JP2016151350A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シャフトとハウジングの間のクリアランス部にデポジットが付着堆積することによって生じるシャフトの摺動抵抗の増加を防ぐ。【解決手段】クリアランス部βの下流側の隙間距離Ｌ１を絞り効果が得られるように狭く設ける。これにより、排気ガスがクリアランス部βへ流入する不具合を抑えることができる。一方、低圧発生手段γによって圧力が下がるクリアランス部βの上流側の隙間距離Ｌ２を広く設ける。これにより、シール室αへ流入した排気ガスを、シール室αやクリアランス部βに滞留させることなく、速やかにクリアランス部βの上流側からＥＧＲ通路１へ排出することができる。このため、クリアランス部βにデポジットが付着堆積することで生じるシャフト４の摺動抵抗の増加を防ぐことができ、ＥＧＲバルブの長期信頼性を高めることができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、ハウジングとシャフトの間にシール部材を配置するシール室が存在するバルブ装置に関する。

（従来技術）
ハウジングとシャフトの間にシール室が存在するバルブ装置の一例として、特許文献１に開示される技術が知られている。
特許文献１に開示されるバルブ装置は、ＥＧＲバルブであり、シャフトとハウジングとの間には、シール部材が配置されるシール室が設けられる。
シール室とＥＧＲ通路（流体通路の一例）の間は、ハウジングとシャフトの間のクリアランス部を介して連通する。

（従来技術の問題点）
従来技術のクリアランス部は、シール室へ流入する排気ガス量を抑えるための絞り手段であり、極力狭く設けられることが望まれるが、シャフトをハウジングに対して回動自在に組付けるために、隙間を無くすことはできない。
一方、シール室は、シール部材を収容する空間であるため、容積が存在する。

ＥＧＲ通路には、排気ガスの脈動が伝わるため、排気ガスの脈動等によってＥＧＲ通路とシール室の間に差圧が生じ、ＥＧＲ通路を流れる排気ガスの一部がクリアランス部を通ってシール室へ流入する。すると、排気ガスの一部がシール室やクリアランス部で滞留し、排気ガスに含まれるデポジットがシール室やクリアランス部に付着して堆積する。
シャフトは、軸受の回転ガタにより僅かに偏芯する。このため、クリアランス部に堆積したデポジットは、シャフトが回動する毎にシャフトの偏芯によって押し固められる。

さらに、エンジンの運転中は、高温の排気ガスに晒されことで、ハウジングとシャフトのクリアランス部が線熱膨張率差で広がる。すると、広がったクリアランス部にデポジットがさらに堆積する。その後、エンジンが停止して冷えると、高温時に広がったクリアランス部が狭まり、クリアランス部に堆積したデポジットが押し固められる。
エンジンの運転と停止が繰り返される毎に、上記動作が繰り返されるため、エンジンの運転と停止が繰り返されることで、クリアランス部のデポジットがさらに強く押し固められる。

このように、クリアランス部に付着堆積したデポジットが繰り返して押し固められることで、シャフトの摺動抵抗が増加する不具合が生じてしまう。
なお、上記では、従来技術の具体例をＥＧＲバルブを用いて説明したが、ＥＧＲバルブに限定される問題ではなく、例えばスロットルバルブなど、他のバルブ装置であっても、クリアランス部にデポジットが付着堆積することでシャフトの摺動抵抗が増加する上記と同様の問題が生じてしまう。

特開２０１０−０６５７２９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、シャフトとハウジングの間のクリアランス部にデポジットが付着堆積することにより生じるシャフトの摺動抵抗の増加を防ぐことのできるバルブ装置の提供にある。

本発明のバルブ装置は、クリアランス部の上流側の圧力を下げる低圧発生手段を備えるものであり、クリアランス部を成すハウジングとシャフトの隙間距離が「下流側＜上流側」の関係に設けられる。
このように設けることで、シール室やクリアランス部に流入した流体（排気ガス等）を、シール室やクリアランス部に滞留させることなく、速やかにクリアランス部の上流側から流体通路へ排出することができる。

これにより、シール室およびクリアランス部にデポジットが付着堆積するのを防ぐことができる。このため、クリアランス部にデポジットが付着堆積することで生じるシャフトの摺動抵抗の増加を防ぐことができる。即ち、シャフトの回動性能を長期に亘って高く維持することが可能となり、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（実施例１） （ａ）ＥＧＲバルブの要部断面図、（ｂ）クリアランス部が設けられる部位における軸方向に対して垂直方向の断面図である（実施例１） シャフト挿通穴の穴形状の説明図である（実施例１） ＥＧＲバルブの要部断面図である（実施例２）

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３を参照して実施例１を説明する。
この実施例１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ガスを混入させる周知の技術である。
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、排気通路における高排圧発生範囲（触媒やパティキュレートフィルタの排気上流側）から吸気通路へＥＧＲガスを戻す高圧ＥＧＲ装置に用いられるものであっても良いし、排気通路における低排圧発生範囲（触媒やパティキュレートフィルタの排気下流側）から吸気通路へＥＧＲガスを戻す低圧ＥＧＲ装置に用いられるものであっても良い。

ＥＧＲバルブの具体的な構成例を、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。この上下方向は、ＥＧＲバルブを車両に搭載する場合の一例であるが、もちろん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ルブ３と、
・このバルブ３と一体に回動するシャフト４と、
・このシャフト４を回動操作する電動アクチュエータ５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、耐腐食性に優れた部材（例えば、ステンレス）によって設けられた円筒形状を呈したノズル６が固定配置されている。このノズル６の内周は、ハウジング２内のＥＧＲ通路１の一部の内壁を成す。

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６内）の開口面積を可変可能なバタフライ型であり、開度に応じて吸気通路へ戻されるＥＧＲ量の調整を行なう。
バルブ３の外周縁には、全周に亘る環状溝が形成されており、この環状溝の内部にバルブ３とノズル６の内周壁の隙間を無くすシールリング７が配置されている。
なお、この実施例１とは異なり、バルブ３の外周縁に別体のシールリング７を用いないシールリングレスタイプであっても良い。

シャフト４は、耐腐食性に優れた部材（例えば、ステンレス）によって設けられた円柱棒状の軸体であり、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１のシャフト４は、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と一体にバルブ３が回動する。なお、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８によって回転自在に支持される。なお、軸受８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。

電動アクチュエータ５は、通電により回転動力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に伝達する減速機能９（例えば、歯車減速機）と、シャフト４をバネ力により初期位置（閉弁位置）へ戻すリターンスプリング１０と、シャフト４を介してバルブ３の開度を検出する開度センサ１１（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５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１１によって検出される検出開度（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。

シャフト４とハウジング２との間には、ＥＧＲガスが洩れ出るのを防ぐためのシール部材１２が配置される。
シール部材１２の配置箇所、配置個数、シール構造（例えば、シール機能付きのベアリングを用いるなど）等は限定するのではないが、少なくとも下側の軸受８のさらに下側にシール部材１２が設けられる。
シャフト４とハウジング２の間において、ＥＧＲ通路１に最も近いシール部材１２が配置される空間をシール室αと称する。

即ち、この実施例１のＥＧＲバルブ（バルブ装置の一例）は、上述したように、内部にＥＧＲ通路１（流体通路の一例）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ルブ３と、このバルブ３と一体に回動するシャフト４と、ハウジング２とシャフト４の間をシールするシール部材１２とを備える。

また、ＥＧＲバルブは、シール部材１２が配置されるシール室αを備える。
シャフト４をハウジング２に対して回動自在に組付けるために、シャフト４とハウジング２との間には、隙間であるクリアランス部βが存在する。このため、シール室αは、クリアランス部βを介してＥＧＲ通路１と連通する。

従来技術では、ＥＧＲ通路１からシール室αへ排気ガスが極力流入しないようにするために、クリアランス部βを成すシャフト４とハウジング２の間の隙間距離を、シャフト４の周囲の全周に亘って極力小さく設けていた。
しかし、ＥＧＲ通路１には、排気ガスの脈動が伝わるため、ＥＧＲ通路１とシール室αの間に差圧が生じ、ＥＧＲ通路１を流れる排気ガスの一部がクリアランス部βを通ってシール室αへ流入する。
すると、排気ガスに含まれるデポジットがシール室αやクリアランス部βに付着堆積する。そして、微細な偏芯を伴うシャフト４の回動の繰り返しにより、クリアランス部βに付着堆積したデポジットが押し固められる動作が繰り返される。その結果、クリアランス部βに堆積して押し固められたデポジットによって、シャフト４の摺動抵抗が増加する不具合が生じてしまう。

そこで、この実施例１では、図２（ｂ）に示すように、クリアランス部βを成すハウジング２とシャフト４の隙間距離を「下流側の隙間距離Ｌ１＜上流側の隙間距離Ｌ２」の関係に設けている。
下流側の隙間距離Ｌ１と上流側の隙間距離Ｌ２の具体的な数値は、もちろん限定するものではないが、理解補助の一例を開示すると、下流側の隙間距離Ｌ１は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程で、上流側の隙間距離Ｌ２は１ｍｍ〜４ｍｍ程である。

また、具体的な一例として、この実施例１では、シャフト４の軸芯が上流側へズレた場合であっても、シャフト４がハウジング２と接触しないように設けられる。
即ち、シャフト４の軸芯より下流側のクリアランス部βの全ての範囲が極力狭く設けられ、シャフト４の軸芯より上流側のクリアランス部βの全ての範囲が下流側より広く設けられる（図３参照）。

ハウジング２とシャフト４の隙間距離を変化させる手段として、
（ｉ）シャフト挿通穴２ａの穴形状の変更、
（ｉｉ）シャフト４の外周面の変更、
（ｉｉｉ）シャフト挿通穴２ａの穴形状とシャフト４の外周面の両方の変更、
の何れかを採用する。
具体的にこの実施例１では、上記（ｉ）を採用し、シャフト挿通穴２ａの穴形状を変更することで、クリアランス部βにおける隙間距離を「下流側の隙間距離Ｌ１＜上流側の隙間距離Ｌ２」の関係に設けている。

シャフト挿通穴２ａの穴形状の変更は、
（イ）切削加工、
（ロ）打抜加工、
（ハ）塑性変形加工、
（ニ）ハウジング２をダイキャストで成形する際の型抜き、
の何れか１つ、はたは複数の組合せを採用する。
具体的にこの実施例１では、上記（ニ）を採用し、シャフト挿通穴２ａの穴形状をダイキャストの型抜きによって設けている。

シャフト挿通穴２ａの穴形状も限定するものではない。
穴形状の具体的な一例は、図３に示すように、
（ａ）真円を２分割した２つの円弧を平行な直線で結合した長穴形状、
（ｂ）下流側が真円の円弧で上流側が楕円の円弧を組み合わせた長穴形状、
（ｃ）下流側が真円の円弧で上流側が矩形の異形形状、
（ｄ）真円の丸穴形状（シャフト４の軸真とシャフト挿通穴２ａの軸真をズラすもの）、
の何れでも良く、図２（ｂ）では、上記（ａ）を採用している。

ＥＧＲバルブは、クリアランス部βの上流側の圧力を下げる低圧発生手段γを備える。この実施例１の低圧発生手段γは、全閉時にクリアランス部βの上流側のＥＧＲ通路１を閉塞するバルブ３である。このバルブ３は、少なくとも低開度の時（具体的には、微小開度〜中開度の範囲）において、クリアランス部βの上流側の圧力を低減して低圧発生手段γの機能を果たす。
また、シャフト４に最も近いノズル６の下流側の端部も、クリアランス部βの上流側の圧力を下げる低圧発生手段γとしての補助的な機能を果たす。

（実施例１の効果１）
クリアランス部βの下流側は、絞り効果が得られるように狭く設けられるため、排気ガスがクリアランス部βの下流側からシール室αへ流入する不具合が抑えられる。
また、排気ガスの一部がクリアランス部βを通ってシール室αへ流入しても、低圧になるクリアランス部βの上流側を大きく設けたことで、排気ガスをシール室αやクリアランス部βに滞留させることなく、速やかにクリアランス部βの上流側からＥＧＲ通路１へ排出することができる。

これにより、シール室αおよびクリアランス部βにデポジットが付着堆積するのを防ぐことができる。このため、クリアランス部βにデポジットが付着堆積することで生じるシャフト４の摺動抵抗の増加を防ぐことができる。
即ち、シャフト４の回動性能を長期に亘って高く維持することが可能となり、電動アクチュエータ５の負担を長期に亘って抑えることができるとともに、ＥＧＲバルブの長期信頼性を高めることができる。

（実施例１の効果２）
上述したように、ＥＧＲバルブの搭載方向は限定するものではないが、好ましい一例として、シャフト４の回動により落下したデポジットが、重力によってＥＧＲ通路１内へ落下するように、クリアランス部βの下端よりもＥＧＲ通路１が下側に存在するようにＥＧＲバルブが車両に搭載されることが望ましい。
このように、クリアランス部βの下方にＥＧＲ通路１を配置することにより、シャフト４の回動によって脱落したデポジットの排出効果を高めることができる。

（実施例１の効果３）
本発明の採用によってクリアランス部βにおけるデポジットの堆積量が抑えられるものの、長期に亘る使用によってクリアランス部βに堆積するデポジットの厚みが増す懸念がある。
しかし、上述したように（図３参照）、クリアランス部βにおける隙間距離を「下流側の隙間距離Ｌ１＜上流側の隙間距離Ｌ２」の関係に設けているため、クリアランス部βに堆積するデポジットの厚みが増しても、軸受８のガタ等によりシャフト４の軸芯が上流側へズレることでシャフト４の摺動抵抗の増加を防ぐことができる。
このため、狭く設けられるクリアランス部βの下流側のデポジットが押し固められても、シャフト４の軸芯が上流側へ逃げることで、回動性能を長期に亘って高く維持することができ、ＥＧＲバルブの長期信頼性を高めることができる。

（実施例１の効果４）
この実施例１では、上述したように、ハウジング２をダイキャストで成形する際の型抜きによって「下流側の隙間距離Ｌ１＜上流側の隙間距離Ｌ２」に設けている。
このため、工程数の増加を招くことなく、本発明を実施することが可能になり、本発明の実施コストを抑えることができる。

［実施例２］
図４を参照して実施例２を説明する。なお、この実施例２において上記実施例１と同一符合は同一機能物を示すものである。

（実施例２の特徴技術１）
この実施例２は、ハウジング２においてシール室αとクリアランス部βの境界部を成す箇所に傾斜面２ｂ（テーパ面）を設けたものである。
なお、傾斜面２ｂは、シール室αとクリアランス部βの境界部の全範囲に設けることが望ましいものであるが、限定するものではなく、境界部の一部のみ傾斜面２ｂに設けても良いし、境界部の複数箇所に傾斜面２ｂを設けても良い。
また、傾斜面２ｂは、断面が直線に限定されるものではなく、Ｒ面などの曲面であっても良い。

このように、シール室αとクリアランス部βの境界部に傾斜面２ｂを設けることで、シール室αに流入した排気ガスをスムーズ且つ速やかにクリアランス部βの上流側を介してＥＧＲ通路１へ流し出すことができ、シール室αやクリアランス部βにデポジットが堆積するのを防ぐことができる。
また、シャフト４の回動により押し固められるデポジットの一部を、傾斜面２ｂに沿ってシール室αへ向けて押し出すことができるため、クリアランス部βにおけるデポジットの堆積を遅延させることができる。
さらに、傾斜面２ｂを設けたことで、シール室αの容積を大きくすることができるため、シール室αにデポジットが埋まるまでの期間を延長することができる。

（実施例２の特徴技術２）
この実施例２のハウジング２には、クリアランス部βの軸方向寸法を短縮する切欠部が設けられる。
切欠部は、シール室αとクリアランス部βの境界部に設けられるものであり（限定しない）、この実施例２では上述した傾斜面２ｂが切欠部の機能を果たす。

このように、クリアランス部βの軸方向寸法を短縮することにより、クリアランス部βにデポジットが堆積して押し固められた場合であっても、シャフト４の摺動抵抗が増加する面積を小さくするできるため、シャフト４の摺動抵抗の増加を抑えることができる。即ち、回動性能を長期に亘って高く維持することが可能となり、ＥＧＲバルブの長期信頼性を高めることができる。
なお、この実施例２では、切欠部の一例として傾斜面２ｂを用いたが、切欠部の形状は傾斜面２ｂに限定するものではなく、段差など他の形状であっても良い。

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、排気ガスを扱うバルブ装置（例えば、ターボチャージャに用いられるバルブ装置、排熱回収装置に用いられるバルブ装置、ＥＧＲクーラのバイパス切替用のバルブ装置など）に本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、排気ガスを扱うバルブ装置の一例としてＥＧＲバルブに本発明を適用する例を示したが、扱う流体は排気ガスに限定されるものではなく、排気ガスとは異なる流体（例えば、エンジンの吸気など）を扱うバルブ装置（例えば、スロットルバルブ、低圧ＥＧＲ装置に用いられる吸気絞り弁、タンブル流やスワール流のコントロールバルブなど）に本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、シャフト４によってバルブ３を片持ち支持する例を示したが、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。

上記の実施例では、バルブ３が低圧発生手段γの機能を果たす例を示したが、限定するものではなく、クリアランス部βの上流側に突起等を設けてクリアランス部βの上流側の圧力を下げも良い。

１ ＥＧＲ通路（流体通路）
２ ハウジング
３ バルブ
４ シャフト
１２ シール部材
α シール室
β クリアランス部
γ 低圧発生手段

Claims (5)

1. 内部に流体通路（１）が設けられるハウジング（２）と、前記流体通路（１）の内部に配置されるバルブ（３）と、このバルブ（３）と一体に回動するシャフト（４）と、前記ハウジング（２）と前記シャフト（４）の間をシールするシール部材（１２）とを備え、
   前記シール部材（１２）が配置されるシール室（α）が、前記ハウジング（２）と前記シャフト（４）の間のクリアランス部（β）を介して前記流体通路（１）と連通するバルブ装置において、
   このバルブ装置は、前記クリアランス部（β）の上流側の圧力を下げる低圧発生手段（γ）を備え、
   前記クリアランス部（β）を成す前記ハウジング（２）と前記シャフト（４）の隙間距離は、前記流体通路（１）の下流側が小さく、上流側が大きく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、
   前記バルブ（３）は、全閉時に前記クリアランス部（β）の上流側の前記流体通路（１）を閉塞するバタフライバルブであり、
   このバルブ（３）は、少なくとも低開度の時に前記クリアランス部（β）の上流側の圧力を低減して前記低圧発生手段（γ）の機能を果たす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、
   前記ハウジング（２）は、前記シール室（α）と前記クリアランス部（β）の境界部に傾斜面（２ｂ）を備えることを特徴とするバルブ装置。
4. 請求項１〜請求項３の少なくとも１つに記載のバルブ装置において、
   前記シャフト（４）の軸芯が伸びる方向を軸方向とした場合、
   前記ハウジング（２）は、前記クリアランス部（β）の軸方向寸法を短縮する切欠部（２ｂ）を備え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、
   前記流体通路（１）は、エンジンの排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路へ戻すＥＧＲ通路（１）であり、
   当該バルブ装置は、ＥＧＲ装置に用いられるＥＧＲバルブであることを特徴とするバルブ装置。

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