特開 2024-172907 バックアップリング

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024172907

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】バックアップリング

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/10 20060101AFI20241205BHJP

【ＦＩ】

F16J15/10 T

F16J15/10 Q

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023090958

(22)【出願日】2023-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000229564

【氏名又は名称】株式会社バルカー

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】南 暢

(72)【発明者】

【氏名】上田 彰

【テーマコード（参考）】

3J040

【Ｆターム（参考）】

3J040AA02

3J040AA11

3J040AA17

3J040BA02

3J040BA04

3J040CA04

3J040EA16

3J040FA06

3J040FA07

3J040HA05

(57)【要約】

【課題】バックアップリングとシール溝との間に隙間を生じさせない構成を備えるバックアップリングを提供する。
【解決手段】このバックアップリング２０は、バックアップリング２０の外径となる、径方向における外側垂直面２０ｂの間の外径寸法Ｌ２１は、円筒状溝の内径寸法より大きくなる第１公差設定で設けられ、バックアップリング２０の内径となる、径方向における内側垂直面２０ｃの間の内径寸法Ｌ２２は、シール溝の底面の外径寸法より小さくなる第２公差設定で設けられている。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状溝に収容されるシャフトにおいて、高圧側と低圧側とを仕切るため前記シャフトに設けられるシール溝内に収容され、高圧側に配置されるシール材とともに用いられ、低圧側に配置される環状の形態を有するバックアップリングであって、
当該バックアップリングの縦断面で見た断面形状は、
第１面と、
前記第１面の半径方向の外側の端部から垂直方向に立ち上がる外側垂直面と、
前記第１面の半径方向の内側の端部から垂直方向に立ち上がる内側垂直面と、
前記外側垂直面から半径方向の内側に向かって徐々に傾斜する外側傾斜面と、
前記内側垂直面から半径方向の外側に向かって徐々に傾斜する内側傾斜面と、
前記第１面に対向し、前記外側傾斜面と前記内側傾斜面とを連結する第２面と、
を有し、
当該バックアップリングの外径となる、径方向における前記外側垂直面の間の外径寸法は、前記円筒状溝の内径寸法より大きくなる第１公差設定で設けられ、
当該バックアップリングの内径となる、径方向における前記内側垂直面の間の内径寸法は、前記シール溝の底面の外径寸法より小さくなる第２公差設定で設けられている、
バックアップリング。

【請求項2】

円筒状溝に収容されるシャフトにおいて、高圧側と低圧側とを仕切るため前記円筒状溝に設けられるシール溝内に収容され、高圧側に配置されるシール材とともに用いられ、低圧側に配置される環状の形態を有するバックアップリングであって、
当該バックアップリングの縦断面で見た断面形状は、
第１面と、
前記第１面の半径方向の外側の端部から垂直方向に立ち上がる外側垂直面と、
前記第１面の半径方向の内側の端部から垂直方向に立ち上がる内側垂直面と、
前記外側垂直面から半径方向の内側に向かって徐々に傾斜する外側傾斜面と、
前記内側垂直面から半径方向の外側に向かって徐々に傾斜する内側傾斜面と、
前記第１面に対向し、前記外側傾斜面と前記内側傾斜面とを連結する第２面と、
を有し、
当該バックアップリングの外径となる、径方向における前記外側垂直面の間の外径寸法は、前記シール溝の底面の内径寸法より大きくなる第１公差設定で設けられ、
当該バックアップリングの内径となる、径方向における前記内側垂直面の間の内径寸法は、前記シャフトの外径寸法より小さくなる第２公差設定で設けられている、
バックアップリング。

【請求項3】

前記第１公差設定は、０ｍｍ～＋０．１５ｍｍの間の寸法誤差であり、
前記第２公差設定は、－０．１５ｍｍ～０ｍｍの間の寸法誤差である、
請求項１または請求項２に記載のバックアップリング。

【請求項4】

前記外側傾斜面と前記第２面との交差する領域には、外側曲面が設けられている、
請求項１または請求項２に記載のバックアップリング。

【請求項5】

前記内側傾斜面と前記第２面との交差する領域には、内側曲面が設けられている、
請求項１または請求項２に記載のバックアップリング。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、バックアップリングの構造に関する。

【背景技術】

【0002】

密閉構造の一例として、ガス（高圧水素等）用のシール構造を開示する技術として、国際公開番号ＷＯ２００４／０６１３５３号公報（特許文献１）、特許第４６３６２８１号公報（特許文献２）、特許第４９４９４９２号公報（特許文献３）、および、特許第５１２６４６２号公報（特許文献４）などに開示される技術が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開番号ＷＯ２００４／０６１３５３号公報

【特許文献2】特許第４６３６２８１号公報

【特許文献3】特許第４９４９４９２号公報

【特許文献4】特許第５１２６４６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

バックアップリングのシャフトに設けられたシール溝への装着を確実なものとするために、ＪＩＳなどの規格では、バックアップリングの寸法公差が規定されている。たとえば、ＪＩＳ規格の寸法公差によれば、バックアップリングの外径は、シャフト内径よりも小さくなるような公差設定（例：０／－０．１５）となっている。他方、バックアップリング内径はシール溝の外径よりも大きくなるような公差設定（例：＋０．１５／０）となっている。

【0005】

図１０は、上記公差設定に基づき設計されたバックアップリング２０Ｘの一例である。図１１に上記バックアップリング２０Ｘを用いた場合のシール構造が採用された密閉構造１０００Ｘを示す。図１１に示す断面図では、変形していない状態で、Ｏリング１０およびバックアップリング２０を図示している。

【0006】

この密閉構造１０００Ｘは、ガス（高圧水素等）用のシール構造が採用された構造であり、ハウジング２を有する。ハウジング２には、円筒形状のシャフト１Ａが収容されている。シャフト１Ａの中心部には、ガスが送り込まれる貫通孔１ｈが設けられている。

【0007】

ハウジング２には、シャフト１Ａが収容される有底の円筒状溝２Ａが設けられている。シャフト１Ａの外周面が一方材側に設けられる第１シール面１ａを構成する。円筒状溝２Ａの内周面が他方材側に設けられる第２シール面２ａを構成する。シャフト１Ａの貫通孔１ｈから円筒状溝２Ａ内にガスが送り込まれることで、円筒状溝２Ａ内が高圧状態となる。

【0008】

シャフト１Ａの外周面には、第１シール面１ａから内方に向かって凹む、環状のシール溝１Ｇが設けられている。シール溝１Ｇ内の高圧側には、Ｏリング１０が配置されている。シール溝１Ｇ内の低圧側には、バックアップリング２０が配置されている。バックアップリング２０は、環状の形態を有し、カット面Ｃ１が設けられている。

【0009】

Ｏリング１０の断面形状は一般的な円形形状である。シール溝１Ｇの断面形状は、シャフト１Ａの軸方向を縦方向とした場合に、軸を含む平面で切断した縦断面で見た場合には、略長方形の溝の断面形状である。バックアップリング２０Ｘ断面形状は、図１０に示した矩形形状である。

【0010】

図１２に、高圧側のＯリング１０に圧力が負荷され、バックアップリング２０Ｘ側に変形した状態の断面を示す。図１０で示したように、バックアップリング２０Ｘの寸法公差は、その外径は、シャフト１Ａの内径よりも小さくなるような公差設定（例：０／－０．１５）であり、バックアップリング２０Ｘの内径はシール溝１Ｇの外径よりも大きくなるような公差設定（例：＋０．１５／０）である。その結果、バックアップリング２０Ｘとシール溝１Ｇとの間に隙間が生じる寸法関係となる。たとえば、現行の規格品の場合に、シャフト１Ａの内径がφ２０の場合には、径方向の寸法で、０．２ｍｍ～０．３ｍｍ程度の隙間が生じることとなる。

【0011】

図１２のＸＩＩで囲む領域に示すように、高圧側のＯリング１０に圧力が負荷された場合には、Ｏリング１０には、バックアップリング２０Ｘとシール溝１Ｇとの間に生じる隙間にはみ出すはみ出し領域１０ｘが形成される。そのため、バックアップリング２０ＸやＯリング１０が破損する可能性が懸念され、バックアップリング２０Ｘの信頼性を低下させると共にシール機構としての信頼性も低下する恐れがある。

【0012】

この発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、バックアップリングとシール溝との間に隙間を生じさせない構成を備えるバックアップリングを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

［１］：この開示のバックアップリングの一の局面においては、円筒状溝に収容されるシャフトにおいて、高圧側と低圧側とを仕切るため前記シャフトに設けられるシール溝内に収容され、高圧側に配置されるシール材とともに用いられ、低圧側に配置される環状の形態を有するバックアップリングであって、当該バックアップリングの縦断面で見た断面形状は、第１面と、前記第１面の半径方向の外側の端部から垂直方向に立ち上がる外側垂直面と、前記第１面の半径方向の内側の端部から垂直方向に立ち上がる内側垂直面と、前記外側垂直面から半径方向の内側に向かって徐々に傾斜する外側傾斜面と、前記内側垂直面から半径方向の外側に向かって徐々に傾斜する内側傾斜面と、前記第１面に対向し、前記外側傾斜面と前記内側傾斜面とを連結する第２面と、を有している。

【0014】

当該バックアップリングの外径となる、径方向における前記外側垂直面の間の外径寸法は、前記円筒状溝の内径寸法より大きくなる第１公差設定で設けられ、当該バックアップリングの内径となる、径方向における前記内側垂直面の間の内径寸法は、前記シール溝の底面の外径寸法より小さくなる第２公差設定で設けられている。

【0015】

［２］：この開示のバックアップリングの他の局面においては、円筒状溝に収容されるシャフトにおいて、高圧側と低圧側とを仕切るため前記円筒状溝に設けられるシール溝内に収容され、高圧側に配置されるシール材とともに用いられ、低圧側に配置される環状の形態を有するバックアップリングであって、当該バックアップリングの縦断面で見た断面形状は、第１面と、前記第１面の半径方向の外側の端部から垂直方向に立ち上がる外側垂直面と、前記第１面の半径方向の内側の端部から垂直方向に立ち上がる内側垂直面と、前記外側垂直面から半径方向の内側に向かって徐々に傾斜する外側傾斜面と、前記内側垂直面から半径方向の外側に向かって徐々に傾斜する内側傾斜面と、前記第１面に対向し、前記外側傾斜面と前記内側傾斜面とを連結する第２面と、を有している。

【0016】

当該バックアップリングの外径となる、径方向における前記外側垂直面の間の外径寸法は、前記シール溝の底面の内径寸法より大きくなる第１公差設定で設けられ、当該バックアップリングの内径となる、径方向における前記内側垂直面の間の内径寸法は、前記シャフトの外径寸法より小さくなる第２公差設定で設けられている。

【0017】

［３］：上述のいずれかに記載のバックアップリングであって、前記第１公差設定は、０ｍｍ～＋０．１５ｍｍの間の寸法誤差であり、前記第２公差設定は、－０．１５ｍｍ～０ｍｍの間の寸法誤差である。

【0018】

［４］：上述のいずれかに記載のバックアップリングであって、前記外側傾斜面と前記第２面との交差する領域には、外側曲面が設けられている。

【0019】

［５］：上述のいずれかに記載のバックアップリングであって、前記内側傾斜面と前記第２面との交差する領域には、内側曲面が設けられている。

【発明の効果】

【0020】

このバックアップリングによれば、バックアップリングとシール溝との間に隙間を生じさせない構成を備えるバックアップリングの提供を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】実施の形態の密閉構造を示す断面図である。

【図2】実施の形態のシール構造を示す部分拡大断面図である。

【図3】図２中のＩＩＩで囲まれた領域の部分拡大断面図である。

【図4】実施の形態のバックアップリングの平面図である。

【図5】図４中のＶ－Ｖ線矢視断面図である。

【図6】図４中のＶＩ－ＶＩ線矢視断面図である。

【図7】実施の形態のバックアップリングの寸法公差を示す断面図である。

【図8】バックアップリングの変形例を示す拡大断面図である。

【図9】他のシール構造を示す部分拡大断面図である。

【図10】従来技術のバックアップリングの断面図である。

【図11】従来技術の密閉構造を示す断面図である。

【図12】図１１中のＸＩＩで囲まれた領域の部分拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本開示における実施の形態におけるバックアップリングについて、以下、図を参照しながら説明する。以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。以下の説明においては、説明の便宜上、上下の文言を用いて位置関係を明示しているが、上下の配置が天地逆になる構成、および、左右に配置される構成を排除するものではない。

【0023】

図１から図７を参照して、本実施の形態のシール構造およびバックアップリング２０について説明する。図１は、密閉構造１０００を示す断面図、図２は、シール構造１００を示す部分拡大断面図、図３は、図２中のＩＩＩで囲まれた領域の部分拡大断面図、図４は、バックアップリング２０の平面図、図５は、図４中のＶ－Ｖ線矢視断面図、図６は図４中のＶＩ－ＶＩ線矢視断面図、図７は、バックアップリング２０の寸法公差を示す断面図である。

【0024】

（密閉構造１０００）
図１を参照して本実施の形態の密閉構造１０００は、ガス（高圧水素等）用のシール構造が採用された構造であり、ヘッダ１とハウジング２とを有する。ヘッダ１には、ハウジング２側に延びる円筒形状のシャフト１Ａが設けられている。シャフト１Ａの中心部には、ガスが送り込まれる貫通孔１ｈが設けられている。

【0025】

ハウジング２には、シャフト１Ａが収容される有底の円筒状溝２Ａが設けられている。シャフト１Ａの外周面が一方材側に設けられる第１シール面１ａを構成する。円筒状溝２Ａの内周面が他方材側に設けられる第２シール面２ａを構成する。シャフト１Ａの貫通孔１ｈから円筒状溝２Ａ内にガスが送り込まれることで、円筒状溝２Ａ内が高圧状態となる。

【0026】

ヘッダ１とハウジング２とは、Ｏリング３０を介在してボルト３により締結されている。これにより、以下に示すシール構造１００の気密性が保たれている。

【0027】

（シール構造１００）
図２および図３を参照して、シール構造１００の詳細について説明する。シャフト１Ａの外周面には、第１シール面１ａから内方に向かって凹む、環状のシール溝１Ｇが設けられている。シール溝１Ｇ内の高圧側には、シール材としてシールリングが配置され、本実施の形態では、Ｏリング１０が配置されている。シール溝１Ｇ内の低圧側には、バックアップ材としてバックアップリング２０が配置されている。図２に示す断面図では、変形していない状態で、Ｏリング１０およびバックアップリング２０を図示し、図３に示す断面図では、変形後の状態で、Ｏリング１０およびバックアップリング２０を図示している。

【0028】

Ｏリング１０の断面形状は一般的な円形形状であり、市販のＯリングを用いることができる。シールリングとして、市販のＯリングに代わり、Ｕパッキンなどの固定用途のシール材を用いてもよい。

【0029】

バックアップリング２０の材質は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などＯリング１０の材質よりも硬く、シャフト１Ａの材質よりも柔らかい材質を用いるとよい。バックアップリング２０の断面形状の詳細およびシール構造１００の機能については、後述する。

【0030】

（バックアップリング２０の形状）
図４から図７を参照して、バックアップリング２０の全体形状および断面形状について説明する。バックアップリング２０は環状形状を有する。バックアップリング２０は円筒状のシャフト１Ａのシール溝１Ｇに装着するためにカット面Ｃ１が設けられている。

【0031】

図５に示すように、バックアップリング２０の縦断面形状は略矩形形状であり、高圧側（Ｏリング１０に対向する側）に位置する第１面２０ａと、第１面２０ａの半径方向の外側の端部から垂直方向に立ち上がる外側垂直面２０ｂと、第１面２０ａの半径方向の内側の端部から垂直方向に立ち上がる内側垂直面２０ｃと、外側垂直面２０ｂから半径方向の内側に向かって徐々に傾斜する外側傾斜面２０ｄと、内側垂直面２０ｃから半径方向の外側に向かって徐々に傾斜する内側傾斜面２０ｅと、第１面２０ａに対向し、外側傾斜面２０ｄと内側傾斜面２０ｅとを連結する第２面２０ｆと、を有している。第２面２０ｆが低圧側（Ｏリング１０に対向しない側）に位置する。

【0032】

さらに、外側傾斜面２０ｄと第２面２０ｆとの交差する領域には、外側曲面２０ｒ１が設けられている。同様に、内側傾斜面２０ｅと第２面２０ｆとの交差する領域には、内側曲面２０ｒ２が設けられている。

【0033】

バックアップリング２０をシール溝１Ｇに装着した場合、外側垂直面２０ｂは、円筒状溝２Ａの第２シール面２ａと接することでシール面を構成する。内側垂直面２０ｃは、シール溝１Ｇの底面１Ｇｓと接する。外側傾斜面２０ｄおよび内側傾斜面２０ｅは、徐々に傾斜していることから、バックアップリング２０をシール溝１Ｇに装着する際の装着性を容易にする。外側曲面２０ｒ１および内側曲面２０ｒ２は、バックアップリング２０の方向性示す目印となり、外側曲面２０ｒ１および内側曲面２０ｒ２が位置する側が、低圧側（Ｏリング１０に対向しない側）となる。

【0034】

図６を参照して、バックアップリング２０の設計上の寸法公差は、バックアップリング２０の外径となる、径方向における外側垂直面２０ｂの間の外径寸法Ｌ２１は、円筒状溝２Ａの内径寸法Ｌ１１（図２参照）より大きくなる第１公差設定で設けられている。たとえば、第１公差設定としては、０ｍｍ～＋０．１５ｍｍの間の寸法設計である。

【0035】

さらに、バックアップリング２０の内径となる、径方向における内側垂直面２０ｃの間の内径寸法Ｌ２２は、シール溝１Ｇの底面１Ｇｓの外径寸法Ｌ１２（図２参照）より大きくなる第２公差設定で設けられている。たとえば、第２公差設定としては、－０．１５ｍｍ～０ｍｍの間の寸法設計である。

【0036】

つまり、図７示すように、バックアップリング２０の寸法設計においては、ミニマム（ＭＩＮ）寸法をクリアランス「ゼロ」となる設計からスタートして、そこからノミナル寸法、および、マキシマム（ＭＡＸ）寸法となるように公差の設定を行なう（例：外径公差（０ｍｍ～＋０．１５ｍ）、内径公差（－０．１５ｍｍ～０ｍｍ）、幅公差（０ｍｍ～＋０．１０ｍ））。

【0037】

なお、バックアップリング２０の設計上の外径寸法Ｌ２１、内径寸法Ｌ２２は、種々選択されるが、たとえば一例として、外径寸法Ｌ２１は、ミニマム（ＭＩＮ）寸法で１４．６ｍｍ、内径寸法Ｌ２２は、ミニマム（ＭＩＮ）寸法で１１．２ｍｍである。外側垂直面２０ｂおよび内側垂直面２０ｃの寸法ｔは、約０．２ｍｍ程度である。外側曲面２０ｒ１および内側曲面２０ｒ２の半径は、約０．２ｍｍ程度である。カット面Ｃ１の傾斜角度αは、２２°程度である。

【0038】

このように、クリアランス「ゼロ」となる設計からスタートすることで、バックアップリング２０とシール溝１Ｇとの間には隙間が生じないことから、高圧側のＯリング１０に圧力が負荷されＯリング１０がバックアップリング２０側に変形した場合であっても、従来のようなはみ出し領域が形成されることを抑制することが可能となる。これにより、バックアップリング２０やＯリング１０の破損を防止することが可能となる。

【0039】

（バックアップリングの変形例）
図８を参照して、バックアップリングの変形例として、バックアップリング２０Ａの断面形状について説明する。図８は、バックアップリングの変形例を示す拡大断面図であり、図４中のＶ－Ｖ線矢視断面に相当する図である。

【0040】

上記バックアップリング２０においては、外側曲面２０ｒ１および内側曲面２０ｒ２は、バックアップリング２０の方向性示す目印として設けられている。よって、必ずしも外側および内側の両側に設ける必要はなく、バックアップリング２０Ａに示すように、内側曲面２０ｒ２のみを設けるようにしてもよい。図視はしていないが、外側曲面２０ｒ１のみを設けるようにしてもよい。また、方向性示す目印が不要である場合には、外側曲面２０ｒ１および内側曲面２０ｒ２は設けなくてもよい。

【0041】

（他のシール構造１００Ａ）
図９を参照して、他のシール構造１００Ａの場合について説明する。図９は、他のシール構造１００Ａを示す部分拡大断面図である。

【0042】

上述したシール構造１００は、シャフト１Ａに環状のシール溝１Ｇが設けられていたが、図９に示すシール構造１００Ａでは、ハウジング２側に、環状のシール溝２Ｇが設けられている場合を示す。このシール構造１００Ａの場合においても、バックアップリング２０の設計上の寸法公差は、バックアップリング２０の外径となる、径方向における外側垂直面２０ｂの間の外径寸法Ｌ２１は、シール溝２Ｇの底面２Ｇｓの内径寸法Ｌ３１より大きくなる第１公差設定で設けられているとよい。第１公差設定は、シール構造１００と同様である。

【0043】

さらに、バックアップリング２０の内径となる、径方向における内側垂直面２０ｃの間の内径寸法Ｌ２２は、シャフト１Ａの外径寸法Ｌ３２より小さくなる第２公差設定で設けられているとよい。第２公差設定は、シール構造１００と同様である。

【0044】

このシール構造１００Ａにおいても、シール構造１００の場合と同様の作用効果を得ることができる。

【0045】

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】

【0046】

１ ヘッダ、１Ａ シャフト、１Ｇ，２Ｇ シール溝、１Ｇｓ，２Ｇｓ 底面、１ａ 第１シール面、１ｈ 貫通孔、２ ハウジング、２Ａ 円筒状溝、２ａ 第２シール面、３ ボルト、１０，３０ Ｏリング、１０ｘ はみ出し領域、２０，２０Ｘ バックアップリング、２０ａ 第１面、２０ｂ 外側垂直面、２０ｃ 内側垂直面、２０ｄ 外側傾斜面、２０ｅ 内側傾斜面、２０ｆ 第２面、２０ｒ２ 内側曲面、２０ｒ１ 外側曲面、１００，１００Ａ シール構造、１０００，１０００Ｘ 密閉構造。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】