JP5548555B2 - 排気弁用軸封構造 - Google Patents

Description

本発明は、四輪車や二輪車の排気ブレーキ等、エンジンの排気流通路を開閉する排気弁用軸封構造に関するものである。

この種の排気弁用軸封構造が適用されている例としては、特許文献１にて開示されるように、自動車エンジンの排気管中に設けられる排気ブレーキバルブや、特許文献２にて開示されるように、エンジンの排気通路に装備される排気バルブのシール構造が知られている。これらは、いずれも排気の通り道の開閉、並びに開度調節を行う弁である。

排気弁用軸封構造の実構造例としては、図７に示すようになっている。即ち、排気弁Ｖを構成する弁ケース１１に軸受１７を介して支承される一対の弁軸１２ａ，１２ｂに、弁ケース１１の内部流路１３を開閉する板状の弁体１４が取付けられており、駆動側の弁軸１２ａをアクチュエータを用いて回動させることにより、弁体１４の内部流路１３に対する角度を変更設定して、内部流路１３を開閉したり、開度を制御したりしてエンジンの排気抵抗圧による排気ブレーキの有無及び利き具合の調節が行える。

前述の排気弁Ｖにおいては、排気漏れのおそれがある駆動側の弁軸１２ａにおいては、軸受１７の外側において弁ケース１１との間にラビリンスシール１５を設けて排気弁用軸封構造が構成されている。そして、従動側の弁軸１２ｂの外端側は蓋プレート１６を弁ケース１１にボルト止めすることにより、外部への排気漏れが生じないように栓が装備されるような構成とされていた。なお、参考に記す（図６）が、弁体１４を挟む上下の比較的径の太い軸部分を大径軸部１２ｂと称し、かつ、比較的径の細い上端の軸部分を小径軸部１２ａと称しても良い。

ラビリンスシール１５は、図６に示すように、弁軸１２ａに密外嵌され、かつ、弁ケース１１に遊内嵌される２枚の第１リング板１８と、弁軸１２ａに遊外嵌され、かつ、弁ケース１１に密内嵌される２枚の第２リング板１９とが、弁軸１２ａ，１２ｂの軸心Ｐ方向に交互に積層配備されることで構成されている。構造簡単で耐熱性があり、しかも廉価であるという利を有している。しかしながら、排気漏れを皆無にはできないものであり、弁軸１２ａと排気管２０との隙間ｋを通って外部に排気が洩れ出るので、エンジン等を汚す不都合があるとともに環境にもよろしくない、というシール性の点では改善の余地が残されているものであった。

特開平０８−３１２３８９号公報 特開２００８−２７４８９５号公報

本発明の目的は、シールの構造を、利点の多いラビリンスシールを踏襲するものとしながら、さらなる構造工夫によりシール性が明確に向上するように改善される排気弁用軸封構造を提供する点にある。

請求項１に係る発明は、弁ケース１に回動可能に支持される弁軸２に、前記弁ケース１の内部流路３に対して開閉作用する弁体４が支持されており、前記内部流路３に対する軸封作用を発揮すべく、前記弁ケース１における前記弁軸２を支承する軸受部５と前記弁軸２との間に嵌装されるリング状シールＳを有する排気弁用軸封構造において、
前記リング状シールＳが、一つの金属材８ａと一つの無機耐熱材８ｂとの積層で成り、前記弁軸２に密外嵌され、かつ、前記軸受部５に遊内嵌される第１リング板８の単数又は複数と、一つの金属材９ａと一つの無機耐熱材９ｂとの積層で成り、前記弁軸２に遊外嵌され、かつ、前記軸受部５に密内嵌される第２リング板９の単数又は複数とが、前記弁軸２の軸心Ｐ方向に交互に積層配備されることで構成され、
前記第１及び第２リング板８，９を前記軸心Ｐに関する径方向で切った断面形状が、前記弁軸２の軸心Ｐ方向において前記弁体４に向かって凸となる屈曲形状に設定されるとともに、前記無機耐熱材８ｂ，９ｂが凸屈曲形状における山側に配置される状態に構成され、
前記リング状シールＳを軸心Ｐ方向に圧縮する締付機構１０により、軸心Ｐ方向に締付けられて前記リング状シールＳが圧縮された組付状態においては、前記リング板８，９が強制的に平板状態となる姿勢に変形されて、前記第１リング板８と前記弁軸２との密嵌合状態が軽圧入状態に変更され、かつ、前記第２リング板９と前記軸受部５の内周面５ａとの密嵌合状態が軽圧入状態に変更されるとともに、
前記第１リング板８の径内側端部が前記弁体４存在側と反対側に向いて折れ曲り変形して、前記無機耐熱材８ｂが変形並びに圧縮されて前記弁軸２の外周面２ａに馴染むように変形し、かつ、前記第２リング板９の径外側端部が前記弁体４存在側と反対側に向いて折れ曲り変形して、前記無機耐熱材９ｂが変形並びに圧縮されて前記軸受部５の内周面５ａに馴染むように変形する状態に構成されていることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の排気弁用軸封構造において、前記無機耐熱材８ｂ，９ｂがマイカ製であることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項にて説明するが、無機耐熱材と金属材との積層で成る各リング板が締付機構による圧縮によって、軸心方向で凸となる形状から平板形状へ強制変形されることに伴う径方向拡がりにより、第１リング板は弁軸と、かつ、第２リング板は軸受部とそれぞれ密嵌合状態からが接触しての軽圧入嵌合状態になる。
つまり、従来のラビリンスシール構造から実質的に接触型シール構造となり、無機耐熱材を有することから弁軸との摺動特性は増すものの、シール性能を大きく向上させることができるようにしながら、組付性に優れるものとなっている。
その結果、利点の多いラビリンスシールを踏襲するものとしながら、さらなる構造工夫によりシール性が明確に向上するように改善される排気弁用軸封構造を提供することができる。

請求項１の発明によれば、これも詳しくは実施形態の項にて説明するが、主に比較的柔らかい材質である無機耐熱材が弁軸に面接触するようになるので、弁軸を回動させる際に生じる摺動トルクは若干増す程度で済むものでありながら、弁軸と第１リング板とに関するシール性に優れるものとなり、その結果、摺動抵抗の増加をより抑えながらシール性が明確に向上するように改善される排気弁用軸封構造を提供することができる。

請求項１の発明によれば、軸心方向で隣り合うリング板どうしが互いに逆向きに凸となる場合に比べて、軸心方向で隣り合うリング板どうしは必ず無機耐熱材を介して当接することとなり、リング板どうしのシール性も改善され、結果としてよりシール性に優れるようになる利点がある。
また、無機耐熱材としては、請求項２のように、耐熱性に優れながら軽量で入手し易いマイカ板が挙げられる。

排気弁用軸封構造を示す断面図（実施例１） 図１の組付状態での要部を示し、（ａ）は第１リング板と弁軸との接触部の拡大図、（ｂ）は第２リング板と軸受部との接触部の拡大図 シール性能の試験条件を示す図表 ガスシールの特性グラフを示す図 摺動トルクの特性グラフを示す図 従来の排気弁の概略構造を示す断面図 従来の排気弁用軸封構造を示す断面図

以下に、本発明による排気弁用軸封構造、並びに排気弁の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

〔実施例１〕
排気弁用軸封構造は、図１に示すように、弁ケース１に回動可能に支持される弁軸２に、弁ケース１の内部流路３に対して開閉作用する弁体４が支持されて成る排気弁Ｖを有しており、内部流路３に対する軸封作用を発揮すべく、弁ケース１における弁軸２を支承する軸受部５と弁軸２との間に嵌装されるリング状シールＳを有して構成されている。
なお、弁軸２は、弁体部位で分離される分割軸タイプ（特許文献１を参照）や、連続した単一軸タイプ（特許文献２を参照）があるが、本実施例においてはどちらでも良く、限定はされない。

弁ケース１には、排気の通り道である内部流路３、弁軸２に遊外嵌状態で嵌合してリング状シールＳを弁軸２の軸心Ｐ方向で受止める内フランジ６、弁軸２に外嵌されるステンレスブッシュ製の軸受７及びリング状シールＳを内嵌する内周面５ａを持つ軸受部５等が形成されている。
弁軸２は、電動モータ等の図示しないアクチュエータによって駆動回動されるものであり、それによって図１に閉弁状態で示される円板状の弁体４が軸心Ｐに関する９０度に亘って回動移動される、という公知の構造を有している。

リング状シールＳは、リング状のステンレス板（金属材の一例）８ａとリング状のマイカ板（無機耐熱材の一例）８ｂとの積層で成り、弁軸２に密外嵌され、かつ、軸受部５に（内周面５ａに）遊内嵌される第１リング板８の２個（複数の一例）と、リング状のステンレス板（金属材の一例）９ａとリング状のマイカ板（無機耐熱材の一例）９ｂとの積層で成り、弁軸２に遊外嵌され、かつ、軸受部５に（内周面５ａに）密内嵌される第２リング板９の２個（複数の一例）とが、弁軸２の軸心Ｐ方向に交互に積層配備されることで構成されている。

そして、自由状態においては、図１における軸心Ｐに関して右側に描かれるように、第１及び第２リング板８，９の径方向で切った断面形状が、軸心Ｐ方向で、かつ、弁体４の存在側に向かって凸となるＶ字形の屈曲形状に設定されている。
第１及び第２リング板８，９のそれぞれが、一つのステンレス板８ａ，９ａと一つのマイカ板８ｂ，９ｂとで成り、マイカ板８ｂ，９ｂが凸屈曲形状における山側（図１では弁体４存在側）に配置される状態に揃えられて構成されている。

第１及び第２リング板８，９の曲げ角度は互いに等しいので、弁軸２と軸受部５との間の空間部ａに、軸受７と共に単に装填されただけの状態（図１における軸心Ｐの右側参照）では、各第１リング板８のマイカ板８ｂの下面内周側部分と各第２リング板９のステンレス板９ａの上面内周側端部とが面当接し、かつ、軸受７側の第２リング板９におけるマイカ板９ｂの下面外周側部分とその直下の第１リング板８におけるステンレス板８ａの上面外周側端部とが面当接している。

そして、リング状シールＳを軸心Ｐ方向に圧縮させて組付ける締付機構１０により、図１における軸心Ｐの左側に描かれるように、軸心Ｐ方向に締付けられてリング状シールＳが圧縮された組付状態においては、各リング板８，９が強制的に平板状態となる姿勢に変形されており、それによって第１リング板８と弁軸２との密嵌合状態が軽圧入状態に変更され、かつ、第２リング板９と内周面５ａとの密嵌合状態が軽圧入状態に変更される。

なお、締め付機構１０は、図示は省略するが、例えば、空間部ａに侵入する押込み筒部と、弁ケース１にボルト止め可能なフランジ部とを有して弁軸２に遊外嵌される圧縮体をボルト締めする公知のもの（特開２００２−３４９７１５号公報の図１，３において示されるように、グランドパッキンを締付ける機構のような構造のもの）が挙げられるが、それ以外のものでも良い。

即ち、組付状態においては、第１リング板８の断面形状がＶ字形から平板形へ強制変形されることに伴う径方向拡がりによって、密嵌合状態である第１リング板８と弁軸２とが軽圧入状態となり、その嵌合状態は、図２（ａ）に示すように、第１リング板８の径内側端部が弁体４存在側と反対側に向いて折れ曲り変形しており、かつ、マイカ板８ｂが大きく変形並びに圧縮されて弁軸２の外周面２ａに馴染むように変形している。
これは、弁体４側に凸となる断面形状から平板形に強制変形されることに起因する。つまり、主に比較的柔らかい材質であるマイカ板８ｂが弁軸２に面接触するようになるので、弁軸２を回動させる際に生じる摺動トルクは若干増す程度で済むものでありながら、弁軸２と第１リング板８とに関するシール性に優れるものとなる。

また、第２リング板９と軸受部５の内周面５ａと嵌合状態も然りであり、上述した第１リング板８の場合と同様の理由により、図２（ｂ）に示すように、第２リング板９の径外側端部が弁体４存在側と反対側に向いて折れ曲り変形しており、かつ、マイカ板９ｂが大きく変形並びに圧縮されて内周面５ａに馴染むように変形している。
故に、主に比較的柔らかい材質であるマイカ板９ｂが内周面５ａに面接触するようになり、第２リング板９と軸受部５とに関するシール性に優れるものとなる。

そして、第１リング板８と第２リング板９とには軸心Ｐ方向の圧縮によってシールされているので、結果として、リング状シールＳは、主にマイカ板８ｂが弁軸２と接触する接触型シールとして機能するようになる。即ち、従来のラビリンスシールに比べて、弁軸２を回動させる祭の摺動トルクの増加分も極僅かなもので済むものでありながら、まず漏れが生じないようにシール性能が大きく改善されるものとなっている。
また、弁軸２の軸受７が、リング状シールＳの外側（反弁体４側であって、排気流れ下流側）に配備されているので、内フランジ６の内周面６ａと弁軸２との間隙を通ってくる排気があっても、それはリング状シールＳで食い止められる（大部分が軽減される）ので、軸受７及び軸受部５には到達し難く、カーボンの付着による悪影響（弁軸２を回す際の摺動抵抗が増える等）が回避される（軽減される）利点もある。

リング状シールＳの構成要素である各リング板８，９は、摺動性が良好（摺動抵抗が低い）で柔らかく馴染み易い性質を有するマイカ板（耐熱性無機材）８ｂ，９ｂを金属材８ａ，９ａに貼り付けて一体化してあるので、それらマイカ板８ｂ，９ｂの形崩れなく商品（リング板８，９）の移動運搬、並びに組付け分解作業が行える等、良好な形状保持性も実現できている。
また、各リング板８，９は、断面形状がＶ字形状等の軸心Ｐ方向で凸となる屈曲形状に形成されているから、組付状態では弁軸２や軸受部５に接するものでありながら自由状態では径方向寸法が若干縮小されており、従って、組付け時における空間部ａへの挿入性に優れて装填作業の操作性が良好である、という利点もある。

参考として図４にリング状シールＳその１，２及び従来品に関する排気（ガスシール）の特性グラフを、そして弁軸２との摺動トルクの特性グラフをそれぞれ示す。
試験条件は、図３（ａ）に示すように、流体として常温で０．４ＭＰａの窒素を用い、図３（ｂ）に示すように、排気弁Ｖの可動域（回動域）として速度０．０１ｍ／ｓで開位置と閉位置との間の９０度に亘っての回動を５万回往復させる、というものである。
なお、図４，５におけるｎ１，ｎ２とは、本発明による排気弁用軸封構造その１とその２という意味（ｎ数＝２）である。

ガスシール特性は、図４に示されるように、摺動回数の如何に拘らずに、実質的に接触型シール構造となる本発明構造ｎ１、ｎ２は、ラビリンスシール構造の従来構造に比べて単位時間当たりの漏れ量が一桁少ないという圧倒的に有利なものになっていることが理解できる。
また、摺動特性については、図５に示すように、構造上摺動トルクが生じない従来構造に比べて、本発明構造ｎ１、ｎ２では、摺動回数が増えるに連れて約０．１Ｎ・ｍに収束することが理解できる。この０．１Ｎ・ｍという摺動トルクは、実際上特に問題が生じるものではなく、従って、摺動特性は問題ないレベルに抑えながら、シール性能を大きく向上させることができるものとなっている。

〔別実施例〕
第１，第２リング板８，９の断面形状は、Ｕ字形やＷ字形、その他の形状でも良く、要は軸心Ｐ方向で凸となる形状であれば良い。

１ 弁ケース
２ 弁軸
２ａ 外周面
３ 内部流路
４ 弁体
５ 軸受部
５ａ 内周面
８ 第１リング板
８ａ 金属材
８ｂ 無機耐熱材，マイカ
９ 第２リング板
９ａ 金属材
９ｂ 無機耐熱材，マイカ
１０ 締付機構
Ｐ 軸心
Ｓ リング状シール

Claims (2)

1. 弁ケースに回動可能に支持される弁軸に、前記弁ケースの内部流路に対して開閉作用する弁体が支持されており、前記内部流路に対する軸封作用を発揮すべく、前記弁ケースにおける前記弁軸を支承する軸受部と前記弁軸との間に嵌装されるリング状シールを有する排気弁用軸封構造であって、
   前記リング状シールが、一つの金属材と一つの無機耐熱材との積層で成り、前記弁軸に密外嵌され、かつ、前記軸受部に遊内嵌される第１リング板の単数又は複数と、一つの金属材と一つの無機耐熱材との積層で成り、前記弁軸に遊外嵌され、かつ、前記軸受部に密内嵌される第２リング板の単数又は複数とが、前記弁軸の軸心方向に交互に積層配備されることで構成され、
   前記第１及び第２リング板を前記軸心に関する径方向で切った断面形状が、前記弁軸の軸心方向において前記弁体に向かって凸となる屈曲形状に設定されるとともに、前記無機耐熱材が凸屈曲形状における山側に配置される状態に構成され、
   前記リング状シールを軸心方向に圧縮する締付機構により、軸心方向に締付けられて前記リング状シールが圧縮された組付状態においては、前記リング板が強制的に平板状態となる姿勢に変形されて、前記第１リング板と前記弁軸との密嵌合状態が軽圧入状態に変更され、かつ、前記第２リング板と前記軸受部の内周面との密嵌合状態が軽圧入状態に変更されるとともに、
   前記第１リング板の径内側端部が前記弁体存在側と反対側に向いて折れ曲り変形して、前記無機耐熱材が変形並びに圧縮されて前記弁軸の外周面に馴染むように変形し、かつ、前記第２リング板の径外側端部が前記弁体存在側と反対側に向いて折れ曲り変形して、前記無機耐熱材が変形並びに圧縮されて前記軸受部の内周面に馴染むように変形する状態に構成されている排気弁用軸封構造。
2. 前記無機耐熱材がマイカ製である請求項１に記載の排気弁用軸封構造。

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