JP2005076794A

JP2005076794A - 通路開閉弁

Info

Publication number: JP2005076794A
Application number: JP2003309550A
Authority: JP
Inventors: Yuko Suzuki; ゆう子鈴木; Toshiyuki Koide; 寿幸小出; Kenichiro Toki; 賢一郎土岐
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】通路開閉弁のシールリング取付溝からの堆積物の排出を容易にする。
【解決手段】流体が流れる略円筒状の通路２内に配置され、通路断面に略一致する円盤状の弁体３と、この弁体３の外周部に形成された溝３１に収容され、閉弁時に前記通路２の内壁と前記弁体３の外周部との間をシールするシールリング５と、前記弁体の前記流体の流れ方向と交差する面の略中央位置に、この面に対して所定の傾斜角αを有して固定される回転軸４と、を備え、回転軸４が矢印Ｘ方向に回転駆動されることによって前記弁体３が前記通路２の開閉を行うと共に前記シールリング５が前記溝内を矢印Ｙ方向に回転移動するように構成された通路開閉弁１であって、前記溝３の側壁の一部を切り欠いて、前記溝３１内の堆積物を排出する堆積物排出部３２ａ〜ｄを設けるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、流体が流れる通路を開閉する通路開閉弁に関し、特に、通路の内壁との隙間をシールするシールリングのリング固着を防止する技術に関する。

内燃機関の吸気通路や排気通路に設けられる通路開閉弁には、一般に、その弁体の外周にシールリング（ガスケットリング等）が設けられている。このシールリングは、閉弁時に通路内壁に押し当てられて、弁体と通路との隙間をシールするものであり、その変形（伸縮）を考慮して、弁体に形成された溝等の取付部に所定のクリアランスを有して収容されている。

かかるシールリングの取付部（溝内）にデポジット（カーボン等）が堆積すると、リング固着に至るおそれがあるため、デポジットの堆積を防止する必要がある。
シールリングの取付部へのデポジットの堆積を防止する技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。このものは、内燃機関のシリンダーとピストンとの隙間の密閉性を高めるために設けられるオイルリング（シールリング）の表面をデポジットの剥離性の高い被膜でコーティングすることで、オイルリング溝（取付部）からのデポジットの排出速度を高めてデポジットの堆積を防止している。
特開２０００−２７９９５号公報

しかし、上記従来の技術のように、シールリング（やその取付部）をデポジットの剥離性の高い被膜でコーティングするとなると、シールリング（及び弁体）の製造工程が増えるばかりでなく、その耐久性等を考慮した膜厚管理も必要となって部品コストが増大してしまうという問題がある。
また、デポジットの剥離性の高い被膜をコーティングするだけでは、シールリングやその取付部の表面へのデポジットの付着については効果的に防止できるものの、取付部に堆積しているデポジット（特に、シールリングの内側に入り込んでしまったデポジット）の排出という点では十分とは言えず、更なる改良の余地があった。

本発明は、このような問題に着目してなされたものであり、密閉性を高めるためにシールリングが取り付けられている通路開閉弁において、シールリング取付部に堆積するデポジットの排出を効果的に行ってリング固着を防止することを目的とする。

このため、本発明に係る通路開閉弁は、流体が流れる略円筒状の通路内に配置され、通路断面に略一致する円盤状の弁体と、前記弁体の外周部に形成された溝に収容され、閉弁時に前記通路の内壁と前記弁体の外周部との間をシールするシールリングと、前記弁体の前記流体の流れ方向と交差する面の略中央位置に、この面に対して所定の傾斜角を有して固定される回転軸と、を備え、前記回転軸が回転駆動されることによって前記弁体が前記通路の開閉を行うと共に前記シールリングが前記溝内を回転移動するように構成された通路開閉弁であって、前記溝の側壁の一部を切り欠いて、前記溝内の堆積物を排出する堆積物排出部を設けるようにした。

本発明に係る通路開閉弁によると、弁開閉動作の度にシールリングが溝内を回転移動し、これによって溝内の堆積物の滞留を防止して堆積物を排出しやすい状態とすると共に、この排出しやすい状態となった堆積物（あるいは、シールリングの回転移動と共に移動した堆積物）を溝の側壁の一部を切り欠いて設けた堆積物排出部から容易に排出できるので、リング固着を効果的に防止することができる。

以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態（第１実施形態）に係る通路開閉弁の概略構成を示したものである。この通路開閉弁は、例えば、内燃機関の吸気通路、排気通路等に設けられ、通過させる流体（吸気、排気）の流量を調整できるものであり、排気の一部を吸気系に戻すための排気還流通路（ＥＧＲ通路）内に配置して、排気還流量（ＥＧＲ量）を調整するためのＥＧＲ弁としても用いることができる。

図１において、通路開閉弁１は、断面が略円形状の排気通路（ＥＧＲ通路）２内に配置され、この排気通路２の断面と略一致する円盤状の弁体３と、この弁体３に固定されて図示しないアクチュエータによって回転駆動される回転軸４と、を備えて構成される。
上記弁体３の外周面のほぼ中央には、全周にわたって所定の幅、深さの溝３１が形成されており、この溝３１には、シールリング（ガスケットリング等）５が回転方向に移動可能に取り付けられている。このシールリング５は、全閉時に排気通路２の内壁に押し当てられて排気通路２の内壁と弁体３の外周との隙間をシールして密閉性を確保する。なお、シールリング５の変形（収縮）等を考慮して溝３１とシールリング５との間には所定のクリアランスが設定されている（図３等参照）。

上記回転軸４は、弁体３の排気流れ方向（図中矢印で記す）と交差する面（図では下流側の面、以下、交差面という）３ａに平行な方向と、交差面３ａに直交する方向（図では排気流れ方向と同じ方向）と、の間で交差面３ａに対して所定角度（傾斜角）αを有するように、すなわち、交差面との角度が９０°より小さい所定角度αとなるように設けられ、かつ、交差面のほぼ中央位置で弁体３に固定されている。

従って、回転軸４がアクチュエータによって回転駆動されると弁体３も同時に回転して排気通路２を開閉し、回転軸４の回転量を調整することで、排気通路２の内壁と弁体３の外周との隙間を変化させて通過させる排気の量を調整できる。
そして、本実施形態の特徴として、シールリング５が取り付けられた弁体３の斜視図である図２に示すように、排気下流側に位置する溝３１の側壁には、溝３１の内部を部分的に露出させる４つの切欠部（これが、堆積物排出部に相当する）３２ａ〜ｄが周方向に等間隔（９０°毎）で設けられている。

また、弁体３の溝３１部分の断面拡大図である図３に示すように、上記シールリング５は、その内周側のリング幅が最も小さく外周方向に向かってリング幅が徐々に増加するように両側面がテーパ面として形成されている（断面くさび形状に形成されている）。
ここで、以上のような構成を有する通路開閉弁１の作用を説明する。
図４（ａ）は閉弁状態（全閉状態）を示している。この閉弁状態からアクチュエータによって回転軸４が矢印Ｘ方向に回転駆動されると弁体３も回転して開弁し、９０°回転すると全開状態となる（図４（ｂ）（ｃ））。このとき、回転軸４は弁体３（の交差面）に対して所定角度αを有して（傾斜させて）固定されているため、排気通路２の内壁とシールリング５との接触点は、図においてｅ、ｆ点で示すように、少しずつ移動し、この結果、シールリング５が押されて溝３１内を回転移動（弁体３に対して相対回転）する。

シールリング５が回転移動すると、これに伴って溝３１内のデポジットも移動し、切欠部３２ａ〜ｄより排気差圧のアシストも受けつつ、溝外へと排出される（図５参照）。つまり、弁開閉動作の度に溝３１内に堆積しているデポジットを排出できることになる。なお、シールリング５が回転することによって、シールリング５自体やシール面（シールリング５と排気通路２の内壁との接触面）に付着したデポジットも除去される。

本実施形態によると、通路開閉弁１が開閉する度にシールリング５が溝３１内を回転移動し、これによって溝３１内でのデポジットの滞留を防止して（溝３１内でデポジットを移動させて）デポジットを排出しやすい状態とすると共に、この排出しやすい状態となったデポジット（あるいは、シールリング５の回転移動と共に移動したデポジット）を溝３１の側壁に設けた切欠部３２ａ〜ｄより溝外へと容易に排出できるので、リング固着を効果的に防止できる。

また、切欠部３２ａ〜ｄは、溝３１の排気下流側の側壁に設けられており、排気差圧により排気が流れるのを利用してデポジットの排出をより効果的に行うことができる。
また、シールリング５は、内周から外周に向かってリング幅が徐々に増加するようにその両側面がテーパ面として形成されているので、外周に加わる負荷が同じであっても、内周に大きな面圧（デポジットとの接触面圧）を発生させることができ、溝３１内のデポジットはこのシールリング５のテーパによる面圧差で押し出される（浮き上がる）こととなる。これにより、溝３１内からのデポジットの排出を更に効果的に行える。同時に、デポジットとの接触面積が小さくなることから回転時の摺動抵抗が低減され、シールリング５が回転しやすくなるので、デポジットの除去・排出効果が高まることにもなる。

なお、本実施形態においては、全閉から全開までの回転角度を９０°としていることから、切欠部を等間隔で４（＝３６０／９０）箇所設ける構成として円周方向すべてのデポジットを排出できるようにしているが、例えば、全閉から全開までの回転角度を６０°とした場合には、切欠部を等間隔で６（３６０／６０）箇所設けるようにすればよいし、このようにして設定することなく、切欠部の数を任意に設定するようにしてもよい。

また、シールリング５はその両側面の全体をテーパ面とするものに限られず、例えば、切欠部３２ａ〜ｄ側の側面のみの内周側を部分的にテーパ面としてもよい。
次に、本発明の第２実施形態に係る通路開閉弁について説明する。
この通路開閉弁は、前記第１実施形態に係る通路開閉弁に対してシールリングのみが異なっており、その他の構成は同じであるのでその説明は省略する。なお、以下の説明において、前記第１実施形態と同一のものは同一の符号を用いることとする。

図６は、本実施形態におけるシールリング１５を示したものである。この図に示すように、本実施形態におけるシールリング１５は、内歯車のように、その内周面に凸部１５１と凹部１５２とが周方向に交互に形成されている点を特徴としている。
このため、このシールリング１５を弁体３の溝部３１に取り付けると、図７に示すように、シールリング１５の内側には円周方向に複数の空間３３が形成されることとなり、この空間３３の分デポジット堆積量に対する余裕度が増加する。

そして、本実施形態においても前記第１実施形態と同様に、回転軸４が回転駆動されると弁体３も回転して開弁を開始し、この回転に伴ってシールリング１５が溝部３１内を回転移動する（図４参照）。シールリング１５が回転移動すると、シールリング１５の内側（溝３１の底部）に堆積しているデポジットは、その内周面に形成された凸部１５１によって押されて（空間３３が移動して）切欠部３２ａ〜ｄへと運ばれ、ここで排気差圧（排気の流れ）によるアシストを受けつつ排出される。

この実施形態によると、シールリング１５の内周面に凹部と凸部とが周方向に交互に形成されているので、シールリング１５の内側に空間３３が形成されてデポジット堆積量に対する余裕度が増加する。
また、シールリング１５の内周面に凸部１５１と凹部１５２とを周方向に交互に形成したことにより、シールリング１５の回転移動によって、溝３１内に堆積しているデポジット（特にシールリング１５の内側に堆積しているデポジット）を効率よく切欠部３２ａ〜ｄへと移動させて、溝３１内からのデポジットの排出を効果的に行える。

なお、シールリング１５の内周面に凹部と凸部とが交互を形成されていればよく、例えば、内周面を波状に形成するようにしてもよい。
次に、本発明の第３実施形態に係る通路開閉弁について説明する。
この開閉弁も、前記第１実施形態に係る開閉弁に対してシールリングのみが異なっており、その他の構成は同じであるのでその説明は省略する。また、以下の説明において、前記第１実施形態と同一のものは同一の符号を用いることとする。

図８は、本実施形態におけるシールリング２５を示したものである。この図に示すように、本実施形態におけるシールリング２５は、円周方向の一部にスリット２５１を有するＣリング型のものであるが、リングエンド部にデポジット掻き出し部（これが、堆積物掻き出し部に相当する）２５２とデポジット溜まり（これが、堆積物収容部に相当する）２５３とを設けた点を特徴としている。

Ｃリング型のシールリングの場合には、スリットにデポジットが溜まることによってもリング固着となる場合があるため、溝内へのデポジットの堆積を防止しつつ、スリットにデポジットが溜まることを防止する必要があるが、シール性の面からスリットは極めて狭い空間となっており、許容できるデポジット量は少ない。
そこで、本実施形態におけるシールリング２５では、シールリング２５の内側（溝の底面）に堆積しているデポジットの排出を効率的に行いつつ、スリット２５１にデポジットが溜まることを防止するため、リングエンド部の最内周側に周方向エッジ形状からなるデポジット掻き出し部２５２を設けると共に、このデポジット掻き出し部２５２により掻き出されたデポジットを一時的に収容するデポジット溜まり２５３を設けている。

なお、上記デポジット溜まり２５３は、シールリング２５を弁体３に取り付けた際に、溝３１内に位置するように比較的内周側に形成し、シール性を悪化させないようにする。
そして、本実施形態においても前記第１、２実施形態と同様に、回転軸４が回転駆動されると弁体３も回転して開弁を開始し、この回転に伴ってシールリング２５が溝部３１内を回転移動する（図４参照）。シールリング２５が回転移動すると、シールリング２５の内側（溝３１の底部）に堆積しているデポジットは、周方向エッジ形状からなるデポジット掻き出し部２５２によって掻き出されてデポジット溜まり２５３に収容される。デポジット溜まり２５３に収容されたデポジットは、切欠部３２ａ〜ｄへと運ばれ、ここで排気差圧（排気の流れ）によるアシストを受けつつ排出される（図９参照）。

この実施形態によると、シールリング２５の最内周側に周方向エッジ形状からなるデポジット掻き出し部２５２と、このデポジット掻き出し部２５２によって掻き出された（シールリング内側に堆積している）デポジットを一時的に格納するデポジット溜まり２５３と、を設けたので、シールリングの回転によって発生する力を効果的に作用させてシールリング２５の内側に堆積しているデポジットを掻き出す共に、この掻き出したデポジットをデポジット溜まりに格納する。そして、デポジット溜まりに格納されたデポジットは、シールリング２５の回転によって切欠部３２ａ〜ｄまで運ばれるので、スリットにデポジットが溜まることを防止しつつ溝３１内からのデポジットの排出を効果的に行える。

なお、本実施形態では、リングエンド部のみにデポジット掻き出し部及びデポジット溜まりを設けているが、周方向に複数個設けるようにしてもよい（図１０参照）。このようにすれば、同時に複数個所のデポジットを掻き出すことができるので、よりデポジット排出効果を向上できる。また、Ｃリング型のシールリングのみならず、Ｏリング型のシールリングにデポジット掻き出し部及びデポジット溜まりを設けるようにしてもよい。

次に、本発明の第４実施形態に係る通路開閉弁について説明する。
この開閉弁は、前記第１〜３実施形態に係る通路開閉弁に対して、溝３１内に酸化触媒が塗布されている点が異なっており、その他の構成は同じであるのでその説明は省略する。また、以下の説明において、前記第１実施形態と同一のものは同一の符号を用いることとする。

この実施形態では、図１１（前記第１実施形態における図３に相当する）に示すように、溝３１内部、すなわち、溝３１の内側面及び底面（図中の斜線部）に、従来から自動車の分野において用いられているＰｔ系の酸化触媒を塗布し、この酸化触媒によってデポジット（主としてカーボン）の酸化反応を促進させて溝３１内のデポジットを除去することで、溝３１内へのデポジットの堆積を防止しようとするものである。なお、塗布方法等については公知の方法を用いればよいので、ここでの説明は省略する。

以下、溝３１内への酸化触媒の塗布による効果について実験結果をもとに説明する。
（１）焼成の有無について
図１２は、溝３１内部にＰｔ系の酸化触媒を塗布し、焼成の有無でのデポジット除去能力を比較したものであり、横軸が機関運転時間（ｈ）、縦軸がデポジット堆積量（ｇ）である。なお、この比較における酸化触媒は、貴金属担持量（Ｐｔ担持量）４０ｇ／ｃｆ．（グラム／立方フィート）のものを用いている。

図１２に示すように、酸化触媒を塗布しただけのもの、酸化触媒を塗布して焼成したもののいずれも、酸化触媒なしのものに比べて、デポジット堆積量が少ないが、焼成したほうが、よりデポジット堆積量が少なくなっている。つまり、酸化触媒を塗布するだけでもデポジットの酸化反応が促進されてデポジットを除去できるのであるが、焼成した方がよりデポジット除去能力が高まることが確認できた。なお、焼成により酸化触媒の剥離強度（耐久性）が増すので、この点からも焼成した方が望ましい。
（２）触媒の貴金属担持量について
図１３は、貴金属担持量によるデポジット除去能力を比較したものである。横軸が貴金属担持量（ｇ／ｃｆ．）、縦軸が貴金属担持量を０ｇ／ｃｆ．としたときのデポジット堆積量に対する比率（デポジット量比）である。なお、この比較においては、それぞれに同一量（１．０ｇ）の酸化触媒を塗布して焼成している。

図１３に示すように、貴金属担持量が１０ｇ／ｃｆ．程度とわずかな場合であっても、デポジットの堆積量が減少する（ほぼ半減する）。つまり、貴金属担持量にかかわらず、酸化触媒はデポジット除去能力を発揮することが確認できた。
（３）シールリングの耐熱性について
溝３１内に酸化触媒を塗布することにより、溝３１（弁体３）にはデポジットの酸化反応熱が加わることになる。図１３に示すように、貴金属担持量を多くすればデポジット除去能力が高まることになるが、これは同時により多くの熱がシールリングにも加わることを意味する。従って、貴金属担持量はシールリングの耐熱性をも考慮して（シールリングの限界温度を超えないように）設定する必要がある。

図１４は、このような観点から行った実験結果を示した表であり、貴金属担持量が８０ｇ／ｃｆ．までの酸化触媒を塗布して焼成したシールリングは溶解しなかったが、貴金属担持量が１６０ｇ／ｃｆ．の酸化触媒では、シールリングが溶解してしまうことが確認できた。
以上より、シールルングの耐熱性を考慮して貴金属担持量を設定した酸化触媒（上記実験結果によれば、例えば、貴金属担持量８０ｇ／ｃｆ．とした酸化触媒）を溝３１内に塗布して焼成することにより、かかる部分におけるデポジットを効果的に除去できるので、このようにしても溝３１内へのデポジットの堆積を防止できる。

なお、前記第１〜３実施形態のいずれかと組み合わせてもよく、そのようにすれば更に効果的にリング固着を防止できることになる。

本発明の実施形態に係る通路開閉弁の構成を示す図である。第１実施形態における弁体（シールリング組み付け時）の斜視図である。弁体の部分拡大図（シールリング取付部分の拡大図）である。通路開閉弁の開閉動作を説明する図である。切欠部からのデポジット排出を説明するための図である。第２実施形態におけるシールリングを示す図である。第２実施形態における弁体の斜視図である。第３実施形態におけるシールリングを示す図である。第３実施形態における弁体の斜視図である。第３実施形態におけるシールリングの変形例を示す図である。第４実施形態における弁体の部分拡大図である。シールリング取付部分に酸化触媒を塗布した後の焼成の効果を示す図である。酸化触媒の貴金属担持量とデポジット堆積量との関係を示す図である。シールリングの耐熱性実験を行った結果（貴金属担持量との関係）を示す図である。

符号の説明

２…排気通路（ＥＧＲ通路）、３…弁体、４…回転軸、５、１５、２５…シールリング、３１…溝（シールリング取付部）、１５１…凸部、１５２…凹部、２５２…デポジット掻き出し部、２５３…デポジット溜まり

Claims

流体が流れる略円筒状の通路内に配置され、通路断面に略一致する円盤状の弁体と、
前記弁体の外周部に形成された溝に収容され、閉弁時に前記通路の内壁と前記弁体の外周部との間をシールするシールリングと、
前記弁体の前記流体の流れ方向と交差する面の略中央位置に、この面に対して所定の傾斜角を有して固定される回転軸と、を備え、
前記回転軸が回転駆動されることによって前記弁体が前記通路の開閉を行うと共に前記シールリングが前記溝内を回転移動するように構成された通路開閉弁であって、
前記溝の側壁の一部を切り欠いて、前記溝内の堆積物を排出する堆積物排出部を設けたことを特徴とする通路開閉弁。
前記堆積物排出部を、前記流体の流れ方向下流側に設けたことを特徴とする請求項１記載の通路開閉弁。
前記リングシールは、内周から外周方向に向かってリング幅が増加するように傾斜したテーパ面を有することを特徴とする請求項１又は２記載の通路開閉弁。
前記リングシールは、内周面に凹部と凸部とが周方向に交互に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の通路開閉弁。
前記リングシールは、前記溝内を回転移動する際に前記溝内の堆積物を掻き出す周方向エッジ形状からなる堆積物掻き出し部と、該堆積物掻き出し部が掻き出した堆積物を収容する堆積物収容部と、を有することを特徴とする請求項１又は２記載の通路開閉弁。