JP2725292B2 - バックアップリング - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主として流体圧シリンダ等に使用されるパ
ッキン、あるいはシールの圧力等によるはみ出し損傷を
防止するために用いられるバックアップリングに関し、
さらに詳しくは高圧下で使用され、しかも高温から低温
までの幅広い温度範囲で使用されるバックアップリング
に関する。

（従来の技術） バックアップリングは、Ｏリングを始め、Ｕパッキ
ン、オイルシールなどの各種シール装置の軟質弾性材
料、たとえば合成ゴム等から成る部材の圧力に対する、
変形、はみ出しの保護に使用されており、その代表的な
材料は四ふっ化エチレン樹脂（以下「PTFE」と記す）が
挙げられる。しかしながらPTFEは、樹脂の中では比較的
軟質であるため、高圧下におけるバックアップリングと
しては保護機能に限界がありこのような使用条件におい
ては、より強度の高いポリアミド樹脂、または、ポリア
セタール樹脂、さらには、ポリフェニレンサルファイド
樹脂（PPS）等の芳香族系耐熱性合成樹脂材料が使用さ
れてきている。

PTFEのような軟質の合成樹脂材料の場合は、線膨張係
数も大きく温度の変化による膨張あるいは収縮量も大き
いが、バックアップリングが相手運動面に密着しても、
樹脂の硬さ、あるいは強度の点で、さらに、あるいは樹
脂自体の摩擦係数が小さいことから、また熱による材質
の劣化がほとんどないなどの特性により、相手運動面に
対する接触力は余り高くならず、バックアップリングに
よる緊迫力の増加による摩擦力の影響はさほど大きくな
かった。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、高圧に対応するための前述のような硬
質合成樹脂材料の場合は、PTFE等の軟質合成樹脂材料に
比べ線膨張係数はやや小さいものの、温度による膨張あ
るいは収縮による寸法の変化等に起因して相手運動面に
対する接触力が強くなり、特にロッドシール装置のバッ
クアップリングとして使用する場合には、材料の熱劣化
による収縮と、さらに低温による収縮とが重なり、−10
〜−20℃以下の低温域では、ロッドの動きを阻害するほ
どにバックアップリングの緊迫力が上昇し、シリンダ装
置の作動に重大な影響を与えることが有る。

第１図は、正常状態にあるバックアップリング１を示
す。パッキンあるいはシールリング２がロッド３の周囲
に設けられ、バックアップリング１の運動面４がロッド
３の摺動面に対面するように配置されている。符号５は
ハウジングを示す。しかし、図示装置にあってバックア
ップリング１が例えば、低温状態で収縮を起こしたとき
などにロッド３の運動が阻害されることがある。このと
きの状態は第２図に示すようにバックアップリング１の
運動面４がロッド３の摺動面に完全に密着してしまう。

このような作動の異常は、バックアップリング１の収
縮による緊迫力の増大という直接的な要因によるばかり
でなく、ロッド３の摺動面とバックアップリング１の運
動面４と密着状態となることによって２次的に発生する
摺動面、運動面の両面間の潤滑切れによる、一種の焼付
き現象による摩擦力の増大が複合してロッド３の円滑な
作動に影響していると考えられる。

すなわち、バックアップリングはその機能上ロッドと
大きな隙間をとることができない。この隙間が大きいと
パッキンあるいはシールが圧力でこの隙間にはみ出すた
めである。従って、かかる隙間は可及的に狭くする必要
があるが、しかし今度は低温で使用するとバックアップ
リングが収縮して摩擦力が増大し、摩擦発熱のため潤滑
性も低下し異常音が発生し、これがさらに摩擦力の増大
を招き、このような相乗的な摩擦力の増大により摩擦量
も飛躍的に増加し、ついにバックアップリングの寿命を
終らせる。

以上の例はロッドシール装置のバックアップリングで
あるが、ピストンシール装置のバックアップリングとし
て使用される場合には、高温時においてバックアップリ
ングの膨張によりシリンダ内壁面との接触力が強くな
り、シリンダ内壁面とバックアップリング運動面との間
の潤滑が不良状態となり摩擦力が上昇すると共に、高温
時においては油圧作動油の粘度が下がり潤滑性も低下す
るため、潤滑不良による異常音の発生する事も多い。

かくして、本発明の目的は、かかる高圧用あるいは広
範囲の使用温度条件下で使用されるバックアップリング
における、熱劣化による収縮あるいはひずみおよび温度
による寸法変化に起因する接触力の異常上昇と、それに
伴って起きるバックアップリングと相手摺動面間の潤滑
状態の異常によって惹起される摩擦力の異常な増大を防
止して、広範囲な温度条件下で安定した円滑な作動を実
現するロードシール装置あるいはピストンシール装置の
パッキンあるいはシールのバックアップリングを提供す
ることにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、パッキンあるいはシールと組合せて用いら
れるバックアップリングの運動面に突起部を設けたこと
を特徴とするバックアップリングである。

ここに、上記突起部には各種態様が考えられ、その断
面形状あるいは配置には多くの変更例が考えられる。

本発明はその具体的態様によれば、流体圧力によるは
み出し損傷等からパッキンあるいはシールを保護するバ
ックアップリングの相手摺動面に接する運動面に、断面
がほぼ円弧状、台形、短形、三角形等の形状をもった突
起を軸方向、あるいは軸方向に斜めに、または軸方向に
斜めに互いにクロスするように設けたことを特徴とする
バックアップリングである。

本発明は、その別の特徴によれば、前記運動面のパッ
キンあるいはシールと接する側の端部に径方向の環状の
凸部を設けたバックアップリングである。

また、本発明の別の態様によれば、バックアップリン
グの運動面のパッキンあるいはシールに接する側とは反
対の側に突起を設けない部分を構成し、バックアップリ
ングの断面形状がほぼＬ字形の場合は上記の突起を設け
ない部分を径方向部分のＬ部の厚さとほぼ同程度の幅と
してもよい。

前記突起の径方向の突出量は、パッキンおよびシール
に接する側よりその反対側の底部側が少なくなるように
テーパーを持たせるようにしてもよい。

本発明は、さらに別の面からは、前述の特徴に加え
て、パッキンあるいはシールのバックアップリングと接
する側の運動面の底部に設けられた凹所に少なくとも一
部が嵌挿されて構成されるバックアップリングであっ
て、該バックアップリングの前記パッキンあるいはシー
ルと接する軸方向面には環状の凸条または凹部を設け、
該凸条または凹部が、前記凹所の軸方向面に設けられた
凹部または凸条と互いに嵌着するように構成されたこと
を特徴とするバックアップリングである。

（作用） 次に、添付図面を参照してさらに本発明を詳述にす
る。

第３図は、本発明にかかるバックアップリングの部分
断面図である。

本発明のバックアップリング11は、図示のように、断
面がほぼ長方形、ほゞ三角形、あるいはほぼＬ字断面等
のバックアップリングの運動面４である相手摺動面を成
すロッド２（第１図および第２図参照）に接する側の面
に、断面が例えばほぼ円弧状、台形、短形、三角形等の
形状を持った突起15を軸方向あるいは軸方向に斜めに、
または軸方向に斜めに互いにクロスするように設けるこ
とにより、バックアップリング11と相手摺動面との接触
面積を小さくすると共に、バックアップリング11の運動
面４に設けた該突起15間の凹部14に、常に潤滑剤（たと
えばグリース、油圧作動油等）を保持するようにしたも
のである。

第３図に示す例では、上記突起15が軸方向に延設され
ているが、これは後述するように例えば第10図に示すよ
うに各突起15がクロスするように設けられていてもある
いは特に図示しないが軸方向に斜めに延設されてもよ
い。

第４図（ａ）ないし第４図（ｄ）は、上記突起15の断
面形状のいくつかの例をそれぞれ示す。ほゞ三角形状、
円弧状つまり半円状、短形状そして台形状のものが例示
される。

また、図示しないがバックアップリング11の相手摺動
面と接触する突起15を、パッキンあるいはシール側に対
して軸方向反対側の底部側18を相手摺動面から逃がすよ
うに径方向の突出量をテーパー状にしたテーパー状突起
（図示せず）として構成することにより摩擦をより低減
することができる。

第５図は、バックアップリング11の運動面４の端部に
径方向の環状凸部16を設けた例を示すもので、バックア
ップリング11のパッキンあるいはシールと接する側の軸
方向端部19まで突起15を設けると、高圧での使用におい
てはパッキンあるいはシールが、圧力により突起15の間
の凹部14にまではみ出し、むしれなどの損傷が起きるこ
とが懸念されるため、このような高圧下での使用におい
ては、バックアップリング11のパッキンあるいはシール
と接する側の軸方向端部12に径方向の環状凸部16を設け
パッキンあるいはシール２のはみ出しを防止している。
図中、底部側18と反対側の運動面４上に設けられた環状
凸部16の断面形状は前記突起15の場合と同様に例えば第
４図に示すような適宜形状とすることができる。環状凸
部16を設けることは、上述のような効果の外に、バック
アップリング11の材質が、PTFEのように軟質材のときは
強度付与に効果がある。

第６図は、本発明のバックアップリング11のさらに別
の態様を示すもので、図示例にあっては、さらにバック
アップリング11の運動面４上にあってパッキンあるいは
シールに接する側とは反対の底部側18に、突起15に設け
ない部分、つまり凹部14あるいは環状逃げ部17を構成
し、バックアップリング11と相手摺動面との接触面積を
できるだけ少なくすると共に、凹部14への潤滑剤の流入
を助ける効果を持たせている。

特にバックアップリング11の形状がほぼＬ字断面の場
合は突起15を設けない環状逃げ部17を径方向部分13の軸
方向厚さとほぼ同程度の幅とすることにより、径方向部
分13の線膨張による寸法変化が軸方向部分12に比べ大き
いために起こるバックアップリング底部側18の寸法変化
が大きくなることによる緊迫の増大の影響を防止してい
る。

第７図および第８図は、本発明のさらに別の態様を示
すもので、ハウジング５に組込んだパッキンあるいはシ
ールの運動面４の底部に設けられた凹所20に少なくとも
一部が嵌挿されるように構成したバックアップリング11
である。第７図はバックアップリング11の全部が凹所20
に嵌挿される場合を、第８図は、バックアップリング11
が断面Ｌ字状をなしており、その軸方向部分12だけが凹
所20に嵌挿されている場合を示す。

なお、第８図に示すのは第６図に示すバックアップリ
ング11をパッキングまたはシール２に組合わせた場合で
ある。

すなわち、バックアップリング11のパッキンあるいは
シール２の凹所20の軸方向面30′と接する軸方向面30に
好ましくは環状の凹部32（これは環状の凸部であっても
よい）を設け、該凹部32が前記凹所20の軸方向面30′に
設けられた凸条34（これは環状の凹部であってもよい）
と互いに嵌着するように構成されている。図示例は凹部
32と凸条34との嵌着の場合を示すが、これはその逆であ
ってもよい。

第９図および第10図は、第７図に示すバックアップリ
ング11の運動面４に設けられた突起15の形状および配置
例を示す一部略式断面図である。

第９図は突起15が軸方向に延設されているが、さらに
同図の例では底部側18において突起15には切欠き21が設
けられている。これは突起15の底面側18の角部による潤
滑膜のカキ取りを防ぎ潤滑状態を良好に保つためであ
る。また第９図の変更例では、突起15の径方向の突出
量、この場合は凹部の深さを、軸方向端部19側を少なく
し、底部側18を大きくなるように構成する。つまり、凹
部14をデーパー状に設けることにより、パッキン２ある
いはシール２の凹部14に対するはみ出しを防止すること
が可能である。

第10図は、先きに説明したように、斜行する突起15が
クロスする配置例を示す。

以上のような構成から成る本発明のバックアップリン
グ11は、第１図および第２図に示す相手摺動面を成すロ
ッド３との接触が、常にバックアップリング11の運動面
側に設けられた突起15および／または環状凸部16であ
り、また突起15と突起15との間の凹部14に常に潤滑剤が
保持されているため、緊迫力の異常な上昇、及び潤滑不
良による異常な摩擦力の上昇さらには、異常な摩擦力に
よる異常音の発生がなく、安定した摩擦力を持ったシー
ル装置が得られ、特にロッド用のシール装置のバックア
ップリングとして使用した場合、低温領域での収縮によ
る摩擦力の異常上昇が防止でき、シリンダ装置の円滑な
作動が得られる。

ところで、バックアップリングの摩擦力は一般に下式
で表わされる。

摩擦力＝摩擦係数×接触力 バックアップリングを低温にすると内径が収縮するか
ら、シール装置を組立ててロッドと接触させた後はその
ような内径が収縮すれば接触力が増加する。一般にプラ
スチックの方が金属より熱膨張係数が大きい。正確にい
うと下記式に示すように圧縮ひずみ（リングでいうとハ
リ代）が増大する。そのため、上述の接触力増加は著し
い。

接触力＝見掛けの弾性率×圧縮ひずみ×接触面積 したがって、本発明によりバックアップリングに突起
を設けることは逆にいえばロッドとの接触面に溝部（凹
部）を作ることと考えることができ、溝部の側面が特に
軟質材料の場合、容易にふくらみうる自由表面となり、
見掛けの弾性率を大幅に低下させることになる。

このように、バックアップリングに突起を設けること
は第一に見掛けの弾性率（縦弾性係数）を大幅に低下さ
せるほかに、突起部でロッドに接触するのであるから第
二に接触面積もそれだけ減少する。突起によって接触力
は二重に減少するので、それらの相乗作用により摩擦力
も大幅に減少するのである。

しかも、突起によって溝部ができたので、その凹部に
潤滑剤（たとえばグリース、油圧作動油等）を充填する
ことにより、バックアップリングとロッドとの摩擦係数
が低下する。本発明による作用効果が更に顕著に発揮さ
れることになる。

なお、すでに述べたようにバックアップリングとロッ
ドの全面を潤滑するためには、突起、したがって凹部を
軸方向に設けるよりは、軸方向に斜めにあるいは軸方向
に斜めに互いにクロスするように２方向に設ける方が好
都合である。

第11図は、第８図に示すものに相当する本発明にかか
るバックアップリングと従来の第１図に示す構造のバッ
クアップリングとの摩擦力の温度変化を示すグラフであ
る。これらはほゞ同一寸法のロッドのシール装置による
ものでそのときの相対的摩擦力を測定し、グラフに示し
たものである。なお、摩擦力はロッドハウジングに装着
したロッドシール装置を所定の温度に一定時間放置した
後、ひずみゲージによって測定、決定した。

（発明の効果） これらの結果からも分かるように、本発明によるバッ
クアップリングの摩擦力は、ロッドシール装置としての
試験では、０℃程度以上の温度では従来からのバックア
ップリングに比べやや低い程度の摩擦力であるが、−10
℃以下では、約1/2〜1/3以下の摩擦力に低下している。
摩擦力が低下すれば摩耗量も減り、バックアップリング
の寿命も延びる。

なお、本明細書ではロッドシール装置の場合について
本発明を説明するがピストンシール装置の場合のような
他の場合でも趣旨は同様である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のバックアップリングを使用したロッド
シール装置の装着状態を示す断面図； 第２図は、第１図に示すロッドシール装置の低温時にお
けるバックアップリングの収縮状態を示す同じく断面
図； 第３図は、本発明にかかるバックアップリングの部分断
面図； 第４図（ａ）ないし第４図（ｄ）は、突起断面形状を示
す説明図； 第５図および第６図は、本発明のバックアップリングの
別の変更例の部分断面図； 第７図および第８図は、本発明にかかるバックアップリ
ングを使用したシール装置の装着状態を示す断面図； 第９図はおよび第10図は、本発明のバックアップリング
のさらに別の変更例の部分断面図；および 第11図は、本発明のバックアップリングと、従来からの
バックアップリングによるロッドシール装置の温度によ
る摩擦力の変化を比較したグラフである。 1:バックアップリング 2:パッキンあるいはシール 3:ロッド、4:運動面 5:ハウジング 11:バックアップリング 12:軸方向部分 13:径方向部分、14:凹部 15:突起、16:環状凸部 17:逃げ部、18:底部側

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パッキンあるいはシールと組合せて用いら
   れるバックアップリングの運動面に突起部を設けたこと
   を特徴とするバックアップリング。
2. 【請求項２】前記運動面のパッキンあるいはシールと接
   する側の端部に径方向の環状凸部を設けたことを特徴と
   する請求項１記載のバックアップリング。
3. 【請求項３】パッキンあるいはシールのバックアップリ
   ングと接する側の運動面の底部に設けられた凹所に少な
   くとも一部が嵌挿されて構成されるバックアップリング
   であって、該バックアップリングの前記パッキンあるい
   はシールと接する軸方向面に環状の凸条または凹部を設
   け、該凸条または凹部が、前記凹所の軸方向面に設けら
   れた凹部または凸条と互いに嵌着するように構成された
   ことを特徴とする請求項１または２項に記載のバックア
   ップリング。