(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する二部材間に介在されて密封空間からの高圧ガスを密封対象とする密封装置において、前記二部材のうち一方の部材における他方の部材との対向周面に形成された環状の第一取付溝に保持されたゴム状弾性材料からなるパッキンを備えるメインシールと、このメインシールより密封空間側に位置して前記対向周面に形成された環状の第二取付溝に保持された合成樹脂製のサブシールとからなり、前記第二取付溝の底面に前記密封空間側ほど浅くなる円錐面状底面が形成され、前記サブシールが、前記第二取付溝の円錐面状底面に乗り上がり又は乗り下がるように移動可能であり、前記サブシールにおける前記一方の部材又は他方の部材との対向面に、前記サブシールと前記メインシールとの間の中間室が前記密封空間より相対的に高圧になったときに前記中間室から圧力損失を生じさせつつ前記密封空間へのガスの流出を許容して前記中間室の減圧速度を緩和する凹部が形成されたことを特徴とする密封装置。
【請求項２】
凹部が円周方向へ延びる複数の溝からなることを特徴とする請求項１に記載の密封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二部材間に介在される密封装置において、例えばヘリウム、窒素、二酸化炭素、水素等、透過性の高いガスを密封対象とし、高圧かつ圧力変動が大きい環境下で使用されるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧力変動が小さい高圧ガスをシールするための密封装置としては、ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料（以下、ゴム状弾性材料という）からなるＯリング等のパッキンが用いられている。しかしながら、密封対象がゴム状弾性材料への透過性が高い例えばヘリウム、窒素、水素等のガスであって、高圧状態から急減圧されるような圧力変動が著しい条件で使用された場合は、ゴム状弾性材料からなるパッキンに発泡割れ（ブリスタ）が発生して、シール機能が損なわれてしまうおそれがある。
【０００３】
このような発泡割れは、ゴム状弾性材料からなるパッキンには、高圧時に、密封対象である透過性の高いガスが高圧状態（圧縮状態）で保持され、その後、急激に減圧されたときに、パッキン内部に保持されていた高圧ガスが急激に膨張して、パッキンに発泡による亀裂が生じることによって起こる。
【０００４】
ゴム状弾性材料からなるパッキンに上述のような発泡割れを生じさせないためには、例えば前記パッキンをガス透過性の高い材料に変更し、高圧時に浸透したガスを、減圧時に放出しやすくすることが有効である。しかしガス透過性の高い材料であっても、減圧の度合いが急激すぎる場合には、パッキン内での発泡を十分に防ぐことができない問題があった。
【０００５】
そこで、ゴム状弾性材料からなるメインシールに急激な密封対象ガスの圧力変動が作用しないようにするための技術が開発されており、その典型的な例が下記の特許文献１に開示されている。図２は、この特許文献１に開示された従来の密封装置を示すものである。
【０００６】
図２において、参照符号１１０は外周部材、参照符号１２０は内周部材で、互いに同心的に配置された両部材１１０，１２０間の円筒状隙間は、図における右側が、高圧となる密封空間ＳＡに連通しており、図における左側が相対的に低圧の大気側空間ＳＢに連通している。内周部材１２０には、外周部材１１０との対向周面に環状の第一取付溝１２１及び第二取付溝１２２が形成されており、前記隙間を密封する密封装置は、大気側空間ＳＢ側の第一取付溝１２１に保持されたメインシール１３０及び密封空間ＳＡ側の第二取付溝１２２に保持されたサブシール１４０とで構成される。
【０００７】
このうちメインシール１３０は、ゴム状弾性材料からなるＯリング１３１と、それより大気側空間ＳＢ側にあって合成樹脂材料からなるバックアップリング１３２，１３３からなる。そしてメインシール１３０が保持される第一取付溝１２１の底面は、Ｏリング１３１が保持される部分が円筒面状に形成され（以下、円筒面状底面１２１ａという）、バックアップリング１３２，１３３が保持される部分が大気側空間ＳＢ側へ向けて漸次溝深さが浅くなる円錐面状に形成され（以下、円錐面状底面１２１ｂという）、バックアップ１３２，１３３は、円錐面状底面１２１ｂと対応する円錐面１３２ａ，１３３ａにおいてこの円錐面状底面１２１ｂと密接可能となっている。
【０００８】
また、サブシール１４０は合成樹脂製のシールリングからなるものであって、このサブシール１４０が保持される第二取付溝１２２の底面は、第一取付溝１２１寄り（大気側空間ＳＢ側）の部分が円筒面状に形成され（以下、円筒面状底面１２２ａという）、その反対側（密封空間ＳＡ側）の部分が密封空間ＳＡ側へ向けて漸次溝深さが浅くなる円錐面状に形成され（以下、円錐面状底面１２２ｂという）、サブシール１４０は第二取付溝１２２における円筒面状底面１２２ａと対向する円筒面１４０ａと、第二取付溝１２２における円錐面状底面１２２ｂと密接可能な円錐面１４０ｂを有する。
【０００９】
すなわち図２に示す密封装置は、密封空間ＳＡから高いガス圧力が作用すると、サブシール１４０がこの圧力によって第二取付溝１２２内を密封空間ＳＡと反対側へ移動し、外周部材１１０及び第二取付溝１２２の底面との間の間隙を介して前記ガス圧力がサブシール１４０とメインシール１３０の間の中間室ＳＣへ導入され、この中間室ＳＣのガス圧力によって、Ｏリング１３１及びバックアップリング１３２，１３３からなるメインシール１３０が外周部材１１０の内周面及び第一取付溝１２１の底面に押し付けられ、前記高圧ガスを密封する。
【００１０】
また、この高圧状態から、密封空間ＳＡのガス圧力が急激に減圧された場合は、サブシール１４０とメインシール１３０の間の中間室ＳＣが密封空間ＳＡより相対的に高圧となることによって、サブシール１４０が第二取付溝１２２内を密封空間ＳＡ側へ移動して円錐面１４０ｂが第二取付溝１２２における円錐面状底面１２２ｂに乗り上がって密接されると共に、これによってサブシール１４０の外周面も外周部材１１０の内周面に密接されるので、中間室ＳＣのガス圧力が維持される。このため、メインシール１３０のＯリング１３１に浸透・保持されたガスが、密封空間ＳＡの急減圧によってＯリング１３１内で発泡することはないので、Ｏリング１３１の発泡割れ（ブリスタ）を有効に防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−１５７３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の密封装置によれば、密封空間ＳＡのガス圧力が急激に減圧されたときの中間室ＳＣと密封空間ＳＡの圧力差が大きいと、外周部材１１０の内周面及び第二取付溝１２２の底面に対するサブシール１４０の密接面圧や密接幅が大きくなるので、外周部材１１０及び内周部材１２０が相対回転又は軸方向へ反復的に相対移動した場合、外周部材１１０の内周面に対するサブシール１４０の摺動負荷が著しく大きくなり、サブシール１４０が破損してしまうおそれがある。また、このようにしてサブシール１４０のシール性が失墜すると、密封空間ＳＡのガス圧力が高圧状態から急激に減圧された場合に、中間室ＳＣのガス圧力も追随して急激に減圧されるので、メインシール１３０のＯリング１３１に浸透・保持された高圧ガスが急激に膨張してＯリング１３１にブリスタを発生させ、そのシール機能が損なわれてしまうおそれがある。
【００１３】
本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、高圧からの急減圧によるメインシールの発泡割れを有効に防止すると共に、メインシールとサブシール間にガス圧力が保持されることによるサブシールの負荷を低減してシール性の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る密封装置は、互いに対向する二部材間に介在されて密封空間からの高圧ガスを密封対象とする密封装置において、前記二部材のうち一方の部材における他方の部材との対向周面に形成された環状の第一取付溝に保持されたゴム状弾性材料からなるパッキンを備えるメインシールと、このメインシールより密封空間側に位置して前記対向周面に形成された環状の第二取付溝に保持された合成樹脂製のサブシールとからなり、前記第二取付溝の底面に前記密封空間側ほど浅くなる円錐面状底面が形成され、前記サブシールが、前記第二取付溝の円錐面状底面に乗り上がり又は乗り下がるように移動可能であり、前記サブシールにおける前記一方の部材又は他方の部材との対向面に、前記サブシールと前記メインシールとの間の中間室が前記密封空間より相対的に高圧になったときに前記中間室から圧力損失を生じさせつつ前記密封空間へのガスの流出を許容して前記中間室の減圧速度を緩和する凹凸が形成されたものである。
【００１５】
請求項２の発明に係る密封装置は、請求項１に記載の構成において、凹凸が円周方向へ延びる複数の溝からなるものである。
【００１６】
請求項１又は２に記載の構成において、密封空間が高圧の状態のときにはサブシールが第二取付溝の円錐面状底面を乗り下がるように移動するので、一方の部材又は他方の部材との間の隙間が拡大されて、密封空間の圧力がサブシールとメインシールの間の中間室に導入され、この中間室の圧力によってメインシールのパッキンが第一取付溝の底面及び他方の部材に押し付けられ、密封機能を奏する。また、この高圧状態から密封空間が急激に減圧されると、サブシールとメインシールとの間の中間室との差圧によって、サブシールは第二取付溝の円錐面状底面を乗り上がって一方の部材又は他方の部材との間の隙間が狭まるが、このサブシールに形成された凹凸が、圧力損失を生じながらサブシールとメインシールとの間の中間室から密封空間へのガスの流出を許容するので、メインシールとサブシールの間の中間室は徐々に減圧される。したがって、高圧時にメインシールのパッキンに浸透したガスの膨張・放出が抑制される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る密封装置によれば、密封空間が高圧の状態から急激に減圧されても、メインシールとサブシールの間の中間室の減圧速度が緩和されるので、メインシールの発泡割れが有効に防止されると共に、メインシールとサブシールの間の中間室の圧力によるサブシールの負荷増大や浸透漏れも有効に抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る密封装置の好適な実施の形態を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。
【図２】従来の技術に係る密封装置の一例を、その軸心Ｏを通る平面で切断して示す装着状態の半断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る密封装置の好ましい実施の形態について、図１を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１において、参照符号３は外周部材、参照符号４は内周部材で、円筒状の内周面３ａと外周面４ａ同士で対向するように互いに同心的に配置されており、両部材３，４間の円筒状隙間は、図における右側が、高圧となる密封空間ＳＡに連通しており、図における左側が大気側空間ＳＢに連通している。なお、内周部材４は請求項１に記載された二部材のうち一方の部材に相当し、外周部材３は請求項１に記載された二部材のうち他方の部材に相当する。
【００２１】
内周部材４の外周面４ａには、円周方向へ連続した第一取付溝４１及び第二取付溝４２が形成されており、外周部材３及び内周部材４間の円筒状隙間を密封する密封装置は、相対的に大気側空間ＳＢ側に位置する第一取付溝４１に軸方向移動可能に保持されたメインシール１と、相対的に密封空間ＳＡ側に位置する第二取付溝４２に軸方向移動可能に保持されたサブシール２とで構成される。なお、内周部材４の外周面４ａは、請求項１に記載された一方の部材における他方の部材との対向周面に相当する。
【００２２】
このうち、メインシール１は、Ｏリング１１と、それより大気側空間ＳＢ側に配置されたバックアップリング１２，１３からなる。そしてメインシール１が保持される第一取付溝４１の底面は、Ｏリング１１が保持される部分である円筒面状底面４１ａと、バックアップリング１２，１３が保持される部分である円錐面状底面４１ｂからなり、円錐面状底面４１ｂは、大気側空間ＳＢ側へ向けて漸次溝深さが浅くなるように形成されている。なお、Ｏリング１１は請求項１に記載されたパッキンに相当する。
【００２３】
メインシール１におけるＯリング１１は、よく知られているようにゴム状弾性材料（ゴム材料又はゴム状弾性を有する合成樹脂材料）からなるものであって断面が円形をなし、第一取付溝４１における円筒面状底面４１ａと、外周部材３の内周面３ａとの間で径方向に適当に圧縮された状態に介在している。また、バックアップリング１２，１３は、Ｏリング１１よりも硬質の、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）あるいはナイロンなどの合成樹脂材料によって平ワッシャ状に成形されたものであって、円錐面状底面４１ｂと対応する円錐面１２ａ，１３ａにおいてこの円錐面状底面４１ｂと密接可能であると共に、外周面１２ｂ，１３ｂが外周部材３の内周面３ａと密接可能となっている。
【００２４】
一方、サブシール２が保持される第二取付溝４２の底面は、相対的に第一取付溝４１側の円筒面状底面４２ａと、相対的に密封空間ＳＡ側の円錐面状底面４２ｂからなり、円錐面状底面４２ｂは、密封空間ＳＡ側へ向けて漸次溝深さが浅くなるように形成されている。
【００２５】
サブシール２は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）あるいはナイロンなどの合成樹脂材料で成形されたものであって、その内周面は、第二取付溝４２の円筒面状底面４２ａより僅かに大径の円筒面状内周面２ａと、そこから密封空間ＳＡ側へ向けて延びる円錐面状内周面２ｂからなり、円錐面状内周面２ｂは、密封空間ＳＡ側ほどサブシール２の径方向厚さが減少するように、第二取付溝４２の円錐面状底面４２ｂと対応した斜面をなすものである。
【００２６】
サブシール２の外径は、内周部材４の外周面４ａより大径であると共に外周部材３の内周面３ａより僅かに小径で、すなわちサブシール２の外周面は、外周部材３の内周面３ａと密接可能な状態で対向している。このサブシール２の外周面には、円周方向へ連続した溝状の複数の微小凹部２１が形成されており、この微小凹部２１は、サブシール２の外周面が外周部材３の内周面３ａに押し付けられた時に、完全に密接した状態とならないようにするものである。このため、密封空間ＳＡのガス圧力が中間室ＳＣより高い状態から低い状態へ急激に減圧された場合に、サブシール２の外周面と外周部材３の内周面３ａの間で圧力損失を生じさせつつ中間室ＳＣから密封空間ＳＡへのガスの流通を許容し、これによる中間室ＳＣの減圧速度を、Ｏリング１１に発泡を生じない程度の速度に抑制するものである。
【００２７】
また、サブシール２における密封空間ＳＡ側の端面２ｃは、その径方向高さが第二取付溝４２における密封空間ＳＡ側の径方向立ち上がり面４２ｃよりも高く、かつサブシール２における円錐面状内周面２ｂは、第二取付溝４２における円錐面状底面４２ｂより短く、このためサブシール２が第二取付溝４２内を最も密封空間ＳＡ側まで移動しても、サブシール２の端面２ｃと第二取付溝４２の径方向立ち上がり面１２２ｃの間には軸方向の隙間Ｇが存在するようになっている。
【００２８】
以上のように構成された実施の形態において、密封空間ＳＡから高いガス圧力が作用すると、この圧力によってサブシール２が第二取付溝４２内を密封空間ＳＡと反対側へ移動し、サブシール２の円錐面状内周面２ｂは第二取付溝４２の円錐面状底面４２ｂから離れるため、前記ガス圧力は、外周部材３の内周面３ａ及び第二取付溝４２の円筒面状底面４２ａとサブシール２との間の隙間を通じてメインシール１（Ｏリング１１）とサブシール２の間の中間室ＳＣに導入される。そしてこの中間室ＳＣに導入されたガス圧力によって、Ｏリング１１が第一取付溝４１内を相対的に低圧の大気側空間ＳＢ側へ向けて変位し、バックアップリング１２，１３に、Ｏリング１１を介して中間室ＳＣのガス圧力による軸方向荷重が作用する。
【００２９】
このため、バックアップリング１２，１３は、第一取付溝４１内を大気側空間ＳＢ側へ向けて変位しながら、その内径の円錐面１２ａ，１３ａが第一取付溝４１の円錐面状底面４１ｂと摺動して乗り上がるので、バックアップリング１２，１３の外周面１２ｂ，１３ｂと外周部材３の内周面３ａとの間の隙間が縮小され、大気側空間ＳＢ側へのＯリング１１のはみ出しを有効に防止する。
【００３０】
そしてＯリング１１は、中間室ＳＣのガス圧力によってバックアップリング１２に押し付けられると共に外周部材３の内周面３ａ及び第一取付溝４１の円筒面状底面４１ａへの密接面圧が大きくなるので、密封空間ＳＡから中間室ＳＣへ導入された高圧ガスがさらに大気側空間ＳＢ側へ漏洩するのを有効に防止する。
【００３１】
また、密封空間ＳＡのガス圧力が高い状態から、このガス圧力が急激に減圧された場合は、メインシール１（Ｏリング１１）とサブシール２の間の中間室ＳＣが密封空間ＳＡより相対的に高圧となることによって、サブシール２が第二取付溝４２内を密封空間ＳＡ側へ変位しながら、その円錐面状内周面２ｂが第二取付溝４２の円錐面状底面４２ｂと摺動して乗り上がる。このため、サブシール２は、その円錐面状内周面２ｂが円錐面状底面４２ｂに密接されると共に、外周面が外周部材３の内周面３ａに押し付けられる。
【００３２】
しかしながら、サブシール２の外周面には円周方向へ連続した溝状の複数の微小凹部２１が形成されており、この微小凹部２１によって、サブシール２の外周面と外周部材３の内周面３ａは完全に密接した状態とならないようになっているので、中間室ＳＣ内の高圧ガスは、外周部材３の内周面３ａとサブシール２の外周面の間の微小隙間を介して、減圧によって中間室ＳＣより低圧となった密封空間ＳＡへ徐々に放出される。このため、中間室ＳＣは急減圧されることなく、徐々に減圧される。
【００３３】
したがって、密封空間ＳＡが高圧の時に中間室ＳＣ内に導入されたガスがＯリング１１に浸透しても、この浸透ガスが、中間室ＳＣの急減圧によってＯリング１１内で急激に膨張して発泡することはない。すなわち、サブシール２の外周面に形成された微小凹部２１は、Ｏリング１１に発泡を生じない程度の速度でＯリング１１からのガスの放出を許容するように、中間室ＳＣの減圧速度を密封空間ＳＡの減圧速度より小さくする圧力損失を生じるものである。このため、Ｏリング１１の発泡割れ（ブリスタ）の発生が有効に防止される。
【００３４】
また、上述のように、中間室ＳＣに導入された高圧ガスは密封空間ＳＡの減圧時には密封空間ＳＡへ徐々に放出されるので、中間室ＳＣは高圧に保持されることはない。したがって外周部材３及び内周部材４が相対回転又は軸方向へ反復的に相対移動するものである場合に、外周部材３の内周面３ａに対するＯリング１１及びサブシール２の摺動負荷が著しく大きくなるようなことはなく、このためシール耐久性が向上する。
【００３５】
さらに、密封空間ＳＡが減圧されている間は、Ｏリング１１へのガスの浸透が起こらないため、大気側空間ＳＢへのガスの浸透漏れも有効に抑制される。
【００３６】
なお、密封空間ＳＡのガス圧力が急激に減圧された場合の中間室ＳＣの減圧速度をＯリング１１に発泡を生じない程度の速度に緩和するための凹凸としては、溝状の複数の微小凹部２１のほか、例えば粗面による微小凹凸であっても良く、また、サブシール２の円錐面状内周面２ｂに形成しても良い。
【符号の説明】
【００３７】
１  メインシール
１１  Ｏリング（パッキン）
１２，１３  バックアップリング
２  サブシール
２ａ  円筒面状内周面
２ｂ  円錐面状内周面
２１  微小凹部（凹凸）
３  外周部材（二部材のうち他方の部材）
４  内周部材（二部材のうち一方の部材）
４ａ  外周面（他方の部材との対向周面）
４１  第一取付溝
４１ａ，４２ａ  円筒面状底面
４１ｂ，４２ｂ  円錐面状底面
４２  第二取付溝
ＳＡ  密封空間
ＳＢ  大気側空間
ＳＣ  中間室
【図１】
0005983918.tif 000002
【図２】
0005983918.tif 000003