JP6256117B2

JP6256117B2 - 密封装置

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Publication number: JP6256117B2
Application number: JP2014047149A
Authority: JP
Inventors: 弘明門馬
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: US9777839B2; EP3118493A4; KR20160132868A; EP3118493A1; JP2015169326A; KR101927598B1; CN106104105A; EP3118493B1; WO2015136777A1; CN106104105B; US20170097094A1

Description

本発明は、密封装置に関し、詳しくは、高圧下におけるバックアップリングと軸との間で、シール部材のクワレの原因となる隙間の発生を防止することのできる密封装置に関する。

従来、例えば燃料噴射装置のような高圧の流体を移送する装置において、軸孔を有するハウジングと、その軸孔に挿入される軸との間で形成される環状隙間を密封するための密封構造がある。この密封構造として、シール部材（Ｏリング、又はＵパッキン等のゴム状弾性材全般）と、このシール部材と同軸状に並設され、シール部材と反加圧側にＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）等の樹脂材料からなるバックアップリングが装着される。

前記密封構造は、専らシール部材によってなされ、バックアップリングは、作動油等の圧力によってシール部材が、軸の外周面とハウジングの内周面との間の環状隙間へはみ出すのを防止するように機能している。

前記シール部材は、ゴム状弾性材料であるため、軸の外周に装着する際は、大径に引き延ばしながら装着することができる。しかしながら、バックアップリングは、シール部材よりも硬質の合成樹脂材料からなるため、装着性を考慮して、図８に示す如く円周方向の少なくとも一箇所を切断するカット部１０３によって、軸２００の外周面よりも大径に開くことができるようにしている。

バックアップリングの例として特許文献１に記載の技術を図９に示し説明する。
軸２００の外周に装着されたバックアップリング１００の弾性変形を利用して、軸２００とバックアップリング１００との隙間をなくすだけではなく、バックアップリング１００を軸２００に対して摺動させることも併せて隙間が生じないようにするものである。

即ち、この従来例においては、ハウジング３００の軸孔内周面に設けられた環状間隙４００の溝底面における低圧側には、高圧側（Ｈ）から低圧（Ｌ）に向かって傾斜面２０１が設けられている。そして、シール部材に隣接して低圧側（Ｌ）に配置されたバックアップリング１００の内周面の全面も、傾斜面２０１に沿うように高圧側（Ｈ）から低圧側（Ｌ）に向かって傾斜するテーパー面１０２で構成されている。これら環状間隙４００側の傾斜面２０１の角度と、バックアップリング１００におけるテーパー面１０２の角度とは、両者間が密封されるように、等しくなるように構成されている。

特許第３５４３６１７号公報

しかしながら、バックアップリング１００の製造時の出来映え等によって、テーパー面１０２の角度が軸２００の傾斜面２０１の角度と一致せず、図１０に示すように、バックアップリング１００のテーパー面１０２の高圧側（Ｈ）の先端縁１０２ａと軸２００の傾斜面２０１との間に隙間Ｓが発生する場合がある。バックアップリング１００のテーパー面１０２と軸２００の傾斜面２０１との間にこのような隙間Ｓが発生していると、高圧がかかって変形したシール部材が環状間隙４００にはみ出して隙間Ｓに食い込んでしまうクワレが発生し、シール部材に損傷を与えるおそれがある。

そこで、本発明は、高圧下におけるバックアップリングと軸との間で、シール部材のクワレの原因となる隙間の発生を防止することのできる密封装置を提供することを課題とする。

また本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は以下の各発明によって解決される。

１．軸と、該軸が挿入される軸孔を有するハウジングの２部材との間に環状間隙が形成され、前記２部材のうちの一方の部材表面に、高圧側から低圧側に向けて相手部材との距離が次第に短くなる傾斜面が設けられ、該環状間隙内に、環状の弾性体からなるシール部材と、該シール部材よりも低圧側の前記傾斜面に接するようにバックアップリングとを配置させた密封装置において、
前記バックアップリングは、軸方向に延びる筒状部と、該筒状部の高圧側の端部側に連設され、該端部側から前記傾斜面に向けて径方向に環状に張り出すように形成される張出部とを有し、
前記張出部の径方向の先端面が、前記傾斜面に対面するテーパー面で構成されていることを特徴とする密封装置。

２．前記バックアップリングの前記筒状部の径方向厚みは、バックアップリングの外周から前記張出部先端までの径方向厚みの３０％〜５０％であることを特徴とする前記１に記載の密封装置。

３．前記バックアップリングの前記張出部の軸方向厚みは、前記筒状部から前記張出部にわたる軸方向の全厚みの４０％〜６０％であることを特徴とする前記１又は２に記載の密封装置。

４．前記バックアップリングは、軸方向に沿う前記張出部側の側面と前記筒状部側の側面とにわたって、該両側面に対して斜めに交差するように直線状に切断されたカット部を有し、
前記カット部は、前記張出部側の側面に露呈する第１の切断線と前記筒状部側の側面に露呈する第２の切断線が互いに平行な直線であり、
前記第１の切断線の延長線が、バックアップリングの最内径よりも内側を通り、かつ、前記第１の切断線と前記第２の切断線の延長線が、前記筒状部の最内径よりも内側を通ることを特徴とする前記１〜３のいずれか記載の密封装置。

５．前記バックアップリングは、軸方向に沿う前記張出部側の側面と前記筒状部側の側面とにわたって、該両側面に対して斜めに交差するように直線状に切断されたカット部を有し、
前記カット部は、前記張出部側の側面に露呈する第１の切断線と前記筒状部側の側面に露呈する第２の切断線が互いに平行な直線であり、
前記第１の切断線の延長線が、バックアップリングの最内径よりも内側を通り、かつ、前記第１の切断線と前記第２の切断線との間の中心を通って該第１の切断線及び該第２の切断線と平行な直線が、バックアップリングの中心軸と交差せず、該中心軸よりも前記第２の切断線側に位置していることを特徴とする前記４に記載の密封装置。

６．前記バックアップリングの前記カット部が前記張出部側の側面及び前記筒状部側の側面と交差する角度は、１５°〜３０°であることを特徴とする前記４又は５に記載の密封装置。

本発明によれば、高圧下におけるバックアップリングと軸との間で、シール部材のクワレの原因となる隙間の発生を防止することのできる密封装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るバックアップリングの使用状態を示す断面説明図本発明に係るバックアップリングの張出部と、軸部に設けている傾斜面との状態を示す使用図で、（ａ）は本発明に係るバックアップリングにおける圧力が掛かっていない状態を示す使用状態図、（ｂ）は圧力が掛かった状態を示す使用状態図本発明の第１の実施形態に係るバックアップリングの一部切り欠き断面説明図本発明の第１の実施形態に係るバックアップリングの構成を示すものであり、（ａ）はバックアップリングの一部断面説明図、（ｂ）は平面図、（ｂ）は底面図本発明の第２の実施形態に係るバックアップリングの構成を示すものであり、（ａ）はバックアップリングの一部断面説明図、（ｂ）は平面図、（ｂ）は底面図従来例に係るバックアップリングを標準的なカット角度で切断したときの斜視図従来例に係るバックアップリングのカット部示す断面説明図従来例に係るバックアップリングの構成を示す模式図であり、（ａ）はバックアップリングの一部断面説明図、（ｂ）は平面図、（ｂ）は底面図従来例に係るバックアップリングの使用状態を示す断面説明図従来のバックアップリングの装着状態を示す説明図

以下、実施の形態を図面に基づいて詳述する。

本発明に係る密封装置は、図１に示すごとく、高圧の流体を移送する装置の軸２と、該軸２が挿入されるハウジング３の軸孔との２部材のうちの一方の部材表面(ここでは軸２の表面）に、高圧側から低圧側に向けて相手部材との距離が次第に短くなる傾斜面２０が設けられてなる環状間隙４内に、環状の弾性体からなるシール部材５とともにバックアップリング１が装着される。そして、バックアップリング１は、前記シール部材５よりも低圧側の前記傾斜面２０に接するように配置されている。

なお、シール部材５は、環状間隙４の形状等の使用部位によって、Ｏリング、角リング、Ｘリング、Ｕリング等を使い分けをすることができる。

このバックアップリング１は、シール部材５よりも硬質で低摩擦係数の熱可塑性樹脂材料等から成形される。例えば、ＰＡ（ポリアミド樹脂）の他、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）等の熱可塑性樹脂材料が好ましい。

バックアップリング１の構成は、軸方向に延びる筒状部１０と、該筒状部１０の高圧側（Ｈ）の端部に連設され、該筒状部１０よりも内周側に環状に張り出すように形成される張出部１１とを有し、断面形状がＬ字型となるように形成されている。そして、バックアップリング１を環状間隙４に装着したとき、軸２の傾斜面２０に向けて、張り出す張出部１１の径方向の先端面が、軸２の傾斜面２０に対面するテーパー面１２として構成されている。このテーパー面１２は、一般に傾斜面２０と同一角度となるように形成されている。

また、図１において、前記バックアップリング１を軸２と、該軸２とハウジング３間の環状間隙４内に装着後、シール部材５を装着する。次いで本発明では、第２のバックアップリング６を装着後、抜け止め防止用の固定リング２１で固定する構成としている。しかし、バックアップリング１のテーパー面１２と前記軸２の傾斜面２０との関係を満たすものであれば、軸２、ハウジング３及び環状間隙４の形状、配置等は特に限定するものではない。

本発明は、上述のように構成し、図２（ａ）に示すように、バックアップリング１に圧力が掛かっていない状態では、製作の出来映えにもよるが、バックアップリング１のテーパー面１２と軸２の傾斜面２０との間に隙間Ｓが生じる場合がある。

このような隙間Ｓは、シール部材５に高圧がかかって変形した際、シール部材５が食い込むことによってクワレを発生させる原因となる。しかし、本発明では、バックアップリング１は、断面Ｌ字型となるように筒状部１０から径方向に環状に張り出した張出部１１を有し、テーパー面１２はこの張出部１１の先端面に形成されているため、図２（ｂ）に示すようにバックアップリング１の張出部１１側の側面に、白矢印に示すように高圧側（Ｈ）から圧力が加わると、張出部１１が筒状部１０に対して屈曲するように容易に下方に変位し、黒矢印に示すように下方に押し下げられる。これにより、図２（ｂ）に示すように、バックアップリング１のテーパー面１２は、軸２の傾斜面２０に密着するか、又は、テーパー面１２の高圧側（Ｈ）の先端縁１２ａ側が傾斜面２０に密着し、いずれにしてもシール部材５のクワレの原因となる隙間Ｓを閉じるように作用し、シール部材５が環状間隙４にはみ出すことを確実に防止する。

また、ポリアミド樹脂を用いてバックアップリング１を製作した場合、ＰＴＦＥ材に比べてポリアミド樹脂は、一般的に比較的硬質である。しかし、本発明では、張出部１１先端側が筒状部１０に対して屈曲するように下方に変位し易いため、比較的硬質な材料を使用してもテーパー面１２が軸２の傾斜面２０に密着し易くなっている。

このため、本発明によれば、バックアップリング１に比較的硬質な材料を使用する必要がある高圧のかかる装置の密封装置、具体的には燃料噴射装置のように脈動の大きい高圧流体に対して密封を行う必要のある密封装置として好適に使用することができる。特に燃料噴射装置は噴射圧が大きく、今後噴射圧の最高圧が３０ＭＰａ以上となる可能性もある。しかし、本発明によれば、このような高圧化にも十分対処できる密封装置を提供することができる。

また、このようにバックアップリング１を製作するに当たって、比較的広範囲な材料を使用することができるため、製品のコストダウンを図ることもできる。

更に、バックアップリング１は、図３に示すように、バックアップリング１の外周から張出部１１先端までの径方向厚みをＴ、筒状部１０の径方向の厚みをＴ１とすると、Ｔ１の厚みは、Ｔの厚みの３０〜５０％が好ましい。

Ｔ１の厚みが３０％以下の場合には、バックアップリング１に軸方向の圧力が加わった場合には、高圧側の圧力の大部分をテーパー面１２で支えるとともに、筒状部１０側の狭い側面にも過大な圧力が加わることになり、バックアップリング１の張出部１１及び筒状部１０の変形を生じる可能性があるからである。

逆に、Ｔ１の厚みが５０％以上の場合には、高圧がかかった際に変位しにくくなる。

また、バックアップリング１は、図３に示すように、バックアップリング１の厚み、即ち、筒状部１０から前記張出部１１にわたる軸方向の厚みをＨ、張出部１１の軸方向の厚みをＨ１とすると、Ｈ１の厚みは、Ｈの厚みの４０〜６０％が好ましい。

Ｈ１の厚みが４０％以下の場合には、バックアップリング１のテーパー面１２が少なく、軸２の傾斜面２０と筒状部１０との空間部分が大きくなる。したがって、バックアップリング１全体として強度が弱くなるからである。

逆に、Ｈ１の厚みが６０％以上の場合には、高圧がかかった際に変位しにくくなる。

ところで、バックアップリング１には、図４に示すように、軸方向に沿う張出部１１側の側面（図４（ａ）上辺）と筒状部１０側の側面（図４（ａ）下辺）とにわたって、該両側面に対して斜めに交差するように切断されたカット部１３を１箇所有している。このカット部１３は、該両側面に対して斜めに配置された切断刃を一方向に平行移動させることによって直線状に形成されている。ここで、このカット部１３は、該両側面に対して１０°〜３０゜の角度、好ましくは２２°±５°の角度で斜めに交差するように切断されている。

このカット部１３は、張出部１１側の側面に露呈する第１の切断線１４（図４（ｂ））と、筒状部１０側の側面に露呈する第２の切断線１５（図４（ｃ）の外側の直線）と、第３の切断線１６（図４（ｃ）の内側の直線）が互いに平行な直線として現れる。

ここで、第１の切断線１４は、図４（ｂ）に示すように、該第１の切断線１４の延長線Ｌ１が、バックアップリング１の張出部１１の最内径よりも内側を通るように配置されている。また、第２の切断線１５は、図４（ｃ）に示すように、該第２の切断線１５の延長線Ｌ２が、筒状部１０の最内径よりも内側を通るように配置されている。

なお、図中１７は、カット部１３が、テーパー面１２上に現れた切断曲線である。

ここで、カット部の角度を両側面に対して１０°〜３０゜の角度、好ましくは２２°±５°の角度で形成しようとすると、図６に示すように従来のバックアップリング１００を例にとると、一方の切断線（第１の切断線１４）がバックアップリング１００の最内径よりも外側を通らざるを得なくなる場合があり、その結果、バックアップリング１００がカット部１０３で２分割されてしまう。

この場合、カット部１０３の角度をより鈍角に、具体的には４５°±５°程度の角度で形成せざるを得なかった。バックアップリング１００は、熱膨張を起こして周長が長くなることで、図７に示すように、互いのカット面１０３ａ、１０３ａ同士が乗り上げるようにずれが生じる。

このとき、カット面１０３ａの先端は、高圧がかかった際に倒れ込むように変形するが、カット部１０３が４５°±５°程度の角度である場合、高圧がかかった場合でもカット面１０３ａの先端は変形し難く、カット面１０３ａ先端がシール部材を傷つけてしまうおそれがある。このような問題は、バックアップリング１が小径品になる程、カット部１０３の角度が鈍角にならざるを得ない場合が多くなるため顕著に現れる。

このような問題に対処するため、本発明ではカット部１３に工夫を講じている。すなわち、図４において、バックアップリング１の直線状に切断されたカット部１３の中心（第１の切断線１４と第２の切断線１５との間の中心）を通って第１の切断線１４と第２の切断線１５と平行な直線Ｌ３が、バックアップリング１の中心軸Ｏと交差せず、該中心軸Ｏよりも第２の切断線１５側の位置にずれて配置されている。これによって、第１の切断線１４と第２の切断線１５との間の中心位置（直線Ｌ３の位置）は、図４に示すようにα分だけ第２の切断線１５側にオフセットしている。

第１の切断線１４と第２の切断線１５がこのような配置となるようにカット部１３を形成することによって、カット部１３を両側面に対して１０°〜３０゜の角度、好ましくは２２°±５°の角度で形成しても、バックアップリング１の最内径となる張出部１１側の側面に形成される第１の切断線１４を、該最内径よりも内側を通るように形成することができ、バックアップリング１が２分割されてしまうような問題はなくなる。従って、バックアップリング１の互いのカット面１３ａ同士が乗り上げるようにずれが生じた場合でも、カット面１３ａの先端は高圧がかかった際に容易に倒れ込むように変形することができ、シール部材の傷付きを防止できる。

以上説明した第１の実施形態に係る密封装置におけるバックアップリング１は、張出部１１が筒状部１０の内周側に向けて張り出すように形成したものを示したが、ハウジング３側に傾斜面２０が設けられる場合には、図５に示すように、張出部１１が筒状部１０の外周側に張り出すように形成したものとすることができる。張出部１１以外の構成については、上述した第１の実施形態と同様であるので省略する。

１バックアップリング
１０筒状部
１１張出部
１２テーパー面
１２ａ先端縁
１３カット部
１３ａカット面
１４第１の切断線
１５第２の切断線
１６第３の切断線
１７切断曲線
２軸
２０傾斜面
２１固定リング
３ハウジング
４環状間隙
５シール部材
６バックアップリング
Ｓ隙間

Claims

軸と、該軸が挿入される軸孔を有するハウジングの２部材との間に環状間隙が形成され、前記２部材のうちの一方の部材表面に、高圧側から低圧側に向けて相手部材との距離が次第に短くなる傾斜面が設けられ、該環状間隙内に、環状の弾性体からなるシール部材と、該シール部材よりも低圧側の前記傾斜面に接するようにバックアップリングとを配置させた密封装置において、
前記バックアップリングは、軸方向に延びる筒状部と、該筒状部の高圧側の端部側に連設され、該端部側から前記傾斜面に向けて径方向に環状に張り出すように形成される張出部とを有し、
前記張出部の径方向の先端面が、前記傾斜面に対面するテーパー面で構成されていることを特徴とする密封装置。
前記バックアップリングの前記筒状部の径方向厚みは、バックアップリングの外周から前記張出部先端までの径方向厚みの３０％〜５０％であることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
前記バックアップリングの前記張出部の軸方向厚みは、前記筒状部から前記張出部にわたる軸方向の全厚みの４０％〜６０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の密封装置。
前記バックアップリングは、軸方向に沿う前記張出部側の側面と前記筒状部側の側面とにわたって、該両側面に対して斜めに交差するように直線状に切断されたカット部を有し、
前記カット部は、前記張出部側の側面に露呈する第１の切断線と前記筒状部側の側面に露呈する第２の切断線が互いに平行な直線であり、
前記第１の切断線の延長線が、バックアップリングの最内径よりも内側を通り、かつ、前記第１の切断線と前記第２の切断線の延長線が、前記筒状部の最内径よりも内側を通ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか記載の密封装置。
前記バックアップリングは、軸方向に沿う前記張出部側の側面と前記筒状部側の側面とにわたって、該両側面に対して斜めに交差するように直線状に切断されたカット部を有し、
前記カット部は、前記張出部側の側面に露呈する第１の切断線と前記筒状部側の側面に露呈する第２の切断線が互いに平行な直線であり、
前記第１の切断線の延長線が、バックアップリングの最内径よりも内側を通り、かつ、前記第１の切断線と前記第２の切断線との間の中心を通って該第１の切断線及び該第２の切断線と平行な直線が、バックアップリングの中心軸と交差せず、該中心軸よりも前記第２の切断線側に位置していることを特徴とする請求項４に記載の密封装置。
前記バックアップリングの前記カット部が前記張出部側の側面及び前記筒状部側の側面と交差する角度は、１５°〜３０°であることを特徴とする請求項４又は５に記載の密封装置。