JP4873173B2

JP4873173B2 - 密封装置

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Publication number: JP4873173B2
Application number: JP2007172605A
Authority: JP
Inventors: 雅也大塚
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-06-29
Also published as: JP2009008238A

Description

本発明は、燃料電池用高圧ガス供給装置や、産業機器の油圧装置等、高圧を発生する機器の回転部分又は往復動部分を、パッキングにより密封する密封装置であって、特に、バックアップリングを備えるものに関する。

機器の外周部材（例えばハウジング）と内周部材（例えばピストン）との間の密封手段として、従来から、Ｏリング等のようなパッキングが好適に用いられる。図１３は、このようなパッキングのみによる従来の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図で、図中の参照符号１０１は外周部材、１０２はこの外周部材１０１の内周に配置された内周部材である。内周部材１０２の外周面には、円周方向へ連続した矩形断面の装着溝１０３が形成されており、この装着溝１０３にはパッキング１０４が装着されている。

パッキング１０４は、ゴム状弾性材料で断面円形の環状に成形された、いわゆるＯリングであって、装着溝１０３の溝底面と、外周部材１０１の内周面１０１ａとの間に適宜圧縮された状態で介在され、密封対象流体が外周部材１０１と内周部材１０２の間の隙間から外部へ漏洩するのを防止するものである。しかしながら、著しく高圧のガスを密封対象とするような場合は、装着溝１０３内に達する高圧ガスの圧力Ｐによって、外周部材１０１の内周面１０１ａと低圧側の溝肩１０３ａとの間の隙間Ｇ１へパッキング１０４の一部がはみ出して破損するおそれがある。

図１４は、高圧条件でのこのようなパッキング１０４のはみ出しによる破損を防止するために、パッキング１０４とバックアップリング１０５を併用した従来の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。すなわち、図１４に示される密封装置は、装着溝１０３内に、パッキング１０４と、それより低圧側に位置し、パッキング１０４より剛性の高い例えば合成樹脂材料からなるバックアップリング１０５が装着され、このバックアップリング１０５によって、外周部材１０１の内周面１０１ａと低圧側の溝肩１０３ａとの隙間Ｇ１へのパッキング１０４のはみ出し防止を図るものである。

しかしながら、寸法公差を考慮して、バックアップリング１０５の径方向寸法Ｌは、外周部材１０１の内周面１０１ａと装着溝１０３の溝底面との間の高さｈよりも低く設定されており、このため、バックアップリング１０５と装着溝１０３との間に隙間Ｇ２を生じて、結局、この隙間Ｇ２にパッキング１０４のはみ出しが起こるおそれがあった。

そこで、装着溝１０３及び（又は）バックアップリング１０５の断面形状を工夫することによって、パッキング１０４のはみ出し防止を図った密封装置が提案されている。図１５及び図１６は、このような従来の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図、図１７は、図１６の密封装置が高圧を受けた状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。

このうち、図１５に示される密封装置は、パッキング１０４より低圧側の溝底面１０３ｂを、低圧側へ向けて浅くなる円錐面状に形成し、これに接するバックアップリング１０５の周面１０５ａを、溝底面１０３ｂと対応する円錐面状に形成したものである。この構成によれば、パッキング１０４が、装着溝１０３内へ達する高圧ガスの圧力Ｐを受けると、このパッキング１０４を介して低圧側へ押されるバックアップリング１０５が、円錐面状の溝底面１０３ｂと外周部材１０１の内周面１０１ａとの間へクサビのように介入して行くので、パッキング１０４のはみ出しを許容する隙間が形成されることはない（例えば下記の特許文献１又は特許文献２参照）。

しかしながら、図１５の密封装置によれば、内周部材１０２（又は外周部材１０１）の装着溝１０３の溝底面の一部を円錐面状に形成するための加工が必要となり、加工コストの上昇を来す問題があった。

一方、図１６に示される密封装置は、バックアップリング１０５を、軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状を平行四辺形とし、軸心Ｏと直交する平面に対して傾斜した状態で装着溝１０３内へ装着したものである。この構成によれば、図１７に示されるように、パッキング１０４が、装着溝１０３内へ達する高圧ガスの圧力Ｐを受けると、このパッキング１０４を介して低圧側へ押されるバックアップリング１０５が、装着溝１０３の内側面１０３ｃとの間で傾斜を解消するような変形を受け、その結果、バックアップリング１０５の内周面及び外周面が、装着溝１０３の溝底面及び外周部材１０１の内周面１０１ａに密接される（例えば下記の特許文献３参照）。

しかしながら、この場合も、バックアップリング１０５の内周面が溝底面に対して傾斜することにより、パッキング１０４のはみ出しを許容する隙間Ｇ３が形成されることは避けられなかった。

特許第３５４３６１７号公報特許第３０２２４８９号公報特許第３６９５４６９号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題とするところは、パッキングの低圧側にバックアップリングを設けた密封装置において、パッキングの一部が低圧側へはみ出して破損するのを確実に防止することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、本発明に係る密封装置は、外周部材の内周面とその内周に配置された内周部材の外周面のうちいずれか一方に形成され円周方向へ連続した装着溝内に、ゴム状弾性材料からなるパッキングと、それより低圧側に位置し前記パッキングより剛性の高い材料からなるバックアップリングが装着され、このバックアップリングは、前記パッキング側を向いた一側面の径方向幅が前記装着溝の溝底面からこれと径方向に対向する相手部材までの高さより大きく、前記装着溝への装着状態では、前記一側面及び他側面が前記装着溝における低圧側の内側面に対して同じ方向へ傾斜しており、バックアップリングの内周面及び外周面のうち、前記一側面及び他側面の傾斜によって相対的に前記パッキングと反対側へ偏在する側の周面とこれに接する前記溝底面又は相手部材のなす角度が、前記低圧側の内側面に対する他側面の傾斜角度より大きいことを特徴とするものである。

上記構成において、パッキングが、装着溝内へ達する高圧ガスの圧力を受けると、このパッキングを介して低圧側へ押されるバックアップリングは、パッキングと反対側を向いた他側面が、装着溝における低圧側の内側面に対して傾斜していて両者間に隙間を有するため、その隙間を減少させる方向へ起立するように変形される。このバックアップリングは、パッキング側を向いた一側面の径方向幅が装着溝の溝底面からこれと径方向に対向する相手部材までの高さより大きいため、起立変形によって、前記一側面の径方向両縁が溝底面及び相手部材へ押し付けられる。

しかも、このバックアップリングは、傾斜によって相対的にパッキングと反対側へ偏在する側の周面がこれに接する前記溝底面又は相手部材に対してなす角度が、前記低圧側の内側面に対する他側面の傾斜角度より大きいため、起立変形によって前記内周面又は外周面がパッキング側で浮き上がることはなく、このためパッキング側を向いた一側面の径方向両縁と、溝底面及び相手部材の密接状態が維持され、パッキングのはみ出しを許容する隙間が形成されない。

すなわち、本発明に係る密封装置によれば、パッキングが、装着溝内へ達する高圧ガスの圧力を受けても、バックアップリングの内周側及び外周側に隙間を生じることはなく、したがって高圧条件で使用しても、パッキングのはみ出しや、これに起因する破損を確実に防止することができる。

以下、本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、第一の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図、図２は、第一の形態におけるバックアップリングの断面形状を特定するための説明図、図３は、第一の形態において、バックアップリングが僅かに押された状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図、図４は、第一の形態において、バックアップリングが完全に起立した状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。

まず図１において、参照符号１は円筒状の外周部材、参照符号２はこの外周部材１の内周に軸方向移動可能に配置された円柱状の内周部材である。内周部材２の外周面には、円周方向へ連続した装着溝２１が形成されており、この装着溝２１には、パッキング３と、その低圧側（密封対象空間と反対側）に位置するバックアップリング４が装着されている。

装着溝２１は、軸心Ｏを通る平面で切断した断面形状（図示の断面形状）が略コ字形をなしており、すなわち軸方向両側の溝内側面２１ａ，２１ｂが、軸心Ｏと直交する平面をなしており、溝底面２１ｃが、内周部材２の外周面と同心の円筒面状に形成されている。

パッキング３は、ゴム状弾性材料で断面円形の環状に成形された、いわゆるＯリングからなるものであって、外周部材１の内周面１ａと装着溝２１の溝底面２１ｃとの間で径方向に適当に圧縮された状態で装着されている。

バックアップリング４は、パッキング３のゴム状弾性材料より剛性が高くかつ低摩擦係数のＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）あるいはナイロン系等の合成樹脂材料からなるものであって、パッキング３側を向いた一側面４ａと、パッキング１と反対側を向いた他側面４ｂが互いに平行であり、図２に示されるように、前記一側面４ａの径方向幅Ｌａが装着溝２１の溝底面２１ｃからこれと径方向に対向する相手部材である外周部材１の内周面１ａまでの高さｈより大きく、他側面４ｂの径方向幅Ｌｂが前記高さｈより小さいものとなっている。すなわち、
Ｌａ＞ｈ＞Ｌｂ・・・（１）
となっている。また、内周面４ｃは、前記一側面４ａ及び他側面４ｂに対してほぼ直角をなし、外周面４ｄは、パッキング３と反対側で小径になる円錐面状に形成されている。

このバックアップリング４は、（１）式の寸法関係を有すること、及び外周面４ｄがパッキング３と反対側で小径になる円錐面状をなすことによって、装着状態では、外周側がパッキング３側へ偏在するように傾斜しており、すなわち一側面４ａ及び他側面４ｂが、軸心Ｏと直交する平面に対してパッキング３側へ倒れるように、同方向へ傾斜している。そしてこの傾斜状態では、バックアップリング４の内周面４ｃが、請求項１に記載された「傾斜によって相対的にパッキングと反対側へ偏在する側の周面」に相当するものであり、この内周面４ｃが、装着溝２１の溝底面２１ｃに対してなす傾斜角度をθ_１、他側面４ｂが装着溝２１の低圧側の内側面２１ｂに対してなす傾斜角度をθ_２とすると、
θ_１＞θ_２・・・（２）
となっている。言い換えれば他側面４ｂと内周面４ｃのなす角度は、ほぼ直角ではあるものの、厳密には直角より僅かに大きい。

また、一側面４ａと外周面４ｄのなす角度（一側面４ａの外径縁４ｆの角度）をθ_３、一側面４ａと溝底面２１ｃのなす角度をθ_４とすると、
θ_４＞θ_３・・・（３）
となっている。

以上の構成を備える第一の形態の密封装置は、図の右側の空間（不図示）に存在する高圧のガスを密封対象とするものであって、そのガス圧Ｐは、外周部材１と内周部材２との間の隙間を介して装着溝２１内に達している。このため、ガス圧Ｐの上昇に伴い、パッキング３が装着溝２１内を低圧側（図中左側）へ移動して、図３に示されるようにバックアップリング４を押圧するので、このバックアップリング４は、図１及び図２の傾斜状態から起立するように変形される。

ここで、バックアップリング４は、図２に示されるように、Ｌａ＞ｈであるため、図３のように起立変形されるのに伴い、前記一側面４ａの内径縁４ｅ及び外径縁４ｆが、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａに押し付けられることになる。しかも、このバックアップリング４は、図２の状態においてθ_１＞θ_２であるため、図４に示されるように、他側面４ｂが装着溝２１の低圧側の内側面２１ｂと密接した状態、言い換えればθ_４が直角になるまで起立変形されても、前記内周面４ｃがパッキング３側で溝底面２１ｃから浮き上がることはない。したがって、バックアップリング４の一側面４ａの径方向両縁４ｅ，４ｆと、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａとの密接状態が維持され、パッキング３のはみ出しが確実に防止される。

次に、図５は、本発明に係る密封装置の第二の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図、図６は、第二の形態におけるバックアップリングの断面形状を特定するための説明図、図７は、第二の形態において、バックアップリングが僅かに押された状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図、図８は、第二の形態において、バックアップリングが完全に起立した状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。

この第二の形態は、図５に示されるように、バックアップリング４の断面形状が、第一の形態によるバックアップリング４と径方向に対称の形状となっているものである。詳しくは、パッキング３側を向いた一側面４ａと、パッキング３と反対側を向いた他側面４ｂが互いに平行であり、図６に示されるように、先に説明した（１）式のような寸法関係を有する。また、内周面４ｃは、パッキング３と反対側で小径になる円錐面状に形成され、外周面４ｄは、前記一側面４ａ及び他側面４ｂに対してほぼ直角をなしている。

そして、このバックアップリング４は、（１）式の寸法関係を有すること、及び内周面４ｃがパッキング３と反対側で大径になる円錐面状をなすことによって、装着状態では、外周側がパッキング３と反対側へ偏在するように傾斜しており、すなわち一側面４ａ及び他側面４ｂが、軸心Ｏと直交する平面に対してパッキング３と反対側へ倒れるように、同方向へ傾斜している。すなわちこの傾斜状態では、バックアップリング４の外周面４ｄが、請求項１に記載された「傾斜によって相対的にパッキングと反対側へ偏在する側の周面」に相当するものであり、この外周面４ｄが外周部材１の内周面１ａに対してなす傾斜角度をθ_１１、他側面４ｂが装着溝２１の低圧側の内側面２１ｂに対してなす傾斜角度をθ_１２とすると、
θ_１１＞θ_１２・・・（４）
となっており、言い換えれば他側面４ｂと外周面４ｄのなす角度は、ほぼ直角ではあるものの、厳密には直角より僅かに大きい。

また、一側面４ａと内周面４ｃのなす角度（一側面４ａの内径縁４ｅの角度）をθ_１３、一側面４ａと外周部材１の内周面１ａのなす角度をθ_１４とすると、
θ_１４＞θ_１３・・・（５）
となっている。

なお、その他の構成は、基本的に第一の形態と同様である。

以上の構成を備える第二の形態の密封装置も、第一の形態と同様、図の右側の空間（不図示）に存在する高圧のガスを密封対象とするものであって、そのガス圧Ｐは、外周部材１と内周部材２との間の隙間を介して装着溝２１内に達している。このため、ガス圧Ｐの上昇に伴い、パッキング３が装着溝２１内を低圧側（図中左側）へ移動して、図７に示されるようにバックアップリング４を押圧するので、このバックアップリング４は、図５及び図６の傾斜状態から起立するように変形される。

ここで、バックアップリング４は、図６に示されるように、Ｌａ＞ｈであるため、図７のように起立変形されるのに伴い、前記一側面４ａの内径縁４ｅ及び外径縁４ｆが、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａに押し付けられることになる。しかも、このバックアップリング４は、図６の状態においてθ_１１＞θ_１２であるため、図８に示されるように、他側面４ｂが装着溝２１の低圧側の内側面２１ｂと密接した状態、言い換えればθ_１４が直角になるまで起立変形されても、前記外周面４ｄがパッキング３側で外周部材１の内周面１ａから浮き上がることはない。したがって、バックアップリング４の一側面４ａの径方向両縁４ｅ，４ｆと、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａとの密接状態が維持され、パッキング３のはみ出しが確実に防止される。

図９〜図１２は、それぞれ本発明に係る密封装置の更に他の形態として、バックアップリングの断面形状の異なる例を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。

このうち、まず図９に示される第三の形態は、バックアップリング４の軸方向肉厚が外周側ほど大きくなるように、パッキング３側を向いた一側面４ａと、その反対側を向いた他側面４ｂが互いに非平行に形成されたものであり、それ以外は、図１に示される第一の形態と同様に構成されている。そして、図示の装着状態では、外周側がパッキング３側へ偏在するように傾斜しており、上述のように一側面４ａと他側面４ｂが互いに非平行であることによって、軸心Ｏと直交する平面に対する他側面４ｂの傾斜角度が、一側面４ａよりも小さなものとなっている。またこの場合も、先に説明した図２に示されるような寸法及び角度関係、すなわち（１）〜（３）式が当てはまるものである。

以上の構成を備える第三の形態の密封装置も、図の右側の空間（不図示）からパッキング３に作用するガス圧Ｐによって、バックアップリング４が図示の傾斜状態から起立するように変形され、その一側面４ａにおける径方向両縁４ｅ，４ｆと、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａとの密接状態が維持されるので、パッキング３のはみ出しが確実に防止される。そして、軸心Ｏと直交する平面に対する他側面４ｂの傾斜角度が、一側面４ａよりも小さいため、起立変形量が小さくなり、他側面４ｂが装着溝２１における低圧側の内側面２１ｂと密接するまで起立しても、溝底面２１ｃに対して一側面４ａのなす角度が９０°より小さなものとなる。

また、図１０に示される第四の形態は、第三の形態とは逆に、バックアップリング４の軸方向肉厚が内周側ほど大きくなるように、パッキング３側を向いた一側面４ａと、その反対側を向いた他側面４ｂが互いに非平行に形成されたものであり、それ以外は、先に説明した図５に示される第二の形態と同様に構成されている。したがって、図示の装着状態では、外周側がパッキング３と反対側へ偏在するように傾斜しており、上述のように一側面４ａと他側面４ｂが互いに非平行であることによって、軸心Ｏと直交する平面に対する他側面４ｂの傾斜角度が、一側面４ａよりも小さなものとなっている。そしてこの場合も、先に説明した図６に示されるような寸法及び角度関係、すなわち（１）（４）（５）式が当てはまるものである。

以上の構成を備える第四の形態の密封装置も、図の右側の空間（不図示）からパッキング３に作用するガス圧Ｐによって、バックアップリング４が図示の傾斜状態から起立するように変形され、その一側面４ａにおける径方向両縁４ｅ，４ｆと、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａとの密接状態が維持されるので、パッキング３のはみ出しが確実に防止される。そして、軸心Ｏと直交する平面に対する他側面４ｂの傾斜角度が、一側面４ａよりも小さいため、起立変形量が小さくなり、他側面４ｂが装着溝２１における低圧側の内側面２１ｂと密接するまで起立しても、外周部材１の内周面１ａに対して一側面４ａのなす角度が９０°より小さなものとなる。

また、図１１及び図１２に示される第五の形態は、バックアップリング４の一側面４ａと他側面４ｂが互いに平行で、内周面４ｃが、パッキング３と反対側で大径になる円錐面状に形成され、外周面４ｄが、パッキング３と反対側で小径になる円錐面状に形成され、内周面４ｃと他側面４ｂのなす角度と、外周面４ｄと他側面４ｂのなす角度が互いに等しく、すなわち断面形状が一側面４ａを下底とし他側面４ｂを上底とする台形をなすものである。そしてこの場合も、先に説明した図２又は図６に示されるような寸法及び角度関係、すなわち（１）〜（５）式が当てはまる。

この第五の形態によれば、内周面４ｃ及び外周面４ｄが互いに対称形状であるため、図１１に示されるように、外周側がパッキング３側へ偏在するように傾斜し、あるいは図１２に示されるように、内周側がパッキング３側へ偏在するように傾斜した状態で装着することができる。そしていずれの場合も、図の右側の空間（不図示）からパッキング３に作用するガス圧Ｐによって、バックアップリング４が図示の傾斜状態から起立するように変形され、その一側面４ａにおける径方向両縁４ｅ，４ｆと、溝底面２１ｃ及び外周部材１の内周面１ａとの密接状態が維持されるので、パッキング３のはみ出しが確実に防止される。

なお、上述の各形態は、いずれもパッキング３及びバックアップリング４が、内周部材２に形成した装着溝２１に装着されているが、外周部材１に形成した装着溝に装着される場合であっても、本発明を同様に適用することができる。

本発明に係る密封装置の第一の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。第一の形態におけるバックアップリングの断面形状を特定するための説明図である。第一の形態において、バックアップリングが僅かに押された状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。第一の形態において、バックアップリングが起立した状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。本発明に係る密封装置の第二の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。第二の形態におけるバックアップリングの断面形状を特定するための説明図である。第二の形態において、バックアップリングが僅かに押された状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。第二の形態において、バックアップリングが起立した状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。本発明に係る密封装置の第三の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。本発明に係る密封装置の第四の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。本発明に係る密封装置の第五の形態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。第五の形態において、バックアップリングの傾斜方向を図１１と逆にした状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。パッキングのみによる従来の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。パッキングとバックアップリングを併用した従来の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。パッキングとバックアップリングを併用した従来の他の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。パッキングとバックアップリングを併用した従来の他の密封装置を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。図１６の密封装置が高圧を受けた状態を、軸心Ｏを通る平面で切断して示す片側断面図である。

符号の説明

１外周部材
２内周部材
２１装着溝
２１ａ，２１ｂ内側面
２１ｃ溝底面
３パッキング
４バックアップリング
４ａ一側面
４ｂ他側面
４ｃ内周面
４ｄ外周面
４ｅ内径縁
４ｆ外径縁

Claims

外周部材の内周面とその内周に配置された内周部材の外周面のうちいずれか一方に形成され円周方向へ連続した装着溝内に、ゴム状弾性材料からなるパッキングと、それより低圧側に位置し前記パッキングより剛性の高い材料からなるバックアップリングが装着され、このバックアップリングは、前記パッキング側を向いた一側面の径方向幅が前記装着溝の溝底面からこれと径方向に対向する相手部材までの高さより大きく、前記装着溝への装着状態では、前記一側面及び他側面が前記装着溝における低圧側の内側面に対して同じ方向へ傾斜しており、バックアップリングの内周面及び外周面のうち、前記一側面及び他側面の傾斜によって相対的に前記パッキングと反対側へ偏在する側の周面とこれに接する前記溝底面又は相手部材のなす角度が、前記低圧側の内側面に対する他側面の傾斜角度より大きいことを特徴とする密封装置。