JP2018096400A

JP2018096400A - 密封構造

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Publication number: JP2018096400A
Application number: JP2016238957A
Authority: JP
Inventors: 新太郎石神; Shintaro Ishigami; 崇内野; Takashi Uchino
Original assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Current assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-06-21
Also published as: EP3333464B1; EP3333464A1; US10731760B2; US20180163868A1; CN108223796A

Abstract

【課題】ガスケットの断面形状を縮小化した場合でも、面圧の低下を抑制して、所期の機能を安定して得られる密封構造を提供する。【解決手段】ガスケット溝４に挿入されるガスケット１は、中央部のガスケット本体部５と、ガスケット本体部５の両端から突出形成された先細り形状の端面突起部６ａ，６ｂと、から形成される。ガスケット本体部５の圧接面５ａが、ガスケット溝４の内側面４ｂに向かって凸形状となる円弧状面として形成されている。また、ガスケット１の全断面積に対して双方の端面突起部６ａ，６ｂの断面積が占める割合が３０％以下、双方の端面突起部６ａ，６ｂにおける円弧状の先端面７の曲率半径がガスケット本体部５の最大幅寸法Ｗの１５％以下、にそれぞれ設定されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ガスケットによる密封構造に関し、例えば車両に搭載されるエンジンとインテークマニホールドとの接合部等に用いられる密封構造に関する。

この種のガスケットによる密封構造として、例えば特許文献１に記載されたものが提案されている。この特許文献１における密封構造では、主体となるガスケットが、一端が一方の部材に形成された装着溝の溝底面に密接し他端が他方の部材に密接するガスケット本体部と、装着溝の溝底部近傍にて当該側着溝の溝側面に密接する一対の第１および第２側面リップと、装着溝の溝口部近傍にて当該装着溝の溝側面に密接する一対の第３および第４側面リップと、を有している。

そして、第１および第２側面リップにおけるガスケット幅寸法をＷ１、第３および第４側面リップにおけるガスケット幅寸法をＷ２、第１および第２側面リップが密接する位置における装着溝の溝幅寸法をＷ３、第３および第４側面リップが密接する位置における装着溝の溝幅寸法をＷ４としたとき、Ｗ３＜Ｗ４で且つＷ１＜Ｗ２の関係を充足するように各寸法が設定されている。

特開２０１３−４０６７３号公報

特許文献１に記載された密封構造では、一方の部材に形成される装着溝の寸法公差の拡大化の影響を受けて、いわゆるテーパ溝形状の装着溝からガスケットが浮き上がったり傾くといった挙動を抑制するために、ガスケットそのものの断面形状を特定の断面形状としたものである。その一方、車両に搭載されるエンジンとインテークマニホールドとの接合部に用いられる密封構造に着目した場合、エンジンの小型化（省スペース化）や軽量化の一環として、エンジンとインテークマニホールドとの接合部においても、ガスケットそのものの断面形状やそのガスケットが装着される溝形状の縮小化が要請される傾向にある。このような観点から見た場合には、特許文献１に記載された密封構造では、なおも改善の余地を残している。

例えば、多くの場合にゴム系弾性材料にて形成されるガスケットは、それ自体の圧縮永久歪みや、ガスケットを受容するための溝が形成された部材の変形による締め代、および面圧の低下等を予め考慮した断面形状となっている。そのため、単純にガスケットの断面形状を縮小化しただけでは、多くの場合に面圧が不足することとなり、特許文献１に記載された密封構造においても必要な機能を安定して発揮することができなくなる。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、ガスケットの断面形状を縮小化した場合であっても、面圧の低下を抑制して、所期の機能を安定して得られるようにした密封構造を提供するものである。

本発明は、請求項１に記載のように、一方の部材に形成されたガスケット溝と、このガスケット溝に挿入されるガスケットとを備え、前記一方の部材と他方の部材との突き合わせにより前記ガスケットが圧縮変形することで前記二部材間を密封するようにした密封構造であって、前記ガスケット溝は溝底面の両側に位置する内側面が互いに平行に形成されているものである。

その上で、前記ガスケットは、その断面において、幅方向での双方の外側面が前記ガスケット溝の内側面に対する圧接面となっているガスケット本体部と、前記ガスケット本体部から幅方向と直交する高さ方向の両側にそれぞれに突出して当該ガスケット本体部よりも幅狭で且つ先細り形状をなしていて、一方が前記ガスケット溝の溝底面に、他方が前記他方の部材にそれぞれ圧接することになる端面突起部と、とから形成されていて、前記ガスケット本体部の圧接面が前記ガスケット溝の内側面に向かって凸形状となる円弧状面として形成されている。

この場合において、面圧を安定して確保する上では、前記ガスケットの全断面積に対して双方の端面突起部の断面積が占める割合が３０％以下となっていることが望ましい。

また、同様の観点から、前記ガスケットの断面において、双方の端面突起部の先端面が円弧状面となっていて、前記ガスケット本体部の幅寸法に対する前記端面突起部の先端面の曲率半径の割合が１５％以下となっていることが望ましい。

さらに、ガスケット溝からのガスケットの脱落を防止する観点からは、前記ガスケットは基本断面形状が長手方向で均一のものとして形成されていて、前記ガスケット本体部における圧接面の長手方向の一部に、必要に応じて一対の突起部が高さ方向で並んで形成されていることが望ましい。

本発明によれば、一方の部材と他方の部材との突き合わせによりガスケット溝内でガスケットが圧縮変形した場合に、ガスケット本体部の中央部での幅方向への変形を規制しつつ、高さ方向両端の端面突起部を積極的に圧縮変形させることができるので、機能上必要な面圧を十分に確保することができる。そのため、ガスケットの断面形状を縮小化したとしても所期の機能を安定して維持することができる。

本発明に係る密封構造を実施するためのより具体的な第１の形態を示す図で、密封構造の主要素となるガスケットの外観形状を示す斜視図。図１のａ−ａ線に沿った拡大断面図。図１のｂ−ｂ線に沿った拡大断面図。ガスケット溝にガスケットが挿入された非圧縮状態での拡大断面図。図２に示したガスケットの各部の寸法関係を示す説明図。図４の状態からガスケットが圧縮された状態を示す断面図。図６に示した圧縮状態でのガスケットの内部応力分布を示す説明図。発明に係る密封構造を実施するためのより具体的な第２の形態を示す図で、密封構造の主要素となるガスケットの別の例を示す平面説明図。図８に示したガスケットの適用例を示すエンジンの分解斜視図。

図１〜７は本発明に係る密封構造を実施するためのより具体的な第１の形態を示していて、図１は密封構造の主要素となるガスケット１の外観形状を示す斜視図であり、図２はガスケット１の長手方向または周長方向に直交する断面での基本断面形状として図１のａ−ａ線に沿った拡大断面図である。また、図３は図１のｂ−ｂ線に沿った拡大断面図であり、図４はガスケット溝４にガスケット１が挿入された非圧縮状態での拡大断面図である。

図１に示すように、密封構造の主要素となるガスケット１は平面形状が楕円形または長円形をなす閉ループ状のものであって、その機能よりして例えば耐熱性および耐油性等を有するゴム系弾性材料にて一体に成形されているものである。

図４に示すように、ガスケット１を主要素とする密封構造が適用されることになる二つの部材２，３同士の突き合わせによる接合部では、いずれか一方の部材２の平坦な接合面にはガスケット１と同様に閉ループ状をなす角溝状のガスケット溝４が予め形成される。そして、このガスケット溝４の深さ方向とガスケット１の高さ方向を合わせるようにして、ガスケット１がガスケット溝４に挿入される。図４に示したガスケット溝４は、溝底面４ａをはさんでその両側に位置する内側面４ｂが互いに平行な平坦面として形成されている。

なお、ガスケット１による密封構造の適用例として、エンジンとインテークマニホールドとの接合部を想定した場合には、後述する図９に示すように、一方の部材２が例えば樹脂製のインテークマニホールド１５に相当し、他方の部材が例えば吸気ポート１４を有するアルミニウム合金製のシリンダヘッドに相当することになる。また、図４に示したガスケット溝４の溝底面４ａの内隅部および開放側の外隅部にはそれぞれアール面取り部が形成されているが、これらのアール面取り部は必ずしも必須ではない。

図１に示したガスケット１の長手方向または周長方向に直交する断面での基本断面形状は図２に示す通りであって、ここでは、その断面形状が左右対称形状で且つ上下対称形状に形成され、長手方向または周長方向の全長を通して均一なものとして形成されている。そして、ガスケット１は、中央部で大きな面積を占める最大幅寸法Ｗのガスケット本体部５と、ガスケット本体部５から幅方向と直交する高さ方向の両方向にそれぞれ突出する先細り形状の端面突起部６ａ，６ｂと、から形成される。なお、ガスケット１の高さ寸法Ｈは、ガスケット本体部５の最大幅寸法Ｗよりも大きく設定されている。

ガスケット本体部５における幅方向での双方の外側面は、図４にも示すように、圧縮変形時にガスケット溝４の内側面４ｂに対して圧接することになる圧接面５ａとなっていて、双方の圧接面５ａは対応する内側面４ｂ側に向かって凸形状となる滑らかな円弧状面または湾曲面として形成されている。そして、ガスケット１が圧縮されることのない自由状態において、図２，４に示すように、双方の圧接面５ａ同士のなす距離であることろのガスケット本体部５の最大幅寸法Ｗは、ガスケット溝４の溝幅Ｗ１とほぼ同等の寸法に設定されている。

ガスケット本体部５の両端から高さ方向に突出する双方の端面突起部６ａ，６ｂの先端面７は所定曲率の円弧状面として形成されていて、その双方の端面突起部６ａ，６ｂの先端面７側からガスケット本体部５側に向かって幅寸法が連続的に大きくなるように徐変しつつ、双方の端面突起部６ａ，６ｂがガスケット本体部５と一体に形成されている。

ここで、図５は図２に示したガスケット本体部５と双方の端面突起部６ａ，６ｂとの境界等をわかりやすくするために必要な寸法線等を加入したさらなる拡大断面説明図であって、意図的にハッチングを施していない。同図において、ガスケット１の高さ寸法Ｈのうち、Ｈ１はガスケット本体部５の領域、Ｈ２は双方の端面突起部６ａ，６ｂの領域である。ガスケット本体部５の高さ寸法Ｈ１は、ガスケット１全体の高さ寸法Ｈに対して二分の一程度に設定されていて、双方の端面突起部６ａ，６ｂの高さ寸法Ｈ２は互いに等しいものとなっている。また、ガスケット本体部５の最大幅寸法Ｗは、ガスケット本体部５の高さ寸法Ｈ１と同等またはわずかに大きく設定されている。

さらに詳しくは、ガスケット本体部５と端面突起部６ａ，６ｂとの境界部である当該端面突起部６ａ，６ｂの根元部（最大幅部）の幅寸法Ｗ２は、ガスケット本体部５の高さ方向両端での最小幅寸法Ｗ３よりも小さく設定されている。そして、ガスケット本体部５の高さ方向両端と各端面突起部６ａ，６ｂの幅寸法Ｗ２の根元部とがアール面取り部８をもって滑らかに連続している。その結果として、ガスケット本体部５と双方の端面突起部６ａ，６ｂとが略Ｓ字状のアール面取り部８に相当する滑らかな段差部をもって相互に連続していることになる。ここで、双方の端面突起部６ａ，６ｂの先端面７とアール面取り部８を接続している傾斜面９は円弧状面ではなく平坦面となっている。

また、最大幅寸法Ｗで且つ高さ寸法Ｈ１の範囲に相当するガスケット本体部５の面積と、ガスケット本体部５の両端の高さ寸法Ｈ２の範囲に相当する双方の端面突起部６ａ，６ｂの面積との関係に着目した場合に、ガスケット１全体の面積に対する双方の端面突起部６ａ，６ｂの面積が３０％以下、より詳細には、例えば、ガスケット１全体の面積に対するガスケット本体部５の面積７４％に対して、双方の端面突起部６ａ，６ｂの面積が２６％程度に設定されている。

さらに、図４に示したように、一方の部材２に形成された角溝状のガスケット溝４にガスケット１を挿入しただけの非圧縮状態、すなわち、ガスケット本体部５の圧接面５ａがガスケット溝４のそれぞれの内側面４ｂに軽く点接触し且つ一方の端面突起部６ａが圧縮されることなく溝底面４ａに着底するように挿入した場合、ガスケット溝４内に占めるガスケット１の面積（図４に示した仮想線Ｌ１よりもガスケット溝４側の面積）に対して、ガスケット溝４の外側に突出する面積（図４に示した仮想線Ｌ１よりもガスケット溝４の外側に突出する面積）が、１５％程度に設定されている。なお、先に説明したように、ガスケット溝４の溝幅Ｗ１とガスケット１におけるガスケット本体部５の最大幅寸法Ｗとが同等の寸法に設定されているので、図４の状態では、ガスケット１が圧縮変形することはなく、実質的にガスケット１の自由状態とみなすことができる。

先に説明したように、ガスケット本体部５の面積７４％に対して双方の端面突起部６ａ，６ｂの面積が２６％程度に設定されていることから、一つの端面突起部６ａまたは６ｂの面積は１３％程度となる。そのため、図４に示すように、ガスケット溝４にガスケット１を挿入した時には、溝底面４ａに着底しない他方の端面突起部６ｂがそのままガスケット溝４の外部に突出することになる。そして、ガスケット溝４が形成された一方の部材２には、ガスケット溝４の開放側を閉塞するべく他方の部材３が密着するように突き合わされることになる。そのため、一方の部材２と他方の部材３とを突き合わせた時には、図６に示したように、ガスケット溝４の外側に突出している他方の端面突起部６ｂをそのまま含み且つガスケット１全体の面積に対する１５％程度の面積が圧縮されることになる。

また、図５に示したように、ガスケット本体部１の最大幅寸法Ｗを基準としたときの当該ガスケット本体部５における円弧状の圧接面５ａの曲率と双方の端面突起部６ａ，６ｂにおける円弧状の先端面７の曲率との関係に着目した場合、圧接面５ａの曲率半径Ｒ₁は最大幅寸法Ｗの１．６７倍程度に設定され、また端面突起部６ａ，６ｂの先端面７の曲率半径Ｒ₂は最大幅寸法Ｗの０．１３倍程度、すなわち最大幅寸法Ｗの１５％以下に設定されている。

ここで、図１に示したガスケット１では、その基本断面形状は図２に示したものでありながらも、図３に示すように、長手方向または周長方向の四箇所において一対の小さな突起部１０が高さ方向に並べて形成されていることが望ましい。

図１，３に示すように、ガスケット１の長手方向または周長方向の四箇所において、ガスケット本体部５の両側の圧接面５ａのうち両端の端面突起部６ａ，６ｂの根元部に近い部分に、それぞれに円錐状の小さな突起部１０を形成してある。これらの突起部１０の球状の先端面の直径は例えば０．５ｍｍ程度に設定される。そして、これらの突起部１０はガスケット溝４からのガスケット１の脱落防止手段として機能することになる。それ故に、図４に示すように、ガスケット溝４にガスケット１を挿入しただけの非圧縮状態では、ガスケット本体部５の両側の圧接面５ａがガスケット溝４の内側面４ｂに点接触にてわずかに接する程度ではあっても、図１，３に示すように突起部１０が形成されている部位では、それぞれの突起部１０がガスケット溝４の内側面４ｂに圧接することになる。これによってガスケット溝４からのガスケット１の脱落が阻止されることになる。

したがって、このようなガスケット１を主要素とする密封構造では、図４および図６に示すように、ガスケット溝４にガスケット１が予め挿入されている一方の部材２と他方の部材３とを互いに密着するように突き合わせることで、ガスケット１は図６の状態まで圧縮変形することになる。

この場合において、図２に示したように、ガスケット１の圧縮変形時に相手側となる他方の部材３のシール面に与える初期面圧を高めるために、双方の端面突起部６ａ，６ｂの先端面７を相対的に小径の円弧状面としてある。その一方、ガスケット１の中央部のガスケット本体部５は十分に大きな断面積を与えることで、双方の端面突起部６ａ，６ｂをバックアップするべくこれら双方の端面突起部６ａ，６ｂとの剛性の差別化を図っている。このため、図６に示す状態までガスケット１が圧縮された時には、その圧縮歪みが双方の端面突起部６ａ，６ｂの先端部に集中するかたちとなり、ガスケット本体部５の中心部では、例えば熱入力等によって素材自体にへたりが生じても、ゴム系弾性材料特有の復元力を保つことができるようになる。

また、図４と図６とを比較すると明らかなように、圧縮される前はガスケット溝４の内側面４ｂとわずかに点接触していたガスケット本体部５は、圧縮変形の進行に伴ってガスケット溝４の内側面４ｂに圧接して幅方向（外側）への変形を規制されることで、その内側面４ｂとの接触面積が増大している。これにより、ガスケット溝４の内側面４ｂからの反力が得られる一方で、先に述べたようにガスケット本体部５の中心部ではゴム系弾性材料特有の復元力を保っているため、ガスケット溝４の内側面４ｂからの反力はガスケット本体部５を介して特に他方の部材３側に位置する端面突起部６ｂの先端部に伝達される。そして、この反力が加わった端面突起部６ｂの圧縮変形によって他方の部材３に対する面圧低下を抑制できることになる。この端面突起部６ｂでの面圧低下抑制効果もしくは面圧維持効果は、ガスケット本体部５の圧接面５ａの形状をガスケット溝４の内側面４ｂに向かって凸形状となる円弧状面としたことに大きく依存している。

図７は図６に示した圧縮変形状態でのガスケット１の内部応力分布を示していて、同図の複数段階の濃淡のうち淡い部分ほど内部応力が高いことを表している。この図７からも明らかなように、ガスケット本体部５の中心部よりも双方の端面突起部６ａ，６ｂの内部応力が高く、特に他方の部材３側の端面突起部６ｂの面圧が高いことが容易に理解できる。

このように本実施の形態では、二部材２，３同士の突き合わせによりガスケット溝４内でガスケット１が圧縮変形（弾性変形）した場合に、ガスケット本体部５の中央部での幅方向への変形を規制しつつ、両端の端面突起部６ａ，６ｂを積極的に圧縮変形させることができる。これにより、機能上必要な面圧を十分に確保することができ、ガスケット１の断面形状を縮小化しても所期の機能を安定して維持することができことになる。

上記実施の形態のガスケット１と従来の同等品との性能比較を行うべく本発明者が実験を行ったところ、本実施の形態では、ガスケット１の断面積として２０％程度縮小化できたことが確認できた。また、本実施の形態では従来の同等品と比べ、初期面圧で約４０％高めることができ、圧縮永久歪み率で約３０％低減できることが確認できた。

さらに、図１，３に示したように、ガスケット１の長手方向または周長方向の四箇所に設定されて脱落防止手段として機能することになる小さな突起部１０は、上記のような面圧低下抑制効果もしくは面圧維持効果を阻害することがないように、ガスケット１の長手方向または周長方向の全周ではなく、長手方向または周長方向において所期の目的を達成できる最低限の間隔で設定している。そして、仮に図４に示したガスケット溝４の溝幅Ｗ１が許容寸法公差内の最大公差を有し、且つ図２に示したガスケット本体部５の最大幅寸法Ｗが許容寸法公差内の最小公差を有している場合であっても、突起部１０がガスケット溝４の内側面４ｂに圧接するようにその突出量を設定してある。したがって、図４に示したように、ガスケット１をガスケット溝４に挿入した圧縮変形前の自由状態であっても、各突起部１０はガスケット溝４の内側面４ｂに圧接するかたちとなる。これにより、図４の状態でのガスケット溝４からのガスケット１の脱落を未然に防止することができることになる。

なお、本実施の形態では、先に述べたように、ガスケット１をエンジンのシリンダヘッドとインテークマニホールドとの接合部に適用した場合を例にとって説明したが、適用部位はこれに限定されるものではない。例えば、エンジンに付帯することになるスロットルバルブやＥＧＲパイプ等の接合部のガスケットとしても当然に用いることができる。また、ガスケット１の平面形状は楕円形または長円形をなす閉ループ状のものに限らず、適用部位の溝周形状に応じて例えば円形、四角形、八角形等であっても良い。

さらに、ガスケット１自体の摩擦力等によりガスケット溝４からの脱落防止効果が発揮されて自己保持できる場合には、脱落防止用の一対の突起部１０は必ずしも必須ではない。その上、脱落防止用の一対の突起部１０を備える場合であっても、この脱落防止用の突起部１０の位置、数および形状は上記実施の形態のものに限定されない。要は突起部１０として脱落防止効果が発揮される形状であれば良いから、例えば突起部１０の形状としては円形以外の任意に形状でも良く、必要に応じてガスケット１の周長全周に連続して形成することもまた可能である。

図８は本発明に係る密封構造の第２の実施の形態を示す図で、先の第１の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。

この第２の実施の形態では、図１に示したガスケット１をガスケット素片１１ａとして用いて、三つのガスケット素片１１ａを各ガスケット素片１１ａの長径方向に延びるブリッジ部１２を介して相互に接続するべく、各ガスケット素片１１ａとブリッジ部１２とを一体に成形して、いわゆる３連式ガスケット１１としたものである。

このような３連式ガスケット１１は、図９に示すように、例えば３気筒タイプのエンジン１３における例えばアルミニウム合金製のシリンダヘッドの吸気ポート１４と樹脂製のインテークマニホールド１５とを接続するにあたり、インテークマニホールド１５側のフランジ部１５ａに形成された図示外のガスケット溝に予め装着されることになる。なお、図１に示した第１の実施の形態のガスケット１も３個を同時使用することで図９と同様の形態で使用できることは言うまでもない。

この第２の実施の形態では、ガスケット素片１１ａが３連式である点でのみ先の第１の実施の形態と相違しており、したがって、この第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果が得られることになる。

１…ガスケット
２…一方の部材
３…他方の部材
４…ガスケット溝
４ａ…溝底面
４ｂ…内側面
５…ガスケット本体部
５ａ…圧接面
６ａ，６ｂ…端面突起部
７…先端面
１０…突起部

Claims

一方の部材に形成されたガスケット溝と、このガスケット溝に挿入されるガスケットとを備え、前記一方の部材と他方の部材との突き合わせにより前記ガスケットが圧縮変形することで前記二部材間を密封するようにした密封構造であって、
前記ガスケット溝は溝底面の両側に位置する内側面が互いに平行に形成されている一方、
前記ガスケットは、その断面において、
幅方向での双方の外側面が前記ガスケット溝の内側面に対する圧接面となっているガスケット本体部と、
前記ガスケット本体部から幅方向と直交する高さ方向の両側にそれぞれに突出して当該ガスケット本体部よりも幅狭で且つ先細り形状をなしていて、一方が前記ガスケット溝の溝底面に、他方が前記他方の部材にそれぞれ圧接することになる端面突起部と、
とから形成されていて、
前記ガスケット本体部の圧接面が前記ガスケット溝の内側面に向かって凸形状となる円弧状面として形成されていることを特徴とする密封構造。
前記ガスケットの全断面積に対して双方の端面突起部の断面積が占める割合が３０％以下となっていることを特徴とする請求項１に記載の密封構造。
前記ガスケットの断面において、双方の端面突起部の先端面が円弧状面となっていて、
前記ガスケット本体部の幅寸法に対する前記端面突起部の先端面の曲率半径の割合が１５％以下となっていることを特徴とする請求項２に記載の密封構造。
前記ガスケットは基本断面形状が長手方向で均一のものとして形成されていて、
前記ガスケット本体部における圧接面の長手方向の一部に、一対の突起部が高さ方向で並んで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の密封構造。