JP4918417B2 - シールリング用ストッパ部材及びシールリングのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、例えば油圧機器や空圧機器等における作動流体のシール構造に関し、詳しくはシール溝内に装着されたＯリングやＤリングのように、圧縮による締め代を与えてシールするスクイズタイプの平面シール用シールリングに使用されるストッパ部材及びそのシール構造に関する。

従来より、例えば油圧、空圧機器等における作動流体の密封手段として、或いは配管内を流れる送液流体の漏れ防止手段として、接液部に環状のシール溝を形成し、これに平面シール用Ｏリングを装着して封止するシール方法が使用されてきた。

これを図示したのが、図７（ａ）の通常良く知られている配管シール構造５０である。

このシール構造５０は、図７（ｂ）に示す断面円形の平面シール用Ｏリング５１を、一方のフランジ５２の合わせ面５５(以降の説明において「被シール面」とも言う場合がある。)に形成されたシール溝５３に挿入し、これに他方のフランジ５４の合わせ面５６(以降の説明において「シール面」とも言う場合がある。)を宛がい、両合わせ面５５、５６が密着するまでボルト５７を捩じ込んで固定したものである。

そして、Ｏリング５１がシール溝５３に適正に装着された後は、Ｏリング５１は、シール溝５３内の外径側内壁面５３ａ、溝底面５３ｃ、他方フランジ５４のシール面５６の３平面に密着して、被シール流体の漏れを防止することになる。このようなシール構造５０は、図のフランジ配管接続部に限らず、およそ液体、気体等の流体を扱う機器ならば、あらゆるシール部で採用されている一般的なシール構造である。

しかしながら、上記シール構造５０は、Ｏリング５１をシール溝５３に装着する前の状態において、以下に述べる問題があった。

すなわち、図７（ｃ）は、Ｏリング５１をシール溝５３に装着する前の状態におけるシール溝５３の断面寸法と、自由状態のＯリング５１の外径ｄとの寸法関係を示した断面図である。

図に示すように、自由状態のＯリング５１の平面視の外径Ｄは、シール溝５３の外周側内壁面５３ａの内径Ｄ１よりも大きく、しかもＯリング５１を装着するシール溝５３の深さＨは、Ｏリング５１に圧縮による締め代を付与するためにＯリング５１の周方向断面直径ｄよりも浅く、かつ、シール溝５３の半径方向の幅Ｗは、Ｏリング５１の周方向断面直径ｄよりも広く形成されている。すなわち、これら寸法は図示のごとくＨ＜ｄ＜Ｗの関係にある。そのために、二点鎖線で示すシール溝５３内部にＯリング５１が挿入されると、Ｏリング５１は、溝幅Ｗ方向のＯリング内周部５１ａと、シール溝５３の内周側内壁面５３ｂとの間に若干の隙間Ｓを残した状態で、溝深さＨ方向に少なくとも締め代分（ｄ−Ｈ）だけ突出した状態となり、加えてシール溝５３の外周側内壁面５３ａには、拡径しようとするＯリング５１の押圧力が常時作用するため、Ｏリング５１の溝深さＨ方向の位置は非常に不安定な状態になる。

したがって、図７（ｃ）のように被シール面５５が垂直面であったり、傾斜面であったりすると、Ｏリング重量や組立中の何らかのショックによって、Ｏリング５１の一部がシール溝５３からはみ出すことがある。

又、組立後のシール溝５３においても、シール面５６のシール溝５３に対する封止圧力が不十分であると、被シール流体の負荷圧力によってＯリング５１が接合面にはみ出す場合がある。Ｏリング５１の一部がシール面５６からはみ出すと、当該食み出し部分がシール面５６により噛み込まれ、その部分が切断又は塑性変形するために再使用ができなくなる。

流体機器の組立中にこのようなトラブルが生じると、作業者はシール面５６を解体し、新しいＯリング５１への交換を余儀なくされ、その間、生産性が落ちることになる。

そこで、特許文献１においては、図７（ｄ）の横断面図に示すように、シール溝５８内でのＯリング自身の転動、移動又は溝内でのねじれを避けるため、断面円形のＯリング本体５９の内周面から半径方向に突出し、かつ、シール溝底面６０に接触する長さの突状部５９ａを設けたＯリング６１をシール溝５８内に装着し、Ｏリング６１の相対移動中における上記転動、移動又は溝内でのねじれを防止するシール構造を提案している。

しかし、この特許文献１のシール構造のＯリング６１は、油圧サーボ機構のシリンダ内周面の円筒シールであって、本発明分野の平面シール用シールリングではないため、直ちに比較の対象とすることはできないが、シール構造が本発明の目的とするものに類似しているため、仮に本発明のシール構造に用いられるシール溝５３に適用したとしても、このＯリング６１は、シール溝５３の溝幅方向の全てが突状部５９ａで占められ、しかもＯリング６１の剛性に抗してその全周をシール溝５３内に圧入しなければならないため、挿入作業に困難を伴うものであった。

したがって、このＯリング６１のシール溝５８内への装着に際しての上記はみ出し問題に関しては、突状部５９ａが何ら設けられていないＯリング５１と何ら事情が変わらないものであった。
実開平４−１２２８０２号公報(請求項３、図４の符号３９ｂ)

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、流体機器類の組立中或いは組立後のシール溝からシールリングがはみ出すことや、シール面に噛み込まれることのないシール構造及びこれに用いられるシールリング用ストッパ部材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のシールリング用ストッパ部材は、シール溝内に挿入された平面用シールリングにおいて流体圧力の加わる側の隙間に挿入されるシールリング用ストッパ部材であって、シールリングの長手方向に沿って所定間隔で配設され、シール溝幅方向の厚みが、シールリングをシール溝内周面に押圧可能な締め代を備えたものであり、ストッパ部材の挿入先端部が、先に行くほど細くなるテーパ状形状を有しており、ストッパ部材の外形形状が、挿入側と非挿入側とで対称形状を成し、挿入方向を選ばないものであり、ストッパ部材の材料は、シールリングの材料に比べて、被シール流体に対する膨潤性が大きい、ことを特徴とする。

又、本発明のシール構造は、上記ストッパ部材を、被シール流体の圧力の加わる側の平面用シールリングとシール溝との間の隙間に、シールリングの長手方向に沿って所定間隔で配設してなるものである。

本発明によれば、平面用シールリングをシール溝内周面に押圧可能な締め代を備えた厚みのストッパ部材を、その長手方向に沿って所定間隔で配設したので、油圧機器や空圧機器等流体機器のシール部の組立中及び組立後において、シールリングをストッパ部材によりシール溝内周面に適切な押圧力で保持することができる。

又、本発明のストッパ部材は、既存のシールリングの改造を要するものでなく、単体としてシールリングやシール溝の状況に応じて適宜寸法、適宜材質、適宜個数等のものを予め準備しておき、使用に際して適宜のものを選択して使用することができるので、単純な構造でありながら確実にシールリングをシール溝に保持することができる。

更に、たとえシール面が傾斜面や垂直面であっても、又、組立中に何らかのショックが
作用しても、シールリングのシール溝からのはみ出しやシール面への噛み込みを確実に防
止することができ、シール部の封止機能を確実に発揮することができる。
また、ストッパ部材として、被シール流体に対して膨潤する材料を選択することで、流体機器組立後に被シール流体に接した段階で膨潤が発生し、あたかもストッパ部材が存在しないような状態となり、シールリングのシール内壁面に対する面圧が均一化する作用効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態（実施例）を、実施例の図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明に係るストッパ部材３が用いられているシール構造１０の平面図で、環状シール溝１の溝内に縦断面が円形のＯリング２が装着され、シール溝１の内径側内壁面１ａとＯリング内周面２ａ間に形成された隙間に、本発明のシールリング用ストッパ部材３が圧入された状態を示している。

以下の説明においては、封止すべき流体はＯリング２の内周面２ａ側に流体圧力が作用しているものとする。又、ストッパ部材３は、後述するように変形可能な弾性体であっても良いが、図示のものは説明の便宜上、変形しないものとする。

図において、シール溝１の内径側内壁面１ａとＯリング内周面２ａとの間に、４個のストッパ部材３が円周方向に沿って等分間隔で圧入されている。

ストッパ部材３は、軸方向長さがＬで、かつ、シール溝１の幅方向の厚さＴは、図１（ｃ）に示すように、シール溝１の内径側内壁面１ａと自由状態のＯリング内周面２ａ間の隙間Ｓよりも広幅（Ｔ＞Ｓ＝Ｗ-ｄ）に形成されている。

したがって、Ｏリング２は、ストッパ部材３の軸方向長さＬ部分に対応する部分がシール溝１の内径側内壁面1ｂに対して直線状に圧縮され、ストッパ部材３から離れた位置ではくびれた状態になり、その先では流体圧力を除けばほぼ元の直径ｄが回復した状態を示している。

このストッパ部材３が位置する部分の縦断面図が図１（ｂ）で、半径方向の溝幅がＷで、溝深さがＨの断面長方形状のシール溝１内に、断面円形のＯリング２が装着されており、この両部材間にストッパ部材３が圧入された状態を示している。

本実施例のストッパ部材３は、その長さＨ１が溝深さＨよりも若干長く形成されているが、勿論、溝深さＨと同等若しくはそれ以下の長さであっても良い。

又、その厚さＴは、前述したようにシール溝１の内径側内壁面１ａとＯリング内周面２ａ間の隙間Ｓよりも大なる寸法に形成されているので、Ｏリング２はシール溝１の内径側内壁面1ｂに圧縮されることになる。

一方、図１（ｃ）は、ストッパ部材３が位置しない部分を拡大して見た部分縦断面図で、シール溝１内にはストッパ部材３が配設されていないので、シール溝１内にはほぼ自由状態の外形ｄを維持した状態のＯリング２が位置している。したがって、シール溝１の内径側内壁面１ａとＯリング内周面２ａ間の隙間は、図１（ｂ）の場合よりもストッパ部材３で圧縮されない分、広くなっている。

このように、本発明のストッパ部材３は、シール溝１にＯリング２を装着するに際し、シール溝１の内径側内壁面１ａとＯリング内周面２ａ間に形成された流体圧力の加わる側の隙間に圧入して使用するものであり、このようにすることにより、シール溝１へのＯリング装着時に一時的にＯリング２をシール溝１の外径側内周面に押圧して固定するとができる。

よって、前述したように、たとえシールすべき被シール面４の位置が水平面でなく、傾斜面や垂直面、さらには被シール面が天井面のように下方に向って開放されたものであってもＯリング２を溝の中に固定でき、したがって、シール面による噛み込みがない状態で組み立てが続行でき、組立ての作業性が促進できる。

ストッパ部材３の配設数としては、任意である。ストッパ部材３の圧入後にＯリング２がシール溝１から離脱しない程度に適宜位置に、適宜寸法及び適宜材質のものを圧入すればよい。

図２は、図１のストッパ部材３の拡大斜視図とその変形例の断面図を示したものである。である。

図に示すように、本実施例のストッパ部材３は、全体形状が略直方体状のもので、図の矢印で示すシール溝１の深さ方向(Ｙ軸方向)の両端部がシール溝１に圧入し易いように面取りが施されて台形状に形成され、シール溝幅方向(Ｘ軸方向)の幅Ｔと、シール溝１の深さ方向の長さＨ１と、シール溝１の周方向(Ｚ軸方向)の軸方向長さＬの各寸法を有している。

ストッパ部材３の厚さＴの好ましい寸法としては、基本的にはシール溝内にＯリング２を圧入したときに、Ｏリング２がシール溝１の外周側内壁面１ｂに押圧可能であり、適当な締め代(図３のt＝Ｔ−Ｓに相当)ができる程度にシール溝１と自由状態のＯリング２間に形成される隙間Ｓよりも大きければよい。

又、前述したように被シール面４が垂直面や裏面であるなど、シール溝１内に挿入したＯリング２が外れ易い環境にある場合は、これに応じて厚さＴをより大なるものにするのがよい。しかし、極端に厚いものは、Ｏリング２に局部的な押圧力を作用させることになるので避け、次に述べる軸方向長さＬを長くしてシール溝１からのＯリング２の離脱を避けた方がよい。

ストッパ部材３の高さＨ１としては、前述したように基本的には任意であるが、少なくともＯリング外径Ｄの二分の一あれば、ストッパ部材の圧入時においてＯリング２に押圧力を作用させることができることになる。しかし、あまりにも短いものは圧入作業がしずらいので、シール溝１をシール面で封鎖したときにストッパ部材３に若干の締め代ができる程度にシール溝１の溝深さＨより長いものが良い。

したがって、ストッパ部材３の材質としては、高さＨ１が溝深さＨ以下である場合には弾性変形の有無にかかわらず任意のものでよいが、高さＨ１が溝深さＨ以上の締め代を有するものの場合はＯリング材質と同一か又は同質のものを採用するとＯリングとのなじみが良く、Ｏリング２に対し過大な応力の発生を防止できる。

又、ストッパ部材３として、被シール流体に対して膨潤する材料を選択した場合は、流体機器組立後に被シール流体に接した段階で膨潤が発生し、あたかもストッパ部材３が存在しないような状態となり、Ｏリング２のシール内壁面に対する面圧が均一化する作用効果がある。

このようなストッパ部材３の材料の具体例としては、例えば作動油が鉱油である場合において、Ｏリング２の材料として二トリルゴム(ＮＢＲ)を用い、一方、ストッパ部材３の材料としてＯリング材よりも二トリル成分を少なくした二トリルゴムを用いると、ストッパ部材３が膨潤し易くなるため、Ｏリング２のシール内壁面に対する面圧の均一化効果がある。

又、ストッパ部材３の他の材料として、鉱油に対してエチレンプロピレンゴム(ＥＰＤＭ)を用いると膨潤するため、シール材としては不適であるが、本発明のストッパ部材３の材料としては、その膨潤効果を上記面圧の均一化のために活用できるので好ましい。

シール溝１の周方向の長さＬとしては、長ければ長いほどシール溝内にに例えばＯリング２を一時固定できるＯリング溝周方向の長さが長くなるので、好ましいといえるが、Ｏリング２の呼び径や前述したシール面の状況に応じて適宜、決定することができる。

ストッパ部材３の横断面形状としては、上記図２（ａ）の形状のものの他、例えば図２（ｂ）乃至図２（ｄ）に示す断面形状のストッパ部材３Ａ、３Ｂ、３Ｃにしてもよい。これらはいずれも先端部が、先に行くほど細くなる形状のもので、それぞれ長円形、楕円形、両端部がテーパー状のものである。これらは、挿入側と非挿入側とで対称形状を成しているので、シール溝内への圧入に際しては挿入方向を選ばないので作業性が向上する。

又、図２（ａ）のＹ軸に直交する断面内の縦断面形状についても押圧中のＯリング２に不要な傷を与えないために、図２（ｂ）乃至図２（ｄ）に示すのと同様の断面形状のものにしてもよい。

次に、図３（ａ）乃至図４（ｂ）を参照して、本発明のストッパ部材３及びシール構造１０の使用方法を説明しつつ、本発明の作用を説明する。

このうち、図３（ａ）乃至図３（ｄ）は、ストッパ部材圧入部(図１（ｂ）位置)における作用を、又、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、ストッパ部材３を圧入していない位置(図１（ｃ）位置)における作用を示している。なお、ストッパ部材３の高さＨ１は、特に限定するものではない説明の便宜上、溝深さＨよりも大きなものとする。

先ず、図３（ａ）は、垂直面の被シール面４に形成されたシールリング溝１内に、Ｏリング２がやや縮径された状態で溝底１ｃに接するまで圧入され、隙間Ｓにストッパ部材３を図の矢印方向に圧入しようとする状態を示している。

この状態でストッパ部材３の先端が溝底１ｃに接触するまで圧入されると、ストッパ部材３の厚さＴから隙間Ｓを引いた厚さ分Ｔ−ＳがＯリング２の締め代ｔとなる。

図３（ｂ）は、その状態を示したもので、Ｏリング２はストッパ部材３によりシール溝１の外径側内壁面1ｂ方向に圧縮され、シール溝１の外径側内壁面1ｂはＯリング２によって押圧さる。したがって、Ｏリング２は、この状態において、シール溝内からシール面方向にはみ出すことはなく、作業者の組立作業が促進される。

一方、シール面側の頂部はシール面方向に向かって弾性変形する。

次に図３（ｃ）に示すように、シール溝１の開口面がシール面５により閉塞されると、Ｏリング２とストッパ部材３のシール面側が溝底１ｃ方向に圧縮され、各部材の四隅部を除くシール溝１の空隙部を埋めるべく両部材が弾性変形する。

この時、シール溝１の内壁面１ａ〜１ｂ及びシール面５には、両部材２、３からの反力が作用し、その面圧分布を示したのが図３（ｄ）である。シール溝１の内壁面及びシール面のそれぞれの対向面には、互いに打ち消しあう等価の面圧が発生する(Ｏリング２とストッパ部材３間に発生する面圧分布の図示は省略する。)。

他方、ストッパ部材３を圧入していない、前述の図１(ｃ)に示す位置においては、Ｏリング組立直後のシール溝１とＯリング２との位置関係は、依然として当該図１(ｃ)のままであるが、Ｏリング２の周方向の要所である４箇所に、前述した如くストッパ部材３が配設されているので、たとえシール面の位置関係が傾斜面或いは裏面であってもＯリング２がシール溝１から離脱することない。

このとき、Ｏリング２がシール溝底１ｃから浮き上がるなどの離脱兆候があれば、ストッパ部材３をＯリング呼び径毎に予め複数個を保有しておき、ストッパ部材３間の適宜位置にさらに圧入する。

この後、シール面５が閉塞され、封止流体が作用している状態を示したのが図４（ａ）であり、図４（ｂ）に示すように、シール溝１の内径側内壁面１ａとＯリング２の外周面との間には封止流体が充満し、この封止流体による流体圧力がＯリング内周面２ａに一様に作用している。

このように、本発明のストッパ部材３及びこのストッパ部材を用いたシール構造１０は、Ｏリング２をシール溝内周面に押圧可能な締め代tを備えた厚みのストッパ部材３をその長手方向に沿って所定間隔で配設するので、油圧機器や空圧機器等流体機器のシール部の組立中及び組立後において、Ｏリング２を適切な押圧力で保持することができる。

上記ストッパ部材３は、Ｏリング２の改造を要するものでなく、単体としてＯリング２やシール溝１の状況に応じて適宜寸法、適宜材質、適宜個数等のものを予め準備しておき、使用に際して適宜のものを選択して使用することができる。

したがって、使用の自由度の高いものであり、単純な構造でありながら確実にＯリング２をシール溝１に保持することができる。

又、たとえシール面が傾斜面や垂直面であっても、更には組立中に何らかのショックが作用しても、Ｏリング２のシール溝１からのはみ出しやシール面への噛み込みを確実に防止することができ、シール部の封止機能を確実に発揮することができる。

又、ストッパ部材３自身としてもＯリング２からの弾性力により、シール中は常時シール溝内壁面に押圧されているので、シール溝１から抜け落ちることがない。

又、上記効果により、流体機器のシール部の組立作業の迅速化が図れる。

なお、以上に述べた本発明のストッパ部材３及びこれを用いたシール構造１０は、シール溝１及びＯリング２の全体形状が平面視で円形のもののみに適用した例を説明したが、これは説明の便宜上であって、その他、例えば図５(ａ)及び図５(ｂ)に示すように、長方形又は逆ハート形の形状のシール溝１Ａ、１Ｂ及びＯリング２Ａ、２Ｂに適用できることは勿論である。

又、シール溝１は、上記のように必ずしも平面に形成されているものでなくても良く、例えば図６に示すように垂直２平面と水平面の３平面からなる三次元的形状をしたシール溝であってもよい。

更に、シール溝１の横断面形状は、本実施例では長方形(図１(ｂ)参照)のものを例にとって説明したが、これらの断面形状は、流体機器の用途、封止すべき部位等に応じて適宜決定されるものであって、任意の形状のものであっても良いことは勿論である。

これはＯリング２の横断面形状についても同様であり、本実施例では円形状のものを例にとって説明したが、その他Ｄ形、三角形、Ｘ等の任意形状のものを採用できる。

図１（ａ）は、本発明に係るストッパ部材がシール溝に装着された状態を示す平面図、図１（ｂ）は、ストッパ部材が位置する部位における横断面図、図１（ｃ）は、ストッパ部材が位置しない部位における横断面図である。 図２（ａ）は、図１のストッパ部材の拡大斜視図、図２（ｂ）乃至図２（ｄ）は、図２（ａ）のストッパ部材の変形例である。 図３（ａ）乃至図３（ｄ）は、図１（ｂ）のストッパ部材が位置する部位におけるストッパ部材の使用手順を説明する横断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、図１（ｂ）のストッパ部材が位置しない部位におけるストッパ部材の使用手順を説明する横断面図である。 図５（ａ）は、長方形状をしたシール溝及びＯリングに本発明のストッパ部材を適用した平面図、図５（ｂ）は、逆ハート形をしたシール溝及びＯリングに本発明のストッパ部材を適用した平面図である。 三次元形状をしたシール溝の斜視図である。 従来のＯリングのシール構造の説明図で、図７（ａ）は、フランジ形状のシール構造の縦断面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のシール構造に適用されているＯリングの平面図、図７（ｃ）は、自由状態のＯリングとシール溝の寸法関係を示す横断面図、図７（ｄ）は、従来のＯリングのシール構造の説明図である。

符号の説明

１〜１Ｃ シール溝
１ａ 内径側内壁面
１ｂ 外径側内壁面
１ｃ 溝底
２〜２Ｂ Ｏリング
３〜３Ｅ ストッパ部材
４ 被シール面
５ シール面
１０ シール構造
Ｓ 隙間
Ｔ 厚さ
Ｈ１ 高さ
Ｌ 長さ

Claims (3)

1. シール溝内に挿入された平面用シールリングにおいて流体圧力の加わる側の隙間に挿入されるシールリング用ストッパ部材であって、
   シールリングの長手方向に沿って所定間隔で配設され、
   シール溝幅方向の厚みが、シールリングをシール溝内周面に押圧可能な締め代を備えたものであり、
   ストッパ部材の挿入先端部が、先に行くほど細くなるテーパ状形状を有しており、
   ストッパ部材の外形形状が、挿入側と非挿入側とで対称形状を成し、挿入方向を選ばないものであり、
   ストッパ部材の材料は、シールリングの材料に比べて、被シール流体に対する膨潤性が大きい、ことを特徴とするシールリング用ストッパ部材。
2. ストッパ部材のシール溝の深さ方向の長さは、シール溝の深さよりも大なる寸法であることを特徴とする請求項１に記載のシールリング用ストッパ部材。
3. シール溝内に平面用シールリングを挿入し、被シール流体の圧力の加わる側の隙間に、請求項１又は２に記載のストッパ部材を、シールリングの長手方向に沿って所定間隔で挿入したことを特徴とするシールリングのシール構造。

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