JP2021173346A - 密封構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シールリングの損傷を抑える効果が向上した密封構造を実現する。【解決手段】軸２を取り巻くとともにハウジング３の内壁面３１に圧接する、環状の弾性材料からなるシールリング５と、シールリング５よりも低圧空間Ｌ側において軸２を取り巻く、環状の弾性材料からなるバックアップリング６であって、低圧空間Ｌ側のシールリング５の面に当接するとともに、軸の周面の一部である段差部にも当接するバックアップリング６と、シールリング５よりも高圧空間Ｈ側において、軸２上に形成された環状の溝部２３に嵌め込まれて軸２を取り巻く環状のバッファリング４であって、ハウジング３の内壁面３１に向かって突き出しシールリング５とバッファリング４との間の空間の圧力状態に応じてハウジング３の内壁面３１からの離間が可能な態様で先端部４１ａが内壁面３１に接触するリップ部４１を有するバッファリング４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、軸が挿通される軸孔を有するハウジングの内部に設けられ、軸孔を形成するハウジングの内壁面と軸との間の環状の隙間をシールすることで、その隙間を、圧力が相対的に低い低圧空間と圧力が相対的に高い高圧空間とに分断する密封構造に関する。

軸が挿通される軸孔を有するハウジングの内部に設けられ、軸孔を形成するハウジングの内壁面と軸との間の環状の隙間をシールすることで、その隙間を、圧力が相対的に低い低圧空間と圧力が相対的に高い高圧空間とに分断する密封構造が従来から知られている。こうした密封構造は、たとえば自動車等の内燃機関における燃料噴射ポンプにおいて、プランジャーの往復運動に応じて間欠的に噴射される噴射燃料のような圧力変動の大きい（脈動圧力を持つ）流体の漏れを防ぐのに用いられる。

このような流体の漏れを防ぐ密封構造では、軸を取り巻くとともにハウジングの内壁面に圧接する、環状の弾性材料からなるシールリングを用いることが一般的である。シールリングを配置するため、軸上には、軸の中心軸の側に向かって周面が下がって軸径が相対的に小さくなったシールリング配置用の箇所（たとえば溝部）が形成されている。このようなシールリングを用いた密封構造では、高圧空間と低圧空間との間の圧力差のため、シールリングの一部が上述のシールリング配置用の箇所の低圧空間側の段差（たとえば溝部の低圧空間側の壁面）を超えて低圧空間側にはみ出しハウジングの内壁面と軸との間の小さな間隙に嵌りこんでしまうことがある。この場合、シールリングが損傷してシール性が低下するおそれがある。

こうした事態を防ぐため、シールリングがはみ出すおそれがある上述の小さな間隙が存在する箇所とシールリングとの間に環状の弾性材料からなるバックアップリングを介在させることで、はみ出しによるシールリングの損傷を防ぐ技術が従来から知られている（たとえば特許文献１および特許文献２参照）。

特開平１１−３１５９２５号公報 特開平１０−７３１６３号公報

ところで近年では、内燃機関の性能向上や環境問題への配慮の観点から噴射燃料の低温化と高圧化とが進んでおり、こうした内燃機関で用いられる密封構造に対し、極めて大きな脈動圧力に耐え得ることが要求されるようになっている。極めて大きな脈動圧力の下では、上述したようなシールリングのはみ出し以外にも、繰り返しの圧力印加による摩耗など様々な要因でシールリングの損傷が起きる可能性がある。このため、上述したバックアップリングを用いるだけでは、シールリングの損傷を防ぐのに不十分となるおそれがあり、シールリングの損傷を防ぐにあたってはさらなる工夫の余地がある。

なお、以上では、自動車等の内燃機関における密封構造を例にとって説明したが、同様のことは、ハウジングの内壁面と軸との間の環状の隙間をシールすることで隙間を低圧空間と高圧空間とに分断する密封構造全般に対してあてはまる。

上記の事情を鑑み、本発明では、シールリングの損傷を抑える効果が向上した密封構造を実現する。

上述の課題を解決するため、本発明は、以下の密封構造を提供する。

［１］ 軸が挿通される軸孔を有するハウジングの内部に設けられ、前記軸孔を形成する前記ハウジングの内壁面と前記軸との間の環状の隙間をシールすることで、該隙間を、圧力が相対的に低い低圧空間と圧力が相対的に高い高圧空間とに分断する密封構造であって、前記軸の中心軸の側に向かって周面が下がって軸径が相対的に小さくなった前記軸の周面の一部である低周面部において前記軸を取り巻くとともに前記ハウジングの前記内壁面に圧接する、環状の弾性材料からなるシールリングと、前記軸に沿った軸方向について前記シールリングよりも前記低圧空間側において前記軸を取り巻く、環状の弾性材料からなるバックアップリングであって、前記低圧空間側を向いた前記シールリングの面に当接するとともに、前記低周面部の前記低圧空間側の端部と接続し該端部から離れるにつれて軸径が大きくなっていく前記軸の周面の一部である段差部にも当接するバックアップリングと、前記軸方向について前記シールリングよりも前記高圧空間側において、前記軸上に形成された環状の溝部に嵌め込まれて前記軸を取り巻く環状のバッファリングであって、前記ハウジングの前記内壁面に向かって突き出し前記シールリングと前記バッファリングとの間の空間の圧力状態に応じて前記ハウジングの前記内壁面からの離間が可能な態様で先端部が該内壁面に接触するリップ部を有するバッファリングと、を備えた密封構造。

［２］ 前記リップ部は、前記高圧空間側に傾いた斜め方向に前記ハウジングの前記内壁面に向かって突き出したものである［１］に記載の密封構造。

［３］ 前記バッファリングは、金属材料で構成された環状の金属環と、樹脂材料で構成され前記金属環を覆う環状の樹脂部材と、を備えたものである［１］又は［２］に記載の密封構造。

［４］ 前記金属環は、前記軸方向に沿って延びる円筒状の第１部分と、該第１部分の２つの端部のうち前記高圧空間側の端部と接続し、前記軸の前記中心軸から離れる方向に前記ハウジングの前記内壁面に向かって延びるフランジ状の第２部分とで構成されたものである［３］に記載の密封構造。

本発明の密封構造では、バッファリングのリップ部の先端部がハウジングの内壁面に接触してバッファリングが高圧空間からの圧力を直接に受けることで、シールリングに及ぼされる圧力が緩和される。ここで、リップ部の先端部は、ハウジングの内壁面に接触するものの、シールリングとバッファリングとの間の空間の圧力状態に応じて内壁面から離間することができる。このため、たとえば、シールリングとバッファリングとの間の空間の圧力が大きくなって高圧空間の圧力を超えるような事態になった場合には、リップ部の先端部がハウジングの内壁面から離間して、シールリングとバッファリングとの間の空間の圧力を高圧空間側に逃がすことができる。この結果、このような事態においても、シールリングに及ぼされる圧力が緩和される。

このように本発明では、シールリングに及ぼされる圧力をバッファリングが緩和することで、シールリングの損傷を抑える効果が向上した密封構造が実現している。

本発明の一実施形態の密封構造の構成を表す断面図である。 図１に示すバッファリングの拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

以下では、本発明の密封構造が、自動車等の内燃機関における燃料噴射ポンプに適用された場合を例にとって説明を行う。この密封構造は、燃料噴射ポンプにおいて、プランジャーの往復運動に応じて間欠的に噴射されるために圧力変動が大きい（脈動圧力を持つ）噴射燃料の漏れを防ぐのに用いられる。以下では、噴射燃料を単に流体と呼ぶ。

図１は、本発明の一実施形態の密封構造１の構成を表す断面図である。

密封構造１は、軸２が挿通される軸孔３１ａを有するハウジング３の内部に設けられ、軸孔３１ａを形成するハウジング３の内壁面３１と軸２との間の環状の隙間をシールする。図１では、軸２に沿った軸方向（図のＹ方向あるいはＹ方向に反対の方向）および軸２に垂直な方向（図のＸ方向あるいはＸ方向に反対の方向）を含む平面内における、密封構造１、軸２、およびハウジング３の断面が示されている。断面図としては、本来ならば軸２の断面を中心としてその両側に分かれて密封構造１およびハウジング３の断面が示されるべきであるが、図１では説明の簡潔さの観点からその片側の断面のみが示されている。

密封構造１による隙間のシールにより、隙間は、圧力が相対的に低い低圧空間Ｌと圧力が相対的に高い高圧空間Ｈとに分断される。高圧空間Ｈは、流体の噴射箇所（不図示）と部材間の隙間等を介してつながった空間であり、このため、噴射された流体による高い圧力を有している。ただし、噴射と噴射の間のように噴射が停止された時等には、その圧力が急に下がることがある。このため、高圧空間Ｈは、基本的には高い圧力状態にあるものの、圧力変動が大きい（脈動圧力を持つ）圧力状態となっている。

以下、図１を参照しつつ、密封構造１の構成要素について説明する。密封構造１は、バッファリング４、シールリング５、およびバックアップリング６を備えている。

シールリング５は環状の弾性材料からなる部材であり、軸２の不図示の中心軸に向かう方向（図のＸ方向とは反対の方向）に周面が下がって軸径が相対的に小さくなった軸２の周面の一部である低周面部２１において軸２を取り巻いている。さらにシールリング５は、ハウジング３の内壁面３１にも圧接している。

このようにシールリング５がハウジング３の内壁面３１と軸２との双方に当接することで、内壁面３１と軸２の間の環状の隙間がシールされることとなり、シールリング５は、隙間をシールする上で中心的な役割を果たしている。

バックアップリング６は、環状の弾性材料からなる部材であり、軸２に沿った軸方向（図のＹ方向あるいはＹ方向に反対の方向）についてシールリング５よりも低圧空間Ｌ側において軸２を取り巻いている。また、バックアップリング６は、低圧空間Ｌ側を向いたシールリング５の面５１に当接している。さらにバックアップリング６は、低周面部２１の低圧空間Ｌ側の端部２１ａと接続し端部２１ａから離れるにつれて軸径が大きくなっていく軸２の周面の一部である段差部２２にも当接している。

本実施形態では、図１に示すように、段差部２２は、軸２に垂直な方向（たとえば図のＸ方向）よりも低圧空間Ｌ側に傾きテーパー状となっている傾斜面２２ａと、軸２に垂直な方向（図のＸ方向）に延びた垂直面２２ｂとで構成されており、バックアップリング６はその双方と当接している。しかしながら、本発明は、バックアップリングが、特許文献１の図１のように、段差部のうち傾斜面に対してのみ当接し垂直面からは離間しているものであってもよい。また、本発明は、特許文献２の図１１のように、段差部が垂直面のみから構成されていて傾斜面が存在せず、バックアップリングがその垂直面と当接しているものであってもよい。

バックアップリング６は、シールリング５に対しシールリング５を低圧空間Ｌ側に押し出す高い圧力がかかった際にシールリング５の損傷を防ぐ役割を果たしている。より具体的には、段差部２２とシールリング５との間にバックアップリング６が介在することで、シールリング５の一部が段差部２２（正確には段差部２２の垂直面２２ｂ）からはみ出して軸２とハウジング３の内壁面３１との間の小さい間隙３１ｂに嵌りこむといった事態が回避されている。このように本実施形態では、バックアップリング６により、シールリング５のはみ出しによるシールリング５の損傷が防がれている。

次に、バッファリング４について説明する。

バッファリング４は、軸方向（図のＹ方向あるいはＹ方向に反対の方向）について前記シールリング５よりも高圧空間Ｈ側において、軸２上に形成された環状の溝部２３に嵌め込まれて軸２を取り巻く環状の部材である。バッファリング４は、ハウジング３の内壁面３１に向かって突き出したリップ部４１を有している。リップ部４１の先端部４１ａは、シールリング５とバッファリング４との間の空間の圧力状態に応じてハウジング３の内壁面３１からの離間が可能な態様で内壁面３１に接触している。

このようにバッファリング４のリップ部４１の先端部４１ａがハウジング３の内壁面３１に接触してバッファリング４が高圧空間Ｈからの圧力を直接に受けることで、シールリング５に及ぼされる圧力が緩和される。

ここで、リップ部４１の先端部４１ａは、ハウジング３の内壁面３１に接触するものの、シールリング５とバッファリング４との間の空間の圧力状態に応じて内壁面３１から離間することができる。このため、たとえば、シールリング５とバッファリング４との間の空間の圧力が大きくなって高圧空間Ｈの圧力を超えるような事態になった場合には、リップ部４１の先端部４１ａがハウジング３の内壁面３１から離間して、シールリング５とバッファリング４との間の空間の圧力を高圧空間Ｈ側に逃がすことができる。この結果、このような事態においても、シールリング５に及ぼされる圧力が緩和される。

このように本実施形態では、シールリング５に及ぼされる圧力をバッファリング４が緩和することで、シールリング５の損傷を抑える効果が向上した密封構造が実現している。

また、環状の溝部２３に嵌め込まれたバッファリング４が、シールリング５よりも高圧空間Ｈ側に存在することで、シールリング５が高圧空間Ｈ側に位置ずれを起こすことが回避される。すなわち、バッファリング４は、シールリング５に対し、高圧空間Ｈ側への位置ずれを防ぐストッパーとしての役割も果たしている。この結果、軸２の表面上に、別途、シールリング５のストッパーを設ける手間が省かれることとなる。

以下では、バッファリング４についてさらに詳しく説明する。

図２は、図１に示すバッファリング４の拡大断面図である。

本発明では、図２に示すようにリップ部４１が、高圧空間Ｈ側に傾いた斜め方向（図のＺ方向）にハウジング３の内壁面３１に向かって突き出したものであることが好ましい。

このような形態によれば、リップ部４１の先端部４１ａがハウジング３の内壁面３１に接触した状態で高圧空間Ｈから図のＹ方向に及ぼされる大きな脈動圧力がリップ部４１にかかっても、リップ部４１が変形しにくく、内壁面３１に対するリップ部４１の接触状態が維持される。この結果、バッファリング４により図１のシールリング５に及ぼされる圧力を緩和する効果が向上する。

また、本発明では、図２に示すようにバッファリング４が、金属材料で構成された環状の金属環４２と、樹脂材料で構成され金属環４２を覆う環状の樹脂部材４３と、を備えたものであることが好ましい。

このような形態によれば、バッファリング４の内部の金属環４２によりバッファリング４の剛性が高まり、高圧空間からの大きな脈動圧力に対する耐久性が向上する。また、金属環４２を樹脂部材４３で覆うことで、バッファリング４に対し、ハウジング３との接触に適した十分な柔軟性を持たせることもできる。

また、本発明では、図２に示すように金属環４２は、軸方向（図のＹ方向あるいはＹ方向に反対の方向）に沿って延びる円筒状の第１部分４２ａと、第１部分４２ａの２つの端部のうち高圧空間Ｈ側の端部と接続し、軸２の不図示の中心軸から離れる方向（図のＸ方向）にハウジング３の内壁面３１に向かって延びるフランジ状の第２部分４２ｂとで構成されたものであることが好ましい。

このような形態によれば、バッファリング４全体のうち、高圧空間Ｈからの図のＹ方向からの脈動圧力を直接受ける高圧空間Ｈ側の部分に第２部分４２ｂが存在し、その第２部分４２ｂを、軸方向に延びる第１部分４２ａが支える構成となる。この結果、図のＹ方向からの脈動圧力に対する耐久性がさらに向上する。

以上が本実施形態の説明である。

以上の実施形態の説明では、自動車等の内燃機関における燃料噴射ポンプに適用された密封構造を例にとって説明した。しかしながら、本発明は、ハウジングの内壁面と軸との間の環状の隙間をシールすることで隙間を低圧空間と高圧空間とに分断することが要求される機関や装置であれば、自動車等の内燃機関における燃料噴射ポンプ以外にも適用可能である。

本発明は、シールリングの損傷を抑える効果を向上するのに有用である。

１：密封構造、
２：軸、
３：ハウジング、
４：バッファリング、
５：シールリング、
６：バックアップリング、
２１：低周面部、
２１ａ：端部、
２２：段差部、
２２ａ：傾斜面、
２２ｂ：垂直面、
２３：溝部、
３１：内壁面、
３１ａ：軸孔、
３１ｂ：間隙、
４１：リップ部、
４１ａ：先端部、
４２：金属環、
４２ａ：第１部分、
４２ｂ：第２部分、
４３：樹脂部材、
５１：面、
Ｈ：高圧空間、
Ｌ：低圧空間、
Ｘ：方向、
Ｙ：方向、
Ｚ：方向。

Claims (4)

1. 軸が挿通される軸孔を有するハウジングの内部に設けられ、前記軸孔を形成する前記ハウジングの内壁面と前記軸との間の環状の隙間をシールすることで、該隙間を、圧力が相対的に低い低圧空間と圧力が相対的に高い高圧空間とに分断する密封構造であって、
   前記軸の中心軸の側に向かって周面が下がって軸径が相対的に小さくなった前記軸の周面の一部である低周面部において前記軸を取り巻くとともに前記ハウジングの前記内壁面に圧接する、環状の弾性材料からなるシールリングと、
   前記軸に沿った軸方向について前記シールリングよりも前記低圧空間側において前記軸を取り巻く、環状の弾性材料からなるバックアップリングであって、前記低圧空間側を向いた前記シールリングの面に当接するとともに、前記低周面部の前記低圧空間側の端部と接続し該端部から離れるにつれて軸径が大きくなっていく前記軸の周面の一部である段差部にも当接するバックアップリングと、
   前記軸方向について前記シールリングよりも前記高圧空間側において、前記軸上に形成された環状の溝部に嵌め込まれて前記軸を取り巻く環状のバッファリングであって、前記ハウジングの前記内壁面に向かって突き出し前記シールリングと前記バッファリングとの間の空間の圧力状態に応じて前記ハウジングの前記内壁面からの離間が可能な態様で先端部が該内壁面に接触するリップ部を有するバッファリングと、を備えた密封構造。
2. 前記リップ部は、前記高圧空間側に傾いた斜め方向に前記ハウジングの前記内壁面に向かって突き出したものである請求項１記載の密封構造。
3. 前記バッファリングは、金属材料で構成された環状の金属環と、樹脂材料で構成され前記金属環を覆う環状の樹脂部材と、を備えたものである請求項１又は２記載の密封構造。
4. 前記金属環は、前記軸方向に沿って延びる円筒状の第１部分と、該第１部分の２つの端部のうち前記高圧空間側の端部と接続し、前記軸の前記中心軸から離れる方向に前記ハウジングの前記内壁面に向かって延びるフランジ状の第２部分とで構成されたものである請求項３記載の密封構造。

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