JP2005502003A5 - - Google Patents

Description

特にボール弁のためのリング状密封部材

本発明は、半径方向内方を指向する内側密封面と、半径方向外方を指向する外側密封面とを有する、弾性的に変形可能な材料からなるボール弁用の密封リング、並びにボアを有する第１構造部材と、該ボア内に配される第２構造部材と、上記の種類の密封リングとを有する密封システムに関する。

環状の間隙（ギャップ）を密封するための密封部材（パッキング）は、特に機械工学の技術分野において、多様な幾何学的形態及び使用形態で必要とされる。そのため、従来技術において、このようなパッキングの多様な構造形態が知られているが、それも規格化されたプレハブ標準構造部材としても知られている。既知のリング状パッキングの最も簡単な形状の１つは、ゴム製Ｏ−リングである。反対に、構造が遥かにより複雑なものとしては、例えば、いわゆるシャフト密封リング（Wellendichtring）、即ち、外側座としての金属リングと、半径方向内方を指向するゴム製密封リップとを有する密封部材がある。

この種のシャフト密封リングは、例えば、回転するシャフトが引出される（突出する）トランスミッションハウジングの密封に使用される。このため、金属リングは、シャフトが挿通されるハウジングのボアに着座し、密封リップは、シャフトの可及的平滑な円筒形外表面に当接する。密封リップとシャフト表面との間の接触面は、とりわけ密封リップが半径方向内方に向かって幾何学的に鋭いエッジを形成するよう狭窄するように構成されることによって、シャフトのまわりの（１つの）環状の線にまで減少される。この構成によって、シャフトの大きな回転数（高速回転）が許容され、例えば、ハウジング内部に存在し且つハウジングからの流出がパッキングによって阻止されるべきギヤオイルは、密封リップの下方に潤滑油膜を形成する。この場合、接触面の範囲の動的圧力状態は、良く知られているように、オイルが密封リップの下方を通って外部へ漏出するのを阻止するのに役立つ。

上記パッキングの構造の更なる問題は、上記２つの構造部材の間の間隙（ギャップ）が密封されるべき対象である流体が、通常、過圧または負圧を受けるため、該圧力状態にもとづき２つの構造部材の少なくとも１つに力が印加されると云うことから生ずる。この力を受容するため、第１構造部材と第２構造部材との間に付加的なすべり軸受を設けることが知られている。このようなすべり軸受は、流体圧力によって印加される力を受容するものであり、仮に２つの構造部材を構成する材料が直接に互いに摩擦し合ったとしても、当該２つの構造部材の間により容易な運動性を達成するのに役立つものである。

すべり軸受は、構造上の理由から、通常、パッキングの直近に設けられる。しかしながら、すべり軸受は２つの構造部材相互の相対運動によって摩耗を受けることがしばしばあるので、一定の運転期間経過後には、２つの構造部材の間に直接的接触が起こり、かくして、２つの構造部材相互の相対運動が困難となる。

更に、すべり軸受から生ずる摩耗粒子がパッキングの範囲に到達し得るという欠点がある。かくして、パッキングの摩耗が増大され、従って、通常、密封作用は減じられる。更に、パッキングの摩耗が無い場合ですら、密封ギャップを介する摩耗粒子の移動によって、パッキングの変形が現れ、その結果、リーク（ないし漏損：Leckage）が生じる。

更に、回転するのみならず、ボアを介して並進運動する構造部材のまわりの環状ギャップを密封するためのものとして、とりわけフェルトリングが知られている。

とりわけ圧力を受けている加圧流体に対して、既知の密封リングの作用は、十分でないことがしばしばあり、そのため、望ましくないリークが誘起され得る。

それゆえ、本発明の課題は、改善された密封（シール）作用を有する密封（シール）部材（パッキング）及び密封システムを創成することである。

上記の課題を解決するために、本発明の一視点により、半径方向内方を指向する内側密封面と、半径方向外方を指向する外側密封面とを有するよう構成された、弾性的に変形可能な材料からなるボール弁用の密封リングが提供される。この密封リングにおいて、中空空間内で圧力面に接する加圧流体が少なくとも１つの前記密封面を外方へ押圧するよう、密封リングの中空空間の壁部として前記密封面の少なくとも１つに対し実質的に半径方向に対向するよう構成される少なくとも１つの圧力面を有すると共に、該中空空間は、外部に向かって連通する流体開口を有することを特徴とする（形態１・基本構成）。

本発明の独立請求項１により、上記課題に対応した効果が上述のように達成される。即ち、本発明の密封リング及び該密封リングを含む密封システムは、リークないし漏損の抑制ないし阻止等の改善された密封（シール）作用を有する。
更に、各従属請求項により、付加的な効果が後述の通りそれぞれ達成される。

本発明の好ましい実施形態は、上記基本構成を形態１として、以下に示す通りであるが、これらは従属請求項の対象でもある。
（２）上記形態１の密封リングにおいて、前記中空空間は、密封リングの軸線方向の一方の外面に形成したミゾであることが好ましい（形態２）。
（３）上記形態１又は２の密封リングは、円管状に構成されることが好ましい（形態３）。
（４）密封システムは、ボアを有する第１構造部材と、該ボア内に配される第２構造部材と、少なくとも一時的に圧力を受ける加圧流体に抗して該第１及び第２構造部材の間の間隙を密封するための上記形態１〜３の密封リングとを有するよう構成可能である（形態４）。
（５）上記形態４の密封システムは、前記第１及び第２構造部材間の軸線方向の力を受容するころがり軸受を有することが好ましい（形態５）。
（６）上記形態５の密封システムにおいて、前記ころがり軸受は、スラストミゾ形玉軸受として構成されることが好ましい（形態６）。
（７）上記形態５の密封システムにおいて、前記第２構造部材及び前記ボアは、円柱状に構成されることが好ましい（形態７）。
（８）上記形態５又は７の密封システムにおいて、中空空間は、前記加圧流体のための開口を有することが好ましい（形態８）。
（９）上記形態４〜８の密封システムにおいて、前記第１構造部材は、ボール弁のハウジングであり、前記第２構造部材は、ボール弁の作動スピンドルであることが好ましい（形態９）。
（１０）上記形態９の密封システムにおいて、前記ころがり軸受は、前記ボール弁のボールを貫流する流体を介して前記作動スピンドルに印加されると共に該作動スピンドルの軸線方向に作用する力を受容可能なように配されることが好ましい（形態１０）。
（１１）上記形態１０の密封システムにおいて、前記ころがり軸受の第１軸受ブシュは、ボールに形成された通流チャンネルに対し反対側を指向すると共に作動スピンドルと結合された面に支持され、及び前記ころがり軸受の第２軸受ブシュは、該通流チャンネルを指向すると共に前記ハウジングと結合された面に支持されることが好ましい（形態１１）。

２つの構造部材の間の環状の間隙（ギャップ）を密封するため、変形可能な、好ましくは、弾性変形可能な材料（例えば、ポリマー）からなる密封リングは、２つの密封面を有する。この２つの密封面のうち、一方は、半径方向内方を指向し、他方は、半径方向外方を指向する。この場合、これら２つの密封面は、通常、例えば、ギャップの範囲に適切に構成された密封ミゾ内で、構造部材の（当該２つの密封面に対応する）相補的な密封面にそれぞれ当接する。本発明によれば、密封リングは、密封リングの中空空間の壁部として構成される少なくとも１つの圧力面を有すること特徴とする。この少なくとも１つの圧力面は、２つの密封面の少なくとも１つと実質的に半径方向において対向し、そのため、中空空間において圧力を以って圧力面に接する（加圧）流体は、少なくとも１つの密封面を外方へ押圧し、従って、適切に組込んだ場合、１つの構造部材の相補的な密封面を押圧する。本発明の密封リングの１つの密封面の圧力を本発明に応じこのように増大することによって、密封作用は著しく改善される。これは、加圧された流体（本発明において、特許請求の範囲も含め「加圧流体」と称する。）に対して密封されるべき環状ギャップの場合に特に有利である。本発明の密封リングのこのような組込状態では、本発明に応じ、流体の圧力を利用することができるが、これは、中空空間から外部へ至る流体開口を介して流体が中空空間内に流入させられ、そこで、当該流体の圧力が圧力面に作用し、かくして半径方向へ対向する２つの密封面に圧力が加わるよう、本発明の密封リングが組込まれることにより可能となる。

密封リングの中空空間は、密封リングの軸線方向の一方の外面において密封リングの周にわたって形成される（１つの）ミゾとして構成されるのが好ましい。この場合、当該ミゾの半径方向の（２つの）境界面は、とりわけ密封リングを円管状（kreiszylinderrohrfoermig）に構成する場合は、密封リングの２つの密封面（一方は外方を指向し、他方は内方を指向する）に対向し、加圧流体によってミゾが圧力を受けると、（２つの）密封面をそれぞれ密封リングの断面（ミゾ内の空間）から外方へ向かって、即ち、半径方向外方又は半径方向内方へ押圧する。

本発明の（第２の視点において）密封システムは、ボアを有する第１構造部材と、該ボアに配される第２構造部材と、少なくとも一時的に（zeitweise）圧力を受ける加圧流体に対して第１及び第２構造部材の間のギャップを密封する密封リングとを含む。第１及び第２構造部材の間には、更に、第２構造部材に作用する当該２つの構造部材の間の軸線方向の力（スラスト力）を受容するためのころがり軸受が配される。

この場合、ころがり軸受は、２つの構造部材の間のギャップの範囲に密封側に配することもできるし、当該ギャップの密封されてない側に配することもできる。後者の場合、ころがり軸受の構造部材の材料は、流体に対する耐久性が得られるよう、選択されるべきである。

ころがり軸受は、従来技術ではすべり軸受によって受容されていた力を受容し、従って、すべり軸受の負荷を大きく軽減でき、更にはすべり軸受を省くことさえ可能である。かくして、すべり軸受の摩耗は、著しく減少され、或いは完全に回避される。ころがり軸受自体は、大きい力によって大きい負荷を受ける場合であっても、及び２つの構造部材の間に大きい相対速度が長時間にわたって現れる場合であっても、殆ど摩耗を受けない。

密封システムは、密封部材（パッキング）の圧力側（高圧側）で、とりわけスラスト・ラジアルすべり軸受等のすべり軸受を密封側のころがり軸受と組合せるととりわけ有利である。かくして、２つの構造部材の間でとりわけ有利な密封（シール）及び力の受容が達成される。

密封システムは、有利な一態様では、ころがり軸受として、スラストミゾ形玉軸受（axiales Rillenkugellager）を選択することができる。

スラスト（浅）ミゾ形玉軸受は、コンパクトな形状を有するので、通常狭い状態に特に適切である。更に、スラスト（浅）ミゾ形玉軸受は、しばしば主として第１構造部材のボアの縦方向へ生じる力、即ち軸線方向力を第１及び第２構造部材間で受容するよう構成される。

本発明の密封システムは、更なる有利な一実施形態では、ボアを有する第１構造部材と、該ボアに配される第２構造部材と、少なくとも一時的に圧力を受ける加圧流体に対して該２つの構造部材間の間隙（ギャップ）を密封するための上述の種類の密封リングとを含む。

本発明の密封リングは、特に有利な一態様では、上述のようなころがり軸受と組合せることができる。かくして、第１及び第２構造部材間の間隙のとりわけ長寿命で確実な密封が達成される。

とりわけ密封間隙がの側面（円筒面）状に構成されると、本発明の密封システムによって、簡単で効果の大きい密封が達成される。

本発明の密封リング及び密封システムは、ボール弁の作動スピンドル（弁棒）とボール弁のハウジングとの間の間隙を密封するために使用するのがとりわけ好ましい。

ボールに形成された通流チャンネルの内面に対する流体の圧力によって、該ボールに力が印加され、その力は、該ボールに固定された作動スピンドルに伝達される。この力は、本発明の密封システムの有利な一態様では、作動スピンドルからころがり軸受を介してボール弁のハウジングに伝達される。従って、本発明の密封システムでは、場合によって配設されるすべり軸受並びに密封部材（パッキング）自体は、当該力の作用を全く受けないか或いは殆ど受けず、従って、実質的に負荷が軽減される。従って、密封部材（パッキング）及びすべり軸受の摩耗は、全く生じないか或いは殆ど生じない。

以下に、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。

図１に、ボール弁（不図示）の作動スピンドル（弁棒）が配された（挿通された）ボア４を有するハウジング２を示した。作動スピンドル６とハウジング２との間の間隙（ギャップ）は、円管状（kreiszylinderrohrfoermig）の外部輪郭を有する密封リング８によって密封されている。

密封リング８は、内方を指向する内側密封面１０と、外方を指向する外側密封面１２とを有する。半径方向内方を指向する密封面１０は、円筒形作動スピンドル６の半径方向外方を指向する面と当接し、半径方向外方を指向する密封面１２は、密封リング８が挿入されるハウジング２のミゾ１６の半径方向内方を指向する面と当接する。

密封リング８には、中空空間１４が形成される。中空空間１４は、密封リング８の軸線方向の一方の外面１８の（１つの）ミゾである。ミゾ１４は、ハウジング２内で圧力を受ける加圧流体（圧力下にある流体）１８の方向に開口するが、この流体１８は、作動スピンドル６とボア４の壁部との間の間隙４を介して密封リング８へ向かって流れ込み、ここで、中空空間１４に圧力を加える。中空空間１４は、その断面において放物線状の壁部２０を有する。壁部２０は、放物線の各「足」によって、半径方向に、対応する密封面１０、１２の何れか１つと対向し、流体１８の圧力を受けることにより、密封面１０、１２を、ハウジング２及び作動スピンドル６の（当該密封面１０、１２と）相補的な（組をなす）密封面に向かってそれぞれ押圧する。

図２に示した実施例の作動スピンドル６は、第１セクション６ａと、第２セクション６ｂと、第３セクション６ｃとを有する。第１セクション６ａは、ハウジング２の中空空間３０に配されるボール弁のボール（不図示）と形状結合的（ありつぎ的結合関係）に結合する。第２セクション６ｂは、密封部材（パッキング）８の密封面１０を密封（シール）する円筒状の表面７を有する。

第１セクション６ａから第２セクション６ｂへの移行部には、作動スピンドル６の縦方向に対し垂直に延在する面４０を有する（第１の）段差が形成される。第２セクション６ｂから第３セクション６ｃへの移行部には、同じく、面４０に平行に延在する面４１を有する（第２の）段差が形成される。

第１段差の面４０は、ボア４に配される環状すべり軸受５０と接触する。すべり軸受５０は、スラスト・ラジアルすべり軸受（Axial-Radialgleitlager）として構成され、ボア４の段差の範囲において、ボア４の当該段差の円筒状外（側）面及び環状前額面において支持される。スラスト・ラジアルすべり軸受は、流体１８を含む通流チャンネル１９において半径方向外方へ向けられる軸線方向力を受容するよう構成される。この目的のために、作動スピンドルの第１段差の面４０は、流体１８の通流チャンネル１９の反対側を指向し、ボア４の段差の前額面は、通流チャンネル１９を指向する。

作動スピンドル６の第２段差の面４１では、スラスト（浅）ミゾ形玉軸受６０の第１軸受ブシュ（ないしレース：Lagerschale）６１が支持される。面４１は、通流チャンネル１９の反対側を指向する。

スラストミゾ形玉軸受６０の第２軸受ブシュ６２は、ハウジング２のハウジング部分３に支持される。

第１及び第２軸受ブシュ６１、６２間には、ミゾ形玉軸受６０のボール（複数）が配される。

作動スピンドル６の第３セクション６ｃの上端部分には、上述の実施例の場合と同様、作動スピンドル６の縦軸線のまわりのトルクを作動スピンドル６に伝達するために、例えば四角形面のような形状面を設けることができる。

作動スピンドルの面４０及び４１、ボア４の段差の環状載置面、並びに第２軸受ブシュ６２を支持するハウジング部分３の支持面の各間隔は、軸線方向外方を指向する力が作動スピンドル６からミゾ形玉軸受６０を介してハウジング部分３に伝達され、すべり軸受５０を介する上記力の伝達が実質的に又は完全に阻止されるように選択される。即ち、すべり軸受５０は軸線方向の空気を使用することができるので、上記の間隔は、スラスト（浅）ミゾ形玉軸受６０とすべり軸受５０が過度に規制された（ueberbestimmt）軸受作用を奏さないように選択される。

図３に示した実施例は、作動スピンドル６の第１及び第２セクション６ａ、６ｂ、すべり軸受５０およびパッキング８に関して、図２の実施例と同一である。

図３の実施例のハウジング２は、通流チャンネル１９の反対側を指向するボア４の端部に平坦部５を有する。平坦部５は、ボア４の縦軸線に対し垂直に延在する。

作動スピンドル６の第２段差の環状面４１は、ハウジング２の平坦部５を越えて外部に突出する。面４１には、環状凹み７１を有する（第１）プレート７０が配される。環状凹み７１には、第１軸受ブシュ６１が配される。

ミゾ形玉軸受６０は、環状凹み７１（の深さ）を越えて軸線方向へ突出するよう構成される。ミゾ形玉軸受６０の第２軸受ブシュ６２は、第２プレート８０の環状凹み８１に配されて支持される。第２プレート８０は、ハウジング部分３と結合する。

図３の実施例の場合、作動スピンドル６を作動するために必要なトルクは、上述の各実施例の場合と同様、第３セクション６ｃの端部範囲に設けられる形状面を介して伝達することできる。或いは、プレート７０がトルク伝達可能に作動スピンドル６に結合される限り、作動に必要なトルクは、プレート７０を介して伝達することができる。

本発明の密封システムの第１実施例の部分的に断面を示した側面図。 本発明の密封システムの第２実施例の部分的に断面を示した正面図。 本発明の密封システムの第３実施例の部分的に断面を示した正面図。