JPWO2012001736A1

JPWO2012001736A1 - ステップタイプバルブ

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Publication number: JPWO2012001736A1
Application number: JP2012522350A
Authority: JP
Inventors: 克典高井; 横山　雅之; 雅之横山; 暁長谷川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: DE112010005713T5; DE112010005713B4; CN103003601B; CN103003601A; WO2012001736A1; JP5355792B2; US20120326069A1

Abstract

バルブ３３は、回転中心軸Ｘに平行な軸方向の径より該回転中心軸Ｘに直交する軸直交方向の径が長い変形円にし、回転中心軸Ｘを境にして一方側半円の表面と他方側半円の裏面とがバルブシート３４ａに当接する。

Description

この発明は、流体通路に設けた段差（ステップ）にバルブを当接させるステップタイプバルブに関するものである。

従来のバタフライバルブは、楕円形状のバルブを流体通路に斜めに直接当接させる構造（例えば、特許文献１〜４参照）、円形状のバルブを流体通路に設けた段差（ステップ）部分に当接させるステップタイプバルブ構造等がある。

楕円形状のバルブを流体通路に斜めに直接当接させる構造の場合、円形状のバルブを流体通路に設けた段差部分に当接させるステップタイプバルブ構造に比べて、開弁開始時に同じバルブ開度であってもバルブと通路の間の開口幅を小さくでき、立ち上り流量を抑制できる。しかしながら、閉弁位置では、楕円形状のバルブ外周曲面を流体通路に斜めに当接させ、かつ、流体通路との間の隙間ができるだけ小さくなるように、バルブの外周曲面を傾斜加工等する必要がある。また、流体通路のバルブが当接する部分（バルブシート）についても、バルブとの間の隙間をできるだけ小さくするようにある程度の平面度および面粗度が必要となるため、バルブおよびバルブシートの加工が複雑になるという問題があった。さらに、高温時には熱膨張により相対的に大きくなったバルブが流体通路に噛み込む懸念があり、バルブと流体通路の間にある程度の隙間を確保しておく必要があった。しかし、予め隙間を確保しておくと、ガス温が最高温度時にバルブが最も伸びるため、常温時だけでなく最高温度より低い温度域では隙間があり、この時にバルブシート洩れが生じてしまう。このようにバルブシート洩れ抑制とバルブ噛み込み回避がトレードオフの関係にあり、高温流体への適用が困難であった。

これに対して、円形状のバルブを流体通路に設けた段差部分に当接させるステップタイプバルブ構造の場合、回転中心軸を境にしてバルブの一方側の表面と他方側の裏面とが段差部分（バルブシート）に当接する。従って、バルブの外周曲面は流体通路に当接しないので、バルブ外周曲面と流体通路の間に隙間を設けることができる。そして、この隙間があることにより高温時にバルブが熱膨張しても流体通路への噛み込みを防止できる。また、バルブの表裏面とバルブシートとの重なり代があることにより、閉弁時のバルブシート洩れを抑制することができる。

特開２００５−２９９４５７号公報特開平６−２４８９８４号公報特開平６−２８０６２７号公報特開平８−３０３２６０号公報

しかしながら、従来のステップタイプバルブ構造の場合、バルブが円形状のため、開弁開始時にバルブとバルブシートの間の開口幅が大きくなり、立ち上り流量が大きい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、開弁開始時の立ち上り流量を抑えたステップタイプバルブを提供することを目的とする。

この発明のステップタイプバルブは、回転中心軸を中心にして回転するバルブ軸と、回転中心軸に平行な軸方向の径より当該軸方向に直交する軸直交方向の径が長い変形円状の、バルブ軸と一体に回転するバルブと、流体通路の内面に設けた環状の段差であって、回転中心軸を境にしたバルブの一方側の表面と他方側の裏面とに当接するバルブシートとを備えるものである。

この発明によれば、バルブを、回転中心軸に平行な軸方向の径より当該軸方向に直交する軸直交方向の径が長い変形円状にすることにより、開弁開始時のバルブとバルブシートの開口幅を小さくすると共に、開口部分のバルブとバルブシートの重なり代を大きくかつバルブと流体通路の隙間を小さくして流体を流れにくくして、立ち上り流量を抑えたステップタイプバルブを提供することができる。

この発明の実施の形態１に係るステップタイプバルブの構成を示す断面図である。実施の形態１に係るバルブ部の構成を示し、図２（ａ）は図１に示すＡＡ線に沿ってバルブ部を切断した断面図、図２（ｂ）はバルブの拡大図である。実施の形態１に係る楕円形のバルブと従来の円形のバルブについて、バルブ開度と流量の関係を示すグラフである。実施の形態１に係るバルブの変形例を示す図である。

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に示すステップタイプのバタフライバルブは、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の駆動力をバルブ軸３２に伝達するギア部２０と、高温ガス等の流体が流通する管（不図示）に介装され、バルブ３３を開閉して流体の流量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をヒートシールド１２で被覆する。モータ１１の出力軸の一端側は、ギアボックス２１内部に伸びたピニオンギア２２になっている。モータ１１が正転駆動または逆転駆動するとピニオンギア２２がギア２３に噛合して回転し、モータ１１の駆動力をバルブ軸３２へ伝達する。バルブ軸３２は、ベアリング２４の内輪に固着して回転自在に軸支され、モータ１１の駆動力により回転中心軸Ｘを中心に回転して、バルブ軸３２に固定されているバルブ３３を開閉させる。図示例では、バルブ３３とバルブ軸３２にピンを圧入固定しているが、カシメ固着でもよく、あるいは、ガス温が低ければネジでの締結も可能である。

ギア部２０のハウジングはギアボックス２１とギアカバー２５とを接合して構成し、このギアカバー２５にヒートシールド１２を一体に形成する。また、ベアリング２４の外輪は、底面をギアカバー２５内周面の段差部分に嵌合させ、上面からプレート２６を圧入固定することにより、ギアカバー２５内部に固定されている。ベアリング２４の内輪は上述のようにバルブ軸３２に固着している。

また、フェールセーフとして、バルブ軸３２の上端側にスプリングホルダ２７で保持されたリターンスプリング２８が配置されており、このリターンスプリング２８がバルブ軸３２を付勢して、バルブ３３がバルブシート３４ａに当接する閉位置へ戻す。

バルブ部ハウジング３１は、鋳鉄、ステンレス鋼等の耐熱鋼で構成する。このバルブ部ハウジング３１には、外部と流体通路３４とを連通する貫通穴３５が設けられている。この貫通穴３５にバルブ軸３２が挿入される。また、この貫通穴３５の上端側には金属製のフィルタ部３６、下端側にはブッシュ（軸受け部）３７が周設されている。なお、ガス温が低い場合には、フィルタ部３６に軸シールの併設が可能である。バルブ軸３２の一端側をベアリング２４で軸支し、他端側をブッシュ３７で軸支する。

円筒形状の流体通路３４の内面に環状の段差（ステップ）を設けて、バルブシート３４ａを形成する。バルブ軸３２には楕円形状のバルブ３３が固定されており、このバルブ３３がバルブ軸３２と一体に回転中心軸Ｘを中心に回転して、バルブシート３４ａとの間の隙間量を変化させ、流体の流量を制御する。

図２（ａ）は、図１のＡＡ線に沿ってバルブ部３０を切断した断面図であり、図２（ｂ）はバルブ３３を抜き出した拡大図である。バルブ３３は、回転中心軸Ｘに平行な軸方向の径を短くし、該軸方向に直交する方向（以下、軸直交方向）の径を長くした楕円形状の変形円とする。また、バルブシート３４ａは、回転中心軸Ｘを境にしたバルブ３３の一方側半円の表面と他方側半円の裏面とに当接してシールする。

なお、バルブ３３の外周曲面は表裏面に対して垂直であり、傾斜加工等の特別な形状に加工する必要はない。よって、先立って説明した特許文献１〜４のようなバタフライバルブに比べ、安価に製造することができる。

図３は、本実施の形態１に係る楕円形状のバルブ３３と、従来のステップタイプバルブの円形状のバルブの、バルブ開度と流量の関係を示すグラフである。円形状のバルブは、開弁開始時に軸直交方向の左右両端部Ｃが大きく開口するため、軸方向の上下両端部Ｂ（図２（ｂ）に示す）より軸直交方向の左右両端部Ｃから良く流れる傾向がある。すると、開弁開始時の立ち上がり流量が大きくなるので、流量制御が難しくなる。

一方、本実施の形態１に係る楕円形状のバルブ３３は円形状のバルブに比べて、同一バルブ開度時の軸直交方向の左右両端部Ｃの開口幅が狭くなるので、開弁開始時の立ち上り流量を抑えることができる。また、軸直交方向の左右両端部Ｃのバルブ３３とバルブシート３４ａが当接する重なり代が大きくなり、かつ、バルブ３３の外周曲面と流体通路３４の間の隙間が小さくなるので、開弁開始時に流体が流れる経路がバルブ３３、流体通路３４およびバルブシート３４ａで形成されるラビリンス構造になって流れにくくなる。そのため、立ち上り流量をさらに抑えることができる。従って、開弁開始時の流量制御が容易になる。

また、軸直交方向の左右両端部Ｃでは、バルブ３３とバルブシート３４ａが当接する重なり代が大きいので、閉弁時に、バルブ３３とバルブシート３４ａの間の隙間から流体が洩れにくい。他方、軸方向の上下両端部Ｂにはバルブ３３とバルブ軸３２の間の隙間がわずかにあるが、この隙間以外には重なり代があるので、閉弁時のバルブシート洩れはほとんどない。なお、バルブ３３とバルブ軸３２の材料・寸法を選択することにより、軸方向の上下両端部Ｂの隙間を小さくしたりなくすことが可能である。

さらに、バルブ３３の軸直交方向の径を長くするだけでなく、バルブシート３４ａの軸直交方向の両端部分Ｃ位置の段差を大きくすることにより、バルブ３３とバルブシート３４ａの重なり代をさらに大きくしてもよい。この構成にすれば、バルブシート洩れを抑制することができるだけでなく、開弁開始時のラビリンス構造もより長くなるので立ち上がり流量をより小さく抑えることが可能となる。

次に、この実施の形態１に係る流体制御バルブを高温下で使用する場合、例えば高温の排気ガス（〜８００℃）が流れる管路に設置されるＥＧＲＶ（排気ガス再循環バルブ）として用いる場合を説明する。

流体通路３４に高温の流体が流れるとバルブ部ハウジング３１、バルブ軸３２、バルブ３３がそれぞれ熱膨張する。各部の構成材料および実使用時の温度差によっては、流体通路３４に対して相対的にバルブ３３が大きくなったり小さくなったりする場合がある。また、バルブ軸３２が、ベアリング２４の下端部を基点にしてブッシュ３７側へ伸びると、バルブ３３の位置がずれる場合もある。

高温流体が流れた場合、軸直交方向については、バルブ３３とバルブ部ハウジング３１の径方向への伸びはあるが、バルブ軸３２がベアリング２４の下端側を基点としてブッシュ３７の方向へ熱膨張することによる軸方向への位置ずれはそれほど考慮する必要がない。従って、軸直交方向の左右両端部Ｃにおける、バルブ３３と流体通路３４の間での噛み込みを防ぐための必要隙間は小さくてよい。そのため、バルブ３３の軸直交方向の径を長くしても、高温時に流体通路３４との間の隙間が小さくなることによる噛み込みを回避できる。また、軸直交方向の左右両端部Ｃにおけるバルブ３３のバルブシート３４ａとの重なり代も大きくでき、閉弁時のバルブシート洩れも抑制できる。

軸方向については、バルブ３３とバルブ部ハウジング３１の径方向への伸びと、バルブ軸３２がベアリング２４の下端側を基点としてブッシュ３７の方向へ熱膨張することによる軸方向への伸びがある。軸方向は軸直交方向よりも高温による伸びの影響が大きく、バルブ３３のブッシュ３７側への位置ずれも大きくなる。従って、軸方向の上下両端部Ｂにおける、バルブ３３と流体通路３４の間での噛み込みを防ぐための必要隙間は、上述の左右両端部Ｃの必要隙間より大きくとる必要がある。そのため、バルブ３３の軸方向の径を短くして、高温時に流体通路３４との間の隙間が小さくなることによる噛み込みを回避する。また、軸方向の上下両端部Ｂにおけるバルブ３３とバルブシート３４ａとの重なり代も確保でき、閉弁時のバルブシート洩れも抑制できる。

このように、高温下でのバルブ噛み込み回避およびバルブシート洩れ抑制の両方を鑑みて各部の寸法設定を行うことにより、常温下だけでなく高温下でも使用可能である。
なお、バルブ３３と流体通路３４の構成材料を、例えば線膨張係数の近い材料同士とすれば、高温流体が流れた場合の各部の伸びの影響を少なくすることができる。この場合には、バルブ３３と流体通路３４の間の必要隙間をより小さく抑えると共に、バルブ３３とバルブシート３４ａの重なり代を大きくできるので、立ち上り流量をさらに抑制することができる。線膨張係数の近い材料同士の例として、バルブ３３をステンレス鋼で構成し、流体通路３４を鋳鉄またはステンレス鋼で構成する。

以上より、実施の形態１によれば、ステップタイプバルブは、回転中心軸Ｘを中心にして回転するバルブ軸３２と、回転中心軸Ｘに平行な軸方向の径より当該軸方向に直交する軸直交方向の径が長い変形円状の、バルブ軸３２と一体に回転するバルブ３３と、流体通路３４の内面に設けた環状の段差であって、回転中心軸Ｘを境にしたバルブ３３の一方側の表面と他方側の裏面とに当接するバルブシート３４ａとを備えるように構成した。このため、開弁開始時のバルブ３３とバルブシート３４ａの間の開口幅を小さくできると共に、特に立ち上り流量に影響を与えやすい軸直交方向の左右両端部Ｃにおいて、バルブ３３とバルブシート３４ａの重なり代を大きくかつバルブ３３と流体通路３４の間の隙間を小さくしてラビリンス構造を形成し、流体を流れにくくすることができるようになり、立ち上り流量を抑えることができる。また、バルブ３３とバルブシート３４ａの略全周に重なり代があるので、閉弁時のバルブシート洩れを抑制できる。さらに、バルブ３３の外周曲面と流体通路３４の間に隙間があるので、噛み込みを回避できる。

また、高温下、バルブ軸３２が熱膨張してバルブ３３の位置がずれしたとしても、常温下と同様に立ち上り流量を抑えることができる。また、バルブ３３と流体通路３４の間の隙間を、バルブ軸３２が熱膨張して伸びる軸方向に大きく設けることができるので、高温下であってもバルブ３３と流体通路３４の噛み込みを回避することができる。さらに、各部が熱膨張してもバルブ３３とバルブシート３４ａの重なり代を確保できるので、常温時と同様にバルブシート洩れを抑制することができる。

また、実施の形態１によれば、バルブ３３を変形円にするだけでなくバルブシート３４ａの段差も変形して、バルブ３３とバルブシート３４ａが当接する重なり代を、軸方向の上下両端部Ｂより軸直交方向の左右両端部Ｃで大きくするようにしたので、立ち上り流量に影響を与えやすい軸直交方向の左右両端部Ｃにおいて開弁開始時のラビリンス構造を大きくし、立ち上り流量をより抑制することができる。また、閉弁時のバルブシート洩れも抑制できる。

また、実施の形態１によれば、バルブ３３と流体通路３４の間の隙間を、軸直交方向の左右両端部Ｃより軸方向の上下両端部Ｂで大きくするようにしたので、高温時にバルブ軸３２が熱膨張してバルブ３３が軸方向に位置ずれしても、噛み込みを回避することができる。

なお、上記実施の形態１の図示例では流体制御バルブのバルブ３３を楕円形状にしたが、楕円形状以外の変形円にしてもよい。例えば熱の影響でバルブ軸３２の伸びが大きい場合には、図４に示すように楕円形状（または円形状）のバルブ３３の軸方向の上下両端部をそれぞれ切り欠いて切欠部３３ａを形成した変形円にして、バルブ３３と流体通路３４の間の隙間をより大きくして噛み込みを回避する。

また、流体通路３４を円筒形状にすると共にバルブシート３４ａを環状にしたが、それぞれを楕円形状に変形することも可能である。

以上のように、この発明に係るステップタイプバルブは、立ち上り流量を抑制すると共に、高温時のバルブ噛み込み回避およびバルブシート洩れ抑制を可能にしたので、排気ガス再循環バルブ等に用いるのに適している。

この発明のステップタイプバルブは、回転中心軸を中心にして回転するバルブ軸と、回転中心軸に平行な軸方向の径より当該軸方向に直交する軸直交方向の径が長い変形円状の、バルブ軸と一体に回転するバルブと、流体通路の内面に設けた環状の段差であって、回転中心軸を境にしたバルブの一方側の表面と他方側の裏面とに当接するバルブシートとを備え、バルブとバルブシートが当接する重なり代を、軸方向の両端部より軸直交方向の両端部で大きくし、バルブと流体通路の間の隙間を、軸直交方向の両端部より軸方向の両端部で大きくすることを特徴とするものである。

実施の形態１．
図１に示すステップタイプのバタフライバルブは、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の駆動力をバルブ軸３２に伝達するギア部２０と、高温ガス等の流体が流通する管（不図示）に介装され、バルブ３３を開閉して流体の流量を制御するバルブ部３０とからなる。

Claims

回転中心軸を中心にして回転するバルブ軸と、
前記回転中心軸に平行な軸方向の径より当該軸方向に直交する軸直交方向の径が長い変形円状の、前記バルブ軸と一体に回転するバルブと、
流体通路の内面に設けた環状の段差であって、前記回転中心軸を境にした前記バルブの一方側の表面と他方側の裏面とに当接するバルブシートとを備えるステップタイプバルブ。
バルブは、円または楕円の軸方向の両端部を切り欠いた変形円状であることを特徴とする請求項１記載のステップタイプバルブ。
バルブとバルブシートが当接する重なり代を、軸方向の両端部より軸直交方向の両端部で大きくすることを特徴とする請求項１記載のステップタイプバルブ。
バルブと流体通路の間の隙間を、軸直交方向の両端部より軸方向の両端部で大きくすることを特徴とする請求項１記載のステップタイプバルブ。