JP5279968B2 - バタフライバルブ - Google Patents

Description

この発明は、流体通路に設けた段差（ステップ）にバルブを当接させるステップタイプのバタフライバルブに関する。

従来のバタフライバルブは、流体通路の内周面に沿ってバルブシートとなる段差を設けると共に、バルブの外周面を傾斜または断面円弧状にして、段差にバルブ外周面を線接触させて流体通路を閉鎖する構成である（例えば、特許文献１参照）。熱により部品寸法が変化すると、線接触部分に隙間が生じやすく、バルブ−シート間の漏れ（以下、シート漏れと称す）が発生してしまった。比較的温度の低い流体を流す場合であれば、バルブをゴムで構成してシート面との密着性を高めたり（例えば、特許文献２参照）、スプリング部材にてバルブをシートに押し付けたりして、シート漏れを抑制していた。しかしながら、排気ガス（６００〜７００℃）を流通するＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）バルブのように高温の流体制御用のバタフライバルブにおいては、ゴムおよびスプリング部材などの耐熱性の低い部品をシート漏れ抑制のために使用することができない。

そこで、熱による寸法変化の影響を低減するために、流体通路の内周面に沿って設けた段差に、バルブの表裏面を面接触させて流体通路を閉鎖する構造（いわゆるステップタイプバルブ）のバタフライバルブがある。このタイプのバタフライバルブは、回転中心軸を境にしてバルブの一方側の表面と他方側の裏面とが段差に当接するので、バルブの表裏面と段差との重なり代があり、熱により寸法が変化してもシート漏れの変化が少ない。

特開２００４−２６３７２３号公報 特開平６−１７９４５号公報

ステップタイプのバタフライバルブでは、閉弁時のシート漏れを抑制するために、バルブの厚み、およびバルブ表裏面が当接する段差同士の距離（後述するシート間距離）を高精度に加工して、バルブと段差の間の隙間を最小化する必要がある。ただし、この隙間を最小化する様に設計しても、寸法ばらつきによりシート漏れ量が大きくばらつくという課題があった。
また、バタフライバルブは、バルブが回動する際にバルブと段差（または流体通路）が干渉するのを避けるため、流体通路の内周面のうちバルブ軸が貫通する部分には段差を形成できない。そのため、バルブ軸周りからの漏れが発生するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、寸法ばらつきによるシート漏れを抑制することを目的とする。

この発明のバタフライバルブは、流体通路を設けたハウジングと、ハウジングに固定した軸受け部材により回転自在に保持されるバルブ軸と、バルブ軸を挿通するバルブ軸挿通穴を有し、バルブ軸と一体に回動する略円形状のバルブと、流体通路の内周面に沿って設けた段差であって、バルブ軸挿通穴を境にしたバルブの片翼の表面に当接する半円弧状の第１のシート部、およびもう一方の片翼の裏面に当接する半円弧状の第２のシート部を有するバルブシートとを備え、バルブの厚みを、第１のシート部から第２のシート部までのシート間距離より小さくするようにしたものである。

この発明によれば、バルブの厚みを、第１のシート部から第２のシート部までのシート間距離より小さくすることにより、寸法ばらつきがあってもバルブとシート部との間の隙間を小さくできるので、寸法ばらつきによるシート漏れを抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係るバタフライバルブの構成を示す正面図である。 実施の形態１に係るバタフライバルブを図１に示すＡＡ線に沿って切断した断面図である。 実施の形態１に係るバタフライバルブのシート漏れを説明する図である。 バルブの厚みがシート間距離より大きいバタフライバルブのシート漏れを説明する図である。 バルブ厚みとシート間距離の差に対する、開口面積およびシート漏れ量の変化を示すグラフである。 実施の形態１に係るバタフライバルブを図２に示すＤＤ線に沿って切断した断面図である。 実施の形態１に係るバタフライバルブを適用した排気ガス流通弁の構成を示す平面図である。 図７に示す排気ガス流通弁を側面方向からみた部分断面図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１の正面図および図２の断面図に示すバタフライバルブは、流体を流通する管（不図示）に介装されるハウジング１０と、ハウジング１０に回動自在に保持されたバルブ軸２０と、バルブ軸挿通穴３１に挿通してピン２１で締結したバルブ軸２０と一体に回動して流体通路１１を開閉するバルブ３０とを備える。
以下では、説明の都合上、バルブ３０が閉じた状態で上流側に向く面を表、下流側に向く面を裏と呼び分けるが、どちらの面を表裏にしてもよい。

ハウジング１０には流体通路１１を形成し、この流体通路１１の内周面にバルブシートとなる段差を形成する。先立って説明したように、バタフライバルブは、バルブ３０が回動する際、バルブ３０とバルブシートが干渉するのを避けるため、バルブ軸２０の付近にバルブシートを設置することができない。そのため、流体通路１１の内周面に沿って半円弧状の段差を２つ設けるようにし、バルブ軸２０が貫通する部分には段差を設けないこととする。図示例では２つの段差のうち、バルブ軸挿通穴３１を境にしたバルブ３０の片翼の表面に当接する段差を第１のシート部１２とし、もう一方の片翼の裏面に当接する段差を第２のシート部１３とする。

図２に示すように、バルブ３０の厚みをｔ、第１のシート部１２から第２のシート部１３までのバルブ厚み方向の距離をシート間距離Ｔとすると、バルブ３０の厚みｔをシート間距離Ｔより小さく設定して、寸法ばらつきが発生した場合にバルブ３０と第１のシート部１２および第２のシート部１３との間の隙間からのシート漏れ量が増大することを抑制する。

図３は、実施の形態１に係るバタフライバルブに寸法ばらつきが発生した場合のシート漏れを説明する図であり、図１のＡＡ線に相当する位置で切断した断面図を図３（ａ）に示す。バルブ３０と第１のシート部１２および第２のシート部１３の隙間が最小限になるよう設計した場合であっても、寸法ばらつきが発生すると、図３に当接部１２ａ，１３ａとして示すように、バルブ３０の回転中心軸Ｘと直交する方向の外周縁が第１のシート部１２および第２のシート部１３と当接する。そのため、バルブ３０と第１のシート部１２の間、およびバルブ３０と第２のシート部１３の間にそれぞれ隙間（図３に黒色領域として示す隙間面積）が発生し、シート漏れが生じる。図３（ｂ）は第２のシート部１３とバルブ３０の隙間を面積に置き換えて示した図であり、図３（ｃ）は第２のシート部１３とバルブ３０の隙間の投影面積である。図３（ａ）〜（ｃ）に黒色領域で示すように、隙間の面積は、バルブ３０の外周側から中心側のバルブ軸２０へ向かうにつれて大きくなる。第１のシート部１２とバルブ３０の間の隙間も同様である。

反対に、バルブの厚みｔをシート間距離Ｔ以上に設定した場合を説明する。図４に示す参考例は、シート間距離Ｔ以上の厚みにしたバルブ３０ａを用いた場合のシート漏れを説明する図である。厚いバルブ３０ａの場合、寸法ばらつきが発生すると、図４（ａ）に当接部１２ｂ，１３ｂとして示すように、バルブ３０ａのバルブ軸２０に近い位置の外周縁が第１のシート部１２および第２のシート部１３と当接する。そのため、バルブ３０ａと第１のシート部１２の間、およびバルブ３０ａと第２のシート部１３の間にそれぞれ隙間（図４に黒色領域として示す隙間面積）が発生し、シート漏れが生じる。図４（ｂ）は第２のシート部１３とバルブ３０ａの隙間を面積に置き換えて示した図であり、図４（ｃ）は第２のシート部１３とバルブ３０ａの隙間の投影面積である。図４（ａ）〜図４（ｃ）に黒色領域で示すように、隙間の面積は、バルブ３０ａのバルブ軸２０に近い中心側から外周側へ向かうにつれて大きくなる。

図５は、バルブ厚みｔとシート間距離Ｔの差に対する、隙間面積およびシート漏れ量の変化を示すグラフである。図中、横軸はバルブの厚みｔ−シート間距離Ｔ（ｍｍ）を示し、グラフ左側の縦軸は隙間の隙間面積（ｍｍ^２）を示し、グラフ右側の縦軸は隙間からのシート漏れ量（Ｌ／ｍｉｎ）を示す。この例では、相対的に大きい径のバルブと小さい径のバルブの２種類について、それぞれ隙間面積とシート漏れ量を示している。また、このときの寸法ばらつきはバルブの厚みｔとシート間距離Ｔの差の大小によらず同等としている。
グラフより、大きい径のバルブ（細い破線）でも小さい径のバルブ（細い一点鎖線）でも、ｔ＜Ｔのときの隙間面積に比べてｔ＞Ｔのときの隙間面積のほうが大きい。そのため、大きい径のバルブ（太い破線）でも小さい径のバルブ（太い一点鎖線）でも、ｔ＜Ｔのときのシート漏れ量に比べてｔ＞Ｔのときのシート漏れ量のほうが多い。従って、バルブ径によらず、バルブの厚みｔをシート間距離Ｔより小さくすることで、シート漏れ量を抑制することができる。

上述した通り、バタフライバルブは、バルブ３０が回動する際のバルブ３０とバルブシートの干渉を避けるため、バルブ軸２０の付近にバルブシートを設置することができない。そのため、第１のシート部１２の半円弧両端とバルブ軸２０との間、および第２のシート部１３の半円弧両端とバルブ軸２０との間にはそれぞれ隙間が生じることになる。そこで、図１および図２に示すように、第１のシート部１２を構成する半円弧状段差の両端部を流体通路１１の内周面に沿って延長して、バルブ軸２０の流体通路突出部分の外周面の一部を囲う被覆部１４を２箇所に形成する。同様に、第２のシート部１３を構成する半円弧状段差の両端部を流体通路１１の内周面に沿って延長して、バルブ軸２０の流体通路突出部分の外周面の一部を囲う被覆部１５を２箇所に形成する。各被覆部１４がバルブ軸２０と第１のシート部１２との隙間を覆い、各被覆部１５がバルブ軸２０と第２のシート部１３との隙間を覆い、これらの隙間からの漏れを抑制する。

被覆部１４，１５の延長距離は、バルブ３０が回動した際に接触しないようにバルブ３０の動作角度に基づいて設定する。また、バルブ３０をハウジング１０に組み付ける際には、被覆部１４，１５の対向面間に斜め方向に差し込み、その後、バルブ軸２０をハウジング１０の貫通穴とバルブ軸挿通穴３１に挿通して、バルブ３０とバルブ軸２０にピン２１を圧入して締結する手順となるので、バルブ３０の厚みを考慮して被覆部１４，１５の延長距離を設定する必要がある。
なお、被覆部１４，１５のバルブ軸２０に対向する面を、バルブ軸２０の形状に沿った曲面形状にしてクリアランスを小さくすることが好ましく、例えばハウジング１０にバルブ軸２０を貫通させるための穴を加工する際に同時に被覆部１４，１５の曲面形状を加工する。

また、図１に示すように、バルブ軸２０とバルブ軸挿通穴３１の端部との間に筒状部材４０，４１を装着する。バルブ軸２０をバルブ軸挿通穴３１に挿通した状態では、バルブ軸２０の外周面とバルブ軸挿通穴３１の内周面には若干の隙間が生じる場合がある。その場合に、各筒状部材４０，４１が隙間を塞ぐので流体の漏れを抑制できる。
図６は、バタフライバルブの一部分を図２に示すＤＤ線に沿って切断した断面図である。図６の例では、バルブ軸挿通穴３１の端部を拡径して筒状部材圧入部３２を形成し、この筒状部材圧入部３２に筒状部材４１を圧入（またはクリアランスの小さい挿入）して、筒状部材４１をバルブ３０に固定する。その後、バルブ軸２０をバルブ軸挿通穴３１に挿通し、同時に筒状部材４１にも挿通する。筒状部材４１がバルブ軸２０とバルブ３０の隙間を塞ぐので流体漏れを抑制できる。また、筒状部材４１の端部が、バルブ軸挿通穴３１から突き出たバルブ軸２０の外周面を覆うことにより、第１のシート部１２との隙間および第２のシート部１３との隙間を塞ぐので、この隙間からの流体漏れも抑制できる。
図６では図示を省略するが、筒状部材４０も筒状部材４１と同様の構成である。なお、筒状部材はバルブ軸挿通穴３１の両端部にそれぞれ装着してもよいし、いずれか一方のみ装着してもよい。

なお、筒状部材４１の内径をバルブ軸２０の外径より若干大きく形成しておき、バルブ軸２０をバルブ軸挿通穴３１および筒状部材４１に挿通した際にバルブ軸２０が筒状部材４１に対して回転できるようにすれば、ピン２１を圧入するためのバルブ軸２０の穴とバルブ３０の穴の位置合わせを行うことも可能である。

さらに、図１に示すように、軸受け部材１７を流体通路１１の内径側へわずかに突出させた状態でハウジング１０に設置して、突出した軸受け部材１７の端面と筒状部材４１の端面とが当接するようにしてもよい。軸受け部材１７の突出した端部は、被覆部１４，１５で覆われていない部分の隙間を塞ぐので、この隙間からの漏れを抑制できる。
また、バルブ軸２０に回転中心軸Ｘの方向の荷重を印加して、筒状部材４１が軸受け部材１７に当接しながら回動するように構成してもよい。これにより、軸受け部材１７と筒状部材４１の端面同士の隙間が無くなるので、筒状部材４１とバルブ軸２０の隙間へ流体が漏れにくくなると共に軸受け部材１７とバルブ軸２０の隙間へも流体が漏れにくくなる。この結果、バルブ軸２０の周りから回転中心軸Ｘの方向に沿って外部へ流体が漏れ出ることを防止できる。バルブ軸２０への与圧方法は後述する。
また、この構成の場合、バルブ３０および筒状部材４０と一体化したバルブ軸２０の位置決めを、筒状部材４１と軸受け部材１７の当接位置により行うことも可能である。

軸受け部材１７の外径を大きくすれば、被覆部１４，１５で覆われていない部分の隙間を効果的に塞ぐことができるが、筒状部材４１の外径以上に大きくすると、バルブ３０が回動する際に軸受け部材１７に接触する可能性がある。そのため、軸受け部材１７の外径は筒状部材４１の外径と略同じに形成することが好ましい。
なお、図１の例では実施していないが、筒状部材４１と軸受け部材１７の当接に代えて、筒状部材４０と軸受け部材１６を当接させるようにしてもよい。この場合には、軸受け部材１６を流体通路１１の内径側へわずかに突出させた状態でハウジング１０に設置して、バルブ軸２０に上記とは反対方向の荷重を印加し、突出した軸受け部材１６の端面と筒状部材４０の端面とを当接させるようにすればよい。

次に、本実施の形態１に係るバタフライバルブを、排気ガス流通弁に適用する場合を説明する。図７に排気ガス流通弁の平面図を示し、側面方向からみた部分断面図を図８に示す。図示例では、１つのハウジング１０に２つのバルブ３０を取り付けているが、必要に応じた数でよい。以下では、説明の都合上、２つのバルブ３０をバルブ３０−１，３０−２と呼び分ける。

モータ１００は、バルブ３０−１，３０−２を開閉する駆動力を発生させてアクチュエータ軸１０１を回転させる。このアクチュエータ軸１０１の一端側はリンク室１０２の内部に伸びてリンク１０３に連結され、リンク１０３を回転させる。モータ１００の正転駆動または逆転駆動によりリンク１０３が回転すると、このリンク１０３の回転力が複数のリンクを介してバルブ軸２０に伝達されて、バルブ軸２０に締結されたバルブ３０−１，３０−２が回動する。また、フェールセーフとして、バルブ軸２０の上端側にリターンスプリング１０４が配置されており、このリターンスプリング１０４がバルブ軸２０を付勢して、バルブ３０−１，３０−２を所定の回動位置に戻す。さらに、このリターンスプリング１０４は線間の間隔を広く巻回し、その間隔を狭めるように圧縮してリンク室１０２に設置する。これにより、図８に矢印で示すように、バルブ軸２０が、リターンスプリング１０４の荷重で回転中心軸Ｘの上方向に与圧される。

この排気ガス流通弁は、バルブ３０−１，３０−２それぞれに設けたバルブ軸挿通穴にバルブ軸２０を挿通し、バルブ軸２０とバルブ３０−１にピン２１を圧入すると共にバルブ軸２０とバルブ３０−２にピン２１を圧入してそれぞれ締結している。この構成の場合、バルブ軸２０をバルブ軸挿通穴に挿通した後に、バルブ軸２０とバルブ３０に開設したピン圧入用の穴同士を位置合わせする必要があるので、バルブ軸２０の外周面とバルブ軸挿通穴の内周面の間に若干の隙間が必要となる。そのため、高温のガスがこの隙間を通ってハウジング１０の外部（例えば、リンク室１０２）へ漏れ出る可能性がある。また、バルブ軸２０と軸受け部材１６の間も摺動用の隙間があるので、この隙間に流体が侵入すればハウジング１０の外部へ漏れ出る可能性がある。そこで、バルブ３０−１のバルブ軸挿通穴の上側端部に筒状部材４０を装着し、この筒状部材４０の端部に面する軸受け部材１６を流体通路１１から突出させて、リターンスプリング１０４の与圧の作用により筒状部材４０の端面と軸受け部材１６の突出した端面とを当接させる。これにより、流体通路１１を流通する高温ガスが、バルブ軸２０と筒状部材４０の隙間からバルブ軸２０とバルブ３０のバルブ軸挿通穴の隙間へ侵入しにくくなると共に、軸受け部材１６とバルブ軸２０の隙間にも侵入しにくくなる。よって、バルブ軸２０の周りからハウジング１０外部への漏れを抑制できる。なお、筒状部材４０を軸受け部材１６に当接させるための与圧を、リターンスプリング１０４にて発生させるので、部品数は増加しない。

他方、回転中心軸Ｘの下端側において、筒状部材４１とバルブ軸２０の間および軸受け部材１７とバルブ軸２０の間にも隙間はあるが、ハウジング１０の下面にカバー１０５（図８に示す）が圧入固定されているため、軸周りに高温ガスが漏れてもカバー１０５より外部へは漏れ出ない。そのため、図示例では軸受け部材１７と筒状部材４１を当接させていない。

以上より、実施の形態１によれば、バタフライバルブは、流体通路１１を設けたハウジング１０と、ハウジング１０に固定した軸受け部材１６，１７により回転自在に保持されるバルブ軸２０と、バルブ軸２０を挿通するバルブ軸挿通穴３１を有してバルブ軸２０と一体に回動する略円形状のバルブ３０と、流体通路１１の内周面に沿って設けた段差であって、バルブ軸挿通穴３１を境にしたバルブ３０の片翼の表面に当接する半円弧状の第１のシート部１２、およびもう一方の片翼の裏面に当接する半円弧状の第２のシート部１３を有するバルブシートとを備えるように構成し、バルブ３０の厚みｔはシート間距離Ｔより小さくするようにした。このため、寸法ばらつきがあっても、バルブ３０と第１のシート部１２の隙間およびバルブ３０と第２のシート部１３の隙間を小さくできるので、シート漏れを抑制することができる。

また、実施の形態１によれば、第１のシート部１２の半円弧両端部および第２のシート部１３の半円弧両端部を流体通路１１の内周面に沿って延長して、バルブ軸２０の外周面の一部を囲う被覆部１４，１５を形成するようにした。このため、バルブ軸２０と第１のシート部１２および第２のシート部１３との隙間を覆って流体漏れを抑制できる。

また、実施の形態１によれば、バタフライバルブは、バルブ軸挿通穴３１の端部とバルブ軸２０との間に装着される筒状部材４０，４１を備える構成にしたので、バルブ軸２０とバルブ３０との隙間を塞いで、回転中心軸Ｘの方向への流体漏れを抑制できる。

また、実施の形態１によれば、軸受け部材１６，１７を、端部が流体通路１１へ突出した状態でハウジング１０に固定するようにしたので、軸受け部材１６，１７の端部がバルブ軸２０と第１のシート部１２および第２のシート部１３との隙間を塞いで流体漏れを抑制できる。

また、実施の形態１によれば、筒状部材４０，４１のいずれか一方は、バルブ軸２０に作用する与圧によって軸受け部材１６，１７のいずれか一方の流体通路１１へ突出した端部に当接しながら回動するようにしたので、筒状部材４０と軸受け部材１６との隙間、または筒状部材４１と軸受け部材１７との隙間のいずれか一方を塞いで流体漏れを抑制できる。さらに、バルブ軸２０の周りからハウジング１０の外部への流体漏れも抑制できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１０ ハウジング、１１ 流体通路、１２ 第１のシート部、１３ 第２のシート部、１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ 当接部、１４，１５ 被覆部、１６，１７ 軸受け部材、２０ バルブ軸、２１ ピン、３０，３０ａ，３０−１，３０−２ バルブ、３１ バルブ軸挿通穴、３２ 筒状部材圧入部、４０，４１ 筒状部材、１００ モータ、１０１ アクチュエータ軸、１０２ リンク室、１０３ リンク、１０４ リターンスプリング、１０５ カバー。

Claims (5)

1. 流体通路を設けたハウジングと、
   前記ハウジングに固定した軸受け部材により回転自在に保持されるバルブ軸と、
   前記バルブ軸を挿通するバルブ軸挿通穴を有し、前記バルブ軸と一体に回動する略円形状のバルブと、
   前記流体通路の内周面に沿って設けた段差であって、前記バルブ軸挿通穴を境にした前記バルブの片翼の表面に当接する半円弧状の第１のシート部、およびもう一方の片翼の裏面に当接する半円弧状の第２のシート部を有するバルブシートとを備え、
   前記バルブの厚みは、前記第１のシート部から前記第２のシート部までのシート間距離より小さいことを特徴とするバタフライバルブ。
2. 第１のシート部の半円弧両端部および第２のシート部の半円弧両端部のそれぞれを前記流体通路の内周面に沿って延長して、バルブ軸の外周面の一部を囲う被覆部を形成することを特徴とする請求項１記載のバタフライバルブ。
3. バルブ軸挿通穴の端部とバルブ軸との間に装着される筒状部材を備えることを特徴とする請求項１記載のバタフライバルブ。
4. 軸受け部材は、端部が流体通路へ突出した状態でハウジングに固定されることを特徴とする請求項１記載のバタフライバルブ。
5. 軸受け部材は、端部が流体通路へ突出した状態でハウジングに固定され、
   筒状部材は、バルブ軸に作用する与圧によって前記軸受け部材の流体通路へ突出した前記端部に当接しながら回動することを特徴とする請求項３記載のバタフライバルブ。

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