JP5335167B2

JP5335167B2 - バルブの軸シール構造

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Publication number: JP5335167B2
Application number: JP2013523422A
Authority: JP
Inventors: 克典高井; 暁長谷川; 雅之横山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: JPWO2013008268A1; WO2013008268A1

Description

この発明は、バルブ軸周りからの流体の漏れを抑制する軸シール構造に関する。

従来、流体制御用バルブ（バタフライタイプ、ポペットタイプ、フラップタイプ等）に連結したバルブ軸周りからの漏れを抑制するために、例えば特許文献１ではバルブ軸の摺動を支持する軸摺動支持部にドーナツ形状のシール部材を設けて、バルブ軸周りの隙間をシールしていた。また例えば特許文献２では、バルブ軸を回転自在に支承する軸受ブッシュの端面をバルブに圧接してシールしていた。

特開２００５−１２０９３２号公報特開２００１−３４２８２８号公報

従来のシール部材は一般にフッ素樹脂製（２６０℃程度の耐熱性）であるため、例えばエンジンからの排気ガスを吸気側へ循環させる排気ガス循環バルブのような、高温流体中での使用に適さなかった。
これに対して、上記特許文献２ではシール部材となる軸受ブッシュを、フッ素樹脂より耐熱性のあるカーボン材で構成して、高温流体中での使用を可能にしている。しかしながら、バルブを構成するチタン材はカーボン材とは熱膨張率が異なるため、軸受ブッシュの端面とバルブとに隙間が生じてしまう。そのため、軸受ブッシュのバルブ圧接端面とは反対側の端面に、軸受ブラケットを当接してこの軸受ブラケットをスラストスプリングで付勢することで、軸受ブッシュのバルブ圧接端面をバルブに押し当てて隙間を塞ぐ構成にしていた。従って、構成が複雑で部品点数が増え、また、構成に必要なスペースが大きくな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、簡易な構成で、かつ、高温でも軸漏れを抑制可能なバルブの軸シール構造を提供することを目的とする。

この発明に係るバルブの軸シール構造は、内部に設けた流体通路に連通する貫通穴が形成されたハウジングと、貫通穴から流体通路に挿通され、流体通路内のバルブを駆動するバルブ軸と、貫通穴の内壁面に沿って形成されたくぼみに係合した環状の鍔部、当該鍔部からバルブ軸の軸方向に沿って流体通路の方向へ突出した筒状部、および当該筒状部の内周面側でバルブ軸の外周面に当接する摺動部からなり、ステンレス鋼のメッシュ材を骨材にしてカーボン材を押し固めて構成されたシール部材とを備えるものである。

この発明によれば、高温でも使用可能なステンレス鋼のメッシュ材とカーボン材からシール部材を形成し、鍔部と貫通穴のくぼみとの係合部分および摺動部とバルブ軸との当接部分でシールするようにしたので、簡易な構成で、かつ、高温でも軸漏れを抑制することのできる軸シール構造を提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る流体制御用バルブの構成を示す部分断面図である。実施の形態１に係る流体制御用バルブの軸シール構造を拡大した断面図である。実施の形態１に係る流体制御用バルブを説明するための参考例である。実施の形態１に係る流体制御用バルブを説明するための参考例である。実施の形態１に係る流体制御用バルブの変形例を示す断面図である。

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に示す流体制御用バルブ１は、ハウジング２と、ハウジング２に設けた流体通路３と、流体通路３に連通する貫通穴４と、流体通路３を流れる流体の流量を制御するバタフライタイプのバルブ５と、貫通穴４から流体通路３に挿通され、一端側に連結されたバルブ５と一体に回転するバルブ軸６と、貫通穴４の内壁面に沿って形成された階段部７と、この階段部７の上段に圧入された環状のプレート８と、バルブ軸６周りの隙間をシールするシール部材１０とから構成されている。このバルブ軸６の一端部にはアクチュエータ等（不図示）が接続され、アクチュエータの回転駆動力を受けてバルブ軸６が軸方向Ｘを中心に回転することにより、このバルブ軸６の他端部に連結されたバルブ５が開閉する。以下、説明の便宜上、バルブ軸６の軸方向Ｘに沿ってアクチュエータ等接続側を上、バルブ５連結側を下と呼ぶ。

本実施の形態１では、流体通路３を流れる流体がバルブ軸６の外周面とハウジング２（貫通穴４）との隙間を通ってアクチュエータ側へ漏れる、いわゆる軸漏れを抑制するために、シール部材１０を用いた軸シール構造を設ける。

図２に、流体制御用バルブ１の軸シール構造を拡大した図を示す。図中の矢印Ａは軸漏れした流体の流れる方向を示す。
シール部材１０は、このシール部材１０をハウジング２に固定するための環状の鍔部１１と、軸漏れが生じる流体通路３の方向へ突出し、先端に向かうにつれすぼまる形状をした筒状部１２と、筒状部１２の内周面の先端側でバルブ軸６の外周面に当接する摺動部１３とから構成されている。このシール部材１０は、ステンレス鋼（ＪＩＳのＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０等）の線材をメッシュ状に編んでなるシート状の素材（以下、ＳＵＳメッシュ）を、図示したようなシール部材１０の形状に整形して骨材とし、カーボン材を押し固めて構成する。カーボン材は６５０℃程度の高温まで、ＳＵＳメッシュは６５０℃以上の高温での使用が可能な材料であるので、このシール部材１０は約６５０℃の高温流体中で使用可能である。また、ＳＵＳメッシュはバネ性を有しているため、ＳＵＳメッシュの量またはメッシュ密度を調整することにより、シール部材１０の撓み性を調整できる。また、ＳＵＳメッシュの隙間をカーボン材が塞いでいるので、シール部材１０は流体を通さない。

鍔部１１は、ハウジング２の階段部７とプレート８とで構成される環状のくぼみに係合してシール部材１０を支持する部位になる。そのため、鍔部１１を、カーボン材よりＳＵＳメッシュを多く配置して押し固めた構成にして、支持強度を確保する。図２に点描で示すように、鍔部１１と階段部７の当接部分でシールし、また、鍔部１１とプレート８の当接部分でもシールする。
なお、図示例では、鍔部１１を係合して固定するためのくぼみを階段部７とプレート８とで構成したが、これに限定されるものではなく、鍔部１１を上下方向から挟み込んで固定する構造であればよい。

摺動部１３は、筒状部１２の内周面の一部であり（図２に点描で示す）、バルブ軸６の外周面に当接してシールする。そのため、摺動部１３を、摺動性の良好なカーボン材をＳＵＳメッシュより多く配置して押し固めた構成にし、摺動性を確保する。また、カーボン材を多く配置することにより、摺動部１３の腐食、固着等を抑制することができる。
さらに、摺動部１３のシール性を確保するために、摺動部１３の内径をバルブ軸６の外径より小さく設定する。

鍔部１１と筒状部１２の接続部分である曲げ部１４は、シート状のＳＵＳメッシュを折り曲げて整形し、カーボン材を押し固めて構成している。この曲げ部１４に配置するＳＵＳメッシュ量（またはメッシュ密度）を調整して筒状部１２の撓み性を確保する。撓み性を確保することにより、バルブ軸６の動作時に軸ずれおよび軸の傾きが生じても、筒状部１２が撓んで変形し、摺動部１３がバルブ軸６に当接したまま追従するようになる。よって、摺動部１３のシール性を保つことができる。
傾向としてＳＵＳメッシュ量を多くするほど撓みにくくなるので、シール部材１０のうち鍔部１１のＳＵＳメッシュ量を最も多くし、曲げ部１４はそれより少ない量に調整するとよい。

また、筒状部１２の撓み性を確保することにより、流体制御用バルブ１が高温（〜６５０℃）または低温になってバルブ軸６とシール部材１０の線膨張係数差から摺動部１３の締め代が変化した場合でも、摺動部１３がバルブ軸６に当接したままシールできる。例えば高温下で、バルブ軸６がシール部材１０よりも大きく熱膨張した場合、撓み性がないと摺動部１３がバルブ軸６を締め付けて、摺動抵抗が増加することになる。これに対し、本実施の形態１のように撓み性を確保すれば、摺動抵抗の増加を抑制した状態でバルブ軸６に当接し続けることができる。

また、図２に示すように、鍔部１１の軸方向Ｘの厚みＣより筒状部１２の径方向の厚みＤを薄くする。これにより、筒状部１２がより撓みやすくなり、摺動部１３によるシールをより確実にすることができる。さらに、筒状部１２の径方向の厚みＤを一定にせず、先端に向かうにつれ薄くなるように形成してもよい。

また、図２に示すように、筒状部１２の軸方向Ｘの長さＥを、少なくとも鍔部１１の軸方向Ｘの厚みＣの２倍以上にして、撓み性を確保する。
これに対し、鍔部１１と筒状部１２の軸方向Ｘの長さを同じにした場合の例を、図３に示す。軸漏れした流体の圧力がシール部材１０に印加された場合（図３に矢印Ａ，Ｆで示す）、筒状部１２の反り返りが発生し、摺動部１３とバルブ軸６との間に隙間が生じる。そして、流体の圧力が加わるほど摺動部１３がバルブ軸６から離れて隙間が広がり、漏れ量が多くなる。
一方、図２のように筒状部１２の長さＥを調整して撓み性を確保することによって、大きな流体圧力が印加された場合でも反り返りが起こりにくく、軸漏れを抑制できる。

さらに、筒状部１２の外形を先端先細りのテーパ状にして軸漏れした流体の圧力を受けやすくしているので、流体が高圧の場合、筒状部１２の外周面が流体圧力を受けて内側へ撓みやすくなる（図２に矢印Ｂで示す）。そのため、高圧流体中でも、摺動部１３がバルブ軸６に当接してシールし、軸漏れを抑制することができる。
また、筒状部１２の径方向の厚みＤをさらに薄くする等によって撓み性を高めることにより、流体圧力を利用してシールさせる構成にすることもできる。
なお、図２の例では、筒状部１２の内周面のうちの先端部分（摺動部１３）にカーボン材を多く配置したが、筒状部１２の内周面全体にカーボン材を多く配置しておいてもよい。これにより、流体の圧力を受けて筒状部１２がバルブ軸６へ押さえ付けられる状態になったとしても摺動性を確保できる。

このように、シール部材１０の鍔部１１と階段部７およびプレート８との係合部分、ならびに摺動部１３とバルブ軸６の当接部分を常にシールするので、バルブ軸６周りの軸漏れを抑制することができる。また、シール部材１０をＳＵＳメッシュとカーボン材で構成したので、高温（〜６５０℃）でも使用できる。また、先立って説明した特許文献２のような構造に比べて、部品点数が少なく、かつ、必要スペースも小さくできる。

なお、シール部材１０は、階段部７とプレート８とに挟み込まれて固定される鍔部１１以外の部分を、ハウジング２に接触させないことが好ましい。図２では、筒状部１２を先端に向かってすぼまる形状にして、筒状部１２の外周面がハウジング２に接触しない構造にする。即ち、バルブ軸６がずれたり傾いたり、またはバルブ軸６とシール部材１０が熱膨張したりした場合でも、ハウジング２と筒状部１２が接触しない程度の隙間を設ける。

図４に、鍔部１１以外の部分をハウジング２に接触させた場合の例を示す。図４のように筒状部１２の外周面がハウジング２に当接していると、熱膨張およびバルブ軸６の傾き等により発生した力（図４に矢印Ｇで示す）の逃げ場がない。そのため、ハウジング２からの反力が摺動部１３を通してバルブ軸６に伝わり（図４に矢印Ｈで示す）、摺動抵抗が増加することになる。
一方、図２のように鍔部１１以外の部分をハウジング２に接触させないことにより、バルブ軸６と摺動部１３との摺動抵抗の増加を回避することができる。

また、図２に示すように、階段部７の内径より鍔部１１の外径を小さく設定しておき、鍔部１１と階段部７との間に隙間を設けておくことが好ましい。鍔部１１は上下方向から挟み込まれているのでその方向には熱膨張できないため、この隙間が逃げ場となる。

なお、図２に示すシール部材１０は、筒状部１２の内周面をテーパ形状にしてその先端部分を摺動部１３としてバルブ軸６に当接させる構成としたが、これに限定されるものではない。例えば図５に示すように、内周面をストレート形状にして、筒状部１２の内周面全体を摺動部１３としてバルブ軸６に当接させる構成にしてもよい。この構成の場合には、シール面積が大きくなるので、軸漏れをさらに抑制することができる。
もちろん図２および図５に例示した以外の構成にしてもよい。摺動部１３の面積は、このシール部材１０を適用する流体制御用バルブ１のアクチュエータ駆動力、軸漏れの許容量、および流体圧力等に応じて適宜設定すればよい。

以上より、実施の形態１によれば、流体制御用バルブ１は、内部に設けた流体通路３に連通する貫通穴４が形成されたハウジング２と、貫通穴４から流体通路３に挿通され、流体通路３内のバルブ５を駆動するバルブ軸６と、貫通穴４の内壁面に沿って形成された階段部７と圧入されたプレート８とで形成されたくぼみに係合した環状の鍔部１１、この鍔部１１から軸方向Ｘに沿って流体通路３の方向へ突出した筒状部１２、およびこの筒状部１２の内周面側でバルブ軸６の外周面に当接する摺動部１３からなり、ＳＵＳメッシュを骨材にしてカーボン材を押し固めて構成されたシール部材１０とを備えるように構成した。このため、簡易な構成で、かつ、低温から高温（〜６５０℃）まで軸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、シール部材１０は、鍔部１１がハウジング２に接触し、筒状部１２と摺動部１３はこのハウジング２に接触しない形状にしたので、摺動部１３とバルブ軸６との当接部分において摺動抵抗を少なくすることができる。

また、実施の形態１によれば、シール部材１０は、鍔部１１の軸方向Ｘの厚みＣより、筒状部１２の径方向の厚みＤを薄くしたので、鍔部１１の強度を確保すると共に、筒状部１２と摺動部１３の撓み性を確保することができる。また、流体圧力を受けて筒状部１２がバルブ軸６の方向へ変形しやすい構造になり、流体圧力が高い場合でも摺動部１３がバルブ軸６に密着して軸漏れを抑制できる。

また、実施の形態１によれば、シール部材１０は、筒状部１２の軸方向Ｘの長さＥを、鍔部１１の軸方向Ｘの厚みＣの２倍以上にしたので、筒状部１２と摺動部１３の撓み性を確保することができる。また、流体圧力を受けても、筒状部１２の反り返りが起こりにくい構造にできる。

また、実施の形態１によれば、シール部材１０の摺動部１３に、ＳＵＳメッシュよりカーボン材を多く配置したので、摺動部１３の摺動性を確保することができる。

また、実施の形態１によれば、シール部材１０は、鍔部１１と筒状部１２の接続部分である曲げ部１４に配置するＳＵＳメッシュの量を調整して撓み性を確保したので、バルブ軸６の動作時または熱膨張の影響でバルブ軸６と摺動部１３との間の締め代または隙間が変化した場合でも摺動部１３がバルブ軸６に当接でき、軸漏れを抑制することができる。

なお、上記説明では軸方向Ｘを中心に回転するバルブ軸６に対してシール部材１０を適用した例を挙げたが、これに限定されるものではなく、軸方向Ｘに沿って直動するバルブ軸に対してシール部材１０を適用することもできる。また、バルブ５の形状もバタフライタイプに限定されるものではなく、ポペットタイプ、フラップタイプ等、任意の形状でよい。
これ以外にも、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。

以上のように、この発明に係るバルブの軸シール構造は、高温でも使用可能なＳＵＳメッシュとカーボン材からシール部材を形成するようにしたので、高温の排気ガス流量を制御する排気ガス循環バルブ等に用いるのに適している。

１流体制御用バルブ、２ハウジング、３流体通路、４貫通穴、５バルブ、６バルブ軸、７階段部、８プレート、１０シール部材、１１鍔部、１２筒状部、１３摺動部、１４曲げ部。

Claims

内部に設けた流体通路に連通する貫通穴が形成されたハウジングと、
前記貫通穴から前記流体通路に挿通され、前記流体通路内のバルブを駆動するバルブ軸と、
前記貫通穴の内壁面に沿って形成されたくぼみに係合した環状の鍔部、当該鍔部から前記バルブ軸の軸方向に沿って前記流体通路の方向へ突出した筒状部、および当該筒状部の内周面側で前記バルブ軸の外周面に当接する摺動部からなり、ステンレス鋼のメッシュ材を骨材にしてカーボン材を押し固めて構成されたシール部材とを備えるバルブの軸シール構造。
前記シール部材は、前記鍔部が前記ハウジングに接触し、前記筒状部と前記摺動部は前記ハウジングに接触しない形状であることを特徴とする請求項１記載のバルブの軸シール構造。
前記シール部材は、前記鍔部の前記軸方向の厚みより、前記筒状部の径方向の厚みを薄くした形状であることを特徴とする請求項１記載のバルブの軸シール構造。
前記シール部材は、前記筒状部の前記軸方向の長さを、前記鍔部の前記軸方向の厚みの２倍以上にした形状であることを特徴とする請求項１記載のバルブの軸シール構造。
前記シール部材の摺動部は、ステンレス鋼のメッシュ材よりカーボン材が多く配置されたことを特徴とする請求項１記載のバルブの軸シール構造。
前記シール部材は、前記鍔部と前記筒状部の接続部分に配置するステンレス鋼のメッシュ材の量を調整して撓み性を確保した構成であることを特徴とする請求項１記載のバルブの軸シール構造。