WO2021044614A1

WO2021044614A1 - シール機構

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Publication number: WO2021044614A1
Application number: PCT/JP2019/035194
Authority: WO
Inventors: 智広石田; 光黒崎; 浩之阪本; 勝浦　啓
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-03-11
Also published as: DE112019000897T5; CN112771292A; US20220243817A1; CN112771292B; US11560950B2

Abstract

２つの部材の向かい合う対向面間に形成されたシール溝内に挿入されるシール機構は、第１シール部材と、第１シール部材と対向するように配置された第２シール部材と、第１シール部材と第２シール部材との間で少なくとも部分的に形成された空間内に配置されてシール機構の変形の核となる変形核部材であって、線膨張係数の異なる複数の材料のそれぞれから形成された複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されるとともに第１シール部材及び第２シール部材のそれぞれに固定された変形核部材とを備え、変形核部材は温度の上昇に伴って、シール溝の横断面における少なくとも１方向に収縮し、第１シール部材及び第２シール部材のそれぞれは、変形核部材の収縮に伴ってシール溝の内面又は対向面に当接する当接面を含む。

Description

シール機構

　本開示は、シール機構に関する。

　例えばコンプレッサーやガスタービン、蒸気タービンにおいて、内部流体の段間のリークや外部へのリークを防止するために、車室の水平フランジ面にシールプレートが設置される。しかし、通常は水平フランジ面及びシールプレートの組み立てに必要な公差が設けられているため、完全に流体のリークを防ぐことはできず、シールプレートの設置は主にリーク量の低減を目的としている。

　特許文献１には、軸受部と軸受部に嵌合する軸とを備える軸受構造において、軸受部の少なくとも一部を、低温域から中温域にかけて負の熱膨張率を有するとともに中温域から高温域にかけて正の熱膨張率を有する熱膨張材料で構成すること、又は、軸の少なくとも一部を、低温域から中温域にかけて正の熱膨張率を有するとともに中温域から高温域にかけて負の熱膨張率を有する熱膨張材料で構成することが記載されている。この構成により、低温域において軸と軸受部との間の摩擦を抑制できるとともに高温域においてオイルの流出及び油膜切れを抑制することができる。

特開２００８－３０９１９９号公報

　しかしながら、特許文献１で使用される熱膨張材料として、逆ペロブスカイト構造を有するマンガン窒化物、タングステン酸ジルコニウム、シリコン酸化物等が挙げられており、このような材料は高価であるためシール機構が高コストになってしまうといった問題点があった。

　上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、温度の上昇時に必要なシール性能を発揮できる安価なシール機構を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るシール機構は、
　２つの部材の向かい合う対向面間に形成されたシール溝内に挿入されるシール機構であって、
　前記シール機構は、
　第１シール部材と、
　前記第１シール部材と対向するように配置された第２シール部材と、
　前記第１シール部材と前記第２シール部材との間で少なくとも部分的に形成された空間内に配置されて前記シール機構の変形の核となる変形核部材であって、線膨張係数の異なる複数の材料のそれぞれから形成された複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されるとともに前記第１シール部材及び前記第２シール部材のそれぞれに固定された変形核部材と
を備え、
　前記変形核部材は温度の上昇に伴って、前記シール溝の横断面における少なくとも１方向に収縮し、
　前記第１シール部材及び前記第２シール部材のそれぞれは、前記変形核部材の収縮に伴って前記シール溝の内面又は前記対向面に当接する当接面を含む。

　上記（１）の構成によると、変形核部材が温度の上昇に伴って収縮すると、その収縮に伴って第１シール部材及び第２シール部材のそれぞれに形成された当接面がシール溝の内面又は対向面に当接することにより、温度の上昇時に必要なシール性能を発揮することができる。また、第１シール部材及び第２シール部材は温度の上昇時に耐え得る材料で形成することができ、変形核部材は、温度の上昇時に耐え得るとともに線膨張係数の異なる複数の材料から形成することができ、特別高価な材料を必要としないので、シール機構を安価に提供することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記第１シール部材は、板状の第１部分及び板状の第２部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記第２シール部材は、前記第１部分に対向する板状の第３部分及び前記第２部分に対向する板状の第４部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記変形核部材は、前記第１部分及び前記第３部分のそれぞれに固定され、温度の上昇に伴って、前記第１部分及び前記第３部分間の距離が減少するように収縮し、
　前記変形核部材の収縮に伴って、前記第１部分との接続部に対向する前記第２部分の縁部及び前記第３部分との接続部に対向する前記第４部分の縁部が前記シール溝の内面又は前記対向面に当接し、
　前記当接面は、前記第２部分の前記縁部及び前記第４部分の前記縁部のそれぞれに形成されている。

　上記（２）の構成によると、第１シール部材の第１部分及び第２シール部材の第３部分間の距離が減少するような変形核部材の収縮に伴って、第２部分の縁部及び第４部分の縁部のそれぞれに形成された当接面がシール溝の内面又は対向面に当接することによりシールが行われることから、温度の上昇前には、第２部分の縁部又は第４部分の縁部の少なくとも一方とシール溝の内面又は対向面との間にクリアランスを設けることができるので、シール機構の組み立てに必要な公差を十分に確保しても、温度の上昇時に必要なシール性能を発揮することができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
　前記変形核部材はさらに、温度の上昇に伴って、前記第２部分及び前記第４部分間の距離が増加するように膨張し、前記変形核部材の膨張に伴って、前記変形核部材に面する前記第２部分及び前記第４部分それぞれの内側表面とは反対側の外側表面のそれぞれが前記シール溝の内面又は前記対向面に当接し、
　前記当接面はさらに、前記第２部分の前記外側表面及び前記第４部分の前記外側表面のそれぞれに形成されている。

　上記（３）の構成によると、第２部分の縁部及び第４部分の縁部に形成された当接面がシール溝の内面又は対向面に当接することによりシールが行われるだけでなく、第１シール部材の第２部分及び第２シール部材の第４部分間の距離が増加するような変形核部材の膨張に伴って、第２部分及び第４部分それぞれの外側表面に形成された当接面がシール溝の内面又は対向面に当接することによってもシールが行われるので、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（３）の構成において、
　前記第２部分の前記外側表面及び前記第４部分の前記外側表面の少なくとも一方には、前記シール溝の内面又は前記対向面に対して凹んだ凹部が形成されている。

　上記（４）の構成によると、第２部分の外側表面及び第４部分の外側表面の少なくとも一方に凹部を形成することにより、第２部分の外側表面及び第４部分の外側表面の少なくとも一方に形成された当接面のシール溝の内面又は対向面への当接圧力が高まるので、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）～（４）のいずれかの構成において、
　前記空間を密封する密封部材をさらに備える。

　変形核部材は複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されているので、シール溝内に流入したガスが、変形核部材を通り抜けることによって、第１シール部材と第２シール部材との間に形成された空間を介してシール機構を通り抜けてしまい、ガスがリークするおそれがある。しかし、上記（５）の構成によると、密封部材によって空間が密封されているので、ガスがシール機構を通り抜けることを抑制し、ガスがリークするおそれを低減することができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
　前記密封部材は、前記第１シール部材と前記第２シール部材と前記変形核部材とを内部に含むチューブ形状を有する。

　上記（６）の構成によると、第１シール部材と第２シール部材と変形核部材とを内部に含むようなチューブ形状に密封部材を形成することにより、密封部材の設計を簡略にすることができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
　前記密封部材は、前記第１シール部材及び前記第２シール部材と共に前記空間を密封する。

　上記（７）の構成によると、第１シール部材と第２シール部材と変形核部材とを内部に含むようなチューブ形状に密封部材を形成する場合に比べて、密封部材を小さくできるので、密封部材のコストを低下することができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
　前記変形核部材はさらに、前記第２部分及び前記第４部分のそれぞれに固定され、
　前記変形核部材はさらに、温度の上昇に伴って前記第２部分及び前記第４部分間の距離が減少するように収縮して、前記第１部分が前記第４部分に当接するとともに前記第３部分が前記第２部分に当接する。

　変形核部材は複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されているので、シール溝内に流入したガスが、変形核部材を通り抜けることによって、第１シール部材と第２シール部材との間に形成された空間を介してシール機構を通り抜けてしまい、ガスがリークするおそれがある。しかし、上記（８）の構成によると、変形核部材が温度の上昇に伴って第２部分及び第４部分間の距離が減少するように収縮して、第１部分が第４部分に当接するとともに第３部分が第２部分に当接することにより、空間を介してシール機構を通り抜けようとするガスをシールするので、ガスがシール機構を通り抜けることを抑制し、ガスがリークするおそれを低減することができる。

（９）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
　前記第１シール部材は、板状の第１部分及び板状の第２部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記第２シール部材は、前記第１部分に対向する板状の第３部分及び前記第２部分に対向する板状の第４部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記変形核部材は、前記第１部分及び前記第３部分のそれぞれに固定され、温度の上昇に伴って、前記第１部分及び前記第３部分間の距離が減少するように収縮し、
　前記シール溝の内面は、前記第２部分と鋭角の角度をなす当接内面部を含み、
　前記第２部分は、前記変形核部材の収縮に伴って前記当接内面部に当接する第２当接面を含み、
　前記第２当接面が前記当接内面部に当接することによって前記第１シール部材が前記第２シール部材を押して、前記第１部分が前記第４部分に当接するとともに前記第３部分が前記第２部分に当接し、前記第４部分の表面のうち前記変形核部材に面する内側表面とは反対側の外側表面が前記シール溝の内面に当接し、
　前記当接面は、前記外側表面と、前記第３部分との接続部に対向する前記第４部分の縁部とのそれぞれに形成されている。

　上記（９）の構成によると、第２当接面の当接内面部への当接と、第４部分の外側表面のシール溝の内面への当接と、第４部分の縁部のシール溝の内面又は対向面への当接とによりシールが行われるので、第２部分の縁部及び第４部分の縁部がシール溝の内面又は対向面に当接することによりシールが行われる構成（例えば、上記（２）の構成）に比べて、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

　また、変形核部材は複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されているので、シール溝内に流入したガスが、変形核部材を通り抜けることによって、第１シール部材と第２シール部材との間に形成された空間を介してシール機構を通り抜けてしまい、ガスがリークするおそれがある。しかし、上記（９）の構成によると、第２当接面が当接内面部に当接することによって第１シール部材が第２シール部材を押して、第１部分が第４部分に当接するとともに第３部分が第２部分に当接することにより、空間を介してシール機構を通り抜けようとするガスをシールするので、ガスがシール機構を通り抜けることを抑制し、ガスがリークするおそれを低減することができる。

（１０）いくつかの実施形態では、上記（９）の構成において、
　前記第４部分の前記外側表面には、前記シール溝の内面に対して凹んだ凹部が形成されている。

　上記（１０）の構成によると、第４部分の外側表面に凹部を形成することにより、第４部分の外側表面に形成された当接面のシール溝の内面への当接圧力が高まるので、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

　本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、変形核部材が温度の上昇に伴って収縮すると、その収縮に伴って第１シール部材及び第２シール部材のそれぞれに形成された当接面がシール溝の内面又は対向面に当接することにより、温度の上昇時に必要なシール性能を発揮することができる。また、第１シール部材及び第２シール部材は温度の上昇時に耐え得る材料で形成することができ、変形核部材は、温度の上昇時に耐え得るとともに線膨張係数の異なる複数の材料から形成することができ、特別高価な材料を必要としないので、シール機構を安価に提供することができる。

本開示の実施形態１に係るシール機構の断面図である。メタマテリアルの構成の一例を示す図である。本開示の実施形態１に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態１に係るシール機構の変形例１の断面図である。本開示の実施形態１に係るシール機構の変形例２の断面図である。本開示の実施形態１に係るシール機構の変形例３の断面図である。本開示の実施形態２に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態２に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態２に係るシール機構の変形例の断面図である。本開示の実施形態３に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態３に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態４に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態４に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態５に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態５に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態６に係るシール機構の断面図である。本開示の実施形態６に係るシール機構の断面図である。

　以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
　図１に示されるように、本開示の実施形態１に係るシール機構１０は、コンプレッサーやガスタービン、蒸気タービン等の装置に含まれる２つの部材、すなわち上フランジ１及び下フランジ２の向かい合う対向面１ａ，２ａ間に形成されたシール溝３内に挿入されている。シール溝３は、対向面１ａに形成された溝部３ａと、対向面２ａに形成された溝部３ｂとが互いに向かい合うようにして構成されている。装置が稼働しているときに、対向面１ａ，２ａ間には、わずかな隙間４が形成される。

　シール機構１０は、第１シール部材１１と、第１シール部材１１と対向するように配置された第２シール部材１２と、板形状の変形核部材１３とを備えている。第１シール部材１１は、板状の第１部分１５及び板状の第２部分１６が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有している。第２シール部材１２は、第１部分１５に対向する板状の第３部分１７及び第２部分１６に対向する板状の第４部分１８が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有している。変形核部材１３は、後述する原理でシール機構１０が変形する際の変形の核となる部材である。

　尚、本開示において、「板形状」とは、矩形の外形を有する板形状だけを意味するのではなく、任意の外形を有する板形状を意味することとする。例えば、シール機構１０が回転シャフトの周方向に沿って設けられる場合には、回転シャフトが挿入可能な孔が形成された円板形状も、この「板形状」に含まれる。

　第１部分１５と第２部分１６と第３部分１７と第４部分１８とはそれぞれ、変形核部材１３に面する内側表面１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａを含み、内側表面１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａは、第１シール部材１１と第２シール部材１２との間に空間１４を画定している。変形核部材１３は、空間１４内に配置され、第１部分１５の内側表面１５ａ及び第３部分１７の内側表面１７ａのそれぞれに固定されている。変形核部材１３と内側表面１５ａ及び１７ａとは溶接によって固定してもよいし、第１シール部材１１と第２シール部材１２と変形核部材１３とを３次元積層造形等で一体的に形成してもよい。

　図１では、変形核部材１３と内側表面１６ａ及び１８ａとの間のそれぞれに隙間が形成されているが、変形核部材１３と内側表面１６ａ及び１８ａとがそれぞれ互いに接触してもよい。変形核部材１３と内側表面１６ａ及び１８ａとがそれぞれ互いに接触している場合には、両者を固定してもよい。

　第１シール部材１１及び第２シール部材１２はそれぞれ、温度の上昇時に耐え得る材料、例えば、ステンレス鋼等の一般的な金属で形成することができる。変形核部材１３は、温度の上昇時に耐え得る線膨張係数の異なる複数の材料（例えば、ステンレス鋼及びアルミ）のそれぞれから形成された複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されている。変形核部材１３を形成するこのような材料を、本開示ではメタマテリアルと称する。

　図２に、メタマテリアルの構造の一例を示す。メタマテリアル２０は、複数の棒状部材及び板状部材から形成されたベース２１，２２，２３と、各ベース２１，２２，２３間をつなぐ複数の棒状部材から形成されたビーム２４とを互いに組み合わせて構成されている。ベース２１，２２，２３を形成する材料と、ビーム２４を形成する材料とは、互いに線膨張係数の異なる材料であり、例えば前者の材料の線膨張係数が後者の材料の線膨張係数よりも大きくなるような２つの材料を用いることができる。また、ベース２１，２２，２３のそれぞれを、線膨張係数の異なる材料で形成するとともにビーム２４のそれぞれを線膨張係数の異なる材料のそれぞれで形成してもよい。すなわち、線膨張係数の異なる３つ以上の材料でメタマテリアル２０を構成することもできる。

　メタマテリアル２０は、使用する材料の種類を変更することや、ベース２１，２２，２３の厚さや形状、ビーム２４の太さや長さ等を調節することにより、温度による変形の方向及び変形量を調節することができる。例えば、メタマテリアル２０は、温度の上昇に伴い、１方向に収縮するとともに他方向に膨張したり、異なる２方向以上の膨張・収縮を調整できる。この実施形態１では、適当なメタマテリアル２０を用いることにより、図１に示されるように、変形核部材１３は、温度の上昇に伴って、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向に収縮するように構成されている。

　図３に示されるように、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、対向面１ａ及び２ａと交差する方向に、すなわち対向面１ａ及び２ａに対して垂直な方向に第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行うことにより、第２部分１６及び第４部分１８のそれぞれが、シール溝３の内面に当接する。第２部分１６は、第１部分１５との接続部１６ｂに対向する縁部１６ｃに当接面１９が形成されており、縁部１６ｃに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する。一方、第４部分１８は、第３部分１７との接続部１８ｂに対向する縁部１８ｃに当接面１９が形成されており、縁部１８ｃに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する。

　第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接した状態で、隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスがシール溝３内に流入すると、シール溝３内において各当接面１９がシール溝３の内面に当接する部分と変形核部材１３とがガスの流れをシールするので、ガスのシール機構１０の通り抜けが抑制される。

　このように、変形核部材１３が温度の上昇に伴って収縮すると、その収縮に伴って第１シール部材１１及び第２シール部材１２のそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接することにより、温度の上昇時に必要なシール性能を発揮することができる。また、第１シール部材１１及び第２シール部材１２は温度の上昇時に耐え得る材料で形成することができ、変形核部材１３は、温度の上昇時に耐え得るとともに線膨張係数の異なる複数の材料から形成することができ、特別高価な材料を必要としないので、シール機構１０を安価に提供することができる。

　また、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少するような変形核部材１３の収縮に伴って、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接することによりシールが行われることから、温度の上昇前には、図１に示されるように、第２部分１６の縁部１６ｃ又は第４部分１８の縁部１８ｃの少なくとも一方とシール溝３の内面との間にクリアランス５を設けることができるので、シール機構１０の組み立てに必要な公差を十分に確保しても、温度の上昇時に必要なシール性能を発揮することができる。

　実施形態１では、シール溝３は、対向面１ａに形成された溝部３ａと、対向面２ａに形成された溝部３ｂとが互いに向かい合うようにして構成され、第１シール部材１１及び第２シール部材１２はそれぞれ、略Ｌ字状の断面形状を有する形態であり、変形核部材１３は板状であったが、これらの形態に限定するものではない。以下に、実施形態１の変形例１～３を説明する。尚、以下の変形例１～３のそれぞれにおいて、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

（変形例１）
　図４に示されるように、実施形態１の変形例１に係るシール機構１０は、対向面２ａに形成された溝部３ｂのみから構成されるシール溝３内に設けられている。すなわち、対向面１ａには溝部は形成されていない。その他の構成は実施形態１と同じである。

　変形例１では、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行うことにより、第２部分１６の縁部１６ｃに形成された当接面１９が対向面１ａに当接し、第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する。隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスは、第２部分１６の縁部１６ｃに形成された当接面１９が対向面１ａに当接する部分によってシールされ、隙間４を流通するガスがシール溝３内に流入した場合に、シール溝３内において、第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する部分と変形核部材１３とがガスの流れをシールするので、ガスのシール機構１０の通り抜けが抑制される。

　尚、対向面１ａに形成された溝部３ａのみからシール溝３が構成される形態であってもよい。この場合は、温度の上昇に伴って変形核部材１３が収縮すると、第２部分１６の縁部１６ｃに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接し、第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９が対向面２ａに当接する。

（変形例２）
　実施形態１では、第２部分１６及び第４部分１８のそれぞれが、対向面１ａ及び２ａと交差するように、すなわち対向面１ａ及び２ａに対して垂直となるように、シール溝３内に第１シール部材１１及び第２シール部材１２が設けられていたのに対し、実施形態１の変形例２に係るシール機構１０では、図５に示されるように、第１部分１５及び第３部分１７のそれぞれが、対向面１ａ及び２ａと交差するように、すなわち対向面１ａ及び２ａに対して垂直となるように、シール溝３内に第１シール部材１１及び第２シール部材１２が設けられている。その他の構成は実施形態１と同じである。

　変形例２では、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行うことにより、第２部分１６の縁部１６ｃに形成された当接面１９及び第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９がそれぞれシール溝３の内面に当接する。隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスがシール溝３内に流入すると、シール溝３内において各当接面１９がシール溝３の内面に当接する部分と変形核部材１３とがガスの流れをシールするので、ガスのシール機構１０の通り抜けが抑制される。

（変形例３）
　図６に示されるように、実施形態１の変形例３に係るシール機構１０は、板状の第１シール部材１１と、板状の第２シール部材１２と、変形核部材１３とを備えている。変形核部材１３は、第１シール部材１１と第２シール部材１２との間において第１シール部材１１の内側表面１１ａと第２シール部材１２の内側表面１２ａとによって画定された空間１４内に配置されている。変形核部材１３は、内側表面１１ａに向かって突出する突出部１３ａと、内側表面１２ａに向かって突出する突出部１３ｂとを有しており、突出部１３ａ及び１３ｂがそれぞれ内側表面１１ａ及び１２ａに固定されている。その他の構成は実施形態１と同じである。

　変形例３では、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において突出部１３ａ及び１３ｂ間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行うことにより、第１シール部材１１の縁部１１ｃに形成された当接面１９及び第２シール部材１２の縁部１２ｃに形成された当接面１９がそれぞれシール溝３の内面に当接する。隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスがシール溝３内に流入すると、シール溝３内において各当接面１９がシール溝３の内面に当接する部分と変形核部材１３とがガスの流れをシールするので、ガスのシール機構１０の通り抜けが抑制される。

　変形例１のシール溝３内に変形例２のシール機構１０を設けることもできるし、変形例１のシール溝３内に変形例３のシール機構１０を設けることもできる。尚、以下で説明する実施形態２～６のそれぞれにおいて、特に言及する場合を除いて、実施形態１は、実施形態１の変形例１～３のそれぞれと、変形例１及び変形例２の組み合わせと、変形例１及び変形例３の組み合わせとを含むものとする。

（実施形態２）
　次に、実施形態２に係るシール機構について説明する。実施形態２に係るシール機構は、実施形態１に対して、温度上昇時の変形核部材１３の変形形態を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図７に示されるように、本開示の実施形態２に係るシール機構１０では、変形核部材１３は、第２部分１６の内側表面１６ａ及び第４部分１８の内側表面１８ａに接しているが、第２部分１６の内側表面１６ａ及び第４部分１８の内側表面１８ａに固定してもよい。変形核部材１３は、適当なメタマテリアルを用いることにより、温度の上昇に伴って、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に収縮するとともに第２部分１６及び第４部分１８間の距離が増加する方向（矢印Ｃの方向）に膨張するように構成されている。その他の構成は実施形態１と同じである。

　図８に示されるように、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、実施形態１と同様の原理で、第２部分１６の縁部１６ｃに形成された当接面１９及び第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９がそれぞれシール溝３の内面に当接する。

　また、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第２部分１６及び第４部分１８間の距離が増加する方向（矢印Ｃの方向）に変形核部材１３が膨張すると、対向面１ａ及び２ａに沿った方向に第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行うことにより、第２部分１６及び第４部分１８のそれぞれが、シール溝３の内面に当接する。第２部分１６には、内側表面１６ａとは反対側の外側表面１６ｄにも当接面１９が形成されており、外側表面１６ｄに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する。一方、第４部分１８には、内側表面１８ａとは反対側の外側表面１８ｄにも当接面１９が形成されており、外側表面１８ｄに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する。

　第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９と、第２部分１６の外側表面１６ｄ及び第４部分１８の外側表面１８ｄのそれぞれに形成された当接面１９とがシール溝３の内面に当接した状態で、隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスがシール溝３内に流入すると、シール溝３内において各当接面１９がシール溝３の内面に当接する部分と変形核部材１３とがガスの流れをシールするので、ガスのシール機構１０の通り抜けが抑制される。

　このように、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接することによりシールが行われるだけでなく、第２部分１６及び第４部分１８間の距離が増加するような変形核部材１３の膨張に伴って、第２部分１６及び第４部分１８それぞれの外側表面１６ｄ及び１８ｄに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接することによってもシールが行われるので、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

　実施形態２では、図９に示されるように、外側表面１６ｄ及び１８ｄのそれぞれに、シール溝３の内面に対して凹んだ凹部３０を形成してもよい。外側表面１６ｄ及び１８ｄに凹部３０を形成することにより、外側表面１６ｄ及び１８ｄのそれぞれに形成された当接面１９のシール溝３の内面への当接圧力が高まるので、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。尚、図９では、外側表面１６ｄ及び１８ｄのそれぞれに凹部３０が形成されているが、外側表面１６ｄ及び１８ｄのいずれか一方のみに凹部３０を形成してもよい。また、外側表面１６ｄ又は１８ｄの少なくとも一方に複数の凹部３０を形成してもよい。

（実施形態３）
　次に、実施形態３に係るシール機構について説明する。実施形態３に係るシール機構は、実施形態１及び２のそれぞれに対して、空間１４を密封する密封部材を付加したものである。以下では、実施形態１の構成に密封部材を付加した構成で実施形態３を説明するが、実施形態２の構成に密封部材を付加することによって実施形態３を構成してもよい。尚、実施形態３において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図１０に示されるように、本開示の実施形態３に係るシール機構１０は、第１シール部材１１と第２シール部材１２と変形核部材１３とを内部に含むようにチューブ形状に構成された密封部材４０をさらに備えている。密封部材４０は、温度の上昇時に耐え得るとともに密封部材４０内の変形核部材１３が昇温可能なように断熱効果の小さい材料で形成され、第１シール部材１１及び第２シール部材１２の互いに対する相対移動時に変形可能となるように薄肉状に形成され、さらに、密封部材４０の内部と外部との間のガスの出入りを遮断するように形成される必要がある。したがって、密封部材４０は例えば、温度の上昇時に耐え得る金属を用いて薄肉チューブ状に形成することができる。その他の構成は実施形態１と同じである。

　実施形態１では、図３に示されるように、隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスは、シール溝３内に流入すると、第２部分１６と第３部分１７との間の隙間を介して空間１４内に流入する。変形核部材１３を形成するメタマテリアル２０として、図２参照に記載されるように、複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成したものを使用すると、メタマテリアル２０の内部に微細な空隙が存在するため、空間１４内に流入したガスは、変形核部材１３を通り抜け、第１部分１５と第４部分１８との間の隙間を介して空間１４から流出することによって、シール機構１０を通り抜けてしまい、ガスがリークするおそれがある。

　しかし、実施形態３では図１１に示されるように、シール機構１０の温度が上昇すると、密封部材４０の内部で実施形態１と同様の原理で、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９が密封部材４０を間に挟むようにしてシール溝３の内面に当接する。密封部材４０によって、シール溝３内のガスが空間１４内に流入できないので、ガスがシール機構１０を通り抜けることがない。シール機構１０は、上述したように、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９が密封部材４０を間に挟むようにしてシール溝３の内面に当接することによってガスをシールしているので、ガスがリークするおそれを低減することができる。

　実施形態３では、密封部材４０はチューブ形状を有していたが、後述する実施形態４の形態等のように様々な形状が可能である。しかし、実施形態３のように、第１シール部材１１と第２シール部材１２と変形核部材１３とを内部に含むようなチューブ形状に密封部材４０を形成すると、密封部材４０の設計を簡略にすることができる。

（実施形態４）
　次に、実施形態４に係るシール機構について説明する。実施形態４に係るシール機構は、実施形態３に対して、密封部材４０の形状を変更したものである。尚、実施形態４において、実施形態３の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図１２に示されるように、本開示の実施形態４に係るシール機構１０は、第２部分１６と第３部分１７との間の隙間４１を覆うように第２部分１６の縁部１６ｃ及び第３部分１７の外側表面１７ｄに接続された密封部材４０と、第１部分１５と第４部分１８との間の隙間４２を覆うように第１部分１５の外側表面１５ｄ及び第４部分１８の縁部１８ｃに接続された密封部材４０とをさらに備えている。密封部材４０は、第１シール部材１１及び第２シール部材１２と共に空間１４を密封することが可能である。密封部材４０は、実施形態３と同様に、温度の上昇時に耐え得る金属を用いて薄肉状に形成することができる。その他の構成は実施形態３と同じである。

　図１３に示されるように、シール機構１０の温度が上昇すると、実施形態１と同様の原理で、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する。密封部材４０によって、シール溝３内のガスが隙間４１を介して空間１４内に流入できず、空間１４内のガスが隙間４２を介して空間から流出できないので、ガスがシール機構１０を通り抜けることがない。シール機構１０は、上述したように、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接することによってガスをシールしているので、ガスがリークするおそれを低減することができる。

　尚、密封部材４０は、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する際に、当接面１９とシール溝３の内面との間に位置しないように、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに接続することが好ましい。当接面１９とシール溝３の内面との間に密封部材４０が存在するようにして当接面１９がシール溝３の内面に当接すると、シール性能を低下させるおそれがあるが、当接面１９がシール溝３の内面に直接当接するようにすることにより、シール性能の低下を抑制することができる。

　実施形態４における密封部材４０は、隙間４１及び４２のそれぞれを覆うような部分にのみ設けられているので、第１シール部材１１と第２シール部材１２と変形核部材１３とを内部に含むようなチューブ形状の場合（実施形態３）に比べて、密封部材４０を小さくできるので、密封部材４０のコストを低下することができる。

（実施形態５）
　次に、実施形態５に係るシール機構について説明する。実施形態５に係るシール機構は、実施形態１に対して、温度上昇時の変形核部材１３の変形形態を変更したものである。尚、実施形態５において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図１４に示されるように、本開示の実施形態５に係るシール機構１０では、変形核部材１３は、第１部分１５の内側表面１５ａ及び第３部分１７の内側表面１７ａだけでなく、第２部分１６の内側表面１６ａ及び第４部分１８の内側表面１８ａにも固定されている。変形核部材１３は、適当なメタマテリアルを用いることにより、温度の上昇に伴って、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に収縮するとともに第２部分１６及び第４部分１８間の距離が減少する方向（矢印Ｄの方向）に収縮するように構成されている。その他の構成は実施形態１と同じである。

　図１５に示されるように、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、実施形態１と同様の原理で、第２部分１６の縁部１６ｃに形成された当接面１９及び第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９がそれぞれシール溝３の内面に当接する。

　また、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第２部分１６及び第４部分１８間の距離が減少する方向（矢印Ｄの方向）に変形核部材１３が収縮すると、対向面１ａ及び２ａに沿った方向に第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行うことにより、第１部分１５の縁部１５ｃが第４部分１８の内側表面１８ａに当接することで隙間４２（図１４参照）が消滅し、第３部分１７の縁部１７ｃが第２部分１６の内側表面１６ａに当接することで隙間４１（図１４参照）が消滅する。

　隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通するガスがシール溝３内に流入すると、隙間４１及び４２が消滅しているので、ガスが空間１４（図１参照）に流入できず、したがって、ガスが変形核部材１３を通り抜けることで空間１４を介してシール機構１０を通り抜けることができない。シール機構１０は、上述したように、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接することによってガスをシールしているので、ガスがリークするおそれを低減することができる。

（実施形態６）
　次に、実施形態６に係るシール機構について説明する。実施形態６に係るシール機構は、実施形態１に対して、第１シール部材１１及びシール溝３の内面の形態を変更したものである。尚、実施形態６において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

　図１６に示されるように、実施形態６では、シール溝３の内面は、シール溝３を構成する溝部３ａに、シール溝３の横断面において第２部分１６が延びる方向と鋭角の角度をなす当接内面部５０を含んでいる。第２部分１６には、縁部１６ｃから外側表面１６ｄまで延びる第２当接面５１を有している。シール溝３の横断面において、第２当接面５１と第２部分１６が延びる方向とがなす角度は、当接内面部５０と第２部分１６が延びる方向とがなす角度と等しい。したがって、第２当接面５１は当接内面部５０に当接可能になっている。実施形態６において必須の構成ではないが、第４部分１８の外側表面１８ｄに、シール溝３の内面に対して凹んだ凹部３０を形成してもよい。その他の構成は実施形態１（変形例３を除く）と同じである。

　図１７に示されるように、シール機構１０の温度が上昇し、シール溝３の横断面において第１部分１５及び第３部分１７間の距離が減少する方向（矢印Ａの方向）に変形核部材１３が収縮すると、対向面１ａ及び２ａと交差する方向に、すなわち対向面１ａ及び２ａに対して垂直な方向に第１シール部材１１及び第２シール部材１２が互いに対する相対移動を行う。第１シール部材１１は、第２当接面５１が当接内面部５０に当接しながら移動するため、第２当接面５１が当接内面部５０に対して加えるＥの反力によって第１シール部材１１は第２シール部材１２に向かう方向にも移動する。

　第２当接面５１が当接内面部５０に当接しながら第１シール部材１１が移動するにつれて、第１シール部材１１が第２シール部材１２に当接し、すなわち、第１部分１５の縁部１５ｃが第４部分１８の内側表面１８ａに当接するとともに第２部分１６の内側表面１６ａが第３部分１７の縁部１７ｃに当接する。第２当接面５１が当接内面部５０に当接しながら第１シール部材１１がさらに移動すると、第１シール部材１１が第２シール部材１２を対向面１ａ，２ａに沿った方向に押すようになり、第２シール部材１２は、第４部分１８の外側表面１８ｄに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接するまで移動する。また、第２シール部材１２は、実施形態１と同じ原理で、第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接するまで移動する。

　この状態では、第２当接面５１が当接内面部５０に当接し、第４部分１８の外側表面１８ｄに形成された当接面１９と第４部分１８の縁部１８ｃに形成された当接面１９とのそれぞれがシール溝３の内面に当接することにより、隙間４を（矢印Ｂの方向に）流通してシール溝３内に流入したガスをシールする。このため、第２部分１６の縁部１６ｃ及び第４部分１８の縁部１８ｃのそれぞれに形成された当接面１９がシール溝３の内面に当接する実施形態１に比べて、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

　さらに、第１部分１５の縁部１５ｃが第４部分１８の内側表面１８ａに当接するとともに第２部分１６の内側表面１６ａが第３部分１７の縁部１７ｃに当接することにより、シール溝３内のガスが空間１４内に流入できない。このため、空間１４を介してシール機構１０を通り抜けようとするガスをシールするので、ガスがシール機構１０を通り抜けることを抑制し、ガスがリークするおそれを低減することができる。

　実施形態６において、第４部分１８の外側表面１８ｄに凹部３０を形成している場合には、第４部分１８の外側表面１８ｄに形成された当接面１９のシール溝３の内面への当接圧力が高まるので、温度の上昇時に必要なシール性能を向上することができる。

　実施形態６では、当接内面部５０を溝部３ａに形成しているが、溝部３ｂに形成してもよい。この場合には、第２当接面５１が当接内面部５０に面するようにシール機構１０の向きを調節して、シール溝３内にシール機構１０を設ければよい。

１　上フランジ（部材）
１ａ　（上フランジの）対向面
２　下フランジ（部材）
２ａ　（下フランジの）対向面
３　シール溝
３ａ　溝部
３ｂ　溝部
４　隙間
５　クリアランス
１０　シール機構
１１　第１シール部材
１１ａ　（第１シール部材の）内側表面
１１ｃ　（第１シール部材の）縁部
１２　第２シール部材
１２ａ　（第２シール部材の）内側表面
１２ｃ　（第２シール部材の）縁部
１３　変形核部材
１３ａ　突出部
１３ｂ　突出部
１４　空間
１５　第１部分
１５ａ　（第１部分の）内側表面
１５ｃ　（第１部分の）縁部
１５ｄ　（第１部分の）外側表面
１６　第２部分
１６ａ　（第２部分の）内側表面
１６ｂ　（第２部分の）接続部
１６ｃ　（第２部分の）縁部
１６ｄ　（第２部分の）外側表面
１７　第３部分
１７ａ　（第３部分の）内側表面
１７ｃ　（第３部分の）縁部
１７ｄ　（第３部分の）外側表面
１８　第４部分
１８ａ　（第４部分の）内側表面
１８ｂ　（第４部分の）接続部
１８ｃ　（第４部分の）縁部
１８ｄ　（第４部分の）外側表面
１９　当接面
２０　メタマテリアル
２１　ベース
２２　ベース
２３　ベース
２４　ビーム
３０　凹部
４０　密封部材
４１　隙間
４２　隙間
５０　当接内面部
５１　第２当接面

Claims

　２つの部材の向かい合う対向面間に形成されたシール溝内に挿入されるシール機構であって、
　前記シール機構は、
　第１シール部材と、
　前記第１シール部材と対向するように配置された第２シール部材と、
　前記第１シール部材と前記第２シール部材との間で少なくとも部分的に形成された空間内に配置されて前記シール機構の変形の核となる変形核部材であって、線膨張係数の異なる複数の材料のそれぞれから形成された複数の棒状部材及び板状部材を組み合わせて構成されるとともに前記第１シール部材及び前記第２シール部材のそれぞれに固定された変形核部材と
を備え、
　前記変形核部材は温度の上昇に伴って、前記シール溝の横断面における少なくとも１方向に収縮し、
　前記第１シール部材及び前記第２シール部材のそれぞれは、前記変形核部材の収縮に伴って前記シール溝の内面又は前記対向面に当接する当接面を含むシール機構。
　前記第１シール部材は、板状の第１部分及び板状の第２部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記第２シール部材は、前記第１部分に対向する板状の第３部分及び前記第２部分に対向する板状の第４部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記変形核部材は、前記第１部分及び前記第３部分のそれぞれに固定され、温度の上昇に伴って、前記第１部分及び前記第３部分間の距離が減少するように収縮し、
　前記変形核部材の収縮に伴って、前記第１部分との接続部に対向する前記第２部分の縁部及び前記第３部分との接続部に対向する前記第４部分の縁部が前記シール溝の内面又は前記対向面に当接し、
　前記当接面は、前記第２部分の前記縁部及び前記第４部分の前記縁部のそれぞれに形成されている、請求項１に記載のシール機構。
　前記変形核部材はさらに、温度の上昇に伴って、前記第２部分及び前記第４部分間の距離が増加するように膨張し、前記変形核部材の膨張に伴って、前記変形核部材に面する前記第２部分及び前記第４部分それぞれの内側表面とは反対側の外側表面のそれぞれが前記シール溝の内面又は前記対向面に当接し、
　前記当接面はさらに、前記第２部分の前記外側表面及び前記第４部分の前記外側表面のそれぞれに形成されている、請求項２に記載のシール機構。
　前記第２部分の前記外側表面及び前記第４部分の前記外側表面の少なくとも一方には、前記シール溝の内面又は前記対向面に対して凹んだ凹部が形成されている、請求項３に記載のシール機構。
　前記空間を密封する密封部材をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のシール機構。
　前記密封部材は、前記第１シール部材と前記第２シール部材と前記変形核部材とを内部に含むチューブ形状を有する、請求項５に記載のシール機構。
　前記密封部材は、前記第１シール部材及び前記第２シール部材と共に前記空間を密封する、請求項５に記載のシール機構。
　前記変形核部材はさらに、前記第２部分及び前記第４部分のそれぞれに固定され、
　前記変形核部材はさらに、温度の上昇に伴って前記第２部分及び前記第４部分間の距離が減少するように収縮して、前記第１部分が前記第４部分に当接するとともに前記第３部分が前記第２部分に当接する、請求項２に記載のシール機構。
　前記第１シール部材は、板状の第１部分及び板状の第２部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記第２シール部材は、前記第１部分に対向する板状の第３部分及び前記第２部分に対向する板状の第４部分が互いに接続されて構成された略Ｌ字状の断面形状を有し、
　前記変形核部材は、前記第１部分及び前記第３部分のそれぞれに固定され、温度の上昇に伴って、前記第１部分及び前記第３部分間の距離が減少するように収縮し、
　前記シール溝の内面は、前記第２部分と鋭角の角度をなす当接内面部を含み、
　前記第２部分は、前記変形核部材の収縮に伴って前記当接内面部に当接する第２当接面を含み、
　前記第２当接面が前記当接内面部に当接することによって前記第１シール部材が前記第２シール部材を押して、前記第１部分が前記第４部分に当接するとともに前記第３部分が前記第２部分に当接し、前記第４部分の表面のうち前記変形核部材に面する内側表面とは反対側の外側表面が前記シール溝の内面に当接し、
　前記当接面は、前記外側表面と、前記第３部分との接続部に対向する前記第４部分の縁部とのそれぞれに形成されている、請求項１に記載のシール機構。
　前記第４部分の前記外側表面には、前記シール溝の内面に対して凹んだ凹部が形成されている、請求項９に記載のシール機構。