JP4739320B2 - 油圧アセンブリ用シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、油圧アセンブリ用の高温用シールに関する。より詳細には、本発明は油圧用ファスナおよび油圧用ナットに適するシールに関する。

油圧により張力が加わるナット、ワッシャおよびファスナは、ナットまたはワッシャに油圧を作動させることによりスタッドまたはボルトに張力を加える方法を提供する。これらのナットおよびワッシャは極めて高圧かつ高温下において作用する。

油圧ナットまたは油圧ファスナは、通常は機械的なプリテンションを加え、その後油圧がファスナにより固定された構造内のチャンバに加えられて油圧による力が生起され、ファスナにより係合されたスタッドまたはナットに軸方向の張力を加える。ロックカラーが備えていることにより、チャンバ圧を解放した後も張力を維持する。

油圧装置に用いるシールは通常、ニトリルゴムまたはポリウレタンなどのエラストマー材料からなる。これらが流体圧力の通路をシールする方法は、本願において第１次機構および第２次機構と称する種類に分けられる。シールの第１次機構は流体圧力の初期作用時に作用する。この圧力が増大するにつれてエラストマー製シールは変形し、シールされるべき間隙を埋めるような位置に押入される。以下には、第２次シールを確立するための「押し出しギャップ」について説明する。

油圧作動のピストン／シリンダ構成においては通常のことであるが、作動圧力が高まるにつれてシリンダ壁は径方向に拡径し、それによりピストンとシリンダとの間の押し出しギャップを比例的に増大させる。油圧ナットの稼動を制限する要因は、これらのシールの有効性である。高圧、高温、悪条件下における使用期間などの要因は、適用分野および有効性を限定する。これらの要因が極度なものであれば、それが単一であれ組み合わさったものであれ、シール材として通常使用されている材料が損傷する。損傷は、高圧および／または高温下においてシール材料が押し出しギャップに流入すなわち移動したときに生起し、シールはなされなくなる。

発電機および原子力発電機などの極端な温度／圧力下における使用において、例えば発電機ハウジングまたはパイプのフランジジョイントなどにおけるスタッドまたはボルトに加わる張力の喪失のように、シールが損なわれないことはきわめて重要であり、このような破損は破滅的な災害となり得る。ブックネル（Ｂｕｃｋｎｅｌｌ）に付与された特許文献１（国際出願ＰＣＴ／ＡＵ／９７／００４２５、国際公開第９８／００６６０号パンフレット）は、高温において作用することが可能な油圧アセンブリ用の油圧シールを開示している。該シールはリップを備え、それにより例えばピストンとシリンダとの間に低圧シールを付与し、さらにギャップ中を移動し、溝の中に設けられた斜面またはカップに対して一定角度をなすベースにより高圧下におけるシールを付与する。該シールはエラストマー材料および／または薄いシート状金属により形成される。

特許文献１のシールは、発電および原子力産業において高温下での油圧による張力が加わるファスナに多く搭載されて使用されてきた。しかし経験によれば、特に特異な稼動要件に対応するファスナに対して、様々な種類のシール構成の必要性があることが示されてきた。
米国特許第６，４９４，４６５号

従って、本発明の目的は、高圧および／または高温などの極端な要因に耐えることが可能なシール特性を有するファスナなどの、油圧アセンブリ用高温シールを提供することにある。さらに本発明の目的は、悪条件下においてより長い使用期間を達成したシールを提供すること、または少なくとも従来技術のシールに対する代替物を提供することにある。

本発明において、本体と押圧部材との間に形成される作動チャンバ内に作動流体を備える油圧アセンブリ用シール装置は環状シールを備え、環状シールは本体と押圧部材との間におけるシール係合部に押入される対向するシール面を有し、同シール面は収束する。

装置はまた、アセンブリの本体または押入部材に保持された環状をなす嵌合ばねクリップを備えることが好ましく、クリップは環状シールの非シール面を支持し、本体と押入部材との間の第１次シール係合を確実に行う。

環状シールは一対の環状のシールリップにより形成されることが好ましく、リップは初期の低圧時において、アセンブリの本体と押圧部材との間のシール係合部に押入される。シールの残部は高圧時にシール係合部に押入される。

シールは配置されたときに弾性的に変形することが好ましく、シールが弾性的に原初の形状に戻ることにより、本体と押入部材との間のシール係合部を押圧することができる。
シールは圧力により回動してシール係合部を維持する丸みを帯びたヒールを有することが好ましい。

これに代わる形状としては、シール装置はオーバーストロークによる損傷から環状シールを保護するためのチャンバのオーバーストローク端にねじ立てされた圧力解放バルブを備え、バルブは多孔質体を備えており、それにより作動流体がチャンバから浸出するとともに、環状シールが支障なくねじ立て位置を通過することを可能とする。

多孔質体は焼結金属または多孔質セラミックからなることが好ましい。

本発明を充分に理解することが可能なように、好ましい実施態様を添付の図面を参考にしつつ説明する。
図１，２には、特許文献１に開示された従来技術における油圧補助ナットの部品およびアセンブリを図示する。アセンブリはピストン５１、シリンダ５２、ロックリング５９、押圧ワッシャ、および油圧作動チャンバ５３を備える。シール６３，６４は、特許文献１に記載されている方法に従い、ピストン５１とシリンダ５２との間の閉じた作動チャンバ５３内に配置されている。

図２Ａ，２Ｂは、ほぼＶ字型をなす従来技術によるシール６３，６４を図示する。図２Ｃは、本発明における干渉型シール１０を図示する。シール１０は低速度の作動媒体の低速注入に対応する。シール１０が圧力により移動されるとより大きな角度を有するので、シール１０は従来技術のシール６３，６４よりも大きな移動性を有する。シール１０の面１１とピストン５１の面７１との間の角度はわずかに異なるので、シール１０の本体１２のより厚い部分は、ピストン５１の面７１およびシリンダ５２に対向して移動される。このシール構造は低速加圧ルーチンを要しない場合に有効である。

図２Ｄは同様な構造を図示するが、シリンダ５２上のばねクリップ８１により第１次のシール接面がシール面により確実に行われる。図２Ｆは図２Ａ，２Ｂの従来技術による設計と類似であるが、初期の低圧を受承する薄いシールリップ１１３，１１４を備えているので、２段階のシールを行う。図２Ｈにはシールリップ２１３，２１４を有するシール２１０を示し、同様の原理に基づき作用するが、シート金属により押圧されることが異なる。
図２Ｆ，２Ｈ，２Ｇのシール１１０，２１０，３１０は、シール１１０，２１０，３１０が作動位置に挿入されると、ばねの力がシールリップ１１３，１１４，２１３，２１４，３１３，３１４に加えられ、第１次のシールを提供するような形状に形成されている。第２次のシール作用は加圧を増大させることにより開始される。図２Ｇのシール３１０は、リップ３１３，３１４の初期の低圧シールと二重スロープとを結合したものであって、大部分のシール作用を行うバックアップリング３２０を押圧する。この構成において、シール機能はＶパッキングの機能と類似となり、複数リップが作用を分担する。

図２Ｅはシール４１０を示し、ピストン５１０の壁面と接触するリップ４１３はほぼ全てのシール作用を行う。シール４１０はシール溝とピストン壁面の間の寸法よりも大きい。そのためシールが固定されると残留ばね力を有しておりシールを壁面に押圧する。シール４１０のリップ４１３は撓り、そのため加圧を増大させることにより生起されるシリンダ５２の拡張に追随する。シール４１０は比較的低圧、および径方向の壁面屈曲が極めて小さい場合には最適に使用される。

図２Ｊ〜２Ｑに示すシールは構造が完全に異なる。これらは組み込む際にばねが装入されており、それによりシールが原初の形状に回帰しようとすることにより第１次のシールが実施される。これを図８，９に図示するが、図８に示す形状に形成されたシールは、図９に示す位置に挿入され、シール溝により内方に押圧され、それにより隣接するシリンダ外壁に押圧される。

第１次の力は条件に適合するように選択されるとともに、シールは必要とされる弾力性を有する材料により作成されるので、シールは必要とされる形状に挿入されると変形する。図２Ｊ〜２Ｑに図示するシールは、第１次のシールを実施するためのばねを装入されている。その後このシール作用はシリンダ５２の内圧が増大することにより強化される。壁面に対して作用するシール力は、注入される圧力に比例して増減するシールの面積により決定される。

シール要素の薄い部分の変形は高圧および高温下においては減少し、しばしばシールが破壊される。図２Ａ，２Ｂに図示する薄いリップを有する従来技術のシールは、シリンダ壁面に対して常時ある程度のばね圧力を維持する必要がある。これは、充分に高い降伏強度を有する材料が選択され、そのためシールは局部的な高応力領域において可塑的に変形することはないことを意味する。材料強度が不充分であれば永久変形が生じる。これは薄い部分から、充分に厚く破壊力と拮抗するような部分に徐々に生じて行く傾向がある。従って、シールリップがこのように変形すれば、シールリップはシリンダ壁面との接触面から反って戻ることができる。

高温は多くの材料、特にエンジニアリング鋼の有効強度を低下させる。使用中に変形した金属シールは再度使用に供することは困難である。加圧された媒体は薄い端面に形成された隙間に圧入され、楔として作用し、シリンダ壁面とのシール接面から下部を押し剥がす。公知のシールにおけるこの問題を図６，７に図示する。

図２Ｊ〜２Ｑに図示する「シールリング」シールの新規な設計により、シールの対向面に加わる加圧流体の圧力の作用による問題が解決され、重要な面におけるシールを補助する押圧力を生起する。このような力は高圧と直接的に相関があるので、全域にわたるシー
ルに対して必要とされる相関関係を維持する。薄い部分に影響を与え、永久変形を生起させる熱の問題は、厚い部分を有する新規な設計により解決される。

これらの特徴を示すシール５１０，６１０，７１０を図２Ｊ，２Ｋ，２Ｎに図示する。図２Ｌ，２Ｍに図示するシール８１０，９１０は図２Ｊ，２Ｋのシール５１０，６１０を中空にしたものであるが、実用は限定される。図２Ｏ，２Ｑのシール９１０，１０１０は、「ばねリング」の原理をいかにして材料のより薄い部分に適用するかを示す。これらは安価に製造でき、低い稼動圧において使用される油圧補助ナットファスナに対しては充分である。図２Ｐのシール１１１０は山形の形状をなすシールを図示するが、圧力はシールの外径を拡径し、それによりシリンダ５２の壁面に対してシールを付与するように作用する。

シールの材料、具体的な形状、サイズ、シールの構成に関する選択は、意図する使用目的に応じて変更し得ることは、当業者には容易に明らかであろう。適切なシールを選択する上で重要である要因には、油圧アセンブリの稼動温度および稼動圧、ならびに加圧媒体の種類および圧力がある。

シールを破壊する更なる要因にはオーバーストロークがある。すなわち、稼動させようとする際に、シールがその実用作動限界を超えて移動することであり、故障につながるとともに、高圧流体の危険な噴出となる。このような故障を防止するため、油圧補助ファスナナットの構造中に浸出ポートを導入することが好ましい。シールがそのストローク限界を超えて押圧されて移動しても、このポートは流体を遺漏させることにより損害を最小化する。しかし、極端な内圧がシール材料を流体とともに押し出し、さらに高硬度鋼表面を擦過するので、シールはポートを経由して部分的に通過しても修復不可能な損傷を受ける。

図３〜６は、多孔質プラグ１０１を備える圧力解放装置を装備する浸出ポート１００を図示する。プラグ１０１の内面１０２は隣接するシール壁面５２Ａと合致する形状をなしており、そのためシール６３は浸出ポート１００上を移動しても損傷を受けない。多孔質プラグ１０１の材料は、シールが浸出ポート１００上を移動するので、シール６３に対して支持を提供できるように高強度を有するものから選択され、かつ流体１０３が圧力チャンバ５３から自由に浸出することを可能にする。シール６３はポート１００を横断して移動するにつれて、多孔質プラグ１０１の材料はさらに大きく暴露され、それによりさらに浸出速度が増大する。プラグ１０１の密度および空隙率は、使用目的に対する適切な強度および浸出速度を備えるように選択される。プラグ１０１用の安価な材料は焼結金属および多孔質セラミックであるが、他の材料にも適切なものがある。

シールが図３に図示する最大リセット位置から図４に図示するオーバーストローク条件にまで移動すれば、圧力解放装置の多孔質プラグ１０１はシール６３を損傷から保護することは、当業者にとっては容易に明らかであろう。本発明の多孔質浸出プラグは、オーバーストロークによりシールが損傷を受ける任意の油圧アセンブリに適用できる。

以上の記載は例示することによりなされており、当業者にとって明白な改変および変更は本明細書に提示したように本発明の範囲および権利範囲内に属することは理解されよう。

油圧補助ナットの部品の断面図。 図１のアセンブルされた油圧ナットアセンブリの断面図。 従来技術によりシールの断面図。 従来技術によりシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明におけるシールの断面図。 本発明の圧力解放装置において、一杯にリセットした位置における油圧ナットの断面図。 オーバーストローク条件における図３のナットを示す断面図。 図４のナットを示す拡大図。 従来技術における変形したシールリップを示す断面図。 従来技術における変形したシールリップを示す断面図。 図２Ｆ〜２Ｑのシールの断面図。 図２Ｆ〜２Ｑのシールの断面図。

Claims (6)

1. 油圧アセンブリ用シール装置であって、
   作動流体はアセンブリの本体と押圧部材との間に形成された作動チャンバ内に備えられ、
   本体と押圧部材との間におけるシール係合部に押圧される環状シールと、
   前記環状シールをオーバーストローク時の損傷から保護するための、作動チャンバのオーバーストローク端にねじ立てされた圧力解放バルブとを備え、
   前記圧力解放バルブは作動流体が作動チャンバから浸出することを可能とし、かつ前記環状シールが支障なくねじ立て位置を通過することを可能とする多孔質体からなるシール装置。
2. 環状シールの非シール面を支持し、本体と押圧部材との間の第１次のシール係合を確実に行うアセンブリの本体または押圧部材に保持された環状の嵌合ばねクリップを備える請求項１に記載のシール装置。
3. 環状シールは、初期の低圧時にはアセンブリの本体と押圧部材との間のシール係合部に押圧される一対の環状シールリップを備え、高圧時にはシールの残部がシール係合部に押圧される請求項１に記載のシール装置。
4. シールはばねを装備され、シールが原初の形状に回帰する位置に配置されると、本体と押圧部材との間のシール係合部を押圧する、請求項１に記載のシール装置。
5. シールは高圧下においてシール係合を維持するように回動する丸みを帯びたヒールを備える請求項１に記載のシール装置。
6. 多孔質体は焼結金属または多孔質セラミックからなる請求項１に記載のシール装置。

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