| 【発明の名称】 |
金属シール |
| 【発明者】 |
【氏名】三ツ井 孝禎
【氏名】假屋 隆広
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| 【要約】 |
【課題】激しい圧力変動及び温度変化のある部位に使用可能な金属シールを提供する点にある。
【解決手段】相手部材の孔部へ密嵌される円筒部６を有し、この円筒部６の下端から外径方向に延設された段付部７を有する。さらに、この段付部７の外周端縁から下方へ拡径するテーパ状の圧縮弾性壁部８を有する。この圧縮弾性壁部８の先端縁に、相手面に線接触する円環状接触部９を有する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 流体通過用の第１孔部を有する第１部材と、該第１孔部と略同一軸心状に対応する流体通過用の第２孔部を有する第２部材と、の間に、介装される金属シールに於て、上記第１孔部に圧入される密嵌円筒部と、上記第１孔部の開口端面に当接するように上記密嵌円筒部の一端から外径方向に延設された段付部と、該段付部の外周端縁から延設されて、上記第２部材の上記第２孔部の開口端面と、上記第１孔部の開口端面との間に、介装される先端側へ拡径テーパ状の圧縮弾性壁部と、該圧縮弾性壁部の先端縁に連設され、上記第２孔部の開口端面に当接する円環状接触部と、を具備することを特徴とする金属シール。
【請求項２】 拡径テーパ状の圧縮弾性壁部が、断面直線状である請求項１記載の金属シール。
【請求項３】 拡径テーパ状の圧縮弾性壁部が、断面波型である請求項１記載の金属シール。
【請求項４】 円環状接触部が、第２孔部の開口端面に対して、自由状態で、平行状である請求項１記載の金属シール。
【請求項５】 円環状接触部が、第２孔部の開口端面に対して、断面凸型アール状である請求項１記載の金属シール。
【請求項６】 第１部材が、内燃機関に設けられた排気ガス再循環制御バルブのハウジングであり、かつ、第２部材が上記内燃機関の排気管から排気ガスの一部を導く排ガス戻し管であって、上記排気ガス再循環制御バルブに用いられた請求項１，２，３又は４記載の金属シール。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属シールに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の排気経路（排気管）の排気バルブ付近や接合部位等に於ては、高温・大きな温度差・大きな圧力変動等の悪条件に耐えるシール材が要望される。ところで、従来から上述のような部位には、■長方形の板材に孔が明いたガスケット、■冷却機構を備えたゴム製Ｏリング、■接合部位を溶接にて一体化した溶接構造、等の密封構造が用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記■の場合は、上記排気経路の接合部等が高温となり、温度差が大きいことによって、熱膨張等が大で、相当量の漏れが不可避であった。相応のシール性を得るためには、接合部等の締付力を高くする必要から、接合部等をコンパクトにまとめることが難しいという問題があった。しかも、装着部（接合部）の孔とガスケットの孔を一致させるための位置決めにも注意する必要があった。
【０００４】上記■の場合、冷却機構が必要であるから、コンパクト化が図り難く、構造が複雑化するという問題があった。また、Ｏリングを定位置に装着するために、凹溝が必要である。上記■の場合、外部漏洩の心配はなくなるが、組立時の手間が増大し、故障等での補修時には、溶接部の破壊が伴い、一般的には、溶接部を含むユニット全体を交換する必要が生じた。
【０００５】本発明の目的は、従来のこのような問題点を解決して、上記内燃機関の排気経路（排気管）の接合部位等の、高温で、温度差の大きい環境や、圧力変動の大きい環境下で、優れた密封性を維持でき、接合（装着）部位をコンパクト化可能であって、シール材の位置決めも容易であり、組付作業時に脱落等の虞が無くて組立作業能率を改善できて、耐久性にも優れた金属シールを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するために、本発明に係る金属シールは、流体通過用の第１孔部を有する第１部材と、該第１孔部と略同一軸心状に対応する流体通過用の第２孔部を有する第２部材と、の間に、介装される金属シールに於て；上記第１孔部に圧入される密嵌円筒部と；上記第１孔部の開口端面に当接するように上記密嵌円筒部の一端から外径方向に延設された段付部と；該段付部の外周端縁から延設されて、上記第２部材の上記第２孔部の開口端面と、上記第１孔部の開口端面との間に、介装される先端側へ拡径テーパ状の圧縮弾性壁部と；該圧縮弾性壁部の先端縁に連設され、上記第２孔部の開口端面に当接する円環状接触部と；を具備する。
【０００７】また、拡径テーパ状の圧縮弾性壁部が、断面直線状であるようにしても良く、あるいは、断面波型とする。また、円環状接触部が、第２孔部の開口端面に対して、自由状態で、平行状とするか、あるいは、断面凸型アール状である。
【０００８】また、第１部材が、内燃機関に設けられた排気ガス再循環制御バルブのハウジングであり、かつ、第２部材が上記内燃機関の排気管から排気ガスの一部を導く排ガス戻し管であって、上記排気ガス再循環制御バルブに用いられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図示の実施の形態に基づき、本発明を詳説する。
【００１０】図１は、使用状態の一例を示す断面図であり、図２は自由状態の断面正面図である。この図１と図２に於て、Ｓは本発明に係る金属シールの一例を示し、ステンレス鋼やばね用鋼やその他の金属から成り、薄板材のプレス加工等にて、製作される。
【００１１】図１に於て、１は流体通過用の第１孔部11を有する第１部材、２は流体通過用の第２孔部12を有する第２部材である。第１孔部11と第２孔部12は、略同一軸心状に、対応する。例えば、第１の適用例としては、第２部材２は内燃機関のエンジン本体が相当し、第１部材１は（図外のボルト等にて施蓋状に取付けられる）バルブ（システム）本体やエキゾーストマニホールドの口部等が相当する。このとき、バルブ（システム）本体（第１部材１）の第１孔部11には、排気バルブ（弁体）等が内蔵されるが、図示省略する。あるいは、第２の適用例としては、後述の図５の排気ガス再循環制御バルブ（以下「ＥＧＲバルブ」という場合がある）を挙げることができる。
【００１２】そして、金属シールＳは、このような第１部材１と第２部材２との間に、介装される。ところで、第１部材１の第１孔部11は、段差部３を介して、図１の上方の基本径部11ａと、下方の大径部11ｂとを、有する。
【００１３】他方、第２部材２に於ては、その上面（表面）13に、第１部材１の下端部を嵌込む凹所14が形成され、この凹所底面（14ａ）に、前記第２孔部12が形成されている。従って、凹所底面14ａは、第２孔部12の開口端面４に相当する。
【００１４】図１から明らかなように、第１部材１の下端面───即ち第１孔部11（大径部11ｂ）の開口端面５───と、第２孔部12の開口端面４との間には、間隙部Ｇが、形成される。
【００１５】図１〜図３に示すように、金属シールＳは、第１孔部11の大径部11ｂに圧入される密嵌円筒部６と、第１孔部11の開口端面５に当接する段付部７と、先端側（図の下方側）へ拡径するテーパ状の圧縮弾性壁部８と、この圧縮弾性壁部８の先端縁に連設されて第２孔部12の開口端面４に当接する円環状接触部９と、上記密嵌円筒部６の上端（基端）に連設の内鍔部10と、を具備している。
【００１６】段付部７は、密嵌円筒部６の一端（図の下端）から外径方向に（折曲げて）延設され、開口端面５に当接する。圧縮弾性壁部８は、上記段付部７の外周端縁から延設されて、円錐台面の周面に対応した下方拡径のスカート型（テーパ状）であり、断面直線状（図３参照）とするか、又は、（図４に示すように）断面Ｓ字波型や凹凸波型である。
【００１７】このような形状の圧縮弾性変形自在な弾性壁部８は、第２部材２の第２孔部12の開口端面４と、第１部材１の第１孔部11の開口端面５との間（の間隙部Ｇ）に、介装される。
【００１８】円環状接触部９は、圧縮弾性壁部８の先端縁（下端縁）を、外径方向に折曲げして、図２と図３に示した自由状態で、第２孔部12の開口端面４に対して、平行状であり、下端面が小さな幅寸法の平坦面を有する。又は、図４に示したように、小曲率半径Ｒの断面凸型アール状とするも好ましい。
【００１９】内鍔部10は、図１に示すように、円筒部６の上端を内径方向に折曲げて形成されるが、基本径部11ａの内径よりも大きい内径寸法に設定され、かつ、段差部３に近接乃至当接状に組立てられる。
【００２０】さらに、補足説明すると、第２部材２・第１部材１がエンジン（内燃機関）のエンジン本体・バルブ（システム）本体又はエキゾーストマニホールドの口部である場合、又は、図５に於て後述する適用例のように、第２部材がエンジン（内燃機関）22の排気管28に接続された排ガス戻し管29であり、第１部材１がＥＧＲバルブ21のハウジング34である場合、図１中に矢印Ｆにて示すように流れる流体は、高温で圧力変動も激しい排気ガスが相当する。本発明の金属シールＳはこのように過酷なこのような排気経路内やＥＧＲバルブの接合部にも装着使用できる。
【００２１】そして、円筒部６はバルブ（システム）本体又はエキゾーストマニホールドの口部、又は、ＥＧＲバルブ21のハウジング34等の第１部材１の第１孔部11の大径部11ｂに圧入・密嵌され、エンジン本体又は排ガス戻し管29等の第２部材２への組付前の状態で、不意に、金属シールＳが落下（脱落）せず、組付作業を容易とする利点があり、さらに、取付時の位置決めを容易とする利点もあり、かつ、上記圧入・密嵌の状態によって、密封性を向上して確実なものとする利点もある。
【００２２】段付部７は、圧縮弾性壁部８からの弾発力を受けて、開口端面５に圧接して、いわば副密封面が環状に形成され、シール性（密封性）を補助する。圧縮弾性壁部８として、図１〜図３のように（縦）断面形状が直線状、又は、図４のように（縦）断面形状が凹凸波型（若しくはＳ波型）を選択することができ、金属シールＳの板厚の大小に応じて、シール全体の締付力を広い範囲で調整することができる。
【００２３】円環状接触部９は、平坦な開口端面４に（圧縮弾性壁部８の弾発力にて）弾発的に接触して、主密封面を形成する。開口端面５と開口端面４の間の間隙部Ｇの寸法が、加工寸法誤差によって、又は、熱膨張によって、若しくはその他の原因にて、増減変化した場合にも、上記円環状接触部９が常時、（軸心方向から見て）円形に線接触するように（縦断面上は点接触するように）保つのが望ましい。その理由は、接触面圧にピーク圧が生じて、流体を強力に遮断して、強力な密封作用をなすことが可能となるからである。
【００２４】なお、図２の自由状態から図１の装着（使用）状態とした場合の弾性壁部８が圧縮される軸心方向の量───圧縮量───が小さい低締付状態でも、上述の線接触とすることで、接触面圧にピーク圧が生じて、高いシール面圧を確保できる。
【００２５】構造上、基端側（上側）の半分───密嵌円筒部６───が、密嵌状に圧入固定されているため、圧縮に際しての復元量（一旦圧縮して後に金属シールＳの自由状態にもどしたときの弾性的に復元する軸心方向の寸法）が大きいという利点がある。即ち、密嵌円筒部６は、主シール機能，脱落防止機能，位置決め機能，センタリング機能といった多くの機能を具備するが、この内のセンタリング機能によって、相手面（第２部材２）に金属シールの一部分が干渉───不要な当たりやかみ込み───を生じることを防止して、金属シールの一部分の塑性変形の発生を防ぎ、上記「圧縮に際しての復元量」が大きくなる。
【００２６】また、通常、金属Ｏリングでは、溝に装着する場合、溝の中央に位置するようにしてから装着する。これは、溝に干渉する部分ができてしまうと、その部分だけ塑性変形が発生し、シールの弾発力が損なわれ、シール性能が落ちてしまうからであり、また、干渉部分があると塑性変形することから、低締付設計も損なわれる。このように密嵌円筒部６で自動的にセンタリングすることにより、（脱落防止機能による組付けの容易さと共に、）最適なシール配置も行うことができる。
【００２７】なお、開口端面４と線接触状態とするために、図３では円環状接触部９の幅寸法Ｗを極めて小さく設定する。
【００２８】次に、本発明に係る金属シールＳの第２の適用例を、図５に示す。即ち、この図５に於て、内燃機関に設けられたＥＧＲバルブ21に金属シールＳが用いられている。ＥＧＲバルブ21及びその配管系路等の構成について、以下説明すると、22は内燃機関、23はそのピストン、24は燃焼室であり、吸気弁25と排気弁26を有し、吸気弁25側は吸気管27に接続されて外気が燃焼室24へ（所定タイミングで）導かれ、他方、排気弁26側は排気管28へ接続されて燃焼室24から（所定タイミングで）排気ガスが排出される。
【００２９】ところで、ＥＧＲバルブ21は、排ガス戻し管29にて排気管28の途中と接続されると共に、さらに、排ガス供給管30にて吸気管27の途中と接続される。ＥＧＲバルブ21は、このように排気管28から排気ガスの一部を吸気管27へ再循環させるために、かつ、排気ガス再循環量を調節するために設けられている。31は吸気管27からの負圧信号に応答して開度を調節する調節弁であり、ダイアフラム等の作動手段32と、軸33にて連結され、実線と２点鎖線で示すように開・閉状態に切換わる。
【００３０】34は、上記軸33が挿通され、調節弁31が内有されたハウジング（ボディ）である。このハウジング34と排ガス戻し管29との接続部に、金属シールＳが使用されており、図５と図１とを対照すれば明らかなように、第１部材１がハウジング34が相当し、第２部材２が排ガス戻し管29の端部が相当し、また、流体通過用の第１孔部11とは、調節弁31が往復作動自在に内蔵されている排ガス通過用孔部が相当し、また、流体通過用の第２孔部12とは、排ガス戻し管29のフランジ部29ａを有する端部近傍の排ガス通過用孔部が相当している。なお、図５に於て、このような第１部材１と第２部材２とを締付けて連結するためのボルト35…を示す。
【００３１】このように、内燃機関22から排気ガスをそのまま排出するとＮｏX 濃度が高いため、ＥＧＲバルブ21と管29，30等によって、排気管28の排気ガスの一部を吸気管27へ循環させ、吸気ポートから混合ガスに混入させて燃焼させ、ＮｏX 濃度を低減できる。
【００３２】本発明に係る金属シールＳは、このような高温で、温度差の大きい、かつ、圧力変動も大きい、悪い環境下で、特に優れた密封性を維持できる。
【００３３】ところで、図６と図７は本発明に係る金属シールＳが優れていることを、説明するために示した２つの比較例である。
【００３４】即ち、図６に示した金属シールＳ1 では、密嵌円筒部６を（図１と同様に）有しているが、図１の圧縮弾性壁部８の代りに、円環平板状の圧接フランジ部36が、形成されている。従って、このような平板状フランジ部36では、従来の板状シール（ガスケット）の密封性能と同程度の劣ったものであり、第１部材１と第２部材２を強力に締付けなければ十分な密封性能が得られない。また、高温で圧力変動が大きい環境下では、安定した密封性能が発揮できない。
【００３５】また、図７に示した金属シールＳ2 では、密嵌円筒部６を同様に有しているが、圧縮弾性壁部37がストレート状（円筒状）であるため、軸心方向の弾性変形量が小さく、（第１部材１と第２部材２との接合部を締付けたとき）塑性変形しやすいという問題がある。このように、弾発力が小さいから第１部材１・第２部材２の接合部の寸法精度が厳しく要求され、シールとしては有効シール締付域が狭く、安定したシール性（密封性能）を発揮できない等の問題がある。
【００３６】要するに、本発明に係る金属シールＳは、拡径テーパ状の圧縮弾性壁部８を有していることにより、図６，図７の上述の問題点を、簡易な形状と構成にて、解決していることが分かる。
【００３７】
【実施例】図２に示すような形状に、厚さ0.25mmのステンレス鋼板(SUS-301 CSP) をプレス加工（塑性加工）して、次のような寸法に作製して、これを図１のように装着した。
外 径： Ｄ3 ＝38.0mm内 径： Ｄ1 ＝26.0mm高 さ： Ｈ ≒ 5.4mm段付部７から接触部９下面までの高さ（自由状態）：Ｎ＝ 2.5mm段付部７から接触部９下面までの高さ（図１に示すような使用状態）：Ｎ′＝ 1.1mm使用時圧縮量： （Ｎ−Ｎ′）＝ 1.4mm第１部材１及び第２部材２の金属シールＳとの接触面の材質：アルミニウム合金第１部材１と第２部材２の締付力：200〜 260kgf （最大20kgf/cm）
第１孔部11と第２孔部12内に密封した気体：窒素ガス（圧力：１kgf/cm2 ）
【００３８】このような条件下での密封性能（シール性能）試験を行ったところ、外部漏洩（リーク）量は約10cc/minと微小であった。また、これを取外して自由状態としたとき、復元量は約 0.5mmであった。即ち、図２に於てＮ≒ 1.1mm＋ 0.5mm＝ 1.6mmまで復元した。
【００３９】
【発明の効果】本発明は上述の構成により次のような著大な効果を奏する。
【００４０】（請求項１によれば、）全体として、内燃機関の排気経路やＥＧＲバルブの接合部位等の悪条件にも耐え得るシールを実現できた。密嵌円筒部６を第１孔部11に予め圧入して後に、第１部材１と第２部材２とを、組立てることができるので、不意に本物品（金属シールＳ）が落下することが無く、組立て（組付け）作業が容易かつ確実となる。しかも、相手面（第２部材２の開口端面４）への位置決めが正確に決まる。かつ、圧入されたこの密嵌円筒部６によって密封性（シール性）も向上する。また、段付部７は第１孔部11の開口端面５に圧接して、別のシール面を形成し、前記密嵌円筒部６の（密封性）シール性を補助する。
【００４１】そして、テーパ状の圧縮弾性壁部８と円環状接触部９によって、第２部材２の第２孔部12の開口端面４に、高い面圧で接触して常に確実な密封性を確保でき、かつ、開口端面４と開口端面５との間隙部Ｇの寸法のバラツキや（場合によっては）寸法変動に、追随して確実に密封作用をなし、さらに、大きな圧力変動の繰返しに対する疲労強度も大きく、耐久性にも優れ、圧縮に際しての復元量も大きく常に適切な弾発力を維持して一層の密封性（シール性）を長期間保つ。しかも、この金属シールＳを装着する第１部材１と第２部材２の装着部位を、（従来よりも）コンパクトなものとすることができる。
【００４２】（請求項２によれば、）塑性（プレス）加工によって、製作が容易な形状となり、寸法精度もアップできる。（請求項３によれば、）断面波型の圧縮弾性壁部８は、圧縮力の変化や圧力変動に対して、追随性に優れ、円環状接触部９は安定した接触面圧で開口端面４に接触して、確実な密封性（シール性）を保つことができる。かつ、圧縮に際しての復元量も増大できる。
【００４３】（請求項４によれば、）製作が容易な形状であり、寸法精度もアップし、線接触状態として高いシール面圧を得ることができる。（請求項５によれば、）圧縮量の変化や圧力変動にかかわらず、常に線接触状態を保って、高いシール面圧を常に維持できる。
【００４４】（請求項６によれば、）高温で圧力変動も激しい排気ガスを、確実に密封して、排気ガス中の有害なＮｏX 低減に寄与する。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２６３
【氏名又は名称】三菱電線工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年９月２７日（２０００．９．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８０７４６
【弁理士】
【氏名又は名称】中谷 武嗣
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| 【公開番号】 |
特開２００１−１７３７８５（Ｐ２００１−１７３７８５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年６月２６日（２００１．６．２６） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−２９３６０４（Ｐ２０００−２９３６０４） |
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