JP5047810B2 - 軟水装置制御弁用の一体形シールを備えたピストン - Google Patents

Description

本発明は、水を軟水化するための装置に関し、さらに具体的には軟水装置内の樹脂の再生を制御するためのシステムに関する。

井戸から汲み出した水については、水が地中の鉱床から浸出した２価及び時には３価の陽イオンを含む点で「硬質」と考えられるのが一般的である。かかるイオンは、通常の洗剤及び石鹸で不溶性塩類を形成して沈殿を生じ、そのため洗浄に必要な洗剤又は石鹸の量が増す。ボイラで硬水を用いると、蒸発によって不溶性残留物の沈殿を生じるが、かかる沈殿はスケールとして堆積する傾向がある。

硬水が供給されるビルディングの配管系に硬水軟化装置を設けるのが一般的である。最も一般的な種類の硬水軟化装置は、硬水を流して不都合な無機物その他の不純物を除去する樹脂層を保持したタンクを有するイオン交換装置である。樹脂層の結合部位は最初は陽イオン（通常は１価ナトリウム又はカリウム陽イオン）を含む。硬水が樹脂に流入すると、結合部位での競争が起こる。硬水中の２価及び３価陽イオンは、その高い電荷密度のため優勢であり、１価陽イオンと置換する。１個の２価又は３価陽イオンによってそれぞれ２又は３個の１価陽イオンが置換される。

無機物及び不純物を吸着する樹脂層の吸着容量には限りがあり、最終的には部位の大部分が２価及び３価陽イオンで占められると水の軟化が止まる。これが起こると、再生剤（通常は塩化ナトリウム又は塩化カリウム溶液）で樹脂層を洗浄することによって、樹脂層を回復又は再生する必要が生じる。再生剤の１価陽イオンの濃度は、不利な静電競争を打ち消すのに十分なほど高く、結合部位は１価陽イオンで再生される。再生から次の再生までの軟水化処理が行われる期間は、サービスモードの作動と呼ばれる。

初期のタイプの硬水軟化装置の再生は、樹脂層の処理能力を超え、樹脂層を流れる水が「軟質」でなくなったと分かった後で手動で行われていた。手動再生の必要性をなくすためため、硬水軟化装置の制御システムに、硬水軟化装置の再生を定期的に開始する機械クロックが設けられた。その再生頻度は、樹脂層の既知の吸着容量及び軟水の１日の予想使用量に基づいて設定されていた。機械クロック式硬水軟化装置の制御装置は、樹脂層の手動再生の必要性は解消したが、かかる制御装置では再生を一定間隔で行うため、水の使用量によってはその頻度に過不足を生じるという短所がある。水処理に十分な吸着容量が残っているのに硬水軟化装置の樹脂層を再生するのは、再生に用いる再生剤及び水の浪費となる。逆に、樹脂層の吸着容量が硬水の処理に必要なレベル未満に低下した後まで硬水軟化装置を再生しなかったときは、硬水軟化装置から硬水が流れ出る結果を生じかねない。

硬水軟化装置の再生の頻度の調整を改善すべく、樹脂層の水を軟化する残存吸着容量を判定するデマンド型の硬水軟化装置制御装置が開発されている。かかる改良型の制御システムの一つのタイプでは、前回の再生以降に処理した水のボリュームを流量計で測定し、規定のボリュームの水が硬水軟化装置を通過したときに樹脂層を再生する。このタイプのシステムは、多くの施設に適しているが、公共システムでは、硬度の異なる水を含む幾つかの井戸から交互に水を汲み出すことがある。この場合、樹脂層の消耗は、前回の再生以後に処理した水のボリュームの一次関数ではない。

樹脂層の消耗を直接検出する他のタイプの制御システムも開発されている。電子式コントローラーは、離隔した２箇所で電極を使用して樹脂層の電気伝導度を測定する。伝導度測定値の比率を、前回の樹脂層再生以後に発生した最小及び最大比率値と併せて、樹脂層の消耗の確率の判定に用いて、再生を開始させる。

樹脂層を何時再生すべきかを決定するために用いる制御システムの種類とは無関係に、この制御システムでは、弁を駆動するモーターを始動させる。弁は、再生処理の逆洗、塩水処理、洗浄処理及び塩水補充の各ステップに対応する位置を有する。従来の弁の本体はボアを有していて、軟水装置の入口、出口及び内部通路に接続した幾つかのチャンバーを有する。陥凹部及びランド部を備えたピストンがボア内を滑動して異なるチャンバーを選択的に相互接続し、運転段階に応じて弁内の様々な経路に水を導く。別個のシールリングが、チャンバー間のボアの環状溝内に設置される。シールは、ピストンのランド部と係合してチャンバー間の不都合な水の流れを遮断する。各シールリングを各々の溝に正確に設置するには幾つかの製造ステップが必要とされる。
米国特許第３８７４４１２号明細書 米国特許第５２５０１８７号明細書 米国特許第５９１０２４４号明細書 米国特許第５５１３６７４号明細書 独国実用新案第２９５０７２５７号明細書 独国特許第１９６１９９９９号明細書 米国特許第４８９２２８７号明細書

水処理装置の制御弁用ピストンは、中央部分とそれから半径方向外側に突き出した１以上のフランジとを有する本体を含む。各フランジは、中央部分の周囲に延在する外周面を有していて該外周面に環状溝を備える。環状溝はアンダーカットされて外周面からフランジ内部に向かって半径方向内側に増大した幅を有する。別個のシールリングが各フランジの環状溝内に配設され、溝の増大した幅によって溝内に捕捉される。

制御弁ピストンは、本体をインベストメント鋳造法を用いて形成し、溝を例えばワックスのようなロスト材料によって画成することによって製造することができる。これによって、各溝をアンダーカットすることができ、シールリングを捕捉する構造が形成される。本体が固まった後、第２のモールドに入れてシールリングを形成する。この第２のモールドは、各フランジの周囲に小さな空隙を残して弁ピストン本体がぴったりと収まるキャビティを有しており、この空隙にシールリング用の材料を充填して材料をフランジ溝内に流し込む。シールリングが固まった後で、第２のモールドを開いて、完成弁ピストンを取り出す。

ピストン本体の溝内にシールリングをオーバーモールド成形することによって、シールリングは溝内に固定され、例えば組立てた制御弁を流れる水の力などによって容易に外れることはない。これは、ピストンが弁本体内で移動して制御弁内の経路を開閉する時に水がピストンフランジの縁部を急激に通過してシールリングを離脱させる傾向をもつ力を生じるので、設計上重大な関心事である。

まず図１を参照すると、軟水装置１０は、イオン交換樹脂粒子の層１４を収容した処理タンク１２を備える。制御弁１６は処理タンク１２の頂部に取り付けられる。サービスモードでは、軟化すべき硬水を入口通路１８に供給し、水が入口通路１８から処理タンクの頂部の入口２０に流れ、次いで樹脂層内を流れて水から無機物を吸着する。出口導管２２が、処理タンク１２の底部近傍の位置から樹脂層１４を貫通して制御弁１６の出口通路２４まで延在する。樹脂層１４で処理された水は、出口導管２２を通して弁の出口通路２４に流れ、そこから水が軟水装置１０から出て建物の配管内へと流れ込む。

樹脂層１４は次第に消耗して、水をそれ以上軟化できなくなる。タイマーに応答して周期的に或いは樹脂層の消耗を検出するセンサーに応答して、コントローラー２６は標準的な再生プロセスを開始する。コントローラー２６は弁の頂部に取り付けられ、制御弁１６の円形ボア１５内でゆっくりと連続往復動サイクルによって動く弁ピストン３０を駆動するように構成されたモーター２８を有する。ピストン３０が移動すると、再生処理の様々な段階で異なる経路に水を導くように制御弁１６の通路が幾つかの組合せで接続され。

典型的な樹脂層の再生処理は逆洗段階で始まるが、この段階では、硬水は制御弁から出口導管２２に導かれ、樹脂層１４を上方に流れて、最終的にドレン通路（図示せず）を介して軟水装置から排出される。逆洗ステップの後に、塩水処理が続く。制御弁１６はインジェクター３２を有しており、インジェクター３２は導管３４によって遮断弁３６及び配管３８を介して塩水タンク４０に接続している。塩水タンク４０は、塩化ナトリウム又は塩化カリウムのような塩の塩水溶液４２を収容している。この再生段階では、インジェクター３２を通る硬水の流れで生じた部分的真空によって、塩水タンク４０から導管２９及び２７を通して塩水を汲み上げて処理タンク１２へと流す。濃縮塩水溶液によって、樹脂層１４の２価及び３価陽イオンを１価陽イオンで置換され、層が回復する。塩水タンク４０の内容物が消尽すると、空気がシステム内に注入されるのを防ぐため逆止弁４４が閉じられ、塩水なしで水がインジェクター３２内を流れ続ける。この水は処理タンク１２から塩水溶液を駆逐し、層１４を洗浄して残留塩水を除去する。

再生処理の最終段階では、塩水タンク４０が再充填され、軟水装置の樹脂層１４が浄化される。これは、開いた遮断弁３６を通して塩水タンク４０内に水を供給するとともに、入口２０を通して処理タンク１２内に水を供給することによって達成される。樹脂層１４を通過した水はドレン通路から排出される。しかる後に、制御弁１６を、軟水装置１０を上述のサービスモードとする位置に戻して、建物用の水を処理する。

図２を参照すると、制御弁１６は、中央部分（シャフトともいう）５０を有する新規なピストン３０を備えており、シャフト５０から半径方向外側に複数の円板状フランジ５１，５２及び５３が突出していて、フランジ間に陥凹部５４及び５５を形成する。中央部分５０の一端からロッド状ステム５６が軸方向に延びていて、コントローラー２６のメカニズムに取り付けられるように構成されており、コントローラー２６は、再生モード時に制御弁１６のボア１５内でピストン３０を移動させる。中央部分５０、フランジ５１〜５３及びステム５６は、弁ピストン３０の本体ピストン（３０）を形成し、本体ピストンは好ましくはステンレス鋼その他の耐食性材料から製造される。

各フランジ５１，５２及び５３は、中央部分５０の周囲に延在する外周面５７，５８及び５９をそれぞれ有しており、外周面５７，５８及び５９はその面に環状溝を備えている。別個のシールリング６１、６２及び６３がそれぞれ外周面５７，５８及び５９内の環状溝に各々に位置している。好ましくは、シールリング６１〜６３は、架橋熱硬化性ゴムのようなゴム或いは熱可塑性エラストマーのような弾性プラスチックから作られる。各シールリング６１〜６３はそれぞれのフランジ５１〜５３から外側に突出して、制御弁ボア１５の内面と係合する。この係合によって、陥凹部５４又は５５内の流体がフランジと弁ボア１５面との間（図１参照）から流出するのを防ぐ。

図３は、フランジ５１の外周面５７の溝６６内に位置するシールリング６１の断面図を示す。環状溝６６は、フランジ５２の外周面５８を通る溝の開口部よりも内面が広くなるようにアンダーカットされたダブテール形断面を有する。このアンダーカットによってシールリング６１が環状溝６６内に捕捉され、組立てた制御弁１６を流れる水で生じる力によってシールリングが溝から引き出されるのを防ぐ。このことは、ピストン３０がボア１５内で移動して制御弁内の経路を開閉する時に水がピストンフランジの外周面５７を急激に通過してシールリングを離脱させる傾向をもつ力を生じるので、設計上の必要条件である。

図４は、フランジ５２の外周面５８の溝７２内に位置する第２の形式のシールリング７０を示す。溝７２はＴ字形断面を有しており、その内側領域７４の幅はフランジ外周面５８の外側領域７６の溝の幅よりも大きい。 シールリング７０はその内側領域７４で拡大しており、それによってシールリングは溝７２内に捕捉される。この形式のシールリング７０は、弁ボア１５の内面と係合する１対のローブ７８を有する。

図５は、フランジ５２の同じ環状溝７２内に位置する第３の形式のシールリング８０を示す。この形式のシールリング８０は、弁ボア１５の内面と係合する３つのローブ８２を有する。

弁ピストン３０は、最初にロストワックス鋳造のようなインベストメント鋳造法を用いて本体６０を製造することによって製造される。この鋳造法のモールドは、フランジ５１〜５３の外周面に溝を画成するワックスのような材料を含む。この材料は本体６０の材料が固まった後に容易に取り除くことがきるので、前述の通り、溝をアンダーカットしてシールリングが所定の位置に固定される溝を形成することができる。弁本体６０が固まった後、シールリング６１〜６３を形成するための第２のモールド内に弁本体を配置する。この第２のモールドは、各フランジの周囲に小さな空隙を残して弁ピストン３０の本体６０がぴったりと収まるキャビティを有しており、これらの空隙にシールリング用の材料を充填して、材料が各フランジ５１〜５３の溝５７〜５９全体に流し込む。シールリングが固まった後で、第２のモールドが開いて、完成弁ピストンを取り出す。

ピストン３０の金属部分の溝内にシールリング６１〜６３をオーバーモールド成形することによって、シールリングは溝内に固定され、例えば組立てた制御弁１６を流れる水の力などによって容易に外れることはない。非固定式の溝を用いて、弾性シールリングをフランジ５１〜５３の周りで伸長させて溝内に開放しただけの場合には、シールリングを離脱させる傾向をもつ水流の力に耐えるほど十分にしっかりとシールリングを所定の位置に保持することができないことがある。

以上の説明は、主に本発明の好ましい実施形態に関するものである。本発明の技術的範囲に属する様々な代替形態にもある程度の注意を払ったが、本発明の実施形態に関する開示から自明なその他の形態も当業者には明らかであろうと予想される。従って、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲に基づいて定まり、以上の開示に限定されるものではない。

本発明に係る弁ピストンが組み込まれた軟水装置の構成要素の断面図。 弁ピストンの断面図。 弁ピストンに組み込まれたシールの実施形態の拡大図。 弁ピストンに組み込まれたシールの別の実施形態の拡大図。 弁ピストンに組み込まれたシールの別の実施形態の拡大図。

符号の説明

１０ 軟水装置
１２ 処理タンク
１４ 樹脂層
１５ 円形ボア
１６ 制御弁
１８ 入口通路
２０ 入口
２２ 出口導管
２４ 出口通路
２６ コントローラー
２８ モーター
３０ 弁ピストン
３２ インジェクター
３６ 遮断弁
４０ 塩水タンク
４２ 塩水溶液
４４ 逆止弁
３０ ピストン
５０ 中央部分
５１，５２，５３ フランジ
５４、５５ 陥凹部
５７，５８，５９ 外周面
６０ 本体
６１，６２，６３ シールリング
６６，７２ 環状溝

Claims (20)

1. 水処理装置の制御弁用のピストンであって、
   その中央部から少なくとも一つのフランジが半径方向に延びる本体を備え、各々のフランジは、中央部の周りに延び、環状溝を有する外周面を備え、環状溝は、外周面からフランジの半径方向内側に向けて幅が増加するようになっており、
   ピストンは、さらに、
   各々のフランジの環状溝内に配置され、増加する幅によって該環状溝内に捕捉された異なるシールリングを備え、各々のシールリングは、対応する環状溝を完全に充たすようになっている、ピストン。
2. 本体から軸線方向に延びるステムをさらに備える、請求項１に記載のピストン。
3. 本体は、複数のフランジを備える、請求項１に記載のピストン。
4. 各々のシールリングは、弾性材料で作られる、請求項１に記載のピストン。
5. 本体は、インベストメント鋳造法で作られる、請求項１に記載のピストン。
6. 各々のシールリングは、本体の環状溝内で成形される、請求項１に記載のピストン。
7. 少なくとも１つのシールリングは、フランジから離れるように突出する複数のローブを有する、請求項１に記載のピストン。
8. 少なくとも１つのシールリングは、フランジから外向きに延びる湾曲面を有する、請求項１に記載のピストン。
9. 少なくとも１つの溝は、Ｔ字形断面を有する、請求項１に記載のピストン。
10. 少なくとも１つの溝は、ダブテール形断面を有する、請求項１に記載のピストン。
11. 各々のシールリングは、成型ゴムで形成される、請求項１に記載のピストン。
12. 各々のシールリングは、弾性プラスチックで形成される、請求項１に記載のピストン。
13. 本体は、一体成形品である、請求項１に記載のピストン。
14. 本体は、ステンレス鋼の一体成形品である、請求項１に記載のピストン。
15. 水処理装置の制御弁用のピストンであって、
    その中央部から少なくとも一つのフランジが半径方向に延びる本体を備え、各々のフランジは、中央部の周りに延び、環状溝を有する周面を備え、環状溝は、外周面からフランジの半径方向内側に向けて幅が増加するようになっており、
    ピストンは、さらに、
    各々の環状溝内に配置され、且つ対応する環状溝内で成型されて本体の一体化された複数のシールリングを備える、ピストン。
16. 各々のシールリングは、対応する環状溝を完全に充たすようになっている、請求項１５に記載のピストン。
17. 少なくとも１つのシールリングは、フランジから離れるように突出する複数のローブを有する、請求項１５に記載のピストン。
18. 少なくとも１つのシールリングは、フランジから外向きに延びる湾曲面を有する、請求項１５に記載のピストン。
19. 本体は、複数のフランジを備える、請求項１５に記載のピストン。
20. 各々のシールリングは、弾性材料で作られる、請求項１５に記載のピストン。

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