JP2007132498A - 炭酸ガスシール用密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸の挿通荷重を低減することができ、高圧流体が付与されてもシールリングの低圧側へのはみ出し防止機能、シール機能を確保することができる炭酸ガスシール用密封装置を提供する。
【解決手段】軸２に設けられたテーパ状溝底部１２を有する取付溝１０内に、シールリング２０とそれより低圧側Ｌに位置しテーパ状溝底部１２に対応するテーパ部３５を有するバックアップリング３０とを備え、高圧側Ｈからの圧力が作用した際に取付溝１０の低圧側Ｌの側壁面１１とバックアップリング３０の低圧側Ｌの側端面３２との間に間隙ｇを設けた炭酸ガスシール用密封装置１において、バックアップリング３０のテーパ部３５とは反対側の周面３４に高圧側Ｈの側端面３１から低圧側Ｌに向かってハウジング３の周面３ａに近づいていくテーパ面３６を設けた。更に、テーパ部３５を２段テーパにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、密封装置に係り、更に詳しくは、高圧流体のガス等をシールする取付溝内にシールリングとバックアップリングとを備えた炭酸ガスシール用密封装置に関する。

従来、ハウジングに形成された軸孔と軸との間をシールし、軸に設けられた低圧側の側端面からハウジングとの間隔が高圧側に向かって拡がる方向に傾斜するテーパ状溝底部を有する取付溝内に、ゴム状弾性体製のＯリング等のシールリングとそれより低圧側に位置する樹脂製等のバックアップリングとを備えた炭酸ガスシール用密封装置では、流体の圧力が高圧側から付与されると、シールリングを介してバックアップリングが高圧側から低圧側に押圧される。バックアップリングは、内周面が取付溝のテーパ状溝底部に対応し同方向に傾斜するテーパ部で形成され、外周面はハウジングの内周面と平行な平行面で形成されていて、高圧側からの押圧によりバックアップリングの内周面が取付溝のテーパ状溝底部に当接すると、その径方向分力で外周面がハウジングの内周面に密接する。これにより、バックアップリングとハウジング内周面との隙間が埋められ、シールリングの低圧側へのはみ出しの防止が図られている。

この構成だと、通常の流体圧力や軸の偏心が小さい場合は問題がないが、高圧流体の場合や軸の偏心が大きい場合等では、バックアップリング外周面とハウジング内周面との間に隙間が発生し、シールリングの低圧側へのはみ出しが起こる虞があった。そのため下記特許文献では、図１２に示すように、バックアップリング１０１の低圧側Ｌの側端面１０１ａと取付溝１０２の低圧側Ｌの側壁面１０２ａとの間に間隙ｇを設けることが提案されている。

これにより、高圧流体が付与されたときにバックアップリング１０１が低圧側Ｌに移動し、その際に発生する径方向分力によりバックアップリング１０１のテーパ部と取付溝１０２との間の隙間およびバックアップリング１０１の外周面とハウジング１０４との間の隙間を低減している。また、この方法によれば、ゴム状弾性体で成形されているシールリングを透過したガスについてバックアップリング１０１自体がシール効果を有することが認められ、バックアップリング内外周部における隙間漏れの低減に効果があることが近年わかってきた。更に、隙間低減効果を得るために、バックアップリング１０１の外径をハウジング１０４の内径と同じか、それより大きく設定し，嵌合することも考えられる。

しかし、図１３に示すように、バックアップリング１０１の外径をハウジング１０４の内径と同じか、それより大きく設定すると、ハウジング１０４に軸を挿通したときに、バックアップリング１０１の高圧側Ｈの側端面１０１ｂがハウジング１０４の先端部１０４Ａと当接し、軸の挿通荷重が高くなる。また、当接されながら挿通されるので、バックアップリング１０１が傾いたりして内外周面が相手部材と正常に密接しないような状態で装着される可能性がある。この装着状態だと、バックアップリング１０１としてのシールリング１０５はみ出し防止機能を果たさなくなり、高圧流体が付与されたときに、シールリング１０５の低圧側へのはみ出しが起こり、破損につながる。またバックアップリング１０１自体のシール機能の効果も期待できなくなる。よって当接されながら挿通されることにより、シール機能を果たさなくなる虞があった。

特開平１１−３１５９２５号公報

本発明は上記の問題点に鑑みてされたもので、軸の挿通荷重を低減することができ、高圧流体が付与されてもシールリングの低圧側へのはみ出し防止機能、シール機能を確保することができる炭酸ガスシール用密封装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に係る炭酸ガスシール用密封装置は、互いに同心的に組み付けられた二部材間をシールするもので、一の部材に設けられた環状の取付溝内に装着されるゴム状弾性体のシールリングと、このシールリングを隔てて幅方向低圧側に配置されるバックアップリングとを備え、前記バックアップリングの溝底側の周面にて低圧側に向かって徐々に他の部材周面との間隔が狭まる方向に傾斜するテーパ部を設けると共に、前記取付溝の溝底面に前記バックアップリングのテーパ部に対応するテーパ状溝底部を設け、高圧側からの圧力が作用した際に、前記取付溝における前記バックアップリングの低圧側に間隙を設けた炭酸ガスシール用密封装置において、前記バックアップリングのテーパ部とは反対側の周面が高圧側の側端面から低圧側に向かって他の部材の周面に近づいていくテーパ面を有することを特徴とするものである。

また、請求項２に係る炭酸ガスシール用密封装置は、上記した請求項１に係る炭酸ガスシール用密封装置において、前記バックアップリングのテーパ部が高圧側テーパ部と該高圧側テーパ部より勾配角が大きい低圧側テーパ部とで形成されている２段テーパであることを特徴とするものである。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、上記構成を備えた本発明の請求項１に係る炭酸ガスシール用密封装置は、バックアップリングのテーパ部とは反対側の周面が高圧側の側端面から低圧側に向かって他の部材の周面に近づいていくテーパ面を有しているので、一の部材挿通時に、バックアップリングの高圧側の側端面に他の部材が当接することなくテーパ面によりガイドされるので、挿通荷重を低減しながら確実に挿通することができる。よって、バックアップリングの装着不具合によるシール性悪化を防止することができる。更に、高圧流体が付与されたときには、間隙が存在することにより、バックアップリングの軸方向への移動により生じる径方向分力が作用するが、この径方向分力は、テーパ面を設けたことにより生じていた他の部材との径方向隙間をも無くすぐらいに大きな圧縮力を発生させる。即ち、高圧側から圧力が作用した際、まずはバックアップリングの外周面と内周面がそれぞれの相手面に接するが、取付溝の低圧側の側壁面とバックアップリングの低圧側の側端面との間に間隙を設けているので、その後更に高圧が作用しながらバックアップリングの低圧側への移動が可能となる。これにより径方向の分力が発生して、それぞれの相手面に接していた外周面と内周面が更に圧接される。よって、これまで通りのはみ出し防止機能およびシール機能を有する。

これに加えて、上記構成を備えた本発明の請求項２に係る炭酸ガスシール用密封装置は、バックアップリングのテーパ部が高圧側テーパ部とそれより勾配角の大きい低圧側テーパ部との２段テーパで形成されているので、テーパ面に他の部材がガイドされて挿通されていくときバックアップリングの径中心方向への反力が減少し、より一層挿通荷重を低減させることができる。更に、高圧側から高圧流体が付与したとき、バックアップリングには時計方向に回転する回転力が作用するので、テーパ部の面圧が増加しバックアップリングのシール性を向上させることが可能となる。

なお、バックアップリングとはシールリングがはみ出すのを防止するためのものであるため、従来、バックアップリングとハウジングとの間に隙間を設けないのであって、本案のようにテーパ面を設けて隙間を発生させてしまうような形状に積極的に変更することは考えられなかった。しかし本案では、高圧流体と軸方向低圧側の間隙との相乗効果により、テーパ面形状としても高圧流体が付与されたときに隙間が極力小さくなり、‘はみ出し防止機能‘と‘シール機能‘を維持することが可能となった。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示して説明する。ただし、この発明の範囲は、特に限定的記載がないかぎりは、この実施の形態に記載されている内容に限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明の実施形態１に係る炭酸ガスシール用密封装置の要部断面図を示しており、この炭酸ガスシール用密封装置は、ハウジングに設けられた軸孔と、該軸孔の内周に挿通される軸との間の環状空間に装着されるものである。

この炭酸ガスシール用密封装置１は、軸２の外周面に設けられた取付溝１０内に装着されたシールリング２０と、バックアップリング３０とを備えている。

取付溝１０は、低圧側Ｌの側壁面１１から高圧側Ｈに向かってハウジング３の内周面３ａとの間隔が拡がる方向に傾斜するテーパ状溝底部１２と、テーパ状溝底部１２の高圧側Ｈの端部から高圧側Ｈに向かってハウジング３の内周面３ａと平行な平行底面１３とから構成されている。

シールリング２０は、ゴム状弾性体で成形されていて、自由状態では断面が略円形のＯリングであり、取付溝１０に装着された状態では、ハウジング３の内周面３ａと取付溝１０の平行底面１３とで径方向に圧縮されて楕円形状となり、その反発力で高圧側Ｈと低圧側Ｌとに仕切っている。

バックアップリング３０は、ＰＴＦＥ、ナイロン等の樹脂等、またはこれらの複合材で成形されていて、円筒形状をしていて、断面形状における側端面３１，３２は、高圧側Ｈおよび低圧側Ｌ共にハウジング３の内周面３ａと直交する面を形成し、低圧側側端面３２と取付溝１０の低圧側Ｌの側壁面１１との間に所定の間隙ｇが設けられ、バックアップリング３０の低圧側側端面３２の径方向寸法は取付溝１０の低圧側Ｌの側壁面１１におけるテーパ状溝底部１２からハウジング３の内周面３ａまでの間隔より大きく設定されている。なお、ガスが透過しにくい材料としては、ナイロンを用いることが好ましい。

また、バックアップリング３０の内周面３３は、取付溝１０のテーパ状溝底部１２に対向し、テーパ状溝底部１２の勾配角と略同じ勾配角を有する同方向に傾斜したテーパ部３５で形成されている。外周面３４は、ハウジング３の内周面３ａに対向し、高圧側側端面３１から低圧側Ｌに向かってハウジング３の内周面３ａに近づいていくテーパ面３６と、テーパ面３６の低圧側Ｌの端部から低圧側Ｌに向かってハウジング３の内周面３ａと平行な平行周面３７とから構成されている。

本実施形態１におけるテーパ面３６の形状としては、図２に示す通り、ハウジング３の内径をφＤ，バックアップリング３０の外径をφｄ１，バックアップリング３０のテーパ面３６の高圧側角部外径をφｄ２，とした場合、
０≦φｄ１−φＤ、かつ ０＜φＤ−φｄ２≦０．６
であることが好適であり、更に好ましくは、
０≦φｄ１−φＤ≦０．３、かつ ０＜φＤ−φｄ２≦０．６
であるのが良い。
なお、本実施の形態とは逆にハウジングに設けられている取付溝にバックアップリングが装着された場合には、「バックアップリングの内径≦軸の外径」となる。
また、テーパ面の勾配角θについては、挿通性の観点より
５≦θ≦３０°
の範囲であることが好適である。

上記構成において、ハウジング３に軸２を挿通するとき、バックアップリング３０にハウジング３の先端部３Ａが当接することになるが、バックアップリング３０にはテーパ面３６が形成されているので、先端部３Ａはバックアップリング３０の高圧側側端面３１に当接することなくテーパ面３６によりガイドされるので、挿通荷重を低減しながら確実に挿通することが可能となる。

また、ハウジング３の先端部３Ａがバックアップリング３０の高圧側側端面３１に当接しないので、バックアップリング３０の装着不具合によるシール性悪化を防止することが可能となる。

更に、高圧側Ｈから低圧側Ｌへ低温低圧流体（２５℃×５ＭＰａ）が付与されたときは、図３に示すように、バックアップリング３０とハウジング３との径方向隙間４１が残存するが、低圧であるのでシールリング２０が低圧側Ｌにはみ出すことがなくシールリング２０の損傷は生じない。また、高温高圧流体（８０℃×１５ＭＰａ）が付与されたときは、バックアップリング３０の低圧側側端面３２と取付溝１０の低圧側Ｌの側壁面１１との間に間隙ｇが設けられていることにより、バックアップリング３０の軸方向への移動により生じる径方向分力が作用するが、この径方向分力は、図４に示すように、テーパ面３６を設けたことにより生じていたバックアップリング３０とハウジング３との径方向隙間をも無くすぐらいに大きな圧縮力を発生させる。したがって、シールリング２０の低圧側へのはみ出しを防止することが可能となり、シールリング２０の破損によるシール性不良を防止することが可能になると共に、シールリング２０を透過したガスをシールすることが可能となり、バックアップリング３０の内外周部における隙間漏れの低減が可能となる。

本実施形態１について、挿通荷重を従来品と比較して測定した結果、従来品に対して５乃至１０％のレベルとなり、従来品と比較して９０％以上低減することが可能となった。また、挿通後における(1)常温で５ＭＰａ(2)８０℃で１５ＭＰａ、の条件で高圧流体を付与し確認した結果、いずれの条件でもＯリングのはみ出し防止およびシール性が維持されることが確認できた。

なお、本実施形態１では、テーパ面３６がバックアップリング３０の外周面３４の一部に形成されている場合について説明したが、図５の実施形態２に示しように、外周面３４の全面がテーパ面３６であっても良い。

更に、テーパ面３６とは、傾斜平面だけを言うのでなく、図６の実施形態３に示すように、傾斜曲面であっても良い。この場合に図には示さないが、傾斜曲面が外周面３４の一部であっても良いことは言うまでもない。

また、図７に示す実施形態４では、バックアップリング３０の内周面３３が、取付溝１０のテーパ状溝底部１２の勾配角と略同じ勾配角αを有する高圧側テーパ部３５ａと、高圧側テーパ部３５ａの勾配角αより勾配角が大きい勾配角βで形成されている低圧側テーパ部３５ｂとの２段テーパのテーパ部で形成されている。

したがって、本実施形態４においては、軸２が挿通される当初は、図８に示す通り、高圧側テーパ部３５ａがテーパ状溝底部１２と接しているので、ハウジング３の先端部３Ａは勾配角αを有するテーパ面３６にガイドされて低圧側Ｌに移動していく。図９に示す通り、先端部３Ａが破線で示す位置から実線で示す位置まで矢印ｍ方向に低圧側に移動し挿通荷重が増加していくと、低圧側テーパ部３５ｂとテーパ状溝底部１２とにクリアランス４２が存在するので、バックアップリング３０が挿通荷重に対して逃げるように変形し、即ち図における破線で示す形状から実線で示す形状に変形する。その結果、テーパ状溝底部１２には低圧側テーパ部３５ｂが接することになるので、先端部３Ａは勾配角αより勾配角が小さい勾配角βのテーパ面３６にガイドされて低圧側Ｌに移動することになる。よって、実施形態１より更に挿通荷重を低減させることが可能となる。

本実施形態４について、バックアップリング３０がハウジング３に嵌合されたときにバックアップリング３０のつぶし代が約０．１ｍｍ（バックアップリング３０外径−ハウジング３内径＝約０．２ｍｍ）について、上述の実施形態１と比較して測定して結果、実施形態１に対して２５乃至３０％のレベルとなり、実施形態１と比較して７５％程度低減することが可能となった。

更に、高圧側Ｈから低圧側Ｌへ低温低圧流体（２５℃×５ＭＰａ）が付与されたときは、図１０に示すように、バックアップリング３０とハウジング３との径方向隙間４１が残存する他に更に、バックアップリング３０と軸２との径方向隙間４３が残存する。しかし低圧であるのでシールリング２０が低圧側Ｌにはみ出すことがなくシールリング２０の損傷は生じない。また、高温高圧流体（８０℃×１５ＭＰａ）が付与されたときは、バックアップリング３０の低圧側側端面３２と取付溝１０の低圧側Ｌの側壁面１１との間に間隙ｇが設けられていることにより、バックアップリング３０の軸方向への移動により生じる径方向分力が作用し、図１１に示すようにバックアップリング３０が変形し該径方向隙間（４１，４３）を無くす。よってシールリング２０の低圧側Ｌへのはみ出しを防止することが可能となり、シールリング２０の破損によるシール性不良を防止することが可能となる。

また、高圧側Ｈから流体が付与したとき、バックアップリング２０の外周面３４の一部にはテーパ面３６が形成されているので、テーパ面が形成されていない部分との境界において勾配角が異なる変化点ｐが存在し、また内周面３３においても高圧側テーパ部３５ａと低圧側テーパ部３５ｂとの境において勾配角の異なる変化点ｑが存在する。したがって、勾配角の異なる変化点（ｐ，ｑ）において大きい面圧が発生するので、バックアップリング３０のガスシール性（隙間漏れ）を向上させることが可能となる。

なお、本実施例では低圧側テーパ部３５ｂは傾斜平面で説明したが、傾斜曲面であってもよく、この場合には軸挿通前の高圧側テーパ部３５ａが取付溝１０のテーパ状溝底部１２と密接した状態であるとき、低圧側テーパ部３５ｂは取付溝１０のテーパ状溝底部１２と隙間を有している状態に形成されている。

なお、バックアップリング３０には、嵌合時に圧縮されるつぶし代を設けてもよい。

本発明の実施形態１に係る密封装置の構成説明図 図１におけるバックアップリング部の寸法を示す説明図 実施形態１が装着された状態で圧力が付与された状態を示す説明図 実施形態１が装着された状態で圧力が付与された状態を示す説明図 本発明の実施形態２に係る密封装置の構成説明図 本発明の実施形態３に係る密封装置の構成説明図 本発明の実施形態４に係る密封装置の構成説明図 実施形態４における軸の挿通時の状態を示す説明図 実施形態４における軸の挿通時の状態を示す説明図 実施形態４が装着された状態で圧力が付与された状態を示す説明図 実施形態４が装着された状態で圧力が付与された状態を示す説明図 従来例に係る密封装置の構成説明図 従来例における不具合が発生した状態を示す説明図

符号の説明

１ 炭酸ガスシール用密封装置
２ 軸（一の部材）
３ ハウジング（他の部材）
１０ 取付溝
１１ 側壁面
１２ テーパ状溝底部
１３ 底面
２０ シールリング
３０ バックアップリング
３１，３２ 側端面
３３，３４，３ａ 周面
３５ テーパ部
３６ テーパ面
３７ 平行周面
４２ クリアランス
ｇ 間隙
Ｈ 高圧側
Ｌ 低圧側

Claims (2)

1. 互いに同心的に組み付けられた二部材間をシールするもので、一の部材に設けられた環状の取付溝内に装着されるゴム状弾性体のシールリングと、このシールリングを隔てて幅方向低圧側に配置されるバックアップリングとを備え、
   前記バックアップリングの溝底側の周面にて低圧側に向かって徐々に他の部材周面との間隔が狭まる方向に傾斜するテーパ部を設けると共に、前記取付溝の溝底面に前記バックアップリングのテーパ部に対応するテーパ状溝底部を設け、
   高圧側からの圧力が作用した際に、前記取付溝における前記バックアップリングの低圧側に間隙を設けた炭酸ガスシール用密封装置において、
   前記バックアップリングのテーパ部とは反対側の周面が高圧側の側端面から低圧側に向かって他の部材の周面に近づいていくテーパ面を有することを特徴とする炭酸ガスシール用密封装置。
2. 請求項１に記載の炭酸ガスシール用密封装置において、
   前記バックアップリングのテーパ部が高圧側テーパ部と該高圧側テーパ部より勾配角が大きい低圧側テーパ部とで形成されている２段テーパであることを特徴とする炭酸ガスシール用密封装置。

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