JP2017215026A - 流体バルブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】弁体とシール部材との摺動性を向上させる。
【解決手段】少なくとも１つの開口部１１ｂ、１１ｃを有する本体１１と、本体１１の内部で回転することによって少なくとも１つの開口部１１ｂ、１１ｃの開度を調節する弁体１２と、本体１１と弁体１２との間で弾性変形するシール部材１３と、弁体１２の外表面に設けられ、弁体１２とともに回転してシール部材１３と摺動する摺動被膜１４とを備える。これによると、摺動被膜１４が弁体１２の外表面に設けられているので、摺動被膜１４がシール部材１３に設けられている場合のようにシール部材１３の弾性が摺動被膜１４によって阻害されることを回避できる。また、筒状のシール部材１３の内周面に摺動被膜１４を設ける場合と比較して、摺動被膜１４を容易に設けることができる。したがって、弁体１２とシール部材１３との摺動性を向上できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、流体の流路に用いられる流体バルブ、およびその製造方法に関する。

従来、特許文献１には、弁本体と弁体とシール部材とを備える流路切替弁が記載されている。シール部材は、弾性材料にて円筒状に形成されており、弁本体の弁室に収容されている。弁体は、弁本体の弁室においてシール部材の内側に収容されている。

そして、弁体が回転駆動されると、弁体がシール部材の内周面を回転摺動して流路の開閉または切り替えが行われる。

シール部材の内径は弁体の外径よりも若干小さくなっているので、シール部材が弁体によって伸ばされて弾性力が発生し、シール部材が弁体に密着してシール力を発揮する。

この従来技術では、シール部材が円筒状に一体成形されているので、シール部材が複数個の板状部材に分割して成形されている場合と比較してシール部材の部品点数を削減できる。

特開２０１５−３４５６０号公報

上記従来技術では、シール部材が弁体に密着してシール力を発揮するので、弁体とシール部材との間で摺動抵抗が大きくなる。そのため、弁体を駆動するモータのトルクを大きくする必要があり、モータの大型化やモータの重量増加、モータの消費動力の増大を招いてしまう。

そこで、本発明者は、弁体とシール部材との摺動を良くするために、シール部材の内周面にフッ素系樹脂の摺動被膜を貼り付けることを検討した。

しかしながら、シール部材にフッ素系樹脂の摺動被膜が貼り付けられると、シール部材の弾性が摺動被膜によって阻害されてしまうので、安定したシール力を発揮できなくなる。

また、摺動被膜をシール部材に貼り付ける際に摺動被膜をシール部材に押圧する作業が必要となるので、シール部材の内周面に摺動被膜を貼り付けることが非常に困難である。すなわち、シール部材が複数個の板状部材に分割して成形されている場合、摺動被膜を板状のシール部材に押圧しやすいのに対し、上記従来技術のようにシール部材が円筒状に形成されている場合、摺動被膜を円筒状のシール部材の内周面に押圧するのが非常に困難である。

そこで、本発明者は、弁体自体をフッ素系樹脂で成形する案も検討したが、フッ素系樹脂は型による成形が困難であるので、フッ素系樹脂の棒材または塊材から削り出して製作する必要があり、生産性が悪く現実的ではない。

本発明は上記点に鑑みて、弁体とシール部材との摺動性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の流体バルブでは、
少なくとも１つの開口部（１１ｂ、１１ｃ）を有する本体（１１）と、
本体（１１）の内部で回転することによって少なくとも１つの開口部（１１ｂ、１１ｃ）の開度を調節する弁体（１２）と、
本体（１１）と弁体（１２）との間で弾性変形するシール部材（１３）と、
弁体（１２）の外表面に設けられ、弁体（１２）とともに回転してシール部材（１３）と摺動する摺動被膜（１４）とを備える。

これによると、摺動被膜（１４）が弁体（１２）の外表面に設けられているので、摺動被膜（１４）がシール部材（１３）に設けられている場合のようにシール部材（１３）の弾性が摺動被膜（１４）によって阻害されることを回避できる。また、シール部材（１３）に摺動被膜（１４）を設ける場合と比較して、摺動被膜（１４）を容易に設けることができる。したがって、弁体（１２）とシール部材（１３）との摺動性を向上できる。

上記目的を達成するため、請求項５に記載の流体バルブの製造方法では、
摺動被膜（１４）として、熱収縮材料で筒状に成形された被膜を用い、
弁体（１２）の外側に摺動被膜（１４）を被せた後、摺動被膜（１４）に熱を加えて摺動被膜（１４）を弁体（１２）の外周面に密着させる加熱工程を含む。

これにより、摺動被膜（１４）を弁体（１２）の外表面に良好に設けることができるので、弁体（１２）とシール部材（１３）との摺動性を向上できる。

上記目的を達成するため、請求項７に記載の流体バルブの製造方法では、弁体（１２）および摺動被膜（１４）をインサート成形するインサート成形工程を含む。

これにより、請求項５に記載の流体バルブの製造方法と同様の作用効果を得ることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における流体バルブを示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 第１実施形態における弁体およびシール部材の斜視図である。 第１実施形態における弁体および摺動被膜の組付工程を説明する説明図である。 第１実施形態における摺動被膜の熱収縮工程を説明する説明図である。 第２実施形態における弁体および摺動被膜の組付工程を説明する説明図である。 第２実施形態における弁体および摺動被膜の組付工程を説明する説明図である。 第３実施形態における弁体および摺動被膜のインサート成形工程を説明する説明図である。 他の実施形態の第１実施例における弁体およびシール部材の斜視図である。 他の実施形態の第２実施例における弁体およびシール部材の斜視図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１および図２に示す流体バルブ１０は、流体の流れを切り替えるバルブである。流体バルブ１０は、例えば、車両のエンジンから流出する冷却水の流れを切り替えるバルブである。

次に、流体バルブ１０の構造について述べる。流体バルブ１０はバルブボディ１１を有している。バルブボディ１１は、流体バルブ１０の本体をなすハウジングであり、樹脂で形成されている。バルブボディ１１には第１〜３ポート１１ａ〜１１ｃが形成されている。第１〜３ポート１１ａ〜１１ｃは、流体が流入する流入口、または流体が流出する流出口を形成している。第１〜３ポート１１ａ〜１１ｃは、図示しない流体配管が接続される配管接続部である。

第１ポート１１ａは、バルブボディ１１の底面部に形成されている。第２ポート１１ｂおよび第３ポート１１ｃは、バルブボディ１１の側面部に形成されている。

流体バルブ１０は、図３に示す弁体１２、パッキン１３および摺動被膜１４を有している。バルブボディ１１の内部空間において弁体１２が回転することによって第２ポート１１ｂおよび第３ポート１１ｃの開度を調節する。

弁体１２は、樹脂にて略円筒状に形成されている。弁体１２には、図示しないアクチュエータ側に接続される駆動シャフト１２ａが設けられている。弁体１２は、図示しないアクチュエータによって回転駆動される。

弁体１２の外周面は、第２ポート１１ｂおよび第３ポート１１ｃと所定の隙間を有して対向している。弁体１２の外周面には連通口１２ｃが形成されている。

弁体１２の外周面とバルブボディ１１の内周面との間には、パッキン１３が配置されている。パッキン１３は、弁体１２の外周面とバルブボディ１１の内周面との間に冷却水が漏れ出ることを防止するシール部材である。

パッキン１３は、ゴム等の弾性材料で円筒状に形成されており、バルブボディ１１と弁体１２との間で弾性変形する。パッキン１３には、バルブボディ１１の第２ポート１１ｂおよび第３ポート１１ｃと重合する開口部１３ｂ、１３ｃが形成されている。

弁体１２の外周面には、摺動被膜１４が設けられている。摺動被膜１４は、弁体１２の外周面とパッキン１３の内周面との間で摺動性を確保する摺動部材である。

摺動被膜１４は、フッ素系樹脂で形成されている。フッ素系樹脂は、例えばＰＴＦＥ（四フッ素化樹脂）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（エチレン・四フッ化エチレン共重合体）等である。

摺動被膜１４は、略円筒膜状の形状を有しており、弁体１２の外周面に熱収縮によって密着している。摺動被膜１４は、弁体１２の周方向（換言すれば、弁体１２の回転方向）に連続して繋がっている。すなわち、摺動被膜１４は、弁体１２の周方向に複数個に分割されていない。摺動被膜１４には、弁体１２の連通口１２ｃに重合する連通孔１４ａが形成されている。

弁体１２の外周面のうち連通口１２ｃが形成されている部位は平坦な形状になっている。したがって、弁体１２の連通口１２ｃおよび摺動被膜１４の連通孔１４ａは、円筒状のパッキン１３の内周面に対して離間している。これにより、弁体１２が回転した際に摺動被膜１４のうち連通孔１４ａの周縁部がパッキン１３に引っ掛かったり弁体１２からめくれ上がったりすることを抑制できる。

次に、摺動被膜１４を弁体１２の外周面に熱収縮によって密着させる手順を図４および図５に基づいて説明する。

まず、摺動被膜１４として、熱収縮材料（具体的には、熱収縮するフッ素系樹脂）で円筒状に成形された被膜を用いる。図４に示すように、このときの摺動被膜１４の内周長は、弁体１２の外周長よりも大きくなっており、このときの摺動被膜１４の軸方向長さは、弁体１２のうちパッキン１３と摺動する部位の軸方向長さよりも大きい寸法になっている。

次いで、加熱工程において、摺動被膜１４を弁体１２の外側に被せて熱を加える。これにより、摺動被膜１４が熱収縮する。図５の二点鎖線は、熱収縮前の摺動被膜１４の形状を示している。摺動被膜１４が熱収縮することによって、摺動被膜１４が弁体１２の外周面に密着する。

図４の二点鎖線は、熱収縮後の摺動被膜１４の形状を示している。熱収縮後の摺動被膜１４は、弁体１２の上面および下面まで回り込んでいる。すなわち、摺動被膜１４は、弁体１２の外周面のみならず弁体１２の上面および下面にも密着している。これにより、摺動被膜１４と弁体１２とが弁体１２の軸方向に互いに係合し、摺動被膜１４が弁体１２の軸方向にずれることを防止している。

図４に示すように、弁体１２の外周面には凹部１２ｄが形成されている。摺動被膜１４が熱収縮して弁体１２の凹部１２ｄに入り込んで密着することによって、摺動被膜１４と弁体１２とが周方向に互いに係合し、摺動被膜１４が弁体１２の周方向にずれることを防止している。

図４では、理解を容易にするために、単体状態の弁体１２に連通口１２ｃを図示し、単体状態の摺動被膜１４に連通孔１４ａを図示しているが、摺動被膜１４を弁体１２に密着させた後、孔加工工程において、摺動被膜１４の連通孔１４ａおよび弁体１２の連通口１２ｃを同時に孔明け加工するのが好ましい。

次に、上記構成における作用効果を説明する。弁体１２の外周面に摺動被膜１４が設けられているので、弁体１２を回転駆動する際に弁体１２の外周面とパッキン１３の内周面との間の摺動抵抗を低減できる。

そのため、弁体１２を回転駆動する駆動機構（具体的にはアクチュエータやギヤ等）として低負荷の低トルクモータを採用できるので、弁体１２を回転駆動する駆動機構を小型化できる。その結果、流体バルブ１０の小型化、軽量化および省動力化を実現できるとともに、振動や騒音のレベルを低減できる。

また、弁体１２を回転駆動する駆動機構の負荷が減少するので、ギヤなどの摺動部の摩耗を抑制でき、ひいては流体バルブ１０の寿命向上を実現できる。

本実施形態の流体バルブ１０では、摺動被膜１４は、弁体１２の外表面に設けられ、弁体１２とともに回転してパッキン１３と摺動する。

これによると、摺動被膜１４が弁体１２の外表面に設けられているので、摺動被膜１４がパッキン１３に設けられている場合のようにパッキン１３の弾性が摺動被膜１４によって阻害されることを回避できる。また、筒状のパッキン１３の内周面に摺動被膜１４を設ける場合と比較して、摺動被膜１４を容易に設けることができる。したがって、弁体１２とパッキン１３との摺動性を向上できる。

本実施形態の流体バルブ１０では、弁体１２および摺動被膜１４は、弁体１２の軸方向および弁体１２の回転方向のうち少なくとも一方の方向に互いに係合している。これにより、摺動被膜１４が弁体１２からずれることを抑制できる。

本実施形態の流体バルブ１０では、摺動被膜１４は、弁体１２の周方向に連続して繋がった形状を有している。これによると、弁体１２の周方向において摺動被膜１４の継ぎ目が形成されないので、弁体１２が回転した際に摺動被膜１４がパッキン１３に引っ掛かったり弁体１２からめくれ上がったりすることを抑制できる。

本実施形態の流体バルブ１０の製造方法では、摺動被膜１４として、熱収縮材料で筒状に成形された被膜を用い、弁体１２の外側に摺動被膜１４を被せた後、摺動被膜１４に熱を加えて摺動被膜１４を弁体１２の外周面に密着させる加熱工程を含む。これにより、摺動被膜１４を弁体１２の外表面に容易に設けることができる。

本実施形態の流体バルブ１０の製造方法では、加熱工程の後に、摺動被膜１４および弁体１２に同時に孔形状を加工する孔加工工程を含む。これにより、摺動被膜１４の連通孔１４ａおよび弁体１２の連通口１２ｃを精度良く形成できる。

（第２実施形態）
上記実施形態では、摺動被膜１４は、熱収縮によって弁体１２の外周面に密着されているが、本実施形態では、図６および図７に示すように、摺動被膜１４は、バネ部材１５によって弁体１２の外周面に固定されている。

弁体１２の外周面には溝部１２ｅが形成されている。溝部１２ｅは弁体１２の外周面の軸方向全領域に亘って形成されている。

摺動被膜１４は、弁体１２の溝部１２ｅに入り込んでいる。摺動被膜１４は、弁体１２の溝部１２ｅとバネ部材１５との間に挟み込まれている。バネ部材１５は、弾性変形する弾性部材である。バネ部材１５は、切り欠きを有する筒状の形状を有している。バネ部材１５が、自身の弾性力によって溝部１２ｅ内で広がっていることによって摺動被膜１４が弁体１２の外周面に固定されている。

弁体１２の外周面には位置決めピン１２ｆが形成されている。摺動被膜１４には位置決め孔１４ｂが形成されている。弁体１２の位置決めピン１２ｆは、摺動被膜１４の位置決め孔１４ｂに挿入されている。これにより、摺動被膜１４と弁体１２とが周方向および軸方向に互いに係合するので、摺動被膜１４が弁体１２の周方向および軸方向にずれることが防止される。

次に、摺動被膜１４を弁体１２に固定させる手順を説明する。まず、図６に示すように、円筒状の摺動被膜１４を弁体１２の外側に被せる。このときの摺動被膜１４の内周長は、弁体１２の外周長よりも大きくなっている。

次いで、バネ部材１５を弁体１２および摺動被膜１４の外側から溝部１２ｅ内に嵌め込む。これにより、摺動被膜１４が摺動被膜１４が弁体１２の外周面に密着する。図７の二点鎖線は、バネ部材１５を嵌め込む前の摺動被膜１４の形状を示している。バネ部材１５が溝部１２ｅ内に嵌め込まれることによって摺動被膜１４が溝部１２ｅ内に引き込まれるので、摺動被膜１４が弁体１２の外周面に密着する。

摺動被膜１４の連通孔１４ａおよび弁体１２の連通口１２ｃの孔明け加工は、摺動被膜１４を弁体１２に固定させる前に行ってもよいし、摺動被膜１４を弁体１２に固定させた後に行ってもよい。

本実施形態においても、上記第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

本実施形態の流体バルブ１０では、弁体１２の外表面には、摺動被膜１４が入り込む溝部１２ｅが形成されており、バネ部材１５は、摺動被膜１４の外側から溝部１２ｅ内に嵌め込まれて摺動被膜１４を溝部１２ｅに固定させる。

これにより、溝部１２ｅで摺動被膜１４の寸法上の余剰を吸収できるとともに、弁体１２の外周面に対する摺動被膜１４の固定を容易化できる。

（第３実施形態）
本実施形態では、摺動被膜１４および弁体１２はインサート成形されている。インサート成形は、金型内にインサート部品を挿入した上で金型を閉じ、樹脂を流し込むことにより、樹脂とインサート部品を一体化させる工法である。

摺動被膜１４および弁体１２をインサート成形する手順を図８に基づいて説明する。まず、セット工程において、円筒状に成形された摺動被膜１４を金型２０内にセットする。次いで、インサート成形工程において、溶融状態の樹脂を金型２０内に充填することによって摺動被膜１４および弁体１２をインサート成形する。そして、取出工程において、インサート成形された摺動被膜１４および弁体１２を金型２０から取り出す。

本実施形態においても、上記第２実施形態と同様に、弁体１２の外周面に位置決めピン１２ｆが形成されていて、摺動被膜１４に位置決め孔１４ｂが形成されていてもよい。弁体１２の位置決めピン１２ｆが摺動被膜１４の位置決め孔１４ｂに挿入されることによって、摺動被膜１４が弁体１２の周方向および軸方向にずれることを防止できる。

本実施形態の流体バルブ１０の製造方法は、弁体１２および摺動被膜１４をインサート成形するインサート成形工程を含む。本実施形態においても、上記実施形態と同様に、摺動被膜１４を弁体１２の外表面に設けることができる。

（他の実施形態）
上記実施形態を適宜組み合わせ可能である。上記実施形態を例えば以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、弁体１２および摺動被膜１４は円筒状に形成されているが、弁体１２および摺動被膜１４の形状はこれに限定されるものではない。

例えば、図９に示すように、弁体１２およびパッキン１３は、円錐台状の外形を有する筒状に形成されていてもよい。図１０に示すように、弁体１２およびパッキン１３は、球台状の外形を有する筒状に形成されていてもよい。

すなわち、弁体１２は、駆動シャフト１２ａに対して垂直な方向に切断した時の断面の外形が円形状になっていればよく、パッキン１３は、駆動シャフト１２ａに対して垂直な方向に切断した時の断面の内形が円形状になっていればよい。

（２）上記実施形態では、バルブボディ１１に第１〜３ポート１１ａ〜１１ｃが形成されているが、これに限定されることなく、バルブボディ１１のポートの個数および配置を適宜変更可能である。

（３）上記実施形態では、弁体１２の外周面に連通口１２ｃが形成されているが、連通口１２ｃの個数を適宜変更可能である。

１１ バルブボディ（本体）
１１ｂ 第２ポート（開口部）
１１ｃ 第３ポート（開口部）
１２ 弁体
１３ パッキン（シール部材）
１４ 摺動被膜

Claims (7)

1. 少なくとも１つの開口部（１１ｂ、１１ｃ）を有する本体（１１）と、
   前記本体の内部で回転することによって前記少なくとも１つの開口部の開度を調節する弁体（１２）と、
   前記本体と前記弁体との間で弾性変形するシール部材（１３）と、
   前記弁体の外表面に設けられ、前記弁体とともに回転して前記シール部材と摺動する摺動被膜（１４）とを備える流体バルブ。
2. 前記弁体および前記摺動被膜は、前記弁体の周方向および軸方向のうち少なくとも一方の方向に互いに係合している請求項１に記載の流体バルブ。
3. 前記摺動被膜は、前記弁体の周方向に連続して繋がった形状を有している請求項１または２に記載の流体バルブ。
4. 前記弁体の外表面には、前記摺動被膜が入り込む溝部（１２ｅ）が形成されており、
   前記摺動被膜の外側から前記溝部内に嵌め込まれ、前記摺動被膜を前記溝部に固定させる弾性部材（１５）を備える請求項１ないし３のいずれか１つに記載の流体バルブ。
5. 少なくとも１つの開口部（１１ｂ、１１ｃ）を有する本体（１１）と、
   前記本体の内部で回転することによって前記少なくとも１つの開口部の開度を調節する弁体（１２）と、
   前記本体と前記弁体との間で弾性変形するシール部材（１３）と、
   前記弁体の外表面に設けられ、前記弁体とともに回転して前記シール部材と摺動する摺動被膜（１４）とを備える流体バルブの製造方法であって、
   前記摺動被膜として、熱収縮材料で筒状に成形された被膜を用い、
   前記弁体の外側に前記摺動被膜を被せた後、前記摺動被膜に熱を加えて前記摺動被膜を前記弁体の外周面に密着させる加熱工程を含む流体バルブの製造方法。
6. 前記加熱工程の後に、前記摺動被膜および前記弁体に同時に孔形状を加工する孔加工工程を含む請求項５に記載の流体バルブの製造方法。
7. 少なくとも１つの開口部（１１ｂ、１１ｃ）を有する本体（１１）と、
   前記本体の内部で回転することによって前記少なくとも１つの開口部の開度を調節する弁体（１２）と、
   前記本体と前記弁体との間で弾性変形するシール部材（１３）と、
   前記弁体の外表面に設けられ、前記弁体とともに回転して前記シール部材と摺動する摺動被膜（１４）とを備える流体バルブの製造方法であって、
   前記弁体および前記摺動被膜をインサート成形するインサート成形工程を含む流体バルブの製造方法。

Images