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WO2023106140A1 - 軸シール - Google Patents

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Info

Publication number
WO2023106140A1
WO2023106140A1 PCT/JP2022/043609 JP2022043609W WO2023106140A1 WO 2023106140 A1 WO2023106140 A1 WO 2023106140A1 JP 2022043609 W JP2022043609 W JP 2022043609W WO 2023106140 A1 WO2023106140 A1 WO 2023106140A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
seal
shaft
lip portion
shaft seal
seal lip
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/043609
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
健 安田
佳大 ▲高▼橋
Original Assignee
Ntn株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2021198154A external-priority patent/JP2023084053A/ja
Priority claimed from JP2022054698A external-priority patent/JP2023147120A/ja
Application filed by Ntn株式会社 filed Critical Ntn株式会社
Publication of WO2023106140A1 publication Critical patent/WO2023106140A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C27/00—Sealing arrangements in rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/18—Sealings between relatively-moving surfaces with stuffing-boxes for elastic or plastic packings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3204—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip
    • F16J15/3232—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip having two or more lips
    • F16J15/3236—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings with at least one lip having two or more lips with at least one lip for each surface, e.g. U-cup packings

Definitions

  • the present invention relates to a shaft seal for a rotary shaft, and more particularly to a shaft seal for a rotary shaft in a scroll compressor of an on-vehicle air conditioner.
  • the compressor uses a sealing member to prevent leakage of refrigerant and refrigerating machine oil.
  • a shaft seal is attached to a rotary shaft that drives the compression mechanism.
  • the scroll compressor is mounted on a vehicle and used as an electric compressor for an on-vehicle air conditioner, and is required to be smaller and more efficient.
  • Such shaft seals are required to have low torque in addition to sealing properties.
  • the shaft seal of Patent Document 1 is shown in FIG.
  • the shaft seal 71 is an annular shaft seal that is in close contact with the outer peripheral surface of the rotating shaft S to seal a sealing fluid containing oil.
  • the shaft seal 71 has a substantially U-shaped cross section in the axial direction. and an outer lip 73 provided.
  • a molding of a thermoplastic elastomer composition containing a polyester-based elastomer as a main component is used as a shaft seal, and the flexural modulus of the molding is set within a predetermined range, thereby providing excellent sealing performance and reducing rotational torque. can be reduced.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a shaft seal that has excellent sealing performance and low torque characteristics.
  • a shaft seal according to the present invention is an annular shaft seal that is in close contact with the outer peripheral surface of a rotating shaft to seal a sealing fluid, the shaft seal includes a seal lip portion that slides on the rotating shaft, The lip portion has a concave portion or a convex portion at or near the contact portion of the inner peripheral surface that slides on the rotating shaft.
  • the shaft seal has a substantially U-shaped cross section in the axial direction, and is characterized by having an outer lip portion provided on the outer diameter side of the seal lip portion.
  • the above-mentioned shaft seal is characterized by being a shaft seal used for a rotary shaft in a scroll compressor of an in-vehicle air conditioner.
  • a plurality of the grooves are spaced apart in the circumferential direction of the shaft seal, and the width of the grooves is 1% to 15% of the circumference of the inner diameter of the seal lip portion, and the grooves are adjacent to each other in the circumferential direction.
  • the interval between the grooves is 1% to 15% of the circumference of the inner diameter of the seal lip portion.
  • the width of the groove is characterized by being larger than the interval between the grooves adjacent in the circumferential direction.
  • the concave groove is formed so as to extend in the circumferential direction of the shaft seal, and when the total length of the seal lip portion is taken as 100%, the range is from a position of 5% to a position of 30% from the tip of the seal lip portion. characterized by being formed in
  • the maximum depth of the groove is 10% to 30% of the thickness of the seal lip portion.
  • a gap between the rotating shaft and the housing to which the shaft seal is mounted is divided into a high pressure side and a low pressure side by the shaft seal, and the seal lip portion extends to the high pressure side and slides on the rotating shaft. and the contact portion of the inner peripheral surface that slides on the rotating shaft has the convex portion formed over the entire circumference.
  • the contact portion is a region of the inner peripheral surface that contacts the rotation shaft.
  • the convex portion is characterized in that it is formed within a range of up to 30% from the tip of the seal lip portion toward the other end side when the total length of the seal lip portion is taken as 100%.
  • the maximum height of the convex portion is 5% to 20% of the thickness of the seal lip portion.
  • the seal lip portion has a concave groove as a recess in the vicinity of the contact portion (excluding the tip) of the inner peripheral surface that slides on the rotating shaft.
  • the contact area of the seal lip portion can be reduced while maintaining the performance, and the torque can be reduced more than the conventional shaft seal (see FIG. 9) in which no recessed groove is formed.
  • the groove since lubricant such as oil is held in the groove, the groove also functions as a lubrication groove, contributing to a reduction in torque. As a result, the shaft seal has excellent sealing performance and low torque characteristics.
  • the concave groove is formed so as to extend in the axial direction of the shaft seal, and when the total length of the seal lip portion is taken as 100%, the concave groove starts from a position 5% to 30% from the tip of the seal lip portion and extends toward the other end side. Therefore, the groove is not formed at least in the range of 5% of the total length from the tip of the seal lip portion, and the seal lip portion is in contact with the entire circumference with a certain width, so that the sealing performance is improved. can be maintained.
  • a plurality of grooves are formed at intervals in the circumferential direction of the shaft seal, and the width of the grooves is 1% to 15% of the inner peripheral length of the seal lip portion, and the distance between adjacent grooves in the circumferential direction. is 1% to 15% of the circumference of the inner diameter of the seal lip portion, so it is easy to stably support the rotating shaft while suitably reducing the torque.
  • the interval between grooves is the length of the convex surface between adjacent grooves.
  • the seal lip portion has a convex portion formed over the entire circumference at the contact portion of the inner peripheral surface that slides on the rotating shaft. , the contact area of the seal lip portion can be reduced, and the torque can be reduced more than the conventional shaft seal (see FIG. 9) in which no convex portion is formed. As a result, the shaft seal has excellent sealing performance and low torque characteristics.
  • the convex portion is formed within a range of up to 30% from the tip of the seal lip portion toward the other end side, so that the contact area of the seal lip portion is increased. can be reduced, and the low torque characteristics are better.
  • FIG. 1(a) is a plan view of the shaft seal viewed from the seal lip portion side
  • FIG. 1(b) is a sectional view taken along the line AA.
  • the shaft seal 11 is an annular member having a substantially U-shaped cross section in the axial direction. also has an outer lip portion 13 provided on the outer diameter side of the seal.
  • the seal lip portion 12 and the outer lip portion 13 extend from the base end portion 14, respectively, and the seal lip portion 12 and the outer lip portion 13 are formed so as to be inclined in directions in which the tips thereof are separated from each other.
  • the rotating shaft is inserted through the inner hole of the shaft seal 11, and the seal lip portion 12 slides on the rotating shaft.
  • An inner peripheral surface 12a of the seal lip portion 12 serves as a sliding surface with the outer peripheral surface of the rotating shaft, and a recessed groove 15 is formed as a concave portion recessed radially outward in the vicinity of the contact portion of the inner peripheral surface 12a.
  • the vicinity of the contact portion is a region that does not include the tip 12b of the seal lip portion 12 in the region where the inner peripheral surface 12a contacts the rotating shaft.
  • the concave groove is formed so as to cover at least the vicinity of the contact portion.
  • the tip 12b of the seal lip portion 12 is not formed with the recessed groove 15. As shown in FIG. In this case, the tip of the seal lip portion 12 is in contact with the rotating shaft all around. The seal lip portion 12 is pressed against the rotary shaft by the pressure on the high pressure side so as to be in close contact with the rotary shaft, and the closer the seal lip portion 12 is to the tip 12b of the shaft seal, the higher the adhesion strength. Therefore, as shown in FIG. 1(b), by contacting the whole circumference of a certain region including the tip 12b, it is easy to maintain good adhesion to the rotating shaft while forming the concave groove 15 in the contact region. Become.
  • a plurality of grooves 15 are formed so as to extend in the axial direction of the shaft seal 11 .
  • the groove 15 has a starting point at a position 5% to 30% (preferably a position 5% to 20%) from the tip 12b of the seal lip portion 12 and the other end. formed towards the side.
  • the concave groove 15 is formed so as not to open on the side of the tip 12b but to open on the side of the other end.
  • the groove 15 is also formed on the inner peripheral surface of the base end portion 14 .
  • the total length of the seal lip portion 12 is the length of a straight line from the corner (seal lip portion 12 side) of the bottom surface 14a of the shaft seal 11 to the top of the tip 2b of the seal lip portion 2 on the outer diameter side.
  • the concave groove 15 is open on the other end side in FIG. 1, for example, the concave groove may be formed so as not to open on the other end side. In this case, the groove is a groove that does not open on both axial sides of the shaft seal.
  • FIG. 2(a) shows a side view of the state where the shaft seal of FIG. 1 is attached to the rotating shaft, and FIG. A cut cross-sectional view) is shown.
  • the rotating shaft S is inserted through the inner hole of the shaft seal 11, and the shaft seal 11 is attached to a mounting portion such as a housing.
  • a plurality of recessed grooves 15 are formed at intervals in the circumferential direction of the shaft seal 11.
  • the inner peripheral surface 12a between the adjacent grooves 15 constitutes a part of the sliding surface, and the grooves 15 are non-contact portions with the outer peripheral surface of the rotating shaft S.
  • the width (length in the circumferential direction) of each groove 15 is preferably 1% to 15%, more preferably 5% to 15%, of the inner circumference of the seal lip portion.
  • the width of the groove 15 is the width of the opening with respect to the inner peripheral surface.
  • the interval (groove interval) between the grooves 15 adjacent in the circumferential direction is preferably 1% to 15%, more preferably 5% to 15%, of the inner circumference of the seal lip portion 12 . Moreover, from the viewpoint of reducing torque, it is preferable that the width of the concave groove 15 is larger than the groove interval.
  • the interval between the grooves 15 (groove interval) is the length of the convex surface between adjacent grooves.
  • the width of the groove may be constant in the axial direction (see FIG. 1(b)), or may vary in the axial direction.
  • the groove may be formed so that the width of the groove narrows stepwise or continuously toward the other end (base end side). In this case, the groove interval widens stepwise or continuously toward the other end side (base end side).
  • all the grooves 15 have the same size and that a plurality of them (six in FIG. 2) are provided at approximately equal intervals.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of the seal lip portion, showing the cross-sectional shape of the groove 15.
  • FIG. The recessed groove 15 is formed of an arc-shaped bottom surface 15a and sidewalls 15b, 15b standing upright from the bottom surface 15a.
  • the bottom surface 15 a is formed by an arc that is concentric with the arcs of the inner peripheral surface 12 a and the outer peripheral surface 12 c of the seal lip portion 12 .
  • the maximum depth d (length in the radial direction) of the groove 15 is preferably 10% to 30%, more preferably 20% to 30%, of the thickness T of the seal lip portion. As a result, while maintaining the strength of the seal lip portion, even if the seal lip portion is deformed, the concave groove 15 is less likely to come into contact with the rotating shaft.
  • the maximum depth d of the groove 15 is the length of a vertical line drawn from the deepest portion of the bottom surface 15a to the inner peripheral surface (dotted line in FIG. 3) assuming that no groove is formed.
  • the thickness T of the seal lip portion 12 is, for example, 0.3 mm to 1.5 mm.
  • the cross-sectional shape of the groove 15 is not limited to a substantially rectangular shape (FIG. 3(a)).
  • a substantially triangular concave groove 17 (FIG. 3(c)), an arc-shaped concave groove 18 (FIG. 3(d)), a substantially trapezoidal concave groove 19 (FIG. 3(e)), etc. can be employed.
  • the grooves 15 to 18 are symmetrical with respect to the circumferential center line of each groove.
  • the groove 19 has an asymmetrical shape with respect to its circumferential center line.
  • the width and maximum depth of these concave grooves 15 to 19 can be appropriately set, and are preferably within the numerical ranges described above.
  • the concave grooves in FIGS. 3(b) to 3(e) are formed in a wedge shape in the rotation direction X of the rotating shaft, the lubricant held in the concave grooves is squeezed to generate a dynamic pressure effect. and the rotational torque can be further reduced.
  • the wedge shape specifically, an inclined flat surface or an inclined curved surface whose groove depth becomes shallower toward the downstream side in the rotation direction of the rotating shaft is formed.
  • the circumferential corners of the groove are smaller than 135° as shown in FIGS. 3A and 3B, the circumferential corners may be chamfered or chamfered.
  • a dynamic pressure effect can also be expected by chamfering.
  • the seal lip portion 22 has a recessed groove 25 near the contact portion of the inner peripheral surface 22a (excluding the tip 22b).
  • the concave groove 25 is formed over the entire circumference of the inner peripheral surface 22a so as to extend in the circumferential direction.
  • the groove 25 extends from the tip 22b of the seal lip portion to the 5% to 30% position (preferably to the 5% to 20% position. ) is preferably formed in the range of
  • the shape of the concave groove 25 in an axial cross section is not particularly limited, and a rectangular groove, a triangular groove, an arc groove, or the like can be adopted.
  • a plurality of grooves 25 may be formed spaced apart in the axial direction.
  • the maximum depth (radial length) of the groove 25 is preferably 10% to 30%, more preferably 20% to 30%, of the thickness T of the seal lip portion 22. preferable.
  • the thickness T of the seal lip portion 22 is, for example, 0.3 mm to 1.5 mm.
  • the shaft seal 21 prevents the fluid on the high pressure side H from leaking to the low pressure side L by having the seal lip portion 22 in close contact with the outer peripheral surface of the rotating shaft S.
  • Fluids include refrigerants, oils, mixtures of refrigerants and oils, and the like.
  • the shaft seal 31 is an annular member having a substantially U-shaped cross section in the axial direction. also has an outer lip portion 33 provided on the outer diameter side of the seal.
  • the seal lip portion 32 and the outer lip portion 33 extend from the base end portion 34, respectively, and the seal lip portion 32 and the outer lip portion 33 are formed so as to be inclined in directions in which the tips thereof are separated from each other.
  • the housing 41 is provided with an insertion hole 41a through which the rotating shaft S is inserted, and an annular groove 42 is provided around the insertion hole 41a.
  • the shaft seal 31 is mounted in the annular groove 42, and the seal lip portion 32 slides on the rotating shaft S as the rotating shaft S rotates.
  • the inner peripheral surface 32a of the seal lip portion 32 serves as a sliding surface with respect to the outer peripheral surface of the rotating shaft S. As shown in FIG. When the compressor is operated, the pressure on the high pressure side rises, the seal lip portion 32 is pressed against the outer peripheral surface of the rotary shaft S, and the rear surface of the base end portion 34 is pressed against the bottom wall 42b.
  • the seal lip portion 32 has a convex portion 35 with a predetermined height at the contact portion of the inner peripheral surface 32a.
  • the convex portion 35 protrudes radially inward at the contact portion of the inner peripheral surface 32a and is formed over the entire circumference.
  • the contact portion is a region where the inner peripheral surface 32a of the seal lip portion 32 contacts the rotating shaft S.
  • the convex portion 35 may be formed on part or all of the contact portion.
  • the axial cross-sectional shape of the protrusion 35 is substantially rectangular.
  • the convex portion 35 extends from the tip 32b of the seal lip portion 32 toward the other end on the inner peripheral surface 32a of the seal lip portion 32 up to 30%. It is preferably formed between.
  • “formed within a range of up to 30% from the tip toward the other end” does not mean that it is formed in the entire range from the tip (0%) to 30%. %) to 30%. Also, as long as it is formed in the range from the tip (0%) to 30%, it may be formed in a range exceeding 30%, for example, it may be formed in the entire range from 10% to 35%. case is also included.
  • the convex portion 35 is preferably formed including the tip 32b, that is, formed starting from the tip 32b, and furthermore, the convex portion 35 is formed within a range of up to 20% from the tip 32b. is more preferably formed between
  • the total length Lt of the seal lip portion 32 refers to the length of a straight line from the corner (seal lip portion 32 side) of the bottom surface 34a of the shaft seal 31 to the top of the tip 32b of the seal lip portion 32 on the outer diameter side.
  • the total length Lt of the seal lip portion 32 is, for example, preferably 1.0 mm to 8.0 mm, more preferably 1.0 mm to 6.5 mm, and further preferably 2.0 mm to 6.5 mm. preferable.
  • the shaft seal 31 prevents the fluid on the high pressure side H from leaking to the low pressure side L by having the seal lip portion 32 in close contact with the outer peripheral surface of the rotating shaft S.
  • Fluids include refrigerants, oils, mixtures of refrigerants and oils, and the like.
  • Each shaft seal in FIG. 6 shows a state before being mounted on a rotating shaft, and represents a cut surface cut along the axial direction of the shaft seal.
  • Each of the shaft seals shown in FIG. 6 has a convex portion that protrudes in the inner peripheral direction from the inner peripheral surface 32a of the seal lip portion 32 and is formed within a range of 30% from the tip toward the other end. .
  • FIG. 6(a) is a diagram showing a cut surface on the lower side of the paper surface of the shaft seal shown in FIG.
  • FIG.6(b) is an enlarged view around the convex part in Fig.6 (a).
  • the convex portion 35 is located on the innermost side of the inner peripheral surface 32a, and has a planar contact surface 35a and a contact surface 35a. It is formed by convex side surfaces 35b, 35b.
  • the contact surface 35a is formed with a surface parallel to the axial direction
  • the convex side surfaces 35b, 35b are formed with surfaces parallel to the radial direction.
  • the strength of the convex portion 35 is easily maintained, so that the convex portion 35 is less likely to deform.
  • the contact area of the convex portion 35 with respect to the rotary shaft can be easily maintained constant, resulting in excellent sealing performance.
  • the maximum height (radial length) h of the convex portion 35 is preferably 5% to 20% of the thickness T of the seal lip portion 32, more preferably 10% to 20%. As a result, the strength of the convex portion 35 can be maintained, so that the convex portion 35 is less likely to deform. As a result, leakage of fluid is less likely to occur, and excellent sealing performance is achieved.
  • the maximum height h of the convex portion 35 is the height from the highest portion of the contact surface 35a to the inner peripheral surface 32a or the virtual surface F of the inner peripheral surface 32a assuming that no convex portion is formed (the convex height in FIG. 6B). is the length of the perpendicular drawn down to (dotted line at the bottom of section 35).
  • the thickness T of the seal lip portion 32 is, for example, 0.3 mm to 1.5 mm.
  • the cross-sectional shape of the convex portion is not limited to the above-described substantially rectangular shape, and may be, for example, an arc shape, substantially trapezoidal shape, substantially triangular shape, or the like.
  • the cross-sectional shape of the convex portion may be symmetrical or asymmetrical with respect to the center line.
  • one of the convex side surfaces 35b, 35b may be an inclined surface inclined with respect to the radial direction.
  • FIG. 6(c) is an enlarged view of the vicinity of the convex portion.
  • the convex portion 36 is located on the innermost side of the inner peripheral surface 32a, and has a curved contact surface 36a and convex side surfaces 36b, 36b depending from the contact surface 36a. is formed by For example, by forming the contact surface into a curved shape, the contact area of the seal lip portion 32 with respect to the rotating shaft can be reduced compared to the case where the axial cross-sectional shape is substantially rectangular, which contributes to lower torque. Further, when the inner peripheral end portion of the convex portion 36 is deformed, the contact area of the convex portion 36 with respect to the rotating shaft gradually increases as the amount of deformation increases, thereby improving the sealing performance.
  • FIG. 6(d) is an enlarged view of the vicinity of the convex portion.
  • the convex portion 37 is located on the innermost side of the inner peripheral surface 32a, and has a planar contact surface 37a and the contact surface 37a so that the width of the convex portion 37 is widened. It is formed of slanted surfaces 37b, 37b that are slanted to the opposite side, and convex side surfaces 37c, 37c that hang down from the slanted surfaces 37b, 37b, respectively.
  • the contact area of the seal lip portion 32 with respect to the rotating shaft can be reduced compared to the case where the cross-sectional shape in the axial direction is substantially rectangular, which contributes to lower torque.
  • the amount of change in the contact area of the protrusion 37 with respect to the rotation shaft before and after the deformation of the protrusion 37 is greater than when the cross-sectional shape in the axial direction is arcuate. It is small and has excellent sealing properties even at the initial stage of deformation.
  • a plurality of protrusions may be provided spaced apart in the axial direction.
  • two substantially rectangular projections can be provided spaced apart in the axial direction.
  • FIG. 6(f) is an enlarged view of the vicinity of the protrusions in the shaft seal having two adjacent protrusions.
  • a groove G is formed between the projections 35', 35'.
  • the groove since lubricant such as oil is held in the groove G, the groove also functions as a lubrication groove, contributing to a reduction in torque.
  • the maximum depth d of the groove G can be, for example, 20% to 100% of the maximum height of the projection 35'.
  • the maximum depth d of the groove G is preferably 30% to 80%, more preferably 40% to 60%, of the maximum height of the projection 35'. Thereby, deformation of the convex portion 35' can be prevented while maintaining the strength of the convex portion 35'.
  • the maximum depth d of the groove G is the distance (surface-to-surface distance) from the deepest part of the bottom surface Ga to the highest part of the contact surface 35'a of the protrusion 35'.
  • the above-described numerical ranges can be appropriately adopted for the width and maximum height of each convex portion and the maximum depth of the concave groove.
  • the shape of the convex portion is not limited to the shape shown in FIG.
  • some of the projections shown in FIG. 6 may be combined as appropriate, and planes and curved surfaces may also be combined as appropriate.
  • FIGS. 1 to 6 show shaft seals having a substantially U-shaped cross section in the axial direction
  • the shaft seal of the present invention is not limited to this.
  • the shaft seal may be provided with a lip portion other than the seal lip portion and the outer lip portion (for example, a dust lip that slides on the rotating shaft).
  • a shape consisting of the seal lip portion 2 and a fixed portion without the outer lip portion 3 may be used.
  • the high pressure side H of the housing 26 is provided with a compression mechanism.
  • the form of the compression mechanism may be any mechanism as long as the fluid is compressed by the rotation of the rotating shaft S, and a scroll type or a swash plate type can be adopted.
  • the compression mechanism unit is configured by combining a fixed scroll and a movable scroll that revolves with respect to the fixed scroll.
  • Fig. 7 shows a partial cross-sectional view of the scroll-type compression mechanism.
  • the compression mechanism section 51 includes a fixed rotor 53 having a base plate 53a and fixed side scroll blades 53b standing upright on its surface, and a movable rotor having a base plate 54a and movable side scroll blades 54b standing upright on its surface. 54.
  • a fixed rotor 53 and a movable rotor 54 are eccentrically meshed with each other to form a compression chamber 52 therebetween.
  • the movable rotor 54 is directly or indirectly connected to the above-described rotating shaft, and the compression chamber 52 moves toward the center of the spiral as the movable rotor 54 revolves around the axis of the fixed rotor 53.
  • the compressed fluid is discharged from the discharge pipe through the discharge port 55 at the center of the movable rotor 54 and flows out to the refrigeration cycle.
  • Fluid (refrigerant gas, etc.) of the refrigerating cycle is introduced into the compression chamber 52 through the suction port (not shown).
  • polytetrafluoroethylene (PTFE) resin polytetrafluoroethylene (PTFE) resin, tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer (PFA) resin, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) resin, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer ( ETFE) resin, polyvinylidene fluoride resin, liquid crystal polymer, polyethersulfone resin, polysulfone resin, polyphenylsulfone resin, polyarylate resin, polyetherimide resin, polyimide resin, polyester resin, and the like can be used.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA tetrafluoroethylene-perfluoroalkoxyethylene copolymer
  • FEP tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer
  • ETFE ethylene-tetrafluoroethylene copolymer
  • a solid lubricant such as PTFE resin, graphite, and molybdenum disulfide can be blended into the above resin composition and thermoplastic elastomer composition for the purpose of improving friction and wear characteristics.
  • the blending amount of the solid lubricant is preferably 1% to 40% by volume, more preferably 1% to 20% by volume, relative to 100% by volume of the resin composition or thermoplastic elastomer composition. If it exceeds 40% by volume, the elongation properties of the resin composition or thermoplastic elastomer composition may deteriorate, and cracks may occur when the shaft seal is incorporated into the rotating shaft.
  • the resin composition or thermoplastic elastomer composition may contain fibrous reinforcing materials such as carbon fiber, glass fiber and aramid fiber; spherical fillers such as spherical silica; Reinforcing materials, sliding reinforcing materials such as calcium phosphate and calcium sulfate, and fine fiber reinforcing materials such as potassium titanate whiskers may also be used. Colorants such as carbon black and iron oxide can also be blended. These may be blended singly or in combination.
  • the shaft seal of the present invention can be used for scroll compressors of in-vehicle air conditioners.
  • the scroll compressor may be belt-driven using engine power or motor-driven without using engine power.
  • the shaft seal of the present invention can be used not only in compressors.
  • the shaft seal of the present invention is molded by injection molding, for example, using a general injection molding machine for thermoplastic resins.
  • the above-mentioned resin composition or the above-mentioned thermoplastic elastomer composition is prepared by mixing each constituent material with a Henschel mixer, an axial mixer, a ball mixer, a ribbon blender, etc., if necessary, and then melting with a twin-screw kneading extruder, etc.
  • the pellets for molding can be obtained by melt-kneading with an extruder.
  • side feed may be adopted for charging the filler when melt-kneading with a twin-screw extruder or the like.
  • a shaft seal is formed by injection molding using this molding pellet.
  • Test examples A1 to A4 A thermoplastic elastomer composition was prepared in a twin-screw kneading extruder and pelletized. Shaft seals of Test Examples A1 to A4 were formed by injection molding using the obtained pellets. As test examples A1 and A2, shaft seals (inner diameter: 20 mm) having the shapes shown in FIGS. 1 and 2 were obtained. Specifically, as the grooves, six grooves were formed so as to extend in the axial direction. Table 1 shows each dimension of the groove. The groove width and groove interval were measured as arc lengths. Further, as test examples A3 and A4, shaft seals (with an inner diameter of 20 mm) having the shape (no groove) shown in FIG. 9 were obtained.
  • ⁇ Rotating torque test> Using the rotational torque tester shown in FIG. 8, a rotational torque test was performed in oil under the following conditions to measure the rotational torque and the amount of oil leakage.
  • ⁇ Test conditions> Rotating shaft: Material S45C Rotation speed: 3000min -1 , 8000min -1 Oil pressure: 0.3MPa, 0.8MPa Oil temperature: 40°C Refrigerant oil: Polyalkylene glycol oil Test time: 60 minutes
  • the housing of the testing machine 56 is configured by assembling an outer peripheral housing 59 and an inner peripheral housing 60 .
  • an O-ring 61 is arranged in the outer circumferential groove of the inner peripheral side housing 60 to prevent leakage of refrigerating machine oil from the mating surfaces.
  • the shaft seal 57 is in close contact with the rotary shaft 58 and comes into sliding contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft 58 as the rotary shaft 58 rotates.
  • Refrigerant oil was pumped and supplied to the space in the housing.
  • the refrigerating machine oil flows in from the inflow path 59b, passes through the housing inner space, and flows out from the outflow path 59c.
  • Test Examples A1 and A2 maintained oil leak resistance compared to Test Examples A3 and A4 (conventional products). However, an improvement in rotational torque was recognized. Specifically, in Test Examples A1 and A2, the rotational torque was reduced by about 8% to 10% compared to Test Examples A3 and A4.
  • Test examples B1-B2 The thermoplastic elastomer composition was pelletized with a twin-screw kneading extruder. Shaft seals of Test Examples B1 and B2 were formed by injection molding using the obtained pellets. As Test Example B1, a shaft seal having the shape shown in FIG. 5 (inner diameter: 20 mm, total length of the seal lip portion: 4 mm, thickness of the seal lip portion: 0.5 mm) was obtained. Specifically, a single protrusion was formed over the entire circumference of the contact portion of the inner peripheral surface of the shaft seal with a rotating shaft, which will be described later. Table 2 shows each dimension of the projection.
  • the width of the convex portion was measured as the maximum distance between two tangent lines formed by the two side surfaces of the convex portion and the imaginary plane F. Further, as test example B2, a shaft seal (inner diameter: 20 mm, full length of the seal lip portion: 4 mm, thickness of the seal lip portion: 0.5 mm) having a shape (without protrusions) shown in FIG. 9 was obtained.
  • the shaft seal of the present invention has excellent sealing properties and can further reduce rotational torque, so it can be widely used as a shaft seal that seals a sealing fluid while sliding on the outer peripheral surface of the rotating shaft.
  • it is suitable as a shaft seal for a rotating shaft that rotates the compression mechanism of a scroll-type refrigerant compressor for an in-vehicle air conditioner.

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Abstract

シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールを提供する。軸シール１１は、回転軸の外周面に密着して密封流体を封止する環状の軸シールであって、回転軸と軸シール１１を装着するハウジングとの隙間が、軸シール１１によって高圧側と低圧側に区画され、高圧側に延伸して回転軸と摺動するシールリップ部１２を備え、シールリップ部１２は、回転軸と摺動する内周面１２ａの接触部近傍に凹溝１５を有し、凹溝１５は、軸シール１１の軸方向に延びるように形成され、シールリップ部１２の全長を１００％としたとき、シールリップ部１２の先端１２ｂから５％～３０％の位置を起点とし他端側に向けて形成されている。

Description

軸シール
　本発明は、回転軸の軸シールに関し、特に、車載エアコンのスクロール式圧縮機における回転軸の軸シールに関する。
　圧縮機には冷媒や冷凍機油の漏れを防止するシール部材が用いられている。例えば、固定スクロールと、該固定スクロールに対して旋回運動する可動スクロールとを組み合わせた圧縮機構部を備えるスクロール式圧縮機では、圧縮機構部を駆動する回転軸に軸シールが装着されている。
　上記スクロール式圧縮機は、例えば車両に搭載され、車載エアコン用電動コンプレッサとして用いられ、小型化、高効率化が求められている。このような軸シールには、シール性に加えて、低トルク化が求められている。
　例えば、特許文献１の軸シールを図９に示す。図９に示すように、軸シール７１は、回転軸Ｓの外周面に密着して油を含有する密封流体を封止する環状の軸シールである。この軸シール７１は、軸方向の断面視が略Ｕ字状であり、軸方向一方側に延伸して回転軸Ｓと摺動するシールリップ部７２と、シールリップ部７２よりも外径側に設けられた外リップ部７３とを備えている。特許文献１では、軸シールとして、ポリエステル系エラストマーを主成分とする熱可塑性エラストマー組成物の成形体を使用し、その曲げ弾性率を所定の範囲とすることで、シール性に優れるとともに、回転トルクを低減できるとしている。
特開２０２１－０９２２７９号公報
　近年、省エネルギー化の進展に伴い、シール性に優れ、さらに回転トルクが低減できる軸シールが要求されている。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールを提供することを目的とする。
　本発明の軸シールは、回転軸の外周面に密着して密封流体を封止する環状の軸シールであって、上記軸シールは、上記回転軸と摺動するシールリップ部を備え、上記シールリップ部は、上記回転軸と摺動する内周面の接触部または接触部近傍に、凹部または凸部を有することを特徴とする。
　上記軸シールは、軸方向の断面視が略Ｕ字状であり、上記シールリップ部よりも外径側に設けられた外リップ部を有することを特徴とする。
　上記軸シールは、車載エアコンのスクロール式圧縮機における回転軸に用いられる軸シールであることを特徴とする。
　上記回転軸と上記軸シールを装着するハウジングとの隙間が、上記軸シールによって高圧側と低圧側に区画され、上記シールリップ部は、高圧側に延伸して上記回転軸と摺動するものであり、上記回転軸と摺動する内周面の接触部近傍に上記凹部として凹溝を有することを特徴とする。なお、接触部近傍とは、内周面の回転軸と接触する領域のうち、シールリップ部の先端を含まない領域である。
　上記凹溝は、上記軸シールの軸方向に延びるように形成され、上記シールリップ部の全長を１００％としたとき、上記シールリップ部の先端から５％～３０％の位置を起点とし他端側に向けて形成されていることを特徴とする。
　上記凹溝は、上記軸シールの周方向に離間して複数形成され、上記凹溝の幅は、上記シールリップ部の内径周長の１％～１５％であり、かつ、周方向で隣り合う上記凹溝の間隔は、上記シールリップ部の内径周長の１％～１５％であることを特徴とする。
　上記凹溝の幅は、周方向で隣り合う上記凹溝の間隔よりも大きいことを特徴とする。
　上記凹溝は、上記軸シールの周方向に延びるように形成され、上記シールリップ部の全長を１００％としたとき、上記シールリップ部の先端から５％の位置～３０％の位置までの範囲に形成されることを特徴とする。
　上記凹溝の最大深さは、上記シールリップ部の厚みの１０％～３０％であることを特徴とする。
　上記回転軸と上記軸シールを装着するハウジングとの隙間が、上記軸シールによって高圧側と低圧側に区画され、上記シールリップ部は、高圧側に延伸して上記回転軸と摺動するものであり、上記回転軸と摺動する内周面の接触部に、全周にわたって形成された上記凸部を有することを特徴とする。なお、接触部とは、内周面の回転軸と接触する領域である。
　上記凸部は、上記シールリップ部の全長を１００％としたとき、上記シールリップ部の先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されていることを特徴とする。
　上記凸部の最大高さは、上記シールリップ部の厚みの５％～２０％であることを特徴とする。
　上記凸部の軸方向断面における形状は、略矩形状、円弧状、略台形状、または略三角形状であることを特徴とする。
　本発明の軸シールは、回転軸と摺動するシールリップ部を備え、シールリップ部は、回転軸と摺動する内周面の接触部または接触部近傍に、凹部または凸部を有するので、シール性に優れ、低トルク特性を有する。
　一つの形態の軸シールにおいて、シールリップ部は、回転軸と摺動する内周面の接触部近傍（先端を除く）に凹部として凹溝を有するので、回転軸に対するシールリップ部の先端の密着性を維持しながら、シールリップ部の接触面積を減少でき、従来（図９参照）のように凹溝が形成されていない軸シールよりも低トルク化を図ることができる。さらに、凹溝にオイルなどの潤滑剤が保持されるため、当該凹溝は潤滑溝としても機能し、低トルク化に寄与する。これにより、シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールになる。
　凹溝は、軸シールの軸方向に延びるように形成され、シールリップ部の全長を１００％としたとき、シールリップ部の先端から５％～３０％の位置を起点とし他端側に向けて形成されているので、少なくともシールリップ部の先端から上記全長に対して５％の範囲には溝が形成されず、シールリップ部がある程度幅をもって全周接触されることから、シール性を良好に維持できる。
　凹溝は、軸シールの周方向に離間して複数形成され、凹溝の幅は、シールリップ部の内径周長の１％～１５％であり、かつ、周方向で隣り合う凹溝の間隔は、シールリップ部の内径周長の１％～１５％であるので、低トルク化を好適に図りつつ、回転軸を安定して支持しやすい。なお、凹溝の間隔とは、隣り合う凹溝と凹溝の間の凸面の長さである。
　凹溝の最大深さは、シールリップ部の厚みの１０％～３０％であるので、シールリップ部の強度を維持しつつ、シールリップ部が弾性変形した場合であっても、凹溝を非接触部にすることができ、低トルク化を図りやすい。
　他の形態の軸シールにおいて、シールリップ部は、回転軸と摺動する内周面の接触部に、全周にわたって形成された凸部を有するので、回転軸に対するシールリップ部の先端の密着性を維持しながら、シールリップ部の接触面積を減少でき、従来（図９参照）のように凸部が形成されていない軸シールよりも低トルク化を図ることができる。これにより、シール性に優れ、低トルク特性を有する軸シールになる。
　凸部は、シールリップ部の全長を１００％としたとき、シールリップ部の先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されているので、シールリップ部の接触面積をより減少でき、低トルク特性により優れる。
　凸部の最大高さは、シールリップ部の厚みの５％～２０％であるので、凸部が変形しにくくシール性により優れる。
第１実施形態の軸シールの一例を示す平面図および断面図である。 図１の軸シールを回転軸に装着した状態の側面図などである。 凹溝の溝形状の例を示す図である。 第１実施形態の軸シールの他の例を回転軸に装着した状態の図である。 第２実施形態の軸シールの一例を回転軸に装着した状態の図である。 凸部の断面形状の例を示す図である。 スクロール式圧縮機の圧縮機構部を示す模式断面図である。 回転トルクの測定試験の概略図である。 従来の軸シールの構成を示す図である。
　以下には、本発明の軸シールの各実施形態について説明する。なお、本発明において、軸シールの中心軸Ｏに平行な方向を「軸方向」、中心軸Ｏに直交する方向を「径方向」、中心軸Ｏを中心とする軸周りの方向を「周方向」という。
（第１実施形態）
　第１実施形態の軸シールについて、図１に基づいて説明する。図１（ａ）は軸シールをシールリップ部側から見た平面図であり、図１（ｂ）はそのＡ－Ａ線断面図である。
　図１に示すように、軸シール１１は、軸方向の断面視が略Ｕ字状の環状部材であり、軸方向一方側に延伸したシール内径側のシールリップ部１２と、シールリップ部１２よりもシール外径側に設けられた外リップ部１３とを有する。シールリップ部１２と外リップ部１３はそれぞれ基端部１４から延伸しており、シールリップ部１２と外リップ部１３は相互に先端が離れる方向へ傾斜して形成されている。
　後述するように、軸シール１１の内孔に回転軸が挿通され、シールリップ部１２がその回転軸と摺動する。シールリップ部１２の内周面１２ａが回転軸の外周面との摺動面となり、この内周面１２ａの接触部近傍に、径方向外側に凹んだ凹部として凹溝１５が形成されている。上述したように、この接触部近傍とは、内周面１２ａが回転軸と接触する領域のうち、シールリップ部１２の先端１２ｂを含まない領域である。例えば、シールリップ部１２の全長を１００％としたとき、シールリップ部の先端１２ｂから５％の位置～５０％の位置までの領域である。少なくとも接触部近傍にかかるように凹溝が形成されていればよい。
　図１（ｂ）では、シールリップ部１２の先端１２ｂには凹溝１５が形成されていない。この場合、回転軸に対してシールリップ部１２の先端が全周接触する。シールリップ部１２は、高圧側の圧力によって回転軸に密着するように押し付けられ、軸シールの先端１２ｂに近いほど密着力が高くなる。そのため、図１（ｂ）に示すように、先端１２ｂを含むある程度の領域を全周接触させることで、接触領域に凹溝１５を形成しながらも、回転軸に対する密着性を良好に維持しやすくなる。
　図１において、凹溝１５は、軸シール１１の軸方向に延びるように複数形成されている。この凹溝１５は、シールリップ部１２の全長を１００％としたとき、シールリップ部１２の先端１２ｂから５％～３０％の位置（好ましくは５％～２０％の位置）を起点とし他端側に向けて形成されている。また、この凹溝１５は、先端１２ｂ側には開口しない一方で、他端側に開口するように形成されている。この場合、凹溝１５は基端部１４の内周面にも形成されている。なお、シールリップ部１２の全長は、軸シール１１の底面１４ａの隅部（シールリップ部１２側）からシールリップ部２の先端２ｂの外径側の頂点までの直線の長さをいう。
　また、図１では凹溝１５は他端側に開口しているが、例えば、凹溝を他端側に開口しないように形成してもよい。この場合、当該凹溝は、軸シールの軸方向両側に開口しない溝となる。
　続いて、図２（ａ）には、図１の軸シールを回転軸に装着した状態の側面図を示し、図２（ｂ）はそのＢ－Ｂ線断面図（回転軸に垂直な方向に切断した断面図）を示す。図２（ａ）に示すように、使用時において、軸シール１１の内孔に回転軸Ｓが挿通され、軸シール１１は、ハウジングなどの取付部に装着される。
　図２（ｂ）に示すように、凹溝１５は軸シール１１の周方向で離間して複数形成されている。図２（ｂ）において、隣り合う凹溝１５同士の間の内周面１２ａは摺動面の一部を構成し、凹溝１５は回転軸Ｓの外周面との非接触部となっている。凹溝１５のそれぞれの幅（周方向長さ）は、シールリップ部の内径周長の１％～１５％であることが好ましく、５％～１５％であることがより好ましい。なお、凹溝１５の幅は、内周面に対する開口幅である。また、周方向で隣り合う凹溝１５の間隔（溝間隔）は、シールリップ部１２の内径周長の１％～１５％であることが好ましく、５％～１５％であることがより好ましい。また、低トルク化の観点から、凹溝１５の幅は溝間隔よりも大きいことが好ましい。なお、凹溝１５の間隔（溝間隔）とは、隣り合う凹溝と凹溝の間の凸面の長さである。
　なお、シールリップ部の内径周長は、軸シールの内径寸法（シールリップ部の先端間の距離）に基づいて算出される。軸シールの内径寸法は、例えば１０ｍｍ～５０ｍｍ程度である。
　凹溝の幅は、軸方向に向けて一定でもよく（図１（ｂ）参照）、軸方向に向けて変化させてもよい。例えば、他端側（基端部側）に向けて、凹溝の幅が段階的または連続的に狭くなるように凹溝を形成してもよい。この場合、溝間隔は、他端側（基端部側）に向けて、段階的または連続的に広くなる。
　図２において、摺動特性が安定することから、凹溝１５は全て同サイズとし、略等間隔で離間して複数（図２では６個）設けることが好ましい。
　図２の凹溝１５の形状について、図３（ａ）を用いて更に説明する。図３（ａ）はシールリップ部の断面図であり、凹溝１５の断面形状を示している。凹溝１５は、円弧状の底面１５ａと、その底面１５ａから直立した側壁１５ｂ、１５ｂで形成されている。底面１５ａは、シールリップ部１２の内周面１２ａおよび外周面１２ｃの円弧と同心円の円弧で形成されている。
　凹溝１５の最大深さｄ（径方向の長さ）は、シールリップ部の厚みＴの１０％～３０％であることが好ましく、２０％～３０％であることがより好ましい。これにより、シールリップ部の強度を維持しつつ、シールリップ部が変形した場合であっても、回転軸に対して凹溝１５が接触しにくくなる。凹溝１５の最大深さｄは、底面１５ａの最深部から凹溝が形成されていないと仮定した場合の内周面（図３の点線）に降ろした垂線の長さである。なお、シールリップ部１２の厚みＴは、例えば０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。
　凹溝１５の断面形状は、略矩形状（図３（ａ））に限定されず、例えば、略台形状の凹溝１６（図３（ｂ））や、底面が一対の平面１７ａ、１７ａで形成された略三角形状の凹溝１７（図３（ｃ））、円弧状の凹溝１８（図３（ｄ））、略台形状の凹溝１９（図３（ｅ））などを採用できる。凹溝１５～１８は、各凹溝の周方向中央線に対して対称形状になっている。一方、凹溝１９は、その周方向中央線に対して非対称形状になっている。これら凹溝１５～１９の幅や最大深さは、適宜設定でき、上述した数値範囲とすることが好ましい。
　また、図３（ｂ）～（ｅ）の凹溝は、回転軸の回転方向Ｘにくさび形状が形成されているため、凹溝に保持された潤滑剤が絞り込まれることで動圧効果が発生し、回転トルクをより低下させることができる。くさび形状として、具体的には、回転軸の回転方向の下流側に向かって溝深さが浅くなる傾斜平面や傾斜曲面が形成されている。なお、図３（ａ）、（ｂ）のように凹溝の周方向角部が１３５°より小さい場合は、周方向角部にＣ面取りあるいはＲ面取りを施してもよい。面取りを付けることで動圧効果も期待できる。
　次に、第１実施形態の軸シールの他の例について図４に基づいて説明する。図４は、軸シールを圧縮機に適用した例を示し、軸シールを回転軸に装着した状態の軸方向断面図を示している。図４において、ハウジング２６には、回転軸Ｓが挿通される挿入孔２６ａが設けられており、挿入孔２６ａの周囲に環状溝２７が設けられている。軸シール２１は、この環状溝２７に装着され、回転軸Ｓが回転することで、シールリップ部２２が回転軸Ｓに摺動する。
　図４において、軸シール２１は、シールリップ部２２と外リップ部２３とがそれぞれ高圧側Ｈに延伸するように環状溝２７に装着されている。この場合、各リップ部が延伸する側が高圧側Ｈに相当し、基端部２４の背面側が低圧側Ｌに相当する。装着した状態では、軸シール２１の外リップ部２３が環状溝２７の側壁２７ａに接触し、シールリップ部２２が回転軸Ｓの外周面に接触する。また、基端部２４の背面が環状溝２７の底壁２７ｂに密着する。一方、外リップ部２３と側壁２７ａとの間、およびシールリップ部２２と回転軸Ｓとの間にはそれぞれ空間が形成されており、基端部２４は回転軸Ｓに接触していない。圧縮機を稼働させると高圧側の圧力が上昇し、シールリップ部２２が回転軸Ｓの外周面に押し付けられ、さらに基端部２４の背面が底壁２７ｂに押し付けられる。
　軸シール２１において、シールリップ部２２は、内周面２２ａの接触部近傍（先端２２ｂを除く）に凹溝２５を有している。この凹溝２５は、周方向に延びるように、内周面２２ａの全周にわたって形成されている。凹溝２５は、シールリップ部２２の全長を１００％としたとき、上記シールリップ部の先端２２ｂから、５％の位置～３０％の位置まで（好ましくは５％の位置～２０％の位置まで）の範囲に形成されることが好ましい。凹溝２５の軸方向断面における形状は特に限定されず、矩形溝、三角溝、円弧溝などを採用できる。
　なお、図４では、凹溝２５を１本形成したが、軸方向に離間して複数本形成してもよい。また、凹溝２５についても、その最大深さ（径方向の長さ）は、シールリップ部２２の厚みＴの１０％～３０％であることが好ましく、２０％～３０％であることがより好ましい。なお、シールリップ部２２の厚みＴは、例えば０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。
　軸シール２１は、シールリップ部２２が回転軸Ｓの外周面に密着することで、高圧側Ｈの流体が低圧側Ｌへ漏れ出すことを防いでいる。流体は、冷媒、油、冷媒と油の混合物などが挙げられる。
（第２実施形態）
　第２実施形態の軸シールについて、図５に基づいて説明する。図５は、軸シールを圧縮機に適用した例を示し、軸シールを回転軸に装着した状態の軸方向断面図を示している。
　図５に示すように、軸シール３１は、軸方向の断面視が略Ｕ字状の環状部材であり、軸方向一方側に延伸したシール内径側のシールリップ部３２と、シールリップ部３２よりもシール外径側に設けられた外リップ部３３とを有する。シールリップ部３２と外リップ部３３はそれぞれ基端部３４から延伸しており、シールリップ部３２と外リップ部３３は相互に先端が離れる方向へ傾斜して形成されている。
　ハウジング４１には、回転軸Ｓが挿通される挿入孔４１ａが設けられており、挿入孔４１ａの周囲に環状溝４２が設けられている。軸シール３１は、この環状溝４２に装着され、回転軸Ｓが回転することで、シールリップ部３２が回転軸Ｓに摺動する。
　軸シール３１は、シールリップ部３２と外リップ部３３とがそれぞれ高圧側Ｈに延伸するように環状溝４２に装着されている。この場合、各リップ部が延伸する側を高圧側Ｈに向け、基端部３４の背面側を低圧側Ｌに向け装着する。装着した状態では、軸シール３１の外リップ部３３が環状溝４２の側壁４２ａに回転不能に接触し、シールリップ部３２が回転軸Ｓの外周面に回転不能に接触する。また、基端部３４の背面が環状溝４２の底壁４２ｂに密着する。一方、外リップ部３３と側壁４２ａとの間、およびシールリップ部３２と回転軸Ｓとの間にはそれぞれ空間が形成されており、基端部３４は回転軸Ｓに接触していない。シールリップ部３２の内周面３２ａは、回転軸Ｓの外周面との摺動面となる。圧縮機を稼働させると高圧側の圧力が上昇し、シールリップ部３２が回転軸Ｓの外周面に押し付けられ、さらに基端部３４の背面が底壁４２ｂに押し付けられる。
　軸シール３１において、シールリップ部３２は、内周面３２ａの接触部に所定の高さの凸部３５を有している。凸部３５は、内周面３２ａの接触部において、径方向内側に向けて突出しており、全周にわたって形成されている。ここで、接触部とは、シールリップ部３２の内周面３２ａが回転軸Ｓと接触する領域である。なお、凸部３５は、接触部の一部または全部に形成されていればよい。図５において、凸部３５の軸方向の断面形状は、略矩形状となっている。
　凸部３５は、シールリップ部３２の全長Ｌｔを１００％としたとき、シールリップ部３２の内周面３２ａにおいて、シールリップ部３２の先端３２ｂから他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されることが好ましい。ここで、先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されるとは、先端（０％）から３０％までの範囲の全部に形成されるという意味ではなく、先端（０％）から３０％までの範囲の一部または全部に形成されるという意味である。また、先端（０％）から３０％までの範囲の間に形成されていれば、３０％を超える範囲に形成されていてもよく、例えば１０％から３５％の全部に形成されているような場合も含まれる。シールリップ部３２の内周面３２ａにおいて、凸部３５は、先端３２ｂを含んで形成される、つまり先端３２ｂを起点として形成されることが好ましく、更に、その先端を起点として２０％までの範囲の間に形成されることがより好ましい。
　なお、シールリップ部３２の全長Ｌｔは、軸シール３１の底面３４ａの隅部（シールリップ部３２側）からシールリップ部３２の先端３２ｂの外径側の頂点までの直線の長さをいう。シールリップ部３２の全長Ｌｔは、例えば、１．０ｍｍ～８．０ｍｍであることが好ましく、１．０ｍｍ～６．５ｍｍであることがより好ましく、２．０ｍｍ～６．５ｍｍであることがさらに好ましい。
　軸シール３１は、シールリップ部３２が回転軸Ｓの外周面に密着することで、高圧側Ｈの流体が低圧側Ｌへ漏れ出すことを防いでいる。流体は、冷媒、油、冷媒と油の混合物などが挙げられる。
　凸部の形状について、図６（ａ）～図６（ｆ）を用いて更に説明する。図６の各軸シールは、回転軸に装着する前の状態を示しており、軸シールの軸方向に沿って切断した切断面を表している。図６の各軸シールのいずれも、凸部が、シールリップ部３２の内周面３２ａから内周方向に突出され、先端から他端側に向けて３０％の範囲の間に形成されている。
　図６（ａ）は、図５に示した軸シールの紙面下側における切断面を示す図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）における凸部周辺の拡大図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、凸部３５は、内周面３２ａのうち最も内周側に位置し、平面状の接触面３５ａと、その接触面３５ａから垂下した凸部側面３５ｂ、３５ｂで形成されている。この場合、接触面３５ａは軸方向と平行な面で形成され、凸部側面３５ｂ、３５ｂは、径方向と平行な面で形成される。図６（ａ）、（ｂ）に示すような略矩形状にすることで、凸部３５の強度が維持されやすいため、凸部３５は変形しにくい。その結果、回転軸に対する凸部３５の接触面積は一定に維持されやすくシール性に優れる。
　凸部３５の最大高さ（径方向の長さ）ｈは、シールリップ部３２の厚みＴの５％～２０％であることが好ましく、１０％～２０％であることがより好ましい。これにより、凸部３５の強度を維持できるため凸部３５が変形しにくい。その結果、流体の漏れが起こりにくく、シール性に優れる。凸部３５の最大高さｈは、接触面３５ａの最高部から内周面３２ａまたは凸部が形成されていないと仮定した場合の内周面３２ａの仮想面Ｆ（図６（ｂ）における凸部３５の下部の点線）に降ろした垂線の長さである。なお、シールリップ部３２の厚みＴは、例えば、０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。
　凸部３５の幅Ｗは、シールリップ部３２の全長Ｌｔの５％～３０％であることが好ましく、５％～２５％であることがより好ましく、１０％～２０％であることがさらに好ましい。これにより、凸部３５の強度を維持できるため凸部３５が変形しにくく、また、シールリップ部３２の接触面積をより減少できる。その結果、シール性および低トルク特性により優れる。なお、凸部３５の幅Ｗは、凸部側面３５ｂ、３５ｂと、仮想面Ｆとの２点の交点間の最大距離である。
　凸部の断面形状としては、上述した略矩形状に限られず、例えば、円弧状、略台形状、略三角形状などができる。凸部は、断面形状がその中央線に対して対称形状であってもよく、非対称形状であってもよい。例えば、図６（ｂ）において、凸部側面３５ｂ、３５ｂの一方を径方向に対して傾斜した傾斜面としてもよい。
　凸部の軸方向の断面形状が円弧状の場合について、図６（ｃ）を用いて説明する。図６（ｃ）は、その凸部周辺の拡大図である。図６（ｃ）に示すように、凸部３６は、内周面３２ａのうち最も内周側に位置し、曲面状の接触面３６ａと、その接触面３６ａから垂下した凸部側面３６ｂ、３６ｂで形成されている。例えば、接触面を曲面状とすることで、軸方向断面形状が略矩形状の場合に比べ、回転軸に対するシールリップ部３２の接触面積を減少でき、より低トルク化に寄与する。また、凸部３６の内周側先端部が変形する場合、変形量の増大につれて回転軸に対する凸部３６の接触面積が徐々に増え、シール性が向上する。
　凸部の軸方向の断面形状が略台形状の場合について、図６（ｄ）を用いて説明する。図６（ｄ）は、その凸部周辺の拡大図である。図６（ｄ）に示すように、凸部３７は、内周面３２ａのうち最も内周側に位置し、平面状の接触面３７ａと、凸部３７の幅が広がるように接触面３７ａに対して傾斜した傾斜面３７ｂ、３７ｂと、傾斜面３７ｂ、３７ｂのそれぞれから垂下した凸部側面３７ｃ、３７ｃで形成されている。これにより、軸方向の断面形状が略矩形状の場合に比べ、回転軸に対するシールリップ部３２の接触面積を減少でき、より低トルク化に寄与する。また、凸部３７の内周側先端部が変形する場合、軸方向の断面形状が円弧状の場合に比べ、凸部３７における変形前後での回転軸に対する凸部３７の接触面積の変化量が小さく、変形初期でもシール性に優れる。
　凸部の軸方向の断面形状が略三角形状の場合について、図６（ｅ）を用いて説明する。図６（ｅ）は、その凸部周辺の拡大図である。図６（ｅ）に示すように、凸部３８は、一対の傾斜面３８ａ、３８ａで形成されている。これにより、軸方向の断面形状が略矩形状の場合に比べ、回転軸に対するシールリップ部３２の接触面積を特に減少でき、一層低トルク化に寄与する。
　また、凸部は、軸方向に離間して複数設けられてもよい。例えば、２本の略矩形状の凸部を軸方向に離間して設けることもできる。２本の略矩形状の凸部が軸方向に離間して設けられた場合について、図６（ｆ）を用いて説明する。図６（ｆ）は、２本の隣接する凸部を有する軸シールにおける凸部周辺の拡大図である。図６（ｆ）に示すように、２本の凸部３５’、３５’が軸方向に離間して設けられる場合、凸部３５’、３５’の間には凹溝Ｇが形成される。この場合、凹溝Ｇにオイルなどの潤滑剤が保持されるため、当該凹溝は潤滑溝としても機能し、低トルク化に寄与する。
　凹溝Ｇの最大深さｄは、例えば、凸部３５’の最大高さの２０％～１００％にすることができる。凹溝Ｇの最大深さｄは、凸部３５’の最大高さの３０％～８０％であることが好ましく、４０％～６０％であることがより好ましい。これにより、凸部３５’の強度を維持しつつ、凸部３５’の変形を防止できる。凹溝Ｇの最大深さｄは、底面Ｇａの最深部から凸部３５’の接触面３５’ａの最高部までの距離（面間距離）である。
　図６において、各凸部の幅や最大高さ、凹溝の最大深さには、上述した数値範囲を適宜採用できる。また、凸部の形状は図６に示す形状に限らない。例えば、図６に示す各凸部の一部を適宜組み合わせてもよく、平面や曲面も適宜組み合わせることができる。
　上記図１～図６には、軸方向の断面視が略Ｕ字状の軸シールを示したが、本発明の軸シールはこれに限らない。例えば、軸シールに、シールリップ部と外リップ部以外のリップ部（例えば、回転軸と摺動するダストリップなど）を設けてもよく、また、軸シールが外リップ部を有さない形状（例えば、シールリップ部２と、外リップ部３の無い固定部とからなる形状）としてもよい。
　例えば図４の圧縮機において、ハウジング２６の高圧側Ｈには圧縮機構部が設けられる。圧縮機構部の形態は、回転軸Ｓの回転によって流体の圧縮が行われる機構であればよく、スクロール式や斜板式などを採用できる。例えば、スクロール式の場合、圧縮機構部は、固定スクロールと、該固定スクロールに対して旋回運動する可動スクロールとを組み合わせて構成される。
　図７には、スクロール式の圧縮機構部の一部断面図を示す。図７に示すように、圧縮機構部５１は、基板５３ａとその表面に直立する固定側スクロール翼５３ｂを有する固定ロータ５３と、基板５４ａとその表面に直立する可動側スクロール翼５４ｂを有する可動ロータ５４とを備えている。固定ロータ５３と可動ロータ５４が相互に偏心状態にかみ合わされて、それらの間に圧縮室５２が形成されている。可動ロータ５４は、上述の回転軸に直接的または間接的に接続されており、可動ロータ５４が固定ロータ５３の軸線の周りで公転することにより、圧縮室５２が渦巻形状の中心側に移動して流体の圧縮が行なわれる。圧縮された圧縮流体は、可動ロータ５４の中心部の吐出口５５を通って吐出管から吐出され、冷凍サイクルに流出する。そして、冷凍サイクルの流体（冷媒ガスなど）が吸入口（図示省略）を介して圧縮室５２へ導入される。
　本発明の軸シールは、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物からなる。樹脂組成物において、主成分となる樹脂（ベース樹脂）は限定されるものではなく、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＡ）樹脂、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）樹脂、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）樹脂、ポリビニリデンフルオライド樹脂、液晶ポリマー、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂などを用いることができる。
　また、熱可塑性エラストマー組成物において、主成分となるエラストマーは限定されるものではなく、ポリオレフィン系エラストマー、ポリエステル系エラストマー、ポリアミド系エラストマーなどを用いることができる。耐熱性、耐薬品性の点から、ポリエステル系エラストマーが特に好ましい。ポリエステル系エラストマーは、ハードセグメントとソフトセグメントを含み、ハードセグメントにポリエステル単位、ソフトセグメントにポリエーテル単位またはポリエステル単位が用いられる。ポリエステル系エラストマーは、ポリエステル－ポリエーテル型またはポリエステル－ポリエステル型のマルチブロック共重合体である。
　上記の樹脂組成物および熱可塑性エラストマー組成物には、摩擦摩耗特性を向上させる目的で、ＰＴＦＥ樹脂、グラファイト、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を配合することができる。
　固体潤滑剤の配合量は、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物１００体積％に対して、１体積％～４０体積％が好ましく、１体積％～２０体積％がより好ましい。４０体積％を超えると、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物の伸び特性が低下するおそれがあり、軸シールを回転軸に組み込む際に割れが発生するおそれがある。
　なお、本発明の効果を阻害しない程度に、樹脂組成物または熱可塑性エラストマー組成物に、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの繊維状補強材、球状シリカなどの球状充填材、マイカなどの鱗状補強材、リン酸カルシウム、硫酸カルシウムなどの摺動補強材、チタン酸カリウムウィスカなどの微小繊維補強材を用いてもよい。カーボンブラック、酸化鉄などの着色剤も配合できる。これらは単独で配合することも、組み合せて配合することもできる。
　本発明の軸シールは、車載エアコンのスクロール式圧縮機に用いることができる。スクロール式圧縮機は、エンジン動力を利用したベルト駆動、エンジン動力を利用しないモータ駆動のどちらであってもよい。また、本発明の軸シールは、圧縮機に限らず用いることができる。
　本発明の軸シールは、例えば、一般的な熱可塑性樹脂用の射出成形機を用い、射出成形によって成形される。上記樹脂組成物または上記熱可塑性エラストマー組成物は、構成する各材料を、必要に応じて、ヘンシェルミキサー、アキシャルミキサー、ボールミキサー、リボンブレンダーなどにて混合した後、二軸混練押出し機などの溶融押出し機にて溶融混練し、成形用ペレットを得ることができる。なお、充填材の投入は、二軸押出し機などで溶融混練する際にサイドフィードを採用してもよい。この成形用ペレットを用いて射出成形により軸シールを成形する。
［試験例Ａ］
試験例Ａ１～Ａ４
　熱可塑性エラストマー組成物を二軸混練押出し機で作製し、ペレット化した。得られたペレットを用いて射出成形により、試験例Ａ１～Ａ４の軸シールを成形した。試験例Ａ１～Ａ２として、図１および図２に示す形状の軸シール（内径寸法２０ｍｍ）を得た。具体的には、凹溝として、軸方向に延びるように凹溝を６個形成した。凹溝の各寸法を表１に示す。なお、溝幅および溝間隔は、円弧の長さとして計測した。
　また、試験例Ａ３～Ａ４として、図９に示す形状（溝なし）の軸シール（内径寸法２０ｍｍ）を得た。
＜回転トルク試験＞
　図８に示す回転トルク試験機を用いて、下記の条件でオイル中で回転トルク試験を実施して、回転トルクおよびオイルリーク量を測定した。
＜試験条件＞
　　回転軸　：材質Ｓ４５Ｃ
　　回転数　：３０００ｍｉｎ－１、８０００ｍｉｎ－１
　　油圧　　：０．３ＭＰａ、０．８ＭＰａ
　　油温　　：４０℃
　　冷凍機油：ポリアルキレングリコール油
　　試験時間：６０分
　図８に示すように、試験機５６のハウジングは、外周側ハウジング５９と内周側ハウジング６０とを組み付けて構成される。これらハウジングの合わせ面において、内周側ハウジング６０の外周溝にはＯリング６１が配置されており、合わせ面から冷凍機油が漏れることを防止している。軸シール５７は回転軸５８に密着しており、回転軸５８の回転によって回転軸５８の外周面と摺接する。冷凍機油を圧送して、ハウジング内空間に供給した。冷凍機油は、図８に示すように、流入路５９ｂから流入し、ハウジング内空間を経て、流出路５９ｃから流出する。オイルリーク量は、回転軸５８と挿通孔５９ａとの間から漏れ出た冷凍機油の量に基づいており、試験開始後５０分から６０分までの１０分間の平均値（ｎ＝２）を示している。また、回転トルクは、試験開始後５０分から６０分までの１０分間の平均値（ｎ＝２）を示している。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、回転数が３０００ｍｉｎ－１、８０００ｍｉｎ－１のいずれの場合も、試験例Ａ１～Ａ２は、試験例Ａ３～Ａ４（従来品）と比較して、オイルリーク性を保持しつつも、回転トルクの向上が認められた。具体的には、試験例Ａ１～Ａ２は、試験例Ａ３～Ａ４に比べて、回転トルクが８％～１０％程度小さくなった。
［試験例Ｂ］
試験例Ｂ１～Ｂ２
　熱可塑性エラストマー組成物を二軸混練押出し機にてペレット化した。得られたペレットを用いて射出成形により、試験例Ｂ１、Ｂ２の軸シールを成形した。試験例Ｂ１として、図５に示す形状の軸シール（内径寸法２０ｍｍ、シールリップ部の全長４ｍｍ、シールリップ部の厚み０．５ｍｍ）を得た。具体的には、軸シールの内周面における後述する回転軸との接触部に、全周にわたり、凸部を１本形成した。凸部の各寸法を表２に示す。なお、凸部幅は、２つの凸部側面と仮想面Ｆとによって形成される２本の接線の間の最大距離であるとして計測した。また、試験例Ｂ２として、図９に示す形状（凸部なし）の軸シール（内径寸法２０ｍｍ、シールリップ部の全長４ｍｍ、シールリップ部の厚み０．５ｍｍ）を得た。
＜回転トルク試験＞
　図８に示す回転トルク試験機を用いて、下記の条件でオイル中で回転トルク試験を実施して、回転トルクおよびオイルリーク量を測定した。なお、オイルリーク量は、試験開始後６０分間の平均値（ｎ＝２）を示しており、回転トルクは、試験開始後６０分間の平均値（ｎ＝２）を示している。結果を表２に示す。
＜試験条件＞
　　回転軸　：材質Ｓ４５Ｃ
　　回転数　：８０００ｍｉｎ－１
　　油圧　　：０．８ＭＰａ
　　油温　　：４０℃
　　冷凍機油：ポリアルキレングリコール油
　　試験時間：６０分
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すように、試験例Ｂ１は、試験例Ｂ２（従来品）と比較して、オイルリーク性を保持しつつも、回転トルクの低減が認められた。具体的には、試験例Ｂ１は、試験例Ｂ２に比べて、回転トルクが約７％小さくなった。
　本発明の軸シールは、シール性に優れるとともに、回転トルクを一層低減できるので、回転軸の外周面に摺接しながら密封流体を封止する軸シールとして広く使用できる。特に、車載エアコンのスクロール式冷媒圧縮機の圧縮機構部を回転させる回転軸の軸シールに適している。
　　１１　軸シール
　　１２　シールリップ部
　　１３　外リップ部
　　１４　基端部
　　１５　凹溝
　　１６　凹溝
　　１７　凹溝
　　１８　凹溝
　　１９　凹溝
　　２１　軸シール
　　２２　シールリップ部
　　２３　外リップ部
　　２４　基端部
　　２５　凹溝
　　２６　ハウジング
　　２７　環状溝
　　３１　軸シール
　　３２　シールリップ部
　　３３　外リップ部
　　３４　基端部
　　３５、３５’　凸部
　　３６　凸部
　　３７　凸部
　　３８　凸部
　　４１　ハウジング
　　４２　環状溝
　　５１　圧縮機構部
　　５２　圧縮室
　　５３　固定ロータ
　　５４　可動ロータ
　　５５　吐出口
　　５６　試験機
　　５７　軸シール
　　５８　回転軸
　　５９　外周側ハウジング
　　６０　内周側ハウジング
　　６１　Ｏリング

Claims (14)

  1. 　回転軸の外周面に密着して密封流体を封止する環状の軸シールであって、
    　前記軸シールは、前記回転軸と摺動するシールリップ部を備え、
    　前記シールリップ部は、前記回転軸と摺動する内周面の接触部または接触部近傍に、凹部または凸部を有することを特徴とする軸シール。
  2. 　前記回転軸と前記軸シールを装着するハウジングとの隙間が、前記軸シールによって高圧側と低圧側に区画され、
    　前記シールリップ部は、高圧側に延伸して前記回転軸と摺動するものであり、前記回転軸と摺動する内周面の接触部近傍に前記凹部として凹溝を有することを特徴とする請求項１記載の軸シール。
  3. 　前記回転軸と前記軸シールを装着するハウジングとの隙間が、前記軸シールによって高圧側と低圧側に区画され、
    　前記シールリップ部は、高圧側に延伸して前記回転軸と摺動するものであり、前記回転軸と摺動する内周面の接触部に、全周にわたって形成された前記凸部を有することを特徴とする請求項１記載の軸シール。
  4. 　前記凹溝は、前記軸シールの軸方向に延びるように形成され、前記シールリップ部の全長を１００％としたとき、前記シールリップ部の先端から５％～３０％の位置を起点とし他端側に向けて形成されていることを特徴とする請求項２記載の軸シール。
  5. 　前記凹溝は、前記軸シールの周方向に離間して複数形成され、前記凹溝の幅は、前記シールリップ部の内径周長の１％～１５％であり、かつ、周方向で隣り合う前記凹溝の間隔は、前記シールリップ部の内径周長の１％～１５％であることを特徴とする請求項４記載の軸シール。
  6. 　前記凹溝の幅は、周方向で隣り合う前記凹溝の間隔よりも大きいことを特徴とする請求項５記載の軸シール。
  7. 　前記凹溝の最大深さは、前記シールリップ部の厚みの１０％～３０％であることを特徴とする請求項６記載の軸シール。
  8. 　前記凹溝は、前記軸シールの周方向に延びるように形成され、前記シールリップ部の全長を１００％としたとき、前記シールリップ部の先端から５％の位置～３０％の位置までの範囲に形成されることを特徴とする請求項２記載の軸シール。
  9. 　前記凹溝の最大深さは、前記シールリップ部の厚みの１０％～３０％であることを特徴とする請求項８記載の軸シール。
  10. 　前記軸シールは、軸方向の断面視が略Ｕ字状であり、前記シールリップ部よりも外径側に設けられた外リップ部を有することを特徴とする請求項１記載の軸シール。
  11. 　前記軸シールは、車載エアコンのスクロール式圧縮機における回転軸に用いられる軸シールであることを特徴とする請求項１記載の軸シール。
  12. 　前記凸部は、前記シールリップ部の全長を１００％としたとき、前記シールリップ部の先端から他端側に向けて３０％までの範囲の間に形成されていることを特徴とする請求項３記載の軸シール。
  13. 　前記凸部の最大高さは、前記シールリップ部の厚みの５％～２０％であることを特徴とする請求項１２記載の軸シール。
  14. 　前記凸部の軸方向断面における形状は、略矩形状、円弧状、略台形状、または略三角形状であることを特徴とする請求項１３記載の軸シール。
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