JP2013064471A - 封止構造体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】挿入部材2は、第1径大円柱部21と、第1径大円柱部21よりも外径が小さい第1径小円柱部22と、第1径大円柱部21と第1径小円柱部22との段差により形成される第1段差部23と、を有し、被挿入部材3は、内径が第1径大円柱部21の外径に対応する第2径大円筒部31と、内径が第1径小円柱部22の外径に対応する第2径小円筒部32と、第2径大円筒部31と第2径小円筒部32との段差により形成される第2段差部33と、を有し、第1径小円柱部22の外周面と、第1段差部23の外面と、第2径大円筒部31の内周面と、第2段差部33の内面と、によりOリング4を収容する収容領域が形成されることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
例えば、水素タンクは外形が円柱状であり、当該水素タンクの一端には円筒状の口金部(被挿入部材)が形成され、当該口金部にバルブボディ(挿入部材)が挿入される。なお、口金部の内周面には雌ネジ部が形成され、バルブボディの外周面には雄ネジ部が形成されており、口金部とバルブボディとが螺合により組み付けられる。そして、口金部とバルブボディとの間には環状の収容領域が設けられ、当該収容領域に、水素の漏洩を防止するためのOリングが装着される。また、口金部とバルブボディとの隙間にOリングが食い込んで損傷することを防ぐために、前記収容領域内にバックアップリングが設けられること場合もある。
例えば、特許文献2に記載の密封装置(封止構造体)では、図7(a)に示すように、軸(挿入部材)8に環状の取付溝13が設けられ、当該取付溝13にOリング10と2つのバックアップリング11,12が装着され、ハウジング(被挿入部材)9に挿入されることにより組み付けられる構成となっている。
つまり、図7(b)に示すように、前記密封装置の軸8をハウジング9に取り付ける際、軸8の外周面とハウジング9の内周面とが接触する可能性が高くなる。図7(b)に示すように、軸8をハウジング9に挿入する際には、ハウジング9の内周面Sの部分と、軸8の外周面とが接触することにより、軸8の外周面及びハウジング9の内周面Sが損傷してしまう可能性が高い。そうすると、Oリング10が装着される収容領域F1のうちハウジング9の内周面に相当する部分も損傷されることになる。したがって、Oリング10による封止が十分に行われないため、流体の漏れが生じてしまうという問題がある。
図1は、本実施形態に係る封止構造体の分解斜視図であり、図2は、中心軸を含む平面により切断した場合の断面図である。図1に示すように、封止構造体1は、挿入部材2と、被挿入部材3と、Oリング4と、第1バックアップリング5と、第2バックアップリング6と、を備えている。
封止構造体1は、例えば、水素と酸素とを電極反応させることにより発電する燃料電池(図示せず)に対して、水素を供給する水素タンク(タンク室体3a:図1参照))の口金部(被挿入部材3)、及び、当該口金部に螺合されるバルブボディ(挿入部材2)として、これらを組み合わせた際の隙間を封止するために設けられるが、これに限らない。
なお、以下の記載では、挿入部材2が被挿入部材3に同心的に組み付けられた状態における中心軸を、「中心軸X」と称する。
図1に示すように、挿入部材2は、径大円柱部21と、径小円柱部22と、段差部23と、を有している。
径大円柱部21(第1径大円柱部)は外形が円柱形状を呈し、外径L21(図2参照)となっている。そして、径大円柱部21の端部(組み付けの際に、被挿入部材2と対向する端部とは逆側の端部)には、挿入部材2を被挿入部材3と螺合させるための雄ネジ部24が設けられている。
また、径小円柱部22(第1径小円柱部)は外形が円柱形状を呈し、径大円柱部21と一体に形成され、外径L22(図2参照)となっている。ここで、径大円柱部21の外径L21は、径小円柱部22の外径L22よりも大きくなるように設計されている。
テーパ面23a(第1テーパ面)は、被挿入部材3への組み付け方向に向けて(図1では左向きである挿入方向に)次第に径小となるように傾斜している。また、外壁面23b(第1外壁面)は、テーパ面23から径方向外向きに延在した円環状の面となっている。
例えば、挿入部材2が、燃料電池(図示せず)に水素を供給する水素タンク(タンク室体3a)の口金部(被挿入部材3)を塞ぐバルブボディとして機能する場合には、次のような構成が追加されることとなる。すなわちこのような場合、挿入部材2には、ソレノイドを用いた電磁弁(図示せず)や、外部から水素タンクに水素を充填する、又は、水素タンクから燃料電池に水素を供給するための水素流路(図示せず)が設けられる。
図1に示すように、被挿入部材3は内部に流体が充填されるタンク室体3a(充填室体)と一体に形成されており、径大円筒部31と、径小円筒部32と、段差部33と、を有している。ちなみに、タンク室体3a内の圧力は、流体の充填時には高圧となり、流体の放出時には低圧となる。したがって、挿入部材2と被挿入部材3とを組み付けた際に形成される収容領域Fにおいては、流体の充填時にはタンク室体3aと一体に形成されている被挿入部材3側が相対的に高圧となり、流体の放出時には挿入部材2側が相対的に高圧となるため、いわゆる交番圧力がかかることとなる。なお、収容領域Fについては後記する。
したがって、径大円柱部21の外周面と径大円筒部31の内周面との間、及び、径小円柱部22の外周面と径小円筒部32の内周面との間には、わずかな環状の隙間(図5(a)の隙間Y1,Y2参照)が生じることとなる。
テーパ面33a(第2テーパ面)は、挿入部材2が組み付けられる方向に向けて(図1では左向きに)次第に径小となるように傾斜している。また、内壁面33b(第2内壁面)は、テーパ面33aから径方向内向きに延在した円環状の面となっている。
図1に示すように、Oリング4は、外部から押圧されていない状態においては中心軸Xを含む平面で切断した場合の断面が円形のリング状であり、ゴム状の弾性材料からなる。
Oリング4の外径L42(図2参照)は、挿入部材2の径大円柱部21の外径L21よりもわずかに大きくなるように設計されている(図2参照)。また、Oリング4の内径L41は、挿入部材2の径小円柱部22の外径L22よりもわずかに小さくなるように設計されている(図2参照)。
すなわち、径大円柱部21の外径L21と、径小円柱部22の外径L22との差(L21−L22)は、Oリング4の断面円の直径(L42−L41)よりも小さくなっている。これにより、Oリング4は、挿入部材2と被挿入部材3とが組み付けられた状態において、径小円柱部22の外周面を径方向内向きに押圧するとともに、径大円筒部33の内周面を径方向外向きに押圧するので、挿入部材2と被挿入部材3との隙間を良好にシールすることができる。
図2に示すように、第1バックアップリング5は無端リングであり、側断面(中心軸Xを含む平面で切断した場合の断面)が台形となっている。また、第1バックアップリング5は、その内側(中心軸Xに向かう側)に斜面51を有している。
なお、バックアップリング6についても前記と同様のことがいえる。
これによって、挿入部材2が被挿入部材3に組み付けられた場合に、第1バックアップリング5の挿入部材2側の端部が、挿入部材2の外壁面23bに当接する前にテーパ面23aに当接することとなるため、挿入部材2の外壁面23bとの間に隙間が形成されることとなる(図5(a)の距離L72参照)。
すなわち、第1バックアップリング5を挿入側(図2では右側)から見た場合の面(環状の平面)と、斜面51(図2参照)とがなす角度θ5(図5(a)参照)と、挿入部材2の径小円柱部22からテーパ面23aが開いている角度θ2との和が90°となるように設計されている(θ2+θ5=90°)。
これにより、挿入部材2と被挿入部材3とが組み付けられた状態において、充填室体3aが高圧となった場合に、バックアップリング5がOリング4を軸方向に押圧され、Oリング4が挿入部材2の外周面側、又は、被挿入部材3の内周面側に偏って変形することを防止することができる。
なお、被挿入部材3の段差部33の外面と、第2バックアップリング6との対向面との関係についても前記と同様のことがいえる。
図2に示すように、第2バックアップリング6は無端リングであり、側断面が台形のとなっている。また、第2バックアップリング6は、その外側(中心軸Xから遠い側)に斜面61を有している。なお、第2バックアップリング6は、前記した第1バックアップリング5の場合と同様に、比較的硬質のポリアミド樹脂などで形成される。
これによって、被挿入部材3が挿入部材2に組み付けられた場合に、第2バックアップリング6の被挿入部材3側の端部が、被挿入部材2の外壁面33bに当接する前にテーパ面33aに当接することとなるため、第2バックアップリング6の被挿入部材3側の端部と、被挿入部材3の外壁面33bとの間に隙間が形成されることとなる(図5(a)の距離L71参照)。
すなわち、第2バックアップリング6を被挿入側(図2では左側)から見た面(環状の平面)と、斜面61(図2参照)とがなす角度θ6(図5(a)参照)と、被挿入部材2の径大円筒部31からテーパ面33aが狭くなっている角度θ3との和が90°となるように設計されている(θ3+θ6=90°)。
(1.Oリング及び各バックアップリングの装着)
挿入部材2を被挿入部材3に挿入する前に、まず、図3に示すように、第1バックアップリング5の孔に挿入部材2を貫通させて挿入する。そして、第1バックアップリング5の斜面51(図2参照)を挿入部材2のテーパ面23a(図2参照)に当接させる。このとき、前記したように、第1バックアップリング5の挿入部材2側の端部と、挿入部材2の壁面23bとは隙間を有している(図5(a)の距離L72参照)。
前記したように、挿入部材2の径小円柱部22(図2参照)の外径L22は、被挿入部材3の径大円筒部31(図2参照)の内径L31よりも小さくなるように設計されている。したがって、図3に示すように、挿入部材2の径小円柱部22が、被挿入部材3の径大円筒部31の内周面によって囲まれる空間に入るときには、挿入部材2と被挿入部材3との間には、径方向において距離(L31−L22)の余裕ができる。
つまり、図3の状態で、挿入部材2と被挿入部材3の位置関係が多少ずれて、各部剤の中心軸が一致しなくとも、挿入部材2と被挿入部材3とが接触する虞は極めて小さい。つまり、挿入部材2の径小円柱部22の外周面と、被挿入部材3の径大円筒部31の内周面とが損傷しにくくなる。
したがって、図4(a)の状態から、挿入部材2を被挿入部材3に挿入していくと、Oリング4は、挿入部材2の径小円柱部22の外周面と、被挿入部材3の径大円筒部31の内周面との間隔に規制されて押圧され、弾性変形する。このとき、挿入部材2の径小円柱部22の外周面が、径方向外向きにOリング4を押圧する力の大きさは、Oリング4と径小円柱部22との接触面(環状の接触面)において均一となる。同様に、被挿入部材3の径大円筒部31が径方向内向きにOリング4を押圧する力の大きさは、Oリング4と径大円筒部31との接触面(環状の接触面)において均一となる。
したがって、図4(a)に示す状態から、挿入部材2をさらに被挿入部材3に挿入していく際に、挿入部材2の中心軸と被挿入部材3の中心軸とがずれにくくなるとともに、Oリング4がガイドの役割を果たすこととなる。
この場合、挿入部材2の径小円柱部22の端部が、被挿入部材3の径小円筒部32の挿入側の端部に到達する前に、径大円柱部21(図2参照)の被挿入部材3側の端部が、径大円筒部31の内周面によって囲まれる空間内に入る。
このように、中心軸が略一致されてセンタリングされつつ、さらに、挿入部材2を被挿入部材3に挿入していくと、挿入部材2の径小円柱部22の端部が、被挿入部材3の径小円筒部32に囲まれる空間に入る。このとき、前記のように挿入部材2と被挿入部材3とがセンタリングされているため、径小円柱部22の外周面が、径小円筒部32の内周面を損傷することなくスムーズに組み付けを行うことができる。
図4(b)に示すように、挿入部材2が被挿入部材3に組み付けられた状態において、径小円柱部22の外周面と、段差部23の外面と、径大円筒部31の内周面と、段差部33の内面と、によりOリング4を収容する収容領域Fが形成される。そして、当該収容領域F内において、第1バックアップリング5と第2バックアップリング6との間にOリング4が装着されることとなる。
図5(a)は、図4(b)に示す領域Tの部分拡大図である。
Oリング4の充填率α[%]は、以下の式(1)で求められる。なお、式(1)において、S1(図5(a)参照)は、挿入部材2と被挿入部材3とを組み付けた状態で、中心軸Xを含む平面で切断した場合の収容領域Fの面積である。また、S5は第1バックアップリング5の断面である台形の面積であり、S6は第2バックアップリング6の断面である台形の面積である。また、Rは外部から押圧されていない状態において、Oリング4を中心軸Xで切断した場合の断面円の半径である。
α=(πR2/(S1−S5−S6))×100 ・・・式(1)
図5(a)に示すように、径大円柱部21の外周面と径大円筒部31の内周面との間、及び、径小円柱部22の外周面と径小円筒部32の内周面との間には、わずかな環状の隙間Y1,Y2が存在する。
また、図5(a)に示すように、第1バックアップリング5の挿入部材2側の端部と、挿入部材2の外壁面23bとは所定距離L72を有し、第2バックアップリング6の被挿入部材3側の端部と、被挿入部材3の内壁面33bとは所定距離L71を有する。
また、前記したように、図5(a)に示すθ2とθ5との和、及び、θ3とθ6との和は、それぞれ90°となっている。
なお、前記では、挿入部材2側から圧力Pが加わった場合について説明したが、充填室体3a内の圧力が相対的に高圧となって被挿入部材3側から圧力が加わった場合には、第2バックアップリング5が挿入部材2の方(低圧側)に、その圧力に応じて移動する。この場合の説明は前記と同様であるから省略する。
このような本実施形態に係る封止構造体1によれば、次の効果が得られる。
すなわち、挿入部材2の径小円柱部22の外径よりも被挿入部材3の径大円筒部31の内径のほうが大きいため、挿入部材2を被挿入部材3に挿入する際に、挿入部材2の径小円柱部22を被挿入部材3の径大円柱部31に接触(損傷)させることなく、容易に挿入することができる。
また、前記の状態から、挿入部材2を被挿入部材3にさらに挿入すると、被挿入部材3の径大円柱部31の端部が、挿入部材2に装着されているOリング4に接触する。ここで、Oリング4は弾性部材で形成されているため、Oリング4が被挿入部材3の径大円筒部31の端部及び内周面に接触しても、それらを損傷することがない。
なお、挿入部材2側が高圧となった場合における、第2バックアップリングの作用についても前記と同様のことがいえる
仮に、有端のバックアップリングを用いて高圧ガスの封止を行う場合には、その切断部からのガス漏れを防ぐとともに、Oリング4の損傷を防ぐため、硬質材の有端バックアップリングと軟質材の有端バックアップリングとを使用した二重のバックアップリングとする必要が生じる。この場合には、封止構造体が複雑化するとともにコストがかかってしまう。
一方、本実施形態に係る封止構造体1によれば、前記のように無端のバックアップリング5,6を使用できるため、二重のバックアップリングとする必要がない。したがって、簡単な構成で高い封止性能を発揮することができるとともに、封止構造体の製造コストを削減することができる。
また、圧力変化に伴うOリング4の変形量を緩和させ、封止に必要となるOリング4の弾性力を十分に保つことができるとともに、Oリング4の寿命を長くすることができる。
さらに、Oリング4の充填率αを所定値以上とすることにより、Oリング4の材質の適用範囲を広げることができる。
そして、当該硬質のバックアップリング5,6は、収容領域Fにかかる圧力に伴ってそれぞれテーパ面23a,33aを摺動しつつ密着するため(図5(b)参照)、流体が隙間Y1,Y2(図5(a)参照)から漏れることを確実に防止することができる。
以上、本発明に係る封止構造体について、前記実施形態により説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
例えば、図6(a)に示すように、第1バックアップリング5Aの挿入部材2A側の端面と外壁面23b(図2参照)との間、及び、第2バックアップリング6Aの被挿入部材3A側の端面と内壁面33b(図2参照)との間に隙間を設けない構成としてもよい。
また、図6(b)に示すように、第1バックアップリング5B及び第2バックアップリング6Bの断面を直角三角形とし、各直角三角形の斜辺が挿入部材2に形成されたテーパ面と、被挿入部材3に形成されたテーパ面に、それぞれ当接する構成としてもよい。
図6(a)〜(c)の場合でも、挿入部材を被挿入部材に容易に組み付けることができるとともに、挿入部材及び被挿入部材の損傷を防止することができる。また、Oリングを挟んで2つのバックアプリングが存在するため、交番圧力がかかっても適切に封止するとともに、Oリングの損傷を防止することが可能である。
なお、図5(a)、図6(a)〜(d)のうち、封止構造体としてどの構成を採用するかは、収容領域Fにかかる圧力の大きさなどを考慮して適宜選択すればよい。
2,2A,2B,2C,2D 挿入部材
21 径大円柱部(第1径大円柱部)
22 径小円柱部(第1径小円柱部)
23 段差部(第1段差部)
23a テーパ面(第1テーパ面)
23b 壁面(第1壁面)
3,3A,3B,3C,3D 被挿入部材
3a タンク室体(充填室体)
31 径大円筒部(第2径大円筒部)
32 径小円筒部(第2径小円筒部)
33 段差部(第2段差部)
33a テーパ面(第2テーパ面)
33b 壁面(第2壁面)
4,4A,4B,4C,4D Oリング
5,5A,5B,5C,5D 第1バックアップリング
6,6A,6B,6C,6D 第2バックアップリング
X 中心軸
F 収容領域
Claims (5)
- 外形が円柱状の挿入部材と、
内部に流体が充填される充填室体と一体に形成され、前記挿入部材が挿入される円筒状の被挿入部材と、
前記挿入部材と前記被挿入部材との間に設けられ、流体をシールするOリングと、を備え、
前記挿入部材は、第1径大円柱部と、前記第1径大円柱部と一体に形成され、前記第1径大円柱部よりも外径が小さい第1径小円柱部と、前記第1径大円柱部と前記第1径小円柱部との段差により形成される第1段差部と、を有し、
前記被挿入部材は、内径が前記1径大円柱部の外径に対応する第2径大円筒部と、前記第2径大円筒部と一体に形成され、内径が前記第1径小円柱部の外径に対応する第2径小円筒部と、前記第2径大円筒部と前記第2径小円筒部との段差により形成される第2段差部と、を有し、
前記挿入部材の前記第1径小円柱部の端部と、前記被挿入部材の前記第2径大円筒部の端部とを対向させた状態から、前記挿入部材を前記被挿入部材に挿入して同心的に組み付けた状態において、
前記第1径小円柱部の外周面と、前記第1段差部の外面と、前記第2径大円筒部の内周面と、前記第2段差部の内面と、により前記Oリングを収容する収容領域が形成されること
を特徴とする封止構造体。 - 前記収容領域内で前記挿入部材側に配置され、軸方向における前記Oリングの移動を規制する第1バックアプリングと、
前記収容領域内で前記被挿入部材側に配置され、軸方向における前記Oリングの移動を規制する第2バックアップリングと、を備え、
前記第1段差部の外面に対する前記第1バックアップリングの対向面は、前記第1段差部の外面に対応するように形成され、
前記第2段差部の内面に対する前記第2バックアップリングの対向面は、前記第2段差部の内面に対応するように形成されていること
を特徴とする請求項1に記載の封止構造体。 - 前記第1段差部の外面は、前記被挿入部材への組み付け方向に向けて次第に径小となるように傾斜した第1テーパ面を有し、
前記第2段差部の内面は、前記組み付け方向に向けて次第に径小となるように傾斜した第2テーパ面を有すること
を特徴とする請求項2に記載の封止構造体。 - 前記第1段差部は、前記第1テーパ面から径方向外向きに延在する第1外壁面を有し、
前記第2段差部は、前記第2テーパ面から径方向内向きに延在する第2内壁面を有し、
前記挿入部材を前記被挿入部材に挿入して同心的に組み付けた状態において、前記第1バックアップリングと前記第1外壁面との間、及び、前記第2バックアップリングと前記第2内壁面との間に隙間が設けられること
を特徴とする請求項3に記載の封止構造体。 - 軸を含む平面で切断した場合の前記Oリングの断面積、前記第1バックアップリングの断面積、及び前記第2バックアップリングの断面積と、前記第1径小円柱部の外径と、前記第2径大円筒部の内径と、前記収容領域の軸方向の長さとを、前記Oリングの充填率が所定値以上となるように設定されていること
を特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の封止構造体。
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