JPS63501440A - シール装置およびシール方法 - 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】 シール装置 技術分野 本発明は、両者間に遊びが存在する円筒状の分離面を持つ２つの相対的に可動な 部品間を密閉するためのシール装置に関する。

一方の部品がシール溝を備え、このシール溝内に他方の部品の円筒状面に対して ブレストレスト配置されたシールリングが位置し、該円筒状面に対して動的密閉 を与える。シール溝はシールリングの少なくとも片面に位置したギャップを含み 、少な《とも１つのシール要素がシールリングに対してブレストレストされたシ ール溝内に配置される。

又夙ｑ互量 例えば油圧シリンダや同様の構成部品における高圧でのシーリングは、ほとんど の可動作業機、機械化及び自動化用重機器にとって重要な機能及び信較度と関連 している。より適切な動的密閉を開発するため集中的な開発努力が払われてきた が、これらの摩耗部品は今でもシリンダの寿命中に１回または数回交換しなけれ ばならない．不適なシール機能は、油圧系における故障のもっとも一般的で且つ もっとも重大な原因の１つでもある．現時点のシール技術と所望ｍ能を満たす密 閉上の困難さが、寿命を不充分にしているだけでなく、応用分野に応じさまざま な程度で、製品の機能を劣化させ、さらに例えば油圧技術の応用範囲を制限する 寿命以外の幾つか品質上の問題も生じている。不完全な密閉と寿命の他、とりわ け重大な欠点は高／低温における制約及び摩擦とびびりでの制約である．シール 機能の重要さと許容し得るシール機能を達成する困難さのため、比較的要求が厳 しく比較的簡単な適用分野では一般に、例えばシリンダ管とロンドピストンにお いて、比較的厳密な直径公差及びシール面での極長表面仕上げで動作させること によって、可及的に最良の結果に達しようと試みられている。通常ポリマー材料 で形成されるシール体は一般に構成部品のコスト中わずかな部分を占める一方、 協働する面に課せられる要求が材料コストと比べ支配的なコストを成している。

つまり、構成部品を密閉するための総コストが支配的コストである一方、シール 要素自体のコストは一般に取るに足りない。

寿命の問題は原理上、３つの主な原因から生じる。シール本体は圧力及び圧力変 化により疲労してひび割れを生み、その結果リークと破損を引き起こす。つまり 、圧力のためシール体が密閉すべき２つの部品間のギャップ内に押し出され、そ の結果としてひび割れ、リーク及び破損をもたらす。低い動的リークを達するた め、シール体には液膜に突き入るシールリップつまり表面突起が形成されている 。ピークの接触圧を与えるシール体のこの部分が摩損すると、圧力ピークが保証 されず、動的リークが増して動作の妨害につながる。従って、従来の最新のシー ル体は、疲労、交換、及びシール体の摩耗面に通した摩耗抵抗を考慮して形成さ れている。こ＼２０〜３０年の間事実上新規なシーリングはほとんど開発されて こなかったが、シール体の新たな些細形状や新規に開発及び改良された素材が疲 労及び交換特性、並びに摩損特性を向上させてきた。今でもあらゆる種類の寿命 問題が存在するが、未だに解決されていない決定的な問題は、主としてシール体 の接触面の摩損である０周知な最良の耐摩耗素材を用いたとしても、はとんどの ケースでその摩損は許容し得ないほど大きい、数十年に及ぶ全世界における集中 的な努力にもかかわらずそれ以上の結果に達しない理由は、従来のシーリングの 機能原理がリップにおいて極めて高い接触圧を生じ、リップが摩損しないまたは 素材の硬化により変形しないという極めて高い程度の見込前提に従ってシール体 と同時にシール機能が決められてしまう点にある。素材と接触箇所、主にシール リップにおける圧力が、摩損及び素材の硬化を増大させる要因である。これまで 、シール形状と素材の品質に基づいて満足し得るシーリングの開発に成功した者 は誰もいす、恐らく今後将来未知の素材とその品質をもってしても、程度の差こ そあれ完全に成功することはないであろう、こ−に、現在周知のシーリングはす でにその可能性の限界まで開発されてきており、決定的な意味ではこれ以上開発 不能であると信するに足る理由がある。シールリップにおける高圧は、液圧と、 シール体の断面がシール溝内に圧縮されている時シール素材内に生じる圧力との 和から成る。低及びゼロ圧力で動的密閉するためには、シール体の予圧縮が必要 である。シール体は時間の経過につれシール材及びシールリップ中におけるプレ ストレスを失なつてい（ので、一定の時間経過後には低圧でも密閉上の問題がし ばしば生じる。

こうした問題は通常、粘性が高くなり、低温でシール素材の弾性が減少する冬期 において深刻となる。かかる硬化に伴なう問題を減じるため、ポリマー材料から 成るシール本体は比較的大きい半径方向高さを持つ形状にしなければならない、 この結果、シール体は不適切に大きな寸法となり、製品に組み入れるのが困難で 高価となる。要約すれば、通常のポリマー製シール体の低圧におけるシール機能 も、比較的高いシール部分の予圧縮によって達成可能でなければならない。この ため、シールリップで必要な表面圧は通常、２〜５　ＭＰａの大きさである。シ ールリップでの硬化及び摩損を引き起す圧力は、２５ＭＰａ系の場合約１０〜３ ０ＭＰａの間、すなわちシール機能に必要な表面圧力よりかなり高い。従って、 従来のシーリングにおける機能原理の基本的欠陥は、シール要求が必要としてい るよりもはるかに高い荷重及び摩耗力が加わりているという点にある。

液圧に応じたシール体と対応面との間での高い接触圧は、始動摩擦が高くなると いう結果を生じる。さらに悪いことに、その摩擦は移動が始まると著しく減少し 、いわゆるびびり動が生じ易い。

圧力と粘性さらにその他多数の因子がびびり動に影響を及ぼす場合、従来のシー リングは、正確な位置決めにおける油圧的な解決は電気機械的な解決と比べそれ を保証するのが困難であるという事実に明らかに左右される。

シール体の摩損を減じる一つの方法は、低速でも油膜を形成し、従ってすべり軸 受として機能するような形状にすることである。

ピストンを密閉する場合、内部リークが有害な影響をもたらさなければ上記の方 法が使え、現在でも比較的高い割合で使われている。しかしピストンリングでは 、外側リークが許容されず、従うて必ず膜形成の防止が図られている。膜形成が 生じる場合、それが起きるのは高い速度及び粘性においてである。シリンダ内に おける往復動の速度は向き変えのためゼロに減速されねばならないので、膜形成 はストロークの一部においてだけ生じる。摩損は低速で大きく重大であるため、 優れた膜形成能力を持つシーリングでも膜を形成しないシーリングと比べ、実用 上決定的に耐摩耗性とはならない。

つまり、通常のシーリング寿命は、耐摩耗性のシール素材を選ぶことと、協働す る対向面を低い輪郭高さとし且つその他の輪郭形状よりも比較的低い摩損を生じ る表面輪郭形状を持つようにすることによって、実質上延長できる。現在量も一 般的なシール素材は、各種のＫｇ剤を含んだポリウレタンとニトリルゴムである 。

また、その他の素材と複合させたＰＴＦＥも比較的よく使われるシール素材であ る。長い以前から、ポリマー材料製のシール体が、シリンダ及び同様の構成部品 におけるシール素材として支配的であった。しかし、時に米国で比較的頻繁に使 われている金属製のピストンリングは例外である。これらのピストンリングは、 密閉上なりスリットで割られている。この種のシーリングの利点は、優れた寿命 、耐高温性、比較的低い摩擦、良好なびびり特性、及び小寸法にある。一方極め て重大な欠点としてリークが非常に太き（、これが特に産業的な機械化の分野で それらのピストンリングのピストンシーリングとしての使用を制限している。金 属製のピストンリングは、ポリマー材料製の軟質シール体と比ベリークが１００ 〜１０００倍以下であれば、優れたシーリングと言える。

それにもかかわらず金属製のピストンリングが成功を収めてきた事実は、ピスト ンのリークがシリンダの案内弁におけるリークとはり同じ大きさであることによ って説明される。異なる材料間での重要な差は、それらのびびり及び摩擦特性と 、対向面の分子に対する一時的な局部分子結合を形成しようとする傾向とにある 。

この点について見ると、通常のポリウレタンとニトリル素材は最悪で、さまざま な形でのＰＴＦＥ複合体は良ｈ＞で、金属が一般に最良である。現在の通常のシ ーリングでは、あらゆる種類の分野で最良なシーリングは存在せず、可能な限り 最良の解決策を達成するようにシールの種類及び素材が選ばれる。

又皿生斐丘 本発明は、上記及びその他周知の欠点を除去するものである。

静的な初期リークが幾分増大するのは事実だが、全く同一のシール体で次の利点 が得られる： ａ）対向面を密閉し協働させる総コストが低い。

ｂ）対向面が相対的に高い輪郭高さと比較的摩耗性の輪郭形状を持つ場合でも、 寿命が長い。

Ｃ）低摩擦。

ｄ）　びびりを生じる傾向が低い。

ｅ）　高／低温に影響され難い。

ｆ）　シール体中の不感材料が、圧力媒体によって化学的に影響されない。

ｇ）　シール体と対向面の間での一時的な局部分子結合を生じる傾向が低い。

ｈ）装着及び非装着両方の貯蔵安全シーリング。

ｉ）小寸法。

全く同一のシール体で同時に上記の各特性を有する本発明のシール装置は、従来 の各種シーリング中最良のものと特性を比べると、それぞれの特性について優れ ているか、あるいは少な（とも同程度の良質である。これを可能とするため、本 発明のシール装置は重要な各点に関し新規な機能原理で動作し、各特性毎に好都 合の機能条件を与える。

上記を達成するため、本発明は以下の請求の範囲に記載の内容を特徴とする。

従来の各種シーリングは、液圧と比例して上昇する高い接触圧をシール体と協働 する対向面との間で有していた。またそれらは、シール機能にとって重要な何ら かの形の“シールリング２または同様物を有し、素材の硬化及び摩損に伴なって その部分のシール作用が劣化し、リークの増加を生じていた。本発明は優れた寿 命という第１の重要な必要条件として、シール本体と協働対向面との間での接触 圧が低く、液圧により比較的制限された範囲でだけ左右されるという条件を満た す、優れた寿命及び密閉のための第２の重要な必要条件として、本発明によるシ ール装置は、密閉にとって重要なシール形状が硬化または摩損によって劣化され ないという条件を満たす。

集中的な努力にもかかわらず、現在のシール技術は未だ、一定で、充分に高く、 しかも時間とともに摩耗及びその他さまざまな環境因子を変化させないプレスト レスを与えるという問題の解決に成功していない。素材の選択では、ゴム、ポリ ウレタン等はとんどの弾性材料が完全に決定的な要素であった。一般に不充分な 弾性しか持たないと見なされている金属については、曲げ及び曲げ応力を介して 直径を比較的太き（変化させられるピストンリングが唯一の例である。ゴム、ポ リウレタン等通常のエラストマー製シール体のプレストレスは主に、シール体の 断面圧縮と、わずかな範囲での周方向に沿った変形とによって得られる。軟質の 通常のシール体は周囲に沿って比較的一様な面圧を受けるが、素材の硬化及び摩 損と幾つかの環境因子の影響とによってその面圧は時間の経過につれ減少する。

硬化を減じるため、シール体の半径方向の高さを大きくしなければならず、単一 素材または少なくとも１種の素材が比較的良好な硬化特性を持つ複合材料を用い なければならない、従来のピストンリングにおけるプレストレスはできるだけ高 くするため、それ以上細くできないほどピストンリングの半径方向高さを高くす る必要がある。ピストンリングに伴なう問題は、必然的に高くなる結果、対応し た対向面の成形欠陥、長円度、うねり等に追従できない曲げ特性及びねじり剛性 になることである。つまり、従来の金属製ピストンリングは表面接触しない部分 も含めて非常に不均一な周接触圧を有し、重大な欠点として比較的高いリークを 生じる。硬化を起さず、弾性で且つ硬質な素材、例えば金属のシールリングを含 む本発明のシール装置によって、前記の各利点が得られ、しかも時間の経過につ れ摩損やその他さまざまな環境因子に対して充分に不惑な所望の弾性と一様で充 分に高い接触圧を達成できることは極めて驚くべきことである０本発明は、シー ルリングの素材にその降伏点までの圧縮力または引張力がリング方向に加わると きに得られる直径変化よりも、対応した対向面の直径についての公差範囲の方が 小さいという観測及び前提条件に基づいている。また、極めて小さい接触圧によ って、比較的高い引張あるいは圧縮応力をリング方向に確立可能なことも驚くべ きことである０本発明によるシール装置では、低い接触圧と、高いシール作用に 必要なシールリングの断面周方向における曲げ及びねじり能力とが、リングが極 めて低い半径方向の平均高さくり、）持つことによって得られる。シールリング の接触圧（ｐ）、直径（ｄ）、断面積（Ａ）、平均高さくり、）、巾（ｂ）、直 径の変化（Δｄ）及び弾性係数（Ｅ）間での調和のとれた組み合せは、満足し得 る精度で以下の公式から明らかとなるニ一定のケースでは、直径（ｄ）とプレス トレスすなわち直径の変化（△ｄ）が次に決められる。プレストレス（△ｄ）は 勿論、直径（ｄ）の公差範囲より大き（なければならない、適切に低い弾性係数 を持つ素材を選び、平均高さくり、）を低くすることによって、接触圧も充分に 低くなる。上式から明らかなように、直径（ｄ）が増せば、平均高さくり、）も 増大させ得る。シール体はその両端面において、密閉する両部品間の直径方向高 さを越える高さを持たねばならない、しかしこれらの両端面図において、厚さは を利に減じ得る０通常存在する必要な遊びを考慮すれば、シール体は一般に１１ １１１以下の平均高さとし得る。平均高さくり、）は、面圧（ｐ）が高くなり過 ぎなければ、直径（ｄ）が大きい直径（ｄ）での比較的高い値になるまで増大可 能である。シールリングが対向面に追従して完全な密閉を与えるように、平均高 さくり、）とその巾（ｂ）はある程度にまで制限されるべきである。本発明によ るシール装置は、弾性で硬化傾向の断面圧縮で実質上プレストレスを生じる従来 の軟質または半硬質シール体と基本的に異なる、弾性で、硬化を生じず、周方向 にプレストレスされたシールリングを介して接触圧を発生する。従来の金属製ピ ストンリングと比べ、上記に対応した基本的な相異は、硬化を生じない接触圧を 与える断面での曲げ応力だけを有することである。シールリングと対向面間での 総接触圧は従来の軟質シール体の場合、プレストレス圧とシール体にわたる媒体 の圧力降下との和にほり等しい。従来の金属製ピストンリングの場合、接触圧は プレストレス圧とシール体にわたる圧力降下の半分との和にはソ′等しい、他の 手段を講じなければ、これは本発明にも当てはまる。従来の軟質シール体及び重 なりスリットを介して割られた金属製ピストンリングと異なり、本発明によるシ ール装置は、比較的高い接触圧が媒体の圧力と無関係となるように形成できる。

これの前提条件は、剛性で、小さく、隙間のない断面である０本発明によるシー ル装置が従来の金属製ピストンリングのように、シール体にわたる圧力降下の半 分を含む接触圧で動作するとしても、シールリングを圧縮せず接触圧を減じるこ とによって、多くのことが達成される。つまり、摩損と摩擦が減少され、粗面で も対向面として許容できる０発明の好ましい実施例におけるシール体が実質上金 属で形成されることによって、第３の重要な必要条件、すなわち寿命、密閉、及 びシール素材とシール特性が高／低温でまたは媒体によって化学的に悪影響され ず、もしくは対向面と一時的な分子結合を形成する傾向を持たないような環境不 惑性にとって重要な条件が達成可能となる。

シールリングと対向面間の接触面における低く、媒体の圧力によって比較的わず かしか影響されない面圧と、一様で、環境から比較的弱（左右される摩擦力を有 する好ましい硬さのシール素材とによって、低い摩擦及び低いびびり動の傾向を 与える第４の重要な必要条件の実現が可能となる。ピストンの密閉の場合には圧 縮応力で割れが圧縮され、またピストンロンドの密閉の場合には引張応力で割れ が生じないかのいずれかであるため、装着された状態のシールリングは常に“割 れていす”、スリットを有さない。

それぞれ軟質及び硬質シール素材から成るシール体が対向面に対して押圧される とき、シール能力と摩損の両方で大きな差がある。従来の軟質シール体は約１０ ００回の初期ストロークですでに、対向面を移動方向に測って輪郭深さの約半分 まで摩滅させることが多い。その後、面摩損は著しく減少する。そこで移動方向 を横断する方向に沿って測ると、表面の不均一さが多くの場合増大する。軟質の シール体は、頂部と谷部両方の面で摩損する傾向を持つ、これは特に、谷部内に 入り得た軟質素材が軟質のシール体によってすりへることを意味する。硬質のシ ール体は頂部でだけ摩損し、全ての方向に測って常時表面を改善する。また硬質 のシール体は、対向面輪郭の頂部より下方に決して達しないので、谷部内に入り 得た素材を完全にそのまま放置する。従来の軟質及び半硬質シール体と本発明に よる好ましい実施例のシール装置との比較寿命テストは、金属製のシール体がは り無視できる摩損を生じる一方、軟質及び半硬質のシール体はより著しく摩損さ れることを示している。さらに、硬質のシール体はその円筒形状を維持するのに 対し、軟質及び半硬質のシール体はシーリングにとって決定的に重要な“シール リップまたは対応箇所及び面圧が最高な箇所で著しく摩損される。焼もどし鋼製 の金属シール体の摩損は、完了した長時間のテスト後、１ミクロンの数分の１に 過ぎないことが示された。これで安全が確認される。何故なら、摩損はシール体 の当初の製造時表面輪郭における頂部の部分的な摩滅に限定されるからである。

硬質の金属製シール体は、相互に偶然的に通常頂部と頂部でシール面と対向面が 接触する地点で局部的な最大荷重を受ける。極めて低いシール摩損を持つ本発明 によるシール装置は、通常の軟質及び半硬質シール体と異なり、輪郭の深さ及び 対向面の表面特性に対して比較的に不惑であると考えられる。通常のホーン仕上 げ、研磨またはロールつや出し面だけでなく、比較的粗い延伸面も良好に機能す る。従って、シリンダ管用製造コストを低下できる。従来の軟質及び半硬質シー ル体は、対向面の形状欠陥に追従し易く、シール体の接触面と対向面の間におけ るミクロチャネルの形成を防止するため、より安全な液密保持能力を持つ。硬質 のシール体はこの点において制限され、静的な初期リーク及び場合によっては動 的リークの両方とも通常の軟質シール体より高（なる。但し、これはピストンシ ーリングの場合重要な欠点でなく、内部リークだけを与える。何故なら、シール リークはシリンダ弁のリークよりはるかに少なく、また例えばリークに対応する 非作動油圧シリンダ中における作動油の冷却よりもはるかに少ないからである。

約１〜５ミクロンの高さを持つチャネル状のミクロリークは、特に作動油自体の 分子の水力学的作用により詰まり後素速く停止するので、シーリングは非作動後 静的にはり完全に液密状態になる。リークが外側で有害であるようなピストンロ ンドを密閉する場合、硬質のシール体だけでは一般に完全な密閉を与えられない 。従来の軟質シール体は、特に圧力が高く速度及び粘性が低いと急速に摩滅する 。低圧では、摩損が著しく低下する。高圧でも耐摩耗性で滑らかに作動する本発 明のシール装置と、例えば従来の１種で、リーク方向下流側に配置され低圧下で のみ液密を保持する軟質シール体とを組み合せることによって、低リーク、低摩 擦及び長寿命のピストンロンド用シーリングが得られる０本シール装置のシール 作用をさらに増すため、２つの基本的に異なる措置を講じることができる。リー クの主な部分は比較的粗い対向面のミクロチャネルから生じるので、その面を例 えばある種の調合ラフカー等、金属よりも軟質の素材層で被覆可能である。これ は、Ｕ　Ｓ　−Ａ−４，５３２，１５１及び５Ｅ−Ａ−８２０３７８２−１に記 された表面被覆方法で有利に実施できる。この方法では、まず表面を真空にした 後、“ラッカー１を高圧下で直接供給し、選択した厚さの一様な層に広げる。こ の方法によれば、例えば、ピストンロンドの表面に通常存在する多孔性のクロム 層を充填して液密化できるだけでなく、比較的粗い延伸面を被覆したり、存在す る可能性のある小さい引っかきスクラッチが及ぼす有害な影響も除去可能である 。真空が良好な付着と浸透の可能性、更に表面層の良好な充填を与える一方、表 面層の安全で良好な浸透と充填を与えるのに圧力が必要である。硬質表面の谷部 、細孔、スクラッチ内等に位置した軟質素材でこうして完成された金属表面は、 本発明によるシール装置と従来の軟質シール体によって異なる方法で左右される 。シール体と対向面の間での流れに対し表面がより滑らか且つ液密になるので、 硬質シール体のリークは減少し、膜形成は容易化される。こ−で、シール体と対 向面の間の主接触圧は各面の金属頂部によっても狙われるが、この圧力は減少し ている０通常の軟質シール体は特に金属表面の両頂部における高い液圧で摩損し 、最長の軟質素材が表面の谷部内に留まる。供給される表面層の摩損特性、軟質 シール体の種類等に応じ、表面はより多くまたは少なく摩損して、表面の下側輪 郭面が現われる。低圧で良好な被覆素材では、表面被覆上における通常の軟質シ ール体の摩損が小さくなる。これは価値があり、まず高圧に抗する本発明のシー ル装置で、その後例えばポリウレタン製のＵリングシール体等、低圧で高いシー ル作用を維持する通常の軟質シール体でビストロンドを密閉するのに使える。硬 質素材から成る本シール装置のシール能力を向上させるもう１つの可能性は、シ ール体の対向面に対する接触面を、比較的軟質の耐摩耗素材の薄層を被覆するこ とである。更に、例えば強化ポリマー材料等半硬質だが、比較的形状安定で耐摩 耗性の素材から成る比較的厚いリングに接触面が位置し、また例えば金属等より 形状安定性が高く、硬化しない素材から成る比較的薄いリングによってプレスト レスが実質上得られるような場合には、２つの部品でシーリングを形成すること もできる。接触面に位置し厚さが約１／１０１または約ｌｌｌＩｎまでの軟質か 半硬質の素材は、シール作用を増大させるが低質の表面に対して影響され易く、 例えば焼もどし鋼表面の場合ではより大きい摩損を受ける。しかし、シールリン グの接触面は摩損しても、その元の円筒形状を実質上維持し、摩損と硬化は初め のうち密閉上の問題とならず、その後高い摩損がプレストレスを減じ、低過ぎる 接触圧を生じたとき初めて問題となる。

その他の各種シーリングについても、軟質の耐摩耗素材による対向面の被覆は、 液密さと寿命を向上させる利点をもたらす。

好適実施例 以下本発明を、添付の図面を参照してより詳しく説明する：図面の簡単な説明 第１図は発明の第１実施例によるシール装置の断面図；第１ａ図は発明によるシ ール装置の一部を形成するシール要素の断面図で、無荷重状態を示す； 第２図は発明によるシール装置の一部を形成するシールリングの断面図で、荷重 状態のシールリングに作用する圧力を示ず；第３及び４図はシールリングにおけ る圧力分布の例を示す；第５図は第１図に対応した断面図で、シーリングの別の 実施例と発明によるシール装置の一部を形成する異なるシール体を示す；第６図 は第５図に対応した断面図を示し、シーリングが別の状態にある； 第７図は発明によるシーリングの一部を形成するシールリングの更なる実施例を 示す； 第８図は発明の更なる実施例の断面図；第９図は第８図による実施例の非圧縮状 態を示す；第１０図は発明の更に別の実施例の断面図；及び第１１図は第１０図 に示した実施例のシールリングにおける圧力分布を示す。

本発明によるシール装置は、両者間にシーリングが形成されるべき部品３．４の 一方に形成されているシール溝２内に位置し、他方の部品の対向面５に対して動 的に密閉するシールリング１を備える。但し、実用的な解決の前提条件として、 シール溝２が形成されている部品に対してもシーリングが静的に密閉すると同時 に、遊び、変形等により両部品３．４が相対的に移動可能でなければならない。

プレストレス配置されたシールリング１が対向面５に対し圧接されているので、 シーリングは対向面に追従する。

従ってシーリングは半径方向の自由動により、シーリング前方の高圧がその後方 での低圧へと降下するシール溝２の側に対して少なくとも密閉されねばならない 。

本発明によれば、上記の密閉を実現するのに幾つかの方法がある。各種の用途に 適した３つの好ましい解決策を次に説明する。

まず第１の解決策を、第１〜７図を参照して詳述する。この解決策はシール要素 について高コストになるが、より制約を受けずに圧力アンロードできるとともに 、圧力制限機能を与える。第２の解決策は第８〜９図を参照し、第１の解決策と の相違についてだけ簡単に説明する。第２の解決策はシール要素について低コス トになるが、特に複式作用シーリングにおける圧力アンロードに関する機能で制 約を受ける。第３の解決策は第１０及び１図を参照し、特に第１及び第２解決策 との差について説明する。第３の解決策はシール要素について、第１の解決策（ 第１〜７図）より低いが、第２の解決策（第８〜９図）と同程度のコストを与え る。

また最小の寸法を与え、第１の解決策と同じように圧力アンロード可能である。

第１図に示した実施例において、シーリングはシールリングの両側面６．７とシ ール溝２の両側面８．９との間のスペースをそれぞれ弾性ワッシャ１０．１１で 同時密閉することによって実現される。つまり、ワンシャ１０．１１がシールリ ング１と部品３として示した両部品の一方の両者に対し当接して静的にシールす る一方、他方の部品４に対してはシールリング１だけが当接して動的にシールす る。両部品３と４間のギャップ１２により、両部品は相対的に移動する。両部品 ３と４間の移動は、バネワッシャ１０．１１とシーリング１の間の当接面、すな わちシールリング１０両側面６．７で橋絡且つ密閉される。このためシールリン グはその接触側面において、両部品３と４間の移動範囲より大きい最小高さを持 たねばならない、シールリングと対向面の間でできるだけ低い面圧が生じるよう にするため、シールリング１はできる限り薄くすべきで、バネワッシャ１０．１ １に対する当接面６．７の内側で薄くするのが好ましい、シールリング１両端で の圧力降下がない場合、シールリング１とシールワッシャ１０．１１は中間位置 にある。一方のバネワッシャで圧力降下が生じると、バネフシャ１０は第１図に 示したように、一定の圧力降下でシール溝２の側面に対して圧接される。バネワ ッシャ１０．１１とシールリング１の間での静的密閉については、幾つか機能上 の条件が存在する。バネワッシャ１０．１１の寸法法めについて重要な条件は、 最大バネ戻しにおけるワッシャ１１のバネ力が、圧力降下の方向と反対方向に部 品４が部品３に対して移動するとき、シールリング１をバネワッシャ１０に対し 保持できなければならないことである。これは勿論、高圧及び低圧両方に当ては まる。またワンシャ１１のバネ力は、シールリング１と部品４の表面との間の摩 擦力で、シールリングｌが接触面及びワッシャ１０との間のシール箇所から引っ 張られるのを防止できる程度に強くなければならない、接触面積が小さく、摩擦 係数が低く、特に圧力バランスのため接触圧が低いので、摩擦力は比較的低く保 持できる。

いかに圧力バランスが得られるかは、第２図から明らかとなろう、シールリング ｌは、半径方向においては圧力分布１３から明らかなように部品４に対して押圧 し、部品４から離反する反対方向においては、シールリング１に形成された圧力 補償溝１５と孔１６によって得られる圧力分布１４から明らかなように作用する 。

従って、これらから生ずる部品４に対してシールリングを押圧する圧力分布１７ が、シール面の比較的短く且つ圧力が高圧から低圧に降下する最も遠く離れた部 分でだけ作用する。こうして生ずる差圧を担ってバランスさせる両面間の接触圧 は、そのシールリング部分が硬いので、シールリングの全中にわたって分布され る。

この分布は幾つかの因子で左右されるが、必ずバランスされなかった最外シール 面における面圧が最大となる。第２図には、軸方向の応力も示しである。

テストの結果は、シールリングが摩損するとき、シール作用が増大するのと同時 に、シールリングはその巾にわたって比較的一様に摩損することを示した。圧力 バランスされたシールリングの場合、シールリングの接触力大部分はシールリン グのプレストレスから得られる。圧力媒体の半径方向に生じる圧力分布１７′と 、シールリングの同じく半径方向の直径変化及びプレストレスから得られる１圧 力分布”１８とが、いかに総圧力分布１９を生じるかが第３図に示しである。第 ４図は、こうして得られた総圧力分布１９が、シールリング１と部品４の対向面 ５との間の接触圧分布２０によっていかにバランスされるかを示している。シー ルリングは有意なねじりなしで対向面５に当接しているので、２つの圧力分布１ ９と２０は力とモーメントの両方でバランスされる。

全中中バランスされない面部分は多くの場合約２０％なので、接触面での平均圧 は、媒体圧の約１０％によってだけ左右され増大する。但しこの点は、シールリ ング１の圧力増減のため対向面５がバネ反発せず、接触圧を増減させない場合に 限り当てはまる。

ピストンロンドがしばしば大きくて重（、精密でない円筒状であるようなピスト ンロンドの密閉はわずかな弾性を持つ表面に対して成される一方、シリンダ管に 対して成されるピストンの密閉は、圧力と共に増すシリンダ管の直径に追従しな ければならない。

そのためピストン密閉の場合には、安全上の理由から、公差範囲内での最大直径 の管について、高圧側の最大圧と低圧側の例えばその約６３％の圧力の作用下に 置かれても管に追従できるように、シールリング１のプレストレスとアンバラン ス面を位置決めするのが好ましい、シール箇所では、密閉前方及び後方での圧力 平均値に比例して、管が外側に移動する。ある圧力下の長い管がある大きさの弾 性を有する場合、シールリングの低圧側における圧力は通常ゼロなので、外側へ の弾性たわみはシール箇所において通常その最大たわみ量の半分となる。アンバ ランス面に加わる圧力が引き起こす接触圧の増加は、シールリングの高圧側と低 圧側にそれぞれ存在する圧力間の差に比例する。シールリングの厚さは管厚の約 １０％とし得るので、媒体圧によって対向部品４がたわむときに減じるシールリ ング１のプレストレスを補償するのに、小さいアンバランス面と低い差圧だけで よい、シリンダ管は一般に、媒体の最大圧において、管内の引張応力が管素材に 関する降伏応力値の約４０〜７０％となるように寸法決めされる。シールリング の平均厚が管厚の約１０％の場合には、ゼロから最大圧までの管の直径方向の最 大弾性に対応した直径差だけ同一素材のシールリングを圧縮するのに、最大媒体 圧の１０％である面圧つまり接触圧が必要である。そしてシールリング内に生じ る応力差は、管応力として得られる管素材の降伏応力値の４０〜７０％の半分だ けとなる。従ってピストンシールリングの応力変化は、管素材の降伏応力値の約 ２０〜３５％となる。ピストンシールリングの応力は通常疲労損傷を引き起こさ ない圧縮応力なので、ピストンシールリングのプレストレスの効果は疲労の観点 から無害である。

ピストンシールリングは、圧縮されるスリットを持つように割ってもよい、ピス トンロッド密閉の場合、ピストンリングは一体片で、割らず、疲労損傷を与える 可能性のある引張応力にさらされる。はとんどの場合、ピストンロッドは中実ま たは精密でない筒状で、無視できる程度の弾性であるため、応力変化は無視でき るほど小さい。薄壁のピストンロッドが正の内圧を存する一部の場合、引張応力 の変化は一般に管素材の降伏応力値の約２０〜３５％に最大限制限され、これは しばしば疲労特性の劣る管素材が２倍高い応力変化を扱わねばならないので、す なわち管がシールホールドを保持するなら許容可能である。プレストレスと接触 圧を減じるため、例えばアルミ等弾性係数が綱より低い素材を選んだときは、素 材の疲労特性及び応力が減少するので、いずれにおいても問題とならない、シー ルリング１の最大変形の大部分、ひいてはプレストレスに基づく最大接触圧の大 部分は、公差範囲内における最小及び最大径両方でシーリングを行なうのに必要 なプレストレスによる。現在のシリンダ管は通常第１０〜１１号等級の最大公差 を有する一方、ピストンロッドは通常第８〜９号等級、すなわち２度だけ狭い公 差範囲を存する。シリンダ管は多くの場合、管素材の降伏応力値で、第１０号ｉ ｓｏ公差等級の公差範囲の約２倍の最大弾性を有する。従って、ピストン密閉の 場合の最大プレストレスは、管素材の降伏応力値の約半分より高い圧力応力をシ ールリングに与える。このため、シリンダ管では約第１０号のＩＳＯ公差等級、 ピストンロッドでは約８〜９号を用いるのが適切で可能である。

すなわち、現在通常存在する直径公差を持つシリンダ管及びピストンロッドを扱 う場合、本発明による円筒状のシールリングは、許容可能な応力を有すると同時 に、接触圧及びシール摩擦について比較的非常に低い値を有するように寸法決め できる。またこれは、シールリング１の巾を約３鶴と狭くすることにも貢献する 。

シーリングの半径方向高さを制限したいので、バネワンシャ１０．１１は低い半 径方向高さを存すべきである。幾つかの重要な関連因子によって非常に複雑化し た実際の寸法決めでは、シール溝２の深さを有利に４〜５鶴に制限できることが 示されている。バネワンシャ１０．１１はシールリングに対する接触箇所で約１ １の巾を有するだけなので、シール溝２の巾はわずか約５１とし得る。

バネワンシャの低いシール高さ、低いシール中、低い接触圧、低いシール摩擦、 及び低い高さと中間における原因連鎖の適切な組み合せが、本発明の例外的に小 さいシール寸法にとって重要な必要条件である。この小さいシール寸法と組み合 された対向面５の低い不感性と低い接触圧が、シールリング及び対向面について 低い総コストを達成する上で更に重要な必要条件である。

比較的寸法の小さいバネワッシャ１０．１１は多（の場合、多くの利点と、本発 明によるシール装置において良好且つ安全な動作にとって重要な必要条件である 解決策を与えられた多くの困難とを与える。必須なのは、バネワンシャが対向面 ５から制限された半径方向位置を持ち、両部３．４間に存在しなければならない 遊び１２を滅じないことである。また重要なのは、バネワンシャに対するシール リングの接触面をできる限り小さくできるように、バネワッシャのシール溝２内 における半径方向内側の位置を制限することである。これはシールリングｌの平 均高さ、ひいては接触圧及びシール摩擦を低下させる。シールリング両端で圧力 降下が生じると、バネワッシャの一方、第１図に示した例では１０が、部品３の 溝側面に対し非常に強く押圧される。そのため、例えばバネワンシャが部品４の 対向面５に接触するなど、大きな力が加わらなければ、バネワッシャは半径方向 に移動できない。かかる接触は、部品４とバネワンシャの両方に損傷を引き起こ す恐れがある。第１図に例示したように、バネワンシャ１０．１１は各バネワッ シャに形成されたストッパ突起２１とシール溝２の側壁に形成された溝２２とを 介して、部品３の外径より外側にずれるのが防止されている。つまり、部品４の 対向面がバネワッシャ１０．１１と接触することなく、両部品３と４間のギャッ プ１２を利用できる。さらに、バネワンシャは第１図に示すように、シール溝２ の底面２３によって半径方向内側への移動が防止されている。

バネワッシャ１０．１１は半径方向において低い高さを有するので、それ自体は 高圧側と低圧側の間で半径方向に作用する正の内圧に抗する能力を持たない。本 発明によるシール装置の例示実施例では、３つの同時に作用する措置によってこ の問題が解決されている。第１の手段として、バネワンシャ１Ｏ１１１が正の内 圧に抗する能力を、シールリング１に対してバネワッシャが密閉する直径位置で の厚さに対して平均厚さをできるだけ大きくすることによって増大させである。

第２の措置として、バネワッシャ１０．１１が溝２２と係合するストッパ突起２ １を有することで、バネワンシャの直径変化及び半径方向の移動が制限されてい る。

第３の措置として、第１図に示すごとく、バネワンシャ１０とシール溝２の側面 ９との間で摩擦力が作用する。シール溝の側壁８．９に対するバネワンシャ１０ ，１１のピボット点２４を、シール溝の底面２３近くに位置したことにより、バ ネワッシャは半径方向よりも軸方向において事実上大きい圧力を有する。この、 ため、バネワッシャがその直径を変えようとする傾向は、摩擦力によって事実上 相殺される。上記３つの措置は、バネワッシャ１０と１１がそれぞれの小寸法、 圧力で生じる低い応力に伴なう強度及びスチフネスにもかかわらず、狭い位置領 域内で良好に案内されることを意味する。バネワンシャ１０．１１の一方だけが シール溝のそれぞれ対応した側壁８．９に対して押圧されるので、常に限弁とし て作用する。従って、バネワッシャ間における危険な正圧は生じない。

ピストンロッドの密閉に関連して前述したごと（、本発明によるシール装置は軟 質または半硬質のシール体と組み合せることができる。従来のシールリングで追 求されてきた低く一様な圧力が、軟質のシール体と対面するバネワッシャ１によ って好ましく制御される。このような軟質または半硬質のシール体を含む本発明 によるシール装置を、第５及び６図に例示する。つまり、第１図の部品４に対応 したピストンロンドが、第１図に示したシール体の他Ｕ状シール体２５によって も密閉されるピストンロンドのシールリングが例示されている０両シール体間に は可能な構成の一例として、ピストンロントガイド２６が設けられ、両シール体 間に比較的大きい液体容積が形成しである。媒体と軟質シール体２５の圧縮を介 し、両シール体間のスペースが圧力アキュムレータとして作動可能である。第５ 図には、シーリング両端で圧力降下で生じたとき、シールリング１とバネワッシ ャ１０．１１がいかに調整されるかが示されている。移動と圧力が同時に存在す る時間は、ストローク長とピストンロンド速度における制限のため、比較的短い 。高圧側のシール体を越えるリークが少ないが軟質シール体２５用よりも高いと 、両シール体間での圧力はストローク及び時間と共に比較的低い圧力にまでゆっ くり上昇する。その後通常そうであるように、ピストンの両側に圧力を交互に加 えるため高圧側の圧力が解放されると、高圧側のシール体は第６回に示すように 弾性反発して元に戻る。はとんどの場合、シールリング１とバネワッシャ１０． １１は中間位置を取る。こ＼でシールリング１は、特にシール摩擦の大きさと方 向に応じ、シールリング１の移動領域内で停止する。停止位置に応じてバネワッ シャ１１の力は幾らか変化するが、両シール体間に限定される圧力は比較的厳密 に制御される。この圧力は約２〜５ＭＰａで、従来のピストンロフト用シーリン グが液密と寿命の最良の組み合せを有する圧力レベルとよく調和する。また摩擦 とびびりの傾向に関し、こ＼での圧力は比較的有利な範囲内にある。２つのピス トンロフト用シーリング１．１０．１１と２５の間で損傷圧が形成されるのを防 ぐため、シールリング１とバネワッシャ１０（第５及び６図参照）の間での密閉 がが何らかの方法で取り除かれるべきである。

第５及び６図に示すように、この点は例えば、シールリング１の側面に形成した 溝２７により実現できる。高い液密性を除き、従来のピストンロフト用シーリン グのほとんどの特性が本発明によるシール装置はど高くないとしても、上記の組 み合せシーリングによって、従来のシーリングは厳しい動作と環境に対する最高 の抵抗及び特性の最良な組み合せを与える圧力の範囲内で作動可能となる。

薄く、湾曲可能で、バネワンシャ１０．１１を介し比較的容品に移動可能なシー ルリング１は、動作上安全で且つ対向面（例えば第１図の５）における不純物や 誤差箇所に対して不惑とするため、良好で安全な動作に必要な更なる特性も要求 可能である。この更なる特性とは、当接する面間の切削加工を避け、損傷を促進 する恐れのある障害物の除去や面の平滑化に代え、障害物や誤差箇所をシールリ ングｌがスライドしながら越せるようにする能力である。本発明によるシール装 置においてこの特性は、シールリングが薄く、しかも短い長さに沿って比較的湾 曲及び旋回可能であること、シールリング１の表面が硬質で、好ましくは対向面 より硬いほど非常に硬質であること、更に、第７図に示すように、シールリング がその両端に小さい傾斜角を持つ比較的短い面取り２８を有することによって達 成される。シールリングが低い面圧を有する何らかの不純物や誤差箇所上を、で きるだけ半径方向だけを向いた力で、あるときはシールリング１を対向面５から 離反させまたあるときは不純物や損傷部を対向面に向かい押圧しながらリフトさ せたい場合には、傾斜角を摩擦角より小さく、好ましくは約１５°またはそれ以 下とすべきである。硬質のシール体に面取り２８を形成することは、シリンダ管 またはピストンロンドへのその装着時にシール体をプレストレス可能とするため にも必要である。シリンダ型でピストンロンド側に必要となる面取り２９は、面 取り２８より小さい傾斜角を持つべきであると同時に、面取り２８の外径は、こ れら両面取り２８．２９を介したシールリング１のプレストレスの開始前に面取 り２８が面取り２９内に進入できるようなものでなければならない。装着時には 、局所的な面圧が高くなる。この局所的面圧は切断を引き起こすほどでないが、 面取り内の軟質面をある程度圧縮させることが多い、従来のシーリングと同様、 シール体と対向面の装着時には勿論潤滑手段を用いるのが有利である。また、第 ７図に示した直線状の面取り２８は、図示してないが円形の面取りとしてもよい 。テストの結果は、傾斜角が１５６に近いかまたはそれ以下であることが重要だ が、それ自体はシールリングの接触面に向って連続的に減少するのが有利である ことを示している。シールリングのアンバランスな接触圧とその媒体圧への影響 を考慮すると、面取り長さはアンバランス中の約１０％に制限すべきである。シ ールリング１と対向面５に適切な面取りが存在しないと、多くの場合損傷なくシ ールリングを装着するのが不可能に近い。シールリングが非常に短い面取り２８ で装着可能なら、わずか百分の１．の面取りで良好な結果を与えられる。安全の 観点と装着し易さを考慮すれば、面取り長さは約百分の５１ｉとするのが有利で ある。尚、本発明によるシール装置のシールリング１は、動作時と装着時の両方 において、それぞれ制限された直径及び巾を持つ穴や溝を通り越せる一定の能力 を有することに留意されたい、しばしば重要な価値を持つこの利点を、従来の軟 質及び半硬質のシール体は持ち合わせていない。

シールリング１の接触面に形成され、１個または数個の穴１６（それぞれ第１及 び５図）を介して各々の溝内の圧力をシールリングの背圧側の圧力と一致させる ための前記し且つ図面に示した圧力バランス溝１５も、小さい傾斜角とすべきで ある。つまり圧力バランス溝１５は、深さに対して大きい巾を有する円形に形成 するのが好ましい。またこれは、特に高圧で、シールリングとリングワッシャ１ ０．１１の間の接触箇所がピストン密閉の場合でシールリングの内径に位置し、 またピストンロンド密閉の場合でシールリングの外径に位置するとき、シールリ ング１内で生じる曲げ応力の観点からも価値がある。

本発明によるシール装置におけるシールリングの硬度は、寿命、対向面に対する 不惑性、及び対向面の不純物や損傷部分に対する不感性の点で重要である。寿命 テストの結果は、焼もどし鋼が非常に優れた特性を有することを示している。そ の他の硬質面、例えば窒化チタン、酸化アルミ、硬質クロム等も使える。通常内 部摩耗、耐摩耗性等の能力を向上させると見なされている二硫化モリブデン、テ フロン等の表面被覆は、耐摩耗性を改善する立証が得られてない、但し、粘着性 を有する薄（、比較的軟質の被覆は、シールリング１、バネワッシャ１０．１１ 、シール溝２の側面についである程度の価値を持つ。これは、内部摩耗後そのよ うな被覆が表面の谷部、スクラッチ等が残っている場合に当てはまヤ、液密性を 高めることによってリークの減少とシーリングの迅速な塞ぎをもたらす。

本発明によるシール装置の第８及び９図に示した実施例においては、シールリン グ１の背圧側と溝２の底面２３との間を主に液密化する溝シーリングがＯリング または同様の軟質シール体３゜によって与えられている。この実施例におけるシ ールリングは、圧力降下と同一方向で、摩擦方向及び部品３と部品４の間の相対 移動に応じて、シールリング１とその側面６．７が溝側面８．９の一方に当接す ることによって制限される間の任意の位置に設定できる。溝２とシールリング１ 間の巾の差は、それらの間の最大遊び３１が小さく、遊び３１を横切る最大圧力 降下時でもシール体３０が遊びから抜は出したり損傷して、機能が妨害されたり あるいは停止しないように小さくなければならない。具体的には、遊びは約１１ 以下とすべきである。従来のいわゆる摺動スリーブシーリングも同様のシール形 状を有する。しかし、本発明と比べると重要で基本的な差がある。従来の摺動ス リーブシーリングでは、シール体３０に対応したシール要素の目的が、シールリ ングを溝に対して密閉すること、両部品３と４間の移動を橋絡可能にすることの 他、本発明のこの実施側と異なり、硬化傾向のある比較的弾性のない素材から成 るシールリングのプレストレスも処理することにある。これは、従来のシーリン グにおけるシール体が高く、しかもそれに応じて通常広くなければならないこと 、つまりシール寸法を約高さ４．５鶴、中４．５鶴とし得る本発明でのシール体 より大きくしなければならないことを意味する。第８図のシーリングは複式作用 で、シーリング両端における圧力降下の約半分でだけ左右されて増加する接触圧 を有する。第９図は、単式作用シーリングに最も適したシールリング１の実施例 を示す。シールリング１はその周囲に形成された圧力バランス溝３２を介して圧 力バランスされ、該溝３２は少なくとも１つのサイド溝３３を介して高圧側と連 通している。圧力分布３４が、対向面２５へ向かう圧力分布３５に抗してシール リングを対向面２５から離す方向に押圧する。こうして得られた圧力分布３６が 、上記のごとくシールリングを対向面５に対して押圧する。この実施例の圧力解 放態様は、ピストンロッド密閉等における単式作用シーリングの他、実質上１つ の圧力降下方向しか持たない用途での複式作用シーリングでも使える。このよう な用途は例えば、通常重力負荷を持ち上げるクレーンその他の機械である。圧力 非解放方向における圧力変化の回数が少な（、圧力はシーリング両端での総圧力 降下によって左右される。これは勿論不都合であるが、稼働時間の大部分でシー リングが圧力解放状態で作動する場合には通常許容し得る。この実施例は、シー リングコストが例外的に低く、寸法も小さいという特徴を持つ。一方第１〜７図 の実施例と比べた欠点は、第５及び６図に示した複式シーリングでの圧力制限弁 として機能し得ないこと、及び複式作用なので１つの圧力降下方向でしか圧力ア ンロードできないことである。圧力アンロードを含まず、通常のほとんどの０リ ング径が少なくとも必要とする約４．５１にまで巾を増すと、摩擦は従来の良好 な軟質または半硬質シール体に有効なものより低くならない。

第１０及び１１図に示したシール装置の実施例では、第１〜７図及び第８〜９図 による実施例の利点が統合され、低コストで製造できる小さい溝寸法を持つ圧力 バランスシーリングが達成される。溝２に対する密閉が、ナイロン等半硬質で比 較的硬化しない素材か、例えば綱やアルミ等硬化しない素材か、あるいはこれら の組み合せで形成可能なＵ状リング３７によって確立される。密閉はシールリン グｌの内面３９とＵ状リング３７の外面４０との間、及びＵ状リング３７の側面 ４１．４２と溝２の側面８との間で生じる。シールリング１の位置は溝２の側面 ８と９によって制限され、一定の圧力降下方向における最大遊び５１は第１０図 に示すように溝側面９側に位置可能であるが、これは溝側面８何でもよい。シー ルリング１は、圧力降下時にＵ状リング３７がシールリング１の位置と独立に溝 側面８．９で密閉する外面位置間の任意の位置を取り得る。Ｕ状リングの側面４ １と４２が常に遊びを含まないか、あるいは非常に小さい遊びで溝２の側面８と ９に当接すると同時に、Ｕ状リング３７がプレストレスによる弾性変形でシール リングｌの内面３９に対して当接することによって密閉が得られる。Ｕ状リング ３７は接触箇所での圧力降下によって、溝の側面８または９及びシールリングの 内面３９に対して圧接する。Ｕ状リング３７は常時シールリング３１に追従し、 無圧力状態ではＵ状すング３７自体のプレストレスによって、またシールリング 両端で圧力降下があるときは面取り４３を含むＵ状リング３７とその側面４１． ４２の形状に応じてＵ状リング３７に生じる圧力分布と力によってそれぞれシー ルリングに対して圧接する。

Ｕ状リング３７での圧力分布は第１１図から明らかであろう６機能上の必要条件 として、シールリング１とＵ状リング３７が部品３内の溝２に対し半径方向に移 動する場合、Ｕ状リング３７をシールリング１に対して圧接させる圧力は、Ｕ状 リング３７と溝２の側面８または９の間に存在する摩擦力より高（なければなら ない。従ってこの第３実施例の基本的な必要条件は、シールリング１と溝２の側 面８または９との間で生じ得る遊びとリーク箇所が、無圧力状態では単一または 複数のシールリングのプレストレスを介してまたシーリング両端に圧力降下が存 在するとは圧力分布を介して、シールリング１の内面３９及び溝２の側面８また は９に作用する１つ（あるいは複数）のリングにより密閉され、シールリング３ ７（複数でもよい）をシールリング１に対して圧接保持可能とし、溝２の側面８ と９に対して生じ得る摩擦力に打ち勝てる圧力が常に存在するように成すことで ある。この点は勿論さまざまな方法で解消できるが、第１０及び１１図による構 成は有利で好ましい実施例を示している。第１１図には、Ｕ状リング３７がその 側面４１を介しいかに溝２の側面８に対して密閉するかが示しである。軸方向圧 力分布４５と軸方向圧力分布４６の間の差が軸方向差圧分布４７を与え、これが 両面４１と８の間の摩擦を介し、Ｕ状リング３７がシールリング１に半径方向に 追従するのを防ぐとともに、溝２内で側面８が位置する側において両面４０と３ ９間を密閉する。また半径方向の圧力分布４７と４８間の差がその差圧分布４９ によって、両面４０と３９の間で接触及び密閉が生じるように、Ｕ状リング３７ をシールリング１に対して半径方向に圧接させる。重要なのは、溝スペースλが １個または数個の穴４４を介し、Ｕ状すング３７０両側で常に同一圧力を持つよ うにすることである。差圧分布４９は安全機能上、シールリング１とＵ状リング ３７が半径方向に移動するとき生じる摩擦力より太き（、従ってＵ状リング３７ の側面４１と溝２の側面８の間におけるスライド箇所で半径方向の摩擦力を発生 するような半径方向の大きい力を常に与えるものでなければならない、このため の良好で安全な解決策は、Ｕ状リング３７の面取り４３によって形成されるスペ ース５０が好ましくは軸方向と半径方向で実質上等しく形成され、さらに、両面 ４０と３９間の接触面が両面４１と８間の接触面とはゾ同じ長さにすることで得 られる。こうすれば、約１．０の摩擦係数まで良好な機能を得られる。実際の摩 擦係数は選択素材に応じてもっと低いので、良い理由であることは少ないが、ａ ２の側面に沿って半径方向に面取りと接触面を増大できる可能性はある。第１０ 及び１１図に示したような実施例において重要なのは、シーリングの全寿命中及 び側面４１．４２が当接してかまたは大きな遊びなく溝２の側面８と９近（に位 置している全寿命中、Ｕ状リング３７あるいは対応するシール要素がシールリン グ１の内面３９に対して圧接されるようにそのプレストレスを保持可能なことで ある。Ｕ状リングを例えばナイロン等、半硬質のポリマーや比較的硬化しない素 材で作成すれば、半径方向のプレストレスが維持される。これを保証するには、 Ｕ状リング３７を綱またはアルミ等の硬化しない素材から成る別のプレストレス リング３８と組み合せるのが場合によって適切である。例えばアルミ等の硬質素 材の代りに例えばナイロン等の半硬質素材を選ぶ理由は、粗いまたはスクラッチ を含む表面構造を持つ面に対する密閉が幾分向上するからである。また、金属材 料から成るＵ状リング等を選ぶ理由は、安全なプレストレスと、温度、媒体等に 対する不惑性が高いことにある。第１０及び１１図によるシーリングは、極めて 小さい巾、例えば２．５１と極めて低い溝深さ、例えば２．５１で形成できる。

従って、溝を分割なく形成し、シールリング１及びＵ状リング３７等を、例えば タイヤを自動車のリムに装着するのと同じように溝内へ圧力することによって装 着できる可能性が充分にある。こ＼で重要なのは、溝２の底面２３の直径が上記 に適するだけでなく、シールリング１とＵ状リング３７の半径方向の移動にも適 することである。

本発明によるシール装置での最大接触圧は、数多くの因子特に接触面におけるシ ール素材と対向面素材の組み合せ、それぞれの面の仕上げと表面形状、及び媒体 の潤滑特性によって極めて太き（変化可能である。従来の軟質及び半硬質のシー ル体では、接触圧がプレストレスと媒体圧との和にはソ゛等しい。本発明では、 同じ軟質または半硬質素材を接触面に使えるだけでなく、もっと高い接触圧及び 質の劣る対向面に耐えられる硬質素材も使える。し２かしながらもっと決定的に 重要なのは、本発明によるシール装置では上記したように、接触圧を左右して低 下できることである。

プレストレスは比較的低いが、平均高さくり、）　、直径変化（Δｄ）及び摩擦 係数（Ｅ）について低い価を選ぶことでガイド可能である。接触圧に大きく寄与 する媒体圧は、前述したように圧力のバランス化によって制限または除去できる 。低い最大接触圧で作動させる理由は、一般にそれによって良好な特性と、不向 きな素材と表面及び潤滑能力の悪い媒体を許容する可能性が得られるからである 。得られるものより高い接触圧を許容する理由は、シーリングのコストを減少さ せるべきときに生じるが、第１０及び１１図による実施例は低いコストを与える ので、はとんどの場合その理由は実在しない。圧力アンロードを含まない実施例 は、幾つかの可能な改善が放棄されるにもかかわらず、良いシール状態で優れた 全面的解決策を与えられることが多い。このような代表的用途は、第９図の実施 例に関連して前述した例えば巻上げクレーンの例である。低い接触圧しか許容さ れないような好ましくない用途でも、媒体圧が高ければまず圧力バランスにより て作動させ、次にプレストレス圧力で作動させられる。つまり、シールリング１ の平均高さくり、）に関する上限を設定するプレストレス圧が、素材、表面及び 用途の潤滑条件の許容する接触圧の大部分を担うことができる。

前述したように、低い接触圧を達成する目的で、シールリングの低い平均高さが 追求されている。実際に達成可能な平均高さは、両部品３と４間の許容最大摩損 を考慮に入れた最大ギャップ１２に第１に依存する。第２に厚さは、対向両部品 の公差によって決められる。また最大ギャップは、例えばシリンダの管径等各部 品の公差に大きく依存する。シールリングの側面とその中心部で必要な厚さの計 算は、ギャップ、摩損深さ、公差等幾つかのパラメータを含む他、高圧下におけ るシールリングでの実際の応力に関する応力計算も行われる。約６０〜８０１１ 以上の直径の場合、鋼製のシールリングを持つ好ましい構造を作製するのに、シ リンダ管用の通常の公称公差を使えば比較的容易である。約５０ｕ以下の直径で は、より低い弾性係数を持つ素材でシールリングを作製すると結果が改善される 。約６６％低い弾性係数を持つアルミ及びアルミ合金が適切な素材であるが、一 部の高合金鋼やチタン、クロム等も良好な結果を与えることができる。ピストン ロンド密閉の場合、ピストンロンドの公差は通常シリンダ管よりも約２公差度だ け精密だが、同時にピストンロンドの直径は通常シリンダ管径の約４５〜６３％ しかない、従って、鋼より低い弾性係数を有する素材から成る約４Ｑｍｍ以下の ピストンロンドについても考慮するに足る理由がある。基本的に、シールリング の素材選択は金属に制限されず、ガラス、セラミック材料、及び比較的硬質のポ リマー材料等の硬質素材も良好に機能可能で、好ましくは異種のファイバでの補 強により改善された形状安定性とクリープ特性を与えるようにする。テストの結 果は、本発明のシフル装置が非常に低いプレストレスでも作動することを示して いる。このため、ある程度硬化またはクリープの傾向を持つ素材も使用できる。

温度膨張の差もプレストレスで補償されねばならないが、これはほとんど問題に ならない。

本発明によるシール装置は、流体技術に関連して動的密閉を行うために主として 開発された。直線運動と回転運転の両方を密閉できる。勿論要求が強く特別な多 くの場合には、シーリングを極めて適切な静的シーリングともし得る。これに該 当する明らかな用途は、油圧ポンプ及びモータ等におけるシリンダ、スイベル、 ピストンである０本発明は、石油、化学、食品等の処理産業において明らかな市 場を有する。例えば内燃機関やコンプレッサにおけるピストンの密閉も適した用 途となり得る。温度が極めて高い各種のブレーキ装置とこれに隣接する軸受、さ らに極めて高いか低い温度及び高圧下でのあらゆる種類のシール箇所において、 例えば航空技術、軍事技術及びエネルギー技術内での多数の用途等明らかな市場 が存在する。プレストレスと公差は勿論、それぞれの用途に適応させられる。

シールリング１とバネワッシャ１０．１１の製造には、幾つか異なった方法を使 用できる。ピストン密閉におけるシールリングでは、割れを完全に閉じ、２つの 分割面が相互に宙接に閉じたとき完全な密閉を与える圧縮応力が加わると割れる ようにしてもよい。リングを形成する多くの可能な方法として、旋削、円形状に し溶接される倣いロール成形ワイヤ、プラスチック成形、焼結及び鋳造等が挙げ られる。焼もどし可能な金属では、その復燐もどしと研磨を行なう。シール体が 極めてわずかな素材で形成され、これによって非常に低い材料コストを得ようと する場合には、特に例えば切削機でとてつもなく多量となる廃材の発生を避ける ことが大いに重要である。この観点からロール成形ワイヤによる製造は興味深く 、とりわけ必然的に溶接する必要のないピストン用シーリングではそうである。

特に大きい直径の場合には、幾つかのシールリング、バネワッシャ及びＵ状リン グに同一断面を持たせ、従　って同一のロール成形ワイヤから作製することがで きる。

シールリングはその直径と比べ、非常にわずかな断面積を有する。

取扱い、セツティング、測定等多くの点で製造は特殊である。各部品は装着時円 形の平面形状を成すので、ゆるいシールリング及びバネワンシャでは比較的大き い長円度、歪み等を許容できる。

これは一般に、重要である部品自体の直径公差についてではなく、細長い部品の 周面についてだけである。シールリングのプレストレスも対向部品の周面から独 立しているので、シールリングのプレストレスは通常、対向部品の直径公差が指 示するものよりも一様となる。この点は特に、直径公差がかなりの程度長円度に よって生じ、管の周面が公差範囲の中心における直径と対応することを意味する ような延伸シリンダ管を用いる場合に有利である。このため、シールリング及び バネワンシャの製造時には、はとんどの場合円形のドリフト及び固定具を用いな ければならない。また、円錐形のドリフトに対しであるいは円錐形の管ツールを 貫いてプレス成形される場合には、塑性変形によって精確な直径寸法を薄いリン グに与えられる数多くの有利な可能性が存在する。

勿論本発明は前述し且つ図面に示した実施例に制限されず、以下の請求の範囲に 記載の範囲内で幾通りかに変更可能である。

Ｆ　Ｉ　Ｇ、１ １７七）Ｘ 匡 国際調を報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．相対的に移動可能で、両者間にギヤップ（１２）が存在する円筒状の分離面 を有する２つの部品（３、４）間を密閉するシール装置で： 一方の部品（３）に形成されたシール溝（２）；上記シール溝内に位置したシー ルリング（１）で、該シールリングが他方の部品（４）の円筒状面（５）に対し てプレストレス配置され該円筒状面に対して動的密閉を行なう；シールリング（ １）の少くとも片側に位置したシール溝（２）内の遊び；及び シール溝（２）内に配置され、シールリング（１）に対してプレストレスされシ ールリングとシール溝（２）の間を密閉する少なくとも１つのシール要素（１０ 、１１、３０、３７）；を備えたものにおいて、 シールリング（１）が実質上硬化せず弾性で、形状堅固な断面を与える少なくと も主部分において硬質な素材から成り；シールリング（１）が薄く、式ｈｍ＝Ａ ／Ｂによる小さい半径方向の平均高さｈｍを有する、但しＡはシールリングの断 面積及びｂはシールリングの軸方向巾； シールリング（１）が、円筒状面（５）の素材と表面構造及び媒体の潤滑特性を 考慮し、式▲数式、化学式、表等があります▼・Ｅに基づいて許容される円筒面 （５）に対しての最大面圧ｐを有する、但しＥはシールリングの弾性係数、ｄは シールリングの直径、及びΔｄはシールリングの直径方向弾性変形；及びシール リング（１）のギヤップ（１２）に対面するその側面（６、７）に沿った半径方 向高さ（ｈ）が少なくともギャップの半径方向高さと同じ大きさである；ことを 特徴とするシール装置。 ２．前記シールリング（１）のギヤップ（１２）に対面するその側面（６、７） に沿った半径方向高さ（ｈ）が３ｍｍより小、好ましくは１ｍｍより小であるこ とを特徴とする請求の範囲第１項記載のシール装置。 ３．前記シールリング（１）の巾（ｂ）が１５ｍｍより小、好ましくは５ｍｍよ り小であることを特徴とする請求の範囲第１又は２項記載のシール装置。 ４．前記シールリング（１）の半径方向高さ（ｈｍ）がギャツプ（１２）に対面 するその側面（６、７）に沿った半径方向高さ（ｈ）より小さいことを特徴とす る前記請求の範囲いずれか１項記載のシール装置。 ５．前記シールリング（１）の素材が金属であることを特徴とする前記請求の範 囲いずれか１項記載のシール装置。 ６．前記シールリング（１）が、円筒状面（５）に対する接触面とその対向面と の間でシールリングにわたって圧力バランスするための手段（１５、１６、３２ ）を備えたことを特徴とする前記請求の範囲いずれか１項記載のシール装置。 ７．前記シールリング（１）が円筒状面（５）に対する接触面の一部に沿って圧 力解放するための手段（３３）を備えたことを特徴とする請求の範囲第１〜５項 のいずれかに記載のシール装置。 ８．前記シールリング（１）の円筒状面（５）に対する接触面の少なくとも一方 の端縁に面取り（２８）が形成されていることを特徴とする前記請求の範囲いず れか１項記載のシール装置。 ９．前記シールリング（１）が該シールリングの前方と後方におけるギャップ（ １２）内の差圧に応じてシール溝（２）を横方向に横切って変位可能にシール溝 （２）内に配置されており、シール要素（１０、１１）がシールリングの両側に 配置され、該シール要素が上記差圧に応じて前記遊び内でシールリング（１）の 横方向に移動可能に配置されていることを特徴とする前記請求の範囲いずれか１ 項記載のシール装置。 １０．前記シール要素（１０、１１）がシール溝（２）内に旋回自在に配置され たことを特徴とする請求の範囲第９項記載のシール装置。 １１．前記シール要素（１０、１１）が、該シール要素の円筒状（５）に対する 半径方向の移動を制限する手段（２１）を備えたことを特徴とする請求の範囲第 ９又は１０項記載のシール装置。 １２．前記シール要素がバネワッシヤ（１０、１１）から成ることを特徴とする 請求の範囲第９〜１１項のいずれかに記載のシール装置。 １３．前記シール要素がシールリング（１）の下方且つシール溝（２）の底面（ ２３）上方でシール溝（２）内に位置した角張り状のシール要素（３７）から成 り、該角張り状のシール要素（３７）がその対向端部（４０〜４２）でシールリ ング（１）の内端面（３９）に対してプレストレス当接するとともに、シール溝 （２）の側面（８、９）に対して遊びを含まないかあるいは少なくとも実質上遊 びを含まず当接するように形成され、さらにシール要素（３７）とシールリング （１）間の溝スペースとシール要素（３７）下方の溝スペースとの間を圧力バラ ンス接続する少なくとも１つの貫通孔（４４）がシール要素（３７）に形成され たことを特徴とする請求の範囲第１〜８項のいずれかに記載のシール装置。 １４．前記角張り状シール要素（３７）が半硬質で、実質上硬化しない素材から 成ることを特徴とする請求の範囲第１３項記載のシール装置。 １５．前記角張り状シール要素（３７）が硬質で硬化しない素材から成ることを 特徴とする請求の範囲第１３項記載のシール装置。 １６．前記角張り状シール要素（３７）が、シールリング（１）とシール溝側面 （８、９）に当接する半硬質の素材と、必要なプレストレスを保証する硬化を含 まない素材との組み合せから成ることを特徴とする請求の範囲第１３項記載のシ ール装置。 １７．前記角張り状シール要素（３７）のシールリング（１）に対する当接面（ ４０）とシール溝（２）の側面（それぞれ８、９）に対する当接面（４１、４２ ）との間にコーナを備え、シールリング（１）の内端面（３９）、上記コーナの 面（４３）及びシール溝（２）の側面（それぞれ８、９）によって画成されたス ペース（５０）を形成することを特徴とする請求の範囲第１３〜１６項のいずれ かに記載のシール装置。 １８．前記角張り状シール要素（３７）が軸方向に弾性で、シール溝巾より大き い軸方向巾を有することを特徴とする請求の範囲第１３〜１７項のいずれかに記 載のシール装置。 １９．前記角張り状シール要素（３７）がほゞＵ状断面を有することを特徴とす る請求の範囲第１３〜１８項のいずれかに記載のシール装置。 ２０．前記角張り状シール要素（３７）が中央弾性部を有することを特徴とする 請求の範囲第１８項記載のシール装置。 ２１．前記角張り状シール要素（３７）が軸方向に非弾性で、シール溝巾よりわ ずかに小さい軸方向巾を有することを特徴とする請求の範囲第１３〜１７項のい ずれかに記載のシール装置。 ２２．前記シール要素がシールリング（１）とシール溝（２）の底面（２３）と の間に位置したＯリング（３０）または同様の弾性素材から成ることを特徴とす る請求の範囲第１〜８項のいずれかに記載のシール装置。 ２３．シールリング（１）より相対的に軟質のシール体（２５）がシールリング （１）の低圧側後方に配置されたことを特徴とする前記請求の範囲いずれか１項 記載のシール装置。