JP4231554B2 - 流体圧アセンブリのシール及び該シールを用いた前記流体圧アセンブリ - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は，流体圧機構，たとえばファスナまたはナットにおける改良に関し，特に，そのような機構およびファスナのシールにおける改良及び該シールを用いた前記流体圧アセンブリに関する。
技術的背景
流体圧装置，たとえばナットおよび同種のファスナは公知である。ナットは，スタッドまたはボルトをナットと係合した状態で張設したのち，そのナットを油圧式に作動させてスタッドまたはボルトに引張り力を加える手段を提供する。ナットはしばしば極限的な圧力および温度の下で作動する。
通常，油圧ナットまたは同種のファスナを機械的にあらかじめ張設したのち，油圧の供給源を構造内のチェンバに適用して油圧力を発生させると，この油圧力が，ファスナと係合したスタッドまたはナットに対し，軸方向の引張り力を加える。前記チェンバから圧力を解放した後でも，固定カラーを使用してその引張りを保持することができる。
加えられる引張り力の大きさは，ナット中の油圧チェンバの作用表面積と，チェンバに導入され，チェンバに作用する圧力とに依存する。しばしば，油圧チェンバの利用可能な作用表面積は，隣接構造の並置ならびに導入される流体圧によって発生する応力に耐えるのに必要な内部構造の厚さによって制限される。このような場合，チェンバの積層配列を利用することもできる（米国特許第436826号（Bunyan）を参照）。
上記の型のナットの膨張チェンバは，シールされなければならない。アセンブリによっては，加圧用流体がブラダの中に保持されている（米国特許第4854798号（Snyder）を参照）。シールは環状のリングであることが非常に多い（米国特許第4074923号（Lathara）を参照）。
高圧流体圧装置に使用するためのシールは通常，エラストマー材料，たとえばニトリルゴムまたはポリウレタンでできている。これらのシールが流体圧の通過に対してシールするための手段は，本明細書では「一次シール機構」および「二次シール機構」と称する二つの別個の部分または機構に分割することができる。一次シール機構は，流体圧が最初に加わったときに作用し，単に流体の通過を遮断して，内圧の上昇を可能にする。この圧が上昇するにつれ，エラストマーシールが変形し，シールが，本明細書では「（押し出し）間隙」と呼ぶシールすべき間隙を掛け渡す位置に押しやられて，二次シール機構を形成する。
従来技術の文献である米国特許第5468106号（Percival-Smith）は，従来のシールによって達成されるよりも高い温度で作用するためのものと推測されるシールを示す。この特許のシールは，油圧アセンブリの部品と一体化されており，したがって，交換することができない。シールは，構成部品の薄い縁を撓ませて押し出し間隙に掛け渡すことによって達成される。この縁を移動させるには，粘性流体の非常に急激なサージが必要である。
これは，作動圧が増すにつれ，シリンダ壁が半径方向に膨張し，ピストンとシリンダとの間の押し出し間隙の比例的な増加を生じさせる油圧駆動ピストン及びシリンダ構造に典型的である。これはとりわけ上記の積層構造（Bunyan）の特徴である。積層は，半径方向寸法に限りがあり，また，そのようなナットの壁の厚さにおいて限界があるために実施される。圧力が増すにつれ，これらのナットの壁は，特に，押し出し間隙のサイズの増大を被る。このような装置および他の装置において，高温および高圧で再使用可能に作用するシールが必要である。パーシバル−スミス（Percival-Smith）の設計は，良好な低圧性能を達成せず，有用で再使用可能なシールを提供するものではない。
油圧ナットの作動における制限的な特徴は，それらのシールの有用性である。高圧，高温および悪条件下の実用寿命のような要因が，それらの用途および有用性を削減する。これらの要因が単独でまたは組み合わさって極端になるならば，シール材として一般に使用される材料は破損する。故障の形態は，シールの材料が圧力及び／又は温度の下で押し出し間隙の中に流入または移動することである。この時点で，シールは破壊されてしまう。
発明の目的
本発明の目的は，より極端な要因，たとえば高圧，高温に耐えることができ，そのような悪条件の下でも実用寿命を延ばす改善されたシール特性を有する，たとえばファスナ等の流体圧アセンブリを提供することである。
発明の本質
本発明は，流体圧アセンブリの少なくとも二つの部品の間に形成される作動チェンバに作動流体が含まれる流体圧アセンブリのシールであって，少なくとも二つの機構，すなわち一次シール機構および二次シール機構で作用し，一次シール機構が，第一の圧力レベルまでの作動流体を含むように作用し，二次シール機構が，前記第一の圧力レベルよりも上で作用して，シールの金属部品の弾性変形により，シール材料をアセンブリの少なくとも二つの部品の間の間隙と密に関連させるシールを提供することにおいて，その目的を達成する。
本発明のシールは，加圧とともに増大する実質的な押し出し間隙がある場合の用途に特に適している。本発明のシールは外壁とともに移動する。外壁から離れることはない。シールの肩部が，アセンブリの半径方向に膨張する構成部品とで摺動接触を維持する。
主として図４及び図10を参照して，より詳しく説明すると，本発明のシールは，高温及び／又は高圧の環境で作動する少なくとも二つの部品21，22の間に形成される作動チェンバの中に作動流体が加圧下で含まれる流体圧アセンブリに使用するための，前記二部品21，22の間の間隙27，51への作動流体25の流入に対するシールであって，
前記間隙27，51は，前記二部品21，22の一方21の第１の表面81と，該第１の表面81と実質的に平行な前記二部品の他方22の第２の表面82により画定され，
前記二部品の他方は，前記第２の表面から，前記第１，第２の表面81，82に実質的に平行な第３の表面83に向かってのびる傾斜表面23（44）を有し，さらに，
前記シールは，
シール構成部品が，前記アセンブリの前記２部品21，22との接触によって，第一の圧力レベルまでの作動流体を含むように作用する一次シール機構と，
前記第一の圧力レベルよりも上で，前記シールの弾性変形によって達成される，前記シールを前記間隙27，51と密に関連させて作用する二次シール機構とにより作用すると共に，
シール本体が，該本体上に外向きに突出するフランジ28，29（45，46;49，50;68，69）を有し，該フランジは，各々第１及び第３の表面81，83に前記一次シール機構において，両者にシール効果を付与する接触をもたらし，
前記シール本体は，前記第１の表面81に向かう前記傾斜表面23に沿って摺動し弾性変形により二次シール機構に適応するよう構成され，かつ，
前記二次シール機構によって前記間隙を塞ぐ部分の前記シールが金属であり，かつ，前記シールの前記部分が前記間隙と密に関連するよう構成されていることを特徴とする（主として図４，図10参照）。
好ましい実施態様では，シールは，傾斜部に沿う分解された力が二次シール機構のシールを形成する状態で，傾斜した肩部からそれたところで二次シール機構を提供するものであってもよい。傾斜部と材料とは，下向きの力なしで二次シール機構を達成するように適合させて，シールが反作用する前にシール底を摩擦の下で傾斜面に付着させるようにしてもよい。望ましいシールの特性は，傾斜角，材料の選択，標的温度および標的圧力を含む要因の組み合わせであり，そのため，いかなる特定の用途にもある一つの設計が強要されることはない。
さらなる異なる実施態様では，シールは，プレス成形されたコップ型の成形物であり，一次シール機構を形成するためのフランジを備え，圧力に反作用して二次シール機構を形成するものであってもよい。コップ型の成形物には，圧潰に抵抗を示す材料，たとえばセラミックスを充填することができる。
理想的には，本発明のシールは，極端な圧力での融着を避けるため，シールと，シールされる流体圧アセンブリ部品とで異種の金属が選択されるシールである。
シールが膨張チェンバに装着される地点の，流体圧アセンブリ，機構またはファスナの適合部は，選択されたシールの形状を受け入れるように形成されることが明らかである。傾斜した肩部は，二次シール機構のシールの促進に効果的である。
肩部の各面とシールとの間の相互作用を抑制することなく，作用を増強するのに十分な傾斜が望ましい。当業者にとっては，そのような二つの面の間で起こる相互作用のレベルを設定するためには，材料の選択および相互作用面の形状に加えて，表面の下準備が重要であることが明らかであろう。前記要因の種々の組み合わせが，半径方向の推力（thrust）を増大させて，所与のアセンブリにおける二次シール機構を改善する。望ましい推力は，シールの斜めの底に直接加わる流体圧力の作用から分解される。底の傾斜角は，理想的には，反作用する前にシールが傾斜面に摩擦接着することを防ぎ，または，滑動部品の自由な運動を妨害する結果になるシールのウェッジングを防ぐように計算される。
多数のシール構造が本明細書で可能であることが理解されよう。シールは，一次シール機構および二次シール機構の両方を有する一体構造の全部が金属のシールであってもよい。あるいはまた，一体構造の金属シールは，一次シール機構を形成するためのフランジを備え，圧力に反作用して二次シール機構を形成するプレス成形されたコップ形のシールであるかもしれない。圧潰に抵抗を示す他の材料，たとえばセラミックスを使用してもよい。
使用される材料の降伏強さは，望ましくは，繰り返し動作に備え，動作によって誘発される圧力および半径方向負荷の和を超える。そうでなければ，シールは，１回の使用に限定してもよい。降伏強さ未満では，リングは弾性を有し，より長い実用寿命および耐久性のために再使用を可能にする。
油圧ナットを具体的に参照しながら本発明を本明細書に記載したが，本発明のシールは，使用中には作動流体の圧力の下で作動する作動チェンバがあり，より高い温度および圧力でより高い性能レベルを達成することが望まれる油圧アセンブリに用途がある。
【図面の簡単な説明】
以下，添付図面に示す本発明の種々の具体的な実施態様を参照して本発明を説明する。
図１〜図３は，油圧ナットに一般的であるようなシールの動作方法を示す，従来技術のシールの断面図である。
図４は，本発明の第一の実施態様の詳細を示す，シールおよびシールされるナットの要素の断面図である。
図５および図６は，本発明のさらなるシールリングの部分断面図である。
図７および図８は，本発明のシールリングのさらなるタイプを示すさらなる断面図である。
図９は，本発明にしたがって製造された複合型シールリングの断面図である。
図10は，本発明のさらなる複合シールリングを示す図である。
図11〜13は，本発明にしたがって使用されるさらなるシールの詳細を示す断面図である。
図14は，本発明にしたがって使用される，シールがナットの膨張チェンバに取り付けられている装置を示す，油圧ナットアセンブリの分解図である。
図15は，図14のナットを組み立てたものを示す図である。
好ましい実施態様
図１には，二つの部品11および12の間にある，従来技術のしまり型（intereference type）シールが示されている。間隙13が，間隙14中の圧力下にある流体に対してシールされる。本明細書中，この作用及びこれによるシールを「一次シール機構」と呼ぶ。
一次シール機構は，シール媒体が対向面に対して軽い圧力を加えて，低圧の加圧流体の通過を防ぎながらも，部品どうしの容易な摺接を可能にする。圧力が増大するにつれ，シールの表面に向けられる力がシールを変形させるように作用する。これが，実際にシールが生じる接点を，低圧接点から押し出し間隙に隣接する区域に移行させる。そのような場合，シール材料は，単に，加圧用流体が押し出し間隙から抜けることを防ぐための遮断層または栓として働くということができる。本明細書中，この作用及びこれによるシールを「二次シール機構」と呼ぶ。
図２は，増大した圧力の下で最終的にシールが取る形を示す。シール10の材料が，肩部16に当たって偏平化し，15で間隙13の上または中に絞り込まれて，二次シール機構をもたらす。そのような場合，圧力及び／又は温度が上昇するならば，シール10に使用される通常の材料は，最終的には押し出し間隙の中に押し込まれ，シールは，効果を失うか，完全に破損する。
図３には，しまり接触をもたらすためのシール膨張部17ならびにシールリップ19および20を備えた従来技術の複合シール18が示されている。作用すると，これらが一次シール機構として働き，シール18の底が，使用中，上記図１および図２のものに類似した押し出し遮断層または二次シール機構を形成する。この形態のシールは，材料の選択に依存して，上述した間隙における押し出しにより，より高い圧力および温度で破損する。
図４には，使用中の油圧によって作用される部品21および22の間に適用される本発明のシール24の断面が示されている。ここでは，肩部23が，図示するように押し出し間隙27に向かって斜めになったシール24を支えている。一次シール機構は，上に向かって先細りし，外側に作用する延長部，すなわちリップ28および29によって生じる。シールには，この地点に，一次シール機構を達成するための多様な形状を設けることができ，肩部，フランジ，突起部，リップなどが，シールしなければならない隣接面に対して外向きに作用する。シールに流体圧（25）が加わる間，シール24は，加えられた力を受け，それが肩部23の傾斜部に沿って並進力26を生み出し，水平方向に分解されたベクトルまたはその成分が，シールを移動，強要または駆動して，シールを，部品21の壁に対して間隙27の上に膨張または拡張させる。これが，本発明による改善された二次シール機構を提供する。
図４〜図12に見られるように，この原理は，多様な異なる形状，構造及び／又は材料を有するシールに応用することができる。一次機構および二次機構の両シールが形成される。これらのシールは，シールをシリンダの壁に当てて半径方向外側に押す加えられる力のベクトル成分を利用する。図13は，単独または複数で存在する断面がコップ形の環状シールが，前記のものと同様な方法で一次シール機構および二次シール機構をさまざまに形成することができる構造を示す。このようなシール部品の断面形状は，図示するもの以外の形，たとえばＶ字形であってもよい。
理想的には，二次シール機構は金属間接触を含む。これらのシールは，理想的には，再使用可能，すなわち交換可能であるように，複数の材料または材料の組み合わせで形成される。
図４〜図12に示すようにして一次シール機構の効果を発揮させることができる多数の方法がある（以下さらに詳細に説明する）。
シールが斜めの肩部に対して作用するとき，シールの底の角度および対応する肩部の角度が，シールが作用して当たるそれぞれの壁に対して半径方向の推力を提供するのに重要である。最適な角度は，作動圧，滑り面の間の摩擦係数を決定するシールおよびナットの幅および構成をはじめとする要因によって決まる。
理想的な推力が，シリンダ壁に対するシールの圧力を発生させ，この圧力が，斜めの肩部に作用する圧力とともに，これらの要素の間の加圧流体（25）の通過に抵抗する。これらの要素の最適な配置は，シリンダ壁に対してシールの過剰な力を加えることなく，効果的にシールする配置である。シリンダ壁に過剰な力が加わると，こう着性の摩擦，ひいては表面の摩損が生じるであろう。
図５および図６には，斜めの下面34および35の上でそれぞれの溝32および33に取り付けられるＯリング型シールを有することができるシールリング30および31（一方は半径方向外側に作用し，他方は半径方向内側に作用する）の断面が示されている。Ｏリングと，ナット部品中の対応するＯリングとが一次シール機構を形成する。圧力が増大するにつれ，分解された力が底を外側（リング30）または内側（リング31）に押して，二次シール機構を形成する。
図７および図８には，低圧で撓んで一次シール機構を形成することができる薄い上部38，39をそれぞれ有するシールリング36および37の断面が示されている。斜めの底が二次シール機構を形成する。
図９には，二つの材料で二つの部品，好ましくはポリウレタン42および鋼の裏当て43に形成された複合シールが示されている。鋼の裏当て43は，斜めの底44（この場合は外向きであるが，逆にすることもできる）を有するシェルである。鋼の裏当ては，用途に好ましい材料からプレス成形してもよいし，機械加工してもよい。ポリウレタン・インサート42は，先細りした延長部またはリップ45および46を有することができる。これは，一次シール機構を形成し，圧力の下で撓んで，上述したように，シェル43を押し出し間隙に掛け渡し，二次シール機構を形成する。これは，120℃迄の温度及び／又は高い作動圧力で使用することができる。
図10には，さらなる複合シールが断面で示されている。リップ49，50を有するプレス成形金属シール部48が一次シール機構を形成する。それに隣接する機械加工された支持リング47が圧力の下で押し出し間隙51の上に押しやられてその上に二次シール機構を形成する。機械加工された支持リング47は青銅製であることが有利であるかもしれない。このシールは，400℃までの温度および高圧で効果的である。
図11のシールは，機械加工した支持リング66の上にコップ形の金属成形物65を使用する。図12では，コップ形の金属成形物は，一次シール機構のためのフランジ68および69と，前述の二次シール機構のための傾斜した底67とを有している。
図13のシールは，前記と同様に，油圧アセンブリの部品70および71の間の間隙をシールするように加圧作用する１個以上のより簡単な金属成形物を使用する。シールは，相補的なほぼ凹形の肩部72の上に作用する。２個のコップ形シール73，74が肩部の上に載る（非加圧状態で示す）。圧力が加わると，第一のコップ形物73が一次シール機構を達成する。圧力が上昇するにつれ，シールは凹形72の中に圧入されて，太字で示す形74を帯びる。シールのばね効果が，部品70と接触するシールの縁で一次シール機構を達成する。下向きの力の水平ベクトルがシールを拡張させて，部品70の壁および部品71のシール溝のリップに対して二次シール機構を形成する。
高温に対する従来技術のシールの既存の用途の範囲はいくらか限られている。300℃の作動温度に対するシールは１個の費用が高すぎる。Bunyan型の５層油圧ファスナ（米国特許第4854798号を参照）は，これらのシール10枚を有するであろう。多くの用途はそのような作動範囲をはるかに超えている。本提案により，容易に入手可能な材料，たとえば金属板材，青銅および鋼合金から，簡素でありながらも効果的なシールが開発された。従来技術文献である米国特許第5468106号（Percival-Smith）のシールは，油圧アセンブリの部品と一体化されていて交換できないため，不十分である。これらは，いかなる一次シール機構をも有さず，低圧で作動させることができない。そのようなシールの作動サイクルの数は限られ，部品交換費用は高い。
単チェンバ型油圧ナットに装着される，本発明の一つの実施態様のシールを示す（以下を参照）。以下の配置（図14を参照）で使用されると，本発明は，大きな圧力で機能する簡単なシールの使用を可能にする。２個のリングが使用され，それらは通常，青銅またはニッケル合金である。充填中，シールされる中空部に圧力が導入されると，シリンダ壁と接触するシールの薄いリップ部分が一次シール機構を形成する。しかし，圧力が増大するにつれ，金属シールは，流体圧力および形状の簡単なベクトルによって間隙の中に駆動されて，押し出し間隙を掛け渡し，シールする。この一見簡単な構造には，実質的な利点が数多くあり，とりわけ，費用が妥当である。高温で使用されると，青銅は焼き戻され，それにより，他の方法では使用とともに生じうるひずみ硬化の問題を解消する。他のリングは，用途に依存して，硬化鋼，ガンメタル，アルミニウムなどから製造することができる。本質的原理は，傾斜した肩部から導出される流体圧力のベクトルを利用して，作動中に金属シールを延伸させて金属間の二次シール機構を形成することにある。シールは，必要ならば，従来技術のシールに使用されるような保持手段により，物理的にその場所に保持することもできる。
図14（分解図）および図15（組み立て図）は，ピストン51がシリンダ52に装着されてチェンバ53を形成する流体圧ナットの断面を示す。チェンバ53に圧力下の流体が充填されると（通常の充填手段のいずれかによって），ピストンが上向きに押しやられてチェンバを膨張させる。ロックリング59をねじ58にはめてピストンのフランジ60に対して上向きに締めると，拡張を保持することができる。使用中は，ボルトまたはスタッド（図示せず）を中央の穿孔61に突出させてナットねじ62に係合させる。ナットを拡張させると，シリンダ52が，ナットとスタッドの支持体との間に締めつけられた部品に当接した状態でボルトが引っ張られる。このアセンブリには，簡単に製造されるニッケル合金の環状リングであってもよい‘金属のみ’のシール63，64が示されている。試験が，これらのナットが通常，650℃を超える作動温度および極端な圧力に耐えることができることを証明した。

Claims (12)

1. 高温及び／又は高圧の環境で作動する少なくとも二つの部品の間に形成される作動チェンバの中に作動流体が加圧下で含まれる流体圧アセンブリに使用するための，前記二部品の間の間隙への作動流体の流入に対するシールであって，
   前記間隙は，前記二部品の一方の第１の表面と，該第１の表面と実質的に平行な前記二部品の他方の第２の表面により画定され，
   前記二部品の他方は，前記第２の表面から，前記第１，第２の表面に実質的に平行な第３の表面に向かってのびる傾斜表面を有し，さらに，
   前記シールは，
   シール構成部品が，前記アセンブリの前記２部品との接触によって，第一の圧力レベルまでの作動流体を含むように作用する一次シール機構と，
   前記第一の圧力レベルよりも上で，前記シールの弾性変形によって達成される，前記シールを前記間隙と密に関連させて作用する二次シール機構とにより作用すると共に，
   シール本体が，該本体上に外向きに突出するフランジを有し，該フランジは，各々第１及び第３の表面に前記一次シール機構において，両者にシール効果を付与する接触をもたらし，
   前記シール本体は，前記第１の表面に向かう前記傾斜表面に沿って摺動し弾性変形により二次シール機構に適応するよう構成され，かつ，
   前記二次シール機構によって前記間隙を塞ぐ部分の前記シールが金属であり，かつ，前記シールの前記部分が前記間隙と密に関連するよう構成されていることを特徴とするシール。
2. 前記シール本体にシェルが重畳され，上方及び外方に分岐延長し，前記フランジを形成する請求項１記載のシール。
3. 前記シールの本体が，青銅または鋼で機械加工または鍛造されている請求項１又は２記載のシール。
4. 前記シールの本体が，青銅または鋼で機械加工または鍛造され，かつ，前記シェルが鋼をプレスして成る請求項２記載のシール。
5. 前記シールは，フランジを有するプレスでカップ状に形成され，前記フランジは，一次シール機構において作用すると共に，前記シールは，圧力に対する反作用として，前記二次シール機構を奏する請求項１記載のシール。
6. 前記カップ状シールは，圧潰に対して抵抗を示す材料が充填されて成る請求項５記載のシール。
7. 前記圧潰に対して抵抗を示す材料は，セラミックス材料である請求項６記載のシール。
8. 前記シールは，傾斜面を有するプレス成形されたカップ状要素からなり，前記他方の部品の傾斜面は，前記シールの傾斜面に対応し，それにより，一次シール機構の圧力より高い圧力により，前記シールが摺動して，二次シール機構を生成する傾斜面に平行な変形力を生じる請求項１記載のシール。
9. 前記シールの材料及び前記流体圧アセンブリの部品並びに前記底面の傾斜面の傾斜角度は，前記傾斜した底面と対応する傾斜面との摩擦が，前記二次シール機構における作用をする以前に前記傾斜面に前記底面が溶着しない程度の大きさの中から選択する請求項８記載のシール。
10. 極端な圧力での融着を避けるため，シールと，シールされる流体圧アセンブリ部品とで異種の金属が選択される請求項１記載のシール。
11. 少なくとも２の部品の間に作動チェンバを備える流体圧アセンブリであって，
    前記作動チェンバは，少なくとも一のシールによりシールされ，
    前記シールは，前記シール構成部品が，前記アセンブリの前記部品との接触によって形成され，第一の圧力レベルまでの作動流体を含むように作用する一次シール機構と，
    前記第一の圧力レベルよりも上で，前記シールの弾性変形によって達成される，前記シールを間隙と密に関連させ，金属から成る前記シールの一部分と，該部分を前記間隙と密に関連させて作用する二次シール機構とを備え，
    前記間隙は，前記二部品の一方の第１の表面と，該第１の表面と実質的に平行な前記二部品の他方の第２の表面により画定され，
    前記二部品の他方は，前記第２の表面から，前記第１，第２の表面に実質的に平行な第３の表面に向かってのびる傾斜表面を有し，
    前記シールは，
    シール本体が，該本体上に外向きに突出するフランジを有し，該フランジは，各々第１及び第３の表面に前記一次シール機構において，両者をシールする効果を付与する接触をもたらし，
    前記シール本体は，前記第１の表面に向かう前記傾斜表面に沿って摺動して弾性変形により二次シール機構に適応するよう構成されていることを特徴とする流体圧アセンブリ。
12. 前記アセンブリが，ナットである請求項11記載の流体圧アセンブリ。

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