JP6440154B1 - ロッドパッキン - Google Patents

Abstract

【課題】 摩耗した場合や温度変化によって伸縮した場合であっても、軸との接触状態を確保してシール状態を維持するロッドパッキンを提供する。
【解決手段】 周方向断面形状がほぼＵ字形をした内側環状部材１１を、同じく断面Ｕ字形をした外側環状部材１２に収容させて組み合わせてロッドパッキン１０とする。パッキン箱４に収容させてロッドパッキン１０を軸３に装着すると、内側環状部材１１の内環側フランジ部１１ａの内周側の一部が軸３と接触してシール状態を形成する。また、内環側フランジ部１１ａの外周側の一部がパッキン箱４の天井壁の内側面と接触してシール状態を形成する。また、内環側フランジ部１１ａと外環側フランジ部１２ａに内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとを形成すると、温度変化による伸縮をこれら切込部２１ｋ、２２ｋが吸収するから、ロッドパッキン１０自体の拡径や縮径が抑制される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、軸とケーシング等との間の軸封用のロッドパッキンに関し、特に断面形状がＵ字形のＵパッキンに関する。

ロッドパッキンは、回転運動または往復直線運動する軸とこの軸を支持するケーシング等の間に配される軸封装置の一つである。シリンダ内をピストンが往復直線運動するピストン・シリンダ機構では、ロッドパッキンはケーシングに連繋して固定され、ピストンロッドに接触して軸とケーシングとの間を密封し、ピストンロッドの直線運動を許容する。

ピストン・シリンダ機構では、ピストンの後退移動でシリンダ内に液体や空気等の流体を吸い込み、前進移動でシリンダ内の流体を吐き出す。吐き出された流体は圧縮された状態にあるから、高圧となって吐き出される。ロッドパッキンには、この高圧に対抗して確実に軸封を行うことが要求される。また、このピストン・シリンダ機構を用いて高圧の流体を吐出する装置としてピストンポンプがあり、種々の用途に利用されている。

ところで、ピストンポンプの軸封に用いられるロッドパッキンには種々の形式があり、その一つとして特許文献１や特許文献２等に記載されているようなＵパッキンがある。

この種のＵパッキン１を、図１３と図１４に示してある。このＵパッキン１は、ピストンロッド等の軸３に装着される樹脂製で環状に形成された周方向の断面形状がほぼＵ字形を呈するパッキン本体１ａと、この断面Ｕ字形の内側に収容されたほぼ断面Ｕ字形の板バネ等による拡開バネ１ｂとにより構成されている。Ｕパッキン１のパッキン本体１ａの外周面と内周面には、断面Ｕ字形の先端部近傍がそれぞれ外側に突起した外側突起部２ａと内側に突起した内側突起部２ｂが形成されている。

図１４には、Ｕパッキン１が軸３に装着された状態、すなわち使用状態を示してある。Ｕパッキン１はパッキン箱４に収容されて軸３に装着されている。このパッキン箱４は断面コ字形をして、このコ字形の脚部の先端面を軸３の外周面に対向させて配してあり、コ字形の脚部の先端面と軸３との間には間隙Ｇが形成されている。

Ｕパッキン１は断面Ｕ字形の開放側を高圧側Ｈに、すなわちシリンダの内部側に向けて配される。このため、高圧側Ｈの圧力は、Ｕパッキン１の断面Ｕ字形の脚部を拡開させる方向に作用する。また、この圧力によってＵパッキン１はパッキン箱４の低圧側Ｌの内壁面に押圧されて、断面Ｕ字形の中央部壁の外側面がパッキン箱４の低圧側Ｌの壁面と密着する。また、高圧側Ｈの圧力は、拡開バネ１ｂの断面Ｕ字形の先端部を拡開させて、これによりＵパッキン１の脚部が拡開される。この状態を図１４に示してあり、Ｕパッキン１の外側突起部２ａはパッキン箱４に点ｘで接触し、内側突起部２ｂは軸３に点ｙで接触する。これら点ｘと点ｙとにおける接触で高圧側Ｈと低圧側との間が密封されて、高圧側Ｈから低圧側Ｌへの流体の漏洩がシールされる。

特開２０１５−１９４２１７号公報 特開２００４−２８２２４号公報

前述した点ｘと点ｙとにおけるそれぞれの接触圧力は、以下の三つの力によって発生する。
(１) パッキン本体１ａの樹脂材料の弾性により生じる力。
(２) 高圧側Ｈの圧力を受けて拡開バネ１ｂがその脚部を拡開してＵパッキン１を拡開させることにより生じる力。
(３) 高圧側Ｈの圧力がＵパッキン１の断面Ｕ字形の内側に作用することにより、Ｕパッキン１が押し広げられることにより生じる力。
これらに起因して発生した接触圧力によって、Ｕパッキン１は外側突起部２ａがパッキン箱４に押圧され、内側突起部２ｂが軸３に押圧される。
そして、軸３がＵパッキン１に対して回転運動または往復直線運動を行うと、Ｕパッキン１の内側突起部２ｂの点ｙで接触している部分を軸３が擦過しながら、該軸３の運動が許容される。また、Ｕパッキン１はこの接触部分ｙから摩耗することになる。

軸３の材料には金属が用いられるのに対して、Ｕパッキン１の材料には樹脂が用いられることが一般的である。これらの熱膨張率を比較すると、樹脂の方がはるかに大きいものとなっている。
このため、Ｕパッキン１の温度が上昇するとＵパッキン１は拡径する方向に伸張するから、Ｕパッキン１の内径が大きくなり、内側突起部２ｂが軸３から離隔しようとする。このとき、拡開バネ１ｂの復元力と高圧側Ｈから作用する圧力、パッキンの弾性力とによって内側突起部２ｂを軸３に押圧しようとするが、Ｕパッキン１の熱膨張が許容値を超えると内側突起部２ｂが軸３から離隔してしまい、Ｕパッキン１の密封機能が失われて高圧流体をシールできずに漏洩させてしまうことになる。
一方、Ｕパッキン１の温度が下降するとＵパッキン１は縮径する方向に収縮するから、外周側ではＵパッキン１の内径が小さくなり、外側突起部２ａがパッキン箱４から離隔しようとする。これに対して、内周側では軸３が挿入されているため自由に収縮できずに、円周方向に引っ張り応力が発生する。この引っ張り応力は、Ｕパッキン１が軸３を締め付ける力として作用することになり、軸３の円滑な運動を阻害したり、大量の摩擦熱を発生させたりするおそれが生じる。

この場合のパッキンのみにおける締め付け力は、次の（式１）によって計算できる。なお、軸の熱膨張と変形は無視できると仮定する。
Ｆ ＝ Ａ・Ｅ・α・ΔＴ （式１）
ここで、
Ｆ：パッキンの締め付け力（円周方向の引っ張り力）
Ａ：パッキンの軸接触部の断面積
Ｅ：パッキン材料の引っ張り弾性率
α：熱膨張率
ΔＴ：パッキンが軸と接触した状態からの温度降下（なお、軸と接触した時の締め付け力は０（ゼロ）と考える）
例えば、フッ素樹脂のパッキンの場合、−７０（℃）のときの弾性率が２０００（ＭＰａ）熱膨張率が０．０００１５（１／℃）程度である。
パッキンの断面積が１０（ｍｍ^２）であると仮定する。温度が−１５０（℃）になったときの締め付け力Ｆは、（式１）より、
Ｆ ＝ １０（ｍｍ^２）×２０００（ＭＰａ）×０．０００１５（１／℃）
×（０（℃）−（−１５０（℃））
＝ ４５０（Ｎ）
となる。
この締め付け力Ｆはパッキンの弾性によって発生する力であって、この力は、拡開バネによる復元力や高圧側から受ける圧力によって拡径させようとする力に比較してはるかに大きな力となる。

液体窒素のような極低温の流体をシールする際には、温度降下が２００℃近くなる場合が生じる。また、樹脂の弾性率が低温になるに従って増大する場合がある。例えば、２０（℃）から−１８０（℃）まで樹脂を冷却すると、弾性率は５倍以上になることもある。このため、軸を締め付ける力が、上述の（式１）にて計算した値よりも、さらに大きくなる可能性が生じる。この結果、軸の駆動力に大きな動力を必要としたり、パッキンの摩耗が促進したりする問題が生じることになる。
パッキンによる締め付け力を小さくするには、弾性率Ｅと熱膨張率αとが小さな値の材料を選定することを要するが、摩耗量の大きさ等との関係で、最適な材料を選定することは簡単ではない。

Ｕパッキン１は点ｙにおいて軸３と接触しており、軸３の運動によりこの点ｙを有する内側突起部２ｂが摩耗することになる。このため、摩耗してもシール機能が損なわれないように点ｙを含む断面積を大きく設定し、摩耗に対して余裕を具備させることが必要となる。ところが、接触部の断面積が大きくなると、（式１）におけるパッキンの軸接触部の断面積Ａが大きくなって、大きな締め付け力Ｆが発生することになる。他方、接触部の断面積を小さくすると、摩耗に対する余裕がなくなり、パッキンの寿命が短くなる。すなわち、パッキンの肉厚が小さくなって摩耗に対する耐久性が減じられて、いわゆる破けやすくなってしまう。

そこで、この発明は、熱膨張に対して適宜なシール機能を維持できると共に、摩耗に対しても耐久性を備えたロッドパッキンを提供することを目的としている。

前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係るロッドパッキンは、周方向断面形状をほぼＵ字形に形成した環状の内側環状部材と、周方向断面形状をほぼＵ字形に形成すると共に、前記内側環状部材を該断面Ｕ字形の内側に軸方向に収容可能な環状の外側環状部材と、を具備し、前記内側環状部材の断面Ｕ字形の開放側の両端部に該断面Ｕ字形の外方に突出させた内環側フランジ部を形成し、前記外側環状部材の断面Ｕ字形の開放側の両端部に該断面Ｕ字形の外方に突出させた外環側フランジ部を形成し、内側環状部材を外側環状部材に収容させた状態で、内環側フランジ部の背面に外環側フランジ部の表面が密着すると共に、内環側フランジ部の背面側の内周側先端部と外環側フランジ部の表面側の内周側先端部とで内側接触円を形成し、前記内側接触円がシールすべき軸の外周面と接触することを特徴としている。

すなわち、ロッドパッキンをＵパッキンにより構成したもので、周方向断面形状がＵ字形に形成された内側環状部材と、同じく周方向断面形状がＵ字形に形成された外側環状部材との二つの部分で構成したものであり、内側環状部材が外側環状部材に密着して収容されるようにしたものである。内側環状部材を外側環状部材に収容させた状態で前記内環側フランジ部と外環側フランジ部との密着部の内周側先端部がほぼ一致して内側接触円が形成され、この内側接触円が軸と接触してシールを果たすようにしたものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記内環側フランジ部の背面側の外周側先端部と外環側フランジ部の表面側の外周側先端部とで形成された外側接触円が、前記ロッドパッキンを収容するパッキン箱の内側面であって、この外側接触円が対向した部分に接触することが好ましい。

内側環状部材を外側環状部材に収容させた状態で、前記内環側フランジ部と外環側フランジ部との密着部の外周側先端部がほぼ一致して外側接触円が形成される。そして、ロッドパッキンがパッキン箱に収容された状態で、パッキン箱の内側面とロッドパッキンとの間のシールを、この外側接触円がパッキン箱の内側面に接触するようにして確保するものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記外側環状部材の断面Ｕ字形の中央壁の外側面が、前記ロッドパッキンを収容するパッキン箱の内側面であって、この外側面が対向した部分に密着可能としてあることが好ましい。

パッキン箱に収容されたロッドパッキンが高圧側からの圧力を受けて低圧側に押動された際に、Ｕパッキンの断面Ｕ字形の中央壁がパッキン箱の内側面と重なってシールするようにしたものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記内側環状部材の前記内環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んだ内環側切込部を、周方向の複数箇所に形成してあることが好ましい。

前記内環側切込部によって内側環状部材の周方向に生じる引っ張り応力を緩和して、径方向への収縮を抑制しようとするものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記外側環状部材の前記外環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んだ外環側切込部を、周方向の複数箇所に形成してあることが好ましい。

前記外環側切込部によって外側環状部材の周方向に生じる引っ張り応力を緩和して、径方向への収縮を抑制しようとするものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記内側環状部材の前記内環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んで、周方向に等間隔で複数箇所に形成した内環側切込部と、前記外側環状部材の前記外環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んで、周方向に前記内環側切込部の間隔と等しい間隔で複数箇所に形成した外環側切込部と、を備えていることが好ましい。

前記外環側切込部によって外側環状部材の周方向に生じる引っ張り応力を緩和して、径方向への収縮を許容すると共に、前記内環側切込部によって内側環状部材の周方向に生じる引っ張り応力を緩和して、径方向への収縮を許容しようとするものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記内側環状部材を前記外側環状部材に収容させた状態で、前記外環側切込部と前記内環側切込部とをずれた位置関係で配することが好ましい。

前記外環側切込部と内環側切込部とが重ならないように周方向にずらしたもので、これら切込部が重なる場合にはシール性が損なわれるおそれがあるためである。また、外環側切込部と内環側切込部の周方向の間隔が異なっている場合には、これら切込部が重なってしまう位置ができてしまうおそれがあるので、これら切込部は、外側環状部材と内側環状部材とで等しく等間隔としたものである。そして、いずれの切込部も等しく等間隔に形成する場合には、１／２間隔でずらすことが好ましい。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、周方向断面形状をほぼＵ字形に形成した環状の拡開バネを、前記内側環状部材の内側に収容させることが好ましい。

断面Ｕ字形の内部に、該断面Ｕ字形の開放側の端部を外側に拡開する方向に付勢する拡開バネを内側環状部材の内側に収容させるものである。

また、上述の発明に係るロッドパッキンにおいて、前記内側環状部材と前記外側環状部材の材料を異ならせることもできる。

すなわち、内側環状部材と外側環状部材に用いられる材料に、例えば熱膨張率αが異なるものを用いて、内側環状部材と外側環状部材が伸縮する際に相互に影響するようにした、変形率の小さいロッドパッキンとするものである。

この発明に係るロッドパッキンによれば、例えば、内側環状部材と外側環状部材とに熱膨張率αの異なる材料を用いることによって、ロッドパッキンの収縮を抑制して、軸への締め付け力を緩和させることができる。
なお、これらの環状部材には樹脂材料が用いられ、このロッドパッキンの使用状況等を考慮して材料を選択する。

また、前記内環側切込部または外環側切込部のいずれか一方または両方を形成することにより、ロッドパッキンが縮径しようとする場合に切込部の幅が大きくなって、周方向に生じる引っ張り応力が緩和されて、周方向への収縮が抑制される。このため、軸に対する締め付け力を極力小さくでき、軸の円滑な運動を維持することができる。
また、ロッドパッキンが拡径しようとする場合には切込部の幅が小さくなって、軸から離隔することが防止される。

また、内側環状部材に拡開バネを収容させることにより、ロッドパッキンの熱膨張による変形に確実に抗してロッドパッキンの一部を軸やパッキン箱に対する接触圧力を維持してシール機能の低下を極力防止できる。

この発明の第１の実施形態に係るＵパッキンからなるロッドパッキンを、軸に装着させた状態を示す断面図である。 図１に示す内側環状部材を説明する図であり、（Ａ）は周方向に直交する面で切断した周方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）における一部拡大断面図である。 図１に示す外側環状部材を説明する図であり、（Ａ）は周方向に直交する面で切断した周方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）における一部拡大断面図である。 図２に示す内側環状部材を図３に示す外側環状部材に収容させた状態を示す図で、（Ａ）は周方向に直交する面で切断した周方向断面図、（Ｂ）は（Ａ）における一部拡大断面図である。 この発明に係る第２の実施形態に係るロッドパッキンの、内環側切込部を形成した内側環状部材を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は周方向に直交する面で切断した周方向断面図である。 この発明に係る第２の実施形態に係るロッドパッキンの、外環側切込部を形成した外側環状部材を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は周方向に直交する面で切断した周方向断面図である。 図５に示す内側環状部材を、図６に示す外側環状部材に収容させた状態を示すロッドパッキンの正面図である。 図７に示すロッドパッキンについて、（Ａ）は図７における１−１線に沿って示す断面図、（Ｂ）は図７における２−２線に沿って示す断面図である。 図７に示すロッドパッキンを軸に装着させた状態を示す図であり、ロッドパッキンを図８（Ａ）と等しい位置にて切断して示してある。 図７に示すロッドパッキンを軸に装着させた状態を示す図であり、ロッドパッキンを図８（Ｂ）と等しい位置にて切断して示してある。 この発明に係る第３の実施形態に係るロッドパッキンを軸に装着させた状態を示す図であり、図９に相当する断面図である。 この発明に係る第３の実施形態に係るロッドパッキンを軸に装着させた状態を示す図であり、図１０に相当する断面図である。 従来のＵパッキンからなるロッドパッキンを説明する図で、周方向に直交する面で切断した周方向断面図である。 図１３に示すロッドパッキンを軸に装着した状態を示す断面図である。

以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係るロッドパッキンを具体的に説明する。

図１から図４までに、第１の実施形態に係るロッドパッキン１０を示してある。
図１にはロッドパッキン１０を軸３に装着した状態を示してあり、このロッドパッキン１０はパッキン箱４に収容されて軸３に装着されている。このロッドパッキン１０は周方向断面がほぼＵ字形をしているＵパッキンであり、内側環状部材１１と外側環状部材１２とが組み合わされて構成されている。

図２は内側環状部材１１を示し、環状の周方向に直交する面で切断した周方向断面を示してある。図２に示すように、周方向断面がほぼＵ字形に形成され、この断面Ｕ字形の開放側１１ｉの両端部には該断面Ｕ字形の外方に突出した内環側フランジ部１１ａが設けられている。この内環側フランジ部１１ａの外周面１１ｂは、この内環側フランジ部１１ａの背面１１ｃ側が表面１１ｄ側よりも外側に位置した傾斜面に形成されている。また、この内環側フランジ部１１ａの内周面１１ｅは、背面１１ｃ側が表面１１ｄ側よりも内側に位置した傾斜面に形成されている。すなわち、外周面１１ｂと内周面１１ｅとはいずれも、円錐形の外周面の一部で形成されており、それぞれを形成する円錐形の頂点が反対方向を指向している。なお、内側環状部材１１の内側面１１ｆと外側面１１ｇとはほぼ円筒形の外周面で形成されている。
この内側環状部材１１の外形寸法を図２（Ｂ）に示してある。主たる部分の寸法を、内周面１１ｅの内側環状部材１１の内側に位置した部分の内径Ｄ１、内側面１１ｆの内径Ｄ２、外側面１１ｇの外径Ｄ３、外周面１１ｂの外側に位置した部分の外径Ｄ４で示し、また、背面１１ｃから断面Ｕ字形の中央壁１１ｈの外側面までの距離をＬ１で示してある。

図３に、外側環状部材１２の周方向断面を示してある。図３に示すように、周方向断面がほぼＵ字形に形成され、この断面Ｕ字形の開放側１２ｉの両端部には該断面Ｕ字形の外方に突出した外環側フランジ部１２ａが設けられている。この外環側フランジ部１２ａの外周面１２ｂは、この外環側フランジ部１２ａの表面１２ｄ側が背面１２ｃ側よりも外側に位置した傾斜面に形成されている。また、この外環側フランジ部１２ａの内周面１２ｅは、表面１２ｄ側が背面１２ｃ側よりも内側に位置した傾斜面に形成されている。すなわち、外周面１２ｂと内周面１２ｅとはいずれも、円錐形の外周面の一部で形成されており、それぞれを形成する円錐形の頂点が反対方向を指向している。なお、外側環状部材１２の内側面１２ｆと外側面１２ｇとはほぼ円筒形の外周面で形成されている。
このため、内環側フランジ部１１ａの外周面１１ｂの傾斜面の傾斜方向と、外環側フランジ部１２ａの外周面１２ｂの傾斜面の傾斜方向とは逆になっており、同じく内周面１１ｅの傾斜方向と内周面１２ｅの傾斜方向とは逆になっている。
この外側環状部材１２の外形寸法を図３（Ｂ）に示してある。主たる部分の寸法を、内周面１２ｅの外側環状部材１２の内側に位置した部分の内径Ｄ１、断面Ｕ字形の内側に位置する外周面の外径Ｄ２、断面Ｕ字形の内側に位置する内周面の内径Ｄ３、外周面１２ｂの外側に位置した部分の外径Ｄ４で示し、表面１２ｄから断面Ｕ字形の中央壁１２ｈの内側面までの距離をＬ１で示してある。
なお、図２（Ｂ）に示した各部の寸法と図３（Ｂ）に示した各部の寸法に関し、同一の符号で示す部分は等しい寸法である。

そして、図１と図４に示すように、内側環状部材１１が外側環状部材１２に収容されるようにしてある。すなわち、これらの断面Ｕ字形の方向を同じ方向とし、外側環状部材１２の断面Ｕ字形の内側に内側環状部材１１を収容させる。このとき、上述したように、外側環状部材１２と内側環状部材１１との連繋する部分については等しい寸法としてあるから、図１と図４に示すように、これら内側環状部材１１と外側環状部材１２とは、各部で密着して一体となる。また、内環側フランジ部１１ａの背面１１ｃと外環側フランジ部１２ａの表面１２ｄとが密着する。背面１１ｃと表面１２ｄの内周側先端部同士は内径Ｄ１で等しく、外周側先端部同士は外径Ｄ４で等しいので、これらの内周側先端部で頂点Ｔ１が形成され、外周側先端部で頂点Ｔ２が形成される。この頂点Ｔ１を結んで内側接触円が形成され、頂点Ｔ２を結んで外側接触円が形成される。

図４に示すように内側環状部材１１と外側環状部材１２とが組み合わされたロッドパッキン１０は、図１に示すように、パッキン箱４に収容されて軸３に装着される。このとき、ロッドパッキン１０の断面Ｕ字形の開放側１１ｉ（１２ｉ）を高圧側Ｈに臨ませて位置させる。また、パッキン箱４は断面コ字形をして、このコ字形の脚部の先端面が軸３の外周面に対向させて配されており、コ字形の脚部の先端面と軸３との間には間隙Ｇが形成されている。

この第１の実施形態に係るロッドパッキン１０では、高圧側Ｈからの圧力を受けて、ロッドパッキン１０がパッキン箱４の低圧側Ｌの内壁面に押圧されて密着した状態となる。そして、頂点Ｔ１により形成される内側接触円が軸３の外周面に接触すると共に、頂点Ｔ２により形成される外側接触円がパッキン箱４の天井壁の内側面に接触する。前記内側接触円が接触することで、軸３の外周面における高圧側Ｈと低圧側Ｌとが遮断されてシールされる。また、前記外側接触円が接触することで、パッキン箱４の天井壁面における高圧側Ｈと低圧側Ｌとが遮断されてシールされる。

また、熱膨張によってロッドパッキン１０が伸張または収縮しようとする場合に、内側環状部材１１と外側環状部材１２の材料に熱膨張率αが異なるものを用いることで、内側環状部材１１と外側環状部材１２のそれぞれの伸張量や収縮量が異なり、相互に影響して、伸張や収縮を抑制できる。そして、ロッドパッキン１０と軸３との間のシール状態とロッドパッキン１０とパッキン箱４との間のシール状態を維持することができる。特に、収縮しようとする際の縮径が抑制されて、軸３を締め付ける力が緩和され、軸３の円滑な運動を阻害することがない。

図５から図１０までには、第２の実施形態に係るロッドパッキン２０を示してある。なお、この第２の実施形態に係るロッドパッキン２０は、第１の実施形態に係るロッドパッキン１０に改良を加えたものであり、ロッドパッキン１０と共通となる同一の部分については、同一の符号を付してある。

このロッドパッキン２０は、ロッドパッキン１０と同様に、図５に示すように周方向断面がほぼＵ字形に形成された断面Ｕ字形の内側環状部材２１と、図６に示すように周方向断面がほぼＵ字形に形成された断面Ｕ字形の外側環状部材２２とが組み合わされて構成されている。

内側環状部材２１は、ロッドパッキン１０の内側環状部材１１に内環側切込部２１ｋが形成された構造とされている。この内環側切込部２１ｋは、図５（Ｂ）に示すように、内環側フランジ部１１ａと同様に形成された内環側フランジ部２１ａの表面２１ｄから内側環状部材２１の軸方向に沿って断面Ｕ字形の中央壁２１ｈの内側面の手前位置に達するまでの深さで、周方向に適宜な幅で、内環側フランジ部２１ａの外周面２１ｂから内周面２１ｅに至る状態に長手方向を径方向として切り込まれて形成されている。また、内環側切込部２１ｋは、図５（Ａ）に示すように、内側環状部材２１の周方向に等間隔に形成されている。この実施形態では、１２箇所に内環側切込部２１ｋが形成されている場合を示してあり、中心角が３０度となる間隔で形成されている。

外側環状部材２２は、ロッドパッキン１０の外側環状部材１２に外環側切込部２２ｋが形成された構造とされている。この外環側切込部２２ｋは、図６（Ｂ）に示すように、外環側フランジ部１２ａと同様に形成された外環側フランジ部２２ａの表面２２ｄから外側環状部材２２の軸方向に沿って断面Ｕ字形の中央壁２２ｈの内側面の手前位置に達するまでの深さで、周方向に適宜な幅で、外環側フランジ部２２ａの外周面２２ｂから内周面２２ｅに至る状態に長手方向を径方向として切り込まれて形成されている。また、外環側切込部２２ｋは、図６（Ａ）に示すように、外側環状部材２２の周方向に等間隔に形成されており、この実施形態では、内環側切込部２１ｋと同様に１２箇所に外環側切込部２２ｋが形成されている場合を示してあり、中心角が３０度となる間隔で形成されている。

なお、これら内側環状部材２１と外側環状部材２２の主たる部分の寸法の関係については、図２（Ｂ）と図３（Ｂ）に示す内側環状部材１１と外側環状部材１２との関係と同一である。また、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋのそれぞれの深さと幅のそれぞれの寸法については、後述する作用を果たすのに適切なものとする。

ロッドパッキン２０は、ロッドパッキン１０の場合と同様に、図７と図８に示すように、外側環状部材２２の断面Ｕ字形の内側に内側環状部材２１を収容して構成される。図８（Ａ）と（Ｂ）のそれぞれは、図７における１−１線と２−２線に沿って切断して示す断面図である。すなわち、これら内側環状部材２１と外側環状部材２２とを組み合わせる際には、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとを１／２間隔でずれた位置に位置させて、これら内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとが一致しないようにする。なお、この実施形態では、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとのいずれも、中心角が３０度の間隔で設けてあるから、内環側切込部２１ｋと隣接する外環側切込部２２ｋとの間の中心角が１５度となるように位置決めする。

このロッドパッキン２０は、図９と図１０に示すように、パッキン箱４に収容されて軸３に装着される。なお、図９は図８（Ａ）に示す断面でロッドパッキン２０を示してあり、図１０は図８（Ｂ）に示す断面でロッドパッキン２０を示してある。図９と図１０に示すように、ロッドパッキン２０は、断面Ｕ字形の開放側２１ｉ（２２ｉ）を高圧側Ｈに指向させて配される。また、ロッドパッキン１０の場合と同様に、頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が軸３と接触し、頂点Ｔ２を結んだ外側接触円がパッキン箱４の天井壁の内側面に接触する。

この第２の実施形態に係るロッドパッキン２０では、ロッドパッキン１０の場合と同様に、高圧側Ｈからの圧力を受けて、ロッドパッキン２０がパッキン箱４の低圧側Ｌの内壁面に押圧されて密着した状態となる。そして、頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が軸３の外周面に接触すると共に、頂点Ｔ２を結んだ外側接触円がパッキン箱４の天井壁の内側面に接触する。これにより、頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が接触することで軸３の外周面における高圧側Ｈと低圧側Ｌとが遮断されてシールされる。また、内環側切込部２１ｋが形成されている部分では、図９に示すように、外環側フランジ部２２ａの頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が軸３と接触し、頂点Ｔ２を結んだ外側接触円がパッキン箱４の天井壁の内側面に接触することでシールされている。また、外環側切込部２２ｋが形成されている部分では、図１０に示すように、内環側フランジ部２１ａの頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が軸３と接触し、頂点Ｔ２を結んだ外側接触円がパッキン箱４の天井壁の内側面に接触することでシールされている。

また、熱膨張によってロッドパッキン２０が伸縮しようとする場合には、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとによって伸縮が緩和される。
温度の上昇によって伸張しようとする場合には、ロッドパッキン２０が拡径しようとすることになる。このとき、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとのそれぞれの幅が縮小することで、ロッドパッキン２０の頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が軸３から離隔することが防止されて、シール状態を維持する。
また、温度の下降によって収縮しようとする場合には、ロッドパッキン２０が縮径しようとすることになる。このときには、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとのそれぞれの幅が拡大することで、ロッドパッキン２０の周方向に生じる引っ張り応力が抑制される。このため、ロッドパッキン２０の縮径が抑制されるから、軸３を締め付ける力の発生が緩和され、軸３とのシール状態を維持して、軸３に円滑な運動を継続させることができる。

図１１と図１２に、この発明の第３の実施形態に係るロッドパッキン３０を示してある。このロッドパッキン３０は、第２の実施形態に係るロッドパッキン２０に拡開バネ３３を組み合わせたものである。なお、ロッドパッキン２０と共通の部分については、その部分と同一の符号を付してある。
拡開バネ３３は周方向断面がほぼＵ字形をした環状をしており、内側環状部材２１の内側に、この内側環状部材２１の断面Ｕ字形と同じ方向に向けて収容させてある。この拡開バネ３３の復元力が、断面Ｕ字形の開放側の端部を拡開する方向に作用するようにしてある。このため、内側環状部材２１の断面Ｕ字形の開放側の端部が拡開する方向に付勢されており、頂点Ｔ１を結んだ内側接触円が軸３に押圧されて軸３との間で確実なシール状態が確保され、頂点Ｔ２を結んだ外側接触円がパッキン箱４の天井壁の内側面に押圧されてパッキン箱４との間で確実なシール状態が確保される。
また、ロッドパッキン３０が熱膨張によって変形しようとしても、拡開バネ３３の復元力がロッドパッキン３０を原形状に維持する方向に作用するので、ロッドパッキン３０は変形することが抑制される。
なお、拡開バネ３３はこの実施形態では断面Ｕ字形に形成した板バネとして説明したが、内側環状部材２１の開放側の端部を拡開する方向に復元力が作用するものであれば、圧縮コイルバネや捻りコイルバネその他であって構わない。

また、回転運動や往復直線運動により軸３が擦過してロッドパッキン３０が摩耗した場合でも、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋがこれらの幅を拡開して径方向の寸法を維持するから、頂点Ｔ１を結んだ内側接触円と軸３との接触が維持されてシール状態が確保され、頂点Ｔ２を結んだ外側接触円とパッキン箱４の天井壁の内側面との接触が維持されてシール状態が確保される。

以上に説明した実施形態では、内側環状部材２１と外側環状部材２２のそれぞれに内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋを形成した構造について説明したが、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとのいずれか一方を内側環状部材２１または外側環状部材２２に形成した構造とすることもできる。これら内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとのいずれかとする場合には、温度変化の範囲や素材の熱膨張率α等を考慮する。

また、第３の実施形態として、第２の実施形態に係るロッドパッキン２０に拡開バネ３３を組み合わせた構造について説明したが、内環側切込部２１ｋと外環側切込部２２ｋとのいずれか一方を内側環状部材２１または外側環状部材２２に形成した構造としたロッドパッキンに、拡開バネ３３を組み合わせることができる。さらに、第１の実施形態に係るロッドパッキン１０に拡開バネ３３を組み合わせることもできる。

また、以上に説明したいずれの実施形態においても、内側環状部材１１、２１と外側環状部材１２、２２のそれぞれに熱膨張率αが異なる材料を用いることもできる。

この発明に係るロッドパッキンによれば、シール機能を保つことができる温度変化の範囲を大きくできるので、極低温の液体をシールする場合のように、温度降下が大きくなる場合であっても確実なシール性を維持でき、しかも、軸に対する締め付け力をほぼ一定に保って極端な摩耗を生じさせないため、汎用性の高いロッドパッキンとすることができ、ピストンポンプ等の高圧装置への利用を促進する。

３ 軸
４ パッキン箱
１０ ロッドパッキン
１１ 内側環状部材
１１ａ 内環側フランジ部
１１ｂ 外周面
１１ｃ 背面
１１ｄ 表面
１１ｅ 内周面
１１ｆ 内側面
１１ｇ 外側面
１１ｈ 中央壁
１１ｉ 開放側
１２ 外側環状部材
１２ａ 外環側フランジ部
１２ｂ 外周面
１２ｃ 背面
１２ｄ 表面
１２ｅ 内周面
１２ｆ 内側面
１２ｇ 外側面
１２ｈ 中央壁
１２ｉ 開放側
２０ ロッドパッキン
２１ 内側環状部材
２１ａ 内環側フランジ部
２１ｂ 外周面
２１ｄ 表面
２１ｅ 内周面
２１ｈ 中央壁
２１ｉ 開放側
２１ｋ 内環側切込部
２２ 外側環状部材
２２ａ 外環側フランジ部
２２ｂ 外周面
２２ｄ 表面
２２ｅ 内周面
２２ｈ 中央壁
２２ｉ 開放側
２２ｋ 外環側切込部
３０ ロッドパッキン
３３ 拡開バネ
Ｇ 間隙
Ｈ 高圧側
Ｌ 低圧側
Ｔ１ 頂点
Ｔ２ 頂点

Claims (9)

1. 周方向断面形状をほぼＵ字形に形成した環状の内側環状部材と、
   周方向断面形状をほぼＵ字形に形成すると共に、前記内側環状部材を該断面Ｕ字形の内側に軸方向に収容可能な環状の外側環状部材と、
   を具備し、
   前記内側環状部材の断面Ｕ字形の開放側の両端部に該断面Ｕ字形の外方に突出させた内環側フランジ部を形成し、
   前記外側環状部材の断面Ｕ字形の開放側の両端部に該断面Ｕ字形の外方に突出させた外環側フランジ部を形成し、
   内側環状部材を外側環状部材に収容させた状態で、内環側フランジ部の背面に外環側フランジ部の表面が密着すると共に、内環側フランジ部の背面側の内周側先端部と外環側フランジ部の表面側の内周側先端部とで内側接触円を形成し、
   前記内側接触円がシールすべき軸の外周面と接触することを特徴とするロッドパッキン。
2. 前記内環側フランジ部の背面側の外周側先端部と外環側フランジ部の表面側の外周側先端部とで形成された外側接触円が、前記ロッドパッキンを収容するパッキン箱の内側面であって、この外側接触円が対向した部分に接触することを特徴とする請求項１に記載のロッドパッキン。
3. 前記外側環状部材の断面Ｕ字形の中央壁の外側面が、前記ロッドパッキンを収容するパッキン箱の内側面であって、この外側面が対向した部分に密着可能としてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のロッドパッキン。
4. 前記内側環状部材の前記内環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んだ内環側切込部を、周方向の複数箇所に形成してあることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のロッドパッキン。
5. 前記外側環状部材の前記外環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んだ外環側切込部を、周方向の複数箇所に形成してあることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のロッドパッキン。
6. 前記内側環状部材の前記内環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んで、周方向に等間隔で複数箇所に形成した内環側切込部と、
   前記外側環状部材の前記外環側フランジ部の表面から軸方向に沿って適宜な位置まで切り込んで、周方向に前記内環側切込部の間隔と等しい間隔で複数箇所に形成した外環側切込部と、
   を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のロッドパッキン。
7. 前記内側環状部材を前記外側環状部材に収容させた状態で、前記外環側切込部と前記内環側切込部とをずれた位置関係で配することを特徴とする請求項６に記載のロッドパッキン。
8. 周方向断面形状をほぼＵ字形に形成した環状の拡開バネを、前記内側環状部材の内側に収容させることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載のロッドパッキン。
9. 前記内側環状部材と前記外側環状部材の材料を異ならせてあることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかに記載のロッドパッキン。

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