JP6013026B2 - ロータリー弁 - Google Patents

Description

本発明は、弁本体内に回転自在に収容された弁体により、弁本体に形成された少なくとも一つの側部ポートと底部ポートを開閉又は開度調整するようにされた切換弁、流量調整弁、分配弁、混合弁等として使用されるロータリー弁に関する。

この種のロータリー弁の一つとして、従来、例えば、図５に示される如くのものが考えられている（下記特許文献１、２等も参照）。

図示例のロータリー弁１’は、基本的には、弁本体１０と、この弁本体１０内に回転自在に収容された弁体２０と、この弁体２０を回転駆動するためのステッピングモータ５０とを備えている。

弁本体１０は、中央部に軸受穴１６が形成された上側受座１５を有し、この上側受座１５上に取付具等を介してステッピングモータ５０がボルトナット類で取り付けられている。弁本体１０は、上側受座１５の下面を天井部とする円筒状の弁体収容室１４を有し、該弁体収容室１４の周壁部に開口する側部ポート１１、１２が設けられるとともに、弁体収容室１４と同軸に開口する底部ポート１３が設けられている。側部ポート１１と側部ポート１２は、この例においては１８０度の角度間隔をあけて左右に配在され、それらには入出口を構成する継手部３１、３２が連設されている。また、底部ポート１３は継手部３３を兼ねるようになっている。

弁体２０は、弁本体１０の弁体収容室１４内に回動可能に挿置されて回転軸線Ｏ回りに回転せしめられるようになっている。

より詳細には、弁体２０は、図４（Ｂ）に示される如くに、平坦な頭頂部２３付きで下面開口の円筒状部２２を有する樹脂成形品であって、その円筒状部（の周壁部）２２が、前記側部ポート１１、１２を閉塞するシール面部として機能するようにされ、かつ、この円筒状部２２に、側部ポート１１、１２の開口面積を弁体２０の回転に伴って連続的に変化させる所定形状（例えば、両端が半円形の長円形）の開口部３０（図５）が設けられている。この開口部３０は、弁体２０の回転角度で見て所定角度だけ開口せしめられている。図４（Ｂ）においては、開口部３０は、円筒状部２２の奥側に配置されているため図示されていない。

弁体２０の頭頂部２３の上面中央には、前記軸受穴１６に回動可能に嵌挿される回転軸部２５が突設されている。この回転軸部２５の下部には、Ｏリング２９、２９が装着される、３段の鍔状部２８からなる装着溝が設けられ、その上部には、ステッピングモータの出力軸と一体回転可能に連結するためのセレーション軸部２６及び非円形断面（Ｄカット形状等）の凸部２７が設けられている。

加えて、回転軸部２５における前記セレーション軸部２６の下端と前記鍔状部２８の最上段のものとの間（前記軸受穴１６の上端面より若干上方）の部位には鍔状部２８と同径の大径部３７が形成され、この大径部３７と鍔状部２８の最上段のものとの間に環状溝３８が形成されており、この環状溝３８に、弁体２０の回転は許容するが下方への抜けを阻止する弁体係止具としてのクリップ４０が装着されている（図５参照）。

クリップ４０は、図４（Ｃ）に示される如くに、概略ＶないしＵ字状に折り曲げられた１本の弾性線材からなり、外側に開く先端案内部４１ａ、前記回転軸部２５の環状溝３８に圧接嵌合せしめられる円弧状部４１ｂを有する一対の挟持片部４１、４１と、該一対の挟持片部４１、４１を連結するとともに、それらが相互に離隔する方向に押し拡げられたとき、それらを元に戻す方向に付勢する折曲ばね部４２と、からなっている。

このクリップ４０を装着するにあたっては、弁体２０の回転軸部２５を軸受穴１６に下側から貫挿した後、回転軸部２５の環状溝３８に側部ポート１１側から先端案内部４１ａ、４１ａを前にして円弧状部４１ｂ、４１ｂが前記環状溝３８に外嵌されるまで押し込む。これにより、クリップ４０は上側受座１５の上面１５ａ上に載置され、弁体２０全体がクリップ４０により回転は許容するが下方への抜けを阻止された状態で係止される。この状態では、弁体２０の頭頂部２３と上側受座１５の下面１５ｂとの間には、若干の隙間１８ｃが形成される。

このような構成のロータリー弁１’においては、弁体２０が図５に示される如くの位置に回転せしめられて、その開口部３０が側部ポート１１を開いているときには、流体（例えば水）が側部ポート１１から底部ポート１３へと流れ、その流量は弁体２０の回転位置すなわち開口部３０による側部ポート１１の開口面積に応じたものとなる。
弁体２０の開口部３０が反対側の側部ポート１２を開いているときも同様である。
また、上記とは逆に、流体を底部ポート１３から側部ポート１１と側部ポート１２のいずれかへ選択的に流すことも可能である。

以上は、当ロータリー弁１’を三方弁、流量調整弁、開閉弁等として使用する場合であるが、その他、開口部３０の形状を変えるなどすることにより、例えば側部ポート１１からの水と側部ポート１２からの湯との混合比率を調整する混合弁としても使用できるし、底部ポート１３からの流体を所望比率で側部ポート１１と側部ポート１２に分配する分配弁として使用することもできる。

特開２００３−２２２２５３号公報 特開２００８−２９８１６９号公報

前記した如くの従来のロータリー弁は、次のような改善すべき課題がある。
すなわち、弁体２０が側部ポート１１、１２を閉鎖する際の流体の漏れ量を少なくしたり、あるいは流量調整を精緻に行うためには、弁体２０の側面（円筒状部２２の側面）と弁体収容室１４との間隙をなるべく小さくする必要があり、この結果、円筒状部２２の側面と弁体収容室１４との間は事実上シールされる。

しかし、前記ロータリー弁１’では、流体が弁体２０内を流れるようになっている関係上、その流体の圧力で、弁体２０が上側受座１５側に強く押圧される。つまり、図５においては弁体２０の頭頂部２３と上側受座１５の下面１５ｂとの間に隙間１８ｃが形成されているが、流体圧力で弁体２０が上方に押し上げられて該隙間１８ｃがなくなり、この結果、頭頂部２３が弁本体１０の上側受座１５の下面１５ｂに強く押し付けられる。このように、頭頂部２３と上側受座１５の下面１５ｂとは略全域にわたって接触するのでその接触面積が大きく、大きな摩擦抵抗（摺動抵抗）が発生する。

あるいはまた、隙間１８ｃがなくならなくても、ステッピングモータ５０の出力軸に対してその中心軸方向に強い力が加えられ、該モータ５０に対する負荷が増大する。

このような傾向は、流体が弁体２０の下側から導入され、一旦、頭頂部２３の下面に当たってから弁体２０の側面から導出される場合、あるいは流体が弁体の２０の側面から導入されて弁体の下側へ導出される場合においても、流体圧力が高く、かつ通過流量が小さい場合には顕著である。

このため、弁体に応答遅れが生じたり、弁体が円滑に回転しなくなるおそれがあり、それを避けるには、発生トルクの大きなモータ等の駆動手段が必要となり、ロータリー弁の大型化、コストアップ等を招く。

かかる問題を解消するための一つの方策として、前記特許文献１の図１に符号２０で示されるように、上側受座１５と頭頂部２３との間にワッシャ類を介装することが考えられるが、それだけでは、摩擦抵抗を十分に低減することはできない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、大型化、コストアップ等を招くことなく、弁本体と弁体との間の摩擦抵抗（摺動抵抗）を可及的に低減し得て、弁体の応答遅れを生じさせることなく円滑に回転させることのできるロータリー弁を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係るロータリー弁は、上側受座、該上側受座の下面を天井部とする円筒状の弁体収容室、該弁体収容室の周壁部に開口する少なくとも一つの側部ポート、及び前記弁体収容室と同軸に開口する底部ポートを有する弁本体と、回転軸部及び該回転軸部の下側に連なる頭頂部付きで下面開口の円筒状部を有し、該円筒状部に、前記側部ポートの開口面積を回転に伴って変化させる所定形状の開口部が設けられた弁体と、を備え、前記弁体の頭頂部に少なくとも１つの均圧孔が形成されており、前記上側受座の下面と前記頭頂部との間に、前記均圧孔の一部を覆う環状部材が介装されていることを特徴としている。

前記均圧孔は、好ましくは、前記弁体の回転軸線を中心とした同一円周上に設けられる。
他の好ましい態様では、均圧孔は、横断面円形状又は横断面円弧状とすることができる。
さらに他の好ましい態様では、環状部材は滑り性の優れた材料により形成される。

本発明に係るロータリー弁では、弁体の円筒状部内の圧力が増大しても、弁体の頭頂部に形成された均圧孔を通じて円筒状部内と弁体の頭頂部及び弁体収容室の間に形成される背圧室との均圧が行われるので、弁体の頭頂部が上側受座の下面に強く押し付けられることは緩和され、頭頂部と上側受座の下面との間の摩擦抵抗（摺動抵抗）を効果的に低減することができる。

その結果、大型化、コストアップ等を招くことなく、弁本体と弁体との間の摩擦抵抗（摺動抵抗）を可及的に低減し得て、応答遅れを生じさせることなく弁体を円滑に回転させることが可能となる。

また、上記の構成に加え、上側受座の下面と弁体の頭頂部との間に環状部材が介装されることにより、上側受座の下面と弁体の頭頂部との間に積極的に背圧室とが形成され、上記の均圧が速やかに行われる。

さらに、環状部材が滑り性の良い材料により形成されることにより、弁体が上方に押し付けられても、頭頂部と上側受座の下面との間の摩擦抵抗（摺動抵抗）がさらに低減され、弁体をより一層円滑に回転させることができる。

本発明に係るロータリー弁の一実施例を示す部分切欠断面図。 図１に示されるロータリー弁の部分切欠斜視図（右側部ポート：開）。 図１に示されるロータリー弁の部分切欠斜視図（左側部ポート：開）。 （Ａ）図１に示される本発明例の弁体を示す斜視図、（Ｂ）図５に示される従来例の弁体を示す斜視図、（Ｃ）図１、図５に示されるクリップを示す平面図。 従来のロータリー弁の一例を示す部分切欠断面図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るロータリー弁の一実施例を示す部分切欠断面図である。
図示例のロータリー弁１は、前述した図５に示されるロータリー弁１’と基本構成は同じであるので、対応する部分には同じ符号を付してそれらの重複説明は省略し、以下においては相違点（本発明の特徴部分）を重点的に説明する。

本実施例のロータリー弁１も、従来例のロータリー弁１’と同様に、弁本体１０には、上側受座１５、弁体収容室１４、側部ポート１１、１２、及び底部ポート１３が設けられ、また、弁体２０は、回転軸部２５及び該回転軸部の下側に連なり、弁体２０の回転軸線Оに垂直な平坦な面を持つ頭頂部２３付きで下面開口の円筒状部２２を有し、該円筒状部２２に、前記側部ポート１１、１２の開口面積を回転に伴って連続的に変化させる所定形状の開口部３０が設けられている。また、上側受座１５の下面１５ｂも、頭頂部２３の形状に対応するように、回転軸線Оに垂直な平面とされている。

そして、図４（Ａ）に良く示されるように、弁体２０の平坦な頭頂部２３に同一寸法かつ横断面円形状の４個の均圧孔３５、３５、３５、３５が形成されている。この４個の均圧孔３５は、弁体２０の回転軸線Ｏを中心とした同一円周上に等角度（９０度）間隔で配置されている。なお、図４（Ａ）においては、開口部３０は、円筒状部２２の奥側に配置されているため図示されていない。

上記に加え、上側受座１５の下面１５ｂと頭頂部２３との間に、テフロン（登録商標）等の滑り性に優れたシート状又は板状の樹脂材料からなるワッシャ（環状部材）４５が弁体２０の回転軸部２５の下端に外嵌された状態で介装されている。この外嵌は、ワッシャ４５の内径部と回転軸部２５の外周部との間に多少の隙間を有するように緩く行われても良い。ワッシャ４５は円環状の部材により、あるいは矩形等の輪郭部材に円筒孔を設けることにより形成される。

この例においては、ワッシャ４５は、前記４個の均圧孔３５の一部を覆っており、４個の均圧孔３５の外周寄りの部位は常時開口している。この結果、弁体２０の頭頂部２３と弁体収容室１４の上面（上側弁座１５の下面１５ｂ）との間には、少なくともワッシャ４５の厚み分だけ、均圧孔３５に常時連通する背圧室１８が形成される。

かかる構成のロータリー弁１’においては、弁体２０が図１及び図２に示される如くの位置に回転せしめられて、その開口部３０が右側部ポート１１を開いているときには、流体（例えば水）が側部ポート１１から底部ポート１３へと流れ、その流量は弁体２０の回転位置すなわち開口部３０による側部ポート１１の開口面積に応じたものとなる。

また、図３に示される如くに、弁体２０の開口部３０が反対側の左側部ポート１２を開いているときも同様である。
また、上記とは逆に、流体を底部ポート１３から側部ポート１１と側部ポート１２のいずれかへ選択的に流すことも可能である。

以上は、当ロータリー弁１を三方弁又は流量調整弁として使用する場合であるが、その他、開口部３０の形状を変えるなどすることにより、例えば側部ポート１１からの水と側部ポート１２からの湯との混合比率を調整する混合弁としても使用できるし、底部ポート１３からの流体を所望比率で側部ポート１１と側部ポート１２に分配する分配弁として使用することもできる。

上記した如くの構成とされた本実施例のロータリー弁１では、流体が弁体２０の下側から導入され、一旦、頭頂部２３の下面に当たってから弁体２０の側面から導出される場合のように、弁体２０を頭頂部２３側に強く押圧する力が作用しても、弁体２２の頭頂部２３に形成された４個の均圧孔３５を通じて円筒状部２２内と背圧室１８との均圧が速やかに行われる。

ここで、背圧室１８内に流入した流体は、さらに軸受穴１６と回転軸部２５との間に流入するため、該流体によりＯリング２９が押圧され、この結果、弁体２０は上方に多少押し上げられようとするが、上記均圧の結果、弁体２０の頭頂部２３がワッシャ４５を介して上側受座１５の下面１５ｂに強く押し付けられることは、均圧孔３５を設けない従来のロータリー弁に比較して大幅に緩和され、これらの間の摩擦抵抗（摺動抵抗）を効果的に低減することができる。

流体が弁体２０の側面から導入されて弁体２０の下側へ導出される場合であっても、流体圧力が比較的高くかつ通過流量が小さいときにおいては、やはり弁体２０を頭頂部２３側に強く押圧する力が作用するが、この場合においても同様に、頭頂部２３が上側受座１５の下面１５ｂに強く押し付けられることは緩和される。

したがって、弁体２０より閉塞される側部ポート１１又は１２からの流体の漏洩を極力防止すべく、円筒状部２２の表面（側面）と弁体収容室１４との間の隙間をなるべく小さくして、事実上、これらの間をシールしても、当該ロータリー弁１の大型化、コストアップ等を招くことなく、弁本体１０と弁体２０との間の摩擦抵抗（摺動抵抗）を可及的に低減し得て、応答遅れを生じさせることなく円滑に弁体を回転させることが可能となる。

また、上側受座１５の下面１５ｂと弁体２０の頭頂部２３との間に滑り性に優れた樹脂材料からなるワッシャ４５が介装されているので、頭頂部２３と上側受座１５の下面１５ｂとの間の摩擦抵抗（摺動抵抗）がさらに低減され、弁体をより一層円滑に回転させることができる。

さて、均圧孔３５の寸法、形状、個数、配列状態等は上記実施例のものに限られないことは勿論であり、また、ワッシャ４５等の他の部分も、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施例に種々の改変を施すことができる。

すなわち、上述の説明においては、同一寸法かつ横断面円形状の均圧孔３５が４個、弁体２０の回転軸線Ｏを中心とした同一円周上に等角度間隔で配置されるものとしたが、本発明は特にこれのみに限定されることはなく、均圧孔の個数は１個以上であれば良い。

また、均圧孔を複数設ける場合においては、その設置角度は弁体２０の回転軸線Ｏを中心とした同一円周上に不等角度間隔で配置されても良い。

さらに、均圧孔を複数設ける場合においては、均圧孔は、同一円周上に配置されなくても良い。

さらにまた、均圧孔は図４（Ａ）に示されたような横断面円形状である必要はなく、横断面円弧状に形成されても良い。この場合、均圧孔は、弁体２０の回転軸線Оを中心とした横断面円弧状に形成されることもできる。

さらにまた、図１の事例では、均圧孔３５は、その一部がワッシャ４５に覆われるように頭頂部２３に設けられているが、ワッシャ４５にその一部が覆われないように（すなわち閉鎖されないように）頭頂部２３に設けられても良い。

さらにまた、ワッシャ４５を設けることにより、弁体２０の頭頂部２３と上側受座１５の下面１５ｂとの間に背圧室１８が積極的に形成されるが、このワッシャ４５は特に設けられなくても良い。すなわち、ワッシャ４５を設けない場合には、頭頂部２３と下面１５ｂとが接触した状態で弁体２０内に流体が流入することがあるが、この場合においても、該弁体２０内に流入する流体がその圧力により均圧孔３５を介して、頭頂部２３と下面１５ｂとの間に流入し、事実上、背圧室に相当する流体空間が形成される。

さらにまた、弁体２０の頭頂部２３は、弁体２０の回転軸線Оに垂直な平坦な面であり、上側受座１５の下面１５ｂも同様に、回転軸線Оに垂直な平面とされるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されることはなく、頭頂部２３を円錐形、半球状形等とし、上側受座１５の下面１５ｂも頭頂部２３の形状に対応するような円錐形、半球状形等としても良いことは当然である。

さらにまた、当該ロータリー弁は、弁本体の側面に設けられた２つの側部ポート（側部ポート１１及び１２）を備えるものとして説明したが、本発明はこれのみに限定されることはなく、側部ポートは３つ以上でも良く、また側部ポートを１つとして当該ロータリー弁を開閉弁等として利用しても良いことは当然である。

１ ロータリー弁
１０ 弁本体
１１ 側部ポート
１２ 側部ポート
１３ 底部ポート
１４ 弁体収容室
１５ 上側受座
１６ 軸受穴
１８ 背圧室
２０ 弁体
２２ 円筒状部
２３ 頭頂部
２５ 回転軸部
３０ 開口部
３５ 均圧孔
４５ ワッシャ（環状部材）
５０ ステッピングモータ

Claims (5)

1. 上側受座、該上側受座の下面を天井部とする円筒状の弁体収容室、該弁体収容室の周壁部に開口する少なくとも一つの側部ポート、及び前記弁体収容室と同軸に開口する底部ポートを有する弁本体と、回転軸部及び該回転軸部の下側に連なる頭頂部付きで下面開口の円筒状部を有し、該円筒状部に、前記側部ポートの開口面積を回転に伴って変化させる所定形状の開口部が設けられた弁体と、を備えたロータリー弁であって、
   前記弁体の頭頂部に少なくとも１つの均圧孔が形成されており、
   前記上側受座の下面と前記頭頂部との間に、前記均圧孔の一部を覆う環状部材が介装されていることを特徴とするロータリー弁。
2. 前記均圧孔は、前記弁体の回転軸線を中心とした同一円周上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のロータリー弁。
3. 前記均圧孔は、横断面円形状であることを特徴とする請求項１又は２記載のロータリー弁。
4. 前記均圧孔は、横断面円弧状であることを特徴とする請求項１又は２記載のロータリー弁。
5. 前記環状部材は、滑り性に優れた材料より成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ロータリー弁。

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