JP5049761B2 - 管継手用シール体 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の排気管継手部等に用いられる管継手用シール体に係り、詳しくは、互いに対向配備される第１及び第２流体移送用管のフランジ面どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部を構成すべく環状に形成される管継手用シール体に関するものである。

従来、この種の管継手用シール体としては、特許文献１（図２〜図５を参照）において開示されるように、集合管と排気管との接続部や排気管どうしの接続部といった管継手部において採用されていることが多い。例えば、特許文献１の図２のものでは、第１流体移送用管である集合管の一体フランジ（２２）と第２流体移送用管である排気管（３）の浮動フランジ（９）との間に介装されている環状シールリング（４）が管継手用シール体である。

前記管継手部においては、両フランジに亘って架設されるコイルスプリング（１１）を伴うセットボルト（１０）により、排気管（３）において凸球面状に形成されている先端部分の外周シール座（３ａ）と管継手用シール体（４）の内周シール面（４ｂ）とが圧接される構造とされている。そして、圧接による外周シール座（３ａ）との気密性を良好に維持させるために、環状シールリング（４）の内周シール面（４ｂ）に二硫化モリブデンや四窒化フッ素等の潤滑材を塗布させる工夫が為されている（特許文献１の段落番号「００１７」を参照）。

ところが、振動等による外周シール座（３ａ）と内周シール面（４ｂ）との球面接触による排気管（３）の揺動（相対角度変位）が繰返し行われることにより、摺動部に形成されている前述の潤滑材による皮膜が早期に摩耗したり脱落したりし易いことが分ってきた。このような不都合が生じると、管継手部での異常摩耗音（騒音）が発生するようになるため、良好な耐久性を発揮できるようにするには改善の余地がある。
特開２０００−２９１８６２号公報

本発明の目的は、摺動面に工夫を凝らすことにより、フランジ面と環状シール体との摺動面に付加される潤滑材が早期に減ってしまわないようにして、異常摩耗音等が生ぜず耐久性が改善される管継手用シール体を開発して提供する点にある。

請求項１に係る発明は、互いに対向配備される第１及び第２流体移送用管１，２のフランジ面５ａ,９ａどうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部Ｔを構成すべく環状に形成される管継手用シール体Ａであって、
膨張黒鉛テープの外周でステンレス製糸状体によるニット編みが行われて圧縮成形されてなる複合材料によって形成されており、前記第２流体移送用管２のフランジ面９ａに形成された凸球面状外周面に当接する摺動面１２は、前記凸球面状外周面に沿う凹球面状内周面に形成されており、この凹球面状内周面を呈する摺動面１２に、管軸心に沿う断面の形状がプレス成形を可能とする階段状を呈した複数の周溝で構成されて潤滑材２３の保持が可能となる凹部２４が形成されており、これら凹部２４に保持された潤滑材２３の潤滑面とこれら凹部２４が形成されていない前記摺動面１２の当接箇所とが前記凸球面状外周面に対し交互になるように形成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の管継手用シール体において、前記摺動面１２にフェノール系潤滑材２３が塗されるものであることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の管継手用シール体において、前記第１及び第２流体移送用管１，２が排気管に構成されて排気用の前記管継手部Ｔに用いられるものであることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、環状シール体におけるフランジ面に当接する摺動面には潤滑材の保持が可能となる凹部が形成されているから、フランジ面と圧接される状態での揺動移動による摩耗が繰返し行われても、凹部に保持されている潤滑材がフランジ面と摺動面との間に浸透して存在する状態が長期に亘って維持されるようになる。その結果、摺動面に工夫を凝らすことにより、フランジ面と環状シール体との摺動面に付加される潤滑材が早期に減ってしまわないようにして、異常摩耗音等が生ぜず耐久性が改善される管継手用シール体を提供することができる。この場合、請求項２のように、潤滑材をフェノール系のものとすれば、柔かく固体潤滑性が高い利点が追加される。

請求項１の発明によれば、摺動面に形成される凹部が複数の周溝で成る階段状のものに構成されているので、摺動面としての必要強度を備えながらも潤滑材が三次元的な状態で長期に亘って保持できるものとなり、前記効果を強化することが可能となる利点がある。

請求項１のように、膨張黒鉛とステンレス線材とから成る材料でシール体を構成すれば、線材どうしの間に潤滑材が入り込むことによる潤滑性の良さが発揮可能になり、高温かつ振動を伴う排気管の管継手用シール体として好適なものとなる利点がある。

請求項３のように、シール対象流体が比較的高温で、かつ、振動を伴う排気系に用いられる場合でも本発明のシール体は良好な耐久性を発揮する。

以下に、本発明による管継手用シール体の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は管継手部の断面図、図２，３は管継手用シール体部分の拡大断面図、図４，５は実施例１による管継手用シール体の製造方法を示す工程図、図６，７は実施例２による管継手用シール体の製造方法を示す工程図、図８は実施例２の管継手用シール体を用いる管継手部の断面図、図９は比較例１による環状シール体の製造方法を示す工程図、図１０，１１は比較例２による環状シール体の製造方法を示す工程図、図１２，１３はそれぞれ耐久テスト結果を示す図である。

〔実施例１〕
実施例１による管継手用シール体（以下、単に「シール体」と略称する）Ａは、図１〜図３に示すように、自動車の排気系における管継手部Ｔに用いられているものである。管継手部Ｔは、鋼管製の第１排気管（「第１流体移送用管」の一例）１に形成される第１フランジ１Ｆと、鋼管製の第２排気管（「第２流体移送用管」の一例）２に形成される第２フランジ２Ｆと、第１フランジ１Ｆと第２フランジ２Ｆとをこれら両フランジ１Ｆ，２Ｆ間に環状のシール体Ａが介装される状態で圧接させる圧接機構３とを有して構成されており、第１排気管１とこれに対向配備される第２排気管２とが相対角度変位可能に気密接合されている。

板金材製の第１フランジ部１Ｆは、第１排気管１の先端部に溶着等で気密状に外嵌固定される基端筒部４と、基端筒部４に続く拡径湾曲部５、拡径湾曲部５から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部６とを有して形成されている。第２排気管２は、拡径された先端管部２ｂと、この先端管部２ｂと管本体部２ａとを繋ぐテーパ管部２ｃとを有して成り、板金材製の第２フランジ２Ｆは、先端管部２ｂの先端部に溶着等によって気密状の外嵌固定される胴部７と、胴部７から径外側に屈曲されて形成されるフランジ部８と、胴部７から先端側に湾曲縮径されながら延長される先窄まり部９とを有して形成されている。

拡径湾曲部５は、第１排気管１の管軸心Ｐと平行な筒管部５Ａと、テーパ管部５Ｂとから成り、シール体Ａは、筒管部５Ａに内嵌する外周面１０と、テーパ管部５Ｂに内嵌合する傾斜面１１とを有して拡径湾曲部５に内嵌収容されている。尚、外周面１０と傾斜面１１とにより、第１流体移送用管の「フランジ面」５ａが形成されている。先窄まり部９の外周面（第２流体移送用管の「フランジ面」の一例）９ａは第２排気管２の管軸心Ｚ上に中心Ｘを有する半径ｒの凸球面状外周面に形成されており、その凸球面状外周面９ａに相対角度変位可能に当接する凹球面状内周面を呈する摺動面１２がシール体Ａに形成されている。つまり、シール体Ａの内周面１２がが摺動面に形成され、かつ、第２フランジ２Ｆの外周面９ａが、摺動面１２に相対角度変位可能に当接する凸球面状外周面に形成されている。

圧接機構３は、図１に示すように、第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆに形成されている孔１ｋ、２ｋに挿通される鍔付ボルト１３と、ナット１４と、鍔付ボルト１３に嵌装されるコイルバネ１５とを図示のように組付けることにより構成されており、コイルバネ１５の弾性力によって第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆを互いに接近する方向に常時押圧付勢することで管継手部Ｔを形成及び維持している。鍔付ボルト１３とナット１４との締付操作により、コイルバネ１５のセット長を変えて第１及び第２フランジ１Ｆ，２Ｆの押圧付勢力を調節設定可能である。この圧接機構３は、管軸心Ｐ，Ｚを中心とする円周上の均等角度毎の複数箇所（２〜４箇所等）に設けられている。

図１〜図３に示すように、シール体Ａの摺動面１２と第２フランジ２Ｆの外周面９ａとが球面接触していること、及び上記構成の圧接機構３とによる摺動面１２と外周面９ａとの相対球面移動により、管継手部Ｔにおいて第１排気管１と第２排気管２とは、図１に仮想線で示す第２フランジ２Ｆのように相対角度変位可能に気密接合される構成となっている。尚、図３は、図２に示す組付け初期状態からシール体Ａの摺動面１２が摩耗して所定厚み（例：１ｍｍ）ｄだけ減った状態を示している。その図３に示すように、摺動面１２がかなり摩耗した状態でも、周溝２５即ち凹部２４はまだ残っており、そこに保持される潤滑材２３が依然として蓄えられている。

シール体Ａの製造方法について説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、膨張黒鉛とステンレス糸からなる複合テープ２１を作成する複合テープ作成工程を行う。即ち、膨張黒鉛テープの外周でステンレス糸（ステンレス線材）によるニット編みを行い、それからローラー間で圧縮成形することにより、図４（ａ）に示す幅Ｗ（例：２０ｍｍ）で長さＬ（例：５８０ｍｍ）の複合テープ２１が得られる。耐熱材である膨張黒鉛は、厚さｔ＝０．３８ｍｍで耐熱グレードを有するものを例として用い、補強材としてのステンレス糸の例としては、材質がＳＵＳ３１６で直径０．２５ｍｍのものを用いて１２針のニット編みを行う。複合テープ２１における耐熱材と補強材との割合は、膨張黒鉛が３５重量％でステンレス糸が６５重量％に設定されている。

次に、テープ作成工程で得られた複合テープ（「ステンレス製糸状体と膨張黒鉛テープとを有する材料」の一例）２１を円周状に三周巻きし、それからプレス成形で圧縮する成形工程を行うことにより、図４（ｂ）に示す環状元体２２を作成する。プレス成形の際は、摺動面１２に潤滑材２３の保持が可能となる凹部２４、具体的にはフェノール系潤滑材２３の保持が可能となる複数の周溝２５による階段状の凹部２４が形成される。

そして、図５（ａ）に示す断面形状のように、階段状の凹部２４に耐熱性潤滑材（固体潤滑材）２３を塗布及び乾燥させる潤滑材塗布工程を行う。耐熱性潤滑材としては、フッ素樹脂と窒化ホウ素との混合物が挙げられる。その他、ＢＮとフェノール樹脂との混合物でも良い。潤滑材２３が乾燥したら、図５（ｂ）に示す断面形状のように、摺動面１２を削り又は押え加工によって凸球面状外周面９ａに沿う形状、即ち凹球面状内周面に成形（又は成型）する仕上げ工程を行い、内周面に摺動面１２を有する内摺動タイプである実施例１のシール体Ａが作成される。この作成したシール体Ａは、図２および図３に示すように、フランジ面９ａの凸球面状外周面に対し、階段状の凹部２４の保持による潤滑材２３の潤滑面とこれら凹部２４が形成されていない摺動面１２の当接箇所とが交互になるように形成されている。

〔参考例として実施例２〕
実施例２によるシール体Ａは、図６（ａ）に示すように、膨張黒鉛テープ（幅４７ｍｍ、厚さｔ＝０．３８ｍｍ）３１ａの周りでステンレス線（ステンレス製糸状体の一例）３１ｂでニット編みすることで複合テープ３１〔図６（ｂ）参照〕を作成し、例えば、長さ６７０ｍｍに切断する複合テープ作成工程を行う。そして、図６（ｂ）に示すように、複合テープ３１を円周状に巻き、金型に投入して成形する成形工程を行う。次に、図６（ｃ
）に断面図として示すように、金型成型によって形成された環状元体２２の摺動面１２と成る外周面に階段状の凹部２４となる複数の周溝２５をプレス成型する凹部形成工程を行う。

そして、図７（ａ）に示すように、階段状の凹部２４に潤滑材（固体潤滑材）２３を塗布及び乾燥させる潤滑材塗布工程を行う。潤滑材としては、窒化ホウ素８３％で水酸化アルミニウム１７％で成る窒化ホウ素系のものを用いる。潤滑材塗布工程が終わると、図７（ｂ）に示すように、潤滑材２３が塗布されている外周面を凸球面状に成型し、外周面が摺動面１２となる外摺動タイプのシール体Ａが作成される。階段形状の潤滑材２３を押し潰すことにより、各周溝２５に潤滑材２３が貯留された潤滑溝状態での凸球面状摺動面１２が形成される。

実施例２によるシール体Ａは、例えば図８に示すような構成の管継手部Ｔに用いられるものである。この管継手部Ｔの構造を概略説明すれば、鋼管製の第１排気管１に溶着等によって外嵌装着される第１フランジ１Ｆと、鋳鉄管による第２排気管２の一体フランジ２Ｆとに亘って圧接機構３が架設されている。第１排気管１の先端において側周壁１８に続いて形成される絞り筒部１７にシール体Ａが密外嵌されており、凸球面状外周面である摺動面１２が、第２排気管２の先端に形成されているテーパ筒部１９のテーパ内周面９ａに当接（圧接）されている。従って、テーパ内周面９ａと摺動面１２との相対球面移動により、第１排気管１と第２排気管２とが所定角度範囲内において気密状態での相対揺動が可能である。尚、絞り筒部１７の外周面が第１流体移送用管の「フランジ面」５ａに、そして、テーパ内周面が第２流体移送用管の「フランジ面」９ａにそれぞれ相当している。

〔比較例１〕
比較例１によるシール体Ｂは、実施例１のシール体Ａが用いられる管継手部Ｔにおいて使用可能なものである。比較例１のシール体Ｂは、図４（ａ），図９に示す製造方法によって作成される。まず、膨張黒鉛とステンレス糸からなる複合テープ２１を作成する複合テープ作成工程を行う点〔図４（ａ）参照〕は実施例１の場合と同じである。そして、図９（ａ）に示すように、複合テープ２１の端から長さの約１／３までの部分における片面に潤滑材３３を塗布し、乾燥させる潤滑材塗布工程を行う。

次に、図９（ｂ）に示すように、部分的に潤滑材３３が塗布された複合テープ２１を円周状に三周巻きし、金型に挿入して環状元体３２を作成するための圧縮成形（成形仕上げ工程）を行い、図９（ｃ）に示すように程凹球面状内周面の摺動面１２を有する比較例１のシール体Ａが作成される。潤滑材３３は、上述の窒化ホウ素系のものを用いた。比較例１によるシール体Ａの摺動面は凹球面状を呈しており、その表面は潤滑材２３の層を有する状態となっている。

〔比較例２〕
比較例２によるシール体Ｂは、実施例２のシール体Ａが用いられる管継手部Ｔにおいて使用可能なものである。比較例２のシール体Ｂは、図６（ａ），図１０，図１１に示す製造方法によって作成される。まず、膨張黒鉛テープ３１ａの周りにおいてステンレス線３１ｂでニット編みすることによって複合テープ３１〔図６（ｂ）参照〕を作成する複合テープ作成工程を行う点は実施例２の場合と同じである。次は、図１０（ａ）に示すように、複合テープ３１の片面の一部（例：いずれかの端から所定長さ範囲）に潤滑材３３を塗布し、乾燥させる潤滑材塗布工程を行う。

そして、図１０（ｂ）に示すように、複合テープ３１を円周状に巻き、金型に投入して成形する成形工程を行う。成形工程により、図１１（ａ）に示す筒状の環状元体３２が作成され、その環状元体３２をさらに圧縮成型することによって外摺動タイプのシール体Ｂの原型〔図１１（ｂ）参照〕を作成する環状元体作成工程を行う。そして、シール体原型の外周面に潤滑材３３を塗布することで摺動面１２を形成し、図１１（ｂ）に示す比較例２の外摺動タイプのシール体Ｂ（例：内径４２．８ｍｍ、外径５６．３ｍｍ、長さ１５．５ｍｍ）が作成される。潤滑材３３としては前述の窒化ホウ素系のものを用いた。

〔性能評価〕
シール体Ａを排気管継手部Ｔに装着した状態で、その排気流れ方向で上流側（第１排気管１）を固定し、かつ、下流側（第２排気管２）を上下揺動させるべく駆動装置に取付けることにより、下流側排気管（第２排気管２）を角度±３度、周波数１２Ｈｚにて１００万回上下揺動させる耐久テストを行った。耐久テスト中は、上流側排気管（第１排気管１）の開管部からガスバーナーにて加熱し、管継手部Ｔの温度を５５０℃に保った。耐久テスト中は、所定の上下揺動回数時に周波数を一時的に４Ｈｚに下げ、そのときの摩擦音を確認した。摩擦音の大きさは、摩擦異音が聞こえ得る範囲で最も管継手部Ｔから離れた箇所の距離として表わすこととした。また、２５万回毎にシール性能、揺動トルクを測定した。耐久テストの結果を図１２に示す。

図１２より、各実施例及び各比較例のシール体においては、シール性能は全く互角であり、トルク（揺動トルク）も殆ど差が無く問題無いレベルである。しかしながら、比較例１，２のものでは摩擦異音（摩擦音）が１〜４回、即ち必ず音が出るに対して、本発明品である実施例１，２のシール体では摩擦異音（摩擦音）は１回あるか無いかという高レベルなものに改善されていることが理解できる。つまり、摺動面１２に複数の周溝２５による階段状の凹部２４を有する実施例１，２のシール体Ａにおいては、階段状の凹部２４に潤滑材２３が保持されていて、揺動による摩耗が進んで行っても新たな潤滑面が形成される作用が生じるようになり、単なる湾曲面状の摺動面に潤滑材３３が塗布されている構造の比較例１，２のシール体Ｂに比べて、良好な潤滑状態が長期に亘って維持されることとなり、異常摩耗音（摩擦音）が発生し難い利点が得られている。

また、実施例１と比較例１との二者のシール体を対象として、摩擦異音のみに関する耐久テストを行った結果を図１３に示す。図１３より、本発明品である実施例１のシール体Ａでは、１２５万回までは異音発生が皆無であったに対して、比較例１のものでは５０万回という早期回数から既に異音が出始めており、圧倒的に実施例１のものの方が優れていることが理解できる。

〔別実施例〕
第１，２流体移送用管１，２としては、排気や空気、ガス等の気体を通す管のほか、洗浄液、薬液、水等の液体を通す管でも良い。本発明の管継手用シール体は、その摺動面が外周面となる外摺動タイプと内周面となる内摺動タイプとのいずれでも良い。また、摺動面がテーパ周面で、かつ、摺動面に当接するフランジ面が凸球面状内周面又は凹球面状外周面となる組合せ構造のものでも可能である。

排気管継手構造を示す断面図 図１の摺動部構造を示す要部の拡大断面図 管継手用シール体が図２の状態から１ｍｍ摩耗したときの断面図 実施例１による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は複合テープ作成工程、（ｂ）は成形工程 実施例１による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は潤滑材塗布工程、（ｂ）は仕上げ工程 実施例２による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は複合テープ作成工程、（ｂ）は成形工程、（ｃ）は凹部形成工程 実施例２による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は潤滑材塗布工程、（ｂ）は成形仕上げ工程 実施例２の管継手用シール体を用いる管継手部の一例を示す断面図 比較例１による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は潤滑材塗布工程、（ｂ）は成形仕上げ工程、（ｃ）は完成品 比較例２による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は潤滑材塗布工程、（ｂ）は成形工程 比較例２による管継手用シール体の製造方法を示し、（ａ）は環状元体作成工程、（ｂ）は完成品 実施例及び比較例１，２の管継手用シール体の耐久テスト結果を示す図 実施例１と比較例１との摩擦異音耐久テスト結果を示す図

１ 第１流体移送用管
２ 第２流体移送用管
５ａ 第１流体移送用管のフランジ面
９ａ 第２流体移送用管のフランジ面
１２ 摺動面
２１ 複合材料
２３ 潤滑材、フェノール系潤滑材
２４ 凹部
２５ 周溝
Ａ 管継手用シール体
Ｐ 管軸心
Ｔ 管継手部
Ｚ 管軸心

Claims (3)

1. 互いに対向配備される第１及び第２流体移送用管（１，２）のフランジ面（５ａ,９ａ）どうしの間に介装されて、それら両流体移送用管を密封接合する管継手部（Ｔ）を構成すべく環状に形成される管継手用シール体（Ａ）であって、
   膨張黒鉛テープの外周でステンレス製糸状体によるニット編みが行われて圧縮成形されてなる複合材料によって形成されており、前記第２流体移送用管（２）のフランジ面（９ａ）に形成された凸球面状外周面に当接する摺動面（１２）は、前記凸球面状外周面に沿う凹球面状内周面に形成されており、この凹球面状内周面を呈する摺動面（１２）に、管軸心に沿う断面の形状がプレス成形を可能とする階段状を呈した複数の周溝で構成されて潤滑材（２３）の保持が可能となる凹部（２４）が形成されており、これら凹部（２４）に保持された潤滑材（２３）の潤滑面とこれら凹部（２４）が形成されていない前記摺動面（１２）の当接箇所とが前記凸球面状外周面に対し交互になるように形成されている管継手用シール体。
2. 前記摺動面にフェノール系潤滑材が塗されるものである請求項１に記載の管継手用シール体。
3. 前記第１及び第２流体移送用管が排気管に構成されて排気用の前記管継手部に用いられるものである請求項１又は２に記載の管継手用シール体。

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