JP2012047253A - 超高圧の耐圧シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オートフレッジ加工用の増圧シリンダのピストンのシール装置を提供する。
【解決手段】前記ピストンヘッド（１２'）の外周面か、前記シリンダ（１１）の内周面のいずれか一方に設けられた超高圧シール装置であって、該シール装置は、少なくとも、第１シールリング（４５−１）、第１ブロック（４３）、及び、第２シールリング（４５−２）を具備し、前記第１シールリング（４５−１）、及び、前記第２シールリング（４５−２）は、いずれも、円周方向に亘って所定の軸方向深さを有する円環溝（４８）が、ピストンヘッド（１２'）の加圧方向の対向面に設けられたシールリングであり、前記第１ブロック（４３）には、高圧側からの作動油を、第２シールリング（４５−２）の前記円環溝（４８）に連通させる穴（４７）が貫通している超高圧シール装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、超高圧装置のシール装置に関し、特に、オートフレッジ加工用の増圧シリンダのピストンのシール装置に関する。

特許文献１にみられるように、密閉状態で高圧をかけて材料組織に残留応力を残して強度をあげる加工方法（オートフレッテージ加工と称す）が知られている。
すなわち、オートフレッテージ加工では、ワークの内側においては塑性変形させるように、かつ、ワークの外側においては弾性変形させるものの塑性変形させないような高圧力をワーク内部に与えている。これによって、ワークに残留圧縮応力を付与し、ワークの耐圧疲労強度を増強させている。このような加工方法は、ディーゼルコモンレールシステム部品などの耐圧疲労強度が必要とされる部品の、疲労強度増強を目的とした残留圧縮応力付与に利用されている。
これまで、ウォータジェット用高圧シリンダ、高圧プランジャなどの高々３００Ｍｐａ程度の高圧用のピストン、プランジャに使用するシールは知られている。特許文献２などに見られるように、Ｖシールリング（Ｖパッキン）を幾重にも重ねてシールしていたが、８００ＭＰａにも達する超高圧においては、耐久性に乏しく、直ぐに破損してしまい交換頻度が高くなり実用上問題となっていた。

特開２００４−９２５５１号公報 特開２００８−１６４１６２号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、超高圧装置のシール装置に関し、特に、オートフレッジ加工用の増圧シリンダのピストンのシール装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、ピストンヘッド（１２'）の外周面とシリンダ（１１）の内周面との間で、超高圧の作動油の流出をシールするために、前記ピストンヘッド（１２'）の外周面か、前記シリンダ（１１）の内周面のいずれか一方に設けられた超高圧シール装置であって、該シール装置は、少なくとも、第１シールリング（４５−１）、第１ブロック（４３）、及び、第２シールリング（４５−２）を、ピストンヘッド（１２'）の加圧方向前方からこの順に具備し、前記第１シールリング（４５−１）、及び、前記第２シールリング（４５−２）は、いずれも、円周方向に亘って所定の軸方向深さを有する円環溝（４８）が、ピストンヘッド（１２'）の加圧方向の対向面に設けられたシールリングであり、前記第１ブロック（４３）には、高圧側からの作動油を、第２シールリング（４５−２）の前記円環溝（４８）に連通させる穴（４７）が貫通している超高圧シール装置である。

これにより、第１、第２シールリングの円環溝４８に内圧がかかることによって、シール内部から加圧され、リップ部が径方向に弾性変形することにより、シールすることが可能となった。さらに、第１ブロック（４３）の存在により、シールリングを２段以上の多段にして、シールにかかる圧力を順番に下げてシールすることができ、８００ＭＰａにも達する超高圧においても、耐久性を有し、長期間に亘って破損することなく、充分なシールを行うことができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１シールリング（４５−１）、及び、前記第２シールリング（４５−２）の摺接面には、円周方向に微細な複数溝が形成されたラビリンス部が形成されていることを特徴とする。これにより、ラビリンス効果によっても充分なシールを行うことができる。

請求項３の発明は、請求項１、又は、２の発明を、ワーク（１）にオートフレッテージ加工を施す増圧シリンダに使用したものである。この場合に、８００ＭＰａにも達する超高圧においても、耐久性を有して、充分なシールを行うことができる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

高圧下でオートフレッテージ加工を施すワーク１の一例を模式的に示す説明図である。 本発明の一実施形態が使用された増圧シリンダを示す正面図である。 図２のＡ部の詳細図である。 本発明の一実施形態のシールの作動を説明する説明図である。 図２のＢ部の詳細図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態のシール装置に使用されるシールリングの円環溝４８の断面形状の具体例を示している。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１は、高圧下でオートフレッテージ加工を施すワーク１の一例を模式的に示す説明図である。高圧下でオートフレッテージ加工を施すワーク１の一例としては、特にディーゼルコモンレールシステム部品などの、耐圧疲労強度が必要とされる部品が挙げられる。その他、疲労強度増強を目的とした残留圧縮付与が必要とされる部品ならいずれもワークとなりうる。以下の説明では、ワーク１として、コモンレール配管、分岐管、高圧燃料噴射管等にオートフレッジ加工を施す場合を一例としてあげて、本発明の一実施形態を説明する。本発明のシール装置は、オートフレッテージ加工の増圧シリンダに限定されること無く、あらゆる超高圧装置のシールに適用できるものである。

本発明の一実施形態の超高圧装置のシール装置を説明する前に、まず、ワーク１に対するオートフレッジ加工を説明する。
図１において、ワーク１の上端部開口は、上端部封止部材１０により封止され、ワーク１の下端部開口は、下端部封止管１３が連結している。下端部封止管１３の先端部１３’は、円錐形状になっており、ワーク１の下端部開口をシールすることができるようになっている。下端部封止管１３に中心部には、後述する増圧シリンダ１１（単にシリンダともいう）から超高圧に昇圧された作動油２を送り込む連通路１４が設けられている。ワーク１の配管口３は、シールピン５とキャップ４で密閉される。連通路１４を介して、増圧シリンダ１１で超高圧に昇圧された作動油２が送り込まれて、ワーク１の内部ＩＣには、超高圧（多くの場合最大圧８００ＭＰａ程度）の作動油２が充填され、オートフレッテージ加工が施される。

図２は、本発明の一実施形態が使用された増圧シリンダを示す正面図である。図３は、図２のＡ部の詳細図であり、本発明の一実施形態の高圧装置のシール装置の具体的構成の一例を示している。図５は、図２のＢ部の詳細図である。
基台２８には、支持脚３０が四方に４箇所に設けられており、基台２８上には下部フランジ２７が図示しないボルトで基台２８に固定されている。下部フランジ２７とヘッドカバー２５によって、作動シリンダ２３を上下から封止して、内部には作動ピストン２６が装入されている。作動ピストン２６には、上部と下部にウエアリング６１が設けられており、中央に、樹脂性の耐圧シール６２が設けられている。作動油圧は出入口３２、３３から流入・排出される。３５は、フローティング構造であり、作動ピストン２６とピストンロッド１２との芯ずれを防止する。ピストンロッド１２は、ヘッドカバー２５中心部の穴内に設置されたシールを介して、ヘッドカバー２５を貫通している。

ピストンロッド１２の先端部は、増圧シリンダ１１の下端側の加圧ピストンを構成している。下端側の加圧ピストンにおいては、図３に示すように、本発明の一実施形態を構成する超高圧装置のシール装置が設けられている。増圧シリンダ１１の上端側にも、下端部封止管１３の下端部に構成された、上端側のピストンヘッドが挿入されている。上端側のピストンヘッドは、可動しない。上端側のピストンヘッドにおいては、図５に示すようなシール装置が設けられている。上端側のピストンヘッドには、増圧シリンダ１１から超高圧に昇圧された作動油２を送り込む連通路１４が設けられている。

増圧シリンダ１１は、強度アップするために多層の焼きバメ構造として、常に圧縮状態にしておくと良い。３４は油漏れドレーン穴である。増圧シリンダ１１用の作動油の装填は、連通路１４を使用する。下端部封止管１３は、途中適宜連結して、ワーク１の下端部開口をシールする。
作動シリンダ２３、ヘッドカバー２５、増圧シリンダ１１をそれぞれ組み立てた後、下部フランジ２７と上部フランジ２４を、複数本のタイロッド２０を使用してボルト２１、２１’で締め付けている。シリンダ動作確認ロッド３１は、作動ピストン２６の位置を確認するために設けたもので、リミットスイッチなどと連動するものである。

次に、図３を参照して、本発明の一実施形態の高圧装置のシール装置の具体的構成の一例を説明する。図２に示す場合では、ピストンロッド１２の先端部は、増圧シリンダ１１の下端側の加圧ピストンのピストンヘッド１２’を構成し、下端側の加圧ピストンのピストンヘッド１２’においては、本発明の一実施形態の超高圧装置のシール装置が設けられている。この場合に限らず、本発明の一実施形態の高圧装置のシール装置としては、丸棒状のピストンロッド（シール装置なし）に対して、増圧シリンダ１１側に、図３と同様にして超高圧装置のシール装置が設けられていても良い。すなわち、本発明の実施形態の内には、ピストンヘッド１２’の外周面とシリンダ１１の内周面との間で、超高圧の作動油の流出をシールするために、前記ピストンヘッド１２’の外周面か、前記シリンダ１１の内周面のいずれか一方に設けられた超高圧シール装置が含まれる。

以下、図２に示す場合の超高圧装置のシール装置を説明する。
ピストンロッド１２の先端部以外の外径は、増圧シリンダ１１内径とほぼ等しくなっている。これに対して、ピストンロッド１２の先端部であるピストンヘッド１２’は、超高圧装置のシール装置を装備するために所定量縮径されている。図３の場合、超高圧装置のシール装置は、止め輪リング４１、第１シールリング４５−１、第１ブロック４３、第２シールリング４５−２、第２ブロック４６、第３シールリング４４から構成されている。本発明の一実施形態のシール装置は、少なくとも、第１シールリング４５−１、第１ブロック４３、及び、第２シールリング４５−２は、ピストンヘッド１２’の加圧方向前方からこの順に具備する。
第１シールリング４５−１と第２シールリング４５−２は同じ構成のものであって、２個に限らず、２個以上の複数個使用してよい。これらのシールリングやブロックは、ピストンヘッド１２’側に対して、シールリング等の内径側で密着するように圧入で嵌め合わせされている。第１シールリング４５−１、第２シールリング４５−２、第３シールリング４４は、ベリリウム銅、銅、リン青銅などの銅合金を使用する。止め輪リング４１、第１ブロック４３、第２ブロック４６は、合金鋼が使用される。第１シールリング４５−１と第２シールリング４５−２とは、必ずしも全く同じでなくてもよく、寸法、材質、後述の円環溝形状等は適宜変更可能である。

止め輪リング４１は、シールリングやブロックが抜け落ちないようにするためのもので、例えば、２つ割りにして、止め輪リング４１の内径に設けられた突部５５を、ピストンヘッド１２’の先端に設けられた溝５４に挿入される。止め輪リング４１には、軸方向に貫通孔４２が複数円周方向に亘って設けられている。貫通孔４２により超高圧の作動油２が、第１シールリング４５−１に流れるようにしている。第１シールリング４５−１には、円周方向に円環溝４８が設けられている。円環溝４８は軸方向の深さを有している。
第１シールリング４５−１、及び、第２シールリング４５−２は、いずれも、円周方向に亘って所定の軸方向深さを有する円環溝４８が、ピストンヘッド１２’の加圧方向の対向面に設けられた金属製シールリングである。

図６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態のシール装置に使用されるシールリングの円環溝４８の断面形状の具体例を示している。Ｕ字形に限らず、Ｖ字や、円形であってもよい。第１シールリング４５−１の外周面４９、すなわち、摺接面には、円周方向に複数の微細な溝が形成されて、ラビリンス部を形成しても良い。ラビリンス部は、例えば、断面三角や四角の深さ０．１〜０．３ｍｍ程度の溝を、１ｍｍ以下の間隔で設けると良い。

第１ブロック４３は、超高圧の作動油２が、第２シールリング４５−２に流れるようにするためのいわばスペーサーである。第１ブロック４３の外径は、増圧シリンダ１１内径に対して１〜５％程度縮径されており、油溜５０を形成できるようになっている。第１ブロック４３には、径方向の穴４７’と半径方向の穴４７’’（両者合わせて、穴４７という）があけられており、油溜に流れてきた作動油２を、第２シールリング４５−２の円環溝４８に連通させる機能を有している。穴４７は、第１ブロック４３の円周方向に等間隔に数個設けられている。第２ブロック４６には、径方向の穴４７’と半径方向の穴４７’’は無い。

第２ブロック４６の下には、第３シールリング４４が設けられており、第３シールリング４４の下面には、傾斜面４９が形成されている。これは、ピストンロッド１２とピストンヘッド１２’の段差Ｒ部との接触を避けるためと、シールリングやブロックを相互に密着させるためのものである。第３シールリング４４が、第１シールリング４５−１と同じように円環溝４８を有する場合ならば、第２ブロック４６には、穴４７付きの第１ブロック４３が使用される。

図４は、本発明の一実施形態のシールの作動を説明する説明図である。
本発明の一実施形態のシール装置は、８００ＭＰａにも達する超高圧下における作動油の高圧を直接シールに利用したもので、従来技術のようなエラストマ製では耐摩耗性、耐亀裂破壊性に難点が生じたところ、金属製のシールの超高圧下における弾性領域が、特に好適にシール性能を発揮することが初めてわかったものである。なお、金属以外にはエンジニアリングプラスチックも一応適用可能である。

作動油の超高圧Ｐにより、第１シールリング４５−１の一対の環状リップ５７、５８は、ピストンヘッド１２’、又は、シリンダ１１に押し付けられて密着する。これにより、超高圧下における作動油の高圧が直接シールに利用され、超高圧下においてもシールを行うことができるのである。８００ＭＰａにも達する超高圧下における作動油の環境では、第１シールリング４５−１だけでは、充分といえないことがあり、本発明の実施形態においては、シールリングの装着を少なくとも２段にしたことを特徴とするものである。

このために、第１ブロック４３を設置して、超高圧の作動油が、第１ブロック４３の穴４７を通して、第２シールリング４５−２に流れるようにしたものである。作動油の超高圧Ｐにより、第２シールリング４５−２の一対の環状リップも同様に、ピストンヘッド１２’、又は、シリンダ１１に押し付けられて密着し、超高圧下のシールを完全に行うことができるのである。第１ブロック４３の外径が増圧シリンダ１１内径に対して縮径されており、油溜５０を形成できるようになっていることが、第１ブロック４３の穴４７を通して、第２シールリング４５−２に流れる上で重要である。第１ブロック４３の内径側は、はめあいが厳しくなされ、ピストンヘッドが上下動しても、油溜５０の形成を阻害しないようになされている。本発明の一実施形態では、第１シールリング４５−１、第２シールリング４５−２と２段にしたものを説明したが、これに限定されるものではなく、場合により３段、又は、さらに高段にしても良い。
このように、第１、第２シールリングの円環溝４８に内圧がかかることによって、シール内部から加圧され、リップ部が径方向に弾性変形することによりシールが行われる。さらに、シールリングを多段にしたことにより、シールにかかる圧力を順番に下げシールしている。さらに、ラビリンス部を外周面４９に設けているので、ラビリンス効果によってもシールを行うことができ、超高圧においても実用的に使用可能なシール装置を実用化したものである。

図５は、図２のＢ部の詳細図であり、参考のために提示したものである。なお、図２のＢ部は、図２のＡ部の詳細図（上下逆転）と同じにしても良い。下端部封止管１３は、可動せず固定なので、第３シールリング４５−３が１個使用されている。止め輪リング４１’は、シールリングが抜け落ちないようにするためのもので、図２のＡ部の止め輪リング４１と同様に２つ割りにして、止め輪リング４１の内径に設けられた突部を、下端部封止管１３の下部先端に設けられた溝に挿入される。止め輪リング４１’には、軸方向に貫通孔４２’が複数円周方向に亘って設けられている。貫通孔４２’により超高圧の作動油２が、第３シールリング４５−３に流れるようにしている。５１、５２は、断面が台形の銅合金などのパッキンである。

１ ワーク
２ 作動油
３ 配管口
４ キャップ
１０ 上部封止部材
１１ 増圧シリンダ（シリンダ）
１２ ピストンロッド
１２’ ピストンヘッド
１３ 下部封止管
１４ 連通路
４３ 第１ブロック
４５−１ 第１シールリング
４５−２ 第２シールリング

Claims (3)

1. ピストンヘッド（１２'）の外周面とシリンダ（１１）の内周面との間で、超高圧の作動油の流出をシールするために、前記ピストンヘッド（１２'）の外周面か、前記シリンダ（１１）の内周面のいずれか一方に設けられた超高圧シール装置であって、
   該シール装置は、少なくとも、第１シールリング（４５−１）、第１ブロック（４３）、及び、第２シールリング（４５−２）を、ピストンヘッド（１２'）の加圧方向前方からこの順に具備し、
   前記第１シールリング（４５−１）、及び、前記第２シールリング（４５−２）は、いずれも、円周方向に亘って所定の軸方向深さを有する円環溝（４８）が、ピストンヘッド（１２'）の加圧方向の対向面に設けられたシールリングであり、
   前記第１ブロック（４３）には、高圧側からの作動油を、第２シールリング（４５−２）の前記円環溝（４８）に連通させる穴（４７）が貫通している超高圧シール装置。
2. 前記第１シールリング（４５−１）、及び、前記第２シールリング（４５−２）の摺接面には、円周方向に微細な複数溝が形成されたラビリンス部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超高圧シール装置。
3. ワーク（１）にオートフレッテージ加工を施す増圧シリンダに使用された請求項１又は２に記載の超高圧シール装置。

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