JP2000513426A - 流体圧アセンブリのシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 低圧シールのための適合部（１９、２０、４９、５０）を有し、より高い圧力では、シールされる間隙をまたぐよう、傾斜部（２３、４４）の上の斜めの底または溝（７２）にはめ込まれたコップ形成形物（７３、７４）で構成された、高温で作用する流体圧アセンブリ用のシール。間隙のこの点におけるシールは弾性の金属材料である。

Description

【発明の詳細な説明】 流体圧アセンブリのシール 発明の技術分野 本発明は、流体圧機構、たとえばファスナまたはナットにおける改良に関し、 特に、そのような機構およびファスナのシールにおける改良に関する。 技術的背景 流体圧装置、たとえばナットおよび同種のファスナは公知である。ナットは、 スタッドまたはボルトをナットと係合した状態で張設したのち、そのナットを油 圧式に作動させてスタッドまたはボルトに引張り力を加える手段を提供する。ナ ットはしばしば極限的な圧力および温度の下で作動する。 通常、油圧ナットまたは同種のファスナを機械的にあらかじめ張設したのち、 油圧の供給源を構造内のチェンバに適用して油圧力を発生させると、この油圧力 が、ファスナと係合したスタッドまたはナットに対し、軸方向の引張り力を加え る。前記チェンバから圧力を解放した後でも、固定カラーを使用してその引張り を保持することができる。 加えられる引張り力の大きさは、ナット中の油圧チェンバの作用表面積と、チ ェンバに導入され、チェンバに作用する圧力とに依存する。しばしば、油圧チェ ンバの利用可能な作用表面積は、隣接構造の並置ならびに導入される流体圧によ って発生する応力に耐えるのに必要な内部構造の厚さによって制限される。この ような場合、チェンバの積層配列を利用することもできる（米国特許第４３６８ ２６号(Bunyan)を参照）。 上記の型のナットの膨張チェンバは、シールされなければならない。アセンブ リによっては、加圧用流体がブラダの中に保持されている（米国特許第４８５４ ７９８号(Snyder)を参照）。シールは環状のリングであることが非常に多い（米 国特許第４０７４９２３号(Lathara)を参照）。 高圧流体圧装置に使用するためのシールは通常、エラストマー材料、たとえば ニトリルゴムまたはポリウレタンでできている。これらのシールが流体圧の通過 に対してシールするための手段は、本明細書では「一次機構」および「二次機 構」と称する二つの別個の部分または機構に分割することができる。一次機構の シールは、流体圧が最初に加わったときに作用し、単に流体の通過を遮断して、 内圧の上昇を可能にする。この圧が上昇するにつれ、エラストマーシールが変形 し、シールが、本明細書では「押し出し間隙」と呼ぶシールすべき間隙を掛け渡す 位置に押しやられて、二次シールを形成する。 従来技術の文献である米国特許第５４６８１０６号(Percival-Smith)は、従来 のシールによって達成されるよりも高い温度で作用するためのものと推測される シールを示す。この特許のシールは、油圧アセンブリの部品と一体化されており 、したがって、交換することができない。シールは、構成部品の薄い縁を撓ませ て押し出し間隙に掛け渡すことによって達成される。この縁を移動させるには、 粘性流体の非常に急激なサージが必要である。 これは、作動圧が増すにつれ、シリンダ壁が半径方向に膨張し、ピストンとシ リンダとの間の押し出し間隙の比例的な増加を生じさせる油圧駆動ピストン及び シリンダ構造に典型的である。これはとりわけ上記の積層構造（Bunyan）の特徴 である。積層は、半径方向寸法に限りがあり、また、そのようなナットの壁の厚 さにおいて限界があるために実施される。圧力が増すにつれ、これらのナットの 壁は、特に、押し出し間隙のサイズの増大を被る。このような装置および他の装 置において、高温および高圧で再使用可能に作用するシールが必要である。Perc ival-Smithの設計は、良好な低圧性能を達成せず、有用で再使用可能なシールを 提供するものではない。 油圧ナットの作動における制限的な特徴は、それらのシールの有用性である。 高圧、高温および悪条件下の実用寿命のような要因が、それらの用途および有用 性を削減する。これらの要因が単独でまたは組み合わさって極端になるならば、 シール材として一般に使用される材料は破損する。故障モードは、シールの材料 が圧力及び／又は温度の下で押し出し間隙の中に流入または移動することである 。この時点で、シールは破壊されてしまう。 発明の目的 本発明の目的は、より極端な要因、たとえば高圧、高温に耐えることができ、 そのような悪条件の下でも実用寿命を延ばす改善されたシール特性を有する、 たとえばファスナ等の流体圧アセンブリを提供することである。 発明の本質 本発明は、流体圧アセンブリの少なくとも二つの部分の間に形成される作動チ ェンバに作動流体が含まれる流体圧アセンブリのシールであって、少なくとも二 つのモード、すなわち一次モードおよび二次モードで作用し、一次シールモード が、第一の圧力レベルまでの作動流体を含むように作用し、二次シールモードが 、前記第一の圧力レベルよりも上で作用して、シールの金属部品の弾性変形によ り、シール材料をアセンブリの少なくとも二つの部分の間の間隙と密に関連させ るシールを提供することにおいて、その目的を達成する。 本発明のシールは、加圧とともに増大する実質的な押し出し間隙がある場合の 用途に特に適している。本発明のシールは外壁とともに移動する。外壁から離れ ることはない。シールの肩部が、アセンブリの半径方向に膨張する構成部品とで 摺動接触を維持する。 好ましい実施態様では、シールは、傾斜部に沿う分解された力が二次モードの シールを形成する状態で、傾斜した肩部からそれたところで二次シールを提供す るものであってもよい。傾斜部と材料とは、下向きの力なしで二次シールを達成 するように適合させて、シールが反作用する前にシール底を摩擦の下で傾斜面に 付着させるようにしてもよい。望ましいシールの特性は、傾斜角、材料の選択、 標的温度および標的圧力を含む要因の組み合わせであり、そのため、いかなる特 定の用途にもある一つの設計が強要されることはない。 さらなる異なる実施態様では、シールは、プレス成形されたコップ型の成形物 であり、一次シールを形成するためのフランジを備え、圧力に反作用して二次シ ールを形成するものであってもよい。コップ型の成形物には、圧潰に抵抗を示す 材料、たとえばセラミックスを充填することができる。 理想的には、本発明のシールは、極端な圧力での融着を避けるため、シールと 、シールされる流体圧アセンブリ部品とで異種の金属が選択されるシールである 。 シールが膨張チェンバに装着される地点の、流体圧アセンブリ、機構またはフ ァスナの適合部は、選択されたシールの形状を受け入れるように形成されること が明らかである。傾斜した肩部は、二次モードのシールの促進に効果的である。 肩部の各面とシールとの間の相互作用を抑制することなく、作用を増強するのに 十分な傾斜が望ましい。当業者にとっては、そのような二つの面の間で起こる相 互作用のレベルを設定するためには、材料の選択および相互作用面の形状に加え て、表面の下準備が重要であることが明らかであろう。前記要因の種々の組み合 わせが、半径方向の推力(thrust)を増大させて、所与のアセンブリにおける二次 シールを改善する。望ましい推力は、シールの斜めの底に直接加わる流体圧力の 作用から分解される。底の傾斜角は、理想的には、反作用する前にシールが傾斜 面に摩擦接着することを防ぎ、または、滑動部品の自由な運動を妨害する結果に なるシールのウェッジングを防ぐように計算される。 多数のシール構造が本明細書で可能であることが理解されよう。シールは、一 次シール機能および二次シール機能の両方を有する一体構造の全部が金属のシー ルであってもよい。あるいはまた、一体構造の金属シールは、一次シールを形成 するためのフランジを備え、圧力に反作用して二次シールを形成するプレス成形 されたコップ形のシールであるかもしれない。圧潰に抵抗を示す他の材料、たと えばセラミックスを使用してもよい。 使用される材料の降伏強さは、望ましくは、繰り返し動作に備え、動作によっ て誘発される圧力および半径方向負荷の和を超える。そうでなければ、シールは 、１回の使用に限定してもよい。降伏強さ未満では、リングは弾性を有し、より 長い実用寿命および耐久性のために再使用を可能にする。 油圧ナットを具体的に参照しながら本発明を本明細書に記載したが、本発明の シールは、使用中には作動流体の圧力の下で作動する作動チェンバがあり、より 高い温度および圧力でより高い性能レベルを達成することが望まれる油圧アセン ブリに用途がある。図面の簡単な説明 以下、添付図面に示す本発明の種々の具体的な実施態様を参照して本発明を説 明する。 図１〜図３は、油圧ナットに一般的であるようなシールの動作方法を示す、従 来技術のシールの断面図である。 図４は、本発明の第一の実施態様の詳細を示す、シールおよびシールされるナ ットの要素の断面図である。 図５および図６は、本発明のさらなるシールリングの断面部分図である。 図７および図８は、本発明のシールリングのさらなるタイプを示すさらなる断 面図である。 図９は、本発明にしたがって製造された複合型シールリングの断面図である。 図１０は、本発明のさらなる複合シールシリングを示す図である。 図１１〜１３は、本発明にしたがって使用されるさらなるシールの詳細を示す 断面図である。 図１４は、本発明にしたがって使用される、シールがナットの膨張チェンバに 取り付けられている装置を示す、油圧ナットアセンブリの分解図である。 図１５は、図１４のナットを組み立てたものを示す図である。 好ましい実施態様 図１には、二つの部品１１および１２の間にある、従来技術のしまり型(inter eference type)シールが示されている。間隙１３が、間隙１４中の圧力下にある 流体に対してシールされる。本明細書中、これを「一次シール機構」と呼ぶ。 一次シール機構は、シール媒体が対向面に対して軽い圧力を加えて、低圧の加 圧流体の通過を防ぎながらも、部品どうしの容易な摺接を可能にする。圧力が増 大するにつれ、シールの表面に向けられる力がシールを変形させるように作用す る。これが、実際にシールが生じる接点を、低圧接点から押し出し間隙に隣接す る区域に移行させる。そのような場合、シール材料は、単に、加圧用流体が押し 出し間隙から抜けることを防ぐための遮断層または栓として働くということがで きる。本明細書中、この効果を「二次シール機構」と呼ぶ。 図２は、増大した圧力の下で最終的にシールが取る形を示す。シール１０の材 料が、肩部１６に当たって偏平化し、１５で間隙１３の上または中に絞り込まれ て、二次シール機構をもたらす。そのような場合、圧力及び／又は温度が上昇す るならば、シール１０に使用される通常の材料は、最終的には押し出し間隙の中 に押し込まれ、シールは、効果を失うか、完全に破損する。 図３には、しまり接触をもたらすためのシール膨張部１７ならびにシールリッ プ １９および２０を備えた従来技術の複合シール１８が示されている。作用すると 、これらが一次シールとして働き、シール１８の底が、使用中、上記図１および 図２のものに類似した押し出し遮断層または二次シールを形成する。この形態の シールは、材料の選択に依存して、上述した間隙における押し出しにより、より 高い圧力および温度で破損する。 図４には、使用中の油圧によって作用される部品２１および２２の間に適用さ れる本発明のシール２４の断面が示されている。ここでは、肩部２３が、図示す るように押し出し間隙２７に向かって斜めになったシール２４を支えている。一 次シールは、上に向かって先細りし、外側に作用する延長部、すなわちリップ２ ８および２９によって生じる。シールには、この地点に、一次シールを達成する ための多様な形状を設けることができ、肩部、フランジ、突起部、リップなどが 、シールしなければならない隣接面に対して外向きに作用する。シールに流体圧 が加わる間、シール２４は、加えられた力を受け、それが肩部２３の傾斜部に沿 って並進力２６を生み出し、水平方向に分解されたベクトルまたはその成分が、 シールを移動、強要または駆動して、シールを、部品２１の壁に対して間隙２７ の上に膨張または拡張させる。これが、本発明による改善された二次シールを提 供する。 図４〜図１２に見られるように、この原理は、多様な異なる形状、構造及び／ 又は材料を有するシールに応用することができる。一次および二次の両シールが 形成される。これらのシールは、シールをシリンダの壁に当てて半径方向外側に 押す加えられる力のベクトル成分を利用する。図1３は、単独または複数で存在 する断面がコップ形の環状シールが、前記のものと同様な方法で一次シールおよ び二次シールをさまざまに形成することができる構造を示す。このようなシール 部品の断面形状は、図示するもの以外の形、たとえばＶ字形であってもよい。 理想的には、二次シールは金属間接触を含む。これらのシールは、理想的には 、再使用可能、すなわち交換可能であるように、複数の材料または材料の組み合 わせで形成される。 図４〜図１２に示すようにして一次シール効果を発揮させることができる多数 の方法がある(以下さらに詳細に説明する)。 シールが斜めの肩部に対して作用するとき、シールの底の角度および対応す る肩部の角度が、シールが作用して当たるそれぞれの壁に対して半径方向の推力 を提供するのに重要である。最適な角度は、作動圧、滑り面の間の摩擦係数を決 定するシールおよびナットの幅および構成をはじめとする要因によって決まる。 理想的な推力が、シリンダ壁に対するシールの圧力を発生させ、この圧力が、斜 めの肩部に作用する圧力とともに、これらの要素の間の加圧流体の通過に抵抗す る。これらの要素の最適な配置は、シリンダ壁に対してシールの過剰な力を加え ることなく、効果的にシールする配置である。シリンダ壁に過剰な力が加わると 、こう着性の摩擦、ひいては表面の摩損が生じるであろう。 図５および図６には、斜めの下面３４および３５の上でそれぞれの溝３２およ び３３に取り付けられるＯリング型シールを有することができるシールリング３ ０および３１(一方は半径方向外側に作用し、他方は半径方向内側に作用する)の 断面が示されている。Ｏリングと、ナット部品中の対応するＯリングとが一次シ ールを形成する。圧力が増大するにつれ、分解された力が底を外側(リング３０) または内側(リング３１)に押して、二次シールを形成する。 図７および図８には、低圧で撓んで一次シールを形成することができる薄い上 部３８、３９をそれぞれ有するシールリング３６および３７の断面が示されてい る。斜めの底が二次シールを形成する。 図９には、二つの材料で二つの部分、好ましくはポリウレタン４２および鋼の 裏当て４３に形成された複合シールが示されている。鋼の裏当て４３は、斜めの 底(この場合は外向きであるが、逆にすることもできる)を有するシェルである。 鋼の裏当ては、用途に好ましい材料からプレス成形してもよいし、機械加工して もよい。ポリウレタン・インサート４２は、先細りした延長部またはリップ４５ および４６を有することができる。これは、一次シールを形成し、圧力の下で撓 んで、上述したように、シェル４３を押し出し間隙に掛け渡し、二次シールを形 成する。これは、１２０℃迄の温度及び／又は高い作動圧力で使用することがで きる。 図１０には、さらなる複合シールが断面で示されている。リップ４９、５０を 有するプレス成形金属シール部４８が一次シールを形成する。それに隣接する機 械加工された支持リング４７が圧力の下で押し出し間隙５１の上に押しやられて その上に二次シールを形成する。機械加工された支持リング４７は青銅製である こ とが有利であるかもしれない。このシールは、４００℃までの温度および高圧で 効果的である。 図１１のシールは、機械加工した支持リング６６の上にコップ形の金属成形物 ６５を使用する。図１２では、コップ形の金属成形物は、一次シールのためのフ ランジ６８および６９と、前述の二次シールのための傾斜した底６７とを有して いる。 図１３のシールは、前記と同様に、油圧アセンブリの部品７０および７１の間 の間隙をシールするように加圧作用する１個以上のより簡単な金属成形物を使用 する。シールは、相補的なほぼ凹形の肩部７２の上に作用する。２個のコップ形 シール７３、７４が肩部の上に載る(非加圧状態で示す)。圧力が加わると、第一 のコップ形物７３が一次シールを達成する。圧力が上昇するにつれ、シールは凹 形７２の中に圧入されて、太字で示す形７４を帯びる。シールのばね効果が、部 品７０と接触するシールの縁で一次シールを達成する。下向きの力の水平ベクト ルがシールを拡張させて、部品７０の壁および部品７１のシール溝のリップに対 して二次シールを形成する。 高温に対する従来技術のシールの既存の用途の範囲はいくらか限られている。 ３００℃の作動温度に対するシールは１個の費用が高すぎる。Bunyan型の５層油 圧ファスナ(米国特許第４８５４７９８号を参照)は、これらのシール１０枚を有 するであろう。多くの用途はそのような作動範囲をはるかに超えている。本提案 により、容易に入手可能な材料、たとえば金属板材、青銅および鋼合金から、簡 素でありながらも効果的なシールが開発された。従来技術文献である米国特許第 ５４６８１０６号（Percival-Smith）のシールは、油圧アセンブリの部品と一体 化されていて交換できないため、不十分である。これらは、いかなる一次シール 機構をも有さず、低圧で作動させることができない。そのようなシールの作動サ イクルの数は限られ、部品交換費用は高い。 単チェンバ型油圧ナットに装着される、本発明の一つの実施態様のシールを示 す（以下を参照）。以下の配置（図１４を参照）で使用されると、本発明は、大 きな圧力で機能する簡単なシールの使用を可能にする。２個のリングが使用され 、それらは通常、青銅またはニッケル合金である。充填中、シールされる中空部 に圧力が導入されると、シリンダ壁と接触するシールの薄いリップ部が一次シ ールを形成する。しかし、圧力が増大するにつれ、金属シールは、流体圧力およ び形状の簡単なベクトルによって間隙の中に駆動されて、押し出し間隙を掛け渡 し、シールする。この一見簡単な構造には、実質的な利点が数多くあり、とりわ け、費用が妥当である。高温で使用されると、青銅は焼き戻され、それにより、 他の方法では使用とともに生じうるひずみ硬化の問題を解消する。他のリングは 、用途に依存して、硬化鋼、ガンメタル、アルミニウムなどから製造することが できる。本質的原理は、傾斜した肩部から導出される流体圧力のベクトルを利用 して、作動中に金属シールを延伸させて金属間の二次シールを形成することにあ る。シールは、必要ならば、従来技術のシールに使用されるような保持手段によ り、物理的にその場所に保持することもできる。 図１４（分解図）および図１５（組み立て図）は、ピストン５１がシリンダ５ ２に装着されてチェンバ５３を形成する流体圧ナットの断面を示す。チェンバ５ ３に圧力下の流体が充填されると（通常の充填手段のいずれかによって）、ピス トンが上向きに押しやられてチェンバを膨張させる。ロックリング５９をねじ５ ８にはめてピストンのフランジ６０に対して上向きに締めると、拡張を保持する ことができる。使用中は、ボルトまたはスタッド（図示せず）を中央の穿孔６１ に突出させてナットねじ６２に係合させる。ナットを拡張させると、シリンダ５ ２が、ナットとスタッドの支持体との間に締めつけられた部分に当接した状態で ボルトが引っ張られる。このアセンブリには、簡単に製造されるニッケル合金の 環状リングであってもよい‘金属のみ’のシール６３、６４が示されている。試 験が、これらのナットが通常、６５０℃を超える作動温度および極端な圧力に耐 えることができることを証明した。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 高温及び／又は高圧の環境で作動する少なくとも二つの部分の間に形成さ れる作動チェンバの中に作動流体が加圧下で含まれる流体圧アセンブリに使用す るための、それらの部分の間の間隙への流入に対するシールであって、 少なくとも、 シールと部品表面との接触によって形成され、第一の圧力レベルまでの作動流 体を含むように作用する一次シールモードと、 第一の圧力レベルよりも上で、シールの材料の弾性変形によって形成されて、 シール材料をアセンブリの少なくとも二つの部分の間の間隙と密に関連させる二 次シールモードとで作用を奏し、 間隙と密に関連する材料が金属であるように構成されていることを特徴とする シール。 ２． 一次シールが、断面がブロック形態であるシール本体と一体に形成され、 それに対して傾斜した底からそれたところで二次シールをもたらす肩部を提供す る直立及び／又は外側に延びた肩部、翼状部またはリップによって達成される請 求項１記載のシール。 ３． シールが、その全面に展延したシェルと重畳し、このシェルが上に延びて 、一次シールを形成するための外向きに動作可能なフランジを形成する請求項２ 記載のシール。 ４． シールの本体が青銅または鋼で機械加工または鍛造されている請求項２ま たは３記載のシール。 ５． シールの本体が青銅で機械加工または鍛造され、重畳するシェルがプレス 成形鋼である請求項３記載のシール。 ６． シールが、一次シールを形成するためのフランジを備え、圧力に反作用し て二次シールを形成する、プレス成形されたコップ型の成形物である請求項１記 載のシール。 ７． コップ型の成形物が、圧潰に抵抗を示す材料、たとえばセラミックスを充 填されている請求項６記載のシール。 ８． シールが、プレス成形されたコップ型の要素によって形成され、充填物を 有し又は有しない、使用中に傾斜した肩部からそれたところで二次シールを提供 するように作用する傾斜した底を有し、傾斜に沿う分解された力が二次シール形 態を創出する請求項１記載のシール。 ９． 傾斜部と材料とが適合して、下向きの力なしで二次シールを達成し、シー ルが反作用する前にシール底を摩擦下で傾斜面に付着させる請求項８記載のシー ル。 １０． 極端な圧力での融着を避けるため、シールと、シールされる流体圧アセ ンブリ部品とで異種の金属が選択される請求項１記載のシール。 １１． 流体圧アセンブリまたはナットであって、アセンブリまたはナットの部 品の間に膨張チェンバを有し、膨張チェンバが、使用中、請求項１〜１０のいず れか１項記載のシールの少なくとも１個によってシールされ、膨張チエンバが、 シールと相互作用するための相補的な形状の肩部または溝を有するように構成さ れている流体圧アセンブリまたはナット。 １２． シールが、二次シールを達成するのに十分な角度で間隙に向かって傾斜 した相補的な肩部に対して作用する請求項１１記載の流体圧アセンブリまたはナ ット。