WO2004092620A1

WO2004092620A1 - 往復動用密封装置

Info

Publication number: WO2004092620A1
Application number: PCT/JP1996/001113
Authority: WO
Inventors: Yoshiyuki Kanzaki
Original assignee: Yoshiyuki Kanzaki
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 2004-10-28
Also published as: US6045138A

Description

明細書往復動用密封装置技術分野

本発明は往復動用の密封装置に関し、特にシールリップの摺動面に複数の突起を設けたものに関する。

背景技術

従来のこの種の往復動用密封装置としては、たとえば、図 9 ( a ) に示すようなものがある。すなわち、軸方向に相対往復移動自在に設けられるハウジング 1 0 0 と軸 1 0 1間をシールするもので、ハウジング 1 0 0の軸孔 1 0 2内周に固定される環状の密封装置本体 1 0 3 と、密封装置本体 1 0 3に一体的に取り付けられるシールリップ 1 0 4と備えている。

そして、このシールリップ 1 0 4のリップ摺動面には、圧力変動等による 1段目突起 1 0 5の接触状態を安定化させるということを主目的として、 2段目突起 1 0 6が設けられていた。各突起 1 0 5， 1 0 6の軸 1 0 1 との大気側の接触角 α 1， a 2 , 油側の接触角 /3 1， |3 2は、各段の突起 1 0 5， 1 0 6において、 & 2 > OL 2 、 /3 1 ≥ ]3 2 > α 1 として密封性を高めていた。

しかしながら、上記した従来技術の場合には、 1段目突起 1 0 5が油を搔き落とすために、後段の 2段目以降の突起 1 0 6での潤滑不足によつて摩擦力が大きくなるという問題があった。

また、密封圧力が高くなると、シールリップ 1 0 4が軸に押し付けられるため、緊迫力が大きくなつて、必然的に摩擦力も大きくなるという問題がある。また、図 9 ( c ) に示すように、シールリップ 1 0 7のリプ摺動面に摩擦低減のために、複数の微細突起群 1 0 8を設けたものも知られている。

しかし、このような従来の多段微細突起群 1 0 8で構成されるシールリップ 1 0 7も、図 9 ( e ) に示すように、同一形状の微細突起 1 0 9 を配列して油を単に微細突起 1 0 9間に保持し、それによる潤滑効果を期待するだけで、積極的な'油の導入とその効果を活用するものではなかつた。各微細突起 1 0 9の密封対象流体側と大気側の接触角 α， 13は、 α = (3あるいは上記従来例と同様に |3 2 ½ (3 1≥ α 2 に設定されており、微細突起 1 0 9間に油が導入されなかった場合には、潤滑不足のために本来の摩擦低減効果が得られない。

また、図 9 ( f ) に示すように、微細突起 1 0 9先端の最大接触圧力 (図中 a ) は、突起なしの場合（図中 b ) より相当大きくなつているために、油膜が薄くなるような使用条件では摩耗を促進してしまう。

また、密封圧力が高くなってシ一ルリップ 1 0 7の押付け力が増加すると、押付け力が増加した分、油膜が薄くなつて微細突起 1 0 9間への油の導入が妨げられてしまい、さらに摩擦力の増加を助長する。

本発明は上記した従来技術の問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、シールリップの摩擦力低減を図ると共に、耐摩耗性向上を図り得る往復動用密封装置を提供することにある。 ' 発明の開示

本発明は、軸方向に相対移動自在に設けられる 2部材間をシールするもので、一方の部材に固定される環状の密封装置本体と、該密封装置本体から他方の部材に向かって延びて他方の部材に摺動自在に接触するシ ―ルリツプとを備えた往復動用密封装置において、前記シールリップの相手部材との接触面に、軸方向に所定距離だけ離間する一対の環状の突起を設け、該突起先端を相手摺動面に摺動自在に接触させて突起間と相手摺動面間に環状の空間を形成し、

前記反密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触構造を、その密封対象流体側の接触角を /3 2とし、反密封対象流体側の接触角を α 2 とした場合に、（3 2 > α 2に設定し、

前記密封対象流体側の突起の前記相手摺動面との接触構造を、前記相手部材が密封対象流体側から反密封対象流体側へ移動する際に、前記密封対象流体側の突起と相手摺動面との間に形成される流体膜の膜厚が、反密封対象流体側の突起と相手摺動面間に生じる流体膜の膜厚よりも大きくなるような構造としたことを特徴とする。

本発明にあっては、流体の密封は主に反密封対象流体側の突起で行い、密封対象流体側の突起は、密封すべき油等の流体を突起間の空間に積極的に導入し、流体の量不足を解消することによって一対の突起の潤滑性を向上させ、摩擦を低減させる。

たとえば、密封対象流体側の突起の接触構造として、密封対象流体側の接触角を /3 1 とし、反密封対象流体側の接触角を α 1 とした場合に、 β 1 ≤ α 1に設定する。

すなわち、シールリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側の突起の接触角が ]3 1 ≤ α 1 となつているので、突起の接触面において、密封対象流体が厚い流体膜で突起間の谷部空間に流入する。一方、反密封対象流体側の突起の接触角が |3 2 > α 2となっているため、突起間の谷部空間に流入した流体が極端に薄い流体膜でしか（または、厚い流体膜としては）外部に流出しない。また、シールリップに対して相手部材が相対的に密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側の突起において、谷部空間の流体の密封対象流体側への厚い流体膜としての流出は阻止され、往復動をするにつれて突起間の谷部空間に密封対象流体が流入蓄積され、谷部空間を満たして、その部分の圧力を上昇させることになる。

この突起間の谷部空間に蓄圧された圧力が密封圧力や緊迫力という摩擦力のもとになる力に対して打ち消す方向に働き、摩擦力を低減させる。つまり、蓄圧された流体は突起の設けられたシールリップ全体を持ち上げる効果を発現する。

また、密封圧力が増大した場合、それに伴って突起間圧力も追随して大きくなり、摩擦低減効果も密封圧増大前よりも大きくなるという自己追随能力を有する。これは密封圧力増大にともなって、各突起の接触面圧が増大して、蓄圧可能な限界圧力が増大するからである。

また、さらなる効果として、密封対象流体側め突起の密封対象流体側の接触角 |3 1を小さく設定することによって、シ一ルリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側の突起においては、反密封対象流体側の突起よりも厚い流体膜の形成によつて、また、反密封対象流体側の突起においては突起間に導入された流体による潤滑性の向上によって摩擦が低減される。逆に、相手部材が相対的に密封対象流体側に移動した場合には、突起間に導入された油による潤滑性の向上によって、密封対象流体側の突起の摩擦が低減される。また、密封対象流体側の突起の相手摺動面との他の接触構造を、密封対象流体側の接触角を 0 1 とし、反密封対象流体側の接触角を α 1 とした場合に、 |3 2 > 3 1 > α 1に設定したことを特徴とする。

すなわち、シールリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側の突起の密封対象流体側の接触角）3 1の方が、反密封対象流体側の突起の密封対象流体側の接触角 |3 2より小さく、つまり）3 1 < /3 2となっているため、密封対象流体側の突起で形成される流体膜の方が反密封対象流体側の突起より厚くなり、その差の分だけ、密封対象流体が突起間の空間に流入する。従来品に比べてこの空間に流入した流体は、密封対象流体側の突起の反密封対象流体側及び反密封対象流体側の突起の密封対象流体側の潤滑性を向上させる。一方、反密封対象流体側の突起の接触角が |3 2 > α 2に設定されているので、空間に流入した流体が極端に薄い油膜でしか（又は厚い油膜としては）外部に流出しない。

すなわち、密封対象流体側の突起の密封対象流体側の接触角 0 1を小さく設定することによって、シールリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側の突起においては、反密封対象流体側の突起よりも厚い膜の形成によって、また、反密封対象流体側の突起においては突起間に導入された流体による潤滑性の向上によって摩擦が低減される。逆に、相手部材が相対的に密封対象流体側に移動した場合には、突起間に導入された流体による潤滑性の向上によつて、密封対象流体側の突起の摩擦が低減される。

また、一対の突起を、軸方向に複数組設けたことを特徴とする。

複数組の突起は、相手部材の相対的な往復運動による流体膜形成によつて潤滑される。そして、相手部材が相対的に反密封対象流体側へ移動すると、各組の密封対象流体側の突起と比べて反密封対象流体側の突起で形成される流体膜が薄くなり、つまり反密封対象流体側の突起によつて流体膜が搔き落とされ、各組の突起間の谷部空間に密封対象流体が流入蓄積される。このように 2段 1組の突起間に積極的に流体を蓄積する形状となっているために、各組の突起は必ず流体と接して、潤滑性が良好で低摩擦で摩耗が少ない。

突起の高さは、最低限 1 [ m ] 程度の高さを有することが好ましい特に、各組の突起間に上記したような蓄圧機能を持たせれば、往復運動によって発生する流体膜が各組の突起間に積極的に蓄積されて各突起間の圧力が上昇する。一組の突起間で発生する圧力の上昇速度は、その突起で形成される空間の体積に大きく左右される。突起を微細突起で構成することにより、空間の体積は非常に小さくなり、流れ込む流体の量が流体膜程度の少量であっても、その空間に油等の流体を急速に充満させ、瞬時に蓄圧を達成することができる。つまり、微細突起の効果をうまく引き出すことができる。

微細突起を構成要素とすると、実際に接触する面積が減少し、シールリップ形状や緊迫力付与用のばねが同一であれば、緊迫力も同じ値となるが、接触面積が小さく、突起先端で局所的に強く当たっているため、突起の最大接触圧力の値は、微細突起が無い場合に比較して相当大きくなる。このため、蓄圧される限界値が高くなり、その分摩擦低減効果も大きくなる。

また、一対の両突起間に流体を積極的に流入させ、両突起の潤滑性を向上させる方法としては、密封対象流体側の突起の接触角を 0 2 > 1 > α 1 とする他に、その突起の先端を丸みのある形状とすることも有効である。

すなわち、密封対象流体側の突起の軸方向断面形状を断面円弧状とすることによって、相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動するとき、密封対象流体側の突起での膜厚の方が、その先端の丸みによって、反密封対象流体側の突起より厚くなり、両突起間の空間へ流体を流入蓄積することができる。このため、両突起の潤滑性が改善され、摩擦力が低される。

さらに、一対の両突起間に流体を積極的に流入させ、両突起の潤滑性を向上させるその他の方法としては、密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触面に複数の微細突起からなる微細突起群を設け、それぞれの微細突起の密封対象流体側の接触角を /3 3とし、大気側の接触角を α 3 とした場合に、 |3 3 < α 3に設定することも有効である。

このようにすれば、密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触面上に設けた微細突起群の特有の接触角によって、密封すべき油等の流体を突起間の谷部空間に積極的に導入し、流体量の不足を解消することによつて、一対の突起の潤滑性を向上させ、摩擦を低減させる。流体の密封は主に反密封対象流体側の突起で行う。

シールリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側の突起において、各微細突起の密封対象流体側の接触角 β 3の方が、反密封対象流体側の突起の接触角 α 3よりも小さく、つまり |3 3 < α 3となっているために、厚い流体膜が形成される。一方、反密封対象流体側の突起においては、密封対象流体側の接触角 β 2の方が、反密封対象流体側の接触角 α 2より大きく、つまり /3 2 > α 2 となっているため、薄い流体膜が形成され、反密封対象流体側へはほとんど漏れ出さないため、密封が達成される。すなわち、その流体膜の厚さ分だけ、突起間の谷部空間に流体が蓄積される。

逆に、シールリップに対して相手部材が相対的に密封対象流体側へ移動した場合、密封対象流体側の突起において、相手部材との接触面に形成された各微細突起の接触角 α 3， 3 3が /3 3 < α 3となっているため、谷部空間に蓄積された流体は薄い流体膜しか形成されないため、密封対象流体側へ流体は小量しか戻らない。

つまり、繰り返し往復運動によって、流体は谷部空間に確実に蓄積されることになる。この谷部空間に流入蓄積された流体は、従来品に対して、密封対象流体側突起の反密封対象流体側（谷部空間側）および反密封対象流体側突起の密封対象流体側（谷部空間側）の潤滑性を向上させる。

すなわち、密封対象流体側突起の相手摺動面との接触面に形成する微細突起の接触角を |3 3 < α 3 とすることによって、シールリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流体側に移動した場合、密封対象流体側突起の微細突起においては厚い流体膜が形成されることによって、また、反密封対象流体側突起においては谷部空間に流入蓄積された十分な流体による潤滑性の向上によって、摩擦力が低減される。

逆に、シ一ルリップに対して相手部材が相対的に密封対象流体側に移動した場合には、谷部空間に流入蓄積された十分な流体による潤滑性の向上によって、密封対象流体側突起の微細突起群の摩擦力が低減されるこのような接触角の効果を持たせるためには、突起の高さはほぼ 1 [ j m ] の高さを有することが好ましい。

密封対象流体側の突起に設けられる微細突起群は相手摺動面との接触面に設けられるもので、密封対象流体側の突起の接触角が、密封対象流体側の接触角を ) 3 1 とし、反密封対象流体側の接触角を α 1 とした場合に、 /3 1 > α 1に設定されている場合には、密封対象流体側突起の反密封対象流体側の表面に設けられ、 ]3 1 ≤ α 1に設定されている場合には、密封対象流体側突起の密封対象流体側の表面に設けられる。

この密封対象流体側の突起の接触角 3 1 ， α 1の大小関係は、微細突起群の作用には無関係であり、いずれの場合にも上記微細突起群によつて谷部空間への流体蓄積効果が得られる。また、 /3 1 ≤ひ 1、あるいは、 β 2 > β 1 > a 1の場合には、谷部空間への蓄圧を助長させる効果を有する。 ■ 図面の簡単な説明

図 1は本発明の第 1実施例に係る往復動用密封装置を示すもので、同図（ a) は要部断面図、同図（ b) はシールリップの接触状態を示す図、同図（ c) は圧力分布を示す図、同図（ d) は蓄圧状態を示す図である。

図 2 ( a) は図 1の装置の実験装置を示す図、同図（ b) , ( c ) は実験結果を示す図である。

図 3は本発明の第 2実施例に係る往復動用密封装置を示すもので、同図（ a) は要部断面図、同図（ b) はシールリップの接触状態を示す図、同図（ c) ，（ d) は接触部の拡大図である。

図 4は本発明の第 3実施例に係る往復動用密封装置を示すもので、同図（ a) は要部断面図、同図（ b) はシールリップの接触状態を示す図である。

図 5は図 4の装置の実験結果を示す図である。

図 6は本発明の第 4実施例に係る往復動用密封装置を示すもので、同図（ a) は要部断面図、同図（ b) はシールリップの接触状態を示す図である。

図 7は本発明の第 5実施例に係る往復動用密封装霉を示すもので、同図（ a) は要部断面図、同図（ b) はシールリップの接触状態を示す図、同図（ c) は接触部の拡大図である。

図 8は本発明の第 6実施例に係る往復動用密封装置を示すもので、同図（ a) は要部断面図、同図（ b) はシールリップの接触状態を示す図、同図（ c) は接触部の拡大図、同図（d) は 1段目突起の他の接触角を示す図である。

図 9は従来の往復動用密封装置を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下に本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

以下の説明では、

「密封対象流体側」は「油側」、

「反密封対象流体側」は「大気側」、

「油側の突起」を「 1段目突起」、

「大気側の突起」を「 2段目突起」、

「軸が油側から大気側に移動」する場合を「押し行程（Pumping St roke) J 、

「軸が大気側から油側に移動」する場合を「引き行程（Motoring S troke ) J 、

として説明するものとする。

(第 1実施例）

図 1には本発明の第 1実施例に係る往復動用密封装置を示している。この往復動用密封装置 1は、軸方向に相対移動自在に設けられる 2部材としてのハウジング 2と、ハウジング 2の軸孔 3に挿通される軸 4との間をシールするものであり、ハウジング 2の軸孔 3内周に固定される環状の密封装置本体としての金属環 5と、金属環 5から軸 4に向かって延びて外周面に摺動自在に接触するシールリップ 6とを備えている。

金属環 5は断面略 L字形状の環状部材で、円筒状の外周嵌合部 7と、この外周嵌合部 7の一端から半径方向内方に向かって延びる内向きフランジ部 8と、を備えている。

シールリップ 6は合成ゴム等のゴム状弾性材によって構成され、前記金属環 5の外周嵌合部 7と略並行に延びるテーパ円筒形状で、大径の一端が内向きフランジ部 8の内端に固定される片持ち状態で支持され、自由端となる小径のリップ先端部が軸 4外周に接触している。また、リツプ先端部の背面にはばね部材 1 6が装着されている。

このシ一ルリップ 6の軸 4との接触面に、軸方向に所定距離だけ離間する一対の 1段目， 2段目突起 9， 1 0が設けられている。この 1段目， 2段目突起 9， 1 0先端は相手部材としての軸 4表面に摺動自在に接触し、突起 9， 1 0間と軸 4外周面との間に谷部空間 1 1が形成されている。

各突起 9， 1 0の軸方向断面形状は、突起の先端から軸方向油側 0及び大気側 Aの斜面が徐々に高さが低くなる略三角形状で、接触角は各突起 9 , 1 0の油側 0および大気側 Aの斜面と軸 4外周とのなす角度で設定される。この突起 9， 1 0間の谷部空間 1 1は、両突起 9， 1 0の斜面と軸 4外周面と平行な底面とで形成される断面台形形状の空間となつている。

本発明では、図 1 ( b ) に示すように、 1段目突起 9の油側 0の接触角を 3 1 とし、大気側の（谷部空間 1 1側）の接触角を α 1 とした場合に、 α 1を /3 1以上に設定し（ α 1≥ /3 1 ) 、 2段目突起 1 0の油側 0 (空間 1 1側）の接触角を ) 3 2とし、大気側 Αの接触角を _α 2とした場合に、 3 2を α 2より大きくなるように設定している（ α 2 < /3 2 ) 。本発明にあっては、上記した一対の突起 9 , 1 0の特有の接触角によつて、密封すべき油を突起 9， 1 0間の谷部空間 1 1に積極的に導入し、谷部空間 1 1の圧力を上昇させて緊迫力を低減させると共に、油量不足を解消することによって 1段目， 2段目突起 9， 1 0の潤滑性を向上させることによって摩擦を低減させる。油の密封は主に 2段目突起 1 0 で行う。この点、従来の 1段目突起によって主たるシールを行うものと相違している。すなわち、軸 4が大気側 Aへ摺動する「押し行程」では、 1段目突起 9より 2段目突起 1 0に形成される油膜が薄くなり、つまり 2段目突起 1 0によって油膜が搔き落とされるため、突起 9， 1 0間の谷部空間 1 1に油が蓄積される。逆に、油側 0へ軸 4が摺動する「引き行程」でも、同様に突起 9， 1 0間の谷部空間 1 1に油が蓄積される。この谷部空間 1 1に油が充満されるに従って、谷部空間 1 1の圧力 P (以下、突起間圧力 Pという）が上昇し蓄圧される。

すなわち、「押し行程」では 1段目突起 9の接触角が α 1≥ /3 1 となつているので、 1段目突起 9との接触面間において、油が突起 9， 1 0 間の谷部空間 1 1内に流入する。一方、 2段目突起 1 0の接触角が )3 2 > α 2に設定されているので、谷部空間 1 1内に流入した油が極端に薄い油膜でしか（又は厚い油膜では）外部に流出しない。また、シ一ルリップ 6に対して軸 4が油側 0に移動した場合、 1段目突起 9において、谷部空間 1 1内の油が油側 0へ流出することが阻止され、軸 4が往復動をするにつれて突起 9， 1 0間の谷部空間 1 1に油が流入し、突起間圧力 Ρを上昇させることになる。

この蓄圧された油が、図 1 ( d ) に示すようにシールリップ 6を持ち上げる方向に働き、密封圧力によって増大してしまう軸 4に対する緊迫力、つまり軸 4にかかる垂直力 Wを低減する。摩擦係数 ΐが一定ならば、摩擦力 F = ΐ X Wとなるため、 Wの低減分だけ摩擦力 Fは減少して良好な摺動を達成する。

谷部空間 1 1の突起間圧力 Ρが各突起 9， 1 0の最大接触圧力より上昇しょうとすると、油膜として谷部空間 1 1外へ流出するため、最大接触圧力よりも高くならない限界圧力値をもつ。

密封圧力が上昇した場合、シールリップ 6全体が軸 4へ押付けられ、 1段目、 2段目突起 9， 1 0先端の最大接触圧力も増大する。その増大によって谷部空間 1 1の蓄圧の限界値が大きくなって、突起間圧力 Pは増加し、シールリップ 6を持ち上げる力が増加するため、密封圧力の増加に伴って増加する緊迫力を低減させることによって摩擦力増加を押さえる効果がある。つまり、緊迫力低減の効果をもつ突起間圧力 Pは密封圧力に対して自己追随効果を有している。

1段目， 2段目突起 9， 1 0の最大接触圧力に突起間圧力 Pが近づいていくと、それ以上蓄積されようとする油は油膜として谷部空間 1 1外へ流出する。大気側 Aへ油が流出すると密封性が低下してしまう。その密封性を向上させるためには、油を油側 0へ戻るようにする必要性がある。

そのためには、図 1 ( c ) のように、 2段目突起 1 0の最大接触圧 P 2 を 1段目突起 9の P 1 より大きくすると、より低い 1段目突起 9の最大接触圧 P 1 の山を越えて油が油側 0へ戻るように蓄圧性能を制御することで摩擦力を低減すると共にシール性向上を図ることができる。

この実施例にあっては、シ一ルリップ 6が片持ち構造となっているので、 1段目突起 9と 2段目突起 1 0の緊迫力は密封圧力の増加に伴って軸中心方向に押し付けられて増加する。このとき、シールリップ 6は厚みを持っているので、この厚み部分に圧力が大気側軸方向の向きに作用. してシールリップ 6は圧縮力を受けるが、シールリップ 6は外周側から圧力で押されているため、軸 4中心方向へ折れ曲がるように変位し、 2 段目突起 1 0部分は軸中心方向にさらに押される。このため、 2段目突起 1 0の緊迫力が 1段目突起 9に比べて大きくなり、シール性が確実となる。

蓄圧時のシール性をさらに向上させるためには、自由状態で 1段目突起より 2段目突起の内径を小さく設定することが好ましい。

さらに、上記の蓄圧性能を制御する方法としては、 α ΐ , 0 1で定まる 1段目突起 9の形状とな 2， /3 2で定まる 2段目突起 1 0の形状を、 α 1 ≥ β 1 , a 2 < β 2の条件下で、一対の突起間に形成される空間に対して両突起 9 , 1 0の形状を断面非対称とし、）3 2≥ α 1に設定することが好適である。このようにすれば、油が戻りやすくなる。

本発明は、シールリップ 6の突起 9， 1 0間の積極的蓄圧効果によつて負荷容量（シールリップ 6を持ち上げる能力）を分担させて低摩擦化させる。そのため、本案の偏心追随性の良好な構造である片持ち支持のシールリップ 6に適用させた場合には、密封圧力の増減に応じて、突起 9， 1 0の先端に生じる接触圧も増減し、その変動に対して蓄圧効果が追随するため、圧力変動による影響を受けにくい安定した低摩擦特性が得られる。

従来の形状においては、 1段目突起が油を搔き落とすために 2段目突起の潤滑性が悪く摩擦力と摩耗が大きい。これに対して、本発明の形状は、積極的に突起 9， 1 0間の谷部空間 1 1 まで油を供給するため、 1 段目突起 9 と 2段目突起 1 0の潤滑性を良くする。このため、 2段目突起 1 0の摩擦力と摩耗を低減する効果も有している。

一実験例一

図 9 ( a ) に示される従来形状のサンプル Aと、図 1に示される本発明の形状のサンプル Bを用いて、表 1に示す軸 4となす接触角になるように作成し、摩擦力を計測した。 [表 1 ]

試験は、図 2に示す装置で行った。

サンプル Sはチヤンバ 2 0の下部に装着し、その上部に油 2 1を入れる。サンプル Sのシ一ルリップは軸 2 2表面と表 1の接触角をなして接触している。この状態で、軸 2 2を上下方向に正弦波で往復加振し、そのときの摩擦力をロードセル等の力検出器 2 3で計測した。

試験条件は、油種；パラフィン系鉱油、ロッドストローク； 5 0 [m m] 、往復加振周波数； 1 . 2 [ H z、] 、チヤンバ一内圧力； 0. 2 5 [M P a ] 、温度； 2 7 [° C ] とした。

得られた結果を、表 2にストローク位置と摩擦力の関係で示し、表 2 に突起間発生圧力 Pと、図 2 ( b ) ，（ c ) で求められるストローク中央位置での平均摩擦力を示す。 [表 2 ]

従来形状のサンプルと本発明のサンプル Bを比較すると、図 2 ( b ) , ( c ) に示すように、摩擦力が本発明のサンプルにおいて格段に低減されていることが明らかであり、表 2によると、その片側平均摩擦力は 4 1 %にまで低減されている。また、突起間圧力 Pは、従来のサンプル Aでは発生せず、本発明のサンプル Bのみ 0. 1 5 [M P a〗発生しており、摩擦力を低減する効果を有することが明らかである。

(第 2実施例）

図 3には、本発明の第 2実施例にかかる往復動用密封装置が示されている。

この第 2実施例では、シールリップ 1 2の軸 4 との接触部の全領域にわたり、図 3 ( c ) に示すように、油側 0に最も近い 1段目突起 1 3と軸 4との接触角 a l， ι8 1を α 1 ≥ /3 1 とし、 2段目突起 1 4と軸 4との接触角 α 2， /3 2を、 α 2 < /3 2とし、これら 1段目と 2段目突起 1 3 , 1 4を一組として、複数組の微細突起群 1 5を突起高さ 5〜5 0 [ n ] の範囲内で形成したものである。この微細突起群 1 5の背面にばね部材 1 6が装着されている。

その他の構成は第 1実施例と同一であるので、同一の構成部分につい 1フ

ては同一の符号を付して説明を省略する。

本第 2実施例の往復動用密封装置では、軸 4との接触角を対向させた 2段の微細突起を 1組を基本とする微細突起群 1 5において、「押し行程」では、 1段目突起 1 3で形成される油膜が厚くなり、 2段目突起 1 4によって油膜が搔き落とされるため、 1段目と 2段目突起 1 3， 1 4 間の谷部空間 1 7に油が蓄積される。油が谷部空間 1 7に充満するにしたがって、突起間圧力が上昇して蓄圧が達成される。最初に最も油側に位置する 2段 1組の突起 1 3， 1 4間の谷部空間 1 7が蓄圧され、順次大気側の突起間に蓄圧領域が拡大されていく。

図 9 ( c ) に示した従来のシールリップの微細突起群においては、積極的に突起 1 0 9間に油を導入する形状となっていないために、接触摺動領域内で潤滑不足に陥りやすく、摩擦力が増加し摩耗しやすい。特に、大気側の接触域の突起では、油側に近い突起で油が阻止されるために、潤滑不足となって摩耗しやすい。また、密封圧力が増大した場合には、摺動によって発生する油膜が薄くなるために、突起の摩耗が促進されやすい。

これに対して、本発明の微細突起群 1 5においては、 2段 1組の突起 1 3 , 1 4間の谷部空間 1 7に積極的に油を蓄積する形状となっているために、各 1段目， 2段目突起 1 3， 1 4は必ず油と接し、潤滑性が良好で低摩擦で摩耗が少ないという効果をもたらす。

本発明の微細突起への適用については、微細化することで接触面積が小さくなり接触面圧がその先端で増大するため、蓄積される力が増大し、一段と低摩擦化を図ることができる。また、油を貯える突起 1 3， 1 4間の体積が非常に小さくでき、蓄圧つまり低摩擦化に即効性が得られる点がボイントである。

微細突起 1 3， 1 4の各高さは 5 ~ 5 0 [ m ] が最適であるが、最低限 1 [ m ] 程度の高さを有していればよい。

なお、微細突起を設ける際に、図 3 ( d ) に示すように、所定の平坦部 1 7を形成する場合もある。これは、シールの初期の状態ではシールリップ 1 2の先端部 1 2 aのみ、または先端部 1 2 aと微細突起の何本かが軸に接触し、比較的高圧になった場合、多数の微細突起が接触するように設定することにより、密封流体の圧力に応じた蓄圧効果の発現と共に耐摩耗性向上を狙ったものである。

' (第 3実施例）

図 4は本発明の第 3実施例に係る往復動用密封装置を示している。この往復動用密封装置 3 1は、軸方向に相対移動自在に設けられる 2部材としてのハウジング 3 2 と、ハウジング 3 2の軸孔 3 3に挿通される軸 3 4との間をシールするものであり、ハウジング 3 2の軸孔 3 3内周に固定される環状の密封装置本体としての金属環 3 5と、金属環 3 5から軸 3 4に向かって延びて外周面に摺動自在に密封接触するシ一ルリプ 3 6とを備えている。

金属環 3 5は断面略 L字形状の環状部材で、円筒状の外周嵌合部 3 7 と、この外周嵌合部 3 7の一端から半径方向内方に向かって延びる内向きフランジ部 3 8と、を備えている。

シ一ルリップ 3 6は合成ゴム等のゴム状弾性材によって構成され、前記金属環 3 5の外周嵌合部 3 7と略並行に延びるテーパ円筒形状で、大径の一端が内向きフランジ部 3 8の内端に固定されて片持ち状態に支持され、自由端となる小径のリップ先端部が軸 3 4外周に密封接触している。また、リップ先端部の背面にはばね部材 4 6が装着されている。このシールリッブ 3 6の相手軸 3 4との接触面に、軸方向に所定距離だけ離間する一対の 1段目， 2段目突起 3 9 , 4 0が設けられている。各突起 3 9， 4 0の軸方向断面形状は、突起先端から軸方向油側 0及び大気側 Aに傾斜する斜面を備えた略三角形状で、接触角は 1段目， 2段目突起 3 9， 4 0の斜面と軸 3 4外周面とのなす角度で設定される。この 1段目， 2段目突起 3 9， 4 0先端は相手部材としての軸 3 4表面に摺動自在に接触して 1段目， 2段目突起 3 9 , 4 0間と軸 3 4外周面間に断面三角形状の谷部空間 4 1が形成されている。

そして、図 4 ( b ) に示すように、 2段目突起 4 0の大気側 Aの接触角を α 2とし、油側 0の接触角を /3 2 とした場合に、 /3 2を α 2より大きくなるように設定し（ α 2 < |3 2 ) 、 1段目突起 3 9の、油側 0の接触角を 0 1 とし、大気側 Α (空間 4 1側）の接触角を α 1 とした場合に、 β 2 > β 1 > a 1 ( 1 = 2 ) となるように設定している。

本発明にあっては、上記した 1段目， 2段目突起 3 9， 4 0の特有の接触角によって、密封すべき油を突起 3 9， 4 0間の谷部空間 4 1に積極的に導入し、油量不足を解消することによって各突起 3 9， 4 0の潤滑性を向上させ、摩擦を低減させる。油の密封は主に 2段目突起 4 0で行う。この点、従来の 1段目突起によって主たるシールを行うものと相違している。

すなわち、軸 3 4が反密封対象流体側である大気側 Αへ摺動すると、 1段目突起 3 9より 2段目突起 4 0に形成される油膜が薄くなり、つまり 2段目突起 4 0によって油膜が搔き落とされるため、突起 3 9， 4 0 間の谷部空間 4 1に油が導入される。

この谷部空間 4 1に導入された油によって、 1段目突起 3 9の大気側 A及び 2段目突起 4 0の油側 0の潤滑性が向上され、摩擦が低減されるすなわち、 1段目の突起 3 9の油側 0の接触角 0 1を小さく設定することによって、軸 3 4が大気側 Aに移動する「押し行程」では、 1段目突起 3 9では厚い油膜の形成によって、 2段目突起 4 0では谷部空間 4 1に導入された油による潤滑性の向上によって摩擦が低減される。逆に、軸 3 4が油側 0へ摺動する「引き行程」では、谷部空間 4 1に導入された油による潤滑性の向上によって、 1段目の突起 3 9の摩擦が低減される。

従来の形状においては、 1段目の突起が油を搔き落とすために 2段目の突起の潤滑性が悪く摩擦力と摩耗が大きい。これに対して、本発明の形状は、積極的に 2段目突起 4 0まで油を供給することによって、摩擦力と摩耗を低減している。

一方、本発明にあっては、シールリップ 3 6が片持ち構造となっているので、 1段目突起 3 9 と 2段目突起 4 0の緊迫力は密封圧力の増加に伴って軸中心方向に押し付けられて増加する。このとき、シールリップ 3 6は厚みを持っているので、この厚み部分に圧力が大気側軸方向の向きに作用してシ一ルリヅプ 3 6は圧縮力を受けるが、シ一ルリヅプ 3 6 は外周側から圧力で押されているため、軸 3 4中心方向へ折れ曲がるように変位し、 2段目突起 4 0部分は軸中心方向にさらに押される。このため、 2段目突起 4 0の緊迫力が 1段目突起 3 9に比べて大きくなり、シールが確実になる効果がある。

上記実施例では、ほぼ α 1 = α 2に設定している力 α 1 < α 2としてもよく、また α 1 > α 2 としてもよい。 α 1 > α 2に設定すれば、シ一ルリップ 6に対して「引き行程」では、 1段目突起 3 9を通過して油側へ戻る流量が少なくなり、谷部空間 4 1への流体蓄積がより助長されることになる。

突起 3 9， 4 0間の谷部空間 4 1に導入された油によって、 1段目突起 3 9の大気側 Α及び 2段目突起 4 0の油 0側の潤滑性が向上され、摩擦が低減される。

すなわち、 1段目突起 3 9の油側の接触角 i3 1を小さく設定することによって、軸 3 4が大気側 Aへ摺動する「押し行程」では、 1段目突起 3 9では厚い油膜の形成によって、 2段目突起 4 0では谷部空間 4 1に導入された油による潤滑性の向上によって摩擦が低減される。逆に、軸 4 1が油側 0へ摺動するときには、突起 3 9， 4 0間の谷部空間 4 1に導入された油による潤滑性の向上によって、 1段目突起 3 9の摩擦が低減される。

従来の形状においては、 1段目突起 3 9が油を接き落とすために 2段目突起 4 0の潤滑性が悪く摩擦力と摩耗が大きい。これに対して、本発明の形状は、積極的に 2段目突起 4 0まで油を供給する。

一実験例一

次に、図 9 ( a ) に示される従来形状のサンプル Cと、図 4に示される本発明の形状のサンプル Dを用いて、表 3に示す接触角になるように作成し、摩擦力を計測した。

[表 3 ]

a 1 = α 2

試験は、上記した図 2 ( a ) に示す装置で行った。

試験条件は、油種；パラフィン系鉱油、ロヅドストローク； 5 0 [m m] 、往復加振周波数； 1 . 2 [H z ] 、チャンバ一内圧力； 0 [M P a ] (大気開放）、温度； 2 5 C ] とした。得られた結果を、図 5 ( a) ， ( b ) にストローク位置と摩擦力の関係で示し、表 4に、図 5 ( a ) ， ( b ) で求められるストローク中央位置での片側平均摩擦力を示す。

従来形状のサンプル Cと本発明のサンプル Dを比較すると、図 5 ( a

) ，（ b) に示すように、摩擦力が本発明のサンプルにおいて格段に低減されていることが明らかであり、表 4によると、その片側平均摩擦力はおよそ半減されている。

[表 4 ]

(第 4実施例） '

図 6には、本発明の第 5実施例にかかる往復動用密封装置が示されている。

この第 5実施例では、シールリップ 4 2の軸 3 4との接触部の全領域にわたり、図 6 ( c ) に示すように、油側 0に最も近い一組の突起の内、 2段目突起 44と軸 3 4との接触角 α 2， β 2を、 α 2く 3 2とし、 1段目突起 4 3と軸 34との接触角 α ΐ , 0 1を /3 2 > (3 1 > α 1 とし、これら 1段目と 2段目突起 43， 44を一組として、複数組の微細突起群 4 5を突起高さ 5〜5 0 lnm] の範囲内で形成したものである。この微細突起群 4 5の背面にばね部材 4 6が装着されている。

その他の構成は第 3実施例と同一であるので、同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。本第 4実施例の往復動用密封装置では、軸 3 4と接触摺動する微細な 1段目， 2段目突起 4 3， 4 4を基本とする複数組の微細突起群 4 5において、軸 3 4が大気側 Aへ摺動すると、 1段目突起 4 3と比べて 2段目突起 4 4で形成される油膜が薄くなり、つまり 2段目突起 4 4によつて油膜が搔き落とされ、 1段目， 2段目突起 4 3， 4 4間の谷部空間 4 1に油が流入蓄積される。 '

最初に最も油側 0に位置する 2段 1組の突起 4 3， 4 4間の谷部空間 4 7に油が流入蓄積され、順次大気側 Aの突起間へと油流入が拡大されていく。

図 9 ( c ) に示した従来のシールリップの微細突起群においては、積極的に突起間に油を導入する形状となつて'"いないために、接触摺動領域内で潤滑不足に陥りやすく、摩擦力が増加し摩耗しやすい。特に、大気側の接触域の突起では、油側に近い突起で油が阻止されるために、潤滑不足となって摩耗しやすい。また、密封圧力が増大した場合には、摺動によって発生する油膜が薄くなるために、突起の摩耗が促進されやすいこれに対して、本発明の微細突起群 4 5においては、 2段 1組の突起 4 3 , 4 4間の谷部空間 4 7に積極的に油を蓄積する形状となっているために、各組の突起 4 3， 4 4は必ず油と接し、潤滑性が良好で低摩擦で摩耗が少ないという効果をもたらす。

(第 5実施例）

図 7には、本発明の第 4実施例が示されている。

一対の両突起間に流体を積極的に流入させ、両突起の潤滑性を向上させる方法として、図 7に示すように、油側の突起 2 9の先端を丸み 2 9 aを有する形状としたものである。

丸み 4 9 aとしては、たとえば曲率半径 Rを、 R > 0 . 0 3 [ m m ] 程度に設定することが有効である。好ましくは、 R≥ 0 . 3 [ m m ] とする。

1段目突起 4 9に丸み 4 9 aを付けることによって、軸 3 4が相対的に大気側 Aに移動するとき、 1段目突起 4 9での膜厚の方が、その先端の丸み 4 9 aによって、 2段目突起 4 0より厚くなり、両突起 4 9， 4 0間の谷部空間 4 1へ油を流入蓄積することができる。このため、 1段目， 2段目突起 4 9， 4 0の潤滑性が改善され、摩擦力が低減される。その他の構成及び作用については、上記実施例 3と同一のため、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。

(第 6実施例）

図 ' 8には、本発明の第 6実施例に係る往復動用密封装置が示されている。

この往復動用密封装置も、軸方向に相対移動自在に設けられる 2部材としてのハウジング 2と、ハウジング 2の軸孔 3に揷通される軸 4との間をシールするものであり、装置本体としての金属環 6 5に一体的に支持されるシールリップ 6 6の軸 4との接触面に、軸方向に所定距離だけ離間する一対の 1段目， 2段目突起 6 9， 7 0が設けられている。

この 1段目， 2段目突起' 9， 7 0の軸方向断面形状は、突起先端を頂点として油側 0と大気側 Aに傾斜する斜面を備えた略三角形状で、接触角は各突起 6 9， 7 0の斜面と軸 4外周とのなす角度で設定される。この 1段目， 2段目突起 6 9， 7 0の先端は軸 4表面に摺動自在に接触して 1段目， 2段目突起 6 9， 7 0間と軸 4外周面間に断面三角形状の谷部空間 7 1が形成されている。

本実施例では、図 8 ( b ) に示すように、 2段目突起 7 0の大気側 A の接触角を ct 2 とし、油側 0の接触角を 0 2とした場合に、（3 2を α 2 より大きくなるように設定している（ α 2 < 3 2 ) 。

また、この実施例では、 1段目突起 6 9の油側 0の接触角を (3 1 とし、大気側 Α (谷部空間 7 1側）の接触角を α 1 とした場合に、《 1 < 13 1 となるように設定している。

そして、 1段目突起 69の軸 4との接触面となる大気側 Α (谷部空間 7 1側）表面に複数の微細突起 72からなる微細突起群 73を設け、それぞれの微細突起 72の油側 0の接触角を )3 3とし、大気側 Aの接触角を α 3とした場合に、 i3 3く α 3に設定している。微細突起 72の高さは 5〜50 [ μ m] の範囲に設定される。もっとも、このような接触角の効果を持たせるためには微細突起 72の高さはほぼ 1 [ m] の高さを有していればよく、 50 [μηι] 以上としてもよい。

本発明にあっては、 1段目突起 69の軸 4との接触上に設けた微細突起群 73の特有の接触角によって、密封すべき油を突起 69， 70間の谷部空間 7 1に積極的に導入し、油量の不足を解消することによって、一対の突起 69， 70の潤滑性を向上させ、摩擦を低減させている。油の密封は主に大気側 Αの 2段目突起 7.0で行っている。

シールリップ 66に対して軸 4が相対的に大気側 Aに移動する「押し行程」では、 1段目突起 69において、微細突起群 73の各微細突起 7 2の油側の接触角 |3 3の方が、大気側 Aの接触角 α 3よりも小さく、つまり）3 3 < α 3となっているために、厚い油膜が形成される。

一方、 2段目突起 70においては、油側 0の接触角 |3 2の方が、大気側 Aの接触角 α 2より大きく、つまり i3 2〉 a 2 となっているため、薄い油膜が形成され、大気側 Aへはほとんど漏れ出さないため、密封が達成される。すなわち、その油膜の厚さ分だけ、突起 69， 70間の谷部空間 7 1に流体が蓄積される。

逆に、シールリップ 66に対して軸 4が相対的に油側 0へ移動する「引き行程」では、 1段目突起 6 9において、軸 4との接触面に形成された各微細突起 7 2の接触角 α 3， /3 3が |3 3 < α 3となっているため、谷部空間 7 1に蓄積された油は薄い油膜しか形成されないため、油側 0 へ油は小量しか戻らない。

つまり、繰り返し往復運動によって、油は谷部空間 7 1に確実に蓄積されることになる。

この谷部空間 7 1に流入蓄積された油は、従来品に対して、 1段目突起 9の大気側 Α (谷部空間 7 1側）および 2段目突起 7 0の油側 0 (谷部空間 7 1側）の潤滑性を向上させる。

すなわち、 1段目突起 6 9の軸 4との接触面に形成する微細突起 7 2 の接触角を /3 3 < α 3とすることによって、「押し行程」の場合に、 1 段目突起 6 9の微細突起 7 2においては厚い油膜が形成されることによつて、また、 2段目突起 7 0においては谷部空間 7 1に流入蓄積された十分な油による潤滑性の向上によって、摩擦力が低減される。

逆に、「引き行程」の場合には、谷部空間 7 1に流入蓄積された十分な油による潤滑性の向上によって、 1段目突起 6 9の微細突起群 7 3の摩擦力が低減される。

1段目突起 6 9に設けられる微細突起群 7 3は軸 4との接触面に設けられるもので、 1段目突起 6 9の接触角が、油側 0の接触角を /3 1 とし、大気側 Αの接触角を α 1 とした場合に、 i3 1 > α 1に設定されている場合には、上記したように 1段目突起 6 9の大気側 Αの表面に設けられ、 β 1 ≤ a 1に設定されている場合には、図 8 ( d ) に示すように、 1 段目突起 6 9の油側 0の表面に設けられる。

この 1段目突起 6 9の接触角 )3 1， α 1の大小関係は、微細突起群 7 3の作用には無関係であり、いずれの場合にも微細突起群 7 3によって谷部空間 7 1への流体蓄積効果が得られる。なお、上記各実施例では、シールリップが軸に対して接触する場合を例にとって説明したが、密封装置本体が軸に固定されシールリップがハゥジング内周側に接触するァゥタシールについても同様に適用することができる。

また、上記各実施の形態ではいわゆるオイルシールを例にとって説明したが、これに限定されるものではなく、 Uパッキン等の成形パッキン等、シールリップを備えた往復動用の密封装置全般に広く適用することができる。

また、密封対象流体としては油に限定されるものではなく、水や各種薬品類等種々の液体あるいは気体のシールに使用可能である。また、反密封対象流体としては、大気開放に限られず、各種気体の場合でも適用可能である。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明によれば、往復動用の密封装置として有用であり、特に突起間に油等の流体を積極的に導入蓄積して潤滑性を高め、摩擦及び摩耗の低減を図るのに適している。

Claims

求の範囲

1 . 軸方向に相対移動自在に設けられる 2部材間をシールするもので、一方の部材に固定される環状の密封装置本体と、該密封装置本体から他方の部材に向かって延びて他方の部材に摺動自在に接触するシールリップとを備えた往復動用密封装置において、

前記シールリップの相手部材との接触面に、軸方向に所定距離け離間する一対の環状の突起を設け、該突起先端を相手摺動面に摺動自在に接触させて突起間と相手摺動面間に環状の空間を形成し、

前記反密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触構造を、その密封対象流体側の接触角を ί3 2とし、反密封対象流体側の接触角を α 2とした場合に、 |3 2 > α 2に設定して主たるシールを構成し、

前記密封対象流体側の突起の前記相手摺動面との接触構造を、前記相手部材が密封対象流体側から反密封対象流体側へ移動する際に、前記密封対象流体側の突起と相手摺動面との間に形成される流体膜の膜厚が、反密封対象流体側の突起と相手摺動面間に生じる流体膜の膜厚よりも厚くなるような構造としたことを特徴とする往復動用密封装置。

2 . 密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触構造は、密封対象流体側の接触角を )3 1 とし、反密封対象流体側の接触角を α 1 とした場合に、 β K a lに設定したことを特徴とする請求項 1に記載の往復動用密

3 . 密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触構造は、密封対象流体側の接触角を 0 1 とし、反密封対象流体側の接触角を α 1 とした場合に、 β 2 > β 1 > a 1に設定したことを特徴とする請求項 1に記載の往復動用密封装置。

4. 密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触構造は、密封対象流体側の突起の軸方向の断面形状が円弧形状となっていることを特徴とする請求項 1に記載の往復動用密封装置。

5. 密封対象流体側の突起の相手摺動面との接触面に複数の微細突起からなる微細突起群を設け、該微細突起群の各微細突起の密封対象流体側の接触角を )3 3とし、反密封対象流体側の接触角を a 3とした場合に、 0 3 < α 3に設定したことを特徴とする請求項 1に記載の往復動用密封

6. —対の突起を、軸方向に複数組設けたことを特徴とする請求項 1に記載の往復動用密封装置。

7. シールリップの一対の突起の接触角の関係は、（2 1≥ 0 1かっ <2 2 < β 2を条件として、 /3 2≥ α 1に設定することを特徴とする請求項 2 に記載の往復動用密封装置。

8. 突起の高さは、最低限 1 [ m] の高さを有する微細突起である請求項 5または 6に記載往復動用密封装置。

9. 複数組の突起組が設けられるシールリップのリップ摺動面は、密封対象流体側から反密封対象流体側に向かって相手摺動面から徐々に離れる傾斜面となっており、リツプ摺動面の先端部は所定幅だけ平坦面となつていることを特徴とする請求項 6に記載の往復動用密封装置。

1 0. 突起の軸方向断面形状は、突起の先端から軸方向密封対象流体側及び反密封対象流体側の斜面が傾斜する略三角形状で、前記突起の斜面と相手摺動面とのなす角度である請求項 1， 2または 3に記載の往復動用密封装置。

1 1 . 断面円弧形状の曲率半径は、（ 3Z 1 0 0 ) [mm] 程度以上に設定される請求項 4に記載の往復動用密封装置。