流量控制阀用密封件及流量控制阀装置

摘要

提供一种流量控制阀用密封件等，能够低廉地制作，并且滑动接触的转子的磨损损伤少，低泄漏性、低摩擦性、低磨损性优异。密封件(6)用于阀装置(1)，该阀装置具备：外壳(2)，其具有接收来自内燃机的冷却水的导入部(5)；以及树脂制的转子(4)，其设置于外壳(2)内，具有球状的外周面(4a)，相对于外壳(2)旋转，该密封件在外壳(2)内设置在转子(4)与导入部(5)之间，与转子(4)的外周面(4a)滑动接触。密封件(6)是以能够注射成形的氟树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，氟树脂是从四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物树脂、四氟乙烯－六氟丙烯共聚物树脂、以及四氟乙烯－乙烯共聚物树脂中选择的至少1种树脂。

说明书

技术领域

本发明涉及用于为了通过提高汽车的热效率来实现低油耗化而调整来自内燃机的冷却水的流量及流路的流量控制阀装置的流量控制阀用密封件、以及具备该密封件的流量控制阀装置。

背景技术

以往，在汽车中设置有用于使冷却水循环来冷却发动机的循环流路。循环流路例如具有使冷却水在散热器中循环的流路、使冷却水在空调的加热器芯中循环的流路等多个流路。在该循环流路内，配置有对冷却水的流量进行控制的流量控制阀装置，通过该阀装置来调整各流路的冷却水的流量等。

作为流量控制阀装置，例如专利文献1公开了一种流量控制阀装置，该流量控制阀装置具备：外壳，其具备接收来自内燃机的冷却水的导入口和以送出冷却水的方式突出的排出部；转子，其具备具有球状的外表面的壁部，在外壳的内部，绕与导入口垂直地伸出的旋转轴芯旋转；以及环状密封件，其设置于排出部，与转子的外表面滑动接触。该专利文献1记载了作为环状密封件的材质，能够使用聚四氟乙烯(PTFE)树脂等热塑性树脂。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016－188693号公报

发明内容

发明要解决的课题

近年来，在汽车的低油耗管制变得严格的过程中，为了通过提高热效率来实现低油耗化，不断推进搭载对来自内燃机的冷却水的流量及流路进行调整的流量控制阀装置。作为该装置所使用的环状密封件，如上述专利文献1这样使用PTFE树脂，但在密封件的耐久性、成本方面仍存在改善的余地。另外，PTFE树脂的熔融粘度高，无法注射成形，因此，需要对压缩成形或挤压成形的成形体进行机械加工，因此，在具有复杂的形状的环状密封件的情况下成本变高。另外，提高冷却水的密封性、减小与成为配合件的转子的摩擦阻力的要求也变高。

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供一种流量控制阀用密封件以及具备该密封件的流量控制阀装置，该流量控制阀用密封件能够低廉地制作，并且滑动接触的转子的磨损损伤少，低泄漏性、低摩擦性、低磨损性优异。

用于解决课题的手段

本发明的流量控制阀用密封件(以下，也简称为“密封件”。)是用于流量控制阀装置的环状的流量控制阀用密封件，上述流量控制阀装置具备：外壳，其具有接收来自内燃机的冷却水的导入部和送出冷却水的排出部；以及树脂制的转子，其设置于上述外壳的内部，具有球状或圆筒状的外周面，相对于上述外壳旋转，上述流量控制阀用密封件在上述外壳内设置在上述转子与上述导入部或上述排出部之间，与上述转子的外周面滑动接触，其特征在于，上述流量控制阀用密封件是以能够注射成形的氟树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，上述氟树脂是从四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚共聚物(PFA)树脂、四氟乙烯－六氟丙烯共聚物(FEP)树脂、以及四氟乙烯－乙烯共聚物(ETFE)树脂中选择的至少1种树脂。

其特征在于，上述树脂组成物包含非纤维状填充材料，不包含纤维状填充材料。

其特征在于，上述非纤维状填充材料是石墨或PTFE树脂，在上述树脂组成物中，相对于整个该树脂组成物，包含3～30体积％的上述非纤维状填充材料，剩余部分是上述氟树脂。

其特征在于，上述流量控制阀用密封件在与上述转子滑动接触的环状的密封面，具有在密封件整周上连续的圆周状突起。

本发明的流量控制阀装置(以下，也简称为“阀装置”。)具备：外壳，其具有接收来自内燃机的冷却水的导入部和送出冷却水的排出部；树脂制的转子，其设置于上述外壳的内部，具有球状或圆筒状的外周面，相对于上述外壳旋转；以及环状的流量控制阀用密封件，其在上述外壳内设置在上述转子与上述导入部或上述排出部之间，与上述转子的外周面滑动接触，其特征在于，上述流量控制阀用密封件是以能够注射成形的氟树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，上述氟树脂是从PFA树脂、FEP树脂以及ETFE树脂中选择的至少1种树脂，上述转子是以聚苯硫醚(PPS)树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体。

发明效果

本发明的流量控制阀用密封件是以PFA树脂、FEP树脂或ETFE树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，因此，即使是复杂的形状也能够仅通过注射成形来形成，成本低。另外，PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂由于低弹性、低硬度，因此容易沿着树脂制的转子的曲面状(球状或圆筒状)的外周面变形，容易密封。并且，PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂的耐碱性、低吸水性优异，在与冷却水接触的环境下也能够抑制树脂的劣化。由此，能够低廉地制作，并且滑动接触的转子的磨损损伤少，低泄漏性、低摩擦性、低磨损性优异。

树脂组成物包含非纤维状填充材料，不包含纤维状填充材料，因此，不易使作为配合件的树脂制的转子磨损损伤，可得到低摩擦低磨损特性。

流量控制阀用密封件在与上述转子滑动接触的环状的密封面，具有在密封件整周上连续的圆周状突起，因此，能够确保稳定的接触面，并且减小转子与密封件的接触面积，能够减小摩擦力。

在本发明的流量控制阀装置中，流量控制阀用密封件是以PFA树脂、ETFE树脂、FEP树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，转子是以PPS树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，因此，密封件和转子成为不同树脂材料彼此的滑动。因此，能够防止在相同树脂材料彼此的滑动中担心的因高摩擦系数导致的磨损增大，可得到低摩擦低磨损特性。

附图说明

图1是本发明的流量控制阀装置的开阀时的主要部分剖视图。

图2是表示本发明的流量控制阀用密封件的一例的图。

图3是表示本发明的流量控制阀用密封件的另一例的图。

图4是表示本发明的流量控制阀用密封件的突起形状的图。

具体实施方式

基于图1对应用了本发明的流量控制阀用密封件的阀装置的一例进行说明。如图1所示，阀装置1具备：外壳2；能够相对于外壳2旋转地支承于外壳2的旋转轴3；收纳于外壳2内并与旋转轴3一体旋转的转子4；以及与转子4的外周面4a滑动接触的密封件6。在外壳2设置有接收来自发动机的冷却水的导入部5和向散热器等各装置送出冷却水的排出部(图示省略)。在导入部5或排出部与密封件6之间设置有O形圈等固定密封件。图1是阀装置1的导入部侧的主要部分剖视图。旋转轴3与马达(图示省略)连接。

转子4是在内部具有中空部的球状的旋转转子，与密封件6滑动接触的外周面4a形成为凸形球面状。转子4具有将内外贯通的转子开口部4b，密封件6在中央部具有贯通的密封件开口部。旋转轴3沿箭头的方向旋转，随之转子4也旋转。根据该旋转，通过转子开口部4b与密封件开口部连通而成为开阀状态，通过转子开口部4b与密封件开口部不连通而成为闭阀状态。在图1的开阀状态下，沿黑箭头的方向流动的冷却水向转子4内供给。这样，通过对转子4进行转动操作，能够控制阀装置1的开阀及闭阀，由此进行冷却水的流量调整、分配调整。

转子4为树脂制，是以热塑性树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体。作为热塑性树脂，没有特别限定，但优选使用氟树脂以外的热塑性树脂，例如能够使用PPS树脂、聚酰胺(PA)66树脂、改性PA树脂、聚醚醚酮(PEEK)树脂等。在这些树脂之中，更优选低吸水性且耐热性、耐碱性优异、低廉的PPS树脂。

另外，作为用于转子4的树脂组成物，为了得到高强度、高弹性、高尺寸精度，优选配合玻璃纤维。配合了玻璃纤维的PPS树脂由于高强度、高弹性优异，因为更为优选。在配合玻璃纤维的情况下，其配合量相对于整个树脂组成物为10～50重量％，优选为20～40重量％。若玻璃纤维比规定量多，则会使密封件磨损损伤，若玻璃纤维比规定量少，则无法得到足够的强度。另外，为了消除各向异性，提高尺寸精度，能够在该树脂组成物中配合无机物等添加剂。

在外壳2内，在转子4与圆筒状的导入部5之间设置有密封件6。具体而言，密封件6的圆筒部6a内嵌并固定于导入部5的转子4侧的圆筒端部。密封件6被朝向转子4按压，沿着转子的外周面4a的形状变形。通过该紧贴状态，能够防止冷却水的泄漏。

此外，图1示出了导入部侧的结构，排出部侧的基本结构也相同。具体而言，在外壳2内，在转子4与圆筒状的排出部(图示省略)之间设置有密封件，该密封件被朝向转子4按压，从而与外周面4a紧贴。该密封件由与图1的密封件6相同的形状、材质构成。排出部在外壳2中设置于在转子4旋转的周向上与导入部5相隔规定间隔的位置(例如与图1的导入部5相反一侧的位置)。

基于图2对本发明的流量控制阀用密封件即密封件6进行说明。如图2所示，密封件6是在中心轴部分具有贯通的开口部的环状构件。密封件6在轴向一方侧具有固定于导入部的圆筒部6a，在轴向另一方侧具有唇部6b。唇部6b是使圆筒体向外径侧扩张以使内径尺寸变大的构造。唇部6b的内周面成为与转子4的外周面4a滑动接触的密封面6c。密封面6c形成为凹形球面形状，成为容易与球状的转子4紧贴的构造。此外，密封面6c也可以为平面形状。在图2中，密封面6c成为无凸部(突起)或凹部的平滑的面。在密封件6的圆筒部6a的外周具有用于安装O形圈的槽，将导入部5或排出部与密封件6之间密封。

在此，在阀装置1的开闭操作时，在密封件6被按压的状态下，转子4旋转。密封件6是固定的，密封面6c始终与转子4的外周面4a滑动接触，因此，与转子的外周面4a相比，磨损容易进展。另外，密封件6需要与转子的曲面形状紧贴，因此，要求适度的变形性。并且，作为冷却水，一般使用以乙二醇等为主要成分的PH7～11的水溶液(防冻液)，因此，对于与冷却水接触的密封件6，也要求耐碱性、低吸水性。

本发明的流量控制阀用密封件的特征在于，该流量控制阀用密封件是以能够注射成形的氟树脂为基体树脂的树脂组成物的注射成形体，氟树脂是从PFA树脂、FEP树脂以及ETFE树脂中选择的至少1种树脂。作为基体树脂，可以分别单独使用PFA树脂、FEP树脂以及ETFE树脂，另外，也可以并用多个。PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂由于低弹性、低硬度，因此容易沿着树脂制的转子的曲面形状(球状或圆筒状)的外周面变形，密封性能够提高。并且，PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂的耐碱性、低吸水性优异，在与冷却水接触的环境下也能够抑制树脂的劣化。

另外，在树脂制的转子和滑动的密封件为相同的树脂材料的情况下，摩擦系数变高，担心转子和密封件均磨损变大，但由于转子由非氟树脂构成，密封件由从PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂中选择的氟树脂构成，因此，不会发生这样的问题。

另一方面，通常作为流量控制阀用密封件的树脂材料使用的PTFE树脂在粗糙磨损形态下的磨损量大。例如，在由配合了玻璃纤维的PPS树脂构成的转子的情况下，由于与密封件的滑动接触而使转子的外周面逐渐磨损，表面露出玻璃纤维。与表面露出了玻璃纤维的转子的滑动接触成为粗糙磨损的形态，因此，若密封件的基体树脂使用PTFE树脂，则磨损有可能变大。与此相对，使用了PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂的密封件与使用了PTFE树脂的密封件相比，对粗糙磨损的耐磨损性优异。并且，由于能够注射成形，因此，对于复杂的形状也能够低廉地制造。

另外，为了使注射成形性容易实现，PFA树脂、FEP树脂的各熔体流动速率(MFR)优选在温度372℃、载荷5kg时为10～50g/10分钟。另外，ETFE树脂的MFR优选在温度297℃、载荷5kg时为10～50g/10分钟。若MFR小于10g/10分钟，则熔融流动性差，由于注射成形时的填充不足而无法得到密封面的精度。另外，若MFR超过50g/10分钟，则分子量低，因此，耐磨损性不足。

在树脂组成物包含填充材料的情况下也同样，若MFR小于10g/10分钟，则熔融流动性差，由于注射成形时的填充不足而无法得到密封面的精度。配合有填充材料的树脂组成物的MFR的上限没有特别限定，但从耐磨损性的观点来看优选为50g/10分钟以下。

作为基体树脂，能够使用PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂中的任一种氟树脂，但由于树脂的弹性模量越低，越容易沿着转子的外周面，越能够得到良好的密封性，因此，优选使用弯曲弹性模量(依据ASTM D790)为1GPA以下、并且长期耐热性、摩擦特性、抗化学药品性优异的PFA树脂。另外，以降低树脂组成物的弹性模量为目的，也可以在PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂中配合弹性体。作为弹性体，优选氟橡胶。氟橡胶的种类并没有限定，能够使用偏二氟乙烯类(FKM)、四氟乙烯－丙烯类(FEPM)、四氟乙烯－全氟乙烯基醚类(FFKM)。FKM可以为二元系、三元系中的任一种。

为了提高在冷却水中的摩擦磨损特性，优选在树脂组成物中配合对PH7～11的碱性水溶液具有耐性的填充材料。作为填充材料，可列举出碳纤维、石墨、PTFE树脂、无机物(云母、滑石、碳酸钙等)、晶须(碳酸钙、钛酸钾等)等。在这些填充材料之中，优选使用非纤维状填充材料，在该情况下，更优选不包含纤维状填充材料。非纤维状填充材料与纤维状填充材料相比，提高各树脂(PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂)的弹性模量的效果差。因此，能够在提高摩擦磨损特性的同时使密封件6沿着转子4的外周面4a变形，可得到良好的密封性。另外，也具有不易损伤成为配合件的转子4的优点。

非纤维状填充材料是碳纤维、玻璃纤维、晶须等具有纵横比的纤维状填充材料以外的填充材料即可，可列举出不定形的粒状、球状、鳞片状、板状的填充材料等。在这些之中，优选无各向异性的粒状、球状的填充材料。

作为非纤维状填充材料，优选使用石墨、PTFE树脂。石墨具有赋予在冷却水中的低摩擦低磨损特性的效果。虽然能够使用鳞片状、粒状、球状的石墨，但更优选使用不会提高PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂的弹性模量的粒状石墨或球状石墨。PTFE树脂赋予在密封面不存在冷却水时的边界润滑条件下的低摩擦系数。PTFE树脂的平均粒径没有特别限定，但优选设为10～50μm。平均粒径例如能够使用利用了激光散射法的粒径分布测定装置等来进行测定。由在上述的基体树脂中配合石墨、PTFE树脂而成的树脂组成物构成的密封件不易使树脂制的转子磨损损伤，可得到长期稳定的密封性。另外，耐碱性优异，因此，不会劣化，能够长期使用。

此外，也可以在不阻碍本发明的效果的程度上向树脂组成物配合周知的树脂用添加剂。作为该添加剂，例如可列举出氮化硼、二硫化钼、二硫化钨等摩擦特性改善剂，碳粉、氧化铁、氧化钛等着色剂。

用于本发明的密封件的树脂组成物相对于整个树脂组成物，包含70～100体积％的上述的基体树脂。在树脂组成物中配合填充材料的情况下，优选填充材料为3～30体积％且剩余部分为基体树脂的组成物，更优选填充材料为5～20体积％且剩余部分为基体树脂的组成物。作为填充材料，优选使用作为非纤维状填充材料的石墨、PTFE树脂，更优选将它们并用。

本发明的流量控制阀用密封件能够使用上述的树脂组成物通过注射成形而低廉地制造。作为注射成形时的浇口方式，能够采用在密封件的内径侧或外径侧设置1个浇口的1点浇口方式或设置多个浇口的多点浇口方式，但为了提高密封面的精度，优选设置3个以上的浇口的多点浇口方式。另外，通过采用盘形浇口方式，能够进一步提高密封面精度。盘形浇口方式所带来的浇口痕迹能够通过模内浇口切割或成形后进行加工而去除。通过在密封件的内径侧设置盘形浇口，能够通过车床将密封件的外径侧夹紧而容易地对浇口痕迹进行去除加工，因此最为优选。此外，为了提高密封面精度而进一步提高密封性，也可以在注射成形后通过机械加工等仅对密封面进行精加工。

图3表示本发明的流量控制阀用密封件的另一例。如图3所示，密封件7是在中心轴部分具有贯通的开口部的环状构件。密封件7在轴向一方侧具有固定于导入部的圆筒部7a，在轴向另一方侧具有唇部7b。在此，图2的密封件6是与球状的转子滑动接触的密封件，与此相对，图3的密封件7是与圆筒状的转子滑动接触的密封件。因此，密封面7c形成为相对于转子的圆筒曲面成为互补的形状的凹状的圆筒曲面，以便容易与转子的凸状的圆筒曲面紧贴。换言之，密封面7c沿着轴向形成为波形。

另外，图4表示本发明的流量控制阀用密封件的另一例。图4(a)是从唇部侧观察密封件的俯视图，图4(b)是A－A线的局部剖视图。图4的密封件8的特征在于，在圆环状的密封面8c上设置圆周状突起8d。圆周状突起8d在密封面8c的宽度方向中央位置，在密封件整周上连续地形成。如图4(b)所示，圆周状突起8d形成为从密封面8c凸起的凸状，该凸状部为圆角形状。圆周状突起8d自身的截面为圆弧形状。圆周状突起8d的圆弧为180°以下、优选在注射成形时不用从模具中强行脱模就能取出的圆弧的角度。圆周状突起8d优选不会从与密封件8的轴向正交的唇部的前端面突出。

本发明的密封件是注射成形体，在通过注射成形而形成的密封面存在微小(微级)的凹凸。在沿整个密封面进行密封的情况下，由于与转子的滑动而使密封面的凹凸变少，接触面得以均匀化，从而泄漏量减小，但在均匀化之前需要时间。因此，通过在密封面上形成连续的圆周状突起，将密封部分限定为突起，从而容易提高注射成形时的密封面精度，突起前端在载荷的作用下变形而能够确保密封面，在滑动时提前使接触面均匀化，可得到低泄漏特性。另外，由于与转子的接触面积变小，从而能够减小因滑动产生的摩擦力。并且，通过使凸状部为圆角形状，与转子的接触面积进一步变小，摩擦力能够进一步减小，并且容易在密封件整周上接触，密封性稳定。

在图4的方式中，在密封面上设置有1个圆周状突起，但不限定于此，也可以在密封面上设置多个圆周状突起。若考虑注射成形时的密封面精度、摩擦力、密封性等，则更优选设置2个的结构。在该结构中，能够在密封面的内径侧设置在整周上连续的第1圆周状突起，并且在密封面的外径侧设置与第1圆周状突起为同心圆状的第2圆周状突起。并且，第1圆周状突起的突起高度和第2圆周状突起的突起高度可以相同也可以不同。另外，也可以在图3所示的圆筒状转子用的密封件的密封面设置圆周状突起。

实施例

以下，列举实施例对本发明进一步进行具体说明。但是，本发明并不限定于以下的实施例。实施例及比较例的树脂组成物的结构和磨损试验的结构如表2及表4所示。

实施例1～3、比较例1～4

使用按表2的配合比例(体积％)配合的树脂组成物，通过注射成形而分别制作了弯曲试验片和磨损试验片(环形试验片)。在比较例1的使用了PTFE树脂的情况下，通过压缩成形而制作了各试验片。

使用得到的弯曲试验片，实施依据ASTM D790的试验，测定23℃下的弯曲弹性模量(单位：GPA)。

另外，使用得到的磨损试验片，通过环盘(ring on disc)型试验机在表1的试验条件下实施磨损试验，测定环形试验片及配合件的磨损量。此外，表1的LLC是发动机冷却水，其主要成分是乙二醇。

环形试验片：

配合件：

车削加工，表面粗糙度Ra1μm

[表1]

[表2]

1)试验方法：ASTM D790

如表2所示，分别以PFA树脂、FEP树脂、ETFE树脂为基体树脂的实施例1～3的树脂组成物能够注射成形，并且弯曲弹性模量比比较例2～4的树脂组成物的弯曲弹性模量小。特别是使用了PFA树脂、FEP树脂的实施例1、2，弯曲弹性模量为1GPA以下，容易沿着转子的曲面变形。另一方面，PTFE树脂(比较例1)虽然弯曲弹性模量低且低弹性，但无法注射成形。另外，在磨损试验中，得到了如下结果：实施例1(PFA树脂)、实施例3(ETFE树脂)与比较例1(PTFE树脂)、比较例2(PPS树脂)相比，自身的磨损和配合件的磨损均小。在使用了PPS树脂的情况下也发生了配合件的磨损。

实施例4～9、比较例5

以下将用于实施例4～9及比较例5的填充材料一并示出。GRP－1～3、PTFE－1的平均粒径是通过利用了激光散射法的粒径分布测定装置得到的50％粒径。

(1)石墨〔GRP－1〕

日本石墨工业株式会社：CGB－20(平均粒径：20μm)

(2)石墨〔GRP－2〕

日本石墨工业株式会社：CGB－50(平均粒径：50μm)

(3)石墨〔GRP－3〕

Imerys GC Japan株式会社：TIMREX KS－25(平均粒径：10μm)

(4)PTFE树脂粉末〔PTFE－1〕

平均粒径：20μm

(5)碳纤维〔CF－1〕

株式会社吴羽：M－107T(纤维直径18μm，平均纤维长度0.4mm)

使用按表4的配合比例(体积％)配合的树脂组成物，通过注射成形而制作了磨损试验片(环形试验片)。在比较例5的使用了PTFE树脂的情况下，通过压缩成形而制作了试验片。

另外，使用得到的磨损试验片，通过环盘型试验机在表3的试验条件下实施磨损试验。测定环形试验片的磨损量，然后目视确认试验后的配合件有无损伤。此外，表3的LLC是发动机冷却水，其主要成分是乙二醇。

环形试验片：

配合件：

车削加工，表面粗糙度Ra3μm

[表3]

[表4]

如表4所示，结果如下：以PFA树脂为基体树脂的实施例4～8和以ETFE树脂为基体树脂的实施例9均能够注射成形，试验片的磨损量为11～30μm。配合了石墨的实施例4～7的磨损量比配合了碳纤维的实施例8的磨损量小。另外，在实施例8中观察到配合件的损伤。

比较例5的树脂组成物是以PTFE树脂为基体树脂而配合了石墨的组分。结果如下：比较例5的试验片的磨损量为40μm，与实施例4～9相比，耐磨损性差。

产业上的可利用性

本发明的流量控制阀用密封件能够低廉地制作，并且滑动接触的转子的磨损损伤少，低泄漏性、低摩擦性、低磨损性优异，因此，能够广泛使用于控制冷却水的流量的流量控制阀装置。

附图标记说明

1 阀装置

2 外壳

3 旋转轴

4 转子

5 导入部

6 密封件

7 密封件

8 密封件。