JP6934387B2

JP6934387B2 - 密封装置

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Publication number: JP6934387B2
Application number: JP2017194469A
Authority: JP
Inventors: 一憲神保
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2017-10-04
Filing date: 2017-10-04
Publication date: 2021-09-15
Anticipated expiration: 2037-10-04
Also published as: US20190101211A1; CN109611408A; JP2019066016A

Description

本発明は、密封装置に関し、特に、シリンダに対してピストンが往復動する部分を密封する場合の密封装置に関する。

従来、建設機械用の油圧シリンダにおいては、図９に示すように、ピストン５００とシリンダ６００との間にピストンシーリングシステム１０００が設けられており、ピストン５００の外周面５００ａとシリンダ６００の内周面６００ａとの間の環状隙間を密封している。

このピストンシーリングシステム１０００では、ピストン５００の外周面５００ａのうちストローク方向における中央の環状溝５０１にはパッキンとしてピストンシール５３０が装着され、当該ピストン５００の外周面５００ａのうちピストンシール５３０の両側には軸受としてウェアリング５４０、５５０が２個装着されているとともに、ウェアリング５４０、５５０の更に外側にコンタミシール５６０、５７０が２個装着されている（例えば、特許文献１を参照。）。

ピストンシール５３０は、環状溝５０１に装着され、ナイロンなどの硬質材料からなるシールリング５１０と、当該シールリング５１０をシリンダ６００の内周面６００ａに向かって押圧するゴム状弾性体からなるＯリング５２０とを備えている。

ウェアリング５４０、５５０は、ピストン５００とシリンダ６００とのかじりを防ぎ、当該ピストン５００と当該シリンダ６００との間の偏心を小さくし、ピストンシール５３０の耐久性およびシール性を向上させるために用いられる。

コンタミシール５６０、５７０は、主にＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）材からなり、図１０（Ａ）に示すように、油中のダスト（コンタミネーション）等の異物７００を物理的に堰き止めて内側のピストンシール５３０へ当該異物７００が侵入することを抑制する。

また図１０（Ｂ）に示すように、コンタミシール５６０は、当該コンタミシール５６０のシール面に異物７００が介在して押し付けられた際、弾塑性体であるために異物７００が埋没した状態で永久変形し、異物７００がシール面から突出することがない。このため、コンタミシール５６０は、ピストン５００の外周面５００ａがシリンダ６００の内周面６００ａと摺動したときに、シリンダ６００の内周面６００ａを異物７００により傷付けることを防止している。

実開平２−１２５０５号公報

しかしながら、ピストンシーリングシステム１０００において、ピストン５００のストローク方向にコンタミシール５６０、５７０を装着するスペースを十分に確保できず、かつ、油中に異物７００が多く存在するような場合がある。例えば、工作機械の油圧駆動部であって、切粉等の異物７００が油中に混在するような場合、コンタミシール５６０、５７０が装着されていないと、異物７００の侵入によりピストンシール５３０のシールリング５１０のシール面に傷が付き、シリンダ６００の内周面６００ａに傷が付いて油が吹き抜けてしまう等、ピストンシール５３０本来の性能が低下し低寿命となることがあった。

本発明は、上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、コンタミシールを装着できない場合でも、異物の侵入を防止して本来の性能を発揮できる長寿命の密封装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明においては、シリンダの内周面に対して、または、当該シリンダの内周面を軸線方向に沿って移動するピストンの外周面に対して、軸線方向と直交する径方向へ向かって所定深さに形成された環状の凹部に装着される密封装置であって、前記シリンダの内周面または前記ピストンの外周面に対して摺動自在に接触する摺動面を有する環状のシール状部材と、前記シール部材を前記シリンダの内周面または前記ピストンの外周面に向かって押圧する弾性材からなる環状のリング状部材とを備え、前記シール状部材は、前記摺動面に沿って周方向へ環状に設けられた溝と、前記シール状部材の側面から前記溝へ連通するように形成されたスリットとを有し、前記シール状部材は、前記溝よりも外側の摺動面部分がコンタミシールとして機能するコンタミシール部と、前記溝よりも内側の摺動面部分が油圧シールとして機能する油圧シール部とを備える。

本発明の一態様に係る密封装置において、前記コンタミシール部の摺動面部分の表面粗さは、前記油圧シール部の摺動面部分の表面粗さよりも粗い。

本発明の一態様に係る密封装置において、前記スリットの深さは、前記溝の深さと同じである。

本発明の一態様に係る密封装置において、前記スリットは、前記溝から前記シール状部材の側面に向かって拡がっている。

本発明に係る密封装置によれば、コンタミシールを装着できない場合でも、異物の侵入を防止して本来の性能を発揮できる長寿命の密封装置を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る密封装置の装着状態を示す断面図である。本発明の実施の形態に係る密封装置の外観構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る密封装置の断面構造を示す部分拡大断面図である。本発明の実施の形態における密封装置の動作状態を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における密封装置（１）の外観構成を示す斜視図である。本発明の他の実施の形態における密封装置（２）の構成を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における密封装置（３）の構成を示す断面図である。本発明の他の実施の形態における密封装置（３）の装着状態を示す断面図である。従来のピストンシーリングシステムの構成を示す略線的断面図である。従来のコンタミシールの機能の説明に供する略線的断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照し説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る密封装置の外観構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る密封装置の断面構造を示す部分拡大断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る密封装置の装着状態を示す断面図である。図４は、本発明の実施の形態における密封装置の動作状態を示す断面図である。

以下、説明の便宜上、図１乃至図４において、軸線ｘに沿った矢印ａｂ方向（以下、これを「ストローク方向」ともいう。）において、軸線ｘ方向に沿った矢印ａ方向を左側とし、軸線ｘ方向に沿った矢印ｂ方向を右側とする。また、軸線ｘと直交する矢印ｃｄ方向（以下、これを「径方向」ともいう。）において、軸線ｘから離れる方向（矢印ｃ方向）を外周側とし、軸線ｘに近づく方向（矢印ｄ方向）を内周側とする。

＜第１の実施の形態＞
図１乃至図４に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る密封装置１は、建設機械用の油圧シリンダにおけるシリンダ１００とピストン２００との間を密封するものである。特に、密封装置１は、図１に示すように、ピストン２００のストローク方向における長さが短く、ウェアリング５４０、５５０の外側にコンタミシール（図示せず）を装着することが出来ないピストンシーリングシステムの場合に有効である。

シリンダ１００は、軸線ｘに沿ったストローク方向（矢印ａｂ方向）に所定内径の内周面１００ａを有する円筒形状の油圧シリンダである。ピストン２００は、所定外径を有する円筒形状の油圧ピストンであり、図示しないピストンロッドと一体に形成されている。ピストン２００は、シリンダ１００の内周面１００ａと平行でかつ軸線ｘに沿った外周面２００ｇを有し、シリンダ１００の内周面１００ａと摺動自在に移動する。

ピストン２００は、外周面２００ｇにおけるストローク方向（矢印ａｂ方向）の中央またはほぼ中央に凹部としての断面矩形状の環状溝２０１を有し、その環状溝２０１に対してパッキンとして密封装置（ピストンシール）１が装着されている。ただし、これに限るものではなく、シリンダ１００の内周面１００ａにおけるストローク方向（矢印ａｂ方向）の中央またはほぼ中央に断面矩形状の環状溝（図示せず）を有し、その環状溝に対して密封装置（ピストンシール）１が装着されていてもよい。

＜密封装置の構成＞
図１に示したように、密封装置１は、シリンダ１００とピストン２００との間の環状の隙間を密封し、シリンダ１００内を図１の左側（矢印ａ方向）の空間と、右側（矢印ｂ方向）の空間とに隔てている。

図２に示すように、密封装置１は、シール状部材としてのシールリング２０、および、リング状部材としてのＯリング３０を備えている。この密封装置１は、シールリング２０とＯリング３０とが一体に組み合わされた組み合わせシールである。

シールリング２０は、樹脂材からなり、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の軟質性樹脂の他に、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポニフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ナイロン６，６等の硬化性樹脂も適用可能である。Ｏリング３０は、ゴム等の弾性材からなり、例えば、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）等である。

シールリング２０は、軸線ｘに沿ったストローク方向（矢印ａｂ方向）の長さ、すなわちシールリング２０の幅が、ピストン２００の環状溝２０１におけるストローク方向（矢印ａｂ方向）の幅と同一、または、僅かに小さい。Ｏリング３０については、その直径がシールリング２０の幅と同一、または、僅かに小さい。

シールリング２０は、断面矩形状（この場合は、断面長方形状）の環状のリング状部材であり、シリンダ１００の内周面１００ａと摺動する側の摺動面２０ａと、Ｏリング３０が一体に取り付けられる側の取付面２０ｂとを有する。

シールリング２０の摺動面２０ａには、周方向に延びる無端状かつ環状の溝ｇｒ１、ｇｒ２が設けられている。溝ｇｒ１、ｇｒ２は、同一の構造を有しており、互いに平行に周方向に沿って走っている。溝ｇｒ１、ｇｒ２は、略断面半円状からなり、所定の深さに形成されている。なお、溝ｇｒ１、ｇｒ２は、略断面半円状に限るものではなく、略断面矩形状その他種々の形状であってもよい。これらの溝ｇｒ１、ｇｒ２は、例えば、切削やその他種々の手法により形成される。

溝ｇｒ１、ｇｒ２は、摺動面２０ａの端縁２０ａＲ、２０ａＬから所定の間隔ｄ１だけ離れた位置にそれぞれ形成されている。また、溝ｇｒ１、ｇｒ２は、互いに間隔ｄ２だけ離れて形成され、間隔ｄ２＞間隔ｄ１の関係を有している。ただし、これに限るものではなく、間隔ｄ２＝間隔ｄ１、もしくは、間隔ｄ２＜間隔ｄ１であってもよい。

ここで、摺動面２０ａのうち、溝ｇｒ１、ｇｒ２よりも外側である左側（矢印ａ方向）および右側（矢印ｂ方向）の摺動面部分２０ａｃは、異物７００を堰き止めるとともに侵入しても異物７００を埋没させた状態で永久変形し、異物７００がシール面から突出することを防止するコンタミシール部として機能する部位である（以下、摺動面部分２０ａｃをコンタミシール部２０ａｃと呼ぶ。）。

一方、摺動面２０ａのうち溝ｇｒ１、ｇｒ２の間となる内側の摺動面部分２０ａｇは、シリンダ１００とピストン２００との間の環状の隙間を密封し、シリンダ１００内を左側（矢印ａ方向）の空間と、右側（矢印ｂ方向）の空間とに隔てる油圧シール部として機能する部位である（以下、摺動面部分２０ａｇを油圧シール部２０ａｇと呼ぶ。）。

すなわち、シールリング２０の摺動面２０ａは、溝ｇｒ１、ｇｒ２よりも外側の２つのコンタミシール部２０ａｃと、溝ｇｒ１、ｇｒ２の内側の１つの油圧シール部２０ａｇとを分割した状態で備えている。

ここで、２つのコンタミシール部２０ａｃの表面は、コーティング処理、表面粗さの調整、表面改質処理等によって、油圧シール部２０ａｇの表面よりも粗い表面粗さを有している。

さらに、２つのコンタミシール部２０ａｃは、シールリング２０の側面２０ｓから溝ｇｒ１、ｇｒ２へ連通するように形成されたスリット２１をそれぞれ有している。具体的には、コンタミシール部２０ａｃは、側面２０ｓと溝ｇｒ１、ｇｒ２とを連通するように周方向に直交したスリット２１をそれぞれ複数備えている。スリット２１は、例えば、周方向に９０度間隔で４個等配されている。

スリット２１は、略断面半円状からなり、所定深さに形成されている。なお、スリット２１は、略断面半円状に限るものではなく、略断面矩形状その他種々の形状であってもよい。さらに、スリット２１の径方向（矢印ｃｄ方向）の深さは、溝ｇｒ１、ｇｒ２の深さと同一となっている。ただし、これに限るものではなく、スリット２１の深さが溝ｇｒ１、ｇｒ２よりも浅くてもよい。

＜密封装置による動作＞
このような構成の密封装置１は、図１に示したように、ピストン２００の環状溝２０１に装着された場合、シリンダ１００の内周面１００ａとピストン２００の外周面２００ｇとの間で、Ｏリング３０が所定の断面つぶし代を持って当該ピストン２００の環状溝２０１における内周面（底面）２０１ａと接触される。

したがって、密封装置１は、Ｏリング３０の弾性力によりシールリング２０がシリンダ１００の内周面１００ａに押し付けられて当該シリンダ１００とピストン２００との間の環状の隙間を密封する。この状態において、シリンダ１００の外部から油が導入されると、その油圧によりピストン２００が軸線ｘに沿ったストローク方向（矢印ａｂ方向）へ相対移動する。

密封装置１では、シリンダ１００に対してピストン２００がストローク方向（矢印ａｂ方向）へ往復動する際の繰り返し加圧により、シールリング２０のコンタミシール部２０ａｃにはみ出し変形が発生する場合がある。このような場合であっても、油圧シール部２０ａｇとコンタミシール部２０ａｃとは、摺動面２０ａに設けられた溝ｇｒ１、ｇｒ２の存在により分離されているので、油圧シール部２０ａｇに対するコンタミシール部２０ａｃのはみ出し変形の影響を低減することができる。

ただし、密封装置１は、コンタミシール部２０ａｃの表面が油圧シール部２０ａｇの表面よりも粗いので、当該コンタミシール部２０ａｃの表面において異物７００をキャッチし易くなり、油圧シール部２０ａｇへ異物７００が侵入するリスクを低減することができる。

密封装置１は、コンタミシール部２０ａｃの存在により、異物７００の侵入を堰き止めるとともに抑制することができるが、異物７００が侵入しコンタミシール部２０ａｃを通過した場合でも、溝ｇｒ１、ｇｒ２の空間に異物７００が一旦解放されるので油圧シール部２０ａｇにおける異物７００の噛み込みを防止することができる。

また、密封装置１は、溝ｇｒ１、ｇｒ２と連通するスリット２１を有するため、油を導入および排出し易くすることができ、かくして、溝ｇｒ１、ｇｒ２に対する油圧の蓄圧を回避することができる。

さらに、図４に示すように、密封装置１は、右側（矢印ｂ方向）からＯリング３０にかかる油圧によりシールリング２０に対して外周側（矢印ｃ方向）への内圧が生じて当該シールリング２０をシリンダ１００の内周面１００ａに押し付ける力（拡張力）が発生する。

しかしながら、密封装置１では、スリット２１から溝ｇｒ１に対する油圧がシールリング２０のコンタミシール部２０ａｃに対する内周側（矢印ｄ方向）へのキャンセル圧として作用するので、油圧シール部２０ａｇのシリンダ１００の内周面１００ａに押し付ける力（拡張力）が弱められる。その結果、密封装置１は、シリンダ１００の対するピストン２００のストローク方向への往復動に対して摺動抵抗が低減し作動性が向上することになる。

このように密封装置１は、コンタミシール機能を有しつつ摺動抵抗の少ない作動性に優れた密封性能を発揮することができる。また、密封装置１は、従来の密封装置と同じサイズのまま、別個にコンタミシールを設けた場合と同等以上の作用効果を奏することができる。

かくして、コンタミシールを装着できない場合でも、異物７００の侵入を防止して本来の性能を発揮できる長寿命の密封装置１を実現することができる。

＜第２の実施の形態＞
図２および図３との対応部分に同一符号を付して示す図５（Ａ）および（Ｂ）において、第２の実施の形態における密封装置１ａは、シールリング２０およびＯリング３０を有する点において第１の実施の形態における密封装置１と同一であり、シールリング２０のスリット２２の構成が異なっている。

スリット２２は、溝ｇｒ１、ｇｒ２から外側の側面２０ｓへ向かって次第に拡径する断面半休形状を有している。密封装置１ａでは、このような形状を有するスリット２２が設けられたシールリング２０を有しているため、当該スリット２２から油を導入し易く、かつ、排出し易いため、油圧によって油が油圧シール部２０ａｇとシリンダ１００の内周面１００ａとの間を吹き抜けてしまう事態を防止することができる。

＜第３の実施の形態＞
図３との対応部分に同一符号を付して示す図６において、第３の実施の形態における密封装置１ｂは、シールリング２０の摺動面２０ａに対して１つの溝ｇｒ１だけが形成された構成を有している。

すなわち、密封装置１ｂでは、溝ｇｒ１よりも外側の側面２０ｓまでがコンタミシール部２０ａｃとなり、溝から反対側の側面２０ｓまでが全て油圧シール部２０ａｇとなっている。この場合であっても、上述した第１の実施の形態における密封装置１と同様の作用効果を奏することができる。

＜第４の実施の形態＞
図７および図８に示すように、第４の実施に形態における密封装置１ｃは、Ｏリング７０が外周側（矢印ｃ方向）に位置し、シールリング６０が内周側（矢印ｄ方向）に位置した状態で一体に結合された構成を有している。

この密封装置１ｃのシールリング６０およびＯリング７０の基本構造は、第１の実施の形態における密封装置１のシールリング２０およびＯリング３０と同一であるが、シールリング６０の内周面がピストン２００の外周面２００ｇと摺接する摺動面６０ａとなる。この摺動面６０ａに、密封装置１と同様に溝ｇｒ１、ｇｒ２が形成されている。したがって、密封装置１ｃは、溝ｇｒ１、ｇｒ２を境界として、２つのコンタミシール部６０ａｃと１つの油圧シール部６０ａｇとを備えることになる。

この密封装置１ｃでは、ピストン２００の外周面２００ｇとシールリング６０の摺動面６０ａとが摺接する構成であり、第１の実施の形態における密封装置１とは摺接する対象がシリンダ１００の内周面１００ａではないが、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。

＜他の実施の形態＞
なお、上述した実施の形態においては、密封装置１のシールリング２０の摺動面２０ａに２本の溝ｇｒ１、ｇｒ２を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、摺動面２０ａに２本以上の例えば４本の溝ｇｒ１乃至ｇｒ４を設けるようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、スリット２１が周方向に９０度間隔で４個等配されているようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、３個、６個等、その他種々の個数を設けるようにしてもよい。要は、キャンセル圧による摺動抵抗の低減をどれ位に設定するかに応じて任意に決定することが可能である。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に係る密封装置１に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含む。また、上述した課題および効果の少なくとも一部を奏するように、各構成を適宜選択的に組み合わせてもよい。例えば、上記実施の形態における各構成要素の形状、材料、配置、サイズ等は、本発明の具体的使用態様によって適宜変更され得る。

本願発明の密封装置は、建設機械用の油圧シリンダにおけるシリンダ１００とピストン２００との間を往復動する際の密封用途に適用するようにした場合について述べた。しかしながら、本願発明の密封構造および密封装置が利用されるものは、自動車等においてシリンダとピストンとの間を往復動する際の密封用途に適用することが可能である。

１…密封装置、２０、６０…シールリング（シール状部材）、２０ａ…摺動面、２０ａｃ…コンタミシール部、２０ａｇ…油圧シール部、２１…スリット、３０、７０…Ｏリング（リング状部材）、１００…シリンダ、２００…ピストン、１０００…ピストンシーリングシステム、ｇｒ１、ｇｒ２…溝、ｘ…軸線

Claims

シリンダの内周面に対して、または、当該シリンダの内周面を軸線方向に沿って移動するピストンの外周面に対して、軸線方向と直交する径方向へ向かって所定深さに形成された環状の凹部に装着される密封装置であって、
前記シリンダの内周面または前記ピストンの外周面に対して摺動自在に接触する摺動面を有する環状のシール状部材と、
前記シール状部材を前記シリンダの内周面または前記ピストンの外周面に向かって押圧する弾性材からなる環状のリング状部材と
を備え、
前記シール状部材は、前記摺動面に沿って周方向へ環状に設けられた溝と、前記シール状部材の側面から前記溝へ連通するように形成されたスリットとを有し、
前記シール状部材は、前記溝よりも外側の摺動面部分がコンタミシールとして機能するコンタミシール部と、前記溝よりも内側の摺動面部分が油圧シールとして機能する油圧シール部と
を備え、
前記コンタミシール部の摺動面部分の表面粗さは、前記油圧シール部の摺動面部分の表面粗さよりも粗い
密封装置。
前記スリットの深さは、前記溝の深さと同じである、請求項１に記載の密封装置。
前記スリットは、前記溝から前記シール状部材の側面に向かって拡がっている、請求項１に記載の密封装置。