JP2014114878A

JP2014114878A - シール構造

Info

Publication number: JP2014114878A
Application number: JP2012269326A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Nomichi; 薫野道; Yutaka Suzuki; 豊鈴木; Makoto Ninomiya; 誠二宮
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-26
Also published as: WO2014091930A1

Abstract

【課題】シールリングの食い込み損傷を防ぐことができて低コストなシール構造を提供する。
【解決手段】シール構造は、第１環状溝３に取り付けられた第１シールキット５を備え、第１シールキット５の軸方向の一方側が、上記第１シールキットの軸方向の他方側よりも低圧になる。第１シールキット５は、第１シールリング５１と、第１シールリング５１の低圧側に配置されていると共に、周方向において切断端面がなくて連続し、熱可塑性エラストマーからなる第１バックアップリング５２と、第１バックアップリング５２の低圧側に配置されていると共に、熱可塑性エラストマー材よりも硬い材料からなる第２バックアップリング５３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池の水素ガスの充填、貯蔵または供給システムの構成機器などに使用されるシール構造に関する。

従来、シール構造としては、特開１１−７２１６２号公報(特許文献１)に開示されたものがある。このシール構造は、図２に示すように、シールリング１０１と、このシールリング１０１の低圧側に配置された第１バックアップリング１０２と、この第１バックアップリング１０２の低圧側に配置された第２バックアップリング１０３とを備え、軸１０４とハウジング１０５の間をシールする。

上記第１バックアップリング１０２の材料はＰＴＦＥ(４フッ化エチレン樹脂)であり、第１バックアップリング１０２の弾性率はゴムの弾性率よりも高い。このため、上記第１バックアップリング１０２を径方向に引き延ばして、軸１０４の外周面の環状溝１０６に取り付けるのは困難である。特に、上記環状溝１０６への第１バックアップリング１０２の取り付けは、第１バックアップリング１０２のサイズが小さいと困難である。

したがって、上記第１バックアップリング１０２の一部をバイアスカットして、環状溝１０６への第１バックアップリング１０２の取り付けを容易にしている。

特開１１−７２１６２号公報

ところで、上記従来のシール構造では、第１バックアップリング１０２の一部をバイアスカットで切断しているので、第１バックアップリング１０２の周方向では切断端面が形成されている。このため、上記シールリング１０１に高圧が繰り返し作用することで、図３に示すように、第１バックアップリング１０２のシールリング１０１側の表面において、上記切断端面近傍の部分が塑性変形してしまう恐れがある。

したがって、上記切断端面近傍の部分が塑性変形した場合、シールリング１０１が上記切断端面近傍の部分に食い込んで損傷する可能性がある。

すなわち、上記従来のシール構造には、いわゆる食い込み損傷の発生の可能性があるという問題がある。

上記食い込み損傷を回避する方法としては、第１バックアップリング１０２の換わりに、バイアスカットされてないエンドレス形状のバックアップリングを用いる方法が考えられる。

しかしながら、上記エンドレス形状のバックアップリングは、径方向へ引き延ばしが極めて困難となるため、図４の第１軸部材２０１および第２軸部材２０２を用いる必要が生じてしまう。

上記第１軸部材２０１および第２軸部材２０２を用いる場合、第２軸部材２０２の環状溝２０３にエンドレス形状のバックアップリング(図示せず)を取り付けた後、第２軸部材２０２に第１軸部材２０１を例えばネジで固定しなければならなくなって、コストが高くなってしまう。

また、上記切断端面近傍の部分へのシールリング１０１の食い込み量が大きくなると、シール機能が低下するという問題も生じてしまう。

そこで、本発明の課題は、シールリングの食い込み損傷を防ぐことができて低コストなシール構造を提供することにある。

なお、上記エンドレス形状とは、バックアップリングの周方向において端部が無い形状を意味する。

上記課題を解決するため、本発明のシール構造は、
軸の外周面とこの軸の周囲のハウジングの内周面との一方に第１環状溝が設けられ、上記軸と上記ハウジングの間にできる環状空間をシールするシール構造において、
上記第１環状溝に取り付けられた第１シールキットを備え、
上記第１シールキットの軸方向の一方側が、上記第１シールキットの軸方向の他方側よりも低圧になり、
上記第１シールキットは、
第１シールリングと、
上記第１シールリングの低圧側に配置されていると共に、周方向において切断端面がなくて連続し、熱可塑性エラストマーからなる第１バックアップリングと、
上記第１バックアップリングの低圧側に配置されていると共に、上記熱可塑性エラストマー材よりも硬い材料からなる第２バックアップリングと
を有することを特徴としている。

上記構成によれば、上記第１バックアップリングは周方向において切断端面がなくて連続しているので、つまり、第１バックアップリングはエンドレス形状であるので、第１シールリングが第１バックアップリングの第１シールリング側の表面に当接しても、第１シールリングに食い込み損傷が生じるのを防ぐことができる。

また、上記第１シールリングの食い込み損傷を防ぐことができるので、第１シールリングのシール寿命を延ばすことができる。

また、上記第１バックアップリングは周方向において切断端面がなくて連続していているが、第１バックアップリングが熱可塑性エラストマーからなるので、図４の第１軸部材２０１および第２軸部材２０２を軸として用いなくても、第１環状溝に第１バックアップリングを容易に取り付けることができる。したがって、上記第１軸部材２０１および第２軸部材２０２を用いる場合よりもコストを下げることができる。

また、上記第１シールリングに高圧が繰り返し作用すると、第１シールリングは変形動作を繰り返すため、第１シールリングの第１バックアップリング側の表面に摩滅が生じる。このとき、上記第１バックアップリングが熱可塑性エラストマーからなるので、第１バックアップリングを例えばＰＴＦＥで構成するときよりも、第１シールリングの第１バックアップリング側の表面における摩滅を少なくすることができる。

また、上記第１シールリングの第１バックアップリング側の表面に生じる摩滅を少なくできるので、第１シールリングのシール寿命をさらに延ばすことができる。

また、上記第１バックアップリングはエンドレス形状であるが、第１バックアップリングが熱可塑性エラストマーからなり、第２バックアップリングは熱可塑性エラストマーよりも硬い材料からなるので、ハウジングと軸との間を埋めるように第１バックアップリングを拡径させることができる。したがって、上記第１シールリングの低圧側へのはみ出しを確実に防ぐことができる。

一実施形態のシール構造では、
上記軸の外周面と上記ハウジングの内周面との一方には、上記第１環状溝よりも低圧側に位置する第２環状溝が設けられ、
上記第２環状溝に取り付けられた第２シールキットを備え、
上記第２シールキットは、上記第１シールリングよりもガス透過性が大きい第２シールリングを有する。

上記実施形態によれば、上記第１環状溝よりも低圧側の第２環状溝に第２シールキットを取り付けているので、第１シールキットから低圧側に例えば水素ガスが漏れたとしても、水素ガスが第２シールキットよりも低圧側へ漏れるのを防ぐことができる。

また、上記第２シールリングのガス透過性は第１シールリングのガス透過性よりも大きいので、第１シールキットと第２シールキットの間の圧ごもりを防ぐことができる。

一実施形態のシール構造では、
上記第１シールリングはエチレンプロピレンゴムで形成され、
上記第２シールリングはシリコン系ゴムで形成されている。

上記実施形態によれば、上記シリコン系ゴムからなる第２シールリングは、エチレンプロピレンゴムからなる第１シールリングが弾性を失うような低温環境下(例えば、−６０℃)でも弾性が低下せず、シール性を確保することができるため、シール構造全体としてガスのリークを適切に防止することができる。

本発明のシール構造は、第１シールキットは、第１シールリングの低圧側に配置されていると共に、周方向において切断端面がなくて連続する第１バックアップリングを有するので、第１シールリングに食い込み損傷が生じるのを防ぐことができる。

また、上記第１シールリングの食い込み損傷を防ぐことができるので、第１シールリングのシール寿命を長くすることができる。

また、上記第１バックアップリングが熱可塑性エラストマーからなるので、軸およびハウジングの構造を複雑にしなくても、第１環状溝に第１バックアップリングを容易に取り付けることができる。その結果、コストを下げることができる。

また、上記第１バックアップリングが熱可塑性エラストマーからなるので、第１シールリングの第１バックアップリング側の表面における摩滅を少なくすることができる。

また、上記第１シールキットは、第１バックアップリングの低圧側に配置されていると共に、熱可塑性エラストマー材よりも硬い材料からなる第２バックアップリングを有するので、ハウジングと軸との間を埋めるように第１バックアップリングを拡径させることができる。したがって、上記第１シールリングの低圧側へのはみ出しを確実に防ぐことができる。

図１は本発明の一実施形態のシール構造の要部の模式断面図である。図２は従来のシール構造の要部の断面図である。図３は上記従来のシール構造の課題を説明するための模式図である。図４は上記従来のシール構造の課題を説明するための他の模式図である。

以下、本発明のシール構造を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態のシール構造の要部を軸方向に平行な面で切った断面を模式的に示す図である。

上記シール構造は、軸１の外周面１ａと、この軸１の周囲のハウジング２の内周面２ａとの間にできる環状空間７をシールするものである。より詳しくは、上記シール構造は、軸１の外周面１ａの第１環状溝３に取り付けられた第１シールキット５と、第２環状溝４に取り付けられた第２シールキット６とを備え、燃料電池の水素ガスの充填、貯蔵または供給システムの構成機器に使用される。この水素ガスにより、第１シールキット５の図中右側(第２シールキット６側とは反対側)が図中左側よりも高圧となる。

上記第１シールキット５は、第１シールリング５１と、第１シールリング５１の低圧側に配置された第１バックアップリング５２と、第１バックアップリング５２の低圧側に配置された第２バックアップリング５３とを有する。

上記第１シールリング５１は、繰り返し圧力による耐圧力性を高くする観点上、例えばＥＰＤＭ(エチレンプロピレンゴム)で形成されている。このＥＰＤＭは、高温側の使用限界温度が＋１５０℃であり、低温側の使用限界温度が−５０℃である。すなわち、ＥＰＤＭの使用可能温度は−５０℃〜＋１５０℃の範囲内である。また、ＥＰＤＭのガス透過係数は、水素ガス温度が３０℃で、２５×１０^−１２ｍ^２／ｓである。また、ＥＰＤＭの耐強度(引張強さ)は２０ＭＰａである。

上記第１バックアップリング５２の内周面および外周面は、軸方向に略平行な円筒面となっている。また、第１バックアップリング５２は、バイアスカットされておらず、周方向において切断端面がなくて連続する形状、つまり、いわゆるエンドレス形状を有している。また、上記第１バックアップリング５２は例えばウレタン系の熱可塑性エラストマーからなっている。この熱可塑性エラストマーは、架橋ゴム材料と樹脂材料の中間的な弾性を有するものである。また、上記熱可塑性エラストマーの硬度は、JIS A(デューロメータＡ)９０〜９６が好適である。

上記第２バックアップリング５３の内周面は、第１環状溝３の底面３１のテーパ面３１ｂに対応するテーパ面となっている。一方、第２バックアップリング５３の外周面は、軸方向に略平行な円筒面となっている。また、第２バックアップリング５３は、第１バックアップリング５２と異なり、一部がバイアスカットされている。そして、第２バックアップリング５３は、上記熱可塑性エラストマー材よりも硬い材料からなっている。この材料の具体例としては、例えばＰＥＥＫ樹脂やナイロン樹脂などの硬質材がある。

上記第１環状溝３の底面３１は、軸方向に略平行な円筒面３１ａと、高圧側から低圧側に向かって徐々に拡径するテーパ面３１ｂとなっている。この円筒面３１ａには、第１シールリング５１の内周部と第１バックアップリング５２の内周面が全周に渡って密接する。一方、テーパ面３１ｂには、第２バックアップリング５３の内周面が全周に渡って密接する。

上記ハウジング２の内周面２ａのうち第１環状溝３に対応する部分は、軸方向に略平行な円筒面である。この円筒面には、第１シールリング５１の外周部、第１シールリング５１の内周部、および、第２シールリング６１の内周部が全周に渡って密接する。

上記第２シールキット６は、第２シールリング６１と、第２シールリング６１の低圧側に配置された第３バックアップリング６２と、第３バックアップリング６２の低圧側に配置された第４バックアップリング６３とを有している。

上記第２シールリング６１は、合成ゴムの中で最も、低温側および高温側の使用温度範囲が広く、第１シールリング５１のＥＰＤＭよりもガス透過性が大きいシリコン系ゴムで形成されている。このシリコン系ゴムは、高温側の使用限界温度が＋２５０℃であり、低温側の使用限界温度が−８０℃である。すなわち、シリコン系ゴムの使用可能温度は−８０℃〜＋２５０℃の範囲内である。また、シリコン系ゴムのガス透過係数は、水素ガス温度が３０℃で、５００×１０^−１２ｍ^２／ｓである。また、シリコン系ゴムの耐強度(引張強さ)は９ＭＰａである。

上記第３バックアップリング６２は、第１バックアップリング５２と同様に、内周面および外周面が軸方向に略平行な円筒面であり、エンドレス形状を有する。また、第３バックアップリング６２の材料はウレタン系の熱可塑性エラストマーである。

上記第４バックアップリング６３は、第２バックアップリング５３と同様に、内周面が第２環状溝４の底面４１のテーパ面４１ｂに対応するテーパ面の内周面を有する。また、第４バックアップリング６３の外周面は軸方向に略平行な円筒面である。そして、第４バックアップリング６３は、一部がバイアスカットされており、上記熱可塑性エラストマー材よりも硬い材料からなっている。この材料の具体例としては、例えばＰＥＥＫ樹脂やナイロン樹脂などの硬質材がある。

上記第２環状溝４の底面４１は、軸方向に略平行な円筒面４１ａと、高圧側から低圧側に向かって徐々に拡径するテーパ面４１ｂとなっている。この円筒面４１ａには、第１シールリング５１の内周部と第１バックアップリング５２の内周面が全周に渡って密接する。一方、テーパ面４１ｂには、第２バックアップリング５３の内周面が全周に渡って密接する。

上記構成のシール構造によれば、第１バックアップリング５２はエンドレス形状であるので、第１シールリング５１が第１バックアップリング５２の第１シールリング５１側の表面に当接しても、第１シールリング５１に食い込み損傷が生じるのを防ぐことができる。

また、上記第１バックアップリング５２と同様に、上記第３バックアップリング６２もエンドレス形状であるので、第２シールリング６１が第１バックアップリング５２の第１シールリング５１側の表面に当接しても、第１シールリング５１に食い込み損傷が生じるのを防ぐことができる。

このように、上記第１シールリング５１および第２シールリング６１の食い込み損傷を防ぐことができるので、第１シールリング５１および第２シールリング６１を長寿命化できる。

また、上記第１バックアップリング５２および第３バックアップリング６２はエンドレス形状であるが、第１バックアップリング５２および第３バックアップリング６２が熱可塑性エラストマーからなるので、軸１を複数の部材で構成しなくても、第１環状溝３に第１バックアップリング５２を容易に取り付けることができると共に、第２環状溝４に第２バックアップリング５３を容易に取り付けることができる。したがって、上記軸１を複数の部材で構成する場合よりもコストを下げることができる。

また、上記第１バックアップリング５２および第３バックアップリング６２が熱可塑性エラストマーからなるので、第１バックアップリング５２および第３バックアップリング６２を例えばＰＴＦＥで構成するときよりも、第１シールリング５１の第１バックアップリング５２側の表面における摩滅を低減できると共に、第２シールリング６１の第３バックアップリング６２側の表面における摩滅を低減できる。

このように、上記第１シールリング５１および第２シールリング６１の摩滅を低減できるので、第１シールリング５１および第２シールリング６１をさらに長寿命化できる。

また、上記第１シールキット５では、第１バックアップリング５２が熱可塑性エラストマーからなると共に、第２バックアップリング５３は上記熱可塑性エラストマーよりも硬い材料からなっている。したがって、ハウジング２の内周面２ａに第１バックアップリング５２の外周部が密接するように、第１バックアップリング５２を拡径させることができる。その結果、第１シールリング５１の低圧側へのはみ出しを確実に防ぐことができる。

また、上記第１シールキット５と同様に、第２シールキット６でも、第３バックアップリング６２が熱可塑性エラストマーからなると共に、第４バックアップリング６３は上記熱可塑性エラストマーよりも硬い材料からなっている。したがって、ハウジング２の内周面２ａに第１バックアップリング５２の外周部が密接するように、第１バックアップリング５２を拡径させることができる。その結果、第２シールリング６１の低圧側へのはみ出しを確実に防ぐことができる。

また、上記第１環状溝３よりも低圧側の第２環状溝４に第２シールキット６を取り付けているので、第１シールキット５から低圧側に水素ガスが漏れたとしても、水素ガスが第２シールキット６よりも低圧側へ漏れるのを防ぐことができる。

また、上記第２シールリング６１のガス透過性は第１シールリング５１のガス透過性よりも大きいので、第１シールキット５と第２シールキット６の間の圧ごもりを防ぐことができる。

また、上記シール構造の使用環境温度範囲(−４０℃〜＋９０℃)では、高圧側に配置されているＥＰＤＭ製の第１シールリング５１でガスシールを確実に行うことができる。

また、上記シール構造の使用環境温度範囲が極低温(−６０℃)では、低圧側に配置されているシリコン系ゴム製の第２シールリング６１でガスシールを確実に行うことができる。

したがって、上記第１シールリング５１をＥＰＤＭで形成すると共に、第２シールリング６１をシリコン系ゴムで形成するので、水素ガス温度が高温(＋９０℃)、低温(−４０℃)および極低温(−６０℃)になっても、優れたシール性能を発揮できる。

最近では、燃料電池の航続距離を延ばすため、燃料を貯蔵する水素ガスタンクの圧力をより３５ＭＰａから７０ＭＰａにアップすることが主流となっている。７０ＭＰａの水素ガスが急激に減圧されると、減圧膨張が生じて局所的にガス温度が極低温まで低下することがある。このような場合に、シリコン系ゴムからなる第２シールリング６１は、ＥＰＤＭからなる第１シールリング５１が弾性を失うような低温環境下(例えば、−６０℃)でも弾性が低下せず、シール性を確保することができるため、シール構造全体としてガスのリークを適切に防止することができる。したがって、本実施形態のシール構造は燃料電池の航続距離を延ばす上で極めて有益である。

上記実施形態では、ウレタン系の熱可塑性エラストマーからなる第１バックアップリング５２を用いていたが、スチレン系、オレフィン系、塩ビ系、エステル系またはアミド系等の熱可塑性エラストマーからなる第１バックアップリング５２を用いてもよい。この第１バックアップリング５２も、上記実施形態と同様に、JIS A(デューロメータＡ)９０〜９６の硬度のものが好適である。

上記実施形態では、シール構造は、第１シールキット５および第２シールキット６を備えていたが、第１シールキット５および第２シールキット６のうち第１シールキット５のみを備えるようにしてもよい。

上記実施形態では、軸１の外周面１ａに第１環状溝３を設け、この第１環状溝３に第１シールキット５を取り付けていたが、ハウジング２の内周面２ａに第１環状溝を設け、この第１環状溝に第１シールキット５を取り付けてもよい。

上記実施形態では、軸１の外周面１ａに第２環状溝４を設け、この第２環状溝４に第２シールキット６を取り付けていたが、ハウジング２の内周面２ａに第２環状溝を設け、この第２環状溝に第２シールキット６を取り付けてもよい。

上記実施形態では、ＥＰＤＭからなる第１シールリング５１を用いていたが、例えば、ＩＩＲ(ブチルゴム)、ＦＫＭ(フッ素ゴム)などのゴム材料からなる第１シールリングを用いてもよい。

上記実施形態では、シリコン系ゴムからなる第２シールリング６１を用いていたが、例えば、ＳＢＲ(スチレンブタジエンゴム)、ＣＲ(クロロプレンゴム)などのゴム材料からなる第２シールリングを用いてもよい。ただし、上記第２シールリングのゴム材料は、第１シールリングよりもガス透過性が大きいものである。

本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記実施形態と上述の変形例とを適宜組み合わせたものを、本発明の一実施形態としてもよい。

１軸
１ａ外周面
２ハウジング
２ａ内周面
３第１環状溝
４第２環状溝
５第１シールキット
６第２シールキット
７環状空間
５１第１シールリング
５２第１バックアップリング
５３第２バックアップリング
６１第２シールリング
６２第３バックアップリング
６３第４バックアップリング

Claims

軸の外周面とこの軸の周囲のハウジングの内周面との一方に第１環状溝が設けられ、上記軸と上記ハウジングの間にできる環状空間をシールするシール構造において、
上記第１環状溝に取り付けられた第１シールキットを備え、
上記第１シールキットの軸方向の一方側が、上記第１シールキットの軸方向の他方側よりも低圧になり、
上記第１シールキットは、
第１シールリングと、
上記第１シールリングの低圧側に配置されていると共に、周方向において切断端面がなくて連続し、熱可塑性エラストマーからなる第１バックアップリングと、
上記第１バックアップリングの低圧側に配置されていると共に、上記熱可塑性エラストマー材よりも硬い材料からなる第２バックアップリングと
を有することを特徴とするシール構造。
請求項１に記載のシール構造において、
上記軸の外周面と上記ハウジングの内周面との一方には、上記第１環状溝よりも低圧側に位置する第２環状溝が設けられ、
上記第２環状溝に取り付けられた第２シールキットを備え、
上記第２シールキットは、上記第１シールリングよりもガス透過性が大きい第２シールリングを有することを特徴とするシール構造。
請求項２に記載のシール構造において、
上記第１シールリングはエチレンプロピレンゴムで形成され、
上記第２シールリングはシリコン系ゴムで形成されていることを特徴とするシール構造。