JP6419476B2

JP6419476B2 - 流路切換弁

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Publication number: JP6419476B2
Application number: JP2014150718A
Authority: JP
Inventors: 原　聖一; 聖一原; 望月　健一; 健一望月
Original assignee: Fujikoki Corp
Current assignee: Fujikoki Corp
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: JP2016023788A

Description

本発明は、流路切換弁に係り、例えば給湯設備などに使用されるシール性に優れた流路切換弁に関する。

従来、水と湯の混合比率を調整して得られた所要温度の温水を必要箇所に供給する給湯システムが知られている。このような給湯システムには、例えば、寒冷地での使用に対応すべく、外気温が低下したときに動作する凍結防止機能を備えた給湯設備が適用されている。

上記のような給湯設備の一例としては、図８に示すように、貯湯タンクＡと、熱源部（ヒートポンプ）Ｂ及び熱交換部Ｃと、貯湯タンクＡ下部の水を熱交換部Ｃを経由して上部へ供給する循環ポンプＤ及び循環水路部Ｅと、熱交換後の温水を貯湯タンクＡの上部に接続された貯湯側水路Ｆまたは貯湯タンクＡ下部に接続されたバイパス側水路Ｇに切り替える三方弁Ｈとを備え、流体（循環水路部Ｅにおいて熱交換部Ｃと三方弁Ｈとの間を流れる湯又は水、あるいはバイパス側水路Ｇを流れる湯又は水）の温度に応じて三方弁Ｈを貯湯側水路Ｆまたはバイパス側水路Ｇに切換えるものが挙げられる。

ところで、この種の給湯設備に採用される三方弁などの流路切換弁としては、特許文献１に所載のように、筒状の弁ハウジングと、この弁ハウジング内に回転自在に収容された弁体と、この弁体を回転駆動するためのステッピングモータとを備え、前記弁ハウジングに、底部ポートと複数個の側部ポートが形成されるとともに、前記弁体に、その回転に伴って前記各ポート間を選択的に開通・遮断できるように１本ないし複数本の連通用流路が形成され、前記弁ハウジングと前記弁体との間にシール材が介装されたものが知られている。

特開２０１０−２６１５６４号公報

しかしながら、前記した如くの流路切換弁では、流体（温水）を弁体内及び弁ハウジング内に流すと、弁体内及び弁ハウジング内が外気よりも高圧となる一方、弁体の上方に設けられて当該弁体を駆動させるためのモータが配置されたモータケース内は外気と同等の圧力となっている。そのため、弁体は、その圧力差により、当該弁体の頂面部（上端面部）が弁ハウジングの上端部に付設された上蓋部材（上側弁体受座）に押し付けられるようにモータケース側に付勢され、弁体の頂面部以外のシール性が低下する可能性があった。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、シール材などを使用することなく、簡単な構成によりシール性を確保することのできる流路切換弁を提供することにある。

上記する課題を解決するために、本発明に係る流路切換弁は、第１流路及び第２流路が設けられた弁体と、前記弁体が回転自在に収容された弁室、該弁室から径方向に向かって開口する流入ポート及び第１流出ポート、並びに該弁室から回転軸心方向に向かって開口する第２流出ポートが設けられた弁本体と、前記弁室内で前記弁体を回転軸心周りで回転させるための回転駆動装置と、を備え、前記弁体の回転により、前記第１流路を介して前記流入ポートと前記第１流出ポートとの間及び前記第２流路を介して前記流入ポートと前記第２流出ポートとの間を選択的に連通させる流路切換弁であって、前記第２流出ポートの壁面には径方向内側へ向かって狭まる段差部が設けられ、前記弁体は前記第２流出ポートの前記段差部まで延びており、前記弁体の周側面には前記段差部と当接するフランジ部が突設されており、前記弁体は、前記弁室内で回転軸心方向に移動自在となっており、前記第２流路は、回転軸心に対して傾斜した傾斜面を有し、前記第２流路を流体が流れる場合に、前記弁体が前記弁室内で前記回転駆動装置側に付勢され、前記フランジ部が前記段差部に直接密着するようになっていることを特徴とする。

好ましい形態では、前記弁体の周側面における前記第２流路の開口の回転軸心方向の幅は、前記流入ポートの口径以上である。

更に好ましい形態では、前記流入ポートと前記第１流出ポートとは回転軸心に対して反対側に設けられ、前記第１流路は直線状である。

更に好ましい形態では、前記第１流路の流路断面は、三角形状もしくは円形状である。

更に好ましい形態では、前記第１流路の流路断面は円形状であり、且つ前記第１流路の流路径は前記流入ポートもしくは前記第１流出ポートの口径以上である。

更に好ましい形態では、前記回転駆動装置は、前記弁本体の前記第２流出ポート側とは反対側に配設されている。

本発明の流路切換弁によれば、流入ポートと第２流出ポートとの間を連通させる前記第２流路が、回転軸心に対して傾斜した傾斜面を有していることにより、流入ポートと第２流出ポートとの間を連通させた際に、流入ポートから第２流出ポートへ流体を円滑に流しながら、傾斜面に対する流体の押圧力によって弁体が径方向に向かって開口する第１流出ポートに密着されるため、別途のシール材などを使用することなく、弁体周囲のシール性を確保でき、第１流出ポートへの流体漏れを効果的に抑制することができる。

また、前記弁体の周側面における前記第２流路の開口の回転軸心方向の幅が前記流入ポートの口径以上であることにより、前記第２流路の流路断面を確保することができ、第２流路を介して流入ポートと第２流出ポートとの間を連通させた際の流体の流れを円滑化することができる。

更に、前記第１流路の流路断面は円形状であり、且つ前記第１流路の流路径は前記流入ポートもしくは前記第１流出ポートの口径以上であることにより、第１流路を介して流入ポートと第１流出ポートとの間を連通させた際の流体の流れを円滑化することができる。

本発明に係る流路切換弁の実施形態の一部を切断して示す斜視図であって、第１流れ状態を示す図。図１に示す流路切換弁の縦断面図。本発明に係る流路切換弁の実施形態の一部を切断して示す斜視図であって、第２流れ状態を示す図。図３に示す流路切換弁の縦断面図。ロータリー弁の斜視図であって、（ａ）は右前方から視た斜視図、（ｂ）は左前方から視た斜視図。図３に示す流路切換弁の縦断面図であって、第１流出ポート側が第２流出ポート側よりも高圧となった状態（第３流れ状態）を示す図。ロータリー弁の他例の斜視図であって、（ａ）は右前方から視た斜視図、（ｂ）は左前方から視た斜視図、（ｃ）は図７（ｂ）の縦断面図。給湯設備の一例を示す図。

以下、本発明に係る流路切換弁の実施形態を図面を参照して説明する。

図１及び図３は、本発明に係る流路切換弁の実施形態の一部を切断して示す斜視図であって、それぞれ第１流れ状態及び第２流れ状態を示す図であり、図２及び図４は、図１及び図３に示す流路切換弁の縦断面図である。図示する流路切換弁１は、例えば加熱された給水（温水）を貯湯タンクの上部もしくは下部に供給する給湯設備において、各流路を切り換える切換弁として使用されるものである。なお、本明細書において、上下、左右、前後の方向を表す記述は、図１〜図４、図６に示す方向矢印表示を基準としており、必ずしも、実際の使用状態での位置や方向を指すものではない。

図示する流路切換弁１は、主に、弁室１１を有する弁本体１０と、弁室１１内に回転摺動自在に収容された弁体２１と回転伝達軸２５とを有する樹脂製のロータリー弁２０と、ロータリー弁２０を回転軸心周りで回転させるための回転駆動装置としてのモータ３０とを備えている。

弁本体１０は、横向き（図示例では、左右）の円筒状空所からなる弁室１１が内部に設けられるとともに、その周壁部１０ａには、軸心Ｌ（ロータリー弁２０の回転軸心と一致）に対して反対側の位置に（すなわち、１８０度の角度間隔を置いて）径方向（図示例では、下方及び上方）に向かって開口する流入ポート１２及び第１流出ポート１３、並びに、軸心Ｌ方向（図示例では、右方）に向かって開口する第２流出ポート１４が設けられている。なお、これらの流入ポート１２、第１流出ポート１３、及び第２流出ポート１４の外側には、それぞれ管状継手１２Ａ、１３Ａ、１４Ａが弁本体１０と一体に設けられている。

また、周壁部１０ａのうち第２流出ポート１４とは反対側（図示例では、左側）の位置には、ロータリー弁２０の回転伝達軸２５が回転自在に挿嵌される段付き穴１５が貫設されると共に、その周壁部１０ａからモータ３０側（図示例では、左側）へ延びる突設部１６には、回転伝達軸２５を保持する保持クリップ２６が挿入される挿入口１７ａを有する略矩形状の嵌挿穴１７が形成されている。

さらに、第２流出ポート１４の壁面１４ａ（の流入ポート１２や第１流出ポート１３に近い部分）には、径方向外側へ向かって拡径するように円環状の段差部１８が設けられている。前記第２流出ポート１４の壁面１４ａのうち左端側の小径部分１４ａａは、弁室１１内に収容された弁体２１と同径に設計されて当該弁体２１の周側面と摺接するようになっている。

前記弁室１１内に収容されるロータリー弁２０の弁体２１は、流入ポート１２と第１流出ポート１３との距離と同径である略円柱状を呈すると共に、その端部（図示例では、右端部）は、第２流出ポート１４の壁面１４ａに設けられた段差部１８まで軸心Ｌ方向で延びており、その端部の周側面には、径方向へ向かって張り出す円環状のフランジ部２２が突設されている。このフランジ部２２の外径は、第２流出ポート１４の口径よりも小さく設計され、フランジ部２２の外周面と第２流出ポート１４の壁面１４ａのうち大径部分１４ａｂとは離間して配置されている。また、フランジ部２２の左側面と弁体２１の左側面との距離は、弁室１１の左側面と段差部１８の段差面である右側面との距離よりも小さく設計されており、当該弁体２１が弁室１１内に配置された際に、弁体２１の左側面が弁室１１の左側面から離間した状態でフランジ部２２の左側面が段差部１８の右側面（段差面）と当接するようになっている。

また、弁体２１の内部には、流入ポート１２と第１流出ポート１３との間を連通させる第１流路２３と、流入ポート１２と第２流出ポート１４との間を連通させる第２流路２４とが設けられている。第１流路２３は、その流路断面が略直角二等辺三角形状（図４参照）を有するように、径方向（すなわち、軸心Ｌに直交する方向）へ直線状に貫設されている。また、第２流路２４は、その流路断面が略矩形状を有するように、軸心Ｌに対して略４５度だけ傾斜した方向へ貫設され、それにより、軸心Ｌに対して傾斜した平面からなる傾斜面２４ａを有すると共に、弁体２１の周側面および右端面における開口２４ｂ、２４ｃが略矩形状を呈している。ここで、第１流路２３の貫設方向と第２流路２４の貫設方向とはねじれの位置関係で直交しており、第２流路２４の弁体２１の周側面における開口２４ｂは、第１流路２３の弁体２１の周側面における開口から９０度の角度間隔を置いて設けられ、ロータリー弁２０を略９０度だけ軸心Ｌ周りで回転させた際に、第１流路２３と第２流路２４とが切換わるようになっている。また、第２流路２４の流路断面を確保するべく、第２流路２４の弁体２１の周側面における開口２４ｂの左右方向（軸心Ｌ方向）の幅は、流入ポート１２及び第１流出ポート１３の口径と略同じに設計されている（図４参照）。なお、この左右方向（軸心Ｌ方向）の幅を、流入ポート１２及び第１流出ポート１３の口径よりも大きくすれば、第２流路２４を介して流入ポート１２と第２流出ポート１４との間を連通させた際の流体の流れをより円滑化することができる。

弁体２１の左端部の中央には、モータ３０のロータ３１の回転を当該弁体２１に伝達する回転伝達軸２５が、モータ３０側へ向かって且つ軸心Ｌに沿って突設されている。この回転伝達軸２５は、周壁部１０ａの段付き穴１５に回転自在に挿嵌されると共に、その右端部には、回転伝達軸２５の周側面と段付き穴１５の内側面との間をシールするべくＯリング２７が装着され、その左端部には、モータ３０のロータ３１と噛み合うセレーション軸部２８（図５参照）が設けられている。

さらに、回転伝達軸２５のＯリング２７とセレーション軸部２８との間の部分には、保持クリップ２６が係合される円環状の係合溝２９が形成されている。この係合溝２９の左右方向の幅は、保持クリップ２６の左右方向の厚さよりも大きく設計され、保持クリップ２６が係合溝２９に遊びを有して嵌められるようになっており、これにより、ロータリー弁２０は、弁本体１０に対して軸心Ｌ方向に移動自在となっている。すなわち、ロータリー弁２０を構成する前記弁体２１や前記回転伝達軸２５は、弁本体１０の弁室１１や段付き穴１５内で軸心Ｌ方向に移動自在となっている。

上記ロータリー弁２０は、回転伝達軸２５の右端部にＯリング２７が装着された状態で、軸心Ｌに沿って管状継手１４Ａ及び第２流出ポート１４を通して弁本体１０内に挿入し、弁体２１に設けられたフランジ部２２の左側面が弁本体１０に設けられた段差部１８の右側面と当接した姿勢で、略Ｕ字状の保持クリップ２６を嵌挿穴１７に挿入して回転伝達軸２５の係合溝２９に係合させる。これにより、ロータリー弁２０は、弁本体１０に対して軸心Ｌ周りに回転自在に配置されると共に、軸心Ｌ方向に移動自在に配置される。

モータ３０は、弁本体１０の突設部１６やその突設部１６から突出したロータリー弁２０のセレーション軸部２８を覆うように、かつ、モータ３０のロータ３１がセレーション軸部２８と係合するように、そのモータケース３２が例えば締結ねじ（不図示）によって弁本体１０に一体に固定され、モータ３０の駆動力が弁体２１へ伝達されるようになる。なお、モータ３０のロータ３１と回転伝達軸２５との係合は、前記セレーション軸部２８以外の方式により行われても良い。

このような構成の流路切換弁１では、図１及び図２に示すように、弁体２１の第１流路２３を介して流入ポート１２と第１流出ポート１３とが連通した状態で流体を流す（第１流れ状態）と、弁体２１内及び弁本体１０内が外気よりも高圧となると共に、第２流出ポート１４側が弁体２１内と同圧以上となるため、弁体２１内及び弁本体１０内とモータケース３２内の圧力差及び第２流出ポート１４側と弁体２１内の圧力差によって、弁体２１がモータケース３２側（図示例では左側）に付勢され、弁体２１のフランジ部２２の左側面が弁本体１０の段差部１８の右側面に密着される。そのため、第２流出ポート１４側のシール性を確保でき、第２流出ポート１４への流体漏れを抑制することができる。

また、モータ３０によりロータリー弁２０を（左方から視て時計回りに）略９０度だけ軸心Ｌ周りで回転させ、図３及び図４に示すように、第２流路２４を介して流入ポート１２と第２流出ポート１４とが連通した状態で流体を流す（第２流れ状態）と、弁体２１内及び弁本体１０内が外気よりも高圧となると共に、流体が第２流路２４の流入ポート１２側に向いた傾斜面２４ａに衝接して第２流出ポート１４側へ誘導されるため、弁体２１内及び弁本体１０内とモータケース３２内の圧力差及び傾斜面２４ａに対する流体の押圧力によって、弁体２１がモータケース３２側（図示例では左側）に付勢され、弁体２１のフランジ部２２の左側面が弁本体１０の段差部１８の右側面に密着される。また、この第２流れ状態では、前記した傾斜面２４ａに対する流体の押圧力によって、弁体２１が第１流出ポート１３側（図示例では上側）に押し付けられ、弁体２１の周側面が第１流出ポート１３に密着される。そのため、第２流出ポート１４側及び第１流出ポート１３側のシール性を確保でき、第１流出ポート１３への流体漏れを抑制することができる。

また、上記した構成の流路切換弁１では、第１流出ポート１３に設けられた管状継手１３Ａ側における流体の凍結等によって、第１流出ポート１３側が第２流出ポート１４側よりも高圧となる、特に流入ポート１２と第１流出ポート１３とが連通した状態で流体を流して第１流出ポート１３側が第２流出ポート１４側よりも高圧となった場合、図６に示すように、その圧力差によって、弁体２１が第２流出ポート１４側（図示例では右側）に付勢され、弁体２１のフランジ部２２の左側面が弁本体１０の段差部１８の右側面から離間する。そのため、フランジ部２２と段差部１８との間に形成された隙間Ｓを介して第２流出ポート１３側の圧力が第１流出ポート１４側へ逃がされ（第３流れ状態）、当該流路切換弁１の損傷を抑制することができる。

このように、本実施形態では、流入ポート１２と第２流出ポート１４との間を連通させる第２流路２４が軸心Ｌに対して傾斜した方向で形成され、且つ軸心Ｌに対して傾斜した傾斜面２４ａを有していることにより、第２流路２４を介して流入ポート１２と第２流出ポート１４との間を連通させた際に、流入ポート１２から第２流出ポート１４へ流体を円滑に流しながら、傾斜面２４ａに対する流体の押圧力によって弁体２１が径方向に向かって開口する第１流出ポート１３に密着されるため、弁体２１周囲のシール性を確保でき、第１流出ポート１３への流体漏れを効果的に抑制することができる。

なお、上記した実施形態では、弁体２１内の第２流路２４の流路断面を確保するべく、第１流路２３の流路断面を略三角形状としたが、この第１流路２３の流路断面は、四角形状などの多角形状、円形状や楕円形状などであっても良い。例えば、図７に示すように、第１流路２３Ａの流路断面が円形状である場合には、第２流路２４Ａは、前記第１流路２３Ａとの干渉を回避するために、内側に窪んだ凹部を構成する軸心Ｌに平行な水平面２４ｂＡと軸心Ｌに対して傾斜した傾斜面２４ａＡなどから構成すれば良い。軸心Ｌに平行な水平面２４ｂＡを有することにより、前記した第２流れ状態において、その水平面２４ｂＡが流入ポート１２から流入する流体の流れ方向に対して略垂直に配置され、水平面２４ｂＡに対する流体の押圧力によって、弁体２１Ａが第１流出ポート１３側により強く押し付けられ、弁体２１Ａの周側面が第１流出ポート１３により緊密に密着される。また、第１流路２３Ａの流路断面が円形状である場合、その流路径を流入ポートや第１流出ポートの口径と同径もしくはそれ以上に設計することで、上記した第１流れ状態における流れを円滑化することができる。

また、上記した実施形態では、構成を簡素化するべく、流入ポート１２と第１流出ポート１３とが軸心Ｌに対して反対側に設けられ、第１流路２３が直線状であるとしたが、流入ポート１２及び第１流出ポート１３が弁室１１の周方向に設けられていれば、流入ポート１２と第１流出ポート１３との位置関係は適宜に変更することができる。

また、上記した実施形態では、シール性を高めるべく、第２流出ポート１４の壁面１４ａに径方向外側へ向かって拡がる段差部１８を設け、弁体２１をその第２流出ポート１４の段差部１８まで延設し、弁体２１の周側面にその段差部１８と当接するフランジ部２２を突設させたが、当該段差部１８やフランジ部２２は省略しても良い。また、流路切換弁１の大きさを小型化したり部品点数や組立工数を削減するべく、弁体２１の周側面のうち第２流出ポート１４側の端部にフランジ部２２が一体に設けられているが、第２流出ポート１４側の端部以外の箇所にフランジ部２２を形成しても良く、また、当該フランジ部２２を弁体２１と別体に形成しても良い。

また、上記した実施形態では、ロータリー弁２０の弁体２１が樹脂製であるとしたが、当該弁体２１の形成素材は適宜に選択でき、例えば金属製であっても良い。

また、上記した実施形態では、略Ｕ字状の保持クリップ２６を用いて弁本体１０に対してロータリー弁２０を保持したが、弁本体１０に対するロータリー弁２０の保持手段は適宜に選択することができる。

また、上記した実施形態では、流入ポート１２が下方に配置され、第１流出ポート１３が上方に配置され、第２流出ポート１４が右方に配置されるものとしたが、流路切換弁１の使用時の姿勢は適宜に選択することができる。例えば、流入ポート１２及び第１流出ポート１３を左右方向に配置し、第２流出ポート１４を下方に配置しても良い。

また、上記した形態の流路切換弁１は、上記した給湯設備の他、自動車等のエンジンルーム内を流れる流体の流路を切り換える流路切換弁等の様々な機器における流路切換装置として採用できることは当然である。

１流路切換弁
１０弁本体
１０ａ周壁部
１１弁室
１２流入ポート
１３第１流出ポート
１４第２流出ポート
１４ａ第２流出ポートの壁面
１４ａａ壁面の小径部分
１４ａｂ壁面の大径部分
１５段付き穴
１７嵌挿穴
１７ａ挿入口
１８段差部
２０ロータリー弁
２１弁体
２２フランジ部
２３第１流路
２４第２流路
２４ａ傾斜面
２５回転伝達軸
２６保持クリップ
２７Ｏリング
２８セレーション軸部
２９係合溝
３０モータ（回転駆動装置）
Ｌ軸心（回転軸心）

Claims

第１流路及び第２流路が設けられた弁体と、
前記弁体が回転自在に収容された弁室、該弁室から径方向に向かって開口する流入ポート及び第１流出ポート、並びに該弁室から回転軸心方向に向かって開口する第２流出ポートが設けられた弁本体と、
前記弁室内で前記弁体を回転軸心周りで回転させるための回転駆動装置と、を備え、
前記弁体の回転により、前記第１流路を介して前記流入ポートと前記第１流出ポートとの間及び前記第２流路を介して前記流入ポートと前記第２流出ポートとの間を選択的に連通させる流路切換弁であって、
前記第２流出ポートの壁面には径方向内側へ向かって狭まる段差部が設けられ、前記弁体は前記第２流出ポートの前記段差部まで延びており、前記弁体の周側面には前記段差部と当接するフランジ部が突設されており、
前記弁体は、前記弁室内で回転軸心方向に移動自在となっており、
前記第２流路は、回転軸心に対して傾斜した傾斜面を有し、
前記第２流路を流体が流れる場合に、前記弁体が前記弁室内で前記回転駆動装置側に付勢され、前記フランジ部が前記段差部に直接密着するようになっていることを特徴とする流路切換弁。
前記弁体の周側面における前記第２流路の開口の回転軸心方向の幅は、前記流入ポートの口径以上であることを特徴とする請求項１に記載の流路切換弁。
前記流入ポートと前記第１流出ポートとは回転軸心に対して反対側に設けられ、前記第１流路は直線状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の流路切換弁。
前記第１流路の流路断面は、三角形状もしくは円形状であることを特徴とする請求項３に記載の流路切換弁。
前記第１流路の流路断面は円形状であり、且つ前記第１流路の流路径は前記流入ポートもしくは前記第１流出ポートの口径以上であることを特徴とする請求項４に記載の流路切換弁。
前記回転駆動装置は、前記弁本体の前記第２流出ポート側とは反対側に配設されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の流路切換弁。