JP2008051285A - 密封構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧力が作用してもバックアップリングが確実に弾性シールを受持して微小クリアランスの側へはみ出すことを防止できる密封構造を提供することを目的とする。
【解決手段】バックアップリング２がその背面をＶ字山型とする。そして、凹周溝３の低圧側の側面３ａとバックアップリング２の背面との間に、背面間隙４，５を未受圧状態下にて形成しておく。
【選択図】図１

Description

本発明は、密封構造に関する。

従来の密封構造として、図９に示すようなＯリング（弾性シール）31とバックアップリング32を凹周溝33に装着した構成のものが広く使用されている。特に、バックアップリング32は横断面１文字型（縦一文字型ということもある）であり、主部材34と相手部材35との間の微小クリアランス36に、受圧状態下で（比較的柔らかい）Ｏリング31が侵入する（食い込む）ことを上記バックアップリング32にて防止していた。
Ｕパッキンから成る弾性シールを背面から受持する１文字型バックアップリングを用いた密封構造のものも広く知られている。（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−０５７８３４号公報

ところで、１文字型（縦一文字型）の従来のバックアップリング32では、材料が変形し易い材料（ゴム系やＰＴＦＥ系の柔らかい材料）の場合、高圧力Ｐが作用すると、図10に示すように、Ｏリング31が弾性変形しつつバックアップリング32を凹周溝33の側面33ａに強く押圧し、微小クリアランス36内へバックアップリング32が侵入するはみ出し37を発生する。
このようなはみ出し37が発生すると、主部材34と相手部材35の相対的運動の摩擦抵抗力が増加してスムーズな運動ができなくなり、あるいは、はみ出し37の破損を生じて、バックアップリング32の機能をはたせなくなるという問題があった。

他方、バックアップリング32の材料が変形し難い材料（ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＥＫ、高充填材入りＰＴＦＥ等の硬い材料では、図11に示すように、高圧力Ｐが作用しても、バックアップリング32自体はほとんど変形せず、前記微小クリアランス36の凹周溝33への開口部位を埋める（閉塞する）ことができず、Ｏリング31の一部は、高圧力Ｐー受けつつ、侵入してはみ出し31ａを生じる。即ち、バックアップリング32と相手部材35との間のクリアランス38に圧縮変形したＯリング31の一部が侵入し、このはみ出し31ａによって、主部材34と相手部材35の相対的移動の摩擦抵抗が増加してスムーズに相対的移動しなくなったり、Ｏリング31の一部が破損する等の問題を生じる。
そこで、本発明は、このような従来のバックアップリングを有する密封構造の問題を解決して、高圧力が作用した受圧状態に於て、主部材と相手部材との微小クリアランスの凹周溝への開口部位を、バックアップリングのはみ出し無しで、確実に閉塞して、弾性シールを安定姿勢で保持し、弾性シールの損傷を防ぎ、運動用としては摺動（摩擦）抵抗を軽減することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る密封構造は、凹周溝に装着された弾性シールを低圧側から受持するバックアップリングと、上記凹周溝の低圧側の側面との間に、上記凹周溝の深さの中間部からラジアル外方及び内方に増加する背面間隙を形成するように上記バックアップリングの背面形状を未受圧状態でＶ字山型とし、受圧状態で上記背面間隙が消滅して上記バックアップリングの背面が上記凹周溝の上記側面に圧接するように構成した。
また、凹周溝が形成された主部材と、該主部材に対して、微小クリアランスを介して対面する相手部材との間に介装される密封構造であって、上記バックアップリングは受圧状態で上記相手部材に接触して上記微小クリアランスへの上記弾性シールの侵入を防ぐように弾性変形する。
また、上記バックアップリングは、その横断面形状がラジアル方向に偏平細長状のホームベース型である。あるいは、上記バックアップリングは、その横断面形状がくの字型である。
また、上記バックアップリングと上記弾性シールとの間に、上記バックアップリングよりも硬度の低い横断面が縦一文字型の副バックアップリングを介装することも望ましい。そして、弾性シールがＯリングであり、かつ、バックアップリングは、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＥＫ等の硬い材料から成る。

高圧力が作用した受圧状態下でバックアップリングが、主部材と相手部材の間の微小クリアランスの凹周溝への開口部位に侵入せず（はみ出さず）、しかも、確実にこの微小クリアランスの凹周溝への開口部位を閉塞して、（柔らかいＯリング等の）弾性シールが微小クリアランスに侵入することを防止して、安定したシール性能を発揮する。また、微小クリアランスのはみ出し（侵入）に伴って、バックアップリングの一部や弾性シールの一部が破損することを防いで長寿命とすると共に、このような破損による流体内への異物浸入（混入）をも防止できる。さらに、運動用の密封構造としては、摺動抵抗は安定して小さくて済む。

以下、実施の形態を示す図面に基づき本発明を詳説する。
図１に示す本発明に係る密封構造の実施の形態に於て、図１（Ａ）は未受圧（未加圧）状態を示し、図１（Ｂ）は（例えば、21ＭPa以上の）高圧力Ｐが作用した受圧（加圧）状態を示す。

この密封構造は、凹周溝３が形成された主部材10と、この主部材10に対して微小クリアランスＣを介して対面する相手部材20との間に介装される。
凹周溝３には、弾性シール１と、この弾性シール１を低圧側Ｅから受持するバックアップリング２が、装着されている。図１では右方向が低圧側Ｅであり、左方向が高圧側Ｈが相当し、弾性シール１は、ニトリルゴムやアクリルゴムやシリコンゴム等の各種ゴム材から成るＯリングを例示する。
バックアップリング２は、ポリアセタール，ポリアミド，ポリイミド，ＰＥＥＫ，高充填材入りＰＴＦＥ等の硬い材質とし、その横断面形状がラジアル方向に偏平細長状のホームベース型であって、弾性シール（Ｏリング）１に接触する側をストレート状（平坦面状）として弾性シール１を受持し、凹周溝３の低圧側の側面３ａに接触する側を未受圧状態でＶ字山型に形成される。

具体的には、図１（Ａ）に示す如く、このバックアップリング２は、凹周溝３の深さ（深さ方向Ｄ）の中間部───特に「中央部」が好ましい───からラジアル外方及びラジアル内方に、しだいに増加する（三角形状の）背面間隙４，５を形成するように未受圧状態下では、Ｖ字山型の背面２ａを有する。そして、図１（Ｂ）に示すように、所定の高圧力Ｐが作用すると、Ｏリング（弾性シール）１は低圧側Ｅへ弾性圧縮変形して強くバックアップリング２を押圧し、図１（Ａ）で述べた背面間隙４，５が消滅して、バックアップリング２の背面２ａが凹周溝３の低圧側Ｅの側面３ａに圧接する。この際、バックアップリング２は、その背面２ａの形状がＶ字山型───くの字型───からストレート状に変化して、図１（Ａ）に示した未受圧状態の径方向寸法Ｗ₂ が、図１（Ｂ）に示したように受圧状態では、増加して、凹周溝３の溝底面３ｂ、及び、相手部材20に圧接され、前記微小クリアランスＣの凹周溝３への開口端部Ｃ₀ を閉塞し、圧縮弾性変形したＯリング（弾性シール）１が、微小クリアランス開口端部Ｃ₀ 、及び、バックアップリング２と相手部材20との微小クリアランスＣ₂ に侵入することがない。
言い換えれば、バックアップリング２は所定圧力Ｐの受圧状態となると、相手部材20に接触して微小クリアランスＣ（の開口端部Ｃ₀ ）への弾性シール１の侵入を防ぐように、バックアップリング２は深さ方向Ｄに伸長する弾性変形を起こす。

図８は流体シリンダ７の一例を示し、シリンダチューブ８内をピストン９が往復作動し、ピストン９に連結されたピストンロッド11が同図の左右方向に往復作動する。ここで、ピストン９に於て、図１に示したような密封構造を適用可能である。図１に於て、Ｌは軸心を示し、ピストン９・ピストンロッド11・シリンダチューブ７の軸心Ｌに相当する。

ところで、流体シリンダ７が単動の場合は、図１の構造のものを単数個、ピストン９に用いればよいが、往復作動用の場合は、図１とその左右対称形のものを、一対として、ピストン９に用いればよい。このように、図１では外径用として、ピストン９の外周面に形成した凹周溝３に、弾性シール１とバックアップリング２とを、装入した場合を示し、主部材10がピストン９に相当し、相手部材20がシリンダチューブ８に相当している。
なお、図８のピストンロッド11とシリンダヘッド部12との間の密封に図１に示した本発明の密封構造を適用することも可能である。つまり、内径密封用とすることもできる。また、このような運動用に適用する他に、固定用（静止用）として、図１の構造のものを適用しても自由である。

次に、図２に示す他の実施の形態について説明すると、バックアップリング２は、その横断面形状がくの字型である。それ以外の同一符号は同一の構成であり、説明を省略する。なお、図２の実施の形態では、図２（Ａ）の未受圧状態の屈曲横断面姿勢（形状）から、図２（Ｂ）の受圧状態の伸長横断面姿勢（形状）への変化が一層スムーズである利点がある。そして、図１（Ｂ）では弾性シール１との圧接面14の形状が弯曲凸状であるのに対し、図２（Ｂ）では圧接面14の形状がストレート状となり、弾性シールの微小クリアランスＣの開口端部Ｃ₀ への侵入（「はみ出し」又は「入り込み」ともいう）を防止できる。また、図２の場合も、外径用と内径用のいずれにも適用可能であり、かつ、運動用と固定用のいずれにも適用できる。

次に、図３に示した別の実施の形態について説明する。図１及び図２では、バックアップリング２の材質を、ポリアセタール，ポリアミド，ポリイミド，ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン），高充填材入りＰＴＦＥ等とした硬い材料を用いたのに対し、図３に示す実施の形態では、同様の硬い材料のバックアップリング２の他に、これよりも硬度の低い横断面が縦一文字型の副バックアップリング15を付設した構成である。
副バックアップリング15は、Ｏリングから成る弾性シール１と、横断面形状がくの字型である（図２で説明した）バックアップリング２との間に、介装される。副バックアップリング15は、ゴム系やＰＴＦＥ系の材質として、バックアップリング２よりも柔らかい。

さらに詳しく説明すれば、図３（Ａ）は、未受圧状態であり、図３（Ｂ）は、例えば35ＭPa以上の高圧力Ｐの作用している受圧状態を示し、凹周溝３は、軸心方向寸法（幅寸法）が大き目に主部材10に凹設され、高圧側Ｈから低圧側Ｅへ弾性シール（Ｏリング）１，副バックアップリング15，バックアップリング２の順に、装入されている。
バックアップリング２はその横断面形状をくの字型としたことによって、凹周溝３の低圧側の側面３ａに接触する側を、未受圧状態でＶ字山型に形成される。さらに、図３（Ａ）に示すように、このバックアップリング２は、凹周溝３の深さの中間部（図例では深さの中央部）からラジアル外方及びラジアル内方に、しだいに増加する（三角形状の）背面間隙４，５を形成するＶ字山型の背面２ａを有し、図３（Ｂ）に示すように、所定の高圧力Ｐが作用すると、Ｏリング（弾性シール）１は低圧側Ｅへ弾性的に圧縮変形し、同時に、柔らかい材質の副バックアップリング15も軸心方向に圧縮されて、ラジアル内外方向へは伸長変形し、同時に、硬質のバックアップリング２は副バックアップリング15からの押圧力を受けて、図３（Ａ）の背面間隙４，５が消滅して、背面２ａが側面３ａに圧接し、バックアップリング２は、その背面２ａのＶ字山型───くの字型───からストレート状に変化し、バックアップリング２の径方向寸法Ｗ₂ が増加して、溝底面３ｂと相手部材20に圧接し、柔らかい副バックアップリング15のバックアップリング２側への侵入（はみ出し）を阻止している。

このように、弾性シール１の微小クリアランスＣの開口端部Ｃ₀ への侵入（はみ出し）を、副バックアップリング15及びバックアップリング２の２段で阻止しており、一層確実に弾性シール１の破損（切損）を防止できる。
この図３の実施の形態の密封構造についても、外径用のみならず内径用としても自由であり、また、運動用（摺動用）のみならず固定用としても自由である。なお、後述する図４〜図７についても同様とする。

次に、図４に示したさらに他の実施の形態では、図３に於ける横断面くの字型のバックアップリング２を、（図１と同様の）偏平細長状のホームベース型に変更した構成である。図３（図１）と同一符号は同様の構成、及び、作用効果を奏するので、説明を省略する。

次に、図５又は図６に示した別の実施の形態では、交互に図の左右から圧力が作用し、例えば、図８のピストン９であって、往復作動用シリンダに適用した場合が該当する。従って、凹周溝３の低圧側の側面３ａとは、図５又は図６の左側面・右側面が該当する。即ち、中央に弾性シール１を配設して、軸心方向両側にバックアップリング２，２を配設して、左右いずれから圧力が作用しても、左右いずれかのバックアップリング２が低圧側Ｅから弾性シール１を受持して微小クリアランスＣの開口端部Ｃ₀ ，Ｃ₀ への侵入（はみ出し）を防止する。
なお、低圧側Ｅとしての一方のバックアップリング２の構成及び作用効果は図１又は図２と同様であり、高圧側Ｈの他方のバックアップリング２は、密封やはみ出し防止には無関係として、遊ぶ。

次に、図７はさらに別の実施の形態であって、図２で示した実施の形態に於て、弾性シール１としてＯリングに限定されないことを示しており、図７では弾性シール１がＵパッキンの場合を例示する。弾性シール１としては、これ以外にも、Ｄ形、楕円形、多角形等の横断面のものとするも、自由である。
なお、図７のそれ以外の構成、及び、作用効果は、図２（図１）と同様である。また、図７のＵ形や、その他のＤ形、楕円形、多角形等の横断面の弾性シール１を、図１又は図３〜図６の構成と適宜組み合わせることも、自由である。

本発明に係る密封構造では、従来の図11にて説明した硬い材質のバックアップリングでありながら、図11のようなクリアランス38を受圧状態下で残すことなく、巧妙に、背面間隙４，５を消滅させるような、ラジアル外方・ラジアル内方への伸長姿勢に弾性変形する。即ち、バックアップリング２の径方向寸法Ｗ₂ を巧妙に増加させ、しかも、高精密な微小な弾性変形をもって、微小クリアランスＣの凹周溝３への開口端部Ｃ₀ への弾性シール１の侵入（はみ出し）を確実に防止できる。勿論、本発明のバックアップリング２は、硬い材質であるので、従来の図10に示したようなバックアップリング32自体が微小クリアランス36へ侵入するはみ出し37を生ずることも、全くない。
さらに、図３及び図４に示したように、径方向寸法Ｗ₂ が受圧状態で増加する形状とした硬い材質のバックアップリング２と、柔らかい材質の副バックアップリング15とを巧妙に組み合わせた構成により、図11に示した硬い材質のものの欠点と、図10に示した柔らかいものの欠点を共に解決して、かつ、弾性シール１が微小クリアランスＣの開口端部Ｃ₀ の方向へ侵入（はみ出す）ことを、一層確実に防止でき、高圧流体を長期の使用期間にわたり、密封できる。

本発明は上述のように、凹周溝３に装着された弾性シール１を低圧側から受持するバックアップリング２と、上記凹周溝３の低圧側の側面３ａとの間に、上記凹周溝３の深さの中間部からラジアル外方及び内方に増加する背面間隙４，５を形成するように上記バックアップリング２の背面形状を未受圧状態でＶ字山型とし、受圧状態で上記背面間隙４，５が消滅して上記バックアップリング２の背面２ａが上記凹周溝３の上記側面３ａに圧接するように構成したので、バックアップリング２の径方向寸法Ｗ₂ が受圧状態では増加して、弾性シール１が微小クリアランスＣへ侵入する（はみ出す）ことを、該微小クリアランスＣの開口端部Ｃ₀ を閉塞することで、阻止できる。これによって、弾性シール１が部分的に破断する等の損傷を防いで長期間にわたって優れた密封性能を発揮する。あるいは、弾性シール１の一部が上記微小クリアランスＣに侵入することで、運動用密封構造とした場合に、摩擦抵抗が増加する問題を解決し、かつ、流体機器に於て有害な微小異物の発生をも防止できる。

また、凹周溝３が形成された主部材10と、該主部材10に対して、微小クリアランスＣを介して対面する相手部材20との間に介装される密封構造であって、上記バックアップリング２は受圧状態で上記相手部材20に接触して上記微小クリアランスＣへの上記弾性シール１の侵入を防ぐように弾性変形するので、密封構造としては従来とほとんど構造が簡易なままにて、弾性シール１の寿命を延ばし、また、弾性シール１の部分的破断によって生ずる（流体機器にとって有害な）微小異物の問題も解決できる。
また、弾性シール１がＯリングであり、かつ、バックアップリング２は、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＥＫ等の硬い材料から成るので、密封構成としては簡素かつコンパクトであり、安価に多量生産も可能となる。

本発明の実施の一形態を示す要部断面図である。 他の実施の形態を示す要部断面図である。 別の実施の形態を示す要部断面図である。 さらに他の実施の形態を示す要部断面図である。 さらに別の実施の形態を示す要部断面図である。 他の実施の形態を示す要部断面図である。 別の実施の形態を示す要部断面図である。 本発明の用途の一例を示す簡略図である。 未受圧状態の従来例を示す要部断面図である。 受圧状態の従来例を示す要部断面図である。 受圧状態の従来例を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 弾性シール
２ バックアップリング
２ａ 背面
３ 凹周溝
３ａ 側面
４，５ 背面間隙
10 主部材
15 副バックアップリング
20 相手部材
Ｃ 微小クリアランス
Ｃ₀ 開口端部
Ｅ 低圧側
Ｗ₂ 径方向寸法

Claims (6)

1. 凹周溝（３）に装着された弾性シール（１）を低圧側から受持するバックアップリング（２）と、上記凹周溝（３）の低圧側の側面（３ａ）との間に、上記凹周溝（３）の深さの中間部からラジアル外方及び内方に増加する背面間隙（４）（５）を形成するように上記バックアップリング（２）の背面形状を未受圧状態でＶ字山型とし、受圧状態で上記背面間隙（４）（５）が消滅して上記バックアップリング（２）の背面（２ａ）が上記凹周溝（３）の上記側面（３ａ）に圧接するように構成したことを特徴とする密封構造。
2. 凹周溝（３）が形成された主部材（10）と、該主部材（10）に対して、微小クリアランス（Ｃ）を介して対面する相手部材（20）との間に介装される密封構造であって、上記バックアップリング（２）は受圧状態で上記相手部材（20）に接触して上記微小クリアランス（Ｃ）への上記弾性シール（１）の侵入を防ぐように弾性変形する請求項１記載の密封構造。
3. 上記バックアップリング（２）は、その横断面形状がラジアル方向に偏平細長状のホームベース型である請求項１又は２記載の密封構造。
4. 上記バックアップリング（２）は、その横断面形状がくの字型である請求項１又は２記載の密封構造。
5. 上記バックアップリング（２）と上記弾性シール（１）との間に、上記バックアップリング（２）よりも硬度の低い横断面が縦一文字型の副バックアップリング（15）を介装した請求項１，２，３又は４記載の密封構造。
6. 弾性シール（１）がＯリングであり、かつ、バックアップリング（２）は、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ＰＥＥＫ等の硬い材料から成る請求項１，２，３，４又は５記載の密封構造。

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