JP4580918B2 - 超高圧シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、超高圧シール構造に関し、特に、筒状シールを互いに積層した複数の輪状部材で形成し、軸方向からの圧力により筒状シールがシリンダの内側と外側へ向けて張り出すように変形することにより、多数回のピストンの往復動作に対して十分なシール効果を維持できるようにするための新規な改良に関する。

従来、用いられていたこの種の超高圧シール構造としては、例えば、後述の特許文献１，２，３及び４に開示された構成を挙げることができる。
すなわち、何れも特に図示はしていないが、特許文献１の構成の場合、ゴムパッキンとメタルパッキンを組合わせたシールが採用されている。
また、特許文献２の構成の場合、ゴムパッキンとメタルパッキンを組合わせたシールが採用されている。
また、特許文献３の場合、前述と同様に、ゴムパッキンとメタルパッキンを組合わせたシールが採用されている。
さらに、特許文献４の場合、Ｏリングと皮パッキンとメタルパッキンを組合わせたシールが採用されている。

特開平２−６０９０９号公報 実用新案登録第２５８２０１９号公報 実公平７−５４６８９号公報 実開平６−１８７５９号公報

従来の超高圧シール構造は、以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。
すなわち、前述の各文献に開示された各シール部材の構成は、何れもゴムと金属を組合わせたもので、シール動作を行った際、シリンダ及びピストンなどの構成品に傷が付き、分解組立手入れしても寿命１回程度の短命であり、繰り返し圧力が作用するものには適していなかった。
また、従来のシール部材は、シール側面に負荷のかからない固定シールであり、１度だけの昇圧に対するものであり、繰り返し昇圧・減圧に対するシールはできなかった。

本発明による超高圧シール構造は、両端が蓋体によって閉じられたシリンダ内で往復移動すると共に表面粗さが０．０５ｓ〜１２．５ｓに形成されたピストンロッドと、前記ピストンロッドと前記シリンダのシリンダ孔との間に直列配置された筒状シール押え及び前記筒状シール押えを軸方向において挟持するように設けられた一対の第１、第２筒状シールと、前記筒状シール押えに設けられた孔とを備え、前記第１、第２筒状シールは、伸縮性のあるプラスチック又は高密度樹脂よりなる樹脂材料で形成され断面形状が異なる複数の第１〜第４輪状部材を前記筒状シールの軸方向へ積層させてなる超高圧シール構造において、前記各輪状部材は、前記筒状シール押えに直接接しその圧力を直接受けると共に径方向断面でＶ型又はＵ型の凸部を有する前記第１輪状部材としての受圧部材と、前記受圧部材に接合すると共に径方向断面でＶ型又はＵ型をなし前記第２輪状部材としての輪状溝部材と、前記輪状溝部材の内側外部斜面に接合するテーパ面を有する第４輪状部材としての輪状内側部材と、前記輪状溝部材の外側外部斜面及び前記テーパ面に接合すると共に径方向断面で三角形をなす第３輪状部材としての輪状外側部材と、からなり、前記第１筒状シールの軸心位置に内設されたブッシュ内には、前記蓋体の外部に設けられた配管が貫通され、前記ブッシュとピストンロッドとの間の前記孔内には前記配管から圧力媒体が供給され、前記第１、第２筒状シールにおける前記輪状溝部材は直列に設けられた複数よりなり、前記シリンダ内の前記第１、第２筒状シールにおける前記第１〜第４輪状部材の積層方向が互いに逆向きであり、前記第１輪状部材に圧力が加えられると、前記各第２輪状部材が外側と内側である両側に張り出し、前記第３輪状部材が外側へ張り出し、前記第４輪状部材が内側へ張り出すことにより、前記シリンダの内面とピストンロッド及びブッシュの各外面との間のシールを行う構成である。

本発明による超高圧シール構造は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、筒状シールが全て樹脂で形成されていると共に、輪状溝部材を含む複数の輪状部材の積層体で形成され、圧力を受けて各輪状部材がシリンダ側とピストン側に張り出すように変形するため、シリンダ及びピストンに傷を付けることなく、ピストンロッドの往復摺動により、繰返し昇圧・減圧に対するシールができる。
また、超高圧（８０〜７００ＭＰａ）下での摺動に対しても、筒状シールが変形して対応し、繰返しのピストンロッドの動作が可能となる。
さらに、筒状シールは、全て樹脂材料で形成されているため、シリンダ及びピストンに傷を付けることなく、繰返し使用が可能である。

本発明は、筒状シールを互いに積層した複数の輪状部材で形成し、軸方向からの圧力により筒状シールがシリンダの内側と外側へ向けて張り出すように変形することにより、多数回のピストンの往復動作に対して十分なシール効果を維持できるようにした超高圧シール構造を提供することを目的とする。

以下、図面と共に本発明による超高圧シール構造の好適な実施の形態について説明する。
図１は本発明による超高圧シール構造を概略的に示す構成図であり、図において符号１で示されるものは筒状をなすシリンダであり、このシリンダ１の両端は蓋体１ａ，１ｂによって閉じられている。

前記シリンダ１のシリンダ孔１Ａ内には、一対の第１、第２筒状シール２，２Ａが両端に位置し、前記各筒状シール２，２Ａ間には軸方向に沿って挟持されるように筒状シール押え５が介挿されており、この各筒状シール２，２Ａ及びシール押え５によって形成された孔５Ａ内には、往復直動自在なピストンロッド４、圧力媒体６及びブッシュ３が配設されている。このブッシュ３は第１筒状シール２の軸心位置に内設されている。従って、前記筒状シール２及び筒状シール押え５は前記シリンダ１とピストンロッド４との間に配設されている。
前記蓋体１ａ及びブッシュ３を貫通して蓋体１ａの外部に設けられた配管７が設けられ、この配管７を経て前記圧力媒体６をシリンダ１内に供給できるように構成されている。

前記筒状シール２，２Ａは、図２及び図３で示されているように、全体形状が輪状をなし、全て樹脂のみによって形成された互いに断面形状が異なる第１〜第４輪状部材１０，１１，１２，１３が互いに軸方向に沿って積層されて形成されている。尚、図１のように、シリンダ１内の各筒状シール２，２Ａにおける第１〜第４輪状部材１０〜１３の積層方向が互いに逆向きである。
前記第１輪状部材１０は、前記シール押え５に直接接しその圧力が直接かけられることにより、矢印Ａで両側に張り出すように変形する受圧部材を構成していると共に、断面Ｖ型又はＵ型の凸部１０ａを有している。

前記第１輪状部材１０には、この凸部１０ａに接合するため径方向断面Ｖ型又はＵ型をなす輪状溝部材としての直列に設けられた複数の第２輪状部材１１が設けられている。
前記各第２輪状部材１１の溝形状は、前記凸部１０ａの形状にならって接合することができるように構成されている。

前記各第２輪状溝部材１１の中の図２における最下段の第２輪状部材１１の前記シリンダ１側に向いた外側外部斜面１１ａに接合して断面三角形をなす輪状外側部材１２が接合して設けられている。

前記第２輪状部材１１の前記ピストンロッド４側に向いた内側外部斜面１１ｂには、テーパ面１３ａが接合する輪状内側部材１３が設けられ、このテーパ面１３ａは前記輪状外側部材１２に接合している。

従って、図４にも示されているように、シール押え５による圧力が、矢印Ｂで示される圧力方向の圧力が第１輪状部材１０に加えられると、前記凸部１０ａの作用により、各第２輪状部材１１が外側と内側である両側に矢印Ｃで示されるように張り出すと共に、前記第３輪状部材１２が矢印Ｄで示す外側方向に張り出し、前記第４輪状部材１３は前記内側外部斜面１１ｂからの押力によって矢印Ｅで示す内側方向に第４輪状部材１３が張り出すことにより、各輪状部材１０〜１３によりシリンダ１の内面とピストンロッド４及びブッシュ３の各外面との間のシールを完全な状態とすることができる。
尚、前記シリンダ孔１Ａおよび前記ピストンロッド４の周面の表面粗さは、０．０５ｓ〜１２．５ｓに形成されている。

次に、図１の本発明による超高圧シール構造を適用した増圧機の動作について説明する。
図１の状態において、シリンダ１内を初期圧８０ＭＰａ程度で加圧し、図示しない油圧ユニットによってピストンロッド４を上下に摺動させると、シリンダ１の圧力媒体６がさらに加圧される。
この加圧された前記圧力媒体６は配管７を経て図示しない供試体を加圧することができる。
尚、前述のピストンロッド４の上下の摺動１往復（すなわち、圧力７００ＭＰａまで昇圧し、８０ＭＰａに減圧する）を１回とカウントすると、最高１０００回以上のシール動作を達成することができる。

次に、図５の構成は、本発明による超高圧シール構造を長手形状のシリンダ１に適用し、シール試験を行った実施例について述べる。
尚、図５の構成の試験装置において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
前記配管７には逆止弁７Ａと圧力センサ９が接続され、ピストンロッド４の両端にはストッパとしての固定ねじ３２が設けられ、油圧ユニット３０によって往復直動されるピストンロッド４の位置が一対のリミットスイッチ３１，３３によって検出されるように構成されている。

前述の構成において、前記ピストンロッド４の往復の切替えは、前記各リミットスイッチ３１，３３の検出によって行い、実際のシール試験としては、シリンダ１の内径が８８．９ｍｍ、ピストンロッド４の外径が７６．２ｍｍ、シリンダ１内に水＋溶剤からなる圧力媒体６を入れ、圧力を０ＭＰａから増圧ポンプ７ａで例えば８０ＭＰａまで加圧した後に、ピストンロッド４を油圧により摺動しつつ圧力を１０００ＭＰａまで昇圧、その後、ピストンロッド４を油圧減圧により摺動しつつ８０ＭＰａまで減圧する実験を、図６のＮｏ．１からＮｏ．５（Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４は比較例として作成したシール、Ｎｏ．５は本発明シールである）の筒状シール２を用いて実験した。

前述の筒状シール２のシール試験の結果、図７に示されるように、Ｎｏ．１と、Ｎｏ．２の筒状シール２の場合、シールを達成したのは３回に留まった。
また、Ｎｏ．３の筒状シール２の場合、力が加わるとシリンダ壁面とピストン側面に筒状シール２が張り出す構造となっており、飛び出し防止リングに真鍮を使用したが、実際にシールを達成したのは数回に留まった。

また、Ｎｏ．４の筒状シール２の場合、前述のＮｏ．３の構造とほぼ同様で、飛び出し防止リングに高密度樹脂を使用したために、６５０回のシールを達成することができた。
また、Ｎｏ．５の本発明の筒状シール２では、７００ＭＰａの超高圧下において、摺動シールとして最高１０００回以上のシールを達成することができた。
尚、前述の７００ＭＰａの高圧下においては、筒状シール２の部材の伸縮について考慮しなければならず、材質としては伸縮性のあるプラスチック又は高密度樹脂が最適である。

本発明による超高圧シール構造を示す断面図である。 図１の筒状シールの一部の断面図である。 図１の筒状シールを示す斜視図である。 図１の要部を示す断面図である。 本発明による筒状シールのシール試験を行う装置の構成図である。 図５の装置による試験に供する筒状シールを示す説明図である。 図６の各種筒状シールのシール試験回数を示す結果グラフである。

１ シリンダ
１ａ，１ｂ 蓋体
２，２Ａ 第１、第２筒状シール
３ ブッシュ
４ ピストンロッド
５ 筒状シール押え
５Ａ 孔
６ 圧力媒体
７ 配管
１０ 第１輪状部材（受圧部材）
１０ａ 凸部
１１ 第２輪状部材（輪状溝部材）
１１ａ 外側外部斜面
１１ｂ 内側外部斜面
１２ 第３輪状部材（輪状外側部材）
１３ 第４輪状部材（輪状内側部材）
１３ａ テーパ面

Claims (1)

1. 両端が蓋体(1a,1b)によって閉じられたシリンダ(1)内で往復移動すると共に表面粗さが０．０５ｓ〜１２．５ｓに形成されたピストンロッド(4)と、前記ピストンロッド(4)と前記シリンダ(1)のシリンダ孔(1A)との間に直列配置された筒状シール押え(5)及び前記筒状シール押え(5)を軸方向において挟持するように設けられた一対の第１、第２筒状シール(2,2A)と、前記筒状シール押え(5)に設けられた孔(5A)とを備え、
   前記第１、第２筒状シール(2,2A)は、伸縮性のあるプラスチック又は高密度樹脂よりなる樹脂材料で形成され断面形状が異なる複数の第１〜第４輪状部材(10,11,12,13)を前記筒状シール(2,2A)の軸方向へ積層させてなる超高圧シール構造において、
   前記各輪状部材(10,11,12,13)は、前記筒状シール押え(5)に直接接しその圧力を直接受けると共に径方向断面でＶ型又はＵ型の凸部(10a)を有する前記第１輪状部材としての受圧部材(10)と、前記受圧部材(10)に接合すると共に径方向断面でＶ型又はＵ型をなし前記第２輪状部材としての輪状溝部材(11)と、前記輪状溝部材(11)の内側外部斜面(11b)に接合するテーパ面(13a)を有する第４輪状部材としての輪状内側部材(13)と、前記輪状溝部材(11)の外側外部斜面(11a)及び前記テーパ面(13a)に接合すると共に径方向断面で三角形をなす第３輪状部材としての輪状外側部材(12)と、からなり、前記第１筒状シール(2)の軸心位置に内設されたブッシュ(3)内には、前記蓋体(1a)の外部に設けられた配管(7)が貫通され、前記ブッシュ(3)とピストンロッド(4)との間の前記孔(5A)内には前記配管(7)から圧力媒体(6)が供給され、前記第１、第２筒状シール(2,2A)における前記輪状溝部材(11)は直列に設けられた複数よりなり、前記シリンダ(1)内の前記第１、第２筒状シール(2,2A)における前記第１〜第４輪状部材(10〜13)の積層方向が互いに逆向きであり、
   前記第１輪状部材(10)に圧力が加えられると、前記各第２輪状部材(11)が外側と内側である両側に張り出し、前記第３輪状部材(12)が外側へ張り出し、前記第４輪状部材(13)が内側へ張り出すことにより、前記シリンダ(1)の内面とピストンロッド(4)及びブッシュ(3)の各外面との間のシールを行うことを特徴とする超高圧シール構造。

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