JP2018168925A - リードバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】リード状の弁体の性状を変えることなく、耐久性に優れたリードバルブを提供する。【解決手段】流体が流通する弁孔(30)が設けられた本体(24)と、弁孔を開閉するリード状の弁体(23)とを備えたリードバルブにおいて、弁孔(30)内を延びて弁受座部(28)の一部をなす梁部(24c)を本体に設けるようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、リード状の弁体を用いて空気の流入を制御するリードバルブに関し、特にリードバルブの耐久性の向上を図る技術に関する。

リードバルブは、弁孔を有したバルブ本体とリード状の弁体とからなり、弁孔を通して弁体に作用する流体圧に応じて弁体がバルブ本体の弁孔周りの弁受座部に当接して閉弁し或いは弁受座部から離間して開弁する逆止弁の一種である。
このようなリードバルブでは、閉弁時のシール性が要求され、アルミ等の金属素材からなる弁受座部に例えばゴム状の弾性部材を焼き付けるようにしてバルブ本体を構成している。

特に、内燃エンジンの吸気系や排気系などで使用されるリードバルブでは、高温下での耐熱性や耐久性が要求されることから、例えば、バルブ本体の弁受座部に耐熱性樹脂層を形成し、弁体として可撓性を有するステンレス板を用いた構成のリードバルブが提案されている（特許文献１）。

特開２００７−３３３１０６号公報

ところで、内燃エンジンの吸気系や排気系に使用されるリードバルブでは、弁孔に作用する吸気圧や排気圧の圧力変化が激しいことから、弁体には高い強度が要求される。特に、内燃エンジンの排気系に使用されるリードバルブの場合、一時的に高圧の排気が弁体に作用してリードバルブを急激に閉弁側に作動させることがあり、この際、弁体が強くバルブ本体の弁受座部に押圧されることになり、弁体の耐久性に悪影響を与えるという問題がある。

弁体の強度を高める方法として、材料を変えたり板圧を厚くしたりして弁体の性状を変えることが考えられる。しかしながら、一般に可撓性と高い強度とを両立する材料は高価であり実用的ではなく、板圧を厚くすると可撓性が低下するという関係にあり好ましいことではない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、リード状の弁体の性状を変えることなく、耐久性に優れたリードバルブを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明のリードバルブは、流体が流通する弁孔が設けられた本体と、一端が前記本体に取り付けられて他端が自由端をなし、前記弁孔を開閉するリード状の弁体とを備え、前記本体は、前記弁孔内を延びて、前記弁体が当接する弁受座部の一部をなす梁部を有してなることを特徴とする。
これにより、例えばリードバルブが急激に閉弁側に作動させられ、弁体が弁受座部に強く押し当てられるような場合であっても、弁体が梁部で受け止められ、弁体に作用する応力が低減される。

好ましくは、前記梁部は、前記弁体のうち前記弁孔を覆う領域範囲の中央部分を受けるのがよい。
このように弁体のうち弁孔を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体の最も大きな応力が作用する部分を受けるように梁部を構成することで、弁体に作用する応力が良好に低減される。

また、前記梁部は、前記弁孔のうち前記弁体の前記自由端側の部分を流れる流体の流通量が前記一端側の部分を流れる流体の流通量よりも多くなるよう配設されるのが好ましい。
これにより、リードバルブの開弁時には弁体を応答性よく撓ませることが可能とされ、閉弁時には弁体に作用する応力を低減して弁体の変形を防止することが可能とされる。

本発明のリードバルブによれば、弁孔に弁受座部の一部をなす梁部を設けるようにしたので、弁体が弁受座部に強く押し当てられるような場合であっても、弁体に作用する応力を低減して弁体の変形を防止でき、リード状の弁体の性状を変えることなく、耐久性に優れたリードバルブを実現することができる。

特に、弁体のうち弁孔を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体の最も大きな応力が作用する部分を受けるように梁部を構成するようにしたことにより、弁体に作用する応力を良好に低減でき、弁体の変形を効果的に防止することができる。

本発明のリードバルブが用いられる内燃エンジンの２次エアシステムの概要を示す模式図である。 第１実施形態に係るリードバルブの側断面図である。 第１実施形態に係るリードバルブの平面図である。 第１実施形態に係るリードバルブの分解斜視図である。 第１実施形態に係るバルブ本体の平面図である。 弁体に作用する応力分布の測定結果を、本発明に係るリードバルブ（実線）と従来のリードバルブ（一点鎖線）とで比較して示す図である。 第１実施形態の変形例に係るバルブ本体の平面図である。 第２実施形態に係るバルブ本体の平面図である。 第２実施形態の変形例に係るバルブ本体の平面図である。 第３実施形態に係るバルブ本体の平面図である。 第３実施形態の変形例に係るバルブ本体の平面図である。 第３実施形態の他の変形例に係るバルブ本体の平面図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本発明のリードバルブが用いられる内燃エンジンの２次エアシステムの概要を示す模式図である。なお、本実施形態では２次エアシステムを例に用いて説明を行うが、本発明係るリードバルブが使用される場所は２次エアシステムに限定されるものではない。

内燃エンジンのシリンダヘッド１０の吸気ポート１１には、吸気管１２が取り付けられ、エアクリーナ１３を介して外気がシリンダ内へと導かれる。排気ポート１４には排気管１５が取り付けられ、排気管１５は図示しない排気マフラに連結されている。

排気ポート１４には、排気ポート１４及び排気管１５からなる排気系に２次空気を供給する２次空気供給路１６が連通して設けられている。２次空気供給路１６には、エアクリーナ１７、エアカットバルブ１８、リードバルブユニット１９を介して２次空気が供給される。エアカットバルブ１８は、バキューム管１２ａを介して吸気管１２に連通されるダイアフラム室を備え、排気ポート１４に負圧が発生するとダイアフラム１８ａが作動されエアカットバルブ１８の制御弁１８ｂが開くよう構成されている。

エアカットバルブ１８と２次空気供給路１６との間に設けられたリードバルブユニット１９は筐体内にリードバルブ２０を有しており、リードバルブ２０は、エアカットバルブ１８から２次空気供給路１６に向かって空気（流体）を流す逆止弁として機能する。即ち、リードバルブ２０は、排気ポート１４に負圧が発生したときのみ開弁し、エアカットバルブ１８に負圧を作用させ、制御弁１８ｂを開いて２次空気を排気ポート１４へと供給する。

図２は、本発明の第１実施形態に係るリードバルブ２０の側断面図、図３はその平面図、図４はその分解斜視図をそれぞれ示す。なお、図１では、エアカットバルブ１８が上側に、２次空気供給路１６が下側に位置していたので、リードバルブ２０も上側から下側へと２次空気を供給するように示されているが、図２及び図４では、リードバルブ２０は下側から上側へ空気が流れるよう反転して示されている。

リードバルブ２０は、主にリード状の弁体２３と、弁体２３が装着されるバルブ本体２４とから構成される。弁体２３は、可撓性を有する例えば平坦なステンレス板からなる薄板で構成されている。バルブ本体２４は、例えばダイカストにより成形されたアルミやアルミ合金、あるいは他の金属などの剛体からなる厚板状の部材２５にフッ素樹脂等の耐熱性樹脂部材２６が層状に焼き付けられ、中央に弁孔３０を有して構成されている。詳しくは、ここでは弁孔３０として２つの弁孔３０ａ、３０ｂを有している。

弁体２３は、弁孔３０ａ、３０ｂを覆うのに十分な大きさを有し、弁孔３０ａ、３０ｂを覆い塞ぐようにバルブ本体２４に載置されている。そして、弁孔３０を開閉可能なように、弁体２３の端部（一端）２３ａが固定手段によりバルブ本体２４の一方の面である弁取付面２４ａに固定されている。本実施形態では、バルブ本体２４の弁取付面２４ａにビス２９と螺合するネジ孔２４ｂが形成され、弁体２３にはビス２９の貫通孔が設けられており、弁体２３はビス２９によってバルブ本体２４に固定されている。

バルブ本体２４には、弁孔３０ａと弁孔３０ｂとを弁体２３が延びる方向に並べて隔てるように位置して梁部２４ｃが設けられている。即ち、弁孔３０内を横切って延びるように梁部２４ｃが設けられている。図５を参照するとバルブ本体２４の平面図が示されており、ここでは、梁部２４ｃは、例えば弁孔３０ａと弁孔３０ｂとが同一開口面積を有するように位置して設けられている。梁部２４ｃは、バルブ本体２４の一部として、バルブ本体２４の他の部分と同様に厚板状の部材２５にフッ素樹脂等の耐熱性樹脂部材２６が層状に焼き付けられてバルブ本体２４に一体に設けられている。

これより、梁部２４ｃの弁体２３によって覆われる側の面は、弁取付面２４ａのうち弁体２３によって覆われる弁孔３０ａ、３０ｂの周縁部分の面と滑らかに連続して一様な平面をなし、弁孔３０ａ、３０ｂの周縁部分の面とともに弁体２３が当接する弁受座部２８を構成している。

このように弁受座部２８が構成され、弁体２３がビス２９でバルブ本体２４に固定されることで、常態時には弁体２３のバルブ本体２４側の面は弁受座部２８と当接し、リードバルブ２０は閉弁状態とされる。
弁体２３よりも図２における上方（図１の排気ポート１４側）の気圧が下方（図１のエアカットバルブ１８側）よりも高いときには、弁体２３は弁受座部２８に押し当てられて密接し、リードバルブ２０は閉弁状態に保持され、弁孔３０ａ、３０ｂを介した空気の流通は遮断される。

一方、弁体２３よりも図２における上方（図１の排気ポート１４側）の気圧が下方（図１のエアカットバルブ１８側）よりも低くなると、即ち図１において排気ポート１４及び排気管１５からなる排気系に負圧が発生した場合には、弁体２３には当該負圧が作用する。このとき、弁体２３は端部２３ａにおいて片持ち保持されているため、弁体２３の自由端（他端）２３ｂ側は弁受座部２８から離間する方向に引っ張られ、図２に示すように上方に撓む。これによりリードバルブ２０は開弁し、エアカットバルブ１８が開弁すると、空気が図２における下方（図１のエアカットバルブ１８側）から上方（図１の排気ポート１４側）に流通する。

なお、バルブ本体２４には、弁体２３の撓みを一定の範囲に規制するストッパー３２が装着されている。ストッパー３２は例えば湾曲された板部材からなり、弁体２３と共にビス２９によりその一端３２ａがバルブ本体２４に固定され、他端３２ｂが弁取付面２４ａから所定距離離れた位置に位置するように湾曲されている。ストッパー３２は、弁体２３の撓みを規制するのに十分な剛性を備えている。
これにより、弁体２３の撓みが大きくなると弁体２３の自由端２３ｂがストッパー３２の他端３２ｂに当接し、弁体２３の撓みが規制される。

上述のように、本発明に係るリードバルブでは、バルブ本体２４に弁孔３０ａと弁孔３０ｂとを隔てるように位置して梁部２４ｃが設けられており、当該梁部２４ｃが弁孔３０ａ、３０ｂの周縁部分の面とともに一様な平面を有して弁受座部２８を構成している。
従って、本発明に係るリードバルブは、閉弁時において、弁孔３０ａ、３０ｂの周縁部分のみならず梁部２４ｃでも弁体２３を受けることができる。

仮に梁部２４ｃが無い場合には、一つの弁孔における弁体２３の受圧面積が広くなる。そのため、弁体２３よりも図２における上方（図１の排気ポート１４側）の気圧が下方（図１のエアカットバルブ１８側）よりも急激に高くなって弁体２３が弁受座部２８に強く押し当てられると、その強い押圧力で弁体２３の中央部分が弁孔側に膨らむように変形し易い。しかし、上記のように弁体２３を梁部２４ｃでも受けることができると、弁体２３が弁受座部２８に強く押し当てられたとしても弁体２３が梁部２４ｃで確実に受け止められ、弁体２３の変形が防止される。

特に、梁部２４ｃは、例えば弁孔３０ａと弁孔３０ｂとが同一開口面積を有するように位置して設けられているので、弁体２３のうち弁孔３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を受け止めることが可能であり、弁体２３の変形が良好に防止される。

図６を参照すると、同一の空気圧で弁体を弁孔側に押した場合の弁体に作用する応力分布の測定結果が、梁部２４ｃを有する本発明に係るリードバルブ２０（実線）と梁部を有しない従来のリードバルブ（一点鎖線）とで比較して示されている。同図において、横軸は弁体が固定された一端側の弁孔端（０％）から弁孔の中央部分（５０％）を経て自由端側の弁孔端（１００％）までの間の位置、即ち弁体が弁孔を覆う領域範囲の各位置を百分率で示しており、縦軸は弁体に作用する応力を示している。なお、図６には、本発明に係るリードバルブ２０の弁孔３０ａ及び弁孔３０ｂと梁部２４ｃとを横軸に対応させて示してある。

同図に示すように、梁部２４ｃを有する本発明に係るリードバルブ２０（実線）では、従来のリードバルブ（一点鎖線）に比べて弁体に作用する応力を全体的に約１／３にまで抑えられていることがわかる。
このように、梁部２４ｃを有する本発明に係るリードバルブ２０では、弁体２３が弁受座部２８に強く押し当てられたとしても、弁体２３のうち弁孔３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を含んで梁部２４ｃで受け止めるので、全体として弁体２３に作用する応力を低減でき、弁体２３の変形を防止することができる。

また、第１実施形態の変形例として、図７に平面図を示すようなバルブ本体１２４を用いてもよい。バルブ本体１２４は、弁孔１３０として弁孔１３０ａ〜弁孔１３０ｃを有し、これら弁孔１３０ａ〜弁孔１３０ｃを弁体２３が延びる方向に並べて隔てるように２つの梁部１２４ｃを有している。
バルブ本体１２４によれば、弁体２３のうち弁孔１３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分の近傍部分を２つの梁部１２４ｃで受けることができ、全体として弁体２３に作用する応力を低減でき、上記同様の効果を得ることができる。

［第２実施形態］
図８を参照すると、本発明の第２実施形態に係るリードバルブのバルブ本体２２４の平面図が示されている。
第２実施形態では、梁部を弁体２３が延びる方向に設けた点が第１実施形態とは異なっており、第１実施形態と共通する部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、バルブ本体２２４では、弁孔２３０として弁孔２３０ａと弁孔２３０ｂを有し、これら弁孔２３０ａと弁孔２３０ｂとを弁体２３が延びる方向と同一方向に弁孔２３０内を延びる梁部２２４ｃによって隔てるようにしている。
このように梁部２２４ｃを設けるようにしても、第１実施形態の場合と同様に、弁体２３のうち弁孔２３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を含んで梁部２２４ｃで受けることができ、弁体２３に作用する応力を良好に低減でき、弁体２３の変形を防止することができる。

また、第２実施形態の変形例として、図９に平面図を示すようなバルブ本体３２４を用いてもよい。バルブ本体３２４は、弁孔３３０として弁孔３３０ａ〜弁孔３３０ｄを有し、これら弁孔３３０ａ〜弁孔３３０ｄを隔てるように十字状の梁部３２４ｃを有している。
これにより、弁体２３のうち弁孔３３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を含んで十字状の梁部３２４ｃで受けることができ、全体として弁体２３に作用する応力をより良好に低減でき、上記同様の効果を得ることができる。

［第３実施形態］
図１０を参照すると、本発明の第３実施形態に係るリードバルブのバルブ本体４２４の平面図が示されている。
第３実施形態では、弁体２３の自由端２３ｂ側における空気の流通に対する影響を抑制するような梁部４２４ｃを設けた点が第１実施形態及び第２実施形態と異なっており、以下第１実施形態及び第２実施形態と異なる部分について説明する。

図１０に示すように、第３実施形態では、弁孔４３０として弁孔４３０ａと弁孔４３０ｂを有し、これら弁孔４３０ａと弁孔４３０ｂとを弁体２３が延びる方向に並ぶよう梁部４２４ｃによって隔てるようにしている。即ち、弁孔２３０内を横切って延びるように梁部４２４ｃが設けられている。そして、ここでは、梁部４２４ｃはＴ字状にして突出部４２４ｄを有し、弁体２３の自由端２３ｂ側の弁孔４３０ｂの開口面積を端部２３ａ側の弁孔４３０ａよりも広くしつつ、弁体２３のうち弁孔４３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を突出部４２４ｄで受けるように梁部４２４ｃを構成している。

このような突出部４２４ｄを有した梁部４２４ｃを設けることで、弁体２３の自由端２３ｂ側の弁孔４３０ｂを流れる空気の流通量を多くしつつ、弁体２３のうち弁孔４３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を受けることができる。即ち、開弁時には弁体２３を応答性よく撓ませることができるとともに、閉弁時には弁体２３に作用する応力を低減して弁体２３の変形を防止することができる。

また、第３実施形態の変形例として、図１１に平面図を示すようなバルブ本体５２４を用いてもよい。バルブ本体５２４は、弁孔５３０として弁孔５３０ａと弁孔５３０ｂを有し、これら弁孔５３０ａと弁孔５３０ｂを隔てるように、弁体２３の端部２３ａ側から延びるＶ字状の梁部５２４ｃを有している。
このようなＶ字状の梁部５２４ｃを設けることで、やはり弁体２３の自由端２３ｂ側の弁孔５３０ｂを流れる空気の流通量を多くしつつ、弁体２３のうち弁孔５３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を受けることができ、上記同様の効果を得ることができる。

また、第３実施形態の他の変形例として、図１２に平面図を示すようなバルブ本体６２４を用いてもよい。バルブ本体６２４は、弁孔６３０を有し、弁孔６３０内を弁体２３の端部２３ａ側から弁体２３が延びる方向と同一方向に延びるＩ字状の梁部６２４ｃを有している。
このようなＩ字状の梁部６２４ｃを設けることで、弁孔６３０を梁部で隔てることなく、弁孔６３０のうち弁体２３の自由端２３ｂ側の部分を流れる空気の流通量を多くしつつ、弁体２３のうち弁孔６３０を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体２３の最も大きな応力が作用する部分を受けることができ、上記同様の効果を得ることができる。

以上、第１実施形態から第３実施形態として説明したように、本発明に係るリードバルブによれば、弁受座部の一部をなす梁部を弁孔内を延びるように設けたので、弁体が弁受座部に強く押し当てられるような場合であっても、弁体に作用する応力を低減して弁体の変形を防止でき、リード状の弁体の性状を変えることなく、耐久性に優れたリードバルブを実現することができる。

特に、弁体のうち弁孔を覆う領域範囲の中央部分、即ち弁体の最も大きな応力が作用する部分を受けるように梁部を構成するようにしたことにより、弁体に作用する応力を良好に低減でき、弁体の変形を効果的に防止することができる。この際、弁孔のうちリード状の弁体の自由端側の部分を流れる空気の流通量への影響が抑制されるように梁部を構成することで、リードバルブの開弁時には弁体を応答性よく撓ませることができるとともに、閉弁時には弁体に作用する応力を低減して弁体の変形を防止することができる。このように、機能性と耐久性に優れたリードバルブを実現することができる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記実施形態では、リード状の弁体を一つだけ有したリードバルブ２０を例に説明したが、リード状の弁体を並列に複数有した多連式のリードバルブにおいて本発明を適用するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、金属などの剛体からなる厚板状の部材２５に耐熱性樹脂部材２６を層状に焼き付けた構成のバルブ本体２４を例に説明したが、バルブ本体の材質はこれに限られるものではない。

１４ 排気ポート
１５ 排気管
１６ ２次空気供給路
１９ リードバルブユニット
２０ リードバルブ
２３ 弁体
２４ バルブ本体
２４ｃ 梁部
２８ 弁受座部
３０ 弁孔
１２４ ２２４、３２４、４２４、５２４、６２４ バルブ本体
１２４ｃ、２２４ｃ、３２４ｃ、４２４ｃ、５２４ｃ、６２４ｃ 梁部
１３０、２３０、３３０、４３０、５３０、６３０ 弁孔
４２４ｄ 突出部（梁部）

Claims (3)

1. 流体が流通する弁孔が設けられた本体と、
   一端が前記本体に取り付けられて他端が自由端をなし、前記弁孔を開閉するリード状の弁体とを備え、
   前記本体は、前記弁孔内を延びて、前記弁体が当接する弁受座部の一部をなす梁部を有してなる、リードバルブ。
2. 前記梁部は、前記弁体のうち前記弁孔を覆う領域範囲の中央部分を受ける、請求項１に記載のリードバルブ。
3. 前記梁部は、前記弁孔のうち前記弁体の前記自由端側の部分を流れる流体の流通量が前記一端側の部分を流れる流体の流通量よりも多くなるよう配設される、請求項２に記載のリードバルブ。

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