JP5263426B2 - シール機構 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮可能な弾性材料からなるシール部材を対向する二つの部材の間に介在させて両部材間をシールするシール機構、特にシール部材を圧縮した状態で高圧シールを可能とするシール機構に関する。

シール機構では、対向する二つの部材の間に介在させたシール部材にてシール機能を発揮するので、シール部材の収容に当たり種々の技術が提案されている（例えば、特許文献１等）。

実開平２−２７０６３号公報 特開平１０−１９６７９７号公報 特開２００６−１５３１６９号公報

特許文献１では、シール部材の収納溝底面に例えば凹凸を設けることでシール部材の溝内での滑りを抑制している。特許文献２では、定常時においてはシール部材を傾斜面で保持し、シール対象となるガスが圧力を増してシール部材に作用した際に、シール部材が傾斜面から離れて変形するようにして、シール性能を確保している。特許文献３では、シール部材の収容溝を蟻溝形状とすることで、シール部材の抜け防止や、シール部材の圧縮時においてシール部材が蟻溝の端部に入り込むようにして圧縮割れの防止が図られている。

こうしたシール機構において、高圧シールを達成するには、シール部材をある程度圧縮しておくことが必要であり、通常は、無負荷状態のシール部材の断面積よりも収容溝の断面積を小さくすることがなされている。こうした上で収容溝にシール部材を収容してシールを図れば、シール部材は収容溝の形状に倣って圧縮されて溝領域をほぼ埋め尽くし、溝底面のみならず、溝側面にも接触状態にある。例えば、特許文献１では、凹凸を有する底面と側面にシール部材が潰れて接触する。特許文献２では、傾斜面とこれに続く底面と側面にシール部材が接触し、特許文献３では、蟻溝の端部を埋めるようにして溝底面および側面に接触する。

このような圧縮状態にあるシール部材により高圧シールは達成できるものの、次のような問題点が指摘されるに至った。シール機構の用途は多種多様であることから、シール部材によるシールを図った状態において、例えば外気温の上昇、シール対象流体の温度上昇等によりシール部材自体の温度上昇が起きて、シール部材は熱膨張する。ところが、シール部材は溝内において既に圧縮状態にあって既に溝をほぼ埋め尽くしていることから、熱膨張によりシール部材には内部応力が蓄積される。そうすると、シール部材には、蓄積された内部応力によるいわゆる圧縮割れが起きることが危惧されるので、高圧シールの信頼性に欠ける。

本発明は、上記した課題を踏まえ、シール部材を用いた高圧シールの信頼性を高めることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
圧縮可能な弾性材料からなるシール部材を対向する二つの部材の間に介在させて両部材間をシールするシール機構であって、
前記二つの部材の一方の部材は、前記シール部材を収容するよう陥没形成されたシール収容溝と、該シール収容溝の溝底面の一部領域を該底面よりも陥没して形成された収容溝内陥没溝とを備え、
前記シール部材は、前記収容溝内陥没溝の溝底面と当該溝の溝側面とに非接触のまま前記シール収容溝の溝形状に倣って圧縮した状態で前記シール収容溝に収容されている。

[適用：シール機構]
圧縮可能な弾性材料からなるシール部材を対向する二つの部材の間に介在させて両部材間をシールするシール機構であって、
前記二つの部材の少なくとも一方の部材は、前記シール部材を収容するよう陥没形成されたシール収容溝と、該シール収容溝の溝底面の一部領域を該底面よりも陥没して形成された収容溝内陥没溝とを備え、
前記シール部材は、前記シール収容溝の溝形状に倣って圧縮した状態で前記シール収容溝に収容されている
ことを要旨とする。

上記構成のシール機構では、一方の部材に陥没形成したシール収容溝にシール部材を収容して、当該シール部材にて対向する二つの部材間をシールする。シール収容溝に収容された状態のシール部材は、シール収容溝の溝形状に倣って圧縮済みであることから、高圧シール性を発揮する。この場合、シール部材は、圧縮された上でシール収容溝の溝底面と溝側面に接触していることになる。

上記のようにシール部材を圧縮して収容済みのシール収容溝には、当該溝の溝底面の一部領域に収容溝内陥没溝が存在し、この収容溝内陥没溝はシール収容溝の溝底面から陥没形成されている。よって、この収容溝内陥没溝の底面とシール収容溝に圧縮収容済みのシール部材との間には間隙が残されることになる。このため、シール収容溝に圧縮収容済みのシール部材が熱膨張すれば、シール部材はその膨張分に相当する体積において、収容溝内陥没溝の底面より上の上記の間隙に入り込むので、シール部材の熱膨張に伴う内部応力の蓄積を抑制できる。この結果、上記構成のシール機構によれば、シール部材の圧縮割れを起き難くして、高圧シールの信頼性を高めることができる。

また、上記したように高圧シールの信頼性を高めるに当たり、シール収容溝の溝底面の一部領域に収容溝内陥没溝を陥没形成すればよいので、簡便である。しかも、シール収容溝と収容溝内陥没溝とを底面に段差があるようにすれば足りるので、段差のある刃先を有する工具、例えば旋盤切削バイトにて、シール収容溝と収容溝内陥没溝とを同時に形成できるので、コスト低下の点からも有益である。

より詳しく説明すると、特許文献３にあるような蟻溝形状の収容溝を旋盤にて形成する場合には、一方の部材を旋盤にセットして旋回させた上で、蟻溝の端部形状の切削が可能な刃先の切削バイトを、旋回する部材に向けて１軸（ｘ軸）方向に移動させた後に、旋回軸方向に向けてｙ軸方向に移動させる必要がある。ところが、上記のシール機構では、旋盤にセットした部材に対して、段差のある刃先の切削バイトをｘ軸方向に移動させるだけで、シール収容溝と収容溝内陥没溝とを底面に段差を持たせて簡単に形成できる。

上記したシール機構は、次のような態様とすることができる。例えば、前記収容溝内陥没溝を、前記シール収容溝の溝底面の少なくとも一方の端部側に形成することができる。この場合、二つの部材の相対的な摺動を経て前記シール部材を前記部材間に介在させる際には、前記収容溝内陥没溝を、前記シール収容溝に収容済みの前記シール部材が前記二つの部材の摺動により移動する側のシール収容溝底面の一方の端部側に形成することが好ましい。こうすれば、二つの部材の相対的な摺動の際に、シール収容溝に収容済みのシール部材は、シール収容溝底面の一方端部側の収容溝内陥没溝に向けて逃げるので、部材摺動によるシール部材の噛み込みが起き難くなり損傷回避の上から好ましい。また、収容溝内陥没溝に向けて逃げることから、シール部材の飛び出しも回避できる。

この他、前記シール収容溝と前記収容溝内陥没溝とを有する部材に、当該部材表面から前記収容溝内陥没溝に達するエア抜き孔を形成すれば、シール部材が上記したように収容溝内陥没溝に向けて逃げる際のエア抜きが可能となる。よって、収容溝内陥没溝に向けたシール部材の逃げが容易に起き、より確実に損傷回避を図ることができる。

本発明としてのシール機構１０のシール前後の様子を一部拡大しつつ示す説明図である。 シール機構１０におけるリング収容溝２２の形成の様子を模式的に示す説明図である。 Ｏリング４０を収容するリング収容溝２２の容積率とＯリング４０の潰し率等を説明する説明図である。 リング収容溝２２に圧縮収容済みのＯリング４０の熱膨張時の様子を示す説明図である。 図１相当図であり装着ボディ３０の側にてシールを図る変形例のシール機構１０のシール前後の様子を示す説明図である。 他の変形例のシール機構１０を示す説明図である。 また別の変形例のシール機構１０を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明としてのシール機構１０のシール前後の様子を一部拡大しつつ示す説明図、図２はシール機構１０におけるリング収容溝２２の形成の様子を模式的に示す説明図、図３はＯリング４０を収容するリング収容溝２２の容積率とＯリング４０の潰し率等を説明する説明図である。

図示するように、本実施例のシール機構１０は、シャフト２０と、その装着体省の装着ボディ３０と、圧縮可能な弾性材料、例えばゴム材料からなるＯリング４０とを備える。そして、シール機構１０は、装着ボディ３０の挿入孔３２に挿入されて対向するシャフト２０と装着ボディ３０、詳しくはシャフト２０の外周面と装着ボディ３０の挿入孔３２の内周面との間をＯリング４０によりシールする。シャフト２０は、挿入孔３２に対する嵌め合い公差を考慮した外径とされ、その外周に陥没形成されたリング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４とを備える。この場合、収容溝内陥没溝２４は、図示するように挿入孔３２にシャフト２０を右方から挿入する際に、リング収容溝２２に収容済みのＯリング４０が挿入孔３２から力を受けて移動する側、即ちシャフト２０の先端から離れた側（図における右方）に形成されている。

このリング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４は、図２に示すように、第１刃先Ｂ１と第２刃先Ｂ２とを段差を持って有する切削バイトＳＢにより切削形成される。つまり、図示しない旋盤にシャフト２０をセットして旋回させた上で、切削バイトＳＢをｘ軸方向に移動させる。こうすれば、リング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４は、上記の第１、第２の刃先形状で形成され、両刃先の段差が反映した底面の段差をもってシャフト２０に陥没形成され、リング収容溝２２はＯリング４０を収容するよう陥没形成されることになる。収容溝内陥没溝２４は、上記の切削バイトＳＢによる形成からも明らかなように、リング収容溝２２の溝底面の一部領域を当該底面よりも陥没して形成された溝となる。

本実施例では、切削バイトＳＢの第１刃先Ｂ１と第２刃先Ｂ２の寸法調整を行うことで、図３に示すようにリング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４の形状を定めた。リング収容溝２２にＯリング４０を収容する場合のリング収容溝２２の容積率Ｖ（％）は、Ｏリング４０の断面積をリング収容溝２２の溝断面積で除算して定まる。ここで、Ｏリング４０の直径をＤ、リング収容溝２２の溝幅をＢ、Ｏリング４０が接するリング収容溝２２の溝底面半径をＲ１、Ｏリング４０が接する挿入孔３２の半径をＲ２とすると、容積率Ｖは次式で表される。

Ｖ＝（πＤ²／４）／Ｂ（Ｒ１−Ｒ２） ｘ １００

また、Ｏリング４０は、シャフト２０と装着ボディ３０をシールするに当たり、リング収容溝２２に収納された上で挿入孔３２に接することから潰されて圧縮されるので、その潰し率Ｈ（％）は次式で表される。

Ｈ＝（Ｄ−（Ｒ１−Ｒ２））／Ｄ ｘ １００

本実施例では、Ｏリング４０によるシャフト２０と装着ボディ３０のシール耐性を５０ＭＰａ以上とするため、容積率Ｖが９１％以上、潰し率Ｈが３０％以上となるよう、Ｏリング４０の直径Ｄ、リング収容溝２２の溝幅Ｂ、リング収容溝２２の溝底面半径Ｒ１および挿入孔３２の半径Ｒ２を定めた。

また、収容溝内陥没溝２４については、その溝幅Ｗとリング収容溝２２の溝底面からの段差ｄが、共にＯリング４０の直径Ｄの１／３以下となるようにした。この場合、溝幅Ｗと段差ｄは後述するように熱膨張時のＯリング４０の入り込み体積を規定することから、溝幅Ｗと段差ｄの上下限範囲は、シール機構１０の使用環境下でＯリング４０に起き得る熱膨張の度合いで定めればよい。例えば、溝幅Ｗと段差ｄをＯリング４０の直径Ｄの１／５〜１／３の範囲とすればよい。

図１に戻り装着ボディ３０へのシャフト２０の装着に伴うＯリング４０の様子について説明する。シャフト２０の先端を装着ボディ３０の挿入孔３２に差し込んでシャフト２０の挿入を進めると、リング収容溝２２に収容済みのＯリング４０は、挿入孔３２の開口テーパ面３１に押されて潰れ始める。この際、Ｏリング４０は、開口テーパ面３１から力を受けて、リング収容溝２２における収容溝内陥没溝２４側の溝側面２２ａに向けてリング収容溝２２内を移動して、当該側面に接触する。更にシャフト２０の挿入が進むと、Ｏリング４０は、挿入孔３２の内周面に接するよう潰されつつ、図１のシール後の状態のように、リング収容溝２２の溝形状に倣って圧縮され、リング収容溝２２の溝底面と溝側面２２ａおよび当該側面と対向した側面とも接触する。Ｏリング４０の圧縮状態は、既述した容積率Ｖと潰し率Ｈで規定される。そして、Ｏリング４０は、このように圧縮済みであることから、シャフト２０と装着ボディ３０との間において、高圧シール性を発揮する。

図１のシール後の状態では、Ｏリング４０はリング収容溝２２の溝形状に倣って圧縮されるものの、収容溝内陥没溝２４の溝底面や当該溝側面とは非接触である。よって、図示するように、リング収容溝２２に収容されて圧縮済みのＯリング４０と収容溝内陥没溝２４との間には間隙Ｋが残される。つまり、リング収容溝２２に収容済みのＯリング４０は、こうして間隙Ｋを残したまま圧縮状態にあり、既述したように高圧シール性を発揮する。

以上説明したシール機構１０では、その使用状況下においてＯリング４０の温度が上昇すると、リング収容溝２２に圧縮収容済みのＯリング４０は熱膨張する。図４はリング収容溝２２に圧縮収容済みのＯリング４０の熱膨張時の様子を示す説明図である。この図４に示すように、Ｏリング４０は、膨張分に相当する体積においてその膨張部４０Ｂを収容溝内陥没溝２４の底面より上の間隙Ｋに入り込ませる。よって、Ｏリング４０の熱膨張に伴う内部応力の蓄積を抑制できるので、本実施例のシール機構１０によれば、Ｏリング４０の圧縮割れを起き難くして、高圧シールの信頼性を高めることができる。

また、Ｏリング４０による高圧シールの信頼性を高めるに当たり、本実施例のシール機構１０では、リング収容溝２２の溝底面の一部領域に収容溝内陥没溝２４を陥没形成すればよいので、簡便である。しかも、リング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４とを底面に段差があるようにすれば足りるので、段差のある第１刃先Ｂ１と第２刃先Ｂ２を有する切削バイトＳＢを旋盤切削に際して使用すればよい。そして、この際には切削バイトＳＢをｘ軸方向に駆動するだけでリング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４とを同時に形成できるので、工程管理の簡略化や低コスト化を推進することもできる。

また、本実施例のシール機構１０では、収容溝内陥没溝２４をリング収容溝２２の溝底面の一部領域に陥没形成するに当たり、収容溝内陥没溝２４をシャフト２０の先端から離れた側のリング収容溝２２の端部側に形成した。よって、シャフト２０を装着ボディ３０の挿入孔３２に押し込んで挿入を図ると、その挿入の際には、リング収容溝２２に収容済みのＯリング４０は、開口テーパ面３１から力を受けて溝側面２２ａの側に移動して当該側面に接触し、この移動の際には図１のシール前拡大図に白抜き矢印Ａで示すように、収容溝内陥没溝２４に向けて逃げようとする。このため、本実施例のシール機構１０によれば、装着ボディ３０の挿入孔３２へのシャフト２０の挿入に際して、シャフト２０の挿入に伴うＯリング４０の噛み込みが起き難くなり、噛み込み損傷を効果的に回避できる。加えて、収容溝内陥没溝２４に向けたＯリング４０の逃げにより、シャフト２０の挿入時におけるリング収容溝２２からのＯリング４０の飛び出しも確実に回避できる。

次に、シール機構１０の変形例について説明する。図５は図１相当図であり装着ボディ３０の側にてシールを図る変形例のシール機構１０のシール前後の様子を示す説明図である。この変形例のシール機構１０では、シャフト２０が挿入される装着ボディ３０の挿入孔３２に、リング収容溝２２と収容溝内陥没溝２４とを形成した。この図５に示す変形例のシール機構１０によっても、高い信頼性で高圧シールを図ることができる。

図６は他の変形例のシール機構１０を示す説明図である。この変形例のシール機構１０は、二つの部材を面接合した際にこの接合面にて高圧シールを図る点に特徴がある。図示するように、この変形例のシール機構１０では、上下に並べて接合される下ボディ５０と上ボディ６０とを備え、上下のボディの貫通孔５２、６２をボディ接合面でシールする。このため、下ボディ５０の上面に貫通孔５２を取り囲むよう環状に陥没形成されたリング収容溝２２を備え、当該溝底面の外周側に、段差を持って収容溝内陥没溝２４を陥没形成して備える。そして、このシール機構１０は、上ボディ６０の下面を下ボディ５０の下面に接合させてＯリング４０をリング収容溝２２の溝形状に倣って圧縮させることで、高圧シールを図る。Ｏリング４０の熱膨張の際の高圧シール性についても、収容溝内陥没溝２４へのＯリング４０の入り込みにより、高い信頼性で高圧シールを図ることができる。

図７はまた別の変形例のシール機構１０を示す説明図である。図示するように、この変形例では、リング収容溝２２にバックアップリング４２を収容した上で当該リングとＯリング４０とをリング収容溝２２に収納した。この場合、リング収容溝２２の形成寸法は、バックアップリング４２の収容容積を除いたリング収容溝２２の溝形状にて、既述した容積率Ｖや潰し率Ｈが確保されている。また、シャフト２０には、その外周から収容溝内陥没溝２４に達する細孔２６を斜めに形成した。これにより、次の利点がある。

細孔２６は、装着ボディ３０の挿入孔３２へのシャフト２０の挿入時においてＯリング４０が収容溝内陥没溝２４に向けて逃げる場合の、収容溝内陥没溝２４内のエア抜き孔として機能する。また、Ｏリング４０が熱膨張して膨張部４０Ｂを収容溝内陥没溝２４に入り込ませる際の収容溝内陥没溝２４内のエア抜き孔として機能する。このため、収容溝内陥没溝２４に向けたシャフト２０挿入時のＯリング４０の逃げと、収容溝内陥没溝２４への膨張部４０Ｂの入り込みが容易に起きるので、シャフト挿入時と熱膨張時のＯリング４０の損傷回避の実効性をより高めることができる。

そして、バックアップリング４２をＯリング４０に並べてリング収容溝２２に収容することで、高圧シール性をより高めつつ、その信頼性を向上できる。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、図７の変形例では、細孔２６を形成した上で、バックアップリング４２をＯリング４０と併用するようにしたが、Ｏリング４０をＯリング４０と併用するだけの構成、例えば、図１におけるリング収容溝２２にバックアップリング４２とＯリング４０とを並べて収容する構成とすることもできる。また、図１に示したシール機構１０において、細孔２６を収容溝内陥没溝２４に達するようにする構成とすることもできる。

加えて、リング収容溝２２の溝形状に倣って圧縮状態にあるＯリング４０は、既述したように収容溝内陥没溝２４の溝底面には接触しないことから、収容溝内陥没溝２４の溝表面には、特段の表面粗さ調整を必要としない。このため、収容溝内陥没溝２４を転造や鍛造等の型成型手法で形成することもできる。つまり、断面が長方形状のリング収容溝２２を切削等にて陥没形成した後に、転造ダイスをリング収容溝２２の溝底面に押し当てて、収容溝内陥没溝２４を陥没形成することもできる。

１０…シール機構
２０…シャフト
２２…リング収容溝
２２ａ…溝側面
２４…収容溝内陥没溝
２６…細孔
３０…装着ボディ
３１…開口テーパ面
３２…挿入孔
４０…Ｏリング
４０Ｂ…膨張部
４２…バックアップリング
５０…下ボディ
５２…貫通孔
６０…上ボディ
６２…貫通孔
Ｋ…間隙
Ｂ１…第１刃先
Ｂ２…第２刃先
ＳＢ…切削バイト

Claims (3)

1. 圧縮可能な弾性材料からなるシール部材を対向する二つの部材の間に介在させて両部材間をシールするシール機構であって、
   前記二つの部材の一方の部材は、前記シール部材を収容するよう陥没形成されたシール収容溝と、該シール収容溝の溝底面の一部領域を該底面よりも陥没して形成された収容溝内陥没溝とを備え、
   前記シール部材は、前記収容溝内陥没溝の溝底面と当該溝の溝側面とに非接触のまま前記シール収容溝の溝形状に倣って圧縮した状態で前記シール収容溝に収容されている
   シール機構。
2. 請求項１に記載のシール機構であって、
   前記シール部材をＯリングとした上で前記シール収容溝に前記収容するに当たり、前記シール収容溝に前記Ｏリングを収容した場合の前記シール収容溝の容積率Ｖ（％）と、前記シール収容溝に収納された前記Ｏリングが前記二つの部材の他方の部材に形成された前記一方の部材の挿入用の挿入孔に接して潰されて圧縮される際の潰し率Ｈ（％）とを、前記Ｏリングの直径をＤ、前記シール収容溝の溝幅をＢ、前記Ｏリングが接する前記シール収容溝の溝底面半径をＲ１、前記Ｏリングが接する前記挿入孔の半径をＲ２と表して下記の式（１）、（２）で規定し、
   Ｖ＝（πＤ ² ／４）／Ｂ（Ｒ１−Ｒ２） ｘ １００ …式（１）
   Ｈ＝（Ｄ−（Ｒ１−Ｒ２））／Ｄ ｘ １００ …式（２）
   上記の式（１）、（２）で規定された容積率Ｖを９１％以上、潰し率Ｈを３０％以上とした上で、
   前記収容溝内陥没溝の溝幅をＷ、前記シール収容溝の溝底面から前記収容溝内陥没溝の溝底面までの段差をｄと表して、前記溝幅Ｗと前記段差ｄとを前記Ｏリングの直径Ｄの１／５〜１／３の範囲とした
   シール機構。
3. 請求項１または請求項２に記載のシール機構であって、
   前記収容溝内陥没溝は、前記シール収容溝の溝底面の少なくとも一方の端部側に形成され、前記シール部材は、前記二つの部材の相対的な摺動を経て前記部材間に介在し、
   前記収容溝内陥没溝は、前記シール収容溝に収容済みの前記シール部材が前記二つの部材の摺動により移動する側の前記一方の端部側に形成されている
   シール機構。

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