JP2012036916A - 管継手用シール体 - Google Patents

Abstract

【課題】互いに対向配備される一対の流体移送用管のフランジ面どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部を構成すべく環状に形成される管継手用シール体の一層の改良により、管継手構造部分における異音発生の回避を可能とさせる。
【解決手段】互いに対向配備される一対の流体移送用管１，２のフランジ面５ａ，９ａどうしの間に介装されて、それら両流体移送用管１，２を密封接合する管継手部Ｔを構成すべく環状に形成される管継手用シール体において、一対の流体移送用管１，２どうしの角度変位を可能とすべく一方のフランジ面５ａに球面当接する摺動面１０と、他方のフランジ面９ａと摺動面１１の軸心Ｚ方向で当接する側端面１１とを備えるとともに、側端面１１に潤滑材１７を塗布する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の排気管等において適用される管継手に用いられるシール体、即ち管継手用シール体に関するものである。

管継手用シール体やそれを用いた管継手の例としては、特許文献１や特許文献２にて開示されるものが知られている。即ち、互いに対向配備される一対の流体移送用管のフランジ面どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部を構成すべく環状に形成される管継手用シール体であり、そのシール体と一対の流体移送用管とで管継手部（管継手構造）が構成されている。

特許文献１においては、上流側排気管（３２）のフランジ部材（３４）と、下流側排気管（４４）のフランジ部（４２）〔凹球面部（４１）〕との間に、シールリングである球帯状シール体（１）を介装する構造が示されている。帯状シール体（１）は、膨張黒鉛を含む耐熱材と金網から成る補強材とが圧縮混合されることで形成されている。そして、特許文献２においては、上流側排気管（１５）のフランジ（１９）と、下流側排気管（７）のフランジ（２１）〔球面座（２５）〕との間に、シールリングである球面ガスケット（２３）を介装する構造が示されている。

つまり、一方のフランジとシールリングとを球面当接させながらばねによって常時押圧付勢させる構造により、対向配備される流体移送用管どうしがある程度は折れ曲がり変位できるようになっている。従って、振動や熱膨張及び収縮が繰り返される自動車の排気管等には好都合な構成であり、良好なシール性の維持が可能となっている。

上記のように、従来の管継手構造及びそのシール構造は比較的振動に強いものであるが、振動が強いとか頻度が多い等の不利な条件によっては、管継手構造部分から異音の生じることがあった。そこで、前述の特許文献１にて記載されているように、シール体を単純な材料ではなく、複合材料を用いて形成することにより、弾性を有して異音の発生を回避させようとする手段が知られている。

しかしながら、複合材料から成るシール体を用いた管継手構造としても、前述した異音発生が若干減ることはあるが、十分に改善されるレベルではなかった。従って、異音解消に向けてはさらなる改善の余地が残されているものであった。

特開２００３−０９７７１３号公報 特開２００８−３０３８２８号公報

本発明の目的は、互いに対向配備される一対の流体移送用管のフランジ面どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部を構成すべく環状に形成される管継手用シール体の一層の改良により、管継手構造部分における異音発生の回避を可能とさせる点にある。

請求項１に係る発明は、互いに対向配備される一対の流体移送用管１，２のフランジ面５ａ，９ａどうしの間に介装されて、それら両流体移送用管１，２を密封接合する管継手部Ｔを構成すべく環状に形成される管継手用シール体において、
前記一対の流体移送用管１，２どうしの角度変位を可能とすべく一方の前記フランジ面５ａに球面当接する摺動面１０と、他方の前記フランジ面９ａと前記摺動面１１の軸心Ｚ方向で当接する側端面１１とを備えるとともに、前記側端面１１に潤滑材１７が塗布されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の管継手用シール体において、前記側端面１１に塗布される潤滑材１７と、前記摺動面１０に付与される潤滑材１７とが互いに同じものであることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の管継手用シール体において、前記潤滑材１７が、フッ素樹脂と窒化ホウ素との混合物で成るものであることを特徴とするものである。

請求項１〜３の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、側端面とこれに対応するフランジ面との当接箇所から異音が発生することが判り、従って、側端面に潤滑材を塗布するようにしたものである。側端面とフランジ面との間に潤滑材が介装されることで摺動摩擦が低減されて異音が解消又は抑制されるようになる。そしてそのための手段としては潤滑材を側端面に塗布するという簡単で生産性に優れるものである。その結果、側端面に潤滑材を塗布するという経済的で合理的な手段でありながら、対向配備される一対の流体移送用管のフランジ面どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部を構成すべく環状に形成される管継手用シール体の一層の改良により、管継手構造部分における異音発生を回避することができる。

請求項２の発明のように、側端面と摺動面とに互いに同じ潤滑材を塗布すれば、より生産性に優れるものにでき、請求項３の発明のように、フッ素樹脂と窒化ホウ素との混合物で成る潤滑材を用いてより効果的に異音を回避させることが可能である。

外摺動タイプの管継手部を示す断面図 実施例１の管継手用シール体を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は要部正面図 管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は複合テープ作成工程、（ｂ）は巻回工程、（ｃ）は巻ロール体の斜視図 シール体別の異音発生に関する特性表 内摺動タイプの管継手部を示す断面図 図５の管継手用シール体を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は要部正面図

以下に、本発明による管継手用シール体、並びにその管継手用シール体を用いた管継手部の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
実施例１による管継手用シール体（以下、単に「シール体」と略称する）Ａは、図１に示すように、自動車の排気系における管継手部Ｔに用いられているものである。管継手部Ｔは、鋼管製で下流側の第１排気管（流体移送用管の一例）１に形成される第１フランジ１Ｆと、鋼管製で上流側の第２排気管（流体移送用管の一例）２に形成される第２フランジ２Ｆと、第１フランジ１Ｆと第２フランジ２Ｆとをこれら両フランジ１Ｆ，２Ｆ間に環状のシール体Ａが介装される状態で圧接させる圧接機構３とを有して構成されており、第１排気管１とこれに対向配備される第２排気管２とが相対角度変位（相対折れ曲り変位）可能に気密接合（封接合）されている。

板金材製の第１フランジ部１Ｆは、第１排気管１の先端部に溶着等で気密状に外嵌固定される基端筒部４と、基端筒部４に続く拡径湾曲部５、拡径湾曲部５から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部６とを有して形成されている。第２排気管２は直管丸パイプで成り、その基端部に第２フランジ２Ｆが固着されている。板金材製の第２フランジ２Ｆは、第２排気管２の先端部に溶着等によって気密状に外嵌固定される胴部７と、胴部７から径外側にて第１排気管１側に凸となるように湾曲形成される当接周部９と、当接周部９から立ち上がり形成されるフランジ部８とを有して形成されている。

拡径湾曲部５は、その内周面（フランジ面の一例）５ａが管軸心Ｐにおける第２排気管２側に入り込んだ位置に配される第１点Ｘを中心とする半径Ｒの球面（凹球面）となるように形成されており、組付状態（図１に示す状態）においては第２排気管２側に侵入配置されるように設定されている。内周面５ａは、シール体Ａ（後述）との当接面として機能する箇所であり、また、当接周部９の外周面（フランジ面の一例）９ａも、シール体Ａ（後述）との当接面として機能する箇所に設定されている。第１排気管１の管軸心Ｐと第２排気管２の管軸心Ｚとは、両排気管１，２が一直線上に並ぶ図１に示す状態では一致している（Ｐ＝Ｚ）ので、以後、基本的には管軸心Ｐを代表として用いることとする。

シール体Ａは、図１及び図２（ａ），（ｂ）に示すように、第１排気管１側に向かって先細りとなる外周形状を有して第２排気管２の先端部２ａに外嵌装備されるリング状のものであり、拡径湾曲部５の内周面５ａに当接する湾曲外周面状の摺動面１０と、当接周部９の外周面９ａに当接する環状の側端面１１と、先端部２ａに密外嵌される内周面１２とを有している。つまり、第１，第２排気管１，２どうしの角度変位を可能とすべく一方のフランジ面である内周面５ａに球面当接する摺動面１１と、他方のフランジ面である外周面９ａと摺動面の軸心Ｐ方向で当接する側端面１１とを備えている。

そして、摺動面１０及び側端面１１には互いに同じ潤滑材１７が塗布されている。潤滑材１７を摺動面１０と側端面１１とに塗布する手段としては、１．刷毛塗り、２．カラースプレーを噴霧する、３．潤滑材１７を含んだスポンジによるスタンプ方式で塗る、４．どぶ付け等、種々のものが可能である。尚、３．の手段においては、潤滑材の塗布後にドライヤーによって強制的に乾燥させるようすれば好ましい。

摺動面１０は、第１点Ｘから距離ａで第１排気管１側に寄り、かつ、第１点Ｘから距離ｂで管軸心Ｐの径外側に寄る第２点Ｙを中心とする半径ｒの管軸心Ｐに沿う方向の断面形状を、管軸心Ｐの回りに回転させて成る回転体としての球面状の面に形成されている。この場合、ｒ＜Ｒであって内周面５ａと摺動面１０とは線接触（円線接触）するものとなっている。そして、平面状の側端面１１と湾曲面状の外周面９ａとも線接触している。

圧接機構３は、図１に示すように、第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆに形成されている孔１ｋ、２ｋに挿通される鍔１３ａ、中間フランジ１３ｂ、及び根元大径部１３ｃを有する段付ボルト１３と、ナット１４と、段付ボルト１３に嵌装されるコイルバネ１５とを図示のように組付けることにより構成されている。ナット１４は第１フランジ部１Ｆに溶着されていても良い。コイルバネ１５の弾性力によって第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆを互いに接近する方向に常時押圧付勢することにより、第１排気管１と第２排気管２との相対角度変位が可能な管継手部Ｔを形成及び維持している。

段付ボルト１３とナット１４との締付操作により、コイルバネ１５のセット長を変えて第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆの押圧付勢力を調節設定可能である。この圧接機構３は複数箇所、例えば、管軸心Ｐ，Ｚを中心とする円周上の均等角度毎の複数箇所（２〜４箇所等）に設けられる。圧接機構３により、シール体Ａの摺動面１０と第１フランジ部１Ｆの内周面５ａとが押圧付勢され、かつ、シール体Ａの側端面１１と第２フランジ２Ｆの外周面９ａとが押圧付勢され

つまり、一対の流体移送用管どうし１，２の角度変位を可能とすべく一方のフランジ面５ａに球面当接する摺動面１０と、摺動面１０の軸心Ｐ方向において他方のフランジ面９ａと当接する側端面１１とを備えるとともに、潤滑材ｊの保持が可能となる凹部Ｂが側端面１１に形成されているシール体Ａを持つ管継手部Ｔである。シール体Ａの摺動面１０と拡径湾曲部５の内周面５ａとが互いに線接触しての気密状態を維持しながら角度変位可能であり、走行振動やエンジンの回転振動等によって第１及び第２排気管１，２どうしを相対角度変させるような応力が生じた場合には、管継手部Ｔにおける前述の相対角度変位によってその応力を吸収させることができるのである。このように、シール体Ａの外周面がシール構造における摺動面１１となる構造を「外摺動タイプ」と定義する。

シール体Ａの製造方法について説明する。先ず、図３（ａ）に示すように、膨張黒鉛テープ（幅４７ｍｍ、厚さｔ＝０．３８ｍｍ）１６ａの周りをステンレス線（ステンレス製糸状体の一例）１６ｂでニット編みすることで複合テープ１６〔図３（ｂ）参照〕を作成し、例えば、長さ６７０ｍｍに切断する複合テープ作成工程を行う。複合テープ１６における耐熱剤と補強材との割合は、一例として、膨張黒鉛が４２重量％でステンレス糸が５８重量％に設定される。

次に、図３（ｂ）に示すように、別途作成されている膨張黒鉛シート（幅６０ｍｍ、長さ３１０ｍｍ、厚さｔ＝０．３８ｍｍ）１８と複合テープ１６とを重ねて巻き、図３（ｃ）に示す巻きロール体１９を作成する巻回工程を行う。そして、巻きロール体１９を、金型（図示省略）に投入して成形工程を行うことにより、シール体Ａ（図２参照）が作成される。シール体Ａが作成されたら潤滑材１７を塗る塗布工程を行う。塗布工程は、耐熱性潤滑材１７を摺動面１０及び側端面１１に塗布し、乾燥させる工程であり、摺動面１０と側端面１１とに潤滑材を有する（保持する）シール体Ａが作成される。

耐熱性潤滑材１７としては、フッ素樹脂と窒化ホウ素との混合物で成るものを用いており、次にその作り方を述べる。尚、潤滑材１７はその他のものでも良い。まず、平均粒子径７μｍの窒化ホウ素３０重量％とイオン交換水７０重量％とをボールミルにて分散させ、窒化ホウ懸濁液を作る。次に、固形分３０重量％の四フッ化エチレン樹脂ディスパージョン３０重量％に、前記窒化ホウ素懸濁液７０重量％を少量ずつ分け加えながら、攪拌・混合を行うことにより耐熱性潤滑材１７が作製される。この耐熱性潤滑材１７の乾燥後の重量比は、窒化ホウ素の重量比が６０〜９０％で、かつ、フッ素樹脂の重量比が１０〜４０％の範囲に設定される。実施例１においては、窒化ホウ素７０重量％及び四フッ化エチレン樹脂３０重量％である。

シール体Ａは、補強材が１５〜８０重量％で、潤滑材及び膨張黒鉛が２０〜８５重量％であり、膨張黒鉛の密度は１．２〜２．０ｇ／ｃｍ3（立法センチメートル）、側端面１１に塗布される潤滑材は摺動面１０に塗布される潤滑材に対して３０重量％以下、潤滑材の深さは０．１〜１ｍｍに設定される。尚、後述する比較例のシール体は、成形工程までは実施例１によるシール体Ａと同じであるが、潤滑材塗布工程において側端面１１に潤滑材が塗布されないものである。

次に、管継手部Ｔにおける異音に関する性能評価について説明する。実施例１と比較例とのそれぞれのシール体Ａを排気管の管継手部Ｔに装着し、排気管上流側を固定して下流側を駆動装置に取付けて上下させることで、角度±３度、周波数１２Ｈｚにて１００万回の揺動を行った。この時に排気管上流側の開管部からガスバーナーにて加熱し、管継手部Ｔの温度を５５０℃に保っている。このテスト結果を図４に示す。１００万回の揺動の間にて、所定の回数で周波数４Ｈｚとし、このときの摩擦音を確認した。摩擦音の大きさは、摩擦異音が聞こえる管継手部Ｔから離れた最大の距離にて表した。

〔考察〕
異音発生テストの結果、前述の管継手部Ｔの異音の正体は、第１排気管１のフランジ面５ａと摺動面１０との擦れによる場合はあまりなく、第２排気管２の第２フランジ面９ａと側端面１１との擦れによる摩擦音が主原因であることが判明した。つまり、自動車の走行振動や排気ガスの流動に起因して管継手部Ｔが振動するが、それによってシール体Ａが周方向（円周方向）に回動移動し、そのフランジ面９ａと側端面１１との擦れ、即ち摩擦によって異音（摩擦異音）が発生するのである。

図４より、比較例のシール体を用いた場合は、２５万回の揺動によって異音が発生し、かつ、その異音は１０ｍ離れても確認できる大きなものである。これに対して、実施例１のシール体Ａを用いたものでは異音発生回数が７５万回であり、シールとしての耐久性を十分カバーする回数であるとともに、可聴範囲が１．５ｍというものであって異音の大きさ自体も非常に小さいものであることが判る。

この新たな知見に基づき、本発明は側端面１１に潤滑材１７を塗布する構成を採るに至ったのであり、それによって、管継手部Ｔにおける異音が解消又は抑制されることを確認した次第である。即ち、フランジ面９ａと側端面１１との間に潤滑材１７が介装されることより、第１フランジ１Ｆやシール体Ａの振動が減衰されて異音が解消又は抑制されるとともに、それら両者９ａ，１１の摺動による摩擦並びにそれによる磨耗を減少させることができるようになる。

〔管継手部Ｔの別構造、及び実施例２のシール体Ａ〕
別構造の管継手部Ｔは、図５に示すように、シール体Ａの内周面がシール構造における摺動面となる「内摺動タイプ」の構造を採るものであり、主に、図１に示す「外摺動タイプ」の管継手部Ｔと異なる部分について説明する。尚、図１に示す管継手部Ｔと機能的に同じ箇所には同じ符号を付し、その説明が為されたものとする。

第１フランジ部１Ｆは、第１排気管１の先端部に溶着等で気密状に外嵌固定される基端筒部４と、基端筒部４に続く拡径部９、拡径部９から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部６とを有して形成されている。第２排気管２は、拡径された先端管部２ｂと、この先端管部２ｂと管本体部２ａとを繋ぐテーパ管部２ｃとを有して成り、第２フランジ２Ｆは、先端管部２ｂの先端部に溶着等によって気密状の外嵌固定される胴部７と、胴部７から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部８と、胴部７から先端側に湾曲縮径されながら延長される先窄まり部５とを有して形成されている。

拡径部９は、第１排気管１の軸心Ｐと平行な筒管部９Ｂと、軸心Ｐに直交する縦管部９Ａとから成り、シール体Ａは、筒管部９Ａに内嵌する外周面１２と、縦管部９Ｂに内接する側端面１１とを有して拡径湾曲部５に内嵌収容されている。側端面１１に当接する縦管部９Ａの内面９ａが「他方のフランジ面９ａ」に相当している。先窄まり部５の外周面５ａ（一方のフランジ面５ａの一例）は第２排気管２の管軸心Ｚ上に中心Ｘを有する半径ｒの凸球面状外周面に形成されており、その凸球面状外周面５ａに相対角度変位可能に当接する凹球面状内周面を呈する摺動面１１がシール体Ａに形成されている。つまり、シール体Ａの内周面が摺動面１１に形成され、かつ、第２フランジ２Ｆの外周面９ａが、摺動面１１に相対角度変位可能に当接する凸球面状外周面に形成されている。

つまり、実施例２のシール体Ａは、図６（ａ），（ｂ）に示すように、筒管部９Ａに内嵌される外周面１２と、縦管部９Ｂに軸心Ｚ方向で面当接する側端面１１と、フランジ面９ａに球面当接する摺動面１０とを有する環状のシールリングに構成されている。そして、図示は省略するが衝動面１０及び側端面１０には潤滑材１７が塗布されている。

１ 流体移送用管
２ 流体移送用管
５ａ フランジ面
９ａ フランジ面
１０ 摺動面
１１ 側端面
１７ 潤滑材
Ａ 管継手用シール体
Ｚ 軸心
Ｔ 管継手部

Claims (3)

1. 互いに対向配備される一対の流体移送用管のフランジ面どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部を構成すべく環状に形成される管継手用シール体であって、
   前記一対の流体移送用管どうしの角度変位を可能とすべく一方の前記フランジ面に球面当接する摺動面と、他方の前記フランジ面と前記摺動面の軸心方向で当接する側端面とを備えるとともに、前記側端面に潤滑材が塗布されている管継手用シール体。
2. 前記側端面に塗布される潤滑材と、前記摺動面に付与される潤滑材とが互いに同じものである請求項１に記載の管継手用シール体。
3. 前記潤滑材が、フッ素樹脂と窒化ホウ素との混合物で成るものである請求項１又は２に記載の管継手用シール体。

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