JPH09292031A - 往復動用密封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シールリップの摩擦力低減を図ると共に、耐摩
耗性向上を図る。 【解決手段】シールリップ６の相手部材４との接触面に
軸方向に所定距離だけ離間する一対の突起９，１０を設
け、大気側の突起１０の油側の接触角をβ２，大気側の
接触角をα２とした場合にβ２＞α２に設定し、油側の
突起９の油側の接触角をβ１，大気側の接触角をα１と
した場合にβ２＞β１＞α１に設定したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は往復動用の密封装置
に関し、特にシールリップの摺動面に複数の突起を設け
たものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の往復動用密封装置として
は、たとえば、図５(ａ)に示すようなものがある。すな
わち、軸方向に相対往復移動自在に設けられるハウジン
グ１００と軸１０１間をシールするもので、ハウジング
１００の軸孔１０２内周に固定される環状の密封装置本
体１０３と、密封装置本体１０３に一体的に取り付けら
れるシールリップ１０４とを備えている。

【０００３】そして、このシールリップ１０４のリップ
摺動面には、圧力変動等による１段目突起１０５の接触
状態を安定化させるということを主目的として、２段目
突起１０６が設けられていた。各突起１０５，１０６の
軸１０１との大気側の接触角α、油側の接触角βは、各
段の突起１０５，１０６において、β２＞α２，β１≧
β２＞α１として密封性を高めていた。

【０００４】この従来例の場合には、主たるシールは１
段目の突起１０５である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来技術の場合には、１段目突起１０５が油を掻き落
とすために、後段の２段目以降の突起１０６での潤滑不
足によって摩擦力が大きくなるという問題があった。

【０００６】また、密封圧力が高くなると、シールリッ
プ１０４が軸に押し付けられるため、緊迫力が大きくな
って、必然的に摩擦力も大きくなるという問題がある。

【０００７】また、図５(ｃ)に示すように、シールリッ
プ１０７のリップ摺動面に摩擦低減のために、複数の微
細突起群１０８を設けたものも知られている。

【０００８】しかし、このような従来の多段微細突起群
１０８で構成されるシールリップ１０７も、図５(ｅ)に
示すように、同一形状の微細突起１０９を配列して油を
単に微細突起１０９間に保持し、それによる潤滑効果を
期待するだけで、積極的な油の導入とその効果を活用す
るものではなかった。各微細突起１０９の密封対象流体
側と大気側の接触角α，βは、ほぼ同じα１≒α２≒β
１≒β２か、あるいは上記従来例と同様にβ１≒β２≧
α２に設定されており、微細突起１０９間に油が導入さ
れなかった場合には、潤滑不足のために本来の摩擦低減
効果が得られない。

【０００９】また、図５(ｆ)に示すように、微細突起１
０９先端の最大接触圧力（図中ａ）は、突起なしの場合
（図中ｂ）より相当大きくなっているために、油膜が薄
くなるような使用条件では摩耗を促進してしまう。その
条件の中でも、密封圧力が高くなってシールリップ１０
７の押付け力が増加すると、押付け力が増加した分、油
膜が薄くなって微細突起１０９間への油の導入が妨げら
れてしまい、さらに摩擦力の増加を助長する。

【００１０】本発明は上記した従来技術の問題点を解決
するためになされたもので、その目的とするところは、
シールリップの摩擦力低減を図ると共に、耐摩耗性向上
を図り得る往復動用密封装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明にあっては、軸方向に相対移動自在に設けら
れる２部材間をシールするもので、一方の部材に固定さ
れる環状の密封装置本体と、該密封装置本体から他方の
部材に向かって延びて他方の部材に摺動自在に接触する
シールリップとを備えた往復動用密封装置において、前
記シールリップの相手部材との接触面に、軸方向に所定
距離だけ離間する一対の突起を設け、該突起先端を相手
摺動面に摺動自在に接触させて突起間と相手摺動面間に
谷部空間を形成し、反密封対象流体側の突起の、密封対
象流体側の接触角をβ２とし、反密封対象流体側の接触
角をα２とした場合に、β２＞α２に設定し、密封対象
流体側の突起の、密封対象流体側の接触角をβ１とし、
反密封対象流体側の接触角をα１とした場合に、β２＞
β１＞α１に設定したことを特徴とする。

【００１２】本発明にあっては、一対の突起の特有の接
触角によって、密封すべき油等の流体を突起間に積極的
に導入し、流体の量不足を解消することによって一対の
突起の潤滑性を向上させ、摩擦を低減させる。流体の密
封は主に２段目の突起で行う。この点、主たるシールを
１段目の突起で行っている従来のものと相違している。

【００１３】すなわち、シールリップに対して相手部材
が相対的に反密封対象流体側に移動した場合（押し行
程）、密封対象流体側の突起の密封対象流体側の接触角
β１の方が、反密封対象流体側の突起の密封対象流体側
の接触角β２より小さく、つまりβ１＜β２となってい
るため、密封対象流体側の突起で形成される油膜の方が
反密封対象流体側の突起より厚くなり、その差の分だ
け、密封対象流体が突起間の谷部空間に流入する。

【００１４】この谷部空間に流入した流体は、従来形状
に対して密封対象流体側の突起の反密封対象流体側及び
反密封対象流体側の突起の密封対象流体側と接触し、一
対の突起の潤滑性を向上させる。

【００１５】一方、反密封対象流体側の突起の接触角が
β２＞α２に設定されているので、谷部空間に流入した
流体が極端に薄い油膜でしか（又は厚い油膜としては）
外部に流出しない。

【００１６】すなわち、密封対象流体側の突起の密封対
象流体側の接触角β１を小さく設定することによって、
シールリップに対して相手部材が相対的に反密封対象流
体側に移動した場合（押し行程）、密封対象流体側の突
起においては、反密封対象流体側の突起よりも厚い膜の
形成によって、また、反密封対象流体側の突起において
は突起間に導入された流体による潤滑性の向上によって
摩擦が低減される。

【００１７】逆に、相手部材が相対的に密封対象流体側
に移動した場合には（引き行程）、突起間に導入された
油による潤滑性の向上によって、密封対象流体側の突起
の摩擦が低減される。

【００１８】一対の両突起間に流体を積極的に流入さ
せ、両突起の潤滑性を向上させる方法は、従来品と比較
して密封対象流体側の突起の接触角をβ２＞β１＞α１
とする他に、その突起の先端に丸みのある形状とするこ
とが有効である。

【００１９】すなわち、密封対象流体側の突起に丸みを
設定することによって、相手部材が相対的に反密封対象
流体側に移動するとき（押し行程）、密封対象流体側の
突起での膜厚の方が、その先端の丸みによって、反密封
対象流体側の突起より厚くなり、両突起間の谷部空間へ
流体を流入蓄積することができる。このため、両突起の
潤滑性が改善され、摩擦力が低減される。

【００２０】また、一対の突起を、軸方向に複数組設け
たことを特徴とする。

【００２１】このようにすれば、相手部材の相対的な往
復運動による流体膜形成によって各組の突起の潤滑が図
られるが、相手部材が相対的に反密封対象流体側へ移動
すると（押し行程）、密封対象流体側の突起と比べて反
密封対象流体側突起で形成される流体膜が薄くなり、つ
まり反密封対象流体側の突起によって流体膜が掻き落と
され、突起間の谷部空間に密封対象流体が流入蓄積され
る。このように２段１組の各突起間の谷部空間に積極的
に流体を蓄積する形状となっているために、各組の突起
は必ず流体と接して、潤滑性が良好となり低摩擦で摩耗
が少なくなる。

【００２２】突起の高さは、最低限ほぼ１［μｍ］程度
の高さを有する微細突起であることが好ましい。

【００２３】

【実施の形態】以下に本発明を図示の実施例に基づいて
説明する。

【００２４】［実施の形態１］図１は本発明の実施の形
態１に係る往復動用密封装置を示している。この往復動
用密封装置１は、軸方向に相対移動自在に設けられる２
部材としてのハウジング２と、ハウジング２の軸孔３に
挿通される軸４との間をシールするものであり、ハウジ
ング２の軸孔３内周に固定される環状の密封装置本体と
しての金属環５と、金属環５から軸４に向かって延びて
外周面に摺動自在に接触するシールリップ６とを備えて
いる。

【００２５】金属環５は断面略Ｌ字形状の環状部材で、
円筒状の外周嵌合部７と、この外周嵌合部７の一端から
半径方向内方に向かって延びる内向きフランジ部８と、
を備えている。

【００２６】シールリップ６は合成ゴム等のゴム状弾性
材によって構成され、前記金属環５の外周嵌合部７と略
並行に延びるテーパ円筒形状で、大径の一端が内向きフ
ランジ部８の内端に固定され、小径のリップ先端部が軸
４外周に接触している。また、リップ先端部の背面には
ばね部材１６が装着されている。

【００２７】このシールリップ６の相手軸４との接触面
に、軸方向に所定距離だけ離間する一対の突起９，１０
が設けられている。この突起９，１０の軸方向断面形状
は、突起先端を頂点として軸方向密封対象流体側と反密
封対象流体側に傾斜する斜面を備えた略三角形状で、接
触角は各突起９，１０の斜面と軸４外周とのなす角度で
設定される。この突起９，１０先端は軸４表面に摺動自
在に接触して突起９，１０間と軸４外周面間に断面三角
形状の谷部空間１１が形成されている。

【００２８】以下の説明では、密封対象流体側は油側
Ｏ、反密封対象流体側は大気側Ａとし、油側Ｏの突起を
１段目突起９、大気側の突起を２段目突起１０とし、さ
らに、軸４が油側Ｏから大気側Ａに移動する場合を押し
行程（Pumping Stroke）、軸４が大気側Ａから油側Ｏに
移動する場合を引き行程（Motoring Stroke）として説
明するものとする。

【００２９】本発明では、図１(ｂ)に示すように、２段
目突起１０の大気側Ａの接触角をα２とし、油側Ｏの接
触角をβ２とした場合に、β２をα２より大きくなるよ
うに設定し（α２＜β２）、１段目突起９の油側Ｏの接
触角をβ１とし、大気側Ａ（谷部空間１１側）の接触角
をα１とした場合に、β２＞β１＞α１となるように設
定している。α１とα２は、ほぼα１＝α２に設定され
ている。

【００３０】本発明にあっては、上記した一対の１段
目，２段目突起９，１０の特有の接触角によって、密封
すべき油等の流体を１段目，２段目突起９，１０間の谷
部空間１１に積極的に導入し、流体の量不足を解消する
ことによって１段目，２段目突起９，１０の潤滑性を向
上させ、摩擦を低減させる。流体の密封は主に２段目突
起１０で行う。この点、従来の１段目突起９によって主
たるシールを行うものと相違している。

【００３１】すなわち、軸4が大気側Ａへ摺動する押し
行程では、１段目突起９より２段目突起１０に形成され
る油膜が薄くなり、つまり２段目突起１０によって油膜
が掻き落とされるため、１段目，２段目突起９，１０間
の谷部空間１１に油が導入される。

【００３２】この谷部空間１１に導入された油によっ
て、１段目突起９の大気側Ａ及び２段目突起１０の油側
Ｏの潤滑性が向上され、摩擦が低減される。

【００３３】すなわち、１段目突起９の油側の接触角β
１を小さく設定することによって、押し行程では、１段
目突起９では厚い油膜の形成によって、２段目突起１０
では谷部空間１１に導入された油による潤滑性の向上に
よって摩擦が低減される。逆に、軸4が油側Ｏへ摺動す
る引き行程では、谷部空間１１に導入された油による潤
滑性の向上によって、１段目突起９の摩擦が低減され
る。

【００３４】従来の形状においては、１段目突起９が油
を掻き落とすために２段目突起１０の潤滑性が悪く摩擦
力と摩耗が大きい。これに対して、本発明の形状は、積
極的に２段目突起１０まで油を供給することによって摩
擦力と摩耗を低減している。

【００３５】一方、本発明にあっては、シールリップ６
の片持ち構造となっているので、１段目突起９と２段目
突起１０の緊迫力は密封圧力の増加に伴って軸中心方向
に押し付けられて増加する。このとき、シールリップ６
は厚みを持っているので、この厚み部分に圧力が大気側
軸方向の向きに作用してシールリップ６は圧縮力を受け
るが、シールリップ６は外周側から圧力で押されている
ため、軸４の中心方向へ折れ曲がるように変位し、２段
目突起１０部分は軸中心方向にさらに押される。このた
め、２段目突起１０の緊迫力が油側の１段目突起９に比
べて大きくなり、シールが確実になる効果がある。

【００３６】さらに、自由状態で１段目突起９の内径を
２段目突起１０の内径と同等か、より大きく設定して軸
４に接触させることによって、２段目突起１０によるシ
ール性向上を図ることが好ましい。

【００３７】上記実施の形態では、ほぼα１＝α２に設
定しているが、α１＜α２としてもよく、またα１＞α
２としてもよい。α１＞α２に設定すれば、シールリッ
プ６に対して軸４が相対的に油側Ｏに移動する引き行程
のとき、１段目突起９を通過して油側Ｏへ戻る流量が少
なくなり、繰り返し往復運動によって、谷部空間１１へ
の流体蓄積がより助長されることになる。

【００３８】ー実験例ー 図５(ａ)に示される従来形状のサンプルＡと、図１に示
される本発明の形状のサンプルＢを用いて、表１に示す
軸４となす接触角になるように作成し、摩擦力を計測し
た。

【００３９】

【表１】 試験は、図２に示す装置で行った。

【００４０】サンプルＳはチャンバ２０の下部に装着
し、その上部に油２１を入れる。サンプルＳのシールリ
ップは軸２２表面と表１の接触角をなして接触してい
る。この状態で、軸２２を上下方向に正弦波で加振し、
そのときの摩擦力をロードセル等の力検出器２３で計測
した。

【００４１】試験条件は、油種；パラフィン系鉱油、ロ
ッドストローク；５０［ｍｍ］、往復周波数；１．２
［Ｈｚ］、チャンバー内圧力；０［ＭＰａ］（大気開
放）、温度；２５［°Ｃ］とした。

【００４２】得られた結果を、図２(ｂ)，(ｃ)にストロ
ーク位置と摩擦力の関係で示し、表２に、図２(ｂ)，
(ｃ)で求められるストローク中央位置での片側平均摩擦
力を示す。

【００４３】

【表２】 従来形状のサンプルＡと本発明のサンプルＢを比較する
と、図２(ｂ)，(ｃ)に示すように、摩擦力が本発明のサ
ンプルＢにおいて格段に低減されていることが明らかで
あり、表２によると、その片側平均摩擦力はおよそ半減
されている。

【００４４】［実施の形態２］図３には、本発明の実施
の形態２が示されている。

【００４５】一対の１段目突起２９と２段目突起突起１
０間の谷部空間１１に流体を積極的に流入させ、両突起
２９，１０の潤滑性を向上させる方法として、図３に示
すように、１段目突起２９の先端を丸み２９ａを有する
形状としたものである。

【００４６】丸み２９ａとしては、たとえば曲率半径Ｒ
を、型成形可能なＲ≧０．０３［ｍｍ］程度に設定する
ことが有効であり、好ましくは、Ｒ≧０．３［ｍｍ］と
する。

【００４７】１段目突起２９に丸み２９ａを付けること
によって、軸４が相対的に大気側Ａに移動する押し行程
において、１段目突起２９での膜厚の方が、その先端の
丸み２９ａによって、２段目突起１０より厚くなり、両
突起２９，１０間の谷部空間１１へ流体を流入蓄積する
ことができる。このため、両突起２９，１０の潤滑性が
改善され、摩擦力が低減される。

【００４８】その他の構成及び作用については、上記実
施の形態１と同一のため、同一の構成部分については同
一の符号を付して、その説明は省略する。

【００４９】［実施の形態３］図４には、本発明の実施
の形態３にかかる往復動用密封装置が示されている。

【００５０】この実施の形態３では、シールリップ１２
の軸４との接触部の全領域にわたり、図４(ｃ)に示すよ
うに、油側Ｏに最も近い一組の突起の内、２段目突起１
４と軸４との接触角α２，β２を、α２＜β２とし、１
段目突起１３と軸４との接触角α１，β１をβ２＞β１
＞α１とし、これら１段目，２段目突起１３，１４を一
組として、複数組の微細突起群１５を突起高さ５〜５０
［μｍ］の範囲内で形成したものである。この微細突起
群１５の背面にばね部材１６が装着されている。

【００５１】突起高さは５〜５０［μｍ］が好適である
が、最低限１［μｍ］程度の高さがあればよく、５０
［μｍ］以上でもよい。

【００５２】その他の構成は実施の形態１と同一である
ので、同一の構成部分については同一の符号を付して説
明を省略する。

【００５３】本実施の形態３の往復動用密封装置では、
軸４と接触摺動する１対２段の微細突起１３，１４を基
本とする複数組の微細突起群１５において、軸４が大気
側Ａへ摺動する押し行程では、１段目突起１３と比べて
２段目突起１４で形成される油膜が薄くなり、つまり２
段目突起１４によって油膜が掻き落とされ、１段目，２
段目突起１３，１４間の谷部空間１７に油が流入蓄積さ
れる。このように２段１組の各突起１３，１４間の谷部
空間１７に積極的に流体を蓄積する形状となっているた
めに、各組の突起１３，１４は必ず流体と接して、潤滑
性が良好となり低摩擦で摩耗が少なくなる。

【００５４】図５(ｃ)に示した従来のシールリップの微
細突起群においては、積極的に突起間に油を導入する形
状となっていないために、接触摺動領域内で潤滑不足に
陥りやすく、摩擦力が増加し摩耗しやすい。特に、大気
側の接触域の突起では、油側に近い突起で油が阻止され
るために、潤滑不足となって摩耗しやすい。また、密封
圧力が増大した場合には、摺動によって発生する油膜が
薄くなるために、突起の摩耗が促進されやすい。

【００５５】これに対して、本発明の微細突起群１５に
おいては、２段１組の微細突起１３，１４間に油を蓄積
する形状となっているために、各微細突起１３，１４は
必ず油と接し、潤滑性が良好で低摩擦で摩耗が少ないと
いう効果をもたらす。

【００５６】なお、上記各実施の形態では、シールリッ
プ１２が軸４に対して接触する場合を例にとって説明し
たが、密封装置本体が軸に固定されシールリップ１２が
ハウジング２内周側に接触摺動するアウターシールにつ
いても同様に適用することができる。

【００５７】また、上記各実施の形態ではいわゆるオイ
ルシールを例にとって説明したが、これに限定されるも
のではなく、Ｕパッキン等の成形パッキン等、シールリ
ップを備えた往復動用の密封装置全般に広く適用するこ
とができる。

【００５８】また、密封対象流体としては油に限定され
るものではなく、水や各種薬品類等種々の液体あるいは
気体のシールに使用可能である。また、反密封対象流体
としては、大気開放に限られず、各種気体等の場合でも
適用可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次のような効果を得ることができる。

【００６０】［請求項１］特有の接触角構造を有する一
対の突起を設けたため、突起間に油等の流体を積極的に
導入蓄積してシールリップ摺動面の潤滑性を向上させ、
摩擦力及び摩耗の低減を図ることができる。

【００６１】［請求項２］また、密封対象流体側の突起
に丸みを設定することによって、相手部材が相対的に反
密封対象流体側に移動するとき、密封対象流体側の突起
での膜厚の方が、その先端の丸みによって、反密封対象
流体側の突起より厚くなり、両突起間の谷部空間へ流体
を流入蓄積することができる。このため、両突起の潤滑
性が改善され、摩擦力が低減される。

【００６２】［請求項３］また、一対の突起を、軸方向
に複数組設ければ、順次、反密封対象流体側の突起間へ
流体の流入が拡大され、各組の突起は必ず流体と接し潤
滑性が良好で低摩擦で摩耗が少ない。

【００６３】［請求項４］突起を最低限ほぼ１［μｍ］
程度の高さを有する微細突起であれば接触角を選択した
効果がある。また、微細突起間の谷部空間の容積は小さ
く、瞬時に谷部空間に流体を導入することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施の形態１に係る往復動用密
封装置を示すもので、同図(ａ)は要部断面図、同図(ｂ)
はシールリップの接触状態を示す図である。

【図２】図２は図１の装置の実験装置を示す図である。

【図３】図３は本発明の実施の形態２に係る往復動用密
封装置を示すもので、同図(ａ)は要部断面図、同図(ｂ)
はシールリップの接触状態を示す図である。

【図４】図４は本発明の実施の形態３に係る往復動用密
封装置を示すもので、同図(ａ)は要部断面図、同図(ｂ)
はシールリップの接触状態を示す図、同図(ｃ)は接触部
の拡大図である。

【図５】図５は従来の往復動用密封装置を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 往復動用密封装置 ２ ハウジング ３ 軸孔 ４ 軸 ５ 金属環（密封装置本体） ６ シールリップ ７ 円筒状嵌合部 ８ 内向きフランジ部 ９ 突起 １０ 突起 １１ 谷部空間 １２ シールリップ １３ 微細突起 １４ 微細突起 １５ 微細突起群 １６ ばね ２０ チャンバ ２１ 油 ２２ 軸 ２３ 力検出器 ２９ 突起 ２９ａ 丸み Ｏ 油側（密封対象流体側） Ａ 大気側（反密封対象流体側） Ｓ 試料 α１，α２ 接触角（大気側） β１，β２ 接触角（油側）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向に相対移動自在に設けられる２部材
   間をシールするもので、一方の部材に固定される環状の
   密封装置本体と、該密封装置本体から他方の部材に向か
   って延びて他方の部材に摺動自在に接触するシールリッ
   プとを備えた往復動用密封装置において、 前記シールリップの相手部材との接触面に、軸方向に所
   定距離だけ離間する一対の突起を設け、該突起先端を相
   手摺動面に摺動自在に接触させて突起間と相手摺動面間
   に谷部空間を形成し、 反密封対象流体側の突起の、密封対象流体側の接触角を
   β２とし、反密封対象流体側の接触角をα２とした場合
   に、β２＞α２に設定し、 密封対象流体側の突起の、密封対象流体側の接触角をβ
   １とし、反密封対象流体側の接触角をα１とした場合
   に、β２＞β１＞α１に設定したことを特徴とする往復
   動用密封装置。
2. 【請求項２】軸方向に相対移動自在に設けられる２部材
   間をシールするもので、一方の部材に固定される環状の
   密封装置本体と、該密封装置本体から他方の部材に向か
   って延びて他方の部材に摺動自在に接触するシールリッ
   プとを備えた往復動用密封装置において、 前記シールリップの相手部材との接触面に、軸方向に所
   定距離だけ離間する一対の突起を設け、該突起先端を相
   手摺動面に摺動自在に接触させて突起間と相手摺動面間
   に空間を形成し、 反密封対象流体側の突起の、密封対象流体側の接触角を
   β２とし、反密封対象流体側の接触角をα２とした場合
   に、β２＞α２に設定し、 密封対象流体側の突起先端に丸みを持たせたことを特徴
   とする往復動用密封装置。
3. 【請求項３】一対の突起を、軸方向に複数組設けたこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の往復動用密封装
   置。
4. 【請求項４】突起の高さは、最低限ほぼ１［μｍ］程度
   の高さを有する微細突起である請求項３に記載の往復動
   用密封装置。