JP3074057B2 - 管接続部の密封装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，排気マニホル
ド，ターボチャージャ，排気管等の流体を流す管体を互
いに接続する管接続部の密封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に，自動車用エンジンから排出さ
れる排気ガスは，排気管を通じて大気中に放出される
が，排気系の途中には，排気マニホルド，排気管，排気
エネルギーで駆動されるタービンを備えたターボチャー
ジャ，排気ガス中に含まれる一酸化炭素，窒素酸化物等
の有害物質を無害化処理するための触媒コンバータ，ハ
イドロカーボンを燃焼させるアフタバーナ，排気ガスに
よって発生する騒音を減衰させる消音器等が設けられて
いる。また，排気マニホルド，排気管等の流体を流す管
体を互いに接続する管接続部にはシールリングが設けら
れ，管接続部における気密保持が図られている。

【０００３】従来，このような管接続部に適用されるシ
ールリングとして，実開平２−９３７４号公報に開示さ
れてものがある。シールリング３６は，図１１に示すよ
うに，円輪状の金属薄板を丸めて円形断面を有する環状
に形成した中空環３７と，中空環３７内に充填した非耐
熱性物質を含むガスケット材３８とから構成されてい
る。

【０００４】図９及び図１０に示すように，一方の管３
２のフランジ３４面を平面に形成し，他方の管３１のフ
ランジ３３面に環状溝３５を形成し，環状溝３５からシ
ールリング３６の一部が環状溝３５から突出する状態に
嵌入し，この状態で両者の管３１，３２のフランジ３
３，３４を互いに整合させてボルトとナットを用いて緊
締することによって両管３１，３２は気密が保持された
状態で互いに連結される。この時，両フランジ間でシー
ルリングは弾性的に圧縮されて環状溝に押し込まれ，両
フランジ面は殆ど密着した状態になり，この状態で両フ
ランジの気密性は，フランジに形成した環状溝から突出
しようとするシールリングのばね作用によってシールリ
ングがフランジ面に強く押し付けることで維持されてい
る。

【０００５】しかしながら，排気マニホルドの出口管と
ターボチャージャの入口管とを連結する管接続部は，使
用状態において高温度（例えば，７５０℃以上）にな
り，その高温部位の管接続部に使用されるシールリング
は，高温度に晒されることになる。従って，従来のシー
ルリングを使用した場合には，金属製のシールリングの
内部に充填されたガスケット材は，該ガスケット材中に
含まれている結合材の有機成分が熱分解し，或いは熱分
解で飛散し，それに伴ってガスケット材の体積が減少す
る現象が発生する。上記のようなガスケット材を充填し
たシールリングを，両管のフランジ面に挟んでボルトと
ナットで連結した場合には，ガスケット材が熱負荷を受
けてガスケット材の体積が減少すると，シールリングの
弾性圧縮力が小さくなり，管接続部の当接面のシール性
が低下する。

【０００６】また，ガスケット材を充填したシールリン
グを両管のフランジ面に挟んでボルトとナットで連結し
た管接続部について，該管接続部のフランジ面が使用温
度の高温度と常温との繰り返しの熱負荷を受けた場合
に，両フランジ面には歪みが発生し，フランジ面が変形
し，シールリングが良好に当接することができず，管接
続部のシール性は更に低下することになる。

【０００７】また，特公昭６２−２１８８号公報には，
排気ターボチャージャフランジの接合に使用されるシー
ル部材が開示されている。該シール部材は，充填材と該
充填材を包む中空リング状で且つリング周方向に沿って
両端合わせ目を有する金属ジャケットとを有し，金属ジ
ャケットを二重又は三重にし，各ジャケットの両端合わ
せ目を互いにずらしたものである。該シール部材は，金
属ジャケットの合わせ目を互いにずらすことによって，
シールすべき媒体や空気が金属ジャケットの間隙から侵
入してくるのをかなり防止することができるが，大きな
熱負荷を受ける部位で使用するシール部材としては，こ
れも完全なものとはいえず，結局，充填材が酸化等によ
って変質し，シール性が低下するという問題を完全に解
決するものではない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように，前掲実
開平２−９３７４号公報或いは前掲特公昭６２−２１８
８号公報に開示された従来のシールリングは，どちらも
高温と大きな熱負荷を受けて変質する可能性のある材料
を使用している点で根本的に問題がある。

【０００９】そこで，従来のように有機成分を含む熱影
響を受け易いガスケット材を一切使用しないで，熱影響
を受けない耐熱材料，例えば，セラミックを使用してシ
ールリングを作ることが考えられる。しかし，その際，
どのようにして耐熱材料製のシールリングにばねとして
の機能を持たせるかが課題となる。単にシールリングを
一枚の皿ばねで構成するだけでは，一対の管体を緊締し
た時の皿ばねの変形量が大き過ぎて，皿ばねに無理な力
がかかり，皿ばねを損傷するおそれがあるので，大きな
熱負荷がかかる使用条件の下では，耐久性の点で問題が
残る。従って，いくつかの皿ばねを適当に組み合わせる
ことによって，皿ばね自体の変形量は小さいが，シール
リングとしては十分な変形量が得られるようにして，十
分なばね力を発揮することができるシールリングを得る
必要がある。

【００１０】この発明の目的は，上記の課題を解決し，
管体間に配置するシールリングを軸方向に偏倚した截頭
錐形状に形成された中間径部を備えた薄板リングで構成
し，複数枚積層した薄板リングの中間径部による大きな
変形量を確保し，高温で熱負荷の大きい使用条件下にお
いても高いシール性を維持することができる製造が簡単
な管接続部の密封装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明は，上記の目的
を達成するために，次のように構成されている。即ち，
この発明は，互いに対向する面を備え且つ互いに緊締さ
れる一対の管体，及び該管体の互いに対向する前記面に
配置したシールリングを有する管接続部の密封装置にお
いて，前記シールリングは耐熱性で弾性を有するセラミ
ックス又は耐熱合金鋼から成る複数の薄板リングから成
る組立体から構成され，各々の前記薄板リングは平坦面
に形成された内径部，前記シールリングの軸方向に偏倚
した截頭錐形状に形成された中間径部及び平坦面に形成
された外径部から成る皿ばねから構成され，前記組立体
は，前記中間径部が互いに逆向きに延びた前記皿ばねが
順次積層され，前記中間径部が互いに逆向きに延びた隣
接する前記皿ばねの互いに当接した前記内径部がそれぞ
れ接合されていると共に，前記中間径部が互いに逆向き
に延びた隣接する前記皿ばねの互いに当接した前記外径
部がそれぞれ接合されて構成されていることを特徴とす
る管接続部の密封装置に関する。

【００１２】また，この管接続部の密封装置において，
前記シールリングを構成する前記組立体は，前記管体に
接触する前記薄板リングの管体接触側面に配置された軟
質の平坦状薄板リングを備えている。

【００１３】

【作用】この発明による管接続部の密封装置は，以上の
ように構成されているので，シールリングを耐熱性で且
つ弾性を有する複数の截頭錐形状の薄板リング，言い換
えれば，耐熱性の複数の皿ばねを外径部同士で突き合わ
せて接合するか，あるいは内径部同士を突き合わせて接
合した組立体に構成しているので，１枚の皿ばねの変形
量が小さくても，皿ばね組立体としても変形量は大きく
なる。特に，この皿ばね組立体を複数個重ねて積層状に
構成すれば，個々の皿ばねの変形量はもっと小さいもの
であっても，シールリングとしての変形量は大きくな
る。従って，一枚一枚の皿ばねに無理な力がかからない
ので，前記シールリングの耐久性能は高くなる。また，
前記シールリングを一部が環状溝から突出する状態で環
状溝に嵌入して，一対の管体を緊締した時に，前記シー
ルリングは自らのばね力でシール面に押し付けられ，た
とえ高温で大きな熱負荷がかかる条件下で使用しても，
シール面は常に密着した状態になり，高いシール性を維
持することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による管接続部の密封装置の実施例について説明する。
図１はこの発明による管接続部の密封装置の一実施例を
示す概略図，及び図２は図１の線Ａ−Ａ側から見た側面
図である。

【００１５】図１及び図２に示すように，排気マニホル
ド１は，直列６気筒エンジンのシリンダヘッドに取り付
けられるものである。排気マニホルド１はシリンダヘッ
ドに取り付ける取付フランジ部２Ａ，２Ｂを備えてい
る。排気マニホルド１は，３気筒に対応する３つの取付
フランジ部２Ａ，２Ｂをそれぞれ有する排気マニホルド
１Ａと排気マニホルド１Ｂから構成されている。排気マ
ニホルド１Ａと排気マニホルド１Ｂは，ベローズから成
る可撓継手４で連結されている。更に，排気マニホルド
１Ａと排気マニホルド１Ｂは，それぞれ集合管である出
口管３Ａ，３Ｂを有している。出口管３Ａ，３Ｂは，エ
ンジンの下流に設けられたターボチャージャの入口５
Ａ，５Ｂにボルト及びナットを緊締することでそれぞれ
連結されている。エンジンから排出される排気ガスは，
各気筒の排気ポートを経て各取付フランジ部２Ａ，２Ｂ
の中央部に形成された各分岐通路を通じて出口管３Ａ，
３Ｂにそれぞれ集められ，次いでターボチャージャの入
口５Ａ，５Ｂを通じてターボチャージャへ送り込まれ
る。

【００１６】この発明による管接続部の密封装置は，排
気マニホルド１の集合管即ち出口管３Ａ，３Ｂとターボ
チャージャの入口管５Ａ，５Ｂとの管接続部に組み込ま
れている。排気マニホルド１の出口管３Ａ，３Ｂの端部
には端面９が平らなフランジを備えた管体７がそれぞれ
設けられ，また，ターボチャージャの入口管５Ａ，５Ｂ
の端部には端面１７が平らなフランジを備えた管体８が
それぞれ設けられている。排気マニホルド１の出口管３
Ａ，３Ｂの端部に設けた各管体７には，ターボチャージ
ャの入口管５Ａ，５Ｂの管体８に対向する対向面には環
状溝６がそれぞれ形成されている。各環状溝６にはシー
ルリング１０が組み込まれている。

【００１７】次に，この発明による管接続部の密封装置
に組み込まれるシールリングについて，図３及び図４を
参照して説明する。図３はこの発明による管接続部の密
封装置に組み込んだシールリングの一実施例を示す説明
図，及び図４は図３の符号Ｃ部分の一枚の薄板リングの
詳細な拡大断面図である。この管接続部の密封装置にお
いて，シールリング１０は，耐熱性で且つ弾性を有する
薄板リングから製作し，該薄板リングの内側部と外側部
とをリング軸方向に偏倚させて中間部を截頭錐形状に構
成した皿ばね１１，１２で製作されている。皿ばね１
１，１２の外側部同士を突き合わせて，その外側部同士
を溶接することによって皿ばね組立体１３を製作し，三
個の皿ばね組立体１３を積層状に重ねて内側部同士を溶
接したものである。

【００１８】皿ばね１１の断面形状は，図４に示すよう
に，傾斜している中間径部１１Ａに対して内径部１１Ｂ
及び外径部１１Ｃが曲折しており，内径部１１Ｂ及び外
径部１１Ｃにはそれぞれ平坦面が形成されている。皿ば
ね１１は，例えば，一例として，外径５３ｍｍ，内径４
４ｍｍ，内径部１１Ｂの幅１ｍｍ，中間径部１１Ａの水
平長さ２．５ｍｍ，外径部１１Ｃの幅１ｍｍ，高さ１ｍ
ｍである。中間径部１１Ａと内径部１１Ｂの曲折部，中
間径部１１Ａと外径部１１Ｃの曲折部は，例えば，半径
０．５ｍｍのアールＲが形成されている。

【００１９】また，図５に示すように，二枚の皿ばね１
１，１２を同じ向きに重ね合わせ，内径部同士及び外径
部同士を溶接して二枚重ねの積層皿ばね１４を製作し，
この積層皿ばね１４を一単位とする皿ばねを使用して，
皿ばね組立体１３を製作してもよい。二枚の皿ばね１
１，１２を同じ向きに重ね合わせた積層皿ばね１４は，
ばね定数が２倍になり，二枚の皿ばね１１，１２を逆向
きに重ね合わせた皿ばね組立体１３は，ばね定数が１／
２倍になるので，皿ばね１１，１２の重ね合わせ方を適
宜選択することによって，シール面における最適な面圧
を得ることができる。

【００２０】皿ばね１１，１２の材質は，耐熱性に優れ
且つ弾性を有するセラミックス，耐熱合金鋼（ＳＵＨ６
６０，ＨＶ：２５０以上），ＳＵＳ３０１（ＨＶ：３５
０以上），インコネル６２５（ＨＶ：３００以上），ヘ
ロンズアロイＨＡ２１４（ＨＶ：３００以上）等が好適
である。

【００２１】シールリング１０は，図６に示すように，
環状溝６からシールリング１０の一部が突出する状態で
シールリング１０を環状溝６に嵌入し，出口管３Ａ，３
Ｂの端部に設けられたフランジを有する管体７と入口管
５Ａ，５Ｂの端部に設けられたフランジを有する管体８
とをボルト及びナットで緊締することによって，管接続
部に組み付けられる。その際，シールリング１０は，内
径部において上側の平坦面が管体８の端面８Ａと接触
し，内径部１２Ｂの下側の平坦面が環状溝６の底面６Ａ
と接触して，皿ばねのばね力で接触面は密着した状態に
なり，両管体７，８の気密性は，管体８に形成した環状
溝６から突出しようとするシールリング１０のばね作用
によってシールリング１０が管体面に強く押し付けられ
ることで維持される。そして，たとえ管体７，８の対向
する端面に歪みが生じても，シールリング１０のばね力
によって良好なシール面を維持することができる。

【００２２】図７はこの発明による管接続部の密封装置
の第二実施例を示す断面図である。シールリング１０
は，図３のシールリング１０の両端面にそれぞれ比較的
に軟質の平坦状薄板リング即ち柔らかい平坦なリング状
金属板１５，１６を溶接したものである。リング状金属
板１５，１６の材質は，例えば，ＳＰＣ材（ＨＶ：２０
０以下），ＳＵＳ３０４（ＨＶ：２００以下）等が好適
である。

【００２３】リング状金属板１５，１６は次のような場
合に必要となる。例えば，皿ばね１１，１２がセラミッ
ク，ＨＶ：３５０以上の耐熱合金鋼のように非常に硬い
材料で製作されている場合である。また，別の場合とし
ては，図８に示すように，皿ばね１１の断面形状が矩形
の場合があげられる。図４に示す皿ばね１１は，内径部
１１Ｂ及び外径部１１Ｃが中間径部１１Ａに対して曲折
した形状を有しているので，精度よく加工するのは困難
を伴う。このような製作上の都合から，図８に示す形状
の皿ばねが好適であるが，符号Ｄで囲んだ部分に角が存
在するので，管体８の端面８Ａ及び環状溝６の底面６Ａ
に損傷を与える可能性がある。そこで，リング状金属板
１５，１６，この場合には，符号Ｄで囲まれた部分を面
取り等を施して線接触でなくて面接触になるように構成
してもよい。

【００２４】シールリング１０は，図示は省略するが，
環状溝６からシールリング１０の一部が突出する状態で
シールリング１０を環状溝に嵌入し，出口管３Ａ，３Ｂ
の端部を構成する管体７と入口管５Ａ，５Ｂの端部を構
成する管体８とをボルト及びナットで緊締することによ
って，管接続部に組み付けられる。その際，シールリン
グ１０の上端面に溶接した柔らかい平坦なリング状金属
板１５が管体８の端面８Ａと接触し，下端面に溶接した
柔らかい平坦なリング状金属板１６が環状溝６の底面６
Ａと接触して，皿ばねのばね力で接触面は密着した状態
になり，この状態で両管体７，８の気密性は，管体７に
形成した環状溝６から突出しようとするシールリング１
０のばね作用によってシールリング１０が管体対向面で
強く押し付けられることで維持される。そして，たとえ
管体７，８の対向する端面に歪みが生じても，シールリ
ング１０のばね力によって良好なシール面を維持するこ
とができる。

【００２５】図３の実施例では，皿ばね組立体は，二枚
の皿ばねの外径部同士を突き合わせて接合することによ
って，内径部がシール面に当接するように構成している
が，内径部同士を突き合わせて接合することによって，
外径部がシール面に当接するように構成してもよい。同
様に，図７の実施例において，リング状金属板は，皿ば
ね組立体の内径部の平坦面に接合しているが，内径部同
士を突き合わせて接合することによって製作した皿ばね
組立体の外径部の平坦面に接合するようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】この発明による管接続部の密封装置は，
以上のように構成されているので，従来のシールリング
のように，有機成分を含んだガスケット材を一切使用せ
ずに，シールリングを金属材またはセラミック材だけで
薄板リングに製作しているので，高温度に晒されても体
積の減少や変質の問題が生じることはなく，管体間で常
に良好なシール性能を発揮することができる。また，管
体の使用温度が非常に高温であるため，熱負荷によって
管体の対向面に大きな歪みが発生しても，積層された薄
板リングから成る組立体は，弾性を有する截頭錐形状即
ち皿ばねのばね力で常に大きな変形量に対応でき，管体
のシール面は圧着状態になり，管接続部に良好なシール
面を維持することができる。更に，この管接続部の密封
装置は，皿ばねを組み合わせただけの簡単な構造であ
り，皿ばねの枚数や組合せを適宜選択することによって
ばね力を適正に変えることができ，管体間に最適なシー
ル性能を任意に選定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による管接続部の密封装置を組み込ん
だ排気マニホルドの一例を示す概略図である。

【図２】図１の線Ａ−Ａ側から見た側面図である。

【図３】この発明による管接続部の密封装置の一実施例
を示す説明図である。

【図４】図３の領域Ｃの部分のシールリングの一例を示
す拡大断面図である。

【図５】シールリングとして二枚重ねの皿ばねを使用し
た場合の図３の領域Ｃの部分の拡大断面図である。

【図６】図１の領域Ｂの部分の拡大断面図であって，図
３のシールリングを環状溝に嵌入して管接続部を緊締し
た時の状態を示す断面図である。

【図７】この発明による管接続部の密封装置の別の実施
例を示す説明図である。

【図８】図３の領域Ｃの部分のシールリングの別の例を
示す拡大断面図である。

【図９】従来の管接続部の密封装置の一例を示す断面図
である。

【図１０】図９の管接続部の密封装置におけるフランジ
の一例を示す斜視図である。

【図１１】図９の管接続部の密封装置におけるシールリ
ングの一例を示す断面図である。

【符号の説明】

６ 環状溝 ７，８ 管体 １０ シールリング １１，１２ 皿ばね（薄板リング） １３ 皿ばね組立体 １４ 積層皿ばね １５，１６ リング状金属板（平坦状薄板リング）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−23517（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−149469（ＪＰ，Ａ) 実公 昭57−23731（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16L 23/00 - 23/24 F16J 15/00 - 15/56

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対向する面を備え且つ互いに緊締
   される一対の管体，及び該管体の互いに対向する前記面
   に配置したシールリングを有する管接続部の密封装置に
   おいて， 前記シールリングは耐熱性で弾性を有するセラミックス
   又は耐熱合金鋼から成る複数の薄板リングから成る組立
   体から構成され， 各々の前記薄板リングは平坦面に形成された内径部，前
   記シールリングの軸方向に偏倚した截頭錐形状に形成さ
   れた中間径部及び平坦面に形成された外径部から成る皿
   ばねから構成され， 前記組立体は，前記中間径部が互いに逆向きに延びた前
   記皿ばねが順次積層され，前記中間径部が互いに逆向き
   に延びた隣接する前記皿ばねの互いに当接した前記内径
   部がそれぞれ接合されていると共に，前記中間径部が互
   いに逆向きに延びた隣接する前記皿ばねの互いに当接し
   た前記外径部がそれぞれ接合されて構成されている こと
   を特徴とする管接続部の密封装置。
2. 【請求項２】 前記シールリングを構成する前記組立体
   は，前記管体に接触する前記薄板リングの管体接触側面
   に配置された軟質の平坦状薄板リングを備えていること
   を特徴とする請求項１に記載の管接続部の密封装置。