JPS6123428B2 - - 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、摺接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。

しかして本発明者等は、この密封手段の根本的
改善策として、既にシートリングと従動リングの
摺接面の少なくとも一方に、外端部を閉止した行
き止まり糸条溝を形成したメカニカルシールを発
明し、これを特許出願（特願昭52−41838号）〜
特公昭61−14388号〜している。

上記特許出願は、摺接面間の微小な間隔に介在
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、上記摺接面の所要形状の糸条溝を設
けたことを要旨とするもので、その出願時には、
糸条溝の方向は摺接面の相対移動方向後方側に傾
斜させることが必須の条件であると信ぜられた。
すなわち、漏洩流に対抗しうる半径方向圧力は主
に糸条溝のポンプ作用によつて得られるものと考
えられたため、上記特許出願においては糸条溝の
方向を摺接面の相対移動方向後方側に傾斜させる
としている。

ところが、さらに研究を重ねた結果、糸条溝の
方向を放射方向とし、あるいは逆に摺接面の移動
方向前方側に傾斜させて設けた場合にも、自動車
用クーラのコンプレツサ等の使用条件下では、糸
条溝を相対移動方向後方側に傾斜させた場合とほ
ぼ同等、あるいは若干これより劣るにしても従来
よりは優れたシール効果の得られることが判明し
た。これは糸条溝のある限界傾斜角度迄はこの溝
内の流体に作用する遠心力が漏洩流に対抗しうる
半径方向圧力を生ぜしめるためと考えられる。

したがつて本発明は、従動リングとシートリン
グと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の漏洩を防止するメカ
ニカルシールにおいて、上記密封流体を上記摺接
面の半径方向外方側とするとともに、その摺接面
の半径方向内方側を上記密封流体よりも低圧の気
体とし、かつ上記両リングにおける各摺接面の水
なくともいずれか一方に、放射方向または両摺接
面の相対移動方向前方側に傾斜させて半径方向外
端部を上記摺接面内において閉止した行き止まり
糸条溝を設け、さらに少なくとも一部の糸条溝の
内端部を摺接面内周側に開口させてその糸条溝内
に上記気体を導入するようにしたことを特徴とす
るものである。

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つまり
大気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
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
避け得られないところである。

然るに、本発明等の提案によれば、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図は従動リング１０の摺接面に
放射方向に向けて設けた糸条溝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とそ
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いこと
が明らかとなつた。

上記放射方向の糸条溝１５がシール効果を示す
理由については、前述のように糸条溝１５内の流
体に作用する遠心力が摺接面に侵入しようとする
漏洩流に対抗するシール圧を発生させるためと考
えられる。したがつてこの遠心力の作用によつて
糸条溝の傾斜角度の不利、つまり糸条溝が摺接面
の移動方向後方に傾いていないという不利を克服
しうるとすれば、逆に糸条溝を摺接面の移動方向
前方側に傾斜させたとしても、摺接シール条件に
応じ、ある限界傾斜角度迄は実用上支障のないシ
ール効果が得られる筈である。しかるにこの限界
傾斜角度、すなわち第９図において符号αで示
す、方射方向から回転移動方向前方への糸条溝１
５の傾斜角度αは、従動リング１０の回転数、摺
接面の仕上状態、内圧、摺接面に存在する流体の
粘度、従動リング１０とシートリング９との接触
圧力等の多数の要素によつて当然に変化するた
め、これを一義的にある角度以下とすることは極
めて困難である。例えば回転数3000r.p.m.のとき
上記限界角度αが10゜であつたとしても、回転数
が1500r.p.m.のときにはこれが５゜になる可能性
がある。したがつてこれを一般的に表現すれば、
糸条溝１５の限界傾斜角度は、使用条件に応じ、
糸条溝内に存在する流体に作用する遠心力が洩れ
を生じさせる圧力に対抗して洩れを防止しうる角
度である、ということになる。因みに、第６図の
Ｆタイプの従動リング（溝本数12本）につき、傾
斜角度αを変え、第７図、第８図の実験と同一条
件（内圧３Kg/cm²、回転数6000r.p.m.）で洩れテ
ストを行なつたところ、上記αが５゜程度迄は放
射方向の糸条溝と同等のシール効果が得られ、こ
れ以上角度αが増えると急激に洩れを助長させる
傾向が認められた。

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はその内部への空気の導入を許容するととも
に、さらにその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１５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外周側の密封流体が内周の
大気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述した種々の墾作用が働いて
いるはずであるが、実験結果が悪いことを考えれ
ばそのような作用は相対的に小さく、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１０図に示す如く、
溝の深さが0.05mm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１１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
広狭に応じ変動させてもよい。

(ii) 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。

(iii) 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
放射方向の糸条溝につき、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１
２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。

なお、糸条溝は毛がき、あるいは型押しにより
容易に設定することができる。

また、上記実施例は従動リングに糸条溝を形成
した場合について説明しているが、密封すべき流
体には粘性があるので、シートリングに糸条溝を
形成しても同様な作用効果が得られることが確認
されている。

以上述べたように、本発明によれば、密封流体
を両リングの摺接面の半径方向外方側とするとと
もに、その摺接面の半径方向内方側を上記密封流
体よりも低圧の気体とし、かつ上記両リングにお
ける各摺接面の少なくともいずれか一方に、放射
方向または両摺接面の相対移動方向前方側に傾斜
させて半径方向外端部を上記摺接面内において閉
止した行き止まり糸条溝を設け、さらに少なくと
も一部の糸条溝の内端部を摺接面内周側に開口さ
せてその糸条溝内に上記気体を導入するようにす
るだけの簡易な構成により、従来の得難かつた
ほゞ完全なシール効果を達成しうるという著効を
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模式図、
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図は糸条溝の傾斜方向および
角度を示す従動リングの平面図、第１０図、第１
１図、および第１２図はそれぞれ溝の深さ、溝の
巾、およびシール部の使用条件について、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との一方をハウジ
   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
   封流体の漏洩を防止するメカニカルシールにおい
   て、上記密封流体を上記摺接面の半径方向外方側
   とするとともに、その摺接面の半径方向内方側を
   上記密封流体よりも低圧の気体とし、かつ上記両
   リングにおける各摺接面の少なくともいずれか一
   方に、放射方向または両摺接面の相対移動方向前
   方側に傾斜させて半径方向外端部を上記摺接面内
   において閉止した行き止まり糸条溝を設け、さら
   に少なくとも一部の糸条溝の内端部を摺接面内周
   側に開口させてその糸条溝内に上記気体を導入す
   るようにしたことを特徴とするメカニカルシー
   ル。 ２ 糸条溝の一部が、内端部を閉止させた閉じ込
   め中央溝である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。