JP5100128B2 - 回転軸シール - Google Patents

Description

本発明は、回転軸シールに係り、特にカーエアコン用コンプレッサ等に於ける高圧流体を密封するのに用いられる回転軸シールに関する。

従来のこの種の回転軸シールとしては、図６に示すような構造のものが知られている。即ち、ＰＴＦＥ等のシールエレメント33，34とゴム製リップ35とを、アウターケース36とサポート具37とインナーケース38…にて組立てたものが、広く知られている。（例えば特許文献１参照）
特許第３３４６７４３号公報

しかしながら、従来の図６に示したような回転軸シールでは、例えば最近のコンプレッサの冷媒としてＣＯ₂ 等を用いて高圧化が進んでくると、図４（Ｂ）に示す如く、ゴム製リップ35が回転軸２に接する接触面圧Ｐが過大となり、摩耗が早期に進行し、密封すべき流体の外部洩漏を生ずる。つまり、従来のゴム製リップ35は最先端35ａまで略同一の肉厚寸法Ｗ₄ であって、図４（Ｂ）に示した高圧流体の受圧状態下で、回転軸２に対して、急峻な山型の接触面圧分布をもって押圧され、耐久性の面で問題を生ずる。

そこで、本発明は、構成される部品点数をそのままに保ちつつ、接触面圧を低減し、摺動面に潤滑油が取り込まれて、摩耗が発生しにくく、長期間にわたって優れたシール性（密封性）を発揮できる回転軸シールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る回転軸シールは、ハウジングと回転軸との間に介装され、該回転軸に摺接するゴム製リップ部、及び、該リップ部を低圧側背面から受持するサポート具とを、備えた回転軸シールに於て、上記リップ部の自由状態の断面形状が、上記サポート具にて受持された領域において最大肉厚部を有すると共に該最大肉厚部からリップ最先端に向かってしだいに薄肉となる先細り形状のリップ先端部を備え、該リップ先端部の低圧側背面が上記回転軸の軸心に対して成す背面傾斜角度をαとすると共に該リップ先端部の高圧側勾配面が上記軸心に対して成す受圧側傾斜角度をβとすると、15°≦α≦30°かつ 1.7≦β／α≦3.5 にて示される関係式が成立し、上記リップ最先端が、高圧側に拡径勾配面状の円環状端面をもって構成され、該円環状端面の幅寸法を、0.5mm 〜1.5mm に設定し、さらに、上記サポート具の高圧側最先端と、上記回転軸の外周面との間隙寸法をＧとしたとき、３≦Ｗ ₁ ／Ｇ≦15なる関係式が成立しているものである。

また、断面形状において上記円環状端面が上記回転軸の軸心と成す端面傾斜角度をγとすると、60°≦γ≦90°なる関係式が成立するように構成したものである。

また、上記背面傾斜角度αと上記受圧側傾斜角度βとの間に、 2.0≦β／α≦2.5 なる関係式が成立するようにした。
また、上記リップ部の上記最大肉厚部は、自由状態の断面形状がストレート状の上記高圧側勾配面と、上記軸心と平行状の円筒状外面形状ストレート部とが、交わる角部の位置に存在し、しかも、該角部の位置は、上記サポート具の高圧側最先端よりも高圧側に配設されている。

また、上記サポート具の高圧側最先端と、上記回転軸の外周面との間隙寸法を、0.1mm 〜0.15mmに設定したものである。

本発明は、次のような著大な効果を奏する。
受圧状態下で、リップ部の受ける圧力を有効にサポート具にて受持して、ピークの位置が巧妙にサポート具に近づくように（従来に比較して）移って、かつ、ピーク面圧も低減できて、回転軸との摺動面に潤滑油が取り込まれ（浸入し）、長期間にわたってリップ部の摩耗を防いで、優れたシール性（密封性能）を発揮して、十分な耐久性を備える。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１〜図３、及び、図４（Ａ）は、本発明に係る回転軸シールの実施の一形態を示し、ハウジング１と回転軸２との間に介装され、回転軸２に摺接するゴム製リップ部３、及び、このリップ部３を低圧側背面３ａから受持するサポート具４と、上記ゴム製リップ部３を焼付けや接着や融着等にて一体化して保持する金属製アウターケース５、及び、（図１と図２では図示省略したが、従来例の図６を参照すれば明らかなように）ポンピング作用をなす（１枚乃至複数枚の）ＰＴＦＥ製シールエレメント、さらには、アウターケース５の高圧側内鍔部５ａと図外の低圧側内鍔部の間に介設されてサポート具４とシールエレメントを保持する金属製等のインナーケース等をもって、回転軸シールが構成される。なお、アウターケース５の円筒部外周面には、上記ゴム製リップ部３から連続状としてゴム材を被覆形成して、ハウジング１の内周面に弾性変形しつつ嵌着させて、密封状態を保つ。

本発明は、回転軸シールのリップ部３とサポート具４の最大の特徴を有しているので、それ以外の構成は、従来から公知の種々の構造のもの（図６参照）を適用自在であり、図１〜図４（Ａ）に於ても、図示省略する。

図１〜図４（Ａ）に於て、図の右側は高圧側30であり、左側は大気等の低圧側40である。高圧側30にはＣＯ₂ 等の冷媒と潤滑油等の流体が収納される。

図１〜図３に於ては、自由状態を実線にて示す。即ち、回転軸シールを、ハウジング１と回転軸２との間に装着する以前の自由状態を示し、リップ部３はこの自由状態において、サポート具にて受持された領域Ｚにおいて、最大肉厚寸法Ｗ₂ の最大肉厚部７を有する。図１と図３と図４に於て、この最大肉厚部７を点線にて示した。

そして、自由状態下で、リップ部３は、最大肉厚部７からリップ最先端８に向かってしだいに薄肉となる（厚さが減少する）先細り形状の（略台形状の）リップ先端部９を、備えている。

そして、リップ先端部９の低圧側背面９ａが、回転軸２の軸心Ｌに対して成す背面傾斜角度をαとし、リップ先端部９の高圧側勾配面９ｂが上記軸心Ｌに対して成す受圧側傾斜角度をβとすると、両角度α，βの間には、次の関係式が成立するように、各角度α，βを設定する。即ち、15°≦α≦30°かつ 1.7≦β／α≦3.5 とする。
特に、望ましいのは20°≦α≦30°であり、また、2.0 β／α≦2.5 とすることである。

また、リップ最先端８は、高圧側30に拡径勾配面状の円環状端面18をもって構成される。つまり、軸心Ｌと平行な方向から見て、端面18は円環状に見えると共に、その幅寸法Ｗ₁ は、 0.5mm〜1.5mm に設定する。（なお、回転軸２の外径寸法は、約５mm〜15mmの場合とする。）

しかも、リップ最先端８を形成する円環状端面18が回転軸２の軸心Ｌと成す端面傾斜角度をγとすると、60°≦γ≦90°なる関係式が成立するように設定する。

図１〜図３から分かるように、リップ部３の最大肉厚部７は、自由状態の断面形状がストレート状の高圧側勾配面９ｂと、軸心Ｌと平行状の円筒状外面形状ストレート部10とが交わる角部11の位置に（対応して）存在している。しかも、この角部11は、小さな曲率半径のアール面取りを付加形成するも自由であると共に、この角部11の軸心方向の位置は、サポート具４の高圧側最先端14よりも高圧側30に配設されている。

サポート具４は、略Ｌ字状断面形状を有し、具体的には、軸心Ｌと直交面状の直交壁部15と、その内端を高圧側30へ略90°折曲げた円筒壁部16と、この円筒壁部16の高圧側端部を高圧側へ緩やかに縮径しつつ延伸形成させた（円弧状断面の）受持壁部17とから、成る。受持壁部17は、外径方向に凸状に緩やかな円弧状に弯曲した円弧状断面であると共に、最先端14に於て、軸心Ｌと平行な方向に計測して、0.1mm 以上の間隙寸法Ｈをもって、リップ先端部９の背面９ａと（自由状態下で）遊離している。なお、この間隙寸法Ｈとしては、 0.1mm〜0.5mm が好ましい。

また、円筒壁部16と受持壁部17の境界近傍に（三ケ月状）間隙部19が、背面３ａ，９ａとの間に、形成した場合を図示したが、この間隙部19の存在によって、後述の図４（ａ）に示す接触面圧Ｐを僅かに低減できる利点がある。なお、所望によりこの間隙部19を省略しても（生じないようにしても）良い。

前述のストレート部10はサポート具４の円筒壁部16を被覆するリップ部３の基部の円筒壁の外径寸法を略一定に保ったまま、高圧側30へ延伸することで形成され、このストレート部10は、略一定の外径寸法のままで、角部11に到る。即ち、図示省略したが、本発明に於て、軸心Ｌと平行状の円筒状外面形状ストレート部10とは、±５°以内の微小角度をもって軸心Ｌと僅かに傾斜している場合をも包含し、従って、ストレート部10の外径寸法は、高圧側30へ緩やかに増加（又は減少）する場合を包含するものと、定義する。

そして、図例では、サポート具４の最先端14は、回転軸２の外周面と平行な内周面形状に切削やプレス加工等にて形成され、その内周面14ａと、シール装着状態下での回転軸２の外周面との間隙寸法をＧとすれば、 0.1mm≦Ｇ≦0.15mmに設定する。しかも、この間隙寸法Ｇと、前述の円環状端面18の幅寸法Ｗ₁ との間には、次の関係式が成立する。つまり、３≦Ｗ₁ ／Ｇ≦15なる関係式が成立している。

そして、図２に於て、最大肉厚部７の最大肉厚寸法Ｗ₂ は、リップ最先端８（円環状端面18）の幅寸法の 2.0倍〜 4.0倍と十分に大きく設定する。望ましくは、 2.5倍〜 3.5倍とする。関係式にて示せば、以下の通りである。
2.0≦Ｗ₂ ／Ｗ₁ ≦4.0 、望ましくは、 2.5≦Ｗ₂ ／Ｗ₁ ≦3.5 とする。

図面から明らかなように、リップ最先端８（円環状端面18）の外周端縁から、角部11までは、折曲がりが無く、ストレート状の勾配面９ｂが形成されている点が、本発明の特徴点の一つであるといえる。
また、図３に示すように、サポート具４の高圧側最先端14の外面に接する接線が、軸心Ｌと成す傾斜角度θは90°未満に設定するが、好ましいのは、20°≦θ≦60°である。
なお、サポート具４は、金属又は硬質合成樹脂とする。また、リップ先端部９の高圧側勾配部９ｂの傾斜角度βとしては、50°〜80°の範囲に設定する。

次に、図４（Ａ）（Ｂ）は、圧力負荷時（装着受圧状態）での、本発明実施品と従来品とを比較するためのＦＥＭ解析結果の図である。そして、図５は図４（Ａ）（Ｂ）の接触面圧Ｐの分布を詳細に示した図である。（なお、図５と、図４の接触面圧のグラフ図は、上下反転して描かれている。）

本発明実施品では、リップ先端部９が回転軸２に接触して、図２の背面傾斜角度αは零（０°）に変化していると共に、接触面圧Ｐの分布曲線20が丘陵型（なだらかな山型）であって、星印で示すピーク（頂上部）Ｐ₀ の位置が、（軸心方向の）接触範囲Ｅの軸心方向中央Ｍよりも低圧側40に偏在する。

これに対し、従来品では、図４（Ｂ）及び図５に示すように、略均等な肉厚寸法Ｗ₄ であって、接触面圧Ｐの分布曲線31が急な山型であって、星型で示すピーク（頂上部）Ｐ₀ ′の位置が接触範囲Ｅの軸心方向中央Ｎよりも高圧側30に偏在する。

さらに、本発明の実施品と従来品におけるＦＥＭ解析によれば、本発明の実施品は従来品よりも最大接触面圧（ピークＰ₀ ，Ｐ₀ ′の面圧）を約25％も低減できている。これによって、本願発明のものは、局部的摩耗を防止できる。また、従来品の接触面圧分布曲線31が（急峻な）山型であるのに対し、本願発明の実施品では丘陵型（なだらかな山型）の接触面圧分布曲線20を示しているので、リップ先端部９と回転軸２の間に潤滑油が浸入し易く、これによって、リップ先端部９の摺接部の摩耗が防止でき、耐久性が向上する。

さらに、従来品ではピークＰ₀ ′が接触範囲Ｅの軸心方向中央Ｎよりも高圧側30に偏在し、潤滑油が取り込まれず、局部的摩耗（えぐれるような摩耗）を発生し易いのに対し、本発明実施品では接触範囲Ｅの軸心方向中央Ｍに近い位置で、かつ、低圧側40にピークＰ₀ があり、極端に片寄った摩耗や局部的摩耗の発生が防止できる。言い換えると、図４及び図５から、本願発明に係る回転軸シールは前述の構成により、最大接触面圧（ピーク面圧Ｐ₀ ）を下げることができ、かつ、潤滑油が高圧側30から回転軸摺接部位に取り込み易く（浸入し易く）、リップ先端部９の摩耗を著しく低減して、長寿命化（耐久性向上）を図ることができる。従って、カーエアコンのコンプレッサの回転軸シールに於て、最近の冷媒の高圧化の要望に、本願発明は十分に応えることができ、特にＣＯ₂ 冷媒を使用するコンプレッサにおいて、長期使用に耐えるシール性及び長寿命を発揮する。

本願発明は、上述のように、ハウジング１と回転軸２との間に介装され、回転軸２に摺接するゴム製リップ部３、及び、リップ部３を低圧側背面３ａから受持するサポート具４とを、備えた回転軸シールに於て、リップ部３の自由状態の断面形状が、サポート具４にて受持された領域Ｚにおいて最大肉厚部７を有すると共に最大肉厚部７からリップ最先端８に向かってしだいに薄肉となる先細り形状のリップ先端部９を備え、リップ先端部９の低圧側背面９ａが回転軸２の軸心Ｌに対して成す背面傾斜角度をαとすると共にリップ先端部９の高圧側勾配面９ｂが軸心Ｌに対して成す受圧側傾斜角度をβとすると、15°≦α≦30°かつ 1.7≦β／α≦3.5 にて示される関係式が成立し、さらに、リップ先端部９が回転軸２に接触した受圧状態下で接触面圧Ｐの分布曲線20が、丘陵型であってピークＰ_O の位置が軸心方向中央Ｍよりも低圧側40に偏在するように構成したので、接触面圧ＰのピークＰ₀ を十分に低減でき、局部的摩耗を防ぎ、長期的に優れたシール性能を維持できて、近年の密封流体の高圧化の要望に応えることができ、特に、ＣＯ₂ 冷媒を用いたコンプレッサのシールとして好適である。特に、15°≦α≦30°かつ 1.7≦β／α≦3.5 となるように各角度α，βを設定することで、図４と図５で詳述したように、接触面圧Ｐの低減を図り、摺動面に潤滑油を取り込み、摩耗を防いで、優れたシール性（密封性）を長期にわたって発揮する。

また、リップ最先端８が、高圧側30に拡径勾配面状の円環状端面18をもって構成され、断面形状において円環状端面18が回転軸２の軸心Ｌと成す端面傾斜角度をγとすると、60°≦γ≦90°なる関係式が成立するように構成したので、リップ最先端８が過大な面圧で回転軸２に接触したり、異常な局部摩耗を生ずることを防ぎ、図５に示した分布曲線20が得られて、一層の長寿命化を達成できる。

また、円環状端面18の幅寸法Ｗ₁ を、0.5mm 〜1.5mm に設定したので、幅寸法Ｗ₁ が0.5mm 未満では、リップ最先端８が過大な面圧で回転軸２に接触したり、チギレを発生することとなるが、そのような問題を防止して、図５に示す望ましい分布曲線20を得ることができる。逆に、1.5mm を越すと、リップ先端部９の全体が肉厚過大となり、図５に示す望ましい接触面圧の分布曲線20が得られず、局部的な摩耗を生じ易くなる。

また、背面傾斜角度αと受圧側傾斜角度βとの間に、 2.0≦β／α≦2.5 なる関係式が成立するようにしたので、リップ先端部９の断面形状が適切なものとして、図５に示した望ましい接触面圧分布が得られ、十分なピークＰ₀ の面圧の低減を図り得る。

また、リップ部３の最大肉厚部７は、自由状態の断面形状がストレート状の高圧側勾配面９ｂと、軸心Ｌと平行状の円筒状外面形状ストレート部10とが、交わる角部11の位置に存在し、しかも、角部11の位置は、サポート具４の高圧側最先端14よりも高圧側30に配設されているので、最大肉厚部７が、図５に示したなだらかな山型───丘陵型───の圧力分布曲線20を得るための最大の機能を発揮し、かつ、ピークＰ₀ の面圧の低減を図って、回転軸２との摺動部位に潤滑油を十分に取り込むことを可能として、リップ部の摩耗を著しく低減して、長寿命化を達成できる。
なお、図示省略したが、（図１〜図３に示した）ストレート状の高圧側勾配面９ｂを、凹曲線状として僅かにへこんだ形状とし、又は、凸曲線状として僅かに膨らんだ形状とするも、自由であって、同様の作用・効果を発揮できる。また、（図１〜図３に示した）軸心Ｌと「平行状」のストレート部10とは、±５°以内の微小角度をもって軸心Ｌと僅かに傾斜している場合をも包含するものと、本発明に於ては定義する。そのように±５°以内の微小角度で傾斜している場合も、同様の作用・効果を発揮できる。

また、サポート具４の高圧側最先端14と、回転軸２の外周面との間隙寸法Ｇを、0.1mm 〜0.15mmに設定したので、高圧側最先端14の近傍に於ける接触面圧Ｐの分布曲線20がゆるやかな曲線を描くように、変化させることができる。

また、円環状端面18の幅寸法をＷ₁ とし、サポート具４の高圧側最先端14と、回転軸２の外周面との間隙寸法をＧとしたとき、３≦Ｗ₁ ／Ｇ≦15なる関係式が成立するようにしたので、図４（Ａ）に示すように、リップ先端部９を回転軸２の外周面に接触させることができて、図５に示したような（望ましい）接触面圧の分布曲線20が描かれて、一層優れた安定したシール性（密封性）を発揮し、かつ、摩耗を防止して、耐久性に一層優れた回転軸シールが得られる。

本発明の実施の一形態を示す要部の断面図である。 寸法と形状を説明するための要部断面説明図である。 寸法と形状を説明するための要部断面説明図である。 本発明の実施品と従来品とを比較説明するための受圧状態の要部断面説明図である。 接触面圧のグラフ図である。 従来例を示す半截断面図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 回転軸
３ リップ部
３ａ 低圧側背面
４ サポート具
７ 最大肉厚部
８ リップ最先端
９ リップ先端部
９ａ 低圧側背面
９ｂ 高圧側勾配面
10 ストレート部
11 角部
14 高圧側最先端
18 円環状端面
20 分布曲線
30 高圧側
40 低圧側
α 背面傾斜角度
β 受圧側傾斜角度
γ 端面傾斜角度
Ｇ 間隙寸法
Ｌ 軸心
Ｗ₁ 幅寸法
Ｗ₂ 最大肉厚寸法
Ｚ 受持された領域
Ｐ 接触面圧
Ｐ_O ピーク
Ｍ 軸心方向中央

Claims (5)

1. ハウジング（１）と回転軸（２）との間に介装され、該回転軸（２）に摺接するゴム製リップ部（３）、及び、該リップ部（３）を低圧側背面（３ａ）から受持するサポート具（４）とを、備えた回転軸シールに於て、上記リップ部（３）の自由状態の断面形状が、上記サポート具（４）にて受持された領域（Ｚ）において最大肉厚部（７）を有すると共に該最大肉厚部（７）からリップ最先端（８）に向かってしだいに薄肉となる先細り形状のリップ先端部（９）を備え、該リップ先端部（９）の低圧側背面（９ａ）が上記回転軸（２）の軸心（Ｌ）に対して成す背面傾斜角度を（α）とすると共に該リップ先端部（９）の高圧側勾配面（９ｂ）が上記軸心（Ｌ）に対して成す受圧側傾斜角度を（β）とすると、15°≦α≦30°かつ 1.7≦β／α≦3.5 にて示される関係式が成立し、
   上記リップ最先端（８）が、高圧側（30）に拡径勾配面状の円環状端面（18）をもって構成され、該円環状端面（18）の幅寸法（Ｗ ₁ ）を、0.5mm 〜1.5mm に設定し、
   さらに、上記サポート具（４）の高圧側最先端（14）と、上記回転軸（２）の外周面との間隙寸法を（Ｇ）としたとき、３≦Ｗ ₁ ／Ｇ≦15なる関係式が成立していることを特徴とする回転軸シール。
2. 断面形状において上記円環状端面（18）が上記回転軸（２）の軸心（Ｌ）と成す端面傾斜角度を（γ）とすると、60°≦γ≦90°なる関係式が成立するように構成した請求項１記載の回転軸シール。
3. 上記背面傾斜角度（α）と上記受圧側傾斜角度（β）との間に、 2.0≦β／α≦2.5 なる関係式が成立するようにした請求項１又は２記載の回転軸シール。
4. 上記リップ部（３）の上記最大肉厚部（７）は、自由状態の断面形状がストレート状の上記高圧側勾配面（９ｂ）と、上記軸心（Ｌ）と平行状の円筒状外面形状ストレート部（10）とが、交わる角部（11）の位置に存在し、しかも、該角部（11）の位置は、上記サポート具（４）の高圧側最先端（14) よりも高圧側（30）に配設されている請求項１，２又は３記載の回転軸シール。
5. 上記サポート具（４）の高圧側最先端（14）と、上記回転軸（２）の外周面との間隙寸法（Ｇ）を、0.1mm 〜0.15mmに設定した請求項１，２，３又は４記載の回転軸シール。

Images