JP2022085214A - スイングバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】スイングアームがストッパに繰り返し衝突してもスイングアームの衝突疲労を軽減し、スイングアームの耐久性を向上させること。【解決手段】スイングバルブ１は、流路２を有するハウジング３と、流路２に設けられた弁座と、ハウジング３に回転可能に支持された回転軸５と、回転軸５を回転駆動させるアクチュエータ６と、回転軸５に一端部が支持され、回転軸５の回転に伴いスイングするスイングアーム７と、スイングアーム７のスイング端部７ａに配置され、スイングアーム７と一体にスイングする弁体８と、弁体８をスイングアーム７に連結する連結ピン９とを備える。スイングアーム７には、弁体８が開弁するときに連結ピン９に当接する当接部１１が設けられる。連結ピン９は、弁体８の軸線が伸びる方向と平行な中心軸を有し、当接部１１は、中心軸と回転軸５との間に配置される。【選択図】 図３

Description

この明細書に開示される技術は、流体が流れる流路を開閉するために使用されるスイングバルブに関する。

従来、この種の技術として、例えば、下記の特許文献１に記載されるアーム付スイング型開閉弁（スイングバルブ）が知られている。この技術が適用されるエンジンシステムには、高圧段タービンをバイパスするために並列に設けられた第１バイパス通路及び第２バイパス通路と、第１バイパス通路を開閉する小径バルブと、第２バイパス通路を開閉し、小径バルブよりも径の大きい大径バルブとを備えた２段過給装置が設けられる。

ここで、小径バルブは、スイングバルブにより構成される。このスイングバルブは、アクチュエータのロッドが伸縮することで回動する回転軸を含む。回転軸には、スイングアームが揺動可能に設けられ、スイングアームの先端には弁体が設けられる。このアクチュエータにより回転軸が回動し、スイングアームを揺動させることで、弁体が弁座に対し着座（閉弁）又は離間（開弁）し、流路における排気の流れが遮断又は許容される。このスイングアームでは、開弁時の弁体の最大開度を規制するために、スイングアームの先端が当接するストッパが設けられる。

特開２００７－１３８８４５号公報

ところが、特許文献１に記載のスイングバルブでは、開弁時にスイングアームの先端がストッパに当接するので、弁体が開弁するたびに、スイングアームとストッパとの衝突が繰り返される。そのため、スイングアームが衝突疲労を起こすおそれがあり、スイングアームの耐久性、延いてはスイングバルブの耐久性が低下するおそれがあった。

この開示技術は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、スイングアームがストッパに繰り返し衝突してもスイングアームの衝突疲労を軽減し、スイングアームの耐久性を向上させることを可能としたスイングバルブを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の技術は、流路を有するハウジングと、流路に設けられた弁座と、ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、回転軸を回転駆動させるためのアクチュエータと、回転軸に一端部が支持され、回転軸の回転に伴いスイングするスイングアームと、スイングアームのスイング端部に配置され、スイングアームと一体にスイングする弁体と、弁体をスイングアームに連結するための連結部とを備えたスイングバルブにおいて、スイングアーム又は連結部には、弁体が弁座から離間して開弁するときに連結部又はスイングアームに当接する当接部が設けられ、連結部は、弁体の軸線が伸びる方向と平行な中心軸を有し、当接部は、中心軸と回転軸との間に配置されることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、アクチュエータの動作により弁体が弁座から離間して開弁するときには、連結部がストッパに衝突して弁体の最大開度が規制される。ここで、連結部材又はスイングアームに当接する当接部がスイングアーム又は連結部に設けられ、その当接部が連結部の中心軸と回転軸との間、すなわち連結部の中心軸よりも回転軸に近い側に配置される。そして、閉弁状態の弁体が開弁するときは、当接部が連結部又はスイングアームに当接し、その当接点を作用点としてスイングアームに荷重が作用する。このとき、その作用点から回転軸までの距離は、連結部の中心軸から回転軸までの距離よりも短くなるので、流路における流体の圧力に抗してスイングアームと弁体をスイングさせるために必要なトルクが減少する。従って、開弁時にスイングアームに作用する負荷が軽減され、駆動開始後、弁体が弁座から離間するまでの時間が短縮され、開弁時に弁体の前後差圧が早期になくなり、スイングによる弁体の開弁速度が減少し、連結部がストッパに衝突するときの荷重が減少する。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の技術は、請求項１に記載の技術において、連結部は、中心軸が伸びる方向における一端側にて弁体が連結され、中心軸が伸びる方向における他端側には、弁体との間でスイングアームを挟む挟み部が設けられ、当接部は、前記スイングアーム上にて前記挟み部に対向して突出する突出部であることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、当接部をスイングアーム上にて突出する突出部とすることで、請求項１に記載の技術と同様の作用が得られる。

上記目的を達成するために、請求項３に記載の技術は、請求項１又は２に記載の技術において、弁体は弁中心を有し、連結部は、弁中心と回転軸との間に配置されることを趣旨とする。

上記技術の構成によれば、請求項１又は２に記載の技術の作用に加え、スイングアームに対する連結部の中心軸が、弁中心よりも回転軸に近い側に配置され、スイングアーム又は連結部に当接する当接部が、更に回転軸の側に近づけられる。

請求項１に記載の技術によれば、スイングアームがストッパに繰り返し衝突してもスイングアームの衝突疲労を軽減することができ、スイングアームの耐久性、延いてはスイングバルブの耐久性を向上させることができる。

請求項２に記載の技術によれば、当接部をスイングアーム上にて突出する突出部とすることで、請求項１に記載の技術と同等の効果を得ることができる。

請求項３に記載の技術によれば、請求項１又は２に記載の技術の効果に加え、弁体を開弁させるときに連結部とスイングアームとの当接部（作用点）に作用する荷重を更に低減することができる。

第１実施形態に係り、スイングバルブの閉弁状態を示す斜視図。 第１実施形態に係り、スイングバルブの開弁状態を示す斜視図。 第１実施形態に係り、閉弁状態のスイングバルブを示す正面図。 第１実施形態に係り、閉弁状態のスイングバルブを示す背面図。 第１実施形態に係り、閉弁状態のスイングバルブを示す右側面図。 第１実施形態に係り、閉弁状態のスイングバルブを示す図３のＡ－Ａ線断面図。 第１実施形態に係り、閉弁状態のスイングバルブを示す図３のＢ－Ｂ線断面図。 第１実施形態に係り、開弁状態のスイングバルブを示す図６に準ずる断面図。 第１実施形態に係り、開弁状態のスイングバルブを示す図７に準ずる断面図。 第１実施形態に係り、図６に１点鎖線四角で囲った部分を示す拡大断面図。 第２実施形態に係り、スイングバルブの特徴部分を示す図１０に準ずる拡大断面図。 第３実施形態に係り、スイングバルブの特徴部分を示す図１０に準ずる拡大断面図。 第４実施形態に係り、スイングバルブの特徴部分を示す図１０に準ずる拡大断面図。

以下、スイングバルブを具体化したいくつかの実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
先ず、第１実施形態について説明する。この実施形態では、一例として、スイングバルブは、エンジンの過給機に設けられ、高密閉で過給圧を遮断するエアコントロールバルブとして使用される場合を想定する。

図１に、スイングバルブ１の閉弁状態を斜視図により示す。図２に、スイングバルブ１の開弁状態を斜視図により示す。図３に、閉弁状態のスイングバルブ１を正面図により示す。図４に、閉弁状態のスイングバルブ１を背面図により示す。図５に、閉弁状態のスイングバルブ１を右側面図により示す。図６に、閉弁状態のスイングバルブ１を、図３のＡ－Ａ線断面図により示す。図７に、閉弁状態のスイングバルブ１を、図３のＢ－Ｂ線断面図により示す。図８に、開弁状態のスイングバルブ１を、図６に準ずる断面図により示す。図９に、開弁状態のスイングバルブ１を、図７に準ずる断面図により示す。

［スイングバルブの構成の概略について］
図１～図９に示すように、スイングバルブ１は、流路２を有するハウジング３と、流路２に設けられた弁座４と、ハウジング３に回転可能に支持された回転軸５と、回転軸５を回転駆動させるためのアクチュエータ６と、回転軸５に一端部（基端部）が支持され、回転軸５の回転に伴いスイングするスイングアーム７と、スイングアーム７の先端部であるスイング端部７ａに配置され、スイングアーム７と一体にスイングする弁体８と、弁体８をスイングアーム７に連結するための連結ピン９とを備える。連結ピン９は、この開示技術の連結部の一例に相当する。

ハウジング３は、例えば、アルミ等の金属により略四角枠形状に形成される。ハウジング３の流路２の周囲には、後述する配管１６を接続するための複数のボルト孔３ａが形成される。弁座４は、流路２の中にてハウジング３と一体に円筒状に形成される。回転軸５は、その両端部がハウジング３にて軸受（図示略）を介して回転可能に支持される。

［弁体、スイングアーム及び連結ピンについて］
図１０に、図６に１点鎖線四角Ｓ１で囲った部分を拡大断面図により示す。弁体８は、金属板材により円形に形成され、図６、図８に断面で示すように凹みを有する略皿形に形成される。スイングアーム７は、金属板材により略四角形状に形成され、基端部がネジ１０を介して回転軸５に固定され、スイング端部７ａには、連結ピン９を介して弁体８が連結される。連結ピン９は、その中心軸Ｌ１（図１０参照）が伸びる方向における一端側にて弁体８が連結され、その中心軸Ｌ１が伸びる方向における他端側には、フランジ９ａが形成される。連結ピン９の一端側は、弁体８に対してかしめられる。また、連結ピン９のフランジ９ａが、弁体８との間でスイングアーム７を挟むようになっている。フランジ９ａは、この開示技術における「挟み部」の一例に相当する。

この実施形態で、スイングアーム７には、連結ピン９に当接可能な当接部１１が設けられる。この実施形態で、当接部１１は、スイングアーム７上にて連結ピン９のフランジ９ａに対向して突出する突出部７ｂにより構成される。また、連結ピン９の中心軸Ｌ１は、弁体８の軸線Ｌ２（図１０参照）が伸びる方向と平行をなし（この実施形態では同軸をなす）、突出部７ｂは、その中心軸Ｌ１と回転軸５との間に配置される。図６、図１０に示すように、この実施形態では、弁体８の閉弁状態において、連結ピン９のフランジ９ａとスイングアーム７との間に隙間Ｇ１、及び連結ピン９のフランジ９ａと突出部７ｂとの間に隙間Ｇ２が形成されるようになっている。

［アクチュエータについて］
アクチュエータ６は、ブラケット２１を介してハウジング３にボルト２２により固定される。この実施形態で、アクチュエータ６は、いわゆるダイアフラム式アクチュエータにより構成される。すなわち、図７、図９に示すように、アクチュエータ６は、金属製のケーシング２３と、そのケーシング２３の中を、負圧が導入される負圧室２４と、大気が作用する大気室２５とに区画する可撓性材よりなるダイアフラム２６と、ダイアフラム２６の中央を表裏両面から挟む二枚の板材２７，２８と、両板材２７，２８とダイアフラム２６に対し一端部（基端部）が固定されたロッド２９と、負圧室２４にてケーシング２３と一方の板材２７との間に介在されたスプリング３０とを備える。ロッド２９の他端部（先端部）は、リンク３１を介して回転軸５の一端に駆動連結される。ケーシング２３の負圧室２４に対応する頂部には、負圧を供給するパイプに接続される負圧ポート２３ａが突出して形成される。ケーシング２３の大気室２５に対応する底部には、大気に連通する大気孔２３ｂが形成される。

従って、アクチュエータ６の負圧室２４に負圧が供給されないときは、図７に示すように、スプリング３０の付勢力によりダイアフラム２６が板材２７，２８と共に押圧される。これにより、ロッド２９の大半がケーシング２３の外へ突出し、回転軸５がリンク３１を介して一方向へ回動付勢され、図１、図３～図７に示すように、弁体８が弁座４に着座する閉弁状態となる。この実施形態では、図６、図８に示すように、スイングバルブ１のハウジング３に配管１６が斜めに接続される。その配管１６の中には、通路内にて突出し、連結ピン９に当接可能なストッパ１７が設けられる。このストッパ１７は、スイングアーム７の回動を、すなわち弁体８の最大開度を規制するようになっている。

一方、アクチュエータ６の負圧室２４に負圧が供給されることにより、図９に示すように、ダイアフラム２６が、スプリング３０の付勢力に抗して、板材２７，２８と共に吸引され、変形する。これにより、ロッド２９のほぼ半分がケーシング２３の中に没入し、回転軸５がリンク３１を介して反対方向へ回動付勢され、図８、図９に示すように、弁体８が弁座４から離間した開弁状態となる。このとき、連結ピン９の頭頂がストッパ１７に当接し、開弁時のスイングアーム７の回動が規制され、弁体８の最大開度が規制される。

［スイングバルブの作用及び効果］
以上説明したこの実施形態のスイングバルブ１の構成によれば、アクチュエータ６により弁体８が弁座４から離間して開弁するときには、連結ピン９（連結部）がストッパ１７に衝突して弁体８の最大開度が規制される。ここで、連結ピン９のフランジ９ａに当接する突出部７ｂ（当接部１１）がスイングアーム７に設けられ、その突出部７ｂが連結ピン９の中心軸Ｌ１と回転軸５との間、すなわち連結ピン９の中心軸Ｌ１よりも回転軸５に近い側に配置される。そして、閉弁状態の弁体８が開弁するときは、突出部７ｂが連結ピン９のフランジ９ａに当接し、その当接点を作用点としてスイングアーム７に荷重が作用する。このとき、その作用点から回転軸５までの距離は、連結ピン９の中心軸Ｌ１から回転軸５までの距離よりも短くなるので、流路２における吸気（流体）の圧力に抗してスイングアーム７と弁体８をスイングさせるために必要なトルクが減少する。従って、開弁時にスイングアーム７に作用する負荷が軽減され、駆動開始後、弁体８が弁座４から離間するまでの時間が短縮され、開弁時に弁体８の前後差圧が早期になくなり、スイングによる弁体８の開弁速度が減少し、連結ピン９がストッパ１７に衝突するときの荷重が減少する。この結果、スイングアーム７がストッパ１７に繰り返し衝突してもスイングアーム７の衝突疲労を軽減することができ、スイングアーム７の耐久性、延いてはスイングバルブ１の耐久性を向上させることができる。

この実施形態では、スイングバルブ１が、エンジンの過給機に設けられ、高密閉で過給圧を遮断するエアコントロールバルブとして使用される。この場合、閉弁状態での弁体８の前後差圧は比較的大きくなる。このような圧力環境下で、従来のスイングバルブの弁体を開弁させた場合、スイングによる開弁速度は相対的に大きくなるので、開弁完了時にスイングアームがストッパに衝突する荷重も相対的に大きくなり、スイングアームに過大な負荷がかかることになる。これに対し、この実施形態のスイングバルブ１では、スイングによる弁体８の開弁速度が減少するので、連結ピン９のストッパ１７への衝突時にスイングアーム７にかかる負荷が軽減される。

この実施形態のスイングバルブ１は、一例として、従来のスイングバルブに比べ、開弁開始時間が３０％早期開弁となり、開弁速度が６０％減少し、ストッパへの衝突荷重が４０％減少した。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、第１実施形態と同等の構成要素については同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に説明する。

［弁体、スイングアーム及び連結ピンについて］
図１１に、この実施形態のスイングバルブ１の特徴部分を図１０に準ずる拡大断面図により示す。図１１に示すように、この実施形態では、当接部１１が、スイングアーム７ではなく連結ピン９に設けられる点で第１実施形態と構成が異なる。すなわち、この実施形態で、当接部１１は、連結ピン９のフランジ９ａにてスイングアーム７に対向して突出する突出部９ｂにより構成される。

従って、この実施形態のスイングバルブ１の構成によれば、第１実施形態と同等の作用及び効果を得ることができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。

［弁体、スイングアーム及び連結ピンについて］
図１２に、この実施形態のスイングバルブ１の特徴部分を図１０に準ずる拡大断面図により示す。図１２に示すように、この実施形態では、連結部として連結ピン９の代わりに連結材１９が使用される点で前記各実施形態と構成が異なる。すなわち、この実施形態で、連結材１９は、断面Ｌ形をなし、中心軸Ｌ３を有する基部１９ａと、基部１９ａに対し直交する方向であって回転軸５へ向けて突出する庇部１９ｂとから構成される。基部１９ａは、スイングアーム７を貫通して弁体８に固定される。連結材１９は、その基部１９ａが、弁体８の弁中心Ｐ１を含む軸線Ｌ２と回転軸５との間に、すなわち連結材１９は、弁体８の弁中心Ｐ１を含む軸線Ｌ２よりも回転軸５に近い側に配置される。また、スイングアーム７は、庇部１９ｂと弁体８との間に挟まれ、両者１９ｂ，８に接触する。そして、庇部１９ｂの内面が、スイングアーム７の表面に当接する当接部１１となっている。

従って、この実施形態のスイングバルブ１の構成によれば、第１実施形態と同等の作用及び効果を得ることができる。加えて、この実施形態では、スイングアーム７に対する連結材１９の中心軸Ｌ３が、弁体８の弁中心Ｐ１を含む軸線Ｌ２よりも回転軸５に近い側に配置され、スイングアーム７に当接する当接部１１が回転軸５の側に更に近づけられる。このため、弁体８を開弁させるときに連結材１９の庇部１９ｂとスイングアーム７との当接部（作用点）に作用する荷重を更に低減することができる。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について説明する。

［弁体、スイングアーム及び連結ピンについて］
図１３に、この実施形態のスイングバルブ１の特徴部分を図１０に準ずる拡大断面図により示す。図１３に示すように、この実施形態では、スイングアーム７が、第３実施形態のそれよりも長手方向（図１３の上下方向）に短く形成され、そのスイング端部７ａが、連結材１９の基部１９ａと庇部１９ｂと弁体８との間に挟み込まれる点で前記第３実施形態と構成が異なる。

従って、この実施形態のスイングバルブ１の構成によれば、第３実施形態と同等の作用及び効果が得られる。加えて、この実施形態では、スイングアーム７が、第３実施形態のそれよりも短く形成されるので、スイングアーム７を小型化することができると共に、スイングアーム７の剛性を向上させることができる。

なお、この開示技術は前記各実施形態に限定されるものではなく、開示技術の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更して実施することもできる。

（１）前記各実施形態では、アクチュエータ６をダイアフラム式アクチュエータにより構成したが、アクチュエータをＤＣモータやソレノイド等よりなる電動式アクチュエータにより構成することもできる。

（２）前記各実施形態では、スイングバルブ１を、エンジンの過給機に設けられ、高密閉で過給圧を遮断するエアコントロールバルブとして使用される場合を想定したが、スイングバルブを過給機以外の装置において流路を開閉するために使用することができる。

この開示技術は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等において流体の流路を開閉する開閉弁として利用することができる。

１ スイングバルブ
２ 流路
３ ハウジング
４ 弁座
５ 回転軸
６ アクチュエータ
７ スイングアーム
７ａ スイング端部
７ｂ 突出部
８ 弁体
９ 連結ピン（連結部）
９ａ フランジ（挟み部）
９ｂ 突出部
１１ 当接部
１９ 連結材（連結部）
Ｌ１ 連結ピンの中心軸
Ｌ２ 弁体の軸線
Ｌ３ 連結材の中心軸
Ｐ１ 弁中心

Claims (3)

1. 流路を有するハウジングと、
   前記流路に設けられた弁座と、
   前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、
   前記回転軸を回転駆動させるためのアクチュエータと、
   前記回転軸に一端部が支持され、前記回転軸の回転に伴いスイングするスイングアームと、
   前記スイングアームのスイング端部に配置され、前記スイングアームと一体にスイングする弁体と、
   前記弁体を前記スイングアームに連結するための連結部と
   を備えたスイングバルブにおいて、
   前記スイングアーム又は前記連結部には、前記弁体が前記弁座から離間して開弁するときに前記連結部又は前記スイングアームに当接する当接部が設けられ、
   前記連結部は、前記弁体の軸線が伸びる方向と平行な中心軸を有し、前記当接部は、前記中心軸と前記回転軸との間に配置される
   ことを特徴とするスイングバルブ。
2. 請求項１に記載のスイングバルブにおいて、
   前記連結部は、前記中心軸が伸びる方向における一端側にて前記弁体が連結され、前記中心軸が伸びる方向における他端側には、前記弁体との間で前記スイングアームを挟む挟み部が設けられ、
   前記当接部は、前記スイングアーム上にて前記挟み部に対向して突出する突出部である
   ことを特徴とするスイングバルブ。
3. 請求項１又は２に記載のスイングバルブにおいて、
   前記弁体は弁中心を有し、
   前記連結部は、前記弁中心と前記回転軸との間に配置される
   ことを特徴とするスイングバルブ。

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