JP2010532844A

JP2010532844A - 径方向シールおよび作製方法

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Publication number: JP2010532844A
Application number: JP2010515268A
Authority: JP
Inventors: ハッチ，フレデリック・アール
Original assignee: Federal Mogul LLC
Current assignee: Federal Mogul LLC
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: WO2009009410A3; US20080010827A1; JP5354804B2; EP2162650A2; EP2162650B1; KR20100034738A; US8029714B2; CN101784825B; KR101446988B1; EP2162650A4; WO2009009410A2; CN101784825A

Abstract

径方向シャフトシールアセンブリを製造する方法である。この方法は、金型コア要素上で、環状のポリテトラフルオロエチレンシールの内径をマンドレルの軸から径方向外方に第１の伸長状態に伸長するステップを含む。この方法は、また少なくとも１つの金型要素を有する金型コア要素上で伸長されたポリテトラフルオロエチレンシールの周囲に実質的に閉じられた金型キャビティを規定するステップを含む。この方法は、また伸長されたポリテトラフルオロエチレンシールから間隔をあけて金型キャビティ内に剛性を有するケーシングを配置するステップを含む。この方法は、また液化したゴムエラストマーを金型キャビティ内に導入するステップを含む。この方法は、また熱と圧力の下で、剛性を有するケーシングと、伸長された状態のポリテトラフルオロエチレンシールとが固体のゴムエラストマー部材に結合されるように液化したゴムエラストマーを成型するステップを含む。この方法は、また共に結合したポリテトラフルオロエチレンシールと剛性を有するケーシングとゴムエラストマー部材とを、第１の伸長状態を超えてポリテトラフルオロエチレンシールの内径を伸長することなく、金型コア要素から取り外すステップを含む。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２００５年９月１２日に出願された「径方向シールおよび作製方法」に対する一部継続出願番号１１／２２４，３６２であり、その全てが参照により引用される。

発明の背景
１．発明の分野
この発明は、概して径方向シールに関する。より特定的には、この発明は、エラストマー製のケーシング層に直接結合される、径方向シャフトシールのような改良されたフッ素樹脂製の径方向シールを作製する方法に関する。

２．先行技術の記述
車輌の空調装置の圧縮機、過給機、パワーステアリングポンプ、エンジンクランクシャフトの主回転軸をシールする際に用いられるように設計された径方向シャフトシールは、シールされる流体や気体に面する第１シール要素が天然ゴムや合成ゴムのようなエラストマーとなるように設計された複数のシール要素を使用する。エラストマーは、シャフトに対してシールをもたらすように、一般に十分な可撓性と弾性を有する。２次的に堅固で、低摩擦、かつ化学的に耐性のあるシール要素は、一般に、堅固で耐摩耗性を有するシールと、より弾性を有するエラストマーシール要素の背面側シール端との間に軸方向の間隙が設けられるように、エラストマーシールの後方に並んで配置される。第２のシール要素は、一般に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、ＰＴＦＥの機械的特性、減摩性あるいは他の特性を制御するように、１つあるいはそれ以上の既知の充填材を含む充填材入りＰＴＦＥ材料のようなフッ素樹脂で作製される。

従来一般に、そのようなシール構造の要素は、典型的に、共に組み立てられ、その後圧接工程によりユニット内で共にクランプされる。そのようなプロセスにおいて、ゴム要素およびＰＴＦＥ部品は、シールを形成するように２つの剛性を有するケーシング間で圧接される。ＰＴＦＥ部品も、典型的には、ゴム要素と剛性を有するケーシングの一方との間で圧接される。シール全体を形成するために、結合されるかクランプされた、平坦なＰＴＦＥ製のワッシャあるいは予成形された円錐形状の構造を使用することが当該技術分野で知られている。

剛性を有するケーシング内へのエラストマーとＰＴＦＥ部品との圧接あるいはクランプを用いるのではなく、寧ろＰＴＦＥシール要素と金属ケーシングの双方に対しエラストマー部材を成型することにより、ＰＴＦＥシール要素が固定される金属ケーシングを用いる他の径方向シャフトシールの設計も提案されている。このような設計においては、ＰＴＦＥ要素は、エラストマーシール要素の荷重を支持し制御するための軸受部材としてのみ用いられ、シール機能は専らエラストマーシール要素によりなされる。このようなシール構成の例が、キャザー（Ｃａｔｈｅｒ）に対する米国特許第４，２７４，６４１号に示されている。この構成では、ＰＴＦＥ軸受部材とエラストマーシールリップは、縦一列になって結合され、双方がシャフト表面と接触する。同様に、ジョンストン（Ｊｏｈｎｓｔｏｎ）等に対する米国特許第６，４２８，０１３号に、幾つかのシールデザインが開示され、ここではＰＴＦＥシール要素とエラストマー要素が、その上でシールが影響を受けるシャフト表面と接触する。

流体シールを提供するために、エラストマーシール要素を含まず、ＰＴＦＥシール要素に専ら依存するさらに他のシールデザインも提案されている。このような径方向シャフトシールの１つがブッチャー（Ｂｕｃｈｅｒ）等に対する米国特許第４，６５０，１９６号に記載されている。ブッチャー等においては、ＰＴＦＥ要素が、剛性を有するケーシングに順次結合されるエラストマーケーシングに、その長さ方向の一部にわたって結合されている。同様に、ジョンストン等においては、主要なシール要素としてＰＴＦＥシール要素を含む幾つかのシールデザインが開示されている。

径方向シャフトデザインに関連する技術の１つの制約は、上述のように、ＰＴＦＥシール要素がその全長にわたってシールしないということである。例えばジョンストンのデザインでは、ＰＴＦＥシール要素は、その全長にわたってシャフトと接触しない。このことは、入手可能なＰＴＦＥシール材料の次善の使用に導くＢｕｃｈｅｒ等のＰＴＦＥ部材の場合もそうである。さらに、これらの径方向シールデザインも、ＰＴＦＥの限定された接触面積のために、シャフトあるいは他のシール表面に対しＰＴＦＥシール要素自体によるか、あるいはシャフトあるいは他のシール表面に対するエラストマーケーシングとＰＴＦＥシール要素との組合せによる他のものによって与えられるシール圧力の限定された制御をもたらす。上記の限定に加え、関連技術の径方向シャフトシールデザインは、シールされるシャフトあるいは他の部材上へのシールの装着に関して既知の制約もある。ＰＴＦＥリップが主要なシールリップとなる既知のデザインの多くは、シールされた領域の流体側、通例ではオイル側に面する径方向シールリップの自由端を有する。これらの構成は、円形のシャフト等の上に装着するのが困難であると知られており、特別な固定具や装着具の使用や、特別な組立時の注意あるいはＰＴＦＥ材料の表面を傷つけたり他のダメージを与えてシールの機能を破壊するのを回避するようにシャフト上でそのようなシールを組付ける方法が必要である。ＰＴＦＥのようなフッ素樹脂シール材料は、それらのシール性能を低下させるシール表面への傷や他の表面損傷の影響を非常に受けやすいことが知られている。シールの装着性能を向上し、装着の際の損傷、逆方向の屈曲や湾曲のし易さの程度を低減するために、ジョンストン等のように、シール要素の自由端が取付時にオイル側から離れた側に向くＰＴＦＥシール要素の反対側の構成が提案されている。しかし、そのようなシール構成には、上述のように他の制約が課されるものと考えられる。

発明の概要
要約すれば、本発明は、径方向シャフトシールアセンブリを製造する方法である。この方法は、金型コア要素上で、環状のポリテトラフルオロエチレンシールの内径をマンドレルの軸から径方向外方に第１の伸長状態に伸長するステップを含む。この方法は、また少なくとも１つの金型要素を有する金型コア要素上で伸長されたポリテトラフルオロエチレンシールの周囲に実質的に閉じられた金型キャビティを規定するステップを含む。この方法は、また伸長されたポリテトラフルオロエチレンシールから間隔をあけて金型キャビティ内に剛性を有するケーシングを配置するステップを含む。この方法は、また液化したゴムエラストマーを金型キャビティ内に導入するステップを含む。この方法は、また熱と圧力の下で、剛性を有するケーシングと、伸長された状態のポリテトラフルオロエチレンシールとが固体のゴムエラストマー部材に結合されるように液化したゴムエラストマーを成型するステップを含む。この方法は、また共に結合したポリテトラフルオロエチレンシールと剛性を有するケーシングとゴムエラストマー部材とを、第１の伸長状態を超えてポリテトラフルオロエチレンシールの内径を伸長することなく、金型コア要素から取り外すステップを含む。

本発明は、後述する詳細な説明の記載や添付の図面と関連付けて考慮することでより明確となるであろう。

本発明の第１の例示的な実施の形態によるシール予成形品を伸長するための装置の分解断面図である。複数の金型要素で構成された金型構造の断面図である。金型構造によって規定される金型キャビティに着目した図２の拡大図である。本発明の第２の例示的な実施の形態による金型構造の断面図である。

例示的な実施の形態の詳細な説明
本発明の複数の異なる実施の形態が本願の図面に示されている。類似の構成が本発明の様々な実施の形態において示されている。類似の構成には、共通の参照番号が付され、アルファベットの記号表示で区別されている。また、整合性を高めるため、全ての実施の形態に示されていない特徴であっても、特定の図面における構成は、同じアルファベットの記号表示を共有している。図面あるいはこの明細書に他の記載がなければ、類似の構成は類似の態様で構成され、同様に動作し、および／または同様の機能を有する。さらに、１つの実施の形態の特定の構成は、図面あるいはこの明細書に他の記載がない限り、別の実施の形態における対応の構成と置換することができる。

図１は、径方向シャフトシールを作製あるいは製造するための装置３００の一部を示す。装置３００は、径方向シールの予成形品７２を伸長させることができ、押圧部７８とマンドレル６４とを含む。マンドレル６４は、長手方向軸６７に沿って延び、最大径端部７３で終端する切頭部６５を含む。マンドレル６４は、円筒形である金型コア要素９８と一体的に形成されている。

図１は、予成形品７２の状態の環状のポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）をも示す。予成形品あるいはワッシャ７２は、内径あるいは内表面６２と、外径あるいは外表面７４とを有する。平坦なフッ素樹脂ワッシャ７２は、マンドレル６４の上端部７６上に配置される。マンドレル６４の上端部７６の径は、フッ素樹脂ワッシャ７２の内径６２よりも小さい。

伸長可能な押圧部あるいは装着具７８は、複数の分離した伸長可能な指部８０のような伸長可能な下部を有するプランジャ形式のものである。伸長可能な指部８０は、それぞれ装着具として平坦なワッシャ７２と係合するように使用され、矢印８４で示される方向に移動して平坦なワッシャ７２およびマンドレル６４と接触する接触面８２を有する。マンドレル６４の切頭部６５のテーパ状の外側表面８６に沿って伸長可能な押圧部あるいは装着具７８の指部８０が移動するので、伸長可能な指部８０の接触面８２は、フッ素樹脂ワッシャ７２の上面８８と係合し、マンドレル６４の外側表面８６を押し込む。マンドレル６４は、１つあるいはそれ以上のテーパ部を有してもよく、要素９８の外側表面８７の径がフッ素樹脂ワッシャ７２の内径よりも大きくなるように構成される。表面８７のテーパは、予成形品７２を予加圧するために、直線状の外形、回旋状の外形、伸開線状の外形、あるいは他の適したテーパ状の外形とすることができる。

予成形品７２の大きさは、マンドレル６４や要素９８の大きさとともに、フッ素樹脂シール予成形品７２上での伸び量や、予加圧されたフッ素樹脂シール３２（図２に示される）に与えられる予加圧量を決定する。ワッシャ７２とマンドレル６４は、マンドレル６４の外側表面８７の径がフッ素樹脂シール予成形品７２の外径よりも大きくなるように選択されてもよい。したがって、ワッシャ７２は内径６２と外径７４との双方上で予加圧される。

ここで図１と図２を参照して、ワッシャ７２は、マンドレル６４に対してプランジャ７８を下降させることによってマンドレル６４の外側表面８７をずり落ちる。その結果、ワッシャ７２は、塑性的に引き伸ばされ、シール３２となる。シール３２は、少なくとも第１の端部９０で、予加圧された状態となるであろう。予成形品７２の内径６２は、予加圧されたシール３２の端部９０に対応する。予加圧されたフッ素樹脂シール３２の長手方向に沿う応力レベルは、フッ素樹脂ワッシャ７２の内径６２近傍のワッシャ７２の一部が外径７４近傍の部分よりも大きく伸長されているため、変化する。外径７４は、マンドレル６４に沿って下方に滑り落ちるにつれて拡張され、それによりフッ素樹脂シール３２の第２の端部９２を予加圧する。

米国特許出願番号１１／２２４，３６２は、要素９８上での予成形品あるいはワッシャ７２の位置決めに関して本願発明の例示的な実施の形態の付加的な詳細を提供する。’３６２出願は、本願発明の例示的な実施の形態に対する教示として、その全が参照により組み込まれる。本願発明に関して、マンドレル上でのシールの他の位置決め方法が実施され得る。

図２は、要素９８上に配置されたシール３２と、予加圧されたシール３２の周囲で規定される金型キャビティ７０を示す。本願発明の例示的な実施の形態では、複数の金型要素１００，１０２，１０４，１０８が要素９８と協働して金型キャビティ７０を規定する。本発明の代替的な実施の形態において、金型キャビティ７０は、５つより少ない金型要素あるいは５つより多い金型要素により規定されてもよい。

ここで図３を参照して、金型キャビティ７０は、矢印１１４で表される方向であって軸６７（図１と図２に示される）に平行な方向に第１の距離だけスリーブ状に延びる第１の部分１１２を含む。第１の部分１１２は、端部７３近傍の第１の端部１１６および第１の端部１１６から離れた第２の端部１１８から延びる。金型キャビティ７０は、軸６７（図１と図２に示される）に対して第１の部分１１２から径方向外方に離れた第２の部分１２０をも含む。第２の部分１２０は、矢印１２２で表される方向であって軸６７に平行な方向に第２の距離だけスリーブ状に延びる。第２の部分１２０は、互いに間隔をあけた第１と第２の端部１２４，１２６間で延在する。動作の際に、ケーシング３０は、第２の部分内に配置され、このため軸６７に関して互いに径方向に離れ第１の端部１２４で互いに連通する２つのサブスリーブ部１３６，１３８に第２の部分１２０を分岐させる。

金型キャビティ７０は、第１と第２の部分１１２，１２０を互いに流体が連通するように両方の第２の端部１１８，１２６間で軸６７に関して径方向に延びる第３の部分１２８と、ケーシング３０が金型キャビティ７０内にある時に本発明の例示的な実施の形態においてサブスリーブ１３６を介して接続された第２の部分１２０をも含む。第３の部分１２８は、軸６７と直交する方向に延びる。図３の断面図は、中子押え１３４を示す。中子押え１３４は、金型キャビティの全断面には存在しない。

第１、第２および第３の部分を配置した結果、金型キャビティの断面は、Ｕ形、Ｊ形、Ｗ形、Ｖ形、Ｈ形、あるいは第１の部分１１２の第１の端部１１６と第２の部分１２０の第１の端部１２４間で延在するにつれてそれ自身の上で概ね向きを変える如何なる他の形状であり得る。

ここで図２と図３を参照して、本発明の例示的な実施の形態では、注入ポート１３０が第２の部分１２０の第１の端部１２４近傍に配置される。その結果、注入ポート１３０は、端部７３および最大の予加圧下にある端部９０から実質的に最大距離だけ離れている。成型時に、ケーシング３０は、シール３２と離れた位置関係で金型キャビティ内に配置され得る。液化したゴムエラストマーが注入ポート１３０を通して方向付けられ、金型キャビティ７０を充填する。液化したゴムエラストマーは、中子押え１３４の周囲を流動することができる。液化したゴムエラストマーは、熱と圧力の下で、剛性を有するケーシング３０と、伸長した状態のポリテトラフルオロエチレンシール３２とが結合されるように固体のゴムエラストマー部材に成型され得る。

図２と’３６２出願の図面とを比較すると、シール３２がマンドレル６４内で規定された環状の切欠き内に配置されないことが明らかとなる。表面１３２は、金型要素１０８によって規定され、端部９０近傍に配置されて成型の際の動きに対しシール３２を支持する。０．０００５−０．００２５の径方向の間隙が端部９０と表面１３２間で規定される。大きな間隙は望ましくない。大きな間隙は、十分な量のＰＴＦＥ材料および／または液化したゴムエラストマーが表面１３２と端部９０との間を通過してバリを形成するのを許容するかもしれない。バリは径方向シールアセンブリのシール端の先端に存在することとなり、したがって切り取ることが必要となるであろう。

成型完了の際に、共に結合された、ポリテトラフルオロエチレンシール３２、剛性を有するケーシング３０およびゴムエラストマー部材（完全な径方向シールアセンブリ）は、第１の伸長状態を超えてポリテトラフルオロエチレンシール３２の内径６２（あるいは端部９０）を伸長することなく、要素９８から取り外される。金型要素１０８と要素９８は、互いに離れる方向に移動され、径方向シールアセンブリは矢印１３６で表される方向に移動され得る。

図４は、本発明の、第２の、代替的な実施の形態を実施するための金型構造を示す。ポリテトラフルオロエチレンシール３２ａと剛性を有するケーシング３０ａは、軸６７ａ上に中心が位置する環状の構成を有する金型キャビティ７０ａ内に配置される。金型キャビティ７０ａは、複数の金型要素９８ａ，１００ａ，１０２ａ，１０４ａ，１０８ａにより規定される。注入ポート１３０ａは、シール３２の端部９０ａから実質的に最大距離だけ離れている。成型時に、液化したゴムエラストマーが注入ポート１３０を通して方向付けられ、金型キャビティ７０を充填する。液化したゴムエラストマーは、熱と圧力の下で、剛性を有するケーシング３０ａと、伸長した状態のポリテトラフルオロエチレンシール３２ａとが結合されるように固体のゴムエラストマー部材に成型され得る。

本発明の第２の例示的な実施の形態では、ポリテトラフルオロエチレンシール３２ａの第１の端部９０ａが、軸６７ａから径方向外方に第１の伸長された径に伸長される。ポリテトラフルオロエチレンシール３２ａの第２の端部９２ａは、軸６７ａから径方向外方に第２の伸長された径に伸長される。本発明の第２の例示的な実施の形態では、第２の伸長された径は、第１の伸長された径よりも大きい。本発明の第１の例示的な実施の形態では、２つの径は同じであった。第２の端部の伸長された径を第１の端部の伸長された径よりも大きくすることが、第２の端部が第１の端部よりも伸長されていることを必ずしも意味するものではない。上述のように、断面図に示される端部（９０，９０ａ，９２，９２ａ）は、環状シールの内径と外径に対応し、各々の端部に対する伸びの程度はそれらの径の伸びである。第１の実施の形態では、シール３２が伸長状態にある時にそれらの径が実質的に等しいので、外径は内径よりも伸長されていない。第２の実施の形態では、外径（端部９２ａで表される）が内径よりも大きいので、内径と外径はより近い伸長状態となる。外側の端部（９２あるいは９２ａ）の伸長された径は、期待される動作環境に鑑み選択され得る。たとえば、環状シール３２の外径が比較的大きな割合で径方向内方に収縮するように付勢されることが望まれる場合、本発明の第２の実施の形態が望ましいかもしれない。他方、環状シール３２の外径が比較的低い割合で径方向内方に収縮するように付勢されることが望まれる場合、本発明の第１の実施の形態が望ましいかもしれない。

上述の教示に鑑み、明らかに本願発明の多くの変形例や変更例が可能であり、添付の請求項の範囲内で、具体的に説明したもの以外のものを実施可能である。また、請求項における参照番号は単に便宜のためのものであり、如何なる態様によっても限定事項として解釈されるものではない。

Claims

径方向シャフトシールアセンブリを製造する方法であって、
金型コア要素上で、環状のポリテトラフルオロエチレンシールの内径をマンドレルの軸から径方向外方に第１の伸長状態に伸長するステップと、
少なくとも１つの金型要素を有する前記金型コア要素上で伸長された前記ポリテトラフルオロエチレンシールの周囲に実質的に閉じられた金型キャビティを規定するステップと、
前記伸長されたポリテトラフルオロエチレンシールから間隔をあけて前記金型キャビティ内に剛性を有するケーシングを配置するステップと、
液化したゴムエラストマーを前記金型キャビティ内に導入するステップと、
熱と圧力の下で、前記剛性を有するケーシングと、前記伸長されたポリテトラフルオロエチレンシールとが固体のゴムエラストマー部材によって互いに結合されるように前記液化したゴムエラストマーを成型するステップと、
共に結合した前記ポリテトラフルオロエチレンシールと前記剛性を有するケーシングと前記ゴムエラストマー部材とを、前記第１の伸長状態を超えて前記ポリテトラフルオロエチレンシールの内径を伸長することなく、前記金型コア要素から取り外すステップとを備えた、径方向シャフトシールアセンブリを製造する方法。
前記導入するステップは、前記ポリテトラフルオロエチレンシールの内径から実質的に最大距離だけ離して前記液化したゴムエラストマーを前記金型キャビティ内に注入するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記伸長するステップは、環状のポリテトラフルオロエチレンシールの内径を前記軸から径方向外方に第１の伸長された径にまで伸長し、環状のポリテトラフルオロエチレンシールの外径を前記軸から径方向外方に第１の伸長された径より大きい第２の伸長された径にまで伸長するものとして更に規定される、請求項１に記載の方法。
請求項１の方法を実施するように機能する装置であって、
軸に沿って延び、切頭部を有し、金型コア要素と一体的に形成され、前記金型コア要素は前記切頭部と該金型コア要素との間で規定される端部を有するマンドレルと、
前記マンドレルの前記切頭部の上方で前記金型コア要素上に環状のシールを押圧して第１の伸長状態に伸長させるように機能する押圧部と、
前記マンドレルの前記切頭部を受入れるように機能する切頭部キャビティと、前記端部近傍に配置可能な環状の表面とを有する第１の金型要素とを備え、
前記第１の金型要素は、伸長されたシールが前記第１の伸長状態を超えて伸長されることなく前記金型コア要素から取外し可能となるように前記マンドレルと移動可能に係合される、装置。
前記金型コア要素および前記第１の金型要素と協働し、前記軸の周囲に延びる環状の金型キャビティを規定するように機能する第２の金型要素をさらに備える、請求項４に記載の装置。
前記金型キャビティは、前記端部近傍の第１の端部と前記第１の端部から離れた第２の端部から前記軸に平行な方向にスリーブ状に第１の距離だけ延びる第１の部分と、
第１と第２の端部間で前記軸に平行な方向にスリーブ状に第２の距離だけ延び、前記第１の部分とは径方向外方に離れた第２の部分と、
双方の前記第２の端部の間で少なくとも部分的に前記軸に垂直な方向に延び、前記第１と第２の部分を互いに流体が連通可能となるようにする第３の部分と、
前記端部から実質的に最大距離だけ離れるように前記第２の部分の前記第１の端部近傍に配置される注入ポートとをさらに備えた、請求項５に記載の装置。