JP2019039441A - 複合シールリング - Google Patents

Abstract

【課題】内圧によるバルブ外周溝からの脱落を防止し、また、高温クリープ後の張力を確保する複合シールリングを提供する。【解決手段】複合シールリング１０１は、樹脂製のシールリング３０１と、金属製のスプリング５０と、を備える。シールリング３０１は、回動変位により通路を開閉するバルブの外周溝に装着され、バルブの全閉時に、通路を形成する通路部の内壁とバルブとの間をシールする。スプリング５０は、シールリング３０１の径方向の幅の範囲内に環状に配置される。例えばスプリング５０は、シールリング３０１の軸方向の一方の端面３１に形成されたスプリング溝３５に収容される。スプリング５０は、シールリング３０１に作用する圧力又はシールリング３０１の変形に応じて、シールリング３０１を径外方向及び径内方向に押圧可能である。【選択図】図３

Description

本発明は、樹脂製のシールリングに金属製のスプリングが組み合わされてなる複合シールリングに関する。

従来、排気再循環（以下「ＥＧＲ」）ガス等が流れる通路の開閉に用いられるバタフライ弁式のバルブ装置において、バルブの外周溝に装着され、バルブの外周壁と通路部の内壁との隙間をシールするシールリングが知られている。

このようなバルブ装置においてガス通路部の環境温度は、寒冷地で放置された状態での低温から、排気ガスにさらされる高温までの広範囲にわたる。また、バルブ、シールリング、ガス通路部を構成するノズル等の材質がそれぞれ異なるため、各材質の線膨張差を考慮したクリアランスが設定されている。

例えば特許文献１に開示されたバルブ装置では、それ以前に一般的に使用されていた金属製のシールリングに代えて、樹脂製のシールリングが用いられる。金属製シールリングを用いる場合、相手側であるガス通路部の内周摺動面は、摩耗防止のため表面処理等による硬度確保が必要であるのに対し、樹脂シールリングではその必要がない。したがって、ガス通路部の表面処理廃止等の簡素化が可能である。

特開２０１６−２１１６７８号公報

樹脂製シールリングは、弾性変形によりシール性能を確保することができる反面、高温時の剛性不足という欠点がある。そのため、バルブ開時にシールリングが内圧を受けて径外方向に弾性変形し、バルブ外周溝から脱落するおそれがある。脱落したシールリングがバルブと通路部との間に噛み込むと、シールリングが折損したり、バルブがロックしたりするおそれがある。
また、樹脂の高温クリープによってシールリングの張力が低下し、通路部とのシール面圧が低下しシール不良に至るおそれがある。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、内圧によるバルブ外周溝からの脱落を防止し、また、高温クリープ後の張力を確保する複合シールリングを提供することにある。

本発明の複合シールリングは、樹脂製のシールリング（３０１−３０６）と、金属製のスプリング（５０）と、を備える。
樹脂製のシールリングは、回動変位により通路（８０）を開閉するバルブ（７０）の外周溝（７５）に装着され、バルブの全閉時に、通路を形成する通路部（８１）の内壁（８４）とバルブとの間をシールする。
金属製のスプリングは、シールリングの径方向の幅の範囲内に環状に配置され、シールリングに作用する圧力又はシールリングの変形に応じて、シールリングを径外方向及び径内方向に押圧可能である。

例えばスプリングは、シールリング（３０１−３０４、３０６）の軸方向の一方の端面（３１）に形成されたスプリング溝（３５）に収容されている。或いは、スプリングは、少なくとも一部がシールリング（３０５）の内部に埋め込まれている。

本発明の複合シールリングは、樹脂シールリングに組み合わされる金属スプリングの自由直径と張力との設定により、内圧に対する剛性確保、及び、高温時の張力確保が可能となる。したがって、特に樹脂剛性が低下する高温時における「内圧によるバルブ外周溝からの脱落」及び「高温クリープ後の張力低下」という従来技術の樹脂製シールリングの問題点を好適に解決することができる。

ＥＧＲバルブ装置の概略断面図。 図１のＩＩ部拡大断面図。 第１実施形態の複合シールリングの（ａ）正面図、（ｂ）図３（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線切断部拡大端面図。 バルブ全閉時における複合シールリングの作用を説明する模式断面図。 バルブ開時における複合シールリングの作用を説明する模式断面図。 第２実施形態の複合シールリングの（ａ）合口位置が一致している状態、（ｂ）合口位置がずれている状態での正面図。 第３実施形態の複合シールリングの正面図。 第４実施形態の複合シールリングの正面図。 第５実施形態の複合シールリングの（ａ）正面図、（ｂ）図９（ａ）のＩＸｂ−ＩＸｂ線切断部拡大端面図。 第６実施形態の複合シールリングの（ａ）図１０（ｂ）のＸａ方向矢視展開図、（ｂ）正面図。 従来技術の樹脂製シールリングの（ａ）正面図、（ｂ）図１１（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線切断部拡大端面図。 樹脂製シールリングが剛性不足により変形する作用を説明する（ａ）正面図、（ｂ）図１２（ａ）のＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線模式断面図。 樹脂製シールリングがバルブ外周溝から脱落する作用を説明する（ａ）正面図、（ｂ）図１３（ａ）のＸＩＩＩｂ−ＸＩＩＩｂ線模式断面図。

以下、複合シールリングの複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態及び従来技術において、実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。また、以下の第１〜第６実施形態を包括して「本実施形態」という。
本明細書で「複合シールリング」とは、樹脂製のシールリングに金属製のスプリングが組み合わされてなるシールリングをいう。本実施形態の複合シールリングは、排気の一部を吸気通路に還流するＥＧＲシステムにおいて、ＥＧＲガスの通路開閉及び開度調整を行うバルブ装置に適用される。

［バルブ装置の構成］
図１、図２に、バルブ装置の概略構成を示す。その概要は特許文献１（特開２０１６−２１１６７８号公報）に記載された内容と同様であるため、詳細な説明を省略し、簡単に説明する。図１、図２において、複合シールリングは、第１実施形態の複合シールリング１０１を代表として図示する。

バルブ装置９０は、ＥＧＲガスの通路８０を有するハウジング９１、ハウジング９１内でシャフト９５と一体に回動し、回動変位により通路を開閉するバタフライ弁であるバルブ７０、及び、センサケース９６等を備えている。
ハウジング９１内で通路８０を形成する部分のうち、バルブ７０が回動する部分を通路部８１と記す。図１、図２の構成例では、ハウジング９１の孔に内挿されたノズルにより通路部８１が構成されており、このノズルの内壁が「通路部８１の内壁」に相当する。
例えばハウジング９１はアルミニウム合金のダイカスト製であり、ノズルは、耐熱性や耐腐食性に優れたステンレス等により形成されている。

シャフト９５は、ハウジング９１内に設けられた軸受９２、９４によって回動自在に支持されている。軸受９２と軸受９４との間にはシール部材９３が設けられている。シャフト９５は、図示しないモータの回転が減速しつつ伝達されて回動する。
バルブ７０は、シャフト９５の先端部に、シャフト９５の軸に対して傾斜した状態で固定され、シャフト９５と一体に回動することにより通路８０の開度を調整する。
センサケース９６は、シャフト９５の回転角度を検出することでバルブ７０の開度を検出する回転角センサ９７が収容されている。リターンスプリング９８は、バルブ７０を閉弁方向に向けて付勢する

バルブ７０は、円板形状であり、外周縁の全周に亘って断面が矩形状の外周溝７５が形成されている。外周溝７５には、樹脂製のシールリング３０１及び金属製のスプリングが組み合わされてなる複合シールリング１０１が収容される。
シールリング３０１は、ＰＰＳ、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ等の樹脂材料で成形された平板状のリングである。シールリング３０１は、弾性変形可能であり、バルブ７０の全閉時に、バルブ７０と通路部８１の内壁８４との間をシールする。

スプリング５０は、バネ性を有する金属線材によって形成され、シールリング３０１の径方向の幅の範囲内に環状に配置されている。
ただし、各実施形態によって、スプリング５０がシールリングの径方向の幅の範囲内に配置される詳細な構成が異なる。以下、複合シールリングの詳細な構成及び作用効果について実施形態毎に説明する。各実施形態の複合シールリング及び樹脂製のシールリングの符号は、それぞれ、「１０」、「３０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。

（第１実施形態）
図３（ａ）、図３（ｂ）を参照し、第１実施形態の複合シールリング１０１の構成を説明する。第１実施形態の複合シールリング１０１は、シールリング３０１の軸方向の一方の端面３１に形成されたスプリング溝３５にスプリング５０が収容されている。
シールリング３０１の軸方向断面は、軸方向の一方の端面３１、他方の端面３２、内周面３３及び外周面３４に囲まれた略矩形状であり、一方の端面３１にスプリング溝３５が形成されている。スプリング溝３５は、溝底壁３５２、径方向内側の溝内壁３５３、及び、径方向外側の溝内壁３５４を有し、スプリング５０を収容可能に形成されている。スプリング５０は、スプリング溝３５に収容されることにより、シールリング３０１の径方向の幅の範囲内に環状に配置される。

また、シールリング３０１は、径を拡縮可能とする合口３９を周方向の一箇所に有している。図３（ａ）では、合口３９は、リングが単純に分断された形状に図示されている。しかし実際には、合口３９は、特許文献１の図２の形状や後述の第６実施形態のように、周方向の両端部が径方向及び軸方向に重なる形状に形成されてもよい。
シールリング３０１をバルブ外周溝７５へ組み付ける時、作業者は、弾性変形により合口３９を離間させて一旦拡径させ、外周溝７５に挿着する。挿着後、シールリング３０１は縮径する。また、バルブ装置９０で使用されるとき、ガスの圧力によってシールリング３０１が拡径し合口３９が離間するものの、バルブ全閉時には合口３９の隙間が密着するように形成されている。

第１実施形態のシールリング３０１は、合口３９に臨む周方向両端部に、スプリング溝３５を封鎖する周端壁３６が形成されている。
スプリング５０は、周方向の一箇所に合口５９を有しており、スプリング溝３５に収容された状態で、合口５９に臨む周方向端部５６の位置が周端壁３６によって規制される。そのため、シールリング３０１の合口３９とスプリング５０の合口５９とは、周方向の同じ位置に配置される。
この構成により、第１実施形態の複合シールリング１０１は、シールリング３０１に対するスプリング５０の周方向の回転、すなわち相対移動が抑制される。したがって、スプリング５０の摺動によるシールリング３０１の摩耗が抑制される。

次に、第１実施形態の複合シールリング１０１の作用効果を、従来技術の樹脂製シールリングと比較しつつ説明する。
図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示すように、従来技術の樹脂製シールリング３０９は、第１実施形態のシールリング３０１に対しスプリング溝３５が形成されておらず、単純な略矩形状の断面を有する。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に、従来技術の樹脂製シールリング３０９をバルブ装置９０に使用したときの問題点を示す。
図１２（ｂ）、図１３（ｂ）において、バルブ７０の上流側端面７１から下流側端面７２に向かうＦｌｏｗ方向にＥＧＲガスが流入する。バルブ外周溝７５は、上流側の溝内壁７５１、下流側の溝内壁７５２、及び溝底壁７５３を有している。

シールリング３０９が外周溝７５に収容された図１２（ｂ）の状態では、シールリング３０９の外周面３４は、バルブ７０の外周面７３の径方向外側に位置し、シールリング３０９の内周面３３は、外周溝７５の内側に嵌り込んでいる。
Ｆｌｏｗ方向に流入するガスの圧力Ｐは、シールリング３０９の一方の端面３１に作用し、他方の端面３２が外周溝７５の下流側溝内壁７５２に押し当てられる。また、シールリング３０９の内周面３３と外周溝７５の溝底壁７５３との間に流入したガスの圧力Ｐが内周面３３を径外方向に押し広げるように作用する。以下、外周溝７５の溝底壁７５３側から内周面３３に対し径外方向に作用する圧力Ｐを「内圧」という。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）において、シールリング３０９の剛性が十分でない場合、内圧Ｐを受けたシールリング３０９は、合口３９が広がるように変形して拡径する。
そのため、図１３（ａ）、図１３（ｂ）に示すように、シールリング３０９の外周面３４がフリーとなるバルブ開時に合口３９が広がり、シールリング３０９が径外方向に移動して外周溝７５から脱落するおそれがある。脱落したシールリング３０９がバルブ７０と通路部８１との間に噛み込むと、シールリング３０９が折損したり、バルブ７０がロックしたりするおそれがある。

この従来技術と対比した第１実施形態の複合シールリング１０１の作用効果について、図４、図５を参照して説明する。従来技術と同様に、Ｆｌｏｗ方向に流入するガスの圧力Ｐは、シールリング３０１の一方の端面３１に作用し、他方の端面３２が外周溝７５の下流側溝内壁７５２に押し当てられる。

図４に示すバルブ全閉時には、シールリング３０１の外周面３４が通路部８１の内壁８４に当接し、径外方向への拡径が抑制される。また、シールリング３０１の内周面３３側では圧力が上昇し、外周面３４側では圧力が低下することにより、差圧による内圧Ｐが生じる。このとき、スプリング溝３５の径方向外側の溝内壁３５４にスプリング５０の外周面が当接し、スプリング力Ｆｓｐが径外方向に作用する。これにより、シールリング３０１は、通路部８１の内壁８４に向かって押圧される。したがって、高温クリープによってシールリング３０１の張力が低下した場合でも、バルブ全閉時のシール性が確保される。

一方、図５に示すバルブ開時には、シールリング３０１の外周面３４がフリーな状態であるため、内周面３３に作用する内圧Ｐによってシールリング３０１は径外方向に押圧される。このとき、スプリング溝３５の径方向内側の溝内壁３５３にスプリング５０の内周面が当接し、スプリング力Ｆｓｐが径内方向に作用する。これにより、シールリング３０１は、内圧Ｐによる径外方向への変形が抑制され、外周溝７５からの脱落が防止される。よって、シールリング３０１の折損やバルブ７０のロック等の不具合の発生を適切に回避することができる。

このように、樹脂製のシールリング３０１に組み合わされる金属製のスプリング５０は、シールリング３０１に作用する圧力Ｐ又はシールリング３０１の変形に応じて、シールリング３０１を径外方向及び径内方向に押圧可能である。そのため、本実施形態の複合シールリング１０１は、金属スプリング５０の自由直径と張力との設定により、内圧Ｐに対する剛性確保、及び、高温時の張力確保が可能となる。したがって、特に樹脂剛性が低下する高温時における「内圧Ｐによるバルブ外周溝７５からの脱落」及び「高温クリープ後の張力低下」という従来技術の樹脂製シールリング３０９の問題点を好適に解決することができる。

次に、第２〜第５実施形態の複合シールリングについて、図６（ａ）〜図９（ｂ）を参照して説明する。各実施形態の正面図の図示は、第１実施形態の図３（ａ）に準ずる。
各実施形態の複合シールリングは、第１実施形態と同様に、樹脂製シールリング３０２−３０６に組み合わされた金属製スプリング５０によって内圧に対する剛性を確保し、バルブ外周溝７５からの脱落を防止することができる。また、高温クリープ後の張力を確保することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態について、図６（ａ）、図６（ｂ）を参照する。
第２実施形態の複合シールリング１０２は、第１実施形態に対しシールリング３０２の周方向両端部に周端壁３６が形成されていない。そのため、スプリング５０は、周方向に自由に回転可能となっている。図６（ａ）には、スプリング５０の合口５９とシールリング３０２の合口３９との位置が一致している状態を示し、図６（ｂ）には、スプリング５０の合口５９とシールリング３０２の合口３９との位置がずれた状態を示す。
第２実施形態では、スプリング５０が自由に回転できることにより、スプリング５０とシールリング３０２との衝突によるストレスが軽減される。

（第３実施形態）
第３実施形態について、図７を参照する。
第３実施形態の複合シールリング１０３は、周方向におけるシールリング３０３の合口３９とは反対側に隔壁３７が形成されている。スプリング５０は、合口５９が隔壁３７を挟むようにスプリング溝３５に収容される。したがって、シールリング３０３の合口３９の部分に、スプリング５０の合口５９とは反対側の部分が対応する。

第３実施形態では、第１実施形態と同様にシールリング３０３に対するスプリング５０の相対移動が抑制されるため、スプリング５０の摺動によるシールリング３０３の摩耗が抑制される。さらに、シールリング３０３の合口３９とスプリング５０の合口５９とが周方向の異なる位置に配置されるため、複合シールリング１０３全体としての変形が抑制され、バルブ外周溝７５からの脱落が防止される。また、周方向における面圧を均一に近づけることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態について、図８を参照する。
第４実施形態の複合シールリング１０４は、第１実施形態の複合シールリング１０１に対し、シールリング３０４のスプリング溝３５の溝内壁３５３、３５４から径方向に突出する複数の当接部３８が形成されている。径方向内側の溝内壁３５３から径外方向に突出する当接部３８はスプリング５０の内周面に当接し、径方向外側の溝内壁３５４から径内方向に突出する当接部３８はスプリング５０の外周面に当接する。これにより、当接部３８が設けられた箇所がスプリング５０による面圧発生箇所として特定される。

第４実施形態では、スプリング溝３５及びスプリング５０の寸法ばらつきや形状精度によらず、当接部３８を特定し、面圧を安定させることができる。また、スプリング５０が固定されるため、スプリング５０の摺動によるシールリング３０４の摩耗がより確実に抑制される。
なお、図８の例は、第１実施形態に準じ、シールリング３０４の合口３９とスプリング５０の合口５９とが周方向の同じ位置に配置されているが、合口３９、５９が周方向の異なる位置に配置された第３実施形態に当接部３８の構成を適用してもよい。
また、第４実施形態の変形例では、当接部３８は、スプリング溝３５の径方向内側の溝内壁３５３、又は、径方向外側の溝内壁３５４のいずれか一方のみに形成されてもよい。

（第５実施形態）
第５実施形態について、図９（ａ）、図９（ｂ）を参照する。
第５実施形態の複合シールリング１０５は、スプリング５０の少なくとも一部がシールリング３０５の内部に埋め込まれている。典型的には、スプリング５０がインサート成形されることによりシールリング３０５にモールドされる。スプリング５０は、シールリング３０５の内部に埋め込まれることにより、シールリング３０５の径方向の幅の範囲内に環状に配置される。

第５実施形態では、スプリング５０が埋め込まれて固定されるため、スプリング５０の摺動によるシールリング３０５の摩耗が抑制される他、部品管理段階でのスプリング５０の組み忘れやスプリング溝３５からの脱落が防止される。
また、スプリング５０の合口５９に面する周方向端部５６は、シールリング３０５の合口３９から露出している。スプリング５０の周方向端部５６が解放されることで、熱応力を緩和させることができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について、図１０（ａ）、図１０（ｂ）を参照する。
第６実施形態の複合シールリング１０６におけるシールリング３０６は、第１実施形態のシールリング３０１の合口３９において、周方向の両端部が径方向及び軸方向に重なる形状が形成されたものである。
シールリング３０６の合口４０は、径方向外側において一方及び他方の端部から互いに延出する係止片４１、４２と、径方向内側において各係止片４１、４２に対応する被係止片４３、４４とから構成される。係止片４１と被係止片４３、係止片４２と被係止片４４はそれぞれ径方向に重なり、係止片４１と係止片４２とは軸方向に重なる。これにより、バルブ全閉時に合口４０の隙間を好適に密着させ、シール性を向上させることができる。

さらに第６実施形態の変形例として、特開２０１７−８９６７５号公報に開示されているように、軸方向に広い面積で重なるラップジョイントが設けられてもよい。
なお、第２−第５実施形態についても同様に、第６実施形態や変形例の合口の構成を適用可能である。

（その他の実施形態）
本発明の複合シールリングは、ＥＧＲバルブ装置に限らず、吸気ガスが流れるスロットルバルブ装置や、その他バタフライ弁を用いる各種開閉弁、流量調整弁、圧力調整弁等に適用可能である。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０１−１０６・・・複合シールリング、
３０１−３０６・・・（樹脂製の）シールリング、
３５・・・スプリング溝、
５０・・・（金属製の）スプリング、
７０・・・バルブ、 ７５・・・（バルブ）外周溝、
８０・・・通路、 ８１・・・通路部、 ８４・・・内壁。

Claims (7)

1. 回動変位により通路（８０）を開閉するバルブ（７０）の外周溝（７５）に装着され、前記バルブの全閉時に、前記通路を形成する通路部（８１）の内壁（８４）と前記バルブとの間をシールする樹脂製のシールリング（３０１−３０６）と、
   前記シールリングの径方向の幅の範囲内に環状に配置され、前記シールリングに作用する圧力又は前記シールリングの変形に応じて、前記シールリングを径外方向及び径内方向に押圧可能な金属製のスプリング（５０）と、
   を備える複合シールリング。
2. 前記スプリングは、前記シールリング（３０１−３０４、３０６）の軸方向の一方の端面（３１）に形成されたスプリング溝（３５）に収容されている請求項１に記載の複合シールリング。
3. 前記シールリング及び前記スプリングはそれぞれ周方向の一箇所に合口（３９、５９）を有しており、
   前記シールリングの合口と前記スプリングの合口とは、周方向の同じ位置に配置されている請求項２に記載の複合シールリング。
4. 前記シールリング及び前記スプリングはそれぞれ周方向の一箇所に合口（３９、５９）を有しており、
   前記シールリングの合口と前記スプリングの合口とは、周方向の異なる位置に配置されている請求項２に記載の複合シールリング。
5. 前記スプリング溝の溝内壁（３５３、３５４）から径方向に突出し、前記スプリングの内周面又は外周面の少なくとも一方に当接する当接部（３８）が形成されている請求項２〜４のいずれか一項に記載の複合シールリング。
6. 前記スプリングは、少なくとも一部が前記シールリング（３０５）の内部に埋め込まれている請求項１に記載の複合シールリング。
7. 前記スプリングは、合口に面する周方向端部（５６）が前記シールリングから露出している請求項６に記載の複合シールリング。

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