JP7558676B2 - 密封構造 - Google Patents

Description

本発明は、密封構造に関する。更に詳しくは、密封性を必要とする摺動部分に用いられる密封構造に関する。

従来、２つの部材の間の隙間を密封して密封性を確保するためにガスケットやパッキンなどのシール部材が用いられた密封構造が知られている。

このシール部材のうちガスケットやこれを用いた密封構造としては、例えば、特許文献１～４に記載のものが知られている。

具体的には、特許文献１には、互いに対向する二部材のうち一方に形成されたシール装着溝に嵌め込まれて他方と密接可能な弾性材料からなるシールリングと、このシールリングの外側にあって二部材のうち一方又は他方に保持されシールリングより剛性の大きなスペーサとを備える密封構造が記載されている。

特許文献２には、片側の第一内側面が溝内側へ倒れるように傾斜した蟻溝に、弾性材料からなるシールリングが装着された密封構造が記載されている。

特許文献３には、開口部と、所定の凹溝を備えた被取付部材と、この凹溝内へ装着される所定形状の弾性シールと、この弾性シールが上記凹溝から突出している突出部を押圧する相手部材と、を備える密封構造体が記載されている。

特許文献４には、片あり溝のシール溝底面側に配置される第１のシール部材と、片あり溝の開口端面側に配置される第２のシール部材とが、凹凸嵌合部で着脱自在に一体化されるとともに、この凹凸嵌合部がシール溝底面と略平行な面に構成されているシール部材が記載されている。

また、シール部材のうち、パッキンは、隙間を密封する部材と摺動するため、密封性を確保すること以外に、上記部材との摩擦抵抗を低減させたもの（即ち、摺動抵抗の低減化したもの）などが知られている（例えば、特許文献５参照）。

なお、ガスケットとパッキンは、２つの部材の間の密着性を確保するものという点で共通するが、ガスケットは、上記部材と摺動接触しないものであり、一方、パッキンは、上記部材と摺動接触するものであるという違いがある。

特開２００６－１５３１６９号公報 特開２００７－６４２９４号公報 特開２００８－３２０３３号公報 特開２０１０－６０１０７号公報 特開２００６－２６６２７９号公報

従来の密封構造（例えば、特許文献５）で使用されるパッキンは、上述の通り、その接触する部材と摺動運動を行うので、当該部材との間に生じる摩擦力を低減させる技術の開発が行われている。ここで、摺動面に発生する反力を低減させることによって、生じる摩擦抵抗を低減させるという点においては未だ改良の余地があった。

具体的には、Ｏリングなどのパッキンは、スクィーズタイプのシール部材（即ち、つぶし代を設けて密封するシール部材）である。そのため、往復運動や回転運動などの運動をする２つの部材の隙間を密封する用途で使用する場合、パッキンと上記部材との間に生じる摩擦力を低減させることが要求される。

ここで、Ｏリングなどのパッキンのフリクション（摩擦力）は、式：フリクション（Ｆ）＝摩擦係数（μ）×シール部材の反力（Ｎ）で算出することができる。この式からすると、更なる摩擦力の低減を達成するには、摩擦係数またはシール部材の反力を低減させる方法が考えられる。

一方で、摩擦係数は、実機使用条件、相手摺動面の状態、潤滑形状に影響を受けるため、この摩擦係数を調整することは容易でない。

また、シール部材の反力を低減させる方法としては、つぶし代を低減することが考えられる。即ち、２つの部材の間にシール部材を装着した際において、装着されたシール部材が潰れる程度を小さくすることが考えられる。しかし、この方法では、シール性が低下する傾向がある。特に、圧力条件下の場合、シール部材の反力が支配的となる。

本発明は、このような従来技術に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、圧力条件下において摺動面に発生する反力が低減され、シール部材と、このシール部材と摺動接触する部材との間に生じる摩擦力が低減された密封構造の開発を行うことにある。

本発明によれば、以下に示す、密封構造が提供される。

［１］ ２つの部材の間の隙間を密封する弾性材からなる環状のシール部材を備える密封構造（但し、バックアップリングを備えるものを除く）であって、
前記シール部材は、前記２つの部材のうちの一方の部材である第１部材に設けられた環状溝内に配置されるとともに、前記２つの部材のうちの他方の部材である第２部材に摺動接触するものであり、
前記シール部材は、その厚さ方向の断面形状が、円形または楕円形であり、当該シール部材で仕切られた一方の空間内の圧力が大きくなると、当該圧力によって、圧力の小さい側である他方の空間側に移動するものであり、
前記環状溝の、前記シール部材が移動する側にある側面は、前記環状溝の開口から底面に向かって前記環状溝の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面であり、
前記シール部材で仕切られた空間内が加圧されない状態においては、前記シール部材と前記環状溝の側面とは、非接触であり、前記シール部材と前記環状溝の側面との間には隙間が形成されており、
前記環状溝の開口部が曲面状をなしており、
前記拡径テーパー面と前記第１部材の表面とのなす角度が、５０～７０°であり、
前記環状溝は、前記底面の角部が曲面状である、密封構造。

［２］ 前記環状溝の両方の側面が、前記環状溝の開口から底面に向かって前記環状溝の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面である、前記［１］に記載の密封構造。

［３］ 前記第２部材が、軸孔を有するハウジングであり、前記第１部材が、前記軸孔に挿入された軸部である、前記［１］または［２］に記載の密封構造。

本発明の密封構造は、シール部材が配置される環状溝が所定の形状であることによって、圧力条件下において摺動面に発生する反力が低減され、シール部材と、このシール部材と摺動接触する部材との間に生じる摩擦力が低減されるという効果を奏する。

本発明の密封構造の一の実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明の密封構造の一の実施形態において一部を拡大して模式的に示す拡大断面図である。 本発明の密封構造の一の実施形態において圧力条件下でのシール部材の移動を模式的に説明する説明図である。 本発明の密封構造の一の実施形態において圧力条件下でのシール部材の移動を模式的に説明する説明図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

（１）密封構造：
本発明の密封構造の一の実施形態は、図１に示す密封構造１００である。この密封構造１００は、２つの部材１１，１２の間の隙間Ｓ１を密封する弾性材からなる環状のシール部材１０を備える密封構造である。シール部材１０は、２つの部材１１，１２のうちの一方の部材である第１部材２１に設けられた環状溝１５内に配置されるとともに、２つの部材１１，１２のうちの他方の部材である第２部材２２に摺動接触するものである。また、シール部材１０は、このシール部材１０で仕切られた一方の空間３１（図２参照）内の圧力が大きくなると（即ち、一方の空間３１内が加圧状態とされると）、当該圧力によって、圧力の小さい側である他方の空間３２側に移動するものである。そして、環状溝１５の、シール部材１０が移動する側にある側面１６は、環状溝１５の開口１７から底面１８に向かって環状溝１５の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面２６である。

この密封構造１００は、圧力条件下において摺動面２８（即ち、第２部材２２の、シール部材１０が摺動接触する面）に発生する反力が低減され、シール性を確保しつつ、シール部材１０と、このシール部材１０と摺動接触する部材である第２部材２２との間に生じる摩擦力が低減される。そして、この場合、更に、シール部材１０から摺動面２８への面圧も低下傾向となるため、シール部材１０の摩耗抑制効果も期待できる。

（１－１）２つの部材（第１部材、第２部材）：
２つの部材１１，１２は、特に制限はなく、往復運動や回転運動などの運動をする部材である。より具体的には、図１に示すように、一方の部材を「軸孔４１ａを有するハウジング４１」（第２部材２２）とし、他方の部材を「軸孔４１ａに挿入された軸部４２」（第１部材２１）とすることができる。そして、この軸部４２の外周面に、環状の溝（環状溝１５）が形成され、この環状溝１５内にシール部材１０が配置される。

この第１部材２１に形成された環状溝１５は、その両側面のうちの少なくとも所定の側面が、シール部材１０が圧力によって移動する側の側面１６が拡径テーパー面２６である。この拡径テーパー面２６は、環状溝１５の開口１７から底面１８に向かって環状溝１５の幅が広がるように傾斜している面である。

このような拡径テーパー面２６を有する環状溝１５を設けると、圧力によって移動したシール部材１０が拡径テーパー面２６に押し付けられて変形し、シール部材１０からのハウジング４１などの第２部材２２に対する面圧を低減させることができる。なお、シール部材１０は、弾性材から構成されているため、圧力が弱まると、元の形状に戻ることになる。図３，図４では、シール部材１０を空間３２側に移動させ、シール部材１０を拡径テーパー面２６に押し付ける力（圧力）を白抜き矢印で示し、この圧力によってシール部材１０が変形する状態を太い矢印で示している。

環状溝１５は、その両方の側面が拡径テーパー面２６であることでもよい。拡径テーパー面２６は、上述の通り、環状溝１５の開口から底面１８に向かって環状溝１５の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面である。つまり、環状溝１５は、いわゆる、あり溝（その深さ方向の断面形状が、開口１７から底面１８に向かって拡径する台形状の溝）とすることができ、上述の通り、片方の側面だけが拡径テーパー面２６である片側あり溝であってもよい。

環状溝１５をあり溝とすることによって、シール部材１０によって仕切られた空間３１，３２（図２参照）のそれぞれが必要に応じて加圧されるような用途にも適用することができる。

環状溝１５において、拡径テーパー面２６と第１部材２１の表面２４とのなす角度θは、４５～８５°とすることができ、更に５０～８０°とすることができ、本願発明では、５０～７０°である。このような角度とすることによって、シール部材１０から第２部材２２に対する面圧をより良好に低減させることができる。また、上記範囲の角度とすると、シール部材１０が空間３１，３２から圧力を受けなくなった際に、シール部材１０は変形した状態が解かれ、圧力を受ける前の形状に戻り易くなる。角度θは、より具体的には、環状溝１５の深さ方向の断面（図２参照）において、拡径テーパー面２６と第１部材２１の表面２４とのなす角度である。なお、環状溝１５の開口部が曲面状をなしている場合（即ち、面取りされている場合）、上記角度θは、拡径テーパー面２６と第１部材２１の表面２４とを延長してこれらの線が交差したときの角度（鋭角）である。

環状溝１５は、底面１８の角部１９を曲面状とすることができる。このようにすることで、環状溝１５の側面を構成する壁部４５の強度を高めることができ、この壁部４５が破損することを防止することができる。つまり、圧力条件下においてシール部材１０が圧力によって拡径テーパー面２６に押し付けられるが、その際、この壁部４５はシール部材１０から外力を加えられる。角部１９を曲面状とすると、上記外力によって壁部４５が破損することを回避するものである。

（１－２）シール部材：
シール部材１０は、２つの部材１１，１２の間の隙間Ｓ１を密封する弾性材からなる環状のものである。シール部材１０は、２つの部材１１，１２のうちの一方の部材である第１部材２１に設けられた環状溝１５内に配置されるとともに、２つの部材１１，１２のうちの他方の部材である第２部材２２に摺動接触する。

シール部材１０は、当該シール部材１０で仕切られた一方の空間３１内の圧力が大きくなると、当該圧力によって、圧力の小さい側である他方の空間３２側に移動する。そして、移動したシール部材１０は、環状溝１５の拡径テーパー面２６に押し付けられて変形し、シール部材１０が摺動接触する部材（例えば、ハウジング４１）に対する面圧が低減する。このようにして圧力条件下において摺動面２８に発生する反力が低減される。

シール部材１０は、その厚さ方向の断面形状について特に制限はないが、例えば、円形、楕円形などとすることができ、本発明では、その厚さ方向の断面形状が、円形または楕円形である。このように円形または楕円形であると、シール部材１０が環状溝１５の拡径テーパー面２６に押し付けられて変形した際に、更に良好に摺動面２８に発生する反力を低減させることができる。別言すれば、上記形状であると、摺動面２８に発生する反力がより低減するように変形する。

シール部材１０は、具体的には、Ｏリングなどのパッキンであり、弾性材からなるものである限り特に制限はなく、従来公知のパッキンの材料と同じものを適宜採用することができる。具体的には、ゴムなどの合成樹脂などを挙げることができる。

シール部材１０のつぶし代は、圧力条件下においてシール性が確保される限り特に制限はなく、従来公知のパッキン等のシール部材におけるつぶし代と同じとすることができる。

シール部材１０は、このシール部材１０で仕切られた空間３１，３２内が加圧されない状態においては（例えば、使用開始直後においては）、シール部材１０と環状溝１５の側面１６（具体的には、少なくとも一方の側面）とは、非接触であり、シール部材１０と環状溝１５の側面１６との間には隙間Ｓ２（図１参照）が形成されているようにすることがよい。このような構成を採用すると、一方の空間３１が加圧されて圧力条件下となった場合、その圧力によってシール部材１０が良好に移動する。つまり、一方の空間３１が加圧されると、シール部材１０の、当該空間３１に曝された面の全体で圧力を受けるため、シール部材１０が移動し易く、また、シール部材１０を拡径テーパー面２６に押し付ける力が良好にシール部材１０に対して働くことになる。

（２）密封構造の使用方法：
本発明の密封構造の使用方法について、密封構造１００に基づいて以下に説明する。２つの部材について、第２部材が軸孔を有するハウジングであり、第１部材が軸孔に挿入された軸部であるとする。

まず、第１部材２１である軸部４２に形成された環状溝１５に、シール部材１０を嵌め込む。その後、この軸部４２を、ハウジング４１の軸孔４１ａに挿入する。このように軸部４２を挿入すると、ハウジング４１は、シール部材１０で仕切られた２つの空間３１，３２に分けられるとともに、シール部材１０によって、ハウジング４１と軸部４２の間の隙間Ｓ１が密封される。

軸部４２は、ハウジング４１内において適宜移動し、シール部材１０は、第２部材２２であるハウジング４１に摺動接触する。

そして、シール部材１０は、このシール部材１０で仕切られた一方の空間３１内の圧力が大きくなると、当該圧力によって、圧力の小さい側である他方の空間３２側に移動し、拡径テーパー面２６に接する。そして、環状溝１５の、シール部材１０が移動する側にある側面１６は、環状溝１５の開口１７から底面１８に向かって環状溝１５の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面であるので、一方の空間内の圧力によって、シール部材１０は、拡径テーパー面２６側に押し付けられて変形する。変形したシール部材１０は、シール性を維持しつつ、その摺動面２８であるハウジング４１の面に対する面圧が小さくなる。

このようにして、圧力条件下において、シール性を維持しつつ、摺動面２８に発生する反力を低減し、シール部材１０と、このシール部材１０と摺動接触する部材（第２部材２２）との間に生じる摩擦力を低減することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような密封構造を作製した。この密封構造は、２つの部材の間の隙間を密封する弾性材からなる環状のシール部材を備えていた。更に、このシール部材は、２つの部材のうちの一方の部材である第１部材に設けられた環状溝内に配置されるとともに、２つの部材のうちの他方の部材である第２部材に摺動接触するものであった。第２部材は、軸孔を有するハウジングであり、第１部材は、軸孔に挿入された軸部であった。シール部材は、断面形状が円形のパッキンであった。

更に、シール部材は、当該シール部材で仕切られた一方の空間内の圧力が大きくなると、当該圧力によって、圧力の小さい側である他方の空間側に移動するものとした。そして、第１部材において、環状溝の、シール部材が移動する側にある側面は、環状溝の開口から底面に向かって環状溝の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面であった。なお、第１部材である軸部の表面と拡径テーパー面とのなす角は、７０°であった。拡径テーパー面と反対の側面は、あり溝状ではなく、第１部材である軸部の表面と当該側面とのなす角は、９０°であった。

作製した密封構造において、シール部材で仕切られた一方の空間内の圧力を順次大きくした。そして、その際のシール部材の反力（Ｎ）、及び、摺動面における最大面圧（ＭＰａ）を算出した。空間内の圧力は、０ＭＰａ、２．５ＭＰａ、５ＭＰａとした。結果を表１に示す。

（比較例１）
シール部材を配置する環状溝の側面の形状を、従来の通りとしたこと（具体的には、両側面において、第１部材である軸部の表面と当該側面とのなす角を９０°としたこと）以外は、実施例１と同様にして密封構造を作製した。そして、この密封構造において、実施例１と同様にして、シール部材で仕切られた一方の空間内の圧力を順次大きくした。そして、その際のシール部材の反力（Ｎ）、及び、摺動面における最大面圧（ＭＰａ）を算出した。結果を表１に示す。

実施例１、比較例１から分かるように、実施例１の密封構造では、比較例１の密封構造に比べて、シール部材で仕切られた一方の空間内の圧力を順次大きくすると、その際のシール部材の反力（Ｎ）、及び、摺動面における最大面圧（ＭＰａ）が減少することが分かる。つまり、圧力条件下において摺動面に発生する反力が低減され、シール部材と、このシール部材と摺動接触する部材との間に生じる摩擦力が低減されることが分かった。更に、実施例１の密封構造では、摺動面へのシール部材からの面圧も低下傾向となるため、シール部材の摩耗抑制効果も期待できる。

本発明の密封構造は、車両などの各種装置において密封性を必要とする摺動部分に用いられる密封構造として採用することができる。

１０：シール部材、１１，１２：２つの部材、１５：環状溝、１６：環状溝の側面、１７：環状溝の開口、１８：環状溝の底面、１９：角部、２１：第１部材、２２：第２部材、２６：拡径テーパー面、２８：摺動面、３１：一方の空間、３２：他方の空間、４１：ハウジング：４１ａ：軸孔、４２：軸部、４５：壁部、１００：密封構造、Ｓ１，Ｓ２：隙間。

Claims (3)

1. ２つの部材の間の隙間を密封する弾性材からなる環状のシール部材を備える密封構造（但し、バックアップリングを備えるものを除く）であって、
   前記シール部材は、前記２つの部材のうちの一方の部材である第１部材に設けられた環状溝内に配置されるとともに、前記２つの部材のうちの他方の部材である第２部材に摺動接触するものであり、
   前記シール部材は、その厚さ方向の断面形状が、円形または楕円形であり、当該シール部材で仕切られた一方の空間内の圧力が大きくなると、当該圧力によって、圧力の小さい側である他方の空間側に移動するものであり、
   前記環状溝の、前記シール部材が移動する側にある側面は、前記環状溝の開口から底面に向かって前記環状溝の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面であり、
   前記シール部材で仕切られた空間内が加圧されない状態においては、前記シール部材と前記環状溝の側面とは、非接触であり、前記シール部材と前記環状溝の側面との間には隙間が形成されており、
   前記環状溝の開口部が曲面状をなしており、
   前記拡径テーパー面と前記第１部材の表面とのなす角度が、５０～７０°であり、
   前記環状溝は、前記底面の角部が曲面状である、密封構造。
2. 前記環状溝の両方の側面が、前記環状溝の開口から底面に向かって前記環状溝の幅が広がるように傾斜している拡径テーパー面である、請求項１に記載の密封構造。
3. 前記第２部材が、軸孔を有するハウジングであり、前記第１部材が、前記軸孔に挿入された軸部である、請求項１または２に記載の密封構造。
   

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