JPH02504665A - 密封リング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 密封リング １血豆上 本発明は、密封リングに関し、特に、ピストン及びシリング、及びピストンロッ ド、シリンダヘッド等を含む往復動する部品の間に使用するのに適する種類の密 封リングに関する。

ピストンとシリンダのように互いに相対的に往復動する部品の間に良好な密封を 設定する技術には多くの問題が伴う、特に、漏れのない状態で長時間、良好な耐 摩耗特性をもって有効な密封を達成するのは、一般に困難である１重荷重を伴う 応用例においては多くの場合、複数個の部品から成る複合シール組立体を用いる ことが肝要であることが判明している。しかしながら、このような複合シール組 立体の使用は、それが一方向シールの場合であっても、性能及び製造コストの両 方の点で問題がないわけではな（、両方向シールの場合は、その問題が一層厳し くなる。

周知の密封リングの一形式として、リップシールがある。リップシールにおいて は、密封すべき移動表面に係合するように半径方向に押圧される密封部材の接触 表面の軸線方向の幅が最少限にされる。この形式のシールは、その幅狭の接触表 面により有効な高い接触圧の、低摩擦シールとされるが、密封リップを損傷させ 、漏れを生じさせるおそれのある固形粒子の汚染物の侵入を受は易い。

周知の密封リングの他の形式として、幅広面接触型シールがある。このシールは 、断面長方形とすることができ、密封すべき移動表面に係合するように半径方向 に押圧される幅広の環状面を有する。この形式の密封リングは、幅広接触表面の 故に固形粒子の汚染物の侵入による損傷を受けにくいが、接触圧が低く、密封リ ングの接触表面と移動表面との間の流体力学的作用により漏れを生じ易い。

英国特許第１４３８６１９号は、リップを形成されたポリテトラフルオロエチレ ン（ＰＴＦＥ）製密封部材と、該密封部材を半径方向に押圧し、そのリップを密 封すべき移動表面に接触するように付勢（押圧）する弾性付勢部材とから成るリ ップシールを開示している。シールの高圧端側の軸線方向の端面には、凹部が形 成されており、密封性を高め、漏れを少なくするように密封リップとシールの低 圧端との間にくさび状の間隙が形成されるようになされている。密封部材と付勢 部材とは、別個の部品として、あるいは一実施例においては一体の一部片構造と して示されている。

１に！匠 本発明の目的は、幅広面接触型の改良された密封リングを提供することである。

本発明によれば、密封リングの軸線方向長さの少なくとも５０％に亙って延長し ており、密封すべき表面に係合するための接触表面を有する密封部材と、該接触 表面を半径方向に押圧して該密封すべき表面に係合させるためのエラストマー製 の付勢部材とから成る密封リングであって、前記密封部材は、良好な耐摩耗性を 有し、該密封リングの作動温度において前記付勢部材より高い弾性率を有するポ リマー材から成り、該密封部材は、該付勢部材との接触面において該付勢部材に 接合されていることを特徴とする密封リングが提供される。

前記密封部材と付勢部材とが接合されていることが肝要であり、その接合は、両 部材間の接触面全体に亙ってなされていることが好ましい、この接合の効果は、 密封リングの低圧端において密封部材と密封すべき表面との間にピーク接触圧が 創生されるように密封リングの物体内の応力部分布を変化させることである。

密封部材と付勢部材を接合する態様は、それらの部材の素材によって異なるが、 斯界において周知の物理的又は化学的方法によって接合することができる。

密封リングの断面形状は、それが使用に供される用途に応じてけることができる 。この密封リングの最も単純で、好ましい形態においては、全体の断面をほぼ長 方形又は正方形とし、密封部材と付勢部材も、それぞれ長方形又は正方形とし、 密封すべき物体に接触する表面を平坦な表面とし、両部材間の接合部を密封表面 に平行にする９が有利である。もちろん、密封部材は、付勢部材と同軸関係に配 置し、内側シールの場合は、密封部材を内周に、外側シールの場合は、密封部材 を外周に配置する。

その場合、密封部材及び付勢部材のそれぞれの半径方向の厚みは、幾つかのパラ メータに従って変えることができるが、密封部材は、付勢部材の半径方向の厚み の少なくとも１０％で、７０％を越えない半径方向の厚みを有するのが好ましく 、最も好ましくは、この値は、５０％を越えず、例えば２０〜３５％の値とする 。

特定のシールのための密封部材及び付勢部材の素材の選択についていえば、密封 部材は、良好な耐摩耗性を有し、かつ１作動温度において付勢部材より高い弾性 率を有することが肝要である０両部材の弾性率の差は、相当に大きいことが好ま しい。

詳述すれば、後述するように、密封部材の弾性と付勢部材の弾性の差は、密封部 材の素材と付勢部材素材の標準円筒形試験体の両端′間に荷重をかけたときの試 験体の高さの減少量に基いて測定した弾性率を用いることによって規定するのが 有利である。

又、先に述べたように、密封部材の良好な耐摩耗性も重要な要素である。好まし い弾性率を測定するのに加えて、標準試験法に従って密封部材の素材の良好な耐 摩耗性を測定し、それを上述した弾性率試験の荷重に関して等式化することが好 ましい。

付勢部材のための好ましい素材は、一般に天然又は合成ゴムとし、ニトリルブタ ジェンゴムのようなニトリルゴムが特に有用であることが認めら得た。密封部材 のための好ましい素材としては、ポリウレタン等がある。

以下に添付図を参照して本発明を説明する。

図面の簡単な説明 第１図は１本発明の一実施例による密封リングの概略軸線方向断面図である。

第２図は、第１図と同様の図であり、本発明の第２実施例による密封リングを示 す。

第３図は、第１図と同様の図であり、本発明の第３実施例による密封リングを示 す。

第４図は、本発明による密封リングのための素材を選択するための弾性率試験か ら得られた荷重（Ｌ）対変形率のグラフである。

第５図は、第１図の密封リングの軸線方向の幅に沿っての応力分布を示すグラフ である。

１里１ 第１図を参照すると、使用中ハウジング２内で往復動する断面円形のロッド３を 囲繞するようにしてハウジング２の環状溝２内に装着された本発明の内側密封リ ングが示されている。

密封リング４は、全体的に断面長方形であり、２つの部品、即ち、いずれも断面 長方形の密封部材５と付勢部材６とから成る。密封部材５は、ポリエーテルウレ タンで形成されており、付勢部材は、ニトリルブタジェンゴムで形成されている 。密封部材と付勢部材とは、両者の間の接触面７全体に亙って形成された良好な 接合部を有している。この接合部は、製造工程中に形成する。

溝の断面のサイズは、密封リング全体が半径方向では溝の全体を埋めるが、密封 リングの両側ではその長手方向に間隙８．９を残すように定める。密封リングの 少なくとも一方の側部の間隙は、シール（密封リング）を最適な態様で機能させ るのに一般に必要とされる。ロッド３を挿入する前の状態では、密封部材の内側 面は、溝から突出しているので、ロッドを挿入すると、密封リングが若干変形さ れ、従って、荷重をかけられる。即ち、ロッドな挿入すると、密封部材５の内側 接触表面（ロッドとの接触表面）１７がロッド３に密封係合するように押圧され る。

密封部材５及び付勢部材６の素材を選択するに当って、両部材の弾性率に一定の 差を規定することが有利であることが判明した０両部材の弾性率は、密封部材の 素材（組成物）と付勢部材素材（組成物）の標準円筒形試験体の両端間に荷重（ Ｌ）をかけたときの両試験体の高さの減少（圧縮）量に基いて測定した。

この弾性率を測定するための試験において用いた円筒形の試験体は、直径１６ｍ ｍ（＋方向の誤差は許容されないが、一方向には０．２　ｍ　ｍの誤差が許容さ れる）、高さ１１ｍｍ（±０．２　ｍ　ｍ　）であり、１ｍｍ／分の割合で歪み を生じるように試験体の頂端にかける荷重（印加荷重）を増大させた。

これらの試験の結果、特に、印加荷重（Ｌ）対歪み（変形率）（Ｈ）のプロット から、密封部材の素材のための値は、２５ｋｇの力（ｋｇｆ）の荷重と変形率５ ％の点Ｘから１２０ｋｇの力（ｋｇｆ）の荷重と変形率３０％の点Ｙを結ぶＩ！ （第４図）より総じて上にあることが好ましく、付勢部材の素材のための値は、 この線より総じて下にあることが好ましいことが判明した。最も好ましいのは、 密封リングの少なくとも作動温度範囲において密封部材の素材のための値が上記 線より常に上にあり、付勢部材の素材のための値が上記線より常に下にあること である。

密封部材５のポリエーテルウレタンのための典型的な弾性率試験の結果は、第４ 図に！Ａとしてプロットされており、部材５のポリエーテルウレタンのための典 型的な弾性率試験の結果は、第４図にｖａＡとしてプロットされており、付勢部 材６のニトリルブタジェンゴムのための典型的な弾性率試験の結果は、第４図に ＩｓＢとしてプロットされている。これらの試験結果は、室温で得られたもので ある。温度とともに変化する弾性率の変化態様を例示するために、この同じポリ エーテルウレタンのサンプルの弾性率を５０℃と１００℃で測定した場合の試験 結果が、第４図にそれぞれ１ＪｉＡ’及びｗＡＡ″で示されている。このことか ら１弾性率は温度の上昇とともに基準線Ｘ−Ｙに近づくことが分る。

本発明において重要なエラストマー材料のもう１つの特性は、応力緩和又は圧縮 永久歪みの特性である。これは、エラストマー材製シールにおいて周知の現象で あり、最初に装着された後時間の経過とともに密封接触圧の喪失を伴う、応力緩 和は、シールの材質、変形、時間温度及び周囲流体の種類によっζ異なるので、 上述した弾性率試験においてその試験結果が上記荷重−変形率線Ｘ−Ｙの上方に くるように密封部材の素材を選択する上で勘酌しなければならない、付勢部材６ に関する限り、その弾性率が比較的低いので、応力緩和の問題は、比較的小さい 。

例えば、第４図の弾性率試験に用いられたポリエーテルウレタンの応力緩和は、 ５０℃と、１００℃の両方の場合において変形率１０％の場合と、変形率２５％ の場合について測定された価が第４図に示されている。いずれの場合も、試験体 をその高さの１０％又は２５％圧縮し、約３日間圧縮状態に保持した後、圧縮を 解除し、試験体の高さを測定した。初期圧縮時の高さに対する高さ減少率（百分 率）は、圧縮永久歪みの尺度であり、圧縮永久歪みは、荷重に比例すると仮定す れば、応力緩和の尺度となる。５０℃においては、１０％の変形率で３７゜９％ の圧縮永久歪みを生じる。これは、点Ｃ１への荷重減少として示されている。２ ５％の変形率では３１．３％の圧縮永久歪みを生じる。これは、点Ｃ２への荷重 減少として示されている。これらの２つの点はいずれも、まだ基準線Ｘ−Ｙの上 方にあり、試験体のポリエーテルウレタンが５０℃の温度での作動に適している ことを示している。

１００℃における同じポリエーテルウレタンについての同様な圧縮永久歪み／応 力緩和の試験結果が第４図に示されている。１０％の変形率で９３．５％の圧縮 永久歪みを生じる。これは、点Ｄ１への荷重減少として示されている。２５％の 変形率では９０．７％の圧縮永久歪みを生じる。これは、点Ｄ２への荷重減少と して示されている。これらの２つの点Ｄ１、Ｄ２は、いずれも、基準線Ｘ−Ｙの 下方にあり、試験体のポリエーテルウレタンが１００℃以上の温度では不適当で あることを示している。５０℃から１００℃までの間の作動温度が許容しつる温 度であり、許容しつる温度は、上述した材料試験を用いて簡単に測定することが できる。

又、密封部材５の良好な耐摩耗性も重要である。上述した好ましい弾性率を測定 することに加えて、標準試験法に従って密封部材の素材の良好な耐摩耗性を測定 し、それを上述した弾性率試験の荷重（Ｌ）に関して等式化することが好ましい 。

この耐摩耗性試験は、所定の表面に接触して移動せしめられた場合の所与の試験 体の重量損失を測定するＤＩＮｍ準試験法５３５１６によるものであり、従って 、この試験体の容積損失百分率（Ｗｆ）を算出することができ、それによって荷 重対摩耗率（Ｌ／Ｗｆ）は、を求めることができる。

本発明の好ましい実施例においては、荷重対摩耗率（Ｌ／Ｗｆ）及び歪み百分率 は、密封部材に関する下記の式の少なくとも１つ、最も好ましくはすべての式に 合致すべきである。

５％の歪みにおいて、１５＜Ｌ／Ｗｆ＜３０１０％の歪みにおいて、２５＜Ｌ／ Ｗｆ＜５５２０％の歪みにおいて、４０＜Ｌ／Ｗｆ＜８０３０％の歪みにおいて 、５５＜Ｌ／Ｗｆ＜１００個々に例示された実施例において密封部材５の素材と して使用されたポリエーテルウレタンの場合、荷重対摩耗率（Ｌ／Ｗｆ）及び歪 み百分率は、下記の通りである。

５％の歪みにおいて、２１．３ １Ｏ％の歪みにおいて、３５．３ ２０％の歪みにおいて、４７．３ ３０％の歪みにおいて、６２．７ 第１図に示されるような代表的な密封リングは、８．０５ｍｍＸ　８．１０ｍｍ の断面積を有し、付勢部材６の３４％に相当する密封部材５の半径方向の厚みを 有し、直径６゜ｌｌｌｌ１１のロッド３と嵌合するようになされた内孔な有し、 ポリエーテルウレタン製の密封部材５及びニトリルブクジエンゴム製の付勢部材 ６を有する。ポリエーテルウレタン製の密封部材及びニトリルブタジニンゴム製 の付勢部材の試験結果については上述した通りである。この密封リングを、圧油 として鉱油Ｄ７２６を使用する油圧ピストンのグランドシールとして装着し、Ｏ から２０６バールの範囲の圧力下で、５９℃の作動温度でのピストンの反復サイ クル作動を伴う耐久試験を行った。４４０時間に亙っての２８９．０００サイク ル（２６６Ｋｍに相当する）の試験時間中、漏れは生じなかった。

第１図の密封リング４の軸線方向の幅（Ｗ）全体に亙っての荷重分布は、第４図 に示されている。即ち、第４図は、密封部材５と、ピストンロッド３の、密封リ ングの低圧端に近接する側の表面との間にピーク荷重（Ｌ）が生じる態様を示す 、この特性は、接触面７において互いに接合された密封部材と付勢部材を有する 本発明による密封リングを象徴する特徴であり、その性能の改良に直接貢献する ものである。

第２図は、ピストン１１の外面に形成された環状溝ｌＯ内に装着され、シリング １２の内面に接触させた本発明の外側密封リングを示す、この密封リングの密封 部材１３及び付勢部材１４は、第１図の密封リングの場合と同じ材料で製造され ており、その作動態様もほぼ同じである。

第３区は、密封リング４の低圧端例の軸線方向の端面に凹部１５が形成されてお り、該凹部に飛び出し防止リング１６が装着されている点を除いては、第１図の ものと同様の密封リング（同等の部品は同じ参！ｆｆ！、番号で示されている） を示す。

第１．２及び３図に示された実施例はいずれも密封すべき移動表面に接触する密 封リングに関するものであるが、本発明による密封リングは２つの相対的に固定 した部材の間の静止シールとしても使用することができることを理解されたい。

本発明による密封リングの密封部材の素材としては、ポリオールとイソシアネー トを連鎖延長剤とともに反応させることによって得られるもの、及びプレポリマ ーから、あるいは、「ワンショット」製造法で得られるものを含むいろいろな種 類のポリウレタンを使用することができる１代表的なポリオールの例としては、 いろいろな分子量のポリエーテル、ポリエステル、ポリカプロラクトン、ポリブ タジェン及びポリカーボネートがある。

又、イソシアネートの各種の例は、斯界において周知であり、トルエンジイソシ アネート（ＴＤＩ）、ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、ナフタレ ンジイソシアネート（ＮＤＩ）、キシリレンジイソシアネート（ＸＤＩ）、ジシ クロヘキシルメタンジイソシアネート（ＨＭＤＩ）、ヘキサメチレンジイソシア ネート（ＨＤＩ）、シクロへキシルジイソシアネート（ＣＨＤＩ）、パラフェニ レンジイソシアネート（ＰＰＤＩ）及びジメチルジフェニルジイソシアネー）　 （ＴＯＤＩ）が挙げられる。連鎖延長剤の例としては、１．４ブタンジオール、 トリメチロールプロパンがある。適当ならば、上述の各物質のいろいろな混合物 を斯界において周知の態様で用いることもできる。又、ポリオールイソシアネー ト及び連鎖延長剤は、いろいろな官能価のものであってよい。

密封部材のための代替組成物、特に比較的高い作動温度に適するものとして、ポ リ尿素、及びアクリル単量体強化炭化水素エラストマーがある。

Ｈｙ。

国際調査報告 国際調査報告 ＧＢ　８９００５３９ ＳＡ　　　　２９０９８

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．密封リングの軸線方向長さの少なくとも５０％に亙って延長しており、密封 すべき表面に係合するための接触表面を有する密封部材と、該接触表面を半径方 向に押圧して該密封すべき表面に係合させるためのエラストマー製の付勢部材と から成る密封リンクであって、前記密封部材は、良好な耐摩耗性を有し、該密封 リング（４）の作動温度において前記付勢部材（６）より高い弾性率を有するポ リマー材から成り、該密封部材（５）は、該付勢部材（６）との接触面（７）に おいて該付勢部材（６）に接合されていることを特徴とする密封リング。
2. ２．前記密封部材（５）は、前記付勢部材（６）との接触面（７）全体に亙って 該付勢部材（６）に接合されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記 載の密封リング。
3. ３．前記密封部材（５）は、断面ほぼ長方形であることを特徴とする特許請求の 範囲第１項又は２項に記載の密封リング。
4. ４．断面ほぼ長方形であることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の密封 リング。
5. ５．前記接触表面の一端近くに飛び出し防止リング（１６）を受容するための凹 部（１５）が、該密封リング（４）の軸線方向の端面に形成されていることを特 徴とする特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに記載の密封リング。
6. ６．前記密封部材（５）は、前記付勢部材（６）の半径方向の厚みの１０〜７０ ％の半径方向の厚みを有することを特徴とする特許請求の範囲第１〜５項のいず れかに記載の密封リング。
7. ７．前記密封部材（５）は、前記付勢部材（６）の半径方向の厚みの２０〜３５ ％の半径方向の厚みを有することを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の密 封リング。
8. ８．前記密封部材（５）の素材は、高さ１１ｍｍ、直径１６ｍｍの標準円筒形試 験体に作動温度において１ｍｍ／分の割合で歪み（Ｈ）を生じるように荷重（Ｌ ）をかけたときの該試験体の高さの減少量に基いて測定した印加荷重（Ｌ）対歪 み（Ｈ）の試験結果が、２５ｋｇｆの荷重と変形率５％の点から１２０ｋｇｆの 荷重と変形率３０％の点を結ぶ線（Ｘ−Ｙ）より上の値を示すように定められて いることを特徴とする特許請求の範囲第１〜７項のいずれかに記載の密封リング 。
9. ９．前証付勢部材（６）の素材は、高さ１１ｍｍ、直径１６ｍｍの標準円筒形試 験体に作動温度において１ｍｍ／分の割合で歪み（Ｈ）を生じるように荷重（Ｌ ）をかけたときの該試験体の高さの減少量に基いて測定した印加荷重（Ｌ）対歪 み（Ｈ）の試験結果が、２５ｋｇｆの荷重と変形率５％の点から１２０ｋｇｆの 荷重と変形率３０％の点を結ぶ線（Ｘ−Ｙ）より下の値を示すように定められて いることを特徴とする特許請求の範囲第１〜８項のいずれかに記載の密封リンク 。
10. １０．前記密封部材のポリマー素材は、ポリウレタンであることを特徴とする特 許請求の範囲第１〜９項のいずれかに記載の密封リング。
11. １１．前記エラストマー製付勢部材は、ニトリルゴムから成ることを特徴とする 特許請求の範囲第１〜１０項のいずれかに記載の密封リング。
12. １２．添付図面の第１、４及び５図、又は第２図、又は第３図を参照して本明経 書に記載された密封リング。