JP6364911B2 - 密封装置 - Google Patents

Description

本発明は、相対的に移動する軸とハウジングとの間の環状隙間を封止する密封装置に関する。

燃料電池車に搭載される減圧弁等においては、往復移動する軸とハウジングとの間の環状隙間を封止する密封装置が設けられている（特許文献１参照）。このような用途に用いられる密封装置においては、高圧ガスの漏れを防ぐ必要があるため、一般的なゴム状弾性体製のＯリングなどでは、摺動抵抗が高く摩耗も激しいため、耐久性が不十分である。そこで、耐久性を向上させるために、樹脂製のシールリングとゴム状弾性体製のＯリングを組み合わせた密封装置を適用することが考えられる。しかしながら、このような密封装置においても、耐久性を十分に向上させることは困難であることが分かった。この点について、図４を参照して説明する。図４は従来例に係る密封装置における接触面圧の分布を示す図である。なお、図４においては、従来例に係る密封装置が使用される状態を模式的断面図にて示しており、各接触部分の接触面圧の分布を示している。

図示のように、従来例に係る密封装置５００は、往復移動する軸２００とハウジング３００との間の環状隙間を封止するために用いられる。そして、密封装置５００は、軸２００に対して摺動自在に設けられる樹脂製のシールリング５１０と、このシールリング５１０の外周面に装着され、かつハウジング３００に形成された軸孔の内周面に密着するゴム状弾性体製のＯリング５２０とから構成される。シールリング５１０は断面形状が矩形の円筒状の部材によって構成される。また、密封装置５００は、ハウジング３００の軸孔の内周面に形成された環状溝３１０内に装着される。

以上のように構成される密封装置５００においては、軸２００がハウジング３００に対して往復移動すると、軸２００の外周面とシールリング５１０の内周面とが摺動する。また、Ｏリング５２０は環状溝３１０の溝底３１１に密着した状態を維持する。

そして、Ｏリング５２０と溝底３１１との密着部分における接触面圧については、Ｏリング５２０における最も外径の大きな部位での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この部位をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなる。また、Ｏリング５２０とシールリング５１０との密着部分における接触面圧については、Ｏリング５２０における最も内径の小さな部位での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この部位をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなる。また、シールリング５１０と軸２００との密着部分における接触面圧については、軸線方向において、Ｏリング５２０における最も内径の小さな部位とシールリング５１０との接触部分に相当する位置での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この位置をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなる。

このように、Ｏリング５２０からシールリング５１０の外周面側に作用する力が局所的なため、シールリング５１０と軸２００との密着部分における接触面圧は局所的に高くなる。図４中に示すグラフは、シールリング５１０と軸２００との密着部分における接触面圧の分布を示している。このグラフから分かるように、接触面圧は、シールリング５１０における軸線方向の中心（幅方向の中心）をピークとして、軸線方向の両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなる。これにより、面圧の高低差Ｄ０は比較的大きくなってしまう。なお、この従来例においては、面圧の最小値が３．３ＭＰａ程度で、最大値が７．３ＭＰａ程度となり、高低差Ｄ０は４．０ＭＰａ程度となる。

以上のように、従来例に係る密封装置５００においては、シールリング５１０と軸２００との密着部分における接触面圧は、シールリング５１０における軸線方向の中心付近が局所的に高くなってしまう。これにより、この付近での摺動摩耗が局所的に促進されてしまうため、密封装置５００の耐久性の向上に支障を来す原因になってしまう。

特開２０１３−１３４６８７号公報 実開平０６−０８００５８号公報

本発明の目的は、シールリングの摺動面において摺動摩耗が局所的に促進されてしまうことを抑制可能とする密封装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。

すなわち、本発明の密封装置は、
相対的に移動する軸とハウジングとの間の環状隙間を封止する密封装置において、
前記軸に対して摺動自在に設けられる樹脂製のシールリングと、
該樹脂製のシールリングの外周面に装着され、かつ前記ハウジングに形成された軸孔の内周面に密着するゴム状弾性体製のＯリングと、
を備え、
前記樹脂製のシールリングは、径方向の内側に設けられる低剛性かつ円筒状の第１シールリングと、径方向の外側に設けられ第１シールリングよりも剛性の高い第２シールリングとから構成されると共に、
第１シールリングは、その外周面側が第２シールリングの内周面に設けられた環状溝内に嵌合されると共に、前記環状溝の溝深さは、第１シールリングの径方向厚みよりも小さ
く、第１シールリングと第２シールリングのうち、第１シールリングの内周面が前記軸に対して摺動することを特徴とする。

本発明によれば、軸に対して摺動する樹脂製の第１シールリングと、ゴム状弾性体製のＯリングとの間に、第１シールリングよりも剛性の高い第２シールリングが介在する。これにより、シールリングがＯリングから受ける力は、第１シールリングに直接伝わらず、剛性の高い第２シールリングによって力が分散された状態で第１シールリングに伝わる。また、本発明においては、第１シールリングは、その外周面側が第２シールリングの内周面に設けられた環状溝内に嵌合される構成が採用されている。これにより、第１シールリングは第２シールリングの環状溝内で締め付けられた状態となるため、第１シールリングと軸との密着部分における接触面圧の均一化が図られる。従って、シールリングを構成する第１シールリングの摺動摩耗が局所的に促進されてしまうことを抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、シールリングの摺動面において摺動摩耗が局所的に促進されてしまうことを抑制することができる。

図１は本発明の実施例に係る密封装置の模式的断面図である。 図２は本発明の実施例に係る密封装置の使用状態を示す模式的断面図である。 図３は本発明の実施例に係る密封装置における接触面圧の分布を示す図である。 図４は従来例に係る密封装置における接触面圧の分布を示す図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。なお、以下の説明において、「軸線方向」とは、軸の中心軸線の方向を意味する。

（実施例）
図１〜図３を参照して、本発明の実施例に係る密封装置について説明する。図１は本発明の実施例に係る密封装置の模式的断面図である。なお、図１は環状の密封装置において、中心軸線を含む面で切断した断面図の一部を示している。また、本実施例に係る密封装置は回転対称形状である。図２は本発明の実施例に係る密封装置の使用状態を示す模式的断面図である。なお、図２中の密封装置は中心軸線を含む面で切断した断面図の一部を示している。図３は本発明の実施例に係る密封装置における接触面圧の分布を示す図である。なお、図３においては、本実施例に係る密封装置が使用される状態を模式的断面図にて示しており、各接触部分の接触面圧の分布を示している。

＜密封装置＞
特に、図１及び図２を参照して、本実施例に係る密封装置１００の構成と基本的な機能について説明する。本実施例に係る密封装置１００は、往復移動する軸２００とハウジング３００との間の環状隙間を封止するために用いられる。例えば、燃料電池車に搭載される減圧弁等において、往復移動する軸２００とハウジング３００との間の環状隙間を封止するために用いられる。このような用途に用いられる場合、密封装置１００は、高圧ガスの漏れを防ぐ役割を担う。

そして、密封装置１００は、軸２００に対して摺動自在に設けられる樹脂製のシールリング１１０と、このシールリング１１０の外周面に装着され、かつハウジング３００に形成された軸孔の内周面に密着するゴム状弾性体製のＯリング１２０とから構成される。また、密封装置１００は、ハウジング３００の軸孔の内周面に形成された環状溝３１０内に装着される。

以上のように構成される密封装置１００においては、軸２００がハウジング３００に対して往復移動すると、軸２００の外周面とシールリング１１０の内周面とが摺動する。また、Ｏリング１２０は環状溝３１０の溝底３１１に密着した状態を維持する。

＜樹脂製のシールリング＞
樹脂製のシールリング１１０について、より詳細に説明する。本実施例に係る樹脂製のシールリング１１０は、径方向の内側に設けられる低剛性の第１シールリング１１１と、径方向の外側に設けられる高剛性の第２シールリング１１２とから構成される。第２シールリング１１２の剛性は、第１シールリング１１１の剛性よりも高い。より具体的には、第２シールリング１１２の圧縮弾性率は、第１シールリング１１１の圧縮弾性率の２倍以上に設定するとよい。更に具体的には、第１シールリング１１１の圧縮弾性率が３００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下となるように設定し、第２シールリング１１２の圧縮弾性率が６００ＭＰａ以上となるように設定した上で、第２シールリング１１２の圧縮弾性率が、第１シールリング１１１の圧縮弾性率の２倍以上となるように設定するとよい。なお、密封対象が高圧ガスの場合には、軸２００に摺動する第１シールリング１１１の剛性が高す
ぎると、ガス漏れを十分に防止することができない。そのため、第１シールリング１１１の剛性はある程度低くする必要がある。そして、第１シールリング１１１は、断面が矩形の円筒状の部材により構成される。また、第２シールリング１１２は、断面が矩形の円筒状の部材に対して、その内周面に環状溝１１２ａが設けられた構成である。第１シールリング１１１は、その外周面側が、第２シールリング１１２に設けられた環状溝１１２ａに嵌合される。

ここで、環状溝１１２ａは断面が矩形の円筒状の溝である。この環状溝１１２ａの溝幅（軸線方向の長さ）は、第１シールリング１１１の幅（軸線方向の長さ）と同一となるように設計されている。また、環状溝１１２ａの溝の深さは、第１シールリング１１１の肉厚（径方向の厚み）よりも小さくなるように設計されている。これにより、第１シールリング１１１は、その外周面側が第２シールリング１１２の内周面に設けられた環状溝１１２ａ内に嵌合可能となっている。これにより、第１シールリング１１１の外周面の全域と、第１シールリング１１１の両側面のうちの径方向外側の領域が環状溝１１２ａに密着した状態となる。また、第１シールリング１１１に対して径方向に圧縮されるような力が加わった場合には、第１シールリング１１１は、環状溝１１２ａに密着している部分が締め付けられた状態となる。

＜本実施例に係る密封装置の優れた点＞
以上のように構成された本実施例に係る密封装置１００によれば、軸２００に対して摺動する樹脂製の第１シールリング１１１と、ゴム状弾性体製のＯリング１２０との間に、第１シールリング１１１よりも剛性の高い第２シールリング１１２が介在する。これにより、シールリング１１０がＯリング１２０から受ける力は、第１シールリング１１１に直接伝わらず、剛性の高い第２シールリング１１２によって力が分散された状態で第１シールリング１１１に伝わる。また、第１シールリング１１１は、その外周面側が第２シールリング１１２の内周面に設けられた環状溝１１２ａ内に嵌合される構成が採用されている。これにより、第１シールリング１１１は第２シールリング１１２の環状溝１１２ａ内で締め付けられた状態となるため、第１シールリング１１１と軸２００との密着部分における接触面圧の均一化が図られる。従って、シールリング１１０を構成する第１シールリング１１１の摺動摩耗が局所的に促進されてしまうことを抑制することができる。

以上の点について、図３を参照して、より詳しく説明する。Ｏリング１２０と溝底３１１との密着部分における接触面圧については、Ｏリング１２０における最も外径の大きな部位での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この部位をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなる。また、Ｏリング１２０とシールリング１１０を構成する第２シールリング１１２との密着部分における接触面圧については、Ｏリング１２０における最も内径の小さな部位での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この部位をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなる。

そして、第２シールリング１１２と第１シールリング１１１との密着部分における接触面圧については、軸線方向において、Ｏリング１２０における最も内径の小さな部位と第２シールリング１１２との接触部分に相当する位置での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この位置をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなり、軸線方向の両端付近で僅かに上昇する。そして、第１シールリング１１１と軸２００との密着部分における接触面圧については、軸線方向において、Ｏリング１２０における最も内径の小さな部位と第２シールリング１１２との接触部分に相当する位置での面圧が最も高くなる。そして、面圧は、この位置をピークとして、軸線方向における両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなり、軸線方向の両端付近で僅かに上昇した後に再び低くなる。

図３中に示すグラフは、第１シールリング１１１と軸２００との密着部分における接触
面圧の分布を示している。このグラフから分かるように、接触面圧は、第１シールリング１１１における軸線方向の中心（幅方向の中心）をピークとして、軸線方向の両側に遠ざかるにつれて徐々に低くなり、軸線方向の両端付近で僅かに上昇した後に再び低くなる。このように、第１シールリング１１１は第２シールリング１１２の環状溝１１２ａ内で締め付けられた状態となるため、第１シールリング１１１と軸２００との密着部分における接触面圧の均一化が図られることが分かる。また、図中のグラフから、本実施例においては、面圧の最小値が５．３ＭＰａ程度で、最大値が６．５ＭＰａ程度となり、高低差Ｄ１は１．２ＭＰａ程度となる。このように、本実施例に係る密封装置１００においては、接触面圧の高低差を小さくすることが可能となる。

また、図３と図４に示すグラフについては、従来例に係る密封装置５００と本実施例に係る密封装置１００の寸法が同等のものを採用した場合の面圧分布を示している。つまり、Ｏリング５２０，１２０は同一のもの（材料も同一）を用いている。また、従来例に係るシールリング５１０の厚みとシールリング１１０全体の厚みを等しくしている。また、シールリング５１０の幅と第１シールリング１１１の幅を等しくしている。更に、従来例に係るシールリング５１０の材料と第１シールリング１１１の材料は同一のものを用いている。以上のことから、図３中の接触面圧の分布と図４中の接触面圧の分布とを比較することで、本実施例に係る密封装置１００においては、シールリング１１０がＯリング１２０から受ける力は、剛性の高い第２シールリング１１２によって力が分散された状態で第１シールリング１１１に伝わることも分かる。

以上のように、本実施例に係る密封装置１００によれば、シールリングの摺動面において摺動摩耗が局所的に促進されてしまうことを抑制することができる。これにより、密封装置１００の耐久性を高めることができる。

（その他）
上記実施例においては、ハウジング３００に対して、軸２００が往復移動する用途に密封装置１００が適用される場合を示した。しかしながら、本発明の密封装置は、軸とハウジングが相対的に移動する各種用途に用いることができる。例えば、固定された軸に対してハウジングが往復移動する用途に用いることができる。また、軸とハウジングが相対的に回転する用途にも用いることができる。

１００ 密封装置
１１０ （樹脂製の）シールリング
１１１ 第１シールリング
１１２ 第２シールリング
１１２ａ 環状溝
１２０ Ｏリング
２００ 軸
３００ ハウジング
３１０ 環状溝
３１１ 溝底

Claims (1)

1. 相対的に移動する軸とハウジングとの間の環状隙間を封止する密封装置において、
   前記軸に対して摺動自在に設けられる樹脂製のシールリングと、
   該樹脂製のシールリングの外周面に装着され、かつ前記ハウジングに形成された軸孔の内周面に密着するゴム状弾性体製のＯリングと、
   を備え、
   前記樹脂製のシールリングは、径方向の内側に設けられる低剛性かつ円筒状の第１シールリングと、径方向の外側に設けられ第１シールリングよりも剛性の高い第２シールリングとから構成されると共に、
   第１シールリングは、その外周面側が第２シールリングの内周面に設けられた環状溝内に嵌合されると共に、前記環状溝の溝深さは、第１シールリングの径方向厚みよりも小さく、第１シールリングと第２シールリングのうち、第１シールリングの内周面が前記軸に対して摺動することを特徴とする密封装置。

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