JP2016180441A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブシートに生じる流体圧による押し付け力を相殺して、流体圧の増加によってボールバルブとバルブシートの摺動抵抗が大きくなる不具合を回避する。
【解決手段】シート面２ａの内径側にボール面１ａの曲率と同じ曲率の凹形球面形状の第１リング面Ｒ１を設け、シート面２ａの外径側にボール面１ａの曲率より小さい曲率の凹形球面形状の第２リング面Ｒ２を設ける。そして、背圧空間αに水圧を導くとともに、環状隙間βにも共通の水圧を導く。これにより、シート裏面に作用する押し付け力を、第２リング面Ｒ２に作用する反押し付け力で相殺できる。また、第２リング面Ｒ２に複数の案内溝γを設けたことで、樹脂製のバルブシート２が水圧により変形して第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着する不具合を回避でき、バルブ装置の信頼性を確保できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、凸形球面形状のボール面に、バルブシートが押し付けられるバルブ装置に関し、例えば冷却水（流体の一例）の流量をコントロールするバルブ装置に用いて好適な技術に関する。なお、「凸形球面形状」は外側へ膨出する球面形状であり、「凹形球面形状」は内側へ凹む球面形状である。

ボールバルブのボール面に、バルブシートのシート面を押し付け、ボールバルブを回動操作するバルブ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

バルブシートのうちシート面とは反対側の面をシート裏面とした場合、バルブシートにおけるシート裏面側に流体圧が印加される場合がある。
この場合、ボールバルブに対するバルブシートの「押し付け力」は、スプリングによるバネ力に、流体圧による付勢力が加算される。
このため、ボールバルブに対するバルブシートの「押し付け力」は、流体圧が大きくなるほど大きくなる。

スプリングのバネ力は、流体圧の最小値でも閉弁状態を保つように設定される。このため、流体圧が増加するほど、ボールバルブに対するバルブシートの「押し付け力」が大きくなる。
その結果、流体圧の増加によってボールバルブとバルブシートの摺動抵抗が大きくなり、ボールバルブを回動させるために大きな駆動力が必要になる。このため、操作性の悪化や、駆動用アクチュエータの大型化を招いてしまう。また、摺動摩耗の増加を招いてしまう。

独国特許出願公開第１０２００９０１４０４７号明細書

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、バルブシートに生じる流体圧による押し付け力を相殺して、流体圧の増加によってボールバルブとバルブシートの摺動抵抗が大きくなる不具合を回避できるバルブ装置の提供にある。

本発明のバルブ装置は、背圧空間（バルブシートの裏面側の空間）と環状隙間（ボール面と第２リング面の間に形成される隙間）の両方へ流体圧を意図的に導く構成を採用する。
これにより、シート裏面からバルブシートに付与される流体圧（押し付け力）を、シート面からバルブシートに付与される流体圧（反押し付け力）で相殺することができ、流体圧の増加によってボールバルブとバルブシートの摺動抵抗が大きくなる不具合を回避できる。

また、本発明のバルブ装置は、バルブシートを樹脂で設けても、第１リング面Ｒ１に外径端から内径方向へ向かう案内溝を設けたことで、バルブシートが変形して第２リング面がボール面に密着し、環状隙間が形成されなくなる不具合を回避できる。

案内溝によって密着現象を解消するメカニズムを説明する。
例えば、案内溝を設けない場合、流体圧が増加した際に、バルブシートが変形して第２リング面がボール面に密着する現象が生じる。この密着現象が生じている状態で案内溝を設けることを仮定する。すると、案内溝を通って流体が第２リング面とボール面の間に入り込み、案内溝に入り込んだ流体圧が「反押し付け力」を発生する。この案内溝において発生する「反押し付け力」は、案内溝の面積が大きくなるほど大きくなる。
一方、バルブシートは、自身の復元力によって第２リング面をボール面から引き離す力を発生する。
このように、バルブシートの「復元力」に、案内溝による「反押し付け力」を加算することで、上述した密着現象を解消できる。

本発明のバルブ装置は、上述したように、第２リング面に案内溝を設けたことで、バルブシートが変形して第２リング面がボール面に密着する不具合を回避することができる。即ち、バルブシートを樹脂で設けても、流体圧の増加によってバルブシートが変形して環状隙間が形成されなくなる不具合を回避することができ、流体圧の増加によってボールバルブとバルブシートの摺動抵抗が大きくなる不具合を確実に回避できる。

（ａ）バルブ装置の要部断面図、（ｂ）シート面の平面図である（実施例１）。 （ａ）開弁状態におけるバルブ装置の要部断面図、（ｂ）閉弁状態におけるバルブ装置の要部断面図である（実施例１）。 バルブ装置の説明図である（実施例１）。 シート面の平面図である（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。
この実施例のバルブ装置は、自動車に搭載されるものであり、ボールバルブ１のボール面１ａに、バルブシート２のシート面２ａを押し付け、ボールバルブ１を回動操作することでエンジン冷却水の流量制御（流路の開閉および開度調整）、あるいは分配制御（流路の切替）を行うものである。

このバルブ装置は、１つの冷却水入口（インレット）と、１つまたは複数（例えば、２個や３個など）の冷却水出口（アウトレット）を備える。なお、複数の冷却水出口を備える場合、各冷却水出口の基本構造は同じであり、以下では１つの冷却水出口に通じる開閉部を例に説明する。

バルブ装置は、
（ａ）冷却水入口と冷却水出口が設けられるハウジング３と、
（ｂ）このハウジング３に対して回動自在に支持されるシャフトと、
（ｃ）このシャフトを回動操作する電動アクチュエータと、
（ｄ）シャフトと一体に回動するボールバルブ１と、
（ｅ）このボールバルブ１に押し付けられるリング状のバルブシート２と、
を備えて構成される。

ハウジング３には、ボールバルブ１をハウジング３内に組み入れる開口部と、ボールバルブ１を収容するバルブ室とが設けられる。
ハウジング３がエンジンに直接組付けられる場合を説明する。ハウジング３は、エンジン（例えば、シリンダヘッド等）に直接固定されるものであり、ハウジング３がエンジンに固定されることで、ハウジング３の開口部がエンジンの冷却水の出口に合致して、エンジンを通過した冷却水がハウジング３の開口部を介してハウジング３の内部のバルブ室（具体的には、ボールバルブ１の内側）へ供給される。
一方、ハウジング３がエンジンから独立して搭載される場合、ハウジング３にはエンジンを通過した冷却水をバルブ室へ導くインレットパイプが設けられる。

また、ハウジング３には、バルブ装置で調量した冷却水を外部へ導くアウトレットパイプが固定される。そして、アウトレットパイプに接続される配管を介して、バルブ装置で調量された冷却水が、ラジエータやヒータコア等へ導かれる。

シャフトは、バルブ室の略中心部を通って配置される駆動軸であり、ハウジング３に対してベアリング等を介して回転自在に支持される。
このシャフトを駆動する電動アクチュエータは、周知な構成を採用するものであり、一例を開示すると、電力を回転トルクに変化する電動モータと、この電動モータの回転出力を減速してシャフトの駆動トルクを増大させる減速機構（例えば、歯車減速装置等）と、シャフトの回転角度（即ち、ボールバルブ１の作動角）を検出する非接触型の回転角度センサとを組み合わせて構成される。

ボールバルブ１は、シャフトを介して電動アクチュエータにより回動操作される。
このボールバルブ１は、一例として略カップ形状を呈する。なお、冷却水の流れ方向は限定するものではないが、理解補助の一例としてインレットから供給された冷却水がカップ開口部からボールバルブ１の内側に供給される。そして、ボールバルブ１が開弁すると、ボールバルブ１の内側に供給された冷却水が、バルブ開口１ｂとシート開口２ｂを通ってアウトレットへ導かれる。

ボールバルブ１は、例えば樹脂（ＰＰＳ等）によって設けられるものであり、少なくともバルブシート２と摺接する面が凸形球面形状を呈する平滑なボール面１ａに設けられている。即ち、ボールバルブ１は、凸形球面形状を呈するボール面１ａを有するものであり、電動アクチュエータによって回動操作される。

バルブシート２は、中心部に貫通したシート開口２ｂが形成されるリング円板であり、閉弁時の密閉性や操作時の摺動性を高める目的や製造コストを抑える目的から、バルブシート２が樹脂（ＰＴＦＥ等）によって設けられる。
このバルブシート２においてボール面１ａに対向する面がシート面２ａであり、バルブシート２のうち、シート面２ａの反対側の面｛図１（ａ）の上側の面｝がシート裏面である。

バルブシート２は、ハウジング３に支持されるものであり、ハウジング３にはバルブシート２を支持するための支持手段が設けられる。
この支持手段は、
（ａ）ハウジング３に固定されるスペーサ５と、
（ｂ）バルブシート２とスペーサ５の間に配置されるスプリング６と、
（ｃ）このスプリング６とスペーサ５との間に配置されるプレート７と、
（ｄ）バルブシート２を支持するスリーブ８と、
を用いて構成される。

スペーサ５は、内側に水路が形成されるものであり、例えばバルブシート２を通過した冷却水を冷却水出口へ導くアウトレットパイプの一部であっても良いし、アウトレットパイプとは異なる部品（筒状体等）であっても良い。
スプリング６は、例えば圧縮コイルスプリングであり、圧縮された状態で組付けられる。
プレート７は、金属製のバネ座であり、リング円板形状を呈する。

スリーブ８は、一端側（ボールバルブ１に近い側）においてバルブシート２を支持し、他端側がスペーサ５の内部に挿し入れられる円筒体であり、シート開口２ｂを通過した冷却水をアウトレットパイプへ導く。
具体的に、スリーブ８は、耐腐食性に優れたステンレス等の金属材料によって設けられるものであり（限定するものではない）、筒状を呈するスリーブ８の一端には、バルブシート２を支持する手段として、バルブシート２の外周面を拘束する筒体８ａと、シート裏面に圧接するリング板８ｂとが一体に設けられている。
また、スリーブ８とスペーサ５の間には、シール部品（リップシール等）９が配置されており、ハウジング３とスペーサ５の間にもシール部材（Ｏリング等）１０が配置されている。

この実施例のバルブ装置は、閉弁時に、バルブシート２の両面（シート面２ａ側とシート裏面側）に冷却水の圧力（以下、水圧）を意図的に導くように設けられている。
この技術的手段を以下において具体的に説明する。
シート裏面側には、インレットからバルブ装置の内部（即ち、ハウジング３の内部）に流入する冷却水（流体の一例）が導かれる背圧空間αが設けられる。
具体的な背圧空間αは、スプリング６が配置されるスリーブ８の周囲の空間であり、更に詳しく説明すると、背圧空間αは、ハウジング３においてアウトレットに通じる流路壁、スリーブ８、プレート７、リング板８ｂに囲まれる空間である。

この背圧空間αは、ハウジング３とリング板８ｂとの間に形成される隙間を介して、ハウジング３内においてボールバルブ１を収容する空間に連通する。ボールバルブ１を収容する空間はインレットと常に連通する。このため、背圧空間αには、図１（ａ）中の破線矢印Ｘに示すように、インレットを介してエンジンから冷却水が導かれる。
ここで、スリーブ８の一端に設けられるリング板８ｂは、スリーブ８の筒径より外径側へ拡径した段差形状に設けられる。このため、背圧空間αへ導かれた水圧は、リング板８ｂの図１（ａ）の上面に印加される。即ち、背圧空間αへ導かれた水圧は、リング板８ｂを介してシート裏面に印加される。その結果、水圧の上昇によって、バルブシート２には図１（ａ）の下向きの力（押し付け力：図３の矢印Ｆα参照）が作用する。

一方、シート面２ａには、内径側の第１リング面Ｒ１と、外径側の第２リング面Ｒ２と、第１リング面Ｒ１と第２リング面Ｒ２を区画する環状のリング溝Ｒ３が設けられている。
ここで、この実施例のボール面１ａは、閉弁時に第１リング面Ｒ１に接し｛図２（ｂ）参照｝、開弁時に第２リング面Ｒ２に接するように設けられている｛図２（ａ）参照｝。このように設ける具体的な手段として、ボール開口１ｂの開口径は、第１リング面Ｒ１の外径寸法と第２リング面Ｒ２の内径寸法の間の寸法に設けられている。

第１リング面Ｒ１は、シート面２ａの内径側に設けられた径方向の幅の狭い円環面であり、ボール面１ａの曲率と同じ曲率の凹形球面形状を呈する。
これにより、第１リング面Ｒ１は、閉弁時にボール面１ａと環状に接し、開弁時にボール面１ａと非接触になる。

第２リング面Ｒ２は、シート面２ａの外径側に設けられた径方向の幅の広い円環面であり、ボール面１ａの曲率より小さい曲率（大きい曲率半径であり、緩やかな曲面）の凹形球面形状を呈する。これにより、第２リング面Ｒ２は、開弁時にボール面１ａと部分的に接し、閉弁時にボール面１ａと第２リング面Ｒ２の間に環状隙間βを形成する。

この環状隙間βは、ボール面１ａの曲率と、第２リング面Ｒ２の曲率の差により形成される隙間であり、環状隙間βの外径端がボールバルブ１を収容する空間（インレットに連通する空間）に連通する。これにより、環状隙間βには、図１（ａ）中の破線矢印Ｙに示すように、背圧空間αへ導かれる冷却水と共通の冷却水が導かれる。このため、環状隙間βへ導かれた水圧は、第２リング面Ｒ２に印加される。その結果、水圧の上昇によって、バルブシート２には図１（ａ）の上向きの力（反押し付け力：図３の矢印Ｆβ参照）が作用する。

背圧空間αからシート裏面側に水圧を与える受圧面積は、環状隙間βからシート面２ａに水圧を与える受圧面積と略同じであるが、厳密には背圧空間αからシート裏面側に水圧を与える受圧面積が、環状隙間βからシート面２ａに水圧を与える受圧面積より少し大きい。一方、この実施例のバルブ装置は、上述したように、リング円板形状を呈するバルブシート２を樹脂によって設けている。このため、水圧が上昇すると、高まった水圧によってバルブシート２が変形して第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着する懸念がある。

バルブシート２が変形して第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着すると、ボール面１ａと第２リング面Ｒ２の間に水圧を導くための環状隙間βを形成できなくなり、第２リング面Ｒ２に「反押し付け力」を発生させることができなくなる。即ち、バルブシート２を樹脂で設けた場合には、水圧が増加した際にバルブシート２が変形して第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着してしまい、ボールバルブ１を回動させるために大きな駆動力が必要になるとともに、摺動摩耗の増加を招く不具合が生じてしまう。

そこで、この実施例のバルブ装置は、バルブシート２を樹脂で設けつつ、第２リング面Ｒ２の外径端から第２リング面Ｒ２の内径方向へ向かう溝形状の案内溝γを第２リング面Ｒ２に設ける技術を採用している。
この案内溝γは、例え第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着した状態であっても、案内溝γから第２リング面Ｒ２に水圧を付与して、案内溝γからバルブシート２に所定の「反押し付け力」を発生させるものである。

案内溝γの数、案内溝γの外観形状、案内溝γの断面形状、案内溝γの幅や深さ等は、限定するものではない。具体的な一例としてこの実施例１の案内溝γは、図１（ｂ）に示すように、前記第２リング面Ｒ２の外径端とリング溝Ｒ３を繋ぐ径方向へ伸びる放射状に配置された断面がコ字形を呈する溝であり、複数（一例として１２本）の案内溝γが第２リング面Ｒ２の円周方向へ等間隔に配置されている。

（実施例１の効果１）
車両に搭載されるエンジン冷却水の循環系は、周知な密閉加圧冷却式を採用するものであり、エンジンが運転されて水温が上昇すると水圧が所定圧力（例えば、ラジエータキャップの開弁圧等）まで上昇する。即ち、エンジンからバルブ装置のインレットに供給される冷却水の圧力は変動する。
この実施例のバルブ装置は、上述したように、背圧空間αと環状隙間βとを設けており、閉弁時に、バルブシート２の両面（シート面２ａ側とシート裏面側）に水圧を意図的に導く構成を採用している。
これにより、水圧の上昇によってシート裏面からバルブシート２に付与される「押し付け力」を、第２リング面Ｒ２からバルブシート２に付与される「反押し付け力」で相殺することができる。

このため、ボールバルブ１に対するバルブシート２の「押し付け力」を、スプリング６の付勢力のみに近づけることができ、水圧が増減しても、ボールバルブ１に対するバルブシート２の「押し付け力」の変化を抑えることができる。これにより、ボールバルブ１とバルブシート２の摺動抵抗を略一定に保つことができ、ボールバルブ１の駆動力の増加を抑制することができる。
具体的には、ボールバルブ１を回動させる駆動力を抑えることができるため、ボールバルブ１を回動操作する電動アクチュエータの小型化が可能になる。また、摺動摩耗を抑えることができ、バルブ装置の長期信頼性を高めることができる。

（実施例１の効果２）
この実施例１のバルブ装置は、上述したように、バルブシート２を樹脂で設けるものであるが、第２リング面Ｒ２に外径端から内径方向へ向かう複数の案内溝γを設けたことで、バルブシート２が変形して第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着する不具合を回避できる。
具体的には、外力を加えて一時的に第２リング面Ｒ２をボール面１ａに押し付けても、案内溝γを通って水圧が第２リング面Ｒ２とボール面１ａの間に入り込み、案内溝γに入り込んだ水圧が所定の「反押し付け力」を発生する。

バルブシート２は、自身の復元力によって第２リング面Ｒ２をボール面１ａから引き離す力を発生する。このため、バルブシート２の「復元力」に、案内溝γによる所定の「反押し付け力」が加算されることになり、第２リング面Ｒ２がボール面１ａに密着する不具合を解消できる。
即ち、この実施例１のバルブ装置は、水圧が上昇しても、上述した「実施例１の効果１」を確実に得ることができる。

［実施例２］
図４を参照して実施例２を説明する。なお、以下の実施例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の案内溝γは、第２リング面Ｒ２に格子状に多数形成されたメッシュ形状の溝であり、このメッシュ状に設けた多数の案内溝γは、第２リング面Ｒ２の外径端とリング溝Ｒ３を繋ぐように設けられている。
このように設けても、上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

上記の実施例では、案内溝γの一例として、第２リング面Ｒ２において径方向へ伸びる複数の放射状の溝とメッシュ状の溝の２例を示したが、溝を幅広に設けたり、１筋の溝を螺旋状に設けるなど、種々変更可能なものである。

上記の実施例では、開弁時に流体（実施例では冷却水）がボールバルブ１の内側から外側へ向かって流れる例を示したが、流体を流す方向は逆でも良い。

上記の実施例では、電動アクチュエータによってボールバルブ１を回動操作する例を示したが、ボールバルブ１の駆動手段を限定しない。

上記の実施例では、スリーブ８に対するバルブシート２の結合手段として圧入技術を採用したが、結合手段を限定するものではなく、例えば接着剤等を用いても良い。

上記の実施例では、スプリング６の一例として圧縮コイルスプリングを用いたが、ボールバルブ１とバルブシート２の圧迫手段は限定するものではない。

上記の実施例では、エンジン冷却水のコントロールを行うバルブ装置に本発明を適用する例を示したが、エンジンを搭載しない車両の冷却水のコントロールを行う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、液体（具体的な一例として冷却水）のコントロールを行うバルブ装置に本発明を適用する例を示したが、流体は液体に限定されるものではなく、気体（ガス類）のコントロールを行うバルブ装置に本発明を適用しても良い。

１ ボールバルブ
１ａ ボール面
２ バルブシート
２ａ シート面
Ｒ１ 第１リング面
Ｒ２ 第２リング面
α 背圧空間
β 環状隙間
Ｘ 案内溝

Claims (4)

1. 凸形球面形状を呈するボール面（１ａ）を有するボールバルブ（１）と、前記ボール面（１ａ）に押し付けられるシート面（２ａ）を有するリング円板状のバルブシート（２）とを備え、前記ボールバルブ（１）を回動操作することで少なくとも開閉操作が行われるバルブ装置において、
   前記シート面（２ａ）の内径側に前記ボール面（１ａ）の曲率と同じ曲率の凹形球面形状を呈する環状の第１リング面（Ｒ１）を設け、
   前記シート面（２ａ）の外径側に前記ボール面（１ａ）の曲率より小さい曲率の凹形球面形状を呈する環状の第２リング面（Ｒ２）を設け、
   前記バルブシート（２）のうち前記シート面（２ａ）とは反対側の面をシート裏面とした場合、前記シート裏面側に、当該バルブ装置の内部に流入する流体を導く背圧空間（α）を設け、
   閉弁時に前記ボール面（１ａ）と前記第２リング面（Ｒ２）の間に形成される環状隙間（β）に、前記背圧空間（α）へ導かれる流体と共通の流体を導き、
   前記バルブシート（２）を樹脂で設け、
   前記第２リング面（Ｒ２）の外径端から前記第２リング面（Ｒ２）の内径方向へ向かう溝形状を呈する案内溝（γ）を前記第２リング面（Ｒ２）に設け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、
   前記シート面（２ａ）には、前記第１リング面（Ｒ１）と前記第２リング面（Ｒ２）を区画する環状のリング溝（Ｒ３）が設けられ、
   前記案内溝（γ）は、前記第２リング面（Ｒ２）に複数設けられ、前記第２リング面（Ｒ２）の外径端と前記リング溝（Ｒ３）を繋ぐ径方向へ伸びる溝であることを特徴とするバルブ装置。
3. 請求項１に記載のバルブ装置において、
   前記シート面（２ａ）には、前記第１リング面（Ｒ１）と前記第２リング面（Ｒ２）を区画する環状のリング溝（Ｒ３）が設けられ、
   前記案内溝（γ）は、前記第２リング面（Ｒ２）に格子状に多数形成されて前記第２リング面（Ｒ２）の外径端と前記リング溝（Ｒ３）を繋ぐメッシュ形状の溝であ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、
   前記バルブシート（２）は、流体通路の一部を成す筒形状を呈したスリーブ（８）に支持され、
   前記スリーブ（８）の一端には、外径方向に拡径して前記シート裏面に接するリング板（８ｂ）が設けられ、
   前記背圧空間（α）へ導かれた流体の圧力は、前記リング板（８ｂ）を介して前記シート裏面に印加されることを特徴とするバルブ装置。

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