(57)【要約】【課題】トルク荷重の低減を図った密封装置を提供する。【解決手段】シャフト１２と孔１４との間を封止するための密封装置であって、シャフト１２に取り付けられるように構成された内側ケース部材１８と、孔１４に取り付けられるように構成された外側ケース部材２０と、内側ケース部材１８に取り付けられたシール要素２２とを備えており、前記シール要素２２が、前記内側ケース部材１８へと取り付けられたベース部２２ａと、ベース部２２ａから伸びる膜部２２ｂと、膜部２２ｂから軸方向に伸びる軸方向部２２ｃと、軸方向部２２ｃから外径方向に伸び、外側ケース部材２０の径方向に伸びる部位に密着するシールリップ２２ｄとを備えていることを特徴とする。【選択図】図１
2012063012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトと孔との間を封止するための密封装置であって、
シャフトに取り付けられるように構成された内側ケースと、
孔に取り付けられるように構成された外側ケースと、
前記内側ケースに取り付けられたシール要素と
を備えており、
前記シール要素が、前記内側ケースへと取り付けられたベース部と、前記ベース部から伸びる膜部と、前記膜部から軸方向に伸びる軸方向部と、該軸方向部から外径方向に伸び、前記外側ケースの径方向に伸びる部位に密着するシールリップとを備えている密封装置。
【請求項２】
前記軸方向部が、前記膜部よりも厚い請求項１に記載の密封装置。
【請求項３】
シャフトの回転速度が低いとき、前記シールリップが、前記外側ケースの径方向に伸びる部位に密着し、シャフトの回転速度が高くなると、前記シールリップが、前記外側ケースの径方向に伸びる部位から浮き上がる請求項１に記載の密封装置。
【請求項４】
前記外側ケースは、前記径方向に伸びる部位の内側端から前記シール要素に向かって伸びる斜めの壁部分を備えている請求項１に記載の密封装置。
【請求項５】
回転していないとき、前記シールリップが、該シールリップの表面の大部分において前記外側ケースの径方向に伸びる部位に密着している請求項１に記載の密封装置。
【請求項６】
前記シール要素の前記膜部が、前記シャフトの軸線に対する垂直面に対して斜めに配置されている請求項１に記載の密封装置。
【請求項７】
前記内側ケースが、前記外側ケースに向かって伸びるダストリップを端部に備えるように外径方向に伸びる部位を備えている請求項１に記載の密封装置。
【請求項８】
前記内側ケースが、前記外側ケースにおける前記径方向に伸びる部位の前記シール要素とは反対側に、外径方向に伸びる部位を備えている請求項１に記載の密封装置。
【請求項９】
前記膜部が、厚さに対する長さの比が少なくとも４である請求項１に記載の密封装置。
【請求項１０】
前記膜部が、前記内側ケースにおける前記径方向に伸びる部位から軸方向に伸びる軸方向部と、該軸方向部の端部から外径方向に伸びる径方向部とを備えている請求項１に記載の密封装置。
【請求項１１】
シャフトと孔との間を封止するための密封装置であって、
シャフトに取り付けられるように構成された内側ケースと、
孔に取り付けられるように構成された外側ケースと、
前記内側ケースに取り付けられたシール要素と
を備えており、
前記シール要素が、前記内側ケースへと取り付けられたベース部と、前記ベース部から伸びる膜部と、前記膜部から軸方向に伸び、前記膜部よりも厚い厚さを有しているマス部分と、該マス部分から伸び、前記外側ケースに密着するシールリップとを備えている密封装置。
【請求項１２】
シャフトの回転速度が低いとき、前記シールリップが、前記外側ケースに密着し、シャ
フトの回転速度が高くなると、前記シールリップが、前記外側ケースから浮き上がる請求項１１に記載の密封装置。
【請求項１３】
前記シールリップが、該シールリップの表面の大部分において前記外側ケースの径方向に伸びる部位に密着している請求項１１に記載の密封装置。
【請求項１４】
前記シール要素の前記膜部が、前記シャフトの軸線に対する垂直面に対して斜めに配置されている請求項１１に記載の密封装置。
【請求項１５】
前記内側ケースが、前記外側ケースに向かって伸びるダストリップを端部に備えるように外径方向に伸びる部位を備えている請求項１１に記載の密封装置。
【請求項１６】
前記内側ケースが、前記外側ケースにおける前記径方向に伸びる部位の前記シール要素とは反対側に、外径方向に伸びる部位を備えている請求項１１に記載の密封装置。
【請求項１７】
前記膜部が、厚さに対する長さの比が少なくとも４である請求項１１に記載の密封装置。
【請求項１８】
シャフトと孔との間を封止するための密封装置であって、
シャフトに取り付けられるように構成された内側ケースと、
孔に取り付けられるように構成され、内径方向に伸びる部位を備えている外側ケースと、
前記内側ケースに取り付けられたシール要素と
を備えており、
前記シール要素が、前記内側ケースへと取り付けられたベース部と、前記ベース部から伸びる膜部と、前記膜部から軸方向に伸び、前記膜部よりも厚い厚さを有しているマス部分と、該マス部分から伸び、前記外側ケースにおける前記内径方向に伸びる部位に密着するシールリップとを備えており、
前記外側ケースが、前記内径方向に伸びる部位の内側の端部から前記シール要素に向かって外径方向に伸びるフック部を備えている密封装置。
【請求項１９】
シャフトの回転速度が低いとき、前記シールリップが、前記外側ケースにおける前記内径方向に伸びる部位に密着し、シャフトの回転速度が高くなると、前記シールリップが、前記外側ケースにおける前記内径方向に伸びる部位から浮き上がる請求項１８に記載の密封装置。
【請求項２０】
前記膜部が、厚さに対する長さの比が少なくとも４である請求項１８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、高回転によってシールが浮き上がる摩擦の少ないゼロトルク型の密封装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ここでは、背景技術を開示するが、かかる技術は必ずしも従来技術ではない。
【０００３】
運動用シールは、一般的に、軸受に組み合わせられて、軸受への外部の環境からの水や埃の進入を防止するために使用される。このシールは、軸受から外部への潤滑剤の漏れを防止するためにも使用される。回転軸系へと加わるシールによるトルクの大きさが、系の性能を妨げる可能性がある寄生的な損失となる。したがって、運動用シールによって加えられるトルク荷重の大きさは、封止機能を適切に果たすためのシールの能力と釣り合うように設定される。
【０００４】
運動用シールにおける従来の設計において、水や埃の進入の防止という機能を適切に果たすことが証明されている。しかしながら、従来例に係る運動用シールにおいては、トルク荷重が約３０ポンド／インチまたはそれ以上になる可能性がある。従来例に係る運動用シールは、多くの場合に、シールリップに荷重を付加するためにガータースプリングを必要とすることがあり、これがトルク荷重を増やすとともに、シールの設計にさらなるコストが増す要因にもなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３６２７３９０号公報
【特許文献２】米国特許第４５７２５１６号公報
【特許文献３】米国特許第６７２２６５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、トルク荷重の低減を図った密封装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、シャフトと孔との間を封止するための低摩擦またはゼロ摩擦のシールであって、シャフトに取り付けられるように構成された内側ケースを備えるシールを提供する。外側ケースが、孔に取り付けられるように構成されている。シール要素は、内側ケースに取り付けられ、この内側ケースへと取り付けられるベース部を備えている。膜部が、前記ベース部から伸び、シールリップが、この膜部から伸び、前記外側ケースに密着する。シャフトが回転すると、遠心力が膜部を曲げるように作用し、シールが外側ケースから浮き上がって、加えられるトルク荷重がゼロになる点まで、この運動用シールによるトルク荷重が減少する。
【０００８】
さらなる応用の分野が、以下に提示される説明から明らかになるであろう。この概要における説明および具体的な例は、あくまでも例示を目的としており、本発明の技術的範囲を限定しようとするものではない。
【０００９】
以下に説明される図面は、考えられるすべての実施例ではなくて、選り抜きの実施形態だけを例示する目的のためのものであり、本発明の技術的範囲を限定しようとするもので
はない。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、トルク荷重の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態１に係る密封装置の装着状態を示す模式的断面図である。
【図２】図１に示す密封装置の一部破断斜視図である。
【図３】図１に示す密封装置における力に関する図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る密封装置の模式的断面図である。
【図５】図４に示す密封装置中のシールリップの模式的断面図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る密封装置の模式的断面図である。
【図７】図示の実施形態に従って構成された典型的な密封装置のトルク−回転速度のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
典型的な実施形態を、添付の図面を参照してさらに詳しく説明する。以下の実施形態において用いる複数の図の全体を通して、類似の部分は類似の参照符号によって指し示されている。
【００１３】
典型的な実施形態は、本明細書が詳細なものになって、本発明の技術的範囲を当業者に充分に伝達するように提示される。特定の構成部品、装置、および方法の例など、多数の具体的詳細が、本発明の実施形態の完全な理解をもたらすために記載される。そのような具体的詳細を必ずしも採用する必要がなく、典型的な実施形態を多数の異なる形態にて具現化することができ、いずれも本発明の技術的範囲を限定するものとして解釈されてはならないことは、当業者にとって明らかであろう。
【００１４】
本明細書において使用される用語は、あくまでも特定の典型的な実施形態を説明する目的のためのものであり、本発明を限定しようとするものではない。
【００１５】
ある要素または層が、別の要素または層の「上に」ある、別の要素または層に「係合」している、別の要素または層に「接続」されている、あるいは別の要素または層に「組み合わせ」られていると称される場合、そのような要素または層は、そのような別の要素もしくは層に直接的に当接、直接的に係合、直接的に接続されてもよく、直接的に組み合わせられてもよく、または介在の要素もしくは層が存在してもよい。対照的に、ある要素が、別の要素もしくは層に「直接的に当接する」、「直接的に係合する」、「直接的に接続される」、または「直接的に組み合わせられる」と称される場合、介在の要素または層は存在できない。要素間の関係を表すために使用される他の用語も、同様の方法で解釈されなければならない（例えば、「・・・の間」と「・・・の間に直接的に」や、「隣接」と「直接的に隣接」、など）。
【００１６】
「内側」、「外側」、などといった空間的関係を示す用語は、本明細書において、図面に示されているとおりのある要素または特徴の別の要素または特徴に対する関係を表すための説明を、容易にするために使用されることがある。空間的関係を示す用語は、図面に示されている向きに加えて、使用時または動作時の装置の種々の向きも包含するように意図されることもある。
【００１７】
（実施形態１）
次に、図１および２を参照して、低トルク／ゼロトルク型の密封装置としてのメンブレンシールアセンブリ１０を説明する。メンブレンシールアセンブリ１０は、回転シャフト
１２とハウジングまたは他の構造体に配置される孔１４との間の環状隙間を封止するために設けられる。メンブレンシールアセンブリ１０が、孔１４内に配置される軸受部１６に隣接して配置され得る。
【００１８】
メンブレンシールアセンブリ１０は、シャフト１２に対して、摩擦力または他の方法（圧入または接着剤など）により固定される内側ケース部材１８と、孔１４内に摩擦力または他の方法（圧入または接着剤など）により固定される外側ケース部材２０とを備えている。シール要素２２が、内側ケース部材１８に固定して取り付けられ、外側ケース部材２０に対して密着している。シール要素２２は、エラストマから製作することができるが、プラスチック、複合材料、金属、および他の材料も使用可能である。
【００１９】
内側ケース部材１８は、環状の形状であり、内側には、シャフト１２に対して摩擦を伴って嵌る内面を有している略円筒部１８ａを備える。内側ケース部材１８は、略円筒部１８ａの一端から外径方向に向かって伸びる外壁１８ｂを備える。さらに、内側ケース部材１８は、略円筒部１８ａのもう一方の端部から外径方向に向かって伸びる内壁１８ｃを備える。
【００２０】
外側ケース部材２０は、環状の形状であり、孔１４に対して摩擦を伴って嵌るように構成された略円筒形状の外壁２０ａを備える。内径方向に向かって伸びる壁２０ｂが、外壁２０ａから内側へ伸びるように設けられている。この壁２０ｂの表面２０ｃにシール要素２２が密着する。フック形状部２０ｄは、上記の内径方向に向かって伸びる壁２０ｂの内径方向側の端部に配置されており、上記のシール要素２２に向かって外径方向に斜めに伸びるように構成されている。フック形状部２０ｄが、外部からシール要素２２付近を通過する流体または屑を阻止するラビリンスを形成する。さらに、外側ケース部材２０は、内側ケース部材１８の外壁１８ｂに向かって伸びる軸方向の延長部２０ｅを備えている。ダストリップ２４は、外壁１８ｂの外側端にオプション的に配置することができ、外壁１８ｂと外側ケース部材２０の軸方向の延長部２０ｅとの間の隙間に向かって、このすき間２６を覆うように設ける。さらなる遮蔽部２８は、オプション的に内側ケース部材１８の内壁１８ｃに配置され、内壁１８ｃと外側ケース部材２０の内径方向に向かって伸びる壁２０ｂとの間のすき間３０を遮蔽することができる。ダストリップ２４および遮蔽部２８は、さまざまな形態を採用し得る。
【００２１】
ダストリップ２４および遮蔽部２８は、エラストマ材料から製作することができ、内側ケース部材１８に固定された金属製のベースリングに取り付けることができ、あるいは他の方法で内側ケース部材１８に取り付けることができる。シール要素２２は、内側の略円筒部１８ａに固定されるベース部２２ａを備える。膜部２２ｂが、ベース部２２ａから径方向に拡がっている。軸方向部２２ｃが、膜部２２ｂから延びており、シールリップ２２ｄが、軸方向部２２ｃから外径方向に拡がり、外側ケース部材２０の内径方向に向かって伸びる壁２０ｂに密着している。径方向に伸びる羽根３２を、軸方向部２２ｃから伸びるようにオプション的に設けることができる。この羽根３２は、シールリップ２２ｄの領域に空気の乱れをもたらし、屑をシールリップ２２ｄと表面２０ｃとの間の境界の領域から遠ざかるように案内することができる。軸方向部２２ｃは、膜部２２ｂに比べて厚い。図３の力の概略図を参照すると、膜部２２ｂは、０〜４５度の間の角度によって、シャフト１２の軸線の垂直な面に対して角度αだけ傾くように設けられる。
【００２２】
膜部２２ｂと軸方向部２２ｃは、相対的な高速回転においてトルク荷重を小さくし、および／またはトルク荷重をゼロにするための適切な程度の柔軟性をもたらすために、厚さに対する長さの比を少なくとも４とする。
【００２３】
図３を参照して、更なる態様について説明する。
【００２４】
膜部２２ｂの軸方向の剛性Ｋ１ａｘｉａｌは、［Ｍ／（Ｌ１・ｃｏｓα・Ｉｎｔ０）］よりも小さい。
【００２５】
ここで、Ｆは等価軸方向力であり、αは膜部２２ｂの向き（角度）であり、Ｌ１は膜部２２ｂの長さであり、Ｍは膜部の支点への遠心力によって生じるモーメントであり、Δは軸方向へのゴム製の膜部のたわみであり、Ｉｎｔ０はシールリップと金属ケースにおける密着面との初期の干渉力とする。
【００２６】
すると、
Δ＝Ｆａｘｉａｌ／Ｋ１ａｘｉａｌ
Ｍ＝Ｆａｘｉａｌ・Ｌ１・ｃｏｓα
Δ＝Ｍ／（Ｌ１・ｃｏｓα・Ｋ１ａｘｉａｌ）
となる。
【００２７】
動作時、シャフト１２の回転速度が増すにつれて、軸方向部２２ｃには、膜部２２ｂを径方向に真っ直ぐにしようと作用する遠心力が働く。これにより、シャフト１２の回転速度が増すにつれて、対向する外側ケース部材２０の表面２０ｃに加えられるシール力が減少し、トルク荷重が減少する。オプション的に設けられるダストリップ２４および遮蔽部２８も、同様に、遠心力によって、これらの部材は浮いて非接触状態となる。
【００２８】
図７には回転速度に対するトルク荷重をグラフ化したものが示されている。この図から、回転速度が充分に大きくなると、シールリップが対向する表面から浮き上がり、メンブレンシールアセンブリ１０によって加えられるトルク荷重が、回転速度の増加につれてゼロになるまで連続的に減少することが分かる。図７に示したグラフにおいて、グラフの一番上の線が、２０℃におけるシール要素と接触面との間の干渉力が最大の場合を示している。一番下の線は、当該干渉力が最小の場合でありトルク荷重が小さな場合を示している。真ん中の線は、本実施形態に係るメンブレンシールにおける基準となる干渉力の場合のトルク荷重を示している。測定されたトルク荷重の値から分かるように、回転速度がゼロのときのトルク荷重の範囲は、従来技術に係る運動用シールの場合には３０ポンドインチ程度になり得たのに対して、大幅に低い約１〜２ポンドインチの範囲である。低速回転における摩擦トルクの低減に加えて、本実施形態の原理によるメンブレンシールアセンブリ１０は、５００〜８００ｒｐｍの範囲の相対的な高速回転において、干渉の程度に応じて、トルク荷重を軽減および／またはゼロにすることができる。
【００２９】
（実施形態２）
次に、図４および５を参照し、代案（実施形態２）の密封装置としてのメンブレンシールアセンブリ１１０を説明するが、実施形態１の構成要素と同じまたは類似の構成要素を説明するために、同じまたは類似の参照符号が使用される。メンブレンシールアセンブリ１１０においては、シール要素１２２のベース部１２２ａが、内側ケース部材１８における外径方向に向かって伸びる外壁１８ｂに取り付けられる。さらに、膜部には、ベース部１２２ａから略軸方向に伸びる軸方向部１２２ｂと、軸方向部１２２ｂの端部から外径方向に伸びる径方向部１２２ｃとを備える屈曲部を有する。比較的厚いマス部分１２２ｄが、径方向部から延びており、シールリップ１２２ｅが、比較的厚いマス部分１２２ｄから延びて、外側ケース部材２０における内径方向に向かって伸びる壁２０ｂに係合している。シール要素１２２は、オプション的に、放射状に延びる一連の羽根１２６を、周方向に間隔を空けつつ備えることができ、シャフト１２の回転時にシールの境界の領域に空気の乱れを生じさせて屑をシールの境界から遠ざかるよう逸らすことができる（図６参照）。
【００３０】
このメンブレンシールアセンブリにおいては、図４および５に示されるとおり、マス部
分１２２ｄが、高速回転において遠心力に反応し、膜部１２２ｂ，１２２ｃを外径方向へと曲げて、高速回転におけるシールリップ１２２ｅのトルク荷重を軽減するように設計されている。マス部分１２２ｄに、マス部分１２２ｄの剛性を下げるためのスリットを形成することも考えられる。さらには、シール要素１２２の占める空間を減らすために、追加のマスを、シール要素１２２の材料よりも高い密度を有する金属または他の材料を使用することによって、マス部分１２２ｄにインサート成形することもできる。膜部１２２ｂ，１２２ｃは、柔軟であるように設計され、所望の柔軟性を達成するために、厚さに対する長さ（総和の長さ）の比を少なくとも４とする。メンブレンシールアセンブリ１１０もメンブレンシールアセンブリ１０と同様に、トルク荷重が軽減、および／またはゼロになる。
【００３１】
（実施形態３）
図６を参照して実施形態３に係る密封装置について説明する。図６には、外壁１８ｂに配置され、外壁１８ｂと外側ケース部材２０における軸方向に伸びる外壁２０ａとの間に配置されたすき間２６に向かって、このすき間２６を覆うように延びるように設けられる、オプション的なダストリップ２４を備えるメンブレンシールアセンブリ１１０が示されている。さらなる遮蔽部２８を、オプション的に、内壁１８ｃと外側ケース部材の内径方向に向かって伸びる壁２０ｂとの間のすき間３０を遮蔽するために、内側ケース部材１８の内壁１８ｃに配置することができる。
【００３２】
以上の実施形態の説明は、例示および説明を目的として提示されている。以上の説明は、すべてを述べ尽くすものでも、本発明を限定しようとするものでもない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、通常は、その特定の実施形態に限られず、たとえ具体的には図示または説明されていなくても、適宜に入れ換え可能であり、適宜に選択された実施形態において使用することが可能である。また、個々の要素または特徴を、多数の方法で変更することが可能である。そのような変形例は、本発明から逸脱するものとは考えられず、そのような変更のすべてが、本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３３】
１０  メンブレンシールアセンブリ
１２  シャフト
１４  孔
１６  軸受部
１８  内側ケース部材
１８ａ  略円筒部
１８ｂ  外壁
１８ｃ  内壁
２０  外側ケース部材
２０ａ  外壁
２０ｂ  壁
２０ｃ  表面
２０ｄ  フック形状部
２０ｅ  延長部
２２  シール要素
２２ａ  ベース部
２２ｂ  膜部
２２ｃ  軸方向部
２２ｄ  シールリップ
２４  ダストリップ
２６  すき間
２８  遮蔽部
３２  羽根
１１０  メンブレンシールアセンブリ
１２２  シール要素
１２２ａ  ベース部
１２２ｂ  軸方向部
１２２ｂ，１２２ｃ  膜部
１２２ｃ  径方向部
１２２ｄ  マス部分
１２２ｅ  シールリップ
１２６  羽根
【図１】
2012063012.tif 000003
【図２】
2012063012.tif 000004
【図３】
2012063012.tif 000005
【図４】
2012063012.tif 000006
【図５】
2012063012.tif 000007
【図６】
2012063012.tif 000008
【図７】
2012063012.tif 000009