JP4855936B2 - シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、機器等の軸とハウジングとの間を密封するシール装置に関する。

ハウジングとそのハウジングから外部に突出する回転軸との間を密封するシール装置として、リップ型シール装置が知られている。（例えば、特許文献１参照）。リップ型シール装置には、高い圧力の被密封流体の漏出を確実に防止できる耐圧性能や、回転軸に接触するシールリップの摺動摩擦による磨耗や発熱に対する耐久性能が要求される。
一方、リップ型シールでは、高圧環境下においても、シールリップと回転軸との接触面積を適度な大きさに保つために、シールリップを支持するサポートリングを備えるものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

上記特許文献２に開示されたリップ型シール装置は、オイルシールであって、図１に示すように、ハウジング１０７の孔１０７ａに嵌着される嵌着部１０１、この嵌着部１０１から径方向内側に延びる環状部１０２、及びこの環状部１０２から図面右方の密封すべきオイル側に延び回転軸１０６に当接する筒状のシールリップ部１０３を有するゴム製のシールリング１００と、嵌着部１０１及び環状部１０２に埋設された金属製の補強環１０４と、シールリップ部１０３の付け根領域の内周面に埋設された金属製のサポートリング１０５とを備えている。
サポートリング１０５は、シールリップ部１０３の付け根領域が圧力を受けて回転軸１０６側に過剰に変形するのを防止し、シールリップ部１０３と回転軸１０６との接触面積の増大による磨耗や摩擦熱の発生を抑制する。
補強環１０４は、シールリング１００の嵌着部１０１及び環状部１０２を補強すると共に、軸方向においてサポートリング１０５と当接している。
ところで、上記従来のオイルシールは、ゴム製のシールリング１００を成形する際に、金属製の補強環１０４及びサポートリング１０５と一緒に一体成形することにより形成される。

しかしながら、シールリング１００を補強環１０４及びサポートリング１０５と一緒に一体的に成形すると、シールリング１００を回転軸１０６に装着した際のシールリップ部１０３と回転軸１０６との接触状態はシールリップ部１０３の成形精度のばらつきに応じて変化する。例えば、シールリップ部１０３が回転軸１０６に過度に接触するような場合には、シールリップ部１０３が付け根領域から変形してサポートリング１０５から剥がれ、両者の間に隙間が形成されることがある。サポートリング１０５とシールリップ部１０３との間に隙間が形成されると、サポートリング１０５はシールリップ部１０３の付け根領域を支持する役割を果たさなくなる。
また、上記従来のオイルシールのシールリップ部１０３は、サポートリング１０５を設けているので、回転軸１０６の偏芯に対して追随できなくなり、高い圧力の作用下において磨耗が著しく進行する。

特開２００３−１２０８２１号公報 特開平１０−３２５４７０号公報

本発明は、上記従来技術の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高圧被密封流体に用いられるシールリップ部を備えたシール装置であって、シールリップ部が回転軸の偏芯に追随できるとともに耐圧性、耐久性に優れるシール装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明のシール装置は、被密封流体を内部に収容するハウジングと軸との間を密封するシール装置であって、ハウジングの孔に嵌着される嵌着部，嵌着部から径方向内側に向けて延びる環状部，環状部から被密封流体側へ延びる筒状のシールリップ部を有すると共にゴム状弾性材料により形成されたシールリングと、環状部に埋設された環状補強部を有する補強環と、シールリングの内周面を支持するサポートリングとを有し、シールリップ部は、その内周において環状部の側面から延びる付け根領域に設けられた環状凹部、環状凹部よりも先端側に設けられたシール部、軸線方向において環状部に埋設された環状補強部と環状凹部との間に画定される介在部を有し、サポートリングは、シールリップ部の内径を押し広げて環状凹部に嵌め込まれると共に軸線方向においてシールリップ部の介在部を介して環状補強部と対向している、ことを特徴としている。

この構成によれば、シールリップ部は被密封流体の圧力を受けて軸に向けて近づくように変形しようとするが、シールリップ部が内周側からサポートリングで支持されているため、過剰な変形が阻止され、シールリップ部と軸との接触面積の増大が防止される。
また、補強環とサポートリングとの間に、シールリングを形成するゴム状弾性材料の介在部を介在させることにより、このゴム状弾性材料の介在部が軸の偏芯に応じて変形するので、シールリップ部が軸の偏芯に対しても追随可能となる。
さらに、シールリングをサポートリングとは別に成形し、サポートリングを環状部の側面から延びる付け根領域に形成された環状凹部に嵌め込む構成としたので、シールリップ部の位置をサポートリングにより規定することができ、シールリップ部に成形誤差があったとしてもシールリップ部と軸との接触面積が過剰に大きくなるのを防ぐことができる。また、サポートリングのみを交換することができると共に、状況に応じて、材料、強度、寸法等の仕様の異なるサポートリングを適用することが可能となる。
また、サポートリングは、シールリップ部の内径を押し広げて環状凹部に嵌め込まれているため、サポートリングをシールリップ部の内周面の環状凹部に嵌め込むと、サポートリングはシールリップ部の弾性変形による力に抗してシールリップ部を支持した状態となる。これにより、シールリップ部が変形したとしてもサポートリングと環状凹部との間に隙間が形成されるのを防止でき、サポートリングにシールリップ部を安定的に支持させることができると共に、シールリップ部と軸との接触状態を安定化できる。

上記構成において、シールリップ部の内周面を支持するサポートリングの支持面は、シールリップ部の先端側に向かって外径が徐々に減少する湾曲面からなり、シールリップ部の内周面は、このサポートリングの支持面に対応して湾曲している、構成を採用できる。
この構成によれば、シールリップ部の内周面及びサポートリングの支持面の双方を湾曲面としたことにより、シールリップ部に応力集中が発生するのを防ぐことができ、シールリップ部の耐久性を高めることができる。

以上述べたように、本発明のシール装置によれば、最適に設計されたサポートリングによりシールリップ部を支持すると共に、サポートリングとこれを支持する補強環との間にシールリップ部を形成するゴム状弾性材料の一部（介在部）を介在させることにより、シールリップ部の高圧環境下における過剰な変形を防止でき、又、シールリップ部を軸の偏芯に追随させることができる。この結果、軸との間の摺動による磨耗や発熱を抑制でき、優れた耐圧性、耐久性が得られる。
また、本発明のシール装置によれば、補強環とサポートリングを分離し、サポートリングをシールリングに嵌め込む構成としたことにより、シールリップ部の軸に対する位置を安定化できると共に、サポートリングをシールリングに安定的に接合させることができ、シールの信頼性を高めることができる。

図１は、従来のシール装置の構造の一例を示す断面図である。 図２は、本発明に係るシール装置をコンプレッサのハウジング及び回転軸の間に装着した状態を示す部分断面図である。 図３Ａは、本発明に係るシール装置の未装着状態を示す断面図である。 図３Ｂはサポートリングをシールリングに装着前のシール装置を示す断面図である。 図４Ａは、サポートリングとシールリングが一体成形されたシール装置を示す断面図である。 図４Ｂは、サポートリングとシールリングが一体成形されたシール装置を回転軸に装着した状態を示す断面図である。 図５は、サポートリングとシールリングが一体成形されたシール装置をコンプレッサのハウジング及び回転軸の間に装着し、シールリップ部が圧力を受けて変形した状態を示す断面図である。 図６は、シールリップ部の回転軸への接触幅と被密封流体の圧力との関係を示すグラフである。 図７は、本発明に係るシール装置の他の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の最良の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。尚、ここでは、本発明に係るシール装置が自動車等に搭載される空調システムのコンプレッサに用いられる場合について説明する。
図２、図３Ａ及び図３Ｂは、本発明のシール装置の一実施形態を示すものであり、図２は装着状態におけるシール装置の断面図であり、図３Ａ及び図３Ｂは未装着状態におけるシール装置の断面図である。

コンプレッサは、図２に示すように、外輪郭を画定するハウジングＨ、ハウジングＨ内に収容された圧縮機構（不図示）に外部から回転駆動力を伝達する回転軸Ｓ等を備えている。そして、回転軸Ｓ（の外周面）とハウジングＨ（の孔Ｈａの内壁面）との間を密封するように、本発明に係るシール装置１０が装着されて、内部空間に収容された被密封流体Ｆが外部に漏出するのを防いでいる。尚、冷媒である被密封流体Ｆは、０．１〜７ＭＰａ程度の高い圧力に加圧される（オイルシールでは、通常０．１ＭＰａ未満）。

シール装置１０は、図２、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、シールリング２０、このシールリング２０に埋設された補強環３０、及びシールリング２０の内周に嵌着されたサポートリング４０により基本的に構成されており、又、ガータスプリング５０を備えている。

シールリング２０は、ゴム材料により形成されており、図２、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、嵌着部２１、環状部２２、シールリップ部２３、ダストリップ部２４等から構成されている。尚、シールリング２０には、高圧環境下において適当な弾性変形が得られる材料であれば、ゴム材料に限らず、樹脂材料を用いることも可能である。
嵌着部２１は、筒状に形成され、ハウジングＨの孔Ｈａに嵌着される。
環状部２２は、嵌着部２１から径方向内側に向かって延びており、嵌着部２１とシールリップ部２３とを連結する。
ダストリップ部２４は、環状部２２の内周部から軸線方向Ｓ１のハウジングＨの外部に向けて延びており、先端部が回転軸Ｓに当接する。このダストリップ部２４は、ハウジングＨの内部にダストが侵入するのを防ぐ。

シールリップ部２３は、環状部２２の被密封流体Ｆ側における側面２２ｆからハウジングＨの内部（被密封流体Ｆ側）へ延びており、筒状に形成されている。このシールリップ部２３は、先端側の内周において、回転軸Ｓに向けて突出する山形の断面を画定する円錐面２３ｃ，２３ｄを有し、これらの円錐面２３ｃ，２３ｄにより画定される稜線領域において回転軸Ｓに当接するシール部２３ｅを有する。シール部２３ｅが回転軸Ｓの周囲に当接することにより、回転軸Ｓの外周が密封される。
シールリップ部２３は、先端側の外周に環状の溝２３ｈを有しており、この溝２３ｈに環状のガータスプリング５０が嵌め込まれる。尚、ガータスプリング５０は、シールリップ部２３の先端部を回転軸Ｓに向けて付勢する。
シールリップ部２３は、環状部２２の側面２２ｆから延びる付け根領域２３ａの内周に、サポートリング４０が嵌め込まれる環状凹部２３ｔを有する。この環状凹部２３ｔの内周面は、サポートリング４０の支持面の形状に相応した湾曲面となっている。
また、シールリップ部２３は、補強環３０の後述する環状補強部３２とサポートリング４０との間に介在する介在部２３ｕを有する。

補強環３０は、シールリング２０の嵌着部２１及び環状部２２にそれぞれ埋設された筒状補強部３１及び環状補強部３２を有しており、ゴム材料で形成されるシールリング２０を補強している。また、補強環３０はシールリング２０を形成する材料により被覆されている。
補強環３０は、金属により形成されているが、シールリング２０を形成するゴム材料により被覆されているため、金属を腐食させる流体を被密封流体Ｆに使用した場合であっても、スチールなどの錆び易いが安価で強度の高い材料で形成することができる。
補強環３０は、シールリング２０の成形時に、成形型内に置かれてシールリング２０と一体成型される。

サポートリング４０は、環状に形成されており、シールリップ部２３の付け根領域２３ａの内周に形成された環状凹部２３ｔに嵌め込まれ、この付け根領域２３ａを内周側から支持することにより、被密封流体Ｆの圧力を受けてシールリップ部２３が変形するのを抑制する。
サポートリング４０は、金属で形成されているが、被密封流体Ｆに金属を腐食させる流体を用いる場合には、ステンレス等の耐腐食性の金属、あるいは、表面が耐腐食性の材料がメッキ等により被覆された金属を用いる。
サポートリング４０は、断面形状が円弧状を有しており、外周に環状凹部２３ｔを支持する支持面４０ｔを有する。この支持面４０ｔは、シールリップ部２３の先端側に向かって外径が徐々に減少する湾曲面からなっている。シールリップ部２３の環状凹部２３ｔの内周面も支持面４０ｔに相応する湾曲面となっている。支持面４０ｔ及びシールリップ部２３の環状凹部２３ｔの内周面を湾曲面としたことにより、シールリップ部２３が圧力を受けて変形したときに、サポートリング４０のエッジによりシールリップ部２３に応力が集中して亀裂等が発生するのを防ぐことができる。

また、図２に示すように、サポートリング４０は、補強環３０の環状補強部３２の内側面と軸線方向Ｓ１においてシールリング２０を形成するゴム材料の一部である介在部２３ｕを介して対向している。サポートリング４０と補強環３０の環状補強部３２との間にシールリング２０を形成するゴム材料の介在部２３ｕを介在させることにより、このゴム材料の介在部２３ｕが回転軸Ｓの偏芯に応じて弾性変形可能となるので、シールリップ部２３が回転軸Ｓの偏芯に対しても追随可能となる。
また、サポートリング４０は、補強環３０の環状補強部３２と接触していないが、軸線方向Ｓ１において対向しているため、サポートリング４０が被密封流体Ｆから軸線方向Ｓ１の力を受けたとしても、サポートリング４０は補強環３０の環状補強部３２によって支持される。

図３Ｂに示すように、サポートリング４０が嵌着されていない状態にあるシールリング２０の環状凹部２３ｔの内径Ｄ２は、サポートリング４０の外径Ｄ１よりも小さく設定されている。すなわち、サポートリング４０を環状凹部２３ｔに嵌め込むためには、シールリング２０のシールリップ部２３に弾性変形を発生させつつ、シールリップ部２３を径方向外側へ押し拡げる必要がある。
シールリップ部２３を径方向外側へ押し拡げて環状凹部２３ｔにサポートリング４０を嵌め込むと、シールリップ部２３の付け根領域２３ａは、図３Ａに示すように、径方向外側に向かって弾性変形する。この状態において、サポートリング４０は、シールリップ部２３の付け根領域２３ａから復元力を受けるため、支持面４０ｔと環状凹部２３ｔの内周面は常時密着する。
また、図３Ｂに示すように、サポートリング４０が嵌着されていない状態にあるシールリング２０は、シール部２３ｅの内径が回転軸Ｓの外径よりも小さくなるように形成されている。このシール部２３ｅの位置は、サポートリング４０が嵌着されていない状態では、成形精度のばらつきに応じて変化する。特に、シールリップ部２３の付け根領域２３ａに成形誤差があるとシール部２３ｅの位置は大きく変わる。

一方、図３Ａに示すように、サポートリング４０が環状凹部２３ｔに嵌着されると、付け根領域２３ａが弾性変形を受けて、シール部２３ｅはサポートリング４０の外径Ｄ１に応じた位置に移動する。すなわち、シールリップ部２３に成形誤差が存在したとしても、サポートリング４０により付け根領域２３ａの内周を弾性変形による力に抗して支持することで、シール部２３ｅの位置を略一定にすることができる。このサポートリング４０により規定されるシール部２３ｅの位置を回転軸Ｓに適度に接触する位置となるように設計すれば、シールリング２０に回転軸Ｓを挿入したときに、シール部２３ｅと回転軸Ｓとの接触面積が安定化する。

ここで、シールリング２０をサポートリング４０とは別に成形し、サポートリング４０を後からシールリング２０に嵌め込む構成としたことによるメリットをさらに明らかにするために、比較例として、図４Ａ、図４Ｂ及び図５において、シールリング２０とサポートリング４０を一体的に成形したシール装置の一例を示す。
図４Ａ、図４Ｂ及び図５に示すように、シール装置２００のサポートリング４０は、補強環３０の環状補強部３２に当接している。
シールリング２０とサポートリング４０とを一体的に成形した場合には、シール部２３ｅの位置は成形精度のばらつきに応じて変化し、例えば、図４Ａに示すように、シール部２３ｅの位置が回転軸Ｓ側に大きく食い込む状態に成形されることもある。

図４Ａに示すような形状に成形されたシール装置２００に、図４Ｂに示すように、回転軸Ｓが挿入されると、シールリップ部２３の付け根領域２３ａは径方向外側へ大きく変形し、サポートリング４０からシールリップ部２３が剥がれる可能性がある。この状態では、サポートリング４０はシールリップ部２３を支持しておらず、サポートリング４０によるシールリップ部２３の変形を抑制する効果は得られない。
図４Ｂに示すような状態のシール装置２００を用いて、回転軸ＳとハウジングＨとの間の密封を行なうと、被密封流体Ｆの圧力が高くなったときには、図５に示すように、シールリップ部２３は回転軸Ｓに向かって大きく変形し、シール部２３ｅと回転軸Ｓとの軸線方向Ｓ１における接触幅Ｗは極端に増大する。すなわち、シール装置２００では、サポートリング４０はシールリップ部２３を十分には支持しておらず、サポートリング４０によるシールリップ部２３の変形を抑制する効果が十分には得られないからである。
一方、前述の図２に示す本発明の実施形態では、シールリング２０の環状凹部２３ｔにサポートリング４０を嵌め込んだ状態において、サポートリング４０はシールリップ部２３の内周側を確実に支持している。このため、シールリップ部２３が被密封流体Ｆから圧力を受けたとときに、サポートリング４０によるシールリップ部２３の変形を抑制する効果が確実に得られる。

ここで、図６に、被密封流体Ｆの圧力の上昇に対するシールリップ部２３と回転軸Ｓとの接触幅の関係の一例を示す。尚、比較のために、サポートリング４０を備えていないシール装置についても示す。
図６に示すように、サポートリング４０によってシールリップ部２３を支持した場合には、接触幅は圧力の上昇に比例して徐々に増加するが、サポートリング４０によって支持しない場合には、接触幅は圧力の上昇に比例せず、急激に増大することがわかる。
以上のように、本実施形態によれば、シールリング２０の内周に補強環３０とは独立にサポートリング４０を嵌め込んでシールリップ部２３の付け根領域２３ａの内周を弾性変形による力に抗して支持することで、シールリング２０のシール部２３ｅの位置を略一定にすることができ、シールリング２０に回転軸Ｓを挿入したときに、シール部２３ｅと回転軸Ｓとの接触面積を適切にすることができる。

また、シールリップ部２３に高い圧力が作用したときに、サポートリング４０はシールリップ部２３を確実に支持しているので、シールリップ部２３の過剰な変形を防止することができ、シール部２３ｅと回転軸Ｓとの接触面積の増加を適切な範囲に抑えることができる。
さらに、本実施形態によれば、補強環３０の環状補強部３２とサポートリング４０との間にシールリング２０の形成材料であるゴム材料の介在部２３ｕを介在させているので、シールリップ部２３を回転軸Ｓの偏芯に対して追随させることができ、シールリップ部２３が回転軸Ｓの偏芯により磨耗するのを防止できる。
また、本実施形態によれば、サポートリング４０は補強環３０とは分離して設けられるため、補強環３０による制約を受けずに、サポートリング４０の配置、寸法、強度、材料等をシール装置が使用される環境等に応じて最適に設定することができる。

上述した実施形態では、シールリップ部２３の外周にガータスプリング５０を設けたシール装置について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、シールリップ部２３Ａにガータスプリング５０を設けないシール装置１５０にも本発明を適用できる。
また、上述した実施形態では、ダストリップ部２４を備えるシール装置について説明したが、ダストリップ部２４をもたないシール装置にも本発明を適用できる。
また、上述した実施形態では、サポートリング４０によりシールリップ部２３の付け根領域２３ａを支持する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、密封すべき冷媒の圧力に応じてサポートリング４０をシールリップ部２３の先端側に延ばすことも可能であるし、サポートリング４０を全体的にシールリップ部２３の先端側に移動することも可能である。

以上述べたように、本発明のシール装置は、サポートリングが確実に機能することにより、所望のシール性能が確保されつつ、磨耗や摺動摩擦による発熱が軽減されて耐久性が向上するため、特に、高圧環境下に曝される領域に装着されるのに適しており、回転軸のみならず、往復動する軸の外周を密封する必要がある機械、電気機器等においても有用である。

１０ シール装置
Ｓ 回転軸
Ｓ１ 軸線方向
Ｆ 被密封流体
２０ シールリング
２１ 嵌着部
２２ 環状部
２２ｆ 側面
２３ シールリップ部
２３ａ 付け根領域
２３ｃ，２３ｄ 円錐面
２３ｅ シール部
２３ｈ 溝
２３ｔ 環状凹部
２３ｕ 介在部
２４ ダストリップ部
３０ 補強環
３１ 筒状補強部
３２ 環状補強部
４０ サポートリング
４０ｔ 支持面
５０ ガータスプリング

Claims (2)

1. 被密封流体を内部に収容するハウジングと軸との間を密封するシール装置であって、
   前記ハウジングの孔に嵌着される嵌着部，前記嵌着部から径方向内側に向けて延びる環状部，前記環状部から前記被密封流体側へ延びる筒状のシールリップ部を有すると共にゴム状弾性材料により形成されたシールリングと、
   前記環状部に埋設された環状補強部を有する補強環と、
   前記シールリングの内周面を支持するサポートリングと、を有し、
   前記シールリップ部は、その内周において前記環状部の側面から延びる付け根領域に設けられた環状凹部、前記環状凹部よりも先端側に設けられたシール部、軸線方向において前記環状部に埋設された環状補強部と前記環状凹部との間に画定される介在部を有し、
   前記サポートリングは、前記シールリップ部の内径を押し広げて前記環状凹部に嵌め込まれると共に軸線方向において前記シールリップ部の介在部を介して前記環状補強部と対向している、
   ことを特徴とするシール装置。
2. 前記シールリップ部の内周面を支持する前記サポートリングの支持面は、前記シールリップ部の先端側に向かって外径が徐々に減少する湾曲面からなり、前記シールリップ部の内周面は前記支持面に対応して湾曲している、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシール装置。

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