位置に取り付けられ、この軸封リングは軸線に対して非常に正確に心出しされる。この結果、支持体２と軸９との間のギャップ８が円周全体にわたって均一になる。

支持体２及びセンタリング要素５は、一体に旋削される金属部品として設計される。この部品をクランク状に形成した結果として、支持体２には膜体１の反対側の端面に内側に向かって形成された凹部１０が形成される。センタリング要素５と軸受ハウジング４との間の金属対金属封止は、図２に示す拡大図で最も明らかである。

図１から明らかなように、特に図３に示す拡大図において、膜体１の内周端縁には支持体２から離れる方向を向いた斜面を有するシールリップ１１を備える。シールリップ１１は軸方向に比較的短い面で軸９と接触する。

シールリップ１１を支持するために、支持体２の半径方向内側端部にはシールリップ１１の背面側に位置する支持面１３が、軸９用挿通孔の内壁１２に対して傾斜して形成されている。

支持面１３の角度α、すなわち、軸封リングの軸線を含む中心平面内における支持面１３と軸用挿通孔の内壁１２との間の角度は５０°±２°である。
このような角度においては、摩擦系は、軸封リングの使用に際し予想される回転速度および圧力範囲全体にわたって大きく乱されることがなく、最適な支持が保証されることが明らかになってきており、例えば圧縮機において、最適な緊密性が実現され、比較的低いレベルの摩擦抵抗が維持されることを意味している。

さらに加えて、ギャップ８の入口部分で材料の高圧縮が存在する状態において、ギャップ８内への膜体１のエラストマー材料のはみ出し部１４が極力小さくなるように、軸封リングの軸線を含む平面上における支持体２の支持面１３と軸用挿通孔の内壁１２との間の移行角部に半径範囲０.１５±０.０５ｍｍの丸みがつけられている。この場合に、ギャップ幅ｓは０.０３±０.０１ｍｍである。エラストマー材料の高圧縮のために、拡散の結果として膜体１の中に侵入しているＣＯ_２はギャップに侵入し得るが、現存する基準値よりはるかに小さい量だけしか圧縮機から漏出し得えない。
ギャップ８の入口におけるはみ出し１４の小さな程度が特に図３に示されている。

膜体１のエラストマー材料、例えばＨＭＢＲは、５±２％の比較的小さなフィラー含有量で混合されたＭＯＳ_２粒子を含む。これは、圧縮機の高回転速度におけるシールリップ１１から出てくる潤滑剤粒子の数を低減し、軸９へのシール跡１５の付着を極めて有効に防止し、これによりギャップ８の部位での封止が改善される。

圧縮機の高回転速度において膜体１の過度に大きなねじり応力及びねじり角が作用する場合の摩耗を回避するために、９０度から９５度までのショアＡ硬度を有する相対的なエネルギー弾性エラストマー材料が使用される。

軸受ハウジング内に挿入された軸封リングを通る軸断面図。 図１に示す軸封リングのＡ部拡大図。 図１に示す軸封リングのＢ部拡大図。

符号の説明

１ 膜体
２ 支持体
３ 端面
４ 軸受ハウジング
５ センタリング要素
６ 外周面
７ 溝
８ ギャップ
９ 軸
１０ 凹部
１１ シールリップ
１２ 内壁
１３ 支持面
１４ はみ出し部
１５ シール跡
α 角度
ｓ ギャップ幅

Claims (13)

1. 膜体（１）及び支持体（２）を備え、膜体（１）は前記支持体（２）に取り付けられ、支持体（２）には膜体（１）によって覆われない外周端縁（６）を有するセンタリング要素（５）が形成され、膜体（１）の内周端縁には前記支持体（２）から離れる方向を向いた斜面を有するシールリップ（１１）が形成され、支持体（２）には軸（９）用挿通孔が形成されると共に、シールリップ（１１）の背面側に軸用挿通孔の内壁（１２）に向かって傾斜する支持面（１３）が形成された軸封リングであって、
   前記センタリング要素（５）は、軸受ハウジング（４）に軸封リングを取り付ける際に圧入状態で軸受ハウジング（４）の内側と接触されるように形成され、軸封リングの軸線を含む中心平面内における支持体（２）の支持面（１３）と軸用挿通孔の内壁（１２）との間の角度（α）が、４５°と５５°との間に選定され、
   前記支持体（２）の膜体（１）と反対側の端面に、半径方向内側に向かって形成された凹部（１０）を備え、
   前記センタリング要素（５）は、支持体（２）の膜体（１）と反対側の端面を、その外側部分でクランク状に曲げて形成されたことを特徴とする軸封リング。
2. 支持体（２）の支持面（１３）と軸用挿通孔の内壁（１２）との間の角度（α）が、４８°と５２°との間である請求項１に記載の軸封リング。
3. 支持体（２）の支持面（１３）と軸用挿通孔の内壁（１２）との間の角度が、４９°と５１°との間である請求項１に記載の軸封リング。
4. 前記軸封リングの前記軸線を含む中心平面内における支持体（２）の支持面（１３）と軸用挿通孔の内壁（１２）との間の移行角部に半径範囲０.１ｍｍと０.３ｍｍとの間で丸みがつけられて成る請求項１乃至３いずれか記載の軸封リング。
5. 前記半径範囲が、０.１５ｍｍと０.２５ｍｍとの間である請求項４に記載の軸封リング。
6. 前記半径範囲が、０.１ｍｍと０.２ｍｍとの間である請求項４に記載の軸封リング。
7. 前記膜体（１）が、その中にフィラー含有量３％と７％との間でＭＯＳ_２粒子を混合したエラストマー材料で作られる請求項１乃至６いずれか記載の軸封リング。
8. 前記フィラー含有量が３％と５％との間である請求項７記載の軸封リング。
9. 前記膜体（１）が、８５度と９５度との間のショアＡ硬度を有する請求項１乃至７いずれか記載の軸封リング。
10. 前記ショアＡ硬度が、９０度と９５度との間である請求項９記載の軸封リング。
11. 前記膜体が支持体（２）に取り付けられ、支持体（２）の半径方向外側の溝（７）に係合されて成る請求項１乃至１０いずれか記載の軸封リング。
12. 前記センタリング要素（５）が、支持体（２）と一体に設計される請求項１乃至１１いずれか記載の軸封リング。
13. 前記支持体（２）及びセンタリング要素（５）が、一体に旋削された金属部品として設計されてなる請求項１２記載の軸封リング。

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