(57)【要約】【課題】  潤滑剤が使用できない場合や潤滑条件が厳しい環境下でもシール性能を向上できるようにすること。【解決手段】  回転軸１とハウジング２とが対向する空間に配備されて当該空間を軸方向に２つの空間に仕切るシールであって、ハウジング２に取り付けられる環状芯４と、これに被着されかつその内周部分が回転部材に摺接するリップ６，７とされる弾性体５とを有し、少なくとも、リップ６，７の摺接部分の硬さを、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定した構成。【選択図】図１
2008064315.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部材が対向する空間に配備されて当該空間を２つの空間に仕切るシールであって、
一方の部材に対して摺接させられるリップを備え、
前記リップの少なくとも摺接部分の硬さが、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定されている、ことを特徴とするシール。
【請求項２】
相対回転する径方向内外の２つの部材が対向する空間に配備されて当該空間を軸方向に２つの空間に仕切るシールであって、
回転する一方の部材に対して摺接させられるリップを備え、
前記リップの少なくとも摺接部分の硬さが、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定されている、ことを特徴とするシール。
【請求項３】
径方向内外の固定部材と回転部材が対向する空間に配備されて当該空間を軸方向に２つの空間に仕切るシールであって、
固定部材に取り付けられる環状芯金と、これに被着されかつその内周部分が回転部材に摺接するリップとされる弾性体とを有し、
前記弾性体の硬さが、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定されている、ことを特徴とするシール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対回転する径方向内外の２つの部材が対向する空間に配備されて当該空間を軸方向２つの空間に仕切るシールに関する。
【背景技術】
【０００２】
空間を仕切って一方の空間を他方の空間から密封するシールには、環状芯金に弾性体を被着し、その弾性体の内周部分を回転部材表面（摺接面）上を摺接するリップとしてなり、リップと回転部材との間の隙間を密封箇所とし、そこからのオイルの漏洩を防止するものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなリップは、一般的にニトリルブタジエンゴムなどのゴム材により形成されている。
【０００４】
このような従来のシールでは、オイルやグリースなどの潤滑剤を使用できない場合や、潤滑条件が厳しい場合には、リップの微少ばたつきが発生し、シール性能が低下しやすくなることが分かった。
【０００５】
リップの微少ばたつきとは、潤滑条件が厳しくて摩擦係数が大きくなっている摺接面上に、リップの摺接部分が摺接した場合、その摺接部分が摺接面との摩擦力で摺接面上を滑らずに摺接面に摩擦係合される結果、リップが回転部材の回転方向に延ばされ、またその延びによる収縮力が前記摩擦係合力を越えると縮むという、延縮作用を繰り返す現象のことを言う。
【０００６】
このような現象が起こる各種リップについて本発明者らが種々研究を進めたところ、上記現象が生起するリップは共通してその硬さがデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕で２０程度であったが、潤滑条件が厳しい環境下で、デュロメータ硬さを大きく設定していくと、いずれのリップも上記微少ばたつきが減少していき、シール性能が向上し、その一方では、デュロメータ硬さが過大に設定されると、逆にシール性能が低下することが判明した。
【０００７】
したがって、本発明においては、潤滑剤が使用できない場合や潤滑条件が厳しい環境下でもデュロメータ硬さを調整してシール性能を向上できるようにすることを解決すべき課題としている。
【０００８】
なお、本発明の他の解決すべき課題については後述から明らかとされる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明第１によるシールは、２つの部材が対向する空間に配備されて当該空間を２つの空間に仕切るシールであって、一方の部材に対して摺接させられるリップを備え、前記リップの少なくとも摺接部分の硬さを、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定したものである。
【００１０】
前記摺接は、摺動、接触、等の用語を用いて表現することもできる。デュロメータ硬さとは、ゴム材、合成樹脂などに用いられるスプリング式硬さ試験機で測定される硬さのことであるが、他の硬さ試験機で測定された硬さの場合も、その硬さをデュロメータ硬さに換算して表現される場合も含む。
【００１１】
このシールは、軸とこれの周囲のハウジングのように径方向内外に対向し、かつ、同軸状に配置されるような２つの部材の対向空間を２つの空間に仕切るのに用いられるシールに限定されず、両部材の対向空間を２つの空間に仕切るのに用いられるすべてのシールに適用される。
【００１２】
上記において、リップの硬さが３０未満のデュロメータ硬さに設定されていると、リップに微少ばたつきが発生し、９０を越えるデュロメータ硬さに設定されていると、部材が静止時あるいは回転時のいずれにおいてもリップと部材との密着性が低下する。
【００１３】
本発明第１のシールによると、リップの硬さが３０〜９０の範囲のデュロメータ硬さに設定されているから、潤滑条件が厳しくて摩擦係数が大きくなっている摺接面をそのリップの摺接部分が摺接した場合、その摺接部分が摺接面との摩擦力で摺接面上を良好に滑って摺接面と摩擦係合するようなことが解消される結果、リップが回転部材の回転方向に延ばされたり縮んだりしてリップが微少ばたつきするようなことがなくなり部材との密着性が向上した。
【００１４】
本発明第２によるシールは、相対回転する径方向内外の２つの部材が対向する空間に配備されて当該空間を軸方向に２つの空間に仕切るシールであって、回転する一方の部材に対して摺接させられるリップを備え、リップの少なくとも摺接部分の硬さを３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定したものである。
【００１５】
ここで、前記両部材は、相対回転するから、前記一方の部材が回転しているとき、他方の部材は回転していても非回転であっても、そのいずれも含む。
【００１６】
本発明第２のシールによると、リップの硬さが３０〜９０の範囲のデュロメータ硬さに設定されているから、本発明第１と同様に、リップが微少ばたつきすることがなく、また回転部材との密着性も低下しなかった。
【００１７】
本発明第３のシールは、径方向内外の固定部材と回転部材が対向する空間に配備されて当該空間を軸方向に２つの空間に仕切るシールであって、固定部材に取り付けられる環状芯金と、これに被着されかつその内周部分が回転部材に摺接するリップとされる弾性体とを有し、前記弾性体の硬さを、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定したものである。
【００１８】
上記弾性体にはゴムのみならず弾性を有する樹脂も含む。
【００１９】
本発明第３のシールによると、弾性体の硬さが３０〜９０の範囲のデュロメータ硬さに設定されているから、本発明第１と同様に、その弾性体の内周側のリップが微少ばたつきするようなことがなくなり、また、回転部材との密着性も低下しなかった。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、リップの少なくとも摺接部分の硬さを、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定したから、潤滑剤が使用できない場合や潤滑条件が厳しい環境下でも、リップが微少ばたつきすることがなくなり、また、部材との密着性も低下しなくなり、これによってシール性能に優れたシールが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の詳細を図面を参照して説明する。なお、各実施形態のシールは、例えば真空チャンバの内外に回転軸を貫通して配設するような状況で、真空チャンバ内外を遮断するために用いられるが、これに限定されるものではない。
【００２２】
（実施形態１）
図１および図２を参照して、本発明の実施形態１のシールについて説明する。図１は、リップが回転軸に摺接する前の状態におけるシールの上半分の縦断面図であり、図２は、リップが回転軸に摺接している状態にあるシールの上半分の縦断面図である。
【００２３】
図中、１は、回転軸、２は、ハウジング、３はシールである。回転軸１とハウジング２は、径方向内外で同心状に配設されている回転部材と固定部材との２つの部材を構成する。この実施形態においては、回転軸１は、回転し、ハウジング２は、固定状態にあり、両者は相対回転する２つの部材とも言える。また、例えば、回転軸の回りに、円筒体を配置し、回転軸も円筒体も共に回転するような２つの部材においても、両者は相対回転する２つの部材を構成することになり、本発明のシールは、このような相対回転する２つの部材の対向空間を２つの空間に仕切るものにも適用することができる。
【００２４】
回転軸１とハウジング２との間の環状空間Ａは、シール３により、軸方向において低圧空間例えば真空空間（密封対象空間）Ｂと、この密封対象空間Ｂより圧力が高い高圧空間例えば大気圧空間Ｃとに仕切られる。
【００２５】
シール３は、上半分の径方向断面形状がほぼＬ字形の環状芯金４と、これに環状に被着された弾性体５とを有する。
【００２６】
弾性体５の内周部分は、軸方向一方側となる大気圧空間Ｃ側へ延びる主リップ６と、この主リップ６と隣り合わせに設けられ軸方向他方側となる密封対象空間Ｂ側に向けて漸次拡径するテーパ形状を有する補助リップ７とされる。
【００２７】
以上の構成において、実施形態１のシールは、次の構成を備えることに特徴を有する。
【００２８】
すなわち、実施形態１のシールは、弾性体５の硬さが、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定されている。この場合、弾性体５の全体の硬さを前記デュロメータ硬さに設定せずに、弾性体５の内周側端部の両リップ６，７の硬さ、または、両リップ６，７の摺接部分の硬さだけ、または主リップ６の摺接部分の硬さだけを、３０〜９０のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定してもよい。
【００２９】
以上の実施形態１のシールについて本発明者らが実験したところによると、両リップ６，７の硬さが３０未満のデュロメータ硬さに設定されていると、微少ばたつきが発生し、また、９０を越えるデュロメータ硬さに設定されていると、回転軸１が静止時あるいは回転時のいずれにおいても両リップ６，７と回転軸１との密着性が低下した。
【００３０】
そして、リップの硬さが３０〜９０の範囲のデュロメータ硬さに設定されている場合は、両リップ６，７が微少ばたつきすることがなくなり、また、回転軸１との密着性も低下しなかった。
【００３１】
なお、上記の場合、上記デュロメータ硬さ〔ＨＤ〕を有する弾性体５として、ゴムと樹脂とがある。
【００３２】
ゴムには、例えば、ニトリルゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム、ブチルゴム、多硫化ゴムがある。
【００３３】
樹脂には、例えば、フッ素樹脂とナイロン樹脂とがある。
【００３４】
フッ素樹脂には、ＰＴＦＥ（４弗化エチレン樹脂）、ＰＦＡ（４弗化エチレンパーフロロアルキルビニルエーテル共重合樹脂）、ＦＥＰ（４弗化エチレン−６弗化プロピレン共重合樹脂）、ＥＴＦＥ（４弗化エチレン−エチレン共重合樹脂）、ＣＴＦＥ（３弗化塩化エチレン樹脂）、ＰＶＤＦ（弗化ビニリデン樹脂）がある。
【００３５】
また、ナイロン樹脂には、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２、ナイロン４６、ナイロン１１、超高分子量ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、硬質塩化ビニル、軟質塩化ビニルがある。
【００３６】
また、弾性体５の硬さを上記デュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に調整する方法について説明をすると、例えば、弾性体５の材料がゴムの場合、物理的物性を確保するために、各種の充填材を配合している。そのうち、デュロメータ硬さ〔ＨＤ〕の調整方法には、多様な方法があるが、カーボンブラックの配合量を調整することも１つの方法である。カーボンブラックの配合が多いほど、デュロメータ硬さ〔ＨＤ〕は硬くなる傾向にある。例示すれば、ポリマーに対する重量比で、カーボン量５％のもののデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕が２０、カーボン量２０％のものはデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕が３０となる。
【００３７】
また、上記の場合、例えば、弾性体５がゴムとして、そのゴムを細かくみた場合、弾性体であるゴムの主材料であるポリマーに、各種の無機物、有機物を充填した複合材料である。これらの充填材は、主として、粉体であり、非弾性体でもあり、この点から言えば、非弾性体との混合の可能性がある。
【００３８】
また、上記の場合、リップの摺接部分のみの硬さを上記デュロメータ硬さ〔ＨＤ〕とする場合として、例えば、弾性体５が、ゴムの場合、２種類のゴムを層状にして加硫成形をすることが可能であり、この手法を採用して、リップの摺接部分にデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕を前記のようにすることも可能である。ゴムと樹脂を複合接着させて、リップ摺接部分を前記デュロメータ硬さ〔ＨＤ〕の材料で成形することも可能である。
【００３９】
なお、主リップ６の内周側頂部６ａは、上半分が図１で示すように丸みを帯びた断面形状を有しており、回転軸１上を摺接するときは、図２で示すように回転軸１に対して下記の範囲を満足する軸方向摺接幅Ｗで摺接させてもよい。
【００４０】
なお、主リップ６の内径は、回転軸１の外径より小さくされていることで、回転軸１に対して所定の締め代を有している。
【００４１】
また、主リップ６の外周には、それを回転軸１の外周面に対して所定の締付力で締め付けて圧接させるガータスプリング８が装着されている。
【００４２】
そして、主リップ６の内周側頂部６ａは、回転軸１上を摺接していない図１の状態から回転軸１上を摺接している図２の状態に変形したとき、その回転軸１に対する前記軸方向摺接幅Ｗが、０．２〜２．０ｍｍの範囲に管理されるときは、回転軸１の回転特性に悪影響を与えず、シール３の最低限度の密封性を確保することができて好ましい。
【００４３】
そして、実施形態１のシール３では、軸方向摺接幅Ｗを前記範囲としたうえで両リップ６，７の硬さを上記デュロメータ硬さの範囲に設定した場合、そのシール性能がさらに飛躍的に向上したものが得られる。
【００４４】
（実施形態２）
図３を参照して本発明の実施形態２について説明する。図３は、リップが回転軸に摺接する前の状態におけるシールの上半分の縦断面図である。なお、リップが回転軸に摺接している状態にあるシールの上半分の縦断面図については図２と同様であるのでその図示が省略されている。
【００４５】
シール３においては、主リップ６の内周側頂部６ａが回転軸１上を摺接した場合の図示は省略されているが、回転軸１に対する軸方向摺接幅Ｗは実施形態１と同様に、０．２〜２．０ｍｍの範囲に管理されており、回転軸１の回転特性に悪影響を与えず、シール３の最低限度の密封性を確保することができる。
【００４６】
実施形態２の場合は、さらにそれぞれ環状のフッ素系樹脂シート９と、金属環体１０と、弾性体５とは別体の補助リップ１１とを有した構造となっている。
【００４７】
そして、実施形態２の場合、弾性体５の全体の硬さ、または、主リップ６およびまたは補助リップ１１それぞれの硬さ、または、両リップ６，１１の摺接部分のみの硬さ、または、主リップ６の摺接部分のみの硬さが、実施形態１と同様に、３０〜９０の範囲のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定されている。
【００４８】
これによって、実施形態２のシール３では、両リップ６，１１が微少ばたつきすることがなくなり、また、回転軸１との密着性も低下しなかった。
【００４９】
なお、フッ素系樹脂シート９は、主リップ６の真空空間側の斜面上に接着されて設けられ、かつ金属環体１０により主リップ６との間で押さえられて主リップ６からの剥がれを防止され、その内周方向端部が、その斜面の頂点位置よりも外周側に位置付けられている。金属環体１０はまた、リップ６，１１が密封対象空間Ｂの負圧で引かれて該密封対象空間Ｂ方向にまくれあがるのを防止するようになっている。
【００５０】
フッ素系樹脂シート９が有する主リップの斜面との位置関係により、主リップ６の摩耗が進行していない段階では回転軸１には主リップ６が摺接するが、フッ素系樹脂シート９は摺接しない。そのため、摺接の当初は、主リップ６により密封箇所が密封される。
【００５１】
また、主リップ６は、フッ素系樹脂シート９によりその姿勢が保持されて良好な密封性を保つことができる。
【００５２】
また、主リップ６が回転軸１との摺接による摩耗が進んでも、フッ素系樹脂シート９が主リップ６と共に回転軸１と摺接するようになり、これによってフッ素系樹脂シート９による密封が加わる結果、主リップ６の摩耗の進行による密封性の低下を防止できる。
【００５３】
したがって、実施形態２のシール３は、フッ素系樹脂シート９による密封とあいまって、シール性能が飛躍的に向上する結果となる。
【００５４】
（実施形態３）
図４および図５を参照して本発明の実施形態３のシールについて説明する。図４は、リップが回転軸に摺接する前の状態におけるシールの上半分の縦断面図であり、図５は、リップが回転軸に摺接している状態にあるシールの上半分の縦断面図である。
【００５５】
実施形態３では、主リップ６が、回転軸１側に向いて軸方向摺接幅が漸次小さくなる上半分断面形状がほぼ三角形形状とされ、その付け根側から内径側に撓まされることにより、その密封対象空間側の斜面が回転軸１に対して摺接させられている。そのため、主リップ６は、図４の状態で主リップ６の密封対象空間Ｂ側の斜面６ｂの軸方向に対する傾斜角度αbと大気圧空間Ｃ側の斜面６ｃの軸方向に対する傾斜角度αcとを対比すると、傾斜角度αb＜＜傾斜角度αcとなっている。そして、この場合、主リップ６の内周側頂部６ａは、ガータスプリング８からの径方向締付力の作用方向より大気圧空間Ｃ側にずれて位置している。
【００５６】
これによって、図５のように主リップ６が回転軸１と摺接すると、主リップ６は、反時計回りに回動して斜面６ｂが回転軸１と摺接することになる。そして、この場合、軸方向摺接幅Ｗは、上記実施形態１と同様である。
【００５７】
実施形態３も、その主リップ６と補助リップ７それぞれの少なくとも摺接部分の硬さが実施形態１と同様に、３０〜９０の範囲のデュロメータ硬さ〔ＨＤ〕に設定されている。
【００５８】
これによって、実施形態３のシール３では、両リップ６，７が微少ばたつきすることがなくなり、また、回転軸１との密着性も低下しなかった。
【００５９】
ここで、本発明者らが、上記各実施形態において、上述した主リップ６の内周側頂部６ａの軸方向摺接幅Ｗについて研究していたところ、さらにシール３の密封性の低下が、上述の特殊環境下ではリップには過大な圧力差がかかっていて大気圧空間側のガスが密封対象空間側に向けてリップそのものを透過していたことがその原因の１つであることを見いだした。
【００６０】
そのため、両空間の圧力差に対するリップの素材を種々選び実験した結果、下記（Ａ）の使用条件下では、下記（Ｂ）の素材を選定することでリップに対するガスの透過が有効に防止され、密封性が向上したことが確認された。
【００６１】
（Ａ）、使用条件
ａ、密封対象空間の圧力：１０-4Ｐａ以下
ｂ、密封箇所よりの封入流体の漏洩速度：１０-9Ｐａｍ3／sec以下
ｃ、使用温度：２５℃
（Ｂ）、リップの素材
前記使用条件（Ａ）のようなリップを挟む両空間のうち、密封対象空間における真空度を前提として、本発明のリップの素材として、プラスチックフィルムの化学的性質の１つである窒素ガスの透過性が３．２２５（ｃｍ3／ｍ2／２５μｍ／２４ｈ／２５℃気圧）以下の素材を選定したところ、リップに対する窒素ガスの透過がなくなり、シールの密封性が向上した。
【００６２】
なお、リップの素材としては上記のようなガス透過性を有する素材であればなんでもよいわけであるが、フッ素系素材の樹脂またはゴムを主成分とする材料を選定した場合は、特に、好ましい結果が得られた。
【００６３】
なお、この場合、リップの素材は通常の素材例えばニトリルゴム、アクリルゴム、シリコンゴム等の一般的なゴムとし、このリップの表面に図６の実施形態４のように上述した窒素ガスの透過性が３．２２５（ｃｍ3／ｍ2／２５μｍ／２４ｈ／２５℃気圧）以下の素材例えば上述のフッ素系素材のゴムまたは樹脂の膜１２を設けても構わない。
【００６４】
なお、上述の各実施形態のシール３における補助リップ７は、軸方向他方側となる密封対象空間Ｂ側に向けて漸次縮径するテーパ形状を有していたが、図７の実施形態５で示すように、大気圧空間Ｃ側に向けて漸次縮径するテーパ形状を有した構造としても構わない。このような構造を有する補助リップ７では、締め代が十分に確保される結果、その両側の過大な圧力差により補助リップ７が真空空間Ｂ側にまくれあがるのが防止され、密封性をより向上することができる。
【００６５】
以上の実施形態３ないし実施形態５のシール３においては、それぞれの構造上のシール性能の向上と、少なくともリップの摺接部分の硬さの調整によるシール性能の向上とがあいまって、全体のシール性能が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施形態１に係り、リップが回転軸に摺接する前の状態におけるシールの上半分の縦断面図
【図２】図１において、リップが回転軸に摺接している状態にあるシールの上半分の縦断面図
【図３】本発明の実施形態２に係り、リップが回転軸に摺接する前の状態におけるシールの上半分の縦断面図
【図４】本発明の実施形態３に係り、リップが回転軸に摺接する前の状態におけるシールの上半分の縦断面図
【図５】図４において、リップが回転軸に摺接している状態にあるシールの上半分の縦断面図
【図６】本発明の実施形態４のシールの上半分の縦断面図
【図７】本発明の実施形態５のシールの上半分の縦断面図
【符号の説明】
【００６７】
１    回転軸
２    ケーシング
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  シール
４  環状芯金
５  弾性体
６  主リップ
７  補助リップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008064315.tif 000007
【図６】
2008064315.tif 000008
【図７】
2008064315.tif 000009