JP2006017255A - シール機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 部材に形成された貫通孔に挿入された軸の外面と、貫通孔の内面との間の空間を、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間に区分することが可能なシール機構であって、シール性能を調整することが可能なシール機構を提供する。
【解決手段】 部材に形成された貫通孔の内面と、貫通孔に挿入された軸の外面との間に、径方向に重ねて、第１及び第２の環状パッキンを配置する。第１の環状パッキンは第２の環状パッキンより弾性率の低い弾性材料で形成され、第２の環状パッキンは第１の環状パッキンよりすべり性の良い材料で形成される。両環状パッキンが協同して、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間を画定する。拘束機構が、両環状パッキンの軸方向への移動を拘束する。押圧部材が、第１の環状パッキンを軸方向に押し潰す。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シール機構に関し、特に、容器の内部から外部へ導出させた可動軸に適用され得るシール機構に関する。例えば、容器の内部が真空で外部が大気、容器の内部が水で外部が大気、容器の内部が水で外部が真空、容器の内部が加圧気体で外部が大気、等である。

例えば真空容器の内部に設置されたロボットアーム等を駆動するために、真空容器の壁を貫通する回転軸が用いられる。回転軸が貫通する貫通孔の内面と、回転軸の外面との間の空間に、真空容器の内部と外部とが連通しないようにするシール機構が配置される。

図５を参照して、従来のシール機構について説明する。図５は、回転軸が挿入された真空容器の断面図を示す。回転軸１０１が、真空容器１０２を画定する壁１０２ａを貫通する。領域Ａａが真空容器１０２の内部であり、領域Ｂａが真空容器１０２の外部である。壁１０２ａの貫通孔１０２ｂの内面と回転軸１０１の外面との間に、転がり軸受１０３が配置され、回転軸１０１が回転可能に支持されている。

貫通孔１０２ｂの内面と、回転軸１０１の外面とに挟まれた空間に、環状パッキン１０４が配置される。ばね１０５が、環状パッキン１０４の内周側の面１０４ａを回転軸１０１の外面に押し付け、また環状パッキン１０４の外周側の面１０４ｂを貫通孔１０２ｂの内面に押し付ける。これにより、貫通孔１０２ｂの内面と回転軸１０１の外面との間の空間が、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間に区分され、領域Ａａと領域Ｂａとが連通しなくなる。なお、壁１０２ａの、真空容器の外部側の表面に固定されたストッパ部材１０６が、環状パッキン１０４の軸方向への移動を制限する。なお、本願発明者は、先行技術文献についての情報を持たない。

図５を参照して説明した従来のシール機構では、ばね１０５が環状パッキン１０４を回転軸１０１の外面及び貫通孔１０２ｂの内面に押し付ける力を調整できない。例えば、ばね１０５の押し付け力を強くして、シール性能を高めるような調整ができない。真空容器の内部が高真空になると、充分なシール性能が得られない場合がある。

本発明の一目的は、部材に形成された貫通孔に挿入された軸の外面と、貫通孔の内面との間の空間を、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間に区分することが可能なシール機構であって、シール性能を調整することが可能なシール機構を提供することである。

本発明の一観点によれば、貫通孔を有する第１の部材と、前記貫通孔内に挿入された軸と、前記貫通孔の内面と前記軸の外面との間に配置された第１及び第２の環状パッキンであって、第１及び第２の環状パッキンは、径方向に重なって配置され、第１の環状パッキンは、第２の環状パッキンよりも、弾性率の低い弾性材料で形成され、第２の環状パッキンは、第１の環状パッキンよりも、すべり性の良い材料で形成されており、前記貫通孔の内面または前記軸の外面に接触し、該第１及び第２の環状パッキンが協同して、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間を画定する前記第１及び第２の環状パッキンと、前記第１及び第２の環状パッキンの、軸方向への移動を拘束する拘束機構と、前記第１の環状パッキンを、軸方向に押し潰す押圧部材とを有するシール機構が提供される。

第１の環状パッキンを軸方向に押し潰すことにより、第１の環状パッキンは軸の径方向に拡がり、例えば貫通孔の内面に押し付けられる。径方向に広がった第１の環状パッキンが、第２の環状パッキンを、例えば軸の外面に押し付ける。押圧部材が第１の環状パッキンを押し潰す力を所望の強さにすることにより、所望のシール性能が得られる。

図１を参照して、本発明の第１の実施例によるシール機構について説明する。図１は、回転軸が挿入された真空容器の断面図を示す。回転軸１が、真空容器２の壁２ａに形成された貫通孔２ｂを貫通する。真空容器２は、排気管で真空ポンプに連通される。真空ポンプにより、真空容器２の内部が減圧される。真空容器２の外部の圧力は、例えば大気圧である。

壁２ａに形成された貫通孔２ｂの内面と回転軸１の外面との間に、転がり軸受３が配置され、回転軸１が、真空容器２に対して回転可能に支持されている。回転軸１の外面上をその周方向に延在する段差、及び回転軸１に固定されたストッパ部材３０ａにより、回転軸１に対する転がり軸受３の軸方向の位置が固定される。貫通孔２ｂの内面に固定されたストッパ部材３０ｂ、及び貫通孔２ｂの内面から回転軸１の中心側に壁２ａが突出したストッパ部３０ｃにより、壁２ａに対する転がり軸受３の軸方向の位置が固定される。

貫通孔２ｂの内面と回転軸１の外面とに挟まれた空間内に、環状パッキン４が配置される。転がり軸受３、ストッパ部３０ｃ、及び環状パッキン４が、真空容器２の内部側から大気側に向かって、この順番に形成されている。

環状パッキン４は、回転軸１の外面に接して回転軸１の周りを１周する主部４Ａと、主部４Ａの一方の縁から外側に向かって張り出した鍔部４Ｂとで構成される。環状パッキン４は、鍔部４Ｂが、ストッパ部３０ｃに接する向きで装填される。主部４Ａの径方向の厚さは、例えば０．２〜１ｍｍである。環状パッキン４は、例えばカーボンを含有するテフロンのような、すべり性が良く、耐磨耗性が高い素材で形成される。なお、環状パッキン４の内周側の面と、回転軸１の外面との間に、潤滑材が存在していても構わない。

Ｏリング５が、貫通孔２ｂの内面と、環状パッキン４の主部４Ａとの間に配置される。Ｏリング５は、環状パッキン４より弾性率の低い弾性材料で形成される。なお、環状パッキン４は、Ｏリング５よりもすべり性の良い材料で形成される。環状パッキン４とＯリング５とが、パッキン群Ｐ１を構成する。

貫通孔２ｂの大気側の開口部に、中央に開口が形成された円盤状の押圧部材６が配置されている。押圧部材６は、ボルト６ｂにより、真空容器２の壁２ａに取り付けられている。押圧部材６の開口を回転軸１が貫通する。押圧部材６の内周側の縁は、貫通孔２ｂの縁よりも回転軸１側に張り出している。押圧部材６は、その内周側の縁から、真空容器２の内部に向かって突出した凸部６ａを有する。

凸部６ａの、真空容器２の内部側を向く面と、ストッパ部３０ｃとの間に、環状パッキン４の鍔部４ＢとＯリング５とが挟まれる。ボルト６ｂを締め付けると、押圧部材６がＯリング５を軸方向に押し潰す。このとき、環状パッキン４がストッパ部３０ｃに接触することにより、環状パッキン４及びＯリング５の軸方向の移動が禁止される。ストッパ部３０ｃは、環状パッキン４の鍔部４Ｂがストッパ部材３０ａに接触しないような高さに設定されている。Ｏリング５に加える軸方向の力は、ボルト６ｂの締め付け具合により調節できる。押圧部材６は、ＳＵＳ等の金属やプラスチック等の、Ｏリング５を押し潰すのに充分な剛性を持った材料で形成される。

Ｏリング５が軸方向に押し潰されることにより、Ｏリング５の断面は、回転軸１の径方向に広がる。これにより、Ｏリング５の外周側の面が、貫通孔２ｂの内面と密着し、Ｏリング５の内周側の面が、環状パッキン４の主部４Ａの外周側の面と密着する。軸方向に押し潰され、径方向に広がったＯリング５が、環状パッキン４の主部４Ａを、回転軸１の外面に押し付ける。これにより、環状パッキン４の主部４Ａの内周側の面と、回転軸１の外面との接触部分の気密性を高めることができる。環状パッキン４とＯリング５との接触部、及びＯリング５と貫通孔２ｂの内面との接触部は、Ｏリング５の有する弾性により、高い機密性が保たれる。

このようにして、環状パッキン４とＯリング５とから構成されるパッキン群Ｐ１が、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間を画定する。これにより、貫通孔２ｂの内面と回転軸１の外面との間を通って、真空容器２の外部から内部に流体が漏れ込むことを防止できる。

なお、環状パッキン４の内周側の面は、回転軸１と摺動するため、徐々に磨耗する。環状パッキン４の内周側の面が磨耗すると、シール性能が低下する恐れがある。環状パッキン４の内周側の面が磨耗した場合は、磨耗する前よりもボルト６ｂを締め付け、Ｏリング５を押し潰す圧力を増加させることができる。このようにボルト６ｂを締め付けられるように、環状パッキン４の内周側の面が磨耗する前の初期の状態において、押圧部材６は、壁２ａの外側の表面と、それに対向する押圧部材６の表面とが、所定のギャップを隔てるように配置される。

なお、環状パッキン４が磨耗しなくとも、Ｏリング５を軸方向に押し潰す圧力を増加させて、シール性能を向上させることもできる。

なお、Ｏリング５と環状パッキン４の主部４Ａの径方向の並び方を逆にすることも可能である。つまり、Ｏリング５が回転軸１の外面に接し、環状パッキン４が貫通孔２ｂの内面と摺動するようなシール機構を作製することも可能である。なお、このような場合、Ｏリング５を押し潰す押圧部材６は、壁２ａではなく、回転軸１に取り付けられる。また、このような場合、環状パッキン４が、回転軸１に固定されたストッパ部材３０ａで移動を禁止され、壁２ａに形成されたストッパ部３０ｃには接触しないように、ストッパ部３０ｃ及びストッパ部材３０ａの高さが設定される。

なお、環状パッキン４は、貫通孔２ｂの内面より回転軸１の外面と摺動させる方がよい。貫通孔２ｂの内周より回転軸１の外周の方が径が小さいので、摺動面をシールするシール長を短くできる。また、摺動する速度を低くでき、環状パッキン４の磨耗を抑制できる。

なお、上記実施例では、回転軸１が、真空容器２に対して回転する場合を説明したが、回転軸１が固定され、真空容器２が回転するような構成とすることもできる。

次に、図２を参照して、第２の実施例によるシール機構について説明する。図２に示すシール機構においては、貫通孔２ｂの内面と回転軸１の外面との間に、図１に示したシール機構の環状パッキン４及びＯリング５に加えて、環状パッキン１０及びＯリング１１が配置される。環状パッキン１０は、環状パッキン４と同様のものであり、Ｏリング１１は、Ｏリング５と同様のものである。

Ｏリング１１は、貫通孔２ｂの内面と、環状パッキン１０の主部１０Ａとの間に配置され、環状パッキン１０とＯリング１１とがパッキン群Ｐ２を構成する。パッキン群Ｐ２は、パッキン群Ｐ１より大気側に配置される。

ストッパ部３０ｃの位置から大気側に向かって、環状パッキン４の鍔部４Ｂ、Ｏリング５、環状パッキン１０の鍔部１０Ｂ、及びＯリング１１がこの順番に並ぶ。押圧部材６の内周側に形成された凸部６ａが、Ｏリング１１に接する。ボルト６ｂを締め付けると、Ｏリング１１及び５が、軸方向に押し潰される。これにより、環状パッキン１０の主部１０Ａ及び環状パッキン４の主部４Ａが、回転軸１の表面に押し付けられる。

このように、第２の実施例のシール機構では、２個のパッキン群を軸方向に並べて配置したため、真空容器２内の空間が、軸方向に関して相互に異なる２箇所でシールされる。これにより、第１の実施例に比べて、シール性能を高められる。なお、パッキン群を３個以上配置してもよい。

次に、図３を参照して、第２の実施例の変形例について説明する。以下、第２の実施例との相違点について説明する。環状パッキン１０内に、鍔部１０Ｂの外周側の表面から、主部１０Ａの内周側の表面まで貫通する流路１０Ｃが形成されている。真空容器２の壁２ａに、流路２０ａが形成されている。流路２０ａは、Ｏリング５と１１との間の位置において、貫通孔２ｂの内面に開口する。流路２０ａの他端は、排気管２０ｂを介して真空ポンプ２０に接続されている。

環状パッキン１０の鍔部１０Ｂには、Ｏリング１１が環状パッキン１０を回転軸１に押し付ける力が直接的には印加されない。環状パッキン１０の持つ弾性により主部１０Ａが変形し、鍔部１０Ｂが形成された位置において、環状パッキン１０と回転軸１との間に隙間が生じる場合がある。

大気側から、回転軸１と環状パッキン１０との接触する界面を通って、この隙間内に流入したガスが、鍔部１０Ｂ内に形成された流路１０Ｃ、及び真空容器２の壁２ａに形成された流路２０ａを経由して排気される。このため、真空容器２内までガスが流入しにくくなり、シール性能が高まる。

なお、流路１０Ｃの開口は、鍔部１０Ｂの外周側の表面及び主部１０Ａの内周側の表面に配置されていなくても構わない。流路１０Ｃは、回転軸１の外面において環状パッキン４が接触する領域と環状パッキン１０が接触する領域とに挟まれた部分が露出する空間と、貫通孔２ｂの内面においてＯリング５が接触する領域とＯリング１１が接触する領域とに挟まれた部分が露出する空間とを連通させるように形成されていればよい。

なお、回転軸１が固定され、真空容器２が回転するような構成の場合、真空容器２の壁２ａに流路２０ａを形成する代わりに、回転軸１側にガスを排気する流路を形成しても構わない。

次に、図４を参照して、第３の実施例によるシール機構について説明する。第３の実施例では、図１に示した第１の実施例のシール機構で用いられていた環状パッキン４の代わりに、断面形状の異なる環状パッキン１４が用いられる。環状パッキン１４は、回転軸１を取り囲み、その外面に接する主部１４Ａと、軸方向に関して主部１４Ａのほぼ中央から外側に向かって張り出した鍔部１４Ｂにより構成される。図１に示したＯリング５は、第３の実施例においても、鍔部１４Ｂと押圧部材６との間に配置される。

第３の実施例においては、もう一つのＯリング１５が、ストッパ部３０ｃと鍔部１４Ｂとの間に装着される。Ｏリング１５は、Ｏリング５と同様に、環状パッキン１４よりも弾性率の低い弾性材料で形成される。Ｏリング１５と回転軸１との間にも、環状パッキン１４の主部１４Ａが介在する。

Ｏリング５及び１５を軸方向に押し潰すことにより、シール性能を高めることができる。このとき、Ｏリング１５が、ストッパ部３０ｃに接触し、Ｏリング１５、環状パッキン１４、及びもう一方のＯリング５の軸方向への移動が禁止される。ストッパ部３０ｃは、Ｏリング１５が押し潰された時に、Ｏリング１５が回転軸１及び回転軸１と共に回転する部材に接触しないような高さに設定されている。

第３の実施例によるシール機構では、第２の実施例と同様に、第１の実施例のシール機構よりも密封箇所が増加するので、シール性能を高められる。

環状パッキン１４内に、鍔部１４Ｂの外周側の表面から、主部１４Ａの内周側の表面まで貫通する流路１４Ｃが形成されている。真空容器２の壁２ａに、流路２０ａが形成されている。流路２０ａは、Ｏリング５と１５との間の位置において、貫通孔２ｂの内面に開口する。流路２０ａの他端は、排気管２０ｂを介して真空ポンプ２０に接続されている。

環状パッキン１４の主部１４Ａは、軸方向に関して相互に異なる２つの位置で、Ｏリング５及び１５により回転軸１に押し付けられる。鍔部１４Ｂが形成されている位置には、回転軸１に押し付ける力が直接的には印加されない。環状パッキン１４の持つ弾性により主部１４Ａが変形し、鍔部１４Ｂが形成された位置において、環状パッキン１４と回転軸１との間に隙間が生じる場合がある。

大気側から、回転軸１と環状パッキン１４との接触する界面を通って、この隙間内に流入したガスが、鍔部１４Ｂ内に形成された流路１４Ｃ、及び真空容器２の壁２ａに形成された流路２０ａを経由して排気される。このため、真空容器２内までガスが流入しにくくなり、シール性能が高められる。

なお、流路１４Ｃは、上述の隙間（環状パッキン１４と回転軸１との間の隙間）と、貫通孔２ｂの内面においてＯリング５が接触する領域とＯリング１５が接触する領域とに挟まれた部分が露出する空間とを連通させるように形成されていればよい。流路１４Ｃの貫通孔２ｂの内面側の開口は、鍔部１４Ｂの外周側の表面上に形成しなくても構わない。

なお、Ｏリング５及び１５を軸方向に押し潰すのみで充分なシール性能が得られる場合には、環状パッキン１４の流路１４Ｃ及び壁２ａの流路２０ａを形成せず、排気管２０ｂ及び真空ポンプ２０を配置しなくても構わない。

以上の実施例のシール機構で用いたＯリングの代わりに、断面がＯ字型以外の形状である環状パッキンを用いても構わない。ただし、この環状パッキンは、この環状パッキンと径方向に重なって配置され、協同して軸方向のシールを行う他の環状パッキンよりも、弾性率の低い弾性材料で形成される。

以上の実施例では、真空容器に回転軸を挿入したが、軸方向に運動する軸を挿入しても構わない。その場合は、軸を回転可能に支持する軸受の代わりに、軸を軸方向に移動可能に支持するリニア軸受が配置される。なお、軸を固定し、真空容器を軸方向に移動させる構成としても構わない。

なお、可動軸にかかる荷重が軽い場合は、軸受を省いた構成とすることも可能である。

なお、以上の実施例では真空と大気とを隔離する場合について説明したが、実施例によるシール機構を、例えば、水と大気、水と真空、加圧気体と大気等を隔離するために利用しても構わない。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

本発明の第１の実施例によるシール機構を示す断面図である。 第２の実施例によるシール機構を示す断面図である。 第２の実施例の変形例によるシール機構を示す断面図である。 第３の実施例によるシール機構を示す断面図である。 従来のシール機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 真空容器
２ａ （真空容器の）壁
２ｂ 貫通孔
３ 転がり軸受
４ 環状パッキン
５ Ｏリング
６ 押圧部材

Claims (5)

1. 貫通孔を有する第１の部材と、
   前記貫通孔内に挿入された軸と、
   前記貫通孔の内面と前記軸の外面との間に配置された第１及び第２の環状パッキンであって、第１及び第２の環状パッキンは、径方向に重なって配置され、第１の環状パッキンは、第２の環状パッキンよりも、弾性率の低い弾性材料で形成され、第２の環状パッキンは、第１の環状パッキンよりも、すべり性の良い材料で形成されており、前記貫通孔の内面または前記軸の外面に接触し、該第１及び第２の環状パッキンが協同して、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間を画定する前記第１及び第２の環状パッキンと、
   前記第１及び第２の環状パッキンの、軸方向への移動を拘束する拘束機構と、
   前記第１の環状パッキンを、軸方向に押し潰す押圧部材と
   を有するシール機構。
2. さらに、前記貫通孔の内面と前記軸の外面との間に配置された第３及び第４の環状パッキンであって、第３及び第４の環状パッキンは、径方向に重なって配置され、第３の環状パッキンは、第４の環状パッキンよりも、弾性率の低い弾性材料で形成され、第４の環状パッキンは、第３の環状パッキンよりも、すべり性の良い材料で形成されており、前記貫通孔の内面または前記軸の外面に接触し、該第３及び第４の環状パッキンが協同して、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間を画定する前記第３及び第４の環状パッキンを有し、
   前記第１及び第２の環状パッキンで構成されたパッキン群と、前記第３及び第４の環状パッキンで構成されたパッキン群とが、軸方向に並んで配置されており、前記押圧部材が、該第３の環状パッキンを軸方向に押し潰す請求項１に記載のシール機構。
3. 前記第２及び第４の環状パッキンが、前記貫通孔の内面及び前記軸の外面の一方の面に接触し、該第４の環状パッキンは、該第１及び第３の環状パッキンの間に挿入された鍔部を有し、該貫通孔の内面及び該軸の外面のうち該第２及び第４の環状パッキンが接触する面を第１の面とし、該第１及び第３の環状パッキンが接触する面を第２の面としたとき、該第１の面上において該第２の環状パッキンが接触する領域と該第４の環状パッキンが接触する領域とに挟まれた部分が露出する第１の空間と、該第２の面上において該第１の環状パッキンが接触する領域と該第３の環状パッキンが接触する領域とに挟まれた部分が露出する第２の空間とを連通させる第１の流路が、該鍔部内に形成されており、
   前記第１の部材及び前記軸の一方に、前記第２の空間内の流体を排出する第２の流路が形成されている請求項２に記載のシール機構。
4. さらに、前記貫通孔の内面と前記軸の外面との間に配置された第３の環状パッキンであって、前記第２の環状パッキンと径方向に重なり、軸方向に関して前記第１のパッキンとは異なる位置に配置され、前記第２の環状パッキンと協同して、軸方向に関して相互にシールされた２つの空間を画定し、前記第２のパッキンよりも弾性率の低い弾性材料で形成された第３の環状パッキンを有する請求項１に記載のシール機構。
5. 前記第２の環状パッキンは、前記第１の環状パッキンと第３の環状パッキンとの間に挿入された鍔部を有し、該鍔部内に、一端が前記第２の環状パッキンの内周面に開口し、他端が該第２の環状パッキンの外周面に開口する第１の流路が形成されており、
   前記第１の部材及び前記軸の一方に、前記第１の流路内の流体を排出する第２の流路が形成されている請求項４に記載のシール機構。

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