CN111886428A - 密封环 - Google Patents
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Abstract
提供一种密封环，能够抑制配合壳体的磨损，另外，能够防止从环状槽露出，作为密封环的本来的目的的低泄漏性优异。密封环(1)是安装在设置于大致圆板状的蝶阀(11)的外周的环状槽(12)中、用于将蝶阀(11)与收纳该阀的壳体(13)之间的环状间隙(14)封闭的树脂制的密封环。密封环(1)一部分从环状槽(12)突出，在封闭流体的压力的作用下与壳体(13)紧贴而将环状间隙(14)封闭，环的径向厚度(t)为自由状态的环外径的7％～11％，在阀打开时在封闭流体的压力的作用下扩径的状态的环内径比阀的外径(r)小。
Description
技术领域
本发明涉及在利用废气、液压工作油等流体的设备中用于对该流体进行密封(封闭)的密封环。
背景技术
内燃机的废气再循环(EGR)系统是使废气的一部分返回到吸气系统、降低混合气燃烧时的最高温度而抑制NOx的生成量的装置。EGR阀是能够转动地设置在EGR流路(壳体)内的蝶阀，通过调整该阀的开度来控制再循环的废气的量。在大致圆板状的EGR阀的外周设置有环状槽，在该环状槽安装有密封环。
以往，作为密封环，提出了金属制的密封环、树脂制的密封环(专利文献1)。图7表示以往的密封环(以往产品)的俯视图及A-A线剖视图。如图7所示，密封环21是截面为大致矩形的环状体，在圆周方向的一处具有接缝。在密封环21安装于EGR阀的环状槽的状态下，环外周面22被按压到壳体的内壁，从而将该阀与该壳体之间的环状间隙密封。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-241899号公报
发明内容
发明所要解决的课题
近年来，工业设备不断高性能化/节能化，对各种部件也要求高精度的设计、耐久性等。对于密封环也期望在维持良好的密封性的同时提高各性能。在这一点上，在例如以往的金属制的密封环的情况下，有可能损伤作为配合构件的壳体、或者加快磨损。
另一方面，在树脂制的密封环的情况下，在配合壳体的磨损的方面比较良好。但是，与金属制的密封环相比，弯曲弹性模量低，因此，即使在EGR阀打开时为低压，密封环也可能会从环状槽露出而卡入到与配合壳体之间。并且，在EGR阀关闭时，40kPa左右的压力施加于密封环，因此，有时由于EGR阀打开时的压力而使接缝扩大，密封环从EGR阀脱落。
例如，在图7所示的以往产品的密封环21(环外径Φ40mm、径向厚度1.9mm、环宽度1.7mm)中，有可能由于该压力而使密封环扩径并从环状槽露出。
本发明是为了应对这样的问题而完成的，其目的在于提供一种密封环，能够抑制配合壳体的磨损，另外，能够防止从环状槽露出，作为密封环的本来的目的的低泄漏性优异。
用于解决课题的手段
本发明的密封环是安装在设置于大致圆板状的蝶阀的外周的环状槽中、用于将该阀与收纳该阀的壳体之间的间隙封闭的树脂制的密封环，其中，该密封环在上述阀关闭时，一部分从上述环状槽突出，在封闭流体的压力的作用下与上述壳体紧贴而将上述间隙封闭，环的径向厚度为自由状态的环外径的7％～11％，在上述阀打开时在上述封闭流体的压力的作用下扩径的状态的环内径比上述阀的外径小。
其中，在上述密封环的环内径面的至少一部分具有使环的径向厚度变薄的减薄部。其中，上述密封环的接缝是复合台阶形状的接缝。
其中，形成上述密封环的树脂是聚醚醚酮(PEEK)树脂、聚酰胺酰亚胺(PAI)树脂、或聚苯硫醚(PPS)树脂。
其中，上述蝶阀用于内燃机的废气再循环(EGR)系统的控制阀。
发明效果
本发明的密封环从环状槽突出一部分，在封闭流体的压力的作用下与壳体紧贴而将间隙封闭，环的径向厚度为自由状态的环外径的7％～11％，与以往产品相比壁厚较厚，因此，即使产生例如40kPa以上的压力，也能够抑制密封环过度扩张。另外，在阀打开时在封闭流体的压力的作用下扩径的状态的环内径比阀的外径小，因此，即使在阀打开时的扩径状态下，也能够防止从环状槽脱离。
由于在上述密封环的环内径面的至少一部分具有使环的径向厚度减薄的减薄部，因此，即使例如环的径向厚度比以往的密封环大，也能够维持向环状槽装入的组装性，能够防止破裂。
由于上述密封环的接缝是复合台阶形状的接缝，因此在能够实现扩径的同时能够得到良好的密封性。
由于形成密封环的合成树脂是PEEK树脂、PAI树脂或PPS树脂，因此，耐磨损性、密封性、耐热性、耐久性等优异。另外，由于能够得到良好的弯曲弹性模量，因此即使在装入环状槽时扩径也不会破裂。
在EGR系统中EGR阀关闭时，施加于该阀的压力最大为40kPa左右。上述密封环用于EGR系统的控制阀，因此，即使最大施加40kPa左右的压力，也能够防止该密封环从阀脱落。
附图说明
图1是表示本发明的密封环的一例的立体图。
图2是图1的密封环的俯视图及B-B线剖视图。
图3是表示阀关闭时的图1的密封环的状态的图。
图4是表示阀打开时的图1的密封环等的状态的图。
图5是表示图1的密封环落入环状槽的状态的图。
图6是表示使密封环扩径的方法的图。
图7是以往的密封环的俯视图及A-A线剖视图。
具体实施方式
基于图1～图3对本发明的密封环的一例进行说明。图1是密封环的立体图，图2是图1的密封环的俯视图及B-B线剖视图，图3是表示阀关闭时的图1的密封环的状态的图。本发明的密封环用于使用蝶阀的控制阀，是安装在设置于大致圆板状的蝶阀的外周的环状槽中而将该阀与收纳该阀的壳体之间的间隙封闭的密封构件。大致圆板状的蝶阀在壳体内以阀杆为轴转动，从而控制阀进行阀的开闭。作为这种控制阀，例如可举出内燃机的废气再循环(EGR)系统的控制阀(也简称为“EGR控制阀”)。
如图1所示，密封环1是树脂组成物的成形体，是截面为大致矩形的环状体。环外周面2和环内周面3是与密封环1的轴心方向平行的面。环内周面3与环侧面4(两侧面)的角部可以设置有直线状、曲线状的倒角，也可以在通过注射成形制造密封环的情况下，在该部分设置成为从模具突出的突出部分的台阶部7。在环内周面3设置有多个(在图2中为六处)环的径向厚度变薄的减薄部5。减薄部5沿着周向分别分离地设置。在该情况下，在构成环内周面3的台阶部7沿着周向分别分离地设置有减薄部5。
密封环1是具有一处的接缝6的切割型的环，通过弹性变形而扩径并安装于蝶阀的环状槽。密封环1设定为在不受外力的自由状态下直径比密封面(壳体内壁)稍大，在阀关闭时在封闭流体的压力的作用下与密封面紧贴。关于接缝6的形状，也能够设为直线切割形状、角度切割形状等，但从封闭流体的密封性优异出发，优选采用图1所示的复合台阶切割形状。
图2(a)的密封环1表示自由状态的密封环，在本发明中，将该状态的环外径设为R1，将环内径设为R2。环内径R2是指相向的环内周面3间的距离。另外，如图2(b)所示，环的径向厚度t是从环外周面2到环内周面3的距离，环宽度w是在轴向上从一方的环侧面4到另一方的环侧面4的距离。在密封环1中，R1＝R2+2t的关系成立。如后所述，在本发明中，环的径向厚度t相对于外径R1而进行设定。
密封环1的环宽度w没有特别限定，优选设定为0.7mm～2.5mm。在环宽度w比0.7mm薄的情况下，密封性有可能降低，在环宽度w比2.5mm厚的情况下，需要使蝶阀增厚，阀装置的小型化变得困难。
如图3所示，密封环1安装在设置于大致圆板状的蝶阀11的外周的环状槽12中，将蝶阀11与壳体13之间的环状间隙14封闭。蝶阀11由环状槽形成部11a和其轴向两侧的阀主体部11b构成。阀主体部11b的外径面11c的直径是蝶阀11的最大的外径。在本发明中，将该直径设为蝶阀11的外径r。另外，环状槽12的深度d是从外径面11c到槽底的深度，在整周上是恒定的。
蝶阀11被成为阀杆的轴(省略图示)支承而能够转动地收纳在壳体13的内部。通过使蝶阀11在壳体13的内部转动，阀进行开闭。密封环1被作为封闭流体的EGR气体施加最大40kPa左右的压力，在该压力和自身的扩径方向的张力的作用下，外径侧的一部分从环状槽12突出，环外周面2被按压并紧贴于壳体13的内壁。
另外，密封环1以能够在半径方向、轴线方向、圆周方向上移动的方式安装在环状槽12内，在轴线方向上也稍微存在空隙。在阀关闭时，密封环1除了上述的环外周面2之外，环侧面4也被按压并紧贴于环状槽12的非密封侧的侧壁面，将环状间隙14封闭。
这样，在EGR控制阀中，在阀关闭时，为了防止EGR气体的泄漏而设置有密封环。通过EGR控制阀的EGR气体包含固体状的微粒杂质，因此，若该杂质一部分堆积在环状槽12内，则有可能密封环在环状槽内的移动变得困难、或者无法从扩径状态恢复到自由状态等。因此，在密封环内径与槽底之间设置有规定的间隙。该间隙设定为在密封环的阀全闭时也具有充分的间隙。
在从阀关闭的状态打开阀时，密封环1从壳体13的约束中释放，在上述的封闭流体的压力等的作用下，接缝6扩大而扩径。在该情况下，需要使扩径的密封环的环内周面不从环状槽12露出。作为该对策，可考虑使密封环的径向厚度增厚，但若使厚度增厚，则能够扩径的最大内径变小，因此，根据其厚度，有可能无法将密封环装入蝶阀11的环状槽12。即，需要满足密封环相对于环状槽的防露出性和组装性这两者。在本发明的密封环中，考虑到该情况，将厚度限定在比以往产品厚的规定范围内。
密封环1的径向厚度t设定为自由状态的环外径R1的7％～11％。即，在自由状态的环外径R1为φ40mm的情况下，为2.8mm～4.4mm，在自由状态的环外径R1为φ35mm的情况下，为2.45mm～3.85mm。在径向厚度t比7％薄的情况下，密封环有可能从环状槽露出。另外，在径向厚度t比11％厚的情况下，在向环状槽装入时密封环有可能破裂。更优选将密封环的径向厚度t设定为自由状态的环外径R1的8％～10％。此外，本发明的密封环1的自由状态的环外径R1能够设为任意的尺寸。
另外，本发明的密封环除了径向厚度t的设定之外，扩径时的环内径也与阀尺寸成为规定的关系，因此防露出性优异。基于图4对从阀关闭的状态打开阀时的密封环的露出性进行说明。图4(a)表示阀打开时的本发明的密封环的状态，图4(b)表示阀打开时的以往产品的状态。图4的各密封环在阀打开时为扩径的状态，将该扩径时的环外径设为R1’，将该扩径时的环内径设为R2’。此外，在扩径时，R1’＝R2’+2t的关系成立。如图4所示，关于密封环的径向厚度，密封环1的径向厚度比密封环21的径向厚度大。
在图4(b)的以往产品的情况下，由于环内周面23a位于比蝶阀31的外径面31c靠径向外侧的位置，因此密封环21有可能从环状槽露出。也就是说，在环内周面23a与外径面31c之间会产生空隙。在该情况下，扩径时的环内径R2’比阀的外径r大(R2’>r)。
与此相对，在图4(a)的本发明的密封环1的情况下，扩径时的环内径R2’比阀的外径r小(R2’<r)。因此，环内周面3a位于比蝶阀11的外径面11c靠径向内侧的位置，也就是说位于环状槽内，因此能够防止密封环1从环状槽露出。
阀打开，不久加压被解除，扩径的密封环恢复到自由状态。此时相对于蝶阀11的密封环的状态如图5所示。如图5所示，加压解除时的密封环成为落入环状槽的槽底的状态，该槽底的相向侧的环内周面3a容易位于比蝶阀11的外径面11c靠径向外侧的位置。本发明的密封环由于自由状态的环内径R2比从阀的外径r减去环状槽的深度d得到的值(r-d)小(R2＜r-d)，因此，密封环1停留在环状槽内，即使在加压解除时也能够防止密封环从环状槽露出。
如上所述，本发明的密封环是树脂组成物的成形体。作为能够使用的合成树脂，例如可举出热固性聚酰亚胺树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)树脂、聚醚酮(PEK)树脂、PEEK树脂、全芳香族聚酯树脂、聚四氟乙烯(PTFE)树脂等氟树脂、PPS树脂、PAI树脂、聚酰胺(PA)树脂等。此外，这些树脂可以单独使用，也可以为混合两种以上的聚合物合金。
从具有复合台阶切割形状等的接缝的密封环的制造容易且成本低等出发，密封环优选为将合成树脂注射成形而成的注射成形体。因此，作为合成树脂，优选使用能够进行注射成形的热塑性树脂。其中特别是从耐磨损性、密封性、耐热性、耐久性、弯曲弹性模量等优异出发，优选使用PEEK树脂、PAI树脂或PPS树脂。
另外，能够根据需要而在上述合成树脂中配合碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维等纤维状增强材料、球状二氧化硅或球状炭等球状填充材料、云母或滑石等鳞状增强材料、钛酸钾晶须等微小纤维增强材料。另外，也能够配合PTFE树脂、石墨、二硫化钼等固体润滑剂、磷酸钙、硫酸钙等滑动增强材料、炭黑等。它们能够单独配合，也能够组合配合。特别是在PEEK树脂、PAI树脂或PPS树脂中含有作为纤维状增强材料的碳纤维和作为固体润滑剂的PTFE树脂的材料容易得到本发明的密封环所要求的特性，因此优选。通过配合碳纤维，可实现弯曲弹性模量等机械强度的提高，通过配合PTFE树脂，可实现滑动特性的提高。
如上所述，本发明的密封环需要兼顾防露出性和组装性，其弯曲弹性模量优选为5000～12000MPa。更优选为6000～9000MPa。例如，如图6所示，密封环1在使用夹具41扩径的状态下安装于阀的环状槽，因此，若弯曲弹性模量超过12000MPa，则有可能因向环状槽装入时的扩径而破裂。另一方面，若弯曲弹性模量小于5000MPa，则有可能由于施加于密封环1的压力而过度扩径，从环状槽露出。
在设为注射成形体的情况下，将以上的各原材料熔融混匀而制成成形用粒料，使用该成形用粒料通过公知的注射成形法成形为规定形状。注射成形的浇口位置没有特别限定，但从确保密封性的观点及不需要后加工出发，优选设置于环内周面侧。
本发明的蝶阀由于将上述密封环设置于环状槽中，因此，即使在该阀打开时也不会使密封环脱落，能够稳定地使用。特别是，作为蝶阀，优选最大产生40kPa左右的压力的EGR阀。
本发明的阀装置具备本发明的密封环和安装该密封环的大致圆板状的蝶阀，在壳体内部能够转动地设置蝶阀。通过调整该阀的开度来控制废气等封闭流体的量。
本发明的密封构造具备上述密封环、安装该密封环的大致圆板状的蝶阀、以及收纳该蝶阀的壳体(流体流路)。
实施例
使用图1和图2所示的形状的密封环，从防露出性和组装性的观点出发，对径向厚度t相对于环外径R1的外径比(6％～12％)进行了研究。以环外径R1为Φ40mm的密封环(参照表1)和Φ35mm的密封环为对象(参照表2)。采用了Φ40mm的密封环安装于阀外径r为Φ39mm的蝶阀、Φ35mm的密封环安装于阀外径r为Φ34mm的蝶阀的方式。各密封环所使用的合成树脂为PEEK树脂，密封环的弯曲弹性模量(JIS K7171)为7800MPa。另外，密封环的环宽度w设为1.7mm。
对于外径比分别不同的密封环，如以下这样求出表1及表2的各栏的数值。
(1)根据密封环的弯曲弹性模量、该密封环及蝶阀的各尺寸，求出从蝶阀的外径露出的环外径。
(2)求出扩张到从蝶阀的外径露出的环外径为止的压力。
(3)使密封环扩径，求出该密封环破裂(被破坏)时的环内径。
[表1]
[表2]
关于防露出性，在EGR阀中最大40kPa的压力施加于密封环，因此，在上述(2)中求出的压力值需要40kPa以上。实施例1～5及实施例6～10的密封环的该压力值均为40kPa以上，因此，不会从阀的环状槽露出。在该情况下，在各实施例中，在40kPa的压力条件下扩径的环内径比阀的外径小。另一方面，比较例1、3(外径比6％)的密封环由于在上述(2)中求出的压力值为22kPa、16kPa，均小于40kPa，因此有可能从阀的环状槽露出。即，若外径比小于7％，则密封环的防露出性降低。
关于组装性，密封环装入蝶阀时，需要扩张至该阀的外径以上。因此，上述(3)中求出的环内径需要在表1中为39mm以上，在表2中为34mm以上。实施例1～5及实施例6～10的密封环满足上述数值范围，因此均能够不破裂地装入阀。另一方面，比较例2、4(外径比12％)的密封环不满足上述数值范围，因此在向环状槽装入时密封环有可能破裂。即，若外径比大于11％，则密封环的组装性降低。
由以上可知，在密封环中，通过使环的径向厚度相对于环外径的比率为7～11％、优选为8～10％，能够兼顾防露出性和组装性。
产业上的可利用性
本发明的密封环能够抑制配合壳体的磨损，另外，能够防止从环状槽露出，作为密封环的本来的目的的低泄漏性优异，因此，能够广泛用作安装于阀的环状槽中的密封环，特别适合于有40kPa左右的压力施加的EGR阀用的密封环。
附图标记说明
1密封环
2环外周面
3环内周面
4环侧面
5减薄部
6接缝
7台阶部
11蝶阀
12环状槽
13壳体
14环状间隙。
Claims (5)
1.一种密封环，所述密封环为树脂制的密封环，安装在设置于大致圆板状的蝶阀的外周的环状槽中，用于将该阀与收纳该阀的壳体之间的间隙封闭，其特征在于，
该密封环在所述阀关闭时，一部分从所述环状槽突出，在封闭流体的压力的作用下与所述壳体紧贴而将所述间隙封闭，
环的径向厚度为自由状态的环外径的7％～11％，在所述阀打开时在所述封闭流体的压力的作用下扩径的状态的环内径比所述阀的外径小。
2.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，在所述密封环的环内径面的至少一部分具有使环的径向厚度减薄的减薄部。
3.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述密封环的接缝是复合台阶形状的接缝。
4.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，形成所述密封环的树脂是聚醚醚酮树脂、聚酰胺酰亚胺树脂或聚苯硫醚树脂。
5.根据权利要求1所述的密封环，其特征在于，所述蝶阀用于内燃机的废气再循环系统的控制阀。
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