(57)【要約】【課題】特殊な構造のハウジングによらず、弁のシール性を確保しつつ、弁体の摩耗を抑制する。【解決手段】バタフライ弁は、流体が通過する流路を有するハウジングと、回転する弁軸と、前記流路の内部に設けられ、前記弁軸の回転角に応じて当該弁軸との距離が変わる円板状の弁体とを有し、前記弁体が前記流路を遮る第１位置にある場合における当該弁体と前記弁軸との距離が、当該弁体が前記流路を遮らない第２位置にある場合における当該弁体と前記弁軸との距離よりも長い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が通過する流路を有するハウジングと、
回転する弁軸と、
前記流路の内部に設けられ、前記弁軸の回転角に応じて当該弁軸との距離が変わる円板状の弁体と
を有し、
前記弁体が前記流路を遮る第１位置にある場合における当該弁体と前記弁軸との距離が、当該弁体が前記流路を遮らない第２位置にある場合における当該弁体と前記弁軸との距離よりも長い
バタフライ弁。
【請求項２】
前記弁体と前記弁軸との間に張力を与える引張ばね
をさらに有する請求項１に記載のバタフライ弁。
【請求項３】
前記弁体と前記弁軸とが引き合う磁力を与える磁石
をさらに有する請求項１に記載のバタフライ弁。
【請求項４】
内燃機関の排気ガスを流すための排気管と、
前記排気管の途中に取り付けられた、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のバタフライ弁と
を有する排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バタフライ弁および排気装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流量を制御する装置として、バタフライ弁が知られている。バタフライ弁は円板状の弁体がハウジングの中で回転することによって弁を開閉するものである。開閉の際、弁体はハウジング内面を摺動する。したがって、バタフライ弁は、使用に伴い弁体（またはハウジング内面）が摩耗してシール性が悪化してしまうという問題がある。
【０００３】
これに対し特許文献１は、シートリング（ハウジングの一部）をバルブ（弁体）に押し付けることにより、シール性を確保しつつ、シートリングの偏摩耗を抑制する技術を開示している。また、特許文献２はバタフライ弁に関するものではなくグローブ弁に関するものであるが、ばねにより弁体を弁ケースに押しつける技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３１８７７号公報
【特許文献２】特開２００７−１４３９１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１においては、ハウジングを特殊な構造とする必要があり、コストが高くなってしまうという問題があった。
【０００６】
これに対し本発明は、特殊な構造のハウジングによらず、弁のシール性を確保しつつ、弁体の摩耗を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、流体が通過する流路を有するハウジングと、回転する弁軸と、前記流路の内部に設けられ、前記弁軸の回転角に応じて当該弁軸との距離が変わる円板状の弁体とを有し、前記弁体が前記流路を遮る第１位置にある場合における当該弁体と前記弁軸との距離が、当該弁体が前記流路を遮らない第２位置にある場合における当該弁体と前記弁軸との距離よりも長いバタフライ弁を提供する。
【０００８】
このバラフライ弁は、前記弁体と前記弁軸との間に張力を与える引張ばねをさらに有してもよい。
【０００９】
このバラフライ弁は、前記弁体と前記弁軸とが引き合う磁力を与える磁石をさらに有してもよい。
【００１０】
また、本発明は、内燃機関の排気ガスを流すための排気管と、前記排気管の途中に取り付けられた、上記いずれかのバタフライ弁とを有する排気装置を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、特殊な構造のハウジングによらず、弁のシール性を確保しつつ、弁体の摩耗を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態に係る吸排気システム１０００の構成を例示する図。
【図２】一実施形態に係るバルブアセンブリ１の斜視図。
【図３】バタフライ弁４における弁軸および弁体の構造を例示する斜視図。
【図４】バタフライ弁４の分解斜視図。
【図５】ガイド部材４７の構造を例示する図。
【図６】図２のＸ−Ｘ断面図。
【図７】弁体４３に圧力がかかっている状態を示す図。
【図８】図７の領域ＸＩの拡大図。
【図９】半開状態におけるバルブアセンブリ１の断面図。
【図１０】比較例に係るバルブアセンブリ９の断面図。
【図１１】変形例に係るガイド部材４７の構造を例示する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、一実施形態に係る吸排気システム１０００の構成を例示する図である。吸排気システム１０００は、エンジン２０００への吸排気を制御するシステムである。この例でエンジン２０００は自動車用のディーゼルエンジンである。吸排気システム１０００は、排気の一部を吸気系に再循環させる、いわゆるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システム（ＥＧＲ装置）である。吸排気システム１０００は、吸気系１１と、排気系１２と、ＨＰＬ（High Pressure Loop)−ＥＧＲ系１３と、ＬＰＬ（Low Pressure Loop）−ＥＧＲ系１４とを有する。
【００１４】
吸気系１１は、エンジン２０００に混合気を供給する。吸気系１１は、吸気側ターボバイパス弁１１１と、インタークーラー切替弁１１２と、インタークーラー１１３と、スロットル弁１１４とを有する。
【００１５】
排気系１２は、エンジン２０００から、排気ガスを排出する。排気系１２は、排気側ターボバイパス弁１２１と、排気ブレーキ弁１２２と、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）１２３と、排気絞り弁１２４とを有する。
【００１６】
吸気系１１と排気系１２との間には、第１ターボチャージャー１５および第２ターボチャージャー１６が設けられている。
【００１７】
ＨＰＬ−ＥＧＲ系１３は、排気の一部を吸気系１１に戻す。ＨＰＬ−ＥＧＲ系１３は、エンジン２０００の排気側と、吸気系１１（具体的にはスロットル弁１１４下流側）との間に設けられている。ＨＰＬ−ＥＧＲ系１３は、ＥＧＲクーラー切替弁１３１と、ＨＰＬ−ＥＧＲ弁１３２と、ＥＧＲクーラー１３３とを有する。
【００１８】
ＬＰＬ−ＥＧＲ系１４は、排気の一部を吸気系１１に戻す。ＬＰＬ−ＥＧＲ系１４は、排気系１２（具体的にはＤＰＦ１２３の下流側）と、吸気系１１（具体的には第２ターボチャージャー１６の上流側）との間に設けられている。ＬＰＬ−ＥＧＲ系１４は、ＬＰＬ−ＥＧＲ弁１４１と、ＥＧＲクーラー１４２とを有する。
【００１９】
図２は、一実施形態に係るバルブアセンブリ１の斜視図である。バルブアセンブリ１は、吸排気システム１０００において用いられる弁、例えば、排気側ターボバイパス弁１２１として用いられる弁である。バルブアセンブリ１は、駆動部２と、リンク機構部３と、バタフライ弁４とを有する。以下、説明のため、方向を以下のように定義する。バタフライ弁４において、流体の流れる方向の上流および下流をそれぞれ、「前」および「後」という。前からバタフライ弁４に向かって後ろを向いたときの上下左右を、「上」、「下」、「左」、および「右」という。なお、この定義は説明のための便宜的なものであって、システムにおいてバルブアセンブリ１が設置される向きや位置を限定するものではない。
【００２０】
バタフライ弁４は、ハウジング４１と、弁軸４２および弁体４３を有する。ハウジング４１は、ハウジング本体４１１と、スリーブ４１２とを有する。ハウジング本体４１１は、例えばステンレス鋼で形成され、直方体形状を有している。ハウジング本体４１１は、前後方向に延在する孔（流路）を有する。この孔を流体が通過する。図２では、流体の流れる向きを矢印で示している。スリーブ４１２は、例えばステンレス鋼で形成され、円筒形状を有する。スリーブ４１２は、ハウジング本体４１１の孔にはめ込まれている。
【００２１】
図３は、バタフライ弁４における弁軸および弁体の構造を例示する斜視図であり、図４はバタフライ弁４の分解斜視図である。バタフライ弁４は、弁軸４２と、弁体４３と、シールリング４４と、固定部材４５と、ガイド部材４７と、ばね４８とを有する。
【００２２】
弁軸４２は、例えばステンレス鋼で形成され、円柱形状（丸棒形状）を有する。弁軸４２においては、弁体４３を接続するため側面の一部が削られ、平坦部４２１が形成されている。
【００２３】
弁体４３は、例えばステンレス鋼で形成され、円板形状を有する。すなわち弁体４３は、平坦部４３１および平坦部４３２、並びに外周縁４３３を有する。外周縁４３３には溝４３４が形成されている。溝４３４は、外周縁４３３に沿って形成されており、前方から見ると円形である。また、上、下、左、または右方向から見ると、溝４３４は外周縁４３３に沿って真っ直ぐ延びている。
【００２４】
弁体４３の平坦部４３２には、穴４３２１および穴４３２２が形成されている。弁軸４２の平坦部４２１には、穴４２１１および穴４２１２が形成されている。穴４３２１、穴４３２２、穴４２１１、および穴４２１２は、いずれも反対側の面まで貫通していない穴すなわち凹部である。穴４３２１および穴４２１１、並びに穴４３２２および穴４２１２には、それぞれ、ガイド部材４７が挿入されている。また、弁体４３と弁軸４２との間には、ガイド部材４７に沿ってばね４８が取り付けられている。ガイド部材４７は、ガイド部材は、弁体４３と弁軸４２との距離の最大値および最小値を規定するための部材である。この例で、ガイド部材４７は、弁体４３および弁軸４２のいずれにも固定されていない。別の例で、ガイド部材４７は、弁体４３および弁軸４２のいずれか一方に固定されていてもよい。
【００２５】
図５は、ガイド部材４７の構造を例示する図である。ガイド部材４７は、円柱形状の胴体部の両端に爪（凸部）を有する形状を有する。ガイド部材４７は、弁体４３側の端部に爪４７１を有している。穴４３２１は爪４７１と噛み合う凸部４３２３を有している。同様に、ガイド部材４７は、弁軸４２側の端部に爪４７２を有している。穴４２１１は爪４７２と噛み合う凸部４２１３を有している。穴４３２２および穴４２１２についても同様である。これらの爪および凸部により、弁体４３と弁軸４２との最大距離が規制される。
【００２６】
ばね４８は、一端が弁体４３に、他端が弁軸４２に固定されている。ばね４８は引張ばねであり、弁体４３と弁軸４２との間に張力を与える。ばね４８は弦卷ばねであり、中央の空洞部分にガイド部材４７が挿入されている。
【００２７】
再び図３および図４を参照する。シールリング４４は、例えばステンレス鋼で形成され、円環形状を有する。ただし、シールリング４４は完全な円環形状を有しているわけではなく、環は一部で切れており、隙間（ギャップ）が形成されている。すなわち、シールリング４４はＣ字形状を有する。環が切れている部分を合口４４１という。合口４４１を形成すると、合口の隙間がマージンとなって、シールリング４４は弾性変形しやすくなる。なお、シールリング４４および弁体４３は、要求される特性に応じて互いに異なる材料で形成されていてもよい。例えば、シールリング４４がＳＵＳ６３１Ｊ１で形成され、弁体４３がＳＵＳ３０３で形成されていてもよい。
【００２８】
固定部材４５は、シールリング４４が弁体４３に対し回転してしまうことを防ぐストッパーとして機能する。固定部材４５は、溝４３４のうち合口４４１に相当する位置において、弁体４３に取り付けられている。固定部材４５は、例えばステンレス鋼で形成され、所定の断面形状（例えば円）の柱形状を有するピンである。この例で、溝４３４の幅は、固定部材４５を取り付ける部分だけ太く、他の部分は固定部材４５の幅（例えば断面の円の直径）よりも細く形成されている。すなわち、溝４３４のうち幅の細い部分は、固定部材４５の横方向（弁体４３の周方向）への移動を規制する規制部として機能する。
【００２９】
この例で、溝４３４のうち幅の広い部分の周方向の長さは、固定部材４５の幅と同程度である。すなわち、固定部材４５は、横方向（弁体４３の周方向）にはほとんど移動しない。
【００３０】
図６は、図２のＸ−Ｘ断面図を示す。この図は、仮想的に、流体が流れていない状態、すなわち、弁体４３に圧力がかかっていない状態を示している。この状態において、ばね４８の張力により、弁軸４２と弁体４３との距離は最小となっている。ここでは図面を簡単にするため、弁軸４２と弁体４３との距離が最小の状態ではガイド部材４７およびばね４８は描かれていない。
【００３１】
弁体４３は、弁軸４２の後方（下流側）に位置する。すなわち、弁軸４２の軸線Ｏ１に対して、弁体４３の径方向中心Ｏ２は、後方に位置している。
【００３２】
スリーブ４１２の内部には流体が通過する流体路となる孔が形成されている。この孔の壁面の一部には、曲面４１２１が形成されている。曲面４１２１は、曲率半径ｒ１（図示略）の球面Ｓ１の一部の形状を有する。弁軸４２と弁体４３との距離が最小の状態で弁軸４２が回転しても、弁体４３（シールリング４４）と曲面４１２１とが摺動しないよう、曲面４１２１は設計されている。すなわち、弁軸４２と弁体４３との距離が最小の状態で弁軸４２が回転したときにシールリング４４の先端が描く半径ｒ２の球面Ｓ２は、球面Ｓ１よりも小さいか、または、球面Ｓ２の中心は球面Ｓ１の中心よりも前方にずれている。曲面４１２１は、上方向から見たときに軸線Ｏ１より下流側に形成されている。軸線Ｏ１より上流側においては、スリーブ４１２の孔は一定であるかまたは上流に向かって広がるテーパを有する。
【００３３】
図７は、図６において流体が流れている状態、すなわち、弁体４３に圧力がかかっている状態を示している。この状態では、流体の圧力がばね４８の張力に打ち勝ち、弁体４３と弁軸４２との距離は、最小値よりも延びている。流体の圧力により、弁体４３（シールリング４４）は曲面４１２１に押し付けられて密着する。すなわち、弁は閉じた状態である。弁体４３（シールリング４４）と曲面４１２１の接触部分は、円Ｓを描く。なお、図７ではばね４８は図示を省略している。
【００３４】
図８は、図７の領域ＸＩの拡大図である。シールリング４４は、弁体４３の外周縁４３３に形成された溝４３４にはめ込まれている。この例で、シールリング４４の断面形状は、長方形である。なお、この例で、シールリング４４は溝４３４の奥まで完全に押し込まれているわけではなく（シールリング４４と溝４３４の底面とが接しているわけではなく）、シールリング４４と溝４３４の底面との間には隙間Ｇ３が空いている。隙間Ｇ３があるとこれがマージンとなり、シールリング４４がより弾性変形しやすくなる。シールリング４４の弾性変形により、シール性がより高まる。
【００３５】
図９は、半開状態におけるバルブアセンブリ１の断面図を示す。図９は、図７と同じ断面を示している。この状態で、弁体４３は全開状態と比較して傾いており、流体路Ａが部分的に開かれている。このとき、弁体４３が受ける圧力は全閉状態のときと比べて低いので、弁体４３と弁軸４２との距離は、最小値または最小値に近い状態である。したがって、弁体４３（シールリング４４）の外周縁は、曲面４１２１に接触していない。
【００３６】
図１０は、比較例に係るバルブアセンブリ９の断面図を示す。バルブアセンブリ９は、弁体４３と弁軸４２との間の距離が固定されていて可変でない点が実施例に係るバルブアセンブリ１と異なっている。図１０は、半開状態を示している。バルブアセンブリ９においては、弁軸４２が回転したときにシールリング４４の先端が描く球面は、曲面４１２１がその一部を構成する球面Ｓ１とほぼ同一である。すなわち、弁体４３（シールリング４４）は、弁軸４２の回転角によらず、少なくとも一部が常に曲面４１２１と摺動している。そのため、バルブアセンブリの使用に伴い弁体４３（シールリング４４）またはハウジング４１（スリーブ４１２）が摩耗してシール性が悪化してしまう場合があった。
【００３７】
これに対し、本実施形態に係るバルブアセンブリ１においては、弁体４３（シールリング４４）がハウジング４１と接触するのは弁が閉じているときだけで、全開から弁を閉じるまでの間は、弁体４３（シールリング４４）とハウジング４１とは摺動しない。したがって、バルブアセンブリ９と比較すると、弁体４３（シールリング４４）またはハウジング４１（スリーブ４１２）の摩耗を抑制することができ、ひいては信頼性を向上させることができる。
【００３８】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。以下、変形例をいくつか説明する。以下の変形例のうち複数のものが組み合わせて用いられてもよい。
【００３９】
図１１は、変形例に係るガイド部材４７の構造を例示する図である。弁体４３と弁軸４２との距離を可変とする機構は、実施形態で説明した、ばね４８の張力を利用したものに限定されない。図１１は、磁石の磁力を用いる例を示している。
【００４０】
この例で、弁軸４２の穴４２１１の底部には、磁石４２２が設けられている。また、ガイド部材４７は、強磁性材料（例えば、ＳＵＳ４００系ステンレス鋼）で形成されている。ガイド部材４７は、圧入またはねじ止めにより弁体４３に固定されている。流体が流れていない状態すなわち弁体４３に圧力がかかっていない状態では、磁石４２２の磁力によりガイド部材４７は弁軸４２の穴４２１１の底面に接触しており、弁体４３と弁軸４２との距離は最小になっている。弁が閉じているときは、弁体４３にかかる圧力が磁石４２２の磁力に打ち勝ち、弁体４３と弁軸４２との距離は最大値または最大値に近い状態である。弁が開くと、弁体４３にかかる圧力は全閉時よりも低くなり、弁体４３と弁軸４２との距離は最小値または最小値に近い状態である。
【００４１】
なお図１１の例では、弁軸４２に磁石を設ける例を説明したが、磁石は、ガイド部材４７または弁体４３に設けられてもよい。あるいは、弁軸４２、ガイド部材４７、および弁体４３のうち２箇所以上に磁石が設けられてもよい。
【００４２】
実施形態においては弁体４３がシールリング４４および固定部材４５を有する例を説明したが、弁体４３はシールリング４４および固定部材４５を有さなくてもよい。対比例として説明したバルブアセンブリ９においては、弁体４３とハウジング４１とが常に摺動（接触）しているので、製造ばらつきや温度変化により球面Ｓ１の径が理想的な値からずれてもシール性を確保するためにシールリング４４が用いられた。しかし、実施形態に係るバルブアセンブリ１においては弁体４３がハウジング４１と接触するのは弁が閉じているときだけであり、球面Ｓ２の径を球面Ｓ１の径より小さく設計できるので、シールリング４４を用いなくてもよい。
【００４３】
固定部材４５およびガイド部材４７の形状は、実施形態で例示したものに限定されない。例えば、固定部材４５は、四角柱であってもよい。また、ばね４８は、弁体４３と弁軸４２との間に張力を与えることができるものであれば弦卷ばねに限らず、どのような形状のばねであってもよい。
【００４４】
吸排気システム１０００の構造は図１で例示したものに限定されない。エンジン２０００からの排気の一部を吸気管に再循環させるものであれば、吸排気システム１０００の具体的な構造はどのようなものであってもよい。また、エンジン２０００は自動車用のディーゼルエンジンに限定されない。船舶等、自動車以外の用途に用いられるエンジンであってもよいし、ガソリンエンジンであってもよい。
【００４５】
バルブアセンブリ１の用途は、吸排気システム１０００の排気側ターボバイパス弁１２１に限定されない。吸排気システム１０００の他の弁に用いられてもよい。また、バルブアセンブリ１は、ＥＧＲシステム以外の排気システム（排気装置）に用いられてもよい。別の例で、バルブアセンブリ１は、気体（例えば混合気および排気）の流れを制御するものに限定されず、液体または気体の流れを制御する用途に用いられてもよい。
【００４６】
バルブアセンブリ１の構成部品の材料は実施形態で説明したものに限定されない。構成部品の各々は、ステンレス鋼以外にも、アルミニウムや鉄などの単体金属またはその合金、もしくは樹脂により形成されてもよい。また、バルブアセンブリ１およびその構成部品の形状は実施形態で例示したものに限定されない。
【符号の説明】
【００４７】
１０００…吸排気システム
１１…吸気系
１１１…吸気側ターボバイパス弁
１１２…インタークーラー切替弁
１１３…インタークーラー
１１４…スロットル弁
１２…排気系
１２１…排気側ターボバイパス弁
１２２…排気ブレーキ弁
１２３…ＤＰＦ
１２４…排気絞り弁
１３…ＨＰＬ−ＥＧＲ系
１３１…ＥＧＲクーラー切替弁
１３２…ＨＰＬ−ＥＧＲ弁
１３３…ＥＧＲクーラー
１４…ＬＰＬ−ＥＧＲ系
１４１…ＬＰＬ−ＥＧＲ弁
１４２…ＥＧＲクーラー
１５…第１ターボチャージャー
１６…第２ターボチャージャー
２０００…エンジン
１…バルブアセンブリ
２…駆動部
３…リンク機構部
４…バタフライ弁
４１…ハウジング
４１１…ハウジング本体
４１２…スリーブ
４１３…磁石
４１４…支持部
４１５…支持部
４２…弁軸
４２１…平坦部
４２１１…穴
４２１２…穴
４２１３…凸部
４３…弁体
４３１…平坦面
４３２…平坦面
４３２１…穴
４３２２…穴
４３２３…凸部
４３３…外周縁
４３４…溝
４４…シールリング
４４１…合口
４５…固定部材
４７…ガイド部材
４７１…爪
４７２…爪
４８…バネ
【図１】
2016109184.tif 000003
【図２】
2016109184.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016109184.tif 000009
【図８】
2016109184.tif 000010
【図９】
2016109184.tif 000011
【図１０】
2016109184.tif 000012
【図１１】
2016109184.tif 000013