JP2005180224A - ダイアフラムおよびその取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】基布入りのダイアフラムが車載用燃料電池等の比較的高圧条件下で使用される場合であってもゴムと基布とに剥離現象が発生するのを有効に抑えることができ、もって優れた耐圧性を発揮することが可能なダイアフラムを提供する。
【解決手段】作用圧力に追随変形する膜部３の外周にダイアフラム１をハウジング１１，１２に取り付けるための外周フランジ部４を一体成形したゴム状弾性材製のダイアフラム本体２を有し、ダイアフラム本体２に補強用の基布５を埋設してなるダイアフラム１において、ダイアフラム本体２における外周フランジ部４の更に外周側に膜状の張り出し部７を一体成形した。この張り出し部７はここにも基布５を延長して埋設し、かつこの張り出し部７は外周フランジ部４とともにハウジング１１，１２に挟み込まれて支持されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータやバルブ等にその構成要素として用いられるダイアフラムに係り、更に詳しくは、基布入りのダイアフラムとその取付構造とに関するものである。

従来から、図５に示すダイアフラム５１が知られており、このダイアフラム５１は、作用圧力に追随変形する膜部５３の外周にダイアフラム５１をハウジングに取り付けるための外周フランジ部５４を一体成形したゴム状弾性材製のダイアフラム本体５２を有し、このダイアフラム本体５２に補強用の基布５５を埋設した構造を有している（特許文献１参照）。

しかしながら近年、この種のダイアフラム５１が車載用燃料電池等において高圧条件下（常用は０．０４〜０．０８ＭＰａ程度であるが、システム異常時には最大４ＭＰａで加圧される）で使用されるようになってきており、この場合、従来のダイアフラム５１をそのまま使用すると、ダイアフラム５１の特に外周部においてゴム（ダイアフラム本体５２）と基布５５とが剥離する現象が発生し、これを原因として、ダイアフラム５１の外周部から流体（上記燃料電池の場合、被シール流体は純水素）漏れが発生することが懸念されている。

剥離発生のメカニズムは、以下のように推定されている。
すなわち、上記ダイアフラム５１を高圧条件下で使用すると、加圧時における膜部５３の変形（軸方向変位量）が大きくなるため、ダイアフラム５１の外周部においてはゴムおよび基布５５が共に径方向内方へ向けて強く引っ張られる。これに対して、ゴムは比較的伸びやすいが、基布５５は比較的伸びにくいため、ダイアフラム５１の外周部においてはゴムと基布５５との間に相対的な径方向変位が発生し、これに伴ってゴムと基布５５との間に剪断力が発生する。特に図６（Ａ）に示すように、基布５５はその平面上、縦方向（Ｘ）および横方向（Ｙ）に糸状素材５６を平織りしたものであることから、斜め（バイアス）方向（Ｚ）に限って云えば比較的伸びやすいが、縦方向（Ｘ）および横方向（Ｙ）についてはそれぞれ伸びにくい性質を有している。したがって、この基布５５を埋設したダイアフラム５１としても、図６（Ｂ）に示すように、基布５５が伸びにくい縦方向（Ｘ）および横方向（Ｙ）の外周部（５１Ｘ）（５１Ｙ）においてはそれぞれゴムと基布５５との間に大きな剪断力が発生し、この剪断力を原因として上記剥離現象が発生する。

実開平５−９６６３０号公報

本発明は以上の点に鑑みて、基布入りのダイアフラムが車載用燃料電池等の比較的高圧条件下で使用される場合であってもゴムと基布とに剥離現象が発生するのを有効に抑えることができ、もって優れた耐圧性を発揮することが可能なダイアフラムとその取付構造とを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１によるダイアフラムは、作用圧力に追随変形する膜部の外周にダイアフラムをハウジングに取り付けるための外周フランジ部を一体成形したゴム状弾性材製のダイアフラム本体を有し、前記ダイアフラム本体に補強用の基布を埋設してなるダイアフラムにおいて、前記ダイアフラム本体における外周フランジ部の更に外周側に膜状の張り出し部を一体成形し、前記張り出し部にはここにも前記基布を延長して埋設し、かつ前記張り出し部は前記外周フランジ部とともに前記ハウジングに挟み込まれて支持されるものであることを特徴とする。

また、本発明の請求項２によるダイアフラム取付構造は、上記した請求項１のダイアフラムを取り付けるための取付構造であって、前記ダイアフラムの外周フランジ部を挟み込んで支持する一対のハウジングを有する取付構造において、前記一対のハウジングの対向部に、前記外周フランジ部を挟み込んで支持するフランジ取付部のほかに、前記張り出し部を挟み込んで支持する張り出し取付部を併せ設けたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３によるダイアフラム取付構造は、上記した請求項２のダイアフラム取付構造において、張り出し取付部の内面に、径方向張り出し部に圧接して基布を強く挟み込むビード状の強圧突起を設けたことを特徴とする。

上記構成を備えた本発明の請求項１によるダイアフラムにおいては、当該ダイアフラムをハウジングに取り付けるに際して、膜部の外周側に一体成形した外周フランジ部がハウジングに挟み込まれて支持されるとともに、これに加えて外周フランジ部の更に外周側に一体成形した張り出し部がハウジングに挟み込まれて支持されるために、外周フランジ部に加えて張り出し部においても基布がハウジングに挟み込まれることになる。ゴム状弾性材製の張り出し部には適宜大きさのつぶし代が設定され、これにより基布がハウジングによって挟圧される。

一方、ダイアフラムの取付方であるハウジングには、一対のハウジングの対向部に、外周フランジ部を挟み込んで支持するフランジ取付部のほかに、張り出し部を挟み込んで支持する張り出し取付部を併せ設けることになり（請求項２）、また、このとき、張り出し部に経時的なへたり現象が発生することを考慮して、張り出し取付部の内面に、張り出し部に圧接して基布を強く挟み込むビード状の強圧突起を設けるようにすると、へたりが発生したときでも基布を依然強く挟み込むことが可能となる（請求項３）。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明の請求項１によるダイアフラムにおいては、当該ダイアフラムをハウジングに取り付けるに際して、外周フランジ部に加えて張り出し部がハウジングに挟み込まれて支持されるために、外周フランジ部に加えて張り出し部においても基布がハウジングに挟み込まれる。したがって、基布が比較的広範囲に亙って強くハウジングに挟み込まれるために、基布が径方向内方へ引っ張られて移動するのを抑えることができ、よってゴムと基布とに大きな剪断力が発生して剥離現象が発生するのを抑えることができる。したがって、ゴムと基布とに剥離現象が発生しにくい耐圧性に優れた基布入りのダイアフラム製品を提供することができる。

またこれに加えて、本発明の請求項２による取付構造によれば、上記請求項１に記載のダイアフラムを取り付けるのに相応しい取付構造を提供することができる。

また、本発明の請求項３による取付構造によれば、ハウジングの張り出し取付部の内面に、ダイアフラムの張り出し部に圧接して基布を強く挟み込むビード状の強圧突起が設けられているために、基布の一部が局部的に一層強く挟み込まれる。また、ゴム状弾性材製の張り出し部にへたりが発生しても基布を依然として強く挟み込むことができる。したがってこれらのことから、基布に対する保持力が一層大きな取付構造を提供することができる。

尚、本件出願には、以下の実施形態が含まれる。

すなわち、上記目的を達成するため、本件出願が提案する一のダイアフラムおよびその取付構造は以下の内容を備えている。
（１）基布入りダイアフラムの外周部に基布入りのベロ部（張り出し部）を出して、このベロ部を挟み込む形状にすることにより、外周フランジ部のゴムと基布の剥離現象を抑制する。
（２）基布入りダイアフラムの外周部に基布入りのベロ部を出し、外周フランジ部とともにこのベロ部につぶしをもたせることにより、基布の移動を抑える。ベロ部のつぶし率は１０〜４０％程度が好適である。
（３）ベロ部の厚さは膜部の厚さと同じとするが、ベロ部につぶし代を確保できれば、ベロ部の厚さは膜部の厚さより薄くても良い。
（４）ベロ部を設けず、基布入りダイアフラムの外周部に基布をはみ出させるだけでは、基布をつぶすことができずよって基布を固定できないので、不可。
（５）外周フランジ部を設けず、基布入りダイアフラムの膜部の外周側に直接ベロ部を設けたのでは、高圧作用時にダイアフラムがハウジングから外れてしまうので、不可。
（６）ベロ部のへたりを考慮して、外周部の相手ハウジングにはビードをつける方が、基布の挟み込みに効果がある。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

第一実施例・・・
図１は、本発明の第一実施例に係るダイアフラム１およびその取付構造の要部断面を示しており、図２は同ダイアフラム１を同取付構造に取り付けた状態の要部断面を示している。当該実施例に係るダイアフラム１は、車載用燃料電池等の比較的高圧条件下で使用されるものであって、以下のように構成されている。

すなわち、当該ダイアフラム１は先ず、作用圧力に追随変形する膜部（可撓部とも称する）３の外周に当該ダイアフラム１をハウジング（ケースとも称する）１１，１２に取り付けるための環状の外周フランジ部（単にフランジとも称する）４を一体成形したゴム状弾性材製のダイアフラム本体２を有しており、このダイアフラム本体２に補強用の基布５が埋設されている。

ダイアフラム本体２は、ニトリルゴム（ＮＢＲ）等のゴム材料によって成形されており、上記したように膜部３および外周フランジ部４を一体に有している。膜部３は、全面に亙って薄膜状とされて、作用圧力に対して十分に追随変形するように形成されている。外周フランジ部４は、当該ダイアフラム１を取り付ける一対のハウジング１１，１２間に挟み込まれて支持され、かつ抜け止めされるようダイアフラム本体２の一面（圧力が作用する側の面、図上下面）２ａ側に凸状のものとして形成されており、またこの外周フランジ部４は当該ダイアフラム１およびハウジング１１，１２間をシールするシール部を兼ねている。

一対のハウジング１１，１２の対向部には、この外周フランジ部４を挟み込んで支持するためのフランジ取付部１３が設けられており、このフランジ取付部１３は、一方のハウジング（圧力側ハウジング）１１の対向面に設けられた環状の装着溝１４と、この装着溝１４に対応して他方のハウジング（被シール流体側ハウジング）１２の対向面に設けられた環状の凹部１５と、この装着溝１４および凹部１５からダイアフラム１の膜部３を引き出すために設けられた環状の開口部１６とを有している。

装着溝１４に対する外周シール部４の充填率およびハウジング１１，１２による外周シール部４のつぶし代（率）は共に比較的大きく設定されており、よってハウジング１１，１２間に挟み込まれた外周シール部４はハウジング１１，１２に密接することから、当該ダイアフラム１およびハウジング１１，１２間をシールすることが可能とされている。

また、外周フランジ部４の被シール流体側の端面（図上上面）には、他方のハウジング１２の対向面に密接して当該ダイアフラム１および他方のハウジング１２間のシール性を高めるための、ビード状を呈する環状のシール突起６が設けられており、これにより当該ダイアフラム１および他方のハウジング１２間を十分にシールすることが可能とされている。

基布５は、ポリエステル等よりなる糸状素材を平織りすることによって成形されており、ダイアフラム本体２の全面に亙ってその肉厚内の他面（被シール流体側の面、図上上面）２ｂ側に埋設されている。埋設された基布５は、ダイアフラム本体２の他面２ｂに対して表面露出していることがあるが、この場合でも両者２，５は完全に密着されている。

上記したように、平織りの基布５には伸びに方向性があることから、以上までの構成によると、ゴム（ダイアフラム本体２）と基布５とに剥離現象が発生することがあり、これに対して当該ダイアフラム１およびその取付構造は、以下の構成を有してその対策としている。

すなわち、図示したように、当該ダイアフラム１における外周フランジ部４の更に外周側に膜状を呈する環状の張り出し部（ベロ部とも称する）７が径方向外方へ向けて一体成形されており、この張り出し部７には、ここにも基布５が延長して埋設されている。すなわち、基布５の平面積（外径寸法）が拡大されて、ダイアフラム本体２に埋設された基布５が連続的に張り出し部７にも埋設されている。

また、上記一対のハウジング１１，１２の対向部には、外周フランジ部４を挟み込んで支持するための上記フランジ取付部１３のほかに、この張り出し部７を挟み込んで支持するための張り出し取付部１７が併設されており、当該実施例では、この張り出し取付部１７が、他方のハウジング１２の対向面において上記凹部１５の外周側に連続して設けられた環状の凹部１８と、この凹部１８に対向する一方のハウジング１１の対向面とによって構成されている。この凹部１８等よりなる張り出し取付部１７に組み付けられた張り出し部１７は、その全周に亙って一対のハウジング１１，１２間に挟み込まれ、よって基布５が径方向内方へ引っ張られて移動するのを有効に抑えることが可能とされている。

更にまた、上記張り出し取付部１７における凹部１８の内面には、張り出し部７に圧接して基布５を強く挟み込むためのビード状を呈する環状の強圧突起１９が一方のハウジング１１の対向面に向けて設けられている。したがって、この強圧突起１９が押し付けられた張り出し部部１７は、その全周に亙って強圧突起１９および一方ハウジング１１間に強く挟み込まれ、よって基布５が径方向内方へ引っ張られて移動するのを一層有効に抑えることが可能とされている。

尚、この強圧突起１９はこれを環状としたが、複数の突起群を円周上並べて設けるようにしても良く、または平織りの基布５が伸びにくくよって剥離が発生しやすい平織り方向における縦方向および横方向に相当する部位のみにこの強圧突起１９を設けるようにしても良い。

上記構成を備えたダイアフラム１およびその取付構造においては、ダイアフラム１をハウジング１１，１２に取り付けるに際して、外周フランジ部４に加えて張り出し部７がハウジング１１，１２に挟み込まれて支持されるために、外周フランジ部４に加えて張り出し部７においても基布５がハウジング１１，１２に挟み込まれることになる。したがって、基布５が比較的広範囲に亙って強くハウジング１１，１２に挟み込まれるために、基布５が径方向内方へ引っ張られて移動するのを抑えることができ、よってゴムと基布５とに大きな剪断力が発生して剥離現象が発生するのを抑えることができる。

また、ハウジング１１，１２の張り出し取付部１７における凹部１８の内面にダイアフラム１の張り出し部７に圧接して基布５を強く挟み込むためのビード状を呈する環状の強圧突起１９が一方のハウジング１１の対向面に向けて設けられているために、この強圧突起１９および一方のハウジング１１の対向面間で基布５の一部を局部的に一層強く挟み込むことができる。また、ゴム製の張り出し部７にへたりが発生しても基布５を依然として強く挟み込むことができる。したがって、これらのことからしても、基布５が径方向内方へ引っ張られて移動するのを抑えることができ、よってゴムと基布５とに大きな剪断力が発生して剥離現象が発生するのを抑えることができる。

第二および第三実施例・・・
上記第一実施例に係る図１のダイアフラム１では、張り出し部７の厚さｔ_１が膜部３の厚さｔ_２よりも小さく設定されているが（ｔ_１＜ｔ_２）、第二実施例として示す図３または第三実施例として示す図４（Ａ）のように、張り出し部７の厚さｔ_１は膜部３の厚さｔ_２と同じまたはほぼ同じに設定されていても良い（ｔ_１＝ｔ_２またはｔ_１≒ｔ_２）。この第二実施例に係る図３のダイアフラム１および第三実施例に係る図４（Ａ）のダイアフラム１はそれぞれ、その他の点では、上記第一実施例に係る図１のダイアフラム１と同じ構成を有している。尚、第二実施例に係る図３のダイアフラム１では、膜部３の厚さが一定で膜部３が比較的厚く形成されているのに対して、第三実施例に係る図４（Ａ）のダイアフラム１では、膜部３の一面に環状の段差部８が設けられて膜部３が比較的薄く形成されている点で、両者は相違している。その他の点は同じである。

また、本願発明者らは、上記第三実施例に係る図４（Ａ）のダイアフラム１を用いて比較試験を行なったので、以下にその内容と結果を説明する。比較例は図４（Ｂ）に示すように、上記第三実施例（実施例３）に係る図４（Ａ）のダイアフラム１から張り出し部７を省略したものであって、その他の仕様はまったく同じものである。

比較試験の内容
１．ダイアフラム１の仕様
ダイアフラム本体２の外径寸法（ｄ）：６４．８ｍｍ
膜部３の厚さ（ｔ_２）：０．５ｍｍ
外周フランジ部４の径方向幅（ｗ）：２．４ｍｍ
外周フランジ部４の高さ（ｈ）：３．０ｍｍ
外周フランジ部４のつぶし率：１９〜２７．４％
外周フランジ部４の充填率：７３．２〜９２．７％
張り出し部７の径方向長さ（Ｌ）：５．０ｍｍ
張り出し部７の厚さ（ｔ_１）：０．５ｍｍ
張り出し部７のつぶし率：１３．３〜４２％
張り出し部７のつぶし代：０．１〜０．４ｍｍ
ダイアフラム本体２および張り出し部７の材質：高ニトリルゴム（Ｈｓ５０）
基布５の厚さ：０．２ｍｍ
基布５の材質および織り方：ポリエステル、平織り

２．試験方法
上記実施例３および比較例に係るダイアフラム１をそれぞれ実機雰囲気下にセットし、１ＭＰａ、１．５ＭＰａ、２ＭＰａ、２．５ＭＰａまたは３ＭＰａの圧力を５分間印加したときの基布５の浮き上がりや剥離の有無をチェックした。また、圧力の印加により膜部３を図上上方へ３ｍｍストロークさせたときのダイアフラム１の抗力を測定した。

３．試験結果
下記表１に示すとおり、比較例における耐圧限界が１．５ＭＰａであるのに対して、実施例３における耐圧限界は２．５ＭＰａであり、この結果からして、張り出し部７を設けることによりダイアフラム１の耐圧性が向上することを確認することができた。また、比較例における抗力が１４６ｇｆであるのに対して、実施例３における抗力は１６０ｇｆであり、よって張り出し部７を設けても抗力への影響は小さいことが判明した。
表１

尚、ゴムと基布との剥離を防止するには、本発明による対策のほかに、例えば膜部の変形を小さく抑えたり、ゴムと基布との密着性を増大させたりすることが考えられる。しかしながら、膜部の変形を小さく抑えるべく膜部の厚さを増大したり膜部のゴム硬度を増大したりすると、膜部の剛性が増大し、膜部の抗力が増大するために、作用圧力に追随変形すると云うダイアフラムとしての機能を果たさなくなる虞がある。また、ゴムと基布の密着性を増大させるべく基布の材質を変更してその厚みを増大させると、膜部の厚さが増大し、やはり膜部の抗力が増大するために、作用圧力に追随変形すると云うダイアフラムとしての機能を果たさなくなる虞がある。これに対して、本発明の対策は、膜部の厚さを増大したり膜部のゴム硬度を増大したり、あるいは基布の材質を変更してその厚みを増大させたりするものではないために、上記比較試験における抗力比較の結果が示すとおり、ダイアフラムとしての機能（変形追随性）を十部に確保することが可能とされている。

以上の内容の本発明のダイアフラムおよびその取付構造は、上記したように車載用燃料電池の分野で有効に利用されるが、そのほか、ダイアフラムに数ＭＰａの高圧が作用する分野やダイアフラムを高圧用途で使用する分野では須らく有効に利用することが可能である。

本発明の第一実施例に係るダイアフラムおよびその取付構造の要部断面図 同ダイアフラムを同取付構造に取り付けた状態の要部断面図 本発明の第二実施例に係るダイアフラムの半裁断面図 （Ａ）は本発明の第三実施例に係るダイアフラムの半裁断面図、（Ｂ）は比較例に係るダイアフラムの半裁断面図 従来例に係るダイアフラムの断面図 （Ａ）は基布の織り方の説明図、（Ｂ）は不具合発生部位の説明図

１ ダイアフラム
２ ダイアフラム本体
２ａ 一面
２ｂ 他面
３ 膜部
４ 外周フランジ部
５ 基布
６ シール突起
７ 張り出し部
８ 段差部
１１，１２ ハウジング
１３ フランジ取付部
１４ 装着溝
１５，１８ 凹部
１６ 開口部
１７ 張り出し取付部
１９ 強圧突起

Claims (3)

1. 作用圧力に追随変形する膜部（３）の外周にダイアフラム（１）をハウジング（１１）（１２）に取り付けるための外周フランジ部（４）を一体成形したゴム状弾性材製のダイアフラム本体（２）を有し、前記ダイアフラム本体（２）に補強用の基布（５）を埋設してなるダイアフラム（１）において、
   前記ダイアフラム本体（２）における外周フランジ部（４）の更に外周側に膜状の張り出し部（７）を一体成形し、前記張り出し部（７）にはここにも前記基布（５）を延長して埋設し、かつ前記張り出し部（７）は前記外周フランジ部（４）とともに前記ハウジング（１１）（１２）に挟み込まれて支持されるものであることを特徴とするダイアフラム。
2. 請求項１のダイアフラム（１）を取り付けるための取付構造であって、前記ダイアフラム（１）の外周フランジ部（４）を挟み込んで支持する一対のハウジング（１１）（１２）を有する取付構造において、
   前記一対のハウジング（１１）（１２）の対向部に、前記外周フランジ部（４）を挟み込んで支持するフランジ取付部（１３）のほかに、前記張り出し部（７）を挟み込んで支持する張り出し取付部（１７）を併せ設けたことを特徴とするダイアフラム取付構造。
3. 請求項２のダイアフラム取付構造において、
   張り出し取付部（１７）の内面に、張り出し部（７）に圧接して基布（５）を強く挟み込むビード状の強圧突起（１９）を設けたことを特徴とするダイアフラム取付構造。

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