JP6300947B2 - 流体制御バルブ - Google Patents

Description

この発明は、高温の流体が流れる管路に配置される流体制御バルブに関する。

流体制御バルブには、例えば、排気ガスを吸気側に循環させる排気ガス再循環バルブがある。また、排気ガス再循環バルブで８００℃程度に達する高温の排気ガスを扱う場合、バルブを駆動させるアクチュエータ部の耐熱温度の低い部品に排気ガスの熱ができるだけ伝わらないように構成する必要がある。

例えば、特許文献１に記載の排気ガス再循環バルブでは、高温の排気ガスの熱からアクチュエータ部を保護するために、バルブ本体を構成するハウジングを、排気ガス通路を設けた第１のハウジングと冷却通路を設けた第２のハウジングとに分けている。
そして、第１のハウジングを第２のハウジングの材質よりも熱に対する剛性または強度が高い金属材料で形成し、第２のハウジングの冷却通路にエンジンの冷却水を循環させて冷却する。さらに、第１のハウジングと第２のハウジングとの接触面積を極力減らして、その間に空気の断熱層を設けている。

また、特許文献２には、アクチュエータ部の出力軸とバルブ軸をギアで直接噛合させた一体化構造の排気ガス再循環バルブが記載されている。このバルブには、排気ガス通路に筒状のハウジング保護部品が圧入固定されている。
ハウジング保護部品は、排気ガスの熱からハウジングを保護する部品であり、ハウジング保護部品の一部と排気ガス通路の壁面との間には、熱伝導を抑えるための断熱層が形成されている。

さらに、特許文献３に記載の流体制御バルブは、流体通路を有するバルブ側ハウジングと、アクチュエータ部が取り付けられて、回転駆動力をバルブ軸に伝えるギアボックスとなるアクチュエータ側ハウジングとを備えている。
アクチュエータ側ハウジングとバルブ側ハウジングとは空間を隔てて連結されており、この空間が空気断熱層として機能する。この空気断熱層によってバルブ側ハウジングからの輻射熱の影響が軽減される。
またアクチュエータ側ハウジングには冷却通路が形成されており、冷却通路の冷却効果によってギア機構およびアクチュエータ部への伝熱を抑制している。

特開２００８−１９６４３７号公報 特開２００７−２８５３１１号公報 国際公開第２０１２／００１７３７号

特許文献１，２に記載されるバルブは、排気ガスの流量が小さければ、高温での排気ガスであってもトータルの熱量が小さければ使用可能であると推定する。
しかしながら、特許文献１，２のバルブを、バルブ径を大きくして大流量用の流体制御バルブにするとアクチュエータ部への伝熱および輻射熱の熱量が大きくなるので、断熱性を十分に確保できない可能性がある。特に、特許文献１のバルブは、アクチュエータ部が第２のハウジングに収容され、かつ第１のハウジングの横側に配置されているため、熱量の大きくなった伝熱および輻射熱の影響を受けやすい。
また、特許文献２に記載のバルブでは、断熱層がハウジング保護部品の一部と排気ガス通路の壁面との間のみに形成されているので、大流量となりトータルの熱量が大きくなった流体用としては耐熱性が不十分である。

これに対して、特許文献３に記載のバルブでは、アクチュエータ部がアクチュエータ側ハウジングとは別体で設けられ、アクチュエータ部とバルブ側ハウジングとの間にアクチュエータ側ハウジングが配置される。そして、アクチュエータ側ハウジングの冷却通路で冷却が行われるので、大流量かつ高温の流体用としてもギア機構およびアクチュエータ部の耐熱温度を超えることはない。

しかしながら、特許文献３に記載のバルブは、冷却通路に冷却水が循環して通常の冷却効果が得られることを前提とした構成であるので、冷却通路の冷却効果が低下した場合、使用環境によってはアクチュエータ側ハウジングの熱に対する耐性が不十分になる可能性がある。
例えば、特許文献３に記載のバルブを排気ガス再循環バルブに適用した場合に、車両の運転状態からエンジンが停止されると、高温の排気ガスの循環が停止して排気ガスからの熱の入力は止まるが、冷却通路の冷却水の循環も停止して冷却効果は低下する。
このとき、特許文献３に記載のバルブにおいては、特に流通ガス温度、および雰囲気温度が高い環境下では、バルブ側ハウジングの余熱が下がり難く、その余熱でアクチュエータ側ハウジングの温度が上昇して、ギア機構およびアクチュエータ部の耐熱温度を超えてしまう可能性がある。

この発明は上記のような課題を解決するものであり、ハウジングの余熱に対する耐性を向上させた流体制御バルブを得ることを目的とする。

この発明に係る流体制御バルブは、流体通路を有する第１のハウジングと、第１のハウジングに設けられ、流体通路を開閉するバルブと、バルブを開閉させる駆動力を発生するアクチュエータ部と、アクチュエータ部が取り付けられ、冷却用流体が循環される冷却通路を有する第２のハウジングとを備えた流体制御バルブにおいて、第１のハウジングと第２のハウジングとは、互いの対向面部と当該対向面部の外側端部とに接続部をそれぞれ有して、当該接続部と断熱部材とを介在させて互いの対向面部が空間を隔てて接続されており、第１のハウジングの対向面部は、第２のハウジングの対向面部から離れる方向に凹んだ肉盗み部を有し、断熱部材は、接続部と接触する一部が切り欠かれ、第２のハウジングは、第１のハウジングとの対向面部の外周縁部から延設されて第１のハウジングの上端部を覆う延長壁を備える。

この発明によれば、高温流体によって加熱されたハウジングの余熱に対する耐性が向上するという効果がある。

この発明の実施の形態１に係る流体制御バルブを示す図である。 図１のＡ部分の断面拡大図である。 バルブ側ハウジングを示す図である。 アクチュエータ側ハウジングを示す図である。 断熱プレートを示す図である。 実施の形態１に係る流体制御バルブにおける、流体の熱による影響を示す模式図である。

以下、この発明をより詳細に説明するため、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は、この発明の実施の形態１に係る流体制御バルブを示す図であり、実施の形態１に係る流体制御バルブを、エンジン排気ガスを吸気通路に循環させる排気ガス再循環バルブ（以下、ＥＧＲバルブと記載する）に具体化した場合を示している。図１に示すＥＧＲバルブは、バタフライ式と呼ばれるバルブであって、バルブ３３がバルブ軸３２と一体に回転して排気ガス通路３４を開閉する。その構成として、アクチュエータ部１０、駆動力伝達部２０およびバルブ部３０を備える。

アクチュエータ部１０は、モータ１１を備えて、バルブ３３を開閉させる回転駆動力を発生する。モータ１１の出力軸は、駆動力伝達部２０の内部に配置されたギア機構に取り付けられる。

駆動力伝達部２０は、上記ギア機構およびこれを収容するアクチュエータ側ハウジング２１を備えて構成される。モータ１１の出力軸とバルブ軸３２は、このギア機構を介して連結され、モータ１１の回転駆動力がギア機構を介してバルブ軸３２に伝達される。
例えば、モータ１１の出力軸に取り付けられたピニオンギアとバルブ軸３２に取り付けたギアとを噛合させて、モータ１１の回転駆動力を直接的にバルブ軸３２へ伝達する。

アクチュエータ側ハウジング２１は、本発明における第２のハウジングを具体化したものであり、図１に示すようにアクチュエータ部１０が取り付けられ、延長壁２１ａが形成されている。また、アクチュエータ側ハウジング２１は、例えば、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属鋳物で構成されており、バルブ側ハウジング３１からの放射熱の影響を軽減するため、バルブ側ハウジング３１の上部に連結される。

バルブ部３０は、高温の排気ガスが流れる管路に連結され、バルブ３３を開閉して排気ガスの流量を制御する。このバルブ部３０を構成するバルブ側ハウジング３１は、本発明における第１のハウジングを具体化したものであり、鋳鉄、ステンレス鋼などの耐熱鋼で形成され、排気ガス通路３４が設けられる。

また、バルブ側ハウジング３１には、ハウジング外部と排気ガス通路３４とを連通する貫通穴３１ａが形成されており、この貫通穴３１ａにバルブ軸３２が挿入される。バルブ３３は、バルブ軸３２と一体に回転して排気ガス通路３４を開閉する。
アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１とは、断熱プレート４０を介してボルト２２により接続される。なお、以降では、両ハウジング２１，３１を、断熱プレート４０を介して接続した構造について説明するが、本発明は、断熱プレート４０を介さずに接続した構造であってもよい。

図２は図１のＡ部分の断面拡大図であり、Ａ部分を軸方向に切った断面を示している。図３は、バルブ側ハウジング３１を示す図であり、アクチュエータ側ハウジング２１との対向面部側から見た構成を示している。図４は、アクチュエータ側ハウジング２１を示す図であり、バルブ側ハウジング３１との対向面部側から見た構成を示している。また図５は、断熱プレート４０を示す図であり、図５（ａ）は断熱プレート４０の上面図、図５（ｂ）は断熱プレート４０の斜視図である。

アクチュエータ側ハウジング２１には、バルブ部３０の側に抜ける貫通穴２１ｂが形成されており、この貫通穴２１ｂにバルブ軸３２が挿入される。

また、延長壁２１ａは、アクチュエータ側ハウジング２１の対向面部２１Ａの外周縁部からバルブ部３０の側に延設された壁部であり、バルブ側ハウジング３１の上端部を覆っている。この延長壁２１ａは、バルブ側ハウジング３１からアクチュエータ側ハウジング２１へ伝わった熱の一部を放熱するヒートシンクとして機能する。

アクチュエータ側ハウジング２１には、バルブ側ハウジング３１との対向面部２１Ａに接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２が設けられる。接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２は、図２に示すように、対向面部２１Ａからバルブ部３０の側に突出しており、ボルト２２を挿入するボルト穴２１ｄが形成されている。
バルブ側ハウジング３１には、アクチュエータ側ハウジング２１との対向面部３１Ａの外側端部に接続部３１ｄが設けられる。また、接続部３１ｄには、ボルト２２を締結する雌ねじ穴３１ｅが形成されている。

バルブ側ハウジング３１は、図２に示すように、アクチュエータ側ハウジング２１と空間Ｂを隔てて接続部３１ｄを介して接続される。すなわち、アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１は、接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２と接続部３１ｄとを重ね合わせてボルト締結した接続部位のみで連結されている。以下、この接続部位を、接続部３１ｄを介した接続部位と記載する。

また、図３に示すように、接続部３１ｄは、アクチュエータ側ハウジング２１との対向面部３１Ａの外側端部に設けられている。これにより、接続部３１ｄを介した接続部位は、バルブ側ハウジング３１の側方で外部に面した位置となるので、この外部に面した部分で放熱することができる。
さらに、接続部３１ｄが対向面部３１Ａの外側端部にあるので、アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１を接続したときに、接続部３１ｄを介した接続部位が延長壁２１ａに隣接した位置となる。これにより、延長壁２１ａは、上記接続部位からの熱を効率よく放熱することができる。

なお、図４は、接続部２１ｃ−２の周りに延長壁２１ａがない場合を示したが、これに限定されるものではない。すなわち、延長壁２１ａは、接続部２１ｃ−２の周りにも設けて、バルブ側ハウジング３１の上端部の全周を覆う構造にしてもよい。

また、接続部３１ｄを介した接続部位に断熱プレート４０を介在させてもよい。
断熱プレート４０は、図５に示すようなボルト穴４０ａが形成された板状部材であり、ステンレスなどの熱伝導率の低い金属材料で構成されている。
アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１は、接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２と接続部３１ｄとの間に断熱プレート４０を配置した状態で、ボルト２２で固定される。断熱プレート４０を介在させることによって、接続部３１ｄを介した接続部位における熱の伝達抵抗が増加するので、アクチュエータ側ハウジング２１への伝熱を抑制できる。

さらに、バルブ側ハウジング３１の対向面部３１Ａには肉盗み部３１ｃが形成される。肉盗み部３１ｃは、アクチュエータ側ハウジング２１の対向面部２１Ａから離れる方向に凹ませて構成されるので、アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１との間隔が大きくなる。
両者の間隔が大きくなるとその分の空気断熱層が形成されて、熱の伝達抵抗が増加するので、バルブ側ハウジング３１からの輻射熱の伝熱を減少させることができる。
例えば、肉盗み部３１ｃを接続部３１ｄよりも深く凹めて構成すると、対向面部２１Ａとの間で十分な空気断熱層が形成されるので効果的である。

また、アクチュエータ側ハウジング２１の接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２は、接続部３１ｄまたは断熱プレート４０と接触する部分の一部を切り欠いて形成してもよい。
例えば、図４に示すように、切り欠き部２１ｅ−１，２１ｅ−２を設けることにより、接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２は、接続部３１ｄまたは断熱プレート４０との接触面積が狭くなり、熱の伝達抵抗が増加する。これにより、アクチュエータ側ハウジング２１への伝熱を抑制できる。

さらに、断熱プレート４０についても、接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２および接続部３１ｄと接触する部分の一部を切り欠いて形成してもよい。
例えば、図５に示すように、切り欠き部４０ｂを設けることで、断熱プレート４０は、接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２および接続部３１ｄとの接触面積が狭くなり、熱の伝達抵抗を増加させることができる。

接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２または断熱プレート４０の一部を切り欠くことにより、熱の伝達抵抗は増加するが、接続部３１ｄを介した接続部位での保持面積も狭くなる。
一方、実際のＥＧＲバルブの使用環境では、上記接続部位にある部品の熱膨張係数の差などに起因してボルト締結力が低下する場合があり、上記接続部位での保持力を十分に確保しておく必要がある。
そこで、本発明は、ＥＧＲバルブの使用環境を考慮したときに必要な保持面積で最小の面積となるように接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２または断熱プレート４０を切り欠く。
これにより、接続部３１ｄを介した接続部位での保持力を確保しつつ、熱の伝達抵抗を増加させることができる。

アクチュエータ側ハウジング２１には、図２に示すように、冷却水を循環する冷却通路２３が形成されている。なお、アクチュエータ側ハウジング２１は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属材料で構成されており冷却効果が高められている。これにより、排気ガス通路３４に大流量でかつ高温（〜８００℃）の排気ガスが流れてバルブ部３０が加熱されても、ギア機構およびアクチュエータ部１０へ熱が伝わるまでに効率的に冷却することができる。

冷却通路２３には、車両のエンジン起動に伴って電動ポンプが駆動して冷却水が循環される。例えば、冷却水は、図４に示す通路口２３ａの一方から冷却通路２３に流れ込み、もう一方の通路口２３ａから排出され、ラジエータで冷却された後に再び冷却通路２３に送られる。なお車両のエンジンが停止されると電動ポンプも停止するので、冷却通路２３における冷却水の循環は止まる。

図６は、実施の形態１に係る流体制御バルブにおける、流体の熱による影響を示す模式図であり、実施の形態１に係る流体制御バルブを図１のＥＧＲバルブで具体化した場合を示している。排気ガス通路３４に高温（〜８００℃）の排気ガスが循環していると、この排気ガスからの熱入力でバルブ部３０が加熱される。このとき、バルブ側ハウジング３１では、対向面部３１Ａからの輻射熱および接続部３１ｄを介した伝熱が発生する。
アクチュエータ側ハウジング２１は、バルブ側ハウジング３１との間に空間Ｂを隔てて連結されているので、対向面部３１Ａからの輻射熱は、空間Ｂの空気断熱層により伝熱が減少している。対向面部３１Ａからの熱放射、空間Ｂの空気および接続部３１ｄを介した伝熱によって、アクチュエータ側ハウジング２１の対向面部２１Ａ側の部分が加熱されても、冷却通路２３を循環する冷却水によって冷却される。

ここでエンジンが停止されると、排気ガス通路３４における排気ガスの循環が停止して排気ガスからバルブ部３０への熱の入力も停止する。また、冷却通路２３における冷却水の循環も停止するので、冷却通路２３の冷却効果は低下する。
一方、エンジンを停止した直後は、高温排気ガスに加熱されたバルブ側ハウジング３１の余熱があり、対向面部３１Ａからの輻射熱および接続部３１ｄを介した伝熱は継続する。このため、アクチュエータ側ハウジング２１の対向面部２１Ａ側の部分は加熱されるが、冷却通路２３の冷却効果が低下しているので、特に流通ガス温度、および雰囲気温度が高い環境下では、アクチュエータ側ハウジング２１においてギア機構およびアクチュエータ部１０の耐熱温度を超える可能性がある。

そこで、本発明では、対向面部３１Ａに肉盗み部３１ｃを形成し、対向面部２１Ａ，３１Ａの外側端部に接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２，３１ｄを設けている。また、アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１とを、対向面部２１Ａ，３１Ａが空間Ｂを隔てて接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２，３１ｄを介して接続している。これにより、バルブ側ハウジング３１の余熱がアクチュエータ側ハウジング２１へ伝わることが抑制され、バルブ側ハウジング３１の余熱に対する耐性が向上する。

詳細に説明すると、バルブ側ハウジング３１には、接続部３１ｄが対向面部３１Ａの外側端部に設けられているので、接続部３１ｄを介した接続部位がバルブ側ハウジング３１の側方で外部に面した位置となる。これにより、接続部３１ｄを介した接続部位は、外部に面した部分から熱を大気へ放熱することが可能である。

また、アクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１を接続したときに、接続部３１ｄを介した接続部位は、延長壁２１ａに隣接した位置となる。このとき、延長壁２１ａは、図６に示すように、上記接続部位を覆った状態となり、ヒートシンクとして機能する。すなわち、延長壁２１ａは、対向面部３１Ａの外側端部からの輻射熱ｂおよび接続部３１ｄを介した伝熱ｃを、放射熱ｄとして大気へ放射する。

また、対向面部３１Ａには、肉盗み部３１ｃが形成されているので、空間Ｂのみの場合よりもアクチュエータ側ハウジング２１とバルブ側ハウジング３１の間隔がさらに大きくなっている。これにより、アクチュエータ側ハウジング２１の対向面部２１Ａとの間隔分の空間が空気断熱層となって熱の伝達抵抗が増加するので、アクチュエータ側ハウジング２１に達する輻射熱ａの熱伝導量は、空間Ｂのみの場合よりも減少する。

さらに、接続部３１ｄを介した接続部位に断熱プレート４０を介在させれば、熱の伝達抵抗が増加するので、接続部３１ｄを介した伝熱ｃを抑制することができる。
また、アクチュエータ側ハウジング２１の接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２および断熱プレート４０のうちの少なくとも一方の一部を切り欠いて形成することでも、熱の伝達抵抗を増加させることができる。
なお、断熱プレート４０の介在と上記切り欠きの形成とを組み合わせた構成にすることで、接続部３１ｄを介した接続部位における熱の伝達抵抗はさらに増加する。

これまでの説明では、本発明に係る流体制御バルブが大流量でかつ高温の流体用である場合を示したが、小流量、低温の流体用であってもよく、流体の温度、流量を問わず、様々なバルブに適用可能である。例えば、特許文献３の構成に適用してもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、バルブ側ハウジング３１とアクチュエータ側ハウジング２１とは、互いの対向面部３１Ａ，２１Ａおよび当該対向面部３１Ａ，２１Ａの外側端部に接続部３１ｄ，２１ｃ−１，２１ｃ−２をそれぞれ有し、当該接続部３１ｄ，２１ｃ−１，２１ｃ−２を介して互いの対向面部３１Ａ，２１Ａが空間Ｂを隔てて接続されており、バルブ側ハウジング３１の対向面部３１Ａは、アクチュエータ側ハウジング２１の対向面部２１Ａから離れる方向に凹んだ肉盗み部３１ｄを有する。
肉盗み部３１ｃによって、アクチュエータ側ハウジング２１との間における熱の伝達抵抗が増加し、アクチュエータ側ハウジング２１へ伝わる熱量自体を低減できる。これにより、バルブ側ハウジング３１の余熱に対する耐性が向上する。

また、この実施の形態１によれば、ＥＧＲバルブは、接続部３１ｄを介した接続部位に介在させる断熱プレート４０を備える。断熱プレート４０によって上記接続部位における熱の伝達抵抗が増加するので、アクチュエータ側ハウジング２１への伝熱を抑制することができる。

さらに、この実施の形態１によれば、アクチュエータ側ハウジング２１は、バルブ側ハウジング３１との対向面部２１Ａの外周縁部から延設されてバルブ側ハウジング３１の上端部を覆う延長壁２１ａを備える。この延長壁２１ａは、バルブ側ハウジング３１の熱を放熱するヒートシンクとして機能するので、バルブ側ハウジング３１の余熱に対する耐性が向上する。

さらに、この実施の形態１によれば、接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２は一部が切り欠かれている。切り欠きにより接続部２１ｃ−１，２１ｃ−２の接触面積が狭くなるので、上記接続部位における熱の伝達抵抗が増加し、アクチュエータ側ハウジング２１への伝熱を抑制することができる。

さらに、この実施の形態１によれば、断熱プレート４０は、接続部３１ｄとの接触する一部が切り欠かれている。切り欠きにより断熱プレート４０の接触面積が狭くなるので、上記接続部位における熱の伝達抵抗が増加し、アクチュエータ側ハウジング２１への伝熱を抑制することができる。

実施の形態１では、本発明に係る流体制御バルブをバタフライ式のバルブで具体化した場合を示したが、これに限定されるものではない。例えば、本発明はバルブ軸が直動してバルブを開閉するポペット式のバルブであっても適用することが可能である。

なお、本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。

この発明に係る流体制御バルブは、高温の流体によって加熱されたハウジングの余熱に対する耐性を向上させることができるので、例えば、高温の排気ガスを扱う排気ガス再循環バルブに好適である。

１０ アクチュエータ部、１１ モータ、２０ 駆動力伝達部、２１ アクチュエータ側ハウジング、２１Ａ，３１Ａ 対向面部、２１ａ 延長壁、２１ｂ，３１ａ 貫通穴、２１ｃ−１，２１ｃ−２，３１ｄ 接続部、２１ｄ，４０ａ ボルト穴、２１ｅ−１，２１ｅ−２，４０ｂ 切り欠き部、２２ ボルト、２３ 冷却通路、２３ａ 通路口、３３ バルブ部、３１ バルブ側ハウジング、３１ｂ 軸周り部分、３１ｃ 肉盗み部、３１ｅ 雌ねじ穴、３２ バルブ軸、３３ バルブ、４０ 断熱プレート。

Claims (2)

1. 流体通路を有する第１のハウジングと、前記第１のハウジングに設けられ、前記流体通路を開閉するバルブと、前記バルブを開閉させる駆動力を発生するアクチュエータ部と、前記アクチュエータ部が取り付けられ、冷却用流体が循環される冷却通路を有する第２のハウジングとを備えた流体制御バルブにおいて、
   前記第１のハウジングと前記第２のハウジングとは、互いの対向面部と当該対向面部の外側端部とに接続部をそれぞれ有して、当該接続部と断熱部材とを介在させて互いの前記対向面部が空間を隔てて接続されており、
   前記第１のハウジングの前記対向面部は、前記第２のハウジングの前記対向面部から離れる方向に凹んだ肉盗み部を有し、
   前記断熱部材は、前記接続部と接触する一部が切り欠かれ、
   前記第２のハウジングは、前記第１のハウジングとの対向面部の外周縁部から延設されて前記第１のハウジングの上端部を覆う延長壁を備えること
   を特徴とする流体制御バルブ。
2. 前記第２のハウジングの前記接続部は、一部が切り欠かれていることを特徴とする請求項１記載の流体制御バルブ。

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