(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機の回転軸に形成された環状段差部の大径側外周面に回転側パッキンを介して支持されると共に機内のガス圧力によって前記環状段差部にプレスフィットされる回転側摺動環と、
前記圧縮機のシールハウジング側に静止側パッキンを介して気密的かつ軸方向移動可能に固定されスプリングの軸方向付勢力によって前記回転側摺動環と密接されて密封摺動面を形成する非回転の静止側摺動環とを備え、
密封対象ガスの存在する機内空間が前記密封摺動面の外周側に達す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以上のヤング率の大きい摺動材からなり、
前記回転側摺動環が円周方向に延びる摺動突起で前記静止側摺動環と摺接されることを特徴とするメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構。
【請求項２】
請求項１の記載において、
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であることを特徴とするメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構。
【請求項３】
請求項１の記載において、
互いに接触する回転軸の環状段差部と回転側摺動環の内径部背面との間の外周部に、回転側パッキンによる密封部より内径側に位置して軸方向隙間が形成されたことを特徴とするメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空調装置の圧縮機の回転軸周を、メカニカルシールを用いて軸封する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＯ２ガスを冷媒とする自動車用車室空調装置（カーエアコン）の圧縮機の軸封手段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６に示されるようなものがある。この種のメカニカルシール２００は、冷媒ＣＯ２ガス圧縮機の回転軸１０１にＯリング２０２を介して軸方向移動自在に設けられ前記回転軸１０１と共に回転される回転側摺動環２０１が、前記冷媒ＣＯ２ガス圧縮機のシールハウジング１０２側にＯリング２０４を介して気密的に設けられた非回転の静止側摺動環２０３に、スプリング２０５の軸方向付勢力によって密接され、両リング２０１，２０３が密接されることにより、密封摺動面２００Ｓが形成される。
【０００３】
ここで、密封摺動面２００Ｓの外周側に達する図中右側の機内空間Ａは、冷凍機油を含む冷媒ＣＯ２ガス雰囲気であり、前記密封摺動面２００Ｓの内周側に達する大気側空間Ｂの大気圧との差圧Δｐは、３〜１３ＭＰａの範囲で変化する。また、回転側摺動環２０１は自己潤滑性を有するカーボン摺動材からなるものであって、円周方向に連続した摺動突起２０１ａで静止側摺動環２０３と摺接され、静止側摺動環２０３には前記カーボン摺動材よりも硬質のセラミックス等の摺動材が用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のメカニカルシール２００によれば、ヤング率の小さいカーボン摺動材からなる回転側摺動環２０１には、図７に誇張して示されるようなテーパ状の変形を生じる。これは、回転側摺動環２０１の内周のＯリング２０２から静止側摺動環２０３寄りの部分に作用する半径方向の差圧Δｐによって矢印ｆで示されるような変位力を受け、回転側摺動環２０１における静止側摺動環２０３寄りの部分が静止側摺動環２０３側へ倒れ込み、かつ形状・構造的に曲げ強度の小さい摺動突起２０１ａが前記半径方向の差圧によって更に内周側へ倒れ込むからである。
【０００５】
その結果、例えば回転側摺動環２０１がカーボン摺動材からなり、摺動突起２０１ａの外径が２０ｍｍ程度、密封摺動面２００Ｓの半径方向幅が２ｍｍ程度のメカニカルシールを用いた場合、摺動によって摺動突起２０１ａの外周部の摩耗量が、内周部よりも１〜３μｍ程度大きくなるといった偏摩耗を生じる。
【０００６】
このため、機内空間Ａの冷媒ＣＯ２ガス圧力の低下によって差圧Δｐによる変位力ｆが小さくなると、密封摺動面２００Ｓには、図８に示されるように、上記偏摩耗によって外周側（冷媒ＣＯ２ガス雰囲気側）へ開いたテーパ状の隙間ｇを生じる。したがって、この隙間ｇに圧力Δｐが作用することによって、密封摺動面２００Ｓを開かせる力ＯＰが増大する。
【０００７】
また、密封摺動面２００Ｓには、冷媒ＣＯ２ガス中にミスト状に混在する冷凍機油の一部が介入されることによって油膜が形成され、この油膜が冷媒ＣＯ２ガス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ｇが形成されることによって密封摺動面２００Ｓ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し、冷媒ＣＯ２ガスが漏れやすい状況となる。
【０００８】
本発明は、以上のような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、機内空間の圧力に起因する摺動環及びその摺動突起の変形と、これによる密封摺動面の偏摩耗を抑制することによって、密封摺動面の油膜切れ及びこれによる冷媒ガスの漏洩を抑制することにある。
【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メカニカルシールによる圧縮機の軸封機構は、圧縮機の回転軸に形成された環状段差部の大径側外周面に回転側パッキンを介して支持されると共に機内のガス圧力によって前記環状段差部にプレスフィットされる回転側摺動環と、前記圧縮機のシールハウジング側に静止側パッキンを介して気密的かつ軸方向移動可能に固定されスプリングの軸方向付勢力によって前記回転側摺動環と密接されて密封摺動面を形成する非回転の静止側摺動環とを備え、密封対象ガスの存在する機内空間が前記密封摺動面の外周側に達す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以上のヤング率の大きい摺動材からなり、前記回転側摺動環が円周方向に延びる摺動突起で前記静止側摺動環と摺接されるものである。この場合、前記回転側摺動環の材料である自己潤滑性摺動材としては、カーボン摺動材、ＰＴＦＥ摺動材又はポリイミド摺動材が好適に使用される。
【００１０】
上記構成によれば、回転側摺動環は機内の高圧ガス圧力と機外の大気圧との差圧によって倒れ込み方向の変形力を受けるが、この変形力は、回転軸の環状段差部への押し付け方向に作用する前記差圧の軸方向成分による変形力で相殺されるため、前記回転側摺動環の倒れ込み変形による密封摺動面の偏摩耗の発生が抑制される。なお、静止側摺動環も同様に、前記差圧によって倒れ込み方向の変形力を受けるが、静止側摺動環には回転側摺動環に作用するような、倒れこみ変形力を相殺する変形力は生じない。しかしながら、この静止側摺動環は回転側摺動環よりもヤング率の大きい材料からなるため、倒れこみ変形力による変形量は問題にならないレベルとすることができる。
【００１１】
また、本発明において付加される一層好ましい構成としては、互いに接触する回転軸の環状段差部と回転側摺動環の内径部背面との間の外周部に、回転側パッキンによる密封部より内径側に位置して軸方向隙間が形成される。このようにすることによって、回転側摺動環の倒れ込み変形と逆方向の変形力を発生するので、前記倒れ込み変形による密封摺動面の外周側の偏摩耗を一層確実に防止し得るものとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構の好ましい実施の一形態を示すもので、図中の参照符号１はＣＯ２を冷媒として用いる車室空調装置の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の軸孔１１の内周から前記圧縮機の内部に挿通され、エンジンのクランクシャフトからの駆動力を電磁クラッチ(図示省略)を介して与えられることにより回転して、圧縮機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、メカニカルシール３が装着されている。
【００１３】
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３２が、軸方向に互いに対向しており、その対向端面同士が密接した密封摺動面Ｓにおいて、軸封機能を奏するものである。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、図１におけるシールハウジング１の右側に存在し前記密封摺動面Ｓの外周側に達する空間Ａが、密封対象の機内空間、前記密封摺動面Ｓの内周側に達する図中左側の空間Ｂが、機外に開放された大気側空間である。
【００１４】
メカニカルシール３の構成を更に詳しく説明すると、回転側摺動環３２はカーボン摺動材からなるものであって、静止側摺動環３１からみて機内空間Ａ側に配置され、回転軸２の外周面に回転側Ｏリング３７を介して固定的に嵌着されている。回転軸２は、回転側摺動環３２の装着位置に、シールハウジング１の軸孔１１への挿通部側が小径となる環状段差部２１，２２が形成されており、回転側摺動環３２は、背面が小径側の第一の環状段差部２１に当接される内周径方向部３２１と、その外周端部から背面側へ延びて前記第一の環状段差部２１の大径側外周面２３に回転側Ｏリング３７を介して担持される外周軸方向部３２２とを有し、前記内周径方向部３２１の正面には、円周方向へ連続した摺動突起３２３が形成されている。
【００１５】
一方、静止側摺動環３１はカーボン摺動材よりもヤング率の大きい硬質摺動材(例えばＳｉＣ等のセラミックス)からなるものであって、シールハウジング１の内周にその軸孔１１に沿って機内側へ延在された筒状支持部１２の外周面に、静止側Ｏリング３３を介して軸方向移動自在に装着されている。また、この静止側Ｏリング３３は、前記静止側摺動環３１の背面側の内周面に形成されたパッキン装着凹部３１ａに収容された状態で、前記筒状支持部１２の外周面との間で径方向に適当な潰し代が付与されている。前記静止側摺動環３１の背面(回転側摺動環３２と反対側の面)には、金属板からなるリテーナ３４が当接配置され、その内径部は静止側摺動環３１のパッキン装着凹部３１ａの背後を塞ぐように延びている。
【００１６】
リテーナ３４の背面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、筒状支持部１２の基部外周面に形成された係合部１２ａと円周方向に係合されると共に、前記基部の後端から立ち上がるシールハウジング１の端面１３に軸方向に係止されている。そして前記リテーナ３４とケース３５との間には、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。また、前記ケース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、精子側摺動環３１の外周面に等位相間隔で形成された係合切欠３１ｂと軸方向相対移動自在に係合している。
【００１７】
以上の構成において、シールハウジング１に、その筒状支持部１２の係合部１２ａ及びケース３５を介して回り止めされた静止側摺動環３１は、ウェーブスプリング３６の軸方向付勢力をリテーナ３４を介して与えられることにより、その先端面３１ｃが、回転軸２と共に回転する回転側摺動環３２の摺動突起３２３の先端面に適当な面圧で押し付けられ、これにより密封摺動面Ｓが形成される。回転軸２が回転している圧縮機の駆動時には、機内で高圧・高温に圧縮される冷媒ＣＯ２ガス中に冷凍機油がミスト状に混在されており、その一部は、密封摺動面Ｓに介入して潤滑油膜を形成し、この密封摺動面Ｓを良好に潤滑すると共に、大気側空間Ｂへの冷媒ＣＯ２ガスの通過を遮断する。
【００１８】
ここで、機内空間Ａの冷媒ＣＯ２ガスの圧力は、大気側空間Ｂにおける大気圧よりも高圧であるため、静止側Ｏリング３３による密封部の外周側で静止側摺動環３１の背面に作用する前記冷媒ＣＯ２ガスの圧力と大気圧との差圧は、密封摺動面Ｓにおける面圧を増大させる押し付け荷重として働く。しかし、静止側Ｏリング３３と密封摺動面Ｓの径方向位置関係は、前記押し付け荷重の大部分が、回転側摺動環３２の摺動突起３２３による密封摺動面Ｓの外周側で、前記静止側摺動環３１の正面に軸方向に作用する差圧によって相殺されるように設定されているので、機内空間Ａの冷媒ＣＯ２ガス圧力が大きく変動しても、密封摺動面Ｓの面圧は大きく変化することがない。また、上記したように静止側摺動環３１はヤング率の大きい材料からなるため、変形量は問題にならないレベルである。
【００１９】
一方、回転側摺動環３２は、静止側摺動環３１と密接して密封摺動面Ｓを形成する摺動突起３２３が、内周径方向部３２１に突設されていて、回転側Ｏリング３７による密封部より内径側に位置しているので、図２に示されるように、密封摺動面Ｓの外周側で回転側摺動環３２の正面に軸方向に作用する差圧Δｐ１の受圧面積は、回転側Ｏリング３７による密封部の外周側で回転側摺動環３２の背面に軸方向に作用する差圧Δｐ２の受圧面積より大きい。したがって、この回転側摺動環３２は、前記受圧面積の差に由来する軸方向荷重Ｆ１によって、内周径方向部３２１の背面が、回転軸２における第一の環状段差部２１にプレスフィットされた状態に固定される。
【００２０】
また、回転側Ｏリング３７による密封部よりも密封摺動面Ｓ側の部分で、回転側摺動環３２に径方向に作用する差圧Δｐ３は、この回転側摺動環３２に、図２に二点鎖線で示されるような静止側摺動環３１側へ倒れ込ませる方向の変形力Ｆ２を生じさせる。しかし、上述した軸方向荷重Ｆ１は、このような変形力Ｆ２を相殺する方向に作用するため、回転側摺動環３２のＦ２方向への倒れ込みが抑えられ、このため密封摺動面Ｓ（摺動突起３２３）の摩耗量が外周側で大きくなる偏摩耗が有効に防止される。
【００２１】
次に、図３は本発明に係る他の実施の形態を示すものである。この形態においては、回転軸２における第一の環状段差部２１に、回転側摺動環３２の摺動突起３２３と対応する外径寸法の副段差部２１ａが形成され、これによって、回転側摺動環３２の内周径方向部３２１の背面と前記第一の環状段差部２１との間の外周部に、回転側Ｏリング３７による密封部よりも内径側に位置する軸方向隙間Ｇを形成したものである。その他の部分の構成は、図１とほぼ同様である。
【００２２】
図３の構成によれば、回転側摺動環３２に、先の図２に示される差圧Δｐ１と差圧Δｐ２の受圧面積の差による変形力Ｆ１が作用した場合、回転側摺動環３２には、副段差部２１ａの外径端を支点Ｐとして、図４に誇張して示されるような変形を生じる。そしてこの変形は、摺動突起３２３を外周側へ持ち上げるように作用するので、図２に二点鎖線で示されるような倒れ込みによる摺動突起３２３の外周側の偏摩耗を確実に防止することができる。
【００２３】
なお、この構成においては、例えば変形力Ｆ１を一定とした場合、副段差部２１ａによる支点Ｐが内径側にあるほど、Ｆ１方向の変形量がより大きくなり、逆に支点Ｐが外周側にあるほど前記変形量がより小さくなることは自明である。したがって、軸方向隙間Ｇの内径（副段差部２１ａの外径）は、密封摺動面Ｓが適切な接触状態となるように、使用条件に応じて設定される。
【００２４】
図５は、本発明に係る更に他の実施の形態を示すものである。この形態においては、回転側摺動環３２の内周径方向部３２１の背面における外周部に、円周方向に連続した逃げ溝３２１ａを形成してあり、これによって、回転軸２における第一の環状段差部２１との間の外周部に、回転側Ｏリング３７による密封部よりも内径側に位置する軸方向隙間Ｇが形成されるように構成したものである。その他の部分の構成は、図１とほぼ同様である。
【００２５】
すなわちこの場合は、回転側摺動環３２に先の図２に示される差圧Δｐ１と差圧Δｐ２の受圧面積の差による変形力Ｆ１が作用した場合、回転側摺動環３２には、逃げ溝３２１ａの内径端部を支点Ｐとする変形を生じ、この変形が、摺動突起３２３を外周側へ持ち上げるように作用するので、図３によるものと同様の効果が実現される。
【００２６】
なお、上記各実施形態においては、回転側摺動環３２をカーボン摺動材からなるものとしたが、他の自己潤滑性摺動材、例えばＰＴＦＥやポリイミドを用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構によれば、機内の冷媒ガス圧力が高圧になっても、回転側摺動環の倒れ込み変形による密封摺動面の外周側の偏摩耗や、これに起因する摺動負荷の増大や、冷媒ガス漏洩の増大を有効に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構の好ましい実施の一形態を、軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【図２】上記一形態による作用を示す説明図である。
【図３】本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構の好ましい実施の第二の形態を、軸心を通る平面で切断して示す要部半断面図である。
【図４】上記他の形態による作用を示す説明図である。
【図５】本発明に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構の好ましい実施の第三の形態を、軸心を通る平面で切断して示す要部半断面図である。
【図６】従来技術に係るメカニカルシールによる圧縮機の軸封機構を、軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。
【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偏摩耗による摺動面隙間の発生状態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
２１  第一の環状段差部(環状段差部)
２１ａ  副段差部
３  メカニカルシール
３１  静止側摺動環
３２  回転側摺動環
３２１  内周径方向部
３２１ａ  逃げ溝
３２３  摺動突起
３３  静止側Ｏリング(静止側パッキン)
３６  ウェーブスプリング(スプリング)
３７  回転側Ｏリング(回転側パッキン)
Ａ  機内空間
Ｂ  大気側空間
Ｇ  軸方向隙間
Ｓ  密封摺動面
【図１】
0004606545.tif 000002
【図２】
0004606545.tif 000003
【図３】
0004606545.tif 000004
【図４】
0004606545.tif 000005
【図５】
0004606545.tif 000006
【図６】
0004606545.tif 000007
【図７】
0004606545.tif 000008
【図８】
0004606545.tif 000009