JP6487670B2 - ボールバルブ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータによりボール弁体を回転させることにより、バルブの開閉を行うものであって、ボディと該ボール弁体との間にリング状のボールシート及び該ボディと該ボールシートとの間に配置された弾性部材を有し、異物が混在する流体に用いられるボールバルブに関するものである。

高齢化が進んだ現代では、介護を必要とする要介護者が増加する傾向にある。介護において、排泄は重要事項の一つである。
しかし、要介護者が排泄のためにトイレまで行くとき、転倒する恐れがあった。また、排泄のための付き添いが必要である場合、排泄物の後始末等、介護者に対し負担が大きくなっていた。これらを防止するため、介護ベッドの近くに設置する移動式簡易トイレの需要が高まっている。従来の簡易トイレは、においや後始末に対する問題があったが、近年、簡易トイレが普及し、においや後始末の問題を解消する水洗式の簡易トイレが開発されている。

従来、この種の技術として、特許文献１に記載されるボールバルブの構造がある。ボールバルブは、ボールバルブの２次側にあるタンクを真空ポンプにより負圧にした状態で開閉動作を行う。これにより、排泄物やトイレットペーパは水とともにタンクへ吸引される。真空で吸引することにより、一挙にトイレットペーパ等を吸引することができるため、トイレットペーパ等を流すための水を必要最低限に抑えることができる。また、同じ容量のタンクで、トイレの使用可能回数を増やすことができ、介護者の負担を軽減させる。または、タンクを小型化することができ、限られたスペースに置く必要がある簡易トイレを小型化することができる。
また、このような簡易トイレは、小さい真空ポンプであっても、使用の際、一定の時間が経てばタンクへ吸引するための真空圧を保つことができる。そのため、真空ポンプを小さくすることができ、小型化だけでなく、コストを抑えることができる。

従来技術であるボールバルブ１１０の構造を図８に示す。
ボールバルブ１１０は、バルブ部１１１と、中空貫通孔１０３ａを有するボール弁体１０３を制御するアクチュエータ部１１２とから構成されている。バルブ部１１１内には、ボール弁体１０３が配置され、ボール弁体１０３が、アクチュエータ部１１２内に有する図示しないアクチュエータにより、９０度回転されることにより、バルブの開閉を行う。

バルブ部１１１は、図８に示すように、外形はバルブボディ本体１０４とバルブキャップ１０５により構成されている。バルブボディ本体１０４とバルブキャップ１０５の間には、ボールバルブ１１０の開閉を行うボール弁体１０３を中心に、左右に各々リング状のボールシート１０１Ａ、１０１Ｂ、及びＯリング１０２Ａ、１０２Ｂが構成されている。ボールシート１０１Ａ、１０１Ｂはポート付近にのみに形成されているため、バルブ部１１１内でボールシート１０１Ａ、１０１Ｂとボール弁体１０３が形成する空間Ｐがある。ボールシート１０１Ａ、１０１Ｂは、ボール弁体１０３とバルブボディ本体１０４の間を流体が漏れることを防止するため取付けられている。Ｏリング１０２Ａ、１０２Ｂは、ボールシート１０１Ａ、１０１Ｂをボール弁体１０３に押し当てて流体が漏れないようにするために取付けられている。
図９に示すように、バルブボディ本体１０４のアクチュエータ部１１２との接合面には、シャフト孔１０４ａが形成されている。シャフト孔１０４ａには、９０度回転可能なシャフト１０７が挿入されている。シャフト１０７を挿入した際のシャフト孔１０４ａとの空間には、流体の漏れを防止するためのＯリング１０８がある。

一方、液溜まりを問題とする分野では、特許文献２に記載されるボールバルブの構造がある。液溜まりを防止するため、余分な空間がなく、ボールシートがボール弁体のほぼ全面と摺動するように形成されている。このようなボールバルブは、液体が流れることしか想定されておらず、異物が流れることは想定されていない。

特開2010-1964号公報 実用新案登録第2586250号公報

しかしながら、従来のボールバルブには、次のような問題があった。
すなわち、特許文献１に記載のボールバルブ１１０のうち、ボール弁体１０３が回転されることにより、流路が形成される状態を上面から見た作用図を時系列的に示した図を図１０に示す。図１０中（Ａ）は弁閉状態で、（Ｂ）から（Ｃ）の弁開途中の状態を経て、（Ｄ）の弁開状態となる。
図１０中（Ａ）の弁閉状態から、ボール弁体１０３が回転し始めて（Ｂ）の状態となるとき、バルブ部１１１内でボールシート１０１とボール弁体１０３が形成する空間Ｐに流体が流れ込む。そのため、流体は流路を示す矢印Ｘ、Ｙ、Ｚに分岐してしまう。さらにボール弁体１０３が（Ｂ）から（Ｃ）の状態に回転するとき、ボールバルブ１１０は、（Ａ）の弁閉状態から約５秒で一気に（Ｄ）の弁開状態となる。そのため、矢印ＸとＺに分岐した流体、特に便器内のトイレットペーパのような異物が、ボールシート１０１とボール弁体１０３との接触部付近Ｍ、Ｎで噛み込む恐れがある。

一方、上記問題を解決するために、ボールシートがボール弁体の全体を覆う特許文献２の構造が考えられる。しかし、特許文献２に記載のボールバルブでは、ボールシートがボール弁体のほぼ全面を摺動するため、ボール弁体が回転するのに摺動抵抗が高い。摺動抵抗が高い場合、ボールバルブを回転させるためのモータを大きくすれば問題ない。しかし、真空ポンプやモータを大きくすると、コストがかかるため、介護ベッドの近くに設置する移動式簡易トイレに使用する場合には、費用等の面で困難となる恐れがある。

本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、ボールシートとボール弁体の空間に異物が噛み込むことを抑止する、低コストで耐異物性の高いボールバルブを提供することを目的とする。

本発明のボールバルブは、上記課題を解決するために、次のような構成を有している。
（１）アクチュエータによりボール弁体を回転させることにより、バルブの開閉を行うものであって、バルブボディと該ボール弁体との間にリング状のボールシート及び該ボディと該ボールシートとの間に配置された弾性部材を有し、異物が混在する流体に用いられるボールバルブにおいて、前記ボールシートは、前記ボール弁体と接触する接触凸部及び前記ボール弁体との間に所定の第１隙間を形成する延設部により構成されていること、前記ボールシートは、一対のものであって、各々の前記ボールシートの間に所定の第２隙間が形成されていること、前記ボールシートが摩耗しても前記弾性部材の弾力性で前記ボールシートが前記ボール弁体に押し付けられるので、シール性を維持することができること、を特徴とする。
（２）（１）に記載のボールバルブにおいて、前記ボール弁体を回転させるとき、前記第１隙間に前記異物が侵入することがないこと、を特徴とする。

（３）（１）又は（２）に記載のボールバルブにおいて、前記バルブボディを構成するバルブキャップは、前記ボール弁体側の内周端部に前記ボールシートの内周面と嵌合する凸部が形成されていること、を特徴とする。
（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のボールバルブにおいて、前記異物は、トイレットペーパであり、前記ボールバルブは、負圧により前記トイレットペーパを吸引する簡易トイレに用いられること、を特徴とする。

本発明のボールバルブは、次のような作用、効果を奏する。
（１）アクチュエータによりボール弁体を回転させることにより、バルブの開閉を行うものであって、バルブボディと該ボール弁体との間にリング状のボールシート及び該ボディと該ボールシートとの間に配置された弾性部材を有し、異物が混在する流体に用いられるボールバルブにおいて、前記ボールシートは、前記ボール弁体と接触する接触凸部及び前記ボール弁体との間に所定の第１隙間を形成する延設部により構成されていること、を特徴とするので、バルブボディ内でボールシートとボール弁体が形成する空間が狭いため、トイレットペーパ等の異物が侵入することを抑止することができ、ボールシートの接触凸部とボール弁体の間に異物が噛み込むことを抑止することができる。また、所定の第１隙間が形成されていることにより、ボール弁体が回転する際の摺動抵抗が小さく、モータを大きくする必要がないため、小型化するとともに、コストを抑えることができ、介護ベッドの近くに設置する移動式簡易トイレに使用することができる。

（２）（１）に記載のボールバルブにおいて、前記ボール弁体を回転させるとき、前記第１隙間に前記異物が侵入することがないこと、を特徴とするので、バルブ部内でボールシートとボール弁体が形成する空間が狭いため、ボールシートの接触凸部とボール弁体の間に異物が噛み込むことを防止することができる。

（３）（１）又は（２）に記載のボールバルブにおいて、前記ボールシートは、一対のものであって、各々の前記ボールシートの間に所定の第２隙間が形成されていること、を特徴とするので、ボールシートが摩耗してもＯリングの弾性力でボールシートがボール弁体に押し付けられるので、シール性を維持することができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のボールバルブにおいて、前記バルブボディを構成するバルブキャップは、前記ボール弁体側の内周端部に前記ボールシートの内周面と嵌合する凸部が形成されていること、を特徴とするので、ボール弁体が回転してもボールシートがずれることがなく、バルブキャップとボールシートの間に異物が侵入することを防ぐとともに、摺動抵抗の上昇を抑えることができる。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載のボールバルブにおいて、前記異物は、トイレットペーパであり、前記ボールバルブは、負圧により前記トイレットペーパを吸引する簡易トイレに用いられること、を特徴とするので、ボールシートとボール弁体の間の空間にトイレットペーパ等の異物が侵入することを防ぐことができる。

本実施形態のボールバルブの弁閉状態の断面図である。 本実施形態のボールバルブの弁開状態の断面図である。 図２のＥ−Ｅ断面図である。 本実施形態のボールバルブの外観図である。 本実施形態のボールシートの平面図である。 図５のＦ−Ｆ断面図である。 本実施形態のボール弁体が回転されることにより、流路が形成される状態を上面から見た作用図を時系列的に示した図である。 従来のボールバルブの一部断面図である。 従来のバルブ部の分解斜視図である。 従来のボール弁体が回転されることにより、流路が形成される状態を上面から見た作用図を時系列で並べた図である。

本発明を具体化したボールバルブについて、図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、ボールバルブ１の弁閉状態の断面図を示し、図２に弁開状態の断面図を示す。図３に、図２のＥ−Ｅ断面図を示す。また、図４に、ボールバルブ１の外観図を示す。図５に、ボールシート７の平面図を示し、図６に、図５のＦ−Ｆ断面図を示す。なお、図５及び図６の一点鎖線は、一対のボールシート７Ａ、７Ｂを配置したときの中心線を示している。また、図７に、ボール弁体６が回転されることにより、流路が形成される状態を上面から見た作用図を時系列的に示した図を示す。

ボールバルブ１は、図１に示すように、バルブ部３と、ボール弁体６を制御するアクチュエータ部２とから構成されている。アクチュエータ部２内には、モータ１５が設置されている。バルブ部３内には、中空貫通孔６１を有し、外形が球形状のボール弁体６が配置されている。ボール弁体６の球状壁面を球状外周面６２という。ボール弁体６が、モータ１５により、回転されることにより、バルブの開閉を行う。

バルブ部３の外郭は、バルブボディ本体４と、２つのバルブキャップ５Ａ、５Ｂにより構成されている。バルブキャップ５Ａには、入口ポート５１Ａが形成され、バルブキャップ５Ｂには、出口ポート５１Ｂが形成されている。バルブボディ本体４とバルブキャップ５Ａ、５Ｂの間には、ボールバルブ１の開閉を行うボール弁体６を中心に、左右に一対のリング状のボールシート７Ａ、７Ｂ、及びＯリング８Ａ、８Ｂが取り付けられている。ボールシート７Ａ、７Ｂは、ボール弁体６、バルブボディ本体４、及びバルブキャップ５により形成される内部空間に流体が漏れることを防止するため取付けられている。ボールシート７の材質は、フッ素系樹脂、特にフッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）である。
なお、Ｏリング８は、請求項に記載する「弾性部材」に相当する。また、バルブ部３の外郭を構成するバルブボディ本体４とバルブキャップ５は、請求項に記載する「バルブボディ」に相当する。

ボールシート７Ａ、７Ｂには、図１、図３及び図６に示すように、ボール弁体６の球状外周面６２と接触する接触凸部７２Ａ、７２Ｂが各々形成されている。ボールシート７Ａ、７Ｂには、ボール弁体６の球状外周面６２を覆うように延設部７１Ａ、７１Ｂが各々形成されている。ボールシート７Ａ、７Ｂとボール弁体６は、接触凸部７２Ａ、７２Ｂでのみ接触している。ボールシート７Ａ、７Ｂは、アクチュエータ部２側を除き、延設部７１Ａ、７１Ｂによりボール弁体６を覆うように形成されている。また、ボールシート７Ａ、７Ｂとボール弁体６の間には、図１及び図３に示すように、所定の第１隙間Ｔがあり、直接的に接触していない。第１隙間Ｔは、ボール弁体６の外周外側において、液体は進入するが、トイレットペーパ等の異物は侵入することがないようにするために必要な最低限の大きさを有する。実際には、ボールバルブの大きさにより異なるが、本実施形態では、約０．５ｍｍ程度の大きさである。また、第１隙間Ｔがあることにより、ボール弁体６の回転時の摺動抵抗を抑えることができる。
ボールシート７Ａ、７Ｂの延設部７１Ａ、７１Ｂは、互いに接触することはなく、所定の第２隙間Ｓ（Ｗ＝約１ｍｍ程度）が形成されている。第２隙間Ｓがあることにより、ボールシート７の摩耗が進行してもシール性を維持することができる。

バルブキャップ５Ａ、５Ｂのボール弁体６側の内周端部には、図１に示すように、ボールシート７Ａ、７Ｂの一部を覆うように流体の流れ方向に平行に凸部５２Ａ、５２Ｂが形成されている。凸部５２は、ボールシート７の内周面と隙間なく嵌合するように形成されている。そのため、ボール弁体６が回転してもボールシート７はずれることがない。また、凸部５２は、バルブキャップ５とボールシート７との間に異物が侵入することを防ぐとともに、摺動抵抗の上昇を抑止する。また、バルブキャップ５Ａ、５Ｂのボール弁体６側の外周には、凹部が形成されており、各々Ｏリング１０Ａ、１０Ｂが取付けられる。Ｏリング１０Ａ、１０Ｂにより、バルブボディ本体４とバルブキャップ５Ａ、５Ｂの間から流体が漏れるのを防止する。

バルブボディ本体４のアクチュエータ部２との接合面には、シャフト孔４１が形成されている。シャフト孔４１には、回転可能なシャフト９が挿入されている。シャフト９を挿入した際のシャフト９とシャフト孔４１との間には、シャフトブッシュ１１がある。シャフトブッシュ１１には、外周に凹部が形成されており、Ｏリング１２が取り付けられている。Ｏリング１２により、バルブボディ本体４との間から流体が漏れるのを防止する。シャフト９には、外周に凹部が２つ形成されており、Ｏリング１３が各々取り付けられている。Ｏリング１３により、シャフトブッシュ１１との間から流体が漏れるのを防止する。シャフト９の下方先端部にはシャフト係合凸部９１があり、ボール弁体６のボール係合凹部６３と嵌合している。シャフト９の上方先端部には、すり割り部が形成され、モータ１５の出力軸の二面幅部と連結している。

次に、本実施形態に係るボールバルブ１の作用について、図７を用いて説明する。
図７の（Ａ）に示すボールバルブ１の弁閉状態では、入口ポート５１Ａでボール弁体６の球状外周面６２及びボールシート７Ａに流路を遮られているため、流体は出口ポート５１Ｂに流れることはできない。すなわち、ボール弁体６の球状外周面６２に沿って流れようとする流体は、ボールシート７Ａの接触凸部７２Ａと球状外周面６２とが接触しているため、流れることができない。

次に、図７（Ａ）の弁閉状態から、ボール弁体６が回転し始めて（Ｂ）の状態となるとき、主な流路は矢印Ｇで示す流路である。すなわち、入口ポート５１Ａからボールシート７側に流れたとしても、矢印Ｇ１、Ｇ２に示すように、ボールシート７にあたって最終的に矢印Ｇに合流する。第１隙間Ｔには、液体は進入するが、異物は侵入しない。そのため、ボール弁体６が回転したときに、トイレットペーパ等の異物がボール弁体６の外周外側に侵入することがない。よって、ボール弁体６が図７（Ｂ）から（Ｃ）の状態へ回転するとき、ボールシート７の接触凸部７２とボール弁体６の間にトイレットペーパ等の異物が噛み込むことはない。

ここで、バルブ部３内でボールシート７とボール弁体６が形成する第１隙間Ｔ及び第２隙間Ｓは、図１０（Ｂ）に示す空間Ｐと比較して狭い。従来のボールバルブ１１０では、図１０（Ｂ）に示すように、弁開途中、ボールシート１０１Ａ、１０１Ｂとボール弁体１０３の間の空間Ｐは大きいため、流体はボール弁体１０３の外周外側に流れ込み、流路は矢印Ｘ、Ｙ、Ｚに分岐する。その結果、ボール弁体１０３が回転して図１０（Ｃ）の状態になると、ボールシート１０１とボール弁体１０３の接触部付近Ｍ、Ｎにおいて、トイレットペーパのような異物を噛み込んでしまう恐れがあった。

一方、本実施形態のボールバルブ１では、第１隙間Ｔの大きさは、トイレットペーパがボール弁体６の外周外側を侵入することがないようにするために必要とする最低限の大きさを有するように設定されている。すなわち、本実施形態の第１隙間Ｔは、約０．５ｍｍ程度の大きさを有するため、トイレットペーパのような異物は侵入することができない。特に、便器内のトイレットペーパは重なり合い膨張するため、第１隙間Ｔに入り込むことはない。そのため、ボールシート７とボール弁体６の間に第１隙間Ｔがあっても、トイレットペーパ等の異物がボールシート７の接触凸部７２とボール弁体６の間で噛み込まれることが抑止される。

また、第１隙間Ｔには、水などの液体は入り込むが、粘性抵抗はない。そのため、第１隙間Ｔにより、ボール弁体６の回転時の摺動抵抗を抑えることができる。さらに、バルブキャップ５の凸部５２はボールシート７の内周面と隙間なく嵌合しているので、バルブキャップ５とボールシート７の間に異物が侵入することにより生じる摺動抵抗を抑えるとともに、ボールシート７Ａ、７Ｂ間に第２隙間Ｓがあることにより、ボールシート７が摩耗してもシール性を維持することができる。よって、ボール弁体６が回転する際の摺動抵抗が小さく、モータを大きくする必要がない。そのため、簡易用トイレを小型化するとともに、コストを抑えることができる。

図７（Ｄ）に示すボールバルブ１の弁開状態では、ボール弁体６が９０度回転することにより、ボール弁体６の中空貫通孔６１が入口ポート５１Ａ、出口ポート５１Ｂと一直線に貫通するため、入口ポート５１Ａから流れてくる流体が中空貫通孔６１を通り出口ポート５１Ｂへと流れる。流体がボール弁体６の中空貫通孔６１を通過する際にも、ボール弁体６の球状外周面６２に沿って流体が流れようとするが、ボールシート７の接触凸部７２がボール弁体６の球状外周面６２と接触しているため、流体の漏れを防止することができる。

以上、説明したように、本実施形態のボールバルブ１によれば、
（１）アクチュエータ部２によりボール弁体６を回転させることにより、バルブの開閉を行うものであって、バルブキャップ５と該ボール弁体６との間にリング状のボールシート７及びバルブキャップ５とボールシート７との間に配置されたＯリング８を有し、異物が混在する流体に用いられるボールバルブ１において、ボールシート７は、ボール弁体６と接触する接触凸部７２及びボール弁体６との間に所定の第１隙間Ｔを形成する延設部７１により構成されていること、を特徴とするので、バルブ部３内でボールシート７とボール弁体６が形成する空間が狭いため、その空間にトイレットペーパ等の異物が侵入することを抑止することができる。また、所定の第１隙間Ｔが形成されていることにより、ボール弁体６が回転する際の摺動抵抗が小さく、モータ１５を大きくする必要がないため、小型化するとともに、コストを抑えることができ、介護ベッドの近くに設置する移動式簡易トイレに使用することができる。

（２）（１）に記載のボールバルブ１において、ボール弁体６を回転させるとき、第１隙間Ｔにトイレットペーパ等の異物が侵入することがないこと、を特徴とするので、バルブ部３内でボールシート７とボール弁体６が形成する空間が狭いため、その空間にトイレットペーパ等の異物が噛み込むことを防止することができる。

（３）（１）又は（２）に記載のボールバルブ１において、ボールシート７は、一対のものであって、各々のボールシート７の間に所定の第２隙間Ｓが形成されていること、を特徴とするので、ボールシート７が摩耗してもＯリング８の弾性力でボールシート７がボール弁体６に押し付けられるので、シール性を維持することができる。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のボールバルブ１において、バルブ部３を構成するバルブキャップ５は、ボール弁体６側の内周端部にボールシート７の内周面と嵌合する凸部５２が形成されていること、を特徴とするので、ボール弁体６が回転してもボールシート７がずれることがなく、バルブキャップ５とボールシート７の間に異物が侵入することを防ぐとともに、摺動抵抗の上昇を抑えることができる。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載のボールバルブ１において、異物は、トイレットペーパであり、ボールバルブ１は、負圧によりトイレットペーパを吸引する簡易トイレに用いられること、を特徴とするので、ボールシート７とボール弁体６の間の空間にトイレットペーパ等の異物が侵入することを抑止することができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。
例えば、本実施形態では、ボールバルブ１を簡易トイレに用いているが、業務用の食器等の食洗機、食材を揚げるためのフライヤーなど、異物が混在する流体に用いることができる。
また、本実施形態では、Ｏリング８を用いているが、皿ばねを用いても良い。
さらに、本実施形態では、モータ１５を用いているが、シンクロナスモータやコンデンサーモータ、又は空気圧アクチュエータでも良い。

１ ボールバルブ
２ アクチュエータ部
３ バルブ部
４ バルブボディ本体
５ バルブキャップ
６ ボール弁体
７ ボールシート
８ Ｏリング
５２ 凸部
６１ 中空貫通孔
６２ 球状外周面
７１ 延設部
７２ 接触凸部
Ｔ 第１隙間
Ｓ 第２隙間

Claims (4)

1. アクチュエータによりボール弁体を回転させることにより、バルブの開閉を行うものであって、バルブボディと該ボール弁体との間にリング状のボールシート及び該ボディと該ボールシートとの間に配置された弾性部材を有し、異物が混在する流体に用いられるボールバルブにおいて、
   前記ボールシートは、前記ボール弁体と接触する接触凸部及び前記ボール弁体との間に所定の第１隙間を形成する延設部により構成されていること、
   前記ボールシートは、一対のものであって、各々の前記ボールシートの間に所定の第２隙間が形成されていること、
   前記ボールシートが摩耗しても前記弾性部材の弾力性で前記ボールシートが前記ボール弁体に押し付けられるので、シール性を維持することができること、
   を特徴とするボールバルブ。
2. 請求項１に記載のボールバルブにおいて、
   前記ボール弁体を回転させるとき、前記第１隙間に前記異物が侵入することがないこと、
   を特徴とするボールバルブ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のボールバルブにおいて、
   前記バルブボディを構成するバルブキャップは、前記ボール弁体側の内周端部に前記ボールシートの内周面と嵌合する凸部が形成されていること、
   を特徴とするボールバルブ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のボールバルブにおいて、
   前記異物は、トイレットペーパであり、
   前記ボールバルブは、負圧により前記トイレットペーパを吸引する簡易トイレに用いられること、
   を特徴とするボールバルブ。

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