JP2017172617A - 密封装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成樹脂材からなるシールリング１０を、弾性を有するバックリング２０で径方向へ付勢する構造の密封装置１において、シールリング１０の摺動抵抗を低減させる。【解決手段】互いに同心的かつ相対運動可能に配置された外周部材２００と内周部材３００の対向周面２００ａ，３００ａのうち一方の周面３００ａに円周方向へ連続して形成された装着溝３０１内に、他方の周面２００ａとの摺動が可能な状態で配置されるシールリング１０と、このシールリング１０と装着溝３０１の底面３０１ａとの間に配置されるバックリング２０を備え、他方の周面２００ａと対向するシールリング１０の周面に、高圧となる作動空間側の流体を導入する有端の導圧溝１１，１２が円周方向所定間隔で形成され、導圧溝１１，１２は、円周方向両縁が、円周方向互いに対称の傾斜角度をなして延びる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば油圧機器などに用いられる密封装置であって、特に、合成樹脂製のシールリングを、弾性を有するバックリングで径方向へ付勢する構造のものに関する。

油圧機器のピストンやピストンロッドの外周隙間を密封するための密封装置として、従来、図７に示すようなものが知られている。図７において、参照符号２００は油圧機器などのシリンダ、３００はこのシリンダ２００の内周に軸方向往復動可能に挿通されたピストンであり、シリンダ２００とピストン３００との間には、密封装置１００が介装されている。

密封装置１００は、ピストン３００の外周面３００ａに形成された装着溝３０１に装着されると共にシリンダ２００の内周面２００ａと摺動可能に密接される合成樹脂製のシールリング１０１と、その内周側に径方向圧縮状態で配置されたゴム状弾性体からなるバックリング１０２を備える。

すなわちこの密封装置１００は、図８に示すように、ピストン３００の軸方向両側の空間Ｓ１，Ｓ２のうち相対的に高圧となった空間Ｓ１の流体圧力Ｐによって、シールリング１０１及びバックリング１０２が、装着溝３０１の軸方向両側の側面のうち相対的に低圧の空間Ｓ２側の側面に押し付けられ、このバックリング１０２の径方向圧縮反力及び流体圧力Ｐにより生じる径方向拡張力Ｆによって、シールリング１０１の外周面がシリンダ２００の内周面２００ａに摺動可能に押し付けられると共に、バックリング１０２の外周面及び内周面がシールリング１０１の内周面及び装着溝３０１の底面に密接されることによってシール機能を奏するものである（例えば下記の特許文献１参照）。

特開平６−１７４１０５号公報

この種の密封装置１００において、シールリング１０１には、強度（剛性）が高くかつ材料コストが低いポリアミド（ＰＡ）が採用されているが、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系の低摩擦材料に比較すると、シリンダ２００の内周面２００ａと摺動する際の摺動抵抗が著しく高いという問題がある。

また、シールリング１０１が、ポリアミド等、強度の高い合成樹脂からなるものである場合、シリンダ２００の内周面２００ａに対する締め代による拡径力が大きいため、摺動抵抗の増大の一因となっている。しかもシールリング１０１の拡径力が大きいことによって、シリンダ２００との摺動部への潤滑油膜の形成が不十分になってしまいやすく、使用条件によってはスティック−スリップ現象が発生する懸念がある。

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、合成樹脂材からなるシールリングを、弾性を有するバックリングで径方向へ付勢する構造の密封装置において、シールリングの摺動抵抗を低減させることにある。

上述した技術的課題を解決するため、請求項１の発明に係る密封装置は、互いに同心的かつ相対運動可能に配置された外周部材と内周部材の対向周面のうち一方の周面に円周方向へ連続して形成された装着溝内に、他方の周面との摺動が可能な状態で配置されるシールリングと、このシールリングと前記装着溝の底面との間に配置されるバックリングを備え、前記他方の周面と対向する前記シールリングの周面に、高圧となる作動空間側の流体を導入する有端の導圧溝が円周方向所定間隔で形成され、前記導圧溝は、円周方向両縁が、円周方向互いに対称の傾斜角度をなして延びることを特徴とする。

また、請求項２の発明に係る密封装置は、請求項１に記載の構成において、互いに軸方向逆向きの導圧溝が、円周方向交互に形成されたことを特徴とする。

また、請求項３の発明に係る密封装置は、請求項１又は２に記載の構成において、導圧溝の非開放側の隅部がＲ状に形成されたことを特徴とする。

また、請求項４の発明に係る密封装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の構成において、外周部材又は内周部材の周面に対するシールリングの摺動面を粗面にしたことを特徴とする。

本発明に係る密封装置によれば、シールリングが高強度で摩擦係数の高い材質からなるものであっても、作動空間側から導圧溝に導入される流体の圧力が、バックリングに作用する流体の圧力に由来するシールリングと外周部材又は内周部材との面圧を低減するように作用すると共に、流体潤滑膜の形成を促すため、シールリングの摺動抵抗を有効に低減させることができる。

本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態の使用状態を示すもので、（Ａ）は第一の導圧溝と軸心を通る平面で切断して示す部分的な断面図、（Ｂ）は第二の導圧溝と軸心を通る平面で切断して示す部分的な断面図である。 本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態を外周側から見た、一部断面を表す外観図である。 本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態におけるシールリングの切断部を示す説明図である。 本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態の使用状態において圧力が作用した状態を、第一の導圧溝と軸心を通る平面で切断して示す部分的な断面図である。 作動油の圧力とシールリングの径方向拡張力との関係を、本発明と従来の技術とを比較して示す線図である。 本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態の使用状態において、シールリングの径方向隆起部に圧力が作用した状態を示す部分的な外観図である。 従来の密封装置の一例の使用状態を、軸心を通る平面で切断して示す部分的な断面図である。 従来の密封装置の一例の使用状態において圧力が作用した状態を、軸心を通る平面で切断して示す部分的な断面図である。

以下、本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。まず図１において、参照符号２００は油圧機器などのシリンダ、３００はこのシリンダ２００の内周に軸方向往復動可能に配置されたピストンであり、シリンダ２００とピストン３００との間には、密封装置１が介装されている。なお、シリンダ２００は請求項１に記載された外周部材に相当するものであり、ピストン３００は請求項１に記載された内周部材に相当するものである。

ピストン３００の外周面３００ａには、円周方向へ連続して形成された装着溝３０１が形成されている。この装着溝３０１は、円筒面状をなす底面３０１ａと、その軸方向両側から軸心と垂直な平面をなしてピストン３００の外周面３００ａへ向けて立ち上がる内側面３０１ｂ，３０１ｃを有する。

密封装置１は、装着溝３０１に装着されると共に外周面がシリンダ２００の内周面２００ａと摺動可能に密接されるシールリング１０と、その内周側にあってシールリング１０と装着溝３０１の底面３０１ａとの間に径方向圧縮状態で配置されたバックリング２０を備える。なお、ピストン３００の外周面３００ａは請求項１に記載された一方の周面に相当するものであり、シリンダ２００の内周面２００ａは請求項１に記載された他方の周面に相当するものである。

詳しくは、シールリング１０は、例えばポリアミド（ＰＡ）等、機械的強度の高い合成樹脂からなるものであって、内径がピストン３００の外周面３００ａより小径かつ装着溝３０１の底面３０１ａより大径であると共に、外径がピストン３００の外周面３００ａよりわずかに大径であり、装着溝３０１に軸方向へわずかに移動可能な状態で保持されている。

このシールリング１０は、装着状態においてシリンダ２００の内周面２００ａと対向する外周面に、図１の（Ａ）に示すように軸方向一方へ開放された第一の導圧溝１１と、図１の（Ｂ）に示すように軸方向他方へ開放された第二の導圧溝１２が、図２及び図３に示すように、円周方向所定間隔で、かつ円周方向交互に形成されている。そして、第一の導圧溝１１と第二の導圧溝１２の間は、円周方向へジグザグに延びる相対的な径方向隆起部１３となっており、この径方向隆起部１３の外周面は梨地状の粗面加工がなされている。なお、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２は、請求項１に記載された導圧溝に相当するものである。

第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２は、円周方向幅が開放端部側で広く非開放側で狭くなる略台形状をなしており、すなわち、第一の導圧溝１１の円周方向両縁１１ａ，１１ａは、円周方向互いに対称の傾斜角度をなして延びており、第一の導圧溝１１と同形同大の第二の導圧溝１２も、その円周方向両縁１２ａ，１２ａは、円周方向互いに対称の傾斜角度をなして延びている。また、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２における非開放側の隅部１１ｂ，１２ｂは、Ｒ状に形成されている。

なお、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２の軸方向長さＬは、シールリング１０の軸方向幅Ｗの１／２以上とすることが好ましく、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２の深さは、後述する作動油の圧力によるバックリング２０の径方向拡張力を受けてシールリング１０の外周面がシリンダ２００の内周面２００ａに押し付けられても、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２の底面がシリンダ２００の内周面２００ａに接触しない程度（径方向隆起部１３がつぶされて消滅しない程度）とすることが好ましい。

また、シールリング１０の軸方向一端面１０ａには端面導圧溝１４が形成され、シールリング１０の軸方向他端面１０ｂには、端面導圧溝１５が形成されている。端面導圧溝１４と端面導圧溝１５は互いに円周方向異なる位置にあって、外径側が開放され、内径端部が装着溝３０１の内側面３０１ｂ，３０１ｃとの対向位置まで延びている。

シールリング１０は、径方向への適当な弾性を与えるために、図３に示すように、円周方向１か所に切断部１６を有する。図示の例では、切断部１６がステップカット形状をなしており、すなわち、シールリング１０の軸方向中間位置を通り軸心と垂直な平面をなして延びる中間カット部１６ａと、この中間カット部１６ａの円周方向一端から軸方向一端面１０ａへ向けて軸心と平行な平面をなして延びる第一の軸方向カット部１６ｂと、中間カット部１６ａの円周方向他端から軸方向他端面１０ｂへ向けて軸心と平行な平面をなして延びる第二の軸方向カット部１６ｃからなる。

一方、バックリング２０はゴム状弾性体（ゴム又はゴム状弾性を有する合成樹脂）からなるものであって、シールリング１０のような切断部のない、円周方向無端の円環状に形成されており、軸方向幅がシールリング１０よりも適宜小さいものとなっている。このバックリング２０は、装着溝３０１内に軸方向移動可能な状態で保持されており、外周面２０ａが、シールリング１０の内周面１０ｃと軸方向摺動可能に密接され、内周面２０ｂが、装着溝３０１の溝底面３０１ａと軸方向摺動可能に密接可能となっている。

以上の構成において、シリンダ２００の内周であってピストン３００の軸方向両側にある作動空間のうち、例えば図１における右側の作動空間Ｓ１の作動油の圧力が左側の作動空間Ｓ２より高圧になると、図４に示すように、シリンダ２００とピストン３００との間の隙間ΔＳを通じて装着溝３０１へ導入される高圧側の作動空間Ｓ１の作動油の圧力（作動空間Ｓ１とＳ２の差圧）Ｐによって、シールリング１０及びバックリング２０が装着溝３０１における図中左側の内側面３０１ｃに当接される。このとき、シールリング１０の軸方向一端面１０ａが装着溝３０１における図中右側の内側面３０１ｂに当接していたとしても、このシールリング１０の軸方向一端面１０ａには端面導圧溝１４が形成されているため、高圧側の作動空間Ｓ１の作動油の圧力Ｐは、端面導圧溝１４を通じて速やかに装着溝３０１へ導入され、シールリング１０及びバックリング２０が装着溝３０１における図中左側の内側面３０１ｃに応答よく当接される。

そしてこの状態では、バックリング２０は、径方向へ適宜圧縮された状態で装着されることによる圧縮反力と、作動油の圧力Ｐを受けて軸方向へ圧縮されることにより生じる径方向拡張力Ｆによって、シールリング１０を内周側から拡径させるように付勢するため、シールリング１０は、その外周面（第一の導圧溝１１と第二の導圧溝１２の間の相対的な径方向隆起部１３の外周面）が、シリンダ２００の内周面２００ａに押し付けられ、ピストン３００の軸方向移動と共に、シリンダ２００の内周面２００ａに対して摺動する。

したがって、作動空間Ｓ１の作動油の圧力Ｐが上昇すると、バックリング２０の径方向拡張力Ｆも上昇することになるが、本発明によれば、作動空間Ｓ１の作動油の圧力Ｐは、シールリング１０の外周面に形成された第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２のうち、作動空間Ｓ１側へ向けて開放された第一の導圧溝１１にも導入されており、この第一の導圧溝１１内の圧力Ｐは、バックリング２０の径方向拡張力Ｆに抗するキャンセル圧として作用する。このため、図５に作動油の圧力とシールリングの径方向拡張力との関係を、本発明と従来の技術との比較において示すように、シリンダ２００の内周面２００ａに対するシールリング１０の摺動面圧の上昇が緩和され、シリンダ２００の内周面２００ａとシールリング１０の外周面（径方向隆起部１３の外周面）との間に、高圧側の作動空間Ｓ１の作動油が浸入することによる潤滑油膜の形成が促される。

しかも、第一の導圧溝１１は、円周方向幅が開放端部側で広く非開放側で狭くなるように、円周方向両縁１１ａが、円周方向互いに対称の傾斜角度をなして延びているため、高圧側の作動空間Ｓ１の作動油がシリンダ２００の内周面２００ａとシールリング１０の外周面との間へクサビ状に浸入しやすく、しかも傾斜により円周方向両縁１１ａの長さが長いものとなるので、その分、作動油の浸入による良好な潤滑油膜の形成が促される。さらに、シリンダ２００の内周面２００ａとの摺動部である径方向隆起部１３が梨地状の粗面をなすことによって、厚い潤滑油膜を保持することができる。

そして、シールリング１０の材料として採用されているポリアミド（ＰＡ）等は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）系の低摩擦材料に比較すると、摩擦係数が著しく高いものであるが、上記構成によれば、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２が形成された分、シールリング１０の摺動面積が小さくなることに加え、シリンダ２００の内周面２００ａとシールリング１０との間の液体潤滑性が著しく向上するため、摺動抵抗が有効に低減され、潤滑不足に起因するシールリング１０の早期摩耗やスティック−スリップ現象等の発生も防止することができる。

また、図６に示すように、高圧側の作動空間Ｓ１から第一の導圧溝１１へ導入された作動油の圧力Ｐは、径方向隆起部１３に対して、相対的に低圧側である第二の導圧溝１２を収縮させる方向へ変形させるように作用するが、この径方向隆起部１３は、円周方向幅が第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２の開放端部側で広く非開放側で狭くなるように、互いに対称の傾斜角度をなして延びているため、アーチ効果によって耐圧性が高いものとなっており、したがって径方向隆起部１３の破損が有効に防止される。

また、高圧側の作動空間Ｓ１から第一の導圧溝１１へ導入された作動油の圧力Ｐは、この第一の導圧溝１１を拡張させる方向へ変形させるように作用するため、その非開放側の隅部１１ｂには引っ張り応力を生じるが、この隅部１１ｂはＲ状に形成されているため、引っ張り応力が局部的に高くなることがなく、したがって、これによっても径方向隆起部１３の破損が有効に防止される。

さらに、上記構成によれば、第一の導圧溝１１及び第二の導圧溝１２が同形同大で対称に形成されているため、装着溝３０１への装着時の方向性がなく、しかもピストン３００の軸方向両側の作動空間Ｓ１，Ｓ２の作動油の圧力が正逆切り替わる機器にも適用可能である。すなわち、図１における左側の作動空間Ｓ２の作動油の圧力が右側の作動空間Ｓ１より高圧になった場合は、相対的に高圧となった作動空間Ｓ２の作動油の圧力が第二の導圧溝１２に導入されることによって、上述と同様の作用を奏する。

なお、上述した実施の形態では、密封装置１（シールリング１０及びバックリング２０）が、ピストン３００の外周面３００ａに形成した装着溝３０１に装着されると共にシールリング１０の外周面がシリンダ２００の内周面２００ａと摺動可能に密接されるものとして説明したが、これとは径方向逆の関係で配置される密封装置、すなわちシリンダ２００の内周面２００ａに形成した装着溝に装着され、シールリング１０の内周面が、その外周側に位置するバックリング２０によってピストン３００の外周面に摺動可能に密接されるものについても、同様に適用することができる。

１ 密封装置
１０ シールリング
１１ 第一の導圧溝（導圧溝）
１１ａ，１２ａ 円周方向両縁
１１ｂ，１２ｂ 隅部
１２ 第二の導圧溝（導圧溝）
１３ 径方向隆起部
２０ バックリング
２００ シリンダ（外周部材）
２００ａ 内周面（他方の周面）
３００ ピストン（内周部材）
３００ａ 外周面（一方の周面）
３０１ 装着溝

Claims (4)

1. 互いに同心的かつ相対運動可能に配置された外周部材と内周部材の対向周面のうち一方の周面に円周方向へ連続して形成された装着溝内に、他方の周面との摺動が可能な状態で配置されるシールリングと、このシールリングと前記装着溝の底面との間に配置されるバックリングを備え、前記他方の周面と対向する前記シールリングの周面に、高圧となる作動空間側の流体を導入する有端の導圧溝が円周方向所定間隔で形成され、前記導圧溝は、円周方向両縁が、円周方向互いに対称の傾斜角度をなして延びることを特徴とする密封装置。
2. 互いに軸方向逆向きの導圧溝が、円周方向交互に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
3. 導圧溝の非開放側の隅部がＲ状に形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の密封装置。
4. 外周部材又は内周部材の周面に対するシールリングの摺動面を粗面にしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密封装置。

Images