JP4523314B2

JP4523314B2 - 三方ボール弁

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Publication number: JP4523314B2
Application number: JP2004106583A
Authority: JP
Inventors: 謙雄野間口; 元洋古谷; 秀雄大谷
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005291347A

Description

本発明は、ビルの空調設備等に用いられる三方ボール弁に関する。

従来、三方ボール弁は、例えばビルの空調設備における湯水混合または分流等に使用されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００２−１３０４９９号公報（第２頁、段落「０００１」〜「０００５」図５、図６）特開平９−２８０３９０号公報

前記特開２００２−１３０４９９号公報に記載されている三方ボール弁は、図７に示すように、弁本体２内に回動自在に組み込まれたボール状の弁体３と、前記弁本体２を貫通し前記弁体３を回動させるステム４とを備えている。弁体３は、外周面に開口する第１、第２、第３のポート５，６，７と嵌合凹部８を有している。第１、第２のポート５，６は、弁体３の外周面でステム４の軸線Ｌ方向と直交する方向において回転方向に９０°離間して形成され、第３のポート７は、前記ステム４の軸線Ｌ方向で弁体３の下面側に形成されている。嵌合凹部８は弁体３の上面側に形成され、前記ステム４の内端が嵌合している。９，１０，１１は流体１２，１３を流す配管で、配管１１には第３のポート７が常時連通している。

このような弁体３を備えた三方ボール弁１は、ステム４によって弁体３を９０°の角度範囲内で往復回動させることにより弁体３によって独立した２つの流路を形成することができる。すなわち、弁体３を回動させて第１のポート５を配管９に対して全開状態、第２のポート６を配管９，１０に対して全閉状態に切り替えると、第１のポート５と第３のポート７を介して配管９と配管１１を接続する流路が形成される。したがって、配管９に導かれた流体（例えば、水）１２は第１のポート５および第３のポート７を通って配管１１に流れる。この状態から弁体３を反時計方向に９０°回動させて第１のポート５を配管９，１０に対して全閉状態、第２のポート６を配管１０に対して全開状態に切り替えると、第２のポート６と第３のポート７を介して配管１０と配管１１を接続する流路が形成される。したがって、配管１０に導かれた流体（例えば、温水）１３は第２のポート６および第３のポート７を通って配管１１に流れる。また、図７に示す状態から弁体３を反時計方向に４５°回動させて第１、第２のポート５，６を配管９，１０に対して中間開度にすると、第１、第２、第３のポート５，６，７を介して配管９，１０と配管１１を接続する流路が形成されるため、配管９，１０を流れる流体１２，１３は弁体３内において混合され第３のポート７を通って配管１１に流れる。

しかしながら、このような三方ボール弁１は、流体１２，１３の流れる方向を第１のポート５から第３のポート７、または第２のポート６から第３のポート７の２通りに規定しているので、配管９，１０，１１の設置状況によって流体１２，１３の流れる方向を第１のポート５から第２のポート６、第３のポート７から第２のポート６の２通りに変更したい場合、無理に流れの方向を変更しようとすると、第２、第３のポート６，７に接続される配管１０，１１の向きを変更ないし改修する必要があった。一方、配管の改修を避ける場合は回転型の三方弁の代わりに直動型の三方弁を使用せざるを得ないが、直動型三方弁はステムおよび操作軸が垂直方向に動作するので、回転型の三方弁に比べてステムの軸線方向（垂直方向）の移動分だけ、ステム軸線方向に大型化し、取り扱いや設置作業が煩わしく、また十分な設置スペースが確保できない場所には設置できないという難点があった。

図８（ａ）、（ｂ）は前記特開平９−２８０３９０号公報に記載されている三方ボール弁の弁体を示す外観斜視図および第１のポート側から見た正面図である。
この三方ボール弁は、ボール状の弁体２０の外周面にステム用の嵌合凹部８と、第１〜第４のポート２１〜２４を形成し、内部に第１、第２のポート２１，２２を接続する第１の流体通路２６と、第３、第４のポート２３，２４を接続する第２の流体通路２７と、第１、第２の流体通路２６，２７を仕切る仕切壁２８を形成したものである。第１、第２、第３のポート２１，２２，２３は、ステムの軸線と直交する方向で弁体２０の回転方向に９０°離間して形成され、第４のポート２４は弁体２０の下面に形成されている。第１、第４のポート２１，２４は流入側ポートを形成し、第２、第３のポート２２，２３は流出側ポート（またはこの逆）を形成している。第４のポート２４は配管１１に常時連通している。

このような弁体２０を備えた三方ボール弁は、ステムによって弁体２０を９０°の角度範囲内で往復回動させることにより、独立した２つの流路を形成することができる。すなわち、第１のポート２１を配管９に対して全開状態、第２のポート２２を配管１０に対して全開状態、第３のポート２３を配管９，１０に対して全閉状態にすると、配管９、１０を第１の流体通路２６によって接続する流路が形成されるため、配管９に導かれた流体１２は第１の流体通路２６を通って配管１０に流れる。この状態から弁体２０を反時計に９０°回動させて第１、第２のポート２１，２２を配管９，１０に対して全閉状態、第３のポート２３を配管１０に対して全開状態にすると、第２の流体通路２７を介して配管１０と配管１１を接続する流路が形成されるため、配管１１に導かれた流体１３は第２の流体通路２７を通って配管１０に流れる。また、図８（ａ）の状態から反時計方向に４５°回動させて第１のポート２１を配管９に対して中間開度とし、第２、第３のポート２２，２３を配管１０に対して中間開度にすると、配管９，１１と配管１０を第１、第２の流体通路２６，２７によって接続する流路が形成されるため、配管９，１１を流れる流体１２，１３は配管１０に流れて混合される。

しかしながら、前記特開平９−２８０３９０号公報に記載されている三方ボール弁は、各ポート２１〜２４の形状を略真円に形成しているため、弁体２０の回動角度に対する流体１２の流量特性を測定すると、図９に曲線Ａで示すように流入側である第１のポート２１（第４のポート２４も同様）の弁開度が７０〜９０°の高開度になるとＣｖ値（流量）が飽和してしまうため、全域にわたって略リニアな容積流量制御（比例制御）する用途には不向きであり、現実的にはオンオフ制御弁としてしか使用することができないという問題があった。

そこで、所望の流量特性を得る方法として、流入側ポートを弁体の回転方向に長いスロット状（横長形状）または放物線形状（略三角形）に形成したボール弁も知られている（特許文献３）。この特許文献３は、流入側ポートを横長形状にした場合にリニア特性が得られ、放物線形状にした場合に相当パーセンテージ特性が得られるとしている。
特開平１１−２７０７１１号公報

しかしながら、前記特開平１１−２７０７１１号公報に記載されたボール弁は、二方ボール弁であるため、弁体の構造が異なる三方ボール弁にそのまま適用したとしても所望の流量特性を得ることができないという問題があった。また、スロット状の開口を有する容積制御インサートを別個に製作して弁体に取付けるようにしているため、部品点数および組立工数が増加し、製造コストが高くなるという問題もあった。

本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高開度においてＣｖ値が飽和せず略全域の弁開度において弁体の回動角度に比例してＣｖ値を略リニアに増大させることができるようにした三方ボール弁を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、弁本体内にボール状の弁体を組み込み、この弁体をステムによって回動させることにより流路を切り替える三方ボール弁において、前記弁体に前記ステムの軸線と直交する方向においてそれぞれ開口する第１、第２、第３のポートと、前記軸線方向において開口する第４のポートと、第１、第２の流体通路を形成してなり、前記第１、第２のポートを前記弁体の回転方向に１８０°離間するように形成するとともに、前記第１の流体通路によって連通し、前記第３のポートを前記弁体の回転方向でかつ前記第１、第２のポートに対して９０°離間するように形成するとともに、前記第４のポートに前記第２の流体通路によって連通し、前記第１〜第４のポートのうち流入側となる２つのポートの少なくともいずれか一方の一部周縁にポート断面積を減少させ高開度時における流量を前記弁体の回動角度に比例して略リニアに増大させる特性変更部を設けてなり、前記特性変更部が、前記一方の流入側ポートの前面であって、両端が前記流入側ポートの内壁面と２点で交差し、そのうちの一方の点が前記流入側ポートの球心を通る水平線上に位置する傾斜した斜面と、この斜面より下方における前記流入側ポートの弧の部分とによって囲まれた部分からなるものである。

本発明においては、特性変更部の形成によって流入側ポートの断面積が減少するため流量増加率も小さくなり、弁開度が高開度時（７０〜９０°）の流量を略リニアに増大させることができる。したがって、流量を比例制御する場合に用いることができる流量特性が得られる。
また、本発明においては、流量特性をリニア特性にすることができる。

本発明を説明するに当たって、先ず、本発明の参考となる技術を図１ないし図４によって説明する。
図１は本発明の参考となる三方ボール弁の一例を示す断面図、図２は流路を切り替えた状態を示す断面図、図３（ａ）、（ｂ）は弁体の外観斜視図および第１のポート側から見た正面図である。これらの図において、全体を符号３０で示す三方ボール弁は、十字型の弁本体３１と、この弁本体３１の内部中央に水平方向（矢印Ａ，Ｂ方向）に回動自在に嵌挿されたボール状の弁体３２と、この弁体３２を略９０°の角度範囲内で往復回動させるステム３３等で構成されている。

前記弁本体３１は、通常鋳物製の弁ケース３４と管体３５との二つの部材によって形成されている。弁ケース３４は、上下および左右の４方向に開放する横向きＴ字状（または十字状）に形成されることにより、４つの孔、すなわち上方に開口し前記ステム３３が回転自在に貫通するステム用孔３６と、前記ステム３３の軸線と直交する方向に開口する第１の流路孔３７および接続孔３８と、下方に開口する第３の流路孔４０を有している。

前記管体３５は直管からなり、上流側開口端部が前記弁ケース３４の接続孔３８にシール部材４１を介して螺合により連結され、下流側開口端部が第２の流路孔３９を形成している。

前記弁体３２は、ステンレスやメッキされた黄銅で製作され、前記弁本体３１の内部中央に左右一対のシートリング４２，４２を介して回動自在に嵌挿され、上面中央に前記ステム３３の下端部が嵌合する嵌合凹部４３が形成されている。また、弁体３２は、図３に示すように内部が中空の殻構造体に形成され、互いに直交する４つのポート、すなわち第１、第２、第３、第４のポート４５，４６，４７，４８を有している。第１のポート４５と第２のポート４６は、前記ステム３３の軸線と直交する方向で弁体３２の回転方向に１８０°位相をずらして対向するように形成され、弁体３２の中心を通る直線状の第１の流体通路５０によって連通している。第３のポート４７は、前記ステム３３の軸線と直交する方向で各第１、第２のポート４５，４６に対して９０°位相が異なるように形成されている。第４のポート４８は前記ステム３３の軸線方向で弁体３２の下面側に形成され、前記第３のポート４７と傾斜した第２の流体通路５１によって連通している。第１、第４のポート４５，４８は流入側ポートを形成し、第２、第３のポート４６，４７は流出側ポートを形成している。前記弁本体３１の第３の流路孔４０と第４のポート４８は常時連通している。前記第１の流体通路５０と第２の流体通路５１は、弁体３２内に形成した隔壁５２によって仕切られている。この隔壁５２は、ステム３３の軸線に対して略４５°の角度をもって傾斜している。

前記ステム３３は、前記弁本体３１の上方に開放するステム用孔３６に一対のＯリング５３，５３を介して回動自在に嵌挿され、外端が弁本体３１の上方に突出して図示しない電動アクチュエータに連結されるかまたは手動用のハンドルが取付けられ、内端に前記弁体３２が取り付けられている。

このような構造からなる三方ボール弁３０は、ステム３３によって弁体３２を矢印Ａ，Ｂ方向に略９０°の角度範囲内で往復回動されるように構成されている。ステム３３によって弁体３２を回動させて図１に示す状態、すなわち第１のポート４５が第１の流路孔３７と全開状態で連通し（弁開度１００％）、第２のポート４６が第２の流路孔３９と同じく全開状態で連通し、第３のポート４７が第１、第２の流路孔３７，３９に対して全閉した状態（弁開度０％）において、第１の流路孔３７に供給される流体１２は第１のポート４５−第１の流体通路５０−第２のポート４６を通って第２の流路孔３９に流れる。

図１に示す状態から、弁体３２を矢印Ａ方向に９０°回動させると、図２に示すように第３のポート４７が第２の流路孔３９と全開状態で連通し（弁開度１００％）、第２の流路孔３９と第３の流路孔４０を第２の流体通路５１を介して連通させる。一方、第１、第２のポート４５，４６は、第１、第２の流路孔３７，３９に対して全閉状態（弁開度０％）となる。この状態において、第３の流路孔４０に供給される流体１３は第４のポート４８−第２の流体通路５１−第３のポート４７を通って第２の流路孔３９に流れる。

図１に示す状態から反時計方向に４５°回動させて第１のポート４５を第１の流路孔３７に対して中間開度とし、第２、第３のポート４６，４７を第２の流路孔３９に対して中間開度にすると、第１、第３の流路孔３７，４０と第２の流路孔３９を第１、第２の流体通路５０，５１を介して接続する流路が形成されるため、第１、第３の流路孔３７，４０に供給される流体１２，１３は第１、第２の流体通路５０，５１を通って第２の流路孔３９に流れて混合される。

ここで、図１に示す状態において、第１の流路孔３７から弁体３２の第１の流体通路５０を経て第２の流路孔３９に流れる流体１２の流量特性は、図４に破線で示す曲線Ｉとなり、弁開度が７０〜９０°の高開度になるとＣｖ値が飽和する。この流量特性は図８に示した従来のボール弁における流量特性曲線Ａと同じである。

そこで、この参考例においては、図３に示すように第１のポート４５の下端部で第３のポート４７側周縁部に高開度時における流量を弁体３２の回動角度に比例して略リニアに増大させる特性変更部６０（斜線で示す部分）を設けている。特性変更部６０は、弁体３２の外部に臨む前面６０ａと、第１の流体通路５０内に位置し仕切壁５５の傾斜角度と略同一の傾斜角度を有する斜面６０ｂと、略水平な上面６０ｃとからなる台形状で、弁体３２の内部において前記仕切壁５５に接続されている。上面６０ｃは、本体３２の球心を含む水平面である。

このように特性変更部６０を設けることにより、第１のポート４５は本来円形であったものが、略半円形ではあるが、特性変更部６０の上部に略三角形の張出通路部６１を有する形状を呈している。このため、第１のポート４５全体の形状は、中心角が２３０〜２５０°程度の扇型である。なお、第２、第３、第４のポート４６，４７，４８は、穴径が第１のポート４５と略同一の円形ポートである。張出通路部６１は、図３（ｂ）に示す正面視において仕切壁５５の斜面５５ａと、特性変更部６０の上面６０ｃと、第１のポート４５の周面の一部とによって囲まれた空間であり、第１のポート４５の一部を構成している。

このように特性変更部６０によって第１のポート４５の断面積を減少させると、低開度〜中間開度における流量の増加率を低く抑えることができるため、高開度（弁開度：７０〜９０°）においてＣｖ値が飽和することがなく、流量特性を図４に実線で示す曲線ＩＩとなり、全開度にわたって弁体３２の回動角度に比例してＣｖ値を略リニアにすることができる。したがって、三方ボール弁３０をリニアな容積流量制御（比例制御）に用いることが可能である。

次に、本発明の構成を図５および図６によって詳細に説明する。
図５は本発明に係る三方ボール弁に使用する弁体の実施の形態を示す正面図である。
同図において、斜線で示す部分は上面６０ｃが右上がりに傾斜した特性変更部６０で、この特性変更部６０は、点Ｘと点Ｙを結ぶ線分Ｌ1 と、同じく点Ｘと点Ｙを結ぶ弧Ｌ2 によって囲まれた部分である。点Ｘと点Ｙは特性変更部６０の傾斜した上面６０ｃが第１のポート４５の内壁面と交わる点である。点Ｘは第１のポート４５の球心Ｏを通る水平線上に位置している。すなわち、前記特性変更部６０は、両端が第１のポートの内壁面と点Ｘ，Ｙで交差する傾斜した斜面６０ｃと、この斜面６０ｃより下方における第１のポート４５の弧の部分とによって囲まれた部分である。

このように特性変更部６０と張出通路部６１の大きさ、形状を変更すると、流量特性を図６の曲線ＩＩ，ＩＩＩで示すように変更することができる。すなわち、曲線ＩＩは図３（ａ）の弁体３２による流量特性、曲線ＩＩＩは図５の弁体３２による流量特性である。このように、特性変更部６０を少なくとも図５の斜線部分とすれば流量特性をリニアとすることができる。

なお、上記した実施の形態においては、第１、第４のポート４５，４８を流入側（一次側）ポートとし、第２、第３のポート４６，４７を流出側（二次側）ポートとしたが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、配管接続によっては第２、第４のポート４６，４８を流入側ポートとし、第１、第３のポート４５，４７を流出側ポートとしてもよいことは勿論である。また、流入側の第１のポート４５にのみ特性変更部６０を形成したが、第４のポート４７にも同様な特性変更部を形成してもよい。第２のポート４６を流入側ポートとしてその一部周縁に特性変更部を形成する場合は、第３のポート４７側の周縁部に形成すればよい。

本発明の参考となる三方ボール弁の一例を示す断面図である。流路を切り替えた状態を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は弁体の外観斜視図および第１のポート側から見た正面図である。流量特性を示す図である。弁体の実施の形態を示す正面図である。実施の形態の弁体の流量特性を示す図である。従来の三方ボール弁の弁体を示す外観斜視図である。（ａ）、（ｂ）は従来の他の三方ボール弁の弁体を示す外観斜視図および正面図である。図８に示す弁体の流量特性を示す図である。

符号の説明

３０…三方ボール弁、３１…弁本体、３２…弁体、３３…ステム、４５…第１のポート、４６…第２のポート、４７…第３のポート、４８…第４のポート、５０…第１の流体通路、５１…第２の流体通路、５２…仕切壁、６０…特性変更部、６１…張出通路部。

Claims

弁本体内にボール状の弁体を組み込み、この弁体をステムによって回動させることにより流路を切り替える三方ボール弁において、
前記弁体に前記ステムの軸線と直交する方向においてそれぞれ開口する第１、第２、第３のポートと、前記軸線方向において開口する第４のポートと、第１、第２の流体通路を形成してなり、
前記第１、第２のポートを前記弁体の回転方向に１８０°離間するように形成するとともに、前記第１の流体通路によって連通し、
前記第３のポートを前記弁体の回転方向でかつ前記第１、第２のポートに対して９０°離間するように形成するとともに、前記第４のポートに前記第２の流体通路によって連通し、
前記第１〜第４のポートのうち流入側となる２つのポートの少なくともいずれか一方の一部周縁にポート断面積を減少させ高開度時における流量を前記弁体の回動角度に比例して略リニアに増大させる特性変更部を設けてなり、
前記特性変更部は、前記一方の流入側ポートの前面であって、両端が前記流入側ポートの内壁面と２点で交差し、そのうちの一方の点が前記流入側ポートの球心を通る水平線上に位置する傾斜した斜面と、この斜面より下方における前記流入側ポートの弧の部分とによって囲まれた部分であることを特徴とする三方ボール弁。