JP2016089985A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動により生じた摩耗粉によってシールリングとノズルとの摺動箇所の摩耗が促進される不具合を防ぐ。【解決手段】シールリング９は、復元力による拡径力を備えるものであり、バタフライバルブ３を回動しても閉弁状態が保たれる閉弁不感帯の範囲内ではシールリング９の外周面がノズル７の内周壁に押し当てられた状態で摺動する。シールリング９の外周面に、周方向へ延びる外周溝１５を設ける。これにより、摺動により発生した摩耗粉αを外周溝１５内に補足して蓄えることができ、摩耗粉αが研磨材のように働いて摩耗が促進される不具合を回避できる。また、バタフライバルブ３が僅かに開弁する状態では、狭い開弁箇所を通過するＥＧＲガスの速い流れによって外周溝１５内の摩耗粉αを掻き出すことができるため、外周溝１５内に溜まった摩耗粉αが摩耗を促進する不具合も生じない。【選択図】 図２

Description

本発明は、バタフライバルブの外周縁にシールリングを設けたバルブ装置に関する。

バタフライバルブの外周縁にシールリングを設けたバルブ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
シールリングを設けたバルブ装置の具体例を、図５を参照して説明する。なお、符合は、後述する実施例と同一機能物に同一符合を付したものである。

シールリング９は、閉弁時にバタフライバルブ３と通路形成部材７との隙間を塞ぐものであり、閉弁時にはシールリング９の外周面が通路形成部材７の内周壁に押し付けられる。このため、全閉付近においてバタフライバルブ３を回動操作すると、シールリング９の外周面が通路形成部材７の内周壁に押し付けられて摺動する。
この摺動が繰り返されると、シールリング９と通路形成部材７の摺動面が僅かに摩耗し、摩耗粉αが発生する。

この摩耗粉αは、シールリング９と通路形成部材７の摺動面に発生するため、図５（ｂ）に示すように、摩耗粉αがシールリング９と通路形成部材７の間に挟り易い。
シールリング９と通路形成部材７の間に摩耗粉αが挟まった状態で、バタフライバルブ３が微小回動を繰り返したり、車両振動等によりバタフライバルブ３が振動を繰り返すと、摩耗粉αが研磨材のように働いてしまい、摩耗が促進される不具合が生じる。

特開２０１０−２４２９７２号公報

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、摺動により生じた摩耗粉によってシールリングと通路形成部材との摺動箇所の摩耗が促進される不具合を回避できるバルブ装置の提供にある。

本発明は、上記の目的を達成するために、シールリング（９）の外周面に周方向へ延びる外周溝（１５）を設けたものである。
シールリング（９）と通路形成部材（７）の摺動面で発生した摩耗粉（α）は、外周溝（１５）に捕らえられて蓄えられる。このため、シールリング（９）と通路形成部材（７）の間に摩耗粉（α）が挟るのを防ぐことができる。
これにより、摩耗粉（α）が研磨材のように働く不具合を回避することができ、シールリング（９）と通路形成部材（７）の間で発生した摩耗粉（α）が摩耗を促進する不具合を回避できる。

一方、僅かに開弁する状態では、シールリング（９）の外周面と通路形成部材（７）の内周壁との間を流体が通過する。この状態は、シールリング（９）と通路形成部材（７）の間が「流路の絞り」として機能するため、シールリング（９）と通路形成部材（７）の間（狭い隙間）を通過する流体の流速が速まる。
すると、流速の速まった流体が、外周溝（１５）内に蓄えられた摩耗粉（α）を掻き出す。なお、掻き出された摩耗粉（α）は下流へ流される。即ち、バタフライバルブ（３）が僅かに開弁する付近では、通過する流体が外周溝（１５）内の摩耗粉（α）を掻き出すクリーニング作用が得られる。
このため、外周溝（１５）内に溜まった摩耗粉（α）が増加する不具合がなく、外周溝（１５）内に溜まった摩耗粉（α）が摩耗を促進する不具合を回避できる。

このように、本発明を採用することにより、シールリング（９）と通路形成部材（７）の間の摺動箇所の摩耗を防ぐことができるため、バルブ装置の信頼性を高めることができる。

ＥＧＲバルブの断面図である。 （ａ）開度０°におけるＥＧＲバルブの要部断面図、（ｂ）開度０°における摩耗粉の説明図、（ｃ）開弁開始時におけるＥＧＲバルブの要部断面図、（ｄ）開弁開始時に摩耗粉が掻き出される説明図である。 （ａ）外周面に連続する１本の外周溝を設けたシールリングの斜視図、（ｂ）板厚方向に複数の外周溝を設けたシールリングの斜視図、（ｃ）周方向に外周溝の分断箇所（不連続箇所）を設けたシールリングの斜視図、（ｄ）外周溝を有しないシールリングの斜視図である。 （ａ）合口を成す端面が単純な切断形状によって設けられるシールリングの斜視図、（ｂ）合口を成す端面が傾斜面によって設けられるシールリングの斜視図、（ｃ）重合片を有するシールリングの斜視図、（ｄ）シールリングの外周側のみに重合片が設けられたシールリングの斜視図である。 （ａ）開度０°におけるＥＧＲバルブの要部断面図、（ｂ）開度０°における摩耗粉の説明図である。

以下において「発明を実施するための形態」を詳細に説明する。

本発明の具体的な一例（実施例）を図面に基づき説明する。なお、以下の「実施例」は具体的な一例を開示するものであり、本発明が「実施例」に限定されないことは言うまでもない。

［実施例１］
図１〜図４を参照して実施例１を説明する。
この実施例は、本発明をＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）のＥＧＲバルブに適用したものである。

ＥＧＲ装置は、エンジンの排出した排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気側に戻すことで、吸気の一部に不燃ガスであるＥＧＲガスを混入させる装置である。
ＥＧＲ装置は、排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気通路へ戻すＥＧＲ通路１の開閉および開度調整を行なうＥＧＲバルブを少なくとも備えるものであり、このＥＧＲバルブの作動が制御装置（ＥＣＵ）により制御される。

ＥＧＲバルブは、吸気通路における高負圧発生範囲（スロットルバルブの吸気下流側）へＥＧＲガスを戻す高圧ＥＧＲ装置（ＨＰＬ）に用いられるものであっても良いし、吸気通路における低負圧発生範囲（スロットルバルブの吸気上流側：例えばターボチャージャ搭載車両であればコンプレッサの吸気上流側）へＥＧＲガスを戻す低圧ＥＧＲ装置（ＬＰＬ）に用いられるものであっても良い。

ＥＧＲバルブの具体的な一例を、図１を参照して説明する。
なお、以下では、図１の図示上側を上、図示下側を下と称して説明するが、この上下は実施例の説明のための方向であり、搭載方向を限定するものではない。

ＥＧＲバルブは、
・内部にＥＧＲ通路１の一部が設けられるハウジング２と、
・ＥＧＲ通路１の内部に配置されるバタフライバルブ３と、
・このバタフライバルブ３と一体に回動するシャフト４と、
・バタフライバルブ３およびシャフト４を初期位置（全閉位置）へ戻すリターンスプリング５と、
・このリターンスプリング５の付勢力に抗してシャフト４を回動操作する電動アクチュエータ６と、
を備える。

以下において、上記各構成要素の具体例を説明する。
ハウジング２は、アルミニウム合金等によるダイキャスト製であり、ハウジング２の内部に形成されるＥＧＲ通路１の内壁には、耐熱性、耐腐食性、耐摩耗性に優れた部材（例えば、ステンレス等）によって設けられた円筒形状を呈したノズル７が固定配置されている。このノズル７の内周壁は、ハウジング２内においてＥＧＲ通路１の一部を成す。

バタフライバルブ３は、略円板形状を呈し、シャフト４の回動位置に応じてＥＧＲ通路１を開閉可能で、且つＥＧＲ通路１（ノズル７内）の開口面積を可変可能な回動バルブであり、開度に応じて吸気通路へ戻されるＥＧＲガス量の調整を行なう。
バタフライバルブ３の外周縁には、全周に亘る環状のシール溝８が形成されており、このシール溝８の内部にバタフライバルブ３とノズル７の内周壁の隙間を塞ぐシールリング９が装着される。なお、シールリング９の詳細は後述する。

シャフト４は、バタフライバルブ３をＥＧＲ通路１の内部において回転可能に支持する。この実施例のシャフト４は、バタフライバルブ３を片持ち支持するものであり（限定するものではない）、バタフライバルブ３の直径方向に対してシャフト４の軸線が傾斜配置されるものである。
バタフライバルブ３は、シャフト４の下端に固定されるものであり、シャフト４と一体にバタフライバルブ３が回動する。なお、バタフライバルブ３とシャフト４の結合技術は限定されるものではなく、例えば、溶接技術やネジ等によって結合されるものである。

シャフト４は、ＥＧＲ通路１の上側のハウジング２内に配置された２つの軸受１１によって回転自在に支持される。なお、軸受１１は、ボールベアリングやローラベアリング等の転がりベアリング、あるいはメタルベアリング等の滑りベアリングであり、ハウジング２に形成されたベアリング収容穴の内部に圧入等の結合手段によって固定されて、内周に挿通されたシャフト４を回転自在に支持する。
また、ハウジング２とシャフト４の間には、ＥＧＲガスの洩れ出しを防ぐシール部材１２が配置される。なお、図１では、独立したシール部材１２を設けているが、図１とは異なり、シール機能が組み合わされた軸受１１を用いても良い。

リターンスプリング５は、シャフト４の周囲に同軸的に配置されたねじりコイルバネであり、シャフト４を介してバタフライバルブ３を初期位置（自戻り位置）に向けて付勢する。
なお、初期位置は、リターンスプリング５の中立点（バネの自由長状態）を用いて設定しても良いし、機械的当接によるメカストッパを用いて設定しても良い。

電動アクチュエータ６は、通電により回転トルクを発生する電動モータ（例えば、ＤＣモータ）と、この電動モータの回転トルクを増幅してシャフト４に伝達する減速機構１３（例えば、歯車減速機）と、シャフト４を介してバタフライバルブ３の開度を検出する開度センサ１４（例えば、非接触型回転角度センサ）とを備えて構成される。

なお、電動アクチュエータ６の電動モータは制御装置によって通電制御される。制御装置は、マイクロコンピュータを搭載した周知の電子制御ユニットであり、開度センサ１４によって検出される検出開度（バタフライバルブ３の実開度）が、エンジンの運転状態（エンジン回転数やアクセル開度など）に応じて算出された目標開度となるように、電動モータをフィードバック制御する。

ＥＧＲバルブ（バルブ装置の一例）は、上述したように、
・ノズル７（内周壁を有する通路形成部材の一例）と、
・このノズル７の内側で回動操作されるバタフライバルブ３と、
・このバタフライバルブ３の外周縁に形成されたシール溝８に嵌め入れられるシールリング９とを備える。
そして、ＥＧＲバルブは、閉弁時にバタフライバルブ３とノズル７の隙間をシールリング９によって塞ぐ構成を採用している。

以下では、ノズル７の内周壁に対してバタフライバルブ３が垂直の全閉位置を「開度０°」と称して説明する。

シールリング９は、断面が四角形状の線材（例えば、角部がＲ形状に面取り加工された断面が略矩形の線材）を円環状に設けたものであり、周方向の１箇所に合口Ａ（周方向の分離部）が設けられている。
シールリング９の材質は、限定するものではなく、例えばステンレス等の金属材料によって設けられるものであっても良いし、耐熱性、耐油性、耐摩耗性に優れた樹脂材料によって設けられるものであっても良い。

シールリング９は、自由長（無負荷状態）の時に、合口Ａが周方向へ少量離間するものであり、シールリング９の自由長における外径寸法は、ノズル７の内径寸法より大径に設けられる。この構成により、開度０°では、シールリング９の外周面がノズル７の内周壁に押し当てられる。

このため、バタフライバルブ３が開度０°に対して＋開度方向（開弁側）と−開度方向（開弁とは異なる側）へ所定角度範囲内で回動しても、シールリング９の外周面がノズル７の内周壁に接して、実質的に閉弁状態が保たれる。このように、バタフライバルブ３が回動しても実質的に閉弁状態が保たれる範囲を「閉弁不感帯」と称する。

この閉弁不感帯では、シールリング９の復元力により、シールリング９の外周面がノズル７の内周壁に押し当てられるため、閉弁不感帯の範囲内でバタフライバルブ３が回動すると、シールリング９の外周面がノズル７の内周壁に押し当てられた状態で摺動する。
この摺動が繰り返されると、シールリング９とノズル７の摺動面が僅かに摩耗し、摩耗粉αが発生する。この摩耗粉αが、シールリング９とノズル７の間に挟まった状態で、バタフライバルブ３が微小回動を繰り返したり、車両振動等によりバタフライバルブ３が振動を繰り返すと、摩耗粉αが研磨材のように働く懸念がある。

この懸念を無くす手段として、この実施例のＥＧＲバルブは、シールリング９の外周面に、周方向へ延びる外周溝１５を設けている。
外周溝１５の幅（シールリング９の板厚方向の溝幅寸法）と深さ（シールリング９の径方向の溝深さ寸法）は限定するものではないが、シールリング９とノズル７の間の摺動で生じた摩耗粉αを所定量溜め入れることのできる幅と深さに設けられる。

外周溝１５の断面形状も限定するものではない。具体的に図２では、外周溝１５の一例として溝底が円弧状の円弧溝に設けられる例を示すが、図２の形状とは異なり、断面コ字形の矩形溝や、断面Ｖ字形のＶ字溝など種々適用可能なものである。

外周溝１５の形成技術も限定するものではない。具体的な一例として、シールリング９を金属で設ける場合は、塑性変形技術（冷間鍛造等）を用いてシールリング９の外周面に外周溝１５を設けても良いし、切削加工技術を用いてシールリング９の外周面に外周溝１５を設けても良い。また、シールリング９を樹脂で設ける場合は、成形技術（型抜き技術）等によってシールリング９の外周面に外周溝１５を設けても良い。

次に、シールリング９の外周面に設けられる外周溝１５のバリエーションを図３を参照して説明する。
図３（ａ）は、シールリング９の外周面に周方向へ連続する外周溝１５を１本設けたものである。このように、シールリング９の全周に連続した外周溝１５を設けることで、シールリング９の全周範囲において摩耗粉αを外周溝１５に補足できる。

図３（ｂ）は、シールリング９の板厚方向に複数の外周溝１５を設ける具体的な一例であり、シールリング９の板厚方向に２本の外周溝１５を設けたものである。このように、板厚方向に２重の外周溝１５を設けることで、摩耗粉αをより確実に外周溝１５に補足することができる。

図３（ｃ）は、周方向に外周溝１５の分断箇所Ｂ（溝の非連続箇所）を設ける具体的な一例であり、シールリング９の外周面に周方向において連続しない外周溝１５を複数設けたものである。このように、外周溝１５と外周溝１５との間に分断箇所Ｂが存在しても、摩耗粉αを外周溝１５に補足させることができる。
なお、図３（ｄ）は、外周溝１５を設けない既存のシールリング９を参考に示すものである。

続いて、シールリング９の合口Ａのバリエーションを図４を参照して説明する。なお、図４は合口Ａのバリエーションを説明することを目的とする図面であり、図４中において外周溝１５を省略するが、一例として図３（ａ）〜（ｃ）のいずれかの外周溝１５が設けられるものである。
合口Ａは、離間箇所であるため、閉弁時に弁漏れの要因になる。
そこで、合口Ａにおける弁漏れの抑制手段として合口Ａに重合片１６を設けるものであっても良いし、合口Ａに重合片１６を設けないものであっても良い。

図４（ａ）は、合口Ａに重合片１６を設けない一例であり、合口Ａにおいて対向する２つの端部が単純な切断面（「板厚方向をｘ」、「径方向をｙ」とした場合のｘ−ｙ平面）に設けられるものである。このように重合片１６を設けないことで、シールリング９のコストを抑えることができる。

図４（ｂ）も合口Ａに重合片１６を設けない一例であるが、合口Ａにおいて対向する２つの端部を同一方向に傾斜する傾斜面に設け、閉弁時における合口Ａによる隙間をＥＧＲガスの流れ方向に対して傾斜させるものである。このように、合口Ａの隙間を傾斜させることで、合口Ａの流れ抵抗を大きくすることができ、弁漏れを抑える効果が得られる。また、重合片１６を設けないため、製造コストを抑えることが可能になる。即ち、製造コストの増加を抑えつつ、弁漏れを抑える効果を得ることができる。

図４（ｃ）は合口Ａに重合片１６を設ける一例である。この重合片１６は、板厚方向のみに重なるものであり、合口Ａにおいて対向する２つの端部に段差を設け、その段差面を重ねることで合口Ａにおける弁漏れを防ぐものである。

図４（ｄ）も合口Ａに重合片１６を設ける一例である。この重合片１６は、シールリング９の外周側のみに設けられるものである。即ち、シール溝８の外部に露出する範囲のシールリング９に重合片１６を設けたものである。具体的に、合口Ａにおいて対向する２つの端部の外周側に傾斜した段差を設け、その段差面を重ねることで合口Ａにおける弁漏れを防ぐものである。

（実施例１の効果）
この実施例のＥＧＲバルブは、上述したように、シールリング９の外周面に周方向へ延びる外周溝１５を備えるものである。
このように、外周溝１５を設けることにより、図２（ｂ）に示すように、シールリング９とノズル７の摺動面で発生した摩耗粉αを外周溝１５内に補足して蓄えることができる。具体的には、摩耗粉αが発生した状態で、バタフライバルブ３が微小回動を繰り返したり、車両振動等によりバタフライバルブ３が振動を繰り返しても、シールリング９とノズル７の間に挟まれた摩耗粉αが外周溝１５内に補足されて外周溝１５内に蓄えられる。これにより、シールリング９とノズル７の間に挟まれる摩耗粉αを減らすことができる。
このため、摩耗粉αが研磨材のように働く不具合を回避することができ、シールリング９とノズル７の間で発生した摩耗粉αが摩耗を促進する不具合を回避できる。

一方、図２（ｃ）に示すように、バタフライバルブ３が僅かに開弁する状態（閉弁不感帯から開弁する状態）では、シールリング９の外周面とノズル７の内周壁との間をＥＧＲガスが流れる。この状態は、ＥＧＲガスの通過面積が小さいため、シールリング９とノズル７の間（狭い開弁箇所）を通過するＥＧＲガスの流速が速まる。
すると、図２（ｄ）に示すように、流速の速まったＥＧＲガスが、外周溝１５内に蓄えられた摩耗粉αを掻き出す。なお、掻き出された摩耗粉αは下流（吸気通路側）へ流される。即ち、バタフライバルブ３が僅かに開弁する付近では、狭い開弁箇所を通過するＥＧＲガスの速い流れ（例えば乱流や吸出作用等）により外周溝１５内の摩耗粉αを掻き出すクリーニング作用が得られる。
このため、外周溝１５内に溜まった摩耗粉αが増加する不具合を回避することができ、外周溝１５内に溜まった摩耗粉αが摩耗を促進する不具合が生じない。

このように、本発明を採用するＥＧＲバルブは、シールリング９とノズル７の間の摺動箇所の摩耗を長期に亘って防ぐことができるため、ＥＧＲバルブの長期信頼性を高めることができる。

上記の実施例では、本発明をＥＧＲバルブに適用する例を示したが、ＥＧＲバルブへの適用に限定するものではなく、バタフライバルブ３の周囲にシールリング９が設けられるバルブ装置に広く適用可能なものである。

上記の実施例では、シャフト４によってバタフライバルブ３を片持ち支持する例を示したが、バタフライバルブ３の両側に延びるシャフト４がハウジング２により支持される両持ちタイプのバルブ装置に本発明を適用しても良い。

３ バタフライバルブ
７ ノズル（通路形成部材）
８ シール溝
９ シールリング
１５ 外周溝

Claims (5)

1. 内周壁を有する通路形成部材（７）と、この通路形成部材（７）の内側で回動操作されるバタフライバルブ（３）と、このバタフライバルブ（３）の外周縁に形成されたシール溝（８）に嵌め入れられるシールリング（９）とを備え、
   閉弁時に前記バタフライバルブ（３）と前記通路形成部材（７）の隙間を前記シールリング（９）によって塞ぐバルブ装置において、
   前記シールリング（９）の外周面には、周方向へ延びる外周溝（１５）が設けられることを特徴とするバルブ装置。
2. 請求項１に記載のバルブ装置において、
   前記外周溝（１５）は、当該シールリング（９）の板厚方向に複数設けられることを特徴とするバルブ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のバルブ装置において、
   前記シールリング（９）の外周面には、周方向に前記外周溝（１５）の分断箇所（Ｂ）が設けられることを特徴とするバルブ装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のバルブ装置において、
   前記シールリング（９）は、周方向の一箇所に合口（Ａ）を備えるものであり、
   前記合口（Ａ）を成す前記シールリング（９）の両端には、少なくとも前記シールリング（９）の板厚方向において重なり合う重合片（１６）が設けられることを特徴とするバルブ装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のバルブ装置において、
   このバルブ装置は、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてエンジンの吸気側へ戻すＥＧＲバルブであることを特徴とするバルブ装置。

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