JP5304057B2 - 密封装置及び密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、軸受機能を備えた密封装置及びこれを備える密封構造に関するものである。

高圧化で用いられる密封装置（ピストン用やロッド用の密封装置）として、複数の部材から構成されるシーリングシステムが知られている。例えば、建設機械用の油圧シリンダにおいては、ピストンシールとウエアリングからなるピストンシーリングシステムが用いられている。このような従来例に係る密封装置について図４を参照して説明する。図４は従来例に係る密封構造の模式的断面図である。

ピストンシーリングシステムは、シリンダ６００に設けられた軸孔６０１の内周面と、この軸孔６０１に挿通されるピストン５００の外周面との間の環状隙間に配置される。ピストン５００の外周面には、第１の環状溝５０１と、この第１の環状溝５０１を挟んで軸方向の両側に設けられる第２の環状溝５０２及び第３の環状溝５０３が設けられている。

そして、中央の第１の環状溝５０１に、ナイロンなどの硬質材料からなる第１リング１００と、第１リング１００を軸孔６０１の内周面に向かって押圧するＮＢＲなどのゴム状弾性体製の第２リング２００とからなるピストンシールが装着される。そして、第２の環状溝５０２と第３の環状溝５０３に、それぞれナイロンなどの硬質材料からなるウエアリング３０１，３０２が装着される。これらのウエアリング３０１，３０２は、ピストン５００の軸受として設けられるもので、ピストン５００とシリンダ６００のかじりを防ぎ、偏心を小さくして、ピストンシールの耐久性を向上させるために設けられるものである。

このように、ピストンシールと、その両側に設けられる一対のウエアリングとからなるピストンシーリングシステムを用いることで、高圧化においても、長期にわたって密封機能と軸受機能とを安定的に発揮させることができる。

しかしながら、かかるピストンシーリングシステムにおいては、部品点数が多く、コストが高くなる原因となる。そのため、同等の品質を保ちながら、より部品点数が少なく、コストの低減を図ることのできる密封装置を実現することが求められている。そこで、上記従来例に係る密封装置において、部品点数を削減するために、第１リング１００に軸受機能を備えさせる技術が考えられている。図５を参照して、そのような技術について説明する。図５は仮想技術に係る密封構造の模式的断面図である。

図５に示す密封構造においては、ピストン５１０の外周面には、第１環状溝５１１、及びこの第１環状溝５１１の溝底面に設けられる第２環状溝５１２が形成されている。そして、第１環状溝５１１にナイロンなどの硬質材料からなる第１リング１１０が装着され、第２環状溝５１２に第１リング１１０を軸孔６０１の内周面に向かって押圧する、ＮＢＲなどのゴム状弾性体製の第２リング２１０が装着される。

この仮想技術における第１リング１１０は、上記従来例における第１リング１００と、一対のウエアリング３０１，３０２を一体的にするという発想に基づくものである。かかる仮想技術によれば、第１リング１１０のうち、第２リング２１０によって押圧されている付近にて特に密封機能が発揮される。そして、第１リング１１０のうち、第１環状溝５１１の溝底面（第２環状溝５１２が設けられている領域を除く部分）と軸孔６０１の内周面との間に配されている部分にて特に軸受機能が発揮される。つまり、この部分にてウエアリングの機能が発揮される。

このように構成されたピストンシールリングによれば、上記従来例の場合と同様に、第１リング１１０の中央付近にて密封機能が発揮され、その両側で軸受機能が発揮される。

ここで、第１リング１１０は硬質材料で構成されることから、第１環状溝５１１の溝底面と軸孔６０１の内周面との間で、この第１リング１１０を圧縮させた状態で、第１リング１１０を第１環状溝５１１に装着させることはできない。仮にそのように装着させた場合には、第１リング１１０と軸孔６０１の内周面との間の摺動抵抗が高くなり過ぎてしまう。そのため、寸法誤差等も踏まえて、第１リング１１０の内周面と第１環状溝５１１の溝底面との間には、クリアランスＳ１を設ける必要がある。

第１リング１１０は殆ど変形しないことから、密封対象流体の圧力が作用しているか否かに関係なく、このクリアランスＳ１は略一定の間隔を保ったままとなる。

これに対して、ゴム状弾性体製の第２リング２００は、密封対象流体の圧力を受けると、第２環状溝５１２内において低圧側に移動すると共に、自身が変形する。そのため、第２リング２００の一部がクリアランスＳ１にはみ出してしまい、破損してしまうおそれがある。なお、関連する技術として、特許文献１に開示されたものがある。
特開平９−１７７９８７号公報

本発明の目的は、部品点数が少なく、品質性に優れた、軸受機能を備えた密封装置及びこれを備える密封構造を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の密封装置は、
ハウジングに設けられた軸孔の内周面と該軸孔に挿通される軸の外周面との間の環状隙間を封止すると共に、前記軸を支持する軸受となる密封装置であって、
前記軸の外周面には、該軸の軸心と同心的に設けられる第１環状溝、及び第１環状溝の溝底面に前記軸心と同心的に設けられる第２環状溝が形成されており、
第１環状溝に装着され、この第１環状溝に対してスライド可能な、硬質材料からなる第１リングと、
第２環状溝に装着され、第１リングを軸孔内周面に向かって押圧するゴム状弾性体製の第２リングと、を備え、
第１リングには、第２環状溝内に進入するように構成され、密封対象流体の圧力による第１リングのスライドによって第２環状溝の側壁面に密着することで、第１リングと軸との間の隙間への第２リングのはみ出しを防止する、前記軸心と同心的に設けられる環状凸部が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の密封構造は、
軸孔を有するハウジングと、
前記軸孔に挿通される軸と、
前記軸孔の内周面と前記軸の外周面との間の環状隙間を封止すると共に、前記軸を支持する軸受となる密封装置と、を備える密封構造であって、
前記軸の外周面には、該軸の軸心と同心的に設けられる第１環状溝、及び第１環状溝の溝底面に前記軸心と同心的に設けられる第２環状溝が形成されており、
前記密封装置は、
第１環状溝に装着され、この第１環状溝に対してスライド可能な、硬質材料からなる第１リングと、
第２環状溝に装着され、第１リングを軸孔内周面に向かって押圧するゴム状弾性体製の第２リングと、を備え、
第１リングには、第２環状溝内に進入するように構成され、密封対象流体の圧力による第１リングのスライドによって第２環状溝の側壁面に密着することで、第１リングと軸との間の隙間への第２リングのはみ出しを防止する、前記軸心と同心的に設けられる環状凸部が設けられていることを特徴とする。

本発明の密封装置及び密封構造によれば、第１リングのうち、第２リングによって押圧されている付近にて特に密封機能が発揮される。そして、第１リングのうち、第１環状溝の溝底面（第２環状溝が設けられている領域を除く部分）と軸孔の内周面との間に配されている部分にて特に軸受機能が発揮される。これにより、本発明によれば、２つのリングによって、環状隙間を封止する密封機能を発揮しつつ、軸を支持する軸受としての機能を発揮させることができる。したがって、部品点数を少なくできる。

そして、本発明によれば、第１リングに環状凸部を設けたことによって、密封対象流体による圧力を受けると、第１リングがスライドして、この環状凸部の側壁面が第２環状溝の側壁面に密着する。これにより、第２リングの一部が、第１リングと軸との間の隙間にはみ出してしまうことを抑制（防止）できる。したがって、安定した密封性能を維持することができ、品質性及び耐久性を向上させることができる。

また、第１リングにおける前記環状凸部を挟んで軸方向の両側の部分は、いずれも第１環状溝の溝底面と前記軸孔の内周面との間に配されると共に、前記両側の部分と第１環状溝の溝底面との間にはクリアランスが設けられている。

これにより、特に密封機能が発揮される部分を挟んで軸方向の両側の部分で、軸受機能が発揮する。これにより、密封機能を安定的に発揮させることができる。

また、第１リングのうち第１環状溝の溝底面と前記軸孔の内周面との間に配される部分における外周面に、密封対象流体を導入する溝が設けられているとよい。

これにより、安定した密封性能を維持させつつ、摺動抵抗を低減させることができる。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、部品点数を少なくしつつ品質性の向上を図ることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

本実施例においては、密封装置の一例として、建設機械用の油圧シリンダに用いられるピストンシーリングシステムの場合を示す。

（実施例１）
図１及び図２を参照して、本発明の実施例１に係る密封装置及びこれを備える密封構造
について説明する。図１及び図２は本発明の実施例１に係る密封装置を備える密封構造の模式的断面図である。なお、図１は密封対象流体の圧力が作用していない状態を示し、図２は密封対象流体の圧力が作用している状態を示している。

＜密封構造＞
本実施例に係る密封装置（ピストンシーリングシステム）は、ハウジングとしてのシリンダ６０に設けられた軸孔６１の内周面と、この軸孔６１に挿通される軸としてのピストン５０の外周面との間の環状隙間に配置される。本実施例に係る密封装置は、ナイロンなどの硬質材料からなる第１リング１０と、ＮＢＲなどのゴム状弾性体製の第２リング２０とから構成される。なお、第１リング１０の素材として、ナイロンの他に、ポリアミド，ポリイミド，ＰＥＥＫ，ポリアセタール，ポリエチレン，ポリエステル，フェノール，布入りフェノール等の積層材及びＰＴＦＥを例として挙げることができる。勿論、摩擦摩耗特性や強度等を改善するために充填材（添加材）を添加してもよい。また、第２リング２０の素材として、ＮＢＲの他に、ＨＮＢＲ，ＸＮＢＲ，ＦＫＭ及びウレタンを例として挙げることができる。勿論、摩擦摩耗特性や強度等を改善するために充填材（添加材）を添加してもよい。

ピストン５０の外周面には、ピストン５０の軸心Ｔと同心的に設けられる第１環状溝５１、及びこの第１環状溝５１の溝底面に軸心Ｔと同心的に設けられる第２環状溝５２が形成されている。なお、本実施例においては、第２環状溝５２は、第１環状溝５１における軸方向の中央に設けられている。

そして、第１環状溝５１に第１リング１０が装着され、第２環状溝５２に第２リング２０が装着される。第２リング２０は、自己の弾性反発力によって、第１リング１０を軸孔６１の内周面に向かって押圧する。

また、本実施例においては、第１リング１０の内周側には、第２環状溝５２内に進入するように構成される環状凸部１１が設けられている。この環状凸部１１は、ピストン５０の軸心Ｔと同心的に設けられている。

ここで、第１リング１０の外周面が軸孔６１の内周面に摺動するように、第１リング１０の外径は、軸孔６１の内径と略同一となるように設定されている。また、第１リング１０は第１環状溝５１に嵌まるように寸法が設定されている。更に、第１リング１０が第１環状溝５１に嵌まった状態で、第１リング１０に設けられた環状凸部１１が第２環状溝５２に嵌まるように、環状凸部１１の寸法は設定されている。具体的には、第１リング１０の軸方向長さは第１環状溝５１の軸方向長さに略等しく、第１リング１０の環状凸部１１を除く部分の内径は第１環状溝５１の溝底部分の外径に略等しく、環状凸部１１の軸方向長さは第２環状溝５２の軸方向長さに略等しくなるように設定されている。なお、環状凸部１１の高さは、第２環状溝５２に対して少しだけ進入する高さに設定されている。

しかしながら、第１リング１０は硬質材料で構成されることから、第１環状溝５１の溝底面と軸孔６１の内周面との間で、この第１リング１０を圧縮させた状態で、第１リング１０を第１環状溝５１に装着させることはできない。仮にそのように装着させた場合には、第１リング１０と軸孔６１の内周面との間の摺動抵抗が高くなり過ぎてしまう。また、装着性や寸法誤差も考慮しなければならない。

そのため、第１リング１０の内周面と第１環状溝５１の溝底面との間，環状凸部１１の側壁面と第２環状溝５２の側壁面との間、及び第１リング１０の側壁面と第１環状溝５１の側壁面との間には、それぞれクリアランスＳ１，Ｓ２，Ｓ３が設けられている。ただし、密封機能を発揮させるために、第１リング１０の外周面と軸孔６１の内周面との間には
クリアランスがないように設定されている。

＜密封装置による密封動作＞
図２においては、図中右側が高圧となり、左側が低圧となった状態を示している。この場合、第１リング１０と第２リング２０は、高圧側（Ｈ）の密封対象流体（本実施例では油）の圧力（油圧）を受けて、いずれも低圧側（Ｌ）にスライドする（図２中、矢印Ａ方向にスライドする）。第１リング１０は、硬質材料で構成されるため、密封対象流体の圧力を受けても殆ど変形しない。そのため、第１リング１０の内周面と第１環状溝５１の溝底面との間のクリアランスＳ１は、略一定の間隔を保ったままである。

しかしながら、第１リング１０が低圧側（Ｌ）に移動することによって、第１リング１０における環状凸部１１は、その側壁面が第２環状溝５２の側壁面に密着する。これにより、環状凸部１１の側壁面と第２環状溝５２の側壁面との間の隙間はなくなる（図中、矢印Ｘにて示す部分参照）。そのため、第２リング２０が、環状凸部１１の側壁面と第２環状溝５２の側壁面との間のクリアランスＳ２にはみ出してしまうことを抑制することができる。なお、図中左側が高圧となり、右側が低圧となった場合にでも、同様の挙動を示す（環状凸部１１の図中右側の側壁面が第２環状溝５２の右側の側壁面に密着する）。

なお、第１リング１０が密封対象流体の圧力を受けてスライドした場合に、環状凸部１１の側壁面が第２環状溝５２の側壁面に、より確実に密着するように、上記クリアランスＳ３はクリアランスＳ２以上の長さに設定するのが望ましい。

＜本実施例の優れた点＞
本実施例に係る密封装置（ピストンシーリングシステム）及びこれを備える密封構造によれば、第１リング１０のうち、第２リング２０によって押圧されている付近にて特に密封機能が発揮される。そして、第１リング１０のうち、第１環状溝５１の溝底面（第２環状溝５２が設けられている領域を除く部分）と軸孔６１の内周面との間に配されている部分にて特に軸受機能が発揮される。

これにより、本実施例に係る密封装置及びこれを備える密封構造によれば、２つのリングによって、環状隙間を封止する密封機能を発揮しつつ、ピストン５０を支持する軸受としての機能を発揮させることができる。したがって、部品点数を少なくできる。

また、上記の通り、第１リング１０に環状凸部１１を設けたことによって、密封対象流体による圧力を受けると、第１リング１０がスライドして、この環状凸部１１の側壁面が第２環状溝５２の側壁面に密着する。これにより、第２リング２０の一部が、第１リング１０とピストン５０との間の隙間にはみ出してしまうことを抑制（防止）できる。したがって、安定した密封性能を維持することができ、品質性及び耐久性を向上させることができる。

また、本実施例においては、第１リング１０における環状凸部１１を挟んで軸方向の両側の部分が、いずれも第１環状溝５１の溝底面と軸孔６１の内周面との間に配される構成を採用している。したがって、特に密封機能が発揮される部分を挟んで軸方向の両側の部分で、軸受機能が発揮する。これにより、密封機能を安定的に発揮させることができる。

（実施例２）
図３には、本発明の実施例２が示されている。本実施例においては、第１リングの外周面に、密封対象流体を導入する溝を設ける場合の構成を示す。その他の構成および作用については実施例１と同一なので、同一の構成部分については同一の符号を付して、その説明は省略する。

図３は本発明の実施例２に係る密封装置を備える密封構造の模式的断面図である。なお、図３においては、密封対象流体（油）の圧力（油圧）が作用していない状態を示している。なお、図３中の（Ｖ）は、本発明の実施例２に係る密封装置における第１リングを軸方向に見た図の一部を示している。

上記実施例１に係る密封装置（ピストンシーリングシステム）においては、従来例で示したピストンシーリングシステムの場合に比べて、軸孔の内周面に対する摺動部分の面積が大きくなってしまう。そのため、摺動抵抗が高くなり易い。

そこで、本実施例に係る第１リング１０ａにおいては、第１環状溝５１の溝底面と軸孔６１の内周面との間に配される部分における外周面に、密封対象流体（油）を導入する溝１２，１３が設けられている。これらの溝１２，１３は、本実施例では、周方向に一定の間隔で複数設けられている。ただし、溝の配置位置，個数，形状及び大きさ等については、第１リングの大きさや材質及び使用環境等に応じて適宜設定すればよい。これらの溝１２，１３が設けられていること以外は、上記実施例１と同一の構成である。

このように、本実施例においては、第１リング１０ａの外周面に溝１２，１３を設けたことで、第１リング１０ａの外周面と軸孔６１の内周面との間に、密封対象流体である油が導入される。したがって、第１リング１０ａの外周面と軸孔６１の内周面との摺動抵抗を低減させることができる。

（その他）
上記各実施例においては、図１〜図３に示すように、第２リング２０は、その断面形状が矩形のものを示した。しかしながら、第２リング２０は、第２環状溝５２の溝底面と第１リング１０の内周面との間の環状隙間を封止することができ、かつ自己の弾性反発力によって、第１リング１０，１０ａを軸孔６１の内周面に向かって押圧する機能を発揮するものであればよい。したがって、その断面形状は矩形のものに限らず、円形や楕円など、適宜のものを採用することができる。

また、硬質材料からなる第１リング１０，１０ａについては、周方向のいずれの箇所にも切断部分を有さないタイプのものを採用することもできるし、装着性をよくするために、周方向の１箇所または複数個所が切断されたタイプのものを採用することもできる。後者の場合の切断部の具体例としては、ステップカットや特殊ステップカットを採用できる。

また、第２環状溝５２内に対して、より確実に密封対象流体（油）を導くための導入経路を設ける構成を採用することもできる。具体的には、第１リング１０，１０ａにおいて、第１環状溝５１の溝底面と軸孔６１の内周面との間に配される部分における内周面に、密封対象流体（油）を導入する溝を設ける構成を採用できる。また、第１環状溝５１の側壁面や溝底面に、密封対象流体（油）を導入する溝を設ける構成を採用することもできる。更に、第２リング２０の側壁面にも、密封対象流体（油）を導入する溝を設ける構成を採用することもできる。これらの構成を採用することによって、第２環状溝５２内に、より確実に密封対象流体（油）を導くことが可能となる。これにより、吹き抜け漏れ（パッシング）を抑制することが可能となる。すなわち、一般的に、硬質材料からなる第１リングとゴム状弾性体製の第２リングとからなる組み合わせシールの場合、加圧時においては、流体圧力（油圧）により第２リングが拡張力を得ることによって、高圧時においても密封性を得ることができる仕組みとなっている。そのためには、第２リングが装着されている溝内に密封対象流体（油）が導入されることが必要となる。そこで、上記のように、各部材の各部に適宜溝を設けることによって、第２環状溝５２内に、より確実に密封対象流
体（油）を導くことで、第２リング２０の拡張力をより確実に得ることが可能となる。これにより、安定的に密封性を得ることができ、吹き抜け漏れを抑制することが可能となる。

また、実施例２においては、摺動抵抗を低減させるために、第１リング１０ａの外周面に溝を設ける場合の構成を示したが、当該外周面に密封対象流体である油を保持するための複数のディンプル（穴）を設けることによって摺動抵抗を低減させることもできる。

図１は本発明の実施例１に係る密封装置を備える密封構造の模式的断面図である。 図２は本発明の実施例１に係る密封装置を備える密封構造の模式的断面図である。 図３は本発明の実施例２に係る密封装置を備える密封構造の模式的断面図である。 図４は従来例に係る密封構造の模式的断面図である。 図５は仮想技術に係る密封構造の模式的断面図である。

符号の説明

１０，１０ａ 第１リング
１１ 環状凸部
１２，１３ 溝
２０ 第２リング
５０ ピストン
５１ 第１環状溝
５２ 第２環状溝
６０ シリンダ
６１ 軸孔
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ クリアランス
Ｔ 軸心

Claims (4)

1. ハウジングに設けられた軸孔の内周面と該軸孔に挿通される軸の外周面との間の環状隙間を封止すると共に、前記軸を支持する軸受となる密封装置であって、
   前記軸の外周面には、該軸の軸心と同心的に設けられる第１環状溝、及び第１環状溝の溝底面に前記軸心と同心的に設けられる第２環状溝が形成されており、
   第１環状溝に装着され、この第１環状溝に対してスライド可能な、硬質材料からなる第１リングと、
   第２環状溝に装着され、第１リングを軸孔内周面に向かって押圧するゴム状弾性体製の第２リングと、を備え、
   第１リングには、第２環状溝内に進入するように構成され、密封対象流体の圧力による第１リングのスライドによって第２環状溝の側壁面に密着することで、第１リングと軸との間の隙間への第２リングのはみ出しを防止する、前記軸心と同心的に設けられる環状凸部が設けられており、
   第１リングにおける前記環状凸部を挟んで軸方向の両側の部分は、いずれも第１環状溝の溝底面と前記軸孔の内周面との間に配されると共に、前記両側の部分と第１環状溝の溝底面との間にはクリアランスが設けられていることを特徴とする密封装置。
2. 第１リングのうち第１環状溝の溝底面と前記軸孔の内周面との間に配される部分における外周面に、密封対象流体を導入する溝が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
3. 軸孔を有するハウジングと、
   前記軸孔に挿通される軸と、
   前記軸孔の内周面と前記軸の外周面との間の環状隙間を封止すると共に、前記軸を支持する軸受となる密封装置と、を備える密封構造であって、
   前記軸の外周面には、該軸の軸心と同心的に設けられる第１環状溝、及び第１環状溝の溝底面に前記軸心と同心的に設けられる第２環状溝が形成されており、
   前記密封装置は、
   第１環状溝に装着され、この第１環状溝に対してスライド可能な、硬質材料からなる第１リングと、
   第２環状溝に装着され、第１リングを軸孔内周面に向かって押圧するゴム状弾性体製の
   第２リングと、を備え、
   第１リングには、第２環状溝内に進入するように構成され、密封対象流体の圧力による第１リングのスライドによって第２環状溝の側壁面に密着することで、第１リングと軸との間の隙間への第２リングのはみ出しを防止する、前記軸心と同心的に設けられる環状凸部が設けられており、
   第１リングにおける前記環状凸部を挟んで軸方向の両側の部分は、いずれも第１環状溝の溝底面と前記軸孔の内周面との間に配されると共に、前記両側の部分と第１環状溝の溝底面との間にはクリアランスが設けられていることを特徴とする密封構造。
4. 第１リングのうち第１環状溝の溝底面と前記軸孔の内周面との間に配される部分における外周面に、密封対象流体を導入する溝が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の密封構造。

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