JPH0587715B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、流体圧の作用の下に作動するピスト
ン又はピストンロツドがシリンダの壁を貫通する
ような部分に使用されるシール構造及び該シール
構造に組込まれるシール部材に係る。特に本発明
は高い流体圧及び低い流体圧に交互に曝されるシ
ール構造に於て有用なものである。

従来の技術 シールが高圧及び低圧に交互に曝される場合に
は良好な流体シールを得ることが困難である。か
かる問題を解消すべく、米国特許第3909016号に
は二つの相対的に運動する機械部品に使用される
シール構造として、Ｏリングの如き加圧力発生部
材とシール部材とを組合せたシール構造が提案さ
れている。このシール構造は、それが低い流体圧
に曝されるときにはシール部材がその内周に形成
された環状の角部にてピストンの如き運動する機
械部品と線接触的に接触し、これにより摩擦力が
非常に小さく抑えられた状態で低圧系に於ける流
体の漏洩を防止し、シール構造が高い流体圧に曝
されると、Ｏリングによる圧縮力の作用位置が軸
線方向移動し、これによりシール部材がその環の
環状中心の周りの捩れるように変形し、前記角部
に隣り合つた環状の面部にて該機械部品に接触す
る。

米国特許第3942806号には、環状シール部材の
内周部に一端より軸線方向内方へ延在する円筒形
の窪みと他端より軸線方向内方へ傾斜して延在す
る円錐形の窪みとの交差部に環状の角部が形成さ
れており、かかる環状シール部材の周りにＯリン
グ状の加圧力発生部材が嵌合わされたシール構造
が記載されている。この場合にも、低い流体圧が
作用するときにはシール部材の鋭敏な角部が運動
する機械部品と接触した状態にあるが、高い流体
圧が作用するときに環状シール部材が加圧力発生
部材と共に軸線方向に圧縮されるにつれて半径方
向に拡がり、運動する機械部品に接する前記の角
部が潰れて環状の面にて該機械部品に対し押付け
られるようになる。

米国特許第4449718号には、米国特許第3942806
号に記載されたシール構造の修正例として、上記
の角部に面取り部を設け、ピストン等の運動部品
に対しパツキンリングを装着することを容易にす
るシール構造が記載されている。

米国特許第3663024号には、低い流体圧に曝さ
れているときには運動する機械部品に対向する環
状面が該機械部品の面に狭い幅の環状面にて接触
し、高い流体圧に曝されたときにはＯリングの如
き加圧力発生部材により変形されて前記機械部品
の面により広い幅の環状面にて接触する横断面が
橇状のシールリングを加圧力発生部材と組合せて
使用するシール構造が記載されている。

発明の開示 本発明の一つの目的は、運動部品を有する機械
部品に使用される改良された流体シール構造及び
流体シール部材を提供することである。

本発明の他の一つの目的は、シール部材が低い
流体圧が作用する状況下に於ては線接触部を有し
高い流体圧が作用する状況下に於ては上記の線接
触部に加えてこれより変位された位置に他の一つ
の接触領域を有するよう構成された流体シール構
造及び流体シール部材を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、高い流体圧が
作用する状況下に於てシール部材が運動する機械
部品に対し押付けられると、流体を保持する浅い
凹部を二つの接触部の間に有し、これによりシー
ル部材と運動部品との間の摩擦を低減し、シール
部材の摩耗を低減するよう構成された流体シール
構造及び流体シール部材を提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、従来のシール
部材に於ける直角をなす部分が低減され、これに
より応力及び応力集中に起因する損傷が低減され
るよう構成されたシール部材を提供することであ
る。

本発明の更に他の一つの目的は、高い流体圧が
作用する状況下に於て高圧時接触領域に対する圧
縮度合が増大されるよう、シール部材に於ける加
圧部材と接触する面に傾斜を設けることである。

以下に本発明を説明するためにピストンロツド
の周りにハウジングが配置された構造に於けるシ
ール構造及びシール部材について説明する。シー
ル構造はハウジングに設けられた環状溝内に組込
まれており、シール部材と加圧部材とを含んでい
る。シール部材は周方向に延在する四つの側面と
ピストンロツドに接触する二つの領域とを有して
いる。

シール部材は円環状のトロイド部材であるが、
以下の説明に於ては便宜上適宜円環状シール部材
を円環の中心軸線を含む平面による断面で見た形
状として説明する。従つてその場合点接触とは実
際には周方向に沿つた線接触であり、線接触とは
実際には周方向に沿つた面接触である。

第一の側面はハウジングのベース部に設けられ
た高圧ポートに面する実質的にＳ形曲線（断面に
て）をなす側面である。Ｓ形曲線はピストンロツ
ドの軸線を沿う方向とこれに垂直の半径方向とに
延在し半径方向内向きに凸状の上方部分（環の外
方部分）と半径方向内向きに凹状の下方部分（環
の内方部分）とを有している。

第二の側面はピストンロツドに面しており、そ
の実質的全長に亘り延在する浅い窪みを有してい
る。第一の側面と第二の側面の交差部はピストン
ロツドに対する点接触部を構成している。

第二の側面は高い流体圧が作用する状況下に於
てピストンロツドとの間に第二の接触領域を形成
する円弧状部分にて終つており、円弧状部分は上
方且低圧側へ向けて延在している。シール構造が
高い流体圧に曝されると、加圧部材が低圧側へ向
けて移動することによつて加圧力が増大されるこ
とによりシール部材は点接触部の周りに回動し、
円弧状部分の一部はピストンロツドに対し押付け
られる。点接触部及び上記の回動により生じた円
弧状部分による接触領域の間にはシール部材とピ
ストンロツドとの間に第二の側面の実質的全長に
亙り延在する浅い空〓が形成され、該空〓に捕捉
された液体は潤滑作用をなしてシール構造の寿命
を長くする。円弧状部分の接触領域はシール構造
が高い流体圧に曝される場合に完全なシールを達
成するよう必要に応じてその面積が増大されなけ
ればならないが、必要以上に増大されてはならな
い。接触領域の面積が必要以上に増大されるとシ
ール構造の摩擦抵抗が高くなり過ぎる。

第三の側面は実質的に直線的であり、第二の側
面の円弧状部より加圧部材のある側へ向けて半径
方向に延在している。低い流体圧が作用する状況
下に於ては、第三の側面は環状溝の低圧側の半径
方向の壁との間にＶ形の空〓を形成し、第三の側
面の円弧状部分に隣接する部分は前記半径方向壁
と接触している。Ｖ形空〓は流体圧の増減に応じ
たシール部材の枢動を容易にする。シール構造が
高い流体圧に曝されるとシール部材が点接触部の
周りに枢動し、第三の側面全体が環状溝の半径方
向壁面に押付けられる。

シール部材の第四の側面は第一の側面と第三の
側面の半径方向外端部の間に延在しており、低い
流体圧が作用する状況下に於て加圧部材を位置決
めすべく高圧側より低圧側へ向かうに従つてピス
トンロツド中心軸線より僅かに遠ざかるよう傾斜
した傾斜部を有している。傾斜部は平面又は浅い
窪み面であつてよい。流体圧が増大すると、加圧
部材は低圧側へ押されて移動し、これによつて上
記の傾斜面上に乗り上げ、シール部材の低圧側端
部を下方（半径方向内方）へ押下げ、上記の円弧
状部分をピストンに対し押付けてその接触領域に
高い加圧力を及ぼし、該接触領域に於て良好な流
体シールを達成する。この傾斜部による押付けは
加圧部材がＯリングである場合に特に有効であ
る。

傾斜部は第一の側面と交差した端部より第四の
側面に沿つてその約1/3乃至1/2の位置にて始まつ
ている。傾斜部は低い流体圧が作用する状態に於
てピストンロツドの中心軸線に対し約5゜乃至10゜
の角度をなしているのが好ましい。

シール部材は前記点接触部の周りに枢動し得る
ことが重要である。このことにより高圧の流体圧
が作用する状況下に於ては前記円弧状部分がピス
トンロツドと接触することができ、シール部材の
第三の側面は環状溝の半径方向壁面に接触してシ
ールを形成することができる。逆に低い流体圧が
作用する状況下に於ては、シール部材はその円弧
状部分が上方へピストンロツドより離れる方向へ
前記点接触部の周りに枢動し、第三の側面がその
下端部を除き環状溝の半径方向壁面より離れる方
向へ移動する。この枢動の枢動角度は約5゜乃至
10゜であるのが望ましく、約7゜乃至9゜であるのがよ
り好ましい。第二のシール部、即ち前記円弧状部
分とピストンロツドの間の接触が解除されると、
シール構造の摩擦抵抗が低減し、各部品の摩擦摩
耗が大きく低減される。

シール部材及び加圧部材はポリテトラフルオロ
エチレン、その複合材料の如きフルオロプラスチ
ツク材料又は高圧系に使用される他の高弾性プラ
スチツク材料にて形成されていてよい。加圧部材
は一般的にはＯリングの如きエラストマ製リング
であつてよい。

以上に於ては本発明をシール構造が機械の静止
部分の側に組込まれる場合について説明したが、
本発明によるシール構造は機械の可動部分や回転
部分の側にも同様の要領にて組込まれてよいもの
であることを理解されたい。また本発明はバタフ
ライ弁、ボール弁、ゲート弁等にも採用されてよ
いものである。

発明を実施するための最良の形態 添付の各図に於て同一の符号は同一の部材を示
している。図１は低い流体圧が作用する状況下に
於けるシール構造を示している。この構造は静止
部材５（部分的にのみ図示されている）に設けら
れた環状溝３及びロツド７を含んでいる。環状溝
３は軸線方向に延在する壁面１３とその両端に接
続された半径方向に延在する壁面９及び１１によ
り形成されている。

溝３内には図に於てはＯリング１５として示さ
れた加圧部材が配置されており、この加圧部材は
図１に示す状態では低い流体圧が図にて左方より
作用した状態で壁面１３に当接しており、環状の
シール部材１７の周りに配置されている。図示の
実施例に於ては、シール部材１７はポリテトラフ
ルオロエチレン又はポリテトラフルオロエチレン
複合材料にて形成されたリングである。静止部材
５とロツド７との間には環状通路１９が形成され
ている。記号Ｐ＋及びＰ−にて示されている如
く、高圧側は静止部材５の図にて左側であり、低
圧側は静止部材５の図にて右側である。高い流体
圧が作用した状態或いは低い流体圧が作用した状
態とは、それぞれ高圧側に作用する流体圧が高い
状態或いは低い状態をいう。

本発明のシール部材１７は壁面９に面する側面
であつて殆どの部分に亘りトロイド面である第一
の側面２１を有しており、この面は断面で見てＳ
形曲線をなす面である。側面２１の上方部分は半
径方向内向きに凸状の部分２１ａであり、その下
方部分は半径方向内向きに凹状の部分２１ｂであ
る。凹状部分２１ｂの下端部はピストンロツドの
面に対し急峻な角度、即ち約90゜の角度をなして
おり、点２３に於てピストンロツド７と点接触
（実際は線接触）している。ピストンロツド７に
面する第二の側面２５は点接触部２３に於て始ま
り側面２５の実質的に全長に亘り軸線方向に延在
し、浅い窪み２７を有している。浅い窪み２７の
壁面１１に最も近い端部は点２９から始まつて丸
く形成されており、約90゜又はそれ以上の範囲に
亘り湾曲した円弧状部分３１を形成している。側
面２５（円弧状部分３１を含む）も実際にはトロ
イド面をなしている。

シール部材１７の第三の側面３３は断面で見て
実質的に直線状であり、壁面１１に面している。

第四の側面３５はピストンロツド７より最も離
れた側面である。この側面は点接触部２３に対す
る軸線方向位置により低圧側へ向けて僅かに拡径
するよう延在する傾斜部を有している。この傾斜
部は直線的傾斜面であつてよい。

図１は低い流体圧が作用する状況下にて本発明
のシール構造を示している。シール部材１７とロ
ツド７との間の唯一の接触部は点接触部２３であ
る。側面３３と円弧状部分３１の接合部は壁面１
１と接触している。加圧部材１５は側面３５の実
質的に中央部、即ち点接触部２３に対応する軸線
方向位置にある領域に於てシール部材と接触して
おり、それが軸線方向の壁面１３と接触している
ことによりシール部材１７に対し或る程度の圧縮
力を与えている。

図２は高い流体圧が作用する状況下にて本発明
のシール構造を示している。この状態では、加圧
部材１５及びシール部材１７は図にて右方へ押圧
され、壁面１１に対し押付けられている。シール
部材１７は加圧部材１５により径方向内方へ押圧
されており、これにより円弧状部分３１の点２９
はピストンロツド７とシール接触しており、或る
量の流体が窪み２７内に捕捉されている 高い流体圧が解除されると、加圧部材１５は図
にて左方へ移動し、シール部材１７は点接触部２
３の周りに枢動し、これにより点２９に於けるシ
ールが解除され、側面３３は下端の円弧状部分３
１との接合部にてのみ壁面１１と接触する。この
ことによりシール構造体全体が再度図１に示され
た関係に戻る。

図３には、図１及び図２に示す実施例に於ける
シール部材１７の一つの修正例であるシール部材
５０が示されている。シール部材５０は、全体と
して円弧状の面５２を有し、該湾曲面５２は低い
流体圧が作用する状況下に於て破線５４に沿つて
点接触点５６の軸線方向位置に対応する位置にて
加圧部材と接触する形状とされている。その他の
全ての点に於てシール部材５０は上述のシール部
材１７と同様である。

更に断面積の大きいシールの場合には、シール
部材５０の部分５８は図３に示されている如き曲
面ではなく平坦であつてよい。

上述の本発明の実施例は例示に過ぎない。種々
の変更、修正、置換えが本発明の範囲内にて行わ
れてよいことは当業者にとつて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

図１は機械の静止部分の側に設けられた環状溝
内に配置されたシール部材及び加圧部材を含む本
発明のシール構造を低い流体圧が作用する状況下
について示す部分断面図であり、ピストンロツド
に対するシール部材及び加圧部材の関係を示して
いる。図２は高い流体圧が作用する状況下にある
場合に於ける図１に示されたシール構造を示す部
分断面図である。図３はシール部材についての発
明の他の一つの実施例を示す断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体圧系のシール構造に使用される環状シー
   ル部材にして、周方向に延在する第一乃至第四の
   側面を有し、環の中心軸線を含む平面による断面
   で見て、 前記第一の側面は半径方向内向きに凸状の半径
   方向外方部分と半径方向内向きに凹状の半径方向
   内方部分とを含むＳ形曲線をなし、 前記第二の側面は前記第一の側面の前記凹状部
   の内端に接続した一端部より実質的に軸線方向に
   延在し、実質的にその全長に亘つて延在する窪み
   と前記一端部とは反対の側の他端部に形成された
   凸状の円弧状部分とを含み、 前記第三の側面は前記円弧状部分より実質的に
   直線的に半径方向に延在しており、 前記第四の側面は前記第一及び第三の側面の半
   径方向外端間に軸線方向に延在し、少なくともそ
   の中間点より前記第三の側面の側へ向けて半径方
   向外向きに傾斜しており、 ロツド状機械部品の周りに装着されたとき前記
   第一の側面と前記第二の側面の交差部は前記機械
   部品に対し点接触するようになつており、前記第
   四の側面の前記第三の側面に接続する端部が半径
   方向内向きに押圧されたとき前記第二の側面の前
   記円弧状部分の一部が前記機械部品に接触する接
   触領域を形成するよう構成されていることを特徴
   とする環状シール部材。 ２ 請求の範囲第１項の環状シール部材に於て、
   前記第四の側面は実質的に円弧状をなしているこ
   とを特徴とする環状シール構造。 ３ 互いに嵌合して軸線方向に相対的に運動する
   外側及び内側の機械部品の間を流体的にシールす
   る流体シール構造であつて、外側の機械部品に設
   けられた環状溝内に配置された環状シール部材と
   環状加圧部材を含み、前記環状シール部材は周方
   向に延在する第一乃至第四の側面を有し、環の中
   心軸線を含む平面による断面で見て、 前記第一の側面は半径方向内向きに凸状の半径
   方向外方部分と半径方向内向きに凹状の半径方向
   内方部分とを含むＳ形曲線をなし、 前記第二の側面は前記第一の側面の前記凹状部
   の内端に接続した一端部より実質的に軸線方向に
   延在し、実質的にその全長に亘つて延在する窪み
   と前記一端部とは反対の側の他端部に形成された
   凸状の円弧状部分とを含み、 前記第三の側面は前記円弧状部分より実質的に
   直線的に半径方向に延在しており、 前記第四の側面は前記第一及び第三の側面の半
   径方向外端間に軸線方向に延在し、少なくともそ
   の中間点より前記第三の側面の側へ向けて半径方
   向外向きに傾斜しており、 内側の機械部品の周りに装着されたとき前記第
   一の側面と前記第二の側面の交差部は前記内側の
   機械部品に対し点接触するようになつており、 前記第一の側面の側から低い流体圧が作用する
   状況下に於ては、前記第二の側面の前記円弧状部
   分は前記内側の機械部品より離れ、前記第三の側
   面は前記環状溝の隣接する半径方向の壁面との間
   にＶ形空〓を形成するようになつており、 前記第一の側面の側から高い流体圧が作用する
   状況下に於ては、前記加圧部材が前記第四の側面
   の前記傾斜部に乗上げるように移動して該第四の
   側面の前記第三の側面に接続する端部が軸線方向
   且半径方向内向きに押圧され、前記第二の側面の
   前記円弧状部分の一部が前記機械部品に接触する
   接触領域を形成し、前記Ｖ形空〓が消滅するよう
   構成されていることを特徴とする流体シール構
   造。 ４ 請求の範囲第３項の流体シール構造に於て、
   前記第四の側面は実質的に円弧状をなしているこ
   とを特徴とする流体シール構造。 ５ 請求の範囲第３項又は第４項の流体シール構
   造に於て、前記シール部材及び前記加圧部材は強
   靭な弾性を有するフルオロプラスチツク材料にて
   形成されていることを特徴とする流体シール構
   造。 ６ 請求の範囲第３項又は第４項の流体シール構
   造に於て、前記加圧部材はエラストマにて形成さ
   れていることを特徴とする流体シール構造。 ７ 請求の範囲第６項の流体シール構造に於て、
   前記加圧部材はＯリングであることを特徴とする
   流体シール構造。