JP2018123856A - バルブ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の圧力による回転力の発生を抑制しつつ、密閉性の低下を抑制することが可能なバルブ装置を提供する。
【解決手段】球面状の内周面１１を有する環状に形成され、当該内周面１１によって流体の流通経路を形成するバルブシート１０と、前記流通経路の開度を変更可能な板状のバルブ２０と、前記バルブ２０の外周に亘って設けられ、前記バルブ２０が前記流通経路を閉塞する際に前記バルブ２０と前記バルブシート１０の内周面との間を密閉するシールリング３０と、を具備し、前記シールリング３０は、前記バルブ２０と異なる熱膨張率を有し、熱による変形に伴って前記バルブ２０に対して前記バルブ２０の板厚方向に相対的に移動可能とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体通路を開閉するバルブ装置の技術に関する。

従来、流体通路を開閉するバルブ装置の技術は公知となっている。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１には、流体通路が形成されるハウジングと、流体通路の内部に回転可能に配置されるバルブと、を具備するバルブ装置が記載されている。また当該バルブの外周縁には、バルブと流体通路の内壁との隙間を無くすシールリングが配置されている。このようなシールリングを用いることで、当該バルブ装置のシール性を向上させることができる。

しかしながら、特許文献１に記載の技術において、使用されるシールリングは弾性を持たせるためにリング上に切欠きが設定されているため、密閉性が損なわれていた。また周囲の温度等の影響によってシールリングに変形（例えば、膨張等）が生じた場合やシールリングやハウジングの寸法にばらつきが生じた場合に、バルブ装置の密閉性が低下してしまうおそれがあった。

そこで、密閉性の低下を防止するために、シールリングをバルブに対して相対移動可能に設ける方法が考えられる。当該方法の概略を、図１０を用いて説明する。

図１０（ａ）に示すバルブ装置９０１は、環状に形成され、内周面によって流体の流通経路を形成するバルブシート９１０と、流通経路の開度を変更可能な板状のバルブ９２０と、バルブ９２０を回転可能に支持する回転軸９４０と、バルブ９２０の外周に亘って設けられ、バルブ９２０が前記流通経路を閉塞する際にバルブ９２０とバルブシート９１０の内周面との間を密閉するシールリング９３０と、を具備する。また、シールリング９３０は、バルブ９２０に対して当該バルブ９２０の径方向に相対的に移動可能に設けられている。なお、流体は、図１０における紙面右方から左方に向かって流通するものとする。

このようなバルブ装置９０１において、シールリング９３０が変形（例えば、熱膨張）すると、図１０（ｂ）に示すように、当該シールリング９３０がバルブ９２０に対して相対的に移動（図１０（ｂ）においては、紙面上方に移動）すると共に、バルブ９２０が回転軸９４０を中心に若干回転する。このように、シールリング９３０のバルブ９２０に対する相対的な移動と、バルブ９２０の回転によって、シールリング９３０は、全周に亘って隙間無くバルブシート９１０の内周面と接することができる。これによって、密閉性の低下を抑制することができる。

ここで、図１０（ａ）に示す状態においては、シールリング９３０の中心位置は、バルブ９２０の中心位置と一致しているため、当該バルブ９２０及びシールリング９３０に加わる流体の圧力による荷重Ｐは、バルブ９２０の中心位置に作用すると考えることができる。

しかし、図１０（ｂ）に示すように、シールリング９３０がバルブ９２０に対して相対的に移動した状態（偏心した状態）においては、シールリング９３０の中心位置は、バルブ９２０の中心位置に対して偏っている。このため、バルブ９２０及びシールリング９３０に加わる流体の圧力による荷重Ｐは、バルブ９２０の中心位置から偏った位置（シールリング９３０の中心位置）に作用すると考えることができる。この場合、当該荷重Ｐは、回転軸９４０の軸線Ａに対して偏った位置に作用するため、当該荷重Ｐによってバルブ９２０を回転させるような回転力が発生することになる。

このように回転力が発生した場合には、当該回転力に抗してバルブ９２０を当該位置に保持する必要があるため、回転軸９４０を回転させるモータ等の駆動源の負荷が増大してしまう。

このように、図１０に示すような構成では、密閉性の低下を抑制することはできるものの、バルブ９２０（回転軸９４０）に対して流体の圧力による回転力が発生するおそれがある点で不利であった。

特開２０１６−１５１３５０号公報

本発明は、以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、流体の圧力による回転力の発生を抑制しつつ、密閉性の低下を抑制することが可能なバルブ装置を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、球面状の内周面を有する環状に形成され、当該内周面によって流体の流通経路を形成するバルブシートと、前記流通経路の開度を変更可能な板状のバルブと、前記バルブの外周に亘って設けられ、前記バルブが前記流通経路を閉塞する際に前記バルブと前記バルブシートの内周面との間を密閉するシールリングと、を具備し、前記シールリングは、前記バルブと異なる熱膨張率を有し、熱による変形に伴って前記バルブに対して前記バルブの板厚方向に相対的に移動可能であるものである。

請求項２においては、前記シールリングの内周面は、前記バルブの外周面と接するように配置され、前記バルブの外周面は、前記バルブの板厚方向に対して傾斜するテーパ状に形成されるものである。

請求項３においては、前記シールリングの内周面は、前記バルブの外周面と同じ傾斜角度を有するテーパ状に形成されるものである。

請求項４においては、前記シールリングの内周面は、前記バルブの外周面と接するように配置されるとともに、前記バルブの板厚方向に対して傾斜するテーパ状に形成されるものである。

請求項５においては、前記バルブは、前記シールリングの前記バルブに対する移動を所定の位置で規制する規制部を具備するものである。

請求項６においては、前記バルブの中心を通る法線と交わる位置に配置され、前記バルブを回転可能に支持する回転軸をさらに具備するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、流体の圧力による回転力の発生を抑制しつつ、密閉性の低下を抑制することができる。

請求項２においては、密閉性の低下をより効果的に抑制することができる。

請求項３においては、密閉性の低下をより効果的に抑制することができる。

請求項４においては、密閉性の低下をより効果的に抑制することができる。

請求項５においては、シールリングがバルブから脱落するのを防止することができる。

請求項６においては、流体の圧力による回転力の発生をより効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るバルブ装置の側面一部断面図。 同じく、平面一部断面図。 バルブ及びシールリングを示す分解平面図。 流体通路を開放した状態のバルブ装置を示す平面一部断面図。 （ａ）図２の一部拡大図。（ｂ）シールリングとバルブシートが干渉する様子を示す一部拡大図。 シールリングが移動した様子を示す一部拡大図。 シールリングが移動した様子を示す平面一部断面図。 第一変形例に係るシールリングを示した一部拡大図。 第二変形例に係るバルブ装置の平面一部断面図。 （ａ）シールリングをバルブに対して相対移動可能に構成したバルブ装置の一例を示す断面図。（ｂ）シールリングがバルブに対して相対移動した状態を示す断面図。

以下では、図中の矢印Ｕ、矢印Ｄ、矢印Ｆ、矢印Ｂ、矢印Ｌ及び矢印Ｒで示した方向を、それぞれ上方向、下方向、前方向、後方向、左方向及び右方向と定義して説明を行う。

まず、図１から図３までを用いて、本発明の一実施形態に係るバルブ装置１の構成について説明する。

図１及び図２に示すバルブ装置１は、流体が流通する経路（流体通路）を開閉することによって、流体の流量を調節する、いわゆるバタフライバルブである。バルブ装置１は、例えば排気ガス再循環用の流体通路に適用することで、エンジンに還流させる排気ガス量を調節することができる。バルブ装置１は、主としてバルブシート１０、バルブ２０、シールリング３０及び回転軸４０を具備する。

バルブシート１０は、流体通路の一部を形成するものである。バルブシート１０は正面視環状に形成され、当該バルブシート１０の内側を流体が流通することができる。すなわち、バルブシート１０（より詳細には、バルブシート１０の内周面１１）は、流体通路の一部を形成することになる。なお、本実施形態においては、流体は後方から前方へと流通するものとする。

バルブシート１０の内周面１１は、球面状となるように形成される。具体的には、内周面１１は、バルブシート１０の前方に位置する点Ｃを中心とする球面状に形成される。

バルブ２０は、流体通路を開閉することによって、当該流体通路を流通する流体の流量を調節するものである。図３に示すように、バルブ２０は第一部材２１及び第二部材２２により形成される。

第一部材２１は、主として平板部２１ａ及び連結部２１ｂを具備する。

平板部２１ａは、背面視円形の略平板状に形成された部分である。

連結部２１ｂは、平板部２１ａの後側面から後方に向かって延設された部分である。連結部２１ｂは、背面断面視円形状に形成される。連結部２１ｂの外周面は、前方から後方に向かって徐々に縮径するテーパ状に形成される。連結部２１ｂの前端の外径は、平板部２１ａの外径よりも小さくなるように形成される。

第二部材２２は、第一部材２１の平板部２１ａと前後略対象な形状（正面視円形の略平板状）に形成される。

バルブ２０は、第一部材２１の連結部２１ｂの後端を、第二部材２２の前側面の中央に適宜の方法で固定することによって形成される。このようにして、第一部材２１の平板部２１ａと第二部材２２との間（連結部２１ｂの外側）には、溝部２３（図１及び図２参照）が形成される。図１及び図２に示す溝部２３は、バルブ２０の外周面の全周に亘って形成される。

シールリング３０は、バルブ２０とバルブシート１０（内周面１１）との隙間を無くすことで、当該バルブ２０とバルブシート１０との間を密閉するものである。シールリング３０は、背面視において切欠きのない円環状に形成される。シールリング３０の前後幅（厚み）は、バルブ２０の溝部２３の前後幅よりも小さくなるように形成される。シールリング３０の外径は、バルブ２０の外径よりも大きくなるように形成される。シールリング３０の内周面は、前方から後方に向かって徐々に縮径するテーパ状に形成される。シールリング３０の内周面の傾斜角度は、バルブ２０の連結部２１ｂの外周面の傾斜角度と略同一となるように形成される。

シールリング３０は、バルブ２０（特に、連結部２１ｂ）と異なる熱膨張率を有する材料により形成される。より具体的には、シールリング３０は、バルブ２０よりも熱膨張率の高い材料により形成される。

図３に示すように、シールリング３０に、第一部材２１の連結部２１ｂが挿通された状態で、当該第一部材２１と第二部材２２とが固定されることで、シールリング３０がバルブ２０の溝部２３に配置される。

図１及び図２に示す回転軸４０は、バルブ２０の回転中心となるものである。回転軸４０は、長手方向を上下方向に向けて配置される。回転軸４０は、図示せぬアクチュエータ（例えば、モータ等）に連結される。回転軸４０は、当該アクチュエータによって任意の角度に回転させることができる。

回転軸４０（より詳細には、回転軸４０の軸線Ａ）は、平面視（軸線Ａ方向視）において点Ｃとは異なる位置（オフセットした位置）に配置される。具体的には、軸線Ａは、平面視において、点Ｃに対して前後方向一側、本実施形態においては後側（バルブシート１０側）に偏った位置に配置される（図２参照）。軸線Ａは、左右方向においてバルブ２０の中心位置の前方（バルブ２０の中心を通る法線と交わる位置）に配置される。

回転軸４０は、連結部４１を介してバルブ２０に連結される。回転軸４０が回転すると、バルブ２０も当該回転軸４０と一体的に回転することになる。このように、回転軸４０を回転させることで、バルブ２０をバルブシート１０に対して相対的に移動させる（相対位置を変更する）ことができる。

なお、図面の簡略化のため、図１及び図２以外の図では、回転軸４０の軸線Ａのみを図示し、回転軸４０の図示は省略している。

以下では、上述の如く構成されたバルブ装置１により流体通路を開閉する様子について説明する。なお、図２及び図４に示すバルブ装置１の動作は、周囲が一定の温度（例えば、室温）である状態で行われるものとする。

流体通路を閉塞する場合、図２に示すように、バルブ２０が流体通路を流通する流体の流れ（前後方向）に対して垂直になるように、すなわちバルブ２０の後側面がまっすぐ後方を向くように、回転軸４０を回転させる。この際、シールリング３０の外周部は、バルブシート１０の内周面１１に接する。バルブシート１０の内周面１１は球面状に形成されているため、円形状に形成されたシールリング３０の外周部は、全周に亘って隙間無くバルブシート１０の内周面１１と接することができる。

また、シールリング３０の外周部がバルブシート１０の内周面１１と接した状態において、シールリング３０の内周面は、周方向全周に亘って隙間なく連結部２１ｂの外周面と接する。このようにして、流体通路（バルブシート１０）が閉塞され、流体は当該流体通路を流通することができなくなる。

なお、このようにバルブ２０の後側面がまっすぐ後方を向くように配置された状態において、シールリング３０とバルブシート１０及びバルブ２０とが隙間なく接するように、予めバルブシート１０、バルブ２０及びシールリング３０の寸法が設定されている。

流体通路を開放する場合、図４に示すように、回転軸４０を所定の方向（本実施形態においては、平面視反時計回り）に回転させる。ある程度回転軸４０（バルブ２０）が回転すると、シールリング３０がバルブシート１０の内周面１１から離間する。これによって流体通路（バルブシート１０）が開放され、流体は当該流体通路を前方へと流通することができる。

以下では、周囲の温度の変化により、シールリング３０等が変形した場合のバルブ装置１の様子について説明する。

例えば、周囲の温度が高温になった場合、シールリング３０やバルブ２０等は熱によって変形（膨張）する。なお、本実施形態においては、説明を簡略化するため、バルブ２０及びシールリング３０のみが熱によって膨張し、バルブシート１０や回転軸４０は膨張しないものと仮定して説明する。

通常であれば、バルブ２０及びシールリング３０が熱によって変形するとバルブシート１０とバルブ２０の間の密閉性が損なわれてしまう。しかし本実施形態に係るバルブ装置１では、バルブ２０及びシールリング３０が変形しても当該密閉性を維持できるように構成されている。

具体例を挙げて説明すると、例えば周囲の温度が室温である状態においては、前述の如く、バルブ２０の後側面がまっすぐ後方を向いた状態で、シールリング３０の外周部がバルブシート１０の内周面１１に接するとともに、シールリング３０の内周面が連結部２１ｂの外周面と接することができる（図２及び図５（ａ）参照）。

ここで、当該状態（バルブ２０が流体通路を閉塞した状態）において、周囲の温度が上昇した場合を想定する。この場合、バルブ２０及びシールリング３０が熱によって変形（熱膨張）する。シールリング３０の熱膨張率は、バルブ２０の熱膨張率よりも高いため、図５（ｂ）に示すように、当該バルブ２０及びシールリング３０の膨張によって、シールリング３０の内周面と連結部２１ｂの外周面とが離間するおそれがある。また、図５（ｂ）に示すように、シールリング３０の膨張によって、当該シールリング３０の外周部とバルブシート１０の内周面１１とが大きく干渉するおそれがある。

しかしながら、本実施形態においては、連結部２１ｂの外周面及びシールリング３０の内周面はテーパ状に形成されているため、図６及び図７に示すように、シールリング３０はバルブ２０（連結部２１ｂ）及びバルブシート１０の両方と接することができる位置まで前方へと移動する。

このように、バルブ２０及びシールリング３０が熱によって変形した場合には、シールリング３０が溝部２３内をバルブ２０の板厚方向に適宜移動することによって、シールリング３０の内周面と連結部２１ｂの外周面とを接した状態に維持できる。また、シールリング３０の外周部とバルブシート１０の内周面１１との干渉を小さく抑制することができる。これによって、バルブ装置１は、バルブシート１０とバルブ２０の間の密閉性を維持することができる。

なお、周囲の温度が低温になった場合にも、シールリング３０が溝部２３内をバルブ２０の板厚方向（高温になった場合とは逆の方向）に適宜移動することによって、密閉性を維持することができる。

また、本実施形態に係るバルブ装置１では、バルブシート１０とバルブ２０の間の密閉性を維持するために、図１０に示した例のようにバルブ２０が回転する必要がないため、流体の圧力による回転力が発生するのを抑制することができる。これによって、回転軸４０を駆動するアクチュエータの負荷の増大を抑制することができる。

なお、このようにシールリング３０がバルブ２０の板厚方向に移動することで、バルブシート１０とバルブ２０の間の密閉性を維持できる（シールリング３０とバルブシート１０及びバルブ２０とが接する）ように、バルブ２０やシールリング３０の熱膨張率や、連結部２１ｂの外周面及びシールリング３０の内周面の傾斜角度（テーパ角度）は、予め調整されている。

また、シールリング３０の移動は、バルブ２０の平板部２１ａ及び第二部材２２によって規制されている。これによって、シールリング３０がバルブ２０の溝部２３から脱落するのを防止することができる。

また実際には、温度の不均一等によってシールリング３０とバルブシート１０との干渉を完全に無くすことができない場合があるが、多少の干渉はシールリング３０の弾性変形によって解消することができる。

なお、本実施形態においては、便宜上、バルブ２０及びシールリング３０のみが熱によって膨張するものとして説明を行ったが、実際には、その他の部材（バルブシート１０及び回転軸４０）の熱膨張率も考慮して、バルブ２０やシールリング３０の熱膨張率や、連結部２１ｂの外周面及びシールリング３０の内周面の傾斜角度（テーパ角度）を予め調整することが望ましい。

以上の如く、本実施形態に係るバルブ装置１は、
球面状の内周面１１を有する環状に形成され、当該内周面１１によって流体の流通経路を形成するバルブシート１０と、
前記流通経路の開度を変更可能な板状のバルブ２０と、
前記バルブ２０の外周に亘って設けられ、前記バルブ２０が前記流通経路を閉塞する際に前記バルブ２０と前記バルブシート１０の内周面との間を密閉するシールリング３０と、
を具備し、
前記シールリング３０は、
前記バルブ２０と異なる熱膨張率を有し、熱による変形に伴って前記バルブ２０に対して前記バルブ２０の板厚方向に相対的に移動可能なものである。

このように構成することにより、流体の圧力による回転力の発生を抑制しつつ、密閉性の低下を抑制することができる。すなわち、シールリング３０等が変形（膨張等）したとしても、シールリング３０がバルブ２０に対して当該バルブ２０の板厚方向に相対的に移動することで、当該シールリング３０とバルブシート１０との接触を維持することができ、ひいては密閉性の低下を抑制することができる。またこの際、バルブ２０を回転させる必要がないため、流体の圧力による回転力の発生を抑制することができる。

また、前記シールリング３０の内周面は、
前記バルブ２０の外周面（連結部２１ｂの外周面）と接するように配置され、
前記バルブ２０の外周面は、
前記バルブ２０の板厚方向に対して傾斜するテーパ状に形成されるものである。

このように構成することにより、密閉性の低下をより効果的に抑制することができる。すなわち、シールリング３０等が変形（膨張等）したとしても、シールリング３０がバルブ２０に対して当該バルブ２０の板厚方向に相対的に移動することで、当該シールリング３０とバルブ２０との接触を維持することができ、ひいては密閉性の低下を抑制することができる。

また、前記シールリング３０の内周面は、
前記バルブ２０の外周面（連結部２１ｂの外周面）と同じ傾斜角度を有するテーパ状に形成されるものである。

このように構成することにより、密閉性の低下をより効果的に抑制することができる。すなわち、バルブ２０とシールリング３０との接触面積を広く確保することで、当該バルブ２０とシールリング３０との密閉性の低下を抑制することができる。

また、前記バルブ２０は、
前記シールリング３０の前記バルブ２０に対する移動を所定の位置で規制する平板部２１ａ及び第二部材２２（規制部）を具備するものである。

このように構成することにより、シールリング３０がバルブ２０から脱落するのを防止することができる。

また、バルブ装置１は、前記バルブ２０の中心を通る法線と交わる位置に配置され、前記バルブ２０を回転可能に支持する回転軸４０をさらに具備するものである。

このように構成することにより、流体の圧力による回転力の発生をより効果的に抑制することができる。すなわち、流体の圧力による荷重が作用すると考えられるバルブ２０の中心位置に合わせて回転軸４０を配置することで、当該流体の圧力による回転力を発生し難くすることができる。

なお、本実施形態に係る平板部２１ａ及び第二部材２２は、本発明に係る規制部の実施の一形態である。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明は上記構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態においては、バルブ装置１を排気ガス再循環用の流体通路に適用する例を説明したが、本発明はこれに限るものではなく、種々の流体通路に適用することが可能である。

また、バルブ装置１を構成する各部材の構成（形状、大きさ等）は本実施形態のものに限らず、任意に変更することができる。

また、本実施形態においては、バルブ２０（連結部２１ｂ）の外周面及びシールリング３０の内周面がテーパ状に形成されるものとしたが、本発明はこれに限るものではなく、例えばバルブ２０（連結部２１ｂ）の外周面のみがテーパ状に形成されるものであってもよい。この場合、シールリング３０の内周面の形状は特に限定しない。

また、図８に示す第一変形例のように、シールリング３０の内周面のみがテーパ状に形成されるものであってもよい。なお、図８に示した例では、バルブ２０（連結部２１ｂ）の外周面は、当該バルブ２０の板厚方向に平行に形成されている。また当該バルブ２０（連結部２１ｂ）の外周面の後部（紙面右側）は、前部（紙面左側）よりも縮径するように（径が小さくなるように）形成されている。このようにして、連結部２１ｂの外周面に形成された段差部分と、シールリング３０の内周面とが接している。

以上の如く、第一変形例において、前記シールリング３０の内周面は、
前記バルブ２０の外周面（連結部２１ｂの外周面）と接するように配置されるとともに、前記バルブ２０の板厚方向に対して傾斜するテーパ状に形成されるものである。

このように構成することにより、密閉性の低下をより効果的に抑制することができる。なお、バルブ２０（連結部２１ｂ）の外周面の形状は図８に示した例に限らず、任意に変更することが可能である。

また、本実施形態においては、シールリング３０の熱膨張率は、バルブ２０の熱膨張率よりも高いものとして説明したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、シールリング３０とバルブ２０の熱膨張率は異なっていればよく、例えばシールリング３０の熱膨張率は、バルブ２０の熱膨張率よりも小さくてもよい。この場合、図９に示す第二変形例のように、バルブ２０の連結部２１ｂの外周面及びシールリング３０の内周面のテーパ角度を前述の実施形態とは逆に（すなわち、前方から後方に向かって徐々に拡径するように）形成することで、前述の実施形態と同様に密閉性の低下を抑制することができる。

１ バルブ装置
１０ バルブシート
１１ 内周面
２０ バルブ
３０ シールリング
４０ 回転軸

Claims (6)

1. 球面状の内周面を有する環状に形成され、当該内周面によって流体の流通経路を形成するバルブシートと、
   前記流通経路の開度を変更可能な板状のバルブと、
   前記バルブの外周に亘って設けられ、前記バルブが前記流通経路を閉塞する際に前記バルブと前記バルブシートの内周面との間を密閉するシールリングと、
   を具備し、
   前記シールリングは、
   前記バルブと異なる熱膨張率を有し、熱による変形に伴って前記バルブに対して前記バルブの板厚方向に相対的に移動可能である、
   バルブ装置。
2. 前記シールリングの内周面は、
   前記バルブの外周面と接するように配置され、
   前記バルブの外周面は、
   前記バルブの板厚方向に対して傾斜するテーパ状に形成される、
   請求項１に記載のバルブ装置。
3. 前記シールリングの内周面は、
   前記バルブの外周面と同じ傾斜角度を有するテーパ状に形成される、
   請求項２に記載のバルブ装置。
4. 前記シールリングの内周面は、
   前記バルブの外周面と接するように配置されるとともに、前記バルブの板厚方向に対して傾斜するテーパ状に形成される、
   請求項１に記載のバルブ装置。
5. 前記バルブは、
   前記シールリングの前記バルブに対する移動を所定の位置で規制する規制部を具備する、
   請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載のバルブ装置。
6. 前記バルブの中心を通る法線と交わる位置に配置され、前記バルブを回転可能に支持する回転軸をさらに具備する、
   請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のバルブ装置。

Images