JP5566119B2 - 弁体及びそれを用いた切換弁 - Google Patents

Description

この発明は、ゴム材料で製作され弁ケースに摺接する弁体及びそれを用いた切換弁に関する。

従来、切換弁のような弁として、例えばユニットバス用のものとして四方切換弁が実用に供されている（特許文献１及び特許文献２）。

図３は、上記特許文献に記載されているのと同等のユニットバスの一例を示す概略図であり、該ユニットバスは、通常、給湯ユニットＡ、浴槽Ｂ、四方切換弁Ｖ、フィルタＣ等の各種機器を備え、該各機器を管路で接続した構造に構成されている。ユニットバスの運転においては、浴槽Ｂの湯水は、給湯ユニットＡ、フィルタＣ、四方切換弁Ｖを経て浴槽Ｂに戻るメイン循環路（湯水の流れを矢印（Ｉ）で示す）を通じて循環され、給湯ユニットＡで湯温を調節して、浴槽Ｂ内の湯温を入浴適温に保持している。

フィルタＣは、メイン循環路（Ｉ）を循環する湯水を浄化するための機器である。湯水を循環していると、フィルタＣは湯水に含まれる湯垢や塵挨等を付着して不衛生になるおそれがあるので、定期的にフィルタＣを洗浄する必要がある。フィルタＣを洗浄する場合は、四方切換弁Ｖを切換え、湯水を浴槽Ｂに戻すことなく、四方切換弁Ｖから給湯ユニットＡに導き、給湯ユニットＡで湯水を昇温させながらフィルタＣを介して四方切換弁Ｖに循環させる（洗浄用循環路（ＩＩ））。これにより、フィルタＣは、高温の湯水を所要時間循環させることで洗浄される。洗浄が終了すると、四方切換弁Ｖを切換えて、フィルタＣからの洗浄湯水を四方切換弁Ｖを介して外部に排出する（外部排出路（ＩＩＩ））。

四方切換弁Ｖは、流入するユニットバスの湯水をメイン循環路（Ｉ）、洗浄用循環路（ＩＩ）及び外部排出路（ＩＩＩ）の三ルートに切換・変更できるように構成されており、一つの流入口１０１と三つの流出口とを備えている。即ち、流出口は、洗浄用流出口１０２、戻り用流出口１０３及び排出用流出口１０４である。

図２は、図３に示す切換弁が示されている。切換弁は、弁ケース２０と、弁ケース２０に形成される弁室２１内に回転可能に支持されて配置されている弁体１０とを備えている。弁体１０はボール状の弁体であり、弁体１０には流入路１１と流出路１２とからなる流路が形成されている。弁ケース２０には流入口２２と第１流出口２３とこれらに直交する方向に延びる第３流出口（図示せず）が形成されている。弁ケース２０には管ホルダ２５が溶接によって接続されており、管ホルダ２５には第２流出口２４が形成されている。弁ケース２０の流入口２２は、弁体１０の流入路１１に接続しており、弁体１０を回転操作することにより、流入口２２は、弁体１０に形成されている流路１１，１２を通じて、第１流出口２３、第２流出口２４又は第３流出口と選択的に連通可能に構成されている。弁体１０は、弁ケース２０や管ホルダ２５に形成されている弁座と摺接する部分を弾性変形可能なゴムで構成したゴム弁であり、弁体１０を圧縮させた状態で弁ケース２０の弁室２１に収容し、ゴムをその復元力にて弁座に圧接する状態にすることで、水漏れを防止するシール性を確保している。

弁ケース２０の上部にはギヤドモーター１２０が配置されており、ボール状の弁体１０が、ギヤドモーター１２０により弁軸１２５を介して回転駆動され、ユニットバスが図１に示すメイン循環路（Ｉ）、洗浄用循環路（ＩＩ）及び外部排出（ＩＩＩ）の三ルートに択一的切換変更できるように、その回転位置を設定できるようになっている。弁ケース２０の流入口２２から流入した湯水は、ボール状の弁体１０の流入路１１から流出路１２へと導かれ、弁体１０を回転して切換変更した所定の位置により、図３に示した三つの流出口１０２，１０３，１０４に択一的に接続されて、メイン循環路（Ｉ）、洗浄用循環路（ＩＩ）、若しくは、外部排出路（ＩＩＩ）の三ルートのいずれかのルートに流れるようになっており、四方切換弁Ｖはユニットバスの前記各循環路の切換手段として機能する。

特許第４２８６５６１号公報 特開２０００−１８４０５号公報

弁に求められる機能は、流体の閉塞方向への漏れを防止することと、制御通りに弁の方向を切換え、流体の流れを制御することである。上記で説明したように、ゴム弁は圧縮状態にすることでシール性を確保している。しかし、弁体を圧縮させると、弁体を回転させるなどの駆動時に弁ケースとの間で生じる摺動抵抗が大きくなり、切換動作に大きなトルクなどの作動力が必要となる、或いは摩耗も進んでしまう、という懸念があった。

この発明の目的は、弁体の耐摩耗性及び潤滑性を向上させて、漏れ防止のシール性を維持するとともに弁体が駆動されるときの弁ケースとの摺動抵抗を低減させることができる弁体及びそれを用いた切換弁を提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明による弁体は、弁ケースに形成された弁室内に配置されており弁作動時に前記弁ケースに摺接する弁体であって、前記弁体は、耐摩耗性及び潤滑性を付与することができる球状の微粒子を混錬したゴム材料により形成され、かつその表面が、前記弁室内を通過する流体が微視的に存在し易くなるように粗くされていることを特徴としている。

また、本発明による切換弁は、上記の弁体と当該弁を弁室に収容した弁ケースとを備えており、前記弁体は、前記弁ケースの流入口に連通している流入路と、当該流入路に接続しており前記弁体が回転駆動されることに応じて前記弁ケースに形成された複数の流出口に選択的に連通する流出路とを有する流路を内部に有していることを特徴としている。

本発明は、上記のように構成されているので、ゴム弁体そのものが、球状の微粒子を混錬したゴム材料で形成されていることによって耐摩耗性、潤滑性を備えるに至り、それゆえ弁体を圧縮しても切換動作に影響を与えるような負荷がかからない、弁体及びそれを用いた切換弁を提供することができる。また、摺動部位にグリスを塗布するというような行程も不要となる。

図１は本発明による弁に備わる弁体の一例を示す図である。 図２は図１に示す弁体を備える切換弁の一例を示す図である。 図３は本発明による切換弁を備えるユニットバスの一例を示す概略図である。

以下、本発明による弁体及びそれを用いた切換弁の実施例を説明する。本発明の実施例は、弾性体で形成されるボール状の弁体であり、また、当該弁体とその中心を通る回転軸線のまわりに当該弁体を回転可能に収納する弁室を有する弁ケースとを具備している切換弁である。図１は本発明による弁体の一実施例を示している。図１（Ａ）はボール状の弁体の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示す弁体のＢ−Ｂ線で切断した縦断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）に示す弁体のＣ−Ｃ線で切断した縦断面図である。弁体が収容される弁ケースを含めた弁の実施例としては、図２に示す切換弁であってよく、以下、切換弁の各構成要素については、図２に用いられている符号を用いて説明する。

本発明である弁体の実施例については、図１に示すように、ボール状のブロックの周囲のうち、弁軸１２５の先端に設けられている係合凸部１２５ａが係合する上面１５ａと、弁ケース２０の流入口２２に連通する流入路１１が開口する下面１５ｂとが、平面に形成されている。また、弁体１０の胴周りにおいても、弁体１０の流出路１２を含む平面状の平坦部を第１平坦面として第２、第３及び第４までの四つの平坦面１６ａ〜１６ｄが９０°の角度間隔で形成されている。これら平面１５ａ，１５ｂ、１６ａ〜１６ｄ以外の弁体１０の表面１０ａが球面状として残されている。切換弁が択一的に接続されるいずれの切換状態であっても、弁ケース２０又は管ホルダ２５の円環状の弁座が、この球状に残された表面１０ａに圧接した状態にあり、水漏れのないシール性を確保している。

更に、本実施の形態の特徴として、ボール状の弁体１０に形成されている断面円形の流入路１１と流出路１２との中心部付近には、弁ケース２０の弁室２１に連通させるための水抜き孔１４が、流入路１１と流出路１２が形成されている面とは直角方向に、且つ、弁体１０を貫通して穿設されている。弁体１０の水抜き孔１４により、弁体１０の姿勢（回転位置）がどこにあっても、常に流入路１１と流出路１２に連通していることになり、弁室２１内に水が滞ることがないから、流水の汚れや冬場の凍結に伴う膨張破壊が発生するおそれがないという効果がある。

ボール状の弁体１０の全体形状を強固に保持させるため、そして弁体１０を正確な角度で回転させるために、ゴムの中に補強枠１３を埋設させる状態に内在させている。補強枠１３には、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示すように、弁軸１２５の先端に設けられている係合凸部１２５ａからの回転力を受けるため、弁軸受け凹部１３ａが形成されている。

本弁体１０の特徴は、その全体、あるいは弁ケース２０や管ホルダ２５の弁座との少なくとも摺接部分となる表面１０ａを、シール可能な弾性材で構成することにある。本実施の形態では、弁体１０全体を弁ケース２０との間でシール可能な弾性材、例えば、ゴムで構成している。

ゴム製の弁体１０が弁ケース２０や管ホルダ２５の弁座に接して圧縮されている状態にあることでシール性が確保されているが、圧縮が強いと摺動抵抗が大きくなり弁体が動かなくなる。そこで、本弁体１０は、耐摩耗性及び潤滑性を付与し、低摺動抵抗とすることができる球状の微粒子を混錬したゴム材料で形成されており、その表面１０ａは所定の粗さに形成されている。ゴムの配合の中に添加剤として潤滑性を向上させる材料が含まれているので、弁座に対する弁体１０のすべり性が改善される。

ゴム材料はＥＰＤＭ材（エチレンプロピレンジエンゴム）又はＦＫＭ材（フッ素ゴム）とすることが好ましい。また、球状の微粒子はポリエチレン系の微粒子あるいはカーボン系又はシリコーン系の微粒子とすることが好ましい。球状の微粒子のＥＰＤＭ材又はＦＫＭ材に対する配合は、ＥＰＤＭ材又はＦＫＭ材１００重量部に対して２０〜４０重量部であるとすることができる。この範囲より少ない配合では、低摩擦性能が得られず、弁体駆動時のトルク等の作動力軽減効果が得られない。また、この範囲より配合量が多いとゴム体が硬くなり過ぎて、得られるシール性能が低下する傾向がある。更に、球状の微粒子の球径φｐは、１０〜６０μｍであればＥＰＤＭ材又はＦＫＭ材に対する配合に適しており、また２５〜３５μｍにすることがさらに耐摩耗性及び潤滑性を得る上で好ましい。

ゴムの表面については、きれいな滑らかな表面ではなく、むしろ粗い表面とされている。弁体１０は、表面粗さの分だけ弁座との接触面積が少なくなり摺動抵抗をさらに小さくすることができる。弁体１０は液体（水）が存在する環境で使用されるので、粗い表面には微視的には水が存在し易くなっており、その水の潤滑性によって、特に静止摩擦係数が低くなるなどによって弁ケースに対して低摩擦で駆動することができる。弁体１０の表面粗さは、弁体１０を成形するときに用いる金型部品の表面をブラスト処理し、その表面粗さを転写させることで得ることができる。このように金型を用いる方法は、弁体の量産に適している。

本発明である切換弁の実施例については、図２について説明したように、弁体１０には、その中心部付近で互いに直交して合流する流入路１１と流出路１２とからなる流路が形成されている。弁ケース２０には、回転軸線方向に弁室２１に対して開口する一つの流入口２２と、弁体１０の中心を通り回転軸線と直交する軸線方向で相反する向きに弁室２１に対して開口する複数の流出口とが形成されている。流出口は、三方切換弁の場合には流出口２３，２４であり、四方切換弁の場合は、図示しない更に一つの流出口を備えている。切換弁の作動においては、弁体１０を回転動作することで、弁体１０の流出路１２は弁ケース２０のいずれか一つの流出口に択一的に接続される。

以上、説明したように、従来、漏れ防止にはパッキンを使うなど幾つかの方法があるが、ゴムで形成されている弁体を弁座に押し当てるように構成することで、パッキンなしに水密性を得ることができる。水密性を得るには、ゴムから成る弁体を圧縮させて弁ケースに押しつけなければならないが、弁体はゴムと弁ケースとの摩擦力で動きにくくなる。そこで、本発明ではゴム材に添加物である球状の微粒子を入れて、ゴムの表面での滑りやすさを確保している。更に、表面が滑らか過ぎるとスティックスリップ運動などで滑り難くなるので、敢えて表面を粗くして微視的に介在する液体（水）の潤滑性を利用して更なる滑りを確保している。

１０ 弁体 １０ａ 球状表面
１１ 流入路 １２ 流出路
１５ａ 上面 １５ｂ 下面
１６ａ〜１６ｄ 平坦面
２０ 弁ケース ２１ 弁室
２２ 流入口 ２３，２４ 流出口
２５ 管ホルダ
１２０ ギヤドモーター
１２５ 弁軸 １２５ａ 係合凸部

Claims (7)

1. 弁ケースに形成された弁室内に配置されており弁作動時に前記弁ケースに摺接する弁体であって、
   前記弁体は、耐摩耗性及び潤滑性を付与することができる球状の微粒子を混錬したゴム材料により形成され、かつその表面が、前記弁室内を通過する流体が微視的に存在し易くなるように粗くされたことを特徴とする弁体。
2. 前記ゴム材料はＥＰＤＭ材又はＦＫＭ材であり、前記球状の微粒子はポリエチレン系、カーボン系又はシリコーン系の材料であることを特徴とする請求項１に記載の弁体。
3. 前記球状の微粒子の前記ＥＰＤＭ材又はＦＫＭ材１００重量部に対する配合は、２０〜４０重量部であることを特徴とする請求項２に記載の弁体。
4. 前記球状の微粒子の球径φｐは、１０〜６０μｍであることを特徴とする請求項２又は３に記載の弁体。
5. 前記弁体は、所定の粗さに形成された表面を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁体。
6. 前記弁体の前記表面の粗さは、前記弁体を成形する金型部品の表面粗さが転写されることによって形成されていることを特徴とする請求項５に記載の弁体。
7. 請求項１〜６のいずれか一項の弁体と当該弁を弁室に収容した弁ケースとを備えており、前記弁体は、前記弁ケースの流入口に連通している流入路と、当該流入路に接続しており前記弁体が回転駆動されることに応じて前記弁ケースに形成された複数の流出口に選択的に連通する流出路とを有する流路を内部に有していることを特徴とする切換弁。

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