JP4971990B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の軸周を密閉する高圧用のメカニカルシール装置に関し、特に、ＣＯ_２ ガスを冷媒とする空調装置の圧縮機等において、冷媒ＣＯ_２ を密閉するのに好適なメカニカルシール装置に関する。

図７は従来のメカニカルシール装置の断面図、図８は図７のVIII部の拡大図である。

ＣＯ_２ のような高圧な冷媒を密閉するためのメカニカルシール装置として、たとえば図７に示すメカニカルシール装置１００が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。このシール装置１００は、ハウジング３００に気密的に固定されたメイティングリング１１０と、回転軸２００と共に回転可能であり、メイティングリング１１０に密接して摺動するシールリング１２０と、シールリング１２０と回転軸２００との間に介装されているＯリング１３０と、を備えている。

このメカニカルシール装置１００では、回転軸２００がスラスト方向に移動した場合であっても、ウェーブスプリング１４０がシールリング１２０をメイティングリング１１０側に付勢し、スラスト方向に沿ってシールリング１２０がメイティングリング１１０に追随する。このため、シールリング１２０がメイティングリング１１０に常時密接するようになっている。

しかしながら、冷媒ＣＯ_２ が高圧であるために、図８に示すように、大気雰囲気Ｑ側に押されたＯリング１３０が、シールリング１２０と回転軸２００との間に形成された隙間ｇに食い込む場合がある。隙間ｇにＯリング１３０が食い込んでいる状態で、回転軸２００がスラスト方向に移動すると、その移動に伴ってシールリング１２０も移動してしまい、その結果として、メイティングリング１１０とシールリング１２０との間が広がり、良好なシール性能を確保することができない場合がある。

また、Ｏリングを構成するゴムは、冷媒であるＣＯ_２ を透過し易い性質を有しているので、冷媒がＯリング１３０を透過して大気雰囲気Ｑ側に流出し、良好なシール性能を確保することができない場合がある。
特開２００１−２２１３４４号公報

本発明は、シール性能に優れたメカニカルシール装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その技術的解決手段は以下のように構成されている。

本発明のメカニカルシール装置は、
ハウジングに気密的に固定された静止側摺動環と、
内孔に挿入された回転軸と共に回転可能であり、前記静止側摺動環に密着して摺動する回転側摺動環と、
前記回転側摺動環の内孔と前記回転軸との間に介装されているＯリングと、を備えたメカニカルシール装置であって、
前記Ｏリングよりもガス透過性が相対的に低い環状のリング部材をさらに備え、
前記リング部材は、前記Ｏリングに大気雰囲気側で隣接するように、前記回転側摺動環の内孔に設けられており、
下記条件式（１）を満たしているメカニカルシール装置である。

Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３ … 式（１）

但し、上記条件式（１）において、Ｄ１は前記回転軸の直径であり、Ｄ２は前記リング部材の内径であり、Ｄ３は前記回転側摺動環の内孔において前記リング部材よりも大気雰囲気側に位置する部分の内径である。

本発明では、Ｄ２＜Ｄ３の関係を満たすリング部材を、Ｏリングに大気雰囲気側で隣接させることにより、隙間ｇを狭くする（透過断面積を小さくする）ことができ、隙間ｇへのＯリングの食い込みが防止される。また、リング部材がＤ１＜Ｄ２の関係を満たすことにより、リング部材を回転軸の外周面に対して間隔を空けて配置することができる。従って、上記条件式（１）を満たすリング部材を設けることにより、スラスト方向に沿った回転側摺動環の静止側摺動環への追随性が十分に確保されるので、良好なシール性能を確保することができる。

また、本発明では、リング部材がＯリングよりも相対的に低いガス透過性を具備している。これにより、ガスが大気雰囲気側に透過により流出するのを抑制することが可能となり、良好なシール性能を確保することができる。

好ましくは、前記リング部材は、高圧雰囲気側から大気雰囲気側に向かって外径が小さくなるようなテーパ状の外周面を有し、
前記回転側摺動環の内孔は、前記リング部材のテーパ状外周面に対応するように、高圧雰囲気側から大気雰囲気側に向かって内径が小さくなるようなテーパ状内周面を有しており、
前記リング部材のテーパ状外周面と前記回転側摺動環のテーパ状内周面とが接触している。

このような構成によれば、高圧雰囲気側の圧力によりＯリングを介してリング部材が大気雰囲気側に押圧された際に、リング部材のテーパ状外周面が回転側摺動環のテーパ状内周面に沿って摺動する。このため、押圧力をリング部材の内径を小さくする方向に作用させ、隙間ｇを更に狭くすることができる。

また、押圧力を径方向に作用させて隙間ｇを狭くする程、リング部材におけるガスの透過断面積が小さくなるので、より良好なシール性能を確保することが可能となる。

好ましくは、前記リング部材の内周面は、径方向内側に向かって突出した突出部を有しており、前記突出部は、前記リング部材の軸方向に沿った断面において、前記Ｏリングに近接した部分に少なくとも設けられている。

このような構成によれば、リング部材が回転軸に接触した場合であっても、その接触面積を少なくすることができる。そのため、回転軸がスラスト方向に沿って移動する際に、回転軸とリング部材との間の摩擦抵抗を少なくすることができ、回転側摺動環の追随性を更に向上させることができる。

本発明によれば、スラスト方向に沿った回転側摺動環の追随性を向上させると共に、大気雰囲気側へのガスの流出を抑制することが可能になるので、優れたシール性能を備えたメカニカルシール装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置の断面図である。 図２は、図１のII部の拡大図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。 図４は、本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。 図５は、本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。 図６は、本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。 図７は、従来のメカニカルシール装置の断面図である。 図８は、図７のVIII部の拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の第１実施形態に係るメカニカルシール装置１は、図１に示すように、ＣＯ_２ 冷媒用の圧縮機においてハウジング３００に挿通された回転軸２００の周囲を密閉するための装置である。

このメカニカルシール装置１は、ハウジング３００側に装着されたメイティングリング１０と、回転軸２００側に装着され、この回転軸２００と共に回転するシールリング２０と、を備えている。そして、このメカニカルシール装置１は、両リング１０、２０の対向する端面同士を相互に密接摺動させることにより、密閉摺動部Ｓにおいて、機内空間（高圧雰囲気）Ｐに存在する高圧の冷媒ＣＯ_２ が、機外空間（大気雰囲気）Ｑへ漏洩するのを防止している。

なお、本実施形態におけるメイティングリング１０が、本発明における静止側摺動環の一例に相当し、本実施形態におけるシールリング２０が、本発明における回転側摺動環の一例に相当する。

メイティングリング１０は、全体として略環状形状を有しており、ハウジング３００において軸孔３０１の端部に形成された環状凹部３０２内に収容されている。環状凹部３０２の円筒面にＯリング装着溝３０３が形成されており、このＯリング装着溝３０３には固定用Ｏリング３０４が装着されている。従って、メイティングリング１０は、この固定用Ｏリング３０４を介して、ハウジング３００に気密的に且つ固定的に嵌合されている。メイティングリング１０を構成する材料としては、例えばセラミック等の硬質材を挙げることができる。

シールリング２０も全体として略環状形状を有しており、メイティングリング１０側に向かって突出した摺動突起部２１が円周方向に沿って連続的に設けられている。このシールリング２０の内孔２２には、図２に示すように、環状段差部２２ａが形成されており、この環状段差部２２ａに作動用Ｏリング３０が収容されている。

シールリング２０は、作動用Ｏリング３０を介して、軸方向に沿って移動可能に回転軸２００の外周面に設けられている。シールリング２０を構成する材料としては、例えばカーボン等の自己潤滑性摺動材を挙げることができる。また、作動用Ｏリング３０を構成する材料としては、例えばショアＡ硬さ８０程度の水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）を挙げることができる。

図１に示すように、シールリング２０の背面側（メイティングリング１０と反対側）には、ケース４０が配置されている。このケース４０は、フランジ状の金属板で構成され、その内周部で回転軸２００の外周面に形成された環状段差部２０１に嵌合している。また、このケース４０の内周部は、環状段差部２０１の円周方向一部に形成された切欠部２０２と円周方向に係合しており、これにより、回転軸２００と共にケース４０が回転可能となっている。

このケース４０の外周部には、軸方向に延在された複数の係合爪４１が周方向に等間隔で形成されており、これらの係合爪４１が、シールリング２０の外周面に周方向に等間隔で形成された係合切欠２３と、軸方向相対移動自在にそれぞれ係合している。その結果、ケース４０と共にシールリング２０が回転可能となっている。一方、シールリング２０の背面とケース４０との間には、弾性部材５０が軸方向に圧縮された状態で介在している。この弾性部材５０としては、例えばコイルウェーブスプリングを用いることができる。

すなわち、シールリング２０は、弾性部材５０の軸方向に沿った付勢力により、摺動突起部２１がメイティングリング１０に密接すると共に、ケース４０を介して回転軸２００の回転力が伝達されることにより、この回転軸２００と共に回転する。そして、これにより、メイティングリング１０とシールリング２０との間に密封摺動部Ｓが形成され、軸封機能を奏している。

本実施形態に係るメカニカルシール装置１は、図１及び図２に示すように、略三角の断面形状を有する環状のバックアップリング６０ａを備えている。このバックアップリング６０ａは、作動用Ｏリング３０に大気雰囲気Ｑ側で隣接するように、シールリング２０の内孔２２の環状段差部２２ａに収容されている。

このバックアップリング６０ａは、例えば、ポリアミド、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリイミド等のガス透過性の低い合成樹脂材料から構成されている。ガス透過性の低い材料でバックアップリング６０ａを構成することにより、作動用Ｏリング３０を透過したガスが大気雰囲気Ｑ側に流出するのを抑制することができる。なお、本実施形態におけるバックアップリング６０ａが、本発明におけるリング部材の一例に相当する。

このバックアップリング６０ａは、下記の条件式（１）を満たすような内径を有している。

Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３ … 式（１）

但し、図２に示すように、上記の条件式（１）において、Ｄ１は、回転軸２００においてその外周にバックアップリング６０ａが位置している部分の直径であり、Ｄ２は、バックアップリング６０ａの内径であり、Ｄ３は、シールリング２０の内孔２２においてバックアップリング６０ａよりも大気雰囲気Ｑ側に位置している部分の内径である。

隙間ｇ（＝Ｄ２−Ｄ１）は、０ｍｍより大きく０．３ｍｍ以下（０ｍｍ＜ｇ≦０．３ｍｍ）であることが好ましく、０ｍｍより大きく０．２ｍｍ以下（０ｍｍ＜ｇ≦０．２ｍｍ）であることがより好ましい。隙間ｇを０．３ｍｍより大きくすると、隙間ｇに作動用Ｏリング３０が食い込んでしまうおそれがある。

バックアップリング６０ａがＤ２＜Ｄ３の関係を満たすことにより、隙間ｇが狭くなり（透過断面積が小さくなり）、当該隙間ｇへの作動用Ｏリング３０の食い込みが防止される。また、バックアップリング６０ａがＤ１＜Ｄ２の関係を満たすことにより、バックアップリング６０ａが回転軸２００の外周に対して間隔を空けて配置される。

従って、上記条件式（１）を満たすバックアップリング６０ａを設けることにより、スラスト方向に沿ったシールリング２０のメイティングリング１０に対する追随性が十分に確保され、良好なシール性能を確保することができる。

また、バックアップリング６０ａは、高圧雰囲気Ｐ側から大気雰囲気Ｑ側に向かって外径が小さくなるようなテーパ状の外周面６１を有している。このバックアップリング６０ａのテーパ状外周面６１に対応するように、シールリング２０の内孔２２の環状段差部２２ａも、高圧雰囲気Ｐ側から大気雰囲気Ｑ側に向かって内径が小さくなるようにテーパ状に形成されている。そして、バックアップリング６０ａのテーパ状外周面６１とシールリング２０のテーパ状内周面２２ａとが接触するように、バックアップリング６０ａがシールリング２０の環状段差部２２ａに設けられている。

このような構成によれば、高圧雰囲気Ｐの圧力でＯリング３０及びバックアップリング６０ａが大気雰囲気Ｑ側に押圧された際に、バックアップリング６０ａのテーパ状外周面６１がシールリング２０のテーパ状内周面２２ａに沿って摺動する。このため、バックアップリング６０ａの内径を小さくする方向に押圧力を作用させて、隙間ｇを更に狭くすることができ、隙間ｇへの作動用Ｏリング３０の食い込みが更に防止される。

また、隙間ｇが狭くなる程、ガス透過性が低いバックアップリング６０ａにおけるガスの透過断面積が小さくなるので、より良好なシール性能が確保される。

さらに、バックアップリング６０ａは、その内周面６２に、径方向内側に向かって突出している環状の突出部６３を有している。本実施形態では、図２に示すように、バックアップリング６０ａの軸方向に沿った断面において、内周面６２の両端２箇所に突出部６３が設けられている。

このような突出部６３を設けることにより、バックアップリング６０ａが回転軸２００に接触した場合であっても、その接触面積を少なくすることができる。そのため、回転軸２００がスラスト方向に沿って移動する際に、回転軸２００とバックアップリング６０ａとの間の摩擦抵抗を少なくすることができ、シールリング２０の追随性をさらに向上させることができる。

図２に示すように、各突出部６２の先端は円弧状に形成されている。これにより、突出部６２と回転軸２００との接触を点接触とすることができるので、回転軸２００とバックアップリング６０ａとの間の摩擦抵抗を更に低減することができる。

図３は本発明の第２実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。図３に示すように、シールリング２０において、環状段差部２２ａの全体ではなく一部のみにテーパ状内周面２２ｂを設けても良い。なお、バックアップリング６０ｂは、第１実施形態におけるバックアップリング６０ａと同様のものである。

図４は本発明の第３実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。同図に示すように、バックアップリング６０ｃの軸方向に沿った断面における高さを、作動用Ｏリング３０の軸方向に沿った断面における高さよりも大幅に低くしても良い。すなわち、バックアップリング６０ｃの外径を作動用Ｏリング３０の外径よりも小さくしても良い。その場合において、シールリング２０の環状段差部２２ａのテーパ形状を、外径が小さくなったバックアップリング６０ｃの形状に合わせることが好ましい。

図５は本発明の第４実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のII部に相当する部分の拡大図である。同図に示すように、バックアップリング６０ｄの内周面６２において、両端部ではなく、作動用Ｏリング３０に近接した端部のみに突出部６３を設けても良い。

図６は本発明の第５実施形態に係るメカニカルシール装置において図１のＩＩ部に相当する部分の拡大図である。同図に示すように、バックアップリング６０ｅにおけるＯリング側の側面６４を凹状の曲面としても良い。このような曲面状側面６４を設けることにより、ガスの押圧力で作動用Ｏリング３０が隙間ｇ側にはみ出すのを更に抑制することができる。

次に作用について説明する。
圧縮機を駆動させると、ＣＯ_２ ガス中にミスト状に混在している冷凍機油の一部が、密閉摺動部Ｓに介入して潤滑油膜を形成する。これにより、この密閉摺動部Ｓが良好に潤滑されると共に、大気雰囲気Ｑ側へのＣＯ_２ ガスの通過が遮断される。

この際、高圧雰囲気Ｐの圧力により作動用Ｏリング３０が大気雰囲気Ｑ側に押圧されるが、本実施形態では、上記条件式（１）におけるＤ２＜Ｄ３の関係を満たす内径を有するバックアップリング６０ａにより、隙間ｇが狭くなっているので、この押圧時における隙間ｇへの作動用Ｏリング３０の食い込みが防止される。

また、上記条件式（１）においてＤ１＜Ｄ２の関係を満たすことにより、バックアップリング６０ａが回転軸２００の外周面に対して間隔を空けて配置されている。従って、回転軸２００がスラスト方向に移動しても、シールリング２０が回転軸２００と共に移動して密閉摺動部Ｓが広がることはなく、良好なシール性能が確保される。また、バックアップリング６０ａが作動用Ｏリング３０よりもガス透過性が低くなっているので、ＣＯ_２ ガスが大気雰囲気Ｑ側に透過により流出するのを抑制することができる。

高圧雰囲気Ｐの圧力によりバックアップリング６０ａも大気雰囲気Ｑ側に押圧されるが、この際、バックアップリング６０ａのテーパ状外周面６１が、シールリング２０のテーパ状内周面２２ａに沿って摺動する。これにより、高圧雰囲気Ｐの押圧力がバックアップリング６０ａの内径を小さくする方向に作用することとなるので、隙間ｇが更に狭くなり、隙間ｇへの作動用Ｏリング３０の食い込みが更に防止される。また、隙間ｇが狭くなる程、バックアップリング６０ａにおけるガス透過断面積が小さくなるので、シール性能が向上する。

以上のように、本発明の実施形態に係るメカニカルシール装置１では、シールリング２０のスラスト方向に沿った追随性を向上させると共に、ガスが大気雰囲気Ｑ側に透過により流出するのを抑制することが可能となるので、優れたシール性能を具備させることができる。

例えば、下記式（２）に示す理論式を用いて従来構造及び本発明の年間漏れ量をそれぞれ算出すると、表１に示すように、バックアップリングを用いない従来構造と比較して本発明ではシール性能が格段に向上することが分かる。なお、年間漏れ量の算出に当たり、下記の理論式に対して、透過断面積ｓとして隙間ｇを代入し、透過経路長Ｌとして作動用Ｏリング３０の線径を代入し、圧力を５ＭＰａとし、温度を１２０℃とした。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

Claims (3)

1. ハウジングに気密的に固定された静止側摺動環と、
   内孔に挿入された回転軸と共に回転可能であり、前記静止側摺動環に密着して摺動する回転側摺動環と、
   前記回転側摺動環の内孔と前記回転軸との間に介装されているＯリングと、を備えたメカニカルシール装置であって、
   前記Ｏリングよりもガス透過性が相対的に低い環状のリング部材をさらに備え、
   前記リング部材は、前記Ｏリングに大気雰囲気側で隣接するように、前記回転側摺動環の内孔に設けられており、
   下記条件式（１）を満たしているメカニカルシール装置。
   Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３ … 式（１）
   但し、上記条件式（１）において、Ｄ１は前記回転軸の直径であり、Ｄ２は前記リング部材の内径であり、Ｄ３は前記回転側摺動環の内孔において前記リング部材よりも大気雰囲気側に位置する部分の内径である。
2. 前記リング部材は、高圧雰囲気側から大気雰囲気側に向かって外径が小さくなるようなテーパ状の外周面を有し、
   前記回転側摺動環の内孔は、前記リング部材のテーパ状外周面に対応するように、高圧雰囲気側から大気雰囲気側に向かって内径が小さくなるようなテーパ状内周面を有しており、
   前記リング部材のテーパ状外周面と前記回転側摺動環のテーパ状内周面とが接触している請求項１記載のメカニカルシール装置。
3. 前記リング部材の内周面は、径方向内側に向かって突出した突出部を有しており、
   前記突出部は、前記リング部材の軸方向に沿った断面において、前記Ｏリングに近接している部分に少なくとも設けられている請求項１又は２記載のメカニカルシール装置。

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