JP5847899B1

JP5847899B1 - 高圧ガス用シール

Info

Publication number: JP5847899B1
Application number: JP2014166486A
Authority: JP
Inventors: 匡央山部
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2034-08-19
Also published as: WO2016027516A1; JP2016041971A

Abstract

【課題】高圧ガスをシールする高圧ガス用シールにおいて、その耐圧性を高めるとともにシール性を高めることを目的とする。【解決手段】筐体の軸孔に貫挿した軸の回りから高圧ガスが漏洩しないようシールする高圧ガス用シールであって、高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部を有する。高圧側の第１段シール部は、軸の周面に摺動可能に接触する中剛性樹脂製リングと、中剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングと、中剛性樹脂製リングおよびゴム製リングの低圧側に配置される中剛性樹脂製バックアップリングと、中剛性樹脂製バックアップリングの更に低圧側に配置される高剛性樹脂製バックアップリングとを有する。低圧側の第２段シール部は、軸の周面に摺動可能に接触する低剛性樹脂製リングと、低剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングとを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、高圧ガスをシールするために用いられる高圧ガス用シールに関する。本発明の高圧ガス用シールは例えば、弁装置（減圧弁や開閉弁等）における軸摺動部に用いられる。また本発明の高圧ガス用シールは例えば、燃料電池用部品（タンク、バルブ等）の分野で用いられ、またはその他の高圧シールの分野で用いられる。

燃料電池車の水素タンクの圧力は高圧であるほど、走行距離の延長やタンクの縮小化が可能となるが、その反面、高圧であるほど、その流路系においてガス漏れを発生し易くなる。したがって例えば図２に示すようなゴム製のパッキン５１のみによるシールでは、作動軸５２の回りからガスが漏れることが懸念される。

特開２００８−２９９６９９号公報

本発明は以上の点に鑑みて、高圧ガスをシールする高圧ガス用シールにおいて、その耐圧性を高めるとともにシール性を高めることができる高圧ガス用シールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１による高圧ガス用シールは、筐体の軸孔に貫挿した軸の回りから高圧ガスが漏洩しないようにシールする高圧ガス用シールであって、高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部を有し、前記高圧側の第１段シール部は、前記軸の周面に摺動可能に接触する中剛性樹脂製リングと、前記中剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングと、前記中剛性樹脂製リングおよびゴム製リングの低圧側に配置される中剛性樹脂製バックアップリングと、前記中剛性樹脂製バックアップリングの更に低圧側に配置される高剛性樹脂製バックアップリングとを有し、前記低圧側の第２段シール部は、前記軸の周面に摺動可能に接触する低剛性樹脂製リングと、前記低剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングとを有することを特徴とする。

また、本発明の請求項２による高圧ガス用シールは、上記した請求項１記載の高圧ガス用シールにおいて、前記高剛性樹脂は、前記中剛性樹脂より剛性の高い樹脂であり、前記低剛性樹脂は、前記中剛性樹脂より剛性の低い樹脂であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３による高圧ガス用シールは、上記した請求項１または２記載の高圧ガス用シールにおいて、前記中剛性樹脂は、圧縮弾性率６００ＭＰａ以上のＰＴＦＥ材を主材とする樹脂であり、前記高剛性樹脂は、ポリアミド４６またはポリアミド６６を主材とする樹脂であり、前記低剛性樹脂は、圧縮弾性率３００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下のＰＴＦＥ材を主材とする樹脂であることを特徴とする。

更にまた、本発明の請求項４による高圧ガス用シールは、上記した請求項１、２または３記載の高圧ガス用シールにおいて、前記高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部間の中間室に溜まる蓄圧を開放または回収する流路を有することを特徴とする。

上記構成を備える本発明の高圧ガス用シールは、軸の周りに高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部よりなる２段構造のシール機構を設定するものであって、高圧側の第１段シール部に優れた耐圧性を発揮する特性を持たせるとともに低圧側の第２段シール部に優れたシール性を発揮する特性を持たせることにより、耐圧性およびシール性の双方を兼ね備える高圧ガス用シールを構成することができる。具体的な構成は以下のとおりである。

すなわち、高圧側の第１段シール部としては、軸の周面に摺動可能に接触する中剛性樹脂製リングと、この中剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングと、これら中剛性樹脂製リングおよびゴム製リングの低圧側に配置される中剛性樹脂製バックアップリングと、中剛性樹脂製バックアップリングの更に低圧側に配置される高剛性樹脂製バックアップリングとよりなる４つのリングを組み合わせる。一方、低圧側の第２段シール部としては、軸の周面に摺動可能に接触する低剛性樹脂製リングと、低剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングとよりなる２つのリングを組み合わせる。

ここに、中剛性樹脂、高剛性樹脂および低剛性樹脂とは、リング樹脂材質の相対的な硬度差を示し、すなわち高剛性樹脂は中剛性樹脂より剛性の高い樹脂のことを云い、低剛性樹脂は中剛性樹脂より剛性の低い樹脂のことを云う。

したがって、上記高圧側の第１段シール部では、中剛性樹脂よりなるリングがメインのシールリングとされ、このメインのシールリングの外周側であって筐体との間をゴム製リングでシールするとともに、これらシールリングおよびゴム製リングを中剛性樹脂製バックアップリングおよび高剛性樹脂製バックアップリングにて強力にバックアップするため、シールリングおよびゴム製リングが過度に変形するのが抑制され、よって優れた耐圧性が発揮される。中剛性樹脂としては、圧縮弾性率６００ＭＰａ以上のＰＴＦＥ材を主材とする樹脂を用いるとともに、高剛性樹脂としては、ポリアミド４６またはポリアミド６６を主材とする樹脂を用いるのが好適であり、これらの樹脂材質によれば、必要十分な耐圧性を確保することが可能とされる。

また、低圧側の第２段シール部では、すでに高圧側の第１段シール部にてシール圧力が低減されているので、低剛性樹脂よりなるリングをメインのシールリングとすることができ、よってもっぱらその材質を耐圧性にこだわらずシール性の良否の観点から選定することができる。低剛性樹脂としては具体的には、圧縮弾性率３００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下のＰＴＦＥ材を主材とする樹脂を用いるのが好適であり、この樹脂材質によれば、必要十分なシール性を確保することが可能とされる。

また、本発明のシールでは上記したように、高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部が軸方向に並べられるので、両シール部間に中間室が設定され、この中間室に圧力が漸次蓄えられる蓄圧現象が発生し、この蓄圧がシールの作動やシールを組み込む装置の作動に対し影響を及ぼすことが懸念される。そこで、これに対策するには、中間室に溜まる蓄圧を開放または回収する機構を設けることにより蓄圧状態を解消するのが好適であり、このため本発明では、中間室に溜まる蓄圧を開放または回収する流路を設けることにした。流路はウィープホールとされ、または防爆弁などに接続される。

本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち本発明においては以上説明したように、軸の周りに高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部よりなる２段構造のシール機構を設定するものであって、高圧側の第１段シール部に優れた耐圧性を設定するとともに低圧側の第２段シール部に優れたシール性を設定することにより、耐圧性およびシール性の双方を兼ね備える高圧ガス用シールを提供することができる。

本発明の実施例に係る高圧ガス用シールを備える装置筐体の断面図従来例に係るシールを備える装置筐体の断面図

本発明には、以下の実施形態が含まれる。
（１）燃料電池車の水素タンクの圧力は高圧であるほど、航続距離の延長やタンクの縮小化が可能となるが、高圧の燃料タンクからスタックへ水素ガスを供給する際、複数個の減圧弁を使用した減圧システムが必要となることがある。複数個の減圧弁を使用する場合、減圧システム部のスペース拡大やコスト増に影響するため、減圧弁は少数個であることが好ましい。
（２）ピストン（シャフト）が軸方向に摺動し、ピストンが弁体に接触することで流量が調整できるタイプの減圧弁において、ピストンに複数個のシール部品を用いることで、耐久性とシール性を両立した減圧弁が実現できると考えた。シール部品には、ゴム製シールと樹脂製リングを組み合わせたものを用いて、高圧側には耐久性を重視するため、剛性の高い（中剛性）樹脂製リングのシール部品と中剛性、高剛性の樹脂製バックアップリング２枚以上を配置する。高圧側からのリークは、シール性を重視した剛性の低い樹脂製リングのシール部品を設置することでガスシール性を担保できる。本発明はこのように剛性の異なる樹脂製リングのシール部品を用いたシール構造を特徴とする。シール間は蓄圧するため、規定圧力を超えたときに減圧弁等で開放する、またはガスを回収し再使用できるシステムが望ましい。
（３）本発明によれば上記構造により、２段階（多段階）減圧から１段階減圧になるために、減圧システムに使用される減圧弁は１個となり、システムの省スペース、低コストが見込まれる。

つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の実施例に係る高圧ガス用シールを備える減圧弁装置の筐体部の断面を示している。減圧弁装置は、燃料電池における水素ガス供給系の配管部に接続される。

減圧弁装置は、筐体（弁ケースとも称する）１に貫挿した軸（ピストンまたはシャフトとも称する）７を軸方向（図では上下方向）に摺動させ、弁体４に接触させることで流量を調整するタイプの減圧弁であり、また、スタック圧（２次圧）Ｐ_２をセンサ（図示せず）で検出して、軸７の上方に接続したソレノイド（図示せず）をデューティ制御することによりタンク圧（１次圧）Ｐ_１を減圧するタイプの減圧弁である。

筐体１には、タンク圧Ｐ_１を入力する入力ポート２、弁室３、およびスタック圧Ｐ_２を出力する出力ポート５が設けられ、弁室３に通じるように軸孔６が設けられ、軸孔６に弁体としての軸７が貫挿され、弁内を流れる水素ガスが軸７の回りで軸７および軸孔６内周面間の隙間から外部へ漏洩しないように全体を符号１１で示す高圧ガス用シールが設置されている。

高圧ガス用シール１１は、弁室３に近いほうに配置される高圧側の第１段シール部２１と、弁室３から遠いほうに配置される低圧側の第２段シール部３１とを有している。

高圧側の第１段シール部２１は、軸７の周面に摺動可能に接触する中剛性樹脂製リング２２と、この中剛性樹脂製リング２２の外周側に配置されたゴム製リング２３と、中剛性樹脂製リング２２およびゴム製リング２３の低圧側に配置された中剛性樹脂製バックアップリング２４と、中剛性樹脂製バックアップリング２４の更に低圧側に配置された高剛性樹脂製バックアップリング２５とを有し、これら４つのリングが、軸孔６内周面に設けたシール組込用の第１室８に組み込まれている。

中剛性樹脂製リング２２および中剛性樹脂製バックアップリング２４はそれぞれ、所定の樹脂材によって成形され、具体的には、圧縮弾性率６００ＭＰａ以上のＰＴＦＥ材（例えばカーボン／グラファイト充填、またはカーボン繊維充填）によって成形されている。また、高剛性樹脂製バックアップリング２５は、中剛性樹脂製リング２２および中剛性樹脂製バックアップリング２４よりも高硬度の樹脂材によって成形され、具体的には、ポリアミド４６またはポリアミド６６（これらをガラス繊維等で充填補強する場合を含む）によって成形されている。

一方、低圧側の第２段シール部３１は、軸７の周面に摺動可能に接触する低剛性樹脂製リング３２と、この低剛性樹脂製リング３２の外周側に配置されたゴム製リング３３とを有し、これら２つのリングが、軸孔６内周面に設けたシール組込用の第２室９に組み込まれている。

低剛性樹脂製リング３２は、中剛性樹脂製リング２２および中剛性樹脂製バックアップリング２４よりも低硬度の樹脂材によって成形され、具体的には、圧縮弾性率３００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下（または未満）のＰＴＦＥ材によって成形されている。

また、上記高圧側の第１段シール部２１および低圧側の第２段シール部３１間に中間室１０が設けられるとともにこの中間室１０に開口する流路４１が設けられており、この流路４１は、中間室１０に溜まる蓄圧を開放または回収するために設けられている。

上記構成の減圧弁装置は、上記したように軸７のリフト量によって圧力調整を行なうもので、入力ポート２から弁室３へ向け高圧の水素ガスが流入するが、軸７の周りに、高圧側の第１段シール部２１および低圧側の第２段シール部３１の組み合わせよりなる２段構造のシール１１が設けられ、高圧側の第１段シール部２１がその部品構成にもとづいて優れた耐圧性を発揮し、その一方で、低圧側の第２段シール部３１がその部品構成にもとづいて優れたシール性を発揮する。したがって耐圧性およびシール性の双方について十分な性能を発揮する高圧ガス用シール１１を提供することができる。

また、高圧側の第１段シール部２１および低圧側の第２段シール部３１間の中間室１０に開口する流路４１が設けられ、この流路４１から中間室１０の蓄圧を開放または回収することが可能とされているため、蓄圧がシール１１の作動や減圧弁装置の作動に影響を及ぼすのを防止することができる。

尚、上記実施例では、高圧ガス用シール１１を組み付ける装置を減圧弁装置としたが、これは単なる例示である。したがって高圧ガス用シール１１を組み付ける装置は他の種類の装置であっても良く、とくに限定されないものである。バックアップリングの設置数としては中剛性樹脂製バックアップリング２４および高剛性樹脂製バックアップリング２５よりなる２つとしたが、３つ以上としても良い。

１筐体
２入力ポート
３弁室
４弁体
５出力ポート
６軸孔
７軸
８第１室
９第２室
１０中間室
２１第１段シール部
２２中剛性樹脂製リング
２３，３３ゴム製リング
２４中剛性樹脂製バックアップリング
２５高剛性樹脂製バックアップリング
３１第２段シール部
３２低剛性樹脂製リング
４１流路

Claims

筐体の軸孔に貫挿した軸の回りから高圧ガスが漏洩しないようにシールする高圧ガス用シールであって、高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部を有し、
前記高圧側の第１段シール部は、前記軸の周面に摺動可能に接触する中剛性樹脂製リングと、前記中剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングと、前記中剛性樹脂製リングおよびゴム製リングの低圧側に配置される中剛性樹脂製バックアップリングと、前記中剛性樹脂製バックアップリングの更に低圧側に配置される高剛性樹脂製バックアップリングとを有し、
前記低圧側の第２段シール部は、前記軸の周面に摺動可能に接触する低剛性樹脂製リングと、前記低剛性樹脂製リングの外周側に配置されるゴム製リングとを有することを特徴とする高圧ガス用シール。
請求項１記載の高圧ガス用シールにおいて、
前記高剛性樹脂は、前記中剛性樹脂より剛性の高い樹脂であり、
前記低剛性樹脂は、前記中剛性樹脂より剛性の低い樹脂であることを特徴とする高圧ガス用シール。
請求項１または２記載の高圧ガス用シールにおいて、
前記中剛性樹脂は、圧縮弾性率６００ＭＰａ以上のＰＴＦＥ材を主材とする樹脂であり、
前記高剛性樹脂は、ポリアミド４６またはポリアミド６６を主材とする樹脂であり、
前記低剛性樹脂は、圧縮弾性率３００ＭＰａ以上６００ＭＰａ以下のＰＴＦＥ材を主材とする樹脂であることを特徴とする高圧ガス用シール。
請求項１、２または３記載の高圧ガス用シールにおいて、
前記高圧側の第１段シール部および低圧側の第２段シール部間の中間室に溜まる蓄圧を開放または回収する流路を有することを特徴とする高圧ガス用シール。