JPS592784B2 - 内燃機関のシリンダ−ヘツド用ガスケツトおよびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、内燃機関のシリンダーヘッド用ガスケット
およびその製造方法の改良に関するものである。

１５従来、内燃機関のシリンダーヘッド用ガスケットに
は、大別して次の二種類のものが多用されている。

その一つはスチールベストタイプと呼ばれるもので、両
側に多数の重文突起を有する金属製薄板ｘ を芯材とし
、その両面にガスケット材を付設したものあるいは、こ
れと同様の構造で芯材として金属製のメッシュ材を用い
たものである。

他の一種はパワーベストタイプのもので、構造的には前
述の芯材とガスケット材の配置が逆になつた構造で、２
５片側だけに重文突起を有する金属製薄板をガスケット
材の両面に付設したものである。前記金属製の重文突起
を有する芯材ぱ一般的に軟鋼板でつくられ、その厚さは
Ｏ、１５ｍｍ−Ｏ、３０７７２ｍ程度のものが使われて
おわ重文突起の形状は夕３０ンザク形（長方形）、正方
形、Ξ角形、台形（上広下狭形状の単文）等のがあわ、
いずれのものも突起爪部がガスケット材を貫通し、その
先端を折わ曲げてガスケット材を保持するようになつて
いる。

３５芯材としての金属製のメッシュ材は、金属線を平織
わにしたものが一般的であわ、金属線は軟鋼、ステンレ
ス鋼等で、線径０．２〜０．５ｍｍ程度のものが用いら
れている。

前記ガスケツト材としては、石綿繊維に合成ゴム・合成
樹脂等を水中で定着したスラリーを抄造法によつてシー
ト状に抄紙したものが多用されている。

またこの抄造シート物としては、石綿繊維のかわりに非
金属性無機繊維と金属繊維・窒化ホウ素による組合せ、
石綿繊維と黒鉛または雲母粉の鱗片状物質・ゴム・加硫
剤・充填材の組合せ等が提案されている。また、他のガ
スケツト材としては、石綿繊維・合成ゴム（または天然
ゴム）合成樹脂・無機充填材等から成るガスケツト素材
を有機溶剤によジ適当な粘度のコンパウンド状に混練）
したものを前記芯材上にフリクシヨンロールを用いて必
要な厚さに塗着し、含有有機溶剤を乾燥除去したものが
知られている。さらに他のガスケツト材としては、膨脹
黒鉛のシート材が提案されている。上述した各ガスケツ
ト材は所定め形状に打抜かれた後、シリンダーボア内の
燃焼ガスをシールするためのグロメツト加工（金属環取
付け加工）が施こされて内燃機関のシリンダーヘツドの
ガスケツトとして使用されている。

従来、工般にガスケット材として使用されているものは
、上述した如く、そのほとんどが、石綿繊維の耐薬品性
、柔軟性、耐物理特性等の良好な特性を利用し、これを
主成分とした混和物からなつている。しかして前記ガス
ケツト材に使われる石綿繊維（クリソタイル石綿）は約
４００′Ｃの温度で除々に結晶水を放出し、それに伴つ
て劣化を起し、強度を失ない、弾力性が乏しくなると云
う欠点があるため、これを補う手段が種々提案されてい
るが、前記温度を越える高温領域で耐物理特性や弾力性
を保持できるガスケツト材について研究開発はなされて
ない。石綿ガスケツトに代るものとして提案された膨脹
黒鉛シートは、酸化雰囲気中においては、石綿繊維と同
様に約４００℃をこえると酸化が進行し、長時間酸化が
進行すると昇華消失してしまう欠点がある。また、ガス
ケツト材の製造方法に卦いて、水中にガスケツト材組成
物を分散させたスラリーあるいは有機溶剤によＶ）適当
な粘度にしたコンパウンドからシート状に形成するもの
にあつては、溶媒である水または有機溶剤を除去する乾
燥・蒸発過程を削除することはできないため、溶媒が除
去された跡が空洞となり、その空洞のしめる比率ノが容
積比で４０〜５０％にも訃よぶので、この空洞をより少
くする処置として、芯材等と重ね合せて複合体とする過
程でロールによる圧搾またはプレスによる圧搾を行なう
ことが試みられているが、上記製造法において形成され
る空洞は数少ない大きな空洞から成るのではなく、無数
の非常に微細な空洞の集合であジ、主成分の繊維相互の
絡み合いの中に存在するため、溶媒のなくなつた乾燥状
態で圧搾を加えても、この微細な空洞をふさぐことは非
常に難かしく、圧縮過程をへたガスケツト材でも空洞は
容積比で１０〜２０％も存在するため、この微細な空洞
を結ぶ漏れ道を伝わつてガスケツト材実体からシールす
べき流体が滲み出る欠陥がある。

゜しかして内燃機関のシリンダーヘツド用ガスケツトの
場合には、燃料の燃焼ガス、機関機械部分の潤滑のため
の潤滑油（エンジンオイル入燃焼ガスの熱を冷却するた
めの冷却水（クーリングウオータ一）の三つの流体を一
枚のガスケツトで同時にシールしなければならないため
、シリンダーボアー周囲では高温の燃焼ガスをシールす
るため、金属板のグロメツトで覆うセミメタリツク（金
属被覆ガスケツト）の構造をとつており、また冷却水訃
よび潤滑油のための開孔部では打抜き加工されたま＼の
複合ガスケット材でシールする形態がとられている。そ
してこのシリンダーヘツド用のガスケツトでのシート材
には、その組成体内の微細な空洞を少なくするために、
ゴム結合充填剤（通常、耐油性合成ゴム）を添加配合し
たものが使用されている。この発明は、前述した従来の
ガスケツトの欠点を解消するためになされたものであつ
て、とくに４００℃以上の高温領域でも強度や弾力性を
失わず、かつ、複合体となつた状態でのガスケツト材内
部の空洞（空隙）が最少限に保たれてシール効果が格段
と高められる内燃機関のシワンダーヘツド用ガスケツト
とその製造法を提供することを主たる目的としているも
のである。

この発明による内燃機関のシリンダーヘツド用ガスケツ
トは、膨張処理されたバーミキユライト鱗片状薄片材４
０〜８０重量％、繊維材１〜３０重量％、充填材微粒子
５〜４０重量％、適量の結合剤および加橋剤からなる組
成物のシートと、突爪を設けた金属板とが積層されてい
ることに特徴を有するものである。

鱗片状積層物質として一般に知られている物質には、前
記バーミキユライト（ひる石）のほかに雲母や黒鉛があ
り、それらを鱗片状に膨脹させる方法としては、たとえ
ば、薬品を鱗片積層間に浸透させた後、薬品の分解温度
まで加熱することにより、その膨脹力で層間を剥離して
膨脹した物質が得られることが知られている。

前記バーミキユライトの場合には、１０００℃近くのロ
ータリーキルン等の高温雰囲気中に急激にさらすことに
より、鱗片積層構造の層間結晶水が急激に蒸発し、その
膨脹圧によつて層間を剥離する膨脹バーミキユライトの
工業的手法が実用化されている。前述した処理法の異な
る両者を比較した場合、前者は薬品処理および加熱処理
等の複雑な手法が必要なため、製造コスト高を招く欠点
があるため、後者の製法によるものが、断熱材の骨材、
吹付け材、塗料改質材などの―般的な工業材料（素材）
として用いられている。この発明に卦いて、前記鱗片状
積層物質のなかから膨脹バーミキユライトに着目したの
は、上述した理由にもとづくものである。

前記バーミキユライトとは三層粘土鉱物に属し黒雲母に
類似する構造であり、純バーミキユライトの構造式は１
．Ｂａｒｓｈａｄ（１９４８）によるとであるとされて
いる。

このバーミキユライトの結晶（内吸）水は７００℃以上
に加熱すると、はじめて失なわれ始めるので、この点は
前述した石綿繊維が４００℃以上で結晶水を放出するの
に比較して耐熱的に有利である。

バーミキユライトを前述したような方法で膨脹させたも
のは、容積比で５〜２０倍に体積が膨脹しているがこの
膨脹したバーミキユライト粒子同志を物理的に接合して
シート状としても、接合面強度が非常に弱くて脆いもの
しか得られない。

しかし、膨脹バーミキユライトを水中に分散して高速ミ
キサーで剪断力を加えるか、乾燥状態でミラクルミル等
のデイスインテグレータ一で剪断力を加え、層間よシ剥
離した鱗片状薄片としたものにあつては、その剥離活性
面同志が接合することにより、接合面強度の強い柔軟な
シートを得られることが、本発明者の実験によつて確認
された。また、前記剥離活性面の強力な活性を得るため
には、鱗片状薄片の径が１０メツシユから６０メツシユ
の範囲で、かつ厚さが１００μ以下とするのが最適であ
ることも認められた。上記の如く、膨脹処理されたバー
ミキユライト鱗片状薄片材を主体とし、これに繊維材・
微粉粒子・結合剤・加硫剤を加えた組成物によれば、バ
ーミキユライト鱗片状薄片材・繊維材・微粉粒子のそれ
ぞれ異なつた形状の物質が互いに最密充填状態になつた
ガスケツト用シートが得られる。

これに対し、従来のガスケツトのシート状物は、繊維材
が主体とされた組成であるため、最密充填がなし得られ
ず、最終空洞（空隙）を低減することができない。その
結果として、シール性に欠陥が生じることは前述した通
りである。繊維材を主体とした従来組成のシートと、こ
の発明のようにバーミキユライト鱗片状薄片を主体とし
、繊維材・微粉粒が加えられた組成物との充填度合をＪ
ＩＳ円筒法による嵩密度で比較表示したものを下表に示
す。

上記実験の結果、この発明の構成作用の主旨にそつた最
密充填効果が発揮される組成は、上記の如く、鱗片状薄
片４０〜８０％、微粉粒子１９〜３０％、繊維材１〜３
０％程度の範囲のものが良好であることが判明した。

この発明に卦いては、繊維材は、石綿繊維以外の非金属
無機繊維、金属繊維などを使用することができる。

すなわち、この発明に卦ける繊維材は従来、単独ではシ
ート化が難かしいとされていたカーボン繊維、フエノー
ル繊維、セラミツク繊維等をはじめとする非金属繊維の
適用が可能なばかジでなく、ステンレス繊維、黄銅繊維
等の金属繊維の適用が可能である。

しかして上記繊維を用いた内燃機関のシリンダーヘツド
用ガスケツトに｝いては、燃料の爆発燃焼熱はシリンダ
ーボアー部に施こされた金属グロメツト材を通して補強
金属板をつたわつて冷却水孔へ逃がされる利点がある。

従来品のように、ガスケツトシート材の主成分に石綿繊
維が使用されているものにあつては、石綿繊維が熱を伝
えにくい熱伝導率の小さな物質である故に、燃焼熱はガ
スケツト内に蓄熱し、熱による物性劣化を促進してしま
う欠点がある。しかし、この発明で適用されるガラス繊
維等の非金属繊維やステンレス繊維等の金属繊維はいず
れも石綿繊維よジも熱伝導率の大きい繊維であるから、
シート部分からも積極的に熱を逃がすことができる。と
くにステンレス繊維等の金属繊維の使用においては、バ
ーミキユライトの耐熱性との相乗的効果によ飄飛躍的に
耐熱性が向上される。下記の表は、従来品とこの発明品
とを熱伝導率、引張強さ、および加熱後の引張強さ変化
率とに卦いて対比して示したものである。この発明によ
るガスケツトの製造法は、膨張処理されたバーミキユラ
イト鱗片状薄片材、繊維材、充填材微粒子、適量の結合
剤訃よび加橋剤からなる含水組成物のシートと、突爪を
設けた金属板とを湿潤状態に於いて積層して複合板を形
成した後、この複合板をロールまたはプレスにより圧搾
してバーミキユライト鱗片状薄片材を配向させると共に
前記組成物と前記金属板の緻密な一体構造を形成するこ
とを特徴としているものである。

とくに前記組成物をシート状に成形する方法としては、
従来技術として公知の抄造方式、コーテイング方式、押
出し方式のいずれの方式でも適用できるもので、特別な
製造設備を新たに必要としない点で、高性能なシート材
を安価に、かつ容易に製造できる利点がある。

さらに前記補強金属板との複合化積層後、湿潤状態（半
乾燥）でロール圧搾あるいはプレス圧搾すると、バーミ
キユライト、鱗片状薄片がシート面方向に配向されるの
で、その薄片と繊維材と充填材微粒子との最密充填化が
なされると共に、元来積層面であつた部分の鱗片状薄片
の活性面同志が再び面接触することによシ、繊維主体の
シート材では得られなかつた柔軟性がこのシート材に付
与される利点がある。

ＪＩＳＲ３４５３規格の柔軟性試験方法に準じて行なつ
た結果を下表に示す。ただし、柔軟性Ｄ値とは、試料を
金属丸棒に１８０巻き付けた時にクラツクや割れの生じ
ない（金属丸棒径／試料厚さ）の係数であジ、数値の小
さいものほど柔軟性に豊んでいることを示す。第１図の
グラフは、圧搾後のシートの密度と引張ジ強さの関係を
示したもので、とくに乾燥状態でロール圧搾あるいはプ
レス圧搾して鱗片状薄片をシート面方向に配向させるも
のを比較例に対比したものである。

前記組成物が圧搾されると、その圧搾により密度が高ま
るにつれて鱗片状薄片がシート面方向に配向し、元来積
層面であつた部分の鱗片状薄片の活性面同志が再び面接
触することにより、その結合力によつて引張強さが大き
くなるが、前記グラフに示すように、シートが湿潤状態
（半乾燥状態）で圧搾されたものは、乾燥状態で圧搾さ
れたもの比べ、同一密度に２ける引張強さが飛躍的に向
上することが認められた。

これは鱗片状薄片の剥離活性面上が湿潤しているため、
より活性結合作用が発揮されることに因るもので、その
引張強さは、前述した組成の最密充填効果との相乗作用
によつて生まれた画期的強度ということができる。なお
、湿潤状態のシートを補強金属板上に重ね合わせ、その
ま＼ロール圧搾あるいはプレス圧搾すると、圧搾力によ
つてシート中の水分が絞ｂ出され、その水分の移動と共
にシートにフロー（流動現象）が生じ、密度の向上が阻
害される訃それがあるが、前記複合材とロール（プレス
）との間に沢紙、織布、毛布等を介在し、絞り出された
水を吸水しながら圧搾することによつて容易に密度を高
めることができる。次に前記構成によるガスケツトを内
燃機関のシリンダーヘツドに適用した場合の利点につい
て述べる。

内燃機関のシリンダーヘツド用ガスケツトにあつては、
前述したように、燃料の燃焼ガス、機関機械部分の潤滑
のための潤滑油（エンジンオイル）、燃焼ガスによる熱
を冷却するための冷却水（クーリングウオータ一）の三
つの流体を一枚のガスケツトで同時にシールする必要性
から三つの流体の各々異なつた流体特性に見合つた部位
毎のガスケット設計がなされている。

例えばシリンダーボアー部は高温高圧燃焼ガスをシール
するために金属板のグロメツトで覆うセミメタリツク（
金属被覆ガスケツト）の構造とし、冷却水・潤滑油のた
めの開孔部は打抜き加工されたま＼の複合ガスケツト材
の特性でシールする形態が一般的な内燃機関のシリンダ
ーヘツド用ガスケツトの基本構造となつているが、近時
、機関の軽量化、冷却効果等の理由から、シリンダーヘ
ツド材としてアルミ合金鋳物の使用が＝般化されている
が、アルミ合金の構造強度上の問題から、シリンダーヘ
ツドガスケツトを締付ける締付け力に制限が生じたり、
シリンダーヘツドのゆがみ等が起虱締付け面圧の部分的
な不足を生じるようなことがある。これらの現象は、内
燃機関毎に設計者の観点が異なれば、変わるものである
から、適用する内燃機関に応じて、締付け面圧の調査が
行なわれ、さらに締付け面圧の不足部分にはフランジ面
とのなじみ性の良いシール剤の部分処理（デイツピング
、コーテイング、肉盛シ等）が行なわれている。

これに対し、この発明によるガスケツトにあつては、そ
のシート材は鱗片状薄片を主体とし、これに繊維材、微
粉粒子が加えられ 最密充填状態に構成され、かつロー
ルあるいはプレス等にて鱗片状薄片がシート面方向に配
向されているので、繊維材を主体としたガスケツトでは
得られなかつたすぐれた柔軟性によるシール性があり、
かつ４００℃以上の雰囲気に露されても強度低下が少な
く、弾性が保持され、熱劣化にともなうシール性ならび
にトルクダウンを防止できる性能を有するので、前記内
燃機関のシリンダーヘツド用ガスケツトとして、前述し
た三つの流体に十分に対応することができる。とくに石
綿繊維以外の非金属繊維（ガラス繊維、カーボン繊維等
）、金属繊維（ステンレス繊維、黄銅繊維等）の適用に
よ）、取扱い時に発厳する石綿繊維の人体への影響を防
止できるのみならず、金属繊維を伝わる熱伝達により、
内燃機関の冷却効率ならびにガスケツトの耐久性の向上
も図れる。

またこの発明による内燃機関のシリンダーヘツド用ガス
ケツトは、特殊な製造設備を必要とせず、従来技術によ
る設備で製造できる利点があ虱また膨脹バーミキユライ
トという安価な材料を主成分として製造できるので、そ
の経済的効果は大きいＯ次にこの発明の実施例を下記に
示す。

実施例 １ ３号バーミキユライト原石を９００′Ｃのロータリーキ
ルン中で急激に焼成膨脹させた膨脹バーミキユライトを
ミラクルミルにて高速剪断し、鱗片径５０メツシユ、鱗
片厚さ３５μの鱗片状薄片となし、この鱗片状薄片バー
ミキユライト４１ｋ９に繊維径１２μ、長さ１０ｍｍの
ガラス繊維４ｋ９、粒径７μ以下のクレー２２ｋｇを水
１０００ｔ中に分散し、この分散液（スラリー）を撹拌
しながら合成ゴムラテツクス４ｋｇ加硫剤０．３ｋ９を
添加し、このスラリーを抄造機にて抄紙・乾燥処理して
厚さ１、５ｍｍ１嵩密度０．７８９×糀３のバーミキユ
ライトシート材をつくＤ、このシート材を軟鋼板０．２
ｍｍ厚さの両面に三角爪立をほどこした金属薄板の両面
にそれぞれ重ね合わせて押し付けた後、圧搾用口ールに
てバーミキユライトシート材の鱗片状薄片を金属薄板の
面方向に配向させ、シート部の密度１．５９／ＣｗＬ３
、全体厚さ１．８關ガスケツト材となし、このガスケツ
ト材を市販ヘツドガスケツトの所定寸法に打抜き加工を
行ない、そのシリンダーボアー部にステンレネ鋼板（Ｓ
ＵＳ３Ｏ４）厚さ０．２２ｍｍのグロメツトを施して内
燃機関のシリンダヘツド用ガスケツトを得た。

第２図卦よび第３図はそのガスケツトを示したもので、
１はバーミキユライトシート材、２は補強用金属薄板、
３はシリンダーボアー部、４はそのグロメツト、５は冷
却水孔、６は潤滑油孔、７はそのグロメツト、８はボル
ト孔である。

上記ガスケツトを自動車内燃機関のシリンダーヘツドに
締付ボルトトルク８００ｋｇｆ−？で組付け、エンジン
回転数６０００ｒ．ｐ．ｍ、エンジン冷却水の冷熱強制
サイクリツク台上運転耐久試験を行なつたところ、下記
の表のような良好な成績結果が得られた。実施例 ２ ２号バーミキユライト原石を９００′Ｃのロータリーキ
ルン中で会、激に焼成膨脹させた膨脹バーミキユラィト
５５ｋｇを水１５０Ｊ！．と共にペンシェル型高速ミキ
サーに投入し、水中で高速剪断して鱗片径３０メツシユ
、鱗片厚さ２３μの鱗片状薄片の水分散スラリーをつく
力、これをマシンチエストに移し、水１３５０ｔを加え
たのち、パルプ２ｋｇ、繊維径１２μのステンレス繊維
８ｋｇ、粒径７μ以下のクレー３７ｋｇを投入し、均一
に分散し、このスラリーを撹拌しながら合成ゴムラテッ
クス５ｋ９、加硫剤０．４ｋｇを添加し、撹拌を続けな
がら濃度５％とした硫酸バンドを徐々に添加して合成ゴ
ムラテツクスを完全に定着し、このスラリーを抄造機に
て抄紙して厚さ２ｍｍのバーミキユライトシート材をつ
くｂ、これを軟鋼板厚さ０．２５ｍｍの両面におろし金
状の三角突爪をほどこした金属薄板の両面にそれぞれ重
ね合わせて押し付けた後、その両面に毛布をあてた状態
で油圧プレスにて水を絞ジながら圧搾を行ない、これを
１１０℃のオーフソ中で乾燥し、厚さ１．４ｍｍ１密度
１．７９．／Ｃｍ３のガスケツト材となし、このガスケ
ツト材を市販ガスケツトの所定寸法に打抜き加工を行な
い、シリンダーボアー部に軟鋼板ＳＰＣＣ厚さ０．２ｍ
ｍ、幅３ｍｍのグロメツトを施し、潤滑油孔部に銅板Ｃ
ｕｐ厚さ０．１５ｍｍ１幅２ｍｍのグロメツトを施し、
さらにチエーンケース部にあたる部分に、合成ゴムシー
ル剤による膜厚０．０５ｍｍの部分処理９（第２図参照
）を施した内燃機関のシリンダーヘツド用ガスケツトを
得た。

上記ガスケツトを自動車内燃機関のシリンダーに締付ボ
ルトトルク７５０１＜９ｆ−？で組付、冷却水通路へボ
イラーから導いた蒸気を３０分間、また水道水に切換え
て３０分間の加熱冷却サイクリツクシユミレーシヨンを
５０サイクル実施したところ、下記の表のような良好な
成績結果が得られた。

以上に述べたように、この発明によれば、内燃機関のシ
リンダーヘツド用ガスケツトとして、燃焼ガス、潤滑油
および冷却水の三つの流体に対するシール性にすぐれた
性能を具備し、しかも４００℃以上の高温領域でも強度
と弾力性を失わず、長期の使用に耐え得るすぐれた性能
をも具備するガスケツトが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のガスケツトと従来品との物性を対比
して示したグラフ、第２図はこの発明の一実施例を示す
ガスケツトの平面図、第３図はその一部の拡大断面図で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 膨張処理されたバーミキユライト鱗片状薄片材４０
   〜８０重量％、繊維材１〜３０重量％、充填材微粒子５
   〜４０重量％、適量の結合剤および加橋剤からなる組成
   物のシートと、突爪を設けた金属板とが積層されている
   ことを特徴とする内燃機関のシリンダーヘッド用ガスケ
   ット。 ２ 前記繊維材が、パルプ、ステンレス繊維、ガラス繊
   維、セラミック繊維の１種または２種以上であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の内燃機関のシリ
   ンダーヘッド用ガスケット。 ３ 膨張処理されたバーミキユライト鱗片状薄片材、繊
   維材、充填材微粒子、適量の結合剤および加橋剤からな
   る含水組成物のシートと、突爪を設けた金属板とを湿潤
   状態において積層して複合板を形成した後、この複合板
   をロールまたはプレスにより圧搾してバーミキユライト
   鱗片状薄片材を配向させると共に前記組成物と前記金属
   板との緻密な一体構造を形成することを特徴とする内燃
   機関のシリンダーヘッド用ガスケットの製造方法。 ４ 前記繊維材が、パルプ、ステンレス繊維、ガラス繊
   維、セラミック繊維の１種または２種以上であることを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載の内燃機関のシリ
   ンダーヘッド用ガスケットの製造方法。