JP2008190661A - 密封装置及び油圧シリンダ - Google Patents

Abstract

【課題】液体が密封された第１密封領域への気体漏れを防止すると共に気体が密封された第２密封領域への液体漏れを、より確実に防止することを可能とする密封装置及び油圧シリンダを提供する。
【解決手段】第１密封領域Ｏへの窒素ガス漏れを防止すると共に第２密封領域Ｇへの油漏れを防止する密封装置５０において、第１密封領域Ｏ側に設けられる第１シールリップ５１のリップ先端の形状と第２密封領域Ｇ側に設けられる第２シールリップ５２のリップ先端の形状が、第１シールリップ５１がピストン３２の表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される油膜の厚みが、第２シールリップ５２がピストン３２の表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される油膜の厚みよりも薄くなるように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体が密封された第１密封領域への気体漏れを防止すると共に気体が密封された第２密封領域への液体漏れを防止する密封装置及び油圧シリンダに関するものである。

例えばブレーカーに用いられる油圧シリンダにおいては、油などの液体が密封された密封領域（第１密封領域）と窒素ガスなどの気体が密封された密封領域（第２密封領域）を有したものがある。このような油圧シリンダには、第１密封領域と第２密封領域を同時に密封する密封装置が設けられている。このような密封装置の従来例を、図７及び図８を参照して説明する。図７は従来例１に係る密封装置の模式的断面図である。図８は従来例２に係る密封装置の模式的断面図である。

第１密封領域から第２密封領域への液体の漏れと、第２密封領域から第１密封領域への気体の漏れを同時に防止するためには、第１密封領域側と第２密封領域側のそれぞれにシールリップを備えるのが適切である。そのため、２つの密封領域を同時に密封するためには、図７や図８に示すように、断面が略Ｘ形状のＸリングが用いられるのが一般的である。

図７及び図８にそれぞれ示す密封装置１００，２００は、ブレーカーに用いられる油圧シリンダに備えられるもので、往復移動するピストン１３２の外周表面と、シリンダ１３１に形成された軸孔の内周表面との間の環状隙間に配置されるものである。そして、これらの密封装置１００，２００によって、油が密封された第１密封領域Ｏと窒素ガスが密封された第２密封領域Ｇが同時に密封される。

図７に示す密封装置１００は、第１密封領域Ｏ側に設けられる第１シールリップ１０１と、第２密封領域Ｇ側に設けられる第２シールリップ１０２とを備えている。これら第１シールリップ１０１と第２シールリップ１０２は、いずれもリップ先端が丸みを帯びた形状（曲面形状（Ｒ形状））で構成されている。

図８に示す密封装置２００も、第１密封領域Ｏ側に設けられる第１シールリップ２０１と、第２密封領域Ｇ側に設けられる第２シールリップ２０２とを備えている。これら第１シールリップ２０１と第２シールリップ２０２は、いずれもリップ先端が角張った形状（エッジ形状（尖った形状））で構成されている。

ここで、往復動用の密封装置における密封メカニズムは、摺動部分に形成される密封対象流体の厚みに基づくという考え方が一般的である。例えば、相対的に往復移動する軸とハウジングとの間の環状隙間に配置され、油が大気側に漏れてしまうことを防止する一般的な往復動用の密封装置の場合を例にして説明する。この場合、軸に対して密封装置が大気側に移動する場合（引き工程）に軸表面における密封装置が摺動する部分に形成される油膜の方が、軸に対して密封装置が密封領域側に移動する場合（押し工程）に上記部分に形成される油膜よりも厚みが厚くなるように構成される。このような構成により、油が密封流体側に吸い込まれる吸い込み現象が発生するため、油が大気側に漏れてしまうことを防止できる。

これに対して、上記の密封装置１００，２００の場合には、ピストン１３２に対して、密封装置１００，２００が第１密封領域Ｏ側に移動した場合に摺動部分にできる密封対象
流体の膜の厚みと、第２密封領域Ｇ側に移動した場合に摺動部分にできる密封対象流体の膜の厚みが、理論上等しくなるように設定されている。

これは、往復動用シールにおける密封メカニズムの考え方は、密封対象流体が液体であっても気体であっても同じであったため、第２密封領域Ｇへの油漏れと第１密封領域Ｏへの窒素ガス漏れを同時に防止するためには、どちら側に対しても吸い込み現象が発生しないようにしなければならないという設計思想に基づくものである。なお、上記の密封装置１００，２００においては、軸方向の幅の中心Ｃに対して対称形状とすることにより、どちら側に対しても吸い込み現象が発生しないようにしている。

しかしながら、実際上は、第２密封領域Ｇ側に油漏れが発生してしまっている。その理由としては、第１に、密封装置１００，２００がピストン１３２に対して往復移動する場合に、往路にできる油膜の厚みと復路にできる油膜の厚みを理論上等しくしていても、実際には、何らかの影響（偏心などの外乱や各種寸法誤差など）により、油膜の厚みを常に設計どおりの厚みにすることは不可能であることが挙げられる。また、第２に、リップ先端とピストン１３２が摺動する部分には油膜が形成されるため、気体（窒素ガス）が第１密封領域Ｏに漏れてしまうことは殆どないと考えられることが挙げられる。

また、上記のような密封装置１００，２００においては、一般的に、摺動性を良くするために、リップ先端に複数の微小な環状突起が設けられる。図９は従来例に係る密封装置におけるリップ先端付近を示す模式的断面図である。図示のように、第１シールリップ１２１の第２密封領域Ｇ側の傾斜面と、第２シールリップ１２２の第１密封領域Ｏ側の傾斜面には、それぞれ複数の微小な環状突起１２１ａ，１２２ａが設けられている。これらの環状突起１２１ａ，１２２ａは摺動面に設けられており、突起間にできる隙間に油を保持できるため、摺動性を良くすることが可能となる。

ここで、これらの環状突起１２１ａ，１２２ａは、上記の往復動用の密封装置における密封メカニズムに基づき、密封対象流体が密封領域側に引き込まれるように設計されている。つまり、環状突起１２１ａは、第１密封領域Ｏ側に密封対象流体が引き込まれるように設計され、環状突起１２２ａは、第２密封領域Ｇ側に密封対象流体が引き込まれるように設計されている。

そのため、環状突起１２１ａによって油が第１密封領域Ｏ側に引き込まれるのは望ましいことであるが、環状突起１２２ａによって油を第２密封領域Ｇ側に送り出す結果を招いてしまっていた。これにより、第２密封領域Ｇへの油漏れを助長していた。

なお、関連する技術としては、特許文献１〜３に開示されたものがある。
実開平１−１７４６７７号公報 特開平９−１４４５１号公報 国際公開番号ＷＯ２００２／０９９３２０号公報

本発明の目的は、液体が密封された第１密封領域への気体漏れを防止すると共に気体が密封された第２密封領域への液体漏れを、より確実に防止することを可能とする密封装置及び油圧シリンダを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の密封装置は、
相対的に往復移動する２部材間の環状隙間に配置される密封装置であって、
液体が密封された第１密封領域側に設けられ、かつ２部材のうちの一方の部材表面に対して摺動する第１シールリップと、
気体が密封された第２密封領域側に設けられ、かつ前記一方の部材表面に対して摺動する第２シールリップと、を備え、
第１密封領域への気体漏れを防止すると共に第２密封領域への液体漏れを防止する密封装置において、
第１シールリップのリップ先端の形状と第２シールリップのリップ先端の形状が、
第１シールリップが前記一方の部材表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される前記液体による膜の厚みが、第２シールリップが前記一方の部材表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される前記液体による膜の厚みよりも薄くなるように構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１シールリップのリップ先端の形状と第２シールリップのリップ先端の形状を上記のように構成したことにより、液体が第１密封領域側に吸い込まれる吸い込み現象が発生する。これにより、第２密封領域への液体漏れをより確実に防止することができる。そして、第１シールリップのリップ先端と一方の部材表面との間、及び第２シールリップのリップ先端と一方の部材表面との間には液体による膜が形成されるので、気体が第１密封領域に漏れてしまうこともない。

第１シールリップのリップ先端は角張った形状であるのに対して、第２シールリップのリップ先端は丸みを帯びた形状であるとよい。

このようにすることで、第１シールリップが前記一方の部材表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される前記液体による膜の厚みが、第２シールリップが前記一方の部材表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される前記液体による膜の厚みよりも薄くなるようにすることができる。

第１シールリップにおける第２密封領域側の傾斜面と第２シールリップにおける第１密封領域側の傾斜面には、いずれも複数の環状突起が設けられており、
これらの環状突起は、第１密封領域側も第２密封領域側も傾斜面によって構成されており、かつ、これらの環状突起が前記一方の部材表面に対して摺動した状態で該一方の部材表面に対する第１密封領域側の傾斜面の傾斜角度が第２密封領域側の傾斜面の傾斜角度よりも大きくなるように構成されているとよい。

このようにすれば、第１シールリップと第２シールリップのいずれにおいても、液体を第１密封領域側に移動させるように作用するため、第２密封領域への液体漏れをより一層確実に防止することができる。

また、本発明の油圧シリンダは、
軸孔を有するシリンダと、
前記軸孔内に挿入されるピストンと、を備える油圧シリンダにおいて、
前記シリンダ内には、油が密封された第１密封領域と窒素ガスが密封された第２密封領域が形成されており、
前記軸孔の内周表面と前記ピストンの外周表面の間の環状隙間に対して、第１密封領域側に第１シールリップが設けられ、第２密封領域側に第２シールリップが設けられるように、上記の密封装置が配置されることを特徴とする。

なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。

以上説明したように、本発明によれば、液体が密封された第１密封領域への気体漏れを防止すると共に気体が密封された第２密封領域への液体漏れを、より確実に防止することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１〜図６を参照して、本発明の実施例に係る密封装置及び油圧シリンダについて説明する。

＜油圧シリンダ＞
図１を参照して、本発明の実施例に係る油圧シリンダの構成について説明する。なお、ここでは、一例として油圧シリンダがブレーカーに適用された場合を例にして説明する。図１は本発明の実施例に係る油圧シリンダが適用されたブレーカーの模式的断面図である。

ブレーカー３０は、軸孔を有する筒状のシリンダ３１と、このシリンダ３１の軸孔内に、軸孔の内周面に対してクリアランスを有するように挿入されるピストン３２とを備えている。ピストン３２の先端には、コンクリートや岩盤を粉砕するためのチゼル（ロッド）３３が設けられている。

そして、シリンダ３１の先端側には筒状のフロントヘッド３４が同軸的に固定されている。このフロントヘッド３４の内側に、チゼル３３が往復移動自在に設けられており、フロントヘッド３４の内部には、チゼル３３からの衝撃を受けるため、スラストリングやスラストブッシュが組み込まれている。また、シリンダ３１の後端側には有底筒状のバックヘッド３５が同軸的に固定されている。このバックヘッド３５には、油圧の取出口やガスの吸気弁が組み込まれており、内部には窒素ガスが充填されている（以下、この窒素ガスが密封されている領域を第２密封領域Ｇと称する）。

また、ブレーカー３０には、ピストン３２の往復移動の制御を行うためのコントロールバルブ３６や、シリンダ３１内に設けられた油圧回路の圧力補償及び脈動防止を行い、内部には高圧の窒素ガスが充填されたアキュムレータ３７も備えられている。

そして、シリンダ３１に設けられた軸孔とピストン３２との間の環状隙間を封止するために、後端側と先端側にそれぞれ第１シーリングシステム１０と第２シーリングシステム２０が設けられている。なお、図１においては、これら第１シーリングシステム１０と第２シーリングシステム２０は簡略的に示している。そして、これら第１シーリングシステム１０と第２シーリングシステム２０の間には、油が封じ込められている（以下、この油が密封されている領域を第１密封領域Ｏと称する）。第１シーリングシステム１０は、この油の漏れを防止するとともに、上述した窒素ガスの漏れを防止する役割を担うものである。また、第２シーリングシステム２０は、油の漏れを防止すると共に、外部からのダストの侵入を防止する役割を担うものである。

以上のように構成されたブレーカー３０においては、油圧とガス圧により、ピストン３
２と共に杭状のチゼル３３を軸方向に高速で往復移動させて、チゼル３３の先端を破壊対象（コンクリートや岩盤など）に打ち付けることで、破壊対象を粉砕することができる。なお、油圧によりガスを圧縮し、ガスの反発力を利用することによって、ピストン３２及びチゼル３３を破壊対象に向けて高速（例えば、１０ｍ／ｓ）で移動させることができる。

＜第１シーリングシステム＞
図２を参照して、第１シーリングシステム１０について説明する。図２は本発明の実施例に係る油圧シリンダの一部拡大断面図（第１シーリングシステムの辺りの拡大断面図）である。

第１シーリングシステム１０は、第１密封領域Ｏ側に備えられる密封ユニット４０と、第２密封領域Ｇ側に備えられる密封装置５０とから構成される。シリンダ３１の軸孔の内周面に、第１環状溝３１ａと第２環状溝３１ｂが形成されている。そして、第１環状溝３１ａに密封ユニット４０が備えられ、第２環状溝３１ｂに密封装置５０が備えられる。

密封ユニット４０は、ピストン３２の外周表面に対して摺動自在に設けられる樹脂製リング４１と、樹脂製リング４１の外周に嵌め込まれるゴム製リング４２とから構成される。ゴム製リング４２は、第１環状溝３１ａの溝底に密着しており、かつ、自己の弾性反発力によって、樹脂製リング４１をピストン３２の外周表面に向かって押圧している。このように構成される密封ユニット４０は、主として、高圧となる油圧を緩衝する機能を発揮する。

密封装置５０は、ゴム状弾性体製のシールリングであって、第１密封領域Ｏから第２密封領域Ｇへの油の漏れと、第２密封領域Ｇから第１密封領域Ｏへの窒素ガスの漏れを同時に防止するためのものである。この密封装置５０について、以下に詳細に説明する。

＜密封装置＞
特に、図３〜図６を参照して、本発明の実施例に係る密封装置５０について詳細に説明する。図３は本発明の実施例に係る密封装置の装着状態を示す模式的断面図である。図４は本発明の実施例に係る密封装置の一部拡大断面図（摺動部分の拡大断面図）である。図５は図４の一部（第１シールリップの摺動部）の拡大図である。図６は図４の一部（第２シールリップの摺動部）の拡大図である。

密封装置５０は、ピストン３２の外周表面に対して摺動する第１シールリップ５１及び第２シールリップ５２と、シリンダ３１の軸孔の内周面に設けられた第２環状溝３１ｂの内壁面に密着する第３シールリップ５３及び第４シールリップ５４とを備えている。このように、密封装置５０は、４つのシールリップを備えており、断面が略Ｘ形状のいわゆるＸリングである。

第１シールリップ５１は第１密封領域Ｏ側に設けられ、第２シールリップ５２は第２密封領域Ｇ側に設けられる。そして、第１シールリップ５１のリップ先端は、角張った形状（エッジ形状（尖った形状））で構成されている。これに対して、第２シールリップ５２のリップ先端は、丸みを帯びた形状（曲面形状（Ｒ形状））で構成されている。

また、図４に示すように、第１シールリップ５１における第２密封領域Ｇ側の傾斜面と第２シールリップ５２における第１密封領域Ｏ側の傾斜面には、それぞれ複数の微小な環状突起５１ａ，５２ａが設けられている。なお、これらの環状突起５１ａ，５２ａは、ピストン３２に対して同心的に設けられている。

これらの環状突起５１ａ，５２ａは、第１密封領域Ｏ側も第２密封領域Ｇ側も傾斜面によって構成されており、かつ、これらの環状突起５１ａ，５２ａがピストン３２の外周表面に対して摺動した状態で該外周表面に対する第１密封領域Ｏ側の傾斜面の傾斜角度が第２密封領域Ｇ側の傾斜面の傾斜角度よりも大きくなるように構成されている。すなわち、図５に示すように、環状突起５１ａにおける第１密封領域Ｏ側の傾斜面の傾斜角度をα１とし、第２密封領域Ｇ側の傾斜面の傾斜角度をβ１とした場合に、α１＞β１となるように構成されている。また、図６に示すように、環状突起５２ａにおける第１密封領域Ｏ側の傾斜面の傾斜角度をα２とし、第２密封領域Ｇ側の傾斜面の傾斜角度をβ２とした場合に、α２＞β２となるように構成されている。なお、本実施例では、α１＝α２，β１＝β２の関係を満たすように設定している。

このように、第１シールリップ５１のリップ先端の摺動部分に設けた複数の環状突起５１ａと、第２シールリップ５２のリップ先端の摺動部分に設けた複数の環状突起５２ａは、いずれも、ピストン３２の外周表面との間で往復移動した際に、密封対象流体が第１密封領域Ｏ側に吸い込まれる吸い込み現象が発生するように構成されている。吸い込み現象が発生する理由については、往復動用の密封装置における密封メカニズムについて背景技術の中で説明した通りである。

＜本実施例の優れた点（密封装置の機能）＞
本実施例に係る密封装置５０においては、第１シールリップ５１がピストン３２の表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される油膜の厚みが、第２シールリップ５２がピストン３２の表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される油膜の厚みよりも薄くなるという特徴がある。

これは、上記の通り、本実施例に係る密封装置５０においては、第１シールリップ５１のリップ先端は角張った形状で構成されるのに対して、第２シールリップ５２のリップ先端は丸みを帯びた形状で構成されたことによるものである。

そのため、密封装置５０がピストン３２に対して第１密封領域Ｏ側に移動（図３中矢印Ｘ方向に移動）した場合に、ピストン３２の表面に密封装置５０によって形成される油膜の厚みの方が、密封装置５０がピストン３２に対して第２密封領域Ｇ側に移動（図３中矢印Ｙ方向に移動）した場合に、ピストン３２の表面に密封装置５０によって形成される油膜の厚みよりも薄くなる。

これにより、油が第１密封領域Ｏ側に吸い込まれる吸い込み現象が発生する。従って、第２密封領域Ｇへの油漏れをより確実に防止することができる。

ここで、第１密封領域Ｏ側に密封対象流体が吸い込まれる吸い込み現象が発生することから、一見、第２密封領域Ｇ側の窒素ガスが第１密封領域Ｏに漏れてしまうようにも思われる。しかしながら、実際上は、第１シールリップ５１のリップ先端とピストン３２の表面は摺動しており、かつ、第２シールリップ５２のリップ先端とピストン３２の表面も摺動しており、これらの摺動部分には油膜が形成される。そのため、窒素ガスが第１密封領域Ｏに漏れてしまうことはない。

また、本実施例においては、第１シールリップ５１のリップ先端の摺動部分には複数の環状突起５１ａが設けられ、第２シールリップ５２のリップ先端の摺動部分には複数の環状突起５２ａが設けられている。従って、突起間にできる隙間に油を保持させることができるので、摺動性を良くすることができる。

そして、これらの環状突起５１ａ，５２ａは、ピストン３２の外周表面との間で往復移
動した際に、密封対象流体が第１密封領域Ｏ側に吸い込まれる吸い込み現象が発生するように構成されている。従って、第１シールリップ５１と第２シールリップ５２のいずれにおいても、油を第１密封領域Ｏ側に移動させるように作用するため、第２密封領域Ｇへの液体漏れをより一層確実に防止することができる。

＜その他＞
上記実施例では、第１シールリップ５１のリップ先端は角張った形状で構成されるのに対して、第２シールリップ５２のリップ先端は丸みを帯びた形状で構成される場合の例を示した。

しかしながら、要は、第１シールリップ５１がピストン３２の表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される油膜の厚みが、第２シールリップ５２がピストン３２の表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される油膜の厚みよりも薄くなるようにすれば良い。

これを実現するために、例えば、第１シールリップ５１のリップ先端と第２シールリップ５２のリップ先端を、いずれも丸みを帯びた形状とし、かつ、曲率半径を第１シールリップ５１の方が小さくなるようにしても良い。この場合、第２シールリップ５２のリップ先端の曲率半径（Ｒ）を、第２環状溝３１ｂのスペースの許す限り大きくすると好適である。

なお、リップの圧縮量（締め代）に違いを持たせることで、油膜の厚みが異なるようにすることも考えられ得る。しかしながら、リップの圧縮量に違いを持たせた場合、リップ先端の面圧（接触圧力）に違いは出るものの、圧力勾配に違いは生じにくいため、油膜の厚みにはあまり差は出ない。従って、リップの圧縮量に違いを持たせることで、上記のように油膜の厚みが異なるようにするのはあまり現実的ではない。

図１は本発明の実施例に係る油圧シリンダが適用されたブレーカーの模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る油圧シリンダの一部拡大断面図である。 図３は本発明の実施例に係る密封装置の装着状態を示す模式的断面図である。 図４は本発明の実施例に係る密封装置の一部拡大断面図である。 図５は図４の一部の拡大図である。 図６は図４の一部の拡大図である。 図７は従来例１に係る密封装置の模式的断面図である。 図８は従来例２に係る密封装置の模式的断面図である。 図９は従来例に係る密封装置におけるリップ先端付近を示す模式的断面図である。

符号の説明

１０ 第１シーリングシステム
２０ 第２シーリングシステム
３０ ブレーカー
３１ シリンダ
３１ａ 第１環状溝
３１ｂ 第２環状溝
３２ ピストン
３３ チゼル
３４ フロントヘッド
３５ バックヘッド
３６ コントロールバルブ
３７ アキュムレータ
４０ 密封ユニット
４１ 樹脂製リング
４２ ゴム製リング
５０ 密封装置
５１ 第１シールリップ
５１ａ 環状突起
５２ 第２シールリップ
５２ａ 環状突起
５３ 第３シールリップ
５４ 第４シールリップ
Ｏ 第１密封領域
Ｇ 第２密封領域

Claims (4)

1. 相対的に往復移動する２部材間の環状隙間に配置される密封装置であって、
   液体が密封された第１密封領域側に設けられ、かつ２部材のうちの一方の部材表面に対して摺動する第１シールリップと、
   気体が密封された第２密封領域側に設けられ、かつ前記一方の部材表面に対して摺動する第２シールリップと、を備え、
   第１密封領域への気体漏れを防止すると共に第２密封領域への液体漏れを防止する密封装置において、
   第１シールリップのリップ先端の形状と第２シールリップのリップ先端の形状が、
   第１シールリップが前記一方の部材表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される前記液体による膜の厚みが、第２シールリップが前記一方の部材表面に対して摺動した際に摺動部分に形成される前記液体による膜の厚みよりも薄くなるように構成されていることを特徴とする密封装置。
2. 第１シールリップのリップ先端は角張った形状であるのに対して、第２シールリップのリップ先端は丸みを帯びた形状であることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
3. 第１シールリップにおける第２密封領域側の傾斜面と第２シールリップにおける第１密封領域側の傾斜面には、いずれも複数の環状突起が設けられており、
   これらの環状突起は、第１密封領域側も第２密封領域側も傾斜面によって構成されており、かつ、これらの環状突起が前記一方の部材表面に対して摺動した状態で該一方の部材表面に対する第１密封領域側の傾斜面の傾斜角度が第２密封領域側の傾斜面の傾斜角度よりも大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の密封装置。
4. 軸孔を有するシリンダと、
   前記軸孔内に挿入されるピストンと、を備える油圧シリンダにおいて、
   前記シリンダ内には、油が密封された第１密封領域と窒素ガスが密封された第２密封領域が形成されており、
   前記軸孔の内周表面と前記ピストンの外周表面の間の環状隙間に対して、第１密封領域側に第１シールリップが設けられ、第２密封領域側に第２シールリップが設けられるように、請求項１，２または３に記載の密封装置が配置されることを特徴とする油圧シリンダ。

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