JP2014211210A

JP2014211210A - バルブ装置

Info

Publication number: JP2014211210A
Application number: JP2013088480A
Authority: JP
Inventors: 孝浩神頭; Takahiro Kozu
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-04-19
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2014-11-13

Abstract

【課題】フッ素樹脂を用いたシール構造により回転軸１０の周囲の漏れを抑制するバルブ装置において、圧入スペースを縮小または省略してハウジング３の体格を低減する。【解決手段】樹脂製シール５は、フッ素樹脂を素材として環状に設けられ、軸受け部材４よりも筒状空間７に近い位置で回転軸１０の外周に装着されて回転軸１０の外周面および軸穴８の内周面の両方に環状に接触する。そして、樹脂製シール５は、回転軸１０が回転するときに回転軸１０の外周面に対し相対的に回転摺接するとともに、軸穴８の内周面に対し相対的に静止して接触する。これにより、従来必要とされていた圧入スペースが不要になるので、ハウジング３の体格を低減することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気ガスが通る流路における流量を調節するバルブ装置に関するものであり、例えば、排気ガスを吸気路に還流するＥＧＲ装置等に好適に利用することができる。

従来から、上記のバルブ装置では、流量を調節する弁体と、弁体を収容するハウジングとを備えるものが公知である。また、ハウジングには、流路の一部をなすとともに弁体を収容する筒状空間、および、筒状空間に開口して弁体の回転軸を通す軸穴が設けられ、軸穴には、回転軸を支持する軸受け部材が装着されている。そして、このようなバルブ装置では、軸穴を通じて筒状空間から流体が漏れるのを抑制するシール構造として、高耐熱性のフッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン）を用いたシール構造が考えられている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、従来のフッ素樹脂を用いたシール構造は、図７に示すように、フッ素樹脂を素材とする環状の樹脂製シール１０１を金属プレート１０２Ａ、１０２Ｂで挟んで保持した複合体１０３である。そして、複合体１０３が軸穴１０４に圧入されてハウジング１０５に装着される。また、樹脂製シール１０１の内周に回転軸１０６を通して内周縁１０１ａを屈曲させるとともに回転軸１０６の外周面に接触させることで、回転軸１０６の外周面と複合体１０３との間の流体の漏れを抑制する。

さらに、複合体１０３の圧入により、金属プレート１０２Ａの外周面を軸穴１０４の内周面に圧接させることで、軸穴１０４の内周面と複合体１０３との間の流体の漏れを抑制する。このため、軸穴１０４には、径大の圧入スペースが追加的に必要となり、ハウジング１０５の体格が大きくなってしまう。

特開２０１０−０６５７２９号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、フッ素樹脂を用いたシール構造により回転軸周囲の漏れを抑制するバルブ装置において、圧入スペースを縮小または省略してハウジングの体格を低減することにある。

本願の第１発明によれば、バルブ装置は、以下のハウジング、軸受け部材および樹脂製シールを備える。
まず、ハウジングは、次の筒状空間および軸穴を有する。ここで、筒状空間は、内燃機関の排気ガスが通る流路の一部であって流路における流量を調節する弁体を収容し、軸穴は、筒状空間に開口して弁体の回転軸を通す。また、軸受け部材は、軸穴に装着されて回転軸を支持する。

さらに、樹脂製シールは、フッ素樹脂を素材として環状に設けられ、軸受け部材よりも筒状空間に近い位置で回転軸の外周に装着されて回転軸の外周面および軸穴の内周面の両方に環状に接触する。そして、樹脂製シールは、回転軸が回転するときに回転軸の外周面および軸穴の内周面のいずれか一方に対し相対的に回転摺接するとともに、他方に対し相対的に静止して接触する。

これにより、樹脂製シールと金属プレートとの複合体を用いることなくシール構造を設けることができるので、圧入スペースが不要になる。このため、フッ素樹脂を用いたシール構造により回転軸周囲の漏れを抑制するバルブ装置において、圧入スペースを省略してハウジングの体格を低減することができる。

第１発明に従属する第２発明によれば、回転軸の外周面には、内周側に窪んで樹脂製シールの嵌合を受ける環状の溝が設けられている。
これにより、樹脂製シールが回転軸に対し軸方向に移動するのを阻止することができるので、樹脂製シールの脱落を防止することができる。

第１発明および第２発明に従属する第３発明によれば、樹脂製シールは、回転軸が回転するときに回転軸の外周面に対し相対的に回転摺接するとともに、軸穴の内周面に対し相対的に静止して接触する。そして、互いに回転摺接する回転軸の外周面と樹脂製シールの内周面との間には、回転軸の樹脂製シールに対する摺動抵抗を低減する摩擦緩和構造が設けられている。そして、摩擦緩和構造は、回転軸の外周面と樹脂製シールの内周面との径方向の隙間を部分的に拡大することで設けられる。
これにより、回転軸の樹脂製シールに対する摺動抵抗を低減することができるので、弁体を回転駆動するための動力を低減したり、弁体の応答性を高めたりすることができる。

バルブ装置の全体構成図である（実施例１）。バルブ装置の回転軸周囲の拡大図である（実施例１）。（ａ）はバルブ装置の要部拡大図であり、（ｂ）は回転軸が傾斜したときのバルブ装置の要部拡大図である（実施例１）。（ａ）はバルブ装置の要部拡大図であり、（ｂ）は樹脂製シールの軸方向に平行な断面図である（実施例２）。（ａ）、（ｂ）は両方とも樹脂製シールの軸方向に平行な断面図である（変形例）。「両持ち構造」を採用したバルブ装置の回転軸周囲の拡大図である（変形例）。バルブ装置の回転軸周囲の拡大図である（従来例）。

実施形態のバルブ装置１を実施例に基づき説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１のバルブ装置１の構成を、図１〜図３を用いて説明する。
バルブ装置１は、内燃機関（図示せず。）の排気ガスが通る流路２の開度を増減するものであり、例えば、排気ガスを吸気路（図示せず。）に還流するＥＧＲ装置に利用され、所定の電子制御ユニット（ＥＣＵ：図示せず）により動作を制御される。そして、バルブ装置１は、以下に説明するハウジング３、軸受け部材４および樹脂製シール５を備える。

まず、ハウジング３は、次の筒状空間７および軸穴８を有する。
筒状空間７は、流路２の一部であり、流路２における流量を調節する弁体９を回転自在に収容する。弁体９は、例えば、厚みを有する円板状のバタフライ弁であり、回転することにより流路２の開度を増減する。また、弁体９は、回転軸１０に対して傾斜するように回転軸１０の先端に溶接等されて一体化し、回転軸１０と鋭角を形成している。

ここで、バルブ装置１は、弁体９および回転軸１０を回転駆動するトルクを発生する電動モータ１２、電動モータ１２が発生するトルクを減速して回転軸１０に伝達する減速機１３、弁体９および回転軸１０を電動モータ１２のトルクとは逆方向に回転付勢する捩りバネ１４、ならびに、弁体９および回転軸１０の回転角を検出する回転角センサ１５等を備える。

そして、弁体９は、電動モータ１２および減速機１３から伝わるトルクにより、捩りバネ１４のトルクに抗して回転することで流路２の開度を増減する。また、ＥＣＵは、回転角センサ１５の出力に基づき弁体９の回転角を目標とする指令値に略一致させることで、流路２における排気ガスの流量を制御する。

また、弁体９の周縁には、流路２の閉鎖時に弁体９の周縁と流路壁２ａとの間を封鎖するシールリング１７が装着されている。シールリング１７は、例えば、Ｃ字状の円環として設けられて合口（図示せず。）を形成するものであり、弁体９の周縁に設けられた溝に嵌まって弁体９とともに回転する。

また、筒状空間７の一部は、ハウジング３に円筒状のノズル１８を圧入することで形成されており、ノズル１８の内周壁は、流路壁２ａの一部を構成する。そして、弁体９は、ノズル１８内に回転自在に収容され、シールリング１７は、流路２を閉鎖するときに、ノズル１８の内周壁に環状に摺接して弁体９の周縁と流路壁２ａとの間を封鎖する。このとき、シールリング１７は、合口を狭めるように弾性変形してノズル１８の内周壁に摺接する。

なお、弁体９およびノズル１８は排気ガスに対する耐熱性、凝縮水に対する耐腐食性等の点から、例えば、ステンレス鋼を素材として設けられ、ハウジング３は軽量化等の点から、例えば、アルミニウム合金を素材として設けられている。

軸穴８は、筒状空間７に開口して弁体９の回転軸１０を通す。ここで、回転軸１０には軸受け部材４および樹脂製シール５等が外周側に装着され、回転軸１０、軸受け部材４および樹脂製シール５等は１つのアッシー１９を構成する。そして、アッシー１９を軸穴８に通して回転軸１０の先端を筒状空間７に突出させるとともに、軸受け部材４および樹脂製シール５等を軸穴８に収容する。

また、軸穴８は、回転軸１０の軸方向に関して筒状空間７（流路２）と反対側でギヤ室２１に開口する。ここで、ギヤ室２１は、減速機１３や捩りバネ１４等を収容する空間であり、樹脂製のカバー２２により閉じられている。なお、減速機１３を構成する複数の歯車の内、回転軸１０に一体化される歯車には磁石２３が装着されている。また、カバー２２には、磁石２３が発生する磁束を検出するホールＩＣ２４が設けられている。そして、磁石２３およびホールＩＣ２４等により回転角センサ１５が構成されている。

軸受け部材４は、軸穴８に装着されて回転軸１０を支持する。ここで、バルブ装置１は、回転軸１０の支持構造に関して、いわゆる「片持ち構造」を採用するものであり、筒状空間７を軸受け部材４により挟まずに筒状空間７の片側のみに軸受け部材４を配置して回転軸１０を支持する。より具体的に、軸受け部材４は、回転軸１０の軸方向片側にのみ配置されるメタル軸受け２６および転がり軸受け２７であり、メタル軸受け２６の方が転がり軸受け２７よりも筒状空間７の近くに配置される。また、メタル軸受け２６と転がり軸受け２７との間には、ゴム製のオイルシール２８が装着されており、オイルシール２８と転がり軸受け２７との間には、軸方向の隙間２９が形成されている。

樹脂製シール５は、フッ素樹脂を素材として円環筒状に設けられ、メタル軸受け２６よりも筒状空間７に近い位置で回転軸１０の外周に装着されて回転軸１０の外周面および軸穴８の内周面の両方に環状に接触する。そして、樹脂製シール５は、回転軸１０が回転するときに回転軸１０の外周面に対し相対的に回転摺接するとともに、軸穴８の内周面に対し相対的に静止して接触する。

また、回転軸１０の外周面には、内周側に窪む環状の溝３１が設けられており、樹脂製シール５は、溝３１に嵌合し、溝３１の底面に対し相対的に回転摺接する。
これにより、樹脂製シール５は、軸穴８を通じて筒状空間７から流体が漏れるのを抑制するシール構造を構成する。

そして、軸受け部材４としてのメタル軸受け２６および転がり軸受け２７、樹脂製シール５ならびにオイルシール２８は、上記のように予め回転軸１０に装着されて１つのアッシー１９を構成する。このとき、アッシー１９は、軸穴８に装着されたときに樹脂製シール５、メタル軸受け２６、オイルシール２８および転がり軸受け２７の順に筒状空間７から遠ざかるよう構成される。

また、樹脂製シール５は、メタル軸受け２６、オイルシール２８および転がり軸受け２７に比べ、外径が大幅に小さい。このため、軸穴８の内周の内、樹脂製シール５が装着される領域は、メタル軸受け２６や転がり軸受け２７が装着される領域に比べて大幅に小径である。この結果、軸穴８を構成するハウジング３の金属肉部分の内、筒状空間７から連続する部分は、内周側に張り出している（以下、内周側に張り出した金属肉部分を肉厚部３２と呼ぶ。）。

〔実施例１の効果〕
実施例１のバルブ装置１によれば、樹脂製シール５は、フッ素樹脂を素材として環状に設けられ、軸受け部材４よりも筒状空間７に近い位置で回転軸１０の外周に装着されて回転軸１０の外周面および軸穴８の内周面の両方に環状に接触する。そして、樹脂製シール５は、回転軸１０が回転するときに回転軸１０の外周面に対し相対的に回転摺接するとともに、軸穴８の内周面に対し相対的に静止して接触する。

これにより、樹脂製シール１０１と金属プレート１０２Ａ、１０２Ｂとの複合体１０３（図７参照。）を用いることなくシール構造を設けることができるので、従来必要とされていた圧入スペースが不要になる。このため、バルブ装置１において、圧入スペースを省略してハウジング３の体格を低減することができる。また、複合体１０３を設けなくてもよいので、複合体１０３の製造に関わる工程を省くことができる。
また、樹脂製シール５は伸縮性が大きいので、圧入によらず、回転軸１０の外周に容易に組み付けることができる。

また、複合体１０３を用いる場合、金属プレート１０２Ａの外周面を軸穴１０４の内周面に圧接させ（図７参照。）、金属同士の接触により漏れの抑制を図ることから、軸穴１０４の内周面を高精度に仕上げる必要がある。また、軸穴１０４の内周面を高精度に仕上げても、金属同士の接触により軸穴１０４の内周面が傷付き、漏れ抑制効果が低下する虞がある。

これに対し、バルブ装置１によれば、樹脂製シール５を軸穴８の内周面に、直接、接触させて樹脂／金属の接触により漏れの抑制を図る。このため、軸穴８の内周面の加工精度を緩和したり、軸穴８の内周面の傷付きに伴う漏れ抑制効果の低下を阻止したりすることができる。

また、複合体１０３を用いる場合、複合体１０３の圧入後、圧入スペースにおいて複合体１０３が占める容積以外は空隙１０７となり（図７参照。）、漏れた流体が空隙１０７に流入しやすくなってデポジットが堆積する虞が高まる。
これに対し、バルブ装置１によれば、複合体１０３を用いることなく、樹脂製シール５を回転軸１０の外周面および軸穴８の内周面に、直接、接触させる。このため、デポジット堆積の虞がある空隙１０７を除くことができる。

また、複合体１０３を用いる場合、樹脂製シール１０１を金属プレート１０２Ａ、１０２Ｂで挟んで保持する（図７参照。）。そこで、金属プレート１０２Ａ、１０２Ｂによる樹脂製シール１０１の潰れ代のばらつきを抑制するため、樹脂製シール１０１についても加工精度を高める必要がある。
これに対し、バルブ装置１によれば、樹脂製シール５を金属プレート１０２Ａ、１０２Ｂにより挟まないので、樹脂製シール５について加工精度を緩和することができる。

また、複合体１０３を用いる場合、樹脂製シール１０１の内周縁１０１ａを屈曲させて回転軸１０６の外周面に接触させるので（図７参照。）、樹脂製シール１０１に亀裂が入る虞がある。
これに対し、バルブ装置１によれば、樹脂製シール５を屈曲させずに回転軸１０の外周面に接触させるので、樹脂製シール５に亀裂が入る虞を解消することができる。

さらに、樹脂製シール１０１の内周縁１０１ａを屈曲させて回転軸１０の外周面に接触させる場合（図７参照。）、接触面積が狭く、回転軸１０６の偏心や傾斜により漏れ抑制能力が影響を受けやすい。
これに対し、バルブ装置１によれば、樹脂製シール５を屈曲させずに内周面全体で回転軸１０の外周面に環状に接触させる。このため、回転軸１０の軸方向に関する樹脂製シール５の長さに応じて接触面積を増やすことができるので、回転軸１０の偏心や傾斜が漏れ抑制能力に及ぼす影響を低減することができる。

また、樹脂製シール５は、図３（ｂ）に示すように、回転軸１０の偏心や傾斜に対し、軸方向の位置ごとに変形量を変えて自在に変形することができるので、回転軸１０の偏心や傾斜に伴う接触面積の低下を抑制することができる。このため、樹脂製シール５に軸受けの機能を持たせることができる。

また、樹脂製シール５は、メタル軸受け２６、オイルシール２８および転がり軸受け２７に比べて外径が大幅に小さく、軸穴８を構成するハウジング３の金属肉部分の内、筒状空間７から連続する部分は、内周側に張り出して肉厚部３２をなす。
これにより、筒状空間７から漏れた流体が軸受け部材４やオイルシール２８まで到達するのを、さらに抑制することができる。また、筒状空間７を流れる流体から軸受け部材４やオイルシール２８への伝熱を緩和することができる。

ここで、従来のバルブ装置でも、筒状空間１０８から漏れた流体が軸受け部材１０９まで到達するのを抑制したり、筒状空間１０８を流れる流体から軸受け部材１０９への伝熱を緩和したりするため、肉厚部３２と同様の部分を必要とする（図７参照。）。
これに対し、バルブ装置１の構成によれば、肉厚部３２に樹脂製シール５の装着部位を含めることができるので、ハウジング３の体格を従来のバルブ装置よりも大きくしなくても、樹脂製シール５を装備するスペースを確保することができる。同時に、従来のバルブ装置よりも筒状空間７に近い位置にシール構造を設けることができるので、漏れ流れのより上流側で流体の漏れを抑制することができる。

また、回転軸１０の外周面には、内周側に窪んで樹脂製シール５の嵌合を受ける環状の溝３１が設けられている。
これにより、樹脂製シール５が回転軸１０に対し軸方向に移動するのを阻止することができるので、樹脂製シール５の脱落を防止することができる。

〔実施例２〕
実施例２のバルブ装置１によれば、図４に示すように、回転軸１０の外周面と樹脂製シール５の内周面との間に、摩擦緩和構造３４が設けられている。ここで、摩擦緩和構造３４とは、回転軸１０の樹脂製シール５に対する摺動抵抗を低減する構造であり、回転軸１０の外周面と樹脂製シール５の内周面との径方向の隙間を部分的に拡大することで設けられる。

そして、摩擦緩和構造３４は、例えば、樹脂製シール５の内周面に三角波状の凹凸を付けることで設けることができる。
これにより、回転軸１０の樹脂製シール５に対する摺動抵抗を低減することができるので、弁体９を回転駆動するための動力を低減したり、弁体９の応答性を高めたりすることができる。
なお、実施例２では、樹脂製シール５の内周面における三角波状の凹凸を溝３１の底面に接触させることで摩擦緩和構造３４が設けられている。

〔変形例〕
バルブ装置１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のバルブ装置１によれば、樹脂製シール５は、回転軸１０が回転するときに回転軸１０の外周面に対し相対的に回転摺接するとともに、軸穴８の内周面に対し相対的に静止して接触するものであったが、このような態様に限定されない。例えば、樹脂製シール５を、回転軸１０が回転するときに軸穴８の内周面に対し相対的に回転摺接するとともに、回転軸１０の外周面に対し相対的に静止して接触するものとして設けてもよい。

また、実施例２のバルブ装置１によれば、摩擦緩和構造３４は、樹脂製シール５の内周面に三角波状の凹凸を付けることで設けられていたが、摩擦緩和構造３４の態様は三角波状の凹凸に限定されない。例えば、矩形波状の凹凸（図５（ａ）、（ｂ）参照。）など他の波形状としてもよく、さらに凹凸の断面において凹をなす部分が曲線となるように（図５（ｂ）参照）波形状を構成してもよい。さらに、凹凸の波形状以外に、軸方向のいずれか一方側に向って縮径するテーパ形状に加工することで摩擦緩和構造３４を設けてもよい。

さらに、実施例のバルブ装置１は、いわゆる「片持ち構造」を採用するものであったが、図６に示すように、筒状空間７の両側で回転軸１０を支持する「両持ち構造」を採用したバルブ装置１に実施例と同様の樹脂製シール５を装着してもよい。そして、「両持ち構造」を採用する場合、筒状空間７の片側のみに実施例と同様の樹脂製シール５を適用してもよく、両側に実施例と同様の樹脂製シール５を適用してもよい。

１バルブ装置２流路３ハウジング４軸受け部材５樹脂製シール７筒状空間８軸穴９弁体１０回転軸

Claims

内燃機関の排気ガスが通る流路（２）の一部であってこの流路（２）における流量を調節する弁体（９）を収容する筒状空間（７）、および、この筒状空間（７）に開口して前記弁体（９）の回転軸（１０）を通す軸穴（８）を有するハウジング（３）と、
前記軸穴（８）に装着されて前記回転軸（１０）を支持する軸受け部材（４）と、
フッ素樹脂を素材として環状に設けられ、前記軸受け部材（４）よりも前記筒状空間（７）に近い位置で前記回転軸（１０）の外周に装着されて前記回転軸（１０）の外周面および前記軸穴（８）の内周面の両方に環状に接触し、前記回転軸（１０）が回転するときに前記回転軸（１０）の外周面および前記軸穴（８）の内周面のいずれか一方に対し相対的に回転摺接するとともに、他方に対し相対的に静止して接触する樹脂製シール（５）とを備えるバルブ装置（１）。
請求項１に記載のバルブ装置（１）において、
前記回転軸（１０）の外周面には、内周側に窪んで前記樹脂製シール（５）の嵌合を受ける環状の溝（３１）が設けられていることを特徴とするバルブ装置（１）。
請求項１または請求項２に記載のバルブ装置（１）において、
前記樹脂製シール（５）は、前記回転軸（１０）が回転するときに前記回転軸（１０）の外周面に対し相対的に回転摺接するとともに、前記軸穴（８）の内周面に対し相対的に静止して接触し、
互いに回転摺接する前記回転軸（１０）の外周面と前記樹脂製シール（５）の内周面との間には、前記回転軸（１０）の外周面と前記樹脂製シール（５）の内周面との径方向の隙間を部分的に拡大することで、前記回転軸（１０）の前記樹脂製シール（５）に対する摺動抵抗を低減する摩擦緩和構造（３４）が設けられていることを特徴とするバルブ装置（１）。