| 【発明の名称】 |
ガス圧縮機用メカニカルシ―ル |
| 【発明者】 |
【氏名】池田 康浩
【氏名】中原 信雄
【氏名】下村 孝夫
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| 【要約】 |
【課題】ガス圧縮機の回転軸２を軸封するメカニカルシール３において、回転軸２と回転側摺動環３３との間のシール部及び静止側摺動環３１と回転側摺動環３３との密封摺動部Ｓからの漏洩量を低減する。
【解決手段】回転軸２と回転側摺動環３３の間が、軸パッキング３４と、その機内空間Ｐ側に配置されたシールリップ３５とによる二段のシール構造となっている。機内空間Ｐからシールリップ３５を漏洩したガスは軸パッキング３４によってシールされて密閉隙間Ｔに溜まり、機内空間Ｐが低圧になった時に、差圧によってシールリップ３５の先端リップ部３５ａが開かれ、密閉隙間Ｔから機内空間Ｐへ戻る。エラストマからなるシールリップ３５は、スプリング受金具３６によって補強され、かつガスの透過可能領域が制限される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガス圧縮機のシールハウジング（１）側に固定的に配置された静止側摺動環（３１）にスプリング（３８）の付勢力により摺接される回転側摺動環（３３）が、回転軸（２）の外周に軸パッキング（３４）を介して軸方向移動自在に支持され、前記軸パッキング（３４）の機内空間（Ｐ）側にシールリップ（３５）が配置され、このシールリップ（３５）は、基部（３５ａ）が前記回転側摺動環（３３）に密着固定されると共に、前記軸パッキング（３４）と反対側を向いた先端リップ部（３５ｂ）が前記回転軸（２）の外周面と密接されてなることを特徴とするガス圧縮機用メカニカルシール。
【請求項２】 請求項１の記載において、シールリップ（３５）が、スプリング（３８）の付勢力を回転側摺動環（３３）に伝達するスプリング受金具（３６）に一体的に設けられたことを特徴とするガス圧縮機用メカニカルシール。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は軸封技術に属するものであって、特に、冷凍サイクルにおいて冷媒ガスを圧縮する冷凍機コンプレッサ等、ガス圧縮機の回転軸を軸封するメカニカルシールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】カーエアコンのような空調装置には、従来、冷媒として生物に無害で変質せず、不燃性の安全なフロンＲ１２（ＣＦ２Ｃｌ２）が使用されて来た。ところが、フロンＲ１２は大気中に放出されても変質せずにそのまま蓄積されて大気の大循環により成層圏へ運ばれるため、地表付近では殆ど存在しなかった波長０．１９〜０．２５μｍの紫外線により分解されて塩素Ｃｌが分離し、この塩素Ｃｌが成層圏のオゾンＯ３と結合して酸化塩素ＣｌＯと酸素分子Ｏ２を作り、更にこの酸化塩素ＣｌＯが周囲の酸素原子Ｏと反応することによって、塩素Ｃｌと酸素分子Ｏ２を作り、このような反応の繰り返しによって成層圏のオゾンＯ３と酸素原子Ｏの量が加速度的に減少して行くといったオゾン層破壊が問題となる。そしてこのようなオゾン層破壊の防止対策のため、近年、冷媒ガスとして塩素を含まないフロンＲ１３４ａに変更されたが、フロン等は、微量でも地表からの長波（赤外線）放射を吸収して地球温暖化を来す温室効果に大きく関わっていることが新たな問題となっている。したがって、フロンＲ１３４ａに代わる冷媒の研究が行われているが、現在最も有力視されているのは二酸化炭素ＣＯ２である。
【０００３】一方、空調装置の冷媒機コンプレッサの軸封装置として用いられるメカニカルシールの典型的な従来例としては、図４に示すようなものがある。すなわちこの種のメカニカルシール１００は、前記冷凍機コンプレッサのシールハウジング１側にＯリング１０２を介して非回転状態に装着されたメイティングリング１０１と、回転軸２側にケース１０４及びＯリング１０５を介して軸方向移動自在に装着されてこの回転軸２と一体的に回転されるシールリング１０３と、前記ケース１０４に保持されて前記シールリング１０３をメイティングリング１０１に押し付けるコイルスプリング１０６とを備え、静止側摺動環である前記メイティングリング１０１と、回転側摺動環であるシールリング１０３との間に密封摺動部Ｓを形成して、その外周側に連なる図中右側の機内空間Ｐの冷媒ガス及び冷凍機油が、大気側空間Ｑへ漏洩するのを防止するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】冷凍機コンプレッサは、フロンＲ１３４ａからなる冷媒ガスを用いた場合、通常の使用条件では吸入圧力が０．２ＭＰａ、吐出圧力が１．５ＭＰａ、停止時圧力が１．０ＭＰａ程度であるが、ＣＯ２からなる冷媒ガスを用いた場合は、吸入圧力が３．０ＭＰａ、吐出圧力が８．０ＭＰａ、停止時圧力が５．０ＭＰａ程度にそれぞれ上昇する。通常、メカニカルシール１００における冷媒ガスの漏れ経路は、密封摺動部Ｓ、シールハウジング１と静止側摺動環１０１との間のＯリング１０２によるシール部、及び回転軸２と回転側摺動環１０３との間のＯリング１０５によるシール部の三箇所であるが、ＣＯ２はエラストマに対する気体透過性が高いため、機内空間Ｐの圧力が上昇すると、エラストマ製であるＯリング１０２，１０５を大気側空間Ｑへ透過することによる冷媒ＣＯ２ガスの漏洩量が増大する。
【０００５】シールハウジング１とメイティングリング１０１との間における冷媒ＣＯ２ガスの漏洩量を低減するには、例えばＯリング１０２に代えてシール幅の大きいカップガスケットを装着することによって透過距離を大きくするか、あるいはＯリング１０２を複数装着することによって多段のシールとすることが有効である。ところが、回転軸２とシールリング１０３との間も同様に、シール幅の大きいカップガスケットでシールしたり、Ｏリング１０５を軸方向に複数並べて装着することは、次の点で問題がある。
【０００６】まず、この種のメカニカルシール１００は、Ｏリング１０５によって回転軸２とシールリング１０３の軸方向相対移動が円滑に許容されているが、このＯリング１０５に代えてカップガスケットを装着した場合は、その接触シール面積が大きいために回転軸２の軸方向振動や変位に対するシールリング１０３の軸方向作動性が損なわれる。このため、例えば回転軸２が図４における右側へ僅かに変位したような場合には、この回転軸２と共にシールリング１０３がコイルスプリング１０６を圧縮する方向へ変位しようとするので、密封摺動部Ｓの面開きによって漏れを生じ、逆に回転軸２が図４における左側へ僅かに変位したような場合は、これと共にシールリング１０３がメイティングリング１０１側へ変位しようとするので、密封摺動部Ｓの面圧が増大して摩耗を促進させてしまう。
【０００７】また、回転軸２とシールリング１０３との間にＯリングを軸方向に並べて介在させた場合は、機内空間Ｐの圧力が低下した時に、二つのＯリング間の漏洩ガスの圧力によって、相対的に機内空間Ｐ側にあるＯリングが機内空間Ｐに押し出されてしまい、密封機能を奏し得なくなる。
【０００８】本発明は、上記のような従来の問題に鑑みてなされたもので、その主な技術的課題とするところは、冷凍機コンプレッサのようなガス圧縮機の回転軸を軸封するメカニカルシールにおいて、回転軸と回転側摺動環との間のシール部及び静止側摺動環と回転側摺動環との密封摺動部からの漏洩量を低減することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述した技術的課題は、本発明によって有効に解決することができる。すなわち本発明に係るガス圧縮機用メカニカルシールは、ガス圧縮機のシールハウジング側に固定的に配置された静止側摺動環にスプリングの付勢力により摺接される回転側摺動環が、回転軸の外周に軸パッキングを介して軸方向移動自在に支持され、前記軸パッキングの機内空間側にシールリップが配置され、このシールリップは、基部が前記回転側摺動環に密着固定されると共に、前記軸パッキングと反対側を向いた先端リップ部が前記回転軸の外周面と密接されてなる構成を備える。
【００１０】上記構成によれば、回転軸と回転側摺動環の間が、軸パッキングと、この軸パッキングの機内空間側に配置されたシールリップとによる二段のシール構造となっている。このため、密封対象のガスがシールリップによるシール面を通過したり、あるいはシールリップを透過しても、この密封対象ガスは、前記軸パッキングによってシールされることになり、最終的な漏洩量が有効に低減される。
【００１１】また、シールリップを漏洩した密封対象ガスは、軸パッキングとシールリップとの間の密閉隙間に溜まる。そしてこれによって前記密閉隙間のガス圧力が、ガス圧縮機の停止時に機内空間の圧力低下によって相対的に高圧になると、その差圧によって、軸パッキングと反対側を向いたシールリップの先端リップ部が開かれるので、前記密閉隙間の漏洩ガスが機内空間へ戻される。
【００１２】また、上記本発明に係るメカニカルシールの構成において一層好ましくは、シールリップが、スプリングの付勢力を回転側摺動環に伝達するスプリング受金具に一体的に設けられる。すなわち、この場合のスプリング受金具は、エラストマからなるシールリップを補強する機能を兼備するものであり、しかもシールリップにおけるガスの透過可能領域を制限するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は本発明に係るガス圧縮機用メカニカルシールを、二酸化炭素からなる冷媒ガス（以下、冷媒ＣＯ２ガスという）を用いるカーエアコンの冷凍機コンプレッサの軸封部に装着した好ましい一実施形態を示すもので、図中の参照符号１はガス圧縮機としての前記冷凍機コンプレッサのシールハウジング、参照符号２はこのシールハウジング１の内周から機内に挿通されて、内燃機関のクランク軸からの駆動力を電磁クラッチ（図示省略）を介して伝達されることにより回転してコンプレッサの内部機構を駆動させる回転軸である。前記シールハウジング１と回転軸２との間には、本発明によるメカニカルシール３が装着されている。
【００１４】メカニカルシール３は、シールハウジング１側に非回転状態に装着された静止側摺動環であるメイティングリング３１と、回転軸２側に装着されてこの回転軸２と一体的に回転する回転側摺動環であるシールリング３３が、軸方向対向端面３１ａ，３３ａ同士で密接することによって密封摺動部Ｓを構成している。このメカニカルシール３の軸方向両側の軸周空間のうち、シールハウジング１の図中右側の空間Ｐが密封対象の冷媒ＣＯ２ガスが存在する機内空間、前記密封摺動部Ｓの内周側に連なる図中左側の空間Ｑが機外に開放された大気側空間である。
【００１５】メカニカルシール３の構成について更に詳しく説明すると、メイティングリング３１は、例えばセラミックス材料からなるものであって、シールハウジング１の軸孔の機内側開口部に拡径形成された環状段差部１１に収容され、エラストマからなるカップガスケット３２を介して前記シールハウジング１に固定的に密嵌されている。前記カップガスケット３２は、軸心を通る平面で切断した断面形状が略Ｌ字形を呈するものであって、互いに対向する前記環状段差部１１とメイティングリング３１の外周面及び背面（密封摺動部Ｓと反対側の端面）との間に密接状態で介在し、シールハウジング１とメイティングリング３１との間を密封している。このカップガスケット３２の外周部には密封性を高めるために円周方向に連続した複数のシール突条３２ａが形成され、前記環状段差部１１の内周面に適当な潰し代をもって密接している。
【００１６】一方、シールリング３３は例えばカーボン材からなるものであって、メイティングリング３１からみて機内空間Ｐ側に配置され、回転軸２の外周面に軸パッキングとしてのエラストマ製Ｏリング３４を介して軸方向移動自在に支持されている。これを更に詳細に説明すると、シールリング３３の内周面には、内周側及び背面側（密封摺動部Ｓと反対側）に開放されると共に円周方向に連続した凹部３３ｂが形成されており、前記Ｏリング３４は、この凹部３３ｂと回転軸２の外周面との間に適宜潰し代をもって介在している。
【００１７】シールリング３３の内周面において、Ｏリング３４が装着された凹部３３ｂの背後には、それよりも大径の第二の凹部３３ｃが形成されており、この第二の凹部３３ｃにはシールリップ３５が装着されている。そしてこのシールリップ３５とＯリング３４との間には円周方向に連続した密閉隙間Ｔが画成されている。
【００１８】シールリップ３５はエラストマ材料で成形されたものであって、環状のスプリング受金具３６が一体的に埋設もしくは接着された基部３５ａの外周縁において、前記第二の凹部３３ｃに密嵌状態に圧入固定され、Ｏリング３４と反対側かつ内周側へ向けてテーパ状に延びる先端リップ部３５ｂが、回転軸２の外周面と密接されている。前記スプリング受金具３６は、軸心を通る平面で切断した断面形状が略Ｌ字形を呈し、シールリップ３５を補強すると共に、後述するコイルスプリング３８の付勢力をシールリング３３に伝達する機能を有するものである。
【００１９】シールリング３３の背後には軸方向に適当な間隔でＳＰＣＣ等の金属製の鍔状のケース３７が配置されており、その内周が、回転軸２の外周面に形成されたテーパ状段差部２１に軸方向に係止されると共に、このテーパ状段差部２１の円周方向一部に形成された切欠部２１ａと円周方向に係合している。また、前記ケース３７の外周部には、軸方向に延びる複数の係合爪３７ａが円周方向等間隔で形成されており、各係合爪３７ａは、シールリング３３の外周面に円周方向等間隔で形成された軸方向に延びる複数の係合凹部３３ｄの各々と軸方向相対移動可能な状態に遊嵌係合している。
【００２０】すなわち、回転軸２の回転トルクは、そのテーパ状段差部２１に係合されたケース３７を介して、その係合爪３７ａからシールリング３３に伝達される。このためシールリング３３は、回転軸２と一体的に回転される。
【００２１】ケース３７内には、ＳＷＰＢ等からなる円錐状コイルスプリング３８が軸方向に適宜圧縮された状態で装着されている。このコイルスプリング３８は、大径である後端部３８ａが前記ケース３７の後部壁面外周部に担持され、小径の先端部３８ｂがシールリップ３５の基部３５ａに一体に設けられたスプリング受金具３６に当接している。すなわちコイルスプリング３８の軸方向圧縮荷重が、回転軸２と一体に回転するシールリング３３に、前記スプリング受金具３６及びシールリップ３５の基部３５ａを介して与えられることにより、このシールリング３３の端面３３ａがメイティングリング３１の端面３１ａに適当な面圧で押し付けられ、密封摺動部Ｓを形成するのである。
【００２２】以上の構成を備えるメカニカルシール３によれば、機内空間Ｐに存在する冷媒ＣＯ２ガスは、シールハウジング１とメイティングリング３１との間ではカップガスケット３２によって大気側空間Ｑへの漏洩を防止される。前記冷媒ＣＯ２ガスは、エラストマからなるカップガスケット３２を低圧側へ透過しようとするが、このカップガスケット３２は、シールハウジング１の環状段差部１１とメイティングリング３１との対向面間の全域に介在しているため、冷媒ＣＯ２ガスの透過距離が長くなり、漏洩力を著しく減衰させる。
【００２３】一方、上記冷媒ＣＯ２ガスは、回転軸２とシールリング３３との間ではシールリップ３５及びＯリング３４による二段のシール構造によって大気側空間Ｑへの漏洩を防止される。また、冷媒ＣＯ２ガスはエラストマ中をある程度透過することができるが、エラストマからなるシールリップ３５は、先端リップ部３５ｂを除く大部分に二酸化炭素の透過できないスプリング受金具３６が一体化されているので、冷媒ＣＯ２ガスの透過可能領域が著しく制限される。
【００２４】シールリップ３５の先端リップ部３５ｂと回転軸２との密接部を通過したり、あるいはシールリップ３５のエラストマ材料中を透過することによって僅かに漏洩する冷媒ＣＯ２ガスは、Ｏリング３４によって大気側空間Ｑへの漏洩を阻まれて密閉隙間Ｔに溜まるので、この密閉隙間Ｔにおける漏洩ガス圧が僅かに上昇する。しかし、冷凍機コンプレッサの駆動によって、停止時には飽和蒸気圧であった機内空間Ｐの圧力が急激に低下すると、図２に矢印Ｆで示すように、相対的に高圧になる前記密閉隙間Ｔの冷媒ＣＯ２ガスが、前記先端リップ部３５ｂを回転軸２の外周面から押し開くようにして、機内空間Ｐへ戻る。このため、密閉隙間Ｔの冷媒ＣＯ２ガス圧が大気側空間Ｑよりも著しく上昇することがなく、このためＯリング３４から大気側空間Ｑへの冷媒ＣＯ２ガスの漏洩が有効に抑えられる。
【００２５】また、シールリップ３５はその先端リップ部３５ｂが回転軸２の外周面に接触しているが、その接触幅及び接触荷重が小さく、しかも前記先端リップ部３５ｂは柔軟に変形可能であるため、回転軸２に対するシールリング３３の相対的な軸方向作動性を損うものではない。したがって、例えば回転軸２が図１における右側へ変位したような場合にも、シールリング３３はコイルスプリング３８の付勢力によってメイティングリング３１との密接位置に保持されるので、密封摺動部Ｓに面開きを発生することはなく、逆に回転軸２が図１における左側へ変位した場合も、この回転軸２とＯリング３４及びシールリップ３５との摩擦力による密封摺動部Ｓの面圧の増大は僅かである。
【００２６】図３は、上述の実施形態のメカニカルシール３を用いて冷凍機コンプレッサを軸封した場合と、先の図４に示す従来技術によるメカニカルシール１００を用いて軸封した場合について下記の条件で漏洩試験を行い、冷媒ＣＯ２ガスの漏洩量を比較したものである。この試験結果から明らかなように、上記実施形態のメカニカルシール３によれば従来のメカニカルシール１００に比較して冷媒ＣＯ２ガスの漏洩量を著しく低減できることが確認された。
試験条件冷媒ガス・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ＣＯ２冷媒ガス圧・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・４ＭＰａ試験温度・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２０℃【００２７】
【発明の効果】本発明に係るガス圧縮機用メカニカルシールによると、回転軸と回転側摺動環の間からの漏洩を、軸パッキングとシールリップとによる二段のシール構造によって有効に低減し、しかも回転軸に対する回転側摺動環の軸方向作動性を損なわないので、回転軸の軸方向変位等による静止側摺動環と回転側摺動環との密封摺動部における漏洩量の増大や摩耗を有効に抑えることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００１０１８７９
【氏名又は名称】イーグル工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１２月２５日（１９９８．１２．２５） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１２０５
【弁理士】
【氏名又は名称】野本 陽一
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１９３０９９（Ｐ２０００−１９３０９９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年７月１４日（２０００．７．１４） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３６８７８９ |
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