(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールリングが装着される周方向溝を有する被装着部材と、当該被装着部材に対して相対的に往復動と回転とが行われる他部材と、を有し、前記被装着部材と前記他部材との間で、前記シールリングの軸方向両側にある圧縮流体がシールリング軸方向他方へ漏れるのを防止する密封構造であって、
前記被装着部材は、被装着部材本体部と、前記被装着部材本体部の軸方向両側に設けられた第１フランジ部及び第２フランジ部と、を備えて、両フランジ部の間に前記周方向溝が形成され、
前記第１フランジ部は、前記被装着部材本体部とは別体に形成され、締結具によって前記被装着部材本体部に締付装着されるよう構成され、
前記シールリングは、
前記他部材に対して弾性力によるシール力を発生し得るリップ部を軸方向両端に有するとともに、前記他部材に摺接することで、相対的な前記往復動に相対的な前記回転が加わった斜め方向の摺動が生じる第１円環体と、
前記第１円環体に対して同心状に設けられて、前記被装着部材の前記周方向溝内に保持される第２円環体と、
前記第１円環体及び第２円環体を連結一体化する連結基部と、を備え、
前記第２円環体の軸方向両端面は、前記第１円環体に対して軸方向に突出して位置して、前記第１フランジ部を前記被装着部材本体部に締付装着するための前記締結具による締付力によって、前記第１フランジ部と前記第２フランジ部とによって軸方向両側から挟み込まれる挟持面とされており、
前記シールリングは、相対的な前記往復動に加えて相対的な前記回転が前記第１円環体に生じても共回りしないように、前記第１フランジ部を前記被装着部材本体部に締付装着するための前記締結具による前記締付力によって前記被装着部材の前記周方向溝内に固定されたものである
ことを特徴とする密封構造。
【請求項２】
前記第２円環体には、シールリングが装着される前記被装着部材と当該第２円環体との間でのシールを行うサブシール部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の密封構造。
【請求項３】
前記第２円環体は、前記第１円環体に比べて、径方向厚みが大きく形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の密封構造。
【請求項４】
前記第１円環体が径方向外側に、前記第２円環体が径方向内側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密封構造。
【請求項５】
前記第１円環体の両リップ部の間が、前記他部材に当接して前記被装着部材を支承する軸受面とされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の密封構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、密封構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術及び発明が解決しようとする課題】
シールには、様々な種類が存在し、密封される摺動部位が回転の場合には、回転用シールが用いられ、摺動部位が往復動の場合には往復動用シールが用いられる。
従来のシールでは、回転摺動か往復摺動のいずれか一方の摺動しか考慮されておらず、摺動条件に応じてＯリングやオイルシールが用いられていた。
【０００３】
これに対し、本発明は、往復動に回転が加わった従来にない新たな摺動条件においても適切にシールできるようにすることを課題とする。
すなわち、往復動に回転が加わると、摺動が斜め方向に作用するため、シール材の追従性能が低下する。しかも摺動面に大きな抵抗が発生するため、シールリングが共回りし、摺動面が異常摩耗する。このように、往復動に回転が加わると、シール性が安定せず、シールの寿命が短くなるという問題が発生する。
【０００４】
【発明の属する技術分野】
本発明は、往復動に回転が加わった新たな摺動条件の下で発生する上記問題を考慮したものであり、往復動に回転が加わってもシールリングが共回りせず、安定したシール性が得られる密封構造を提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る密封構造は、シールリングが装着される周方向溝を有する被装着部材と、当該被装着部材に対して相対的に往復動と回転とが行われる他部材と、を有し、前記被装着部材と前記他部材との間で、前記シールリングの軸方向両側にある圧縮流体がシールリング軸方向他方へ漏れるのを防止する密封構造であって、前記被装着部材は、被装着部材本体部と、被装着部材本体部の軸方向両側に設けられた第１フランジ部及び第２フランジ部と、を備えて、両フランジ部の間に前記周方向溝が形成され、前記第１フランジ部は、前記被装着部材本体部とは別体に形成され、締結具によって前記被装着部材本体部に締付装着されるよう構成され、前記シールリングは、前記他部材に対して弾性力によるシール力を発生し得るリップ部を軸方向両端に有するとともに、前記他部材に摺接することで、相対的な前記往復動に相対的な前記回転が加わった斜め方向の摺動が生じる第１円環体と、前記第１円環体に対して同心状に設けられて、前記被装着部材の前記周方向溝内に保持される第２円環体と、前記第１円環体及び第２円環体を連結一体化する連結基部と、を備え、前記第２円環体の軸方向両端面は、前記第１円環体に対して軸方向に突出して位置して、前記第１フランジ部を前記被装着部材本体部に締付装着するための前記締結具による締付力によって、前記第１フランジ部と前記第２フランジ部とによって軸方向両側から挟み込まれる挟持面とされており、前記シールリングは、相対的な前記往復動に加えて相対的な前記回転が前記第１円環体に生じても共回りしないように、前記第１フランジ部を前記被装着部材本体部に締付装着するための前記締結具による前記締付力によって前記被装着部材の前記周方向溝内に固定されたものである。
【０００６】
リップ部が第１円環体の軸方向両端にあるため、軸方向一方からの流体は軸方向一端のリップ部によってシールされ、軸方向他方からの流体は軸方向他端のリップ部によってシールされる。したがって、軸方向両方向に対するシール追随性が得られ、往復動に対して十分なシール性が得られる。しかも、シールリングが装着される部材によって第２円環体が挟み込み保持されているため、回転が生じてもシールリングの共回りが防止される。このため、往復動に回転が加わってもシールリングが共回りすることなく、安定したシール性が得られる。
【０００７】
前記第２円環体には、シールリングが装着される前記被装着部材と当該第２円環体との間でのシールを行うサブシール部材が設けられているのが好ましい。サブシール部材により第２円環体におけるシール性も向上し、ガス等の粘性の低い流体に対しても十分なシール性が得られる。
【０００８】
また、前記第２円環体は、前記第１円環体に比べて、径方向厚みが大きく形成されているのが好ましい。第２円環体の厚みを大きくすることで、軸方向両端の挟持面が大きくなり、保持強度や挟持面におけるシール性が向上する。
【０００９】
さらにまた、前記第１円環体が径方向外側に、前記第２円環体が径方向内側に設けられているのが好ましい。この場合、シールリングが装着される部材の外面側でのシールが行える。なお、第１円環体と第２円環体の配置を内外逆にすれば、シールリングが装着される部材の内面側でのシールが行える。
【００１２】
前記第１円環体の両リップ部の間が、前記他部材に当接して前記被装着部材を支承する軸受面とされているのが好ましい。軸受面があることで、シールリングが設けられている被装着部材の傾き等を防止して、円滑な摺動が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、ロータリピストンポンプ１の概略構成図を示している。このロータリピストンポンプ１は、マイクロガスタービン又は燃料電池に都市ガス、天然ガス、メタノール、灯油、水素ガス等の流体を圧縮して供給するために用いられる。また、スープ等の液体状食品の供給用、高粘度食品の充填用にも利用できる。
【００１４】
ロータリピストンポンプ１は、内部に中空円筒状空間を有するポンプ本体３と、ポンプ本体３の中空円筒状空間内に回転自在に配置されたシリンダ５と、シリンダ５内で軸方向に往復動自在に設けられたピストン７とを備えている。
前記ポンプ本体３には、流体入口ポート９ａ，９ａが設けられている。流体入口ポート９ａ，９ｂは、流体をポンプ１内に供給するためのものであり、ポンプ本体３内外に貫通して形成されている。流体入口ポートとしては、軸方向一方側に設けられた第１流体入口ポート９ａと、軸方向他方側に設けられた第２流体入口ポート９ｂとがある。
【００１５】
また、ポンプ本体３には、流体出口ポート１０ａ，１０ｂが設けられている。流体出口ポート１０ａ，１０ｂは圧縮した流体をポンプ外部へ吐出するためのものであり、ポンプ本体３内外に貫通して形成されている。流体出口ポートとしては、軸方向一方側に設けられた第１流体出口ポート１０ａと、軸方向他方側に設けられた第２流体出口ポート１０ｂとがある。
【００１６】
流体出口ポート１０ａ，１０ｂは、流体入口ポート９ａ，９ｂに対して対向した位置に形成されている。つまり、図１では、流体入口ポート９ａ，９ｂはポンプ本体３上側に形成されているのに対し、流体出口ポート１０ａ、１０ｂはポンプ本体３下側に形成されている。
【００１７】
シリンダ５は、ポンプ本体３内でピストン７の軸心回りに回転自在に設けられており、図示しない回転機構によって回転駆動される。シリンダ５には、軸方向一方側に第１シリンダポート１２が形成されている。この第１シリンダポート１２は、シリンダ５の回転によって、第１流体入口ポート９ａと位置があって連通した状態、第１流体出口ポート１０ａと位置があって連通した状態、あるいは両ポート９ａ，１０ａと位置がずれて非連通の状態の３状態をとることができる。また、シリンダ５の軸方向他方側には第２シリンダポート１３が形成されている。この第２シリンダポート１３も、シリンダ５の回転によって、第２流体入口ポート９ｂと位置があって連通した状態、第２流体出口ポート１０ｂと位置があって連通した状態、あるいは両ポート９ｂ，１０ｂと位置がずれて非連通の状態の３状態をとることができる。第２シリンダポート１３は、第１シリンダポート１２に対してシリンダ５の周方向に１８０゜位相がずれて配置されている。
【００１８】
ピストン７は、ピストン本体部１７と、ピストン本体部１７の軸方向両側に設けられたフランジ部１８，１９とを備え、両フランジ部１８，１９間にシールリング２１が配置される周方向溝２２が形成されている。フランジ部１８，１９のうち、軸方向一方側の第１フランジ部１８は、ピストン本体部１７とは別体に形成され、ボルト等の締結具によってピストン本体部１７に締付固定される。また、軸方向他方側の第２フランジ部１９はピストン本体部１７と一体的に形成されている。
【００１９】
ピストン７は、その軸方向両端のフランジ部１８，１９からそれぞれ軸方向に延設されたピストンロッド２０，２０を備えており、これらのピストンロッド２０，２０がシリンダ５に摺動自在に支持されている。ピストン７は図示しない直線駆動機構によってピストンロッド２０が往復駆動されることによって、シリンダ５内で往復動する。すなわち、シリンダ５とピストン７は相対的に往復動と回転とを行う。シリンダ５の回転とピストン７の往復動は同期しており、シリンダ５が一回転する間にピストン７が一往復する。
【００２０】
シリンダ５内空間は、ピストン７によって軸方向に２分されている。以下では、２分された空間のうち、ピストン７の軸方向一方側の空間（図１の左側の空間）を第１流体室２３といい、軸方向他方側の空間（図２の右側の空間）を第２流体室２４という。第１流体室２３と第２流体室２４との間はピストン７の周方向溝２２に装着されたシールリング２１によってシールが行われる。
【００２１】
以上のように構成されたロータリピストンポンプ１による吸込工程と圧縮行程を説明する。まず、ピストン７が図１の左側（第１流体室２３側）に動くと共にシリンダ５が回転し、第２シリンダポート１３がポンプ本体３の第２流体入口ポート９ｂと合って連通して流体がシリンダ５の第２流体室２４内に吸い込まれる（吸込工程の開始）。ピストン７が左端まで移動すると、第２シリンダポート１３と第２流体入口ポートの位置がずれて、第２流体室２４内への流体の吸込工程が終了する。
【００２２】
続いて、ピストン７が右側に移動すると共にシリンダ５が回転し、第２流体室２４が気密状態となっていることで流体が圧縮される（圧縮工程の開始）。ピストン７が右端位置に到達する直前に第２シリンダポート１３と第２流体出口ポート１０ｂの位置があって連通し、圧縮された流体が第２流体出口ポート１０ｂから吐出される。
【００２３】
なお、ポンプ１は複動型であるため、第２流体室２４への流体吸込工程中は、第１流体室２３では流体圧縮工程が行われ、第２流体室２４での流体圧縮工程中は、第１流体室２３では流体吸込工程が行われる。また、シリンダ５が回転することでバルブの役割を果たしているため、バルブを省略した構成となっている。
【００２４】
図２〜図４は、ピストン（被装着部材）７の周方向溝２２に装着されてシリンダ（他部材）５に摺接するシールリング２１を示している。シールリング２１は、軸方向両端面に側方開口の第１環状溝２６及び第２環状溝２７を有する円環状のリング本体２８と、各環状溝２６，２７にそれぞれ装填されたバネ部材３０と、リング本体２８の内周面に設けられたサブシール部材としてのＯリング３２とを備えている。
【００２５】
リング本体２８は、合成樹脂等の弾性材で一体形成されており、具体的には、自己潤滑性、低摩擦性を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のふっ素樹脂や、これにガラス繊維、炭素繊維、二硫化モリブデン等の特殊充填材を一種以上配合してなる弾性複合材によって形成されている。このリング本体２８は、径方向外側に位置してシリンダ５に摺接する第１円環体３４と、径方向内側に位置してピストン７に保持される第２円環体３６とを有し、両円環体３５，３６の軸方向中央部が連結基部３８によって連結一体化され、断面が横Ｈ字状に形成されている。
【００２６】
シールリング２１は、ピストン７の第１フランジ部１８がピストン本体部１７に装着されていない状態でピストン本体部１７外周に嵌込み装着される。そして、第１フランジ部１８をピストン本体部１７にボルト等で締付装着することで、第１フランジ部１８と第２フランジ部１９とによって第２円環体３６が強固に挟み込まれる。すなわち、第２円環体３６の平坦な軸方向両端面３６ａ，３６ｂは挟持面となっている。ここで、第２円環体３６の軸方向両端面３６ａ，３６ｂは第１円環体３４に比べて、軸方向に幅広であって軸方向に突出して位置しているため、第２円環体３６だけが両フランジ部１８，１９によって挟み込まれる。一方、第１円環体３４は両フランジ部１８，１９によって挟み込まれず、第１円環体３４の軸方向両端と両フランジ部１８，１９との間には隙間が形成される。この隙間は、第１円環体３４の軸方向両端（後述のリップ部４０，４１）の自由な弾性変形を許容する。
【００２７】
また、第２円環体３６は、第１円環体３４に比べて、径方向厚みが大きく形成されているため、挟持面３６ａ，３６ｂが大きくなり、両フランジ部１８，１９による挟み込みと密封性が強固となっている。
【００２８】
第１円環体３４と第２円環体３６の間に断面が横Ｕ字状の前記環状溝２６，２７が形成されており、これらの環状溝２６，２７は軸方向を左右にみて左右対称に形成されている。環状溝２６，２７に装着されるバネ部材３０は、環状溝２６，２７の形状に沿ってＵ字状に折曲した板バネを環状に形成したものであり、環状溝２６，２７に装着された状態で第１円環体３４と第２円環体３６との径方向間隔を広げる方向に付勢する。
【００２９】
第１円環体３４の外周面の軸方向両端にはシリンダ５へのシール面を形成するリップ部４０，４１が形成されている。前記バネ部材３０は、リップ部４０，４１を径外方向に付勢しているため、リップ部４０，４１はバネ部材３０の弾性力によってシリンダ５に押し付けられてシール力が確保される。リップ部４０，４１の軸方向中央寄りの部位は、薄肉部４０ａ，４１ａとされ、リップ部４０，４１の径方向への弾性変形が容易となっている。
【００３０】
前記Ｏリング３２は、第２円環体３６の内周面に凹状形成された環状のシール溝４３に装着されている。前述のように第２円環体３６の径方向厚みが大きいので、シール溝４３を形成して、当該部位が他の部位に比べて薄肉になっても、第２円環体の強度をある程度確保できる。ここで、第２円環体３６の強度確保のためには、シール溝４３の深さをｈとし、第２円環体３６の径方向厚さをＨとすると、Ｈ＞２ｈとするのが好ましい。さらに、シール溝４３は、第２円環体３６の軸方向中央に形成されており、その背後（径方向外側）に連結基部３８が存在するため、シール溝４３を凹状形成して、当該部位において第２円環体３６が薄肉状となっても連結基部３８によって補強され、シールリング２１全体としては強度が確保される。
【００３１】
ここで、例えば、ピストン７が第１流体室２３側へ動くと、第１流体室２３の流体が圧縮され高圧となり、当該圧縮流体は低圧の第２流体室２４に漏れ込もうとする。このときの圧縮流体の漏れ経路としては、シールリング２１の外周側と内周側とが存在する。外周側の漏れは、リップ部４０によって防止される。すなわち、第１流体室２３の圧縮流体が第１環状溝２６に入り込むと、当該圧縮流体がリップ部４０を径外方向に変形させてシリンダ５への押し付け圧力を発生させ、リップ部４０による密封性が高まり、シールリング２１の外周側からの漏れが防止される。
【００３２】
逆にピストン７が第２流体室２４側へ動いて第２流体室２４側が高圧になると、シールリング２１外周側から第１流体室２４への漏れは、リップ部４１によって防止される。したがって、ピストン７が往復動しても、双方のリップ部４０，４１によってそれぞれ密封性が維持され、回転摺動を受け持つ。しかも、シールリング２１は第１フランジ部１８の締付力によって強固にピストン７に固定されており、シリンダ５が回転してもシールリング２１は共回りしない。
【００３３】
シールリング２１の内周側からの漏れは、サブシール部材としてのＯリング３２によって主に封止される。さらに、シールリング２１の内周側からの漏れは、第２円環体３６の挟持面３６ａ，３６ｂによっても封止されている。すなわち、平坦な挟持面３６ａ，３６ｂはフランジ部１８，１９に押し付けられて密着しており、圧縮流体の漏れを防止している。特に、流体の粘度が大きい場合には、Ｏリング３２を廃止し、挟持面３６ａ，３６ｂによる面シールだけでも十分に密封性を確保できる。
【００３４】
第１円環体３４の外周面の軸方向中央部には、薄肉部４０ａ，４１ｂより径外方向へ突出形成された軸受面４５が環状に形成されている。図３に示すように、シールリング２１をピストン７に装着していない状態では、軸受面４５は、径外方向への突出量を、両リップ部４０，４１の径外方向への突出量より抑えて形成されている。一方、図４の密封構造に示すように、シールリング２１をピストン７に装着してシリンダ５に摺接させた状態では、リップ部４０，４１がシリンダ５によって径内方に弾性変形し、軸受面４５もシリンダ５に当接する。軸受面４５の背後（径方向内側）には連結基部３８が位置しているため、軸受面４５はリップ部４０，４１に比べて剛性が高い。ピストン７は、この軸受面４５を介してシリンダ５に支承されており、ピストン７が傾くのを防ぎ、ピストン７を円滑に摺動させている。
【００３５】
図５は、第２実施形態に係るシールリング５１を示している。このシールリング５１は、前記シールリング２１を軸方向に分割した第１分割体５３と、第２分割体５５とを背中合わせに組み合わせて前記シールリング２１と同様の構成としたものである。ただし、Ｏリング３２は、第１分割体５３と第２分割体５４のそれぞれに設けられている。その他説明を省略した点は、図２〜図４のシールリング２１と同様である。
【００３６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で様々な変形が可能である。特に、本発明の密封構造はロータリピストンポンプに限らず、往復動に回転が加わった摺動を生じる様々な機器に適用できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１円環体の軸方向両端にあるリップ部によって軸方向両方向に対するシール追随性が得られ、往復動に対して十分なシール性が得られる。しかも、シールリングが装着される部材によって第２円環体が挟み込み保持されているため、回転が生じてもシールリングの共回りが防止され、往復動に回転が加わってもシールリングが共回りすることなく、安定したシール性が得られる。
【００３８】
また、第２円環体にシールリングが装着される部材と当該第２円環体との間でのシールを行うサブシール部材が設けられている場合には、第２円環体におけるシール性も向上し、ガス等の粘性の低い流体に対しても十分なシール性が得られる。
また、第２円環体が、第１円環体に比べて、径方向厚みが大きく形成されている場合には、軸方向両端の挟持面が大きくなり、保持強度や挟持面におけるシール性が向上する。
【００３９】
さらに、第１円環体の両リップ部の間が、軸受面とされている場合には、シールリングが設けられている被装着部材の傾き等を防止して、円滑な摺動が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシールリングによる密封構造を有するロータリピストンポンプの断面図である
【図２】本発明のシールリングの側面図である。
【図３】本発明のシールリングの平面図である。
【図４】図１の密封構造の拡大図である。
【図５】第２実施形態に係るシールリングによる密封構造の断面図である。
【符号の説明】
１  ロータリピストンポンプ
５  シリンダ（他部材）
７  ピストン（被装着部材）
２１  シールリング
３０  バネ部材
３２  Ｏリング（サブシール部材）
３４  第１円環体
３６  第２円環体
４０  リップ部
４１  リップ部
４５  軸受面
５１  シールリング
【図１】
0004125905.tif 000002
【図２】
0004125905.tif 000003
【図３】
0004125905.tif 000004
【図４】
0004125905.tif 000005
【図５】
0004125905.tif 000006