JP2004353765A

JP2004353765A - 回転軸シール

Info

Publication number: JP2004353765A
Application number: JP2003152361A
Authority: JP
Inventors: Keizo Morimoto; 敬三森本; Takeshi Baba; 健馬場
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】ゴム製シール部の回転軸に摺接する部位の接触面圧が過大となるのを抑制して、高圧ガス等の密封において、長寿命の回転軸シールを提供する。
【解決手段】アウタケース１は密封流体側Ｃの内端部に内鍔部２を有する。内鍔部２を含んだ軸心直交面Ｐ_０上に、摺接部２３を、配設する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転軸シールに係り、特に、ガス等の高圧流体を密封するのに用いられる回転軸シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図８に示すような回転軸シール３１が使用され（例えば、特許文献１参照）、回転軸３２の表面に接触するゴム製リップ３３の形状が、アウタケース３４から密封流体側Ｃへ略Ｌ字状に延伸した断面形状であった。つまり、従来例を示す図８及び図２（Ｂ）と図３（Ｂ）に於て、回転軸３２とケーシング３５の間に介装されるこの回転シール３１は、密封流体側Ｃの端部に内鍔３６を有するアウタケース３４を備え、ゴム部材３７が、このアウタケース３４の内鍔３６を包囲して、かつ、アウタケース３４の外周面を被覆するように、接着や焼付にて一体化されている。そして、横断面略Ｌ字状のサポート金具３８が、ゴム製リップ３３を、低圧側Ｅ及び内周面側から（背後から）、保持しており、リップ先端部３３ａは、アウタケース３４の内鍔３６を含む軸心直交面Ｐ_０よりも大きく密封流体側Ｃへ離れた軸心方向位置にあった。即ち、リップ先端部３３ａが回転軸３２に接触する摺接部Ｓ_０は、内鍔３６を含む軸心直交面Ｐ_０より大きく離れた軸心方向位置に存在し、ゴム製リップ３３は、サポート金具３８の円筒部３８ａにて保持される円筒状延伸部３３ｃを有する形状であった。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−９７７２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
密封流体室３９に高圧が作用した高圧状態で、図３（Ｂ）に示す如く、ゴム製リップ３３の円筒状延伸部３３ｃが圧縮変形するが、サポート金具３８が存在するので、ゴムは逃げ場を失って矢印Ｆ方向へゴムは流れ（移動し）、ゴム製リップ先端部３３ａは密封流体側Ｃからの圧力も受けるため、ゴムの内部応力が摺接部Ｓ_０直上に集中しゴムが柔軟性を失う。接触面圧は内部応力が集中している領域のゴムを介して、回転軸３２に押付けられて発生するため、図３（Ｂ）に示すような大きな圧力Ｐが、摺接部Ｓ_０に発生する。そして、密封流体（の中の潤滑油）が回転軸３２と摺接部Ｓ_０との界面に浸入することが、前記の大きな圧力Ｐによって困難となって、リップ先端部３３ａの摺接部Ｓ_０の摩耗が促進することとなる。その後、この摺接部Ｓ_０は、えぐられるように摩耗が進行して、密封性（シール性）は急に悪化し、流体の外部漏洩を発生する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転軸の表面に接触する摺接部を有するゴム製シール部と、該ゴム製シール部が一体状に固着保持された金属製アウタケースとを、備えた回転軸シールに於て、上記アウタケースは密封流体側内端部に内鍔部を有し、該内鍔部は上記ゴム製シール部にて被覆され、上記摺接部の軸心方向位置を、上記内鍔部を被覆した密封流体側ゴム被覆層の肉厚寸法を含んだアウタケースの軸心方向幅寸法内に、配設したものである。
また、回転軸の表面に接触する摺接部を有するゴム製シール部と、該ゴム製シール部が一体状に固着保持された金属製アウタケースとを、備えた回転軸シールに於て、上記アウタケースは密封流体側内端部に内鍔部を有し、該内鍔部を含む軸心直交面上乃至その近傍位置に、上記摺接部の軸心方向位置を、配設したものである。
また、上記ゴム製シール部は上記摺接部を内周端縁に有する軸心直交壁部を備え、さらに、該軸心直交壁部を低圧側から支持する軸心直交状サポート金具を付設したものである。そして、上記ゴム製シール部の上記軸心直交壁部が上記サポート金具に対応する背面側に凹溝を有し、受圧により圧縮されたゴムの内径方向への流れを該凹溝によって遮断及び／又は吸収するように構成したものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図示の実施の形態に基づき、本発明を詳説する。
図１は本発明の実施の一形態を示し、この回転軸シールは、例えば、密封流体室２１側に高圧の冷媒等の流体を密封するものであり、図１では、回転軸シールの断面の半分のみを示し、かつ、実線は自由状態───未装着状態───を示し、回転軸２０とハウジング（ケーシン」
この回転軸２０とハウンジング２２の間に介装された装着状態では、各部は弾性変形する。
【０００７】
図１に於て、１は内鍔部２，３を有する金属製アウタケースであり、このアウタケース１の円筒壁部４の外周面、及び、密封流体側Ｃ（密封流体室２１側）の内鍔部２の前後両面に、接着・溶着・焼付け等にてゴム製シール部５が一体状に固着保持されている。また、このシール部５よりも反密封流体側（低圧側・大気側）Ｚに、螺旋溝６付きのシールエレメント７が設けられている。このシールエレメント７の材質はＰＴＦＥ等フッ素系樹脂が好ましい。
【０００８】
８は断面Ｉ字状のサポート金具である。つまり、円環平板状のサポート金具８が、その外周端縁部８ａが、アウタケース１の円筒壁部４の内周面に接触するように嵌入されている。このサポート金具８、第１インナーケース９、第２インナーケース１０、上記シールエレメント７、インナー部材１１と順次重ね合うようにして、両内鍔部２，３間に保持固定されている。
【０００９】
アウタケース１に一体状に固着されたゴム製シール部５は、ハウジング２２内周面に弾発的に接して密封作用を成すための（自由状態では）凹凸波形に外周面が形成された円筒部被覆部５ａと、内鍔部２の前後両面を被覆する断面Ｕ字形の内鍔被覆部を上部に有して内径方向に延伸すると共に摺接部２３を内周端縁に有する軸心直交壁部５ｂとを、具備する。
【００１０】
即ち、回転軸２０（回転軸シール）の軸心Ｌに直交する軸心直交壁部５ｂを、ゴム製シール部５が備えており、この軸心直交壁部５ｂの内周端縁が丸味（アール部）を有する摺接部２３を構成している。軸心Ｌに直交状の円環平板状のサポート金具８は、この軸心直交壁部５ｂを低圧側───反密封流体側Ｚ───から支持（圧接）している。
しかも、ゴム製シール部５の軸心直交壁部５ｂがサポート金具８に対応（圧接）する背面側に円環状の凹溝２４を有している。
【００１１】
後述するように、この凹溝２４は、軸心直交壁部５ｂが受圧により圧縮されたゴムが内径方向───径方向内方───へ流れるのを、吸収し、及び／又は、遮断する。
言い換えれば、アウタケース１は密封流体側Ｃの内端部に内鍔部２を有し、この内鍔部２を含む軸心直交面Ｐ_０上に、摺接部２３が配設されている。
即ち、内鍔部２には（小さな）厚みが存在するから、軸心直交面Ｐ_０もその（小さな）厚み分だけ、軸心方向に位置をずらせて、複数枚だけ存在するが、その内の少なくとも一つの直交面Ｐ_０上に、摺接部２３の軸心方向位置を配設する。なお、摺接部２３の軸心方向位置とは、最大使用圧力時に、回転軸２０に摺接する部位の接触圧力Ｐの重心位置Ｇ（図３Ａ参照）を指すものと定義する。
【００１２】
なお、図示省略するが、この摺接部２３の軸心方向位置を、前記軸心直交面Ｐ_０の近傍位置に配設するも、好ましい（図示省略）。ここで、近傍とは、上記内鍔部２の厚みの５倍以下の偏在を言う。
あるいは、本発明では、摺接部２３の軸心方向位置を、アウタケース１の軸心方向幅寸法Ｍ内に、配設したと、言い換えることも可能である。但し、本発明では、上記軸心方向幅寸法Ｍとは、内鍔部２を被覆した密封流体側Ｃのゴム被覆層１７の肉厚寸法Ｔ_１７を含んだ（プラスした）寸法と定義する。このような構成により、摺接部２３の受圧時の接触圧力Ｐ分布の重心位置Ｇの径方向外側には、密封流体側Ｃからの圧力が掛る部位が存在しないこととなる。図３（Ａ）と、従来の図３（Ｂ）とを比較すれば、この点は明らかとなる。
【００１３】
次に、図４は他の実施の形態を示す。この図４に於て、図１と同じ符号は同様の構成であるので、説明を省略するが、相違する点は、図４では、図１の凹溝２４を省略している。（両者の作用上の相違は、図５と図６に於て後述する。）
【００１４】
ところで、図１又は図４に於て、ゴム製シール部５の軸心直交壁部５ｂの形状について追加説明すると、自由状態（未装着状態）で、摺接部２３は円弧凸状であって、サポート金具８への当接部までは、その円弧凸状のままで連続している。しかしながら、密封流体側Ｃへは、鳥の嘴状（三角山状）に突出形成された突出部１３を有する。
言い換えると、軸心直交壁部５ｂの密封流体室２１側の端面１４の大半部分は平坦面（平面）であるが、摺接部２３の近傍位置で、鳥の嘴状（三角山状）に突出した突出部１３を有する。
【００１５】
摺接部２３が、回転軸２０との摺動によって摩耗した際に、流体圧力を受けて、この突出部１３から（新たに）ゴムが送られてくるように設けられている。即ち、上記摩耗した際にも、新たにゴムが突出部１３から供給されて、回転軸２０と常時摺接部２３を摺接状態を保って、密封性を維持可能となる。
【００１６】
図２と図３は、図１に示した実施の形態の要部と、図８に示した従来例の要部を、各々（Ａ）と（Ｂ）として並べて示した図であって、図２は自由状態での比較、図３は流体圧力が作用した受圧（使用）状態での比較のための図である。
【００１７】
この図２（Ａ）（Ｂ）、図３（Ａ）（Ｂ）からも明らかなように、本発明では（軸心Ｌに平行な）円筒状延伸部３３ｃ及び円筒部３８ａを全く有しておらず、ＣＯ_２ガス等の高圧ガス圧力が作用したとき（受圧時）、圧力の影響は摺接部２３に直接及ばない（影響しない）。従って、図３（Ｂ）に示した接触面圧分布グラフ１５のように従来のシールでは大きな面圧を生ずるのに対し、図３（Ａ）に示した接触面圧分布グラフ１５のように本発明のシールでは面圧が低減し、かつ、分布も緩やかとなる。なお、図３（Ａ）（Ｂ）に於て、２点鎖線は自由状態を示し、実線は１２ＭＰａの流体圧力が作用した受圧時を示す。
【００１８】
ＦＥＭを用いて接触面圧の解析を行ったところ、流体圧力６ＭＰａの場合に、図３（Ｂ）の従来例では最大接触面圧が約１１ＭＰａに達したのに対し、本願発明の図３（Ａ）では、約８ＭＰａと約３ＭＰａも低減できる。なお、図示省略したが、上記ＦＥＭ解析でゴムの内部応力分布を解析したところ、高応力領域は凹溝２４の周辺に集中しているが、摺接部２３近傍は絶対値が小さく、かつ、広い領域に分散していることが、判明した。（これに対し、図３（Ｂ）の従来例では、摺接部Ｓ_０に高応力領域が集中している。）
【００１９】
本発明に係るシールの作用（作動）は、一般的なＯリングのような自封性効果によって接触面圧を得る点で、従来例（図３（Ｂ））とは、全く相違している。即ち、従来例では、密封流体側Ｃへ（大きく）延伸したリップ先端部３３ａに直接に径方向内側への流体圧力を作用して、かつ、矢印Ｆ方向のゴムの流れによる押圧力もプラスされて、摺接部Ｓ_０は接触面圧Ｐを高めていたが、本発明に係る回転軸シールでは、流体圧力は、まず、軸心直交壁部５ｂの端面１４に作用するが、その作用の方向は軸心Ｌと平行な方向なので、背面側のサポート金具８に対して押圧される圧縮力として働くこととなり、ゴムは圧縮変形しつつ径方向内方へ移動し、摺接部２３を───間接的に───押圧して、シール力（密封性）を発揮する。いわゆるＯリングの自封効果に相当する作用（作動）を示す。このようにして、必要以上に強い押圧力が掛ることを防止し、図３（Ａ）の接触面圧分布図１５の如く、緩やかな山型の比較的低い面圧となって、好ましい耐久性の改善を図り得る。
【００２０】
しかも、図１と図２（Ａ）と図３（Ａ）では、凹溝２４を有することにより、径方向内側へ移動せんとするゴムを吸収し（２点鎖線から実線のように凹溝２４が縮小している）、及び／又は、径方向内側への移動を遮断し、摺接面２３への接触面圧増加への影響を低減している。
【００２１】
この凹溝２４の作用効果は、次の図５と図６で明らかである。図５と図６に於て、（Ａ）は凹溝２４の有る場合（図１に対応）、（Ｂ）は凹溝２４の無い場合（図４に対応）であって、ＦＥＭ解析を用いて接触面圧を解析して接触面圧グラフ１５を描いた。図５は流体圧力零の場合、図６は６ＭＰａの場合である。図５に於て、締め代０．６ｍｍのとき凹溝２４の無い場合（同図（Ｂ）では、最大接触面圧Ｐは３ＭＰａ以上であるが、凹溝２４を設ければ、同図（Ａ）のように約２ＭＰａとなって、約１ＭＰａも低減している。そして、６ＭＰａの流体圧力が作用したとき（圧力負荷状態）、図６（Ｂ）では最大接触面圧Ｐは９．６ＭＰａであるのに対し、図６（Ａ）では８．５ＭＰａと約１ＭＰａも低い。
【００２２】
次に、図７は流体圧力（負荷圧力）を横軸にとり、最大接触面圧───回転軸との接触面圧の最大値───を縦軸にとって示した、“流体圧力−最大接触面圧”関係グラフ図であり、従来品は丸印で、本発明品は三角印で夫々示し、ＦＥＭ解析によって解析したものであり、菱型印のＯリングは実測値を示す。
【００２３】
この図７から判るように、Ｏリングでは、流体圧力が６ＭＰａ時に、最大接触面圧が８ＭＰａとなって十分なシール性（密封性）が得られるが、本発明の実施品（三角印）はこのＯリングに極めて近い特性を示し、十分な密封性と耐久性が得られることが分る。これに対し、従来品（丸印）は、流体圧力６ＭＰａで最大接触面圧が１１ＭＰａと過大となり、早期摩耗等の問題が予想される。
【００２４】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されず、例えば、ゴム製リップ部を、ゴム製シール部５とは別に、低圧側に付設した構造としたり、シールエレメント７を２つ以上としたり、逆にシールエレメント７を省略したり、サポート金具８の形状、あるいは、インナーケース９，１０やインナー部材１１の個数の増減や形状は、変更可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、上述の構成により次のような著大な効果を奏する。
（請求項１，２によれば、）流体圧力による径方向内側への押圧力が摺接部２３に働かないので、過大な接触面圧Ｐとなることを防止でき、適切な値の接触面圧Ｐを保ち、回転軸２０との潤滑状態を良好に維持し、摩耗を抑制して、長期間にわたって良好なシール性（密封性）を発揮できる。特に高圧ガスの密封用として好適である。さらに、回転軸シールの軸心方向寸法を減小して、コンパクト化を図り得る。
【００２６】
（請求項３によれば、）流体圧力による軸心Ｌと平行な方向の圧力を、サポート金具８が受け止めて、ゴムを径方向に移動させることによって、間接的に摺接部２３に伝達するので、回転軸２０に対する摺接部２３の接触面圧Ｐを、過大とならないように確実に抑制可能となる。さらに、回転軸シール全体の軸心方向寸法を確実に減小して、コンパクト化を図り得る。
【００２７】
（請求項４によれば、）摺接部２３の回転軸２０に対する接触面圧Ｐが適正値となるようにすることが容易となり、優れた密封性（シール性）を長期間にわたって維持できる（耐久性良好）。
特に、（摺接部２３近傍ではなく）凹溝２４の近傍に相当応力の高応力領域が集中するので、えぐられたような摩耗が摺接部２３に発生せず（従来例では発生していた）、均一に摩耗が進行して、長期間にわたって密封性（シール性）を維持する。
また、回転軸２０の軸心Ｌと、回転軸シール自体及びハウジング２２の偏心に対応するために、ある程度の締め代を設けなければならないが、凹溝２４を有することで、その締め代を有しつつも接触面圧Ｐを低減可能である。あるいは、凹溝２４によって、フレキシビリティを有し、上記偏心に対する追従性も良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態を示す要部断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態と従来例の形状の拡大対比説明図である。
【図３】本発明と従来例の形状比較及び作用比較のための説明図である。
【図４】他の実施の形態を示す要部断面図である。
【図５】本発明の異なる実施の形態を比較説明するための図である。
【図６】本発明の異なる実施の形態を比較説明するための図である。
【図７】本発明と従来例等の流体圧力に対する最大接触面圧の変化を示すグラフ図である。
【図８】従来例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１アウタケース
２内鍔部
５ゴム製シール部
５ｂ軸心直交壁部
８サポート金具
９ー厚寸法
１７ゴム被覆層
２０回転軸
２３摺接部
２４凹溝
Ｃ密封流体側
Ｐ_０軸心直交面
Ｍ軸心方向幅寸法
Ｔ_１７肉厚寸法

Claims

回転軸の表面に接触する摺接部を有するゴム製シール部と、該ゴム製シール部が一体状に固着保持された金属製アウタケースとを、備えた回転軸シールに於て、上記アウタケースは密封流体側内端部に内鍔部を有し、該内鍔部は上記ゴム製シール部にて被覆され、上記摺接部の軸心方向位置を、上記内鍔部を被覆した密封流体側ゴム被覆層の肉厚寸法を含んだアウタケースの軸心方向幅寸法内に、配設したことを特徴とする回転軸シール。
回転軸の表面に接触する摺接部を有するゴム製シール部と、該ゴム製シール部が一体状に固着保持された金属製アウタケースとを、備えた回転軸シールに於て、上記アウタケースは密封流体側内端部に内鍔部を有し、該内鍔部を含む軸心直交面上乃至その近傍位置に、上記摺接部の軸心方向位置を、配設したことを特徴とする回転軸シール。
上記ゴム製シール部は上記摺接部を内周端縁に有する軸心直交壁部を備え、さらに、該軸心直交壁部を低圧側から支持する軸心直交状サポート金具を付設した請求項１又は２記載の回転軸シール。
上記ゴム製シール部は上記摺接部を内周端縁に有する軸心直交壁部を備え、さらに、該軸心直交壁部を低圧側から支持する軸心直交状サポート金具を付設し、かつ、上記ゴム製シール部の上記軸心直交壁部が上記サポート金具に対応する背面側に凹溝を有し、受圧により圧縮されたゴムの内径方向への流れを該凹溝によって遮断及び／又は吸収するように構成した請求項１又は２記載の回転軸シール。