JP2008196537A - 密封構造 - Google Patents

Abstract

【課題】低温状態で第１の部材が偏芯を生じ、パッキンを構成する材料が硬化したとしても、シールすべき第２の部材の内周面とリップとの間に間隙が生じるのを防止して、気体の吹き抜けを防止する。
【解決手段】相対移動するピストン４に設けられた環状溝４ａにパッキン１を装着して、環状溝４ａの溝側面４ｂと、内周面５ａとをそれぞれシールしてピストン４とシリンダ５との隙間を密封する。パッキン１を第１および第２のパッキン２，３とから構成する。第１および第２のパッキン２，３の断面形状が接触部に対して対称であり、接触部分を互いの側に向けて凸曲線状とする。第１および第２のパッキン２，３の側壁面４ｃ側に側壁面リップ２ｄ，３ｄと谷部２ｅ，３ｅを設ける。環状溝４ａの側壁の谷部２ｅ，３ｅに対応した部分に複数の開口４ｄを設ける。
【選択図】図４

Description

この発明は、密封構造に関し、特に、ピストンシールなどに用いられる往復動用エアーパッキンおよびその密封構造に適用して好適なものである。

従来のピストンシールなどに使用される往復動用エアーパッキンを図６に示す。図６に示すように、従来の往復動用エアーパッキン（パッキン１００）は、外側に外周リップ１０１、内側に内周リップ１０２を有している。さらに、パッキン１００には、谷部１０３が形成されている。

まず、パッキン１００がピストンシールなどに使用される際には、パッキン１００はピストン１０４の環状溝１０４ａの溝側面１０４ｂが内周リップ１０２によりシールされつつ設けられている。そして、外周リップ１０１がシリンダ１０５の内周面１０５ａに接触してシールする。これにより、パッキン１００によって両側のエアー圧がシールされる。

なお、このパッキン１００は、主に環境温度が約−３０〜１３０℃となる状況下において使用されることから、材料としては、耐摩耗性、耐熱性を重視して水素が添加されたニトリルゴムが使用されることが多い。
実開昭６２−１２８２７７号公報

しかしながら、従来のパッキン１００においては次のような問題があった。すなわち、パッキン１００が往復動用エアーパッキンとして使用される場合には、主に車両部品として使用される。そして、車両は、−３０℃程度の低温状態で使用されたり放置されたりする場合がある。

特に、低温状態で放置された場合には、パッキン１００を構成するゴム材が硬化していることがある。そのため、図７に示すように、作動開始する際にピストン１０４に軸偏芯が生じると、パッキン１００の外周リップ１０１が偏芯の発生に追従できなくなる。

このピストン１０４の偏芯発生によって、外周リップ１０１が追従できなくなると、シリンダ１０５の内周面１０５ａと外周リップ１０１との間に間隙が生じる。これにより、エアー（図７中下方向き）が導入されたとしても、この間隙からエアーが吹き抜けてしまう。そして、このエアーの吹き抜けが生じることにより、ピストン１０４の作動可能圧まで上昇するまでの時間が長くなるという問題が生じる。

そこで、この問題を解決するために、パッキン１００の材料として、低温特性に優れたゴム材を採用することが考えられる。ところが、低温特性に優れたゴム材は、一般に耐熱性および耐摩耗性に劣る。そのため、このようなパッキンのへたりや摩耗の進行が速くなり、寿命が短くなるという問題がある。

そこで、パッキン１００のゴム材を変えずに、ピストン１０４の偏芯量を０近くにまで低減することで、上述したエアーの吹き抜けの問題を解決することも考えられるが、ピストン１０４の偏芯量を０近くにすることは、加工技術上極めて困難である。

したがって、この発明の目的は、互いに相対移動しつつシールを要する第１の部材と第
２の部材とがあり、低温状態において第１の部材に偏芯を生じ、パッキンを構成する材料が硬化したとしても、シールすべき第２の部材の内周面とリップとの間に間隙が生じるのを防止して、気体の吹き抜けを防止することができる密封構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は、
互いに相対移動自在の、第１の部材および第２の部材のうちの第１の部材に設けられた環状溝にパッキンが装着され、
前記パッキンにより前記第１の部材の環状溝の側面と、前記第２の部材の内周面とをそれぞれシールすることによって、前記第１の部材と前記第２の部材との間の環状隙間を密封する密封構造であって、
前記パッキンが、互いに接触する円環状の第１のパッキンと第２のパッキンとからなり、
前記第１のパッキンの円環状を含む面に対して垂直面に沿った断面形状と、前記第２のパッキンの円環状を含む面に対して垂直面に沿った断面形状とが、接触部に対して対称であるとともに、相互の接触部分が互いの側に向けて凸の曲線形状であり、
前記第１のパッキンおよび前記第２のパッキンにおけるそれぞれの前記第１の部材の環状溝の側壁面側に、リップ部および谷部が設けられ、
前記第１の部材の環状溝の側壁の部分で、前記第１のパッキンおよび前記第２のパッキンの谷部に対応した部分に、複数の開口が設けられている
ことを特徴とするものである。

この発明によれば、第１のパッキンと第２のパッキンとの接触部分が円弧状であるとともに、第１の部材における複数の開口が第１および第２のパッキンの谷部に対向した部分に設けられていることにより、第１の部材と第２の部材とが相対移動した場合に、第１および第２のパッキンの谷部に開口を通じて流入する気体による圧力が作用される。そして、相対移動時に第１の部材が偏芯したとしても、この圧力によって、第１のパッキンおよび第２のパッキンのうちの気体が導入される側のパッキンが回動して、パッキンのリップ部により、第２の部材の内周面がシールされるとともに、第１の部材の環状溝の側壁面がシールされる。これによって、気体の吹き抜けを防止することができる。

この発明において、典型的には、相対移動の方向に対して垂直な面に沿った面積に関して、前記第１の部材と前記第２の部材との間隙における面積が、前記複数の開口の合計の面積より小さくなるように、前記複数の開口が形成されている。

これにより、第２の部材とパッキンのリップ部との間の隙間（クリアランス）を通過する気体に比して、複数の開口からパッキンの谷部に流入する気体の量を多くすることができるので、第２の部材とパッキンのリップ部との間に隙間が生じないようにすることができ、気体の吹き抜けをより一層防止することができる。

以上説明したように、この発明によれば、低温状態において第１の部材が偏芯を生じ、パッキンを構成する材料が硬化したとしても、シールすべき第１の部材の内周面とパッキンとの間に間隙が生じるのを防止して、エアーの吹き抜けを防止することができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の一実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、以下の説明において、「断面」とは、円環形状をなすパッキンにおける円環形状を含む仮想面に対して垂直かつ円環の中心を通る仮想面に沿った断面である。

（パッキン）
図１および図２に、この発明の一実施形態によるパッキンを示す。図１および図２に示すように、この一実施形態によるパッキン１は、第１のパッキン２と第２のパッキン３との２つのパッキンから構成されている。また、これらの第１のパッキン２および第２のパッキン３は、それぞれ円環形状を有している。そして、これらの第１のパッキン２と第２のパッキン３との断面形状は、第１のパッキン２と第２のパッキン３との間の円環形状をなす面に対して互いに対称になるように形成されている。すなわち、第１のパッキン２の構成と第２のパッキン３との構成とは互いに同じ構成を有し、互いに、後述する曲面側を密着させることによって、パッキン１が構成される。

以下に、第１のパッキン２および第２のパッキン３の構成について説明する。まず、図１および図２に示すように、第１のパッキン２は、基部２ａから突き出した、円環形状の外周側になる外周リップ２ｂと、円環形状の内周側になる内周リップ２ｃと、内周リップ２ｃ側で図２中上側に突き出した側壁面リップ２ｄとを有して構成されている。

また、外周リップ２ｂと内周リップ２ｃとの間には、谷部２ｅが形成されており、谷部２ｅが設けられた側に、上述した側壁面リップ２ｄが形成されている。この谷部２ｅの先端は、外周リップ２ｂ、内周リップ２ｃおよび側壁面リップ２ｄより基部２ａ側に位置するように形成されている。

また、基部２ａに対して谷部２ｅが設けられた側と反対側には、第１のパッキン２の外側に凸で、断面が円弧形状になる曲面２ｆが設けられている。なお、この一実施形態において、曲面２ｆは、その断面が円弧形状になるように形成されているが、円弧形状以外の曲線であってもよく、滑らかな曲線であれば、曲率が連続的に変化する曲線などのあらゆる曲線形状にすることが可能である。また、外周リップ２ｂ側の上部には、部分的に溝２ｇが形成されている。

また、第２のパッキン３についても同様の構成である。すなわち、第２のパッキン３は、基部３ａ、外周リップ３ｂ、内周リップ３ｃ、側壁面リップ３ｄ、谷部３ｅ、曲面３ｆおよび溝３ｇから構成されている。

また、この一実施形態において、第１のパッキン２および第２のパッキン３の寸法の一例を挙げると、それぞれパッキン厚Ｗが例えば３．５ｍｍ、パッキン幅Ｌが例えば６．１±０．２ｍｍおよび、パッキン径φが例えば６３．７±０．６ｍｍである。なお、これらの数値はあくまで一例であり、第１のパッキン２および第２のパッキン３がこれらの数値に限定されるものではない。

また、この一実施形態によるパッキン１は、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）等の樹脂から構成されている。なお、車両用として使用する場合においては、使用環境温度が−３０〜１２０℃であることから、耐摩耗性の観点から水素化ニトリルゴムの使用が好適である。

（ピストンおよびシリンダ）
次に、上述のように構成されたパッキン１を、シリンダ内のピストンに用いる場合の密封構造について説明する。図３にパッキン１をシリンダ内のピストンに組み付けた状態を示す。なお、この一実施形態においては、ほぼ円柱状の第１の部材としてピストン４を採用するとともに、内周面が円筒状の第２の部材としてシリンダ５を採用する。すなわち、この一実施形態による第１の部材と第２の部材との相対移動は、シリンダ５に嵌合されたピストン４の往復運動である。

図３に示すように、ほぼ円柱状のピストン４には環状溝４ａが形成されており、パッキン１は、この環状溝４ａに組み付けられる。環状溝４ａが設けられていることにより、ピストン４には、パッキン１の組み付け面となる溝側面４ｂと溝側面４ｂに対して側壁となる面（側壁面４ｃ）とが形成されている。

さらに、第１のパッキン２および第２のパッキン３のそれぞれの谷部２ｅ，３ｅに対向したピストン４の側壁面４ｃの部分には、それぞれ、外部からの気体の流入や内部から気体の流出を行うための開口４ｄが形成されている。この開口４ｄは、両側の側壁面４ｃにそれぞれ複数個設けられている。そして、第１のパッキン２の谷部２ｅに対向した部分における複数の開口４ｄの開口面積の合計が、相対移動の方向に対して垂直な面に沿った面積に関して、ピストン４とシリンダ５との間の間隙（クリアランス）Δにおける面積より大きくなるように、開口４ｄの開口面積が決定されている。また、第２のパッキン３の谷部３ｅに対向した部分の複数の開口４ｄにおいても、その開口面積の合計が、相対移動の方向に対して垂直な面に沿った面積に関して、ピストン４とシリンダ５との間のクリアランスΔにおける面積より大きくなるように形成されている。

また、円筒状のシリンダ５の内部に円柱状のピストン４が挿入された通常の状態においては、谷部２ｅ，３ｅがそれぞれ押し縮められるように変形して、シリンダの内周面５ａに、第１のパッキン２の外周リップ２ｂおよび第２のパッキン３の外周リップ３ｂが接触している。これにより、シリンダ５の内周面５ａがシールされている。また、同様に、第１のパッキン２の内周リップ２ｃおよび第２のパッキン３の内周リップ３ｃがピストン４の溝側面４ｂに接触されて、溝側面４ｂがシールされている。

次に、この一実施形態によるピストン４の往復動時におけるパッキン１の挙動について説明する。図４に、このピストン４の往復動時における状態を示し、図５にパッキン１が使用されるエアシリンダの一例を示す。なお、ここでは、例えば、約−３０℃程度の低温時においてピストン４が作動する場合を例に説明する。

（エアシリンダ）
図５に示すように、この一実施形態によるパッキン１が使用されるエアシリンダは、ピストン４にＯリング１７によってシールされてシャフト１１が嵌合され、このピストン４がシリンダ５にその外周面をほぼ密着されるように嵌められている。また、エアーの流入／排出は、ピストン４の可動域の両端側からそれぞれ行われる。また、シャフト１１の周囲には、オイルシール１４が設けられてシールされている。また、エアシリンダにはＯリング１６によってシールされた蓋１５が設けられている。

（往復動時）
そして、このエアシリンダを例としてピストン４の往復動について説明する。すなわち、図４Ａに示すように、例えば約−３０℃程度の低温状態において放置された後、シリンダ５の内部においてピストン４の往復動を開始させようとすると、ピストン４には偏芯が生じる。ここでは、例えば右方向（矢印Ａ）にピストン４の偏芯が生じたとする。

低温下に放置されたパッキン１は硬化しているため、ピストン４の偏芯（矢印Ａの向き）に伴って、外周リップ２ｂ，３ｂが追従できなくなり、シリンダ５の内周面５ａに対するパッキン１のシールが解かれてしまう。これによって、ピストン４とシリンダ５との間のクリアランスΔの部分に気体、例えばエアーが吹き抜けてしまう。

そこで、図４Ｂに示すように、この一実施形態による密封構造においては、クリアランスΔを吹き抜けるエアー流を、第１のピストン４の側壁面４ｃの開口４ｄから流入させる
ようにする。これにより、第１のパッキン２の谷部２ｅにエアーの流入による圧力が作用される。

そして、このエアーの圧力が第１のパッキン２の谷部２ｅに作用されることにより、第１のパッキン２の材料自体が低温で硬化していることも相まって、第１のパッキン２は、図４Ｂ中矢印Ｂの方向に回動される。これは、第１のパッキン２の円弧形状の曲面２ｆが第２のパッキン３の曲面３ｆに沿って当接しつつ回転される運動である。

これに伴って、第１のパッキン２の内周リップ２ｃはピストン４の溝側面４ｂから解離して、シールが解かれるとともに、側壁面リップ２ｄにより開口４ｄに対して溝側面４ｂ側の部分において側壁面４ｃがシールされる。同時に、この回動によって、円環状の第１のパッキン２の全体において、外周リップ２ｂが外側に向かって広がり、外周リップ２ｂがシリンダ５の内周面５ａをシールする。

これによって、エアー流が第１のパッキン２の谷部２ｅと側壁面リップ２ｄとにより遮られるとともに、外周リップ２ｂによってシールされた部分で遮られるため、ピストン４とシリンダ５との間の隙間がシールされて、エアー流などの気体の吹き抜けを防止することができる。したがって、シリンダ５とピストン４とを使用する際に、ピストン４の作動可能圧まで上昇させる時間を短縮することができる。

なお、第２のパッキン３の側についても、上述の第１のパッキン２における動作と同様の動作が行われるので、その説明を省略する。

以上、この発明の一実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の一実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値、材料はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値、材料を用いてもよい。

この発明の一実施形態による第１のパッキンおよび第２のパッキンを示す斜視図である。 この発明の一実施形態による第１のパッキンおよび第２のパッキンを示す半断面図である。 この発明の一実施形態による第１のパッキンおよび第２のパッキンをシリンダ内のピストンに組み付けられた状態を示す半断面図である。 この発明の一実施形態による第１のパッキンおよび第２のパッキンの効果を説明するための半断面図である。 この発明の一実施形態による第１のパッキンおよび第２のパッキンが取り付けられるエアシリンダを示す断面図である。 従来技術によるパッキンを説明するための断面図である。 従来技術によるパッキンの問題点を説明するための断面図である。

符号の説明

１ パッキン
２ 第１のパッキン
３ 第２のパッキン
２ａ，３ａ 基部
２ｂ，３ｂ 外周リップ
２ｃ，３ｃ 内周リップ
２ｄ，３ｄ 側壁面リップ
２ｅ，３ｅ 谷部
２ｆ，３ｆ 曲面
２ｇ，３ｇ 溝
４ ピストン
４ａ 環状溝
４ｂ 溝側面
４ｃ 側壁面
４ｄ 開口
５ シリンダ
５ａ 内周面
１１ シャフト
１４ オイルシール
１５ 蓋
１６，１７ Ｏリング

Claims (2)

1. 互いに相対移動自在の、第１の部材および第２の部材のうちの第１の部材に設けられた環状溝にパッキンが装着され、
   前記パッキンにより前記第１の部材の環状溝の側面と、前記第２の部材の内周面とをそれぞれシールすることによって、前記第１の部材と前記第２の部材との間の環状隙間を密封する密封構造であって、
   前記パッキンが、互いに接触する円環状の第１のパッキンと第２のパッキンとからなり、
   前記第１のパッキンの円環状を含む面に対して垂直面に沿った断面形状と、前記第２のパッキンの円環状を含む面に対して垂直面に沿った断面形状とが、接触部に対して対称であるとともに、相互の接触部分が互いの側に向けて凸の曲線形状であり、
   前記第１のパッキンおよび前記第２のパッキンにおけるそれぞれの前記第１の部材の環状溝の側壁面側に、リップ部および谷部が設けられ、
   前記第１の部材の環状溝の側壁の部分で、前記第１のパッキンおよび前記第２のパッキンの谷部に対応した部分に、複数の開口が設けられている
   ことを特徴とする密封構造。
2. 前記相対移動の方向に対して垂直な面に沿った面積に関して、前記第１の部材と前記第２の部材との間隙の総面積が、前記複数の開口の合計の面積より小さくなるように、前記複数の開口が形成されていることを特徴とする請求項１記載の密封構造。

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