JP2011144861A - ボールバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】シール面が経時的に偏磨耗する度合いを低減してシール性が長期間に亘って確保でき、かつ低開弁時に所望の流量制御を設計することができるとともに、開弁のタイミングの設定も容易なボールバルブの提供。
【解決手段】ハウジングの流路内に、該流路の中心線上に中心を有する球面の一部で構成された環状の凸シール面３４を備えたバルブボディを、中心線と直行する回転軸に取り付け、凸シール面３４に摺動する環状の凹シール面４１を有するシートリング４を、中心線方向に弾性保持（フローティング支持）し、かつシートリング４がバルブボディ側に移動することを規制する規制部材５を設けたボールバルブにおいて、バルブボディの回転中心を、回動に伴いシール面の球面中心がシートリング４から遠ざかるように偏心して設定した。
【選択図】図２

Description

この発明は、流体の流路の開閉に使用されるボールバルブにかかわり、とくに内燃機関の排気ガスを吸気側に再循環させる再循環流量の制御に好適なボールバルブに関する。

球面の一部で構成された環状の凸シール面を有する弁体と、同一球面の一部で構成されるとともに前記凸シール面と接合してシール面を形成する環状の凹シール面（弁座）を備えた筒状のシートリングと、を組み合わせたボールバルブが公知である（特許文献１）。このシートリングは、流体流路の軸方向に弾性保持（フローティング支持）され、弁体の回転軸とは直交している。凸シール面と凹シール面との摺動位置（当接位置またはスラストの作用位置）は、弁体の開閉動作に伴いシール面の周辺側と中心側とを揺動する。このため、シートリングは、中心軸から偏った位置にスラストを受け、シートリングが嵌め込まれた流体流路の内周壁との間でこじりが生じ、作動不良の原因となりやすい。

特許文献１に記載の発明では、シートリングが弁体側に軸方向移動（スライド）することを規制する規制部材を設け、こじりの発生を低減させている。しかしながら、凸シール面と凹シール面との摺動面積は、全閉（弁開度ゼロ）から全開（弁開度９０度）までの間で漸減し、弁開度の大きい部分の摺動面が小面積となり面圧は高くなる。このため、経時的に偏磨耗してシール性が低下する問題があった。とくに、内燃機関の排気ガスを吸気側に再循環させる再循環流量の制御では、ボールバルブの開閉の頻度が高く、偏磨耗によるシール性の低下は、内燃機関の正常な運転の耐久性を低下させる問題がある。

また、特許文献２には、弁体の回転軸を弁座の軸線から偏心させた排気ガス再循環バルブが開示されている。この排気ガス再循環バルブは、流路の断面積を増大させ、弁体の後方に乱急流が発生することを防止し、弁体と弁座とでチャタリングを起こすことを低減させるものであり、軸方向に弾性保持（フローティング支持）されたシートリングと弁体との組み合わせの構成が存在しない。

特開２００５−３４４８０３号公報 特開２００３−１７２２１１号公報

この発明の目的は、簡単な構造で、シール面の経時偏磨耗を防止でき、シール性が長期間に亘って確保できるボールバルブの提供にある。
この発明の他の目的は、弁体の回転軸をシール面の球面中心から偏心させる偏心量の設計で、低弁開度域での流量特性を所望に設定できるボールバルブの提供にある。

この発明は、ハウジング内に、球面の一部で構成された環状の凸シール面を有する弁体を回転自在に配し、同一球面の一部で構成されるとともに前記凸シール面に摺動する環状の凹シール面を有するシートリングを前記弁体の回転軸と直行する方向に弾性保持（フローティング支持）し、かつシートリングが弁体側に移動することを規制する規制部材を設け、弁体の所定の回転角までシートリングのスライドを許容し、所定の回転角以上のシートリングのスライドを阻止するボールバルブにおいて、弁体の回転軸を、開弁に伴い凸シール面の球面中心が凹シール面から遠ざかる位置に偏心して設定したことを特徴とする。

この発明では、弁体の回転軸を、開弁方向への回転角の増大に伴い凸シール面の球面中心がシートリングの凹シール面から遠ざかるように偏心して設定している。このため、摺接面積の大きい開弁初期のみ凸シール面と凹シール面とが摺動するが、偏心量または規制部材で設定した回転位置で凸シール面と凹シール面とが分離する。この結果、面圧の大きい領域での凸シール面と凹シール面との摺動がなく、シール面の偏磨耗の低減が可能である。また、偏心量、シートリングと規制部材との初期クリアタンス、シール面の幅などの適正な設計で、弁開度の特性または開弁時の流量特性の自由な選択ないし設定が可能となる。

この発明のボールバルブの正面断面図である。 実施例１にかかるボールバルブの要部の平面断面図である。 実施例１にかかるボールバルブの作動説明図である。 実施例１にかかるボールバルブの作動説明図である。 実施例１にかかるボールバルブの作動説明図である。 ボールバルブの作動説明図である。 ボールバルブの作動説明図である。

発明を実施するための形態を、図に示す実施例とともに説明する。

図１は、この発明にかかるボールバルブ１の正面図を示し、エンジンの排気路と吸気路とを連結して排気ガスの一部を吸気側に再循環（ＥＧＲ）するための排気ガス再循環路１０に介装されている。ボールバルブ１はハウジング２を備えており、ハウジング２には排気再循環路１０の一部を構成する円筒状のガス流路２１が設けられている。ガス流路２１は、一端（図示右端）２２がエンジンの吸気路に連通した排気ガスの下流側、他端（図示左端）２３がエンジンの排気路に連通した上流側となっている。ボールバルブ１は、エンジンの運転条件に合わせて再循環させるガス流量を調整する作用を有する。

ハウジング２内には、ガス流路２１を開閉するための弁体３と、弁口（弁座）を形成する円筒状のシートリング４とが配設されている。ハウジング２の図示上端には、弁体３を駆動するためのアクチュエータ１１が装着されている。弁体３は、ガス流路２１を貫通してハウジング２に両端が軸支された弁軸３１と、弁軸３１から他端側に延長された腕部３２と、腕部３２の先端に設けられた円板状の弁板３３とからなる。なお、弁板３３が直接に弁軸３１に固着されていてもよい。

図２に示すボールバルブ１の平面断面図の如く、弁体３は、弁軸３１がガス流路２１の中心線Ｌと直行して配され、かつ軸心（バルブ回転中心Ｃ）が中心線Ｌから偏心量Ａだけ図示下方に設定されている。弁体３は、中心が中心線Ｌ上にある図示の閉弁（弁開度ゼロ、回転角θ＝０）の状態から右周りに回転（開弁）する。この実施例では、弁体３は、回転に伴い弁開度ゼロ（全閉、回転角θ＝０）から回転角θ＝９０度（全開）まで変化する。

弁軸３１は、図１に示す上端部がアクチュエータ１１に連結され、アクチュエータ１１により図２に示す右回りに回動して開弁する。弁板３３の外周は、弁軸３１の上方に球面中心Ｂを有する球面Ｇを、中心線Ｌと直行する２つの平行面で切断した環状の凸シール面３４となっている。凸シール面３４は、回転角θ＝０のときガス流路２１の中心線Ｌ上に中心軸を有する。この結果、弁軸３１（弁板３３）が回転中心Ｃ周りに回転角θだけ右回転すると、凸シール面３４の球面中心Ｂは、球面中心Ｂの移動距離Ｘ＝Ａｓｉｎθの変位量で図示右方（一端方向）に変位する。なお、軸心（バルブ回転中心Ｃ）の偏心位置は、弁体の回転軸を、開弁に伴い凸シール面３４の球面中心が凹シール面４１から遠ざかる位置であれば、球面中心Ｂの下方でなくてもよい。

ガス流路２１の内周には、シートリング４の下流側および上流側に、いずれも矩形断面を有する円環状の規制部材５と支持部材６とが嵌め込まれて固定されている。シートリング４は、ガス流路２１の内周に軸方向への変位ないし移動（スライド）可能に遊び嵌めされ、一端は規制部材５により、他端は支持部材６により変位が規制されている。この実施例では、規制部材５は腕部３２の外周に位置し、シートリング４の一端は弁板３３の外周に位置している。

シートリング４は、一端の内周に凸シール面３４に当接する弁座としての凹シール面４１が周設され、ボールバルブ１のシール面３０を形成している。この実施例では、凸シール面３４の球面方向幅は凹シール面４１の球面方向幅より大きく設定され、シール面３０の幅は主に凹シール面４１の幅により決定されている。シートリング４は、他端にバネ４３が背設され、図示右方向に付勢され、弾性支持またはフローティング支持されている。回転角θ＝０のとき、凸シール面３４と凹シール面４１とは、全周で接触しており、シートリング４の一端側の端面と規制部材５の他端側の側面との間には、所定幅の隙間（初期クリアランス）Ｓが設定されている。

バネ４３は、この実施例ではコイルスプリングであり、シートリング４の他端側に形成した円筒溝４４に嵌め込まれている。バネ４３は、一端が円筒溝４４の溝底に当接し、他端が支持部材６に当接し、シートリング４を図示右方向に付勢している。バネ４３は、ウェイブスプリング、皿バネなど他の構造のバネであっても良く、ゴムなどバネ以外の弾性体であってもよい。

シートリング４の一端側の端面には、シールリップ溝４２が周設されている。シールリップ溝４２は、図３の（ロ）に示す如く、外側の周壁４５が同一径の筒面となっており、内側の周壁４６がテーパー面となっており、入り口が広く、奥が狭い断面形状を有する。シールリップ溝４２には規制部材５の内周に固着されたシールリップ５１が差し込まれている。シールリップ５１は、一端が規制部材５の内周に固着され、他端は断面がヘ字形を有する環状膨出部５３となっている（図２参照）。環状膨出部５３は、シールリップ溝４２の外側の周壁４５と摺接しており、シートリング４の変位に対し気密性を保持している。

図３の（イ）に示す如く、支持部材６の内周には、円筒状リップシール６１の他端が嵌着され、円筒状リップシール６１の一端は断面がヘ字形を有する環状膨出部６２となっている。環状膨出部６２は、シートリング４の他端内周に設けた筒状の内径大部４７に当接してシートリング４の変位に対しシール性を確保している。シールリップ５１とリップシール６１とは、シートリング４の外周に排気ガスが進入し、デポジットが付着するなどして、シートリング４の円滑な移動が損なわれることを防止する作用を有する。

図３〜図５とともに、ボールバルブ１の作動を説明する。図３は、回転角θ＝０（全閉）の状態の弁体３およびシールリング４の位置関係を示す。この状態では、弁板３３の凸シール面３４は、シートリング４の凹シール面４１と同一の中心を有し、全周が当接し、シートリング４の一端と規制部材５の他端との間には、設定した隙間Ｓが存在する。凸シール面３４と凹シール面４１との接触面積は最大となっており、バネ４３による当接面の面圧は最低値となっている。

図４に示す如く、弁体３が図示右周りに回転すると、回転角θが０〜１０度までの間は、球面中心Ｂは移動距離Ｘ＝Ａｓｉｎθの関係で一方側（ガス流路２１の軸方向）に変位する。弁板３３は、回動しながら球面中心Ｂの移動距離Ｘ＝Ａｓｉｎθとの比例関係で、回転中心Ｃからの距離に応じて一方側（ガス流路２１の軸方向）に変位する。すなわち、この実施例では、回転中心Ｃからの距離が最も大きい図示上端部の変位量が最大となる。

シートリング４もバネ４３による付勢力で一方側に球面中心Ｂの移動距離Ｘ＝Ａｓｉｎθと同等距離だけ軸方向移動（スライド）する。凸シール面３４は、回動しながら凹シール面４１と摺動し、図示上端の位置に隙間ができるまで閉弁が保たれ、流量がゼロの状態が維持される。この流量はゼロの範囲は、偏心量Ａと、凸シール面３４および凹シール面４１の厚さによって設定される設計事項である。なお、流量はゼロの範囲は、角度センサのばらつき等を考慮して、閉弁不感帯として、弁開度θが０から数度まであることがシステムの設計上望ましいとされている。

弁体３がさらに図示右周りに回転すると、この実施例では回転角θ＝１０度の位置で隙間Ｓ＝球面中心Ｂの移動距離Ｘ（図２に示す）となり、シートリング４の一端と規制部材５の他端とが当接し（図５の（ロ）参照）、シートリング４のスライドが停止する。図５に示す如く、回転角θが１０度を超えると、当初は凸シール面３４は図示上端の位置から凹シール面４１から離れ、開口Ｈができて、ガスが流れ始める。さらに回転角θが増大すると、図５に示す如く、凸シール面３４は全周が凹シール面４１から離れて摺動部分はなくなり、ガスの流量も増大し、最大流量に至る。

なお、凸シール面３４は図示上端の位置が凹シール面４１の図示上端の位置から離れて開口Ｈができる弁開度は、隙間Ｓ、偏心量Ａ、およびシール面３０（図２に示す）の球面方向幅によって決定される。このため、この発明のボールバルブ１では、偏心距離（偏心量）Ａ（図２参照）、隙間Ｓ、シール面３０の球面方向幅を設計することにより、凸シール面３４と凹シール面４１との分離する範囲を予め設定することができる。よって、隙間Ｓがゼロになる前に開弁（開口Ｈ）ができるように設定することも、隙間Ｓがゼロになったあとも所定の回転角θまで開弁しないように設定することも可能である。

この発明のボールバルブ１では、接触面積が大きい低回転角θの範囲では、凸シール面３４と凹シール面４１とは摺動するが、面圧が小さく磨耗が少ない。このため、長期間に亘ってシール性が保持され耐久性が高い。また、偏心距離（偏心量）Ａ＝０の従来のボールバルブでは、高回転角θの範囲で凸シール面３４と凹シール面４１とが大角度で交差するため接触面積が小さく（面圧が大きく）、よって、磨耗も大きくなる。この発明のボールバルブでは、偏心距離（偏心量）Ａがあるため高回転角θの範囲で凸シール面３４と凹シール面４１とが分離しており、シール面の摩擦による磨耗は少ない。

図６とともにこの発明のボールバルブ１の作用、効果を説明する。図６の（イ）に示すボールバルブ１は、弁板３３の厚さ（シール面３０の球面方向幅）ｔが薄い弁体３を備えている。この実施例では、弁板３３の厚さｔはシートリング４が規制部材５に当接してスライドが停止する（隙間Ｓがゼロとなる）前に、弁板３３は図示上端の凸シール面３４が凹シール面４１との接触を抜け、開口Ｈが形成される。この弁板３３の厚さｔが薄い実施例では、図６の（ハ）に示すグラフの定性特性曲線（イ）の如く、シートリング４が規制部材５に当接する前の回転角の領域ではガス流量の増加割合が小さく、シートリング４が規制部材５に当接してからガス流量が急速に増大する。

図６の（ロ）は、弁板３３の厚さ（シール面３０の球面方向幅）ｔを、ｔ＋αと厚くしている。この場合は、先にシートリング４が規制部材５に当接してスライドが停止し、次に弁板３３の図示上端の凸シール面３４が凹シール面４１との接触を抜け、開口Ｈが形成される。この実施例では、図６の（ハ）に示すグラフの定性特性曲線（ロ）の如く、シートリング４が規制部材５に当接するまでガスが流れない。シートリング４が規制部材５に当接してから、ガスの流量が回転角の増加に伴い漸増する。すなわち、この発明のボールバルブ１は、弁板３３の厚さｔの設計により、低回転角θにおける流体の流量特性を所望に設定できる。

図７は、シートリング４と規制部材５との隙間（初期クリアランス）Ｓとの設定と、開弁する回転角θとの定性的関係を示す。開弁の条件は、隙間Ｓ＜Ａｓｉｎθであり、開弁する弁体３の回転角θは、隙間Ｓ＝０、Ｓ＝１ｍｍ、Ｓ＝２ｍｍと設定することで、図７の（ロ）に示す特性グラフの如く、自由に設定できる。

さらに、本願発明のボールバルブ１は、凹シール面４１の部位毎の磨耗量Ｗを推定し、許容隙間面積（たとえばシール面３０においてガスの漏れ量が毎分４リットル以下となる隙間面積）への余裕度を算出することが可能である。シートリング４の材質から比磨耗量Ｋを算出ないし実測する。磨耗量Ｗ＝面圧Ｐ×摺動速度Ｖ×摺動時間Ｔ×比磨耗量Ｋの計算式から、凹シール面４１のどの部位がどの程度に磨耗するかを概算でき、部品交換の時期を設計段階で目処付けすることが可能となる。

この発明のボールバルブ１は、偏心して配置した弁体の偏心量Ａ、シートリングと規制部材との隙間（初期クリアランス）Ｓ、およびシール面３０の球面方向幅（凸シール面３４と凹シール面４１との幅）を目的に合わせて設計することにより、耐久性に優れるとともに、回転角θが低開度での流量特性を適正に設定でき、実用性にすぐれる。

１ ボールバルブ
２ ハウジング
３ 弁体
３０ シール面
３１ 弁軸
３２ 腕部
３３ 弁板
３４ 凸シール面
４ シートリング
４１ 凹シール面（弁座）
５ 規制部材
６ 支持部材
Ａ 偏心距離（偏心量）
Ｓ 初期クリアランス
Ｘ 球面中心の移動距離（シートリングのスライド量）
θ 弁体の回転角

Claims (3)

1. ハウジング内に、球面の一部で構成された環状の凸シール面を有する弁体を回転自在に配し、同一球面の一部で構成されるとともに前記凸シール面に摺動する環状の凹シール面を有するシートリングを、前記弁体の回転軸と直行する方向に弾性保持し、かつ前記シートリングが弁体側に移動することを規制する規制部材を設け、弁体の所定の回転角まで前記シートリングの軸方向移動を許容し、所定の回転角以上の前記シートリングの軸方向移動を阻止するボールバルブにおいて、弁体の回転軸を、開弁に伴い前記凸シール面の球面中心が前記凹シール面から遠ざかる位置に偏心して設定したことを特徴とするボールバルブ。
2. 排気ガス再循環バルブであることを特徴とする請求項１に記載のボールバルブ。
3. 前記シートリングと前記ハウジングとの間にシールリップを介装したことを特徴とする請求項１または２に記載のボールバルブ。

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