JP2017194085A - 排水弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 送風システムの排水弁において、周期的圧力変動に起因する異音の発生を抑制する。
【解決手段】 排水弁は、弾性材料製の可撓性弁体４と、弁体が取り付けられる基部３を有し、逆止弁のように構成される。弁体４は、略円盤状の弁主部４１を有し、弁主部４１の中心部で基部３に対して取り付けられている。さらに、弁主部は円錐面状に形成されている。基部３の表面には、弁主部４１の直径ＤＶよりも小さな直径ＤＢのリング状の領域Ｒが設けられていて、このリング状領域Ｒが弁主部４１と当接することによって弁が閉じられる。さらに、リング状領域Ｒよりも外周側に位置する弁主部４１の周縁部４１１が、弁が閉じられた状態で、基部３と離間している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、排水弁に関する。特に送風システムに用いられる可撓性の弁体を有する排水弁に関する。

空調装置や空冷装置等において、送風システム内部に侵入した水分を排水するよう、穴や弁体が設けられることがある。また、自動車などの内燃機関において、空気は、吸気管やエアクリーナ、消音装置などを備える吸気システムを通じて、内燃機関に供給される。激しい風雨や道路の冠水などにより、吸気システム内に、水分が侵入することがある。そのため、エアクリーナや消音装置には、内部に水分がたまらないように、排水用の穴が設けられることが多い。

また、冠水地帯を車両が走行する場合に、排水用の穴から逆に水が侵入してくることがないように、排水用の穴に排水弁を設けることもある。
例えば、特許文献１には、エアクリーナのダストパンに、環状のエッジ部で当接するよう構成された水抜き弁（排水弁）を設ける技術が開示されており、当該水抜き弁によれば、シール機能が低下しにくいことが開示されている。

実開平０５−５００６２号公報

しかしながら、従来の排水弁では、弁の開閉に伴い異音が発生するおそれがあることが判明した。特に、内燃機関の吸気システムにおいては、機関の吸気サイクルに従って吸引される空気に脈動が発生する。そのため、特定のエンジン回転数において、排水弁が設けられた部分において吸気脈動に伴う大きな圧力変化が生じ、排水弁が開閉を繰り返し、異音を発生させることがあることが判明した。特に、排水弁がレゾネータに設けられると、このような異音が発生しやすい。

本発明の目的は、排水弁に周期的な圧力変動が作用した際に生じる異音の発生を抑制することにある。

発明者は、鋭意検討の結果、弁体を所定の形状とするとともに、弁体が当接・シールされる部位を特定の位置とすることによって、圧力変動に起因する異音の発生を抑制できることを知見し、本発明を完成させた。

本発明は、送風システムに用いられる排水弁であって、排水弁は、弾性材料により形成された可撓性の弁体と、弁体が取り付けられる基部を有しており、基部には水が通過する排水穴が設けられ、前記排水穴を覆うように弁体が取り付けられて、弁体により、送風システム内に侵入した水の排水が許容される一方で、送風システムの外からの水の浸入が阻止されるよう、排水弁が構成されると共に、前記弁体は、略円盤状の弁主部を有し、弁主部の中心部で基部に対して取り付けられており、弁主部は円錐面状に形成されており、基部の表面には、弁主部の直径よりも小さな直径で前記排水穴を取り囲む、リング状の領域が設けられていて、このリング状領域が弁主部と当接することによって弁が閉じられ、かつ、前記リング状領域よりも外周側に位置する弁主部の周縁部が、弁が閉じられた状態で、基部と離間している排水弁である（第１発明）。

第１発明においては、円錐面状の弁主部を傘に見立てた際に、傘の内側に対応する弁主部の面が、基部のリング状領域と当接するよう構成されることが好ましい（第２発明）。また、第１発明においては、リング状領域の直径をＤＢとし、弁主部の直径をＤＶとして、ＤＶとＤＢの比が、１．０５≦ＤＶ／ＤＢ≦１．２５とされることが好ましい（第３発明）。

本発明の排水弁（第１発明）によれば、周期的な圧力変動に起因する異音の発生を抑制できる。また、第２発明や第３発明のようにされていれば、異音の発生の抑制効果が高められる。

第１実施形態の排水弁が吸気システムに適用された例を示す断面模式図である。 第１実施形態の排水弁の構成を示す模式図である。 第１実施形態の排水弁の構造を示す断面図である。 本発明の実施形態の排水弁の他の構造例を示す断面図である。 従来の排水弁おける弁体のばたつきを示す模式図である。 第１実施形態の排水弁による異音防止効果を示す騒音測定結果である。

以下図面を参照しながら、自動車の内燃機関の吸気システムに設けられた排水弁を例として、発明の実施形態について説明する。発明は以下に示す個別の実施形態に限定されるものではなく、その形態を変更して実施することもできる。図１は、第１実施形態の排水弁が吸気システムに適用された例を示す断面模式図である。図１では、吸気システム中の吸気管と消音器（ヘルムホルツ型レゾネータ）の部分のみを示し、エアクリーナなどの他の部分は省略している。

吸気システムにおいて、吸気管（吸気ダクト）１を通流する空気が、エアクリーナなどを経て内燃機関に供給される。本実施形態では、吸気管１から分岐するようにヘルムホルツ型レゾネータ２が設けられており、排水弁は、レゾネータ２の下部に設けられている。吸気システムの中において、排水弁が設けられる部位は消音器に限定されず、エアクリーナのチャンバーの下部や、吸気管の下部であってもよい。

図２及び図３に示すように、排水弁は、弁体４と基部３とを有していて、弁体４が基部３に取り付けられて、開閉可能に排水弁が構成される。また、弁体４はレゾネータ２の外面側に取り付けられている。なお、図２では、弁体４がレゾネータのケースの外周側から基部３に取り付けられる様子を描いている。

弁体４は、弾性材料により形成されており、可撓性を有している。弾性材料としては、典型的にはゴム材料や熱可塑性エラストマー材料が使用される。ゴム材料としては、例えば、シリコーンゴムやエチレンプロピレンジエンゴムなどが使用できる。

基部３は、レゾネータ２のチャンバー部分を画成するレゾネータケースの下面に設けられていて、基部３はレゾネータケースの一部として形成されている。基部３には、排水穴３０，３０が設けられている。排水穴３０，３０は、レゾネータ２のチャンバーの内部と外部を連通するように、基部３を貫くように設けられていて、排水穴３０，３０を水が通過して、レゾネータチャンバー内部の水が外に排出される。

弁体４は、略円盤状の弁主部４１を有し、弁主部４１の中心部で基部３に対して取り付けられる。弁主部４１は略一定の厚みを有する薄板状である。弁主部４１の厚みは中心から周縁部に向かうにつれて薄くなるように形成されていてもよい。本実施形態においては、弁主部４１は円形の周縁形状に形成されていている。そして、弁主部４１の中心部に軸部材４２が一体成形されていて、基部３の中央部に設けられた取り付け穴３２に軸部材４２が挿入され、係止されることによって、弁体４が基部３に取り付けられている。

そして、弁体４は、排水穴３０，３０を覆うように取り付けられている。このように弁体４が基部３に取り付けられて排水弁が構成され、弁体４により、吸気システム内に侵入した水の排水が許容される一方で、吸気システムの外からの水の浸入が阻止されることになる。すなわち、排水弁はいわゆる逆止弁のように動作する。

そして、弁体４の弁主部４１は円錐面状に形成されている。すなわち、弁主部４１は、円盤状であり、かつ円錐面状である、開いた傘のような形状をしている。本実施形態では、円錐状の弁主部４１を傘に見立てた際に、傘の内側に対応する弁主部の面４１ａが、基部３に当接するよう構成されている。換言すると、弁主部の面４１ａは、円錐状の弁主部４１において、円錐状の面に沿って径方向外側に進む際に、円錐の中心軸沿いに進む側の面
である。傘において、持ち手が存在する側の面ということもできる。なお、弁体４は、傘の内側に対応する弁主部の面４１ａで基部３と当接することが好ましいが、これは必須ではない。

基部３が弁体４に対向する部分の表面には、排水穴３０，３０を取り囲むように、弁主部４１の直径ＤＶよりも小さな直径ＤＢでリング状の領域Ｒが設けられている。弁主部４１と基部３とは、リング状領域Ｒの部分で当接している。リング状の領域Ｒの幅は特に限定されないが、リング状領域Ｒの幅を狭くした方が、弁主部４１との接触面圧が高められて好ましい。なお、リング状領域Ｒの直径ＤＢとは、領域Ｒのリングの幅方向の外側で測った直径とする。
そして、基部３のリング状領域Ｒが弁主部４１と当接することによって弁が閉じられる。すなわち、排水弁の止水は、リング状領域Ｒと弁主部４１が当接し、当接部がシールされることでなされる。

さらに、リング状領域Ｒよりも外周側に位置する弁主部４１の周縁部４１１が、弁が閉じられた状態で、基部３と離間している。すなわち、弁主部４１は、リング状領域Ｒにおいて基部３と当接しシールすると共に、弁主部４１の周縁部４１１が基部と接触しないようにされている。

本実施形態においては、基部３から弁主部４１に向かって突出するリング状の突出部３１が基部３に形成されていて、リング状突出部３１の突出端の外周側に傾斜面が設けられ、この傾斜面の部分が上記リング状領域Ｒとなって、上記構成が実現されている。なお、リング状領域Ｒで弁主部４１と当接させつつ、その外側では基部３と弁主部４１が当接しないようにできるのであれば、本実施形態のようにリング状の突出部３１を設けることや傾斜面とすることは必須ではなく、他の手段を用いてもよい。

また、リング状領域Ｒの直径をＤＢとし、弁主部の直径をＤＶとして、ＤＶとＤＢの比が、１．０５≦ＤＶ／ＤＢ≦１．２５とされることが好ましい。

上記実施形態の排水弁の製造方法について説明する。吸気システムの各構成部材は、公知の方法、例えば樹脂の射出成形やブロー成形などにより製造できる。排水弁の基部３は、吸気システムを構成する部材の一部として、例えば射出成形を利用して一体に形成することができる。また、基部３を樹脂や金属板等により別途製造しておいて、後で吸気システムの部材に一体化するようにしてもよい。弁体４は、弾性材料の射出成形により効率的に製造することができる。

弁体４の軸部材４２を、基部３の取り付け穴３２に挿入して、軸部材の先端部に設けられた拡径部によって、軸部材４２が基部の取り付け穴３２から脱落しないようにして、弁体４を基部３に取り付けて、上記実施形態の排水弁を組み立てる。弁体が脱落しないように組み立てられるのであれば、取付は他の手段、例えば、弁主部４１の中央部をねじ止めするような手段であってもよい。

上記実施形態の排水弁の作用と効果について説明する。
レゾネータ内部に水が侵入してくると、水の重さにより、弁体４が開弁して、水が排出される。また、車両が冠水地域を走行するなどしてレゾネータの外部まで水位が上がったような場合においては、弁体４が閉じて、即ち、弁主部４１とリング状領域Ｒの間がシールされて、レゾネータ内部への水の侵入が阻止される。
そして、上記実施形態の排水弁を内燃機関の吸気システムに用いれば、吸気脈動に起因する異音の発生を抑制できる。

従来の排水弁においては、弁体の開閉に伴い、以下のような弁体のばたつきが生じて異音が発生していた。すなわち、従来の排水弁では、図５に破線で示すように、ほぼ平板状の弁体が、弁体４’の周縁まで、排水弁基部３’と当接するように設けられた。このような弁体は中心軸方向にたわみやすく、しかも、弁体の周縁が大きく変形しやすいため、弁に圧力変動が繰り返し入力されると、弁体がその圧力変動に伴って周期的に変形し、弁体４’の周縁部が、鞭を打つように激しく基部３’に打ち付けられて異音が発生するものと、発明者は推定している。

上記実施形態の排水弁においては、弁体４の弁主部４１が円錐面状に形成されており、さらに、基部３の表面に弁主部の径よりも小さな径に設けられたリング状領域Ｒを弁主部４１と当接させて弁を閉じ、かつ、リング状領域Ｒよりも外周側に位置する弁主部４１の周縁部４１１が、弁が閉じられた状態で、基部３と離間していることにより、異音の発生が抑制される。

弁主部４１が円錐面状に形成されていることによって、弁に作用する圧力によって弁体に生ずるたわみが小さくなり、弁体がばたつきにくくなる。これは、弁主部４１が円錐面状であると、弁主部が平板状であるときと比べ変形モードが変わり、弁主部に中心軸方向にたわませる変形をさせるためには、弁主部４１の周縁部に伸び変形をさせることが必要になって、その結果弁主部４１の剛性がシェルのように高められる影響によるものである。

また、シール部であるリング状領域Ｒよりも外周側に位置する弁主部４１の周縁部４１１が、弁が閉じられた状態で、基部３と離間していることも、弁体のばたつき防止に寄与する。まず、弁主部の外周の径よりも小さな径で設けられたリング状領域Ｒでシールされることによって、弁体に加わる圧力変動の受圧面積が小さくなり、弁体に働く加振力が小さくなり、内圧変動に対して弁体がばたつきにくくなる。さらに、弁主部４１の周縁部４１１が基部３と離間しているので、弁体が多少動いても、振幅が大きい弁主部の周縁部４１１が、基部３に打ち付けられにくくなる。
この様な、剛性アップ、加振力低減、周縁部の打ち付け抑制という３つの効果が相乗的に作用して、異音の発生が抑制されるものと推定される。

さらに、排水弁が、円錐面状の弁主部４１を傘に見立てた際に、傘の内側に対応する弁主部の面４１ａが、基部３のリング状領域Ｒと当接するよう構成されていれば、異音発生の抑制効果がより高められる。仮に、傘の外側に対応する弁主部の面で基部３のリング状領域Ｒと当接するよう構成されていると、傘がたたまれるような変形モードで弁主部とリング状領域Ｒの当接が解除されうるため、このような変形モードでの弁体のばたつきが生ずるおそれがある。上記実施形態のように、傘の内側に対応する弁主部の面４１ａが、基部３のリング状領域Ｒと当接するよう構成されていれば、そのような変形モードでの当接の解除は許容されず、弁体に大きな変形が生ずることが抑制されて、異音の発生がより抑制される。

また、さらに、リング状領域Ｒの直径をＤＢとし、弁主部４１の直径をＤＶとして、ＤＶとＤＢの比が、１．０５≦ＤＶ／ＤＢ≦１．２５とされていると、異音発生の抑制効果がより高められる。リング状領域Ｒよりも外側に位置する弁主部４１の周縁部４１１は、弁主部が円錐面状であることとあいまって、弁主部の剛性を高めることに寄与している。また、リング状領域Ｒの直径ＤＢが小さければ、弁体に対する加振力を小さくできる。１．０５≦ＤＶ／ＤＢであることにより、剛性アップの効果と加振力低減の効果がより顕著となって、異音発生の抑制の点で好ましい。また、ＤＶ／ＤＢが大きくなりすぎると、弁体が開かず排水性能が不十分となったり、リング状領域Ｒの外側の部分で弁主部周縁部が局所変形してかえって基部３に打ち付けられたりしやすくなる。そのため、ＤＶ／ＤＢ≦１．２５とされることが好ましい。

図６には、上記第１実施形態の排水弁による消音効果を示す。
図１に示すような、吸気管１に取り付けられたレゾネータ２の下部に、第１実施形態の排水弁を設け試験に供した（実施例）。実施例におけるＤＶ／ＤＢは１．０８である。一方で、図５に示したような従来の排水弁でも同様の試験を行い、比較例とした。

弁に発生する異音の測定試験の概要を説明する。
吸気管１の一端を、音響加振可能なスピーカー装置に接続し、レゾネータが共鳴するように音響加振を行った。具体的には、約６０Ｈｚで吸気管１を音響加振し、レゾネータを共鳴させた。かかる状態で、排水弁の挙動を観察し、排水弁の外側５ｃｍの位置で排水弁付近の騒音を測定して周波数分析を行った。実施例と比較例とで条件をそろえて試験を行い、図６の騒音測定結果を得た。

実施例と比較例の間で、排水性能や水の侵入防止性能には差がなかった。
比較例では、排気弁が脈動によりばたついて異音が出ていた。一方で、上記第１実施形態の排水弁を用いた実施例においては、排気弁の開閉こそ目視できるものの、ばたつきによる異音はほぼ聞き取れなくなっていた。図６の騒音測定結果では、そのような異音の有無が、６００Ｈｚ以上の周波数領域での騒音レベルの差となって現れている。このように、上記第１実施形態の排水弁を用いると、開弁の動作そのものは維持しながらも、弁体の開閉に伴う弁体の変形モードを変化させ、異音の発生を抑制できることが確認できた。

発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の改変をして実施することができる。以下に発明の他の実施形態について説明するが、以下の説明においては、上記実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様である部分についてはその詳細な説明を省略する。また、以下に示す実施形態は、その一部を互いに組み合わせて、あるいは、その一部を置き換えて実施できる。

図４には、第２実施形態の排水弁の構造の例を断面図で示す。本実施形態においては、弁主部４１が当接するリング状領域Ｒよりも外側で、基部３に弁主部の周縁部４１１が接触しないよう、逃げ部３５を形成している点が第１実施形態と異なっているが、他の点は同様である。このような構造としても、基部３の表面には、弁主部４１の直径よりも小さな直径で前記排水穴を取り囲むように、リング状の領域Ｒを設けて、このリング状領域Ｒが弁主部４１と当接することによって弁が閉じられ、かつ、前記リング状領域Ｒよりも外周側に位置する弁主部４１の周縁部４１１が、弁が閉じられた状態で基部３と離間している、との構成を具体化することができる。本実施形態でも、同様に、弁体の開閉に伴う異音の発生を抑制できる。

また、上記実施形態の説明においては、排水弁が内燃機関の吸気システムに使用される例について説明したが、これに限定されず、本発明の排水弁は、送風システム全般に使用可能であり、各送風システムにおいて、排水と止水を両立する逆止弁のように機能する上に、排水弁に周期的圧力変動が作用することになっても、弁体がばたついて異音が生じることを抑制できる。送風システムの例としては、上記した内燃機関の吸気システムの他、エアコン用の送風システムや、組電池を冷却するための冷却風の送風システムなどが例示でき、排水弁は、これら送風システム中のダクトやケース、チャンバー、消音器などに設けることができる。

本発明の排水弁は、内燃機関の吸気システムに好ましく用いることができるが、吸気システム内における取付け箇所については特に制限はなく、水がたまりやすい部分、例えば、エアクリーナのチャンバーの下部や、吸気管が屈曲した部分の下部などに設けてもよい。サイドブランチの下部に設けてもよい。内燃機関の種類や用途は特に限定されない。また、内燃機関は、自動車用であってもよく、自動二輪車用であってもよく、備え付けのもしくは可搬式の内燃機関であってもよい。また、内燃機関は４ストローク式であってもよく２ストローク式であってもよい。

また、本発明の排水弁が取り付けられる向きについても特に制限はない。排水がより確実に行われうるとの観点からは、弁体の中心軸がほぼ鉛直方向を向くように、排水弁が設けられることが好ましいが、これに限定されず、排水弁は、弁体の中心軸が斜めに傾いて、もしくはほぼ水平となるように設けられてもよい。

また、本発明の排水弁の周囲を取り囲むように、基部の周囲に円筒状の筒部を設けたり、基部を膨出形成してもよい。このようにすれば、気流や水流が排水弁の弁体に直接当たって、弁体がめくれあがってしまう現象の発生が予防できる。

本発明の排水弁は例えば自動車の内燃機関の吸気システムに使用でき、システムに侵入した水を排水できて産業上の利用価値が高い。

１ 吸気管
２ レゾネータ
３ 基部
３０ 排水穴
３１ リング状突出部
３２ 取り付け穴
４ 弁体
４１ 弁主部
４１ａ 弁主部の内側の面
４２ 軸部材

Claims (3)

1. 送風システムに用いられる排水弁であって、
   排水弁は、弾性材料により形成された可撓性の弁体と、弁体が取り付けられる基部を有しており、
   基部には水が通過する排水穴が設けられ、前記排水穴を覆うように弁体が取り付けられて、弁体により、送風システム内に侵入した水の排水が許容される一方で、送風システムの外からの水の浸入が阻止されるよう、排水弁が構成されると共に、
   前記弁体は、略円盤状の弁主部を有し、弁主部の中心部で基部に対して取り付けられており、
   弁主部は円錐面状に形成されており、
   基部の表面には、弁主部の直径よりも小さな直径で前記排水穴を取り囲む、リング状の領域が設けられていて、このリング状領域が弁主部と当接することによって弁が閉じられ、
   かつ、前記リング状領域よりも外周側に位置する弁主部の周縁部が、弁が閉じられた状態で、基部と離間している
   排水弁。
2. 円錐面状の弁主部を傘に見立てた際に、傘の内側に対応する弁主部の面が、基部のリング状領域と当接するよう構成された請求項１に記載の排水弁。
3. リング状領域の直径をＤＢとし、弁主部の直径をＤＶとして、ＤＶとＤＢの比が、１．０５≦ＤＶ／ＤＢ≦１．２５とされた請求項１または請求項２に記載の排水弁。

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