JPS63101578A - 孔部材と軸部材間の密封構造 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、孔部材の孔内に軸部材を相対運動可能に設け
た場合の、両者間の密封構造に関する。

「従来の技術」 相対運動を行う孔部材と軸部材間の密封を必要とする場
合その構造は、その目的と洩れ量により様々な形式があ
り、大別して軸方向に往復連動するものと回転運動する
もの、およびその両方なするものがある。

従来の軸方向の往復運動を行う孔部材と軸部材の密封構
造の例として、エンジンやコンプレッサのシリンダとピ
ストン間の密封構造がある。このピストンとシリンダ間
の密封は、一般的にはピストン外周に数個の平行なリン
グ溝を軸方向に間隔をあけて設け、このリング溝に１箇
所を切断したピストンリングをそれぞれ挿入する構造で
ある。

またピストンとシリンダ間の密封はピストンリングが均
一な弾性力でシリンダ壁面の全周に接していることが望
ましく、そのためピストンリングをシリンダ壁面に圧接
させるようにしたものもある。

さらにピストンリングの切断線を凹凸状にして、その切
断箇所でピストンリング両端が周方向面で重なるように
して切断個所での密封を図ったものもある。

特に、コンプレッサのように気体を密封する孔部材と軸
部材との往復運動の場合には、ピストン外壁に平行多段
、又は螺旋状のラビリンスを設けラビリンス頂部とシリ
ンダ内壁間に微小な隙間を保ち、気体がその微小隙間と
溝の間を通過する際の急膨張急圧縮を繰り返しさせるこ
とにより、圧力損失を増大させ、その結果として、シリ
ンダとピストン間の無給油式密封を行う構造もある。ま
た、往復運動する孔部材と軸部材間に０−リングやグラ
ンドパツキンを設ける方式もある。

回転運動の孔部材と軸部材の密封には、リップシール（
オイルシール）方式、０−リングやグランドパツキン方
式や、シール方式、及び軸の外周に螺旋状ラビンスを設
け、ラビンス頂部と孔の内壁間に微小隙間を保ちながら
、螺旋溝の回転により生じるポンプ作用により、流体を
高圧側に押し戻す方式、又は同様のラビリンス構造で、
先述のコンプレッサの無給油方式密封と同様、流れの急
拡大、急縮小の繰り返し効果による密封方式がある。

また、特に流体を圧送するのを目的とするスクリューコ
ンプレッサでは、回転軸上に形成された螺旋状ブレード
の外周を、微小隙間を保ちながらケース内周に組込み、
螺旋ブレードの頂部とケース内周の隙間から洩れないよ
うにその構成を出来るだけ密封状態とするものもある。

「発明が解決しようとする問題点」 上記のピストンの往復運動の際に用いられるエンジンや
コンプレッサのピストンリングは、全てピストン側に装
着され、またピストンリングも無端状でないため、その
切断箇所での密封が十分でない。

また従来のピストンリングはピストン軸に直角な面上に
配置され、その場合ピストンリングの受ける摩擦反力の
方向は、ピストンの運動方向に対し平行成分がほとんど
である。このためピストンリングへの反力が大きく、摩
擦抵抗も大きく、従ってシリンダ、ピストンリングの摩
耗の点でも不利である。また従来のピストンリングは、
連続リングではなく、切断箇所を押し広げてピストンリ
ング溝に挿入した後、シリンダ内にピストンを装着した
ときに、ピストンリングがシリンダ内壁形状と一致しに
〈〈、ピストン全周での均一な密封が得られないという
問題点があった。

さらにピストンリングを装着したピストンをシリンダ内
に圧入するとき、ピストンリングがシリンダ入口に引か
かって圧入しずらく、またこの圧入時にピストンリング
の一部に曲げ荷重が作用して変形したり折れるなどの問
題があった。

またピストン側にシール材を設け、シリンダ内壁に圧接
往復運動動させる場合は、シリンダ内壁に摩耗が生じる
為、シール性劣化を修理する為シリンダ内径を拡大加工
し、それに合ったオーバーサイズのピストンを改めて製
作し、組合わせるか、シリンダ側を交換するかのいずれ
かであり、修理が困難であった。

これを更に改善する為には、シリンダ側にピストンリン
グを装着すれば良いが、従来の平行複数のピストンリン
グではシリンダ内側に組込み可能でも、ピストンを圧入
しすらいという問題があった。

次にラビリンスを直接ピストン外周に切った、無鎖油舎
ピストンとシリンダの密卦繍浩では、ピストンのラビリ
ンス頂部と、シリンダ内周との隙間の大きさが直接密封
性に影響を与える為、ピストンの外径とシリンダ内径の
加工精度が重要となる。特に、クランク軸やカム軸を介
したピストンの複合運動である為、ピストンが往復運動
方向と直角方向、つまり周方向にも不規則な運動をし、
これによりシリンダ内壁にピストンが直接干渉し、シリ
ンダ及びピストンの両方が摩耗し易い。

次に孔と軸の往復遅効を０リングやグランドパツキンで
密封する際には、形状や寸法状の制約が少ないが、これ
らの材料がゴム等の軟質材であり、且つ既に軸部材の大
きさに合わせ成形する必要がある為、汎用性が少なく寿
命が短い欠点がある。

次に孔部材と軸部材の回転運動における密封については
従来のりツブシール（オイルシール）、Ｏリンググラン
ドパツキンを使用したものがあるが、これらは寸法上の
制約があり、耐久性がない。

次に回転軸状上に螺旋ブレードを溶接したり。

又はネジ溝を加工したスクリューポンプやネジボソザめ
岬均ゴし一１島今−フ；嶌九群士＋１表ハＩ↓加工精度
を出すのが困難であり、軸方向に傾斜した力が作用する
場合に偏った摩擦が生じるという問題がある。

ｒ問題点を解決する為の手段」 本発明は、孔部材に軸部材を嵌合した構造において、孔
部材内周又は軸部材外周の少くなくとも一方に螺旋溝を
設け、この螺旋溝に螺旋状シールを挿入して、孔側の内
径と軸側の外径を軸方向に組合せ、螺旋状シールの突出
端面が対応する周壁、又は対応する他方の螺旋状シール
の突出端面に弾性的に接触するか、微小隙間を保ちなが
ら相対運動をするようにしたものである。孔側と軸側の
強い干渉の可能性のある場合には、螺旋状シールはその
厚さを螺旋溝の寸法との関係で調整し、常に軸方向又は
周方向に適切な遊びを設ける構造とする。

「作用」 孔部材がシリンダ、軸部材がピストン、螺旋溝および螺
旋状シールを軸部材外周に設けた場合について説明する
。

シリンダ内をピストンが往復摺動したとき、螺旋状シー
ルによりピストンとシリンダ間の密封が保たれる。この
場合、ピストンとシリンダ間の隙間は微小であるので、
螺旋状シールの各巻線部の間を洩れるようなことはない
、螺旋状シールの各巻線間に螺旋状の微小隙間があった
としても、螺旋状シールは複数巻であり、洩れようとす
る流体はピストンの運動方向に平行に流れることは出来
ず、長い螺旋状の微小隙間に沿って流れるため、大きな
流れ抵抗による圧損を生じる。またピストンが軸方向に
往復摺動する場合、螺旋状シールの上端巻線部と下端巻
線部の差圧が常に変化しており、これにより更に流れが
撹乱され、益々流れ抵抗が大きくなる。このような状態
で、ピストンは螺旋状シールの巻線方向にほぼ直角に高
速度で移動するので密封に問題はない。

シリンダが急に傾く等の周方向の急激な運動にか生じて
も、螺旋状シールは螺旋溝内の深さ方向に少し移動でき
るので、螺旋状シールと相手側周壁との間でほとんど摩
耗は生じない、螺旋状シールに傾斜方向の衝撃力が作用
したとき、その力点から力は螺旋状シールを伝達してピ
ストン円周方向と軸方向に分散し、螺旋状シール全体に
均一な力を働らかせて、シリンダとピストン間を密封が
できる。それと同時に螺旋状シールと螺旋溝間では、ピ
ストン外壁との摩擦反力およびピストン上下の圧力差に
より、常に螺旋溝側壁側に螺旋状シールが連続的に密封
を助ける方向に圧接され、理想的な密封状態を得ること
ができる。前記は軸部材側へ螺旋状シールを組込み１弾
性的接触をしながら軸が往復運動する場合であるが、非
接触の無給油型の往復運動する場合でも、同様の作用が
得られる。

また軸側でなく孔側に螺旋状シールが組込まれた場合で
も、孔側、軸側共に螺旋状シールを設ける場合でも、前
記例の作用は同じである。静止側に螺旋状シールを設け
る場合は、螺旋状シールの各巻線間に生じる螺旋溝中を
、密封流体が流れることにより長い管路での流れ摩擦抵
抗で圧力損失を生じ、結果的に密封の効果をあげること
が出来るが、運動側に螺旋状シールを設ける場合には。

それに加え往復運動の直接の影響を受は流れの撹乱によ
る圧力損失、つまり密封効果が更に良くなる。また、静
止側と運動側の両方に螺旋状シールを設ける場合には、
静止側に設ける螺旋状シールは螺旋状隙間溝を交叉させ
ることにより大きな流れの撹乱効果を得ることができる
。なお静止側の螺旋状シールにより生じる螺旋溝断面を
必要以上に大きくせず適切に決定することが肝要である
。

孔部材と軸部材の相対運動が回転であっても、回転と往
復運動の複合であっても、前記の作用は同様である０回
転運動においては、螺旋状シールの剛性の強弱により又
回転数の大きさにより、その程度は異なるが螺旋状シー
ルがその外径側に拡張する作用あり、接触回転する場合
には回転数の上昇と共に接触圧力も増大し、一般に回転
数の増加に伴い、流体はより高圧となり流体の密封効果
を上げることも可使となる。なお、螺旋状シールは、回
転運動中、洩れ方向と反対方向にスクリュウポンプ作用
をするようにその向きが設定されており、螺旋状シール
の各巻線間を流体が洩れることはない。

「実施例」 本発明の孔部材がシリンダで、軸部材がピストンである
第１実施例を第１図により説明する。

ピストン１は、シリンダ２内を軸方向に往復摺動するよ
うになっており、ピストンｌの外周に設けた螺旋溝３内
に螺旋状シール４が挿入され、この螺旋状シール４によ
りシリンダとピストン間の密封が保たれる。

螺旋溝３は、ピストンの上、下端部を除いた中央部に複
数巻きとなるように設けられ、この巻数は目的に応じて
変り、密封圧力が大きい程、多数巻とする。

螺旋状シール４は、螺旋溝３の長さより少し短く形成し
て、ピストンの往復運動中に、周方向に自由に螺旋状シ
ール４が動けるようにするとともに、熱膨張に対応させ
る。螺旋状シール４の素材をゴム等の弾性体とするとき
には、シリンダ内壁と螺旋状シールの接触圧力による潰
し代を調整して密封を図る。また素材を金属にするとき
は、螺旋状シール４の螺旋溝３への装着前の外径をシリ
ンダ内壁径よりも若干大きくし、螺旋状シールを螺旋溝
へ装着してシリンダ内に押し込んでも、螺旋状シールの
内周側が螺旋溝底面と干渉しないような寸法にする。

なお、螺旋状シールの断面は、円形でも、外周部が半円
状で内周部が四角形状であってもよく、その目的に応じ
適切な形状にすればよく、螺旋状シール内周側に螺旋状
コイルを設けて螺旋状シールをシリンダ壁面側に押すよ
うにしてもよい。

上記実施例では螺旋溝をピストン（軸部材）外周に設け
たが、その代りにシリンダ（孔部材）内周に設け、その
螺旋溝に螺旋状シールを設けるようにしてもよい、さら
に、螺旋溝と螺旋状シールをシリンダ内周とピストン外
周の両方に設けるようにしてもよい。

また、前記の実施例および変形例では、孔部材と軸部材
の相対運動が軸方向に往復運動するものであったが、そ
の相対運動が回転であっても同様に適用でき、両者間の
密封機能を有する。この場合、螺旋状シールは洩れ方向
と反対方向にスクリュウポンプ作用をさせる向きに配置
され、各巻線間を流体が洩れないようにする。

次に本発明の第２実施例を第２図により説明する。

第１実施例では、螺旋状シールを、それを設けた部材（
孔、軸）でない方の部材の周面に接触させていたが、第
２実施例では螺旋状シールを相手部材の周面に接触しな
いようにしたものである。

すなわち、−例として軸部材５に螺旋溝３を設けるとと
もに、この螺旋溝内に螺旋状シール４を設け、□この螺
旋状シール４の外端面が孔部材６の内周面に間隔７を有
するようにした。なお、孔部材６と軸部材５との相対運
動は、軸方向の往復運動でも１回転運動でもよく、また
螺旋溝と螺旋状シールを軸部材の代りに孔部材に設けて
もよく、さらに両者に設けてもよい。

本実施例のように、螺旋状シール外端面と相手部材の周
面との間に間隔を設けた構成では、両者が回転相対運動
をする場合に気体が両者間で洩れないように密封できる
。また軸部材と孔部材間に粘性の大きな流体を介在させ
て使用する場合に、両者間の密封を保つことができる。

「発明の効果」 本発明は、従来のピストンリング、ラビリンスシールの
ラビリンス、スクリューポンプの螺旋ブレード等等に相
当する部分に代り、シール材を、螺旋状に形成して孔部
材や軸部材の周壁に設けた螺旋溝に装着しているので、
螺旋状シールに衝撃力が作用してもその力はその円周方
向と上下方向に分散されるので、より安定した密封状態
を得ることができ、さらに両者間の摩耗をより減少でき
る。

また螺旋溝に螺旋状シールを組込むとき、螺旋溝に沿っ
てねじ込むようにまたは巻き込むように装着すればよい
ので、その組付けが容易であり、さらにその後に孔側に
軸側を組込むとき、螺旋状シールに曲げ荷重が作用しに
くく、その破損を防ぎトー１％漫スーすた。捺仕の性質
７圧力、温度、渾勤の速度により、螺旋状シールの材質
、形状、寸法等を選択または変更するだけで１機能の幅
広い選択が可使である。また、孔部材と軸部材の加工精
度、又はそれらの組合わせ上の制約も緩和され、更に補
修、修理も容易となる。また、孔部材と軸部材の隙間の
流れの錯乱により生じる振動の元となる不規則な力が螺
旋状シール各部に分散され、吸収され易く、結果として
振動を減少する効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の密封構造の断面図、第２
図は第２実施例の密封構造の断面図である。 １；ピストン　　　　２；シリンダ ３；螺旋溝　　　　　４；螺旋状シール５；軸部材　　
　　　６；孔部材 ７；間隔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）孔部材の孔内に軸部材を嵌合した構造において、
   孔部材の内周又は軸部材の外周の少くなくとも一方に螺
   旋溝を形成し、この螺旋溝内に螺旋状シールを設けた孔
   部材と軸部材間の密封構造。
2. （２）螺旋状シールの外端面と、それを設けた部材でな
   い方の部材周面との間に間隔を設けた特許請求の範囲第
   １項の孔部材と軸部材間の密封構造。