JP6315941B2 - シール材 - Google Patents

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Description

この発明は、一般的には、シール材に関し、より特定的には、あり溝に装着されるシール材に関する。
従来のシール材に関して、たとえば、特開2006−220229号公報には、あり溝内への装着性が良好で、かつ脱力抵抗力が高く、仮に大型化された場合であっても、低荷重で十分なシール力を得ることができ、メタルタッチによるパーティクルの発生を防止することを目的とした、あり溝用シール材が開示されている(特許文献1)。
特許文献1に開示されたあり溝用シール材は、閉環状のシール材であり、閉環状のあり溝が形成された一方の部材と、他方の部材との封止個所に装着される。シール材は、その構成部位として、あり溝内に装着されるシール材本体と、あり溝から外方に突出されるシール材本体の外表面に設けられ、斜め方向に延びるリップ部とを備える。
特開2006−220229号公報
上述の特許文献1に開示されるように、台形形状のあり溝に装着されるシール材が知られている。特許文献1に開示されたあり溝用シール材は、あり溝への装着後の安定性を満たすために容積を確保したシール材本体と、他方の部材と当接した場合に低荷重での変形が可能なリップ部とを備えて構成されている。
一方、シール材が使用される環境は急激に広がっており、今まで想定されていなかった極低荷重(締め付け荷重)での使用も必要とされている。しかしながら、上述の従来のシール材では、リップ部の変形量が一定値を超えると、シール材内で発生する圧縮応力が高剛性のシール材本体にまで及び始める。このとき、シール材から他方の部材への反力が急激に増大するため、極低荷重での使用条件を満たすことが難しくなる。
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、極低荷重での使用が可能なシール材を提供することである。
この発明の1つの局面に従ったシール材は、あり溝に装着される閉環状のシール材である。シール材は、あり溝の底面に配置される本体部と、本体部の端部から折れ曲がり、あり溝の外部に向けて延びるリップ部とを備えるシール断面を有する。シール断面は、本体部およびリップ部の各々が、本体部とリップ部との間の折れ曲がり位置から直線状に延伸するV字形状をなす。直線状に延伸する方向の直交方向における本体部の幅が、直線状に延伸する方向の直交方向におけるリップ部の幅と等しい。閉環状のシール材がシール内径Raを有し、閉環状のあり溝が溝内径Rbを有する場合に、シール材の伸張率((Rb−Ra)/Ra)×100)は、0%以上4%以下である。
この発明のの局面に従ったシール材は、あり溝に装着される閉環状のシール材である。シール材は、あり溝の底面に配置される本体部と、本体部の端部から折れ曲がり、あり溝の外部に向けて延びるリップ部とを備えるシール断面を有する。シール断面は、本体部およびリップ部の各々が、本体部とリップ部との間の折れ曲がり位置から直線状に延伸するV字形状をなす。直線状に延伸する方向の直交方向における本体部の幅が、直線状に延伸する方向の直交方向におけるリップ部の幅以下である。
このように構成されたシール材によれば、リップ部に加えて本体部もより積極的に変形させることによって、シール材で発生する圧縮反力を小さく抑える。これにより、極低荷重での使用が可能なシール材を実現することができる。
また好ましくは、本体部の幅が、リップ部の幅と等しい。このように構成されたシール材によれば、極低荷重での使用が可能なシール材を実現することができる。
また好ましくは、直線状に延伸する方向における本体部の長さが、直線状に延伸する方向におけるリップ部の長さと等しい。また好ましくは、直線状に延伸する方向における本体部の長さが、直線状に延伸する方向におけるリップ部の長さよりも大きい。また好ましくは、直線状に延伸する方向における本体部の長さが、直線状に延伸する方向におけるリップ部の長さよりも小さい。
このように構成されたシール材によれば、極低荷重での使用が可能なシール材を実現することができる。
また好ましくは、閉環状のシール材がシール内径Raを有し、閉環状のあり溝が溝内径Rbを有する場合に、シール材の伸張率((Rb−Ra)/Ra)×100)は、0%以上4%以下である。
このように構成されたシール材によれば、シール材の断面変形を抑えて、シール材をあり溝の溝内径に沿って設けることができる。これにより、あり溝へのシール材の装着性や、装着後のシール材の安定性を向上させることができる。
また好ましくは、本体部は、あり溝の底面に接触する第1表面を有する。リップ部は、あり溝の側面に接触する第2表面を有する。あり溝の底面と側面とがなす溝角度がαである場合に、第1表面と第2表面とがなすシール角度βは、0.7α≦β≦1.3αの関係を満たす。
このように構成されたシール材によれば、シール材をあり溝の溝内径に沿って設けることができる。これにより、あり溝への装着後のシール材の安定性を向上させることができる。
この発明の別の局面に従ったシール材は、あり溝に装着される閉環状のシール材である。シール材は、あり溝の底面に配置される本体部と、本体部の端部から折れ曲がり、あり溝の外部に向けて延びるリップ部とを備えるシール断面を有する。そのシール断面は、本体部の剛性がリップ部の剛性以下となる断面特性を有する。
このように構成されたシール材によれば、リップ部に加えて本体部もより積極的に変形させることによって、シール材で発生する圧縮反力を小さく抑える。これにより、極低荷重での使用が可能なシール材を実現することができる。
以上に説明したように、この発明に従えば、極低荷重での使用が可能なシール材を提供することができる。
この発明の実施の形態1におけるシール材を示す平面図である。 図1中のII−II線上に沿ったシール材を示す断面図である。 あり溝を示す断面図である。 図2中のシール部材があり溝に装着された状態を示す断面図である。 シール角度β=溝角度α+35%時におけるシール材の使用形態を示す断面図である。 図2中のシール材の使用形態を示す断面図である。 比較のためのシール材を示す断面図である。 図7中の比較のためのシール材の内部で発生する圧縮応力を示す断面図である。 図2中のシール材の内部で発生する圧縮応力を示す断面図である。 図2中のシール材の第1変形例を示す断面図である。 図2中のシール材の第2変形例を示す断面図である。 図2中のシール材の第3変形例を示す断面図である。
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
(実施の形態1)
図1は、この発明の実施の形態1におけるシール材を示す平面図である。図2は、図1中のII−II線上に沿ったシール材を示す断面図である。図3は、あり溝を示す断面図である。図4は、図2中のシール部材があり溝に装着された状態を示す断面図である。
図1から図4を参照して、まず、実施の形態1におけるシール材10の基本的な構造について説明すると、本実施の形態におけるシール材10は、あり溝52に装着される閉環状のシール材である。シール材10は、あり溝52の底面53に配置される本体部21と、本体部21の端部から折れ曲がり、あり溝52の外部に向けて延びるリップ部31とを備えるシール断面を有する。そのシール断面は、本体部21およびリップ部31の各々が、本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から直線状に延伸するV字形状をなす。直線状に延伸する方向の直交方向における本体部21の幅B1が、直線状に延伸する方向の直交方向におけるリップ部31の幅B2以下である。
続いて、シール材10の構造についてより具体的に説明する。シール材10は、閉環状のシール材であり、第1部材51と第2部材61との間を封止するために使用される。シール材10は、ゴム等の弾性部材から形成されている。シール材10に用いられるゴム材料としては、たとえば、硬度60〜70HA程度のフッ素ゴム、シリコンゴム、EPDM系ゴムなどが挙げられる。
第1部材51および第2部材61は、それぞれ、合わせ面56および合わせ面66を有する。第1部材51および第2部材61は、合わせ面56と合わせ面66とが互いに向かい合わせとなるように配置される。
第1部材51には、閉環状のあり溝52が形成されている。シール材10は、あり溝52に装着される。あり溝52は、第1部材51の合わせ面56に開口する溝形状を有する。閉環状に延びるあり溝52の接線方向に直交する平面により第1部材51を切断した場合に、あり溝52は、台形の断面形状を有する。
あり溝52は、底面53および側面54を有する。底面53は、第1部材51の合わせ面56に平行に延在する。側面54は、第1部材51の合わせ面56におけるあり溝52開口面から底面53に向かってテーパ状に広がる。底面53と側面54とは、湾曲しながら互いに連なっている。
なお、上記では、内径側の側面54と外径側の側面54との両方がテーパ状に広がるあり溝52について説明したが、これに限られず、内径側の側面54のみがテーパ状に設けられたあり溝にシール材10が装着されてもよい。
閉環状に延びるシール材10の接線方向に直交する平面によりシール材10を切断した場合に、シール材10は、本体部21およびリップ部31を備えるシール断面を有する。
本体部21は、あり溝52の底面53に配置される。リップ部31は、本体部21の端部から折れ曲がり、あり溝52の外部に向けて延びる。シール材10のシール断面は、本体部21が、本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から直線状に延伸し、リップ部31が、本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から直線状に延伸するV字形状をなす。本体部21とリップ部31とは、90°よりも小さい角度で交わっている。
本体部21は、先端部22を有する。先端部22は、本体部21が本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から直線状に延伸する先端に設けられている。先端部22は、あり溝52の底面53の直上に配置されている。リップ部31は、先端部32を有する。先端部32は、リップ部31が本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から直線状に延伸する先端に設けられている。先端部32は、あり溝52の外部に配置されている。
本体部21は、本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から先端部22に向けて、あり溝52の底面53に平行な方向に延伸する。リップ部31は、本体部21とリップ部31との間の折れ曲がり位置41から先端部32に向けて、あり溝52の側面54に平行な方向に延伸する。
本体部21は、表面21aおよび裏面21bを有する。表面21aは、あり溝52の底面53に接触する。裏面21bは、表面21aの裏側に配置されている。表面21aと裏面21bとは、互いに平行に延在する。リップ部31は、表面31aおよび裏面31bを有する。表面31aは、あり溝52の側面54に接触する。裏面31bは、表面31aの裏側に配置されている。表面31aと裏面31bとは、互いに平行に延在する。
直線状に延伸する方向の直交方向における本体部21の幅B1は、直線状に延伸する方向の直交方向におけるリップ部31の幅B2以下である(B1≦B2)。本体部21の幅B1は、表面21aと裏面21bとの間の長さであり、リップ部31の幅B2は、リップ部31の表面31aと裏面31bとの間の長さである。本実施の形態では、本体部21の幅B1が、リップ部31の幅B2と等しい。
本体部21の断面積は、リップ部31の断面積以下である。本実施の形態では、本体部21の断面積がリップ部31の断面積と等しい。
本実施の形態では、直線状に延伸する方向における本体部21の長さL1が、直線状に延伸する方向におけるリップ部31の長さL2と等しい(L1=L2)。シール材10は、折れ曲がり位置41における先端部42と、本体部21の先端部22と、リップ部31の先端部32とを結んだ形状が二等辺三角形となるシール断面を有する。
先端部22および先端部32の形状は特に限定されないが、本実施の形態では、表面21aと裏面21bとが、先端部22において湾曲しながら互いに連なり、表面31aと裏面31bとが、先端部32において湾曲しながら互いに連なっている。
リップ部31の先端部32を湾曲形状とすることにより、第2部材61によるシール材10の押圧時、リップ部31をより円滑に弾性変形させることができる。また、本体部21の先端部22を湾曲形状とすることにより、仮にシール材10が本体部21とリップ部31とが反転した状態であり溝52に装着された場合であっても、第2部材61によるシール材10の押圧時、本体部21をより円滑に弾性変形させることができる。
先端部32の曲率半径(シールトップR)は、0よりも大きくリップ部31の幅B2以下であることが好ましく、先端部22の曲率半径は、0よりも大きく本体部21の幅B1以下であることが好ましい。
表面21aと表面31aとは、折れ曲がり位置41において湾曲しながら互いに連なっている。裏面21bと裏面31bとは、折れ曲がり位置41において湾曲しながら互いに連なっている。本実施の形態では、表面21aと表面31aとが連なる位置の曲率半径Rxが、裏面21bと裏面31bとが連なる位置の曲率半径Ryよりも小さい。
シール材10の表面21aと表面31aとが連なる位置の曲率半径Rxは、あり溝52の底面53と側面54とが連なる位置の曲率半径Rz以上であることが好ましい。このような構成により、シール材10をあり溝52の溝内径に沿う形態で設けることができる。
閉環状のシール材10は、シール内径Raを有する。閉環状のあり溝52は、溝内径Rbを有する。この場合に、シール材10の伸張率((Rb−Ra)/Ra)×100)は、0%以上4%以下であることが好ましい。
このような構成によれば、シール材10の伸張による断面変形を抑えて、シール材10をあり溝52の溝内径に沿う形態で設けることができる。これにより、シール材10があり溝52の溝内径を適度な圧力で締め付けた状態で設けられるため、あり溝52へのシール材10の装着性や、装着後のシール材10の安定性を向上させることができる。
このような作用効果を確認するための実施例として、図4中に示すあり溝52へのシール材10の装着状態において、シール材10の伸張率を5%に設定すると、シール材10の締め付け力が大きくなりすぎて、リップ部31の先端部32があり溝52の内径側に反り返る結果となった。一方、シール材10の伸張率を4%以下に設定することにより、シール材10を適切な姿勢で、あり溝52の溝内径に沿って設けることができた。FEM(Finite Element Method)解析によれば、後述する図6中のシール材の使用形態において、伸張率0%時のシール材の圧縮反力は0.082N/mmとなった。これに対して、伸張率5%時、あり溝52におけるシール材の姿勢に起因し、シール材の圧縮反力は0.087N/mmとなり、やや増大する結果となった。
直線状に延伸する方向における本体部21の長さL1は、同じ方向におけるあり溝52の底面長さL3以下に設定される(L1≦L3)。この際、本体部21の長さL1を可能な限り大きく設定することによって、あり溝52に対するシール材10の装着時にシール材10のハンドリングが良好となり、装着時の作業性を向上させることができる。
本体部21の表面21aを基準とした時のシール材10のシール高さHは、あり溝52の溝高さh(後述する図6において、あり溝52の底面53から第2部材61の合わせ面66までの長さ)以上に設定される(H≧h)。
あり溝52の底面53と側面54とがなす溝角度がαである場合に、本体部21の表面21aとリップ部31の表面31aとがなすシール角度βは、0.7α≦β≦1.3αの関係を満たすことが好ましい。
このような構成によれば、シール材10をあり溝52の溝内径に沿う形態で設けることができる。これにより、あり溝52に対するシール材10の装着時に、シール材10が溝内径に引っ掛かった状態が得られ、装着時の作業性を向上させることができる。また、あり溝52におけるシール材10の据わり性を確保することにより、シール材10があり溝52内で捩れたり、あり溝52から脱落したりすることを防止できる。本実施の形態では、シール材10のシール角度βが、あり溝52の溝角度αと等しい。
図5は、シール角度β=溝角度α+35%時におけるシール材の使用形態を示す断面図である。このような作用効果を確認するための実施例として、図4中に示すあり溝52へのシール材10の装着状態において、シール角度βを溝角度α+35%に設定すると、あり溝52の内径側においてシール材とあり溝52の内壁との間に隙間が生じた。この場合に、あり溝52に装着されたシール材に第2部材61を圧接すると、図5中に示すように、リップ部31が屈曲変形する結果となった。また、シール角度βを溝角度α−40%に設定すると、あり溝52の内径側において、あり溝52の底面53と側面54との間の空間をシール材10により満たすことができなかった。一方、シール角度βを溝角度α±30%以内に設定することにより、シール材10をあり溝52の溝内径に沿う形態で設けることができた。
図6は、図2中のシール材の使用形態を示す断面図である。図1から図4および図6を参照して、あり溝52に装着されたシール材10が第2部材61に圧接することにより、第1部材51と第2部材61との間が封止される。このとき、第1部材51の合わせ面56と第2部材61の合わせ面66との間には、微小な隙間が形成される。リップ部31は、第2部材61の合わせ面66と接触し、押圧されることによって、あり溝52の内側に向けて弾性変形する。
後述するように、本実施の形態では、極低荷重でのシール材10の使用を可能とするために、あり溝52の底面53に配置される本体部21が低容積で設けられる。この場合、あり溝52に対するシール材10の装着性や装着後の安定性が犠牲になるため、これらを向上させるための構成が有効に利用される。
図7は、比較のためのシール材を示す断面図である。図8は、図7中の比較のためのシール材の内部で発生する圧縮応力を示す断面図である。図8中では、FEM解析により求められた圧縮応力の発生領域が、ハッチングにより示されている。
図7および図8を参照して、比較のためのシール材110は、本体部21およびリップ部31を備えるV字状のシール断面を有する。シール材110においては、あり溝52に対するシール材110の装着性や装着後の安定性を図るために、本体部21の幅B1がリップ部31の幅B2よりも大きく設定されている。
このような構成を備えるシール材110では、図8中に示すように、リップ部31の変形量が一定値を超えると、シール材110内で発生する圧縮応力が本体部21にまで及び始める。このとき、高剛性の本体部21は容易には変形しないため、シール材110から第2部材61への圧縮反力が急激に増大する。
図9は、図2中のシール材の内部で発生する圧縮応力を示す断面図である。図9中では、FEM解析により求められた圧縮応力の発生領域がハッチングにより示されている。
図6および図9を参照して、これに対して、本実施の形態におけるシール材10では、本体部21の幅B1をリップ部31の幅B2以下とする構成によって、本体部21も図6中の矢印101に示す方向に変形する。これにより、シール材10から第2部材61への圧縮反力を小さく抑え、極低荷重での使用が可能なシール材10を実現することができる。
なお、図9中に示すFEM解析では、シール材10から第2部材61への圧縮応力を1N/mm以下に抑えることができた。
このように構成された、この発明の実施の形態1におけるシール材10によれば、本体部21およびリップ部31の形状を共有化して、シール材10の形状全体を変形部位とすることにより、極低荷重での使用が可能となる。また、付加的な効果として、仮にシール材10が本体部21とリップ部31とが反転した状態であり溝52に装着された場合があっても、シール材10の機能が極端な低下を防ぐことができる。
耐震構造として、第1部材51および第2部材61が上下からバネにより支持される構造や、真空構造として、第1部材51および第2部材61が上下から真空引きされる構造がある。これらの構造では、第1部材51および第2部材61に相互に離間する方向に力が作用するため、シール材に対して極低荷重での使用条件が課せられる。また、装置の小型化や軽量化を進めるために、第1部材51および第2部材61の締め付け力が小さくならざるを得ない場合も想定される。本実施の形態におけるシール材10は、このような用途で好適に利用される。
(実施の形態2)
本実施の形態におけるシール材は、実施の形態1におけるシール材10と同一の形状を有する。以下、実施の形態1におけるシール材10と重複する構造については、その説明を繰り返さない。
図1から図4および図6を参照して、本実施の形態におけるシール材は、あり溝52に装着される閉環状のシール材である。シール材10は、あり溝52の底面53に配置される本体部21と、本体部21の端部から折れ曲がり、あり溝52の外部に向けて延びるリップ部31とを備えるシール断面を有する。そのシール断面は、本体部21の剛性がリップ部31の剛性以下となる断面特性を有する。
本実施の形態では、本体部21の剛性がリップ部31の剛性と等しい。
このような構成によれば、本体部21の剛性をリップ部31の剛性以下とする構成によって、本体部21も図6中の矢印101に示す方向に変形する。これにより、シール材10から第2部材61への圧縮反力を小さく抑え、極低荷重での使用が可能なシール材10を実現することができる。
シール材のシール断面が、本体部21の剛性がリップ部31の剛性以下となる断面特性を有するかを判断する方法について説明すると、まず、シール材のシール断面(図2中に示す断面形状)をコンピュータに入力する。リップ部31を水平面に載置し、その水平面に直交する方向から本体部21に対して荷重を加え、シール材が1mm圧縮変形する条件において、本体部21およびリップ部31のそれぞれで発生する圧縮応力をFEM解析により求める。その結果、本体部21で発生する圧縮応力(反力)≧リップ部31で発生する圧縮応力(反力)となれば、シール材のシール断面は、本体部21の剛性がリップ部31の剛性以下となる断面特性を有する。
このように構成された、この発明の実施の形態2におけるシール材によれば、実施の形態1に記載の効果を同様に奏することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1および2で説明したシール材10の各種変形例について説明する。
図10は、図2中のシール材の第1変形例を示す断面図である。図10を参照して、本変形例では、直線状に延伸する方向における本体部21の長さL1が、直線状に延伸する方向におけるリップ部31の長さL2よりも大きい(L1>L2)。このような構成によれば、あり溝52に対するシール材の装着時にシール材のハンドリングが良好となり、装着時の作業性を向上させることができる。
図11は、図2中のシール材の第2変形例を示す断面図である。図11を参照して、本変形例では、直線状に延伸する方向における本体部21の長さL1が、直線状に延伸する方向におけるリップ部31の長さL2よりも小さい(L1<L2)。このような構成によれば、第2部材61が第1部材51に対して移動して、密閉空間を繰り返し得るような使用形態において、より早いタイミングで密閉空間を形成することができる。
図12は、図2中のシール材の第3変形例を示す断面図である。図12を参照して、本変形例では、表面21aと表面31aとが連なる位置の曲率半径Rxが、裏面21bと裏面31bとが連なる位置の曲率半径Ryと等しい。
このように構成された、この発明の実施の形態3におけるシール材によれば、実施の形態1に記載の効果を同様に奏することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、主に、あり溝に装着されるシール材に適用される。
10 シール材、21 本体部、21a,31a 表面、21b,31b 裏面、22,32,42 先端部、31 リップ部、41 折れ曲がり位置、51 第1部材、52 あり溝、53 底面、54 側面、56,66 合わせ面、61 第2部材。

Claims (5)

  1. あり溝に装着される閉環状のシール材であって、
    前記あり溝の底面に配置される本体部と、
    前記本体部の端部から折れ曲がり、前記あり溝の外部に向けて延びるリップ部とを備えるシール断面を有し、
    前記シール断面は、前記本体部および前記リップ部の各々が、前記本体部と前記リップ部との間の折れ曲がり位置から直線状に延伸するV字形状をなし、
    直線状に延伸する方向の直交方向における前記本体部の幅が、直線状に延伸する方向の直交方向における前記リップ部の幅と等しく、
    閉環状の前記シール材がシール内径Raを有し、閉環状の前記あり溝が溝内径Rbを有する場合に、前記シール材の伸張率((Rb−Ra)/Ra)×100)は、0%以上4%以下である、シール材。
  2. 直線状に延伸する方向における前記本体部の長さが、直線状に延伸する方向における前記リップ部の長さと等しい、請求項1に記載のシール材。
  3. 直線状に延伸する方向における前記本体部の長さが、直線状に延伸する方向における前記リップ部の長さよりも大きい、請求項1に記載のシール材。
  4. 直線状に延伸する方向における前記本体部の長さが、直線状に延伸する方向における前記リップ部の長さよりも小さい、請求項1に記載のシール材。
  5. 前記本体部は、前記あり溝の底面に接触する第1表面を有し、
    前記リップ部は、前記あり溝の側面に接触する第2表面を有し、
    前記あり溝の底面と側面とがなす溝角度がαである場合に、前記第1表面と前記第2表面とがなすシール角度βは、0.7α≦β≦1.3αの関係を満たす、請求項1からのいずれか1項に記載のシール材。
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