JP2020079631A

JP2020079631A - ガスケット

Info

Publication number: JP2020079631A
Application number: JP2018213787A
Authority: JP
Inventors: 俊英飯田; Shunei Iida; 貴之岸本; Takayuki Kishimoto; 清志戸矢▲崎▼; Kiyoshi Toyazaki
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2018-11-14
Publication date: 2020-05-28
Anticipated expiration: 2038-11-14
Also published as: JP7090017B2

Abstract

【課題】高いシール性と共に高い復元性を兼ね備えることにより、熱、振動、衝撃に起因するシール部の歪みにかかわらず、シール性を十分に高く維持可能なガスケットを提供する。【解決手段】ガスケットは、渦巻状に巻かれたシール材を有する。このシール材は、径方向において交互に積層された軟質マイカ層と硬質マイカ層とを含む。これらは、基層の両面に積層されており、この基層が渦巻状に巻かれた後に軸方向にプレスされることで、環状に成型されている。【選択図】図２

Description

本発明はシール技術に関し、特にガスケットの構造に関する。

静止した部材間のシールにはガスケットが用いられる。特に、化学工場、発電所、製鉄所等の施設、および自動車等の内燃機関とその排気管系統では、水、油、水蒸気、ガス等の流体が高温高圧の状態になるので、ガスケットが耐えるべき状況は過酷である。この過酷な状況でのシールに使用されるガスケットの材料としては、耐熱性に優れたマイカが採用される（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。

マイカは軟質マイカ（金雲母、KMg₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂）と硬質マイカ（白雲母、KAl₂(AlSi₃)O₁₀(OH)₂）とに大別される。軟質マイカは、耐熱性、シール性に優れ、硬質マイカは電気絶縁性に優れる。したがって、ガスケットには多くの場合、軟質マイカが利用される（たとえば、特許文献１参照）。軟質マイカを利用したガスケットは一般に渦巻形である。渦巻形ガスケットとは、軟質マイカ等のシール材（フィラー）がバインダー（アクリル系、またはシリコーン系接着剤）と共にシート状に形成され、このシートが渦巻状に巻かれて径方向に多層化され、環状に成型されたものをいう（たとえば、特許文献２参照）。

特開平０２−１９５０７７号公報国際公開第２０１６／１２５４８６号

自動車の排気管等、内燃機関の排気系統が含む配管は一般に、排気ガスからは高熱を受け、エンジン等からは、振動、衝撃を受け続ける。したがって、これらの配管の接続部に使用されるフランジには、面開き等、熱、振動、衝撃に起因する歪みが経時的に増大しやすい。接続部の歪みに追従する復元性能がガスケットには求められる。すなわち、接続部の熱歪み等に応じてガスケットが変形して、自身のシール性を保持する必要がある。しかし、軟質マイカは、シール性こそ高いものの、復元性が比較的低い。その結果、歪みが過大な場合、軟質マイカを利用した従来のガスケットではシール性を十分に高く維持することが困難である。

本発明の目的は上記の課題を解決することであり、特に、高いシール性と共に高い復元性を兼ね備えることにより、熱、振動、衝撃に起因する接続部の歪みにかかわらず、シール性を十分に高く維持可能なガスケットを提供することにある。

本発明の１つの観点におけるガスケットは、渦巻状に巻かれたシール材を有する。このシール材は、径方向において交互に積層された軟質マイカ層と硬質マイカ層とを含む。

シール材は、少なくとも内周部に金属箔を有してもよい。シール材は、径方向において最も内側に軟質マイカ層を含んでもよい。シール材は、表面に軟質マイカが積層され、裏面に硬質マイカが積層された基層を含んでもよい。この基層は、渦巻状に巻かれた後に軸方向にプレスされることで、環状に成型されていてもよい。

本発明による上記のガスケットでは、シール性の高い軟質マイカと復元性の高い硬質マイカとが交互に層を成している。この構造によりこのガスケットは、高いシール性と共に高い復元性を兼ね備える。その結果、このガスケットは、熱、振動、衝撃に起因する接続部の歪みの経時的な増大にかかわらず、シール性を十分に高く維持することができる。

（ａ）は、自動車の排気管の模式図である。（ｂ）は、その排気管に含まれるフランジ接続部の断面図である。（ａ）は本発明の実施形態によるガスケットの平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は、（ａ）の示す直線ｃ−ｃに沿った断面図である。（ａ）は、帯状のシール材が渦巻状に巻かれた状態を示す斜視図である。（ｂ）はこのシール材の一例の展開図であり、（ｃ）は別例の展開図である。（ａ）は、図１の（ｂ）が示すガスケット２５の近傍の、熱歪み発生前における拡大断面図である。（ｂ）は、この近傍の、熱歪み発生後における拡大断面図である。（ａ）は、ガスケットのシール性と復元性とを測定する装置の模式図である。（ｂ）は、シール材が軟質マイカ層のみを含むガスケットＩ、硬質マイカ層のみを含むガスケットＩＩ、および軟質マイカと硬質マイカとの積層構造を含むガスケット２５のそれぞれについて、（ａ）の装置を用いた測定で得られた漏れ量と復元量との値を示す表である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［ガスケットの使用形態］
図１の（ａ）は、自動車の排気管の模式図である。自動車１０のエンジン１１は、空気にガソリンを混ぜて燃焼させ、その際に膨張する混合気の圧力を機械的動力へ変換している。燃焼後の混合気１３はエンジン１１から排気管１２を通して外気へ排出される。排気管１２は一般に、エンジン１１との接続部を始め、複数の継手を含む。これらの継手には通常、フランジ接続が利用される。

図１の（ｂ）は、排気管１２に含まれるフランジ接続部の断面図である。「フランジ接続部」とは次のような配管の接続構造をいう。接続対象の配管２１、２２の開口部には、「フランジ」と呼ばれる“つば”（内径が配管の開口部と等しく、外径が配管よりも大きい環状部材）２３、２４が同軸に設けられている。一方の配管２１のフランジ２３（以下、「第１フランジ」と呼ぶ。）と他方の配管２２のフランジ２４（以下、「第２フランジ」と呼ぶ。）とは、間にガスケット２５を挟んだ状態でボルト２６とナット２７とによって締結されている。ガスケット２５は、シール材を環状に成型したものであり、第１フランジ２３の表面に刻まれた環状の溝の中に埋め込まれている。シール材には、配管２１、２２を通る流体に対する封止能力、すなわちシール性の高い物質が選択される。自動車１０の排気管１２、特にエンジン１１との接続部には燃焼直後の高温（摂氏８００度程度）のガス１３が流れるので、耐熱性の高いシール材がガスケット２５には求められる。

［ガスケットの構造］
図２の（ａ）は本発明の実施形態によるガスケット２５の平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は、（ａ）の示す直線ｃ−ｃに沿った断面図である。ガスケット２５は薄い円環形状である。シール材には軟質マイカ（金雲母、KMg₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂）に加え、硬質マイカ（白雲母、KAl₂(AlSi₃)O₁₀(OH)₂）が含まれており、特に図２の（ｃ）が示すように、それぞれが独立な層３１、３２を成す。軟質マイカ層３１と硬質マイカ層３２とは、ガスケット２５の径方向（図２の（ｃ）では横方向）において交互に並んでいる。マイカ層３１、３２の間はシリコーン樹脂系接着剤（図は示していない）等のバインダーによって結合されている。さらに、ガスケット２５の内周側には、マイカ層３１、３２の間に金属箔３３が挿入されている。金属箔３３はたとえばステンレス箔であり、マイカの積層構造を補強し、ガスケット２５全体の円環形状を保持する役割を果たす。

［ガスケットの製造方法］
図３の（ａ）は、帯状のシール材が渦巻状に巻かれた状態を示す斜視図である。ガスケット２５は渦巻形に属し、帯状のシール材３０を用いて、たとえば、次のように製造される。シール材３０はたとえば、軟質マイカペーパー３１と硬質マイカペーパー３２とを１枚ずつ互いに貼り合わせたものを基層として含む。「マイカペーパー」とは、マイカの原鉱を粉砕して抄造したものをいう。軟質マイカペーパー３１と硬質マイカペーパー３２とは厚みが等しい。シール材３０の帯は、軟質マイカ層３１を内側にして渦巻状に、たとえば３重に巻かれ、円環形状の金型の中に嵌め込まれた後、軸方向に加圧される（プレス成型）。その結果、シール材３０の全体が円環形状に固められ、内部では軟質マイカ層３１と硬質マイカ層３２とが、ガスケット２５の軸方向（図２の（ｃ）では上下方向）においてジグザグ形状に折れ曲がる。この折れ曲がりによりマイカ層３１、３２の間が強固に結合され、シール材３０の全体が所望の円環形状を保持する。

図３の（ｂ）はシール材３０の一例の展開図であり、（ｃ）は別例の展開図である。軟質マイカ層３１と硬質マイカ層３２とのジグザグ形状は、プレス成型時に金属箔３３の折れ曲がりに各マイカ層３１、３２が追従することで生じる。金属箔３３は、図３の（ｂ）が示すように、帯状のシール材３０のうち、渦巻状に巻かれた際に内側に位置する端部において、軟質マイカペーパー３１の上に重なっている。この状態でシール材３０が渦巻状に巻かれると、金属箔３３の上に硬質マイカペーパー３２が重なる。こうして、金属箔３３は軟質マイカペーパー３１と硬質マイカペーパー３２との間に挟まれている。金属箔３３はその他に、図３の（ｃ）が示すように、シール材３０の全長にわたってマイカペーパー間に挟まれていてもよい。なお、金属箔３３の存在でガスケット２５のシール性と復元性とが損なわれないように、マイカ層３１、３２に対する金属箔３３の質量比は制限される。たとえば金属箔３３がステンレス箔である場合、軟質マイカペーパー３１および硬質マイカペーパー３２の合計質量が金属箔３３の質量の３倍以上に制限される。したがって、図３の（ｂ）のように端部にのみ含まれる金属箔３３よりも、図３の（ｃ）のように全長にわたって含まれる金属箔３３の方が、軸方向（図では上下方向）において狭い。

［復元性の必要性］
図４の（ａ）は、図１の（ｂ）が示すガスケット２５の近傍の、熱歪み発生前における拡大断面図である。排気管１２の温度が十分に低い間、ボルト２６とナット２７との間の締結圧により、２枚のフランジ２３、２４は隙間なく接触し、ガスケット２５は第１フランジ２３の溝の中に押し込められている。これにより、ガスケット２５と第２フランジ２４との間のシール性は十分に高い。

図４の（ｂ）は、図１の（ｂ）が示すガスケット２５の近傍の、熱歪み発生後における拡大断面図である。エンジン１１の稼動に伴って排気管１１に高温のガスが流れている間、そのガスの放出する熱で配管２１、２２には熱膨張が生じる。エンジン１１の停止によって排気管１２へのガスの流入が止まると、配管２１、２２が冷却に伴って収縮する。この熱膨張と冷却による収縮との繰り返しに起因して配管２１、２２には一般に熱歪みが生じる。この熱歪みを始め、エンジン１１の発する振動、または自動車１０が走行中に外部から受ける振動、衝撃に起因する配管２１、２２の変形が過大な場合、フランジ２３、２４の間隔が開き、隙間４０が生じる（面開き）。この隙間４０の出現に伴ってガスケット２５と第２フランジ２４との間の接触圧が過剰に下がれば、ガスに対するシール性が損なわれる。これを防ぐ目的でガスケット２５は高い復元性を備えている。復元性とは、外圧を受けて変形している状態から、その外圧の減少に応じて元の形へ戻る能力をいう。図４の（ａ）のようにフランジ２３、２４が隙間なく接触している場合、ガスケット２５は第２フランジ２４からの圧力でガスケット２５の軸方向に縮んでいる。熱、振動、衝撃に起因する配管２１、２２の歪みに伴ってフランジ２３、２４の間に図４の（ｂ）のような面開きが生じた場合でも、ガスケット２５の復元性が十分に高ければ、ガスケット２５は第２フランジ２４からの圧力の低下に応じて軸方向に膨張し、第１フランジ２３の溝からはみ出して第２フランジ２４との接触圧を十分に高いレベルに保持する。こうして、フランジ２３、２４の間の面開きにかかわらず、ガスケット２５と第２フランジ２４との間のシール性が十分に高く維持される。

［シール性と復元性との両立］
ガスケット２５は、図２の（ｃ）が示すように、軟質マイカ層３１に加えて硬質マイカ層３２を含む。この２層構造によりガスケット２５は、以下に述べるように、高いシール性に加えて十分に高い復元性を発揮する。

図５の（ａ）は、ガスケットのシール性と復元性とを測定する装置の縦断面図である。この装置は、加圧台５０、フランジ接続部５１、５２、ガスケット５３、および密閉枠５４を備えている。加圧台５０は、２枚の平坦な鋼板５０１、５０２が上下方向に間隔を開けて水平に支持されたものである。この間隔は可変であり、その変化量が２台のダイヤルゲージ５０３で測定可能である。フランジ接続部５１、５２は加圧台５０の２枚の鋼板５０１、５０２の間に挟まれている。下側のフランジ５１には、側面から上面へ貫通する流路５１１が設けられている。この流路５１１は流量計（たとえばマスフローメーター）を通してコンプレッサに接続されている。このコンプレッサから圧縮空気が流量計と流路５１１とを通してフランジ接続部５１、５２の隙間へ送り込まれる。ガスケット５３はフランジ接続部５１、５２の隙間に挟まれて、下側のフランジ５１の上面に刻まれた環状の溝の中に埋め込まれている。ガスケット５３の上面は下側のフランジ５１の上面よりも高く設計されているので、上側のフランジ５２はガスケット５３の上面にのみ接触し、下側のフランジ５１の上面から離れている。密閉枠５４は環状部材であり、フランジ接続部５１、５２の隙間の周りを囲んでいる。密閉枠５４とフランジ接続部５１、５２との間にはＯリング（図は示していない。）が挟まれており、フランジ接続部５１、５２の隙間からの圧縮空気の漏れを防いでいる。密閉枠５４には径方向の貫通孔（図は示していない）が１つ開けられている。フランジ接続部５１、５２の隙間から漏れた圧縮空気はこの貫通孔のみを通して外気へ逃げるように設計されている。

シール性の測定は次の手順で行われる。フランジ接続部５１、５２がクランプ（図は示していない。）によって一定の圧力で締結される。下側のフランジ５１の流路５１１を通してコンプレッサからフランジ接続部５１、５２の隙間へ圧縮空気が送られ、その隙間に一定の圧力が一定時間加えられる。この間に隙間からガスケット５３を通して圧縮空気が漏れると、その流量（漏れ量）が流量計によって測定される。

復元性の測定は次の手順で行われる。まず、加圧台５０の２枚の鋼板５０１、５０２をプレス機で加圧することにより、フランジ接続部５１、５２に対して軸方向に一定の圧力が一定時間加えられる。これによりガスケット５３が軸方向に圧縮される。その後、その圧力が除去されるとガスケット５３が膨張し、それに伴って加圧台５０の上側の鋼板５０１が持ち上げられる。この上昇量、すなわちガスケット５３の復元量がダイヤルゲージ５０３を用いて測定される。

図５の（ｂ）は、シール材が軟質マイカ層のみを含むガスケットＩ、硬質マイカ層のみを含むガスケットＩＩ、および軟質マイカと硬質マイカとの積層構造を含むガスケット２５のそれぞれについて、図５の（ａ）の装置を用いた測定で得られた漏れ量と復元量との値を示す表である。ガスケットＩ、ＩＩ、２５のそれぞれについて５種類のサンプルが製造され、各サンプルについて漏れ量と復元量とが測定された。ガスケットＩはサンプル間での漏れ量の平均値が１０ｃｃ／分未満に抑えられたが、復元量の平均値が０．１ｍｍ未満でしかなかった。ガスケットＩＩはサンプル間での漏れ量の平均値が約２００ｃｃ／分に達し、ガスケットＩの１０倍以上であった。これは、ガスケットＩＩがガスケットＩよりもシール性が低いことを表す。しかし、その反面、ガスケットＩＩはサンプル間での復元量の平均値が約０．１４ｍｍに達し、ガスケットＩの２倍程度であった。これは、ガスケットＩＩがガスケットＩよりも復元性が高いことを表す。すなわち、硬質マイカは軟質マイカと比べ、シール性は劣るものの、復元性は優れる。本発明の実施形態によるガスケット２５は、サンプル間での漏れ量の平均値が約４０ｃｃ／分であり、復元量の平均値が約０．１４ｍｍであった。すなわち、ガスケット２５は、シール性がガスケットＩには及ばないものの、ガスケットＩＩよりは十分に高く、復元性がガスケットＩＩと同程度に高い。これは、軟質マイカと硬質マイカとの２層構造が、軟質マイカの高いシール性に加えて、硬質マイカの高い復元性を兼ね備えていることを表す。

［実施形態の利点］
本発明の上記の実施形態によるガスケット２５は、シール性の高い軟質マイカと、復元性の高い硬質マイカとの両方を含み、特にそれぞれが交互に層３１、３２を成している。この２層構造によりこのガスケット２５は高いシール性に加えて、高い復元性を兼ね備える。その結果、このガスケット２５は、熱、振動、衝撃に起因する配管２１、２２の変形に伴ってフランジ２３、２４の間に面開きが生じても、それに追従して膨張することで第２フランジ２４との接触圧を維持し、シール性を十分に高く維持することができる。

［変形例］
（１）図３の（ａ）が示す帯状のシール材３０は、軟質マイカペーパー３１と硬質マイカペーパー３２とを１枚ずつ互いに貼り合わせたものである。本発明の実施形態によるシール材はこの構造には限らず、軟質マイカ層と硬質マイカ層とが独立に含まれる構造であってそれぞれの利点、シール性と復元性とが十分に高く発揮されるものであればよい。たとえば、軟質マイカ層と硬質マイカ層とがガスケット２５の径方向において、１層ずつ交互に配置される代わりに、たとえば一方が３層重ねられるごとに他方が２層重ねられるというように、軟質マイカ層と硬質マイカ層との間での層数の比率が１：１以外に設定されてもよい。その他に、軟質マイカと硬質マイカとの間でマイカペーパーの厚みが異なっていてもよい。

（２）図３の（ｂ）、（ｃ）が示すシール材３０は、補強材として金属箔３３を含む。その他に、マイカペーパーだけでも十分な強度と形状の精度とが維持できる場合は、金属箔３３が省略されてもよい。

２５ガスケット
３０シール材
３１軟質マイカ層
３２硬質マイカ層
３３金属箔

Claims

渦巻状に巻かれたシール材を有するガスケットであって、
前記シール材は、
径方向において交互に積層された軟質マイカ層と硬質マイカ層
を含むガスケット。
前記シール材は、少なくとも内周部に金属箔を有する
請求項１に記載のガスケット。
前記シール材は、径方向において最も内側に軟質マイカ層を含む
請求項１または請求項２に記載のガスケット。
前記シール材は、
表面に軟質マイカが積層され、裏面に硬質マイカが積層された基層
を含み、
前記基層は、渦巻状に巻かれた後に軸方向にプレスされることで、環状に成型されている
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載のガスケット。