JP7058418B2 - 流路切換弁 - Google Patents

Description

本発明は、弁体を回転させることにより流路の接続を切り換える流路切換弁に関する。

従来の流路切換弁の一例が特許文献１に開示されている。この流路切換弁は、弁室を有する弁本体と、弁室内に配置された弁体と、弁体に連結された弁軸と、弁軸を介して弁体を回転駆動するモーター、駆動ギヤ等からなる回転駆動部と、を有している。

この流路切換弁の弁体には、六角形の縦貫通穴が設けられており、この縦貫通穴の上部に断面六角形の弁軸が挿入される。これにより、弁体と弁軸とが連結され弁軸の回転に伴って弁体が回転される。また、弁体には、弁本体に設けられた２つの流出口に択一的に連通される円形の横穴が設けられている。

特開２０１８－１１５６９０号公報

しかしながら、上記流路切換弁の弁体では、縦貫通穴の六角形の角部が縦貫通穴と横穴との間の梁部分に配置されているので、梁部分がより細くなっている。そのため、弁体を射出成形により作製したとき梁部分で樹脂が合流してウェルドラインが生じ、梁部分の剛性が低下してしまうおそれがあった。

そこで、本発明は、弁体の梁部分の剛性の低下を効果的に抑制できる流路切換弁を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の流路切換弁は、弁室および当該弁室に通じる複数の流路が設けられた弁本体と、前記弁室内に回転可能に収容され、回転位置に応じて前記流路の接続を切り換える弁体と、前記弁体の回転軸線に沿うように当該弁体に取り付けられる弁軸と、前記弁軸を介して前記弁体を回転させる駆動部と、を有する流路切換弁であって、前記弁体は、内部に設けられた切換流路に通じる３つの横孔と、前記弁軸が挿入される縦孔と、が設けられ、前記回転軸線方向から見て、前記縦孔は、外側に凸の角部を有するとともに、当該角部が前記横孔と前記縦孔との間の梁部分からずれて配置されていることを特徴とする。

本発明において、前記縦孔は、前記切換流路に連通している。

本発明において、前記縦孔は、多角形状に形成されていることが好ましい。

本発明において、前記回転軸線方向から見て、前記横孔は、中心線が前記多角形状の辺の部分に直交するように形成されていることが好ましい。

本発明において、前記縦孔は、３または４の倍数の多角形状に形成されていることが好ましい。

本発明において、前記縦孔は、四角形状に形成されていることが好ましい。

本発明において、前記縦孔は、三角形状に形成されていることが好ましい。

本発明において、前記弁体は、球体状に樹脂成形され、前記縦孔と対向する壁部分の外側面のみにゲート痕を有することが好ましい。
上記目的を達成するために、本発明の流路切換弁は、弁室および当該弁室に通じる複数の流路が設けられた弁本体と、前記弁室内に回転可能に収容され、回転位置に応じて前記流路の接続を切り換える弁体と、前記弁体の回転軸線に沿うように当該弁体に取り付けられる弁軸と、前記弁軸を介して前記弁体を回転させる駆動部と、を有する流路切換弁であって、前記弁体は、内部に設けられた切換流路に通じる横孔と、前記弁軸が挿入される縦孔と、が設けられ、前記縦孔は、前記切換流路に連通しており、前記縦孔は、三角形状に形成されており、前記回転軸線方向から見て、前記縦孔は、外側に凸の角部を有するとともに、当該角部が前記横孔と前記縦孔との間の梁部分からずれて配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、弁軸が取り付けられる弁体は、内部に設けられた切換流路に通じる横孔と、弁軸が挿入される縦孔と、が設けられている。そして、弁体の回転軸線方向から見て、縦孔が、外側に凸の角部を有するとともに、当該角部が横孔と縦孔との間の梁部分からずれて配置されている。このようにしたことから、弁体の梁部分がより細くなってしまうことを回避して、弁体の梁部分の剛性の低下を効果的に抑制できる。また、弁軸挿入孔が三角形状や四角形状、六角形状、八角形状などの多角形状に形成されていることで、弁体が比較的簡易な構造となり、容易に作製することができる。

本発明の一実施形態に係る流路切換弁の一部断面を含む斜視図である。 図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 図１の流路切換弁が有するボール弁体および弁軸の斜視図である。 ボール弁体の平面図である。 ボール弁体の変形例を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る流路切換弁の構成について、図１～図５を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る流路切換弁の一部断面を含む斜視図である。図２は、図１のＡ－Ａ線に沿う断面図である。図３は、図１の流路切換弁が有するボール弁体および弁軸の斜視図である。図４は、本実施形態の流路切換弁が有するボール弁体の平面図である。図５（ａ）～（ｅ）はボール弁体の変形例を示す平面図である。以下の説明において、「上下左右」は各図において各部材の相対的な位置関係を示すために用いており、絶対的な位置関係を示すものではない。各図において、Ｘ軸方向を左右方向、Ｙ軸方向を手前－奥方向（正面－背面方向）、Ｚ軸方向を上下方向としている。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに直交している。また、弁体の回転軸線に沿う方向（回転軸線方向）を縦方向とし、回転軸線と直交する方向を横方向としている。

図１、図２に示すように、本実施形態の流路切換弁１は、弁本体１０と、ボール弁体２０と、シート部材３０、３０と、封止部材３１、３１と、駆動部４０と、弁軸５０と、を有している。また、流路切換弁１は、回転角出力軸であるポテンショ軸６０と、ベース体であるポテンショベース７０と、回転角検出部であるポテンショメーター８０と、をさらに有している。

弁本体１０は、合成樹脂を材料として略立方体箱状に形成されている。弁本体１０における左側壁部１０ａには、略Ｌ字状の第１流路１１が設けられている。弁本体１０の正面壁部１０ｂには、直線状の第２流路１２が設けられている。弁本体１０の右側壁部１０ｃには、第１流路１１と面対称となる略Ｌ字状の第３流路１３が設けられている。第１流路１１の開口１１ａと、第２流路１２の開口１２ａと、第３流路１３の開口１３ａとは、同一方向（正面方向）に向けられている。第１流路１１と第２流路１２と第３流路１３とは、弁本体１０内に設けられた弁室１４に通じている。弁室１４に通じる流路として、２つまたは４つ以上の複数の流路が設けられていてもよい。

ボール弁体２０は、例えば、合成樹脂などを材料として、中空ボール状（球体状）に形成されている。ボール弁体２０は、後述するシート部材３０、３０に回転可能に支持されて弁室１４に収容されている。ボール弁体２０は、図２に示す回転位置において、左側に向けて開口された横孔である第１開口２１と、正面に向けて開口された横孔である第２開口２２と、右側に向けて開口された横孔である第３開口２３と、が設けられている。ボール弁体２０の内部には、第１開口２１と第２開口２２と第３開口２３とを互いにつなげる平面視で略Ｔ字状の切換流路２５が設けられている。つまり、第１開口２１と第２開口２２と第３開口２３とは、切換流路２５に連なっている。なお、ボール弁体２０は、例えば、第１開口２１および第２開口２２のみ有し、図２に示す回転位置において、第１開口２１と第２開口２２とを互いにつなげる平面視で略Ｌ字状の切換流路２５が設けられていてもよい。また、本実施形態では弁体としてボール弁体２０を用いているが、柱状の弁体を用いてもよい。

切換流路２５は、回転位置に応じて第１流路１１と第２流路１２と第３流路１３との接続を切り換えるように構成されている。具体的には、切換流路２５は、ボール弁体２０が図２に示す回転位置にあるとき、第１流路１１と第２流路１２と第３流路１３とを接続する。切換流路２５は、ボール弁体２０が図２に示す回転位置から平面視で時計回りに９０度回転された回転位置にあるとき、第１流路１１と第２流路１２とを接続する。切換流路２５は、ボール弁体２０が図２に示す回転位置から平面視で反時計回りに９０度回転された回転位置にあるとき、第２流路１２と第３流路１３とを接続する。

ボール弁体２０の上部には、後述する弁軸５０が挿入される縦孔である弁軸挿入孔２４が設けられている。弁軸挿入孔２４は、切換流路２５に連なっている（連通している）。弁軸挿入孔２４は、弁軸５０が挿入されることにより当該弁軸５０の回転に伴ってボール弁体２０が回転軸線である軸線Ｌ周りに回転するように形成されている。具体的には、弁軸挿入孔２４は、弁軸５０の角柱部５２における軸方向と直交する方向の断面形状（横断面形状）と同一の形状に形成されている。本実施形態において、軸線Ｌに沿う方向（回転軸線方向）から見て、弁軸挿入孔２４は、図４に示すように、正方形状に形成されている。

弁軸挿入孔２４は、正方形状であることから外側に凸の角部２４ａを４つ有している。そして、４つの角部２４ａが、第１開口２１と弁軸挿入孔２４との間の梁部分２６ａ、第２開口２２と弁軸挿入孔２４との間の梁部分２６ｂ、および、第３開口２３と弁軸挿入孔２４との間の梁部分２６ｃからずれて配置されている。換言すると、弁軸挿入孔２４の４つの角部２４ａは、第１開口２１と第２開口２２との間の周壁部分２７ａ、第２開口２２と第３開口２３との間の周壁部分２７ｂ、および、第３開口２３と第１開口２１との間の周壁部分２７ｃを向くように配置されている。また、弁軸挿入孔２４は、ボール弁体２０の下部の壁部分である底壁部分２８と軸線Ｌに沿う方向に対向している。

弁軸挿入孔２４に代えて採用可能な変形例を図５（ａ）～（ｃ）に示す。図５（ａ）は、正方形状の各辺を内側に湾曲させた形状に形成された弁軸挿入孔２４Ａである。図５（ｂ）は、十字形状に形成された弁軸挿入孔２４Ｂである。図５（ｃ）は、八角形状に形成された弁軸挿入孔２４Ｃである。弁軸挿入孔２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃにおいても、本実施形態の弁軸挿入孔２４と同様に、各角部２４ａが、梁部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃからずれて配置されている。すなわち、各角部２４ａが、周壁部分２７ａ、２７ｂ、２７ｃを向くように配置されている。

さらに、図５（ｄ）、（ｅ）に、２つの横孔である第１開口２１および第２開口２２が軸線Ｌ周りに設けられたボール弁体２０Ｄ、２０Ｅを示す。図５（ｄ）は、三角形状に形成された弁軸挿入孔２４Ｄが設けられた変形例を示す。図５（ｅ）は、六角形状に形成された弁軸挿入孔２４Ｅが設けられた変形例を示す。弁軸挿入孔２４Ｄ、２４Ｅにおいても、本実施形態の弁軸挿入孔２４と同様に、各角部２４ａが、梁部分２６ａ、２６ｂからずれて配置されている。すなわち、各角部２４ａが、周壁部分２７ａ、２７ｂを向くように配置されている。なお、図４および図５（ａ）～（ｅ）中の破線は、各弁体内での横孔を含む流路の断面形状を表している。

図５に示すいずれのボール弁体においても、弁軸挿入孔の各角部２４ａが、横孔と縦孔（弁軸挿入孔）との間の梁部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃからずれて配置されている。すなわち、各角部２４ａが、周壁部分２７ａ、２７ｂ、２７ｃを向くように配置されている。また、三角形状、四角形状、六角形状、八角形状などの多角形状の弁軸挿入孔が設けられたボール弁体は、軸線Ｌに沿う方向（回転軸線方向）から見て、横孔の中心線（軸線）が弁軸挿入孔の多角形状の辺の部分と直交している。本実施例では、軸線Ｌに沿う方向から見て、横孔である第１開口２１、第２開口２２および第３開口２３の中心線が弁軸挿入孔２４の四角形状の辺の部分と直交している。

シート部材３０、３０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの合成樹脂を材料として、円環状に形成されている。シート部材３０、３０は、対をなしており、弁室１４にＸ軸方向に互いに間隔をあけて対向して収容されている。シート部材３０、３０は、弁室１４内においてボール弁体２０を間に挟んで回転可能に支持している。

封止部材３１、３１は、例えば、ゴム材などの弾性材料からなるＯリングであり、一方のシート部材３０と弁本体１０の左側壁部１０ａとの間、および、他方のシート部材３０と弁本体１０の右側壁部１０ｃとの間に圧縮状態となるように挟まれて配置されている。本実施形態において、封止部材３１は、シート部材３０に設けられた環状溝３０ａに装着されており、一部が環状溝３０ａから突出している。封止部材３１、３１は、シート部材３０、３０とともに弁本体１０とボール弁体２０との間をシール（封止）している。なお、封止部材３１、３１を省略して、ゴム材などの弾性材料からなる、封止部材の機能を兼ね備えたシート部材３０、３０を採用した構成としてもよい。

駆動部４０は、図示しないモーターおよびギヤ４１を含む減速機を組み合わせた駆動機構と、この駆動機構を収容する樹脂製の下ケース４３および図示しない上ケースを有している。上ケースは、ねじ止め構造やスナップフィット構造などの取付構造により下ケース４３に取り付けられる。駆動部４０は、後述する弁軸５０を介してボール弁体２０を軸線Ｌ周りに回転させる。

下ケース４３は、底壁４３ａの中央に円筒状の軸受部４５を一体に有している。軸受部４５は、弁軸５０が挿入されるとともに、弁軸５０を回転可能に支持する。下ケース４３の底壁４３ａに設けられた略四角筒形状の内側周壁部４３ｂは、弁本体１０の上端部と組み合わされ、互いに接合（本実施形態では、超音波溶着）されている。なお、下ケース４３と弁本体１０とは、ねじ止め構造などにより互いに組み付けられていてもよい。

弁軸５０は、合成樹脂製であり、全体的に直線状に延びる柱形状に形成されており、円柱部５１と、円柱部５１の下端に同軸に連なる角柱部５２と、を有している。弁軸５０は軸線Ｌに沿うように配置される。

円柱部５１は、その下端部に、径方向外側に突出した環状のストッパ部５３が設けられている。ストッパ部５３は、その外径が軸受部４５の内径より大きくなるように形成されている。

また、円柱部５１の下端部には、ストッパ部５３より上方の位置に全周にわたって溝が設けられており、この溝には、ゴム材などを材料として環状に形成されたＯリング５４がはめ込まれている。円柱部５１は、軸受部４５に挿入されて、軸受部４５に回転可能に支持される。円柱部５１の外径は軸受部４５の内径より若干小さく、円柱部５１が軸受部４５に挿入されるとＯリング５４が弁軸５０と軸受部４５との隙間を封止する。これにより、弁室１４内の流体が外部に漏れることを防止する。

円柱部５１の上端部には、駆動部４０の駆動機構が有するギヤ４１が圧入により取り付けられている。また、円柱部５１の上端部には、圧入されたギヤ４１の空回りを抑制する平面部５１ａが設けられている。ギヤ４１は、圧入以外の方法で弁軸５０に取り付けられていてもよい。

角柱部５２は、横断面形状が正方形状となる柱状に形成されている。角柱部５２は、ボール弁体２０の弁軸挿入孔２４に挿入されることにより、軸線Ｌに沿うように当該ボール弁体２０に取り付けられる。これにより、ボール弁体２０の軸線Ｌが弁軸５０の回転軸となり、ギヤ４１の回転に伴って弁軸５０が軸線Ｌ周りに回転される。弁軸挿入孔２４は角柱部５２の横断面形状と同一の正方形状に形成されているので、弁軸挿入孔２４と角柱部５２とが嵌まり合い、弁軸５０の回転に伴ってボール弁体２０が軸線Ｌ周りに回転される。角柱部５２は、その外径がストッパ部５３より小さくなるように形成されている。

また、円柱部５１における上方を向く端面５１ｂの中央には軸線Ｌに沿う略円柱状の取付穴５５が穿たれて設けられている。取付穴５５には、後述するポテンショ軸６０が圧入される。

ポテンショ軸６０は、例えば、ステンレスや真ちゅうなどの金属製またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの合成樹脂製であり、弁軸５０と別体に設けられている。ポテンショ軸６０は、弁軸５０の取付穴５５に圧入されることにより弁軸５０に同軸に固定して取り付けられる。ポテンショ軸６０は、上端部に設けられたＤカット形状の嵌合軸部６１が後述するポテンショメーター８０のローター８１と嵌め合わされる。

ポテンショベース７０は、合成樹脂製であり、ベース本体部７１と、メーター取付部７２と、を一体に有している。ベース本体部７１は、略平板状に形成され、下ケース４３の底壁４３ａから上方に突出するボス（図示なし）にねじ７８、７８によって固定される。メーター取付部７２は、略円板状に形成され、中央に後述するポテンショメーター８０が取り付けられている。

ポテンショメーター８０は、回転角を検出するための回転角センサーである。ポテンショメーター８０は、円板状のローター８１と、ローター８１を回転可能に支持するとともに、ローター８１の回転角に応じた信号（電圧）を出力する信号出力部であるメーター本体部８２と、を有している。ローター８１の中央には、平面視Ｄ字状の嵌合孔が設けられており、嵌合孔にはポテンショ軸６０の嵌合軸部６１が貫通しかつ嵌合軸部６１とともにローター８１が回転するように嵌め合わされる。ローター８１は、嵌合軸部６１の回転に伴って回転される。これにより、ポテンショメーター８０は、ポテンショ軸６０（すなわち、弁軸５０およびボール弁体２０）の軸線Ｌ周りの回転角を検出する。

流路切換弁１は、駆動部４０のモーターの回転がギヤ４１を通じて弁軸５０に出力され、弁軸５０が軸線Ｌ周りに回転される。この弁軸５０の回転に伴ってボール弁体２０が軸線Ｌ周りに回転されて、各回転位置に位置づけられる。これにより、回転位置に応じた流路の接続が実現される。また、弁軸５０とともにポテンショ軸６０が軸線Ｌ周りに回転され、ポテンショ軸６０の回転角に応じた信号がポテンショメーター８０から出力される。ポテンショメーター８０から出力された信号に基づいて、ボール弁体２０の回転位置を監視することができる。

以上より、本実施形態の流路切換弁１によれば、弁軸５０が取り付けられるボール弁体２０は、内部に設けられた切換流路２５に通じる横孔である第１開口２１、第２開口２２および第３開口２３と、弁軸５０が挿入される縦孔である弁軸挿入孔２４と、が設けられている。そして、弁軸挿入孔２４が、外側に凸の角部２４ａを有するとともに、当該角部２４ａが第１開口２１と弁軸挿入孔２４との間の梁部分２６ａ、第２開口２２と弁軸挿入孔２４との間の梁部分２６ｂ、および、第３開口２３と弁軸挿入孔２４との間の梁部分２６ｃからずれて配置されている。このようにしたことから、ボール弁体２０の梁部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃがより細くなってしまうことを回避して、ボール弁体２０の梁部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃの剛性の低下を効果的に抑制できる。また、弁軸挿入孔２４が四角形状に形成されていることで、ボール弁体２０が比較的簡易な構造となり、容易に作製することができる。

また、ボール弁体２０は、溶融樹脂を金型のキャビティに射出充填して成形（すなわち樹脂成形）される。この金型において、キャビティに樹脂を注入するためのゲート（樹脂注入口）が、縦孔である弁軸挿入孔２４と対向する底壁部分２８の外側面に対応する箇所に設けられている。特に、ゲートが、底壁部分２８の外側面における軸線Ｌが通る部分またはその近傍に対応する箇所設けられていることが好ましい。これにより、底壁部分２８の外側面のみにゲートの痕跡である凹凸（ゲート痕）が形成され、ボール弁体２０の外側面におけるシート部材３０、３０と接する梁部分２６ａ、２６ｂ、２６ｃや周壁部分２７ａ、２７ｂ、２７ｃにゲート痕が形成されることを回避できる。そのため、当該ゲート痕がシート部材３０、３０に接することを防いで、シール性を高めるとともにボール弁体２０を滑らかに摺動させることができる。

上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の趣旨に反しない限り、本発明の範囲に含まれる。

上述した実施形態においては、弁体としてボール弁体を採用した例について説明したが、本発明はボール弁体を採用した構成に限られない。例えば、ボール弁体に代えて、円筒状の弁体を採用し、当該弁体に上述の弁軸挿入孔２４（縦孔）を設けてもよい。また、弁軸挿入孔２４（縦孔）の角部に面取りやＲ形状を設けてもよい。

１…流路切換弁、１０…弁本体、１０ａ…左側壁部、１０ｂ…正面壁部、１０ｃ…右側壁部、１１…第１流路、１２…第２流路、１３…第３流路、１１ａ、１２ａ、１３ａ…開口、１４…弁室、２０…ボール弁体、２１…第１開口、２２…第２開口、２３…第３開口、２４…弁軸挿入孔、２５…切換流路、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…梁部分、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…周壁部分、３０…シート部材、３０ａ…環状溝、３１…封止部材、４０…駆動部、４１…ギヤ、４３…下ケース、４３ａ…底壁、４３ｂ…内側周壁部、４５…軸受部、５０…弁軸、５１…円柱部、５１ａ…平面部、５１ｂ…端面、５２…角柱部、５３…ストッパ部、５４…Ｏリング、５５…取付穴、６０…ポテンショ軸、６１…嵌合軸部、７０…ポテンショベース、７１…ベース本体部、７２…メーター取付部、８０…ポテンショメーター、８１…ローター、８２…メーター本体部

Claims (8)

1. 弁室および当該弁室に通じる複数の流路が設けられた弁本体と、前記弁室内に回転可能に収容され、回転位置に応じて前記流路の接続を切り換える弁体と、前記弁体の回転軸線に沿うように当該弁体に取り付けられる弁軸と、前記弁軸を介して前記弁体を回転させる駆動部と、を有する流路切換弁であって、
   前記弁体は、内部に設けられた切換流路に通じる３つの横孔と、前記弁軸が挿入される縦孔と、が設けられ、
   前記縦孔は、前記切換流路に連通しており、
   前記回転軸線方向から見て、前記縦孔は、外側に凸の角部を有するとともに、当該角部が前記横孔と前記縦孔との間の梁部分からずれて配置されていることを特徴とする流路切換弁。
2. 前記縦孔は、多角形状に形成されている、請求項１に記載の流路切換弁。
3. 前記回転軸線方向から見て、前記横孔は、中心線が前記多角形状の辺の部分に直交するように形成されている、請求項２に記載の流路切換弁。
4. 前記縦孔は、３または４の倍数の多角形状に形成されている、請求項２または請求項３に記載の流路切換弁。
5. 前記縦孔は、四角形状に形成されている、請求項４に記載の流路切換弁。
6. 前記縦孔は、三角形状に形成されている、請求項４に記載の流路切換弁。
7. 前記弁体は、球体状に樹脂成形され、前記縦孔と対向する壁部分の外側面のみにゲート痕を有する、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の流路切換弁。
8. 弁室および当該弁室に通じる複数の流路が設けられた弁本体と、前記弁室内に回転可能に収容され、回転位置に応じて前記流路の接続を切り換える弁体と、前記弁体の回転軸線に沿うように当該弁体に取り付けられる弁軸と、前記弁軸を介して前記弁体を回転させる駆動部と、を有する流路切換弁であって、
   前記弁体は、内部に設けられた切換流路に通じる横孔と、前記弁軸が挿入される縦孔と、が設けられ、
   前記縦孔は、前記切換流路に連通しており、
   前記縦孔は、三角形状に形成されており、
   前記回転軸線方向から見て、前記縦孔は、外側に凸の角部を有するとともに、当該角部が前記横孔と前記縦孔との間の梁部分からずれて配置されていることを特徴とする流路切換弁。

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