JP2015155739A - シール機構 - Google Patents

Abstract

【課題】シールリップを有すると共に極低温で用いられるシール機構において、極低温であってもシールリップの軸とシャフトの軸とを一致させることで良好なシールを行う。【解決手段】シャフトに対して同軸配置されると共にシャフトの周面に当接する環状かつ樹脂製のシールリップを備えるシール機構であって、シャフトを囲う金属製のハウジングに設けられると共に、シールリップのシャフトと直接当接する縁部を除く箇所とシャフトとの間にシャフトの周面と離間して配置されるストッパを備え、ストッパは、シールリップの形成材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなり、冷却時に縮径するシールリップと当接することにより、シールリップの軸をシャフトの軸と一致させる。【選択図】図１

Description

本発明は、シール機構に関するものである。

従来から、例えば特許文献１及び特許文献２に示すようなシールリップを用いたシール機構が用いられている。このようなシール機構では、環状のシールリップの内側の縁部がシャフトの周面に当接された状態で配置され、シャフトが回転するときにはシールリップがシャフトに対して摺動した状態でシールを行う。

国際公開第２０１０／０６１６７０号 国際公開第２００６／０６８０４７号

一方、ロケットエンジン用のターボポンプ等では、極低温（例えば、−２００℃程度）となることから、シールリップを用いたシール機構は用いられてこなかった。これは、一般的にシールリップがエラストマ等の極低温において脆くなる材料によって形成されていることによる。ただし、近年の技術の進歩により、極低温においても信頼性の高い樹脂材料が開発されてきており、このような材料からなるシールリップを用いたシール機構を上述のような極低温の環境で使用する装置に取り入れることが今後考えられる。

しかしながら、極低温においても信頼性が高い材料であっても、樹脂材であることから、金属製のシャフトや同様に金属製のハウジングに対して熱膨張係数が大きい。つまり、常温から極低温となったときの収縮率は、樹脂製のシールリップと、金属製のシャフトやハウジングとで大きく異なる。このような場合に、シールリップがシャフトと同軸状態を維持して収縮するには、シールリップが軸周りに均等な力で保持される必要があるが、当然に存在する組み付け誤差等によってシールリップが軸周りに均等な力で保持されている保証はない。このため、常温において、シールリップとシャフトとの芯出しが正確に行われていたとしても、極低温においてシールリップの軸とシャフトの軸とが一致している保証はない。シールリップの軸とシャフトの軸とがずれた場合には、シールリップのシャフトに対する押圧力分布の周方向における偏りが生じ、シャフトの回転抵抗が増加したり、シール性が悪化したりすることになる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、シールリップを有すると共に極低温で用いられるシール機構において、極低温であってもシールリップの軸とシャフトの軸とを一致させることで良好なシールを行うことを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、 シャフトに対して同軸配置されると共に上記シャフトの周面に当接する環状かつ樹脂製のシールリップを備えるシール機構であって、上記シャフトを囲う金属製のハウジングに設けられると共に、上記シールリップの上記シャフトと直接当接する縁部を除く箇所と上記シャフトとの間に上記シャフトの周面と離間して配置されるストッパを備え、上記ストッパが、上記シールリップの形成材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなり、冷却時に縮径する上記シールリップと当接することにより、上記シールリップの軸を上記シャフトの軸と一致させるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ストッパが、上記シャフトの軸を中心として環状に設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記ストッパが、上記ハウジングと同一材料によって形成されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記シールリップが、上記縁部よりも上記シャフトから離間した位置に設けられると共に上記シャフト側に向けられた当接面を有する屈曲部を有し、上記ストッパが、上記屈曲部の上記当接面と上記シャフトとの間に配置されているという構成を採用する。

本発明によれば、シールリップのシャフトと直接当接する縁部を除く箇所とシャフトとの間にシャフトの周面と離間して配置されるストッパを備えている。このようなストッパは、シャフトの周囲に設けられたハウジングに設けられており、冷却時にシールリップに当接する。この結果、シールリップは当該ストッパに支えられた状態で収縮することになり、シールリップの収縮過程における位置を規定することができる。よって、ストッパによって、収縮するシールリップの軸をシャフトの軸と一致させることが可能となる。したがって、本発明によれば、シールリップを有すると共に極低温で用いられるシール機構において、極低温であってもシールリップの軸とシャフトの軸とを一致させることで良好なシールを行うことが可能となる。

（ａ）が本実施形態の第１実施形態のシール機構の概略構成を模式的に示す断面図であり、（ｂ）が本実施形態の第１実施形態のシール機構が備えるシールリップの斜視図である。 （ａ）が常温時の第１実施形態のシール機構の一部を含む模式的な拡大断面図であり、（ｂ）が極低温時の第１実施形態のシール機構の一部を含む模式的な拡大断面図である。 （ａ）が常温時の第２実施形態のシール機構の一部を含む模式的な拡大断面図であり、（ｂ）が極低温時の第２実施形態のシール機構の一部を含む模式的な拡大断面図である。 （ａ）が変形例の常温時の模式的な拡大断面図であり、（ｂ）が変形例の極低温時の模式的な拡大断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るシール機構の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１（ａ）は、本実施形態のシール機構１の概略構成を模式的に示す断面図である。本実施形態のシール機構１は、図１に示すようにシャフトＳと当該シャフトＳを囲うハウジングＨとを有すると共に極低温にて用いられる装置（例えば、ロケットエンジン用ターボポンプ）に組み込まれて用いられる。なお、シャフトＳ及びハウジングＨは、例えば、ニッケル基合金やステンレス鋼によって形成された金属製の部材である。また、図１（ａ）においては、シャフトＳ及びハウジングＨの一部のみを図示している。

このようなシール機構１は、図１（ａ）に示すように、シールリップ２と、取付部品３とを備えている。図１（ｂ）は、シールリップ２の斜視図である。この図に示すように、シールリップ２は、軸Ｌ１を中心とする環状の部材であり、軸Ｌ１と直交方向における略中央部にて屈曲されている。

屈曲された箇所（以下、屈曲箇所２０と称する）の内側に位置する内側部２１は、軸Ｌ１側の縁部２１ａが高圧側（図１（ａ）においてシール機構１の左側）に位置し、屈曲箇所２０側の根元部２１ｂが低圧側（図１（ａ）においてシール機構１の右側）に位置するテーパ形状とされている。つまり、内側部２１は、高圧側に向けて窄むように形状設定されている。このような内側部２１の縁部２１ａは、図１（ａ）に示すようにシャフトＳの周面に対して当接されており、シャフトＳが回転したときにはシャフトＳに対して摺接される。

屈曲箇所２０の外側に位置する外側部２２は、内側部２１の外側に配置された部位であり、軸Ｌ１に対して直交する表裏面を有する薄板状の環状部である。このような外側部２２は、図１（ａ）に示すように、取付部品３とハウジングＨとに狭持される部位であり、ハウジングＨに対して取り付けられる取付部として機能する。

このシールリップ２は、極低温において脆くなり難い樹脂材料によって形成された樹脂製の部材である。例えば、このようなシールリップ２の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等が挙げられる。また、ポリテトラフルオロエチレンをベース材としてポリエーテルエーテルケトンを添加した材料や、ポリエーテルエーテルケトンをベース材としてポリテトラフルオロエチレン（その他フッ素系樹脂でも良い）を添加した材料を用いてシールリップ２を形成することもできる。

上述の材料は、どれも樹脂材料であり、シャフトＳやハウジングＨを形成する金属材料よりも熱膨張係数が高い。このため、シールリップ２は、常温から極低温に冷却されたときには、シャフトＳやハウジングＨよりも大きく収縮する。

このようなシールリップ２は、常温において、軸Ｌ１がシャフトＳの軸ＬＳ（図１（ａ）参照）と重なるように組み付けられる。つまり、シールリップ２は、シャフトＳに対して同軸配置されている。

取付部品３は、シールリップ２をハウジングＨに対して取り付けると共に、冷却時に収縮するシールリップ２の芯出しを行うものであり、ベース部３１と、ストッパ３２とを備えている。

ベース部３１は、シャフトＳの軸ＬＳに沿った方向から見て、シールリップ２の外側部２２と略同一の大きさとされた環状のブロック状の部位である。このベース部３１は、図１（ａ）に示すように、シールリップ２の外側部２２を挟み込むようにしてハウジングＨに対して不図示のボルト等によって固定されている。

ストッパ３２は、ベース部３１よりもシャフトＳの軸ＬＳ側に設けられており、軸ＬＳ側の先端３２ａ（図２参照）がシールリップ２の内側部２１寄りに位置し、根元部３２ｂ（図２参照）が先端３２ａよりもシールリップ２から遠方に位置するテーパ形状とされている。つまり、ストッパ３２は、シールリップ２側に向けて窄むように形状設定されている。このようなストッパ３２は、先端３２ａがシールリップ２の根元部２１ｂとシャフトＳとの間に入り込むように配置されている。

つまり、このようストッパ３２は、シールリップ２の根元部２１ｂ（シャフトＳと直接当接する縁部２１ａを除く箇所）シャフトＳとの間にシャフトＳの周面と離間して配置されており、シャフトＳの軸ＬＳを中心として環状に設けられている。

また、ストッパ３２は、シールリップ２の形成材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなり、本実施形態においては、ハウジングＨと同一の材料から形成されている。つまり、ハウジングＨがニッケル基合金によって形成されている場合いは、ストッパ３２もニッケル基合金によって形成される。なお、ベース部３１もストッパ３２と同一材料によって形成されている。これらのベース部３１とストッパ３２とが一体化されて１つの取付部品３が形成されている。このような取付部品３がハウジングＨに対して固定されることにより、ハウジングＨに対してストッパ３２が設けられている。

このようなストッパ３２は、冷却時に縮径するシールリップ２の根元部２１ｂと当接することによって、シールリップ２の軸Ｌ１がシャフトＳの軸ＬＳと一致するように、シールリップ２の縮径時における変形をガイドする。

図２（ａ）は常温時のシール機構１の一部を含む模式的な拡大断面図であり、図２（ｂ）は極低温時のシール機構１の一部を含む模式的な拡大断面図である。図２（ａ）に示すように、常温時には、ストッパ３２とシールリップ２の根元部２１ｂとの間には隙間が形成されている。これが冷却されて、ハウジングＨ、シャフトＳ及びストッパ３２に対して、シールリップ２が大きく収縮すると、図２（ｂ）に示すように、シールリップ２の根元部２１ｂがストッパ３２に当接する。ここでストッパ３２がシャフトＳの軸ＬＳを中心とする環状形状とされていることから、ストッパ３２によって、シールリップ２の軸Ｌ１がシャフトＳの軸ＬＳと一致するようにシールリップ２の変形がサポートされる。

以上のような本実施形態のシール機構１によれば、シールリップ２の根元部２１ｂ（シャフトＳと直接当接する縁部２１ａを除く箇所）とシャフトＳとの間にシャフトＳの周面と離間して配置されるストッパ３２を備えている。このようなストッパ３２は、シャフトＳの周囲に設けられたハウジングＨに設けられており、冷却時にシールリップ２に当接する。この結果、シールリップ２は当該ストッパ３２に支えられた状態で収縮することになり、シールリップ２の収縮過程における位置を規定することができる。よって、ストッパ３２によって、収縮するシールリップ２の軸Ｌ１をシャフトＳの軸ＬＳと一致させることが可能となる。したがって、本実施形態のシール機構１によれば、極低温であってもシールリップ２の軸Ｌ１とシャフトＳの軸ＬＳとを一致させることで良好なシールを行うことが可能となる。

また、本実施形態のシール機構１においては、ストッパ３２が、シャフトＳの軸ＬＳを中心として環状に設けられている。このため、シールリップ２がどのように収縮した場合であっても、確実にストッパ３２がシールリップ２と当接することができ、より確実にシールリップ２の軸Ｌ１とシャフトＳの軸ＬＳとを一致させることが可能となる。

また、本実施形態のシール機構１においては、ストッパ３２がハウジングＨと同一材料によって形成されている。このため、冷却時にストッパ３２とハウジングＨとが同様に収縮することになり、ハウジングＨに対するストッパ３２の相対的な位置関係が変化しない。よって、冷却時においてもストッパ３２のシャフトＳの軸ＬＳに対する相対的な位置関係が変化することを防止し、より確実にシールリップ２の軸Ｌ１とシャフトＳの軸ＬＳとを一致させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略する。

図３は、本実施形態のシール機構１Ａの一部を含む模式的な拡大断面図である。なお、図３（ａ）は、常温時のシール機構１の一部を含む模式的な拡大断面図であり、図３（ｂ）は極低温時のシール機構１の一部を含む模式的な拡大断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態のシール機構１Ａは、上記第１実施形態において説明したストッパ３２を有していない取付部品３と、屈曲部４１を有するシールリップ４と、ハウジングＨに対して一体的に設けられたストッパ５とを備えている。

シールリップ４は、上記第１実施形態のシールリップ２と同様の環状とされており、内側の縁部４２がシャフトＳの周面に当接するように配置されている。シールリップ４の屈曲部４１は、シャフトＳに当接する縁部４２よりもシャフトＳから離間した位置であるシールリップ４の上端部に設けられており、シャフトＳに向けて配置される当接面４１ａを有している。このようなシールリップ４は、第１実施形態のシールリップ２と同様の材料によって形成されている。

ストッパ５は、ハウジングＨと同一材料から形成されており、屈曲部４１とシャフトＳとの間に配置されている。このストッパ５は、屈曲部４１の当接面４１ａよりも径の小さな環状とされており、図３（ａ）に示すように、外周面が屈曲部４１の当接面４１ａに対向配置されている。このようなストッパ５は、図３（ｂ）に示すように、冷却時に縮径するシールリップ４の当接面４１ａと当接することによって、シールリップ４の軸がシャフトＳの軸と一致するように、シールリップ２の縮径時における変形をガイドする。

このような本実施形態のシール機構１Ａにおいても、上記第１実施形態のシール機構と同様に、ストッパ５によって、収縮するシールリップ４の軸をシャフトＳの軸と一致させることが可能となる。したがって、本実施形態のシール機構１Ａによれば、極低温であってもシールリップ４の軸とシャフトＳの軸とを一致させることで良好なシールを行うことが可能となる。

さらに、本実施形態のシール機構１Ａにおいては、屈曲部４１の当接面４１ａがシャフトＳの半径方向と直交するようにシャフトＳ側に向けられているため、収縮方向の正面からストッパ５をシールリップ４に対して当接させることができる。よって、確実にシールリップ４をガイドすることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

図４は、本発明の変形例を模式的に示す拡大断面図である。図４（ａ）は、常温時の拡大断面図であり、図４（ｂ）は極低温時の拡大断面図である。これらの図に示すように、上記第１実施形態のシール機構１のさらに高圧側に、シール機構１と形状が反転されたシール機構１Ｂを設置するようにしても良い。このような場合には、これらのシール機構１とシール機構１Ａとの間にフラッシングガスを封入してよりシール性の高い構造とすることができる。

１……シール機構、１Ａ……シール機構、１Ｂ……シール機構、２……シールリップ、３……取付部品、４……シールリップ、５……ストッパ、２０……屈曲箇所、２１……内側部、２１ａ……縁部、２１ｂ……根元部、２２……外側部、３１……ベース部、３２……ストッパ、３２ａ……先端、３２ｂ……根元部、４１……屈曲部、４１ａ……当接面、４２……縁部、Ｈ……ハウジング、Ｌ１……軸、ＬＳ……軸、Ｓ……シャフト

Claims (4)

1. シャフトに対して同軸配置されると共に前記シャフトの周面に当接する環状かつ樹脂製のシールリップを備えるシール機構であって、
   前記シャフトを囲う金属製のハウジングに設けられると共に、前記シールリップの前記シャフトと直接当接する縁部を除く箇所と前記シャフトとの間に前記シャフトの周面と離間して配置されるストッパを備え、
   前記ストッパは、前記シールリップの形成材料よりも熱膨張係数が小さい材料からなり、冷却時に縮径する前記シールリップと当接することにより、前記シールリップの軸を前記シャフトの軸と一致させる
   ことを特徴とするシール機構。
2. 前記ストッパは、前記シャフトの軸を中心として環状に設けられていることを特徴とする請求項１記載のシール機構。
3. 前記ストッパが、前記ハウジングと同一材料によって形成されていることを特徴とする請求項１または２記載のシール機構。
4. 前記シールリップが、前記縁部よりも前記シャフトから離間した位置に設けられると共に前記シャフト側に向けられた当接面を有する屈曲部を有し、
   前記ストッパは、前記屈曲部の前記当接面と前記シャフトとの間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のシール機構。

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