JP6369013B2 - 密封装置及びその使用方法 - Google Patents

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Description

本発明は、それぞれが密封対象流体で満たされた2つの密封対象空間を密封する二重シールを備えた、中空の円筒形状に形成された密封装置及びその使用方法に関する。この二重シールは、軸方向の両端面側の一方に配置された第1のシールリングと、他方に配置された第2のシールリングとを備える。各シールリングは動的負荷を受けるシールリップを少なくとも一つ有する。第1のシールリングが有するシールリップのうちの第2のシールリングに最も近接して配置された一つと、第2のシールリングが有するシールリップのうちの第1のシールリングに最も近接して配置された一つとは、互いに軸方向の間隔をあけて配置される。シールリップは、所定のストローク幅を軸方向に往復運動可能な第1の機械要素の密封対象表面に密接する。
このような密封装置は特許文献1から周知である。この既知の密封装置は、燃料ピストンポンプに適用される。二重シールは軸方向に極めて短く形成されており、密封対象のピストンロッドのストローク幅が第1のシールリングのシールリップと第2のシールリングのシールリップとの間の軸方向の間隔よりも大きい。
欧州特許出願公開第2067996号明細書
シールリップによるピストンロッドの動的シールでは、常に僅かな量の密封対象流体が対応するシールリップをすり抜ける。この僅かな量の密封対象流体は、シールリップの過度の磨耗を防止して、長い使用期間の間できる限り一貫して良好な使用特性を保証するべく、ピストンロッドに対するシールリップの潤滑のために必要である。
両シールリップ間の極めて短い軸方向の間隔とピストンロッドの比較的大きなストローク幅とに起因して、密封装置の通常の使用の際には、両密封対象流体のそれぞれによる、他方側の密封対象空間への望ましくない混入が発生し得る。この密封対象流体の望ましくない混入の原因は、ストローク幅が上述の軸方向の間隔に比べて大きいことにより、ピストンロッドの密封対象表面が、シールリップの潤滑に利用される両密封対象流体を、それぞれ他方側のシールリップを通過させて他方側の密封対象空間内まで引きずり込んでしまうことにある。
このことは、これが燃料ポンプ内の密封装置であり、2つの密封対象流体がエンジンオイル及び燃料である場合には、特に非常に不都合である。
例えば、燃料がエンジンオイル中に引きずり込まれると、それによってエンジンオイルが薄まる。その結果、エンジンの軸受けにおいて油膜が剥がれ、ひいては高い摩擦及びエンジンの停止が起こり得る。
逆に、エンジンオイルが燃料中に引きずり込まれると、その結果噴射システムの破損が起こり得る。噴射ノズルではいわゆる炭化が起こるかもしれず、それによって噴射システムの効率が低減される。また、1つ以上の噴射ノズルの停止も招き得る。
本発明は、こうした課題に鑑みて、両密封対象流体の混合がより確実に回避され、かつ、シールリングがより良好に潤滑されるように、既知の技術の密封装置を改良することを
目的とする。
この課題は請求項1に記載の特徴を備えた本発明により解決される。請求項1の従属項は有利な他の構成に関する。
課題を解決するために、本発明に係る密封装置は、
それぞれが密封対象流体で満たされた2つの密封対象空間を密封する二重シールを備えた、中空の円筒形状に形成された密封装置であって、
前記二重シールは、軸方向の両端面側の一方に配置された第1のシールリングと、他方に配置された第2のシールリングとを備え、
前記第1及び第2のシールリングのそれぞれは、動的負荷を受けるシールリップを少なくとも一つ有し、
前記第1のシールリングが有するシールリップのうちの前記第2のシールリングに最も近接して配置された一つと、前記第2のシールリングが有するシールリップのうちの前記第1のシールリングに最も近接して配置された一つとは、互いに軸方向の間隔をあけて配置され、
前記第1及び第2のシールリングが有するシールリップは、所定のストローク幅を前記軸方向に往復運動可能な第1の機械要素の密封対象表面に密接し、
前記軸方向の間隔が、前記第1の機械要素の前記所定のストローク幅よりも大きいことを特徴とする。
このような構成により、対応するシールリップの潤滑の役割を果たす両密封対象流体のそれぞれが、第1の機械要素の軸方向の往復運動によって、他方のシールリングのシールリップをすり抜けて他方の密封対象空間内に侵入してしまうことが阻止され得る。つまり、密封対象である第1の機械要素の密封対象表面に存在する密封対象流体が、他方のシールリップに到達する前に、第1の機械要素の移動方向が反対方向に変化する。これによって、両密封対象空間内における各密封対象流体の混合が確実に阻止され得る。
有利な他の構成によれば、ストローク幅に対する軸方向の間隔の比は、少なくとも1.1であるようにしてもよい。両密封対象流体のそれぞれの濡れ性比に関わらず、ストローク幅に対する軸方向の間隔の比はより大きなものとしてもよく、例えば2であってもよい。
ストローク幅に対する軸方向の間隔の比が比較的大きく設定される場合には、良好な濡れ性が達成される。しかしながら、この場合には、当該比がより大きくなるほど、より大きな設置空間が必要となることに注意しなければならない。この場合には、できる限り大きな比と、それでもなおコンパクトな設置空間との間で、合理的な妥協案を見つけることが肝要である。
濡れ性比が良好であると、密封対象の機械要素において密封対象流体が「クリープ」し始める。なお、濡れ性比は温度に依存する。
これに対して、ストローク幅に対する軸方向の間隔の比が比較的小さく定められる場合には、濡れ性は悪くなる。
本発明によれば、二重シールの両シールリングは単一の部品で一体的に形成されてもよい。これによって、二重シールは特に部品の少ない構造を有し、容易に且つ安価に製造可能である。
他の構成によれば、二重シールは、両シールリングの間に軸方向に配置された、別個に
製造され、且つ、中空の円筒形状に形成されたスペーサを備えてもよい。ここで、両シールリングの間のスペーサは、シンプル且つ安価な材料から構成されてもよい点で有利である。好適には、スペーサは高分子材料から構成されてもよい。例えば、ポリアミド材料が適用可能である。
つまり、このような構成の場合、ゴム弾性的なシール材料は、シールリングの製造にのみ使用される。
スペーサは、密封対象表面に密接してもよく、第1のガイド面を備えてもよい。この第1のガイド面は、第1の機械要素に対して径方向に間隔をあけて配置された第2の機械要素における、スペーサに径方向で対向する第2のガイド面に密接する。第1の機械要素は、例えばピストンロッドであってもよく、この場合には、第2の機械要素内のスペーサによってガイドされる。第2の機械要素は、例えばハウジングであってもよい。
第2の機械要素は、例えば第1の機械要素の外周を包囲するハウジングによって構成されてもよい。二重シールの軸方向の長さが比較的大きいことによって、第1の機械要素が二重シールに対して良好にガイドされることが重要である。第1の機械要素が二重シールに対して傾けられると、二重シールの機能及び寿命に不利な影響が生じ得る。
スペーサは、好適には、直線的なガイドのために使用される材料から構成されてもよい。そのような材料は、例えばPTFEのような高分子材料であってもよい。スペーサは、焼結青銅又はセラミック材料から製造されてもよい。
スペーサは、軸方向に弾性的に柔らかく形成された部分を備えていてもよい。通常、密封装置における二重シールは、軸方向に遊びのないように取り付けられる。密封装置の通常の使用においては、二重シールが加熱されることによって軸方向の熱膨張が起こり得る。温度により引き起こされる二重シールの軸方向への過大な歪みを避けるため、軸方向に弾性的に柔らかく形成された部分を設けてもよい。スペーサは、二重シールが加熱によって軸方向に伸長する程度に、軸方向に弾性的に柔らかく圧縮される。これにより、二重シールは密封装置の全使用期間に亘って、常に配置空間内に遊びがないように配置され得る。
スペーサとシールリングとは、粘着力及び/又は形状密着により互いに結合されてもよい。代替的には、スペーサは、熱的及び/又は化学的な接合である材料密着によりシールリングと結合されてもよい。シールリングが、スペーサとの結合によって、共に予め組立可能なユニットを構成すると有利である。これにより固定していない部品の総数が削減され、密封装置の組み立てが容易になる。
前述の結合方法を組み合わせることも、それぞれの用途に応じて可能である。
形状密着によるスペーサと両シールリングとの結合には、スペーサとシールリングとが非破壊的に分解可能であるという利点がある。これにより、使用後の密封装置の分類されたリサイクルが容易になる。
両シールリングは同一形状で形成されてもよい。ここで、両シールリングは、二重シールの軸方向の中央に配置された仮想径方向面に対して対称に形成される。二重シールの製造及び組み立ては、これによって特に容易となる。
他の構成によれば、両シールリングは互いに異なる形状で形成され、及び/又は互いに異なる材料から構成されてもよい。これにより、両シールリングは特に良好に各用途、特にそれぞれの密封対象流体に適合され得る。エンジンオイルの密封のためには、シールリングは、例えば好適にはフッ素ゴム(FKM)、アクリルゴム(ACM)、アクリロニト
リルブタジエンゴム(NBR)、又は水素化アクリロニトリルブタジエンゴム(HNBR)から構成されてもよい。これらの材料には、密封対象の流体との接触の際に、全く、あるいはごく僅かにしか膨張しないという利点がある。
燃料は、例えば好適にはポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、PTFE化合物、すなわち例えば青銅又はポリエーテルケトン(PEEK)等の充填材を含むPTFEから成るシールリングによって密封されてもよい。これらの材料についても、密封対象流体との接触の際に、全く、あるいはごく僅かにしか膨張しないという利点がある。
各用途に適した材料の選択によって、それぞれ適当な材料のうち最も低価格な材料が選択され得る。シンプルなオイルシールのために高価なPTFE材料が用いられる必要はない。本発明の密封装置は、このように安価に製造可能である。
二重シールは、第2の機械要素に密接する、静的負荷を受ける静的シールを少なくとも一つ有してもよい。この静的シールによって、第1の機械要素と第2の機械要素との間の同軸誤差が補償可能である。これにより、両機械要素の互いに対する位置異常は、シールリングのシールリップには伝達されない。ゆえに、シールリップに対する過度の機械的負荷が避けられる。
静的シールはOリングによって構成されてもよい。Oリングは、その柔らかく弾性的な性質によって、両機械要素間に場合により生じ得る同軸誤差を補償し、シールリングの静的シール側を密封する。
二重シールの傾きを防ぐため、2つ以上のOリングを適用してもよい。Oリングは、様々な大きさのものが安価に入手できる。なお、一般的には、異なる断面を有するシールリング、例えばXリングを静的シールとして用いることも可能である。
Oリングは、二重シールにおける、第2の機械要素に向かって径方向に開いた凹部に配置されてもよい。ここで、開いた凹部は二重シールに設けられることが可能であり、その場合、両シールリングは単一の部品で一体的に形成されるか、又はスペーサによって互いに結合される。
各シールリングは、第2の機械要素に径方向で対向する面に、環状の隆起として形成された静的負荷を受ける静的シールを備えてもよい。そのような環状の隆起は、先に説明したOリングと組み合わせて適用されてもよい。
密封装置のシールリングは、断面図で見ると、例えば、軸方向に開いた概ねC字形に形成されている。自由脚部の端部には動的負荷を受けるシールリップ及び円環状の隆起が配置されてもよい。ここで、シールリップ及び隆起は、シールリングのC字形形状による初期弾性力によって、それぞれの密封対象の機械要素を押圧する。シールリップ及び隆起の各機械要素に対する径方向の押圧力を高めるためには、例えば、当該密封対象の機械要素の方向に自由脚部を付勢する、C字形のスプリングがシールリングの空洞内に配置されてもよい。
第1の機械要素がピストンロッドで構成され、且つ、第2の機械要素が、径方向に間隔をあけて当該第1の機械要素を包囲するハウジングによって構成されてもよい。したがって、動的負荷を受けるシールリップが径方向内側を封止し、環状の隆起が径方向外側を封止するように形成される。
前述の密封装置は、2つの密封対象空間を有する燃料ピストンポンプにおいて使用され
てもよい。ここで、2つの密封対象空間のうちの一方は燃料で満たされ、他方はオイルで満たされている。燃料ピストンポンプは、内燃機関とともに、自動車に適用されてもよい。
以下、特許を請求する密封装置にかかる8つの実施例を図1乃至8に概略的に示すとともに、詳細に説明する。
二重シールの両シールリングが、単一の部品で一体的に形成された、密封装置の第1の実施例における、ストローク幅に対する軸方向の間隔の比を示す模式的断面図。 二重シールの外周側が、Oリング形状の静的シールによって包囲された、密封装置の第2の実施例を示す模式的断面図。 二重シールの両シールリングの間にスペーサが配置された、図1の実施例に類似の第3の実施例を示す模式的断面図。 第1の機械要素のガイドとしてのスペーサが、第2の機械要素内に設けられた、図2の実施例に類似の第4の実施例を示す模式的断面図。 二重シールが、互いに異なる形状で形成されたシールリングを有する、第5の実施例を示す模式的断面図。 二重シールの両シールリングが、同一形状で形成され、且つ、形状密着によってスペーサと結合された、第6の実施例を示す模式的断面図。 スペーサが、軸方向に弾性的に柔らかく形成された部分を有する、図3の実施例に類似の第7の実施例を示す模式的断面図。 Oリングが、静的シールとしてスペーサの外周を包囲している、図2の第2の実施例に類似の第8の実施例を示す模式的断面図。
図1乃至8に密封装置の8つの実施例を示す。中空の円筒形状に形成された密封装置は、それぞれが密封対象流体2,3で満たされた2つの密封対象空間4,5を密封する二重シール1を備えている。この密封装置は燃料ピストンポンプに適用されるものである。第1の機械要素13はピストンロッド27として形成され、第2の機械要素17はハウジング28として形成されている。密封対象空間のうちの、一方の密封対象空間4は燃料で、他方の密封対象空間5はエンジンオイルで満たされている。燃料は、例えばガソリン又はディーゼル燃料であってもよい。
二重シール1は、密封対象空間4,5を密封するために、軸方向の両端面側に互いに逆向きに配置された第1のシールリング6と第2のシールリング7とを備える。両シールリング6,7は、動的負荷を受けるシールリップ8,9をそれぞれ有し、シールリップ8,9は、ピストンロッド27によって構成される第1の機械要素13における密封対象表面11を、外周側から密接して包囲する。
第1のシールリング6のシールリップ8は、軸方向の間隔10をあけて第2のシールリング7のシールリップ9と隣り合って配置されており、この間隔10は軸方向に往復運動可能な機械要素13のストローク幅12よりも大きい。
シールリング6,7のそれぞれに2つ以上の動的負荷を受けるシールリップ8,9が設けられる場合、軸方向の間隔10は、軸方向に最も近接して配置された、第1のシールリング6における一のシールリップと、第2のシールリング7における一のシールリップとの間の間隔である。
ここに示される実施例においては、軸方向の間隔10のストローク幅12に対する比は1.3である。
シールリップ8とシールリップ9との間の軸方向の間隔10が第1の機械要素13のストローク幅12よりも大きいことによって、シールリップ8の潤滑に用いられる密封対象空間4内の密封対象流体2が、密封対象表面11によってシールリップ9を通過して密封対象空間5内に引きずり込まれ、そこで密封対象流体3と混ざり合うことが回避される。
逆もまた同様である。密封対象の空間5内の密封対象流体3が、密封装置の通常の使用時に、シールリップ8を通過して密封対象空間4内に引きずり込まれ、そこで密封対象流体2と混ざり合うこともない。
図1に密封装置の第1の実施例を示す。二重シール1の両シールリング6,7は単一の部品で一体的に形成されており、シールリップ8,9によって、第1の機械要素13の密封対象表面11が動的にシールされると共に、円環状の隆起25,26によって、第2の機械要素17が静的にシールされる。両シールリング6,7は、単一の部品で一体的に、且つ、同じ材料で形成される。
図2に密封装置の第2の実施例を示す。この第2の実施例は、二重シール1の第1のシールリング6と第2のシールリング7との間に、第2の機械要素17に向かって径方向に開いた凹部24が設けられる点において、図1に示される第1の実施例と相違している。凹部24にはOリング23が配置されている。弾性的で柔らかいOリング23によって、互いの間が密封される両機械要素13,17間に生じ得る同軸誤差が補償される。
図3には、図1の実施例に類似の第3の実施例を示す。両シールリング6,7は、別個に製造され、且つ、中空の円筒形状に形成された、ここでは高分子材料から成るスペーサ14によって、互いに結合されている。
複数の部品から形成された他の実施例と同様、両シールリング6,7とスペーサ14とは様々な手法によって結合されて、予め組み立て可能なユニットを構成してもよい。結合は粘着力及び/又は形状密着により行われてもよく、あるいは後述する材料密着で行われてもよい。これらを組み合わせることも可能である。
図4には第4の実施例を示す。ここでは、スペーサ14はガイドスリーブとして形成されている。スペーサ14は第1の機械要素13の密封対象表面11を外周側から密接して包囲するとともに、第2の機械要素17によって外周側から密接して包囲される。こうして、二重シール1は、第1の機械要素13及び第2の機械要素17の双方に対して同心的に配置される。これにより、二重シール1の傾きがより確実に防止される。
スペーサ14は第2の機械要素17における第2のガイド面16に密接する第1のガイド面15を有する。スペーサ14は、径方向内側に、第1の機械要素13における密封対象表面11を密接して包囲する更なるガイド面29を有している。
図5に第5の実施例を示す。第5の実施例は、両シールリング6,7が互いに異なる形状で形成されており、更に、それぞれが密封対象流体2,3を密封するために特に良く適したシール材料から成る点において、図3に示される実施例と相違している。ここに示す実施例においては、エンジンオイル側にはFKM材料が適用され、燃料側にはPTFE材料が適用される。
図6に第6の実施例を示す。第6の実施例においては、両シールリング6,7は、燕尾形状に形成された形状密着式の結合部によって、スペーサ14と結合されている。この形
状密着式の結合部の保持力が十分でない場合には、密封装置の通常の使用にあたって二重シール1をまとめておくために、追加的に、例えば熱的及び/又は化学的な接合による材料密着式の結合部を想定してもよい。
図7には、図3に示される第3の実施例に類似した、密封装置の第7の実施例を示す。ここでは、スペーサ14は軸方向に弾性的に柔らかく形成された部分18を有する。この部分18は二重シール1の軸方向中央に配置されており、仮想径方向面19によって中央で二分される。この部分は密封装置の軸方向の熱膨張を補償するために設けられており、過度の変形や、密封装置内において二重シールが遊びを持った配置となることを防ぐ。
図8には本発明による密封装置の第8の実施例を示す。第8の実施例は、概ね図3に示される第3の実施例と、図2に示される第2の実施例とを組み合わせたものである。二重シール1の軸方向中央には、第2の機械要素17を静的にシールするOリング23のための凹部24が設けられている。
ここに示す実施例において、二重シール1は静的負荷を受ける3つの静的シール20,21,22を有しており、これらはそれぞれ第2の機械要素17に静的に密接する。静的シール20はOリング23によって構成され、他の静的シール21,22は両シールリング6,7のそれぞれの構成要素を形成する、環状の隆起25,26によって構成される。
1 二重シール
2,3 密封対象流体
4,5 密封対象空間
6 第1のシールリング
7 第2のシールリング
8,9 シールリップ
10 軸方向の間隔
11 密封対象表面
12 ストローク幅
13 第1の機械要素(ピストンロッド27)
14 スペーサ
15 第1のガイド面
16 第2のガイド面
17 第2の機械要素(ハウジング28)
18 部分
19 仮想径方向面
20,21,22 静的シール
23 Oリング
24 凹部
25,26 隆起
27 ピストンロッド
28 ハウジング
29 ガイド面

Claims (15)

  1. それぞれが密封対象流体で満たされた2つの密封対象空間を密封する二重シールを備えた、中空の円筒形状に形成された密封装置であって、
    前記二重シールは、軸方向の両端面側の一方に配置された第1のシールリングと、他方に配置された第2のシールリングとを備え、
    前記第1及び第2のシールリングのそれぞれは、動的負荷を受けるシールリップを少なくとも一つ有し、
    前記第1のシールリングが有するシールリップのうちの前記第2のシールリングに最も近接して配置された一つと、前記第2のシールリングが有するシールリップのうちの前記第1のシールリングに最も近接して配置された一つとは、互いに軸方向の間隔をあけて配置され、
    前記第1及び第2のシールリングが有するシールリップは、所定のストローク幅を前記軸方向に往復運動可能な第1の機械要素の密封対象表面に密接し、
    前記軸方向の間隔が、前記第1の機械要素の前記所定のストローク幅よりも大きく構成されると共に、
    前記二重シールが、前記第1及び第2のシールリングの間に軸方向に配置された、別個に製造され、且つ、中空の円筒形状に形成されたスペーサを備えており、
    前記スペーサが、軸方向に弾性的に柔らかく形成された部分を備えることを特徴とする、密封装置。
  2. 前記所定のストローク幅に対する前記軸方向の間隔の比が、少なくとも1.1であることを特徴とする、請求項1に記載の密封装置。
  3. 前記スペーサが、前記密封対象表面に密接すると共に、前記第1の機械要素に対して径方向に間隔をあけて配置された第2の機械要素における、前記スペーサに径方向で対向する第2のガイド面に密接する第1のガイド面を備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載の密封装置。
  4. 前記二重シールが、前記第2の機械要素に密接する、静的負荷を受ける静的シールを少なくとも一つ有することを特徴とする、請求項3に記載の密封装置。
  5. 前記静的シールがOリングであることを特徴とする、請求項に記載の密封装置。
  6. 前記スペーサが、高分子材料から成ることを特徴とする、請求項1乃至のいずれかに記載の密封装置。
  7. 前記スペーサと前記第1及び第2のシールリングとが、粘着力及び/又は形状密着により互いに結合されていることを特徴とする、請求項1乃至のいずれかに記載の密封装置。
  8. 前記スペーサと前記第1及び第2のシールリングとが材料密着により互いに結合されていることを特徴とする、請求項1乃至のいずれかに記載の密封装置。
  9. 前記第1及び第2のシールリングが、同一形状で形成されると共に、該第1及び第2のシールリングが、前記二重シールの軸方向の中央に配置された仮想径方向面に対して対称に形成されることを特徴とする、請求項1乃至のいずれかに記載の密封装置。
  10. 前記シールリングが互いに異なる形状で形成され、及び/又は、互いに異なる材料から構成されることを特徴とする、請求項1乃至のいずれかに記載の密封装置。
  11. それぞれが密封対象流体で満たされた2つの密封対象空間を密封する二重シールを備えた、中空の円筒形状に形成された密封装置であって、
    前記二重シールは、軸方向の両端面側の一方に配置された第1のシールリングと、他方に配置された第2のシールリングとを備え、
    前記第1及び第2のシールリングのそれぞれは、動的負荷を受けるシールリップを少なくとも一つ有し、
    前記第1のシールリングが有するシールリップのうちの前記第2のシールリングに最も近接して配置された一つと、前記第2のシールリングが有するシールリップのうちの前記第1のシールリングに最も近接して配置された一つとは、互いに軸方向の間隔をあけて配置され、
    前記第1及び第2のシールリングが有するシールリップは、所定のストローク幅を前記軸方向に往復運動可能な第1の機械要素の密封対象表面に密接し、
    前記軸方向の間隔が、前記第1の機械要素の前記所定のストローク幅よりも大きく構成されると共に、
    前記二重シールが、前記第1の機械要素に対して径方向に間隔をあけて配置された第2の機械要素に密接する、静的負荷を受ける静的シールを少なくとも一つ有し、かつ、前記静的シールがOリングであり、
    前記Oリングが、前記二重シールにおける、前記第2の機械要素に向かって径方向に開いた凹部に配置されることを特徴とする、密封装置。
  12. 前記二重シールの前記第1及び第2のシールリングが、単一の部品で一体的に形成されていることを特徴とする、請求項11に記載の密封装置。
  13. 前記第1及び第2のシールリングのそれぞれが、前記第2の機械要素に径方向で対向する面に、環状の隆起として形成された静的負荷を受ける静的シールを備えることを特徴とする、請求項3,11または12に記載の密封装置。
  14. 前記第1の機械要素がピストンロッドで構成され、且つ、前記第2の機械要素が、径方向に間隔をあけて前記第1の機械要素を包囲するハウジングによって構成されることを特徴とする、請求項3,11,12または13に記載の密封装置。
  15. 請求項1乃至14のいずれかに記載の密封装置の使用方法であって、一方が燃料で満たされ、他方がオイルで満たされた、燃料ピストンポンプが有する2つの密封対象空間を密封するために使用される、密封装置の使用方法。
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