WO2020017131A1

WO2020017131A1 - シールリング及びこれを用いた弁装置

Info

Publication number: WO2020017131A1
Application number: PCT/JP2019/018940
Authority: WO
Inventors: 徳幸稲垣
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-01-23
Also published as: US20210131560A1; JP2020012507A; KR102416200B1; KR20210003250A; DE112019003596T5; JP7095445B2

Abstract

流体の流れる通路（１３）を開閉する弁装置（１０）に用いられ、通路（１３）内に収容されて回動により通路を開閉するための弁体（２０）の外周縁に配置される樹脂製のシールリング（３０）は、シールリング（３０）の一方の側面（３１）に、シールリング（３０）の周方向に沿って設けられた溝（３３０）と、溝内に配置された金属製のリング状のスプリング（４０）とを備える。一方の側面（３１）とは反対の側面（３２）のうち、シール面（３４）となる領域よりも内周側の領域の一部には、反対の側面（３２）から一方の側面に向かってシールリング（３０）の中心軸方向に沿って延びて溝（３３０）に貫通する貫通穴（３４０）が設けられている。一方の側面（３１）側からの平面視において、貫通穴（３４０）に対応する一方の側面（３１）側の領域には、溝（３３０）に配置されるスプリング（４０）の端部を係止するための係止部（３５０）が設けられている。

Description

シールリング及びこれを用いた弁装置

関連出願の相互参照

　本願は、その全ての開示が参照によりここに組み込まれる、２０１８年７月１８日に出願された、出願番号２０１８－１３４７０４の日本国特許出願に基づく優先権を主張する。

　本開示は、流体の流れる通路を開閉する弁装置のシールリングに関する。

　従来から、流体の流れる通路の開閉を、通路内に収容された弁体の回動により開閉する弁装置が知られている。例えば、特開２０１６－２１１６７８号公報には、弁体の全閉時において、弁体の外周縁の外周面に沿って設けられた溝（以下、「周溝」とも呼ぶ）に嵌め込まれた樹脂性のシールリングによって、通路の内周面と弁体の外周縁との間の隙間をシールするシール構造を有する弁装置が開示されている。

　しかしながら、上記弁装置では、弁体を全閉した状態から開いた際に、周溝に流れ込むガスの圧力によって、周溝に嵌め込まれたシールリングが外周方向に拡げられて、シールリングが周溝から脱落する可能性があることが分かった。特に、樹脂性のシールリングは、高温時に剛性が低くなるので、通路を流れる高温のガスの圧力によって変形しやすく、脱落の可能性は金属製のシールリングに比べてさらに高くなる。

　ここで、シールリングの剛性を確保する点に着目した場合、金属製のリング（「スプリング」とも呼ぶ）にて補強することが考えられる。その手法として、シールリングの側面に溝を設けて金属製のリングをその溝に組み付けることで、補強したシールリングを形成する手法や、インサート成形等によりリングが一体成形されたシールリングを形成する手法が考えられる。

　溝にスプリングを組み付けたシールリングの場合、溝の構造によっては、弁体にシールリングを組み付ける過程において、スプリングがシールリングから脱落してしまうという不具合が発生する可能性がある。溝の構造として、例えば、アンダーカット形状のような係止構造を利用すれば、脱落を抑制することは可能である。しかしながら、アンダーカット構造を有するシールリングの場合、成形に用いた型からシールリングを離型する際に、シールリングに変形が生じ、シール性能の低下を招く可能性がある。

　また、金属製のスプリングと一体成形されたシールリングの場合、内部の金属のスプリングと外側の樹脂製のシールリングの線形膨張の差によって発生する応力や、利用した弁装置の弁体の開閉にともなうシールリングの拡縮による応力が発生し、シールリングの破損や弁装置の破損など、耐久性の点で十分でない可能性がある。

　本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、流体の流れる通路を開閉する弁装置に用いられ、前記通路内に収容されて回動により前記通路を開閉するための弁体の外周縁に配置される樹脂製のシールリングが提供される。このシールリングは、前記シールリングの一方の側面に、前記シールリングの周方向に沿って設けられた溝と、前記溝内に配置された金属製のリング状のスプリングと、を備える。前記一方の側面とは反対の側面のうち、シール面となる領域よりも内周側の領域の一部には、前記反対の側面から前記一方の側面に向かって前記シールリングの中心軸方向に沿って延びて前記溝に貫通する貫通穴が設けられており、前記一方の側面側からの平面視において、前記貫通穴に対応する前記一方の側面側の領域には、前記溝に配置される前記スプリングの端部を係止するための係止部が設けられている。
　この形態のシールリングによれば、係止部によりスプリングを容易に保持してスプリングの脱落を抑制しつつ、剛性を高めた樹脂製のシールリングを容易に実現することが可能である。また、この樹脂製のシールリングを形成するための型を単純な型割にて実現可能であり、シールリングの離型時に発生する可能性のあるシールリングの変形を抑制することが可能である。また、一体成形されたシールリングに比べて耐久性の向上を図ることが可能である。

　本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。
図１は一実施形態の弁装置の構成を示す概略断面図、図２は弁体およびシールリングの断面図、図３はシールリングの平面図、図４は図３のシールリングの裏面図、図５は図３のシールリングのＶ－Ｖ断面図、図６はシールリング製造用の型の断面図、図７はシールリングの係止部の拡大断面図、図８はシールリングの係止部の他の実施形態を示す拡大断面図、図９は他の実施形態のシールリングの平面図、図１０は図９のシールリングの裏面図、図１１は別の他の実施形態のシールリングの平面図、図１２は図１１のシールリングの裏面図、図１３はさらに別の他の実施形態のシールリングの断面図。

Ａ．実施形態：
　図１に示す一実施形態の弁装置１０は、気体の流れる通路１２を、弁体２０の回動変位により開閉するものである。弁装置１０は、例えば、エンジン（不図示）の排気系に組み込まれ、エンジンに還流される排気ガス（以下、ＥＧＲガスとも呼ぶ）の通過量を操作するＥＧＲ装置に適用されている。すなわち、弁装置１０は、車両に搭載されたエンジンの排気通路から吸気通路へＥＧＲガスを戻すものであり、図１に示すような構成を有している。

　弁装置１０は、ハウジング１１、センサケース１４等を備えている。

　ハウジング１１は、金属製、例えば、アルミニウム合金のダイカスト製であり、内部にエンジンの排気通路から吸気通路へＥＧＲガスの流れる通路１２を有する。通路１２の内壁には、耐熱性、耐腐食性に優れた部材、例えば、ステンレスにより設けられたノズル１３が固定配置されている。すなわち、ノズル１３の内周は、通路１２の一部の内壁となっており、通路１２の一部を構成している。また、ハウジング１１は、通路１２の開度を調整する弁体２０を回動自在に支持するとともに、この弁体２０を回動させるモータを収容している。なお、モータは配置位置の都合上不図示となっている。

　弁体２０は、シャフト１５を介してノズル１３内に収容され、ノズル１３内に回動自在に支持されており、シャフト１５の回動変位に応じて通路１２のノズル１３の開口面積を変更可能な円板形状のバタフライ弁である。すなわち、弁体２０はシャフト１５と一体に回動することにより通路１２のノズル１３の開度を調整している。弁体２０は、アルミニウム合金、ＳＵＳ等の種々の金属や、ＰＰＳ、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ等の種々の樹脂、を用いて形成される。

　なお、弁体２０は複数のギアの組み合わせによりモータの回転を減速させ、すなわち減速により増幅された回転トルクを伝達され回動する。具体的には、モータと一体に回転するモータギア（不図示）と、このモータギアによって回動駆動される中間ギア（不図示）と、この中間ギアによって回動駆動される最終ギア１６の組み合わせにより、モータの回転は減速される。そして、最終ギア１６と一体にシャフト１５が回動する。

　また、弁装置１０には、弁体２０を閉弁方向にのみ向けて付勢するリターンスプリング１７が設けられている。このリターンスプリング１７は、一方向のみに巻かれたコイルバネから構成されるシングルスプリングであり、シャフト１５の周囲に同軸的に配置される。そして、リターンスプリング１７はハウジング１１と最終ギア１６との間に組み付けられることで閉弁方向に向けて付勢するバネ力を発生する。すなわち、最終ギア１６等はリターンスプリング１７のバネ力に抗して回動していることになる。

　センサケース１４は、樹脂製であり、弁体２０の回転角を検出するセンサ１８を収容する。なお、センサ１８はシャフト１５の回転角度を検出することで弁体２０の開度を検出する非接触ポジションセンサである。そして、ハウジング１１のフランジとセンサケース１４のフランジとを突き合わせ螺子締結することによりハウジング１１とセンサケース１４は一体となる。

　図２に示すように、弁体２０の外周縁２５の面（「外周面」とも呼ぶ）には全周に渡って断面矩形状の溝２６（以下、「周溝２６」とも呼ぶ」）が設けられている。そして、この周溝２６には、弁体２０の全閉時において、ノズル１３の内周面と弁体２０の外周縁２５の外周面との間をシールするシールリング３０が嵌め込まれている。より具体的には、シールリング３０は、その外周縁３５が周溝２６の外側にあり、その内周縁３３が周溝２６の内側に嵌り込み、周溝２６に収容されている。

　シールリング３０は、図３の平面図に示すように、平板リング形状を有している。シールリング３０は、例えば、ＰＰＳ、ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ等の樹脂を用いて形成される。

　なお、図３は、ノズル１３の上流側（図２のＩＮ側）からシールリング３０を見た状態を示している。また、図２は、図３のＶ－Ｖ断面におけるシールリング３０を弁体２０の外周縁２５側の部分とともに示している。なお、図２の左側はノズル１３の上流側（「ＩＮ側」と記載）、右側はノズル１３の下流側（「ＯＵＴ側」と記載）を示している。図２中の矢印ＤＲは、断面において弁体２０およびシールリング３０の径に沿った方向（以下、「径方向」とも呼ぶ）を示し、矢印ＤＡは、中心軸ＡＸに沿った方向（以下、「中心軸方向」とも呼ぶ）を示しており、以下の図においても同様である。

　シールリング３０には、図３の平面図，図４の裏面図に示すように、その径を拡縮可能とする合口３６が設けられている。なお、シールリング３０は、合口３６を離間させて一旦拡径させ、周溝２６に配した後に縮径することで周溝２６に嵌め込むことができる。

　合口３６を形成する２つのシールリング端には、図３，図４に示すように、一方のシールリング端から他方のシールリング端に向かって突出する突出片３６１と、この突出片３６１の収まる欠落空間３６２とがそれぞれに設けられている。これにより、シールリング３０は、周溝２６に嵌め込まれた状態、及び、弁体２０の全閉時に図３に示すように、合口３６に、シールリング３０の径方向および中心軸方向に重なりが生じた状態となっている。なお、合口３６の形状は、一つの例に過ぎず、径方向および中心軸方向に重なりが生じている構成であれば、この態様に限定されるものではなく、種々の態様で実現可能である。

　弁体２０の全閉時においては、図２に示すように、上流側と下流側で生じる差圧によって、シールリング３０は、下流側に押され、下流側を向く側面３２の一部３４（以下、「シール面３４」とも呼ぶ）が周溝２６の下流側の側面２６３に当接して密着する。これにより、シールリング３０の内周縁３３側を通じての気体の流れが遮断され、内周縁３３側の圧力が上昇する。また、シールリング３０の外周縁３５側の隙間（図２では不図示）を通じて気体が流れるため、シールリング３０の外周縁３５側の圧力は低くなる。このため、シールリング３０は、内周縁３３側と外周縁３５側とで生じる差圧によって拡径し、シールリング３０の外周縁３５の外周面がシール面（以下、「シール面３５」とも呼ぶ）としてノズル１３の内周面に当接して密着する。これにより、弁体２０の全閉時において、シールリング３０は、側面３２のシール面３４で弁体２０の周溝２６の側面２６３に密着するとともに、シール面３５がノズル１３の内周面と密着し、弁体２０とノズル１３との隙間をシールする。なお、合口３６は、拡径することによって離間するものの、弁体２０の全閉時に径方向及び中心軸方向に生じる差圧によって重なり部分がお互いに密着する。これにより、合口３６を介して上流側から下流側に気体が漏れないようにしている。

　図３の平面図，図５の断面図に示すように、シールリング３０の上流側の側面３１には、周方向に沿った溝３３０が設けられている。但し、溝３３０は、合口３６の領域を除き、合口３６よりも周方向の外側に設けられている。溝３３０には、金属製のリング状のスプリング４０が配置されている。スプリング４０を構成する金属材料としては、樹脂で構成されたシールリング３０の剛性を所定値以上に保つことが可能であれば、とくに限定はなく、アルミニウム合金、ＳＵＳ等の種々の金属を用いることができる。以下、溝３３０を「スプリング溝３３０」とも呼ぶ。なお、以下の説明では、上流側の側面３１を「一方の側面３１」、下流側の側面３２を「反対の側面３２」とも呼ぶ。

　図４の裏面図，図５の断面図に示すように、反対の側面３２には、シール面３４となる領域よりも径方向ＤＲの内周側の領域に、周方向に沿って、複数の穴３４０が設けられている。穴３４０は、下流側の側面３２から上流側の側面３１に向かって中心軸方向ＤＡに沿って延びてスプリング溝３３０の内周側の端部の底面に貫通するように設けられている。以下、穴３４０を「貫通穴３４０」とも呼ぶ。

　図３の平面図，図５の断面図に示すように、一方の側面３１側から見た平面視において、貫通穴３４０に対応する一方の側面３１の領域には、スプリング溝３３０に配置されるスプリング４０の内周側の端部を覆って係止するためのフック状の係止部３５０が設けられている。係止部３５０を有する領域のシールリング３０の断面では、スプリング溝３３０の開口の寸法ＷＡは、スプリング４０の径方向ＤＲの幅の寸法ＷＢよりも小さくなっている。なお、スプリング溝３３０の開口の寸法ＷＡは、係止部３５０の先端３５１とスプリング溝３３０の外周端との差である。また、スプリング４０の径方向の幅ＷＢは、図３に示すように、スプリング４０の内周側の端部と外周側の端部との差、すなわち、内径と外径との差である。

　シールリング３０は、上述したスプリング溝３３０と貫通穴３４０と係止部３５０の構造を有することにより、スプリング４０を脱落しないように係止しておくことが可能である。そして、シールリング３０は、係止されたスプリング４０によって所望の剛性を確保することが可能である。また、図５に示すように、溝３３０の内周側と外周側との差である幅が、スプリング４０の幅ＷＡよりも広く形成されているので、スプリング４０とシールリング３０の線形膨張の差によって発生する応力や、シールリングの拡縮による応力を抑制することが可能である。これにより、スプリングが一体成形されたシールリングで発生する耐久性に比べて耐久性の向上を図ることが可能である。

　また、シールリング３０は、周方向に沿って複数ヶ所に係止部３５０を有している。これにより、係止部３５０の無い複数の領域において、スプリング溝３３０へのスプリング４０の収容を容易にするとともに、複数の係止部３５０においてスプリング４０の脱落の抑制を図ることができる。すなわち、スプリングリング４０の組み付けの容易性と、スプリング４０の脱落の抑制の両立を図ることができる。また、周方向に渡って複数の係止部３５０が設けられているので、スプリング４０の周方向に沿ってバランスよく脱落の抑制を図ることができる。

　ここで、シールリング３０は、図６の断面図に示したように、簡単な型割の下型４００と上型５００とを用いて成形することができる。キャビティ４１０，４３０およびコア４２０ａ，４２０ｂを有する下型４００と、キャビティ５１０，５３０およびコア５２０を有する上型５００で形成された型に樹脂材料を充填し固化させることで、シールリング３０を形成することができる。なお、上型５００の中心軸方向ＤＡに沿って下型４００側を向くコア５２０と、下型４００の中心軸方向ＤＡに沿って上型５００側を向くコア４２０ａ，４２０ｂのうちのコア４２０ｂの部分とは、図５に示したスプリング溝３３０の領域に対応する。また、コア４２０ａの部分は図５に示した貫通穴３４０の領域に対応する。

　上述したように、下型４００及び上型５００は、中心軸方向ＤＡに沿って凸凹する簡単な型割り構造となっている。このため、形成されたシールリング３０を型から離型させることが容易であり、従来技術で説明したアンダーカット構造のように離型性が悪いためにシールリングを変形させてシール性能を低下させてしまうことを抑制することが可能である。

　なお、図７の断面図に示すように、係止部３５０のフックの先端３５１は、一方の側面３１側からの平面視において、貫通穴３４０の内周側の端部と外周側の端部との間の幅Ａｈの領域の内側に位置するように設けられていることが好ましい。この場合、貫通穴３４０に対応する下型４００のコア４２０ａに繋がるコア４２０ｂによって、形成される係止部３５０のフックの先端３５１との間に食い切り領域Ａｂが設けられるため、樹脂成形時におけるバリの発生を効果的に抑制することが可能となる。但し、これに限定されるものではなく、係止フックの先端３５１が貫通穴３４０の端部に一致していてもよい。

　また、図８に示すように、係止部３５０のフックの貫通穴３４０側の先端面３５３の先端角度θ３５３は、一方の側面３１に垂直な方向である中心軸方向ＤＡに沿った方向を示す基準線Ｌｖに対して鋭角、すなわち、９０°未満に形成されることが好ましい。なお、先端面３５３の先端角度θ３５３は、断面上における先端面３５３の接線Ｌｔと基準線Ｌｖとのなす角度であって、貫通穴３４０側から見た角度である。この場合、係止部３５０によるスプリング４０の係止性を高めてより効果的にスプリング４０の脱落を抑制することが可能となる。

　また、図８に示すように、係止部３５０のフックの一方の側面３１側の先端面３５２は先端３５１に向かって直線的に凹んだテーパー面の形状となっている。この場合、スプリング４０をスプリング溝３３０に組み付ける際に、先端面３５２に沿ってスプリング４０の内周側の端部を滑らせてスプリング溝３３０にスプリング４０を組み付けやすくすることが可能である。なお、図示は省略するが、先端面３５２は、直線的ではなく外側に凸で滑らかな曲面状としてもよい。この場合においても、同様の効果を得ることが可能である。

Ｂ．他の実施形態：
（１）図９，図１０のシールリング３０ｂに示すように、合口３６（図３）に変えて、突出片３６１および欠落空間３６２を有しない合口３６ｂとしてもよい。

（２）また、係止部３５０及びこれに対応する貫通穴３４０が設けられる位置や数は、図３，図４のシールリング３０の位置や数に限定されるものではない。図９，図１０のシールリング３０ｂに示すように、周方向に沿って均等に３ヶ所に係止部３５０及びこれに対応する貫通穴３４０が設けられていても良い。また、図１１，図１２のシールリング３０ｃに示すように、１つの係止部３５０及びこれに対応する貫通穴３４０が設けられる構成としてもよい。すなわち、周方向に沿って部分的に係止部３５０及びこれに対応する貫通穴３４０が設けられていれば、その位置および数は限定されるものではない。

（３）上記実施形態および他の実施形態では、例えば、図５に示すように、スプリング４０の内周端側に、係止部３５０及びこれに対応する貫通穴３４０が設けられる構成を例に説明したが、これに限定されるものではない。図１３のシールリング３０ｄに示すように、スプリング４０の外周端側に、係止部３５０及びこれに対応する貫通穴３４０が設けられる構成としてもよい。

（４）上記実施形態の弁装置はＥＧＲ装置に適用されていたが、適用対象はＥＧＲ装置に限定されるものではなく、種々の流体の通路の開閉を行なう弁装置として適用可能である。

　本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

Claims

　流体の流れる通路（１３）を開閉する弁装置（１０）に用いられ、前記通路（１３）内に収容されて回動により前記通路を開閉するための弁体（２０）の外周縁に配置される樹脂製のシールリング（３０，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）であって、
　前記シールリングの一方の側面（３１）に、前記シールリングの周方向に沿って設けられた溝（３３０）と、
　前記溝内に配置された金属製のリング状のスプリング（４０）と、
　を備え、
　前記一方の側面とは反対の側面（３２）のうち、シール面（３４）となる領域よりも内周側の領域の一部には、前記反対の側面から前記一方の側面に向かって前記シールリングの中心軸方向に沿って延びて前記溝に貫通する貫通穴（３４０）が設けられており、
　前記一方の側面側からの平面視において、前記貫通穴に対応する前記一方の側面側の領域には、前記溝に配置される前記スプリングの端部を係止するための係止部（３５０）が設けられている、
　シールリング。
　請求項１に記載のシールリングであって、
　前記係止部における前記溝の開口の寸法（ＷＡ）は、前記スプリングの径方向の幅の寸法（ＷＢ）よりも小さい、シールリング。
　請求項１または請求項２に記載のシールリングであって、
　前記貫通穴及び前記貫通穴と対をなす前記係止部は、前記シールリングの周方向に沿って複数ヶ所に設けられている、シールリング。
　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシールリングであって、
　前記係止部のフックの先端位置は、前記一方の側面側からの平面視において、前記貫通穴の領域の内側に位置するように設けられている、シールリング。
　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシールリングであって、
　前記係止部のフックの前記貫通穴側の先端面（３５３）の先端角度は、前記一方の側面に垂直な方向に対して鋭角に形成されている、シールリング。
　請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシールリングであって、
　前記係止部のフックの前記一方の側面側の先端面（３５２）は外側に凸な曲面状もしくはテーパー面状に形成されている、シールリング。
　流体の流れる通路を開閉する弁装置（１０）であって、
　流体の流れる通路（１３）内に収容されて回動により前記通路を開閉する弁体（２０）と、
　前記弁体の外周縁に設けられ、前記弁体の全閉時において前記弁体と前記通路との隙間をシールする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシールリング（３０，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）と、を備える、弁装置。