JP7139748B2 - 流量制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、流量制御弁に関する。

特許文献１には、排気再循環（Exhaust Gas Recirculation）に用いられる流量制御弁が開示されている。この流量制御弁は、ハウジング内部に流体が流れる流路を有し、流路の中に弁座、弁体及び弁体を回転させる回転軸が配置されている。また、弁座のシート面にテーパ形状を設けている。

特開２０１７－２０１１６１号公報

特許文献１の流量制御弁の流路は、弁座のシート面のテーパ形状によって弁座よりも上流側における内径から弁座における内径まで急激に減少しているため、流路に流す流体の流量を十分に増加させることが難しいという課題があった。

本発明の一形態によれば、流量制御弁（１００）が提供される。この流量制御弁は、ハウジング（１０）と、前記ハウジングに設けられ、流体が流れる流路（１４）と、前記流路に配置された弁座（２０）と、前記流路において、前記流体の流れに沿った前記弁座の上流側に配置され、前記弁座に着座可能に設けられた板状の弁体（３０）と、前記弁体が取り付けられる偏心取付部（４２）を含み、前記弁体が前記弁座に着座して前記流路を閉じる閉状態から、前記弁体が前記弁座に着座せず前記流路を開ける開状態との間で前記弁体を回転させる回転軸（４０）と、を備える。前記弁座の上流側の前記弁体が存在する側における前記流路の断面積をＳ１、前記弁座の下流側の前記弁体が存在する側と反対側における前記流路の断面積をＳ２、前記弁座における前記流路の断面積をＳ３とした時、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たす。この形態によれば、弁座よりも上流側における内径から弁座における内径まで急激に減少していても、弁座の下流側における流路の内径Ｄ２が、上流側における流路の内径Ｄ１、弁座における流路の内径Ｄ３よりも大きいので、弁座の下流側における流路の内径Ｄ２が上流側における流路の内径Ｄ１より小さい場合に比べて、流体の流量を大きくできる。

流量制御弁の概略構成を示す説明図である。 第１実施形態の閉弁状態におけるハウジングの回転軸に垂直な面で破断した断面図である。 第１実施形態の開弁状態におけるハウジングの回転軸に垂直な面で破断した断面図である。 比較例１のハウジングの回転軸に垂直な面で破断した断面図である。 比較例２のハウジングの回転軸に垂直な面で破断した断面図である。 流量制御弁の弁体の開度に対する流量を示すグラフである。 第２実施形態のハウジングの回転軸に垂直な面で破断した断面図である。 第３実施形態における弁体を回転軸に沿った方向から見たときの弁体の形状である。 第４実施形態における弁体を回転軸に沿った方向から見たときの弁体の形状である。 第５実施形態における弁体を回転軸に沿った方向から見たときの弁体の形状である。

・第１実施形態：
図１に示される流量制御弁１００は、排気再循環に用いられる流量制御弁である。流量制御弁１００は、エンジンから排気通路に排出される排気ガスの一部を排気還流ガスとして吸気通路へ流してエンジンに還流するための排気還流流路に設けられ、排気還流ガスの流量を調整する。流量制御弁１００は、ハウジング１０と、モータ部５０と、減速機構部５２と、を備える。ハウジング１０は、管部１２と、弁座２０と、弁体３０と、回転軸４０と、を備える。管部１２の内側には、上流側から下流側まで流体を流すため流路１４が形成されている。流路１４には、弁座２０と、弁体３０と、回転軸４０と、が配置されている。弁体３０は、略円板形状をしており、偏心取付部４２と接合部４４により回転軸４０に取り付けられている。減速機構部５２は、モータ部５０の回転を減速して、回転軸４０を回転する。回転軸４０の回転により弁体３０は、弁座２０に着座する閉状態から弁座２０に着座しない開状態との間を回転する。

回転軸４０に垂直な面で破断した断面図である図２に示すように、ハウジング１０の内部に、管部１２が形成されている。管部１２には、下流側から弁座２０が挿入され、弁座２０は、係止部１２ａに係止されている。管部１２に形成されている流路１４は、弁座２０により、弁座２０よりも上流側の上流流路１４ａと、弁座２０よりも下流側の下流流路１４ｃと、上流流路１４ａと下流流路１４ｃの間の、弁座２０に対応する位置の中流流路１４ｂとに分けられている。上流流路１４ａにおける流路の内径をＤ１、下流流路１４ｃにおける流路の内径をＤ２、中流流路１４ｂにおける流路の内径をＤ３とする。中流流路１４ｂには、弁座２０と弁体３０とが配置されるため、中流流路１４ｂにおける流路の内径Ｄ３が最も小さくなっており、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の間に、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３の関係を有する。

弁座２０の内周には、シート面２０ａが形成されている。また、管部１２には、弁体３０が配置されている。図２に示すように、閉状態では、弁体３０は、弁座２０に着座し、弁体３０の外縁のシール面３０ａは、弁座２０のシート面２０ａに接触している。弁座２０のシート面２０ａは、弁体３０が接触する部分を意味し、弁体３０のシール面３０ａは、弁座２０に接触する部分を意味している。シート面２０ａは、弁座２０と同じ材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていてもよい。また、シール面３０ａは、弁体３０と同じ材料で形成されていてもよく、異なる材料で形成されていてもよい。

弁体３０の上流側の面３１の略中央には、接合部４４が形成されている。接合部４４は、面３１から離れるに従って断面が小さくなる階段形状を有している。接合部４４には、偏心取付部４２が挿入されている。偏心取付部４２は、その中心Ｌｐが回転軸４０の回転中心Ｌ１からＤ４だけ偏心した位置に位置するように、回転軸４０に設けられている。また、偏心取付部４２は、回転軸４０に沿った方向から見た時に、円形から弓形を切り取った形状を有している。接合部４４は、偏心取付部４２を挿入する開口を有しており、開口の形状は、偏心取付部４２の形状と同形状である。そのため、偏心取付部４２と、弁体３０とは、相対的に回転せず、回転軸４０と、偏心取付部４２と、弁体３０は一体のものとして回転する。なお、偏心取付部４２を回転軸４０に沿った方向から見た時の形状は、円形から弓形を切り取った形状に限られず、例えば、三角形や四角形などの多角形や楕円など、円形以外の形状であればよい。なお、偏心取付部４２を回転軸４０に沿った方向から見た時の形状を円形としてもよい。ただし、この場合、偏心取付部４２と、弁体３０とが相対的に回転しないように、キーやピン等で偏心取付部４２と、弁体３０との間を固定する。

図２において、偏心取付部４２の中心Ｌｐは、回転軸４０の回転中心Ｌ１からＤ４だけ偏心した位置に位置している。そのため、回転軸４０が例えば時計回りに回転すると、偏心取付部４２の中心Ｌｐも、回転軸４０の回転中心Ｌ１の周りを時計回りに回転する。このとき、偏心取付部４２は、少し上流側に移動する。同時に、弁体３０も少し上流側に移動する。その結果、シール面３０ａがシート面２０ａから上流側に浮き、弁体３０は、弁座２０により回転を阻害されること無く時計回りに回転する。弁体３０は、弁座２０に着座しなくなり、ハウジング１０は、図３に示すように開状態となる。開状態では、流体が上流側から下流側に流れる。

図４に示す比較例１は、特許文献１（特開２０１７－２０１１６１号公報）の図１２に、従来技術として記載されていた実施形態であり、図５に示す比較例２は、特許文献１の発明として記載されていた実施形態である。図４、図５においては、図１～図３に示した本願発明の実施形態と同じ符号を用いている。比較例１、比較例２では、弁座２０は、流路１４の上流側から挿入される構成である。また、上流流路１４ａにおける流路の内径をＤ１、下流流路１４ｃにおける流路の内径をＤ２、中流流路１４ｂにおける流路の内径をＤ３とすると、比較例１、比較例２は、いずれも、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係を有する。

第１実施形態の弁体３０の開度に対する流体の流量を測定すると、図６に示すように、比較例１、比較例２よりも多い。すなわち、上流流路１４ａにおける流路の内径Ｄ１、下流流路１４ｃにおける流路の内径Ｄ２、中流流路１４ｂにおける流路の内径Ｄ３を、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３とすると、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３とするよりも、多くの流体を流すことができることがわかる。これは、上流流路１４ａにおける流路の内径Ｄ１よりも下流流路１４ｃにおける流路の内径Ｄ２の方が大きいため、流路１４の圧力損失を小さくできるためと考えられる。したがって、上流流路１４ａにおける流路の内径Ｄ１、下流流路１４ｃにおける流路の内径Ｄ２、中流流路１４ｂにおける流路の内径Ｄ３について、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３を満たすように、流路１４を形成すると、流体の流量を大きくできると言える。

第１実施形態では、流路１４の内径が、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３を満たすように、流路１４を形成すると説明したが、流路１４の内径の代わりに流路１４の断面積を用いて、上記関係と同様の関係を満たすようにしてもよい。具体的には、上流流路１４ａにおける流路の断面積をＳ１、下流流路１４ｃにおける流路の断面積をＳ２、中流流路１４ｂにおける流路の断面積をＳ３としたときに、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たすようにしてもよい。

第１実施形態では、弁体３０及び流路１４の断面形状は、略円形である、としたが、弁体３０や流路１４の断面の形状は、略円形に限られず、楕円形や、長方形等、様々な形状を採用可能である。ただし、弁体３０や流路１４の断面の形状が、略円形や楕円形であると、断面の形状に角がある場合に比べて流体の流れを乱れ難くできるので、流量を多くできる。弁体３０及び流路１４の断面形状が、略円形以外の場合、流路１４の内径の代わりに流路１４の断面積を用いてＳ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たすようにしてもよい。

第１実施形態では、ハウジング１０は、弁座２０の上流側に、下流側から挿入された弁座２０を係止する係止部１２ａを備える。このようにすれば、係止部１２ａにより上流側流路１４ａの内径が狭くなり、下流側流路１４ｃは、弁座２０を挿入するために、内径が大きくなるので、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３や、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たすことになる。

第１実施形態では、回転軸４０は、偏心取付部４２を回転軸４０の回転中心Ｌ１から偏心した位置に備えるので、回転軸４０が回転するときに、偏心取付部４２及び弁体３０は、図２の矢印に示すように、上流側に少しシフトしながら弁座２０から離間し、回転する。その結果、弁座２０により弁体３０の回転が阻害されない。

・第２実施形態：
図２に示す第１実施形態のハウジング１０の弁座２０は、上流側が広くなるテーパ形状を有しているが、図７の第２実施形態に示すように、ハウジング１０の弁座２０は、上流側が広くなるテーパ形状を有していなくても良い。この場合であっても、流路１４は、上流流路１４ａにおける流路の内径Ｄ１、下流流路１４ｃにおける流路の内径Ｄ２、中流流路１４ｂにおける流路の内径Ｄ３の間に、Ｄ２＞Ｄ１＞Ｄ３の関係を有するので、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係を有するよりも多くの流体を流すことができる。なお、流路１４の断面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の間に同様に関係（Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３）があってもよい。

・第３実施形態：
次に、接合部４４の形状について検討する。図２に示す実施形態では、接合部４４は、回転軸４０に沿った方向から見た時に、面３１から離れるに従って幅が狭くなる階段形状を有しているが、図８に示す第３実施形態のように、回転軸４０に沿った方向から見た時の接合部４４の形状は、側面４４ａと上面４４ｂを備える長方形であってもよい。接合部４４を階段形状あるいは、長方形とすると、例えば側面４４ａのような平面部を用いて、弁体３０の位置合わせが容易となる。接合部４４を回転軸４０に沿った方向から見た時の形状を、面３１から離れるに従って幅が狭くなる階段形状とすると、長方形とするよりも、流体の流れを滑らかにできるので、流路１４の圧力損失を小さくできる。

・第４実施形態：
図９に示す第４実施形態では、第３実施形態の接合部４４の角や凹部を面取りして、丸めている。すなわち、弁体３０の上流側の面３１と接合部４４の側面４４ａとの間は、面取されてＲを有する凹んだ曲面４４ｃとなり、接合部４４の側面４４ａと上面４４ｂのとの間は、面取りされてＲを有するつばくんだ曲面４４ｄとなっている。この形態によれば、接合部４４の表面が滑らかとなるため、流路１４の圧力損失を小さくできる。

・第５実施形態：
図１０に示す第５実施形態では、第３実施形態の接合部４４の側面４４ａと上面４４ｂのとの間の角や、弁体３０の上流側の面３１と接合部４４の側面４４ａとの間の凹部の角を面取りしている点で、第４実施形態と共通する。しかし、第４実施形態では、曲面４４ｃ、４４ｄで面取りしているが、第５実施形態では、平面４４ｅ、４４ｆを用いて接合部４４の角や凹部の角を面取りしている点が異なる。第５実施形態では、上面４４ｂと平面４４ｆの為す角θ１、及び、平面４４ｆと側面４４ａの為す角θ２が鈍角となり、側面４４ａと平面４４ｅの為す角θ３、及び、平面４４ｅと面３１の為す角θ４が２直角よりも大きく３直角よりも小さくなるように、平面４４ｅ、４４ｆが設けられている。第５実施形態によれば、接合部４４の表面に直角以下の角や３直角以上の角がなく、流体の流れが乱れにくいため、流路１４の圧力損失を小さくできる。また、側面４４ａのような平面部が残っているので、弁体３０の位置合わせが容易となる。

上記各実施形態において、弁体３０の上流側の面３１には、接合部４４が形成されているとしたが、接合部４４は、弁体３０の下流側の面３２に形成されていても良い。

上記各実施形態では、流量制御弁１００は、排気再循環に用いられる流量制御弁、すなわち、ＥＧＲ弁であるため、モータ部５０のような駆動装置を用いて弁体３０を回転させている。しかし、流量制御弁１００は、ＥＧＲ弁以外の用途に用いられても良い。また、他の流体の流量を制御する場合には、手動で弁体３０を回転させる構成であってもよい。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）発明の一形態によれば、流量制御弁（１００）が提供される。この流量制御弁は、ハウジング（１０）と、前記ハウジングに設けられ、流体が流れる流路（１４）と、前記流路に配置された弁座（２０）と、前記流路に配置され、前記弁座に着座可能に設けられた板状の弁体（３０）と、前記弁体が取り付けられる偏心取付部（４２）を含み、前記弁体が前記弁座に着座して前記流路を閉じる閉状態から、前記弁体が前記弁座に着座せず前記流路を開ける開状態との間で前記弁体を回転させる回転軸（４０）と、を備える。前記弁座の上流側における前記流路の断面積をＳ１、前記弁座の下流側における前記流路の断面積をＳ２、前記弁座における前記流路の断面積をＳ３とした時、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たす。この形態によれば、弁座の下流側における流路の内径Ｄ２が、上流側における流路の内径Ｄ１、弁座における流路の内径Ｄ３よりも大きいので、弁座の下流側における流路の内径Ｄ２が上流側における流路の内径Ｄ１より小さい場合に比べて、流体の流量を大きくできる。

（２）上記形態において、前記ハウジングは、前記弁座の上流側に、下流側から挿入された前記弁座を係止する係止部（１２ａ）を備えてもよい。この形態によれば、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たしながら、弁座を流路に挿入し、係止できる。

（３）上記形態において、前記弁体は、前記弁座に着座したときの上流側の面（３１）または下流側の面（３２）に、前記回転軸と接合する接合部（４４）を前記面から突き出るように備え、前記回転軸に沿った方向から前記接合部を見た時の前記接合部の形状は、長方形であってもよい。この形態によれば、弁体を設置するときに、位置合わせが容易となる。

（４）上記形態において、前記接合部と前記弁体との境界の凹部の角、及び、前記境界以外における前記長方形の角は、面取りされていてもよい。この形態によれば、接合部は、面取りされているので、流体の流れを滑らかにして、圧力損失を減少させることができる。

（５）上記形態において、前記回転軸は、前記偏心取付部を、前記回転軸の回転中心から偏心した位置に備えてもよい。この形態によれば、回転軸は、偏心取付部を回転軸の回転中心から偏心した位置に備えるので、弁体が回転するときに、弁体は、上流側あるいは下流側に少しシフトして弁座から離間し、回転する。その結果、弁座により弁体の回転が阻害されない。

（６）上記形態において、前記弁体の形状は、円形または楕円形であってもよい。この形態によれば、弁体の形状が円形または楕円形であるので、弁体の形状が角を有する形状である場合に比べて、流体の流れの乱れを抑制して、圧力損失を減少させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、流量制御弁の他、流量制御弁における弁の構造等で実現することができる。

１０ ハウジング １２ 管部 １２ａ 係止部 １４ 流路 １４ａ 上流流路 １４ｂ 中流流路 １４ｃ 下流流路 ２０ 弁座 ２０ａ シート面 ３０ 弁体 ３０ａ シール面 ３１、３２ 面 ４０ 回転軸 ４２ 偏心取付部 ４４ 接合部 ４４ａ 側面 ４４ｂ 上面 ４４ｃ 曲面 ４４ｄ 曲面 ４４ｅ 平面 ４４ｆ 平面 ５０ モータ部 ５２ 減速機構部 １００ 流量制御弁 Ｄ１ 内径 Ｄ２ 内径 Ｄ３ 内径 Ｌ１ 回転中心 Ｌｐ 中心 θ１ 角 θ２ 角 θ３ 角 θ４ 角

Claims (6)

1. ハウジング（１０）と、
   前記ハウジングに設けられ、流体が流れる流路（１４）と、
   前記流路に配置された弁座（２０）と、
   前記流路において、前記流体の流れに沿った前記弁座の上流側に配置され、前記弁座に着座可能に設けられた板状の弁体（３０）と、
   前記弁体が取り付けられる偏心取付部（４２）を含み、前記弁体が前記弁座に着座して前記流路を閉じる閉状態から、前記弁体が前記弁座に着座せず前記流路を開ける開状態との間で前記弁体を回転させる回転軸（４０）と、
   を備え、
   前記弁座の上流側の前記弁体が存在する側における前記流路の断面積をＳ１、前記弁座の下流側の前記弁体が存在する側と反対側における前記流路の断面積をＳ２、前記弁座における前記流路の断面積をＳ３とした時、Ｓ２＞Ｓ１＞Ｓ３を満たす、流量制御弁。
2. 請求項１に記載の流量制御弁であって、
   前記ハウジングは、前記弁座の上流側に、下流側から挿入された前記弁座を係止する係止部（１２ａ）を備える、流量制御弁。
3. 請求項１または２に記載の流量制御弁であって、
   前記弁体は、前記弁座に着座したときの上流側の面（３１）または下流側の面（３２）に、前記回転軸と接合する接合部（４４）を前記面から突き出るように備え、
   前記回転軸に沿った方向から前記接合部を見た時の前記接合部の形状は、長方形である、流量制御弁。
4. 請求項３に記載の流量制御弁であって、
   前記接合部と前記弁体との境界の凹部の角、及び、前記境界以外における前記長方形の角は、角が落とされている、流量制御弁。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の流量制御弁であって、
   前記回転軸は、前記偏心取付部を、前記回転軸の回転中心から偏心した位置に備える、流量制御弁。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の流量制御弁であって、
   前記弁体の形状は、円形または楕円形である、流量制御弁。

Images