JP2016133188A

JP2016133188A - シール材およびシール機構

Info

Publication number: JP2016133188A
Application number: JP2015009275A
Authority: JP
Inventors: 堅一朗青木; Kenichiro Aoki
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-25
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: JP6470050B2

Abstract

【課題】低い摺動抵抗および高いシール性を兼ね備えると共に、耐久性および熱伝導性に優れたシール材、およびシール機構を提供する【解決手段】構造体２０の孔部２１と、この孔部２１内に挿入されるシャフト３０との間をシールするためのシール材１０であって、前記構造体２０に対するシャフト３０の相対移動時に内周面が前記シャフト３０と摺動する円筒状の形態を有し、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層１１と、この摺動層１１の外周面側に積層され、熱伝導性素材１３を含有した弾性外皮層１２とを備えた積層体から構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、装置等の構造体の孔部と、この孔部内に挿入されるシャフトとの間をシールするためのシール材およびこれを用いたシール機構に関する。

従来、トナー等の粉体を取り扱う画像処理装置の回転シャフトをシールして粉体の漏出を阻止するシール材として、特許文献１には、パイルもしくはファイバーシートを円筒状にし、その外周側を金属支持部材で拘束した円筒状シール部材が開示されている。この円筒状シール部材は、パイルやファイバーでシャフトの周りを適度な圧縮力で押さえ込み、摺動抵抗とシール性のバランスをとっている。

しかしながら、上記円筒状シール部材は、パイルやファイバーの耐久性が低く、さらにパイルやファイバー間に粉体が入るとシール性が低下するため、高負荷で長期間使用する装置には使用できないという問題があった。また、高速回転するシャフトへの圧縮力により摩擦熱が発生し、円筒状シール材およびその近傍に熱が籠もってしまう問題があった。

特開２００８−２６７２８号公報

本発明の課題は、低い摺動抵抗および高いシール性を兼ね備えると共に、耐久性および熱伝導性に優れたシール材、およびシール機構を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
（１）構造体の孔部と、この孔部内に挿入されるシャフトとの間をシールするためのシール材であって、前記構造体に対するシャフトの相対移動時に内周面が前記シャフトと摺動する円筒状の形態を有し、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層と、この摺動層の外周面側に積層され、熱伝導性素材を含有した弾性外皮層とを備えたことを特徴とするシール材。
（２）前記熱伝導性素材が、スチールファイバー、カーボンファイバーまたはカーボンナノチューブである（１）に記載のシール材。
（３）前記弾性外皮層は、エラストマーに熱伝導性素材を混合したものである（１）または（２）に記載のシール材。
（４）前記弾性外皮層は、少なくとも片面にシート状または層状の熱伝導性素材を積層したシート状のエラストマーを前記摺動層の表面に巻き付けたものである（１）または（２）に記載のシール材。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載のシール材が、構造体の孔部におけるシャフト挿入口内またはシャフト挿入口の外周縁に密着して取り付けられていることを特徴とするシール機構。

本発明のシール材は、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層と、熱伝導性素材を含有した弾性外皮層とから構成されるので、低い摺動抵抗および高いシール性を兼ね備えると共に、耐久性および熱伝導性に優れる。

本発明の一実施形態に係るシール材の断面図である。図１に示したシール材を用いたシャフトのシール機構を示す概略断面図である。本発明の他の実施形態に係るシール材の断面図である。放熱試験に用いたシャフトとシール材の説明図である。

図１は、本発明の一実施形態に係るシール材１０を示している。このシール材１０は、同図に示すように円筒状であり、中央部をシャフト３０が挿通し、シャフト３０の周囲に摺動層１１および熱伝導性素材１３が含有された弾性外皮層１２が外周に向かってこの順に積層された積層体である。

シール材１０は、図２に示すように、構造体２０の孔部２１に形成されたシール材収容凹部２２の内周面と、このシール材収容凹部２２内を挿通したシャフト３０の外周面との間に介在し、軸まわりの回転運動、軸方向の往復運動などをするシャフト３０の周りをシールするものである。シャフト３０はシール材収容凹部２２を経て構造体２０の孔部２１内に挿入される。すなわち、シール材収容凹部２２は、孔部２１と連通し、かつ前記孔部２１の径よりも大きい内径を有する。
シール材１０は、シャフト３０の動作時にシール材１０の中央部を貫通した摺動層１１の内周面とシャフト３０の外周面との間に空隙が発生するのを抑制できるように、後述するシャフト３０の形状や大きさに合わせて適宜調整される。

シール材１０の摺動層１１は、図１に示すように、回転するシャフト３０の外周面をシールするものであり、繊維とエラストマーとが一体化されている。これにより、接触するシャフト３０の摺動抵抗が低く、摺動摩擦に対する耐久性に優れるシール材とすることができる。

摺動層１１の径の厚みは、特に限定されず、シール材１０の使用用途などに応じて適宜調整すればよいが、好ましくは図２に示すように、弾性外皮層１２の厚みより小さく、かつシャフト３０が挿入される孔部２１の径の長さ以下であるのがよく、熱伝導性素材を含有する弾性外皮層１２の面積が大きいほど、シャフト３０と摺動層１１との摺動摩擦により発生した摩擦熱を放熱しやすい。

摺動層１１を構成するエラストマーは、主に、繊維の耐久性を向上させるものであり、その材質としては、例えば、天然ゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ハイパロン、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム、塩素化ポリエチレンゴム、ミラブルウレタン、熱硬化性ポリウレタン、熱可塑性ポリウレタンまたは熱可塑性ポリエステルなどのエラストマーが挙げられ、これら一種以上が使用される。また、摺動層１１を構成するエラストマーには、加硫剤、加硫促進助剤および補強剤が配合されてもよい。加硫剤としては、例えば、ジクミルパーオキサイドなどの有機過酸化物、有機硫黄化合物、金属酸化物などが挙げられる。加硫促進助剤としては、例えば、ステアリン酸などの脂肪酸、金属酸化物などが挙げられる。補強剤としては、例えば、カーボンブラック、ホワイトカーボンなどが挙げられる。さらに、例えば、老化防止剤、充填剤、可塑剤、粘着剤などもまた配合され得る。これら以外に、摺動抵抗を小さくするために、グラファイト、シリコンオイル、フッ素パウダー、又は二硫化モリブデン等の固体潤滑剤がエラストマーに含まれても良い。

摺動層１１を構成する繊維は、主に、回転するシャフト３０の外周面と接触摺動するものであり、シャフト３０の周りの摺動抵抗を小さくする主要因となる。
摺動層１１を構成する繊維の材質としては、例えば、ナイロン繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、炭素繊維、テフロン（登録商標）繊維、液晶ポリマー繊維、ガラス繊維、綿糸などが挙げられる。また、摺動層１１を構成する繊維は、布材の形態であってもよく、短繊維の形態でエラストマーに混合してもよい。この布材としては、織物布、編物布または不織布が挙げられる。布材の目付け量は、通常２０〜２００ｇ／ｍ²であるが、特に限定されない。

繊維の形態が布材である場合、布材がシャフト３０の外周面と接触摺動するように布材とエラストマーとを一体化させ、一方、短繊維の形態である場合、エラストマーの中に短繊維を混ぜ込んで一体成形することにより、摺動層１１が得られる。

弾性外皮層１２は、熱伝導率の優れた熱伝導性素材１３を均一に含有したものであり、前記摺動層１１に積層される。この弾性外皮層１２は、摺動層１１と回転するシャフト３０との摩擦による発熱の熱籠りを解消し、シール材１０の発熱温度を低く抑えるものである。そのためシール材１０には、通風穴や冷却媒体の封入、ペルティェ素子の取り付け等の冷却機構が不要となる。
また、弾性外皮層１２は、シャフト３０が構造体２０に対して相対移動（往復動または回転）しても、この相対移動に追従して摺動層１２の形状を安定させるので、シール性を高めることができる。

弾性外皮層１２を構成するエラストマーとしては、例えば、天然ゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム、ハイパロン、ポリブタジエンゴム、エチレン−プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）、水素添加アクリロニトリルブタジエンゴム（Ｈ−ＮＢＲ）、シリコンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、スチレンブタジエンゴム、塩素化ポリエチレンゴム、ミラブルウレタン、熱硬化性ポリウレタン、熱可塑性ポリウレタンまたは熱可塑性ポリエステルなどのエラストマーが挙げられ、これらの一種または二種以上が使用される。

弾性外皮層１２に含有される熱伝導性素材１３としては、例えばスチールファイバー、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、黒鉛、アルミナ、アルミニウム、ボロンナイトライド、シリコンナイトライド、銅、銀、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等が挙げられ、これらの素材の一種または二種以上を使用する。

熱伝導性素材１３を弾性外皮層１２に含有させる方法としては、特に制限されず、例えば、図１に示すように、弾性外皮層１２を構成するエラストマーに熱伝導性素材１３を均一に混合する方法などがある。
熱伝導性素材１３の前記エラストマーへの混合量は、適切な熱伝導性（放熱性）を備え且つ耐久性を損なわない範囲であるのが好ましい。

弾性外皮層１２を構成するエラストマーには、前記熱伝導性素材１３の他、必要に応じて短繊維、加硫剤、加硫促進助剤および補強剤が配合されてもよい。短繊維としては、摺動層１１を構成する繊維と同様な種類の短繊維が挙げられる。加硫剤としては、例えば、ジクミルパーオキサイドなどの有機過酸化物、有機硫黄化合物、金属酸化物などが挙げられる。加硫促進助剤としては、例えば、ステアリン酸などの脂肪酸、金属酸化物などが挙げられる。補強剤としては、例えば、カーボンブラック、ホワイトカーボンなどが挙げられる。さらに、例えば、老化防止剤、充填剤、可塑剤、粘着剤などもまた配合され得る。

シール保持材２４は、図２に示すように、シャフト３０に外挿したシール材１０をシール材収容凹部２２内に圧入して圧縮変形状態で取り付けた後、構造体２０の外壁面にねじ止めなどにより固定するものである。シール保持材２４は、シール材収容凹部２２内にシール材１０を閉じ込め、構造体２０に固着することができるものであれば特に限定されない。このシール保持材２４により、シール材１０は、シール材収容凹部２２内に固定され、シャフト３０が移動しても構造体２０から外れることがない。

本実施形態に係るシール材１０の製造方法としては、特に限定されず、例えば、シャフト３０の外周面と同様の形状の棒状物にエラストマーが含浸処理された布材を一層または二層以上巻き付け、さらにその外面に熱伝導性素材を含有した弾性外皮層形成用エラストマーを同様に一層または二層以上巻き付け、これを所望のシール材１０の形状に成形可能な上下金型の間に収容し、加圧下で加熱して接着させ、その後、金型から取り出し必要厚みにカットすることでシール材１０を得ることができる。
あるいは、シャフト３４の外周面と同様の形状の棒状物にエラストマーで含浸処理された布材を巻きつけ、金型の間に収容し、ついで熱伝導性素材を含有した流動性のある弾性外皮層形成用エラストマーを金型内に流し込み、常温まで冷却または加熱硬化して金型内から取り出す金型成形法等が挙げられる。

エラストマーによる布材への含浸処理は、エラストマーを溶剤等で溶解し液状とした後、布材を含浸処理する方法が好適に使用される。エラストマーにより布材を含浸処理することで、布材を構成する繊維材の間にエラストマーが入り込み、布材を構成する繊維材同士を接着させてまとめあげ、布材を補強することができる。また、エラストマーを含浸させた布材を摺動層として採用することにより、布材を構成する繊維材同士の擦れによる摩耗が低減されるだけでなく、摺動層とシャフトの間の耐摩耗性を向上させることが可能となる。

シール材１０は、例えば、図２に示すようにして設置され、使用される。シール材１０の中央部の貫通孔内にシャフト３０を嵌入した後、シャフト３０を構造体２０の孔部２１内に挿入すると共に、シール材１０を孔部２１前方のシール材収容凹部２２内に圧入する。次いで、構造体２０にシール保持材２４を取り付けて、シール材１０をシール材収容凹部２２内に密封する。
また、予めシール材１０をシール材収容凹部２２内に圧入し、シール保持材２４を取り付けた後、シャフト３０をシール材１０の貫通孔を経て構造体２０の孔部２１内に挿入してもよい。

シャフト３０の形状としては、断面が略円、略正方形、略多角形などであってもよいが、シール材１０の摺動層１１の内周面と摺動可能に動作するものが好ましく、より好ましくは摺動層１１の内周面の形状と同じであるのがよい。

回転するシャフト３０の表面には、図２に示すように、ゴミ４が付着する場合がある。この時、ゴミ４が孔部２１内へ入らないようシール材１０で遮られている。また、ゴミ４は、シャフト３０を孔部２１方向に移動させると、シール材１０の弾性外皮層１２側に移動させることができ、シャフト３０から除去される。

なお、上記実施形態では、図２に示すように、シール材１０は、ゴミ４が侵入する前面がシャフト３０に対して垂直に形成されているが、シール材１０の内周面側が外周面側よりも構造体２０の外側に位置するように前面が傾斜した斜面状で構成されていてもよい。これにより、ゴミ４を効果的に排除することができる。

（他の実施形態）
本発明の他の実施形態に係るシール材を図３に基づいて説明する。前述の実施形態では、弾性外皮層１２を構成するエラストマーに熱伝導性素材１３を混合したが、本実施形態に係るシール材１０’は、図３に示すように、弾性外皮層１２’を構成するシート状のエラストマーの少なくとも片面に、シート状または層状の熱伝導性素材１３’を積層し、これを、前述の実施形態と同様にして、棒状物に巻き付けた、エラストマーが含浸処理された布材の外面に一層または二層以上巻き付け、これを上下金型の間に収容し、加圧下で加熱して接着させたものである。加圧加熱後、金型から取り出し必要な厚みにカットすることでシール材１０’を得ることができる。ここで、層状の熱伝導性素材１３’とは、シート状の形態を有さず、繊維状ないし粉状の熱伝導性素材をシート状の未加硫エラストマーの表面に散布して形成されるものをいう。
このような形態のシール材１０’であっても、前述の実施形態と同様に熱伝導性等に優れる。その他は、前述の実施形態と同様である。

本発明のシール材およびシール機構は、粉体や液体を取り扱う用途の駆動装置に好適に使用可能であり、例えば、自動車、モータバイク、自転車、アミューズメント用乗り物、モータボート、鉄道車両、船舶、航空機、宇宙船などの乗り物や、各種の機械、工作機、ロボット、振動を嫌う生産設備、画像処理装置、半導体製造装置、チップマウンターなどの産業機械、その他に使用される回転軸などのシャフトの軸封として適用するシール材として使用することができる。

（実施例）
シャフト３０の外周面と同じの形状の棒状物に、アクリロニトリルブタジエンゴム（ＮＢＲ）を含浸処理したナイロンの布材を巻きつけた。次に、布材の外面に、熱伝導性素材としてスチールファイバーを弾性外皮層１２’形成用のＮＢＲの未加硫シートの表面に層状に積層したものを渦巻状に巻き付け、これを所定の上下金型の間に収容し、加圧下で加熱して接着させ、その後、金型から取り出し、厚さ３．６４ｍｍにカットして図３に示すようなシール材を得た。

（比較例）
弾性外皮層形成用のＮＢＲに熱伝導性素材（スチールファイバー）を積層しなかった他は、実施例と同様にしてシール材を得た。

（放熱試験）
実施例および比較例で得た各シール材を、図４に示すように構造体２０に装着した。このときシール材の厚みが３ｍｍになるように圧縮した。この状態で、シャフト３０を１５００回／分で回転させ、かつシール材を長さＬ（８００ｍｍ）の距離を往復でストロークさせて、３時間後のシャフト３０の中央Ａ（往復動する中心）の温度を測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、シャフト中央の温度は、実施例のシール材が比較例よりも２〜３℃発熱温度が低かった。これにより、本発明のシール材は放熱効果が高いことがわかる。

１０シール材
１１摺動層
１２弾性外皮層
１３熱伝導性素材
２０構造体
２１孔部
２２シール材収容凹部
２４シール保持材
３０シャフト
４ゴミ

Claims

構造体の孔部と、この孔部内に挿入されるシャフトとの間をシールするためのシール材であって、
前記構造体に対するシャフトの相対移動時に内周面が前記シャフトと摺動する円筒状の形態を有し、繊維とエラストマーとが一体化された摺動層と、
この摺動層の外周面側に積層され、熱伝導性素材を含有した弾性外皮層とを備えたことを特徴とするシール材。
前記熱伝導性素材が、スチールファイバー、カーボンファイバーまたはカーボンナノチューブである請求項１に記載のシール材。
前記弾性外皮層は、エラストマーに熱伝導性素材を混合したものである請求項１または２に記載のシール材。
前記弾性外皮層は、少なくとも片面にシート状または層状の熱伝導性素材を積層したシート状のエラストマーを前記摺動層の表面に巻き付けたものである請求項１または２に記載のシール材。
請求項１〜４のいずれかに記載のシール材が、構造体の孔部におけるシャフト挿入口内またはシャフト挿入口の外周縁に密着して取り付けられていることを特徴とするシール機構。