JP2005155743A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧条件で高周波の圧力変動が与えられる使用環境において、耐久性を高めて優れた密封性能を発揮し得る密封装置を提供する。
【解決手段】内周部材６１の外周面６１１に形成された取付溝６１２内に、ゴム状弾性材料からなるシールリング１０が装着され、このシールリング１０は、軸方向両端近傍で径方向のつぶし代が最大となる厚肉部１１，１２を有すると共に、軸方向両端面１０ｃ，１０ｄのうち少なくとも密封対象燃料加圧室１ｂと反対側の端面１０ｄが平坦面をなし、両厚肉部１１，１２間の径方向最小肉厚ｔ_０が、溝底６１２ａと外周部材１との距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸ以上であり、厚肉部１１，１２の径方向肉厚ｔ_１が、
30％≧（ｔ_１−ｄ_ＭＡＸ）÷ｔ_１×100≧8％
を満足するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、外周部材とその内面に挿入された内周部材との間を密封する密封装置に関し、特に、高圧でかつ繰り返し圧力変動が与えられる流体を密封対象とするものに関する。

高圧でかつ繰り返し圧力変動が与えられる流体を密封対象とする密封装置の典型的な従来技術としては、下記の特許文献１，２に記載されたものがある。
特開平１０−１８４９２７号公報（第１図） 特開平２００３−８３４５１号公報（第１図）

図１５は、上記特許文献１に記載されたものと同種の密封装置１００の装着状態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。すなわち、この種の密封装置１００は、図１５に示されるように、例えば直噴エンジン用燃料ポンプにおけるハウジング１１０とその内周に挿入されたバルブボディの筒部１２０との間を密封するものであって、筒部１２０の外周面に円周方向に連続して形成された取付溝１２１内に装着されたＯリング１０１及びバックアップリング１０２からなる。Ｏリング１０１は、ゴム状弾性材料で成形されたものであって、未装着状態の断面形状が円形をなすものである。また、バックアップリング１０２は合成樹脂材料で成形されたものであって、密封対象空間である燃料通路側の燃料加圧室Ｓに対して、取付溝１２１内におけるＯリング１０１の背面側の位置、すなわち図中左側に位置して装着されている。

上記構成の密封装置１００は、直噴エンジン用燃料ポンプの駆動によって、燃料加圧室Ｓ側から加圧された燃料による圧力Ｐが作用した場合には、Ｏリング１０１は、バックアップリング１０２との間の内外周に形成された隙間Ｇ１，Ｇ２を埋めるように、軸方向（図１５における左方向）への圧縮変形・変位を受け、圧力Ｐが低下すると、復元方向へ変位する。このため、直噴エンジン用燃料ポンプのように、高圧でしかも200Ｈｚもの高い周波数で圧力変動を生じる使用環境では、Ｏリング１０１は、きわめて短い周期で繰り返し変形・変位を受けることになり、このため、特に相手部材と接触−非接触が繰り返される部分では、フレッティング摩耗を生じる。

図１６は、Ｏリング１０１にフレッティング摩耗Ｆを生じた状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。フレッティング摩耗Ｆは、ハウジング１１０の内周面及び筒部１２０の取付溝１２１の溝底に対する接触面積の増減を伴いながら、Ｏリング１０１が短い周期で軸方向への圧縮と膨張を繰り返されることによって生じるものと考えられる。そして、このようなフレッティング摩耗Ｆによって、Ｏリング１０１の密封性能が経時的に低下して行く。また、Ｏリング１０１における燃料加圧室Ｓと反対側では、取付溝１２１の溝底に対する接触面積の増減のほか、バックアップリング１０２との接触面積の増減も生じるため、フレッティング摩耗Ｆは、バックアップリング１０２を向いた側で特に大きくなる。

図１７は、図１５におけるＯリング１０１に代えて、特許文献２の第１図に開示されたような、断面が略Ｄ字形をなすＤリング１０３を採用した他の従来技術による密封装置１００の装着状態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。すなわち、図１７の密封装置１００によれば、燃料加圧室Ｓと反対側（バックアップリング１０２側）を向いた端面１０３ａが、略平坦に形成されているため、燃料加圧室Ｓ側の圧力Ｐの変動によるＤリング１０３の繰り返し軸方向変形・変位は、Ｏリング１０１に比較して小さくなる。

しかし、このようなＤリング１０３を用いた場合も、ハウジング１１０の内周面と取付溝１２１の溝底面との間で径方向のつぶしを与えることによって、軸方向への逃げ変形を生じ、図１５におけるＯリング１０１の場合よりは小さいが、Ｄリング１０３におけるバックアップリング１０２側の内外周の角部１０３ｂ，１０３ｃとバックアップリング１０２との間に隙間Ｇ１，Ｇ２を生じる。そして、直噴エンジン用燃料ポンプの駆動によって、燃料加圧室Ｓ側から加圧された燃料による圧力Ｐが作用すると、Ｄリング１０３は隙間Ｇ１，Ｇ２を埋めるような圧縮変形・変位を受け、圧力Ｐが低下すると、復元方向へ変位する。したがって、このような繰り返し変形によって相手部材と接触−非接触が繰り返される部分に、図１５におけるＯリング１０１ほどではないが、結局、フレッティング摩耗を生じることがあった。

また、このＤリング１０３には、燃料加圧室Ｓ側のフレッティング摩耗の発生箇所と対応する箇所に、クラックを発生することがある。図１８は、Ｄリング１０３にクラックＣを生じた状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。このようなクラックＣは、局部疲労によって、ある時点で一気に破壊を生じたものであり、この場合、Ｄリング１０３による密封性能は、クラックＣを生じた時点で急激に低下することになる。

更に図１９は、上述のＯリング１０１やＤリング１０３に代えて、特許文献２における第３図のような角リング１０４を用いた状態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。この図１９に示されるように、未装着状態では断面形状が略正方形あるいは略長方形を呈する角リング１０４も、装着状態では、やはり径方向圧縮に対するゴム材質の軸方向逃げによって両端面が大きく膨らむように変形するので、図１７と近似した断面形状となる。したがってバックアップリング１０２との間の内外周にある程度大きな隙間Ｇ１，Ｇ２が形成されることは避けられず、上述と同様の作用によってフレッティング摩耗を生じていた。

上述のように、高圧条件で繰り返し圧力変動が与えられる環境では、従来技術による密封装置１００は、いずれもフレッティング摩耗が発生し、耐久性に問題があった。したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、直噴エンジン用燃料ポンプ等のように、特に高圧条件で繰り返し圧力変動が与えられる使用環境において、耐久性を高めて優れた密封性能を発揮し得る密封装置を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る密封装置は、互いに同心的に組み付けられる外周部材の内周面及び内周部材の外周面のうちの一方に円周方向に連続して形成された取付溝内に、ゴム状弾性材料からなるシールリングが装着される密封装置において、前記シールリングは、前記取付溝の溝底と、前記外周部材の内周面、もしくは前記内周部材の外周面のうちのいずれかと所要のつぶし代をもって密接される外周面及び内周面の軸方向両端近傍で径方向のつぶし代が最大となる厚肉部を有すると共に、軸方向両端面のうち少なくとも密封対象空間と反対側の端面が略平坦な面をなすものである。

請求項２の発明に係る密封装置は、請求項１に記載された構成において、シールリングの両厚肉部の間の径方向最小肉厚ｔ_０を、取付溝の溝底及びこれに対向する外周部材又は内周部材との距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸ以上とするものである。

請求項３の発明に係る密封装置は、請求項１に記載された構成において、シールリングの厚肉部の径方向肉厚ｔ_１が、取付溝の溝底及びこれに対向する外周部材又は内周部材との距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸに対して、次式
30％≧（ｔ_１−ｄ_ＭＡＸ）÷ｔ_１×100≧8％
を満足するものである。

請求項４の発明に係る密封装置は、請求項１〜３のいずれかに記載された構成において、取付溝内に、シールリングと共にバックアップリングが配置され、このバックアップリングは、前記シールリングに対して密封対象空間と反対側に位置するものである。

請求項５の発明に係る密封装置は、請求項１〜４のいずれかに記載された構成において、外周部材が直噴エンジン用燃料ポンプのハウジングであり、内周部材が前記ハウジングの内周に挿入されたバルブボディである。

請求項１の発明に係る密封装置によれば、取付溝の溝底と、これに対向する部材との間に、所要のつぶし代をもって装着した時に、厚肉部の径方向のつぶしに対する軸方向逃げ変形が、相対的に薄肉の軸方向中間部において有効に吸収されるので、密封対象空間と反対側の端面が軸方向へ膨らむような変形が抑えられる。このため、密封対象空間と反対側の溝内面との間に形成される隙間を可及的に小さくすることができ、密封対象の流体圧力の変化によるシールリングの軸方向変位が小さく抑えられ、その結果、高圧条件で繰り返し圧力変動が与えられる使用環境でも、接触面積の増減に起因するフレッティング摩耗や、疲労破壊によるクラック等の発生を有効に防止し、耐久性を向上することができる。

請求項２の発明に係る密封装置によれば、請求項１に記載されたシールリングの軸方向中間部の径方向肉厚ｔ_０を、取付溝の溝底及びこれに対向する面との距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸ以上とすることによって、シールリングの外周面及び内周面の全域が、取付溝の溝底及びこれに対向する部材と密接されるので、密封対象空間の流体圧力の変化によるシールリングの軸方向圧縮に対する径方向逃げ変形が規制されると共に、軸方向の圧縮変位が小さく抑えられ、請求項１の発明による効果を一層確実に実現することができる。

請求項３の発明に係る密封装置によれば、請求項１に記載されたシールリングの厚肉部におけるつぶし率を8％以上とし、かつ30％を超えないこととしたため、非加圧状態での所要の密封性能を確保すると共に、装着状態の初期断面形状を略長方形又は略正方形に保持して、請求項１の発明による効果を一層確実に実現することができる。

請求項４の発明に係る密封装置によれば、シールリングを密封対象空間と反対側からバックアップリングで支承するものであるため、シールリングが流体圧力を受けた時のはみ出し隙間を小さくして、シールリングのはみ出しによる損傷を有効に防止することができる。

請求項５の発明に係る密封装置によれば、直噴エンジン用燃料ポンプにおいて、高圧で高周波の圧力変動が与えられる燃料に対する優れた密封機能を、長期間にわたって維持することができる。

以下、本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図１は、本発明に係る密封装置が用いられる直噴エンジン用燃料ポンプを示す断面図である。

すなわち、図１に示される燃料ポンプは、内周にプランジャ挿通孔１ａが形成されたハウジング１と、プランジャ挿通孔１ａに軸方向往復動可能に挿通されたプランジャ２と、プランジャ挿通孔１ａの端部開口から突出したプランジャ２の外端に取り付けられたタペット３と、内燃機関の吸気バルブ及び排気バルブを駆動させるカムシャフト（不図示）に取り付けられると共にタペット３に当接されたポンプカム４と、ハウジング１とタペット３の間に圧縮状態に介装されて、タペット３をポンプカム４に当接させると共にプランジャ２をプランジャ挿通孔１ａからの抜き出し方向へ付勢するコイルスプリング５と、電磁弁装置６を備える。プランジャ挿通孔１ａの上方は、プランジャ２の往復動により燃料が加圧される燃料加圧室１ｂとなっており、その上部が、電磁弁装置６の弁体６２により開閉される弁孔６１ｂを介して燃料流入路１ｃと連通又は遮断されるようになっている。また、燃料加圧室１ｂの下部は、デリバリバルブ７により開閉される燃料吐出路７１ａへ分岐して延びている。

電磁弁装置６は、プランジャ挿通孔１ａの上方でハウジング１の内周に密封装置８を介して設けられたバルブボディ６１と、このバルブボディ６１におけるハウジング１のプランジャ挿通孔１ａと同軸の弁体保持孔６１ａに軸方向移動可能に挿通され、下端円盤部６２ａが前記弁体保持孔６１ａの下方に位置してバルブボディ６１に形成した弁孔６１ｂを開閉する弁体６２と、バルブボディ６１の上部外周に位置してハウジング１に固定されたカバー部材６３と、弁体６２の上端に取り付けられた強磁性体からなる可動体６４と、その外周にあってカバー部材６３に固定され、バルブボディ６１の上部を押さえると共に可動体６４の移動を案内するガイド部材６３ａと、可動体６４の上側に配置され弁ハウジング６３ｂに固定された固定鉄心６５と、可動体６４を固定鉄心６５から離間させるように常時下方へ付勢する弁スプリング６６と、固定鉄心６５の周囲に配置された励磁コイル６７と、この励磁コイル６７に通電するためのコネクタ６８で構成される。

一方、デリバリバルブ７は、ハウジング１の側部にプランジャ２の軸心と直交する方向に螺合され燃料吐出路７１ａを形成するバルブボディ７１と、燃料吐出路７１ａを開閉する弁体７２と、この弁体７２を常時閉弁方向へ付勢する弁スプリング７３とを備え、燃料加圧室１ｂの燃料圧力が所定値に上昇した時点で、弁体７２が弁スプリング７３を圧縮する方向へ開弁動作するものである。

上述の構造を備える燃料供給装置は、内燃機関のカムシャフトによってポンプカム４が回転すると、これに当接しているタペット３を介して、プランジャ２がプランジャ挿通孔１ａ内を軸方向（図１における上下方向）に往復動する。そして、プランジャ２がコイルスプリング５の付勢力によって下方移動するのに伴い燃料加圧室１ｂの容積が拡大する過程では、デリバリバルブ７は、その弁体７２が弁スプリング７３の付勢力によって燃料加圧室１ｂと燃料吐出路７１ａの間を遮断している一方、電磁弁装置６は励磁コイル６７が非通電状態にあって、弁体６２が弁スプリング６６の付勢力によって燃料加圧室１ｂと燃料流入路１ｃとの間を連通するので、燃料流入路１ｃから燃料加圧室１ｂへ燃料が流入する。

次に、タペット３がポンプカム４のカム山に押し上げられることによって、プランジャ２がコイルスプリング５の付勢力に抗して燃料加圧室１ｂの容積を縮小するように上方移動している過程では、電磁弁装置６は所定のタイミングで励磁コイル６７が通電されることによって、可動体６４が弁スプリング６６の付勢力に抗して固定鉄心６５に磁気吸引され、これと一体の弁体６２が燃料加圧室１ｂと燃料流入路１ｃとの間を遮断する。そして、燃料加圧室１ｂの燃料圧力が所定の高圧値に昇圧した時点でデリバリバルブ７の弁体７２が弁スプリング７３の付勢力に抗して開弁動作し、高圧の燃料を吐出する。

図２は、上述の直噴エンジン用燃料ポンプにおけるハウジング１の上部内周面と、電磁弁装置６のバルブボディ６１との間に介在する密封装置８に、本発明を実施した好ましい第一の形態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図、図３は、この形態におけるシールリングを一部切断して示す斜視図である。

図２において、参照符号１は、図１におけるハウジング１と同一部材であって、請求項１における外周部材に相当するものであり、参照符号６１０はハウジング１の内周に挿入されたバルブボディ６１の下部の筒部であって、バルブボディ６１は、請求項１における内周部材に相当するものである。ハウジング１とバルブボディ６１（筒部６１０）は、互いに略同心的に組み付けられており、ハウジング１の内周空間のうち、筒部６１０の鍔部６１０ａが向いた側（図２における右側）の空間１ｂは燃料加圧室であって、請求項１における密封対象空間に相当する。径方向に対向するハウジング１の内周面１Ａと筒部６１０の外周面６１１との間を密封する本形態の密封装置は、筒部６１０の外周面６１１に円周方向へ連続して形成された取付溝６１２内に装着されたシールリング１０及びバックアップリング２０からなる。

シールリング１０及びバックアップリング２０は、筒部６１０の内端の鍔部６１０ａ側から取付溝６１２に装着されるため、鍔部６１０ａの外径は、その反対側のバルブボディ６１の外周面６１１の外径よりも適宜小径に形成されている。また、取付溝６１２の溝底は、鍔部６１０ａ寄りの部分、すなわちシールリング１０の装着位置と対応する部分が円筒面状に形成され（以下、円筒面状溝底６１２ａという）、その反対側の端部寄りの部分、すなわちバックアップリング２０の装着位置と対応する部分が、燃料加圧室１ｂと反対側へ向けて漸次溝深さを減少するテーパ状に形成されている（以下、テーパ状溝底６１２ｂという）。

シールリング１０は、例えばフッ素ゴム等のゴム状弾性材料で成形されたものであって、軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状が近似長方形をなす。詳しくは図３の斜視図にも示されるように、未装着状態では、外周面１０ａ及び内周面１０ｂが、緩やかに湾曲した凹面をなす。言い換えれば、軸方向両端近傍は、径方向の肉厚が最大となる厚肉部１１，１２となっており、軸方向中間部分は、相対的に径方向の肉厚が小さい薄肉部１３となっている。また、軸方向両端面１０ｃ，１０ｄは、軸心Ｏと直交する方向の略平坦な面をなすように形成されている。

シールリング１０における外周面１０ａの軸方向両端の角部１０ｅ，１０ｅ及び内周面１０ｂの軸方向両端の角部１０ｆ，１０ｆは、角丸め形状、すなわちＲ状に形成されている。これら角部１０ｅ，１０ｆの曲率半径は、大きすぎると先に説明した図１５におけるＯリング１０１に近似することになるので、フレッティング摩耗を生じるおそれがあり、逆に小さすぎると、取付溝６１２への挿入性が悪化して、組付け時に損傷を受けやすくなるため、角部１０ｅ，１０ｆの曲率半径は、これらを考慮して適切な大きさに決定される。具体的には、前記曲率半径はＲ0.15〜Ｒ0.3とすることが好ましい。

先に説明したように、軸方向両端近傍は、径方向の肉厚が最大となる厚肉部１１，１２となっているため、図２に二点鎖線で示されるように、ハウジング１の内周面１Ａに対するシールリング１０のつぶし代は、軸方向両端の角部１０ｅ，１０ｅ近傍で最も大きくなり、筒部６１０における取付溝６１２の円筒面状溝底６１２ａに対するつぶし代も同様に、軸方向両端の角部１０ｆ，１０ｆ近傍で最も大きくなる。ここで、未装着状態におけるシールリング１０の径方向肉厚の最小値ｔ_０及び最大値ｔ_１は、ハウジング１の内周面１Ａと円筒面状溝底６１２ａとの間で径方向のつぶしを受けることによる軸方向肉厚の増大を吸収し得るように、次のように設定される。

まず、未装着状態におけるシールリング１０の径方向肉厚の最小値、すなわち軸方向中間の薄肉部１３における最小肉厚ｔ_０は、ハウジング１の内周面１Ａと円筒面状溝底６１２ａとの間の距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸ以上とする（ｔ_０≧ｄ_ＭＡＸ）。なお、ここでいう「最大値ｄ_ＭＡＸ」について説明すると、ハウジング１と筒部６１０が僅かに偏心した状態に組み付けられた場合、距離ｄは円周方向において僅かに不均一となるが、ｄ_ＭＡＸは、このような偏心において想定し得る最大値である。そして、上述のように、ｔ_０≧ｄ_ＭＡＸとすることによって、図２に示される装着状態では、シールリング１０の薄肉部１３も、ハウジング１の内周面１Ａ及び取付溝６１２の円筒面状溝底６１２ａに対して、適当なつぶし代をもって密接されるか、あるいは軽く密接される。

また、未装着状態におけるシールリング１０の径方向肉厚の最大値、すなわち厚肉部１１，１２における角部１０ｅ，１０ｆ間の径方向肉厚ｔ_１は、ハウジング１の内周面１Ａ及び筒部６１０における取付溝６１２の円筒面状溝底６１２ａに対して所要のつぶし代が与えられるように、ハウジング１の内周面１Ａと円筒面状溝底６１２ａとの間の距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸよりも大きいものとする。またこの場合、好ましくは次式を満足するものとする。
30％≧（ｔ_１−ｄ_ＭＡＸ）÷ｔ_１×100≧8％

なお、上記式において、（ｔ_１−ｄ_ＭＡＸ）÷ｔ_１×100は、角部１０ｅ，１０ｆ間の径方向のつぶし率を表すものである。そして、このつぶし率を8％（例えば実寸で0.1ｍｍ）以上としたのは、8％未満では、非加圧状態での燃料加圧室１ｂ内の流体（燃料）に対する所要の密封性能が得られなくなるからであり、30％以下としたのは、30％を超えるつぶし率では圧縮割れを生じるからである。また、つぶし率を抑えることは、装着状態での初期歪（非加圧状態での歪）を抑えることを意味するから、後で詳述するように、圧力変化による繰り返し歪変化に対する耐久性の向上にも有利である。

上述のように寸法を規定することによって、シールリング１０は、ハウジング１の内周面１Ａと円筒面状溝底６１２ａとの間で径方向のつぶしを受けた状態に装着されることによる軸方向への逃げ変形が有効に吸収され、軸方向両端面１０ｃ，１０ｄの膨らみが小さく抑えられる。したがって、図２に示されるように、シールリング１０の装着状態の初期形状が、図示の断面において、近似長方形又は近似正方形をなし、その結果、バックアップリング２０と端面１０ｄ側の角部１０ｅ，１０ｆとの間に生じる隙間Ｇ１，Ｇ２を可及的に小さくすることができる。

一方、バックアップリング２０は、ＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）等の低摩擦合成樹脂材料で成形されたものであって、シールリング１０に対して密封対象の燃料加圧室１ｂと反対側に位置するように、取付溝６１２内に配置されている。バックアップリング２０と取付溝６１２における燃料加圧室１ｂと反対側の立ち上がり面６１２ｃとの間には、明確には図示されていないが、無負荷状態では僅かな隙間が存在している。

バックアップリング２０の内周面２０ａは、取付溝６１２におけるテーパ状溝底６１２ｂと対応するテーパ状に形成されており、このテーパ状内周面２０ａとテーパ状溝底６１２ｂは、互いに密接可能となっている。また、バックアップリング２０の外周面２０ｂは、円筒面状に形成されており、ハウジング１の内周面１Ａと密接可能に近接対向している。

以上の構成を備える密封装置において、直噴エンジン用燃料ポンプの駆動によって、燃料加圧室１ｂ内で図１に示されるプランジャ２の上方移動により加圧された燃料の圧力は、シールリング１０における燃料加圧室１ｂ側の端面１０ｃに作用する。しかし、このシールリング１０は、燃料加圧室１ｂが加圧されていない初期状態において、ハウジング１の内周面１Ａと円筒面状溝底６１２ａとの間で厚肉部１１，１２が径方向につぶされることによる軸方向への膨らみが、軸方向中間の薄肉部１３への逃げによって吸収されるため、燃料加圧室１ｂと反対側の端面１０ｄは、バックアップリング２０に、ほぼ全面が密接した状態で支承され、バックアップリング２０と端面１０ｄ側の角部１０ｅ，１０ｆとの間の隙間Ｇ１，Ｇ２が小さくなっている。また、外周面１０ａの全域が適当なつぶし代をもってハウジング１の内周面１Ａに密接し、内周面１０ｂの全域が適当なつぶし代をもって取付溝６１２の円筒面状溝底６１２ａに密接されている。したがって、燃料加圧室１ｂの圧力によるシールリング１０の軸方向圧縮に対する逃げ変形が規制されると共に、隙間Ｇ１，Ｇ２を埋めるような変形も小さく抑えられる。

したがって、燃料加圧室１ｂ側から作用する圧力の変動を受けても、上述のように、シールリング１０の軸方向の圧縮‐膨張変位が小さく、しかも、ハウジング１の内周面１Ａ及び取付溝６１２の円筒面状溝底６１２ａに対して、シールリング１０の外周面１０ａ及び内周面１０ｂは、当初からほぼ全域が密接しているため、圧縮‐膨張変位に伴う接触面積の増減を殆ど生じない。その結果、燃料加圧室１ｂにおける燃料の圧力が高圧かつ高周波数で変化する場合でも、シールリング１０の繰り返し変形によるフレッティング摩耗や、疲労破壊によるクラック等の発生を有効に防止することができる。

また、燃料加圧室１ｂ側からの圧力による軸方向荷重が、シールリング１０を介してバックアップリング２０に作用すると、このバックアップリング２０におけるテーパ状内周面２０ａが、取付溝６１２のテーパ状溝底６１２ｂの最浅部側へ向けて乗り上がり、言い換えれば前記軸方向荷重が外径方向の分力を生じるので、バックアップリング２０は、その外周面２０ｂがハウジング１の内周面１Ａとの隙間を縮小し、かつ密接するように拡径変形を受ける。このため、シールリング１０の端部が、ハウジング１とバックアップリング２０の隙間から密封対象の燃料加圧室１ｂと反対側へはみ出して損傷するのを、確実に防止することができる。

なお、上述の形態においては、シールリング１０の軸方向両端面１０ｃ，１０ｄが、軸心Ｏと直交する方向の略平坦な面をなすものとしたが、密封対象の燃料加圧室１ｂと反対側の端面１０ｄのみを、軸心Ｏと直交する方向の略平坦な面に形成しても、上述の効果を実現することができる。

図４は、第一の形態に対する比較形態１としての密封装置を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。この比較形態１のように、シールリング１０’は、未装着状態において外周面１０ａ’及び内周面１０ｂ’が、図４に二点鎖線で示されるような凸面をなし、軸方向両端面１０ｃ’，１０ｄ’が軸心Ｏと直交する方向の略平坦な面をなすものであっても、つぶし代をある程度小さいものとすることによって、径方向のつぶしによる軸方向逃げ変形が軸方向両端近傍で吸収されるので、装着状態の初期形状を、略長方形又は略正方形をなす断面形状に保持されるようにすることは可能である。したがってこの場合も、燃料加圧室１ｂ側の圧力変動によるシールリング１０の軸方向の圧縮‐膨張変位を小さくし、接触面積の増減を小さくして、フレッティング摩耗やクラック等の発生を防止することができるものと考えられる。しかしながらこの場合は、ハウジング１の内周面１Ａ及び円筒面状溝底６１２ａに対するつぶし代（言い換えれば面圧）が、ハウジング内周面及び溝底との接触−非接触境界部から軸方向中央部に向かって緩やかに増大する分布となるため、高圧流体がクサビのように侵入しやすくなると考えられ、したがってシール性に問題がある。

図５は、第一の形態に対する比較形態２としての密封装置を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。この比較形態２のように、シールリング１０”は、未装着状態において外周面１０ａ”及び内周面１０ｂ”が円筒面をなし、軸方向両端面１０ｃ”，１０ｄ”が図５に二点鎖線で示されるような凹面をなすものであっても、径方向のつぶしによる軸方向両側への膨出変形を吸収することは可能である。ところがこの場合は、径方向のつぶしによって、逆に図５に実線で示されるような座屈を生じ、バックアップリング２０と、これに対向する端面１０ｄ”の径方向中間付近との間に隙間Ｇ３が形成されるので、燃料加圧室１ｂ側から加圧された燃料による圧力が作用すると、シールリング１０”は隙間Ｇ３を埋めるような圧縮変形・変位を受け、圧力が低下すると、復元方向へ変位することになる。したがって、結局、図５のような形態においても、フレッティング摩耗の発生を抑えることができない。

これに対し、図２の形態によるシールリング１０の場合は、面圧のピークが軸方向両端近傍に存在し、ハウジング１の内周面１Ａ及び溝底面６１２ａとの接触−非接触境界部から面圧が鋭く立ち上がるように分布するため、フレッティング摩耗やクラック等の発生を防止しつつ、優れたシール性を奏することができる。また、先に説明したように、燃料加圧室１ｂの圧力によるシールリング１０の軸方向圧縮に対する逃げ変形が規制されると共に、隙間Ｇ１，Ｇ２を埋めるような変形も小さく抑えられるので、フレッティング摩耗等の発生を有効に防止することができるのである。

図６は、直噴エンジン（筒内直接噴射式エンジン）における高圧燃料ポンプ用の密封装置に従来から用いられているフッ素ゴム（ゴム硬さＨｓ＝80）製のＯリングを比較例１とし、図２及び図３に示される形態のシールリングを実施例１として、それぞれ溝内に装着し、非加圧時と軸方向加圧時の歪を、ＦＥＭ解析により確認した結果を示すものである。但し、比較例１及び実施例１は、密封対象流体（ガソリン）による膨潤によって体積変化した状態で解析した。

図６に記入された矢印は、流体圧力の作用方向である。流体圧力が０ＭＰａの状態では、比較例１ではＯリングの反加圧側（図６における左側）には、溝内面との間に比較的大きな隙間が存在していることがわかる。ここで流体圧力を６ＭＰａに加圧した場合には、Ｏリングが低圧側へ押し付けられて移動し、前記隙間を埋めるように変形され、加圧側（図６における右側）の接触−非接触境界部の近傍は、見かけの形状とは違って反加圧側と同様の変形を生じていることがわかる。そして、この加圧状態から再び０ＭＰａまで除荷すると、反加圧側に再び隙間を生じる。したがって、このような変形の繰り返しによって、溝内面との接触−非接触境界部近傍で、先に説明した図１６に示されるようなフレッティング摩耗Ｆを生じることが推定される。

これに対し、実施例１においては、溝内面との間の隙間が比較例１のＯリングの場合に比較して著しく小さく、０ＭＰａの非加圧状態と６ＭＰａの加圧状態でのシールリングの変形状態に殆ど変化がなく、移動量も小さいことがわかる。このため、繰り返し圧力変化に対する耐久性が向上する。

図７は、直噴エンジンにおける高圧燃料ポンプ用の密封装置に従来から用いられているフッ素ゴム（ゴム硬さＨｓ＝80）製のＤリングを比較例２とし、図２及び図３に示される形態のシールリングを実施例１として、それぞれ溝内に装着し、非加圧時と軸方向加圧時の歪を、ＦＥＭ解析により確認した結果を示すものである。但し、比較例２及び実施例１は、密封対象流体（ガソリン）による膨潤によって体積変化した状態で解析した。

図７に記入された矢印は、流体圧力の作用方向である。流体圧力が０ＭＰａの状態から６ＭＰａに加圧すると、比較例２ではＤリングと溝内面との接触−非接触境界部に発生している歪が減少することがわかる（74％→49％）。したがって、流体圧力の繰り返し変化によって、Ｄリングと溝内面との接触−非接触境界部に局所的な繰り返し歪が発生し、その結果、疲労破壊によって、フレッティング摩耗や、先に説明した図１８に示されるようなクラックＣの発生に到ることが推定される。

一方、実施例１においても、圧力変化によって、シールリングには繰り返し歪変化を生じるが、その変化量は、比較例２においては74％−49％＝25％であるのに対し、実施例１においては30％−16％＝14％であり、すなわち比較例２に対して歪変化量が1/2程度に減少していることがわかる。また、初期歪も、比較例２が74％であるのに対し、実施例１では30％である。破壊に到る歪変化の繰り返し回数は、加圧前の初期歪の大きさに依存し、初期歪が大きいほど、破壊に到るまでの歪変化（圧力変化）の繰り返し回数が少なくなり、すなわち寿命が短くなるから、実施例１のシールリングは、比較例２よりも寿命が向上することがわかる。

また、バックアップリング２０は、断面が略長方形をなすものとしても良い。図８は、断面が略長方形をなすバックアップリング２０を用いた第二の形態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図、図９は、この形態におけるバックアップリング２０を示す斜視図である。

図８に示されるように、この形態において、シールリング１０は、先に説明した図２及び図３に示される第一の形態と同様、軸方向両端近傍に、径方向のつぶし代が最大となる厚肉部１１，１２を有し、軸方向両端面１０ｃ，１０ｄが、軸心Ｏと直交する方向の略平坦な面をなしているのに対し、バックアップリング２０は、その軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状が略長方形を呈するものであって、図９に示されるように、円周方向一箇所が切断され、その切断部２０ｃが、軸心Ｏと斜交する平面状をなしている。また、バックアップリング２０の外径は、ハウジング１の内径よりも僅かに小さく成形されており、このため、無負荷状態では、図８に二点鎖線で示されるように、ハウジング１の内周面１Ａとの間に隙間Ｇが形成される。

一方、バルブボディ６１の筒部６１０における取付溝６１２の溝底６１２ｄは、バックアップリング２０の装着位置と対応する部分も、シールリング１０の装着位置と連続した円筒面状に形成されている。

以上の構成によれば、バックアップリング２０は、円周方向一箇所が切断されているので、その切断部２０ｃを開くようにして筒部６１０の取付溝６１２に装着することができ、このため、筒部６１０の鍔部６１０ａによる溝肩６１３に干渉して損傷するのを防止することができる。

また、燃料加圧室１ｂ側からの圧力による軸方向荷重が、シールリング１０を介してバックアップリング２０に作用すると、シールリング１０と取付溝６１２の立ち上がり面６１２ｃの間で軸方向圧縮力を受けることによって、このバックアップリング２０に生じる円周方向の応力が内周側ほど大きくなるため、バックアップリング２０は、切断部２０ｃを開くように拡径変形し、その外周面２０ｂがハウジング１の内周面１Ａとの隙間を縮小し、密接する。したがって、シールリング１０の端部が、ハウジング１とバックアップリング２０の隙間から低圧側へはみ出して損傷するのを、確実に防止するといった、第一の形態と同様の効果を奏することができる。

ここで、先に図２において説明したように、シールリング１０及びバックアップリング２０は、筒部６１０の内端の鍔部６１０ａ側から取付溝６１２に装着されるため、装着性を考慮して、鍔部６１０ａの外径は、その反対側の筒部６１０の外径よりも適宜小径に形成されているが、装着過程でシールリング１０及びバックアップリング２０が鍔部６１０ａとの干渉によって損傷するのを確実に防止し得るようにすることが望ましい。このため、鍔部６１０ａを筒部６１０の内端に一体的に設ける場合は、シールリング１０及びバックアップリング２０の装着後に、筒部６１０の内端を塑性加工によって鍔状に形成する方法を採用することが有効である。

また、図１０及び図１１は、本発明に係る密封装置において、それぞれ鍔部６１０ａを筒部６１０と別部材で構成した第三及び第四の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。

すなわち、図１０に示される形態においては、バルブボディ６１の筒部６１０の鍔部６１０ａを、別部材の鍔部材６１４として、その内周の筒状嵌合部６１４ａを、筒部６１０の端部内周面に形成した嵌合段差部６１０ｂに圧入嵌合したものである。このようにすれば、バックアップリング２０及びシールリング１０を筒部６１０の外周に順次外挿した後で、鍔部材６１４を筒部６１０の嵌合段差部６１０ｂに圧入嵌合して固定すれば良い。また、鍔部材６１４の筒状嵌合部６１０ａを筒部６１０の端部内周に螺合させる構造とすることもできる。

また、図１１に示される形態においては、バルブボディ６１の筒部６１０の鍔部６１０ａを、筒部６１０の端部外周面に円周方向へ連続して形成した嵌合溝６１０ｃに嵌め込んだ、円周方向一箇所が切断された形状の弾性リング（スナップリング）６１５で形成したものである。このようにすれば、バックアップリング２０及びシールリング１０を筒部６１０の外周に順次外挿した後で、弾性リング６１５を筒部６１０の嵌合溝６１０ｃに嵌合して固定すれば良い。

ここで、先の図１に示されるように、バルブボディ６１の装着部が、燃料加圧室１ｂより大径であって、両者間に段差部１ｄが形成されているような場合は、シールリング１０及びバックアップリング２０はこの段差部１ｄによって抜け止めされるので、筒部６１０の鍔部６１０ａの形成を不要とすることもできる。図１２は、このように構成した実施の形態を、軸心を通る平面で切断して示す半断面図で、すなわちバルブボディ６１の筒部６１０における燃料加圧室１ｂ側の端部６１０ｆが、単純な円筒状に形成され、したがって、取付溝６１２は、鍔部による溝肩が存在しない形状となっている。

なお、上述した各形態では、シールリング１０及びバックアップリング２０が、内周部材である筒部６１０の外周面に形成した取付溝６１２に装着されているが、逆に、ハウジング１の内周面１Ａに取付溝を形成して、この取付溝にシールリング１０を装着する場合でも、本発明を同様に実施することができる。図１３は、このように構成した第六の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。

すなわち、図１３の形態においては、バルブボディ６１の筒部６１０における燃料加圧室１ｂ側の端部６１０ｆが、単純な円筒状に形成され、シールリング１０及びバックアップリング２０が、筒部６１０の外周面と径方向に対向するハウジング１の内周面１Ａに円周方向に連続して形成した取付溝１Ｂに装着されている。取付溝１Ｂの溝底は、燃料加圧室１ｂ寄りの部分、すなわちシールリング１０の装着位置と対応する部分が円筒面状に形成され（以下、円筒面状溝底１Ｂａという）、その反対側の端部寄りの部分、すなわちバックアップリング２０の装着位置と対応する部分が、燃料加圧室１ｂと反対側へ向けて漸次小径になるテーパ状に形成されている（以下、テーパ状溝底１Ｂｂという）。

シールリング１０は、上述の各形態と同様の断面形状を有し、すなわち軸方向両端近傍に、径方向のつぶし代が最大となる厚肉部１１，１２を有し、軸方向両端面１０ｃ，１０ｄが、軸心Ｏと直交する方向の略平坦な面をなすものである。一方、バックアップリング２０は、上述の各形態とは逆に、内周面２０ａが円筒面状に形成されて、筒部６１０の外周面と密接可能に近接対向している一方、外周面２０ｂは、取付溝１Ｂにおけるテーパ状溝底１Ｂｂと対応するテーパ状に形成されており、このテーパ状外周面２０ｂとテーパ状溝底１Ｂｂは、互いに密接可能となっている。したがって、この形態においても、図２の形態と同様の効果を奏することができる。

なお、上述の各形態は、図１に示される直噴エンジン用燃料ポンプにおけるハウジング１の上部内周面と、電磁弁装置６のバルブボディ６１との間に介在する密封装置８に、本発明を実施したものとして説明したが、高圧でかつ繰り返し圧力変動が与えられる流体を密封対象とする他の部分に装着される密封装置にも、本発明は同様に実施することができる。図１４は、このような例を示す断面図である。

この例においては、直噴エンジン用燃料ポンプのハウジング１と、このハウジング１に、プランジャ２の軸心と直交する方向に螺合されて、燃料加圧室１ｂからの燃料吐出路７１ａを形成するデリバリバルブ７のバルブボディ７１との間に装着される密封装置９に本発明を実施したものである。この場合、デリバリバルブ７のバルブボディ７１は請求項１における内周部材に相当し、このバルブボディ７１が螺合されたハウジング１の吐出ポート部１Ｃが、請求項１における外周部材に相当する。そして、図示の例では、密封装置９を、先に説明した図１２に示される形態と同様に構成したものである。

本発明に係る密封装置が用いられる直噴エンジン用燃料ポンプを示す断面図である。 本発明に係る密封装置の好ましい第一の形態を、その軸心を通る平面で切断して示す半断面図である。 図２の形態におけるシールリングを一部切断して示す斜視図である。 図２の形態に対する比較形態１としての密封装置を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 図２の形態に対する比較形態２としての密封装置を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 Ｏリングを比較例１とし、図２の形態におけるシールリングを実施例１として、非加圧時及び軸方向加圧時の状態を、ＦＥＭ解析により確認した結果を示す説明図である。 Ｄリングを比較例２とし、図２の形態におけるシールリングを実施例１として、非加圧時及び軸方向加圧時の歪を、ＦＥＭ解析により確認した結果を示す説明図である。 断面が略長方形をなすバックアップリングを用いた第二の形態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 図８におけるバックアップリングを単体で示す斜視図である。 本発明に係る密封装置において、取付溝の鍔部の構造を変更した第三の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 本発明に係る密封装置において、取付溝の鍔部の構造を変更した第四の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 本発明に係る密封装置において、筒部の鍔部を不要とした第五の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 本発明に係る密封装置において、ハウジングの内周面に形成した取付溝にシールリングを装着した第六の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 本発明に係る密封装置が図１と異なる他の箇所に用いられた直噴エンジン用燃料ポンプを示す断面図である。 従来技術としてＯリングを用いた密封装置の装着状態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 従来技術による密封装置のＯリングにフレッティング摩耗を生じた状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 他の従来技術としてＤリングを用いた密封装置の装着状態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 他の従来技術による密封装置のＤリングにクラックを生じた状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。 他の従来技術として角リングを用いた密封装置を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す半断面図である。

符号の説明

１ ハウジング（外周部材）
１Ａ 内周面
１Ｂ，６１２ 取付溝
１Ｂａ，６１２ａ 円筒面状溝底
１Ｂｂ，６１２ｂ テーパ状溝底
１ｂ 燃料加圧室（密封対象空間）
２ プランジャ
６ 電磁弁装置
６１，７１ バルブボディ（内周部材）
６１０ 筒部（内周部材）
６１０ａ 鍔部
６１１ 外周面
６１４ 鍔部材
６１５ 弾性リング
７ デリバリバルブ
８，９ 密封装置
１０ シールリング
１０ａ 外周面
１０ｂ 内周面
１０ｃ，１０ｄ 端面
１０ｅ，１０ｆ 角部
１１，１２ 厚肉部
１３ 薄肉部
２０ バックアップリング

Claims (5)

1. 互いに同心的に組み付けられる外周部材（１，１Ｃ）の内周面及び内周部材（６１，７１）の外周面のうちの一方に円周方向に連続して形成された取付溝（６１２，１Ｂ）内に、ゴム状弾性材料からなるシールリング（１０）が装着される密封装置において、前記シールリング（１０）は、前記取付溝（６１２，１Ｂ）の溝底（６１２ａ，１Ｂａ）と、前記外周部材（１，１Ｃ）の内周面もしくは前記内周部材（６１，７１）の外周面のうちのいずれかと所要のつぶし代をもって密接される外周面（１０ａ）及び内周面（１０ｂ）の軸方向両端近傍で径方向のつぶし代が最大となる厚肉部（１１，１２）を有すると共に、軸方向両端面（１０ｃ，１０ｄ）のうち少なくとも密封対象空間（１ｂ）と反対側の端面（１０ｄ）が略平坦な面をなすことを特徴とする密封装置。
2. シールリング（１０）の両厚肉部（１１，１２）の間の径方向最小肉厚ｔ_０が、取付溝（６１２，１Ｂ）の溝底（６１２ａ，１Ｂａ）及びこれに対向する外周部材（１，１Ｃ）又は内周部材（６１，７１）との距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸ以上であることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
3. シールリング（１０）の厚肉部（１１，１２）の径方向肉厚ｔ_１が、取付溝（６１２，１Ｂ）の溝底（６１２ａ，１Ｂａ）及びこれに対向する外周部材（１，１Ｃ）又は内周部材（６１，７１）との距離ｄの最大値ｄ_ＭＡＸに対して、次式
   30％≧（ｔ_１−ｄ_ＭＡＸ）÷ｔ_１×100≧8％
   を満足することを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
4. 取付溝（６１２，１Ｂ）内に、シールリング（１０）と共にバックアップリング（２０）が配置され、このバックアップリング（２０）は、前記シールリング（１０）に対して密封対象空間（１ｂ）と反対側に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密封装置。
5. 外周部材（１，１Ｃ）が直噴エンジン用燃料ポンプにおけるハウジングであり、内周部材（６１，７１）が前記ハウジングの内周に挿入されたバルブボディであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の密封装置。