JP2009085301A - 弁装置用の合成樹脂ハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】弁ハウジングを構成するケース本体とカバーケースとを超音波溶着によって接合する際に、溶融樹脂の容積を必要最小限に抑えつつ接合強度及び気密性を必要十分に高める。
【解決手段】ケース本体２０ａとそのカバーケース２０ｃとの一方の接合面部には環状突起部３５と環状溝部３６とが備わっており、両者は超音波溶着時の押圧方向と実質的に垂直な方向に隣接して設けられ、環状溝部３６は環状突起部を含む接合部が超音波振動の印加により溶融するときの溶融樹脂の溜まり場となる大きさを有する。
この構成を備えて超音波溶着される弁ハウジングは、溶融樹脂が固化して得られる接合部が非直線状となってケース本体２０ａとカバーケース２０ｃ間の接合強度及び気密性の向上が図られ、環状突起部３５の断面形状を先端側が尖った三角形状とすることで、カバーケースの押込み量を適切に管理することが容易である。
【選択図】図４

Description

この発明は、給湯システムの流路を切り換える三方切換弁や四方切換弁等として用いられる弁装置用の合成樹脂ハウジングに関する。

従来から、流体の流れを切り換えるために三方切換弁や四方切換弁等の弁装置が知られている。かかる弁装置における弁ハウジングはケース本体とそのカバーケースとからなり、シール用のＯリングを介在させて両者をねじによって合体結合するのが一般的であるが、かかる構造では部品点数及び組付け工数が多くなり、組付けの作業性も悪い。そこで、ケース本体とそのカバーケースを合成樹脂製とし、両者を超音波溶着技術を利用して合体接合することが、例えば特許文献１等により提案されている。
特開２００４−２７８６３１号公報（段落０００３〜０００５、００１７〜００１９、図２〜図４）

合成樹脂製のケース本体とそのカバーケースとを超音波溶着によって固定する場合、公知構造ではケース本体とカバーケースとの間の接合強度（耐剥離性）及び気密性等の面で改善すべき課題を有していた。殊に、流路を囲む環状領域で超音波溶着することになるから、超音波溶着による接合では、溶けた樹脂を処理する必要があり、ハウジング内側は湯水の通路や弁体との摺接部分等のような切換弁の主要な部分であるので、内側に溶融樹脂が異物としてはみでることは、製品として好ましいことではない。

そこで、この発明の目的は、合成樹脂製のケース本体とそのカバーケースとを超音波溶着技術を利用して合体接合される弁装置用の合成樹脂ハウジングにおいて、溶融樹脂の容積を必要最小限に抑えかつケース本体とそのカバーケースとの間の接合強度（耐剥離性）及び気密性を必要十分に高めることである。

上記目的を達成するために、この発明による弁装置用の合成樹脂ハウジングは、合成樹脂製のケース本体とカバーケースとの一方の接合面部に環状突起部と環状溝部とが備わっており、環状突起部と環状溝部とは超音波溶着時の押圧方向と実質的に垂直な方向に隣接して設けられ、環状溝部は環状突起部を含む接合部が超音波振動の印加により溶融するときの溶融樹脂の溜まり場となる大きさを有する。
超音波溶着前の環状突起部は、好ましく、先端が一つの頂点となって突出した三角形状をなし、当該頂点の角度が４５〜６０度の範囲内の鋭角である断面形状を有する。
さらに好ましくは、環状突起部の外周面は環状溝部に臨む円錐状の斜面に形成される。
さらに好ましくは、カバーケースは、ケース本体への合体装着時にケース本体の受け部に入り込む軸筒部と、当該軸筒部の基部から径方向外側に張り出して環状突起部と環状溝部とに対向する段部とを備える。

この発明による弁装置用の合成樹脂ハウジングによれば、合成樹脂製のケース本体とそのカバーケースとを超音波溶着技術を利用して合体接合する構造において、溶融樹脂の容積を必要最小限に抑えながら必要十分に高い接合強度（耐剥離性）及び気密性を確保でき、流体圧の高い弁装置にも適用することができる。すなわち、環状突起部の先端が超音波溶着時に溶けた樹脂は当該環状突起部に隣接して形成された環状溝に溜められるので、溶融樹脂が異物として切換弁の内側に出ることがなく、環状領域の全周で均質な溶着が可能となり、また溶融固化した部分が直線的にならないために、高い接合強度（耐剥離性）及び気密シール性が得られる

以下、添付した図面に基づいて、この発明による弁装置用の合成樹脂ハウジングの好適な実施形態について説明する。この好適な実施形態は、本発明に係わる合成樹脂ハウジングを弁装置の一例として三方切換弁に適用した例であり、この三方切換弁の構造から説明する。

図１において、この三方切換弁のハウジング２０の弁室２１内には、球体状の弁体１０が回転可能に支持されている。弁体１０には、流入路１１と当該流入路１１に連なる流出路１２とからなる流路が形成されている。ハウジング２０は、ケース本体２０ａと、ケース本体２０ａに対して後述の超音波溶着技術により合体接合されるカバーケース２０ｃとから成っている。ケース本体２０ａには流入路１１と接続される流入口２２と、流出口としての第１流出口２３とが形成されている。ケース本体２０ａとケースカバー２０ｃとからなるハウジング２０は、例えば、軽量で耐熱・耐薬品性に優れたＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン樹脂）等の合成樹脂で成形される。

図１及び図３に示されるように、カバーケース２０ｃには、この実施例では、もう一つの流出口である第２流出口２４が形成されている。カバーケース２０ｃは、その基端部２５において超音波溶着によってケース本体２０ａに固定される。基端部２５は、ケース本体２０ａ側の環状の溶接部２２ａに対して、環状の溶接部２５ａで溶着されている。基端部２５には、溶接部２５ａの内側に環状の弁体当接部２５ｂが形成されており、球状の弁体１０がこの弁体当接部２５ｂに回転摺動自在に当接している。

弁体１０を回転駆動するための駆動部としてのギヤードモータ３０が、ハウジング２０のモータ装着部２６に取り付けられている。ギヤードモータ３０の出力軸に連結された弁軸３１は、ハウジング２０のモータ装着部２６に形成された貫通孔２７内を貫通して延びており、先端が弁体１０に連結されている。ギヤードモータ３０を駆動することにより、弁軸３１の回転は弁体１０に伝達されて、弁体１０が弁室２１内において回転する。

弁軸３１には、複数個所（図示の例では、軸方向に２個所）に周溝３２が形成されており、各周溝３２にはＯリング３３が嵌着されている。Ｏリング３３は、貫通孔２７の内周面に圧接されていて、弁室２１内の湯水等の流体が貫通孔２７を通じて外部に漏れ出るのを防止している。

弁体１０を回転させることで、弁体１０の流出路１２を第１流出口２３又は第２流出口２４に連通させることにより、流入口２２は流路１１，１２を通じて第１流出口２３と第２流出口２４とのいずれかに選択的に連通させることができる。

図１に示されているように、弁体１０、ギヤードモータ３０、弁軸３１及びＯリング３３を組み込んだハウジング２０は、ケース本体２０ａとカバーケース２０ｃとが超音波溶着技術によって合体接合される。超音波溶着の際には、カバーホルダ２０ｃをカバー本体２０ａに押し当てながら、図示しない超音波発振器からの超音波振動がカバーケース２０ｃに印加されることにより両者の接合部の樹脂が発熱溶融し、次いで超音波振動の印加を解除することにより溶融した樹脂が固化し、ケース本体２０ａとカバーケース２０ｃとが一体に合体接合される。

このとき、ホルダ２０ｃが当該振動を受けながらケース本体２０ａの挿入口２０ｂ内に矢印の方向に押し込まれることで、図３にも示すように、カバーケース２０ｃの基端部２５の環状の溶接部２５ａがケース本体２０ａの挿入口２０ｂに形成されている環状の溶接部２２ａにおいて溶着される。

ハウジング２０の溶着後の状態である図２に示されるように、ギヤードモータ３０はタップねじ３４によってハウジング２０のモータ装着部２６に固定される。カバーケース２０ｃはその基端部２５においてケース本体２０ａに対して超音波溶着にて固定されるので、ねじのような固着具を用いることなくケース本体２０ａと一体化される。

ケース本体２０ａは、超音波溶着前の状態では、図４に示すように、ホルダ挿入口２０ｂの開口周囲に環状突起部３５と環状溝部３６とが超音波振動の印加押圧方向と実質的に垂直な方向（図４縦方向）に隣接して形成されている。環状突起部３５は、横断断面で見て、頂点３５ａがケース本体２０ａからカバー挿入口２０ｂの開口側に一体的に突き出た先端となる三角形状を有している。この断面三角形で見て、環状突起部３５の環状の頂点３５ａからカバー挿入口２０ｂ内に延びる内周面は、カバー挿入口２０ｂの内周面に連続する筒状面３５ｂとなっており、環状の頂点３５ａから外側に延びる環状突起部３５の外周面は円錐状の斜面３５ｃとなっている。

環状突起部３５の頂点３５ａの角度は、４５〜６０度の範囲内の鋭角とすることが好適である。これは、ケース本体２０ａとカバーケース２０ｃとの溶着における最低溶着面積は製品サイズ及び必要強度に基づいて決まるが、より安定した接合強度（耐剥離性）及び気密性を確保するには、カバーケース２０ｃの挿入口２０ｂ内への押込み量が適度に大きく且つ環状突起部３５を含む当接部が溶融した後に再び固化することになる非直線状に広がった環状の溶着部が生成されることが好ましいことによる。

ここで、押込み量とは、カバーケース２０ｃの基端部２５がホルダ挿入口２０ｂ内に挿入されて環状突起部３５の頂点３５ａに当接した状態から環状突起部３５の頂点３５ａを含む先端部の樹脂を溶かしながら所定深さまで押し込んだとき（このとき環状突起部３５が当接するカバーケース２０ｃ側も部分的に発熱溶融する）の距離のことである。環状突起部３５の頂点３５ａの角度範囲は、超音波溶着技術に関する技術的知見に基づき、カバーケース２０ｃの押込み量を適正に管理しかつ必要な溶着面積を確保するための条件として定められている。

所望の成形寸法精度が確保可能な材質では頂点３５ａの角度を比較的大きな角度に設定可能である。また所望の成形寸法精度が出し難い材質の場合は比較的小さな角度に設定し、押込み量を多くするようにすることが望ましい。環状突起部３５の先端角度を６０度よりも大きくすると、溶着部の樹脂押込み量が少なくなり過ぎ、溶着性、気密性、溶着強度の確保が困難になったり不均一になる。また、環状突起部３５の先端角度を４５度よりも小さくして更に鋭角にすると、溶融樹脂の容積が多くなり、溶融樹脂が製品内部へ不必要にはみ出す不具合を生じ易い。

環状突起部３５の円錐面３５ｃの径方向外側、つまり環状突起部３５に対し超音波振動の押圧印加方向と垂直な方向に隣接する位置には、環状溝部３６が形成されている。環状溝部３６は、環状突起部３５の先端が超音波溶着時の溶融樹脂が流れ込んで該溶融樹脂の溜まり場となる大きさを有する。環状溝部３６の内周面３７はその周囲の端面３９と連続しており、内周面３７と端面３９との間の周縁３８は、カバーケースの装着を容易にするために曲面に形成されている。

カバーケース２０ｃの基端部２５は、カバー挿入口２０ｂ内に入り込む軸筒部４０と、軸筒部４０の基部から径方向外側に張り出す段部４２とが備わっている。ケース本体２０ａのカバー挿入口２０ｂの内周面とカバーケース２０ｃの軸筒部４０の外周面との間には、例えば、０．１ｍｍのような若干の隙間４１が形成されるように樹脂成形されている。これによって、ケース本体２０ａとホルダ２０ｃとの径方向の位置合わせがなされるとともに、組立に際して挿入方向の良好なガイドが得られる。段部４２は、軸方向に向いた端面４３と径方向外方に向いた周面４４とを有している。段部４２の端面４３は、ケース本体２０ａの環状突起部３５と環状溝部３６とに対向する。段部４２の端面４３と周面４４とが交差する周縁４５は、カバーケース２０ｃの装着を容易にするために小さな曲面に形成されている。段部４２の周囲には軸方向と直交する端面４６が形成されている。

次に、ケース本体２０ａへのカバーケース２０ｃの超音波溶着の工程を説明する。
超音波溶着に先立って、ケース本体２０ａには、弁体１０や弁軸３１及びＯリング３３が組み込まれる。まず、カバーケース２０ｃの軸筒部４０をケース本体２０ａのカバー挿入口２０ｂ内に挿入して軸筒部４０を案内させつつ、カバーケース２０ｃをカバー挿入口２０ｂ内に押し込む。カバーケース２０ｃの段部４２は、ケース本体２０ａの環状突起部３５に対して、その三角形断面の先端（頂点３５ａ）側から当接する。この当接部に、超音波振動を押圧印加することによって環状突起部３５及びこれと当接する部分の樹脂を溶かしつつ段部４２が環状溝部３６内に入り込む。このとき、周縁３８、４５が小曲面となっているので、段部４２の環状溝部３６内への進入がスムーズになる。

環状突起部３５の先端は三角形の尖った頂点３５ａであるので、カバーケース２０ｃの押込みの初期においては、カバーケース２０ｃの押込みは早く進行する。成形精度に起因して環状突起部３５の大きさに誤差が生じていても、そうした誤差は、押込み動作が比較的早く進行する初期のプロセスにおいて吸収される。

カバーケース２０ｃの押込みが進み段部４２が環状突起部３５の基部に近づくにしたがって、環状突起部３５との当接面積が拡大しながら樹脂溶融が進行する。環状突起部３５の一部及びこれと当接する段部４２の一部が溶けて生じた溶融樹脂は、斜面３５ｃに案内されて環状突起部３５の径方向外側に隣接して形成されている環状溝部３６に流れ込む。このとき、軸筒部４０の外周面とカバー挿入口２０ｂの内周面との間の隙間４１は狭いので、超音波振動をかけたときに軸筒部４０とホルダ挿入口２０ｂとがぶつかって溶けることはなく、溶融樹脂の量は適切にコントロールされる。溶融樹脂は、その一部４７のみが隙間４１に入り込むがその殆どは環状溝部３６内に収容された状態で固化する（塗りつぶして示す範囲）。すなわち、溶融樹脂は、殆どが環状溝３６に流れ込んで非直線状に固化して接合強度（耐剥離性）及び気密性が向上するとともに不必要部分へはみ出すことはない。

このように、カバーケース２０ｃとカバー挿入口２０ｂとの間において、環状突起部３５の内側に形成される隙間４１を、環状突起部３５の外側に形成される環状溝部３６の幅と比較して圧倒的に狭くしているので、超音波振動の印加に伴って生じる溶融樹脂は、抵抗の強い隙間４１側、即ち、弁の主要部分が存在する内側に流れ出ることがない。また、環状突起部３５の断面形状を先端側が尖った三角形状としたので、カバーケース２０ｃの押込み量の管理が容易に行える。そして、所要の部分が溶融・固化して得られる超音波溶着領域（図５で黒く塗り潰された部分）が全周で均質に形成され、一層確実な気密性及び接合強度の向上が図られる。

超音波溶着の完了後の状態では、図５に示されているように、カバーケース２０ｃは、その段部４２において、端面４３の一部と環状突起部３５の一部とが溶けて端面４３の残る部分が環状溝部３６に入り込んだ状態となり、この状態で環状溝部３６の空間部分が溶融樹脂の溜まり場となっており、溶融樹脂はそこで固化する。カバーケース２０ｃの基端部２５の端面４６がカバー挿入口２０ｂの周りに形成されている端面３９に当接するとカバーケース２０ｃの押込みが終了する。このとき振動の印加を終了するとともに、カバーケース２０ｃがケース本体２０ａに所定量だけ入り込んで、弁体当接部２５ｂに弁体１０が当接する。なお、弁体１０は、ケース部材よりも軟質材料に形成されているために超音波振動が吸収され、超音波溶着時にケースカバー２０ｃが弁体１０に溶着されることはない。

［発明の変更例］
なお、上記実施例では、ケース本体２０ａ側に環状突起部３５と環状溝部３６を隣接して設けてあるが、カバーケース２０ｃ側に環状突起部３５と環状溝部３６を隣接して設けるように変更することができる。
また、上記実施例では、環状突起部３５の外側に環状溝部３６を配置しているが、環状溝部３６を内側（中心寄り）としその外側に環状突起部３５を配置することもできる。さらに、上記実施例では、カバーケース２０ｃは流体の流出口２４を備えているが、流出口のない単純なカバー部材であっても構わない。
さらには、本発明は、三方切換弁に限られず、合成樹脂ハウジングを使用する弁装置に適用することができる。

本実施形態の切換弁の溶着前の状態における展開側面断面図である。 図１に示す切換弁の溶着後の状態における側面図である。 図１に示す切換弁の弁中心を通る平面断面図である。 図１に示す切換弁の溶着前の状態におけるケース本体とホルダの要部を示す拡大断面図である。 図１に示す切換弁の溶着後の状態におけるケース本体とホルダの要部を示す拡大断面図である。

符号の説明

１０ 弁体 １１ 流入路
１２ 流出路
２０ ハウジング ２０ａ ケース本体
２０ｂ カバー挿入口 ２０ｃ カバーケース
２１ 弁室 ２２ 流入口
２２ａ 溶接部
２３ 第１流出口 ２４ 第２流出口
２５ 基端部 ２５ａ 接合部
２５ｂ 弁体当接部
２６ モータ装着部 ２７ 貫通孔
３０ ギヤードモータ ３１ 弁軸
３２ 周溝 ３３ Ｏリング
３５ 環状突起部 ３５ａ 頂点
３５ｂ 筒状内面 ３５ｃ 円錐面
３６ 環状溝部 ３７ 内周面
３８ 周状縁 ３９ 端面
４０ 軸筒部 ４１ 隙間
４２ 段部 ４３ 端面
４４ 周面 ４５ 周縁
４６ 端面 ４７ 樹脂の一部

Claims (4)

1. 流体の流入口及び流出口を有し、流体の流れを切り換えるために内部に回転可能に配置される弁体を備える弁装置におけるハウジングが、超音波溶着技術によって互いに合体接合される合成樹脂ケース本体と合成樹脂カバーケースとからなり、
   前記ケース本体と前記カバーケースとの一方の接合面部には、環状突起部と環状溝部とが備わっており、
   前記環状突起部と環状溝部とは、超音波溶着時の押圧方向と実質的に垂直な方向に隣接して設けられ、
   前記環状溝部は、前記環状突起部を含む接合部が超音波振動の印加により溶融するときの溶融樹脂の溜まり場となる大きさを有する
   ことを特徴とする弁装置用の合成樹脂ハウジング。
2. 超音波溶着前の前記環状突起部は、先端が一つの頂点となって突出した三角形状をなし、当該頂点の角度が４５〜６０度の範囲内の鋭角である断面形状を有することを特徴とする請求項１に記載の弁装置用の合成樹脂ハウジング。
3. 前記環状突起部の外周面は前記環状溝部に臨む円錐状の斜面に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の弁装置用の合成樹脂ハウジング。
4. 前記カバーケースは、前記ケース本体への合体装着時に前記ケース本体の受け部に入り込む軸筒部と、当該軸筒部の基部から径方向外側に張り出して前記環状突起部と前記環状溝部とに対向する段部とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の弁装置用の合成樹脂ハウジング。

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