JP7417603B2 - メタルガスケット - Google Patents

Description

本発明は、例えば内燃機関のシリンダヘッドとシリンダブロックとの間の接合部を封止するためのメタルガスケットに関する。特に、メタルガスケットの開口部に設けられるシール部材の接合構造に関する。

従来、内燃機関のシリンダヘッドとシリンダブロックとの接合部には、それらの間を流れる流体の漏洩を防ぐためのメタルガスケットが配置されている。そのようなメタルガスケットにおいて、例えば冷却水を通す流路孔の開口部にシール部材が設けられている（例えば特許文献１参照）。

図１２に従来のメタルガスケットにおけるシール部材の接合構造を示す。このメタルガスケットは、３枚のメタルプレート５１１、５１２、５１３が重ねられたプレート本体５１０を有している。シール部材５２０が設けられる開口の周縁部において、上プレート５１１及び下プレート５１３の開口縁５１１ａ、５１３ａの全部又は少なくとも一部が、中プレート５１２の開口縁５１２ａよりも中心に向けて延出している。それによりプレート本体５１０は、開口の周縁部において、上下のプレート５１１、５１３の延出部により画された溝を有している。シール部材５２０は、芯金５２１のフランジがその溝に嵌合しており、つまり上下のプレート５１１、５１３に挟持された状態でプレート本体５１０の開口部に取り付けられている。

特開２０１８－１７９０３３号公報

上述の従来例によるシール部材の取り付け構造においては、芯金が上プレート及び下プレートに挟まれて嵌合しており、そのため上下のプレートを接合するための何らかの接合手段（例えばリベット等）が必要になる。また、シール部材が誤った向きに取り付けられた場合でも外部からそれを目視検査できないという課題がある。例えばシール部材の取り付けミスにより、芯金が中プレートに乗り上げてしまうと、メタルガスケットを圧縮した際にプレートに段差が生じ、シール性が損なわれるおそれもある（例えば図１４、１６参照）。

本発明は、例えば内燃機関に用いられるメタルガスケットにおいて、シール部材のプレート本体への接合部分の構造や工程を簡素化するとともに、シール性能の信頼性も高めることができる等の技術を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも２枚以上重ねられたメタルプレートを有するプレート本体と、前記プレート本体の開口部に設けられ、環状の弾性シールを有するシール部材とを備えるメタルガスケットであって、前記シール部材の芯金が、前記メタルプレートのうちの１つのメタルプレートの開口に溶接接合されているメタルガスケットである。

メタルガスケットは、前記シール部材の芯金が、前記開口の内縁に適合した外縁を有し、前記芯金の外縁と前記開口の内縁とが突き合わせられた状態で溶接接合されていることが好ましい。

また、メタルガスケットは、前記シール部材の芯金が、その外縁の少なくとも一部が前記開口の周縁部に延出するオーバーラップ部を有し、前記オーバーラップ部と前記開口の周縁部とが重ね合わされた状態で溶接接合されているものでもよい。

メタルガスケットは、前記プレート本体が、第一メタルプレートと、前記第一メタルプレートに対向する第二メタルプレートとを有し、前記シール部材が前記第二メタルプレートの開口に溶接接合されており、前記第二メタルプレートがシールビード部を有していることが好ましい。

また、メタルガスケットは、前記プレート本体が、第一メタルプレートと、前記第一メタルプレートに対向する第二メタルプレートとを有し、前記シール部材が前記第二メタルプレートの開口に溶接接合されており、前記第一メタルプレートがシールビード部を有しているものでもよい。

本発明のメタルガスケットによれば、シール部材のプレート本体への接合部分の構造や工程を簡素化することができる。また、シール性能の信頼性を高めることができる。

本発明の一実施形態によるメタルガスケットの一部分を示す平面図である。 図１のプレート本体の部分断面図である。 第一の実施形態によるシール部材の平面図である。 図３のIV-IV線で切断した場合の断面図である。 第一の実施形態のメタルガスケットにおいて、シール部分を拡大して示す平面図である。 図５のVI-VI線で切断した場合の断面図である。 図５のVII-VII線で切断した場合の断面図である。 第二の実施形態のメタルガスケットにおいて、シール部分を拡大して示す平面図である。 図８のIX-IX線で切断した場合の断面図である。 図８のX-X線で切断した場合の断面図である。 比較例１のメタルガスケットにおいて、シール部分を拡大して示す平面図である。 図１１のXII-XII線で切断した場合の断面図である。 比較例１のメタルガスケットにおいて、他のシール部分を拡大して示す平面図である。 図１３のXIV-XIV線で切断した場合の断面図である。 比較例１のメタルガスケットにおいて、誤って取り付けられたシール部材の部分を拡大して示す平面図である。 図１５のXVI-XVI線で切断した場合の断面図である。 比較例２のメタルガスケットにおいて、シール部材の接合構造を示す断面図である。

以下、内燃機関のシリンダヘッド及びシリンダブロック間の気密性・液密性を確保するためのメタルガスケットを例に、その好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において「上」「下」は、相対的な位置関係を意味しているに過ぎず、絶対的な意味では解釈されない。また「溶接されている」とは、２つの部材が溶接により接合されている状態を意味する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態によるメタルガスケット１の一部分を示す平面図である。図２は、プレート本体１０の部分断面図である。メタルガスケット１は、３枚のメタルプレート１１、１２、１３からなるプレート本体１０と、プレート本体１０の所定の開口部に設けられるシール部材２０とを有している。プレート本体１０において、シリンダヘッド及びシリンダブロック間の燃焼ガス、冷却水、潤滑油を供給／排出する流路孔（図示せず）に対応する位置に、開口部１６、１７、１８、１９が形成されている。また、プレート本体１０の適宜の位置にボルト挿通孔１５が形成されている。

メタルガスケット１のプレート本体１０は、上プレート１１、中プレート１２及び下プレート１３の３枚のメタルプレートが順に重ねられた構造を有している。上プレート１１は、中プレート１２の上面に対向し、下プレート１３は、中プレート１２の下面に対向している。本実施形態のメタルガスケット１においては、図示はしないが、上プレート１１がシリンダヘッド側に配置され、下プレート１３がシリンダブロック側に配置されるものとする。

上プレート１１及び下プレート１３は、鋼鉄製のメタルプレートである。上プレート１１及び下プレート１３のそれぞれの厚みは、例えば０．４ｍｍである。上プレート１１及び下プレート１３の表面には、相手部材であるシリンダヘッドやシリンダブロックの加工面と接し、その加工面の粗さ等を吸収するとともに、プレート同士がその間のシール性を保持する程度に薄い被膜層を介して隣接するようにするためのコーティング処理が施されている。

上プレート１１には、メタルガスケット１の開口部１６、１７、１８、１９に対応する開口がプレス打ち抜きにより形成されている。下プレート１３にも、同様に、開口部１６、１７、１８、１９に対応する開口がプレス打ち抜きにより形成されている。上プレート１１の開口と下プレート１３の開口とは、互いに重なり合う方向において、それらの位置及び寸法が一致している。

例えば図５に示すように、冷却水用の開口部１７を構成する上プレート１１の開口１１７及び下プレート１３の開口１３７には、後述するシール部材２０の芯金２１と中プレート１２との溶接部を露出させるための切り欠き部１１７ａ、１３７ａが形成されている。

次に、中プレート１２は、例えば厚さ０．５ｍｍのステンレスのメタルプレートである。中プレート１２にも、上プレート１１及び下プレート１３と同様に、開口部１６、１７、１８、１９に対応する開口がプレス打ち抜きにより形成されている。

図２の例では、上プレート１１の開口１１７及び下プレート１３の開口１３７と上下方向において一致して、中プレート１２に開口１２７が形成されている。ただし、中プレート１２の開口１２７は、次に説明するシール部材２０の芯金２１の外縁に適合した形状及び寸法を有している。

中プレート１２には、シール部材が設けられない開口（例えば図２に示す開口１２７Ａ）を包囲するようにハーフビード部１２１が形成されている。ここで、ハーフビード部とは、プレート本体が折り曲げられ又はエンボス加工された部位をいう。メタルガスケットがシリンダヘッドとシリンダブロックとの間に圧縮配置された際に、ハーフビード部が潰れて弾性変形することで、シリンダヘッド及びシリンダブロックとの密着性をより高めることができる。

シール性を高めるハーフビード部は、図示はしないが、上プレート１１及び下プレート１３のシール部材が設けられない開口の周囲に形成される。また、ハーフビード部に代えて山形のフルビード部を中プレート１２に又は上プレート１１及び下プレート１３に形成してもよい。なお、ハーフビード部及びフルビード部等を包括したビード形状のシール部を「シールビード部」という。

次にシール部材２０を説明する。図３は、第一の実施形態によるシール部材２０の平面図である。図４は、図３のIV-IV線で切断した場合のシール部材２０の断面図である。シール部材２０は、例えばステンレス鋼板である円板状の芯金２１を有している。芯金２１の外縁の形状及び寸法は、当該シール部材２０が接合される、中プレート１２の開口１２７の内縁の形状及び寸法に適合している。芯金２１の外縁の所定の箇所には、半径方向に若干突き出た接合部２１ａ、２１ａが形成されている。

芯金２１の略中央には、流体（本例では冷却水）を通す貫通孔２１１が形成されている。なお、芯金２１の貫通孔を無くし、シリンダヘッド及びシリンダブロック間の流路を封止するブラインドフランジとしてシール部材を適用することもできる。

芯金２１の両面には、貫通孔２１１の周りを包囲するようにして、環状の弾性シール２２が接着されている。弾性シール２２の素材としては、例えばニトリルゴム（ＮＢＲ）、水酸化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）又はシリコーン（ＶＭＱ）等の耐熱性、耐水性、耐油性及び耐候性に優れたエラストマー樹脂を適宜採用することができる。

例えば図４に示すように、弾性シール２２の外周面及び内周面は、芯金２１から上下に離れるほど互いに近づくよう傾斜した傾斜面を有することが好ましい。シール部材２０がシリンダヘッド及びシリンダブロックの間に圧縮配置された際、弾性シール２２の半径方向の幅が拡大するように変形するが、弾性シール２２の周面がそのような傾斜面を有していることにより、それらの面の変形量及び曲率を小さく抑えることができる。これにより、弾性シール２２に亀裂を生じ難くし、結果としてシール性及び耐久性を向上させることができる。

次に、プレート本体１０へのシール部材２０の接合構造を説明する。図５は、第一の実施形態によるメタルガスケット１の平面図であって、シール部材２０の部分を拡大して示す図である。図６は、図５のVI-VI線で切断した場合のシール部材２０の接合構造を示す断面図である。図７は、図５のVII-VII線で切断した場合のシール部材２０の接合構造を示す断面図である。

本実施形態のシール部材２０は、図５～７に示すように、芯金２１の外縁に形成された接合部２１ａが、中プレート１２の開口１２７の内縁に突き合わせ溶接されている。芯金２１と中プレート１２との溶接部３１は、上下のメタルプレート１１、１３の切り欠き部１１７ａ、１３７ａを介して外部に露出している。

シール部材２０の芯金２１と中プレート１２との溶接は、レーザー溶接法により連続的にシーム溶接されることが好ましいが、断続的にスポット溶接されてもよい。また、中プレート１２と芯金２１の厚みは同一であって、それらの表面が同一面であることが好ましい。それにより、メタルガスケット１が圧縮されたときの溶接部分の不要な歪や内部応力の発生を防ぐことができる。

（第二の実施形態）
次に、本発明に係るメタルガスケットの第二の実施形態を説明する。本実施形態によるメタルガスケット２は、第一の実施形態と同様に、上プレート１１、中プレート１２及び下プレート１３の３枚のメタルプレートが順に重ねられた構造のプレート本体１０と、芯金２１に弾性シール２２を有するシール部材２０とを備え、シール部材２０の芯金２１が、中プレート１２の開口１２７に溶接されている。

メタルガスケット２のプレート本体１０を構成する上プレート１１、中プレート１２及び下プレート１３、並びに、シール部材２０の基本的な構造等は、上述の第一の実施形態と共通するため、重複する説明はここでは省略する。なお、第二の実施形態の説明において参照される図８～１０において、上述の第一の実施形態で説明されたものと同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を使用している。

図８は、第二の実施形態によるメタルガスケット２の平面図であって、シール部材２０の部分を拡大して示す図である。図９は、図８のIX-IX線で切断した場合のシール部材２０の接合構造を示す断面図である。図１０は、図８のX-X線で切断した場合のシール部材２０の接合構造を示す断面図である。

第二の実施形態のメタルガスケット２においては、プレート本体１０へのシール部材２０の接合構造が、上述の第一の実施形態と異なっている。本実施形態では、図８に示すように、シール部材２０の芯金２１の外縁の少なくとも一部が、中プレート１２の開口１２７の周縁部１２７ａにまで延出するオーバーラップ部２１ｂとなっている。そして、シール部材２０のオーバーラップ部２１ｂと、中プレート１２の開口周縁部１２７ａとが重ね合わせ溶接されている。重ね合わせ溶接部３２は、上下のメタルプレート１１、１３の切り欠き部１１７ａ、１３７ａを介して外部に露出している。

芯金２１と中プレート１２との溶接は、レーザー溶接又は電気抵抗溶接によるスポット溶接が好ましい。また、芯金２１の端部を中プレート１２に隅肉溶接して接合してもよい。隅肉溶接の場合には、レーザー溶接の他、より一般的なアーク溶接によりそれらを接合させることができる。

（比較例との対比）
上述した実施形態によるメタルガスケット１、２の優れた特徴ないし効果を、比較例と対比しながら説明する。

〔比較例１〕
図１１は、比較例１のメタルガスケットにおいて、シール部材５２０の部分を拡大して示す平面図である。図１２は、図１１のXII-XII線で切断した場合のシール部材５２０の取付構造を示す断面図である。比較例１によるメタルガスケットは、３枚のメタルプレート５１１、５１２、５１３が重ねられたプレート本体５１０を有している。シール部材５２０が設けられる開口の周縁部において、上プレート５１１及び下プレート５１３の開口縁５１１ａ、５１３ａの全部又は少なくとも一部が、中プレート５１２の開口縁５１２ａよりも中心に向けて延出している。それによりプレート本体５１０は、開口の周縁部において、上下のプレート５１１、５１３の延出部により画された溝を有している。シール部材５２０は、芯金５２１のフランジがその溝に嵌合しており、つまり上下のプレート５１１、５１３に挟持された状態でプレート本体５１０の開口部に取り付けられている。

この比較例１の接合構造によれば、シール部材５２０は、その芯金５２１が上プレート５１１及び下プレート５１３に挟まれて嵌合している。シール部材５２０をプレート本体５１０から外れないよう保持するために、シール部材５２０又は開口部に近接して、上下のプレート５１１、５１３を接合するリベット等の接合手段５３０が必要になる（図１３、１４参照）。

一方、本発明の実施形態のメタルガスケット１、２によれば、シール部材２０の芯金２１が、中プレート１２の開口に溶接により固定されている。そのため、上述のリベット等のような接合手段を必要としない。したがって、シール部材２０のプレート本体１０への接合部分の構造及び組み付け工程を従来よりも簡素化することができる。

また、比較例１によれば、シール部材５２０が上下のプレート５１１、５１３の間に正しく嵌め込まれているかを、組み付け後に目視検査できないという課題がある。図１５に示すようにシール部材５２０が間違った向きに配置されてしまうと、芯金５２１が中プレート５１２に乗り上げ、シール性が損なわれる（図１６参照）。

一方、本発明の実施形態のメタルガスケット１、２によれば、上下のメタルプレート１１、１３の切り欠き部１１７ａ、１３７ａを介してシール部材２０の溶接部３１、３２が外部に露出している。そのため、シール部材２０の接合状態の目視検査が可能となり、組み付けミスや溶接不良等のある製品の出荷を防ぐことができる。したがって、従来よりも製品としての信頼性を高めることができる。

〔比較例２〕
図１７は、比較例２によるメタルガスケットのシール部材５２０の結合構造を示す断面図である。比較例２のメタルガスケットは、１枚のプレート本体５４０の開口端に沿って段部５４１が設けられている。シール部材５２０は、その段部５４１に芯金５２１のフランジ５２１ａが溶接されている。

この比較例２の接合構造によれば、プレート本体５４０が１枚のメタルプレートで構成される。そのため、プレート本体５４０の厚さが、市場から入手可能な標準的な厚さの材料に制限されるという課題がある。
一方、本発明の実施形態のメタルガスケット１、２によれば、プレート本体１０が３枚のメタルプレート１１、１２、１３から構成される。そのため、比較例２と比較して、プレート本体１０を設計する際の厚みや素材の組み合わせ等の選択の自由度が高いといえる。

また、比較例２によれば、シール部材５２０（芯金５２１）を溶接するために、プレート本体５４０の開口端に沿って段部５４１を設けるためのプレス又は切削等の加工が必要となる。例えばプレス打ち抜きによって上述の段部５４１を加工する場合には、例えばステンレス鋼等の硬く耐候性に優れた材料を選択することができない。
一方、本発明の実施形態のメタルガスケット１、２によれば、１回のプレス打ち抜きにより、複数の開口部１６、１７、１８を形成できる。また、メタルプレート１１、１２、１３の金属素材として、例えば腐食しにくい硬質のステンレス鋼を採用することができる。

また、比較例２のメタルガスケットは、シングルプレートという構造上、シールビード部を形成することができない。
一方、本発明の実施形態のメタルガスケット１、２においては、中プレート１２又は上下のプレート１１、１３にハーフビード部又はフルビード部を形成することができる。したがって、シリンダヘッド及びシリンダブロックへの密着性が増し、比較例２よりもシール性や信頼性を高めることができる。

１、２ メタルガスケット
１０ プレート本体
１１ 上プレート（メタルプレート）
１２ 中プレート（メタルプレート）
１３ 下プレート（メタルプレート）
１５ ボルト挿通孔
１６ 燃焼ガス用の開口部
１７、１８ 冷却水用の開口部
１９ 潤滑油用の開口部
２０ シール部材
２１ 芯金
２１ａ 接合部
２１ｂ オーバーラップ部
２２ 弾性シール
３１ 突き合わせ溶接部
３２ 重ね合わせ溶接部
１１７ 開口
１１７ａ 切り欠き部
１２１ ハーフビード部
１２７ 開口
１２７ａ 開口周縁部
１２７Ａ 開口
１３７ 開口
１３７ａ 切り欠き部
２１１ 貫通孔
５１０ プレート本体
５１１ 上プレート
５１１a 開口縁
５１２ 中プレート
５１２a 開口縁
５１３ 下プレート
５１３a 開口縁
５２０ シール部材
５２１ 芯金
５２１ａ フランジ
５２２ 弾性シール
５３０ リベット（接合手段）
５４０ プレート本体
５４１ 段部

Claims (5)

1. 少なくとも３枚以上重ねられたメタルプレートを有するプレート本体と、前記プレート本体の開口部に設けられ、環状の弾性シールを有するシール部材とを備えるメタルガスケットであって、
   前記メタルプレートが、上プレート、中プレート及び下プレートを含み、前記プレート本体が、上プレート、中プレート及び下プレートが順に重ねられた構造を有し、
   前記シール部材の芯金が、前記メタルプレートの前記中プレートの開口に溶接接合されているメタルガスケット。
2. 前記シール部材の芯金が、前記開口の内縁に適合した外縁を有し、前記芯金の外縁と前記中プレートの前記開口の内縁とが突き合わせられた状態で溶接接合されている、請求項１に記載のメタルガスケット。
3. 前記シール部材の芯金が、その外縁の少なくとも一部が前記開口の周縁部に延出するオーバーラップ部を有し、前記オーバーラップ部と前記中プレートの前記開口の周縁部とが重ね合わされた状態で溶接接合されている、請求項１に記載のメタルガスケット。
4. 前記中プレートがシールビード部を有している、請求項１～３のいずれか１項に記載のメタルガスケット。
5. 前記上プレート又は前記下プレートがシールビード部を有している、請求項１～３のいずれか１項に記載のメタルガスケット。