JP2018071702A - 冷凍機コンプレッサの軸封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れる冷凍機コンプレッサの軸封装置を提供する。
【解決手段】冷媒を圧縮する冷凍機コンプレッサの軸封装置であって、前記冷凍機コンプレッサの回転軸２が挿通されるハウジング１と、前記ハウジング１に保持された静止密封環４０及び前記回転軸２に装着されその摺動面３０ａが前記静止密封環４０の摺動面４０ａと摺接する回転密封環３０を有するメカニカルシール３と、前記回転軸２を軸封する補助シール９０と、前記メカニカルシール３と前記補助シール９０との間に形成される中間室Ｃにおいて、前記摺動面４０ａの少なくとも一部にかかる高さまで貯留された冷凍機油Ｌとを備えた。
【選択図】図１

Description

冷凍サイクル装置において冷媒を圧縮するコンプレッサの回転軸を軸封する冷凍機コンプレッサの軸封装置に関するものである。

自動車用空調装置（カーエアコン）のような冷凍サイクル装置において冷媒を圧縮するコンプレッサを軸封する冷凍機コンプレッサには、冷媒を軸封するために軸封装置が用いられている。従来、軸封装置として、小型軽量のリップシールが主に用いられてきた。ところで、冷媒として、従来フロンガスが使用されていたものの、オゾン層の破壊や赤外線の吸収による温暖化が問題とされ、二酸化炭素（CO_２）が使用されるようになっている。冷媒として二酸化炭素を使用する場合は、フロンガスを使用する場合に比較して、冷媒の圧縮圧力が大幅に上昇する。そのため、軸封装置としてリップシールよりも密封性に優れるメカニカルシールを用いることが提案されている。（特許文献１を参照。）メカニカルシールは、摺動面間に潤滑膜を形成することで優れた耐久性を実現することができる。

特開２００７−９８８６公報（[0044]-[0049]、図１）

ここで、冷凍機コンプレッサでは、その内部の冷凍機油が少なくなってメカニカルシールの摺動面間において潤滑膜が形成されず、いわゆる貧潤滑となり耐久性を失うことがある。例えば、冷凍機コンプレッサの長時間の停止時等にハウジング内に液相冷媒が溜まり、液相冷媒に相溶性を有する冷凍機油が希釈された場合や冷凍機コンプレッサを高負荷条件下で使用する場合に貧潤滑となることがある。そして、貧潤滑となった場合には、メカニカルシールの摺動面間に潤滑膜が十分に形成されず、メカニカルシールの摺動面が固体潤滑状態となって摩擦係数が異常に上昇したりスティックスリップ現象を起こしたりする虞がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、耐久性に優れる冷凍機コンプレッサの軸封装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の冷凍機コンプレッサの軸封装置は、
冷媒を圧縮する冷凍機コンプレッサの軸封装置であって、
前記冷凍機コンプレッサの回転軸が挿通されるハウジングと、
前記ハウジングに保持された静止密封環及び前記回転軸に装着されその摺動面が前記静止密封環の摺動面と摺接する回転密封環を有するメカニカルシールと、
前記回転軸を軸封する補助シールと、
前記メカニカルシールと前記補助シールとの間に形成される中間室において、前記摺動面の少なくとも一部にかかる高さまで貯留された冷凍機油と
を備えている。
これによれば、中間室において摺動面の少なくとも一部にかかる高さまで冷凍機油が貯留されているとともに摺動面間は隙間が小さく、冷凍機コンプレッサの停止後、摺動面間には冷凍機油が毛細管現象により導かれるため、摺動面間に確実に潤滑膜を介在させることができる。特に、冷凍機コンプレッサの起動時において、摺動面間の冷凍機油が少なく貧潤滑を招きやすい状況にあっても、摺動面間の少なくとも一部には冷凍機油が供給されており、回転密封環の回転に伴って摺動面全体に冷凍機油が供給されることとなる。このことからメカニカルシールは流体潤滑を維持でき耐久性に優れる。

前記冷凍機油は、前記中間室において上方に空間を残して貯留されている。
これによれば、中間室の冷凍機油が温度により膨張しても、中間室の圧力は過度に上昇することなく、メカニカルシールの中間室と機内側の差圧が大きく変動することがなく、メカニカルシールによって良好にシールできる。

前記補助シールは前記冷媒を透過する材料で形成されている。
これによれば、補助シールは、冷凍機油を密封しつつメカニカルシールの摺動面間を通って中間室に漏洩した冷媒を機外側に透過させることができる。そのため中間室の圧力は過度に上昇せず、メカニカルシールの中間室と機内側の差圧が大きく変動することがなく、メカニカルシールによって冷媒を良好にシールできる。

前記補助シールはリップシールである。
これによれば、補助シールをリップシールとしているため小型化できる。

前記リップシールは、前記メカニカルシールよりも機外側に配置されている。
これによれば、機内側にメカニカルシールが配置されるため、圧力の高い冷媒の軸封が確実となる。また、中間室は機外側まで延びているため中間室内の冷凍機油は機外側から冷やされ、回転密封環及び静止密封環の冷却に寄与する。

前記メカニカルシールはインサイド形であり、前記中間室は前記メカニカルシールの内周面と前記回転軸の外周面により画成されている。
これによれば、冷凍機油と接触する回転側の部材が少なく、回転軸の回転トルクに及ぼす影響が少ない。

前記冷媒は二酸化炭素である。
これによれば、メカニカルシールを用いているため、圧力の高い二酸化炭素の軸封が確実となる。

前記回転密封環の摺動面及び前記静止密封環の摺動面は、算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下である。
これによれば、摺動面間の隙間が小さく毛細管現象を確実に生じせしめる。

実施例１における冷凍機コンプレッサの軸封装置の全体を示す断面図である。 図１のケースの斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 摺動面に冷凍機油が導かれる概念を説明する図である。 実施例１の変形例を示す断面図である。 実施例２における冷凍機コンプレッサの軸封装置の全体を示す断面図である。

本発明に係る冷凍機コンプレッサの軸封装置を実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。なお、本発明はこれに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加えうるものである。

図１に示すように、冷凍機コンプレッサの軸封装置１０は、メカニカルシール３とリップシール９０（補助シール）とから構成されており、冷凍機コンプレッサは回転軸２を水平方向に配置した横置きに設置されている。メカニカルシール３とリップシール９０とはそれぞれ、冷凍機コンプレッサのハウジング１と、ハウジング１の軸孔１１を貫通して冷凍機コンプレッサの内部と外部に連通するように配置される回転軸２との間に装着されている。メカニカルシール３よりも機内Ｍ側には被密封流体であるガス状の冷媒として（二酸化炭素（ＣＯ_２））及び冷凍機油としてＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）が封入されている。実施例１では、メカニカルシール３とリップシール９０との間の中間室Ｃにも冷凍機油Ｌを貯留する構成としている。なお、中間室Ｃの冷凍機油Ｌは、機内Ｍ側の冷凍機油と同じＰＡＧであるが、必ずしもＰＡＧに限られない。

メカニカルシール３は、ハウジング１と回転軸２との間に装着されている。回転軸２は、大気Ａ側において図示しないエンジンのクランク軸からの駆動力が電磁クラッチ等の機構を介して伝達され、これにより回転し、冷凍機コンプレッサ内部の機構を駆動する。

メカニカルシール３は、ハウジング１に非回転状態に装着される静止密封環であるメイティングリング３０、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密封環であるシールリング４０を有する。また、メカニカルシール３は、シールリング４０を回転軸２に嵌着するための構成として、ケース６０、スプリング７０、スプリングホルダ７１及びＯリング８０を有する。

メイティングリング３０とシールリング４０とは、回転軸２の軸方向に沿って互いに対向するように配置されており、それらの対向した端面である摺動面３０ａ、４０ａ同士が密接することにより、冷媒をシールする。すなわち、機内Ｍ側の冷媒は大気Ａ側に漏洩、流出しないようにシールされる。

図１に示されるように、ハウジング１の右側の摺動面３０ａ、４０ａの外周側の空間は、ガス状の冷媒が充満する機内Ｍ側空間であり、摺動面３０ａ、４０ａの内周側からハウジング１の左側に至る空間が大気Ａ側（機外）空間である。実施例１のメカニカルシール３は、外周側から内周側への被密封流体である冷媒の漏れを防止するインサイド形である。

メイティングリング３０のシールリング４０側の端面は摺動面３０ａとして形成されている。シールリング４０の環状の摺動突起４１のメイティングリング３０側に摺動面４０ａが形成されている。また、摺動面３０ａ及び摺動面４０ａは、鏡面仕上げにより中心線平均粗さＲａが０．２ｍｍ以下好ましくは０．１ｍｍ以下とされている。

シールリング４０は、例えばカーボン摺動材により形成され、メイティングリング３０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）により形成される。

Ｏリング８０は、シールリング４０の背面側（メイティングリング３０とは反対側の面）の端部の内周面に形成されたＯリング装着凹部４３に収容される。シールリング４０の背面には、金属板であるスプリングホルダ７１が当接配置され、その内径部はシールリング４０のＯリング装着凹部４３の背後を塞ぐように延びている。スプリングホルダ７１の背面側には三脚台状の金属板（例えばステンレス鋼板）からなるケース６０が配置されている。

図２を参照し、ケース６０は、中央に嵌合孔６２を有する鍔状の底板６１、底板６１から軸方向に僅かに延びるリブ６３、リブ６３から軸方向に延びる３本のガイド片６４（ガイド部材）から形成されている。ガイド片６４は周方向に均等間隔で形成されており、シールリング４０の外周面に同じく均等間隔に形成された切欠４２（図１）と係合している。これにより、シールリング４０は、回転軸２の軸方向には移動可能な状態となり、周方向（回転方向）には移動不能な状態とされる。

メイティングリング３０は、ガスケット５０を介在させてハウジング１の軸孔１１の機内Ｍ側開口部に拡径形成された環状凹部１２に嵌入されている。ガスケット５０は内部の金属環５１がインサート成形によりゴム部材５２により覆われている。

図１に示されるように、回転軸２は、機内Ｍ側から、大径部２０、第１の段差部２１、第２の段差部２２、小径部２３が形成されている。ケース６０は底板６１の外側面（右面）が、回転軸２の第１の段差部２１の径方向面に当接されることにより、ケース６０は回転軸２の軸方向に係止されている。また、ケース６０は嵌合孔６２の平坦部６２ａが回転軸２の第１の段差部２１の一部に形成された切欠部２６と係合するように構成されている（図１）。これによりケース６０は、回転軸２に対して周方向に移動不能に、すなわち、回転軸２の回転に伴って回転軸２と一体的に回転するように、回転軸２に嵌合されている。

第２の段差部２２は、第１の段差部２１よりも小径であり、シールリング４０が取り付けられている。小径部２３は第２の段差部２２よりも小径であり傾斜部２２ａと連続して形成されており、メイティングリング３０が挿通されるとともに、その外周面にリップシール９０（補助シール）の先端部が接触している。リップシール９０はハウジング１の軸孔１１の大気Ａ側開口部に拡径形成された環状凹部１３に嵌入・固定されている。

リップシール９０は、シール部材９１と、金属環９２と、バックアップリング９４とから主に構成されている。シール部材９１とバックアップリング９４は、インサート成形によりゴム部材９３により覆われた金属環９２に収納・保持されている。シール部材９１は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分として形成されている。

このような構成により、シールリング４０にはスプリング７０による付勢力が回転軸２の軸方向に与えられ、摺動突起４１先端の摺動面４０ａはメイティングリング３０の摺動面３０ａに適切な使用圧力で押し付けられる。また、シールリング４０は、回転軸２からの回転トルクをケース６０を介して与えられることとなり、回転軸２と一体的に回転する。この結果、回転軸２の回転に伴って、メイティングリング３０の摺動面３０ａとシールリング４０の摺動面４０ａとは密接した状態で摺動することとなり、メイティングリング３０の摺動面３０ａとシールリング４０の摺動面４０ａとの摺動により冷媒をシールする。

図１、図３に示すように、中間室Ｃは、大気Ａ側（機外）空間に設けられた室であり、回転軸２の小径部２３、回転軸２の傾斜部２２ａ、シールリング４０の内周面、メイティングリング３０の内周面、ガスケット５０の内周面、メカニカルシール３とリップシール９０との間のハウジング１の内周面、リップシール９０の側面により画成されている。

そして、この中間室Ｃには冷凍機油Ｌが環状の摺動面４０ａの略下半分の高さ位置（図１，図３において破線ｈ０で示す位置）まで貯留されているため、摺動面３０ａと摺動面４０ａとの間に冷凍機油Ｌが供給されて、貧潤滑となることが防止される。摺動面３０ａ及び摺動面４０ａは鏡面仕上げに加工され、摺動面３０ａと摺動面４０ａとの間の隙間（摺動面間）は極めて小さいため、図４において矢印で示すように、中間室Ｃの冷凍機油Ｌは当該隙間に毛細管現象により外径側に導かれる。このようにして、確実に当該隙間（摺動面間）に冷凍機油Ｌによる潤滑膜を介在させることができる。そして、冷凍機コンプレッサの停止後、当該隙間（摺動面間）には冷凍機油が毛細管現象により導かれるため、摺動面間に確実に潤滑膜を介在させることができる。特に、冷凍機コンプレッサの起動時において、摺動面間の冷凍機油が少なく貧潤滑を招きやすい状況にあっても、当該隙間（摺動面間）の下方の一部には冷凍機油が供給されており、シールリング４０の回転（図４の白抜き矢印）に伴って冷凍機油は周方向に順次上方に導かれ摺動面全体に冷凍機油が供給されることとなる。このことからメカニカルシール３は流体潤滑を維持でき耐久性に優れる。

上述の毛細管現象を確実に発揮させるためには、摺動面３０ａ及び摺動面４０ａを、それぞれ算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下として、隙間（摺動面間）を小さくすることが好ましい。

また、冷凍機油Ｌを隙間に確実に導くためには、冷凍機油Ｌを中間室Ｃにおいて最も下方に位置する摺動面４０ａの部位４５の位置（図１、図３において破線ｈ１で示す位置）よりも高い位置まで貯留されていることが必要である。好ましくは、冷凍機油Ｌを貯留しておく高さは、メイティングリング３０の内周面のうち最も下方に位置（図１において破線ｈ２で示す位置）する部位より高い位置、あるいは概ね回転軸２の小径部２３の外周面のうち最も下方に位置（図１，図３において破線ｈ３で示す位置）する部位より高い位置であればよい。すなわち、冷凍機油Ｌは摺動面４０ａの一部にかかる高さまで貯留されている必要がある、より詳しくは摺動面３０ａと摺動面４０ａとが摺接する部位の内周縁の一部にかかる高さまで貯留されている必要がある。図５には、冷凍機油Ｌを貯留する高さを、回転軸２の小径部２３の外周面のうち最も下方に位置（図３において破線ｈ３で示す位置）とした変形例を示している。

また、冷凍機油Ｌは、中間室Ｃにおいて上方に冷凍機油Ｌが存在しない空間Ｃ１を残して貯留することが好ましく、中間室Ｃにおいて上方に空間Ｃ１を残すことにより、冷凍機油Ｌが温度変化によって膨張しても、空間Ｃ１がバッファとして機能するため中間室Ｃの圧力は過度に上昇しない。そのため中間室Ｃの圧力は過度に上昇せず、メカニカルシール３の機内Ｍ側と中間室Ｃの差圧が大きく変動することがなく、メカニカルシール３に作用する圧力バランスが大きく崩れることがなく良好にシールできる。

また、シール部材９１は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分として形成されており、低摩擦性、耐熱性、冷媒透過性である。シール部材９１が冷媒を透過する材料で形成されているため、メカニカルシール３の摺動面３０ａ、４０ａ間を通って中間室Ｃに漏洩した冷媒を大気Ａ側に透過させることができる。これにより、中間室Ｃの圧力の変動が少なくなるため、メカニカルシール３の機内Ｍ側と中間室Ｃの差圧が大きく変動することがなく、メカニカルシール３に作用する圧力バランスが大きく崩れることがなく良好にシールできる。同様に中間室Ｃと大気Ａ側との差圧の変動を小さすることができる。

シール部材９１は、冷凍機油Ｌをシールしガス状の冷媒を透過する材料を主成分として形成されていればよく、ポリテトラフルオロエチレンの他、ニトリルゴム、水素化ニトリルゴム、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、アクリルゴム、シリコーンゴム等を用いることができる。

冷凍機油Ｌを中間室Ｃに貯留しておく高さ、言い換えると冷凍機油Ｌを中間室Ｃに貯留しておく量は、上述した摺動面間に冷凍機油Ｌを供給する条件と上述した中間室Ｃの上方に空間Ｃ１を残す条件とを満たす範囲であればよい。そして、静止状態において、シール部材９１が接触する部分の回転軸２すなわち小径部２３の一部が冷凍機油Ｌに接する高さ位置（図１，図３において破線ｈ３以上ｈ４未満で示す位置）まで冷凍機油Ｌが貯留されていることが好ましい。これによれば、確実にこれら条件を満たすことができるとともに冷凍機油Ｌの注入量の管理が易しく軸封装置１０の組み立てが簡単であるからである。

また、補助シールの種類は問わないが、補助シールとしてリップシール９０を採用しているためメカニカルシール等を採用する場合に比べ小型化できる。また、リップシール９０は、シール部材９１が１枚のいわゆる１枚シールとすると、冷媒の透過性を確保できるため好ましい。

また、リップシール９０は、メカニカルシール３よりも大気Ａ側に配置されているため、メカニカルシール３が主シールとして機能するため圧力の高い冷媒の軸封が確実となる。また、中間室Ｃは大気Ａ側まで延びているため中間室Ｃ内の冷凍機油Ｌは大気Ａ側から冷やされ、メイティングリング３０及びシールリング４０の冷却に寄与する。

また、メカニカルシール３はインサイド形であり、中間室Ｃはメカニカルシール３の内周面と回転軸２の外周面により画成されているので、冷凍機油Ｌは回転側の部材と接触する箇所が少なく、回転軸２の回転トルクに及ぼす影響が少ない。

また、メカニカルシール３を用いているため圧力の高い冷媒たる二酸化炭素の軸封が確実となる。さらに、摺動面間の冷凍機油Ｌが液化された冷媒に溶解しても中間室Ｃの冷凍機油Ｌが摺動面間に供給されるため、潤滑膜を形成することができメカニカルシール３の耐久性に優れる。

以下、本発明の実施例２について説明する。実施例２はリップシール１９０を設ける位置が実施例１とは主に相違している。なお、実施例１と同様の構成についてはその説明を省略する。

図６に示されるように、冷凍機コンプレッサの軸封装置１０は、メカニカルシール３よりも機内Ｍ側にリップシール１９０（補助シール）が配置されている。リップシール１９０とメカニカルシール３との間の中間室Ｄは、機内Ｍ側空間に設けられた室であり、中間室Ｄには、上方に空間Ｄ１を残して、環状の摺動面４０ａの略下半分の高さ位置まで冷凍機油Ｌが貯留されている。

リップシール１９０は、シール部材１９１と、バックアップリング１９４と、金属環１９２とから主に構成されている。シール部材１９１とバックアップリング１９４は、インサート成形によりゴム部材１９３により覆われた金属環１９２に収納・保持されている。シール部材１９１は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を主成分として形成されている。リップシール１９０の先端部は回転軸２の大径部２０の外周面に接触している。また、リップシール１９０はハウジング１の軸孔１１の機内Ｍ側開口部から嵌入され、軸方向位置をスナップリング１９５に規制されている。

以上のように構成したため、実施例１と同様に、中間室Ｄには冷凍機油Ｌが環状の摺動面４０ａの略下半分の高さ位置まで貯留されているため、摺動面３０ａと摺動面４０ａとの間に冷凍機油Ｌが供給されて、貧潤滑となることが防止される。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、上述した実施例では、メカニカルシール３として回転型のものについて説明したが、静止型のものであってもよい。

また、中間室Ｃ、Ｄに貯留する冷凍機油を冷凍サイクル装置に封入される冷凍機油と同じものを例に説明したが、冷凍機油の種類は異なるものであってもよい。

また、メイティングリング３０は硬質摺動材により形成され、シールリング４０はカーボン摺動材により形成される例について説明したが、これらの材質は問わない。例えば、メイティング３０及びシールリング４０をいずれも硬質摺動材（例えばＳｉＣ等のセラミックス）により形成してもよい。

１ ハウジング
２ 回転軸
３ メカニカルシール
１０ 軸封装置
３０ メイティングリング（固定密封環）
３０ａ 摺動面
４０ シールリング（回転密封環）
４０ａ 摺動面
５０ ガスケット
６０ ケース
９０ リップシール（補助シール）
９１ シール部材
１９０ リップシール（補助シール）
１９１ シール部材
Ａ 大気
Ｍ 機内
Ｃ，Ｄ 中間室
Ｃ１，Ｄ１ 空間
Ｌ 冷凍機油

Claims (8)

1. 冷媒を圧縮する冷凍機コンプレッサの軸封装置であって、
   前記冷凍機コンプレッサの回転軸が挿通されるハウジングと、
   前記ハウジングに保持された静止密封環及び前記回転軸に装着されその摺動面が前記静止密封環の摺動面と摺接する回転密封環を有するメカニカルシールと、
   前記回転軸を軸封する補助シールと、
   前記メカニカルシールと前記補助シールとの間に形成される中間室において、前記摺動面の少なくとも一部にかかる高さまで貯留された冷凍機油と
   を備えた冷凍機コンプレッサの軸封装置。
2. 前記冷凍機油は、前記中間室において上方に空間を残して貯留されている請求項１に記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。
3. 前記補助シールは前記冷媒を透過する材料で形成されている請求項１または２に記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。
4. 前記補助シールはリップシールである請求項１ないし３のいずれかに記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。
5. 前記リップシールは、前記メカニカルシールよりも機外側に配置されている請求項４に記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。
6. 前記メカニカルシールはインサイド形であり、前記中間室は前記メカニカルシールの内周面と前記回転軸の外周面により画成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。
7. 前記冷媒は二酸化炭素である請求項１ないし６のいずれかに記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。
8. 前記回転密封環の摺動面及び前記静止密封環の摺動面は、算術平均粗さＲａが０．２μｍ以下である請求項１ないし７のいずれかに記載の冷凍機コンプレッサの軸封装置。

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