JP2006097807A - シール構造 - Google Patents

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康之 飯田
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Abstract

【課題】 Oリング等のシール部材が溝からはみ出してしまうことを防止でき、もってシール性を向上させることが可能なシール構造を提供する。
【解決手段】 シール構造1は、断面矩形状の環状溝10が形成された部材11と、その環状溝10に対向する位置に平面が形成された部材12との間に、環状のシール部材20が介設されたものである。シール部材20は、断面三角形状を成し、その頂部が環状溝10の内壁10a(図示上壁)に当接し且つその底壁面20aが部材12の上壁面12aに当接するように、環状溝10に嵌合装着されている。また、シール圧が印加される前の状態において、空間Sの体積V1sが、露出部21の体積V1g以上の体積とされている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、シール構造に関し、詳しくは、流体が加圧充填される容器、流体流路等に備わる弁、レギュレータ等に設けられるシール構造に関する。
燃料電池自動車や天然ガス自動車には、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガスが高圧(高圧縮)充填されたガスタンクが搭載される。このような高圧ガスが充填されるガスタンクとしては、金属製のものやプラスチック製のもの等種々あるが、自動車用途では、高強度且つ軽量化の観点から、ライナーが繊維強化プラスチック(FRP)の外被で覆われたFRP製の圧力容器が主流となっている。
このような自動車用途を含め、種々の高圧流体(液体、気体)を貯蔵・放出するための圧力容器では、一般に、容器内の流体を減圧するためのレギュレータや、流体の流れを止めるためのシャットバルブ等が取り付けられる。また、流体の封止を確実ならしめるべく、通常、それらの弁部にはシール部材を有するシール構造が設けられる。このようなシール構造の例として、特許文献1には、ダイアフラムが設けられ調圧バルブのシール部材としてOリングを有する圧縮天然ガス用レギュレータが記載されている。このレギュレータは、組み付け時に、調圧バルブの軸芯とダイアフラム面側に設けられたシートの軸芯とを自動的に同芯とし、これによりシール性の向上を企図するものである。
特開平2000−249001号公報
上記従来のレギュレータのようにシール部材としてOリングを用いる場合、一般に、そのOリングが嵌めこまれる環状の溝(嵌合溝)がシール部位に形成され、シール圧が印加される前の状態において、Oリングがその溝から露出するように組み付けられる。そして、シール圧が印加されると、弾性体であるOリングが圧縮されてシール部位が封止されるが、この際にシール部材が溝内に十分に収納されず、必要以上の体積部分が溝からはみ出してしまうことがあった。こうなると、シール面すなわちシール部材と第2の部材との当接面において、シール圧が確保されず、シール性が低下するおそれがあった。殊に、例えばOリングによって閉塞されるべき空間間に大きな差圧が生じるような場合、Oリングが変形して嵌合溝から外れてしまい、シール性の低下が顕著となってしまうおそれもあった。
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、Oリング等のシール部材が溝からはみ出してしまうことを防止でき、もってシール性を向上させることが可能なシール構造を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者は、一般に多用されている断面形状が円形状であるOリングがシール圧で圧縮されたときの形状変化に着目して鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によるシール構造は、溝部を有する第1の部材と、弾性体から成り溝部に例えば嵌合するように配置されるシール部材と、第1の部材に対向しており且つシール部材と当接するように設けられた第2の部材とを備えており、シール部材が溝部に配置されており且つシール部材に所定のシール圧が印加される前の状態において、溝部とシール部材との間の空間体積が、溝部から外部に露出しているシール部材の体積以上とされたものである。
このようなシール構造では、溝部に配置されたシール部材と第2の部材とが当接すると、その当接部位(シール部位となる)において第1の部材と第2の部材との間の空間がシール部材によって離隔される。この状態で、所定のシール圧が印加されると、離隔された空間が閉塞されてシールが行われる。この際、そのシール圧が印加される前の状態において、溝部とシール部材との間の空間体積が、その溝部から外部に露出している(はみ出している)シール部材の体積以上とされているので、シール圧の印加によってシール部材が圧縮されると、その露出していた体積分が溝部内に押し込まれるように収納される。よって、シール部材が溝部から過度にはみ出すことが抑止される。
また、上記空間体積を、溝部とシール部材とさらに第2の部材との間の空間の体積としてもよい。さらに、その空間体積が、所定のシール圧が印加される前の状態において溝部から外部に露出しているシール部材のうち、所定のシール圧が印加された状態において第2の部材が占有するであろう空間領域に含まれる部分の体積以上とされたものであっても好ましい。
このようにしても、所定のシール圧が印加されたときに溝部内に押し込まれるシール部材が溝部内に収容されるので、シール部材が溝部から過度にはみ出すことが抑制される。また、このような構成にすれば、シール部材が、第1の部材の溝部に対向する第2の部材の部位全面に当接しないような形状の場合、すなわち、第1の部材と第2の部材との間で且つ溝部に対向する空間領域が完全に塞がれないような形状の場合に有用である。
より具体的には、上記空間体積が、溝部から外部に露出しているシール部材の体積、又は、所定のシール圧が印加される前の状態において溝部から外部に露出しているシール部材のうち、所定のシール圧が印加された状態において第2の部材が占有するであろう空間領域に含まれる部分の体積に、所定のシール圧が印加されたときのシール部材の圧縮率を乗じた値以上であると好ましい。
このようにすれば、溝部とシール部材との間の空間体積が、溝部から外部に露出しているシール部材に所定のシール圧が印加されたときの体積以上となるので、シール時において、その露出しているシール部材の体積分が溝部内に確実に収納され易くなる。よって、溝部からのシール部材の過度のはみ出しが一層抑制される。
さらに、このようにシール部材の溝部からの過度のはみ出しが抑えられるので、シール部材によって離隔されるシール部材の両側の空間に差圧が生じる部位に設けられるものである場合でも、シール部材の不都合な変形や、そのような変形に起因してシール部材が溝部から脱落してしまうといった不都合が解消される。
本発明のシール構造によれば、シール圧が印加されたときに、シール部材において溝部から露出していた部分が溝部内に押し込まれるように収納され、これにより、シール部材の溝部からの過度のはみ出しが抑えられる。よって、Oリング等の環状のシール部材が溝からはみ出してしまうことを防止でき、その結果、シール性を向上させることが可能となる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
図1(A)及び(B)は、本発明によるシール構造の第1実施形態を示す模式断面図であり、図1(A)は、第2の部材が配される前で且つ所定のシール圧が印加される前の状態を示し、図1(B)は、第2の部材が配され且つ所定のシール圧が印加された(後の)状態を示す。
シール構造1は、断面矩形状の環状溝10(溝部)が形成された部材11(第1の部材)に対向するように、平面が形成された部材12(第2の部材)が配され、その環状溝10に環状のシール部材20が配置されるものである。シール部材20は、所定のシール圧が印加されたときに圧縮されるような弾性体であれば材質は特に制限されず、例えばゴム製である。また、シール部材20は、断面三角形状を成し、その頂部が環状溝10の内壁10a(図示上壁)に当接し且つその底壁面20aが部材12の上壁面12aに当接するように、環状溝10に嵌合装着されている。なお、図示の二点鎖線Wは、部材12のレベル中心を示す目安線であり、図1(A)及び(B)において部材11の底壁面11aから等距離の位置にある(他の図面において同様。)。
また、図1(A)に示す如く、シール部材20における露出部21(シール部材20のうち図示の一点鎖線Dよりも部材12側の部位)が環状溝10から露出した状態とされている。さらに、このシール圧が印加される前の状態において、環状溝10の内壁10aとシール部材20の外壁20bとで画成された空間S(つまり環状溝10においてシール部材20が充填されていない部分)の体積V1sは、露出部21の体積V1g以上の体積とされている。すなわち、シール構造1は、下記式(1);
V1s≧V1g …(1)、
で表される関係が満たされるように構成されている。
また、好ましくは、体積V1sが体積V1gに所定のシール圧が印加されたときのシール部材20の圧縮率C(シール圧が印加される前の体積に対するシール圧が印加された状態での体積の割合)を乗じた値以上であることが望ましい。すなわち、シール構造1は、下記式(2);
V1s≧V1g×C …(2)、
で表される関係が満たされるように構成されていると好ましい。
このように構成されたシール構造1においては、部材11の環状溝10に嵌合配置されたシール部材20と部材12とが当接することにより、部材11と部材12との間の空間がシール部材20によって離隔され、空間Sa,Sbが画成される。この状態で、所定のシール圧が印加されると、空間Sa,Sbが互いに閉塞され、シール部材20の底壁面20aと部材12の上壁面12aとの接触が強固に保持されて空間Sa,Sb間が封止される。
この際、シール部材20はシール圧で圧縮され、シール圧が印加される前に環状溝10から露出していた露出部21が環状溝10の内部へ押し込まれるように流動する。これにより、シール部材20は図1(B)に示すように変形され、空間Sが狭められる。このとき、環状溝10内の空間Sが当初の露出部21の体積以上とされているので、その流動した体積の殆どの部分又は実質的に全部が空間S内に収納される。よって、シール部材20が環状溝10から過度にはみ出すことを防止できる。
これは、換言すれば、シール圧の印加前における環状溝10へのシール部材20の充填率が、シール部材として断面円形状のOリング等を用いる場合に比して十分に軽減されることによる。これに対し、従来の断面円形状のOリング等のシール部材では、いわゆる‘潰し代’(環状溝の深さに対する環状溝の幅の割合)を大きくしてシール性を高めようとすると、シール部材の径そのものを大きくする必要があり、環状溝の内部への充填率が過度に増大してしまう傾向にある。また、こうなると、シール圧を印加する前に環状溝からのシール部材の露出が大きくなり、シール圧を印加したときにシール部材が環状溝から不都合な程度にはみ出してしまう。
また、シール部材20は、断面円形状ではないので、断面円形状の従来のOリングに比して、組付時及び使用時に転がりが防止される。よって、シール圧が印加されたときに、環状溝10からのはみ出しを一層防止することができる。
さらに、シール部材20が環状溝10から過度にはみ出さないので、空間Sa,Sb間に有意な差圧が生じるような場合でも、例えばシール部材20が空間Sa,Sbのいずれか側に引き込まれるようなシール部材20の不都合な変形を抑えることができる。したがって、高圧ガスタンクのバルブやレギュレータように、シール部材20によって閉塞されるべき空間Sa,Sb間に有意な、場合によっては極度に大きな差圧が生じ得る部位であっても、優れたシール性を達成することができる。
またさらに、シール構造1が上記式(2)で表される関係を満たすように構成されていれば、環状溝10とシール部材20との間の空間の体積V1sが、環状溝10から外部に露出しているシール部材20つまり露出部21に所定のシール圧が印加されたときの体積(V1g×C)以上となるので、シール時において、その露出している露出部21の体積分を環状溝10内に確実に収納し易くなる。よって、環状溝10からのシール部材20の過度のはみ出しを一層抑制することができ、シール性を一層向上できる。
図2(A)〜(C)は、それぞれ本発明によるシール構造の第2〜4実施形態を示す模式断面図であり、第2の部材が配される前で且つ所定のシール圧が印加される前の状態を示し、図3(A)〜(C)は、それぞれ本発明によるシール構造の第2〜4実施形態において第2の部材が配され且つ所定のシール圧が印加された(後の)状態を示す。
図2(A)及び図3(A)に示すシール構造3は、シール部材20の代わりにシール部材30を備えること以外は、図1(A)及び(B)に示すシール構造1と同様に構成されたものである。また、図2(B)及び図3(B)に示すシール構造4は、部材11,12が上下反転状態で配されたこと以外は、シール構造3と同様に構成されたものである。すなわち、図示下方に配された部材11に環状溝10が形成されている。さらに、図2(C)及び図3(C)に示すシール構造5は、部材11,12が水平方向に対向すること以外は、シール構造3と同様に構成されたものである。これらシール構造3,4,5において、シール部材30は、環状溝10の深さ方向における底面と接する側の端部が断面半円状を成しており、側面が環状溝10の内側壁と当接している。
また、図4(A)〜(C)は、それぞれ本発明によるシール構造の第5〜7実施形態を示す模式断面図であり、第2の部材が配される前で且つ所定のシール圧が印加される前の状態を示し、図5(A)〜(C)は、それぞれ本発明によるシール構造の第5〜7実施形態において第2の部材が配され且つ所定のシール圧が印加された状態を示す。
図4(A)〜(C)にそれぞれ示すシール構造6,7,8は、シール部材30の代わりにそれぞれシール部材60,70,80を備えること以外は、図2(A)及び図3(A)に示すシール構造3と同様に構成されたものである。
シール部材60は、頭頂部が尖塔状とされ且つその頭頂部から側壁の途中にかけて断面弧状に形成されたこと以外は、図2(A)に示すシール部材30と同様な構成を有する。また、シール部材70は、頭頂部から側壁にかけた断面弧状の部位が断面直線状に形成されたこと以外は、図4(A)に示すシール部材60と同様に構成されたものである。さらに、シール部材80は、頭頂部が環全体に亘って断面矩形の凸状に形成されたこと以外は、図4(B)に示すシール部材70と同様に構成されたものである。
このようなシール構造3〜8においても、上記式(1)で表される関係、好ましくは上記式(2)で表される関係を満たしている。すなわち、各シール構造3〜8の各空間Sの体積V1sが、シール部材30,60,70,80の露出部31,61,71,81の体積V1g以上とされており、好ましくは、そのV1gに圧縮率Cを乗じた値以上とされている。
よって、シール構造1と同様に、シール圧が印加されると、露出部31,61,71,81が空間S内に流動し、これにより、シール部材30,60,70,80が図3(A)〜(C)及び図5(A)〜(C)に示すように変形され、空間Sが狭められて環状溝10内に十分に収納される。したがって、シール部材30,60,70,80が環状溝10から過度にはみ出すことを防止できる。また、各シール部材30,60,70,80は断面円形状ではないので、組付時及び使用時にシール部材20の転がりが防止され、シール圧の印加時に、環状溝10からのはみ出しを一層防止することができる。さらに、空間Sa,Sb間に有意な差圧が生じるような場合であっても、シール部材30,60,70,80の変形を抑えることができ、優れたシール性を実現することができる。
図6(A)及び(B)は、本発明によるシール構造の第8実施形態を示す模式断面図であり、図6(A)は、第2の部材が配される前で且つ所定のシール圧が印加される前の状態を示し、図6(B)は、第2の部材が配され且つ所定のシール圧が印加された(後の)状態を示す。
シール構造9は、シール部材20の代わりにシール部材90を備えること以外は、図1(A)及び(B)に示すシール構造1と同様に構成されたものである。本実施形態のシール構造9は、空間Saの気圧が空間Sbの気圧よりも大きくなるような差圧が生じる部位のシールに特に好適に用いられる。シール部材90は、断面三角形状を成しており、空間Sb側の壁面90cが環状溝10の一方の内壁10aの略全体と接するように、また、底壁面90aが部材12の上壁面12aと接するように設けられている。これにより、シール部材90の斜壁面90bと環状溝10の内壁及び他方の内壁10aとで空間Sが画成されている。
このように構成されたシール構造9においても、上述したシール構造1,3〜8で奏されるのと同様な効果が奏され、重複した説明を避けるためここでの詳述は省略する。また、それらに加え、空間Saの気圧が空間Sbの気圧よりも大きく、シール部材90の露出部91が空間Sb側へ押圧されるが、シール部材90の壁面90cが環状溝10の一方の内壁10aの略全体と当接することにより、露出部91に空間Sa側から印加される圧力が内壁10aによって分散される。よって、露出部91が空間Sb側へ押し出されるようにはみ出してしまうことを抑止できる。したがって、空間Sa,Sb間に有意な差圧が発生しても、十分なシール性を達成することができる。
図7(A)及び(B)は、本発明によるシール構造の第9実施形態を示す模式断面図であり、図7(A)は、第2の部材が配される前で且つ所定のシール圧が印加される前の状態を示し、図7(B)は、第2の部材が配され且つ所定のシール圧が印加された(後の)状態を示す。
シール構造100は、シール部材20の代わりにシール部材120を備えること以外は、図1(A)及び(B)に示すシール構造1と同様に構成されたものである。シール部材120は、環状溝10の深さ方向における底面の略前面と当接し、環状溝10の開放端側から図示下方に突出するように且つ外壁120bがなだらかに形成されたものである。
また、シール構造100においては、シール圧が印加される前の状態(図7(A)参照)において、環状溝10の内壁10aと、シール部材120の外壁120bと、シール圧が印加されるときに配される部材12の上壁面12a(図7(A)において一点鎖線Eで示す位置に相当)とで画成された空間Tの体積V2sが、環状溝10から外部に露出しているシール部材120のうち、シール圧が印加された状態において部材12が占有するであろう空間領域Xに含まれる部分121(シール部材120のうち図示の一点鎖線Eよりも部材12側の部位)の体積V2g以上とされている。
すなわち、シール構造100は、下記式(3);
V2s≧V2g …(3)、
で表される関係が満たされるように構成されている。
また、好ましくは、体積V2sが体積V2gに所定のシール圧が印加されたときのシール部材120の圧縮率C(シール圧が印加される前の体積に対するシール圧が印加された状態での体積の割合)を乗じた値以上であることが望ましい。すなわち、シール構造100は、下記式(4);
V2s≧V2g×C …(4)、
で表される関係が満たされるように構成されていると好ましい。
このように構成されたシール構造100においても、所定のシール圧が印加されると、シール部材120の露出部のうち上記部分121が空間T内に流動し、これにより、シール部材120が図7(B)に示すように変形されて空間Tが狭められ、外壁120bが部材12の上壁面12aと当接してシール圧が確保される。よって、十分なシール性を実現できると共に、シール部材120が環状溝10からはみ出すことを確実に防止できる。また、シール部材120は断面円形状ではないので、組付時及び使用時にシール部材120の転がりが防止され、シール圧の印加時に、環状溝10からのはみ出しを一層防止することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、環状溝10は単純な断面矩形状に限定されず、例えば段差を有したり、テーパが形成されたりしていてもよい。また、シール構造1,3〜9が、上記式(1)及び(2)において、露出部の体積V1gの代わりに、環状溝10から外部に露出しているシール部材のうち、シール圧が印加された状態において部材12が占有するであろう空間領域に含まれる部分の体積、すなわち図7(A)に示すような部分121の体積V2gを用いた関係を満たすようにしてもよい。
つまり、下記式(5)、さらには下記式(6);
V1s≧V2g …(5)、
V1s≧V2g×C …(6)、
で表される関係を満たしていても好適である。
さらに、上記式(1)、(3)、又は(5)で表される関係が満たされていれば、シール部材の断面形状は特に制限されず、ただし、シール性をより一層高める観点から、部材12との当接部位における断面幅(断面長)がシール部材の最大幅となるような形状が望ましい。またさらに、部材11,12に対して本発明のシール構造を多重に設けてもよい。さらにまた、各シール部材を例えば加硫接着等によって環状溝10内に固定するようにしてもよい。
本発明によるシール構造は、シール圧が印加されたときに、シール部材の溝部からの露出部が溝部内に押し込まれるように収納されてその過度のはみ出しが防止されてシール性を向上させることができるので、例えば、種々の流体用の圧力容器に備わる弁、流体流路に設けられる遮断弁等、レギュレータ類、及び、そのような容器が搭載又は設置されたり、燃料ガスの供給路が設けられる燃料電池自動車、天然ガス自動車等の機器、動機、設備等に広く利用することができる。
(A)及び(B)は、本発明によるシール構造の第1実施形態を示す模式断面図であり、(A)は、シール圧印加前の状態を、(B)は、シール圧印加後の状態を示す。 (A)〜(C)は、本発明によるシール構造の第2〜4実施形態を示す模式断面図であり、シール圧印加前の状態を示す。 本発明によるシール構造の第2〜4実施形態においてシール圧印加後の状態を示す。 (A)〜(C)は、本発明によるシール構造の第5〜7実施形態を示す模式断面図であり、シール圧印加前の状態を示す。 本発明によるシール構造の第5〜7実施形態においてシール圧印加後の状態を示す。 (A)及び(B)は、本発明によるシール構造の第8実施形態を示す模式断面図であり、(A)は、シール圧印加前の状態を、(B)は、シール圧印加後の状態を示す。 (A)及び(B)は、本発明によるシール構造の第9実施形態を示す模式断面図であり、(A)は、シール圧印加前の状態を、(B)は、シール圧印加後の状態を示す。
符号の説明
1,3,4,5,6,7,8,9,100…シール構造、10…環状溝(溝部)、10a…内壁、11…部材(第1の部材)、12…部材(第2の部材)、12a…上壁面、20,30,60,70,80,90,120…シール部材、121…部分、20a…底壁面、20b,120b…外壁、21,31,61,71,81,91…露出部、90a…底壁面、90b…斜壁面、90c…壁面、S,Sa,Sb,T…空間、X…空間領域。

Claims (5)

  1. 溝部を有する第1の部材と、
    弾性体から成り前記溝部に配置されるシール部材と、
    前記第1の部材に対向しており且つ前記シール部材と当接するように設けられた第2の部材と、を備えており、
    前記シール部材が前記溝部に配置されており且つ該シール部材に所定のシール圧が印加される前の状態において、該溝部と該シール部材との間の空間体積が、該溝部から外部に露出している該シール部材の体積以上とされた、
    シール構造。
  2. 前記空間体積が、前記溝部と前記シール部材と前記第2の部材との間の空間の体積である、
    請求項1記載のシール構造。
  3. 前記空間体積が、前記所定のシール圧が印加される前の状態において前記溝部から外部に露出している前記シール部材のうち、前記所定のシール圧が印加された状態において前記第2の部材が占有するであろう空間領域に含まれる部分の体積以上とされた、
    請求項1記載のシール構造。
  4. 前記空間体積が、前記溝部から外部に露出している該シール部材の体積、又は、前記所定のシール圧が印加される前の状態において前記溝部から外部に露出している前記シール部材のうち、前記所定のシール圧が印加された状態において前記第2の部材が占有するであろう空間領域に含まれる部分の体積に、前記所定のシール圧が印加されたときの前記シール部材の圧縮率を乗じた値以上である、
    請求項1〜3のいずれか一項に記載のシール構造。
  5. 当該シール構造は、前記シール部材によって離隔される該シール部材の両側の空間に差圧が生じる部位に設けられるものである、
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のシール構造。



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