JP4012763B2 - ロッド又はピストンの一次シール部 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロッド又はピストンのシール部分に関する。より詳細には、本発明は、封止されるべき空間に対向する一次シール部と、一次シール部を挟んで封止されるべき空間と反対側に配置されている二次シール部を含むロッド又はピストンの一次シール部に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸方向に移動するロッドやピストンを封止するのに、低圧側に対して高圧側を封止するシール機構が利用される。このようなシール部では、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）をベースとする耐久性のある弾性プラスチック、又はこれよりも硬質な熱可塑性樹脂から形成され、内側の円周面に１つ又は複数のシールエッジを有するシールエッジリングがしばしば使用されている。シールエッジリングは、軟質のエラストマー材料からなる外郭リングによって、その外周面から追加的に半径方向内側に押し付けられ、それによってロッドを封止する。シールエッジリングと外郭リングは、ケーシングの溝の中に組み込まれる。１本のロッドに対して互いに前後して複数のシール部が配置されている場合、双方の機械要素、すなわちケーシングとロッドが互いに並進運動をすると、圧力勾配が逆転する反転した圧力状況が発生し、すなわち通常低圧である側が高圧側になり、通常高圧である側が低圧側になることがある。そのために許容されない変形がシールエッジリングに発生し、これによってシール機構の漏れや早期の故障という結果がもたらされる。圧力の逆転が発生するのは、特に、高圧側で圧力降下が起こり、一次シール部と二次シール部の間の密閉空間における圧力が、高い圧力に維持されたままとなる場合、又は長時間経過した後、高圧側、すなわち封止される側の圧力レベルまで降下する場合である。このとき密閉空間の圧力は、最大の動作圧よりも明らかに高くなることがある。このような状況下では、密閉システム全体における摩擦力の上昇に加えて、一次シール部のシールエッジリングが歪む可能性がある。可塑的な変形と磨耗により、シールエッジの初期接触が乱されて、初期の接触圧が得られなくなり十分な封止機能が果たせなくなる。
【０００３】
DE19654357A1より、シールリングの当接表面に少なくとも１つの連絡通路が設けられ、この連絡通路を介して高圧側を低圧側と接続可能であるシール機構が公知である。このシール機構では、連絡通路を備えるクランプリングとシールリングが互いに位置合わせされ、それによって高圧側が低圧側に対してクランプリングで閉止されるとともに、逆転した圧力状態が生じると連絡通路が開かれるようになっている。その意味で、クランプリングは逆止め弁として機能する。
【０００４】
問題点の別の解決法は、DE3620539A1に記載されている。この明細書の方法では、同じく弾性プラスチックから形成されたシールリングと圧着リングが利用される。シールリングは、ロッドに対向する内側面又は内周面に、軸方向で互いにずらして配置されている２つの環状のシールエッジを有するとともに、この２つのシールエッジの間で、シールリングの内側面からシールリングの外側面に連通する少なくとも１つの通路を有している。この通路の開口部は、クランプリングで覆われている。このようにして一種のリリーフバルブが形成され、シールエッジとシールエッジの間のシールエッジ間圧力が、通路の開口部の上に配置されているクランプリングに作用するクランプリングの面を押す圧力の値を越えると、すぐにクランプリングが開口部から持ち上げられ、それによって液体が通路を介して再び封止されるべき空間に流れ戻る。この解決法では、シール部の２つのシールエッジによって形成される空間が、封止されるべき空間と連通される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、構造が簡単であり、別個のシール部の間の密閉空間で高い圧力が生成されることを防止するようなシール機構を提供することである。密閉空間での圧力生成は、高圧側で圧力降下が起きたとき、高圧側よりも高い圧力レベルとならないことが望ましく、又は著しく時間的に遅延した後に、高圧側の圧力降下に後続して起こることが許される。それと同時に、高圧側であらためて圧力上昇が起きたとき、シール中間空間、すなわちシール部の間の密閉空間では圧力上昇が起こらないか、もしくはわずかな圧力上昇しか起こらないのが望ましい。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、封止されるべき空間に対向する一次シール部と、一次シール部を挟んで封止されるべき空間と反対側に配置されている二次シール部を含むロッド又はピストンの一次シール部であって、一次シール部が、相対的に可動である機械部品に対向して開放している保持部材の溝に挿入され、この溝が、封止されるべき空間から遠い側、又は封止されるべき空間の方を向く側で、シール軸と実質的に垂直に延伸する第１側面によって画定され、一次シール部が堅くて耐久性のあるシールエッジリングを含み、このシールエッジリングが機械部品に当接するシールエッジを有するとともに、エラストマー材料からなる外郭リングによってシールエッジで機械部品に押し付けられ、外郭リングが溝の底面に支持されるとともに、外郭リングの内周面でシールエッジリングに当接しているものにおいて、シールエッジリングが、封止されるべき空間と反対の側でシールエッジを画定する面と、第１側面に対向する内側面との間が実質的に直角に画定されている断面形状を有し、一次シール部が負荷を受けていない状態において、封止されるべき空間とは反対の側でシールエッジを画定する面とシール軸との間が最大８°の角度（β）をなし、シールエッジリングが、少なくとも１つの貫通するリリーフ開口部を有し、このリリーフ開口部が、シールエッジの高圧側、すなわち封止されるべき空間側の面とシールエッジリングの外側面の間と、低圧側の内側面とを連通することによって解決される。このような一次シール部は、二次シール部の構成に関わりなく利用することができるので、広い利用範囲がある。このような一次シール部は容易に製造可能であり、最低の圧力差で作用する。圧力状況の逆転が起こると、すなわち通常低圧である側が高圧となり、通常高圧である側が低圧となると、すぐにリリーフ開口部の連通部が開き、流体が高圧側から低圧側へと流れて、通常の圧力状況に戻る。
【０００７】
リリーフ開口部の断面積は0.19mm²〜3.1mm²の範囲にあることが好ましい。
【０００８】
高い機能安定性を得るために、シールエッジの、封止されるべき空間に対向する側に、シールエッジリングに周方向に支持隆起部を設け、支持隆起部の少なくとも１つの軸方向溝によって、シールエッジと支持隆起部の間の空間を封止されるべき空間と連通することができる。この支持隆起部は、製造時に、その公称直径がシールエッジの公称直径と実質的に一致するように構成することができる。
【０００９】
シールエッジリングと外郭リングの間の軸方向の方向付けを得るために、シールエッジリングに、封止されるべき空間から遠い側で、半径方向内側から外郭リングと係合する第１の突起を設けることができる。さらに圧着リング又は外郭リングは、封止されるべき空間に対向する側で、側方隆起部によって溝の第２側面に支持される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、概略的に図面に描かれた複数の実施例を参照しながら、本発明を詳しく説明する。
【００１１】
図１では、機械部品又はロッド11が貫通する、たとえばケーシング壁などの保持部材５が断面図で示されている。保持部材５の右側は封止されるべき空間１である。シール機構は、さまざまな部品により構成することができる。本実施例では、封止されるべき空間１に対向する一次シール部２と、一次シール部２を挟んで封止されるべき空間１と反対側に位置する二次シール部３とが設けられている。本願発明では、封止されるべき空間１に近いシール部を一次シール部、それに続くシール部を二次シール部と称する。二次シール部３は、本実施例では、リップ21を備えるリップシール部として構成されている。多くの場合、これに加えて、二重の作用をするスクレーパ22が利用される。このスクレーパは、２つのクランプリング24及び25で保持され、機械部品11に押し付けられているシールリング23から形成されている。機械部品11に対して、適切な材料から形成されているガイドリング26が設けられている。一次シール部２は、保持部材５に設けられている溝４に挿入されている。特に溝４の第１側面７は、シール軸６又は機械部品11の軸に対して実質的に垂直に延伸している。一次シール部２は、堅くて耐久性のあるプラスチック、好ましくはポリテトラフルオロエチレン（PTFE）から形成されているシールエッジリング８と、機械部品11に当接するシールエッジ９とによって構成されている。シールエッジリング８は、エラストマー材料から製造された外郭リング10によって、機械部品11に押し付けられている。外郭リング10は、溝４の底面12に支持されている。外郭リング10は、その内周面13でシールエッジリング８に当接している。シールエッジリング８の内側面14は、溝４の第１側面７に当接するとともに、封止されるべき空間１と反対の側でシールエッジ９を画定する面と実質的に直角となるような断面形状を有している。シールエッジ９と内側面14の間にある面、すなわちスクレーパリング、シールエッジリング８の封止されるべき空間と反対側の面15又はシールエッジリング８の内周面15は、シール面20に対して若干傾斜するように構成されているとともに、シール部２が負荷を受けていない状態において、シール面20又はシール軸６に対して最大８°の角度βをなす。シールエッジリング８は、１つ又は周方向に隔置されている複数のリリーフ開口部16を有し、このリリーフ開口部は、シールエッジリング８の外側面40とシールエッジ９の間と、内側面14とを連通している。
【００１２】
本実施例において、リリーフ開口部16の断面積は0.19 mm²〜3.1mm²の範囲にある。
【００１３】
封止されるべき空間１の圧力が上昇すると、シールエッジリング８はそのシールエッジ９を介して機械部品11に当接するとともに、内側面14が溝４の第１側面７に当接する。一次シール部２と二次シール部３との間の内部空間27に、封止されるべき空間１の圧力を上回る圧力が発生すると、すぐに溝４の第１側壁７とスクレーパリング又はシールエッジリング８の内側面14の間に圧力の高まった流体が進入し、この流体は、リリーフ開口部16を介して封止されるべき空間又は圧力空間１へと導かれ、結果として内部空間27に発生した圧力を逃がすことができる。
【００１４】
図２には、図１に示した一次シール部２を拡大した縮尺で示す。溝４に、シールエッジリング８と外郭リング10とが挿入されている。外郭リング10は、溝４の第１側面７に押し付けられ、変形している。シールエッジリング８は、機械部品11に当接するシールエッジ９を有する。シールエッジリング８は、内側面14の、機械部品11の中心軸と実質上垂直をなすように延伸している環状面29で、封止されるべき空間１から遠い側の溝４の第１側面７に当接している。リリーフ開口部16は、封止されるべき空間１から、一次シール部２と二次シール部３との間にある空間27への連絡部をつくり出せるように設計されている。スクレーパリング又はシールエッジリング８の内部におけるリリーフ開口部16の位置は、ここでは任意であってよい。シールリングの作用にとって、封止されるべき空間１の圧力が内部空間27の圧力より高い場合には、内側面14がリリーフ開口部16の連通部30で溝４の第１側面又は側壁７に当接し、それによって連通部30が閉じられていることが重要である。そのために、シールエッジリング８が第１側面７に押し付けられる。何らかの理由によって、内部空間27の圧力が封止されるべき空間１の圧力を上回ると、すぐにシールエッジリング８が空間１の方向へわずかに押圧されて、流体が空間27から、環状面29と第１側面７の間にできた間隙を通って、リリーフ開口部16の連通部30に入り、さらにリリーフ開口部16を介して封止されるべき空間１に達し、ついには圧力が補償され、再び通常の圧力状態となる。
【００１５】
リリーフ開口部16の横断面は、封止されるべき空間１の圧力負荷が比較的小さい場合でも、シールエッジリング８がその内側面14で溝４の第１側面７に当接するように寸法決めされている。好ましくは、内側面14と、シールエッジリング８の内周面15との間の角度δは90°である。内側面14と第１側面７の間の角度、及びシールエッジリング８の内周面15と機械部品11のシール面20との間の角度βは、どちらも０°から８°の範囲とすることができる。封止されるべき空間１に対向する側でシールエッジ９を画定する面と機械部品11のシール面20とがなす角度αは、設計上の所与の条件に適応させて任意の大きさとすることができる。
【００１６】
図３は、周方向に配置されている支持隆起部31がシールエッジリング８に追加的に設けられている一次シール部２の別の実施形態を概略的に示す。この実施例の場合にも内側面14と、シールエッジリング８の内周面15との間の角度δは90°である。またシールエッジリング８の内側面14と溝８の第１側面７がなす角度は０°〜８°の範囲にあり、シールエッジリング８の内周面15と機械部品11のシール面20がなす角度も０°〜８°の範囲にある。このときこの実施例では、シールエッジリング８が、隆起部31によって機械部品11に追加的に支持されている。シールエッジ９と支持隆起部31との間の空間32は、複数の支持隆起部31に設けられている軸方向溝33を介して封止されるべき空間１と連通している。このようにして、空間32は封止されるべき空間１と連通している。リリーフ開口部16は、その流入開口部34が軸方向溝33の領域に位置している。支持隆起部31の公称直径は、製造時に、シールエッジ９の公称直径と実質的に等しくなるように構成されている。
【００１７】
さらに、シールエッジリング８は、封止されるべき空間１から遠い側、すなわち内側面14の側に、外郭リング10の内周面13と係合する突起35を有し、この突起35は半径方向内側から、裏側から外郭リング10に食い込んでいる。これに加えて、外郭リング10は側方隆起部36を備え、この側方隆起部で溝４の第２側面37に支持されている。
【００１８】
【発明の効果】
本発明は、封止されるべき空間（１）に対向する一次シール部（２）と、二次シール部（３）を含むロッド又はピストンの一次シール部であって、一次シール部（２）が、相対的に可動である機械部品（11）に対向して開放している保持部材（５）の溝（４）に挿入され、この溝が、封止されるべき空間（１）から遠い側で、シール軸（６）と実質的に垂直に延伸する第１側面（７）によって画定され、一次シール部が堅くて耐久性のあるシールエッジリング（８）を含み、このシールエッジリング（８）が、機械部品（11）に当接するシールエッジ（９）を有するとともに、エラストマー材料からなる外郭リング（10）によってシールエッジ（９）で機械部品（11）に押し付けられ、外郭リング（10）が溝（４）の底面（12）で支持されるとともに、外郭リング（10）の内周面（13）でシールエッジリング（８）に当接しているものにおいて、シールエッジリング（８）が、封止されるべき空間と反対の側で前記シールエッジ（９）を画定する面（15）と、第１側面（７）に対向する内側面（14）との間が実質的に直角に画定されている断面形状を有し、一次シール部（２）が負荷を受けていない状態において、封止されるべき空間とは反対の側でシールエッジ（９）を画定する面（15）とシール軸（６）との間が最大８°の角度（β）をなし、シールエッジリング（８）が、少なくとも１つの貫通するリリーフ開口部（16）を有し、このリリーフ開口部（16）が、シールエッジリング（８）の外側面（40）とシールエッジ（９）の間と、内側面（14）とを連通することを特徴とするロッド又はピストンの一次シール部である。この構成によって、構造が簡単であり、別個のシール部の間の密閉空間で高い圧力が生成されることを防止することができるシール機構を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数のシール部材を備えるロッドシール部を示す断面図である。
【図２】図１の一次シール部を示す拡大図である。
【図３】一次シール部の別の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 封止されるべき空間
２ 一次シール部
３ 二次シール部
４ 溝
５ 保持部材
６ シール軸
７ 第１側面
８ シールエッジリング
９ シールエッジ
１０ 外郭リング
１１ 機械部品
１２ 底面
１３ 外郭リングの内周面
１４ 内側面
１５ 内周面
１６ リリーフ開口部
２０ シール面
２１ リップ
２２ スクレーパ
２３ シールリング
２４ クランプリング
２５ クランプリング
２６ ガイドリング
２７ 内部空間

Claims (6)

1. 封止されるべき空間（１）に対向する一次シール部（２）と、二次シール部（３）を含むロッド又はピストンの一次シール部であって、
   前記一次シール部（２）が、相対的に可動である機械部品（11）に対向して開放している保持部材（５）の溝（４）に挿入され、この溝が、前記封止されるべき空間（１）から遠い側で、シール軸（６）と実質的に垂直に延伸する第１側面（７）によって画定され、前記一次シール部が堅くて耐久性のあるシールエッジリング（８）を含み、このシールエッジリング（８）が、前記機械部品（11）に当接するシールエッジ（９）を有するとともに、エラストマー材料からなる外郭リング（10）によって該シールエッジ（９）で前記機械部品（11）に押し付けられ、前記外郭リング（10）が前記溝（４）の底面（12）で支持されるとともに、前記外郭リング（10）の内周面（13）で前記シールエッジリング（８）に当接しているものにおいて、
   前記シールエッジリング（８）が、前記封止されるべき空間と反対の側で前記シールエッジ（９）を画定する面（15）と、前記第１側面（７）に対向する内側面（14）との間が実質的に直角に画定されている断面形状を有し、
   前記一次シール部（２）が負荷を受けていない状態において、前記封止されるべき空間とは反対の側で前記シールエッジ（９）を画定する面（15）が、前記シール軸（６）に対して最大８°の角度（β）をなすように傾斜しており、
   前記シールエッジリング（８）が、少なくとも１つの貫通するリリーフ開口部（16）を有し、このリリーフ開口部（16）が、前記シールエッジリング（８）の外側面（40）と前記シールエッジ（９）の間と、前記内側面（14）とを連通することを特徴とするロッド又はピストンの一次シール部。
2. 前記リリーフ開口部（16）が、好ましくは0.19mm²から3.1mm²の範囲の断面積を有する請求項１に記載のロッド又はピストンの一次シール部。
3. 前記シールエッジリング（８）が、前記シールエッジ（９）の前記封止されるべき空間（１）に対向する側に周方向に配置されている支持隆起部（31）を有し、前記シールエッジ（９）と該支持隆起部（31）の間の空間（32）が、前記支持隆起部（31）の少なくとも１つの軸方向溝（33）によって前記封止されるべき空間（１）と連通されている請求項１又は２に記載のロッド又はピストンの一次シール部。
4. 前記支持隆起部（31）が、製造時において、前記シールエッジ（９）の公称直径と実質的に一致する公称直径を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のロッド又はピストンの一次シール部。
5. 前記シールエッジリング（８）が、前記封止されるべき空間（１）から遠い側で、前記外郭リング（10）の内周面（13）と係合する突起（35）を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のロッド又はピストンの一次シール部。
6. 前記外郭リング（10）が、前記封止されるべき空間（１）と対向する側で、側方隆起部（36）によって前記溝（４）の第２側面（37）に支持されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のロッド又はピストンの一次シール部。

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