JP2007238787A - シール部材及び該シール部材の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被シール体と当接して気密を保つためのシール部材において、被シール体との当接部分においては耐熱性や耐摩耗性に優れる一方、その他の部分においては低剛性を保持して被シール体表面への沿い性及びシール性を確保することを課題とする。
【解決手段】樹脂成分４１にセラミックス成分４２ａ，４２ｂが添加された複合材料４３からなるシール部材２１において、前記セラミックス成分４２ａ，４２ｂを、シール部材２１の表面の被シール体との当接部分２１ａでは、焼結状態４２ａで前記樹脂成分４１中に分散させ、その他の本体部分２１ｂでは、未焼結状態４２ｂで前記樹脂成分４１中に分散させる。又は、本体部分２１ｂでは、セラミックス成分４２ａ，４２ｂを、樹脂成分４１中に存在させなくてもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、シール部材及び該シール部材の成形方法に関し、被シール体と当接して気密や油密等の密封性を保つためのシール部材の材料及び組成を改良する技術分野に属する。

一般に、ロータリーエンジンのロータの頂点にはアペックスシールが配設される。このアペックスシールは、シールスプリングの付勢力とロータの回転による遠心力とによりロータハウジングのトロコイド面に押し付けられ、隣接する作動室間の気密を保ちながら摺動すると共に、ペリフェラルポートの場合、給排気バルブの役割も兼ね備えたロータリーエンジンに独自の重要部品である。

従来、アペックスシールは、特殊カーボン材や金属製が主流であったが、ロータハウジングのメッキ技術や表面処理技術の進歩に伴い、セラミックス製のアペックスシールが実用化されるに至り、さらに樹脂製のアペックスシールも検討されている。しかし、それぞれ次のような欠点を含んでいる。まず、金属製は、特殊鋳鉄を母材として、ロータハウジングとの摺動部分を電子ビームによりチル化して硬度を高め、耐摩耗性を確保したものであるが、切削や研削等の機械加工工程が多いことに加え、材料が剛直なためにトロコイド面への沿い性が悪く、特に低速でのシール性に劣って、圧縮比の低下、トルクの低下、ひいては燃費の低下がみられる。次に、セラミックス製は、窒化珪素が好ましく用いられ、耐摩耗性、耐熱性に優れると共に、ロータハウジングとの非金属接触により自己潤滑性能に類似の効果が期待されるが、衝撃強度が低いことと、金属製の場合と同様、剛性が高いためにトロコイド面への沿い性及びシール性に劣ることが難点である。また、困難な研磨加工工程が必要となり、生産コストが高くなる問題もある。これらに対し、樹脂製は剛性が低いためにトロコイド面への沿い性が良好で、最もシール性に優れるばかりでなく、加工性が良いので、金属製やセラミックス製に比べて生産コストを低減することができる。しかしながら、樹脂製は、耐摩耗性及び耐熱性の点で満足する結果が得られない。

この点、特許文献１には、レシプロエンジンのピストンリングに関する技術であるが、ピストンリングを剛性体でなる内側リングと弾性体でなる外側リングとで構成し、内側リングを鋳鉄等で製造すると共に、外側リングをポリイミド等の樹脂で製造し、この樹脂製の外側リングに酸化モリブデン等のセラミック微粒子を分散させて耐摩耗性の向上を図ることが開示されている。この技術をアペックスシールに適用すると、ロータハウジングのトロコイド面と当接するアペックスシールの表面部分（摺動部分、より一般には当接部分）を、樹脂等の弾性体で製造し、かつ、その樹脂成分中にセラミック微粒子を分散させる一方、それ以外の部分（本体部分）を、鋳鉄等の剛性体で製造することになる。しかし、これではアペックスシールは全体的に剛性が高くなり、その結果、樹脂製アペックスシールの長所であるトロコイド面への沿い性が低下してシール性が損なわれてしまう。つまり、耐摩耗性の改良が望まれるアペックスシールの当接部分においては、セラミック微粒子が分散された樹脂製とすることで、耐摩耗性の向上が図られるが、柔軟にしてトロコイド面への沿い性を確保しなければならないその他の本体部分においては、鋳鉄等の金属製とすることで、剛直なままとなってトロコイド面への沿い性が低下してしまうのである。

また、特許文献２には、固体電解質型燃料電池に関する技術であるが、セルとセパレータとの間に介装するガスシール部材を固体電解質型燃料電池の運転温度で焼結するセラミックス材料で形成することが開示されている。しかし、この技術をアペックスシールに適用しても、アペックスシール全体をセラミックス材料で形成することになるだけであって、やはり特許文献１の場合と同様、アペックスシールは全体的に耐熱性や耐摩耗性が向上するが、トロコイド面への沿い性向上等の部分的な組成や物性の改良が図られない。

特開２００３−１９４２２４号公報（段落００１０、段落００１１、段落００１４） 特開平１０−９２４４６号公報（段落００１１、段落００２６）

本発明は、被シール体と当接して気密や油密等の密封性を保つためのシール部材における前記問題に対処するもので、被シール体との当接部分においては耐熱性や耐摩耗性に優れる一方、その他の本体部分においては低剛性ないし柔軟性を保持して被シール体表面への沿い性及びシール性が確保されたシール部材の提供を課題とする。

前記課題を解決するため、本願の請求項１に記載の発明は、樹脂成分にセラミックス成分が添加された複合材料からなるシール部材であって、前記セラミックス成分が、シール部材の表面の被シール体との当接部分では、焼結状態で前記樹脂成分中に分散し、その他の本体部分では、未焼結状態で前記樹脂成分中に分散していることを特徴とする。

なお、前記シール部材と前記被シール体との組合せとしては、前述のロータリーエンジンのアペックスシールとロータハウジングのトロコイド面の他、例えば、ロータリーエンジンのロータの側面に配設されるオイルシールとサイドハウジングの摺動面、レシプロエンジンのピストン頭部に嵌着されるコンプレッションリングとシリンダボアの壁面、レシプロエンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に挟設されるガスケットと前記ブロック及びヘッドの合せ面、エンジンの排気系統を構成する管と管との間に挟設されるガスケットと前記管の合せ面、等が挙げられる。

次に、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のシール部材であって、内燃機関の燃焼室の気密を保つためのものであることを特徴とする。

次に、請求項３に記載の発明は、前記請求項２に記載のシール部材であって、内燃機関の運転に伴い前記当接部分が被シール体との摺接により摩耗するものであることを特徴とする。

次に、請求項４に記載の発明は、樹脂成分にセラミックス成分が添加された複合材料からなるシール部材であって、前記セラミックス成分が、シール部材の表面の被シール体との当接部分では、焼結状態で前記樹脂成分中に分散し、その他の本体部分では、前記樹脂成分中に分散していないことを特徴とする。

次に、請求項５に記載の発明は、前記請求項１から４のいずれかに記載のシール部材であって、前記セラミックス成分は、繊維状及びウィスカー状の少なくとも一方であることを特徴とする。

次に、請求項６に記載の発明は、前記請求項１から５のいずれかに記載のシール部材であって、前記樹脂成分は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする。

次に、請求項７に記載の発明は、前記請求項１から６のいずれかに記載のシール部材であって、前記複合材料は、焼結助剤を含有していることを特徴とする。

一方、本願の請求項８に記載の発明は、樹脂成分にセラミックス成分が添加された複合材料からなるシール部材の成形方法であって、シール部材の表面の被シール体との当接部分及びその他の本体部分で、前記樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させ、又は、前記当接部分でのみ、前記樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させ、次に、前記当接部分を加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とすることを特徴とする。

次に、請求項９に記載の発明は、前記請求項８に記載のシール部材の成形方法であって、樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた後、シール部材を内燃機関におけるシール部材配設位置に組み付け、次に、前記内燃機関を運転することにより、前記当接部分を加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とすることを特徴とする。

次に、請求項１０に記載の発明は、前記請求項９に記載のシール部材の成形方法であって、樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた後、シール部材を内燃機関の燃焼室内に組み付け、次に、前記内燃機関を運転することにより、前記当接部分を混合気の燃焼熱で加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とすることを特徴とする。

次に、請求項１１に記載の発明は、前記請求項８から１０のいずれかに記載のシール部材の成形方法であって、前記セラミックス成分は、繊維状及びウィスカー状の少なくとも一方であることを特徴とする。

次に、請求項１２に記載の発明は、前記請求項８から１１のいずれかに記載のシール部材の成形方法であって、前記樹脂成分は、熱可塑性樹脂であることを特徴とする。

そして、請求項１３に記載の発明は、前記請求項８から１２のいずれかに記載のシール部材の成形方法であって、前記複合材料は、焼結助剤を含有していることを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、被シール体と当接して密封性を保つためのシール部材において、該シール部材を、樹脂成分にセラミックス成分を添加した複合材料で構成することを前提とした上で、シール部材の表面の被シール体との当接部分においては、前記セラミックス成分を焼結状態で前記樹脂成分中に分散させる一方、その他の本体部分においては、前記セラミックス成分を未焼結状態で前記樹脂成分中に分散させるようにしたから、前記被シール体との当接部分においては焼結状態のセラミックス成分に起因して耐熱性や耐摩耗性に優れる一方、その他の本体部分においてはセラミックス成分が未焼結状態であることに起因して低剛性ないし柔軟性が保持されて被シール体表面への沿い性及びシール性が確保されたシール部材が得られることとなる。

次に、請求項２に記載の発明によれば、前記シール部材として、内燃機関の燃焼室の気密を保つためのシール部材を採用したから、例えばレシプロエンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に挟設されるガスケット等の他、当接部分が被シール体と単に当接するだけでなく当接状態で摺動するシール部材である、ロータリーエンジンのアペックスシールやレシプロエンジンのピストンリング等に関して、前記請求項１に記載の発明の効果が得られることとなり、本発明の最も好ましい態様であるといえる。

次に、請求項３に記載の発明によれば、前記シール部材として、内燃機関の運転に伴い前記当接部分が被シール体との摺接により摩耗するシール部材を採用したから、前記請求項２で挙げたシール部材のうち、レシプロエンジンのガスケットを除く、特にロータリーエンジンのアペックスシールやレシプロエンジンのピストンリング等に関して、前記請求項１に記載の発明の効果が得られることとなる。そして、その場合に、前記本体部分の未焼結状態のセラミックス成分は、少なくとも前記当接部分の近傍においても前記樹脂成分中に分散しているから、たとえ、内燃機関の運転に伴いシール部材が長期間使用され、その使用に伴い当接部分が被シール体との摺接によって摩耗しても、その当接部分の摩耗に従って新たに当接部分となる本体部分の未焼結状態のセラミックス成分が内燃機関の運転温度に起因して焼結状態となり、その結果、ただ単に内燃機関の運転を続けるだけで、シール部材の当接部分においては焼結状態のセラミックス成分が自然に再生することとなり、わざわざシール部材を取り外して当接部分の再生作業を行う必要がなくなる。

一方、請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様、被シール体と当接して密封性を保つためのシール部材において、該シール部材を、樹脂成分にセラミックス成分を添加した複合材料で構成することを前提とした上で、シール部材の表面の被シール体との当接部分においては、前記セラミックス成分を焼結状態で前記樹脂成分中に分散させる一方、その他の本体部分においては、前記セラミックス成分を前記樹脂成分中に分散させないようにしたから、請求項１に記載の発明と同様、前記被シール体との当接部分においては焼結状態のセラミックス成分に起因して耐熱性や耐摩耗性に優れる一方、その他の本体部分においてはセラミックス成分が存在していないことに起因して低剛性ないし柔軟性が保持されて被シール体表面への沿い性及びシール性が確保されたシール部材が得られることとなる。

次に、請求項５に記載の発明によれば、前記セラミックス成分を、同じ含有量であってもセラミックス成分同士が接触し易く、結合し易い形状である繊維状及び／又はウィスカー状としたから、該セラミックス成分の含有量を抑制しながら焼結効率を確保することができる。

次に、請求項６に記載の発明によれば、前記樹脂成分を熱可塑性樹脂としたから、成形性及びリサイクル性が向上し、環境負荷の軽減に寄与できる。

次に、請求項７に記載の発明によれば、前記複合材料にさらに焼結助剤を含有させたから、請求項５に記載の発明と同様、セラミックス成分の含有量を抑制しながら焼結効率を確保することができる。

一方、請求項８に記載の発明によれば、請求項１又は請求項４に記載のシール部材の成形方法において、シール部材の表面の被シール体との当接部分及びその他の本体部分で、前記樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させ、又は、前記当接部分でのみ、前記樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させる工程と、前記当接部分を加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とする工程とを有するようにしたから、当接部分ではセラミックス成分が焼結状態であり、その他の本体部分ではセラミックス成分が未焼結状態であるという、組成や物性が部分的に改良されたシール部材、又は、当接部分ではセラミックス成分が焼結状態であり、その他の本体部分ではセラミックス成分が存在していないという、組成や物性が部分的に改良されたシール部材を容易に生産することができる。また、このシール部材は、内燃機関等に組み付ける前から、当接部分では耐熱性及び耐摩耗性が向上されているから、初期耐熱性及び初期耐摩耗性に優れたシール部材が得られることとなる。

次に、請求項９に記載の発明によれば、請求項８に記載のシール部材の成形方法において、樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた後、シール部材を内燃機関におけるシール部材配設位置に組み付ける工程と、前記内燃機関を運転することにより、前記当接部分を加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とする工程とを有するようにしたから、このシール部材を内燃機関に組み付ける前にシール部材の当接部分を加熱して該当接部分のセラミックス成分を焼結状態とする必要がなくなり、このシール部材を内燃機関に組み付ける工程も含めて考えると、請求項８に記載の発明と比べて工程が１つ減り、生産性が上がる（生産エネルギ及び生産コストが低減する）こととなる。

次に、請求項１０に記載の発明によれば、請求項９に記載のシール部材の成形方法において、樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた後、シール部材を内燃機関の燃焼室内に組み付ける工程と、前記内燃機関を運転することにより、前記当接部分を高温の混合気の燃焼熱（あるいは火炎）で直接加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とする工程とを有するようにしたから、シール部材の当接部分のセラミックス成分を高温で比較的短時間のうちに焼結状態とすることができる。

次に、請求項１１に記載の発明によれば、構成が請求項５に記載の発明と同様であるから、請求項５に記載の発明と同様の効果が得られ、次に、請求項１２に記載の発明によれば、構成が請求項６に記載の発明と同様であるから、請求項６に記載の発明と同様の効果が得られ、そして、請求項１３に記載の発明によれば、構成が請求項７に記載の発明と同様であるから、請求項７に記載の発明と同様の効果が得られることとなる。

以下、発明の最良の実施形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。

＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態においては、本発明は、図１に示すロータリーエンジン１０のロータ２０の頂点に配設されたアペックスシール２１…２１に適用されている。このアペックスシール２１は、図２に示すように、サイドピース３１と合せて用いられる２分割構造で、シールスプリング３２の付勢力とロータ２０の回転による遠心力とによりロータハウジング１１のトロコイド面１２に押し付けられ、隣接する作動室間の気密を保ちながら摺動する。ロータ２０には、アペックスシール２１…２１の他、サイドハウジング６０（図６参照）との気密を保つためのサイドシール２２…２２、アペックスシール２１とサイドシール２２との連結部の気密を保つためのコーナシール２３…２３、及び、ロータ２０の軸受部の潤滑油が作動室に混入するのを防ぐためのオイルシール２４，２４等がさらに具備されている。

図３に示すように、アペックスシール２１は、樹脂成分４１にセラミックス成分４２ａ，４２ｂが添加された複合材料４３（図４参照）からなっている。そして、アペックスシール２１の表面に位置し、ロータハウジング１１のトロコイド面１２と当接するアペックスシール２１の当接部分２１ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、一方、その他の部分、つまり本体部分２１ｂにおいては、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが樹脂成分４１中に分散している（請求項１の構成）。

これにより、このアペックスシール２１は、トロコイド面１２との当接部分２１ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａに起因して、耐熱性や耐摩耗性に優れる一方、本体部分２１ｂにおいては、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂに起因して、低剛性ないし柔軟性が保持されてトロコイド面１２への沿い性及びシール性が確保されている。したがって、たとえ低回転時であっても、圧縮比の低下や、トルクの低下、ひいては燃費の低下が回避される。

このように部分的に組成や物性が改良された構成のアペックスシール２１は、例えば次のようにして生産することができる。まず、図４（ａ）に示すように、アペックスシール２１の当接部分２１ａ及び本体部分２１ｂにおいて、樹脂成分４１中に未焼結状態のセラミックス成分４２ｂを分散させて複合材料４３を得る。次に、図４（ｂ）に示すように、得られた複合材料４３からなるアペックスシール２１の当接部分２１ａを熱源５０を用いて加熱する。ここで、熱源としては、ヒーターの放射熱や、バーナーの火炎による直火等が使用できる。その結果、図４（ｃ）に示すように、本体部分２１ｂでは未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが分散し、当接部分２１ａでは焼結状態のセラミックス成分４２ａが分散しているアペックスシール２１が得られる（請求項８の構成）。このように、この方法によれば、当接部分２１ａではセラミックス成分が焼結状態４２ａであり、本体部分２１ｂではセラミックス成分が未焼結状態４２ｂであるという、組成や物性が部分的に改良されたアペックスシール２１が容易に生産される。また、この方法によれば、アペックスシール２１は、ロータ２０ひいてはロータリーエンジン１０に組み付ける前から、当接部分２１ａでは耐熱性及び耐摩耗性が向上されているから、初期耐熱性及び初期耐摩耗性に優れたアペックスシール２１が得られることとなる。

また、これとは別に、アペックスシール２１を次のような第２の構成とすることも可能である。すなわち、アペックスシール２１の表面に位置し、ロータハウジング１１のトロコイド面１２と当接するアペックスシール２１の当接部分２１ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、一方、その他の部分、つまり本体部分２１ｂにおいては、セラミックス成分４２ａ，４２ｂが樹脂成分４１中に分散していない構成である（請求項４の構成）。

これによっても、アペックスシール２１は、トロコイド面１２との当接部分２１ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａに起因して、耐熱性や耐摩耗性に優れる一方、本体部分２１ｂにおいては、セラミックス成分４２ａ，４２ｂが存在していないことに起因して、低剛性ないし柔軟性が保持されてトロコイド面１２への沿い性及びシール性が確保されることとなる。したがって、たとえ低回転時であっても、圧縮比の低下や、トルクの低下、ひいては燃費の低下が回避される。

そして、このように部分的に組成や物性が改良された第２の構成のアペックスシール２１は、例えば次のようにして生産することができる。まず、図５（ａ）に示すように、アペックスシール２１の当接部分２１ａにおいてのみ、樹脂成分４１中に未焼結状態のセラミックス成分４２ｂを分散させて複合材料４３を得る。次に、図５（ｂ）に示すように、得られた複合材料４３からなるアペックスシール２１の当接部分２１ａを熱源５０を用いて加熱する。ここで、熱源としては、ヒーターの放射熱や、バーナーの火炎による直火等が使用できる。その結果、図５（ｃ）に示すように、本体部分２１ｂではセラミックス成分４２ａ，４２ｂが分散せず、当接部分２１ａでは焼結状態のセラミックス成分４２ａが分散しているアペックスシール２１が得られる（請求項８の構成）。このように、この方法によれば、当接部分２１ａではセラミックス成分が焼結状態４２ａであり、本体部分２１ｂではセラミックス成分が存在していないという、組成や物性が部分的に改良されたアペックスシール２１が容易に生産される。また、この方法によっても、アペックスシール２１は、ロータ２０ひいてはロータリーエンジン１０に組み付ける前から、当接部分２１ａでは耐熱性及び耐摩耗性が向上されているから、初期耐熱性及び初期耐摩耗性に優れたアペックスシール２１が得られることとなる。

ここで、前記セラミックス成分４２ａ，４２ｂとしては、アルミナ（酸化アルミニウム）やチタニア（酸化チタン）等、各種の汎用されるセラミックス成分が使用可能であるが、耐摩耗性に優れる炭化珪素や窒化珪素が好ましく使用可能である。特に、炭化珪素は、樹脂成分（バインダー樹脂）４１中にシリコン樹脂を混入しておくことにより、樹脂成分４１の炭素とシリコン樹脂の珪素とが結合して炭化珪素が得られるため、より焼結され易くなり、最も好適なものの１つである。

また、セラミックス成分４２ａ，４２ｂの形状としては、粒子状、繊維状、ウィスカー状等、各種の汎用される形状のものが使用可能であるが、同じ含有量であってもセラミックス成分同士が接触し易く、焼結され易い形状である繊維状のもの、ウィスカー状のもの、又はこれらの混合物が好ましく使用可能である（請求項５及び請求項１１の構成）。

なお、本発明者の知見によれば、セラミックス成分４２ａ，４２ｂが粒子状の場合、その径は０．１〜１．０μｍが好ましく、０．１〜０．５μｍがより好ましい。この範囲を超えて径が大きいと、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが分散している本体部分２１ｂの耐衝撃性が低下し、この範囲を超えて径が小さいと、セラミックス成分４２ａ，４２ｂの二次凝集が起こり易くなって樹脂成分４１中での均一分散が困難になる。

一方、前記樹脂成分４１としては、例えばポリイミド等、熱硬化性のものでも熱可塑性のものでも、各種の汎用される樹脂成分が使用可能であるが、成形性及びリサイクル性に優れ、環境負荷の軽減に寄与し得る熱可塑性樹脂が好ましく使用可能である（請求項６及び請求項１２の構成）。特に、熱可塑性樹脂であって高い耐熱性を有するＴＰＩ（熱可塑性ポリイミド）やＬＣＰ（液晶ポリマー）等が好適であり、なかでもＰＥＫ（ポリエーテルケトン）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等は耐衝撃性にも優れているので最も好適なものの１つである。

そして、前記複合材料４３に、焼結助剤を含有させると、セラミックス成分４２ａ，４２ｂの含有量を抑制しながら焼結効率を確保することができてさらに好ましい（請求項７及び請求項１３の構成）。焼結助剤としては、イットリア（酸化イットリウム）等、各種の汎用される焼結助剤が使用可能である。

＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態においては、本発明は、図１に示すロータリーエンジン１０のロータ２０の側面に配設されたオイルシール２４，２４に適用されている。このオイルシール２４は、図６に示すように、シールスプリング３３の付勢力によりサイドハウジング６０の摺動面に押し付けられ、ロータ２０の軸受部の潤滑油が作動室に混入するのを防ぎながら摺動する。

そして、このオイルシール２４もまた、樹脂成分４１にセラミックス成分４２ａ，４２ｂが添加された複合材料４３からなっている。そして、オイルシール２４の表面に位置し、サイドハウジング６０の摺動面と当接するオイルシール２４の当接部分２４ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、一方、その他の部分、つまり本体部分２４ｂにおいては、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが樹脂成分４１中に分散している（請求項１の構成）。

なお、状況に応じて、ロータ２０の他のシール部材、すなわち、サイドシール２２やコーナシール２３にも本発明を適用して構わない。また、オイルシール２４を、当接部分２４ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、本体部分２４ｂにおいては、セラミックス成分４２ａ，４２ｂが樹脂成分４１中に分散していない、第２の構成とすることも可能である（請求項４の構成）。

＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態においては、本発明は、図７に示すレシプロエンジンのピストン７０の頭部に嵌着された第１コンプレッションリング７１に適用されている。この第１コンプレッションリング７１は、自己の拡径方向の弾性復元力によりシリンダボアの壁面８０に押し付けられ、燃焼室の気密を保ちながら上下に摺動する。

そして、このコンプレッションリング７１もまた、樹脂成分４１にセラミックス成分４２ａ，４２ｂが添加された複合材料４３からなっている。そして、コンプレッションリング７１の表面に位置し、シリンダボアの壁面８０と当接するコンプレッションリング７１の当接部分７１ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、一方、その他の部分、つまり本体部分７１ｂにおいては、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが樹脂成分４１中に分散している（請求項１の構成）。

なお、状況に応じて、ピストン７０の他のリング、すなわち、第２コンプレッションリング７２やオイルリング７３にも本発明を適用して構わない。また、コンプレッションリング７１を、当接部分７１ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、本体部分７１ｂにおいては、セラミックス成分４２ａ，４２ｂが樹脂成分４１中に分散していない、第２の構成とすることも可能である（請求項４の構成）。

＜第４の実施の形態＞
図８は、本発明の第４の実施の形態に係るエンジン１の排気系統１ａの構成を示す平面図である。このエンジン１の排気系統１ａには、上流側から、エキゾーストマニホールド２、触媒コンバータ３、ミドルパイプ４及びサイレンサ５，５が直列に並んでいる。そして、エキゾーストマニホールド２と触媒コンバータ３とは、前者の集合管２ａと後者の上流管３ａとが結合されて連結されており（結合部Ａ）、ミドルパイプ４とサイレンサ５，５とは、前者の分岐管４ａ，４ａと後者の上流管５ａ，５ａとが結合されて連結されている（結合部Ｂ，Ｂ）。

図９は、前記ミドルパイプ４の分岐管４ａと前記サイレンサ５の上流管５ａとの結合部Ｂを拡大断面で示した分解図である。サイレンサ５の上流管５ａがミドルパイプ４の分岐管４ａ内に嵌入され、両管４ａ，５ａのフランジ部４ｂ，５ｂが重ね合わされて、ボルト９１及びナット９２で締結される。その場合に、環状のガスケット９０が、両管４ａ，５ａのフランジ部４ｂ，５ｂに形成された合せ面４ｃ，５ｃの間に挟設される。

図１０は、前記ガスケット９０と前記両管４ａ，５ａの合せ面４ｃ，５ｃとの当接状態を示す説明図である。この第４の実施の形態においては、本発明は、図９、図１０に示す結合部Ｂにおいて前記両管４ａ，５ａの合せ面４ｃ，５ｃの間に挟設された前記ガスケット９０に適用されている。このガスケット９０は、自己の膨張方向の弾性復元力により両管４ａ，５ａの合せ面４ｃ，５ｃに押し付けられ、結合部Ｂにおいて排気系統１ａの気密を保っている。

そして、このガスケット９０もまた、樹脂成分４１にセラミックス成分４２ａ，４２ｂが添加された複合材料４３からなっている。そして、ガスケット９０の表面に位置し、両管４ａ，５ａの合せ面４ｃ，５ｃと当接するガスケット９０の当接部分９０ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、一方、その他の部分、つまり本体部分９０ｂにおいては、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが樹脂成分４１中に分散している（請求項１の構成）。これにより、このガスケット９０は、合せ面４ｃ，５ｃの間に挟設されたときの初期なじみが良く、かつ、熱損や経年変形が少ない、という利点を有する。

なお、状況に応じて、排気系統の他の結合部のガスケット、すなわち、エキゾーストマニホールド２の集合管２ａと触媒コンバータ３の上流管３ａとの結合部Ａのガスケットにも本発明を適用して構わない。また、ガスケット９０を、当接部分９０ａにおいては、焼結状態のセラミックス成分４２ａが樹脂成分４１中に分散しており、本体部分９０ｂにおいては、セラミックス成分４２ａ，４２ｂが樹脂成分４１中に分散していない、第２の構成とすることも可能である（請求項４の構成）。

ところで、以上の実施形態のうち、図３及び図７に示したように、第１実施形態のアペックスシール２１及び第３実施形態のコンプレッションリング７１は、内燃機関の燃焼室の気密を保つためのものである（請求項２の構成）。すなわち、アペックスシール２１はトロコイド面１２と単に当接するだけでなく当接状態で摺動するし、コンプレッションリング７１はシリンダボア壁面８０と単に当接するだけでなく当接状態で上下に摺動する。したがって、このような使用の環境下で、アペックスシール２１又はコンプレッションリング７１のトロコイド面１２又はシリンダボア壁面８０への沿い性及びシール性が確保されることにより、たとえ低回転時であっても、圧縮比の低下や、トルクの低下、ひいては燃費の低下が回避されることになって、本発明の最も好ましい態様が実現する。

また、その場合に、同じく図３及び図７に示したように、第１実施形態のアペックスシール２１及び第３実施形態のコンプレッションリング７１は、内燃機関の運転に伴い当接部分２１ａ，７１ａが被シール体との摺接により摩耗するものである（請求項３の構成）。すなわち、アペックスシール２１はトロコイド面１２と摺接することにより摩耗するし、コンプレッションリング７１はシリンダボア壁面８０と摺接することにより摩耗する。そして、前記アペックスシール２１及び前記コンプレッションリング７１は、いずれも、本体部分２１ｂ，７１ｂにおいても、未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが樹脂成分４１中に分散している構成である。したがって、アペックスシール２１及びコンプレッションリング７１の本体部分２１ｂ，７１ｂの未焼結状態のセラミックス成分４２ｂは、少なくとも当接部分２１ａ，７１ａの近傍においても前記樹脂成分４１中に分散している。それゆえ、内燃機関の運転に伴ってアペックスシール２１及びコンプレッションリング７１が長期間使用され、その使用に伴って当接部分２１ａ，７１ａを構成する複合材料４３ひいては焼結状態のセラミックス成分４２ａがトロコイド面１２又はシリンダボア壁面８０との摺接によって摩耗しても、その当接部分２１ａ，７１ａの摩耗に従って新たに当接部分２１ａ，７１ａを構成することとなる（今まで本体部分２１ｂ，７１ｂを構成していた）複合材料４３中の未焼結状態のセラミックス成分４２ｂが、内燃機関の運転温度に起因して焼結状態４２ａとなる。その結果、ただ単に内燃機関の運転を続けるだけで、アペックスシール２１及びコンプレッションリング７１の当接部分２１ａ，７１ａにおいては焼結状態のセラミックス成分４２ａが自然に再生することとなり、わざわざアペックスシール２１又はコンプレッションリング７１を取り外して前記当接部分２１ａ，７１ａの再生作業を行う必要がない。

一方、前記図４及び図５に示した生産方法に代えて、例えば、樹脂成分４１中に未焼結状態のセラミックス成分４２ｂを分散させた後、得られた複合材料４３からなるシール部材（すなわち、第１実施形態のアペックスシール２１、第２実施形態のオイルシール２４、第３実施形態のコンプレッションリング７１、又は第４実施形態のガスケット９０）を内燃機関におけるシール部材配設位置（すなわち、第１実施形態ではロータ２０の頂点、第２実施形態ではロータ２０の側面、第３実施形態ではピストン７０の頭部、及び第４実施形態では合せ面４ｃ，５ｃ間）に組み付け、次に、前記内燃機関を運転することにより、前記シール部材２１，２４，７１，９０の当接部分２１ａ，２４ａ，７１ａ，９０ａを加熱して、該当接部分２１ａ，２４ａ，７１ａ，９０ａの未焼結状態のセラミックス成分４２ｂを焼結状態のセラミックス成分４２ａとしてもよい（請求項９の構成）。この方法によれば、前記図４及び図５に示した生産方法のように、シール部材２１，２４，７１，９０を内燃機関に組み付ける前に、該シール部材２１，２４，７１，９０の当接部分２１ａ，２４ａ，７１ａ，９０ａを加熱して該当接部分２１ａ，２４ａ，７１ａ，９０ａのセラミックス成分４２ｂを焼結状態４２ａとする必要がなくなり（すなわち、図４（ｂ）及び図５（ｂ）の工程が省略できる）、シール部材２１，２４，７１，９０を内燃機関に組み付ける工程も含めて考えると、前記図４及び図５に示した生産方法と比べて工程が１つ減り（すなわち、図４（ｂ）及び図５（ｂ）の工程が減り）、生産性が上がる（生産エネルギ及び生産コストが低減する）こととなる。

その場合に、特に、第１実施形態のアペックスシール２１及び第３実施形態のコンプレッションリング７１は、内燃機関の燃焼室内に組み付けられるから、前記内燃機関を運転することにより、前記アペックスシール２１及び前記コンプレッションリング７１の当接部分２１ａ，７１ａを高温の混合気の燃焼熱（あるいは火炎）で直接加熱することができる（請求項１０の構成）。その結果、アペックスシール２１及びコンプレッションリング７１の当接部分２１ａ，７１ａのセラミックス成分４２ｂを高温で比較的短時間のうちに焼結状態４２ａとすることが可能となる。

＜第５、第６の実施の形態＞
図１１（ａ）は、本発明の第５の実施の形態に係るアペックスシール２１の側面図、及び図１１（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係るアペックスシール２１の側面図である。一般に、ロータハウジング内を摺動するアペックスシールは、エンジンの燃焼工程で直火に曝されることとなるが、次の瞬間には水冷されているロータハウジング内を摺動することにより直ちに冷却される。しかし、アペックスシールを構成する主材料の樹脂は相対的に熱伝導性が低いため、アペックスシールが蓄熱する可能性があり、蓄熱が過ぎると、アペックスシールが溶解する可能性も生じる。そこで、本発明の第５実施形態においては、図１１（ａ）に例示したように、アペックスシール２１の下縁部を波形状部２５として表面積を増やし、放熱し易い形状としたものである。また、本発明の第６実施形態においては、図１１（ｂ）に例示したように、アペックスシール２１とシールスプリングとを一体成形して、アペックスシール２１全体の体積を増やし、アペックスシール２１に蓄積した熱をシールスプリング部３４にも伝導させて冷却し易い形状としたものである。なお、状況に応じて、この構成を、第２実施形態のオイルシール２４、第３実施形態のコンプレッションリング７１及び第４実施形態のガスケット９０等にも採用して構わない。

前記実施形態は、いずれも本発明の最良の実施形態ではあるが、特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の修正や変更を施してよいことはいうまでもない。

以下、発明の実施例を通して本発明をさらに詳しく説明する。

図１２に示すように、実施例１、２、３として、樹脂成分であるＰＥＫ（ポリエーテルケトン）と、セラミックス成分である炭化珪素ウィスカー又は炭化珪素粒子と、焼結助剤であるイットリアとを混合して複合材料を作製し、これを３ｍｍ×５ｍｍ×８．５ｍｍの柱状に成形した後、その一端部分をバーナーを用いて直火で加熱することにより、該一端部分においてのみ炭化珪素ウィスカー又は炭化珪素粒子を焼結状態として、本発明に係るシール部材の試験片を得た。これに対して、比較例１は、窒化珪素及び炭化珪素からなる従来のセラミックス製のシール部材、比較例２は、鋳鉄をチル化処理した従来の金属製のシール部材、比較例３及び４は、ＰＥＫ（ポリエーテルケトン）又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）に炭素繊維又はガラス繊維を混入した従来の樹脂製のシール部材である。

前記実施例１〜３及び比較例１〜４を用いて、図１３に示す条件で、摩耗量試験、相手攻撃性試験、及びシール性試験を行った。実施例１〜３は、摩耗量において、比較例１（セラミックス製）より劣るものの、比較例２〜４（金属製及び樹脂製）より優れ、相手攻撃性において、トロコイド面を傷つけることが無く、そして、シール性において、比較例１（セラミックス製）、比較例２（金属製）及び比較例４（ガラス繊維強化樹脂製）より優れていた。比較例４の場合、ガラス繊維によってトロコイド面が大いに傷ついたため、シール性試験は行わなかった。これらの結果から、本発明に係るシール部材は、従来のシール部材と比べて、被シール体との当接部分における耐熱性及び耐摩耗性と、被シール体への沿い性及びシール性との両方にバランスよく優れていることがわかる。

以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、被シール体と当接して気密や油密等の密封性を保つためのシール部材において、被シール体との当接部分においては耐熱性や耐摩耗性に優れ、その他の本体部分においては被シール体表面への沿い性及びシール性に優れるものであるから、例えばロータリーエンジンやレシプロエンジン等の内燃機関の技術分野等において広範な産業上の利用可能性を有する。

本発明の第１の実施の形態及び第２の実施の形態に係るロータリーエンジンの構成を示す正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るアペックスシールの側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿うアペックスシールの拡大断面図であると共に、該アペックスシールとトロコイド面との摺動状態を示す説明図である。 前記アペックスシールの成形方法を段階的に示す説明図であって、（ａ）は、シール部材の当接部分及び本体部分で樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた状態、（ｂ）は、得られた複合材料からなるアペックスシールの当接部分を熱源で加熱している状態、そして、（ｃ）は、加熱の結果、前記当接部分のセラミックス成分が焼結状態となった状態を示している。 前記アペックスシールの別の成形方法を段階的に示す説明図であって、（ａ）は、シール部材の当接部分でのみ樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた状態、（ｂ）は、得られた複合材料からなるアペックスシールの当接部分を熱源で加熱している状態、そして、（ｃ）は、加熱の結果、前記当接部分のセラミックス成分が焼結状態となった状態を示している。 本発明の第２の実施の形態に係る図１のＶＩ−ＶＩ線に沿うロータのオイルシールの拡大断面図であると共に、該オイルシールとサイドハウジングの摺動面との摺動状態を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係るレシプロエンジンのピストンの正面図であると共に、該ピストンのコンプレッションリングとシリンダボアの壁面との摺動状態を示す説明図である。 本発明の第４の実施の形態に係るエンジンの排気系統の構成を示す平面図である。 前記排気系統を構成する管と管との結合部を拡大断面で示した分解図である。 前記結合部におけるガスケットと前記管の合せ面との当接状態を示す説明図である。 （ａ）は、本発明の第５の実施の形態に係るアペックスシールの側面図、（ｂ）は、本発明の第６の実施の形態に係るアペックスシールの側面図である。 本発明の実施例１〜３及び比較例１〜４のシール部材の組成の一覧表である。 前記実施例１〜３及び比較例１〜４の各種試験結果の一覧表である。

符号の説明

１ エンジン
１ａ 排気系統
２ａ エキゾーストマニホールドの集合管
３ａ 触媒コンバータの上流管
４ａ ミドルパイプの分岐管
４ｂ 分岐管のフランジ部
４ｃ 分岐管の合せ面
５ａ サイレンサの上流管
５ｂ 上流管のフランジ部
５ｃ 上流管の合せ面
１０ ロータリーエンジン
１１ ロータハウジング
１２ トロコイド面
２０ ロータ
２１ アペックスシール
２１ａ，２４ａ，７１ａ，９０ａ 当接部分
２１ｂ，２４ｂ，７１ｂ，９０ｂ 本体部分
２４ オイルシール
４１ 樹脂成分
４２ａ 焼結状態のセラミックス成分
４２ｂ 未焼結状態のセラミックス成分
４３ 複合材料
６０ サイドハウジング
７０ ピストン
７１ コンプレッションリング
８０ シリンダボア壁面
９０ ガスケット

Claims (13)

1. 樹脂成分にセラミックス成分が添加された複合材料からなるシール部材であって、
   前記セラミックス成分が、シール部材の表面の被シール体との当接部分では、焼結状態で前記樹脂成分中に分散し、その他の本体部分では、未焼結状態で前記樹脂成分中に分散していることを特徴とするシール部材。
2. 前記請求項１に記載のシール部材であって、
   内燃機関の燃焼室の気密を保つためのものであることを特徴とするシール部材。
3. 前記請求項２に記載のシール部材であって、
   内燃機関の運転に伴い前記当接部分が被シール体との摺接により摩耗するものであることを特徴とするシール部材。
4. 樹脂成分にセラミックス成分が添加された複合材料からなるシール部材であって、
   前記セラミックス成分が、シール部材の表面の被シール体との当接部分では、焼結状態で前記樹脂成分中に分散し、その他の本体部分では、前記樹脂成分中に分散していないことを特徴とするシール部材。
5. 前記請求項１から４のいずれかに記載のシール部材であって、
   前記セラミックス成分は、繊維状及びウィスカー状の少なくとも一方であることを特徴とするシール部材。
6. 前記請求項１から５のいずれかに記載のシール部材であって、
   前記樹脂成分は、熱可塑性樹脂であることを特徴とするシール部材。
7. 前記請求項１から６のいずれかに記載のシール部材であって、
   前記複合材料は、焼結助剤を含有していることを特徴とするシール部材。
8. 樹脂成分にセラミックス成分が添加された複合材料からなるシール部材の成形方法であって、
   シール部材の表面の被シール体との当接部分及びその他の本体部分で、前記樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させ、又は、前記当接部分でのみ、前記樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させ、
   次に、前記当接部分を加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とすることを特徴とするシール部材の成形方法。
9. 前記請求項８に記載のシール部材の成形方法であって、
   樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた後、シール部材を内燃機関におけるシール部材配設位置に組み付け、
   次に、前記内燃機関を運転することにより、前記当接部分を加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とすることを特徴とするシール部材の成形方法。
10. 前記請求項９に記載のシール部材の成形方法であって、
    樹脂成分中に未焼結状態のセラミックス成分を分散させた後、シール部材を内燃機関の燃焼室内に組み付け、
    次に、前記内燃機関を運転することにより、前記当接部分を混合気の燃焼熱で加熱して、該当接部分の未焼結状態のセラミックス成分を焼結状態とすることを特徴とするシール部材の成形方法。
11. 前記請求項８から１０のいずれかに記載のシール部材の成形方法であって、
    前記セラミックス成分は、繊維状及びウィスカー状の少なくとも一方であることを特徴とするシール部材の成形方法。
12. 前記請求項８から１１のいずれかに記載のシール部材の成形方法であって、
    前記樹脂成分は、熱可塑性樹脂であることを特徴とするシール部材の成形方法。
13. 前記請求項８から１２のいずれかに記載のシール部材の成形方法であって、
    前記複合材料は、焼結助剤を含有していることを特徴とするシール部材の成形方法。

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