JP2011256952A

JP2011256952A - ロッドシール構造

Info

Publication number: JP2011256952A
Application number: JP2010132693A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Unoda; 和史卯ノ田; Atsushi Hosokawa; 敦細川; Yoshio Azuma; 吉夫東
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-22

Abstract

【課題】ロッドの往復作動の繰返しにてロッドと共に密封流体が滲み漏れすることを防ぐロッドシール構造を提供する。
【解決手段】往復作動するロッド３に摺接する弾性シール本体10が、断面が非対称形として、かつ、第１バックアップリング11と第２バックアップリング12にて、挟まれており、弾性シール本体10の内周面22が勾配面25に形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ロッドシール構造に関する。

一般に、油圧シリンダ等に用いられるロッドシールとしては、ＵパッキンやＹパッキンのようなリップタイプのものが広く使用されている。高圧用途向けとしては、耐圧性を考慮してリップを厚くして、図13に示すように、断面Ｌ字形のはみ出し防止用のバックアップリング31と組み合わせている。この図13では、ロッド32に対し、弾性材から成るＵパッキン33のリップ34が摺接して、密封作用をなすが、バックアップリング31の併用によって、上記のはみ出し防止と共に、摺動抵抗を低下させている（特許文献１参照）。

図13（及び参考文献１）に於て、ロッド32が矢印Ｆ方向に引込（短縮）作動する時には、密封空間側35の圧力がＵパッキン33に作用し、リップ34が開脚方向へ変形して、自封効果を発揮できる。しかし、ロッド32が矢印Ｇ方向に伸長作動する時には、密封空間側35が低圧となっているため、自封効果が発揮されにくく、滲み漏れが発生する場合がある。特に低温時には、ゴム製のＵパッキン33が硬くなっているため、リップ34の緊迫力のみでは、シール接触面圧が得難く、滲み漏れが発生しやすい。

低摺動抵抗材質（樹脂）のバックアップリング31の密封空間側端部31ａがリップ34の近くまで延伸した形状では、リップ34がロッド32の外周面を押圧するシール接触面圧が十分得られず、滲み漏れが一層発生しやすい。
また、従来から、図14〜図16に示すようなスクイーズタイプのロッドシール構造40が使用される場合もある（特許文献２参照）。

特開平２−３５２７２号公報特開平６−２３８５５号公報

ところで、図14〜図16に示すロッドシール構造40は、横断面（倒立）Ｔ字型かつ左右対称形の弾性シール本体36を有し、密封空間側35の第１バックアップリング41と、大気側37の第２バックアップリング42は、ラジアル方向寸法Ｈ₄₁，Ｈ₄₂が、シール凹周溝38の深さ寸法Ｈ₃₈よりも十分に小さく、各バックアップリング41，42が、弾性シール本体36の肩部39に乗った形状に、組み合わされて、シール凹周溝38に嵌着されている。
このように、横断面形状に於て、弾性シール本体36自身、及び、バックアップリング41, 42と組み合わされた全体が、対称形状であるので、矢印Ｆ，Ｇにて示すロッド32の往復作動時における油膜（オイルフィルム）による各漏れ量の差は、シール接触面圧の差のみに影響される。従って、図15に示すロッド引込（短縮）時、密封空間側35の圧力が同図（Ｂ）のように、高圧Ｐ_h となり、弾性シール本体36のシール接触面圧が高まって、一旦、ロッド32に付着して大気側37へ移っていた油膜が弾性シール本体36の内周面43を矢印Ｆ方向へ戻りにくく、しかも、図16に示したロッド押出（伸長）時には、密封空間側35の圧力が同図（Ｂ）のように低圧Ｐ_l となり、弾性シール本体36のシール接触面圧が低く、滲み漏れが増加するという問題があった。

そこで、本発明は、上述した従来の問題点を解決して、ロッドの往復作動に伴う密封流体の滲み漏れを防止できるロッドシール構造の提供を目的とする。

そこで、本発明に係るロッドシール構造は、往復作動するロッドに摺接する弾性シール本体と、密封空間側の第１バックアップリングと、大気側の第２バックアップリングとを備えたロッドシール構造に於て；上記第２バックアップリングはシール凹周溝の溝底面から溝開口部にわたって配設され；上記弾性シール本体は、大気側の背面が上記第２バックアップリングに対応すると共に、上記ロッドに摺接する内周面が大気側から密封空間側へしだいに内径寸法が減少する勾配面に、自由状態で形成され、かつ、密封空間側の内径寄りには略矩形状切欠部が形成された横断面非対称形であり；上記第１バックアップリングは上記弾性シール本体の上記切欠部に嵌着されるように構成したものである。
また、上記第２バックアップリングの内周端縁には、密封空間側へ突出した横断面小三角形状の突条部を有し、上記弾性シール本体の大気側内周アール部又は大気側内周傾斜面部を、上記突条部にて受持するように構成した。
また、上記弾性シール本体は、上記シール凹周溝の溝底面に対応する外周面に、窪みを凹設してなる。

本発明に係るロッドシール構造によれば、ロッドの往復作動時の密封流体の滲み漏れを防ぐことができる。

本発明に係るロッドシール構造が適用される具体例とその作用を説明するための簡略図である。本発明の実施の一形態の自由状態を示す断面図である。使用状態の断面形状と面圧分布を示す説明図である。他の実施の形態の自由状態を示す断面図である。使用状態の断面形状と面圧分布を示す説明図である。断面形状説明図である。断面形状説明図である。断面形状説明図である。断面形状説明図である。断面形状説明図である。断面形状説明図である。シール凹周溝に嵌着された状態を示した断面図である。一の従来例を示す断面図である。他の従来例の自由状態説明図である。ロッド引込時を説明する図である。ロッド押出時を説明する図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
本発明に係るロッドシール構造１は、例えば、図１に示すような油圧シリンダ２のロッド３と、シリンダチューブ４側のシリンダヘッド５の孔部５Ａとの円筒状間隙部を密封するものであり、シリンダチューブ４内のピストン６によって、矢印Ｆ，Ｇのようにロッド３が往復作動する。

図１〜図12に於て、このロッドシール構造１は、上記ロッド３（の外周面に）摺接する弾性シール本体10と、密封空間側35の第１バックアップリング11と、大気側37の第２バックアップリング12とを、具備する。
上記密封空間側35とは、図１に示したシリンダチューブ４内に於て、ピストン６によって区画されたロッド空間７が相当し、大気側37とは、シリンダチューブ４の外側が相当している。

弾性シール本体10は、エチレンプロピレン系ゴム、フッ素系ゴム、ニトリル系ゴム等のゴム製であって、例えば、航空機用としては低温性に優れたショアＡ硬度80以上のものが好ましい。また、第１・第２バックアップリング11，12は、ＰＴＦＥ等のフッ素樹脂、ポリアセタール，ポリアミド，ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチック、超高分子量ポリエチレン等の合成樹脂が使用できる。具体的には、第１バックアップリング11としては、純ＰＴＦＥとし、第２バックアップリング12としては、充填剤入りＰＴＦＥが好ましい。
第２バックアップリング12は、横断面矩形のシール凹周溝８の溝底面９から溝開口部13にわたって配設され、横断面略Ｉ字型ではあるが、その内周端縁14には、密封空間側35へ突出した横断面小三角形状の突条部15を有する。

具体的には、この突条部15の一辺は、前記内周端縁14と同一内径寸法をもって、連続状に形成され、他辺は、図３又は図５に２点鎖線にて示すように、ロッド３の軸心（孔部５Ａの軸心）と直交する平面上に在り、残りの斜辺はラジアル外方向を向くように傾斜した傾斜押圧面16として、（後述するように）弾性シール本体10の大気側内周角（アール）部を押圧保持（受持）する。また、第２バックアップリング12は、シール凹周溝８の大気側37の溝側面17に当接している。

そして、弾性シール本体10は、大気側37の背面18が、第２バックアップリング12に対応（当接）して、受持される。具体的には、図６に示す如く、自由状態下において、この弾性シール本体10の背面18は、軸心直交平面部18Ａと（大気側内周）アール部18Ｂとから成り、又は、図６（Ｂ）に２点鎖線にて示すように、背面18が、軸心直交平面部18Ａと大気側内周傾斜面部18Ｃとから成る。
弾性シール本体10のこのような形状の背面18が、大気側37から、第２バックアップリング12によって、受持される。特に、第２バックアップリング12の傾斜押圧面16が、弾性シール本体10の上記大気側内周アール部18Ｂ又は大気側内周傾斜面部18Ｃを、受持する。つまり、突条部15が、その傾斜押圧面16によって、弾性シール本体10のアール部18Ｂ又は傾斜面部18Ｃを押圧状として受持する。

次に、弾性シール本体10の断面形状について、さらに説明する。この弾性シール本体10は、シール凹周溝８に嵌着されると、その溝底面９に対応（接触）する外周面19は、図２，図３，図６（Ａ），図９，図12に示す如く、ストレート状、又は、図４，図６（Ｂ）に示す如く、小さな窪み（小凹窪部）20が軸心方向中間部に凹設されて、残部がストレート状の横断面形状とする。
小さなアール状又は面取り状の角部21を介して、上記外周面19と、前述の背面18の軸心直交平面部18Ａが連続し、さらに、アール部18Ｂ又は傾斜面部18Ｃに連続する内周面22は、使用状態下でロッド３に摺接自在に接触して弾性変形するが（図３，図５参照）、自由状態では、大気側37から密封空間側35へしだいに内径寸法Ｄ₂₂が減少する勾配面25に形成されている。

この勾配面25は、横断面形状が傾斜状ストレートである場合と、大きな曲率半径のアール線状である場合、及び、それらの組み合わせの場合と、折れ線状の場合と、相違する複数のアール線状を組み合わせた場合等を、選択自由である。
そして、上記勾配面25の密封空間側35の端部の角部23から、軸心直交面26を連続状として、略矩形状切欠部24が形成されている。つまり、弾性シール本体10は、密封空間側35の内径寄りに、略矩形状切欠部24が形成されている。
このように、弾性シール本体10は、本発明では、横断面非対称形であり、従来例の図14等とは相違している。

そして、第１バックアップリング11は、弾性シール本体10の上記切欠部24に嵌着（内嵌）される。この第１バックアップリング11の横断面形状は、Ｄ字形であり、密封空間側35はストレートの一辺27を有し、大気側37の他辺28は、短ストレート状として、外径側角部と内径側角部をアール面取りしたアール部29，30に連続している。特に、外径側アール部29の曲率半径Ｒ₂₉を十分に大きく設定するのが好ましい。これに対応する切欠部24の隅アール部24Ａの曲率半径Ｒ₂₄も同等に設定し、応力集中による亀裂を防止するのが望ましい。

ここで、弾性シール本体10，第１バックアップリング11，第２バックアップリング12，シール凹周溝８等の形状と寸法に関して、説明すると、弾性シール本体10は自由状態の横断面形状に於て、勾配面25の勾配角度θ₁ を０°〜45°に設定する。角部23寄りを仮に０°とすれば、そこからなだらかに弯曲させて勾配面25の勾配角度θ₁ を、角部23から大気側37にしだいに増大させるように形成する。また、切欠部24の隅アール部24Ａの曲率半径Ｒ₂₄は、切欠部24の幅寸法Ｗ₂₄の25％〜50％とする。Ｒ₂₉も同様であって、0.25・Ｗ₂₄≦Ｒ₂₉≦0.50・Ｗ₂₄とする。また、全体幅寸法Ｗ₁₀と切欠部幅寸法Ｗ₂₄との関係は約（３：１）とする。
また、弾性シール本体10の全体高さ寸法（全体ラジアル方向寸法）Ｔ₁₀と、切欠部24のラジアル方向寸法Ｔ₂₄との関係は、約（３：２）とする。従って、軸心直交面26から密封空間側35へ突出状の小矩形状の突出部45の厚さ寸法Ｔ₄₅と上記全体高さ寸法Ｔ₁₀との関係は、Ｔ₄₅≒（１／３）・Ｔ₁₀となる。

次に、第２バックアップリング12について説明すると、突条部15の傾斜角度θ₁₅は、０°〜45°に設定する。好ましくは、10°〜40°である。なお、θ₁₅＝０°とは、突条部15を省略しても良いことを示している（従来公知のバックアップリングとしても良い）。

次に、図８と図11に示した第１バックアップリング11の幅寸法Ｗ₁₁と、図６と図９に示した弾性シール本体10の切欠部24の幅寸法Ｗ₂₄との間には、次式のような関係が成立している。
Ｗ₁₁≒Ｗ₂₄かつＷ₁₁≦Ｗ₂₄
そして、アール部29の曲率半径Ｒ₂₉と、切欠部24の曲率半径Ｒ₂₄との間には、Ｒ₂₉≒Ｒ₂₄の関係式が成立する。
なお、図10と図11に示すように、第２バックアップリング12と第１バックアップリング11に、バイアスカット46を形成して、一体型の凹周溝８への嵌装を可能とする。

次に、本発明に係るロッドシール構造１の作用について述べる。弾性シール本体10の内周面22が、図２，図４，図６に示す勾配面25を有する傾斜丘陵型の自由状態から、図３，図５に示すようにロッド３の外周面に圧接して、ロッド３の往復作動に伴って摺接する“スクイーズ”タイプであるので、ゴム弾性反力が作用して、図１の矢印Ｇにて示す方向への作動時（ロッド押出時）における密封空間側35の低圧Ｐ_l 時（図16（Ｂ）参照）においても、一定の密封効果が得られ、滲み出しにくい。このことは、低温状態において顕著であり、従来の図13に示したようなリップ34の反力（緊迫力）のみでシールするＵパッキンよりも、材料の弾性反力が得やすく、低温時のシール性能が優れる。

弾性シール本体10がロッド３に摺接する内周面22が勾配面25であり、かつ、全体に非対称形の横断面形状であることによって、図３と図５の面圧分布グラフ図に示す如く、密封空間側35の面圧Ｐが高く、大気側37が低いような、頂点Ｐ_maxが密封空間側35へ偏在する面圧分布となる。

図１に於ける矢印Ｇ方向へのロッド押出時には、急激に面圧Ｐが増加してピーク（頂点）Ｐ_maxに達するので、油が通過しにくく、オイルフィルム（油膜）としてロッド３と共に大気側37へ漏れない。このように滲み漏れが（従来の図16に比較して）著しく減少する。
図１に於ける矢印Ｆ方向へのロッド引込時には、緩やかに面圧Ｐが増加してピーク（頂点）Ｐ_maxを越すことで、大気側からロッド３と共に矢印Ｆ方向へ移動するオイルフィルム（油膜）は、スムースに（切れることなく）密封空間側へ戻る。このようにして、ロッド３の矢印Ｇ，Ｆ方向への往復作動に伴う流体の滲み漏れが改善できる。
なお、弾性シール本体10の潰し代は、全体高さ寸法（全体ラジアル方向寸法）Ｔ₁₀の８％〜25％とするのが好ましい。

そして、本発明に於ては、第１バックアップリング11及び第２バックアップリング12をもって弾性シール本体10を挟持する構成としたので、弾性シール本体10のゴム材のはみ出しが確実に防止され、かつ、低摺動性を持たせ得る。

また、図14〜図16に示した従来のロッドシール構造40では弾性シール本体36がＴリングであって、第１・第２バックアップリング41，42が肩部39に乗るように内径側に入り込む構造となっているため、流体圧（高圧）Ｐ_h が作用した際、バックアップリング42の角部と弾性シール本体36の隅部36Ａが強く干渉して、亀裂を生ずる虞があった。特に、高圧であるほど亀裂（割れ）が発生しやすい。これに対し、本発明のロッドシール構造１に於ては、第２バックアップリング12がシール凹周溝８の溝側面17の全体に当接する高さ寸法であるので、高圧の場合にも従来の上記亀裂（割れ）を発生しない。なお、第１バックアップリング11に関しては、突出部45に乗っている構造ではあるが、この第１バックアップリング11と弾性シール本体10との接触力（圧接力）は比較的低く、隅アール部24Ａからの亀裂（割れ）の心配が殆んどない。

第２バックアップリング12は、基本的には突条部15を内周端角部に有し、傾斜押圧面16が、（図２と図４と図６に示すように）弾性シール本体10のアール部18Ｂ又は傾斜面部18Ｃに対応して、相互に密に接触しやすい組合せであって、図３と図５に示すように受圧（高圧）状態で、弾性シール本体10の姿勢を安定させる作用をなす。さらに、突条部15は、弾性シール本体10とロッド３との三角状間隙へ侵入状態となり、楔作用によって油膜掻き取り（滲み漏れ防止）の効果をも発揮する。
また、図４と図５と図６（Ｂ）に示すように外周面19に窪み20を周溝状に設ける（凹設する）ことによって、大気側37の面圧Ｐを低下させて、摺動抵抗を低減を図ると共に、第２バックアップリング12の突条部15による弾性シール本体10の損傷を防止している。

これに対し、図２と図３と図６（Ａ）に示す実施の形態のように、（上述の突条部15を省略して、）外周面19を断面ストレート状とすれば、低温時における潰し反力の絶対値を増加でき、あるいは、高圧用として弾性シール本体10の強度を増加できる。
なお、シール凹周溝８の断面積をＳ₈ とすれば、弾性シール本体10と第１・第２バックアップリング11，12の合計断面積は、0.70・Ｓ₈ 〜0.90・Ｓ₈ とするのが好ましい。

本発明は、上述したように、ロッド３からの滲み漏れを低減できるロッドシール構造であるので、極低温下で使用される高圧シリンダのロッド部位の密封に好適であり、航空機等に使用可能である。

以上のように、本発明は、往復作動するロッド３に摺接する弾性シール本体10と、密封空間側35の第１バックアップリング11と、大気側37の第２バックアップリング12とを備えたロッドシール構造に於て；上記第２バックアップリング12はシール凹周溝８の溝底面９から溝開口部13にわたって配設され；上記弾性シール本体10は、大気側37の背面18が上記第２バックアップリング12に対応すると共に、上記ロッド３に摺接する内周面22が大気側37から密封空間側35へしだいに内径寸法Ｄ₂₂が減少する勾配面25に、自由状態で形成され、かつ、密封空間側35の内径寄りには略矩形状切欠部24が形成された横断面非対称形であり；上記第１バックアップリング11は上記弾性シール本体10の上記切欠部24に嵌着されるように構成されたので、図13〜図16で述べた従来の問題点を悉く解決して、ロッド３の往復作動に伴う密封流体の滲み漏れを著しく低減できる。

また、上記第２バックアップリング12の内周端縁14には、密封空間側35へ突出した横断面小三角形状の突条部15を有し、上記弾性シール本体10の大気側内周アール部18Ｂ又は大気側内周傾斜面部18Ｃを、上記突条部15にて受持するように構成したので、弾性シール本体10のシール凹周溝８内の姿勢を常に安定化できる。かつ、ロッド３の摺動抵抗を低減できる。また、突条部15は、弾性シール本体10の大気側37へのはみ出しを有効防止し、かつ、突条部15の楔効果によって油膜掻き取りを行われて、滲み漏れが一層確実に低減乃至防止できる。

また、上記弾性シール本体10は、上記シール凹周溝８の溝底面９に対応する外周面19に、窪み20を凹設してなるので、（図５の面圧分布グラフ図でも分かるように）大気側37の面圧Ｐを十分に低くすることが可能となり、ロッド摺動抵抗を低減でき、かつ、第２バックアップリング12の突条部15によって弾性シール本体10が部分的に損傷を受けることを防ぐこともできる。

１ロッドシール構造
３ロッド
８シール凹周溝
９溝底面
10 弾性シール本体
11 第１バックアップリング
12 第２バックアップリング
13 溝開口部
14 内周端縁
15 突条部
18 背面
18Ｂアール部
18Ｃ傾斜面部
19 外周面
20 窪み
22 内周面
24 切欠部
25 勾配面
35 密封空間側
37 大気側
Ｄ₂₂ 内径寸法

Claims

往復作動するロッド（３）に摺接する弾性シール本体（10）と、密封空間側（35）の第１バックアップリング（11）と、大気側（37）の第２バックアップリング（12）とを備えたロッドシール構造に於て、
上記第２バックアップリング（12）はシール凹周溝（８）の溝底面（９）から溝開口部（13）にわたって配設され、
上記弾性シール本体（10）は、大気側（37）の背面（18）が上記第２バックアップリング（12）に対応すると共に、上記ロッド（３）に摺接する内周面（22）が大気側（37）から密封空間側（35）へしだいに内径寸法（Ｄ₂₂）が減少する勾配面（25）に、自由状態で形成され、かつ、密封空間側（35）の内径寄りには略矩形状切欠部（24）が形成された横断面非対称形であり、
上記第１バックアップリング（11）は上記弾性シール本体（10）の上記切欠部（24）に嵌着されるように構成されたことを特徴とするロッドシール構造。
上記第２バックアップリング（12）の内周端縁（14）には、密封空間側（35）へ突出した横断面小三角形状の突条部（15）を有し、上記弾性シール本体（10）の大気側内周アール部（18Ｂ）又は大気側内周傾斜面部（18Ｃ）を、上記突条部（15）にて受持するように構成した請求項１記載のロッドシール構造。
上記弾性シール本体（10）は、上記シール凹周溝（８）の溝底面（９）に対応する外周面（19）に、窪み（20）を凹設してなる請求項１又は２記載のロッドシール構造。