JP6419656B2 - 高温ガスバルブ用シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温ガスバルブにおいてハウジングとシャフトとの間の隙間をシールするための高温ガスバルブ用シール装置に関するものである。

内燃機関において、バタフライ弁やポペット弁等は、高温ガスバルブとして、高温ガスの吸排気に使用される。この高温ガスバルブは、弁体と、これを駆動するシャフトと、弁体を収納するハウジングと、を備える。ハウジングは、弁体を収納する本体ハウジングと、本体ハウジングとは隔壁で隔てられ、前記隔壁の開口から軸方向に延長される延長ハウジングと、を備える。

シャフトは、その一端側が延長ハウジングから前記隔壁の開口を介し本体ハウジング内に軸方向から挿入されて弁体に接続され、その他端側は延長ハウジング内を軸方向に延びてシャフト駆動機構に接続されている。

シール装置は、延長ハウジングの内周面とシャフトの外周面との間の隙間に装着され、本体ハウジング内の高温ガスが前記隔壁の開口を介してシャフト駆動機構側へ漏出しないように、前記隙間をシールする。

なお、かかるシール装置に関連する特許文献を、以下に代表的に、掲載する。

特開平０６−１５９５１９号公報 国際公開番号ＷＯ２０１０／０２９８２０Ａ１号公報

上述した内燃機関に使用される高温ガスバルブは、ガス温度が６００℃以上、９００℃以下であるため、シール装置が装着される前記延長ハウジングの内周面とシャフトの外周面との間の隙間周辺は、５００℃以上の高温環境にあることが予想される。

このような高温環境下では、シール装置の材料には、有機系材料を用いることができない。また、シャフトがハウジング内を回転したり往復運動したりする環境下で、ハウジングとシャフトとの間の隙間をシールするには、金属製のＯリングを使用することができない。このような環境下で、前記隙間を的確にシールできるシール装置が望まれている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、上記環境下で、ハウジングとシャフトとの間の隙間を長期に亘り安定してシール性能を発現できる高温ガスバルブ用のシール装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提供する。

本発明に係る高温ガスバルブ用シール装置は、ハウジングと、前記ハウジング内の温度が５００℃以上で、前記ハウジング内を回転または往復運動するシャフトとの間の隙間に組み込まれて該隙間を軸方向内外でシールするシール装置であって、前記シャフトの外径より小さい孔径のシール孔を有し、かつ、非有機系で、少なくとも半径方向内側の環状部分が軸方向変形可能な環状シール材と、前記シャフトの外径より大きい孔径のシャフト挿入孔を有し、かつ、少なくとも前記環状シール材の半径方向外側の環状部分を保持する金属ケースと、を具備し、前記金属ケースは、前記ハウジング側に密閉状態で装着されると共に、前記シャフト挿入孔に前記シャフトが非接触の状態で貫通挿入され、前記環状シール材は、前記半径方向外側の環状部分が前記金属ケースに収納支持され、前記支持状態で前記シール孔への前記シャフトの挿入により前記半径方向内側の環状部分が前記挿入方向に変形して前記シャフトに密着した状態となって前記隙間を軸方向内外でシールし、前記環状シール材は、非有機系である軟質のマイカで構成されており、かつ、当該環状シール材の前記半径方向内側の環状部分が、前記挿入方向に変形した状態に予め型付けされている、ことを特徴とする。

本発明の高温ガスバルブ用シール装置によれば、ハウジングとシャフトとの間の隙間に組み込まれた状態では、金属ケースは、ハウジング側に密閉状態で装着されると共に、そのシャフト挿入孔には前記シャフトが非接触の状態で貫通挿入されている。そして、環状シール材は、金属ケースに密閉状態で収納支持されていると共に、その支持状態でかつ、シール孔にシャフトが挿入された状態では環状シール材の半径方向内側の環状部分が前記挿入方向に変形して前記シャフトに密着し、これによって、前記隙間はシール装置でもって軸方向内外でシールされた状態となる。

したがって、本発明の高温ガスバルブ用シール装置を、ガス温度が６００℃以上、９００℃以下となる内燃機関の高温ガスバルブにおいて、当該高温ガス用バルブのハウジングとシャフトとの隙間周辺が、５００℃以上の高温環境にあっても、有機系材料を用いず、また、金属製のＯリングを使用せずに、シャフトがハウジング内を回転したり往復運動したりする環境下であっても、ハウジングとシャフトとの間の隙間を確実にシールすることができる。そのため、本発明のシール装置では、上記環境下で、前記隙間を長期に亘り安定して的確にシールできるシール装置を提供することができる。

本発明において、好ましい実施態様では、前記環状シール材が、軸方向に並設された複数の環状シール材から構成されていると共に、前記各環状シール材の軸方向間に、耐熱材料からなる環状スペーサが介装され、前記各環状シール材それぞれの前記半径方向内側の環状部分は、前記環状スペーサによって、軸方向において相互離間している。

本発明において、別の好ましい実施態様では、前記環状シール材が、非有機系であるマイカあるいは膨張黒鉛からなるシール材、または、金属製の環状シートがマイカあるいは膨張黒鉛で被覆されてなるシール材、で構成されている。

本発明によれば、高温ガス用バルブ等のハウジングとシャフトとの間の隙間を長期に亘り安定してシールできるシール装置を提供することができる。

本発明の実施形態１の高温ガスバルブ用シール装置を備えた高温ガスバルブの概略側面断面図。 図１の概略平面図。 本発明の高温ガスバルブ用シール装置を高温ガス用バルブのハウジングとシャフトとの間の隙間に組み込む例を示すもので、シャフトが環状シール材のシール孔に挿入される前の概略図。 図３の状態からシャフトがシール孔に挿入された状態を示す概略図。 本発明の実施形態２の高温ガスバルブ用シール装置に係る環状シール材の平面図。 本発明の実施形態３の高温ガスバルブ用シール装置の概略側面断面図。 本発明の実施形態４の高温ガスバルブ用シール装置の概略側面断面図。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係る高温ガスバルブ用シール装置を説明する。

(実施形態１)
図１及び図２を参照して、実施形態１を説明する。図１は本発明の実施形態１の高温ガスバルブ用のシール装置と、これを備えた高温ガスバルブとの概略的な側面断面図であり、図２は、図１の概略的な平面図である。これらの図を参照して、１は、内燃機関における吸気ガスや排気ガス通路に配置されるバタフライ弁やポペット弁等の高温ガスバルブである。

高温ガスバルブ１は、ハウジング２を備える。ハウジング２は、本体ハウジング２ａと、延長ハウジング２ｂとを有し、本体ハウジング２ａと延長ハウジング２ｂとの間にはこれらを仕切る隔壁３が設けられている。この高温ガス用バルブ１においては、本体ハウジング２ａ内のガス温度は６００℃以上、９００℃以下であり、延長ハウジング２ｂ内のガス温度は、５００℃以上、８００℃以下である。

なお、本発明においては、隔壁３は、必ずしも、必須ではなく、隔壁３がない高温ガス用バルブにも適用することができる。

本体ハウジング２ａは、高温ガスの吸気や排気の通路側４に配置され、内部に弁体(図示略)が設けられる。延長ハウジング２ｂの内部は、シャフト６が挿入されるシャフト駆動機構側５となる。

シャフト６は、延長ハウジング２ｂ内を回転したり往復したりして弁体を駆動するシャフトであり、その図中下方の一端側６ａは隔壁３の開口３ａを介して通路側４内の弁体(図示略)に接続され、その図中上方の他端側６ｂは、延長ハウジング２ｂ外へ延び、シャフト駆動機構(図示略)に接続されている。

シャフト６は、高温ガスバルブ１が、バタフライ弁であるときはハウジング２内を回転駆動され、ポペット弁であるときは、ハウジング２内を軸方向に沿って往復駆動される。

シール装置７は、延長ハウジング２ｂ内に配置されて、隔壁３の開口３ａから延長ハウジング２ｂ内に入り込んだ本体ハウジング２ａ内の高温ガスが、延長ハウジング２ｂとシャフト６との間の隙間から延長ハウジング２ｂ外のシャフト駆動機構側５へと漏出しないように、該隙間を軸方向内外でシール(閉塞)する装置である。

シール装置７は、軸方向３つの環状シール材８と、軸方向２つの環状スペーサ９と、軸方向１つの環状パッキン１０と、これらを収納保持する円筒状金属ケース１１とを備える。

環状シール材８は、シール孔８ａを有する。このシール孔８ａの孔径は、それにシャフト６が挿入されていないときは、シャフト６の外径より小さい。

環状シール材８は、半径方向内側の環状部分８ｂと、半径方向外側の環状部分８ｃとを含む。環状シール材８は、それらの間に介装される環状スペーサ９により、それらの半径方向内側の環状部分８ｂは、軸方向において一定距離以上離間しており、互いに接触しない。

環状シール材８は、その全体が、非有機系で耐熱性を有する材料、例えば５００℃以上の耐熱性を有する材料により構成されている。また、環状シール材８は、少なくとも半径方向内側の環状部分８ｂが、軸方向に変形することを許容する肉厚に作製されている。そのような要求を満たす環状シール材８の材料としては、例えば、マイカ（雲母）、膨張黒鉛（高耐熱性グラファイト）、セラミック、等がある。

硬質のマイカでは、約６００℃程度の耐熱性があり、軟質のマイカでは約９００℃程度の耐熱性がある。マイカは、硬質及び軟質も、耐熱性に優れ、温度変化に対して寸法的に安定性があり、シール材に好ましい。マイカの種類としては、白雲母、黒雲母、金雲母、リチア雲母、益富雲母、等がある。金雲母は軟質マイカでたわみ性に優れている。環状シール材８は、半径方向内側の環状部分８ｂが軸方向に可撓性であることが要求されるので、半径方向内側の環状部分８ｂの材料には軟質マイカが好ましい。この場合、環状シール材８は、その厚さ、内径、及びこれらのバランスにより、適宜、他の材料、等を選択することができる。

また、環状シール材８の別の材料として、膨張黒鉛は、可撓性、加工性に富み、耐熱性に優れた素材であり、５００℃以上の高温環境に対して耐熱性を有し、また、圧縮強度及び弾力性に優れていると共に、不浸透性をもち、ガスの透過性がない為、シール性に優れている。

さらに、環状シール材８のさらに別の材料として、例えば、セラミックシート等がある。

環状シール材８は、そのシール孔８ａに、当該シール孔８ａの孔径より外径が大きいシャフト６が挿入されたときに、半径方向内側の環状部分８ｂがその挿入方向に破損することなく、スムーズに変形できる可撓性、柔軟性を有する必要がある。

そのため、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂの軸方向厚さは、材質にもよるが、例えば、材料が膨張黒鉛であれば、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲に形成することが好ましく、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲に形成することがより好ましい。また、材料がマイカであれば、半径方向内側の環状部分８ｂの軸方向厚さは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲が好ましく、より好ましくは、０．１５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。

環状シール材８は、シャフト６と同寸法、同形状の模擬シャフトを用いて、そのシール孔８ａに挿入するなどして、半径方向内側の環状部分８ｂを図１の形状に予め型付けを施しておき、その型付けされた環状シール材８にシャフト６を挿入できるようにしてもよい。

環状スペーサ９は、５００℃以上の高温に対して耐熱性を有し、環状シール材８を円筒状金属ケース１１内に軸方向に締め付けて保持できる程度に所要の硬度を有する材料であればよく、例えば、ステンレス鋼、セラミックス、インコネル、等で製作することができる。

環状パッキン１０は、５００℃以上の高温に対して耐熱性を有し、かつ、軸方向にクッション性を付与できる材料であればよく、例えば、膨張黒鉛、セラミック、等で製作することができる。

円筒状金属ケース１１は、シャフト挿入孔１１ａを有する軸方向外側(通路側４)の環状板部１１ｂと、軸方向内側(シャフト駆動機構側５)の環状板部１１ｃと、両環状板部１１ｂ，１１ｃの半径方向外周側を軸方向に延びる円筒体部１１ｄと、を有する。軸方向外側の環状板部１１ｂと円筒体部１１ｄとは、一体形成され、軸方向内側の環状板部１１ｃは、円筒体部１１ｄとは別体で、円筒体部１１ｄの軸方向内側の内周面に形成されたネジ溝（図示略）にネジ込まれるか、あるいは、かしめ付けされることによって、円筒体部１１ｄに装着される。

シール装置７の組み立ては、例えば、軸方向外側の環状板部１１ｂの板面上に、環状シール材８、環状スペーサ９、環状シール材８、環状スペーサ９、環状シール材８、及び環状パッキン１０をこの順序で積層し、こうして積層した積層体の上から、軸方向内側の環状板部１１ｃを円筒体部１１ｄにねじ込むか、あるいは、かしめ付けて、前記積層体を軸方向に押さえ込み、これによって、環状シール材８を円筒状金属ケース１１内に収納保持する。

この場合、実施形態では環状パッキン１０は円筒状金属ケース１１の内側で１つだけ組み込まれているが、これに限定されず、円筒状金属ケース１１の軸方向内側と外側それぞれに組み込んでもよく、円筒状金属ケース１１の軸方向外側にだけ組み込んでもよい。この環状パッキン１０は、前記積層体が押さえ込まれた際に、弾性的に軸方向に圧縮変形することで、環状シール材８を円筒状金属ケース１１内に安定して支持できるようにしている。

円筒状金属ケース１１は、前記組み立てがされた状態で、ハウジング２内部に圧入等によって隔壁３上に載置されてもよいし、前記載置の状態で前記組み立てがされてもよい。ハウジング２に対する円筒状金属ケース１１の密閉は、例えば、円筒体部１１ｄの外周面に環状溝（図示略）を形成し、この環状溝に金属製のＯリング（図示略）を装着し、このＯリングで密閉してもよい。

このようにして円筒状金属ケース１１は、ハウジング２内部に密閉状態で装着される。

環状シール材８は、円筒状金属ケース１１に収納支持された状態でシール孔８ａへのシャフト６の挿入により、半径方向内側の環状部分８ｂが前記挿入の方向（図１中上側方向）に変形してシャフト６に抱き着くように密着して、ハウジング２とシャフト６との間の隙間を軸方向内外でシールしている。

環状シール材８は、実施形態では３枚でもって構成されているが、３枚に限定されるものではなく、１枚、２枚、あるいは４枚以上でもよい。

以上の構成を備えた実施形態１のシール装置７は、ハウジング２とシャフト６との間の隙間に組み込まれた状態では、円筒状金属ケース１１は、ハウジング２の内部に密閉状態で装着され、円筒状金属ケース１１のシャフト挿入孔１１ａには、シャフト６が非接触の状態で貫通挿入されている。

そして、環状シール材８は、円筒状金属ケース１１に密閉状態で収納支持され、その支持状態で、環状シール材８のシール孔８ａにシャフト６が挿入された状態で、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂが前記挿入方向に変形してシャフト６に密着しているので、前記隙間は環状シール材８によって軸方向内外でシールされた状態となっている。

このように、本実施形態１のシール装置７によれば、ガス温度が６００℃以上、９００℃以下となる内燃機関の高温ガスバルブにおいて、ハウジング２とシャフト６との隙間周辺が、５００℃以上の高温環境にあっても、有機系材料を用いず、また、金属製のＯリングを使用せずに、シャフト６がハウジング２内を回転したり往復運動したりする環境下でも、ハウジング２とシャフト６との間の隙間をシールすることができる。

図３及び図４を参照して、高温ガス用バルブへの本実施形態１のシール装置７の組み込みを説明すると、図３の状態では、シール装置７は、ハウジング２に装着された状態で、シャフト６はシール装置７の環状シール材８のシール孔８ａに挿入されていない。そのため、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂは、軸方向においてシャフト６の外周面よりも半径方向内側に突出している。そして、シャフト６が、環状シール材８に対して、相対的に図中の矢印方向に上昇してシャフト６が環状シール材８のシール孔８ａに挿入されると、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂは、図４に示すように、シャフト６に接触しつつ軸方向内側へ変形させられ、シャフト６の外周面に密着する。このようにして、ハウジング２とシャフト６との間の隙間は、環状シール材８により密閉される。

なお、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂは、そのシール孔８ａにシャフト６が挿入される前に予め、図４のように変形していてもよい。図４で示す環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂは、全体的になだらかに湾曲した形状に変形しているが、実施形態の変形形状に特に、限定されない。

なお、環状シール材８のシール孔８ａへのシャフト６の挿入方向は、図３の矢印方向に特に限定されず、図３の矢印方向とは反対の方向から挿入して、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂを図４とは反対の方向に変形させてもよい。

（実施形態２）
図５を参照して、実施形態２を説明すると、実施形態２の環状シール材８では、軸方向３つの環状シール材８それぞれの半径方向内側の環状部分８ｂに半径方向の短い切り込み８ｄが入れられており、これによって、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂの軸方向への変形が容易となり、これによって、３つの環状シール材８それぞれのシール孔８ａへのシャフト６の挿入を容易にしている。
３つの環状シール材８それぞれの切り込み８ｄの切り込み位置は、これら環状シール材８それぞれごとに、平面視において円周方向等間隔に実線と、点線とで示すように、円周方向等間隔にずらしている。これにより、環状シール材８それぞれに切り込み８ｄが形成されていても、シャフト６を３つの環状シール材８それぞれのシール孔８ａに挿入した際に、３つの環状シール材８それぞれの切り込み８ｄが、環状シール材８の密閉性能に影響することがない。

（実施形態３）
図６を参照して実施形態３を説明すると、上記実施形態では、環状シール材８は、単一の材料、例えば、または、マイカあるいは膨張黒鉛で構成されているが、図６に示すように、金属製の環状シート８ｅをマイカあるいは膨張黒鉛からなる被覆層８ｆで被覆して構成してもよい。環状シート８ｅの金属材料としては、５００℃以上の耐熱性と、耐食性とを有することが好ましく、例えば、ステンレス鋼が好ましい。実施形態３では、この構成により、環状シール材８のシャフト６への抱き着き力が増大するという効果を発揮することができる。

（実施形態４）
図７を参照して実施形態４を説明すると、上記実施形態では、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂは、環状シール材８のシール孔８ａにシャフト６を挿入する前の自然状態では、シール孔８ａよりも半径方向内側へ直線状に延びているが、実施形態４では、環状シール材８の半径方向内側の環状部分８ｂの半径方向内端側が予め、シャフト６の外径以下の箇所から半径方向外側へ環状に折り返されている。この折り返しにより、前記環状部分８ｂの半径方向内端側で環状に囲む部分がシール孔８ａとなり、かつ、当該半径方向内端が曲線状になっている。そのため、シャフト６を環状シール材８のシール孔８ａに挿入する際、環状部分８ｂの半径方向内端側が容易にその挿入方向に変形でき、シャフト６を容易に挿入することができる。

以上説明したように、上記各実施形態では、ガス温度が６００℃以上、９００℃以下となる内燃機関の高温ガスバルブにおいて、ハウジング２とシャフト６との隙間周辺が、５００℃以上の高温環境にあっても、有機系材料を用いず、また、金属製のＯリングを使用せずに、シャフト６がハウジング２内を回転したり往復運動したりする環境下でも、ハウジング２とシャフト２との間の隙間を、長期に亘り安定してシールすることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形態で実施できる。したがって、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、本発明の範囲は特許請求の範囲に示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

１ 高温ガスバルブ
２ ハウジング
２ａ 本体ハウジング
２ｂ 延長ハウジング
３ 隔壁
４ 通路側
５ シャフト駆動機構側
６ シャフト
７ シール装置
８ 環状シール材
８ａ シール孔
８ｂ 半径方向内側環状部分
８ｃ 半径方向外側環状部分
９ 環状スペーサ
１０ 環状パッキン
１１ 円筒状金属ケース

Claims (3)

1. ハウジングと、前記ハウジング内の温度が５００℃以上で、前記ハウジング内を回転または往復運動するシャフトとの間の隙間に組み込まれて該隙間を軸方向内外でシールするシール装置であって、
   前記シャフトの外径より小さい孔径のシール孔を有し、かつ、非有機系で、少なくとも半径方向内側の環状部分が軸方向変形可能な環状シール材と、
   前記シャフトの外径より大きい孔径のシャフト挿入孔を有し、かつ、少なくとも前記環状シール材の半径方向外側の環状部分を保持する金属ケースと、
   を具備し、
   前記金属ケースは、前記ハウジング側に密閉状態で装着されると共に、前記シャフト挿入孔に前記シャフトが非接触の状態で貫通挿入され、
   前記環状シール材は、前記半径方向外側の環状部分が前記金属ケースに収納支持され、前記支持状態で前記シール孔への前記シャフトの挿入により前記半径方向内側の環状部分が前記挿入方向に変形して前記シャフトに密着した状態となって前記隙間を軸方向内外でシールし、
   前記環状シール材は、非有機系である軟質のマイカで構成されており、かつ、当該環状シール材の前記半径方向内側の環状部分が、前記挿入方向に変形した状態に予め型付けされている、
   ことを特徴とするシール装置。
2. 前記環状シール材が、軸方向に並設された複数の環状シール材から構成されていると共に、前記各環状シール材の軸方向間に、耐熱材料からなる環状スペーサが介装され、前記各環状シール材それぞれの前記半径方向内側の環状部分は、前記環状スペーサによって、軸方向において相互離間している、
   請求項１に記載のシール装置。
3. 前記環状シール材は、前記半径方向内側の環状部分の半径方向内端側が予め、前記シャフトの外径以下の箇所から半径方向外側へ環状に折り返されている、
   請求項１または２に記載のシール装置。

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