JP3398209B2 - 流体制御弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の排気管系にお
ける高温の排気ガスや、高炉用熱風炉をはじめとする各
種工業炉の高温高圧の圧縮空気や熱風、あるいは腐食性
の高い液体等の流量を制御する流体制御弁に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種内燃機関においては、その省
エネ化や熱効率の向上、更には排気ガス浄化効率や排気
ガス中のパティキュレート補集効率の向上のために、排
気管内に制御弁を設けて内燃機関の排気ガスの温度が比
較的低い始動時と高温となる定常状態で、前記排気制御
弁を全開したり、全閉したりして排気ガスの流量を制御
したり、流路を変更したりすることが行われている。

【０００３】しかしながら、前記内燃機関の排気制御弁
は、耐熱金属製の部品で構成されていたため、効率向上
のためにますます高温化する排気ガスによって生じる熱
膨張差で排気ガスの漏れ量が増加したり、耐熱性不足に
よる弁の開閉作動の信頼性等に問題を生じるようにな
り、それらの解消が望まれていた。

【０００４】また、高温高圧の気体では、とりわけ高炉
用熱風炉等の送風管や、各種工業炉の熱回収管、製鉄用
高炉の羽口等で利用する圧縮空気や熱風は、古くはその
流量を送風機の出力制御のみで行っていたことから、よ
り簡便かつ迅速に応答して流量を制御するために制御弁
を耐熱金属製部品で構成し、そのままでは耐熱性の不足
から弁がハウジング金具に焼き付いて作動しなくなるた
め、水冷構造とすること等が過去に種々試みられたが、
高温下では水冷による通過気体の温度低下が著しく、そ
の熱損失が極めて大きいため実用に供し得ないものであ
った。一方、化学産業をはじめとする腐食性の強い液体
を移送する配管中で、該液体の流量を制御したり、遮断
したりするための制御弁には、耐薬品性に優れた合成樹
脂製やガラス製等の部品や、金属の下地に前記合成樹脂
やガラス等を被覆して直接液体が接触しないようにした
部品が用いられていた。

【０００５】しかしながら、前記合成樹脂製やガラス製
等の部品を用いた制御弁では、強度に限界があり、大型
の化学産業用各種装置等に適用するには不安があり、ま
た合成樹脂やガラス等を被覆した金属製の部品から成る
制御弁では、被覆層が摩耗したり亀裂が入ったりして下
地の金属が露出すると、配管を流れる液体が変質するだ
けでなく、下地の金属が腐食され、急激に耐久性が悪く
なり、前述のような液体を大量に移送する制御弁として
は問題があることから、構造上、十分な強度を有し、更
に耐薬品性と耐久性の向上をはかることが望まれてい
た。

【０００６】そこで前記諸問題を解消するために、内燃
機関の排気制御弁や高温高圧の気体制御弁等には、熱膨
張係数が小さく耐熱性や耐久性、耐薬品性に優れたアル
ミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等の酸化物系セラミックスや、窒化
珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）等の非酸化物系セラミックスで制御
弁を構成したり、あるいは腐食性の強い液体の流量制御
弁には、セラミックス等の硬質材と合成樹脂を組み合わ
せて制御弁を構成すること等が提案されている（実公昭
６３−４６７７１号公報、実公平４−７４０２号公報、
特開平４−８４９７４号公報参照）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記気
体の流量制御弁としては、図１１に示すように金属製ハ
ウジング１３の内面にセラミック製ライナー１４を接着
し、その内側に弁本体を貫通する弁軸１５に固定したセ
ラミック製バタフライ弁１６を回転可能に配設し、前記
バタフライ弁１６の最大外径部とライナー１４間で流体
をシールするものがあり、この制御弁を内燃機関の排気
ガス制御弁等に適用した場合には、開閉作動を円滑にす
るためのクリアランス１７を大きく設定せねばならず、
排気ガスの漏れ量が大であるという課題があった。

【０００８】また、図１２に示すように、セラミック製
バタフライ弁１８と弁軸１９が片持ち構造となるものを
高温高圧の気体用制御弁とした場合には、高い圧力がセ
ラミック製バタフライ弁１８に加わることから片持ち荷
重により弁の開閉作動が円滑とならず、繰り返し駆動に
より弁軸１９が折損したり、開閉作動を円滑にするため
にはクリアランス２０を大きく取らねばならないことか
ら全閉時のシール性が著しく低下するという課題があっ
た。

【０００９】更に、図１３に示すような二方コック型バ
ルブ２１を液体の圧送時の制御に用いた場合、液体の通
路となる有効断面積が十分確保できず、配管内の内圧が
増大して二方コック型バルブ２１と配管との継ぎ手部２
２をはじめとする配管の各継ぎ手部から液体が漏れ出し
たり、内圧の増大により円滑に作動し難くなるという課
題があった。

【００１０】一方、図１４に示すようなセラミックス等
の硬質材２３と耐薬品製に優れた合成樹脂２４を組み合
わせ、弁体自体がテーパー孔２５中で回動するロータ型
バルブ２６を、腐食性の強い液体の流量制御弁とした場
合、圧力損失や摺動抵抗が極めて大となり、円滑な開閉
作動が得難く、その上、高温の液体を移送する場合、ハ
ウジング２７とロータ型バルブ２６との熱膨張差からシ
ール性が阻害されたり、流量制御が正確にできない等の
恐れがあり、化学産業等の量産設備をはじめ、各種液体
の大量移送には不向きであるという課題があった。

【００１１】

【発明の目的】本発明は、内燃機関の排気管系における
高温の排気ガスや、高炉用熱風炉をはじめとする各種工
業炉の高温高圧の圧縮空気や熱風、あるいは腐食性の高
い液体等の流量を制御する際、シール性を向上させて正
確な流量制御ができるとともに、圧力損失を低減し、制
御弁の強度を確保して該制御弁の開閉を円滑に作動させ
ることができる各種流体の大量移送に好適な流体制御弁
の提供を目的とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の流体制御弁は、
ハウジング内を回動する耐熱金属やセラミックス等の各
種耐熱材料から成る円板状の弁の外周側面にリング状の
溝を設けるとともに、前記弁を閉じた時に流体の上流側
より下流側の方が断面の幅が大である凸部を前記溝内に
設け、該凸部と相似形状の凹部を側面に設けた合い口を
有するセラミック製シールリングを、前記凸部と合い口
の凹部を合わせて前記リング溝に遊嵌したことを特徴と
するものである。

【００１３】また、ハウジング内を回動する円板状のセ
ラミック製弁の外周側面にリング状の溝を設けるととも
に、前記弁を閉じた時に流体の上流側より下流側の方が
断面の幅が大である凸部を前記溝内に設け、該凸部と相
似形状の凹部を設けた合い口を有し、少なくともハウジ
ングの内壁面と摺接する外周表面に、合成樹脂の被覆層
を設けたセラミック製シールリングを、前記凸部と合い
口の凹部を合わせて前記リング溝に遊嵌したことを特徴
とするものである。

【００１４】

【作用】本発明の流体制御弁によれば、弁を閉じた時に
流体の上流側より下流側の方が断面の幅が大である凸部
をリング溝内に有する弁に、前記凸部と相似形状の凹部
を設けた合い口を有するセラミック製シールリングを、
前記凹凸を合わせて遊嵌するか、あるいは前記セラミッ
ク製シールリングの少なくともハウジングの内壁面と摺
接する外周表面に合成樹脂の被覆層を設け、前記凹凸を
合わせて遊嵌したことから、前記凸部が弁を回動させて
開閉するシャフトと直角方向に位置するように配設する
と、開閉に伴ってセラミック製シールリングは合い口が
接する方向にハウジングの内壁より該シールリング外周
に圧力を受け、遊嵌したセラミック製シールリング、あ
るいは被覆した合成樹脂層が無理のない状態でハウジン
グ内壁に密着しながら摺動し、正確な流量制御ができる
とともに、熱膨張差、特に合成樹脂と他の部材との熱膨
張差を吸収してガタの発生や回動不良を防止する。

【００１５】その上、流体の圧力を該流体の上流側より
弁に受けるため、弁外周側面に設けた溝中の凸部に、セ
ラミック製シールリングの合い口に設けた該凸部に相似
形の凹部が押し付けられるように作用し、気体や液体、
液体のシール性が更に向上する。

【００１６】更に、前記リング溝中に任意に一定の幅を
有する凸部を設けることができ、該凸部とその幅より大
きい間隙を有する前記合い口に設けた凹部とを一致させ
て、リング溝にセラミック製シールリングを遊嵌するた
め、脆性材料から成る撓み難いセラミック製シールリン
グを大きく拡げる必要がないことから、折損する恐れも
なく容易に前記リング溝に装着することが可能となる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の流体制御弁を図面に基づき詳
細に説明する。図１は本発明に係る流体制御弁を内燃機
関の排気ガス流量制御弁に適用した斜視図で、図２は図
１の排気ガス流量制御弁の一部断面図である。

【００１８】また、図３は セラミック製シールリング
を装着した本発明に係る流体制御弁の要部を示す斜視図
で、図４は図３の要部からセラミック製シールリングを
取り外した本発明に係る流体制御弁の側面図であり、図
５は本発明に係る流体制御弁を構成するセラミック製シ
ールリングの斜視図で、図６は外周側面に合成樹脂層を
被覆した本発明に係る流体制御弁を構成するセラミック
製シールリングの斜視図である。

【００１９】図１乃至図６において、１はセラミックス
から成るハウジング２内を回動するセラミック製の円板
状の弁３と、セラミック製シールリング９と、弁軸１２
から構成される流体制御弁である。

【００２０】流体制御弁１は、セラミックスから成るハ
ウジング２の内壁面で摺接しながら回動する同様の耐熱
材料から成る円板状の弁３の外周側面にリング溝４を設
け、リング溝４中に凸部５を形成し、凸部５と相似形状
を成す凹部６を設けた合い口７を有するか、更に少なく
ともハウジング２の内壁面と摺接する外周表面に合成樹
脂層８を被覆したいずれかのセラミック製シールリング
９を、リング溝４の凸部５とセラミック製シールリング
９の凹部６を嵌め合わせてリング溝４に遊嵌し、凸部５
と直角方向に弁軸１２を円板状の弁３に接合一体化した
ものである。

【００２１】また、凸部５の断面形状は、弁３を閉じた
時に図中に矢印で示すような方向に流体が流れるものと
すると、上流側の幅１０より下流側の幅１１の方が大で
あるように上流側より下流側にかけてテーパー状に形成
されている。

【００２２】尚、合い口７の間隔は、少なくとも前記幅
１０が、セラミック製シールリング９をリング溝４に装
着する際に押し拡げても折損したり、割れを生じたりし
ないだけの寸法に設定し、無理なくリング溝４に装着で
きるようにすることが望ましい。

【００２３】また、前記凸部５の断面形状は、上流側の
幅１０より下流側の幅１１の方が大であるように形成す
れば同様の作用効果を奏することから、図７乃至図１０
に示すように凸部５と凹部６の形状を形成しても良い。

【００２４】一方、前記円板状の弁３は、流体が気体や
液体の場合にはアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等の酸化物系セ
ラミックスや、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）やサイアロン、
炭化珪素（ＳｉＣ）等の非酸化物系セラミックスが好適
に使用でき、耐熱性や体摩耗性の点からは前記非酸化物
系セラミックスが望ましい。

【００２５】更に、前記セラミック製シールリング９と
しては、耐熱性や耐熱衝撃性、材料強度の点から非酸化
物系セラミックス、とりわけ窒化珪素質焼結体から成る
ものが好ましい。

【００２６】一方、前記セラミック製シールリング９の
外周表面に被覆する合成樹脂層８としては、耐熱性と耐
摩耗性の観点からテフロンやポリアセタール樹脂のコー
ティングが望ましい。

【００２７】本発明の流体制御弁を評価するにあたり、
先ず、窒化珪素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）粉末にイットリア（Ｙ₂
Ｏ₃ ）等の焼結助剤を添加して焼成した窒化珪素質焼結
体で、図１乃至図４に示すような外径が約５０ｍｍの円
板状の弁３を形成し、幅１．６ｍｍ、深さ３．０ｍｍの
リング溝４と、断面形状がテーパー状に広がった凸部５
を設け、該弁３に同様にして作製した弁軸１２を接合一
体化した。

【００２８】次いで、窒化珪素質焼結体から成り、厚さ
１．５ｍｍ、幅２．９ｍｍ、合い口７の間隔２１ｍｍの
セラミック製シールリング９を前記凸部５と相似形状と
なるように研削加工して凹部６を形成し、凸部５と凹部
６を一致させて前記リング溝４に遊嵌して評価用の弁を
作製した。

【００２９】尚、従来のＮｉ基耐熱合金製及びシールリ
ングを用いない窒化珪素質焼結体製の弁を比較例とし
た。

【００３０】前記評価用の弁を窒化珪素質焼結体から成
るセラミック製ハウジング２に組み込み、過給機付内燃
機関の排気管系における高温の排気ガス流量を制御する
排気ガス制御弁とした。

【００３１】かくして得られた評価用の流体制御弁をガ
ソリンエンジンの台上試験装置にセットして評価試験を
行い、８００〜９００℃の排気ガス中でバルブの開閉を
繰り返し、漏れ量を測定してシール性を評価した。

【００３２】その結果、従来のＮｉ基耐熱合金製の弁を
組み込んだ場合の排気ガス漏れ量を１とすると、シール
リングを用いない窒化珪素質焼結体製の弁の場合には
０．５、本発明の場合には０．１以下であることが確認
できた。

【００３３】また、前記評価用の流体制御弁を用い、Ｎ
ｉ系ステンレス鋼及びアルミナ質焼結体、窒化珪素質焼
結体の３種で構成し、その表面にテフロンコーティング
したシールリングを円板状の弁に前記同様に遊嵌し、９
５％Ｈ₂ ＳＯ₄ 、６０％ＨＮＯ₃ 、３０％ＮａＯＨの各
液体中で２０万回の開閉テストをした後、前記ガソリエ
ンジンの台上試験装置にセットして同様に漏れ量を測定
した。

【００３４】その結果、９５％Ｈ₂ ＳＯ₄ 液中に浸漬し
て前記開閉テストをしたものでは、シールリングをＮｉ
系ステンレス鋼とした場合の排気ガス漏れ量を１とする
と、アルミナ質焼結体の場合には０．１、窒化珪素質焼
結体の場合には０．１以下となり、６０％ＨＮＯ₃ の場
合、Ｎｉ系ステンレス鋼が１とすると、アルミナ質焼結
体は０．５、窒化珪素質焼結体は０．５以下となり、３
０％ＮａＯＨの場合にはＮｉ系ステンレス鋼が１とする
と、アルミナ質焼結体は０．８、窒化珪素質焼結体は
０．６となった。

【００３５】更に、構成部品を全て前記窒化珪素質焼結
体で作製した評価用の流体制御弁を、排気ガス浄化装置
を接続したガソリエンジンの台上試験装置に組み込み、
低温触媒と高温触媒の切替えに用い、エンジンの始動時
におけるエミッションの総発生量を大幅に低減できるこ
とを確認した。

【００３６】

【発明の効果】本発明の流体制御弁によれば、弁を閉じ
た時に流体の上流側より下流側の方が断面の幅が大であ
る凸部をリング状の溝に有する円板状の弁に、前記凸部
と相似形状の凹部を設けた合い口を有するセラミック製
シールリングを、前記凹凸を合わせて遊嵌するか、ある
いは前記セラミック製シールリングの少なくともハウジ
ングの内壁面と摺接する外周表面に合成樹脂の被覆層を
設け、前記凹凸を合わせて遊嵌することから、遊嵌した
セラミック製シールリングがハウジング内壁に密着しな
がら摺動し、正確な流量が確保できるとともに、構成部
材の熱膨張差を吸収してガタの発生や回動不良が防止で
きて滑らかに回動し、更に流体のシール性が一層向上し
て漏れ量が少なく、その上、靱性に乏しいセラミック製
シールリングを無理なく前記リング溝に装着でき、装着
時の破損がない各種流体の流量制御に極めて有用な流体
制御弁が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る流体制御弁を内燃機関の排気ガス
流量制御弁に適用した斜視図である。

【図２】本発明に係る流体制御弁を内燃機関の排気ガス
流量制御弁に適用した一部断面図である。

【図３】セラミック製シールリングを装着した本発明に
係る流体制御弁の要部を示す斜視図である。

【図４】セラミック製シールリングを取り外した本発明
に係る流体制御弁の要部を示す側面図である。

【図５】本発明に係る流体制御弁を構成するセラミック
製シールリングの斜視図である。

【図６】外周側面に合成樹脂層を被覆した本発明に係る
流体制御弁を構成するセラミック製シールリングの斜視
図である。

【図７】セラミック製シールリングを取り外した本発明
に係る他の流体制御弁の要部を示す側面図である。

【図８】本発明に係る流体制御弁を構成する他のセラミ
ック製シールリングの斜視図である。

【図９】セラミック製シールリングを取り外した本発明
に係る他の流体制御弁の要部を示す側面図である。

【図１０】本発明に係る流体制御弁を構成する他のセラ
ミック製シールリングの斜視図である。

【図１１】従来のバタフライ弁を貫通した弁軸で回動さ
せる流量制御弁を示す断面図である。

【図１２】従来のバタフライ弁を弁軸で片持ちした流量
制御弁を示す断面図である。

【図１３】従来の二方コック型バルブによる流量制御弁
を示す断面図である。

【図１４】従来の硬質材と合成樹脂を組み合わせたロー
タ型バルブによる流量制御弁を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 流体制御弁 ２ ハウジング ３ 円板状の弁 ４ リング溝 ５ 凸部 ６ 凹部 ７ 合い口 ８ 合成樹脂層 ９ セラミック製シールリング １０ 上流側の幅 １１ 下流側の幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F16K 1/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジング内を回動する円板状の弁の外周
   に設けたリング溝内に、弁を閉じた時に流体の上流側よ
   り下流側の方が断面の幅が大である凸部を設け、前記凸
   部と相似形状の凹部を設けた合い口を有するセラミック
   製シールリングを、前記凸部と合い口の凹部を合わせて
   前記リング溝に遊嵌したことを特徴とする流体制御弁。
2. 【請求項２】ハウジング内を回動する円板状のセラミッ
   ク製弁の外周に設けたリング溝内に、弁を閉じた時に流
   体の上流側より下流側の方が断面の幅が大である凸部を
   設け、前記凸部と相似形状の凹部を設けた合い口を有
   し、少なくとも前記ハウジングと摺接する外周に合成樹
   脂層を被覆形成したセラミック製シールリングを、前記
   凸部と合い口の凹部を合わせて前記リング溝に遊嵌した
   ことを特徴とする流体制御弁。