JP5252878B2 - 回転軸シール - Google Patents

Description

本発明は、回転軸シールに関する。

従来、図６に示すようにＰＴＦＥ等から成るシールエレメント31を用いた回転軸シールが知られている。あるいは特許文献１に示された同様のシールエレメントを用いた回転軸シールが知られている。
密封流体（気体を含む）が高圧である場合、あるいは、周囲（特に摺動面32）が高温となり、シールエレメント31の強度が低下した場合に、弯曲部33が局部的に大きく異常摩耗を発生する問題がある。さらに、密封流体室34の圧力Ｐが高い場合、シールエレメント31の強度不足により、過度に弯曲部33が、（図６（Ａ）の正常状態から）図６（Ｂ）に示す如く、局部的に（過度に）変形40を発生し、アウターケース等の板状サポート具35の内周端縁部36と回転軸37との間隙部38からはみ出し、本来の形状（図６（Ａ）参照）を維持できなくなる。このような局部的な摩耗やはみ出しは、長期の使用期間にわたって安定したシール性能を発揮することは難しい。
このような問題に対し、従来、図７に示すような回転軸シールが提案されている（なお、特許文献２の図６にも同様のシールが開示されている。）
特開２００３−１９４２３１号公報 特開２００５−２０１３３６号公報

しかしながら、この図７等の従来の回転軸シールに於て、アウターケース（板状サポート具）35は、内周縁39が、高圧側（密封流体室34側）へ傾斜しつつ回転軸37に接近する勾配壁部41を有する構成として、シールエレメント31の弯曲部33を低圧側から支持して、図６（Ｂ）のような局部的な変形40を防止している。
しかしながら、組付けの都合上、勾配壁部41の内周面36Ａと回転軸37はある程度のクリアランス42を確保する必要があり、しかも、勾配壁部41の高圧側に鋭利先端部43を有する。
従って、高圧が負荷した場合、上記クリアランス42からのはみ出しの問題、及び、鋭利先端部43によって弯曲部33が傷付いたり、摩耗粉を発生して、シール寿命が短縮されるという問題がある。

そこで、本発明は上述の従来の種々の問題点を解決して、ＰＴＦＥ等から成るシールエレメントが気体（ガス）等の高圧が作用しても、弯曲部が局部的に異常変形せず、局部的に摩耗や損傷を発生せず、長期間にわたって優れた密封性を発揮できる回転軸シールを提供することを目的とする。

そこで、本発明に係る回転軸シールは、回転軸の軸心を含む平面をもって切断した断面形状に於て、弯曲部をもってＬ字状に弯曲して装着されたシールエレメントを低圧側から支持する板状サポート具を備え、該板状サポート具は、軸心直交壁部と、内径側が高圧側へ所定傾斜角度をもって傾斜する断面直線状の勾配面を有する勾配壁部と、軸心直交状の平坦面を有する内周端平坦壁部とを、外径側から内径側に順次備え、上記勾配面と上記平坦面の交点には断面視鈍角状の角部が形成され、かつ、鈍角状の上記交点から上記内周端平坦壁部の最内周端面までの径方向の寸法を該内周端平坦壁部のラジアル方向寸法とし、該ラジアル方向寸法が上記シールエレメントの肉厚寸法に略等しくなるように構成すると共に、上記内周端平坦壁部と上記回転軸との間に微小間隙が形成されるように上記最内周端面が上記回転軸に接近して配設され、かつ、上記微小間隙が、片側で0.1 mm〜0.25mmに設定され、受圧状態下で、上記シールエレメントの低圧側の面が、上記軸心直交壁部の高圧側面と上記勾配壁部の上記勾配面に接触して保持され、かつ、上記内周端平坦壁部の上記平坦面に低い接触面圧にて軽く接触するように構成され、上記勾配面の上記傾斜角度が20°〜40°に設定され、かつ、上記平坦面が軸心直交面となす角度が−５°〜＋５°に設定され、さらに、上記内周端平坦壁部の外径寸法をＤ、上記回転軸の外径寸法をｄ、上記シールエレメントの肉厚寸法をＴ₃ とすると、
ｄ＋ 1.2Ｔ₃ ≦Ｄ≦ｄ＋ 3.0Ｔ₃
なる関係式が成立するように構成したものである。

本発明は、次のような著大な効果を奏する。高圧の密封流体圧力がシールエレメントに作用した受圧状態下でも、シールエレメントは板状サポート具にて常に安定して受持され、局部的異常変形を起こさず、サポート具と回転軸との間隙部からのはみ出しも発生せず、安定した優れた密封性を長期の使用期間にわたって発揮できる。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１と図２と図３（Ａ）は、本発明に係る回転軸シールの実施の一形態を示し、ハウジング１と回転軸２との間に介装される。

３は、ＰＴＦＥ等から成る板状シールエレメントであって、弯曲部４をもってＬ字状に弯曲して、装着される。即ち、図１に示すように、回転軸２の軸心Ｌ₂ を含む平面をもって切断した断面形状に於て、シールエレメント３は、軸心直交部３Ａと弯曲部４と（軸心Ｌ₂ と平行な）円筒部３Ｂとから成るＬ字状である。
５は、シールエレメント３を低圧側６から支持する板状サポート具であり、図１では、ハウジング１に嵌着されるアウターケース７の一部をもって、サポート具５を構成している。即ち、アウターケース７はハウジング嵌着用円筒部８と、軸心直交状のラジアル壁部９をもって構成され、後者（ラジアル壁部９）が前記サポート具５を構成する。

このサポート具５は、外径側から内径側に、軸心直交壁部10と、内径側が高圧側11へ所定傾斜角度θをもって傾斜した勾配壁部12と、軸心直交状の内周端平坦壁部13とを、順次、備えている。
この軸心直交状の内周端平坦壁部13は、シールエレメント３の肉厚寸法Ｔ₃ に略等しいラジアル方向寸法Ｗ₁₃を有する。

勾配壁部12及び内周端平坦壁部13は、特に、シールエレメント３に対面（乃至接触）する高圧側の面12Ａ，13Ａが重要であり、図１に示した断面図に於て、勾配面12Ａと平坦面13Ａの交点Ｚから、内周端平坦壁部13の最内周端面14までの径方向の寸法を、前記ラジアル方向寸法Ｗ₁₃と呼ぶ。
そして、内周端平坦壁部13と回転軸２との間に、微小間隙Ｇが形成されるように、上記最内周端面14は回転軸２に接近して配設されている。
上記微小間隙Ｇは、（片側で）0.1 mm〜0.25mmに設定する。下限値未満では、組付時又は加工公差によって、回転軸２表面に、最内周端面14が接触する虞がある。逆に、上限値を越せば、間隙Ｇから、シールエレメント３の受圧時の弯曲部位が、はみ出す虞がある。

内周端平坦壁部13の外径寸法をＤとし、回転軸２の外径寸法をｄとし、シールエレメント３の肉厚寸法をＴ₃ とすると、次の数式が成立するように、設定する。
ｄ＋ 1.2Ｔ₃ ≦Ｄ≦ｄ＋ 3.0Ｔ₃
ここで、内周端平坦壁部13の上記外径寸法Ｄは、前述の交点Ｚが描く円の直径に相当する。
図１と図２からも明らかなように、Ｄ＝ｄ＋２（Ｗ₁₃＋Ｇ）であるから、 1.2Ｔ₃ ≦２（Ｗ₁₃＋Ｇ）≦ 3.0Ｔ₃ なる関係式が導きだされる。故に、
0.6 Ｔ₃ ≦（Ｗ₁₃＋Ｇ）≦1.5 Ｔ₃
但し、0.1 mm≦Ｇ≦0.25mm
なる関係式が成立し、交点Ｚの位置が、このように設定されるのが望ましい。

ここで、図１の全体の概略を説明すれば、この回転軸シールは、ハウジング１の孔部にアウターケース７が直接に接近するように嵌着されて、例えば段付部16と止め輪15等にて軸心方向に位置決めされる。
略Ｌ字型断面のアウターケース７内に、シールエレメント３と円環平板状スペーサ17とインナーケース18を順次嵌込んで、アウターケース７の円筒部８の先端側（高圧側11の端部）をカシメ加工して、一体に組付けられる。

シールエレメント３は、回転軸２を挿入する前（即ち未装着状態）では、円環平板状であり、回転軸２を挿入した状態（図１の装着状態）では、断面Ｌ字状として、円筒部３Ｂが回転軸２に接触する。この接触面には、図示省略したが、一般に螺旋溝が形成されていて、回転軸２が回転すると、密封流体を高圧側11へ押し戻すポンピング作用をなすように、構成され、材質はＰＴＦＥ等のプラスチック材が用いられる。
図１からも分かるように、シールエレメント３の外周端縁部は、スペーサ17と軸心直交壁部10にて挾圧状に保持固定されている。そして、アウターケース７の軸心直交壁部10の高圧側面と、勾配壁部12の高圧側面12Ａに、シールエレメント３の背面（低圧側面）が接触して保持され、図３（Ａ）に示した通常受圧状態下では、平坦壁部13の高圧側の面13Ａは軽く接触する状態を維持するのが好ましい。

ところで、（図１と図２及び図５に於て、）勾配壁部12の傾斜角度θは、20°〜40°に設定される。即ち、20°≦θ≦40°に設定される。
さらに、内周端平坦壁部13が軸心直交面20（図５参照）となる角度βが、−５°〜＋５°に設定されている。即ち、−５°≦β≦＋５°に設定される。

このように、内周端平坦壁部13が軸心直交状とは、上記の角度βの範囲にあることを言う。角度βがプラスとは、平坦壁部13が高圧側11へ傾斜している状態を指す。β＜（−５°）では、シールエレメント３の背圧側に局部的異常変形を生ずる。逆に、β＞＋５°では、図７の従来例で述べた先端部43の問題が発生することとなる。
次に、図４は本発明の他の実施の形態を示し、板状サポート具５としては、インナーケース19の一部をもって構成しても良いことを示している。
図４に於て、アウターケース21は円筒部21ｂと高圧側内鍔部21ａとカシメ部21ｃとを有する。アウターケース21の高圧側内鍔部21ａを被覆するＵ字状ゴム部22ａと、高圧側11へ延伸して回転軸２に摺接するゴムリップ部22ｂと、ハウジング１の内周面に安定される外周被覆ゴム層部22ｃとから成るゴム部22がアウターケース21に接着等にて一体固着されている。

アウターケース21の内鍔部21ａと、インナーケース19の軸心直交壁部23によって、シールエレメント３が挾持されるが、Ｕ字状ゴム部22ａの一部が介在して挾持される。
インナーケース19の軸心直交壁部23が、板状サポート具５に対応している。
この図４に示した実施の形態に於ける板状サポート具５の形状及び寸法等の構成は、図１，図２，図５等にて説明した構成と同様であり（同一符号は同一構成を示し）、その説明を省略する。

次に、図３に於て、本発明の主要な構成による作用（効果）につき、説明すると、図３（Ａ）は前述の図１と図２（又は図４）の本発明の実施の形態に於ける受圧状態を示し、圧力Ｐが作用したときシールエレメント３は適度に変形して、変形グセや傷を受けない。つまり、勾配壁部12の高圧側面12Ａにてシールエレメント３は確実に受持され、回転軸２に近い平坦壁部13の高圧側面13Ａは、軽い接触（低い接触面圧）にて、受持するので、異常局部変形が防止でき、かつ、傷が付くこともない。

ところが、図３（Ｂ）は、いわば、Ｄ＝ｄ＋２Ｇにて表されるように、図３（Ａ）の平坦壁部13が無い場合を示し、従来の図７の場合に相当する。このときは、圧力Ｐが作用した受圧状態で、シールエレメント31は、勾配壁部41の鋭利先端部43にて傷を生ずる虞があり、クリアランス42の部位にはみ出しを生ずる虞もあって、寿命が短い。このことは、Ｄ＜ｄ＋ 1.2Ｔ₃ の場合に発生する問題である。

また、図３（Ｃ）に示すように、Ｄ＞ｄ＋ 3.0Ｔ₃ の場合には、シールエレメント３が２〜３箇所で屈曲（屈折）した形状となり、いびつな変形となったり、反り返り等を起こして、局部的に異常発熱や異常摩耗を発生する。
従って、図３（Ａ）と（Ｂ）（Ｃ）とを比較すれば、本発明の前記数式 ｄ＋ 1.2Ｔ₃ ≦Ｄ≦ｄ＋ 3.0Ｔ₃ 及び、0.1 mm≦Ｇ≦0.25mmを充足することが重要である。言い換えれば、上記数式を充足することで、（ＰＴＦＥ等の）シールエレメント３の「はみ出し（防止）」と「変形」のバランスが良く、シールエレメント３の厚み方向と垂直のクリープ（ズレ）が生じないで、シール面に対する影響───シール面の横方向の移動やスクリュー溝（ラセン溝）の角度の変化───が少なく、優れたシール性能を維持できる。

なお、本発明は上述の図示の実施の形態に限らず、種々設計変更自由であって、シールエレメント３を２枚以上有する場合や、図４のゴムリップ部22ｂが２枚以上有する場合であっても自由であり、特に、板状サポート具５としては、アウターケース７でも、インナーケース19でも、良い。また、板状サポート具５の製法としては、図示の板金加工に限らず、切削加工や鍛造等であっても良い。また、板状サポート具５としては、金属に限らず、プラスチックとしても好ましい。

本発明の実施の一形態を示す要部拡大断面図である。 要部の拡大断面説明図である。 本発明と従来例と比較例とを比較して説明する作用説明図である。 他の実施の形態を示す要部拡大断面図である。 要部拡大断面図である。 従来例を示す断面図である。 他の従来例を示す拡大断面図である。

２ 回転軸
３ シールエレメント
４ 弯曲部
５ 板状サポート具
６ 低圧側
10 軸心直交壁部
11 高圧側
12 勾配壁部
12Ａ 勾配面
13 内周端平坦壁部
13Ａ 平坦面
14 最内周端面
20 軸心直交面
θ 傾斜角度
β 角度
Ｄ 外径寸法
ｄ 外径寸法
Ｇ 微小間隙
Ｌ₂ 軸心
Ｔ₃ 肉厚寸法
Ｗ₁₃ ラジアル方向寸法
Ｚ 交点

Claims (1)

1. 回転軸（２）の軸心（Ｌ₂ ）を含む平面をもって切断した断面形状に於て、弯曲部（４）をもってＬ字状に弯曲して装着されたシールエレメント（３）を低圧側（６）から支持する板状サポート具（５）を備え、該板状サポート具（５）は、軸心直交壁部（10）と、内径側が高圧側（11）へ所定傾斜角度（θ）をもって傾斜する断面直線状の勾配面（12Ａ）を有する勾配壁部（12）と、軸心直交状の平坦面（13Ａ）を有する内周端平坦壁部（13）とを、外径側から内径側に順次備え、
   上記勾配面（12Ａ）と上記平坦面（13Ａ）の交点（Ｚ）には断面視鈍角状の角部が形成され、かつ、鈍角状の上記交点（Ｚ）から上記内周端平坦壁部（13）の最内周端面（14）までの径方向の寸法を該内周端平坦壁部（13）のラジアル方向寸法（Ｗ ₁₃ ）とし、該ラジアル方向寸法（Ｗ ₁₃ ）が上記シールエレメント（３）の肉厚寸法（Ｔ ₃ ）に略等しくなるように構成すると共に、上記内周端平坦壁部（13）と上記回転軸（２）との間に微小間隙（Ｇ）が形成されるように上記最内周端面（14）が上記回転軸（２）に接近して配設され、かつ、上記微小間隙（Ｇ）が、片側で0.1 mm〜0.25mmに設定され、
   受圧状態下で、上記シールエレメント（３）の低圧側（６）の面が、上記軸心直交壁部（10）の高圧側面と上記勾配壁部（12）の上記勾配面（12Ａ）に接触して保持され、かつ、上記内周端平坦壁部（13）の上記平坦面（13Ａ）に低い接触面圧にて軽く接触するように構成され、
   上記勾配面（12Ａ）の上記傾斜角度（θ）が20°〜40°に設定され、かつ、上記平坦面（13Ａ）が軸心直交面（20）となす角度（β）が−５°〜＋５°に設定され、
   さらに、上記内周端平坦壁部（13）の外径寸法を（Ｄ）、上記回転軸（２）の外径寸法を（ｄ）、上記シールエレメント（３）の肉厚寸法を（Ｔ₃ ）とすると、
   ｄ＋ 1.2Ｔ₃ ≦Ｄ≦ｄ＋ 3.0Ｔ₃
   なる関係式が成立するように構成したことを特徴とする回転軸シール。

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