轉動軸密封件的制作方法

專利名稱：轉動軸密封件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉動軸密封件，特別涉及一種用于密封高壓流體如CO2氣體的轉動軸密封件。
背景技術：
最近，在汽車壓縮機的使用中密封流體的壓力越來越提高了。因此本發明的申請人提出了一種如圖9中所示的轉動軸密封件(參考日本臨時公告No.2004-353765)。在圖9中，一個橡膠密封部分33有一滑動部分So，它接觸轉動軸32的表面，而外殼34是整體化的，在外殼34的高壓側C上的內邊緣部分36被橡膠密封部分33罩住，密封33的滑動部分So安置在包括內邊緣部分36的與軸線正交的面Po中，當從高壓側C接收高壓時，密封部分33的凸緣部分37在帶有低接觸壓力的轉動軸32上滑動。
在圖9中的傳統例子之前的轉動軸密封件中，在轉動的轉動軸的表面上產生一個過剩的接觸壓力，因為橡膠凸緣的構型有一個大部分延伸到密封的流體側的L形截面和一個大面積的壓力接受部分，所以在橡膠凸緣的滑動部分上產生早的異常磨損(參考日本臨時公告No.2003-97723)。
如上所述，在圖9中所示的傳統例子中，滑動部分So上的凸緣部分37的早的異常磨損可以被有效地防止。但是，已經發現，圖9中的傳統結構沒有解決長時間內從高壓側C到低壓側E的流體(氣體)泄漏問題即內漏問題。
具體地說，雖然在低壓側E上安置一個樹脂如PTFE的密封件38，而兩個內殼39和40像三明治一樣夾住密封件38的與軸線正交部分38a，但本發明的發明人進行的實驗表明，產生了如圖8中用箭頭F1和F2、虛線及箭頭F3表示的內漏(以后描述)。
最近，希望使密封流體(氣體)的壓力更高，已經發現，用圖9中所示的傳統例子不能防止往往具有高壓的流體如氣體的內漏，圖9中密封件38的與軸線正交的部分38a的面41和42由內殼39和40簡單地夾住。
本發明概要因此，本發明的目的是提供一種轉動軸密封件，它能解決所有上述問題、防止內漏和完成密封高壓氣體的穩定而卓越的密封性能。
該目的是按照本發明通過包括權利要求1、2或3的特點的轉動軸密封件而解決的。在附屬的權利要求4、5和6中描述了更詳細的實施例。
附圖簡述下面參照附圖描述本發明，附圖中

圖1是一個表示本發明的一實施例的主要部分的截面圖；圖2是一個主要部分的說明性質的放大截面圖；圖3是一個表示主部件的主要部分的截面圖；圖4A是表示一種裝配方法的說明圖；圖4B是表示一個主要部分的說明圖；圖4C是表示一個主要部分的說明圖；圖5是一個說明該裝配方法的主要部分的說明性質的截面圖；圖6是該說明裝配方法的主要部分的說明性質的截面圖；圖7是作為本發明樣品的測試設備及其測試方法的說明圖；圖8是作為傳統樣品的測試設備及其測試方法的說明圖；以及圖9是表示一傳統例子的主要部分的截面圖。
優選實施例說明現在參照附圖描述本發明的優選實施例。
圖1～6表示本發明的一個實施例。圖1是一個主要部分的截面圖。圖2是圖1的說明性質的放大圖，而圖3～6是說明結構部件的說明性質的截面圖，并系列地表示一種裝配方法。
在圖1和圖2中，該轉動軸密封件安置在一個用虛線表示的轉動軸20和一個外罩22之間，該密封件例如用于密封高壓側C上的密封流體室21中的高壓冷卻介質。圖1中的實線表示轉動軸密封件16的自由狀態(非附著狀態)。在其中轉動軸密封件16安置在轉動軸20和外罩22之間的附著狀態中(雖然圖中未示出)，部件是彈性地變形的。
在圖1和圖2中，標號1表示具有內邊緣部分2和3的金屬外殼，而具有接觸轉動軸20的表面的凸緣部分17的橡膠部分G整體地固定在金屬外殼1上。該整體的固定用粘結、焊接或熱模壓來進行。該整體的固定示于表示預裝配狀態的圖3中。
外殼1有一個對應于外罩22的內周面22a的圓筒形壁部分12，而一個分級(臺階狀)的部分13形成于沿外殼1(圓筒形壁部分12)的軸線方向的中間位置上，從而分開一個高壓側C上的小圓筒部分14和一個在低壓側E上的大圓筒部分15。如圖3中所示，臺階部分13對軸線L的傾角θ為20°≤θ≤90°。傾角θ優選地設定在45°≤θ≤90°，更優選地為60°≤θ≤90°。
在圖1、2和3～6中系列地表示結構部件的裝配，臺階部分13和外殼1的小圓筒部分14及內邊緣部分2(在高壓側C上)通過粘結、焊接或熱模壓而與橡膠部分G形成整體(如蓋住和圍繞)。
而且，一個帶有螺旋形槽6的密封件7形成于低壓側E上(與密封流體側或大氣側相反)，向著橡膠部分G的凸緣部分17。密封件7的材料最好是氟樹脂如PTFE。該材料的一個有一定厚度的平板被沖壓為一個環形平板，并彎曲而成為L形截面，如圖1和圖2中作為密封件7所示，插入轉動軸20，而密封件7在轉動軸20的表面上轉動地滑動，并將流體推回到高壓側C。
在臺階部分13的內側上的端面13a被橡膠部分G的一個部件G1，整體地復蓋。也就是說，部件G1通過粘結、焊接或熱模壓而整體地復蓋端面13a。沿與軸線L成直角的方向即與軸線正交的方向的橡膠端面8與整體的復蓋部件G1一起形成，并指向低壓側E。而且，指向高壓側C的密封件7的周邊邊緣7a的面9壓緊在橡膠端面8上。
整體地固定在外殼1上的橡膠部分G有一圓筒復蓋部分10a，其周面形成為凹凸波形(處于自由狀態)，以便彈性地接觸外罩22的內周面而起密封作用。具體地說，圓筒形復蓋部分10a復蓋著和整體地固定在外殼1的小圓筒部分14和臺階部分13的外表面上。而且，具有內邊緣復蓋部分10b的橡膠部分G的截面是U形的而復蓋外殼1的內邊緣部分2的兩個表面，橡膠部分G設有與軸線正交的壁部分10c，后者沿徑向在凸緣部分17的內面延伸。也就是說，與軸線正交的壁部分10c是由內邊緣復蓋部分10b和凸緣部分17組成。
其次，橡膠部分G有一薄板(薄膜)的內表面覆蓋部分10d，用以覆蓋外殼1的小圓筒部分14的內表面。也就是說，內邊緣覆蓋部分10b和形成橡膠端面8的部件G由薄板(薄膜)的內表面覆蓋部分10d連接。
如上所述，橡膠部分G整體地固定在外殼1上，從而覆蓋外殼1的臺階部分13和小圓筒部分14與周面和內周面兩者上的內邊緣部分2，而與轉動軸20的軸線L成直角的與軸線正交的壁部分10c的凸緣部分17形成一個滑動部分23，其內周面邊緣有一圓形部分(R形部分)。
一個有倒L形截面的支承金屬18壓配合在內表面覆蓋部分10d的內周面上，并接受(支承)與軸線正交的壁部分10c的后表面。一個整體為環形的小凹槽部分24形成于與軸線正交的壁部分10c的后表面上，而橡膠材料沿徑向向內移動，以便當接受從密封的流體室21來的壓力時減小轉動軸20上的滑動部分23的接觸壓力。
標號19表示一個金屬內部件。內部件19在圖中是一個平面墊圈，它置于低壓側E上支承金屬18的端面18a和被壓配合(填實)的密封件7的高壓側7b之間。為了進一步詳細說明，橡膠部分G的覆蓋外殼1的臺階部分13的端面13a的部件G1被稱為覆蓋端面的環形橡膠部分25，金屬的內部件19的周面19a接受(支承)覆蓋端面的環形橡膠部分25的內周面。換句話說，金屬內部件19同時裝入密封件7的高壓側7b和覆蓋端面的環形橡膠部分25的內端面。
標號26表示其截面近似地為倒L形的金屬內殼，該內殼壓配合并接受(支承)密封件7的低壓側7c。而且，低壓側E上的內邊緣部分3通過塑性加工(壓力加工)而彎向圖6中的箭頭M方向，該部分3與高壓側C上的內邊緣部分2相配合而壓緊(保持)和固定這些結構部件。
如上所述，臺階部分13形成于外殼1的軸線L方向的中間位置上，大圓筒部分15形成于低壓側E上，而臺階部分13的內側上的端面13a形成為被引向低壓側E而與該軸線成直角。然后，端面13a用橡膠部分G的部件G1整體地覆蓋而形成沿與軸線正交方向的橡膠端面8(作為與軸線正交的表面)，密封件7的周緣7a由于圖6中用箭頭M表示的塑性變形而通過內殼26被壓緊，從而將面向密封件7的周緣7a的高壓側C牢靠地壓配合到如圖6中箭頭f所示的橡膠端面8上。
如圖3、圖4和圖5中所示，環的小脊27和小凹槽28同心地形成于處于密封件7的非壓緊配合狀態中的橡膠端面8上。而且，如圖6所示，當橡膠材料由于處于密封件7的壓緊配合狀態中的周緣7a的表面9的壓緊配合(用箭頭f表示)而移入小凹槽28中時，小脊27彈性地變形，從而保持密封狀態。小脊27和小凹槽28在圖2和6中用雙點虛線表示。橡膠端面8沿與軸線正交的表面彈性地變形，而原先形成的小脊的部分由于壓配合組裝狀態中的高接觸壓力而壓配合到密封件7的表面9上，從而保證密封性能。
還要描述的是，外殼1的臺階部分13的內側上的端面13a停止(接受)向著高壓側C的環行橡膠部分25的橡膠材料的移動，環形橡膠部分25肯定地被彈性壓縮，而原先形成小脊27的部分由于高接觸壓力而壓配合到密封件7的表面9上，從而表明可密封的性能。
在圖3、4A和4B中，小脊27和凹槽28的數目分別為一個。具體地說，一個小脊27設置在復蓋端部表面的環形橡膠部分25的內周緣角部H上，而一個其半徑大于小脊27的凹槽28設置在小脊27附近。如圖5和6中系列地表示的，當密封件7的表面9壓緊小脊27時，從角部H凸出的小脊27的橡膠材料沿徑向向內移動到小凹槽28中。但是，環形平面墊圈的內部件19能夠停止橡膠材料沿徑向的移動。
換句話說，內部件19的周面19a能停止小脊27的橡膠材料沿徑向向內的移動。
在圖3中，其中橡膠部分G具有凸緣部分17的主要單元部分29整體地固定在金屬外殼1上。外殼1有一個薄的延長部分3A，該部分3A是一個在沿圖6中箭頭M方向彎曲的塑料工件之前延伸的大圓筒部分。其次，支承金屬18、內部件19、密封件7和內殼26均配合在單元部分29中，如用箭頭K1、K2、K3和K4所示，形成剛巧在完成圖5中所示的裝配之前的狀態。然后，當薄的延長部分3A彈性地變形從而彎曲到如圖6中所示的箭頭M方向中時，內邊緣部分2(與軸線正交的壁部分10c)和新形成的內邊緣部分3牢固地夾持部件，而用雙點虛線表示的小脊27由于用箭頭f表示的表面壓力而沿與軸線正交的表面(如用實線所示)轉入橡膠端面8中。在該過程中，內部件19的周面19a防止用雙點虛線表示的小脊27向下掉入半徑方向中(橡膠材料逸脫)。
當用于防止內漏的橡膠變形部分是由從角部H凸出的一個小脊27和外側上的一個相鄰的小凹槽28組成時，沿徑向的寬度尺寸W可以很小，而用于防止內漏的橡膠變形部分即使在外殼1的臺階部分13的臺階尺寸(即沿徑向的橡膠端面8的寬度尺寸)很小的情況下也容易形成。當臺階部分13的臺階尺寸(即沿徑向的橡膠端面8的尺寸)足夠寬時，還最好組成一個小脊27和兩個小凹槽28的用于防止內漏的橡膠變形部分，每個小凹槽28在小脊27的內側和外側上，如圖4c中所示。在這種情況下，沿徑向的寬度尺寸W變大。
而且，在圖1～6中，密封件70的中部上的高壓側7b被內部件19接受(支承)并保持正常狀態而并不變形落入高壓側C中。
在本發明中，覆蓋臺階部分13的內側上的端面13a的(橡膠部分G的)部件G1(即覆蓋端面的環形橡膠部分25和與軸線正交的壁部分10c)可以不是被整體地連接，而是分開地設置(圖中未示出)。也就是說，內表面覆蓋部分10d可以省去，橡膠部分G可以被分成兩塊(或更多塊)并通過熱模壓、粘結或焊接而與外殼1成整體(圖中未示出)。
而且，不希望臺階部分13(端面13a)對軸線L(參照圖3)的傾斜角θ小于20度，因為環形橡膠部分25變得沿軸線方向過長，而彈性壓緊的反應力變得過弱。最好通過將傾斜角θ設置為θ≥45度而使小脊27對周緣7a保持足夠的接觸壓力。尤其是，θ≥60度是優選的，因為可以獲得高的接觸壓力。而且，當θ＞90度時，很難通過彈性加工而在外殼1上形成臺階部分13。
在本發明中(不限于圖示的實施例)，凸緣部分17的構形(不限于其中如圖2中所示的滑動部分23位于包括內邊緣部分2的與軸線正交的表面Po的構形)可以變化為各種構形(圖中未示出)。而且，內部件19可以與圖中的支承金屬18成整體，而且它最好可以形成一個角部，裝入覆蓋端面的環形橡膠部分25(角部H)，通過機加工(切削等)而成為直角。其次，內部件19可以由一個通過機加工形成的塊件來組成。在這種情況下，最好形成一個裝入覆蓋端面的環形橡膠部分25的成為直角的角部(角部H)。
其次，圖7中示出本發明的樣品30，而圖8中示出(圖9中的傳統樣品的)傳統樣品31。在圖7中，如與圖1和2的比較中清楚顯示的，密封件7用圓形板的密封件對應部件7A替換，內殼26用內殼的淺碟狀對應部件26A(無孔)替換，而其它部件與圖1和2中所示實施例相同。
另一方面，在圖8中，如與圖9的比較清楚地顯示的，密封件38用圓形板的密封件對應部件38A替換，內殼40用內殼的淺碟狀對應部件40A(無孔)替換，而其它部件與圖9中所示實施例相同。
如圖7和圖8中所示，樣品30和31分別安置在有一使軸線L成為豎直線的圓筒形空間44的圓簡形夾具主體45中。然后，通過增壓導管46送入CO2氣體而給出預定壓力P。
關于從凸緣部分17和37與轉動軸20和32上的密封件7和38的接觸部分來的流體泄漏，分別測試了本發明的裝置10和傳統樣品是否產生通過外殼1和34的內周面的用箭頭F1、F2、F3、F0和虛線表示的內漏。用水充滿對應于低壓側的上部空間47。
壓力P從1MPa通過2、3、4MPa而系列地增加到5MPa，觀測氣泡的發生和氣泡狀態。溫度為室溫。
內漏試驗結果示于下面的表1中。
表1

通過上述表1中所示試驗結果，得出下列各點(1)在圖8的傳統樣品31(圖9的傳統實施例)中，密封件38(38A)被內殼39和內殼40(40A)壓配合而使密封件38(38A)沿徑向向外變形而壓配合到外殼34的內周面上。但是，當壓力P上升時水泡量傾向于增多。而且，也顯示泄漏量不規則。
(2)相反，在圖7的本發明的樣品30(圖1的實施例)中，可以肯定，在壓力P的所有階段中都沒有產生內漏。也就是說，小脊27對密封件7的高壓側7b的壓配合有效地防止了通過圖7中用虛線表示的通道(路線)的泄漏即內漏。
如上所述，本發明的轉動軸密封件有這樣一種結構，就是橡膠部分G具有接觸轉動軸20的表面和金屬外殼1的凸緣部分17，橡膠部分G整體地固定在金屬外殼1上，與軸線正交的方向中的橡膠端面8由橡膠部分G的部件G1組成并形成于外殼1的內表面上沿軸向的中間位置上，而面向高壓側C的密封件7的周緣7a的表面壓配合在橡膠端面8上，從而肯定地防止內漏，可以處理氣體(流體)如CO2的高度增壓，而該密封件可以用數目很少的部件和簡單的構造來容易地制造。
而且，本發明的轉動軸密封件有這樣一種結構，就是橡膠部分G具有接觸轉動軸20的表面和金屬外殼1的凸緣部分17，橡膠部分G整體地固定在金屬外殼1上，臺階部分13形成于外殼1上的沿軸線方向的中間位置上，臺階部分13的內側上的端面13a被橡膠部分G的部件G1整體地覆蓋而形成沿與軸線正交的方向的橡膠端面8，而面向高壓側C的密封件7的周緣7a的表面9壓配合在橡膠端面8上，從而肯定地防止內漏，可以處理氣體(流體)如CO2的高度增壓，而該密封件的裝配和生產并不困難，因為并不增加部件的數目。
而且，該轉動軸密封件有這樣一種構造，就是橡膠部分G具有接觸轉動軸20的表面和金屬外殼1的凸緣部分17，橡膠部分G整體地固定在金屬外殼1上，外殼1具有對應于外罩22的內周面的圓筒形壁部分12，臺階部分13形成于外殼1的沿軸線方向的中間位置上和圓筒形壁部分12上，從而分開高壓側C上的小圓筒形部分14和低壓側E上的大圓筒形部分15，臺階部分13的內側上的端面13a被橡膠部分G的部件G1整體化地覆蓋，從而將橡膠端面8安置在引向低壓側E的與軸線正交的方向中，而面向高壓側C的密封件7的周緣7a的表面9被壓配合在橡膠端面8上，該構造很簡單，不增加部件數目，該密封件的生產和裝配很容易，能肯定地防止通過密封件7的周緣7a附近的通道的內漏，而且該密封件適用于密封最近已被高度增壓的密封氣體如CO2。
而且，通過密封件7的周緣7a附近的通道的流體泄漏(內漏)被精巧地防止，而該構造簡單，有效地利用了橡膠材料的彈性壓緊力，因為小脊27和小凹槽28同心地形成于處在密封件7的非壓配合狀態中的橡膠端面8上，而小脊27的橡膠材料彈性地變形，從而通過密封件7的周緣7a的表面9的壓配合而移入小凹槽28中，因而將密封保持在密封件7的壓配合裝配狀態中。
而且，密封件7保持正常的狀態(不會掉下來)，肯定地起密封件7的泵抽作用，其次，防止了環形橡膠部分25的反常變形，還通過保持小脊27對密封件7的高壓側7b的高接觸壓力而進一步有效地防止內漏，因為提供了由橡膠部件G的部件G1組成的覆蓋端面的環形橡膠部分25，并附接了裝入密封件7的高壓側7b和覆蓋端面的環形橡膠部分25的內周面的金屬內部件19。
而且，即使臺階部分13的寬度尺寸很小，也即當橡膠端面8的徑向寬度尺寸很小時，也能夠通過充分的密封來防止內漏，因為小脊27設置在覆蓋端面的環形橡膠部分25的高壓側上的內周面角部H上，具有比小脊27的半徑尺寸大的半徑尺寸的小凹槽28設置在小脊27附近，而內部件19的周面19a防止處于密封件7的壓配合裝配狀態中的小脊27的橡膠材料沿徑向向內塑變流動。
權利要求
1.一種設有橡膠部分(G)的轉動軸密封件，該橡膠部分(G)有一接觸轉動軸(20)的表面和金屬外殼(1)的凸緣部分(17)，橡膠部分(G)固定在金屬外殼(1)上成整體，該密封件包括一種構造，其中沿與軸線正交的方向的橡膠端面(8)由橡膠部分(G)的部件(G1)組成，并沿軸線方向在外殼(1)內表面的中間位置上形成，而面對高壓側(C)的密封件(7)的周緣(7a)的表面(9)被壓配合在橡膠端面(8)上。
2.一種設有橡膠部分(G)的轉動軸密封件，該橡膠部分(G)有一接觸轉動軸(20)的表面和金屬外殼(1)的凸緣部分(17)，橡膠部分(G)固定在金屬外殼(1)上成整體，該密封件包括一種構造，其中沿軸線方向在外殼(1)的中間位置上形成臺階部分(13)，臺階部分(13)的內側上的端面(13a)由橡膠部分(G)的部件(G1)整體地覆蓋而形成一個沿與軸線正交的方向的橡膠端面(8)，而面向高壓側(C)的密封件(7)的周緣(7a)的表面(9)被壓配合在橡膠端面(8)上。
3.一種設有橡膠部分(G)的轉動軸密封件，該橡膠部分(G)有一接觸轉動軸(20)的表面和金屬外殼(1)的凸緣部分(17)，橡膠部分(G)固定在金屬外殼(1)上成整體，該密封件包括一種構造，其中外殼(1)有一個對應于外罩(22)的內周面(22a)的圓筒形壁部分(12)，沿外殼(1)的軸線方向的中間位置上和圓筒形壁部分(12)上形成一個臺階部分(13)，以分開在高壓側(C)上的小圓筒形部分(14)和在低壓側(E)上的大圓筒形部分(15)，臺階部分(13)的內側上的端面(13a)由橡膠部分(G)的部件(G1)整體地覆蓋，從而沿與軸線正交的方向設置一個橡膠端面(8)，而面向高壓側(C)的密封部件(7)的周緣(7a)的表面(9)被壓配合在橡膠端面(8)上。
4.如權利要求1、2或3中所述的轉動軸密封件，其特征在于，小脊(27)和小凹槽(28)以非壓配合狀態在密封件(7)的橡膠端面(8)上同心地形成，而小脊(27)的橡膠材料彈性地變形，從而通過密封件(7)的周緣(7a)的表面(9)的壓配合而移入小凹槽(28)，以便將密封件(7)保持在壓配合裝配狀態中的密封狀態。
5.如權利要求4中所述的轉動軸密封件，其特征在于，提供一個由橡膠部分(G)的部件(G1)組成而覆蓋該臺階部分(13)的內側上的端面(13a)的覆蓋端面的環形橡膠部分(25)，并附接一個裝有該密封件(7)的高壓側(7b)和該覆蓋端面的環形橡膠部分(25)的內周面的金屬內部件(19)。
6.如權利要求5中所述的轉動軸密封件，其特征在于，小脊(27)設置于該覆蓋端面的環形橡膠部分(25)的高壓側上的內周面角部(H)上，具有比小脊(27)的徑向尺寸大的徑向尺寸的小凹槽(28)設置在小脊(27)附近，而內部件(19)的周面(19a)在密封件(7)的壓配合裝配狀態下防止小脊(27)的橡膠材料沿徑向向內移動。
全文摘要
一種能防止內漏沿密封氣體的高度增壓而增加的轉動軸密封件。臺階部分(13)形成于外殼(1)上，而臺階部分(13)的內側上的端面(13a)用橡膠覆蓋而形成一個環形橡膠部分(25)，其端面被覆蓋。橡膠部分(6)的橡膠端面(8)和密封件(7)的周緣(7a)上的表面(9)相互壓緊。
文檔編號F16J15/16GK101046254SQ200710091858
公開日2007年10月3日 申請日期2007年3月28日 優先權日2006年3月28日
發明者笈田弘紀, 蘆田哲哉 申請人:三菱電線工業株式會社