KR101310453B1 - 밸브의 축 누설 저감 구조 - Google Patents

밸브의 축 누설 저감 구조 Download PDF

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사토루 하세가와
마사유키 요코야마
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

로드(32)의 외주면에 플레이트(36)를 압입하여 로드(32)와 플레이트(36)의 간극을 없애고, 또한, 가스 통로(38)로부터 새어나오는 가스압과 와셔(26)의 하중으로 발생시킨 여압을 로드(32)에 작용시켜서, 이 로드(32)에 일체화한 플레이트(36)를 부시(35)에 적극적으로 맞닿게 함으로써 부시(35)와 플레이트(36)의 당접면의 간극을 없애서, 축 누설을 저감한다.

Description

밸브의 축 누설 저감 구조{STRUCTURE FOR REDUCING AXIAL LEAKAGE OF VALVE}
본 발명은, 배기 가스 재순환(EGR) 밸브 등의 유체 제어용 밸브의 축 누설(軸洩)을 저감시키는 축 누설 저감 구조에 관한 것이다.
요즘의 환경 문제에 수반하는 배기 가스 규제 강화에 의해, 엔진에서 발생하는 이미션을 억제하기 위해, 예를 들면 EGR 밸브와 같은 고온 가스가 유통되는 밸브에서는 축 누설을 저감시키는 것이 필수로 되어 오고 있다.
종래, 유체 제어용 밸브에서, 하우징이나 축받이부와 부시와 밸브축과의 간극을 통과하여 유체 통로 내의 유체가 새어나오는 축 누설을 억제하기 위해 이 간극에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 불소계의 축(軸) 실 또는 래버린스 실 구조를 마련한다. 예를 들면 특허 문헌 1에 개시되는 축 누설 저감 구조에서는, 밸브축의 유체 통로와 하우징의 전환부분에 마련한 부시의, 유체 통로측의 밸브축 외주에 래버린스 실을 주설(周設)하여 지그재그형상의 유체 경로를 형성하고, 유체가 유체 통로로부터 부시로 흘러나오기 어렵게 함과 함께, 하우징측의 밸브축 외주에 PTFE의 립 실을 주설하여, 축받이부로부터 하우징으로의 축 누설을 억제한다.
특허 문헌 1 : 일본 특개2007-32301호 공보
그러나, EGR 밸브에 유통되는 고온 가스는 200 내지 800℃, 특히 EGR 쿨러의 직전에 배치되는 핫 사이드용 밸브에 유통되는 고온 가스는 800℃에나 달하기 때문에, 종래의 PTFE 또는 불소계의 축 실로는 내열 온도를 초과하여 버려서 사용하기 어렵거나 또는 사용할 수가 없기 때문에, 축 누설량을 억제하는 것이 곤란하다는 과제가 있다.
예를 들면 특허 문헌 1에 개시된 축 누설 저감 구조에서는, 래버린스 실(labyrinth seal)은 부시와 밸브축의 간극을 막고 있지 않기 때문에, 유체 통로를 유통되는 고온의 배기 가스는 이 간극으로부터 새어나와 래버린스 실 부분에 유체 경로를 형성하여 버린다. 그 때문에, 축 누설을 억제하는 역할은 주로 립 실이 다하게 되는데, 이 립 실은 PTFE이기 때문에, 상술한 바와 같이 200 내지 800℃의 고온 가스가 유통되는 밸브에서는 사용할 수가 없어서, 축 누설량을 저감할 수가 없다.
따라서 특허 문헌 1에 개시된 축 누설 저감 구조를 고온(200℃ 이상)의 유체에 적용하는 경우에는, 래버린스 실은 그대로 사용할 수 있지만, 립 실은 PTFE로부터 금속 또는 고온에 견딜수 있는 재료로 변경할 필요가 있다. 단, 그 경우, 립 실과 밸브축과의 마찰이 증대하여 밸브축 자체의 동작에 지장을 주는 것이나, 밸브축과의 간극의 실 구조가 성립하지 않는 것이 생각되어, 고온하에서의 축 누설을 저감시키는 것은 곤란하다. 또한, 이 구조는 저온(200℃ 미만)의 유체에도 적용할 수 있지만, PTFE의 축 실과 비교하면 실 기능은 뒤떨어진다. 단, 비용은 억제된다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 밸브의 축 누설을 저감시키는 축 누설 저감 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 축 누설 저감 구조는, 내부에 마련한 유체 통로에 연통하는 관통구멍을 형성한 하우징과, 관통구멍으로부터 유체 통로에 삽입되고, 회전 중심축을 중심으로 하여 회전하는 밸브축과, 밸브축과 일체로 회전하고, 유체통을 개폐하는 밸브체와, 관통구멍 내에 마련되고, 밸브체를 회전 자유롭게 축지지하는 부시부와, 밸브축의 외주면에 압입되어, 당해 밸브축에 작용하는 여압(pressurizaton)에 의해, 부시부의 유체 통로측의 면에 맞닿으면서 회전하는 축 실부를 구비한 것이다.
본 발명에 의하면, 밸브축의 외주면에 압입되어, 당해 밸브축에 작용하는 여압에 의해, 부시부의 유체 통로측의 면에 맞닿으면서 회전하는 축 실부를 구비함에 의해, 밸브축과 축 실부의 간극 및 부시부와 축 실부의 간극을 없애서 축 누설을 저감시키는 밸브의 축 누설 저감 구조를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 EGR 밸브의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 도 1에 도시하는 EGR 밸브의 축 누설 저감 구조를 확대한 단면도.
도 3은 도 1에 도시하는 EGR 밸브의 플레이트 주변을 확대한 단면도.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 관해, 첨부한 도면에 따라 설명한다.
실시의 형태 1.
도 1에 도시하는 EGR 밸브는, 밸브 개폐의 회전 구동력을 발생시키는 액추에이터부(10)와, 액추에이터부(10)의 구동력을 로드(밸브축)(32)에 전달하는 기어부(20)와, 고온의 배기 가스가 유통되는 관(도시생략)에 개장되어, 버터플라이 밸브형상의 밸브(밸브체)(37)를 개폐하여 배기 가스의 유통을 제어하는 밸브부(30)로 이루어진다.
액추에이터부(10)는 DC 모터 등을 모터(11)에 이용하고, 이 모터(11)의 구동축의 일단에는, 기어부 하우징(21) 내부에 있는 피니언 기어(22)가 연결되어 있다. 모터(11)가 구동하면 피니언 기어(22) 및 기어(23)가 맞물려서 회전하고, 모터(11)의 구동력을 로드(32)에 전달한다. 로드(32)는 베어링(25)에 의해 회전 자유롭게 축지지되고, 구동력에 의해 회전 중심축(X)을 중심으로 회전하여, 로드(32)에 고정되어 있는 밸브(37)를 열리게 하다. 이 베어링(25)은, 와셔(하중 수단)(26)의 하중에 의해 축방향 상향으로 여압되어 있다. 또한, 기어(23)에는 리턴 스프링(24)이 배치되어 있고, 이 리턴 스프링(24)이 로드(32)를 모터(11)의 구동력에 의한 회전 방향과는 역방향으로 가세하여, 모터(11)의 정지중에 밸브(37)를 밸브 시트(39)에 맞닿는 폐쇄위치로 되돌린다.
밸브부 하우징(31)에는 외부와 가스 통로(유체 통로)(38)를 연통하는 관통구멍(31a)이 마련되어 있다. 이 관통구멍(31a)에 로드(32)가 삽입된다. 또한, 이 관통구멍(31a)에는 부시(부시부)(35)가 압입되어, 고정 핀(34)으로 고정되어 있다. 이 부시(35)가 축받이가 되어 로드(32)를 회전 자유롭게 축지지하고 있다. 또한, 관통구멍(31a)에서, 로드(32)의 외주면에는 플레이트(축 실부)(36)가 압입되어 있고, 로드(32)와 플레이트(36)가 일체로 회전한다. 또한, 밸브부 하우징(31)과 기어부 하우징(21)의 사이에는 커버(33)를 배치하여, 가스에 포함되는 카본 디포지트, 먼지 등이 로드(32)의 외주면에 따라서 기어부 하우징(21) 내로 진입하지 않도록 한다.
또한, 로드(32)에는 밸브(37)가 고정되어 있고, 이 밸브(37)가 로드(32)와 일체로 회전하여, 가스 통로(38)에 마련된 밸브 시트(39)에 맞닿아서 가스의 유통을 잠근다.
다음에, 도 2 및 도 3의 확대 단면도를 이용하여, EGR 밸브의 축 누설 저감 구조를 설명한다.
가스 통로(38)를 유통하는 가스, 및 밸브(37)와 밸브 시트(39)의 간극으로부터 새어나오는 가스는, 로드(32)의 외주면에 따라서 축방향 상향으로 축 누설되는데, 플레이트(36)가 로드(32)의 외주면에 압입되어 있기 때문에, 플레이트(36)의 내주면과 로드(32)의 외주면에 간극이 없고, 이 부분에서 축 누설되는 일도 없다.
또한, 가스 통로(38)를 유통하는 가스, 및 밸브(37)와 밸브 시트(39)의 간극으로부터 새어나오는 가스는, 로드(32)를 외주면에 따라서 축방향 상향으로 유통되면서 여압한다. 로드(32)에 작용하는 이 여압에 의해, 로드(32)와 일체화한 플레이트(36)가 부시(35)에 맞닿는다. 이와 같이, 로드(32)에 작용하는 여압에 의해 플레이트(36)와 부시(35)를 적극적으로 맞닿게 하여, 플레이트(36)와 부시(35)의 당접면의 간극을 메움에 의해, 가스가 새어나오는 경로를 없애서 축 누설을 억제할 수 있다.
또한, 와셔(26)는 베어링(25)에 하중을 주고 있는데, 이 하중은 베어링(25)을 경유하여 로드(32)에도 작용한다. 와셔(26)에 의해 발생된 이 여압은, 상기 가스 압력에 의해 발생된 여압과 함께 로드(32)에 작용하여, 로드(32)와 일체화한 플레이트(36)가 부시(35)에 맞닿는다. 따라서, 가스 압력의 변동시, 예를 들면 가스 압력이 부압이 되어 부시(35)와 플레이트(36)가 떨어지는 방향으로 당겨지는 경우에도, 와셔(26)의 하중이 플레이트(36)를 여압하기 때문에 축 누설을 억제할 수 있다.
이와 같이, 로드(32)와 플레이트(36)를 압입함과 함께, 로드(32)에 작용하는 여압에 의해 플레이트(36)를 부시(35)에 맞닿게 하여, 로드(32), 플레이트(36), 부시(35)의 사이에서 래버린스 구조를 형성함에 의해, 가스가 새어나오는 경로를 없애서 축 누설량을 저감할 수 있다. 또한, 본 구조를 취함에 의해 가스의 압력은 플레이트(36)와 부시(35)를 밀착시키는 방향에 작용하기 때문에, 고압하에서도 적용이 가능하다. 또한, 래버린스 구조 형성에 사용하는 플레이트는, 플레이트(36)의 1장으로 좋기 때문에, 종래와 같이 복수장의 플레이트를 사용하는 경우에 비하여 부품 갯수, 조립 공수, 및 비용을 억제할 수 있다. 또한, 로드(32)를 여압함으로써, 엔진 등으로부터의 진동 또는 가스 통로(38)의 압력 맥동(脈動)을 받은 로드(32), 및 이 로드(32)와 일체화한 플레이트(36) 및 밸브(37)가 축방향 상하로 진동하는 것을 억제할 수 있다. 이 결과, 부시(35)와 로드(32) 및 플레이트(36)와의 당접면, 및 밸브 시트(39)와 밸브(37)의 당접면의 마모를 억제할 수 있다.
또한, 가스의 온도 조건에 응하여 부시(35)와 플레이트(36)의 재료를 선정하여, 200℃ 내지 800℃의 고온하에서도 축 누설을 저감시킨다. 재료의 후보로서는 카본, 금속, 세라믹 등이 있지만, 고온 가스의 경우에는 부시(35) 및 플레이트(36) 함께 스테인리스가 바람직하고, 저온의 경우는 카본이라도 좋다.
또한, 부시(35)와 플레이트(36)의 양 재료의 조합, 경도, 코딩 및 표면 처리를 고려하여, 부시(35)와 플레이트(36)의 당접면의 마모를 억제시킨다. 예를 들면 부시(35)와 플레이트(36)를 경도가 개략 같거나 가까운 재료로 하거나, 또한 부시(35)와 플레이트(36)의 당접면을 니켈 도금, 니켈크롬, 질화(窒化) 처리 등의 표면 처리를 시행하거나 하여, 마모의 저감을 도모한다.
또한, 상기한 바와 같은 재료의 선정 및 표면 처리 이외에도, 형상을 고려하여 당접면의 마모를 억제하도록 한다. 가령 부시(35)의 당접면의 외경이 플레이트(36)의 외경보다 크면, 부시(35)가 마모하여 가면 부시(35)와 플레이트(36)의 접합부분에 단차가 생겨서, 로드(32)가 회전할 때에 부시(35)와 플레이트(36)가 씹혀지기 쉽게 될 우려가 있다.
그래서, 부시(35)의 축방향 하측의 단부 외경을 플레이트(36)의 외경보다 작아지도록 축경하여, 축경 단부(35a)를 형성한다. 이에 의해, 부시(35)에 대해 플레이트(36)가 회전하여 당접면이 마모하였다고 하여도, 단차가 없이 균일하게 마모되기 때문에, 부시(35)와 플레이트(36)의 마모 부분이 씹혀 들어가거나 걸리거나 하기 어려운 구조로 되어 있다.
또한, 밸브(37)의 밸브 시트(39)에의 위치 결정은, 밸브(37)가 밸브 시트(39)에 압접함에 의해 행하는 것이 아니고, 로드(32)에 일체화한 플레이트(36)가 부시(35)에 맞닿음에 의해 행하고 있기 때문에, 로드(32)의, 밸브(37)로부터 부시(35)와 플레이트(36)의 맞닿음 위치까지의 거리가 비교적 짧고, 고온 가스의 유통시에 각 부재가 열팽창에 의해 치수 변화가 있어도, 그 변화의 영향을 저감할 수 있다. 특히 밸브(37)가 열팽창으로 신장한 경우에도 밸브 시트 누설을 억제할 수 있다.
이상으로부터, 실시의 형태 1에 의하면, EGR 밸브를, 내부에 마련한 가스 통로(38)에 연통하는 관통구멍(31a)을 형성한 밸브부 하우징(31)과, 관통구멍(31a)으로부터 가스 통로(38)에 삽입되고, 회전 중심축(X)을 중심으로 하여 회전하는 로드(32)와, 로드(32)와 일체로 회전하여 가스 통로(38)의 밸브 시트(39)를 개폐하는 밸브(37)와, 관통구멍(31a) 내에 마련되고, 로드(32)를 회전 자유롭게 축지지하는 부시(35)와, 로드(32)의 외주면에 압입되어, 로드(32)에 작용하는 여압에 의해 부시(35)의 가스 통로(38)측의 면에 맞닿으면서 회전하는 플레이트(36)를 구비하도록 구성하였다. 이 때문에, 로드(32)와 플레이트(36)의 당접면은 압입에 의해 간극을 없애고, 또한, 로드(32)에 작용하는 여압으로 부시(35)와 플레이트(36)를 맞닿게 함에 의해, 가스가 새어나오는 경로가 로드(32), 부시(35) 및 플레이트(36)로 이루어지는 래버린스 구조가 되어, 로드(32)와 부시(35)의 간극의 축 누설을 저감시킬 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 의하면, 로드(32)에 작용하는 여압을, 관통구멍(31a)을 통과하여 가스 통로(38)로부터 흘러나오는 가스의 압력에 의해 발생시키도록 하였기 때문에, 부시(35)와 플레이트(36)를 적극적으로 맞닿게 하여 간극을 메울 수 있고, 따라서 축 누설을 저감시킬 수 있다. 또한, 가스의 압력은 플레이트(36)를 부시(35)에 밀착시키는 방향으로 작용하기 때문에, 고압하에서는 실 능력을 보다 향상시켜서 축 누설을 보다 저감할 수 있다. 또한, 엔진 등의 진동 또는 가스의 압력 맥동에 의한 로드(32)의 축방향의 흔들림을 억제할 수 있고, 결과로서, 부시(35), 플레이트(36) 및 로드(32)의 마모를 억제할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 의하면, EGR 밸브가, 베어링(25)을 하중함에 의해 로드(32)를 회전 중심축(X)의 방향으로 하중하는 와셔(26)를 구비하고, 로드(32)에 작용하는 여압은 이 와셔(26)에 의해 발생시키도록 하였기 때문에, 부시(35)와 플레이트(36)를 적극적으로 맞닿게 하여 간극을 메울 수 있고, 가스 압력이 변동한 경우에도, 축 누설을 저감시킬 수 있다. 또한, 엔진 등의 진동 또는 가스의 압력 맥동에 의한 로드(32)의 축방향의 흔들림을 억제할 수 있고, 결과로서, 부시(35), 플레이트(36) 및 로드(32)의 마모를 억제할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 의하면, 부시(35) 및 플레이트(36)에 가스의 온도에 응한 재료를 사용함으로써, PTFE 등이 사용 불가능한 200℃ 내지 800℃의 가스 온도에도 적용할 수 있고, 고온하에서도 축 누설을 저감할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 의하면, 부시(35) 및 플레이트(36)에 경도가 개략 같은 재료를 사용하거나, 당접면 각각에 표면 처리를 시행하거나 함으로써, 당접면의 마모를 억제할 수 있다. 또한, 부시(35)의 플레이트(36)에 맞닿는 단면(端面)의 외경을 플레이트(36)의 외경보다 작은 축경 단부(35a)로 함으로써, 가령 당접면이 마모하여도 씹혀지기 어렵고, 걸려지기 어려운 구조로 할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 의하면, 부시(35)와 플레이트(36)가 맞닿음에 의해 밸브(37)의 위치 결정을 하기 때문에, 밸브(37)의 근처에 위치 결정 부재, 즉 부시(35)와 플레이트(36)를 배치하여 고온시의 열팽창에 의한 치수 변화의 영향을 저감할 수 있다.
(산업상의 이용 가능성)
이상과 같이, 본 발명에 관한 축 누설 저감 구조는, 고온 고압하에서도 축 누설을 저감할 수 있기 때문에, EGR 밸브 등에 이용하는데 적합하다.

Claims (8)

  1. 내부에 마련한 유체 통로에 연통하는 관통구멍을 형성한 하우징과,
    상기 관통구멍으로부터 상기 유체 통로에 삽입되고, 회전 중심축을 중심으로 하여 회전하는 밸브축과,
    상기 밸브축과 일체로 회전하여, 상기 유체 통로를 개폐하는 밸브체와,
    상기 관통구멍 내에 마련되고, 상기 밸브축을 회전 자유롭게 축지지하는 부시부와,
    상기 밸브축의 외주면에 압입되어, 당해 밸브축에 작용하는 여압에 의해, 상기 부시부의 상기 유체 통로측의 면에 맞닿으면서 회전하는 축 실부를 구비하는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    여압은, 관통구멍을 통과하여 유체 통로로부터 흘러나오는 유체의 압력에 의해 발생시키는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    밸브축을 회전 중심축방향으로 하중하는 하중 수단을 구비하고,
    여압은, 상기 하중 수단의 하중에 의해 발생시키는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  4. 제 1항에 있어서,
    부시부 및 축 실부에는, 유체의 온도에 응한 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    부시부 및 축 실부에는, 경도가 개략 같은 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  6. 제 1항에 있어서,
    부시부와 축 실부의 당접면 각각에, 표면 처리를 시행하는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    부시부의 축 실부에 맞닿는 단면의 외경을, 당해 축 실부의 외경보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
  8. 제 1항에 있어서,
    부시부와 축 실부가 맞닿음에 의해 밸브의 위치 결정을 하는 것을 특징으로 하는 밸브의 축 누설 저감 구조.
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