JP6032139B2 - シール体とガスシール機構 - Google Patents

Description

本発明は、シール体とガスシール機構に関する。

Ｕシールをシール本体とするシール体は、リップに拡張をもたらすバネを併用することで高い密封性を発揮できる。よって、高圧ガス、例えば、燃料電池発電システムや燃料電池搭載車両等における高圧水素ガス流路の密封用のシールへの採用も図られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４−７６８７０号公報

バネを併用したシール体をガス密封用にガス流路に組み込んだ場合、シール体を挟んだガス流路の一方は、他方より通常は高圧となる。例えば、高圧で水素ガスを貯留した高圧水素ガスタンクから燃料電池に延びるメインガス流路と繋がるガス流路においてシール体にて密封した場合、メインガス流路側のガス流路ではガス圧が高く、シール体を挟んだ反対側のガス流路ではガス圧は低い。シール体を挟んだガス流路のガス圧高低は、通常、変わることはないことから、シール性の維持の上から、特段の支障はない。その一方、タンク内の貯留ガス消費が残量がほぼゼロとなるまで進んだり、それまで低ガス圧だった側のガス流路に他の流路からガスが流入したりすると、シール体を挟んだガス流路のガス圧高低が逆となる逆圧化が一時的とはいえ起き得る。また、複数の高圧ガスタンクからそれぞれ延びる流メインガス路を繋ぐ流路においてシール体にて密封した場合、それまで高圧側であった高圧ガスタンクからのメインガス流路が、ガス消費に伴い他方の高圧ガスタンクからのメインガス流路より低圧となることも起き得る。こうした逆圧化の後、シール体を挟んだガス流路のガス圧高低は、まもなく元の圧力状態である順圧に復帰するものの、順圧復帰時のシール性の再現の観点から、逆圧化が起きた際の何らかの対処が要請されるに到った。この他、逆圧化への対処が可能なシール体のコンパクト化や低コスト化、或いはシール体を用いたガスシール機構の構成の簡略化や低コスト化を可能とすることも要請されている。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、シール体が提供される。このシール体は、ガスシールに用いるシール体であって、一対のリップを対向配置して凹溝を形成したシール本体と、前記凹溝に挿入され、前記リップを拡張する弾性体と、該弾性体に装着され、前記凹溝の狭窄に伴う前記弾性体の変形を弾性変形範囲内に制限する剛体とを備える。この形態のシール体では、シール体を挟んだガス流路のガス圧高低が逆となる逆圧化が起きた際、この逆圧化に伴って凹溝が狭窄し、この狭窄に伴って弾性体が変形しても、その変形を剛体により弾性変形範囲内に留め、弾性体を塑性変形させない。よって、逆圧化が治まってシール体を挟んだガス流路のガス圧高低が元の圧力状態である順圧に復帰した際、弾性体は、逆圧化が起きる前の状態に復帰する。このため、上記形態のシール体によれば、逆圧化が起きてもこれが治まれば、順圧復帰時に元のシール性を支障なく再現して継続使用でき、密封の継続性やシール耐久性を高めることができる。また、剛体は、弾性体に装着されるに過ぎず、弾性体によるリップの拡張に関与しないので、上記形態のシール体によれば、シール体の体格を既存のシール体と同程度とでき、コンパクト化が可能となる。

（２）上記した形態のシール体において、前記剛体は、スリットを有するようにできる。こうすれば、弾性体への剛体の装着に際して、剛体の繋がりをスリットにより分断して、剛体軌跡の自由度が高まるので、弾性体への剛体の組み付け性、装着性が高まり、組み付けコストを初めとするコスト低下を図ることができる。

（３）上記したいずれかの形態のシール体において、前記弾性体は、金属製のバネであり、前記剛体は前記バネの内部に装着されるようにできる。こうすれば、剛体を備えない既存のシール体を容易に流用でき、汎用性が高まると共に、剛体を容易にバネの内部に装着できる。また、金属製のバネを用いることで、シール体に対して十分な弾発力を与えることができる。

（４）本発明の他の形態によれば、ガスシール機構が提供される。このガスシール機構は、ハウジングが形成したガス流路においてガスシールを図るガスシール機構であって、前記ガス流路に組み込まれる軸体と、該軸体と前記ハウジングとの間のシール体収納域に収納されたシール体とを備える。このシール体は、一対のリップを対向配置して凹溝を形成したシール本体と、前記凹溝に挿入され、前記リップを拡張する弾性体と、該弾性体に装着され、前記凹溝の狭窄に伴う前記弾性体の変形を弾性変形範囲内に制限する剛体とを備え、前記シール体を挟んだ前記ガス流路の圧力が高い側に前記凹溝の開口側を位置させて、前記シール体収納域に収納されている。この形態のガスシール機構によれば、シール体を挟んだガス流路のガス圧高低が逆となる逆圧化が起きても、この逆圧化が治まれば、順圧復帰時に元のシール性を支障なく再現して継続使用でき、密封の継続性やシール耐久性を高めることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガス流路に組み込まれる各種の弁機構としての構成の他、高圧ガスタンクと燃料電池等のガス消費機器およびこれらを繋ぐガス流路を含む車両や、工場や店舗或いは住居等に設置した燃料電池と高圧ガスタンクとを含んだ発電プラントとして構成することもできる。

本発明の実施形態としてのガスシール機構１０の概略構成を断面視して示す説明図である。 ガスシール機構１０が有するシール体２０の剛体リング３０を平面視および断面視して示す説明図である。 本実施形態のガスシール機構１０の奏する効果をシール体２０の挙動と合わせて説明する説明図である。 剛体リング３０を備えない既存ガスシール機構Ｊｓｍにおける既存シール体Ｊｓの挙動を示す説明図である。 他の実施形態の剛体リング３０Ａを平面視および断面視して示す説明図である。 また別の実施形態のシール体２０Ｂを断面視した上で順圧シール状況と逆圧シール状況での挙動を示す説明図である。 他の実施形態のガスシール機構１０Ａの概略構成を断面視して示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としてのガスシール機構１０の概略構成を断面視して示す説明図、図２はガスシール機構１０が有するシール体２０の剛体リング３０を平面視および断面視して示す説明図である。

図示するように、ガスシール機構１０は、ハウジング１２が形成するガス流路ＧＬにおいてガスシールを図るべく、軸体１４と、シール体２０とを備える。軸体１４は、ガス流路ＧＬに組み込まれ、その外周壁にシール体収納域１６を有する。シール体収納域１６は、軸体１４の外周回りに凹状に形成され、後述のシール体２０を、軸体軸方向に若干の余裕を持って収納し、図における天井壁にて後述の剛体リング３０を受け止め、シール体収納域１６からのシール体２０の脱落を回避する。シール体収納域１６の天井壁は、図における軸体１４の上部軸部に嵌合もしくはネジ締め等により、形成でき、こうすれば、後述のシール体２０の装着が簡便となる。

シール体２０は、シール本体２１と、バネ２２と、剛体リング３０とを備える。シール本体２１は、シール対象となるガスに対しての耐性を有する樹脂製品であり、例えば、高圧水素ガスシールであれば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン：polytetrafluoroethylene）や高密度ポリエチレン等の樹脂製とされ、一対のリップ２１ａとリップ２１ｂとを対向配置して凹溝２１ｃを形成する。なお、シール本体２１については、これをＰＴＦＥ性の既存のＵシールとすることができる。

バネ２２は、バネ板鋼をＶ字状断面の環状体に成形した成形品であり、Ｖ字状断面の開口端が狭められると、開口端が広がる側に弾発する。そして、このバネ２２は、シール本体２１の凹溝２１ｃに挿入され、上記の弾発力によりリップ２１ａとリップ２１ｂとを拡張させ、ハウジング１２の内周壁とシール体収納域１６の内周壁に、リップ２１ａおよびリップ２１ｂを押し付ける。このリップ押し付けにより、シール体２０は、ガス流路ＧＬのガスシールを図る。

剛体リング３０は、図２に示すように、環状をなし、図における下端側がテーパ状とされている。そして、この剛体リング３０は、テーパ状の下端側がバネ２２の底になるようにして、バネ２２の内部に装着され、テーパ面をバネ２２の内面に対向させる。この場合、剛体リング３０は、その断面形状がリップの拡張をもたらしているバネ２２に干渉しないように形成されている。これに加え、剛体リング３０は、バネ２２がその開口端が狭められるように圧縮された際には、バネ２２の内面を支えて、バネ２２の変形を弾性変形範囲内に制限するように形成されている。具体的には、剛体リング３０のテーパ状部位は、圧縮されたバネ２２をその内面を支えて、バネ２２の変形を弾性変形範囲内に制限できる厚みのテーパとされている。剛体リング３０は、バネ２２が上記のように圧縮された際にその圧縮力に抗することができれば良いので、金属製、軽量合金製、或いは高強度な樹脂製の成形品とすればよい。

上記構成を有するシール体２０は、軸体１４のシール体収納域１６に収納されることで、ガス流路ＧＬをシールすると共に、ガス流路ＧＬをシール体２０を挟んで図における上流側ガス流路ＧＬｕと、下流側ガス流路ＧＬｄに区画する。本実施形態のガスシール機構１０は、上流側ガス流路ＧＬｕの側が高ガス圧で、下流側ガス流路ＧＬｄの側が低ガス圧であることを想定して、ガス流路ＧＬをシールする。以下、このガス圧状態でのシール状況を、順圧シール状況と称する。そして、シール体２０は、この順圧シール状況において、シール体２０を挟んだガス流路ＧＬの圧力が高い上流側ガス流路ＧＬｕの側に凹溝２１ｃの開口側を位置させる。

以上説明した構成を備える本実施形態のガスシール機構１０は、次のような利点を備える。図３は本実施形態のガスシール機構１０の奏する効果をシール体２０の挙動と合わせて説明する説明図、図４は剛体リング３０を備えない既存ガスシール機構Ｊｓｍにおける既存シール体Ｊｓの挙動を示す説明図である。

図３（Ａ）に示す順圧シール状況でガスシール機構１０がガス流路ＧＬのシールを図っている際に、何らかの原因で、下流側ガス流路ＧＬｄのガス圧が上流側ガス流路ＧＬｕの側より高くなる逆圧化が起きたとする。この逆圧化が起きた際のシール状況を、逆圧シール状況と称する。図３（Ｂ）は、逆圧シール状況でのシール体２０の挙動を示しており、凹溝２１ｃは、逆圧化をもたらした圧力差に起因した力をリップ２１ａが受けることにより狭窄し、バネ２２にあっても、リップ２１ａを介して圧力差に起因した力を受け、凹溝２１ｃの狭窄に伴って圧縮変形する。このようにバネ２２が圧縮変形しても、圧縮変形するバネ２２は、当該バネに装着済みの剛体リング３０にて受け止められるので、バネ２２の圧縮変形は剛体リング３０により弾性変形範囲内に留められ、バネ２２は塑性変形しない。

逆圧化をもたらした要因が取り除かれて逆圧化が治まると、上流側ガス流路ＧＬｕのガス圧が下流側ガス流路ＧＬｄの側より高く順圧に復帰する。この順圧復帰により、バネ２２は、逆圧化が起きる前の状態まで弾発して復帰し、シール体２０によるシールは、図３（Ａ）に示す順圧シール状況に戻る。この際、バネ２２は、逆圧化により圧縮変形を起こしたものの、弾性変形範囲内でしか変形せず、塑性変形を起こしていないので、リップ２１ａとリップ２１ｂを逆圧化が起きる前と同様にして拡張する。このため、本実施形態のシール体２０およびこのシール体を有するガスシール機構１０によれば、逆圧化が起きた後の順圧復帰時に元のシール性を支障なく再現して継続使用でき、密封の継続性やシール耐久性を高めることができる。

これに対し、既存ガスシール機構Ｊｓｍでは、図４（Ａ）に示す順圧シール状況から図４（Ｂ）に示す逆圧シール状況となるように逆圧化が起きると、本実施形態と同様、凹溝２１ｃの狭窄と、これに伴うバネ２２の圧縮変形とが起きる。そして、既存ガスシール機構Ｊｓｍでは、既存シール体Ｊｓが有するバネ２２は、弾性変形範囲内を超えて変形（圧縮変形）し、塑性変形を起こし得る。こうなると、逆圧化が治まった後の順圧復帰の際に、バネ２２は、逆圧化が起きる前の状態にまで弾発できないので、リップ２１ａとリップ２１ｂとを十分に拡張できない。このため、既存シール体Ｊｓおよびこれを有する既存ガスシール機構Ｊｓｍでは、逆圧化が起きた後の順圧復帰時に元のシール性を再現できなくなり、シールの信頼性が低下する。

図３に示す本実施形態のガスシール機構１０と図４に示す既存ガスシール機構Ｊｓｍとについて、シール性の復帰試験を行った。まず、両ガスシール機構を、７０ＭＰａの順圧シール状況とし、一旦、７０ＭＰａの逆圧シール状況とする。その後に、７０ＭＰａの順圧シール状況に復帰させた場合のシール性の良否を測定した。この結果、バネ２２の塑性変形を起こさない本実施形態の１０では、良好なシール性を再現できたのに対し、既存ガスシール機構Ｊｓｍでは、ガス漏れが観察された。これは、既存ガスシール機構Ｊｓｍは、バネ２２の塑性変形によりシール性の再現ができなかったことに起因すると想定される。

本実施形態のシール体２０では、剛体リング３０をバネ２２の内部に装着するに過ぎず、この剛体リング３０は、バネ２２およびリップ２１ａとリップ２１ｂの両リップの拡張に関与しない。よって、本実施形態のシール体２０によれば、シール体体格を既存シール体Ｊｓと同程度とできるので、コンパクト化を図ることができる。また、本実施形態のシール体２０は、既存シール体Ｊｓと容易に置換でき、汎用性が高い。そして、金属製のバネ２２を用いることで、シール体２０に対して十分な弾発力を与えることができる。

次に、他の実施形態について説明する。図５は他の実施形態の剛体リング３０Ａを平面視および断面視して示す説明図である。図示するように、この剛体リング３０Ａは、環状部位にスリット３１を有する。よって、この剛体リング３０Ａは、バネ２２の内部への装着に際して、リング軌跡をスリット３１により分断でき軌跡の自由度を高める。この結果、バネ２２の内部への剛体リング３０Ａの組み付け性、装着性が高まり、組み付けコストを初めとするコスト低下を図ることができる。

図６はまた別の実施形態のシール体２０Ｂを断面視した上で順圧シール状況と逆圧シール状況での挙動を示す説明図である。図示するように、このシール体２０Ｂは、既述した実施形態のシール体２０と同様、シール本体２１と、バネ２２Ｂと、剛体リング３０Ｂとを備える。シール本体２１は、リップ２１ａとリップ２１ｂとで形成した凹溝２１ｃに、コイルスプリングを環状としたバネ２２Ｂを挿入して収容する。つまり、所定長さのコイルスプリングを、凹溝２１ｃの中に嵌め込み挿入することで、バネ２２Ｂは、環状形状をとって凹溝２１ｃに収容される。剛体リング３０Ｂは、円形断面の棒状体であり、所定長さの棒状体を、コイルスプリングからなるバネ２２Ｂの適宜箇所からその内部に挿入させる。これにより、剛体リング３０Ｂは、バネ２２Ｂの内部に装着される。そして、この剛体リング３０Ｂは、図６（Ｂ）の逆圧シール状況に示すように、凹溝２１ｃの狭窄に伴って、バネ２２Ｂの円形のコイル形状が長円形状に潰れるようバネ２２Ｂが圧縮変形する際の変形を弾性変形範囲内に制限する。つまり、剛体リング３０Ｂは、凹溝２１ｃの狭窄に伴うバネ２２Ｂの上記の変形を弾性変形範囲内に制限する直径とされている。この実施形態のシール体２０Ｂによっても、逆圧化によるバネ２２Ｂの圧縮変形を弾性変形範囲内に留めて、バネ２２Ｂに塑性変形を起こさないので、逆圧化が起きた後の順圧復帰時に元のシール性を支障なく再現して継続使用でき、密封の継続性やシール耐久性を高めることができる。

図７は他の実施形態のガスシール機構１０Ａの概略構成を断面視して示す説明図である。図示するように、ガスシール機構１０Ａは、軸体１４を凸状体として、その段部をシール体２０のシール体収納域１６とする。また、ガスシール機構１０Ａは、ハウジング１２の内周壁にフランジ部１３を備え、このフランジ部１３をシール体収納域１６の天井壁とする。この実施形態のガスシール機構１０Ａによれば、逆圧化が起きてもバネ２２を塑性変形させないので、既述した効果を奏することができるほか、シール体２０を軸体１４の段部に装着すれば良いので、シール体２０の装着性を高めることができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

上記した実施形態では、シール体収納域１６を軸体１４の外周壁に形成したが、ハウジング１２の内周壁に形成してもよい。この場合には、図１に示すハウジング１２を、シール体収納域１６の形成が可能な肉厚とすればよい。

上記した実施形態では、凹溝２１ｃにバネ板鋼をＶ字状断面の環状体に成形したバネ２２やコイルスプリングを環状としたバネ２２Ｂを挿入して収容したが、弾発力を発生させてその弾発力により一対のリップを拡張する弾性体であれば、バネに限られない。

１０、１０Ａ…ガスシール機構
１２…ハウジング
１３…フランジ部
１４…軸体
１６…シール体収納域
２０、２０Ｂ…シール体
２１…シール本体
２１ａ、２１ｂ…リップ
２１ｃ…凹溝
２２、２２Ｂ…バネ
３０、３０Ａ、３０Ｂ…剛体リング
３１…スリット
ＧＬ…ガス流路
Ｊｓ…既存シール体
Ｊｓｍ…既存ガスシール機構
ＧＬｄ…下流側ガス流路
ＧＬｕ…上流側ガス流路

Claims (4)

1. ガスシールに用いるシール体であって、
   一対のリップを対向配置して凹溝を形成したシール本体と、
   前記凹溝に挿入され、前記リップを拡張する弾性体と、
   該弾性体に装着され、前記凹溝の狭窄に伴う前記弾性体の変形を弾性変形範囲内に制限する剛体とを備え、
   前記剛体は、スリットを有する
   シール体。
2. 前記弾性体は、金属製のバネであり、前記剛体は前記バネの内部に装着される請求項１に記載のシール体。
3. ガスシールに用いるシール体であって、
   一対のリップを対向配置して凹溝を形成したシール本体と、
   前記凹溝に挿入され、前記リップを拡張する弾性体と、
   該弾性体に装着され、前記凹溝の狭窄に伴う前記弾性体の変形を弾性変形範囲内に制限する剛体とを備え、
   前記弾性体は、金属製のバネであり、前記剛体は前記バネの内部に装着される
   シール体。
4. ハウジングが形成したガス流路においてガスシールを図るガスシール機構であって、
   前記ガス流路に組み込まれる軸体と、
   該軸体と前記ハウジングとの間のシール体収納域に収納されたシール体とを備え、
   該シール体は、
   一対のリップを対向配置して凹溝を形成したシール本体と、
   前記凹溝に挿入され、前記リップを拡張する弾性体と、
   該弾性体に装着され、前記凹溝の狭窄に伴う前記弾性体の変形を弾性変形範囲内に制限する剛体とを備え、
   前記シール体を挟んだ前記ガス流路の圧力が高い側に前記凹溝の開口側を位置させて、前記シール体収納域に収納されている
   ガスシール機構。

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