(57)【要約】【課題】密封性を安定的に維持できる密封装置を提供する。【解決手段】密封装置１は、弾性素材によって形成された、環状のシール部５を備えている。シール部５の内周面には回転軸Ｓの外周面Ｓ１に摺接する主リップ１０と、主リップ１０から真空空間Ｖ側に向かって漸次拡径している真空空間側傾斜面１１とが形成されている。真空空間側傾斜面１１には、潤滑剤を溜めるための環状溝２３が径方向外側に向けて凹入形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、前記回転軸を包囲しているハウジングとの間に形成された環状空間を、低圧空間と前記低圧空間よりも高圧の高圧空間とに軸方向に仕切る密封装置であって、
弾性素材によって形成された、前記回転軸の外周面に摺接する環状のシール部を備え、
前記シール部の内周面には、前記回転軸の外周面に摺接する主リップと、前記主リップから前記低圧空間側に向かって延びているとともに、前記低圧空間側に向かって漸次拡径している環状の傾斜面と、が形成され、
前記傾斜面には、潤滑剤を溜めるための環状溝が径方向外側に向けて凹入形成されている、密封装置。
【請求項２】
前記環状溝は前記主リップに隣接している、請求項１に記載の密封装置。
【請求項３】
前記傾斜面には、さらに、径方向内側に突設された１つ以上の環状突起が形成され、
前記環状溝は、前記主リップと前記１つ以上の環状突起のうちの前記主リップに最も近い環状突起との間に形成されている、請求項２に記載の密封装置。
【請求項４】
前記低圧空間は真空空間であり、前記高圧空間は大気圧空間である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の密封装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、回転軸と、前記回転軸を包囲しているハウジングとの間の環状空間を、高圧空間と低圧空間とに仕切るための密封装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空空間とされた真空容器内の機器に回転力を与えるために、回転力伝達用の回転軸を真空容器の内部から外部に突設させたときに、回転軸と、真空容器に設けられた回転軸を挿通するための貫通孔との間の環状空間から真空容器内への大気のリークを防止して、真空状態を維持する必要がある。そのために、環状空間には密封装置が装着される。
【０００３】
特許文献１は、上記環状空間を高圧空間（大気圧空間）と低圧空間（真空空間）とに仕切るための密封装置であって、長期に亘って密封性を維持することができる密封装置を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１６９２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、高温環境下になると潤滑剤の油分が蒸発しやすいため、回転軸の外周面に摺接するリップ部の潤滑が不足する。そのため、リップ部の摩擦抵抗が増加し、リップ部の摩耗が促進される。また、リップ部の摩擦抵抗が増加することによってリップ部の温度が上昇し、気化した潤滑剤の油分がリップ部に浸透してリップ部にブリスタが発生しやすくなる。特に、真空環境である場合、潤滑剤の油分はより蒸発しやすくなるため、リップ部の摩耗がより促進される。また、よりブリスタが発生しやすくなる。その結果、密封装置の密封性を長期間に亘って維持することができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、高温環境下でも密封性を長期間に亘って維持できる密封装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ある実施の形態に従うと、密封装置は、回転軸と、当該回転軸を包囲しているハウジングとの間に形成された環状空間を、低圧空間と当該低圧空間よりも高圧の高圧空間とに軸方向に仕切る密封装置であって、弾性素材によって形成された、回転軸の外周面に摺接する環状のシール部を備え、シール部の内周面には、回転軸の外周面に摺接する主リップと、主リップから低圧空間側に向かって延びているとともに、低圧空間側に向かって漸次拡径している環状の傾斜面と、が形成され、傾斜面には、潤滑剤を溜めるための環状溝が径方向外側に向けて凹入形成されている。
【０００８】
高圧空間から低圧空間に回転力を導入する回転導入機において低圧空間と高圧空間とを密封装置によって仕切ると、回転軸とリップ部とが瞬間的に離間する、スティックスリップ（自励振動）と呼ばれる現象が生じることがある。たとえば密封空間が超高真空になると、わずかな振動であっても大気側から真空側に気体がリークしやすくなる。また、圧力差によりリップ部に力がかかりやすくなり、スティックスリップが発生しやすくなるので、大気側から真空側に気体がリークしやすくなる。
【０００９】
発明者らは、スティックスリップが生じる原因について鋭意研究した結果、その原因の一つがリップ部の潤滑不足であるとの知見を得た。これは、潤滑不足により回転軸の外周面とリップ部との摩擦力が変動し、リップ部が振動して瞬間的に回転軸の外周面から離間するためであると考察される。また、潤滑不足によってリップ部の摩耗が促進することで摩耗粉が増加し、発生した摩耗粉がリップ部と回転軸の外周面との間に入り込むことがスティックスリップを誘発しているためであると考察される。上記のように、高温環境下では回転軸の外周面とリップ部との摺接面が潤滑不足となるため、特に、高温環境下でスティックスリップが発生しやすいと考えられる。そのため、高温環境下では、リップ部の摩耗やブリスタの発生に加えて、スティックスリップの発生によっても密封装置の密封性が損なわれやすい。
【００１０】
この点、上記の実施の形態に従う密封装置では、傾斜面に潤滑剤を溜めるための環状溝が凹入形成されていることによって、シール部の内周面に潤滑剤を塗布した状態で密封装置の内周側に回転軸を挿入したときに、環状溝が形成されていない場合より傾斜面と回転軸の外周面との間に多くの潤滑剤が保持される。そのため、多くの潤滑剤がシール部と回転軸の外周面との摺接面に供給される。これにより、高温環境下であってもリップ部の潤滑性が高められ、リップ部の摩耗が抑えられる。また、リップ部の温度上昇が抑えられ、ブリスタの発生も抑えられる。また、摺接面の摩擦力が安定するためにスティックスリップの発生が抑えられる。その結果、高温環境下であっても密封性を長期間に亘って維持できる。
【００１１】
好ましくは、環状溝は主リップに隣接している。
これにより、潤滑剤は主リップに効率的に供給される。主リップは摺接面で最も圧縮応力が高く発熱量が大きいため、その部分に効率的に潤滑剤が供給されることによって、リップ部の温度上昇をより抑えることができる。その結果、効果的に密封性を長期間に亘って維持できる。
【００１２】
好ましくは、傾斜面には、さらに、径方向内側に突設された１つ以上の環状突起が形成され、環状溝は、主リップと１つ以上の環状突起のうちの主リップに最も近い環状突起との間に形成されている。
上記位置に環状溝を配置することで、環状溝は、傾斜面の主リップに近い位置に形成される。そのため、潤滑剤がシール部と回転軸の外周面との摺接面全体に効率的に供給される。
【００１３】
好ましくは、低圧空間は真空空間であり、高圧空間は大気圧空間である。
これにより、当該密封装置は、高真空（０．１〜１０-5Ｐａ）や超高真空（１０-5Ｐａ以下）の真空空間と大気圧空間との間であってもスティックスリップの発生を抑えることができ、密封性を長期間に亘って維持できる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によると、高温環境下でも密封性を長期間に亘って維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態にかかる密封装置の断面図である。
【図２】図１の密封装置のシール部の要部を拡大した断面図である。
【図３】密封装置の主リップの断面図であって、（ａ）は回転軸を挿入する前の状態、（ｂ）は回転軸を挿入した状態を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を参照しつつ、好ましい実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品および構成要素には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、これらの説明は繰り返さない。
【００１７】
＜全体構成＞
図１は、本実施の形態にかかる密封装置１の断面図である。この密封装置１は、内部が高真空（０．１〜１０-5Ｐａ）環境または超高真空（１０-5Ｐａ以下）環境とされる真空容器（図示せず）に装着可能なものである。密封装置１は、回転軸Ｓと、回転軸Ｓを包囲しているハウジングＨとの間に形成された環状空間Ｔを、密封状態で、大気圧空間Ａ（高圧空間，図１中右側）と、真空空間Ｖ（低圧空間，図１中左側）とに軸方向に仕切るために用いられている。
【００１８】
回転軸Ｓは、真空容器内に設置された機器に回転力を与えるための回転伝達用の軸である。回転軸Ｓは、真空容器に設けられ当該真空容器の内外を連通している筒状のハウジングＨに挿通されて、真空容器の内部である真空空間Ｖから外部である大気圧空間Ａに向けて突設されている。
【００１９】
密封装置１は、回転軸Ｓが回転可能に環状空間Ｔを、大気圧空間Ａと真空空間Ｖとに軸方向に仕切っている。密封装置１は、金属製の芯金２と、芯金２に加硫接着により固着されたフッ素ゴム等の弾性素材からなるシール部材３と、を備えている。
【００２０】
芯金２は、ＳＰＣＣ等の鋼板をプレス加工等することによって環状に形成されている。芯金２は、ハウジングＨの内周面と並行に延びる円筒状の円筒部２ａと、円筒部２ａの一端部から径方向内方に延びる円環部２ｂと、を有しており、断面Ｌ字形に形成されている。
【００２１】
シール部材３は、円筒部２ａの外周面から大気圧空間Ａ側の端面を回り込んで当該円筒部２ａの内周面に沿うとともに円環部２ｂの大気圧空間Ａ側の側面に沿って接着された基体部４と、円環部２ｂの内周端から延びるシール部５と、同じく円環部２ｂの内周端から延びる補助リップ７と、を有している。
芯金２は、基体部４のうちの円筒部２ａの外周を覆う部分を介してハウジングＨに圧入されており、これによって、密封装置１は、ハウジングＨに固定されている。
【００２２】
補助リップ７は、円環部２ｂの内周端を基端として真空空間Ｖ側に延びているとともに、真空空間Ｖ側に向かって漸次縮径した状態で回転軸Ｓの外周面Ｓ１に摺接している。
シール部５は、円環部２ｂの内周端を基端として大気圧空間Ａ側に延びている環状の部材である。
補助リップ７およびシール部５の連続した径方向内側の面は、径方向外側に向かう凹部９を形成する。
【００２３】
シール部５の外周面側には、当該シール部５を径方向内側に締め付けて押圧することで密封性を高めるためのガータスプリング８が装着されている。
シール部５は、回転軸Ｓの外周面Ｓ１に摺接することで、大気圧空間Ａの圧力が回転軸ＳとハウジングＨとの間から真空空間Ｖにリークしないように、両空間の間を密封している。
【００２４】
シール部５の内周面には、回転軸Ｓの外周面Ｓ１に摺接する主リップ１０と、主リップ１０から真空空間Ｖ側に向かって延びているとともに、真空空間Ｖ側に向かって漸次拡径している真空空間側傾斜面１１と、主リップ１０から大気圧空間Ａ側に向かって延びているとともに、大気圧空間Ａ側に向かって漸次拡径している大気空間側傾斜面１２と、が形成されている。よって、主リップ１０は、真空空間側傾斜面１１と大気空間側傾斜面１２とによる頂部により構成されており、断面山形に形成されている。
【００２５】
シール部５は、上述のように円環部２ｂの内周端を基端として大気圧空間Ａ側に延びている。従って、シール部５は、真空空間Ｖ側の端部を支点として、大気圧空間Ａ側の端部が径方向外側に移動可能とされている。なお、図１は、自由状態にあるシール部５を示している。
【００２６】
シール部５は、内周側に回転軸Ｓが挿入されると、当該シール部５の大気圧空間Ａ側の端部が径方向外側に移動し、大気圧空間Ａ側の端部及び主リップ１０がわずかに拡径するように弾性変形する。シール部５が自由状態において主リップ１０の内径寸法は、回転軸Ｓの外径寸法よりも小さい所定の寸法に形成されている。
【００２７】
＜シール部の構成の詳細＞
図２は、図１中、シール部５の要部を拡大した断面図である。なお、図２は、自由状態にあるシール部５を示している。図２を参照して、シール部５の真空空間側傾斜面１１は、軸方向に対する傾斜角度ｄが、例えば１０〜２０度の範囲に設定された円すい状の内周面に形成されている。
【００２８】
真空空間側傾斜面１１には、１つ以上の環状溝２３が当該真空空間側傾斜面１１から径方向外側に向けて凹入形成されている。図２では、１つの環状溝２３が形成されている。環状溝２３は、その底端が直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の断面円弧形状に形成され、環状溝２３先端部の円弧を囲んで直線部２４，２５が形成されている。直線部２４は、環状溝２３と第３環状突起２２との２つの円弧間に形成されている。環状溝２３先端部の円弧を囲んで直線部２４，２５が形成されていることによって、当該直線部２４，２５が形成されずに２つの円弧（第３環状突起２２および環状溝２３）が連続してＳ字形状を呈する構造と比較すると、環状溝２３の真空空間側傾斜面１１から径方向外側への凹入長さが長く（深く）なる。それにより、環状溝２３が保持可能な潤滑剤の量が多くなる。また、第３環状突起２２および環状溝２３先端部をいずれも円弧形状とすることによって頂部および底部への応力集中を回避し、破損を防止することができる。
【００２９】
好ましくは、環状溝２３は、真空空間側傾斜面１１の主リップ１０に近い位置、すなわち、真空容器に装着される際に大気圧空間Ａに近い側に設けられている。一例として、環状溝２３は、主リップ１０に隣接している。
【００３０】
好ましくは、真空空間側傾斜面１１の、主リップ１０から遠い側に環状溝２３に隣接して、１つ以上の環状突起が真空空間側傾斜面１１から径方向内側に向けて突出形成されている。本実施の形態では、真空空間側傾斜面１１の最も真空空間Ｖ側の位置に第１環状突起２０、環状溝２３と第１環状突起２０との間に第２環状突起２１、環状溝２３と第２環状突起２１との間に第３環状突起２２、が形成されている。それぞれ真空空間側傾斜面１１上に形成された各環状突起２０〜２２は、その先端が直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の断面円弧形状に形成され、各環状突起間には直線部が形成されている。
【００３１】
好ましくは、第１環状突起２０は、真空空間側傾斜面１１を基準とした突出寸法ｔ２が、第２環状突起２１及び第３環状突起２２の突出寸法ｔ１よりも大きい値（例えば、ｔ１の２〜３倍程度）となるように形成されている。
【００３２】
好ましくは、第１環状突起２０の突出寸法ｔ２は、密封装置１に回転軸Ｓが挿入され、主リップ１０（及び第３環状突起２２）が外周面Ｓ１に摺接したときにその先端が外周面Ｓ１に摺接する値に設定されている。
【００３３】
一方、第２環状突起２１の突出寸法ｔ１は、密封装置１が使用初期の状態においては回転軸Ｓの外周面Ｓ１に摺接せず、主リップ１０及び第１環状突起２０が使用によって摩耗すると、回転軸Ｓの外周面Ｓ１に対する摺接を開始する値に設定されている。
なお、密封装置１における使用初期の状態とは、未使用の密封装置１をハウジングＨに固定し、回転軸Ｓの回転を開始した直後であって主リップ１０や第１環状突起２０に摩耗が見られない状態をいう。
【００３４】
環状溝２３の設けられる位置は、大気圧空間Ａに近いほどよい。好ましくは、環状溝２３は、主リップ１０に隣接し、真空空間側傾斜面１１を環状突起２０〜２２および環状溝２３で概ね等分割する位置に配置される。
また、好ましくは、環状溝２３の溝幅ｗは、第２環状突起２１及び第３環状突起２２の幅と同程度である。
好ましくは、環状溝２３の、真空空間側傾斜面１１を基準とした凹入寸法ｔ３は、第２環状突起２１及び第３環状突起２２の突出寸法ｔ１と同程度である。
【００３５】
＜環状溝の作用＞
図３は主リップ１０の断面図であり、図３（ａ）は密封装置１の内周側に回転軸Ｓを挿入前の状態、図３（ｂ）は挿入後の状態を示している。なお、図３（ａ）に表された回転軸Ｓの外周面Ｓ１は仮想的な面である。
【００３６】
図３（ａ）を参照して、密封装置１の内周側に回転軸Ｓを挿入する前には、挿入時に回転軸Ｓの外周面Ｓ１に対向するシール部５の内周面側に潤滑剤を塗布する。従って、密封装置１の内周側に回転軸Ｓを挿入する前には、潤滑剤は、凹部９および真空空間側傾斜面１１で構成される空間Ｐ１に存在する。
【００３７】
図３（ｂ）を参照して、密封装置１の内周側に回転軸Ｓを挿入すると、シール部５は真空空間Ｖ側の端部を支点として、大気圧空間Ａ側の端部が径方向外側に移動し、主リップ１０が、わずかに拡径するように弾性変形した状態で、回転軸Ｓの外周面Ｓ１に摺接する。また、シール部５の大気圧空間Ａ側の端部が径方向外側に移動することで、真空空間側傾斜面１１の傾斜角度ｄ（図２）が小さくなり、真空空間側傾斜面１１が回転軸Ｓの外周面Ｓ１に接近する。
【００３８】
これによって、空間Ｐ１のうちの、真空空間側傾斜面１１と外周面Ｓ１との間の空間が減少して、空間Ｐ１は空間Ｐ１ａに変形する。その結果、密封装置１の内周側に回転軸Ｓを挿入した状態では、潤滑剤は空間Ｐ１ａに保持される。
【００３９】
このとき、密封装置１の真空空間側傾斜面１１には環状溝２３が形成されているため、真空空間側傾斜面１１が回転軸Ｓの外周面Ｓ１に接近した状態であっても、環状溝２３と外周面Ｓ１との間に空間Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４が生じる。その結果、密封装置１の内周側に回転軸Ｓを挿入した状態で、潤滑剤は、空間Ｐ１ａに加えて空間Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４にも保持される。
【００４０】
空間Ｐ１ａおよび空間Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４に保持された潤滑剤は、シール部５と回転軸Ｓの外周面Ｓ１との摺接面に供給される。
【００４１】
＜環状溝の効果＞
密封装置１の真空空間側傾斜面１１に環状溝２３が設けられることによって、環状溝２３がない状態の空間Ｐ１ａ，Ｐ３，Ｐ４に加えて、環状溝２３が形成する空間Ｐ２にも潤滑剤が保持される。つまり、環状溝２３は、潤滑剤を溜めるために密封装置１の真空空間側傾斜面１１に形成される。そのため、密封装置１では環状溝２３がない密封装置より多くの潤滑剤が保持され、より多くの潤滑剤がシール部５と回転軸Ｓの外周面Ｓ１との摺接面に供給される。これにより、摺接面の潤滑性が高められる。その結果、環状溝２３がない密封装置よりもスティックスリップの発生および／または振動幅を抑えることができる。
【００４２】
なお、摩耗体積Ｖを表す一般的な式として、以下のＲＡＴＮＥＲの式が知られている。
Ｖ＝μＷＬ／Ｈσε
ただし、μ：摩擦係数、Ｗ：単位面積あたりの荷重、Ｌ：摺接面の面積、Ｈ：硬度、σ：引張応力（引張破断強度）、ε：破壊伸び、である。
【００４３】
上の式からも、摩耗に対して摩擦係数（μ）が関わることがわかる。その点、本実施の形態にかかる密封装置１ではより多くの潤滑剤がシール部５と回転軸Ｓの外周面Ｓ１との摺接面に供給されることによって摺接面の摩擦係数が抑えられる。その結果、環状溝２３がない密封装置よりも主リップ１０の摩耗を抑えることができる。主リップ１０の摩耗が抑えられることによって摩耗粉も減少し、発生した摩耗粉が主リップ１０と回転軸Ｓの外周面Ｓ１との間に入り込むことによって誘発されると考察されるスティックスリップの発生および／または振動幅を抑えることができる。また、主リップ１０を高寿命化することができる。
【００４４】
密封装置１が真空容器（図示せず）に装着されると、真空空間側傾斜面１１には、大気圧空間Ａ側から真空空間Ｖ側に向かう力が生じる。その状況下に用いられる密封装置１において、環状溝２３が大気圧空間Ａに近い側に設けられていることによって、潤滑剤が摺接面全体に効率よく供給される。その結果、より効果的にスティックスリップの発生および／または振動幅を抑えることができる。また、主リップ１０をより高寿命化することができる。
【００４５】
なお、上記のように、環状溝２３は真空空間側傾斜面１１のより大気圧空間Ａに近い側に設けられているのがよい。環状溝２３が大気圧空間Ａに近い側に設けられているほど、潤滑剤が摺接面全体により効率よく供給されるためである。しかしながら、本実施の形態にかかる密封装置１では環状溝２３を主リップ１０に隣接する位置に配置することによって、主リップ１０から環状溝２３までの間の距離を確保することができる。主リップ１０から環状溝２３までの間の距離が確保されることによって、主リップ１０による密封力が強まる。従って、この位置に環状溝２３が配置されることによって、密封性能の確保と潤滑剤の摺接面全体への効率的な供給とが両立される。
【００４６】
なお、環状溝２３の溝幅ｗは大きいほど、また、凹入寸法ｔ３は大きいほど、さらには、環状溝２３の数が多いほど、空間Ｐ２が大きくなる。そのため、より多くの潤滑剤が保持され、より効率よく潤滑剤を摺接面に供給できるようにも思われる。
【００４７】
しかしながら、シール部５に対して空間Ｐ２が大きくなりすぎると、使用時や成形時に割れの起点となる可能性が高まる。そこで、本実施の形態にかかる密封装置１では、一例として、環状溝２３が１つ成形され、当該環状溝２３が、溝幅ｗを第２環状突起２１及び第３環状突起２２の幅と同程度とし、凹入寸法ｔ３を第２環状突起２１及び第３環状突起２２の突出寸法ｔ１と同程度として形成される。これにより、シール部５に対する空間Ｐ２の大きさを適正化できる。これにより、使用時や成形時の割れを防止しつつ、潤滑剤を摺接面に効率よく供給できる。
【００４８】
なお、環状溝２３の数、溝幅ｗ及び凹入寸法ｔ３は、シール部５のサイズや材質に応じて適宜設定される。
【００４９】
さらに、環状突起２０，２１，２２が上記のような突出寸法で構成されることによって、当該密封装置１が使用初期の状態においては主リップ１０、第１環状突起２０、及び第３環状突起２２によって必要な密封性を確保する。その後、回転軸Ｓが回転し、主リップ１０、第１環状突起２０、及び第３環状突起２２が回転軸Ｓの外周面Ｓ１に対して摺接することで必要な密封性が維持できない程度に摩耗したとしても、第２環状突起２１が回転軸Ｓの外周面Ｓ１に対して摺接を開始するので、第２環状突起を新たに密封性確保に寄与させることができ、必要な密封性を維持することができる。
【００５０】
＜実施の形態の効果＞
以上のように、実施の形態にかかる密封装置１によれば、環状溝２３が凹入形成されることによって、高温環境下で用いられる場合であっても主リップ１０の潤滑性が高められ、主リップ１０の温度上昇を抑えることができる。その結果、主リップ１０の摩耗が抑えられるとともに、ブリスタの発生も抑えられる。また、スティックスリップの発生および／または振動幅を効果的に抑えることができる。これにより、高温環境下で用いられる場合でも、密封性を長期間に亘って維持することができる。また、主リップ１０を高寿命化することができる。加えて、環状突起２０〜２２が形成されることによって、密封性をより長期間に亘って維持することができる。
【００５１】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１    密封装置
５    シール部、
７    補助リップ
１０  主リップ
１１  真空空間側傾斜面
２０  第１環状突起
２１  第２環状突起
２２  第３環状突起
２３  環状溝
Ｓ    回転軸
Ｓ１  外周面
【図１】
2019090478.tif 000003
【図２】
2019090478.tif 000004
【図３】
2019090478.tif 000005