JP2006521506A - シール装置 - Google Patents

Abstract

Uカップに基づくロッドシールにおいて、Uカップ３とこのUカップ３をガイドする矩形溝４に至るシールギャップ１５の開口すなわち通路開口１６との間にスペース１７を得るため、低圧側の半径方向内側の外方縁１８の領域においてUカップ３の基本本体には矩形断面形状に対して窪みがつけられている。このスペース１７は加圧時にも少なくとも部分的に残存し、加圧時にUカップ３が溝４内に完全にとどまってシールギャップ１５内に張り出さない。これによりUカップ３の摩耗がかなり減少する。

Description

本発明は、流体ピストン又はピストンロッドのシール装置に関し、より詳しくは、粘弾性合成材料からなるUカップと機械静止部と外側半径がRの機械可動部とを備えたシール装置に関する。このシール装置は、Uカップが、機械静止部と機械可動部との間において機械静止部のプロファイルド部分内に半径方向予応力下で接触ジョイントとして配置され、Uカップがその高圧側に半径方向外側及び内側シールリップを有し、低圧側では機械静止部と機械可動部とがシールギャップ幅がBのシールギャップにより隔離され、低圧側ではUカップの当接面がプロファイルド部分の半径方向向き領域に当接し、Uカップが内側半径と外側半径を有することを特徴とするものである。

Uカップを具備したこの種のシール装置は、例えば非特許文献１に記載されている。

機械静止部内で並進移動可能な機械部分たとえばピストンロッドを流体で移動させる場合、力伝達用の作動液たとえばオイルの漏れを防止する必要がある。そこで、Uカップがこれに関連して用いられる。

従来技術によるUカップは、平行六面体断面の基本本体と２つの高圧側シールリップとから成る。Uカップは機械静止部の溝内に堅固に配置され、溝は一般には矩形断面である。作動液は、機械可動部と機械静止部との間のギャップを通って高圧側から溝スペースに流入可能である。Uカップの少なくとも半径方向外側シールリップは溝底で支持され、少なくとも半径方向内側リップは機械可動部で支持され、これにより溝スペースをさらに分割し、作動液が溝スペース内の低圧部分に拡がるのを防止している。

作動液が加圧されるとUカップは外力を受ける。外力は、増大した力でUカップを溝壁及び機械可動部に押し付け、これによりUカップのシール効果を高める。しかしながら、これによりUカップが変形する。この変形はたとえばUカップ材料を摩耗させて、Uカップを損傷させるおそれがある。

また、分離部いわゆるシールギャップが、低圧側で機械可動部と機械静止部との間に設けられる。従来のUカップは加圧により変形したときＵカップの一部がシールギャップ内に押し込まれることを防ぐことができず、その結果、Uカップが急激に摩耗することになる。
ハー・カー・ミュエラー（H. K. Mueller）, 「機械可動部品のシール（Abdichung bewegter Mashinenteil）」, メジエンフェルラーク ウルシュラ ミュエラー（Medienverlag Ursula Mueller）, バイブリンゲン（Waiblingen）, １９９０, ｐ．１６２

これに対し、本発明の基礎的な目的は、耐摩耗性に優れたUカップロッドシールに基づくシール装置を提供することである。

この目的は、本発明によれば、上記シール装置において、非加圧状態および加圧状態の双方で当接面の領域におけるUカップの内側半径を、RとBとの和よりも大きくすることにより達成される。

本発明のシール装置では、すべての圧力状態において、溝に対向するシールギャップ端とシールギャップに対向するUカップの外方縁とが隔離されている。４００バールにまで加圧した場合にもUカップは溝（機械静止部のプロファイルド領域）内に完全にとどまり、シールギャップ内に押し込まれることがない。断面でみて、プロファイルド部分の半径方向向き領域（すなわちUカップ軸線に直交して延びる低圧側の溝壁）と機械可動部とUカップとの間にはスペースが常に残される。本発明の教示は、Uカップとシールギャップとの間の摩耗を防止して、Uカップの早期摩耗を大幅に低減する。

シールギャップの幅Bは、低圧側Nにおけるシールギャップと機械静止部のプロファイルド部分との間の移行部で決まる。

本発明のシール装置の実施形態は特に好適であり、非加圧状態では、当接面まわりの領域においてUカップの内側半径は低圧側から内側シールリップに向けて減少とくに連続的に減少する。当接面とシールギャップとの軸方向間隔を局所的に増大させることにより、Uカップが機械可動部に接近し、Uカップが最大限コンパクトかつ安定になる。加圧時のＵカップ内の応力ピークはひび割れや塑性変形によりUカップに損傷を来すおそれがあるが、連続的な推移がその様な応力ピークを防止する。

この実施形態の別の発展例によれば、非加圧状態では、当接面から内側シールリップまでの領域においてUカップの内側半径は低圧側から内側シールリップに向けて連続的とくに円錐状に減少する。これにより、加圧下でUカップが変形するための追加スペースが生ずる。これは、Uカップが機械可動部に早期に押し付けられて摩擦が生ずるのを防ぐ。

別の好ましい実施形態によれば、非加圧状態では、シールギャップに対向する領域でUカップの外方縁が凸とくに円弧状に形成される。これにより作動液の高圧領域へのバックフローが強められる。

本発明のシール装置の別の好ましい実施形態では、Uカップは機械可動部から離反する方向に向いた外側表面を有し、この外側表面は非加圧状態では凹に湾曲しており、加圧中にUカップが溝底の方へ膨らむためのスペースを生ずる。これにより、Uカップの圧力が早期に作用して摩擦を生ずることが避けられる。

以下の実施形態も有利である。この実施形態によれば、非加圧状態では、当接面まわりの領域においてUカップの外側半径は低圧側Nから外側シールリップに向けて増大し特に連続的に増大する。これによりプロファイルド部分の低圧側半径方向向き領域と溝底とUカップの外方縁との間にスペースが生じ、このスペースは、圧力が加わったときにUカップの膨張スペースとして働く。これもまた、Uカップの圧力が機械可動部に早期に作用して摩擦を生ずることを防止する。

別の有利な実施形態では、Uカップは機械可動部から離反する方向に向いた外側表面を有し、非加圧状態では、当接面から外側表面への移行領域でUカップの外方縁は凸とくに円弧状に形成される。凸形状は、Uカップの変形中とくに溝壁への当接時の応力ピークを防止する。

本発明のシール装置の実施形態は特に好ましく、以下を特徴とする。Uカップが機械可動部に対向する内側表面を有し、この内側表面はＵカップの内側表面に凹部として形成された幾つかの潤滑孔逃げ部を有し、凹部の半径方向深さはUカップの低圧側から内側シールリップに向けて減少する。機械可動部と機械静止部との相対運動に起因して少量の作動液が高圧領域から低圧領域に引き込まれる。内側表面の凹部は、高圧領域への作動液のバックフローを増加させて、漏洩率を減少させる。

最後に、有利な実施形態では、Uカップは機械可動部に対向する内側表面を有し、内側表面が微細構造とくにキャロットシェル構造を有する。これは、作動油を引き戻す能力を高め、Uカップが機械可動部に平坦に当接することを防止する。

本発明のその他の利点は、以下の記述と図面から明らかになる。上記及び以下で述べる特徴は、本発明にしたがって、個別に利用することも任意の組み合わせで利用することもできる。図示し説明される実施形態はすべてを列挙するものではなく、本発明を説明するための例示的な性格のものであると理解すべきである。

図面には本発明が示されており、その実施形態を詳細に説明する。

単一図面は、本発明のシール装置の実施形態を示す概略断面図である。

図は、非加圧（すなわちほぼ非変形）状態における本発明のシール装置の実施形態の断面を示し、ここでは円筒状のピストンロッドとして形成された機械可動部１と機械静止部２とUカップ３とから成る。Uカップ３は軸線２６に関連づけられており、Uカップ３はこの軸線に関して略回転対称である。軸線２６は機械可動部１の筒軸と一致している。機械静止部２はプロファイルド部分を有し、このプロファイルド部分は矩形断面の溝４として形成されている。Uカップ３は溝４内に配置され、半径方向予応力すなわち溝底５へのUカップ３の圧力により、Uカップ３は、摩擦粘着力に起因して溝４内で滑動不能になっている。Uカップ３は、ポリウレタンなどの粘弾性合成材料から形成される。

高圧側（高圧側H、図中右側）では、Uカップ３は半径方向外側シールリップ６と半径方向内側シールリップ７とを有している。外側シールリップ６は領域８で溝底５に圧接している。内側シールリップ７は、特にシールエッジ９で機械可動部１に圧接している。これにより溝４の高圧部分１０は溝４の残部から隔離される。高圧側部分１０は、有用なギャップ１１を通って溝４の高圧側部分１０に流入する作動液で満たされる。この作動液は、高圧側Hに０ないし４００バールの圧力を発生させる。この圧力は、機械可動部１を矢印１２の方向に変位可能である。同時に、作動液の圧力は、溝４の高圧側部分１０に対向するUカップ３の外方縁に加えられ、これによりUカップ３を変形可能である。

大気圧において、Uカップ３の当接面１３は、低圧側（図中左側の低圧側N）にある溝４の半径方向向き領域１４に当接する。半径方向向き領域１４は、ここでは溝４の側壁である。当接面１３は半径方向向き領域１４の中央部分のみを覆っている。

機械可動部１と機械静止部２とは低圧側のシールギャップ１５により分離されている。シールギャップ１５はシールギャップ幅Bを有し、このシールギャップ幅Bは機械可動部と機械静止部との間隔を表している。シールギャップ幅Bに加えて、溝４の低圧側の側面の縁部は削られて面取りされている。これは、シールギャップ１５に至る通路開口１６を溝４に生ずる。なお、通路開口１６は、実際には３次元環状ギャップである。

シールギャップ１５がその溝４側の開口において通路開口１６により拡げられている場合、非加圧状態および加圧状態の双方において、本発明のUカップ３の内側半径が当接面１３の領域でRとBと通路開口１６による拡がりとの和よりも大きくなるよう、Uカップ３を設計することが好ましい。この拡がりは、通路開口１６から傾斜面を半径方向に延長したものである。

本発明によれば、図示の非加圧状態とUカップ３が変形した加圧状態のいずれにおいても、通路開口１６は、Uカップ３により覆われず、特に部分的にも覆われることがない。半径方向向き領域１４での当接領域において、Uカップ３の下縁すなわち当接面１３の半径方向内方縁は、通路開口１６の半径方向外方縁よりもさらに外側（図では上方）に配置される。換言すれば、当接面１３の領域におけるUカップ４の内側半径は、機械可動部１の外側半径Ｒとシールギャップ幅Bと上記の拡がりとの和よりも大きい。シールギャップ１５に対向するUカップ３の外方縁１８と通路開口１６との間にはスペース１７が残る。Uカップ３の外方縁１８は円弧形状である。約４００バールの所定最大圧力において、スペース１７は、Uカップ３が通路開口１６内に又はさらに深くシールギャップ１５まで張り出すことを防止し、これによりUカップ３の摩耗又は損傷が低減する。

非加圧状態において、Uカップ３の外方縁２０に対する溝４の半径方向向き領域１４および溝底５の移行領域には、別のスペース１９が設けられる。外方縁２０は溝壁に対して後退しており、加圧時に張り出しスペースを提供する。この張り出しスペースへのUカップ３の張り出しは、低圧側Nの近くで機械可動部１に加わるUカップ３の圧力を低減し、ロッドの延伸（矢印１２方向への機械可動部１の移動）による摩擦を減少させるので、同スペースへの張り出しは有利である。Uカップ３の外方縁２０は円弧形状に湾曲している。

Uカップ３の溝底５に対向する外側表面２１は凹に湾曲しており、これもまた、Uカップ３の外側表面２１と溝底５との間にスペース２２を生み出す。

機械可動部１に対向するUカップ３の内側表面２４が円錐状に延在することにより、さらに別のスペース２３が設けられる。このスペース２３は、Uカップ３の膨張チャンバとして働いて機械可動部１への圧力を減じ、他方、スペース２３はスペース１７と合体し、Uカップ３が通路開口１６に入り込む（押し出される）ことを防ぐ。

機械可動部１が矢印１２の方向と反対方向に移動されると、機械可動部１の表面に配置されていた作動液は低圧領域から高圧領域に引き込まれることになる。この挙動を助けるために、Uカップ３の内側表面２４は凹部２５を潤滑孔逃げ部として有し、これらの凹部はUカップ３の内周に沿って一定間隔で配置されている。凹部２５の深さは高圧側Hに向けて低減する。内側表面２４には、また、キャロットシェルなどの微細構造が設けられ、機械可動部１上でのUカップ３の滑動挙動を助ける。

Uカップに基づくロッドシールでは、Uカップ３とこのUカップ３をガイドする矩形溝４に至るシールギャップ１５の開口すなわち通路開口１６との間にスペース１７を設けるため、低圧側の半径方向内側の外方縁１８の領域においてUカップ３の基本本体には矩形断面形状に対して窪みがつけられている。このスペース１７は加圧時にも少なくとも部分的に残存するものであり、圧力作用時にUカップ３が溝４内に完全にとどまり、シールギャップ１５にまで張り出さないようにする。これにより、Uカップ３の摩耗および欠陥をかなり減少させる。

本発明のシール装置の実施形態を示す概略断面図である。

Claims (9)

1. 粘弾性合成材料からなるUカップ（３）と機械静止部（２）と外側半径がRの機械可動部（１）とを備え、前記Uカップ（３）は、前記機械静止部（２）と前記機械可動部（１）との間において前記機械静止部（２）のプロファイルド部分に半径方向予応力の下で接触ジョイントとして配置され、前記Uカップ（３）は高圧側に半径方向外側及び内側シールリップ（６，７）を有し、低圧側では前記機械静止部と前記機械可動部（２，１）とがシールギャップ幅がBのシールギャップ（１５）により隔離され、低圧側では前記Uカップ（３）の当接面（１３）が前記プロファイルド部分の半径方向向き領域（１４）に当接し、前記Uカップ（３）が内側半径および外側半径を有する、流体ピストン又はピストンロッドのシール装置において、非加圧状態および加圧状態の双方で前記当接面（１３）の領域における前記Uカップ（３）の前記内側半径がRとBとの和よりも大きいことを特徴とするシール装置。
2. 非加圧状態では、前記当接面（１３）まわりの領域において前記Uカップ（３）の前記内側半径が低圧側Nから前記内側シールリップに向けて減少とくに連続的に減少することを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 非加圧状態では、前記当接面（１３）から前記内側シールリップまでの領域において前記Uカップ（３）の前記内側半径が低圧側Nから前記内側シールリップに向けて連続的とくに円錐状に減少することを特徴とする請求項２に記載のシール装置。
4. 非加圧状態では、前記シールギャップ（１５）に対向する領域において前記Uカップ（３）の外方縁（１８）が凸とくに円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. 前記Uカップ（３）は前記機械可動部（１）から離反する方向に向いた外側表面（２１）を有し、非加圧状態では前記外側表面（２１）は凹に湾曲していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシール装置。
6. 非加圧状態では、前記当接面（１３）まわりの領域において前記Uカップ（３）の外側半径が低圧側Nから前記外側シールリップ（６）側に向けて増大とくに連続的に増大することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシール装置。
7. 前記Uカップ（３）が前記機械可動部（１）から離反する方向に向いた外側表面（２１）を有し、非加圧状態では、当接面（１３）と外側表面（２１）との移行領域において前記Uカップ（３）の外方縁（２０）が凸とくに円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシール装置。
8. 前記Uカップ（３）は前記機械可動部（１）に対向する内側表面（２４）を有し、前記内側表面（２４）は、前記Uカップ（３）の前記内側表面（２４）に凹部（２５）として形成された幾つかの潤滑孔逃げ部を有し、前記凹部（２５）の半径方向深さは前記Uカップ（３）の低圧側Nから前記内側シールリップ（７）に向けて減少することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシール装置。
9. 前記Uカップ（３）は前記機械可動部（１）に対向する内側表面（２４）を有し、前記内側表面（２４）は微細構造とくにキャロットシェルを有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のシール装置。

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