JP5345708B2 - バルブの軸洩れ低減構造 - Google Patents

Description

この発明は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）バルブ等の流体制御用バルブの軸洩れを低減させる軸洩れ低減構造に関する。

昨今の環境問題に伴う排ガス規制強化によって、エンジンから発生するエミッションを抑えるために、例えばＥＧＲバルブのような高温ガスが流通するバルブでは軸洩れを低減させることが必須となってきている。

従来、流体制御用バルブにおいて、ハウジングや軸受け部と弁軸との隙間を通って流体通路内の流体が洩出する軸洩れを抑えるために、この隙間にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）若しくはフッ素系の軸シール又はラビリンスシール構造を設ける。例えば特許文献１に開示の軸洩れ低減構造では、弁軸の流体通路とハウジングの切替部分に設けた軸受け部の、流体通路側の弁軸外周にラビリンスシールを周設してジグザグ状の流体経路を形成し、流体が流体通路から軸受け部へ流れ出にくくすると共に、ハウジング側の弁軸外周にＰＴＦＥのリップシールを周設して、軸受け部からハウジングへの軸洩れを抑える。

特開２００７−３２３０１号公報

しかしながら、ＥＧＲバルブに流通する高温ガスは２００〜８００℃、特にＥＧＲクーラの直前に配置されるホットサイド用バルブに流通する高温ガスは８００℃にも達するので、従来のＰＴＦＥ又はフッ素系の軸シールでは耐熱温度を超えてしまい使用しにくい又は使用できないため、軸洩れ量を抑えることが困難であるという課題があった。

例えば特許文献１に開示の軸洩れ低減構造では、ラビリンスシールは軸受け部と弁軸の隙間を塞いでいないため、流体通路を流通する高温の排ガスはこの隙間から洩れ出てラビリンスシール部分に流体経路を形成してしまう。そのため、軸洩れを抑える役目は主にリップシールが果たすことになるが、このリップシールはＰＴＦＥのため、上述のように２００〜８００℃の高温ガスが流通するようなバルブでは使用できず、軸洩れ量を低減することができない。

従って、特許文献１に開示の軸洩れ低減構造を高温（２００℃以上）の流体に適用する場合には、ラビリンスシールはそのまま使用できるが、リップシールはＰＴＦＥから金属又は高温に耐えられる材料に変更する必要がある。ただし、その場合、リップシールと弁軸とのフリクションが増大して弁軸自体の動作に支障を与えることや、弁軸との隙間のシール構造が成立しないことが考えられ、高温下での軸洩れを低減させることは困難である。また、この構造は低温（２００℃未満）の流体にも適用できるが、ＰＴＦＥの軸シールと比較するとシール機能は劣る。ただし、コストは抑えられる。

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、バルブの軸洩れを低減させる軸洩れ低減構造を提供することを目的とする。

この発明の軸洩れ低減構造は、内部に設けた流体通路に連通する貫通穴を形成したハウジングと、貫通穴から流体通路に挿入され、回転中心軸を中心にして回転する弁軸と、弁軸と一体に回転して、流体通路を開閉する弁体と、弁軸の流体通路挿入側とは反対側で当該弁軸を回転自在に軸支するベアリングと、貫通穴内に設けられ、ベアリングより流体通路側で弁軸を回転自在に軸支する軸受け部と、ベアリングを、回転中心軸方向の流体通路とは反対側に荷重するワッシャと、弁軸の外周面に圧入され、与圧によって軸受け部の流体通路側の面に当接しながら回転する、切れ目のない環状の軸シール部とを備え、軸シール部は、ワッシャに荷重されたベアリングにより弁軸に作用する回転中心軸方向の流体通路とは反対側の与圧によって、軸受け部の流体通路側の面に当接すると共に、貫通穴を通じて流体通路から流れ出る流体の圧力が当該軸シール部に与圧として作用して軸受け部の流体通路側の面に当接するものである。

この発明によれば、弁軸の外周面に圧入された切れ目のない環状の軸シール部が、弁軸および当該軸シール部に作用する与圧によって、軸受け部の流体通路側の面に当接しながら回転することにより、弁軸と軸シール部の隙間及び軸受け部と軸シール部の隙間をなくして軸洩れを低減させるバルブの軸洩れ低減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ＥＧＲバルブの構成を示す断面図である。 図１に示すＥＧＲバルブの軸洩れ低減構造を拡大した断面図である。 図１に示すＥＧＲバルブのプレート周辺を拡大した断面図である。

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ＥＧＲバルブは、バルブ開閉の回転駆動力を発生させるアクチュエータ部１０と、アクチュエータ部１０の駆動力をロッド（弁軸）３２に伝達するギア部２０と、高温の排ガスが流通する管（不図示）に介装され、バタフライ弁状のバルブ（弁体）３７を開閉して排ガスの流通を制御するバルブ部３０とからなる。

アクチュエータ部１０はＤＣモータ等をモータ１１に用い、このモータ１１の駆動軸の一端には、ギア部ハウジング２１内部にあるピニオンギア２２が連結されている。モータ１１が駆動するとピニオンギア２２及びギア２３が噛合して回転し、モータ１１の駆動力をロッド３２へ伝達する。ロッド３２はベアリング２５によって回転自在に軸支され、駆動力により回転中心軸Ｘを中心に回転して、ロッド３２に固定されているバルブ３７を開かせる。このベアリング２５は、ワッシャ（荷重手段）２６の荷重により軸方向上向きに与圧されている。また、ギア２３にはリターンスプリング２４が配置されており、このリターンスプリング２４がロッド３２をモータ１１の駆動力による回転方向とは逆方向に付勢して、モータ１１の停止中にバルブ３７をバルブシート３９に当接する閉位置へ戻す。

バルブ部ハウジング３１には外部とガス通路（流体通路）３８とを連通する貫通穴３１ａが設けられている。この貫通穴３１ａにロッド３２が挿入される。また、この貫通穴３１ａにはブッシュ（軸受け部）３５が圧入され、固定ピン３４で固定されている。このブッシュ３５が軸受けとなってロッド３２を回転自在に軸支している。また、貫通穴３１ａにおいて、ロッド３２の外周面にはプレート（軸シール部）３６が圧入されており、ロッド３２とプレート３６が一体で回転する。また、バルブ部ハウジング３１とギア部ハウジング２１の間にはカバー３３を配置して、ガスに含まれるカーボンデポジット、ゴミ等がロッド３２の外周面に沿ってギア部ハウジング２１内に進入しないようにする。
また、ロッド３２にはバルブ３７が固定されており、このバルブ３７がロッド３２と一体に回転して、ガス通路３８に設けられたバルブシート３９に当接してガスの流通を止める。

次に、図２及び図３の拡大断面図を用いて、ＥＧＲバルブの軸洩れ低減構造を説明する。
ガス通路３８を流通するガス、及びバルブ３７とバルブシート３９の隙間から洩れ出るガスは、ロッド３２の外周面に沿って軸方向上向きに軸洩れするが、プレート３６がロッド３２の外周面に圧入されているため、プレート３６の内周面とロッド３２の外周面に隙間がなく、この部分から軸洩れすることもない。

また、ガス通路３８を流通するガス、及びバルブ３７とバルブシート３９の隙間から洩れ出るガスは、ロッド３２を外周面に沿って軸方向上向きに流通しながら与圧する。ロッド３２に作用するこの与圧により、ロッド３２と一体化したプレート３６がブッシュ３５へ当接する。このように、ロッド３２に作用する与圧によりプレート３６とブッシュ３５とを積極的に当接させ、プレート３６とブッシュ３５の当接面の隙間を埋めることによって、ガスの洩れ出る経路をなくして軸洩れを抑えることができる。

さらに、ワッシャ２６はベアリング２５に荷重を与えているが、この荷重はベアリング２５を経由してロッド３２にも作用する。ワッシャ２６によって発生されたこの与圧は、上記ガス圧力によって発生された与圧と共にロッド３２に作用して、ロッド３２と一体化したプレート３６がブッシュ３５へ当接する。従って、ガス圧力の変動時、例えばガス圧力が負圧になってブッシュ３５とプレート３６とが離れる方向に引っ張られる場合でも、ワッシャ２６の荷重がプレート３６を与圧するので軸洩れを抑えることができる。

このように、ロッド３２とプレート３６を圧入すると共に、ロッド３２に作用する与圧によりプレート３６をブッシュ３５に当接させて、ロッド３２、プレート３６、ブッシュ３５の間でラビリンス構造を形成することにより、ガスの洩れ出る経路をなくして軸洩れ量を低減することができる。また、本構造をとることによってガスの圧力はプレート３６とブッシュ３５を密着させる方向に働くので、高圧下でも適用が可能である。また、ラビリンス構造形成に使用するプレートは、プレート３６の１枚でよいため、従来のように複数枚のプレートを使用する場合に比べて部品点数、組立て工数、及びコストを抑えることができる。さらに、ロッド３２を与圧することで、エンジン等からの振動又はガス通路３８の圧力脈動を受けたロッド３２、並びにこのロッド３２と一体化したプレート３６及びバルブ３７が軸方向上下に振動することを抑えることができる。この結果、ブッシュ３５とロッド３２及びプレート３６との当接面、並びにバルブシート３９とバルブ３７の当接面の磨耗を抑えることができる。

また、ガスの温度条件に応じてブッシュ３５とプレート３６の材料を選定して、２００℃〜８００℃の高温下でも軸洩れを低減させる。材料の候補としてはカーボン、金属、セラミック等があるが、高温ガスの場合にはブッシュ３５及びプレート３６共にステンレスが好ましく、低温の場合はカーボンでもよい。

さらに、ブッシュ３５とプレート３６の両材料の組み合わせ、硬度、コーディング及び表面処理を考慮して、ブッシュ３５とプレート３６の当接面の磨耗を抑制させる。例えばブッシュ３５とプレート３６を硬度が略同じか近い材料にしたり、さらにブッシュ３５とプレート３６の当接面をニッケルメッキ、ニッケルクロム、チッカ処理等の表面処理を施したりして、磨耗の低減を図る。

また、上記のような材料の選定及び表面処理以外にも、形状を考慮して当接面の磨耗を抑制するようにする。仮にブッシュ３５の当接面の外径がプレート３６の外径より大きければ、ブッシュ３５が磨耗していくとブッシュ３５とプレート３６の当接部分に段差ができ、ロッド３２が回転するときにブッシュ３５とプレート３６が噛み込み易くなる懸念がある。
そこで、ブッシュ３５の軸方向下側の端部外径をプレート３６の外径より小さくなるように縮径して、縮径端部３５ａを形成する。これにより、ブッシュ３５に対してプレート３６が回転して当接面が磨耗したとしても、段差がなく均一に磨耗するようになるので、ブッシュ３５とプレート３６の磨耗部分が噛み込んだり引っ掛かったりしにくい構造になっている。

また、バルブ３７のバルブシート３９への位置決めは、バルブ３７がバルブシート３９に圧接することにより行うのではなく、ロッド３２に一体化したプレート３６がブッシュ３５へ当接することにより行っているため、ロッド３２の、バルブ３７からブッシュ３５とプレート３６の当接位置までの距離が比較的短く、高温ガスの流通時に各部材が熱膨張により寸法変化があっても、その変化の影響を低減することができる。特にバルブ３７が熱膨張で伸びた場合でもバルブシート洩れを抑えることができる。

以上より、実施の形態１によれば、ＥＧＲバルブを、内部に設けたガス通路３８に連通する貫通穴３１ａを形成したバルブ部ハウジング３１と、貫通穴３１ａからガス通路３８に挿入され、回転中心軸Ｘを中心にして回転するロッド３２と、ロッド３２と一体に回転してガス通路３８のバルブシート３９を開閉するバルブ３７と、貫通穴３１ａ内に設けられ、ロッド３２を回転自在に軸支するブッシュ３５と、ロッド３２の外周面に圧入され、ロッド３２に作用する与圧によってブッシュ３５のガス通路３８側の面に当接しながら回転するプレート３６とを備えるように構成した。このため、ロッド３２とプレート３６の当接面は圧入により隙間をなくし、かつ、ロッド３２に作用する与圧でブッシュ３５とプレート３６を当接させることにより、ガスの洩れ出る経路がロッド３２、ブッシュ３５及びプレート３６からなるラビリンス構造となり、ロッド３２とブッシュ３５の隙間の軸洩れを低減させることができる。

また、実施の形態１によれば、ロッド３２に作用する与圧を、貫通穴３１ａを通じてガス通路３８から流れ出るガスの圧力によって発生させるようにしたので、ブッシュ３５とプレート３６を積極的に当接させて隙間を埋めることができ、よって軸洩れを低減させることができる。また、ガスの圧力はプレート３６をブッシュ３５に密着させる方向に働くので、高圧下ではシール力をより向上させて軸洩れをより低減することができる。さらに、エンジン等の振動又はガスの圧力脈動によるロッド３２の軸方向の振れを抑制でき、結果として、ブッシュ３５、プレート３６及びロッド３２の磨耗を抑えることができる。

また、実施の形態１によれば、ＥＧＲバルブが、ベアリング２５を荷重することによってロッド３２を回転中心軸Ｘの方向に荷重するワッシャ２６を備え、ロッド３２に作用する与圧はこのワッシャ２６によって発生させるようにしたので、ブッシュ３５とプレート３６を積極的に当接させて隙間を埋めることができ、ガス圧力が変動した場合でも、軸洩れを低減させることができる。さらに、エンジン等の振動又はガスの圧力脈動によるロッド３２の軸方向の振れを抑制でき、結果として、ブッシュ３５、プレート３６及びロッド３２の磨耗を抑えることができる。

また、実施の形態１によれば、ブッシュ３５及びプレート３６にガスの温度に応じた材料を使用することで、ＰＴＦＥ等が使用不可能な２００℃〜８００℃のガス温度にも適用でき、高温下でも軸洩れを低減することができる。

また、実施の形態１によれば、ブッシュ３５及びプレート３６に硬度が略同じ材料を使用したり、当接面それぞれに表面処理を施したりすることで、当接面の磨耗を抑えることができる。さらに、ブッシュ３５のプレート３６に当接する端面の外径をプレート３６の外径より小さい縮径端部３５ａにすることで、仮に当接面が磨耗しても噛み込みにくく、引っ掛かりにくい構造にすることができる。

また、実施の形態１によれば、ブッシュ３５とプレート３６が当接することによってバルブ３７の位置決めをするので、バルブ３７の近くに位置決め部材、即ちブッシュ３５とプレート３６を配置して高温時の熱膨張による寸法変化の影響を低減することができる。

以上のように、この発明に係る軸洩れ低減構造は、高温高圧下でも軸漏れを低減できるので、ＥＧＲバルブ等に用いるのに適している。

Claims (3)

1. 内部に設けた流体通路に連通する貫通穴を形成したハウジングと、
   前記貫通穴から前記流体通路に挿入され、回転中心軸を中心にして回転する弁軸と、
   前記弁軸と一体に回転して、前記流体通路を開閉する弁体と、
   前記弁軸の前記流体通路挿入側とは反対側で当該弁軸を回転自在に軸支するベアリングと、
   前記貫通穴内に設けられ、前記ベアリングより前記流体通路側で前記弁軸を回転自在に軸支する軸受け部と、
   前記ベアリングを、回転中心軸方向の前記流体通路とは反対側に荷重するワッシャと、
   前記弁軸の外周面に圧入され、与圧によって前記軸受け部の前記流体通路側の面に当接しながら回転する、切れ目のない環状の軸シール部とを備え、
   前記軸シール部は、前記ワッシャに荷重された前記ベアリングにより前記弁軸に作用する前記回転中心軸方向の前記流体通路とは反対側の与圧によって、前記軸受け部の前記流体通路側の面に当接すると共に、前記貫通穴を通じて前記流体通路から流れ出る流体の圧力が当該軸シール部に与圧として作用して前記軸受け部の前記流体通路側の面に当接することを特徴とするバルブの軸洩れ低減構造。
2. 軸受け部と軸シール部の当接面それぞれに、表面処理を施すことを特徴とする請求項１記載のバルブの軸洩れ低減構造。
3. 軸受け部の軸シール部に当接する端面の外径を、当該軸シール部の外径より小さくすることを特徴とする請求項１記載のバルブの軸洩れ低減構造。

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