(57)【要約】【課題】冷媒として二酸化炭素等を用いた冷凍機に使用することが可能で、高圧のガスをシールするのに適した耐摩耗性の高いシールリップ部を有するリップ型シールを提供する。【解決手段】ゴム製シールリップ部にカーボンファイバーが充填されているリップ型シールにおいて、シールリップ部分に充填されているカーボンファイバーの少くとも１５重量％以上がシャフト、特にコンプレッサシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度に配向した状態で含まれていることを特徴とするリップ型シール。【選択図】  図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゴム製シールリップ部にカーボンファイバーが充填されているリップ型シールにおいて、シールリップ部分に充填されているカーボンファイバーの少くとも１５重量％以上がシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度に配向した状態で含まれていることを特徴とするリップ型シール。
【請求項２】
カーボンファイバーがリップ厚みＺ軸方向に対してほぼ０°となるように摺動面に対して二次元的にほぼ水平に配向されている請求項１記載のリップ型シール。
【請求項３】
カーボンファイバーを充填しているゴム製シールリップ部分が水素化ニトリルゴム組成物を加硫成形して得られたものである請求項１記載のリップ型シール。
【請求項４】
水素化ニトリルゴム組成物が水素化ニトリルゴム１００重量部当り１２０重量部以上の合計量となるカーボンブラック３０〜１００重量部、グラファイト１０〜６０重量部およびカーボンファイバー５〜６０重量部を配合した組成物である請求項３記載のリップ型シール。
【請求項５】
シャフトがコンプレッサシャフトである請求項１または２記載のリップ型シール。
【請求項６】
ゴム製シールリップ部が環状であり、環状金属ケーシングに固定されて用いられる請求項１または５記載のリップ型シール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リップ型シールに関する。さらに詳しくは、ゴム製シールリップ部にカーボンファイバーが充填されているリップ型シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、空調装置の冷凍回路に装入されているフロンガス等の冷媒を圧縮するためにコンプレッサが使用されており、このコンプレッサの軸シールにはリップ型高圧シールが使用されている。ところで、近年冷媒であるフロンガスのオゾン層破壊や温暖化による環境破壊が問題となっており、フロンガスに代る冷媒として炭化水素やアンモニア、二酸化炭素等の使用が検討されている。
【０００３】
これらの中でも、二酸化炭素は比較的容易に液化し、毒性もかなり低いため、安全性や汚染防止の点からは好ましい冷媒と考えられている。しかしながら、冷媒として二酸化炭素を用いた冷媒機を実用化するに際し克服されなければならない問題は、コンプレッサのシャフトシールは流体シールの分野では未経験の高い圧力に曝されるという点である。
【０００４】
冷媒として、例えばフロンＲ−１３４ａを使用した冷媒回路においては、冷媒の圧力は約０．４〜１．４ＭＰａの範囲にとどまるのに対して、二酸化炭素を使用した冷媒回路においては、コンプレッサに入る二酸化炭素は約４〜１２ＭＰａという冷媒ガスとしては非常に高い圧力範囲になると推測される。また、使用環境の温度やシャフトの回転数なども、従来と比較して高温・高速となる。
【０００５】
このように、コンプレッサのシャフトシールは、高圧・高温・高速という極めて苛酷な条件下での摺動となることが予測される。また、二酸化炭素を冷媒として使用した場合、高回転になる程潤滑油の効果が消失し、リップとシャフトとの間は殆ど固体潤滑状態となり、高圧・高温・高速摺動による摺動発熱の増加や摩耗の増加が生じると考えられる。そのため、シールリップ材であるゴム材料が、苛酷な条件下での摺動により過大に摩耗し、シール機能を大きく低下させることとなる。
【０００６】
こうした問題を解決するために、水素化ニトリルゴム（水素添加ＮＢＲ）１００重量部当り約１２０重量部以上の合計量となるカーボンブラックおよび他の充填剤を配合した水素化ニトリルゴム組成物が本出願人によって提案されており（特開２００２−８０６３９号公報）、他の充填剤としてカーボンファイバーを用いた場合、耐摩耗性および低摺動発熱性にすぐれたゴム材料が得られている。このゴム材料を、コンプレッサ−軸シール用のシールリップ材として用いると、良好なシール性能を発揮するが、長期間にわたるシール性能の保持に関しては、さらなる耐摩耗性の向上が求められる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、冷媒として二酸化炭素等を用いた冷凍機に使用することが可能で、高圧のガスをシールするのに適した耐摩耗性の高いシールリップ部を有するリップ型シールを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の目的は、ゴム製シールリップ部にカーボンファイバーが充填されているリップ型シールにおいて、シールリップ部分に充填されているカーボンファイバーの少くとも１５重量％以上がシャフト、特にコンプレッサシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度に配向した状態で含まれていることを特徴とするリップ型シールによって達成される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
例えばリップ型高圧シールは、環状の金属ケーシングとこのケーシングに固定された環状のリップシールとを備えており、このリップシールは種々のゴムから加硫成形され得るが、好ましくは前記特許公開公報に記載されているような水素化ニトリルゴム組成物、すなわち水素化ニトリルゴム１００重量部当り約１２０重量部以上の合計量となるカーボンブラック（約３０〜１００重量部）および他の充填剤（グラファイト約１０〜６０重量部およびカーボンファイバー約５〜６０重量部など）からなる組成物から加硫成形される。
【００１０】
加硫成形されたシールリップ部には、グラファイトと共にカーボンファイバーが充填されているが、シールリップ部分に充填されているカーボンファイバーの少くとも１５重量％以上、好ましくは２５％以上が、コンプレッサシャフト等のシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度（摺動面をＳＥＭまたはデジタルマイクロスコープ等で撮影し、画像解析ソフトを使用して配向角度を測定）に配向した状態で含まれている。ただし、配向されたカーボンファイバーは、摺動面に対しては水平（リップ厚みＺ軸方向に対してはほぼ０°、すなわち摺動面に対しては二次元的にほぼ水平に配向）であることが好ましい。
【００１１】
このように、カーボンファイバーがコンプレッサシャフトの回転方向に対して垂直乃至それに近い角度で配向しているシールリップ材は、コンプレッサの回転方向に対して平行あるいはランダムに配向したシールリップ材と比較して２０〜３０％程度摩耗量が少ないため、高圧・高温・高速という厳しい摺動条件下においても、過大に摩耗することがなく、長期間にわたり良好なシール性能を発揮することができる。
【００１２】
また、カーボンファイバーとしては、一般的なピッチ系、ＰＡＮ系等のカーボンファイバーであって、繊維径が約１〜２０μｍ、好ましくは約５〜１５μｍ、繊維長が約０．０１〜１ｍｍ、好ましくは約０．０３〜０．５ｍｍのものが用いられる。
【００１３】
なお、このような状態にカーボンファイバーを配向制御することは、次のような方法で行われる。ゴム生地をシート状にロールから出し、このときカーボンファイバーはシート出し方向に配向する。次いで、サンプル摺動面でのカーボンファイバーの配向方向に合わせて、ゴム生地の切出しおよび金型へのセットを行い、圧縮成形によりサンプルが作製される。
【００１４】
より具体的には、図５に示された方法などに従って行われる。この方法ではまず、例えば厚さ２ｍｍのゴム生地１１をシート状にロールから出し、このときカーボンファイバー１２，１２′，…はシート部出し方向に配向する（ａ）。次いで、部出し方向とは直角方向に幅１．５ｍｍの部分１３を切断し、これを高さ２ｍｍの渦巻き状１４に巻く（ｂ）。これを円錐状台形の金型１５上に載せ（ｃ）、圧縮成形すると穿孔部１６を穿った円錐形台形状のシールリップ部１７を有するリップ型シール１８が得られ、これはシールリップ部１７の摺動面１９でシャフト２０と摺動接触するように取り付けられる（ｄ）。カーボンファイバーは、図１に模式的に示されるように、シャフトの回転方向に対して垂直方向に多く配向されている。
【００１５】
このようにして得られたリップ型シールは、シャフト、特に摩耗の問題が大きいコンプレッサシャフトに取り付けられて用いられる。その際、ゴム製シールリップ部は環状であり、環状ケーシングに固定されて用いられる。図７（実施例；摺動方向に対して垂直方向）および図８（比較例；摺動方向に対して平行方向）は、この実施態様であって、符号２３，２３′はバックアップリング、２４は樹脂製リング、２５は金属製環状ケーシング、２７はゴム製シールリップ部、２８はリップ型シールである。
【００１６】
【発明の効果】
本発明に係るリップ型シールは、そのシールリップ部分に充填されているカーボンファイバーの配向状態を積極的に制御することにより、さらに摩耗量を低減させることができるので、相対回転するシャフト、特にコンプレッサシャフトとハウジングとの間の流体シールを行うためのリップ型シールに適用されたとき、シャフトとハウジングとの間の流体シール材として、極めて高い流体圧力下で使用されてもシールリップに高い耐摩耗性を付与することができる。このため、高圧・高温・高速条件下での摺動が行われるガソリンエンジン仕様のリップ型シールとしても有効に用いられる。このリップ型シールは、ゴム製シールリップ部が環状であり、環状金属ケーシングに固定されて一般に用いられる。
【００１７】
【実施例】
次に、実施例について本発明を説明する。
【００１８】
実施例
水素添加ＮＢＲ（日本ゼオン製品ゼットポール２０００）          １００重量部
ＳＲＦカーボンブラック                                    ９０  〃
ピッチ系カーボンファイバー（大阪ガスケミカル製品；      ４５  〃
繊維径１０μｍ、繊維長０．０６ｍｍ）
グラファイト（日電カーボン製品）                        １５  〃
老化防止剤（ユニロイヤル製品＃４４５）                        ２  〃
有機過酸化物（日本油脂製品パークミルＤ）                  ６  〃
共架橋剤（ＪＳＲ製品Ｂ３０００）                                  ５  〃
以上の各成分を１０インチロールで混練し、図５に示された方法に従って、混練物を１８０℃で圧縮成形して、シールリップ部を有するシール型リップを加硫成形した。
【００１９】
このシールリップ部の摺動面のシャフト回転方向におけるカーボンファイバーの配向分布を示す模式図とその回転方向に対する角度（前記方法で測定）の頻度を示す配向分布ヒストグラムが図１に示されている。なお、回転方向に対する角度０は０°のものであり、また例えば０°＜θ≦１０°のものは０〜１０°の角度として示されている。この結果からも分るように、コンプレッサシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度で配向しているカーボンファイバーの量は５３％であり、コンプレッサシャフトの回転方向に対して垂直にカーボンファイバーが配向している傾向がみられる。
【００２０】
比較例１
実施例において、図２に示されるように、コンプレッサシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度で配向するカーボンファイバー量が８％であるシールリップを加硫成形した。この場合には、コンプレッサシャフトの回転方向に対して平行にカーボンファイバーが配向している傾向がみられる。
【００２１】
比較例２
実施例において、図３に示されるように、コンプレッサシャフトの回転方向に対して７０〜９０°の角度で配向するカーボンファイバー量が１３％であるシールリップを加硫成形した。この場合には、コンプレッサシャフトの回転方向に対してランダムにカーボンファイバーが配向している傾向がみられる。これは、従来技術に記載したシールリップ部での配向状態に相当している。
【００２２】
比較例１〜２のような状態にカーボンファイバーを配向制御することは、図６に示された方法に従って行われる。この方法ではまず、厚さ２ｍｍのゴム生地１１をシート状にロールから出し、このときカーボンファイバー１２，１２′，…はシート部出し方向に配向することは、図５の場合と同様である（ａ）。次いで、部出し方向とは平行方向に幅１．５ｍｍの部分１３′を切断し、これを渦巻き状１４′に巻く工程（ｂ）、金型１５に載せ（ｃ）、圧縮成形して穿孔部１６を穿ったシールリップ部１７′を有するリップ型シール１８′とする工程、これをシールリップ部１７′の摺動面１９′でシャフト２０と摺動接触するように取り付ける工程（ｄ）が、図５の場合と同様にして行われる。カーボンファイバーは、図２〜３に模式的に示されるように、シャフトの回転方向に対して平行方向に多く配向されている。
【００２３】
以上の実施例および各比較例のシール型リップについて、周速１ｍ／秒、面圧５．５ＭＰａの条件下での回転試験を１時間実施し、垂直方向に配向するカーボンファイバー量に対する摩耗量を測定し、その結果を図４のグラフに示した。
【００２４】
この結果から、カーボンファイバーをコンプレッサシャフトの回転方向に対して垂直方向に配向させることにより、平行方向に配向させたシールリップ部やランダムに配向させたシールリップ部を有するものと比較して、その摩耗量を２０〜３０％低減させていることが分る。つまり、高圧・高温・高速という極めて厳しい高負荷摺動条件下においても過大に摩耗することなく、良好なシール性能を長期間にわたり発揮させるというシール性能寿命の改善が図られている。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のリップシール部におけるカーボンファイバーの配向分布のヒストグラムおよび模式図である。
【図２】比較例１のリップシール部におけるカーボンファイバーの配向分布のヒストグラムおよび模式図である。
【図３】比較例２のリップシール部におけるカーボンファイバーの配向分布のヒストグラムおよび模式図である。
【図４】実施例および比較例１〜２のシールリップについての回転試験での垂直方向に配向するカーボンファイバー量と摩耗量との関係を示すグラフである。
【図５】実施例において、カーボンファイバーをシャフトの回転方向に対して垂直方向に多く配向させたシールリップ部を有するリップ型シールの作製工程図である。
【図６】各比較例において、カーボンファイバーをシャフトの回転方向に対して平行方向に多く配向させたシールリップ部を有するリップ型シールの作製工程図である。
【図７】実施例の環状ゴム製シールリップ部を環状金属ケーシングに取り付けた状態を示す中心線断面図である。
【図８】比較例の環状ゴム製シールリップ部を環状金属ケーシングに取り付けた状態を示す中心線断面図である。
【符号の説明】
１            シールリップゴム
２，１２，２２      カーボンファイバー
１７，１７′，２７    ゴム製シールリップ部
１８，１８′，２８    リップ型シール
１９，１９′        摺動面
２０            シャフト
２５            環状金属ケーシング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004270777.tif 000008
【図７】
2004270777.tif 000009
【図８】
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