JP4613638B2 - バタフライバルブ - Google Patents

Description

本発明は、流体の通路内に回動自在に設けられ、その通路を閉じるためのバルブ本体を備えたバタフライバルブに関する。

一例として、本発明者が開発中のエンジンの２ステージターボチャージャに使用しているバタフライバルブを図７〜図９を用いて説明する。

図７に示すように、２ステージターボチャージャは、大きさの異なる二つのターボチャージャ７１、７２を備えている。ここでは二つのターボチャージャ７１、７２のうち、小さい方のターボチャージャ７１を高圧段ターボと称し、大きい方のターボチャージャ７２を低圧段ターボと称する。

高圧段ターボ７１及び低圧段ターボ７２は、タービン７３、７４と、コンプレッサ７５、７６とをそれぞれ備えている。高圧段ターボ７１のタービン７３（以下高圧段タービンという）と低圧段ターボ７２のタービン７４（以下低圧段タービンという）とは、排気マニフォールド７７に接続された排気通路７８の途中に並列に設けられている。高圧段タービン７３よりも排気ガス上流側の排気通路７８には第一バルブＡが設けられており、低圧段タービン７４よりも排気ガス上流側の排気通路７８には第二バルブＢが設けられている。

高圧段ターボ７１のコンプレッサ７５（以下高圧段コンプレッサという）と低圧段ターボ７２のコンプレッサ７６（以下低圧段コンプレッサという）とは、吸気マニフォールド７９に接続された吸気通路８０の途中に基本的に直列に設けられている。ここで、高圧段コンプレッサ７５は低圧段コンプレッサ７６よりも吸気下流側の吸気通路８０に設けられている。また、吸気通路８０は高圧段コンプレッサ７５と低圧段コンプレッサ７６との間で分岐されており、その分岐された吸気通路は高圧段コンプレッサ７５よりも吸気下流側にて集合されている。

図８及び図９に示すように、吸気通路８０の集合部８１には係るバタフライバルブＣが設けられている。バタフライバルブＣは、吸気通路８０内に回動自在に設けられ吸気通路８０を閉じるためのバルブ本体８２と、バルブ本体８２を回動させるためのバルブ回動軸８３とを備えている。このバタフライバルブＣは、バルブ回動軸８３がバルブ本体８２の一端に設けられた片持ち式のものである。バルブ回動軸８３によりバルブ本体８２を回動させて、そのバルブ本体８２により集合部８１よりも吸気下流側の吸気通路８０のうちいずれか一方を閉じることで吸気経路の切換えを行うようになっている。

まず第一バルブＡを開、第二バルブＢを閉、図８中に実線で示すようにバタフライバルブＣにより高圧段コンプレッサ７５側の吸気通路８０を開（つまり低圧段コンプレッサ７６側の吸気通路８０を閉）とすると、高圧段タービン７３及び低圧段タービン７４のうち高圧段タービン７３のみが駆動される。これにより、低圧段コンプレッサ７６内を通路として通過した吸気が高圧段コンプレッサ７５内で加圧されてエンジンに供給される。

一方第一バルブＡを閉、第二バルブＢを開、図８中に破線で示すようにバタフライバルブＣにより低圧段コンプレッサ７６側の吸気通路８０を開（つまり高圧段コンプレッサ７５側の吸気通路８０を閉）とすると、高圧段タービン７３及び低圧段タービン７４のうち低圧段タービン７４のみが駆動される。これにより、吸気が低圧段コンプレッサ７６内で加圧されて高圧段コンプレッサ７５内を通過することなくエンジンに供給される。

特開平５−１０４５７号公報 実開平５−３４３６３号公報

ところで、図８及び図９に示すバタフライバルブＣでは、バルブ本体８２或いはバルブ回動軸８３と吸気通路８０との隙間の完全なシールは難しく、その隙間を通って高圧側から低圧側へ吸気の漏れが発生するおそれがある。そうなると、結果としてエンジンの過給圧が低下し過給性能が低下してしまう。

そこで、図１０及び図１１に示すように、バルブ本体８２の外縁部に溝８４を設け、その溝８４内にバルブ本体８２と吸気通路８０との隙間８５をシールするためのシール部材８６を設けることが考えられる。例えば、シール部材８６としてはＯリングを用いることができる。このようにすることにより、バタフライバルブＣのシール性を向上させて、バルブ本体８２と吸気通路８０との隙間を通って高圧側から低圧側へ吸気が漏れることを防止することが可能となる。

また、図１２及び図１３に示すように、バルブ本体８２の両側面にバルブ本体８２と吸気通路８０との隙間８７をシールするためのシール部材８８を設けることが考えられる。例えばシール部材８８はバルブ本体８２の側面に接着剤等により取り付けられる。このようにしても、バタフライバルブＣのシール性を向上させて、バルブ本体８２と吸気通路８０との隙間を通って高圧側から低圧側へ吸気が漏れることを防止することが可能となる。

しかしながら、図１０及び図１１に示すものでは、Ｏリング８６の上下部がバルブ本体８２の溝８４と吸気通路８０の内面との間で常に圧縮された状態で吸気通路８０内を摺動されることとなり、Ｏリング８６が摩耗して破断するおそれがある。また、バルブ本体８２におけるバルブ回動軸８３への取付部側と先端部とでは回動距離が異なるため、Ｏリング８６が捩れて破断するおそれがある。

また、図１２及び図１３に示すものでは、シール部材８８がバルブ本体８２により吸気通路８０の内面にたたきつけられることとなり、シール部材８８が摩耗して破断するおそれがある。また、加圧された吸気の温度は最大１７０℃以上ときわめて高温となることがあり、その高温の吸気によりシール部材８８の接着力が低下するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、シール部材の摩耗を防止することで、シール部材の摩耗に起因するシール性の低下を抑制することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、流体の通路内に回動自在に設けられ該通路を閉じるためのバルブ本体を備え、該バルブ本体により上記通路を閉じたとき、そのバルブ本体両側の上記通路の圧力差により変形されて上記バルブ本体と上記通路との隙間をシールするためのシール部材を上記バルブ本体に設け、上記バルブ本体が、上記シール部材を挟持するための一対の略板状で、且つ上記通路の断面形状と略同一形状で形成されている保持部材を有しており、上記シール部材が、略板状で、且つ上記通路の断面形状と略同一形状で、且つ厚さが略均一に形成されており、上記シール部材を一対の上記保持部材間に挟持させているバタフライバルブにおいて、上記バルブ本体を回動させるためのバルブ回動軸に、上記バルブ本体により上記通路を閉じたとき、上記バルブ回動軸両側の上記通路の圧力差により変形されて上記バルブ回動軸と上記通路との隙間をシールするための他のシール部材を設けたことを特徴とするバタフライバルブである。

請求項２の発明は、上記保持部材の外縁部が、上記シール部材と反対方向に向けて屈曲された請求項１記載のバタフライバルブである。

請求項３の発明は、上記シール部材の外縁部近傍に、上記バルブ本体両側の上記通路の圧力差による変形が生じ易いくびれ部を設けた請求項１又は２記載のバタフライバルブである。

請求項４の発明は、上記バルブ本体により上記通路を閉じたとき、上記バルブ本体両側の上記通路の圧力差がない場合には、上記シール部材と上記通路の内面との間に所定寸法の隙間が形成される請求項１〜３いずれかに記載のバタフライバルブである。

請求項５の発明は、上記他のシール部材が略板状に形成され、上記バルブ回動軸に、上記他のシール部材を挟持するための溝を設けた請求項１〜４いずれかに記載のバタフライバルブである。

請求項６の発明は、上記溝の開口部が、上記他のシール部材と反対方向に向けて丸みをつけられた請求項５記載のバタフライバルブである。

請求項７の発明は、上記他のシール部材の外縁部近傍に、上記バルブ回動軸両側の上記通路の圧力差による変形が生じ易いくびれ部を設けた請求項１〜６いずれかに記載のバタフライバルブである。

請求項８の発明は、上記バルブ本体により上記通路を閉じたとき、上記バルブ回動軸両側の上記通路の圧力差がない場合には、上記他のシール部材と上記通路の内面との間に所定寸法の隙間が形成される請求項１〜７いずれかに記載のバタフライバルブである。

本発明によれば、シール部材の摩耗を防止することで、シール部材の摩耗に起因するシール性の低下を抑制することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、参考形態に係るバタフライバルブの側面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。

図１及び図２に示すように、参考形態のバタフライバルブ（蝶形弁）１０は、流体の通路をなすエンジンの吸気通路１１内に回動自在に設けられ、その吸気通路１１を閉じるためのバルブ本体１２と、バルブ本体１２を回動させるためのバルブ回動軸１３とを備えている。参考形態のバタフライバルブ１０は、バルブ回動軸１３がバルブ本体１２の一端（図１中の右側）に設けられた片持ち式のものである。また参考形態のバタフライバルブ１０は、図７に示す本発明者が開発中のエンジンの２ステージターボチャージャに使用されるものであり、バルブ回動軸１３によりバルブ本体１２を回動させて、そのバルブ本体１２により集合部（８１）よりも吸気下流側の吸気通路１１のうちいずれか一方を閉じることで吸気経路の切換えを行うものである。

図２に示すように、バルブ本体１２は後述するシール部材１４を挟持するための一対の略板状の保持部材１５から構成されている。各保持部材１５は、吸気通路１１の断面形状と略同一形状に形成されており、参考形態では略四角形状に形成されている。各保持部材１５は、バルブ回動軸１３の軸方向に対して直角な方向に延出させて設けられている。各保持部材１５は互いに平行に設けられている。各保持部材１５の外縁部には、シール部材１４と反対方向に向けて所定曲率で屈曲された屈曲部１６が設けられている。

一対の保持部材１５間には、略板状のシール部材１４が挟持されている。シール部材１４は、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じたとき、そのバルブ本体１２の両側の吸気通路１１の圧力差により変形されてバルブ本体１２と吸気通路１１との隙間１７をシールするためのものである。シール部材１４は、保持部材１５と同様に吸気通路１１の断面形状と略同一形状に形成されており、参考形態では略四角形状に形成されている。シール部材１４は、弾性を有する合成樹脂材料（例えば、ゴム、テフロン（登録商標）或いはフッ素樹脂等）であって比較的軟らかいものからなる。なお流体の通路内に高温流体が流通される場合は、上記合成樹脂材料は弾性に加えて耐熱性を有しているものであることが好ましい。またシール部材１４は保持部材１５に対して接着剤等により取り付けられていても良く、ボルト・ナット或いはリベット等により取り付けられていても良い。

シール部材１４の外縁部がバルブ本体１２と吸気通路１１との隙間１７をシールするシール部１８をなし、そのシール部１８は保持部材１５の外縁部よりも外側（つまり吸気通路１１の内面側）に突出させて設けられている。参考形態ではシール部１８は曲面状に形成されている。シール部１８近傍のシール部材１４には、圧力差による変形が生じ易いくびれ部１９が設けられている。つまりシール部材１４の厚さがくびれ部１９にて他の部分よりも薄くなっている。なおシール部材１４を軟らかさが異なる複数の材料により形成して、くびれ部１９に相当する部分を他の部分よりも変形し易くしても良い。

シール部材１４のシール部１８は、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じたとき、そのバルブ本体１２両側の吸気通路１１の圧力差がない状態（つまり吸気通路１１内に流体が存在しないと仮定した場合）では、シール部１８と吸気通路１１の内面との間に所定寸法の隙間２０が形成されるよう設定されている。例えば上記所定寸法は、０〜０．１ｍｍ程度であることが好ましい。ここで、上記所定寸法が０ｍｍであるとは、シール部材１４のシール部１８が吸気通路１１の内面に当接しているだけでシール部材１４が圧縮されていない状態を示す。

次に参考形態の作用を説明する。

まず、バルブ本体１２を図示しないアクチュエータ（例えば電気アクチュエータ或いは真空圧アクチュエータ等）により回動させて吸気通路１１を閉じる。すると、図３に示すように、バルブ本体１２の両側の吸気通路１１の圧力差によりシール部材１４がくびれ部１９にて伸びて変形し、変形したシール部材１４がバルブ本体１２と吸気通路１１との隙間１７に吸引されてその隙間１７をシールする。

つまり参考形態では、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じて、そのバルブ本体１２の両側の吸気通路１１の圧力差によりシール部材１４を変形させて、そのシール部材１４によりバルブ本体１２と吸気通路１１の内面との隙間１７をシールするようにしている。そのためシール部材１４が、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じる際に、吸気通路１１内を摺動されたり、吸気通路１１内面にたたきつけられるようなことはない。従って、シール部材１４の摩耗を防止することができ、シール部材１４の摩耗に起因するシール性の低下を抑制することができる。

また参考形態によれば、シール部材１４を略板状に形成し、バルブ本体１２をシール部材１４を挟持するための一対の略板状の保持部材１５から構成したため、シール部材１４と保持部材１５との接合面を大きくして、シール部材１４が保持部材１５から脱落することを防止することができる。またシール部材１４を保持部材１５に対して接着剤等により取り付けた場合、その取付面は保持部材１５により覆われて保護されるため、流体の通路内に高温流体が流通される場合でもシール部材１４の接着力の低下を防止することができる。

また参考形態によれば、保持部材１５の外縁部を、シール部材１４と反対方向に向けて屈曲させて形成したため、シール部材１４が圧力差により変形されてバルブ本体１２と吸気通路１１との隙間１７をシールする際に、シール部材１４が保持部材１５により傷つくことを防止することができる。

また参考形態によれば、シール部材１４の外縁部近傍に、圧力差による変形が生じ易いくびれ部１９を設けたため、シール部材１４を容易に変形させることができ、バルブ本体１２と吸気通路１１との隙間１７を確実にシールすることができる。またシール部材１４が変形した際に、流体がくびれ部１９に作用して（図３参照）、シール部１８をバルブ本体１２と吸気通路１１との隙間１７に押しつけるため、高いシール性を得ることが可能となる。

一方、バタフライバルブ１０をはさんで高圧側、低圧側が切り替わる時には、バルブ本体１２を回動させて吸気通路１１を開く（図８参照）。この時はシール部材１４にかかる圧力差が一時的に減少する或いは０となるので、シール部材１４の変形が復元し、吸気通路１１との隙間２０が発生して、バルブ本体１２を容易に回動させることができる。

バルブ本体１２を回動させてシール部材１４のシール部１８が吸気通路１１の内面から離れると同時に、バルブ本体１２の両側の吸気通路１１の圧力が等しくなる、つまり圧力差がなくなる。すると、図２に示すように、シール部材１４の変形は元に戻り、シール部材１４と吸気通路１１の内面との間に隙間２０が形成される。

つまり参考形態によれば、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じたとき、そのバルブ本体１２の両側の吸気通路１１に圧力差がない状態では、シール部材１４と吸気通路１１の内面との間に所定寸法の隙間２０が形成されるようにしたため、バルブ本体１２回動時（開閉時）にシール部材１４が吸気通路１１内を摺動されることなく、シール部材１４の摩耗を防止することができると共に、バルブ本体１２が大きな距離の回動を必要としてもシール部材１４が捩れることはない。またバルブ本体１２回動時のフリクション（摩擦）がなくなるので、操作力が軽くなりバルブ本体１２回動に要するエネルギーが小さくて済む。

次に本発明の実施形態に係るバタフライバルブを図４及び図５により説明する。図１と同一部材には同一符号を付してその説明を省略する。

図４は、本発明の実施形態に係るバタフライバルブの側面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。

図４及び図５に示すように、バルブ回動軸１３の外周部には、後述するシール部材２１を挟持するための溝２２が軸方向に沿って設けられている。バルブ回動軸１３の溝２２の開口部には、シール部材２１と反対方向に向けて所定曲率で丸みをつけて形成されたＲ部２３が設けられている。

図５に示すように、バルブ回動軸１３の溝２２内には、略板状のシール部材２１が挟持されている。シール部材２１は、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じたとき、バルブ回動軸１３の両側の吸気通路１１の圧力差により変形されてバルブ回動軸１３と吸気通路１１との隙間２４をシールするためのものである。シール部材２１は、弾性を有する合成樹脂材料（例えば、ゴム、テフロン（登録商標）或いはフッ素樹脂等）であって比較的軟らかいものからなる。なお流体の通路内に高温流体が流通される場合は、上記合成樹脂材料は弾性に加えて耐熱性を有しているものであることが好ましい。なおシール部材２１はバルブ回動軸１３の溝２２に対して接着剤等により取り付けられていても良く、ボルト・ナット或いはリベット等により取り付けられていても良い。またバルブ回動軸１３を直径方向に分割して形成し、分割形成したバルブ回動軸によりシール部材２１を挟持するようにしても良い。

シール部材２１の外縁部がバルブ回動軸１３と吸気通路１１との隙間２４をシールするシール部２５をなし、そのシール部２５はバルブ回動軸１３の溝２２の開口部よりも外側（つまり吸気通路１１の内面側）に突出させて設けられている。この実施形態ではシール部２５は曲面状に形成されている。シール部２５近傍のシール部材２１には、圧力差による変形が生じ易いくびれ部２６が設けられている。つまりシール部材２１の厚さがくびれ部２６にて他の部分よりも薄くなっている。なおシール部材２１を軟らかさが異なる複数の材料により形成して、くびれ部２６に相当する部分を他の部分よりも変形し易くしても良い。

シール部材２１のシール部２５は、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じたとき、バルブ回動軸１３両側の吸気通路１１の圧力差がない状態（つまり吸気通路１１内に流体が存在しないと仮定した場合）では、シール部２５と吸気通路１１内面との間に所定寸法の隙間２７が形成されるよう設定されている。例えば上記所定寸法は、０〜０．１ｍｍ程度であることが好ましい。ここで、上記所定寸法が０ｍｍであるとは、シール部材２１のシール部２５が吸気通路１１の内面に当接しているだけでシール部材２１が圧縮されていない状態を示す。

このようにすることにより、図６に示すように、バルブ本体１２により吸気通路１１を閉じたとき、バルブ回動軸１３の両側の吸気通路１１の圧力差によりシール部材２１を変形させて、そのシール部材２１によりバルブ回動軸１３と吸気通路１１の内面との隙間２４をシールすることができる。従って、バルブ回動軸１３と吸気通路１１との隙間２４を通って、高圧側から低圧側へ吸気が漏れることを防止することができる。一方、バタフライバルブ１０をはさんで高圧側、低圧側が切り替わる時には、シール部材２１の変形が復元し、吸気通路１１との隙間２７が発生して、バルブ回動軸１３を容易に回動させることができる。

本発明は以上説明した実施形態には限定はされない。

例えば、バルブ本体１２及びシール部材１４の形状は吸気通路１１の断面形状と略同一形状に形成されていれば良く、例えば円形状等に形成されていても良い。

また、バルブ回動軸１３が、バルブ本体１２の中央部に設けられていても良い。

さらに、バルブ本体１２は吸気経路の切換えを行うものに限定されず、バルブ本体１２が流体の通路の途中に設けられその通路を開閉するものであっても良い。

参考形態に係るバタフライバルブの側面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。 作動状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るバタフライバルブの側面図である。 図４のＶ−Ｖ線矢視断面図である。 作動状態を示す断面図である。 開発中のエンジンの２ステージターボチャージャの概略図である。 図７のＶＩＩＩ部拡大図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線矢視断面図である 従来のバタフライバルブの側面図であり、バルブ本体にシール部材を設けた状態を示す。 図１０のＸＩ−ＸＩ線矢視断面図である。 従来のバタフライバルブの側面図であり、バルブ本体にシール部材を設けた状態を示す。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線矢視断面図である。

符号の説明

１０ バタフライバルブ
１１ 吸気通路（通路）
１２ バルブ本体
１３ バルブ回動軸
１４、２１ シール部材
１５ 保持部材
１９、２６ くびれ部
２２ 溝

Claims (8)

1. 流体の通路内に回動自在に設けられ該通路を閉じるためのバルブ本体を備え、
   該バルブ本体により上記通路を閉じたとき、そのバルブ本体両側の上記通路の圧力差により変形されて上記バルブ本体と上記通路との隙間をシールするためのシール部材を上記バルブ本体に設け、
   上記バルブ本体が、上記シール部材を挟持するための一対の略板状で、且つ上記通路の断面形状と略同一形状で形成されている保持部材を有しており、
   上記シール部材が、略板状で、且つ上記通路の断面形状と略同一形状で、且つ厚さが略均一に形成されており、
   上記シール部材を一対の上記保持部材間に挟持させているバタフライバルブにおいて、 上記バルブ本体を回動させるためのバルブ回動軸に、上記バルブ本体により上記通路を閉じたとき、上記バルブ回動軸両側の上記通路の圧力差により変形されて上記バルブ回動軸と上記通路との隙間をシールするための他のシール部材を設けた
   ことを特徴とするバタフライバルブ。
2. 上記保持部材の外縁部が、上記シール部材と反対方向に向けて屈曲された請求項１記載のバタフライバルブ。
3. 上記シール部材の外縁部近傍に、上記バルブ本体両側の上記通路の圧力差による変形が生じ易いくびれ部を設けた請求項１又は２記載のバタフライバルブ。
4. 上記バルブ本体により上記通路を閉じたとき、上記バルブ本体両側の上記通路の圧力差がない場合には、上記シール部材と上記通路の内面との間に所定寸法の隙間が形成される請求項１〜３いずれかに記載のバタフライバルブ。
5. 上記他のシール部材が略板状に形成され、上記バルブ回動軸に、上記他のシール部材を挟持するための溝を設けた請求項１〜４いずれかに記載のバタフライバルブ。
6. 上記溝の開口部が、上記他のシール部材と反対方向に向けて丸みをつけられた請求項５記載のバタフライバルブ。
7. 上記他のシール部材の外縁部近傍に、上記バルブ回動軸両側の上記通路の圧力差による変形が生じ易いくびれ部を設けた請求項１〜６いずれかに記載のバタフライバルブ。
8. 上記バルブ本体により上記通路を閉じたとき、上記バルブ回動軸両側の上記通路の圧力差がない場合には、上記他のシール部材と上記通路の内面との間に所定寸法の隙間が形成される請求項１〜７いずれかに記載のバタフライバルブ。

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