JP2006292005A - Gas seal structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧の天然ガス、水素、ヘリウム等を取り扱う容器や配管の継手部に適用されるガスシール構造に関するものである。 The present invention relates to a gas seal structure applied to a joint portion of a vessel or piping that handles high-pressure natural gas, hydrogen, helium, or the like.
従来、気密性の要求されるシール構造として、断面C字状に形成したメタル製の外周部(エンベロープ)の内周側に、ピアノ線やインコネル等からなるコイルスプリングを内装したものが提案されている(非特許文献1参照)。
ところで、近年、燃料電池を動力源として搭載する燃料電池車両が実用化に向けて開発が行われている。燃料電池車両においては、燃料ガスとして水素含有ガス(純水素も含む)を貯蔵するタンクを搭載する必要があり、水素タンクと燃料電池との連結部には高度の気密性が要求される。 By the way, in recent years, a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell as a power source has been developed for practical use. In a fuel cell vehicle, it is necessary to mount a tank for storing a hydrogen-containing gas (including pure hydrogen) as a fuel gas, and a high degree of airtightness is required for the connecting portion between the hydrogen tank and the fuel cell.
しかしながら、シール部材の材質として弾性力のあるゴムや樹脂を用いると、耐水素透過性の点で問題がある。また、耐水素透過性の点からはシール部材の材質としてメタルを用いることが好ましいが、上述のように高い気密性が要求されるため締め付け力を大きくせざるを得ない。一方、前記タンクの材質としては軽量化の観点からアルミ等の比較的柔らかい材質のものが用いられる傾向にあり、上述のように締め付け力を大きくすると、タンクの損傷を招き、寿命を低下させてしまうという問題がある。
そして、かかる問題を解決するにあたっては、シール部材に作用する圧力に対する耐久性についても考慮する必要がある。すなわち、シールすべき部位内において、水素含有ガスの流れ等により圧力変動が生じたときに、これに追従してシール部材が過度に変形してしまうと、シール部材の耐久性が低下してしまい、使用期間が短くなってしまう。
However, when rubber or resin having elasticity is used as the material of the seal member, there is a problem in terms of hydrogen permeation resistance. From the viewpoint of hydrogen permeation resistance, it is preferable to use metal as the material of the sealing member, but since high airtightness is required as described above, the tightening force must be increased. On the other hand, as the material of the tank, a relatively soft material such as aluminum tends to be used from the viewpoint of weight reduction. If the tightening force is increased as described above, the tank is damaged and the life is shortened. There is a problem of end.
And in solving this problem, it is necessary to consider also the durability with respect to the pressure which acts on a sealing member. That is, when pressure fluctuation occurs due to the flow of hydrogen-containing gas or the like in the portion to be sealed, if the seal member is excessively deformed following this, the durability of the seal member is reduced. The usage period will be shortened.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、水素含有ガスの圧力変動に関わらず、シール対象部材を損傷から保護しつつ、過度な変形を抑制してシール機能を維持することができるガスシール構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and maintains a sealing function by suppressing excessive deformation while protecting a member to be sealed from damage regardless of pressure fluctuations of the hydrogen-containing gas. An object of the present invention is to provide a gas seal structure that can be used.
請求項1に係る発明は、水素含有ガスを流通する部位の周囲に設けられるシール部材を備え、前記シール部材は、前記ガスの流通側に対して開口するようなメタル製のC字状部を有する自緊式のシール本体と、該シール本体の外周側を覆う樹脂製のカバー部材とを備え、前記C字状部は弾性力を有し、少なくとも互いに対向する2点でシール対象部材に接触して、該シール対象部材に対して付勢することを特徴とする。 The invention according to claim 1 is provided with a seal member provided around a portion through which the hydrogen-containing gas flows, and the seal member includes a metal C-shaped portion that opens to the gas flow side. A self-tightening seal body and a resin cover member covering the outer peripheral side of the seal body, and the C-shaped portion has an elastic force and contacts at least two points opposite to each other to be sealed And it biases with respect to this sealing object member, It is characterized by the above-mentioned.
この発明によれば、前記シール本体のC字状部はメタル製であるので、高い耐水素透過性を有している。そして、前記C字状部が少なくとも互いに対向する2点でシール対象部材に接触しているので、前記水素含有ガスの外部への流通が遮断される。さらに、前記流通するガスの圧力が上昇したときには、前記C字状部の開口位置から前記ガスが流入して、前記C字状部を前記シール対象部材に接触させるように変形させる。これにより、前記ガスの圧力が上昇しても、前記シール本体のシール機能を維持することができる。 According to this invention, since the C-shaped part of the seal body is made of metal, it has high hydrogen permeation resistance. Since the C-shaped part is in contact with the member to be sealed at at least two points facing each other, the hydrogen-containing gas is blocked from flowing to the outside. Further, when the pressure of the circulating gas rises, the gas flows from the opening position of the C-shaped part, and the C-shaped part is deformed so as to contact the sealing target member. Thereby, even if the pressure of the gas increases, the sealing function of the seal body can be maintained.
また、上述のように前記ガスの圧力が上昇した場合には、前記C字状部の変形によりシール機能を維持させるため、前記シール本体の装着時における締め付け力を低減することができる。そして、前記シール対象部材に損傷を与えることを防止することができ、前記シール対象部材の寿命低下を防ぐことができる。 Further, when the gas pressure increases as described above, the sealing function is maintained by the deformation of the C-shaped portion, so that the tightening force when the seal body is mounted can be reduced. And it can prevent that the said sealing object member is damaged, and can prevent the lifetime reduction of the said sealing object member.
加えて、前記2点でシール対象部材に接触することにより、これらの接触点を基点にして前記C字状部を膨張または収縮することができるため、前記流通する水素含有ガスの圧力変動に対して付勢力の作用する方向が変動せず、シール本体の位置ずれを防止することができる。 In addition, by contacting the member to be sealed at the two points, the C-shaped portion can be expanded or contracted based on these contact points, so that the pressure variation of the circulating hydrogen-containing gas can be prevented. Thus, the direction in which the urging force acts does not fluctuate, and the positional deviation of the seal body can be prevented.
さらに、前記カバー部材を前記シール本体の外周側に備えることで、シール本体外周側の剛性を高めることができるので、前記ガスが圧力上昇した時に、前記シール本体の内周側がガスにより変形してシール性を維持しつつ、前記カバー部材により前記シール本体の外周側を支持させてC字状部の過度な変形を抑制することで、前記シール本体の耐久性を高めることができる。従って、シール本体の寿命を延ばすことができ、信頼性をさらに向上することができる。また、カバー部材は樹脂製であるので、前記C字状部に不要な応力を作用させず、かつ、過度な変形を抑制できるような、適度な剛性と弾性を有するものを選定することができる。さらに、前記シール本体に対して容易に装着することが可能であり、組立性に優れている。そして、前記シール本体と前記カバー部材とを個別に製作することができ、作成工程を簡易化して低コスト化することができる。 Furthermore, by providing the cover member on the outer peripheral side of the seal body, the rigidity on the outer periphery side of the seal body can be increased. Therefore, when the pressure of the gas increases, the inner peripheral side of the seal body is deformed by the gas. The durability of the seal body can be improved by supporting the outer peripheral side of the seal body by the cover member and suppressing excessive deformation of the C-shaped portion while maintaining the sealing performance. Therefore, the lifetime of the seal body can be extended and the reliability can be further improved. Moreover, since the cover member is made of resin, it is possible to select a member having appropriate rigidity and elasticity so that unnecessary stress is not applied to the C-shaped portion and excessive deformation can be suppressed. . Furthermore, it can be easily attached to the seal body, and is excellent in assemblability. And the said seal body and the said cover member can be manufactured separately, and a production process can be simplified and cost can be reduced.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のものであって、前記カバー部材は、ウレタン樹脂製であることを特徴とする。
この発明によれば、前記カバー部材の剛性や弾性を、前記シール本体に対して、さらに適したものとすることができ、前記シール本体の耐久性向上や高寿命化にさらに寄与することができる。
The invention according to a second aspect is the one according to the first aspect, wherein the cover member is made of urethane resin.
According to this invention, the rigidity and elasticity of the cover member can be made more suitable for the seal body, which can further contribute to improving the durability and extending the life of the seal body. .
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載のものであって、前記カバー部材には、半径方向に切り欠きが形成されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記カバー部材の半径方向に圧力が作用したときに、前記切り欠きにより圧力を逃すことができるので、前記カバー部材の半径/周方向への変形を抑制することができる。
The invention according to
According to the present invention, when pressure is applied in the radial direction of the cover member, the pressure can be released by the notch, so that deformation of the cover member in the radius / circumferential direction can be suppressed.
請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれかに記載のものであって、前記シール本体の少なくとも外表面には、潤滑処理が施されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記シール本体の潤滑性を高めることができるので、これに接触する前記シール対象部材に対して摺動させるような力が作用した時であっても、円滑に変位させることができる。従って、前記シール本体と前記シール部材対象部材が互いに損傷を受けることを防止することができ、両者の寿命を高めることができる。
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, at least an outer surface of the seal body is lubricated.
According to this invention, since the lubricity of the seal body can be improved, even when a force is applied to the seal target member in contact with the seal target member, the seal body can be smoothly displaced. Can do. Therefore, the seal main body and the seal member target member can be prevented from being damaged from each other, and the lifetime of both can be increased.
請求項5に係る発明は、請求項1から請求項4のいずれかに記載のものであって、前記シール部材は、燃料電池に接続される水素タンクの入口部に配設されていることを特徴とする。
この発明によれば、前記水素タンクに貯蔵された前記水素含有ガスを、高い気密性を確保した状態で、前記燃料電池に供給することができるので、燃料電池システムとしての信頼性を向上することができる。
The invention according to
According to the present invention, the hydrogen-containing gas stored in the hydrogen tank can be supplied to the fuel cell while ensuring high airtightness, so that the reliability as a fuel cell system is improved. Can do.
請求項1に係る発明によれば、前記ガスの圧力が変動しても、前記シール本体のシール機能を維持して高度な気密性を確保することができる。また、前記シール対象部材に損傷を与えることを防止することができ、前記シール対象部材の寿命低下を防ぐことができる。加えて、シール本体の位置ずれを防止することができ、シール性能をさらに向上することができる。さらに、前記カバー部材を前記シール本体の外周側に備えることで、シール本体の寿命を延ばすことができ、信頼性をさらに向上することができる。また、作成工程を簡易化して低コスト化することができる。 According to the first aspect of the present invention, even if the pressure of the gas fluctuates, it is possible to maintain a sealing function of the seal body and ensure a high degree of airtightness. Moreover, it can prevent that the said sealing object member is damaged, and can prevent the lifetime reduction of the said sealing object member. In addition, it is possible to prevent the positional deviation of the seal main body, and to further improve the sealing performance. Furthermore, by providing the cover member on the outer peripheral side of the seal body, the life of the seal body can be extended and the reliability can be further improved. In addition, the production process can be simplified and the cost can be reduced.
請求項2に係る発明によれば、前記シール本体の耐久性向上や高寿命化にさらに寄与することができる。
請求項3に係る発明によれば、前記カバー部材の半径/周方向への変形を抑制することができる。
請求項4に係る発明によれば、前記シール本体と前記シール部材対象部材が互いに損傷を受けることを防止することができ、両者の寿命を高めることができる。
請求項5に係る発明によれば、燃料電池システムとしての信頼性を向上することができる。
According to the invention which concerns on
According to the invention which concerns on
According to the invention which concerns on
According to the invention which concerns on
本発明の実施の形態におけるガスシール構造について図面を用いて説明する。以下においては、燃料電池を動力源として搭載する燃料電池車両を燃料電池システムとして適用した場合について説明する。
図1は本発明の実施の形態におけるガスシール構造が適用される燃料電池システムの要部構成図である。同図に示すように、燃料電池システム1は、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池2と、水素を貯蔵する水素タンク3とを有している。水素タンク3と燃料電池2とは水素供給路5を介して接続されている。
A gas seal structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Below, the case where the fuel cell vehicle carrying a fuel cell as a motive power source is applied as a fuel cell system is demonstrated.
FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of a fuel cell system to which a gas seal structure according to an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
水素タンク3としては、有底円筒状に形成されたアルミ製のライナ本体に、カーボンファイバを巻装した構成のものが軽量化等の観点から好適に用いられる。水素タンク3の入口4は、本体部分に比して縮径されている。この水素タンク3の入口4に、水素供給路5に接続された装着部6が装着される。
As the
図2は図1に示す燃料電池システムの水素タンクのシール構造を示す説明図である。同図に示すように、水素タンク3のタンク内周部7には、入口4付近の部位で若干拡径形成された嵌合用凹部8が形成される。この嵌合用凹部8に、前記装着部6の突出した先端部6aを挿入して嵌合させることにより、水素タンク3に装着部6が装着される。これにより、水素タンク3が水素供給路5を介して燃料電池2に接続される。
FIG. 2 is an explanatory view showing a seal structure of a hydrogen tank of the fuel cell system shown in FIG. As shown in the figure, a
また、水素タンク3の先端面には、前記嵌合用凹部8を拡径する収容溝9と、その外周側に位置する収容溝10とがそれぞれ形成されている。そして、収容溝9、10には、主シール部材11と補助シール部材12とがそれぞれ配設される。
In addition, a
図3は第1の実施の形態におけるシール部材の通常圧時(同図(a))および加圧時(同図(b))の状態を示す状態説明図である。
同図に示すように、前記主シール部材11は、前記ガスの流通側(この場合は内周側)に対して開口するように開口部13を有して断面略C字状(この場合はOリングに開口部13が形成されている)に形成されたメタル製のシール本体15と、このシール本体15の外周面に密着するように装着された樹脂製のカバー部材14と、から構成されている。また、シール本体15は弾性力を有し、互いに対向する2点(この場合はシール本体15の上端部と下端部)でシール対象部材である装着部6と水素タンク3に接触して、両者3、6に対して付勢するように構成されている。
一方、補助シール部材12は樹脂製であり、断面略円状に形成されている。本実施の形態では、補助シール部材12もシール対象部材である装着部6と水素タンク3に接触するように構成されている。なお、補助シール部材12の材質は樹脂に限らず、例えばゴムやメタルであってもよい。また、補助シール部材12の形状は、例えばOリング状やCリング状であってもよい。
FIG. 3 is a state explanatory view showing a state of the seal member in the first embodiment at the time of normal pressure (FIG. 3A) and at the time of pressurization (FIG. 3B).
As shown in the figure, the
On the other hand, the
図3は第1の実施の形態におけるシール部材の通常圧時(同図(a))および加圧時(同図(b))の状態を示す状態説明図である。図3(a)に示すように、主シール部材11は、装着部6を水素タンク3に装着した状態で、互いに対向する2点でシール対象部材3、6に接触する程度の締め付け力で締め付け処理をされており、収容溝9に収容されている。補助シール部材12も同様に収容溝10に収容されている。
FIG. 3 is a state explanatory view showing a state of the seal member in the first embodiment at the time of normal pressure (FIG. 3A) and at the time of pressurization (FIG. 3B). As shown in FIG. 3A, the
前記シール本体15はメタル製であるので、高い耐水素透過性を有している。そして、図3(a)に示すように、前記シール本体15が少なくとも互いに対向する2点でシール対象部材3、6に接触しているので、前記水素含有ガスの外部への流通が遮断される。
Since the
また、前記流通するガス(水素ガス)の圧力が上昇したときには、前記シール本体15の開口部13から前記ガスが流入して、図3(b)に示すように、前記シール対象部材3、6に接触させるように前記シール本体15の外周側を変形させる。これにより、前記ガスの圧力が上昇しても、前記シール本体15のシール機能を維持することができる。
Further, when the pressure of the flowing gas (hydrogen gas) increases, the gas flows in from the
また、上述のように、前記シール本体15の装着時における締め付け力を低減することができるため、前記シール対象部材3、6に損傷を与えることを防止することができ、寿命低下を防ぐことができる。
Further, as described above, since the tightening force when the
加えて、シール本体15が前記2点でシール対象部材3、6に接触することにより、これらの接触点を基点にして前記シール本体15を膨張または収縮することができる。このため、前記流通する水素含有ガスの圧力変動に対して付勢力の作用する方向(この場合は水素タンク3の軸線方向と略同一方向)が変動せず、シール本体15の位置ずれを防止することができる。さらに、補助シール部材12を設けたことにより、シール性能をさらに向上することができる。
In addition, when the seal
さらに、前記カバー部材14を前記シール本体15の外周側に備えることで、シール本体15外周側の剛性を高めることができる。ゆえに、水素タンク3への水素含有ガスの充填時等、前記水素含有ガスが圧力上昇した時には、前記シール本体15の内周側が水素含有ガスにより変形してシール性を維持しつつ、前記カバー部材14により前記シール本体15の外周側を支持させることで、シール本体15におけるC字状部の過度な変形を抑制することができる。これにより、前記シール本体15の耐久性を高めることができる。従って、シール本体15の寿命を延ばすことができ、信頼性をさらに向上することができる。
Furthermore, by providing the
また、カバー部材14は樹脂製であるので、前記C字状部に不要な応力を作用させず、かつ、過度な変形を抑制できるような、適度な剛性と弾性を有するものを選定することができる(樹脂としては、特にウレタン樹脂が好ましい)。さらに、前記シール本体15に対して容易に装着することが可能であり、組立性に優れている。そして、前記シール本体15と前記カバー部材14とを個別に製作することができるので、作成工程を簡易化して低コスト化することができる。すなわち、本実施の形態の主シール部材11は、断面略C字状の前記シール本体15と、内周側を凹ませた断面コ字状の前記カバー部材14とを個別に製作することで、それぞれの型材の作成が容易であり、特殊な型材を用意する必要がないので、低コスト化することができる。そして、シール本体15の外周側にカバー部材14を装着することで、主シール部材11を作成できるので、特殊な接合処理等を行う必要がなく、作成工程を簡易化することができる。
Moreover, since the
次に、本発明の第2の実施の形態について図4を用いて説明する。図4は第2の実施の形態におけるシール部材の通常圧時(同図(a))および加圧時(同図(b))の状態を示す状態説明図である。同図に示すシール本体25は、断面をシール本体15よりもさらに開口させた略C字状に形成している点が上述の実施の形態と異なっている。このようにすると、加圧時に、前記シール対象部材3、6に接触する部位がより拡がるようにシール本体25の変形を許容することができる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a state explanatory view showing states of the seal member in the second embodiment at normal pressure (FIG. 4A) and at pressurization (FIG. 4B). The seal
ここで、シール本体25の表面には、銀メッキ等の潤滑処理が施されていることが好ましい。このようにすると、シール本体25の潤滑性を高めることができるので、これに接触する前記シール対象部材3、6に対して摺動させるような力(この場合はタンク3の軸線方向に直交するような力)が作用した時であっても、円滑に変位させることができる。従って、前記シール本体25と前記シール部材対象部材3、6が互いに損傷を受けることを防止することができ、両者の寿命を高めることができる。
Here, the surface of the
また、シール本体25の外周側にカバー部材24を備えることで、第1の実施の形態と同様に、シール本体25の開口部23、23間の距離が過剰に増大するような過度な変形を抑制することができる。
In addition, by providing the
次に、本発明の第3の実施の形態について図5、図6を用いて説明する。図5は第3の実施の形態におけるシール部材の通常圧時(同図(a))および加圧時(同図(b))の状態を示す状態説明図である。図6は図5に示すカバー部材の斜視図である。これらの図に示す主シール部材31は、前記カバー部材32の半径方向に切り欠き33が形成されており、この点が上述の実施の形態と異なっている。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a state explanatory view showing a state of the seal member in the third embodiment at normal pressure (FIG. 5A) and at the time of pressurization (FIG. 5B). FIG. 6 is a perspective view of the cover member shown in FIG. The
このようにすると、前記カバー部材32の半径方向(図5の矢印A方向)に圧力が作用したときに、前記切り欠き33により圧力を逃すことができるので、前記カバー部材32の半径/周方向への変形を抑制することができる。
In this way, when pressure is applied in the radial direction of the cover member 32 (in the direction of arrow A in FIG. 5), the pressure can be released by the
なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものではない。例えば、水素含有ガスとして純水素を用いた場合について説明したが、水素改質ガスなどを用いてもよい。また、以上の実施の形態で説明したように、燃料電池に接続される水素タンクの入口部に主シール部材や補助シール部材を配設すると、前記水素タンクに貯蔵された前記水素含有ガスを、高い気密性を確保した状態で、前記燃料電池に供給することができるので、燃料電池システムとしての信性を向上することができる。しかしながら、本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、例えば、継ぎ手部のシール構造であってもよい。また、主シール部材の形状としては、C字状の部位を有していれば良い。すなわち、第1の実施の形態のように断面O状であっても良い。また、各実施の形態を適宜組み合わせてもよい。例えば、第1の実施の形態に示したカバー部材に切り欠きを形成してもよい。 The contents of the present invention are not limited to the above-described embodiments. For example, although the case where pure hydrogen is used as the hydrogen-containing gas has been described, a hydrogen reformed gas or the like may be used. Further, as described in the above embodiment, when the main seal member and the auxiliary seal member are disposed at the inlet of the hydrogen tank connected to the fuel cell, the hydrogen-containing gas stored in the hydrogen tank is Since it can supply to the said fuel cell in the state which ensured high airtightness, the reliability as a fuel cell system can be improved. However, the application target of the present invention is not limited to this, and may be a joint seal structure, for example. Moreover, as a shape of the main seal member, it is only necessary to have a C-shaped part. That is, the cross section may be O-shaped as in the first embodiment. Moreover, you may combine each embodiment suitably. For example, a notch may be formed in the cover member shown in the first embodiment.
2…燃料電池
3…水素タンク(シール対象部材)
4…タンク入口
5…水素供給路
6…装着部(シール対象部材)
11、21、31…主シール部材(シール部材)
14、24、32…カバー部材
15、25、35…シール本体
2 ...
4 ...
11, 21, 31 ... main seal member (seal member)
14, 24, 32 ...
Claims (5)
前記シール部材は、前記ガスの流通側に対して開口するようなメタル製のC字状部を有する自緊式のシール本体と、
該シール本体の外周側を覆う樹脂製のカバー部材とを備え、
前記C字状部は弾性力を有し、少なくとも互いに対向する2点でシール対象部材に接触して、該シール対象部材に対して付勢することを特徴とするガスシール構造。 Comprising a seal member provided around the site through which the hydrogen-containing gas flows;
The seal member is a self-tightening seal body having a metal C-shaped portion that opens to the gas flow side;
A resin cover member covering the outer peripheral side of the seal body,
The gas seal structure characterized in that the C-shaped portion has an elastic force, contacts the member to be sealed at at least two points facing each other, and urges the member to be sealed.
The gas seal structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the seal member is disposed at an inlet portion of a hydrogen tank connected to a fuel cell.
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