JP2015094432A - 樹脂製バルブユニット及びこの樹脂製バルブユニットの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリング等の軸受け部材を必要とせずに部品点数の少ない樹脂製バルブユニットを提供し、容易に成形可能な樹脂製バルブユニットの製造方法を提供する。
【解決手段】流路が形成されたハウジング１と、軸４を中心に回動して前記流路を開閉する板状のバルブ２とを備えた樹脂製バルブユニットである。軸４の両端は、ハウジング１を構成している壁面の相対する位置に設けられた軸孔３にそれぞれ支持されている。そして、軸孔３はハウジング１の内側に向かって拡径されたテーパー形状であり、軸孔３に支持される軸４は前記テーパー形状に相応するように端部側から内側に向かって拡径されたテーパー形状である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、樹脂製バルブユニット及びこの樹脂製バルブユニットの製造方法に関する。

バルブユニットは、気体又は液体といった流体の移動を制御するものであり、バルブを開閉することにより流体移動の開始と停止を行い、バルブの開度により流量の制御を行う。バルブユニットは、例えば、自動車用の内燃機関における吸排気系の中に組み込まれる。

また、バルブユニットは、従来、金属製のものが多用されていたが、自動車の燃費改善に寄与する観点から、樹脂材料への代替による軽量化の様々な技術が提案されている。

特許文献１に示される樹脂製のバルブユニットは、先ず、内側に流路を有するハウジングと軸を中心に回動して流路を開閉するバルブとが同時成形される。バルブと軸は一体に成形されており、ハウジングの軸受け穴内には、バルブの軸が移動自在に組み付けられている。そして、前記軸受け穴と前記軸との間にベアリング部材が圧入嵌合等によって組み込まれており、軸がベアリング部材により支持されている。

特開２００７−１７０２２３号公報

しかしながら、前述した特許文献１では、ハウジングとバルブとを同時成形しているので、ハウジングの軸受け穴とバルブの軸との間に金型による空間が生じており、軸のがたつきを阻止するために、軸受け穴と軸との間にベアリング部材が必要となっている。

即ち、特許文献１に開示されるものは、同時成形のメリットはあるものの、ベアリング部材を別途用意し、後工程においてベアリング部材を軸受け穴と軸の間に圧入する組み付け工程が必要になり、全体としての部品点数と工数の低減のメリットをそれほど享受できるものではない。

本発明は、ベアリング等の軸受け部材を必要とせずに部品点数の少ない樹脂製バルブユニットを提供すると共に、容易に成形可能な樹脂製バルブユニットの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下のものに関する。
（１）本発明に係る樹脂製バルブユニットは、内側に流路が形成されたハウジングと、軸を中心に回動して前記流路を開閉する板状のバルブとを備えている。前記軸の両端は、ハウジングを構成している壁面の相対する位置に設けられた軸孔にそれぞれ支持されている。そして、前記軸孔はハウジングの内側に向かって拡径されたテーパー形状であり、当該軸孔に支持される前記軸は前記テーパー形状に相応するように端部側から内側に向かって拡径されたテーパー形状であることを特徴とする。
（２）本発明に係る樹脂製バルブユニットは、以下の（ａ）（ｂ）の工程を経て製造されることを特徴とする。
（ａ）金型内に溶融樹脂を充填することにより内側に流路を有するハウジングを成形する工程である。このとき、ハウジングを構成する壁面の相対する位置に、ハウジングの内側に向かって拡径されるテーパー形状の軸孔をハウジングの成形とともに形成する（一次成形の工程）。
（ｂ）一次成形により準備されたハウジングを金型に配置して、前記軸孔に溶融樹脂を充填することにより軸を成形するとともに、軸を中心に回動して前記流路を開閉する板状のバルブを前記軸と一体に溶融樹脂により成形する（二次成形の工程）。
（３）好ましくは、項（２）において、二次成形の工程は、バルブが流路を開いている状態の金型にて行われる。

本発明に係る製造方法によれば、一次成形の工程において、軸孔がハウジングの内側に向かって拡径されるテーパー形状に形成されている。そして、二次成形の工程においては、この軸孔を金型代わりにして軸が成形され、同時に板状のバルブが前記軸と一体に成形される。二次成形においては、ハウジングが二次成形の溶融樹脂の熱により溶融することはないので、ハウジングと軸とは一体にはならない。軸を構成する樹脂の成形収縮を利用して、軸孔と軸の間に所望するクリアランスを形成することができ、ベアリング部材等の部材を追加することなく、軸を中心に滑らかに回動できるバルブを備えた樹脂製バルブユニットを提供することができる。

二次成形において、バルブが流路を開いている状態の金型を使用する場合は、バルブを構成する樹脂の熱収縮を考慮して設計した金型でバルブを成形することができる。従って、ハウジングを構成する壁面とバルブ周縁との間のクリアランスを小さくした樹脂製バルブユニットとすることができる。ハウジングを構成する壁面を金型代わりにして（バルブが流路を閉じている状態の金型にて）バルブを成形すると、バルブを構成する樹脂の熱収縮によりハウジングを構成している壁面とバルブ周縁との間に隙間を生じた樹脂製バルブユニットが製造される可能性がある。

本発明の樹脂製バルブユニットの一例を示す説明図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が側面図、（ｃ）が平面図である。 本発明の樹脂製バルブユニットの他の一例を示す説明図であり、（ａ）が斜視図、（ｂ）が側面図、（ｃ）が平面図である。 本発明の樹脂製バルブユニットの概略斜視図を示す。 図３のＡ−Ａ断面図を示す。 図４のテーパー部分Ｂの部分拡大図を示す。 成形収縮の各部寸法を示す。 本発明の１実施例におけるバルブの側面図を示す。 本発明の実施例における樹脂製バルブユニットについて、回転トルク測定時のバルブの斜視図を示す。

＜ハウジング＞
本発明にて述べるハウジングは、流体を通過させる流路が内側に形成されており、ハウジングを構成している壁面の相対する位置に軸孔を有する。

流路は、気体又は液体といった流体を、一次側から二次側へと移送し、流体の外部への噴出又は流体への外部からの混入がない状態にできるものであれば、他に制限されるものではない。より具体的には、断面円形又は角形のものを用いることができ、壁面の一部を後述するバルブにて代替えすることもできる。

流路の大きさは、用途により適宜選択されるものであり、特に限定されず、ハウジングの材質については、用いる流体による腐食がないものを用いることができる。

軸孔は、ハウジングの内側に向って拡径されるテーパー形状とする必要があり、テーパーの角度は、軸孔と後述する軸との所望するクリアランス量により変化させる。

尚、前述したクリアランス量については、樹脂製バルブユニットの製造方法を説明する際に、詳細に述べる。

軸孔には、後述するバルブの回動中心となる軸が入り込むので、中心軸を同じにするように対向配置させる。軸孔を設ける位置は、特に制限されるものではないが、図１に示すように、ハウジング１の形状を平面視にてコ字型とした場合には、開放された側の相対する壁面に軸孔３を設ける。図２に示すように、ハウジング１の形状を平面視にてロ字型とした場合には、相対する壁面の中央部分に軸孔３を設けることが、成形性が良く好ましい。

＜バルブ＞
本発明にて述べる板状のバルブは、前述したハウジングに対し、軸孔に係合する軸を中心に回動することで、流路を開閉することが可能であれば、特に制限されるものではない。

バルブは、流路を流れる気体又は液体といった流体の流量を制御する為に用いられ、軸を回動中心としてバルブを回転させ、バルブの回転角度を制御することで流路の断面積を変化させて流量を調整する。

バルブの形状は特に制限はないが、バルブが閉じた状態でバルブの周縁が流路を形成する壁面に沿った形状にすることが好ましく、このようにすることで流路とバルブのクリアランスを小さく、均等にすることで微細な流量の調整が容易になる。

バルブの大きさは、流路の大きさ、形状により適宜選択されるものであり、特に限定されず、材質については、用いる流体による腐食がないものを用いることができる。

＜樹脂＞
本発明にて述べる板状のバルブは、樹脂製であり、熱可塑性樹脂を用いることができる。

より具体的には、耐熱性及び強度が高いことから、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、不飽和ポリエステル樹脂（ＵＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ）等が好ましい。

また、前述した各種熱可塑性樹脂には、ガラス繊維そのほかの充填材を充填することもできる。

更に、前述した各種熱可塑性樹脂には、軸孔に支持された軸の摺動抵抗を低下させるため、低摺動抵抗材料（例えばポリテトラフルオロエチエン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂粉末）を混合または添加してもよく、低摺動抵抗材料は、一次成形及び二次成形の双方の樹脂に用いても、何れか一方の樹脂に用いてもよい。

尚、一次成形に用いる樹脂と、二次成形に用いる樹脂とは、同じ樹脂であっても、異なる樹脂であってもよい。二次成形に用いる樹脂は、一次成形に用いる樹脂よりも成形収縮率の大きなものを選択すると、軸孔とこれに支持される軸との間に形成するクリアランスの調整に利用することができる。

一次成形と二次成形における樹脂の固化速度は、特に制限されるものではないが、タクトタイムを短くする意味でも早いものが好ましい。

＜樹脂製バルブユニットの製造方法＞
本発明の樹脂製バルブユニットは、一次成形と二次成形の２工程を経て製造される。

一次成形は、金型内に溶融樹脂を充填することにより内側に流路が形成されたハウジングを成形する。このとき、ハウジングを構成する壁面の相対する位置に内側に向かって拡径されるテーパー形状の軸孔を形成する。

二次成形は、一次成形により作製したハウジングを金型に配置し、前記軸孔に溶融樹脂を充填することにより軸を成形する。この軸と一体に、軸を中心に回動して前記流路を開閉する板状のバルブを溶融樹脂により成形する。

以下、図面を用いて、より具体的に、製造方法の説明を行う。

図３は、本願発明の樹脂製バルブユニットの斜視図であり、一次成形でのハウジング１と、二次成形での板状のバルブ２を、バルブ２が開放した状態で示している。

ハウジング１とバルブ２との接続は、図４（図３のＡ−Ａ断面図）及び図５（図４のテーパー部分Ｂの部分拡大図）に示すように、テーパー形状の軸孔３に対し、軸４が入りこんでいるもので、軸孔３のテーパーの向きを、ハウジングの内側に向かって拡径されるようにしている。軸４は、軸孔３のテーパー形状に相応するように端部側から内側に向かって拡径されたテーパー形状である。

図５及び図６を用いて、軸孔３とこれに支持される軸４の間のクリアランス５について述べると、一次成形にて形成されたハウジング１の軸孔３を型として、二次成形にて溶融樹脂を軸孔３内に流入させると、二次成形の樹脂は固化時に軸孔３からハウジング１の内側へ抜けるような方向に収縮する。その際、軸孔３のテーパー形状部分を滑るようにして収縮が起こり、テーパーの角度（図６における角度αを参照）を変えた金型設計とすることで、軸孔３と軸４との間に所望する任意のクリアランス５を得ることができ、既に成形した部材（ハウジング１）を型として用いることにより、軸４を成形するための金型も必要としない。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
＜樹脂＞
本実施例では、ハウジング１と板状のバルブ２及び軸４共に、耐熱性、高強度、高温時の高剛性を有することから、ＰＡ６（デュポン社製、ザイテル（登録商標）：ＨＴＮ５０ＨＧ）を用いた。

＜テーパー角度の計算＞
一次成形により形成されたハウジング１の軸孔３と二次成形後の軸４との間の所望のクリアランス５（図６における寸法ｂを参照）を得る為に必要な軸孔３のテーパー角度（図６における角度αを参照）を以下の計算にて求める。

本実施例にて用いる成形樹脂材料（ＰＡ６：芳香族ポリアミド）の成形収縮率：０．２％、バルブ２の軸４の長さ（図７における寸法Ｌを参照）４０ｍｍ、の値から計算すると、成形収縮方向における軸全体の樹脂収縮量は、０．０８ｍｍとなる。すなわち、成形収縮方向における軸部片側の樹脂収縮量（図６における寸法ａを参照）は、０．０４ｍｍとなる。

更に所望のクリアランス５（図６における寸法ｂを参照）を０．０１ｍｍとした場合、計算式ｔａｎα＝（ｂ／ａ）から計算すると、角度αは、１４．０°となる。

＜樹脂製バルブユニットの作製＞
一次成形
成形の準備としてＰＡ６（デュポン社製、ザイテル（登録商標）：ＨＴＮ５０ＨＧ）材料を乾燥しておく。

射出成形機にハウジング成形用の金型を取付け、シリンダー部の温度は３００℃、成形金型の温度を１５０℃前後に昇温しておく。

射出成形の準備を完了した後、溶融状態のＰＡ６を射出して一次成形（ハウジング１の成形）を行う。軸孔３は、金型のキャビティに所定形状のピンを突出させておくことにより形成する。そして金型を開きランナーを取り除く。

二次成形
次に、一次成形した上記ハウジング１を二次成形用の金型に配置する。この金型は、ハウジング１を配置する空間とバルブ２を成形するキャビティを有する。このキャビティは、バルブ２が開いた状態のバルブユニットが成形されるように配置されている。一次成形と同様に溶融状態のＰＡ６を射出し、ハウジング１の軸孔３に充填したＰＡ６により軸４を成形するとともに、軸４と一体の板状のバルブ２を成形する。

軸孔３へ充填された二次成形のＰＡ６（軸４）が、軸孔３内で成形収縮を起し、軸孔３と軸４との間にクリアランスを生じる。このクリアランスが大き過ぎる場合、テーパー角度αを小さくすることでクリアランスを小さくすることが出来る。また、軸孔３を二次成形の金型として利用する為、クリアランスの調整は一次成形の金型の修正のみで対応できる。

上記の実施例では、成形したハウジング１を一次成形の金型に残したまま、これを二次成形の位置までスライドさせ、一次成形の金型と二次成形の金型との協働によりバルブユニットを成形する方法（株式会社日本製鋼所が提示する「Ｄｉｅ Ｓｌｉｄｅ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｌｄｉｎｇ」）を応用することができる。

（比較例）
軸孔３の拡径されるテーパー形状を無くし、円柱状にした以外、前述した実施例と同様にしてバルブユニットを作製した。

＜回転トルクの測定＞
実施例及び比較例にて作製した樹脂製バルブユニットについて、軸４の回転トルクを測定した。

回転トルクは、軸４の軸孔３に対するものであり、図８に示すように、軸４の中心に縦：５．０１ｍｍ×横：５．０１ｍｍの貫通孔６を設け、この貫通孔６に縦：５．００ｍｍ×横：５．００ｍｍ×長さ：２００ｍｍのシャフト７を差し込み、バルブ２を回動させた際のシャフト回転トルクをトルクレンチにて測定した。

回転トルクは、実施例１のものでは、バルブのスムーズな開閉を行えるものであったが、比較例１のものは、クリアランスの調整が行えず軸孔３と軸４とが密着してしまい、バルブ２の開閉を行うことができなかった。

即ち、本発明の樹脂製バルブユニットでは、ベアリング等の軸受け部材を必要とせず、容易に成形可能となっている。

１…ハウジング、２…バルブ、３…軸孔、４…軸、５…クリアランス、６…貫通孔、７…シャフト。

Claims (3)

1. 内側に流路が形成されたハウジングと、軸を中心に回動して前記流路を開閉する板状のバルブを備え、
   前記軸の両端は、ハウジングを構成している壁面の相対する位置に設けられた軸孔にそれぞれ支持されており、
   前記軸孔はハウジングの内側に向かって拡径されたテーパー形状であり、当該軸孔に支持される前記軸は前記テーパー形状に相応するように端部側から内側に向かって拡径されたテーパー形状であることを特徴とする樹脂製バルブユニット。
2. 以下の工程を経て製造することを特徴とする樹脂製バルブユニットの製造方法。
   （ａ）金型内に溶融樹脂を充填することにより内側に流路を有するハウジングを成形する工程であり、ハウジングを構成する壁面の相対する位置に、ハウジングの内側に向かって拡径するテーパー形状の軸孔をハウジングの成形とともに形成する一次成形の工程。
   （ｂ）一次成形により準備されたハウジングを金型に配置して、前記軸孔に溶融樹脂を充填することにより軸を成形するとともに、軸を中心に回動して前記流路を開閉する板状のバルブを前記軸と一体に溶融樹脂により成形する二次成形の工程。
3. バルブが流路を開いている状態の金型にて、二次成形の工程が行われることを特徴とする請求項２に記載の樹脂製バルブユニットの製造方法。