JP5373522B2 - シール構造体 - Google Patents

Description

本発明は、シール構造体に係り、特に、高圧環境下での往復動，回転動又は揺動用に使用されるシール構造体に関する。

従来、図５（Ｂ）と図６、又は、図５（Ｃ）と図７に示すような横断面形状が不等Ｕ字形やＵ字形の樹脂製リング40，41と、その凹溝42内に内装した金属製コイルばね43や金属製Ｕ形ばね44とから成るシール45，46が公知である（例えば、特許文献１参照）。
即ち、従来の図５（Ｂ），図６及び図５（Ｃ），図７に示すようなシール45，46を、シール溝47に装着して、矢印48にて示すように軸心49方向にロッド50が往復直線運動（往復動）する箇所に使用されている。

特開平８−８２３７２号公報

しかしながら、燃料電池車用のＨ₂ ガスの密封に於て、その流体圧力は極めて高く（50〜 100ＭPa）、従来の上述のシール45，46では、ロッド50が円滑に往復作動しないという問題が発生する。
つまり、図６，図７に示すように、図の右側から高圧が作用すると、シール45，46の凹溝42の内面には、矢印Ｐにて示す圧力が作用し、矢印Ｆにて示すような大きな力をもって、凹溝42の溝底、及び、ロッド50の外周面に、樹脂製リング40，41のリップ部51，51が圧接する。
このように、リップ部51，51が強くロッド50の外周面に圧接すると、ロッド50が矢印48のように往復動しようとしても、大きな摩擦抵抗を発生し、円滑にロッド50が作動できない。
なお、従来例として、Ｏリング状ゴム部材を、樹脂製Ｕ字形リングの凹溝に内装したシールも使用されているが、同様の問題を有していた。

そこで、本発明は、このような高圧流体の密封に使用可能であって、かつ、ロッド等の摺動相手部材との抵抗を著しく低減したシールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るシール構造体は、横断面Ｕ字状の樹脂製リングの凹溝内に、該凹溝の開口端部を閉鎖する凹溝内面受圧力低減弾性体を内装したシール構造体であって、上記凹溝の断面形状に於て、上記開口端部の開口幅寸法が狭小となるように段付部が形成されており、上記弾性体が、山型頭部と、高圧側首部と、から成るきのこ型であって、該きのこの傘の下面に相当する段付部を有し、自由状態に於て、上記凹溝の段付部が軸心直交平面状であるとともに、上記弾性体の段付部が軸心直交平面状であって、かつ、上記樹脂製リングの高圧側端面と上記首部の高圧側端面が、同一面状に配設されているものである。
また、上記凹溝の断面積をＳ₁₀とすると共に、上記凹溝内面受圧力低減弾性体の断面積をＳ₂ とすると次式が成立するように設定したものである。
0.90・Ｓ₁₀≦Ｓ₂ ≦ 1.0・Ｓ₁₀ ［数１］
また、上記樹脂製リングと上記弾性体を分離可能な部品として、相互に組合されている。又は、上記弾性体のモールド成形の際に該弾性体が上記樹脂製リングの凹溝の内面に一体化されている。

本発明によれば、開口端部から凹溝内へ流体が浸入せず、高圧が直接的に凹溝内面に作用せず、これに伴って樹脂製リングのリップ部がロッド等の相手部材に対して過大面圧をもって圧接することが防止され、摺動（摩擦）抵抗を低減でき、円滑にロッド等が移動可能となる。

本発明の実施の一形態を示す要部断面図である。 構成部品の説明のための断面端面図である。 未加圧の装着状態を示す要部断面図である。 受圧状態を示す要部断面図である。 本発明と従来例を比較説明するための図である。 従来例の作用説明図である。 他の従来例の作用説明図である。

以下、図示の実施の形態に基づき本発明を詳説する。
図１〜図４及び図５（Ａ）に本発明の一実施形態を示し、横断面Ｕ字状の樹脂製リング１と、その凹溝10に内装される凹溝内面受圧力低減弾性体２と、バックアップリング３と、から構成されている。

この弾性体２は、樹脂製リング１の凹溝10の開口端部12を、図３に示すようにシール溝４に装着した使用状態において、閉鎖して、図４のように受圧状態下で、高圧Ｈ₂ ガスやその他の各種気体又は液体等の密封用流体が、凹溝10内へ浸入することを防ぐ。
樹脂製リング１の材質としては、ＰＥＥＫ，ＰＴＦＥ等が好適であり、流体圧力（使用圧力）、流体の種類等により選定すればよい。凹溝内面受圧力低減弾性体２としては、ＮＢＲ，ＨＮＢＲ，ＦＫＭ，ＶＭＱ，ＥＰＭ等から成り、硬度は、50〜80が望ましいが、使用圧力と流体の種類によって、硬度を選定する。バックアップリング３は、例えば樹脂を使用し、リング１よりも硬度の高いものを用いる。なお、バックアップリング３は必須ではなく、使用条件等により省略自由である。

図１に示したシール構造体としての自由状態に於て、凹溝10の断面積をＳ₁₀とすると共に、弾性体２の断面積をＳ₂ とすると、次式が成立するように、弾性体２の断面積Ｓ₂ を十分に大きく設定する。
0.90・Ｓ₁₀≦Ｓ₂ ≦ 1.0・Ｓ₁₀ ［数１］
そして、樹脂製リング１の凹溝10の断面形状について説明すれば、開口端部12の開口幅寸法Ｗ₁₂が狭小となる（減少する）ように、段付部13，13が形成されている。図例では、樹脂製リング１は上記開口端部12に突起部14，14を設けて、この突起部14，14によって開口幅寸法Ｗ₁₂を、凹溝内部側の最大幅寸法Ｗ₁₀よりも、小さく設定し、内装された弾性体２の離脱を防止し、かつ、後述する受圧面積を減少させている。

図２に示すように、弾性体２と樹脂製リング１とは、分離可能な別部品として作製し、その後、図１に示すように、相互に組合されて構成される。図例では、弾性体２は、その横断面形状に於て、頂部21が丸味のある三角山型頭部22と、矩形状首部23とから成るきのこ型である。これに対応して、図２（Ｂ）に示すように、凹溝10も、頂部が丸味のある三角山型頭部６と、矩形状首部７とから成るきのこ型である。
弾性体２に於ける、きのこの傘の下面に相当する段付部24が、樹脂製リング１の段付部13に当接（掛止）して、弾性体２が凹溝10に内装された状態を常に保つ。

なお、図１に示した組立てた自由状態に於て、凹溝10の丸味のある内奥部15と、内装された弾性体２の頂部21との間に、微小間隙が形成されている場合を示すが、この微小間隙は所望により無くても良い。また、開口端部12を形成する突起部14と、弾性体２の首部23との間には、微小間隙17が形成されている場合を示すが、これを無くして、突起部14と首部23とを当接させても良い。

また、図２とは異なった実施形態としては、弾性体２のモールド成形用金型内に、予め成形した樹脂製リング１を設置して、弾性体２のゴムモールド成形時に、弾性体２が樹脂製リング１の凹溝10の内面30に接着一体化させるも、好ましい。
図３に示すように、断面矩形状のシール溝４に本発明に係るシール構造体を装着すると、図１に例示したような微小間隙17が（仮に）存在していたとしても、凹溝10の開口端部12と、弾性体２とは、密接して、開口端部12は弾性体２にて閉鎖され、かつ、凹溝10の内面30も弾性体２に密接して、図４に示したような受圧状態下で、シール内部（凹溝10の内部）へ流体が浸入せず、凹溝内面30が受ける圧力Ｐ´は、流体圧力Ｐよりも十分に小さい。従って、従来例を示した図６，図７で述べた矢印Ｆのような大きな力がロッド50の外周面に作用せず、比較的小さな力（反力）Ｆ´がロッド50の外周面に作用し、ロッド50の軸心49方向の移動が円滑に行われる。

追加説明すると、図５（Ｂ）の第１の従来例では、凹溝42の内面の受圧範囲Ｌ₁ は大きく、また、図５（Ｃ）の第２の従来例でも、凹溝42の内面の受圧範囲Ｌ₂ は極めて大きい。これに対して、本発明では、図５（Ａ）と図４に示す如く、開口端部12がゴム部材の弾性体２にて閉鎖されており、受圧範囲Ｌ₀ は十分に小さい（狭い）。このように、本発明の弾性体２は、凹溝内面30の受圧力Ｐ´を低減することによって、樹脂製リング１の自封性を低減（低下）させる機能を発揮する。

本発明は、自封性シールとして圧力上昇に対して、いわば過敏とならないように、弾性体２が緩和作用をなして、高圧に好適なシール構造体を構成している。
そして、低い三角山型の外面リップ18，18を、樹脂製リング１が有し、凹溝開口方向へ相互に接近するように傾斜する勾配面19，19の傾斜角度θ₂ を、15°〜45°に設定し、しかも、内径側と外径側の勾配面19，19の傾斜角度θ₂ を同等とする。図４に示した受圧状態に於て、勾配面19，19に流体圧力Ｐが作用することによって、開口端部12が閉じる方向への外力を付与し、相手部材（ロッド50とシール溝４の溝底面）に対する反力Ｆ´，Ｆ´を低減させる作用をなす。さらに、リング１の両勾配面19，19は、図３，図４に於て、上下対称に配設されているので、両勾配面19，19に作用する受圧力（外力）が相殺されて、反力バランスに影響を与えない（樹脂製リング１のシール溝４内で姿勢が安定する）。

なお、段付部13，13の合計段差寸法（２×Ｈ）は、凹溝10の最大幅寸法Ｗ₁₀（弾性体２の最大幅寸法Ｗ₂₂）の５％〜60％とする。特に、図１の状態から図３の（ロッド50の無い状態の）シール溝４へ装入する際に、内部の弾性体２が段付部13，13に掛止して、外へ飛び出ないという利点があり、かつ、前記受圧範囲Ｌ₀ を十分に小さく設定して、矢印Ｆ´にて示した反力を適正な値に設定可能となる。
また、樹脂製リング１の外面リップ18，18の軸心方向位置（シールポイント）18Ａ，18Ａと、弾性体２の最大幅寸法Ｗ₂₂の頂部20，20とを一致させていることによって、樹脂製リング１のクリープ現象によるへたりを防止し、（ゴムから成る）弾性体２のつぶし反力を十分にシールポイント18Ａに作用させ得る。

なお、ロッド50の外周面には、リング１の樹脂材料が摺動に伴って転写して、摺動摩擦抵抗を低下させる利点も、本発明のシール構造体は有している。
なお、本発明に係るシール構造体は、例えば、燃料電池車用高圧運動部にも好適であり、50〜 100ＭPaのＨ₂ ガスにも適用できる。但し、本発明は、その他の高圧ガスや、高圧液体の密封用にも応用自在であり、しかも、図例の往復動の外に、回転運動や揺動運動用にも適用可能である。

本発明は以上述べたように、横断面Ｕ字状の樹脂製リング１の凹溝10内に、該凹溝10の開口端部12を閉鎖する凹溝内面受圧力低減弾性体２を内装した構成であるので、高圧が凹溝10の内面30に直接的に作用することを防いで、自封作用を抑制して、樹脂製リング１の外面リップがロッド50等の相手部材に対して過大面圧にて圧接することを有効に防いで、摺動摩擦抵抗を低減できて、ロッド50等の相手部材の円滑な移動を実現する。
また、上記凹溝10の断面積をＳ₁₀とすると共に、上記凹溝内面受圧力低減弾性体２の断面積をＳ₂ とすると次式が成立するように設定したので、十分に凹溝10の開口端部12を閉鎖して、圧力流体の凹溝10内への浸入を阻止して、摺動相手部材への過大な反力を付与することを防止できる。
0.90・Ｓ₁₀≦Ｓ₂ ≦ 1.0・Ｓ₁₀ ［数１］

また、上記凹溝10の断面形状に於て、上記開口端部12の開口幅寸法Ｗ₁₂が狭小となるように段付部13，13が形成されているので、一旦内装した弾性体２が組込作業中に不意に飛び出す（離脱）することを防止することができる。さらに、開口端部12の受圧範囲（寸法）Ｌ₀ を十分に小さくして、流体圧力Ｐを十分に低減した（小さな）圧力Ｐ´として（図４参照）、凹溝内面30へ作用させ得る。
また、上記樹脂製リング１と上記弾性体２を分離可能な部品として、相互に組合されているので製作が容易となる。
あるいは、上記弾性体２のモールド成形の際に該弾性体２が上記樹脂製リング１の凹溝10の内面30に一体化されている構成とすれば、凹溝10の内部への高圧流体の浸入を、一層確実に防いで、過大な摩擦抵抗が運動せんとする相手部材（ロッド50等）に与えることを、防止できる。

１ 樹脂製リング
２ 弾性体
10 凹溝
12 開口端部
13 段付部
30 内面
Ｓ₂ , Ｓ₁₀ 断面積
Ｗ₁₂ 開口幅寸法

Claims (4)

1. 横断面Ｕ字状の樹脂製リング（１）の凹溝（10）内に、該凹溝（10）の開口端部（12）を閉鎖する凹溝内面受圧力低減弾性体（２）を内装したシール構造体であって、
   上記凹溝（10）の断面形状に於て、上記開口端部（12）の開口幅寸法（Ｗ ₁₂ ）が狭小となるように段付部（13）（13）が形成されており、
   上記弾性体（２）が、山型頭部（22）と、高圧側首部（23）と、から成るきのこ型であって、該きのこの傘の下面に相当する段付部（24）を有し、
   自由状態に於て、上記凹溝（10）の段付部（13）が軸心直交平面状であるとともに、上記弾性体（２）の段付部（24）が軸心直交平面状であって、かつ、上記樹脂製リング（１）の高圧側端面と上記首部（23）の高圧側端面が、同一面状に配設されていることを特徴とするシール構造体。
2. 上記凹溝（10）の断面積を（Ｓ₁₀）とすると共に、上記凹溝内面受圧力低減弾性体（２）の断面積を（Ｓ₂ ）とすると次式が成立するように設定した請求項１記載のシール構造体。
   0.90・Ｓ₁₀≦Ｓ₂ ≦ 1.0・Ｓ₁₀ ［数１］
3. 上記樹脂製リング（１）と上記弾性体（２）を分離可能な部品として、相互に組合されている請求項１又は２記載のシール構造体。
4. 上記弾性体（２）のモールド成形の際に該弾性体（２）が上記樹脂製リング（１）の凹溝（10）の内面（30）に一体化されている請求項１又は２記載のシール構造体。

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