JP2009216198A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】往復動と回転運動のいずれの用途に対しても優れたシール性を発揮しえる密封装置を提供する。
【解決手段】互いに相対的に回転運動及び軸方向の往復動をする軸と該軸が挿入される軸孔を有するハウジングのうちの一方の部材に設けられた環状溝に装着されて、これら２部材間の隙間を密封する密封装置であって、２部材のうちの他方の部材の表面に対して密封対象流体による潤滑膜を介して摺動接触するシール面１１ｃと、シール面１１ｃにおける他方の部材の表面との接触領域内に密封対象領域側及び反密封対象領域と疎通することなく設けられるとともに、２部材の相対的な回転運動によって生じる密封対象流体の周方向の流れに対向する面を有する凹部１４と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、密封装置に関するものである。

油圧シリンダ等の油圧機器に使用される密封装置としては、図５に示すようなものがある。図５は、油圧シリンダの構成を説明する模式図であって、油圧シリンダの一部を切り欠いて示した斜視図である。リップパッキン１００は、油圧シリンダ２００のロッド２０１用の密封装置として、油圧シリンダ２００の内周摺動部に使用される密封装置である。

このリップパッキン１００は、図６に示すように、内外周面の密封対象領域側Ｏにリップ１０１、１０２を備え、密封対象領域側Ｏの端面にＵ字状の環状の溝（以下、Ｕ溝という）１０３を備えており、油圧シリンダ２００の内周面に形成された環状溝２０２に装着される。図６は、従来技術に係る密封装置１００の模式的断面図である。

リップパッキン１００は、ポリウレタンゴム等のゴム材料からなる環状部材であり、内周リップ１０１がロッド２０１の外周面２０３に摺動接触し、外周リップ１０２が環状溝２０２の溝底面２０４に密着する。

ロッド２０１用の密封装置として用いられるこのようなリップパッキン１００は、油漏れが発生すると、外部への漏れにつながることになるため、高いシール性が要求される。その一方で、ロッド２０１との摺動面が完全なドライ状態になるとリップパッキン１００の内周面側が早期に摩耗を生じてシール性の低下につながるため、ロッド２０１との摺動面には一定の厚さの油膜が必要である。

摺動面に形成される油膜は、密封対象流体である作動油を摺動面に漏らすことで形成されるものである。したがって、摺動面の潤滑性を求めようとすると、多くの密封対象流体を漏らすことになりシール性の低下につながる。逆に、シール性を求めようとすると、油膜を形成するための密封対象流体の漏れ量が減少して潤滑性の低下につながることになる。

この相反する要求（すなわち、漏れを抑制し、かつ潤滑性も確保する）を満足させるために、従来より、図７に示す往復動シールの接触圧力分布に基づいた密封理論を考慮してリップパッキンの形状設計が行われている。図７は、往復動シールの接触圧力分布を示す模式図である。

この密封理論は、往復動シールの摺動接触面の圧力分布が油膜の形成によって影響を受けないという仮定の下に、往復動シールの接触圧力分布から油膜の厚さを求める理論である。

この理論によれば、リップパッキン１００を通過する油膜の厚さは、ロッド２０１が反密封対象領域側Ａに運動する押し行程における油膜の厚さ（出る油膜厚さ）Ｈｐが、数式１で算出され、ロッド２０１が密封対象領域側Ｏに運動する引き行程における油膜の厚さ（戻る油膜厚さ）Ｈｍが、数式２で算出されることがわかっている。ここで、ロッド２０１の往復動の速度をＵ、油の粘度をμで表している。

これによれば、速度Ｕと油の粘度μとが同一であると仮定すると、｜ｄｐ／ｄｘ｜ｍａｘ，Ｐ＞｜ｄｐ／ｄｘ｜ｍａｘ，Ｍであれば、シール性が良いことがわかる。つまり、ロッド２０１の押し行程の際にロッド２０１表面に介在する油膜の厚さよりも、ロッド２０１の引き工程の際にロッド２０１表面に介在する油膜の厚さが厚くなり、油膜の収支の関係で外部への作動油の漏れが抑制される。

一方、近年では、往復動と回転（揺動）運動の両方の動きを伴う機器に対して使用可能なリップパッキンが求められている。機器としては、旋盤等の工作機械などの複雑な動きを伴う機器である。

このような用途に対して従来の往復動用パッキンを使用すると、回転運動時には往復動時の油膜の収支という概念が成立しないため、大気側（反密封対象領域側）に通過した油膜を油圧側（密封対象領域側）に戻すことができず、シール性の低下が懸念される。

また、回転時のシール性向上を優先し、既存技術として知られている「内周面にネジ溝を設ける」（特許文献１参照）ことや、「シール本体の内周面に大気側の端面まで延びる軸方向溝を設ける」（特許文献２参照）ことなどを適用することが考えられるが、これらの技術は、あくまで回転時において効果を発揮するものであり、往復動時にはそれぞれの溝部から大気側に油膜が漏れ出てしまう可能性があり、適用が困難である。

このように、往復動と回転（揺動）運動の両方の動作を伴う用途に対応可能なシールは、いまだ確立されていない状況である。
特開２００３−９０４３９号公報 実開平２−１３６８５８号公報

本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、往復動と回転運動のいずれの用途に対しても優れたシール性を発揮しえる密封装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明における密封装置は、
互いに相対的に回転運動及び軸方向の往復動をする軸と該軸が挿入される軸孔を有するハウジングのうちの一方の部材に設けられた環状溝に装着されて、これら２部材間の隙間を密封する密封装置であって、
前記２部材のうちの他方の部材の表面に対して密封対象流体による潤滑膜を介して摺動接触するシール面と、
前記シール面における前記他方の部材の表面との接触領域内に密封対象領域側及び反密封対象領域と疎通することなく設けられるとともに、前記２部材の相対的な回転運動によ
って生じる密封対象流体の周方向の流れに対向する面を有する凹部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、密封対象流体の周方向の流れに対向する凹部の面によって、２部材の回転運動によって生じる密封対象流体の周方向の流れの一部が軸方向に流れの向きを変えられることになる。これにより、流れの向きが軸方向に変えられた一部の密封対象流体に対しては、往復動用の密封装置において確立された密封理論が成立し、密封対象流体の漏れを効果的に抑制することができる。

また、凹部は、シール面における他方の部材の表面との接触領域内において、密封対象領域及び反密封対象領域と疎通することなく設けられているので、２部材の往復動時において、密封対象流体が凹部を介して反密封対象領域側に漏れ出てしまうことが抑制される。

前記凹部は、前記シール面の前記他方の部材の表面との接触領域における密封対象領域側及び反密封対象領域側の軸方向両端部に達しない範囲で軸方向に延びる軸方向溝であるとよい。

これにより、軸方向溝の両測壁面が、密封対象流体の周方向の流れに対向する面として機能する。

以上説明したように、本発明により、往復動と回転運動のいずれの用途に対しても優れたシール性を発揮することができる。

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４を参照して、本発明の実施例に係る密封装置について説明する。図１は、本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２は、本実施例に係る密封装置の模式的断面図である。図３は、本実施例に係る密封装置の構成について説明する模式図であって、（ａ）は密封装置の模式的断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ断面のうち円で囲った領域の軸方向から見た輪郭、（ｃ）は（ａ）におけるＢ断面のうち円で囲った領域の軸方向から見た輪郭、（ｄ）は（ａ）におけるＣ断面のうち円で囲った領域の軸方向から見た輪郭をそれぞれ示している。図４は、本実施例に係る密封装置の模式的断面図であり、摺動面に生じる密封対象流体の流れについて説明する図である。

図１に示すように、本実施例に係る密封装置１は、軸孔２０を有するハウジング２と該軸孔２０に挿入される軸３との間の環状隙間４を密封する。ここで、ハウジング２と軸３は、互いに相対的に往復動及び回転運動をするように構成されている。

図２に示すように、密封装置１は、いわゆるＵパッキンと呼ばれるリップパッキンであり、断面が概ね矩形状の環状部材であるシール本体１０と、シール本体１０の密封対象領域側（油圧側）Ｏにおける内外周側にそれぞれ設けられた内周リップ１１及び外周リップ１２と、内周リップ１１と外周リップ１２との間で密封対象領域側Ｏに開口するように設けられた断面Ｕ字状の受圧溝（Ｕ溝）１０を備えている。密封装置１の材料としては、ニ
トリルゴムやポリウレタンゴム等を挙げることができる。

図１に示すように、密封装置１は、ハウジング２の軸孔２０の内周面に設けられた環状溝２１に装着され、外周リップ１２が環状溝２１の溝底面２２に密着し、内周リップ１１が軸３の外周面３０に摺動接触することで、環状隙間４において密封対象領域側Ｏと反密封対象領域側（大気側）Ａとの間をシールする。

密封装置１は、リップ部分につぶし代を有している。すなわち、外径寸法が環状溝２１の溝底面２２の径寸法よりも大きく、内径寸法が軸３の外周面３０の径寸法よりも小さくなっている。したがって、密封装置１の装着状態においては、内周リップ１１が軸３の外周面３０によって外径方向につぶされ（拡張され）、外周リップ１２が環状溝２１の溝底面２２によって内径方向につぶされる（圧縮される）。これにより、内周リップ１１が軸３の外周面３０に確実に接触し、外周リップ１２が環状溝２１の溝底面２２に確実に接触し、内外周リップ１１、１２によるシール性が発揮される。

また、内周リップ１１と外周リップ１２との間に設けられたＵ溝１３が、密封対象領域側Ｏから作用する作動油等の密封対象流体の圧力を径方向の分力に変えることにより、内周リップ１１は軸３の外周面３０に、外周リップ１２は環状溝２１の溝底面２２にそれぞれ押し付けられ、それぞれの密着性が高められる。また、密封対象領域側Ｏからの流体圧が加わることで、密封装置１は、ハウジング２及び軸３との接触幅が増加し、最終的には、図１に示すように、内外周リップ１１、１２だけでなくシール本体１０の内外周面の全面が、環状溝２１の溝底面２２及び軸３の外周面３０に密着するシール面となる。

環状溝２１の溝底面２２及び軸３の外周面３０にそれぞれ密着する密封装置１の各シール面には、溝底面２２及び外周面３０との間に、密封対象領域側Ｏから漏れ出た一部の密封対象流体によって潤滑膜（油膜）が形成されている。この潤滑膜により、内周リップ１１及びシール本体１０の内周面は、軸３の外周面との摺動接触による摩耗が抑制されている。

内周リップ１１及び外周リップ１２は、それぞれ径方向に突き出たリップ先端１１ａ、１２ａと、リップ先端の密封対象領域側Ｏにテーパ状に形成された（軸に対して傾斜した）第１傾斜面１１ｂ、１２ｂと、リップ先端の反密封対象領域側Ａにテーパ状に形成された第２傾斜面１１ｃ、１２ｃと、から構成される。

本実施例に係る密封装置１は、内周リップ１１の第２傾斜面１１ｃに凹部としての軸方向溝１４が設けられている。この軸方向溝１４は、第２傾斜面１１ｃにおけるリップ先端１１ａ及びシール本体１０の内周面１０ａとの境目である軸方向両端部に達しない範囲で略軸方向に延びている。すなわち、軸方向溝１４は、リップ先端１１ａ及びシール本体１０の内周面１０ａとの境目において密封対象領域側Ｏ及び反密封対象領域側Ａと疎通しないように設けられている。

図４に示すように、ハウジング２と軸３とが相対的な回転（揺動）運動を生じると、内周リップ１１の第２傾斜面１１ｃと軸３の外周面３０との間に介在する密封対象流体（潤滑膜）は、第２傾斜面１１ｃに対して周方向に向かう流れＦ１が生じる。軸方向溝１４の両測壁面１４ａ、１４ｂは、この密封対象流体の周方向の流れＦ１に対向する面であり、周方向に向かう流れＦ１の一部は、両測壁面１４ａ、１４ｂに当たることで、流れの向きが軸方向に変わる。これにより、ハウジング２と軸３との回転運動時において、軸３との摺動面に介在する密封対象流体の一部に軸方向の流れＦ２が形成されることになる。

本実施例に係る密封装置１は、全体の形状が、従来技術において述べた密封理論、すな
わち、往復動シールの摺動接触面の圧力分布に基づき油膜の厚さが求まる理論が考慮された形状設計となっている。つまり、ハウジング２と軸３との相対的な往復動において、軸３の外周面３０に付着して反密封対象領域側Ａに出ていく潤滑膜の厚さが密封対象領域側Ｏに戻ってくる潤滑膜の厚さよりも小さくなり、反密封対象領域側Ａの密封対象流体が密封対象領域側Ｏにかき戻されるように構成されている。

この密封理論は、接触面の圧力分布が同じであれば、軸３が軸方向に移動していなくても、密封対象流体が軸方向に流れを生じていれば同じように成立するものと考えられる。したがって、ハウジング２と軸３とが相対的に回転運動をしているときであっても、軸方向溝１４によって流れの向きが軸方向の流れＦ２に変換された密封対象流体に対しては、上述の密封理論が成立することになる。これにより、ハウジング２と軸３とが往復動をするときだけでなく回転運動をするときであっても、反密封対象領域側Ａの密封対象流体が密封対象領域側Ｏにかき戻される現象が発生し、密封対象流体の漏れを効果的に抑制することができる。

また、軸方向溝１４は、密封対象領域及び反密封対象領域と疎通しないように設けられているので、ハウジング２と軸３とが往復動をするときに密封対象流体が軸方向溝１４を介して反密封対象領域側に漏れ出てしまうことが抑制される。

したがって、本実施例によれば、ハウジング２と軸３とが相対的な往復動及び回転運動のいずれの運動を行う場合であっても、優れたシール性を発揮することができる。

ここで、本実施例においては、凹部の形状を軸方向に延びる軸方向溝としているが、周方向の密封対象流体の向きに対向する面を有する形状であれば、これに限定されずに他の形状も適宜採用することができる。

また、本実施例においては、凹部を形成する範囲を、シールリップの反密封対象領域側の傾斜面内としていたが、これに限られるものではなく、装着状態において、密封対象領域側及び反密封対象領域側と疎通することがなければ、例えば、軸方向溝１４が延びる範囲をシール本体１０の内周面１０ａまで拡げてもよい。

また、本実施例においては、密封装置１が装着される環状溝をハウジング２の軸孔２０の内周面に設けた構成について説明したが、この構成に限られるものではなく、密封装置１が軸３の外周面３０に設けられた環状溝に装着される構成であってもよい。

本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。 本実施例に係る密封装置の模式的断面図である。 本実施例に係る密封装置の構成について説明する模式図である。 本実施例に係る密封装置の模式的断面図である。 油圧シリンダの構成を説明する模式図である。 従来技術に係る密封装置の模式的断面図である。 往復動シールの接触圧力分布を示す模式図である。

符号の説明

１ 密封装置
１０ シール本体
１１ 内周リップ
１２ 外周リップ
１３ Ｕ溝
１４ 軸方向溝
２ ハウジング
２０ 軸孔
２１ 環状溝
２２ 溝底面
３ 軸
３０ 外周面
４ 環状隙間

Claims (2)

1. 互いに相対的に回転運動及び軸方向の往復動をする軸と該軸が挿入される軸孔を有するハウジングのうちの一方の部材に設けられた環状溝に装着されて、これら２部材間の隙間を密封する密封装置であって、
   前記２部材のうちの他方の部材の表面に対して密封対象流体による潤滑膜を介して摺動接触するシール面と、
   前記シール面における前記他方の部材の表面との接触領域内に密封対象領域側及び反密封対象領域と疎通することなく設けられるとともに、前記２部材の相対的な回転運動によって生じる密封対象流体の周方向の流れに対向する面を有する凹部と、を備えたことを特徴とする密封装置。
2. 前記凹部は、前記シール面の前記他方の部材の表面との接触領域における密封対象領域側及び反密封対象領域側の軸方向両端部に達しない範囲で軸方向に延びる軸方向溝であることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。

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