JPWO2004090391A1 - リップ型シール - Google Patents
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Abstract
Description
このリップ型シールとしては、図1に示すように、ハウジングHの孔Haに嵌着される嵌着部1a及び嵌着部1aから径方向内側に向けて円錐環状に延出するリップ部1bを画定するようにゴム状弾性材料により形成されたシールリング1、嵌着部1aに接合される接合部2a及び接合部2aからリップ部1bの途中まで延出してリップ部1bを内側から支持する支持部2bを有するサポートリング2等により構成されたものが知られている(例えば、特許第3346743号明細書)。
このリップ型シールにおいては、サポートリング2の支持部2bでシールリング1のリップ部1bを内側から支持すると共に、リップ部1bの剛性を高めるために、リップ部1bはその付根側から先端に亘って略同一の肉厚をなすように形成されている。
そして、流体Fが及ぼす圧力が高圧の場合でも、リップ部1bの変形をできるだけ抑制して、リップ部1bの先端が回転軸Sの外周面と線接触状態を保つように形成されていた。
しかしながら、コンプレッサの冷媒としてCO2等を用いる場合には、常用で5MPa以上の高圧環境下に曝されるため、サポートリング2でリップ部1bを支持するにも拘わらず、リップ部1bの摩耗が著しく進行し、耐久性が低下するという問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高圧環境下でのシール性を確保しつつ、簡略な構造にて、耐久性に優れたリップ型シールを提供することにある。
すなわち、上記の目的を達成する本発明のリップ型シールは、所定のハウジングに支持された軸の外周を密封するリップ型シールであって、ハウジングの孔に嵌着される環状の嵌着部及び嵌着部から径方向内側に向けて略円錐環状に延出して軸に当接し得るリップ部を画定するように弾性材料により形成されたシールリングと、嵌着部に接合される環状の接合部及び軸を通す孔を画定すると共に接合部側からリップ部の途中の領域まで延出してリップ部を径方向内側から支持する環状の支持部を有するサポートリングとを含む。そして、リップ部は、サポートリングの支持部と非接触となり始める領域から先端に向かって徐々に薄肉となる先細りの断面形状をもつように形成されている。
この構成によれば、サポートリングの支持部から外れた領域にあるシールリングのリップ部は、高圧環境下に曝されると適度に変形して、軸との接触幅が広がった状態で接触する。これにより、シール性が確保される適度な面圧が得られると同時に、面圧が分散されて最大面圧が低下するため、リップ部の摩耗が軽減されて、耐久性が向上する。
上記構成において、リップ部は、サポートリングの支持部と非接触となり始める領域の肉厚をT1、先端の肉厚をT0とするとき、α=T0/T1の値が、0.3〜0.7となるように形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、サポートリングの支持部から外れた領域にあるシールリングのリップ部が、上記の条件(α=0.3〜0.7)を満たす肉厚に形成されることにより、リップ部の全域における曲げ強度が均一化され、局部的な摩耗を防止でき、シール性及び耐久性がさらに向上する。
また、上記構成において、リップ部の先端の内径をD0、軸の外径をD1とするとき、β=(D1−D0)/D1の値が、0.03〜0.15となるように形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、リップ部の先端が、上記の条件(β=0.03〜0.15)を満たす締め代となるように形成されることにより、局部的な摩耗を防止でき、シール性及び耐久性がさらに向上する。
上記構成において、リップ部は、サポートリングの支持部と非接触となり始める領域の肉厚をT1、先端の肉厚をT0とするとき、α=T0/T1の値が、0.3〜0.7となるように形成され、かつ、リップ部の先端の内径をD0、軸の外径をD1とするとき、β=(D1−D0)/D1の値が、0.03〜0.15となるように形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、サポートリングの支持部から外れた領域にあるシールリングのリップ部が上記の条件(α=0.3〜0.7)を満たす肉厚に形成され、かつ、リップ部の先端が上記の条件(β=0.03〜0.15)を満たす締め代となるように形成されることにより、リップ部の全域における曲げ強度が均一化され、局部的な摩耗をさらに防止でき、シール性及び耐久性がより一層向上する。
上記構成において、サポートリングの支持部は、リップ部側に向けて凸状となるように湾曲して形成されている、構成を採用することができる。
この構成によれば、サポートリングの湾曲した支持部が、シールリングのリップ部を局部的にではなく均一的に緩やかな曲面にて支持するため、高圧環境下でのリップ部の緩やかな傾斜をなす変形を促し、接触面圧をより均一化することができる。
上記構成において、シールリングのリップ部は、その材質硬度が、JIS(DuroA)硬度で、85度〜98度である、構成を採用することができる。
この構成によれば、シールリングのリップ部と軸との接触状態を最適な状態に保持することができ、耐摩耗性、耐久性がさらに向上する。
図2は、本発明に係るリップ型シールをコンプレッサのハウジング及び回転軸の間に装着した状態を示す部分断面図である。
図3は、本発明に係るリップ型シールの装着前の状態を示す部分断面図である。
図4A及び図4Bは、図3に示すリップ型シールの一部を拡大した拡大断面図である。
図5Aは、本発明に係るリップ型シールのリップ部に対して圧力が作用していない状態を示す部分断面図、図5Bは、リップ部に高圧が作用している状態を示す部分断面図、図5Cは、図5Bの状態におけるシール面の面圧分布を示す図である。
図6Aは、従来のリップ型シールのリップ部に対して圧力が作用していない状態を示す部分断面図、図6Bは、リップ部に高圧が作用している状態を示す部分断面図、図6Cは、図6Bの状態におけるシール面の面圧分布を示す図である。
図7Aは、リップ型シールのリップ部に発生する「えぐれ摩耗」を示す部分断面図、図7Bは、リップ型シールのリップ部が「つんのめり現象」を生じる際に発生する摩耗を示す部分断面図である。
図8は、本発明に係るリップ型シールの耐久試験の結果を示す図である。
図9は、本発明に係るリップ型シールの他の実施形態を示す装着前の部分断面図である。
図10A及び図10Bは、図9に示すリップ型シールの一部を拡大した拡大断面図である。
コンプレッサは、外輪郭を画定するハウジングH、ハウジングH内に収容された圧縮機構に外部から回転駆動力を伝達する回転軸S等を備えている。そして、回転軸S(の外周面)とハウジングH(の孔の内壁面)との間を密封するように、本発明に係るリップ型シール10が装着されて、内部空間(流体)Fを大気Aから遮断している。
リップ型シール10は、図2及び図3に示すように、外輪郭を画定すると共に内部空間(流体)F側に面するシールリング20、シールリング20の内側に接合されたサポートリング30を基本構成として備えており、又、サポートリング30に続いて回転軸Sの軸線方向S1に順次に配列して接合された,第2シールリング40、第2サポートリング50、スペーサリング60、ホルダリング70、第3シールリング80、第3サポートリング90等を備えている。
シールリング20は、ゴム材料により形成され、図2及び図3に示すように、ハウジングHの孔Haに嵌着される嵌着部21、軸線方向S1の内部空間Fに向けて嵌着部21から延出する円筒部22、円筒部22から径方向内側に向けて所定の傾斜角度をなすように略円錐環状に延出して回転軸S(の外周面)に当接するリップ部23等により構成されている。
嵌着部21は、その内側に埋設された金属環24を一体的に有する。金属環24は、径方向内向きのフランジ部24a及びカシメ部24bをもつ円筒状に形成されており、嵌着部21の強度を高めると共に、部品全体の組付け後にカシメ処理を施してカシメ部24bを成形することで、全体を固定するようになっている。
円筒部22は、嵌着部21とリップ部23とを一体的に連結するものであり、軸線方向S1におけるその長さは適宜選定される。すなわち、円筒部22は、リップ部23を、嵌着部21から径方向内側に延出させるために介在するものであり、リップ部23が嵌着部21に隣接して形成されるように、円筒部22は短く形成されてもよい。
リップ部23は、図3、図4A及び図4Bに示すように、全体として領域Lの長さを有し、略同一の肉厚に形成された基部23a(領域L1)、基部23aに続いて一体的に形成された先端部23b(領域L2)により形成されている。尚、ここでは、先端部23b(領域L2)は、リップ部23(領域L)全体の略半分の長さに形成されている。
先端部23bは、図4Bに示すように、基部23aの終端すなわち後述するサポートリング30の支持部33と非接触となる領域23b´から先端23b´´に向かって、徐々に薄肉となる先細りの断面形状に形成されている。
このように、リップ部23において、先細りの断面形状をなす先端部23bを設けたことにより、内部空間Fが高圧となった場合に、リップ部23(先端部23b)は適度に変形して回転軸Sとの接触幅が広がった状態(べた当たり状態)で接触する。これにより、シール性が確保される適度な面圧が得られると同時に、面圧が分散されて最大面圧が低下するため、リップ部の摩耗が軽減されて、耐久性が向上する。
ここで、リップ部23(先端部23b)は、図4Bに示すように、後述するサポートリング30の支持部33と非接触となり始める領域23b´の肉厚(すなわち基部23aの肉厚)をT1、先端23b´´の肉厚をT0とするとき、α=T0/T1の値が、0.3〜0.7、好ましくは0.35〜0.65、となるように形成されている。
これにより、リップ部23の全域において生じる曲げ応力の均一化、すなわち、曲げ強度の均一化がなされ、特異な形態の変形が抑制されて局部的な摩耗を防止でき、シール性及び耐久性がさらに向上する。
また、リップ部23は、図4Aに示すように、先端23b´´の内径をD0、回転軸Sの外径をD1とするとき、β=(D1−D0)/D1の値が、0.03〜0.15、好ましくは0.04〜0.12、となるように形成されている。
これにより、リップ部23の先端23b´´が回転軸Sにより圧縮される際の締め代が好ましい状態に管理されて、局部的な摩耗を防止でき、シール性及び耐久性がさらに向上する。
ここで、シールリング20の材料としては、硬質のH−NBR系のゴム材料等の如く、弾性変形可能な材料が用いられる。そして、シールリング20のリップ部23の材質硬度が、JIS(日本工業規格)(DuroA)硬度で、85度〜98度、好ましくは90度〜98度、となるように形成されている。
このように硬度を設定することにより、シールリング20のリップ部23(先端部23b)と回転軸Sとの接触状態を最適な状態に保持することができ、耐摩耗性、耐久性がさらに向上する。
尚、シールリング20の材料としては、高圧下で適度な弾性変形が得られる材料であれば、ゴム材料に限らず、樹脂材料を適用してもよい。
サポートリング30は、金属又は硬質の樹脂材料により形成されており、図2及び図3に示すように、シールリング20の嵌着部21に接合される環状の接合部31、回転軸Sを通す円孔30aを画定すると共に接合部31から軸線方向S1の内部空間F側に延出する円筒部32、円筒部32から径方向内側に略円錐環状に延出する支持部33等により構成されている。
そして、円筒部32は、シールリング20の円筒部22の内壁面と接触又は非接触の状態で配置され、支持部33は、接合部31側からリップ部23の途中の領域すなわちリップ部23の基部23a(領域L1)まで延出して、リップ部23を径方向内側から支持するようになっている。
尚、支持部33の先端領域33aは、図4A及び図4Bに示すように、高圧で押圧されて変形したリップ部23に対してエッジ作用を及ぼさないように(局部的に応力が高くならないように)、湾曲して形成されている。
第2シールリング40は、PTFE等の樹脂材料により形成され、図2及び図3に示すように、サポートリング30の接合部31を挟んだ状態でシールリング20に接合される環状の接合部41、接合部41から径方向内側に向けて所定の傾斜角度をなすように略円錐環状に延出して回転軸S(の外周面)に当接し得るリップ部42等により構成されている。
また、リップ部42の内壁面(回転軸Sの外周面と接触する領域)には、ネジ状の螺旋切込み43が設けられている。螺旋切込み43は、そのネジポンプ作用により、密封流体を内部空間F内に押し戻す役割をなす。
第2サポートリング50は、金属又は硬質の樹脂材料により形成され、図2及び図3に示すように、回転軸Sを通す円孔50aを画定すると共に、第2シールリング40の接合部41に接合される環状の接合部51、接合部51から軸線方向S1の内部空間Fに向けて突出する環状の支持部52等により構成されている。
スペーサリング60は、図2及び図3に示すように、略L字状の断面をなす金属環61、金属環61に一体的に固着されたゴム製の環状パッキン62等により構成されている。金属環61は、第2サポートリング50の接合部51に接合され、環状パッキン62は、シールリング20の内周面(金属環24)に嵌入されている。すなわち、スペーサリング60を嵌め込むことで、シールリング20の内側において、サポートリング30、第2シールリング40、第2サポートリング50を挟み込んで固定できるようになっている。
ホルダリング70は、図2及び図3に示すように、略L字状の断面をなすように金属又は硬質の樹脂材料により形成されており、スペーサリング60の環状パッキン62に嵌合するように組み込まれている。
第3シールリング80は、PTFE等の樹脂材料により形成され、図2及び図3に示すように、ホルダリング70及び環状パッキン62に接合される環状の接合部81、接合部81から径方向内側に向けて所定の傾斜角度をなすように略円錐環状に延出して回転軸S(の外周面)に当接し得るリップ部82等により構成されている。
第3サポートリング90は、金属又は硬質の樹脂材料により形成され、図2及び図3に示すように、回転軸Sを通す円孔90aを画定すると共に、第3シールリング80の接合部81に接合される環状の接合部91、接合部91から軸線方向S1の内部空間Fに向けて突出する環状の支持部92等により構成されている。
接合部91は、シールリング20のカシメ部24bで第3シールリング80の接合部81に向けて押し付けられて堅固に固定されている。
上記構成をなすリップ型シール10の組付けについて説明すると、先ず、カシメ部24bが曲げられていない(カシメ処理されていない)シールリング20を用意し、サポートリング30、第2シールリング40、第2サポートリング50、スペーサリング60、ホルダリング70、第3シールリング80、第3サポートリング90を順次に重ねて嵌め込んだ後、カシメ処理を施して、カシメ部24bを形成する。
これにより、順次に挿入されたサポートリング30,第2シールリング40,第2サポートリング50,スペーサリング60,ホルダリング70,第3シールリング80,第3サポートリング90は全て、シールリング20により挟持されて固定され、リップ型シール10が完成する。
ここで、上記構成をなすリップ型シール10における変形形態及びシール面の面圧分布を図5Aないし図5Cに示し、比較例として、図1に示す従来のリップ型シールにおける変形形態及びシール面の面圧分布を図6Aないし図6Cに示す。
本発明のリップ型シール10では、リップ部23に高圧が作用しない場合は、図5Aに示すように、リップ部23はサポートリング30の支持部33に支持されて直線的に伸びて回転軸Sと狭い幅で接触しており、リップ部23に高圧が作用すると、図5Bに示すように、リップ部23の先端部23bが適度に弾性変形して、回転軸Sとの接触幅Wが広くなる。
一方、従来のリップ型シールでは、リップ部1bに高圧が作用しない場合は、図6Aに示すように、リップ部1bはサポートリング2の支持部2bに支持されて直線的に伸びて回転軸Sと狭い幅で接触しており、リップ部1bに高圧が作用すると、図6Bに示すように、リップ部1bの先端部分が僅かに弾性変形するものの基本的に変形し難く、回転軸Sとの接触幅は僅かに広がった幅Wcとなり、図6Cに示すように、最大面圧Pcmaxも非常に高くなり、摩耗が進行する状況にある。
これに対して、本発明のリップ型シール10における接触領域W(シール面)の面圧は、図5Cに示すように、従来のもの(図6C参照)に比べて、傾斜が緩やかになって面圧の均一化がなされ、又、最大圧力Pmax(<Pcmax)も適度に低下する。
このように、接触幅Wが広がることで、シール面での面圧が分散されて摩耗が軽減され、耐久性が向上する。また、シール面全域に亘ってある程度の面圧が得られ、最大圧力も極端に低下せず適度な面圧に保持されるため、良好なシール性能が得られる。
また、シールリング20のリップ部23においては、好ましくはその肉厚又は締め代が前述の条件、α=0.03〜0.07、β=0.03〜0.15を満たすように設定されることで、図7Aに示すように、薄肉の場合に生じ得る「えぐれ摩耗」を防止することができ、又、図7Bに示すように、厚肉の場合に生じ得る「つんのめり現象」に伴う摩耗を防止することができる。
図8は、本発明に係るリップ型シールの耐久試験の結果を示すものである。この耐久試験では、αの値及びβの値が異なる種々のサイズのリップ型シールを成形して用意し、内部空間Fに充填される密封流体として、圧力Pfが5.8MPaのCO2を用い、外径φD1が9.0mmの回転軸Sを、8000rpmの回転速度Rvで、所定時間に亘って回転させた後に、リップ部23の摩耗状況を観察した。
その結果、図8に示すように、α(=T0/T1)の値が0.65を超えると、「つんのめり現象」が大きくなる傾向にある。一方、αの値が0.35よりも小さいと、先端部23bの剛性低下が大きくなり過ぎる。
結果的には、αの値が0.35〜0.65の範囲で、シール面の接触幅が広くなる好適な変形が得られることが確認された。
尚、αの値としては、0.30〜0.70の範囲でも十分許容されることが確認されている。
また、「えぐれ摩耗」や「つんのめり現象」は、回転軸Sとの締め代も影響し、β(=(D1−D0)/D1)の値が0.04よりも小さいと、初期変形が小さく「つんのめり現象」を生じ易くなる。一方、βの値が0.12を超えると、「えぐれ摩耗」の影響が増加する傾向にある。
結果的には、βの値が0.04〜0.12の範囲で、特異な変形が防止されて、シール面の接触幅が広くなる好適な変形が得られることが確認された。
尚、βの値としては、0.03〜015の範囲でも十分許容されることが確認されている。
図9及び図10は、本発明に係るリップ型シールの他の実施形態を示すものであり、前述の実施形態と同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施形態に係るリップ型シール10´は、図9に示すように、外輪郭を画定すると共に内部空間(流体)F側に面するシールリング20、シールリング20の内側に接合されたサポートリング30´を基本構成として備えており、又、サポートリング30´に続いて回転軸Sの軸線方向S1に順次に配列して接合された,第2シールリング40、第2サポートリング50、スペーサリング60、ホルダリング70、第3シールリング80、第3サポートリング90等を備えている。
サポートリング30´は、金属又は硬質の樹脂材料により形成されており、図9及び図10に示すように、前述同様の接合部31及び円筒部32と、円筒部32から径方向内側に湾曲しつつ略円錐環状に延出する支持部33´等により構成されている。そして、支持部33´は、リップ部23側に向けて凸状となるように湾曲して形成されている。
これにより、湾曲した支持部33´が、シールリング20のリップ部23を局部的にではなく均一的に緩やかな曲面にて支持するため、高圧環境下でのリップ部23の緩やかな傾斜をなす変形を促し、接触面圧をより均一化することができる。したがって、前述同様に、シールリング20のリップ部23と回転軸Sとの接触状態を最適な状態に保持することができ、耐摩耗性、耐久性が向上する。
上記実施形態においては、リップ型シール10,10´として、シールリング20及びサポートリング30の他に、2つのシールリング40,80及び2つのサポートリング50,90を含む構成を示したが、これに限定されるものではなく、シールリング20及びサポートリング30の他に、1つのシールリング及び1つのサポートリングを含む構成、あるいは、シールリング20及びサポートリング30のみの構成において、本発明を適用してもよい。
上記実施形態においては、リップ型シール10,10´を、自動車等の空調システムの一部をなすコンプレッサに適用した場合を示したが、これに限定されるものではなく、回転軸又は軸線方向に往復動する軸を支持するハウジングを備える機械あるいは電気機器等であれば、いずれのものに対しても適用することができる。
Claims (6)
- 所定のハウジングに支持された軸の外周を密封するリップ型シールであって、
前記ハウジングの孔に嵌着される環状の嵌着部,前記嵌着部から径方向内側に向けて略円錐環状に延出して前記軸に当接し得るリップ部,を画定するように弾性材料により形成されたシールリングと、
前記嵌着部に接合される環状の接合部,前記軸を通す孔を画定すると共に前記接合部側から前記リップ部の途中の領域まで延出して前記リップ部を径方向内側から支持する環状の支持部,を有するサポートリングと、を含み、
前記リップ部は、前記支持部と非接触となり始める領域から先端に向かって、徐々に薄肉となる先細りの断面形状を有する、
リップ型シール。 - 前記リップ部は、前記サポートリングの支持部と非接触となり始める領域の肉厚をT1、前記先端の肉厚をT0とするとき、α=T0/T1の値が、0.3〜0.7となるように形成されている、
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のリップ型シール。 - 前記リップ部の先端の内径をD0、前記軸の外径をD1とするとき、β=(D1−D0)/D1の値が、0.03〜0.15となるように形成されている、
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のリップ型シール。 - 前記リップ部は、前記サポートリングの支持部と非接触となり始める領域の肉厚をT1、前記先端の肉厚をT0とするとき、α=T0/T1の値が、0.3〜0.7となるように形成され、かつ、
前記リップ部の先端の内径をD0、前記軸の外径をD1とするとき、β=(D1−D0)/D1の値が、0.03〜0.15となるように形成されている、
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のリップ型シール。 - 前記サポートリングの支持部は、前記リップ部側に向けて凸状となるように湾曲して形成されている、
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のリップ型シール。 - 前記シールリングのリップ部は、その材質硬度が、JIS(DuroA)硬度で、85度〜98度である、
ことを特徴とする請求の範囲第1項に記載のリップ型シール。
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