JPS6114388B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転軸部からの流体の漏洩を防止す
るメカニカルシールの改良に関する。

通常、メカニカルシールは、回転軸を挿通させ
た固定側のシートリングに対し、上記回転軸とと
もに回転する従動リングを摺接させて、摺接面外
周側から内周側への流体の漏れを阻止する構成を
有している。このため、摺接面の密封効果を挙げ
るには、従来、シートリングに対する従動リング
の押圧力を大にして摺接面の単位面積当たりの圧
力を増大させるようにすること、あるいは摺接す
る両リングの材料を選んで堅牢な封塞面を形成さ
せるようにするなどの対策が講じられて来た。し
かしながら、摺動部に生ずる面の粗さ、経時的変
形等は所詮回避し得ず、特に例えば自動車用クー
ラのコンプレツサ等に適用されるメカニカルシー
ルの如く、振動や温度変化等が加わる過酷な条件
下で使用された場合には、流体の漏れが著しく密
封手段の根本的改善が望まれていた。

本発明者等は叙上の点に鑑み、摺接面間の微小
な間隙に介在する流体に対し、摺接面の相対回動
を利用して、漏洩流に対抗しうる半径方向圧力を
付与できることに着目し、上記摺接面に所要形状
の糸条溝を設けることを提案するものである。

したがつて、本発明の目的は、接触面圧力を増
大させることなく、しかも素材の選択を要せずし
て、摺接面にそれ自体の回転力によりほゞ完全な
密封流体膜を構成させるようにすることにある。

また、本発明の次の目的は、密封手段を構成す
る摺接面に設定すべき糸条溝について、それの適
切な形態、位置等の設定条件を提供することにあ
る。

更に、本発明の他の目的は糸条溝を穿設するの
みという極めて簡単な密封手段により過酷な条件
下での長時間の使用に耐え得る堅牢なメカニカル
シールを提供することにある。

以下、図示具体例について本発明を詳細に説明
する。

第１図は、このようなメカニカルシールを有す
る回転軸の一例として、自動車用クーラのコンプ
レツサを示すもので、１はコンプレツサの回転
軸、２は回転軸１にキー３により相対回転を拘束
された状態で軸方向に摺動可能に結合された電磁
クラツチの連結体、４はケーシング５に対し回転
自在な回転体であり、回転体４内の空間に挿入さ
れた励磁コイル６に通電されたとき、回転体４と
連結体２が一体となり、回転体４と共に回転軸１
が回転する。しかして、７はコンプレツサ部８の
流体が回転軸１の電磁クラツチとの結合側へ洩れ
るのを防止するメカニカルシール部であり、回転
軸１を挿通させたシートリング９に対し、回転軸
１と共に回転する従動リング１０を摺接させ、こ
の摺接によりシートリング９と回転軸１との間の
空隙からの油やガスの漏洩を防止している。１１
は回転軸１に密着するパツキン、１２はその受
金、１３はノツクリング、１４は従動リング１０
にシートリング９側への押圧力を与えるばねであ
る。

第２図は上記メカニカルシール部７の拡大図で
あり、この図のノツクリング１３は厚肉の成形品
として構成されているが、第３図に示すものはノ
ツクリング１３をプレス加工により曲成し、１３
ａ部をスポツト溶接して製品全体としての軽量化
簡素化を図つたものである。また、第４図Ａ，Ｂ
はメカニカルシール部７の他の変形例を示す側面
図およびその断面図であつて、受金１２の外周部
を歯車状に形成しその歯部に相当する部分に孔を
設ける一方、ノツクリング１３には軸方向に折曲
させた複数個の爪状片１３ｂを設けてこれを前述
せる受金１２の孔に挿通させ、爪状片１３ｂの外
方への拡開防止を図るとともに、爪状片１３ｂの
先端部１３ｃを従動リング１０の溝部分に嵌合し
て該従動リング１０の回り止めを施すようにして
いる。この変形例においてもメカニカルシール部
７の従動性、耐用度、製造コスト等に関し改善が
意図されたものである。

しかしながら、上記のものいずれも、このまま
では自動車用クーラのコンプレツサとしての振
動、温度変化等が加わる過酷な使用条件下におい
て、メカニカルシール部からの流体漏れは完全に
は避け得られないところである。

然るに、本発明者等の提案によれば、第５図に
示すように、従動リング１０の摺接面１０ａに糸
条溝１５を穿設することにより極めて良好な密封
効果を挙げ得ることが解明されるにいたつた。

すなわち、第６図は密封端面における矢印回転
方向の後方に傾斜させて設けた種々の糸条溝１５
の態様を示すものであつて、Ａは糸条溝を外周側
に開口させたものと内周側に開口させたものとを
交互に設けたもの、Ｂはすべて外周側へ開口させ
たもの、Ｃは外周側に開口させたものと、内外周
側への開口部を持たない閉じ込め中央溝とを、交
互に設けたもの、Ｄは閉じ込め中央溝のみのも
の、Ｅは閉じ込め中央溝と内周側へ開口させたも
のとを交互に設けたもの、Ｆは内周側へ開口させ
たもののみのものをそれぞれ示している。

これら第６図々示のものの油漏れを、回転数
6000r.p.m.内圧３Kg／cm²の過重なテスト条件で、
溝数８本と24本の場合について実験した結果をそ
れぞれ第７図および第８図に示している。これに
よれば、上記Ａ，Ｂ，Ｃはいずれも溝なしの場合
よりは漏れ量が多く、Ｄ，Ｅ，Ｆ特にＥ，Ｆにつ
いてほゞ完全なシール結果が得られ、溝数の増加
によつても更にシール効果が上がることが判明し
た。すなわち、糸条溝を外周側へ開口させたもの
はいずれの組み合せもむしろ洩れを助長し、内周
側へ開口させたものはシール効果が特に高く、閉
じ込め中央溝も内周側開口溝に比しては劣るが、
可成りのシール効果を得られることが明きらかと
なつた。

以上の結果が如何なる理由によつて得られるの
かは必ずしも正確に理解されているわけではない
が、一応次のような理由によるものと考えられ
る。

すなわち、糸条溝１５内に捕捉された流体は粘
性を有しているので、シートリング９と従動リン
グ１０とが相対的に回転すると、糸条溝１５内の
流体は自己の粘性により他側の摺接面に粘着して
いようとする。そのため、糸条溝１５内の流体に
は、自己の粘性と両リング９，１０の相対回転と
によりその流体を糸条溝１５に沿つて移動し易い
方向に移動させようとする作用力が生じる。そし
て、摺接面外周側に位置する外端部を閉止した行
き止まり糸条溝１５を形成した第６図Ｄ，Ｅ，Ｆ
に示すものでは、糸条溝１５内の流体はその糸条
溝１５の閉止された外端部側に移動されて、糸条
溝１５の外端部より外側の糸条溝を形成していな
い両摺接面間に押戻され、ここに洩れ流に対抗し
得る圧力を発生させるものと考えられる。

また、第６図Ｄ，Ｅ，Ｆにおけるシール効果の
差は、内端部を内周の大気側に開口させた糸条溝
１５の数に影響されるものと考えられる。すなわ
ち、内端部を内周の大気側に開口させた糸条溝１
５は空気を摺接面に引込むように作用し、外周側
からの洩れ流の圧力に平衡して両摺接面間に環状
の薄い空気層を、望ましい状態では上記糸条溝１
５を形成している両摺接面間に環状に連続した空
気層を形成するようになる。そしてそのような空
気層もまた、上記流体の粘度による作用とともに
外周側の密封流体が内周側へ漏洩するのを防止す
るように機能するものと考えられる。

これに対し、シール効果が期待できない第６図
Ａ，Ｂ，Ｃのもの、すなわち外端部を密封圧力流
体側に開口させた糸条溝を形成した場合には、糸
条溝内の流体には上記と同様な作用力が作用して
いるはずであるが、実験結果が悪いことを考えれ
ばその作用力は相対的に小さく、外周側の圧力流
体が直接糸条溝内に浸入するのを許容するからで
あると思われる。このことはまた、第６図と同一
の条件下で糸条溝を外周側から内周側へ貫通する
ように形成した場合には、洩れが激しくて実用に
耐え得ないことからも推測できる。

次に上記糸条溝１５についての形状、本数その
他の設定条件について検討する。

(i) 溝の巾および深さ 溝内における流体圧発生の点からみれば、溝は
狭く、かつ浅い程良好な結果が得られるが、回転
時の摩耗粉により埋る程細く浅くては無意味であ
る。なお、溝の本数を特に多くして、ある程度上
記の傾向をカバーすることも可能である。実験結
果によれば、第９図に示す如く、溝の深さが0.05
mm程度になると上記シール減殺傾向が見られ、溝
巾については第１０図の如く0.2〜0.6mm程度で
ほゞ満足すべきシール効果が得られた。もつと
も、これらの値は摺接面積の広狭、あるいは従動
リングの材質によつても変動する。例えば従動リ
ングを相対的に摩耗しやすい材料から作成する場
合は、摩耗粉により溝の埋ることのないように、
これを深く、広くする傾向とするとよい。

(ii) 溝の傾斜角度 シール圧発生のためには溝の角度は回転方向後
方へ傾斜する角度ができるだけ傾いたほうが良好
な結果を期待しうる。しかし、傾きが弧状となつ
て余りにも長すぎた場合には（例えば単一の螺旋
溝）、長い溝の個々の部分について圧力発生の程
度が小さく、摩耗し易いなどの他の要因とも相俟
ち必ずしも好ましくない。図から明きらかなよう
に、第１１図の○イ，○ロ，○ハに示す程度の角度範囲
内であれば、使用上差支えないものと言える。

(iii) 溝の本数 溝の数は第７図および第８図からも明きらかな
ように本数を増加させたほうがシール効果を増大
させ得る。そして、摺接面の外周方向からみて、
溝の外終端と次の溝の内周側始端とが重なり合
い、周方向すべてに溝が存在して溝のない抜け部
分が生じないようにすれば効果は向上する。逆に
溝が単一でも溝のないものに比してより大きな効
果を期待しうることも否めない。

(iv) 溝の使用条件 糸条溝における圧力発生の度合いは、上述の溝
形状条件を均一とすれば、従動リング１０の回転
数（周速の大きさ）および使用流体の粘性によつ
て定まり、周速および粘性が大である程、良好な
シール効果を得られる。第１２図は溝の形状およ
び使用流体を一定として周速を変化させた場合の
実験結果を示すものであつて、この結果によれば
1000r.p.m、6000r.p.mにおいても経時使用上
ほゞ完全なシール効果が達成されており、第１２
図の溝条件であれば通常の周速条件ではいかなる
場合にも充分なシール効果が得られることが確認
せられた。

(v) 溝の内周側開口の有無（閉じ込め中央溝） 糸条溝の内周側開口のない閉じ込め中央溝の場
合でも溝のない場合に比して可成り効果が認めら
れた。この閉じ込め中央溝の本数、巾、深さを
種々変化させて実験した結果が第１３図に示され
ており、図示斜線部内の有効な変化値を示した。

なお、上述せる実施例においては、糸条溝を従
動リング側の摺接面にのみ穿設することについて
述べたが、逆にシートリング側にそれと反対方向
に傾斜させて設けても良いことは明きらかであ
り、また両摺接面に設定することも可能である。
また、糸条溝の設定方法は毛がき、あるいは型押
しにより容易に設定することができる。

以上述べたように、本発明によればメカニカル
シール部におけるシートリングと従動リングとの
摺接面の少くともいずれか一方に、それら摺接面
の相対移動方向後方側に傾斜させて外端部を閉止
された行き止まり糸条溝を穿設するだけの簡易な
構成により、従来得難かつたほゞ完全なシール効
果を達成しうるという効果を期待することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はメカニカルシールを有する回転軸の一
例を示す縦断面図、第２図は第１図のメカニカル
シール部の拡大図、第３図および第４図はそれぞ
れ第２図の変形例を示す図、第５図は本発明に係
る従動リングを示す斜視図、第６図は第５図に示
す従動リングに設けられる糸条溝について良好な
穿設例と不良な穿設例とを複数個示した摸式図、
第７図および第８図は第６図の溝形式のそれぞれ
についてのシール効果を溝数を異ならせてそれぞ
れ示すグラフ、第９図，第１０図，第１１図，第
１２図および第１３図はそれぞれ溝の深さ、溝の
巾、溝の角度、シール部の使用条件、および閉じ
込め中央溝について、それぞれの値を変化させて
流体の漏れ量を示すグラフである。 １……回転軸、９……シートリング、１０……
従動リング、１０ａ……摺接面、１５……糸条
溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 従動リングとシートリングの一方をハウジン
   グに、他方を回転軸にそれぞれシール効果を持た
   せて一体的に設け、さらに上記従動リングをシー
   トリングに密着摺接させてその摺接面により密封
   流体が半径方向から内方へ漏洩するのを防止する
   ようにしたメカニカルシールにおいて、上記両リ
   ングにおける各摺接面の少なくともいずれか一方
   に、それら摺接面の相対移動方向後方側に傾斜さ
   せ、かつ摺接面外周側に位置する外端部を閉止し
   た行き止まり糸条溝を設けたことを特徴とするメ
   カニカルシール。 ２ 上記糸条溝の内端部を摺接面内周側に開口さ
   せた特許請求の範囲第１項記載のメカニカルシー
   ル。 ３ 上記糸条溝の内端部を閉止させてこの糸条溝
   を閉じ込め中央溝に形成した特許請求の範囲第１
   項記載のメカニカルシール。 ４ 上記糸条溝を内端部を開口させた糸条溝と上
   記閉じ込め中央溝との複合により構成したことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のメカニカ
   ルシール。 ５ 上記糸条溝を後方に弧状に湾曲させた特許請
   求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の
   メカニカルシール。 ６ 上記糸条溝の深さを0.05mm以上とした特許請
   求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の
   メカニカルシール。