(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に作動用パッキングを介して装着されてこの回転軸と共に回転し、円周方向に連続した摺動突起を有する回転側摺動環と、ハウジング側に気密的に固定され、前記摺動突起の端面と密接される非回転の静止側摺動環を備え、密封対象流体の存在する空間が前記両摺動環による密封摺動部の外周側に達し、前記密封対象流体はミスト状の冷凍機油を含む冷媒ＣＯ２であり、該ＣＯ２ガスを冷媒とする空調装置の圧縮機の軸封装置として装着されるメカニカルシールであって、
前記回転側摺動環が自己潤滑性摺動材からなり、前記静止側摺動環が前記自己潤滑性摺動材よりヤング率の大きい摺動材からなり、
前記回転側摺動環の質量重心から密封摺動面までの軸方向距離をａ、前記作動用パッキングによる密封対象流体封止部分から前記密封摺動面までの軸方向距離をｂとした場合、質量重心比ａ／ｂが、
０．４≦ａ／ｂ≦０．６・・・・・・・・・・・・（１）
となるように、前記回転側摺動環の背面寄りの外周面に径方向肉厚を減少させる段差を形成することにより前記回転側摺動環の質量重心の位置を設定したことを特徴とする高圧用メカニカルシール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸の軸周を密封する高圧用メカニカルシールであって、特に、ＣＯ２ガスを冷媒とする空調装置の圧縮機（以下ＣＯ２圧縮機という）において、冷媒ＣＯ２を密封するのに適したメカニカルシールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、密封対象流体が高圧となる条件下で使用されるメカニカルシールとして、ＣＯ２圧縮機用メカニカルシールの典型的な従来例を示すものである。このメカニカルシールにおいては、静止側摺動環１２３が、セラミック等の硬質摺動材からなるものであって、シールハウジング１１１にＯリング１２５を介して気密的に固定されている。一方、回転側摺動環１２１が、カーボン等の自己潤滑性摺動材からなるものであって、その内周面の環状段差部１２８に収容された作動用Ｏリング１２４を介して、回転軸１１２の外周に軸方向移動自在に設けられている。
【０００３】
回転側摺動環１２１の軸方向一端には環状の摺動突起１２２が形成されており、その反対側の面（以下、背面という）に当接配置されたスプリング１２７の軸方向付勢力によって、前記摺動突起１２２が、静止側摺動環１２３に密接されると共に、ケース１２６を介して回転軸１１２の回転力が伝達されることによって、この回転軸１１２と共に回転される。これによって、回転側摺動環１２１と静止側摺動環１２３の間に、密封摺動部Ｓが形成される。
【０００４】
ここで、密封摺動部Ｓの外径側に達する機内空間Ｐは、ミスト状の冷凍機油を含む冷媒ＣＯ２雰囲気、前記密封摺動部Ｓの内径側に達する機外空間Ｑは大気雰囲気であり、両空間Ｐ，Ｑの差圧は３〜１３ＭＰａの範囲で変化する。
【０００５】
上記構成において、回転側摺動環１２１に作用する機内空間Ｐと機外空間Ｑの差圧のうち、径方向に作用する圧力に着目すると、図５に示されるように、この回転側摺動環１２１の断面における質量重心Ｇから、摺動突起１２２による密封摺動面１２２Ｓまでの範囲Ａに作用する径方向圧力△Ｐ１は、前記密封摺動面１２２Ｓを俯方向へ傾斜させる変形力Ｍ１を生じさせ、一方、前記質量重心Ｇから作動用Ｏリング１２４による冷媒ＣＯ２ガス封止部分Ｔまでの範囲Ｂに作用する径方向圧力△Ｐ２は、前記密封摺動面１２２Ｓを仰方向へ傾斜させる変形力Ｍ２を生じさせる。なお、前記封止部分Ｔよりも背面側の範囲Ｃでは、径方向圧力△Ｐ３と△Ｐ３’が互いに対向してバランスしている。
【０００６】
ここで、回転側摺動環１２１の密封摺動面１２２Ｓから質量重心Ｇまでの軸方向距離をａとし、密封摺動部Ｓから作動用Ｏリング１２４による封止部分Ｔまでの範囲Ａ＋Ｂの軸方向距離をｂとした場合、ａ／ｂを質量重心比と呼ぶ。そして、図４に例示した従来構造のメカニカルシールにおいては、ａ／ｂ＝０．６３となっており、すなわち、変形力Ｍ１とＭ２の間にはＭ１＞Ｍ２の関係がある。したがって、冷媒ＣＯ２の圧力と大気圧との差圧△Ｐが高圧となった場合、回転側摺動環１２１の質量重心Ｇを軸とする変形力Ｍ（変形力Ｍ１とＭ２の差分）が大きくなり、図６に誇張して示されるように、ヤング率の小さい回転側摺動環１２１が、その密封摺動面１２２Ｓを俯方向へ傾斜させるように、テーパ状の変形を生じる。その結果、例えば回転側摺動環１２１がカーボン材からなり、摺動突起１２２の外径が２０ｍｍ程度、その先端の摺動幅が２ｍｍ程度のメカニカルシールを用いた場合、摺動によって、密封摺動面１２２Ｓの外周側の摩耗量が内周側より１〜３μｍ程度大きくなるといった偏摩耗を生じる。
【０００７】
そして、このような偏摩耗が生じた後、機内空間Ｐの圧力が低下することによって変形力Ｍが小さくなった場合は、図７に示されるように、外周側（ＣＯ２雰囲気側）へ開いたテーパ状の隙間Ｎを生じる。したがって、隙間Ｎに△Ｐが作用することによって密封摺動部Ｓを開かせる力Ｆが増大する。また、前記密封摺動部Ｓには、冷媒ＣＯ２中にミスト状に混在する冷凍機油の一部が介入することによって潤滑油膜が形成され、この潤滑油膜が冷媒ＣＯ２の漏洩防止に大きく貢献しているが、上述のように外周側へ開いたテーパ状の隙間Ｎが形成されると、実質的な密封摺動部Ｓの幅が著しく小さくなると共に、そこに介在する油膜も著しく減少する。そして、このような経緯によって、冷媒ＣＯ２が洩れ易い状況となる問題が指摘されている。
【０００８】
なお、回転側摺動環１２１に作用する機内空間Ｐの圧力と機外空間Ｑの大気圧との差圧のうち、軸方向に作用する圧力に着目すると、図８に示されるように、密封摺動部Ｓの外周端よりも外径側の範囲Ｄに作用する軸方向圧力△Ｐ４と△Ｐ４’は互いに対向してバランスしており、前記密封摺動部Ｓの外周端よりも内径側の範囲Ｅに作用する軸方向圧力△Ｐ５によって、密封摺動面１２２Ｓを仰方向へ傾斜させる変形力Ｍ３を生じる。但し、△Ｐ５の作用範囲が狭く、しかも、質量重心Ｇからの径方向距離、すなわち、変形力Ｍ３の作用距離が短いため、先に説明した図６に示される変形力Ｍ（変形力Ｍ１とＭ２の差分）と比較してその力は非常に小さく、上述の径方向圧力によって回転側摺動環１２１が、その密封摺動面１２２Ｓを俯方向へ傾斜させるように倒れこむのを抑止する効果は、確認されない。
【０００９】
また、上記従来構造のメカニカルシールにおいては、密封摺動部Ｓにおける内径側と外径側の摺動発熱量及び除熱効率の差によって径方向の温度分布が生じ、このため、密封摺動面１２２Ｓが不均一に熱膨張しながら摺動することによって、内周側（大気雰囲気側）へ開いたテーパ状の隙間を生じる場合がある。しかし、ＣＯ２圧縮機用メカニカルシールの使用条件程度において、前記密封摺動面１２２Ｓにおける内径側と外径側の熱膨張の差は無視できる程度に小さいことが、ＦＥＭ解析より確認されており、また、上述のようなメカニカルシールで問題とされる外周側（冷媒ＣＯ２雰囲気側）へ開いたテーパ状の隙間の形成を抑止する効果も確認されない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題とするところは、密封空間圧力と大気圧との差圧のうち、径方向の圧力に起因する回転側摺動環及び摺動突起の変形がもたらす密封摺動面の偏摩耗、すなわち外周側へ開いたテーパ状隙間の形成を抑制し、密封摺動面の油膜切れを抑制することによって密封対象流体の漏洩を抑えることにある。
【００１１】
【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高圧用メカニカルシールは、回転軸に作動用パッキングを介して装着されてこの回転軸と共に回転し、円周方向に連続した摺動突起を有する回転側摺動環と、ハウジング側に気密的に固定され、前記摺動突起の端面と密接される非回転の静止側摺動環を備え、密封対象流体の存在する空間が前記両摺動環による密封摺動部の外周側に達し、前記密封対象流体はミスト状の冷凍機油を含む冷媒ＣＯ２であり、該ＣＯ２ガスを冷媒とする空調装置の圧縮機の軸封装置として装着されるメカニカルシールであって、前記回転側摺動環が自己潤滑性摺動材からなり、前記静止側摺動環が前記自己潤滑性摺動材よりヤング率の大きい摺動材からなり、前記回転側摺動環の質量重心から密封摺動面までの軸方向距離をａ、前記作動用パッキングによる密封対象流体封止部分から前記密封摺動面までの軸方向距離をｂとした場合、質量重心比ａ／ｂが、
０．４≦ａ／ｂ≦０．６・・・・・・・・・・・・（１）
となるように、前記回転側摺動環の背面寄りの外周面に径方向肉厚を減少させる段差を形成することにより前記回転側摺動環の質量重心Ｇの位置を設定したものである。
このメカニカルシールは、特に、ＣＯ２を冷媒とする空調装置の圧縮機の軸封装置として、好適に使用される。
【００１２】
なお、ここでいう「質量重心」とは軸心を通る平面で切断した断面における質量の重心のことである。したがって、この質量重心は、円周方向に連続して存在する。
【００１３】
本発明において、上記（１）式を成立させるためには、回転側摺動環の背面寄りの外周面を径方向肉厚を減少させる形状に形成する。
【００１４】
また、本発明において好ましくは、自己潤滑性摺動材はカーボン摺動材、ＰＴＦＥ摺動材又はポリイミド摺動材から選択される。
【００１５】
ここで、密封空間圧力と大気圧との差圧のうち、回転側摺動環に、その質量重心より密封摺動面側の範囲に作用する径方向圧力によって、この回転側摺動環の密封摺動面を俯方向へ傾斜させる変形力をＭ１とし、前記質量重心よりも背面側の範囲に作用する径方向圧力によって、前記密封摺動面を仰方向へ傾斜させる変形力、すなわち前記変形力Ｍ１を打ち消す方向の変形力をＭ２とした場合、本発明においては、回転側摺動環の質量重心を、上記（１）式を満足する位置に設定し、質量重心比ａ／ｂの値を０．５に近似させることによって、前記変形力Ｍ１とＭ２がほぼ拮抗し、回転側摺動環の変形が抑えられ、したがって密封摺動面の偏摩耗が抑制される。
【００１６】
なお、上記（１）式において、質量重心比ａ／ｂの値の上限を０．６と規定したのは、後述する試験結果（【表１】および【表２】）から明らかなように、ａ／ｂ＝０．５９では、変形力Ｍ１とＭ２の差分（この場合はＭ１＞Ｍ２）による密封摺動面の偏摩耗量が０．９μｍであるのに対し、ａ／ｂ＝０．６３では偏摩耗量が１．７μｍとなり、０．６超では、顕著な偏摩耗を生じることが確認されたからである。また、上記（１）式において、ａ／ｂの値の下限を０．４と規定したのは、０．４未満では、変形力Ｍ１とＭ２の差分（この場合はＭ１＜Ｍ２）によって、傾斜変形が上述の０．６超の場合と逆方向（仰方向）へ生じることになり、密封摺動面に、外周側へ開となる顕著なテーパ状隙間を生じるからである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第一の実施形態として、ＣＯ２圧縮機用のメカニカルシールを示すものである。この図において、参照符号１はＣＯ２圧縮機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に開設された軸孔１１から機内へ挿通された回転軸である。
【００１８】
シールハウジング１と回転軸２との間に介在される本発明のメカニカルシール３は、前記シールハウジング１側に装着された静止側摺動環３１と、前記回転軸２側に装着されてこの回転軸２と共に回転する回転側摺動環３２を備え、両摺動環３１，３２が軸方向に対向する端面同士で互いに密接摺動されることによって、その密封摺動部３Ｓの外周側に達する機内空間Ｐに存在する高圧の冷媒ＣＯ２が、大気雰囲気である機外空間Ｑへ漏洩するのを防止するものである。ここで、前記機内空間Ｐはミスト状の冷凍機油を含むＣＯ２雰囲気で、機内空間Ｐと機外空間Ｑの差圧△Ｐは３〜１３ＭＰａの間で変化する。
【００１９】
メカニカルシール３の構成を更に詳しく説明すると、静止側摺動環３１はセラミックス等の硬質材からなるものであって、シールハウジング１における軸孔１１の端部に形成された環状凹部１２内に収容され、前記環状凹部１２の円筒面に形成されたＯリング装着溝１３に装着されたＯリング３３を介して、気密的かつ固定的に密嵌されている。
【００２０】
一方、回転側摺動環３２はカーボン等の自己潤滑性摺動材からなるものであって、静止側摺動環３１側を向いた端部に摺動突起３２ａを有し、内周面の環状段差部３２ｂに収容された作動用Ｏリング３４を介して回転軸２の外周面に軸方向移動自在に設けられている。
【００２１】
回転側摺動環３２の背面側（静止側摺動環３１と反対側）には、鍔状の金属板からなるケース３５が配置されており、このケース３５は、内周部が、回転軸２の外周面に形成された環状段差部２１に嵌合されると共に、そ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、このケース３５の外周部には、軸方向に延在された複数の係合爪３５ａが等位相間隔で形成されており、回転側摺動環３２の外周面に等位相間隔で形成された係合切欠３２ｃと軸方向相対移動自在に係合している。一方、回転側摺動環３２の背面とケース３５との間には、スプリング（例えばウェーブスプリング）３６が軸方向に適宜圧縮された状態で介在されている。
【００２２】
すなわち回転側摺動環３２は、スプリング３６の軸方向付勢力によって、摺動突起３２ａが静止側摺動環３１の端面に密接されると共に、ケース３５を介して回転軸２の回転力が伝達されることによって、この回転軸２と共に回転される。そして、これによって、静止側摺動環３１と回転側摺動環３２との間に密封摺動部３Ｓが形成され、軸封機能を奏する。
【００２３】
ここで、回転側摺動環３２の背面寄りの外側面には、背面側の質量を減少させる環状段差３２ｄが形成されており、また、摺動突起３２ａの外周側の端面３２ｅが軸心とほぼ直交する平面をなすように形成されている。その結果、図２に示されるように、回転側摺動環３２の質量重心３２Ｇが、従来構造のものよりも摺動突起３２ａ側へ偏在し、密封摺動面３２Ｓから前記質量重心３２Ｇまでの軸方向距離ａは、密封摺動部３Ｓから作動用Ｏリング３４による冷媒ＣＯ２の封止部分Ｔまでの軸方向距離ｂの０．５１倍、すなわち質量重心比ａ／ｂが０．５１となっている。
【００２４】
以上の構成において、ＣＯ２圧縮機の駆動時は、冷媒ＣＯ２ガス中にミスト状に混在している冷凍機油の一部は、密封摺動部３Ｓに介入して潤滑油膜を形成し、この密封摺動部３Ｓを良好に潤滑すると共に、大気側空間Ｑへの冷媒ＣＯ２ガスの通過を遮断する。そして図２に示されるように、回転側摺動環３２に作用する機内の冷媒ＣＯ２圧力と機外の大気圧との差圧のうち、摺動環の質量重心Ｇから密封摺動部３Ｓまでの範囲３２Ａに作用する径方向圧力△Ｐ１は、この摺動環３２における摺動突起３２ａの先端の密封摺動面３２Ｓを俯方向へ傾斜させる変形力Ｍ１を生じさせ、一方、質量重心Ｇから作動用Ｏリング３４による封止部分Ｔまでの範囲３２Ｂにかかる径方向圧力△Ｐ２は、前記密封摺動面３２Ｓを仰方向へ傾斜させるＭ２を生じさせる。なお、前記作動用Ｏリング３４によるガス封止部分Ｔより背面側の範囲３２Ｃでは、径方向圧力△Ｐ３と△Ｐ３’が対向してバランスしている。
【００２５】
ここで、回転側摺動環３２の質量重心３２Ｇの位置によれば、この回転側摺動環３２の密封摺動面３２Ｓから前記質量重心３２Ｇまでの軸方向距離ａと、前記密封摺動面３２Ｓから作動用Ｏリング３４による封止部分Ｔまでの軸方向距離ｂの間には、先に説明したように、ａ／ｂ＝０．５１なる関係が成立している。すなわち、変形力Ｍ１とＭ２は、Ｍ１＞Ｍ２ではあるが、その差が非常に小さいため、質量重心３２Ｇを軸とする変形力による俯方向への倒れ込みが抑えられ、したがって密封摺動面３２Ｓにおける外周側の偏摩耗が抑制される。
【００２６】
下の表１は、実機での摺動試験結果を示すものである。試験は図１に示される本発明の第一実施形態及び図４に示される従来構造のメカニカルシールを、雰囲気温度６０℃、密封対象流体の圧力５．０ＭＰａ、軸回転数１０００ｒｐｍの条件下で２０ｈｒｓ摺動させたものである。なお、何れのメカニカルシールについても回転側摺動環の摺動材はカーボンであり、密封摺動面（摺動突起）の外径はφ２０．６ｍｍ、密封摺動面の幅は１．８ｍｍである。
【表１】
0003686810.tif 000002
【００２７】
上記試験結果によると、図４に示される従来構造のメカニカルシールにおいては、摺動突起の端面に発生した偏摩耗が１．７μｍであったのに対し、本発明のメカニカルシールに於いては、同一試験条件下での偏摩耗が０．３μｍに抑えられているのがわかる。このため、本発明によれば、密封摺動面には充分な潤滑油膜が形成され、冷媒ＣＯ２の漏洩量を大幅に抑制できる。
【００２８】
【００２９】
【００３０】
つぎに図３は、比較例に係るＣＯ２圧縮機用メカニカメシールを示すものである。この比較例においては、回転側摺動環３２に図１のような環状段差部３２ｄを形成していないが、摺動突起３２ａの外周側の端面３２ｅが軸心とほぼ直交する平面をなすように形成されていることによって、質量重心３２Ｇが、図５に示される従来のメカニカルシールにおける回転側摺動環１２１の質量重心Ｇに比較して、密封摺動面寄りに位置するものである。詳しくは、この実施形態においては、質量重心比ａ／ｂ＝０．５９となっている。
【００３１】
下の表２は、上記比較例によるメカニカルシールについて、上述と同様の摺動試験を実施した結果を示すものである。この試験結果から明らかなように、回転側摺動環の密封摺動面に発生した偏摩耗は０．９μｍであった。
【表２】
0003686810.tif 000003
【００３２】
上述の表１及び表２に示される各試験結果は、密封摺動面に発生する偏摩耗の程度・度合いが、摺動突起付近の形状、すなわち回転側摺動環の剛性に影響されず、回転側摺動環の質量重心比に大きく左右されることを示唆している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によると、回転側摺動環の背面寄りの外周面に、径方向肉厚を減少させる段差を形成することにより、自己潤滑性摺動材からなる回転側摺動環の質量重心を、質量重心比ａ／ｂの値が０．４以上０．６以下となるように設定したことによって、密封対象流体の圧力に起因する密封摺動面の偏摩耗を抑制することができ、このため、前記密封対象流体の漏洩を有効に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る高圧用メカニカルシールの第一の実施形態を、軸心を通る平面で切断して示す断面図である。
【図２】  上記第一の実施形態の作用を示す説明図である。
【図３】  比較例に係る高圧用メカニカルシールを、軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図４】  従来技術による高圧用メカニカルシールを、軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図５】  上記従来技術における変形力の発生原理を示す説明図である。
【図６】  上記従来技術における変形の発生状態を誇張して示す説明図である。
【図７】  上記従来技術における偏摩耗の発生状態を示す説明図である。
【図８】  上記従来技術における軸方向圧力の分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１  シールハウジング
２  回転軸
３  メカニカルシール
３１  静止側摺動環
３２  回転側摺動環
３２ｄ  環状段差部
３２Ｇ  質量重心
３２Ｓ  密封摺動面
３４  作動用Ｏリング
Ｐ  機内空間
Ｑ  大気側空間
【図１】
0003686810.tif 000004
【図２】
0003686810.tif 000005
【図３】
0003686810.tif 000006
【図４】
0003686810.tif 000007
【図５】
0003686810.tif 000008
【図６】
0003686810.tif 000009
【図７】
0003686810.tif 000010
【図８】
0003686810.tif 000011