JP2022052300A - ガスケット、およびフィラーと金属薄帯との間の結合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤を使うことなく、フィラーに金属薄帯を結合させることができるガスケットを提供する。【解決手段】ガスケットは、シート状のフィラー３１と、それに重ね合わされた金属薄帯３２とを含む。フィラーに金属薄帯が重なった部分には穴３３が貫通している。その穴の縁の一部からバリ３５がフィラーの表面に沿って伸びている。シート状のフィラーに金属薄帯を結合させる方法は、フィラーに金属薄帯を重ね合わせる段階と、フィラーに金属薄帯が重なった部分に穴を開ける段階と、穴から突出しているバリを折り返してフィラーの表面に押し付ける段階とを備えている。【選択図】図４

Description

本発明はガスケットに関し、特にフィラーに金属薄帯を結合させる方法に関する。

ガスケットとは、流体を扱う設備において、主に静止している部品間の隙間を埋めてその隙間からの流体の漏れを防ぐ、すなわちシールに利用される部品をいう。流体を扱う設備には、たとえば、化学工場、発電所、製鉄所、半導体工場、医薬工場、食料工場等の配管設備、自動車等の内燃機関とその排気系統が含まれる。これらの設備で扱われる流体には、たとえば、水、水蒸気、油、薬品、食品、排ガスが含まれる。

ガスケットの中には、その材料、すなわちシール材が主に充填材（フィラー）と金属薄帯とで構成されているものがある。フィラーは、金属よりは軟質の材料である。フィラーには、マイカ、膨張黒鉛、フッ素樹脂、タルク、またはセピオライト等、漏れを防ぐべき流体の特性に応じてその流体に対する封止能力、すなわちシール性の高い物質が採用される。金属薄帯はフィラーの強度を補ってガスケットの構造を保持する。金属薄帯には、ステンレス鋼、銅、またはアルミニウム等が含まれる。

上記のガスケットはフィラーと金属薄帯とから、たとえば次のように製造される（たとえば特許文献１、２参照）。まず、シート状のフィラーに金属薄帯を重ねて接着剤で貼り合わせる。これにより、帯状のシール材が形成される。次に、帯状のシール材を数回巻いて渦巻状にし、円環状の金型の中に収めて軸方向に加圧する。これにより、シール材が円環状に成形される。続いて、円環状のシール材を電気炉で焼成させる。こうして、円環状のガスケットが完成する。

特開２０２０－０７９６３１号公報 特開２０１９－１００４３２号公報 特開平７－１０３１９５号公報 特開２００４－０１９７３９号公報

ガスケットの上記の製造方法において製造コストを削減するには、フィラーと金属薄帯との貼り合わせにおける接着剤の使用を避けることが望ましい。接着剤自体にコストがかかるのみならず、接着剤を乾燥させる工程に専用の設備と時間とが必要だからである。

フィラーに金属薄帯を貼り合わせる工程自体は不可欠である。この工程により、帯状のシール材が金型へ投入される際にフィラーから金属薄帯が剥がれにくいので、シール材を金型へ正確に投入することが容易となる。

接着剤を使わずに金属板を別の金属板に重ねて貼り合わせる方法については、たとえば特許文献３、４に開示された方法が知られている。特許文献３に開示された方法は、金属板の一方の突起を他方の孔へ挿入した後、その突起を押圧変形させて孔の周囲の傾斜部に押し込む。特許文献４に開示された方法は、３枚の金属板を重ねてプレスすることで、共通の塑性変形部であるカシメ部を形成する。いずれの方法も貼り合わせる対象が厚みのある塑性の高い金属板同士に限られるので、非金属であって塑性に欠けるフィラーを、厚みに上限のある金属薄帯に重ねて貼り合わせるのには適切ではない。

本発明の目的は上記の課題を解決することであり、特に、接着剤を使うことなく、フィラーに金属薄帯を結合させることができるガスケットを提供することにある。

本発明の１つの観点によるガスケットは、シート状のフィラーと、それに重ね合わされた金属薄帯とを含む。フィラーに金属薄帯が重なった部分には穴が貫通している。その穴の縁の一部からバリがフィラーの表面に沿って伸びている。フィラーに金属薄帯が重なった部分に貫通している穴が複数であってもよい。いずれの穴からもバリが同じ方向へ伸びていてもよい。

本発明の別の観点による、シート状のフィラーに金属薄帯を結合させる方法は、フィラーに金属薄帯を重ね合わせる工程と、フィラーに金属薄帯が重なった部分に穴を開ける工程と、穴から突出しているバリを折り返してフィラーの表面に押し付ける工程とを備えている。穴を開ける工程ではフィラーと金属薄帯とが、非軸対称な先端面を含むパンチで打ち抜かれてもよい。

本発明による上記のガスケットでは、フィラーに金属薄帯が重なった部分を貫通する穴からバリがフィラーの表面に沿って伸びている。ここで、本願の明細書に記載されている「バリ」とは、フィラーに金属薄帯が重なった部分に穴が開けられた場合、その穴の中のフィラーと金属薄帯とがその穴の縁から突出した状態でその穴の縁に残ったものをいう。たとえばフィラーと金属薄帯との２層構造に穴が金属薄帯側から開けられた場合、その穴からはバリがフィラー側へ突出する。このバリがフィラーの表面に向かって折り返されると、バリの含む金属薄帯の塑性により、バリがフィラーの表面上に押し付けられた形で残る。こうして金属薄帯が穴を通して反対側へ伸びてフィラーの表面に引っ掛かるので、接着剤を使用しなくてもフィラーに金属薄帯を固定することができる。

好ましくは、バリが穴の縁の全体からではなく、一部から伸びている。この構造は、フィラーと金属薄帯とに穴を開ける際、たとえば、非軸対称な先端面を含むパンチでフィラーと金属薄帯とを打ち抜くことで形成される。バリを穴の縁の一部に残すことにより、穴が複数であっても、いずれの穴にも実質的に同形同サイズのバリを安定に残すことができる。さらに、これらのバリをローラーで連続して押しつぶすことも容易であるので、バリを折り返す作業が簡単化される。この簡単化の結果、いずれの穴からもバリが同じ方向へ伸びているという構造が得られる。

（ａ）は、自動車の排気系統が含むフランジ接続部の断面図であり、（ｂ）は、そのフランジ接続部が含む本発明の実施形態によるガスケットの平面図である。 （ａ）は、成形される前のシール材の斜視図である。（ｂ）は、シール材の片面における穴の形状を示す拡大平面図であり、（ｃ）は、シール材の反対側の面におけるその穴の形状を示す拡大平面図である。 ガスケットの製造方法のフロー図である。 図３の示す貼付工程のラインの模式図である。 （ａ）は、シール材を貫く直前の第１パンチを示す縦断面図である。（ｂ）は、シール材に先端面を接触させた第１パンチを示す縦断面図である。（ｃ）は、シール材を貫通した第１パンチを示す縦断面図である。

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。
［ガスケットの用途］

本発明の実施形態によるガスケットは、たとえば自動車の排気系統においてシールに利用される。その他に、化学工場、発電所、製鉄所、半導体工場、医薬工場、食料工場等の配管設備において、水、水蒸気、油、薬品等の漏れを防ぐのに利用されてもよい。

図１の（ａ）は、自動車の排気系統が含むフランジ接続部の断面図であり、（ｂ）は、そのフランジ接続部が含む本発明の実施形態によるガスケット２５の平面図である。接続対象の配管２１、２２の開口部にはフランジ２３、２４が同軸に設けられ、それらが互いに向かい合った状態で、ボルト２６とナット２７とによって締結されている。フランジ２３、２４の内側では配管２１、２２の内部空間が連通しており、そこを通して自動車のエンジンから高温（摂氏８００度程度）の排ガス１３が排出される。フランジ２３、２４の間にはガスケット２５が挟まれている。ガスケット２５は、フランジの一方２３の表面に刻まれた円環状の溝の中に埋め込まれており、フランジ２３、２４の接触面の隙間を塞いで、その隙間から排ガス１３が漏れるのを防ぐ。
［ガスケットの構造］

ガスケット２５は、たとえば図１の（ｂ）が示すような薄い円環状にシール材が成形されたものである。図２の（ａ）は、成形される前のシール材３０の斜視図である。シール材３０はたとえば帯状であり、図２の（ａ）が示すように渦巻状に巻かれてガスケット２５に成形される。これによりガスケット２５の内部では、シール材３０が複数の層を成している（図示せず）。これらの層はガスケット２５の径方向に並んでいる。

シール材３０はたとえば２枚のフィラー３１と１枚の金属薄帯３２とを含む。フィラー３１と金属薄帯３２とはいずれもシート状であり、２枚のフィラー３１の間に金属薄帯３２が挟まれている。フィラー３１と金属薄帯３２とでは幅方向の中心が一致している。

フィラー３１は、マイカ、膨張黒鉛等、耐熱性の高い非金属から成るシートであり、たとえば幅が１５ｍｍ－３５ｍｍ、厚さが０．１０ｍｍ－０．３０ｍｍである。たとえば、２枚のフィラー３１の一方が軟質マイカ（金雲母、KMg₃(AlSi₃)O₁₀(OH)₂）であり、他方が硬質マイカ（白雲母、KAl₂(AlSi₃)O₁₀(OH)₂）であるというように、２枚のフィラー３１の間で材質が異なっていてもよい。

金属薄帯３２は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム等の金属から成る帯であり、フィラー３１の強度を補ってガスケット２５の形状を保持する。フィラー３１と比べて金属薄帯３２は幅と厚さとが小さく、たとえば幅が１０ｍｍ－２０ｍｍ、厚さが０．０１ｍｍ－０．１０ｍｍである。フィラー３１と金属薄帯３２との間での寸法の違いは主に、フィラー３１に対する金属薄帯３２の質量比で決まり、その質量比は、ガスケット２５に要求されるシール性で決まる。

シール材３０のうち、フィラー３１に金属薄帯３２が重なった部分には複数の穴３３が貫通している（図２の（ａ）が示す破線で囲まれた部分参照）。穴３３は、それぞれの内径が約２ｍｍであり、シール材３０の長手方向に沿って百数十ｍｍ間隔で並んでいる。

図２の（ｂ）は、シール材３０の片面における穴３３の形状を示す拡大平面図である。各穴３３の縁は、たとえば２つの角が丸い長方形状であり、シール材３０の幅方向（図２の（ｂ）では上下方向）に対して平行な縦線部分３４、シール材３０の長さ方向（図２の（ｂ）では左右方向）に対して平行で等長な２本の横線部分３６、および横線部分３６の端点間を繋ぐ半円形の曲線部分３７から成る。なお、穴３３の縁は、図２の（ｂ）が示す形状には限られない。その曲線部分３７が、半楕円形のように定曲率ではない形状であってもよい。また、穴３３の縁は、半円形、半楕円形等、横線部分３６を含まない形状であってもよい。

図２の（ｃ）は、シール材３０の反対側の面における穴３３の形状を示す拡大平面図である。図２の（ｃ）の斜線部が示すように、穴３３の縁の縦線部分３４からはバリ３５がシール材３０の表裏いずれかのフィラー３１の表面に沿って伸びている。バリ３５は、元々は穴３３の中に詰まっていたシール材３０の部分が、穴３３から分離することなく、穴３３の縁に残ったものであり、穴３３と平面形状が実質的に等しい。バリ３５はいずれの穴３３においても、シール材３０の長手方向に沿って同じ方向へ折り返されている。シール材３０の本体と同様、バリ３５にも金属薄帯３２が含まれているので、金属薄帯３２の塑性によってバリ３５は、フィラー３１の表面に折り返された状態を保っている。バリ３５がシール材３０の表裏のいずれに残されるかは穴３３ごとに異なる。好ましくは、シール材３０の長手方向に隣接する２つの穴３３では、バリ３５の残される側が反対である。これにより、金属薄帯３２の両側にフィラー３１がしっかりと固定される。
［ガスケットの製造方法］

図３はガスケット２５の製造方法のフロー図である。ガスケット２５の製造方法は主に貼付工程と成形工程とから成り、必要に応じて焼成工程を更に含む。貼付工程では、２枚のフィラー３１と１枚の金属薄帯３２とが１本のシール材３０に貼り合わされる。成形工程では、シール材３０が帯状から円環状へと成形される。焼成工程では、円環状の成形品が電気炉で焼成される。
＜貼付工程＞

図３が示すように、貼付工程は次の３つの段階を含む。第１段階では、フィラー３１と金属薄帯３２とを重ね合わせて帯状にする。第２段階では、帯状のシール材に穴３３を開ける。第３段階では、穴３３から突出しているバリ３５をローラーで折り返す。

図４は貼付工程のラインの模式図であり、上から順に貼付工程の３つの段階を表している。図４にはシール材３０の縦断面（長手方向と厚さ方向との両方に対して平行な断面）が示されている。図４の上から下へとシール材３０が進んでいくうちに、貼付工程の各段階の処理がシール材３０に施される。

第１段階では、２枚のフィラー３１の間に１枚の金属薄帯３２が重ね合わされる。これにより、３層構造のシール材３０が帯状に形作られる。特に、フィラー３１と金属薄帯３２とは共通の長手方向（図４では下方）へ送られながら重ね合わされ、形成されたシール材３０も同じ方向へと送られる。

第２段階では、シール材３０のうちフィラー３１に金属薄帯３２が重なった部分に、穴３３が次のように開けられる。図４が示すように、帯状のシール材３０が、まず第１パンチ４１Ａと第１土台４２Ａとの間を通過し、続いて第２パンチ４１Ｂと第２土台４２Ｂとの間を通過する。通過したシール材３０の長さが所定値、たとえば百数十ｍｍに達する度に、第１パンチ４１Ａと第２パンチ４１Ｂとが交互にシール材３０を貫いて、反対側に位置する土台４２Ａ、４２Ｂの穴４４へ進入する。これにより、シール材３０には、長手方向に沿って百数十ｍｍ程度の間隔ＳＰＣで穴３３が開く。第１パンチ４１Ａと第２パンチ４１Ｂとは形状が同じであるが、シール材３０に対する配置が反対である。第１パンチ４１Ａはシール材３０にその片側（図４では右側）から穴３３を開け、第２パンチ４１Ｂは反対側（図４では左側）から穴３３を開ける。これにより、シール材３０の長手方向において隣接する２つの穴３３では、それぞれからのバリ３５の突出方向が反対である。

図５の（ａ）は、シール材３０を貫く直前の第１パンチ４１Ａを示す縦断面図（軸方向に対して平行な断面を示す図）である。第１パンチ４１Ａは、たとえば鋼鉄製のピンであり、横断面（軸方向に対して垂直な断面）が円形である（図示せず）。第１パンチ４１Ａの先端は非軸対称に尖っており、特に先端面４３が、軸方向（図５の（ａ）では上下方向）に対して傾斜した曲面である。軸方向に対する先端面４３の傾斜角は、シール材３０に最も近い先端面４３の縁４５（以下、突先と呼ぶ。）で最も小さく、シール材３０から離れるにつれて増大し、シール材３０から最も離れた先端面４３の縁４６（以下、基端と呼ぶ。）で最も大きい。先端面４３の突先４５はシール材３０の移動方向（図５の（ａ）では右方向）に対して下流側に位置し、基端４６は上流側に位置する。

図５の（ｂ）は、シール材３０に先端面４３を接触させた第１パンチ４１Ａを示す縦断面図である。第１パンチ４１Ａは先端面４３の突先４５から順にシール材３０を貫いて、第１土台４２Ａの穴４４へ進入する。これにより、シール材３０のうち第１土台４２Ａの穴４４を塞いでいた部分３５が先端面４３に沿って屈曲する。このとき、第１パンチ４１Ａの先端面４３が曲面であるので、先端面４３に沿ったシール材３０の部分３５の屈曲がスムーズに進行する。

図５の（ｃ）は、シール材３０を貫通した第１パンチ４１Ａを示す縦断面図である。第１パンチ４１Ａが先端面４３の全体を第１土台４２Ａの穴４４の中へ進入させるので、シール材３０には穴３３が開く。このとき、第１土台４２Ａの穴４４の縁のうち、シール材３０の移動方向に対して上流側（図５の（ｃ）では左側）に位置する部分４７は、第１パンチ４１Ａの側面から所定間隔ＣＬＲだけ離れている。したがって、第１パンチ４１Ａの先端面４３に沿って屈曲したシール材３０の部分３５は他の部分から分離されずに残る。こうして、シール材３０にバリ３５が形成される。特にバリ３５はシール材３０のいずれの穴３３でも、その縁のうちシール材３０の移動方向に対して上流側（図５の（ｃ）では左側）に位置する部分、すなわち図２の（ｃ）が示す縦線部分３４から伸びている。

第３段階では、シール材３０が１対のローラー４８Ａ、４８Ｂの間を通過する（図４参照）。ローラー４８Ａ、４８Ｂはいずれも同じサイズの円筒部材であり、中心軸が互いに平行であり、それぞれの側面がわずかな隙間を隔てて互いに対向している。その隙間にシール材３０を挟んだ状態でローラー４８Ａ、４８Ｂは、それぞれの中心軸のまわりを互いに反対方向へ回転する（図４が示す矢印参照）。これにより、シール材３０が一方向に（図４では上から下へ）運ばれる。

ローラー４８Ａ、４８Ｂの隙間をシール材３０が通過すると、ローラーの一方４８Ａがシール材３０の片側の表面を加圧し、他方４８Ｂがシール材３０の反対側の表面を加圧する。これにより、シール材３０の穴３３からシール材３０の表側、または裏側へ突出したバリ３５が折り返され、フィラー３１の表面に押し付けられる。シール材３０のいずれの穴３３においても、バリ３５はその穴３３の縁の縦線部分３４（図２の（ｃ）参照。）、すなわちシール材３０の移動方向（図４では下方）に対して上流側に位置する部分３４に繋がっている。したがって、シール材３０がローラー４８Ａ、４８Ｂの間を一方向に（図４では上から下へ）通過するだけで、すべてのバリ３５が連続して折り返される。バリ３５は、それが含む金属薄帯３２の塑性により、折り返された形でフィラー３１の表面に固定される。すなわち、バリ３５の中の金属薄帯３２がシール材３０の穴３３を通して片側のフィラー３１の外側へ伸びて、そのフィラー３１の表面に引っ掛かる。シール材３０の長手方向において隣接する２つの穴３３ではバリ３５の突出方向が反対であるので、金属薄帯３２はシール材３０の表裏いずれのフィラー３１にも固定される。
＜成形工程＞

図３が示すように、成形工程は次の２つの段階を含む。第１段階では、帯状のシール材３０を渦巻状にして円環状の金型（図示せず。）の中へ投入する。金型の中ではたとえば長さ約９００ｍｍのシール材３０が３重に巻かれる。したがって、金型の径方向には６つのフィラー３１の層と３つの金属薄帯３２の層とが並ぶ（図示せず）。第２段階では、金型内のシール材３０を軸方向に圧縮する。これによりシール材３０の内部では層間の境目が軸方向に対して複雑に屈曲するので、層同士がしっかりと結合する。さらに、金属薄帯３２の塑性によってシール材３０の円環形状が保持される。

金型の中では、貼付工程でシール材３０に開けられた穴３３がいずれも他の穴３３と重なっていない。これは、シール材３０の１周あたりの長さに対して穴３３の間隔ＳＰＣが調節されていることによる。いずれの穴３３も重なっていないので、これらの穴３３によって、円環状に巻かれたシール材３０の強度が実質的に低下することはない。

成形工程の第１段階では、シール材３０の各穴３３から伸びているバリ３５が金属薄帯３２をいずれのフィラー３１にもしっかりと固定している。したがって、シール材３０が金型の中へ投入される過程で大きく屈曲しても、フィラー３１が金属薄帯３２から剥がれにくい。その結果、シール材３０を金型の中へ、手早く正確に投入することができる。
＜焼成工程＞

図３が示すように、焼成工程は次の２つの段階を含む。第１段階では、円環状に成形されたシール材３０を電気炉で加熱する。第２段階では、加熱された高温の成形品をたとえば室温の環境に置いて自然冷却させる。これによりシール材３０の内部ではフィラー３１が焼成し、たとえばシール材３０が円環状を保持する機能が向上する。こうしてガスケット２５が完成する。
［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、帯状のシール材３０を円環状に成形したものである。シール材３０は、２枚のフィラー３１の間に１枚の金属薄帯３２を重ね合せたものである。フィラー３１に金属薄帯３２が重なった部分には穴３３が貫通しており、その穴３３からバリ３５がフィラー３１の表面に沿って伸びている。バリ３５は、たとえばローラー４８Ａ、４８Ｂでフィラー３１の表面に向かって折り返され、その表面上に押し付けられている。その結果、バリ３５の中に含まれる金属薄帯３２がシール材３０の穴３３を通して、シール材３０の片側に位置するフィラー３１の表面に引っ掛かる。こうして、接着剤を使用しなくてもフィラー３１に金属薄帯３２を固定することができる。

バリ３５はシール材３０の穴３３の縁の全体ではなく、一部３４から伸びている。この構造は、パンチ４１Ａ、４１Ｂの先端面４３が非軸対称であることによって形成される。バリ３５を穴３３の縁の一部３４に残すことにより、穴３３が複数であっても、いずれの穴３３にも実質的に同形同サイズのバリ３５を安定に残すことができる。さらに、これらのバリ３５をローラー４８Ａ、４８Ｂで連続して押しつぶすことも容易であるので、バリ３５を折り返す作業が簡単化される。この簡単化の結果、いずれの穴３３からもバリ３５が同じ方向へ伸びているという構造が得られる。
［変形例］

（１）本発明の上記の実施形態ではフィラー３１がマイカ、膨張黒鉛等、耐熱性の高い非金属である。フィラー３１にはその他に、漏れを防ぐべき流体の特性に応じてその流体に対するシール性の高い物質、たとえば、セピオライト、タルク、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂が採用可能である。

（２）本発明の上記の実施形態ではシール材３０が、２枚のフィラー３１の間に１枚の金属薄帯３２を含む３層構造である。シール材はその他に、１枚のフィラーと１枚の金属薄帯とを重ね合わせた２層構造であってもよい。この場合、シール材には金属薄帯の側から穴が開けられ、バリがフィラー側に突出する。

（３）本発明の上記の実施形態ではパンチ４１Ａ、４１Ｂの先端面４３が曲面である。その他に、パンチ４１Ａ、４１Ｂの先端面が、軸方向に対して傾斜した平面であってもよい。この場合でも、シール材３０が十分に薄ければ、シール材３０に穴３３をスムーズに開けることができる。

２５ ガスケット
３０ シール材
３１ フィラー
３２ 金属薄帯
３３ シール材の穴
３４ シール材の穴の縁の直線部分
３５ バリ
４１Ａ 第１パンチ
４１Ｂ 第２パンチ
４２Ａ 第１土台
４２Ｂ 第２土台
４３ パンチの先端面
４４ 土台の穴
４５ パンチの先端面の突先
４６ パンチの先端面の基端
４８Ａ、４８Ｂ ローラー

Claims (4)

1. シート状のフィラーと、
   前記フィラーに重ね合わされた金属薄帯と
   を含むガスケットであって、
   前記フィラーに前記金属薄帯が重なった部分には穴が貫通しており、
   前記穴の縁の一部からバリが前記フィラーの表面に沿って伸びている
   ことを特徴とするガスケット。
2. 前記フィラーに前記金属薄帯が重なった部分に貫通している穴が複数であり、
   いずれの穴からもバリが同じ方向へ伸びている
   ことを特徴とする請求項１に記載のガスケット。
3. シート状のフィラーに金属薄帯を結合させる方法であって、
   前記フィラーに前記金属薄帯を重ね合わせる段階と
   前記フィラーに前記金属薄帯が重なった部分に穴を開ける段階と、
   前記穴から突出しているバリを折り返して前記フィラーの表面に押し付ける段階と
   を備えた、フィラーと金属薄帯との間の結合方法。
4. 前記穴を開ける段階では、前記フィラーと前記金属薄帯とが、非軸対称な先端面を含むパンチで打ち抜かれることを特徴とする、請求項３に記載のフィラーと金属薄帯との間の結合方法。

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