JP2012202432A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブ装置においてバルブの開度が小さい低開度時における流体の流量を増加させ、前記バルブの開度に関わらずリニアな流量特性を得る。
【解決手段】排気ガス再循環バルブ１０を構成するボディ本体１２には、ガス流入口２０の下流側に装着孔２６が形成され、ボールバルブ１４の外周面に当接可能なバルブシート１６が設けられる。このバルブシート１６のシート部３２は、ガス流入口２０から離間する方向に向かって徐々に拡径する第１シート面４０と、該第１シート面４０に隣接し前記ガス流入口２０から離間する方向に向かって拡径し、且つ、前記第１シート面４０に対してさらに大きな角度で拡径した第２シート面４２とを備える。そして、ボールバルブ１４がバルブシート１６から離間した際、ガス流入口２０からのガスが第１シート面４０とボールバルブ１４との間を通過した後、通路断面積の大きな第２シート面４２と前記ボールバルブ１４との間を経てガス流出口２２へと流通する。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体の流通する流路を弁体で開閉することにより該流体の流通状態を切り換えるバルブ装置に関する。

従来から、例えば、流体の流通する流路に接続され、該流路の連通状態を弁体の回転作用下に切り換えて前記流体の流通状態を制御するバルブ装置が知られている。このようなバルブ装置は、例えば、流路を有した弁箱の内部に、断面Ｕ字状の弁体が回転自在に設けられ、該弁体が前記流路に設けられたシートリングの弾性体に当接することによって流路が閉塞され、一方、該弁体が回転して前記弾性体から離間することによって前記流路が開口し、前記弁体との間を通じて流体が流通することとなる。なお、弾性体は、弾性材料から形成され、シートリングの端部に装着されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１６１５０５号公報

しかしながら、上述した特許文献１に係るバルブ装置では、弁体をシートリングの弾性体に押し当ててシートしているため、前記弁体が弁閉状態から弁開状態へと移行していく開度の小さい初期状態（低開度）では、流路の一部を構成する弾性体が弾性変形しており、それに伴って、前記流路の通路断面積が変化してしまい、前記流路を流通する流体の流量が不安定になるという問題がある。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、バルブの開度が小さい低開度時における流体の流量を増加させ、前記バルブの開度に関わらずリニアな流量特性を得ることが可能なバルブ装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、流体の流通する通路を有したボディと、少なくとも外周面の一部が球状であり前記通路に配置され前記流体の流通状態を切り換えるバルブと、前記通路に設けられ前記流体の流通する孔部を有し前記バルブが着座するシート部材とを備えるバルブ装置において、
前記バルブは、前記外周面の曲率中心から外れた軸線を中心に回動し、前記シート部材は、前記通路の下流側に向かって拡径したテーパ状に形成され、前記バルブが着座する第１シート部と、
前記第１シート部の下流側に形成され、該第１シート部に対してさらに半径外方向に向かって拡径した第２シート部と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、バルブ装置を構成するシート部材には、通路の下流側に向かって拡径したテーパ状に形成され、バルブが着座する第１シート部と、前記第１シート部の下流側に形成され、該第１シート部に対してさらに半径外方向に向かって拡径した第２シート部とを備え、前記バルブが前記第１シート部から離間し始めた弁開状態において、前記第１シート部材と前記バルブとの間を通じて流体を下流側へと流通させる。

従って、第２シート部が、第１シート部に対してさらに半径外方向に向かって拡径しているため、前記第２シート部と前記バルブとの間に形成される通路断面積を、前記第１シート部と前記バルブとの間で形成される通路断面積に対して大きくすることができる。そのため、例えば、バルブが弁閉状態から開動作し始めた低開度時においても、通路断面積が段階的に拡大するシート部材とバルブとの間を通じて流通する流体の流量を簡易な方法で増加させることができる。その結果、バルブの開度が小さい低開度時における流体の流量を増加させ、よりリニアな流量特性を得ることが可能となる。

また、第２シート部の内周径を、通路の下流側に設けられた流出口に向かって大きくするとよい。

さらに、内周径の増加率を一定に設定するとよい。

さらにまた、バルブ装置は、内燃機関の排気系から吸気系へと排気ガスを再循環させる流路を切換可能な排気ガス再循環バルブとして用いるとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、バルブ装置を構成するシート部材において、通路の下流側に向かって拡径したテーパ状に形成され、バルブが着座する第１シート部と、前記第１シート部の下流側に形成され、該第１シート部に対してさらに半径外方向に向かって拡径した第２シート部とを備えることにより、前記バルブが前記第１シート部から離間した弁開状態において、前記第２シート部と前記バルブとの間に形成される通路断面積を、前記第１シート部と前記バルブとの間に形成される通路断面積より大きく確保することができる。その結果、例えば、バルブが弁閉状態から開動作し始めた低開度時においても、通路断面積が段階的に拡大するシート部材とバルブとの間を通じて流通する流体の流量を簡易な方法で増加させることができ、それに伴って、前記バルブの弁開し始めから全開状態となるまでの範囲内でリニアな流量特性が得られる。

本発明の実施の形態に係るバルブ装置として用いられる排気ガス再循環バルブの全体断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 図３Ａは、図２におけるバルブシート近傍を示す拡大断面図であり、図３Ｂは、変形例に係るバルブシートが適用されたバルブ装置の前記バルブシート近傍を示す拡大断面図である。 ボールバルブの回転角度と流通するガスの流量との関係を示した特性曲線である。

本発明に係るバルブ装置について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。

図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係るバルブ装置として用いられる排気ガス再循環バルブを示す。

この排気ガス再循環バルブ１０は、図１に示されるように、ボディ本体１２と、該ボディ本体１２の内部に回動自在に設けられるボールバルブ（バルブ）１４と、前記ボールバルブ１４の外周面に当接するバルブシート（シート部材）１６と、前記ボディ本体１２の上部に設けられ、前記ボールバルブ１４に対して回転駆動力を付与する駆動力伝達機構１８とを含む。

このボディ本体１２は、例えば、金属製材料から形成され、その下側には、排気ガスの供給されるガス流入口（通路）２０と、その反対側に設けられ、前記排気ガスを導出して内燃機関（図示せず）へと循環させるガス流出口（通路）２２が設けられている。なお、ボディ本体１２において、ガス流入口２０とガス流出口２２とは略一直線上に設けられる。また、ボディ本体１２には、ガス流入口２０とガス流出口２２との間に連通室２４が形成され、この連通室２４の内部に略球状のボールバルブ１４が回動自在に配設される。

この連通室２４とガス流入口２０との間には、該ガス流入口２０に対して拡径した装着孔２６が形成され、該装着孔２６には、ボールバルブ１４の外周面に摺接するバルブシート１６が設けられる。

このバルブシート１６は、図１、図２及び図３Ａに示されるように、例えば、銅の焼結体等の金属製材料から形成され、装着孔２６においてガス流入口２０側に配置される本体部３０と、該本体部３０に隣接しボールバルブ１４に当接するシート部３２とを含む。本体部３０及びシート部３２の中央には、連通孔３４が軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に貫通している。すなわち、本体部３０及びシート部３２は、連通孔３４を中心として環状に形成される。

また、バルブシート１６は、装着孔２６において軸方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に移動可能に設けられ、該装着孔２６の連通室２４側（矢印Ａ１方向）に設けられたリング状のストッパ３６と本体部３０との間にスプリング３８が介装され、該スプリング３８によって前記バルブシート１６がガス流入口２０側（矢印Ａ２方向）へと付勢されている。すなわち、本体部３０は、スプリング３８の弾発作用下に装着孔２６におけるガス流入口２０側の端面に当接自在に設けられる。さらに好適には、バルブシート１６は、装着孔２６の内周面に対してクリアランスを設けて設置されるとよい。

シート部３２は、図１及び図２に示されるように、本体部３０に隣接し該本体部３０から離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって徐々に拡径した第１シート面（第１シート部）４０と、該第１シート面４０に隣接し前記本体部３０から離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって拡径し、且つ、前記第１シート面４０に対してさらに大きな角度で拡径した第２シート面（第２シート部）４２とを有する。

例えば、第１シート面４０は、図３Ａに示されるように、バルブシート１６の軸線Ｌに対して所定角度Ｂ１で傾斜し、第２シート面４２は、バルブシート１６の軸線に対してＢ１より大きな角度Ｂ２（Ｂ２＞Ｂ１）で傾斜して形成される。換言すれば、第２シート面４２は、第１シート面４０の傾斜角度に対してさらに所定角度Ｂ３だけ半径外方向に拡径するように傾斜して形成される。

一方、図１に示されるように、ボディ本体１２の略中央部には、連通室２４から鉛直上方に向かって貫通したシャフト孔４４が形成され、後述する駆動力伝達機構１８の第２シャフト５２が挿通される。

ボールバルブ１４は、その上部及び下部が平面状に形成され、前記上部及び下部を除いた部分の外周面は球面形状部４８として構成されており、この球面形状部４８の表面でバルブシート１６に対して当接する。

また、ボールバルブ１４の下部には、第１シャフト５０が連結され、一方、前記ボールバルブ１４の上部には、第２シャフト５２が連結されている。第１シャフト５０は、ボディ本体１２の下部に装着された軸受５４ａによって回転自在に支持されている。第２シャフト５２は、前記ボディ本体１２の上部に装着された軸受５４ｂにより回転自在に支持されている。

すなわち、第１シャフト５０及び第２シャフト５２は、ボールバルブ１４を間として同軸上に設けられ、前記第１及び第２シャフト５０、５２と共に前記ボールバルブ１４が回転自在に設けられる。

第１シャフト５０及び第２シャフト５２の軸線Ｃ１の位置は、図２に示されるように、ボールバルブ１４における球面形状部４８の曲率中心（ほぼ球状のボールバルブ１４の場合、その中心）を通る軸線Ｃ２から偏心した位置に設定されている。すなわち、軸線Ｃ１は、ボールバルブ１４の軸線Ｃ２に対して所定距離だけ離間して平行となるように設定されている。このため、ボールバルブ１４は、軸線Ｃ２から偏心した位置に設定された軸線Ｃ１を中心として回動（揺動）するように連通室２４内に設置されている。

駆動力伝達機構１８は、ボールバルブ１４の上部に連結される第２シャフト５２と、前記第２シャフト５２の上端部に連結されるバルブギア５６と、ボディ本体１２の上部に連結され、前記バルブギア５６を介して前記第２シャフト５２を回転駆動させる駆動源５８とを含む。

第２シャフト５２は、バルブギア５６の略中央部に挿通されてナット７６を締め付けることによって固定されている。駆動源５８は、例えば、通電作用下に回転駆動するステッピングモータやロータリーアクチュエータからなり、その回転駆動力がバルブギア５６を介して第２シャフト５２へと伝達されることにより、第２シャフト５２に連結されたボールバルブ１４が軸線Ｃ１を中心として回動動作する。この場合、ボールバルブ１４の下部に連結された第１シャフト５０は、軸受５４ａの支持作用下に前記ボールバルブ１４と一体となって回転する。

本発明の実施の形態に係るバルブ装置として用いられる排気ガス再循環バルブ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。なお、ここでは、図１及び図２に示されるように、ボールバルブ１４がバルブシート１６の第１シート面４０に着座し、ガス流入口２０とガス流出口２２との間の流路が前記ボールバルブ１４によって遮断された弁閉状態を初期位置として説明する。

図２に示すように、初期位置では、ボールバルブ１４の側面に設けられた球面形状部４８がバルブシート１６の第１シート面４０に当接している。すなわち、ボールバルブ１４が第１シート面４０に着座し、前記バルブシート１６の連通孔３４が閉塞された状態となっている。このように、ボールバルブ１４とバルブシート１６との間がシールされることで、ガス流入口２０とガス流出口２２との間の流路が遮断されている。従って、ガス流入口２０には、ガスが供給されているが、前記ガスはバルブシート１６より下流側（矢印Ａ１方向）には流入しない。

次に、このような弁閉状態から、図１に示す駆動源５８が駆動すると、該駆動源５８の回転駆動力がバルブギア５６を介して第２シャフト５２へと伝達され、前記第２シャフト５２に連結されたボールバルブ１４が軸線Ｃ２から偏心した位置に設定された軸線Ｃ１を中心として所定角度θ（図２参照）だけ反時計回りに回転し、図２及び図３Ａの二点鎖線で示す状態となる。なお、この際、軸線Ｃ２は、Ｃ２´の位置に移動する。このように、偏心した軸線Ｃ１を中心にボールバルブ１４が回転することにより、前記ボールバルブ１４はバルブシート１６から離間する方向に変位する。

これにより、ボールバルブ１４の球面形状部４８が、第１シート面４０から離間することによって、弁開状態となり該球面形状部４８と前記第１シート面４０との間の間隙を通じてガス流入口２０に供給されたガスが連通室２４内へと導入される。この際、ガスは、第１シート面４０とボールバルブ１４との間の間隙を通過した後、第２シート面４２と前記ボールバルブ１４との間の間隙を経て連通室２４へと流通することとなるが、前記第２シート面４２は、第１シート面４０に対してさらに大きな角度（図３Ａ中、Ｂ３参照）で傾斜して拡径しているため、その通路断面積が段階的に大きくなる。

すなわち、ボールバルブ１４の球面形状部４８とバルブシート１６との離間距離は、下流側となるガス流出口２２側（矢印Ａ１方向）に向かって段階的に大きくなるため、異なる角度で拡径した２つの第１及び第２シート面４０、４２を設けていない場合と比較し、前記ボールバルブ１４と前記バルブシート１６との間を通じて流通するガスの流量を増加させることが可能となる。換言すれば、弁閉状態からボールバルブ１４が回転し始めた低開度時では、ガスの流量は、第１シート面４０に対する第２シート面４２の傾斜角度Ｂ３（図３Ａ参照）の分だけ増加し、ガス流出口２２側（矢印Ａ１方向）へと流通する。

そして、駆動源５８の駆動作用下にさらにボールバルブ１４を回転させることにより、該ボールバルブ１４がバルブシート１６から徐々に離間し、前記ボールバルブ１４が初期位置から、例えば、約９０°回転した状態で完全な弁開状態となる。このような弁開状態において、ガス流入口２０に供給されたガスが、バルブシート１６の連通孔３４、連通室２４を通じてガス流出口２２へと流通し、図示しない内燃機関へと供給される。

その結果、ボールバルブ１４の低開度におけるガスの流量を増加させることによって、該ボールバルブ１４が弁開し始めた初期状態から完全に弁開状態となった全開状態まで比較的リニアな流量特性が得られる（図４中、実線参照）。換言すれば、図４に示されるように、バルブシート１６のシート部３２に拡径度合いの異なる２つの第１及び第２シート面４０、４２を備えていない場合のガスの流量特性（図４中、破線参照）と比較し、前記第１及び第２シート面４０、４２を設けることによってボールバルブ１４の弁開し始めから全開状態までリニアな流量特性（図４中、実線）を得ることが可能となる。

また、シート部３２を構成する第１シート面４０は、弁閉時においてボールバルブ１４が着座してシールするために設けられ、一方、第２シート面４２は、弁開し始めた初期状態において、前記ボールバルブ１４とバルブシート１６との間を通じて流通するガスの流量を増加させる目的で設けられている。

一方、上述したバルブシート１６のように、本体部３０から離間する方向に向かって段階的且つテーパ状に拡径する第１及び第２シート面４０、４２を有する場合に限定されるものではなく、例えば、図３Ｂに示されるバルブシート１００のように、本体部３０から離間する方向に拡径し、且つ、断面円弧状に膨出した第２シート面１０２を設けるようにしてもよい。この第２シート面１０２は、例えば、本体部３０から離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって徐々に半径が大きくなるように形成される。

このような第２シート面１０２を設けることにより、前記第２シート面１０２の拡径度合い（増加率）を連通室２４側（矢印Ａ１方向）に向かって一定ではなく、倍数的に増加させることができる。そのため、ボールバルブ１４が弁閉状態から回転し始めた低開度の場合における、ガス流入口２０からガス流出口２２へと流通するガスの流量をより一層増加させることが可能となり、しかも、流量特性をより一層リニアな特性とすることが可能となる。

また、上述したバルブシート１６のシート部３２は、第１及び第２シート面４０、４２という２段で構成される場合に限定されず、傾斜角度が段階的に大きくなった２つ以上のシート面を設けた多段形状としてもよい。

なお、本発明に係るバルブ装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…排気ガス再循環バルブ １２…ボディ本体
１４…ボールバルブ １６、１００…バルブシート
１８…駆動力伝達機構 ２０…ガス流入口
２２…ガス流出口 ２４…連通室
３０…本体部 ３２…シート部
４０…第１シート面 ４２、１０２…第２シート面
４８…球面形状部

Claims (4)

1. 流体の流通する通路を有したボディと、少なくとも外周面の一部が球状であり前記通路に配置され前記流体の流通状態を切り換えるバルブと、前記通路に設けられ前記流体の流通する孔部を有し前記バルブが着座するシート部材とを備えるバルブ装置において、
   前記バルブは、前記外周面の曲率中心から外れた軸線を中心に回動し、前記シート部材は、前記通路の下流側に向かって拡径したテーパ状に形成され、前記バルブが着座する第１シート部と、
   前記第１シート部の下流側に形成され、該第１シート部に対してさらに半径外方向に向かって拡径した第２シート部と、
   を備えることを特徴とするバルブ装置。
2. 請求項１記載のバルブ装置において、
   前記第２シート部の内周径は、前記通路の下流側に設けられた流出口に向かって大きくなることを特徴とするバルブ装置。
3. 請求項２記載のバルブ装置において、
   前記内周径の増加率は一定に設定されることを特徴とするバルブ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のバルブ装置において、
   前記バルブ装置は、内燃機関の排気系から吸気系へと排気ガスを再循環させる流路を切換可能な排気ガス再循環バルブとして用いられることを特徴とするバルブ装置。

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