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1. (WO2012001737) FLUID CONTROL VALVE
Document

明 細 書

発明の名称 流体制御バルブ

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

0005   0006   0007   0008  

図面の簡単な説明

0009  

発明を実施するための形態

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033  

産業上の利用可能性

0034  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3   4   5  

明 細 書

発明の名称 : 流体制御バルブ

技術分野

[0001]
 この発明は、高温流体が流れる管路に設置される流体制御バルブに関する。

背景技術

[0002]
 従来、流体(特に~800℃の高温流体)の流れる管路に設置されるEGRV(排気ガス再循環バルブ)のような流体制御バルブは、高温流体からバルブ軸を伝わる伝熱があるため、アクチュエータ部の出力軸とバルブ軸とをギアで直接噛合させて一体化構造にすることが困難であった。そこで、アクチュエータ部の基板、樹脂部材といった耐熱温度の低い部品を保護するために、アクチュエータ部の出力軸とバルブ軸とをリンク、ワイヤ等で接続して別体構造にし、バルブ軸からの伝熱が直接アクチュエータ部へ届かないように断熱するものが多かった。
[0003]
 ただし、従来の流体制御バルブの中には、特許文献1,2のようにアクチュエータ部の出力軸とバルブ軸とをギアで直接噛合させた一体化構造を採用しているものもある。特許文献1,2に係る流体制御バルブは、アクチュエータ部を高温流体の伝熱および輻射熱から保護するために、流体通路を設けたバルブ部ハウジングとアクチュエータ部ハウジングとで材質を変え(バルブ部ハウジングをステンレス鋼または耐熱鋼、アクチュエータ部ハウジングをアルミニウム)、さらにアクチュエータ部ハウジングにエンジン冷却水を循環供給して冷却する。その他、アクチュエータ部ハウジングとバルブ部ハウジング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たり、管路とバルブ部の流体通路との間にステンレス筒を挟み込んだりして、耐熱性を確保する。これらの構成により、適用可能ガス温を600℃~800℃に高めることができる。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開2008-196437号公報
特許文献2 : 特開2007-285311号公報

発明の概要

[0005]
 しかしながら、特許文献1,2のバルブ径を大きくして、大流量用の流体制御バルブに適用すると、バルブ軸と一体化構造になった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って、耐熱性を十分に確保できない恐れがある。また、特許文献1ではアクチュエータ部がバルブ部の横に設置されているため、熱量の大きくなった伝熱および輻射熱の影響をより受けやすくなる。従って、従来の流体制御バルブでは、大流量が流れる~800℃のような高温下で使用される流体制御バルブへの適用が困難であるという課題があった。
[0006]
 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、大流量かつ高温流体に対応した流体制御バルブを提供することを目的とする。
[0007]
 この発明の流体制御バルブは、回転駆動力を発生させるアクチュエータ部と、内部に設けた流体通路に連通する貫通穴を形成したハウジングと、一端側をアクチュエータ部に連結し、他端側を貫通穴から流体通路に挿入して、アクチュエータ部の回転駆動力により回転するバルブ軸と、バルブ軸と一体に回転して、流体通路を開閉するバルブと、アクチュエータ部とハウジングの間に設けた水冷通路と、水冷通路よりアクチュエータ部側に配置され、バルブが流体通路を閉じる方向へバルブ軸を付勢するスプリングとを備えるものである。
[0008]
 この発明によれば、アクチュエータ部と内部に流体通路を設けたハウジングとを別体で構成すると共に、その間に水冷通路を配置することにより、大流量かつ高温の流体の伝熱および輻射熱から耐熱温度の低いアクチュエータ部およびフェールセーフ用のスプリングを保護することができるようになり、大流量かつ高温流体に対応した流体制御バルブを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0009]
[図1] この発明の実施の形態1に係る流体制御バルブの構成を示す断面図である。
[図2] 実施の形態1に係る流体制御バルブのダイレクトリンク構造を示す平面図である。
[図3] 図1に示すAA線に沿って切断したバルブ部の断面図である。
[図4] 図1に示すBB線に沿って切断した水冷通路の断面図である。
[図5] 実施の形態1に係る流体制御バルブにおける、水冷による冷却の影響と流体の熱による影響とを表す模式図である。

発明を実施するための形態

[0010]
 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に示す流体制御バルブは、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。
[0011]
 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で囲う。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が形成されている。図2に示すように、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が扇型のギア23に噛合して回転し、モータ11の駆動力を直接的にバルブ軸32へ伝達する。以下では、このピニオンギア22とギア23の噛合によりモータ11の出力軸とバルブ軸32を直結した一体化構造をダイレクトリンク構造と称す。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。
[0012]
 ダイレクトリンク構造にすることにより、モータ11の出力軸であるピニオンギア22とバルブ軸32とをギア23で直結するので、軸ずれおよび伝達ロスが少ない。また、部品点数の削減、コスト低減およびコンパクト化が可能となる。さらに、流体制御バルブのコンパクト化だけでなく、この流体制御バルブを搭載する側でもレイアウトスペースが少なくて済む、アクチュエータ部10とバルブ部30が一体化しているので外部のアクチュエータに連結する必要がない等の利点がある。
[0013]
 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。ギアボックス21およびギアカバー25はアルミニウムで構成し、ヒートシールド12はアルミニウムまたはステンレス鋼で構成する。
[0014]
 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。このベアリング24には、バルブ部30の振動印加時および流体圧力印加時の荷重の合計よりも大きい耐荷重を持たせるようにして、バルブ部30にかかる荷重をベアリング24の外輪と内輪で支持する構成とする。これにより、バルブ軸32およびバルブ33のガタツキを抑制することができるので、耐振性を確保でき、大流量化が可能となる。
[0015]
 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をバルブシート34aに当接する閉位置へ戻す。
[0016]
 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37が周設されている。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で軸支するようにして両持ちの軸受け部を構成する。先立って説明した特許文献1,2のようにバルブ軸を一端側から軸支するような片持ち構造では、流体圧力が大きいと、バルブが流体から受ける偏荷重によりバルブ軸の軸受け部分にこじりが発生しやすいと推定される。また、軸折れの懸念もある。一方、本実施の形態1の両持ちの軸受け部であれば、バルブ軸32の軸受け部にこじりが発生しにくくなり、軸折れも発生しにくくなる。従って、大流量に適用が可能となる。
[0017]
 また、従来は、バルブ部のバルブ軸の一端とアクチュエータ部の出力軸がリンクでつながれている構造が多く、その場合、バルブ軸の両端が支持されていてもアクチュエータ部の駆動力はリンクでつながれている一端側からしかかからないため、偏荷重を受けてこじりおよび軸折れが発生しやすい。これに対し、本実施の形態1ではバルブ軸32を両持ちにして両端を支持し、ダイレクトリンク構造を両端支持の間、即ちバルブ軸32の途中に接続するので、アクチュエータ部10の駆動力が両端の軸受け部それぞれに伝わりやすくなり、両端で受ける偏荷重の度合いが少なくなる。よって、こじりおよび軸折れがより発生しにくくなる。さらに、両持ち構造の軸受け部のうち、一方をベアリング24にすることによって、バルブ軸32と軸受け間はボールベアリングで支えることができるため、バルブ軸32との間をすべり面で支えるすべり軸受けの場合と比較して摺動がしやすく、こじりが発生しにくくなる。
[0018]
 また、バルブ部30をステップタイプのバタフライバルブにする。具体的には、図3に示すように、流体通路34に段差(ステップ)を設けてバルブシート34aを形成する。一方のバルブ軸32には円形状のバルブ33を取り付け、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。閉弁時には、バルブシート34aが、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。
[0019]
 本構造では、高温時に、バルブ軸32のベアリング24で固定された部分が基点となって、バルブ軸32がブッシュ37の方向へ熱膨張して伸びるため、バルブ33の位置ずれが発生する。この位置ずれがバルブシート34aの段差C内でおさまる程度であれば、バルブ33が位置ずれしても流体通路34に干渉せず、かつ、バルブシート34aとの間からの洩れもない。このように、ステップタイプのバルブ構造にして段差Cの長さを適切に設定することにより、バルブ軸32の熱膨張によるバルブ33の位置ずれの影響をキャンセルできる。
[0020]
 図4に示すように、ギアボックス21に水冷通路29が形成されている。この水冷通路29はアクチュエータ部10およびギア部20とバルブ部30との間であってバルブ軸32の途中に配置される。図示例では、水冷通路29の3箇所の出入口のうち1箇所を栓29aで塞いでコの字型の通路にし、一方を入口、他方を出口にする。
[0021]
 図5は、水冷通路29による冷却効果(実線で示す矢印)と流体通路34を流れる高温流体の熱の影響(破線で示す矢印)を表した模式図である。ギアボックス21およびギアカバー25をアルミニウム製にして、水冷通路29の水冷効果を高め、バルブ軸32、ベアリング24、リターンスプリング28等の各部品を効率的に冷却する。また、水冷通路29と一体的に形成したヒートシールド12(アルミニウムまたはステンレス鋼)の水冷効果も高めることができるので、アクチュエータ部10を効率的に冷却できる。
[0022]
 また、バルブ部30とベアリング24の間にギア23を配置したので、バルブ軸32を伝わる熱をギア23で吸収させてベアリング24への伝熱を抑え、ベアリング24を保護できる。さらに、リターンスプリング28もバルブ部30から離れた位置に配置して、ギア23で熱を吸収させ、リターンスプリング28への伝熱を抑える。
[0023]
 また、バルブ部ハウジング31とギアボックス21を、ボルト39により固定する。図1に示すように、ボルト39の固定部分以外は、バルブ部ハウジング31とギアボックス21を接触させずに隙間を設けているため、バルブ部30からの輻射熱を断熱できる。また例えバルブ部30から輻射熱を受けても、この熱がギアボックス21およびギアカバー25を通過する構造にしたので、アクチュエータ部10への伝熱を抑制できる。
[0024]
 このように、バルブ部30からアクチュエータ部10およびギア部20への伝熱および輻射熱の影響を低減して、モータ11、ギア23、ベアリング24、リターンスプリング28等の部品の耐熱性を確保できるので、高温かつ大流量の流体に対応可能である。
[0025]
 また、バルブ部ハウジング31とギアボックス21の間のバルブ軸32にカバー38を配設して、流体通路34を流通する流体がバルブ軸32の表面を伝わってギアボックス21内へ吹き抜けて侵入しないようにする。これにより、ギアボックス21のバルブ軸32を挿通するための開口付近にカバー38によるラビリンス構造が形成されるので、流体(排ガス)だけでなく、外部からバルブ部ハウジング31とギアボックス21の隙間を抜けてきた水および異物もギアボックス21内に侵入しにくくなる。
[0026]
 ギアボックス21内への水および異物侵入を完全に防ぐために、カバー38に加えて、ギアボックス21とバルブ軸32の隙間に軸シール41,42を設置したり、ギアボックス21とギア23の隙間に軸シール43を設置したりしてもよい。
[0027]
 なお、さらなる大流量化が必要な場合は、流体通路34とバルブ33の径を大きくして対応することが可能である。バルブ33の径を大きくすることにより流体から受ける荷重も増大するので、必要に応じてバルブ軸32を軸支するベアリング24の個数を増やしたり、ブッシュ37を長くしてバルブ軸32との接触面積を増やしたりして、軸受け部分を強化してもよい。
[0028]
 以上より、実施の形態1によれば、流体制御バルブは、回転駆動力を発生させるアクチュエータ部10と、内部に設けた流体通路34に連通する貫通穴35を形成したバルブ部ハウジング31と、一端側をアクチュエータ部10に連結し、他端側を貫通穴35から流体通路34に挿入して、アクチュエータ部10の回転駆動力により回転するバルブ軸32と、バルブ軸32と一体に回転して流体通路34を開閉するバルブ33と、アクチュエータ部10とバルブ部ハウジング31の間に設けた水冷通路29と、水冷通路29よりアクチュエータ部10側に配置され、バルブ33が流体通路34を閉じる方向へバルブ軸32を付勢するリターンスプリング28とを備えるように構成した。このため、耐熱温度の低いアクチュエータ部10およびフェールセーフ用のリターンスプリング28を、バルブ部30を流れる大流量かつ高温の流体の伝熱および輻射熱から保護することができるようになる。よって、大流量かつ高温流体に対応した流体制御バルブを提供することができる。
[0029]
 また、実施の形態1によれば、流体制御バルブは、水冷通路29よりアクチュエータ部10側に配置されてバルブ軸32の一端側を軸支すると共に、バルブ33を間に挟んだバルブ軸32の他端側を軸支する、両持ち構造の軸受け部を備えるように構成した。このため、こじりおよび軸折れが発生しにくくなるとともに、大流量の流体からの荷重に対する耐性が向上する。
 さらに、この両持ち構造の軸受け部の一方を、水冷通路29よりアクチュエータ部10側に配置されてバルブ軸32の一端側を軸支するベアリング24で構成するようにしたので、大流量かつ高温の流体の伝熱および輻射熱からベアリング24を保護できる。また、バルブ軸32が摺動しやすくなり、こじりがより発生しにくくなる。
[0030]
 また、実施の形態1によれば、流体制御バルブは、アクチュエータ部10と一体的に形成され回転駆動するピニオンギア22と、水冷通路29よりアクチュエータ部10側に配置され、バルブ軸32と一体的に形成されピニオンギア22に噛合するギア23とを備えるように構成した。これにより、ギア23が水冷通路29により冷却されるので、バルブ軸32からアクチュエータ部10への伝熱を遮断してアクチュエータ部10を保護できる。そのため、アクチュエータ部10の出力軸であるピニオンギア22とバルブ軸32とをギア23により直接連結できるようになり、部品点数の削減、コスト低減、およびコンパクト化が可能となる。また、軸ずれおよび伝達ロスも少ない。
 さらに、このギア23を、両持ち構造の軸受け部に挟まれた部分のバルブ軸32に一体的に形成することにより、アクチュエータ部10の駆動力がバルブ軸32の両端へ伝わりやすくなるので、該両端で受ける偏荷重の度合いが少なくなり、こじりおよび軸折れがより発生しにくくなる。
[0031]
 また、実施の形態1によれば、流体制御バルブは、アクチュエータ部10を囲うヒートシールド12を、水冷通路29を設けたギアカバー25と一体的に形成するようにしたので、アクチュエータ部10を効率的に冷却でき、流体の伝熱および輻射熱から保護できる。
[0032]
 なお、上記実施の形態1では流体制御バルブを大流量かつ高温の流体用に適用した場合を説明したが、小流量、低温であっても適用可能であることは言うまでもない。
[0033]
 また、ダイレクトリンク構造を用いてアクチュエータ部10の出力軸をバルブ軸32に連結したが、これに限定されるものではなく、アクチュエータ部10の出力軸をバルブ軸32に直接連結してもよい。この場合であっても、バルブ部30からの熱を水冷通路29が冷却するギアボックス21およびギアカバー25で遮断すると共にヒートシールド12で囲うので、アクチュエータ部10を熱から保護できる。そのほか冷却が必要なベアリング24、リターンスプリング28等の部品も水冷通路29よりアクチュエータ部10側に配置するので耐熱性を確保できる。

産業上の利用可能性

[0034]
 以上のように、この発明に係る流体制御バルブは、大流量かつ高温の流体に対応できるので、排気ガス再循環バルブ等に用いるのに適している。

請求の範囲

[請求項1]
 回転駆動力を発生させるアクチュエータ部と、
 内部に設けた流体通路に連通する貫通穴を形成したハウジングと、
 一端側を前記アクチュエータ部に連結し、他端側を前記貫通穴から前記流体通路に挿入して、前記アクチュエータ部の回転駆動力により回転するバルブ軸と、
 前記バルブ軸と一体に回転して、前記流体通路を開閉するバルブと、
 前記アクチュエータ部と前記ハウジングの間に設けた水冷通路と、
 前記水冷通路より前記アクチュエータ部側に配置され、前記バルブが前記流体通路を閉じる方向へ前記バルブ軸を付勢するスプリングとを備える流体制御バルブ。
[請求項2]
 水冷通路よりアクチュエータ部側に配置されてバルブ軸の一端側を軸支すると共に、バルブを間に挟んだ前記バルブ軸の他端側を軸支する、両持ち構造の軸受け部を備えることを特徴とする請求項1記載の流体制御バルブ。
[請求項3]
 両持ち構造の軸受け部の一方を、水冷通路よりアクチュエータ部側に配置されてバルブ軸の一端側を軸支するベアリングで構成することを特徴とする請求項2記載の流体制御バルブ。
[請求項4]
 アクチュエータ部と一体的に形成され回転駆動するピニオンギアと、
 水冷通路よりアクチュエータ部側に配置され、バルブ軸と一体的に形成され前記ピニオンギアに噛合するギアとを備えることを特徴とする請求項1記載の流体制御バルブ。
[請求項5]
 アクチュエータ部と一体的に形成され回転駆動するピニオンギアと、
 水冷通路よりアクチュエータ部側に配置され、両持ち構造の軸受け部に挟まれた部分のバルブ軸に一体的に形成され前記ピニオンギアに噛合するギアとを備えることを特徴とする請求項2記載の流体制御バルブ。
[請求項6]
 アクチュエータ部を囲うヒートシールドを、水冷通路と一体的に形成することを特徴とする請求項1記載の流体制御バルブ。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]