JP5577212B2 - 軸封装置 - Google Patents

Description

本発明は、プランジャポンプといった往復動ポンプ等の流体機器に好適な軸封装置に関するものである。

例えば、特許文献１に示されるプランジャポンプにおいては、駆動軸であるプランジャ（１２）を軸封（シール）するには、プランジャ（１２）に外嵌される環状リップシール（１９）をハウジングであるシリンダ（１１）に設けて成る軸封装置を開示している。また、特許文献２に示されるポンプモータにおいては、駆動軸である回転軸（１３）のシールには、特許文献１のものと同様に、環状リップシールが用いられて成る軸封装置を開示している。

前記従来技術のものはいずれもリップシールであるから、シール対象となる流体が比較的低圧であるときには良好に軸封作用を発揮する。しかしながら、シール対象となる流体の圧が高圧である場合にはリップ部からの漏れを皆無にはできない。また、経時変化等によってリップ部に歪が生じるようなことがあると、吐出圧にばらつきが生じてポンプの性能（例えば、プランジャ形では定量性）に悪影響を及ぼすおそれもあり、軸封装置としては改善の余地が残されているものであった。

実開平２−７４５７９号公報 実開平５−１２６６６号公報

本発明の目的は、シール対象流体の圧が比較的圧高い場合でもシール性の低下が殆どなく、流体機器におけるより一層の漏れ改善が可能となる軸封装置を開発して提供する点にある。

請求項１に係る発明は、軸封装置において、流体機器の駆動軸１とこれを囲繞するハウジング２との間の空間部１０に、前記駆動軸１の軸心Ｐ方向で先細りするテーパ外周面８を備えて前記駆動軸１に外嵌される合成樹脂製のシールリング３と、前記テーパ外周面８に外接するテーパ内周面４ｄを備えるアダプタ４とが配置されるとともに、
前記アダプタ４を前記軸心Ｐ方向に押圧付勢して前記テーパ内周面４ｄと前記テーパ外周面８との当接による分力により前記シールリング３が前記駆動軸１の外周面１ａに押付けられてシール部Ｓを形成する弾性機構５と、前記弾性機構５の押圧付勢力が作用する前記シールリング３を前記軸心Ｐ方向で受止めるべく前記ハウジング２に支持される受止め部６とが装備されて構成され、
前記受止め部６が、前記空間部１０にその開口部１０ａから入り込む筒蓋部６Ａを有して前記ハウジング２に着脱可能に取付けられる押え部材で成り、前記筒蓋部６Ａに形成される第２テーパ外周面６ａと前記ハウジング２の内周面２ａとの間に、前記軸心Ｐ方向で前記開口部１０ａに寄るほど前記軸心Ｐに対する径方向での断面積が減少する空間部分ｋが形成されており、前記弾性機構５の押圧付勢力による前記第２テーパ外周面６ａとの当接の分力によって、前記シールリング３が前記内周面２ａに押付けられて第２シール部Ｔを形成する第２テーパ内周面１３が前記シールリング３に形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の軸封装置において、前記弾性機構５が、前記駆動軸１に外嵌されて前記軸心Ｐ方向に配列される複数の皿バネ５ａを有して構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の軸封装置において、前記アダプタ４と前記ハウジング２とが前記軸心Ｐ方向へ相対移動可能に筒状嵌合されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、シールリングには、これとは別に設けられた専用の弾性機構による押圧付勢力が常に作用するから、自身（シールリング）の持つ弾性力によってシールする従来構造のものに比べて、シールするに必要となる駆動軸への押付け力が長期に亘って安定的に発揮される。
従って、合成樹脂材によるクリーンで良好な漏れ防止機能が長続きして耐久性に優れ、よりトータル性能に優れるようになる。また、シールリングは合成樹脂製であるから、型成形が可能であって生産性に優れてコストダウンが可能となる利点もある。
その結果、シール対象流体の圧が比較的圧高い場合でもシール性の低下が殆どなく、流体機器におけるより一層の漏れ改善が可能となる軸封装置を提供することができる。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて述べるが、弾性機構による押圧付勢力を受けるシールリングを軸心方向で受止める押え部材を用いて、シールリングがハウジング内周面にも押付けられて第２シール部が構築されるようになる。つまり、駆動軸とのシール部を構成するための構成要素を上手く兼用することにより、構造簡単でコンパクトに、しかも廉価にシール性能がより向上する軸封装置を提供することができる。

請求項２の発明によれば、アダプタを押す弾性機構が複数の皿バネによって構成されているので、駆動軸とハウジングとの間の狭い空間部でも、必要となる機能を備えながらもにコンパクト設けることができ、しかも廉価に実現できるという効果が得られる。

請求項３の発明によれば、アダプタがハウジング内周面に内嵌されているので、シール部の存在によってアダプタが拡径変形しようとする力を内周面で受止めることができ、シール部による漏れ防止機能の安定化に寄与できる利点がある。弾性機構による押圧付勢力を受けるアダプタがシールリングにテーパ面どうしで外嵌される構造上、アダプタを径外側に膨張変形させようとする力が常時作用する。従って、アダプタの剛性が弱い場合等では、シールに必要な駆動軸への押付け力が経時変化で弱くなるおそれがあるが、本請求項３のものでは、そのおそれが回避され、良好なシール性を長期に亘って安定的に発揮させることが可能になる。

ポンプにおける軸封装置の要部を示す断面図（実施例１） シールリングの形状を示す断面図 シール部の構造を示す要部の拡大断面図 第２シール部の構造を示す要部の拡大断面図

以下に、本発明による軸封装置の実施の形態を、流体機器の一例であるポンプの駆動軸（ポンプ軸）に適用された場合について、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
図１にプランジャポンプ（流体機器の一例）の駆動軸１に適用された軸封装置Ａが示されている。ハウジング２には、軸心Ｐを有する駆動軸１が挿通配備されており、その駆動軸１とハウジングの筒状内周面２ａとの間に形成される奥止り状の環状空間部（空間部の一例）１０に軸封装置Ａが設けられている。軸封装置Ａは、弾性機構５と、アダプタ４と、シールリング３とが、この順で環状空間部１０の奥から開口部１０ａに向けて収容配備されるとともに、開口部１０ａに蓋をすべく、ハウジング２の側周面２ｂにボルト９止めされる押え部材６を設けて構成されている。

弾性機構５は、駆動軸１に外嵌されて軸心Ｐ方向に配列される４枚（複数の一例）の皿バネ５ａから構成されている。つまり、ステンレス鋼等の金属製であり、その皿バネ５ａの４枚が軸心Ｐ方向で隣り合うものどうしが互いに反対向きとなる状態で並べられて、奥側壁２ｃとアダプタ４の奥側周面４ａとの間に配備されている。つまり、隣合う皿バネ５ａ，５ａは、内周端どうし、または外周端どうしが当接する状態で設けられており、５枚分の弾性力が有効に発揮されるようにされている。弾性機構５は、皿バネに限らず板バネ、コイルスプリング等でも良い。

アダプタ４は、軸心Ｐ方向長さの短い状態で駆動軸１の外周面１ａに軸心Ｐ方向の相対移動が可能に外嵌される第１内周面４ａと、ハウジング２の内周面２ａに軸心Ｐ方向の相対移動が可能に内嵌される外周面４ｂとを備えて、ステンレス鋼等の金属製で環状の部品に構成されている。このアダプタ４は、皿バネ５ａが当接する奥側周面４ｃ、先拡がり状のテーパ内周面４ｄ、シールリング３に外嵌されて軸心Ｐ方向長さの短い第２内周面４ｅとを有している。

シールリング３は、図１，図２に示すように、環状本体３Ａと、駆動軸１の外周面１ａに沿って環状空間部（空間部の一例）１０の内奥側に伸びる外嵌筒部３Ｂと、ハウジング２の内周面２ａに沿って環状空間部１０の開口部側に伸びる内嵌筒部３Ｃとを備えて、軸心Ｐ方向に沿う面で切った断面形状が略Ｚ字形状を呈するポリアセタールやフッ素樹脂（例：ＰＴＦＥ）等の合成樹脂製の部品に構成されている。

外嵌筒部３Ｂは、図１〜図３に示すように、第２内周面４ｅに内嵌する外周面７、テーパ内周面４ｄに当接するテーパ外周面８、及び環状本体３Ａに亘る状態で駆動軸１の外周面１ａに外嵌される嵌合内周面１１を有している。テーパ外周面８は、環状空間部１０の内奥側に向かって先細りとなる円錐状外周面に形成されており、そのテーパ角度である先細り角θは、テーパ内周面４ｄの先拡がり角αより僅かに緩いものに設定されている。つまり、テーパ外周面８の先端がテーパ内周面４ｄに当接するように設定されている。また、嵌合内周面１１は、テーパ外周面８の径内側に相当する部分が、その他の部分より極僅かに小径とされたシール用内周面１１ａに形成されている。

内嵌筒部３Ｃは、図１，図２，図４に示すように、軸心Ｐ方向長さの短い状態で押え部材６に外嵌される第３内周面１２と、押え部材６のテーパ外周面６ｃに当接するテーパ内周面１３と、環状本体３Ａに亘る状態でハウジング２の内周面２ａに内嵌される嵌合外周面１４とを有している。テーパ内周面１３は、環状空間部１０の開口部側に向かって先拡がりする擂鉢状内周面に形成されている。嵌合外周面１４における軸心Ｐ方向でテーパ内周面１３に対応する箇所に、嵌合外周面１４より極僅かに大径で軸心Ｐ方向長さの短い突条リング部１５が形成されている。

押え部材６は、図１，図４に示すように、駆動軸１に遊外嵌される状態で環状空間部１０の内部にその開口部１０ａから入り込む筒蓋部６Ａを備えて、ステンレス鋼等の金属製のものに形成されている。筒蓋部６Ａは、軸心Ｐ方向長さの短い状態でハウジング２の内周面２ａに内嵌される大径外周面６ａ、第３内周面１２に内嵌される小径外周面６ｂ、及び大径外周面６ａの環状空間部内奥側端と小径外周面６ｂの環状空間部開口側端とを繋ぐテーパ外周面６ｃを備えている。テーパ外周面６ｃの軸心Ｐに対する傾斜角βは、シールリング３のテーパ内周面１３の軸心Ｐに対する傾斜角γより僅かに大きく設定されている。従って、図４に示すように、テーパ外周面６ｃにはテーパ内周面１３の先端部が当接するように設定されている。

さて、押え部材６がハウジング２にボルト９で固定取付けされる軸封装置Ａの組付状態では、図１に示すように、４枚の皿バネ５ａによる弾性機構５がある程度軸心Ｐ方向で圧縮された状態になり、弾性機構５はアダプタ４及びアダプタ４を介してシールリング３を押え部材６に向けて押圧付勢することとなる。それにより、アダプタ４のテーパ内周面４ｄが外嵌筒部３Ｂのテーパ外周面８を軸心Ｐ方向に押付け、その傾斜分力によって嵌合内周面１１における軸心Ｐ方向で外嵌筒部３Ｂに対応する部分、つまりはシール用内周面１１ａが駆動軸１の外周面１ａに強く押付けられてシール部Ｓが形成される。また、内嵌筒部３Ｃのテーパ内周面１３が筒蓋部６Ａのテーパ外周面６ｃを軸心Ｐ方向に押付け、その傾斜分力によって嵌合外周面１４における軸心Ｐ方向でテーパ内周面１３に対応する部分がハウジング内周面２ａに押付けられて第２シール部Ｔが形成される。

図１，図３に示すように、外嵌筒部３Ｂには、シールリング３とは別に設けられた専用の弾性機構５による押圧付勢力が常に作用するから、自身（シールリング）の持つ弾性力によってシールする従来構造のものに比べて、シールするに必要となる駆動軸１への押付け力が長期に亘って安定的に発揮される。これにより、合成樹脂材によるクリーンで良好な漏れ防止機能が長続きして耐久性に優れ、よりトータル性能に優れる軸封装置Ａが実現できている。この優れたシール性により、シール対象流体が高圧流体であっても有効な軸封効果を発揮させることが可能になる。また、合成樹脂製であるから、型成形が可能であり、生産性に優れてコストダウンが可能となる利点もある。

シール部Ｓは、図３に示すように、弾性機構５の押圧付勢力によってシール用内周面１１ａが外周面１ａに押付けられる作用は、角度差（θ＜α）によりテーパ外周面８の先端部分により強く生じるものとなる。従って、シール対象流体がシールリング３と駆動軸１との間に浸入しないようにする軸封効果がより改善されるとともに、その優れた軸封効果が長期に亘って確実に発揮されるようになるという利点が得られる。それには、嵌合内周面１１のうちのテーパ外周面８に対応するシール用内周面１１ａを僅かに小径として応力集中され易いようにする構造も好都合に作用している。また、外周面７と第２内周面４ｅとの軸心Ｐ方向の相対移動が可能に嵌合させる構造により、第２内周面４ｅがガイドとなって外嵌筒部３Ｂの径外側への拡がり変位が規制される点も好都合である。

図１，図４示すように、第２シール部Ｔは、アダプタ４を介しての弾性機構５の押圧付勢力により、内嵌筒部３Ｃが常に拡径方向に押付けられるから、シール部Ｓ用の弾性機構５を兼用でき、かつ、内嵌筒部３Ｃを内周面２ａに押付ける機能が開口部１０ａの蓋となる押え部材６を利用して生じるように設定されている。また、内嵌筒部３Ｃはシール部Ｓを構成するためのシールリング３の一部でもある。これら部品や機能の兼用化により、合理的で経済的にハウジング２とのシール性が改善される第２シール部Ｔが、高寿命で信頼性にも優れるものとして実現できている。

第２シール部Ｔは、図４に示すように、弾性機構５の押圧付勢力によって嵌合外周面１４が内周面２ａに押付けられる作用は、角度差（θ＜α）によりテーパ内周面１３の先端部分により強く生じるものとなる。つまり、嵌合外周面１４の開口部側端が最も強く内周面２ａに圧接され、図４に仮想線の引出し線及び括弧書きＴで示す部位に第２シール部Ｔが形成される。一方、前述したように、嵌合外周面１４におけるテーパ内周面１３に対応する部分に突条リング部１５が形成されている場合には、その突条リング部１５の外周面１５ａが最も強く内周面２ａに圧接されて第２シール部Ｔが形成される。

つまり、軸封装置Ａは、流体機器の駆動軸１とこれを囲繞するハウジング２との間の空間部１０に、駆動軸１の軸心Ｐ方向で先細りするテーパ外周面８を備えて駆動軸１に外嵌される合成樹脂製のシールリング３と、テーパ外周面８に外接するテーパ内周面４ｄを備えるアダプタ４とが配置されるとともに、アダプタ４を軸心Ｐ方向に押圧付勢してテーパ内周面４ｄとテーパ外周面８との当接による分力によりシールリング３が駆動軸１の外周面１ａに押付けられてシール部Ｓを形成する弾性機構５と、弾性機構５の押圧付勢力が作用するシールリング３を軸心Ｐ方向で受止めるべくハウジング２に支持される押え部材（受止め部）６とが装備されて構成されている。シールリング３とハウジング２とは、軸心Ｐ方向へ相対移動可能に筒状嵌合されている。

そして、受止め部６が、環状空間部１０にその開口部１０ａから入り込む筒蓋部６Ａを有してハウジング２の側周面２ｂに着脱可能に取付けられる押え部材６で成り、筒蓋部６Ａに形成される第２テーパ外周面６ａとハウジング２の内周面２ａとの間に、軸心Ｐ方向で開口部１０ａに寄るほど軸心Ｐに対する径方向での断面積が減少する環状空間部分（空間部分の一例）ｋが形成されており、弾性機構５の押圧付勢力による第２テーパ外周面６ａとの当接の分力によって、シールリング３の内嵌筒部３Ｃが内周面２ａに押付けられて第２シール部Ｔを形成する第２テーパ内周面１３がシールリング３に形成されている。

軸封装置Ａを形成する各パーツ、即ち、４枚の皿バネ５ａ、アダプタ４、シールリング３は開口部１０ａから環状空間部１０に挿入されて配備され、それから押え部材６で開口部１０ａの蓋をするようにハウジング２にボルト９で締付固定することにより、４枚の皿バネ５ａを軸心Ｐ方向に圧縮しながら部品装填及び組付けが完了する。その組付状態では、４枚の皿バネ５ａによる弾性機構５がある程度圧縮されており、アダプタ４を開口部１０ａに向けて常時押圧付勢し、それによって機内側のシール対象流体が機外側に漏れ出さないように、シール部Ｓ及び第２シール部Ｔによる優れたシール機能が発揮されるようになっている。なお、シール部Ｓ及び第２シール部Ｔが機能しているときには、アダプタ４の先端面１６とシールリング３の奥側周面１７との軸心Ｐ方向間（図１参照）及び、シールリング３の先側周面１８と押え部材６の奥端面１９との軸心Ｐ方向間（図４参照）のいずれも、当然ながら間隙が形成されている。

本発明による軸封装置Ａによれば、次のような作用・効果もある。
（１）アダプタ４のテーパ内周面４ｄの先拡がり角αと、シールリング３のテーパ外周面８の先細り角θとに差（角度差）を設けてあるので、軸心Ｐ方向に作用する弾性機構５による押圧付勢力を容易に径方向に変換させることができ、外嵌筒部３Ｂと駆動軸１とによるシール部Ｓのシール性を合理的に高めることに成功している。
（２）押え部材６（筒蓋部６Ａ）のテーパ外周面６ｃの傾斜角βと、シールリングのテーパ内周面１３の傾斜角γとに差（角度差）を設けてあるので、軸心Ｐ方向に作用する弾性機構５による押圧付勢力を容易に径方向に変換させることができ、内嵌筒部３Ｃとハウジング２とによる第２シール部Ｔのシール性を合理的に高めることに成功している。

（３）嵌合内周面１１のシール用内周面１１ａや嵌合外周面１４の突条リング部１５のように、シール部Ｓ（第２シール部Ｔ）を形成するための対となる構成要素（１，２）に作用する突出部分を設けることにより、高いシール面圧を発生させてシール性を高めることができている。
（４）流体機器がポンプである場合には、吐出圧力負荷時において、合成樹脂製シールリング３の変形が完全なまでに発生せず、吐出圧の変動が少なくなるため、高精度の吐出圧管理が可能となる。
（５）フッ素樹脂やポリアセタール樹脂は乳白色を呈する部品となり、黒色を呈するカーボン系合成樹脂品に比べてユーザーに好まれ易い。特に、シール対象流体が飲料用薬品や調味液体等、医薬品や食料品に関するものである場合はその傾向が強い。

〔別実施例〕
弾性機構５によって軸心Ｐ方向に押されるシールリング３を、押え部材６の端面で単に受止めるだけの構成、即ち、内嵌部３Ｃ及び第２シール部Ｔが存在しない構造の軸封装置でも良い。この場合、シールリング３の断面形状は略Ｌ字形を呈する形状のものが好都合である。弾性機構５は、周方向の均等確度毎に配備される複数のコイルスプリングで成る構造や、その他の構造を採ることが可能である。駆動軸１は、回転する軸でも軸心Ｐ方向に往復移動する軸でも良い。

１ 駆動軸
１ａ 外周面
２ ハウジング
３ シールリング
４ アダプタ
４ｄ テーパ内周面
５ 弾性機構
５ａ 皿バネ
６ 受止め部、押え部材
６ａ 第２テーパ外周面
６Ａ 筒蓋部
８ テーパ外周面
１０ 空間部
１０ａ 開口部
１３ 第２テーパ内周面
Ｐ 軸心
Ｓ シール部
ｋ 空間部分

Claims (3)

1. 流体機器の駆動軸とこれを囲繞するハウジングとの間の空間部に、前記駆動軸の軸心方向で先細りするテーパ外周面を備えて前記駆動軸に外嵌される合成樹脂製のシールリングと、前記テーパ外周面に外接するテーパ内周面を備えるアダプタとが配置されるとともに、前記アダプタを前記軸心方向に押圧付勢して前記テーパ内周面と前記テーパ外周面との当接による分力により前記シールリングが前記駆動軸の外周面に押付けられてシール部を形成する弾性機構と、前記弾性機構の押圧付勢力が作用する前記シールリングを前記軸心方向で受止めるべく前記ハウジングに支持される受止め部とが装備されて構成され、
   前記受止め部が、前記空間部にその開口部から入り込む筒蓋部を有して前記ハウジングに着脱可能に取付けられる押え部材で成り、前記筒蓋部に形成される第２テーパ外周面と前記ハウジングの内周面との間に、前記軸心方向で前記開口部に寄るほど前記軸心に対する径方向での断面積が減少する空間部分が形成されており、前記弾性機構の押圧付勢力による前記第２テーパ外周面との当接の分力によって、前記シールリングが前記内周面に押付けられて第２シール部を形成する第２テーパ内周面が前記シールリングに形成されている軸封装置。
2. 前記弾性機構が、前記駆動軸に外嵌されて前記軸心方向に配列される複数の皿バネを有して構成されている請求項１に記載の軸封装置。
3. 前記アダプタと前記ハウジングとが前記軸心方向へ相対移動可能に筒状嵌合されている請求項１又は２に記載の軸封装置。

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