KR20030026907A

KR20030026907A - 회전축 시일

Info

Publication number: KR20030026907A
Application number: KR1020020058179A
Authority: KR
Inventors: 호소카와아쓰시; 나가오카히데오; 야마다다케시; 가네시게유지
Original assignee: 미츠비시 덴센 고교 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 도요다 지도숏키
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2003-04-03
Also published as: EP1296086B1; KR100471945B1; US20030057657A1; EP1296086A3; US6857637B2; DE60210555D1; JP2003097723A; EP1296086A2; DE60210555T2

Abstract

밀봉하는 유체의 압력이 높아도, 시일(Seal)부재의 밀봉을 행하는 접촉부의 마모를 감소시키고, 내구성이 높은 회전축 시일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

유체수납실(33)측에 축경(縮徑)형상으로 연신하는 립선단부(13)를 갖는 고무제 시일부재(5)를 구비하고, 그 립선단부(13)가 회전축(32)의 표면에 접촉하는 접촉부(21)와, 회전축(32)에 대면하는 선단면(22)을 가지고, 또한 하우징(31)과 회전축(32)과의 사이에 끼워져 장착되는 회전축 시일에 있어서, 상기 유체수납실(33)내의 압력을 받아 확경(擴徑)방향으로 상기 립선단부(13)를 들어 올리는 지름방향 분력(分力)을 발생시키는 오목부(25)를, 상기 선단면(22)에 형성한 것이다.

Description

회전축 시일{ROTATION SHAFT SEAL}

본 발명은 회전축 시일에 관련되며, 특히, 가스등의 고압유체를 밀봉하는데 이용되는 회전축 시일에 관한 것이다.

종래, 이와 같은 종류의 회전축 시일은, 도 6과 같이, 하우징(41)과 회전축(42)과의 사이에 끼워져 장착되어, 유체수납실(47)측에 축경 형상으로 연신하는 립선단부(44)를 갖는 고무제 시일부재(43)를 구비하고 있다. 이 립선단부(44)는 회전축(42)의 외주면에 접촉하는 접촉부(46)와, 회전축(42)에 예각(θ)으로 대면하는 선단면(45)을 가지고 있다. 이 립선단부(44)의 접촉부(46) 내지 선단면(45)은, 둥그스름한 볼록형상으로부터 직선형상으로 매끄럽게 변화하는 형상의 것이 넓게 이용되고 있다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 유체수납실(47)에 밀봉되는 유체의 압력이 큰 경우, 회전축(42)과 립선단부(44)의 접촉부(46)와의 접촉면압은 높아져 버리고, 또 회전축(42)의 회전수가 높은 경우, 회전축(42)과의 마찰에 의해 접촉부(46)가 조기에 마모해 버리고, 밀봉성능이 저하된다는 문제점이 있다.

여기에서, 본 발명은, 밀봉하는 유체의 압력이 높아도 시일부재의 밀봉을 행하는 접촉부의 마모를 감소시키고, 내구성이 우수한 회전축 시일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 회전축 시일의 실시형태를 나타내는 측부단면도이다.

도 2는 회전축 시일의 요부확대단면도이다.

도 3은 회전축 시일의 다른 실시형태를 나타내는 요부확대단면도이다.

도 4는 종래의 회전축 시일의 접촉부의 면압(面壓)분포를 나타내는 설명도이다.

도 5는 본 발명의 회전축 시일의 접촉부의 면압분포를 나타내는 설명도이다.

도 6은 종래의 회전축 시일의 측부단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

5 : 시일부재12 : 서포트금구

13 : 립선단부21 : 접촉부

22 : 선단면25 : 오목부

31 : 하우징32 : 회전축

33 :유체수납실S : 간극부

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 관계되는 회전축 시일은, 유체수납실측에 축경(縮徑)형상으로 연신하는 립선단부를 갖는 고무제 시일부재를구비하고, 그 립선단부가, 회전축의 표면에 접촉하는 접촉부와, 회전축에 대면하는 선단면을 가지고, 또한, 하우징과 회전축과의 사이에 끼워져 장착되는 회전축 시일에 있어서, 상기 유체수납실내의 압력을 받아 확경방향으로 상기 립선단부를 들어올리는 지름방향 분력을 발생시키는 오목부를, 상기 선단부에 형성한 것이다.

또, 상기 고무제 시일부재의 배면을 지지하도록 부설된 서포트금구와 고무제 시일부재와의 사이에 간극부를 설치하고, 상기 유체수납실측의 압력증가에 수반하여, 고무제 시일부재가 간극부에 침입하도록 탄성변형하고, 상기 립선단부가, 상기 확경방향으로 끌려 당겨지도록 구성한 것이다.

또, 상기 립선단부의 상기 접촉부 내지 그 근방부를 팽출 원호형상으로 형성한 것이다. 또, 상기 오목부의 횡단면 형상을 원호형상으로 한 것이다. 또, 상기 오목부의 횡단면 형상을 절곡(折曲)직선형상으로 한 것이다.

(실시형태)

이하, 도시한 실시형태를 기초로 하여, 본 발명을 설명한다.

도 1은, 본 발명에 관계되는 회전축 시일을 나타내고, 예를 들면, 유체수납실(33)측에 고압의 냉매(CO₂등)가 작용하는 카에어콘 컴프레서등에 이용된다. 이 회전축 시일은, 컴프레서의 케이스등의 하우징(31)(의 내주면)과, 회전축(32)(의 외주면)과의 사이에 끼워져 장착되고, 고압의 냉매등에 유체를 밀봉하기 위해 이용된다.

또한, 도 1에서는, 회전축 시일의 단면의 절반만을 나타내고, 회전축(32)과하우징(31)은 2점 쇄선으로 나타낸다. 또, 회전축 시일의 형상은, 미장착상태---자유상태---의 경우를 나타내고, 회전축(32)과 하우징(31)의 사이에 끼워져 장착된 장착상태에서는 이하에 설명하는 각부가 탄성변형하여 끼워져 장착된다.

구체적인 구성은 도 1에 있어서, 내악부(內鍔部)(2)(3)를 갖는 금속제의 아우터케이스(1)의 원통부(4)의 외주면과, 전방(유체수납실(33)측)의 내악부(2)의 전후 양면에 접착·용착·시저(Seizure)등에 의해 고착 일체화된 고무제 시일부재(5)와, 그 저압(대기)측(34) --- 후방이라 부른다 --- 에, 나선홈(6)이 부착된 시일엘리먼트(7)(재질은 PTFE등의 불소계수지)를 구비하고 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 시일부재(5)의 배면(후방 및 내주측)을 지지하도록 부설되는 서포트금구(12), 제1인너케이스(9), 와셔(10), 그리고, 제2인너케이스(11)가 설치되어 있다.

아우터케이스(1)에 일체된 형상으로 고착된 시일부재(5)는, 하우징(31)내주면에 탄발적으로 접하여 밀봉작용을 이루기 위하여(자유상태에서는) 요철파형으로 외주면이 형성된 원통부 피복부(5a)와, 전방의 내악부(2)의 전후 양면을 피복하는 단면(U)자형의 내악피복부(5b)와, 그 피복부(5b)의 내주측으로부터 유체수납실(33)측(전방)으로 돌설한 립부(15)로 구성되어 있다. 유체수납실(33)측의 내악피복부(5b)와 립부(15)와의 연결부는, 유체의 압력에 의해 발생하는 응력을 완화하기 위하여(응력의 흐름을 원활하게 하기 위하여) 원호형상으로 한다.

더욱 상세하게 설명하면, 도 2에 나타내는 바와 같이, 고무제 시일부재(5)의 립부재(15)는, 회전축(32)의 축심방향으로 스트레이트형상의 짧은 원통부(14)와,이 짧은 원통부(14)로부터 유체수납실(33)(고압)측으로 점점 축경형상으로 연신하는 --- 전방 내측방향으로 경사진 --- 립선단부(13)를 가지고, 이 립부(15)는 단면이 “へ ”형상으로 절곡된 형상이다.

립부(15)를 설명하면, 립부(15)의 외주측을 외립면(24), 내주측을 내립면(23)으로 하고, 립선단부(13) 및 짧은 원통부(14)에 있어서, 각각 선단 외립면(24a), 원통 외립면(24b), 선단 내립면(23a), 원통 내립면(23b)으로 나뉜다. 그리고, 선단 외립면(24a)의 전방 단말 가장자리로부터 예각으로 절곡되어 선단면(22)이 형성되며, 선단면(22)과 선단 내립면(23a)과의 사이에 접촉부(21)가 배치된다. 또한, 립선단부(13)를 설명하면, 접촉부(21)(밀봉부)가 회전축(32)의 표면(외주면)에 접촉하고, 접촉부(21)로부터 유체수납실(33)측에 단락면(19)을 형성하고 있다. 더욱이, 선단면(22)이 그 접촉부(21)(단락면(19))로부터 유체수납실(33)측에, 회전축(32)에 예각(θ₂)으로 대면(경사형상으로 대면)하도록 형성하고 있다. 또한, 단락 각도(θ₁)와 예각(θ₂)과의 관계는 θ₁＜θ₂이며, θ₂＜90˚로 하고 있다. 그리고, 접촉부(21)는, 회전축 시일 장착상태(사용상태)에서, 회전축(32)의 외주면에 협소한 면접촉상태로 접하여, 유체수납실(33)의 밀봉작용을 이룬다.

선단면(22)에는 후에 설명하지만, 유체수납실(33)내의 유체압력을 받아 확경방향(하우징(31)의 방향)으로 립선단부(13)를 들어 올리는 지름방향 성분을 발생시키는 오목부(25)(절결부)를 형성한다. 이 오목부(25)는, 선단면(22)에 작은 오목홈으로 하여 환상으로 설치되며, 시일부재(5)성형 시, 금형에 의해 용이하게 형성하는 것이 가능하다. 오목부(25)는 도 2에 나타내는 횡단면형상이 원호상 외에, 도 3에 나타내는 바와 같이 절곡 직선형상(대략 삼각 절결형상)으로 해도 좋다. 또, 오목부(25)는 하우징(31)방향(반회전축방향)으로 수압면(受壓面)을 갖도록 구성하면 좋고, 도시는 생략하지만, 종래형상의 선단면의 외측에 볼록조를 설치하고, 선단면의 내측이 절결홈(오목홈)을 형성하도록 해도 좋다. 또한, 이 오목부(25)는, 환상홈과 같이 원주방향으로 연속하여 형성해도 좋고, 또는, 원주방향으로 불연속으로 배치해도 좋다.

그리고, 회전축(32)의 외주면에 예각(θ₂)으로 대면하도록 형성한 선단면(22)으로부터 단락면(19)에 오목부(25)가 배치되게 됨으로써, 유체수납실(33)내의 유체의 압력이 오목부(25)에 작용하면, 오목부(25)내에 하우징(31)의 수압면(受壓面)이 형성되기 때문에, 도 2(및 도 3)의 화살표 A방향의 외력(벡터)이 작용하여, 립선단부(13)가 들어 올려지는 지름방향 분력이 움직이고(회전축(32)으로부터 이간하는 방향으로 분력이 움직이고), 그 결과, 접촉부(21)의 회전축(32)과의 면압을 내리게 된다. 이때, 물론 발생면압을 저감시킬 뿐으로, 접촉부(21)가 회전축(32)으로부터 떨어지는 일은 없다.

또, 립선단부(13)의 접촉부(21) 내지 그 근방 --- 선단 내립면(23a)의 중도부로부터 오목부(25) 단부 --- 를 팽출 원호형상으로 형성한다. 특히, 도 2에서는, 접촉부(21)의 배면측 근방에 팽출 원호부를 갖는다. 이 원호형상의 곡률반경은, 회전축(32)과의 윤활을 좋게 하기 위해 크게 하는 것이 바람직하다. 또, 도 2에 나타내는 바와 같이, 단락면(19)의 단락각도(θ₁)(예각)는 작게 함으로써 접촉부(21)와 회전축(32)과의 윤활을 양호하게 할 수 있다.

다음에, 도 1에 나타내는 바와 같이, 서포트금구(12)는, 시일부재(5)의 내악 피복부(5b)의 후방측벽부 내지 내경부 및 립선단부(13)의 중도부까지를 지지하는 단면이 대략 L자형이다. 이 서포트금구(12)의 후방에는, 스페이스가 되는 단면이 대략 L자형의 제1인너케이스(9) 및 와셔(10), 시일엘리먼트(7), 시일엘리먼트(7)의 지지구가 되는 제2인너케이스(11)가, 순차로 설치되며, 아우터케이스(1)의 내악부(3)를 소성가공으로 절곡 형성함으로써, 전후의 내악부(2)(3)의 사이에 눌러 끼우는 형상으로 고착(지지)되어 있다.

서포트금구(12)에 대하여 추가 설명한다. 이 서포트금구(12)는, 도 1에 있어서, 시일부재(5)의 접촉부(21) 근방을 제외한 전역에서, 시일부재(5)의 배변(후면 내지 내면)에 밀착(접촉)하여 가스 차폐부재의 구실(작용·기능) ---- 피밀봉용의 유체의 투과를 방지하는 구실(작용·기능) --- 을 달성하고 있다. 즉, 유체수납실(33)내의 유체로서 CO₂가스와 같은, 비교적 고무에 대하여 가스투과성이 높은 냉매가스를 사용하는 경우에, 가스 차폐부재로서의 서포트금구(12)의 구실(작용·기능)은 중요성이 더하다.

그리고, 이 고무제 시일부재(5)의 배면을 지지하도록 부설된 서포트금구(12)와, 시일부재(5)와의 사이에는 간극부(S)를 설치하고 있다. 구체적으로 설명하면,원통내 립면(23b) 내지 선단 내립면(23a)의 중도부까지가 서포트금구(12)와 간극부(S)를 갖도록 배치되고, 서포트금구(12)의 전방 외주측의 접점(17)에서 립선단부(13)(선단내 립면(23a)과 접촉하고 있다. 또는, 립선단부(13)는 서포트금구(12)의 전방 외주측(접점(17))에 가압전에 접촉하지 않도록 이간시켜도 좋다.

그리고, 유체수납실(33)측의 유체압력증가에 수반하여, 고무제 시일부재(5)의 주로 짧은 원통부(14)가 간극부(S)에 침입(이행)하여, 간극부(S)가 없어지도록 립부(15)가 탄성변형한다. 이 간극부(S)에의 침입에 의해, 립선단부(13)가 회전축(32)으로부터 이간하는 방향(하우징(31) 방향)으로 끌려 당겨지게 된다. 환언하면, 접점(17)을 지점으로서 립선단부(13)가 회전축(32)으로부터 이간하는 방향으로 이동하게 된다.

또한, 이 시일부재(5)는 고무제이고, 내냉매성(耐冷媒性)을 고려하여 HNBR이나 EPDM을 이용하지만, 특히 바람직한 것은 시일부재(5)의 경도는 JIS경도를 87~96으로 설정한다. 이것에 의해 간극부(S)에 의한 변이작용의 효과를 이끌어 내고, 또한 밀봉성을 확보하는 것이 가능하게 된다(또, JIS경도가 87미만이 되면 변형이 과대하게 되며, 반대로 96을 넘으면 탄성이 부족하다).

또한, 상술한 립선단부(13)의 큰 곡률반경의 팽출 원호형상의 범위는, 적어도 접촉부(21) 내지 그 배면(후방)근방의 접점(17)까지의 범위로 한다.

다음에, 도 4에, 종래의 회전축 시일에 있어서의 회전축(42)과의 접촉면압의 분포 상태를 나타낸다. 도 4에서는 립선단부(44)의 접촉부(46)으로서, 비장착상태에서의 원호각부에 대응하는 위치에서, 두드러지게 큰 면압(피크)(P)을 가지고, 그 후방측에서도 큰 면압(B)이 발생하고 있다.

또, 변형전(가압전)의 시일부재(43)의 외형상을 2점 쇄선으로 나타내고 있는데, 실선으로 나타낸 가압후의 형상을 보면, 립선단부(44)에서는 크게 회전축(42)측으로 변이하고 있다. 즉, 유체수납실(47)에서 발생하는 유체압력이 크게 되면, 립선단부(44)는 크게 회전축(42)측으로 변형하여 접촉부(46)에서 큰 피크면압(P)이 발생한다. 따라서, 특히 피크면압(P)의 발생에 의해, 립선단부(44)는 마모가 심하게 되고, 밀봉성능이 서서히 저하해 갈 우려가 있다.

다음에, 도 5에 본 발명에 의한 회전축 시일의 회전축(32)과의 접촉면압의 분포상태를 나타낸다. 접촉부(21)의 면압분포는, 피크부를 갖는 일 없이 전역에 걸쳐 대략 균일하며, 또한, 그 발생면압(b)도 종래의 시일에 비하여 작게 할 수 있다. 또, 접촉부(21)의 폭(가압폭)은, 종래보다 크게 되는 일이 없고, 적당한 체결값을 형성할 수 있다.

그리고, 변형전(가압전)의 시일부재(5)의 외형상을 2점 쇄선으로 나타내고 있는데, 가압후에는 짧은 원통부(14)는 간극부(S)로 이동하여, 립선단부(13)는 회전축(32)측으로 크게 변이하지 않고 확경(외형)방향으로 들어올리도록 변형하고 있다. 따라서, 접촉부(21)는 극단적으로 큰 면압을 받는 일이 없으며, 이 면압도 작게 하는 것이 가능하며, 회전축(32)이 고속으로 회전해도, 접촉부(21)의 마모를 저감하는 것이 가능하다.

즉, 고무제 시일부재(5)에 의해, 회전축 시일을 장착했을때의 립선단부(13)의 탄성변형에 의한 초기 가압력과, 유체수납실(33)의 유체압력에 의한 립선반부(13)의 가압력이 회전축(32)에 작용하지만, 오목부(25)에 의한 들어올림작용과, 간극부(S)에 의한 변이작용과, 접촉부(21)의 형상에 의한 작용에 의해, 유체압력이 커도, 그 가압력은 완화(고무손상값이 균일안정화)되며, 면압의 저감이 행해져 슬라이딩저항을 낮추고, 발열이나 시일부재(5)의 마모를 방지하는 것이 가능하다. 따라서, 밀봉성능이 높은 회전축 시일로 할 수 있다.

다시, 도 1에서, 시일엘리먼트(7)는, 시일부재(5)로부터 약간의 누설이 발생하여도 회전축(32)의 회전시, 나선상의 나선홈(6)에 의한 하이드로타이밍효과에 의해 이 누설을 시일부재(5)측으로 되돌리고, 축회전시일로부터 외부로 유체를 누설시킬 수 없다.

또, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 도시는 생략하지만, 시일엘리먼트를 외측에 추가로 설치하여 2열로 한 것이나, 시일엘리먼트의 외측에 회전축정지시 밀봉용의 초기 체결값을 대략 0으로 한 후방 시일부재를 설치한 것, 또는 이들의 복합형식으로 한 것 등, 여러가지의 구성부재의 추가나 생략은 자유이다.

본 발명은 상술한 구성에 의해 다음과 같은 효과를 달성한다.

(청구항 1에 의하면) 유체수납실(33)의 압력이 증가한 사용상태에서, 립선단부(13)의 접촉부(21)의 회전축(32)과의 접촉면압이 저하하고, 접촉부(21)의 마모를 저감시킬 수 있다. 따라서, 내구성이 높고, 누설이 없는 회전축 시일을 구성시키는 것이 가능하다.

(청구항 2에 의하면) 서포트금구(12)가, 시일부재(5)의 과도한 변형을 방지하는 것으로, 적절한 밀봉상태를 유지하고, 유체수납실(33)의 압력이 증가한 사용상태에서, 접촉부(21)의 회전축(32)과의 접촉면압을 더욱 저하시키고, 접촉부(21)의 마모를 저감시킬 수 있고, 내구성을 향상시키는 것이 가능하다.

(청구항 3에 의하면) 회전축(42)에 균일하게 접촉부(21)를 접촉시킬 수 있고, 발생면압을 균일화시키는 것으로, 또한 고무변형량을 작게 하여 국부적인 접촉부(21)의 마모를 방지하고, 밀봉성능을 높이는 것이 가능하다.

(청구항 4 내지 7항에 의하면) 간단한 구성에 의해, 회전축(32)에 대한 접촉부(21)의 접촉압을 완화시키는 것이 가능하다.

Claims

유체수납실측에 축경형상으로 연신하는 립선단부를 갖는 고무제 시일부재를 구비하고, 그 립선단부가, 회전축의 표면에 접촉하는 접촉부와, 상기 회전축에 대면하는 선단면을 가지고, 또한, 하우징과 회전축과의 사이에 끼워져 장착되는 회전축 시일에 있어서,

상기 유체수납실내의 압력을 받아 확경방향으로 상기 립선단부를 들어 올리는 지름방향 분력을 발생시키는 오목부를, 상기 선단부에 형성한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.
제1항에 있어서,

상기 고무제 시일부재의 배면을 지지하도록 부설된 서포트금구와 상기 고무제 시일부재와의 사이에 간극부를 설치하고, 상기 유체수납실측의 압력증가에 수반하여, 상기 고무제 시일부재가 상기 간극부에 침입하도록 탄성변형하여, 상기 립선단부가, 상기 확경방향으로 끌려 당겨지도록 구성한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 립선단부의 상기 접촉부 내지 그 근방부를 팽출 원호형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 오목부의 횡단면 형상을 원호형상으로 한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.
제3항에 있어서,

상기 오목부의 횡단면 형상을 원호형상으로 한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 오목부의 횡단면 형상을 절곡직선형상으로 한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.
제3항에 있어서,

상기 오목부의 횡단면 형상을 절곡직선형상으로 한 것을 특징으로 하는 회전축 시일.